Slayt 1 - Ninova

Mühendislikte niçin ve nasıl
Malzeme bilimi öğreniyoruz?
(Kısa sunuş)
Prof.Dr.Barlas Eryürek
Niçin?
Mühendis,belirli çevre şartları
altında(Basınç,sıcaklık,korozif
ortam, aşındırıcı şartlar) bir
fonksiyonu yerine getiren sistemleri
tasarlayan ve imal eden kişidir.
Sistem ?
İnşaat mühendisliğinde :Bina,
köprü, yol, vb
Makina mühendisliğinde:Makinalar
Tasarım aşamasında
mühendis sisteme ait şekli,
bu şekli oluşturacak
malzemeyi ,malzemeye bu
şekli verecek imal usulünü
seçer ve malzemenin çalışma
şartlarındaki yükler altında
hasara uğramayacak şekilde
boyutlandırma hesabını
yapar.
MÜHENDİS TASARIM SIRASINDA MALZEME SEÇERKEN ŞU
SORULARI SORAR:
1.Seçtiğim malzeme çalışma koşullarında
hasara uğramadan çalışabilir mi?
1.1.Sıcaklık (düşük, yüksek, normal)
1.2.Korozyon
1.3.Aşınma
2.Seçtiğim malzeme sitemdeki yüklere
dayanabilir mi?
2.1.Durağan yük
2.2.Zamanla değişen yük
2.3.Darbeli yük
3.Seçtiğim malzemeye seçtiğim imal usulü
uygun mu?(Orta karbonlu çelik-Kaynak)
Bu sorulara cevap verebilmek
için malzemelerin çalışma
şartlarına ve yüklere
nasıl cevap verdiğini
bilmem gerekir.
Bu cevabı malzeme özellikleri belirler:
Malzeme özellikleri neye bağlı olarak
değişir?
1.Malzemenin atom yapısına bağlı
olarak(Kristal yapı,amorf yapı)
2.Malzemenin mikro yapısına bağlı
olarak(Mikroskop altında seçilebilen yapı,
katı faz yapısı)
3.Malzemenin imalat yöntemine bağlı
olarak(Yani malzemenin istenen şekle hangi
yöntemle getirildiğine bağlı olarak (Dövme,
Haddeleme, Döküm, Kaynak,vb.)
Örnek: Bir ‘Kaynak’ İçyapısı
Adapted from Fig. K,
color inset pages of
Callister 5e.
(Fig. K is courtesy of
Paul E. Danielson,
Teledyne Wah Chang
Albany)
1 mm
• Nb-Hf-W plate with an electron beam weld.
• Each "grain" is a single crystal.
• If grains are randomly oriented,
Isotropic
overall component properties are not directional.
• Grain sizes typically range from 1 nm to 2 cm
(i.e., from a few to millions of atomic layers).
7
Örnek: Çeliğin Haddelenmesi

Hadde öncesi: h1, L1




Düşük çekme mukavemeti
Düşük Akma mukavemeti
Yüksek süneklik
Eşeksenli taneler

Hadde sonrası: h2, L2




Yüksek çekme mukavemeti
Yüksek akma mukavemeti
Düşük süneklik
Uzamış taneler
İçyapı, mekanik özellikleri belirler, ancak imalat
yöntemi içyapıyı belirler!
İmal Usulleri- I
Şekil Verme
Birleştirme
Döküm
• Dövme
• Haddeleme (Sıcak veya Soğuk)
(somun anahtarları, krank milleri)
force
(I-proliller, raylar, sac ve levhalar)
roll
die
A o blank
A d Çoğunlukla
Yüksek
Sıcaklakta
• Tel Çekme
force
Ao
kalıp
Ad
roll
• Ekstrüzyon
(çubuklar, teller, tüpler)
kalıp
Ao
Adapted from
Fig. 11.8,
Callister 7e.
(çubuklar, profiller, tüpler)
Ao
Çekme
Kuvveti
Ad
kuvvet
kovan
piston takoz
extrusion
Ad
kalıp
Sünek metaller, Örn Cu, Al (sıcak)9
kovan
İmal Usulleri - II
Şekillendirme
Döküm
Birleştirme
Kum kalıba döküm
(Büyük parçalar: Örnek
otomobil motor blokları)
• 1600ºC den yüksek sıcaklıklara ne
dayanır?
• Ucuz, kalıplanması kolay: => kum!!!
Sand
Sand
• İstenilen model etrafını kum ile kaplarız !
molten metal
10
İmal Usulleri - III
Şekillendirme
Birleştirme
Döküm
• Toz metalürjisi
• Kaynak
pressure
filler metal (melted)
base metal (melted)
fused base metal
heat
area
contact
densify
unaffected
piece 1
heat affected zone
unaffected
Adapted from Fig.
piece 2
11.9, Callister 7e.
• Heat affected zone:
point contact
at low T
densification
by diffusion at
higher T
(region in which the
microstructure has been
changed).
(Fig. 11.9 from Iron
Castings
Handbook, C.F.
Walton and T.J.
Opar (Ed.), 1981.)
11
Endüstride mühendisin çeşitli ihtiyaçlarına cevap
vermek üzere çok sayıda standart malzeme
üretilmiştir.Bu malzemeler genel özelliklerine bağlı
olarak kabaca sınıflara ayrılır:
1)Metal ve alaşımları
2)Seramikler
3)Plastikler
4)Kompozitler
Her bir sınıf müşterek bazı özelliklere sahiptir.
Bu özellikleri sıralarsak:
Metaller
Mühendislikte kullanılan malzemelerin
önemli bir kısmını metaller ve bunların
alaşımları teşkil eder.Karakteristik özellikleri:
1.Kristal yapıdadırlar.
2.Mukavemetleri yüksektir.
3.Kolay şekillendirilebilirler.
4.Kırılgan değildirler.Yani toklukları yüksektir.
5.Basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerine
(bazı özel haller dışında) yaklaşık olarak eşittir.
6.Korozyona dirençleri genellikle düşüktür.
7.Yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptirler.
8.Opaktırlar(X saydam) yani ışığı geçirmezler.Ancak
yüzeyleri metal parlaklığına sahiptir.
Metaller iki esas gurupta ele alınır:
1.Demir esaslı metal ve alaşımları:
1.1.Çelikler
1.2.Dökme demirler
2.Demir dışı metal ve alaşımları:
Alüminyum,Magnezyum, Bakır
Titanyum,Nikel,Krom ,Çinko ve alaşımları
Seramikler ve camlar
Seramikler
Seramikler, metal + metal olmayan bir
elementten (C, N, O veya S) oluşmaktadır.
Örnek: Alüminyum (Al) bir metaldir.Bunun
oksidi ise, Al2O3 (Alumina) bir seramiktir.
Al kolay şekillendirilebilir bir malzeme
olmasına karşın Al2O3 yani oksidi kırılgandır,
kolay şekillendirilemez.
Seramiklerin karakteristik özellikleri
1.Mukavemetleri yüksektir.Ancak,
gevrek (kırılgan) malzemelerdir yani
toklukları düşüktür.
2.Erime sıcaklıkları yüksektir.Bu nedenle ısıya
dayanıklı (refrakter) malzeme olarak
soba, ocak ve fırınlarda kullanılırlar.
3.Bir çok ortamda kimyasal olarak kararlıdırlar,
yani ortamla kimyasal reaksiyona girmezler,
korozyona uğramazlar.
4.Çekme mukavemetleri düşük, basma
mukavemetleri yüksektir (Bu genellikle gevrek
malzemelere özgü bir özelliktir).
Seramikle cam arasındaki fark nedir?
Örneğin, silikatlar grubundan olan SiO2 ,kristal
yapıya sahipse, seramik,eğer amorf yapıya
sahipse cam adını alır.Cam ile seramikler
arasındaki temel fark seramiklerin kristal
yapıya ,camların amorf yapıya sahip
olmalarıdır.
Malzemelerin yapıları,atomların bağ kuvvetleri
İle bir araya gelerek uzayda dizilmeleri sonucu
oluşur.Bu diziliş düzenli ise kristal, düzensiz
ise amorf olarak adlandırılır.
Camlar
Camların büyük bir kısmı silikatlardan
oluşmaktadır.Ancak bileşimlerinde başka
oksitler de bulunmaktadır.
Örneğin,pencere camında
%72 oranında SiO2 yanı sıra,Na2O
ve CaO gibi oksitler de bulunmaktadır.Bunlar
camın yumuşama ve erime sıcaklığını
düşürmek, böylece şekillendirilmelerini
kolaylaştırmak için katılır.
Farklı bileşimde camlar vardır.Örneğin,
pencere camı ve gözlük camının bileşimleri
farklıdır.
Camların karakteristik özellikleri
1.Gevrektirler(Kırılgan).
2.Çekme mukavemetleri düşük ,basma
mukavemetleri yüksektir.
3.Kimyasal tarafsızlık(inert) gibi özelliğe
sahiptir.
4.Saydam( x opak) türleri vardır.Örn. Pencere
camı.
5.Seramiklerden farklı olarak(katkıla
sayesinde) yüksek olmayan sıcaklıklarda
yumuşatılarak veya eritilerek şekillendirilebilirler.
Polimerler(plastikler)
Sıkça karşılaşılan malzeme grubudur.
Petrol türevi ürünlerden elde edilir.
Yapılarında C,H,N,O,S bulunur.
Bu malzemelerin yapısı “Mer”lerin
birleşerek uzun bir zincir oluşturması(Polimer),bu zincirlerin birbirlerine zayıf ikincil
bağlar veya kuvvetli çapraz bağlar ile
bağlanması sonucu oluşur.
“Mer” bir hidrokarbon molekülü ,örneğin
C2H4 (etilen) olabilir.Bunların birleşmesi
sonucu “Polietilen” adlı polimer ortaya
çıkar.
Polimer yapılarında bulunan elementler
çok çeşitli değildir.Birçok önemli polimer
hidrojen ve karbon esaslıdır.Diğerleri
oksijen(akrilikler), azot(naylonlar) ve
silisyum(silikonlar) içerirler.
Polimerlerin karakteristik özellikleri:
1.Sünek(Xgevrek), hafif ve ucuz
malzemelerdir.
2.Yapılarındaki bağların karakteri
nedeniyle mukavemetleri düşüktür.
3.İkincil bağlar içeren türleri kolay
şekillendirilebilirler, düşük sıcaklıkta
yumuşarlar ve erirler.
4.Elektriksel olarak yalıtkandırlar.
Kompozitler(Karma Malzemeler)
Yukarda verilen üç gruba giren, iki veya daha
çok malzemenin, makro düzeyde yan yana
getirilmesiyle, bu malzemelerin üstün
özelliklerini aynı malzemede toplayan veya
yepyeni bir özellik ortaya çıkaran
malzemeleri oluşturmak mümkündür.Bunlara
kompozit adı verilir.
Aynı gruba giren iki malzeme ,örneğin iki
farklı metal de bir araya getirilerek kompozit
oluşturabilir:Metal saçlar, üzerlerine başka
metal kaplanarak korozyona karşı korunurlar.
Kompozitler, metal alaşımlarından farklıdır.
Alaşımlama mikro düzeydedir.Kompozitte
ise, farklı malzemeler birbirlerinin içinde
çözünmezler;tabaka, lif veya parçacık
halinde makro düzeyde birlikte bulunurlar.
Örnekler
- CTP(cam takviyeli plastik):Plastik
malzeme cam lifleri ile takviye edilerek
,mukavemet ve rijitlik kazandırılır
(fiberglas).
-Beton:İçinde , kum,çakıl taşları çimento,
vb. vardır.
-Ahşap:Doğal bir kompozittir.
Yapı özellik ilişkileri
Değişik malzemelerin kendilerine özgü
özellik ve davranışlarını anlamak için,
bunların atomsal ölçekteki yapılarını ve
mikroyapılarını tanımak çok
önemlidir.Bu sayede her malzeme
grubuna ait karakteristik özelliklerin ya
atomsal ve/veya mikroskopik
ölçekteki(mikroyapı) yapısal özellik
veya mekanizmalardan kaynaklandığı
görülecektir.
ÖRNEK 1
Alüminyum sünek(Kalıcı şekil
değiştirebilir), magnezyum gevrek
(kırılgan) özellik gösterir.Neden?
Kalıcı şekil değiştirme, kristal yapılı
malzemelerde kayma ile oluşur.Kristalde
kayma sistemi sayısı ne kadar fazla ise
kristal o kadar kolay kayar,yani kalıcı
şekil değiştirebilir.
Alüminyumun kayma sistemi sayısı 12
iken magnezyumun kayma sistemi sayısı
3 tür.Bu nedenle magnezyum kolay şekil
değiştiremez, yani kırılgandır.
Şekil 1-18: Kristal yapıların
karşılaştırılması: (a) Aluminyum, (b)
magnezyum.
Şekil 1-20: Çekme deneyin
sonuçlarına dayanan Mekanik
davranışları açısından
karşılaştırılması: (a) Aluminyum,
(b) magnezyum.
(İç yapının bir sonucu olarak..)
Aluminyumda 12 adet yüksek
yoğunluklu düzlem / doğrultu
kombinasyonu varken magnezyumda
sadece 3 tanedir..
ÖRNEK 2
Saydam seramikler nasıl oluşur?
Seramikler genellikle kristal yapılı tozların,
yüksek sıcaklıkta pişirilmesiyle elde edilir.
Burada amaç, yapıyı gözeneksiz hale
getirmektir( bu ayrıca yüksek mukavemetli
bir yapı da sağlar). Ancak tam anlamıyla
gözeneksiz bir yapı elde edilemez.Malzeme
içine gönderilen ışık demeti bu
gözeneklerde saçılacağından malzeme
saydam değildir(Sadece %0,3 gözenek
bulunması bile malzemeyi opak yapar)
Seramiklerin optik özelliklerini ‘içyapı’ belirler
MAE 224: ENGINEERING MATERIALS
SINGLE
CRYSTAL
POLYCRYSTAL
POLYCRYSTAL
+ PORES
Alumina (Al2O3) – tek kristal ve polikristal
İçyapı, katılaşma imalat sürecinin bir sonucudur
1.Introduction
19
Uygun katkılar ile bu gözeneklerin
giderilmesi mümkün olmuş ve saydam
seramikler elde edilmiştir.Böylelikle 1000o C
sıcaklıklara çıkan sodyum lambaları imal
edilebilmiştir(Şekil).
Seramik
Opak
Gözenek içeriyor
Al2O3 (Alumina)
Saydam
Gözeneksiz yapı
Saydam alumina (içinde sodyum buharı var)
Cam tüp
Malzeme seçimi
Bir uygulama için gerekli malzemeyi çok
sayıda malzeme arasından nasıl seçeceğiz?
1.Kullanılacak malzeme hangi gruptan
olmalıdır(metal,seramik, plastik,kompozit )?
2.Belirli bir grupta karar kılındıktan sonra
bu grup içindeki en uygun malzeme
seçilmeli.
ÖRNEK
İçinde 14 Mpa basınçta gaz bulunacak bir
gaz tüpü için malzeme seçimi:
Böyle bir seçimde malzemeden ne tür
özellikler beklediğimizi sıralamamız
gerekir:
1.Tüpün içinde yüksek basınç var.;malzeme
mukavemetli olmalı.Bu şartı metaller,
seramikler ve kompozitler sağlayabilir.
2.Tüp darbelere karşı dirençli olmalı yani
kırılgan olmamalı (Sünek olmalı).Seramik
malzeme bu şartı sağlamaz, metal veya
kompozit kullanılmalı.
3.Malzemenin maliyeti makul düzeyde olmalı
(Aksi takdirde rakiplerinizle rekabet
edemezsiniz). Kompozitler pahalıdır.Bu
nedenle metal tercih edilmeli.
Mukavemet, süneklik ve maliyet açısından en uygun
malzeme grubu:Metaller
Aynı gaz tüpü uçakta kullanılacaksa durum
değişir mi ?
Evet.Çünkü uçakta mukavemet ve
süneklikle birlikte hafiflik istenir.
Mukavemet ve süneklik bakımından tercih
edilen malzeme gruplari yine metaller ve
kompozitler olur.Ancak kompozitler
metallerden daha hafif olduğu için bu defa
seçim kompozit malzeme grubudur.
Şekil 1-27: Havacılıkta endüstrisinde
doğru malzeme sistemini seçmek için
izlenecek yol.
Şekil 1-27: Havacılıkta yüksek basınç
kap malzemesi olarak Doğru kompozit
sistemini seçmek için izlenecek yol.
Şekil 1-28: Bu amaç için aramit
filamentlerden imal edilen
tanklar.
Kompozit malzeme grubu en uygun seçim.
Niçin sorusunun cevabı:Tasarımda uygun
bir malzeme seçimi yapabilmenizi
sağlamak için
Nasıl sorusunun cevabı:Atom yapısından
başlayarak malzemelerin yapılarını ve yapıözellik ilişkilerini açıklamaya yönelik bir
ders olarak “Malzeme Bilimi” dersini
okutuyoruz.