Malzeme Seçimi ve Prensipleri-6. MALZEME SEÇİMİ ve PRENSİPLERİ-6

Transkript

1 MALZEME SEÇİMİ ve PRENSİPLERİ-6 1

2 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 2

3 ERGİME NOKTASI Atomların bağ enerjileri, malzemelerin ergime noktası ile doğru orantılıdır. Bağ enerjisi esasen, pozitif ve negatif yüklü atomlar arasındaki (long-range) uzun mesafeli (coulombik) çekim enerjisine bağlıdır. Şekilden de görüldüğü gibi atomlar arası mesafe sonsuz ise bağ enerjisi 0 ( sıfır ) olacaktır. Çekim enerjisi atomlar sadece bir kaç atom çapı kadar bir mesafede iken önem arz etmektedir. Sıvı halde malzeme bağ enerjisinin büyük bir kısmını katı halden sıvı hale geçerken harcamak zorundadır. 3

4 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), 4

5 Malzeme seçimi için bir diğer kriter ise ergime gizli ısısıdır (latent heat of fusion). Seçilecek malzemenin sahip olmasını istediğimiz ergime gizli ısısının sınır değerleri girilerek seçim işlemi yapılabilir. Isıtma durumunda kristal yapılı katılarda sıcaklık ergime sıcaklığına geldiğinde, bu ısı her bir atom tarafından absorbe edilir ve atom, düzenli halden amorf yapıya yani sıvı hale geçer. Atom, sıvı halde olduğu müddetçe bu ısıyı muhafaza eder. Ne zaman ki atom, katı hale geçer, o anda bünyesindeki bu ısıyı sisteme geri verir ve kendisi katı hale, kristal yapıya geçer. Burada önemli olan tasarımda malzemenin ergime noktasının nasıl bir rol oynadığıdır. 5

6 Yüksek olarak nitelenen bir sıcaklık, ergime noktalarının aynı olmaması nedeniyle malzemeden malzemeye farklılık arz eden göreceli bir kavramdır. Bu nedenle, söz konusu sıcaklık değeri (T), o malzemenin mutlak ergime sıcaklık değeri (Tm) ile normalize edilmelidir. Kural olarak, bir malzemenin özelliklerine sıcaklığın muhtemel etkilerinin ihmal edilebilir düzeyde ele alınabilmesi için, ( T / Tm ) oranı < 0.3 olmalıdır. 6

7 Malzemelerin, motorlar gibi yüksek sıcaklık ortamlarında kullanımı söz konusu olduğunda yüksek ergime sıcaklığı bir faktör olarak karşımıza çıkacaktır. Genel olarak, sıcaklıkla bütün özellikler değişim gösterir. Eğer böyle bir malzeme gerilime maruz kalıyorsa dikkate alınacak ilk özellik sürünme olacaktır ki bu, ifade edilen 0.3 değerini aştığında malzemenin boyutlarında meydana gelecek yavaş değişimleri tanımlar (Örneğin; oda sıcaklığında (298 K) kurşunun ergime sıcaklığı (Pb Tm ) 600 K dir ve sürünme gösterirken, bakırın ergime sıcaklığı (Cu Tm ) 1358 K olup sürünme göstermemektedir. 7

8 Bu nedenle, özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları için tasarımda dikkate alınması gereken faktörlerden bir tanesi de malzemenin ergime noktası olmalıdır. Yakıt verimliliğini arttırmak ve temiz emisyon gazları için motorlar mümkün olan en yüksek sıcaklıklarda çalışmalıdır. Yüksek ergime sıcaklıklarına sahip olmaları nedeniyle seramik malzemeler halihazırda, kara ve hava taşıtları motorlarında kullanılmakta ve sürekli geliştirilen tasarımlarda yeni uygulamalar bulmaktadır. 8

9 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 9

10 CAM GEÇİŞ SICAKLIĞI Tg, kristalin olmayan veya amorf malzemeler için tanımlanan bir özelliktir. Kristal yapılı bir malzemenin özelliklerindeki belirgin değişimler, soğuma esnasında ergime noktasının hemen altında ortaya çıkacaktır. Kristalin olmayan veya amorf yapılı bir malzemede ise özelliklerin değişimi yine ergime noktasının altında başlar fakat, daha yumuşak yani, belli-belirsiz bir şekilde ortaya çıkar. Cam geçiş sıcaklığının altındaki bu tür termoplastik malzemeler camsı yani gevrek bir davranış sergilerken, cam geçiş sıcaklığının üzerinde ise esnektirler. Bu özellik, metalik malzemelerdeki sünek-gevrek geçiş sıcaklığına benzemektedir. 10

11 Termal Özellikler cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), 11

12 Yüksek sıcaklık, polimerik malzemeler ve inorganik camların şekillendirilmesinde de önemli rol oynar. Ekstrüzyon ve şişirme gibi bir çok polimer şekillendirme yönteminde polimerin yüksek sıcaklıktaki sünekliğinin (akıcılığının) yüksek olması önemli bir avantajdır. Polimerik malzemeler için yüksek sıcaklık kavramı genellikle cam geçiş sıcaklığının (T g ) üzerindeki sıcaklıklardır. Bu sıcaklığın altında malzeme gevrek davranış sergilerken üzerinde sünektir. Cam geçiş sıcaklığı aslında bir sıcaklık aralığıdır. Dar bir aralık olduğu için ortalama bir sıcaklık olarak belirtilmektedir. Bazı polimerlerde birden fazla cam geçiş sıcaklığı görülebilir. Cam geçiş sıcaklığı; soğuma hızına ve polimerizasyon derecesi denilen polimer zincirinde yer alan ort. molekül (mer) sayısına bağlıdır. 12

13 Aşırı soğumuş bir sıvının Tg camsı geçiş sıcaklığında katıya dönüşümü, özelliklerinde meydana gelen belli-belirsiz değişimlerle tespit edilir. Camsı geçiş sıcaklığına en iyi örneği, özellikle amorf silikatın cam olarak adlandırıldığı silika içerikli seramik malzemeler teşkil ederler. Tasarımlarda; amorf malzemeler için Tg, kristal yapılı malzemeler için Tm dikkate alınır. Polimer esaslı malzemelerde oldukça düşük olması nedeniyle Tg, özel bir önem arz eder. Bu nedenle polimer veya plastiklerle yapılan tasarımlarda oda sıcaklığındaki uzun vadeli sürünme etkileri de göz önünde bulundurulur. 13

14 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 14

15 Kristal ve Amorf Yapıya Sahip Malzemelerde Tm ve Tg sıcaklıkları. Mühendislik dizaynında iki önemli sıcaklığın daha belirlenmesi çok önemlidir. Bu sıcaklıklar; Maksimum (Tmax) ve minimum (Tmin) kullanım sıcaklıklarıdır. Maksimum kullanım sıcaklığı bize şunu haber verir: seçilen malzeme hangi sıcaklığa kadar; oksidasyon, kimyasal değişim ve aşırı bir sürünme olmaksızın uygun bir şekilde kullanılabilir? Minimum kullanım sıcaklığı ise hangi sıcaklığın altında malzeme gevrek davranış sergiler. Çünkü bu sıcaklığın altında kullanmak emniyetsizdir. 15

16 Termal Özellikler maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), 16

17 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 17

18 TERMAL İLETKENLİK Isı, bir katının içinden şayet zamanla değişmeyecek şekilde geçiyorsa, λ ile gösterilen ısıl iletkenlik katsayısı ile ölçülür. Birimi (λ =W/m.K ) dir. Metalik malzemeler ısıyı iyi iletirler. Çünkü metal atomlarının son yörüngelerindeki serbest elektronların ısı ve elektrik iletim kabiliyetleri çok yüksektir. Isı enerjisinin bir maddedeki transfer mekanizması başlıca 3 çeşittir. Bunlar; serbest elektron hareketleri, atomik titreşimler ve eğer malzeme moleküler yapılı polimerik malzeme ise molekül zincirlerinin titreşimleridir. Metallerde ilk iki mekanizma ile, seramiklerde sadece ikinci mekanizma ile, polimerik malzemelerde ise sadece üçüncü mekanizma ile ısı enerjisi transfer edilir. 18

19 Şekilde bu katsayının nasıl ölçüldüğü görülmektedir. Katı bir malzemenin içinden T 1 yüksek sıcaklık tarafından T 2 düşük sıcaklık tarafına X kadar mesafeden ısı geçişi olduğunda; ısı akısı, q = (W/m 2 ) olur. Bu yöntem özellikle de düşük iletkenliklerde pratik değildir. 19

20 Elektriksel iletkenlikte olduğu gibi yer alan katı eriyikler ve diğer yapısal kusurlar elektron saçılımına neden olarak elektron ortalama serbest mesafesini azaltır. Bu mesafe saf metallerde 10-7 m mertebesindedir. Bu mesafe azalınca da ısı akısı, q azalır. 0 K de atomlar minimum enerjiye sahiptir ve hareketsiz kabul edilmektedirler. Malzemenin sıcaklığı arttığında atomlar ısıl enerji kazanırlar ve belirli bir genlik ve frekansta titreşime başlarlar. İşte bu titreşimler Fonon olarak adlandırılır ve elastik bir dalgalanmaya neden olurlar. Fonon un enerjisi dalga boyu veya frekans cinsinden ifade edilebilir, malzemeler fononları kazanarak veya kaybederek ısı kazanır veya kaybederler. 20

21 Seramiklerde ve polimerlerde atomların son yörüngelerinde serbest elektronlar olmadığı için ısı iletimi fononlar veya latis titreşimleriyle taşınır. Anharmonik etkileşimlerle latis titreşimleri, empüriteler, latis hataları ve yüzeyler, fononlar için elektron ortalama serbest mesafesini belirler. Fononlarla elektrik yükünün veya ısının taşınımı serbest elektronlara kıyasla çok düşüktür. Bu yüzden de seramik ve polimerik malzemelerin elektrik ve ısı iletkenlik değerleri çok düşüktür. 21

22 Şayet kristal kusursuz ise ve sıcaklık Debye sıcaklığı olarak nitelenen karakteristik değerin altında olmak kaydıyla, fonon iletkenliği elmasta olduğu gibi oda sıcaklığında bile yüksek olabilir. Bu olay elmas, SiC ve hatta Al 2 O 3 tek kristallerinde bile görülebilir ve bu malzemelerin Cu kadar yüksek bir ısıl iletkenliğe sahip olmasına imkan tanır. Bu nedenle son yıllardaki yarı-iletken teknolojilerindeki uygulamalar için elmas kaplamalar konusuna yoğun bir ilgi vardır ve bu kaplamaların ısıl iletkenliği, elektronik entegre devrelerdeki ısıl yükleri kaldırmak amacıyla kullanılabilecektir. 22

23 Camlarda ise düşük ısıl iletkenliğe düzensiz amorf yapıları neden olur. Moleküler bağların karakteristik mesafesi (Toplam 10-9 m) serbest yolu belirler. Benzer şekilde elastik dalga hızının düşük olması ve düzensiz yapılarda ortalama serbest yolun kısa olması nedeniyle polimerler düşük iletkenliğe sahiptir. En iyi ısıl yalıtkanlar yüksek poroziteye sahip ateş tuğlası ve köpükler gibi malzemelerdir. İletkenlikleri hücrelerdeki gaz fazı nedeniyle sınırlıdır. NASA nın uzay mekiğinde kullandığı ısıl korunma sistemi gözenekli Silika dır. Uzay mekiğinde kullanılan, sinterleme ısıl işlemi ile bir araya getirilmiş Silika fiberleri. X 750 SEM mikrografı. 23

24 Bazı malzemelerin 25 C deki termal iletkenlik değerleri 24

25 Termal Özellikler termal iletkenlik (thermal conductivity), 25

26 Bazı malzemelerin termal iletkenliğine sıcaklığın etkisi. Dikey eksendeki termal iletkenlik değerleri logaritmik skalada verilmiştir. 26

27 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 27

28 ISI KAPASİTESİ VE SPESİFİK ISI Isı kapasitesi, bir mol malzemenin sıcaklığını 1 C artırmak için gereken enerjidir. Spesifik ısı ise bir gram malzemenin sıcaklığını 1 C artırmak için gereken enerjidir. Isı kapasitesi sabit basınçta C p, sabit hacimde ise C v ile ifade edilir. Spesifik ısı, ısı kapasitesinin atom ağırlığına bölünmesiyle elde edilir. Oda sıcaklığında metalik bir malzemenin ısı kapasitesi değeri 3R (R=1,987 cal/mol) değerine yaklaşır yani yaklaşık 6 olur. Ancak seramiklerde bu değere 1000 K de ancak ulaşılır. 28

29 Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Metaller ve seramiklerde sıcaklığa bağlı olarak ısı kapasitesinin değişimi Mühendislik hesaplamalarında spesifik ısı daha yaygın olarak kullanılır. Hem ısı kapasitesi hem de spesifik ısı kuvvetli bir şekilde malzeme yapısına bağlıdır. Bu sebeple, dislokasyon yoğunluğu, tane boyutu veya atom boşlukları küçük bir etkiye sahiptirler. 29

30 30

31 Termal Özellikler spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), 31

32 Demirin spesifik ısısına sıcaklığın etkisi yandaki şekilde görülmektedir. Şekilde hem kristal yapının değişimi, hem de ferromanyetikten paramanyetik davranış değişimi gösterilmiştir. 32

33 Termal Özellikler Bu başlıkta malzemenin ergime sıcaklığı (Melting point), cam geçiş sıcaklığı, tg (Glass temperature), maksimum ve minimum kullanım sıcaklıkları (Max Min service temperature), termal iletkenlik (thermal conductivity), spesifik ısı kapasitesi (Specific Heat capacity), termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), ergime gizli ısısı (Latent heat of fusion) değerleri girilerek seçim yapılmaktadır. 33

34 LİNEER TERMAL GENLEŞME KATSAYISI Doğrusal ısıl genleşme katsayısı da ergime noktası gibi, kalitatif olarak bağ enerjisi ile ilişkilendirilebilir. Atomların merkezleri arasındaki mesafe dikkate alınarak, CLTE (Coefficient of Linear Thermal Expansion) nin bağ enerjisi ile ilişkisi irdelenebilir. Mutlak sıfır (0 K) sıcaklığında denge konumları arasındaki mesafe ro olan atomlar, mutlak sıfırın üzerindeki sıcaklıklarda titreşerek denge konumları etrafında salınacaklardır. Eğer malzeme termal olarak izotropik ise hacimsel genleşme 3α kadar olacaktır. Eğer anizotropik ise o zaman daha fazla katsayıya ihtiyaç vardır ve hacimsel genleşme termal gerilmelerin toplamı olur. 34

35 35

36 İşte bu atomların atomik seviyede denge konumlarından ayrılması ve atomlararası mesafenin artması, basitçe, ısıl genleşme olarak ifade edilmektedir. Makro ölçekte doğrusal ısıl genleşme katsayısının kantitatif ifadesi, = (D / DT). ( 1 / L ) şeklindedir. Birimi K -1 veya 10 6 C 1 veya mikroşekildeğişimi/ C dır. Burada; D metre olarak boydaki uzamayı, DT ise sıcaklık farkını ifade etmektedir. L ise malzemenin boyudur. O zaman lineer termal genleşme katsayısı (α), bir metre uzunluğundaki bir malzemenin sıcaklığını bir derece (1 C veya K) artırdığımızda boyunda meydana gelen uzamanın metre cinsinden ifadesidir. 36

37 Doğrusal ısıl genleşme katsayısı bazı fiziksel özellikler ve elastik modülle de ilişkilidir. Köprü gibi yapılardaki genleşme bağlantılarında mühendisler tasarım açısından CLTE yi dikkate alırlar. Bir başka örnek olarak, kompozit yapıyı oluşturmak üzere CLTE si birbirine çok yakın olan malzemelerin seçilmesi verilebilir. Aksi takdirde, ısıl çevrimler sonucu termal gerilimler kompozit yapıyı oluşturan malzemelerin ara-yüzeylerinde delaminasyona yani tabakalaşmaya sebep olmaktadır. Malzeme, 10-6 K -1 Malzeme, 10-6 K -1 Malzeme, 10-6 K -1 Pb Çeliği 12 Polietilen 100 Al 25 Gri dökme demir 12 PE-%30cam fiberli 48 Cu 16,6 İnvar çeliği 1, Naylon 80 Fe 12 Paslanmaz çelik 17,3 Ergimiş kuvars camı 0,55 W 4, Al alaşımı 23,2 Soda-Kireç camı 9 37

38 Demirin lineer termal genleşme katsayısı, allotropik dönüşümlere bağlı olarak sıcaklıkla beklenmedik bir şekilde değişir. İnvar çeliğinin genleşmesinin çok düşük oluşu düşük sıcaklıklardaki malzemenin manyetik özellikleri sebebiyledir. 38

39 Termal Özellikler termal genleşme katsayısı (Thermal expension coefficient), 39