Malzeme Bilimi

Genel anlamda, ihtiyaç duyulan her maddeye MALZEME denir. Teknik anlamda ise; mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere MALZEME denir.

Tarihsel Perspektif Taş Devri Bronz (Tunç) Devri Demir Devri Gelişmiş Malzemeler Devri

Malzemelerin Özellikleri yapılarına bağlıdır Malzemelerin Özellikleri yapılarına bağlıdır. Malzemelerin yapılarıda içerdikleri atomların cinsine dizilişine ve birbirlerine bağlanma biçimlerine göre değişir.

Malzemelerin Sınıflandırılması Metalik Malzemeler ve Alaşımları Fe, Cu, Al, Zn ve FeC, CuZn, CuSn Seramik Malzemeler Al2O3, SiO2, MgO, SiC Organik Malzemeler (Ağaç, deri, kauçuk, Polimerler (plastikler), Kompozit Malzemeler 5

Metalik Malzemeler: Bunlar Al, Cu, Zn, Fe ve Ni gibi saf metaller ile bir metalin diğer elementlerle oluşturduğu çelik (Fe-C) ve bronz (Cu-Sn) gibi alaşımlardır. Seramik Malzemeler: Genellikle metallerle metal olmayan elementlerin oluşturduğu Al2O3, MgO, SiO2 ve SiC gibi kimyasal bileşiklerdir. Organik Malzemeler: Karbonun, başta H olmak üzere, O, N ve Cl gibi metal olmayan elementlerle oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Kompozit Malzemeler: Yukarıda belirtilen üç ana grubun farklı özelliklerini belirli ölçüde bir malzemede toplamak amacıyla, değişik gruptaki malzemelerin makro düzeyde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemelerdir. 6

Mühendislikte malzeme seçim kriterleri Maliyet, Hafiflik, Gerilmelere karşı gösterdiği dayanım, Kolay şekil alabilme özelliği, Elektrik ve ısı iletkenliği, Kimyasal dayanım, Üretilebilme ve şekillendirilebilme özelliği, Standartlara uygunluk. 7

Şekil 1.3 Düşük ve orta sıcaklıklarda çalışan ve Ti ile üretilmiş jet motorunun bir bölümü. Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesi için Ni-esaslı süper alaşımlara ihtiyaç vardır. Şekil 1.4 Yüksek sıcaklıklara dayanıklı türbin motoru üretmek için elde edilen bıçaklar, çeşitli seramik bileşenler

Şekil 1.5 Küçük moleküller, polimerleri veya daha büyük molekülleri üretmek için birleşirler (Polimerizasyon). Polimer molekülleri çok sayıda zincir içeren bir yapıya sahip olabilirler fakat bağlı değillerdir (Termoplastik) veya üç boyutta çarpaz olarak bağlanabilirler (termoset). Şekil 1.6 (a) Elektronik devrelerde kullanılan düşük iletkenliğe sahip polimer malzemeli aygıtlar (b) Yarı iletken malzemeli ve (c) Helikopter X-kanat üretiminde kullanılan polimer esaslı C-fiber kompozitleri.

ATOM YAPISI VE ATOMLAR ARASI BAĞLAR

Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur. Elementler ise atomlardan meydana gelir. Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına o elementin atomu denir. Bu nedenle, her elementin karakteristik özelliği onu oluşturan atomların yapısına bağlıdır.

Bir atom: Proton (+), Nötron (nötr) ve Elektron (-)’ dan oluşur.

Elektron ile protonların elektrik yükleri eşit fakat zıt olduklarından, nötr bir atomun elektron sayısı proton sayısına eşittir.

Bir element atomun proton sayısı (Z), nötron sayısı (N) ise kütle numarası veya atom ağırlığı (A); A=Z+N ile belirlenir. İyon: Elektron sayısı proton sayısından farklı olan atoma iyon adı verilir. Atom dışarıdan elektron alırsa (-) anyon, elektron verirse (+) yüklü veya katyon durumuna geçer.

Bohr atom teorisine göre elekronlar, çekirdek etrafında belirli yarıçaptaki dairesel yörüngelerde dönerler. Her yörüngedeki elektronun belirli bir enerjisi vardır(-). Enerji çekirdekten uzaklaştıkça artar ve sonsuzda enerji sıfır olur. Dalga mekaniği teorisine göre ise, elektronların kesin yörüngeleri yoktur, sadece belirli noktalardan geçme ihtimalleri hesaplanabilir. Ayrıca elektronlar hem parçacık, hem de dalga özelliği gösterirler. Elektronlar çekirdeğin etrafında, 0,05-2 nm. yarıçapındaki yörüngelerde bulunurlar.

En dış ana kabuktaki elektronlara valans elektronları denir En dış ana kabuktaki elektronlara valans elektronları denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdırlar ve sözkonusu elementin özelliklerini belirtmekte büyük rol oynarlar. Bir ana kabukta 8 elektronun biraraya gelmesi, yani alt kabuğunun dolması halinde, bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanır, bir diğer deyişle kapalı kabuk oluştururlar.

Elektron enerji düzeyleri Elektronlar belirli enerjilere sahiptir. Belirli sayıda enerji düzeyi birleşerek enerji kabuklarını (bantlarını) oluştururlar. Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valans elektronları denir.

Kararlı elektron yapıları Valans elektronları en çok 8 olabilir. Bu elemanlar karalı bir elektron yapısına sahiptir ve aralarında etkileşme yoktur. He Ne Ar Kr

24

Valans elektronları denilen ve metallerin özelliklerini büyük ölçüde etkileyen bu elektronlar çekirdeğe zayıf bağlarla bağlanırlar. Çünkü e- ların çekirdeğe kuvvetli bağlarla bağlanmaları için 8 tanesinin biraraya gelerek quantum kabuklarını oluşturması gerekir. Buna OKTET kuralı denir. 25

Bu nedenle metal atomları çekirdeğe gevşek olarak bağlanan valans e- larını kolayca serbest bırakarak metal içerisinde bir e- bulutu oluştururlar. e- bulutu ile (+) yüklü iyon haline geçen atomlar arasında kuvvetli bir elektrostatik çekim kuvveti meydana gelir. Bu elektrostatik çekim kuvveti sayesinde atomlar birbirine sıkıca bağlanırlar. 27

Atomları metalik bağla bağlanan malzemeler, serbest e- lara sahip olduklarından elektriği ve ısıyı iyi iletirler. Çünkü metal parçasının uçlarına bir potansiyel fark (gerilim) uygulandığında metal içerisindeki serbest e- lar harekete geçerek bir elektrik akımı oluştururlar (Şekil) Ayrıca yeterli büyüklükte kuvvet ya da gerilme uygulanması durumunda birbirine göre kayan atom grupları arasında, e- bulutu sayesinde yeniden bağlantı sağlandığından, metalik malzemeler plastik şekil değiştirmeye elverişlidirler. 28

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Şekil. Bir metale voltaj uygulandığında, e- bulutundaki e- lar kolayca hareket edebilirler. 29

Bu bağ, metal atomlarıyla metal olmayan elementlerin atomları arasında oluşur. Metal olmayan element atomlarının dış kabuklarında bulunan e- sayısı, metal atomlarının dış kabuklarında bulunan e- sayısından daha yüksektir. Yani metal olmayan element atomları metal atomlarından daha fazla valans e- a sahiptir. Şekle bakıldığında, Cl atomu dış kabuğunda 7 e- bulundururken 1 e- daha alıp kararlı yapı oluşturma eğilimindedir.

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Şekil İyonik bağın oluşumu: (a) Na ve Cl atomları arasındaki e- transferi, (b) Na ve Cl iyonlarının oluşumu ve (c) Na ve Cl iyonlarının iyonik bağla bağlanmaları sonucunda NaCl bileşiğinin oluşumu

- + Na ve Cl iyonlarının iyonik bağla bağlanmaları sonucunda NaCl bileşiğinin oluşumu Na (metal) kararsız dış yörüngede 1 fazla e var Cl (nonmetal) kararsız dış kabukta 7 e var electron Na (katyon) kararlı dengede Colomb çekme - + Cl (anyon) kararlı dengede

İyonik Bağın Elektrik ve ısı iletkenliği

İyonlaşma sonucunda meydana gelen elektrostatik çekimle oluşan iyonik bağ oldukça kuvvetlidir. İyonik bağ ile bağlanan malzemelerde elektronlar sıkıca tutulduğundan, bu malzemelerin elektriksel iletkenliği, serbest elektron bulutuna sahip metalik malzemelerin iletkenliğinden çok daha düşüktür.

Elektron çifti bağı olarak da isimlendirilen bu bağın en önemli özelliği, e- ların sıkıca tutulması ve komşu atomlar tarafından eşit olarak paylaşılmasıdır. Kovalent bağ, daha çok gaz moleküllerinin atomları arasında meydana gelir, ancak seramik malzemelerin çoğu da kovalent bağla bağlıdır. Kovalent bağlar çok sağlam olmalarına rağmen, bu şekilde bağlanmış maddeler zayıf süneklik ve elektrik iletkenliğine sahiptir.

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Şekil. Kovalent Bağ. Her bir atom son yörüngesini doldurmak için elektronları bir çok yolla ortak olarak kullanıma ihtiyaç duyarlar. Örneğin Si’ da 4 valans elektronla, 4 kovalent bağ oluşur. 37

Amaç: Atomik/iyonik düzenlerine göre malzemelerin sınıflandırılmasını öğrenmek, Kafes ve kristal yapıdaki düzenleri tanımlamak.

Malzemeler, yapılarına göre: Kristal yapılı malzemeler, Kristal yapılı olmayan malzemeler olmak üzere ikiye ayrılır. Kristal yapılı olmayan malzemelere amorf veya camsı malzemeler de denir. Kristal yapılı malzemelerde atomlar üç boyutlu olarak belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim kafesi oluştururlar.

Kristal yapılı malzemelerde atomlar üç boyutta, belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim kafesi oluştururlar. Kristal yapılı malzemelerde hacim kafesini oluşturan, basit geometrik şekillere birim hücre veya birim kafes, atom veya atom gruplarının bulunduğu yerlere de kafes noktası denilir.

Atomların üç boyutlu uzayda düzenli (kendini tekrar eden) bir şekilde dizilmesiyle oluşan yapıya kristal yapı denir. Bir kristal yapı birim hücresiyle tanımlanır. Birim hücre kristal yapının tüm geometrik özeliklerine sahiptir. Tüm metaller, bir çok seramikler ve bazı polimerler kristal yapıdadır.

Uzayda en genel bir eksen takımının eksenleri arasındaki açılar ,  ve ; eşit hacimlere ayrılmış yapının birim hücresinin boyutları da a, b ve c. Bu açılara ve boyutlara farklı değerler vererek 7 kristal türü elde edilir.

Şekil Kristal kafes yapılarının birim hücreleri (Bravais Kafesleri)

Kristal Türleri Kübik: a=b=c; ===90 Tetragonal: a=b≠c; ===90 Ortorombik: a≠b≠c; ===90 Monoklinik: a≠b≠c; ==90, ≠ 90 Triklinik: a≠b≠c;  ≠  ≠  ≠ 90 Rombohedral: a=b=c; ==≠90 Hegzagonal: a1=a2=a3≠c; açılar=90 ve 120

KÜBİK Kafes Yapı Basit kübik (BK) Hacim merkezli kübik (HMK) Yüzey merkezli kübik (YMK)

Metal malzemeler, çok özel durumlar dışında, daima kristal yapıya sahiptirler. Metallerde en çok; Yüzey Merkezli Kübik (YMK), Hacim Merkezli Kübik (HMK) ve Sıkı Düzenli Hegzagonal (SDH) yapılara rastlanılır.

Yüzey Merkezli Kübik Kristal Yapılar Birim hücrenin her köşesinde ve yüzeylerin merkezlerinde birer tane atom bulunmaktadır. Cu, Al, Pb, Ag, Au bu tip kristal yapıya sahiptirler.

Yüzey merkezli kübik kristal yapısı, küpün kenar uzunluğu ve birim hücresi. Küpün kenar uzunluğu: ’dir.

KYM’ li kafes yapısında köşelerde 8 x 1/8 = 1 atom ve yüzeylerde de 6 x ½ = 3 atom olmak üzere toplam 4 atom vardır.

Hacim Merkezli Kübik Kristal Yapılar Bu tip kristal kafes yapılarında kübik birim hücrenin her köşesinde ve merkezinde birer tane atom bulunmaktadır. Cr, α-Fe, Mo, W, V, bu tip kristal yapıya sahiptir.

Hacim Merkezli Kübik Kristal Yapıları ve birim hücrenin kenar uzunluğu

Sıkı Düzenli Hegzagonal (SDH) Yapılar Merkezde 1 atom ve bunu çevreleyen düzenli altıgen şeklindeki 6 atomdan meydana gelir. Birim hücresinin ortasında bulunan düzlemde (c ekseni) ise 3 tane ek atom daha bulunmaktadır. Cd, Mg, Zn, Ti bu tip kristal yapıya sahiptir.

Atomsal dolgu (paketleme) faktörü (ADF); kristal kafes yapısındaki doluluk oranını gösterir ve birim hücredeki atomların toplam hacminin birim hücrenin hacmine bölünmesiyle bulunur. (atom sayısı).(herbir atomun hacmi) Paketleme faktörü (ADF)= hücrenin hacmi

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Şekil Kübik sistemlerde kafes parametreleri ve atomik yarıçap arasındaki ilişkiler

ADFBCC=0.68 ADFFCC=0.74 ADFHCP=0.74 ADF: Atomik paketlenme faktörüdür.

KHM – birim hücrede 2 atom bulunur ve KS = 8 dir. KYM – birim hücrede 4 atom bulunur ve KS = 12 dir.   SDH - birim hücrede 6 atom bulunur ve KS = 12 dir.

Demir de oda sıcaklığında KHM’li yapıdayken, 912 0C’da KYM kristal yapıya dönüşür. Hegzagonal BN, kübik BN... Polimorfik dönüşümlerle, yoğunluk ve diğer fiziksel özellikler de değişir.

Tek Kristalli ve Çok Kristali Malzemeler Tek kristalli malzemelerde atomlar tüm malzemenin uzantılarında tekrarlanır yada bir periyodik sıradadır. Çok kristalli malzemeler ise çok küçük kristallerden yada tanelerden oluşmaktadır. Taneler farklı kristalografik yönelime sahiptirler.

Kristal ve Kristal Olmayan Malzemeler Tek kristal Poli kristal malzemeler Anizotropi ve izotropi

Tanelerin buluştuğu bölgelerde uyuşmayan atomlar vardır Tanelerin buluştuğu bölgelerde uyuşmayan atomlar vardır. Bu bölgeler “tane sınırları” olarak adlandırılırlar.

Kristal Olmayan (Amorf) Katılar Amorf katılarda uzun mesafeli bir düzen yoktur. Kısa mesafeli düzen olabilir. Bazı seramikler, örneğin camlar ile plastik malzemeler amorf yapılıdırlar. Aşırı hızla soğutulmuş metaller de amorf yapılı olabilirler. Amorf yapıya sahip SiO2’nin şematik resmi Amorf yapının simülasyonu

a) Amorf yapı b) Kristal yapıda tane sınırları (taneler düzensiz) (sınırlardaki taneler düzensiz)

KRİSTAL YAPILARDA DÜZLEM VE DOĞRULTULAR MİLLER İNDİSLERİ: Kristal yapılarda farklı düzlem ve doğrultulardaki atom dizilimlerinin farklı olması nedeniyle, bir kristalde özellikler bu doğrultu ve düzlemlere göre değişir. Örneğin, metallerde plastik deformasyon, atomların en sıkı dizildikleri kristal düzlem ve doğrultularıda meydana gelir. Kristaldeki düzlem ve doğrultular MİLLER İNDİSLERİ ile tanımlanır. Düzlemler ( ) işareti içerisine yazılan rakamlarla, Doğrultular da [ ] işareti içerisine yazılan rakamlarla gösterilir.

Bir düzlemin miller indisinin bulunuşu: Düzlemin x,y,z eksenlerini kestiği noktalar bulunur. Bunların tersleri alınır. Orantılı en küçük tam sayılar bulunur ve parantez içerisinde gösterilir. z X y z 1a 1b ∞c 1 1 ∞ 1/1 1/1 1/∞ 1 1 0 (110) y x

2. ( 1 1 1 ) düzlemi ( 0 1 1 ) düzlemi 3. ( -1 2 0 ) düzlemi

Orijinden geçen düzlemleri tanımlayabilmek için, diğer bir kafesin köşesi yeni orijin olarak kabul edilmelidir.

Yeni orijin Yeni orijin 1/2 Yeni orijin

Birbirine Paralel Düzlemler Paralel düzlemler ailesi (010) düzlemleri a Paralel düzlemler arasındaki uzaklık: d(010) = a

DOĞRULTULARIN MİLLER İNDİSLERİ: Doğrultuya ait bir vektörün eksenler üzerindeki bileşenleri bulunur. Gerekiyorsa, bunlar orantılı en küçük tam sayılara çevrilir. Bu sayılar köşeli parantez içerisine alınır. x y z 1/2 0 1 1 0 2 [ 102 ]

[1 0 1] doğrultusu 2. [0 1 0] doğrultusu 3. [1 0 -1] doğrultusu

Note that the vector components, 2, 0, and 1, are equivalent to 1, 0, ½. Sometimes, it is helpful to divide the specified directional indicies by a common factor to make the largest value  1 (the normalized unit cell parameter) [2 0 1] direction: [1 -1 1] direction: Note how the vector is constructed: Divide all 3 indicies by the largest (“3” in this case). This gives 2/3, 3/3, 1/3 or 2/3, 1, 1/3. These are the fractional components along each unit cell edge: 2/3 (a) along x 1 (b) along y 1/3 (c) along z [2 3 1] direction:

[111] [210] (0,0,0) Yeni orijin 1/2 [-1-10] [11-2] 1/2 1/2 (0,0,0) Yeni orijin

Düzlemsel Atom Yoğunluğu Doğrusal Atom Yoğunluğu

Sıkı Düzenli Düzlemler: KHM: (110), (101), (011 ), (-110), (1–10), (-1–10), (-101), (10–1), (-10 –1),(01–1), (0–11), (0–1–1) KYM: (111), (-111), (1–11), (11–1), (-1–11), (-11–1), (1–1–1), (-1–1–1) Doğrultu ve Düzlem Ailesi: Birbirine paralel olmayan,dolayısıyla Miller indisleri farklı, ancak atom dizilişleri aynı olan düzlemlere düzlem ailesi denir, Ör. { 1 1 0 } Benzer şekilde, doğrultu ailesi de < > işaretiyle gösterilir, Ör. < 111 > ,bu doğrulu ailesinin üyeleri kübün köşegenleri ile ilgili doğrultulardır. [ ]  Doğrultu < >  Doğrultu ailesi ( )  Düzlem { }  Düzlem ailesi