Metalurji Mühendisliğine Giriş Temel Malzeme Grupları Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU
Demir esaslı metaller Günümüzde kullanılan metal ve alaşımların % 85 i demir esaslıdır. Bunun nedenleri: Yerkabuğunda demir barındıran cevher miktarının çok olması Demir-Çelik üretiminde kullanılan (rafinasyon, alaşımlama, şekillendirme vb) teknolojinin diğer metallere göre daha düşük maliyetli olması Demir esaslı alaşımların çok geniş bir aralıkta mekanik özellikler sağlaması Demir-Çelik üretimi ile ilgili bilgi birikimi ve tecrübenin fazla olması 2000 nin üzerinde çelik çeşidi vardır.
Demir karbon alaşımları Demir C<%0,1 Çelik % 0,1 < C < % 2 Dökme Demir Demir saf halde çok yumuşak ve düşük mukavemetlidir. İçine katılan karbon oranı artıkça sertlik ve mukavemet artarken süneklik ve tokluk azalır.
Çelikler 1. Az karbonlu çelikler: % 0,1 < C < % 0,2 2. Orta karbonlu çelikler: % 0,2 < C < % 0,5 3. Yüksek karbonlu çelikler: 0,5 < C < % 2 Dökme Demirler, üretim yöntemi ve bileşime bağlı olarak 1. Beyaz dökme demir 2. Kır dökme demirler
Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır. Malzeme üretiminde önce bir fonksiyonun (kalem, saç kurutma makinesi, uçak kanadı, nükleer reaktör için kritik parçalar) tanımlanması, ihtiyaçların belirlenmesi ile başlanır ve data-bilgi tabanı oluşturulur veya yeni hazırlanır. Proses, parametre ve birçok etkenin özellikleri deneylerle belirleneceği gibi malzemenin kendisinin tanınması kritik bir noktadır. Teorisi 17. yy da bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy da yapılabilmiştir. Bunun nedeni yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayanıklı malzeme gereksinimidir.
Saf Madde: Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz ve belirli bir bileşime sahiptirler. Karışım: İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak biraraya gelmesinden oluşurlar ve bileşimleri sabit değildir. Homojen karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynı. Heterojen karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir. Element: aynı cins atomlardan oluşan ve kimyasal yollarla kendinden daha basit ve farklı maddelere ayrılamayan saf maddelere denir. Temel birimi atomdur. Bileşik: İki veya daha fazla elementin belirli oranlarda birleşip kimyasal bir bağ ile bağlanmasıyla oluşurlar.
This well-known molecule is a compoundbecause it contains more than one element. A molecule but not a compound - Ozone, O3, is not a compound because it contains only a single element.
Kafes sistemleri ve Mukavemet Bu aşamada ileriki konularda malzemeleri birbirleri ile karşılaştırmak için bazı kavramlar hakkında kabaca bilgi sahibi sahibi olmak gerekir. Malzemelerin özelliklerini belirleyen özellikle demiri çok güçlü bir malzeme olan çelik haline gelmesinde en etkili kavram olan kafes özellikleri ve sonuca yansıyan özellik değişiminin göstergeleri olan mukavemet kavramları çok önemlidir.
Kafes sistemleri Mineral: doğal olarak oluşan, katı, homojen, genellikle inorganik, atom dizilimine ve belirli bir kimyasal bileşime sahip olan maddelere mineral denir. Kristal: yapıtaşları 3 boyutlu, düzenli bir geometrik dizilim gösteren homojen nitelikteki katı maddelere kristal denir. Minerallerden farkı doğal olma şartının olmamasıdır. Amorf: kimyasal yapı taşlarının (atom, iyon ve molekül) diziliminde düzensizlik olan ve fiziksel özelliklerin tüm yönlerde aynı olduğu maddelere denir.
Kafes sistemleri Kristallerdeki kimyasal unsurların düzenli sıralanışı üç boyutlu hacim kafes (nokta kafes) ilkesine uymaktadır. Eşdeğer yapıtaşlarının veya noktaların bir yönde eşit aralıklarla dizilmesi sonucu bir noktalar dizisi meydana gelir. Eşdeğer noktaların iki boyutta periyodik olarak tekrarlanması ile yüzeysel ağ oluşur. Yüzeysel ağın en küçük birimine birim ağ denir. Bunlar büyüklük ve şekillerine göre yüzeysel kafesleri oluşturur.
Amorf Yapılar, Camlar Sıvı haldeki düzensiz yapısını aynen koruyarak katılaşan cisimlere genellikle camlar denir.
Kafes sistemleri Yüzeysel ağlardaki eşdeğer noktalar bir üçüncü yönde de periyodik olarak tekrarlanırsa, üç boyutlu bir kafes olan hacimsel kafes elde edilir. Hacimsel kafesin en küçük birimine birim hücre denir.
Kafes sistemleri Metallerin ve özellikle bu gruba dahil olan demir karbon alaşımlarının önemli bir özelliği kristal yapıya sahip olmalarıdır. Sıvı halde iken bir kristal yapı söz konusu değildir. Atomlar serbest olarak hareket ederler. Metaller katı halde kristal halindedirler. Metali oluşturan atomlar üç boyutlu bir düzende bulunurlar. Eğer yapı kristallerden oluşmuyor ise malzeme amorf olarak adlandırılır. Amorf olarak camlar, sıvılar ve bazı suni malzemeler sayılabilir. Bütün metaller, önemli sayıda seramikler ve bazı polimerler kristal yapıya sahiptir.
Kafes sistemleri Metallerde en çok rastlanan kafes türleri 1.Kübik yüzey merkezli (kym) 2.Kübik hacim merkezli (khm) 3.Sıkı paket hegzagonal (sph) Atomların birbirlerine olan uzaklıkları kafes parametresi olarak adlandırılır. Metallerde kafes paramteresinin büyüklüğü genelde 0,25 ile 0,5 nm arasındadır.
Merkezde 1 atom Köşelerde 8 adet 1/8 hacimli atom 8x1/8 = 1 Birim hücredeki toplam atom sayısı 2 olur.
Merkezde atom yok Yüzeylerde diğer yüzeyler ile paylaşılan yanı yarım olarak kabul edilecek 6 adet atom var. Dolayısı ile 6x1/2 =3 atom yüzeyden geliyor. Her zamanki gibi birim kafesin özelliği olarak da köşelerden 8x1/8 =1 atom gelir. Birim hücredeki toplam atom sayısı 4 olur.
Köşelerdeki atom sayısı = 12x1/6 = 2 Alt ve üst yüzyede 2x1/2 =1 Birim hücre ortasında 3 adet atom Birim hücredeki toplam atom sayısı 6 olur.
Birim hücrekerde atom yerlerini belirlemek için birbirine dik x, y ve z eksenlerinden yararlanılır.
Kristal kafeslerde belirli yönleri tanımlamak gerekir. Bu yönlenmelere bağlı olarak metal ve alaşımların özellikleri değişebilir. Metaller yakın temas halindeki atomlar doğrultusunda şekil değiştiriler. Doğrultu ve düzlemlerin ifade edilmesi için Miller indisleri kullanılır. Kübik bir birim hücrede yönü şekille göstermek için kübün bir köşesinden çıkıp yüzeyin birini geçen bir yön vektörünü çizeriz. Yön vektörünün küp yüzeyinden çıktığı yerlerin koordinatları tam sayılara dönüştürülerek birim hücrenin yön işaretleri elde edilir. Yön işaretleri köşeli parantez ile belirtilir ve virgülle ayrılmaz. (1,0,0) noktasından çıkan yön vektörü [100] şeklinde gösterilir. (1, ½, 0) noktasından çıkan yön vektörü 2(1, ½, 0) = [210] olacaktır. (-1, -2, 2) noktası için vektör Miller indisleri kesirli sayı ile ifade edilmez, gerektiğinde 2 ile çarpılarak tam sayıya çevrilir.
Büyük sayılardan oluşan indisler, en büyük indise bölünüp küçültülür
Kristal kafelserde belirli düzlemleri tanımlamak gerekir. Metaller atomların çok sıkı paketlendiği düzlemler boyunca şekil değiştirir. Bir kristal düzleminin Miller işareti, düzlemin, kübün birim hücresinin paralel olmayan x, y ve x kristal eksenlerini kestiği kesirli kesişme noktalarının kesirler tamsayıya çevrilerek bulunan karşıtlarıdır. 1. (0,0,0) daki başlangıç noktasından geçmeyen bir düzlem seçilir 2. Düzlemin, birim kübün x,y,z eksenlerini kestiği noktalar bulunur, kesişmeler kesirli olabilir 3. Bu kesişme sayılarının karşıtları bulunur 4. Kesirler tamsayıya çevrilir ve kesişme sayılarıyla aynı oranda en küçük tamsayılar bulunur. Bu tamsayılar düzlemin Miller işaretleridir.
Metaller katılaşırken kendilerine has, elektron düzenlerinin neden olduğu belli bir kafes sisteminde kristalleşirler. Aluminyum, ymk Çinko, sph Titanyum, hsp Bu bir malzeme özelliğidir. Buna karşılık bazı metaller de yine belli bir kafes sisteminde katılaşırken sonra yine kendilerine has belli bir sıcaklığa geldiklerinde kafes sistemlerini değiştirler. Bu dönüşüm katı halleri devam ederken olur. Birden çok kafes sistemine sahip olan metallere allotrop veya polimorf denir. Bu özelliğe de, yani birden çok kafes sistemine sahip olmaya da allotropi veya polimorfi denir.
Ti: sph (α Ti) 882,5 o C ye kadar, 882,5 ile 1668 o C arasında β Ti, khm Fe: 911 o C ye kadar α Fe, khm 911 1132 o C arasında γ Fe kym 1392-1536 o C arasında δ Fe khm
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=solid_solutions
Atomların kristal düzlemindeki diziliş biçimi kafesi oluşturur. Birim hücrenin boyutlarına kafes sabiti (a) veya birim hücre boyutu denir. Atomların diziliş sıklığını ifade etmek için atomsal dolgu faktörü kullanılır. ADF