Metalurji ve Malzeme Mühendisliğine Giriş

Metalurji ve Malzeme
Mühendisliğine Giriş
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Dersin amacı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliğinde temel
konuları tanıtmak
Prof. Dr. Şerafettin Eroğlu
Bölüm 1: Genel Bakış:
Metalurji ve Malzeme
Mühendisliğinin tanımı; Malzeme
Türleri ve Malzeme Seçim süreci
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Nedir ?
Metalurji Mühendisliği, metal ve
alaşımlarının cevherden başlayarak
insanlığın hizmetine sunulma aşamasına
kadar geçen tüm kademeler ile ilgilenen
bir bilim dalıdır.
Mühendislik çalışmasının yer aldığı her
alanda
kullanılacak
malzemenin
özellikleri büyük önem taşımaktadır.
İnşaat sektörü, otomotiv sektörü, uzay
çalışmaları, elektronik cihaz yapımı ve
bunun gibi değişik birçok mühendislik
alanında özelliklerinden yola çıkarak
doğru
malzeme
seçimi
yapılması
gerekmektedir.
Bundan
dolayı,
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği,
malzemenin
üretiminin
yanında,
kullanım yeri ve amacına yönelik
özelliklerinin
çeşitli
yöntemlerle
değiştirilmesi
diğer
bir
deyişle
geliştirilmesini de içermektedir.
Örneğin, implant malzemesi
1
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölüm
Dalı
Gelişen teknoloji, daha spesifik özelliklere sahip
malzeme ihtiyacını ortaya çıkarmış, mühendislik
alanında metal dışı birçok malzemenin de
kullanımını
beraberinde
getirmiştir.
Bu
doğrultuda, metal dışı malzemeler de (seramik,
cam, kompozit, vb) metalurji ve malzeme
biliminin ilgi alanına girmiştir.
Ülkemizde, ilk metalurjik tesisler demir çelik
üretimi ağırlıklı olarak devlet tarafından
kurulmuştur. Kurulan ilk demir çelik tesisi
Karabük Demir Çelik İşletmeleridir. Bu tesisin
ardından Ereğli Demir Çelik Fabrikaları ve
daha sonra İskenderun Demir Çelik İşletmesi
kurulmuştur.
Bunun yanısıra demir dışı metal üretim tesisi
olarak da Seydişehir Alüminyum Tesisleri ilk
kurulan metalurjik tesislerdendir. Bugün
ülkemizde, gerek demir çelik üretimi ve gerekse
demir dışı metal üretimi gerçekleştiren orta ve
küçük ölçekli birçok işletme bulunmaktadır.
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
Bölüm Dalı
Metalurji ve Malzeme Mühendisleri
yeryüzündeki
mineral kaynaklarını
ve
hurdaları işleyip
onları nihai
ürünlere
dönüştürür, metal bileşiklerinden seramik
malzeme üretir ve kompozit malzeme imal
eder.
Metalurji mühendisleri sadece metal
üretmezler aynı zamanda ürettikleri ürünlerin
mukavemeti, sertliği, tokluğu, korozyon
davranışları gibi özelliklerini de belirlerler.
Metalurji ile matematik , fizik ve kimya
bilimleri arasında sıkı bir bağ vardır. Bu
temel bilimler metal üretim metodlarının ve
malzemelerin özelliklerinin anlaşılmasında
temel oluştururlar.
Metalurji ve Malzeme Mühendisi, demir-çelik,
demir dışı metal, metal dışı malzeme üreten
veya ara mamül üzerinde işlem gerçekleştiren
her türlü tesiste çalışma imkanı bulmaktadır.
Seramik bıçak
Hafıza pilinin zamanla
bilgisayarda yol açtığı
korozyon !
2
MALZEME NEDİR?
• Malzemeler üretim ve imal
işlerinde kullanılan fiziksel
maddelerdir.
• Malzemeleri yeryüzü kabuğundan ve
atmosferden elde ederiz.
• Örnekler : Silisyum (Si) and Demir (Fe), yer
kabuğunun sırasıyla ağ.% 27.72 and
%5.00 ini oluşturur.
Azot and Oksijen, atmosferdeki
kuru havanın sırasıyla hac.%78.08
ve% 20.95 ini oluşturur.
Malzeme Türleri
•
Metalik Malzemeler
Bir veya daha fazla metalik elementten oluşur.
Örnek: Demir, bakır, Aluminyum.
Metallik element metalik olmayan elementi (C, N gibi) bünyesinde
barındırabilir.
Inorganik olup atomları düzenli bir şekilde yer aldığı kristal yapıya
sahiptir.
İyi elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptir.
Çoğu oda sıcaklığında dayanımlı ve sünek olup yüksek
sıcaklıklarda bile nispeten dayanımlarını korurlar.
Metal ve alaşımları*
Demir esaslı
Ör: Çelik,
Dökme demir
Demir dışı
Ör: Bakır,
alüminyum
*: Bir metal alaşımı, iki veya daha fazla metalden ya da metal ile metal
olmayan elementlerden oluşur.
3
Malzeme Türleri
• Polimerik (Plastik) Malzemeler
Organik (karbon içeren) uzun molekül zincirlerine
ve ağına sahip çoğu kristal olamayan malzemeler
Bazılarında kristal ve kristal olmayan kısımlar
beraberce bulunabilir.
Elektriği kötü iletirler. Dolaysı ile yalıtkandırlar.
Mukavemet ve süneklilik büyük değişiklikler
göstermektedir.
Çoğunlukla düşük yoğunlğa , düşük bzonuma ve
yumuşama sıcaklığına sahiptirler.
Örnekler:- Poli Vinil Klorür (PVC), Polyester.
Uygulamalar :- Beyaz eşya, DVD, Kumaşlar vs.
Malzeme Türleri
• Seramik Malzemeler
Birbirine kimyasal olarak bağlı metalik ve metal
olmayan elementlerden oluşan, organik olmayan
malzemelerdir.
Kristal yapıda veya kristal olmayan yapıda veya
bunların karışımı olabilir.
Mekanik olarak kırılgandırlar.
Yüksek sertlik, yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek
aşınma direnci göstermektedirler. Isıyı az geçirir.
Bu bakımdan yüksek sıcaklık sıvı metal ve ısıl işlem
fırınlarında astar olarak kullanılır.
Diğer uygulamalar : Aşındırıcılar (abrasifler), inşaat
malzemeleri, mutfak eşyaları vs.
Örnek- Porselen, cam, sislisyum nitrür.
4
Malzeme Türleri
• Karma (Kompozit) Malzemeler
İki veya daha fazla malzemenin karışımı
Dolgu ve güçlendirme malzemeleri ile bağlayıcıdan
ibarettir.
Malzemeler birbiri içinde çözünmez ve birbirlerinden bir
ara yüzeyle ayrılır.
İki tip karma malzeme:o Lifli (Fiber): Fiberler, ana faz (matris) içinde.
o Parçacıklı (Particle): Anafaz içinde parçacıklar
o Ana faz (matris) metal, seramik, polimer olabilir.
Örnekler : Cam lif ( epoksi veya polyester matris içinde
güçlendirici malzeme)
Beton ( çakıl taşları ve çelik çubuklar ile güçlendirilen
çimento ve kum)
Uygulamalar:- Uçak kanatları, inşaat.
Malzeme Türleri
• Elektronik Malzemeler
Hacım olarak büyük miktarlarda değil, fakat çok
önemli malzemeler.
Silisyum (Si), en çok bilinen elektronik malzeme
P, Sb gibi çeşitli katkılarla (Dopants) elektrik
özellikleri değiştirilebilir.
Örnekler:- Silisyum yongalar, tranzistörler
Uygulamalar :- Kompüter, hesap makineleri,
uydular, cep telefonları vs.
5
Malzeme Seçim Süreci
1. Uygulama
Özellikler
Uygulamaya uygun gerekli özellikler tespit edilir. Özellikler:
termal, mekanik, optik, manyetik, elektrik ve korozyon (yenim)
2. Özellikler
Malzeme(ler)
Özellikleri veren malzeme belirlenir. Malzeme: Bileşim, yapı
3. Malzeme
Proses
Gerekli olan proses veya süreç belirlenir. Proses, yapıyı ve
ürün şeklini değiştirir. Proseslere örnek:Döküm, sinterleme,
şekillendirme, tavlama, birleştirme, kaynak
Üç ana malzemenin karakteristik özellikleri
Metal
Seramik
Polimer
Mukavemetli
Mukavemetli
Sünek
Kırılgan
Ekseri
mukavemetsiz
Çok sünek
Elektriğ
lektriği iletir
Elektriğ
Elektriği iletmez
Elek
Elektriğ
triği iletmez
Isı
Isıyı iletir
Isı
Isıyı iletmez
Isı
Isıyı iletmez
Saydam değ
değil
Saydam olabilir
Saydam değ
değil
Parlak
Isı
Isıya dayanı
dayanıklı
klı
Düşük yoğ
yoğunluk
6
İmplant malzemeleri,
insan vucudunda
kullanılan insan yapısı
malzemelerdir.
Vucut implantı için malzeme seçimi ?
ÖDEV 1: Vucutta kullanılan implant malzemeleri nelerdir ? Neden bu malzemeler
kullanılır ? Hangi yöntemlerle implant üretilmektedir ? Araştırınız.
Bölüm 2 Malzeme Yapıları ve
özellikleri
ÖNEMİ: Bir malzemenin kristal yapısı o malzemenin bütün fiziksel
özelliklerini etkiler. Özellikle metallerin özellikleri kristal yapıya
büyük ölçüde bağlıdır.
7
Kristal Kafes Sistemleri
•
•
•
•
•
Atomlar arası çekme kuvveti atomları bir
arada tutar.Buna karşılık atomların
elektron yükleri nedeni ile birbirini itme
kuvveti de vardır. Çekme ve itme
kuvvetlerinin dengede olduğu uzaklık
atomlar arası uzaklığı belirler. Bu
uzaklık genellikle 0.1-0.2 nm kadardır.
Isı enerjisi verilerek atomlar arası
uzaklık artırılabilir. Hatta atomlar
birbirinden tamamen ayrılabilir.
Mühendislikte kullanılan malzemelerin
çoğu katı halde olup atomları üç boyutta
tekrarlanan bir atomlar düzeni içinde
bulunur. Böyle düzenli atom kümelerine
kristal yapı denir. Birim kümelerin her
biri birim kafes veya hücre adını alır.
Atomların dizilişi 7 ana kafes sisteminin
birinde gerçekleşir. Bunlar, kübik,
tetragonal, ortorombik, trikklinik,
hegzagonal ve rombohedral
sistemleridir.
Atomlar genelikle birim kafesin
köşelerinde,yüzeyinin ortalarında ve
merkezde bulunurlar.
Birim kafesin kenarlarına ve kenarlar
arasındaki açılara kafes sabitleri denir.
Kübik sistemde kenar uzunlukları kafes
sabiti a ile gösterilir ve bir birine eşittir.
Kenarlar bir birine diktir.
Metallerde Kristal Kafes Sistemleri
•
•
Atomlar hem küpün köşelerinde
( birer atom) ve hem de
merkezinde (1 atom) bulunuyor
ise bu kristal yapıya “Hacim
Merkezli Kübik” (HMK) kristal
yapı denir. HMK kafese sahip
metallere örnek olarak Cr, V,
Mo, W ve Ta verilebilir. Fe 911
C nin altında HMK yapıya
sahiptir.
Atomlarının kafes köşelerinde
(birer adet) ve yüzey
merkezlerinde (birer adet)
bulunduğu kristale “Yüzey
Merkezli Kübik” (YMK) kristal
yapı denir. YMK kristal yapıya
sahip metallere Cu, Al, Ag, Pb,
Fe (>911 C) örnek verilebilir.
YMK, en çok atomsal kayma
ihtimali olan kafes tipidir.
Hacim Merkezli Kübik
Kristal
Atomlar sert küre
şeklinde
gösterilmiştir.
Yüzey
Merkezli
Kübik Yapı
8
Metallerde Kristal Kafes
Sistemleri
•
Hekzagonal kristal
yapıda atomlar altıgen
prizma şeklinde dizilirler.
Üst ve alt tabakaların
köşelerinde altışar adet
atom bulunur. Bu
tabakaların ortasında
birer adet atom bulunur.
Üç atom orta tabakada
bir üçgen
oluşturmaktadır. Kafes
sisteminin bu yapısı,
hekzagonal kafes
tipindeki atomların az
şekil değiştirebilir
özellikte olmasına neden
olur. Hegzagonal kafese
sahip metaller: Mg, Ti,
Co, Zn, Cd.
Hekzagonal Kristal Yapı
Atomların yerlerini
açık şekilde
göstermek için
atomlar küçük küre
şeklinde
gösterilmiştir.
Atomlar sert küre
şeklinde
gösterilmiştir.
Metallerin kristal yapıları ve şekil değiştirme kabiliyetleri
•
•
Metallerin mekanik özellikleri kristal yapıya büyük ölçüde bağlıdır. Kristal kafese
dışarıdan bir kuvvet uygulandığında, metal atomlarının konumları karşılıklı kayar.
Kuvvet etkisi az olursa , kendi kafesteki yerinde sıkışır ve kuvvetin kalkması ile
tekrar başlangıçtaki yerine döner. Böylece metal “elastik deformasyon” gösterir.
Kuvvet tesiri büyük olduğunda, kristalin bir yerinde kayma sonucu metal atomlarının
kararlı düzeni bozulabilir. Uygulanan kuvvetin kalkmasından sonra metal eski
düzenine dönemez ve bu yeni karalı konum olduğu gibi kalır. Metal malzeme kalıcı
olarak biçim değiştirmiştir. Buna “plastik deformasyon” denir. Kayma işleminden
sonra metal atomları arasında öncekinde olduğu gibi yine benzer bağ kuvveti
oluşur. Şekillendirmeye, kuvvet etkisinin sürekli olarak devam etmesi halinde,
malzemenin yükleme bölgesindeki bütün atomların konumları kayıncaya kadar
devam eder. Ondan sonra yüklemenin devam etmesi halinde malzeme kırılır veya
kopar.
Kristal kafeslerin bu yapıları metallerin soğuk olarak işlenebilmelerini sağlar. Bu
açıdan bakıldığında en çok kayma ihtimali olan kafes, en iyi şekil değiştirmeyi
gösterecektir. Şekil değiştirme kabiliyetlerine göre kafes tipleri şunlardır:
–
–
–
Çok iyi şekil değiştirebilir kristal kafes: Yüzey merkezli kübik kafesi
(örnek:Pb, Al, Cu ..)
İyi şekil değiştirebilir kristal kafes: hacim merkezli kübik kafes (örnek W,
Ta, Cr…))
Az şekil değiştirebilir kristal kafes.: hegzagonal kafes (ör.Mg, Zn..)
9
Malzeme Özellikleri
ÖNEMİ: Her türlü konstrüksiyonda ve her türlü makine-alet yapımında en önemli konu malzeme
seçimidir. Malzeme seçimi ise, söz konusu makine veya könstrüksiyonun kullanma yerinin koşullarına
göre yapılır. Malzemenin özellikleri bu koşullara uygun olmalıdır. Malzemelerin çeşitli özellikleri
aşağıda tanıtılmaktadır.
Fiziksel özellikler: Yoğunluk, metalurjik yapı gibi.
Kimyasal ve elektrokimyasal özellikler: Kimyasal bileşim, korozyon gibi.
Mekanik özellikler: Çeşitli sıcaklık ve kuvvet uygulandığında malzemenin mukavemeti (çekme, basma,
kayma, darbe mukavemetleri gibi), elastikliği, sünekliği, kırılganlığı, sertliği ve aşınma direnci gibi.
Isısal özellikler: Özgül ısı ve ısı genleşmesi, ısı iletkenliği .
Elektrik ve magnetik özellikleri: Elektrik iletkenliği, magnetikliği
Akustik özellikleri: Sesi geçirmesi, sesi yutması ve yansıtması
Optik özellikler: Renk, ışığı yansıtması, ışığı geçirmesi veya yutması.
Bu bölümde bazı özellikler ve ölçüm teknikleri anlatılacaktır.
Yoğunluk
Yoğunluk, birim hacimdeki malzemenin kütlesidir. Teorik yoğunluk, birim hücredeki
atomların ağırlığının birim hücrenin hacmine bölünmesi ile bulunur.
Birim hücredeki atom
sayısı:YMK için n=4, HMK için
n=2’dir.
ρ teorik
A
m
Na
= =
V
V
n
Atom
ağırlığı
(gr/mol)
Avagadro sayısı
(atom/mol)
Birim hücrenin hacmi, cm3 (Kübik
birim hücrede a3’dür.)
Atomların üç boyutta düzenli dizilişi kristal yapıyı oluşturur. Kristal yapı türü bilinirse birim
hacimdeki atomların toplam sayısı ve ağırlığı kolayca bulunabilir. Ancak, doğada bulunan
kristallerde bazı atomlar düzenli dizilmediği için değişik türde kusurlar vardır. Bundan ötürü
hesaplanan teorik yoğunluk, gerçek yoğunluktan biraz fazladır. Mesela, bakırın gerçek
yoğunluğu ρgerçek=8.89 g/cm3, hesaplanan teorik yoğunluk ise ρteorik=8.94’dur.
Yoğunluk, metallerde 2-21, seramiklerde 2-6 ve polimerlerde 0.7-2.5 gr/cm3 aralığında
değişir. Malzemelerin ortalama yoğunluk değerlerini kıyaslarsak en yüksek yoğunluğa
metalik malzemelerin sahip olduğu görülür.
ρmetal > ρseramik > ρpolimer
Burada > büyüktür
anlamındadır.
10
Yoğunluğun önemli olduğu
uygulamalar
•
Yoğunluğu yüksek olan metaller
– Örneğin W (19.3 g/cm3), Pb, U
• Wolfram alaşımları yüksek
yoğunluğundan dolayı radyasyon
emici malzeme olarak tıp alanında
kullanılmaktadır.
• Ayrıca, W ve U esaslı alaşımlar
kinetik enerjili zırh delici malzeme
olarak kullanılmaktadır.
Radyasyon emici kalkanWolfram alaşımı
• Yoğunluğu düşük olan metaller
Ödev 2- Düşük yoğunluğa sahip metaller hangileridir? Düşük
yoğunluğa sahip metalik malzemelerin kullanım alanları nelerdir ?
Araştırınız.
Örnek: Yoğunluk hesabı
•
•
Soru: YMK kristal yapıya sahip bakırın teorik yoğunluğunu
(gr/cm3) hesaplayın. A=63.55 gr/mol, Na=6.023x1023
atom/mol. Birim hücredeki toplam atom sayısı n=4, Birim
hücre kenarı veya kafes sabiti a=0.3614 nm. 1nm=10-7 cm
Cevap:
63 .55
6
.
023
x10 23 = 8 .94 gr/cm 3
ρ Cu =
(0 .3614 x10 − 7 ) 3
4
Not: Uygulamada, mühendislik malzemelerinin yoğunlukları Arşimet prensibine veya
parçanın hacim ve ağırlık ölçümünden hesaplanır.
11
Ergime ve Kaynama Noktaları
•
•
•
•
Ergime ve kaynama noktaları atomlar arası bağlarla ilgilidir.
Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda ise zayıf bağlar vardır. Katı
halden sıvı hale veya sıvı halden gaz haline geçerken bu bağlar
kopar. Bağ enerjisi ne kadar yüksek ise, katının ergime noktası ve
sıvının kaynama noktası da o derece yüksektir. Örneğin, NaCl de
atomlar birbirine iyonik bağ ile bağlanmıştır. Bağ enerjisi 183
kkal/mol’dür. Sodyum klorürün erime noktası 800 oC’dir. Buna
karşılık demir metalinde atomlar metalik bağlı olup bağ enerjisi 200
kkal/mol ve erime noktası 1535 oC’dir.
Genel olarak ergime sıcaklığı yüksek olan malzemeler,
dayanıklıklarını ergime sıcaklığı düşük olan malzemelere kıyasla
daha fazla muhafaza ederler. Seramiklerin ergime sıcaklıkları
yüksek ve kimyasal karalılıkları iyidir. Fakat,mekanik ve termal
şoklara karşı direnci azdır. W, Mo, Ta gibi bazı metallerin ergime
sıcaklıkları çok yüksektir. Wolframın ergime sıcaklığı 3410 C ‘dir.
Isıl Genleşme
Katılarda atomlar birbirine sıkıca bağlı
olduğundan malzeme içinde serbestçe
hareket edemezler. Ancak, atomlar
bulundukları noktalarda sıcaklığa bağlı
olarak bir titreşim hareketi yapabilirler.
Bir katı cisme ısı verildiği zaman verilen
ısının kinetik enerjiye dönüşmesinden
dolayı atomların yapmakta oldukları
titreşim hareketi artar, kapladıkları hacim
genişler. Bu olaya “ısıl genleşme” denir.
Verilen ısı artırılacak olursa hareketlenen
atomlar bulundukları kafes sisteminin
dışına çıkarlar. Kristal kafesi terk eden
atomların etkisiyle kafeste bozulma olur,
bunun sonucunda metal erir.
Malzemelerin ısıl genleşme katsayıları
ergime sıcaklıkları arttıkça azalır. Bunun
nedeni ergime sıcaklığı yüksek olan
malzemelerde bağ enerjisinin çok yüksek
olmasıdır. Örneğin:Mg elementinin
ergime sıcaklığı 650 oC ve ısıl genleşme
katsayısı α =26x10-6 cm/(cmoC); Fe
elementinin ise ergime sıcaklığı 1535 C
ve ısıl genleşme katsayısı α =10x10-6
cm/(cmoC).
Uzunluktaki
değişim
Sıcaklıktaki
değişim
İlk uzunluk
Lineer Genleşme katsayısı
Malzemelerin lineer genleşme katsayısı, sıcaklık
ile malzeme bir boyutundaki değişim ölçülmek
suretiyle yukarıdaki formül ile hesaplanabilir.
12
Isı ve Elektrik İletkenliği
•
Isı iletkenliği: Isı enerjisi, serbest elektron
hareketi ve atomların ısıl titreşimi ile iletilir.
Serbest elektronlar, ısıl titreşime göre 10-100
kat daha fazla ısıl enerji iletirler. Bu nedenle
metallerin ısı iletimi diğer malzemelere göre
daha yüksektir. İyonsal ve kovalent bağlarda
ısıl enerji yalnız atomların ısıl titreşimi ile iletilir.
Bu tür malzemelerin ısı iletkenliği çok düşüktür.
Bu tür malzemeler ısıl yönden yalıtkan
sayılırlar.
•
Elektriksel iletkenlik: Malzemelerde
elektriksel iletkenlik, elektriksel alan etkisinde
kalan serbest elektron hareketleri ile sağlanır.
Metallerde valans elektronlar serbest halde
bulunduklarından kolaylıkla yüksek iletkenlik
elde edilir. İyonsal ve kovalent bağ içeren
malzemelerde serbest elektron
bulunmadığından iletken sayılmazlar. Ancak,
bazı kovalent bağlı malzemelerde (Si, Ge vb.)
yabancı atomların (P,B vb.) ilavesi ile yeterli
sayıda elektron serbest hale gelerek elektrik
iletimi sağlayabilirler. Bu tür malzemelere yarı
iletken denir.
Fazla ısınmış bilgisayar
Metallerin ısı ve elektrik iletkenlikleri
Mekanik özellikler
•
Mekanik özellikler mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılırlar. Hemen
hemen bütün mühendislik dalları, özellikle malzeme ile yakından ilgilenenler,
malzemeyi tanımak, mekanik özelliklerini tespit etmek, deney yapmak ve sonuçlarını
irdelemek zorundadır. Yine malzemelerden yapılan her türlü alet ve eşyanın kalite
kontrolü ve verimli bir şekilde seri üretimi, ancak mekanik deneylerden faydalanılarak
gerçekleştirilebilir. Örneğin, malzeme mukavemeti, konstrüksiyon ve makinaların
ömrü ve verimliliği ile ilgili çok önemli bir özelliktir. Mekanik deneylerle tespit edilen bu
özellik, dizaynlarda malzeme seçimini etkileyen en önemli faktörlerden biridir.
Mekanik deneylerin kullanılma yerleri özetlenecek olursa, aşağıdaki ana amaçlar
sıralanabilir:
–
–
–
–
Belirli bir dizayn için kullanılacak malzemenin uygun olup olmadığının
tespit edilmesinde,
Yeni bir dizaynda, çeşitli malzemelerden hangisinin daha uygun olacağının
tayin edilmesinde;
Belirli özelliklerdeki, malzemelerden yapılmış alet ve cihazların kalite
kontrolün de, performanslarının tayininde ve kullanışları sırasında ortaya
çıkan aksaklıkların tespit ve giderilmesi ile ilgili çalışmalarda;
Malzeme bilimi ile ilgili teorik çalışmalarda ve teorik kuralların pratiğe
uygunluğunun tespitinde.
13
Mekanik özellikler-sertlik
Önemi: Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney
sertlik ölçümüdür. Bunu başlıca sebebi deneyin basit
Uygulanan
oluşu ve diğerlerine nazaran numuneyi daha az tahrip
etmesidir. Diğer bir avantajı ise, yapılan basit sertlik
Batıcı
Kuvvet
ölçümleri ile malzemenin çekme mukavemeti hakkında
ucun çapı
bir fikir edinmek olasıdır. Örneğin çeliklerde, çekme
Brinell Sertlik
mukavemeti sertlik ile artar.
İzin çapı
Ölçüm yöntemi
Tanımı:Sertlik, göreceli bir ölçü olup sürtünmeye,
çizmeğe, kesmeye ve plastik deformasyona (kalıcı
Brinell Sertliği (BSD) α Kuvvet / (izin küresel yüzey alanı)
şekil değiştirme) karşı direnç olarak tarif edilir.
Ölçümü: Sertlik ölçme genellikle, konik veya küresel
Burada “α=Orantılı” anlamındadır.
bir standart ucun malzemeye batırılmasına karşı
malzemenin gösterdiği direnci ölçmekten ibarettir.
Uygulanan
Uygun olarak seçilen bir sert uç, tatbik edilen bir yük
veya kuvvet altında malzemeye batırıldığında malzeme
Kuvvet
üzerinde bir iz bırakacaktır. Genel deyimle
Rockwell Sertlik
malzemenin sertliği bu izin büyüklüğü ile ters
Ölçüm yöntemi
orantılıdır. En çok kullanılan sertlik ölçme yöntemleri İzin
Rockwell sertliği
şunlardır:
derinliği
-Brinell sertlik ölçme yöntemi: 5-10 mm çapında
RSD α 1 / (iz derinliği)
bilyenin numunede biraktıği izin çapı
ölçülür.Uygulanan kuvvet:250-500-1500-3000 kgf.
Kuvvet
-Rockwell sertlik ölçme yöntemi: 120 tepe açısına
sahip elmas konik ucun numunede bıraktığı izin
Vikers
derinliği ölçülür.Uygulanan kuvvet:10-150 kgf.
sertlik
-Vickers sertlik ölçme yöntemi: 136 tepe açılı piramit
ölçme
elmas ucun numunede bıraktığı izin genişliği
yöntemi
ölçülür.Yük: 1-120 kg.
Bu ölçmeler arasında ilişkiler olup, çevrim tabloları
Batıcı ucun
Vikers sertliği
vasıtası ile bir ölçme değerinden diğerine geçmek
geometrisi
mümkündür.
(VSD) α Kuvvet/ (İz alanı)
Malzemeye bir dış kuvvet uygulandığında, malzeme içinde bu
dış kuvveti dengeleyen bir karşı kuvvet oluşur. Denge halinde
birim yüzey alana düşen kuvvete gerilme (σ) denir.
Gerilme
σ = F/A
Kuvvet
Mekanik özellikler-Çekme testi
Burada σ=Gerilme, (1 N/mm2=1 MPa, 1 kgf/mm2=9.81 MPa)
K= Kuvvet, (N, kgf)
A= kesit alanı ( mm2)
Uzamadaki değişim
Mühendislik gerilmesi, kuvvetin başlangıçtaki alana (Ao) bölünmesi ile
bulunur.
Orijinal uzunluk
Gerilme altında kalan bir malzemenin boyutlarında değişim olur.
Malzeme boyutlarında birim uzunlukta meydana gelen deformasyon,
uzama (ε
ε) olarak ifade edilir.
Mühendislik uzaması (%) ε =(L-Lo)/Lox100=(∆
∆L/Lo)x100
Kuvvet
Mühendislik gerilmesi σ = F / Ao
Burada L= malzemenin gerilme altında ölçülen uzunluğu
Lo=Malzemenin gerilme uygulanmadan önceki uzunluğu
∆L=Uzamadaki değişim
Mühendislik uzaması uzamadaki değişimin (∆L) ilk uzunluğa (Lo)
bölünmesi ile bulunur.
14
Çekme testi
Çekme deneyleri metal ve alaşımların dayanımlarını belirlemek için kullanılır. Bu deneyde, metal numune
nispeten kısa zamanda ve sabit hızda, kopuncaya kadar çekilir.
Gerilme-Uzama eğrisinin açıklaması
Çekme dayanımı
Elastik
sınır
Kopma
dayanımı
Boyun verme burada
başlar
Yumuşak sünek çelik
Gerilme
Deneyin başlangıcında düşük gerilmeler altında malzeme
elastik olarak uzar, bu da yük kaldırıldığı zaman parçanın
ilk uzunluğuna döneceği anlamına gelir. Yük, plastik veya
geri dönmeyen uzama olacak kadar büyük ise elastik
sınır aşılır. Elastik sınırdaki plastik deformasyonun
başladığı gerilmeye “akma dayanımı” denir. Deney
parçasının boyunu daha da uzatmak için gerilmeyi artırmak
gerekir. Gerilmenin ulaştığı en yüksek değere “çekme
dayanımı” denir. Bu noktadan sonra deney parçasında
bazı malzemelerde (ör.yumuşak çelik) boyun verme başlar
ve kesitte daralma olur. Gerilme, kopma olana kadar
azalır. Kopma anındaki gerilmeye “kopma dayanımı”
denir ve çekme dayanımından düşüktür.Boyun vermeyen
malzemelerde çekme ve kopma dayanımları aynıdır.
Kopma anındaki uzamaya kopma uzaması veya toplam
uzama denir. Kırılgan malzemelerde uzama az, sünek
malzemelerde fazladır. Sünek yumuşak çeliklerde %30-40
uzama görülebilir. Buna karşılık kırılgan seramiklerde,
uzama %1’in altında olabilir.
Akma dayanımı
Kopma uzaması
Plastik deformasyon
Uzama (%)
Düşük karbonlu çeliğin çekme
testi eğrisi
Elastik sınırın altında gerilme, uzama ile lineer olarak artar
ve bu ilişki aşağıdaki Hooke Yasası ile ifade edilir:
σ=Eε
Burada E=Elastik modülü (Young Modülü)’dür ve doğrunun
eğiminde bulunabilir. Birimi, N/mm2 veya MPa’dır.
Çekme testi
Uygulamada genellikle çekme dayanımı,
kopma anındaki uzama veya toplam uzama
ve akma dayanımı değerleri rapor edilir.
Kırılgan malzeme
Soru: Ticari saflıktaki 10 mm çapında daire kesitli bir
metal numunenin orta kısımdaki ölçüm boyu işaretleri
birbirinden 50 mm uzaklıktayken kopmada bu uzaklık 67.0
mm olmaktadır (Aşağıdaki şekil). Çekme testi, numunede
akmanın 100 kgf da başladığını ve numunenin en yüksek
150 kgf’lık kuvvete dayandığını göstermiştir. (a) toplam
mühendislik uzamasını, (b) akma dayanımını ve (c) çekme
dayanımını MPa olarak hesaplayın.
50 mm
Orijinal
L0
numune
Gerilme
Sünek malzeme
Elastik
bölgeçizgilerin sol
tarafı
L=
Kopmada ölçüm
uzunluğu (67 mm)
Kopma
sonrası
numune
Toplam uzama
Cevap:
(a)Toplam mühendislik uzaması (%) ε =(L-Lo)/Lox100
=(67-50)/50x100=%34
Uzama (%)
Kırılgan ve sünek malzemelere ait gerilmeuzama eğrilerinin kıyaslanması. Kırılgan
malzemelerde uzama azdır.
(b) 1 kgf=9.81N, F=100 kgf=981 N,
Alan=Ao=(πD2/4)=3.14x102/4=78.5 mm2
Akma dayanımı=F/A=981/78.5=12.5 N/mm2=12.5 MPa
(c) 150 kgf=1471.5 N
Çekme dayanımı=F/A0=1471.5/78.5=18.7 N/mm2=18.7 MPa
15
BÖLÜM 3 - DEMİR ve ÇELİK ÜRETİMİ
Önemi: Dünya’da üretilen metallerin yaklaşık %90’ını demir ve çelik oluşturur. Bunun büyük
bir bölümü düşük alaşımlı* karbon çeliği halindedir. Karbon çeliği, gerek mukavemeti, gerekse
işlenebilme özellikleri bakımından makine ve ekipman imalatı için en uygun metaldir. Üstelik
fiyatı da en ucuzdur. Karbon çeliğinin en büyük dezavantajı, korozyona (ör. Oksitlenme) karşı
dayanıksız oluşudur. Ancak, korozyona karşı alınan önlemler (kaplama, alaşımlama gibi) ile
korozyon hızı azaltılmaktadır. Demir ve çeliğin endüstride yaygın olarak kullanılmasının başlıca
nedenleri, doğada diğer metallere nazaran çok bulunması, üretiminde diğer metal üretim
yöntemlerine göre daha az enerji gerektirmesi ve özelliklerin geniş sınırlar içinde
iyileştirilebilmesidir. Demirin özellikleri, alaşımlama ve ısıl işlemlerle, diğer metal malzemelerde
ulaşılmayacak ölçüde değiştirilebilir. Hemen hemen tüm bilinen teknolojik yöntemler ile
şekillendirilmesi mümkündür.
Endüstride saf haldeki demir endüstride kullanılmamaktadır. Yüksek fırınlardan elde edilen
ham demirler saf olmayıp, içinde bir çok safsızlıklar (empüriteler) bulunmaktadır. Bu demirler
ya dökme demir olarak kullanılmakta, ya da içinde bulunan karbon oranı düşürülerek karbon
çeliği haline getirilmektedir.
Saf demirin önemli bazı özellikleri: Erime noktası=1535 o C, Yoğunluk:7.87 g/cm3
Çekme dayanımı:245-280 Mpa, Akma dayanımı:70-140 MPa, Sertlik:82-100 Brinell
•Bir alaşım, iki veya daha fazla metalin veya bir metalle metal olmayan elementin
karışımıdır. Ör: Fe-C,Cu-Zn
Demir üretimi
•
Demir yüksek fırınlarda, demir cevheri, kok kömürü ve curuf yapıcı kireçtaşı ile birlikte
yüksek sıcaklıklarda kimyasal reaksiyonlar neticesinde elde edilir. Yüksek fırın
tabanından erimiş halde ham demir ve başlıca silikat, kalsiyum bileşikleri ve
aluminatlardan oluşan sıvı curuf çıkar.
• Demir cevheri olarak genellikle hematit (Fe2O3) ve manyetit (Fe3O4) mineralleri kullanılır
Manyetit %72,4 oranında demir içerir. Hematit ise en çok %69,9 oranında demir ihtiva
eder. Doğada bulunan mineraller içlerinde daima bir miktar kil, kum vb. maddeler
bulunur.
• Bazı halde cevher içinde fosfor, kükürt ve arsenik gibi elementlere de rastlanır. Bunlar
elde edilen ham demir içine girerek demirin kalitesi üzerine olumsuz etki yaparlar.
Demir cevherinde bulunan yabancı maddeler içinde en fazla miktarda olanı silisyumdur.
Cevherde bulunan silisi bağlamak için fırına cüruf oluşumunu kolaylaştıran kireçtaşı
ilave edilir.
YÜKSEK FIRIN: Yüksek fırın, şekil 1’de gösterildiği gibi birbiri üzerine konmuş iki kesik
koniye benzer genellikle 12 m çapında 28-30 m yükseklikte iç yüzeyleri sıcaklığa
dayanıklı tuğla ile örülmüş bir fırındır. Yüksek fırında malzeme (cevher+kok+cüruf
yapıcı) üst kısımdan yüklenir. 1 ton cevher için yaklaşık olarak 500 kg kok kömürü ve
kullanılan cevherin kimyasal bileşimine göre 200-250 Kg cürüf yapıcı katkı maddeleri
(genellikle kireç taşı) katılır. Kömürü yakmak üzere alt kısımdan 600-850 oC
sıcaklığında 2000 kg hava gönderilir.
Fırının üst kısmından sürekli olarak yüklenen malzemeler aşağı doğru ilerlerken, fırının
değişik sıcaklık bölgelerinde reaksiyona (Şekil’1e bak) girerek demir cevheri pik demire
dönüşür. Erimiş halde ham demir fırın tabanındaki haznede toplanır. Bunun üzerinde
yoğunluğu daha az olan erimiş halde cüruf bulunur. Bunlar periyodik olarak erimiş
halde dışarı akıtılır. Fırına 1 ton cevher yüklenmesi halinde yaklaşık olarak 500 kg pik
demiri ve 200-250 kg cüruf elde edilir. Fırının üst kısmından yüksek fırın gazı olarak
bilinen gaz çıkar. Bu gazın bileşiminde yüksek oranda karbon monoksit ve az miktarda
hidrojen gazı bulunduğu için gaz yakıt olarak kullanılır. 1 ton cevher kullanılması halinde
yaklaşık olarak 2800 kg yüksek fırın gazı oluşur.
16
Yüksek fırının şematik
gösterimi
Fe203, Fe3O4+SiO2+Al203
C
Kok
Kömürü
Coke
Limestone
Kireç taşı CaCo3+MgCO3
Ore
Demir Iron
cevheri
CO, CO2 gas
Isıya dayanıklı refractory
çelik ceketli vessel
tuğla duvar
Demir cevheri
layers ve
of kokcoke
katmanları
and iron ore
Sıvı demir
Sıcak Hava air
Sıvı curuf slag
I
II
III
IV
V
BLAST FURNACE YÜKSEK FIRIN
1. Isı generation
üretimi
heat
C+O 2 →CO 2
reduction
of iron ore
to metal
2.
Demir cevherinin
metale
redüksiyonu
VI
Molten iron
CO 2 +C→2CO
3CO+ Fe 2 O 3 →2Fe +3CO 2
Demir
üretiminde
ana
reaksiyonlar
3.purification
Saflaştırma
CaCO 3 →CaO+CO 2
Curuf
CaO + SiO 2 +Al2 O 3 →slag
Sıcaklık bölgeleri: I=200 oC, II=400 oC, III=650
oC, IV=1000 oC, V=1300 oC, VI=1500 oC
Yüksek fırında oluşan kimyasal reaksiyonlar:
Yüksek fırın içinde yukarıdan aşağıya doğru sıcaklık gittikçe artar. Üç ana
kimyasal reaksiyon vardır:
(1) Isı oluşumu:
C+O2 CO2
Kömürün oksijenle reaksiyona girerek yanması sonucu önemli miktarda
ısı açığa çıkar. Artan sıcaklık ile diğer reaksiyonlar oluşur.
(2) Demir cevherinin metale redüksiyonu: Karbondioksit (CO2) gazı fırın
tabanından yukarı doğru çıkarken C ile reaksiyona girerek CO gazı oluşur:
CO2+C 2CO
CO gazı sayesinde demir oksit aşağıdaki ana reaksiyonda gösterildiği gibi
demire redüklenir.
3CO+Fe2032Fe+3CO2
Yüksek sıcaklıklarda (1200-1500 oC) direk olarak C (kömür) ile de
aşağıdaki ana reaksiyonda gösterildiği gibi redüklenme olur ve demir
erimeye başlar.
FeO+CFe+CO
1290-1500 oC sıcaklık aralığında değişik oranlarda C, Mn gibi elementleri
içeren demir erir ve fırın tabanında toplanır.
(3) Saflaştırma: Kireçtaşı 800 oC civarında parçalanır ve ortaya çıkan
kalsiyum oksit, silisyum oksit, aluminyum oksit, kükürt gibi cevherde
bulunan maddelerle reaksiyona girerek sıvı cüruf oluşur. Daha az yoğun
olan sıvı cüruf sıvı demir üstünde bulunur.
17
Yüksek fırından çıkan ürünler
Yüksek fırından elde edilen asıl ürün “pik demiridir”. Bunun yanında yüksek fırın
cürufu ve yüksek fırın gazları gibi yan ürünler de elde edilir.
1) Pik Demir: Bünyesinde %90’dan fazla demir ve %3-5 oranında karbon bulunan
ham demire pik demir denir. Yüksek fırından elde edilen pik demirin bileşimi
kullanılan hammaddeler ve fırın işletme koşullarına bağlıdır. Pik demirin kimyasal
bileşimi (Ağırlıkça %)ortalama olarak şöyledir:
Fe:>90% C:%3,0-4,5 Si: %1,0-4,0 Mn:%0,2-1,5 S:%0,4-0,10
P:%0,10-1,0
Pik demirleri ya çelik piki ya da döküm piki olmak üzere iki şekilde kullanılır.
Yüksek fırından alınan ve çelik üretiminde kullanılacak pik demiri erimiş halde
doğrudan doğruya çelik ünitelerine gönderilir. Döküm pikleri, dökme demir
üretiminde kullanılıp, yüksek fırından sıvı halde alınıp kalıplara dökülerek
dökümhanelere gönderilir.
2) Yüksek fırın cürufu: Demir yüksek fırını cürufunun kimyasal bileşimi aşağıda
verildiği gibidir:
SiO2:%30-35,CaO:%35-45, Al2O3:%10-15, MgO:%2-10, S:%1-2, MnO:%0,1-1,2
FeO:%0,2-0,4
Cüruf fırından 1300-1400 oC sıcaklığında erimiş olarak dışarı atılır. Yüksek fırın
cürufu büyük ölçüde ani soğutma yapılarak çimento katkı maddesi olarak
kullanılabilir.
3) Yüksek fırın gazı: Yüksek fırın içersine verilen yaklaşık 2 atmosfer basınçtaki
sıcak hava, ateşleme ile başlayan yanma olayı ve kok kömüründen karbon
alınması için harcanmaktadır. Fırın içersinde aşağıdan yukarıya doğru çıkan sıcak
hava, yanma olayı ile oluşan CO, CO2, H2 ve N2 gazı ile birlikte yüksek fırının üst
kısmından dışarıya atılır. Fırına verilen havayı ön ısıtmada kullanılan yüksek fırın
gazlarının ortalama bileşimi şöyledir:
CO:%13-16, CO2:%22-27, H2:%3-5, N2:%56-57
Çalışma Soruları-Vize
1-Metalurji ve malzeme mühendisliği nedir ? Açıklayınız. Çalışma alanlarını yazınız.
2-Malzeme seçim sürecini açıklayınız. Örnek veriniz.
3-Malzemeleri türlerine göre sınıflandırınız.
4-Metalik, seramik ve plastik malzeme nedir ? Temel özelliklerini yazınız.
5-HMK kristal yapıya ait sahip wolframın teorik yoğunluğunu hesaplayın. A=183.5 gr/mol,
Na=6.023x1023 atom /mol, n=2, a=0.316 nm. 1 nm=10-7 cm
6-Malzemelerde ergime noktasının yüksek veya düşük olması nasıl açıklanır ?
7-Isıl genleşme nedir ? Ergime noktası yüksek olan bir metalin ısıl genleşme katsayısı,
ergime noktası düşük olan metalin genleşme katsayısından daha büyük veya küçük
müdür ? neden ?
8-Malzemelerde ısı ve elektrik nasıl iletilir ? Açıklayınız. Hangi tür malzeme daha iyi
elektrik ve ısı iletir? Neden ?Yarı iletken nedir ?
9-Mühendislikte mekanik özellikler neden önemlidir ? Mekanik deneylerden elde edilen
veriler hangi amaçla kullanılır ?
10-Sertliği tanımlayınız. Önemi yazınız. Nasıl ölçülür ? Ölçüm tekniklerini açıklayınız.
11-Gerilme nedir? Mühendislik gerilmesi ve uzaması nedir ? Formüllerle beraber
açıklayınız.
12-Düşük karbonlu çeliğe ait çekme testi eğrisini çiziniz. Elastik uzama, akma dayanımı,
çekme dayanımı, kopma dayanımı, kopma uzaması ve plastik deformasyonu eğeri
üzerinde gösterip açıklayınız
Devamı var….
18
13- Hooke yasası nedir ? Formülünü yazın ve çekme testi eğrisi üzerinde gösteriniz.
14- Kırılgan ve sünek malzemelere ait gerilme-uzama eğrilerini çizin ve farkı açıklayın.
15- Çekme testi ile ilgili bir problem.
16-Demir ve çelik neden mühendislik malzemesi olarak çok kullanılır ? Açıkla.
17-Yüksek fırında demir üretiminde kullanılan hammaddeleri yazınız. Ne için
kullanıldıklarını açıkla.
18-Demir üretiminde neden kireç taşı ve kok kömürü kullanılır ? Açıkla.
19-Yüksek fırında demir üretimi sırasında oluşan ana kimyasal reaksiyonları yazın.
Hava, kok kömürü ve kireç taşının kullanım amacını açıklayınız.
20- Yüksek fırında demir üretimini açıklayınız.
21-Yüksek fırından çıkan ürünleri açıklayınız.
22-Ödevle ilgili sorular.
23-Kristal yapı nedir ? Birim kafes ve kafes sabitleri nedir ? Kübik sistemde kafes
sabitleri nelerdir?. Şekil çizerek gösteriniz.
24-HMK, YMK ve Hegzagonal yapıları açıklayınız. Hangi metaller bu yapılara sahiptir?
Hangi kristal yapıya sahip metaller kuvvet altında kolayca şekil değişimine uğrarlar?
19