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.)

7 Nb-Hf-W plate with an electron beam weld. Each "grain" is a single crystal. If grains are randomly oriented, 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). Adapted from Fig. K, color inset pages of Callister 5e. (Fig. K is courtesy of Paul E. Danielson, Teledyne Wah Chang Albany) 1 mm Örnek: Bir ‘Kaynak’ İçyapısı Isotropic

Örnek: Çeliğin Haddelenmesi Hadde öncesi: h 1, L 1 Düşük çekme mukavemeti Düşük Akma mukavemeti Yüksek süneklik Eşeksenli taneler Hadde sonrası: h 2, L 2 Yüksek çekme mukavemeti Yüksek akma mukavemeti Düşük süneklik Uzamış taneler İçyapı, mekanik özellikleri belirler, ancak imalat yöntemi içyapıyı belirler!

9 Şekil Verme roll A o A d Haddeleme (Sıcak veya Soğuk) (I-proliller, raylar, sac ve levhalar) A o A d force die blank force Dövme (somun anahtarları, krank milleri) Çoğunlukla Yüksek Sıcaklakta Adapted from Fig. 11.8, Callister 7e. İmal Usulleri- I piston takoz kovan kuvvet kalıp A o A d extrusion Ekstrüzyon (çubuklar, profiller, tüpler) Sünek metaller, Örn Cu, Al (sıcak) Çekme Kuvveti A o A d kalıp Tel Çekme (çubuklar, teller, tüpler) DökümBirleştirme

10 Kum kalıba döküm (Büyük parçalar: Örnek otomobil motor blokları) İmal Usulleri - II 1600ºC den yüksek sıcaklıklara ne dayanır? Ucuz, kalıplanması kolay: => kum!!! İstenilen model etrafını kum ile kaplarız ! Sand molten metal ŞekillendirmeDökümBirleştirme

11 DökümBirleştirme İmal Usulleri - III Toz metalürjisi pressure heat point contact at low T densification by diffusion at higher T area contact densify Kaynak Heat affected zone: (region in which the microstructure has been changed). Adapted from Fig. 11.9, Callister 7e. (Fig from Iron Castings Handbook, C.F. Walton and T.J. Opar (Ed.), 1981.) piece 1piece 2 fused base metal filler metal (melted) base metal (melted) unaffected heat affected zone Şekillendirme

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, Al 2 O 3 (Alumina) bir seramiktir. Al kolay şekillendirilebilir bir malzeme olmasına karşın Al 2 O 3 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 SiO 2,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 SiO 2 yanı sıra,Na 2 O 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 şekillendirile- bilirler.

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(Poli- mer),bu zincirlerin birbirlerine zayıf ikincil bağlar veya kuvvetli çapraz bağlar ile bağlanması sonucu oluşur. “Mer” bir hidrokarbon molekülü,örneğin C 2 H 4 (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 İçyapı, katılaşma imalat sürecinin bir sonucudur

Uygun katkılar ile bu gözeneklerin giderilmesi mümkün olmuş ve saydam seramikler elde edilmiştir.Böylelikle 1000 o C sıcaklıklara çıkan sodyum lambaları imal edilebilmiştir(Şekil).

Seramik Al 2 O 3 (Alumina) Opak Saydam Gözenek içeriyor 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 1-28: Bu amaç için aramit filamentlerden imal edilen tanklar. Şekil 1-27: Havacılıkta yüksek basınç kap malzemesi olarak Doğru kompozit sistemini seçmek için izlenecek yol. Şekil 1-27: Havacılıkta endüstrisinde doğru malzeme sistemini seçmek için izlenecek yol.

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 yapı- özellik ilişkilerini açıklamaya yönelik bir ders olarak “Malzeme Bilimi” dersini okutuyoruz.