Slayt 1

MALZEME
1. HAFTA
1
1. GENEL BİLGİ
Malzemeler, mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde
kullanılan ve mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak istenilen
özelliklere sahip katılardır.
Malzemeler insanlık tarihinde her zaman önemli bir rol
oynamış ve tarih çağlarının bir çoğu o dönemde
geliştirilen ve kullanılan malzemelere atfen verilmiştir.
-Cilalı Taş Devri
-Tunç Devri vs.
Tüm mühendislik programlarında öğrencilere bir malzeme
bilgisi altyapısı kazandırılmaya çalışılmaktadır.
2
Milattan önce 5000 – 4000 yıllarında insanoğlunun
kullandığı malzemeler odun, seramik, taş ve basit olarak
doğadan kazanılan altın, bakır ve meteorlardan elde edilen
demir iken, günümüzde artık karmaşık üretim teknolojileri
kullanılarak elde edilen, plastikten yüksek dayanımlı hafif
metal alaşımlarına, kağıttan ileri teknolojik seramiklere
kadar geniş bir yelpazede çeşitlilik arz etmektedir. Bu
malzemeler sayesinde insanoğlu kolayca uzay yolculuğu
yapabilmekte, çok katlı binalar inşa edebilmekte, dünyanın
bir ucundan diğer ucuna bir kaç saniyede ansiklopediler
dolusu bilgiyi transfer edebilmektedir.
3
4
1.1. Malzeme Nedir?
Yararlı özellikleri nedeniyle uygulamalarda kullanılan
cisimlere malzeme denir. Bu cisimler elementlerden
oluşmuşlardır.
Elementler ise kimyasal olarak daha fazla ayrılamayan
basit maddeler olarak tanımlanabilir. Yani aynı atom
numarasına sahip atomlardan meydana gelmişlerdir.
Malzemeler tek bir elementten oluşabileceği gibi
birden fazla elementten de oluşabilirler.
5
Malzeme Biliminin genel amacı, malzemelerin
içyapısını tanıtmak, iç yapılar ile özellikler arasında
bağıntılar araştırmak, bu şekilde geliştirilen temel
ilkeler ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan
malzeme türlerini sınıflara ayırarak özelliklerini
incelemektir.
6
MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
1-Kullanış Yer ve Amacına Göre Sınıflandırma
a)Taşıyıcı Olarak (Beton, tuğla vb)
b)Süsleyici Olarak (Alçı, fayans vb)
c) Koruyucu Olarak (Dış etkilere karşı
kimyasal malzemeler vb)
2- Şekil Değişimine Göre Malzemeler
a) Elastik Malzeme: Yük tatbik edildiğinde
oluşan deformasyon yada şekil değiştirme yük
kaldırıldıktan sonra sona eriyorsa bu malzemeye
elastik malzeme denir.
7
b) Plastik Malzeme: Malzeme üzerinde ki yük
kaldırıldığında kalıcı bir deformasyon oluşan
malzemeye denir.
c) Elastoplastik Malzeme: Yük kaldırıldığında
malzemede bir miktar deformasyon kalır ve malzeme
tamamen eski haline dönemez.
8
3. Fiziksel Yapıya Göre Malzemeler
a) Homojen: Aynı cins ve karakter elemanlarından
oluşan malzemedir. (Çelik gibi)
b) Heterojen: Homojen olmayan malzemedir.
c) İzotrop Malzeme: Herhangi bir malzeme tüm
yönlerde aynı optik karakteri gösteriyorsa, bir başka
deyişle, bir malzemenin tüm özellikleri tüm yönlerde
aynıysa bu tür malzemelere (ortamlara, minerallere...)
izotrop malzeme adı verilir. Kaya zemin ve suyun lineer
elastik izotrop malzeme olduğu kabul edilmektedir.
d)Anizotrop: İzotrop olmayan malzeme
9
4. Kimyasal Yapılarına Göre Malzemeler
a) Metaller
b) Seramikler
c) Polimerler
d) Kompozitler
e) Yarı İletkenler
f) Biyomateryaller
10
METALLER:
Mühendislikte kullanılan malzemelerin önemli bir kısmı
metaller ve bu metallerin alaşımlardır. Elektron verip
metalik bağlarla bağlanan ve elektriği iyi ileten
malzemelerdir. Karakteristik özellikleri:
-Kristal yapıdadırlar.
-Dayanımları yüksektir.
-Kolay şekillendirilebilirler.
-Toklukları yüksektir, yani kırılgan değillerdir.
-Basınç dayanımları, çekme dayanımlarına yaklaşık eşittir.
11
-Korozyon dayanımı genellikle düşüktür.
-Yüksek elektrik ve ısı iletkenlikleri vardır.
-Şeffaf değillerdir, ancak parlak görünüşe sahiptirler.
Metalleri mühendislik alanlarındaki kullanımlarına göre
genelleştirirsek iki grupta toplayabiliriz.
1)Demir esaslı metal ve alaşımları (dökme demir ve
çelikler)
2) Demir dışı metal ve alaşımları (alüminyum,
magnezyum, bakır, titanyum, nikel, çinko ve alaşımları)
12
SERAMİKLER
Metal olan veya olmayan elementlerin(C(Karbon),
N(Azot), O(Oksijen), P(Fosfor) ve Si(Silisyum)) hem iyon
hem kovalent bağlarla bazende sadece iyon bağlarla
bağlanmasından meydana gelen ısı ve elektriği
iletmeyen malzemelerdir.
Örneğin: alüminyum bir metaldir ancak bunun oksidi
olan Al2O3 seramiktir. Burada alüminyumun kolay
şekillendirilebilir bir malzeme olmasına karşın, oksidi
kırılgandır ve kolay şekillendirilemez.
13
14
Seramiklerin Karakteristik Özellikleri:
-Dayanımları yüksektir ancak gevrek malzemelerdir ve
kırılma toklukları düşüktür.
-Erime sıcaklıkları yüksektir. Isıya dayanıklı refrakter
malzeme olarak kullanılırlar(Soba, ocak ve fırınlarda)
-Birçok ortamda kimyasal olarak kararlıdır.
-Çekme dayanımları düşük, basma dayanımları
yüksetir.
15
POLİMERLER
Kovalent bağlarla elektronları ortaklaşa kullanan organik
veya sentetik malzemedir.
Günlük yaşamımızda ucuz ve kullanışlı birçok plastik
malzeme(polimer) ile karşılaşırız. Polimerler genellikle
petrol türevi ürünlerden elde edilen malzemelerdir.
Yapılarında genelde C, H, O, N, S, bulunur.
16
Bu gruba giren malzemelerin yapısı, merlerin birleşerek
uzun bir zincir oluşturması(polimer) ve bu uzun zincirler
birbirlerine zayıf ikincil bağlar veya güçlü çapraz bağlar
ile birleşmesi ile oluşur.
Örneğin mer bir hidrokarbon molekülü olabilir(C2H4:
etilen), bunların birleşmesi ile polimer ortaya
çıkar(polietilen).
17
Polimer yapılarında bulunan elementler çok çeşitli
değildir, birçok önemli polimer; hidrojen ve karbon
esaslıdır. Diğerleri oksijen(akrilikler), nitrojen(naylonlar),
flor(fluoroplastikler) ve silisyum(silikonlar) içerirler.
Polimerlerin Karakteristik Özellikleri:
-Plastikler sünek, hafif ve ucuz malzemelerdir.
-Yapılarındaki bağların karakterleri nedeniyle dayanımları
düşüktür.
-İkincil bağlar içeren türleri kolay şekillendirilebilirler,
düşük sıcaklıkta yumuşarlar ve erirler.
-Elektriksel olarak yalıtkandırlar.
18
19
KOMPOZİTLER
İlk üç grupta sıraladığımız malzemelerden iki veya daha
çok malzemenin makro düzeyde yan yana getirilmesi
ile, bu malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede
toplayan veya yepyeni bir özellik ortaya çıkaran
malzemeler oluşturulabilir ve bu malzemeler kompozit
olarak adlandırılır.
Aynı gruba giren iki malzeme, örneğin iki farklı metal
de bir araya getirilerek kompozit oluşturulabilir,
nitekim metal saçlar yüzeylerine başka bir metal tabaka
giydirilerek (kaplanarak) korozyona karşı korunurlar.
20
Kompozitler metal alaşımlarından farklıdır. Alaşımlama
mikro düzeydedir; kompozitte ise farklı malzemeler
birbiri içinde çözünmezler; tabaka, lif veya parçacık
halinde birlikte bulunurlar.
CTP: Cam takviyeli plastik-plastik malzeme cam lifler ile
takviye edilerek dayanım ve rijitlik
kazandırılır(fiberglas).
Beton: içinde kum, çakıl taşları, çimento vs.
Ahşap: doğal bir kompozittir.
21
22
YARI İLETKENLER
Yarı iletken malzemeler ne iyi bir iletken, ne de tam bir
yalıtkandır. Elektronikte kullanılan çok önemli
malzemelerdir; çipler, işlemciler, transistorler gibi
elemanların üretiminde kullanılır. Silisyum ve germanyum
en yaygın kullanılan yarı iletkenlerdir.
23
Atomsal bağlar bakımından yapılan sınıflandırmada bu
malzemeler yukarıdaki dört gruba da girmez.
Yarıiletkenlerde kimyasal bileşimin hassas kontrolü ile
elektronik özellikler kontrol edilebilir. Bu malzemeler
ve geliştirilen yeni teknolojiler sayesinde çok küçük
boyutlarda elektronik devreler elde etmek mümkün
olur.
24
Micro elektrik-mekanik sistem
25
BİYOMATERYALLER
Biyomateryaller, herhangi bir nedenle yaralanan/kaybolan
doku/organ fonksiyonunu geçici veya sürekli olarak yerine
getiren, doğrudan kullanılan veya bu amaçla geliştirilen
sistemlerde yer alan materyallerdir. Biyomateryaller, sözü
edilen kaybı karşılayacak kimyasal, fiziksel, mekanik, vb.
özelliklere sahip ve biyouyumu olmalıdır. Biyouyumlu
olmayan materyaller, vücutta bir çok önemli olumsuz
etkiler yapabilir; örneğin, hafiften serte doğru, irritasyona
yol açabilir, alerjik veya toksik olabilir, ve hatta tümor
oluşumuna kadar giden çok trajik tablolar yaratabilirler.
26
Biyomateryaller yumuşak ve sert doku
yaralanmalarında/kayıplarında çoğu kez geçici bir süre
kullanılır. Vücudumuz kendini onarma bilgi ve
yeteneğine sahiptir; yumuşak doku genellikle birkaç
hafta, sert doku ise bir birkaç ay belki bir yıl içinde
yenilenebilir. Bu sürede, sağlıklı yenilenmeyi
(“iyileşmeyi”) sağlamak için yaralı dokuyu korumak,
desteklemek gerekir. Biyomateryaller bu amaçla
kullanılır.
27
MALZEME SEÇİMİ
Mühendislik uygulamaları için on binlerce malzeme
içinden en uygun seçimin yapılması gerekmektedir.
Bu tür bir seçimde önce kullanılacak malzemenin
hangi gruptan (metal, plastik seramik vs.) olacağına
karar verilmeli, daha sonra bu gruba giren
malzemeler arasında en uygunu seçilmelidir. Bu
seçim sırasında sistematik düşünmek çok önemlidir.
28
Malzeme seçiminde 3 özellik vardır. Dayanım,
süneklik ve fiyat
a) Dayanım bakımından metaller, seramikler ve
kompozitler seçilebilir.
b) Ancak malzemenin kırılgan olmasını
istemediğimizden seramik malzeme kullanamayız
ve bu durumda 2 seçenek kalır
c) Fiyat açısından baktığımız zaman ise kompozitlerin
yüksek fiyatından dolayı metal tercih edilir.
29
Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri ile
belirlenir.
1) Kalite kontrol deneyleri:
Belirli malzemelerin standart veya şartnamelerde belirtilen
özellikleri sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir. Bu deneyler
laboratuvar veya üretim yerinde yapılabilir.
Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri ile
belirlenir.
30
2. Kıyaslama deneyleri:
Belirli ortamlarda kullanılacak farklı malzemeleri aynı
koşullarda kıyaslamalı olarak denemek suretiyle uygun
malzeme seçimi amacıyla yapılır.
3. Araştırma-geliştirme deneyleri:
Bu tip deneyler daha sofistike olup, yeni malzemelerin
geliştirilmesine veya bilinen malzemelerin bazı
özelliklerinin düzeltilmesine yöneliktir.
31
Çeşitli Malzemelerin Kullanıldıkları Yerler
ve Özellikleri
32
MADDENİN İÇ YAPISI
Malzemelerin özellikleri büyük ölçüde iç yapılarına
bağlıdır. İç yapıları, atomlar arası bağ kuvvetleri
etkisinde üç boyutlu uzayda dizilmeleri sonucu
oluşurlar.
Atom: elektronlar, protonlar ve nötronlardan
oluşur.
Atomlar arası bağlantıların oluşmasında ana etken
elektron yapılarıdır.
33
Maddenin en küçük yapı taşı olan atom, bir çekirdek ve
etrafındaki elektronlardan meydana gelir. Çekirdek,
proton ve nötronlardan oluşur.
Protonlar, pozitif yüklü
Elektronlar negatif yüklü
Nötronlar elektriksel bakımdan nötr taneciklerdir.
Proton ve elektronların elektriksel yükleri birbirine eşit,
fakat ters işaretlidir. Atomlar, proton ve elektron sayıları
birbirine eşit olduğundan elektriksel bakımdan nötrdür.
34
Bir atom çekirdeğini çevreleyen elektronlar, farklı enerji
katlarında dönmektedirler.
Malzemelerin özellikleri: bağ türüne, bağ enerjisine ve
atomların dizilişine büyük ölçüde bağlıdır. Atomlar
arası bağ kuvveti atomları bir arada tutarak içyapıyı
oluşturur ve bu uygulanan kuvvetlere karşı direnç
gösterir (mukavemet), şekil değiştirmeyi ve kırılmayı
önlemeye çalışırlar. Bağ kuvvetleri arttıkça malzemenin
ergime sıcaklığı, elastisite modülü, mukavemeti artar
ve ısıl genleşmesi düşük olur
35
36
Atom numarası: atomdaki protonların toplam sayısı
Kütle numarası: atomdaki proton ve nötronların
toplam sayısı
Denge durumundaki bir atomda elektronların (-)
sayısı protonların (+) sayısına eşittir.
Avagadro Sayısı(Atomsal Ağırlık): Atomsal ağırlık o
atomun özgül ağırlığını ve özgül ısısını etkiler.
Bir atom gramda; örneğin 55,85 gram demirde
6,02×1023 (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır.
37
İZOTOP
Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber
nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir.
Örneğin; 26 Atom numarasına sahip demirin izotopları:
54Fe
55Fe
56Fe
57Fe
58Fe
(26
(26
(26
(26
(26
p,
p,
p,
p,
p,
28
29
30
31
32
n)
n)
n)
n)
n)
38
39
Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron
ve proton sayısı belirler.
Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri
aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır.
İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı
olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına
karşın diğerleri değildir.
40
İZOBAR
Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı
izotopların kütle sayıları birbirlerine eşit olabilir.
Proton adedi farklı, kütle sayıları farklı atomlara izobar
denir.
41
ATOM MODELLERİ
42
43