MAL 201 METALLER ve ALAŞIMLARI, SERAMİKLER, CAMLAR, POLİMERLER ve KOMPOZİTLER ARALIK 2016 Metaller • İmalat sektöründe en büyük paya sahip olan malzemeler metaller ve alaşımlardır • Alaşımlar: İki veya daha çok metallin belli özellikler elde edilmesi için karıştırılması. • Kullanıma sunulan metal ve alaşımları şu yapılara sahip olabilirler. – – – – Döküm yapı (Cast structure) Yoğruk yapı (Wrough structure) Sinter yapı (Sintered structure) Camsı yapı (Glassy/rapidly solidified structure) Döküm yapı • Bileşimleri hazırlandıktan sonra, eritilerek kum veya kokil kalıba dökülen metal veya alaşımların katılaştıktan sonra sahip oldukları iç yapıdır. • Bu yapının tipik özellikleri: – Dendiritik veya kaba taneli iç yapı – Segregasyonlar – Gaz boşlukları • Döküm ile elde edilen metale, kullanılmadan önce talaşlı imalat ile son şekillendirme veya ısıl işlemler uygulanabilir. Dendritik yapı Yoğruk yapı • Sanayide kullanılan metal ve alaşımların büyük çoğunluğu bu yapıdadır. Yoğruk yapının eldesi için uygulama; – Bileşimi hazırlanan eriyiğin ingot kalıplara dökülmesi. – Katılaşma sonrası homejenleştirme tavı ile segregasyonların ortadan kaldırılması, – Büyük oranda sıcak PŞV uygulanarak döküm yapısının kırılması, • PŞV yöntemleri; – Haddeleme – Ekstrüzyon – Dövme • Avantajları: – Dendiritik kaba tane yapısı, eş eksenli ince tane yapısına dönüşür. – Dışarı açılmamış ve oksitlenmemiş iç boşluklar kapanır. – Segregasyonların dağıtılarak homojen iç yapı elde edilmesi. Sinter yapı (Toz metalurjisi: powder metallurgy) • İngot metalurjisi kullanımının veya hassas boyutlandırmanın zor olduğu bazı bileşimlerin imalatında toz metalurjisi kullanılır. • Sinter yapı; toz metalurjisi ile imal edilen malzemeleri ifade eder. Toz metalujisinin uygulanışı: • Önceden hazırlanmış metal veya alaşım tozlar belirli oranlarda karıştırılır. • Tozlar istenen geometriye sahip kalıplarda sıkıştırılarak şekillendirilir. • Şekillendirilen tozlar sinterlenir. Yani; yüksek sıcaklıklarda kontrollü atmosferde uzun süre ısıtılarak difüzyon yoluyla birbirine kaynatılarak yeterli dayanıma sahip katı bir yapı oluştururlur. Toz metalurjisi Dezavantajları; • Kalıntı iç boşlukların çentik etkisi yaparak düşük dayanıma sebep olabilmesi, • Toz üretiminin ek bir maliyet gerektirmesidir. Kullanım amaçları; • Çok yüksek dayanım gerektiren parçaların imalinde, • Talaşlı imalatı zor olan geometrideki parçaların imalinde, • Pahalı malzemelerde parça imalinde, • Çok sert parçaların imalinde kullanılır. Camsı yapı (Amorf Yapı) • Amorf da denilen ve kristal yapıları olmayan metallerdir. • Erimiş durumdan 105-106 oC/s hızlarında ani olarak soğutulurlar. Malzeme kristal yapı oluşturmaya zaman bulamaz. • Tane sınırları oluşmadığından manyetik ve korozyon açısından üstün özelliklere sahiptirler. • Düşük sıcaklıklarda kullanılabilirler, yüksek sıcaklıklarda daha kararlı yapılara dönüşme ihtimalleri vardır. • Yüksek soğuma hızları gerektirdiklerinden ince kesitler şeklinde elde edilebilirler. • Yumuşak mıknatıs uygulamalarında ve transformatör çekirdeklerinde kullanılırlar. Bazı amorf demir alaşımları ve kompozisyonları Metaller • Kimyasal bileşimleri açısından metaller ve alaşımlar 2 büyük gruba ayrılırlar: – Demir ve alaşımları (Ferrous alloys) – Demir dışı metal ve alaşımlar (Non-ferrous alloys) • Demir alaşımları: – Çelikler – Dökme demirler. Alaşımlama Demire katılan alaşım elementlerinin amacı: • İmalatta kolaylık; (Mn, kaynak ve PŞV; Si, döküm). • Dayanım artışı; (iç yapı kontrolü ile yorulma/statik ve aşınma dayanım artışı) (Cr, Mo, V, vs) • Sertleşebilme kabiliyeti; ZSD eğrilerini sağa doğru kaydırma kabiliyeti (Cr, Mo, vs.) • Korozyon dayanımı (Cr) • Yüksek sıcaklık dayanımı; (Demir dışında kuvvetli metal karbürler oluşturma, Cr, Mo, V, vs.) Demir alaşımları Çelikler Dökme Demirler 1.Basit karbonlu çelikler (Plain carbon steels) 2.Düşük alaşımlı çelikler (Low alloy steels) 3.Yüksek alaşımlı çelikler (Alloy steels) 1. Beyaz dökme demir (White cast iron) 2. Kır gri dökme demir (Grey cast iron) 3. Temper dökme demir (Malleable cast iron) 4. Küresel dökme demir (Ductile cast iron) Çelikler içerdikleri karbon oranına göre aşağıdaki gibi sınıflandırılır: 1. Düşük karbonlu çelikler: C < %0,25 Kolay şekillendirilirler, kolay kaynak edilirler, yapı çelikleri olarak, lama ,boru, profil imalatında kullanılırlar.Su verme yoluyla sertleştirilemezler. 2. Orta karbonlu çelikler: %0,25 < C < %0,55 Su verilerek sertleştirilirler,kaynağı zordur; özel tedbirler alarak kaynak edilirler.Makina imal çelikleridir. 3.Yüksek karbonlu çelikler: 0,55 < C < 1,5 Martenzit sertliği %0,55 C dan sonra önemli ölçüde artmaz.Bu nedenle daha yüksek karbon oranları aşınma direncini arttırmak için kullanılır(Yapıdaki sementit miktarını arttırma yoluyla). Genelde, aşınma direnci gerektiren uygulamalarda kullanılır. Çelikler ayrıca içerdikleri alaşım elemanlarının toplam miktarlarına göre şu şekilde sınıflandırılır: 1.Alaşımsız çelikler (Basit Karbonlu Çelikler):Alaşım elemanı yok.Yapı çelikler ,takım çelikleri(Yüksek karbonlusu) 2. Düşük Alaşımlı Çelikler: 2.A-Mikro alaşımlı çelikler : Toplam alaşım oranı < %1 Tane küçülterek ve ince sert karbürler oluşturarak mukavemeti arttırılmış olan ve akma mukavemeti/çekme mukavemeti oranı yüksek olan çeliklerdir. Herhangi bir ısıl işlem yapılmadan kullanılırlar. 2.B-Düşük alaşımlı çelikler: Toplam alaşım oranı < %5 Bu çeliklere alaşım elemanı katmanın esas nedeni çeliğin sertleşme kabiliyetini arttırmaktır (Yani kritik soğuma hızını düşürmek). Makine imal çelikleri. 3.Yüksek alaşımlı çelikler: Toplam alaşım oranı ≥ %5 dir. Çeliğe sertleşme kabiliyetini arttırmaya ek olarak çeşitli amaçlarla da katılır. Aşınmaya , paslanmaya direnç , düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk, yüksek sıcaklılarda sürünmeye ve oksidasyona direnç gibi. Metaller ve Alaşımları Çelik türleri: 1 - Basit Karbonlu Çelikler • Standart kod numaraları: AISI: American Institute of Steel and Irons SAE: (Society of Automotive Engineers) AISI 10xx 1020, 1040, 1080, 10130, vs C% x 100 • Çoğunlukla; – Saç (DKP, Derin çekme (Deep drawing quality), etc. – Profiller (I, U, H, T, L, vs) – Daire, kare, dikdörtgen, altıgen, çubuklar halinde yoğruk yapıda bulunur. 2 - Düşük Alaşımlı Çelikler • Karbon hariç, alaşım elementleri toplamı %5 ten azdır. • Kare, dikdörtgen, veya yuvarlak çubuklar halinde bulunabilir. • AISI 4140, 8620, 4340, 9260, vs. • Yüksek dayanımlı düşük alaşımlı (HSLA) çelikler: C oranı % 0.1 den az ve alaşım %1 den azdır. Alaşım elementleri kuvvetli karbür yapıcı Ti, Nb vs. dir. Çok ince taneli yapısından dolayı dayanım ve süneklikler yüksektir. • Saç ve levha şeklinde imal edilir ve otomotiv sektöründe yaygın kaporta malzemesidir. 3 – Yüksek Alaşımlı Çelikler • Toplam alaşım oranının %5 ten fazladır. • En önemlileri: – Paslanmaz çelikler (Stainless steels). – Takım çelikleri (Tool steels). • Paslanmaz Çelikler: % 12 civarında Cr içerir. Oda sıcaklığı yapılarına göre ayrılır. – Ostenitik – Ferritik/Martenzitik Paslanmaz çelikler • Ostenitik PÇ (304-316 tipler): – Cr a ilaveten % 8 in üzerinde Ni içerir. – C oranı çok düşüktür (% 0.02-0.08) – Ni ve Mn, ostenit bölgesini oda sıcaklığının altına indirerek ostenitin oda sıcaklığında stabil kalmasını sağlar. – Martenzit oluşturamadıkları için N (azot) içeren bazı tipleri, yaşlandırarak sertleştirilebilir (Nitrürün çökeltilmesi ile): PH 15-5 gibi. Bunlara Çökelme Sertleştirilmeli Pasl. Ç. denir Paslanmaz çelikler • Ferritik (420-430 tipler)/Martenzitik PÇ (420-440 tipler): – Ni veya Mn nın az olması durumunda oda sıcaklığında Ferrit stabil hale gelir. – Karbonun yeterli olması durumunda hızlı soğutma ile martenzitik yapı elde edilebilir. – Bunun dışında oda sıcaklığında yapısında hem Delta ferrit hem de ostenit fazının dengeli olarak bulunduğu Dupleks Paslanmaz Çelikler de mevcuttur. Genel İmalat için Çelik türleri Yüksek alaşımlı Hem ince tane hem de ince karbürler bu mukavemeti sağlar. Dökme Demirler • Genelde % 3-3.5 oranında C bulundururlar (Pratik limit 4.3). • % 2-3 oranında Si, grafitleşmeyi kolaylaştırmak ve dökümde akıcılığı sağlamak amacıyla katılır. • Türleri: – Beyaz DD: Erimiş haldeyken hızlı soğutarak elde edilir. Sementit matris içinde perlitten oluşur.Çok gevrek ve kırılgandır. – Kır DD: Yavaş soğuma ile grafit lemelleri ve soğuma hızına bağlı olarak ferritik veya perlitik olabilir. Sünekliği yoktur, dayanımı düşüktür. – Temper DD: Beyaz DD in, 900-950oC de tavlanması ve sementitten temper grafiti oluşması ile sağlanır. Çentik etkisinin azaltılması neticesinde süneklik arttırılmıştır. – Küresel DD: Erimiş durumda % 0.5 Mg, veya Ce katılması ile grafit küresel tarzda katılaştırılır. İyi süneklik ve dayanım özellikleri gösterir. Dökme demir • C içeriği %2 den daha fazla olan Demir-karbon alaşımıdır. • Artan karbon oranı yapıyı kırılgan hale getirir. • Sıvı fazdan katılaşması sırasında soğuma hızlarına bağlı olarak farklı iç yapılara sahip olabilir. – Hızlı soğuma: Beyaz dökme demir. – Yavaş soğuma: Kır dökme demir (ferritik, ferritik/perlitik, perlitik). – Temper dökme demir: BDDin tavlanması ile. – Küresel dökme demir: Mg, Ce gibi grafiti küreselleştiren alaşım elementleri katılması ile. Beyaz DD •Hızlı soğuma sonrası: Beyaz dökme demir oluşur. •BDD: sementitin baskın olduğu sert ve gevrek bir yapıya sahiptir. Ötektik reaksiyonda: Sıvı ledeburit iç yapı (+Fe3C) S 3+Fe C 3 +Fe3C 4 S+Fe3C Ledeburit 1 2 Dönüşmüş Ledeburit +S 1 Sıvı 2 Ötektik öncesi 3 Ötektik Ötektik Fe3C 4 Dökme demir Ötektoit Perlit Ötektik Fe3C Beyaz Dökme demirin yapısı (Demir-Fe3C sistemi) Kır dökme demir • Sıvı fazdan çok yavaş soğuma ile karbon difüzyonla biraraya toplanarak lamelli bir yapı oluşturur. • Soğuma hızı çok yavaş ise Ferritik DD. • Biraz daha hızlı olması durumunda Ferritik-perlitik DD. • Daha hızlı olması durumunda Perlitik DD. oluşur. • Perlit oranı arttıkça dayanım artar. Tüm durumlarda süneklik çok kötüdür. • Lamelli yapıda keskin uçların oluşturduğu çentik etkisi nedeniyle mekanik özellikler çok kötüdür. Grafit Lameller Perlitik DD Ferritik DD Ferritik-Perlitik DD Artan Soğuma Hızı Perlit • Grafitin dayanımı Demirin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. • Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır. • Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır. • Dolayısı ile kır DD ler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Lameller Kır Dökme demirin yapısı(Fe-Karbon sistemi) Temper Dökme Demir (TDD) • • Temper DD: Hızlı soğuma ile elde edilen Beyaz dökme demir yaklaşık 950oC de uzun süre (48 saat) tavlanır ve sementit yapı içerisindeki kararsız karbon bir araya toplanarak temper grafiti denilen topak halinde yapılar meydana getirir. Bu yapıda süneklik %10 a kadar artabilir. Soğuma hızına göre Ferritik TDD, Ferritik-perlitik TDD ve Perlitik TDD şeklinde 3 farklı TDD elde edilebilir. Temper grafiti Perlitik TDD Ferritik TDD Perlit Ferritik-Perlitik TDD Artan Soğuma Hızı Temper ve Küresel grafitli DD • Lamellerin mekanik özelliklere olumsuz etkisini ortadan kaldırmak amacıyla grafitlerdeki keskin kenarlar ortadan kaldırmak amacıyla bazı işlemlere tabi tutulur. Demirin dayanımı yanında grafitinki ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Dolayısıyla grafit bölgeler daha çok iç boşluk gibi davranır. Birde lamellerin köşelerindeki keskin kenarların oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır. Dolayısı ile DD ler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Ferritik TDD Temper grafiti Perlitik TDD Perlit Ferritik-Perlitik TDD Artan Soğuma Hızı Küresel Dökme Demir (KDD) • • • Eriyik DD içerisine Mg ve Sb gibi grafitleri küreselleştiren alaşım elementleri katılır. Bu şekilde oluşan grafitler küresel şekillidir ve süneklik %20 lere kadar artar. Soğuma hızına göre Ferritik KDD, Ferritik-perlitik KDD ve Perlitik KDD şeklinde 3 farklı KDD elde edilebilir. Küresel grafit Perlitik KDD Ferritik KDD Ferritik-Perlitik KDD Artan Soğuma Hızı Perlit Demir dışı metal ve alaşımları (Muk./Yoğ.)/(Muk/yoğ)çelik Demir Dışı Alaşımlar/Alüminyum Alaşımları • Düşük yoğunluk: Hafiflik (2,7 g/cm3)-Uzay Uçak Sanayinde • Esneme Kabiliyeti (Rijitliğin tersi) iyidir (E = 70.000 Mpa/Çeliğin 1/3’ü) • Korozyon dayanımı iyidir(yüzeyinde oluşan Al2O3 tabakası), • İyi elektrik ve Isı iletkenlik, • Kolay şekillendirilebilirlik ancak Sertilik ve Aşınma dayanımı düşük. • Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı göstermez (YMK Kristal Yapı) • Dekoratif görünüm, • Bazı alaşımlar yaşlandırma ile sertleştirilebilir. • Diğerleri ancak soğuk plastik şekil değiştirme ile sertleştirilir. • Aluminyum alaşımları, esas alaşım element baz alınarak Aluminyum birliği (AA) tarafında standartlaştırılmıştır. • Isıl işlem durumları “temper gösterimleri “ile ifade edilir. Aluminyum alaşımları dövme ve döküm olmak üzere ikiye ayrılır. Genelde her iki hal içinde aşağıdaki gösterim sistemi kullanılır: Aluminyum alaşımlarının ısıl işlem durumları temper gösterimleri ile İfade edilir ve alaşım gösteriminin sonuna ilave edilir. Örneğin 2024-T6 gibi. Bu yapay yaşlandırılmış bir Al-Cu alaşımıdır. Magnesium ve Titanyum Alaşımları Magnesyum (Mg) alaşımları: • Düşük özgül ağırlık (1,74 g/cm3), • Düşük Elastiklik Modülü (45.000 Mpa) • Korozyondan etkilenir, Yüksek Sıcaklıkta Oksijenle reaksiyona girer. • SDH yapılı-gevrektir-PŞV zordur. • Bazı alaşımları yaşlandırılabilir. • Havacılık sektörü, spor aletleri, spor araç parçaları vs. Titanyum (Ti) alaşımları: . Özgül Ağırlık (4,5 g/cm3) Mekanik Özellikler iyidir (Çelikler mertebesinde) • Yüzeyindeki oksit tabakası (pasivizasyon) nedeniyle korozyona dayanıklıdır. • Yüksek özgül dayanım, • Düşük elastik modülü. • 200oC ye kadar yüksek dayanım gösterir. • Bazı alaşımları yaşlandırılabilir. • Havacılık ve tıp endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. Bakır ve Nikel Alaşımları • Bakır (Cu); • Özgül Ağırlık 8,9 g/cm3 • Çeliklere göre yorulma mukavemeti iyidir. – Elektrik iletkenliği, – Isı iletkenliği, Korozyon dayanımı, – Şekillendirilebilirlik, Estetik • Bazı alaşımları – Prinç; Cu-Zn alaşımı, çok yaygın – Bronz: Cu-Pb-Sn-Al alaşımı – Cu-Be yüksek dayanım ve kıvılcım üretmeyen takımlarda. • Uygulama alanları: Elektrik Telleri, Radyatörler, Denizcilik parçaları, dekoratif parçalar. • Nikel (Ni) – Çok iyi korozyon dayanımı – Çok iyi yüksek sıcaklık dayanımı – Süper alaşım imalinde : Alaşım elementleri Al ve Ti. (Ni3Al ve Ni3Ti (gama prime fazı ’) yaşlandırma ile bağdaşık olarak çöktürülür). • Bazı alaşımları: – Monel (Cupro-nikel %66 Ni %34 Cu) alman gümüşü olarak da bilinir. – Tuzlu su dayanımı – Yüksek sıcaklık uygulamaları için Çinko ve Kurşun alaşımları Çinko (Zn): • Özellikle basınçlı döküme elverişli. • “Zamak”, çok bilinen Zn-Al ile alaşımıdır • Uygulama alanları: – Elektrik cihaz parçaları – Otomotiv parçaları – Mobilya aksesuarları vs. Kurşun (Pb) • Düşük erime sıcaklığı, • Yüksek özgül ağırlığı • Kolay şekil verilebilirlik • Toksik –Sağlığa zararlı • X-ışını vs. radyasyona karşı barier. • Uygulama alanları – Lehimler – Atalet-ağırlık gereken yerler Refrakter ve diğer metaller Refrakter metaller (W, Mo, vs): • Yüksek erime sıcaklıkları, • Düşük oksidasyon dirençleri: kullanımlarında inert atmosfer gerekir. • Ampullerde filaman olarak vs. Kıymetli (Precious) metaller. Au, Ag, Pt, vs. • Yüksek inertlük • Yüksek oksidasyon direnci • Uygulama alanları: Kuyumculu, elektronik sanayi, tıp uygulamaları. Berilyum ve alaşımları -Yoğunluk:1,85 g/cm3 Elastiklik modülü: 280 GPa (çelikten yüksek) -Rijitliğin ve hafifliğin önemli olduğu yerlerde kullanılır(Uzay sanayi) -Çok pahalı, toksik ve reaktif bir malzeme SERAMİKLER VE CAMLAR Seramikler • Metal veya yarı metallerin metal olmayan elementlerle yaptığı bileşiklere Seramik denir. • Kimyasal açıdan inorganik özellik taşırlar. • Atomlar arası bağlar; iyonik, kovalent veya kısmen metalik olabilir. Si3N4 Seramik turbo pervanesi • Sınıflandırılmaları: (a) kullanımları açısından, (b) yapıları açısından a) Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler; – Geleneksel seramikler, – İleri teknolojik seramikler. b) Yapıları açısından Seramikler Kristal yapılı Seramikler 1. Silikat esaslı Oksit (Geleneksel Seramikler)Ser. (%75 SiO2), Kiremit, Tuğla. Amorf yapılı Camlar 1. a) Ağ yapıcılar (SiO2, B2O3) b) Ağ düzenleyiciler (Na2O3, K2O, CaO) c) Ağ dengeleyiciler (Al2O3, TiO2, ZrO2) 2. Silikat dışı Oksit Ser. (ileri teknololik S.) Al2O3, ZrO2, ThO2, 3. Oksit dışı Ser. (ileri teknololik S.) B4C, SiC, WC, TiN, vs. Silikat Camlar. 2. Silikat dışı Camlar. Cam Esaslı Kristal yapılı Camlar b.1. Kristal yapılı seramikler b.1.1.-Silikat esaslı seramikler: Yapısında SiO2 bulunan seramiklerdir. • Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdırucuzdur. • Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır; Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör seramikler, Çimento. • İmalat adımları: – Toz halinde bileşim ayarlanır. – Su katılarak çamur elde edilir ve şekillendirilir. – Kurutulur ve pişirilir. • Çimentoda (portlant cement) ise katılaşma kimyasal reaksiyon ile olur. Fazla düşük olmayan sıcaklıklarda ıslatılarak katılaşma kabiliyeti arttırılabilir. Kristal yapılı seramikler b.1.2. - Silikat içermeyen seramikler: • Bünyesinde SiO2 bulunmayan seramiklerdir. • İleri seramikler olarak adlandırılabilirler. • Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı içerebilirler. Çeşitleri: – Alumina Al2O3 refraktör – MgO refraktör – ThO2-nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi – UO2-nükleer yakıt – BaTiO3- elektro-piezo seramik – NiFe2O4-Manyetik seramik Kristal yapılı seramikler b.1.3. - Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir. • Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları). İmalat aşamaları: 1. Toz halinde bileşim hazırlama 2. Karıştırma; Kuru veya sıvı içerisinde 3. Basınç altında şekillendirme 4. Kurutma ve sinterleme Yoğunluk Gerçek yoğunluk Sıkıştırma basıncı Örnekler • Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma elemanı) • Silisyum nitrür Si3N4-yüksek tokluk ve sertlik • Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşımaya dayanıklı • Tungsten karbür WC-takım imalatı • Bor karbür -B4C-zırh malzemesi • SiAlON-makina parça malzemesi Sinterleme • Şekillendirilmiş seramik yapının erime sıcaklıklarının altında (0.5-0.7 Te) yüksek sıcaklıklarda tozların difüzyon ile birbirlerine kaynaması ve bu sayede yapının yekpare yüksek dayanımlı bir hale getirilmesi işlemidir. • Sinterleme sırasında iç boşluklar (porozite) küçülür veya yok olur. • Sinterlemenin verimini arttırabilmek ve yüksek kalitede ürünler elde için Sıcak izostatik presleme kullanılabilir. Şekillendirilmiş tozlar yüksek gaz basıncı altında sinterlenir. • Sinterlenmiş seramik parçalar yüksek performans uygulamalarında; motorlar, fren rotorları, makina parçaları, türbün parçaları vs. metallerin yerini almaktadırlar. b.2. - Camlar; • Amorf yapılı • Kristal yapılı Cam: M.Ö. 3000 lerde Mısır, Sümer ve İndüs(Kuzeybatı Hindistanın İndüs nehri cıvarı halkları ) cam kimyasını biliyorlardı.Bu halklar deniz kumunun yani silikatın, yanan ağacın bir ürünü olan potasla (Potasyum Karbonat) veya Mısırın batı çölünde mineral olarak bulunan Sodyum karbonatla birlikte ısıtılması halinde düşük sıcaklıkta eriyebileceğini ve dökülebileceğini öğrenmişlerdi..Örneğin sıvı haldeki camı ,kamışların içine ve kum çukurlarına dökerek cam kap şekli veriyorlardı. Hatta , biraz soğutularak hamur haline getirilen cama şekil vererek ve sonra soğumaya bırakarak çeşitli şekiller elde edebiliyorlardı.Camcılık sanatı daha sonra doğal Potasın kullanıldığı Finikede de başladı. Sodyum karbonat kumun erime sıcaklığını düşürür ama camı suda çözünür hale getirir. Kalsiyum karbonat ise camı suda çözünür yapmadan kumun erime noktasını düşürür. Kumun ,yani saf silikatın(Si02) erime sıcaklığı 1720°C dir. Sözkonusu tarihlerde bu sıcaklıklara çıkmak teknolojik olarak imkansızdı. Bu katkılarla camın erime sıcaklığı 1000 derecenin altına düşürülmüştür. b.2.1. - Amorf yapılı Camlar Bu malzemeler; kristal yapıda değillerdir. I. Silikat camlar: • Seramikler içerisinde tonaj olarak en fazla kullanılan malzemelerdir. • Yüksek sıcaklıkta akışkan haldedirler. • Azalan sıcaklıkta, akıcılıkları azalır (vizkoziteleri artar) • Camlaşma sıcaklığının altında katı olarak davranır. Bu duruma “aşırı soğutulmuş sıvı” olarak adlandırılır. • Bileşimlerinde SiO2 yanı sıra diğer elementler bulunur. Kimyasal yapı bileşenleri • Ağ yapıcı bileşenler (network formers) Cam yapısındaki ağ (network) şeklinde yapının oluşmasını sağlayan elementler, SiO2, B2O3 vs. • Ağ yapısını düzenleyici bileşenler (Network modifiers) Ağ yapının özelliklerini kontrol edebilmek için kullanılan malzemeler. Na2O3, K2O, CaO, vs. • Ara bileşenler (intermediates) Ağ yapısının stabilitesini sağlayan malzemeler. TiO2, Al2O3, ZrO2, vs. Örnekler • Silis camı (yüksek sıcaklık dayanımı) • Bor cam (düşük ısıl genleşme-yüksek ısıl şok dayanımı) • Pencere camı (Adi cam, flotal ayna camı, vs.) • Cam elyaf (Kompozit malzeme üretiminde takviye elemanı) • Emaye (Metal yüzeylerde korozyona ve dış etkilere dayanıklı dekoratif kaplama) • Kristal cam (PbO içeren saydamlığı mükemmel cam) II. Silikat esaslı olmayan camlar: • Fazla kullanılmazlar. • Su ve nemden çok etkilenirler. • Katkı malzemesi olarak kullanılabilirler. • Elektronik endüstrisinde çeşitli uygulamalar. b.2.2. - Kristal yapılı Camlar • En gelişmiş tipleridir. • Üretim adımları: – Amorf yapıdayken şekillendirilirler. – Kontrollü bir ısıl işlem ile yapısı %90 oranında kristale dönüştürülür. – Kalan amorf kısım kristaller arasındaki kısımda yer alır. • Avantajları – Daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir. – Kristal yapısı, düşük ısıl genleşme gösterir- ısıl şok dayanımı oldukça yüksek olur- tencere vs uygulamaları. – Seramiklerin aksine daha kolay şekillendirilebilir. • Örnek; Li2O,+Al2O3+SiO2 kompozisyonudur. Tane boyutunu küçültmek için TiO2 eklenir. Seramiklerin belirgin özellikleri • • • • • • • • Yüksek sertlik ve gevreklik Yüksek aşınma dayanımı Kimyasal kararlılık (inertlik-etkilenmeme) Yüksek basma dayanımı (Çekmeden yüksek) Yüksek rijitlik Elektrik yalıtkanlığı veya çok düşük iletkenlik Düşük ısı iletkenliği Bazıları şeffaf olabilir. Gevrek kırılma • Kötü plastik şekil değiştirme özellikleri iyonik/kovalent bağ. • Düşük çekme dayanımı, daha yüksek basma dayanımı; iç boşluk vs. den kaynaklanan çentik etkisi. • Seramiklerde üretimden kaynaklanan boşluklar (porosity) kuvvetli çentik etkisi yapar. (Çentik dibi radyüsun azalması (keskinlik) yığılma gerilmesini arttırır) • Çekme deneyi yerine 3 noktadan eğme deneyi ile test edilirler (yüksek sertlikleri nedeniyle çenelerin tutması zordur)- Eğme dayanımı. F M c I L M F 2 h c 2 1 I bh3 12 c L h b 3 F L 2bh • Eğme dayanımı-kırılma modülü gibi isimler alır. Seramiklerde mekanik özellikleri iyileştirme • Seramiklerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi: – Faz dönüşümü ile toklaştırma (Transformation toughenning) – Kontrollü mikro çatlak oluşturma: çatlak ilerlemesini durdurmak – Elyaf takviyeli kompozit tasarımı. Faz dönüşümü ile toklaştırma: • Yarı stabil ZrO2; (içerisine CaO, Y2O3 gibi oksitler katılarak) normalde stabil olan monoklinik faz yerine birim kafes hacmi daha küçük olan tetragonal faz hakim olur. Bu faz ise yarı stabildir. • Çatlak ilerlemesi durumunda, çatlak dibindeki gerilme seviyeleri, yarı stabil olan tetragonal fazın stabil ve hacmi daha büyük olan monoklinik faza dönüşmesine neden olur. • Böylece çatlak kapanır ve ilerleyemez: tokluk ve dayanım arttırılmış olur. Statik yorulma Metallerde tekrar eden gerilmeler ile çatlak ilerlemesi Seramik ve camlarda çatlak ilerlemesi Silika ağına (network) sahip seramik ve cam malzemelerde statik yüklemeler altında görülen yorulma çeşididir. Bunun sebebi mekanik mekanizmalardan ziyade daha çok kimyasaldır. 1. Su veya nem içeren ortamlarda görülür. 2. Oda sıcaklığında gerçekleşir. 3. Yüksek sıcaklıklarda görülmez Su silika ağ (network) ile reaksiyona girerek Si-O-Si bağlarını parçalar. SiOH ve OH-Si bağları oluşturur. Her seferinde çatlağın bir atomik mesafe ilerlemesine sebep olur. Sürünme • Özellikle kristal yapılı malzemelerde karşılaşılır. • Yüksek sıcaklıklarda, sabit yük altında malzemenin kararlı ve yavaş olarak plastik şekil değiştirmesi olarak anlaşılır. • Sürünme mekanizması: • Kristal seramiklerde: Tanelerin bir biri üzerinde kayması ve bu şekilde şekil değişimi oluşmasıdır. • Cam seramiklerde ise vizkoz akış şeklinde gözlemlenir. Isıl şok dayanımı • Isıl iletim katsayılarının düşük olmasından kaynaklanır. • Isıl genleşme kesit boyunca farklılık gösterdiğinde yüksek gerilmeler meydana gelir. • Bu ısıl gerilmelerin, dayanımı aşması durumunda ani kırılmalar meydana gelir. • Cam yapılı malzemeler Camsı geçiş sıcaklığının altında katı gibi davranır. • Camsı geçiş sıcaklığının üzerinde vizkoz sıvı gibi davranırlar. • Kristal yapılı camlar ise erime sıcaklığının altında kristal düzene girerler ve hacimlerinde ani azalma meydana gelir. Hacim Camsıların Vizkoz davranışı Aşırı soğumuş sıvı Sıcaklık Tg Tm Kristal yapılarla kristal olmayan (camsı) yapılar arasındaki davranış farkı, hacım-sıcaklık eğrisi yardımıyla açıklanabilir. Camsı malzemeler Tg sıcaklığının altında sert ve gevrek oldukları halde, bu sıcaklığın üzerinde viskoz bir sıvı gibi şekil değiştirebilirler.Sıcaklık arttıkça viskozite azalacağından şekil değiştirme daha da kolaylaşır.Böylece camların gevrek davranışı Tg nin üzerindeki, sıcaklıklarda kaybolur. 1.Kristal malzeme: Te sıcaklığının altında kristal yapıda katı haline geçer. Atomların düzgün dizilişe geçmelerinden ötürü, genellikle önemli ölçüde ve ani olarak azalan hacim ,sıcaklık düştükçe azalmaya devam eder. 2.Camsı (Viskoz) malzemenin hacmi ise Tg sıcaklığına kadar sürekli bir şekilde (Dikkat:Yani ani değil) azalır. Bu sırada viskoz (koyu) bir sıvı gibi davranan malzemenin sıcaklığının azalması ile viskozitesi artar. 3.Cam: Tg sıcaklığında malzeme düzgün bir atom dizilişine sahip olmamakla birlikte tamamen katı (sert) yani cam durumuna dönüşür. Camsı malzemelere “aşırı soğutulmuş sıvı” adı da verilir. Temper Cam • Camlaşma sıcaklığının üzerindeki cam malzemenin yüzeyine soğuk hava üflenerek yüzeyi ani soğutulur. • İç bölge, halen sıcakken, vizkoz akış ile şekil değiştirebilir. Daha sonra soğuyan iç bölgeler büzülür ve kendini çeker. • Bu şekilde camın yüzeyinde basma gerilmeleri oluşturulur. • Böylece, çekme dayanımı ve kırılmalara karşı direnci arttırılması ile daha dayanıklı camlar elde edilir. TEMPER CAM İŞLEM DETAYI: Malzeme camsı duruma geçiş sıcaklığının üzerine ısıtılır daha sonra yüzeyi hava akımında veya yağ banyosunda hızla soğutulur. Parçanın iç ve dış kısımları arasındaki sıcaklık farkları ortaya çıkar, Daha soğuk olan dış yüzey büzülmek ister, ancak hala sıcak olan sıcak iç kısmı bunu engellemek ister ve sonuçta, dış yüzeyde çekme, iç kısımda basma iç gerilmeleri oluşur. Soğumanın bu ilk evrelerinde hala yumuşak olan iç kısımda etkiyen basma gerilmeleri sonucu viskoz akis mekanizması ile şekil değişimi (kısalma) gerçekleşir ve iki bölge arasındaki dış kısmın önceden büzülmesinden kaynaklanan boy farkları dengelenir. Soğuma devam ettiğinden bu kez soğuyan iç bölgeler büzülmeye çalışır, ancak bu oda sıcaklığına önceden soğumuş ve katı durumda bulunan dış yüzey buna engel olmaya çalışır, Yani dış kısım iç kısmın büzülmesini engellemek (onu eski boyunda tutmak) için iç kısma çekme uygular; iç kısım ise büzülmeye çalışırken dış kısmında kendisiyle birlikte boyunun kısalmasını sağlamak için dış kısma basma gerilemeleri uygular. Sonuçta dış yüzeyde basma. iç yüzeyde ise çekme iç gerilmeleri oluşur, Gevrek malzemelerde çatlak oluşumu için çekme gerilmeleri daha etkin olduğundan yüzeyinde basma iç gerilmeleri bulunan bu malzeme kırılmaya karşı daha az duyarlıdır (Temperlenmiş Cam). Camlarda Optik Özellikler Gelen ışın Dikkat:Teorik yansımada yansıma açısı geliş açısına eşittir. Teorik yansıma Gerçek yansıma (Dağınık yansıma) Gerçek yüzey Teorik-ortalama -yüzey Yansıyan Teorik yansıma (opak) Dağınık yansıma Geçen Yansıma da geçen ışığın şiddetini azaltır Saydamlık: net bir görüntü geçirme yeteneği Yarısaydamlık: Dağınık bir görüntü geçirme Opaklık:Görüntü geçirme kabiliyetinin tamamen kaybolması Işık iç saçılma nedeniyle şiddetini daha da kaybederek geçiyor.Bu da görüntüyü net yapmıyor. durumu Örneğin, cama baryum karbonat katılarak kahverengi, FeO3 katılarak yeşil cam elde edilir. POLİMERLER Polimerler * ** *Zayıf bağ **Kuvvetli bağ Merlerin birleşmesi ile polimerin oluşumu (Zayıf) Çapraz bağlar kuvvetli bağlardır Polimer Çeşitleri 3 tip polimer mevcuttur – Termoplastikler – Termosetler – Elastomerler Termoplastikler: Elastik lineer zincirler Termosetler: Rijit üç boyutlu zincir ağı Elastomerler: Lineer çapraz bağlı zincirler. Polimer malzemelerin oluşumu Karbonun diğer C veya H, O, OH, Cl gibi element veya iyonlarla kovalent bağlar yaparak oluşturduğu molekül zincirlerinin Van der Waals bağları ile bir arada bulunması ile oluşan malzeme grubuna verilen isimdir. Zincir içinde kovalent bağ Zincirler arasında van der Waals bağ Polietilen: Zincirin omurgası, Birbirlerine kovalent bağlı C atomları tarafından oluşturulmuş. Her bir C atomuna kovalent olarak bağlı 2 H mevcut. * Polimer oluşum reaksiyonları Molekülleri zincir oluşturması için meydana gelen reaksiyonlar; 1) 2) 3) 4) – Polimerizasyon Kopolimerizasyon Poliadisyon Polikondanzasyon Diğer mekanizmalar • • • Harmanlama Dallanma Çapraz bağ oluşumu Polimerizasyon •Polimer; MER adı verilen çok sayıda doymamış moleküllerin bir araya gelmesi ile oluşur. •Örneğin; – Etilen molekülü –basınç, ısı veya katalizör yardımıyla C’ lar arası çift bağın teki parçalanır ve Mer durumuna geçer. – Mer molekülleri birbirine eklenerek polimerizasyon reaksiyonu oluşur. Monomer Polimerizasyon Polietilen Mer • Bu şekilde n tane molekül birbirine eklenir ve Polietilen meydana gelmiş olur. • “n” MER sayısını ve polimerizasyon derecesini gösterir.100-1000 arasında değer alır. • Herhangi yan ürün çıkmaz. • Genelde termoplastikler bu reaksiyonla oluşur. Kopolimerizasyon • Polimerizasyon reaksiyonunda birden fazla farklı türde MER in tekrarlı yapıda bir araya gelmesi ile oluşur. • Yan ürün çıkışı olmaz. • Vinil klorür oluşumu. Polikondansasyon • Farklı moleküllere sahip MER ler ürün vererek bir araya gelir ve zincir oluşturur. • Genelde termoset oluşumunda rastlanır. • Reaksiyonda yan ürün vardır. • Dimethil terefilat ve etil alkolün reaksiyonu neticesi PET oluşur. Yan ürün olarakta metil alkol oluşur. Reaksiyona girenler Ürünler + Poliadisyon • Başlatılması için bir başlangıç moleküle ihtiyaç olduğu reaksiyonlardır. • H2O2, Etilen monomeriyle reaksiyona girerek yeni bir zincir meydana gelmesini sağlar. Yapısal özelliklerin meydana gelmesi • Harmanlama: Farklı molekül zincirlerinin bir araya gelmesi ile oluşur: ABS • Dallanma: Ana zinciri meydana getiren karbona başka bir zincirin bağlanması neticesi oluşur. • Çapraz Bağlanma: Uzun zincir moleküllerinin birbirlerine yan dallanmış bağlarla bağlanması. – Vulkanizasyon sırasında kükürtün yardımıyla çapraz bağ oluşumu. – Polimerin dayanımı artar fakat sünekliği azalır. Dallanma Büyük bir yan grup H yerine bir polimer zincirine bir başka birine polimer zincirinin eklenmesi, dallanma olarak adlandırılır. Dallanma sonucu zincirlerin hareketleri zorlaşır.Rijitlik ve mukavemet artar. (a)Linear dallanmamış (b)Linear dallanmış (c) Çapraz bağlı dallanmamış. (d) Çapraz bağlı dallanmış. S (kükürt) çapraz bağ görevi üstleniyor. • • • • • • • • Termoplastikler Isı etkisiyle yumuşayabilirler Polimerizasyon reaksiyonu ile üretilebilirler Daha çok lineer yapı gösterirler Artan sıcaklıkla önce vizkoz sıvı sonrada sıvı duruma geçer. Camlaşma sıcaklığının altında gevrek davranır. Tekrar kullanılabilirler. Düşük sürtünme katsayıları vardır. Pres, enjeksiyon, haddeleme, ekstrüzyon, gibi imalat yöntemleri uygundur. • Aralarında – Genel amaçlı (PE, PVC, PS, ABS) – Mühendislik (PET, Teflon, PC, vs) – Elastomer polimerler. Termosetler • Isı ile yanarak kömürleşirler; dolayısıyla sıcaklıkla yumuşamazlar. • Genellikler polikondanzasyon reaksiyonu ile imal edilirler; yan ürün verirler • Molekül zincirleri ağ yapısında çapraz bağlara sahiptirler • Camlaşma sıcaklığı alt ve üstünde gevrek davranırlar. • Gevrekliği azaltmak için dolgu malzemeleri kullanılır. • Kompozit malzemelerin üretimine uygundur. • Epoksi, polyester, bakalit, vs. Elastomerler • Çok yüksek elastik özellik gösterirler. Uzamaları %1000 e ulaşabilir. • Dayanımları düşüktür. (Doğal kauçuk, lateks, vs.) • Vulkanizayon yardımıyla molekül zincirleri arasında çapraz bağlar oluşturulabilir ve lastik şeklinde üretilerek dayanımı arttırılabilir. • Bütadin/isopren/Neopren/Silikon, vs. Katkı maddeleri • Plastikleştiriciler: Yumuşatır ve camlaşma sıcaklığını düşürür • Dolgu maddeleri: Gevrekliği azaltır/Ekonomiklik sağlar • Takviyeler; kompozi malzeme yaparak dayanımı arttırır • Stabilizatörler; Ortam etkisini indirgeyerek degradasyonu azaltır. • Alevlenme Önleyiciler; Kolay alevlenme ve yanmayı önlerler • Renklendiriciler; Polimerleri renklendirmek için kullanılır Polimerlerin yapısı YAPI TİPLERİ: • Camsı: Amorf • Kristal • Karışık yapı: Camsı/Kristal Tamamen kristal yapı pek görülmez; Karışık yapı olabilir. – Moleküllerin karmaşıklığı – Soğuma hızının artması kristal oluşumunu zorlaştırır. Mekanik Özellikler Mekanik özellikler Termoplastikler: • Elastik kısmın eğimi “elastik modülünü” verir. • Akmadan sonra, boyun verme olur: Kesit daralır, molekül zincirlerinin yumakları açılır, çekme doğrultusunda yönlenir ve birbirine yaklaşır. • Boyun vermeden sonra, Van der Waals bağları etkisini arttırır ve molekül zincirleri daha sıkı tarzda bağlanır ve dayanım artar. • Kopmanın meydana geldiği gerilmeye “çekme dayanımı” denir ve genelde elde edilen kopma uzaması değeri ile birlikte rapor edilir. Çekme dayanımı Akma dayanımı Boyun verme Plastik deformasyon Nonlineer elastik deformasyon Lineer elastik deformasyon • Amorf ve molekül zincirlerinden oluşan yapılar nedeniyle visko-elastik davranış göstermektedir. • Deformasyon sırasında hız önemlidir: Arttıkça dayanım artar. Deneylerde standart hız sözkonusudur. • Elastik Ş.D.: Yumakların açılması, zincirlerin düzelmesi, Bağlarda uzama. • Plastik Ş.D.: Zincirlerin arasında kayma. • Çapraz bağ: Viskoelastik Ş.D. azaltır, dayanımı arttırır, süneklik azalır. Isıyla erime yeteneği kaybolur. • Termosetler her sıcaklıkta gevrek davranış gösterir Boyun verme lokal olarak zincirlerin çekme yönünde düzgünleşmesi: Kopma Lineer elastik Viskoelastik Davranış Elastik deformasyon zamana bağlı değildir. Yani uygulanan gerilme sonucu elastik şekil değişimi aniden oluşur. Yük sıfır olunca da elastik ş.d. aniden sıfır olur. Ancak bazı hallerde, zamana bağlı olarak gelişen elastik bileşen mevcuttur. Yani gerilmenin uygulanmasından sonra elastik şekil değişimi zamanla devam eder ve gerilmenin kaldırılmasından sonrada elastik şekil değişiminin sıfır olması için belirli bir zaman gerekir. Bu zamana bağlı elastik davranışa anelastisite adı verilir. Metallerde bu anelastik bileşen normalde çok küçüktür ve ihmal edilir. Ancak bazı polimerik malzemelerde bunun şiddeti önemli ölçüdedir ve bu durum visko-elastik davranış olarak adlandırılır. Visko-elastik Davranış Rijit Log E • E-T diyagramıyla ifade edilir. • Camlaşma ve ergime sıcaklıkları arasında kalan bölgeler farklılık gösterir. – Rijit bölge – Deri kıvamında bölge – Lastik kıvamında bölge – Vizkoz bölge Deri kıvamı Lastik kıvamı Vizkoz Tc Te Amorf polimerler 1.Camsı (Camlaşma) geçiş sıcaklığından daha düşük sıcaklarda cam (amorf katı) gibi davranırlar: Bu sıcaklıklardaki düşük deformasyonlarda davranışları elastiktir ve Hook kanununa uyarlar : σ = Eε 2.Camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki orta derecedeki sıcaklıklarda lastik gibi davranırlar (viskoelastik) 3.Daha yüksek sıcaklıklarda ise viskoz sıvı (örneğin bal) gibi davranırlar. Bu iki ekstrem arasındaki (yani cam ve viskoz sıvı) orta derecedeki sıcaklıklarda lastik gibi davranan amorf polimerin, davranışı iki ekstrem davranışın kombinasyonu şeklinde olup , bu durum viskoelastisite olarak adlandırılır. Yükün uygulanıp kaldırılması sırasındaki elastik, viskoz ve viskoelastik şekil değişimleri şekilde gösterilmiştir. (Katı cisim) xTermoplastik polimerlerin mekanik davranışları Sıvı Tm Viskoz Lastik Deri Tg Rijit :Metaller gibi davranır Elastomerler • Elastomerlerde doğrusal olmayan elastik deformasyona uğrar. • Elastik harakette önce yumaklar açılır sonra birbiri üzerinde kayar. Bağlarda uzama Zincir yumaklarının açılması (Eski haline dönemiyor) Visko elastik davranış Rijid Deri gibi Lastiksi bölge Darbe özellikleri ve Yumuşama Tayini Darbe Özellikleri; • Charpy ve Izod deneyleri kullanılır. • Camlaşma sıcaklığı tayininde Izod deneyi kullanılır. Yumuşama sıcaklık tayini (Vicat testi); • Sivri bir uçla ve 1 kgf ile batırılmaya çalışılan polimer malzemede 1 mm kalıcı batmanın sağlandığı sıcaklık tayin edilir. • Yüksek sıcaklıklarda kullanılan polimerler için önemlidir. Gevşeme • Zamana ve sıcaklığa bağlı olarak plastik şekil değişimini ifade eder. • Gevşeme; sabit deformasyon altındaki polimerler zamanla gerilmenin ve vizkoz akışın etkisiyle sahip oldukları gerilmeyi yitirirler. • Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi o ın 0.37 x o seviyesine düşmesi için tanımlanmış T sıcaklığında geçecek süre olarak tanımlanmaktadır. • Bu bir malzeme özelliği olup her malzeme için ve sıcaklık için aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır. Qn C exp RT • Q viskoz akış için gerekli olan aktivasyon enerjisi, T mutlak sıcaklık, R ise üniversal gaz sabiti olup, C malzeme sabitidir. Gevşeme miktarı ve süresi • Bu veriler kullanılarak t anı sonrasında o ön gerilmesinden hangi gerilme değerine malzemenin gevşeyeceği aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir. o exp t • Burada süre, o polimerdeki başlangıç gerilmesi ve ise t anı sonrasında gerilmenin düşeceği gerilme seviyesidir. Bir polyisoprene bant çelik çubukları 1 yıl süre ile bir arada tutmak için kullanılmaktadır. Eğer gerilme 1500 psi’in altına düşerse işlevselliğini yitirecektir. Yapılan ön çalışmalarda 1000 psi değerindeki gerilmelerin 6 hafta sonunda 980 psi değerine düştüğü görülmüştür. Tasarladığınız bantın yukarıdaki amacı yerine getirmesi için uygulanacak ön gerilmenin değeri ne olmalı. o exp t o exp( t ) 980 1000 exp( 6), 6 297 hafta 0.0202 1500 o exp( 52 / 297) o exp( 0.175) 0.839o o 1500 1788 psi 0.839 Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi o ın 0.37 x o seviyesine düşmesi için tanımlanmış T sıcaklığında geçecek süre olarak tanımlanmaktadır. Histerisiz • Elastik zorlamada, eğri üzerinde gidiş ve geliş yollarında farklılığa “histerisiz” adı verilir. • Bu titreşim sönümlemede önemli rol oynar. Geri alınamayan şekil değiştirme işi (Yükleme ve boşaltma eğrileri arasındaki alan). Bu özellik HİSTERİZİS’tir. Polimer Mer Kullanım yeri Aromatik halka: Benzen halkası C6H5 KOMPOZİTLER Kompozitler Farklı malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede toplamak amacıyla iki veya daha fazla ana malzeme grubuna ait malzemelerin bir araya getirilmesi ile elde edilen malzeme grubudur. •Cam takviyeli polimerler: Yüksek dayanım ve tokluk. •Beton; çimento, nervür çelik, kum, çakıl. • Üç ana grupta toplanırlar; – Yapay Kompozit malzemeler – Doğal kompozit malzemeler – Parçacık takviyeli kompozit malzemeler Bileşenler • Kompozit malzemeler iki bileşenden oluşur; – Matris – Takviye • Kompozitler dayanımlarını genelde sert ve gevrek olan takviyeden alırlar. Matris ise takviyeleri bir arada tutma ve tokluk ve süneklik kazandırma görevi görür. Matris Malzemeleri • Polimer esaslı. • Metal veya alaşım esaslı • Seramik esaslı Takviye Malzemeleri • Polimer: Aramid, Naylon, vs. • Metal; Çelik, Titanyum, Bor, • Seramik: Oksitler, karbürler, silikatlar, nitrürler vs. Takviye Türleri • Elyaf; Uzun, kısa, kırpık, keçe, dokuma, vs. • Tel ve sakalcık; ince yüksek dayanımlı teller, sakalcıklar (whiskers) • Parçacık; tozlar, partiküller, vs. Kompozitler/ Matrisler Metal Matrisli Yapay Komp. • B / Al • Al2O3 / Al • Al2O3 / Mg • SiC / Al • SiC / Al • ThO2 / Ni Seramik Matrisli Yapay Komp. • SiC / Al2O3 • SiC / Li/Al-silikat • Beton (Çakıl, kum, çimento) • Cam / t-ZrO2 • Al2O3 / t-ZrO2 yapılarak Matris Malzemeleri • Termoset: – Epoksi (yüksek dayanım) – Polyester (Genel amaçlı) – Fenolik (Yüksek T, aşınma) – Silikon (Elektrik izolasyon) • Termoplastik – Naylon 66 (yüksek süneklik) – Polikarbonat (Yüksek tokluk) – Polistrin (Yüksek süneklik) Polimer Takviyeleri En çok kullanılan takviye elemanı Camdır. Diğer takviye elemanları – Kevlar (Aramid) / Epoksi – Kevlar / Polyester – Grafit / Epoksi – Grafit / Polyester – Grafit / PE – Grafit / PS Kompozitler/Elyaflar Elyaf Malzemeleri • A-Cam (pencere camı) • AR-Cam (Alkali dayanıklı) • C-Cam (Kimyasal dayanıklı) • E-Cam (Elektrik yalıtımı) • S-Cam (Yüksek dayanım) • Kevlar • Grafit A B A Elyaf Parçacık Tabaka Kırılma yüzeyi: Liflerin gevrek olarak kırıldığına dikkat edin. * ** *** içinde içinde yapıda göre bulunması dayanımı yükseltir. *Örneğin, metal matris ** Örneğin , polimer ***Lif şeklindedir. Kevlar(Aramid) günümüzde zırh, sağlam halat yapımı, yanmadan koruyucu giysi yapımında kullanılmaktadır. Kevlar çok yükse çekme gerilimine dayanabilen liflerden oluşan ipliksi bir bir yapıdır. Dokunabilir, kumaş haline getirilebilir, kesilebilir ve dikilebilir. Özellikle çelik yelek, miğfer, paraşüt ipi, fiber veya data kabloları için ek sağlamlık sağlar. Kevların(Aramid) kimyasal yapısı Karbon lifler, öncü malzeme(örneğin katran) adı verilen polimer esaslı malzemedeki H,O,N gibi atomları bir dizi ısıl işlemle yakarak kovalant bağlı çıplak karbon zincirlerinden oluşan lifler elde edilir. Bimetal* kapalı bir yerin sıcaklığını sabitlemek amacıyla sıcaklık değişimlerini algılayan aygıt *genleşme katsayılar farklı iki metalin üstüste yapıştırılması ile yapılan ve genelde sıcaklık değişimlerindeki eğilmelerden faydalanılarak termostat yapımında veya sıcaklık ölçer yapımında kullanılan parçalardır. Bal peteği yapısı Elyaf takviyeli kompozitlerin(ETK) mekanik özellikleri Anizotropi Malzemelerin mekanik özellikler açısından yöne bağımlılık göstermesine “Anizotropi” adı verilir. Mekanik özellikler her yönde aynı değildir. Takviyenin, – Uzun Elyaf – Dokuma olması durumunda anizotropiye rastlanır. Partikül, kırpık, veya keçe olması durumunda anizotropi azalır. f: fiber(elyaf -lif) m: matris(taşıyıcı gövde) c: kompozit yandaki (Birim uzamalar eşit !) SERİ* *Seri bağlı dirençlerde eşdeğer direnç ifadesi gibi Elyafa Paralel Yönde Zorlama Birim uzamalar eşit Fc Fm Ff c m f c Ac m Am f Af Af Am c m f Ac Ac c mVm f V f Ec c Em mVm E f f V f Ec EmVm E f V f X c X mVm X f V f Eş gerilmeler Elyafa Dik Yönde Zorlama c m f Lc Lm L f Lc Lm L f Lc Lc Lc Ec Vm 1 1 1 Vm Vf Ec Em Ef Xc c mVm f V f Em Vf Ec Ef Em E f Em f f E f fm XmX f X mV f X f Vm Bu tür malzemelerin Elastiklik Modülü hesaplanırken Eş Uzama (n = +1) ve Eş Gerilmede (n = -1) kullanılan eşitliklerin genelleştirilmiş hali kullanılmaktadır: Ekn = vm x Emn + ve x Een Ara yüzey dayanımı • Ara yüzey dayanımı, matris ile elyaf arasındaki kuvvet iletimi açısından çok önemlidir. • Yüksek tokluklu (metal veya polimer) matrise sahip kompozitlerde ara yüzey dayanımının yüksek olması istenir. • Düşük toklukta matrise (seramik) sahip kompozitlerde, çatlağın elyafa iletimini engellemek için arayüzey bağının zayıf olması istenir. Böylece çatlak matristen elyafa geçemeden arayüzeyde durdurulabilir veya farklı yöne yönlendirilebilir. Doğal elyaf takviyeli kompozitler • Bu gruba ağaçlar girer. – Yumuşak ağaçlar • Sedir, köknar, çam, ladin – Sert ağaçlar • Dişbudak, kayın, ceviz, meşe, gürgen. • Ağaçlarda; – – – – Matris; protein esaslı ve yarı selülozikdir. Elyaflar; sellüloz esaslıdır. Anizotropik özellik gösterir. Nem ve mikroorganizmalardan etkilenir bu nedenle kullanmadan önce fırınlanması gerekir. Parçacık Takviyeli Kompozitler • Parçacıklar; seramik, metal, polimer matrislerin içerisine katılarak kompozitler yapılır. • Parçacıklar boyutlarına göre ince veya kaba taneli olabilirler. • Parçacık boyutlarının aynı olmasına özen göstermek gerekir. • Parçacıklar mekanik özelliklerin yanı sıra diğer nedenlerle kullanılabilirler; – Pigmentler, – Gaz oluşturucu katışkılar – Katılaşma geciktiriciler – Katılaşma hızlandırıcılar • Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla sert parçacıklar katılabilir. Örneğin; metal matrisli malzemeler içine Mekanik alaşımlandırma ile katılması. Bu işleme “dispersiyon sertleşmesi” de denilir. Ön gerilmeli beton Betonun Basma altında kırılması XParçacık takviye durumunda • İki uç durumu hesaba katma söz konusu :Eş gerilme (iso stress) veya eş uzama (iso strain) – n = 1 eş birim şekil değişimi – n = -1 eş gerilme – -1 < n < 1 aradaki değerler. • Düşük modüllü matris, yüksek modüllü takviye n 0 • Yüksek modüllü matris, düşük modüllü takviye n 1/2 Ec n E1nV1 Eh nVh l: Düşük dayanımlı bileşen h: Yüksek dayanımlı bileşen n: Zorlanmaya bağlı üstel Mekanik özellikler • Kompozitin mekanik özelliklerinde; hacim oranları, zorlama yönü, ara yüzey dayanımına, takviye ve matris malzemesi, takviyenin geometrisi çok önemli. Kompozitlerin mekanik özellikleri – Takviyenin dayanımına – Takviyenin geometrisine – Takviyenin yoğunluğuna bağlıdır. • Özgül dayanım ve Özgül modül değerleri de dikkate alınmalıdır. Bu değerler; Kompozitin yoğunluğu: c= vmm + vff Vm = Matrisin hacimce oranı; Vf = Takviyenin hacimce oranı m = Matrisin yoğunluğu; f = Takviyenin yoğunluğu σs σç ρ Es E Şeklinde bulunur. Kevlar veya karbon takviyeli epoksi kompozitlerde yüksek değerler elde edilir. 5 kg Bor elyaf tek yönlü takviye olarak 8 kg Al matris içerisine katılacaktır. Bu durumda Kompozitin yoğunluğu Elyaflara paralel yönde elastiklik modülü Elyaflara dik yönde elastiklik modülünü hesaplayınız. (Hacimce oranı) X c X m Vm X f V f n X c X mVm X f V f n=1 ise; n= -1 ise n Xc n XmX f X mV f X f Vm • Epoksi matrisli kompozit %40 hacim oranında E-cam elyafla takviye edilmektedir. Bu kompozitten yapılan 2 cm çapında çubuk 25 kN taşıyacağına göre elyafa gelen gerilme ne olacaktır. (Ecam=10.5x106 psi, Eepoxy=0.4x106 psi) Kuvvetin elyaf tarafından taşınma oranı) Elyafın kompozit içindeki alanı