Malzeme Tasarımı ve Seçimi Bölüm 3
Malzeme tasarım süreci Uygulama alanını belirle : Gerekli özelliklerin belirlenmesi Özellikler: Malzeme adaylarını seçeneklerini tanımla Malzeme içeriği ve yapısını tanımla Malzeme: Gerekli üretim sürecini tanımla Proses yapısal ve geometrik olarak malzemeyi şekillendirmek Örneğin döküm, sinterlemek, buhar biriktirme, doping(katkılama), dövme, kaynak, tavlama
Malzeme Bilimi Öğrencilerinin Cevap Bulmak İsteyeceği Sorular??? Cam neden gevrek iken bakır sünek bir malzemedir? Sünek malzemeden kasıt nedir? İki benzer metal çubuktan Aluminyum malzemeden olan Çelikten üretilen malzemeye göre neden daha kolay bükülür? Bir malzemenin içeriğini değiştirmeksizin sertliğini nasıl değiştirirsiniz? Bakır neden iletken iken tuğla yada odun neden yalıtkandır? Cam neden şeffaf iken,tipik metaller opaktır? Bakırın elektriksel iletkenliği sıcaklık ile neden azalırken silikon ilavesi ile artar? Demir neden korozyon olurken, Alüminyum olmaz (veya olmaz gibi görülür)? Genellikle iyi termal iletkenler iyi elektriksel iletken malzemelerdir Neden böyledir? Elmas neden iyi bir termal iletken iken, neden iyi bir elektriksel iletken değildir? Eğer bir çelik yayı geri çekip bırakırsanız eski ilk haline gelir. Fakat bir alüminyum çubuk eski haline gelmez. Bu durumu nasıl irdelememiz gerekir?
Malzeme Sınıflandırılması
Metaller En geniş tasarım ve proses imkanlarına sahip mühendislik malzemesidir. Metal bağa sahip metallerde aynı veya benzer tür atomlar düzenli bir bizimde dizilerek kristal yapı oluştururlar. En yaygın olanları demir, alüminyum, magnezyum bakır çinko kurşun nikel ve titanyumdur. Yapısal uygulamalarda alaşımlar saf metallere göre daha çok kullanılır Döküm demir gevrek ve korozifken %1 C ile tokluğu artar krom ilavesi ise korozyona direncin artırır. (Alaşım ile binlerce farklı özellik Hacimsel atom yoğunlukları yüksek olduğundan yoğunlukları diğer sınıflara göre büyüktür. (Genellikle 7 gr/cm3 den yüksek). Al, Be ve Mg ise daha düşük özgül ağırlık seviyesindedir. Serbest elektron içerdiklerinden ısıl ve elektriksel özellikleri iyidir. Metallerin rijitlik (elastisite) ve dayanımları(mukavemetleri) yüksek, çoğunlukla sünektirler (kırılmaya yüksek direnç). Plastik olarak şekil değiştirebilir. Serbest elektronlardan dolayı mat özellik gösterir ancak parlatılabilir. Alaşımlarla sertlik ve mukavemetleri artırılabilir. Korozyona karşı duyarlıdır. Ancak paslanmaz hale getirilebilir. Son uygulamadan önce çeşitli mekanik işlemlerden gelmesi gerekir Plastiklere göre daha yüksek termal özelliklere sahip olduğundan daha yüksek servis sıc. koşullarında kullanılabilir. Bazı metallerin (Fe, Co ve Ni) manyetik özellikleri ilgi çekicidir.
Metaller
Metaller
Metaller
Seramikler Metal ve metal olmayan bileşiklerin oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Kimyasal açıdan inorganik özellik gösterirler Atomlar arası bağlar iyonik ve kovalent bağ yanında metalik bağ olabilir. Elektropozitif elemanlar Na, Mg Fe Al gibi Elektronegatiflerle (Cl, O ) çok çeşitli seramikler oluşturabilirler Doğada çoğunlukla kristalin kısmen amorf halde bulunurlar. Silika esaslı Camlar amorf ve ısıl işlemle kristalin formda olabilir. Yoğunlukları metal ve plastikler arasındadır. (2-3 gr/cm^3) Alüminyum oksit (Al2O3) Silisyum oksit(silika-sio2), Karbür (SiC)ve silisyum nitrür (Si3N4), borürler yanında killer (porselen),silika, (SiO2),feldispat, tuğla fanyans,elektrik yalıtım malzemeleri, çimento ve cam da seramik olarak sayılır. Metallerle karıştırılarak özellikleri geliştirilir. (otomobil havacılık uzay) Tipik olarak oldukça serttirler (TiC Al2O3 abraif özelliktedir) Son derece gevrektirler (plastik şekil değiştiremezler). Isıl ve elektrik iletkenliği açısından yalıtkan özellik gösterirler. Metal ve pol. göre ergime sıc. Yüksektir. Bu nedenle yalıtım (refrakter) malzeme olarak kullanılır. Korozif değildirler ve yüksek kimyasal dayanıklılığa sahiptirler Oksit nitrür ve karbürler üstün mekanik özelliklere sahiptir. Optik açıdan saydam yarısaydam ve mat davranabilir. Oksit bileşenli seramikler manyetik özellik gösterirler. Genel metalürjik yöntemlerin haricinde yüksek sıc. Proses edilir (elmas ve karbit tipi kesiciler)
Seramikler
Seramikler
Seramik Uygulamaları
Geleneksel Seramikler
Mühendislik seramikleri
Mühendislik Seramikleri
Seramikler
Seramikler
Seramikler
Polimerler (Plastikler) Çok büyük moleküllerdir. Metal ve metal olmayan elemanlardan oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. Ana eleman karbon olup çoğunlukla H bazılarında Cl, F, O N ve S bulunur. Mono-mer denilen molekül bireyleri birbirine kovalent bağlarla eklenerek dev moleküllere dönüştürülür (Poli-mer) Kimyasal olarak organik yapıdadırlar. Bağ yapılarına bağlı olarak Termoplastik(Lineer polimer), Termoset (üç boyutlu uzay ağı polimer) ve Elastomer (lastik) olarak üç sınıfa ayrılabilir. Yaygın olarak kullanılanları PE, PP, PVC, PS yanında Mühendislik polimerleri de (Naylon(Poliamid), Polikarbonot (PC), PMMA:polimetilmetakrilat, Teflon(PTFE) mevcuttur Oluşturulan kovalent bağ sayısı 4 olduğundan yoğunluk genlelikle düşüktür (Genellikle 2 gr/cm3 den hatta sudan hafiftirler) Isıl ve ısıl özellikleri oldukça düşüktür. Saf halde saydamdırlar Isıgı yansıtan yarı kristalin olanları da mevcuttur) Mukavemetleri genellikle düşüktür. Lineer polimerler kolay şekil değiştirir. Uzay ağı polimerler ser ve gecrektir plastik şekil değişltirmez Üretimi miktarı metallerden daha fazladır. Hafif olmaları ve düşük ergime sıc. sebebiyle kolay proses edilir, son ürün şeklinde üst işlemler gerektirmez, korozyondan etkilenmez. Yaygın olarak otomotivde uçak parçalarında ve genel tüketici ürünlerinde kullanılır.
Kompozitler (Karma) malzemeler Birden çok malzemeden oluşarak bu malzemelerin olumlu(en iyi) özelliklerini bünyesinde taşır. Elyaf(güçlendirici) ve matris (bağlayıcı) bileşenlerinden oluşur. Düşük ağırlık ve yüksek mekanik özellikleri ile yüksek spesifik rijitlik ve mukavemete sahiptir Yorulma dayanımı korozyon ve kimyasal dayanımı yüksektir. Termal genleşmesi sıfır seviyesindedir. Maliyetli üretim tekniklerine sahiptir. (Düşük ürün sayısı) İsteğe göre daha rahat tasarlanabilir. Seramik matris metal matris ve polimer matris olmak üzere 3 gruba ayrılır. İçerdiği farklı malzemelerin özelliklerini yansıtır Çimento ve seramik kompozitleri (WC with Co binder) Elyaf takviyeli plastikler Karbon takviyeli kauçuklar Odun (Doğal bir kompozittir) Kemik (doğal kompozit)
Kompozitler Örnek: Çelik matris Demir (a) (ductile) 60 mm particles: Sementit (Fe 3 C) (gevrek) Adapted from Fig. 10.19, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 10.19 is copyright United States Steel Corporation, 1971.) - WC/Co Çimento Karbitler matris: Kobalt (ductile, tough) : 600 mm particles: WC (gevrek, sert) Adapted from Fig. 16.4, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.) - Otomobil otomotiv lastiği matris: kaucuk (yumuşak) particles: Karbon siyahı (rijit) Adapted from Fig. 16.5, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) 0.75 mm 27
Composite Markets
Composite Markets Swedish Navy, Stealth (2005) Pedestrian bridge in Denmark, 130 feet long (1997)
İleri malzemeler Yarı iletkenler Elektriksel özellikleri iletken ve yalıtkan arasında Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir.
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
Malzeme Sınıflandırması (Yoğunluk)
Malzeme Sınıflandırması (Rijitlik)
Malzeme Sınıflandırması (Dayanım)
2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Malzemelerin mukavemete göre sınıflandırılması 36
Malzeme Sınıflandırması (Tokluk)
Malzeme Sınıflandırması (Elektrik iletkenliği)
Malzeme tasarımı atomik yapıdaki bilgimize bağlı olarak tasarlanabilir. Minyatürize malzeme: Nano boyutlu malzemeler mikroyapıları 1 ve 100 nm arazında olağan dışı özellikler gösterir Electronic components, materials for quantum computing. Akıllı malzemeler: bulundukları ortamlara uygun değişikleri hissedebilme ve önceden belirlenen bir cevap oluşturabilidiklerine işaret etmektedir. Uçak kanatları kendini hava koşullarına göre ayarlamaktadır. Binaların depreme karşı kendilerini ayarlamaları Sensör ve uyarcıdan oluşurlar elektriksel sıcaklık ve manyetik etkilere karsı mekanik konum ve doğal frekanslarında değişim beklenir. Şekil bellekli malzemeler, Piezo elektrik malzemeler Mikroelektronik sistemler (MEMS) biyosensörler, Sürdürülebilir malzemeler: Biyobozunur ve fotobozunur plastikler nükleer atıkların prosesi Yarı iletkenler: Metal ve seramik arası iletken özellikge sahiptirler Elektronik ve bilg. End. Kullanım alanı bulmaktadır. Doğadan öğrenme Biyomimetik: Doğadaki birçok canlı yapıda mevcut tasarımın uygulamaya aktarılması, mollusces produce biocompatible adhesives that we do not know how to reproduce Biyomalzemeler İnsan vücudunda hasar görmüş parçaların yerine kullanılırlar Vucutla uyumlu olması Yapay kalça eklem protezleri vb. Enerji malzemeleri Hafif batarya malzemeleri yüksek depolama yoğunluğu sağlayabilmekte, 2500 C ye dayanıklı türbün kanatcıkları, Oda sıc. Süperiletken malzemeler, Ekstrem hassaslıkta Kimyasal sensörler (Suni burun),
Nano materials JOM, Jan 2004