MALZEME BİLİMİNE GİRİŞ Taş Devri – MÖ 2,5 milyon yıl Bakır Devri – MÖ 5000 Tunç Devri – MÖ 3500 Demir Devri – MÖ 1000 (KİMYASAL BİLEŞİM VE ATOM YAPISINA GÖRE) MALZEMELER: Son yüzyılda bilim insanları ve mühendisler alaşımlama, ısıl işlem, sertleştirme, kaplama gibi çeşitli işlemlerle malzeme özelliklerini büyük ölçüde geliştirmeyi başarmışlardır. Bunun için malzemelerin içyapılarının ve buna bağlı özelliklerinin bilinmesi büyük önem taşımaktadır. Doğru işlemlerden geçirilmiş uygun özelliklere sahip malzemenin doğru yerde kullanılması, imal edilen parçanın fonksiyonunu uzun süre boyunca, etkin şekilde ve sorunsuz olarak gerçekleştirmesini sağlar. Böylece kullanım yerine ve amacına en uygun malzemenin belirlenmesi ve üretilmesi mümkün olmuştur. Malzeme bilimi, malzemelerin yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkinin ortaya konmasıyla ilgilenir. Böylece, malzemeye yeni/daha iyi özellikler kazandırmak üzere malzeme yapısının tasarlanması ile ilgilenen malzeme mühendisliğine temel oluşturur. MALZEME ÖZELLİKLERİ: Malzemenin dış etkiye verdiği tepkinin ifadesidir. Dış Etki Yük (Kuvvet/Moment) Özellik Mekanik Elektriksel Alan Isı Manyetik Alan Işık Elektriksel Isıl Manyetik Optik Kimyasal Madde Korozif Parametre Elastisite Modülü, Dayanım, Tokluk, Sertlik gibi İletkenlik gibi İletkenlik, Isı Kapasitesi gibi Mıknatıslanma gibi Kırılma İndisi, Yansıtma Oranı/Geçirgenlik gibi Kimyasal Reaktiflik gibi 1. 2. 3. 4. METALLER SERAMİKLER POLİMERLER KOMPOZİTLER METAL MALZEMELER: Fe, Ti, Al, Mg, Mn, Cr, Ni gibi bir veya birkaç metal ile az oranda C, O, N gibi ametalden oluşan alaşımlardır. Atomları oldukça düzenli bir dizilişe sahiptir. Mekanik özellikleri iyi ancak yoğunlukları yüksektir. Isıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksek, bazı metallerin mıknatıslanmaları iyidir. Mekanik özellikleri sayesinde makina elemanlarında ve yapısal uygulamalarda yaygın şekilde kullanılırlar. SERAMİK MALZEMELER: Metal/ametal bileşikleridir. Alümina (alüminyum oksit: Al2O3), silika (silisyum dioksit: SiO2), silisyum karbür (SiC), silisyum nitrür (Si3N4), porselen, cam, çimento gibi O, C ve N içerenleri en yaygın türleridir. Seramikler rijit, dayanıklı ve sert olmakla birlikte en zayıf yanları tokluklarının düşük (gevrek) olmasıdır. Yalıtkan ve bozulmayan (korozyona dayanıklı) malzemelerdir. Son yıllarda tok seramikler üretilmiş olup pişirme kapları, kesici takımlar ve motor yataklarında (piston-silindir) kullanılmaktadır. POLİMER MALZEMELER: C, H, O, N, Si gibi metal dışı elementlerin organik veya inorganik bileşikleridir. Aynı kimyasal formüle sahip çok sayıda molekülün zincir şeklinde bağlanmasıyla oluşurlar. Polietilen (PE), poliamid (PA), polivinilklorür (PVC), polikarbon (PC), polistiren (PS), silikon, kauçuk gibi örnekleri bulunur. Mekanik özellikleri zayıf, yoğunlukları düşüktür. Sünektirler, kimyasallardan etkilenmezler. KOMPOZİT (KARMA) MALZEMELER: Metal, seramik, polimer yapılı iki veya daha fazla malzemenin fiziksel olarak bir araya getirilmesi ile elde edilen bileşiklerdir. Farklı malzemelerin iyi özelliklerini bir araya getirmek amaçlanır. Bu arada bazı özelliklerin kötüleştiği de göz önünde bulundurulmalıdır. Örneğin; cam elyaf (lif/fiber) takviyeli polimerlerde camın dayanımı ile polimerin elastikliği, özellikle ileri teknoloji ürünlerinde kullanılan karbon elyaf takviyeli kompozitlerde yine karbonun dayanımı öne çıkar. Malzeme seçimi ve işlemleri ile malzeme özelliklerinin kıyaslanması ile ilgili: http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/default.html Metal Seramik Polimer Kompozit Mekanik Elektriksel Isıl Optik Manyetik Korozif İLERİ MALZEMELER: Elektronik, bilgisayar, fiber optik, uçak ve uzay gibi ileri teknoloji uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilen/iyileştirilen geleneksel veya yeni malzemeler olup yüksek maliyetlidirler. - Yarı iletkenler: İletken metal ile yalıtkan seramik/polimer arasında elektriksel özelliklere sahip malzemelerdir. Entegre baskılı devre kartlarında kullanılırlar. - Biyo malzemeler: Biyo uyumlu vücuda zarar vermeyen malzemelerdir. Metal, seramik, polimer, kompozit, yarı iletken esaslı olabilirler. - Akıllı malzemeler: Mekanik, ısıl, elektriksel ve manyetik olarak ortaya çıkan değişiklikleri algılayıp belirli tepkiler veren hafızalı malzemelerdir. Örneğin; şekil hafızalı alaşımlar, mekanik basınca karşılık elektrik alan/potansiyel üreten veya tersini yapan piezoelektrik seramikler, manyetik etkiyle şekil veya boyut değiştiren manyetostriktif malzemeler ve elektriksel veya manyetik etkiyle viskozite özellikleri değişen elektro/manyeto reolojik akışkanlar. - Nano malzemeler: Nanometre ölçeğinde (10--9 m) yani atomik seviyede tasarlanmış katalitik dönüştürücü, karbon nanotüp, karbon siyahı parçacık, nano kompozit, HDD manyetik tanecik, manyetik bant, nano ilaç gibi malzemelerdir. SORU: LCD/LED/OLED/AMOLED/IPS ekranlar, motor blokları, otomobil kaportaları, çelik yelekler, bilardo/basketbol/futbol topları, golf sopaları, kanolar, gemi/yat/uçak/uzay aracı gövdeleri, türbin kanatları, helikopter pervaneleri, otomobil/F1 lastikleri gibi ürünlerden beklenen özellikleri ve geçmişten günümüze kullanılan malzemeleri araştırınız. ATOMİK YAPI VE ATOMLARARASI BAĞ Atom, birkaç türü birleştiğinde çeşitli molekülleri, bir tek türü ise bir kimyasal öğeyi oluşturan parçacıktır. Atom, elementlerin özelliklerini taşıyan en küçük yapı birimi olup çekirdekteki proton(lar) ve nötron(lar) ile yörünge(ler)deki elektron(lar)dan oluşur. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0 Elektron Kütlesi≈9,11x10-31 kg Proton Kütlesi≈Nötron Kütlesi≈1,67x10-27 kg Bir kimyasal elementin atom numarası (Z) çekirdeğindeki proton sayısına eşittir. Bir elementin proton sayısı yani atom numarası değişmezken nötron sayısı (N) değişiklik gösterebilir. Bir elementin değişik nötron sayılı atomlarına izotop denir. Proton ve elektron sayıları eşit olan yani elektrik yükü olmayan atoma nötr atom denir. İzotopların atom ağırlıkları (A) farklıdır. Elektron kütlesi, diğer atom altı parçacıkların (proton ve nötron) kütlesinden çok küçük olduğundan genelde A≈Z+N şeklinde ifade edilir. Bir elementin atom ağırlığı veya bir bileşiğin molekül ağırlığı genellikle bir molünün (6,023x1023 atom veya molekül) kütlesi cinsinden ifade edilir. Örneğin, demirin atom ağırlığı 55,85 gr/mol’dür. ATOM MODELLERİ VE ELEKTRONLAR: Atomik veya atom altı sistemlerde klasik (Newton) mekanik kullanılamaz. Bunun için kuantum mekaniği geliştirilmiştir. Kuantum atom modeline göre elektronlar çekirdek etrafında belirli enerji seviyesine sahip küresel yörüngelerde bulunurlar. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyesi yükselir (işaret dikkate alınmalı). Elektronlar enerji alarak yüksek enerji seviyesine vererek düşük enerji seviyesine geçebilirler. Örneğin, hidrojen (H) atomunun ilk üç enerji seviyesi; Elektronlar da fotonlar gibi hem parçacık hem dalga gibi davrandığından kuantum mekaniğinin anlaşılması için dalga-mekanik modeli geliştirilmiştir. Bu modelde yörüngedeki elektronun konumu yörüngeden uzaklaştıkça azalan bir dağılıma ait olasılık, diğer bir deyişle elektron bulutu ile tanımlanır. Her bir elektronun aşağı veya yukarı yönlenme özelliğine sahip bir dönme (spin) momenti bulunup dönme yönü +1/2 ve -1/2 olmak üzere iki değer alabilir. ATOM YÖRÜNGELERİ: Ana Kuantum Sayısı (n) 1 2 3 4 5 6 7 Yörünge Adı K L M N O P R 2. Kuantum Sayısı (l: alt yörüngeler) s s, p s, p, d s, p, d, f s, p, d, f s, p, d, f s, p, d Örneğin; H (1): 1s1 O (8): 1s22s22p4 Al (13): 1s22s22p63s23p1 Fe (26): 1s22s22p63s23p63d64s2 Kr (36): 1s22s22p63s23p63d104s24p6 Enerji Seviye Sayıları 1 1, 3 1, 3, 5 1, 3, 5, 7 1, 3, 5, 7 1, 3, 5, 7 1, 3, 5 Maksimum Elektron Sayıları Yörünge Alt Yörünge 2 2 8 2, 6 18 2, 6, 10 32 2, 6, 10, 14 32 2, 6, 10, 14 32 2, 6, 10, 14 18 2, 6, 10 Bir atomun dolu olmayan yörüngesindeki elektronlara valans elektronları denir. Atomlar, atom ve molekül kümeleri oluşturmak üzere birbirine bağlanmak için bu elektronları kullanırlar. Katıların kimyasal ve fiziksel özellikleri de valans elektronlarına bağlıdır. Neon (Ne), Argon (Ar), Kripton (Kr), Helyum (He) gibi bazı elementlerin tüm yörüngeleri tamamen dolu olduğundan kimyasal pasif olup kararlı soygaz olarak adlandırılırlar. Valans yörüngeleri bulunan elementler elektron alarak negatif yüklü veya elektron vererek pozitif yüklü iyon oluşturur ve kararlı hale gelirler. Bazı durumlarda s ve p yörüngeleri birleşerek sp hibrid yörüngesini oluşturur. PERİYODİK TABLO: KATILARDA ATOMİK BAĞLAR: Atomlar aralarındaki uzaklığa ( r ) bağlı olarak birbirlerine değişen çekme kuvveti ( Fç ) ve itme kuvveti ( Fi ) uygularlar. Belirli bir ro uzaklığında net kuvvet bulunurlar. ( Fn ) Fi Fç 0 olur ve atomlar bu konumda dengede E Fdr olduğundan r r r En Fn dr Fç dr Fi dr Eç Ei r ro için E Eo olup buna bağ enerjisi denir ve atomlar arasındaki bağı kopararak onları birbirinden (sonsuz mesafeye) uzaklaştırmak için gerekli enerjidir. Birçok malzeme özelliği Eo , bağ enerjisi grafiğinin eğri şekline ve bağ tipine bağlıdır. Örneğin, yüksek bağ enerjisine sahip metaller yüksek ergime sıcaklığına sahiptir. Bir malzemenin rijitliğinin ifadesi elastisite (Young) modülü de F r eğrisinin şekline bağlıdır. Rijit malzemelerde r ro noktasında eğim dik olur. Isıl genleşme katsayısı da Eo ile ro arasındaki ilişki ile açıklanır. KATILARDA ATOMİK BAĞ TÜRLERİ: - Kimyasal (Birincil): İyonik, Kovalent, Metalik - Fiziksel (İkincil/Zayıf): van der Waals İYONİK BAĞ: Metalik element atomlarının valans elektronlarını ametalik element atomlarına vermesi ile atomlar kararlı hale gelirler. Pozitif (+) yüklü hale gelen metal iyonu ile negatif (-) yüklü hale gelen ametal iyonu net elektrik yükü ile orantılı şekilde Coulomb kuvveti ile birbirini çeker. Bu çekme enerjisi ( Eç ) A , itme r enerjisi ise ( Ei ) B n şeklinde ifade edilir. Burada; A , B ve n iyonik r sabitlerdir. KOVALENT BAĞ: Komşu iki atom valans elektronlarını ortak kullanarak kararlı hale gelirler. Paylaşılan elektronların her iki atoma ait olduğu düşünülür. Bir atomda olabilecek kovalent bağ sayısı valans elektron sayısına bağlı olup sınırlıdır. Örneğin; magnezyum (Mg) atomunun son yörüngesinde iki, flor (F) atomunun son yörüngesinde yedi elektron vardır. Magnezyum florür bileşiği oluşurken, magnezyum atomu son yörüngesindeki iki elektronunu vererek son yörüngesindeki elektron sayısını sekize tamamlar. Bu iki elektronun her birini bir flor atomu alır. Flor atomları da son yörüngelerindeki elektron sayılarını sekize tamamlarlar. Elektron alışverişinden sonra magnezyum atomu (+2) iyon, flor atomları (–1) iyon haline geçerler. Zıt elektrikle yüklenen magnezyum ve flor atomları birbirlerini Coulomb kuvveti ile çekerler. Böylece aralarında iyonik bağ oluşur. İyonik bağ enerjisi yüksek olup bu nedenle ergime sıcaklığı da yüksektir. İyonik bağlı malzemeler sert, gevrek ve elektriksel/termal yalıtkandırlar. İyonik bağ yönsüzdür. Dolayısıyla iki atom farklı yönlerde bağ oluşturabilir. KBS 8 VES Burada; KBS , kovalent bağ sayısı ve VES valans elektron sayısıdır. Kovalent bağ kuvveti güçlü veya zayıf olabilir. Kovalent bağ yönlü olduğundan atomlar belirli bir yönde bağ oluşturabilirler. METALİK BAĞ: Metal ve alaşımlarında bulunan bu bağ türünün serbest halde bulunan (bir atoma bağlı olmayan) valans elektronlarının oluşturduğu bir elektron bulutunda dağılmış pozitif (+) yüklü iyon çekirdeklerinin elektron bulutu tarafından bir arada tutulmasıyla oluştuğu düşünülür. Metalik bağlar yönsüz olup güçlü veya zayıf olabilirler. VAN DER WAALS BAĞI: Kimyasal bağlara göre zayıf fiziksel bağlar olup iki tane çift kutuplu atom veya molekülün zıt kutupları arasındaki etkileşimden kaynaklanır. Yandaki örnekte su molekülünde kuvvetli kovalent bağlar bulunur. Bu nedenle su molekülünü parçalamak zordur. Su molekülleri arasında ise zayıf van der Waals bağları bulunur. Akışkanlığın sebebi budur. SORU: Fe+3 ve S-2 iyonlarının elektron dizilişlerini yazınız. Metalik bağdaki serbest elektronlar metallerin elektriksel ve ısıl iletkenliklerinin temel nedenidir. Fe, 3 elektron vermiştir. Öyleyse, Fe+3: 1s22s22p63s23p63d5 S, 2 elektron almıştır. Öyleyse, S-2: 1s22s22p63s23p6 KATILARDA KRİSTAL YAPI Kristal yapı atomun bir üst seviyesinde incelenen ve atomların katı halde oluşturduğu düzeni ifade eden birim hücre (kafes) geometrik parametreleri ve atom dizilimi ile tarif edilen kavramdır. Tek kristalli, çok kristalli ve kristal dışı yapılar bulunur. Çok sayıda farklı kristal yapı bulunduğundan sınıflandırma yapmak için kafes geometrik parametreleri denilen a , b ve c kenar uzunlukları ile , ve iç açıları cinsinden ifade edilen yedi farklı kristal sistem tanımlanmıştır. Kristal Sistem Kübik Eksenel İlişki Hekzagonal a bc 90o , 120o Tetragonal a bc 90o Rombohedral (Trigonal) abc 90o Ortorombik abc 90o Monoklinik abc 90o Triklinik abc 90o abc Açısal İlişki 90o KRİSTAL SİSTEMLER: Kübik, hekzagonal, tetragonal, rombohedral (trigonal), ortorombik, monoklinik ve triklinik sistemlerdir. Metallerde görece basit kübik ve hekzagonal kristal yapılar ortaya çıkar. Metallerde yaygın olarak bulunan üç kristal yapı (YMK: yüzey merkezli kübik, HMK: hacim merkezli kübik, SPH: sıkı paket hekzagonal) kristal kafes noktaları, doğrultuları ve düzlemleri açısından ele alınır. Katılaşma sırasında atomlar en yakın komşu atomlara bağlanırken bütün metaller, çoğu seramikler ve bazı polimerler belirli bir ölçekte tekrar eden düzenli kristal yapı (kafes) oluşturur. Kristal yapılar ifade edilirken atomlar belirli çaplara sahip katı küreler şeklinde düşünülür ve komşu atomlar temas halinde gösterilir. Kristal yapının tekrar eden en küçük yapıtaşına birim hücre denir. METALLERDE KRİSTAL YAPI TÜRLERİ: Çoğu metal görece basit YMK, HMK ve SPH yapıdadır. Metal Alüminyum Krom Bakır Demir (α) Nikel Titanyum (α) Çinko Kristal Yapı YMK HMK YMK HMK YMK SPH SPH Atom Yarıçapı [nm] 0,1431 0,1249 0,1278 0,1241 0,1246 0,1445 0,1332 Birim Hücre Geometrisi YMK: Bütün köşelerinde ve yüzey merkezlerinde birer atom bulunan kübik birim hücreye sahiptir. İlk şekilde YMK kristal yapılı üç boyutlu atom yerleşiminde birim hücre gösterilmiştir. İkinci şekilde birim hücrede bulunan atomlar görülmektedir. Üçüncü şekilde ise birim hücrenin açık görünmesi için yalnızca atom merkezlerinin konumu gösterilmiştir. Burada küpün kenar uzunluğu ( a ) ile atom yarıçapı ( R ) arasında a 2 R 2 şeklinde bir ilişki bulunur. YMK kristal yapıda köşe atomları 8, yüzey merkezi atomları ise 2 hücre tarafından paylaşılır. Bu nedenle bir hücrede 4 atom bulunur. Koordinasyon sayısı ( KS ), her atom için en yakın komşuluğunda bulunan (temasta olunan) atom sayısı olup metallerde aynıdır. YMK için bu değer 12’dir. Atomik dolgu faktörü ( ADF ) ise birim hücre içindeki atom hacminin birim hücre hacmine oranı olup YMK için 0,74 değerini alır. HMK: Bütün köşelerinde ve hacim merkezinde birer atom bulunan kübik birim hücreye sahiptir. İlk şekilde HMK kristal yapılı üç boyutlu atom yerleşiminde birim hücre gösterilmiştir. İkinci şekilde birim hücrede bulunan atomlar görülmektedir. Üçüncü şekilde ise birim hücrenin açık görünmesi için yalnızca atom merkezlerinin konumu gösterilmiştir. Burada küpün kenar uzunluğu ( a ) ile atom yarıçapı ( R ) arasında a 4 R 3 şeklinde bir ilişki bulunur. HMK kristal yapıda köşe atomları 8 hücre tarafından paylaşılırken merkezde 1 atom bulunur. Bu nedenle bir hücrede 2 atom bulunur. Koordinasyon sayısı HMK için 8’dir. Atomik dolgu faktörü ise HMK için 0,68 değerini alır. SPH: Bütün köşelerinde, alt/üst yüzeylerinde ve yan yüzeylerinin içinde birer atom bulunan eşkenar altıgen prizma birim hücreye sahiptir. Üç tane tetragonal (ikinci şekilde karartılmış olarak, üçüncü şekilde ABCDEFGH ile gösterilen) sistemin yan yüzeylerinin örtüştürülmesiyle elde edilir. SORU: YMK birim hücre hacmini atom yarıçapı ( R ) cinsinden hesaplayınız. Birim hücrenin bir yüzeyinin köşegeni 4 R uzunluğunda ve kübik birim hücrenin kenar uzunluğu a ise, a2 a2 (4R)2 yazılabilir. Bu durumda, a 2 2 R olur. Hücre hacmi ise, V a3 16 2 R3 olur. SORU: HMK birim hücre hacmini atom yarıçapı ( R ) cinsinden hesaplayınız. SORU: YMK yapı için atomsal dolgu faktörünün 0,74 olduğunu gösteriniz. ADF birim hücredeki atomların hacminin birim hücre hacmine oranıdır. YMK İlk şekilde SPH kristal yapılı üç boyutlu atom yerleşiminde birim hücre gösterilmiştir. İkinci şekilde birim hücrede bulunan atomlar görülmektedir. Üçüncü şekilde ise birim hücrenin açık görünmesi için yalnızca atom merkezlerinin konumu gösterilmiştir. Burada küpün kısa kenar uzunluğu ( a ) ile uzun kenar uzunluğu ( c ) arasında 1,633 şeklinde bir ilişki bulunur. birim hücrede 4 atom bulunduğundan atom hacmi, 4 16 4 x R 3 R 3 olur. Hücre hacmi ise, 3 3 16 2R3 olduğundan, 16 3 R 3 ADF 0,74 elde edilir. 16 2 R3 SORU: HMK yapı için atomsal dolgu faktörünün 0,68 olduğunu gösteriniz. SPH kristal yapıda köşe atomları 6 hücre tarafından, alt/üst yüzeylerin merkezindeki atomlar ise 2 hücre tarafından paylaşılırken ortada 3 atom bulunur. Bu nedenle bir hücrede 6 atom bulunur. Koordinasyon sayısı SPH için 12’dir. Atomik dolgu faktörü ise SPH için 0,74 değerini alır. SORU: Atom yarıçapı 0,128 nm, kristal yapısı YMK ve atom ağırlığı 63,5 gr/mol olan bakırın teorik yoğunluğunu hesaplayarak deneysel (gerçek) yoğunluğu ile karşılaştırınız. Teorik yoğunluk, KRİSTAL KAFES NOKTALARI: Birim hücre içinde bulunan herhangi bir P noktasının yeri P ( q r s ) şeklinde ifade edilir. Burada; q , r ve s sırasıyla x , y ve z eksenleri üzerinde a , b ve c ile orantılı uzunluklar olup bire eşit veya birden küçük değerler alırlar. nA bağıntısı ile hesaplanabilir. Burada; VN n , birim hücredeki atom sayısı A , atom ağırlığı V , birim hücre hacmi N , Avogadro sayısı (6,023x1023 atom/mol)’dır. Buna göre teorik yoğunluk, 4 x63,5 8,89 gr/cm3 olup 8,94 gr/cm3 olan gerçek 16 2(1, 28 x108 )3 x6, 023x1023 yoğunluğuna çok yakındır. POLİMORFİZM VE ALLOTROPİ: Bazı malzemeler birden fazla kristal yapıda bulunabilirler. Sıcaklığa ve dış basınca bağlı olan bu özelliğe polimorfizm denir. Element halindeki katılar için bu özelliğe allotropi denir. Örneğin, oda sıcaklığında HMK yapıda olan saf demir 912 oC’de YMK yapıya dönüşürken başta yoğunluk olmak üzere fiziksel özellikleri değişir. KRİSTAL KAFES PARAMETRELERİ: Kristal malzemeler incelenirken birim hücre içinde belirli bir nokta, doğrultu veya düzlem üzerinde analiz yapmak gerekebilir. Bunun için bir koordinat sistemi kullanılarak üç rakam veya indisten oluşan tanımlama notasyonu kullanılır. Burada; a , x eksenindeki birim hücre boyutunu; b , y eksenindeki birim hücre boyutunu; c , z eksenindeki birim hücre boyutunu; , y z eksenleri arasındaki birim hücre açısını; , x z eksenleri arasındaki birim hücre açısını; , x y eksenleri arasındaki birim hücre açısını ifade eder. KRİSTAL KAFES DOĞRULTULARI: Bir kristal kafes doğrultusu biri koordinat sisteminin orijininde bulunan iki nokta arasında çizilen bir vektör ile tanımlanır ve bu vektör [ u v w ] şeklinde gösterilir. Burada; u , v ve w sırasıyla vektörün x , y ve z eksenleri üzerindeki indirgenmiş izdüşümleri olup Miller indisleri olarak adlandırılır. Vektör, doğrultusu değiştirilmeden birim hücre içinde taşınabilir. İndislerin tamamı uygun bir sayı ile çarpılarak tamsayı olarak ifade edilirler. Negatif işaretli indisler üstlerinde bir çizgi ile gösterilir (Örneğin, [ 1 2 0 ]). Kristal yapılarda Miller indisleri farklı (paralel olmayan) bazı doğrultularda atom dizilişleri veya atomlar arası mesafe aynı olup eşdeğerdirler ve doğrultu ailesi olarak adlandırılırlar. Örneğin; kübik kristallerde [ 1 0 0 ], [ 1 0 0 ], [ 0 1 0 ], [ 0 1 0 ], [ 0 0 1 ] ve [ 0 0 1 ] doğrultuları eşdeğer olup 1 0 0 doğrultu ailesini oluştururlar. KRİSTAL KAFES DÜZLEMLERİ: Kristal kafes düzlemleri üç Miller indisi ile ( h k l ) şeklinde belirtilir. Burada; h , k ve l sırasıyla düzlemin x , y ve z eksenlerine ait indisleridir. Düzlem orijinden geçiyorsa paralel olarak taşınır. Düzlem en azından bir ekseni keser. Kesmediği eksenler varsa ilgili eksenlere ait indisler 0 olur. Düzlemin eksenleri kestiği noktaların orijine uzaklıkları a , b ve c kafes parametreleri cinsinden belirlenerek çarpmaya göre tersleri alınır. İndislerin tamamı uygun bir sayı ile çarpılarak tamsayı olarak ifade edilirler. Negatif işaretli indisler üstlerinde bir çizgi ile gösterilir. Birbirine paralel olan kristal kafes düzlemleri eşdeğer olup aynı indislerle gösterilir. Aynı atomsal dizilişe sahip eşdeğer düzlemler düzlem ailesi olarak adlandırılır ve h k l şeklinde gösterilir. Kübik sistemde indislerin sırası ve işaretinden bağımsız olarak aynı indislere sahip düzlemler eşdeğerdir. Örnek olarak ( 2 4 1 ) ve ( 4 2 1 ) düzlemleri eşdeğerdir. Kübik kristallerde bir doğrultu kendisi ile aynı indise sahip düzleme diktir. DOĞRUSAL VE DÜZLEMSEL ATOM YOĞUNLUKLARI: Doğrusal atom yoğunlukları aynı olan doğrultular ve düzlemsel atom yoğunlukları aynı düzlemler eşdeğerdir. Doğrusal atom yoğunluğu, merkezleri doğrultu vektörünün üzerinde bulunan atom sayısının doğrultu vektörü uzunluğuna; düzlemsel atom yoğunluğu ise merkezleri düzlem üzerinde bulunan atom sayısının düzlem alanına oranı şeklinde ifade edilir. Buna göre yandaki YMK birim hücrenin [ 1 1 0 ] doğrultusu ve bir yüzey düzlemi üzerindeki (örneğin ( 0 0 1 )) atom yoğunlukları: 1 1 1 2 1 [m1 ] Doğ. AY110 2 4R 2R Düz. AY001 4* 1 1 1 4 [m2 ] 2 2 (2 2 R) 4 R Doğrusal ve düzlemsel atom yoğunlukları metallerin plastik olarak şekil değiştirmesini sağlayan kayma mekanizması açısından önemlidir. Kayma, en yoğun düzlemlerde ve bu düzlemler üzerindeki en yoğun doğrultularda gerçekleşir. ADF, YMK ve SPH metalik kristallerde 0,74 iken HMK metalik kristallerde 0,68 değerini alır. Bu nedenle, YMK ve SPH birim hücreye sahip yapılar sıkı paket kristaller olarak adlandırılır ve sıkı paket düzlemlerin üst üste farklı şekilde yerleştirilmesi ile elde edilirler. Kristal yapılarda birim hücrede farklı doğrultularda ve düzlemlerde atom yoğunluklarının farklı olması malzeme özelliklerinin yöne bağlı olmasına neden olur. Bu özelliğe anizotropi denir. Kristal yapının simetrisi azaldıkça anizotropi artar. Örneğin demirin elastisite modülü ( E ); [ 1 0 0 ] doğrultusunda 125 GPa, [ 1 1 0 ] doğrultusunda 210,5 GPa ve [ 1 1 1 ] doğrultusunda 272,7 GPa değerini alır. Özellikleri yöne bağlı olmayan malzemelere izotrop denir. Her ne kadar mikro ölçekte (birim hücrelerde, farklı yönlenmeye sahip tanelerde) anizotropi olsa da, birçok taneden meydana gelen makroyapı genellikle ortalama özellikler gösteren izotropik yapıda olur. Ancak haddeleme, ısıl işlem, yönlenmiş katılaşma, fiber kompozit üretimi gibi imalat işlemleri neticesinde anizotropik yapılar meydana gelebilir. SPH yapılarda düzlemler ABABAB… (veya ACACAC…) şeklinde iken YMK yapılarda ABCABC… şeklindedir. KATILARDA KRİSTAL YAPI OLUŞUMU: Sıvı eriyiklerde katılaşmanın başlangıcında çeşitli bölgelerde küçük kristaller çekirdeklenir. Farklı yönlenmelere sahip bu taneciklere katılaşan diğer atomların eklenmesiyle taneler büyür ve birbirine temas ederek tane sınırlarını oluştururlar. Kristal yapılı bir katıda tekrar eden atom düzeni numunenin tamamı boyunca aynı yönde kesintisiz devam ediyorsa tek kristal yapı meydana gelir. Tek kristaller doğal veya yapay olabilir. Tek kristaller mikro devrelerde kullanılan yarıiletken teknolojisi gibi modern uygulamalar için önemli olup geliştirilirler. Bazı malzemeler katılaşırken düzenli bir atom dizilişi oluşturamadıklarından kristal dışı (amorf) malzeme olarak adlandırılırlar. Katılaşmada soğuma hızının yüksek olması da kristal olmayan amorf yapı oluşumuna neden olabilir. Metaller kristal yapıda katılaşırken, seramikler amorf ya da kristal, polimerler amorf ya da yarı kristal yapı oluştururlar. Kristal yapıların incelenmesinde X-Işını Kırınımı (X-RD: X-Ray Diffraction) yöntemi çok kullanışlıdır. X ışınlarının bir yapıya gönderilerek atomlara çarptırılması ile atomlardan saçılan ikincil dalgaların girişimi neticesinde dalgalar farklı açılarda birbirini yok eder veya kuvvetlendirir. Bu şekilde malzemelerin tanımlanmaları, kafes yapılarının ve parametrelerinin belirlenmesi mümkün olur (Bragg yansıma denklemi: n 2dhkl sin ). KRİSTAL YAPI KUSURLARI Kristal yapılar kendilerini belirli bir düzende tekrar eden yapılar olarak tanımlanmakla birlikte kusursuz değildirler. Malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkileyen çeşitli türdeki kusurlar bazen özellikleri iyileştirmek için kontrollü olarak eklenirler. Kristal yapı kusuru kavramı atomik ölçekteki kafes düzensizliklerini ifade eder ve boyutlarına göre 0 Boyutlu (Noktasal), 1 Boyutlu (Çizgisel), 2 Boyutlu (Yüzeysel) ve 3 Boyutlu (Hacimsel) kusurlar şeklinde sınıflandırılırlar. Kristali oluşturan atomlardan birinin bulunmaması gereken bir yerde olmasına arayer atomu denir. Küçük arayer atomları ana yapı içinde hareket edebilirler. NOKTASAL KUSURLAR: Üç türü bulunur: Atomik boşluk (boşyer), (kendinde) arayer atomu ve empürite (katışkı) atomu. Atomik boşluk, atom bulunması gereken kafes noktalarının boş kalmasından kaynaklanır. Atomik boşluk içermeyen bir malzemenin üretimi mümkün olmayıp entropinin (düzensizliğin) artışı ilkesi olarak bilinen Termodinamiğin 2. Yasasının bir gereğidir. Denge durumu için bir malzemede bulunan atomik boşluk sayısı; Nb N * e Q ( b RT Kendinde arayer atomu kafeste büyük çarpılmalara neden olduğundan yüksek enerji gerektirir ve kendiliğinden oluşma olasılığı çok düşüktür. ) şeklinde ifade edilir. Burada; N , birim hacimdeki toplam kafes noktası (bulunması gereken atom) sayısı; Qb , bir boşluğun oluşma enerjisi; T , mutlak sıcaklık [ K ]; R ise Boltzman (Gaz) sabiti olup 1,38*10-23 j / atom * K (8,31 j / mol * K ) veya 8,62*10-5 eV / atom * K değerini alır. Sıcaklık arttıkça boşluk sayısı (oranı) üstel olarak artar. Bazen kristal yapıda bulunmaması gereken yabancı katışkı atomları arayer veya yeralan şeklinde yapıya girebilir. Bu durumda ana yapıya çözen (matris), katışkıya çözünen ve bileşime ise katı çözelti denir. Katı çözeltiler sıklıkla özel olarak oluşturulur ve alaşımlama amacıyla kullanılır. Katı çözeltilerde matris atomlarının kristal yapısı bozulmaz ve çözünen atomlar yapıya homojen olarak dağılırlar. İki elementten oluşan bir alaşımın yoğunluğu; ort 100 (Cm )1 (Cm ) 2 1 2 şeklinde ifade edilir. ÇİZGİSEL KUSURLAR: Tek boyutlu kusurlar olup kristal yapıdaki bazı atomların düzene bir miktar aykırı davranmasından kaynaklanırlar. Kenar ve vida dislokasyonları şeklinde adlandırılırlar. Kenar dislokasyonu, kafes içinde sona eren ek bir kafes düzleminden kaynaklanır. Vida dislokasyonu ise kafes düzlemi kendisine dik olan dislokasyon çizgisi etrafında spiral şeklinde ortaya çıkar. Yeralan çözeltilerinin oluşabilmesi için çözen ve çözünen atom çapları farkının % 15’ten küçük olması gerekir. Arayer çözeltilerinde çözünen atom çapı çözen atom çapına göre oldukça küçüktür. Bu nedenle çözünen yüzdesi sınırlıdır (Örneğin; RFe 0,124 nm ve RC 0,071 nm iken karbonun demirde maksimum çözünürlüğü % 2). İki elementten oluşan bir alaşımdaki elementlerin ağırlık yüzdesi olarak ifadesi (konsanrasyonu); m1 m2 *100 ; (Cm ) 2 *100 m1 m2 m1 m2 (Cm )1 ve atom yüzdesi olarak ifadesi; (Cn )1 nm1 nm 2 *100 ; (Cn ) 2 *100 nm1 nm 2 nm1 nm 2 olup burada; nm1 m1 A1 olup burada; ; nm 2 m2 m, A2 kütleyi; nm , mol sayısını ve A , atom ağırlığını ifade eder. Burgers vektörü, hareket eden dislokasyonun hareket yönünü ve büyüklüğünü ifade eden karakteristik bir büyüklüktür olup kenar dislokasyonunda dislokasyon çizgisine dik, vida dislokasyonunda ise paraleldir. Dislokasyonlar pratikte kristal yapı içinde sadece çok kısa bölümlerde saf kenar ve vida şeklinde ortaya çıkarlar. Genelde kenar ve vida dislokasyonlarının bileşimi şeklinde karışık dislokasyon olarak bulunurlar. Dislokasyon hareketi kalıcı (plastik) şekil değişiminin ana mekanizmasını oluşturur. Kalıcı şekil değişimi için kafesin bir bölümündeki atomların komşu atomlarla bağlarını koparıp kayma düzlemi boyunca ötelenmesi gerekir. -Faz Sınırları: Çok fazlı malzemelerde değişik fazlar arasında faz sınırları meydana gelir. Fazların kimyasal ve fiziksel özellikleri farklı olup faz sınırları mekanik özellikler üzerinde önemli etkiye sahiptir. YÜZEYSEL KUSURLAR: Farklı kristal yapılara ya da yönlenmelere sahip bölgeleri ayıran dış yüzeyler, tane sınırları, faz sınırları, ikiz sınırları ve dizi hataları gibi kusurlardır. -İkiz Sınırları: Kayma kuvvetleri veya tavlama işleminden kaynaklanan ikizlenme olayı, kristal kafeste bir tane içindeki bir düzlemde atom düzeninin kırılarak ayna görüntüsü oluşturması olayıdır. Bu olay dislokasyonların hareketini zorlaştırarak malzeme dayanımını artırır. -Dış Yüzeyler: kristal yapının sona ermesi doğal bir süreksizliğe neden olur. Dış yüzey atomları iç atomlara göre daha az kimyasal bağ yaptığı için hem enerjileri yüksektir, hem de dengesiz (kararsız) bir haldedirler ve enerjilerini düşürmeye çalışırlar. Sıvılarda yüzey gerilimi ile ifade edilen ve küreselleşme eğilimiyle sonuçlanan bu olay katılarda yeni kimyasal bağlar oluşturularak gerçekleşir. -Tane Sınırları: Çok kristalli yapılarda farklı yönlenmelere sahip taneleri ayıran sınırlar birkaç atom genişliğinde olup yapıda süreksizliğe neden olur. Tane sınırları dislokasyonlar ile açıklanabilir. Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırları eğik sınırlar, vida dislokasyonları tarafından oluşturulan tane sınırları ise burkulma sınırları şeklinde ifade edilir. Tane sınırlarında düzensizlik nedeniyle daha az kimyasal bağ bulunduğundan enerjisi yüksektir. Büyük açılı tane sınırlarında enerji daha fazla olduğundan kimyasal tepkimeye daha kolay girerler. Katışkı atomları tane sınırlarında yoğunlaşır. Tane sınırlarındaki kohezif kuvvet; kuvvet eğrisinin maksimum olduğu noktadaki, atomlar arası bağı koparmak için gerekli maksimum kuvvet olup dayanım arttırıcı etki sağlayabilir. Her bir tanede özellikler yöne bağlı (anizotropik) olmakla birlikte, çok kristalli malzemelerde çok sayıda tane rastgele konumlandığından yapının bütünü izotropiktir. -Dizi Hataları: YMK yapıda ABCABC… dizilişindeki kesintiden kaynaklanan bir süreksizlik olup enerjisi düşüktür. HACİMSEL KUSURLAR: Katılarda imalat sırasında ortaya çıkan gözenek, çatlak, yabancı madde girişi gibi büyük boyutlu kusurlardır. MİKROSKOBİK MUAYENE: Malzemeleri tanımlamak ve işlem yapmak için içyapılarını mikro ölçekte incelemek gerekir. Bunun için optik, elektron ve tarama uç mikroskopları kullanılır. -Optik Mikroskop: Opak malzemelerin yüzeyleri ışığı yansıtma şekline göre incelenir. 2000 kata kadar büyütme yapılabilir. İnceleme öncesinde zımparalama, taşlama, parlatma ve dağlama gibi bir dizi yüzey işlemleri yapılmalıdır. -Elektron Mikroskobu: İncelemede ışık yerine elektronlar kullanılır. Elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davrandığından yüksek hızda 3 pikometre (10-12 m) dalga boylu elektronlar ile çok daha fazla büyütme yapılabilir. Tarama elektron mikroskopları (SEM: Scanning Electron Microscope) ile parlatma ve dağlama gibi işlemlere gerek olmaksızın yansıtma tekniği ile yüzey incelenebilir ve 50 bin kata kadar büyütme yapılabilir. Geçirimli elektron mikroskopları (TEM: Transmission Electron Microscope) ile içinden geçirme tekniği ile yapının iç kısımları incelenebilir ve 1 milyon kata kadar büyütme yapılabilir. -Tarama Uç Mikroskobu (SPM: Scanning Probe Microscope): Işık veya elektron kullanılmaz. Çok ince bir uç malzeme yüzeyini çok yakından tarayarak topografik haritasını çıkarır ve 1 milyar kata kadar büyütme yapılabilir. Yapı Atom altı parçacık Atom/İyon çapı Birim hücre boyutu Dislokasyon genişliği 2. faz parçacığı Tane Gözenek, boşluk, çatlak Boyut [m] 10-15 ila 10-11 10-10 10-9 10-8 ila 10-7 10-8 ila 10-4 10-8 ila 10-2 10-3 ila 10-1 Mikroskop SPM TEM SEM OM Göz Kapasite [m] 10-10 10-10 10-9 10-7 10-4 SORU: Bakırın 1000 oC’deki atom ağırlığı ve yoğunluğu sırasıyla 63,5 gr/mol ve 8,4 gr/cm3 olup atomsal boşluk oluşması için gerekli enerji 0,9 eV/atom olduğuna göre bu sıcaklıkta denge durumunda 1 mm3 bakır için atomsal boşluk sayısını hesaplayınız. Öncelikle 1 mm3 bakırdaki atom sayısı bulunmalıdır. N 19 N A cu 6, 023*1023 *8, 4 7,97 *1022 atom 3 7,97*10 atom cm mm3 Acu 63,5 Boşluk sayısı ise; Nb N * e ( Qb RT ) 7,97 *10 * e 19 0,9 8,62*105 *(1000 273) 2,18*1016 boşluk mm3 SORU: Ağırlıkça % 97 alüminyum ve % 3 bakırdan oluşan bir alaşımın atom yüzdesi açısından bileşimi nedir? Çözüm için alaşımdaki mol sayıları bulunmalıdır. Örneğin, 100 gr alaşım söz konusu olsun. Bu alaşımda 97 gr alüminyum, 3 gr bakır vardır. Bu durumda; nmAl mAl nmCu mCu AAl ACu 97 3 26,98 63,55 3,595 mol 0, 047 mol Buna göre atom yüzdeleri; (Cn ) Al nmAl 3,595 *100 98, 7 nmAl nmCu 3,595 0, 047 (Cn )Cu 100 98,7 1,3 PLASTİK DEFORMASYON Mikro ölçekte plastik deformasyon, uygulanan gerilme etkisiyle çok sayıdaki atomun kimyasal bağlarını kopararak hareket etmesi ve yeni bağlar kurmasıyla oluşur. Kristal yapılı katı malzemelerde plastik deformasyon genellikle çizgisel kusurlar olan kenar ve vida dislokasyonlarının hareketinden kaynaklanan kayma mekanizmasıyla açıklanır. Bazı metallerde ikizlenme olayı da plastik deformasyonda etkilidir. Dislokasyonların plastik deformasyondaki önemi kusursuz kristal yapılar için teorik olarak hesaplanan dayanım değerlerinin gerçekte ölçülen değerlerden kat be kat yüksek olduğunun görülmesiyle anlaşılmış ve yapı içindeki kusurların, özellikle de dislokasyonların, şekil değişimini kolaylaştırdığı sonucuna ulaşılmıştır. Kenar dislokasyonları uygulanan gerilme yönünde, vida dislokasyonları ise uygulanan gerilmeye dik yönde hareket ederek sonuçta uygulanan gerilme yönünde bir deformasyon hareketine yol açarlar. Yani her iki dislokasyon hareketi de aynı plastik deformasyon ile sonuçlanır. Kristal kafeste plastik yani kalıcı şekil değişimi olması için kafesin bir bölümünün komşu atomlarla bağlarını koparıp kayma düzlemi boyunca ötelenerek yeni komşularıyla bağlar kurması gerekir. Bunun için ilgili düzlemdeki tüm atomların bağlarının aynı anda kopması için gerekli teorik kuvvetler çok büyüktür. Oysa deneysel olarak bulunan değerler bu teorik kuvvetlerin çok altındadır. Bunun nedeni dislokasyonların adım adım ilerleyerek çok daha düşük kuvvetlerle kalıcı şekil değişimini sağlamasıdır. Dolayısıyla kristal yapılarda şekil değişimi için dislokasyonların varlığı son derece önemlidir. Dislokasyonların hareketi ile bütün bağların kopmasına gerek olmadan çok daha düşük yükler ile şekil değişimleri gerçekleşir. Bu hareket bir tırtılın ilerlemesine benzetilebilir. Metallerde dislokasyonlar katılaşma sırasında, plastik deformasyon sonucunda veya hızlı soğutmadan kaynaklanan ısıl gerilmeler nedeniyle oluşur. Malzemedeki dislokasyon yoğunluğu birim hacimdeki toplam dislokasyon uzunluğu veya bir kesitteki birim alanı kesen dislokasyon sayısı ile ifade edilir. Buna göre dislokasyon yoğunluğunun birimi mm/mm3 (bir milimetreküpteki dislokasyon uzunluğu) veya 1/mm2 (bir milimetrekarelik kesiti kesen dislokasyon sayısı) olur. Kontrollü katılaştırılmış bir metal kristalindeki dislokasyon yoğunluğu 103 mm-2 mertebesindeyken plastik deformasyon sonucu bu değer 1010 mm-2 mertebesine ulaşabilir. Isıl işlem sonucu bu değer 105 mm-2 mertebesine düşürülebilir. Özel geliştirilmiş tek kristalli yapılarda bu değer 0,1 mm-2 mertebelerine düşürülerek malzemede çok yüksek dayanım elde edilebilir. Kenar dislokasyonlarının çevresindeki atomlar basma ve çekme gerilmelerinin etkisine girerler. Dislokasyon civarında ise kayma gerilmeleri oluşur. Vida dislokasyonlarında ise sadece kayma gerilmeleri söz konusudur. Dislokasyonlar atom yoğunluğunun yüksek olduğu düzlem ve doğrultularda daha kolay hareket ederler. Kaymanın gerçekleştiği bu düzlem ve doğrultulara kayma düzlemi ve kayma doğrultusu, bunların oluşturduğu kombinasyona ise kayma sistemi denir. Örneğin, YMK kafeste (1 1 1) düzlemindeki 1 1 0 doğrultu ailesinde kayma gerçekleşir. Birbirine yakın dislokasyonlarda bulunan gerilmelerden kaynaklanan şekil değişimi alanlarının etkileşimi sonucu birbirlerini iterek veya çekerek plastik şekil değişimini sağlarlar. Birbirlerini çeken dislokasyonlar sonuçta bir araya gelerek birbirlerini sönümlerler. Yapı YMK HMK SDH Metallerin Kayma Sistemleri Kayma Kayma Düzlemi Doğrultusu Cu, Al, Ni, Ag, Au (1 1 1) 110 Fe, W, Mo (1 1 0) 1 11 Metal Kayma Sistemi Sayısı 12 12 Fe, W (2 1 1) 110 12 Fe, K (3 2 1) 110 24 Cd, Zn, Mg, Ti, Be (0 0 0 1) 11 2 0 3 Ti, Mg, Zr (1 0 1 0) 11 2 0 3 Ti, Mg (1 0 1 1) 11 2 0 6 Yüksek sayıda kayma sistemine sahip olan HMK ve YMK yapılı metaller sünek, az sayıda kayma sistemine sahip SDH yapılı metaller ise gevrek yapılıdır. Bir tek kristalde kayma gerilmesi; cos cos şeklinde ifade edilir ve bu değer kritik kayma gerilmesinden büyük ise akma gerçekleşerek plastik şekil değişimi meydana gelir. METALLERDE DAYANIM ARTTIRICI MEKANİZMALAR: Malzeme geliştirilirken yüksek dayanımın yanında yeterli seviyede süneklik ve tokluk da istenir. Bununla birlikte genel olarak dayanım ile süneklik ve tokluk ters orantılıdır. Çünkü dayanımı arttırmak için malzemenin plastik şekil değişimine karşı direncini yükseltmek, bunun için ise dislokasyon hareketlerini zorlaştırmak gerekir. Plastik şekil değiştiremeyen malzeme ise en zayıf olduğu yerden hasara uğrayarak üzerindeki enerjiyi boşaltır. Tek fazlı metallerde dayanım arttırmak için tane inceltme (küçültme), katı çözelti oluşturma ve pekleştirme mekanizmaları kullanılır. TANE BOYUTU KÜÇÜLTME: Dislokasyonlar tane sınırlarına ulaştıklarında tanelerin farklı yönlenmeleri nedeniyle doğrultu değiştirmek zorunda kaldıklarından ve tane sınırlarında süreksizliklere neden olan boşluklar sebebiyle ilerlemekte zorlandıklarından dolayı tane sınırlarında dislokasyon birikimi ve buna bağlı olarak gerilme yığılması meydana gelir. Birim hacim için daha büyük tane sınırı yüzey alanı bulunduğundan ince taneli malzemelerde yukarıda açıklanan mekanizmalar daha etkindir ve dayanım daha yüksektir. Çok kristalli yapılarda ise durum daha karmaşıktır. Çok sayıdaki tanenin farklı yönlenmeleri nedeniyle kayma hareketi taneden taneye değişir. Diğer bir deyişle tane sınırları kaymayı zorlaştırır. Tane boyutu ile dayanım arasındaki ilişki Hall-Petch denklemi ile ifade edilir. Buna göre malzemenin akma dayanımı; ak o ky d şeklinde ifade edilir. Burada; o ve k y malzemeye özgü sabitler, d ise mm olarak ortalama tane boyutudur. Tane boyutu küçültme işlemi katılaşma hızının kontrolü ve ısıl işlem uygulaması ile sağlanır. KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİ: Daha önce yer alan ve ara yer noktasal kusurları olarak ifade edilen ve ana yapıda katı çözelti oluşturan katışkı atomları ile yapılan alaşımlama işlemi yapıda sertleşmeye neden olarak dayanımı arttırır. Çözünen atomun çözelti içindeki oranı arttıkça dayanım artarken süneklik azalır. Alaşımların daha yüksek dayanıma sahip olmasının nedeni katışkı atomlarının kafes yapısını çarpıtarak çekme ve basma şekil değişimlerine neden olmasıdır. Bu durum dislokasyonların hareketini kısıtlayarak şekil değişimini zorlaştırır. Küçük çaplı yer alan atomları çekme türü, büyük çaplı yer alana atomları ise basma türü şekil değişimine neden olurlar. PEKLEŞME (DEFORMASYON SERTLEŞMESİ) : Pekleşme plastik şekil değiştiren bir malzemenin şekil değişim miktarıyla orantılı bir şekilde dayanımının artması olarak ifade edilir. Diğer bir deyişle, bir malzeme ne kadar çok plastik şekil değişimine maruz bırakılırsa dayanımı o kadar artarken sünekliği de o kadar azalır. Pekleşmenin gerçekleşmesi için şekil değişiminin soğuk şartlarda (mutlak erime sıcaklığının yarısından daha düşük sıcaklıklarda) olması gerekir. Plastik şekil değişiminin büyüklüğü % soğuk şekil değişimi olarak ifade edilebilir. % _ SŞD ( Ao A1 )*100 Ao Burada; Ao deformasyon öncesi kesit alanını, alanını ifade eder. Ara yer atomları da benzer şekilde kafes yapısını bozar ve basma türü şekil değişimleri oluşturarak dislokasyonları kilitlerler. Katışkı atomları dislokasyon bölgelerinde bulunan boşluklara yerleşerek hareket etmeleri için gerekli gerilme değerlerini yükseltir ve dayanım artışı sağlarlar. Ayrıca, yapı içinde bulunan büyük çaplı yer alan katışkı atomlarının ve ara yer atomlarının plastik şekil değişimi sırasında daha zor hareket etmesi de dayanım artışı üzerinde etkilidir. A1 ise deformasyon sonrası kesit Soğuk şekil değişimi ile dislokasyonlar birbiriyle çarpışarak birbirine engel olur ve kilitlenirler. Dislokasyonlar hareket etmekte zorlandığından malzemenin dayanımı yükselir. Plastik şekil değişimi nedeniyle pekleşen malzemeler ve tane küçültme ile dayanımı arttırılan malzemeler istenildiğinde ısıl işlem uygulanarak sünekleştirilebilirler. Alaşımlama ile elde edilen dayanım artışı ise ısıl işlemden etkilenmez. Malzemeleri soğuk şekil değişimi öncesindeki özelliklerine ve yapısına döndürmek için yapılan ısıl işleme tavlama adı verilir. Tavlama ile malzemenin dayanımı düşerken sünekliği artar. Bu yapısal değişiklik, yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen ve sonrasında tane büyümesinin olabileceği toparlanma ve yeniden kristalleştirme denilen işlemlerle sağlanabilir. Bu sıcaklık malzeme özellikleri ve soğuk şekil değişim miktarına bağlı olup genellikle malzemenin mutlak ergime sıcaklığının üçte biri ile yarısı arasındadır. Te 3 Tyk Te 2 Soğuk şekil değişim miktarı arttıkça yeniden kristalleşme hızı artar. Alaşımlarda yeniden kristalleşme hızı saf metallere göre düşüktür. Bunun nedeni katışkı atomların işlem sırasında tane sınırlarına yerleşerek tane sınırı ilerlemesini yavaşlatmasıdır. Bu nedenle alaşımlarda yeniden kristalleştirme sıcaklığı erime sıcaklığının % 70’ine kadar çıkabilir. Yeniden kristalleştirme ile soğuk şekil değiştirme etkileri giderildikten sonra tavlama devam ettirilirse taneler birleşerek ortalama tane boyutu artar. Bunun sonucunda dislokasyon hareketini zorlaştıran tane sınırı alanı azaldığından dayanım düşer. Toparlanma neticesinde tane yapısı değişmezken sıcaklık artışıyla birlikte atomik yayınma gerçekleşir. Dislokasyonların sayısı bir miktar azalır ve şekil değişim enerjileri düşer. Böylece sıkışmış dislokasyonlar gevşer ve dislokasyon hareketleri kolaylaşarak dayanım bir miktar düşer. Yeniden kristalleştirme sonucunda eş eksenli (homojen/küresel) ince taneli bir yapı oluşur. Yeniden kristalleşme olayı zamana ve sıcaklığa bağlı olup genellikle yeniden kristalleşmenin bir saatte gerçekleştiği sıcaklık yeniden kristalleştirme sıcaklığı ( Tyk ) olarak adlandırılır. METALLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Malzemelerden parça imal edilirken genellikle maruz kaldığı yükler altında aşırı deformasyona uğrayarak kalıcı şekil değiştirmemesi ve kırılarak hasara uğramaması amaçlanır. Rijitlik, dayanım, sertlik, tokluk ve süneklik gibi mekanik özellikler temel tasarım parametreleri olup standartlaşmış laboratuvar deneyleri ile belirlenir. Ayrıca malzemenin mikroyapısı ile mekanik özellikleri arasındaki ilişkinin bilinmesi de son derece önemlidir. Metallerin mekanik davranışını belirlemek için çekme, basma, kayma, burulma, sertlik, tokluk, yorulma, sürünme, aşınma gibi deneyler statik, dinamik veya darbeli şartlarda gerçekleştirilir. Gerilme uygulanan kuvvetin birim alana düşen kısmı olup ( F veya Pascal ( Pa )’dır. Genellikle, pratikte N mm2 ) birimi N 2 A m yani MPa daha kullanışlıdır. Kuvvet kesite dik etkiyor ve boy değişimine neden oluyorsa normal gerilme ( ), paralel olarak etkiyor ve açı değişimine neden oluyorsa kayma gerilmesi ( ) olarak adlandırılır. Çekme, basma ve eğilme zorlanmaları normal gerilmelere neden olurken kesme ve burulma zorlanmaları kayma gerilmelerine yol açar. GERÇEK VE MÜHENDİSLİK GERİLME VE BİRİM ŞEKİL DEĞİŞİMLERİ: Çekme deneyinde parça sıfırdan başlayarak artan bir kuvvetin etkisinde uzarken hacim sabitliği gereği kesitinde daralma olur. Dolayısıyla yükü taşıyan kesit azaldığından gerilme daha fazla artar. Numune artık yükü taşıyamadığında kuvvet azaltılsa bile gerilme artmaya devam eder. Bu nedenle çekme deneyinin sonlarında numune kendini bıraktığında gerçekte gerilme hızla artar ancak mühendislik yaklaşımında kesitin değişmediği kabulüyle gerilme hesaplandığından bir noktadan sonra kuvvetle birlikte gerilme de azalır. Gerçek ve mühendislik değerleri arasında ve g ln(1 m ) g m (1 ) şeklinde bağıntılar bulunur. Elastik (geçici) şekil değişiminin tamamlanarak plastik (kalıcı) şekil değişiminin başladığı gerilme değerine akma Yükün zamana bağlı olarak değişmediği statik yükleme şartlarında malzemenin davranışını belirlemek için kullanılan en yaygın yöntem belirli ölçülerdeki bir deney numunesinin uygulanan eksenel kuvvete karşı sergilediği şekil değişimini (uzama) veren çekme deneyi ile gerilme-birim şekil değişim ( : stress-strain) eğrisinin elde edilmesidir. dayanımı ( ak ; y : yield strength), gerilmenin en yüksek değerine malzemenin maksimum çekme dayanımı ( ç ; uts : ultimate tensile strength), numunenin hasara uğrayarak koptuğu gerilme değerine ise kopma dayanımı ( k ; r : rupture strength) denir. Benzer durum birim şekil değişimi hesaplamasında da söz konusudur. Mühendislik hesaplamalarında l lo olup boydaki uzamanın ilk boya oranıdır. Gerçekte ise birim şekil değişimi hesabı ln(l lo ) bağıntısı ile yapılır. Tek eksenli çekme/basma deneyinde kuvvet doğrultusunda numune uzarken/kısalırken kuvvete dik kesitte doğal olarak daralma/genişleme olur. Kuvvet doğrultusundaki birim şekil değişiminin kuvvete dik doğrultudakine oranına Poisson oranı ( enine boyuna ) denir. Metaller için elastik şekil değişiminde değeri 0,3 civarındadır. Elastik şekil değişim bölgesinde kuvvetle şekil değişimi ya da gerilmeyle birim şekil değişimi arasında sabit bir oran bulunur. Yani eğrisi doğrusaldır. Elastik bölgenin eğimine ( ) Young (elastiklik) modülü ( E ) denir. Bu bağıntı Hooke Yasası olarak adlandırılır. Elastik şekil değişimi bölgesinde yük ortadan kalktığında numune ilk şekline geri döner. Bu geri dönüş atomik mertebede gerçekleşen ve zamana bağlı bir olay olup anelastiklik olarak adlandırılır ve metaller için genellikle ihmal edilebilir. Ancak viskoelastik olarak adlandırılan bazı polimerlerde anelastik davranış ihmal edilemeyecek kadar etkindir. Plastik bölgeye geçildiğinde ise şekil değişiminin yalnızca elastik kısmı geri dönerken plastik kısmı kalıcı şekil değişimi olarak korunur. PLASTİK DEFORMASYON: Çoğu metalik malzeme en fazla % 0,5 birim şekil değişimi miktarına kadar elastik şekil değişimi yapar. Elastik şekil değişimi geçici olup gerilme ile birim şekil değişimi Hooke kanunu gereği doğru orantılıdır. Bu noktadan sonra plastik yani kalıcı şekil değişimi başlar ve doğrusal orantı ortadan kalkar. Bu durum atomik bağlarla açıklanır. Elastik şekil değişiminde atomların komşularıyla yaptıkları bağlar kopmazken, plastik şekil değişiminde atomlar sahip oldukları bağları koparıp yeni komşularıyla bağ yaptığından şekil değişimi kalıcıdır. Dolayısıyla plastik şekil değişimi bölgesinde yük kaldırıldığı anda bağlarını henüz koparmamış atomların yeniden denge konumuna gelmelerine bağlı olarak elastik şekil değişimi geri dönerken plastik şekil değişimi kalır. Kristal yapıya sahip katılarda şekil değişimi dislokasyon hareketine bağlı kayma mekanizması ile gerçekleşirken sıvılarda ve amorf katılarda plastik deformasyon viskoz akış mekanizması ile gerçekleşir. Malzemelerin kayma davranışını incelemek için kesme ve burulma deneyleri yapılır. Kesme durumunda açısal çarpılma, burulma durumunda ise açısal dönme ortaya çıkar. Bu nedenle birim şekil değişimi açı değişimiyle ölçülür. Hooke Yasası kayma durumunda da geçerlidir. Bu durumda, elastik bölgenin eğimi kayma modülü ( G ) olarak adlandırılır ve kayma gerilmesinin açısal birim şekil değişimine oranını temsil eder. G Elastiklik ve kayma modülü bir malzemenin elastik şekil değişimine karşı gösterdiği direnci, yani rijitliği ifade eder. İzotropik malzemeler için elastiklik ve kayma modülleri arasında Poisson oranına bağlı E 2G(1 ) şeklinde bir ilişki bulunur. Metaller için elastik şekil değişiminde Poisson oranının değeri 0,3 civarında olduğundan G 0, 4* E bağıntısı geçerlidir. Metal Alüminyum Pirinç Bakır Magnezyum Nikel Çelik Titanyum Volfram (Tungsten) E [GPa] G [GPa] [] 69 97 110 45 207 207 107 407 25 37 46 17 76 83 45 160 0,33 0,34 0,34 0,29 0,31 0,30 0,34 0,28 Elastiklik modülünün büyüklüğü, atomlar arasında kuvvet dengesinin bulunduğu ro noktasında eğrinin eğiminin artmasıyla (dikleşmesiyle) açıklanır. Sıcaklık arttıkça ortamdaki enerji artacağından kimyasal bağlar zayıflar ve elastiklik modülü (rijitlik) azalır. SORU: Başlangıç boyu 305 mm ve çapı 30 mm olan dairesel kesitli bir bakır parçaya 276 MPa büyüklüğünde bir çekme gerilmesi uygulanmaktadır. Şekil değişimi tamamen elastik olduğuna göre boydaki uzamayı, yüke dik doğrultudaki kısalmayı ve kesit daralmasını hesaplayınız. Şekil değişimini homojen kabul ediniz. Tablodan bakır için E =110 GPa ve =0,34 değerleri görülmektedir. Elastik bölgede; E olduğundan l l E yazılabilir. Buna göre boydaki uzama; o l * lo E 276*305 0, 765 mm olur. 110000 enine olduğundan çaptaki şekil değişimi; boyuna 0, 765 8,5*104 olur. Burada eksi işareti 305 daralmayı ifade eder. Buna göre; enine * boyuna 0,34* enine d d 8,5*104 olduğundan d 8,5*104 *30 0, 0256 mm o olur. Buna göre son çap 30 0, 0256 29,974 mm olmuştur. Buna göre kesit daralması; 4 (do 2 d 2 ) 4 (302 29,9742 ) 1, 225 mm2 olmuştur. SORU: Başlangıç boyu 305 mm ve çapı 30 mm olan dairesel kesitli bir bakır parçaya 276 MPa büyüklüğünde bir basma gerilmesi uygulanmaktadır. Şekil değişimi tamamen elastik olduğuna göre boydaki kısalmayı, yüke dik doğrultudaki uzamayı ve kesit genişlemesini hesaplayınız. Şekil değişimini homojen kabul ediniz. SORU: 10 mm çapındaki silindirik pirinç bir çubuğa eksenel doğrultuda çekme gerilmesi uygulanacaktır. Şekil değişimi tamamen elastik olduğuna göre çapta 0,0025 mm daralma oluşması için gerekli yükün büyüklüğünü hesaplayınız. Tablodan pirinç için E =97 GPa ve =0,34 değerleri görülmektedir. Elastik bölgede; enine d d 0, 002510 2,5*104 olur. Buna göre boydaki uzama; o boyuna enine 2,5*104 7,35*104 olur. Buna göre gerekli gerilme; 0,34 E * 97000*7,35*104 71,32 MPa olur. Buna göre gerekli yük (kuvvet); F *A * 4 * d o 2 71,32* 4 *102 5601 N olur. Bazı metallerde elastik bölgeden plastik bölgeye geçiş belirgin olmaz. Belirgin akma göstermeyen bu malzemelerde eğrisinin doğrusallıktan ayrıldığı ilk yer akma noktası (orantı sınırı) olarak adlandırılır ve genellikle pratikte % 0,2 birim şekil değişiminden sonra akmanın başladığı kabul edilir. % 0,2 şekil değişiminden elastik doğruya paralel bir doğru çizilerek eğrisini kestiği noktadaki gerilme değeri akma dayanımı olarak alınır. Eğrinin altında kalan alan da malzeme hakkında önemli bilgiler verir. Akma noktasından düşey olarak çizilen doğru ile yatay eksenler tarafından belirlenen üçgensel bölgenin alanı ( Belirgin akma gösteren malzemelerde elastik bölgenin sonunda bağların kopuşuyla oluşan ani süreksizlik eğride bir kararsızlığa neden olarak akma sınırının açık şekilde görülmesini sağlar. Bu kararsızlık üst ve alt akma sınırlarına neden olur ve alt akma sınırını ifade eden ortalama gerilme değeri akma dayanımını verir. Akma dayanımı malzemenin plastik şekil değişimine direncini ifade eder. Akma noktasından itibaren mühendislik eğrisinin eğimi azalan bir şekilde artarak maksimum değerine ulaşır ve düşmeye başlar. Maksimum noktadaki gerilme değeri çekme dayanımı olarak adlandırılır ve malzemenin taşıyabileceği maksimum gerilmeyi ifade eder. Gerçek eğride ise gerilme kopmaya kadar artarak devam eder. Maksimum gerilme değerine kadar numunenin boyu homojen şekilde artarken kesiti homojen şekilde azalır. Ancak maksimum gerilme değerine ulaşıldığı andan itibaren numunenin herhangi bir noktasında belirgin bir kesit daralması başlar ve bu kesit zayıflar. Dolayısıyla şekil değişimi bu kesitte yoğunlaşarak kopma bu kesitte gerçekleşir. Belirgin kesit daralması olayına boyun verme denir. Boyun verme olayı malzeme içindeki kusurların öne çıktığı (en zayıf) kesitte meydana gelir. ak * ak 2 ak 2 2 E ) rezilyans olarak adlandırılır ve elastik şekil değişiminde absorbe edilen (emilen) enerjiyi ifade eder. Tüm eğrinin altında kalan alan ( d ) ise kırılma tokluğu (tokluk) olarak adlandırılır ve hasara kadar emilen enerjiyi ifade eder. Kırılma malzeme içindeki çatlakların ilerlemesi ile oluşan bir durumdur. Pratikte kusursuz bir parça üretmek çok maliyetli ve neredeyse imkânsız olduğundan hasar kaçınılmazdır. Tokluk çentikli bir numuneye uygulanan ani bir dinamik yük ile gerçekleştirilen çentik darbe deneyi ile belirlenir. Sıcaklığın düşmesi ile malzemelerin gevrekliği artarak toklukları düşer. Kopma uzaması % 5’in altında olan malzemeler gevrek olarak kabul edilir. Malzemelerin süneklik ve dayanım gibi mekanik özellikleri şekil değişim ve ısıl işlem geçmişleri ile yapılarındaki katışkılara bağlıdır. Metal Alüminyum Bakır Pirinç Demir Nikel Çelik Titanyum Molibden Akma Dayanımı [MPa] 35 69 75 130 138 180 450 565 Çekme Dayanımı [MPa] 90 200 300 262 480 380 520 655 Süneklik (% uzama) [mm/mm] 40 45 68 45 40 25 25 35 Şekil değişiminde hacim sabit olduğundan Aolo A1l1 yazılabilir. Bazı metaller için boyun vermeye kadar olan gerçek davranışı plastik şartlarda g K *( g ) n şeklinde ifade edilir. Burada; K malzemeye bağlı dayanım (rijitlik) katsayısı [MPa] ve n ise malzemeye bağlı pekleşme (şekil değişim sertleşmesi) üsteli [] olarak adlandırılır. Metal Düşük karbonlu çelik (tavlanmış) 4340 alaşım çeliği (315 oC’de (temperlenmiş) 304 paslanmaz çelik (tavlanmış) Bakır (tavlanmış) Bahriye pirinci (tavlanmış) 2024 alüminyum alaşımı (T3 ısıl işlemli) AZ-31B magnezyum alaşımı (tavlanmış) n 0,21 0,12 0,44 0,44 0,21 0,17 0,16 K [MPa] 600 2650 1400 530 585 780 450 Plastik şekil değişimi sonrasında yük kaldırıldığında elastik toparlanma gerçekleşir e şekil değişiminin elastik kısmı elastik bölgenin eğimine paralel olarak ortadan kalkar. Aynı numune tekrar yüklenirse toparlanma doğrusu üzerinden tekrar şekil değiştirir ve dayanım artışı olur. Basma durumunda boyun verme olayı gerçekleşmediğinden eğrisinin maksimumdan geçtiği bir tepe noktası yoktur. Bu nedenle hasara (kopma) kadar gerilme artar. SERTLİK ÖLÇME: Sertlik malzemenin bölgesel şekil değişimine gösterdiği direncin bir ölçüsü olup izafi bir büyüklüktür. Sertlik deneyi malzeme yüzeyine belirli bir yük ve hızda küçük bir ucun batırılması ile yapılır ve izin derinliği/büyüklüğü ile ölçülür. Rockwell, Brinell, Vickers ve Knoop gibi türleri bulunur. Vickers ve Knoop mikrosertlik ölçüm yöntemleri olup uygulanan yük görece düşüktür. Sertlik ölçümlerinin hassasiyeti yüzeyin düzgünlüğüne bağlıdır. Ayrıca; numune yeterince kalın, alınan izler arasındaki mesafe ve izlerin kenara uzaklıkları yeterince fazla olmalıdır. Malzeme sertleştikçe yük artırılmalıdır. Yöntem Brinell Uç 10 mm çaplı küresel çelik/WC Yük [kg] 500~3000 Vickers Elmas piramit 0,001~1 Knoop Elmas piramit 0,001~1 Rockwell Elmas koni 60~150 Rockwell Yüzey Çelik küre 15~45 Sertlik değerleri uygulanan yük ile oluşan izin boyutlarına bağlı olarak hesaplanır. 2P BSD VSD SORU: 1200 d/d ile 18 kW güç ileten bir milin burulmadan kaynaklanan kayma gerilmeleri açısından emniyetli olabilmesi için emniyet katsayısını 2,5 alarak çapını belirleyiniz. ak 500 MPa D[ D D 2 d 2 ] Burulma gerilmesi ( b ) 1,854P d12 KSD b 14, 2P l2 Sertlik ezilen parça ile ezen uç arasındaki izafi bir kavram olduğundan değişik yöntemlerle belirlenen sertlik değerleri arasında dönüşüm yapılır. Sertlik de çekme dayanımı gibi malzemenin plastik şekil değişimine direncinin bir ifadesi olduğundan aralarında bir ilişki bulunur. Bu ilişki malzemeden malzemeye farklılık gösterir. Çelikler için yaklaşık olarak uts [MPa] 3, 45* BSD yazılabilir. Mb em ak olmalıdır. Wb s M b 9550* P / n *1000 500 200 MPa olmalıdır. Buna göre; Wb * d 3 /16 2,5 d 15, 40 mm elde edilir. d 16 mm alınabilir. SORU: Elastiklik modülü 100 GPa olan 250 mm uzunluğundaki pirinç numuneye ait eğrisini kullanarak 150 MPa gerilme için uzamayı, akma dayanımını ve 12,8 mm çaplı numunenin taşıyabileceği maksimum yükü hesaplayınız. İSTATİSTİK ANALİZ: Malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek için yapılan deney sonuçları numuneye, ortam şartlarına, deney cihazına ve deneyi yapan kişiye bağlı hatalar nedeniyle kesin değildir. Aynı şartlarda yapılan deney sonuçları arasında dahi farklılıklar olması kaçınılmazdır. Dolayısıyla en doğru sonuca ulaşmak için çok sayıda deney yapmak ve istatistik analiz ile ortalama ve standart sapma hesaplamak gerekir. EMNİYET: Bir malzemenin mekanik özellikleri bilindiğinde bunlara dayalı olarak tasarım hesapları e boyutlandırma yapılır. Mukavemet hesapları ile parça boyutlandırılırken ortam, malzeme ve yük şartlarındaki belirsizliğe; ortaya çıkacak hasarın maddi/manevi büyüklüğüne ve maliyetine bağlı olarak bir emniyet katsayısı ( s ) kullanılır. Genellikle; em ak s şeklinde bir emniyet gerilmesi belirlenir ve parçaya gelen gerilme bileşeninin ( ) emniyet gerilmesinden küçük olması istenir. e e E 150 1,5*103 olup 100000 ak 0,2 250 MPa F uts * 4 d 2 450* l e * lo 1,5*103 *250 0,375 mm (% 0,2 uzamaya karşılık gelen gerilme değeri) 4 (12,8) 2 57906 N SORU: Başlangıç çapı 12,8 mm olan silindirik bir numune kopana kadar çekme deneyine tabi tutulmuştur. Kopma kesit çapı 10,7 mm ve mühendislik kopma dayanımı 460 MPa olduğuna göre % kesit daralması cinsinden sünekliği ve kopma anındaki gerçek gerilmeyi hesaplayınız. (d o2 d12 ) Ao A1 (12,8) 2 (10, 7) 2 4 % _ KD *100 30,12 2 2 Ao (12,8) do 4 F * A ( k ) m * Ao 460* ( k ) g 4 (12,8) 2 59193 N F 59193 658 MPa A1 (10, 7) 2 4 SORU: 415 MPa gerçek gerilme altında 0,10 gerçek birim şekil değişimine uğrayan ve mukavemet katsayısı 1035 MPa olan metalik alaşımın pekleşme üstelini hesaplayınız. Plastik şekil değişiminde n g K *( g ) n yazılabilir. Buna göre; log(415 /1035) 0,397 elde edilir. log(0,1) HASAR Makina parçaları kalıcı şekil değişimi, aşınma ve kırılma gibi nedenlerle kullanılamaz hale gelirler. Mühendislik malzemelerinde hasar can kaybı, ekonomik kayıp, işin tamamlanamaması gibi sorunlara neden olur. Hasarın ana nedeni genellikle tasarım hatası, yanlış malzeme seçimi, imalat ve kullanım hataları olarak sıralanabilir. Hasar genellikle kaçınılmaz olduğundan kontrol ve önleyici bakım son derece önemlidir. Sünek kırılmada ayrılan parçalardan biri çanak, diğeri koni (tepe) şeklinde meydana gelir. Bunun nedeni sünek kırılma öncesinde büyük miktarda plastik deformasyon gerçekleşmesi ve bu deformasyonun ana mekanizması olan kayma hareketinin yük eksenine yaklaşık 45o açıda yönlenmesidir. Bu nedenle sünek kırılmaya çanak koni kırılması da denir. Sünek kırılma yüzeyleri pürüzlü ve mat bir yapıya sahiptir. KIRILMA: Basit kırılma, malzemenin erime sıcaklığına göre düşük sıcaklıkta statik yük altında parçalara ayrılması şeklinde ifade edilir. Kırılma dinamik yük altında olursa yorulma, yüksek sıcaklıkta olursa sürünme olarak adlandırılır. Kırılma olayı çatlak oluşumu ve ilerlemesi şeklinde iki safhada oluşur. Kırılma öncesinde plastik deformasyon fazla ise kırılma sünek, az ise gevrek olarak adlandırılır. Gevrek kırılmada fazla plastik deformasyon olmadığından kırılma yüzeyleri uygulanan gerilmeye dik ve düz olup pürüzsüz ve parlak bir yapıya sahiptir. Gevrek kırılma ani olarak gerçekleştiğinden öngörülmesi daha zordur. KIRILMA MEKANİĞİ: Bazen sünek yapılı malzemeler de ani olarak hasara uğrayabilir. Bu nedenle çatlak oluşum ve ilerleme mekanizmasının iyi anlaşılması gerekir. Geçen yüzyılda yapılan çalışmalar neticesinde kırılma olayı iyi bir şekilde anlaşılmış ve matematiksel olarak ifade edilmiştir. Kırılma mekaniği; malzeme özellikleri, gerilme durumu, çatlak üreten kusurlar ile çatlak ilerleme mekanizması arasında sayısal bir ilişki kurar. Esas olarak bir parça içindeki mikro boşlukların büyüyerek çatlak oluşturması ve çatlağın ilerlemesi, malzeme içindeki boşlukların süreksizlik oluşturması ve bunların çevresinde gerilmelerin yığılmasından (şiddetlenmesi) kaynaklanır. KIRILMA TOKLUĞU VE ÇENTİK DARBE DENEYİ: kırılma tokluğu çatlak içeren bir malzemenin gevrek kırılmaya gösterdiği direncin ifadesi olup birimi MPa m ’dir. Malzemelerin kırılma davranışını incelemek için yüksek hızlarda darbeli yükler uygulamak etkili bir yöntemdir. Charpy ve Izod deneyleri malzemelerin darbe enerjisini (çentik tokluğu) ölçmek için geliştirilmiş ve yaygın kullanıma sahip çentikli numunelere uygulanan darbe deneyleridir. Bu deneylerde yük belirli bir yükseklikten sarkaç şeklinde bırakılan ağır bir çekicin numuneye çarptırılması ile darbeli olarak uygulanır ve numune kırıldıktan sonra çekicin çıktığı yükseklik ölçülerek bulunan kayıp enerjiden malzemenin darbe enerjisi hesaplanır. Şekilde çatlağa dik kesitte maksimum gerilme ( maks ) çatlak ucunda meydana gelir. o , uygulanan nominal çekme gerilmesi; a , iç çatlağın yarı boyu veya dış çatlağın boyu, t ise çatlak ucu eğrilik yarıçapıdır. Burada; maks 2 o a t Maksimum gerilmenin nominal gerilmeye oranı çentik katsayısı olup; Kt maks 2 a şeklinde ifade edilir. t o Sıcaklık düştükçe malzemelerin gevrek davranış gösterme eğilimi arttığından çoğu malzeme sıcaklığa bağlı olarak sünek veya gevrek davranış gösterir. Bazı malzemelerde sünek gevrek geçiş sıcaklığı denen belirli (kritik) bir sıcaklığın altına inildiğinde absorbe edilebilen darbe enerjisi keskin bir şekilde düşerek gevreklik aniden artar. Tasarım açısından bu sıcaklığın bilinmesi önemli olduğundan darbe deneyleri değişik sıcaklıklarda yapılarak sünek gevrek geçiş sıcaklığının belirlenmesi son derece önemlidir. Değişken gerilmeler; maksimum gerilme ( maks ), minimum gerilme ( min ), ortalama gerilme ( ort ( g maks min 2 maks min 2 ), genlik gerilmesi ) ve gerilme oranı ( R olduğunda tam değişken, min min ) ile tanımlanır. ort 0 m aks 0 ( ort g m aks 2 ) olduğunda titreşimli gerilme durumundan bahsedilir. Statik gerilme durumunda ise ( g maks min ort 0 ) olduğu söylenebilir. YORULMA: Dinamik (değişken) gerilmeler altında malzemenin statik dayanım sınırlarından daha düşük gerilmelerle hiç belirti göstermeden aniden hasar oluşmasıdır. Metallerde meydana gelen hasarın yaklaşık % 90’ı yorulmayla gerçekleşir. Yorulma hasarı zamanla malzeme içindeki kusurların büyümesiyle meydana gelir. Yorulmada malzeme içinde önce sünek olarak çatlak ilerlemesi (pürüzlü ve mat yorulma kırılması yüzeyi), yük taşıyan kesit kritik bir değerin altına düştüğünde ise gevrek olarak ani kırılma (pürüzsüz ve parlak ani kırılma yüzeyi) meydana gelir. Malzemelerin yorulma özellikleri yorulma deneyi ile belirlenir. Yorulma deneyinde deney numunesi malzemenin dayanım sınırının altında farklı büyüklüklerde çevrimsel değişken gerilmelere maruz bırakılarak hasara neden yük tekrar sayıları belirlenir ve bu değerler ile Wöhler (S-N) eğrisi denilen yük tekrar sayısı ile gerilme değeri arasındaki ilişkiyi ifade eden ömür eğrisi çizilir. Yorulmada parçanın emniyetli olup olmamasından değil, belirli yükleme koşulları altında ne kadar süre hasara uğramadan fonksiyonunu yerine getirebileceğinden (ömür) bahsedilir. Belirli bir yük tekrar sayısının üzerine çıkıldığında parça sonsuz ömürlü kabul edilir. Bir makina parçasının yorulma davranışı malzemeye (mekanik özellikler, içyapı, kusurlar), gerilme durumuna (ortalama gerilme ve genlik gerilmesi büyüklüğü), tasarım ve imalat işlemlerine (boyut, talaşlı imalat kalitesi, çentik etkisine neden olacak süreksizlikler) ve çevresel etkilere (sıcaklık, korozyon) bağlı pek çok parametreden etkilenir. SÜRÜNME: Malzemeler yüksek sıcaklık şartlarında çalıştığında statik yükleme koşullarında olsalar bile dayanım sınırlarının altındaki gerilmelerde plastik şekil değişimi sonucu yorularak kullanılamaz hale gelip hasara uğrarlar. Metallerde sürünme olayı genellikle malzemenin mutlak erime sıcaklığının % 40’ı üzerinde Farklı sıcaklıklar için malzemelerin hasara uğrama süreleri ölçülerek elde edilen sürünme eğrileri ile malzemelerin sürünme davranışı belirlenir. meydana gelir. Malzemelerin sürünme davranışları sabit yüksek sıcaklıkta statik yükleme altında numunedeki birim şekil değişiminin zamana bağlı olarak ölçüldüğü sürünme deneyi ile belirlenir. Yüksek sıcaklıkta sürünme sonunda hasar 3 evrede meydana gelir. Birincil sürünmede zamana bağlı olarak sürünme hızı düşerken, ikincil (kararlı) sürünmede sürünme hızı sabittir. Üçüncül sürünmede malzemenin zayıflamasıyla sürünme hızlanır ve sonunda hasar meydana gelir. YAYINMA Malzeme işlemlerindeki reaksiyon ve süreçlerin çoğu atomik düzeyde kütle transferine dayalı yayınma (difüzyon) ile gerçekleşir. Bu olay atomların bir kafes boşluğundan diğerine geçişiyle gerçekleşir. Tek tip elementten oluşan malzemelerde de atomik yayınma gerçekleşir (kendinde yayınma). Atomların yayınma hareketini gerçekleştirebilmesi için etrafında boşluk ve yeterli enerji bulunmalıdır. Enerji ve boşluk sayısı sıcaklığın artışıyla artacağından yayınma yeteneği de sıcaklıkla artar. Atomlar oda sıcaklığında yaklaşık olarak 1013 frekansında ve 10-3 nm genliğinde titreşir. Sıcaklık ve enerji arttıkça titreşim frekansı ve genliği büyüyerek bağları koparır ve sıvılaşma olur. Bu olay yayınma mekanizmasının sıcaklıkla değişimini açıklar. Metallerde yayınma, boşluk ve arayer yayınma mekanizmaları ile açıklanır. YAYINMA (FICK) KANUNLARI: Yayınma zamana bağlı olarak gerçekleşen bir olaydır. Birim zamanda birim kesit alanına dik olarak yayınan kütle miktarı yayınma akısı olup; J M 1 dM veya diferansiyel formda J A*t A dt şeklinde ifade edilir. Burada; M , kütle; A , kesit alanı; t ise süredir. Yayınma akısının birimi kg m2 s veya atom m2 s olup zamanla değişmediği kabul edilebiliyorsa kararlı yayınma söz konusudur. Yayınan atomların konsantrasyonu ( C ) olmak üzere, konsantrasyonun mesafeyle değişimi A ve B noktaları arasında doğrusal ise konsantrasyon gradyeni; KG C C A CB dC ve J D x x A x B dx yazılır ve 1. Fick Kanunu denir. Burada; D , yayınma katsayısı olup; D Do e Qy RT şeklinde ifade edilir. Burada; Do , sıcaklığa bağlı olmayan malzeme sabiti, Q y , yayınma aktivasyon enerjisi; R , gaz (Boltzman) sabiti ve T ise (Kelvin) mutlak sıcaklıktır. Gerçekte, yayınma olayı çoğunlukla kararsızdır. Çünkü konsantrasyonun değişmesi ile yayınma hızı değişir. Bunun için 2. Fick Kanunu; C C (D ) t x x kullanılır. Yayınma katsayısı bileşime (konsantrasyon) bağlı değilse; C 2C D 2 t x yazılabilir. SORU: 700 oC sıcaklıktaki demir plakanın bir tarafı yoğun karbona maruz bırakılırken diğer tarafına tersi işlem uygulanmıştır. Kararlı yayınma şartlarında karbona maruz bırakılan yüzeyden 5 ve 10 mm derinlikteki karbon konsantrasyonları sırasıyla 1,2 ve 0,8 kg / m3 ise yayınma akısını hesaplayınız. Bu sıcaklıktaki yayınma katsayısı 3*1011 m2 / s olarak verilmiştir. Fick’in 1. Kanununa göre; J D * C A CB 1, 2 0,8 3*1011 * 2, 4*109 3 x A xB (5 10) *10 kg / m2 s SORU: Bakırın alüminyumdaki yayınma katsayıları 500 ve 600 oC için sırasıyla 2 o 4,8*1014 ve 5, 3*1013 m / s olarak verilmiştir. 600 C sıcaklıkta 10 saatte gerçekleşen yayınmanın 500 oC sıcaklıkta kaç saatte olacağını hesaplayınız. D * t sabit olmalıdır. Öyleyse; D500 * t500 D600 * t600 t500 D600 * t600 / D500 5,3*1013 *10 110, 4 saat 4,8*1014 SORU: Magnezyumun 550 oC sıcaklıkta alüminyum içerisinde yayınma katsayısını hesaplayınız. D Do e Qy RT Do 1, 2*104 m2 / s , Qy 131 kJ / mol olarak verilmiştir. 4 1, 2*10 * e 131000 8,31*(550 273) 5, 79*1013 m2 / s FAZ DİYAGRAMLARI Malzeme özellikleri görmüş oldukları termomekanik işlemlerin sonucunda oluşan içyapılarına bağlıdır. Faz diyagramları mühendislerin içyapı değişikliği için uygulayacakları ısıl işlemin tasarımı ve kontrolüne yardımcı olduğundan önemlidir. Ayrıca alaşımlara ait ergitme, döküm, kristalleşme gibi olaylarla ilgili değerli bilgiler içerirler. TEMEL KAVRAMLAR: Bileşen bir alaşımı oluşturan saf metal ve/veya bileşikleri ifade eder. Örneğin, pirinç alaşımında bileşenler bakır (Cu) ve çinko (Zn)’dir. Bileşenlerden biri çözen diğeri çözünen olarak da ifade edilebilir. Katı çözeltide çözünen atomların çözen kafes içinde erişebileceği üst konsantrasyon (doyma) değeri sıcaklığa bağlı olup buna çözünürlük sınırı denir. Faz, bir sistemin (malzemenin sahip olduğu özel durum veya kimyasal bileşimden bağımsız olarak aynı alaşım elementleri tarafından oluşturulan olası alaşımlar, örneğin Fe-C sistemi) homojen fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren parçasıdır. Saf malzemeler ve katı/sıvı/gaz çözeltiler birer fazdır. Örneğin, çözünürlük sınırı aşılmış bir şeker-su çözeltisinde şerbet bir faz, katı şeker ise diğer bir faz olarak düşünülür. bir sistemde iki farklı faz bulunuyorsa, fazlar arasında fiziksel veya kimyasal özelliklerin ani olarak değiştiği faz sınırları bulunur. Örneğin, buzlu su kimyasal özellikleri aynı fiziksel özellikleri farklı iki fazlı bir sistemdir. Faz dengesi bir sisteme ait faz özelliklerinin zamanla değişmediği anlamına gelir. Örneğin, kapalı kapta 20 oC sıcaklıkta bulunan doymuş bir şeker-su çözeltisinde (% 63 şeker ve % 30 sudan oluşan) şerbet ve katı şeker birlikte bulunur ve sistem dengededir. Eğer sıcaklık arttırılırsa bir miktar katı şeker daha çözünerek yeni denge konumuna gelir. Özellikle katı sistemlerde denge haline ulaşma hızı çok yavaş olup çoğu zaman denge haline ulaşmak mümkün olmayabilir. Isıl işlemlerde çok karşılaşılan bu tip sistemlere yarı kararlı (meta stabil) sistemler denir. FAZ DİYAGRAMLARI: Fazların oluşum ve dönüşümünde ana etken enerji içeriği olup sistemler enerjilerini düşürerek denge haline gelmeye çalışırlar. Burada sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim temel parametrelerdir. Faz (denge) diyagramları ile bir sistemde oluşacak fazların türü, bileşimi, miktarı ve içyapılar belirlenebilir. Saf maddeleri ifade eden tek bileşenli sistemlerde sıcaklık ve basınca bağlı olarak fiziksel durum değişimleri görülür. Bu diyagramlardaki çizgiler faz sınırlarını ifade eder. İkili faz diyagramları alaşımların bulundukları sıcaklıkta ve sahip oldukları kimyasal bileşimde içyapılarında denge halinde bulunan fazlar, bu fazların mikroyapıya dağılım oranı ve fazların kimyasal bileşimleri hakkında bilgiler içeren haritalardır. İKİLİ İZOMORFİK SİSTEMLER: Birbiri içinde tam çözünürlüğe sahip elementlerin oluşturduğu ikili izomorfik sistemlere ait 1 atm sabit basınçta scaklık ve kimyasal bileşim değişkenlerine sahip diyagramlar yaygın olup, anlaşılması ve yorumlanması kolaydır. Her ikisi de YMK kristal yapılı, atom yarıçapları ve elektronegatiflikleri yakın ve valans özellikleri benzer olduğundan birbirleri içinde tamamen çözünebilen bakır (Cu) ve nikel (Ni) bu tip diyagramlara iyi bir örnektir. Saf bakırın ergime sıcaklığı 1085 oC, saf nikelin ergime sıcaklığı ise 1455 oC’dir. Diyagramda % 45 nikel, % 55 bakır içeren 1270 oC’deki alaşım B noktasıyla gösterilmiş olup katı ve sıvı fazlar dengededir. Bu noktadan çizilen yatay eş sıcaklık doğrusunun likidüs çizgisini kestiği noktanın yataydaki izdüşümü (% 37) sıvı fazdaki Ni konsantrasyonunu, solidüs çizgisini kestiği noktanın yataydaki izdüşümü ise (% 50) katı fazdaki Ni konsantrasyonunu verir. Diyagramda % 45 nikel, % 55 bakır içeren 1050 oC’deki alaşım ise sadece katı faz içerir. Bu diyagramda B noktasına ait eş sıcaklık doğrusunun likidüs çizgisini kestiği noktanın yatay izdüşümü ( Cs ) sıvı fazdaki Ni konsantrasyonunu, solidüs çizgisini kestiği noktanın yatay izdüşümü ( C ) katı fazdaki Ni konsantrasyonunu ve B noktasının yatay izdüşümü ( Co ) ise toplam Ni konsantrasyonunu verir. Buna göre sıvı fazın ağırlık oranı; WS C Co S R S C CS şeklinde, katı ( ) fazın ağırlık oranı ise; W C CS R o R S C CS şeklinde hesaplanır. ve fazlarından oluşan bir sistemde fazların hacimsel oranları ( V V 1 olmak üzere) ise sırasıyla; V W W W W ve V W W şeklinde hesaplanır. Benzer şekilde ağırlık oranları da sırasıyla; W V * V * ve W V * V * V * V * şeklinde hesaplanır. İzomorfik Cu-Ni alaşımının 1300 oC sıcaklıktan dengeli yani çok yavaş soğutulması durumunda a noktası tamamen sıvı fazda ağırlıkça % 35 Ni ve % 65 Cu içeren bileşime sahiptir ve likidüs çizgisine yani b noktasına kadar yapı ve bileşim değişmez. Yaklaşık 1260 oC’deki b noktasında ağırlıkça % 46 Ni ve % 54 Cu içeren ilk katı faz oluşmaya başlar ancak sıvı fazda bileşim yaklaşık % 35 Ni ve % 65 Cu oranını korur. Devam eden soğumayla birlikte her bir fazın oranı ve bileşimi değişmeye başlar. 1250 oC’deki c noktasında sıvı faz ağırlıkça % 32 Ni ve % 68 Cu içermekte, katı faz ise ağırlıkça % 43 Ni ve % 57 Cu içermektedir. Yaklaşık 1220 oC’de katılaşma tamamlanırken son sıvı faz ağırlıkça % 24 Ni ve % 76 Cu bileşimindedir. e noktasında ise tamamen katı faz bulunduğundan bu faz doğal olarak % 35 Ni ve % 65 Cu içermektedir. Birbirini sınırlı oranda çözen bileşenlerden oluşan sistemlerin belirli bir bileşimdeki alaşımları sabit sıcaklıkta katılaşırken ötektik reaksiyon sonucu sıvı faz aynı anda iki ayrı kata faza dönüşür. Bu duruma ilk örnek bileşenlerinin diğer atomu kendi kafesine almadığı tam çözünmezlik için verilebilir. TAM ÇÖZÜNMEZ ÖTEKTİK SİSTEMLER: Düşük sıcaklıklarda iki faz içyapıda ayrı ayrı bulunur. Diyagrama adını veren ötektik nokta, soğuma sırasında sıvı fazın sabit sıcaklıkta iki katı faza dönüştüğü noktadır. A ve B bileşenlerinden oluşan sistemde A ve B birbiri içinde çözünmediğinden katılaşma her iki bileşen için ayrı ayrı gerçekleşmekte ve fazlar ayrı ayrı oluşmaktadır. Katılaşmanın tamamlandığı sıcaklık ötektik sıcaklık ve bu bileşim de ötektik bileşim olarak adlandırılır. Ötektik yapılar ince taneli olup fazlar yan yana istiflenir ve mekanik özellikleri iyidir. SINIRLI ÇÖZÜNÜR ÖTEKTİK SİSTEMLER: Alaşımlarda en yaygın görülen durum sınırlı çözünürlüktür. Her iki bileşen belirli oranlarda diğer bileşen atomlarını kafesi içinde çözebilir. Şekilde bakır (Cu) ile gümüş (Ag) alaşımının ötektik faz diyagramı görülmektedir. Burada fazı Cu atomunca zengin olup içinde bir miktar Ag atomu bulunmaktadır. fazı ise Ag atomunca zengin olup içinde bir miktar Cu atomu bulunmaktadır. ÖTEKTOİD SİSTEMLER: Ötektik sistemlere benzer olmakla birlikte ötektoid sıcaklıkta bir katı çözelti iki ayrı faza ayrışır. PERİTEKTİK SİSTEMLER: Sabit bir sıcaklıkta biri sıvı olan iki faz reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluşturur. PERİTEKTOİD SİSTEMLER: Sabit bir sıcaklıkta iki katı faz reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluşturur. GIBBS FAZ KANUNU: Faz diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan esaslar ve fazların denge durumuna ait prensipler termodinamik kanunlarına dayanır. Gibbs faz kuralı sistemde dengede bulunan fazların sayısını belirlemekte kullanılır ve basitçe; PF CN şeklinde ifade edilir. Burada; P , sistemde bulunan faz sayısını; F , sistemin serbestlik derecesini yani dışarıdan kontrol edilebilen değişken sayısını (basınç, sıcaklık, kimyasal bileşim); C , bileşen sayısını ve N ise kimyasal bileşim dışında kalan değişkenlerin sayısını ifade eder. İkili izomorfik Cu-Ni sistemi örnek verilecek olursa, sabit 1 atm basınç söz konusu olduğu için kimyasal bileşim dışında kalan tek değişken sıcaklık olduğundan P F C 1, sistem iki bileşenden oluştuğundan P F 2 1 3 , yani F 3 P yazılabilir. Buna göre tek fazlı bölgelerde alaşımın özelliklerini tanımlayabilmek için 2 (sıcaklık ve kimyasal bileşim), iki fazlı bölgelerde ise 1 (sıcaklık veya kimyasal bileşim) parametrenin bilinmesi gerekir. DEMİR KARBON SİSTEMİ: Demir karbon alaşımı olan dökme demir ve çelikler en yaygın kullanılan mühendislik malzemeleri olması nedeniyle Fe-C faz diyagramı önem arz etmektedir. Saf demir ısıtıldığında ergimeden önce iki kez kristal yapı değişikliğine uğrar. Oda sıcaklığında HMK yapılı demiri (ferrit) iken, 912 oC üzerine çıkıldığında YMK yapılı demirine (ostenit) dönüşür. 1394 oC üzerine çıkıldığında ise HMK yapılı demirine (ferrit) dönüşerek 1538 oC üzerinde sıvı faza dönüşür. Bu durum daha önce bahsedildiği üzere allotropi olarak bilinir. Fe-C faz diyagramı yatay ekseninde karbon oranı (% 100 sementite karşılık gelecek şekilde) maksimum % 6,67 olarak belirtilir. Yaklaşık % 2’nin altında karbon içeren sistemler çelik, % 2’nin üzerinde karbon içeren sistemler ise dökme demir olarak adlandırılır. Çeliklerin içyapısında bulunan karbon uygulamadaki soğuma hızlarında demir karbür (sementit: Fe3C ) fazında bulunduğundan faz diyagramına demirsementit ( Fe - Fe3C ) diyagramı da denir. Karbon, demir içinde bir arayer elementi olup -ferrit, -ferrit ve -ostenit fazlarıyla katı çözeltiler oluşturur. HMK yapılı -ferrit içinde karbonun çözünürlüğü oldukça düşük olup 727 oC’de en fazla % 0,022 C çözünür. Ostenit fazının en fazla C çözünürlüğü ise 1147 oC’de % 2,14 oranındadır. Bu büyük çözünürlük farkının ana nedeni YMK kafesin HMK kafese göre daha büyük boyutlu olmasıdır. -ferrit sadece çok yüksek sıcaklıklarda denge konumunda bulunduğundan teknik açıdan fazla önem arz etmez. Sementit fazı çok sert ve gevrek olduğundan çeliklerin dayanımını artıran temel unsurdur. Dökme demirler uygulamada % 2,14 ile % 4,5 arasında C içerirler. % 0,022 ile % 0,76 arasında C içeren ve ötektoid noktanın solunda bulunan çelikler ötektoid altı, % 0,76 ile % 2,14 arasında C içeren ve ötektoid noktanın sağında bulunan çelikler ötektoid üstü olarak adlandırılır. SORU: Ağırlıkça % 40 kalay (Sn) ve % 60 kurşun (Pb) içeren bir lehim alaşımının 150 o C’de hangi fazları içerdiğini belirleyerek fazların bileşimlerini ile kütlesel ve hacimsel oranlarını hesaplayınız. 150 oC’de kurşunun yoğunluğu 11,23 gr/cm3, kalayın yoğunluğu 7,24 11,23 gr/cm3 olarak verilmiştir. Fazların hacimsel oranlarını belirlemek için öncelikle fazların yoğunluklarının belirlenmesi gerekir. 100 100 10,59 gr / cm3 CSn ( ) CPb ( ) 11 89 7, 24 11, 23 Sn Pb 100 100 7, 29 gr / cm3 CSn ( ) CPb ( ) 98 2 7, 24 11, 23 Sn Pb Buna göre fazların hacimsel oranları; W 0, 67 10,59 V 0,58 0, 67 0,33 W W 10,59 7, 29 W 0,33 7, 29 V 0, 42 W 0, 67 0,33 W 10,59 7, 29 Şekle göre B noktasında ve fazları bulunmaktadır. Bağ çizgisinin yatay eksendeki izdüşümlerine göre fazının bileşimi % 11 Sn ve % 89 Pb, fazının bileşimi ise % 98 Sn ve % 2 Pb şeklindedir. Fazların kütlesel oranları; W C C1 C C C C 40 11 98 40 0,33 0, 67 ; W 1 C C 98 11 98 11 FAZ DÖNÜŞÜMLERİ Metalik malzemelerin dayanım, sertlik, süneklik gibi mekanik özellikleri tane boyu küçültme, katı çözelti oluşturma ve pekleşme dışında mikroyapı ölçeğinde faz sayısı ve özellikleri ile oynayarak da (faz dönüşümleri) iyileştirilebilir. Başlangıç fazından fiziksel/kimyasal ve/veya içyapı olarak farklı en az bir yeni fazın oluştuğu faz dönüşümleri: - - Faz sayısının ve fazların kimyasal bileşiminin değişmediği basit ve yayınma esaslı dönüşümler: saf bir metalin katılaşması, allotropik dönüşüm ile yeniden kristalleşme, tane büyümesi Faz sayısının ve fazların kimyasal bileşiminin değiştiği yayınma esaslı dönüşümler: ötektoid reaksiyon Yarı kararlı faz oluşturan yayınmasız dönüşümler: martenzit dönüşümü şeklinde sınıflandırılır. Faz dönüşümleri; çekirdeklenme ve büyüme safhalarından oluşur. ÇEKİRDEKLENME: Birkaç yüz atomdan oluşan ve büyüyebilme yeteneği bulunan yeni faza ait parçacıkların oluşması safhasıdır. Çekirdeklenme, önceki fazın içinde ve yapıya düzgün dağılmış bir şekilde olursa buna homojen çekirdeklenme denir. Çekirdeklenme; yüzeyler, katışkılar, tane sınırları ve dislokasyonların etrafı gibi yapı içindeki düzensizlikler çevresinde olursa buna heterojen çekirdeklenme denir. BÜYÜME: Oluşan parçacıkların belirli bir büyüklüğe ulaşarak kararlı bir çekirdek haline gelip büyüyerek önceki fazı kısmen veya tamamen yok etmesi safhasıdır. Büyüme süreci, yeni faza dönüşmüş parçacıklarla karşılaşılan bölgelerde reaksiyon tamamlanacağından durur. Daha önce bahsedildiği üzere, içyapı dönüşümleri yayınma esaslı olaylar olup sıcaklığın yanında zaman da önemli bir parametredir. Yani soğutma hızına bağlı olarak içyapı farklı dönüşümlere uğrayabilir. Bu nedenle, faz diyagramlarına zaman boyutunun da eklendiği zaman-sıcaklık dönüşüm diyagramları (TTT: time temperature transformation) geliştirilmiştir. Faz dönüşümlerinin zamana bağlı olarak değişimi dönüşümün kinetiği olarak adlandırılır. Sıcaklığın sabit tutulduğu durumlarda ısıtma süresine bağlı olarak dönüşümün tamamlanma oranı cinsinden ifade edilir. FE-C ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE ÖZELLİK DEĞİŞİMİ: Uygulamada ısıl işleme bağlı olarak mikro yapı değişiklikleri ve buna bağlı olarak da mekanik özellikler değişimleri fazların yapı, bileşim ve özellikleri ile ilgilidir. Bu bölümde çelikler için sabit sıcaklık ve sürekli soğuma durumlarında faz dönüşümleri açıklanacaktır. - İzotermal Dönüşüm: Fe-Fe3C faz diyagramında ötektoid reaksiyon; (ağ. % 0, 76 C) (ağ. % 0, 022 C) Fe3C (ağ. % 6, 67 C) şeklindedir. Burada sağ yön soğuma, sol yön ise ısınmayı ifade eder. Ötektoid reaksiyonda soğuma ile orta karbon konsantrasyonuna sahip kararsız ostenit fazı, çok düşük karbonlu ferrit ve çok yüksek karbonlu sementite dönüşür. Bu dönüşüm sonunda oluşan yapı perlit olarak adlandırılır. Perlitteki ferrit fazının tabaka kalınlığının sementit fazının tabaka kalınlığına oranı izotermal dönüşümün gerçekleştiği sıcaklığa bağlı olarak değişir. Ötektoid sıcaklığın hemen altındaki sıcaklıklarda her iki fazda kalın tabakalı olur ve kaba perlit yapı elde edilir. Reaksiyon sıcaklığının düşürülmesiyle (540 oC civarı) karbonun yayınma hızı düşerek faz tabakaları incelir ve ince perlit yapı elde edilir. Ostenitik yapı oluşana kadar ısıtılan Fe-C alaşımları su verme ile çok hızlı bir şekilde düşük sıcaklıklara soğutulursa tek fazlı ve denge dışı bir yapı olan iğnemsi martenzit fazı meydana gelir. Bu yapının oluşumunda atomların denge konumlarından farklı küçük yer değiştirmeler yaparak HMK kristal kafes yapısından HMT (hacim merkezli tetragonal) yapıya dönüşmeleri etkilidir. Ostenitin dönüşümünde ferrit fazının sementit içinde iğnemsi veya bağımsız küçük plakacıklar şeklinde oluşması durumunda oluşan yapı beynit olarak adlandırılır. Beynit veya perlit yapılı çelik ötektoid dönüşüm sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklığa ısıtılıp uzun bir süre bekletilirse (örneğin 700 oC’de 24 saat kadar) sferodit de denilen küresel sementit yapı oluşur. Soğuma hızının yeterli olmaması durumunda martenzit fazı dönüşememiş ostenit fazı içinde dağılmış iğnemsi tanecikler şeklinde ortaya çıkar. - Sürekli Soğuma Dönüşümü: Ötektoid üstü sıcaklıktaki alaşımı hızlı soğutarak bu sıcaklıkta tutma işleminin zorluğu izotermal işlemlerin kontrolünü zorlaştırır. Isıl işlemlerin çoğu izotermal olarak değil sürekli soğuma durumunda daha uzun bir zaman aralığında gerçekleşir ve zaman sıcaklık dönüşüm diyagramlarının revize edilmesini gerektirir. FE-C ALAŞIMLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİ: Isıl işlemler sonucunda ortaya çıkan kaba/ince perlit, küresel sementit, beynit ve martenzit gibi içyapı bileşenlerinin alaşımın mekanik özellikleri üzerinde etkisi bulunmaktadır. - - - - Perlit: Ferrit ve sementitten oluşan perlit yapısında sementit sert ve gevrek fazdır. Dolayısıyla yapı içindeki sementit oranının artması çeliği daha sert ve dayanıklı yaparken süneklik ve tokluğu düşürür. Yapıdaki karbon yani sementit oranının yanında fazlara ait tabakaların kalınlıkları da mekanik özellikler üzerinde etkilidir. İnce perlit yapı kaba perlitten daha sert ve dayanıklı olup süneklik ve tokluğu daha düşüktür. Bunun nedeni faz sınırlarının da tane sınırları gibi dislokasyon hareketlerini engellemesidir. 250 oC ile 650 oC arasındaki ötektoid altı sıcaklıklarda gerçekleştirilen bu işlem sonucunda plastik şekil değişimi kabiliyeti arttırılırken iç gerilmeler giderilir. Böylece, martenzit yapı sürekli ferrit yapı içinde çok ince ve homojen dağılmış sementit parçacıkları şeklinde dönüşüme uğrayarak hem çok sert ve dayanıklı hem de oldukça sünek ve tok bir yapı elde edilir. Aynı zamanda HMT kafesin hacminin atomik dolgu faktörünün değişmesi de martenzit dönüşüm sırasında fiziksel ve mekanik özellikleri değiştirir. Mikro yapı Küresel sementit Fazlar Fe3C Kaba perlit Fe3C İnce perlit Fe3C Küresel sementit: Fazların özelliklerinin yanında şekilleri de mekanik özellikleri etkiler. Sert ve gevrek olan sementit yapı küresel olduğunda birim hacim başına düşen faz sınırı alanı azaldığından yumuşak ve düşük dayanımlı bir yapı meydana gelir. Beynit Fe3C Beynit: Oldukça küçük ferrit fazı içinde çok küçük ve yoğun dağılmış sementit fazı barındıran daha ince içyapıya sahip beynit fazlı çelikler perlit yapılı olanlara göre daha sert ve dayanıklı olup aynı zamanda süneklikleri de iyi seviyededir. Temperlenmiş martenzit Fe3C Martenzit: En sert ve gevrek olup neredeyse hiç sünekliği olmayan içyapı martenzitte ortaya çıkar. Bu durumun asıl nedeni içyapı özelliklerinden ziyade HMT kafes yapısında kayma sistemi sayısının çok sınırlı olmasıdır. Ayrıca su verme sırasında oluşan iç gerilmeler yapıyı daha da kırılgan hale getirir. Bu nedenlerle martenzit yapı uygulamada fazla kullanılmaz. Martenzit yapıyı daha kullanılabilir hale getirmek için temperleme (menevişleme) işlemi uygulanır. Martenzit HMT tek faz Faz düzeni içinde nispeten küçük ve küresel Bağıl mekanik özellikler Yumuşak ve sünek Fe3C Nispeten kalın ve birbirini tekrarlayan ve Fe3C tabakaları Nispeten ince ve birbirini tekrarlayan ve Fe3C tabakaları içinde çok küçük ve uzamış Fe3C parçacıkları içinde çok küçük ve küresel Fe3C parçacıkları İğnemsi taneler Küresel sementit yapıdan daha sert ve dayanıklı ancak daha az sünek Kaba perlitten daha sert ve dayanıklı ancak daha az sünek İnce perlitten daha sert ve dayanıklı, martenzitten daha az sert ancak martenzitten daha sünek Martenzit kadar olmasa da sert ve dayanıklı ancak maertenzitten daha sünek Çok sert ve gevrek METALLER VE ALAŞIMLARI Malzeme seçimiyle ilgili kararlar hem tasarım hem de imalat faaliyetleri açısından son derece önemlidir. Malzemeler temel olarak metaller, seramikler ve polimerler ile bunların fiziksel birleşiminden oluşan kompozitler şeklinde 4 sınıfa ayrılırlar. Metaller ise demir içeriğine göre demir esaslı ve demir dışı şeklinde sınıflandırılırlar. Demir esaslı alaşımlar demir elementinin ana element olduğu ve diğer metal alaşımların bulunduğu yaygın kullanılan malzemelerdir. Yaygın kullanılmalarının ana sebepleri; - demirli bileşiklerin yeryüzünde yaygın bulunması, demirin cevherden ayrıştırılmasının, arıtılmasının, alaşımlandırılmasının ve imalatının görece ekonomik ve kolay olması, demir alaşımlarına geniş aralıkta mekanik ve fiziksel özellikler kazandırılabilmesi şeklinde sıralanır. Demir esaslı alaşımlarda karşılaşılan en önemli problem korozyon eğilimlerinin yüksek olmasıdır. ÇELİKLER: Genellikle % 1 ve altında karbon içeren demir karbon alaşımları olup başka diğer alaşım elementleri de barındırabilirler. Mekanik özellikleri içerdikleri karbon oranından önemli ölçüde etkilenir. İçerdikleri karbon oranına göre düşük, orta ve yüksek karbonlu olarak sınıflandırılabildikleri gibi, ilave alaşım elementlerine göre basit karbonlu ve alaşımlı olarak da sınıflandırılırlar. - Düşük karbonlu çelikler: En yaygın kullanım alanına sahip çeliklerdir. Ağırlıkça genellikle % 0,25 ve altında karbon içerdikleri için ısıl işlem ile martenzitik dönüşüme uğramazlar. Mikro yapılarında ferrit ve perlit bulunduğundan yumuşak, düşük dayanımlı, sünek ve tok özelliktedir. Dayanımları genellikle soğuk şekillendirme ile iyileştirilir. Talaşlı imalata ve kaynak işlemine uygun olup imalat maliyetleri düşüktür. Araç gövdelerinde, parça imalatında, yapılarda, profillerde ve boru imalatında yaygın kullanılırlar. HSLA Basit Düşük C’lu Çelik 0,45 0,45 1,00 1,00 1,35 1,35 1,60 % diğer Çekme Dayanımı Akma Dayanımı % Uzama [MPa] [MPa] 325 180 28 380 205 25 400 220 23 485 260 21 435 290 21 520 380 23 655 552 15 Min. 0,20 Cu 0,25 Si Maks. 0,30 Si; Min. 0,20 Cu 0,30 Si; 0,08 V; 0,02 N; 0,03 Nb 0,60 Si; 0,1 V; 0,20 Al; 0,015 N Orta karbonlu çelikler: Ağırlıkça % 0,25 ila % 0,60 karbon içerirler. Ostenitleme, su verme ve temperleme ile mekanik özellikleri iyileştirilir. Mikro yapıları genellikle temperlenmiş martenzittir. Sertleşebilme kabiliyetleri düşük olduğundan ince kesitli parçalar yüksek soğutma hızlarında sertleştirilebilir. Krom, nikel ve molibden gibi alaşım elementleri ilave edilerek ısıl işlem yetenekleri arttırılabilir ve yüksek dayanım ve süneklik özelliği kazandırılabilir. Ray, ray tekerleği, dişli ve krank mili gibi yüksek dayanım, aşınma dayanımı ve tokluk gerektiren parçalarda kullanılırlar. Orta C’lu Çelik 10xx 11xx 12xx 13xx 40xx 41xx 43xx 46xx 48xx 51xx 61xx 86xx 92xx % Mn 0,10 0,20 0,29 0,31 0,28 0,22 0,18 Türü Basit C’lu Düşük alaşımlı %C xx ağırlıkça karbon yüzdesinin 100 katını ifade eder. - 1010 1020 A36 A516 A440 A633 A656 %C % Ni % Cr % Mo - % Diğer Uygulama Araç kaporta, çivi, tel Boru, yapı çeliği, yapı sacı Yapı çeliği Düşük sıcaklık basınçlı kap Cıvata ve perçinli yapı çeliği Düşük sıcaklık donanımı Kamyon kasası, tren vagonu Yüksek karbonlu çelikler: Ağırlıkça % 0,60 ila % 1,40 karbon içerirler. En sert ve dayanıklı ancak en az süneklik gösteren çeliklerdir. Su verme ve temperleme işlemleri uygulanarak kullanılırlar. Krom, vanadyum, tungsten ve molibden gibi alaşım elementleri ilave edilerek soğuk iş takımları ve kalıp çelikleri olarak kullanılırlar. Eklenen alaşım elementleri çeliğin yapısındaki karbonla birleşerek sert ve aşınmaya dayanıklı karbürler oluştururlar. İş takımları ve kalıpların yanında bıçak, jilet, testere, yay ve yüksek dayanımlı tel yapımında da kullanılırlar. Çekme Dayanımı Akma dayanımı % uzama Uygulama [MPa] [MPa] 1040: 605-780 1040: 430-585 1040: 33-19 Krank, cıvata, keski, çekiç, bıçak, testere 0,08-0,33 S 0,10-0,35 S; 0,04-0,12 P 1,60-1,90 Mn 1,65-2,00 0,70-2,00 3,25-3,75 0,40-0,70 0,80-1,10 0,40-0,90 0,70-1,10 0,50-1,10 0,40-0,60 0,20-0,30 0,15-0,25 0,20-0,30 0,15-0,30 0,20-0,30 0,10-0,15 V 0,15-0,25 1,80-2,20 Si 4063: 786-2380 4063: 710-1770 4340: 980-1960 4340: 895-1570 6150: 815-2170 6150: 745-1860 4063: 24-4 Yay, el aleti 4340: 21-11 Yatak, uçak borusu 6150: 22-7 Mil, piston, dişli Yüksek C’lu Çelik M1 A2 D2 O1 S1 W1 - %C % Cr 0,85 1,00 1,50 0,95 0,50 1,10 3,75 5,15 12 0,50 1,40 Maks. 0,15 % Ni Maks. 0,30 Maks. 0,30 Maks. 0,30 Maks. 0,30 Maks. 0,30 Maks. 0,20 % Mo 8,70 1,15 0,95 Maks. 0,50 Maks. 0,10 Paslanmaz çelikler: Demir esaslı malzemeler korozyona karşı dayanıksız oldukları için özellikle atmosfere açık ve nemli ortamlarda korozyona ve paslanmaya karşı korumak için yaygın olarak ağırlıkça minimum % 11 krom içeren alaşımlar oluşturularak paslanmaz çelikler elde edilir. İlave olarak nikel ve molibden katılması korozyon direncini daha da arttırır. Paslanmaz Türü Çelik 409 Ferritik % Bileşim Isıl İşlem 0,08 C; 11 Cr; 1 Mn; 0,50 Ni; 0,75 Ti 0,20 C; 25 Cr; 1,50 Mn Tavlanmış Östenitik 0,08 C; 19 Cr; 9 Ni; 2 Mn Tavlanmış Tavlanmış Martenzitik 0,03 C; 17 Cr; 12 Ni; 2,50 Mo; 2 Mn 0,15 C; 12,5 Cr; 1 Mn 446 304 316L 410 440A 17-7PH 0,70 C; 17 Cr; 0,75 Mo; 1 Mn 0,09 C; 17 Cr; 7 Ni; 1 Al; 1 Mn Tavlanmış Tavlanmış Su verilmiş, temperlenmiş Tavlanmış Su verilmiş, temperlenmiş Çökeltme sertleştirilmiş %W 1,75 0,50 2,25 Maks. 0,15 %V 1,20 0,35 Maks. 1,10 Maks. 0,30 0,25 Maks. 0,10 Uygulama Matkap ucu, testere, iş takımı Zımba, kabartma kalıbı Bıçak, derin çekme kalıbı Makas bıçağı, kesici takım Boru kesme takımı, beton matkap ucu Demirci ve ahşap işleme takımı DÖKME DEMİRLER: Dökme demirler ağırlıkça % 2,14’ün üzerinde karbon içeren demir alaşımı olarak tanımlanır. Uygulamada genellikle % 3 ila % 4,3 karbon ve diğer başka alaşım elementleri içerirler. Yüksek karbon içeriğinden dolayı gevrek yapıda olduklarından genellikle dökümle imal edilirler. Dökme demirlerde sementit ayrışarak ferrit ve saf karbon (grafit) şeklinde yapı içinde bulunabilir. Grafit oluşturma eğilimi yapı içindeki silisyum miktarının artışıyla ve soğuma hızının düşmesiyle artar. Çekme Dayanımı Akma Dayanımı % Uzama Uygulama [MPa] [MPa] 380 205 20 Egzoz parçası, tarımsal ilaç tankı 515 275 20 Yüksek sıcaklık vanası, yanma odası, cam kalıbı 515 205 40 Kimyasal ekipman, düşük sıcaklık kabı 485 170 40 Kaynaklı parça 485 825 725 1790 1450 275 620 415 1650 1310 20 12 20 5 1-6 Tüfek namlusu, jet motor parçası Çatal, bıçak, rulman, tıbbi alet Yay, bıçak, basınçlı kap - Kır (Gri) dökme demirler: Ağırlıkça % 2,5 ila % 4 karbon ve % 1 ila % 3 silisyum içerir. Ferrit veya perlit matris faz içinde lamel grafitler gömülü halde bulunur. Kırılan grafitler yapıya gri renk verir. Çok düşük soğuma hızında ana yapı ferrit, aksi halde perlit olur. Gevrek ve düşük dayanımlı malzemeler olup perrit yapılı olanın dayanımı görece yüksektir. Döküme uygun ekonomik malzemelerdir. Grafitin yağlayıcı özelliği aşınma direncini arttırır. Talaşlı imalata uygundurlar. Grafit lameller titreşim sönümleme özelliği kazandırır. - - Küresel (Sfero) dökme demirler: Sıvı metale yapılan alaşımlama ile grafit faz küresel hale getirilerek kır dökme demir gibi imalatı kolay ve çeliğe benzer mekanik özellikleri olan yapı elde edilir. Mükemmel işlenebilirliğe, iyi aşınma dayanımına, yüksek dayanım, tokluk ve sünekliğe sahiptirler. Beyaz dökme demirler: Yüksek soğuma hızı ile tüm karbon yapı içinde sementit fazında kalır. Yüksek sertliğe, mükemmel aşınma dayanımına sahip olup talaşlı imalata uygun değildir. - - Kompakt grafitli dökme demirler: Alaşım elementlerinin oranına bağlı olarak ana yapı içindeki grafitlerin bir kısmı küresel kalanı, lamelli bir yapı oluşturur. Lamelli grafitler kurtçuk şeklinde olup keskin köşelere sahip değildir. Küresel grafitlerin oranı % 20’den az olmak üzere arttıkça mekanik özellikler iyileşir. Böylece özellikle yorulma dayanımı açısından iyi performans elde edilir. Temper dökme demirler: Beyaz dökme demir yüksek sıcaklıkta uzun süre ısıl işleme tabi tutularak sementit içindeki karbon küçük parçacıklar halinde grafite ayrıştırılır. Lamelli olmayan grafit iyi dayanım ve tokluk sağlar. DEMİR DIŞI METAL VE ALAŞIMLARI: Demir esaslı malzemeler geniş mekanik özellikleri, kolay ve ekonomik imalatları nedeniyle mühendislikte çok yaygın kullanılmakla birlikte yoğunluklarının yüksek, korozyona eğilimli ve görece düşük elektriksel iletkenlikleri nedeniyle farklı metal malzemeler de mühendislikte kullanılır. Yaygın kullanılan demir dışı metallerin çeliklerle karşılaştırılması tabloda verilmiştir. Metal Alüminyum Magnezyum Berilyum Bakır Nikel Titanyum Çelik - Yoğunluk Çekme Dayanımı [g/cm3] [MPa] 2,70 580 1,74 580 1,85 385 8,93 1000 8,90 1200 4,51 1100 7,87 1400 Bağıl Özgül Dayanım 1,2 1,9 1,2 0,6 0,7 1,2 1 Bağıl Fiyat Alüminyum ve alaşımları: Çelikten sonra en yaygın kullanılan metal malzemedir. Hafifliği nedeniyle uçak ve uzay sanayisinde tercih edilir. Elastiklik modülü 70 GPa olup çeliğe göre 3 kat az rijittir. Özgül dayanımı çelikten yüksektir. Elektriksel ve ısıl iletkenliği çok iyidir. Sünek gevrek geçiş sıcaklığı olmadığından soğuk şartlarda aniden gevrekleşmez. Paslanma ve korozyona dirençlidir. Sertliği ve aşınma dayanımı düşüktür. Yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikleri zayıflar. Çökeltme sertleştirmesi (yaşlandırma) ile dayanımı arttırılır. Yaşlandırılmış alüminyumun dayanımı saf alüminyuma göre 30 kat yüksektir. Dövme ve döküm ile imal edilirler. 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx Dövme alaşımları Ticari saf Yaşlandırılamaz Al-Cu ve Al-Cu-Li Yaşlandırılabilir Al-Mn Yaşlandırılamaz Al-Si ve Al-Mg-Si Mg varsa yaşlandırılabilir Al-Mg Yaşlandırılamaz Al-Mg-Si Yaşlandırılabilir Al-Mg-Zn Yaşlandırılabilir Al-Li, Sn, Zr veya B Yaşlandırılabilir 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 7xxx 8xxx 6 15 3000 7 40 40 1 Döküm alaşımları Ticari saf Yaşlandırılamaz Al-Cu Yaşlandırılabilir Al-Si-Cu ve Al-Mg-Si Bazıları yaşlandırılabilir Al-Si Yaşlandırılamaz Al-Mg Yaşlandırılamaz Al-Mg-Zn Yaşlandırılabilir Al-Sn Yaşlandırılabilir Alüminyum malzemelerin ısıl işlem durumları temper kodları ile gösterilir. Örneğin; 2024-T6 F – imal edildiği gibi O – tavlanmış H – soğuk şekil verilmiş W – çözme tavı uygulanmış T4 – çözme tavı ile doğal yaşlandırılmış T6 – çözme tavı ile yapay yaşlandırılmış - Magnezyum ve alaşımları: Yoğunlukları çok düşük olduğundan hafifliğin önemli olduğu uygulamalarda tercih edilirler. Rijitlikleri oda sıcaklığında son derece yüksektir. SDH kafes yapısı nedeniyle gevrek ve şekillendirilmesi zor olduğundan görece yüksek sıcaklıklarda şekillendirilirler. Atmosferik korozyonuna dayanıklı, tuzlu su korozyonuna duyarlıdırlar. Yüksek sıcaklıklarda tutuşma eğilimleri olduğundan yüksek sıcaklıkta imalat ve kullanımları sorunludur. - Bakır ve alaşımları: Yoğunlukları yüksektir. Mükemmel elektriksel ve ısıl iletkenliğe sahiptirler. Demir dışı metallere göre sertlikleri ile aşınma ve yorulma dayanımları yüksek olup yaşlandırma ile daha da arttırılabilir. YMK yapılı olup kolay şekillendirilirler. Yaygın alaşımları; pirinç (Cu-Zn) ve bronzlardır (Cu-Sn, Cu-Mn, Cu-Al, Cu-Si). Tavlanmış saf bakırın çekme dayanımı 210 MPa ve % uzaması 60 olup % 2 berilyum içeren alaşımının yaşlandırılması ile çekme dayanımı 1330 MPa değerine çıkarılabilirken % uzaması 4’e düşer. - Berilyum ve alaşımları: Yoğunluğu çok düşük, rijitliği çelikten yüksektir. Uzay yapıları gibi rijitlik ve hafifliğin önemli olduğu uygulamalarda tercih edilirler. Çok pahalı, toksik ve reaktiftirler. - Nikel ve alaşımları: Korozyona ve yüksek sıcaklığa dayanıklı olup paslanmaz çeliklerin ve süper alaşımların ana alaşım elementidirler. YMK yapılı olduklarından kolay şekillendirilirler. Monel denilen bakır nikel alaşımı çok iyi korozyon dayanımına sahiptir. - Kobalt ve alaşımları: Aşınmaya ve biyolojik sıvılara dayanıklı olduğundan vücut protezlerinde yaygın kullanılırlar. - Titanyum ve alaşımları: Mekanik ve korozif dayanımları yüksek, yoğunlukları düşüktür. Çeliklere benzer mekanik özellikleri sayesinde rijitlik ve hafifliğin gerekli olduğu alanlarda tercih edilirler. - Çinko ve alaşımları: Korozyon dayanımları yüksek olduğundan özellikle çeliklerin galvanizle kaplanarak korozyon dayanımının arttırılmasında yaygın kullanılırlar. Erime sıcaklıkları düşüktür. - Kurşun ve alaşımları: Erime sıcaklığı düşük olup oda sıcaklığında yeniden kristalleşirler. Lehim alaşımının ana elementidirler. Toksik olduğundan yaygın kullanılmazlar. - Refrakter metaller: Molibden, niyobyum, renyum, tantal ve tungsten (volfram) gibi çok yüksek sıcaklıklarda özelliklerini kaybetmeyen malzemelerdir. - Kıymetli metaller: Altın, gümüş ve platin gibi korozyon dayanımları çok yüksek malzemelerdir. Altın elektronikte, platin ise egzoz filtrelerinde kullanılır. Ayrıca değerli olduklarından takı ve süs eşyalarında kullanılırlar. METALLERİN İMALAT YÖNTEMLERİ VE ISIL İŞLEMLERİ Cevher olarak elde edilen metaller arındırılıp alaşımlama yapıldıktan sonra bir takım ısıl işlemler ve imalat yöntemleri ile özellikleri iyileştirilerek hammadde, yarı mamul veya ürüne dönüştürülürler. İmalat yöntemi seçimi; malzeme, boyut, şekil ve fiyat gibi faktörlere bağlıdır. PŞV Yöntemi Dövme Şematik Gösterim Uygulamalar El aleti, krank mili, biyel kolu İMALAT YÖNTEMLERİ: Metaller çeşitli plastik şekil verme, talaşlı imalat, döküm, kaynak, toz metalürjisi ve geleneksel olmayan (alışılmamış/ileri) imalat yöntemleri ile değer katılarak ürüne dönüştürülürler. - Plastik şekil verme (PŞV): Belirli bir sünekliğe sahip metallere katı halde uygulanan ve akma dayanımının üzerinde gerilmelere neden olacak büyüklükte yükler ile şeklinde kalıcı değişiklikler yaparak gerçekleştirilen imalat yöntemidir. Dövme, haddeleme, ekstrüzyon, çekme, bükme, kesme, derin çekme gibi türleri bulunur. Plastik şekil verme soğuk (mutlak erime sıcaklığının % 30’unun altındaki sıcaklıklarda), ılık (yarı sıcak) veya sıcak (yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde) şartlarda gerçekleştirilebilir. Isıtma malzemenin dayanımını düşürüp sünekliğini ve şekillendirilebilirliğini arttırarak işlemin daha kolay gerçekleşmesini sağlar. Soğuk şekillendirme pekleşmeye bağlı olarak şekillendirilen malzemede dayanım artışının yanında daha iyi yüzey kalitesine ve buna bağlı olarak daha yüksek boyut hassasiyetine olanak sağlar. Dövme işlemi ince olmayan kütlesel parçaları genellikle sıcak şartlarda basınç uygulayarak basit şekilli parçalar için açık, karmaşık şekilli parçalar için kapalı kalıplarda sıkıştırarak şekillendirme işlemidir. En çok kullanılan metal şekillendirme yöntemlerinden olan haddeleme, metali dönen miller (merdane) arasından iterek geçirip basit veya karmaşık kesitli profiller elde edecek şekilde inceltme işlemidir. Ekstrüzyon işlemi metali basma kuvvetleri ile iterek küçük bir kalıp boşluğundan geçmeye zorlayarak şekillendirme işlemidir. Çekme, ekstrüzyona benzer şekilde metali küçük bir kalıp boşluğundan geçirme işlemidir. Ancak basma yerine çekme kuvvetleri uygulanır. Bükme, kesme ve derin çekme gibi işlemler genellikle düzlemsel saclara uygulanan şekillendirme işlemleridir. Bükme ve kesme ile düzlemsel saclara 3 boyutlu şekiller kazandırılır. Bükme işlemi borulara da uygulanır. Haddeleme Boru, I/L/T profil, tren rayı Ekstrüzyon Çubuk, boru, tüp, kesitli profil PŞV Yöntemi Çekme Şematik Gösterim Uygulamalar Çubuk, tel, tüp, boru Bükme Gövde sacı Derin çekme Kaporta, basınçlı kap, kutu, tencere - Döküm: Ergimiş sıvı metalin istenilen geometrideki boşluğa sahip bir kalıp içine dökülerek katılaştırılması işlemidir. Katılaşma sırasında parça kalıbın şeklini alırken katılaşma sonunda bir miktar büzülerek küçülür. Çok büyük veya karmaşık şekilli parçalar, plastik şekillendirme için yeterli sünekliğe sahip olmayan malzemeler ve ekonomik sebepler nedeniyle tercih edilen bir imalat yöntemidir. Kum kalıba, kokil kalıba, strofor (köpük) kalıba döküm, hassas döküm, basınçlı döküm, sürekli döküm gibi türleri bulunur. Kum kalıba dökümde ergimiş metal bir yolluk sistemiyle kumdan hazırlanmış 2 parçalı bir kalıp boşluğuna dökülerek katılaştırılır ve sonra kum kalıp bozularak katılaşmış parça çıkarılır. Kalıp boşluğu, parça geometrisine sahip bir model kum kalıplar arasında sıkıştırılarak elde edilir. Kokil kalıba dökümde metal esaslı ve çok sayıda döküm yapılabilecek kalıcı kalıplar kullanılır. Köpük kalıba dökümde ise ergimiş metalin dökülmesiyle buharlaşarak kaybolan strofor malzemeden bir model kullanılır. Plastik enjeksiyonda olduğu gibi ergimiş malzemenin basınçlı bir şekilde yüksek hızlarda kokil kalıp boşluğuna doldurulduğu basınçlı dökümde genellikle basit geometriye sahip çok sayıda parça aynı anda dökülür. Ürün boyut hassasiyetinin yüksek olmasının istendiği durumlarda düşük sıcaklıkta eriyen mum veya plastik esaslı model etrafına seramik kalıp yapılarak ısı etkisiyle model eritilerek veya yakılarak uzaklaştırılır ve kalıp boşluğu elde edilir. Döküm ile pompa ve makina gövdesi, motor bloku, su tesisatı armatürü, flanşlı boru, dişli, kasnak, vana, türbin kanadı gibi parçalar imal edilir. Birleştirilen parçalar daha önce soğuk şekil değiştirmiş ise yeniden kristalleşme ve tane irileşmesi ile dayanım ve tokluk düşer. Soğuma sırasında ortaya çıkan iç gerilmeler kaynak bölgesini zayıflatır. Yüksek sıcaklıklar bazı çeliklerde kaynak bölgesinde gevrek ve kırılgan martenzit fazının oluşmasına neden olur. Bu nedenlerle kaynaklı parçalarda kaynak bölgesi dayanım açısından en zayıf yerdir. - - Kaynak: Asıl itibariyle makina elemanlarının çözülemeyen bağlantı elemanları grubuna dâhil edilen bir metalürjik birleştirme şekli olup ayrı ayrı imal edilen 2 veya daha fazla metal parçanın ısı ve/veya basınç etkisiyle bir araya getirilmesiyle gerçekleştirilen bir imalat yöntemi olarak da değerlendirilir. Elektrik ark kaynağı, yanıcı gaz kaynağı, punta kaynağı, lazer kaynağı, plazma kaynağı, sürtünme kaynağı gibi türleri bulunur. Kaynak bölgeleri dışarıdan enerji verilerek ısıtılır ve ergimiş metaller arasında atomik yayınma ile birleşme sağlanır. Kaynak bölgesi ve çevresine ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) denilir ve bu bölgede mikroyapı ve özellikler değişir. Talaşlı imalat: Metallerden kesici takımlar ile talaş kaldırarak işleme yöntemi olan talaşlı imalatın tornalama, frezeleme, delme, planyalama, vargelleme, taşlama gibi türleri bulunur. Hızlı ve son derece yaygın bir imalat yöntemi olup en büyük dezavantajı malzeme kaybına neden olmasıdır. Tornalamada kesme hareketi parçanın dönmesiyle, ilerleme hareketi takımın ötelenmesiyle sağlanır. Frezelemede kesme hareketi takımın dönmesiyle, ilerleme hareketi parçanın ötelenmesiyle olur. Delmede kesme hareketi takımın dönmesiyle, ilerleme hareketi takımın ötelenmesiyle gerçekleştirilir. Planyalama ve vargellemede kesme hareketi doğrusal olup planyalamada parça, vargellemede takım tarafından gerçekleştirilir. Taşlamada kesme hareketi takım, ilerleme hareketi parça tarafından yapılır. Genel itibariyle tornalama ve delme silindirik parçalar, planyalama ve vargelleme prizmatik parçalar, frezeleme ve taşlama ise hem silindirik hem prizmatik parçalar elde etmek için uygulanır. Talaşlı İmalat Yöntemi Tornalama Şematik Gösterim Talaşlı İmalat Yöntemi Planyalama Frezeleme Vargelleme Delme Taşlama Şematik Gösterim - - Toz metalürjisi (Sinterleme): Görece yeni bir teknoloji olan toz metalürjisinde (T/M) çeşitli yöntemlerle mikron boyutlarında üretilen metal tozlarının çok büyük basınçlar altında kalıplarda sıkıştırılması ve daha sonra yüksek sıcaklıklarda pişirilerek sinterleme ısıl işlemi uygulanması ile çok hassas yüzey kalitelerine sahip sert, dayanıklı ve tok parçalar elde edilir. İşlem esnasında tozlar ısı ve basınç etkisiyle atomik yayınma ile birbirine kaynar. Bu yöntemde istenildiğinde kendinden yağlamalı yataklarda, yalıtımlı parçalarda ve filtrelerde olduğu gibi tozlar arasında açık veya kapalı hava boşlukları bırakılabilir. Alışılmamış imalat yöntemleri: Son yıllarda geliştirilen yöntemler olup kullandıkları enerji kaynağına göre mekanik, kimyasal, elektrokimyasal ve termal şeklinde sınıflandırılırlar. Mekanik yöntemde iş parçasının üzerinden malzeme işlemek için parçaya su veya hava yoluyla aşındırıcı parçacıklar gönderilir. Kimyasal yöntemde iş parçasına aşındırıcı kimyasal sıvı püskürtülür. Kimyasal frezeleme, fotokimyasal işleme, kimyasal parlatma ve ısıl kimyasal işleme şeklinde 4 ana gruba ayrılır. Elektrokimyasal yöntemde elektrolitik sıvı içinde aşındırma gerçekleşir. Isıl yöntemde ise çok yüksek enerjide (buharlaştırıcı) ısı ile işleme yapılır. Isı elde etmek için elektrik boşalımı, elektron ışını, lazer ışını gibi kaynaklar kullanılır. ISIL İŞLEMLER: Isıtma ve soğutma işlemleri sırasında metal ve alaşımlarının içyapılarında meydana gelen değişimler kontrol edilerek mekanik özellikler iyileştirilebilir. Bu nedenle ticari metal malzemelerin çoğunda ısıl işleme başvurulur. Metallere uygulanan en yaygın ısıl işlem tavlama olup bu işlemde malzeme yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutulduktan sonra yavaş bir şekilde soğutulur. Böylece iç gerilmeler giderilirken süneklik ve tokluk arttırılır, dayanım düşürülür ve istenilen içyapılar elde edilir. Farklı mikro yapılar elde etmek için değişik tavlama yöntemlerine başvurulur. - Yeniden kristalleştirme tavlaması: Bu işlem metal veya alaşımın daha önce gördüğü soğuk şekil değişiminden kaynaklanan olumsuzlukları gidermek için yapılır. Soğuk şekil değişimi nedeniyle pekleşen malzeme yeniden kristalleştirme sıcaklığının (mutlak erime sıcaklığının yarısı) üzerindeki sıcaklıklara ısıtılarak bir süre bekletilir ve soğutulur. Böylece çatlama olmadan ve yüksek enerjiye gereksinim olmadan malzemenin plastik şekil değiştirmesi mümkün olur. İnce taneli yapının istendiği durumlarda işlem görece düşük sıcaklıklarda ve kısa süreli yapılmalıdır. Yeniden kristalleştirme sıcaklığının altında yapılan tavlamalarda malzemede toparlanma gerçekleşir ama yeniden kristalleşme olmaz. Çok yüksek sıcaklıklarda yapılan tavlama işlemlerinde yüzeyde paslanma olmaması için koruyucu atmosfer gerekir. - Gerilme giderme tavlaması: Talaşlı imalat, homojen malzeme akışı olmayan plastik şekil verme, üniform olmayan soğumanın olduğu döküm ve kaynak gibi işlemlerde ve farklı fazların bir arada bulunduğu faz dönüşümleri sonucunda metal ve alaşımlarda artık iç gerilmeler meydana gelerek hem parçaların çalışma performansını olumsuz etkiler hem de parçalarda zamanla deformasyon ve çarpılmalara neden olur. Görece düşük sıcaklıklara (basit karbonlu çelikler için 550 oC) ısıtılan parçanın bu sıcaklıkta bir süre tutulması ve ardından havada soğutulması ile yapılan gerilme giderme tavlaması ile iç gerilmeler ortadan kaldırılır. - Normalleştirme tavlaması: Plastik şekil değişimi sonrasında çeliklerde bulunan perlit ve ferrit/sementit fazları düzensiz, büyük ve farklı boyutlarda tanelerden oluşur. Normalizasyon tavlaması ile ince perlit taneli ve homojen dağılımlı bir içyapı elde edilir. Östenitleme de denilen bu ısıl işlem karbon oranına bağlı olarak östenit fazının başladığı sıcaklığın en az 55 oC üzerine ısıtılıp yeterince tutulduktan sonra havada soğutulmasıyla gerçekleştirilir. - Tam tavlama: Önemli ölçüde plastik şekil değişimi veya talaşlı imalat uygulanacak düşük ve orta karbonlu çeliklere uygulanan bu işlemde ötektoid altı çeliklere tam östenit, ötektoid üstü çeliklere östenit ve sementit yapı kazandırmak için söz konusu fazların başladığı sıcaklıkların 50 o C kadar üzerine ısıtılıp, bu sıcaklıkta yeterince tutulduktan sonra fırında yavaş soğutularak kaba perlit yapı elde edilir. Yumuşatma tavlaması da denilen bu işlemle yumuşak ve sünek bir yapı elde edilir. - Küreselleştirme tavlaması: Orta ve yüksek karbonlu çelikler kaba perlit yapıda olsalar da talaşlı imalat ve plastik şekil değişimi için hala sert ve gevrek olabilirler. Bu nedenle yapıdaki sementitin küreselleştirilmesi gerekir. Küreselleştirme tavlaması birkaç farklı şekilde uygulanabilir. Bir yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın hemen altında ferrit ve sementit fazlarının bir arada bulunduğu 700 oC civarı bir sıcaklığa ısıtılabilir. Diğer bir yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın hemen üzerinde bir sıcaklığa ısıtılarak daha sonra fırında yavaş soğutulabilir ya da ötektoid altı bir sıcaklığa soğutulup bu sıcaklıkta bir süre tutulabilir. Bir diğer yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın 50 oC altı ile 50 oC üzerindeki bir sıcaklık aralığında çevrimsel ısıtma soğutma işlemine tabi tutulabilir. - Sertleştirme: Çeliklerde sertlik ve dayanım arttırmak için martenzit yapının elde edilmesi gerekir. Bunun için gerekli sıcaklığa ısıtılarak östenitlenen çelik su, yağ veya havada su verme ile hızlı soğutulur. Su vermeyi takiben uygulanan temperleme (menevişleme) tavlaması ile çeliğe istenen özellikler kazandırılır. Temperleme, su verme sonrası gevrekleşen çeliği toklaştırmak için yüksek sıcaklığa ısıtıp bir süre bu sıcaklıkta tuttuktan sonra hızlı soğutma ile gerçekleştirilir. - Çökelme sertleşmesi: Bazı metal alaşımlarının sertlik ve dayanımı çeşitli ısıl işlemlerle son derece küçük ve sert ikinci faz parçacıklarının matris faz içinde homojen şekilde dağıtılması ile arttırılabilir. Bu ikinci faz parçacıklarına çökelti adı verilir. Alaşımın dayanımı zamanla iyileştiği için bu işleme yaşlandırma da denir. Yaşlandırma oda sıcaklığında gerçekleşirse doğal, fırın ortamında daha yavaş gerçekleşirse yapay yaşlandırma olarak adlandırılır. Çökelme sertleşmesi iki aşamada gerçekleşir. İlk aşama olan çözeltiye almada, tüm çözünen atomlar tek fazlı bir katı çözelti içinde dağıtılarak yayınmaya imkân vermeyecek kadar hızlı bir şekilde oda sıcaklığına soğutularak aşırı doymuş kararsız faz elde edilir. Yaşlandırma (çökelme) olarak adlandırılan ikinci aşamada alaşım yayınmanın gerçekleşebileceği bir sıcaklığa ısıtılarak ikinci fazın aşırı doymuş ana faz içinde homojen bir şekilde ince parçacıklar halinde çökelmesi sağlanır. Yaşlandırma süresinin artmasıyla alaşımın dayanım ve sertliği belirli bir süreye kadar artarken daha sonra azalmaya (aşırı yaşlandırma) başlar. Bu işlem yüksek dayanımlı alüminyum alaşımları (alüminyum-bakır, magnezyum-alüminyum) başta olmak üzere bakır-berilyum, bakır-kalay ve bazı demir esaslı alaşımlara uygulanır. POLİMERLER Gelişen teknoloji doğrultusunda ahşap, kauçuk, pamuk, yün, deri ve ipek gibi yüzyıllardır kullanılan doğal polimerlerin yapılarının anlaşılmasıyla birlikte sentetik polimerler hızla yaygınlaşmış ve ucuz bir şekilde doğal emsallerine göre üstün özellikleri olan sentetik polimerler üretilmiştir. İnşaat ve elektronikte yaygın kullanılan polimerler bazı uygulamalarda metal ve ahşabın yerini almıştır. Polimerlerin çoğu kovalent bağlı hidrokarbon esaslı organik bileşiklerdir. Polimerlerin omurgasını birbirine zincir şeklinde bağlanmış karbon atomları oluşturur. Polimerlerde molekül zincirlerinin atomik bir düzen oluşturacak şekilde düzenli paketlenmesiyle kristal yapı elde edilebilir. Yaygın bilinen pazı polimerler; polietilen (PE), polivinilklorür (PVC), politetrafloretilen (PTFE), polipropilen (PP), polistiren (PS), polimetilmetakrilat (PMMA), fenolformaldehit (bakalit), poliamid (PA), polietilenterefitalat (PET) ve polikarbonat (PC) şeklinde sıralanır. Uzun polimer zincirleri kendini tekrarlayan ve çoğunlukla monomer olarak adlandırılan birimlerden oluşur. Tüm zincir boyunca tekrarlayan birimleri aynı olan polimerlere homopolimer, tekrarlayan birimleri 2 veya daha fazla olan polimerlere kopolimer denir. Modern polimer sentezleme teknikleri kullanılarak polimerlere farklı molekül yapıları kazandırılabilir. Buna göre polimerler; lineer, dallanmış, çapraz bağlı ve ağ yapılı (3 boyutlu) şeklinde sınıflandırılır. Polimerlerin yüksek sıcaklık davranışı molekül yapısına bağlı olarak değişir. Termoplastik polimerler (PE, PS, PET, PVC) ısıtıldıkça yumuşayarak sıvılaşır ve soğutulduklarında sertleşirler. Ağ yapılı termoset polimerler (kauçuk, epoksi, fenolik, bazı polyesterler) ise sertleştirildikten sonra ısıtıldıklarında yumuşamazlar. Çok ısıtıldıklarında bağ yapıları bozulur ve kullanılamaz hale gelirler. Termosetler, termoplastiklere göre daha sert ve dayanıklı olup daha iyi boyutsal kararlılığa sahiptirler. Polimerlerlerin sentezlenmesi ve bazı durumlarda katkı maddeleri ilavesi ile dayanım, aşınma dayanımı, tokluk, ısıl kararlılık, rijitlik, bozunabilirlik, renk ve alevlenme direnci gibi özellikleri değiştirilerek kullanım alanına uygun yapılar elde edilebilir. POLİMERLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ: Elastiklik modülü, akma ve çekme dayanımı gibi mekanik özellikler metallerde olduğu gibi çekme deneyi ile belirlenir. Polimerlerin mekanik özellikleri; deformasyon hızı, sıcaklık ve ortamın kimyasal özelliklerinden önemli ölçüde etkilenir. Polimerlerin eğrileri oldukça farklılık gösterir. Gevrek polimerler neredeyse tamamen elastik şekil değiştirerek hasara uğrar (A), bazıları metaller gibi elastik akmayı takiben plastik şekil değiştirerek hasara uğrar (B), elastomerler ise düşük gerilmeler altında büyük elastik (geçici) şekil değişimine uğrarlar. Polimerlerin yoğunlukları oldukça düşük olup 1-2 gr/cm3 civarındadır. Çekme ve akma dayanımları metallere göre oldukça düşük olup 10-100 MPa kadardır. Buna mukabil % uzama değerleri polimer türüne göre 1-1000 arasında değişir. Polimerlerin davranışları oda sıcaklığı civarındaki düşük sıcaklıklardan dahi oldukça etkilenir. Amorf polimerler düşük sıcaklıklarda cam gibi, yüksek sıcaklıklarda viskoz akışkan gibi davranır. Camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki ara sıcaklıklarda ise kauçukta olduğu gibi katı viskoelastik davranış gösterir. Viskoelastiklik uygulanan gerilmeye bağlı olarak şekil değişiminin zamana bağlı şekilde (gecikmeli olarak) gerçekleşmesini ve tamamen geri dönüşlü olmamasını, yani şekil değişiminin bir kısmının kalıcı olmasını ifade eder. POLİMERLERİN ÖZELLİKLERİ VE UYGULAMA ALANLARI: Kullanım alanlarına göre polimerler; plastikler, elastomerler (kauçuk), elyaflar, kaplamalar, yapıştırıcılar, köpükler ve filmler şeklinde sınıflandırılırlar. Polimerlerin şekillendirilmesinde pres kalıplama, enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon, şişirme kalıplama ve döküm gibi teknikler kullanılır. - Plastikler: En geniş polimer grubun oluşturan plastikler termoplastik ve termoset olarak sınıflandırılırlar. Çok geniş bir özellik yelpazesine sahiptirler. Çok yüksek ışık geçirgenliğine sahip akrilikler lens ve şeffaf uçak pencerelerinde, düşük sürtünme katsayılı florokarbonlar (teflon) yataklarda ve yapışma önleyici kaplamalarda, boyutsal kararlı ve yüksek darbe dirençli polikarbonatlar koruyucu kasklarda, kimyasak kararlı polipropilenler paketlemede, ucuz viniller yer kaplamaları ve elektrik yalıtımında, korozif dayanımı yüksek polyesterler içecek kaplarında, iyi mekanik özelliklere ve yapışma özelliğine sahip epoksiler koruyucu kaplama ve kompozitlerde, yüksek sıcaklıklıklarda kararlı fenolikler (bakalit) motor muhafazalarında kullanılırlar. - Elastomerler: Doğal kauçuk pek çok alanda yaygın kullanılmaktadır. Karbon siyahı ile takviye edilen sentetik elastomer otomobil lastiklerinde kullanılır. omurga zinciri silisyum ve oksijenden oluşan silikon kauçuk yüksek sıcaklık ve korozyon dayanımı, biyouyumluluğu gibi özellikleriyle ilgi çekmektedir. Elastomerler; havalı lastik, ayakkabı tabanı, salmastra, kayış, hortum, conta, kimyasal koruyucu kaplama, ısı yalıtımı ve gıda makinalarında kullanılırlar. - Elyaf polimerler: Lif şeklinde çekilebilen elyaf polimerler mekanik, korozif ve aşınma dayanımları ile süneklikleri sayesinde tekstilde ve kompozit malzemelerde kullanılırlar. - Kaplamalar: Korozyondan koruma, elektrik yalıtımı ve görünümü iyileştirme gibi amaçlarla malzemelerin yüzeylerine uygulanan boya, cila, emaye, lak ve vernik gibi kaplamalar polimer bazlıdır. - Yapıştırıcılar: Poliüretan, silikon, epoksi ve benzeri polimer bazlı yapıştırıcılar metal, seramik, polimer ve kompozit türü malzemeleri bağlamak için kullanılır. Bağlantı yüzeylerdeki girinti çıkıntılar yoluyla mekanik veya kimyasal bağlar ile sağlanabilir. - Filmler: 25-125 mikron kalınlığında üretilen ince film polimerler gıda ve ürün paketleme, tekstil gibi alanlarda düşük yoğunluk, esneklik ve iyi çekme, yırtılma dayanımları sayesinde tercih edilirler. - Köpükler: Küçük hava ve gaz boşlukları içeren köpük polimerler paketleme, otomobil ve mobilya döşemesi ve ısı yalıtımı gibi alanlarda kullanılırlar. SERAMİKLER Seramikler çoğunlukla metal ve metal dışı elementler arasındaki kimyasal bileşikler olup inorganik malzemelerdir. Atomik bağları tamamen iyonik veya iyonik kovalent kombinasyonu şeklindedir. Kalıcı şekil değişim mekanizmaları olmadığından çok sert ve gevrektirler. Genellikle elektrik ve ısıyı iletmezler. Saydam, yarı saydam veya opak olabilirler. Porselen, tuğla, fayans ve camın dâhil olduğu geleneksel seramikler ve yeni nesil (ileri) seramikler olarak iki gruba ayrılırlar. Kristal yapılarına göre seramikler; kristal yapılı seramikler, kristal yapılı olmayan (amorf) camlar ve cam seramikler şeklinde sınıflandırılırlar. Seramikler en az iki elementten oluşmakla birlikte bileşen sayısı genellikle daha fazla olduğundan kristal yapıları metallere göre daha karmaşıktır. Amorf seramikler kendini tekrarlayan düzenli bir içyapıya sahip değildirler. CAM SERAMİKLER: Kristal yapılı olmayan (amorf) camlar yüksek sıcaklıkta uygulanan bir ısıl işlem ile ince taneli çok kristalli bir yapıya dönüştürülebilir. Çekirdeklenme ve tane büyümesi aşamalarından oluşan bu kristalleşme olayı bir faz dönüşümü olup zaman sıcaklık dönüşüm (TTT) diyagramları ile ifade edilir. Cam seramikler camlara göre daha yüksek mekanik dayanım, daha düşük ısıl genleşme katsayısı (ısıl şok dayanımı), daha yüksek sıcaklıkta çalışma kabiliyeti, yüksek elektriksel yalıtkanlık ve biyo uyumluluk gibi özellikler le öne çıkar. Saydam veya opak olabilen cam seramikler; fırın camı, sofra eşyası, pişirme kabı, elektrik yalıtımı, baskılı devre kartı, ısı değiştiricisi gibi uygulama alanlarına sahiptir. KİL ÜRÜNLERİ: Kil doğal halde bulunan, ucuz, madenden çıkarıldığı haliyle kullanılan ve şekillendirilmesi kolay bir malzeme olduğundan seramik hammaddesi olarak yaygın kullanılır. suyla karıştırılarak kolayca şekillendirilir, nemi alınır ve yüksek sıcaklıkta pişirilerek mekanik özellikleri iyileştirilir. Tuğla, kiremit, fayans gibi ürünler yapılarda; porselen ise mutfak eşyalarında kullanılır. REFRAKTERLER: Çok yüksek sıcaklıklarda ergime ve kimyasal bozunma olmadan kullanılabilirler. Kimyasal ortamlardan etkilenmemesi ve ısı yalıtımı sağlaması sayesinde metal rafinasyonu, cam imalatı, metalürjik ısıl işlem ve yüksek enerji fırınları gibi yüksek sıcaklık ortamlarında yaygın kullanılırlar. Gözenekli yapıya sahip refrakterler alümina (Al2O3), silika (SiO2) ve magnezya (MgO) başta olmak üzere çeşitli oksitleri farklı oranlarda içerirler. Gözeneklilik arttıkça mekanik ve korozif özellikler zayıflarken ısı yalıtım kapasitesi ve ısıl şok direnci artar. Uygulama alanına göre seramikler; camlar, cam seramikler, kil ürünleri, refrakterler, aşındırıcılar, çimentolar ve ileri seramikler şeklinde gruplandırılırlar. CAMLAR: Kap, lens, cam elyaf gibi kullanım alanları ile öne çıkan camlar başta silika (SiO2) olmak üzere CaO (kireç), Na2O (soda), K2O, Al2O3, B2O3 gibi oksitlerden meydana gelen amorf inorganik malzemelerdir. Saydam ve kolay üretilen malzemelerdir. AŞINDIRICILAR: Aşındırma, taşlama ve kesmede kullanıldıklarından hem sert ve aşınmaya dayanıklı hem de tok olmaları istenir. Aşındırma sırasındaki izafi harekete bağlı sürtünme nedeniyle yüksek sıcaklıklar söz konusu olduğundan aynı zamanda yüksek sıcaklık ve ısıl şok dayanımı da gerekir. Doğal ve yapay elmas aşındırıcı olarak kullanılmakla birlikte çok pahalıdırlar. Yaygın aşındırıcılar; silisyum karbür, tungsten karbür, alüminyum oksit ve silika gibi bileşenlerdir. Aşındırıcılar ahşap, metal, seramik ve polimerlerin taşlama, lepleme ve parlatılmasında kullanılırlar. ÇİMENTOLAR: çimento olarak kullanılan seramik malzemeler su ile birleştiğinde hamur kıvamına gelerek daha sonra oda sıcaklığında katılaştıklarından yapı inşasında yaygın kullanılırlar. Kil ve kireçten oluşan inorganik bileşenlerin öğütülüp karıştırıldıktan sonra kalsinasyon denilen bir işlemle 1400 oC civarı sıcaklıklarda pişirilerek fiziksel ve kimyasal yapısının değiştirilmesiyle elde edilen ve klinker denilen çok ince bir toz haline getirildikten sonra sertleşme sürecini geciktirmek için içine alçı taşı katılmasıyla elde edilen portland çimento en yaygın kullanılan türüdür. Suyla sertlik kazandığı için hidrolik çimento da denilen bu malzemeye kum katılarak elde edilen beton kompozit malzeme olarak da tanımlanır. İLERİ SERAMİKLER: Yalnızca seramiklerin sahip olduğu bazı eşsiz özellikler yeni seramiklerin geliştirilmesinin önünü açmıştır. İleri seramikler; fiber optik iletişimde, mikro elektromekanik sistemlerde (MEMS), bilyalı rulmanlarda ve bazı piezoelektrik uygulamalarında kullanılmaktadır. - - Fiber optik: çok yüksek saflıktaki silisyumdan yapılan fiber optik kablolar ışık demetlerinin dağılmasına, yutulmasına ve zayıflamasına neden olmadıklarından iletişim teknolojilerinde büyük öneme sahiptirler. - Seramik rulman bilyaları: Rulmanlı yataklar iki bilezik arasında yuvarlanan küresel veya silindirik bilyalardan oluşur ve çok küçük temas yüzeylerinde çok yüksek yükler taşıdıklarından son derece sert, dayanıklı, tok olmaları ve boyut toleranslarının son derece yüksek olması istenir. Silisyum nitrür (Si3N4) rijitlikleri sayesinde daha uzun ömre ve hafiflikleri sayesinde daha yüksek hıza olanak sağladıklarından çelik bilyaların yerine kullanılmaya başlanmıştır. - Piezoelektrikler: Bazı seramik ve polimerler mekanik (boyutsal) şekil değişimi karşısında elektrik alan veya gerilim oluşur. Benzer şekilde elektrik alan veya gerilime maruz kaldıklarında da mekanik şekil değişimine uğrarlar. Bu özellikleri sayesinde bu tip malzemeler mekanik ve elektrik enerjileri arasında dönüştürücü olarak kullanılırlar. Seramik piezoelektriklerin ilk kullanım alanı sonar sistemleri olup günümüzde otomotiv (tekerlek dengeleyici, emniyet kemeri uyarıcı, lastik aşınma kontrolcüsü, hava yastığı sensörü), bilgisayar (mikrouyarıcı, sabit disk), sağlık (insülin pompalama, ultrasonik tedavi) gibi sektörlerde otomasyonda yaygın kullanılmaktadırlar. MEMS: Silikon yüzey üzerinde çok sayıda elektrik elemanla bütünleşik olarak bulunan mikroalgılayıcı ve mikrouyarıcılardan oluşan mekanik cihazların mekanik, ısıl, kimyasal, optik ve manyetik çeşitli değişimleri algılayarak karar verdikten sonra uyarılar oluşturması esasına dayanan mikro boyutlu sistemlerdir. Bu sistemler konumlandırma, taşıma, pompalama, ayarlama ve filtreleme gibi çeşitli işlemleri gerçekleştirirler. Hava yastıkları, elektronik görüntüleme, veri depolama, kimyasal tespiti tipik uygulama alanlarıdır. SERAMİKLERİN ÜRETİMİ VE İŞLENMESİ: Seramikler yüksek ergime sıcaklıkları nedeniyle döküme, sertlik ve rijitlikleri nedeniyle plastik şekil değişimine uygun değildirler. Camlar genellikle yüksek sıcaklıklarda akışkan hale getirilerek presleme, üfleme, eriyikten çekme ve sac/elyaf şekillendirme gibi işlemlerle ürüne dönüştürülürler. Diğer bir yaygın üretim metodu ise hamur kıvamındaki seramiğin toz halinde sertleştirilmesi veya dökülerek ürüne dönüştürülmesidir. - Camların üretimi ve ısıl işlemi: Cam gibi amorf yapılı malzemeler kristal yapılı malzemeler gibi belirli bir sıcaklıkta katılaşmaz, soğudukça sürekli bir şekilde sıvı halden katı (viskoz) hale doğru dönüşürler. Oda sıcaklığındaki cam akışkanlığı çok düşük sıvı olarak da ifade edilebilir. Bu nedenle, camların şekillendirilmesinde viskozitenin sıcaklıkla değişimi önemlidir. Bunun dışında camların dayanımını arttırmak için parça yüzeyinde kalıntı gerilmeler oluşturmaya dayalı temperleme işlemi de camlara uygulanan bir ısıl işlemdir. Temperlemede cam yumuşama sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa ısıtıldıktan sonra basınçlı hava veya yağ banyosunda hızlı soğutulur. Böylece dış yüzeyler katılaştığında iç kısımlar hala yumuşak olur ve katılaşma sırasında büzülürken dış kısımları kendine doğru çekerek içe doğru kalıntı basma gerilmeleri oluşturur. Bu gerilmeler malzemedeki çatlakların ilerlemesine engel olduğundan camın dıştan gelen darbelere dayanımını arttırır. - Camlar bileşenlerinin ergiyeceği yüksek sıcaklıklara ısıtılarak çeşitli şekillerde katılaştırılarak imal edilirler. Kalın kesitli tabak ve plakalar ısıtılmış dökme demir kalıplar arasında preslenir. Cam kavanoz, şişe ve ampuller üfleme ile imal edilir. Çekme yöntemi sabit kesitli levha, çubuk, boru ve lif gibi sürekli ürünlerin imalatında kullanılır. Camlar yüksek sıcaklıklardan soğutularak imal edildiklerinden iç ve dış kısımlarında farklı soğuma hızları ortaya çıktığından ısıl iç gerilmeler meydana gelir. Bu iç gerilmeler malzemenin dayanımını ve ısıl şok direncini düşürdüğünden istenmeyen bir durum olup uygun sıcaklıklarda bir süre tutularak yavaşça soğutulmasıyla tavlanarak giderilmesi gerekir. Kil ürünlerin üretimi: Kil su ile karıştırıldığında şekillendirilebilen (hidroplastik) bir malzeme olduğundan toz haline getirilen kil su ilavesiyle çamur haline getirilerek döküldükten sonra kurutma ve pişirme ile özellikleri iyileştirilir. Toz presleme de metallere ait bir üretim yöntemi olan toz metalürjisine benzeyen seramik imalat yöntemidir. Bu yöntemde toz halindeki seramik az miktarda su veya farklı bir bağlayıcı ile yüksek sıcaklık ve basınç altında bir kalıp içinde şekillendirilerek sinterlenir. Böylece tozlar küresel bir şekil alırken boşluk oranı da son derece düşerek yüksek dayanım ve tokluk elde edilir. SERAMİKLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ: Seramikler gevrek malzemeler olup plastik şekil değişim yetenekleri son derece kısıtlıdır. Hasar genellikle içyapı süreksizliklerine bağlı olarak çekme gerilmeleriyle meydana gelir. Bu nedenle seramiklerin çekme dayanımları basma dayanımlarının yanında çok küçüktür (yaklaşık % 10’u). Seramikler uygulamada basma gerilmelerine maruz kalacak şekilde kullanılırlar. Seramikler yüksek sıcaklık dayanımları ve ısıl yalıtkanlıkları sayesinde yüksek sıcaklık fırın ve ocakları ile uzay araçlarının dış yüzeylerinde tercih edilirler. Yüksek sıcaklık şartlarında genleşmelerine izin verilmediğinde ve hızlı soğutulduklarında ısıl şoklar nedeniyle hasara uğrarlar. Yüksek sıcaklık şartlarında metallere benzer şekilde sürünme davranışı gösterirler. KOMPOZİTLER Tek bileşenli metal alaşımı, seramik ve polimer malzemelerin sağlayamayacağı özellikler bu malzemeler uygun oranlarda ve geometrilerde birleştirilerek elde edilen kompozit malzemeler ile sağlanabilir. Kompozitler; rijitlik, dayanım, kırılma tokluğu, elektrik iletkenliği, aşınma ve korozyon dayanımı gibi özellikleri iyileştirmek amacıyla oluşturulur. Kompozitlerde sürekli ana faz matris, takviye ikinci faz ise saçınmış faz olarak adlandırılır. Matrisin görevi gerilmeyi diğer fazlara iletmek, takviye fazı ortamdan ve darbelerden korumaktır. Saçınmış fazın görevi ise matris fazının özelliklerini iyileştirmektir. Matris faz metal, seramik veya polimer esaslı olarak; saçınmış faz ise parçacık, fiber ve yapısal şeklinde sınıflandırılır. - Çelik ve tungsten gibi metaller ve grafen gibi karbon malzemeler de fiber olarak kullanılırlar. Fiberler belli doğrultuda yönlendirilmiş veya rastgele dağılmış olarak matris fazda bulunabilir. Belirli bir doğrultuda yönlenmiş fiber içeren kompozitlerde mekanik özellikler doğrultuya bağlı olarak değişir. Parçacık takviyeli kompozitler: Matris faz içinde takviye malzemesinin küçük süreksiz parçacıklar şeklinde dağıldığı kompozit türüdür. Bu bakımdan aslında metal alaşımları da parçacık takviyeli kompozit olarak düşünülebilir. Fiber takviyeli kompozitler profil çekme ve filaman sarma gibi yöntemlerle imal edilirler. - - Fiber takviyeli kompozitler: Çok iyi dayanım özelliklerine sahip sürekli veya süreksiz fiberler kompozit malzemeye üstün özellikler kazandırırlar. Örneğin, cam fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzeme sert cam faz sayesinde yüksek dayanım elde edilmesini sağlar. Yapısal (tabakalı) kompozitler: Homojen veya kompozit malzemeler kullanılarak imal edilen yapısal kompozitler katmanlı tabakalar ve sandviç paneller şeklindedirler. Katmanlı tabakalar düzlem içi rijitlik sağlarken, sandviç paneller eğilme dayanımı ve hafiflik özellikleri ile ön plana çıkarlar. ELEKTRİKSEL MANYETİK KOROZİF ÖZELLİKLER Malzeme seçiminde mekanik özelliklerin yanında ısıl, elektriksel, manyetik, optik ve korozif özellikler de son derece önemlidir. - - Elektrik: Elektriksel iletkenlik önemli bir malzeme özelliğidir. Her malzeme belirli seviyede iletkenliğe sahip olmakla birlikte, metaller valans elektronlarının serbest hareketi sayesinde oldukça yüksek iletkenliğe sahiptirler. Metallerde katışkı ve dislokasyon gibi kafes kusurları elektron hareketlerini zorlaştırarak iletkenliği düşürür. Sıcaklık artışı da elektronların titreşim frekansını yükselttiğinden hareketini zorlaştırarak iletkenliği düşürür. Altın, gümüş, bakır ve alüminyum yüksek elektrik iletkenliğine sahip metallerdir. Elektrik iletkenliği açısından malzemeler iletken, yarıiletken ve yalıtkan şeklinde sınıflandırılır. Yalıtkanlarda genellikle iyonik bağ bulunur ve valans yörüngesi dolu olduğu için iletim normal şartlarda gerçekleşmez. Isı ile dışarıdan enerji vererek iletim sağlanabilir. Yarıiletkenlerde ise genellikle zayıf kovalent bağlar bulunur ve dışardan sağlanan az bir enerji ile elektrik iletilir. Elektrik iletkenliği dışında elektrik yükü depolamakta kullanılan kapasitörlerde kullanılan dielektrik (yalıtkan) malzemeler nedeniyle dielektrik (yalıtkanlık) katsayısı da önemli bir elektriksel özelliktir. Bir diğer önemli malzeme özelliği olan piezoelektriklik, dış yüklerden kaynaklanan şekil değişimi sonucu malzemenin elektrik alan oluşturması veya elektrik alan oluşumu nedeniyle malzemenin şekil değiştirmesi olup teknolojik uygulamalarda kullanım alanları bulmaktadır. Manyetizma: Manyetizma atom yörüngelerinde dönen elektronların dengesine bağlı bir malzeme özelliği olmakla birlikte, elektrik alandan bağımsız düşünülemez. Elektrik alanın bulunduğu yerde manyetik alan, manyetik alanın bulunduğu elektrik alan oluşur. Malzemeler manyetik alana gösterdikleri tepkilere göre diyamanyetik, paramanyetik, ferromanyetik ve ferrimanyetik şeklinde sınıflandırılırlar. Diyamanyetik malzemeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırılmaya uğrayabilen cıva, altın, bakır, bizmut, elmas, gümüş, kurşun, silikon gibi maddelerdir. Paramanyetik malzemeler, herhangi bir mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken o mıktanısın manyetik alan çizgileri ile aynı yönde mıknatıslanabilen alüminyum, kalsiyum, krom, magnezyum, platin, tungsten, bakır gibi maddelerdir. Ferromanyetik malzemeler, herhangi bir mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken o mıktanısın manyetik alan çizgileri ile aynı yönde mıknatıslanabilen demir, kobalt, nikel, çelik gibi maddelerdir. Ferromanyetik maddeler, kendisini mıknatıslayan etki çok küçük de olsa mıknatısa çekilirler. Ferrimanyetik malzemeler net bir mıknatıslanma gösterdiklerinden endüstriyel açıdan değerlidir. - Korozyon: Korozyon özellikle metal ve alaşımlarının ortam ile kimyasal etkileşime girerek özelliklerinin olumsuz yönde etkilenmesine neden olur. Metaller oksijene elektron vererek yüzeylerinde tufal denen bir oksit tabakası oluştururlar. Ayrıca sıvı, tuz veya toprak gibi elektrolitik ortamlarda elektroliz ile elektrokimyasal korozyon gerçekleşir. Bunların dışında, katı yüzeyler arasında gerçekleşen sürtünme nedeniyle yüzeylerin bozulmasına adhezif veya abrazif aşınma korozyonu ve akan sıvıların yüzeyleri bozması ile erozyon veya kavitasyon korozyonu gerçekleşir. Adhezif aşınmada, birbiriyle temasta olup izafi hareket yapan yüzeyler üzerindeki pürüzlerde ısı ve basınç etkisiyle oluşan mikrokaynaklar izafi hareketle koparak parça kaybı olur. Abrazif aşınmada, birbiriyle temas halinde olup izafi hareket yapan yapan yüzeyler arasına giren sert parçacıklar yüzeyleri çizerek aşındırır. Erozyon korozyonu, özeelikle korozif ortamlarda hareketli akışkanların temas ettikleri yüzeyleri aşındırmasından kaynaklanır. Kavitasyon korozyonu da basınçlı akışkanların bulunduğu ortamlarda düşük basınç nedeniyle sıvının buharlaşması sonucu oluşan vakum nedeniyle yüzeylerde çöküntüler oluşmasına neden olur. Korozyondan korunmak için uygun malzeme seçimi, kurban anot kullanımı, yüzeylerin kaplanması gibi tedbirler alınabilir. *BU DERS NOTUNDA KULLANILAN RESİMLER VE FİGÜRLER ÇEŞİTLİ KİTAP VE İNTERNET KAYNAKLARINDAN ALINTILANIP ÖĞRENCİLERİN FAYDASINA SUNULMUŞTUR.
