MALZEME BİLİMİ DERS SLAYTLARI MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Prof. Dr. Mehmet GAVGALI – Prof. Dr. Akgün ALSARAN – Yrd. Doç. Dr. Burak DİKİCİ Vizyon Makine sanayi donatımında, gemi, uçak yapımında, konstrüksiyon (dizayn) ve imalatta ve tüm mühendislik uygulamalarının gerçekleştirilmesinde malzeme bilgisinin öneminin kazandırılması. Malzeme Bilgisi Tanıtımı Misyon Malzemelerin mekanik zorlanmalar karşısındaki davranışı, malzeme grupları, yapıları, özellikleri, kullanım alanları ve bu malzemelerin kimyasal etkilerle hasara uğraması (korozyon) gibi konular hakkında mühendis adaylarını bilgilendirmek ve malzemeleri NE amaçla NEREDE kullanmaları gerektiği becerisini kazandırmak. Malzeme Bilimi Slaytları 2/25 Dersin değerlendirilmesi Müfredat I.HAFTA :Malzeme bilimine giriş , malzemelerin atom yapısı, atomlar arası bağlar, II. ve III. HAFTA :Kristal yapılar, kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri, IV. HAFTA :Kristal yapı hataları, amorf yapılar, katı eriyikler, malzemelerin deformasyonu V. HAFTA :Fazlar ve faz diyagramları, faz kanunu, tek bileşenli sistemler, iki bileşenli sistemler, VI. HAFTA :Faz diyagramı reaksiyonları, faz diyagramlarından yaralanma VII. ve VIII. HAFTA :Demir-Karbon alaşım sistemi, Fe-C Denge diyagramı, çeliklerin üretim yöntemleri, kimyasal bileşimin çeliğin özelliklerine olan etkisi, çeliklerin sınıflandırılması, çelik standartları, alaşımlı çelikler, dökme demirler, IX. ve X HAFTA :Çeliklere uygulanan ısıl işlemler, XI. ve XII HAFTA :Tahribatlı ve tahribatsız malzeme muayene yöntemlerinin tanıtımı, XIII. ve XIV HAFTA :Mühendislik malzemelerinin kullanım alanları, demir dışı malzemeler, polimerler, seramikler, karma malzemeler (kompozitler) Malzeme Bilimi Slaytları Öğretim Üyeleri : Doç. Dr. Mehmet GAVGALI ve Doç. Dr. Akgün ALSARAN E-posta adresi : [email protected] ve [email protected] • Sıvavlar ortak yapılacak ve değerlendirilecek •2 vize yapılacak. Ayrıca 2 de ödev verilecek. Ödev teslim tarihi Internet vasıtasıyla bildirilecek. •Değerlendirme Ödev maksimum %20 oranında vize notuna eklenecek. • Haftalık ders notları ve sınav sonuçlarına web sayfasından ulaşılabilir. 2. haftadan itibaren ders slaytları sizlere verilecek. Malzeme Bilimi Slaytları 3/25 Bu günkü konular 4/25 Malzeme nedir? Genel manada malzeme; Malzeme nedir? İhtiyaç duyulan madde Malzeme konuları nelerdir? Teknik manada malzeme; Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullanılan katı cisim Malzeme çeşitleri nelerdir? Somut olarak; Hem metaldir, plastiktir, lastiktir, ağaçtır, taştır ve hem de yün, pamuktur. Malzeme Bilimi Slaytları 5/25 Malzeme Bilimi Slaytları 6/25 1 Malzeme nedir? Malzeme nedir? Malzeme Mühendisliği Tüm metallerin ve metal olmayan malzemelerin, sentetik ve doğal malzemelerin ham maddelerden üretilmesinden ta eskiyene ve hatta ilaveten hurdadan tekrar kullanılmasına kadar geçen değerlendirmeleri yapan mühendislik dalıdır. Malzeme Mühendisliğinin ilgi alanları • Kompozitler • İmal usulleri • Kaplamalar • Biomalzemeler………… Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları 7/25 8/25 Malzeme biliminin sağladıkları nedir? İmalat ve malzeme? İMALAT VE KONSTRÜKSİYON İKİ AŞAMADAN OLUŞUR • Uygun malzeme seçimi • Özel uygulamalar için malzeme dizaynı • Malzemelerin dizayna uygun bir şekilde verimli ve güvenli kullanımı • Kullanım ömrü tamamlanan malzemelerin deri dönüşümü DİZAYN Bir boru hattında bakır boru kullanılmaktadır. Bakır borunun tercih edilme sebebi, bu boruya şekil verebilme zorluğu, verim , maliyet ve ekonomiklik açısından bakır borunun değerlendirmesi ve bakırın geri dönüşümü sizce nasıl olur? Malzeme Bilimi Slaytları ÜRETİM Tasarım Hesaplama Çizim İmal Usulleri(Döküm,dövme,kaynak…) Isıl işlemler(Sertleştirme,yumuşatma....) Son işlemler(Parlatma,temizleme…..…) GÜVENLİK EKONOMİKLİK Malzeme Bilimi Slaytları 9/25 Malzeme çeşitleri nelerdir? Malzeme çeşitleri nelerdir? Mühendislik Malzemeleri Metaller Demir Esaslı Malzemeler Dökme demirler Lamelli grafitli Küresel grafitli Temper Plastikler Metal olmayan malzemeler Demir olmayan metaller Inorganik malzemeler Hafif metaller Al, Mg, Ti, Be Ağır metaller Cu, Ni, Zn, Pb Beynitik 10/25 Organik doğal malzemeler İnorganik doğal malzemeler Organik malzemeler Yarı iletkenler Plastikler Seramikler Ağaçlar Camlar Deriler Kompozit malzemeler Camlar Seramikler Mermerler Betonlar Yarı iletkenler Çelikler Metaller Yapı çeliği Takım çeliği …………. Demir esaslı malzemelerden dökme demirlerin dışında olan çeliklerin 2000 çeşidi olduğu ve bunlarında kendi içlerinde çeşitli yönlerden sınıflandırıldığı düşünülürse konunun o kadar basit olmadığı anlaşılabilir. Malzeme Bilimi Slaytları 11/25 Malzeme Bilimi Slaytları 12/25 2 Malzeme çeşitleri nelerdir? Metal Malzemeler Lama Çelik Altı köşe çelik Malzeme çeşitleri nelerdir? Metal Malzemeler Kare Çelik Kare Çelik Dairesel çelik Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar Alüminyum raflar Oluklu Çelik Tamamı çelik Rulman Bakır Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları 13/25 Malzeme çeşitleri nelerdir? Seramik Malzemeler 14/25 Malzeme çeşitleri nelerdir? Kompozit Malzemeler Çelik Gövdeli Lastik Betonarme Cam Tuğlalar Malzeme Bilimi Slaytları 15/25 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme çeşitleri nelerdir? Malzeme biliminin kapsamı? Atom altı seviye: Bağ oluşumu Grafit 16/25 Elmas Atomik seviye: Malzeme içerisinde atomların yerleşim düzeni. Örneğin C hem grafit hemde elma halindedir. Celestite Mikroskobik seviye: Malzeme içerisinde taneler mikroskop ile tespit edilebilir. Sülfür Makroskobik seviye: Gözle görülebilecek yapılar. Pyrite(Sülfürdioksit) Malzeme Bilimi Slaytları 17/25 Malzeme Bilimi Slaytları 18/25 3 Malzeme biliminin kapsamı? Sonuç? Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10-10 m Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10-9 m Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10-6 m Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10-3 m Üretim aşamasında kullanılan her bir malzemeyi atom altı seviyeden ele alarak doğru seçim yapabilme kabiliyeti kazanılmalı. Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları 19/25 20/25 Malzeme bilgisi uygulama Malzeme bilgisi uygulama Kalça protezlerine ihtiyaç duyulan durumlar; Kırıklar Osteoarterit (Kıkırdak iltihabı veya kaybı) Romatoid arterit (Sinoviyal sıvının yetersizliği) Malzeme Bilimi Slaytları 21/25 Omurga Gereksinimler Mekanik mukavemet (bir çok çevrim) Düşük sürtünme Biyouyumluluk Malzeme Bilimi Slaytları 22/25 Çözüm Kalça protezi uygulaması Çözüm Kalça Protezleri Kullanılan malzemeler Metaller Polimerler Malzeme Bilimi Slaytları 23/25 Kobalt- Krom alaşımları Titanyum ve alaşımları Paslanma çelik Polymethyl methacrylate (PMMA) çimento Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) çukurcuk (cup) veya astar (liner). Seramikler Malzeme Bilimi Slaytları 24/25 4 Çözüm Çözüm için anahtar acetabular cup ı tutmak için sabitleştirici cup sürtünmesini azaltmak için yağlayıcı Kalça kemiğine ait tutucu Cup ta herhangi bir aşınma ürününden sakınmak gerekir Malzeme Bilimi Slaytları 25/25 5 Ders içeriği Atom modeli Atom ağırlığı Malzemelerin Atom Yapısı Elektron düzeni Elementlerin periyodik sistemi Malzeme Bilimi Slaytları Atom modeli 2/42 Atom modeli Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur. Elementler ise atomlardan meydana gelir. Klasik fiziğin atom modelinde bir atom, çekirdekten ve bu çekirdeğin etrafını saran eksi yüklerin sardığı örtü tabakasından oluşur. Çekirdekte pozitif yüklü protonların yanında elektrik yüklü olmayan nötronlarda bulunur. Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adedine eşittir. Atomun kütle sayısı A, proton adedi Z ve nötron adedi N ' nin toplamına eşittir. A=Z+N Proton ve nötronların kütleleri elektronlarınkine göre çok daha büyüktür. Bir protonun kütlesi bir nötronun kütlesine yaklaşık olarak eşit olmasına karşın elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10-24 g, nötronun kütlesi 1.675x10-24 g ve elektronun kütlesi 9.11x10-28 g’dır. Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir. Aynı elementin izotopları o elementin atom numarasına, dolayısıyla o elementin proton sayısına sahip olacaktır. Kütle sayılarını farklı yapan unsur nötron sayılarının farklılığıdır. Doğada bulunan elementler farklı izotoplardan oluşur. Bu nedenle bir elementin atom ağırlığı izotoplarının ortalama ağırlığı olup, bu değer tam sayı olmayabilir. Bir elementin atom ağırlığı, C’nun atom ağırlığına göre belirlenir. Çekirdek yarıçapı 10-12 cm mertebesinde olup, bu değer 1°A (10-8 cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. Nötr, yani dışa karşı herhangi bir elektrik yükü görünmeyen atomda elektron sayısı adet olarak proton sayısına eşittir. Çünkü bir elektron yükü, ters işaretli olarak proton yüküne eşittir. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar. Elementin kimyasal özelliklerini, o elementlerin elektronları belirler. Proton adetleri eşit olan atomlar eşit elektronlara da sahip olacakları için aynı kimyasal özelliktedirler. Yani bir elementin hangi izotopu alınırsa alınsın, aynı kimyasal özellikler beklenmelidir. Fakat bu izotopların bazı fiziksel özellikleri birbirlerinden faklılık gösterebilirler. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir. 3/42 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Atom modeli Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotoplarının kütle sayıları birbirlerine eşit düşebilir. Proton adedi farklı, fakat kütle sayıları eşit olan atomlara izobar denir. Kütle sayıları peş peşe gelen farklı elementlerin izotoplarına da izoton denir. Kısaca : Z elektron => elektron örtü tabakası Z proton +N nötron => A atom çekirdeği Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => ATOM 4/42 Atom modeli Bir elementin protonlarının bir kısmını yitirmesi, yani çekirdeğinin parçalanması (atom reaktörleri ve atom bombasında olduğu gibi) veya hidrojen bombasında ve güneş merkezindeki çekirdek füzyonunda olduğu gibi bir kısım proton kazanması demek, o elementin başka bir elemente veya elementlere dönüşmesi demektir. Bu reaksiyonları, fiziksel reaksiyonlar olarak nitelemek gerekir. Kimyasal reaksiyonlar ise elektron alışverişiyle gerçekleşenlerdir. Örtü tabakalarını oluşturan elektronların adedi, atomun proton adedinden fazla ise negatif yüklü iyon, az ise pozitif yüklü iyon ortaya çıkar. Kimyasal reaksiyonlardaki yük değişimi protonların eksilmesi veya artmasıyla değil, sadece ve sadece dışardan elektron alıp vermesiyle gerçekleşir. Saniye, 133Cs izotopunun 9 192 631 770 titreşimi esnasında geçen zamandır. Metre, vakumda ışığın 1/299 792 458 saniyede aldığı mesafedir. Malzeme Bilimi Slaytları 5/42 Malzeme Bilimi Slaytları 6/42 1 Atom modeli Atom ağırlığı Atom ağırlığı kavramı iki yönden incelemek gerekir; bağıl atom ağırlığı, gerçek atom ağırlığı. Bağıl atom ağırlığı: Bir elementin atom ağırlığı denince bağıl atom ağırlığı anlaşılır. Bağıl olduğu için birimsizdir. Burada kullanılan bağıllık, kütle sayısı 12 olan karbon izotopundan, yani C12’den gelmektedir. C12 karbonun doğada en çok bulunan izotopudur ve proton sayısı nötron sayısına eşittir. Diğer atomların kütle sayıları bu karbon atomun kütle sayısının 1/12 sine bölünür ve çıkan değer o elementin atom ağırlığı olarak verilir. Modern atom modeline göre elektronların yeri kesin olarak bilinemez. Fakat elektronlar orbital adı verilen bölgelerde buluma ihtimalleri yüksektir. Çekirdeğin çevresinde "n“ kuvant sayısıyla ifade edilen enerji düzeyleri bulunur. Gerçek atom ağırlığı: Burada atomun gerçek ağırlığı olan tartı ağırlığını anlamak gerekir. Birimi gram veya kg dır. Bağıl atom ağırlığının Avagadro sayısına bölünmesiyle elde edilir. Bütün elementlerin atom ağırlıklarının kesirli olmasının nedeni: Karbon da dahil olmak üzere bütün kimyasal elementler değişik kütle sayılı izotoplardan oluşur. Atom ağırlık olarak, o elementin atom ağırlığı olarak o elementin bütün izotoplarının oranları ayrı ayrı göz önüne alınarak kütle sayılarının ağırlıklı ortalaması alınır ve bu da o elementin atom ağırlığının verir. 7/42 Malzeme Bilimi Slaytları 8/42 Malzeme Bilimi Slaytları Atom Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan 10-15 m de etkin olan çekirdek kuvvetleri tarafından tutulmaktadır. İki alt kabukla L shell with L kabuğu two subshells N ucleus Çekirdek Çekirdek Kuvveti-Nükleer Kuvvet 1s 2s 2p Bu kuvvet benzer yükler arasında kısa mesafede ortaya çıkan büyük itme kuvvetinin çok üzerinde olduğundan çekirdek kararlıdır. 1s22s22p2 or [He]2s22p2 Elektronlar çekirdek boyutu ile karşılaştırıldığında büyük yarıçaplı yörüngelerde bulunmaktadır. K L Fig. 1.kabuklu 1: The shmodeli. ell modeElektronlar l of the atombelirli in whkabuk ich the ve elecalt trokabuklarda ns are Atomun confined to live withbulunmak in certain shzorundadırlar. ells and in subshells within shells. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca 9/42 Malzeme Bilimi Slaytları 10/42 Malzeme Bilimi Slaytları Elektron düzeni Bir atomun kimyasal özellikleri, çekirdeği saran örtü tabakasındaki elektronların dizilişi ile etkilenir. Örtü tabakasının tamamı, farklı enerjili elektronların yer aldığı tabakalar oluşturur. En düşük enerjiye, yarı çapı en küçük olan K tabakasındaki elektronlar sahiptir. Artan enerjiye göre sıralanan ana elektron tabakaları şunlardır: K, L, M, N, O, P, Q tabakaları Atomların ana elektron tabakaları ve ve bunlarda bulunabilecek en çok elektron sayıları Anatabakalar Anakuantum sayısı (n) Her tabakaya düşen en çok elektron adeti (2n2) K L M 1 2 3 4 5 6 7 2 8 18 32 50 72 98 Malzeme Bilimi Slaytları N O P Q 11/42 Elektron düzeni Elektron düzenlerine örnekler; Li 1s2 2s2 7s 7p 7d Ne 1s2 2s2 2p6 6s 6p 6d 6f Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 5s 5p 5d 5f Ti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 4s 4p 4d 4f Ga 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1 3s 3p 3d Kr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 2s 2p K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s1 1s Ca 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2 Niçin bazı malzemeler manyetiklik bazıları ise yüksek ergime sıcaklığı gösterir? Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. 12/42 Malzeme Bilimi Slaytları 2 Periyodik cetvel Periyodik cetvel elementlerin artan atom numaralarına göre dizilimini gösteren bir tablodur.Bu tabloda belli kimyasal özellikleri birbirine yakın olan elementler,belli gruplarda toplanmıştır. Periyodik cetvel 1a 2a PERİYODİK CETVEL 3a 4a 5a 6a 7a 8a 3b 4b5b 6b 7b 8b 8b 8b 1b 2b Yatay sütun Periyot : 7 tane periyot vardır Düşey Sütun Grup : 8 tane a grubu ve 8 tanede b grubu vardır. “b” grubu elementlerine geçiş elementleri denir. Öncelikle periyodik cetvelin bazı gruplarını inceleyelim: Malzeme Bilimi Slaytları 13/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel 14/42 Periyodik cetvel SOY GAZLAR Periyodik cetvelin 8a grubu elementleridir. He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn bu grubun elementleridir. Grupta He dışındaki tüm elementler kararlı elementlerdir. Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür. Grupta yukarıdan aşağıya gidildikçe erime ve kaynama noktaları yükselir. Malzeme Bilimi Slaytları 15/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel Periyodik cetvel ALKALİ METALLER SOY GAZLAR 16/42 Tümü tek atomlu renksiz gaz halindedir. Yalnız Rd radyoaktif olup çekirdeği dayanaksızdır. Doğada çok az bulunurlar. İyonlaşma enerjileri, sıralarında, en yüksek olan elementlerdir. Malzeme Bilimi Slaytları 17/42 Periyodik cetvelin 1a grubu elementleridir Li , Na , K , Rb , Cs , Fr bu grubun elementleridir. En yüksek temel enerji düzeylerinde bir elektron vardır. Bileşiklerinde ( +1 ) değerlik alırlar. Yumuşak, bıçakla kesilebilen, hafif metallerdir. Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler. Malzeme Bilimi Slaytları 18/42 3 Periyodik cetvel Periyodik cetvel ALKALİ METALLER Malzeme Bilimi Slaytları 19/42 Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden düşüktür.Grupta yukarıdan aşağıya doğru erime ve kaynama noktaları düşer. Özkütleleri düşük olan elementlerdir. İyonlaşma enerjileri,sıralarında, en düşük olan elementlerdir. Tepkime verme yatkınlıkları çok fazladır. Doğada daha çok bileşikleri halinde bulunurlar. Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel Alkali metaller,havanın oksijeni ile etkileşerek oksit oluştururlar. 2 M(k) +1/2 O2 ( g) M2O(k) Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar. 2 M(k) + X2 2 MX(k) Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H2) oluştururlar. 2 M(k) + 2 H2O(s) 2 MOH (suda) + H2 (g) Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel TOPRAK ALKALİ METALLER ALKALİ METALLER 20/42 21/42 Periyodik cetveli 2a grubunda yer alan elementlere toprak alkali metaller adı verilir. Be , Mg , Ca , Sr , Ba , Ra bu grubun elementleridir. Bileşiklerinde +2 değerliklidirler. Isı ve elektrik akımını iyi iletirler. Alkali metallerden daha sert erime ve kaynama noktaları daha yüksektir. İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha yüksektir. Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel 22/42 Periyodik cetvel TOPRAK ALKALİ METALLER Malzeme Bilimi Slaytları 23/42 Özkütleleri de alkali metallerden daha büyüktür Oksijenle birleşerek oksitleri oluştururlar. M (k) + ½ O2 (g) MO(k) Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar. M (k) + Cl2 (g) MCl2 (k) Su ile tepkimeye girerek hidrojen gazı ( H2 ) oluştururlar. M (k) + 2 H2O (s) M(OH)2 (suda) + H2 (g) Malzeme Bilimi Slaytları 24/42 4 Periyodik cetvel Periyodik cetvel HALOJENLER Periyodik cetvelin 7a grubunda yer alan elementlerdir. F , Cl , Br , I , At bu grubun elementleridir. Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında çeşitli değerlikler alabilirler.Ancak F bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır. Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan yukarıya doğru azalır. Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir. Malzeme Bilimi Slaytları 25/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel Periyodik cetvel ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ HALOJENLER 26/42 Tümü renklidir. Tümü zehirli ve tehlikelidir. Element halinde 2 atomlu moleküllerden oluşurlar. (F2,Cl2 , Br2 , I2 , At2 ) At (astatin) doğada bulunmayan,ancak radyoaktif olaylarla oluşan bir elementdir. Oda koşullarında F ve Cl gaz, Br sıvı, I ise katı haldedir. Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (sodyum) metali ile başlar Ar (argon) ile biter. Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir.Ancak bir sırada bulunan elementlerin başta değerlik elektron sayıları olmak üzere birçok özellikleri farklılık gösterir.Dolayısıyla da Fiziksel ve kimyasal özeliklerde önemli değişiklikler söz konusudur. Buradan sonuç olarak sodyumdan başlayarak argona kadar devam eden elementler birbirlerinden fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından ayrılmışlardır. 27/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel 28/42 Periyodik cetvel ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ Malzeme Bilimi Slaytları 29/42 Üçüncü sıranın elementleri şunlardır: Na , Mg , Al , Si , P , S , Cl , Ar Üçüncü sıranın ilk üç elementi Na , Mg ve Al metal,dördüncü element olan silisyum yarı metal,daha sonra gelen P , S, Cl ve Ar elementleri ise ametaldir. Na , Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir.P , S , Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez. Soldan sağa doğru sırada özkütle,erime ve kaynama noktası gibi özeliklerde büyük farklılık vardır.Yine soldan sağa doğru genel olarak iyonlaşma enerjileri arttığından metal özelliği azalıp ametal özelliği artar. Malzeme Bilimi Slaytları 30/42 5 Periyodik cetvel Periyodik cetvel DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ Buraya kadar incelediğimiz gruplar ve sırada değerlik elektronları s ya da p orbitallerinde bulunuyordu.Yani a gruplarındaydı. Geçiş elementlerindeyse değerlik elektronları d orbitallerinde bulunur ve bu elementler 2a ve 3a grubu arasında yer alır. Periyodik cetvelin 21 atom numaralı skandiyum ile başlayıp 30 atom numaralı çinko ile biten sıradaki elementler ile bunların altında kalan tüm elementler, geçiş elementleri grubuna girer. Malzeme Bilimi Slaytları 31/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel 32/42 Periyodik cetvel DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ Dördüncü sıra geçiş elementleri:Se , Ti , V , Cr , Mn , Fe , Co ,Ni , Cu , Zn . Tümü metaldir. 1a ve 2a grubu metallerinden farklı olup,sert ve özkütlesi büyük metallerdir. Erime ve kaynama noktaları çok yüksektir. Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler. Kimyasal tepkimelere yatkınlık bakımından aralarında çok büyük farklılık vardır. Malzeme Bilimi Slaytları 1a , 2a , 3a grubundaki metallerin yalnız bir tür değerliği söz konusuyken geçiş elementlerinin farklı değerlikli birçok bileşikleri vardır.Geçiş elementlerini diğer metalerden farklandıran özellik yalnız s orbitalinden değil,tam dolu olmayan d orbitalininde bileşik oluşturma ile ilgili olmalarıdır. Periyodik cetvelin altına iki sıra halinde yazılan elementlere İçgeçiş Elementleri ya da İçgeçiş Metalleri denir. 33/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel İyonlaşma Enerjisi 34/42 Periyodik cetvel İyonlaşma Enerjisi Bir atomdan elektron uzaklaştırmak için atoma enerji verilir.Verilen bu enerji bir büyüklüğe ulaşınca atomdan bir elektron kopar.Kopan bu elektron çekirdek tarafından en zayıf kuvvetle çekilen yani atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektrondur. Bir atomdan elektron koparmak için gerekli enerjiye İyonlaşma Enerjisi ( Ei )denir. Çekirdekle elektron arasında çekme kuvveti ne kadar fazla ise iyonizasyon enerjisi o kadar artar. Malzeme Bilimi Slaytları 35/42 Bir atomdan ilk elektronu koparmak için gerekli olan enerjiye Birinci İyonlaşma Enerjisi (Ei 1 )denir. X(g)+ Eİ 1 X+(g)+ e+1 yüklü iyondan,bir elektron koparmak için gerekli enerjiye de İkinci İyonlaşma Enerjisi denir. X+(g)+Eİ 2 X+2(g)+ e+2 yüklü iyondan bir elektron ( üçüncü elektron ) koparmak için gereken enerjiye de Üçüncü İyonlaşma Enerjisi denir. X+2(g)+Eİ 3 X+3(g)+ eMalzeme Bilimi Slaytları 36/42 6 Periyodik cetvel Periyodik cetvel İyonlaşma Enerjisi İyonlaşma Enerjisi Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa,o kadar iyonlaşma enerjisi vardır.Bunlardan en küçüğü birinci iyonlaşma enerjisidir.Çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir elektrondan kopmaktadır.İkinci elektron +1 yüklü bir iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma enerjisi,birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Atom çapı küçülmekte,elektron koparmak güçleşmektedir. İyonun yükü arttıkça atom çapı küçülür.İyonlaşma enerjisi artar.Buna göre de; Eİ 1<Eİ 2<Eİ 3<Eİ 4<... İyonlaşma enerjisi periyodik cetvelde aşağıdan yukarıya,soldan sağa doğru artar.Bunun nedeni çekim kuvvetinin artmasıdır. İyonlaşma enerjisi artar. (Enerji seviyesi dolayısıyla çekme kuvveti artar) İyonlaşma enerjisi artar. (Çekme kuvveti artar) Malzeme Bilimi Slaytları 37/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel Periyodik cetvel Ortalama Atomik Yarıçapı Ortalama Atomik Yarıçap Ortalama atomik yarıçap azalır. (Elektron seviyesi azalır.) Bir atomda en üst enerji seviyesindeki atomların atom çekirdeğine olan ortalama uzaklığına Ortalama Atomik Yarıçap denir. Periyodik cetvelde soldan sağa doğru gittikçe atom numarası ( çekirdek yükü )arttığından en dıştaki elektron daha çok çekilir,ortalama atomik yarıçap küçülür. Gruplarda ise yukarıdan aşağıya gidildikçe temel enerji seviyesi arttığından dıştaki elektronlar daha az çekilir,ortalama atomik yarıçap artar, Malzeme Bilimi Slaytları Ortalama atomik yarıçap azalır. Elektron veren atomun yarıçapı küçülür. İzotop atomlarda (proton sayıları aynı olan atomlarda) kütle numarası büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. Elektron sayıları aynı olan atomlarda proton sayısı büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. 39/42 Malzeme Bilimi Slaytları Periyodik cetvel Elektron İlgisi (Elektron Affinitesi): 40/42 Periyodik cetvel Metalik Özellikler Gaz fazındaki 1 mol nötral atoma 1 mol elektron bağlandığı zaman açığa çıkan enerjinin miktarına elektron ilgisi ya da elektron affinitesi ( Eaf ) denir. Periyodik cetvelde soldan sağa , yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe elektron ilgisi artar.Çünkü çekim arttığı için elektronun bağlanması kolaylaşır. Elektron ilgisi azalır. Elektron ilgisi artar. Malzeme Bilimi Slaytları 38/42 Metalik özelliği elementlerin iyonlaşma enerjisi ile ilgilidir.İyonlaşma enerjisi düşük olan elementler metalik özelliğe sahip,iyonlaşma enerjisi yüksek olan elementler ise metalik özelliğe sahip değildir. Periyodik cetvelde soldan sağa,yukarıdan aşağı gidildikçe metalik özellik azalır. Metalik özellik azalır. Metalik özellik azalır. 41/42 Malzeme Bilimi Slaytları 42/42 7 Periyodik cetvel 5.Elektronegatiflik: Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine denir.Elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik artar.Elektron ilgisi fazla olan elementler daha elektronegatiftir.Bilinen en elektronegatif element flordur (F). Elektronegatiflik;periyodik cetvelde soldan sağa,aşağıdan yukarıya doğru artar. Elektronegatiflik artar. Elektronegatiflik artar. Malzeme Bilimi Slaytları 43/42 8 Atomlararası denge mesafesi Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biride atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır. Ġtme ATOM VE MOLEKÜLLER ARASI BAĞLAR Potansiyel enerji (kj/mol) Bağ oluştuğun da açığa çıkan enerji (-Bağ enerjisi) Bağ koptuğunda absorbe edilen enerji (+Bağ enerjisi) Çekme Çekme ve itme kuvveti için detay Minimum potansiyel enerji çukuru (0°K’de) Atomlararası uzaklık H2 bağ uzunluğu 1 Atomlararası mesafe Atomlararası denge mesafesi Atomlararası denge mesafesi Xo mesafesinin yeri sıcaklığa göre değişir. Sıcaklık artıkça xo artar. En küçük olduğu sıcaklık 0°K’dir. Çekme (kohezyon) kuvveti soğuk şekillendirme derecesini açıklar. Nötr durumda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır. Atomlar birbirine elektron vererek veya alarak yüklü duruma geçerler. Bu durumda Coloumb kuvveti doğar. dW Fdx x Fa(x) =İtme kuvveti Fdx FT(x) =Toplam kuvvet Kuvvet W 0 O o K ' de........F dW dx 0 2/31 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme kuvvetini değeri iyonlar arası mesafe x ile 1/x şeklinde değişirken, itme kuvveti 1/xm şeklinde değişir ki m=10’dur Dolayısıyla itme kuvveti iyonlar arası mesafe küçüldükçe, elektrostatik çekme kuvvetinden daha hızlı bir şekilde artar. Fr(x) =Çekme kuvveti DENGE 3/31 Malzeme Bilimi Slaytları Atomlararası denge mesafesi Sonsuz mesafe uzaklıkta bulunan atomların birbirlerine karşı çekme ve itme gibi bir etkisi olmadığından potansiyel enerji sıfırdır. Herhangi bir etki ile bu atomlar birbirlerine yaklaştırılırsa, bu iki atom arasında bir çekme etkisi meydana gelecek ve kinetik enerji artarken potansiyel enerji azalacaktır. Aralarındaki mesafe azaldıkça, bu sefer itme kuvveti oluşacaktır. Öyle bir an gelir ki artık itme ve çekme kuvvetleri birbirlerine eşit yani bileşke kuvvet sıfır olduğunda atomlar denge haline gelir. Ġşte atomların denge halinde olduğu mesafeye atomlar arası denge mesafesi denir. Atomlar denge halin geldiklerinde aralarında çeşitli bağlar oluştururlar. 4/31 Malzeme Bilimi Slaytları Atomlararası denge mesafesi Denge halinde potansiyel enerji minimumdur. Atomlar arası mesafe dolayısıyla potansiyel enerji çukuru; • Bağ türü ve enerjisine • Sıcaklığa…….0oK’de atomlar statik, potansiyel enerji minimum • Atomun hangi iyon halinde olduğuna…..ortalama çap değişir • Atomların diziliş şekli yani kristal sistemine bağlıdır….Koordinasyon Enerji diyagramında FT=0 hali dE/dr=0 haline karşılık gelir. sayısı Diğer bir ifade ile iki atomdan oluşan sistemin potansiyel enerjisi minimumdadır. Çekme, kimyasal ilginin fiziksel anlamı olup, kinetik enerji ile ilgilidir. İtme ise kısa mesafelerde kendini gösterir ve atomlar arası denge mesafesinin oluşmasını sağlar. Malzeme Bilimi Slaytları 5/31 Malzeme Bilimi Slaytları 6/31 1 Elastisite modülü Atomlararası denge mesafesi Elastisite Modülü Potansiyel enerji çukurunun şekline göre ne tür bilgiler alınabilir? Dar ve derin enerji çukuru elastisite modülünün yüksek olduğu, elastisite modülünün yüksekliği de ergime sıcaklığını yüksek ve düşük genleşme katsayısı anlamına gelir. Dolayısıyla mukavemet yüksektir. Aksine geniş olan enerji çukurlarında ise, düşük ergime sıcaklığı, yüksek genleşme katsayısı ve düşük elastisite modülü görülür. Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomum yeni bir madde oluşturmak için birleşmesidir. Ġki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme kuvvetlerine “Birincil bağ (iyonik ; σ, π, ∆ kovalent ve metalik bağlar) ”, moleküller arasındaki etkileşimden doğan bağa da “İkincil bağlar (van der waals)” denir. Birincil bağların oluşması için atomlar arasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin birbirine eşit olması, yani minimum potansiyel enerjinin sağlanması gerekir. Elastik modülü (E) bir katının esneklik sınırları içinde uğrayabileceği deformasyonun ölçüsüdür. Elastik modülün artması aynı geometrideki malzemenin aynı deformasyona uğrayabilmesi için daha büyük kuvvet gerekeceğine işaret eder. A yüzeyi üzerinden bir cisme F kuvveti etkidiğinde =F/A büyüklüğünde gerilmeye maruz kalır. Bu kuvvet neticesinde orijinal uzunluğu lo olan cismin uzunluğu l kadar değişir. Oluşan şekil değiştirme ise = l /lo ile verilir. 7/31 Malzeme Bilimi Slaytları 8/31 Malzeme Bilimi Slaytları Elastisite modülü Elastisite modülü Lo + L A F E dFN/dr FN 0 FN FN Repu lsive Uygulanan gerilme F ve oluşan elastik şekil değiştirme (strain) arasında Attract ive FN Solid ro r Uygulanan gerilme ile kuvvet doğrultusunda uzaklaşan atomlar, şekildeki gibi geri çağırıcı kuvvetin etkisinde kalır. r yer değiştirmesi ile ortaya çıkan FN kuvveti sistemi eski haline döndürmeye çalışan kuvvettir. r FN r02 =E (a) ilişkisi vardır ve E elastik modül olarak adlandırılır. E r r0 (b) Fig. 1.14: (a) Appli ed for ces F str ech the solid elastically fr om Lo to L . Th e for ce i s di vid ed amongst chains of at oms that mak e th e solid. Ea ch chain carr ier s a for ce FN. (b) In equili br ium, the applied for ce i s balanced by th e n et for ce FN between th e at oms a s a r esult of their in cr ea sed separ ation. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Material s. Usask.Ca 9/31 Malzeme Bilimi Slaytları E, Elastisite modülünün FN kuvvetinin r=ro’daki değişimi ile orantılı olduğu görünmektedir. veya Enerjinin ro’daki eğriliği ile orantılıdır. E 1 dFN ro dr r r0 2 1 d Ebağ r0 dr 2 r r0 Malzeme Bilimi Slaytları Bağlar Elastisite modülü E f 10/31 Niçin atomlar bağ yapmak isteler? Ebağ r03 Atomlar daha karalı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler yada ortak kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler. yaklaşık ifadesi ile Elastisite modülü ile bağ enerjisi arasındaki ilişki verilmektedir. Büyük bağ enerjisine sahip katıların büyük elastik modülüne sahip olacakları görülmektedir. İkincil tür bağlar için bağ enerjisinin küçüklüğü ile Elastisite modülüde küçük olacaktır. Malzeme Bilimi Slaytları Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar 11/31 Malzeme Bilimi Slaytları 12/31 2 Lewis yapılar • Noktalar Valans elektronlarını gösterir. • Atomların ne çeşit bağla bağlanacaklarını valans elektronları belirler. Valans elektron sayısı periyodik cetveldeki konumdan belirlenir. •Valans elektronlarını göstermek için Lewis diyagramı kullanılır. Bu diyagramda elementin ismi ve çevresinde en dış enerji seviyesindeki valans elektronlarını gösterir. Bağlar Bağ çeşitleri Metal-metal olmayan (Ġyonik bağ) olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ) Metal-metal (Metalik bağ) Metal Atomların Lewis yapıları Atom için kimyasal simge valans elektron sayısına karşılık gelen noktaların sayısı ile çevrilidir. Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. Yani son kabuktaki elektronlar 13/31 Malzeme Bilimi Slaytları 14/31 Malzeme Bilimi Slaytları İyonik bağ 1. Metal ve ametal arasında görülür. 2. Elektron alışveriş esasına dayanır. 3. Son yörüngesi elektron dengesi bakımından dengesiz, elektron ilgisi düşük (elektropozitif) bir metal ile son yörüngesini elektronla doldurma isteğinde olan yani elektron ilgisi yüksek olan (elektronegatif) bir ametal arasında mevcut elektronların alış verişiyle kararlı bir yapı oluşturulması söz konusudur. Sonuç olarak iyon bağın oluşabilmesi için iki atomun elektronegativite değerleri arasında çok fark olmalıdır. 4. Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da – iyon haline geçerler. İyonik bağ 5. Oluşan iyonik bağ simetrik (elektron dağılımı homojen) bir yapı gösterir. Dolayısıyla bağda açı oluşumu söz konusudur. Simetriklikten uzaklaştıkça kovalent bağ oluşma eğilim artar. 6. Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş halde elektrik akımını iyi iletirler. 7. Ġyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok yüksektir. 8. Ġyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar. 9. Ġyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler. 10. Ġyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar. 11. Örnek : NaCl , LiF Bağ kuvveti bu iyonlar arasında ki elektrostatik çekmeden doğar. 15/31 Malzeme Bilimi Slaytları 16/31 Malzeme Bilimi Slaytları İyonik bağ İyonik bağ Dış kuvvet Katı iyonik bileşik Erimiş iyonik bileşik Malzeme Bilimi Slaytları Ġtme kuvveti Kristal çatlar Su içerisinde çözünmüş iyonik bileşikler 17/31 Malzeme Bilimi Slaytları 18/31 3 İyonik bağ 1. Elektron alışverişi söz konusu olmayıp elektron ortaklaşmasına ya da girişimine dayanır. Atomlar son yörüngelerindeki valans elektronlarını ortaklaşa kullanarak güçlü bağ oluştururlar. 2. Özellikle N, O, H, F ve Cl gibi ametal atomları arasında görülür. Si, Ge, Sb ve Se gibi metaller arasında da kısmen kovalent bağ da oluşur. 3B-7B arasındaki geçiş elementleri arasında da kısmen kovalnet bağlı bileşikler oluşabilir. 3. Kovalent bağın oluşabilmesi için son kabuktaki orbitallerde en az bir elektron boşluğu olması gerekir. 4. Bu şekilde bağlanan bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegativite farkı düşüktür. Bu fark arttıkça iyonik özellik artar. Çok iyon Cl -6 -6.3 r= - + Na 1.5 eV 0.28 nm 0 Cohesive energy Potential energy E(r), eV/(ion-pair) Çok atom 6 Kovalent bağ Separation, r r= Cl Na + - + Elektromanyetik alan Dönme (spin) A İyonik bağ Cl - + Na ro = 0.28 nm 19/31 Malzeme Bilimi Slaytları Fig. 1.10: Sketch of the potential energy per ion-pair in solid NaCl. Zero energy corresponds to neutral Na and Cl atoms infinitely separated. H2 molekülü ve elektronların spinleri 20/31 Malzeme Bilimi Slaytları From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca Kovalent bağ Kovalent bağ 5. Bu bağlar açılı yani ayrıktırlar, dolayısıyla elektron dağılımı asimetriktir. 6. Bağı oluşturan atomların aynı olup olmadıklarına göre Apolar (genelde aynı cins atomlar arasında) ve Polar (farklı cins atomlar arasında) ikiye ayrılırlar. Son yörüngedeki elektronların hangi tür orbitalden bağ oluşturmasına göre de σ (s-s ve s-p arasında), π (pp arasında), ∆ (d orbitalleri arasında) 7. Bir elementteki kovalent bağ sayısı 8 - Grup No değerine eşittir. 8. Kovalent bağlı bileşikler hem katı hem de sıvı halde elektriği iyi iletmezler. + + H CH4 H C 109.5 ° + H2 120° F H B F BF3 H Çok atom F Soru: Kovalent bağlı yarı iletkenler (Si, Ge, Sn gibi) elektriği iyi iletir neden? Malzeme Bilimi Slaytları 21/31 Kovalent ve iyonik bağ yapma eğilimin, belirlemek zordur. Bir çok katı her iki bağıda yapabilirler. Genellikle dış yörüngeleri hemen hemen dolu olan elementlerin bileşikleri iyonik, yarı yarıya dolu olanlar ise kovalent bağ yapma eğilimindedirler. Malzeme Bilimi Slaytları Metalik bağ 1. Metal atomları arasında görülür. 2. Metalik bağda da kovalent bağda olduğu gibi atomların birbirlerine yaklaşarak enerjilerini düşürme eğilimi vardır. 3. Kovalent bağ iki atom arasında gerçekleşebilirken, metalik bağ çok sayıda atom arasında gerçekleşir. 4. Bağlanmada serbest elektron ya da delokalize elektronların pozitif çekirdekler arasında bir elektron denizi oluşturmaları ve bu elektron denizininin pozitif çekirdekler tarafından ortak olarak paylaşmaları söz konusudur. Elektron denizi pozitif çekirdekleri birarada tutmaktadır. Hiçbir elektron bağı oluşturan herhangi bir metal atomuna aittir denilemez. Bir atom her taraftan eşit kuvvetlerin etkisi altındadır. 5. Metalik bağlarda yönlenme söz konusu değildir. Malzeme Bilimi Slaytları 23/31 22/31 Metalik bağ 6. Metallerde elektronların serbest kalma özellikleri nedeniyle çekirdek yükleri de azalmıştır. Bu nedenle elektronların serbestçe hareket etmeleri kolaydır. Ayrıca bu elektronların son kabuktan ayrılmış olmaları dalga boylarının yükselmesi ve frekanslarının da azalması anlamına gelir ki bu da kinetik enetrjilerininde düşme demektir. Elektronların metal içerisinde çok serbest hareket etmeleri yapı içerisindeki potansiyel farkların da minimum olması anlamına gelir, yani potansiyel enerjide düşüktür. O halde metalik bağlarda elektronların kinetik ve potansiyel enerjileri de düşüktür. 7. Elektriksel anlamda çekirdek cazibesinden nispeten uzaklaşmış serbest elektronların herhangi bir elektriksel, mekanik ve ısı enerjisiyle tahrik edilmesi halinde birbirlerini itmesi de elektriksel ve ısıl iletkenlik ve şekillendirilebilirlik anlamında elektronların birbirlerini itmesi ile gerçekleşir. 8. Atomların valans elektronları ne kadar az ise, bu elektronların serbest kalma ihtimali o kadar fazladır, dolayısıyla elektriksel ve ısıl iletkenlik artar. Ġşlenebilirlikleri iyidir. Valans elektron sayısı arttıkça kovalent bağ yapma ihtimali ve çekirdek yükü artar. Bu nedenle valans elektron sayısı yüksek olan Fe, Ni, W ve Ti gibi elementlerin atomlarının yaptıkları metalik bağlanmalar sonucunda bu metallerin ergime dereceleri yüksek olmaktadır, yani kısmen kovalent özellik göstererek yönlenmeleri söz konusu olabilir. Malzeme Bilimi Slaytları 24/31 4 Metalik bağ Metalik bağ Metal deformasyonunun sebebi Dış kuvvet Deforme olmuş metal Metal bağına bir çok örnek 25/31 Malzeme Bilimi Slaytları 26/31 Malzeme Bilimi Slaytları Van der Waals bağ 1. Moleküller arası olan ikincil bağlardır. 2. Elektronik kutuplaşmaya dayanır. 3. Dış yörüngesi tam dolmuş soygazlar ya da tam dolmamış element atomlarının, kovalent iyonik bağlı bileşiklerin kendi aralarında oluşan kutuplaşmalardan çekme etkisi olur. 4. Bu çekme son yörüngesi tam dolu olan soygazlarda ve simetrik moleküllerde geçici kutuplaşma ile gerçekleşir. Herhangi bir etki neticesinde elektronların konumlarını değiştirmesiyle, salınımlarıyla ani kutuplaşmalar olur. 5. Bu çekme özellikle kovalent bağlı bileşiklerde yönlülükten kaynaklanan asimetrik yük dağılımından (molekül kutuplaşması) dolayıdır. Bu nedenle elektronların hareketi, titreşim vs. gibi sebeplerle salınım yapar, yani dipoller (kutuplaşmalar) meydana gelir. Bir bölgede çok küçük zaman dilimlerinde elektron yük dağılımı değişir. Yani potansiyel enerji değişir. Bu potansiyel enerjinin minumum edilmesi adına van der Waals bağları oluşur. 6. Molekül kutuplaşması ile oluşan van der Waals bağları geçici kutuplaşma ile oluşan van der Waals bağlarından güçlüdür. 7. Örnek : H2O (molekül kutuplaşması) , sıvı azot (geçici kutuplaşma) Van der Waals bağ Ar atomları sıvılaşma sıcaklığında + + - Dipol oluşumu Soru: Genellikle moleküler katılar, kovalent bağlı olmalarına rağmen yüksek mukavemet ve ergime sıcaklığına sahip değildirler, neden? 27/31 Malzeme Bilimi Slaytları - Malzeme Bilimi Slaytları Van der Waals bağ 28/31 Bağların etkisi 1. Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar. 2. Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir. 3. Mukavemet 4. Elastisite modülü 5. Isıl iletkenlik: Serbest elektron hareketi ile ilişkilidir. Ġyonik ve kovalent bağlılarda ısı enerjisi yalnızca atomların ısıl titreşimleri ile olur. 6. Optik özellikler: Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu ile yansıtıldığından geçmez. Bu nedenle metaller saydam değildir. Kovalent ve iyoniklerde ise serbest elektron olmadığından ışık yansıtılmadan geçer. Yapıda kusur varsa? H H 7. Kimyasal özellikler: Metalik bağlılarda valans elektronları kolayca yapıdan ayrılır ve artı yüklü iyonlar kalır. Bu iyonlarda çevrenin elektro-kimyasal etkilerine karşı duyarlı olur. H2 Malzeme Bilimi Slaytları 29/31 Malzeme Bilimi Slaytları 30/31 5 Kristal yapı Kristal yapı, atomların üç boyutta belirli bir geometrik düzene göre yerleştiği yapılardır. Kristal Yapılar Amorf yapılı Kristal Yapılar Kristal yapılı Amorf yapı, düzensiz katılaşmış mikroyapılardır, bütün doğal (kazein selüloz, kauçuk, v.b.) ve yapay (plastikler) organik bileşimler, bazı anorganik maddeler (cam gibi) amorf yapıdadır. Kristal yapı, atomların belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim merkezi oluşturmasıdır. Birim hücre Atomlar uzayda öyle dizililer ki, maddenin birim hacmindeki enerjisi minimum olsun. 1 2/26 Malzeme Bilimi Slaytları Kristal yapı Kristal yapı 2. Tetragonal: Basit , hacim merkezli Doğada yedi değişik kafes sistemi bulunur. Bunlar; 1. Kübik: Basit , hacim merkezli, yüzey merkezli (a=b=c; α=β=γ=90°) 3. Ortorombik: Basit, yüzey, merkezli, hacim merkezli, taban merkezli Yüzey merkezli Basit Hacim merkezli Kristal yapılı malzemelerin hacim kafesi oluşturan basit geometrik şekillere birim hücre, atom veya atom gruplarının bulunduğu yere de kafes noktası denir. 3/26 Malzeme Bilimi Slaytları 4/26 Malzeme Bilimi Slaytları Kristal yapı Kristal yapı 4. Hekzagonal: Basit 6. Monoklinik: Basit, taban merkezli C14H10 7. Triklinik: Basit 5. Rombohedral: Basit, (a=b¥c; α=β=γ¥90°) Malzeme Bilimi Slaytları 5/26 Malzeme Bilimi Slaytları 6/26 1 Koordinasyon sayısı Atom sayısı Bir atoma temas eden veya en yakın konumda bulunan komşu atomların sayıdır. Bu sayı atomların ne kadar sıkı paketlendiklerini veya hangi yoğunlukta dizildiklerini gösterir. Birim hücredeki atom sayısının belirlenmesi için aşağıdaki formül kullanılır; N NF 2 Nİ NK 8 Nİ, birim hücre içerisindeki atom sayısı NF, birim hücre yüzeyindeki atom sayısı NK, birim hücre köşesindeki atom sayısı Koordinasyon sayılarına göre atom düzenleri 1. Hacim merkezli kübik (HMK) yapı: En sıkı diziliş yüzey merkezli kübik yapıdadır. N 1 0 2 8 8 2 7/26 Malzeme Bilimi Slaytları 8/26 Malzeme Bilimi Slaytları Kristal yapı Atomsal dolgu faktörü Atomsal dolgu faktörü (ADF), kristal kafes yapısındaki doluluk oranını gösterir. Birim hücredeki atomların toplam hacminin birim hücreye oranıdır. Bu faktör, kristal yapılı malzemelerin hacim kafesindeki atomların ne kadar sıkı dizildiğini belirlemek için kullanılır. 2. Yüzey merkezli kübik (YMK) yapı: N 0 6 2 8 8 4 Örnek: Yüzey merkezli kübik (YMK) yapı için ADF yi hesaplayınız? YMK için kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişki (4 R) 2 a2 a2 2a 2 a 2 4 R 3. Hekzagonal (HMK) yapı: N Nİ N NT 2 2 3 2 NF 2 0 12 2 6 4 3 R 3 Vt NK 6 Vatom 6 a3 VK (1 atomun hacmi) 4 xVt (Kafesteki 2 2a 3 4 x4 x4 4 x4 3 Vt 2a 3 6 atomların hacmi) ADF (Kafes hacmi) 2a 3 6a 3 0.74 Ödev: HMK ve Hekzagonal yapı için ADF’yi hesaplayınız? 9/26 Malzeme Bilimi Slaytları 10/26 Malzeme Bilimi Slaytları 1 Miller indisleri ve düzlemler Miller indisleri ve düzlemler A. Kübik Sistemler Z Kafes sistemlerinde birim hücrelerin çeşitli yüzeylerinin ve yönlerinin anlatımı için Miller İndisleri denen koordinasyon sayıları kullanılır. Miller indisleri tam sayılarla ifade edilir. Birim hücrenin bir köşesi koordinat sisteminin orijin yada başlangıç noktası olarak alınır ve herhangi bir düzlem veya düzlem takımı bunların eksenlerle kesiştiği noktalara ait koordinatlarının tersi alınarak belirlenir. Bir koordinat sisteminin birim uzunluğu olarak kristal yapının kafes parametresi alınır. Bir eksene paralel olan düzlem o ekseni sonsuzda keser. Düzlemler parantez işareti ile gösterilir. Z Eksenlerle kesişme noktası Koordinatların tersi Miller indisleri (111) x y z 1 ∞ ∞ 1/1 1 1 1 0 0 (100) (010) Y x Eksenlerle kesişme noktası Koordinatların tersi Y Miller indisleri y Z z 1 1 1 1/1 1/1 1/1 1 1 1 (110) X x Y X Eksenlerle kesişme noktası Koordinatların tersi Miller indisleri Kafeste her kafes düzlemi ve yönü atomlarla aynı sıklıkta donatılmamıştır. Bu nedenle mekanik özelliklerde yönlere ve düzlemlere göre değişir. Malzeme Bilimi Slaytları 11/26 y z 1 1 ∞ 1/1 1/1 1 1 1 0 X Malzeme Bilimi Slaytları 12/26 2 Miller indisleri ve düzlemler Miller indisleri ve düzlemler Z Z _ x y z Eksenlerle kesişme noktası ∞ -1 ∞ Koordinatların tersi 1 -1/1 1 Miller indisleri 0 1 (0 1 0) _ (112) Koordinatların tersi 0 Y Z _ _ O1 y z 1 1 1/2 1/1 1/1 1/(1/2) 1 1 2 Miller indisleri Y O x Eksenlerle kesişme noktası Z’ (0 1 2) O2 X Y X Y’ Eksenlerle kesişme noktası x y z ∞ -1 -1/2 Koordinatların tersi 1 -1/1 Miller indisleri 0 1 _ _ X’ O 1/(-1/2) __ _ _ _ _ _ Ödev: (131), (001), (222), (221), (220), (0 3 2), (11 2), (0 1 0), (2 2 2) miller indisler ile belirtilen düzlemlerin xyz eksenlerini kestiği noktaları bularak, birim küp üzerinde gösteriniz? O1 _ _ 2 X Miller indisleri ile düzlem gösterilirken bütün düzlemler birim küp içerisinde gösterilir. 13/26 Malzeme Bilimi Slaytları 14/26 Malzeme Bilimi Slaytları Miller indisleri ve düzlemler Düzlemsel atom yoğunluğu Düzlemsel atom yoğunluğu, belirlenen düzlemdeki atom sayısının o düzlemin alanına oranıdır ve aşağıdaki bağıntıyla belirlenir. Düzlemsel atom yoğunluğu = Düzlemdeki atom sayısı Düzlem yüzey alanı Yüzey merkezli bir yapıda atom sayısı (110) düzlemi için; Z (110) a N 2x 1 2 Y a 2 Düzlemsel yoğunluk 4x 1 4 2 a2 2 2atom 1.41 [atom / A 2 ] a2 X 15/26 Malzeme Bilimi Slaytları 16/26 Malzeme Bilimi Slaytları Düzlemsel atom yoğunluğu Hacim merkezli kübik yapıda (110) düzlemi için; Z Miller indisleri ve doğrultu Doğrultular koordinat sisteminin orijin noktasından geçen vektörler ile gösterilir. Doğrultuyu belirlemek için orijinden çizilen vektörün eksenler üzerindeki bileşenleri yani uç noktasının koordinatları bulunur. Koordinatların kesirli olması durumunda ise bunlar en küçük payda ile çarpılarak orantılı en küçük sayılara çevrilir. Doğrultu, [uvw] şeklinde gösterilir. (110) a [111] doğrultusunun gösterimi; Z Z Y a 2 ___ [111] X N 1 4x 1 4 2atom Düzlemsel yoğunluk _ _ __ _ _ 2 a 2 2 Y O3 Y [100] X _ _ _ [111] [010] 1.41 [atom / A 2 ] a2 Ödev: (131), (001), (222), (221), (220), (0 3 2), (11 2), (0 1 0), (2 2 2) düzlemlerinin atom yoğunluğunu bulunuz? [001] X düzlemsel Doğrultu gösterilirken 1’den büyük sayılar için yeni birim küpler eklenir. Malzeme Bilimi Slaytları 17/26 Malzeme Bilimi Slaytları 18/26 3 Miller indisleri ve doğrultu Doğrusal atom yoğunluğu [121] doğrultusunun gösterimi; Z Doğrusal atom yoğunluğu, belirli bir doğrultu üzerindeki birim uzunluğa düşen atom sayısı olarak tanımlanır ve atom sayısı/birim uzunluk bağıntısı ile hesaplanır. Z Veya Z [121] [121] a 3 Y Y a [111] Y X X a 2 Uyarı: Burada x, y, ve z ekseni sırası ile ½, 1, ½ ‘de kesildiğine dikkat edin. Eksenlerle kesişme noktası Payda eşitleme Doğrultular y z 1/2 1 1/2 2x1/2 2x1 2x1/2 1 2 1 Doğrusal yoğunluk a 3 19/26 Hekzagonal sistem 4 lü eksen takımıyla gösterilir. Bu eksenlerde a, b ve c birbiri ile 120° lik açı yapar ve xy eksen takımında yer alır. Miller indisleri h, k, i ve l ile gösterilir. Farklı olan i indisi; i = - (h+k) bağıntısı ile belirlenir. Kübik sistemde geçerli olan bütün işlemler burada da geçerlidir. _ (10 1 0) Eksenlerle kesişme noktası Payda eşitleme c Doğrultular b Eksenlerle kesişme noktası O Payda eşitleme a Doğrultular (atom / A) Plastik şekil değiştirme mekanizmalarının en yaygın olanı kayma, atom yoğunluğunun en yüksek olduğu düzlem ve doğrultuda meydana gelir. 20/26 Malzeme Bilimi Slaytları Miller indisleri ve düzlemler B. Hekzagonal Sistemler (0001) 2 a 3 Ödev: [111] doğrultusuna ait doğrusal atom yoğunluğunu YMK yapı için hesaplayınız? Malzeme Bilimi Slaytları d 1 2 1 2x X x a b c ∞ ∞ ∞ 1 1/∞ 1/∞ 1/∞ 1/1 0 0 0 1 a b c d 1 ∞ -1 ∞ 1/∞ 1/(-1) 1/∞ 1 0 _ d İlk önce üçlü eksen takımının [uvw] olarak belirtilen doğrultu, hekzagonal sistemde Miller-Bravais indisleri ile gösterilir. Bunun için doğrultuya ait u, v ve w bulunduktan sonra; d 1/1 1 Hekzagonal kafeste doğrultu Hekzagonal sistemde doğrultu, kübik sistemde olduğu gibi başlangıç noktası eksen takımının orijin noktası olarak alınan vektörlerle gösterilir. Bunun için önce doğrultuya ait vektörün eksenler üzerindeki bileşenleri bulunur ve gerekiyorsa bunlar sonradan orantılı en küçük tam sayılara çevrilir. Başka bir deyişle, eksen takımının orijin noktasından çizilen vektörün uç noktasının a, b ve d eksenleri üzerindeki izdüşümleri veya koordinatları belirlenir. 0 h=2u-v k=2v-u i=-(u+v) l=3w bağıntıları kullanılır. Örnek: Üçlü eksen takımında (uvw) [100] insileri ile gösterilen doğrultuyu hekzagonal sistemde gösteriniz? h=2*1-0=2 k=2*0-1=-1 i=-(1+0)=-1 __ [2 11 0] c __ [2 11 0] veya [100] b O l=3*0 =0 a 21/26 Malzeme Bilimi Slaytları Hekzagonal kafeste doğrultu _ [321] [111] d 22/26 Malzeme Bilimi Slaytları Kafes yapılarının incelenmesi X-Işını Difraksiyonu d Kafes yapısının bilinmesinde iki önemli büyüklük olan kafes parametresi ve atom düzlemleri arasındaki mesafe X-ışını vasıtasıyla belirlenir. X-ışını nasıl ortaya çıkar? _ [111] [321] c c 1/3 b b O O a a 2/3 Başlangıçta en büyük ortak katsayıya bölünür Malzeme Bilimi Slaytları 23/26 Isıtılan bir filamentten ısı tahriki ile yayılan elektronlar elektromanyetik bir alan içerisinde hızlandırılırlar. Hızlandırılarak yüksek enerji kazandırılan bu elektron demeti bir anoda çarptığında, elektronlar anot malzemesinin kabuklarına girerler. Yüksek enerjili elektron demeti çekirdeğe yakın olan K kabuğundaki bir elektrona çarparak onu yerinden çıkartırsa, bir elektronunu kaybeden atom oldukça karasız bir duruma geçer. K kabuğunda boş kalan elektronun yeri enerji seviyesi yüksek olan bir kabuktaki, örneğin L kabuğundaki bir elektron ile doldurulur. Yani L kabuğundaki bir elektron K kabuğunda boş olan yere atlar. Elektronun iki konumu (K ve L kabukları) arasındaki enerji farkı bir elektromanyetik dalga veya X-ışını fotonu olarak yayınırlar. L kabuğundaki elektronun K kabuğuna geçmesi veya atlaması durumunda, Kα olarak bilinen karakteristik X ışını yayınır. Malzeme Bilimi Slaytları K kabuğundan çıkarılan elektron Gelen hızlı elektron Çekirdek K L MN 24/26 4 Kafes yapılarının incelenmesi X-ışını difraksiyonu, kristal yapılı bir malzeme üzerine gönderilen X-ışınlarının kristalin atomlarına çarparak yayınması olayıdır. Diffraksiyon her zaman oluşmaz. Bunun için; difraksiyon veya kırınıma uğrayan yani atom düzleminden yansıyan X-ışınlarının aynı fazda olması gerekir. Çünkü difraksiyon esnasında X-ışınları ile atomlar arasında meydana gelen yeni bir etkileşim değil, bir saçılma olayıdır. Saçılan X-ışınları aynı faz içerisinde değillerse birbirini iptal ederler ve sonuçta difraksiyon olayı gerçekleşmez. Kafes yapılarının incelenmesi Kübik sistemlerde atomlar arası uzaklık; a d ( hkl ) (h 2 d: Düzlemler arası mesafe k2 l2 a: Kafes parametresi X-ışını demetinin atom düzlemlerine Bragg açısı (θ) olarak bilinen belirli bir açı ile çarpması durumunda ise yansıyan ışınlar tarafından alınan yol, dalda boyunun (λ ) tam katlarına eşit olacağından ışınlar aynı faza sahip olurlar. Difraksiyon elde edebilmek için X-ışınlarının atom düzlemlerine çarpma açısı (θ), düzlemler arasındaki uzaklık (d) ve gelen X-ışınlarının dalga boyu arasında belirli bir bağıntının bulunması gerekir. Bragg Kanunu Örnek: HMK yapıya sahip Cr örneği üzerinde dalga boyu 1.542°A olan X-ışını demeti gönderildiğinde, 22.2° lik Bragg açısında (110) düzlemine ait bir difraksiyon çizgisi elde edilmektedir. Buna göre Cr kafes parametresini bulunuz? 2d sin d ( hkl ) Ödev: Bragg Kanunu bağıntısını çıkarınız? Malzeme Bilimi Slaytları 25/26 n 2d sin( 22.2) 1*1.542 a (h 2 k2 l2 2.04 a (12 12 02 Malzeme Bilimi Slaytları d a 2.04 A 2.88 A 26/26 5 Kristalleşme mekanizması Kristalleşme, sıvı halden katı hale geçiş olup, çekirdeklenme ve çekirdeklerin büyümesi aşamalarından meydana gelir. Sıvı içerisinde atomlar belirli bir düzende bulunmazlar, ancak bazı atomlar belirli zamanlarda katı durumdaki uzay kafesine karşılık gelen konumlarda bulunabilirler. Malzeme içerisindeki atomlar hem kinetik hem de potansiyel enerjiye sahiptir. Kinetik enerji atomların hareket hızı ile ilgili olup, tamamen sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık artıkça atomlar aktif, yani hareketli duruma geçerler ve kinetik enerjileri artar. Atomların potansiyel enerjileri ise aralarındaki uzaklığa bağlıdır. Uzaklık artıkça artar. Kristalleşme ve Kusurlar Bir metalin sıvı halden katı hale, yani eriyikten kristalli duruma geçebilmesi için çekirdek oluşumu mutlaka gereklidir. Eriyik haldeki metalin atomları çekirdek etrafında toplanmaya ve çekirdeği büyütmeye başlarlar. Başlangıcı çekirdek tarafından yapılmış olan katılaşma bölgeleri büyüyüp sıvı metalin tamamen katı hale geçmesini sağlayacaktır. Kristal veya tane adı verilen aynı yön ve düzen içindeki katı metal adacıkları, eriğin çeşitli noktalarından yani çekirdeklerinden büyüyüp tüm metalin kristalleşmesini sağlar. Ergiyik katı metal Çekirdek oluşumu Tane büyümesi Kristalli yapı Kristalleşmeyi başlatan en küçük katı oluşumlara çekirdek denir. 1 Malzeme Bilimi Slaytları Kristalleşme mekanizması Sıcaklık T (°C) Katılaşma noktasında bulunan saf metali ele alalım. Katılaşma noktasında sıvı ve katı fazların her ikisi aynı sıcaklıkta bir arada bulunur. Bu noktada sıvı ve katı fazların içerisinde bulunan atomların kinetik enerjileri aynı olur, ancak potansiyel enerjileri farklıdır. Katı faz içerisindeki atomlar, sıvı içerisindeki atomlara göre birbirlerine göre çok daha yakındırlar. Bu nedenle katılaşma sırasında enerji açığa çıkar. Sıvı durum ile katı durum arasındaki bu enerji farkına gizli ısı veya ergime ısısı denir. Ancak katı ve sıvı arasında bir yüzey oluşturmak için enerji gerekir. Katılaşma noktasında bulunan saf metallerde gizli ısı ile kararlı bir sınır oluşturmaya yetecek ölçüde enerji açığa çıkmaz. Bu nedenle kararlı bir çekirdek oluşturmak için her zaman bir miktar aşırı soğuma gerekir. Aşırı soğumanın ardından dışarı verilen gizli ısı sıcaklığı tekrar katılaşma noktasına çıkarır. Katılaşma Başlangıcı 2/25 Kristalleşme mekanizması Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasının altına düşünce, sıvı içerisindeki değişik nokta ve konumlarda kararlı çekirdekler oluşur. Katılaşan çekirdekler kristalleşmeye merkezlik yapar, yani bu çekirdekler kristallerin merkez noktalarını oluşturur. Soğuma devam ettikçe daha çok sayıda atom ya mevcut çekirdeklere bağlanır yada kendileri yeni çekirdekler oluştururlar. Her çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafesi içerisinde büyür. Kristal büyümesi üç boyutlu uzayda büyümeye devam eder ve atomlar belirli doğrultularda, genellikle büyüme ekseni boyunca birbirlerine bağlanırlar. Kristallerin karşılaştığı bölgeye tane sınırı adı verilir. Katılaşma Bitişi Aşırı soğuma Katılaşma Durak Noktası Zaman t (sn) Malzeme Bilimi Slaytları 3/25 Malzeme Bilimi Slaytları Kristal Yapı Kusurları Malzemelerin iç yapısı mükemmel değildir. Atomlar arasında yer yer kusurlar bulunabilir. Bunlara yapı kusurları denir. Malzemede yapı kusurlarının bulunması her zaman zarar verici bir durum oluşturmaz, aksine yapı kusurları sayesinde örneğin metallere daha kolay şekil verilebilir, mukavemeti artırılabilir, yarı iletkenlik ve tam iletkenlikleri kontrol edilebilir. 4/25 Noktasal Kusurlar Noktasal hatalar atomik boyutlu olup, genellikle kalıntı atomun varlığında, ana atomun kafeste yerinde bulunmamasından veya yanlış yerde bulunmasından meydana gelir. Noktasal kusurlar katılaşma esnasında, deformasyon sırasında ve yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilir. Noktasal kusurlar: 1. Atom boşluğu (Boş nokta kusuru): Bir atom bulunması gereken yerde bulunmuyorsa buna atom boşluğu denir. Atom boşlukları katılaşma sırasında atomların hatalı yerlere yerleşmesi, bazı kafes pozisyonlarını doldurmamaları nedeniyle ve katı fazda yüksek sıcaklıkta termal titreşimler nedeniyle bazı atomların kafes yerlerinde fırlamaları, plastik şekil verme ve yüksek enerjili parçacıkların çarpması nedeniyle oluşabilir. Yapı kusurları başlıca dört grupta toplanabilir: 1. Kütle Kusurları: Üç boyutlu kusurlardır. Örneğin kaynak hataları, malzeme içerisindeki çatlaklar, poroziteler, segregasyonlar… 2. Düzlemsel Kusurlar: İki boyutlu kusurlardır. Örneğin istif kusurları, tane sınırları, faz sınırları… 3. Çizgisel Kusurlar veya Dislokasyonlar: Tek boyutlu kusurlardır. Atom boşluğu konsantrasyonu artıkça; • Metalin öz direnci (elektriksel) artar. Boşluk • Akma mukavemeti artar. distortion of planes • Oksitlenme eğilimi artar (karasız yapı) •Boyut büyümesi oluşur (Nedeni kafeste ayrılan atomum dış yüzeylere yerleşmesi). 4. Noktasal Kusurlar: Boyutsuz kusurlardır. Örneğin atom boşlukları, fazla elektron veya elektron boşlukları… Vacancy • HMK da akma noktası kaybolur, YMK da akma noktası keskinleşir. Hatasız bir iç yapı diğer deyişle ideal kristal gerçekte yok sayılır. Çünkü her ideal kristal bir yerde sona erip tane sınırı bulundurmak zorundadır ki buda düzlemsel kusurdur. Atom boşlukları hareketlidir ve enerji durumuna göre yer değiştirebilirler. Malzeme Bilimi Slaytları 5/25 Malzeme Bilimi Slaytları 6/25 1 Noktasal Kusurlar 2. Arayer kusuru: Atom kristal kafesteki yerinde ayrılıp atomlar arasındaki bir boşluğa yerleşmişse bu atoma denir. Yarıçapları 1°A’an küçük olan H, N, B, O ve C atomlarının ana metalin atomları arasına girmesiyle oluşur. Arayer atomu 4. Frenkel kusuru: Atom kristal kafesteki yerinde ayrılıp atomlar arasındaki bir boşluğa yerleşmişse bu kusura denir. Yarıçapları 1°A’an küçük olan H, N, B, O ve C atomlarının ana metalin atomları arasına girmesiyle oluşur. 5. Schotty kusuru: Bu kusur iyonik bağlı malzemelerde boş nokta çifti şeklinde meydana gelir. Bu tür malzemelerin kristal yapıları içerisinde eşit elektriksel yükün korunması için kafesten bir anyon ile katyonun ayrılması gerekir. Bunun sonucunda da schotty kusuru oluşur. selfinterstitial distortion of planes Noktasal Kusurlar 3. Yer alan atom kusuru: Bu kusur, yer alan katı çözelti içerisindeki çözünen element atomlarının çözen elementin atomlarının yerini almasıyla meydana gelir. Yer alan katı çözeltisinin oluşması için çözen ve çözünen elementlerin atom çaplarının birbirlerine yakın olması gerekir. Yer alan atomu İyonik bağlı malzemelerde elektriksel yönden nötrlük sağlanmak zorunda olduğu için noktasal kusurlar farklılık gösterir. Malzeme Bilimi Slaytları 7/25 8/25 Malzeme Bilimi Slaytları Çizgisel Kusurlar Kristallerde düzensizlik merkezi bir çizgi boyunca yer almaktadır ve çizginin her iki tarafında kristal kusursuz olabilir. Fakat kafes noktaları birbirlerinin devamı değildir. Başka bir deyişle; kristalin bir bölgesi bu bölgeyi alt ve üst kısımlara ayıran bir düzlem üzerinde kaymaya uğramışsa, alt ve üst noktalar birbirlerine göre belirli bir miktar ötelenmişse kaymaya uğramış ve uğramamış bölgeleri ayıran çizgi bir kristal hatadır ve dislokasyon denir. Dislokasyonlar kenar, vida ve karışık olmak üzere üç çeşittir. Bir dislokasyonun, dislokasyon çizgisi ve Burger vektörü olmak üzere iki karakteristik büyüklüğü vardır. Burger vektörü (b) hareket eden dislokasyonun hareket doğrultusunu ve miktarını gösterir. Mükemmel bir kristalde paralel doğrultularda eşit adımlar gidilip, bir çevrim bir çevrim tamamlanınca başlangıç noktasına gelinir. Ancak, dislokasyon içere bölge çevresinde aynı işlem yapılırsa Burger çevrimi kapanmaz. Başlangıç ve bitiş atomları arasındaki atomlar arası uzaklık kadar bir açıklık kalır ve bu açıklık b ile gösterilir. Kenar dislokasyonlarının oluşturduğu büyüklük Burger vektörü adını alır ve bu vektör dislokasyon çizgisine diktir. Kristal yapılı malzemelerin teorik mukavemeti gerçek mukavemetin çok üzerindedir. Aradaki fark dislokasyonla açıklanır. b a G. k (Hook kanunu) G.b 2a ab Malzeme Bilimi Slaytları k . sin 9/25 2x b k 2x b Çok küçük x a G. G.b 2x sin 2a b o Malzeme Bilimi Slaytları Çizgisel Kusurlar x x 2x k. a b b 4 max Gb o 2a G 2 10/25 Çizgisel Kusurlar Kenar Dislokasyonu Vida Dislokasyonu Kusursuz bir kristalde ekstra bir atom tabakasının ilavesi ile kenar dislokasyonu oluşur. Malzemenin şekillenmesini sağlayan kuvvetin geldiği yöne dik olarak oluşan dislokasyonlardır. Malzemenin şekillenmesini sağlayan kuvvetin geldiği yönde oluşan dislokasyonlardır. Diğer bir ifade ile Burger vektörü şekillendirme kuvvetne paralel olan dislokasyonlardır. Kayma düzlemi Kesme gerilmesi Malzeme Bilimi Slaytları 11/25 Malzeme Bilimi Slaytları 12/25 2 Çizgisel Kusurlar Çizgisel Kusurlar Karışık Dislokasyonu Kayma düzlemi bir halı ile onun altındaki odanın tabanı arasındaki temas yüzeyine benzetilebilir. Halıyı bir ucundan düz taban üzerinden çekersek bütün sürtünme kuvvetini de yenmemiz gerekir. Fakat halıyı bir ucundan kaldırır ve dalgalandırırsak halı sadece birkaç yerde tabanla temas eder. Böylece halıyı kolayca çekip kaydırabiliriz. Metallerin nispeten kolay şekillendirilebilir olması kayma düzlemleri boyunca halının dalgalanmasına benzer şekilde, atomların dislokasyon hareketi olarak arka arkaya ve teker teker atomlar arası bağları yenip birbiri üzerinden tırmanması sayesinde olur. Vida ve kenar dislokasyonun beraber bulunduğu haldir. Dislokasyon Dislokasyonlar enerjiyi küçük tutmak için en küçük burger vektörünü tercih edecektir. Yani burger vektörü en sıkı istif edilmiş doğrultuda olan dislokasyonlar en kararlıdır. Büyük olanlar ise enerjisini azaltmak için parçalanma eğilimindedir. 13/25 Malzeme Bilimi Slaytları 14/25 Malzeme Bilimi Slaytları Peierls-Nabarro Gerilmesi Düzlemsel Kusurlar Düzlemsel (Yüzeysel) Kusurlar b Bir dislokasyonu kayma düzleminde hareket ettirmek veya kayma olayını başlatmak için gerekli gerilmeye denir. Düzlemsel kusurlar bir malzemeyi aynı kafes yapısına sahip, ancak farklı doğrultularda yönlenmiş değişik bölgelere ayıran yüzeylerden oluşur. Bu yüzeyler kesit üzerinde sınır biçiminde gözükür. Düzlemsel Kusurlar; w P 2Ge 2w b • Serbest yüzey olarak bilinen katı ile sıvı arasında ki ara yüzey • Tane sınırı • Fazlar arası sınır • İstif kusurları • Domain olarak bilinen, elektronik yapının değiştiği fakat ortam düzeninin değişmediği ara yüzey b değeri ne kadar küçükse gerilme değeri de o kadar küçük olur. Dolayısıyla en sık istif edilmiş düzlem ve doğrultuda kayma olur. Yani burger vektörü küçük ise kayma gerilmesi de küçük olur. Eğer kristal içerisinde hata yoksa kayma gerilmesi yaklaşık olarak akma gerilmesine eşittir. Malzeme Bilimi Slaytları 15/25 Malzeme Bilimi Slaytları Düzlemsel Kusurlar Tane Sınırları 16/25 Düzlemsel Kusurlar Bir malzemenin tane büyüklüğü ile akma mukavemeti arasında Hall-Patch bağıntısı ile belirlenir. Burada σ a akma mukavemeti, d ortalama tane büyüklüğü ve σ0 ile K malzeme sabitidir. Her tanedeki atomsal düzen ve yönlenme farklıdır. Tane sınırları taneleri birbirinden ayıran yüzeylerdir. Bu yüzeyler metalografik kesitler üzerinde çizgi biçiminde gözükürler. Tane içerisinde düzenli olan atom dizilişi tane sınırlarında düzensiz hale gelirler. Çünkü her bir tanenin kristolografik yönlenmesi farklıdır, kafes düzlemleri birbirlerinin devamı değildir. Tane sınırlarında atomlar arası mesafe tane içerisine göre büyük ve küçük olabilir. Tane sınırlarında atomlar arası çekme kuvveti her yönde aynı olmayabilir, bu düzesizlik fazla enerji demektir. 1 a o Kd 2 Küçük açılı tane sınırı Taneler arasında yönlenmeye bağlı olarak küçük açılı ve büyük açılı olmak üzere iki çeşit tane sınır vardır. İki tane arasındaki açı 10° den küçük ise küçük açılı tane 10° den büyük (genellikle 20-30°) ise büyük açılı tane sınır söz konusudur. Büyük açılı Tane-1 grainTane boundary sınırı Tane, kendi içinde nispeten homojen ve kafes sistemi aynı, kayma düzlemleri benzer karakterli, kimyasal yapısı aynı olan katı maddeye denir. Faz ise kendi içerisinde homojen kimyasal ve/veya fiziksel yapısı etrafındakilerden farklı olan mikro ve makro yapıya denir. 17/25 Malzeme Bilimi Slaytları Tane-2 Küçük açılı Kenar dislokasyonu tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırına eğme sınırı, vida dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırına da bükme sınırı denir. Malzeme Bilimi Slaytları 18/25 3 Düzlemsel Kusurlar İstiflenme (Yığılma) Kusuru Düzlemsel Kusurlar İkiz Sınırlar Atom düzlemlerinin istiflenmesi esnasında bozulması neticesinde oluşan 2 boyutlu kusurlardır. Özellikle ikiz teşekkülünde, faz dönüşümlerinde ve sürünmede önemlidir. Gerilme ve dislokasyon hareketleri oluşturur. Örneğin atom düzlemlerinin YKM yapıda ABCABCABCABABCABC dizilmeleri ile oluşur. SPH YMK İkiz sınırı, kristal kafes yapısındaki atom düzenlerinin simetrik olarak farklı doğrultularda yönlenmesi sonucunda birbirinin ayna görüntüsü şeklinde oluşan iki bölge arasındaki düzlem olarak tanımlanır. İkiz sınır boyumca etki eden bir kayma kuvveti atomların yerini değiştirerek bir ikizlenmeye neden olur. İkizlenme bazı metallerin plastik deformasyonu veya ısıl işlemi sırasında meydana gelir. İkiz düzlem İkizlenmeden önce original atomic positions atom pozisyonları before twinning 19/25 Malzeme Bilimi Slaytları 20/25 Malzeme Bilimi Slaytları Düzlemsel Kusurlar Kütle (Hacimsel) Kusurları Üç boyutlu kusurlar olup, iki sebepten oluşur; Her bir nokta atom kolonudur İkiz düzlemler 1. Malzemenin üretimi sırasında 2. Malzemenin döküm, dövme, hadde gibi şekillendirmesi esnasında Örnek olarak, döküm kusurlar, biçimlerdirme, dövme kusurları ve kaynak kusurları 21/25 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Katı çözeltiler Katı çözeltilerin diğer bir ismi katı eriyiktir. Bir çözelti çözen ve çözünen olmak üzere iki bileşenden oluşur. Çözeltinin yüzde oranı yüksek olana çözen, oranı düşük olanda çözücü adı verilir. Şekerli su örneğinde olduğu gibi su çözen, şekerde çözünendir. Sıcaklık T (°C) Sabit basınç altında, herhangi bir çözen içersinde çözünen madde miktarı sıcaklığa bağlıdır ve sıcaklık artıkça çözünme oranı artar. Bir çözelti için doymamışlık, doymuşluk ve aşırı doymuşluk olmak üzere üç durum söz konusudur. Bir çözen, uygulanan bir sıcaklık ve basınç altında çözebileceği miktardan daha az bir miktarda madde çözerse doymamış çözelti oluşur. Eğer çözen sınır değerine kadar madde çözerse doymuş çözelti, denge koşullarında çözebileceğinden daha fazla madde çözerse aşırı doymuş olur. Katılaşma Aralığı Sıvı çözelti Sıvı (%50Sb+%50Bi) Bi sıvı içerisinde oluşan Sb ce zengin katı çekirdekler 504 Bi sıvı içerisinde büyüyen Sb ce zengin dentritler Sıvı + Katı çözelti 22/25 Katı çözeltiler Katı çözeltiler yer alan ve ara yer katı çözelti olmak üzere ikiye ayrılır. Yer alan katı çözeltisi: Çözünen element atomlarının çözen element atomlarının yerini alması ile oluşan katı çözeltidir. Alaşım sistemlerinde çözünme aralığını kontrol eden faktörler Hume-Rothery tarafından belirlenmiştir. • Kristal yapı faktörü: İki elementin birbiri içerisinde çözünebilmeleri için kristal kafes yapılarının aynı olması gerekir. • Atom büyüklüğü faktörü: Çözen ve çözünen elementlerin atom yarıçapları arasındaki farkın %15 den az olması durumunda katı çözeltinin oluşumu kolaylaşır. Atomsal boyut faktörü %15 den büyük olduğunda ise zorlaşır. Çünkü kafes yapısında çarpılma oluşur. • Kimyasal çekicilik (elektronegativite) faktörü: İki metalin birbirine karşı elektronegativitesi arttıkça katı çözelti oluşturma durumları zorlaşır ve bileşik oluşturma meyli artar. • Relatif valans faktörü: Çözünen metalin valans değeri, çözen metalin valans değerinden farklı ise elektron oranı olarak adlandırılan atom başına düşen valans elektron sayısı değişir. Kristal yapı, elektron oranındaki azalmaya bu orandaki artıştan daha fazla duyarlıdır. Başka bir deyişle, valans değeri düşük olan metal yüksek olan metali daha fazla çözer. 350 SbBi50 katı çözeltisinin soğuma eğrisi SbBi50 katı alaşımına ait üç adet tane Katı çözelti Çözünen elementin atomu Çözen elementin atomu Zaman t (sn) Katı çözelti katı durumdaki çözelti olup, farklı türdeki atomların aynı kafes yapısında bir araya gelmesi ile oluşur. Malzeme Bilimi Slaytları 23/25 Malzeme Bilimi Slaytları 24/25 4 Katı çözeltiler Ara yer katı çözeltisi: Yarıçapları küçük olan atomların, çözen elementin atomları arasındaki boşluklara girmesiyle oluşur. Yarıçapı ancak 1 °A’dan küçük atomlar ara yer katı çözeltisi oluşturabilir. Bunlar H, B, N C ve O2 atomlarıdır. Katı çözeltisi ile metaller arası bileşikler arasındaki farklar; Metaller arası bileşikler belirli formüllerle gösterilebilir, katı çözeltiler ise gösterilmez. • Metaller arası bileşikler çok dar bir bileşim aralığında meydana gelir, katı çözeltiler ise çok daha geniş bileşim aralığında meydana gelir. • Bileşikler içerdiği elementlerin özelliklerinden farklı özelliklere sahiptir, katı çözeltiler ise kendilerini oluşturan elementlerin özelliklerine benzer özellikler sergiler. • Metaller arası bileşiklerin erime veya katılaşma sıcaklıkları genelde sabittir, katı çözeltiler ise belirli sıcaklık aralıklarında ergirler veya katılaşırlar. • Metaller arası bileşikler genelde katı çözeltilerde daha sert ve gevrektir. Çözen elementin atomu Çözünen elementin atomu Katı çözeltiler sonrası kafes yapısında çarpılma meydana gelir ve dislokasyon hareketi engellenerek sertlik ve mukavemet artar. Malzeme Bilimi Slaytları 25/25 5 29.09.2011 Malzemelerin deformasyonu Kristal, etkiyen kuvvete deformasyon ile cevap verir. Bir malzemeye yük uygulandığında malzeme üzerinde çeşitli yönlerde ve çeşitli şekillerde yükler oluşur. Malzeme bu yükler tesiri altında ancak hasara (yani deformasyona) uğratılır. bu yüklerin bazıları aşağıda örnekleri ile malzeme üzerinde gösterilmiştir; Malzemelerin Deformasyonu Yüksüz Basma Çekme Burma Kesme Deformasyon mekanizmaları Yırtılan kenar Kayma Yırtılma 2/40 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme ve Basma’da Kayma Mekanizmaları Elastik deformasyon Malzemeler uygulanan kuvvetin büyüklüğüne göre elastik, plastik ve anelastik olmak üzere üç çeşit deformasyona maruz kalırlar. Elastik şekil değişimi, kuvvet uygulanan malzemeye ait atomların komşularından ayrılmadan aralarındaki uzaklığın değişmesi anlamına gelir. Uygulanan kuvvet ortadan kalkınca, cisim eski boyuna geri dönüyorsa bu tür şekil değişimine elastik deformasyon denir. Basma yükünde (eksenel yük) Çekme yükünde (eksenel yük) Basma yükünde (eksenel olmayan yük) Çekme yükünde (eksenel olmayan yük) Malzeme Bilimi Slaytları Gerilmesiz durum 3/40 F F F F Gerilme Çekme gerilmesi Basma gerilmesi uygulandığında kaldırıldıktan sonra uygulandığında Malzeme Bilimi Slaytları Elastik deformasyon Plastik deformasyon Plastik deformasyon, uygulanan gerilmenin malzemenin elastik sınırını aşması sonucu kalıcı şekli değişiminin oluşumuna denir. Gerilme (kN/m2) Gerilme (kN/m2) Bir malzemenin elastik davranışını görmek için o malzemenin çekme diyagramından faydalanılır. Kristal yapılı malzemelerde uygulanan gerilme (σ) ile birim elastik uzama arasında (ε) Hook kanunu ile ifade edilen doğrusal bir ilişki (σ=E.ε) vardır. 4/40 Yükü kaldırsanız bile malzemede bir miktar uzama oluşur,bu miktar gerilme-uzama diyagramında aralığına eşittir. Birim uzama(%) Birim uzama(%) Gerilme-uzama grafiği Kristallerin kütle, hacim, entalpi, entropi gibi özellikleri doğrultuya göre değişmez, buna izotropik özellikler denir. Elastisite modülü, elektrik ve ısı iletkenliği gibi özellikler değişir, buna anizotropi özellikler denir. Malzeme Bilimi Slaytları 5/40 Malzeme Bilimi Slaytları 6/40 1 29.09.2011 Plastik deformasyon mekanizmaları Deformasyon mekanizmaları Kayma İkizlenme Kayma Kayma, dislokasyonların belirli düzlem ve doğrultularda hareket etmesi sonucu meydana gelir. Kaymanın meydana geldiği düzlem ve doğrultu kayma sistemini oluşturur. Kayma dislokasyonların hareketi sonucu meydana gediğinden dislokasyon hareketini sağlayacak bir gerilme değerini uygulanması gerekir. Düşük enerjili dislokasyonlar yani burger vektörü kısa olan dislokasyonlar daha rahat hareket eder. Bunun için tek kristalli bir malzemede kayma gerilmesinin çıkaralım; Tane sınırı kayması Yayınma sürünmesi Kuvvet doğrultusu En yaygın plastik deformasyon oluşum mekanizmasıdır Kaymanın kolay olmadığı durumlarda görülür Kayma düzlemi Yüksek sıcaklık, düşük deformasyon hızlarında görülür Yayınma ile atomların yer değiştirmesi ile oluşur Zn tek kristali 7/40 Malzeme Bilimi Slaytları 8/40 Malzeme Bilimi Slaytları Kayma Kayma düzleminde kayma gerilmesi r Kaymanın kolay olmadığı durumlarda plastik deformasyona ikizlenme katkıda bulunur. Burada FS ; F,’in kayma doğrultusundaki bileşeni, AS ; kayma düzlemi alanıdır. (Dikkat edin cos Φ =sin λ) FS Kayma düzleminin normali Kayma doğrultusu r FS AS F . cos A cos F . cos . cos A cos . cos Açılar 45° olduğunda bu değer maksimumdur. Düşük sıcaklıklarda ve yüksek deformasyon hızlarında meydana gelir. Kristal ikiz düzlemi adı verilen bir düzleme göre simetrik duruma gelir. Diğer bir deyişle; A cos F . cos ..................... AS İkizlenme İkizlenme FS AS İkizlenme ile ötelenmiş veya ötelenmemiş atomlar ikiz düzlemlerine göre birbirinin aynadaki görüntüsü gibidir. ç . cos . cos Schmit faktörü r kr ç . 1 2 ç 2 Kayma düzleminin uygulanan gerilme doğrultusuna dik veya paralel olduğu durumda kayma gerçekleşmez. Bu durumda malzeme ikizlenme ile deformasyona uğrar. 9/40 Malzeme Bilimi Slaytları 10/40 Malzeme Bilimi Slaytları İkizlenme İkizlenme İkizlenme, plastik deformasyon esnasında meydana gelebildiği gibi tavlama esnasında da meydana gelebilir. İKİZLENME KAYMA 1. Mekanik ikizlenme çok yüksek deformasyon hızlarında 1. 2. Deformasyon İkizleri: Düşük sıcaklıklarda ve yüksek deformasyon hızlarında meydana gelir. Çünkü bu şartlarda kayma zordur. Deformasyon ikizleri daha çok magnezyum ve çinko gibi sıkı paket hekzagonal yapılı metallerde ve tungsten, α-Fe, ve pirinç gibi hacim merkezli yapılarda görülür. veya ani yüklemelerde ve düşük sıcaklıklarda oluşur. Tavlama İkizleri: Daha çok alüminyum, bakır, gümüş ve pirinç gibi yüzey merkezli kübik yapılarda görülür. Bu ikizler, soğuk deformasyondan sonra uygulana tavlama ile oluşur. Düşük sıcaklıklarda ikizlenme içi gerekli olan gerilme kayma için gerekli olandan daha düşük olduğu için şekil değişimi ikizlenme ile olur. bir kısmıdır. Malzeme Bilimi Slaytları 11/40 2.Oluşan deformasyon miktarı toplam deformasyonun küçük 1. Bu şartlarda kayma kolaylıkla oluşmaz. 2. Plastik deformasyon daha çok kayma ile oluşur. 3.Kayma için gerekli olan gerilmeden daha fazladır. 3. Daha az gerilmelerde görülür. 4. Sıcaklığın etkisi daha az 4. Sıcaklığın etkisi daha fazladır. 5.İkiz düzlemi boyunca oryantasyon farkı oluşur (Aynadaki 5. Kaymada kristalin kaymış kısmı,kaymamış kısmıyla aynı görüntüsü oryantasyona sahiptir veya çok az değişir. Basamaklar kristal gibi,)Yani ikiz bölgesi parlatmayla kaybolmaz.Yönlenmeler farklıdır. yüzeyinde görülebilir. Parlatmayla kaybolur. 6.Bir atom boyutundan daha az mesafelerde oluşur. 6. Bir atom boyutunda oluşur. 7.Atomlar veya düzlemleri hepsi deformasyona uğrar. 7. Farklı kayma düzlemlerinde olur. 8. Ancak ikiz görüntüsü oluşturacak şekilde sınırlıdır. 8. Kayma yönü (+) veya (-) olabilir. 9. Geniş bantlar şeklinde görülür. 9. Mikroskopta ince çizgiler halinde görülür. Malzeme Bilimi Slaytları 12/40 2 29.09.2011 Tane sınırı kayması Çok kristalli malzemelerde, yüksek sıcaklık ve düşük deformasyon hızlarında meydana gelir. Taneler birbirlerine göre yer değiştirirler.Bu kayma yön değiştirmesi esnasında tane kenarlarında mikro boşluklar oluşur.Deformasyon sırasında bu boşluklar büyür ve erken kırılmaya neden olur.Çekme eksensiyle 45° açı yapan tanelerde en fazla kayma olur. σ Yayınma sürünmesi Çok yüksek sıcaklıklarda ve çok düşük deformasyon hızlarında meydana gelir. Bu mekanizmanın etkin olabilmesi için deformasyon sıcaklığının malzemenin ergime sıcaklığının %90’ının üzerinde olması gerekir. Bu durumda çok kristalli malzemeler dislokasyon hareketi için gereli kritik gerilmeden daha düşük gerilmeler altında yayınma sürünmesi ile şekil değiştirebilirler. Bu mekanizmada malzeme içerisindeki atomlar gerilme ekseni doğrultusunda boşluklar ise gerilme eksenine dik doğrultuda yayınırlar. Bu yayınma sonucu malzemelerin taneleri uzayabilir. Bu durumda taneler en fazla tane boyutu kadar yol alabilirler. σ Atom boşluklarının yayınması σ Atom yayınması Atom boşluklarının yayınması Tane sınırları kayması sonucu mikro boşluklar σ σ σ 13/40 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları 14/40 Tane boyutunun mukavemete etkisi Tane boyutunun mukavemete etkisi genel olarak Hall-Petch bağıntısı ile ilişkili idi. Yani tane boyutu azaldıkça mukavemet artmakta idi. Fakat bu şart her zaman geçerli değildir. Gerilme Tb<0.5 Tb>0.5, Şekil değiştirme hızı yüksek Tb>0.5, Şekil değiştirme hızı düşük Tane boyutu Malzeme Bilimi Slaytları 15/40 3 Kırılma Kırılma, gerilme etkisi altında bir cismin iki veya daha fazla parçaya ayrılması olayına denir. Gevrek ve sünek kırılma olmak üzere iki gruba ayrılır. Griffith teorisine göre; Gevrek malzemelerin kırılması çok sayıda malzeme içerisinde bulunan mikroçatlaklardan kaynaklanır. Çatlak uçlarında yüksek miktarda gerilme yığılması meydana gelir ve bu gerilme söz konusu malzemenin teorik kırılma mukavemetinden daha yüksek değerlere ulaşarak çatlağın ilerlemesine yol açar. Yani, atomlar arası bağı koparmak için gerekli teorik mukavemet ile deneysel olarak bulunan mukavemet değerleri arasındaki fark malzemenin içerisinde bulunan mikroçatlaklardan kaynaklanır. Kırılma Sünek Kırılma Gevrek Kırılma • Çok az veya hiç plastik deformasyon meydana gelmez. • Çok büyük plastik deformasyon meydana gelir. • Tokluk düşüktür. • Tokluk yüksektir. • Kırılma akma gerilmesinden gerilmelerde oluşur. • Kırılma akma gerilmesinde büyük gerilmelerde oluşur, yani boyun verme olur. • Kırılma yüzeyi düzgündür. • Kırılma yüzeyi konik-çanak şeklindedir. • Enerjinin harcanır. kırılmaya • Enerjini büyük bir kısmı çatlak oluşumuna harcanır. • Tane içi veya tane sınırı şeklinde kırılma meydana gelir. • Mikroboşlukların oluşur. büyük bir kısmı küçük birleşmesi ile kırılma 2/6 Malzeme Bilimi Slaytları Kırılma şekilleri Kırılma şekilleri Gevrek Çok sünek Orta sünek Konik-çanak Gevrek Lifli Kesme Eş eksenli oyuklar (dimples) Kesme nedeniyle uzama Malzeme Bilimi Slaytları 3/6 Malzeme Bilimi Slaytları Kırılma şekilleri 4/6 Kırılma şekilleri Konik-çanak kırılma görülmektedir. Sünek kırılmada oluşan plastik deformasyon sonrası boyun verme gerçekleşmiştir. Kırılma yüzeyi mattır. Gevrek kırılmada ise kesitte hiçbir değişiklik olmayıp, kırılma yüzeyi parlaktır. Kırılmış kesitin ortasında sünek kırılmanın oluştuğu lifli bölge bulunmaktadır (son kopma gölgesi). Bu gölgenin etrafında ise radyal bölge görülmektedir. Radyal çizgiler gevrek kırılma belirtisidir. Gevrek kırılmada, kırılma yüzeyleri kırılmış yüzeyin merkezinden yayılan radyal bölge ile karakterize edilir. Bu radyal izler (ridge) çatlak yayılmasına paraleldir ve eş düzlemli olmayan iki çatlak orta malzemenin yırtılmasıyla birleştiği zaman oluşur. Öncelikle quasi-klivaj yayılan çatlak numunenin dış yüzeyine doğru hızla ilerler. Ayrıca gevrek kırılmada daha küçük lifli bölge oluşur. Malzeme Bilimi Slaytları 5/6 Sünek kırılma Gevrek kırılma • Tek parça • Çok parça • Büyük deformasyon • Az deformasyon • ……………….. • ……………….. Malzeme Bilimi Slaytları 6/6 1 Difüzyon Katı içerisindeki atomların hareketi yüksek konsantrasyon bölgelerinden düşük konsantrasyon bölgelerine doğrudur. Kayma olayından farklıdır. Kaymada hareketli atom düzlemlerindeki bütün atomlar eşit miktarda hareket eder. Difüzyon ise bireysel olarak tek bir doğrultu takip etmeksizin zikzaklar çizerek hareket olayıdır. Yalnız atomların böyle bir hareket yapabilmesi için yani yerinden uzaklaşabilmesi için enerjiye ihtiyaçları vardır ki buna aktivasyon enerjisi denir. Difüzyon mekanizması büyük ölçüde noktasal kusurların varlığı ile oluşur. DİFÜZYON Su ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Boya eklenmesi Kısmen karışma Homojenleşme Süre Sıcaklık yükseldikçe atomların ısıl titreşimleri artar ve bir kısmı içinde bulunduğu yapıdan bir diğer konuma atlayarak yer değiştirir. Atomsal yayınım veya difüzyon denen bu olayda önce atomun çevresi ile bağları kopar, sonra atomlar arası boşluklardan geçer ve yeni konumda tekrar çevresi ile bağ kurar. 1 Malzeme Bilimi Slaytları Difüzyon 2/13 Difüzyon %100 Cu ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Isıtma Öz difüzyon Önce Sonra Malzeme Bilimi Slaytları 3/13 Malzeme Bilimi Slaytları Difüzyon Difüzyon • Gazlarda difüzyon Gazlar birbirleriyle her oranda karışır ve homojen karışımlar meydana getirirler. Gazlardaki bu karışma özelliği moleküller arası büyük boşluklardan dolayı yayılmalarından ileri gelir. Gazların bu yayılma özelliğine difüzyon olarak tanımlanır. Kütlece küçük moleküller büyüklerden daha hızlı hareket ederler. Bu ½mv2 formülü ile açıklanabilir. Örneğin bir hidrojen molekülü bir oksijen molekülünden daha hızlı (4 kat) bir difüzyon göstermektedir. (Graham’ın difüzyon kanunu) • Sıvılarda difüzyon Sıvılarda difüzyon gazlardan çok daha yavaştır. Çünkü sıvılarda moleküller çok daha yakındır. Dolayısıyla moleküllerin boşluklardan istifade ederek yayılma ihtimalleri daha zayıftır. Sıcaklık arttıkça moleküller arası mesafeler arttığı için difüzyon artar. • Katılarda difüzyon Katılarda katıları oluşturan parçacıklar bulundukları yerde titreşebilirler. Hatta bazı durumlarda katılarda difüzyon olayına dahi rastlanabilir. Altın bir levha kurşun bir levha üzerinde uzun bir müddet tutulduğu takdirde, iki metalin yüzeyleri arasında difüzyon gerçekleşir. Deneyler sonucunda altın atomlarının kurşun levhaya geçtiği gözlenmiştir. Ya da radyoaktif kurşun levha ile radyoaktif olmayan kurşun bir levha üst üste bir kıskaçla sıkıştırıldığında belli bir süre sonra radyoaktif atomların radyoaktif olmayan levhaya geçtiği görülmüştür. Niçin difüzyon üzerinde çalışılır? • • • Termodinamik olaylar ve mekanizmaları ve hızlarını tespit etmek için Hataların oluşumu ve yayılmasının tespiti için Atomların hareketi ya da göçünün belirlenmesi Nerelerde karşımıza çıkıyor? • • • • • • • • Yüzey iyileştirme işlemlerinde Çevresel bozunmada (korozyon ve oksidasyon) Katılaşmada (sıvı halden katıya) Faz dönüşümlerinde (Katı-katı) Sürünmede (creep) Yarıiletken özellikleri olarak Kaplama ve taban malzeme arasında Radyoaktif süreçlerde Malzeme Bilimi Slaytları 5/13 4/13 Malzeme Bilimi Slaytları 6/13 1 Difüzyon Difüzyon mekanizmaları Boş Nokta Mekanizması: Atomların komşu olan boş kafes noktalarını doldurması yani kafes boşluğu difüzyonudur. Çözünen element atomlarının boş noktalara sıçraması neticesinde boş olan yeri doldurması ve bu olayın zincirleme olarak devam etmesi söz konusudur. Fakat bu boşluklar atomsal doldurma hareketi sonucunda tane sınırlarında yok olurlar. Atom göçü, boşluk akma yönüne zıttır. Bir atomun bulunduğu konumundan başka bir konuma geçebilmesi için komşu atom arasındaki bağın koparılması ya da komşu bir atoma bağlanabilmesi için ihtiyaç duyduğu eneji, Aktivasyon Enerjisi (Q=Em)’dir. Atomun hareketi Boşluk Boşluk Arayer mekanizması: Küçük çaplı atomların ara bölgelere sıçraması ile difüzyon gerçekleşir. Sıcaklığa bağlıdır. Bu mekanizmada, hem ara bölgelerin her zaman boşluk sayısından daha fazla olması, hem de çapça çok küçük arayer atomlarının aktivasyon için az enerji gerektirirler. Difüzyondan önceki pozisyonu Difüzyondan sonraki pozisyonu Aynı cins atomların konumlarını değiştirmesiyle ortaya çıkan yayınmaya kendi kendine ya da öz difüzyon (self diffusion) denir (saf malzeme içerisindeki atomların hareketi söz konusudur). Yaklaşık eşit çaptaki yabancı atomların difüzyonuna da yabancı atom difüzyonu denir. 7/13 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Difüzyon eşitlikleri I. Fick Kanunu Difüzyonun zamana bağlı olmadığını, itici kuvvetin konsantrasyon dağılımı olduğunu söyler. Konsantrasyon dağılımı olmadığında difüzyon olmaz, yani dc/dx = 0’dır. Konsantrasyon dağılımı sabittir. II. Fick Kanunu Metallerde difüzyon olaylarının çözümünde 1. Fick kanunu yetersiz kalmıştır. Bu nedenle 2. Fick kanunu ortaya çıkmıştır. Çünkü gerçek hallerde konsantrasyon dağılımı zamanın bir fonksiyonudur. Akış ve dağılım zamanla değişkenlik arzeder. 9/13 Malzeme Bilimi Slaytları 8/13 Difüzyon Difüzyonu Etkileyen Faktörler • • • • Difüzyon mekanizması, D0 ve aktivasyon enerjisi (ikisi de her çözen ve çözünen için farklılık arzeder) Sıcaklık, Mikroyapı (çok kristallerde tane sınırının fazla olması nedeniyle tek kristallere göre difüzyon daha hızlıdır). Difüzyon Şu Hallerde Daha Hızlıdır? • • • • • • • Açık kristal yapılarda (atom yoğunluğu düşük kristallerde)[sıkı paket yapılarda yavaş], Düşük ergime noktasına sahip malzemelerde, Van der Waals bağlı malzemelerde, Yayınan atomun çapı küçükse, Katyonlarda, Düşük yoğunluklu malzemelerde. Hatalı malzemelerde. Malzeme Bilimi Slaytları Difüzyon 10/13 Difüzyon ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Difüzyon bağı Sinterleme Malzeme Bilimi Slaytları 11/13 Malzeme Bilimi Slaytları 12/13 2 Difüzyon ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Tane büyümesi Malzeme Bilimi Slaytları 13/13 3 Malzeme Muayenesi Malzeme yapı ve özelliklerini incelemek amacıyla malzeme muayeneleri tahribatlı ve tahribatsız (TMM) olmaz üzere ikiye ayrılır. Malzeme Muayenesi Tahribatsız Muayene Malzeme Muayenesi Tahribatlı Muayene Ultrasonik Muayene Çekme Testi Penetrent Yorulma Manyetik Patiküller Sertlik Radyografi Çentik Darbe Eddy akımları Burulma Eriksen Çökertme Metalografi 2/51 Malzeme Bilimi Slaytları TMM niçin kullanılırız? TMM ne zaman kullanılırız? Hata belirleme ve değerlendirme Sızıntı tespiti Ürün Hata yeri belirleme Boyut ölçümleri Malzeme Yapı ve mikroyapı karakterizasyonu Mekanik ve fiziksel özellik belirleme Gerilme belirleme Malzeme türü ve kimyasal kompozisyon belirleme geliştirmeye yardımcı olmak türünü belirlemek Üretimi gözlemek, geliştirme yada kontrol etmek için Isıl işlem gibi uygulanan işlemlerin sonucu gözlemlemek Hata tespitinde Çalışma esnasında hasarları tespit etmek http://www.ndt-ed.org/Careers/NDTvideo/NDTMovie.htm 3/51 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Ultrasonik Muayene 4/51 Ultrasonik Muayene Özel muayene başlıkları vasıtasıyla, ultrases dalgaları üreterek malzemelerin iç kısımlarında görünmeyen hataları tespit etme işlemidir. Ayrıca kalınlık tespiti, elastisite modülü ve tane yapısını belirlemek içinde Ultrason kullanılabilir. Ultrason veya ultrases, ses ötesi anlamına gelir. Titreşim frekansı 20 kHz’den büyük olan seslere denir. Bu sesler insan kulağı tarafından duyulamaz. Ultrases titreşim frekansı ile doğar, titreşim hareketi olarak yayılır ve algılanır. Quartz kritali gibi özel malzemelere elektriki gerilim uygulandığında boylarında uzama ve kısalma görülür. Böylelikle ultrases üretilerek malzeme içerisine gönderilir. Ultrasonik dalgalar malzeme içerisinde doğrusal olarak yayılırlar, ancak malzeme içinde farklı özelliklere sahip bölgeler var ise (boşluk, çatlak gibi) bu bölgelerin sınır yüzeylerinden yansıma ilerleyen dalga şiddetinde azalma meydana gelir. Bu bilgiler alınarak osiloskop ekranında değerlendirilir. Başlangıç sinyali prob Çatlak ekosu Yüzey bitiş ekosu çatlak 0 2 4 6 8 10 levha Osiloskop Malzeme Bilimi Slaytları 5/51 Malzeme Bilimi Slaytları 6/51 1 Manyetik Partiküller Penentrent ile Muayene Yüzeyde oluşan çatlaklara penentrent sıvının uygulanması ve sıvı yüzeyden uzaklaştırıldığında hata içerisinde kalan sıvının dışarı çıkarılması sonucunda çatlakların tespit edildiği yöntemdir. Penentrentle muayene daha çok sızıntı ve çatlak tespitinde kullanılır. Bu işlem basit, ucuz ve her türlü malzemeye uygulanabilirliği ile kullanışlı bir yöntemdir. Penentrent tatbiki Herhangi bir mıknatısın bir noktasına çentik açılırsa manyetik kuvvet çizgileri bu çentiğin etrafını dolaşarak yoluna devam edecektir. Çünkü elektrik kendine en az direnç gösteren yolu tercih eder. Eğer çentiğin açıldığı bölgeye demir tozu dökülecek olursa, çentiğin olduğu bölgede mıknatıslanma söz konusudur. Burada demir tozları elektrik akımının geçmesine bir köprü vazifesi görmektedir. Deney sonucu malzeme üzerinde demir tozu kalan kısımlar hatalı bölgelerdir. Developer tatbiki İnceleme 7/51 Malzeme Bilimi Slaytları 8/51 Malzeme Bilimi Slaytları Radyografi Radyografi Radyografi testinde kullanılan radyasyon düĢük dalga boylu-yüksek enerjili elektromanyetik dalgadır. Radyasyon X-ray tüpü vasıtasıyla sağlanır. Film Radyografi Parça radyasyon kaynağı ve film parçası arasına yerleĢtirilir. Daha kalın ve daha yoğun olanlar daha fazla radyasyon engelleyecektir. Yüksek elektrik potansiyeli Elektronlar + X-Ray tüpü Filmin karanlık görüntüsü test parçasından geçerek filme ulaĢan radyasyon miktarı ile değiĢir. X-ray film Radiation Penetrate the Sample = az yansıma = çok yansıma Exposure Recording Device Ortaya çıkan filmin üsten görünüĢü 9/51 Malzeme Bilimi Slaytları 10/51 Malzeme Bilimi Slaytları Radyografi Eddy Akımları ile Muayene Eddy akım testi bir test bobini tarafından oluşturulan değişken manyetik alanın iletken malzemeler üzerinde Eddy akamı denen küçük dairesel akımlar oluşturması temel ilkesine dayanır. Malzemenin özellikleri oluşan bu akımı etkiler. Eddy akımları bir manyetik alan oluşturur ve test bobini tarafından oluşturulan manyetik alanı etkiler. Amaç malzemenin iletkenliğinde etkin işlemleri belirlemek. Bobinin manyetik Bobin alanı Eddy akımlarını oluşturduğu manyetik alan Eddy akımları İletken metal Malzeme Bilimi Slaytları 11/51 Malzeme Bilimi Slaytları 12/51 2 TMM için örnekler TMM için örnekler 13/51 Malzeme Bilimi Slaytları 14/51 Malzeme Bilimi Slaytları TMM için örnekler Tahribatlı Muayeneleri Niçin Kullanırız? Mekanik özellikleri belirlemek İç yapı tespiti Gevreklikten sünekliğe geçiş sıcaklığı Süneklik, tokluk gibi özellikler Sertlik Sıcaklıkla mukavemette değişim Dinamik şartlarda dayanım Şekil verilebilirlik………… 15/51 Malzeme Bilimi Slaytları 16/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme Testi Elastik Deformasyon 1. Başlangıç 2. Küçük yük 3. Yüksüz Çekme Testi Plastik Deformasyon (Metal) 1. Başlangıç 2. Küçük yükler İlk hale dönüş F F Elastik……. Geri dönebilir Malzeme Bilimi Slaytları 3. Yüksüz bağlar gerilir & düzlemler kesilir bağlar gerilir elastik + plastik düzlemler halen kesilmiş plastik F Lineer elastik Non-Lineerelastik 17/51 F Plastik………kalıcı! lineer elastik lineer elastik plastik Malzeme Bilimi Slaytları 18/51 3 Çekme Testi • Çekme gerilmesi, : • Kayma gerilmesi, : Ft Ft • Basit çekme: kablo F Alan, A Alan, A F Fs F = s Ao F lb N = t = 2f or 2 m A o in F Ao Yüklemeden önceki alan • Burulma : Mil Ft F F A o = kesit alanı (yüksüz) Fs Ft Çekme Testi Gerilme Halleri Mühendislik Gerilmesi M Ac Gerilme birimi: N/m2 M Ao 2R 19/51 Malzeme Bilimi Slaytları Fs Fs Ao = M/AcR Çekme Testi Çekme Testi • Hidrostatik basma: • Bi-eksenel çekme: • Basit basma: 20/51 Malzeme Bilimi Slaytları Ao F Ao Not: <0 >0 z 21/51 Malzeme Bilimi Slaytları h< >0 0 22/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme Testi Çekme Testi Mühendislik Şekil Değiştirme • Çekme uzaması: • Yanal Ģekli değiĢtirme: • Çekme numunesi • Çekme test makinesi /2 Lo wo • Kayma modülü: x Yük hücresi L wo extensometre L /2 = x/y = tan 90º - y L Lo numune Hareketli karşı çene ölçü uzunluğu ġekil değiĢtirme daima boyutsu 90º Malzeme Bilimi Slaytları 23/51 Malzeme Bilimi Slaytları 24/51 4 Çekme Testi Lineer elastik özellikler L • Poisson oranı, : • Elastisite modulü, E: • Hooke kanunu: L =E F - metaller: ~ 0.33 seramikler: ~ 0.25 polimerler: ~ 0.40 E Lineerelastik F Birimler: E: [GPa] : boyutsuz basit çekme testi 25/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme Testi Plastik (kalıcı) deformasyon (düşük sıcaklıklarda, T < Terg/3) M • Elastik kayma modülü, G: G Basit burulma testi =G • Elasti hacim modülü, K: M P V Vo 26/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme Testi Diğer elastik özellikler P = -K Çekme Testi Poisson oranı, K • Basit çekme testi: Elastik+Plastik engineering stress, P V P Vo Elastik başlar P kalıcı (plastik) (Yük kaldırıldıktan sonra) Basınç testi Mühendislik şekil değiş., p plastik uzama 27/51 Malzeme Bilimi Slaytları Akma mukavemeti, Çekme Testi y = 0.002 ç y y Çekme Testi F = kırılma gerilmesi y = akma mukavemeti mühendislik gerilmesi p Çekme mukaveti • Mühendislik gerilme-şekil değiştirme diyagramında max. gerilme • Plastik deformasyon oluĢturan gerilme. Çekme gerilmesi, 28/51 Malzeme Bilimi Slaytları Typical response of a metal Boyun vererek kopma strain Mühendislik şekil değiş. • Metaller: Metallerde boyum verme anında. • Polimerler: Polimer zincirleri kırıldığında p = 0.002 Malzeme Bilimi Slaytları 29/51 Malzeme Bilimi Slaytları 30/51 5 Çekme Testi Çekme Testi Önemli Terimler Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme dayanımın düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilmedir. Akmanın başladığı gerilme değerine üst akma, devam ettiği ortalama gerilmeye de alt akma denir. Gevrek ve Al gibi malzemeler belirgin akma özelliği göstermezler. Bu tür malzemelerin akma gerilmesini bulmak için %0.2 lik şekil değiştirmenin olduğu bölgeden elastik kısmın eğrisine paralel çizilir ve eğrinin kesildiği noktaya akma gerilmesi dener (Şekil 2.a). Çekme gerilmesi (σç): Eğrideki maksimum gerilmedir. σç = Fç/Ao formülü ile hesaplanır. Ao ilk kesit alanına göre malzemenin alanıdır. Bu gerilme değerini aşınca malzeme homojenliğini kaybeder, yani boyun verir (Şekil 3). Kopma gerilmesi (σK): Malzemenin kopma anındaki gerilme değeridir. σK = Fç/Ao formülü ile hesaplanır. Uzama: Uygulana gerilmeye göre malzemenin boyunda meydana gelen değişimdir. Yani Δl = lson-lilk dir. Şekil değiştirme ise ε = Δl/lilk Büzülme: Çekme numunesini kesitinde meydana gelen daralmadır. %Büzülme=(Ailk-Ason)/Ailk Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerjidir. Eğrinin elastik kısmının altında kalan bölgedir. Rezilyans=σa2/(2E) dir. Tokluk: Malzemenin kırılıncaya kadar depoladığı enerjidir. Orantı sınırı (σo): Gerilme uzama diyagramında Hooke kanunun geçerli olduğu kısımdır. Yani, σ = E.ε ifadesinin geçerli olduğu bölgedir. Elastik sınır (σe): Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik uzamanın meydana geldiği en yüksek gerilmeye denir. Genellikle aralarında çok az fark olduğu için elastik sınır ile orantı sınır birbirine eşit kabul edilir. 31/51 Malzeme Bilimi Slaytları 32/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çekme Testi Çekme Testi Pekleşme (sertleşme) Çekme diyagramı çizilirken şekil değiştirme hızı sabit tutulduğu için malzemede homojenlik kaybolduktan sonra gerilme değeri azalmaktadır. Oysa bu olay gerçekte böyle gelişmez. Bu nedenle mühendislik ve gerçek olmak üzere iki farklı eğri vardır. Dolayısıyla gerçek gerilme ve şekil değiştirme değerlerinin hesaplanması gerekir. Gerçek değerler hesaplanırken hacim eşitliğinden faydalanılır. l dl l lo Gerçek g l lo lo l ln lo l lo • Plastik deformasyon nedeniyle de artış Büyük sertleşme y 1 1 y Küçük sertleşme y 0 Gerilme ( Mühendislik 1) Ao .l o A.l g ln( g Şekil değiştirme F A l lo g ln( 1) ln l lo 1) F.l l o Ao Malzeme Bilimi Slaytları T K T “gerçek” şekil değiş.: ln(L/Lo) “gerçek” gerilme (F/A) 33/51 Sertleşme üsteli: n = 0.15 (bazı çelikler) - n = 0.5 (bazı bakırlar) n 34/51 Malzeme Bilimi Slaytları Metalografi Metalografi Optik mikroskop Faz , tane , tane sınırı, iç yapı kusurları, çatlaklar, segregasyonlar, kalıntılar gibi malzemenin içi yapısı ile ilgili bilgi edinmek için kullanılan test yöntemidir. Metalografi testinde incelenecek numune aşağıdaki adımlardan geçmek zorundadır: •2000 büyütmeye kadardır Mikroskop •Yüzeydeki çizikler parlatma ile giderilir Parlatılmış ve dağlanmış yüzey •Dağlama ile yönlenmeler ortaya çıkar. •Kalıplama •Taşlama Mikroskop •Parlatma •Dağlama •Mikroskobik inceleme Platin üzerine yerleşmiş karbonmonoksit atomları parlatılmış yüzey Bakır üzerine yerleşmiş demir atomları (a) Yüzey ayrışması Tane sınırı Metalografi testi üzerine dökülen asitle malzemenin korozyona uğraması sonucu gerçekleĢtirilir. 35/51 0.75mm N = 2n-1 Fe-Cr alloy Malzeme Bilimi Slaytları ASTM tane numarası Tane sayısı/in2 100x büyütmede (b) Malzeme Bilimi Slaytları 36/51 6 Sertlik Testi Brinell sertlik ölçme yöntemi: Sertleştirilmiş çelik ve tungsten karbürden imal edilmiş bilye belirli bir yük ile malzeme yüzeyine bastırılır ve malzeme yüzeyinde meydana gelen izin çapı ölçülür. Aşağıdaki bağıntı ile brinell sertlik değeri hesaplanır. Çeliklerde brinell sertlik değerinin 0.35 katı çekme mukavemetini verir. • Malzemenin çizilmeye, plastik deformasyona gösterdiği dirençtir. • Büyük sertlik; --plastik deformasyona yada basınç altında çatlamaya dirençlidir --aşınma özellikleri daha iyidir manasına gelir. örneğin 10 mm küre Kuvvet uygulanır Çoğu plastik Yük kalktıktan sonra İz büyüklüğü ölçülür Küçük boyutlu İz büyüklüğü Setlik yüksek manasına gelir d D Sertlik Testi Vickers sertlik ölçme yöntemi: Piramit biçiminde ve tabanı kare olan batıcı uç kullanılır. Elmastan yapılan piramidin tepe açısı 136° dir. Vickers sertlik değeri, yükün belirli bir süre malzemeye bastırılmasıyla oluşan izin köşegen uzunluklarının ölçülmesinden ibarettir. pirinç Kolay işlenebilen Yüksek C’luKesici nitrürlenmiş Al alaşımları çelikler takımlar çelikler elmas çelik sertlik artar 37/51 Malzeme Bilimi Slaytları 38/51 Malzeme Bilimi Slaytları Sertlik Testi Rockwell sertlik ölçme yöntemi: Standart batıcı uç yardımıyla önce sabit belirli bir küçük yükle (10 kg) bastırıldığında meydana gelen izin dip kısmı başlangıç noktası alınarak yük daha yüksek bir belirli bir değere artırılıp daha sonra tekrar önceki yüke dönülmek suretiyle, başlangıçtaki ize nazaran meydana gelen iz derinliğindeki net artışla ters orantılı bir değerdir. Kullanılan elmas knik ucun koniklik açısı 120° dir. Elde edilen sertlik değerine göre Rockwell A, B, C, D gibi çeşitlere ayrılır. Çentik Darbe Testi •Malzemelerin kullanıma hazır hale getirildiğinde gevrek olup olmadığını •Malzemelerin çentik etkisinden dolayı gevrek kırılıp kırılmadığını •Malzemelerin, özellikle çeliklerin, yaşlanma meyillerinin olup olmadığını •Malzemelerin geçiş sıcaklıklarının ne olduğunu anlamak amacıyla çentik darbe deneyi yapılır. (Charpy) Ölçek BaĢlangıç pozisyonu Gösterge Çekiç Knoop sertlik ölçme yöntemi: Daha çok mikrosertlik ölçümü için yapılır ve genelde kullanılan yük 10-1000 g arasındadır. Kullanılan uç elmastan yapılmış piramit şeklinde olup uzun köşenin uzunluğunun kısa köşeye oranı 7 dir. Piramitin tepe açışı 172° dir. Daha çok ince filmlerin sertliğinin ölçümünde kullanılır. Numune Son yükseklik Örs 39/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çentik Darbe Başlangıç yükseklik 40/51 Malzeme Bilimi Slaytları Çentik Darbe Testi Çentik darbe enerjisi • Gevreklikten sünekliğe geçiĢ sıcaklığı Yorulma Testi Değişken gerilmelere maruz makine elemanlarında hasar statik mukavemet sınırların çok altında gerçekleşir ve hasara yorulma hasarı denir. Mekanik hasarların %90’ının sebebi yorulmadır. YMK metaller (Cu, Ni) numune Üstte bası HMK metaller (Fe - T < 914°C’de) polimerler Gevrek yük yük motor sayıcı kaplin Sünek Altta çeki Yüksek mukavemetli çelikler ( y > E/150) Çatlak başlangıcı Sıcaklık Gevreklikten sünekliğe Geçiş sıcaklığı Malzeme Bilimi Slaytları 41/51 Malzeme Bilimi Slaytları 42/51 7 Yorulma Testi Yorulma; tekrarlı yükleme neticesinde oluşan hasar olduğundan; pek çok yorulma testlerinde minimum ve maksimum gerilme arasında tekrarlı yüklemelerle malzemelerin yorulmaya karşı davranışı belirlenir. Tekrarlı yüklemelerle ilgili büyüklükler aşağıdaki şekilde verilmiştir: Yorulma Testi wöhler diyagramı (yorulma diyagramı) Yorulma eğrisi; sabit bir ortalama gerilme değeri için değişik gerilme genliğinde numunenin kopuncaya kadar yüklenmesi ve bir seri GerilmeÖmür değerlerinin elde edilmesiyle çizilir. YORULMA EĞRĠSĠNĠN ÖZELLĠKLERĠ İki kısımdan oluşur ve eğik olarak inen kısmına ait mukavemet değerlerine zaman mukavemeti denir. Eğrinin yatay kısmındaki değerler ise sürekli mukavemet sınırı olarak adlandırılır. s : Yorulma limit değeri N0 : Sonsuz (sürekli) ömür S-N EĞRĠSĠ 43/51 Malzeme Bilimi Slaytları 44/51 Malzeme Bilimi Slaytları Yorulma Testi Yorulma Testi YORULMA DENEYĠ TÜRLERĠ Malzemede Yorulma Olayına Etki Eden Faktörler: Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Ancak yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlamalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyodlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek teknik yorumlar yapılabilmektedir. •Malzeme Cinsinin, BileĢiminin Ve Yapısının Etkisi, •Yüzey Özelliklerinin Etkisi, •Çentik Etkisi, •Gerilmelerin Etkisi, •Korozyonun Etkisi, •Sıcaklığın Etkisi, •Frekansın (Deney Hızının) Etkisi. Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyine de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri şunlardır : •Eksenel gerilmeli yorulma deneyi, •Eğme gerilmeli yorulma deneyi, •Burma gerilmeli yorulma deneyi, •Bileşik yerilmeli yorulma deneyi. 45/51 Malzeme Bilimi Slaytları 46/51 Malzeme Bilimi Slaytları Yorulma Testi Yorulma Ömrünü artırma 1. Yüzeyde bası gerilmeleri oluşturma S = stress amplitude Increasing near zero or compressive moderate tensile m Larger tensile m m m Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. N = Cycles to failure --Method 1: bilye püskürtme --Method 2: karbürleme bilyet C-ca zengin gaz yüsyde bası gerilmesi 2. Gerilme yoğunlaşmasını azaltmak Basma deneyinin diğer bir avantajı da çok küçük numunelerin bile kullanılabilmesidir. Bu avantaj, bilhassa çok pahalı malzemelerle çalışıldığında veya çok az miktarda malzeme bulunduğu durumlarda çok faydalıdır. kötü iyi kötü iyi Malzeme Bilimi Slaytları Basma Testi Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler. Basma Deneyi 47/51 Grafik 1 Malzeme Bilimi Slaytları Grafik 2 48/51 8 Sürünme Testi Sürünme Testi Malzemenin akma gerilmesinin altında sürekli olarak uygulanan sabit gerilme nedeniyle oluşan yavaş deformasyona sürünme denir. 49/51 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları 50/51 Sürünme Testi . n=1 difüzyonal sürünme n = 3-5 dislokasyonal sürünme n ~20 partiküller nedeniyle eşik gerilmeler Zaman . Zaman Malzeme Bilimi Slaytları 51/51 9 Ergime ve katılaşma Bir malzemenin eritilmesi ve katılaşması sırasında meydana gelen olayları bilerek bizler amacımıza uygun malzemeler elde edebiliriz. Bunun için erime ve katılaşma sırasında malzemenin sahip olduğu kafes yapısındaki değişimleri bilmemiz gerekir. Bunu bilerek istediğimiz noktalarda müdahalelerle arzu ettiğimiz yapıda malzemeler üretebiliriz. Bu amaç içinde “Faz Diyagramları” denilen diyagramlardan yararlanırız. Bu diyagramlar malzemelerin ısıtılması ve soğutulmasıyla elde edilmişlerdir. Faz Diyagramları Faz diyagramları alaşım sistemlerinde bulunan fazların oluşumları ve dönüşümleri hakkında bilgi verir ve fazların denge koşulları altındaki durumunu ve ilişkilerini gösterir. Bu diyagramlar denge diyagramları olarak da adlandırılırlar. Homojen olarak dizilmiş atomlar kararlı denge halinde belirli bir faz meydana getirirler. Ancak koşullar değişirse; enerji içeriği değişir, denge bozulur, atomlar daha düşük enerji gerektiren başka denge konumlarına geçerek değişik biçimde dizilir ve sonuçta yeni bir faz oluşur. Fazların oluşum ve dönüşümünde ana etken enerji içeriğidir; buda sıcaklık, basınç ve bileşime göre değişir. Malzemelerin özellikleri içerdikleri fazların cinsine göre, sayısına, oranına ve biçimine bağlıdır. Malzeme Bilimi Slaytları Ergime 2/41 Ergime Sıcaklık T (°C) Bir metale ısı verildiğinde; Bu ısı kaybolmaz, mekanik olarak metalin bünyesinde saklı kalır. Bu ısı; Atomların daha kuvvetli titreşmelerini sağlar, Böylece; Atomların kinetik enerjisi artar. Erime Başlangıcı Erime Bitişi Bu durumda; Madde daha geniş bir hacme ihtiyaç duyar, Sonuçta; Madde genişler. Erime Durak Noktası Ergime sıcaklığına varıldığında; Titreşim hareketi o kadar artar ki, atomları kafesinde bir arada tutan kuvvetten daha üstün gelerek, onların yalnızca yerçekimi kuvvetine bağlı kalacak şekilde düzensiz bir durum almalarına neden olur. Zaman t (sn) Bu durum ergimenin başlangıcıdır; Tamamlanması için belli bir süre beklenir, bu durumda sıcaklık sabittir. 3/41 Malzeme Bilimi Slaytları 4/41 Malzeme Bilimi Slaytları Eriyik çevresinden ısı alındığında ve alınan bu enerji aslında titreşim hareketi yapan parçacıklara ait olduğundan, Bunların; Kinetik enerjisi azalır. Katılaşma noktasına varıldığında; Hareketlilik o kadar azalır ki; Katılaşma Sıcaklık T (°C) Katılaşma Katılaşma Başlangıcı Katılaşma Bitişi Atomlar arası çekim kuvveti tekrar etki olur ve katılaşma başlar; Bu arada kristaller oluşur, Bu kristallerin büyüyebilmesi için veya katılaşmanın sürmesi için; İki şart gereklidir. Katılaşma Durak Noktası Zaman t (sn) Kristal Çekirdekleri Alt Soğutma Malzeme Bilimi Slaytları 5/41 Malzeme Bilimi Slaytları 6/41 1 Katılaşma/alt soğutma Katılaşma/alt soğutma Eriyik içindeki atomlar büyümekte olan bir kristale bağlandıklarında, titreşim hareketi aniden azalır. Sıcaklık katılaşma sıcaklığı altında iken; Tembelleşen atomlar, çekirdek etrafında toplanır ve kristal kafesini oluştururlar. Toplam atom sayısı devamlı artar, kristal büyür. Büyüme bir kristal tanesi, komşu bir kristale deyinceye kadar devam eder. Eriyikte çekirdek sayısı çoksa; İnce taneli, azsa iri taneli yapı oluşur. İstenilen yapıyı elde etmek için; Metaller eriyik halinde iken aşılanırlar. Çünkü atomlar; Kafes yapısı içerisinde sınırlı ve küçük hareket yapabilirler; Bu durumda kinetik enerji düşer fakat kaybolmaz. İşte; Parçacık hareketinden geriye kalan bu mekanik enerjiye kristalizasyon enerjisi denir. Bu enerji; Eriyik içerisinde ilk kristaller oluşmaya başlamasından itibaren az miktarda sıcaklık yükselmesine neden olur. Sıcaklık yükselince; Katılaşma noktasının üzerine çıkılır ki, kristaller bu sıcaklıkta oluşmaya devam edemez ve kristallerin büyümesi de durmak zorunda kalır. Örneğin : Al ile deokside edilen çelikte ince taneli katılaşmaya küçük alüminyum oksit, alüminyum nitrat parçaları sebep olur. Burada; Kristalin büyümesini durduran bu ısının sürekli sistemden uzaklaştırılması gerekir. İşte; Bu ısının ortamdan uzaklaştırılarak ısının katılaşma noktası altında tutulması olayına alt soğutma denir. Malzeme Bilimi Slaytları 7/41 8/41 Malzeme Bilimi Slaytları Katılaşma/tane oluşumu Katılaşma/tane oluşumu Katılaşma sırasında kübik kafes birbirine dik olan üç ayrı yönde gelişir (büyür). Şayet kristal kafes tercihen bir yönde gelişiyorsa diğer yönlerde dallar teşekkül edebilir ki bu şekle “DENDRİT” adı verilir. Dikkat edilirse burada dendritler oluşmuyor veya her yönde gelişmiyor Malzeme Bilimi Slaytları 9/41 10/41 Malzeme Bilimi Slaytları Tane büyümesi Termik analiz Termik analiz’de; Her tip kristalizasyonla ilgili ısı transferi incelenir. Birçok metal ve alaşımlar katılaşmadan sonra kristal yapılarını değiştirirler. İşte bu olaylar sırasında; Bir değişim ısısı ortaya çıkar. Termik analiz bu değişimlerin vuku bulduğu sıcaklıkları inceler ve tespit eder. Termik analiz’de; metal tamamen eriyene kadar çok yavaş ısıtılır. Bu sırada belli aralıklarla sıcaklık ölçülür. Ardından; Çok yavaş bir soğutma başlar. Yine belli aralıklarla sıcaklıklar ölçülür. İRİ TANELİ YAPI Elde edilen veriler; T-t (Sıcaklık-Zaman) diyagramına yazılır. Gerek ısıtma, gerekse soğutmada metalin eğrisinin yatay kısmına durak noktası denir. Çok yavaş ısıtma ve soğutmada hemen hemen bu iki nokta birbirine eşittir. Aradaki farka “HİSTERİSİZ” denir. İNCE TANELİ YAPI Bu iki eğri arasındaki fark durumu atomların tembel bir tabiat göstermeleri ile izah edilebilir. Çünkü atomlar daima bulundukları durumu muhafaza etmeye çalışırlar. Malzeme Bilimi Slaytları 11/41 Malzeme Bilimi Slaytları 12/41 2 Sıcaklık T (°C) Termik analiz Faz diyagramları Malzemelerde atomsal mertebenin üzerinde homojen sınırlarla ayrılmış ve özellikleri farklı olan bölgelere faz denir. Saf metaller doğal olarak tek fazlıdır. Çünkü özellikleri farklı olmadığı için taneler ayrı bir faz sayılmaz. Alaşımlar ise genelde çok fazlıdır. KATILAŞMA ERİME Erime Başlangıcı Katılaşma Bitişi Erime Bitişi FAZ DİYAGRAMLARI veya DENGE DİYAGRAMLARI HİSTERİSİZ Katılaşma Başlangıcı Erime Durak Noktası Katılaşma Durak Noktası Zamanla hiçbir değişimin olmadığı durumu ifade eder. Bu durumda aşırı derecede yavaş soğutma ve ısıtılma ile elde edilir. Böylece şayet bir dönüşüm oluşacaksa yeterli süre beklenmiş olur. Zaman t (sn) 13/41 Malzeme Bilimi Slaytları Sıcaklık T (°C) Sıcaklık T (°C) Faz diyagramları Sıvı Sıvı + Katı 14/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz diyagramları GERİ DÖN Denge halindeki bir sitemin durumunu belirlemek Sıvı için birbirinden bağımsız üç değişken kullanılır. Sıvı + Katı Katı Zaman t (sn) SAF METAL Bu şartlar altında malzemenin iç yapısı değişir. Bu değişim bilinerek istenilen amaca uygun malzeme elde edilebilir, mekanik özellikler değiştirilebilir. Sıcaklık Basınç Bileşim Katı Zaman t (sn) ALAŞIM 15/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz diyagramları FAZ DİYAGRAMLARI 16/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz diyagramları FAZ DİYAGRAMLARINDAN NERELERDE YARARLANILIR? Malzeme üretiminde, İç yapıları ve kararlılık bölgelerini saptamada, Isıl işlemlerde yararlanılabilir. Sabit atmosfer basıncında alaşım yapılarının veya fazlarının sıcaklık veya kimyasal bileşim oranına göre nasıl değiştiğini gösteren diyagramlardır. Faz diyagramlarından özellikle alaşımların elde edilmesinde (üretilmesinde) yararlanılır. Esasında alaşım sisteminin grafiksel gösterimidir. Bilimsel olarak alaşımlar; En az biri metal olmak üzere çeşitli elementlerden oluşan metalsel karakterli malzemelerdir. Teknik tanımlamaya göre ise; Alaşımlara belli özellikler kazandırmak için katılmış elementlerden en az Bir malzeme sisteminde fazların bileşime ve sıcaklığa bağlı olarak değişimini iki tanesi metal olmalıdır. Katılmış elementlere; Alaşım Elemanları denir. gösteren diyagramlara denge diyagramları veya faz diyagramları denir. Burada önemli olan soğuma süresinden çok, bileşime bağlı olarak faz dönüşümlerinin oluştuğu sıcaklıklardır. Malzeme Bilimi Slaytları 17/41 Malzeme Bilimi Slaytları 18/41 3 Faz diyagramları Faz kuralı Gibbs tarafından geliştirilen faz kuralı; belirli sistemdeki fazların denge halinde bulunması için gerekli koşulları saptar. Fazların dengesini etkileyen üç etken; bileşim, sıcaklık ve basınç idi. Laboratuardaki deneylerde basınç sürekli sabit tutulduğundan ihmal edilir. Faz diyagramlarının belirlenmesinde uygulanan bazı yöntemler a. Isıl analiz yöntemi: Soğuma sırasında malzeme sıcaklığının zamana göre değişimini gösteren soğuma eğrisi elde edilir. Soğuma esnasında herhangi bir faz dönüşümü meydana gelirse ısı açığa çıkar ve bu durumda soğuma eğrisi kırılma veya sapma göstererek eğimi değişir. b. Metalografi yöntemi: Alaşım örnekleri farklı sıcaklıklara kadar ısıtılıp, dengenin oluşması için beklenir ve sonradan hızlı soğutularak yüksek sıcaklıklardaki yapılar elde edilir. c. X-Ray yöntemi: Alaşımlarda bulunan yapıların kafes yapıları ve kafes parametreleri belirlenerek faz dönüşümleri incelenir. Basit olmasına karşın oldukça hassas bir yöntemdir. d. Mikroanaliz yöntemi: Değişik ısıl işlemlerden sonra alaşımlarda oluşan fazlar elektron mikroskobu ve elektron mikroanalizörü yardımıyla incelenerek bu alaşımların faz diyagramları belirlenir. Serbestlik Derecesi F+S=B+2 Bileşen Sayısı Faz Sayısı Sabit Basınçta F+S=B+1 S = 0 Katılaşma Sahanlığı (Katılaşma esnasında sıcaklık sabit kalır.) S ≠ 0 Katılaşma Aralığı (Katılaşma esnasında sıcaklık düşer.) 19/41 Malzeme Bilimi Slaytları 20/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz kuralı Faz diyagramından sağlanan bilgiler 1.Fazların Türü : P-q arası II II I p p O noktası Sıvı I Sıvı + q y Katı β 3 B0 B A +β 1 Katı+Sıvı2 O Tö q Sıvı T 1.Sıvı 2.Sıvı+Katı 3.Katı 2.Fazların Bileşimi (Bağ Çizgisi Kuralı) : F=2 ( + ) B=2 (A+B) F=3 ( + +Sıvı) F+S=B+1 %A 2+S=2+1 %B 1 Sıvı Katı+Sıvı T B=2 (A+B) F+S=B+1 S=1 3+S=2+1 Katılaşma Aralığı S=0 3 Katılaşma Sahanlığı katı ) olduğundan bunlardaki mevcut A atomları yüzdesi %A0=%100-%B0 „dan Katı kolaylıkla bulunabilir. B0 A Malzeme Bilimi Slaytları 1 (veya 3) noktasında %B0 sıvı (veya 2 B 21/41 22/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz diyagramından sağlanan bilgiler Faz diyagramından sağlanan bilgiler 3.Fazların Miktarı (Levye Kuralı): Ara bölgede; 1 T a T1 Bağ çizgisi Sıvı b 2 3 Katı A B1 B0 B2 B T1 sıcaklığında katı faz en çok %A2 kadar A yani 100-B2 veya en az %B2 kadar B atomu içerebilir. ↓O halde (a-b) bileşim aralığında katı fazın bileşimi daima %B2 olur. ↓ (a-b ) bağ çizgisi üzerinde bu çizginin liküdüs eğrisini kestiği noktanın bileşim ekseni üzerindeki değeri sıvı fazın bileşimini,solidüz eğrisini kestiği noktanınki da katı fazın bileşimini verir.Bu şekilde uygulanan bu yönteme bağ çizgisi kuralı denir. Birbirini sınırsız oranda eriten bir ikili sistemin denge diyagramı Malzeme Bilimi Slaytları 23/41 1 T a Sıvı İki fazlı bölgede→% B0 bileşiminde P0 gram alaşımı 2 noktasında ; b 2 Sıvı fazın ağırlığı Ps katı fazın ağırlığı Pk olsun. P0=Ps+Pk olur. Bağ çizgisi kuralıyla;%B1 sıvı faz %B2 katı faz vardır. ↓ P0 gram alaşımda B atomları toplam ağırlığı; 3 Katı A B1 B0 B2 % B0 .P0 ...........(1) 100 B Tek fazlı bölgede mevcut fazın miktarı alaşım miktarına eşittir. Ps gram sıvıda B atomları ağırlığı; % B1 .Ps 100 Pk gram katıda B atomları ağırlığı; % B2 .Pk 100 Malzeme Bilimi Slaytları 24/41 4 Faz diyagramından sağlanan bilgiler % B0 .P0 100 % B1 .Ps 100 Sıvı fazın miktarı; Ps Katı fazın miktarı; Pk a % B2 .Pk ................(2) 100 k 2 Faz diyagramları yardımı ile belirli sıcaklıktaki alaşım hakkında aşağıdaki bilgiler elde edilebilir. (1) ve (2)‟den; B2 B0 .P0 ..............(3) B2 B1 P0 PS P0=100 gr. Alınırsa Ps ve Pk doğrudan sıvı fazın ve katı fazın miktarlarını yüzde olarak verirler. (eğer sistem tek fazlı ise bunun bileşimi alaşımınki ile aynıdır), Belirli bir fazın bağıl miktarının bağ çizgisinin l (2) alaşım noktasının karşı tarafındaki kolunun Ps P0 Pk 10 40 50 50 40 .100 50 10 Ps 25 Hangi fazlardan oluştuğu, Birden fazla faz var ise bunların bileşimleri, İşte bu denkleme levye kuralı denir. b Faz diyagramından sağlanan bilgiler İki fazlı olanlarda fazların yüzde miktarları, toplam boya oranına eşit olduğu sonucuna (tek fazlı olanlar için bu % 100 ‘dür), varılır.Buna levye kuralı denir. Serbestlik derecesi. k .100 l Ps %25..sııv..%75...katı 25/41 Malzeme Bilimi Slaytları Faz diyagramından sağlanan bilgiler Örnek: Şekildeki faz diyagramına göre soğuyan L alaşımının T sıcaklığındaki durumunu inceleyiniz. Denge halleri İki bileşenli alaşımlar için denge halleri; 1. L alaşımı a T x + Faz Sayısı 2. X noktasının bileşimi Bileşenleri sıvı durumda birbiri içerisinde her oranda veya tamamen çözünen alaşımlar a. Bileşenleri katı durumda her oranda çözünen alaşımlar F=2 ( + ) b. Bileşenleri katı durumda çözünemeyen alaşımlar: ötektik dönüşüm % 20 B olduğuna göre % 80 ‘i A ‘dır. b k 1. c. Bileşenleri katı durumda kısmen çözünen alaşımlar z noktasının bileşimi z d. Ara faz içeren alaşımlar % 70 B olduğuna göre % 30 ‘u A ‘dır. e. Peritektik dönüşüm içeren alaşımlar 3. Fazların bileşimi kaldıraç (levye) bağıntısı ile belirlenir. 12 A 40 20 70 k noktasına göre kolların dengesi yazılırsa. 77 B b=70-40=30 a+b=50 .a= .b yazılır. Ayrıca + =%100 olmak zorundadır. b .( ) bu değer ikinci denklemde yerine konursa a a .%100......ve....... a b a=40-20=20 Yerine konursa =%60 ve 26/41 Malzeme Bilimi Slaytları b .%100 a b 2. Bileşenleri sıvı durumda birbiri içerisinde kısmen çözünen alaşımlar: monotektik 3. Bileşenleri sıvı ve katı durumda birbiri içerisinde hiç çözünemeyen alaşımlar 4. Katı hal dönüşümleri a. Allotropik dönüşüm bulunur. b. Düzenli-düzensiz dönüşüm =%40 bulunur. c. Ötektoid dönüşüm d. Peritektoid dönüşüm 27/41 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Denge halleri 1. Sıvı ve katı durumda birbiri içerisinde her oranda veya tamamen çözünen alaşımlar %100 A %80 A %0 B %20 B Denge halleri 2. Sıvı durumda birbiri içerisinde her oranda çözünen, katı durumda ise birbiri içerisinde hiç çözünemeyen alaşımlar Teknik manada birbiri içerisinde çözünemeyen iki metal yoktur. Likidüs %50 A %50 B %20 A Sıvı çözelti Sıvı + Katı Çözeltisi %0 A T1 %100 B A nın ergime noktası Sıvı Çözelti T %80 B TA Likidüs Katı Çözelti (α-katı çözelti) 0 100 A 25 75 50 50 75 25 100 0 A 29/41 Ötektik nokta Katı A+Katı B B %B Malzeme Bilimi Slaytları Solidüs %B Ancak bazı durumlarda çözünürlük çok kısıtlı olduğundan pratik amaçlı olarak bazı metallerin birbiri içerisinde çözünemedikleri kabul edilir. Saf A ve B metallerinin katılaşma sıcaklıkları saf metal gibi davranış gösterir. A metaline B metali katıldığında katılama daha düşük sıcaklıklarda başlar (Raoult prensibi). Sıvı+KatıB TÖ B A B nin ergime noktası Sıvı+KatıA Solidüs TB 28/41 B Her iki metal katılaşma sıcaklığını düşürdüğünden katılaşma başlama noktalarının birleşmesi ile elde edilen liküdüs eğrisini bir minimumdan geçmesi gerekir. U sıcaklığına ötektik sıcaklık, dönüşümede ötektik dönüşüm denir. Malzeme Bilimi Slaytları 30/41 5 Ötektik yapı Denge halleri 3. Sıvı durumda birbiri içerisinde her oranda çözünen, katı durumda ise birbiri içerisinde kısmen çözünemeyen alaşımlar Yandaki şekilde A ve B bileşenleri ancak sınırlı olarak tek fazlı yapılar oluşturmaktadırlar bu alanlar ve β alanlarıdır. % 100 Ötektik Reaksiyon Sıvı Burada , A’ca zengin ve özellikleri A’ya yakın olan fazdır ve β, B’ce zengin ve özellikleri B’ye yakın olan fazdır. Sıvı + +β 0 25 50 β Ötektik nokta 75 %A Ötektik Üstü Ötektik Altı Bu iki fazın arasında bu iki fazın bir arada ( +β) dengede olduğu görülmektedir. Bu şekilde katılaşan sistemlere Al-Si, Pb-Sn, Cd-Bi, alaşımları örnek olarak verilebilir. İşte diyagrama adını veren ötektik reaksiyon sıvının sabit bir Tö ötektik 100 %B sıcaklığında iki katı faza dönüşmesi olup ( sıvı = 31/41 Malzeme Bilimi Slaytları + β ) şeklinde gösterilir. 32/41 Malzeme Bilimi Slaytları Denge halleri Denge halleri 4. Peritektik dönüşüm içeren faz sistemleri Sabit bir Tp peritektik sıcaklığında sıvı önceden meydana gelmiş olan bir katı fazla reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluşturur.Örneğin Pt-Ag sistemi gibi. Peritektik dönüşüm ile oluşan faz genellikle bir arafazdır. K Sıvı Sıvı+ 4. Sıvı durumda birbiri içerisinde kısmen çözünen iki metalin denge diyagramı; monotektik dönüşüm İki sıvı çözelti belirli bileşim aralığında birbiri içerisinde çözünemeyebilir. Yağ ve su gibi. S1 TA TM Tp Birbiri içerisinde kısmen çözünen maddelerde belirli bir karışma aralığı oluşturur. S1+ S2 β Sıvı A+S1 S2 Sıvı+ A+S2 + α TÖ β Sıvı1 β B A Bir sıvı fazın soğuması sırasında başka bir sıvı ile karı faz oluşturması olayına monotektik dönüşüm denir. S2+ β -Katı Fazı + Sıvı Sıvı2+ Katı A A+ -Katı fazı A B %B 33/41 Malzeme Bilimi Slaytları 34/41 Malzeme Bilimi Slaytları Denge halleri Alotropi Birbiri içerisinde çözünmeyen pek çok metal vardır. Sıvı A + Sıvı B TA Katı A + Sıvı B TB Katı A + Katı B Bunlar sıvı durumdan soğutulduklarında, iki metalden her biri kendi katılaşma noktasında katılaşarak keskin temas çizgisi ile ayrılan farklı iki tabaka oluştururlar ve bu durumda difüzyon söz konusu değildir. Sıcaklık 5. Sıvı ve katı durumda birbiri içerisinde hiç çözünmeyen metalin denge diyagramı Bir maddenin farklı sıcaklıklarda farklı kristal yapıya sahip S olmasına “ALOTROPİ” denir. Örneğin demir, kalay, 1539 1400 mangan ve kobalt alotropik maddedir. -Fe (HMK) -Fe (YMK) 910 Cruie Noktası (Manyetikliğin Kaybolduğu Nokta) -Fe Soğuma Eğrisi 768 -Fe (HMK) A %B B Buna en yakın örnek alüminyumkurşun denge diyagramıdır. Malzeme Bilimi Slaytları 35/41 Zaman Malzeme Bilimi Slaytları 36/41 6 Düzenli-düzensiz dönüşüm Katı eriyiklerde yüksek sıcaklıklarda atomların dağılışı gelişi güzeldir. Yani yer alan katı çözeltisinde çözünen metalin atomları çözen metali kafes yapısı içerisinde düzensiz dağılım gösterir. Bazı katı eriyiklerde yavaş soğuma sonucu çözünen metalin atomları çözen metalin kafes yapısı içerisinde hareket ederek belirli konumlara yerleşirler. Bu şekilde oluşan yapıya düzenli katı çözelti veya süper kafes denir. Bu kafesler belirli atom oranlarında ortaya çıkarlar. Düzenli katı eriyikler sert ve kırılgan, düzensizler ise tok ve sünektir. Diğer reaksiyon tipleri • Ötektoid reaksiyon Oldukça yaygın bir faz dönüşümüdür. Alotropi sonucu ortaya çıkan bir katı hal reaksiyonudur. Aşağıdaki bağıntıdaki gibi bir dönüşüm söz konusudur.Bu reaksiyonun ötektikten farkı sıvı faz yerine bir katı fazın gelmesidir. -Katı Fazı İnce Taneli ( -Katı Fazı + -Katı Fazı) Sıvı Sıvı+γ Sıvı+β γ β γ+β α+γ α Düzenli katı çözelti Düzensiz katı çözelti α+β Ötektoid nokta A %B 37/41 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Diğer reaksiyon tipleri • Peritektoid reaksiyon B 38/41 Diğer reaksiyon tipleri • Ara fazlar Alotropi sonucu ortaya çıkan diğer bir katı hal reaksiyonudur. Peritektikten farkı sıvı faz yerine bir katı fazın gelmesidir. Sıvı Sıvı -Katı Fazı + -Katı Fazı -Katı Fazı + Sıvı +β A B Sıvı+β Sıvı+α α Gerçek sistemlerin çoğunda birden fazla reaksiyon bulunur, bu durumlarda A ve B’ye komşu olmayan tek fazlı bölgeler ortaya çıkar (Şekil a ’da bölgesi). β Sıvı Sıvı β Peritektoid nokta α+β Bunların kimyasal bileşiklerden farkı metalsel karaktere sahip olmalarıdır. β + α+γ Bunlar özellikleri A ve B bileşenlerinde çok farklı olan sert ve kırılgan fazlardır. alanı çok daralarak AxBy gibi bir formülle tanımlanabilirse metaller arası bileşik meydana gelmiş olur. +β γ+β γ A Malzeme Bilimi Slaytları 39/41 AxBy B Malzeme Bilimi Slaytları 40/41 Özet Temel Faz Dönüşümleri Katılaşma Dönüşümleri Katı eriyik oluşumu [ S → K ] Katı Hal Dönüşümleri Polimorfik reaksiyon [ K1 → K2 ] Ötektik reaksiyon [ S → K1 + K2 ][Ag-Cu] Ötektoid reaksiyon [ K1 → K2 + K3 ][C-Fe] Peritektik reaksiyon [ S + K1 → K2 ] [Cu-Zn] Peritektoid reaksiyon[ K1 + K2 → K3 ][Ag-Cu] Monotektik reaksiyon [ S1 → S2 + K1 ] [Cu-Pb] Katı eriyikten çökelme [ K1 → K1(aşırı doy.) + K2 ] Syntetik reaksiyon [S1 + S2 → K ] [K-Zn] Metatektik reaksiyon [K1 → K2 +S ] [Cu-Zn] Malzeme Bilimi Slaytları 41/41 7 Demir-Karbon diyagramı Demir, pek çok mühendislik alaşımının temelini oluşturan metaldir. Külçe demir olarak bilinen ve hemen hemen saf durumdaki demir çatı, soba ve kokil kalıp gibi uygulamalarda kullanılır. Demir alotropik bir metaldir, yani sıcaklığa göre yapısı değişir. Karbon alotropik yapı gösteren demir içerisinde çözünerek farklı ara yer katı çözeltileri oluşturur. Katı çözelti dışında kalan tüm karbonun demirle bir ara yer bileşiği (Fe3C) oluşturmasına veya tamamen serbest grafit (C) halinde bulunmasına göre, ya demir-sementit ya da demir-grafit faz diyagramı söz konusudur. Sıcaklık Demir-Karbon Denge Diyagramı Sıvı 1539 1400 -Fe (HMK) -Fe (YMK) Cruie Noktası 910 -Fe 768 -Fe (HMK) Zaman Malzeme Bilimi Slaytları Demir-Karbon diyagramı Demir-sementit diyagramı δ+sıvı 1539 KATILAŞMA ŞEKİLLERİ Sıvı δ 1400 γ+δ Ötektik nokta Peritektik nokta META STABİL SİSTEM (Dengesiz Sistem) Fe-C (Demir-Grafit) Fe-Fe3C (Demir-Sementit) Sıvı haldeki Fe ve C alaşımına Silisyum ilave edilerek yavaş yavaş soğutulursa, alaşımdaki tüm C miktarı yapı içerisinde grafit halinde bulunur. Fe ise tek başına kristalleşir. Bu olaya stabil katılaşma denir. Örneğin kır dökme demir, kır ham demiri gibi. Sıvı haldeki Fe ve C alaşımına Mangan ilave edilerek hızlı bir şekilde soğutulursa alaşımın ihtiva ettiği bütün C miktarı Fe3C şeklinde bağlanır ve sementit şeklinde yapıda yer alır. Örneğin çelik, temper ham dökme demir, sert dökme demir gibi. Ledeburit γ (Ostenit) 910 γ + Ledeburit γ+α γ + 2. sementit Ledeburit + 1. sementit Ötektoid nokta Perlit (Ferrit) Ferrit + perlit 0 α + Fe3C 0.8 Ötektoid altı Perlit + 2. sementit Perlit + 2. sementit 2 Ötektoid üstü 4.3 %C Ötektik altı Çelikler 3/17 Dönüşmüş ledeburit 723 α Malzeme Bilimi Slaytları Sıvı + Fe3C Sıvı + γ 1147 STABİL SİSTEM (Dengeli Sistem) 2/17 6.67 Ötektik üstü Beyaz dökme demir 4/17 Malzeme Bilimi Slaytları Ferrit-ostenit Ledeburit LEDEBURİT Sementit (Fe3C) Ferrit Yapısı Sementit + Ostenittir (Bu yapıya ötektik yapıda denir), 1. Hacim merkezli kübik yapıya sahiptir. Ötektik sıcaklığında (1147 C’de)sıvıdan dönüşüm ile oluşur. 2. 723°C de %0.025 C, oda sıcaklığında ise %0.008 C çözer, %4,3 C içeren alaşım %100 ledeburitten ibarettir (Şekle bak) 3. Çok yumuşak bir fazdır. Bu durumda C miktarı %4,3’tür. 4. Hemen hemen saf demir, 5. İyi şekil değiştirilebilir, 6. Manyetik Şekilde K noktası ötektik noktadır. Ostenit () %100 Ledeburit DÖNÜŞMÜŞ LEDEBURİT Ötektoid sıcaklığın altındaki ledeburit yapısıdır (yani 723 C’nin altında), Dolayısıyla bu noktanın altında ostenit olmayacağı için ostenit taneleri perlite dönüşür Ostenit (ledeburitten tek farkı budur.) 1. Yüzey merkezli kübik yapıya sahiptir. 2. 1130°C de %2 C çözündürür. 3. Tokluğu oldukça yüksektir. 4. Oda sıcaklığında karasız bir fazdır, 5. Çok iyi şekil değiştirilebilir, 6. Manyetik değil. Sementit (Fe3C) Bu durumda C miktarı %4,3’tür. Perlit %100 Dönüşmüş Ledeburit Malzeme Bilimi Slaytları 5/17 Malzeme Bilimi Slaytları 6/17 1 Perlit Perlit PERLİT (Fe3C + ) Sıcaklık, °C Sementit ve ferrit, YMK demir kafesi, HMK demir kafesine ani olarak dönüşür, Bu arada yapıdaki C atomları da HMK kafesi içinden dışarı itilir, Difüzyon yolu ile kafesten ayrılır ve sementit plakaları halinde bir araya gelir. % 100 Perlit yapısı ancak C miktarının %0,8 olması durumunda elde edilebilir.(Yani ötektoid noktada) Sementit (Fe3C) Ferrit %100 Perlit Kompozisyon, %C 7/17 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Perlit 8/17 Perlit Ostenit tane sınırları Fe3C Perlitin büyüme doğrultusu Karbon difüzyonu 9/17 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Ötektik altı 10/17 Ötektik altı Bu bölgede, Çelik iç yapısı Ferrit + Perlit’ten ibarettir, %C miktarı 0,8’den küçüktür (yani ötektoid Sıcaklık, °C noktadan küçüktür), Perlit Ferrit-α Ferrit-α Kompozisyon, %C Malzeme Bilimi Slaytları 11/17 Malzeme Bilimi Slaytları 12/17 2 Ötektik üstü Ötektik üstü Bu bölgede, Çelik iç yapısı Perlit + Sementit ibarettir, %C miktarı 0,8’den büyüktür (yani ötektoid Sıcaklık, °C noktadan büyüktür), Perlit Fe3C Fe3C Kompozisyon, %C Malzeme Bilimi Slaytları 13/17 14/17 Malzeme Bilimi Slaytları Demir-grafit diyagramı Demir-karbon alaşımlarının sıvı durumdan yavaş soğutularak katılaştırılması durumunda, karbon atomların demir atomlarıyla sementit oluşturmaları önlenerek bunun yerine grafit taneleri oluşturulabilir. Çelikler genellikle grafitleşme göstermez, dolayısıyla bu özellik dökme demirler için önemlidir. δ+sıvı 1539 Sıvı δ 1400 γ+δ Dökme demir Bölge Fe-Fe3C Fe-C I I +Sıvı +Sıvı II III II +Fe3C +C III + Fe3C +C Sıvıya ~0,5 Mg veya Ce Katılır Ötektik nokta Peritektik nokta Sıvı + Grafit Sıvı + γ γ (Ostenit) Sıvı Durumdan Soğutma Hızı Artış Yönü → Ferritik Kır D.D. γ + Grafit 910 Ferritik-Perlitik Kır D.D. γ+α Perlitik Kır D.D. Beyaz D.D. Sıvı Durumdan Soğutma Hızı Artış Yönü → Ferritik Sfero D.D. Ferritik-Perlitik Sfero D.D. Perlitik Sfero D.D. Bayaz D.D. Bölge II’de uzun süre ısıtılır. 723 α Nötr ortamda (Ferrit) α + Grafit 0 0.8 4.3 2 Oksitleyici Ortamda Isıtma İşlemi Sonunda Soğutma Hızı Artış Yönü → 6.67 Ferritik Siyah Temper D.D. Ferritik-Perlitik Siyah Temper D.D. Perlitik Siyah Temper D.D. Beyaz Temper D.D. %C 15/17 Malzeme Bilimi Slaytları DİAGRAMDA İÇERİK MİKTARLARI Malzeme Bilimi Slaytları 16/17 Örnek %0 %20 %50 FERRİT I.SEMENTİT II.SEMENTİT PERLİT LEDEBURİT %70 % 100 Bu alaşım % 50 Ferrit + % 50 Perlit’ten meydana gelmiştir. ÖRNEK için tıkla Bu alaşım % 100 Perlitten meydana gelmiştir. Başka bir ÖRNEK için tıkla Malzeme Bilimi Slaytları 17/17 3 29.09.2011 Soğuk şekillendirme Plastik deformasyon sonrası taneler çarpıtılmış ise o malzeme soğuk şekillendirilmiş demektir. Kafes yapısına göre bütün özelikler değişir. Çekme gerilmesi, akma gerilmesi sertlik artarken, süneklik, elektrik iletkenliği ve korozyon direnci azalır. Tane büyüklüğü pek değişmez. Yeniden Kristalleşme • Kafes yapısındaki çarpılma dislokasyon hareketini engellediği için mukavemet artar, elektron hareketini zorlaştırdığı için elektrik iletkenliği düşer. • Plastik şekil verme hem dislokasyonların hareketini sağlar, hem de yeni dislokasyonların oluşumuna sebep olur. Soğuk işlem sonrası mukavemetin artmasının sebebi deformasyon sertleşmesidir. Tavlanmış malzemede dislokasyon yoğunluğu 106-108 cm-2 iken soğuk işlem sonrası 1012 cm-2 olur. Malzemelerin akma mukavemeti, çekme mukavemetine göre soğuk deformasyona daha duyarlıdır. 2/6 Malzeme Bilimi Slaytları Soğuk şekillendirme Soğuk işlem sonrası sarf edilen enerjinin büyük bir kısmı dislokasyon enerjisi şeklinde malzemenin içerisinde depo edilir. Bir kısım enerji ise ısı şeklinde kaybolur. Tavlama ile soğuk işlem ile kaybolan eski özellikler tekrar sağlanır. Bu olay; toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi şeklinde olur. Tavlama sıcaklığı (°F) Süneklik (%Uzama) Çekme mukavemeti (MPa) Çekme mukavemeti Süneklik Toparlanma Toparlanma Toparlanma, soğuk deforme edilen malzemelerde yeniden kristalleşme sıcaklığından daha düşük sıcaklıklardaki tavlama sırasında meydana gelir. Bu sebeple dislokasyonlar yeni bir düzene girer. Bu düzen dislokasyonların daha düşük enerjiye sahip oldukları yapıdır. Dislokasyonlar küçük açılı sınırlar meydana getirir. Böylece dislokasyonlar tarafından alt taneler oluşturulur. Toparlanma esnasında iç gerilmeler büyük ölçüde giderilir. Soğuk deformasyon sırasında malzemede oluşan deformasyon sertleşmesi başlangıçta hızla azalır, fakat bu azalma zamanla düşer. Toparlanmada, dislokasyon sayısını azalmasından çok dislokasyonların yeniden düzenlenmesi vardır. Dislokasyonların yeniden düzenlenmesi sonucunda oluşan alt tanelerde dislokasyonsuz bölgeler oluşur. Bu bölgeler sayesinde elektron hareketi kolaylaşır ve elektrik iletimi eski değerine geri döner. Piyasada bu işlemin diğer ismi gerilme giderme tavlamasıdır. Yeniden kristalleşme Toparlanma sonucunda; • İç gerilmeler azalır Tne büyümesi • Elektrik iletkenliği artar Soğuk işlenmiş ve yeniden kristalleşmiş taneler • Kafes çarpılması azalır • Mekanik özellikler pek değişmez Tane boyutu (nm) Yeni taneler Toparlanmış taneler Tavlama sıcaklığı (°C) Malzeme Bilimi Slaytları 3/6 4/6 Malzeme Bilimi Slaytları Yeniden kristalleşme Dislokasyon içeren toparlanmış taneler kaybolur ve yerine yeni taneler çekirdeklenir. Çekirdeklenme genellikle hatalı bölgelerde, tane sınırlarında meydana gelir. Toparlanmış tanelerdeki dislokasyonlar yeni oluşan tanelerin sınırlarına kaçarlar. Böylece içlerinde dislokasyon miktarı çok az olan veya dislokasyon bulunmayan küçük yeni taneler oluşur ki bu yapıya yeniden kristalleşmiş yapı denir. Soğuk şekillendirme oranı ve metal saflığı artıkça yeniden kristalleşme sıcaklığı düşer. Tane büyümesi Yeniden kristalleşmiş taneler, tavlama sıcaklığında uzu süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde tavlanırsa difüzyonla zamanla büyürler. Malzemedeki iri taneler, ince tanelerden daha düşük serbest enerjiye sahiptir. Bunu sebebi tane sınırlarının azalmasıdır. Bu bedenle tek kristalli malzemeler en düşük enerjiye sahiptir. İri ve ince tanelerin serbest enerjileri arasındaki fark, tane büyümesi için gerekli itici gücü oluşturur ve atamlar arası bağ kuvvetleri bu kuvvete karşı koyar. Sıcaklık artıkça kafes rijitliği ve tane büyüme hızı artar. Tavlama sıcaklığı (°F) Süneklik Toparlanma Soğuk işlenmiş tane yapısı 580°C de 3 saat tavlandıktan sonra çok küçük tanelerin oluşumu Yeniden kristalleşmiş tanelerin yerleşimi 580°C de 8 saat sonrası yeniden kristaleşmenin tamamlanması Süneklik (%Uzama) Çekme mukavemeti (MPa) Çekme mukavemeti Yeniden kristalleşme Tne büyümesi Soğuk işlenmiş ve yeniden kristalleşmiş taneler Yeni taneler Yeniden kristalleşme sıcaklığı malzemenin pratik olarak 1 saat içerisinde %50 sinin yeniden kristalleştiği sıcaklıktır ve yaklaşık olarak ergime sıcaklığının 0.3-0.5 katıdır. Malzeme Bilimi Slaytları 5/6 Malzeme Bilimi Slaytları İri taneler 6/6 1 Yaşlanma Alaşımların sertlik ve mukavemeti soğuk deformasyon veya uygun ısıl işlem ile arttırılabilir. Demir içermeyen alaşımların sertlik ve mukavemetini artırmak için uygulanan yöntemlerin başında yaşlandırma ve çökelme sertleştirme işlemi gelir.Söz konusu ısıl işlem kısmi katı çözünürlük gösteren yani solvüs eğrisi içeren ve katı çözünürlüğü artan veya azalan sıcaklıkla azalan alaşım sistemlerine uygulanır. Bu sistem sıvı durumda birbiri içerisinde her oranda katı durumda ise kısmen çözünen metallerin oluşturduğu alaşım sistemlerine uygulanır. Çeliklerin çoğu yaşlandırma işlemi sırasında meydana gelen karbür çökelmesi sayesinde gerçekleşir. Yaşlandırma (Çökelme Sertleşmesi) Sıcaklık Solvüs eğrisi % miktarı 2/5 Malzeme Bilimi Slaytları Yaşlanma Yaşlandırma sertleşmesi için uygun bileşimde bir alaşım tek fazlı bir yapı elde etmek amacıyla (α) T1 sıcaklığına kadar ısıtılır ve alaşımdaki bütün fazların tek faz içerisinde çözünmesine kadar bekletilir. Bu işleme çözündürme veya çözeltiye alma işlemi denir. Çözündürme işleminden sonra alaşım hızla soğutularak (su verme) aşırı doymuş α katı çözeltisi elde edilir. Ancak aşırı doymuşluık kararsız bir yapıdır, kararlı hale getirebilmek için yaşlandırma işlemi uygulanır. Yaşlandırma işlemi oda sıcaklığında veya oda sıcaklığı ile solvüs çizgisi arasındaki bir sıcaklıkta gerçekleştirilir. Oda sıcaklığında yapılana doğal yaşlanma, diğerine ise yapay yaşlanma denir. Sıcaklık α Yaşlanma Yaşlandırma işlemi hazırlık devresi, yaşlandırma devresi ve aşırı yaşlandırma devresi olmak üzere üç aşamayı içerir. Kuluçka devresi de denilen hazırlık devresinde, fazlalık atomlar bir araya gelip kümelenerek ilk embriyoyu meydana getirirler. Yaşlandırma esnasında ise çekirdeklenme mekanizması daha etkin hale gelir, yani fazlalık atomlar β fazının çekirdeklerini oluşturur. Yaşlandırma esnasında oluşan ara kristal yapısı veya geçiş kafesi matrisin kafes yapısı ile bağdaşıktır. Bu dönemde çökelen faz (β), matristen farklı bir kafes parametresine sahiptir. Bu fazın matris yapısına bağdaşık olması nedeniyle matrisin kafes yapısında çarpılma meydana gelir. Kafes yapısında meydana gelen çarpılmanın dislokasyon hareketini engellemesi nedeniyle sertlik ve mukavemet hızlı bir şekilde artar. Sıvı Çözünen CuNatomu Çözen atomu Sıvı+β Sıvı+α Çözen Cu atomu β’ faz partikülleri β faz partikülleri Çözündürme T1 Su verme α α+β T2 Yapay yaşlandırma β çökeltileri α Doğal yaşlandırma C Aşırı doymuş α %B Zaman Aşırı doymuş α katı fazı Katı çözeltisi Malzeme Bilimi Slaytları 3/5 β’ çökelti fazına dönüşüm Malzeme Bilimi Slaytları α matrisi içerisinde β fazı 4/5 Yaşlanma Mukavemet yada sertlik A Aşırı yaşlanma Yaşlanma zamanı Malzeme Bilimi Slaytları 5/5 1 29.09.2011 Isıl İşlem Isıl işlem, metal veya alaşımlarına istenen özellikleri kazandırmak amacıyla katı halde uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır. Çeliğe uygulanan temel ısıl işlemeler ostenit fazının dönüşümü ile ilgilidir. Çeliğin fiziksel ve mekanik özellikleri içerdiği dönüşüm ürününün cinsine miktarına ve metalografik yapısına bağlıdır. Isıl işlem esnasında başlangıçta, ostenitleştirme işlemi için çelik malzeme alt kritik sıcaklık çizgisinin (Ac1) üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Burada tamamen iç yapı dönüşümü gerçekleşene kadar bekletilir ve uygun bir hızla soğutma işlemi yapılır. Ötektoid altı çelikler üst kritik sıcaklık çizgisinin (Ac3) 40-60°C üzerindeki sıcaklıklarda, ötektoid üstü çelikler ise Ac1 ile bu çeliğe ait üst kritik sıcaklık çizgisi (Acm) arasındaki sıcaklıklarda ostenitlenir. Isıl işlemler, kırılganlığı (gevrekliği) azaltmak, darbe direnci (tokluğu), aşınma direnci, sertlik, çekme ve akma mukavemetini artırmak, plastik şekil vermeyi kolaylaştırmak, soğuk şekil verilmiş parçalarda tane yapılarını düzeltmek gibi amaçlar için yapılır. Bu amaçları gerçekleştirmek için martenzit ve beynit fazı oluşturma, difüzyonla alaşım elementi ekleyerek karbür tanecikleri oluşturma, tane boyutlarını küçültme yada büyütme, tane biçimlerini değiştirme, gibi yöntemler kullanır. Isıl İşlem Isıl işlem; 1. Tavlama 2. Sertleştirme • Normalizasyon 3. Islah etme • Yumuşatma 4. Yüzey sertleştirme • Küreselleştirme • Karbürleme • Gerilme giderme • Nitrürleme • İri tane tavlaması • • Difüzyon tavlaması Alevle yüzey sertleştirme • İndüksiyonla sertleştirme Malzeme Bilimi Slaytları Isıl İşlem 2/18 Normalizasyon 1. Tavlama: Çeliğin katılaşma eğrisinin altındaki sıcaklığa kadar ısıtılıp, orada bekletilmesi ve soğutulması işlemidir. Yani malzeme daima katı haldedir. • Normalizasyon: Tane küçültmek, homojen bir yapı elde etmek, mekanik özellikleri iyileştirmek ve ötektik üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağını dağıtmak için yapılır. Ötektoid altı çelikler Ac3, ötektoid üstü çeliklerde Acm eğrisinin yaklaşık 40-50°C üstünde sıcaklığa kadar ısıtılıp, fırın dışında sakin havada soğutma işlemidir. Normalizasyon işlemi sonrası dövülmüş, haddelenmiş, iri taneli ve eş yönlenmiş yapılar düzelir ve malzeme her zaman kazanabileceği özelliklere (çekme mukavemeti, süneklik gibi) geri döner. Malzeme Bilimi Slaytları 3/18 Malzeme Bilimi Slaytları Isıl İşlem 4/18 Isıl İşlem • Gerilme giderme: Dökülmüş, sıcak dövülmüş, kaynak edilmiş parçalar ve soğuk çekilmiş malzemelere uygulanır. Yani üretim esnasında malzemede oluşacak iç gerilmeleri azaltma amacıyla uygulanır. Gerilme giderme tavlaması 550-650°C sıcaklığa kadar yavaş ısıtılıp, burada yaklaşık olarak 4 saat bekletilip ve yavaş soğutularak yapılır. Tavlama işlemi hiçbir zaman 723°C nin üzerine çıkmaz. Malzeme Bilimi Slaytları 5/18 Malzeme Bilimi Slaytları 6/18 1 29.09.2011 Isıl İşlem • Yumuşatma tavlaması: Çeliğin sertliğini azaltmak, talaş kaldırmayı iyileştirmek veya döküm ve dövme parçaların iç gerilmelerin azaltmak amacıyla yapılır. Ötektoid altı çelikler Ac 3, ötektoid üstü çeliklerde Ac1 eğrisinin üstünde belirli sıcaklığa kadar ısıtılıp, iç yapı ostenite dönüştükten sonra fırın içinde soğutma işlemidir. Ötektoid altı çelikler, Ac3 çizgisinin en az 10°C üzerinde tavlanır ve yapıda ötektoid dışı ferrit ile kaba lamelli perlitten oluşan bir yapı oluşur. Ötektoid altı çelikler ise Ac1 sıcaklığının en az 10°C üzerine tavlanır ve yapı kaba lamelli perlit alanı ile bunu çevreleyen ötektoid dışı sementitten oluşur. Yapıda sementitin bulunması talaş kaldırma işlemini zorlaştırır. Bu nedenle ötektoid üstü çeliklerde son işlem olarak yumuşatma tavlaması uygulanmaz. Isıl İşlem • İri tane tavlaması: Çoğunlukla az C lu çeliklere talaş kaldırma özelliğini iyileştirmek için uygulanır. Malzeme birkaç saat süre ile Ac3 sıcaklığının 150°C sıcaklığına kadar tavlanır ve yavaş olarak soğumaya bırakılır. • Difüzyon tavlaması: Çözünebilir bileşenlerin iç yapıda düzenli bir şekilde dağılması amacıyla yapılır. Parça içerdiği C miktarına göre 1000-1300°C arasına kadar ısıtılır. Gerekli tedbirler alınmazsa tane büyümesi, dekarbürizasyon ve oksidasyon meydana gelebilir. Tavlama süresi uzun olup, 5 saatin altında uygulanmaz. 7/18 Malzeme Bilimi Slaytları 8/18 Malzeme Bilimi Slaytları İzotermal dönüşüm diyagramları İzotermal dönüşüm sabit sıcaklıkta Demir-karbon denge durumu yalnız denge durumunun dışındaki (hızlı dönüşüm diyagramlarının çıkarıldığı dönüşümdür. İşlem adımları: İzotermal dönüşüm diyagramları meydana gelen faz dönüşümü demektir. denge durumu için geçerlidir. Bu nedenle soğuma gibi) geçerli değildir. İzotermal için en kolay örnek %0.8C içeren perlitik 1. %0.8 C içeren çok sayıda örnek 775°C’de yeterli bir süre tutularak yapılarının tamamen ostenit olması sağlanır. 2. Ostenitleştirme işleminden sonra Ac1 den daha düşük bir sıcaklıkta erimiş tuz veya yağ banyosunu bu numuneler daldırılır. 3. Bu banyoda belirli bir süre (5, 10, 15 saniye gibi) bekletilen numuneler soğuk su veya tuzlu suda soğutulur. 4. Soğutulan numunelerden hem sertlik ölçümü alınır hem de iç yapı incelenmesi yapılır. Bu işlemler Ac1 çizgisinin altındaki farklı dönüşüm sıcaklıklarında tekrarlanarak izotermal dönüşüm eğrileri çizilir. 9/18 Malzeme Bilimi Slaytları 10/18 Malzeme Bilimi Slaytları y, % dönüşmüş İzotermal dönüşüm diyagramları 100 T(°C) T = 675°C 700 50 0 10 2 1 T(°C) Ostenit (stable) İzotermal dönüşüm diyagramları 10 4 zaman (s) 600 TE (727 C) 500 700 Ostenit (unstable) 600 Perlik isothermal transformation at 675°C Ostenit (stable) Perlit 400 500 1 400 1 10 Malzeme Bilimi Slaytları 10 2 10 3 10 4 10 5 TE (727 C) Ostenit (unstable) zaman (s) 11/18 10 10 2 10 3 10 4 10 5 zaman (s) Malzeme Bilimi Slaytları 12/18 2 29.09.2011 Co = 0.45 wt% Co = 0.45 wt% için örnek a) 42% ötektik ferrit and 58% kaba taneli perlit 800 ilk olarak ferrit daha sonra perlit T ( C) A Kaba taneli perlit daha yüksek T A+P ince taneli perlit daha düşük T 50% M (start) M (50%) M (90%) A+ P B 600 200 Adapted from Fig. 10.29, Callister 5e. A İlk perlit oluşur T ( C) Daha sonra beynit A+B A 400 50% ince taneli ve 50% beynit 800 A+ P B 600 b) A+B A 400 A+P 50% M (start) M (50%) M (90%) 200 Adapted from Fig. 10.29, Callister 5e. 0 0.1 10 103 105 zaman (s) 13 Malzeme Bilimi Slaytları 13/18 0 0.1 10 Malzeme Bilimi Slaytları 103 zaman (s) 105 14 14/18 İzotermal dönüşüm diyagramları Co = 0.45 wt% c) 100 % martenzit – su verme = hızlı soğuma d) 50 % martenzit 800 ve 50 % ostenit T ( C) A A+ P B 600 A 400 A+P A+B 50% M (start) M (50%) M (90%) d) 200 Adapted from Fig. 10.29, Callister 5e. c) 0 0.1 10 Malzeme Bilimi Slaytları 103 zaman (s) 105 15 15/18 Malzeme Bilimi Slaytları Martemperleme ve ostemperleme 16/18 Martemperleme ve ostemperleme Martemperleme: Sertleştirilecek malzeme ostenitleştirme işlemine tabi tutulduktan sonra Ms sıcaklığının hemen üzerinde ki bir sıcaklıkta tutulan kurşun veya tuz banyosuna daldırılır. Parça yüzeyi ile merkezinin sıcaklıkları aynı oluncaya kadar banyoda tutulur. Daha sonra parçaya su verilerek mertenzitik yapı elde edilir. Ostemperleme: Sertleştirilecek malzeme ostenitleştirme işlemine tabi tutulduktan sonra Ms sıcaklığının üzerinde kurşun veya tuz banyosuna daldırılır. Parça da beynitik dönüşüm oluncaya kadar banyoda bekleme yapılır. Sonra havada soğutulur. Böylece beynitik yapı elde edilir. Burada sertlik biraz düşüktür, fakat tokluk yüksektir. Malzeme Bilimi Slaytları 17/18 Malzeme Bilimi Slaytları 18/18 3 29.09.2011 Martenzit Martenzit, Hacim merkezli tetragonal (HMKT) yapıya sahip yarı dengeli bir fazdır. HMK yapıya sahip α fazının C ile aşırı doymuş hali olarak kabul edilebilir. Martenzitik dönüşüm difüzyonsuz işlemler için kullanılır. Martenzitik reaksiyonlardada çekirdeklenme ve büyüme söz konusudur. Çekirdeklenme için aşılması gerekli enerji bariyeri oldukça yüksektir. Bu nedenle martenzitik reaksiyon için malzemeyi dengeli dönüşüm sıcaklığının çok çok altına ani olarak soğutmak gerekir. Martenzitin büyümesi ise oldukça kolaydır ve büyüme ses hızına kadar ulaşır. Çeliklerdeki martenzitik dönüşüm ostenit bölgesinden ani olarak martenzit oluşumun başladığı sıcaklığa kadar çelik soğutulur. Ostenit fazında çözünen C, kristal kafesini terk edemeyip karbür yapamadığı için ostenit içerisinde hapsolur. Bu sıcaklıkta HMK yapıya sahip olması gereken demir C atomlarının kafeste hapsolması nedeniyle kristalk yapı parametreleri değişerek HMKT yapıya sahip olur. Jominy deneyi Çeliklerin sertleşebilirliği • Martenzit oluşturma yeteneği • Sertleşebilirlik miktarını tespit için jominy deneyi. Düz bölge Numune (Ostenit alanına ısıtma 24°C su Rockwell C sertlik testi Sertlik, HRC • Su verme ucundan itibaren mesafe ile sertlik değişimi Su verme ucundan mesafe 19/18 Malzeme Bilimi Slaytları 20/18 Malzeme Bilimi Slaytları Jominy deneyi Niçin mesafeye göre sertlik değişir? Alaşım içeriği ile sertleşebilirlik • Mesafeyle soğutma hızı değişir • Jominy sonuçları C = 0.4 wt% C 40 20 0 1 2 3 Su verme ucundan mesafe (in) T(°C) 0% 100% 600 • “Alaşımlı çelikler" M 0 M(bitiş) 0.1 1 10 100 1000 21/18 2 Soğutma hızı (°C/s) 80 %M 50 40 4140 8640 5140 0 10 20 30 40 50 Su verme ucundan mesafe (mm) 800 A 0 -1 10 10 Zaman (s) Malzeme Bilimi Slaytları 3 100 T(°C) (4140, 4340, 5140, 8640) 600 -- Ni, Cr, Mo içerir (0.2 to 2wt%) 400 --Bu elementler burunun konumunu değiştirir 200 --Martenzit daha kolay oluşur M(başlama) O 10 4340 20 400 200 100 60 Sertlik, HRC Sertlik, HRC 60 Jominy deneyi Malzeme Bilimi Slaytları B TE Alaşım etkisiyle A dan B ye hareket M(başlama) M(90%) 103 105 Zaman(s) 22/18 Jominy deneyi Su verme ortamı ve geometrisi • Su verme ortamının etkisi: Orta Hava Yağ Su Su verme şiddeti Düşük Orta Yüksek Sertlik Düşük Orta Yüksek • Geometri etkisi: Yüzeyle hacim oranı arttığı zaman: --soğutma hızı artar --sertlik artar Pozisyon Soğutma hızı merkez düşük yüzey yüksek Malzeme Bilimi Slaytları Sertlik düşük yüksek 23/18 4 Yüzey sertleştirme Sünek yapıya sahip çeliklerden imal edilmiş makine parçalarında sert ve aşınmaya dayanıklı bir yüzey istenir. Örneğin yatak muylusu, kavrama tırnağı ve diğer temas bölgelerinde sünek çelikler düşük karbonlu çelikler düşük karbonlu olduklarından yeterli derece sertleştirilemezler. Bu nedenle malzemeden istenen özellikler zıt karakterlidir. Dış yüzeylerde yüksek sertlik ve iç kısımlarda ise en yüksek süneklik gibi. Yüzey Sertleştirme Yüzey sertleştirme işlemeleri, malzemenin şekline, boyutuna, adetine ve çeşidine göre değişir. Yüzey sertleştirmenin uygulandığı tipik parçalar; krank milleri, kam milleri, kamalı miller, dişli çarklar, saplamalar, kavrama parçaları, zincir parçaları gibi makine elemanlarıdır. Yüzey sertleştirme işlemleri: • Mikroyapısal işlemler •Termokimyasal işlemler •Mekanik işlemler olmak üzere üç ana başlığa ayrılır. 1 2/13 Malzeme Bilimi Slaytları Mikroyapısal işlemler Mikroyapısal işlemler Mikroyapısal işlemlerde, demir esaslı malzemenin kafes yapısı değişecek şekilde ısıtma işlemi yapılır. 723°C’nin üzerinde malzemenin kafes yapısı değişerek, hacim merkezli yapıdan yüzey merkezli kübik yapıya dönüşür. Daha sonra hızlı soğutma yapılarak, martenzit (hacim merkezli tetragonal) veya yavaş soğutma ile ferrit-perlit ten oluşan yapı elde edilir. Mikroyapısal işlemler, temel olarak termal ve mekanik olmak üzere iki yöntemle gerçekleştirilir. • • Avantajları ve dezavantajları: • • • • • • • • • 1. Termal İşlemler 1.1. İndüksiyon ile Yüzey Sertleştirme Yüksek frekanslı indüktif akımdan faydalanarak parça yüzeyinde çok ince tabaka ani olarak kritik sıcaklık üzerine çıkarılıp, hızlı soğutma ile yüzey sertleştirilir. En büyük avantajı, yüzeyde sertleşen bölge derinliğinin çok iyi bir şekilde kontrol edilmesidir. Ayrıca, çabuk, temiz, seri imalata uygundur. Uygulana frekansa göre ısınma derinliği değişmektedir. İndüksiyonla sertleştirmede malzemenin mikroyapısının iyi seçilmesi gerekir. Bu yöntemde, süre çok az olduğu için karbürlerin veya grafitin ostenit içerisinde yeterince çözünerek sertleşme için gerekli karbürün çözünmesi gerekir. En kolay sertleşen çelikler, karbürlerin çelik içerisinde küçük tanecikler halinde dağılmış yapılardır. Alaşımsız çeliklerde % 0.4-0.5 C içeren ve tane boyutu pek büyük olmayan ferritik yapıya sahip çelikler de sertleştirilebilir. Şematik olarak indüksiyonla sertleştirme işlemi Şekilde verilmiştir. Malzeme Bilimi Slaytları 3/13 Malzeme Bilimi Slaytları Mikroyapısal işlemler sertleştirme ve kademeli sertleştirme olarak alt bölümlere ayrılır. Gaz Su Üfleç Ostenit Martenzit 4/13 Termokimyasal işlemler 2. Termokimyasal İşlemler 2.1. Sementasyon Alevle yüzey sertleştirme yönteminin ilk yatırım maliyeti indüksiyonla sertleştirmeye göre düşüktür, fakat işlem maliyeti daha yüksektir. Bu yöntemde sertleştirme, oksiasetilenle malzeme üfleç yardımıyla ısıtılıp ani olarak su veya yağ verilerek soğutulması sonucunda elde edilir. Bu yöntem için özel sertleştirme otomatlarına ihtiyaç vardır. Üfleç alevi sertleştirilmesi gereken yüzeyi kaplar veya salının yaparak bütün yüzey üzerinde gezer. Silindirik yüzeyler, üfleç alevinin önünde döndürülür. Bütün yüzey su verme sıcaklığına ulaştığı zaman üfleç çekilir ve su püskürten duş yüzeye tutulur. İndüksiyonla sertleştirme yöntemi için önerilen çelikler bu yöntemler içinde uygundur. Bu çelikler Ck35, Ck45 gibi alaşımsız ıslah çelikleridir. Ayrıca Cf35, Cf53, Cf70 gibi alevle sertleştirmeye uygun çeliklerde üretilmiştir. Şematik olarak alevle sertleştirme yöntemi Şekil 3’de verilmiştir. Alevle sertleştirme yöntemleri; el ile uygulanan alevle sertleştirme, spin Duş ve İndüksiyonla sertleştirme işlemi, orta karbonlu çeliklere, Cr-Mo çeliklere, gri dökme demirler ve nodüler dökme demirlere uygulanır. Tam olarak tavlanmış çelikler indüksiyonla sertleştirme işlemi için uygun değildir. Çünkü karbürlerin çözünmesi için gerekli süre ısıtma zamanından daha uzundur. İndüksiyon sertleştirme yöntemleri; tek su darbesiyle sertleştirme ve kademeli sertleştirme olarak ikiye ayrılır. 1.2. Alevle Yüzey Sertleştirme • Sınırlandırılmış bölgesel sertleştirme Kısa ısıtma süreleri En az yüzey dekarbürizasyonu oksidasyonu Hafif deformasyon Yorulma mukavemetinde artış Üretim hattı ile birleştirilebilme Düşük işlem maliyeti Çevreye gaz yayılmaz İlk yatırım maliyeti yüksektir • %0.2 den az karbon içeren çeliklere uygulanır. Bu işlemde temel amaç çelik yüzeyine C difüze ederek, yüzeyin C miktarını yeterli düzeye çıkarıp ardından su vermektir. Düşük karbonlu çeliklere uygulanır, ve işlem ostenitik sıcaklıkta gerçekleştirilir. FeFe3C diyagramına bakıldığı zaman ferrit fazı içerisinde maksimum %0.02 C çözünürken, ostenit içerisinde %2 çözünür. Bu nedenle malzeme ostenitik sıcaklıkta (825-925°), C verici ortamda bekletilir. • Karbon verici ortamlar katı, sıvı,gaz ve plazma olabilir. • Katı ortam olarak: Odun kömürü ile baryum karbonat karışımı • Sıvı ortam olarak: Erimiş siyanür banyosu • Gaz ortam olarak: Hidrojen veya azot ile karıştırılmış karbon monoksit, metan, propan gibi gazlar. • Plazma atmosferi: CO2 + H2, CH4 gibi gaz karışımları • İstenen sertleştirme kalınlığı için işlem sıcaklığı, süresi ve gaz miktarını ayarlamak gerekir. • Bilinen en eski ve en yaygın yüzey sertleştirme yöntemidir. • İşlem sonucu yüzey sertliği, aşınma direnci ve yorulma dayanımı artar. • Çekirdek bölgesi değişmez Malzeme Bilimi Slaytları 5/13 Malzeme Bilimi Slaytları 6/13 1 Termokimyasal işlemler Sıvı ortam ısı iletim katsayısının yüksek olması ve parçaların hızla banyo sıcaklığına ulaşabilmesi bakımından katı ortama göre daha avantajlıdır. Çok sayıda küçük parça tel sepetler yardımıyla sementasyon ortamında tutulabilir ve ardından kolayca su verilebilir. Bu nedenle ekonomiktir. Yöntemin dezavantajı yatırım masraflarının yüksek ve siyanürün zehirli olmasıdır. Gazın bileşimine göre karbürleme etkisi değişir. Karbürleme kalınlığı çok iyi ayarlanabilir. Sertleştirilen parçaların yüzey kalitesi hemen hemen karbürleme öncesi ile aynı kalır. Dezavantajı yatırım masrafları çok yüksektir. Parçalarda semente edilmesi istenmeyen yerler sementasyon öncesi ya kille ya da bakırla kaplanır. Semente edilecek yüzeylerin pas, tufal, yağdan vb. temizlenmesi gereklidir. Termokimyasal işlemler 2.2. Nitrürasyon Nitrür oluşumuna eğilimli alaşım elementleri içeren (Cr, N, Ti, Mn Mo, Al) çeliklere uygulanır. İşlem söz konusu çeliğin 550-590°C arasındaki sıcaklıklarda azot verici ortamda tutularak yüzeye azotun difüzyonunu içerir. Gaz, tuz, toz ve plazma ortamında gerçekleştirilir. Kimyasal reaksiyon; 2NH3 → 2N2 + 3H2 0.9 mm ye kadar sertleşme derinliği elde edilebilir. İşlem süresi uzundur. Yüzeyde beyaz tabaka (FeN) ve onun altında difüzyon tabakası (CrN gibi) oluşur. İstenen sertleştirme kalınlığı için işlem sıcaklığı, süresi ve gaz miktarını ayarlamak gerekir. İşlem sonucu yüzey sertliği, aşınma direnci ve yorulma dayanımı artar. İşlem sonrası malzemede çarpılma görülmez. Malzeme Bilimi Slaytları 7/13 Malzeme Bilimi Slaytları Termokimyasal işlemler 8/13 Termokimyasal işlemler 2.3. Borlama • • • • • • • • Malzeme Bilimi Slaytları Çelik yüzeyine Bor verilmesi işlemidir. Her türlü karbon oranına sahip çeliklere uygulanabilir. Kullanılan bor (gaz olmalı) Borakstan elde edilir. Bu yöntemin uygulanması esnasında yüksek sıcaklıklara çıkılması gerekir (950 °C gibi) Borlama işlemi esnasında iki tür demir borür oluşur. Fe2B çelik yüzeyinde bası gerilmesi oluşturduğu için istenir. FeB yüzeyde çeki gerilmesi oluşturduğu için istenmez. 9/13 Malzeme Bilimi Slaytları Mekanik işlemler 3. Mekanik İŞlemler 3.1. Soğuk İşlem • 10/13 Mekanik işlemler 3.3. Bilye Püskürtme Sünek bir malzemeyi rekristalizasyon sıcaklığının altında soğuk çekme ile plastik deformasyona uğratılırsa deformasyon derecesi ile orantılı olarak dislokasyon yoğunluğu artar. Birbiri ile kilitlenen dislokasyonlar, dislokasyon hareketini engeller. Bu engellemeden dolayı malzemenin de mukavemeti artar. Bu olaya soğuk sertleşme denir. Dislokasyonlar çok ince olarak dağıldığından sertleşme daha çok olacaktır. Böylece akma mukavemeti ve sertlik artacak, aynı anda tokluk ve süneklilik azalacaktır. Isıtma ve soğuk işlem sıcaklığı aralığı 100-300°C arasındadır. Dislokasyon hareketini engelleyen karbürler ve nitrürlerdir. Bu işlem yüksek karbonlu martenzitik çeliklere, karbürizasyon çeliklerine ve takım çeliklerine uygulanır. Soğuk şekillendirme yöntemlerinden biridir. Yüksek hızda parçacık bombardımanı sonucu, bası artık gerilmeleri yüzeyde oluşturulur. Yüzeyde oluşan bası gerilmelerinin, çeki gerilmelerimden fazla olması yorulma mukavemetini artırır. Sertleştirme işlemi, püskürtmenin şiddetine, hızına, bilyenin büyüklüğüne ve ağırlığına bağlıdır. Bu yöntem genellikle yorulma mukavemetini yükseltmek için kullanılır. Isıl işlem sıcaklığı 1000°C’den düşüktür. 3.2. Metal Şekillendirme • Metal şekillendirme işleminde sıcaklık ve şekil değişimine bağlı olarak, metalin büyük plastik deformasyona uğramasıdır. Bu işlem son plastik şekil verme olarak adlandırılabilir. Metal şekil değişimi yüksek sıcaklıkta olursa “sıcak şekil verme” , oda sıcaklığında yapılırsa “soğuk şekil verme” adını alır. Soğuk tel çekme, ekstrüzyon, dövme, şekillendirme gibi çeşitli şekil değiştirme yöntemleri vardır. Aluminyum ve alaşımları, düşük ve orta karbonlu çelikler, paslanmaz çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Malzeme Bilimi Slaytları 11/13 Malzeme Bilimi Slaytları 12/12 2 Çelik? Demir oranı, içerdiği diğer elementlerin hepsinden daha fazla olan, genelde % 2'den daha az karbon içeren alaşımlara çelik denir. Bazı krom çeliklerinde % 2'den biraz daha fazla (% 2,1 gibi) karbon bulunabilir. (X210CrV12 – Soğuk iş takım çeliği). Çelikler için bu istisna dışında, % 2'den fazla karbon içeren demir alaşımları dökme demirlerdir. Çelikler Çelik içinde sadece C değil, farklı oranlarda alaşım elementleri ve empürite elementler bulunur. Çeliğin iç yapısı ve içerdiği elementlerin kimyasal bileşimi çeliğe farklı özellikler kazandırır ki bu elementlere alaĢım elementleri denir. Alaşım elementleri çeliğe değişik oranlarda katılarak farklı özellikte çelikler elde edilebilir veya çeşitli işlemler (ıslah etme, normalizasyon tavı uygulama vs.) ile iç yapı kontrol edilerek kullanım amacına göre değişik özelliklerde çelikler üretilebilir. 1/29 Çelikler Metal Alaşımları Demir esaslı Çelikler Steels <2<1.4wt%C wt% C 3-4.5 wt%C 3-4.5 wt% C Al T(°C) L +L 1200 L+Fe3C 1148°C ostenit 4.30 1000 800 ferrit 600 0.76 400 0 (Fe) 1 2 Ötektik +Fe3C 727°C Ötektoid Fe3C sementit +Fe3C 3 Ti 1- Kimyasal BileĢimlerine Göre: a) Alaşımsız çelikler b) Alaşımlı çelikler 2- Kalitelerine Göre: a) Temel çelikler b) Kalite çelikler c) Soy çelikler 3- Mamul ġekillerine Göre: a) Yassı çelikler b) Uzun çelikler c) Kısa çelikler 4- Kullanım Yerlerine Göre: a) Yapı çelikleri b) Takım çelikleri c) Yay çelikleri d) Hız çelikleri e) Paslanmaz çelikler 5- Üretim yöntemlerine Göre. a) Bessemer ve Thomas çeliği b) Siemens-Martin çeliği c) Elektrik ark ve elektrik endüksiyon çeliği d) Pota çeliği e) Oksijenli konverter çeliği f) Vakum çeliği g) Puddel ve Kaldo çeliği 6- Dokusal Durum ve Metalografik Yapılarına Göre 7- Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine Göre 8- SertleĢtirme Ortamlarına Göre •Çeliklerin incelenmesini kolaylaştırmak; • Onları daha yakından tanımak için sınıflandırma yapılır. Bu amaç için; çeliklerin ortak İç yapı: özelliklerinden faydalanılır. ferrit, grafit sementit 1600 1400 Mg 4 5 6 2/29 Çeliklerin sınıflandırılması Niçin çelikler sınıflandırılır? Demir dışı Dökme demirler Cu Cast Irons Malzeme Bilimi Slaytları 6.7 Co , wt% C Çelikleri sınıflandırırken bir çelik türüne birden fazla grupta rastlamak mümkündür. Bu nedenle sınıflandırmada kesin bir sınır koymak ve bir çelik türünü diğerinden tamamen ayırmak mümkün değildir. 3/29 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Kimyasal bileĢimine göre 4/29 Kimyasal bileĢimine göre Çelikler Sade Karbon’lu Çelikler : Az alaĢımlı Az C‟lu Orta C‟lu <0.25 wt% C 0.25-0.6 wt% C Ġsim Sade C’lu Yüksek Muk. Sade Az alaĢımlı Ekler Yok Örnek 1010 0 + SertleĢebilirlik TS EL Kullanım Alanları Cr,V Yok Ni, Mo 4310 1040 + + 0 + + 0 otomotiv köprüler gövdeleri kuleler levha basınçlı kaplar Krank miller civatalar çekiçler bıçaklar Isıl ĠĢlem Görebilir Yüksek alaĢımlı Sade Cr, Ni Yok Mo 43 40 1095 ++ ++ ++ + - Takım Cr, V, Mo, W 4190 +++ ++ -- pistonlar aşınma matkaplar dişliler uygulamaları testere aşınma kalıplar uygulamaları Fiyat ve mukavemet artar, süneklik azalır Malzeme Bilimi Slaytları • Yüksek C‟lu 0.6-1.4 wt% C • • • • • Ostenitik Pas. Çelik Cr, Ni, Mo 304 0 0 ++ Orta C’lu Çelikler : • • • yüksek sıc. uygulama. türbinler fırınlar korozyon direnci 5/29 Yapılarında çelik üretim yöntemlerinden meydana gelen çok az miktarda Mn, Si, P, S gibi elementler içeren Fe-C alaşımlarıdır. Mekanik özellikleri C miktarına ve üretim sırasında gösterilen öneme göre değişir ve sınırlıdır. Sade C ‟lu çelikler ucuzdurlar ve kolay şekillendirilebilirler. Sertleşme yetenekleri azdır. Sertleştirme işleminden sonra parçalarda çatlama, çarpılma ve iç gerilmelere rastlanır.Şayet parça kalın ise o zamanda istenilen düzeyde sertleşme sağlanamaz. Korozif ortamlara dayanıksızdırlar. Az karbonlu çelikler sertleştirilemezler, bunların uygun yöntemlerle yüzeyleri sertleştirilir. Isıl işlemlere oldukça yatkındırlar, Dayanımları az C‟lu çeliklere göre daha iyidir, Süneklilikleri az C‟lu çeliklere yakındır, Yüksek C’lu Çelikler : • • • • Normal soğutmada yapılarında oluşan perlit nedeniyle az C‟lu çeliklere göre serttirler, Süneklilikleri oldukça azdır, Kesilme ve işlenme kabiliyetleri kötüdür, Talaş kaldırma işlemine ancak yumuşatma (küreselleştirme) tavı sonrasında yatkınlık kazanırlar. Malzeme Bilimi Slaytları 6/29 1 Kimyasal bileĢimine göre Alaşımlı Çelikler : Sade C‟lu çeliklerin kullanım alanları sınırlıdır. Bunların derinliğine sertleşme, ve korozyona dayanım durumları iyi değildir. Bu özelliklere ulaşabilmek için çeliklere alaşım elemanı katılması gerekir. Çeliğe bazı alaşım elemanlarının katılması ile çeliğe çeşitli özellikler kazandırılır. Örneğin : çelikte sertleşme esnasında çatlama ve çarpılma azalır, derinliğine sertleşme sağlanır, korozyona dayanım artar,mukavemet özellikleri gelişir. Çeliklerde ez çok kullanılan alaşım elemanları şunlardır. Cr, Mn, Ni, W, V, Co, Cu, Al, Mg, Pb, Bi, Be, Sn, B, Si, Ti, Ta, Zr Çelikleri alaşım elemanı miktarına göre gruplara ayırmakta mümkündür. Eğer çelik yapısında %5‟ten daha az alaşım elemanı var ise; AZ ALAŞIMLI (HAFİF ALAŞIMLI) ÇELİKLER denir ki bunlar yüksek dayanım gösteren yapı ve imalat çelikleridir. Eğer çelik yapısında %5‟ten daha fazla alaşım elemanı var ise; YÜKSEK ALAŞIMLI ÇELİKLER denir ki bunlar paslanmaz çelikler, özel amaçlı takım çelikleri ve manyetik çeliklerdir. Malzeme Bilimi Slaytları Kalitelerine göre 2.a- TEMEL ÇELĠKLER: İstenen kaliteye ulaşmak için üretiminde özel önlem alınması gerekmeyen alaşımsız çeliklerdir. Bunlar gerilme giderme ve normalleştirme tavı gibi basit ısıl işlemler dışındaki ısıl işlemlere uygun değillerdir. Bu çeliklerin derin çekme, çekme, soğuk profil haddesi gibi belli imalat özelliklerinin olması istenemez. Standartlarda bu özellikler garanti edilmemiştir. Teknolojik nedenlerden dolayı katılması gerekmiş olan Si ve Mn oranları dışında alaşım elementleri içermeleri ayrıca istenemez. İnce saclar, teneke ve özel kromajlı ince saclar bu çeliklerden imal edilmemelidir. 2.b- KALĠTE ÇELĠKLERĠ: • Bu çeliklerin iç yapılarında belli ölçüleri aşmayacak kadar metalik olmayan kalıntılar (cüruf, mangan sülfür vb.) bulunabilir; olmaması da şartnameyle istenemez. • Her defasında iyi kaliteli bir ısıl işlem uygunluğu yoktur. • Gevrek kırılganlık, tane büyüklüğü, soğuk şekillenme kabiliyeti gibi özellikler bakımından temel çeliklere göre daha üstündürler. • Müsaade edilen P ve S oranları daha düşüktür (genelde ≤??? % 0,045 P,S). • "Temel çelikler" ve "soy çelikler" dışında kalan bütün çelikler bu gruptandır. • Kalite çelikler hem alaşımsız ve hem de alaşımlı türden olabilirler; alaşımsız kalite çelikler (UQS) ve alaşımlı kalite çelikler(LQS) 2.c- SOYÇELĠKLERĠ: • Isıl işlemler - bilhassa ıslah işlemi - için öngörülmüş olan, Isıl işlemlerde her defasında aynı özellikleri elde etmek mümkündür. Su verildiğinde dar toleranslar arasında sertlik değerleri önceden belirlenebilir. • İç yapılarında metalik olmayan kalıntıların en aza indirildiği temiz çeliklerdir. Gazları alınmıştır. • Alaşım durumlarına göre hem yüzeyde ve hem de derinliğine sertleşme yetenekleri çok iyidir. • Bu çeliklerin hemen hepsinin P ve S oranları % 0,035'in altındadır. • Geçiş sıcaklıkları düşüktür. • Çok sakin (FF) dökülmüşlerdir. • Hem alaşımsız soy çelikler (UES) ve hem de alaşımlı soy çelikler (LES) vardır. 7/29 Malzeme Bilimi Slaytları Mamul Ģekillerine göre 8/29 Kullanım alanlarına göre 3.a- YASSI ÇELĠKLER 4.a. YAPI ÇELĠKLERĠ Yassı çelik, genişliği kalınlığına oranla çok büyük olan, dikdörtgen kesitli çelik yarı mamullerine denir. Teknik ölçülerde yüzeyleri genelde düzdür. Desenli olarak üretilmiş olanları da vardır. Makine elemanlarının, aparatların, her tür sanayi aksamının, tüm inşaat sektörüne ait çelik tasarımların yapımında kullanılan çeliklerdir. Karbon oranları genelde alaşımsız olanlarda ≤??? % 0,6 C ve alaşımlı olanlarda ise ≤??? % 0,5 C alınır. Kullanım yerlerine göre pek çok alt grupları vardır. Rulman çeliklerini ve yay çeliklerini de yapı çeliği grubuna dahil etmek mümkündür. • • • • • • Levha (kalınlığı >3,0 mm), Geniş lama (genişliği >150 ≤1250 mm olan lama), Band (rulo olarak sarılmış), Sac (plakalar halinde boya kesilmiş), Şerit (hadde genişliği <600 mm), İnce sac (kalınlığı <0,50 mm) vb. gibi alt grupları vardır. 4.b. YAY ÇELĠKLERĠ Çeşitli kesitlerde olabilen yayların imalatında kullanılan çeliklerdir. Bu çeliklerin karbon oranları yapı çeliklerine göre daha yüksektir ve takım çeliklerinin karbon oranlarına göre de alt sıralardadır. “Akma sınırı/Çekme dayanımı” oranının yüksek ve elastisite modülünün kararlı olması gereken, su alabilen çeliklerdir. 3.b- UZUN ÇELĠKLER Uzunluğu boyunca kesiti aynı kalan ve kesiti yassı mamulden farklı olan çelik yarı mamulleridirler. Çubuk, tel, filmaşin, köşebent, lama, boru gibi çeşitli dolu ve boş profil kesitlidirler. Yüzeyleri genelde düzdür. İstisna olarak, nervürlü beton çeliği gibi uzun çelikler de vardır. 3.c- DĠĞER ġEKĠLLERDEKĠ ÇELĠKLER 4.c. TAKIM ÇELĠKLERĠ Çelikler de dahil tüm malzemeleri işlemede kullanılan aletlerin, yani takımların imalatında kullanılan çeliklerdir. Alaşımlı ve alaşımsız olabilirler. Hız çelikleri de bu gruptadır. Belirgin özellikleri yeterli sayılacak tokluğu yanında yüksek sertlik değerine sahip olmalarıdır. Bunların kısa çelikler olarak da tanımlanması mümkündür. Serbest ve kalıpta dövme işlemleri için kısa ve dolu parçalar, dökme çelikler, toz metalürjisi yöntemi için üretilmiş çelik tozlar ve sinterlenmiş çelik parçalar bu grubu teşkil eder. Malzeme Bilimi Slaytları 9/29 Malzeme Bilimi Slaytları Kullanım alanlarına göre 4.a. HIZ ÇELĠKLERĠ 10/29 Kullanım alanlarına göre 4.d. PASLANMAZ ÇELĠKLERĠ Yüksek kesme hızlarında çalışan takımların yapımında kullanılırlar.Bu çeliklerle takımlar yapıldığında hızlı kesme işlemi yapılabilir.Bu çeliklerle 50 m/dak. Hılzı kesme işlemleri yapılabilir.Kesici uç tavlama sıcaklığına kadar ısınsa bile kesmeye devam eder.600°C‟nin üzerinde menevişleme gözlenir.Hız çeliklerinin bileşimleri genellikle %0,6-0,8 C, %3-5 Cr, %14-20 W‟dan ibarettir. Bunların dışında yapılarında V,Mo,Co elementleri de bulunabilir.V seri çeliklerin kesme özelliklerini düzeltmek ve iyileştirmek, havada sertleşme özelliğini artırmak için katılır.Mo çeliği kırılgan yaparsa da çelik C tarafından korunur.Bu element (Mo) fazla aşındırıcı malzemelerin kesilmesine iyi gelir.Co daha yüksek ısıtma derecesi sağlayarak C‟un erimesini artırır.Hız çeliklerine ısıl işlem 1150-1350 °C gibi oldukça yüksek sıcaklıklarda yapılır.Parçalar önce özenle 850 °C‟ye ısıtılır,tane büyümesi ve oksitlenme engellenerek tavlama sıcaklığına ulaştırılırlar,sonra soğutma ve sertleştirme işlemleri yapılır.Soğutma havda ve yağda yapılır.Uzun süre yüksek sıcaklıklarda ısıtılmış hız çeliklerinin dış yüzeylerindeki yapı bozulur.Bu tabaka sertleşmez ve yumuşak kalır.Kullanılmadan önce Bu kısımlar tavlanarak sert kısımlar ortaya çıkartılır. Bunlar çevresel etkilere dayanıklı çeliklerdir.Bu özellikleri bileşimlerinde bulunan Cr‟dan ileri gelir.Paslanmanın dışında başka özelliklerinde istendiği durumlarda Cr‟la birlikte başka elementlerde katılmaktadır.Sertleşebilen paslanmaz çeliklerin bileşiminde %12-14 Cr bulunur.Manyetik yapıya ulaşabilmek için bünyede bir miktar C‟unda bulunması gerekir.Cr alaşımlı çeliklerin korozyona dayanıklılığı Cr‟un çelik yüzeyinde ince bir Cr-O (Kromoksit) oluşturmasından kaynaklanır.Bu tabaka Fe‟i dış etkilerden korur. 4.c. TAKIM ÇELĠKLERĠ Çelikler de dahil tüm malzemeleri işlemede kullanılan aletlerin, yani takımların imalatında kullanılan çeliklerdir. Alaşımlı ve alaşımsız olabilirler. Hız çelikleri de bu gruptadır. Belirgin özellikleri yeterli sayılacak tokluğu yanında yüksek sertlik değerine sahip olmalarıdır. Malzeme Bilimi Slaytları 11/29 Malzeme Bilimi Slaytları 12/29 2 Üretim yöntemlerine göre Çelikler 6. Dokusal durum ve metalografik yapılarına göre 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Burada ana kütleyi oluşturan yapı ne ise çeliğe adını bu yapı verir. Bu gruptaki çelikler: Bessemer ve Thomas çeliği. Siemens-Martin çeliği. Elektrik ark ve elektrik endüksiyon çeliği. Pota çeliği. Oksijenli konverter çeliği. Vakum çeliği. Puddel ve Kaldo çeliği • • • • • • • Ferritik çelikler Perlitik çelikler Ferritik-Perlitk çelikler Ostenitik çelikler Martenzitik çelikler Beynitik çelikler Ledeburitik çelikler 7. Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine Göre: Buradaki sınıflandırmada genel olarak çeliklerin mukavemet özelikleri ön plana çıkarılarak bir sınıflandırma • • • • Manyetik çelikler Isıya dayanıklı çelikler Korozyona dayanıklı çelikler Paslanmaz çelikler v.b. 13/29 Malzeme Bilimi Slaytları 14/29 Malzeme Bilimi Slaytları SertleĢme ortamına göre Burada yapılan sınıflandırmada mekanik özelliklerden en önemlilerinden bir olan sertleştirme işleminde kullanılan ortama göre bir sınıflandırma yapılmıştır. En çok kullanılan çelikler En Çok Kullanılan Seri Çelikler %C %Cr %W Su, Hava ve Yağ Çelikleri : Burada su,hava ve yağ kelimeleri ile o çelik için uygulanan kastedilir. Sade C‟lu çeliklerle bazı cins çelikler Ac3 ve Ac1 sıcaklıkları üzerinde uygun bir sıcaklıkta tavlandıktan sonra suda soğutulurlarsa sertleşirler.Aksi takdirde sertleşmezler.Bu nedenle böyle çeliklere su çelikleri adı verilmiştir. Örneğin : %1 C, %0,25 Mn‟lı çelik gibi,bu çelik ağaç matkapları,freze bıçakları,el keskisi,testere ve küçük makasların yapımında kullanılırlar.Bu çelik çok zor sertleşmektedir.Bu nedenle bu çelik suda su vermeyle sertleştirilirler. Yapılarında %1‟den fazla Mn bulunduran çeliklerle bazı özel alaşımlı çelikler aşırı soğutma hızlarına dayanamazlar ve çatlarlar.Bunu önlemek için bu tür çeliklere yağda su verilir. Örneğin : çatlama ve çarpılma dayanımı istenen takım ve kalıpların yapımında kullanılan %0,93 C,%1,2 Mn, %0,5 W, %0,5 Cr,%0,2 V‟lu yağ çeliklerini verebiliriz. Hava çelikleri denilince genellikle yüksek alaşımlı çelikler denir.Bu çeliklerin serleştirilmeleri çok iyi olup hava veya uygun bir gaz akımıyla soğutularak kolayca su verme işlemi yapılabilir. Aşınmaya dayanımları iyi değildir. Örneğin : %0,55C, %0,25 Mn, %2,5 W, %1,25 Cr, %0,5 V, %0,5 Mb‟li bir çelik hava çeliğidir. %V %Mo %Co Sertleşme ortamı ve Sıcaklığı 0,6 3-5 14 - - - Su ve yağda 1250 C Oldukça ucuzdur. 0,6 3-5 18 1 - - Hava ve yağda 1280 C Çok kullanılan bir tiptir. 0,7 4,5 17 1,5 - 4 Hava 1285 C Pahalıdır. 0,7 4,5 20 1 1 10 Hava 1300 C En sert malzeme olarak kullanılır. 1,3 4 14 4 0,5 - Hava 1250 C Sert malzeme olarak kullanılır. 0,8 4,5 6 1,5 6 - Yağ,Hava 1250 C Diğerlerinin yerine kullanılabilir. 15/29 Malzeme Bilimi Slaytları 16/29 Malzeme Bilimi Slaytları Standart gösterimler Standardizasyon Nedir? Düşünceler Standart gösterimler Çeşitli Ulusların Çelik Standardizasyonu (Normları) •Belirli biçim, • Ölçü, • Kalite, • Bileşim ve, • Şekillere bağlama anlamına gelir. Gelişmiş ve gelişmekte olan her ülke kendi bünyelerine uygun olarak çelik normları geliştirmişlerdir.Dolayısıyla Niçin Standardizasyon? normlar ülkeden ülkeye değişmektedir.Ayrıca bir ülkenin bünyesinde birden fazla normda olabilir.Ülkemizin uluslar arası normu TSE (Türk Standartları • Yapılan her üretimin aynı özellik ve benzerlikte olması teknikte en çok arzu Enstitüsü) normudur.Ayrıca ülkemizde MKE(Makine Kimya Endüstrisi) , Etinorm (Etibank edilen husustur. Normu) gibi normlarda mevcuttur. • Standardizasyon ile üretimin dışında yapılan kullanımlar sınırlanır ve bunların denetiminde kolaylıklar sağlar. ÜLKE ADI • Piyasada çeşit azalmasına yardım eder. Almanya DIN • Bugün üretimde standardizasyona girmeyen ürün yoktur Amerika AISI / SAE Fransa ANFOR • Çelikte bir endüstri ürünü olup standardizasyonu teknikte büyük önem taşır. • Çeliklerin normlaştırılmasında çeliğin kimyasal bileşimi, özellikleri NORM ADI Japonya JIS Rusya GOST ölçüde değiştirilebilir. Türkiye TSE • Bunun için çelikler kimyasal bileşimi esas alınarak normlaştırılır. Ġngiltere BS ve,bileşiminden hareket edilir. • Çeliklerin kalitesi ve özellikleri değişen çevresel şartlarla ve ısıl işlemlerle büyük • Çünkü her şartta değişmeyen tek değer çeliklerin kimyasal bileşimleridir. Malzeme Bilimi Slaytları 17/29 Malzeme Bilimi Slaytları 18/29 3 Standart gösterimler Standart gösterimler Ergitme ve Döküm Yöntemlerine Göre: Türk çelik Standardı (TSE-1111) 2.ERGĠTME VE DÖKÜM ġEKĠLLERĠNE GÖRE TÜRK STANDARTLARI Türk çelik standardı ilk bakışta fazla ayrıntılı görülse de gelişen endüstri ayrıntılı bilgi ve kavramlar ERGĠTME VE DÖKÜM ġEKLĠ gerektirdiğinden bu durum gelecek açısından sevindiricidir. Üretim Yöntemlerine Göre: TÜRK NORMU Sakin dökülmüĢ çelik S Yarı sakin dökülmüĢ çelik Sy Kaynar dökülmüĢ çelik K YaĢlanmayan çelik Y 1.ÇELĠK ÜRETĠM YÖNTEMLERĠNĠN TÜRK STANDARTLARI ÜRETĠM YÖNTEMĠ TÜRK NORMU Siemens–Martin Çeliği M Elektrik ark çeliği E Elektrik indüksiyon çeliği I SertleĢtirilmiĢ çelik Sr Oksijenli konverter çeliği O MeneviĢlenmiĢ çelik Me Isıl İşlem Türüne Göre: 3.ISIL ĠġLEMLER YÖNÜNDEN TÜRK STANDARDI ISIL ĠġLME TÜRÜ NormalleĢtirilmiĢ çelik Nr Gerilme-giderme tavı görmüĢ çelik Gt YumuĢatma tavı görmüĢ çelik Yt Bunların dıĢında Asidik özellikler A Bazik özellikler B 19/29 Malzeme Bilimi Slaytları TÜRK NORMU 20/29 Malzeme Bilimi Slaytları Çelik standart gösterime ait örnekler ALAŞIM ELEMENTLERİ Cr,Co,Ni,Si,W,Mn Özet olarak: 4 Al,Be,Cu,Mo,N,Ta,Ti,Zr,V 10 P,S,N,Ce,D 100 B 1000 Demir içerenler – Çelikler – Dökme demirler 20 Mn 5 % 0,2 C (20/100) , % 1,25 Mn (5/4) içeren alaşımlı çelik 25 Si Mn 7 % 0,25 C (25/100) , % 0,75 Si (7/4), az miktarda Mn içeren alaşımlı kalite çelik 15 Cr 3 % 0,15 C, % 0,75 Cr (3/4) içeren az alaşımlı asal çelik. HARFLER Çelik standart gösterime ait örnekler ÇARPIM FAKTÖRÜ TANIM Ck Genel amaçlı kaliteli karbon çelikleri( Düşük P ve S) Cm Kükürt miktarı belli sınırlar içerisinde olan ıslah edilebilir karbon çelikleri Cq Soğuk şekillendirilebilir karbon çelikleri Cf Alevle ve indüksiyonla yüzeyi sertleşebilir karbon çelikleri Cq 40 % 0,4 C içeren alaşımsız asal çelik. Cf 60 % 0,6 C içeren alaşımsız asal çelik. Ck 35 % 0,35 C içeren alaşımsız asal çelik. % 0,035 „den az S ve P içeriyor. Standart gösterimler AISI & SAE & St 10xx Sade Karbonlu çelikler 11xx Sade Karbonlu çelikler (ĠĢlenebilirlik için kükürt azaltılmıĢ) 15xx Mn (10 ~ 20%) 40xx Mo (0.20 ~ 0.30%) 43xx Ni (1.65 - 2.00%), Cr (0.4 - 0.90%), Mo (0.2 - 0.3%) 44xx Mo (0.5%) xx wt% C x 100 içeriğini gösterir. example: 1060 steel – plain carbon steel with 0.60 wt% C Paslanmaz çelikler -- >11% Cr X 8 Cr Ni 18 8 Yüksek alaşımlı çelik : % 0,08 C (8/100), % 18 Cr % 8 Ni X 10 Cr Ni Ti 18 9 2 Yüksek alaşımlı çelik% 0,1 C (1/100), % 18 Cr, % 9 Ni, % 2 Ti St 37 Minimum çekme mukavemeti 37 kp/mm2 olan yapı çeliği St 42.2 Minimum çekme mukavemeti 42 kp/mm2 olan 2. kalite yapı çeliği Malzeme Bilimi Slaytları 21/29 22/29 Malzeme Bilimi Slaytları Dökme demirler Dökme demirler Fe-C gerçek denge diyagramı Dökme demirler T(°C) 1600 Demir esaslı alaĢımlardır > 2.1 wt% C Yaygın kullanımı 3 - 4.5 wt%C Dökümü kolay olsun diye bu C içeriği kullanılır. Grafik aşağıdaki şartlara 1400 göre oluşur: • Si > 1 wt% Sementit ferrit ve grafit e ayrıĢır. Fe3C 3 Fe ( ) + C (grafit) • slow cooling Sıvı + Grafit 1153°C Ostenit 4.2 wt% C 1000 + Grafit Genellikle yavaĢ soğuma sonucu oluĢur. 800 740°C 600 400 (Fe) Malzeme Bilimi Slaytları L +L 1200 0.65 23/29 + Grafit 0 Malzeme Bilimi Slaytları 1 2 3 4 90 Co , wt% C 100 24/29 4 Dökme demirler Dökme demirler Dökme demir çeşitleri Beyaz dökme demir <1wt% Si Si içeriği nedeniyle sertlik yüksek fakat kırılgan değil Daha fazla sementit vardır Gri dökme demir Grafit parçacıklar (flake) Çekme altında kırılgan ve düĢük mukavemet Bası mukavemeti yüksek Mükemmel titreĢim sönümleme AĢınma direnci Ductile iron Mg yada Ce eklenir Grafit küresel haldedir Esas matriks perlit olup, sünekliği iyidir. Dövülebilir dökme demir 800-900ºC ısıl iĢlem görmüĢ Grafit yaprak Ģeklinde Daha sünek 25/29 Malzeme Bilimi Slaytları Malzeme Bilimi Slaytları Dökme demirler 26/29 Dökme demirler Demir alaşımlarının sınırlı kullanımı? 1) 2) 3) 27/29 Malzeme Bilimi Slaytları Nispeten düĢük mukavemet Nispeten düĢük iletkenlik Zayıf korozyon direnci Malzeme Bilimi Slaytları 28/29 Demir dıĢı metaller Demir dışı metaller • Cu alaşımları • Al alaşımları -düşük : 2.7g/cm3 Pirinç: Zn esas metal. (Takı olarak, madeni para, -Cu, Mg, Si, Mn, Zn eklenir Korozyon direnci) -çeökelme sertleşmesi ile muk. Bronz : Sn, Al, Si, Ni (uçak parçaları, hafiflik) içerir (burçlar, iniş takımı) Demir dışı • Mg alaşımları Cu-Be : düşük : 1.7g/cm3 Alaşımlar -çok Mukavemet için -kolay tutuşma Çökelme sertleşmesi -uçak, askeri amaçlı • Ti alaşımları • Refrakter malz. 4.5g/cm3 -Yüksek erime T çeliğin 7.9g/cm3 • Soy metaller -Nb, Mo, W, Ta -yüksek T de reaktif -Ag, Au, Pt -Uzay uygulamaları -Oks. ve kor. direnci -Düşük Malzeme Bilimi Slaytları 29/29 5 Korozyon KOROZYON Malzemelerin yapısı ve özellikleri çevre ile nasıl etkilenir? Nem Asit, baz UV ışınları Sıcaklık Deniz suyu 1 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyon Metallerin çevreleriyle yaptıkları kimyasal ve/veya elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu hasar görmeleri olayına korozyon denir. Reaksiyon türüne göre kimyasal ve elektrokimyasal olmak üzere iki çeşit korozyon türü vardır. Kimyasal korozyon metal ve alaşımların gaz ortamlar içerisinde oksitlemesidir (kuru korozyon). Elektrokimyasal korozyon ise sulu ortamlarda görülür. Gerçekte iki korozyon türünde mekanizması elektrokimyasaldır. 2/25 Korozyon Kimyasal korozyonun, nemli veya ıslak ortamın bulunamayacağı yüksekçe sıcaklarda, yani kuru ortamda oluşan korozyon olduğunu belirtmek gerekir. Hava veya diğer gaz ortamda olan bir korozyon türüdür. En yaygın örneği, yüksek sıcaklıklarda demir ve çelik malzemelerin yüzeyinde oluşan oksit (tufal) tabakalarıdır. Demir ve çelik malzemelerin paslanması ise bir ıslak korozyon türüdür, oluş mekanizması elektro kimyasal tabiatlıdır. Tufal: (FeO + Fe2O3 + Fe3O4) …………………. Kimyasal korozyon Pas : Fe(OH)3, (kurutulmuş ise: FeOOH) ……….Elektro kimyasal korozyon Hematit Magnetit FeO Çelik Al Capone gemisi 3/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Elektrokimyasal reaksiyonlar Anot: Korozyona uğrayan malzeme oksidayon – elektronları verir M →Mn+ + ne− Katot: Elektron dağıtım merkezi İndirgeme-elektron alır Mn+ + ne− → M 2e + 2H+ → H2 (Hidrojen gazı oluşur) Katot yüzeyinde hidrojenin indirgenmesi Elektronlar 4/25 Pil oluşumu Kuru pil, elektrik yüklü parçacıkların (iyonların) hareketine izin veren elektrolitle (sıvı), elektrik akımı iletebilen iki elektrottan oluşur. Elektrotların her ikisi de elektrolitlerle temas halindedir. Pilin elektrik enerjisi iletebilmesi için karbon çubuk ve çinko kabın iletkenlerle birleştirilmesi gerekir. Bu sistemde korozyon olabilmesi için hem katı yol (elektrotları birbirine bağlayan dış bağlantı) hemde sıvı yolda (elektrolit) elektrik iletimi olmalıdır. Katı yolda elektrik iletimi elektronlar vasıtasıyla olur. Elektronlar metal üzerindeki yüksek negatif yüklü bölgelerden düşük negatif yüklü bölgelere doğru tek yönlü hareket ederler. Bu hareket esnasında metal atomlarda bulunan + yüklü tanecikler hareketsidir. Yani elektrik iletilirken metal taşınımı olmaz ve kimyasal olayda meydana gelmez. İkinci durumda ise (sıvı yolda) elektrolitik iletkenlik denen olay gerçekleşir. Elektrik akımı burada elektrolit içindeki iyonlar vasıtasıyla gerçekleşir. Dış devre Anot e- akışı Elektron transferi Katot Anot Katot Korozyona uğrayan malzeme Elektron dağıtım merkezi Elektrolit Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/25 1 Korozyon miktarı Anodik-katodik korozyon Anodik Korozyon W: Korozyon oranı, kaybedilen malzeme miktarı Z: Elektrokimyasal potansiyel dizi sabiti I: Akım A: Anot yüzey alanı Prensip: anot, korozyona uğrayan taraftır. Anodik reaksiyon sonucu metal iyonları çözeltiye geçip metalbünyesini terk ederler. Böylece metal kaybı oluşur. Bu arada iyonlaşma sonucu atom gövdesinden ayrılarak açığa çıkan elektronlar metal bünyesinde kalır. Prensip: elektronlar elektrolite (yani çözeltiye) geçmez. M → M+ (metal iyonu) + e- (elektron) Katodik Reaksiyonlar: Anodik reaksiyonda geride kalan elektronların, katot yüzeyine gelen katyonlarca harcandığı, yani iyon gövdesine alındığı reaksiyonlardır. Metal yüzeyinden alınan elektron ile çözeltideki metal iyonları arasındaki reaksiyon: e- + M+ → M (Çözeltideki metal iyonlarının katotta çökelmesi) veya 2e- + 2 H+ → H2 (Katotta hidrojen gazının açığa çıkması) 7/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyon türleri • Gerilmeli korozyon Stress & corrosion • Üniform korozyon work together Oxidation & reduction occur uniformly over surface. at crack tips. • Taneler arası Corrosion along grain boundaries, often where special phases exist. g.b. prec. attacked zones Korozyon türleri Üniform Korozyon • Erozyon korozyonu Break down of passivating layer by erosion (pipe elbows). Metal yüzeyinde eşit kalınlıkta ve homojen dağılımlı olarak oluşur. En az korkulan korozyon türüdür. • Çukurcuk • Seçimli korozyon Preferred corrosion of one element/constituent (e.g., Zn from brass (Cu-Zn)). 8/25 Korozyon türleri • Galvanik Downward propagation of small pits & holes. Fig. 17.17, Callister 7e. (Fig. 17.17 from M.G. Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, 1986.) • Yorulmalı kor.. Dissimilar metals are physically joined. The • Aralık Between two more anodic one pieces of the same metal. corrodes.(see Table Rivet holes 17.2) Zn & Mg very anodic. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 9/25 Galvanik Korozyon Galvanik korozyon. Farklı malzemeler (Soyluluk sırası: Al, Fe ve Cu) yaş ortamlarda daha hızlı korozyona uğrarlar. Yani birbiriyle tema halinde olan olan farklı türden malzemelerin aynı ortamda korozyona uğramasıdır. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyon türleri 10/25 Korozyon türleri Çukurcuk Korozyon Galvanik Korozyon Çukurcuk Korozyon Metal yüzeyinde çok küçük bir bölgede çukur oluşarak meydana gelir. Metal kaybı azdır, fakat kısa zamanda malzeme kullanılmaz hale gelir. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 11/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 12/25 2 Korozyon türleri Korozyon türleri Aralık Korozyonu Seçimli Korozyon Makine parçalarının montajında kesinlikle yok edilemeyen dar bölgeler ve aralıklar içerisinde başlar. Cıvata yerine kaynak kullanmak sorunu çözer. Alaşımlarda belirli bir metal veya faz üzerinde yoğunluşarak öncelikle çözünmelerini sağlayan korozyon türüdür. Tanelerarası Korozyon Taneler arasında ortaya çıkan korozyon türüdür. 13/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 14/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyon türleri Gerilmeli Korozyon Korozyon türleri Yorulmalı Korozyon Gerilme ile korozyonun aynı zamanda malzemeye etkidiği korozyon türüdür. Metalde bulunan dış ve iç çeki gerilmeleri, herhangi bir şekilde ortaya çıkan çatlak başlangıcını korozif ortamda hızla daha büyük çatlak oluşumuna , yani çatlağın ilerlemesine götürür ve sonunda malzeme kırılır. Çeki gerilmeleri altında ve korozyon takviyeli gerçekleşen bu tür kırılmaların çatlağı genelde tane sınırlarını takip etmez Periyodik olarak yön değiştiren gerilmelerin korozif ortamlarda yol açtıkları hasardır. kazımalı Erozyonlu Korozyon Malzeme yüzeyi ile ortam arasındaki bağıl hızın yüksek değerlere ulaştığı sistemlerde görülen korozyondur. Korozif çözeltilerin metal yüzeyinden hızla akması halinde korozyonun yanında erozyon oluşur. Buradaki ene önemli faktör akışkan hızıdır. 15/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 16/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyon türleri Korozyondan korunma yöntemleri Erozyonlu Korozyon 1. Uygun Tasarım • Galvanik hücre oluşumunu engellemek • Anot alanını katottan büyük yapmak • Sıvı sistemlerde daha çok kapalı hazuz yapmak • Monte edilen ve bağlanan parçalarda aralık oluşumundan kaçmak 2. Uygun Malzeme Seçimi 3. İnhibitör Uygulamaları 4. Katodik Korumalar 5. Anodik Koruma ve pasifleşme kavitasyon Filiform Korozyon Kaplama altı korozyonudur. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 17/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 18/25 3 Korozyondan korunma Korozyondan korunma Uygun tasarım Kağıt üzerinde yapılan gerekli değişiklikler, Mümkün olduğunca tek tip metalin kullanılması fiziksel (ısıl genleşme, elastisite modülü gibi) ve kimyasal (galvanik pil oluşumu gibi) problemleri azaltır. Konstrüktif olarak aralıkların yok edilmesi, farklı metaller kullanılması zorunluğu olması halinde bunların birbirlerine karşı yalıtılması, kavitasyonu ve diğer aşınmaları önleyici uygulamalar, gerilmeli korozyon nedeni olabilecek çekme gerilmeleri ve asitli ortam yönünden alınabilecek önlemler tasarım aşamasında etkili olarak gerçekleştirilebilir. Önlenemeyen korozyonun daha tasarımdayken malzeme kalınlığına verilecek bir korozyon payı gibi ilaveyle düşünülmesi yine bu aşamada yapılır. Katodik veya anodik koruma gerektiren durumlarda gerekli bağlantı yerleri bu aşamada ön görülmelidir. Elektrik geçmeyecek şekilde tasarım Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 19/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyondan korunma 20/25 Korozyondan korunma Katodik Koruma Uygun Malzeme Seçimi Malzemenin çalıştığı ortama dayanıklı olması, malzemenin kendinin ve de ortamın zarar görmemesi bakımından ilk akla gelen önlemdir. Birbirleriyle temas halindeki metallerin, galvanik dizide (elektro kimyasal potansiyel dizi) birbirlerinden çok uzak olmaması gerekir. Bu durumun zorunlu olduğu yerde iki metalin birbiriyle elektrik kontağı olmayacak hassasiyette yalıtılması gerekir. Malzeme seçimi esaslarında korozyon yönü, diğer kriterlerle beraber düşünülmesi gereken bir husustur. Mekanik zorlamalar, ekonomik koşullar veya teknolojik imkanlar malzeme seçimini ideal bir şekilde gerçekleştirmeyebilir. Fakat bilinçli olarak bütün teknik olanakların irdelenmesi ve sonuç olarak başka imkanın kalmadığı ve seçimin ancak böyle yapılabildiği inancına varılmalıdır. -Kurban Anot Metali korozyona karşı koruyabilmek için, onun katot yapılması yeterli olur. Anot için de onun işlevini görecek, fakat çözeltiye geçmesi, yani korozyona uğraması göze alınan bir diğer metal ön görülmek zorundadır. Bu kontrollü olarak gözden çıkarılan metallere (Zn, Mg, Al alaşımları) kurban anot adı uygun görülmüştür. Kurban anodun görevi, kendi iyonlarının çözeltiye geçmesiyle zenginleşen elektronlarını bir kablo üzerinden korunacak metale vermesi ve onun çözeltiye iyon vermemesini sağlaması şeklindedir. Kurban anot bizzat korozyona uğrayacağı ve tükeneceği için zamanla yenilenmesi ve takip edilmesi gereklidir. İnhibitör Kullanımı İnhibitör, elektrolite (ortam) karıştırılarak korozyonun önlenmesi veya azaltılması gerçekleştirilen katı veya sıvı maddelerdir. Organik veya inorganik kökenli olabilirler. Ortamla metal arasında molekül kalınlığında bir nevi yalıtkan tabaka oluştururlar ve anotta iyon değişimini, katotta elektron değişimini engellerler. Metal yüzeyini kapatmaları adsorbtif veya kemosorbtif niteliktedir. Metalin inhibitörlerce etkili olarak kapatılabilmesi için yüzeyinin metalik olarak temiz olması; pas, kir, yağ vs. gibi maddelerden arındırılmış olması şartı vardır. Her inhibitör, her metal ve her ortam için uygun değildir İnhibitör oranı da korumada etkili bir parametredir. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 21/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Korozyondan korunma 22/25 Korozyondan korunma Katodik Koruma Anodik Koruma -Yabancı akım Kurban anottan katoda gelen elektronların bir doğru akım elektrik kaynağından temin edilmesi esasına dayanır. Bu durumda katot olarak devreye sokulan malzemeye yabancı akım kaynağı vasıtasıyla kontrollü olarak elektron (amper) verilir ve çözeltiye geçememesi sağlanır. Yabancı akım yöntemiyle katodik koruma işlemleri daha profesyonelcedir ve gelişmiş sanayilerde yaygın olarak uygulanır. Bütün yeraltı boru hatları (içme suyu şebekeleri, petrol ve doğal gaz boru hatları vs), toprak altı depolar ve diğer toprak ve denizaltı aparatlar hep bu yöntemle korunur. Bu iki katodik koruma yöntemi (aktif koruma) de, yüzeyleri boyanmış ve yalıtılmış metallere takviye olarak uygulanır (pasif koruma), yoksa akım gereksinimi (veya kurban anot gereksinimi) büyük boyutlara ulaşır ve çok pahalı olur. Anodik korumanın esası, oksitlenerek (yükseltgenme) korozyon ürünü oluşturan ve bu nedenle de pasifleşebilen metallerin (özellikle paslanmaz çelikler) pasifleşmesini garantiye almakta yatar. Pasifleşebilen metal sıfatını almış metaller, her ortamda aynı özelliği taşımazlar. Kendilerinde oluşan korozyon potansiyeline göre aktif oldukları gerilimler ve pasif oldukları gerilim bölgeleri vardır. Bu gerilim bölgelerinin bazı kısımları delik korozyonunu teşvik edici etki yapar. Hatta yüksekçe sayılabilecek polarizasyonlarda (paslanmaz çeliklerde örneğin > 1,0 V) hızlı bir korozyon olayı başlar. Burada korunacak malzemenin en uygun anodik potansiyelde tutulması esası vardır. Bu potansiyel bazı paslanmaz çelikler ve ortamı için örneğin 200 - 300 mV gibi olabilir. Böylece korunacak malzeme sürekli olarak pasif bölgede tutulur ve kendi kendini koruması sağlanır. Gemi içindeki balast tanklarının (deniz suyu doldurulup yük dengesinin sağlandığı tanklar) yabancı akımla ve gemi gövdesinin kurban anotla korunması. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 23/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 24/25 4 Oksidasyon Malzemenin veya daha uygun bir deyişle metalin bulunduğu ortamın elektriği iletmeme durumunda karşılaşılmaktadır. Kuru gaz ortamında metallerin oksitlenmesi veya elektrolitik özelliği bulunmayan sıvılarda çözünmesi gibi olaylar bu tip korozyona örnektir. Yüzeyde oluşan bir oksidin koruyucu olup olmadığını anlamak için Pilling-Bedowd oranına bakılır. Bu oran RP-B=M.d/a.m.D Burada M, oksitin molekül ağırlığı, d metalin özgül ağırlığı, D oksitin özgül ağırlığı, m metalin özgün ağırlığı ve a oksit içindeki metal atom sayısıdır. P-B Oranı< 1 yetersiz oksit tabakası metali kaplayamaz ve bundan dolayı metal korunmaz. (Na, K, Li gibi) 1 < P-B Oranı <1.5 İnce oksit tabakası metali mükenmmel bir şekilde korur ve oksidasyonun ilerlemesine izin vermez (Ti, Al, Cr gibi) P-B Oranı>1.5 Kalın oksit tabakası gevrek şeklide kırılı ve oksidasyonun hızla devam etmesine sebep olur. (Fe, V, W gibi) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 25/25 5 9/29/2011 Hidrojen Gevrekliği Doç. Dr. Akgün ALSARAN Basınçlı hidrojen tankının hidrojen destekli yorulması; Maliyet $50M [email protected] 2/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi - Temel Mekanizma σ σ Çatlak ucu H2(gaz) H2(gas) Ayrışan kimyasal soğurma Fiziksel soğurma (adsorsiyonu) σ σ Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 3/28 4/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi - Ayrışma Teorisi σ σ σ σmax Hidrojen Difüzyonu H2(gaz) H2(gaz) σ Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi x σ 5/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/28 1 9/29/2011 Çatlak Doğrultusu Bir korozyon çukurunda başlayan hidrojen çatlağı Klivaj kırılma, hidrojen klivaj için kritik çekme gerilmesini azaltır. Gerilme seviyesinini bir fonksiyonu olarak hidrojen gevrekliğinini şematik gösterimi; a) Yüksek K seviyesinde mikroboşlukların birleşmesi, b) Orta K seviyesinde quasiklivaj mekanizmasıyla transgranüler kırılma c) Düşük K seviyesinde intergranüler kırılma Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi • 7/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 9/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 8/28 8/28 Azalan yüzey enerjisi teorisi – Hidrojenin absorsiyonu metalin serbest yüzey enerjisini azaltır. – Çatlak ucunun ilerlemesi artar. Düzlem basınç teorisi – Katılaşma esnasında metal hidrojenle yüklendiği zaman oluşur – Yüksek basınçlı hidrojen mikroboşluklar oluşturur. – Aynı mekanizma hidrojenle kabarcık oluşmunda geçerlidir. • • Genel eğilimler – Azalan gerinme hızı ile kırılganlık eğilimi artar. – Oda sıcaklığında daha çok görülür – Artan sıcaklıkla kırılganlık eğilimi azalır. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 10/28 Kabarcık Oluşturan Hidrojen - Temel Mekanizma H2(gaz) H2(gas) Fiziksel absorpsiyon Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Ayrışan kimyasal absorpsiyon 11/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 12/28 12/28 2 9/29/2011 Metal içerisine hidrojen absorbe olduğu zaman, iç kısımlara difüze olur ve moleküler hidrojen gibi çökelir. Çatlak metalin altında olduğunda, metalin üst yüzeyi kamburlaşır. Çoğu zaman düşük mukavemetli alaşımlarda ve metallerde görülür. H2(gas) H2(gaz) Hidrojen difüzyonu Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kabarcık oluşumu 13/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 14/28 İç Kısımlarda Hidrojenin Çökelmesi • İşlem esnasında sıcak metal… • Hidrojen yüksek sıcaklıklarda difüze olur • Metal soğur ….. Hidrojen hapsolur! Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 15/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 16/28 17/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 18/28 • İşlem esnasında sıcak metal… • Vakum altında uzun süreli tavlama… • Çözünürlük azalırken hidrojen difüze olabilir. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 3 9/29/2011 Hidrojen Atağı Metan baloncuklar tane sınırlarında oluşur. Hidrojen metan oluşturmak için karbürlerle reaksiyona girer. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 19/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 20/28 Çatlak oluşturmak için baloncuklar birleşir. Tane sınırlarında dekarbürizasyon, tane sınırlarında çatlaklar ve gömülmüş metan baloncuklar sebep olur. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 21/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 22/28 Çatlak Oluşturan Hidrür (Hidrojenle diğer bir unsurun birleşimi) Ti Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 23/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 24/28 4 9/29/2011 Ti Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Ti 25/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 26/28 Ti Titanyum boru, 5 yıllık çalışma sonrası hasar uğramış Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 27/28 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 28/28 5 9/29/2011 Aşınma Doç. Dr. Akgün ALSARAN [email protected] Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Debri 3/15 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 2/15 Ayrılma ve debrilerin yeniden yapışması Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 4/15 Aşınmanın başlangıcı Aşınmanın sonu •Yüzeyde çatlama başlıyor •Son durumda, yüzey eriyor ve temas alanı genişliyor Kesici takımda krater şeklinde oluşan aşınma Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/15 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/15 1 9/29/2011 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 7/15 8/15 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Aşınma kanallarını oluşması (iv) a Temas 2 boyutlu aşınma yüzeyleri Oksit Film 2 boyutlu aşınma (iv) b Aşınma sonucu oksit film oluşumu Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 9/15 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Normal aşınma gösteriyor (düz yüzey), aşınma artışına ince partiküller sebep olmuş olabilir (yağdan) Yatak yüzeylerindeki çizikler nedeniyle tipik partikül aşınması. 10/15 Yatak ve boşluk arasına Yağ eksikliği nedeniyle sıkışmış partiküller çarpılma aşınma. Mavimsi renk genel oluşturabilir. Partiküller belirtisidir. gömülmüş Yataklarda meydana gelen hasarlar Kavitasyon Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 11/15 Kavitasyon, gömülü bir çok debri Yağ eksikliği Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 12/15 2 9/29/2011 Dişli dişinin yakından görünümü. Diş üzerinde bir çok çukurcuk oluşmuş. Dişli çalışırken dişler aşırı temas gerilmesine maruz kaldığında oluşur. Sertleştirilmemiş dişlilerde, çukurcuklar hareketteki eğme gibi oluşur. Dişiller çalıştıktan birkaç yüz saat sonra oluşur. Dişli dişlerinden parçacık kopması, genellikle sertleşme derinliği az olduğunda görülür. Ayrıca dişler arasında yağlamanın da yeterli olmaması yüksek sıcaklığa neden olur ve böylece parçacıklar kopar. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 13/15 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 14/15 Yağ kirliliği nedeniyle abrazif aşınma. Yağın içerisinde yabancı parçaların bulunması sonucu dişlere yapışıp abrazif aşınma meydana getirir. Dişlide su verme çatlağı İmalat esnasında oluşan çatlak Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 15/15 3 29.09.2011 Seramikler Seramik, sert, kırılgan, yüksek ergime derecesine sahip, düşük elektrik ve ısı iletimi ile iyi kimyasal ve ısı kararlılığı olan ve yüksek basma dayanımı gösteren malzemelerdir. Malzeme özellikleri bağ yapıları ile ilgilidir. ZnS (zincblende) Seramikler Adapted from Fig. 12.4, Callister 7e. CaF2: large SiC: small NaCl (sodium chloride) Adapted from Fig. 12.2, Callister 7e. CsCl (cesium chloride) Adapted from Fig. 12.3, Callister 7e. 2/10 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Seramikler 1. Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, 2. Yüksek kimyasal kararlılık, 3. Sertlikleri, çok sert olabilmeleri, 4. Metallerden hafif olmaları ( % 40 ‘a varan hafiflik), 5. Hammade kaynağının bol ve metallere göre ucuz olması, 6. Pahalı ve stratejik metallere gerek duyulmaması, 7. Erozyon ve aşınmaya dayanıklı olmaları, 8. Oksitlenmeye dirençli olmaları, 9. Sürtünme katsayısının düşük olması, 10.Basma kuvvetinin yüksek olması. Seramik insanların kullandığı en eski gereçlerden biridir. Yüzyıllar boyunca, özellikle kab-kacak yapımında seramiğin üstün niteliğinden yararlanılmıştır. Hammadde bolluğu, kolay işlenebilme, basit imalat, nispeten düşük maliyet, kullanma rahatlığı v.b. nedenler ile sertliği, sıcağa dayanıklılığının kırılganlık yanındaki olumlu etkileri kullanım alanlarını önemli kılmaktadır. Günümüzde seramik ailesi, klasik seramiklerin niteliklerini taşımakla beraber, yeni mekanik yetenekler edinmiş olan teknik seramikleri de kapsamaktadır. Bugün seramiğin ısıl sanayi seramikleri, yapısal seramikler ya da ince seramikler gibi çeşitleri de bulunmaktadır. Tüm bur türlerde; ana madde mineral kökenlidir ve toz halinde işlenir, eşyaya son şeklini vermek için sıkıştırma ve pişirme gibi iki aşamalı bir işlem uygulanır. İstenmeyen özellik gevreklik Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Seramikler 3/10 Seramikler Seramikler, 3’e ayrılır. 4/10 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Seramikler Seramiklerin mekanik özellikleri 1. Gevrek kırılma: Seramikler sahip oldukları bağ yapıları (kovalent-iyonik) nedeniyle plastik şekil vermeleri kötüdür, gevrek davranış gösterirler. Basma dayanımları çekmeden iyidir. Çünkü üretim esnasında oluşan boşluk ve düzensizlikler çentik etkisi yapar. Seramik türü malzemeler çok sert olduklarından çekme testi uygulamak zordur. Çünkü çeneler sert malzemeleri tutamaz. Bu nedenle üç noktadan eğme testi uygulanır. kesit L/2 d F L/2 R b Dikd. daire Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/10 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi d = sehim 6/10 1 29.09.2011 Seramikler 2. Statik yorulma: Seramikler 5. Vizkoz akış: Zorlama kimyasal yolla gerçekleşir. Özellikle sıvı ortamda ve oda sıcaklığında görülür. Su molekülü ile Si-O-Si molekülü etkileşerek Si-O-H bağları oluşturmakta ve camın ağ yapısına zarar vermektedir. 3. Sürünme Seramiklerin ergime sıcaklıkları yüksek olduğu için sürünme dayanımları yüksektir. Ana mekanizma tane sınırı kaymasıdır. Camsı seramik yapı Tc kristalleşme sıcaklığının altında gibi davranır. Camları yüksek sıcaklıkta gösterdiği vizkos akış nedeniyle ato cam üretimi yapılmaktadır. Te sıcaklığında atomlararası kuvvetli bağlar oluşmaya başlar, kısmen zayıf bağlı atomlar bağıl hareket ederek ve ısıl büzülmeye ek olarak hacimce azalma olur. Tc sıcaklığında atomlar arası kuvvetli bağların oluşumu tamamlanır. Katılaşırken bu tür hacim-sıcaklık değişimi gösteren malzemelere cam denir. Camsı seramik Aşırı soğutulmuş sıvı Özgül hacim Kristal seramik 4. Isıl şok Seramikler ısıyı kötü ilettikleri için görülür. Isıl genleşme farklılıkları kırılmalara sebep olur. Sıcaklık Te Tc Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 7/10 8/10 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Seramikler Seramikler uygulamaları Kalıp Seramiklerin optik özellikleri kalıp Ao Ad kalıp 1. Kırılma indeksi çekme kuvveti Kırılma indeksi büyüdükçe camlar daha parlak görülür. 2. Yansıma özelliği Cama eğik gelen ışınların hepsi kırılmaz, bazıları geri yansır. Burada geliş ve yansıma açıları eşittir. Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission. 3. Saydamlık Seramiğin bulundurduğu poroziteler tamamen elimine edildiğinde şeffaflık ortaya çıkar. Petrol çıkarma bıçaklar Tek kristal kaplı elmas 4. Opaklık Ca2+ Şeffaflığın tersidir. Seramik içerisinde gözenek bulunduğu durumlarda öoklu yansıma olur ve saçılan ışınlar görüntüyü diüer tarafa yansıtmaz. Bir matrik içinde çok kritalli elmas 5. Renk Cam içinde bazı dalga boyunda ışınlar absorblayabilir. Bu nedenle cam renkli görülebilir. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 9/10 Photos courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission. Kesici takım Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Sensör 10/10 2 9/29/2011 Polimerler Polimer malzemeler, karbonun H, O, OH, Cl gibi element veya iyonlarla kovalent bağ karakterinde yaptığı bileşiklere ait zincir moleküllerin Vander Walls bağları ile birarada bulunması sonucu oluşan malzemeye denir. Genelde molekülün zincir halinde uzaması polimerizasyon olarak isimlendirilir. Polimerler Poly mer çok tekrar (doymamış molekül) tekrar tekrar H H H H H H C C C C C C H H H H H H H H H H H H C C C C C C H Cl H Cl H Cl tekrar Polyethylene (PE) Polyvinyl chloride (PVC) H C H H H C C CH3 H H H C C CH3 H H C CH3 Polypropylene (PP) Adapted from Fig. 14.2, Callister 7e. 2/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler Doğal polimerler Yün Pamuk Deri Polimerler kompozisyonu – Kauçuk – Yün Çoğu polimer hidrokarbondur. –H ve C oluşmuş Doymuş hidrokarbonlar – İpek Bilinen en eski polimerler Inkalar tarafından kullanılan kauçuk toplar Her bir C dört diğer atoma bağlı H H H C H C H H CnH2n+2 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 3/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler 4/25 Polimerler Doymamış hidrokarbonlar Nispeten ikili veya üçlü bağlar, yeni bağlar oluşabilir İkili bağ– etilen- CnH2n H H C C H H 4-bağ, fakat 3 tanesi C a bağlı Üçlü bağ – asetilen- CnH2n-2 H C C H Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/25 1 9/29/2011 Polimerizasyon Polimerizasyon Kopolimerizasyon Etilen monomer molekülü basınç, ısı veya katalizör yardımıyla çift bağının bir tanesi parçalanır ve mer oluşur. Merler birbirine eklenerek polimerizasyon oluşturur. Reaksiyon sonucu oluşan ürüne polimer denir. Bu tür reaksiyonlarda en önemli nokta merlerin aynı tür moleküle sahip olmalarıdır. Bu tür reaksiyonlarda herhangi bir yan ürün çıkmaz Zincir oluşumunda birden fazla merin tekrarlı bir şekilde biraraya gelmesi ile oluşur. rasgele değişken blok Farklı hat Poliadisyon (Çoklu ekleme) Reaksiyonun başlaması için bir başlatıcı elemente veya moleküle ihtiyaç vardır. Polikondassasyon Farklı moleküle sahip merler yan ürün vererek meydana gelir. Örnek olarak dimetil terefitalat molekülü ile etil alkol molekülünün reaksiyonu sonucu polietilen terefitalat oluşumu 7/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler Tek kristal Kristalin bölge Hızlı Orta Yavaş Polimerler Polimer kristallerinin oluşumu Polimerler yapısal olarak; 1. Camsı (amorf) 2. Kristal – nadiren görülür. Özellikle molekülün karmaşıklı ve soğuma hızı arttığında kristal yapı oluşumu engellenir. 3. Camsı kristal Terg 8/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Spherulite surface Süre Kristal amorf Nucleation site Adapted from Fig. 14.13, Callister 7e. Amorf bölge 9/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler türler Termoplastikler 10 10/25 Polimerler türler Termoset plastikler • Isı etkisiyle yumuşayabililer • Isı etkisiyle yanarak kömürleşir, dolayısıyla yeniden şekillendirilemezler • Polimerizasyon reaksiyonu ile imal edilirler • Genelde polikondasasyon ile üretilir, yan ürün verirler • Daha çok lineer yapı özelliği gösterirler • Molekül zincirleri ağ yapısında bulunur, • Sıcaklık artışıyla viskoz sıvı sonunda durumuna geçerler • Camlaşma sıcaklığını altında ve üstünde gevrekleşirler • Camlaşma sıcaklığının altında çok gevrek davranırlar • Daha çok kompozit üretiminde kullanılırlar • Sürtünme katsayıları düşüktür • Epoksi, polyester, bakalit gibi • Pres enjeksiyon, haddeleme, ekstrüzyon gibi imalat yöntemlerine uygundur Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 11/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 12/25 2 9/29/2011 Polimerler Polimerler türler Mekanik özellikler Elastomerler • Çok yüksek elastikiyet gösterirler • Doğal kauçuk ve lateks gibi • Vulkanizasyon yardımıyla molekül zincirleri arasında çapraz bağ oluşturulur ve lastik içinde üretilerek dayanımı artırılır • Silikon lastik gibi σ σ ε ε Termoset Termoplastik (T>Tc) Termoplastik (T≤Tc) 13/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 14/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler Polimerler Çekme özellikeri: gevrek & plastik Mekanik özellikler Lifli structure (MPa) Hasar bölgesi x Gevrek kırılma Gevrek polimer Hasar bölgesi boyun oluşumu FS of polymer ca. Metalin 10% u x Kalıcı hasar başlangıç Yüksüz/yeniden yüklenmiş plastic elastomer elastik modul – metalden düşük Aynı hıza, network Çapraz oluşumu bağlı- Kristalin bölge kayma yarıkristalin yapı Adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Şekil değiştirme > 1000% olabilir (metaller için, maksimum şekil değiştirme. 10% yada daha az) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kristalin bölge Aynı hızda 15/25 Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Inset figures along plastic response curve adapted from Figs. 15.12 & 15.13, Callister 7e. (Figs. 15.12 & 15.13 are from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, PrenticeHall, Inc., 1974, pp. 500-501.) 16/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler Polimerler Çekme eğrisi ile ilgili detaylar Termosetler her sıcaklıkta gevrek davranış gösterirler. Bu davranış termoplastikler için Tc nin altında geçerlidir. Termoplastiklerin elastisite modülü başlangıçta doğrusal kısmın eğimi olarak hesaplanır. Malzeme akmaya uğradıktan sonra kesit daralır, moleküller düz hale gelir ve birbirine yaklaşır. Bu durumda Van der Walls bağları etkisini artırır ve molekül zincirleri birbirlerine daha sıkı bağlanır. Bu dayanımda artış oluşturur. Malzemenin ulaştığı en yüksek gerilmede kopma olur. Buna çekme dayanımı denir ve genelde kopma uzaması değeri ile verilir. Polimerler deformasyon hızına duyarlıdır, artıkça artar. Bu nedenle çekme deneyler standart hızda yapılır. amorf bölgeler uzamış (MPa) x Gevrek kırılma x Plastik hasar elastomer Adapted from Fig. 15.13, Callister 7e. (Fig. 15.13 is from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, Prentice-Hall, Inc., 1974, pp. 500-501.) 17/25 x son: zincirler uzamış başlangıç: amorf zincirler aynı yönde uzar. Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Inset figures along elastomer curve (green) adapted from Fig. 15.15, Callister 7e. (Fig. 15.15 is from Z.D. Jastrzebski, The Nature and Properties of Engineering Materials, 3rd ed., John Wiley and Sons, 1987.) Deformasyon tersinirdir Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 18/25 3 9/29/2011 Polimerler Polimerler kırılması T and şekil değiştirme: Thermoplastik (MPa) • Azalan T... -- artar E -- artar TS -- azalır %EL 80 60 • artan şekil değiştirme hızı -- artar E -- artar TS -- azalır %EL Yönlenmiş zincirler 4°C 20°C 40 polimer: PMMA (Plexiglas) 40°C 20 60°C . 0 0 0.1 0.2 to 1.3 Lifli köprüler 0.3 mikroboşluklar çatlak Adapted from Fig. 15.3, Callister 7e. (Fig. 15.3 is from T.S. Carswell and J.K. Nason, 'Effect of Environmental Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1944.) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Adapted from Fig. 15.9, Callister 7e. 19/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler 20/25 Polimerler Plastik enjeksiyon Basma ve eriyik transferi Termoplastik yada termoset Enjeksiyon termoplastik & bazı termoset Adapted from Fig. 15.24, Callister 7e. (Fig. 15.24 is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 2nd edition, John Wiley & Sons, 1971. ) Adapted from Fig. 15.23, Callister 7e. (Fig. 15.23 is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 3rd ed., John Wiley & Sons, 1984. ) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 21/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Polimerler Polimerler Üfleme Plastik ekstrüzyon Adapted from Fig. 15.25, Callister 7e. (Fig. 15.25 is from Encyclopædia Britannica, 1997.) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 22/25 Adapted from Fig. 15.26, Callister 7e. (Fig. 15.26 is from Encyclopædia Britannica, 1997.) 23/25 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 24/25 4 9/29/2011 Polimerler İleri polimerler Ultra yüksek molekül ağırlıklı polyetilen (UHMWPE) Moleküler ağırlık ca. 4 x 106 g/mol Mükemmel özellikler UHMWPE Golf topu dışı, kalça protezi, etc. Adapted from chapteropening photograph, Chapter 22, Callister 7e. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 25/25 5 29.09.2011 Kompozitler İki veya daha fazla malzeme grubuna ait malzemelerin bir araya getirilerek daha üstün özellikli malzeme oluşturulmasıdır. Cam takviyeli plastikler, beton, araba lastiği gibi örnekler verilebilir. Kompozit malzemeler matriks ve takviye olmak üzere iki bileşenden oluşur. matris: (Mo) (sünek) woven fibers Kompozitler 0.5 mm 2 m fiber: ’ (Ni3Al) (kırılgan) cross section view 0.5 mm 2/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kompozitler • • Hafiflik: Polimer kompozitler genelde 1,5 – 2 gr / cm3 yoğunluğundadır. Metal kompozitler, 2,5 – 4,5 gr / cm3 olmakla beraber özellerde sıçrama görülebilir. Seramik kompozitler ise ikisi arasındadır. • Matris: -- Sürekli fazdır -- Amaç Rijitlik Ve Boyut Kararsızlığı: Genleşme katsayıları nispeten düşük olup sert, sağlam bir yapı ve büyük bir boyut kararlılığı gösterir. • Yüksek Mekanik Özellikler: Çekme, basma, darbe, yorulma dayanımları çok yüksektir. • Yüksek Kimyasal Direnç: Kompozitler birçok kimyasal maddelere, bu arada asitler, alkaliler, çözücüler ve açık hava şartlarına karşı son derece direnç gösterirler. Kimya tesisleri için çok kullanılan malzemelerdir. • Yüksek Isı Dayanımı: Kompozitlerin ısı dayanımı sıradan plastiklere göre yüksektir. • Elektriksel Özellikler: Elektriksel özellikler kompozitlerde isteğe göre ayarlanabilir. Metal Matrisli Birleşik Malzemeler (MMC)'ler iletkendir. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kompozitler 3/14 - Diğer fazlara gerilme transferi - Çevreden fazları korumak -- Sınıflandırma: MMC, CMC, PMC metal seramik polimer Genelde kompozit malzemeler dayanımlarını sert ve nispeten gevrek olan takviye bileşeninden alırken matris bileşeni takviye elemanlarını bir arada tutmaya yaramakta olup yapıya tokluk ve süneklik kazandırır. • Takviye: -- Amaç: matris özelliklerini iyileştirmek. MMC: artırır- y, sürünme direnci. CMC: artırır Kc PMC: artırır E, y, sürünme direnci. -- Sınıflandırma: partikül, fiber, yapısal 4/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kompozitler Parçacık takviyeli kompozitler • Örnekler: - Küresel çelik matris: ferrit ( ) (sünek) 60 m - Otomobil lastiği matris: kauçuk (yumuşak) - WC/Co sementit karbür matris: cobalt (sünek) Vm : 10-15 vol%! takviye: sementit (Fe3 C) (kırılgan) takviye: C (rijitleyici) Adapted from Fig. 10.19, Callister 7e. (Fig. 10.19 is copyright United States Steel Corporation, 1971.) Adapted from Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) 0.75 m Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/14 takviye: WC (kırılgan, sert) Adapted from Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.) 600 m Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/14 1 29.09.2011 Elyaf takviyeli kompozitler • Elyaf takviyeli kompozitler Elyaf (fiberler) çok mukavemetlidir – Malzemeye mukavemet sağlar – Örnek: Fiber-cam • Bir polimer matris içerisinde sürekli cam filament • Fiberler nedeniyle mulavemet • Polimer bir arada tutar • Fiber Malzemeler – Whikerler – İnce tek kristal- Boy/çap oranı büyük • grafit, SiN, SiC • Çok güçlü kristal • Çok pahalı – Fiberler • çok kristalli yada amorf • genelde polimer yada seramik • Örnek: Al2O3 , Aramid, E-cam, Boron, UHMWPE – Teller • Metal – çelik, Mo, W Aynı doğrultuda sürekli 7/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Aynı doğrultuda rastgele süreksiz 8/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Aynı doğrultuda ve rastgele matris: (Mo) (sünek) Rastgele -- Seramik: cam w/SiC fiberler Sürekli fiberler- Bir matris içerisinde uzun sürekli fiberler için fiber ve güçlendirilmiş kompozit mukavemeti 2 m fiber: (a) yüzeyi ’ (Ni3Al) (kırılgan) C fiberler: Çok rijit çok güçlü (b) Üst görünüş kırılma c From F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL. (b) C matris: Az rijit Az güçlü Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi = mVm + fVf fakat hacimsel değişim Ece = Em Vm + EfVf Ff Fm düzlemdeki fiberler (a) Boyuna deformasyon 9/14 EfVf EmVm c= Pultruzyon f isostrain longitudinal (extensional) modulus f = fiber m = matris Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Kompozit üretimi m= 10/14 Kompozit üretimi Prepreg Pultruzyon metodu, CTP kalıplamasında, özellikle profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır. Termoset reçine ile ıslatılmış, fiber veya dokunmuş güçlendirme elemanının ön şekillendirme sonrası ısıtmalı bir kalıptan geçirilmesi ile rijit profil üretim işlemidir. Proses malzeme akışının profilin çekilmesi yoluyla gerçekleştirildiği sürekli bir üretim metodudur. Adapted from Fig. 16.13, Callister 7e. Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 11/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 12/14 2 29.09.2011 Kompozit üretimi Kompozit üretimi Lif sarma Örnek Lifler basınçlı tanklar makara üzerine sürekli sarılır • Sandviçh paneller Adapted from Fig. 16.15, Callister 7e. [Fig. 16.15 is from N. L. Hancox, (Editor), Fibre Composite Hybrid Materials, The Macmillan Company, New York, 1981.] -- düşük yoğunluk, balpeteği iç yapı -- faydası: düşük ağırlık, büyük eğilme rijitliği Üst plak Yapıştırıcı tabaka Bal peteği Adapted from Fig. 16.18, Callister 7e. (Fig. 16.18 is from Engineered Materials Handbook, Vol. 1, Composites, ASM International, Materials Park, OH, 1987.) Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 13/14 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 14/14 3 29.09.2011 Nano malzemeler Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir ve “küçük yaşlı adam veya cüce” demektir. Günümüzde nano, teknik bir ölçü birimi olarak kullanılır. 1nm = 10 A =10-9m ; 1 mikrometre= 10-6m 1nm = 1/80.000 insan saçı = Bir hidrojen atomu çapının10 katı Nano Malzemeler 1-100 nanometre boyutlarındaki boyutlar Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Nano malzemeler Nano malzemeler BeĢinci Endüstri Devrimi Birinci Endüstri Devrimi, (1780–1840) Ġngiltere de GerçekleĢti Buhar Makineleri, Tekstil Endüstrisi, Makine Mühendisliği Ġkinci Endüstri Devrimi, (1840–1900) Avrupada; Ġngiltere, Fransa ve Almanya da gerçekleĢti Demiryolu Çelik Endüstrisi Üçüncü Endüstri Devrimi (1900–1950) ABD’de gerçekleĢti Elektrik Makineleri, Otomobil, Dayanıklı Tüketim Malzemeleri Dördüncü Endüstri Devrimi (1950–Günümüz) Pasifik Bölgesinde Kaliforniya ve Japonya da gerçekleĢti Sentetik Organik Kimyasallar, Bilgisayar Ürün için bütün bir parçadan iĢe baĢlama 2/11 (2010 – ???) Nanoteknoloji-Moleküler Üretim Tabandan Ürüne Varma Daha fazla kaynak kullanımı Daha fazla çevre kirliliği 3/11 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Nano malzemeler 60'lar-Feynman: Malzeme ve cihazların moleküler boyutlarda üretilmesi ile başarılabilecekler üstüne yapmış olduğu konuşmasına 80'ler-Uygun mikroskopların geliştirilmesi: 1981 yılında IBM tarafından yeni bir mikroskop türü "scanning tunneling microspcope" (stm) geliştirildi. Nano teknoloji ile -Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) 4/11 Yüksek yüzey/hacim oranı elde etmek BaĢka moleküller ile yüzey kaplanarak yeni bir kimyasal aktivite kazanım ve bundan faydalanmak. Nano boyutta değiĢen fiziksel özellikler ve yeni kullanım alanları. Nano boyutta değiĢen optik özellikler ve kullanım alanları -Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 90’lar Fullerene-Karbon Nanotüpler: 1990'ların başında rice üniversitesinde Richard Smalley öncülüğündeki araştırmacılar 60 karbon atomunun simetrik şekilde sıralanmasıyla elde edilen futbol topu biçimindeki "fullerene" molekülleri geliştirildi. Elde edilen molekül 1 nanometre büyüklüğünde ve çelikten daha kuvvetli, plastikten daha hafif, elektrik ve ısı geçirgen bir yapıya sahipti. 2000’ler Yarış başlıyor: 1999 yılında ABD'de Bill Clinton hükümeti nanoteknoloji alanında yürütülen araştırma, geliştirme ve ticarileştirme faaliyetlerinin hızını artırma amacını taşıyan ilk resmi hükümet yazılımını, ulusal nanoteknoloji adımını (National Nanotechnology Initiative) başlattı. Malzeme ve İmalat Sektörü Nano Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri Tıp ve Sağlık Sektörü Havacılık ve Uzay Araştırmaları Çevre ve Enerji Biyoteknoloji ve Tarım Savunma Sektörü Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 5/11 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 6/11 1 29.09.2011 Nano malzemeler ile ENERJĠ Hidrokarbon esaslı yenilenemez enerji kaynaklarına bağımlılığın azaltılması. Yeni teknolojiler, yenilenebilir enerji üretimi ve depolanması kritik araĢtırma ve geliĢtirme konularıdır. NANO: Biyolojiden ilham alımı ile hafif, verimli güneĢ enerjisi kollektörleri; esnek hafif görüntüleme ekranları; sanal gazete; enerji verimli nanokompozitten imal araçlar, yakıt hücreleri, etkin kaynak kullanımı ile yapı malzemeleri, hafif paketleme...... SU Su kaynaklarının idareli kullanımı. Küresel ısınma ile içilebilir su petrolden daha fazla önem kazanacak NANO: Kendi kendine kalibre olabilen sensörler: alan örneklemesi, yüksek hızda analitik su kalitesi ölçümü. Membran kullanımında Nano esaslı filtreleme ve saflaĢtırma teknikleri. Kirlenmeyen giysiler. Daha az su tüketimi ile imalat ve gıda üretimi. ÇEVRE Çevre gözetleme. Çevre kirlenmesinin hızı ve seviyesi ile ilgili bilgi toplama. NANO: Kendi kendine kalibre olabilen ucuz hava ve su için organik ve inorganik kimyasal kirlilik sensörleri. Araçlardan, Uçak motorlarından ve güç istasyonlarından zararlı atıkları bloke edebilen katalizörler. 7/11 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Nano malzemeler TÜKETĠMDEKĠ KAYIPLAR Su dahil enerji ve kaynakların etkin kullanımı için kayıpların azaltılması NANO: Tekrardan kullanılabilir daha az kaynak tüketimi ile etkin paketleme ve paket takip tanımlama ve takip sistemi. Atık yiyecekte azaltma . Az veya çok nano kaynaklı ürünler daha az enerji ve materyal gerektirir. GIDA GeliĢmiĢ ülkelerde 1/3 oranına kadar üretilen gıda maddeleri çöpe gitmektedir (Örnek. UK). Değerlendirilmeyen gıda için harcanan enerji hava-deniz-kara ulaĢımı ile çevre kirliliğine sebep olmaktadır. NANO:Atığı az, fonksiyonelliği fazla paketleme (böcek ilaçlarını detekte edebilir, bozulmayı tanımlayabilir, gıdanın orijini veya kökeni hakkında bilgi pakette). Nanopartikül gümüĢ ile antibakteriyel paketleme ve gıda hazırlama. Hayvanlara Yardım (Hayvan Hakları) NANO:GeliĢmiĢ bilgisayar tabanlı canlı organizma içinde nano partiküllerin davranıĢının modellenmesi ile hayvanlar üzerinde test ortadan kalkacaktır. Yeni ilaç ve nano partiküllerin hücre tabanlı testinde hastanın kendi hücreleri kullanılarak kiĢiye özel ilaç geliĢtirme. ZĠRAAT Azalan gıda ve su kaynakları kalan ziraat alanlar üzerinde baskı oluĢturmaktadır. Sonuç “Kirlilikte artıĢ” NANO:Toprak kalite gözetleme için nano sensörler Nano malzemeler SAĞLIK: YAġLANAN TOPLUM AZ GELĠġMĠġ BÖLGELERDE HASTALIK Artan sağlık hizmetleri çoğu ülkenin ekonomisinde tolere edilemez kaynak problemlerine sebep olmaktadır. Nano malzemeler Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar. NANO: Uzaktan algılama ile sağlık takibi. Gen kaynaklı hastalıkların hızlı analizi ve Gen tabanlı tedavinin geliĢmesi. Nano tabanlı görüntüleme erken tanımlama için ilacın doğrudan hedef noktaya ulaĢtırılması. Elektronik devre vasıtası ile ihtiyaç duyulduğunda ihtiyaç duyulan miktarda ilacın/hormonun verilmesi. Retina implantı Medikal tekstil; sağlık durumunu gözetleyebilir ve bilgi transfer edebilir. Nano malzemeden hücre çoğalmasına yardımcı olacak bandaj. Antibakteriyel tekstil ile enfeksiyonların azaltılması. YaĢlı ve güçsüzler için DüĢünce veya konuĢma ile aktive edilebilen Nano-Esaslı teknoloji 9/11 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 8/11 Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi Geçiş elementleri (Pt, Pd, Ti, V,...) ile işlevleştirilen nanotüpler ve moleküllere çok yüksek kapasitede hidrojen depolanabileceği gösterilmiştir. Sensörler, kaplamalar, kozmetik, ilaç ve görüntü kayıt plakaları Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 10/11 Nano malzemeler Su ve Kir Tutmayan Yüzeyler Çizilmeye karşı etkili ve parlak boya Su itici, kir tutmayan, kolay temizlenen ayna ve camlar Nanofiltreli klima Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı boyalar ve yüzeyler Bilginin optik olarak nanofotonik kristaller aracılığıyla taşınması sağlanarak, bilgisayarların yüzlerce kat daha hızlı çalışması sağlanabilmesi Doç. Dr. Akgün Alsaran, [email protected], Malzeme Bilimi 11/11 2
