Uploaded by User7698

MALZEME BİLİMİ DERS SLAYTLARI

advertisement
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
2a

ab
Malzeme Bilimi Slaytları
  k . sin
9/25
2x
b
 k
2x
b
Çok küçük
 
x
a
G.
G.b
2x
sin
2a
b
o 
Malzeme Bilimi Slaytları
Çizgisel Kusurlar
x
x
2x
 k.
a
b
b
4
 max 
Gb
o
2a
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
2w

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, aalsa[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
Download