ÖZET

Mühendislik malzemelerinin sayısı 40000-80000 olarak kabul edilebilir.

Tasarımcı, kendisine en uygun malzemeyi bu geniş menüden seçmek

durumundadır. Böyle bir seçim, güç ve sıkıcı bir iş olabilir. Söz konusu

uygulama için geleneksel malzeme seçimi iyi yol olabilir. Örneğin şişe için cam,

teneke için çelik gibi. Bu seçim güvenlikli olmasına karşın tutucudur ve sonuçta

yeniliklerin sağlayacağı fırsatları da reddetmektedir.

Ancak hızla gelişen mühendislik malzemeleri nedeniyle seçim daha geniş

yelpazeden yapılır. Örneğin, bazı ürünlerde yeni bir seçimle, plastik şişelerin ve

alüminyum kutuların kullanımı ile pazar payı tamamen değişmektedir.

Tasarımın ilk kademesinde veya yeniden tasarımda tüm malzeme yelpazesi

göz önüne alınmalıdır.

1- GİRİŞ

Tasarım herkes için farklı şey ifade eder. Bayanların şapkalarından tutun da

dişli kutularının yağdanlıklarına kadar üretilen her nesne bir tasarım olarak

nitelendirilebilir. Ancak, tasarım daha çok şey ifade etmektedir. Örneğin doğa

bazıları için tanrısal bir tasarım olarak kabul edilmektedir.

Bizi ilgilendiren ise, mekanik tasarım ve malzemelerin bu tasarımdaki

rolüdür. Mekanik elemanların bir kütlesi vardır, yük taşırlar, ısı iletirler,

aşınmaya ve korozif ortamlara maruz kalırlar. Mekanik elemanlar tek bir

malzemeden yapılabileceği gibi, çok sayıda malzemeden de yapılabilir, belirli

bir şekilleri (tasarımları) vardır ve imal edilmek zorundadırlar.

İnsanların ilk elbiseyi, ilk kulübeyi ve ilk savaşı yapmalarından bu yana

malzemeler, tasarımları ile sınırlandırılmışlardır. Bu sınırlama hala günümüzde

de devam etmektedir. Malzemelerin gelişimi günümüzde son derece hızlı

olmaktadır. Günümüzde malzemelerin sahip oldukları özellikler ve sağladıkları

olanaklar, önceki yıllara göre çok fazladır.

1.1-Tasarımda Malzeme

Bir fikirden yola çıkılarak tasarım yapılabileceği gibi, pazardaki ayrıntılı bazı

taleplerden yola çıkılarak da tasarım yapılabilmektedir. Her iki durumda da

ürünün yapılacağı malzeme hakkında karar vermek gerekmektedir. Bazen de

karar verirken zorlanılabilir. Yeni bir ürün istenebilir, mevcut bir ürünün

geliştirilmesi istenebilir yada mümkünse yeni bir malzeme ile imal edilmesi

istenebilir. Mühendislikte kullanılabilecek malzeme sayısı çok fazla olup

40.000-80.000 arasında olduğu tahmin edilmektedir. Bununla birlikte yürürlüğe

giren standartlarla bu rakam azaltılmaya çalışılmaktadır. Bir yandan da yeni

malzemeler ortaya çıkarılmaktadır.

O halde bu kadar geniş malzeme listesinden mühendisler amaçlarına en

uygun malzeme seçimini nasıl yapacaklardır? Rasyonel bir seçim için

gereken yöntem formüle edilebilir mi? Tasarımın uygun olduğu seviyeye göre bu soru birçok düzeyde

cevaplanabilir;

-Başlangıçta tasarım akıcıdır ve opsiyonlar çok fazladır. Tüm malzemeler göz

önüne alınmalıdır.

-Tasarım üzerine yoğunlaştıkça ve parça şekillendikçe (biçim aldıkça), seçim

kriterleri netleşir yani keskinleşir. Ve seçilecek malzeme sayısı azalır. İşte bu

durumda daha kesin ve detay veriler gerekir ve seçim için farklı analiz

yöntemleri kullanılır.

-Tasarım sonunda daha hassas veriler gerekir, malzeme sayısı birkaça iner bazen

de sadece birdir.

Malzemelerin seçimi; malzemelerin şekillendirilme yani imalat

yöntemlerinden bağımsız olarak yapılamaz. O halde imalat yöntemleri örn.

Talaşlı, talaşsız, birleştirme, yüzey işleme ve diş açma vb. gibi tasarımın önemli

bir unsurudur.

Maliyet de malzeme seçiminde önemli bir başka faktördür. İyi bir tasarımın

tek başına bir ürünü satmak için yeterli olmadığı da göz önünde tutulmalıdır. Ev

aletlerinden otomobile ve uçağa kadar her ürünün şekli(biçimi), dokusu

(yapısı), rengi, estetiği ve dekorasyonu her zaman kullanıcıya bir tatmin(haz)

vermektedir. Çok önemli olan bu estetik unsurlar, endüstri(endüstriyel) tasarım

olarak bilinir ve birçok mühendislik dersinde ele alınmazlar. Estetik unsurlar

ihmal edildiğinde, üreticinin pazar payını kaybetmesine(yitirmesine) neden olur.

Çünkü iyi bir tasarım çalışır ama mükemmel bir tasarım ayrıca haz verir.

Tasarım problemlerinin tek ve tam bir çözümü yoktur. Tasarımcının ihtiyacı

olan tek şey, açık bir düşünce ve tüm olasılıklar için karar vermeye istekliliktir.

„‟Denize geniş ağ atılırsa çok balık tutulur„‟ atasözünde olduğu gibi en uygun

malzemeyi seçmek için bir prosedür gerekmektedir. Örneğin malzeme seçimini

diyagramlar yardımı ile yapmak, potansiyel malzeme adayları arasında ilk

seçimi basitleştirmektedir. Malzeme ve tasarım(biçim) arasındaki etkileşim

ayrıntılı olarak tartışılmalıdır. Ayrıca, kullanıcıya tasarımı doğrudan imalat

prosesi ile gerçekleştirmesine imkan veren proses seçim diyagramları

geliştirilmiştir.

1.2-Mühendislik Malzemelerinin Gelişimi

Tarih boyunca malzemeler sınırlı olarak tasarlanmıştır. Eski çağlar,

insanların kullandığı malzemelerin isimleri ile örneğin taş devri, bronz devri,

demir devri gibi adlandırılmıştır. İnsanlar öldüklerinde hazineleri de kendileri ile

birlikte gömülmekteydi. Mısır firavunlarından Tutankamon, taş lahit içine renkli

camdan yapılmış eşyaları ile, Agamemnon ise bronz kılıcı ve altın maskı ile

gömülmüşlerdir. Firavunun eşyaları, yaşadıkları zamanın en yüksek

teknolojisine ait ürünleri temsil etmekteydi. Düşünün arkadaşlar, eğer firavunlar

bugün yaşasalar ve ölselerdi yanlarında neler gömülebilirdi? Titanyum saatleri

mi? yoksa karbon elyaf ile takviye edilmiş tenis raketlerini mi? Yoksa metal

matrisli kompozit dağ bisikletlerini mi? Yada polieter etil keten kasklarını mı?

Günümüz tek bir malzeme çağı değildir ve çağımızda malzemelerin sınırı

yoktur. Şimdiye dek günümüzdeki kadar malzemelerin çok hızlı geliştiği ve

özelliklerin bu kadar değişkenlik gösterdiği asla başka bir çağ olmamıştır.

Mühendislerin temin edilebileceği malzeme listesi öyle hızlı gelişmektedir ki,

üniversiteden 30 yıl önce mezun olan birinin bu malzemelerin yarısından bile

haberi yoktur. Ama yeni malzemelerin bilinmemesi tasarımcı için risk

oluşturmaktadır.

Malzemelerdeki gelişme ve gelişmelerindeki değişim Şekil 1.1‟de verilmiştir.

Tarih öncesi malzemeler M.Ö.10000‟den önce, taş devrinde taş, daha sonraları

ise seramikler ve camlar, doğal polimerler ve kompozitlerdi. Her zaman

teknolojinin en üst noktasında olan silahlar, ahşap ve çakmak taşından

yapılmaktaydı. Bölgesel olarak bulunan altın ve gümüşün ise teknolojideki rolü

çok küçüktü. Bakır, bronz ve daha sonrada demirin bulunuşu(bronz devri

M.Ö.4000-1000 arası ve demir devri M.Ö.1000-M.S.1620 arası) ahşaptan ve

taştan mamül eski silahların ve takımların yerini alarak teknolojinin ilerlemesini

geliştirmiştir. Dökme demir teknolojisi (1620-1850) mühendislikte metallerin

hakimiyet kurmasını sağlamıştır. Ve daha sonra çelikler, hafif alaşımlar ve özel

alaşımlardaki gelişmeler de metallerin konumunu sağlamlaştırmıştır. 1960‟lı

yıllarda mühendislik malzemeleri denilince akla ilk gelen metaller olamaktaydı.

Ancak, diğer malzemeler de gelişmekteydi. Örnek olarak, seramikler sınıfından

Portland çimentosu, refrakterler ve silika, polimer sınıfından kauçuk, bakalit ve

polietilen sayılabilir. Ancak bu malzemelerin toplam malzeme pazarındaki

payları çok azdı. Daha sonraki yıllarda metal alaşımlarının gelişme hızı

yavaşlamıştır. Bir yandan çeliğe ve dökme demire olan talep azalırken, diğer

yandan yüksek performanslı seramiklerin üretimi, polimer ve kompozit

endüstrisi hızla gelişmektedir. Malzemelerde görülen hızlı değişimi tasarımcılar

görmemezlikten gelemezler.

MALZEME SEÇİMİNDE BAZI FAKTÖRLER

Her malzeme kullanımı, önemsiz olsa bile bazı seçim elemanları gerektirir.

Birçok mühendislik çalışmaları gibi malzeme seçimi de problem çözme işidir.

Problem çözmede ana adımlar şöyle özetlenebilir;

-problem analizi

-alternatif çözümlerin formülasyonu

-alternatiflerin geliştirilmesi

-karar

Malzeme seçilme işlemine uygulanan bu adımlar şu hale dönüşürler;

-malzemelerin gerekli özelliklerinin analizi

-aday malzemelerin seçimi

-adayların geliştirilmesi

-gerekli özelliklere en iyi uyan malzemenin seçilmesi

Birçok mühendis, malzemeyi iki yanlış nedenden seçer;

-Bu tip uygulamalarda her zaman bu malzemeler kullanılır; her uygulama tercih

edilen malzemeye sahip olduğunda ve her malzeme emniyetli pazarlara sahip

olduğunda gider. Diğer bir deyişle, gelenek ve iyi teknoloji gerektiği şekilde

karışmaz.

-Yalnızca bu özelliklerinden dolayı; malzemenin özelliklerinin, malzemenin

özel kullanımlarına başvurmadan esrarengiz bir biçimde hemen hemen

metafiziksel olarak malzemeyle bağlantılı olduğunu ima eder. Örneğin

mukavemet, malzemenin özelliği olmaktan çok, uygulanmış bir koşullar

takımına cevabıdır. Kısaca-malzemenin mukavemeti yüksek olur ancak

şekillendirilmesi iyi değildir. Tek bir özellik için malzeme seçimi doğru olmaz.

Malzeme seçiminde göz önüne alınması gereken genel karakteristikler vardır.

Bütün malzemelerin iyi performans gösterdikleri ancak tatmin edici

kullanılmadıkları limitleri vardır. Standart deney prosedürleri, sadece aykırı

durumların çalışma davranışlarını ölçmektedir. Sıcaklık, çevresel koşullar,

uygulanan gerilmenin derecesi ve diğer faktörleri de içine alan imalat ve çalışma

koşullarını bilmeden ve anlamadan uygun malzeme seçme olasılığı çok zayıftır.

Malzeme seçiminde ana faktörler şunlardır;

-mekanik mukavemet -süneklik

-stabilite (kararlılık) -korozyon direnci

-imal edilebilirlik -ısı transfer özellikleri

-elde edilebilirlik -özel özellikler -maliyet

MALZEME SEÇİM DİYAGRAMLARI

Şekil 1‟de :

Malzemeler; metaller, seramik ve camlar, polimerler ve elastomerler,

kompozit malzemeler olmak üzere sınıflandırılmışlardır. Ayrıca her malzeme,

alt gruplara ayrılmıştır. Metaller; demir esaslı, refrakterler, ağır ve hafif metaller

olarak alt gruplara ayrılmışlardır. Seramik ve camlar; çimento, vitray ve cam

olarak gruplandırılmışlardır. Polimerler ve elastomerler ise termosetler,

termoplastikler ve elastomerler olarak alt gruplara ayrılmışlardır. Kompozit

malzemeler ise matris malzemesine göre sırasıyla polimer matrisli, metal

matrisli ve seramik matrisli olarak ayrılmışlardır.

İmalat yöntemleri; döküm, kalıplama, deformasyon, talaşlı işleme, toz

metalurjisi, kompozit şekillendirme, moleküler metod, özel metodlar ve diğer

üretim metodları olarak sınıflandırılmışlardır. Ayrıca her imalat metodu kendi

içinde aşağıda belirtilen alt gruplara ayrılmışlardır.

Döküm yöntemi : gravite döküm, düşük basınçlı, yüksek basınçlı ve hassas

döküm

Kalıplama : enjeksiyon, basınçlı, köpük kalıplama

Deformasyon : soğuk deformasyon, sıcak deformasyon, kızgın halde

şekillendirme örn.demirin tavındayken dövülmesi, levha (sac) deformasyonu

Talaşlı işleme : tornalama, frezeleme, taşlama, parlatma

Toz metalurjisi : sinterleme, ince sulu kil dökümü, sprey formu oluşturma,

hidratasyon

Kompozit şekillendirme : elle kalıplama, kalıplama, sıkıştırma döküm, lif sarma

Moleküler metodlar : PVD, CVD, sıçratma veya manyetik alan içinde partikül

transferi, elektro kaplama

Özel metodlar : elektrokimyasal, ultrasonik, kimyasal, termal ışıma

Diğer üretim yöntemleri : Kaynak / lehimleme, yapıştırma, mekanik bağlama

yöntemi, mikro ölçekte üretim

Malzeme ve imalat yöntemi arasındaki ilişki ise numaralarla ifade edilmiştir.

„‟0‟‟ : uygun değil,

„‟1„‟ : özel şartlarda uygun,

„‟2„‟ : uygun

Şekil 1 Malzeme – İmalat yöntemi ilişkisi

Sertlik (H) - Ergime Sıcaklığı (Tm ) İlişkisi

Ergime sıcaklığı, malzemelerin konvansiyonel döküm metotları ile malzeme

prosesleri üzerine sınırlamalar getirmektedir. Düşük ergime sıcaklığına sahip

malzemeler birçok metotla dökülebilir. Ergime sıcaklığı 1700 0C ve üzeri olan

malzemelerin dökümünde konvansiyonel metotlarının kullanım geçerliliği azdır.

Böyle malzemeler ancak özel metotlar ile dökülebilirler.

Malzemelerin akma dayanımı ve sertliği, talaşsız ve talaşlı proses seçimlerini

de sınırlamaktadır. Dövme ve haddeleme basınçları, akma dayanımları ile

orantılı olduğu gibi takım ömrünü sınırlayan takım yükleme miktarı ve işlem

sırasındaki sıcaklıkla da alakalıdır.

Bu nedenle de, yüksek dayanım ve sertliklere göre kademelendirilirler.

Örneğin süper alaşımlar dövülemez veya seramiklerin şekillendirilmesi zordur.

Deformasyon prosesleri, sertliği 3Gpa‟ın altında olan malzemeler için

sınırlandırılmışlardır. Toz metalürjisi, CVD, buharlaştırma teknikleri ve

elekrolitik şekillendirme gibi imalat yöntemleri için sertlik ve ergime sıcaklığı

sınırlayıcı etken değildir.

Malzemelerin sertlik ve ergime sıcaklıkları bağımsız özellikler değildir.

Düşük ergime noktalı malzemeler yumuşak (örn. kurşun, polietilen), yüksek

ergime noktalı malzemeler ise(örn. elmas) genellikle sert olma eğilimindedirler.

Bu bilgi aşağıdaki eşitlikle verilebilir:

mm TkH

Tk .20.3,0

H : sertlik,

Ω : atomik yada moleküler hacim ,

k : Boltzman sabiti ( 1,38x10-26

j/K )

Tm : ergime sıcaklığı

Bu formül, sertlik-ergime sıcaklığı diyagramında alt ve üst sınırları belirler.

Şekil 2 - Sertlik – Ergime sıcaklığı ilişkisi

Hacim (V) - İncelik (S) İlişkisi

İnce kesitler, farklı imalat yöntemleriyle elde edilebilir.

İncelik (S) = t (minimum kesit) / l (parçanın büyük ölçüsü)

Boyut ise imalat yönteminin belirlediği minimum ve maksimum hacimle

ifade edilebilir. Hacim(V), üniform kesitler için şekil faktörü 2 olacak şekilde

aşağıdaki gibi formüle edilebilir:

V = A. t A : hesaplanan alan

Hacim, ortalama malzeme yoğunluğunun 5000 kg/m3 olarak kullanımıyla

yaklaşık olarak ağırlığa çevrilebilir.

Şekil 3 - Hacim – İncelik ilişkisi

Şekil Sınıflandırma Şeması

Ekstrüzyon, çekme, haddeleme yöntemleri, prizmatik şekle sahip parçaların

üretimi için uygundur.

Tornalama yöntemi; asitmetrik şekillerin yapımı için uygun, asimetrik

prizmatik şekle sahip parçaların yapımı için uygun değildir.

Diğer şekillere sahip parçaların yapımı mümkün ise de imalat zor olmaktadır.

Şekiler kendi içlerinde alt gruplara ayrılmaktadır.

Diyagramdan, parça şekline göre uygun imalat yöntemi seçimi

yapılabilmektedir.

Şekil 4 - Şekiller ve alt sınıflandırılması

Parça Şekli – İmalat Yöntemi İlişkisi

Üretilmesi tasarlanan parçanın şekline göre aşağıdaki imalat yöntemleri seçilebilir. Şekil 5‟de verilen diyagramda, dikey eksende imalat

yöntemleri, yatay eksende ise kodlarıyla tanımlanan çeşitli şekiller verilmiştir. Şekillerin üretimi için seçilecek imalat yöntemleri

numaralarla gösterilmiştir.

„‟0„‟ : uygun değil , „‟1„‟ : uygun

Şekil 5 – Parça şekli – İmalat yöntemi ilişkisi

Karmaşıklık – Hacim(V) İlişkisi

Karmaşıklık; delikler, vida dişleri açılımı, yeniden yapılanan şekiller gibi farklı isteklerin

olması durumu olarak ifade edilebilir.

Deformasyon prosesleri, sınırlı karmaşıklığa sahip şekilleri üretir.

Döküm prosesleri daha karmaşık parçalar üretimi için uygundur(örneğin karbüratör,

otomobil silindir blokları)

Kompozit şekillendirme, diğer metotlarla karşılaştırıldığında kompleksliği daha sınırlıdır.

Polimer kalıplama, daha iyidir.

Talaşlı işleme yöntemleri, parçaya yeni özellikler kazandırılması ile karmaşıklığı arttırır.

Mümkün olan en kolay şekillerin imalatı için az, daha karmaşık yapılar içinse daha fazla

bilgiye ihtiyaç vardır. İmal edilen parçayı niteleyen bilginin sayısal olarak gösterimi; parça

tanıtım sayısı, diğer bir deyişle bit olarak adlandırılır.

Şekil 6 - Karmaşıklık seviyesi-boyut ilişkisi

Tolerans Oranı(T) – RMS Yüzey Pürüzlülüğü(R)

Her imalat yönteminin, belirli bir tolerans ve yüzey pürüzlülüğünde imalatı

gerçekleştirme kabiliyeti vardır. Tolerans(T), parça boyutunda izin verilebilir

hatadır. Yüzey pürüzlülüğü(R) ise, yüzeydeki düzensizliklerin karekökü ile

ölçülür. Kum dökümle imal edilen parçanın yüzey pürüzlülüğü R=10µm iken

leplenmiş parçada bu değer R=0.05µm‟dir. Tolerans ve yüzey pürüzlülüğü

değerleri farklı olan çok fazla imalat yöntemi vardır. Bu yöntemler içinden

isteklere uygun olarak ekonomik parça üretimi yapılabilir. Tolerans 2R‟den

fazladır. Gerçek imalat yöntemlerinde, tolerans aralığı 10R ila 1000R arasında

değişebilir.

Metaller ve seramikler, yüzey parlatma ve lepleme işlemlerine tabi tutularak

düşük yüksek tolerans ve yüzey düzgünlüğüne sahip olabilirler. Tolerans ve

yüzey pürüzlülüğünü azaltan imalat yöntemleri ve işlemler maliyeti de

arttırmaktadır.

Polimerler, metal ve seramiklerden farklı olarak düşük yüzey pürüzlülüğüne

sahiptirler. Ancak, toleranslarının ±0.2 mm olma olasılığı azdır. Çünkü parçanın

kalıptan çıkarılması sırasında oluşan gerilmeler sonucu meydana gelen sürünme

bunu engeller. Bu nedenle de; yüzey pürüzlülüğü, daha pahalı kalıp ve daha

fazla maliyet gerektirir. Aşağıda verilen çizelgede, imalat yöntemi–yüzey

pürüzlülüğü ilişkisi görülmektedir.

Pürüzlülük(µm) İmalat Yöntemi Uygulama

R=0.01 Lepleme Aynalar

R=0.1 Hassas taşlama, lepleme Yüksek kaliteli yataklar

R=0.2-0.5 Hassa taşlama Silindir, piston, kam mili

R=0.5-2.0 Hassas talaşlı işleme Dişliler, makina parçaları

R=2.0-10.0 Talaşlı işleme Düşük yüke maruz yataklar,

Kritik olmayan parçalar

R=3.0-50.0 Döküm yöntemi Torna olmayan yüzeyler

Şekil 7 - Tolerans oranı – Yüzey pürüzlülüğü ilişkisi

Malzeme ve Şekil Seçimi

Tasarımda malzeme seçimi, sadece malzeme özellikleri dikkate alınarak yapılır, şekil

dikkate alınmaz. Parça yada yapılar, şekillendirilmiş malzemedirler.

Belirli yükleme durumlarında, kesitin biçimi önem kazanmaktadır. Şekil (biçim) bir

değişken olduğunda, bazı performans indislerinde şekil (biçim) faktörü olarak isimlendirilen bir

terim ortaya çıkar. Mekanik dayanım genelde malzemenin biçimle olan kombinasyonudur.

Parça üzerindeki yüklemeler genellikle eksenel, eğme yada burulma şeklindedir. Bir bağlantı

(kayıt) parçası eksenel yükleri taşırken, kiriş, eğilme momentlerini, şaft, burulma momentini,

kolon ise basma yükünü taşır.

Eksenel gerilmede, şekil değil kesit alanı önem kazanmaktadır. Aynı alana sahip bütün

kesitler aynı yükü taşırlar. Eğilmede ise farklıdır, yani, içi boş yada I-kesitli kirişler aynı kesit

alanına sahip farklı şekilli kiriş ile kıyaslandığında daha iyi dayanıma sahiptirler. Burulmada da

böyledir. Diğer bir deyişle, örneğin dairesel tüpler, içi dolu ve I- kesitli biçimli olanlara kıyasla

daha iyidirler. Bununla ilgili olarak şekil faktörü tanımlanmaktadır.

Şekil(biçim) faktörü ‘’‘’ simgesi ile gösterilir, boyutsuzdur ve şekle bağlıdır, her yükleme

modunda kesit şeklinin verimini ölçer. Yani, biçimin yapısal kazancını ifade eder.

Rijitliğin Esas Olduğu Tasarımlarda Şekil Faktörü :

Kirişlerin elastik bükülmesi için şekil faktörü : eB olarak alınır.

Şaftların elastik burulması için ise şekil faktörü : eT olarak alınır.

B : eğme, bükme ; T : burulma ; e : elastik

Dayanımın Esas Olduğu (Plastik Akma yada Kırılmanın İstenmediği)

Tasarımlarda Şekil Faktörü :

Kirişler için şekil faktörü : fB

Şaftlar için şekil faktörü : fT f : hata, bozulma

İçi dolu dairesel kesitli çubuk için yukarıda verilen dört şekil faktörü de 1‟e eşittir.

Verilen yük altında, bağlantı(kayıt) parçasının uzaması veya desteğin(payandanın) kısalması

kesitin alanına bağlı olarak verilmiştir. Şekil faktörü gerekli değildir.

Standart Kesitlerin Verimi

Kirişler, şaftlar ve kolonlar için standart kesitler genellikle prizmatiktir. Prizmatik şekiller,

kolaylıkla haddeleme, ekstrüzyon, çekme, sürekli çekme (kompozitlerden sürekli imalat

yöntemiyle çubuk, boru gibi sabit kesitli parçalar yapma) ve testere ile kesilebilir.

Prizmatik kesitler, içi dolu, tüb yada kutuda olduğu gibi kapalı boşluk yada açık boşluk (

örn. I-, U-, L- kesit ) şeklinde olabilir.

Şekil verimi için üst limitler çok önemlidir. Üst limitler, hafif yapıların tasarımı için bellidir,

hafif yapılarda malzeme miktarı en aza indirilmelidir.

Şekil Faktörleri İçin Malzeme Limitleri

Verilen malzemelerin şekil faktörlerini oluşturan sınırlar, imalat şartlarından, bölgesel

burulmaya kadar herşey olabilir. Örneğin çelik çekilerek ince çeperli boru elde edilebileceği

gibi, haddeleme, katlama yada kaynak yöntemleriyle de şekillendirilerek verimli I-kesitli

parçalar üretilebilir. Böylece de şekil faktörü, genelde 5 gibi yüksek değerine ulaşabilir. Tahta

kolaylıkla şekillendirilemez. Kontrplak teknolojisi sayesinde, boru yada I-kesitli şekle

getirilmesi teoride mümkün ancak pratikte zordur. Bu nedenle de şekil faktörünün 5‟den fazla

olması nadirdir. Burada etken, üretim kısıtlamalarıdır. Aynı sorunlar kompozitlerin ince et

kalınlıklarında parçaların eldesinde de karşımıza çıkar.

Şekil İçeren Malzeme İndisleri

Belli bir yükleme biçiminde malzeme ve kesit şekline bağlı olarak performansın maksimum

olabilmesi aşağıda verilmiştir :

Bağlantı Parçasının Eksenel Gerilmesi

Bağlantı parçasının hasar olmaksızın taşıyabileceği yük, sadece kesit alanına bağlı olup kesit

şekli önemli değildir. Bütün kesit şekillerinde minimum ağırlıkta rijitlik için malzeme indisi;

M = E / ρ olarak alınır.

Kirişlerin Elastik Eğilmesi ve Şaftların Burulması

Kiriş için, rijitlik ve uzunluk spesifik olduğundan kütlesi de minimum olmalıdır.

Aynı şekilli kirişler için şekil faktörü sabittir. Bu durumda malzeme indisi

M = (E1/2) / ρ değerinin maksimum olmasıdır.

Eğer kesit biçimleri ve üretildikleri malzemeler farklı ise, hem rijit hem de çok hafif kiriş

için şekil faktörü de dikkate alınarak malzeme indisinin en büyük değeri alınır:

E eB

12

M = ------------

ρ

Aynı yol şaftların elastik burulmasında da izlenir. Kesit biçimleri ve malzemeleri farklı iki

şaft üretilecekse ve bunlar birbiri ile karşılaştırılacaksa en iyi malzeme–şekil faktörü

kombinasyonu malzeme indisinin en büyük olduğu değerdir:

e T E

M = ------------------------ olarak alınır.

ρ

Kayma modülü G, Young modülüne yakındır. Pratikte,

G = 3 / 8 E olarak alınır.

Kiriş ve Şaftlarda Hasar

Kiriş, eğilme zorlamasına maruz kaldığında belli bir yük altında hasar görmemelidir ve

kütlesi de minimum olmalıdır. Kiriş şekli dikkate alınmadığında,

M = (f 2/3

) / değeri maksimum olmalıdır.

f : malzemenin hasar dayanımı

Hasarsız kirişte en iyi malzeme-şekil kombinasyonu için malzeme indisi maksimum

olmalıdır.

M =

3

2

fB

f

Şaftlarda ise aynı yol izlenir. Performansın maksimum olabilmesi için aşağıda verilen

malzeme indisinin maksimum değeri alınır.

M =

3

2

ff

T

Mikroskobik ve Mikroyapısal Şekil Faktörü

Malzemenin mikroskobik yapısı onun şekil alabilirlik, yoğunluk, sertlik, tokluk gibi

özelliklerini etkiler. Mikroyapısal şekil faktörü indisi ile verilir. Makroskopik şekil faktörü

ise indisi ile verilir.

Malzeme ve Şeklin Birlikte Seçimi

Malzeme ve şeklin birlikte seçimi, optimizasyon hesaplaması için malzeme seçim

diyagramında değişik yollar vardır.

Makine Malzemesi Seçim Kriterlerine Ait Problemler

1- Bakır alaşımı olan pirinç(Cu-Zn) malzemeden yapılmış bir parçayı, aynı şekilde ve daha

rijit olacak şekilde imal edebilmek için hangi malzemeleri önerebilirsiniz. Seçim için

aşağıda verilen diyagramı kullanınız.

2- Elastiklik modülü E >200 GPa ve yoğunluğu < 2 Mg/m3 olan malzeme hangisidir?

Seçim için yukarda verilen diyagramı kullanınız.

3- Titanyum alaşımlarının mı yoksa tungsten alaşımlarının mı spesifik dayanımı(f / ρ)

daha büyüktür? Karar verebilmek için aşağıdaki diyagramı kullanınız.

4- Mühendislik plastiklerinin, örneğin PMMA (polimetilmatakrilat) yani pleksiglasın,

kırılma tokluğu (KIC), mühendislik seramiklerinden, örneğin alüminadan, daha mı büyüktür,

daha mı küçüktür? Aşağıda verilen diyagrama göre karar veriniz.

5- Verilen diyagramı kullanarak bakıra kıyasla ısı iletimi daha iyi olan iki malzeme seçin.

6- Motor test gövdesi yapılmak isteniyor. Malzemenin hem rijit olması yani elastiklik

modülünün 40GPa‟dan fazla olması hem de yüksek elastik enerji yayabilme yani yüksek

sönümleme kabiliyetine sahip olması istenmektedir. Titreşim sönümleyici malzemeler,

yüksek sönümleme özelliğine sahiptirler. Kayıp faktörü “η” ile ölçülür. Aşağıda verilen

diyagram yardımıyla uygun 4 malzeme alt kümesi belirleyin.

7- Çeliklerin termal şok dirençlerinin dökme demirlere kıyasla az yada çok olduğunu verilen

diyagram yardımıyla karar verin.

8- Mühendislik seramiklerinin aşınma dayanımlarının metallere kıyasla az yada çok

olduğuna aşağıda verilen diyagram yardımıyla karar verin. Verilen yataklama basıncında

aşınma oranı, aşınma oranı sabiti “ka” ile ölçülür. Düşük ka değeri, düşük aşınma oranını

ifade eder.

9- Bir parça, talaşlı işleme, soğuk dövme yada soğuk ekstrüzyon yöntemleriyle imal

edilmektedir. Parçanın malzeme birim maliyetleri, tabloda verilmektedir. 1.100 ve 10000

tane parça üretimi için en ucuz en uygun yöntem hangisidir? Açıklayınız.

10- Alüminyum alaşımından yapılmış küçük parçalar, 100 adet ve 106

olmak üzere imal

edilecektir. Verilen tabloyu da dikkate alarak hangi döküm yönteminin birim parça maliyeti

açısından en ekonomik olduğunu bulunuz.

11- Yüksek performanslı motorlar, kompresör yada pistonlar gibi kritik parçalar için piston

kolu tasarlamak istiyoruz.

Tasarım için istenenler aşağıda verilmiştir.

Fonksiyon : Motor yada pompa için vargelleyici piston kolu

Amaç : Kütlenin minimum olması

Kısıtlar : Yüksek devirlerde yorulma dayanımı olmalı

Elastik eğilme sırasında hata oluşmamalı

Strok (darbe), çubuk boyu (L) belirli olmalı

Piston kolu

Malzeme indisleri aşağıda verilmiştir. Hafif olabilmesi için M1 indisi, eğilme dayanımı

için M2 indisi alınmıştır.

Piston kolu malzemeleri

Malzeme seçiminde hafiflik ön plana alınırsa metal matrisli kompozit olan Duralcan Al-Si

kompozit malzeme alınmalıdır. Titantum alaşımı da seçilebilecek ikinci malzemedir. Her iki

malzemenin de ağırlığı, dökme demirin yarısı kadardır.