Malzeme Bilimi Ve Labaratuvarı MALZEMEDE İÇ YAPI. Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi

Transkript

1 Malzeme Bilimi Ve Labaratuvarı MALZEMEDE İÇ YAPI Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi

2 Malzemede İç Yapı Bütün bilim dallarında olduğu gibi inşaat bilim dalında da cisimlerin yükler altındaki davranışlarını bilmek çok önemlidir. Örneğin yapının tasarımı boyutlandırılması ve kesin hesaplan için malzemenin mekanik özelliklerini bilmek gerekir. Mekanik özellikler cismin iç yapısına bağlı olduğundan iç yapısının incelenmesi gerekir. Malzemeye uygulanan bir işlem sonucu özelliklerindeki değişmeler malzemenin iç yapısı göz önüne alınarak açıklanabilir.

3 Atomların Yapısı Her madde, saf element veya bileşim, atomlardan oluşur. Atomların birbirleri arasındaki uzaklığa göre madde; katı hal (yaklaşık düzen), sıvı hal (uzak düzen) veya gaz hali (düzensiz) olarak söylenir. Plazma hali, gaz halinin, yani düzensizliğin özel bir durumudur. Güneş ve alev malzemenin plazma haline örnek oluştururlar.

4 Atomların Yapısı Atomlar merkezlerinde bir çekirdek ile onu çevreleyen elektronlardan oluşurlar. Çekirdekteki protonlar artı (+) elektriksel yüklü, nötronlar yüksüz, elektronlar ise eksi (-) yüklüdür. Atomdaki protonların toplam sayısına atom numarası, atomdaki proton ve nötronların toplam sayısına kütle numarası denir.

5 Atomların Yapısı Nötr bir atomda elektronların (-) sayısı protonların sayısına (+) eşittir. Bu durumda toplam elektriksel yük sıfırdır. Bir atomda bulunan protonların sayısı o atomun atom numarasını belirtir. Örneğin, sodyum atomunun çekirdeğinde 11 proton ve çekirdeğindeki protonlarla nötronların çevresinde 11 elektron vardır ve sodyumun atom numarası 11 dir.

6 Atomların Yapısı Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir. Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron ve proton sayısı belirler. Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır. İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir.

7 Atomların Yapısı Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotopların kütle sayıları birbirlerine eşit olabilir. Proton adedi farklı, kütle sayıları farklı atomlara izobar denir.

8 Periyodik Tablo Doğada var olan elementlerin elektron yapılarında gözlenen tekrarlı düzenden esinlenerek atom numaralarına göre bir periyodik tablo oluşturulmuştur.

9 Atomların Yapısı Malzemelerin iç yapısının oluşmasında ana etken olan atomlar arası bağ kuvvetleri, elektron yapılarından kaynaklanır. Bir arada bulunan atomların dış kabuğundaki valans elektronları etkileşerek daha düşük enerjili, dolayısıyla daha kararlı bir düzen oluşturma eğilimi gösterirler ve sonuçta atomlar arası bağ kuvvetleri oluşur.

10 Atomsal Diziliş Malzemede iç yapılar atomların bağ kuvvetleri etkisinde üç boyutlu uzayda dizilmeleri sonucu oluşur. Atomların bir araya gelerek dizilişlerinde oldukça basit kurallar geçerlidir. Bu kurallar bilindikten sonra büyük kütlelerin yapısını tanımak oldukça kolaydır. Atomsal diziliş genellikle üç aşamada ele alınır: 1. İki atom arasında ilişkiler. 2. Bir atoma onu çevreleyen komşular arasında ilişkiler. 3. Üç boyutlu uzak mesafeli dizilişler.

11 Atomsal Diziliş Bir cismin kimyasal bileşimi aynı kaldığı halde atomsal diziliş biçimi değişirse özellikler önemli ölçüde etkilenir. Örneğin %0,8 karbonlu çelik 800 o C ta ısıtıldıktan sonra 1 günde 1 saatte ve 1 saniyede olmak üzere üç ayrı hızda soğutulacak olursa, mukavemetler yaklaşık 1/2/3 oranında farklı değerler alır. Bunun nedeni, üç farklı soğuma hızında atomların üç değişik biçimde dizilmesi, dolayısıyla üç değişik iç yapı oluşmasıdır. Mikroskopla incelendiğinde bu farklar açık bir şekilde görülebilir.

12 Atomlar arası Bağ Kuvvetleri Atomları bir arada tutan çekim kuvvetleri atomun kendi elektriksel yapısı sonucu ortaya çıkan birtakım bağlar nedeniyledir. Bu bağlar içinde en önemlisi (+) ve (-) yüklü iyonları birbirine çeken iyon bağlarıdır. Atomlar arası bağ kuvvetleri atomları bir arada tutarak iç yapıyı oluşturur. Malzemelerin mukavemeti, elektriksel ve ısıl özellikleri büyük ölçüde iç yapıya bağlıdır. Bağlar kuvvetli olursa elastisite modülü, mukavemet ve ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşme düşük olur.

13 Atomlar arası Bağ Kuvvetleri Atomlar arası bağ kuvvetleri zıt elektriksel yüklü parçacıklar arası elektrostatik veya Coulomb çekme kuvvetlerinden kaynaklanır. Nötr atomlarda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır. Atomlar birbirlerine elektron vererek, elektron alarak veya elektron paylaşarak elektriksel yüklü hale gelirler, bu durumda aralarında Coulomb çekme kuvveti doğar. Atomlar bireysel halde belirli bir potansiyel enerjiye sahiptirler. Aralarında bağ oluşurken potansiyel enerji azalır, denge halinde minimuma erişir, dolayısıyla kararlı yapı meydana gelir.

14 Bağ Kuvvetleri Bağ kuvvetleri kuvvetli ve zayıf bağlar olmak üzere iki türdür. Kuvvetli bağlar genellikle atomlar arası elektron alışverişi veya elektron paylaşılması, zayıf bağlar ise atomlar veya moleküller içinde elektronların asimetrik dağılışından kaynaklanan elektriksel kutuplaşması sonucu oluşur. Her iki halde de elektrostatik çekme kuvvetleri etkili olur, ancak büyüklükleri, dolayısıyla enerjileri çok farklıdır.

15 Bağ Kuvvetleri Zayıf bağları koparmak için gerekli ortalama enerji, kuvvetli bağlarınkinin yaklaşık onda biri kadardır. Kuvvetli bağlar egemen olduğu zaman zayıf bağların etkisi önemsizdir. Ancak bazı malzemelerde (lineer polimerler) atom grupları arası tek bağlayıcı kuvvet olunca önem kazanır ve mekanik özellikleri belirler.

16 Kuvvetli Bağlar Kuvvetli bağlar (primer veya birincil bağlar); iyonsal, kovalan ve metalsel olmak üzere üç türe ayrılırlar.

17 Kuvvetli Bağlar İyonsal Bağlar: Genellikle elektropozitif (metalsel) elemanlarla elektronegatif (metalsel olmayan) elemanlar arasında valans elektronlarının alışverişi sonucu iyonlaşma oluşur. Elektron alan eleman eksi yüklü iyon (anyon), elektron veren elemanlar ise artı yüklü iyon (katyon) olur. Bunlar arasında elektrostatik Coulomb çekme kuvvetleri iyonsal bağı meydana getirir.

18 Kuvvetli Bağlar İyonsal Bağlar: Bir iyon çevresindeki zıt işaretli iyonları kendine çeker, denge halinde potansiyel enerji minimum olur dolayısıyla kararlı yapı meydana gelir. Ancak kütle içinde artı yük sayısının eksi yük sayısına eşit olması, diğer bir deyimle net elektriksel yükün sıfır olması kararlı yapı için zorunludur. Genellikle artı yüklü iyonlarla eksi yüklü iyonlar üç boyutlu uzayda ardışık dizilerek düzenli bir yapı oluşturma eğilimi gösterirler. Bu nedenle artı iyonsal bağlı cisimler çoğunlukla düzenli kristal yapıya sahiptirler. NaCl, MgO ve CaO bunlara birer örnek olarak gösterilebilir.

19 Kuvvetli Bağlar Kovalan Bağlar: Periyodik tabloda birbirine yakın ve elektronegatifleri arasında az fark bulunan elemanların atomları veya aynı elemanın kendi atomları valans elektronlarını çiftler halinde paylaşabilirler. Paylaşılan eksi yüklü elektronlar artı yüklü iki komşu arasında sürekli titreşim halinde kalarak bir köprü oluştururlar. Bu şekilde kovalan bağ oluşurken atomlar birbirine yaklaşır, potansiyel enerji azalarak minimuma erişir ve kararlı bir yapı elde edilir. Oluşum biçiminden anlaşıldığı gibi kovalan bağ belirli iki atom arasındadır. Belirli tür atomlar arasında oluşan bağ boyları ile bağlar arası açılar sabittir ve kütle boyunca eşittir. Bundan dolayı kovalan bağlar yönlü bağ niteliğindedir.

20 Kuvvetli Bağlar Metalsel Bağlar: Metalsel bağ valans enerji kabuğunda az sayıda elektron ( 3) içeren atomlar arasında oluşur. Metallerin iyonsal ve kovalan bağlı cisimlere göre bazı özelliklerinin çok farklı olduğu göz önüne alınırsa bunları açıklamak için serbest elektron içerdikleri sonucuna varılabilir. Örneğin elektriksel ve ısıl iletkenlik elektronların kütle içinde elektriksel alan ve sıcaklık farkı ile çok kolay hareket edebilmelerini gerektirir. Bu da ancak serbest elektronlarla sağlanabilir. Metalsel bağ için en uygun model serbest elektron bulutu ile bunun içinde bir geometrik düzene göre dizilmiş artı yüklü iyonlardan oluşur bu durumda elektronların enerjisi daha düşüktür. Bağ kuvveti elektronlarla artı iyonlar arasında elektrostatik çekme kuvvetinden kaynaklanır ve yönsüz niteliktedir.

21 Zayıf Bağlar Zayıf bağlar (sekonder veya ikincil) veya diğer bir deyimle Van der Waals kuvvetleri zıt işaretli iki kutup arasındaki çekme kuvvetlerinden kaynaklanır. Zayıf bağları koparmak için gerekli ortalama enerji, kuvvetli bağlarınkinin yaklaşık onda biri kadardır. Kuvvetli bağlar egemen olduğu zaman ihmal edilebilir, ancak bazı malzemelerde (lineer polimerler) atom gruplarını birbirine bağlayan tek kuvvet olunca önem kazanırlar.

22 Atomsal Yapı Türleri Yapı malzemelerinde 5 tip atomsal yapıya rastlanır. Metalik (Kristal) yapı Amorf yapı Bileşik yapı Kolloidal yapı Seramik yapı

23 Atomsal Yapı Malzemelerin iç yapısı atomlar arası bağ kuvvetleri etkisinde atomların diziliş biçimine bağlıdır. Atomların dizilişi düzenli ise kristal Yapı, düzensiz ve rasgele ise amorf yapı oluşur.

24 Atomsal Yapı Düzenli dizilişin temel niteliği tekrarlılıktır. Düzenli bir yapıda herhangi bir doğrultu boyunca atomlar arası uzaklık eşit ve çevreleri özdeştir. Metallerin tümü, seramiklerin çoğu, bazı polimerler kısmen kristal yapılıdırlar. Camlar, sıvılar, plastiklerin büyük bir çoğunluğu ve bazı aşırı hızla soğutulmuş metaller amorf yapıya sahiptirler.

25 Metalik (Kristal) Yapı Metalik ve metalik olmayan kristaller birim hücrelerden oluşurlar. Birim hücre üç boyutlu atomların belirli düzende dizildiği ve tüm kristali oluşturan en küçük öğedir. Birim hücrelerin her doğrultuda birbirleri ile birleşerek yayılması sonucunda tüm kristal oluşur. Katı metalik cisimlerde bu birleşme bir düzen içerisinde oluşur. Bu düzenli yapıya Kristal yapı denir.

26 Metalik (Kristal) Yapı Düzenli bir yapıda herhangi bir doğrultu boyunca atomlar arası uzaklık eşit ve çevreleri özdeştir. Metallerin tümü, seramiklerin önemli bir kısmı ve bazı polimerler ise kısmen kristal yapılıdırlar. Sıvı halde rasgele dağılmış olan atomlar katılaşırken düzenli biçimde dizilerek kristal yapıyı oluştururlar. Ancak bu düzen atomlar düzeyinde olduğundan cismin dış görünümünden belli olmaz, pek az cisimde dış görünüşü etkiler, kuvartz kristali, kaya tuzu ve kar tanesi gibi.

27 Metalik (Kristal) Yapı Türleri BCC kristal yapısı (Hacim merkezli kübik) FCC kristal yapısı (Yüzey merkezli kübik) HCP kristal yapısı (Hekzagonal)

28 Amorf Yapı Bir cismin atomlarının dizilişi rasgele (düzensiz) ise bu yapıya amorf yapı denir. Metallerin tümü düzenli kristal yapıya sahiptir. Çok az yerel düzensizlik bulunmakla beraber, tane sınırları gibi, genel nitelik değişmez. Diğer taraftan uygulamada kullanılan malzemelerin önemli bir bölümünde atomların düzensiz rasgele dizilmeleri sonucu oluşan amorf yapı vardır. Gazlar, sıvılar, camlar, plastiklerin büyük bir çoğunluğu ve bazı aşırı hızla soğumuş metaller amorf yapıya sahiptirler.

29 Amorf Yapı

30 Atomsal Yapı Türleri

31 Bileşik Yapı Küçük kristal parçalarının gelişigüzel bir yığınından ibarettir. Yığını tek bir kitle haline getiren bir bağlayıcı vardır. Bileşik yapıya örnek çelik ve ahşaptır. Ahşap ince kristal liflerinin reçineli bir madde ile yapışmasından oluşmuştur. Çelikte ise küçük parçaların kristal yapı görünümünde olmasına rağmen aynı cisim kaba bir bütün olarak göz önüne alındığında şekilsizdir. Bileşik yapılı cisimler izotrop veya anizotrop olabilirler.

32 Kolloidal Yapı Çok küçük elemanlar halinde bazı cisimler birbirlerinden ayrı olarak ayrı faz veya aynı faz halinde bulunan başka bir cisim içinde dağılmış bulunmaktadır. Örneğin bir sıvının diğer bir sıvı içinde yayılması.

33 Seramik Yapı Metaller ve polimerlerle birlikte geniş malzeme grubunu meydana getirirler. Seramikler bir metal veya iki metal ile bir ametal atomunun belirli oranlarda birleşmesiyle oluşurlar. Yalnız pişmiş toprak malzeme olarak düşünülmemelidir. Seramiklerde metaller Katyon ametaller ise anyon oluşumuna neden olurlar. Bu sebepten seramiklerde iyonsal bağlar yaygındır. Fakat bazen kovolen, kristal ve amorf yapıya da rastlanır.

34 Atomlar arası Bağlarla Malzemelerin Özellikleri Arasında Genel İlişkiler Malzemelerin özellikleri bağ türüne, bağ enerjisine ve atomların dizilişine büyük ölçüde bağlıdır. Atomlar arası bağ kuvvetleri; uygulanan kuvvetlere karşı direnç gösterir, şekil değiştirmeyi ve kırılmayı önlemeye çalışırlar. Ayrıca bağ kuvvetleri arttıkça malzemeyi ergitmek zorlaşır. Bu ilişkiler genellikle niteliksel olmakla beraber bir davranışın neden ve nasıl oluştuğunu açıklamada çok yararlıdır.

35 Özgül Ağırlık Özgül ağırlık tanım olarak birim hacimdeki bir cismin ağırlığıdır. Birim hacim içinde bulunan atomların sayısı ile bir atomun ağırlığı çarpılırsa cismin özgül ağırlığı elde edilir. Birim hacimdeki atom sayısını bulmak için atom yarıçapına ve koordinasyon türüne gerek vardır. Atomların düzenli dizilişi kristal yapıyı oluşturur. Kristal yapı türü bilinirse birim hacimdeki atomların sayısı kolaylıkla hesaplanır. Ancak doğada mevcut kristaller değişik türde kusur içerirler. Bu kusurların doğurduğu düzensizlik nedeni ile birim hacimdeki atom sayısı genelde kusursuz kristalde hesapla bulunacak sayıdan daha azdır. Bundan dolayı yapısal bir modele göre bulunacak teorik özgül ağırlıklar gerçekte deneyle bulunacak özgül ağırlıklardan küçüktür. Bu farkın çok küçük oluşu yapısal modellerin gerçeğe çok iyi uyduğunun kanıtıdır.

36 Ergime ve Buharlaşma Sıcaklıkları Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda zayıf bağlar egemendir. Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvı halden buhar hale geçerken zayıf bağlar kopar.

37 Isıl Genleşme Malzemelerin ısıl genleşmesi ergime sıcaklığı ile ters yönde değişir. Ergime sıcaklığı yüksek malzemelerde bağ enerjisi daha büyüktür.

38 Mukavemet Mukavemet genel anlamda bir malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvet olarak tanımlanır. Mukavemetin kaynağı atomlar arası bağ kuvvetleridir. İki atom arasında bağı koparmak için gerekli Fc kohezif kuvvet deneysel yolla bulunabilir. Ancak genelde kohezif mukavemetler deneyle bulunan mukavemetlerin yaklaşık 1000 katı kadardır. Aradaki bu büyük fark iç yapı kusurlarından kaynaklanır.

39 Elastisite Modülü Elastisite modülü bir malzemeden bir birim şekil değiştirme için uygulanacak gerilme olarak tanımlanır. Atomlar arası bağ kuvvetinin denge mesafesindeki eğimi elastisite modülü ile orantılıdır. Tanıma göre elastisite modülü E= / dir.

40 Elektriksel İletkenler Malzemelerde elektriksel iletkenlik malzeme elektriksel alan etkisinde serbest elektron hareketleri ile sağlanır. Metallerde valans elektronlar serbest halde bulunduklarından kolaylıkla yüksek iletkenlik elde edilir. İyonsal ve kovalan bağlı malzemelerde serbest elektron bulunmadığından iletken sayılmazlar.

41 Isıl İletkenlik Isıl enerji malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimleri ile iletilir. Serbest elektronlar ısıl titreşimlere göre kat daha fazla ısıl enerji iletirler, dolayısıyla metallerin ısıl iletkenliği çok yüksektir. İyonsal ve kovalan bağlılarda ısıl enerji yalnız atomların ısıl titreşimi ile iletilir, bu nedenle ısıl iletkenlik çok düşüktür. Uygulamada bu tür malzemeler ısıl yönden yalıtkan sayılırlar.

42 Optik Özellikler Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu tarafından yansıtıldığından geçemezler, bu nedenle metaller saydam değildirler, diğer bir deyimle opaktırlar. İyonsal ve kovalan bağlı cisimlerde serbest elektron bulunmadığından ışık yansıtılmadan kolayca geçebilir. Özellikle bu tür malzemeler arı ve kusursuz halde çoğunlukla saydamdırlar. Ancak içlerine katılan katkı maddeleri ve iç yapı kusurları saydamlığı azaltır, yarı saydam veya opak hale gelebilirler.

43 Kimyasal Özellikler Kimyasal reaksiyonlar atomlar arası bağ kopması ve bağ oluşması ile ilişkilidir, bu olaylar da büyük ölçüde valans elektron yapısına bağlıdır. Metallerde az sayıdaki valans elektronları kolaylıkla ana atomdan ayrılırlar ve geriye artı yüklü metal iyonları kalır. Metal iyonlarıda çevrenin elektro-kimyasal etkilerine karşı duyarlı olurlar, bu nedenle kolayca korozyona uğrarlar. Korozyon ürünü, demirde olduğu gibi, gevşek ve kolaylıkla kabarıp dökülür, malzeme kısa sürede tahrip olur. İyonsal ve kovalan bağlı malzemeler dış etkilere karşı çok dayanıklı olurlar.

44 Atomlar Arası Bağ Türlerine Göre Malzemelerin Sınıflandırılması Endüstride çok çeşitli malzeme türleri vardır, ayrıca gün geçtikçe bunlara yenileri eklenmektedir. Bunları ayrı ayrı ele alarak incelemek imkansızdır. Bunun yerine yapı ve özellikleri benzer olanları sınıflara ayırarak ortak yanlarını tanıtmak daha uygundur. Yeterli temel bilgilere sahip olduktan sonra gerekli herhangi bir malzeme türü ile ilgili ayrıntılı bilgiler farklı kaynaklardan sağlanabilir.

45 Atomlar Arası Bağ Türlerine Göre Malzemelerin Sınıflandırılması Malzeme bilimindeki önemli gelişmelerden yararlanarak ileri sürülen en tutarlı ve en uygun sınıflandırma atomlar arası bağ türlerine dayanır. Buna göre malzemeler; metaller, seramikler, plastikler olmak üzere üç sınıfa ayrılırlar.

46 Metaller Metaller çok değişik türde üstün özellikleri nedeni ile endüstride çok geniş uygulama alanına sahiptirler. Özellikle yapı ve makine malzemesi olarak sayılırlar. Arı halde yumuşak ve düşük mukavemetli olmalarına karşılık alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemlerle sertlik ve mukavemetleri birkaç kat arttırılabilir. Metaller, demir esaslı ve demirdışı metaller olarak iki gruba ayrılırlar. Demir esaslı metallerde ana eleman demirdir. Bunun yanında karbon daima bir alaşım elemanı olarak bulunur. Demire karbondan başka elemanlar katılarak üstün nitelikte çeşitli alaşımlı çelikler elde edilir. Demirdışı metallerden en önemli olanları alüminyum ve alaşımları ile bakır ve alaşımlarıdır.

47 Demirli Metaller Resim: Demir çağı; Taş Devri ve Bronz Çağının takibeden yıllarda başlamıştır. Her ne kadar Mısırlıların M.Ö yıllarında demirden balta ve keski kullandıkları ve Anadolu'dan gelen Hitit savaşçılarının demirden yapılmış silah kullandıkları bilinse de Demir Çağının başlangıcı M.Ö yılları olarak düşünülmektedir. İlk dönemlerde demirciler ateş ve su kullanarak demirin kendi içersinde değiştirmeyi (sertleştirmeyi) bir sihirbaz gibi sihirli bir güç ile gerçekleştirdiklerini düşünmüşlerdir.

48 Demirli Metaller DEMİR, yer kabuğunda en çok bulunan metaldir. Dünyada en çok bulunan elementlerden birisi olup %5 oranında bulunur. Demirin ilk kullanımına dair işaretler mızrak uçları, bıçak ve süs eşyası şeklinde olup Sümerler e ve Mısır a kadar uzanmaktadır. Tüm metaller içerisinde en çok kullanılanıdır ve tüm dünyada üretilen metallerin ağırlıkça %95 ini oluşturur. Düşük fiyatı ve yüksek mukavemeti demiri otomotiv, gemi gövdesi yapımı, binaların yapısal bileşimi olarak kullanımında vazgeçilmez kılar. Çelik, en çok bilinen demir alaşımı olup demirin diğer kullanım formları pik demir, dökme demir, karbon çeliği, alaşımlı çelik şeklindedir. Resim:

49 Demir Dışı Metaller Demirdışı metaller, demir esaslı metallere göre bazı üstün özellikleri nedeni ile endüstride önemli kullanma alanına sahiptirler. Bu özelliklerin başlıcaları hafiflik, korozyona dayanıklılık, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenlik, güzel görünüş ve kolay işlenebilmedir. Arı halde çok yumuşak ve mukavemetlerinin çok düşük olmasına karşın alaşımlandırma, ısıl işlem ve soğuk şekil verme ile mukavemetleri önemli ölçüde arttırılabilir. Demirdışı metaller alüminyum, bakır, nikel, magnezyum, çinko, kalay ve kurşun olarak sıralanabilir.

50 Metallerin Özellikleri Metalse bağa sahip metallerde aynı veya benzer tür atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar, hacimsel atom yoğunlukları yüksektir. Bu nedenle özgül ağırlıkları diğer sınıflara göre büyüktür. Metaller serbest elektron içerdiklerinden ısıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksektir, saydam olmayıp opaktırlar, ışığı iyi yansıtırlar. Özellikle alüminyum parlatılarak yansıtıcı (reflektör) olarak kullanılmaya elverişlidir. Metallerin elastisite modülleri ve mukavemetleri yüksektir, çoğunlukla sünektirler, plastik şekil vermeye elverişlidirler. Ayrıca alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemle sertlik ve mukavemetleri arttırabilir.

51 Metallerin Özellikleri Element olarak veya bunların alaşımlarının kristalik yapıya sahip olmaları, ısıyı ve elektriği iyi iletmeleri, diğer malzemelere göre izafi olarak daha sağlam ve daha tok olmaları, sünek ve plastik şekillenebilir olmaları ve darbelere dayanıklı olmaları şeklinde sayılabilir.

52 Polimerler Plastikler veya polimerler genellikle metal olmayan elemanlardan oluşan kovalan bağlı malzemelerdir. Monomer denilen molekül bireyleri birbirlerine kovalan bağlarla eklenerek çok büyük, dev moleküllere dönüştürülür ve dolayısıyla polimer adını alırlar. Bu tür malzemeler üretimlerinin belirli aşamasında yumuşayarak plastik kıvam aldıktan ve sonra bir kalıba enjekte edilerek şekil verildiklerinden plastik adını almışlardır.

53 Polimerler Plastikler kovalan bağın sürekliliği ve atomların diziliş biçimine göre iki tür moleküler yapıya sahiptirler. Lineer polimer denen birinci türde molekül birimleri veya merler kovalan bağlarla bir boyutta zincir şeklinde dizilirler, moleküller arası bağlar zayıf türdendir. Isıtılınca zayıf bağlar koptuğundan kolayca yumuşarlar, soğuyunca sertleşirler ve tekrar kullanılabilirler. Endüstride bunlara termoplastikler denir. Bunlara örnek olarak polietilen, polivinilklorür ve polistiren gösterilebilir.

54 Polimerler Uzay agı polimerleri denen ikinci tür yapıda üç veya daha fazla reaksiyon bağına sahip merler üç boyutlu uzayda sürekli kovalan bağ ağı oluştururlar. Bu tür polimerler üretim süresinde sertleştikten sonra ısıtılma ile yumuşamazlar, aşırı sıcaklıkta kovalan bağlar koparak parçalanır, dolayısıyla tekrar kullanılamazlar. Bu tür polimerlere termoset plastikler denir.

55 Termosetler Termosetler, bir kez şekillendirildikten sonra ısı ile yeniden şekillendirilemeyen plastiklerdir. Başlıca Termosetler: Silikon Reçineler (Oto cilası/hassas kalıplar) Fenolik Reçineler (Elektrik aksamı) Furan Reçineler (Koruyucu metal kaplama) Alkid Reçineler (Yağlı boya) Polyester Reçineler

56 Termoplastikler Termoplastikler ısı ile yapısal özelliklerini kaybetmeden şekil değiştirebilen plastiklerdir. Başlıca Termoplastikler: Akrilik Plastikler (Banyo küveti) Selülozik Plastikler (Selofan kağıdı) Polipropilen (Meşrubat kasası) Polisitren (Yoğurt kabı) PVC (Pencere doğraması, boru ) Polikarbonatlar (Trafik lambaları) Poliamid (Otomotiv parçaları)

57 Polimerlerin özellikleri Polimerlerin genel özellikleri moleküller yapıya bağlıdır. Hacimsel atom yoğunluğu küçüktür, bu nedenle özgül ağırlığı düşük ve hafif malzemelerdir. Polimerlerin ısıl ve elektriksel iletkenlikleri çok düşüktür, yalıtım malzemesi olarak kullanılmaya elverişlidirler. Arı halde genellikle saydamdırlar, ışığı geçirirler, bununla beraber en kötü yansıtıcıdırlar. Mukavemetleri ve elastisite modülleri düşüktür. Lineer polimerler yumuşak olup kolay şekil değiştirirler, uzay ağı polimerleri ise sert ve gevrektir.

58 Polimerlerin özellikleri Polimerizasyon yöntemiyle organik moleküllerden meydana getirilen; kauçuk, plastik ve yapıştırıcıları içine alan malzeme grubudur. Pek çok polimerin temel elementi hidrojen ve karbondur. Diğer elementler ise akriliklerde olduğu gibi oksijen, naylonda olduğu gibi azot, fluoroplastiklerde olduğu gibi flor ve silisyumdur.

59 Polimerlerin özellikleri Polimerlerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır ve yüksek sıcaklıklarda bulunmaları uygun değildir. Uzun molekül zincirine sahip termoplastlar sünektir ve bunlara şekil verilebilir. Termoset polimerlerin ise dayanıklılıkları daha iyi olmakla beraber kırılgandırlar. Polimerler elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Plastikler metallere göre hafif ve ucuz olmalarından dolayı tasarımcılar için cazip malzemelerdir.

60 Seramikler Seramikler metal ve metal olmayan elemanların oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Elektropozitif elemanlar elektronegatif elemanlarla kolaylıkla iyonsal bağ kurarak çok çeşitli türde seramik meydana getirirler. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasındadır. Alüminyum metaldir, fakat oksijenle yapmış olduğu Al2O3 bileşiği bir seramiktir.

61 Seramikler Seramik kelimesi, Yunanca, pişirilmiş eşya anlamına gelen keramos kelimesinden gelmektedir. Seramik üretimi eski çağlardan beri gerçekleştirilmekte olup arkeolojik bulgular seramik üretiminin M.Ö yıllarına kadar uzandığını ortaya koymaktadır.

62 Seramiklerin Özellikleri Seramikler plastik şekil değiştiremez, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri dolayısıyla, aşındırıcı olarak kullanılmaya elverişlidirler. Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Bazıları saydamdırlar. Çekme mukavemetleri düşük olmakla beraber çoğunlukla basınç mukavemetleri yüksektir. Dış etkilere iyi dayanır.

63 Seramiklerin Özellikleri Seramiklerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır; bundan dolayı elektrik izolatörleri seramiklerden yapılır. Seramikler dayanımı yüksek, sert ve kırılgan malzemedirler, yüksek sıcaklık ve korozyonlu ortamlara dayanıklılıkları mükemmeldir. Yeni gelişmeler sayesinde, seramikler jet motoru kanatları gibi yüksek sıcaklıkta çalışan parçaların imalinde kullanılabilmektedir.

64 Seramikler Ayrıca ileri teknoloji seramikleri diye adlandırılan oksitler, karbürler ve nitrürler üstün mekanik özellikleri nedeni ile son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Yeni gelişmeler sayesinde, seramikler jet motoru kanatları gibi yüksek sıcaklıkta çalışan parçaların imalinde kullanılabilmektedirler.

65 Seramikler Metal ve metal olmayan elemanların oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Plastik şekil değiştiremez, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri dolayısıyla, aşındırıcı (abrazif) olarak kullanılmaya elverişlidirler. Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar. Mühendislik uygulamalarında kullanılan seramik malzemeler iki grupta toplanır: geleneksel seramik malzemeler ve mühendislik seramik malzemeleri.

66 Seramik Çeşitleri A. Geleneksel seramikler ikiye ayrılır: 1) Camlar a) Soda-kireç camı (saydamdır, pencere camı) b) Kurşunlu cam (ışığı kırma ve yansıtma özelliği vardır) c) Silis camı (sıcaklığa dayanıklı cam eşya üretiminde) d) Boran silikatlar (Laboratuar aletleri ve ateşe dayanıklı cam) 2) Pişmiş kil ürünleri Tuğla, kiremit, fayans, porselen ve refrakter malzeme (ateş tuğlası)

67 Seramik Çeşitleri B. İleri teknoloji seramikleri, Ergime sıcaklıkları çoğunlukla 2000 o C nin üzerindedir. Özellikle yüksek sıcaklığa ve aşınmaya dayanıklılık istenen yerlerde kullanılırlar. Kesici takım, buji izolatörü, koruyucu zırh, motor parçaları, yapay kemik, entegre devre altlığı gibi değişik amaçlarla kullanılırlar.

68 Seramik Çeşitleri B. İleri teknoloji seramikleri, İleri teknolojik seramikler geleneksel seramiklerden başlıca hammadde, üretim yöntemleri ve mikro yapıları açısından bariz farlılıklar göstermektedir. Geleneksel seramikler doğal hammaddelerden üretilirken ileri teknoloji seramikler sentezleme yöntemi ile yapay olarak hazırlanmaktadır. Nedeni yapay hammaddelerin istenmeyen empüritelerden arındırılmış olarak saf halde ve istenilen fiziksel özelliklerde üretilmiş olmalarıdır.

69 Günümüzde seramik malzemelere ilginin artmasının başlıca nedenleri aşağıda sıralanmıştır: Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık Kimyasal kararlılığın yüksek olması Çok sert olmaları Metallerden hafif olmaları Hammadde olarak bol miktarlarda bulunmaları ve genellikle metallere kıyasla ucuz olmaları Pahalı ve stratejik metallere ihtiyaç göstermemesi Erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olmaları Oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması Sürtünme katsayısının düşük olması Basma mukavemetinin yüksek olması.

70 Kompozit Malzemeler Teknolojinin gelişimi, son yüzyılda bilgisayarların da devreye girmesiyle beraber büyük bir ivme kazanmıştır. Doğadan elde ettiğimiz malzemelerin sınırlı olmasından dolayı, özellikleri bu büyük gelişime ayak uyduramamış ve sanayi için temel bir girdi olan malzeme ve malzeme biliminde gelişme kaçınılmaz bir duruma gelmiştir. Bilim adamları çağın yenilikleri ile birlikte bilimin gelişmesi paralelinde ekonomik, yüksek mukavemetli ve hafif malzemeleri imal etme yolunu seçmişlerdir. Bu şekilde kompozit malzemeler imalat sanayisinde ve yeni teknoloji ürünlerinde çok önemli bir rolü üstlenmiştir.

71 Kompozit Malzemeler Genel bir tanım yapacak olursak; kompozit malzeme, kimyasal bileşenleri farklı birbiri içerisinde pratik olarak çözünmeyen iki veya daha fazla malzemenin kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek daha uygun malzeme oluşumu için makro seviyede birleştirilmesi sonucu meydana gelen malzemelerdir.

72 Kompozit Malzemeler Kompozit malzemenin oluşum aşamasında doğa ve insanın yapısı örnek olmuştur. İnsan vücudundaki çoğu dokular yüksek eğilme kabiliyeti gösteren liflerden meydana gelmiştir ve bu lifler zorlanma ve yüklenmelere karşı koyabilmek için düzene konmuş ve birbirlerinin üstünde kayarak dokunun dayanıklı olmasını sağlamaktadır. Bambu ve odun yapısı incelendiği taktirde liflerden oluştuğu görülmektedir. Bu da aslında kompozit malzemelerin çok eski yıllardan beri kullanılmakta olduğunu ortaya çıkarıyor. En basit olarak çam ağacı örnek olarak verilebilir. Çam ağacının gövdesi içindeki, yaz ve kış mevsimlerinde meydana gelen yaş halkaları içice bir görünümdedir ve kış halkaları sert fakat kırılgan, yaz halkaları ise daha yumuşak fakat esnektir. Bu kompozit özelliği çam ağacına bu yapıda olmayan diğer ağaçlara göre daha yüksek bir mukavemet sağlamıştır.

73 Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre kompozit malzemelerin sınıflandırılması: a. Elyaflı kompozitler b. Parçacıklı kompozitler c. Tabakalı kompozitler d. Karma kompozitler (a) (b) (c) (d)

74 Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre Kompozitler Fiber ve matris olarak kullanılabilen malzemeler amaca uygun olarak çok çeşitli olabilmektedirler. Fakat genellikle; seramik, plastik ve metaller kullanılmaktadır.

75 Kompozit Malzemelerin Özellikleri 1-Hafiflik: Polimer kompozitler genelde 1,5 2 gr / cm3 yoğunluğundadır. Metal kompozitler, 2,5 4,5 gr / cm3 olmakla beraber özellerde sıçrama görülebilir. Seramik kompozitler ise ikisi arasındadır. 2-Rijitlik Ve Boyut Kararlılığı: Genleşme katsayıları nispeten düşük olup sert, sağlam bir yapı ve büyük bir boyut kararlılığı gösterir. 3-Yüksek Mekanik Özellikler: Çekme, basma, darbe, yorulma dayanımları çok yüksektir.

76 Kompozit Malzemelerin Özellikleri 4-Yüksek Kimyasal Direnç: Kompozitler birçok kimyasal maddelere, bu arada asitler, alkaliler, çözücüler ve açık hava şartlarına karşı son derece direnç gösterirler. Kimya tesisleri için çok kullanılan malzemelerdir. 5-Yüksek Isı Dayanımı: Kompozitlerin ısı dayanımı sıradan plastiklere göre yüksektir. 6-Elektriksel Özellikler: Elektriksel özellikler kompozitlerde isteğe göre ayarlanabilir. Metal Matrisli Birleşik Malzemeler (MMC) ler iletkendir.

77 Kompozit malzeme kullanımı ile iyileştirilebilecek bazı özellikler: 1) Mukavemet 2) Rijitlik 3) Korozyon direnci 4) Aşınma direnci 5) Görünüm güzelliği 6) Ağırlık 7) Yorulma ömrü 8) İmalat kolaylığı 9) Akustik izolasyon 10) Isıya dayanıklılık 11) Isı izolasyonu 12) Ekonomiklik

78 Ödev 1 Malzeme içyapısında atomsal yapı kusurları, kusurların oluşumu, avantajları, dezavantajları ile ilgili araştırma ödevi.

79 Ödev 2 Temel malzeme sınıflarına göre İnşaat Sektöründe kullanılan malzemeleri gruplandırınız. Metaller Seramikler Plastikler Demir Çimento PVC