Tasarımda Malzeme Seçimi METALLER Hazırlayan: Mustafa ACAROĞLU.

... konulu sunumlar: "Tasarımda Malzeme Seçimi METALLER Hazırlayan: Mustafa ACAROĞLU."— Sunum transkripti:

1 Tasarımda Malzeme Seçimi METALLER Hazırlayan: Mustafa ACAROĞLU

2 Mühendislik için kullanılabilecek malzeme miktarı 160.000 civarındadır. Malzeme seçimi : Ürünün şekillendirilmesi, birleştirilmesi ve son işlemler, üretim maliyeti, ürünün satış fiyatı, estetik olgular çevreye etkisi. Tasarım sonuca tek yoldan çıkılan bir zirve değildir. Mustafa Acaroğlu

3 Malzemelerin karakteristik özellikleri ve ait olduğu özellik grupları

4 TARİH BAĞIL ÖNEMLİLİK ZAMAN İLE MÜHENDİSLİK MALZEMELERİNİN DEĞİŞİMİ

5 TASARIM METODOLOJİSİ

6 YOĞUNLUK GERİLME TARİH ÖNCESİ

7 YOĞUNLUK GERİLME GÜNÜMÜZDE

8 Bu alanları nasıl daha da genişletebiliriz ? Eğer genişletirsek ne elde etmiş oluruz ?

9 METALLER Metaller yer kabuğundan cevher olarak elde edilen serbest elektronlarla çevrili iyon atomlardan meydana gelmiş kristal sistemi olup homojen dokulu, katı veya sıvı halde özelliklerini değiştirmeyen inorganik esaslı demir, çelik, bakır, alüminyum, çinko, kurşun gibi çeşitli yapı malzemeleridir

10 METALLER  SICAKLIK VE ELEKTRİĞİ İYİ İLETİRLER  KENDİNE ÖZGÜ MUKAVEMETLERİ VARDIR  SICAK VE SOĞUK OLARAK ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLER  KENDİNE ÖZGÜ RENKLERİ SICAK- SOĞUĞA KARŞI DAYANIM FARKLARI VARDIR FİZİKSEL ÖZELLİKLERKİMYASAL ÖZELLİKLER OKSİJENLE BİRLEŞEREK YANARLAR HER METALİN KOROZYON DİRENCİ FARKLIDIR HER METAL KENDİNE ÖZEL ASİTLERE,BAZLARA VE TUZLARA DAYANIKLIDIR

11 METALLERİN TEMEL ÖZELLİKLERİ

12 Metal Ve Alaşımlarının Örnek Uygulama Alanları

13

14 DEMİR ESASLI METALİK MALZEMELER  Demir doğada 4. yaygın bulunan bir metaldir (% 4.2).  1536 °C de erir, serttir ve fazla elastik değildir.  Yurdumuzda en zengin demir cevheri limonittir.  Kullanılan malzemenin %90’ı kadar olan kısmı demir esaslıdır. Demir esaslı malzemelerde C içeriğine göre Çelikler ve Dökme Demirler olarak 2’ye ayrılır.

15 ÇELİKLER  Çelikler, demir elementi ile genellikle %0,2 ile %2,1 oranında değişen karbon miktarının birleşiminden meydana gelen bir alaşımdır. Karbon ve diğer elementler demir atomundaki kristal kafeslerin kayarak birbirini geçmesini engelleyerek sertleşme amacı üstlenir. Karbon miktarı yüksek olan çelikler daha sert ve güçlü olmasına rağmen daha az sünektir. Günümüzde yaklaşık 3500 adet farklı fiziksel ve kimyasal özelliklerde çelik bulunmaktadır. Mevcut çeliklerin yaklaşık %75’i son 20 yıl içerisinde geliştirilmiştir. Eğer eyfel kulesi bugün yeniden inşa edilecek olsa mühendisler için daha önceden tüketilen miktarın 1/3’ i yeterli olabilecektir. Bu örnek çelik türlerinin her geçen gün kalitelerinin iyileştirildiğini göstermektedir.

16 ÇELİKLER Çelikler genel olarak aşağıdaki şekilde sınıflandırılmaktadır  Karbon ve alaşımlı çelik olarak bileşimlerine göre,  Üretim yöntemlerine göre,  Son üretim yöntemine göre,  Ürün şekline göre,  Kullanım yerleri, üretim programları ve deoksidasyon( kimyasal bir bileşiğin içindeki oksijenin çeşitli yöntemlerle uzaklaştırılması işlemidir )durumlarına göre.

17 Çeliklerin Temel Özelliklerini Özetlersek  Çeliklerin büyük çoğunluğu ısıl işlemlere karşı duyarlıdır. Kimyasal bileşimin yanı sıra uygulanan ısıl işlemler sonucunda istenen sertlik, mekanik ve fiziksel özellik, elektriksel özellik, korozyona ve yüksek sıcaklığa dayanım özelliklerine tam olarak kavuşturulabilir.  Çelikler yapılarının gerektirdiği sıcaklıklara kadar ısıtıldıklarında şekillenme özelliğine kavuşur (haddeleme, presleme, dövme).  Ayrıca kimyasal bileşim ve içyapı olarak uygun olan çelikler haddeleme, presleme gibi yöntemlerle soğuk olarak da şekillendirilebilir.  Kimyasal bileşim olarak uygun olan çelikler kaynak işlemi ile birleştirilebilir.  Talaş kaldırıcı tezgâhlarda işlenerek, istenilen şekil ve yüzey düzgünlüğüne getirilebilir.  Çeliklerin büyük bir bölümü çeşitli yöntemler ile metal ile kaplanmaya, emaye yapılmaya, boyanmaya ve plastik maddeler ile kaplanmaya elverişlidir.

18 ÇELİKLER  Çeliğin Yapıdaki Önemi Ahşap ve betona göre mukavemeti yüksek bir malzemedir. Elastisite modülü; ahşabın 21 katı, betonarmenin 10 katıdır. Daha hafif malzemelerle çok daha büyük açıklıklar geçilebilir. Çok değişik şekillerdeki mimari geometrilere istenilen mukavemet ve estetiği koruyarak mükemmel cevap verilebilir

19 DÖKME DEMİRLER  Demir cevherinin indirgenmesi ve ergitilmesi yoluyla elde edilen ve içinde %2 den fazla C ve diğer alaşım elementleri içeren (Mn, Si, F, Cr, …) bir Fe-C alaşımına pik denir.  Elde edilen pikin fırınlardan yeniden geçirilerek bazı metalurjik işlemlerden geçirildikten sonra bir kalıp içine boşaltılması ve kalıp boşluğu şeklini alarak katılaşması ile meydana gelen malzemeye dökme demir adı verilir.  Dökme demirler Fe-C diyagramına baktığımızda %2 den %6.67 ye kadar dökme demir olarak gösterilir. Ancak yüksek karbon oranı kırılganlığa sebebiyet verdiği için pratikte % 4,4'e kadar karbon ve %3.5'a kadar silisyum içeren bir Fe-C-Si alaşımı olarak bilinir ve çok az süneklik gösterirler, dolayısı ile şekillendirilemezler.  Bununla beraber, kolayca ergitilebilir ve genellikle son boyutlarda imal edilen karmaşık şekillerde dökülebilirler. Bu alaşımlara uygulanan en iyi imalatın döküm olmasından dolayı dökme demirler olarak isimlendirilirler.  Dökme demirler gevrek ve çeliklerden daha düşük mukavemet özellikleri göstermelerine rağmen, ucuzdurlar.

20 DÖKME DEMİRLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ  Çok geniş bir aralıkta mekanik/fiziksel özellik göstermesi, mesela, mukavemet 10 Kg/mm2 ile 160 Kg/mm2 arasında değişir. Sertlik ise 120-300 Brinell arasında değişirken, özel aşınmaya dayanıklı dökme demirlerde 600 Brinell değerindedir.  Diğer malzemelerle karşılaştırıldığında mukavemet başına Daha düşük maliyet,  Aynı mukavemet seviyelerinde karşılaştırıldıklarında, Çeliklere göre daha düşük yoğunluk ve daha yüksek termal iletkenlik gösterirler.  Yüksek hız ve üretim kapasitelerde Mükemmel işlenebilirlik gösterirler. Özellikle yapıdaki serbest grafit yağlayıcı özelliği göstererek işlemleri kolaylaştırır ve enerjiyi minimuma indirir.  Özellikle gri dökme demirler mükemmel sönüm kapasitesi özelliği gösterirler. Titreşim söndürme kapasitelerinin iyi oluşu onları motor bloğu üretiminde alternatifsiz kılar.

21  Tasarımdan final ürününe hızlı geçiş yapılır. Çünkü üretim aşamaları basit ve kolaydır.  Gramlardan 100 tonlara kadar karmaşık geometrilerde ve farklı kesit kalınlıklarında üretilebilirler.  Ötektik bileşime yakın olduklarından iyi dökülebilirlik özellikleri gösterirler. Düşük ergime sıcaklıklarına sahiptirler. (1150 -1300°C), ve ergime sıcaklığının düşük olması sebebiyle de ucuzdur.  Düşük, orta veya yüksek tonajlı döküm işlemlerinde çeşitlilik gösterirler. Kimyasal bileşim sınırlarının geniş tutulabilmesi ve yakın özellikler elde edilebilmesi üretim kolaylığı sağlar. DÖKME DEMİRLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ

22 DÖKME DEMİRLERİN SINIFLANDIRILMASI

23 BEYAZ DÖKME DEMİR (BDD)  Karbonun tamamı sementit ile bileşik haldedir. Katılaşma sıcaklığından hızlı soğuma ile elde edilirler ve bütün beyaz dökme demirler ötektikaltı alaşımlardır. Tipik mikroyapısı sementit (Fe3C) ve perlitten meydana gelir. Sementit, sert ve gevrek bir bileşiktir.  Beyaz dökme demirde önemli oranlarda bulunmasından dolayı bütün beyaz dökme demirler sert ve aşınmaya karşı dirençlidirler. Son derece gevrek ve işlenebilmesi zordur. Bu sebeple mühendislik uygulamalarında kullanımı sınırlıdır. Aşınma direncinin önemli olduğu ve süneklik istenmeyen uygulamalarda kullanılırlar.  Düşük silisyum içerirler (1.0 wt% Si veya daha az) ve hızlı soğurlar, Karbonun tamamı grafit yerine sementit olarak çökelir.   Karbonun tamamı Fe3C (Sementit)   Mikroyapı = Perlit + Ledeburite + Sementit

24 TEMPER DÖKME DEMİR  Karbon içeriğinin önemli bir kısmı veya tamamı temper karbonu olarak bilinen düzensiz rozetler şeklindedir.  Beyaz dökme demirin ısıl işlemi ile elde edilir.  Beyaz dökme demir, uygun sıcaklıklara kadar ısıtılarak yapısında bulunan sementit ve perlit parçalanır. Böylece serbest kalan karbon çok yavaş soğuma hızı ile rozet şeklini alır ve temper karbonunu oluşturur.

25 TEMPER DÖKME DEMİR  Temper dökme demirin iki türü vardır. (i) ferritik (ii) perlitik.  Ticari uygulamada temper dökme demir denince akla ferritik temper dökme demir gelir.  Ferritik temper dökme demirin de (i) beyaz temper döküm (ii) siyah temper döküm olmak üzere iki grupta toplandığı görülür  Beyaz temper döküm oksitleyici bir atmosferde Avrupa'da üretilir ve ferritik matrikste temper karbonu dağılmış haldedir. TSE’ ye göre rumuzu BTD’ dir.  Siyah temper döküm ise, beyaz dökme demirin nötr bir ortamda tavlanması ile Amerika'da üretilir. TSE’ ye göre rumuzu STD’ dir.  Her iki temper dökme demirin kimyasal bileşimleri pek farklı değildir. Fakat uygulanan temperleme işlemlerinin farklı olması, yapılarının ayrı ayrı oluşmasına sebep olur.  Perlitik temper dökümler de bileşik karbon içerirler, bu sebeple ferritik temper dökümlerden daha yüksek mukavemet ve süneklik gösterirler.

26 SİYAH TEMPER DÖKME DEMİRİN ÖZELLİKLERİ  Siyah temper dökme demirin makine işçiliği iyidir.  Korozyona dayanımı çinko, kadmiyum, alüminyum ve kurşun ile kaplanarak arttırılır.  Aşınma direnci iyidir.  Gri dökme demire göre daha az olmakla beraber, oldukça iyi titreşim söndürme özelliği vardır.  Siyah temper dökme demirlere kaynak yapılamaz. Çünkü kaynak yerleri çok gevrek olur ve kırılır.

27 BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİRİN ÖZELLİKLERİ  Beyaz temper dökme demirden yapılan parçalara, güç de olsa kaynak yapılabilir.  İnce kesitli parçalar lehimlenebilir.  Makine işçiliği, siyah temper dökme demire göre daha iyidir.  Aşınma direnci azdır.

28 TEMPER DÖKME DEMİRLERİN TERCİH EDİLMESİ  Temper dökümler ve küresel grafitli dökme demirler genellikle aynı uygulama alanları için üretilirler.  Aralarındaki seçimlerde özelliklerinden çok üretim maliyetleri veya üretilebilme imkanları önemli faktör olmakta ve ancak bazı özel durumlarda önem kazanmaktadırlar.  İnce et kalınlığındaki parçalarda,  Soğuk şekil verilecek veya dövülecek parçalarda,  Yüksek işlenebilme gerektiğinde,  Düşük sıcaklıklarda yüksek çarpma dayancı gerektiğinde,  Aşınma direncinin gerektiği bazı özel uygulamalarda (martensitik temper d.d. gibi)  Yüksek elastik modül gerektiren bazı özel uygulamalarda

29

30 GRİ DÖKME DEMİRLER Katılaştıktan sonra bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit yaprakları (lamel) halinde bulunan bir dökme demir çeşididir. Kırıldığı zaman, yüzeyi gri görünüşlüdür. Grafitten dolayı rengi gri olan bu dökme demire, GRİ DOKME DEMİR denir. Dökme demir çeşitleri içinde en çok kullanılanı olan bu dökme demir aynı zamanda LAMEL veya KIR DÖKME DEMİR olarak da tanınır. Gri dökme demirin kimyasal bileşimi, yapısı ve özellikleri geniş sınırları içinde değişmektedir. Gri dökme demire, birçok özelliklerini değiştirmek ve geliştirmek için nikel, krom, molibden, alüminyum, bakır vb. alaşım elemanları katılır.

31 GRİ DÖKME DEMİRLER  En çok kullanılan dökme demir sınıfını oluşturur.  Bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit lamelleri halinde bulunur. Genellikle ötektik üstü demirlerdir ve % 2.5-4 arasında karbon içerirler.  Gri dökme demirin mekanik özellikleri doğrudan doğruya döküm yapısına ve grafit morfolojisine bağlıdır. Grafit-ferrit karışımı bir mikroyapı en düşük mukavemetli gri dökme demiri verir.  Karbon miktarının artmasıyla birlikte malzemenin mukavemet ve sertliğinde de artma görülür.  Gri dökme demirler çok çeşitli özellikler göstermelerinden dolayı mühendislik alanında birçok uygulama sahası bulmuştur.  En önemli özelliklerinden, titreşim söndürme kabiliyetinin olması, yüksek mukavemet göstermesi ve ucuz olmasıdır.

32

33 DÖVÜLEBİLİR DEMİR ÇELİK EĞİLME YORULMASI DEĞME YORULMASI Döküm Dövülmüş Perlitli Ferritli Osmenevişli Dövme ve gaz nitrürlü Dövme ve karbonlanmış durumda

34

35 Yüksek Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Mustafa ACAROĞLU