Malzeme Malzeme 1 - Malzemeler ve Mühendislik 1.not (Ayşegül Akdoğan) 1 MALZEMELER ve MÜHEND İSL İK Malzeme Nedir? • Malzemeler, kendilerinden bir şeyler olu şturulan veya yapılan maddelerdir. • Uygarlı ğın ba şından beri malzemeler, enerji ile birlikte insanın ya şama standardını yükseltmek için kullanılmı ştır. A ğaç, beton, tu ğla, plastik, cam, lastik, çelik, alüminyum, bakır ve ka ğıt çevremizde yaygın olarak rastlanılan malzemelerdir. •A s l ında çevremize baktı ğımızda, çok daha fazla malzeme çe şidi oldu ğunu görürüz. Sürekli ara ştırma ve geli şmelerin sonucunda, sık sık yeni malzemeler ortaya çıkarılmaktadır.Örn. Cam, çelik, plastik, lastik, Al, Cu, tu ğla vb.2 Malzeme Bilimi • Malzeme Bilimi; malzemelerin içyapıları, özellikleri ve i şlenmeleri hakkında temel bilgileri ara ştırır. • Malzeme Mühendisli ği; malzemeleri, insanlar tarafından kullanılabilecek ürünler haline getirmek için temel ve uygulamalı bilgilerle ilgilidir. • Disiplin olarak malzeme bilimi, malzemelerin özellikleri ve yapıları arasında var olan ili şkilerin, ba ğlantıların ara ştırılmasını kapsar. Bunun tersine malzeme mühendisli ği, önceden özellikleri belirlenmi ş malzemelerin yapısı, şekillendirilmesi ve bunların yapı özellik korelasyonuna dayanır. • Makine, in şaat, kimya ya da elektrik mühendisli ğinde çalı şan uygulamalı bilim adamları ve mühendisler, malzemelerin şekillendirilmesi, dizayn problemleri ile kar şıla şabilirler. •Ç o ğu zaman malzeme problemleri, uygun malzeme seçilmeyi şinden kaynaklanabilir. Bu nedenle malzeme seçimi büyük önem kazanmaktadır. Üretimde Malzeme • Üretimde malzeme kullanıldı ğından, her bir uygulama için en uygun malzemenin seçilebilmesi ve bunu i şlemek için en uygun yöntemin belirlenebilmesi, mühendislerin malzemenin içyapısı ve özellikleri hakkında bilgi sahibi olmalarını gerektirir. •Ö r n e ğin mühendisler, tasarladıkları X-30 ses üstü uzay uça ğının 12- 25 Mach hızla uçabilmesi için 1800°C’ye kadar dayanabilecek, yeni yüksek sıcaklık malzemelerine ihtiyaç duymu şlardır. Bu amaçla da Al metal anafazlı (matriksli) karma (kompozit) malzemeler ve refrakter malzemelerin geli ştirilmesine çalı şılmaktadır. •Ö r n e ğin makine mühendisleri jet motorlarını daha verimli çalı ştırabilmek için, daha yüksek sıcaklıklarda çalı şabilecek malzemeler aramaktadır. • Uzay ve uçak mühendisleri, uzay ta şıtları ve uçaklar için daima daha yüksek dayanım/a ğırlık oranına sahip malzemeler aramaktadır. • Kimya mühendisleri korozyona dayanıklı malzemeler, elektrik mühendisleri ise elektronik aletlerin daha hızlı ve yüksek sıcaklıklarda çalı şabilmesi için yeni malzemeler pe şindedir.3 Malzemelerin Sınıflandırılması Mühendislik Malzemeleri4 Mühendislik Malzemeleri • Mühendislik malzemelerinin yo ğunlukları Metal Malzemelerin sınıflandırılması5 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması • Kolaylık için üç grupta incelenebilir. -Metal malzemeler, -Polimer malzemeler (plastikler) -Seramik malzemeler • Mühendislikteki büyük önemleri nedeniyle karma malzemeler (kompozitler) ve elektronik malzemeler de incelenmeye de ğerdir. Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 1. Metalik Malzemeler Metal malzemeler, tekni ğin ve endüstrinin gereksinimini büyük oranda kar şılayan malzeme grubudur. • Periyodik sistemde yer alan hidrojen, oksijen gibi gazlar ve neon, argon vb soy gazlar metalik malzeme grubu arasında yer almazlar. 6 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması • Metalik elementlere örnek olarak Cu, Fe, Al, Ni, Ti gösterilebilir. • Metalik malzemeler içinde C, N, O2 de bulunabilir. • Metaller, atomların düzenli yer aldı ğı kristal yapıdadırlar. • Metallerin birçok özelli ği, en dı ş yörüngedeki atom sayıları ile ba ğlantılıdır. •Ç o ğu oda sıcaklı ğında dayanıklı ve sünek olup, yüksek sıcaklıklarda bile, nispeten dayanımlarını korurlar. •E l e k t r i ği ve ısıyı iletirler, ı şı ğı geçirmezler. Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması • Nikel esaslı yüksek sıcaklık süper ala şımları gibi yeni ve ileri uçak sanayi ala şımları ise, daha yüksek sıcaklık dayanımı ve korozyon direnci için devamlı geli ştirilmektedir. Bu ala şımların kullanıldı ğı jet motorlarının verimi, artan çalı şma sıcaklı ğı ile artmaktadır. •S ıcak e ş basınçlı presleme ve e ş sıcaklıklı dövme gibi yeni i şleme teknikleri, uçak ala şımlarında yorulma ömürlerini uzatabilmektedir. •B a z ı ala şımlarda bitmi ş ürün maliyetini dü şürdü ğünden, toz metalürjisi tekni ği de geli şmektedir. •H ızlı so ğutma tekni ği ile ergimi ş durumdan saniyede bir milyon santigrat hızla so ğutulan metal tozları üretilmektedir. Bu tozlar daha sonra sıcak e şbasınçlı presleme dibi tekniklerle şekillendirilip, çubuklar haline getirilmektedir. • Bu yöntemle, yeni nikel esaslı süper ala şımlar, Al ala şımları ve Ti ala şımları üretilmi ştir. Ergimi ş durumdan hızlı katıla şma sonucu, metal yapısı kristalin yapıdan farklı amorf yapıya dönü şece ğinden, malzeme yepyeni özelliklere ve korozyon direncine sahip olacaktır. Jet motorlarının yanma odalarında ve türbin kanatlarında yüksek sıcaklı ğa dayanıklı süper ala şımlar kullanılır.7 • İstanbul Bo ğaziçi Köprüsü, 30 Ekim 1973 tarihinde dönemin cumhurba şkanı Fahri Korutürk tarafından hizmete açılmı ştır.Köprü yapımı 3 yıl sürmü ştür. • Toplam 1560 m. Uzunlu ğundaki köprünün, orta açıklı ğı 1074m., Ortaköy viyadü ğü 231m., Beylerbeyi viyadü ğü 255m.dir. Köprünün geni şli ği 33.40m., orta açıklıl ğın denizden yüksekli ği 64m. Ve kulelerin denizden yüksekli ği ise 165m.dir. • İstanbul Bo ğaziçi Köprüsünün yapımında; 4 bin ton betonerme çeli ği 17 bin ton yapı çeli ği 6 bin ton kablo çeli ği 71 bin metreküp beton kullanılmı ştır. İstanbul Bo ğaziçi Köprüsü Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 2. Polimer Malzemeler • Polimerler, plastik ve kauçuk malzeme ailelerini kapsarlar. Polimer malzemelerin ço ğu organik bile şikler olup, kimyasal olarak karbon, hidrojen ve di ğer metal olmayan elementlerden meydana gelen uzun molekül zincirlerine ve a ğlarına sahip, yüksek molekül a ğırlıklıdırlar. • Yapısal polimerlerin ço ğu kristal yapıda de ğildir. Fakat bazılarında, hem kristalli hem de kristalsiz bölgeler beraberce bulunabilmektedir. • Polimer malzemelerin dayanım ve sünekli ği, büyük deği şmeler göstermektedir. İçyapılarının etkisiyle polimer malzemelerin ço ğu, kötü bir elektrik iletkenidir. Bunların bir kısmı ise iyi yalıtkandır ve elektrik yalıtımında kullanılır. • Genel olarak polimer malzemeler dü şük yo ğunlu ğa, nispeten dü şük yumu şama ve bozunma sıcaklı ğına sahiptir.8 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 3. Seramik Malzemeler • Kimyasal olarak birbirine ba ğlı metal ve metal olmayan elementlerden olu şan, organik olmayan malzemelerdir. • Seramik malzemeler kristalli veya kristalsiz ya da bunların karı şımı olabilirler. • Seramik malzemelerin ço ğu yüksek sertli ğe ve yüksek sıcaklık dayanımına sahip olmakla birlikte, mekanik olarak kırılgandır. • Ço ğunlukla oksitler, nitritler ve karbürlerdir. Kil mineralleri, çimento ve camdan olu şan seramik malzemeler, malzeme grubunda geni ş bir yer kaplamaktadır. Elektri ği ve ısıyı iletmezler; yalıtkandırlar. • Yalıtım özellikleri, ısı ve a şınmaya dayanımları nedeniyle, yüksek sıcaklık sıvı metal fırınlarında astar olarak kullanılır. • Buji gövdeleri yapılır. • Uzay ta şıtlarının kaplanmasında seramik fayanslar kullanılır. Seramik fayanslar, Al iç gövdeyi, atmosfere giri ş ve çıkı şta olu şan yüksek sıcaklıktan korumaktadır. Ayrıca seramik malzeme, içten yanmalı motorlarda da kullanılmaktadır. • Motorlarda kullanılan seramik malzemelerin üstün özellikleri; hafiflikleri, yüksek dayanım ve sertlikleri, iyi ısı ve a şınma dirençleri, dü şük sürtünmeleri ve yalıtkanlıklarıdır. • Entegre devrelerde kullanılırlar Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 4. Kompozit (Karma) Malzemeler • İki veya daha fazla malzemenin karı şımıdır. • Kompozit malzemelerin ço ğu, istenen özellikleri elde etmeye uygun dolgu ve güçlendirme malzemeleri ile ba ğlayıcı reçineden ibarettir. • Genellikle bile şenler birbiri içinde çözünmez ve birbirlerinden belirli bir arayüzle ayrılır. •D e ği şik türleri vardır. Ana faza göre metalik, polimer ve seramik kompozitler olarak isimlendirilirler •D a y a n ım ve hafiflikleri nedeniyle uçak malzemesi olarak (uça ğın kanat motorunda), korozyon dayanımları nedeniyle petrol boru ba ğlantılarında (camla güçlendirilen polifenilen sülfür) tercih edilirler. • Skorsky helikopterlerinde, uçak ve uzay araçlarında karbon fiber ile güçlendirilmi ş polimer matriksli kompozit malzemeler kullanılır. • Betonarme, emaye, araba lasti ği ve fiberglas tekneler kompozit malzemelere örnektir.9 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması • 5. Elektronik Malzemeler • Bu malzemeler hacim olarak önemli bir yer tutmamakla birlikte, ileri mühendislik teknolojileri için son derece önemli malzemelerdir. • En önemli elektronik malzeme, çe şitli katkılarla elektrik özellikleri de ği ştirilmi ş saf silisyumdur. • Çok sayıda karma şık elektronik devre 5-6 mm2’lik bir Si yongası üzerine i şlenebilmektedir. • Bu yeni malzemelerle yapılan mikroelektronik cihazlar içinde haberle şme uydularını, bilgisayarları, hesap makinelerini, dijital saatleri ve kaynak robotlarını sayabiliriz. Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 6.Yarı İletkenler • Elektriksel özellikleri metaller ve yalıtkanlar arasında yer alır. • Bu malzemelerin elektriki karakteristikleri, empürite atomların çok küçük miktarının varlı ğına bile son derece duyarlıdır. • Elektronik ve bilgisayar endüstrisinde yaygın kullanım alanı bulmu şlardır. • Si-Ga esaslı malzemelerdir. Örne ğin mikrodevrelerde silikon çip kullanılır.10 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması 7.Biometaller • İmplantlar ve herhangi bir nedenle vücut içinde yer alan ve vucut sıvısı ile reaksiyona girmeyen malzemelerdir. •Ö r n e ğin kemikleri ba ğlamada kullanılan platin ( halk arasında çivi olarak da bilinir),NiTi esaslı şekil hafızalı ala şımlar vb. Malzeme Seçiminde Bazı Faktörler • Önemsiz olsa bile her malzeme kullanımı bazı seçim elemanları gerektirir. • Bir çok mühendislik çalı şmaları gibi malzeme seçimi de problem çözme i şidir. • Problem çözmede ana adımlar şöyle özetlenebilir: - problem analizi - alternatif çözümlerin formülasyonu - alternatiflerin geli ştirilmesi - karar11 Malzeme Seçiminde Bazı Faktörler • Malzeme seçilme i şlemine uygulanan bu adımlar şu hale dönü şürler; - malzemelerin gerekli özelliklerinin analizi - aday malzemelerin seçimi - adayların geli ştirilmesi - istenen özelliklere en iyi uyan malzemenin seçilmesi Malzeme Seçiminde Bazı Faktörler • Bir çok mühendis malzemeyi iki yanlı ş nedenden seçer; - bu tip uygulamalarda her zaman bu malzeme kullanılır; geli şen teknolojiler ve malzeme biliminin geli şmesi takip edilmeksizin sadece geleneklere uyularak verilen karardır. - tek bir özelli ği nedeniyle örn. malzemenin mukavemeti yüksektir ancak şekillendirilmesi kötüdür. Kesinlikle tek bir özellik dikkate alınarak malzeme seçimi yapılamaz. 12 Malzeme Seçiminde Bazı Faktörler • Malzemenin seçiminde ana faktörler şunlardır: - mekanik mukavemet - şekil alabilirlik - korozyon direnci - ısıl özellikler - elektriksel özellikler - elde edilebilirlik - istenen di ğer özellikler - maliyet Atom Yapısı ve Atomlar Arası Ba ğlar13 Atomik Yapı Atomik Yapı İyonların hareketi daha çok kaplamalarda önemlidir. Örne ğin bakır (Cu) yüzüklerin gümü ş (Ag) kaplanması. e O H PbSO SO H Pb PbO ' + + › + + 2 4 4 2 2 2 2 (akülerdeki iyon hareketi) K = p + n veya K = e + n A : K : Atom Kütle No Z = p = n Z :Atom No141516 Group** riod 1 IA 1A 18 VIIIA 8A 1 H 1.008 2 IIA 2A 13 IIIA 3A 14 IVA 4A 15 VA 5A 16 VIA 6A 17 VIIA 7A 2 He 4.003 3 Li 6.941 4 Be 9.012 5 B 10.81 6 C 12.01 7 N 14.01 8 O 16.00 9 F 19.00 10 Ne 20.18 8 9 10 11 Na 22.99 12 Mg 24.31 3 IIIB 3B 4 IVB 4B 5 VB 5B 6 VIB 6B 7 VIIB 7B ------- VIII ------- ------- 8 ------- 11 IB 1B 12 IIB 2B 13 Al 26.98 14 Si 28.09 15 P 30.97 16 S 32.07 17 Cl 35.45 18 Ar 39.95 19 K 39.10 20 Ca 40.08 21 Sc 44.96 22 Ti 47.88 23 V 50.94 24 Cr 52.00 25 Mn 54.94 26 Fe 55.85 27 Co 58.93 28 Ni 58.69 29 Cu 63.55 30 Zn 65.39 31 Ga 69.72 32 Ge 72.59 33 As 74.92 34 Se 78.96 35 Br 79.90 36 Kr 83.80 37 Rb 85.47 38 Sr 87.62 39 Y 88.91 40 Zr 91.22 41 Nb 92.91 42 Mo 95.94 43 Tc (98) 44 Ru 101.1 45 Rh 102.9 46 Pd 106.4 47 Ag 107.9 48 Cd 112.4 49 In 114.8 50 Sn 118.7 51 Sb 121.8 52 Te 127.6 53 I 126.9 54 Xe 131.3 55 Cs 132.9 56 Ba 137.3 57 La *138.9 72 Hf 178.5 73 Ta 180.9 74 W 183.9 75 Re 186.2 76 Os 190.2 77 Ir 192.2 78 Pt 195.1 79 Au 197.0 80 Hg 200.5 81 Tl 204.4 82 Pb 207.2 83 Bi 209.0 84 Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222) 87 Fr (223) 88 Ra (226) 89 Ac ~(227) 104 Rf (257) 105 Db (260) 106 Sg (263) 107 Bh (262) 108 Hs (265) 109 Mt (266) 110 Ds (271) 111 Uuu (272) 112 Uub (277) 114 Uuq (296) 116 Uuh (298) 118 Uuo (?) nthanide ries* 58 Ce 140.1 59 Pr 140.9 60 Nd 144.2 61 Pm (147) 62 Sm 150.4 63 Eu 152.0 64 Gd 157.3 65 Tb 158.9 66 Dy 162.5 67 Ho 164.9 68 Er 167.3 69 Tm 168.9 70 Yb 173.0 71 Lu 175.0 tinide Series~ 90 Th 232.0 91 Pa (231) 92 U (238) 93 Np (237) 94 Pu (242) 95 Am (243) 96 Cm (247) 97 Bk (247) 98 Cf (249) 99 Es (254) 100 Fm (253) 101 Md (256) 102 No (254) 103 Lr (257) Atomlar Arası Ba ğ Çe şitleri •A t o m l a r ı birada tutan elektriksel çekim kuvvetleridir.Ba ğlar; primer ve segonder olmak üzere 2 çe şittir. • Primer ba ğlar: Kovelent ba ğ, iyonik ba ğ, metalik ba ğ • Segonder ba ğlar:Vanderwaals ba ğları, hidrojen ba ğları • 1.Kovalent Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) • Ametal-Ametal arasında meydana gelen kuvvetli bir ba ğdır. Bu ba ğ yapısına sahip malzemelerin ergime sıcaklıkları ve sertlikleri yüksektir. Plastik şekil de ği ştirmeye elveri şsizdirler.1718 Kovalent ba ğ olu şumu19 Örnek: Seramik malzemelerden SiC Örnek: Gaz moleküllerinde Örnek : Su moleküllerinde •Hidrojen ba ğı, hidrojen atomları içeren moleküllerde görülür.20 Örnek: Elmas veya kömür (C atomlarının dizili şine göre) Örnek: Plastik malzemelerden polietilen CCC C C CC CC21 2. İyonik Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) Metal-Ametal arasında meydana gelen kuvvetli bir ba ğ çe şididir. Metalin bile şik yaparken verdi ği elektronu ametal alır ve dı ş yörünge 8‘e tamamlanır. Na11 Cl17 NaCl de iyonik ba ğ olu şumu22 İyonların bir kısmının bir atom aralı ğı kadar ötelenmesi durumunda kar şı kar şıya gelen, aynı i şaretli elektriksel yükler birbirini itece ğinden, kristal yapı bozulur. Bu nedenle de bu ba ğ yapısına sahip inorganik malzemeler plastik şekil de ği ştiremezler. Katyonlar tarafından verilen elektronlar anyonlar tarafından ba ğlandı ğından, serbest hareket eden elektron kalmadı ğı için bu ba ğ yapısına sahip malzemelerin iletkenlik (elektrik, ısı) özelli ği yoktur. İyonik ba ğ23 3. Metalik Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) • Metal-Metal arasında meydana gelir. • Örn.Cu-Al (bronz) (%5-15 arasında Al içeriyorsa Al bronzu adını alır; gemi pervanelerinin yapımında kullanılır), Cu- Zn (prinç veya piyasada sarı olarak bilinir.) • Metal elektronları elektron vererek (+) yüklü hale geçerler, açıkta kalanlar elektron bulutu (elektron denizi, valans elektronları denizi) olu ştururlar. •.2425 Metalik Ba ğ • Saf metallerde elektron alabilecek türden atomlar bulunmadı ğından, serbest kalan valans elektronları elektron bulutunu olu şturur. Valans elektronlarının serbest hareket edebilmesi nedeniyle, metallerin elektrik ve ısı iletkenlikleri iyidir. • Metalik ba ğ bozulmaksızın atomlar birbirlerine göre ötelenebildi ğinden, bu ba ğ yapısına sahip malzemeler plastik şekil de ği ştirebilirler26 • Metalik ba ğ yapısına sahip malzemeler •K a t ı halde; • sünek yapı gevrek (kırılgan) yapı •Sünek yapıda atomlar düzgün bir şekilde dizilmi şlerdir. Kolaylıkla plastik şekil de ği ştirebilirler. •Gevrek malzeme kolaylıkla kırılır, yapıda atomlar düzgün da ğılmamı ştır. •. • Sıvı halde; •K ısmen düzensiz bir yapı söz konusudur. Isıtma ile ba ğ kopar, kısmen düzensiz yapı olu şur. Gaz halde; Tamamen düzensiz yapı vardır 27 4. Van der Waals Ba ğları ( ?10 kcal/mol’lük bir güce sahip, zayıf ba ğlardır.) • Soygazlarıns ıvıla ştırılması sırasında daha çok ortaya çıkar. 0°C’nin altındaki sıcaklıklarda kararlıdırlar.28 • 5. Karı şık Ba ğ Birden fazla ba ğ yapısının malzeme içerisinde bulunması durumudur Plastik malzemeler kovalent ba ğa sahip oldukları halde, sıcakta kolayca şekil de ği ştirirler. Bunun nedeni, merleri bir arada tutan zayıf Van der Waals ba ğlarıdır29 Atomsal Dizinim (Atomal Dizinim) •A t o m l a r ın dizili şi, malzemelerin özellikle de kristal yapılı malzemelerin mekanik özellikleri (çekme, basma, çentik darbe dayanımı gibi) ve mikroyapı özelliklerini büyük oranda etkiler. Bunun yanı sıra atom dizinimine ba ğlı olarak elektrik, ısı iletkenlikleri ve korozyon özellikleri de de ği şir. • Atom dizili şinde atomlar arasındaki ba ğ ve ba ğ açılarının rolü büyüktür.30 • 1. Amorf (Düzensiz) Yapı: Atomlar ya da moleküller tümüyle düzensizdir. Daha çok gazlarda görülür. Termoplastiklerde de görülmektedir gaz 31 2. Moleküler Yapı (Kısa Mesafede Düzen): Molekül içinde sadece iki atom arasında belli bir düzen varsa bu yapıdan söz edilir. 3. Kristalin Yapı (Uzun Mesafede Düzen) •K r i s t a l y a p ıda örneğin katı bir metalde atomlar üç boyutlu bir düzen içinde bulunurlar. Metaller katı halde kristal yapıya sahiptirler. • Metallerin yanı sıra yarı iletkenlerde, seramiklerde ve bazı termoplastiklerde kristalin yapı bulunur. • %100 kristal yapıya sahip plastik yoktur. Maksimum %70-80’i kristal yapı olabilir. Kristal yapı miktarı arttıkça dayanım artar.32 KAFES S İSTEMLERİ • Atomlar, atomlararası ba ğ kuvvetleri, yani valans kuvvetleri etkisiyle, düzenli bir şekilde dizilirler. Bu dizilim iki boyutlu sistemde incelenirse düzlemsel kafes yapısı, üç boyutlu sistemde incelenirse hacimsel kafes yapısı elde edilir.33 • Hacimsel kafes, birbiriyle özde ş konumda birçok sayıda birim hücreden olu şur. Birim hücrenin boyutu çok küçüktür. • Metallerin birim hücreleri sonderece küçük boyutlardadır.Örne ğin khm saf demirin birim hücresini olu şturan kübün bir kenarı, oda sıcaklı ğında 0.287 nm.dir. Dolayısıyla saf demirin birim hücreleri yanyana dizildi ğinde 1 mm. İçinde 3,48x10 6 adet birim hücre vardır. • Kafes içinde birim hücrelerin yönlenmesi34 KAFES S İSTEMLERİ Hegsagonal kafes yapısı Kübik Kafes Yapısı Bravais Birim Hücreleri • Birim hücrelerin şekline ve atomların yerle şimine göre, 7 kafes tipi ya da kristal sistemi vardır. 7 kristal sisteminin ço ğu, temel bir birim hücrenin de ği şik durumlarını ifade eder. • August Bravais 1811-1863 yılları arasında ya şamı ş kristal çizer olup uzayda mümkün olan 14 noktanın dizilimini belirleyen Fransız kristal çierdir.dir. A.J.Bravais, mümkün olan bütün kafes a ğlarını tamamlayabilmek için, 14 standart birim hücrenin yeterli oldu ğunu göstermi ştir. Bravais kafeslerinde 4 temel birim hücre vardır. 1- Basit 2- Hacim merkezli 3- Yüzey merkezli 4- Taban merkezli •K r i s t a l y a p ılarda atomlar arası uzaklık, deneysel olarak X- ı şınları difraksiyonu (kırınım çözümlenmesi) metoduyla bulunabilir. Örn.saf Al parçasında 20 0 C de 2 Al atomu arasındaki uzaklık 0,2862 nm dir. Al metalindeki Al atomunun yarıçapı, atomlar arası uzaklı ğın yarısı olan 0.143 nm. Olarak kabul edilir. Seçilen bazı metallerin atom yarıçapları tablolarda belirtilmi ştir.oldu ğu saptanmı ştır. • Metalsel malzemelerin plastik şekil de ği ştirme kabiliyeti, kafes sistemleri ile ili şkilidir.35 • Şekil 2 Ba şlıca metal kristal birim hücreleri a) kübik hacim merkezli b) kübik yüzey merkezli c) sıkı paket hegzagonal Şekil 2 Ba şlıca metal kristal birim hücreleri a) kübik hacim merkezli b) kübik yüzey merkezli c) sıkı paket hegzagonal36 Birim Hücredeki Atom Sayısı • AS : NA : Birim hücredeki atom sayısı F: kö şelerden gelen atom sayısı C: yüzeylerden gelen atom sayısı I : hacim merkezinden gelen atom sayısı • Kübik sistemde kö şedeki atom, kö şe sayısı kadar birim hücre tarafından payla şılır . I yF xC N A + + = Tabiatta Rastlanan 7 Kristal Sistem37 1. Kübik Sistem ° = = = = = 90 ? ß ? , c b a Kübik sistem kendi içinde 3’e ayrılır. 1.1Basit Kübik sistem (bks) AS : NA : Birim hücredeki atom sayısı. I yF xC N A + + = 1 0 0 8 1 8 = + + = x N A Basit kübik sistem kafes yapısına sahip metal bulunmamaktadır38 1.2. Kübik Hacim Merkezli (khm) Kübik Hacim Merkezli (khm) Hacim Merkezli Kübik (hmk) Body cubic center ( bcc) K , Na , Ta ), T ( W , V , Mo , Cr , Fe - ? Örnegin: 1.2. Kübik Hacim Merkezli (khm) • Örneğin çeli ğe %10’dan fazla Cr katılarak paslanmaz çelik elde edilir. Şekillendirilmesini kolayla ştırmak için de Ni ilave edilir. Takım çeliklerine Mo,V,W katılarak yüksek ısılara dayanım kazandırılır) • Birim hücreye dü şen atom sayısı Hacim merkezindeki atom sadece o birim hücreye aittir. 2 1 0 8 1 8 = + + = x N A39 1.3. Kübik Yüzey Merkezli (kym) Kübik Yüzey Merkezli (kym) Yüzey Merkezli Kübik (ymk) Face Cubic Center (fcc)40 1.3. Kübik Yüzey Merkezli (kym) •Ö r n . Pb , Pt , Ag , Au , Ni , Al , Cu , Fe - ? 4 0 2 1 6 8 1 8 = + + = x x N A Birim hücre ba şına dü şen atom sayısı41 Allotropi (Modifikasyon) • Allotropi (Modifikasyon): Malzemelerin sıcaklı ğa ba ğlı olarak kafes yapısının de ği şiklik göstermesidir. • : allotrop malzemelerdir Ti , Mn , Co , Fe Saf demirin ısınma e ğrisi Saf demirin so ğuma e ğrisi ( saf demirin allotropik davranı şı)42 Alfa demirinin di ğer adı ferrittir. Alpha iron (B.C.C) unit cell Ferrit mikroyapısı43 Face centered cubic crystal unit cell Gama demiri mikroyapısı (östenit kristalleri) Gama demirinin di ğer adı östenittir • 2. Tetragonal Sistem (kare prizma sistemi) • basit • hacim merkezli ° = = = ? = 90 ? ß ? , c b a basit tetragonal sistem hacim merkezli tetragonal sistem 1 0 0 8 1 8 = + + = x N A 2 1 0 8 1 8 = + + = x N A44 • 3. Ortorombik Sistem (dikdörtgenler prizması sistemi) ° = = = ? ? 90 ? ß ? , c b a basit hacim merkezli yüzey merkezli taban merkezli taban merkezli ortorombik sistem 2 0 2 1 2 8 1 8 = + + = x x N A 4. Monoklinik Sistem ? ß ? ? ° = = ? ? 90 , c b a 5. Triklinik Sistem ° ? ? ? ? ? 90 ? ß ? , c b a 6. Rombohedral Sistem ° ? = = = = 90 ? ß ? , c b a45 7. Hegzagonal Sistem 7.1 Hegzagonal Sistem • a=b ?c , ?= ß =90 0 ? = 120 0 veya ° = ° = = ? = = 120 , 90 , 3 2 1 ? ß ? c a a a 7.2 Sıkı Paket Hegzagonal Sistem (sph) ° = ° = = ? = = 120 , 90 , 3 2 1 ? ß ? c a a a Hexagonal closed pocket ( hcp) örn.Be, Zn, Cd, Mg, Zr, Co, ?-Ti 6 3 2 1 2 6 1 12 = + + = x x N A sph birim hücrelerden olu şmu ş hacımsal kafes yapısı Mg metali birim hücresi46 Özet Kübik Kafes Sisteminde •K ö şelerdeki atomlar, kö şe sayısı kadar birim hücre tarafından payla şılır. • Hacim merkezindeki atom, sadece o birim hücreye aittir ve asla ba şka birim hücre tarafından payla şılamaz. • Yüzey merkezinde bulunan atom, 2 birim hücre tarafından payla şılır. Koordinasyon Sayısı (KS) • Hacimsel kafes içerisinden alınan bir atoma yakın ve e şit uzaklıklardaki atomların sayısına denir. • Koordinasyon sayısına; valans elektronu ve atomların dizinimi yanı sıra, atomlararası ba ğlar ve atom yarıçapı da etkendir . • Koordinasyon sayısına valans elektronları ve atom dizinimi etki eder. • Saf bir metalde koordinasyon sayısı en fazla 12’dir.47 Birim hücrenin koordinasyon sayısını 2 etken kontrol eder: • Valans Elektronu: Bir atomun çevresindeki valans ba ğları sayısı valans elektronlarına ba ğlıdır. Örn. 7. gruptaki halojenler (F, Cl, Br, I) tek ba ğ yaparlar ve koordinasyon sayıları KS=12’ dir. Örn. 6. gruptaki oksijen ailesi bir molekülde 2 ba ğ ile ba ğlıdır ve koordinasyon sayısı KS=2’dir. Örn.5.gruptaki azot atomları için koordinasyon sayısı KS=3 iken 4. gruptaki C (karbon ) ve Si (silisyumun) di ğer atomlar ile 4 ba ğı vardır ve koordinasyon sayısı KS=4’dür. Kovalent ba ğlı malzemelerde; ba ğ sayısı en fazla 4 olaca ğından koordinasyon sayısı KS=4’den fazla olamaz. • Atomların Dizilmesi: Atomlar veya iyonlar birbirine yakla ştıkça enerji verdiklerinden, atomların yakın olarak dizilimi ve atomlar arasındaki esafe azaldıkça malzeme daha kararlı hale gelir. Di ğer bir deyi şle; malzeme enerjisi arttıkça şekil de ği ştirme kabiliyeti azalır. Kafesin koordinasyon sayısı ne kadar fazla ise malzeme o kadar kolay şekil alır. • Atomların hepsi aynı olan saf bir metalde koordinasyon sayısı en fazla KS=12’dir. Koordinasyon Sayısı • Kübik Sistem İçin48 Atom Yarıçapı-Kafes Parametresi İli şkisi •B a s i t y a p ılarda özellikle aynı cins atoma sahip birim hücrelerde atom yarıçapı-kafes parametresi ili şkisi incelenebilir. • Kübik sistemde ‘’kafes parametresi :a ‘’ olarak alınırsa; a=2r olur. Atom Yarıçapı-Kafes Parametresi İli şkisi 3 4r a = r a 2 = 2 4r a =49 • Kübik Hacim Merkezli (khm) a=4r/ Kübik Yüzey Merkezli (kym)50 Atom Dolgu Faktörü • Atom Dolgu Faktörü (ADF) Atom Dizim Katsayısı (ADK) Atom Dolum Oranı (ADO) Paketleme Faktörü (PF) • Metal atomları yarıçapı ‘’r’’ olan küreler olarak alınırsa bu durunda birim kafes hacminin % kaçının atomlar tarafından dolu oldu ğunu belirtir. • Atom dizili şlerinin sıklı ğını belirten ADF (Atom Dolgu Faktörü), malzemenin şekillendirilmesi ile de ilgilidir. Bir birim hücrenin atomsal doluluk oranını gösterir. Atom dolgu faktörü ne kadar yüksek olursa metalsel malzemeler o kadar kolay plastik şekil alabilir. Di ğer bir deyi şle tala şsız şekil verilebilir. Birim hücre atomlar tarafından ne kadar fazla yüzde ile dolduruluyorsa plastik şekillendirme kabiliyeti o kadar iyidir bh A V hacmi xAtom N hacmi kafes hücre Birim hacmi atom hücredeki Birim ADF = = ) (51 Atom dolgu Faktörü • Basit kübik sistem için (bks) 52 0 2 3 4 3 4 1 3 3 3 3 , ) r ( r a r x ADF bks = = = › ? ? ) r a ( 2 = 68 0 3 4 3 4 2 3 3 , r r x ADF khm = ? ? ? ? ? ? ? ? = › ? •Kübik hacim merkezli sistem (khm) Atom Dolgu Faktörü • Kübik yüzey merkezli sistem (kym) 74 0 2 4 3 4 4 3 3 , r r x ADF kym = ? ? ? ? ? ? = › ? 74 0, ADF sph = › •Sıkı paket hegsagonal sistem (sph)52 Örnekler • Alfa demirinin yani Fe - ? ‘nin ADF=? Fe - ? Alfa demiri khm oldu ğundan ADF= 0,68 Fe - ? • Gama demiri yani ‘nin ADF=? Gama demiri kym oldu ğundan ADF=0.74 dir. •kym’li Cu atomunun yarıçapı ° = A , r 556 2 ise kafes parametresi a= ? ° = = = A , , x r a 230 7 2 556 2 4 2 4 m cm A 10 8 10 10 1 - - = = ° ° = A nm 10 1 •k h m ’ l i’ n i n Fe - ? ° = A , a 86 2 Fe - ? ? = a kym’linin ° = = = A x r a 502 , 3 2 2384 , 1 4 2 453 Özet • Birim hücre ba şına dü şen atom sayısı ne kadar fazla ise o kafes yapısına sahip malzeme kolay plastik şekil de ği ştirebilir.örn.kym ve sph kafes yapısına sahip metaller • Koordinasyon sayısı (KS) en fazla olan metal malzemeler kolay plastik şekil ( p şd) de ği ştirebilir.örn.kym, sph kafes yapılarına sahip metaller • Atom dolgu faktörü (ADF) yüksek olan metal malzemeler kolay p şd örn. kym, sph kafes yapılarına sahip metaller 6 24 12 - Kayma Sistemi sayısı 0,74 0,74 0,68 0,52 ADF 12 12 8 6 KS 6 4 2 1 N A sph kym khm bks •Birim hücredeki atom sayısı, koordinasyon sayısı,atom dolgu faktörü ve kayma sistemleri metal malzemenin plastik şekillendirilebilirli ğini etkiler. Öyleyse hangi kafes yapısına sahip en kolay plastik şekil de ği ştirebilir? •Metal malzemelerin plastik şekil de ği ştirmesini (p şd) etkileyen en önemli etken kayma sistemi sayısıdır. Örne ğin kym Au, Cu, Al kolay şekillendirilirken sph kafes yapısına sahip Mg ve Ti ‘un şekillendirilmesi zordur. Bunun nedeni ise kayma sistemi sayısının az olmasıdır. Kayma sistemi belli yönlerde ve düzlemlerde yo ğun olarak bulunur. O yönde elektrik ve ısı iletkenli ği artar, atomların hareketi daha fazla olur. İşte bu yönleri ve düzlemleri tanımlamak için Miller indislerini inceliyoruz54 MILLER İND İSLER İ (hkl) • Kristal yapılarda, do ğrultuların ve düzlemlerin isimlendirilmesine yararlar. Yani kristal içindeki düzlem ve do ğrultuların adresleridir. • Kübik hücrelerde atomların yerlerini belirlemek için, birbirine dik eksenlerinden faydalanılır. Birim hücredeki atom yerleri eksenleri boyunca verilen uzaklıklarla tanımlanır. - Nokta indisleme - Düzlem indisleme - Yöne göre indisleme Kübik Sistem • Kübik Sistemde ° = = = 90 ? ß ? x a h = y b k = z c l = Miller indisleri, kafes birim mesafesi ölçüsü olarak, merkezden eksenler üzerindeki kesim noktaları de ğerlerinin tersidir 55 Kübik Sistem 1. Nokta indisleme hkl 001 011 101 111 010 000 110 100 210 001 00 1 000 010 0 1 0 100 1 00 Kübik Sistem 2. Düzlem indisleme (Düzleme göre indisleme) (hkl) ) 001 ( ) 100 ( ) 010 ( ) 111 ( ) 100 ( ) 200 ( ) 300 ( Birbirine paralel olarak 1 birim ya da katları şeklinde ötelenmi ş düzlem ve do ğrultular, aynı Miller indisi ile ifade edilir 56 Kübik Sistem 3. Yöne göre indisleme [hkl] veya ] 001 [ ] 111 [ ] 010 [ ] 100 [ Metaller, atom yo ğunlu ğu en yüksek olan yönlerde deformasyona u ğrarlar. Metallerin dayanımları (örne ğin çekme dayanımı) ve elektrik iletkenli ği yöne göre de ği şir. • Sadece kübik sistemde; aynı indise sahip düzlemler ile aynı indise sahip yönler, birbirine diktir. ] 100 [ ) 100 (57 Hegzagonal sistemde • Hegzagonal sistem ° = ° = = ? = 120 90 ? ß ? , , c b a ) 0001 ( ) 0 1 01 ( ) 00 1 1 ( ) 0 1 10 ( Düzlem Ailesi {hkl} • Manyetik özellik, elektrik özelli ği, doluluk oranı, kayma özelli ği vb özellikleri aynı olan, ancak Miller indisleri farklı olan düzlemler toplulu ğudur.58 Anizotropik Davranı ş • Kristal yapılı malzemelerde, kristal düzlem ve yönlerinin farklı atom yo ğunlu ğuna sahip olması nedeniyle, metal malzemelerin özellikleri yönlere göre de ği şir. • Malzeme özelliklerinin yöne ba ğlı olarak de ği şmesi olup, bu davranı şı gösteren malzemeye de anizotrop malzeme denir. Tek kristal olarak bilinen ve daha çok uzay ve elektronik endüstrisinde kullanılan malzemeler anizotroptur. • Özellikleri yöne göre de ği şmeyen malzemeler, izotropik malzeme olarak isimlendirilir. Örne ğin W (T) izotropik malzemedir Kayma Sistemi • Kayma sistemi sayısı, bir metalin plastik şekil de ği ştirme kabiliyetinin ölçüsüdür.A şa ğıda verilen tablo dikkate alındı ğında, kübik yüzey merkezli (kym) kafes yapısına sahip metal malzemelerin plastik şekil de ği ştirme kabiliyetinin en fazla oldu ğu anla şılabilir. 6 3 2 [1000] {0001} sph 24 3 8 [110] {111} kym 12 2 6 [111] {110} khm Kayma sistemi sayısı Kayma yönü sayısı Kayma düzlemi sayısı Kayma yönü Kayma düzlemi Kafes tipi59 • Kübik Hacim Merkezli Kafes Yapısında kayma düzlemleri ve kayma yönleri • Kübik Yüzey Merkezli Kafes Yapısında kayma düzlemleri ve kayma yönleri60 •S ıkı Paket Hegzagonal Kafes Yapısında kayma düzlemleri ve kayma yönleri • Tablo dikkate alındı ğında, kübik yüzey merkezli (kym) kafes yapısına sahip metal malzemelerin plastik şekil de ği ştirme kabiliyeti en fazla oldu ğu görülmektedir. 6 24 12 - Kayma Sistemi sayısı 0,74 0,74 0,68 0,52 ADF 12 12 8 6 KS 6 4 2 1 N A sph kym khm bks