BÖLÜM 1. Malzeme Bilimi ve Malzemelerin Sınıflandırılması

Transkript

1 BÖLÜM 1 Malzeme Bilimi ve Malzemelerin Sınıflandırılması

2 Neden Malzeme Çalışmalıyız? Bilim adamları ve mühendisler malzeme seçimi yapmak zorunda! Malzeme Seçimi Kullanım performansı Özellik değişimi Maliyet Fakat gerçekte, HERKES MALZEME SEÇİMİ YAPAR! Alüminyum Cam Plastik

3 Malzeme bilimi ve mühendisliği konusunda temel konular hakkında bilgi edinmek Bu ders ile -Malzeme yapıları -Yapı ile özellik arasındaki ilişki -Üretim ve sentez işlemlerinin malzeme yapısına etkisi Böylece: Uygun malzeme seçimi ve kullanımı Malzemeler ile yeni tasarımlar gerçekleştirmek

4 Ders İçeriği Temel özellikler Giriş Atomik yapılar ve bağlar Kristal kristal olmayan yapı Kusurlar Özellikler (Temel tanımlamalar) Mekanik özellikler Optik özellikler Termal özellikler Kontrol ve Proses yöntemleri Faz diyagramları Termal proses yöntemleri Malzeme Sınıfları ve Tanımlamaları Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler İleri malzemeler

5 Malzeme Nedir? Genel anlamda ihtiyaçlarımızı karşılamak ve belli bir amacı gerçekleştirmek için kullanılan her türlü maddeye malzeme denir. Teknik anlamda ise mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere malzeme adı veriilir. Bir başka deyişle mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde kullanılan mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen özelliklere sahip maddelerdir.

6 Bütün mühendislik bilim dalları malzeme ile yakından ilişkilidir. Malzeme Gereksinimi Mühendisler kullanacakları malzemeyi çok iyi tanımak ve geniş malzeme tayfı içinde mukavemet, iletkenlik, korozyon, ekonomiklik vb. kriterleri dikkate alarak seçim yapmak zorundadırlar.

7 Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır. ÖRNEK : Teorisi 17. yy'de bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy'de yapılabilmiştir. Bunun nedeni yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayanıklı malzeme gereksinimidir.

8 Toplumların gelişimleri ihtiyaçlarını karşılamak üzere geliştirdikleri malzemeleri üretme ve kullanma kabiliyetleri ile yakından ilişkilidir. (Taş devri, Bronz devri, Demir Çağı, Silikon çağı ve Polimer çağı) Doğal malzeme kullanımı (Taş, tahta, kil vb.) Daha üstün tekniklerle malzeme özelliklerinin geliştirilmesi MALZEME SEÇİMİ! Artan malzeme çeşidi ile birlikte kullanım yerine uygun malzeme tercihi Son olarak malzeme yapı ve özellik ilişkisi ile özelliklerin şekillendirilebilme kabiliyeti, Modern (ileri) malzeme gelişimi İleri teknolojik gelişimin habercisi olmak (otomobil imalatı, elektronik cihazlar, uzay araçları vb.)

9 Malzemelerin Tarihi Gelişimi ve Nispi Önem Düzeyi

10 Malzeme Bilimi Nedir? : Genel amacı - malzemelerin iç yapısını tanıtmak, - iç yapılar ile özellikler arasındaki bağıntıları araştırmak ve bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflandırarak özelliklerini incelemektir.

11 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning MALZEME YAPISI a) Atom-altı Mertebede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar nötronlar ve bunların etkileşimi Figure 2.8 The atomic structure of sodium, atomic number 11, showing the electrons in the K, L, and M quantum shells. 2 a) Atomsal Mertebede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar

12 c) Mikroskopik Mertebede: Malzemelerin mikroskop altında tane yapıları ve fazlarının incelenmesi 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson L d) Makroskopik Mertebede: e 7.17 The effect of annealing temperatur structure Çıplak gözle of görülebilen cold-worked metals. (a) cold fter recovery, (c) after recrystallization, an grain yapısal growth. özellikler

13 Malzeme Gelişimi! Mühendislik Malzemeleri: Hammaddelerin elemental kontrolü Üretim süreci Mühendislik malzemesinin uygulama alanına bağlı olarak üretimi ve kullanımının sağlanması Dayanım, rijitlik Kırılma davranışı Ağırlık/Yoğunluk Çevresel koşullar (korozyon, sıcaklık ve basınç koşulları) Çevresel etki ve yaşam döngüsü analiz! Maliyet! * Ekonomik ve çevresel faktörler modern malzeme teknolojisinde son karar aşamasında çok önemli bir şekilde dikkate alınır.

14 Yapı İç yapı düzeni Atom altı parçalar Atomik düzen mikroskobik makroskobik (kütlesel) Proses Malzeme üretim yöntemleri Karakterizasyon Performans Belirli uygulamalardaki davranış Özellikler Malzeme özellikleri Dış etkenlere karşı davranış Mekanik, elektriksel, termal, magnetik, optik ve korozif ortam özellikleri

15 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

16 Mekanik: Elastik özellikler Kayma mukavemeti Sertlik Elektriksel: conductivity resistivity capacitance + - Optik: reflectivity absorbance emission Termal: thermal expansion heat capacity thermal conductivity July 24, 2007 Models & Materials

17 Proses Yapı Özellik Performans Performans amacı Metalik malzemelerde dayanım artırımı OFF Yavaş soğutma Daldırma Aslında, Kristaller mükemmel değildir. Yapıda KUSURLAR mevcuttur Metallerde, DAYANIM kusurların nasıl uzaklaştırılması gerektiği ile geliştirilir!

18 Sertlik (BHN) Proses yapıyı değiştirir Özellikler yapıya bağlı olarak değişmektedir Örn.Çelik yapısı ve sertlik ilişkisi (d) (c) 30 m (a) 30 m (b) 30 m 4 m Cooling Rate (C/s) Soğuma Hızı ( C/sec) 2

19 Çelik Haddeleme At h 1, L 1 Düşük UTS Düşük elastisite Yüksek tokluk Yuvarlak taneler At h 2, L 2 Yüksek Dayanım Yüksek elastisite Düşük tokluk Uzanmış taneler Yapı özellikleri belirler fakat Proses Yapıyı belirler!

20 Aluminum Oksit (Al 2 O 3 ) Tek kristal (Şeffaf) Çoklu kristal crystalline, %1 porozite (Yarı geçirgen) Çoklu kristal, 5% porozite (boşluk) (Opak) July 24, 2007 Models & Materials

21 Elektriksel özellik Bakırın elektriksel direnci Bakıra safsızlıkların ilavesi Direncini artırır. Deforme olan bakırın direnci artar. 4

22 Thermal Conductivity (W/m-K) Termal özellik Uzay araç kanatları: --Silika elyaf izolasyonu düşük ısı transferi sağlar. BakırınTermal iletkenliği --Çinko ilave edildiğinde azalır! 100 m Adapted from Fig. 19.4W, Callister 6e. (Courtesy of Lockheed Aerospace Ceramics Systems, Sunnyvale, CA) (Note: "W" Composition (wt% Zinc) Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e. (Fig is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)

23 Magnetic Storage: --Recording medium is magnetized by recording head. Magnetik özellik Magnetic Permeability vs. Composition: --Adding 3 atomic % Si makes Fe a better recording medium! 6

24 Gerilim ve tuzlu su... --çatlama yapar! Korozif özellikler Isıl muamele: Yavaşlar Tuzlu suda çatlak uzama! --Malzeme içeriği: 7150-T651 Al "alloy" (Zn,Cu,Mg,Zr) 4 m 8

25 Malzeme Sınıflandırması Metaller İyi ısıl ve elektriksel iletkenler Parlak görünüm ve korozyona duyarlı Dayanıklı fakat hasar alabilir Seramikler & Camlar Elektriksel ve termal acıdan yalıtkan Yüksek sıcaklığa sert çevre koşullarına dayanıklı Sert fakat gevrek Polimerler Çok büyük moleküller Düşük yoğunluk düşük ağırlık Ekstrem esneklikte July 24, 2007 Models & Materials

26 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Malzeme Sınıflandırması Biyomalzemeler İnsan vücüdu ve dokularıyla uyumlu Yarı iletkenler Elektriksel özellikleri iletken ve yalıtkan arasında Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir. Kompozitler Birden çok malzemeden oluşur İsteğe göre daha rahat tasarlanabilir İçerdiği farklı malzemelerin özelliklerini yansıtır Kalça protezi Intel Pentium 4 Cam elyaf sörf tahtası July 24, 2007 Models & Materials

27 Malzemelerin Sınıflandırılması 1. METALLER Cu, Al,Au,... Dökme Demirler Alaşımlar pirinç(cu-zn) çelik (Fe-C) 3. PLASTİKLER Polietilen (Yiyecek Paketleme) Epoksi (Entegre devrelerin muhafazası) 2. SERAMİKLER SiO 2 -Na 2 0-CaO (Pencere camı) Al 2 0 3, MgO, Si0 2 (Refrakter Mlz.) 4. KOMPOZİTLER Grafit-Epoksi (Uçak Parçaları) Tungsten Carbide- Cobalt (Kesici Takım)

28

29

30 Malzeme sınıflandırma Design of materials having specific desired characteristics directly from our knowledge of atomic structure. Miniaturization: Nanostructured" materials, with microstructure that has length scales between 1 and 100 nanometers with unusual properties. Electronic components, materials for quantum computing. Smart materials: airplane wings that deice themselves, buildings that stabilize themselves in earthquakes Environment-friendly materials: biodegradable or photodegradable plastics, advances in nuclear waste processing, etc. Learning from Nature: shells and biological hard tissue can be as strong as the most advanced laboratory-produced ceramics, mollusces produce biocompatible adhesives that we do not know how to reproduce Materials for lightweight batteries with high storage densities, for turbine blades that can operate at 2500 C, room-temperature superconductors? chemical sensors (artificial nose) of extremely high sensitivity, cotton shirts that never require ironing

31

32 METALLER Demir, alüminyum, bakır, titanyum, altın ve nikel gibi bir ya da daha fazla metal elementinden ve genellikle nispeten az miktarda karbon, azot ve oksijende gibi metal olmayan elementlerden oluşurlar. (Al, Fe, Zn, Au,... Cu-Sn bronz Cu-Zn prinç...)

33 Metallerin Karakteristik Özellikleri - Kristal yapıdadırlar - Dayanımları yüksektir - Kolay şekillendirilebilirler - Kırılgan değildirler - Korozyon dayanımı düşüktür - Yüksek şekilde elektrik ve ısı iletkenlikleri vardır - Şeffaf değildirler ancak parlak görünüşe sahiptirler

34 SERAMİKLER Genelikle Metal-ametal (metal olmayan) grubların oluşturduğu malzemelerdir. Örnek: Al 2 O 3, MgO, SiC, SiO 2 gibi inorganik kimyasal bileşikler veya böyle bileşiklerin cam, tuğla, beton ve porselen olarak adlandırılan karışımları

35 Seramiklerin Karakteristik Özellikleri - Dayanımları yüksektir - Erime sıcaklıkları yüksektir. - Kırılgandırlar - Kimyasal olarak kararlıdır - Çekme dayanımları düşük basma dayanımları yüksektir

36 POLİMERLER (Organik Malzemeler) - Metal olmayan elemanlardan oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. - Genelikle petrol türevi ürünlerden elde edilirler. - Ağaç, deri (doğal organik) Plastik ve lastikten (yapay organik) oluşurlar. - Ana eleman C olup bunun yanında çoğunlukla H 2 bazılarında Cl, F, O, N ve S bulunabilir. - Monomer denilen molekül bireyleri birbirlerine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük dev moleküllere dönüştürülür ve polimer adını alır.

37 - Yaygın olarak kullanılan polimerlere örnek olarak Polietilen (PE), polivinilklorür (PVC), polikarbonat (PC) silikon, ve kauçuk olarak verilebilir. - Termoplastik ve termoset olarak genelde ikiye ayrılırlar Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler. Bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. (naylon(poliamide), polietilen, polivinilkloride) Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar. Isıtıldıklrında sertleşirler ve bu hallerini sonsuza dek korurlar (silikon polimerler reçineler düğme)

38 Polimerlerin Karakteristik Özellikleri - Düşük termal dirençe sahiptirler. - Düşük elektrik iletkenliği sahiptirler. - Manyetiklenme özellikleri yoktur. - Düşük mukavemetlidirler - Yüksek sıcaklık direnci düşüktür, kolayça şekllendirilebilirler - Sünekliği yüksek ve hafif malzemelerdir.

39 KOMPOZİTLER (KARMA MALZEMELER) Metal, seramik ve polimerlerden, iki veya daha fazla malzemenin biraraya getirilmesi ile bu malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede toplayan veya yepyeni bir özellik ortaya çıkaran malzemeler kompozit malzeme olarak adlandırılır. Betonarme (beton+çelik), Karbon-elyaf Takviyeli Cam-elyaf Takviyeli, Araba Lastiği

40

41 İLERİ MALZEMELER İleri teknoloji uygulamalarında kullanılan malzemeler ileri malzemeler olarak adlandırılır. Yarı iletkenler Biyo-malzemeler Akıllı malzemeler Nano-mühendislik malzemeler

42 Yarı iletkenler -İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar.( Si, Ge) - Normal halde yalıtkandırlar. Isı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında iletkenlik özelliği kazanır. - Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. - içlerine bazı özel maddeler katılarak ta iletkenlikleri arttırılabilir. -Elektroniğin temel elemanlarından olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılar.

43 Biyo-malzemeler Biyomalzeme; vücudun işleyişine yardımcı olmak üzere üretilen ve geliştirilen malzemelerdir. Yapısı itibariyle vücut ile sürekli temas halinde bulunmaktadır. Ortopedi alanında kullanılan protezler ve diş alanında kullanılan dolgular biyomalzemelere örnek olarak gösterilebilir.

44 Akıllı malzemeler Yaşayan organizmlarda görüldüğü gibi bulundukları ortamda meydana gelen değişikleri hissedebilen ve önceden belirlenen bir cevap oluşturan malzemelerdir. Bir akıllı malzeme, giriş sinyalini algılayan bir çeşit sensör ve bu sinyale uygun bir cevap oluşturan bir uyarıcıdan oluşur. Örnek: Şekil hafızalı alaşımlar, piezoelektirk seramikler, Manyetostriktif malzemeler

45

46 Nanomalzemeler Nanometre boyutlarıyla karakterize edilen malzemeler (nanometre milimetrenin milyonda biridir ve insan saç telinden yaklaşık olarak 100,000 kat daha küçüktür)

47