2008-2009 GÜZ YARIYILI MALZEME I Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine Giriş Malzemelerin İç Yapısı 06.10.2008 ÖĞRETİM ÜYELERİ ve KAYNAKLAR Yrd.Doç.Dr. Şeyda POLAT Yrd.Doç.Dr. Ömer YILDIZ Ders Kitabı : “Malzeme Bilimi I Ders Notlar ı” Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 2 İÇERİK Giriş Malzemelerin İç Yapısı Katıların Atomik Düzeni (Kristal Yapıları) Kafes Hataları Boşyerler Dislokasyonlar Arayüzeyler Plastik Deformasyon Mekanik Özellikler Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 3 GİRİŞ Malzeme Gereksinimi Bütün mühendislik bilim dalları malzeme ile yakından ilişkilidir. Mühendisler kullanacakları malzemeyi çok iyi tanımak ve geniş malzeme tayfı içinde mukavemet, iletkenlik, korozyon, ekonomiklik vb. kriterleri dikkate alarak se çim yapmak zorundadırlar. ÖRNEK : Otomobil çamurlukları – kolay şekillendirilebilmeli (düşük kuvvetler ile) ancak darbe halinde ezilmemelidir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 4 GİRİŞ Malzeme Gereksinimi (devamı) Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır. ÖRNEK : Teorisi 17. yy’da bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy’da yapılabilmiştir. Bunun nedeni yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayan ıklı malzeme gereksinimidir. Malzemelerin, mühendislerce istenen değişik özellikleri onların iç yapıları (mikro yapıları) ile ilişkilidir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 5 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi ; Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisini belirler. Malzeme Mühendisliği ; Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması, modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikimini sentezler ve uygular. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 6 Şekil 1.1. Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Çalışma Kapsamı Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 7 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı) Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır. A.B.D.’de geliştirilen istatistiksel bir bulguya g öre diğer tüm mühendislik alanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az bir saati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 8 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı) Bir mühendisin seçebileceği malzeme grupları temelde 3’e ayrılır (metaller, seramikler ve polimerler). Ayrıca iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozitler, tek bir malzemeden elde edilemeyen özellikleri sağlar. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 9 Şekil 1.2. Mühendislik malzeme gruplar ı Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 10 GİRİŞ Malzeme Özellikleri Malzeme seçimini etkileyen özellikler : Ekonomik fiyat, bulunabilirlik Mekanik çekme ve akma mukavemeti, elastisite modulü, tokluk, yorulma ve sürünme mukavemeti vb. Isıl ısıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım Optik geçirgenlik Elektriksel elektriksel iletkenlik Yüzey aşınma (abrazif, korozif) vb. Teknolojik işlenebilirlik, kaynaklanabilirlik vb. Estetik albeni Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 11 Tablo 1.1. Malzeme gruplarının ortalama fiyatlarının karşılaştırılması Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 12 Tablo 1.2. Değişik malzemelerin oda sıcaklığı elastisite modülü (E) ve termal genleşme katsayısı () değerleri Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 13 Tablo 1.3. Mühendislik malzemelerinin özeliklerinin karşılaştırılması Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 14 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller Madde : Boşlukta yer kaplayan (hacim) ve belli bir kütlesi olan her cisme madde denir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 15 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Saf Madde : Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz. Belirli bir bileşime sahiptir (Örnek : su, amonyak, altın, oksijen vb.). Karışım : İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak biraraya gelmesinden oluşur. Bileşimi sabit değildir (Örnek : hava, meyva suyu vb.). Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 16 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Homojen Karışım : Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynıdır (Örnek : şekerli su). Heterojen Karışım : Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir (Örnek : kum ve demir talaşı). Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 17 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Element : Kimyasal olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz. Temel birimi atom’dur. (Örnek : H,O) Bileşik : İki veya daha fazla elementin belirli oranda kimyasal olarak birleşmesinden oluşur. Temel birimi molekül’dür. (Örnek : H 2O) Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 18 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Elementlerin Periyodik Tablosu Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 19 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 20 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Atom : Elementin temel birimine atom denir. Tüm maddeler atom topluluklar ından oluşur. Tek bir elementten oluşmuş bir malzemede, malzemenin gösterdiği tüm kimyasal özellikler, atom’da da vardır. Atom, eski Yunanca’da bölünemez, parçalanamaz anlamına gelen “atoma” kelimesinden gelmektedir. 1850’lerde başlayan bir dizi araştırma atomların atomaltı parçacıklarından (elektron, proton, n ötron vb.) oluşan bir iç yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 21 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Molekül : Bileşiklerin temel birimine molek ül denir. Bileşiklerin kimyasal özelliklerini aksettiren en k üçük parça moleküldür. Molekül, Latince kitle anlamına gelen “molekula” kelimesinden gelmektedir. Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ise onu oluşturan atomların türünden çok, atomların dizilişine ve aralarındaki bağlara bağlıdır. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 22 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi Atomlar bir çekirdek ile onu çevreleyen “-” yüklü elektronlardan oluşur. Çekirdekte “+” yüklü protonlarla yüksüz nötronlar bulunur. Elekton bulutu Çekirdek Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 23 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Periyodik tabloda her atomun bir numaras ı vardır. z=Atom numarası Bu sayı çekirdekteki proton sayısıdır. Nötr bir atomda elektron sayısına da eşittir. A=Kütle numarası (veya Atom Kütlesi) Bu sayı proton sayısı ile nötron sayısının toplamına eşittir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 24 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Nötr bir atomda ; elektron sayısı = proton sayısı İyonlarda ise ; proton sayısı = SABİT elektron sayısına göre + veya - yüklü + yüklü iyon katyon - yüklü iyon anyon Örnek : Na (z = 11, A = 23) e p n Na atomu 11 11 12 Na+ iyonu 10 11 12 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 25 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) İzotop’ ta ; proton sayısı = SABİT nötron sayısı = DEĞİŞKEN (z aynı, A değişken) Örnek : Hidrojen’in izotopları İzotop e p Hidrojen ( 1H) 1 1 Döteryum ( 2H) 1 1 Trityum ( 3H) 1 1 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT n 0 1 2 z 1 1 1 A 1 2 3 26 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Atomun hacmını esas olarak elektronlar oluşturur. Atomun kütlesini ise çekirdek belirler. Atomaltı parçacıkların özellikleri : mp = mn = 2000 me Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 27 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Atomlar küçük kütlelere sahiptir. Bu nedenle atomların kütlesini belirlemek için “mol” kavramı geliştirilmiştir. 1 mol, 6.022045x10 23 parçacık içerir, bu sayı Avogadro Sayısı (NA) olarak bilinir. SI sisteminde 12 gram karbon -12 izotopu içindeki gerçek atom sayısı NA kadardır. 1 mol’de veya molar kütlede Avogadro sayısı kadar atom bulunur. 1 gram = 6.022045x10 23 akb (akb=atom kütle birimi) Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 28 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) ÖRNEK : Bir Al atomunun ağırlığı nedir ? Aluminyumun yoğunluğu 2.7 g/cm 3 olduğuna göre cm3’de kaç atom vardır ? Periyodik Tablodan Al için ; z=13, A=27 Bir atomun ağırlığı = 27 g/mol 6.02x1023 atom/mol = 4.48x10 -23 g/atom Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 29 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi ÖRNEK (devamı) : Bir cm3’de ki atom sayısı = (devamı) 2.7 g/cm 3 4.48x10-23 g/atom = 0.6x10 23 atom/cm 3 = 6.0x10 22 atom/cm 3 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 30 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı Elektronlar kuantum mekani ği kurallarına uyan parçacıklardır. 1.Kural : Elektron enerjisi kuantize olur, yani elektron yalnız belli enerji değerlerine sahip olabilir. Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedir ve belirli enerji d üzeyine sahiptir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 31 Enerji yayımına mekaniksel benzetişim. Top basamakların herhangi birinde durabilir ama aralarında duramaz. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 32 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) 2.Kural : Pauli ayırdedilebilirlik ilkesi Aynı enerji düzeyinde 2’den fazla elektron bulunamaz ve bu 2 elektron kar şıt dönmelere sahip olmalıdır. Bu nedenle bir atomda b ütün elektronlar aynı düşük enerji değerini alamazlar, elektronların 2’si hariç diğerleri daha yüksek enerji düzeylerinde bulunur. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 33 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Modern atom teorisine g öre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır. Bunlar ; n = Ana (baş) kuantum sayısı l = Alt (açısal momentum) kuantum say ısı ml = Manyetik kuantum say ısı ms = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 34 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Ana kuantum sayısı, n = 1 , 2 , 3, … gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomunda n’nin değeri orbital enerjisini belirler. Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; “n” ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve karasız olur. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 35 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denir. n’nin değeri K, L, M, N gibi kabuklara karşılıktır. Bir n sayısına sahip enerji kabuğunda en çok 2n2 adet elektron olabilir. n Kabuk e sayısı 1 K 2 2 L 8 3 M 18 4 N 32 5 O 50 6 P 72 7 Q 98 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 36 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Alt (açısal momentum) kuantum say ısı orbitalin şeklini anlatır, l’nin alabileceği değerler n’ye bağlıdır. Verilen bir n için l sıfır ile (n-1) arasındaki tam sayılar olabilir. Örneğin, n = 1 ise l = 0 n = 2 ise l = 0 , 1 n = 3 ise l = 0 , 1 , 2 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 37 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) l’nin değeri genellikle, s,p,d gibi harflerle gösterilir. l 0 1 2 3 4 5 Orbital ismi s p d f g h Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 38 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denildiğini öğrenmiştik. Aynı n ve l değerindeki bir veya daha fazla orbital ise altkabuk olarak adlandırılır. Örneğin, n = 2 kabuğu, iki altkabuktan ( l = 0 ve 1 ) oluşur. Bu altkabuklar 2s ve 2p altkabuklarıdır, burada 2 sayısı n değerini s ile p de l değerlerini işaret eder. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 39 Tablo 2.1. Enerji kabuklarının kuantum sayıları Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 40 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Manyetik kuantum sayısı bir orbitalin uzaydaki yönünü belirler. Bir altkabuk içinde, ml’nin değerleri açısal momentum kuantum say ısı olan l’e bağlıdır. Verilen bir l için, ( 2l + 1 ) adet ml olabilir ve bu sayılar aşağıdaki şekilde bulunur : -l , ………. 0, ………. +l Örneğin, l = 0 ise, m l = 0 l = 1 ise, m l = -1, 0, 1 l = 2 ise, m l = -2, -1, 0, 1, 2 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 41 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) ml ‘nin toplam sayısı, belirli bir l altkabuğunda bulunan orbitallerin sayısını verir. Örnek : n = 2 ve l = 1 durumunda, n ve l değerleri 2p altkabuğunu belirler ve bu altkabukta üç 2p orbitali vardır (çünkü, ml için -1, 0, 1 olmak üzere üç değer vardır). Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 42 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) l ml Orbital adedi 0 0 s (1 adet) 1 -1 , 0 , 1 p (3 adet) 2 -2 , -1 , 0 , 1 , 2 d (5 adet) 3 -3 , -2 , -1 , 0 , 1 , 2 , 3 f (7 adet) Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 43 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektromanyetik teoriye g öre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yarat ır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Elektronun dönmesini işin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır. Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½ değerlerini alır. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 44 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) n l ml Orbital sayısı Orbitallerin gösterilişi 1 0 0 1 1s 2 0 0 1 2s 2 1 -1 , 0 , 1 3 2px , 2py , 2pz 3 0 0 1 3s 3 1 -1 , 0 , 1 3 3px , 3py , 3pz 3 2 -2 , -1 , 0 , 1 , 2 5 3dxy , 3dyz , 3dxz , 3dz2 , 3dx2-y2 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 45 Hidrojen 1s, 2s ve 3s orbitallerinin sınır yüzeyleri. Bütün s orbitalleri küreseldir. Gene yaklaşık olarak, bir orbitalin büyüklüğü n2 ile orantılıdır (n, ana kuantum sayısı). s orbitallerinin alabileceği maksimum elektron say ısı 2’dir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 46 Üç tane 2p orbitalinin sınır yüzeyleri. Bu orbitallerin şekilleri ve enerjileri aynıdır ama yönleri farklıdır. Daha yüksek ana kuantum sayılı p orbitalleri de benzer şekillere sahiptirler. p orbitallerinin alabileceği maksimum elektron say ısı 6’dır. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 47 Beş 3d orbitalinin sınır yüzeyleri. Daha yüksek ana kuantum sayılı d orbitalleri de benzer şekillere sahiptirler. d orbitallerinin alabileceği maksimum elektron say ısı 10’dur. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 48 Elektronlar 1s’den başlayarak orbitalleri doldururlar. Elektronların orbitalleri doldurduğu ana düzen şöyledir : 7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s 7p 6p 5p 4p 3p 2p 7d 6d 5d 4d 3d 7f 6f 5f 4f Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 49 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Örnek : Atom numarası 25 olan elementin (Mn) elektronik düzenini gösteriniz. 1s22s22p63s23p64s23d5 Örnek : Atom numarası 70 olan elementin (Yb) elektronik düzenini gösteriniz. 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14 Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 50 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Kimyasal Reaktiflik : Atomların kimyasal reaktifliği dış kabuk (valens, değerlik) elektronlarına bağlıdır. s2p6 şeklindeki dış kabuk düzeni en kararlı olandır (oktet). Asal gazların elektronik düzeni He için s2 (dublet) ve diğerleri için s2p6 şeklindedir. s2 ve s2p6 dış kabuk düzenindeki elementler kimyasal reaksiyona girmezler. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 51 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektronegatiflik (Elektron ilgisi) : Bir atomun kendine elektron çekme derecesidir. Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyon) oluştururlar. Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon (katyon) haline gelirler. Elektronegatiflik kavram ı atomik bağların anlaşılmasına yardımcı olur. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 52 Elementlerin elektronegatiflik de ğerleri : Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 53 Elementlerin elektronegatiflik de ğerleri : Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 54 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Metal ve metal olmayan elementler elektronik yapı açısından aşağıdaki gibi özetlenebilir. Metaller Metal olmayanlar Dış kabuklarındaki elektron sayısı azdır (3 veya daha az). Dış kabuklarında 4 veya daha fazla elektron vard ır. Elektron vererek katyon oluştururlar. Elektron alarak anyon oluştururlar. Düşük elektronegatifliğe sahiptirler. Yüksek elektronegatifliğe sahiptirler. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 55 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri Atomlararası bağ kuvvetleri atomları bir arada tutarak iç yapıyı oluştururlar. Malzemenin fiziksel ve mekanik özellikleri bağ yapısına bağlıdır. Kuvvetli bağlar (iyonik, kovalent, metalsel), yüksek elastisite modulü, yüksek mukavemet, yüksek ergime sıcaklığı ve düşük ısıl genleşme verir. Zayıf bağlar ise elektriksel kutupla şma sonucu ortaya çıkar. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 56 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri (devamı) Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valens (değerlik) elektronları denir. Bunlar Coulomb çekim kanunlarına göre çekirdeğe en az kuvvetle bağlı olanlardır. Valens elektronları, bağ türlerini, atomlar arası uzaklığı, mekanik, elektriksel, kimyasal, ısıl, optik özellikleri belirler. Eğer element 8 valens elektronuna sahipse (s 2p6) kararlıdır, elektron alışverişi yapmaz. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 57 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri (devamı) İyonizasyon enerjisi : Bir atomun dış kabuğundan bir elektron uzaklaştırmak için sarf edilen enerjidir. Bağ enerjisi : Elektron alışverişi ile oluşan molekülden atom koparılması (yani ilgili bağın kırılması) için gereken enerjidir. Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 58 Tablo 2.2. Atomlararası bağlar Yrd.Doç.Dr.Şeyda POLAT 59