MALZEME BİLİMİ DOÇ. DR. N. SİNAN KÖKSAL
GİRİŞ Malzeme bilimi, maddenin özellikleri ve kullanım alanları ile mühendisliğin değişik alanlarını içine alan disiplinlerarası bir bilim dalıdır. Malzeme bilimi temel olarak, malzemelerin yapı ve özelliklerini inceler.
Malzeme ne demektir? Genel olarak, ihtiyaç duyulan maddelere malzeme denilmektedir. Teknik anlamda ise, mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere malzeme adı verilmektedir.
Malzeme bilimde amaç, malzemeleri iyice tanıyıp, yeni malzemelerin keşfini sağlamak ve uygun prosesler tasarlayarak malzemelerin insanlığın kullanımına sunulmasıdır.
Tarihsel Süreç Malzeme bilimi seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi, metalürji ve maden bilimlerinden türemiştir.
Tarihsel Süreç Dünyada gelişim olarak adlandırılan çağlar aslında malzeme biliminin tarihini gösterir. Taş Devri Bronz (Tunç) Devri Demir Devri Gelişmiş Malzemeler Devri
Tarihsel Süreç Malzeme bilimi alanında yapılan en büyük adım Willard Gibbs in 19.yy da malzemelerin termodinamik özelliklerini göstermesiyle ortaya çıkmıştır. 1960 öncesinde çoğu malzeme bilimi bölümleri metalürji bölümleri olarak isimlendirilmekte idi. 1960 sonrası bu alanda metallerin dışında diğer malzemelerinde inceleme alanına dahil edilmesi ile ayrı isim halinde bölümler açılmaya başlandı.
Malzeme bilimi, Seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi bilimlerinden türemiştir. gerçekte metalürji ve maden Malzeme bilimi alanında yapılan en büyük adım Gibbs in 19.yy da malzemelerin termodinamik özelliklerini göstermesiyle ortaya çıkmıştır
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Kompozisyon malzemenin kimyasal makyajıdır. Yapı malzeme içerisindeki atomların veya iyonların düzenine verilen tanımdır. Sentezleme doğal olarak oluşan veya kimyasal malzemelerle oluşan prosestir. Proses etme, imal etme, üretmek malzemelerin şekil değiştirerek yararlı bileşenler haline gelmesi veya özelliklerinin değiştirilmesi gibi bir çok değişik yolla tanımlanabilir.
Malzeme bilimi; İşlem, Yapı, Özellik ve Performans olmak üzere dört ana bileşenden oluşur. Bir malzemenin performansı, özelliklerine bağlıdır. Özellikleri ise yapısına göre değişir. Malzemelerin yapısı ve yapıları ise gördükleri işlemleri ile belirlenir.
Özellikler Mekanik özellikler Uygulanan yüke karşı malzemenin verdiği cevap olarak bilinir. Fiziksel özellikler Elektriksel, manyetik, optik, ısıl, elastik ve kimyasal davranışlarını gösterir.
Yapı, İşlem ve Özellikler Özellikler mikroyapıya bağlıdır. Örnek; sertlikmikroyapı ilişkisi Ferrit + Sementit Uygulanan işlemler mikroyapıyı etkiler. G10380 + w/ Perlit Temperlenmemiş Martenzit Temperlenmiş Martenzit 12 Örnek; Çelik için mikroyapı ile soğuma hızı ilişkisi. 1
Optik özellik- yapı ilişkisi Aluminyumoksidin Işığı Geçirme özelliği Malzemenin mikroyapısına bağlı olarak ışığı geçirebilir, geçirmeyebilir veya saydam olabilir. 13 1
Şekil: Otomobil kasasında kullanılan çelik levhalar üzerine malzeme bilimi ve mühendisliği tetrahedronun uygulaması.
Yapı Malzemelerin yapısı birkaç seviyede incelenebilir: Atom-Kristal-Tane-Faz Atomik Düzey- Atom Düzeni-Mikroyapı- Makroyapı
Atom Elektronların çekirdek etrafındaki düzenleri, elektrik, magnetik, ısıl ve optik özelliklerini daha ileri gidildiğinde korozyon dirençleri, atomlararası bağlar göz önüne alındığında ne tür malzeme olduğunu ortaya koyar; metal, seramik, polimer, yarı iletken.
Kristal Bir sonraki seviye atomların düzenlerin uzaydaki halleridir. Metaller, yarıiletkenler, seramikler ve polimerler oldukça düzgün atomik düzenlere sahiptirler. Kristal yapı mekanik özellikleri etkiler. Diğer seramikler ve polimerler düzgün atomik düzene sahip değildirler. Bunlar amorf veya camsı malzemeler olarak adlandırılırlar.
atom altı seviye ; atomların elektronik yapılarının ve atomlararası etkileşimin incelendiği seviyedir. 18 1
atomik seviye ; aynı atomlara sahip malzemelerin farklı dizilmeleri sonucu farklı özelliklere sahip olduğunun incelendiği seviyedir. Örneğin grafit ve elmas, karbonun iki farklı şekilde dizilmesi sonucu oluşur. 19 1
1
mikroskobik yapı, malzemelerin mikroskop altında tane yapıları ve fazlarının incelenebildiği seviyedir. 21
Tane Tane aynı özellikte kristal yapıya sahip bölgeye denir. Tane yapısı metaller, seramikler, yarı iletkenler ve zaman zamanda polimerlerde görülürler. Tanenin yapısı, şekli malzemelerin birçok fiziksel ve mekanik özelliklerinde etkilidirler.
Malzemenin mikroyapısına bağlı olarak ışığı geçirebilir, geçirmeyebilir veya saydam olabilir. Tek Kristal Polikristal
Faz Çoğu malzeme birden fazla faz içerir. Her faz kendine özgü atomik düzene ve özelliklere sahiptir. Bu fazların boyutlarının dağılımlarının kontrolü ile temel malzemenin özellikleri değişebilir. Katı sıvı-gaz ve plazma maddenin dört hali yani fazlarıdır.
Proses etme/üretme Şekil verilmemiş malzemelerden istenen şekilli malzemeleri üretme yöntemleridir. Döküm Kaynak, lehimleme, brazing, yapıştırma Dövme Çekme Ekstrüzyon Haddeleme Eğme/Bükme İşleme
Malzemelerin Sınıflandırılması Metaller ve alaşımlar Seramikler, Camlar, Cam-Seramikler Polimerler (plastikler), termoplastikler ve termosetler. Yarı iletkenler Kompozit malzemeler
http://www.ptable.com/?lang=tr 27 1
Metaller ve alaşımlar Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır, nikel vb. Elektrik iletkenlikleri yüksek Isıl iletkenlikleri yüksek Sünek Şekil verilebilir Şok direnci yüksek Yapısal ve yük taşıyıcı alanlarda kullanıma uygundurlar. Saf metaller çok az kullanılmakla birlikte metallerin kombinasyonlarından oluşan alaşımlar değişik özellikleri gelişmiş malzemeler üretmek üzere tercih edilirler.
Alüminyum, bakır, çinko, demir ve nikel gibi saf metaller ile bir metalin diğer elementlerle oluşturduğu çelik (Fe-C), pirinç (Cu-Zn) ve bronz (Cu-Sn) gibi alaşımlar olup, imalat sanayinde en çok kullanılan malzemelerdir. 31
Mühendislik malzemeleri olarak alüminyum alaşımları ve diğer düşük yoğunluklu malzemeler (örneğin; Mg ve Ti) yakıt tüketiminde büyük azalma sağladıkları için taşımacılık sektöründe özel bir önem kazanmışlardır. Bu malzemelerin sahip oldukları önemli avantaj özgül mukavemetlerinin (Mukavemet/yoğunluk) çok yüksek değerlerde olmasıdır.
Şekilde, Alüminyum ve Magnezyumun farklı kristal yapıları ve uygulanan kuvvet karşısında kopma şekilleri gösterilmektedir. 34 1
Seramikler Tuğla, cam, refrakterler ve aşındırıcılar. Düşük elektrik iletkenliği Düşük ısıl iletkenliği Kırılgan Yüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek direnç Korozyona dirençli Genelde yalıtkan malzeme olarak kullanılırlar ancak yeni proses teknikleri ile yük taşıyıcı uygulamalarda da kullanılır hale gelmişlerdir. Optik ve elektrik özellikleri geliştirildiğinden entegre devre ve fiber optik uygulamalarda kullanılabilirler.
Seramikler: Genellikle metallerle, metal olmayan elementlerin oluşturduğu bileşiklerdir. Cam, tuğla, beton, porselen gibi malzemeler. 36
Değişik kompleks seramik parçalar. Fanlar, bıçaklar, vb. Bunlar yüksek sıcaklıklarda verimli olarak türbin motorlarının çalışmasını sağlarlar.
Polimerler Temelde karbonun; hidrojen, oksijen, azot gibi metal olmayan elementlerle oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Organik moleküllerden polimerizasyon prosesi ile büyük moleküler yapılar oluşturularak üretilirler. Lastik, plastik, ve yapıştırıcılar. Düşük termal direnç Düşük elektrik iletkenliği Düşük mukavemet Yüksek sıcaklık direnci düşüktür.
Polimerler Termoplastik ve termoset olarak genelde ikiye ayrılırlar; Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar.
Polimerler Lastik, plastik, ve yapıştırıcılar. Termoplastik ve termoset olarak ikiye ayrılırlar; Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar.
o Düşük termal direnç o Düşük elektrik iletkenliği o Düşük mukavemet o Yüksek sıcaklık direnci düşük 41 1
Yarı iletkenler Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen, bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3. ve 5. gruba girerler. Bu demektir ki son yörüngelerinde elektron alıcılığı veya vericiliği iletkenden fazla yalıtkandan daha azdır. İletkenler: Pt, Ni, Au, Cu, Al, Fe... Yalıtkan: Ebonit, Cam, Tahta, Su... Yarı iletkenler: Si, Ge, Br, Al, In(indiyum)...
Yarı iletken malzemeden yapılmış bilgişlemci Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir Transistör, diyod ve entegre devrelerde kullanılırlar. Kovalent bağa sahiptirler. Elektronlar atomlar tarafından paylaşılmaktadır. 43
Kompozitler en az iki malzemeden üretilirler. Kompozit bir malzeme olan cam elyafdan yapılmış golf sopası 44 Böylece bir malzemeden elde edilemeyen farklı özelliklere sahip olurlar. 1
Kompozit Malzemeler İki veya daha çok malzemeden oluşurlar. Beton, sunta, fiberglas, karbon fiberle güçlendirilmiş polimer Düşük ağırlıklı Mukavemetli Sünek Yüksek sıcaklık direnci yüksek Şok direnci yüksek
Mühendislik malzemeleri olarak alüminyum alaşımları ve diğer düşük yoğunluklu malzemeler (örneğin; Mg ve Ti) yakıt tüketiminde büyük azalma sağladıkları için taşımacılık sektöründe özel bir önem kazanmışlardır. Bu malzemelerin sahip oldukları önemli avantaj özgül mukavemetlerinin (Mukavemet/yoğunluk) çok yüksek değerlerde olmasıdır.
İleri kompozit malzemeler uçak ve uzay sanayisi gibi dayanım, bükülmezlik ve hafiflik özelliklerini gerektiren uygulamalarla ilgilidir. İleri kompozitlerde tipik olarak polimer veya metal matris içinde boron, grafit veya kevlar fiber kullanılır.
Malzeme Seçiminde Özellikler Fiziksel özellikler (boyut, şekil, yoğunluk ) Mekanik özellikler (çekme mukavemeti, süneklik, sertlik, darbe, yorulma, burulma, sürünme direnci ) Kimyasal ve elektrokimyasal özellikler (kimyasal bileşim, çözünürlük, korozyon ) Elektrik ve manyetik özellikler (öz direnç elektrik iletkenliği, manyetiklik ) Isıl özellikler (ısı iletim katsayısı, ergime sıcaklığı, özgül ısı, ısı kapasitesi ) 48 1
Optik özellikler (ışığı yansıtma ve geçirme, renk, ışığı yutma, kırılma indisi) Akustik özellikler (Sesi geçirme, sesi yutma, sesi yansıtma) Teknolojik özellikler (imal edilebilme, kaynak, döküm PŞV, işlenebilme ) Ekonomik özellikler (bulunabilme, maliyet ) 49 1
Uygulama alanları Metaller ve alaşımlar Gri dökme demir Otomobil motor blokları Seramik ve Camlar Camlar SiO2-Na2O-CaO Pencere Camı Polimerler Polietilen Yiyecek paketleme Özellikler Dökülebilir, işlenebilir, titreşim söndürür Optik geçirgen, ısıl yalıtkan Kolayca ince esnek filmlere dönüştürebilir, hava geçirmez
Malzeme Seçimi ve Tasarımı Yoğunluk 51 1
Bir içecek için kullanılan üç farklı malzeme tipi. En üstte alüminyum teneke (metal), ortada cam şişe (seramik) ve en altta plastik şişe (polimer) görülmektedir. 52
Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması Uzay ve uçak Biyomedikal Elektronik Malzemeler Çevre ve Enerji Teknolojisi Manyetik Malzemeler Fotonik veya Optik Malzemeler Akıllı Malzemeler Yapısal Malzemeler 54 1
Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması Kristal malzemeler: Bir veya daha çok kristalden oluşan malzemedir. Her bir kristalde, atom veya iyonlar uzun mesafeli periyodik bir dizilime sahiptirler. Tek Kristal malzemeler: Bir tek kristalden oluşan malzemedir, tane sınırı yoktur. Polikristal malzemeler: Birçok kristalden oluşan malzemedir. Tek kristalin karşıtıdır, o tek bir kristalden oluşur. Taneler: Polikristal malzemedeki tanelerdir. Tane sınırları: Polikristal malzemede arasındaki amorf yapılı sınırlardır. 56 1 taneler
atom altı seviye ; atomların elektronik yapılarının ve atomlararası etkileşimin 57 incelendiği seviyedir. 1
58 1
atomik seviye ; aynı atomlara sahip malzemelerin farklı dizilmeleri sonucu farklı özelliklere sahip olduğunun incelendiği seviyedir. Örneğin grafit ve elmas, karbonun iki farklı şekilde 59 1 dizilmesi sonucu oluşur.
1
mikroskobik yapı, malzemelerin mikroskop altında tane yapıları ve fazlarının incelenebildiği seviyedir. 61 1
Şekil: Farklı malzemelerin dayanım değerleri 62 1
Değişik malzeme gruplarının özellikleri 63 1
Ortam Şartları ve Diğer Etkiler Parça tasarımı yapılırken, beklenmedik bir hasarla karşılaşmamak için aşağıdaki etkiler göz önünde bulundurulmalıdır: Sıcaklık Korozyon Yorulma Deformasyon Hızı 64 1
Tuzlu su ve gerilme metalde çatlağa sebep olur. crack speed (m/s) Ortam şartlarının yapı ve özelliklere etkisi 10-8 as-is held at 160C for 1hr before testing 10-10 65 Alloy 7178 tested in saturated aqueous NaCl solution at 23C increasing load Isıl işlem: Tuzlu suda belirli bir sıcaklıkta bekleme ile çatlak hızı yavaşlar. 1