Malzeme Bilimi

Malzeme Bilimi

Öğr. Gör. Habib AKYAZI

Ders İçeriği

 Endüstriyel malzemeler

Malzemelerin Sınıflandırılması:

Günümüzde kullanılan malzemeler dört ana grupta incelenir:

Metalik Malzemeler

Seramik Malzemeler

Organik (Plastik) Malzemeler

Karma veya Kompozit Malzemeler

MÜHENDİSLİK MALZEMELERİNİN KIYASLANMASI

METALLER

Çelik, alüminyum, bakır, çinko, dökme demir, titanyum ve nikeli kapsayan metal ve alaşımlar genellikle;

 iyi termal ve elektrik iletkenliğine,

 nispeten yüksek dayanıma,

 kolay şekillendirilebilme özelliğine

 oda sıcaklığında katı yapıya

 yoğunluklarına bağlı olarak hafif-ağır özelliğe sahip malzemelerdir.

Saf metaller zaman zaman kullanılmalarına rağmen genellikle alaşımlar daha iyi özellikler elde etmek için kullanılır.

Alaşımlama

Demire katılan alaşım elementlerinin amacı:

 İmalatta kolaylık;

 Dayanım artışı;

 Sertleşebilme kabiliyeti;

 Korozyon dayanımı;

 Yüksek sıcaklık dayanımı;

Metalik Malzemeler iki gruba ayrılırlar

DEMİR ESASLI

MALZEMELER

Demir ve Alaşımları

Demir Mineralleri

Demir ve Alaşımları

Çelik türleri: Karbon çelikler

Standart kod numaraları:

AISI: American Institute of Steel and Irons

SAE: (Society of Automotive Engineers)

AISI 10xx 1020, 1040, 1080, 10130, vs xx: 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.

Çelikler

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 Genelde, aşınma

direnci gerektiren uygulamalarda kullanılır.

Çelikler ayrıca içerdikleri alaşım elemanlarının toplam miktarlarına göre

1.Alaşımsız çelikler

2.Mikro alaşımlı çelikler

3.Düşük alaşımlı çelikler

4.Yüksek alaşımlı çelikler

Olarak sınıflandırılır.

Çelikler ayrıca içerdikleri alaşım elemanlarının toplam miktarlarına göre

1.Alaşımsız çelikler (Adi karbonlu çelikler):

Alaşım elemanı yok.Yapı çelikler, takım çelikleri (Yüksek karbonlusu)

2.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.

Çelikler ayrıca içerdikleri alaşım elemanlarının toplam miktarlarına göre

3.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

4.Yüksek alaşımlı çelikler:

Toplam alaşım oranı ≥ %5 dir. Çeliğe sertleşme kabiliyitini arttırmaya ek olarak çeşitli amaçlarla da katılır. Aşınmaya,

paslanmaya direnç , düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk, yüksek sıcaklılarda sünmeye ve oksidasyona direnç gibi.

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(niyobyum) vs. dir. Çok ince taneli

yapısından dolayı dayanım ve süneklikleri yüksektir.

Saç ve levha şeklinde imal edilir ve otomativ sektöründe yaygın

kaporta malzemesidir.

Alaşımlı çelikler

Toplam alaşım oranının %5 ten fazladır.

En önemlileri:

–Paslanmaz çelikler (Stainless steels).

–Takım çelikleri (Tool steels).

Paslanmaz Çelikler: En az % 8 oranında Cr içerir.

Oda sıcaklığı yapılarına göre 2 ye ayrılır.

–Ostenitik

–Ferritik/Martenzitik

Çelik Türleri

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.

Dökme demir 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 (Sfero) DD: Erimiş durumda % 0.5 Mg, veya Ce katılması ile grafit küresel tarzda katılaştırılır. İyi süneklik ve dayanım özellikleri gösterir.

(a): Beyaz DD, (b) Gri /Kır DD; (c) Küresel grafitli DD; (d) Temper DD

Dökme demir türleri ve kullanım yerleri

DEMİR DIŞI MALZEMELER

ALÜMİNYUM VE ALAŞIMLARI

Tabiatta en çok bulunan elementlerden biridir ve endüstride çelikten sonra en çok kullanılan metaldir.

Çeliklere göre hafif olmasının yanında korozyona dayanıklılığı da iyidir.

Hafiflik kıyaslaması yapılırken, malzemelerin özgül dayanım değerleri karşılaştırılır. Alüminyumun dayanım/yoğunluk

oranı, yani özgül dayanım değeri hafiflik isteyen yapılar için

(uçak, piyade silahı, yüksek gerilim hatları vs.) iyidir.

ALÜMİNYUM VE ALAŞIMLARI

 Rijitliğin önemli olduğu durumlarda alüminyum alaşımlarının çeliğe göre önemli üstünlükleri vardır.

 Alüminyumun elektrik ve ısı iletkenliği, bakırın elektrik iletkenliğine göre azdır.

 Fakat özgül elektrik iletkenliği (elektrik iletkenliği/yoğunluk) ve özgül ısı iletkenliği (ısı iletkenliği/yoğunluk) değerleri

karşılaştırıldığında bakırdan daha iyi olduğu görülür. Bundan dolayı, havai elektrik hatlarında alüminyum alaşımları kullanılır.

 Alüminyumun, sıcak ve soğuk şekillendirilebilirliği çok iyidir.

Magnesyum (Mg) ve alaşımları:

Düşük özgül ağırlık, Yoğunluk: 1,74 g/cm3 hafifliğin önemli olduğu yerlerde kullanılır

Korozyondan etkilenir,

Elastiklik modülü dolayısıyla rijitliği düşük(45 GPa)

Gevrektir ve şekillendirilmesi güç bir malzemedir

Bazı alaşımları yaşlandırılabilir.

Yüksek sıcaklıklarda oksijenle hızla tepkimeye girer ve tutuşur. Bu durum imalatta ve kullanımda sorunlar yaratır.

Havacılık sektörü, spor aletleri, spor araç parçaları vs.

Titanyum ve alaşımları

Yüzeyindeki oksit tabakası (pasivizasyon) nedeniyle korozyona dayanıklıdır.

Yüksek özgül dayanım, Akma ve yorulma mukavemetleri çeliklerin mertebesindedir.

Mekanik özellikleri iyidir

200oC ye kadar yüksek dayanım gösterir.

Yoğunluk: 4,5 g/cm3 düşüktür bu nedenle hafiftir.

Havacılık ve tıp endüstrisinde yaygın olarak kullanılır.

Bakır ve Alaşımları

Yoğunluk: 8,9 g/cm3 yüksek(Çelikte 7,8 g/cm3)

Elektrik ve ısıl iletkenliği mükemmel

Diğer demir dışı metallere göre, sertlik aşınma dayanımı ve yorulma mukavemeti bakımından daha iyidir.

Kolay şekillendirilebilir diğer imal usullerine uygundur.

Korozyon dayanımı iyidir.

Bileşimine göre çeşitli renkler alabilir.

Süs eşyası ve para imalatında kullanılır.

Değişik yöntemlerle mukavemeti arttırılabilir.

Bakır ve Alaşımları

 En yüksek mukavemet yaşlandırılmış Cu-Be alaşımında elde edilir.

 Cu-Be yüksek dayanım ve kıvılcım üretmeyen takımlarda kullanılır.

 En önemli Cu alaşımları:

1.Pirinçler :Cu-Zn alaşımları

2.Bronzlar : Cu-Sn(Kalay bronzu) ve Mn, Al, Si bronzu

Bakır ve Alaşımları

Başlıca kullanım alanları

Bakır tel

Motor bobini

Jeneratörler

Transformatörler

Elektrikli trenlerin havai hatları

Endüstrilere ve evlere elektrik enerjisi nakleden iletim hatlarında

Radyatörler ve yağ soğutucuları

Ark ocaklarının elektrod tutucu ve kollarının yapımında

Nikel ve alaşımları

 Korozyon dayanımı ve yüksek sıcaklık özellikleri iyidir.

 Kolayca şekillendirilebilir.

 Ni-Cu alaşımlarının (Monel) korozyon dayanımı çok yüksektir.

Alman gümüşü olarak da bilinir.

 Süperalaşımların ana alaşım elementlerinden biridir. Alaşım elementleri Al ve Ti. (Ni3Al ve Ni3Ti

 Tuzlu su dayanımı iyidir

 Yüksek sıcaklık uygulamaları için kullanılır

Çinko (Zn) ve Alaşımları

 Erime sıcaklığı düşüktür .

 Korozyona dayanıklıdır.

 Basınçlı döküm yöntemine uygun bir malzemedir.

 Çelik saçların galvanizlenerek korozyondan korunması için kullanılır.

 “Zamak” çok bilinen Zn-Al ile alaşımıdır.

Uygulama alanları:

 Elektrik cihaz parçaları

 Otomotiv parçaları

 Mobilya aksesuarları vs.

Kurşun ve alaşımları

Erime sıcaklığı düşüktür.

Yoğunluğu yüksek ve ışın geçirgenliği düşük olduğu için radyasyondan korunmakta kullanılır.

Lehim alaşımlarında ana alaşım elementidir.

Az miktarda antimon ile karıştırılarak mukavemeti arttırılabilir.

Toksik olması kullanım alanlarını sınırlar.

Akü plakaları yapmakta

X-ışını vs. radyasyona karşı bariyer olarak kullanılır.

Refrakter(Yüksek sıcaklığa dayanıklı) malzemeler

 Molibden,Niyobyum,Renyum,Tantal ve Volfram

 Çok yüksek sıcaklıkta özelliklerini kaybetmeyen malzemelerdir.

 Yüksek sıcaklıklarda süper alaşımlardan daha dayanıklıdırlar

 Yüksek erime sıcaklıkları,

 Düşük oksidasyon dirençleri: kullanımlarında inert atmosfer gerekir.

 Ampullerde filaman olarak vs. kullanılır

Kıymetli (Precious) metaller.

Au, Ag, Pt, vs.

Altın, gümüş, platin, iridyum, osmiyum, paladyum, rodyum, lütenyum

Korozyon dayanımları çok yüksektir.

Yüksek Safsızlık

Yüksek oksidasyon direnci Uygulama alanları:

Kuyumculuk,

Elektronik sanayi,

Tıp uygulamaları.

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.

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.

Hava ve Savunma Sanayinde kullanılır

Sınıflandırılmaları (a) Kullanımları açısından,

(b)Yapıları açısından

Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler;

Geleneksel seramikler,

İleri teknolojik seramikler.

Yapıları açısından

A. Kristal yapılı seramikler Silikat esaslı seramikler:

Yapısında SiO2 bulunan seramiklerdir.

Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdır

Ucuzdur.

Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır;

Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör

seramikler, Çimento.

A. Kristal yapılı seramikler Silikat içermeyen seramikler:

Bünyesinde SiO2 bulunmayan seramiklerdir.

İleri seramikler olarak adlandırılabilirler.

Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı

içerebilirler.

A. Kristal yapılı seramikler

Silikat içermeyen seramikler:

Çeşitleri:

Alumina Al2O3 refraktör

MgO (magnesia) refraktör

ThO2(Thoria) -nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi

UO2-nükleer yakıt

BaTiO3(Barium Titanate)- elektro-piezo seramik

NiFe2O4(Nikel Ferrit)-Manyetik seramik

A. Kristal yapılı seramikler

Oksit içermeyen seramikler:

 Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir.

 Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları).

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 parçaları malzemesi

Camlar

Amorf yapılı

Kristal yapılı

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 de bulunur.

Amorf yapılı Camlar

(Amorf Yapılı Camlar/Silikat Esaslı Camlar) 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)

Amorf yapılı Camlar

Amorf yapılı Camlar II. Silikat esaslı olmayan camlar:

Fazla kullanılmazlar.

Su ve nemden çok etkilenirler.

Katkı malzemesi olarak kullanılabilirler.

Elektronik endüstrisinde çeşitli uygulamalar.

C. 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.

C. Kristal yapılı Camlar

Avantajları

Daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir.

Kristal yapısı, düşük ısıl genleşme gösterir

Isıl şok dayanımı oldukça yüksek olur

Tencere vs uygulamaları.

Seramiklerin aksine daha kolay şekillendirilebilir.

Örnek; Li2O,+Al2O3+SiO2 kompozisyonudur. Tane

boyutunu küçültmek için TiO2 eklenir.

C. Kristal yapılı Camlar

Kaynaklar

 Şahin S., Malzeme Seçiminin Önemi ve Mühendislik Malzemeleri

 Mühendislik Metal ve Alaşımları, Yapı Malzemesi I Dersi, Dokuz Eylül Üniversitesi , İnşaat Mühendisliği Bölümü

 Ahmet Aran , Malzeme Bilgisi Ders Notları, İstanbul Teknik Üniversitesi, MakineaFakültesi

 Hayri Yalçın, Metin Gürü (2002). Malzeme Bilgisi. Palme Yayıncılık, Ankara.

 Baradan, B. (2011). Malzeme Bilgisi.DEU Mühendislik Fakültesi Yayınları, İzmir.

 Kocataşkın, F. (1975). Yapı Malzemesi Bilimi. Birsen Kitabevi Yayınları.