metaller ve alaşımlar

MAL 201
METALLER ve ALAŞIMLARI,
SERAMİKLER, CAMLAR,
POLİMERLER ve KOMPOZİTLER
ARALIK 2016
Metaller
• İmalat sektöründe en büyük paya sahip olan
malzemeler metaller ve alaşımlardır
• Alaşımlar: İki veya daha çok metallin belli özellikler
elde edilmesi için karıştırılması.
• Kullanıma sunulan metal ve alaşımları şu yapılara
sahip olabilirler.
–
–
–
–
Döküm yapı (Cast structure)
Yoğruk yapı (Wrough structure)
Sinter yapı (Sintered structure)
Camsı yapı (Glassy/rapidly solidified structure)
Döküm yapı
• Bileşimleri hazırlandıktan sonra, eritilerek kum veya
kokil kalıba dökülen metal veya alaşımların
katılaştıktan sonra sahip oldukları iç yapıdır.
• Bu yapının tipik özellikleri:
– Dendiritik veya kaba taneli iç yapı
– Segregasyonlar
– Gaz boşlukları
• Döküm ile elde edilen metale, kullanılmadan önce
talaşlı imalat ile son şekillendirme veya ısıl işlemler
uygulanabilir.
Dendritik yapı
Yoğruk yapı
• Sanayide kullanılan metal ve alaşımların büyük
çoğunluğu bu yapıdadır.
Yoğruk yapının eldesi için uygulama;
– Bileşimi hazırlanan eriyiğin ingot kalıplara
dökülmesi.
– Katılaşma sonrası homejenleştirme tavı ile
segregasyonların ortadan kaldırılması,
– Büyük oranda sıcak PŞV uygulanarak döküm
yapısının kırılması,
• PŞV yöntemleri;
– Haddeleme
– Ekstrüzyon
– Dövme
• Avantajları:
– Dendiritik kaba tane yapısı, eş eksenli ince tane
yapısına dönüşür.
– Dışarı açılmamış ve oksitlenmemiş iç boşluklar
kapanır.
– Segregasyonların dağıtılarak homojen iç yapı elde
edilmesi.
Sinter yapı (Toz metalurjisi: powder metallurgy)
• İngot metalurjisi kullanımının veya hassas
boyutlandırmanın zor olduğu bazı bileşimlerin
imalatında toz metalurjisi kullanılır.
• Sinter yapı; toz metalurjisi ile imal edilen malzemeleri
ifade eder.
Toz metalujisinin uygulanışı:
• Önceden hazırlanmış metal veya alaşım tozlar belirli
oranlarda karıştırılır.
• Tozlar istenen geometriye sahip kalıplarda
sıkıştırılarak şekillendirilir.
• Şekillendirilen tozlar sinterlenir. Yani; yüksek
sıcaklıklarda kontrollü atmosferde uzun süre ısıtılarak
difüzyon yoluyla birbirine kaynatılarak yeterli
dayanıma sahip katı bir yapı oluştururlur.
Toz metalurjisi
Dezavantajları;
• Kalıntı iç boşlukların çentik etkisi yaparak düşük
dayanıma sebep olabilmesi,
• Toz üretiminin ek bir maliyet gerektirmesidir.
Kullanım amaçları;
• Çok yüksek dayanım gerektiren parçaların imalinde,
• Talaşlı imalatı zor olan geometrideki parçaların
imalinde,
• Pahalı malzemelerde parça imalinde,
• Çok sert parçaların imalinde kullanılır.
Camsı yapı (Amorf Yapı)
• Amorf da denilen ve kristal yapıları olmayan metallerdir.
• Erimiş durumdan 105-106 oC/s hızlarında ani olarak
soğutulurlar. Malzeme kristal yapı oluşturmaya zaman
bulamaz.
• Tane sınırları oluşmadığından manyetik ve korozyon açısından
üstün özelliklere sahiptirler.
• Düşük sıcaklıklarda kullanılabilirler, yüksek sıcaklıklarda daha
kararlı yapılara dönüşme ihtimalleri vardır.
• Yüksek soğuma hızları gerektirdiklerinden ince kesitler
şeklinde elde edilebilirler.
• Yumuşak mıknatıs uygulamalarında ve transformatör
çekirdeklerinde kullanılırlar.
Bazı amorf demir alaşımları ve kompozisyonları
Metaller
• Kimyasal bileşimleri açısından metaller ve
alaşımlar 2 büyük gruba ayrılırlar:
– Demir ve alaşımları (Ferrous alloys)
– Demir dışı metal ve alaşımlar (Non-ferrous alloys)
• Demir alaşımları:
– Çelikler
– Dökme demirler.
Alaşımlama
Demire katılan alaşım elementlerinin amacı:
• İmalatta kolaylık; (Mn, kaynak ve PŞV; Si, döküm).
• Dayanım artışı; (iç yapı kontrolü ile yorulma/statik ve aşınma
dayanım artışı) (Cr, Mo, V, vs)
• Sertleşebilme kabiliyeti; ZSD eğrilerini sağa doğru kaydırma
kabiliyeti (Cr, Mo, vs.)
• Korozyon dayanımı (Cr)
• Yüksek sıcaklık dayanımı; (Demir dışında kuvvetli metal
karbürler oluşturma, Cr, Mo, V, vs.)
Demir alaşımları
Çelikler
Dökme Demirler
1.Basit karbonlu çelikler
(Plain carbon steels)
2.Düşük alaşımlı çelikler
(Low alloy steels)
3.Yüksek alaşımlı çelikler
(Alloy steels)
1. Beyaz dökme demir
(White cast iron)
2. Kır gri dökme demir
(Grey cast iron)
3. Temper dökme demir
(Malleable cast iron)
4. Küresel dökme demir
(Ductile cast iron)
Çelikler içerdikleri karbon oranına göre aşağıdaki gibi sınıflandırılır:
1. Düşük karbonlu çelikler: C < %0,25
Kolay şekillendirilirler, kolay kaynak edilirler, yapı çelikleri olarak, lama
,boru, profil imalatında kullanılırlar.Su verme yoluyla sertleştirilemezler.
2. Orta karbonlu çelikler: %0,25 < C < %0,55
Su verilerek sertleştirilirler,kaynağı zordur; özel tedbirler alarak kaynak
edilirler.Makina imal çelikleridir.
3.Yüksek karbonlu çelikler: 0,55 < C < 1,5
Martenzit sertliği %0,55 C dan sonra önemli ölçüde artmaz.Bu nedenle
daha yüksek karbon oranları aşınma direncini arttırmak için
kullanılır(Yapıdaki sementit miktarını arttırma yoluyla). Genelde, aşınma
direnci gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Çelikler ayrıca içerdikleri alaşım elemanlarının toplam miktarlarına göre
şu şekilde sınıflandırılır:
1.Alaşımsız çelikler (Basit Karbonlu Çelikler):Alaşım elemanı yok.Yapı
çelikler ,takım çelikleri(Yüksek karbonlusu)
2. Düşük Alaşımlı Çelikler:
2.A-Mikro alaşımlı çelikler : Toplam alaşım oranı < %1
Tane küçülterek ve ince sert karbürler oluşturarak mukavemeti
arttırılmış olan ve akma mukavemeti/çekme mukavemeti oranı yüksek
olan çeliklerdir. Herhangi bir ısıl işlem yapılmadan kullanılırlar.
2.B-Düşük alaşımlı çelikler: Toplam alaşım oranı < %5
Bu çeliklere alaşım elemanı katmanın esas nedeni çeliğin sertleşme
kabiliyetini arttırmaktır (Yani kritik soğuma hızını düşürmek). Makine
imal çelikleri.
3.Yüksek alaşımlı çelikler: Toplam alaşım oranı ≥ %5 dir.
Çeliğe sertleşme kabiliyetini arttırmaya ek olarak çeşitli amaçlarla da
katılır. Aşınmaya , paslanmaya direnç , düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk,
yüksek sıcaklılarda sürünmeye ve oksidasyona direnç gibi.
Metaller ve Alaşımları
Çelik türleri:
1 - Basit Karbonlu Çelikler
• Standart kod numaraları:
AISI: American Institute of Steel and Irons
SAE: (Society of Automotive Engineers)
AISI 10xx
1020, 1040, 1080, 10130, vs
C% x 100
• Çoğunlukla;
– Saç (DKP, Derin çekme (Deep drawing quality), etc.
– Profiller (I, U, H, T, L, vs)
– Daire, kare, dikdörtgen, altıgen, çubuklar halinde yoğruk
yapıda bulunur.
2 - Düşük Alaşımlı Çelikler
• Karbon hariç, alaşım elementleri toplamı %5 ten azdır.
• Kare, dikdörtgen, veya yuvarlak çubuklar halinde
bulunabilir.
• AISI 4140, 8620, 4340, 9260, vs.
• Yüksek dayanımlı düşük alaşımlı (HSLA) çelikler: C oranı %
0.1 den az ve alaşım %1 den azdır. Alaşım elementleri
kuvvetli karbür yapıcı Ti, Nb vs. dir. Çok ince taneli
yapısından dolayı dayanım ve süneklikler yüksektir.
• Saç ve levha şeklinde imal edilir ve otomotiv sektöründe
yaygın kaporta malzemesidir.
3 – Yüksek Alaşımlı Çelikler
• Toplam alaşım oranının %5 ten fazladır.
• En önemlileri:
– Paslanmaz çelikler (Stainless steels).
– Takım çelikleri (Tool steels).
• Paslanmaz Çelikler: % 12 civarında Cr içerir.
Oda sıcaklığı yapılarına göre ayrılır.
– Ostenitik
– Ferritik/Martenzitik
Paslanmaz çelikler
• Ostenitik PÇ (304-316 tipler):
– Cr a ilaveten % 8 in üzerinde Ni içerir.
– C oranı çok düşüktür (% 0.02-0.08)
– Ni ve Mn, ostenit bölgesini oda sıcaklığının altına
indirerek ostenitin oda sıcaklığında stabil kalmasını
sağlar.
– Martenzit oluşturamadıkları için N (azot) içeren
bazı tipleri, yaşlandırarak sertleştirilebilir (Nitrürün
çökeltilmesi ile): PH 15-5 gibi.
Bunlara Çökelme Sertleştirilmeli Pasl. Ç. denir
Paslanmaz çelikler
• Ferritik (420-430 tipler)/Martenzitik PÇ (420-440 tipler):
– Ni veya Mn nın az olması durumunda oda
sıcaklığında Ferrit stabil hale gelir.
– Karbonun yeterli olması durumunda hızlı soğutma
ile martenzitik yapı elde edilebilir.
– Bunun dışında oda sıcaklığında yapısında hem
Delta ferrit hem de ostenit fazının dengeli
olarak bulunduğu Dupleks Paslanmaz Çelikler
de mevcuttur.
Genel İmalat için Çelik türleri
Yüksek alaşımlı
Hem ince tane hem de ince karbürler bu
mukavemeti sağlar.
Dökme Demirler
• Genelde % 3-3.5 oranında C bulundururlar (Pratik limit 4.3).
• % 2-3 oranında Si, grafitleşmeyi kolaylaştırmak ve dökümde
akıcılığı sağlamak amacıyla katılır.
• Türleri:
– Beyaz DD: Erimiş haldeyken hızlı soğutarak elde edilir. Sementit matris
içinde perlitten oluşur.Çok gevrek ve kırılgandır.
– Kır DD: Yavaş soğuma ile grafit lemelleri ve soğuma hızına bağlı olarak
ferritik veya perlitik olabilir. Sünekliği yoktur, dayanımı düşüktür.
– Temper DD: Beyaz DD in, 900-950oC de tavlanması ve sementitten
temper grafiti oluşması ile sağlanır. Çentik etkisinin azaltılması neticesinde
süneklik arttırılmıştır.
– Küresel DD: Erimiş durumda % 0.5 Mg, veya Ce katılması ile grafit
küresel tarzda katılaştırılır. İyi süneklik ve dayanım özellikleri gösterir.
Dökme demir
• C içeriği %2 den daha fazla olan Demir-karbon alaşımıdır.
• Artan karbon oranı yapıyı kırılgan hale getirir.
• Sıvı fazdan katılaşması sırasında soğuma hızlarına bağlı olarak
farklı iç yapılara sahip olabilir.
– Hızlı soğuma: Beyaz dökme demir.
– Yavaş soğuma: Kır dökme demir (ferritik, ferritik/perlitik,
perlitik).
– Temper dökme demir: BDDin tavlanması ile.
– Küresel dökme demir: Mg, Ce gibi grafiti küreselleştiren
alaşım elementleri katılması ile.
Beyaz DD
•Hızlı soğuma sonrası: Beyaz
dökme demir oluşur.
•BDD: sementitin baskın
olduğu sert ve gevrek bir yapıya
sahiptir.
Ötektik reaksiyonda:
Sıvı  ledeburit iç yapı (+Fe3C)
S
 3+Fe C
3
+Fe3C
4
S+Fe3C
Ledeburit

1
2
Dönüşmüş
Ledeburit
+S
1
Sıvı
2

Ötektik öncesi 
3
Ötektik 
Ötektik Fe3C
4
Dökme demir
Ötektoit
Perlit
Ötektik Fe3C
Beyaz Dökme demirin yapısı
(Demir-Fe3C sistemi)
Kır dökme demir
• Sıvı fazdan çok yavaş soğuma ile karbon difüzyonla biraraya toplanarak
lamelli bir yapı oluşturur.
• Soğuma hızı çok yavaş ise Ferritik DD.
• Biraz daha hızlı olması durumunda Ferritik-perlitik DD.
• Daha hızlı olması durumunda Perlitik DD. oluşur.
• Perlit oranı arttıkça dayanım artar. Tüm durumlarda süneklik çok kötüdür.
• Lamelli yapıda keskin uçların oluşturduğu çentik etkisi nedeniyle mekanik
özellikler çok kötüdür.
Grafit Lameller

Perlitik DD
Ferritik DD
Ferritik-Perlitik DD
Artan Soğuma Hızı
Perlit
• Grafitin dayanımı Demirin yanında ihmal edilebilecek kadar
küçüktür.
• Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır.
• Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca
yapı çok gevrek-kırılgan davranır.
• Dolayısı ile kır DD ler genelde basıya karşı zorlanan
parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde
kullanılmaz.
Lameller
Kır Dökme demirin yapısı(Fe-Karbon sistemi)
Temper Dökme Demir (TDD)
•
•
Temper DD: Hızlı soğuma ile elde edilen Beyaz dökme demir yaklaşık 950oC
de uzun süre (48 saat) tavlanır ve sementit yapı içerisindeki kararsız karbon bir
araya toplanarak temper grafiti denilen topak halinde yapılar meydana getirir.
Bu yapıda süneklik %10 a kadar artabilir.
Soğuma hızına göre Ferritik TDD, Ferritik-perlitik TDD ve Perlitik TDD
şeklinde 3 farklı TDD elde edilebilir.
Temper grafiti

Perlitik TDD
Ferritik TDD
Perlit
Ferritik-Perlitik TDD
Artan Soğuma Hızı
Temper ve Küresel grafitli DD
• Lamellerin mekanik özelliklere olumsuz etkisini ortadan
kaldırmak amacıyla grafitlerdeki keskin kenarlar ortadan
kaldırmak amacıyla bazı işlemlere tabi tutulur.
Demirin dayanımı yanında grafitinki ihmal
edilebilecek kadar küçüktür.
Dolayısıyla grafit bölgeler daha çok iç boşluk
gibi davranır.
Birde lamellerin köşelerindeki keskin
kenarların oluşturduğu çentik etkisi ilave
olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır.
Dolayısı ile DD ler genelde basıya karşı
zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme
zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz.
Ferritik TDD
Temper grafiti
Perlitik TDD

Perlit
Ferritik-Perlitik TDD
Artan Soğuma Hızı
Küresel Dökme Demir (KDD)
•
•
•
Eriyik DD içerisine Mg ve Sb gibi grafitleri küreselleştiren alaşım elementleri
katılır.
Bu şekilde oluşan grafitler küresel şekillidir ve süneklik %20 lere kadar artar.
Soğuma hızına göre Ferritik KDD, Ferritik-perlitik KDD ve Perlitik KDD
şeklinde 3 farklı KDD elde edilebilir.
Küresel grafit

Perlitik KDD
Ferritik KDD
Ferritik-Perlitik KDD
Artan Soğuma Hızı
Perlit
Demir dışı metal ve alaşımları
(Muk./Yoğ.)/(Muk/yoğ)çelik
Demir Dışı Alaşımlar/Alüminyum Alaşımları
• Düşük yoğunluk: Hafiflik (2,7 g/cm3)-Uzay Uçak Sanayinde
• Esneme Kabiliyeti (Rijitliğin tersi) iyidir (E = 70.000 Mpa/Çeliğin
1/3’ü)
• Korozyon dayanımı iyidir(yüzeyinde oluşan Al2O3 tabakası),
• İyi elektrik ve Isı iletkenlik,
• Kolay şekillendirilebilirlik ancak Sertilik ve Aşınma dayanımı düşük.
• Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı göstermez (YMK Kristal Yapı)
• Dekoratif görünüm,
• Bazı alaşımlar yaşlandırma ile sertleştirilebilir.
• Diğerleri ancak soğuk plastik şekil değiştirme ile sertleştirilir.
• Aluminyum alaşımları, esas alaşım element baz alınarak
Aluminyum birliği (AA) tarafında standartlaştırılmıştır.
• Isıl işlem durumları “temper gösterimleri “ile ifade edilir.
Aluminyum alaşımları dövme ve döküm olmak üzere ikiye ayrılır.
Genelde her iki hal içinde aşağıdaki gösterim sistemi kullanılır:
Aluminyum alaşımlarının ısıl işlem durumları temper gösterimleri ile
İfade edilir ve alaşım gösteriminin sonuna ilave edilir. Örneğin
2024-T6 gibi. Bu yapay yaşlandırılmış bir Al-Cu alaşımıdır.
Magnesium ve Titanyum Alaşımları
Magnesyum (Mg) alaşımları:
• Düşük özgül ağırlık (1,74
g/cm3),
• Düşük Elastiklik Modülü
(45.000 Mpa)
• Korozyondan etkilenir,
Yüksek Sıcaklıkta Oksijenle
reaksiyona girer.
• SDH yapılı-gevrektir-PŞV
zordur.
• Bazı alaşımları
yaşlandırılabilir.
• Havacılık sektörü, spor
aletleri, spor araç parçaları
vs.
Titanyum (Ti) alaşımları:
. Özgül Ağırlık (4,5 g/cm3)
Mekanik Özellikler iyidir
(Çelikler mertebesinde)
• Yüzeyindeki oksit tabakası
(pasivizasyon) nedeniyle
korozyona dayanıklıdır.
• Yüksek özgül dayanım,
• Düşük elastik modülü.
• 200oC ye kadar yüksek
dayanım gösterir.
• Bazı alaşımları yaşlandırılabilir.
• Havacılık ve tıp
endüstrisinde yaygın olarak
kullanılır.
Bakır ve Nikel Alaşımları
• Bakır (Cu);
• Özgül Ağırlık 8,9 g/cm3
• Çeliklere göre yorulma
mukavemeti iyidir.
– Elektrik iletkenliği,
– Isı iletkenliği, Korozyon
dayanımı,
– Şekillendirilebilirlik, Estetik
• Bazı alaşımları
– Prinç; Cu-Zn alaşımı, çok yaygın
– Bronz: Cu-Pb-Sn-Al alaşımı
– Cu-Be yüksek dayanım ve
kıvılcım üretmeyen takımlarda.
• Uygulama alanları:
Elektrik Telleri, Radyatörler,
Denizcilik parçaları, dekoratif
parçalar.
• Nikel (Ni)
– Çok iyi korozyon dayanımı
– Çok iyi yüksek sıcaklık dayanımı
– Süper alaşım imalinde : Alaşım
elementleri Al ve Ti. (Ni3Al ve
Ni3Ti (gama prime fazı ’)
yaşlandırma ile bağdaşık olarak
çöktürülür).
• Bazı alaşımları:
– Monel (Cupro-nikel %66 Ni %34 Cu) alman gümüşü olarak
da bilinir.
– Tuzlu su dayanımı
– Yüksek sıcaklık uygulamaları
için
Çinko ve Kurşun alaşımları
Çinko (Zn):
• Özellikle basınçlı döküme
elverişli.
• “Zamak”, çok bilinen Zn-Al
ile alaşımıdır
• Uygulama alanları:
– Elektrik cihaz parçaları
– Otomotiv parçaları
– Mobilya aksesuarları vs.
Kurşun (Pb)
• Düşük erime sıcaklığı,
• Yüksek özgül ağırlığı
• Kolay şekil verilebilirlik
• Toksik –Sağlığa zararlı
• X-ışını vs. radyasyona karşı
barier.
• Uygulama alanları
– Lehimler
– Atalet-ağırlık gereken yerler
Refrakter ve diğer metaller
Refrakter metaller (W, Mo,
vs):
• Yüksek erime
sıcaklıkları,
• Düşük oksidasyon
dirençleri:
kullanımlarında inert
atmosfer gerekir.
• Ampullerde filaman
olarak vs.
Kıymetli (Precious)
metaller. Au, Ag, Pt, vs.
• Yüksek inertlük
• Yüksek oksidasyon
direnci
• Uygulama alanları:
Kuyumculu, elektronik
sanayi, tıp uygulamaları.
Berilyum ve alaşımları
-Yoğunluk:1,85 g/cm3 Elastiklik modülü: 280 GPa (çelikten yüksek)
-Rijitliğin ve hafifliğin önemli olduğu yerlerde kullanılır(Uzay sanayi)
-Çok pahalı, toksik ve reaktif bir malzeme
SERAMİKLER VE
CAMLAR
Seramikler
• Metal veya yarı metallerin metal olmayan
elementlerle yaptığı bileşiklere Seramik denir.
• Kimyasal açıdan inorganik özellik taşırlar.
• Atomlar arası bağlar; iyonik, kovalent veya
kısmen metalik olabilir.
Si3N4 Seramik turbo
pervanesi
• Sınıflandırılmaları:
(a) kullanımları açısından,
(b) yapıları açısından
a) Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler;
– Geleneksel seramikler,
– İleri teknolojik seramikler.
b) Yapıları açısından
Seramikler
Kristal yapılı
Seramikler
1. Silikat esaslı Oksit
(Geleneksel
Seramikler)Ser. (%75
SiO2), Kiremit, Tuğla.
Amorf yapılı
Camlar
1.
a) Ağ yapıcılar (SiO2,
B2O3)
b) Ağ düzenleyiciler
(Na2O3, K2O, CaO)
c) Ağ dengeleyiciler
(Al2O3, TiO2, ZrO2)
2. Silikat dışı Oksit Ser.
(ileri teknololik S.) Al2O3,
ZrO2, ThO2,
3. Oksit dışı Ser.
(ileri teknololik S.) B4C, SiC,
WC, TiN, vs.
Silikat Camlar.
2.
Silikat dışı Camlar.
Cam Esaslı
Kristal
yapılı Camlar
b.1. Kristal yapılı seramikler
b.1.1.-Silikat esaslı seramikler: Yapısında SiO2 bulunan
seramiklerdir.
• Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdırucuzdur.
• Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır;
Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör
seramikler, Çimento.
• İmalat adımları:
– Toz halinde bileşim ayarlanır.
– Su katılarak çamur elde edilir ve şekillendirilir.
– Kurutulur ve pişirilir.
• Çimentoda (portlant cement) ise katılaşma kimyasal
reaksiyon ile olur. Fazla düşük olmayan sıcaklıklarda
ıslatılarak katılaşma kabiliyeti arttırılabilir.
Kristal yapılı seramikler
b.1.2. - Silikat içermeyen seramikler:
• Bünyesinde SiO2 bulunmayan seramiklerdir.
• İleri seramikler olarak adlandırılabilirler.
• Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı
içerebilirler.
Çeşitleri:
– Alumina Al2O3 refraktör
– MgO refraktör
– ThO2-nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi
– UO2-nükleer yakıt
– BaTiO3- elektro-piezo seramik
– NiFe2O4-Manyetik seramik
Kristal yapılı seramikler
b.1.3. - Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen
bulunmayan seramiklerdir.
• Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik
dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler
(yüksek sıcaklık rezistanları).
İmalat aşamaları:
1. Toz halinde bileşim hazırlama
2. Karıştırma; Kuru veya sıvı içerisinde
3. Basınç altında şekillendirme
4. Kurutma ve sinterleme
Yoğunluk
Gerçek yoğunluk
Sıkıştırma basıncı
Örnekler
• Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma
elemanı)
• Silisyum nitrür Si3N4-yüksek tokluk ve sertlik
• Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşımaya dayanıklı
• Tungsten karbür WC-takım imalatı
• Bor karbür -B4C-zırh malzemesi
• SiAlON-makina parça malzemesi
Sinterleme
• Şekillendirilmiş seramik yapının erime sıcaklıklarının altında
(0.5-0.7 Te) yüksek sıcaklıklarda tozların difüzyon ile birbirlerine
kaynaması ve bu sayede yapının yekpare yüksek dayanımlı bir
hale getirilmesi işlemidir.
• Sinterleme sırasında iç boşluklar (porozite) küçülür veya yok
olur.
• Sinterlemenin verimini arttırabilmek ve yüksek kalitede ürünler
elde için Sıcak izostatik presleme kullanılabilir. Şekillendirilmiş
tozlar yüksek gaz basıncı altında sinterlenir.
• Sinterlenmiş
seramik
parçalar
yüksek
performans
uygulamalarında; motorlar, fren rotorları, makina parçaları,
türbün parçaları vs. metallerin yerini almaktadırlar.
b.2. - Camlar;
• Amorf yapılı
• Kristal yapılı
Cam: M.Ö. 3000 lerde Mısır, Sümer ve İndüs(Kuzeybatı Hindistanın İndüs nehri
cıvarı halkları ) cam kimyasını biliyorlardı.Bu halklar deniz kumunun yani
silikatın, yanan ağacın bir ürünü olan potasla (Potasyum Karbonat) veya Mısırın
batı çölünde mineral olarak bulunan Sodyum karbonatla birlikte ısıtılması
halinde düşük sıcaklıkta eriyebileceğini ve dökülebileceğini
öğrenmişlerdi..Örneğin sıvı haldeki camı ,kamışların içine ve kum çukurlarına
dökerek cam kap şekli veriyorlardı. Hatta , biraz soğutularak hamur haline
getirilen cama şekil vererek ve sonra soğumaya bırakarak çeşitli şekiller elde
edebiliyorlardı.Camcılık sanatı daha sonra doğal Potasın kullanıldığı Finikede de
başladı.
Sodyum karbonat kumun erime sıcaklığını düşürür ama camı suda çözünür
hale getirir.
Kalsiyum karbonat ise camı suda çözünür yapmadan kumun erime noktasını
düşürür.
Kumun ,yani saf silikatın(Si02) erime sıcaklığı 1720°C dir. Sözkonusu tarihlerde bu
sıcaklıklara çıkmak teknolojik olarak imkansızdı.
Bu katkılarla camın erime sıcaklığı 1000 derecenin altına düşürülmüştür.
b.2.1. - Amorf yapılı Camlar
Bu malzemeler; kristal yapıda değillerdir.
I. Silikat camlar:
• Seramikler içerisinde tonaj olarak en fazla kullanılan
malzemelerdir.
• Yüksek sıcaklıkta akışkan haldedirler.
• Azalan sıcaklıkta, akıcılıkları azalır (vizkoziteleri artar)
• Camlaşma sıcaklığının altında katı olarak davranır. Bu
duruma “aşırı soğutulmuş sıvı” olarak adlandırılır.
• Bileşimlerinde SiO2 yanı sıra diğer elementler bulunur.
Kimyasal yapı bileşenleri
• Ağ yapıcı bileşenler (network formers)
Cam yapısındaki ağ (network) şeklinde yapının
oluşmasını sağlayan elementler, SiO2, B2O3 vs.
• Ağ yapısını düzenleyici bileşenler (Network modifiers)
Ağ yapının özelliklerini kontrol edebilmek için
kullanılan malzemeler. Na2O3, K2O, CaO, vs.
• Ara bileşenler (intermediates)
Ağ yapısının stabilitesini sağlayan malzemeler. TiO2,
Al2O3, ZrO2, vs.
Örnekler
• Silis camı (yüksek sıcaklık dayanımı)
• Bor cam (düşük ısıl genleşme-yüksek ısıl şok
dayanımı)
• Pencere camı (Adi cam, flotal ayna camı, vs.)
• Cam elyaf (Kompozit malzeme üretiminde takviye
elemanı)
• Emaye (Metal yüzeylerde korozyona ve dış etkilere
dayanıklı dekoratif kaplama)
• Kristal cam (PbO içeren saydamlığı mükemmel cam)
II. Silikat esaslı olmayan camlar:
• Fazla kullanılmazlar.
• Su ve nemden çok etkilenirler.
• Katkı malzemesi olarak kullanılabilirler.
• Elektronik endüstrisinde çeşitli
uygulamalar.
b.2.2. - Kristal yapılı Camlar
• En gelişmiş tipleridir.
• Üretim adımları:
– Amorf yapıdayken şekillendirilirler.
– Kontrollü bir ısıl işlem ile yapısı %90 oranında
kristale dönüştürülür.
– Kalan amorf kısım kristaller arasındaki kısımda
yer alır.
• Avantajları
– Daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir.
– Kristal yapısı, düşük ısıl genleşme gösterir- ısıl şok
dayanımı oldukça yüksek olur- tencere vs
uygulamaları.
– Seramiklerin aksine daha kolay şekillendirilebilir.
• Örnek; Li2O,+Al2O3+SiO2 kompozisyonudur. Tane
boyutunu küçültmek için TiO2 eklenir.
Seramiklerin belirgin özellikleri
•
•
•
•
•
•
•
•
Yüksek sertlik ve gevreklik
Yüksek aşınma dayanımı
Kimyasal kararlılık (inertlik-etkilenmeme)
Yüksek basma dayanımı (Çekmeden yüksek)
Yüksek rijitlik
Elektrik yalıtkanlığı veya çok düşük iletkenlik
Düşük ısı iletkenliği
Bazıları şeffaf olabilir.
Gevrek kırılma
• Kötü plastik şekil değiştirme özellikleri iyonik/kovalent
bağ.
• Düşük çekme dayanımı, daha yüksek basma dayanımı;
iç boşluk vs. den kaynaklanan çentik etkisi.
• Seramiklerde üretimden kaynaklanan boşluklar
(porosity) kuvvetli çentik etkisi yapar. (Çentik dibi
radyüsun azalması (keskinlik) yığılma gerilmesini
arttırır)
• Çekme deneyi yerine 3 noktadan eğme deneyi ile test
edilirler (yüksek sertlikleri nedeniyle çenelerin tutması
zordur)- Eğme dayanımı.
F
M c

I
L
M F
2
h
c
2
1
I
 bh3
12
c
L

h
b
3 F  L

2bh
• Eğme dayanımı-kırılma
modülü gibi isimler alır.
Seramiklerde mekanik özellikleri
iyileştirme
• Seramiklerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi:
– Faz dönüşümü ile toklaştırma (Transformation
toughenning)
– Kontrollü mikro çatlak oluşturma: çatlak
ilerlemesini durdurmak
– Elyaf takviyeli kompozit tasarımı.
Faz dönüşümü ile toklaştırma:
• Yarı stabil ZrO2; (içerisine CaO, Y2O3 gibi oksitler
katılarak) normalde stabil olan monoklinik faz yerine
birim kafes hacmi daha küçük olan tetragonal faz
hakim olur. Bu faz ise yarı stabildir.
• Çatlak ilerlemesi durumunda, çatlak dibindeki
gerilme seviyeleri, yarı stabil olan tetragonal fazın
stabil ve hacmi daha büyük olan monoklinik faza
dönüşmesine neden olur.
• Böylece çatlak kapanır ve ilerleyemez: tokluk ve
dayanım arttırılmış olur.
Statik yorulma
Metallerde tekrar eden
gerilmeler ile çatlak
ilerlemesi
Seramik ve camlarda
çatlak ilerlemesi
Silika ağına (network) sahip seramik ve
cam malzemelerde statik yüklemeler
altında görülen yorulma çeşididir.
Bunun sebebi mekanik mekanizmalardan
ziyade daha çok kimyasaldır.
1. Su veya nem içeren ortamlarda
görülür.
2. Oda sıcaklığında gerçekleşir.
3. Yüksek sıcaklıklarda görülmez
Su silika ağ (network) ile reaksiyona
girerek Si-O-Si bağlarını parçalar. SiOH ve OH-Si bağları oluşturur. Her
seferinde çatlağın bir atomik mesafe
ilerlemesine sebep olur.
Sürünme
• Özellikle kristal yapılı malzemelerde
karşılaşılır.
• Yüksek sıcaklıklarda, sabit yük altında
malzemenin kararlı ve yavaş olarak plastik şekil
değiştirmesi olarak anlaşılır.
• Sürünme mekanizması:
• Kristal seramiklerde: Tanelerin bir biri
üzerinde kayması ve bu şekilde şekil değişimi
oluşmasıdır.
• Cam seramiklerde ise vizkoz akış şeklinde
gözlemlenir.
Isıl şok dayanımı
• Isıl iletim katsayılarının düşük olmasından kaynaklanır.
• Isıl genleşme kesit boyunca farklılık gösterdiğinde yüksek
gerilmeler meydana gelir.
• Bu ısıl gerilmelerin, dayanımı aşması durumunda ani
kırılmalar meydana gelir.
• Cam yapılı malzemeler Camsı geçiş
sıcaklığının altında katı gibi
davranır.
• Camsı geçiş sıcaklığının üzerinde
vizkoz sıvı gibi davranırlar.
• Kristal yapılı camlar ise erime
sıcaklığının altında kristal düzene
girerler ve hacimlerinde ani
azalma meydana gelir.
Hacim
Camsıların Vizkoz davranışı
Aşırı soğumuş
sıvı
Sıcaklık
Tg
Tm
Kristal yapılarla kristal olmayan (camsı) yapılar arasındaki davranış
farkı, hacım-sıcaklık eğrisi yardımıyla açıklanabilir.
Camsı malzemeler Tg sıcaklığının altında sert ve gevrek oldukları halde,
bu sıcaklığın üzerinde viskoz bir sıvı gibi şekil değiştirebilirler.Sıcaklık
arttıkça viskozite azalacağından şekil değiştirme daha da
kolaylaşır.Böylece camların gevrek davranışı Tg nin üzerindeki,
sıcaklıklarda kaybolur.
1.Kristal malzeme: Te sıcaklığının altında kristal yapıda katı haline geçer.
Atomların düzgün dizilişe geçmelerinden ötürü, genellikle önemli
ölçüde ve ani olarak azalan hacim ,sıcaklık düştükçe azalmaya devam
eder.
2.Camsı (Viskoz) malzemenin hacmi ise Tg sıcaklığına kadar sürekli bir
şekilde (Dikkat:Yani ani değil) azalır. Bu sırada viskoz (koyu) bir sıvı gibi
davranan malzemenin sıcaklığının azalması ile viskozitesi artar.
3.Cam: Tg sıcaklığında malzeme düzgün bir atom dizilişine sahip
olmamakla birlikte tamamen katı (sert) yani cam durumuna dönüşür.
Camsı malzemelere “aşırı soğutulmuş sıvı” adı da verilir.
Temper Cam
• Camlaşma sıcaklığının
üzerindeki cam malzemenin
yüzeyine soğuk hava üflenerek
yüzeyi ani soğutulur.
• İç bölge, halen sıcakken, vizkoz
akış ile şekil değiştirebilir. Daha
sonra soğuyan iç bölgeler
büzülür ve kendini çeker.
• Bu şekilde camın yüzeyinde
basma gerilmeleri oluşturulur.
• Böylece, çekme dayanımı ve
kırılmalara karşı direnci
arttırılması ile daha dayanıklı
camlar elde edilir.
TEMPER CAM İŞLEM DETAYI:
Malzeme camsı duruma geçiş sıcaklığının üzerine ısıtılır daha sonra yüzeyi hava
akımında veya yağ banyosunda hızla soğutulur.
Parçanın iç ve dış kısımları arasındaki sıcaklık farkları ortaya çıkar, Daha soğuk olan
dış yüzey büzülmek ister, ancak hala sıcak olan sıcak iç kısmı bunu engellemek ister
ve sonuçta, dış yüzeyde çekme, iç kısımda basma iç gerilmeleri oluşur.
Soğumanın bu ilk evrelerinde hala yumuşak olan iç kısımda etkiyen basma gerilmeleri
sonucu viskoz akis mekanizması ile şekil değişimi (kısalma) gerçekleşir ve iki bölge
arasındaki dış kısmın önceden büzülmesinden kaynaklanan boy farkları dengelenir.
Soğuma devam ettiğinden bu kez soğuyan iç bölgeler büzülmeye çalışır, ancak bu oda
sıcaklığına önceden soğumuş ve katı durumda bulunan dış yüzey buna engel olmaya
çalışır, Yani dış kısım iç kısmın büzülmesini engellemek (onu eski boyunda tutmak)
için iç kısma çekme uygular; iç kısım ise büzülmeye çalışırken dış kısmında
kendisiyle birlikte boyunun kısalmasını sağlamak için dış kısma basma gerilemeleri
uygular. Sonuçta dış yüzeyde basma. iç yüzeyde ise çekme iç gerilmeleri oluşur,
Gevrek malzemelerde çatlak oluşumu için çekme gerilmeleri daha etkin olduğundan
yüzeyinde basma iç gerilmeleri bulunan bu malzeme kırılmaya karşı daha az duyarlıdır
(Temperlenmiş Cam).
Camlarda Optik Özellikler
Gelen ışın
Dikkat:Teorik yansımada yansıma
açısı geliş açısına eşittir.
Teorik yansıma
Gerçek yansıma
(Dağınık yansıma)
Gerçek yüzey
Teorik-ortalama -yüzey
Yansıyan
Teorik yansıma
(opak)
Dağınık
yansıma
Geçen
Yansıma da geçen ışığın şiddetini azaltır
Saydamlık: net bir görüntü geçirme yeteneği
Yarısaydamlık: Dağınık bir görüntü geçirme
Opaklık:Görüntü geçirme kabiliyetinin tamamen kaybolması
Işık iç saçılma nedeniyle şiddetini daha da
kaybederek geçiyor.Bu da görüntüyü
net yapmıyor.
durumu
Örneğin, cama baryum karbonat katılarak kahverengi, FeO3 katılarak yeşil cam elde edilir.
POLİMERLER
Polimerler
*
**
*Zayıf bağ
**Kuvvetli bağ
Merlerin birleşmesi ile polimerin oluşumu
(Zayıf)
Çapraz bağlar kuvvetli bağlardır
Polimer Çeşitleri
3 tip polimer mevcuttur
– Termoplastikler
– Termosetler
– Elastomerler
Termoplastikler:
Elastik lineer
zincirler
Termosetler: Rijit
üç boyutlu zincir
ağı
Elastomerler:
Lineer çapraz
bağlı zincirler.
Polimer malzemelerin oluşumu
Karbonun diğer C veya H, O, OH, Cl gibi element veya
iyonlarla kovalent bağlar yaparak oluşturduğu molekül
zincirlerinin Van der Waals bağları ile bir arada
bulunması ile oluşan malzeme grubuna verilen isimdir.
Zincir içinde kovalent bağ
Zincirler arasında van
der Waals bağ
Polietilen:
Zincirin omurgası, Birbirlerine kovalent bağlı C
atomları tarafından oluşturulmuş. Her bir C
atomuna kovalent olarak bağlı 2 H mevcut.
*
Polimer oluşum reaksiyonları
Molekülleri zincir oluşturması için meydana
gelen reaksiyonlar;
1)
2)
3)
4)
–
Polimerizasyon
Kopolimerizasyon
Poliadisyon
Polikondanzasyon
Diğer mekanizmalar
•
•
•
Harmanlama
Dallanma
Çapraz bağ oluşumu
Polimerizasyon
•Polimer; MER adı verilen çok sayıda doymamış
moleküllerin bir araya gelmesi ile oluşur.
•Örneğin;
– Etilen molekülü –basınç, ısı veya katalizör yardımıyla
C’ lar arası çift bağın teki parçalanır ve Mer
durumuna geçer.
– Mer molekülleri birbirine eklenerek polimerizasyon
reaksiyonu oluşur.

Monomer
Polimerizasyon
Polietilen
Mer
• Bu şekilde n tane molekül birbirine eklenir ve
Polietilen meydana gelmiş olur.
• “n” MER sayısını ve polimerizasyon derecesini
gösterir.100-1000 arasında değer alır.
• Herhangi yan ürün çıkmaz.
• Genelde termoplastikler bu reaksiyonla oluşur.
Kopolimerizasyon
• Polimerizasyon reaksiyonunda birden fazla farklı türde
MER in tekrarlı yapıda bir araya gelmesi ile oluşur.
• Yan ürün çıkışı olmaz.
• Vinil klorür oluşumu.
Polikondansasyon
• Farklı moleküllere sahip MER ler ürün vererek bir araya
gelir ve zincir oluşturur.
• Genelde termoset oluşumunda rastlanır.
• Reaksiyonda yan ürün vardır.
• Dimethil terefilat ve etil alkolün reaksiyonu neticesi PET
oluşur. Yan ürün olarakta metil alkol oluşur.
Reaksiyona
girenler
Ürünler
+
Poliadisyon
• Başlatılması için bir başlangıç moleküle ihtiyaç olduğu
reaksiyonlardır.
• H2O2, Etilen monomeriyle reaksiyona girerek yeni bir
zincir meydana gelmesini sağlar.
Yapısal özelliklerin meydana
gelmesi
• Harmanlama: Farklı molekül zincirlerinin bir araya
gelmesi ile oluşur: ABS
• Dallanma: Ana zinciri meydana getiren karbona
başka bir zincirin bağlanması neticesi oluşur.
• Çapraz Bağlanma: Uzun zincir moleküllerinin
birbirlerine yan dallanmış bağlarla bağlanması.
– Vulkanizasyon sırasında kükürtün yardımıyla
çapraz bağ oluşumu.
– Polimerin dayanımı artar fakat sünekliği azalır.
Dallanma
Büyük bir yan grup H yerine bir polimer
zincirine bir başka
birine
polimer zincirinin eklenmesi, dallanma olarak adlandırılır.
Dallanma sonucu zincirlerin hareketleri zorlaşır.Rijitlik ve
mukavemet artar.
(a)Linear dallanmamış
(b)Linear dallanmış
(c) Çapraz bağlı dallanmamış.
(d) Çapraz bağlı dallanmış.
S (kükürt) çapraz bağ görevi üstleniyor.
•
•
•
•
•
•
•
•
Termoplastikler
Isı etkisiyle yumuşayabilirler
Polimerizasyon reaksiyonu ile üretilebilirler
Daha çok lineer yapı gösterirler
Artan sıcaklıkla önce vizkoz sıvı sonrada sıvı duruma
geçer.
Camlaşma sıcaklığının altında gevrek davranır.
Tekrar kullanılabilirler.
Düşük sürtünme katsayıları vardır.
Pres, enjeksiyon, haddeleme, ekstrüzyon, gibi imalat
yöntemleri uygundur.
• Aralarında
– Genel amaçlı (PE, PVC, PS, ABS)
– Mühendislik (PET, Teflon, PC, vs)
– Elastomer polimerler.
Termosetler
• Isı ile yanarak kömürleşirler; dolayısıyla sıcaklıkla
yumuşamazlar.
• Genellikler polikondanzasyon reaksiyonu ile imal
edilirler; yan ürün verirler
• Molekül zincirleri ağ yapısında çapraz bağlara
sahiptirler
• Camlaşma sıcaklığı alt ve üstünde gevrek davranırlar.
• Gevrekliği azaltmak için dolgu malzemeleri kullanılır.
• Kompozit malzemelerin üretimine uygundur.
• Epoksi, polyester, bakalit, vs.
Elastomerler
• Çok yüksek elastik özellik gösterirler. Uzamaları
%1000 e ulaşabilir.
• Dayanımları düşüktür. (Doğal kauçuk, lateks, vs.)
• Vulkanizayon yardımıyla molekül zincirleri arasında
çapraz bağlar oluşturulabilir ve lastik şeklinde
üretilerek dayanımı arttırılabilir.
• Bütadin/isopren/Neopren/Silikon, vs.
Katkı maddeleri
• Plastikleştiriciler: Yumuşatır ve camlaşma sıcaklığını
düşürür
• Dolgu maddeleri: Gevrekliği azaltır/Ekonomiklik sağlar
• Takviyeler; kompozi malzeme yaparak dayanımı arttırır
• Stabilizatörler; Ortam etkisini indirgeyerek degradasyonu
azaltır.
• Alevlenme Önleyiciler; Kolay alevlenme ve yanmayı
önlerler
• Renklendiriciler; Polimerleri renklendirmek için kullanılır
Polimerlerin yapısı
YAPI TİPLERİ:
• Camsı: Amorf
• Kristal
• Karışık yapı: Camsı/Kristal
Tamamen kristal yapı pek görülmez; Karışık
yapı olabilir.
– Moleküllerin karmaşıklığı
– Soğuma hızının artması
kristal oluşumunu zorlaştırır.
Mekanik Özellikler
Mekanik özellikler
Termoplastikler:
• Elastik kısmın eğimi “elastik modülünü” verir.
• Akmadan sonra, boyun verme olur: Kesit daralır,
molekül zincirlerinin yumakları açılır, çekme
doğrultusunda yönlenir ve birbirine yaklaşır.
• Boyun vermeden sonra, Van der Waals bağları etkisini
arttırır ve molekül zincirleri daha sıkı tarzda bağlanır ve
dayanım artar.
• Kopmanın meydana geldiği gerilmeye “çekme
dayanımı” denir ve genelde elde edilen kopma uzaması
değeri ile birlikte rapor edilir.

Çekme dayanımı
Akma dayanımı
Boyun verme
Plastik deformasyon
Nonlineer elastik deformasyon
Lineer elastik deformasyon

• Amorf ve molekül zincirlerinden oluşan yapılar
nedeniyle visko-elastik davranış göstermektedir.
• Deformasyon sırasında hız önemlidir: Arttıkça
dayanım artar. Deneylerde standart hız sözkonusudur.
• Elastik Ş.D.: Yumakların açılması, zincirlerin düzelmesi,
Bağlarda uzama.
• Plastik Ş.D.: Zincirlerin arasında kayma.
• Çapraz bağ: Viskoelastik Ş.D. azaltır, dayanımı arttırır,
süneklik azalır. Isıyla erime yeteneği kaybolur.
• Termosetler her sıcaklıkta gevrek davranış gösterir
Boyun verme lokal olarak
zincirlerin çekme yönünde
düzgünleşmesi:
Kopma

Lineer elastik

Viskoelastik Davranış
Elastik deformasyon zamana bağlı değildir. Yani uygulanan
gerilme sonucu elastik şekil değişimi aniden oluşur. Yük
sıfır olunca da elastik ş.d. aniden sıfır olur.
Ancak bazı hallerde, zamana bağlı olarak gelişen elastik
bileşen mevcuttur. Yani gerilmenin uygulanmasından sonra
elastik şekil değişimi zamanla devam eder ve gerilmenin
kaldırılmasından sonrada elastik şekil değişiminin sıfır
olması için belirli bir zaman gerekir. Bu zamana bağlı
elastik davranışa anelastisite adı verilir. Metallerde bu
anelastik bileşen normalde çok küçüktür ve ihmal edilir.
Ancak bazı polimerik malzemelerde bunun şiddeti önemli
ölçüdedir ve bu durum visko-elastik davranış olarak
adlandırılır.
Visko-elastik Davranış
Rijit
Log E
• E-T diyagramıyla ifade
edilir.
• Camlaşma ve ergime
sıcaklıkları arasında kalan
bölgeler farklılık gösterir.
– Rijit bölge
– Deri kıvamında bölge
– Lastik kıvamında bölge
– Vizkoz bölge
Deri kıvamı
Lastik kıvamı
Vizkoz
Tc
Te
Amorf polimerler
1.Camsı (Camlaşma) geçiş sıcaklığından daha düşük
sıcaklarda cam (amorf katı) gibi davranırlar: Bu
sıcaklıklardaki düşük deformasyonlarda davranışları
elastiktir ve Hook kanununa uyarlar : σ = Eε
2.Camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki orta derecedeki
sıcaklıklarda lastik gibi davranırlar (viskoelastik)
3.Daha yüksek sıcaklıklarda ise viskoz sıvı (örneğin bal) gibi
davranırlar.
Bu iki ekstrem arasındaki (yani cam ve viskoz sıvı) orta
derecedeki sıcaklıklarda lastik gibi davranan amorf
polimerin, davranışı iki ekstrem davranışın kombinasyonu
şeklinde olup , bu durum viskoelastisite olarak adlandırılır.
Yükün uygulanıp kaldırılması sırasındaki elastik, viskoz ve
viskoelastik şekil değişimleri şekilde gösterilmiştir.
(Katı cisim)
xTermoplastik polimerlerin mekanik davranışları
Sıvı
Tm
Viskoz
Lastik
Deri
Tg
Rijit
:Metaller gibi davranır
Elastomerler
• Elastomerlerde doğrusal olmayan elastik deformasyona uğrar.
• Elastik harakette önce yumaklar açılır sonra birbiri üzerinde
kayar.

Bağlarda uzama
Zincir
yumaklarının
açılması

(Eski haline dönemiyor)
Visko elastik davranış
Rijid
Deri gibi
Lastiksi bölge
Darbe özellikleri ve Yumuşama Tayini
Darbe Özellikleri;
• Charpy ve Izod deneyleri kullanılır.
• Camlaşma sıcaklığı tayininde Izod deneyi kullanılır.
Yumuşama sıcaklık tayini (Vicat testi);
• Sivri bir uçla ve 1 kgf ile batırılmaya çalışılan polimer
malzemede 1 mm kalıcı batmanın sağlandığı sıcaklık
tayin edilir.
• Yüksek sıcaklıklarda kullanılan polimerler için önemlidir.
Gevşeme
• Zamana ve sıcaklığa bağlı olarak plastik şekil değişimini
ifade eder.
• Gevşeme; sabit deformasyon altındaki polimerler
zamanla gerilmenin ve vizkoz akışın etkisiyle sahip
oldukları gerilmeyi yitirirler.
• Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi o ın
0.37 x o seviyesine düşmesi için tanımlanmış T
sıcaklığında geçecek süre  olarak tanımlanmaktadır.
• Bu bir malzeme özelliği olup her malzeme için ve
sıcaklık için aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır.
Qn


  C  exp  RT 


• Q viskoz akış için gerekli olan aktivasyon enerjisi, T
mutlak sıcaklık, R ise üniversal gaz sabiti olup, C
malzeme sabitidir.
Gevşeme miktarı ve süresi
• Bu veriler kullanılarak t anı sonrasında o ön
gerilmesinden hangi gerilme değerine malzemenin
gevşeyeceği aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir.
 
   o  exp  t 
• Burada  süre, o polimerdeki başlangıç gerilmesi ve
 ise t anı sonrasında gerilmenin düşeceği gerilme
seviyesidir.
Bir polyisoprene bant çelik çubukları 1 yıl süre ile bir arada
tutmak için kullanılmaktadır. Eğer gerilme 1500 psi’in altına
düşerse işlevselliğini yitirecektir. Yapılan ön çalışmalarda
1000 psi değerindeki gerilmelerin 6 hafta sonunda 980 psi
değerine düştüğü görülmüştür. Tasarladığınız bantın
yukarıdaki amacı yerine getirmesi için uygulanacak ön
gerilmenin değeri ne olmalı.
 
   o  exp  t 
  o exp(  t )

980 1000 exp(  6),  

6
 297 hafta
0.0202
1500  o exp( 52 / 297)  o exp( 0.175)  0.839o
o  1500 1788 psi
0.839
Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi o ın 0.37 x o seviyesine düşmesi için
tanımlanmış T sıcaklığında geçecek süre  olarak tanımlanmaktadır.
Histerisiz
• Elastik zorlamada, eğri üzerinde gidiş ve geliş
yollarında farklılığa “histerisiz” adı verilir.
• Bu titreşim sönümlemede önemli rol oynar.
Geri alınamayan
şekil değiştirme işi
(Yükleme ve boşaltma
eğrileri arasındaki alan).
Bu özellik HİSTERİZİS’tir.
Polimer
Mer
Kullanım yeri
Aromatik halka:
Benzen halkası
C6H5
KOMPOZİTLER
Kompozitler
Farklı malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede
toplamak amacıyla iki veya daha fazla ana malzeme
grubuna ait malzemelerin bir araya getirilmesi ile elde
edilen malzeme grubudur.
•Cam takviyeli polimerler: Yüksek dayanım ve tokluk.
•Beton; çimento, nervür çelik, kum, çakıl.
• Üç ana grupta toplanırlar;
– Yapay Kompozit malzemeler
– Doğal kompozit malzemeler
– Parçacık takviyeli kompozit malzemeler
Bileşenler
• Kompozit malzemeler iki bileşenden oluşur;
– Matris
– Takviye
• Kompozitler dayanımlarını genelde sert ve gevrek
olan takviyeden alırlar. Matris ise takviyeleri bir arada
tutma ve tokluk ve süneklik kazandırma görevi görür.
Matris Malzemeleri
• Polimer esaslı.
• Metal veya alaşım esaslı
• Seramik esaslı
Takviye Malzemeleri
• Polimer: Aramid, Naylon, vs.
• Metal; Çelik, Titanyum, Bor,
• Seramik: Oksitler, karbürler, silikatlar, nitrürler vs.
Takviye Türleri
• Elyaf; Uzun, kısa, kırpık, keçe, dokuma, vs.
• Tel ve sakalcık; ince yüksek dayanımlı teller,
sakalcıklar (whiskers)
• Parçacık; tozlar, partiküller, vs.
Kompozitler/ Matrisler
Metal Matrisli Yapay Komp.
• B / Al
• Al2O3 / Al
• Al2O3 / Mg
• SiC / Al
• SiC / Al
• ThO2 / Ni
Seramik Matrisli Yapay Komp.
• SiC / Al2O3
• SiC / Li/Al-silikat
• Beton (Çakıl, kum, çimento)
• Cam / t-ZrO2
• Al2O3 / t-ZrO2
yapılarak
Matris Malzemeleri
• Termoset:
– Epoksi (yüksek dayanım)
– Polyester (Genel amaçlı)
– Fenolik (Yüksek T, aşınma)
– Silikon (Elektrik izolasyon)
• Termoplastik
– Naylon 66 (yüksek süneklik)
– Polikarbonat (Yüksek tokluk)
– Polistrin (Yüksek süneklik)
Polimer Takviyeleri
En çok kullanılan takviye elemanı Camdır.
Diğer takviye elemanları
– Kevlar (Aramid) / Epoksi
– Kevlar / Polyester
– Grafit / Epoksi
– Grafit / Polyester
– Grafit / PE
– Grafit / PS
Kompozitler/Elyaflar
Elyaf Malzemeleri
• A-Cam (pencere camı)
• AR-Cam (Alkali dayanıklı)
• C-Cam (Kimyasal dayanıklı)
• E-Cam (Elektrik yalıtımı)
• S-Cam (Yüksek dayanım)
• Kevlar
• Grafit
A
B
A
Elyaf
Parçacık
Tabaka
Kırılma yüzeyi:
Liflerin gevrek
olarak kırıldığına
dikkat edin.
*
**
***
içinde
içinde
yapıda
göre
bulunması dayanımı yükseltir.
*Örneğin, metal matris
** Örneğin , polimer
***Lif şeklindedir.
Kevlar(Aramid) günümüzde zırh, sağlam halat yapımı, yanmadan
koruyucu giysi yapımında kullanılmaktadır. Kevlar çok yükse çekme
gerilimine dayanabilen liflerden oluşan ipliksi bir bir yapıdır.
Dokunabilir, kumaş haline getirilebilir, kesilebilir ve dikilebilir.
Özellikle çelik yelek, miğfer, paraşüt ipi, fiber veya data kabloları için
ek sağlamlık sağlar.
Kevların(Aramid) kimyasal yapısı
Karbon lifler, öncü malzeme(örneğin katran) adı verilen polimer
esaslı malzemedeki H,O,N gibi atomları bir dizi ısıl işlemle yakarak
kovalant bağlı çıplak karbon zincirlerinden oluşan lifler elde edilir.
Bimetal*
kapalı bir yerin sıcaklığını sabitlemek amacıyla
sıcaklık değişimlerini algılayan aygıt
*genleşme katsayılar farklı iki metalin üstüste yapıştırılması ile
yapılan ve genelde sıcaklık değişimlerindeki eğilmelerden
faydalanılarak termostat yapımında veya sıcaklık ölçer yapımında kullanılan parçalardır.
Bal peteği yapısı
Elyaf takviyeli kompozitlerin(ETK) mekanik özellikleri
Anizotropi
Malzemelerin mekanik özellikler açısından yöne
bağımlılık göstermesine “Anizotropi” adı verilir.
Mekanik özellikler her yönde aynı değildir.
Takviyenin,
– Uzun Elyaf
– Dokuma
olması durumunda
anizotropiye rastlanır.
Partikül, kırpık, veya keçe
olması durumunda
anizotropi azalır.
f: fiber(elyaf -lif)
m: matris(taşıyıcı gövde)
c: kompozit
yandaki
(Birim uzamalar eşit !)
SERİ*
*Seri bağlı dirençlerde eşdeğer direnç ifadesi gibi
Elyafa Paralel Yönde
Zorlama
Birim uzamalar eşit
Fc  Fm  Ff
c  m   f
 c Ac   m Am   f Af
Af
Am
c  m
 f
Ac
Ac
 c   mVm   f V f
Ec c  Em mVm  E f  f V f
Ec  EmVm  E f V f
X c  X mVm  X f V f
Eş gerilmeler
Elyafa Dik Yönde
Zorlama
c  m   f
Lc  Lm  L f
Lc Lm L f


Lc
Lc
Lc

Ec
 Vm
1
1
1
 Vm
Vf
Ec
Em
Ef
Xc 
 c   mVm   f V f

Em
Vf
Ec 

Ef
Em E f
Em f f  E f fm
XmX f
X mV f  X f Vm
Bu tür malzemelerin Elastiklik Modülü hesaplanırken Eş Uzama (n = +1) ve
Eş Gerilmede (n = -1) kullanılan eşitliklerin genelleştirilmiş hali
kullanılmaktadır:
Ekn = vm x Emn + ve x Een
Ara yüzey dayanımı
• Ara yüzey dayanımı, matris ile elyaf
arasındaki kuvvet iletimi açısından
çok önemlidir.
• Yüksek tokluklu (metal veya
polimer) matrise sahip
kompozitlerde ara yüzey
dayanımının yüksek olması istenir.
• Düşük toklukta matrise (seramik)
sahip kompozitlerde, çatlağın elyafa
iletimini engellemek için arayüzey
bağının zayıf olması istenir. Böylece
çatlak matristen elyafa geçemeden
arayüzeyde durdurulabilir veya farklı
yöne yönlendirilebilir.
Doğal elyaf takviyeli kompozitler
• Bu gruba ağaçlar girer.
– Yumuşak ağaçlar
• Sedir, köknar, çam, ladin
– Sert ağaçlar
• Dişbudak, kayın, ceviz, meşe, gürgen.
• Ağaçlarda;
–
–
–
–
Matris; protein esaslı ve yarı selülozikdir.
Elyaflar; sellüloz esaslıdır.
Anizotropik özellik gösterir.
Nem ve mikroorganizmalardan etkilenir bu nedenle
kullanmadan önce fırınlanması gerekir.
Parçacık Takviyeli Kompozitler
• Parçacıklar; seramik, metal, polimer matrislerin içerisine
katılarak kompozitler yapılır.
• Parçacıklar boyutlarına göre ince veya kaba taneli olabilirler.
• Parçacık boyutlarının aynı olmasına özen göstermek gerekir.
• Parçacıklar mekanik özelliklerin yanı sıra diğer nedenlerle
kullanılabilirler;
– Pigmentler,
– Gaz oluşturucu katışkılar
– Katılaşma geciktiriciler
– Katılaşma hızlandırıcılar
• Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla sert parçacıklar
katılabilir. Örneğin; metal matrisli malzemeler içine Mekanik
alaşımlandırma ile katılması. Bu işleme “dispersiyon
sertleşmesi” de denilir.
Ön gerilmeli
beton
Betonun
Basma altında
kırılması
XParçacık takviye durumunda
• İki uç durumu hesaba katma söz konusu :Eş gerilme (iso
stress) veya eş uzama (iso strain)
– n = 1  eş birim şekil değişimi
– n = -1  eş gerilme
– -1 < n < 1  aradaki değerler.
• Düşük modüllü matris, yüksek modüllü takviye  n  0
• Yüksek modüllü matris, düşük modüllü takviye  n  1/2
Ec n  E1nV1  Eh nVh
l: Düşük dayanımlı bileşen
h: Yüksek dayanımlı bileşen
n: Zorlanmaya bağlı üstel
Mekanik özellikler
• Kompozitin mekanik özelliklerinde; hacim oranları, zorlama yönü,
ara yüzey dayanımına, takviye ve matris malzemesi, takviyenin
geometrisi çok önemli.
Kompozitlerin mekanik özellikleri
– Takviyenin dayanımına
– Takviyenin geometrisine
– Takviyenin yoğunluğuna bağlıdır.
• Özgül dayanım ve Özgül modül değerleri de dikkate alınmalıdır.
Bu değerler;
Kompozitin yoğunluğu: c= vmm + vff
Vm = Matrisin hacimce oranı; Vf = Takviyenin hacimce oranı
m = Matrisin yoğunluğu; f = Takviyenin yoğunluğu
σs 
σç
ρ
Es 
E

Şeklinde bulunur. Kevlar veya karbon takviyeli epoksi
kompozitlerde yüksek değerler elde edilir.
5 kg Bor elyaf tek yönlü takviye olarak 8 kg Al matris içerisine katılacaktır. Bu durumda
Kompozitin yoğunluğu
Elyaflara paralel yönde elastiklik modülü
Elyaflara dik yönde elastiklik modülünü hesaplayınız.
(Hacimce oranı)
X c  X m Vm  X f V f
n
X c  X mVm  X f V f
n=1 ise; n= -1 ise
n
Xc 
n
XmX f
X mV f  X f Vm
• Epoksi matrisli kompozit %40 hacim oranında E-cam elyafla
takviye edilmektedir. Bu kompozitten yapılan 2 cm çapında çubuk
25 kN taşıyacağına göre elyafa gelen gerilme ne olacaktır.
(Ecam=10.5x106 psi, Eepoxy=0.4x106 psi)
Kuvvetin elyaf tarafından taşınma oranı)
Elyafın kompozit içindeki alanı