BÖLÜM1-Malzeme Bilimine Giriş Amaç... Malzeme bilimi ile ilgili kavramlara giriş İçerik: Atomlardan Mikroyapılara Malzemelerin Yapısı Malzemenin Yapı – Özellik İlişkisi Malzemenin İmalat – Özellik İlişkisi

Doç.Dr. Nurşen Saklakoğlu Ders Assistanı: Can Çivi Çarşamba 09.55-12.30 17.00-20.00

Değerlendirme 3 quiz %15 3 ödev %15 vize notu 1 vize sınavı %70 1 final vize notu Quiz Tarihleri: 4 Hafta, 17 Ekim 2012 7. Hafta, 07Kasım 2012 15.Hafta 02 Ocak 2013

DERS MATERYALİ Materials Science and Engineering: An Introduction, W.D. Callister, Jr. and D.G. Rethwisch, 8th edition, John Wiley and Sons, Inc. (2010). Çev. Prof.Dr.Mehmet Erdoğan The Science and Engineering of Materials, Donald R. Askeland,Pradeep Prabhakar Phulé Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Prof.Dr. Temel Savaşkan, Derya Kitabevi Malzeme Bilgisi I, Malzeme Bilgisi II, Çev. Ahmet Aran/Şefik Güleç http://books.google.com.tr/books?id=fRbZslUtpBYC&printsec=frontcover&dq=THE+SCIENCE+AND+ENGINEERING+OF+MATERIALS&source=bl&ots=wN2Vod9RdI&sig=uoiYw7IGmcdPCz_kljfhLGTnos4&hl=tr&ei=zNehTOzYNIyuOMXP-LUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=3&ved=0CDAQ6AEwAg#v=onepage&q&f=false http://www2.isikun.edu.tr/personel/ahmet.aran/dersnotlari.htm http://people.virginia.edu/~lz2n/mse209/Chapter1.pdf

Chapter 1 - Introduction What is materials science? Why should we know about it? Materials drive our society Stone Age Bronze Age Iron Age Now? Silicon Age? Polymer Age?

What is materials science?

necessary for spider man Synthetic Gecko hairs necessary for spider man (New Scientist 15. 05. 2003)

Gecko tropik bölgelerde yaşayan küçük ve zararsız bir tür kertenkeledir. Gecko kertenkeleleri kendilerini diğer sürüngenlerden ayrıcalıklı kılan bir özelliğe sahiptirler. Duvarda, hatta tavanda düz bir yolda yürüyormuşçasına rahat hareket edebilir; tek ayakları üzerinde tepetaklak durumda asılı durabilirler. Cilalı dikey bir düzlemde bile başaşağı konumda koşturabilirler. Peki Geckonun ayaklarının zemini bu derece sıkı kavramasına imkan sağlayan ve bu sürüngenin şaşırtıcı hareketlerine olanak veren sistem nedir?

İlk akla gelen, Geckonun yapışkan bir madde salgılayarak tavana tutunması ihtimalidir. Ancak bu mümkün değildir, çünkü hayvanın herhangi bir yapıştırıcı üretecek salgı bezi yoktur. Ayrıca böyle bir sistem belki Geckoyu tavana yapıştıracaktır ama hareket etmesine imkan tanımayacaktır.

Hayvandaki üstün kavrama yeteneğinin vantuz benzeri bir yapıdan kaynaklandığı da düşünülebilir. Fakat böyle bir akıl yürütme de doğru olmayacaktır. Zira Geckonun ayakları havası alınmış bir ortamda da kusursuz iş görür. Zaten havasız ortamda bir pompa zemine de yapışamaz.

Araştırmalar Geckonun ayaklarındaki mekanizmanın üstün bir mühendislik örneği olduğunu ortaya çıkarmıştır. Gerçekten de bu sürüngenin ayak yapısı tırmanmak için tasarlanmıştır. Portland'taki Lewis & Clark Lisesi'nden çevre fizyoloğu Kellar Autumn ve California Berkeley Üniversitesi'nden bio-mühendis Robert Full tarafından kurulan ve Massatchusetts IS Robotics tarafından desteklenen bir ekip Geckonun nasıl tırmandığını mikroskobik açılardan incelemişlerdir.

Geckolar tutunabilmek için Van-der-Waals-kuvvetlerini kullanırlar Geckonun parmak uçları, tıpkı bir kitaptaki sayfalar gibi ince doku yaprakları ile kaplıdır. Her bir yaprak da, "setae" adı verilen özel bir doku ile kaplıdır. Bu dokuda tüy benzeri uzantılar yer alır ve bu uzantıların uçları da yüzlerce mikroskobik uca ayrılmaktadır. İğne başı kadar bir alanda ortalama 5000 mikro tüy vardır. Bu da hayvanın her ayağında yaklaşık yarım milyon tüyün bulunması anlamına gelmektedir. Her bir tüy kendi içinde sayıları 400 ile 1000 arasında değişen tüyümsü uzantılardan oluşmaktadır. Bundan başka dikkat çeken bir unsur da tüylerin hayvanın topuklarına bakacak biçimde yerleştirilmiş olmasıdır. Her bir ucun kalınlığı milimetrenin beş binde biri kadardır. Geckonun ayağındaki milyonlarca mikroskobik uç, değdikleri yüzeydeki atomların çekim kuvvetini kullanarak o yüzeye bir tutkal gibi yapışır. 500 000 000 nanohairs Geckolar tutunabilmek için Van-der-Waals-kuvvetlerini kullanırlar

Nanostructure of the Gecko toe The seta has 1 000 nanohairs The Gecko toe has 500 000 microhairs (setae) Nanostructure of the Gecko toe

Adhesion effect through Van-der-Waals-forces The Gecko effect Adhesion effect through Van-der-Waals-forces Technical surface 1 Contact area Technical surface Technical surface 2 Nanohairs ! Small contact area small adhesion force Microhair Large contact area large adhesion force

Gecko adım atarken ayak tabanını yüzeye bastırır ve hafifçe geriye çeker. Böylece tüylerin zemine maksimum düzeyde temas etmesini sağlar. Diğer bir ifadeyle, tüyler yüzeydeki çıplak gözle görünmeyen mikroskobik girinti ve çıkıntılara sıkıca tutunurlar. Böylece, ayak ile yüzey arasında moleküler düzeyde zayıf bir çekim kuvveti oluşur. Bu çekim kuvveti kuantum fiziğinde "Van Der Waals kuvveti" olarak adlandırılmaktadır. Van der Waals kuvveti sizin eliniz ve duvar arasında da vardır ama çok zayıftır. Atomik seviyede bakacak olursak elinizin yüzeyi dağlarla kaplı gibidir ve sadece en tepedeki atomlar duvarla temas ederler. Ancak Geckonun ayağındaki binlerce spatula ucu tıpkı bir tutkal gibi duvara yapışır. Eğer Geckonun parmakları gerçek yapışkanla kaplı olsaydı (veya bir zamanlar bilim adamlarının sandığı gibi vantuzlarla) Geckonun her ayağını kaldırdığında bu yapışkanlığı kırmak için çok fazla enerji harcaması gerekirdi. Ancak araştırmaları yürüten ekibin bulgularına göre, Geckonun duvara değdiği açıyı değiştirmesi ayağını çekmesi için yeterli olmaktadır. Ayaktaki tüycüklerin konumu ve sıklıkları Van der Waals kuvvetini ortaya çıkarır. İşte bu kuvvet, yerçekiminin Gecko üstündeki gücüne baskın çıkar. Hayvan, ayağını kaldırmak istediğinde de ayak tabanını ileri doğru büker ve moleküler çekim kuvvetinin üstünde bir güç harcayarak tabanını kaldırır

Gecko-Tape Gecko Tape (with directional adhesion) is a new material still at the development stage. Directional adhesion refers to the ability of an adhesive material to grip a load in one direction and to release its grip when the direction is reversed.

Example – Hip Implant With age or certain illnesses joints deteriorate. Particularly those with large loads (such as hip). Adapted from Fig. 22.25, Callister 7e.

Example – Hip Implant Requirements mechanical strength (many cycles) good lubricity biocompatibility Adapted from Fig. 22.24, Callister 7e.

Example – Hip Implant Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.

Hip Implant Key problems to overcome fixation agent to hold acetabular cup cup lubrication material femoral stem – fixing agent (“glue”) must avoid any debris in cup Ball Acetabular Cup and Liner Femoral Stem Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 22, Callister 7e.

Structure, Processing, & Properties • Properties depend on structure ex: hardness vs structure of steel (d) 30 mm 6 00 5 00 (c) 4 mm Data obtained from Figs. 10.30(a) and 10.32 with 4 wt% C composition, and from Fig. 11.14 and associated discussion, Callister & Rethwisch 8e. Micrographs adapted from (a) Fig. 10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33; and (d) Fig. 10.21, Callister & Rethwisch 8e. 4 00 (b) 30 mm (a) 30 mm Hardness (BHN) 3 00 2 00 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Cooling Rate (ºC/s) • Processing can change structure ex: structure vs cooling rate of steel

HISTORY OF METALS Process metallurgy can be traced to 6000 BC 86 Metals known today Only 24 discovered before 19th century Earliest metals were gold (6000BC) and copper (4200BC) Seven Metals of Antiquity were: Gold( 6000BC), Copper( 4200BC), Silver (4000BC), Lead (3500BC), Tin (1750BC), Smelted Iron (1500BC) and Mercury ( 750BC) (Au:1064C, Ag:962C Cu:1084C, Pb: 327C, Hg:-34C) Five are found in native state and were widely used by Mesopotamians, Egyptians, Greeks and Romans Except for iron and copper(alloyed with tin) these are not really structural metals -- gold and silver were used in coinage, jewelry and ornaments.

Although several metals occur in the earth’s crust in their native state, the early civilizations learned to process ores -- usually metal sulfides or oxides -- by reduction or oxidation processes at elevated temperatures. At first, this probably happened by accident, when these ores were dropped into campfires. Copper was was hammered into artifacts. But it often became brittle until mankind learned to anneal it in campfires. By 5000 BC copper sheet was being hammered. Smelted copper artifacts from 3600 BC were found in the Nile valley .

The relative importance of engineering materials over time is depicted in Figure 1.1 Note that the natural materials, such as wood, skins, glues, rubber and fibers (polymers & elastomers); and stone, flint, pottery (ceramics ), were displaced by the new processed metals, such as cast iron, steels, super alloys, etc. over the period 10,000 BC up to about 1950. Most of this trend occurred during 1800 to 1950. With the advent of synthetic polymers and elastomers; the discovery of fiber reinforced composites; and the growth of engineered ceramics and glasses, metal systems have lost ground since 1950.

EVOLUTION OF ENGINEERING MATERIALS

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Nedir? Malzeme bilimi maddenin özelliklerini ve kullanım alanları ile bilim ve mühendisliğin değişik alanlarını içine alan disiplinler arası bir bilim dalıdır. Malzeme bilimi temel olarak malzemelerin yapı ve özelliklerini inceler. Malzeme bilimde amaç malzemeleri iyice tanıyıp, anlayarak yeni malzemelerin keşfini sağlamak ve uygun prosesler tasarlayarak malzemelerin insanlığın kullanımına sunulmasıdır.

Dünyanın evrimi ile adlandırılan çağlar aslında malzeme biliminin tarihini gösterir. Malzeme bilimi seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi gerçekte metalurji ve maden bilimlerinden türemiştir. Malzeme bilimi alanında yapılan en büyük adım WillardGibbs’in19.yy’da malzemelerin termodinamik özelliklerini göstermesiyle ortaya çıkmıştır. 1960 öncesinde çoğu malzeme bilimi bölümleri metalurji bölümleri olarak isimlendirilmekte idi. 1960 sonrası bu alanda metallerin dışında diğer malzemelerinde inceleme alanına dahil edilmesi ile ayrı isim halinde bölümler açılmaya başlandı.

Malzeme bilimde amaç malzemeleri iyice tanıyıp, anlayarak yeni malzemelerin keşfini sağlamak ve uygun prosesler tasarlayarak malzemelerin insanlığın kullanımına sunulmasıdır.

Malzemelerin Sınıflandırılması Metaller ve alaşımlar Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır, nikel vb. Elektrik iletkinlikleri yüksek Isıl iletkenlikleri yüksek Sünek Şekil verilebilir Şok direnci yüksek Yapısal ve yük taşıyıcı alanlarda kullanıma uygundurlar. Saf metaller çok az kullanılmakla birlikte metallerin kombinasyonlarından oluşan alaşımlar değişik özellikleri gelişmiş malzemeler üretmek üzere tercih edilirler.

Seramikler Tuğla, cam, refrakterler ve aşındırıcılar. Düşük elektrik iletkenliği Düşük ısıl iletkenliği Kırılgan Yüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek direnç Korozyona dirençli Genelde yalıtkan malzeme olarak kullanılırlar ancak yeni proses teknikleri ile yük taşıyıcı uygulamalarda da kullanılır hale gelmişlerdir. Optik ve elektrik özellikleri geliştirildiğinden entegre devre ve fiber optik uygulamalarda kullanılabilirler.

Polimerler Lastik, plastik, ve yapıştırıcılar. Organik moleküllerden polimerizasyon prosesi ile büyük moleküler yapılar oluşturularak üretilirler. Düşük termal direnç Düşük elektrik iletkenliği Düşük mukavemet Yüksek sıcaklık direnci düşük Termoplastikve termoset olarak genelde ikiye ayrılırlar; Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar.

􀂉Yarıiletkenler Silisyum, germanyum, GaAs gibi bileşikler Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir Transistör, diyod ve entegre devrelerde kullanılırlar.

KompozitMalzemeler İki veya daha çok malzemeden oluşurlar. Beton, sunta, fiberglas, karbon fiberle güçlendirilmiş polimer Düşük ağırlıklı Mukavemetli Sünek Yüksek sıcaklık direnci yüksek Şok direnci yüksek

Tablo1.1. Her kategorideki malzeme için örnek, uygulama alanları ve özellikleri

Şekil1.4 Değişik kategorideki malzemelerin mukavemetleri

Malzemelerin Yapılarına Göre Sınıflandırılması Kristalin malzeme bir veya birçok kristalden oluşur. Her bir kristalde atomlar veya iyonlar uzun periyodik düzen sergilerler. Tek kristal tek bir kristalden oluşan malzemeye denir. Bu kristalde tane sınırı mevcut değildir. Taneler polikristal/çoklu kristal malzemedeki kristallerdir. Polikristal malzeme tek kristalin tersine birçok kristalden oluşur. Tane sınırları polikristal malzemede taneler arası bölgelerdir.

Future of materials science Design of materials having specific desired characteristics directly from our knowledge of atomic structure. • Miniaturization: “Nanostructured" materials, with microstructure that has length scales between 1 and 100 nanometers with unusual properties. Electronic components, materials for quantum computing. • Smart materials: airplane wings that adjust to the air flow conditions, buildings that stabilize themselves in earthquakes… • Environment-friendly materials: biodegradable or photodegradable plastics, advances in nuclear waste processing, etc. • Learning from Nature: shells and biological hard tissue can be as strong as the most advanced laboratory-produced ceramics, mollusces produce biocompatible adhesives that we do not know how to reproduce… • Materials for lightweight batteries with high storage densities, for turbine blades that can operate at 2500°C, room-temperature superconductors? chemical sensors (artificial nose) of extremely high sensitivity, cotton shirts that never require ironing…