MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ ve İMALAT TEKNOLOJİSİ

MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ VE
İMALAT TEKNOLOJİSİ
MEHMET DEMİRKOL
1
Mühendislerin ana görevi insanların refah düzeyini geliştirmektir.
Bu görevlerini değişik araç/gereç ve donanımları tasarlayarak
yaparlar.
Tasarlanan bu araç/gereç ve donanımlar imal edilerek insanlığın
kullanımına sunulur.
Bunları imal ederken “MÜHENDİSLİK MALZEME” lerinden
yararlanılır.
Bu tür geliştirilen araç/gereç ve donanımların tasarımında malzeme
seçiminin özel bir önemi vardır.
Tasarım ne kadar iyi olursa olsun seçilerek kullanılan malzemenin
yetersiz özelliklere sahip olması durumunda imal edilen araç/gereç
ve donanımdan beklenen performans elde edilemez.
2
Kendinden beklenen özellikleri sağlamaları için uygulamalarda
kullanılan cisimlere malzeme adı verilmektedir.
Bu cisimler elementlerden oluşurlar. Elementler ise kimyasal olarak
daha fazla bölünemeyen veya ayrışamayan en basit maddeler
(atomlar) olarak tanımlanmaktadır.
Malzemeler tek bir element atomlarından (saf) oluşabileceği gibi
birden fazla elementin atomlarının bir araya gelmesiyle de (alaşım,
bileşik vb.) oluşabilir.
Makine Mühendisliği uygulamalarında kullanılan ana malzemeler:
Metaller (Demir, çelik, alüminyum, bakır, titanyum vb.)
Seramikler (Camlar, deniz tuzu, tuğla, kiremit, Alümina, Sialon)
Polimerler (plastikler, naylon, teflon, polyester, lastik vb.)
Bunların yanı sıra iki veya daha fazla ana malzemenin bir araya
getirilerek geliştirilmiş kompozit (karma) malzemeler (CTP, karbon
takviyeli epoksi, otomobil lastiği vb.) bulunmaktadır.
3
Malzemeleri oluşturan atomları bir arada tutabilmek için atomsal
bağlara ihtiyaç vardır.
i. Kuvvetli Bağlar (enerji sırasına göre):
İyonik (Elektron transferi)
Kovalent (Valans elektronunu ortak kullanma)
Metalsel (Valans elektronlarının bulut etkisi)
ii. İkincil veya Zayıf Bağ:
Van der Waals (molekül zincirlerindeki yük farkı)
Kovalent
Yarı iletkenler
Polimerler
İkincil
Metalsel
Metaller
İyonik
Camlar ve Seramikler
4
Katı malzemelerde atomlar:
Düzenli (Kristal-Sıralı ve 3D Düzende) veya
Düzensiz (Amorf-Rastgele konumlanmış) Yapılarda bulunurlar.
Örneğin metaller ve bazı seramikler kristal yapıya sahipken camlar
(bir tür seramik) ve polimer malzemeler amorf yapıya sahiptirler.
Malzeme Biliminde Sıkça Kullanılan Bazı Önemli Kavramlar:
Alaşım: Metal elemente ilave edilen metal ve/veya ametal
elementlerin oluşturduğu malzemeler (Bronz; Cu-Sn alaşımı)
Bileşik: İki veya daha fazla element atomunun bir arada bulunduğu
malzemeler (NaCl, MgO vb.),
Karışım: İki veya daha fazla maddenin mekanik etkiyle bir arada
bulunduğu malzemeler (kompozitler vb.)
5
Özgül Ağırlık: Cismin birim hacımdaki ağırlığıdır.
Ergime: Katı halden sıvı hale geçmeye ergime denir. Katı haldeki
bağların kopmasıyla gerçekleşir. Yüksek bağ enerjili malzemelerde
ergime geç olur.
Isıl Genleşme: Malzemelerin sıcaklık değişimiyle beraber boylarının
uzaması veya kısalmasıdır. Yüksek bağ enerjili malzemelerde ısıl
genleşme daha düşüktür.
Dayanım: Malzemelerin kopmaya karşı gösterdikleri dirençtir. Bağ
kuvveti belirleyicidir.
Süneklik: Malzemelerin kırılmadan plastik (kalıcı) şekil alabilme
kabiliyetidir.
Tokluk: Malzemelerin ani ve gevrek kırılmaya karşı gösterdikleri
dirençtir.
6
Elastiklik Modülü: Malzemelerin elastik zorlanma altındaki
uzayabilme özelliğidir. (Lastik çok düşük, metal yüksek)
Elektrik İletkenliği: Malzemelerin bir elektriksel alan etkisinde
elektron hareketlerini yapabilme kabiliyetidir. Yapıda serbest
elektron bulunması gereklidir. (Metallerde iyi,seramikler de kötüyalıtkanlık)
Isıl İletkenlik: Isıl enerjinin malzemelerde serbest elektron hareketi
ve atomların ısıl titreşimleri ile iletilmesidir. (Metallerde iyi,seramikler
de kötü-yalıtkanlık)
Korozyon: Malzemelerin kimyasal ortamdan etkilenerek yitirilmesidir.
Elektron alış-verişi ile gerçekleşir. (Korozyon direnci Metallerde kötü,
seramik ve polimerlerde iyi)
Optik Özellikler: Işığı geçirme kabiliyeti. Opak olmayanlarda iyidir.
7
METALLER
Malzeme
Örnekleri
Dökme demir,
çelik,
pirinç,
bronz,
Al-alaşımları,
Ti Alaşımları,
vb.
Belirgin
Özellikleri
Yüksek elektrik ve ısıl
iletkenlik
Özelliklerin
Nedeni
Hareketli serbest
elektronlar
Düşük korozyon direnci
Elektron verme eğilimleri
Yüksek Süneklik
Serbest elektron bulutu
Yüksek yoğunluk
Atomların sıkı
paketlenmesi
Yüksek ergime sıcaklığı
Yüksek bağ enerjisi
Işığı yansıtma (veya
geçirmeme)
Elektron bulutu engeli
8
SERAMİKLER
Malzeme
Örnekleri
Belirgin
Özellikleri
Yüksek sertlik ve
Camlar,
kırılganlık
Kiremit, Lavabo, Yüksek korozyon
Alümina (Al2O3) direnci
NaCl, KCl, MgO, Düşük elektrik ve ısıl
Sialon,
iletkenlik
vb.
Yüksek ergime
sıcaklığı
Düşük yoğunluk
Özelliklerin
Nedeni
Kuvvetli ve rijit
atomsal bağlar
Elektron alış verişi
olmaması
Serbest elektron
hareketi olmayışı
Bağ enerjilerinin
yüksek olması
Ametal elementlerin
hafif olması
9
POLİMERLER
Malzeme
Örnekleri
Plastikler,
PVC, Naylon,
Teflon, Epoksi,
Polyester,
Kauçuk, Lastik
vb.
Belirgin
Özellikleri
Düşük elektrik ve
ısıl iletkenlik
Yüksek korozyon
direnci
Düşük ergime
sıcaklığı
Düşük yoğunluk
Özelliklerin
Nedeni
Serbest elektron hareketi
olmaması
Elektron alış verişinin
olmaması
Bağ enerjisinin düşük
olması
Amorf yapı dolayısıyla sıkı
olmayan paketlenme
Bazılarında düşük
Molekül zincirlerinin
dayanım ve
viskoz akış özelliği
yüksek süneklik
10
Makine ve İmalat Mühendisliği Uygulamalarında Dikkate Alınması
Gereken Bazı Önemli Malzeme Özellikleri
1. Çekme Özellikleri (dayanımı, süneklik, şekillendirilebilme)
2. Sertlik Özellikleri (Bir nevi dayanım)
3. Darbe Özellikleri (Ani yüklemelerdeki davranış)
4. Kırılma Özellikleri (Çatlak veya bir süreksizlik içermesi
durumunda ani kırılmaya olan eğilim, tokluk)
5. Yorulma Özellikleri (Tekrarlı zorlamalar altındaki davranış)
6. Sürünme ve Gevşeme Özellikleri (Yüksek sıcaklıklardaki davranış)
7. Aşınma Özellikleri (Sürtünmede aşınma davranışı)
8. Korozyon Özellikleri (Korozif ortamda davranış)
9. Özgül Ağırlık (Hafiflik, özgül dayanım)
________________________________________
10. (FİYAT, BULUNABİLİRLİK ????)
11
Malzeme Bilgisi konusuyla makine ve imalat mühendisleri iki
aşamada ilgilenir:
a. Tasarım aşamasında uygun malzeme seçmede,
b. Tasarlanan ürünlerin imalatı aşamasında.
Mekanik Tasarımda Ana Yaklaşım:
1.Parçanın hangi şartlarda, nasıl bir zorlanma altında
kalacağı sayısal olarak belirlenir. (Gerilme, sıcaklık, tekrarlı
zorlanma, darbeli zorlanma, korozif ortamda çalışma vb.)
2.Seçilecek malzemenin aynı şartlar altında sağlayacağı
özellikleri (bir anlamda dayanımı) ile karşılaştırma yapılır.
3. Zorlanma seviyesinin malzemenin o şartlardaki dayanımından
daha düşük olması şartı aranır.
4. Gerekirse bunun sağlanması için tasarımda bazı geometrik
değişiklikler yapılır ya da yapılabiliyorsa performans özelliği
daha iyi olan bir diğer malzeme alternatifi aranır.
12
Sonuçta:
Parçaya Uygulanan Zorlanma Miktarı
<
Malzemenin Aynı Zorlanmaya Karşı Dayanım Özelliği
Şartı sağlanmalıdır.
Örnek:
Yorulma sırasında parçada oluşan tekrarlı gerilmenin malzemenin
yorulma dayanımından daha düşük olması tasarım tarafından
sağlandığında parçanın ileride yorulma hasarına uğramaması
gerçekleştirilmiş olur.
Literatürde, malzeme seçimine yardımcı olacak bir takım gereçler
vardır. Bunların en önemlilerinden biri ASHBY tarafından geliştirilen
“Malzeme Seçim Diyagramları”dır.
13
ASHBY “Dayanım-Yoğunluk” Malzeme Seçim Diyagramı
14
METALLER için detay
SERAMİKLER için detay
15
ASHBY “Dayanım-Süneklik (Şekillendirilebilirlik)” Malzeme Seçim Diyagramı
16
ASHBY “Dayanım-Maliyet” Malzeme Seçim Diyagramı
17
Malzemelerin mekanik özellikleri sahip oldukları kimyasal bileşim
ve içyapıya bağlı olarak değişir. Diğer bir deyişle içyapıyı istenen
özelliklere sahip olacak şekilde değiştirebilmek endüstride
kullanılan çoğu mühendislik malzemesi için mümkündür.
Bu amaçla malzemelere bazı mekanik işlemler, termo-mekanik
işlemler ve ısıl işlemler uygulanabilir. Sonuç olarak bu işlemleri
bilen mühendisler malzemenin içyapısına bir anlamda
hükmedebilirler ve istenilen özellikleri elde edebilirler.
Örnek:
Çelik yüksek sıcaklılara çıkarılıp hızla soğutulduğunda içyapı
değişerek sert ve gevrek özelliklere sahip olması, aynı şekilde
sertleştirilmiş bir çeliğin yüksek sıcaklıkta tavlanıp yavaş
soğutulduğunda içyapının değişerek yumuşak ve sünek özellik
kazanması…
18
Dolayısıyla imalat aşamasındaki ve sonrasındaki malzeme
özellikleriyle oynayabilmek ve amacımıza uygun olarak
değiştirebilmek bir imalat mühendisinin veya makine
mühendisinin en önemli uğraşlarından birisidir.
Çünkü ulusal istatistikler makine mühendislerinin en az
YARISININ sanayide imalat işleriyle uğraştığını ortaya
koymaktadır!!!
Makine+İmalat Mühendisliği – Malzeme Bilgisi - İmalat Bilgisi
ilişkisine
Otomobil Gövdesinin Tasarım ve İmalatından
Bir örnek;
19
Dayanım/ağırlık oranı?
Şekillendirilebilme?
Performans Çarpışma dayanımı?
Fiyat Oranı Maliyet?
A) Kimyasal Bileşim?
Fe-Esaslı?
Al-Esaslı?
Hangi alaşım elementi?
C) İşleme ve Birleştirme (İMALAT)
Hangi çelik imalat yöntemi?
Hangi şekillendirme yöntemleri?
Hangi birleştirme ve bitirme
İşlemleri?
B) Mikroyapı (İçyapı)
Süneklik ve dayanım için hangi yapı?
Hangi dayanım arttırıcı mekanizma?
Isıl işlem?
Otomobil Şasisi için Malzeme ve İmalat Yöntemi Seçimi
20
İMALAT (manufacturing) kelimesi Latince manus (el) ve factus (yapım)
kelimelerinden türemiştir. Kısaca tasarlanan bir objeyi nesnel olarak
meydana getirme, bir anlamda yaratma, ortaya koyma işlemidir.
Teknolojik Açıdan İmalat:
Malzemelerin geometrisini, özelliklerini ve görünüşünü değiştirerek
parça ve ürün elde edebilmek için fiziksel ve kimyasal yöntemlerden
yararlanmaktır. İmalat montaj sürecini de kapsar ve birbirini takip
eden ardışık operasyonları içerir.
21
Ekonomik açıdan imalat:
Şeklini ve özelliklerini değiştirerek malzemelere artı değer katmak
olarak tanımlanır.
22
İmalat Yöntemlerini seçme ve uygulama aşamasında ciddi
malzeme bilgisine ihtiyaç var (özellikle “bileşim-iç yapı-özellik”
ilişkilerini yorumlayabilme açısından)…
Malzemelerin Önemli İmalat Özellikleri:
• Dayanım, Sertlik
• Şekillendirilebilirlik, süneklik
• Kaynakla Birleştirme Kabiliyeti
• İşlenebilirlik (talaş kaldırma kabiliyeti), kesme dayanımı
• Dökülebilirlik, ergime sıcaklığı, Akışkanlık
• Isıl iletkenlik, ısıl şoka karşı dayanım
• Kimyasal Bileşim, korozyon
• Elektriksel ve Kimyasal Özellikler…
İMALAT YÖNTEMLERİ???
23
24
Makine Mühendisliği öğrencilerinin
Tasarım ve
İmalat
Sorunlarını çözmek için ihtiyaç duyacağı malzeme bilgileri:
• MAL 201 Malzeme Bilgisi
• MAK214E Engineering Materials
• MAK 351 İmal Usulleri ve
• 4. Sınıfta alacağı seçim dersleri (örneğin MAK 358 Malzeme
Seçimi gibi) ile kazanılacak…
25
İmalat Mühendisliği öğrencilerinin
Tasarım ve özellikle
İmalat aşamasında
Karşılaşacağı sorunlarını çözmek için ihtiyaç duyacağı malzeme
bilgileri:
• MAL 201 Malzeme Bilgisi
• İML 213E Manufacturing Properties of Materials
• İML 212 ve 313 İmal Usulleri ve
• 4. Sınıfta alacağı seçim dersleri (örneğin İML 466 Kompozit
Malzeme Teknolojisi gibi) ile kazanılacak…
26
Makine Fakültesindeki
Eğitim/Öğretim Hayatınızda
Başarılar…
Sorunuz???
27