MALZEME BİLİMİ Ders Slaytları PDF

MALZEME BİLİMİ ENMU 3022 DR. ÖĞRETİM ÜYESİ GÖKÇE HAPÇI AĞAOĞLU malzeme mühendisliği ve bilimi malzeme bilimi ve mühendisliğine giriş Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Malzeme bilimi seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi ge...

MALZEME BİLİMİ ENMU 3022 DR. ÖĞRETİM ÜYESİ GÖKÇE HAPÇI AĞAOĞLU malzeme mühendisliği ve bilimi malzeme bilimi ve mühendisliğine giriş Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Malzeme bilimi seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi gerçekte metalurji ve maden bilimlerinden türemiştir. Malzeme bilimi alanında yapılan en büyük adım Willard Gibbs in 19. Malzemelerin termodinamik özelliklerini gösterdiğinde ortaya çıkmıştır. q 1960 öncesinde çoğu malzeme bilimi bölümleri metaluji bölümleri olarak isimlendirilmekte idi. 1960 sonrası bu alanda metallerin dışında diğer malzemelerinde inceleme alanına dahil edilmesi ile ayrı isim halinde bölümler açılmaya başlandı. q Malzeme bilimde amaç malzemeleri iyice tanıyıp, anlayarak yeni malzemelerin keşfini sağlamak ve uygun prosesler tasarlayarak malzemelerin insanlığın kullanımına sunulmasıdır. 3 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Malzeme bilimi maddenin özelliklerini ve kullanım alanlarını ve bilim ve mühendisliğin değişik alanlarını içine alan disiplinler arası bir alanı içine alan bilimdalıdır. q Malzeme bilimi, malzemelerin yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkinin ortaya konması ile ilgilenmektedir. q Malzeme mühendisliği, bu yapı-özellik ilişkilerine dayanarak istenilen bir dizi özelliği kazandırmak üzere, malzeme yapısının tasarlanması veya mühendisliğidir. Malzeme bilimcisi yeni malzemelerin üretilmesi Malzeme mühendisi mevcut malzemeleri kullanarak yeni ürünlerin ve sistemlerin oluşturulması / yeni tekniklerin geliştirilmesi 4 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi ve Mühendisliği İşlem-Yapı- Özellik-Performans olmak üzere 4 ana bileşenden oluşur. 5 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği o Kompozisyon malzemenin kimyasal makyajıdır. o Yapı malzeme içerisindeki atomların veya iyonların düzenine verilen tanımdır. o Sentezleme doğal olarak oluşan veya kimyasal malzemelerle oluşan prosestir. o Proses etme, imal etme, üretmek malzemelerin şekil değiştirerek yararlı bileşenler haline gelmesi veya özelliklerinin değiştirilmesi gibi bir çok değişik yolla tanımlanabilir. 6 7 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Özellik, belirli bir dış etkiye karşılık olarak, cins ve büyüklük bakımından malzemenin kendine özgü verdiği yanıt veya tepkidir. Genellikle malzemenin şeklinden ve büyüklüğünden bağımsız olarak tanımlanır. Ø Cisimler kuvvet altında deforme olur. Ø Parlatılmış metal yüzeyi ışığı yansıtır. Mekanik özellikler Uygulanan yüke karşı malzemenin verdiği cevap olarak bilinir. Mekanik /Deformasyon Fiziksel özellikler Fiziksel Elektriksel, manyetik, optik, ısısal, elastik, ve kimyasal davranışlarını 8 gösterir. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği 9 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Yapı Bir malzemenin yapısı içinde bulunan bileşenlerin oluşturdukları düzen ile ilişkilidir. Malzemelerin yapısı bir kaç seviyede incelenebilir Atom-Kristal-Tane-Faz Atomistik Düzey- Atom Düzeni-Mikroyapı- Makroyapı Atom Elektronların çekirdek etrafındaki düzenleri elektrik, magnetik, ısıl ve optik özelliklerini daha ileri gidildiğinde korozyon dirençleri, atomlar arası bağlar gözönüne alındığında ne tür malzeme olduğunu ortaya koyar; metal, seramik, polimer, yarı iletken. Kristal Bir sonraki seviye atomların düzenlerin uzaydaki halleridir. Metaller, yarı iletkenler, seramikler ve polimerler oldukça düzgün atomik düzenlere sahiptirler. Kristal yapı mekanik özellikleri etkiler. Diğer seramikler ve polimerler düzgün atomik düzene sahip değildirler. Bunlar amorf veya camsı malzemeler olarak adlandırılırlar. 10 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Tane Tane aynı özellikte kristal yapıya sahip bölgeye denir. Tane yapısı metaller, seramikler, yarı iletkenler ve zaman zamanda polimerlerde görülürler. Tanenin yapısı şekli malzemelerin birçok fiziksel ve mekanik özelliklerinde etkilidirler. Faz Çoğu malzeme birden fazla faz içerir. Her faz kendine özgü atomik düzene ve özelliklere sahiptir. Bu fazların boyutlarının dağılımlarının kontrolu ile temel malzemenin özellikleri değişebilir. Katı –sıvı-gaz ve plazma maddenin dört hali yani fazlarıdır. 11 12 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Proses / Üretim /İşlem Şekil verilmemiş malzemelerden istenen şekilli malzemeleri üretme yöntemleridir. q Döküm q Kaynak, lehimleme,yapıştırma q Dövme q Çekme q Ekstrüzyon q Haddeleme q Eğme/Bükme q İşleme q Toz Metalurjisi 13 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği 14 15 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği 16 Çok az kusur tek kristal Birbirine bağlı çok sayıda küçük tek kristal Birbirine bağlı çok sayıda küçük tek kristal +gözenek ve boşluk(yansıyan ışık bu gözenek ve boşluklardan saçılır Alüminyum oksit diskler Optik özelliklerindeki farklılık malzemelerin farklı yapılara sahip olacak şekilde, farklı üretim işlemlerinden geçmelerinden kaynaklanmaktadır. 17 Malzeme Türleri 18 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzemelerin Sınıflandırılması q Metaller ve alaşımlar Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır, nikel vb. ØElektrik iletkinlikleri yüksek ØIsıl iletkenlikleri yüksek ØSünek ØŞekil verilebilir ØŞok direnci yüksek Yapısal ve yük taşıyıcı alanlarda kullanıma uygundurlar. Saf metaller çok az kullanılmakla birlikte metallerin kombinasyonlarından oluşan alaşımlar değişik özellikleri gelişmiş malzemeler üretmek üzere tercih edilirler. 19 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Seramikler Metal ve metaldışı elementlerden oluşan bileşiklerdir. Oksitler, Karbürler ve Nitrürlerden oluşurlar. (Al2O3, Fe3O4, SiO2, SiC, Si3N4) SiO2–Na2O–CaO Al2O3, MgO, SiO2 (refrakterler) Barium titanate silika ØDüşük elektrik iletkenliği ØDüşük ısıl iletkenliği ØKırılgan ØYüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek direnç ØKorozyona dirençli Genelde yalıtıkan malzeme olarak kullanılırlar ancak yeni proses teknikleri ile yük taşıyıcı uygulamalarda da kullanılır hale gelmişlerdir. Optik ve elektrik özellikleri geliştirildiğinden entegre devre ve fiber optik 20 uygulamalarda kullanılabilirler. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Polimerler Polietilen, epoksi, fenoller (yapıştırıcılar) Karbonun başta hidrojen olmak üzere oksijen azot flor ve klor gibi metal olmayan elementler ile oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Organik moleküllerden polimerizasyon proses ile büyük moleküler yapılar oluşturularak üretilirler. Ø Düşük termal direnç Ø Düşük elektrik iletkenliği Ø Düşük mukavemet Ø Yüksek sıcaklık direnci düşük Termoplastik ve termoset olarak genelde ikiye ayrılırlar. Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar. 21 Polimerleşme, küçük moleküllerin (dairelerle gösterilmiş) daha büyük moleküller veya polimerler oluşturmak üzere birleşmeleri ile oluşur. Polimer molekülleri birçok zincirden oluşurlar bunlar birleşmiş veya birleşmemiş (termoplastik) veya üç boyutlu çapraz bağlı zincirler (termoset) oluşturabililer. 22 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği q Kompozit Malzemeler Metal, seramik ve polimerlerden İki veya daha çok malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşurlar. fiberglas, cam- elyaf, karbon fiberle güçlendirilmiş polimer (CFRP), WC-Co, Ti kaplı çelik ØDüşük ağırlıklı ØMukavemetli ØSünek ØYüksek sıcaklık direnci yüksek ØŞok direnci yüksek Malzemeler birbiri içerisinde çözünürse ve atom seviyesinde bir karışım söz konusu olursa, bu tür malzemeler kompozit değil alaşım olur. 23 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ø Ahşap ve kemik gibi doğada kendiliğinden oluşan kompozit malzemelerde vardır. Odun, lignin adı verilen bir bileşiğe gömülmüş selüloz elyafından oluşur. Selüloz lifleri odunu, kırılmadan Kemik, kolajen olarak bilinen bükme yeteneğini yumuşak bir protein formunun verirken, lignin ahşabı ve apatit adı verilen güçlü ama sertleştirir. kırılgan bir mineralin birleşimidir. 24 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği 25 26 27 Malzeme türlerine göre malzeme özellikleri Bazı metal-seramik- polimer-kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki yoğunluk değeri aralıklarını gösteren diyagram Bazı metal-seramik- polimer-kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki rijitlik (elastik modül) aralıklarını gösteren diyagram 28 Bazı metal-seramik- polimer-kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki çekme dayanımı aralıklarını gösteren diyagram Bazı metal-seramik- polimer-kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki kırılma tokluğunu gösteren diyagram 29 Bazı metal-seramik-polimer-kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki elektriksel iletkenliği aralıklarını gösteren diyagram 30 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması q Uzay q Biyomedikal q Elektronik Malzemeler q Enerji Teknolojisi ve Çevre Teknolojisi q Manyetik Malzemeler q Fotonik veya Optik Malzemeler q Akıllı malzemeler q Yapısal Malzemeler q Nanomalzemeler q Biomalzemeler 31 32 Malzemenin Önemi Gazlı içecek kapları Bu uygulama için kullanılacak malzemenin ü Kabın içinde basınçlı olarak bulunan CO2 nin dışarı çıkmasına engel olması ü Toksik olmaması ve gazlı içecek ile reaksiyona girmemesi ü Tercihen geri dönüşebilir olması ü Nispeten dayanıklı olması ü Ürünün nihai şekillendirmesinide kapsayarak ucuz olması ü Optik olarak saydam olması durumunda optik berraklığını koruması Metal (Al) Seramik (Cam) ü Değişik renklere sahip olabilecek ve/veya Polimer (Poliester Plastik) dekoratif amblemler ile kaplanarak imal 33 edilebilir olması  Malzeme Davranışları Üzerine Çevre Etkileri Malzeme üzerine etki eden kuvvet veya Yükleme yük tipi malzemenin davranışını etkin bir şekilde değiştirebilir. Tekrarlı ve ani yüklemelerde ne olur? 34  Sıcaklık Atmosfer 35  Korozyon Radyasyon 36 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği qMalzeme seçiminde qMalzemenin istenilen fiziksel ve mekanik özellikleri qMalzemenin istenilen şekline nasıl getirileceği qMalzeme ve uygulanacak prosesin ekonomikliği qMalzeme veya uygulanan prosesin çevreye uyumu sorgulanmalıdır. q Yoğunluk malzemenin kütlesinin hacmine oranıdır ve g/cm3 veya lb/in.3 birimleri ile gösterilir. q Spesifik Mukavemet malzeme mukavemetinin yoğunluğa oranıdır. Yüksek spesifik mukavemet güçlü ancak hafif malzemedir. 37 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Tasarım aşamasında beklenmedik durumlarla karşılaşmamak için aşağıdaki faktörlerin etkisi gözönüne alınmalıdır. q Sıcaklık q Korozyon q Yorulma q Deformasyon Oranı 38 39 Malzemelerin Yapısı Atomik Yapı İçerik q Malzemelerin Yapısı: Teknolojik İlgi q Atomun Yapısı q Atomun Elektronik Yapısı q Periyodik Tablo q Atomik Bağlar q Bağ enerjisi ve Atomlar arası mesafe 41 Malzemelerin Yapısı / Teknolojik İlgi q Nanoteknoloji q Micro-elektro-mekanik (MEMS) sistemler-Hava torbası (Airbag) sensörleri q Nanoyapılar 42 Malzemelerin Yapısı Malzemelerin yapısı, q Atomik yapı q Atomik düzen q Mikroyapı q Makroyapı dört seviyede incelenir. 43  ATOMİK YAPI Atomların elektronik yapısı Atomik bağın özelliklerini Malzemelerin genel özellikleri (Elektrik, manyetik, optik, ısı ve elastik) Atomların dizilme şekilleri Mekanik (bir kristal veya amorf içinde) Fiziksel Atomların yayınma hareketi Isıl işlem ile üretim ( difüzyon) aşamasını Mekanik ve Fiziksel özelliklerin geliştirilmesi  Atomik Yapı Atomik yapı; Atom en küçük partikül, görülmez ve kesilemez parça olarak tanımlanır. Modern anlamda atomlar atom altı (subatomic ) partiküllerden oluşur. elektronlar, negatif enerji yüklüdür, boyutları çok küçüktür, protonlar, pozitif enerji yüklüdür. Elektronlardan 1836 kere daha büyüktürler. nötronlar, yüksüzdürler, protonlar aynı büyüklüktedirler. 45 Atomik Yapı Yük (C) Kütle (g) Elektron 1.60x10-19 9.11X10-28 Proton 1.60x10-19 1.67x10-24 Nötron 0 1.67x10-24 46  Atomik Yapı Proton ve nötronlar atomun çekirdeğini oluştururlar ve genel olarak nükleus olarak tanımlanırlar. Elektronlar çekirdek etrafında büyük bir bulut oluşturarak yer alırlar. Aynı elementin proton sayıları (atom numarası) aynı olabilir. Ancak nötron sayıları değişebilir. Nötron sayıları farklı olan aynı elementler izotoplara He elementinin sahiptirler. atomik yapısı Siyah bölge: Atom çekirdeğindeki proton ve nötron elektron bulutu sayısı nükleer füzyon veya fizyon ile Kırmızı daireler: değiştirilebilir. Bu yüksek enerjili sub protonlar atomik parçalarla yapılara bir Mor daireler: element başka bir elemente nötronlar dönüştürülebilir. 47 Atomik Yapı Proton sayısı= elektron sayısı Atomlar elektriksel olarak Nötr; Proton sayısı>elektron sayısı veya Proton sayısı