MALZEME BİLİMİ - MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ

Derste takip edilecek ana kaynak: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği kitabıdır.

Mühendisler faaliyetleri esnasında üç temel soruya cevap ararlar ; fonksiyonellik (kendisinden beklenen görevi yerine getirebilir mi ?) emniyet (bu görevi yerine getirirken ne kadar güvenilir ?) ekonomik (çözüm için önerilen malzeme/parça/sistem ekonomik midir ? )

Dersin Amacı: Öğrenciye malzeme bilimine ait kavramları öğretmek, bu temel ile mühendislik malzemelerinin davranışları arasında ilişki kurma ve değerlendirme kabiliyeti kazandırmak.

Mühendislik Uygulaması Gözlem Zararsız tropikal bir kertenkele gekolar, çok yapışkan ayaklara sahip oldukları için (neredeyse her yüzeye tırmanabilirler. Bu özelliklerinden dolayı, bir cismin alt yüzeyi boyunca ve dik duvarlarda hızlıca hareket edebilirler. Çalışma Mekanizması Bu ilginç kabiliyetini, ayak tabanında çok sayıdaki mikroskobik küçük tüylerin varlığına borçludur. Bu tüyler bir yüzey ile temas ettiklerinde, tüy molekülleri ile yüzey üzerindeki moleküller arasında zayıf “van der Waals” çekim kuvvetleri oluşur. Gerçekten aşırı derecede küçük ve çok sayıdaki bu tüyler, bir gekonun herhangi bir yüzeye nasıl sıkı bir şekilde tutunabildiğini açıklamaktadır. Mühendislik Uygulaması Bilim adamları bu adhezyon mekanizmasını kullanarak son derece kuvvetli birçok sentetik yapıştırıcı geliştirmişlerdir. Bu bant, özellikle cerrahi operasyonlarda yara ve kesiklerin kapatılmasında kullanılan ameliyat iplikleri ile zımba yerine kullanılması konusunda gelecek vaat etmektedir. Nemli ortamda yapışkanlığını koruyan bant malzeme, hastanın iyileşme sürecinde biyolojik olarak Bozulmakta ve herhangi bir toksik madde salmamaktadır. Bu yapışkan bandın mikroskobik görünümü yanda verilmiştir.

Tasarımı yapılan parça bir taşıtın, örneğin bir otomobil aksamına ait olabileceği gibi, en büyük uzunluğu birkaç mm olan mikro-mekanik sistemin bir parçası da olabilir.

Mühendislik uygulamalarında saf malzemeler ya da özel olarak geliştirilmiş malzemeler kullanılabilir. Isı ve elektrik iletiminin önemli olduğu uygulamalar. Yüksek dayanımın arandığı örneğin bir otomobilin aksında veya traktörün aktarma organlarında dayanım ön plana çıkmıştır.

Malzemenin yapısı, içinde bulunan bileşenlerin oluşturdukları düzenle ilişkilidir. Atomsal mertebede yapı, atomların ya da moleküllerin oluşturdukları düzeni içerir. Çok sayıda atomun bir araya gelmesiyle oluşan yapılar ise her hangi bir tür mikroskop ile doğrudan gözlemlenebildiği için mikroyapı olarak adlandırılır. Çıplak gözle görülebilen yapısal öğeler ise makroyapı olarak adlandırılır. Özellik kullanım sırasında, bütün malzemeler belirli bir dış etkiye karşılık olarak, cins ve büyüklük bakımından malzemenin kendisine özgü bir biçimde verdiği bir cevap veya tepkidir. Özellikler, malzemelerin şeklinden ve büyüklüğünden bağımsız olacak şekilde tanımlanır. -Elektrik iletkenliği - Optik özellikler - Çekme dayanımı….gibi Malzemelerin yapısı, nasıl işlem gördüklerine performansı ise özelliklere bağlıdır.

Metaller Yoğunlukları diğerlerine göre nispeten yüksek malzemelerdir Metaller Yoğunlukları diğerlerine göre nispeten yüksek malzemelerdir. Mekanik özellikler açısından, nispeten yüksek rijitliğe ve dayanıma sahip olmalarının yanında, süneklikleri kırılmadan yüksek oranda şekil değiştirebilme kabiliyetleri ve kırılmaya karşı dirençleri de yüksektir.

Seramikler Seramikler, metal ve metal dışı elementlerden oluşan bileşiklerdir. Seramik malzemelerin büyük bir kısmını oksitler, karbürler ve nitrürler oluşturur. Alüminyum oksit (alümina, Al2O3), silisyum dioksit (silika, SiO2), silisyum karbür (SiC), Yüksek rijitliğe, ve dayanıma sahip olup, sertlikleri de çok yüksektir. Gevrektır (kırılgan). Geliştirilmiş seramikler, yemek pişirme gereçlerinde, kesici olarak ve hatta otomobil motor parçası olarak kullanılmaktadır. Ayrıca ısı ve elektrik iletkenliği açısından tipik olarak yalıtkandırlar.

Seramikler Polimerler Plastik ve lastikten oluşur Seramikler Polimerler Plastik ve lastikten oluşur. Karbon, hidrojen ve diğer bazı metal dışı elementlerden (O, N ve Si) meydana gelen organik bileşiklerdir. Karbon atomlarından oluşmuş ve genellikle zincire benzetilen uzun moleküller halinde bulunan, çok geniş molekül yapıları vardır. Yaygın olarak kullanılan polimerlere örnek olarak, polietilen (PE), naylon, poli(vinilklorür) (PVC), polikarbonat (PC), polisitiren (PS) ve silikon kauçuk verilebilir. Bu malzemeler, tipik olarak düşük yoğunluklara sahiptir. Mekanik özellikleri ise genellikle metal ya da seramik malzemelere göre oldukça farklı diğerleri kadar rijit ve dayanıklı değildir.

Kompozit (karma) malzemeler Metal, seramik ve polimerlerden iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşan malzemelerdir. Kompozit malzemeyle bir malzemenin tek başına sergileyemeyeceği özelliklere ve de kendisini oluşturan malzemelerin en iyi özelliklerine sahip olan bir malzemenin üretilmesi amaçlanır. Metal,seramik ve polimerlerin farklı şekillerde bir araya getirilmeleri ile çok sayıda farklı kompozit malzeme oluşturulabilir.

Malzemeyle ilgili gereksinimler İleri Malzemeler - Yarı iletkenler ( entegre devreleri için üretilen elektriksel açıdan özel olarak üretilir) - Biyo malzemeler (insan vücuduna yerleştirilen her türlü malzeme grubuna ait olabilen malzemeler eklem protezleri vs) - Akıllı malzemeler (bir çeşit sensör olup, piezoelektrik seramikler, şekil hafızalı malzemeler örnek verilebilir) - Nanomalzemeler (malzeme çeşidi gözetmeksizin, 10-9 m ölçeğinde ve temelinde atomların belrili bir amaca yönelik olarak dizilmesine imkan sağlayan ve böylece normalde elde edilemeyecek özelliklerin sağlanması mümkün olmaktadır. Bu malzemeleri inceleyen çalışmalara nanoteknoloji adı verilmiştir. Malzemeyle ilgili gereksinimler Enerji darboğazı açısından yakıtlar, depolama malzemeleri veya yapıları örneğin, hidrojenin depolanması ya da radyoaktif atıkların depolanması. Ulaşım ve taşımacılığa harcanan enerjinin minimize edilmesi. Otomobil, uçak,tren, vs. ağırlıklarının azaltılması. Yüksek sıcaklığa dayanıklı malzeme geliştirmek. Hafif ve mukavim malzemelerin geliştirilmesi Ucuz yeni enerji kaynaklarının bulunması ve mevcut kaynakların daha verimli kullanılması . Örneğin güneş enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi için yüksek verimli ve düşük maliyetli güneş hücreleri üretimi.

İçerik