MALZEME

1. HAFTA

1

Malzemeler, mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde kullanılan ve mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak istenilen özelliklere sahip katılardır. 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 vs. Tüm mühendislik programlarında öğrencilere bir malzeme bilgisi altyapısı kazandırılmaya çalışılmaktadır.

1. GENEL BİLGİ

2

Milattan önce 5000 – 4000 yıllarında insanoğlunun kullandığı malzemeler odun, seramik, taş ve basit olarak doğadan kazanılan altın, bakır ve meteorlardan elde edilen demir iken, günümüzde artık karmaşık üretim teknolojileri kullanılarak elde edilen, plastikten yüksek dayanımlı hafif metal alaşımlarına, kağıttan ileri teknolojik seramiklere kadar geniş bir yelpazede çeşitlilik arz etmektedir. Bu malzemeler sayesinde insanoğlu kolayca uzay yolculuğu yapabilmekte, çok katlı binalar inşa edebilmekte, dünyanın bir ucundan diğer ucuna bir kaç saniyede ansiklopediler dolusu bilgiyi transfer edebilmektedir.

3

4

1.1. Malzeme Nedir? Yararlı özellikleri nedeniyle uygulamalarda kullanılan cisimlere malzeme denir. Bu cisimler elementlerden oluşmuşlardır. Elementler ise kimyasal olarak daha fazla ayrılamayan basit maddeler olarak tanımlanabilir. Yani aynı atom numarasına sahip atomlardan meydana gelmişlerdir. Malzemeler tek bir elementten oluşabileceği gibi birden fazla elementten de oluşabilirler.

5

Malzeme Biliminin genel amacı, malzemelerin içyapısını tanıtmak, iç yapılar ile özellikler arasında bağıntılar araştırmak, bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflara ayırarak özelliklerini incelemektir.

6

MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI 1-Kullanış Yer ve Amacına Göre Sınıflandırma a)Taşıyıcı Olarak (Beton, tuğla vb) b)Süsleyici Olarak (Alçı, fayans vb) c) Koruyucu Olarak (Dış etkilere karşı kimyasal malzemeler vb) 2- Şekil Değişimine Göre Malzemeler a) Elastik Malzeme: Yük tatbik edildiğinde oluşan deformasyon yada şekil değiştirme yük kaldırıldıktan sonra sona eriyorsa bu malzemeye elastik malzeme denir.

7

b) Plastik Malzeme: Malzeme üzerinde ki yük kaldırıldığında kalıcı bir deformasyon oluşan malzemeye denir.

c) Elastoplastik Malzeme: Yük kaldırıldığında malzemede bir miktar deformasyon kalır ve malzeme tamamen eski haline dönemez.

8

3. Fiziksel Yapıya Göre Malzemeler a) Homojen: Aynı cins ve karakter elemanlarından oluşan malzemedir. (Çelik gibi) b) Heterojen: Homojen olmayan malzemedir. c) İzotrop Malzeme: Herhangi bir malzeme tüm yönlerde aynı optik karakteri gösteriyorsa, bir başka deyişle, bir malzemenin tüm özellikleri tüm yönlerde aynıysa bu tür malzemelere (ortamlara, minerallere...) izotrop malzeme adı verilir. Kaya zemin ve suyun lineer elastik izotrop malzeme olduğu kabul edilmektedir. d)Anizotrop: İzotrop olmayan malzeme

9

4. Kimyasal Yapılarına Göre Malzemeler a) Metaller b) Seramikler c) Polimerler d) Kompozitler e) Yarı İletkenler f) Biyomateryaller

10

METALLER: Mühendislikte kullanılan malzemelerin önemli bir kısmı metaller ve bu metallerin alaşımlardır. Elektron verip metalik bağlarla bağlanan ve elektriği iyi ileten malzemelerdir. Karakteristik özellikleri: -Kristal yapıdadırlar. -Dayanımları yüksektir. -Kolay şekillendirilebilirler. -Toklukları yüksektir, yani kırılgan değillerdir. -Basınç dayanımları, çekme dayanımlarına yaklaşık eşittir.

11

-Korozyon dayanımı genellikle düşüktür. -Yüksek elektrik ve ısı iletkenlikleri vardır. -Şeffaf değillerdir, ancak parlak görünüşe sahiptirler. Metalleri mühendislik alanlarındaki kullanımlarına göre genelleştirirsek iki grupta toplayabiliriz. 1)Demir esaslı metal ve alaşımları (dökme demir ve çelikler) 2) Demir dışı metal ve alaşımları (alüminyum, magnezyum, bakır, titanyum, nikel, çinko ve alaşımları)

12

SERAMİKLER Metal olan veya olmayan elementlerin(C(Karbon), N(Azot), O(Oksijen), P(Fosfor) ve Si(Silisyum)) hem iyon hem kovalent bağlarla bazende sadece iyon bağlarla bağlanmasından meydana gelen ısı ve elektriği iletmeyen malzemelerdir. Örneğin: alüminyum bir metaldir ancak bunun oksidi olan Al2O3 seramiktir. Burada alüminyumun kolay şekillendirilebilir bir malzeme olmasına karşın, oksidi kırılgandır ve kolay şekillendirilemez.

13

14

Seramiklerin Karakteristik Özellikleri: -Dayanımları yüksektir ancak gevrek malzemelerdir ve kırılma toklukları düşüktür. -Erime sıcaklıkları yüksektir. Isıya dayanıklı refrakter malzeme olarak kullanılırlar(Soba, ocak ve fırınlarda) -Birçok ortamda kimyasal olarak kararlıdır. -Çekme dayanımları düşük, basma dayanımları yüksetir.

15

POLİMERLER Kovalent bağlarla elektronları ortaklaşa kullanan organik veya sentetik malzemedir. Günlük yaşamımızda ucuz ve kullanışlı birçok plastik malzeme(polimer) ile karşılaşırız. Polimerler genellikle petrol türevi ürünlerden elde edilen malzemelerdir. Yapılarında genelde C, H, O, N, S, bulunur.

16

Bu gruba giren malzemelerin yapısı, merlerin birleşerek uzun bir zincir oluşturması(polimer) ve bu uzun zincirler birbirlerine zayıf ikincil bağlar veya güçlü çapraz bağlar ile birleşmesi ile oluşur. Örneğin mer bir hidrokarbon molekülü olabilir(C2H4: etilen), bunların birleşmesi ile polimer ortaya çıkar(polietilen).

17

Polimer yapılarında bulunan elementler çok çeşitli değildir, birçok önemli polimer; hidrojen ve karbon esaslıdır. Diğerleri oksijen(akrilikler), nitrojen(naylonlar), flor(fluoroplastikler) ve silisyum(silikonlar) içerirler. Polimerlerin Karakteristik Özellikleri: -Plastikler sünek, hafif ve ucuz malzemelerdir. -Yapılarındaki bağların karakterleri nedeniyle dayanımları düşüktür. -İkincil bağlar içeren türleri kolay şekillendirilebilirler, düşük sıcaklıkta yumuşarlar ve erirler. -Elektriksel olarak yalıtkandırlar.

18

19

KOMPOZİTLER İlk üç grupta sıraladığımız malzemelerden iki veya daha çok malzemenin makro düzeyde yan yana getirilmesi ile, bu malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede toplayan veya yepyeni bir özellik ortaya çıkaran malzemeler oluşturulabilir ve bu malzemeler kompozit olarak adlandırılır. Aynı gruba giren iki malzeme, örneğin iki farklı metal de bir araya getirilerek kompozit oluşturulabilir, nitekim metal saçlar yüzeylerine başka bir metal tabaka giydirilerek (kaplanarak) korozyona karşı korunurlar.

20

Kompozitler metal alaşımlarından farklıdır. Alaşımlama mikro düzeydedir; kompozitte ise farklı malzemeler birbiri içinde çözünmezler; tabaka, lif veya parçacık halinde birlikte bulunurlar. CTP: Cam takviyeli plastik-plastik malzeme cam lifler ile takviye edilerek dayanım ve rijitlik kazandırılır(fiberglas). Beton: içinde kum, çakıl taşları, çimento vs. Ahşap: doğal bir kompozittir.

21

22

YARI İLETKENLER Yarı iletken malzemeler ne iyi bir iletken, ne de tam bir yalıtkandır. Elektronikte kullanılan çok önemli malzemelerdir; çipler, işlemciler, transistorler gibi elemanların üretiminde kullanılır. Silisyum ve germanyum en yaygın kullanılan yarı iletkenlerdir.

23

Atomsal bağlar bakımından yapılan sınıflandırmada bu malzemeler yukarıdaki dört gruba da girmez. Yarıiletkenlerde kimyasal bileşimin hassas kontrolü ile elektronik özellikler kontrol edilebilir. Bu malzemeler ve geliştirilen yeni teknolojiler sayesinde çok küçük boyutlarda elektronik devreler elde etmek mümkün olur.

24

Micro elektrik-mekanik sistem

25

BİYOMATERYALLER Biyomateryaller, herhangi bir nedenle yaralanan/kaybolan doku/organ fonksiyonunu geçici veya sürekli olarak yerine getiren, doğrudan kullanılan veya bu amaçla geliştirilen sistemlerde yer alan materyallerdir. Biyomateryaller, sözü edilen kaybı karşılayacak kimyasal, fiziksel, mekanik, vb. özelliklere sahip ve biyouyumu olmalıdır. Biyouyumlu olmayan materyaller, vücutta bir çok önemli olumsuz etkiler yapabilir; örneğin, hafiften serte doğru, irritasyona yol açabilir, alerjik veya toksik olabilir, ve hatta tümor oluşumuna kadar giden çok trajik tablolar yaratabilirler.

26

Biyomateryaller yumuşak ve sert doku yaralanmalarında/kayıplarında çoğu kez geçici bir süre kullanılır. Vücudumuz kendini onarma bilgi ve yeteneğine sahiptir; yumuşak doku genellikle birkaç hafta, sert doku ise bir birkaç ay belki bir yıl içinde yenilenebilir. Bu sürede, sağlıklı yenilenmeyi (“iyileşmeyi”) sağlamak için yaralı dokuyu korumak, desteklemek gerekir. Biyomateryaller bu amaçla kullanılır.

27

MALZEME SEÇİMİ

Mühendislik uygulamaları için on binlerce malzeme içinden en uygun seçimin yapılması gerekmektedir. Bu tür bir seçimde önce kullanılacak malzemenin hangi gruptan (metal, plastik seramik vs.) olacağına karar verilmeli, daha sonra bu gruba giren malzemeler arasında en uygunu seçilmelidir. Bu seçim sırasında sistematik düşünmek çok önemlidir.

28

Malzeme seçiminde 3 özellik vardır. Dayanım, süneklik ve fiyat a) Dayanım bakımından metaller, seramikler ve

kompozitler seçilebilir. b) Ancak malzemenin kırılgan olmasını

istemediğimizden seramik malzeme kullanamayız ve bu durumda 2 seçenek kalır

c) Fiyat açısından baktığımız zaman ise kompozitlerin yüksek fiyatından dolayı metal tercih edilir.

29

Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri ile belirlenir. 1) Kalite kontrol deneyleri: Belirli malzemelerin standart veya şartnamelerde belirtilen özellikleri sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir. Bu deneyler laboratuvar veya üretim yerinde yapılabilir. Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri ile belirlenir.

30

2. Kıyaslama deneyleri: Belirli ortamlarda kullanılacak farklı malzemeleri aynı koşullarda kıyaslamalı olarak denemek suretiyle uygun malzeme seçimi amacıyla yapılır. 3. Araştırma-geliştirme deneyleri: Bu tip deneyler daha sofistike olup, yeni malzemelerin geliştirilmesine veya bilinen malzemelerin bazı özelliklerinin düzeltilmesine yöneliktir.

31

Çeşitli Malzemelerin Kullanıldıkları Yerler ve Özellikleri

32

MADDENİN İÇ YAPISI

Malzemelerin özellikleri büyük ölçüde iç yapılarına bağlıdır. İç yapıları, atomlar arası bağ kuvvetleri etkisinde üç boyutlu uzayda dizilmeleri sonucu oluşurlar. Atom: elektronlar, protonlar ve nötronlardan oluşur. Atomlar arası bağlantıların oluşmasında ana etken elektron yapılarıdır.

33

Maddenin en küçük yapı taşı olan atom, bir çekirdek ve etrafındaki elektronlardan meydana gelir. Çekirdek, proton ve nötronlardan oluşur. Protonlar, pozitif yüklü Elektronlar negatif yüklü Nötronlar elektriksel bakımdan nötr taneciklerdir. Proton ve elektronların elektriksel yükleri birbirine eşit, fakat ters işaretlidir. Atomlar, proton ve elektron sayıları birbirine eşit olduğundan elektriksel bakımdan nötrdür.

34

Bir atom çekirdeğini çevreleyen elektronlar, farklı enerji katlarında dönmektedirler. Malzemelerin özellikleri: bağ türüne, bağ enerjisine ve atomların dizilişine büyük ölçüde bağlıdır. Atomlar arası bağ kuvveti atomları bir arada tutarak içyapıyı oluşturur ve bu uygulanan kuvvetlere karşı direnç gösterir (mukavemet), şekil değiştirmeyi ve kırılmayı önlemeye çalışırlar. Bağ kuvvetleri arttıkça malzemenin ergime sıcaklığı, elastisite modülü, mukavemeti artar ve ısıl genleşmesi düşük olur

35

36

Atom numarası: atomdaki protonların toplam sayısı Kütle numarası: atomdaki proton ve nötronların toplam sayısı Denge durumundaki bir atomda elektronların (-) sayısı protonların (+) sayısına eşittir. Avagadro Sayısı(Atomsal Ağırlık): Atomsal ağırlık o atomun özgül ağırlığını ve özgül ısısını etkiler. Bir atom gramda; örneğin 55,85 gram demirde 6,02×1023 (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır.

37

İZOTOP Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir. Örneğin; 26 Atom numarasına sahip demirin izotopları:

54Fe (26 p, 28 n) 55Fe (26 p, 29 n) 56Fe (26 p, 30 n) 57Fe (26 p, 31 n) 58Fe (26 p, 32 n)

38

39

Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron ve proton sayısı belirler. Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır. İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir.

40

İZOBAR Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotopların kütle sayıları birbirlerine eşit olabilir. Proton adedi farklı, kütle sayıları farklı atomlara izobar denir.

41

ATOM MODELLERİ

42

43