BÖLÜM – V

TEMEL MALZEME BİLGİSİ

31.10.2018 1

31.10.2018 2

Giriş

Malzemeler, mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde kullanılan ve

mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen özelliklere sahip katı

maddelerdir. Malzemeler, insanlık tarihinde her zaman önemli bir rol oynamış

ve tarih çağlarının bir çoğu o dönemde geliştirilen ve kullanılan malzemelere

atfen verilmiştir. (Cilalı Taş Devri, Tunç Devri v.s.) Bu nedenle tüm

mühendislik programlarında öğrencilere bir malzeme bilgisi alt yapısı

kazandırılmaya çalışılması doğaldır.

Malzeme biliminin genel amacı, malzemelerin iç yapısını tanıtmak, iç yapılar

ile özellikler arasında bağıntılar araştırmak, bu şekilde geliştirilen temel ilkeler

ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflara

ayırarak özelliklerini incelemektir.

31.10.2018 3

Malzemelerin Türleri

Malzemelerin sınıflandırılması değişik şekillerde yapılabilir. Ancak

mühendisler açısından en uygun sınıflandırma;

• Metaller

• Seramikler

• Polimerler

• Kompozitler

• Yarı İletkenler

Metaller genellikle 2 grup olarak ele alınırlar;

• Demir esaslı metal ve alaşımları (dökme demir ve çelikler)

• Demir Dışı Metal ve Alaşımları (alüminyum, magnezyum, bakır, titanyum,nikel, çinko ve alaşımları.)

31.10.2018 4

Çelikler

Çelikler esas olarak Fe-C alaşımlarıdır. Ancak bileşimlerinde sade karbonun bulunması

durumunda bu çeliklerin özellikleri yetersiz kalır: gevrekliğe yol açmadan 700 MPa

üzerindeki dayanımlara sahip olamazlar, sertleşme kabiliyetleri düşüktür, korozyon

direnci zayıftır.

Bu nedenle çeliklerde karbon dışında Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, Al gibi değişik

elementlerle alaşımlandırma yapılır. Alaşımlandırma ile çeliklerin kullanım özellikleri

(dayanım, sertlik, süneklik, tokluk vb.) ve imalat özelliklerinin (şekillendirilebilirlik,

talaşlı imalata elverişlilik, kaynak kabiliyeti vb.) geliştirilmesi mümkündür.

31.10.2018 5

Çelikler değişik standartlara göre sınıflandırılır ve kodlanır. Örneğin AISI (ABD)normlarına göre sınıflandırma ve kodları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Sınıf Alaşım Elementleri Yaygın Örnekler

10XX C 1020, 1040, 1060

11XX C,S (Otomat) 1120

2XXX Ni 2130

3XXX Ni+Cr 3140

4XXX Mo+Cr+Ni 4140, 4340

5XXX Cr 5160

6XXX V 6150

7XXX W 7230

86XX Ni+Cr+Mo 8620, 8660

92XX Si 9260

Çelik Türleri

31.10.2018 6

Çelik TürleriYapı Çelikleri

Yapı çeliklerine kesme ve delik delme işlemleri hariç talaş kaldırmalı işlemler ve ısıl

işlemler uygulanamaz. Yapı çelikleri temin edilmiş olduğu formda kesilir, bükülür,

delinir ve kaynak edilebilir. Yapı çeliklerinde kısa gösterimde verilen rakam genellikle

çeliğin “Kgf/mm2” cinsinden ortalama kopma dayanımını belirtir. Örnek: W.S.Nr:

1.0037 (St 37-2) içeriğinde max 0.17 % C olan ve kopma mukavemeti 34-45

Kgf/mm2 arasında bulunan yapı çeliğini gösterir. Bu değerler dizayn değerleri

olmayıp dizayn değerleri belirli emniyet katsayılarına bölünerek elde edilir. Profil,

lama, çubuk, boru vb.: Fe37, Fe42, Fe50 (çekme dayanımına göre kodlama – Avrupa),

ABD 1010, 1020 vb. Yassı ürünler: FE10 Siyah sac, Fe13-Fe14 derin çekme kalitesinde

sac.

31.10.2018 7

Yapı çelikleri uygulama örnekleri

31.10.2018 8

Islah Çelikleri

Su verme/temperleme işlemi ile özellikleri düzenlenebilir çeliklerdir. Basit karbonlu

veya alaşımlı türleri bulunmaktadır.

Islah çelikleri uygulama örnekleri

31.10.2018 9

Sementasyon Çelikleri

Yüzeye karbon yayındırarak, iç kısımları tok, yüzeyleri ise sertleştirilmiş parçaların

imalatı için kullanılan çeliklerdir.

Sementasyon çelikleri uygulama örnekleri

31.10.2018 10

Nitrürasyon Çelikleri

Yüzeye azot yayındırarak yüzey sertliği sağlanan çeliklerdir. Orta karbonlu ve nitrür

yapıcı elementler içeren malzemelerdir.

Nitrasyon çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 11

Otomat Çelikleri

Çok iyi talaşlı imalat özellikleri vardır. Genelde kükürt (S) ile alaşımlı çeliklerdir.

Otomat çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 12

Paslanmaz Çelikler

Alaşım elementi olarak yüksek oranda Cr ve Ni içeren pahalı çeliklerdir. Paslanmaz

çeliklerin bileşiminde en az %12 Cr bulunması durumunda yüzeyde koruyucu bir oksit

tabakası oluşur. Cr içeren ferritik paslanmaz çelikleri daha ucuzdur (410, 430).

Ostenitikler ise Cr ve Ni içerir. Bu tür çeliklerin korozyon direnci daha iyidir ve kolay

şekillendirilebilirler (304,316).

Paslanmaz çelik uygulamaları

31.10.2018 13

Yay Çelikleri

Bu tür çelikler iyi sertleşebilme kabiliyetine sahiptir. Genellikle orta karbonludur.

Yay çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 14

Cıvata Çelikleri

Soğuk şekil vermeye uygun (ovalama), basit karbonlu veya alaşımlı çeliklerdir.

Cıvata çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 15

Yüksek Sıcaklık Çelikleri

Yüksek sıcaklıkta kullanım için düşünülmüş malzemelerdir. Kaynak kabiliyetleri iyidir.

Yüksek sıcaklık çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 16

Düşük Sıcaklık Çelikleri

Çok düşük sıcaklıklarda dahi yüksek tokluklarını koruyan genellikle Mn ve Ni ile

alaşımlandırılmış çeliklerdir.

Düşük sıcaklık çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 17

Subap Çelikleri

Yüksek sıcaklık dayanımı ve korozyon dayanımı yüksek çeliklerdir, motorlarda

kullanılırlar.

Subaplar

31.10.2018 18

Takım ÇelikleriDeğişik imalat yöntemlerinde takım malzemesi olarak kullanılan çelikleridir. Sıcak işçelikleri, sıcak şekillendirme ve döküm kalıplarında, soğuk iş çelikleri soğukşekillendirmede, kesme takım çelikleri ise talaşlı imalat takımları için kullanılır.

Takım çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 19

Rulman Çelikleri

Sertlik açısından yüksek karbonlu, yorulma dayanımı açısından iyi kaliteli bir çeliktir.

.

Rulman çeliği kullanım örnekleri

31.10.2018 20

Elektrik Çelikleri

Si oranı yüksek çeliklerdir. Bu tür çeliklerde manyetik kayıp azdır. Transformatörler ve

elektrik motorlarında kullanılırlar.

Elektrik çelikleri uygulama örnekleri

31.10.2018 21

Ostenitik Çelikler

Deformasyon sertleşmesine çok duyarlı malzemelerdir, oda sıcaklığında ostenit faz elde

etmek için Mn ile alaşımlandırma yapılmıştır.

Ostenitik çelik uygulama alanı örneği

31.10.2018 22

Yüksek Dayanımlı Düşük Alaşımlı Çelikler

Bu çeliklerde yüksek dayanım ve şekillendirilebilme kabiliyeti, mikro alaşımlama ile ekonomik olarak sağlanır (Ti,V gibi). Bu malzemelerde özellikler etkili bir alaşımlama ve kontrollü ısıl/mekanik işlemlerle geliştirilir. Bu malzemeler özellikle otomotiv sektöründe sac kaporta malzemesi olarak kullanılır. Yüksek dayanımlar hafif tasarımlara imkân sağlar, ayrıca imalat kolaylığından dolayı da tercihe edilirler.

Şekil 21: Yüksek alaşımlı çelik

Yüksek alaşımlı çelik uygulama örnekleri

31.10.2018 23

Maraging Çelikleri

Çok yüksek çekme dayanımlarına sahipçeliklerdir (2000-3000 Mpa). Ayrıca yükseksıcaklık dayanımları da yüksek olduğundanstratejik malzemelerdir. İki ayrı dayanımarttırma mekanizması vardır: martenzitdünüşümü ve yaşlandırma. Günümüzdebirçok askeri ve stratejik uygulamalardakullanılmaktadır.

Maraging çeliği uygulama örnekleri

31.10.2018 24

Süperalaşımlar

1000 °C’ nin üzerindeki sıcaklıklarda dahi yüksek dayanımlı ve kararlı olan çeliklerdir.

Süper alaşım kullanım örnekleri

31.10.2018 25

Dökme Çelikler

Çeliğin dökülebilme kabiliyeti çok iyi değildir. Bu nedenle sadece plastik şekil verme

(dövme vb.) yöntemlerle imalatın zor olduğu (çok büyük parçalar) ve dökme demirin

dayanımının yetersiz kaldığı durumlarda kullanılır.

Dökme çelik uygulama örnekleri

31.10.2018 26

Dökme Demirler

Dökme demir %2.1 ile %4 karbon ve % 1 ile %3

silikon bulunduran bir alaşımdır. Kompozisyonu

piki metal döküm için son derece uygun kılar.

Aslında dökme demir dökümleri tüm diğer döküm

yapılan metal parçaların toplamından tonaj olarak

birkaç kat fazladır (çelik yapımı sırasında pota

dökümü yapılan ve sonrasında haddelenen, çubuk

çekme işlemi uygulanan demirler hariç). Dökme

demirin diğer metaller arasındaki toplam tonajı

çelikten sonra ikinci gelir.Dökme Demir

31.10.2018 27

Birkaç tip dökme demir arasından en önemlisi gri dökme demirdir (pik döküm veya kır döküm de denir). Diğer tipler arasında sünek demir, beyaz dökme

demir (beyaz pik), yumuşak demir ve bazı dökme demir alaşımları bulunur.

Gri Dökme Demir

Gri dökme demir dökme demirlerin tonaj olarak en fazlasını teşkil eder. Kompozisyonolarak %2.5 ile %4 karbon ve % 1 ile %3 silikon bulundurur. Bu kimya dökümdensonra katılaşma sırasında grafit (karbon) tanecikleri oluşumuna olanak sağlar. Yapı,herhangi bir kırılma durumunda metalin yüzeyinde gri bir renk oluşturduğundandolayı döküme gri dökme demir denmektedir. Grafit taneciklerinin dağılımı (1) motorve diğer makinelerde beklenen iyi saklınım sönümlemesi ve (2) dökme demiritezgâhta işlenebilir hale getiren iç yağlama kalitesi gibi iki ilgi çekici özelliğiberaberinde getirir.

31.10.2018 28

Sünek Demir

Bu demir gri dökme demir kompozisyonunda olup eritildikten sonra dökülmeden öncekimyasal olarak işlenerek grafit taneciklerinin küresel olarak şekillendirilmesisonucunda elde edilir. Bu daha dayanıklı ve adına da uygun olarak sünek bir yapıoluşturur. Uygulamaları arasında yüksek sağlamlık ve iyi aşınma dayanımı gerektirenmakine parçaları vardır.

Beyaz Dökme Demir

Bu dökme demir gri dökme demirden daha az karbon ve silikon içerir. Eritilen metalindökümden sonra çok hızlı soğutulması ve böylelikle karbonun çözelti içerisindetanecikler olarak çökelmesi yerine demirle birleşik olarak sementit (Fe3C) oluşturmasısonucu meydana gelir. Kırıldığında yüzeyde görülen beyaz kristalleşmiş yapı budöküme adını verir. Sementitten dolayı beyaz pik daha sert ve kırılgan ve aşınmadayanımı çok yüksektir. Dayanımı tipik 276 MPa ÇD değeriyle iyidir. Bu özellikleriylebeyaz dökme demir aşınma dayanımının gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır. Trenfrenleri buna iyi bir örnektir.

31.10.2018 29

Dövülebilen Demir

Dökme beyaz dökümler ısıl işlemden geçirilirse karbon çözeltiden ayrılarak grafittopaklar halinde şekillenir ve ortaya çıkan metale dövülebilen demir denir. Yeni mikroyapının sünekliği kendinden geliştirildiği orijinal metale oranla belirgin miktarda artar(uzamada %20’ye kadar). Tipik dövülebilir dökme demir ürünleri arasında borubağlantı parçaları, bazı makine parçaları ve demiryolu cihaz parçaları vardır.

Alaşım Dökme Demirler

Dökme demirler özel uygulamalar ve özellikler elde etmek için alaşım yapılırlar. Bualaşım dökme demirler: (1) martenzit oluşumuyla ısıl işlenebilir tipler, (2) nikel vekromla alaşım yapıp paslanmazlık dirençli tipler ve (3) sıcaklık dayanımı ve yükseksıcaklık oksidasyon dayanımı için yüksek oranda nikelle alaşım yapılmış ısıl dirençlitipler olmak üzere sınıflandırılırlar.

31.10.2018 30

Dökme demir kullanım

31.10.2018 31

Demir Dışı Metal ve Alaşımları

Demir dışı metaller demir temelli olmayan metal elementlerini ve alaşımlarını içerir.

Mühendislik metallerinin demir dışı metaller grubundaki en önemlileri alüminyum,

bakır, magnezyum, nikel, titanyum ve çinko ile alaşımlarıdır.

31.10.2018 32

Demir dışı metal grupları her ne kadar çelik dayanımında olmasa bile bazı demir dışı

alaşımları orta ve yüksek gerilim uygulamalarında çelikler kadar iyi paslanma dayanımı

ve/veya dayanım-ağırlık oranı gösterirler.

Metaller arasında elektriksel direnci en düşük olanlardan bakır elektrik kablolarında

kullanılır.

Alüminyum iyi ısıl iletkenlik özelliğiyle ısı eşanjörlerinde ve tencerelerde uygulama alanı

bulur.

31.10.2018 33

Alüminyum ve Alaşımları

Alüminyum ve magnezyum hafif metaller oldukları için mühendislik uygulamalarında

bu özellikleriyle tanımlanmışlardır. İki element de Yeryüzünde bolca bulunur,

alüminyum karada magnezyum da suda yer almasına rağmen kolaylıkla doğal

durumlarında ayrıştırılamazlar.

Alüminyum kullanım alanları

31.10.2018 34

Özellikler ve Tanımlama Şekli

• Yüksek elektriksel ve ısıl iletkenlik• Yüzeyinde oluşan ince oksit tabakası sayesinde çok iyi paslanma direnci• Yumuşak bir metal olduğundan şekillendirilebilirliği yüksek• Saf alüminyum dayanıksızdır fakat alaşımlanıp ısıl işleme tabi tutulduğunda özellikleağırlığın önemli olduğu durumlarda çeliklerle yarışabilir.

Alüminyumun tanımlama sistemi dört rakamlı bir kodla yapılır.

31.10.2018 35

31.10.2018 36

Magnezyum ve Alaşımları

Magnezyum (Mg) yapısal metallerin en hafifidir. Magnezyum ve alaşımları hem

işlenmiş hem de döküm olarak bulunabilir. İşlemesi görece kolaydır. Bununla birlikte

tüm magnezyum işlemlerinde oluşan küçük metal parçacıkları (kesme sırasında oluşan

küçük talaşlar) hızla okside oldukları için, yangın tehlikesine karşı dikkatli olunmalıdır.

Magnezyum uygulama örnekleri

31.10.2018 37

Özellikler ve Tanımlama Şekli

Saf metal magnezyum görece yumuşak ve mühendislik uygulamaları için yeteri kadar

dayanıklı değildir. Bununla birlikte alaşım hali ısıl işlem gördüğünde alüminyum

alaşımlarıyla karşılaştırılabilecek seviyede dayanıma ulaşır. Özellikle dayanım-ağırlık

oranının yüksek oluşu havacılık ve füze parçalarının yapımında ona avantaj sağlar.

31.10.2018 38

31.10.2018 39

Bakır ve Alaşımları

Eski çağlarda bakır doğada serbest bir element olarak bulunabiliyordu. Günümüzde bu

doğal yatakların bulunması çok daha zor olduğundan bakır çoğunlukla kalkopirit

(CuFeS2) gibi sülfürlerden oluşan cevherlerden elde edilir.

Bakır kullanım alanı örnekleri

31.10.2018 40

Özellikler ve Tanımlama Şekli

Saf bakır ayırt edici kırmızımsı pembe bir renge sahip olmakla birlikte onun en ayırtedici mühendislik özelliği, tüm metaller arasında en düşüklerinden biri olarak, düşükelektriksel direncidir. Bu özelliğinden ve doğada görece bol bulunmasından dolayı ticariolarak saf bakır yaygın olarak elektrik iletkenlerinde kullanılır. (Bakırın iletkenliğininalaşım elementleri eklendikçe azaldığını belirtmek gerekir.) Bakır aynı zamanda çok iyibir ısıl iletkendir. Bakır soy metallerden (altın ve gümüş de soy metallerdendir) biriolduğu için aynı zamanda paslanmaya karşı da dirençlidir. Tüm bu özelliklerbirleştiğinde bakır en önemli metallerden biri haline gelir.

31.10.2018 41

31.10.2018 42

Nikel ve Alaşımları

Nikel (Ni) birçok yönden demire benzer. Manyetiktir, elastiklik modülü hemen hemen

demir ve çelikle aynıdır. Bununla birlikte nikelin paslanma direnci çok daha fazla,

alaşımlarının yüksek sıcaklık direnci üstündür. Bu paslanma direnci özelliği nedeniyle

alaşım elementi olarak çelikte, paslanmaz çelik üretiminde ve düz karbon çeliği gibi

diğer metallerde kaplama malzemesi şeklinde yaygın olarak kullanılır.

Nikel kullanım alanı örnekleri

31.10.2018 43

31.10.2018 44

Titanyum ve Alaşımları

Titanyum (Ti) Dünya’nın kabuk tabakasının %1’ini oluşturduğundan (alüminyum %8 ile

bunlardan en fazlasıdır) bolca bulunmaktadır. Titanyumun yoğunluğu alüminyum ile

demir arasında yer alır. Önemi, hafifliği ve dayanıklılık-ağırlık oranın yüksek olduğunun

keşfedilmesi ve son yıllarda yapılan havacılık uygulamalarıyla artmıştır.

31.10.2018 45

Titanyum kullanım alanı örnekleri

31.10.2018 46

Çinko ve Alaşımları

Düşük erime sıcaklığı çinkoyu döküm metali olarak cazip kılmaktadır. Çelik veya demire

kaplandığında paslanmaya karşı direnç yaratır; galvanize çelik aslında çeliğin çinkoyla

kaplanmasıyla üretilir.

31.10.2018 47

Çinko kullanım alanı örnekleri

31.10.2018 48

Kurşun ve Kalay Alaşımları

Kurşun (Pb) ve kalay (Sn) düşük erime sıcaklıklarından, elektriksel bağlantıları sağlayanlehimleme alaşımlarında ortak kullanıldıklarından dolayı çoğunlukla birlikte anılırlar.

Kurşun düşük erime sıcaklığı olan yoğun, düşük dayanımlı düşük sertlikte (yumuşakdaha uygun bir sözcüktür), yüksek süneklikte ve iyi paslanma dayanımında olan birmetaldir. Lehimde kullanılması yanında, kurşun ve alaşımlarının uygulamaları arasındacephane, matbaa metalleri, x-ışını koruması, bataryalar, yataklar ve salınım sönümlemebulunur. Aynı zamanda kimyasallar ve boya ürünlerinde yaygın kullanılır.

Kalayın kurşundan daha da düşük erime sıcaklığı vardır. Diğer özellikleri arasında düşükdayanım, düşük sertlik ve iyi süneklik bulunur. Kalayın en eski kullanımı bakır ve kalayınMÖ 3000 yıllarında Mezopotamya ve Mısır’da alaşımıyla geliştirilmiş bronz yapımıdır.Bronz halen önemli bir ticari alaşımdır (her ne kadar görece önemi 5000 yılda azalsa da).Kalayın diğer kullanımları arasında gıda depolama için üretilen kalay kaplı çelik saclevhalar (tenekeler) ve tabii ki lehim metali vardır.

31.10.2018 49

31.10.2018 50

Refrakter Metaller

Refrakter metaller yüksek sıcaklıklara dayanabilen metallerdir. Bu guruptaki en önemlimetaller molibden ve tungstendir. Diğer refrakter metaller Kolombiyum (Co) veTantal’dır (Ta). Genel olarak bu metaller ve onların alaşımları yüksek sıcaklıklarda yüksekdayanım ve sertlik gösterme kabiliyetine sahiptir.

31.10.2018 51

31.10.2018 52

Kıymetli Metaller

Değerli metaller veya kimyasal olarak aktif olmadıkları için soy metal olarak adlandırılan

gümüş, altın ve platin gibi metallerdir. Sınırlı miktarlarda bulunduğundan bu metaller

çekici olup medeniyetler tarihi boyunca madeni para ve kağıt para teminatı olarak

kullanılmıştır. Bunlar aynı zamanda takı ve kuyumculuk gibi onların yüksek değerini

ortaya çıkaran benzeri uygulamalarda kullanılmıştır. Değerli metaller yüksek yoğunluk,

iyi yumuşaklık, yüksek elektriksel iletkenlik ve iyi bir paslanmazlık özellikleri gösterir.

31.10.2018 53

Metaller

Mühendislikte kullanılan malzemelerin önemli bir kısmı metaller ve bu

metallerin alaşımlarıdır. Metallerin karakteristik özellikleri:

• Kristal yapıdadırlar

• Dayanımları yüksektir

• Kolay şekillendirilebilirler

• Toklukları yüksektir, yani kırılgan değildirler

• Basma dayanımları, yaklaşık olarak çekme dayanımlarına eşittir

• Korozyon dayanımları genellikle düşüktür

• Yüksek elektrik ve ısı iletkenlikleri vardır

• Şeffaf değildirler, ancak parlak bir görünüşe sahiptirler.

31.10.2018 54

Metal çatı sistemleri

Metal çanta

Metal Toka

Çelik konstrüksiyon

31.10.2018 55

SERAMİKLER ve CAMLAR

Metaller, genellikle mühendislik malzemelerinin en önemli sınıf olarakdüşünülmektedir. Ancak, seramik malzemelerin aslında daha bol olması ve daha yaygınolarak kullanılması ilginçtir. Kil ürünleri (örneğin, tuğla ve toprak kaplar), cam,çimento, ayrıca tungsten karbür ve kübik bor nitrür gibi daha modern seramikmalzemeler bu kategoriye dahildir. Benzer uygulamalarda kullanıldıkları için,seramikler ile ilgili çeşitli elementler de bu bölüme dahil edilmiştir. Bu elementler;karbon, silisyum ve bordur.

Mühendislik malzemesi olarak seramiklerin önemi, doğada bolca bulunmalarından vemekanik ve fiziksel özelliklerinin metallerinkinden oldukça farklı olmasındankaynaklanmaktadır. Seramik malzeme, bir metal (ya da yarı metal) ile bir ya da dahafazla metal olmayan elementten oluşan inorganik bir bileşiktir.

31.10.2018 56

Genel olarak seramikleri ticari ve teknolojik açıdan aşağıdaki gibi çeşitlendirebiliriz:

Kil yapı ürünleri; tuğlalar, toprak künk ve kiremitRefrakter seramikler; fırın duvarları, potalar ve kalıplar gibi yüksek sıcaklık uygulamalarınadayanıklı seramiklerBetonda kullanılan çimento; inşaat ve yol yapımı için kullanılan (beton kompozit birmalzemedir ancak bileşenleri seramiklerdir)Beyaz Seramik Eşyalar; çanak çömlek, taş eşyalar, ince çini, porselen ve kil ile diğer minerallerinkarışımlarından üretilen sofra eşyalarıCam; şişeler, cam eşyalar, mercekler, pencereler ve aydınlatma lambaları için kullanılanlarCam elyaf; ısı yalıtım yünleri, destekli plastikler (fiberglas) ve fiber optik iletişim hatlarıAşındırıcılar; alüminyum oksit ve silisyum karbür gibiKesme takımı malzemeleri; tungsten karbür, alüminyum oksit ve kübik bor nitrür gibiSeramik yalıtkanlar; elektrik iletim aksamları, bujiler ve mikro elektronik çip altlıkları gibiuygulamalarda kullanılanlarManyetik seramikler; örneğin, bilgisayar belleklerindeNükleer yakıtlar; uranyum oksite (U02) dayalı olanlarBiyoseramikler; yapay diş ve kemiklerde kullanılan malzemeler

31.10.2018 57

Seramik malzemeler üç temel grupta sınıflandırılır:

Geleneksel seramikler: Çanak çömlek ve tuğla gibi kil ürünlerinde kullanılan silikatlar, aşındırıcılar ve çimento

Yeni seramikler: Oksit ve karbürler gibi silikat olmayan içeriğe dayalı son zamanlarda geliştirilen seramikler ve genellikle geleneksel seramiklere göre üstün ya da benzersiz mekanik veya fiziksel özelliklere sahip olan seramikler

Camlar: Silikaya dayalı ve diğer seramiklerden kristal olmayan yapılan ile ayırt edilebilen seramikler. Bu üç temel gruba ek olarak bir de cam seramikler vardır, ısıl işlemle büyük ölçüde kristal yapıya dönüştürülebilen camlar

31.10.2018 58

Geleneksel Seramik Ürünler

Killer seramiklerin en yaygın olarak kullanılan hammaddeleridir. Bunlar, su ilekarıştırıldığında, şekillendirilebilen ve kalıplanabilen bir plastik madde haline gelen, inceparçacıklar halindeki sulu alüminyum silikattan oluşmaktadır.

Suyla karıştırıldıklarında plastik olmasının yanı sıra, kilin onu önemli yapan ikinci birözelliği ise yeterince yüksek bir sıcaklığa ısıtıldığında, yoğun ve kuvvetli bir malzemehaline gelmesidir. Bu ısıl işlem pişirme olarak bilinir. Uygun pişirme sıcaklıkları kumbileşimine bağlıdır. Böylece, kil henüz ıslak ve yumuşakken şekillendirilebilir vesonrasında sert seramik bir ürün elde etmek için pişirilebilir.

Silika (Si02), geleneksel seramikler için önemli bir başka hammaddedir. Camların anabileşeni olmasının yanı sıra, beyaz seramik eşyalar, refrakterler ve aşındırıcılar gibi diğerseramik ürünlerin de önemli hammaddesidir. Silika doğal halde, en önemlisi kuvarsolmak üzere farklı yapılarda bulunur. Kuvarsın temel kaynağı kum taşıdır.

31.10.2018 59

Seramiklerin eşya kullanımına örnekler

Çanak Çömlek ve Sofra Eşyaları

31.10.2018 60

Seramiklerin kiremit ve tuğla uygulamaları

31.10.2018 61

Ateş tuğlası ve uygulaması - Refrakter malzeme

Genellikle tuğla şeklindeki Refrakter seramikler, malzemeleri ısıtma ve/veya eritme için fırın ve pota gerektiren birçok endüstriyel işlemde önemlidir. Refrakter malzemelerin yararlı özellikleri yüksek sıcaklık direnci, ısıl yalıtım ve ısıtılan malzemeler (genellikle erimiş metaller) ile kimyasal reaksiyona karşı dirençli olmalarıdır.

31.10.2018 62

Seramik aşındırıcı diskler

Aşındırıcılar: Taşlama diskleri ve zımpara gibi aşındırıcı ürünlerde kullanılan gelenekselseramikler alüminyum oksit (Al2O3) ve silisyum karbürdür (SiC).

31.10.2018 63

Yeni Seramikler

Yeni seramikler; örneğin oksitler, karbürler, nitrürler ve borürler, kimyasal olarakgeleneksel seramiklerden daha basittir.

En önemli oksit yeni seramik alüminyum oksittir. Geleneksel seramikler kapsamındatartışılmış olmasına karşın, alüminyum oksit bugün bir elektrikli fırın metodukullanılarak, boksitten sentetik olarak üretilmektedir. Alüminyum oksit ayrıca iyiderecede sıcak sertliğe, düşük ısıl iletkenliğe ve iyi bir korozyon direncine sahiptir.Kullanım alanları: aşındırıcılar (taşlama diski kumları), biyo seramikler (yapay kemiklerve dişler), elektrik izolatörleri, elektronik bileşenler, camdaki alaşım içerikleri, refraktertuğla, kesme takımı uçları, buji muhafazaları ve mühendislik elemanları.

31.10.2018 64

Karbür seramikler, silisyum karbür (SiC), tungsten karbür (WC), titanyum karbür (TiC),

tantal karbür (TaC) ve krom karbürü (Cr3C2) içerir. Bir aşındırıcı olarak kullanılmasına

ilaveten, diğer SiC uygulamalarına rezistans ısıtma elemanları ve çelik yapımında katkı

maddesi olarak kullanılması da dahildir. WC, TiC ve TaC sertlik ve aşınma dayanımları

açısından hem kesme takımları hem de bu özellikleri gerektiren diğer uygulamalar için

değerlidir. Sonuç olarak, bir metal çerçeve içinde bağlanmış olan karbür tozları

sinterlenmiş karbür olarak bilinen kompozit malzeme, yani sermet (seramik ve metal

kelimelerinden türetilmiştir) oluşturur.

31.10.2018 65

31.10.2018 66

Seramikler, metal + metal olmayan bir elementten (C, N, O ve S)

oluşmaktadır. Örneğin, alüminyum bir metaldir, ancak bunun oksidi olan

Al2O3 seramiktir. Alüminyum kolay şekillendirilebilir bir malzemedir, oksidi

olan Al2O3 kolay şekillendirilemez ve kırılgandır. Seramik malzemelerin

gevrekliklerinin giderilmesine ve kırılma tokluklarının artırılmasına yönelik

çalışmalar yapılmaktadır.

Seramiklerin karakteristik özellikleri:

• Dayanımları yüksektir, gevrek malzemelerdir ve kırılma toklukları düşüktür.

• Erime sıcaklıkları yüksektir ve ısıya dayanıklı refrakter malzeme olarakkullanılırlar. (Soba, ocak ve fırınlarda)

• Çekme dayanımları düşük ve basma dayanımları yüksektir.

31.10.2018 67

Seramik kullanım alanları

31.10.2018 68

SiO2 geniş ve karmaşık bir aile olan silikatlar grubundadır. Bu malzeme amorf

yapıya sahip olabilir ve buna cam adı verilir. Cam ile seramikler arasındaki temel

fark ise seramiklerin kristal yapıya sahip olmalarıdır.

Malzemelerin yapıları, atomların bağ kuvvetleri yardımı ile bir araya gelerek

uzayda dizilmeleri sonucu oluşur. Bu diziliş düzenli ise kristal, düzensiz ise amorf

olarak adlandırılır.

Camların büyük kısmı silikatlardan oluşur, ancak bileşimlerinde farklı oksitlerde

bulunmaktadır. Örneğin, pencere camlarında %72 SiO2 ile birlikte başta Na2O ve

CaO olmak üzere diğer oksitler bulunmaktadır.

31.10.2018 69

31.10.2018 70

Yani farklı bileşimlerde cam türleri vardır; örneğin pencere camı ve gözlük camı

bileşimleri açısından farklıdır.

Camların karakteristik özellikleri;

• Dayanımları yüksektir, ancak gevrek ve kırılgandır.

• Çekme dayanımları düşük, basma dayanımları yüksektir.

• Saydam türleri vardır.

• Seramiklerden farklı olarak yüksek sıcaklıkta yumuşatılarak veya eritilerekşekillendirilebilirler.

31.10.2018 71

Bazı cam türleri şekillendirme işlemleri sonrası camsı durumdan kristal duruma

geçebilirler. Seramik cam olarak adlandırılan bu malzemeye camsı durumda

kolaylıkla biçim verilir ve sonrasında kristalleştirilerek seramiklerin üstün mekanik

özellikleri kazandırılır.

Yüksek sıcaklığa dayanıklı Alüminyum Silikat malzeme

31.10.2018 72

Polimerler (Plastikler)

Plastik malzemeler günlük yaşamda sık olarak karşılaşılan ucuz ve kullanışlı

malzemelerdir. Petrol türevi malzemelerden elde edilen malzemelerdir.

Yapılarında genellikle, C, H, O, N, S bulunur.

Bu gruba giren malzemelerin yapısı, mer’lerin birleşerek uzun bir zincir

oluşturması (polimer) ve bu uzun zincirlerin birbirlerine zayıf ikincil bağlar, veya

güçlü çapraz bağlar ile birleşmesi ile oluşur.

Örneğin mer, bir Hidrokarbon molekülü olabilir, (C2H4: Etilen) ve bunların

birleşmesi ile polimer ortaya çıkar. (Polietilen).

31.10.2018 73

Polimerler (Plastikler)

Polimerlerin yapılarında bulunan elementler çok çeşitli değildir, bir çok önemli

polimer hidrojen ve karbon esaslıdır. Diğerleri, oksijen (akrilikler), nitrojen

(naylonlar), flor (fluoroplastikler) ve silisyum (silikonlar) içerirler.

31.10.2018 74

Polimerler (Plastikler)

Polimerlerin karakteristik özellikleri:

• Plastikler; sünek, hafif ve ucuz malzemelerdir.

• Yapılarındaki bağların karakterleri nedeniyle dayanımları düşüktür.

• Düşük sıcaklıkta yumuşarlar ve erirler.

• Elektriksel olarak yalıtkandırlar.

Bazı sınırlamalara rağmen plastik malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Son yıllarda bu malzemelerin dayanımlarının ve rijitliklerinin artırılmasına

yönelik birçok gelişme sağlanmıştır ve dolayısıyla mühendislik uygulamalarında

kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır.

31.10.2018 75

Polimerler (Plastikler)

31.10.2018 76

Kompozitler (Karma Malzemeler)

Yukarıda verilen 3 gruba giren 2 veya daha fazla malzemenin makro

düzeyde yan yana getirilmesi ile, bu malzemelerin üstün özelliklerini

aynı malzemede toplayan ve yeni bir özellik ortaya çıkaran malzemeler

oluşturulabilir ve bu malzemeler kompozit olarak adlandırılır. Aynı

gruba giren 2 malzeme, örneğin 2 farklı metalde bir araya getirilerek kompozit

oluşturulabilir. Örneğin metal sacların üzerine başka bir metal tabaka

kaplanarak korozyona karşı korunurlar.

Kompozit malzemelerde farklı malzemeler birbiri içinde çözünmezler; tabaka,

lif veya parçacık halinde birlikte bulunurlar.

31.10.2018 77

Kompozitler (Karma Malzemeler)

Cam elyaf - denizcilik

Cam elyaf – Rüzgar enerjisi (yenilenebilir enerji)

Kompozit levha

31.10.2018 78

Kompozitler (Karma Malzemeler)

Örnek:

CTP (Cam takviyeli plastik): Plastik malzeme cam lifler ile takviye edilerek

dayanım ve rijitlik kazandırılır. (fiberglas)

Beton: İçinde çakıl taşları, kum, çimento v.s. vardır.

Ahşap: Doğal bir kompozittir.

31.10.2018 79

Fiberglas şerit metreFiberglas örgü bant Fiberglas saplı çekiç

Fiberglas kabinFiberoptik kablo

31.10.2018 80

Yarı İletkenler

Yarı iletken malzemeler ne iyi bir iletken, nede tam bir yalıtkandır. Elektronikte

kullanılan en önemli malzemelerdir. Çipler, işlemciler, transistörler, gibi

elemanların üretiminde kullanılır. Silisyum ve germanyum en yaygın kullanılan

yarı iletkenlerdir.

31.10.2018 81

Led

31.10.2018 82

Yapı Özellik İlişkileri

Değişik malzemelerin kendine has özellik ve davranışları ile bunlar arasındaki

farkları anlamak için bu malzemelerin atomsal ölçekteki iç yapılarını tanımak

çok önemlidir. Böylece her malzeme grubuna ait karakteristik

özelliklerin, atomsal veya mikroskobik ölçekteki yapısal özellik ve

mekanizmalardan kaynaklandığı görülecektir.

31.10.2018 83

Yapı Özellik İlişkileri

Örnek 1:

Alüminyum sünek, magnezyum gevrek özellik gösterir.

Metaller kalıcı şekil değiştirirken (Plastik Deformasyon), malzemenin kristal

kafesindeki belirli kristal düzlemleri belirli doğrultularda kayarlar. Bir kristalde

kayma sistemi sayısı arttıkça malzemenin şekil değiştirmesi kolaylaşır (süneklilik

artar). Magnezyum kristalinde 3 kayma sistemi var iken, bu sayı alüminyum için

12 dir. Sonuç olarak Alüminyum sünek özellik gösterirken, magnezyum gevrek bir

özelliğe sahiptir.

31.10.2018 84

Yapı Özellik İlişkileri

Örnek 2: Saydam Seramikler

Seramikler, genellikle kristal tozlarının yüksek dayanımlı ve gözeneksiz

ürünler elde etmek için yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile elde edilir;

ancak buna rağmen yüksek miktarda gözenek içerirler. Malzeme içinden

geçen ışık demeti bu gözeneklerde saçılır ve bu nedenle malzeme saydam

değildir (opak malzeme, % 0,3 gözeneklilik dahi malzemeyi opak hale getirir).

Katkı malzemesi ile bu gözenekler giderilebilir ve malzeme saydama yakın hale

gelir. (1000 0C’ye kadar çıkabilen sodyum lambaları)

31.10.2018 85

Malzeme Seçimi

Mühendislik uygulamaları için on binlerce malzeme içerisinden en uygun

seçimin yapılması gerekmektedir. Bu tür bir seçimde öncelikle kullanılacak

malzemenin hangi gruptan (metal, plastik, seramik v.s.) olduğuna karar verilmeli,

ve en uygunu seçilmelidir.

Örnek:

İçerisinde 14 Mpa (1 pa= 1 N/m2) basıncında gaz bulunacak bir gaz tüpü için bir

malzeme seçimi yapalım;

Aranılan malzeme de 3 temel özellik vardır; Dayanım, Süneklik ve Fiyat

31.10.2018 86

Malzeme Seçimi

• Dayanım bakımından metaller, seramikler ve kompozitler seçilebilir.

• Ancak malzemenin kırılgan olması istenmediği için seramik malzeme kullanılmaz

ve bu durumda 2 seçenek kalır;

• Fiyat açısından bakıldığında ise kompozitlerin yüksek fiyatları nedeniyle metal

malzeme seçilmelidir.

31.10.2018 87

Malzeme Seçimi

Hangi metal alaşımının kullanılacağı ise aşağıdaki şekilde belirlenir;

Metaller

Demir Alaşımları Demir Olmayan Alaşımlar

Demirler Çelikler

Düşük Alaşımlı Çelikler Yüksek Alaşımlı Çelikler

31.10.2018 88

Malzeme Seçimi

Aynı gaz tüpünü uçak-uzay sanayinde kullanmamız gerektiği zaman; aradığımız

özellikler, dayanım, süneklik ve hafiflik olmalıdır. Dayanım ve süneklik

bakımından tercih edilecek malzemeler yine metaller ve kompozitler olmaktadır.

Ancak bu kullanım yerinde hafiflik önemli olduğundan tercih, kompozit

malzemeler olmalıdır. Çünkü metal malzemenin seçilmesi durumunda tüp ağır

olacaktır.

31.10.2018 89

Mekanik Özellikler

Malzemelerin uygulanan mekanik zorlamalar karşısındaki davranışı

mekanik özellikler olarak adlandırılır. Mekanik özellikler atomlar arası bağ

kuvvetlerinden kaynaklanır. Bununla birlikte malzemenin iç yapısının da büyük bir

etkisi vardır. İç yapısal değişiklikler ile mekanik özellikler önemli oranda

iyileştirilebilir.

Her malzeme için karakteristik bir gerilme-şekil değiştirme ilişkisi vardır. Bu eğri

genellikle çekme deneyi ile saptanır ve malzemenin mekanik davranışları ile ilgili

çok önemli bilgiler içerir.

31.10.2018 90

Gerilme-Şekil Değiştirme Tanımları

Gerilme: Dış kuvvetler etkisi altında malzemeler şekil değişimine uğrarlar. Kuvvetin

kaldırılması durumunda başlangıç boy ve ölçülerine dönülürse, malzemenin

uğradığı şekil değişimi ELASTİK, aksi halde PLASTİK (kalıcı) olarak adlandırılır.

Gerilme altındaki parçalarda boy ve açı değişimleri meydana gelir. ΔL boy değişimi

ilk ölçü boyu L0 değerine oranlanırsa birim uzama (ε) olarak adlandırılan

boyutsuz bir değer elde edilir.

Bu değer yüzde olarak verilirse yüzde uzama olarak adlandırılır.

Şekil değişiminin uzama veya kısalma olmasına göre bu değer + veya – işaretli

olabilir.

31.10.2018 91

Gerilme-Şekil Değiştirme Tanımları

Tek eksenli gerilme altındaki bir parça uzarken aynı zamanda gerilmeye dik

doğrultuda daralır. Bu oran poisson oranı olarak adlandırılır.

Elastik şekil değişimindeki poisson oranı metaller için yaklaşık olarak 0,3

civarındadır.

Kayma gerilmeleri nedeniyle oluşan açısal şekil değişimi ise boyutsuz bir büyüklük

olan ile verilir ve birim kayma olarak adlandırılır.

31.10.2018 92

Normal ve kayma gerilmeleri

31.10.2018 93

Elastiklik ve Kayma Modülü (E):

Elastik alanda gerilme ve birim uzama doğru orantılıdır ve bu bölgede Hooke

kanunu geçerlidir. Bu doğrunun eğimi elastiklik modülü olarak adlandırılır.

Elastiklik modülü bir malzemenin yay katsayısı olarak düşünülebilir ve birimi

gerilme ile aynıdır.

Kayma gerilmesi (ح) ile elastik birim kayma arasındaki ilişki ise G=(∆ ح /∆γ)

olarak tanımlanır. Burada G kayma modülü’dür. Burada tanımlanan 3 elastik

büyüklüğü birbirinden bağımsız değildir ve aralarında aşağıda verilen bağıntı

vardır. İki değerin bilinmesi halinde diğer üçüncü değer hesaplanabilir. E= 2.(1+ϑ)

31.10.2018 94

Çekme Deneyi:

Çekme deneyi bir malzemenin dayanımını ve

mekanik davranışlarını belirlemek için yapılır ve

malzeme deneyleri arasında en önemlilerinden

birisidir. Karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için

standartlara uygun yapılır (TS 138 EN 10002-1, Türk

Standartları Enstitüsü deney yapılışı ve numune

hazırlanışı).

31.10.2018 95

Çekme Deneyi:

• Çekme deneyinde malzemeye yavaş yavaş artandarbesiz çekme zorlamaları uygulanır.

• Uygulanan kuvvet, deney parçası eksenindedirve malzemenin kesitine üniform olarak dağılır.

• Kuvvet parça kesitine dik olduğu için normalgerilmeler söz konusudur.

• Deney sırasında uygulanan kuvvet F ve buzorlama altında gerçekleşen uzama değerleri ∆Lkaydedilir.

• Deney numunede kopma meydana gelinceyekadar sürdürülür.

31.10.2018 96

Çekme Deneyi:

Gerilme Değeri :

Birim uzama değeri de ilk ölçü boyuna oranlanarak birim uzama (veya % uzama)

değeri elde edilir.

Gerilme ve birim uzamanın hesaplanmasında deney başlangıcındaki kesit

büyüklüğü ve başlangıçtaki ölçü boyunun kullanılması ile elde edilen bu

değerlere mühendislik gerilmesi ve mühendislik birim uzaması adı verilir.

Deney sırasındaki kesit ve boy değişimleri dikkate alarak hesaplama yapılırsa

gerçek gerilme ve gerçek birim uzama olarak adlandırılır.

31.10.2018 97

Çekme Deneyi:

31.10.2018 98

Çekme Deneyi:

Çekme eğrisinde elde edilen kuvvet uzama eğrisi ve yukarıdaki bağıntılar yardımı

ile mühendislik çekme eğrisi elde edilir.

Eğrinin doğrusal olan başlangıç kısmında şekil değişimleri elastiktir. Akma

gerilmesinin aşılması ile kalıcı şekil değişimleri başlar. Akma başladıktan sonra

kuvvetin boşaltılması ile elastik şekil değişiminin geri döndüğü ancak kalıcı birim

uzamaların kaldığı görülür.

Çekme Eğrisi İle Elde Edilen Mekanik Özellikler:

• Elastiklik E ve Kayma Modülü G (GPa)

Hooke kanununun geçerli olduğu bu bölgede gerilme ile birim uzama doğrusal

orantılıdır. Bu bölgede doğrunun eğimi elastiklik modülü olarak adlandırılır.

31.10.2018 99

Çekme Deneyi:

Bu değer atomlar arası bağ kuvveti ve kafes yapısı ile ilgilidir. Eğri ne kadar dik

olursa malzeme o kadar rijit, ne kadar yatık olursa o kadar esnek olur.

• Poisson Oranı (ϑ)

Tek eksenli gerilme altında olan bir parçada eksene dik doğrultuda da bir şekil

değiştirme zorunludur. Bu durum poisson oranı olarak adlandırılır.

31.10.2018 100

Çekme Deneyi:

• Elastiklik Sınırı (σe)

Bu değer malzemede elastik şekil

değişiminin sona erdiği ve kalıcı şekil

değişiminin başladığı gerilme

değeridir. Bu değerin eğri üzerinde

belirlenmesi güç olduğunda belirli

bir kalıcı uzamanın oluştuğu (% 0,2)

gerilme değeri Akma Dayanımı

olarak alınır.

31.10.2018 101

Çekme Deneyi:

• Akma Dayanımı

% 0,2 kalıcı uzamanın oluştuğu gerilme değeri akma

dayanımı olarak adlandırılır ( ). Bazı özel durumlarda

örneğin yüksek sıcaklıklarda ve plastik malzemelerde % 1

alınabilir. Akma, dislokasyonların hareketi ile başlar.

Akma dayanımı, malzemenin kalıcı şekil değiştirmeden

çıkabilecek en üst gerilme sınırıdır.

Bazı malzemelerde (yumuşak çelikler) akmanın

başladığı gerilme değeri net görülebilir. Bu malzemelerde

alt ve üst akma sınırları söz konusudur.

31.10.2018 102

31.10.2018 103

Kalıcı Şekil Değişimi ve Pekleşme:

Akma sınırından sonra kalıcı şekil değişimi başlar. Kalıcı şekil değişimi sürdükçe,

şekil değişiminin devam etmesi için gerilmenin artırılması gerekmektedir. Bunun

nedeni metal malzemelerde artan dislokasyon yoğunluğu nedeniyle, dislokasyonların

birbirlerini karşılıklı engellemesidir (pekleşme).

Kuvvet kaldırılması ile boşalma Hooke eğrisine paralel bir doğru boyunca olur ve

geriye kalıcı şekil değişimi kalır. Kuvvet yeniden artırılırsa, şekil değişiminin boşalma

eğrisi boyunca ilerlediği ve bir önceki yüklemede gerilmenin boşaltıldığı gerilme

değerine kadar elastik olarak devam ettiği ve bu noktadan sonra kalıcı şekil

değişiminin devam ettiği görülür. Yani kalıcı şekil değiştirmiş bir malzemenin sertliği

pekleşme sonucu artar.

31.10.2018 104

Çekme Dayanımı:

Çekme deneyinde en büyük kuvvetin (Fm)

başlangıç kesitine bölünmesi ile elde edilen

maksimum gerilmedir.

Maksimum değere ulaştıktan sonra kuvvet

düşer, bunun nedeni deney parçasının

belirli bir kesitten sonra büzülmeye

başlamasıdır. Kesitin daralması nedeniyle

şekil değişiminin devamı için gereken

kuvvet giderek azalır ve sonunda kopma

oluşur.

31.10.2018 105

Üniform uzama yüzdesi:

Deney parçasında yerel büzülme başlayana kadar (max. Kuvvet noktası)

gerçekleşen uzama miktarıdır. Bu noktaya kadar uzama üniformdur. Yani

parçanın boyu uzar, kesiti daralır ve şekli korunur.

Uzamanın üniform olmasını yani büzülmenin şekil değişiminin başlangıcında

olmasını engelleyen neden pekleşme yani şekil değiştiren malzemenin dayanımının

artmasıdır. Böylece, deney parçasının herhangi bir kesiti diğerlerinden daha fazla

şekil değiştirse dahi, bu bölge derhal pekleşir, dayanımı artar ve şekil değişimi diğer

kesitlerde devam eder.

Şekil değişimi devam ettikçe pekleşme etkisi azalır ve numune bir bölgede

büzülmeye başlar sonrasında kopma meydana gelir.

31.10.2018 106

Kopma uzaması ve Kopma Büzülmesi:

Çekme dayanımına ulaşıldıktan sonra şekil değişimi devam eder ve sonunda kopma

olur. Kopma uzaması, deney numunesinde oluşan toplam kalıcı şekil değişiminin

(L-L0) başlangıç boyuna oranı olarak verilmektedir.

Kopma büzülmesi ise kopma sonrasındaki en büyük kalıcı kesit değişiminin başlangıç

kesitine oranıdır.

Kopma uzaması ve büzülme değerleri malzemelerin şekil değiştirme kabiliyeti

(sünekliği) hakkında bilgi vermektedir.

31.10.2018 107

Rezilyans ve Tokluk:

Malzemenin birim hacmi için harcanan şekil

değiştirme işi, çekme eğrisinin altındaki alan

yardımı ile hesaplanabilir.

Elastik sınıra kadar harcanan iş, bir malzeme içinde

kalıcı şekil değişimi (akma) başlamadan

depolanabilecek maksimum elastik şekil değiştirme

enerjisini verir ve rezilyans olarak adlandırılır.

Örneğin yay malzemelerinde rezilyans’ın yüksek

olması istenir.

31.10.2018 108

Rezilyans ve Tokluk:

Malzemenin kopmasına kadar harcanan enerji ise

eğrinin altında kalan alanın tamamıdır. Bu değer

tokluk olarak adlandırılır. Yüksek tokluk değeri

mühendislik malzemeleri için aranan çok önemli

bir özelliktir.

31.10.2018 109

Süneklik ve Tokluk:

Bir malzemenin kalıcı şekil değiştirme kabiliyetine süneklik denir ve bu özellik için

kopma uzaması ve kopma büzülmesi ölçüt olarak kullanılabilir. Tokluk için ise

malzemenin kopması için harcanması gerekli enerji bir ölçüttür. Süneklik yanında

malzemenin dayanımı da tokluk için belirleyicidir.

Gevrek ve Sünek Kırılma :

Gevrek malzemeler fazla şekil değiştirmeden

kuvvete dik bir ayrılma kırılması ile koparlar.

Sünek malzemelerde ise belirgin şekilde önemli

bir yerel kalıcı şekil değişimi görülmektedir.

31.10.2018 110

Gerçek Gerilme Birim Uzama Eğrisi:

Mühendislik uzama ve birim şekil değiştirme değerleri, deney sırasında kaydedilen

kuvvet F ve uzamaların ∆L, başlangıç kesiti (A0) ve ilk ölçü boyuna (L0) bölünmesi

ile hesaplanır (Kesit ve boy değişimleri dikkate alınmaz). Birçok durumda küçük

şekil değişimleri söz konusu olduğundan dolayı bu değerler ile çalışmak yeterlidir.

Büyük şekil değişimlerinin söz konusu olduğu yerlerde (dövme ile

şekillendirme), başlangıç kesit yerine anlık kesit ve boy değerleri alınarak, gerçek

gerilme ve birim uzama değerlerinin belirlenmesi gerekmektedir.

İki eğri arasında boyun vermenin oluştuğu noktadan sonra büyük fark

bulunmaktadır.

31.10.2018 111

Gerçek Gerilme Birim Uzama Eğrisi:

Gerilme-birim uzama bağıntısı (çekme

eğrisi) her malzemeye özgü

karakteristik bir eğridir. Her malzeme

için farklıdır.

31.10.2018 112

31.10.2018 113

Sertlik

Sertlik, malzemelerin sert bir ucun batırılmasına gösterdiği direnç olarak

tanımlanır. Standart bir uç, sabit bir kuvvetle cisme bastırılır, bu batma ile oluşan

izin büyüklüğü, bu malzemenin plastik (kalıcı) şekil değiştirmeye direncinin bir

ölçütü olarak değerlendirilir.

Ölçülen sertlik değerleri sadece karşılaştırma sayılarıdır, yani elde edilen değerler

tasarımlarda doğrudan kullanılmazlar. Sertlik ölçme deneylerinden kalite kontrol

amaçlı faydalanılır.

31.10.2018 114

Brinell Deneyi

D çapında bir çelik bilye, bu çapa uygun olarak seçilmiş bir F kuvveti ile

malzemenin yüzeyine bastırılır. Standart kuvvet ve bilye çapları (1,25-10 mm)

seçilerek malzemeye uygun deney koşulları belirlenir. Deney sonunda iz optik olarak

ölçülür ve kuvvet, izin yüzey alanına bölünerek Brinell sertlik değeri elde edilir.

Brinell sertlik deneyi yumuşak ve orta sertlikteki

malzemeler için kullanılır, örneğin sertleştirilmiş çelikler

için Brinell sertlik deneyi tercih edilmez. İz yüzeyi alanının

belirlenmesi için iz çapının otomatik olarak ölçülmesi

gerekir, hassas bir ölçüm için malzeme yüzeyi deney

öncesinde düzgün ve parlak olarak hazırlanmalıdır.

31.10.2018 115

Vickers Deneyi

Bu yöntemde kullanılan uç, tepe açısı 136 derece olan bir elmas kare piramittir.

Oluşan izin köşegen ortalamaları alınarak yüzey belirlenir ve Vickers sertliği

hesaplanır.

Standart kare piramit bu uç ile farklı kuvvetler uygulanabilir ve yöntem farklı

sertlikte ve kalınlıkta malzemeler için kullanılabilir. Kullanım alanı geniştir. Bu

yöntemin üstünlüğü, ölçülen sertliğin deneyde uygulanan kuvvetten bağımsız

olmasıdır.

31.10.2018 116

31.10.2018 117

Rockwell Deneyi

Bu yöntemde diğerlerinden farklı olarak iz yüzeyi değil, iz derinliği

ölçülmektedir. Dolayısıyla batırılan ucun oluşturduğu izin kalıcı batma derinliği,

hassas olarak ölçülerek sertlik değeri doğrudan belirlenebilir. İz üzerinde optik

ölçümlerin yapılması gerekmediğinden deney daha kısa sürede yapılabilir.

Deney sırasında ilk teması sağlamak ve varsa

boşlukları gidermek için bir ön yük F0 uygulanır. Daha

sonra ana (F1) yükün uygulanması ve kaldırılması ile

kalıcı bir batma derinliği (tb) oluşur ve bu derinlik

ölçülerek malzemenin sertliği doğrudan belirlenir.

31.10.2018 118

Rockwell Deneyi

Farklı malzemeler ve sertlikler için kullanılmak üzere değişik Rockwell sertlik

skalaları tanımlanmıştır. Batırılan uç, elmas koni veya çelik bilye olabilmekte ve

değişik batırma kuvvetleri uygulanabilmektedir. Bunlar arasında en fazla kullanılan

yöntemler önceki tabloda verilmiştir.

Farklı yöntemlerle elde edilen sertlik değerleri karşılaştırma amacıyla birbirine

dönüştürülebilir ve bu amaçla kullanılan dönüştürme tabloları mevcuttur.

31.10.2018 119

Sertlik-Çekme Dayanımı İlişkisi

Sertlik değeri malzemenin kalıcı şekil değiştirmeye olan direncinin bir ölçüsü

olduğundan, malzemenin akma dayanımı ile ilgilidir. Sertlik deneyi ile malzemenin

dayanım değeri hakkında kaba bir fikir elde edilebilir.

31.10.2018 120

Çentik Darbe (Vurma) Deneyi

Malzemenin gevrek kırılma eğilimini belirlemek

için yapılır. Mühendislik uygulamalarında

malzemelerin yeterli tokluğa sahip olmaları çok

önemlidir. Bu deneyde, üzerinde çentik açılmış

standart bir numune, bir sarkaç çekiç yardımı ile

kırılır ve çekicin salınma yüksekliği kaybından (h>h)

kırma için harcanan enerji hesaplanır. Bu deneyde

belirlenen kırma işinin sayısal değeri tasarım

hesaplarında sayısal bir değer olarak kullanılamaz,

sadece malzeme davranışının bir göstergesi olarak

değerlendirilir.

31.10.2018 121

Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı

Malzemenin gevrek kırılma eğilimi ortam

sıcaklığına bağlıdır. Bu sıcaklığın

belirlenmesi için en uygun yöntem değişik

sıcaklıklarda vurma deneyi yaparak şekildeki

eğriyi belirlemektir.

31.10.2018 122

Yorulma

Bir parçaya etkiyen gerilmelerin, malzemenin akma dayanımının altında, yani elastik

bölgede kalması durumunda herhangi bir mekanik hasar beklenmez. Ancak

zorlamaların (gerilme) yönü ve şiddeti dinamik olarak değişiyorsa bu durumda dahi

hasar oluşabilir. Bu olaya Yorulma adı verilir. Uygulamada karşılaşılan hasarların büyük

bir bölümü yorulma kırılmasıdır.

Yorulma hasarının oluşumunda 2 farklı bölge söz konusudur. Çatlak oluşumu ve çatlak

ilerlemesi. Çatlağın başlangıcı genellikle iç yapıda veya yüzeyde bulunan çok küçük bir

kusurda (çizik, iç yapıda kalıntı, yüzeyde çentik v.s.) gerilme yığılması oluşması ve

bunun sonucu akma dayanımının yerel olarak aşılması ile ortaya çıkar.

31.10.2018 123

• Yerel kaymaların bulunduğu bölgede yön değiştiren şekil değişimleri yüzeyde girinti

ve çıkıntılara, bir süre sonrada bir mikro çatlak oluşturur.

• Mikro çatlak ilerler ve bir makro çatlak oluşturur. Sonrasında yorulma kırılması

oluşur.

• Çatlağın ilerlediği bölgede yayılan dalgalara benzer çizgiler oluşmaktadır.

31.10.2018 124

Yorulma deneyleri;

• Sabit bir ortalama gerilme için farklı gerilme genlikleri alınarak yapılır.

• Yorulma kırılmasının tespit edildiği kırılma çevrim sayıları belirlenir

• Sabit ortalama gerilme için Wöhler eğrisi çizilir.

• Wöhler eğrisi bazı malzemeler (örn. Çeliklerde) için asimtota yaklaşır, yani belirli bir

gerilme genliğinin altında yorulma kırılması oluşmaz.

• Metallerin çoğunda asimtot görülmez. (Alüminyum alaşımları)

31.10.2018 125

Sürünme ve Gerilme Gevşemesi;

• Sabit bir gerilmenin yüksek sıcaklıkta malzemeye

etkimesi durumunda malzemenin zamana bağlı

olarak kalıcı şekil değiştirmesine sürünme (creep)

adı verilir.

• Bu olayın görüldüğü yüksek sıcaklıklar, genellikle

malzemenin mutlak erime sıcaklığının (K) yarısından

daha büyük olan sıcaklıklardır.

Sürünme deneyi sabit sıcaklık ve sabit gerilme altında

yapılır ve birim uzamanın zamanla artışı sürünme eğrisi

olarak çizilir.

31.10.2018 126

Sürünme ve Gerilme Gevşemesi;

İlk yüklemede bir ön şekil değişimi görülür.

Eğride 3 farklı bölge bulunmaktadır:

• Sürünme hızının zamanla azaldığı birincil

sürünme

• Hızın yaklaşık sabit olduğu ikinci bölge (en

önemli bölge, sürünme hesapları bu bölgeye göre

yapılır). Bu bölgede sürünme hızı sabittir

• Hızın zamanla arttığı ve kırılmanın meydana

geldiği 3. bölge

31.10.2018 127

Artan sıcaklık ve gerilme ile birlikte

sürünme hızı da artmaktadır.

Sürünme Sınırı:

Belirli bir sıcaklık ve süre için malzemede

belirli bir kalıcı uzamaya neden olan

gerilmedir.

Sürünme Kopma Süresi:

Belirli bir sıcaklık ve süre için malzemenin

kopmasına neden olan gerilmedir.