Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ -I

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ -I 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı 2.1. Atom Yapısı 2.2. Atom Bağları 2.3. Atomsal Yapı Türleri Metalik (Kristal) Yapı Amorf Yapı Bileşik Yapı Kolloidal Yapı Seramik Yapı 1

2 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı Yapı ilk boyutlandırma tasarım yükler altındaki davranış? Yükleme koşulları ve kesin hesaplamalar malzeme mekanik özellikler 2

3 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı Mekanik Özellikler iç yapı Atom yapısı Bağlar Moleküler yapı Fazlar Tane yapısı Yapı Mühendisi min.fizik ve kimya bilgisi 3

4 2.1. Atom Yapısı Elektronlar (e) Çekirdek (p+n) Denge durumundaki bir atomda elektronların (-) sayısı protonların (+) sayısına eşittir. Elektronlar, çekirdek kütlesi yanında çok küçüktür (1/1850 oranında) ve bu değer kütle hesabında göz önüne alınmaz. Atomun en önemli özelliği, çeşitli bağ kuvvetlerinin meydana gelmesine yol açan elektron sayısıdır. 4

5 2.1. Atom Yapısı Atom numarası (Z) = proton sayısı = elektron sayısı (dengede) Kütle numarası (A) = Atomdaki proton ve nötronların toplam sayısı Z A 6 C O Fe s 2,2s 2,2p 2 1s 2,2s 2,2p 4 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,4s 2,3d 6 5

6 2.1. Atom Yapısı Elektron konfigürasyonu 6

7 2.1. Atom Yapısı Atomun en önemli özelliği, i, çesitli bağ kuvvetlerinin meydana gelmesine yol açan a an elektron sayısıdır. Atom numarası da elektron sayısına esittir. Örneğin, atom numarası 92 olan uranyumun 92 elektronu vardır. Buna göre, g uranyum atomunun çekirdeğinde inde 92 proton ve 146 nötron vardır. r. Böylece uranyumun kütle ağıa ğırlığı 238 olur (elektron kütle k ağıa ğırlığı ihmal). Yoğunluğu: 18.95g/cm 3 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 d 10 4s 2 p 6 d 10 f 14 5s 2 p 6 d 10 f 3 6s 2 p 6 d 1 7s 2 Valans elektronları: 5f 3 6d 1 7s 2 7

8 2.1. Atom Yapısı 1 Angstrom = m Atomların çapları çok küçüktür (2-5 Angstrom). Atom numarasına bağlı olarak atom çekirdeğinin yarıçapı mm aralığında, atom yarıçapı ise yaklaşık 10-7 mm civarındadır. Hidrojenin atom yarıçapı 0, mm, toryumun atom yarıçapı 1, mm dir. 8

9 2.1. Atom Yapısı Elektronların çekirdekten belli mesafedeki yörüngelerde hareket ettiği kabul edilir. Her yörüngede 2n 2 (n yörünge sayısı) sayıda elektron bulunur. Yörüngeler K, L, M, N, O, P ve Q olarak adlandırılır. En dış yörüngede bulunan elektronlar: valans elektronları Valans elektronları atomlar arası bağı, atomlar arası mesafeyi ve malzemenin birçok özelliğini etkiler. En kararlı atomlar en dış kabuğunda 8 elektron bulunanlardır (Periyodik cetvelin en sağ kolonu: VIIIA grubu). 2 He: 1s 2 10 Ne: 1s 2,2s 2,2p 6 18 Ar:1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6 36 Kr, 54 Xe, 86 Rn 9

10 2.1. Atom Yapısı Elementler, metaller, ametaller ve yarı metaller olmak üzere üçe ayrılabilir. Elektronegatif elementler Elektropozitif elementler Valans elekton sayısı azalır Kolay elektron verip pozitif yüklü iyon (katyon) oluştururlar. Elektronlarını ortaklaştırarak bağ oluştururlar. Elektron almaya ve negatif iyon (anyon) 10 haline gelmeye eğilimli

11 2.1. Atom Yapısı Bir atom gramda; örneğin 55,85 gram demirde 6, (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır. Demir atomunun 165 milyar kez büyütülmüş hali (HMK) Brüksel Belçika,

12 2.1. Atom Yapısı ATOM MODELLERİ Elektronların hareket etmediği tahmin edilen model Çekirdek etrafında güneş sistemine benzer belirli yörüngelerde dönen elektronlar Son olarak elektronların dalga hareketi yaptığı ve belirli bir bölgede bulunması ihtimali olduğu yörüngeler 12

13 2.2. ATOM BAĞLARI Bağ kuvvetleri: Teorik mukavemetin kaynağıdır Elektriksel ve ısıl özellikleri belirler. Atomlar arası bağ kuvvetli ise şekil değiştirme direnci büyük, ergime sıcaklığı yüksek ve ısıl genleşme düşük olur. Atom bağları zayıf (fiziksel) veya kuvvetli (kimyasal) olabilir. Kimyasal bağlar üç şekilde olur: 13

14 2.2. Atomlar arası bağlar BAĞ ÇEŞİTLERİ 1. İyonik Bağ 2. Kovalent Bağ 3. Metalik Bağ 4. Van Der Waals Bağı 14

15 2.2. Atomlar arası bağlar En dış yörüngedeki elektron sayısı az ise atom bu elektonları verip yörüngeyi boşaltma eğilimindedir. Bu elementler metaldir ve metal atomları birbiri ile metalik bağ ile bağlanır. En dış yörüngedeki elekton sayısı hemen hemen doluya yakın atomlar ise eksik elektronu tamamlamaya eğilimlidir. Bu elementler ametal olarak adlandırılır. İki ametal arasındaki bağ genelde kovalenttir. Bir metal ile ametal atom arasında ise iyonik bağ meydana gelir. 15

16 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Metal atomlarının son yörüngelerinde genellikle 1, 2 veya 3 elektron bulunur. Ametallerde ise son yörüngede 5, 6 veya 7 elektron bulunur (Bor hariç). İyonik bağ metaller ile ametaller arasında oluşur. ur. 16

17 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Son yörüngedeki y eksiklikler elektron alış ışverişi i ile sekize tamamlanır. Elektron kaybeder Na + Cl - Na (0) yüksüz Elektron alır Cl (0) yüksüz Na + (+) Katyon Cl - (-) Anyon

18 2.2. Atomlar arası bağlar İyonik moleküller suda çözünebilir: Su molekülleri ile iyonlar arasındaki çekim iyonların suda çözülmesini sağlar. İyon yüküne göre su molekülleri yönlenir ve iyonları taşır. 18

19 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ İyonik bağ yönsüzdür. Çünk nkü her iyon mümkm mkün n olduğu kadar zıt z t yönly nlü iyonla çevrilidir. Transfer edilen elektron sayısı arttıkça a bağı koparmak zorlaşı şır r ve malzemenin ergime noktası yükselir. 19

20 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Sodyum klorür (NaCl) face-centered cubic symmetry Refractive index (nd) (at 589 nm) Yoğunluk g/cm 3 Ergime sıcaklığı 801 C Kübik kafes yapısı 20

21 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Kalsiyum oksit (CaO) Kübik kafes yapısı Yoğunluk 3.35 g/cm 3 Ergime sıcaklığı 2572 C 21

22 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Genel olarak iyonik bağ içeren katı malzemeler: Serttir. Çünkü atomlar arasında kayma hareketi oluşması güçtür. İyi yalıtkandır. Çünkü serbest elektronları veya serbest iyonları yoktur (bir çözeltide çözülmüş veya eritilmemişse). Şeffaftır. Çünkü elektronlar hareketli olmadığından fotonları yönlendirmez. Kırılgandır, deforme olmak yerine çatlamaya meyillidir. Çünkü bağlar çok kuvvetlidir. Yüksek ergime sıcaklığına sahiptir. 22

23 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Bu bağlar periyodik tablodaki konumları ve elektronegatiflikleri birbirine yakın n olan atomlar arasında oluşur ur (ametal-ametal). ametal). Çok sayıda valans elektronunun yörüngeyi y boşaltacak şekilde verilmesi veya sekize tamamlanması çok enerji gerektirir. Valans elektronlarının ortak kullanımı ile kovalent bağ kurmaya eğilim e vardır. r. 23

24 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ C, Si N=4 8-N=88 N=8-4=4 Her atomun dört d komşusu vardır r ve üç boyutlu yapı oluşturur. 6 C 1s 2,2s 2,2p 2 24

25 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Katılardaki en güzel g örneği i ise kübik k yapıdaki elmastır. Silisyum, Germanyum, Karbon gibi elementler dört kovalent bağ ile tetrahedron bağ oluştururlar. 25

26 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Atomlar arasındaki kovalent bağlar kuvvetlidir. Ancak moleküller arasındaki bağlar daha zayıftır. Bu nedenle kovalent bağlı malzemeler kırılgandır. Çoğu seramik kovalent bağlıdır. -Sert - İyi yalıtkan - Şeffaf 26

27 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ çekirdek elektron bulutu Metal atomlarında dış yörüngede az sayıda elektron (1-3 adet) çekirdekten uzakta zayıf şekilde bağlıdır. Metaller son yörüngelerindeki valans elektronlarını serbest bırakarak iyon haline gelirler. Serbest kalan elektronların metal atomu çekirdeği ile bağları çok zayıftır ve hiçbir atoma bağlı kalmadan metal çekirdekleri etrafında serbestçe dolaşırlar. 27

28 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ çekirdek Metal atomları birbirine yaklaştığında son yörüngelerindeki enerji bantları birbirinin içine girer ve serbest elektronlar bu bantlarda hareket edebilirler. elektron bulutu 28

29 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ elektron bulutu çekirdek Metallerin valans elektronlarını serbest bırakmaları özelliği, iyi elektrik iletimi sağlamalarına sebep olur. Bu bantlar içinde hareket eden negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü çekirdek arasındaki çekim metalik bağı oluşturur 29

30 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ Metal atomları arasındaki bağ belirli atomlar ve elektronlara bağlı olmadığı için, atomların birbirine göre hareket etmesi ile bu bağ kopmaz. Bu özellik metallerin şekillendirilebilmelerini sağlar. 30

31 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ Metalik bağlar yönsüzdür. Aynı atomlar veya kimyasal olarak benzer atomlar arasında oluşur. Yüksek ısı ve elektrik iletkenliği: serbest elektronların kolay hareket etmesi. - Serbest elektronlar ışık enerjisini yutmaktadır. Bu nedenle metaller opaktır. 31

32 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI Bu bağlar, elektron alış verişini tamamlamış moleküller veya son yörüngesindeki elektron sayısı sekiz olan inert gaz atomları arasında oluşan zayıf bağlardır ve üç şekilde olabilir: 1. Molekül Kutuplaşması 2. Ani Kutuplaşma 3. Hidrojen Köprüsü 32

33 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI MOLEKÜL L KUTUPLAŞMASI Kovalent bağ ile kurulmuş bir molekülde, mesela hidrojen florür molekülünde paylaşılan elektronların çoğu florür atomu etrafında olacağından, molekül içinde bir elektrik yükü dengesizliği vardır. Molekülün + + H H Florür - Dipol + oluşumu H Florür - H + hidrojen tarafı pozitif florür tarafı negatif olur ve bu iki yük farkı moleküller arası çekim kuvvetini oluşturur. 33

34 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI Polimer zincirleri arasındaki ikincil zayıf bağlar. 34

35 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI Grafit plakları arasındaki ikincil zayıf bağlar. 35

36 2.2. Atomlar arası bağlar Mesafe - bağ enerjisi ilişkisi Metal atomları arasında oluşan itme ve çekme kuvvetlerinin kuvvetin dengelendiği durumdaki atomlar arasındaki uzaklığa atomlar arası mesafe denilir. Bu konumda iç enerji en azdır; yani atomlar en kararlı durumdadırlar. Kuvvet Çekme Net kuvvet İtme Atomlar arası mesafe r R a = R + r a 36

37 37

38 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı Atomlar 3 boyutta belirli bir düzendedir. Tüm malzeme boyunca sürekliliğini korur. Kristalin karbon Kristalin SiO 2 Kristalin buz 38

39 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı Atomların dizilişinde bir düzensizlik vardır. Sıvılar amorf yapılıdır. Amorf karbon Amorf SiO 2 (cam) 39

40 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı Çok küçük kristal parçalarının gelişigüzel bir yığınından oluşur. Yığını tek kitle haline getiren bir bağlayıcı vardır Ahşap Çelik 40

41 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı 4. Kolloidal Yapı Çok küçük elemanlar halinde bazı cisimler, birbirlerinden ayrı olarak, ayrı faz veya aynı faz halinde bulunan baska bir cisim içinde dağılmıstır. Örn: duman, sis Örn: bitümlü emülsiyonlar 41

42 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı 4. Kolloidal Yapı 5. Seramik Yapı Bir metal veya iki metal ile bir ametal atomun belirli stekiometrik oranlarda birleşmesiyle oluşurlar. Seramiklerde metal olmayan atom çoğunlukla oksijendir. Seramiklerde metaller katyon, ametaller ise anyon oluşumuna neden olurlar. Böylece seramiklerde iyonsal bağlar oldukça yaygındır. Ancak seramiklerde kovalan bağlara, kristal yapıya, hatta amorf yapıya da rastlanır. 42

43 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Metal atomları üç boyutlu olarak düzenli bir diziliş meydana getirirler ki buna uzay kafesi denilir. Üç boyutlu olarak tekrarlanan en küçük yapıya birim hücre (kafes) denilir. 43

44 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri 44

45 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Yapı Malzemesi olarak kullanılan metallerin kristal yapıları daha çok kübik ve hekzagonal sisteme uymaktadır. Hacim Merkezli Kübik (hmk) Yüzey Merkezli Kübik (ymk) Sıkı dizilmiş hekzogonal (sdh) 45

46 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri 46

47 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Hacim Merkezli Kübik K (hmk( hmk) Küpün tam merkezine bir atom ve köşelere de birer atom yerleşmiştir. Küp hacminin içinde kalan atom hacmi: A-A kesiti r 2r 2a r 1 + 8*1/8= 2 adet a ADF= 3a 2 =16r 2 a= ADF= r 3 2*4/3*PI*r 3 a 3 A 47 A

48 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Yüzey Merkezli Kübik K (ymk( ymk): Küpün her köşesine birer atom ve her bir yüzeye de birer atom yerleşmiştir. Küp içinde kalan atom hacmi: B-B kesiti r 2r a r 6*1/2 + 8*1/8= 4 adet a ADF= 2a 2 =16r 2 a= ADF= r 2 2*4/3*PI*r 3 a 3 B B 48

49 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Sıkı Dizilmiş Hegzagonal (sdh): Atomlar taban düzlemde altıgenin köşelerine ve bir tane de altıgenin tam ortasına yerleşmiştir. İki taban düzlemi arasında taban düzlemindeki üç atoma teğet olacak şekilde üç tane atom yerleşmiştir. ADF=

50 Allotropik değişim Isı ve basıncın etkisiyle bazı cisimlerin kristal yapılarında değişimler olabilir. Bu tip kristal yapı değişimine allotropik değişim denir. Örnek: demir Oda sıcaklığında demir atomları hacim merkezli kübik (HMK) şekilde dizilir ki, buna ferrit denir. Sıcaklık 910 C ye yükseltildiğinde HMK yapı yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya dönüşür. Buna da ostenit denir. Isıtmaya devam ettiğimiz takdirde ostenit de 1400 C civarında delta demirine dönüşür ki, bu da HMK yapıdadır. Demir, delta hâlinden havada soğutulduğunda tekrar ostenite ve sonra da ferrite dönüşür. 50

51 Allotropik değişim Ergimiş hâldeki demirin ihtiva ettiği karbon % 2 ve altına düşürülerek çelik elde edilir. Çelik % 2 ye kadar karbon ihtiva eden demir-karbon alaşımı Daha yüksek karbon miktarı dökme demirlerde bulunur. Saf demirin ticari kullanımı yoktur. İstenen özellikteki çeliğe göre, karbonun yanında başka alaşım elementleri de olabilir (Nikel, Wolfram, Vanadyum, Titan, Molibden, Krom, Çinko, vs). 51

52 Allotropik değişim ALLOTROPİK K DEĞİŞİ ĞİŞİM Karbonun bazı allotropları: a) Elmas b) Grafit c) Altıgen elmas d-f) Fullerenler (C60, C540, C70) g) Amorf karbon h) Karbon nanotüp Karbon allotropları (8) 52

53 İzotropi - anizotropi (mikro boyutta) Homojenlik, anizotropi ve izotropi boyuta bağlıdır. Tek kristal (monokrsital) yapı anizotropik iken, çoğu kristal yapılı malzeme izotropik ve homojen özellik gösterir. 53

54 İzotropi - anizotropi (makro boyutta) Mekanik, fiziksel, kimyasal özellikleri, dış etkilerin, uygulama doğrultusuna bağlı olarak, farklı değerler alabilir. Özelliklerin yönlere göre farklılık göstermesine anizotropi denir. İzotropik malzemeler (METALLER) δ 1 = δ 2 δ 1 Ξ δ 2 Anizotropik malzemeler (AHŞAP) δ 1 δ 2 δ 1 δ 2 54

55 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları 2. Çizgi Hataları 3. Yüzeysel Hatalar 4. Segregasyon 55

56 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Boş Yer Boşyer yer: : (Porozite) Katıla laşma sırass rasında büzülme, b yeterli sıvıs olmaması veya içeride gaz hapsolması nedenleri ile oluşur. ur. Boş yer Süreksizlik Kesitte daralma Mukavemet kaybı nedenidir. 56

57 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Boşluklar atomların n kristal kafes hareketleri kolaylaştırır!!! içerisinde 57

58 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Ara yer Ara yer: Her hangi bir kristalde esas atomların aralarındakilere daha küçük çaplı atomların yerlesmes ile olusur. Yer alan Yer alan: Her hangi bir kristalde esas atomların yerine baska atomların yerlesmesi ile olusur. Yabancı atomlar kristal kafes içerisinde hareketleri 58 zorlaştırır r!!!

59 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Ara yer alaşımlandırması (çelik) Çelik = demire karbon katılarak alaşımlandırılır. Dayanım ve sertlik artışı Demirin atom yarıçapı: 140 pm Karbonun atom yarıçapı: 70 pm 59

60 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Pirinç = bakıra çinko katılarak (%45'e kadar) alaşımlandırılır. Yüksek işlenebilirliğe sahip bir metal Yeralan alaşımlandırması (pirinç) Bakırın atom yarıçapı: 135 pm Çinkonun atom yarıçapı: 135 pm 60

61 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Atomların n hatalı dizilişleri leri bir çizgi boyunca devam ederse çizgi hatası oluşur. ur. Çizgi hataları kenar dislokasyonu ve vida dislokasyonu olarak bilinir. Dislokasyonlar (Bazı iyon sıra ve düzlemlerinin yanlış yerlerde bulunabilmesi) 61

62 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonu,, kristal içinde i inde sona eren bir düzlemin kenarıdır. r. İşareti şeklindedir. 62

63 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Vida Dislokasyonu Vida dislokasyonunda ise, çizgi etrafındaki atomların n dizilişi i vidanın n helisi gibidir. İşareti şeklindedir. 63

64 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Kenar ve vida dislokasyonları çoğu zaman beraber bulunurlar ki; buna karışı ışık dislokasyon denilir. Dislokasyonlar,, atomların n denge mesafesini bozduğu u için i in kristalin enerjisini artırır. r. 64

65 65

66 Kristal (metalik) yapı kusurları 4. Segregasyon Katıla laşma sırass rasında belirli fazların, belirli bir yerde toplanması. Makro ya da mikro olabilir. 66

67 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları Bir metalik malzemenin yapısı gerekli kesme, parlatma gibi hazırlıklar yapıldıktan sonra mikroskobik olarak incelenebilir. Bu çalışmalar şu açılardan çok yararlıdır: 1) Metalik göçmelerin nedenini açıklayabilirler, 2) Metalin geçmişini öğrenerek uygun fabrikasyon işlemini ortaya çıkarırlar, 3) Isıl işlemlerin yeterlilik derecesini saptarlar, 4) Alaşımların geliştirilmesine yardımcı olabilirler, 5) Metal bileşenleri ve özellikleri kestirilebilir. 67

68 Metalik kristal kümelerindeki kusurlar söylece sıralanabilir : * Tane sınırı bölgeleri bozuklukları, * Yabancı iyonların varlığı, * Mikroskobik yapı kontrolü islemleri (kesme, parlatma) sonucu meydana gelen bozukluklar, * Fazla sıcaklık nedeniyle ortaya çıkan bazı iyonların konum bozuklukları, * Dislokasyonlar (Bazı iyon sıra ve düzlemlerinin yanlıs yerlerde bulunabilmesi), * Mozaik yapı çarpıklıkları. 68

69 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları Düşük karbon oranlı çelik Yüksek karbon oranlı çelik 69

70 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları ferrit perlit sementit <