BÖLÜM-3. Ashby Grafikleri. Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ. Malzeme Seçimi/

Transkript

1 BÖLÜM-3 Ashby Grafikleri Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ Malzeme Seçimi/ 1

2 Ashby Grafikleri Malzeme Seçimi/ 2

3 Yoğunluk: malzemenin kütlesinin hacmine oranıdır ve g/cm 3 (kg/m 3 ) birimleri ile gösterilir. Spesifik (Özgül) Mukavemet: Malzeme mukavemetinin yoğunluğa oranıdır. Malzeme Seçimi/ 3

4 Malzeme Seçimi/ 4

5 Ashby Grafikleri : Bir plakanın eğilmeye karşı direncinin (rijitlik) ölçeği, plaka kalınlığının küpü ile belirlenir. Elastik dayanım ve hafiflik bakımından en iyi malzeme ise, rijitliğin küp kökünün yoğunluğa bölünmesi ile belirlenir. Malzeme Seçimi/ 5

6 Malzeme Seçimi/ 6

7 Genel Bilgiler : Mukavemet, uygulanan bir gerilmeye (birim alana etkiyen yük) karşı malzemenin direncini ölçer. Bu grafikler, seramik malzemeler (düşük çekme, yüksek basma dayanımı) hariç bütün malzemeler için çekmeye karşı akma mukavemetlerini gösterir. Grafikler, düşük ağırlık yüksek mukavemet gerektiren parçalar için malzeme seçiminde çok kullanışlıdır. Çoğu polimerlerin yoğunluğu bir den biraz fazladır (suda biraz batar), çoğu ağaçlar ise birden biraz daha azdır ve suda yüzerler. Düşük ağırlıklarda sağlanan yüksek mukavemet, mukavemet/yoğunlukla belirlenen sipesifik mukavemet olarak çoğu zaman önemli bir özelliktir. Malzeme Seçimi/ 7

8 Fiziksel Kavramlar : Köpük malzemelerdeki gözenekler (baloncuklar), mukavemet ekseni boyunca uzanırlar fakat yoğun değildirler. Düşük yoğunluğa rağmen, ısıl işlemler ve alaşımlandırma sebebiyle yüksek mukavemete sahiptirler. Yoğunlukla ilişkilendirilen mukavemetli malzemeler sol alttan sağ üste doğru çapraz olarak uzanır. Kompozitler ise, hafif matris malzemesi içinde yüksek mukavemetli fiberlerle sağlanan düşük ağırlıktaki yüksek mukavemetli malzemelerdir. Ağaçlar, suda yüzen hava gözenekleri ile dolu polimer köpüklere benzerler. Ağaçlar, etkin hücre yapıları sayesinde düşük yoğunlukta yüksek mukavemet sağlayabilir. Malzeme Seçimi/ 8

9 Örnek Kullanımlar : Planörler hafif ancak mukavemetli malzemelerden yapılır (Naylon veya benzer malzemelerle kaplanmış metal borular). Zimmer kafesleri hafif alüminyum borulardan yapılır. Simple Questions : Çoğu alüminyum alaşımlara ısıl işlem uygulanabilir. Bunun anlamı nedir? Ve mukavemeti nasıl etkiler? Bir sırt çantası için malzeme seçin! Araba tekerleği için malzeme seçin! Further Questions: Niçin dövme alaşım parçalar döküm parçalardan daha mukavemetlidir? (Why are forged alloy components often stronger than cast ones?) Niçin düşük yoğunluklu polietilen, yüksek yoğunluklu polietilenden daha daha düşük bir yoğunluğa sahiptir? Moleküler seviyede açıklayınız. (Explain at a molecular level why low density polythene has a lower density than high density polythene) Malzeme Seçimi/ 9

10 Young modülü bir malzeme sabitidir ve rijitliği ölçer. Çatı kirişleri, bisiklet şaseleri gibi çoğu uygulamalar rijit malzemeler gerektirir. Bu malzemeler yukarıdaki grafiklerin üst bölgesinde uzanır. Ambalaj köpükleri gibi bazı malzemelerin ise ucuz olması gerekir, bu malzemeler ise grafiklerin sol tarafında yer alır. Çoğunlukla metal ve seramiklerden oluşan ucuz ve rijit olan malzemeler ise grafiklerin sol üst bölgesinde yer alır. Malzeme Seçimi/ 10

11 Darbeye maruz parçalar için önemli olan tokluk, bir malzemenin kırılması için gerekli enerji miktarını belirler. Araba motoru ve çekiç benzeri parçalarda olduğu gibi, yüksek tokluk ve mukavemet gerektiren birçok durumlar mevcuttur. Ancak, genellikle artan mukavemetle birlikte tokluk azalır. Temperlenmiş çelikler su verilmiş hallerinden daha az sert ancak daha fazla toktur. Malzeme Seçimi/ 11

12 Uzama (süneklik), bir parçanın kırılmadan once yüzde uzamasındaki değişim ile belirlenir. Malzeme Seçimi/ 12

13 Emniyet kemeri, tornavida gibi çoğu uygulamalar için gerekli olan yüksek mukavemetli malzemeler, grafiğin üst kısımlarında yer alır. Maalesef grafiğin sol üstünde yer alan ucuz ve dayanıklı çok az sayıda malzeme mevcuttur. Malzeme Seçimi/ 13

14 Maksimum çalışma sıcaklıkları, örneğin motorda kullanılan ve mukavemetini hızlıca düşüren bir parçadaki en yüksek sıcaklıkları belirtir. Bu grafik, oda sıcaklıkları üzerinde çalışan mutfak kapları, araba motorları ve eksozları gibi parçalar için malzeme belirlemede çok kullanışlıdır. Malzeme Seçimi/ 14

15 Spesifik (özgül) özellikler, özelliklerin malzeme yoğunluğuna bölünmesi ile bulunur. Bu grafik, düşük ağırlıkla birlikte yüksek mukavemet ve/veya rijitlik gerektiren parçalar için malzeme seçiminde çok kullanışlıdır. Kompozitler, iyi spesifik özelliklerdeki malzemelere ulaşmamızı sağlar. Malzeme Seçimi/ 15

16 Bu grafik, iyi elektrik izolasyonu (örn. Piriz gövdesi) veya iyi elektrik iletkenliği gerektiren (elektrik kablosu) parçaların düşük maliyetli tasarımı için önemlidir. Elektriği iyi iletenler genellikle iyi ısıl iletkendirler ve iyi elektrik izolatörleri aynı zamanda iyi ısı izolatörleridir. Malzeme Seçimi/ 16

17 Geri dönüşüm oranı, etkin (verimli) maliyetle geri dönüştürülebilme oranıdır. Yüksek geri dönüşüm oranları şu an bir zorunluluk değildir. Geridönüşüm, malzemenin ham haline dönüşünü ifade eder, fakat yeniden kullanımı bazen çok fazla enerji verimi sağlar. Bu grafik, önemli ölçüde geri kazanımı olan malzemeleri ve geri kazanım durumlarını belirlemek için kullanılır. Pahalı malzemelerin geri dönüşümü doğal büyük uğraşlarla yapılır (Birkaç elmasın hiçe gitmesi!) Malzeme Seçimi/ 17

18 Bir malzemeyi üretmek için gerekli olan enerji, ham malzeme maliyetinde önemli yer tutar. Malzeme üretimindeki bu maliyet sol alttan (düşük ücret/düşük enerji), sağ üstte (yüksek ücret/büyük enerji miktarı) uzanır. Üretiminde yoğun enerji gerektiren malzemeler için, alüminyum kutuların geri dönüşümü yoluyla büyük enerji ve ücret tasarrufu sağlanır. Malzeme Seçimi/ 18

19 MALZEME ÖZELLİK DİYAGRAMI NEDİR? Malzeme seçimine katkıda bulunmak için hazırlanmış kıyaslamalı malzeme özelliklerinin karşılaştırılmalarına yarayan diyagramlardır. İki tip diyagram (grafik) kullanılır: 1. Malzeme özellikleri çubuk grafiği 2. Malzemenin iki özelliğinin karşılaştırıldığı diyagramlar Malzeme Seçimi/ 19

20 Log.grafiklerin, ses frekansı olaylarında ve burada olduğu gibi malzeme özellik diyagramlarında değerlerin log skalası olarak kullanım alanları vardır. Log terimi, kat fazla, defa fazla veya az skala ifadelerini kullanırken matematik biliminde bunun nasıl gösterileceğini açıklar. LOGARİTMİK GRAFİKLER ÖRNEK: y = 5 x ifadesinin hem y ekseni hem de x ekseni log alınırsa yani, Log Log grafini çizdirelim. Malzeme Seçimi/ 20

21 Log (Property 1) vs Log (Property 2) Başka bir y = x 1/2 ifadesinin Log-Log grafiği Bu grafikteki (x,y) olarak (1,1) (4,2) (9,3) karşılıklarına dikkat ediniz. Malzeme Seçimi/ 21

22 Malzeme seçiminde malzeme diyagramı niçin önemlidir? Log (Property 1) vs Log (Property 2) Why Log(P1) vs Log(P2)? What materials are toughest against fracture? Malzeme diyagramları incelenirse pek çok malzeme özelliği ikişer ikişer karşılaştırmalı olarak birbirleriyle kıyaslama imkanı vardır. Zaten malzeme seçimi de, malzemeleri birbirleriyle çok değişik açılardan kıyaslama sonucu yapılacaktır. * Malzeme diyagramlarındaki özellikler mekanik, fiziksel, kimyasal, elektrik, optik, çevre ve fiyatla olduğu gibi, imalat yöntem çeşidi,ürün şekli ile de karşılaştırmaları kapsar. Malzeme Seçimi/ 22

23 Aşağıdaki örnek akma mukavemeti ile yoğunluk arasındaki malzeme özellik diyagramı görülmektedir. Bu örnekte bazı malzemelerin akma mukavemeti (σ ak ) için nümerik veri değerleri aşağıdadır. Malzeme Akma mukavemeti; (σ ak =Mpa) Polimerler Metaller C çelikleri Al alaşımları Al döküm alaşımları Al 6082-T * Tasarımcılar buradan; - Metaller plastiklerle nasıl kıyaslanır? - C çelikleri Al alaşımları ile nasıl kıyaslanır? - Al alaşımları kendi aralarında nasıl kıyaslanır? Bu bilgileri göz önüne alarak malzeme seçimini sorgulayacaklardır. Malzeme Seçimi/ 23

24 Çubuk malzeme özellik diyagramları da, log skalaları kullanarak yerleştirilmişlerdir. Veri aralığı 10 kat faktörünü içerir. Malzemelerin kendi aralarındaki özellikleri için aynı kıyaslamalar yapılır. Malzeme Seçimi/ 24

25 MALZEMELERİN PERFORMANSI Malzemelerin özellikleri, onların performanslarını sınırlar. Bizim bu tasarımı sınırlayan özellikleri incelemeye ihtiyacımız var. Malzemelerin ancak tek bir özelliği ÇUBUK GRAFİK şeklinde gösterilebilir. Ama unutmayalım ki, iş görecek bir parçanın performansı malzemenin tek bir özelliğine bağlı değildir!!! Malzeme Seçimi/ 25

26 ÇUBUK-GRAFİKLER Aşağıda malzemelerin tek bir özelliği gösterilmiştir. Malzeme Seçimi/ 26

27 Örnek vermek gerekirse, kullanılacak parça hafif ama mukavim bir malzeme olsun dediğimizde ; f / [mukavemet/özgül ağırlık] ve E / [Katılık/özgül ağırlık] bu iki özellik göz önüne alınmalıdır. Birbirlerine karşı çizilen bu malzeme özellik diyagramları pek çok açıdan faydalıdır. Öncelikle malzeme grafiklerinde ; Tüm malzemelerin aradığımız özellikleri bir arada ve kolayca erişilecek hale getirilmiş durumdadır. * Log. bazlı ölçekler daha fazla bilgi görüntülenmesine izin verirler. Malzeme Seçimi/ 27

28 Burada her bir çubuk tek bir malzemeyi temsil etmektedir.çubuğun uzunluğu da o malzemenin çeşitli formlardaki termal iletkenlik değerinin artıp azalmasını ifade etmektedir. Malzemeler sınıflara ayrılmışlar, ama bir arada bulunmaktadırlar. Her sınıf malzeme bu özelliğin sınırlarını belirtmektedir. Metaller en yüksek değerleri, plastikler en düşük değerleri göstermektedirler. Seramiklerde yüksekten düşüğe doğru epey geniş bir sahaya yayılmış durumdadırlar. Malzeme Seçimi/ 28

29 İKİLİ ÖZELLİK DİYAGRAMLARI Diyagram yolu ile malzeme özelliğini göstermenin ve daha fazla bilgi edinmenin yolu, ilişikteki diyagramda gösterildiği gibi iki malzeme özelliğini karşılıklı bir diyagramda göstermektir. İlişikteki diyagramda (E) elastiklik modülüne karşı ( ) yoğunluk ilişkisi logoritmik skala da gösterilmiştir. Eksen uzunlukları, en hafif (köpükler gibi) olan malzemeden en katı ve en ağır olan malzemeyi de içine alacak şekilde ayarlanmıştır. Grafikte önce ana malzeme sınıfı bulunur sonra alt malzeme gruplarına bakılır. Malzeme Seçimi/ 29

30 Young Modülü Yoğunluk Diyagramı Uygun eksen ve ölçekler seçilerek, diyagrama daha fazla bilgiler eklenebilir. Katı bir malzemede boyuna dalga hızı, E ve ya bağlıdır. Yani dalga hızı; V= ( E/ ) 1/2 dir ve her iki tarafın log.sını alırsak ; log V = 1/2 log ( E/ ) 2 log V = log E log olur. Buradan ; 2 log V + log = log E olur ve burada V dalga hızı değeri sabittir. Malzeme Seçimi/ 30

31 Malzeme diyagramına, sabit dalga hızının farklı eş yükselti eğrileri katlanarak yerleştirilebilir. Bu eğriler, paralel şekilde ve aynı hızda uzunlamasına malzeme diyagramlarında yer alırlar. Malzeme diyagramlarının hepsi, gösterilecek olan bu çeşit benzer ilişkilerin hepsinin yerleşmesine izin verirler. Daha da ileri aşaması ; Tasarım optimize parametrelerinden olan Malzeme İndis leri de garfiklere aynı şekilde KATLANARAK PAPARALEL çizilip yerleştirilir. Malzeme Seçimi/ 31

32 Mekanik ve termal özellikler arasında, hem malzemeyi karakterize etmede hem de mühendislik tasarımında birincil öneme sahip yaklaşık 30 özellik vardır. Bunlardan bazıları;.yoğunluk, Elastikiyet modülü, Mukavemet, Sertlik, Tokluk, Termal ve Elektrik iletkenlikleri, Genleşme katsayıları, Özgül ısı gibi.. özelliklerdir. Aşağıda, farklı yüklemelere maruz elemanların bazı özelliklerin birbirleriyle ilişkilendirildiği malzeme indisleri belirtilmiştir. Malzeme Seçimi/ 32

33 Örnek Malzeme İndisleri Fonksiyon, Amaç ve Zorlama (sınırlama) İndeks Malzeme Seçimi/ 33

34 Malzeme diyagramlarında her bir malzemenin her bir özelliği belli bir alanda gösterilmiştir. Bazen bu alan dardır. Örneğin bakır için E modül değeri, onun saf oluşuna ve alaşımlı oluşuna bağlı olarak biraz değişiklik gösterir. Oysa bazen bu alan çok geniştir. Örnek, Alumina - Ceramic malzemenin mukavemeti, içersindeki porozitesi, tane büyüklüğüne ve kompozisyonuna bağlı olarak 100 veya daha fazla kat değişiklik gösterebilir. Isıl işlemin ve mekanik şekil vermenin metallerin akma mukavemeti ve tokluğu üzerinde çok derin bir etkisi vardır. Çapraz bağlanma ve moleküler bağ yapısının polimerin elastiklik modülü üzerinde önemli etkisi vardır. Bu yapıya bağlı özellikler grafikler üzerindeki zarflar içersinde uzamış baloncuklar şeklinde görülmektedir. Tek bir balon,tek bir malzeme sınıfının özellik değerinin sınırlarını içine alır. Malzeme Seçimi/ 34

35 1. Young Modülü-Yoğunluk Density, kg/m 3, (Mg/m 3 ), g/cm 3 (=10 3 kg/m 3 =Mg/m 3 ) Malzeme Seçimi/ 35

36 1. Modül ve yoğunluk benzer özelliklerdir. Örneği malzemeler üzerinden verirsek ; Çelik katı, lastik yumuşaktır. Bunların böyle olması modülün (E) etkisi sebebiyledir. 2. Kurşun un ağır, mantarın batmaz oluşu, bunların yoğunluklarının ( ) etkisi sebebiyledir. İlişikteki diyagramda, Mühendislik malzemeleri için (E) ve ( ) arasındaki ilişkinin tüm sınırları gösterilmiştir. 3. Özel bir malzeme ailesinin tüm üyelerinin özellik verileri bir zarf içinde olabilir. 4. Bir katının yoğunluğu 3 faktöre bağlıdır. Atomlarının veya iyonlarının atom-ağırlığına Atomların boyutlarına Atomların kristal yapılarına (kristaldeki dizilişlerine) Malzeme Seçimi/ 36

37 5. Atomların boyutu çok fazla değişmez. Pek çok atom m 3 lük bir hacme sahiptir. Kristal boyutları da fazla değişmez, 2 veya daha az kat ları şeklinde değişir. Kapalı paketlerde katsayı 0,74 açık paketlerde (elmas kübik yapı gibi) 0,34 civarındadır. 6. Yoğunluğun diyagramda yayılması atom ağırlığı sebebiyledir. Hidrojen in 1 olan atom ağırlığı Uranyum da 238 e ulaşır. Metaller yoğundur çünkü onlar yoğun paketli ağır atomlardan yapılmışlardır. 7. Polimerlerin yoğunlukları düşüktür, çünkü onlar atom ağırlığı 12 olan karbon ve atom ağırlığı 1 olan hidrojen den oluşmuşlardır. Polimerler düşük yoğunlukta amorf yapılardır, veya kristalin paket yapı tarzındadırlar. 8. Seramiklerin pek çok parçası, metallerden çok daha düşük yoğunluğa sahiptirler. Çünkü seramikler O, N ve C atomları ihtiva ederler. Malzeme Seçimi/ 37

38 9. En hafif atomlar bile,en açık şekilde paketli bir kristal yapıya yaklaşık 1 Mg/ m 3 lük yoğunluk katar. 10. Daha düşük yoğunluğa sahip malzemeler köpüklerdir ve bunlar gözenek alanı büyük hücrelerden oluşurlar. 11. Pek çok malzemenin (E) modülü 2 faktöre bağlıdır. Atom bağ ının sıkı oluşuna Birim hacim başına atom bağ yoğunluğuna Bağ yay gibidir. Yay ın bir sabiti vardır (S). Young modülü E kaba bir şekilde ; E = S / r 0 Burada r 0 atom boyutudur. (r 3 ortalama atom veya iyon hacmidir) Modülün geniş alana yayılması, büyük ölçüde S değerinden kaynaklanır. Çünkü kovalent bağ ın sınırları S = N/m arasında değişir. Metalik ve iyonik bağ lar biraz daha az alanda değişir (S = N/m). Malzeme Seçimi/ 38

39 12. Elmas en yüksek modüle sahiptir, çünkü, karbon atom ları çok küçük boyutta ( bu ise yüksek bağ yoğunluğu verir) ve elmasın atomları çok güçlü yay gibi (S = 200 N/m) bağlanmıştır. 13. Metaller elmas kadar güçlü olmasalar da, yüksek modüle sahiptirler, çünkü sıkı paket yapı yüksek bağ yoğunluğu verir ve bağlar da güçlüdür. 14. Polimerler hem elmas gibi güçlü durum sağlayan kovalent bağ lara sahip hem de zayıf hidrojen ve Wander-walls (S= 0,5-2N/m) bağlarına sahiptir. Plastik gerildiği zaman düşük modül vermesi zayıf bağlar sebebiyledir. En zayıf bağla bağlı (S=0,5 N/m) büyük yarıçaplı atomlarda (r 0 = m) bile kaba modül değeri ; E = ( 0,5 / ) 1 GPa Malzeme Seçimi/ 39

40 Bu gerçek katı malzemeler için en düşük limit tir. Malzeme diyagramı, bundan daha düşük malzemeleri bile göstermektedir. Bu malzemeler ya elastomerler veya köpüklerdir. Elastomerler düşük E ye sahiptir, çünkü zayıf olan ikincil bağ lar uzun zincir moleküllerinde çok zayıf ve karışık geri getirme kuvvetleri bırakarak erimiş olurlar. (Çünkü onların camsı-dönüşüm sıcaklığı T g oda sıcaklığının altındadır.) Köpükler de çok düşük E ye sahiptirler çünkü, malzeme yüklendiği zaman, (büyük yer değiştirmelere uğradığı için) hücre cidarları kolayca eğilirler. Malzeme Seçimi/ 40

41 Malzeme diyagramları, mühendislik malzemelerinin modüllerini 70 kat farkla gösterirler GPa dan (çok düşük yoğunluklu köpükler) 1000 GPa kadar (Elmas a) Yoğunluktaki fark ise 2000 çarpanı kadardır. Seramikler metallerden daha rijittirler. Ama seramiklerin hiçbirisinin modülü 10 GPa dan az değildir. Polimerler, zıt bir şekilde hemen hepsi 0,8-8 GPa arasındadırlar. Bundan daha düşük modüle sahip olmak için malzemenin ya elastomer yada köpük olması gerekir. Malzeme Seçimi/ 41

42 Log bazlı ölçekler daha fazla bilgi görüntülenmesine izin verirler. Daha önce de açıklandığı gibi, bir malzemedeki elastik dalga hızı ve o malzemeden yapılmış bir parçanın tabii titreşim frekansı ile (E/ ) 1/2 şeklinde orantılıdır. Bu miktar diyagram üzerine çizdirilir. Bu hız, 50 m/s (yumuşak elastomer) den biraz daha fazla olan 104 m/s (katı seramik) kadar değişir. Malzeme Seçimi/ 42

43 15. Aluminyum ve cam a dikkat etmeliyiz. Zira, onların düşük yoğunluklarına rağmen dalgaları hızlı bir şekilde iletirler Köpüklerinde düşük yoğunlukları sebebiyle dalga hızlarının düşük olduğunu sanılır. Oysa, düşük yoğunluk daima denge sağlar. Ağaç tada enine hız düşük, ama boyuna olunca çelikteki gibi yüksektir. Bu diyagramlar,kütlenin minimize edildiği uygulamalar için malzeme seçiminin en genel problemlerinde yardımcı olur. Malzeme Seçimi/ 43

44 2. Mukavemet - Yoğunluk Bir katının young modülü net bir değer iken mukavemet böyle değildir. Density, kg/m 3, (Mg/m 3 ), g/cm 3 (=10 3 kg/m 3 =Mg/m 3 ) Malzeme Seçimi/ 44

45 1. Metaller ve plastikler için akma mukavemeti ( ak ) önemli iken, bazı malzemeler için max. çekme mukavemetine ( alanı genişler. çek) kadar mukavemet Seramikler için basmada kırılma çok önemlidir. Çekme dayanımı 15 kat küçük olduğundan önemsizdir. Elastomerler için mukavemet, yırtılma mukavemetidir. Kompozitlerde çekmede hasar gerilmesi önemlidir. * Uzamış baloncuk şeklindeki Bir Malzeme Grubu nun dikey yada yatay uzantısı, - Alaşımlama derecesi - Deformasyon sertleşmesi - Tane boyutu ve gözeneklilik sebebiyle meydana gelir. Malzeme Seçimi/ 45

46 2. Bu grafik, köpüklerin mukavemeti olan 0.1 MPa ile Elmasın mukavemeti 10 4 MPa arasında, beş değişik farklı alanı içermektedir. Seramiklerin mukavemetleri yüksektir. Metallerin içindeki dislokasyon hareketleri sebebiyle mukavemetleri değişiktir. Atomlararası bağ kuvvetlerine bağlı olarak mukavemet değişiklik gösterir. Mesela polimer lerdeki vanderwalsbağları sebebiyle mukavemetleri zayıftır. Metal ve polimerler için akma mukavemeti Seramikler için basma mukavemeti * Elastomerler için yırtılma mukavemeti ve kompozitler için çekme mukavemeti önemlidir. Malzeme Seçimi/ 46

47

48

49 3. Modül Mukavemet Malzeme Seçimi/ 49

50 1. Modül net bir değer ile tanımlanırken, mukavemet böyle değildir. * Metaller ve plastikler için akma mukavemeti önemlidir. * Pek çok pratik amaçlar için çekme ve basma mukavemetleri aynıdır. * Kırılgan seramikler de basma mukavemeti önemli, çekme 15 kat düşük olduğundan önemsizdir. * Elastomerler için yırtılma mukavemeti önemlidir. Kompozitler için çekmede hasar mukavemeti önemlidir. 2. Herhangi bir malzeme için mukavemet kabarcığı büyük ise, bunun sebebi,alaşımlama derecesi, def. sertleşmesi, tane boyutu, gözeneklilik gibi sebepler yüzündendir. * Mukavemet alanı 0,1 MPa ile köpüklerde görülürken, 10 4 MPa ile elmasta görülmesi arasında 5 onluk büyüklük farkı oluşmuştur. Bu kadar fark plastik kaymaya karşı kafes direncinden dolayıdır. * Metaller yumuşaktır, metalik bağ dislokasyon hareketlerine az engel olur, seramikler sert tir, lokal kovalent ve iyonik bağları, dislokasyonların kilitlendiği yerde kırılırlar. Malzeme Seçimi/ 50

51 3. Plastiklerde zincirin kayması zayıf bağları (vanderwaals bağ kuvvetleri) kırıyorsa mukavemet zayıf, kimyasal bağ kuvvetlerini kırıyorsa kuvvetli olacaktır. Kafes direnci zayıfsa, kayma engellenerek,alaşım elemanları ilave ederek,tane boyutları ile oynayarak def.sertleşmesi yaparak, plastiklerde çapraz bağlanma yaparak malzemeler mukavim yapılırlar. * Kafes direnci yüksek ise, ilave sertleştirme gereksizdir. Malzeme Seçimi/ 51

52 4. Spesifik Rijitlik Spesifik Mukavemet 1. Pek çok tasarımcı rijitlik ile mukavemeti minimum ağırlıkta olsun ister. * Seramikler diyagramın üst sağ köşesindedir. Ama verileri basma mukavemeti içindir. * Kompozitlerin spesifik özellikleri çok caziptir ve uzay endüstrisinde kullanılırlar. * Metaller ise yüksek yoğunlukları sebebiyle bu özelliklerde cazip değildirler. * Polimerler düşük yoğunlukları sebebiyle tercih edilirler. Malzeme Seçimi/ 52

53 5. Kırılma Tokluğu-Young Modülü Malzeme Seçimi/ 53

54 1. Polimerlerin kırılma tokluğu, seramiklerin kırılma tokluğundan düşüktür. 2. Ama buna rağmen seramiklerin gevrek olmasından dolayı çok dikkat etmek gerekir. 3. G, elastik enerji yayma hızıdır. G (2E ) 1/2 ve K ( 2E ) 1/2 şeklinde hesaplanır. Burada modül olarak ölçeklenir. = r 0 /20 Burada r 0 atom boyutudur. 4. Pek çok kırılgan seramik eşiğe yakın yerde yer alır. 5. Metaller, polimerler ve kompozitler kırıldıkları zaman, genellikle çatlak yayılması ile ilgili plastisite den (kalıcı şekil değiştirme) dolayı absorbe edilen enerji çok büyüktür. 6. Diyagramda gösterilen G1c tokluk çizgileri, görünen kırılma yüzeyi enerjisinin (G1c K1c2 / E ) bir ölçümüdür. Malzeme Seçimi/ 54

55 7. Tokluk değerleri 10-3 KJ/m 2 de başlıyor, 10 3 KJ/m 2 ye kadar devam ediyor. 8. Bu ölçekte seramikler, 10-3 ile 10-1 KJ/m 2 aralığında yer alır ve Polimerlerlerden ( 10-1 ile 10 KJ/m 2 ) çok küçük kırılma enerjisine sahiptirler. Bu durum polimerlerin seramiklerden daha fazla kullanılmasının bir sebebidir. Malzeme Seçimi/ 55

56 6. Kırılma Tokluğu Mukavemet Malzeme Seçimi/ 56

57 1. Çatlağın ucundaki gerilme yoğunluğu; Sünek katılarda plastik bir bölge olarak, Seramiklerde mikroçatlama bölgesi olarak, Kompozitlerde delaminasyon-tabakalar arası ayrılma, debonding (yapışmanın sökülmesi) ve fiber çekilme bölgesidir. 2. Çatlak ucundaki bir gerilme alanı bölgesi (d y ) içinde plastik ve sürtünme kuvvetlerine karşı iş yapılır. Bu iş, ölçülen G 1c kırılma enerjisi ile gerçek yüzey enerjisi 2 arasındaki farkı gösterir. d y boyutu, çatlağın gerilme alanı eşitliği ile bulunur; 3. Sabit bir bölge boyutunda, kırılma tokluğu mukavemet ile artma eğilimi gösterir. Onun için kırılma tokluğu diyagramın köşegeni boyunca kümelenmiştir. Malzeme Seçimi/ 57

58 4. K ıc ye karşı f çizilmiştir. Mukavemet olarak; a)-metaller ve polimerler için, b)-seramikler ve camlar için, c)-kompozitler için, çek ak b Diyagramda ; (K 2 ıc/ f) çizgileri, çatlak ucundaki işlem bölgesinin çapını (mm) gösterir. Tasarım çizgileri, hasar tolerans tasarımı için malzeme seçiminde kullanılır. Bu diyagram, yük taşıyan yapıların emniyetli tasarımı için malzeme seçimindeki uygulamalarda kullanılır. Malzeme Seçimi/ 58

59 7. Isıl iletkenlik Katsayısı Direnç Malzeme Seçimi/ 59

60 8. Isıl iletkenlik Katsayısı Isıl difüzyon Malzeme Seçimi/ 60

61 9. Isıl Genleşme Isıl iletkenlik katsayısı Malzeme Seçimi/ 61

62 10. Mukavemet Max. İşletme sıcaklığı Malzeme Seçimi/ 62

63 11. Sürtünme katsayısı Teflon, politetrafloroetilen (PTFE) Malzeme Seçimi/ 63

64 12. Aşınma hızı Sertlik Malzeme Seçimi/ 64

65 Yararlanılan Kaynaklar: 1) TALAT Lecture 1502, Criteria in Material Selection 2) Tasarımda Malzeme Seçimi Ders Notları Doç. Dr. Şükrü TAKTAK 3) 4) Materials Selection in Mechanical Design, Michael Ashby, Third Edition, Elsevier 5) Endüstride Malzeme Seçimi, Prof. Dr. İrfan Ay 6) Materials Selection and Design, Hulya Cebeci, ) Malzeme Seçimi ve Tasarımı, Yard.Doç.Dr. Derya Dışpınar, İst. Üniv. Malzeme ve Metalurji Müh.