Malzeme Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine Giriş - Malzemelerin İç Yapısı 1 1 2007-2008 GÜZ YARIYILI MALZEME I Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine Giriş Malzemelerin İç Yapısı 01.10.2007 2 ÖĞRETİM ÜYELERİ ve KAYNAKLAR Yrd.Doç.Dr. Şeyda POLAT Yrd.Doç.Dr. Ömer YILDIZ Ders Kitabı : “Malzeme Bilimi I Ders Notları” Kocaeli Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 2006 3 İÇERİK Giriş Malzemelerin İç Yapısı Katıların Atomik Düzeni (Kristal Yapıları) Kafes Hataları Boşyerler Dislokasyonlar Arayüzeyler Plastik Deformasyon Mekanik Özellikler 4 GİRİŞ Malzeme Gereksinimi Bütün mühendislik bilim dalları malzeme ile yakından ilişkilidir. Mühendisler kullanacakları malzemeyi çok iyi tanımak ve geniş malzeme tayfı içinde mukavemet, iletkenlik, korozyon, ekonomiklik vb. kriterleri dikkate alarak seçim yapmak zorundadırlar. ÖRNEK : Otomobil çamurlukları – kolay şekillendirilebilmeli (düşük kuvvetler ile) ancak darbe halinde ezilmemelidir. 5 GİRİŞ Malzeme Gereksinimi (devamı) Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır. ÖRNEK : Teorisi 17. yy’da bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy’da yapılabilmiştir. Bunun nedeni yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayanıklı malzeme gereksinimidir. Malzemelerin, mühendislerce istenen değişik özellikleri onların iç yapıları (mikro yapıları) ile ilişkilidir. 6 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi ; Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisini belirler. Malzeme Mühendisliği ; Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması, modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikimini sentezler ve uygular. 7 Şekil 1.1. Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Çalışma Kapsamı 8 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı) Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır. A.B.D.’de geliştirilen istatistiksel bir bulguya göre diğer tüm mühendislik alanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az bir saati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır. 9 GİRİŞ Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı) Bir mühendisin seçebileceği malzeme grupları temelde 3’e ayrılır (metaller, seramikler ve polimerler). Ayrıca iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozitler, tek bir malzemeden elde edilemeyen özellikleri sağlar. 10 Şekil 1.2. Mühendislik malzeme grupları 11 GİRİŞ Malzeme Özellikleri Malzeme seçimini etkileyen özellikler : albeni Estetik işlenebilirlik, kaynaklanabilirlik vb. Teknolojik aşınma (abrazif, korozif) vb. Yüzey elektriksel iletkenlik Elektriksel geçirgenlik Optik ısıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım Isıl çekme ve akma mukavemeti, elastisite modulü, tokluk, yorulma ve sürünme mukavemeti vb. Mekanik fiyat, bulunabilirlik Ekonomik 12 Tablo 1.1. Malzeme gruplarının ortalama fiyatlarının karşılaştırılması 13 Tablo 1.2. Değişik malzemelerin oda sıcaklığı elastisite modülü (E) ve termal genleşme katsayısı (?) değerleri 14 Tablo 1.3. Mühendislik malzemelerinin özeliklerinin karşılaştırılması 15 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller Madde : Boşlukta yer kaplayan (hacim) ve belli bir kütlesi olan her cisme madde denir. 16 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Saf Madde : Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz. Belirli bir bileşime sahiptir (Örnek : su, amonyak, altın, oksijen vb.). Karışım : İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak biraraya gelmesinden oluşur. Bileşimi sabit değildir (Örnek : hava, meyva suyu vb.). 17 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Homojen Karışım : Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynıdır (Örnek : şekerli su). Heterojen Karışım : Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir (Örnek : kum ve demir talaşı). 18 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Element : Kimyasal olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz. Temel birimi atom’dur. (Örnek : H,O) Bileşik : İki veya daha fazla elementin belirli oranda kimyasal olarak birleşmesinden oluşur. Temel birimi molekül’dür. (Örnek : H 2 O) 19 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Elementlerin Periyodik Tablosu 20 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) 21 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Atom : Elementin temel birimine atom denir. Tüm maddeler atom topluluklarından oluşur. Tek bir elementten oluşmuş bir malzemede, malzemenin gösterdiği tüm kimyasal özellikler, atom’da da vardır. Atom, eski Yunanca’da bölünemez, parçalanamaz anlamına gelen “atoma” kelimesinden gelmektedir. 1850’lerde başlayan bir dizi araştırma atomların atomaltı parçacıklarından (elektron, proton, nötron vb.) oluşan bir iç yapıya sahip olduğunu göstermiştir. 22 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom ve Moleküller (devamı) Molekül : Bileşiklerin temel birimine molekül denir. Bileşiklerin kimyasal özelliklerini aksettiren en küçük parça moleküldür. Molekül, Latince kitle anlamına gelen “molekula” kelimesinden gelmektedir. Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ise onu oluşturan atomların türünden çok, atomların dizilişine ve aralarındaki bağlara bağlıdır. 23 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi Atomlar bir çekirdek ile onu çevreleyen “-” yüklü elektronlardan oluşur. Çekirdekte “+” yüklü protonlarla yüksüz nötronlar bulunur. Elekton bulutu Çekirdek 24 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Periyodik tabloda her atomun bir numarası vardır. z=Atom numarası Bu sayı çekirdekteki proton sayısıdır. Nötr bir atomda elektron sayısına da eşittir. A=Kütle numarası (veya Atom Kütlesi) Bu sayı proton sayısı ile nötron sayısının toplamına eşittir. 25 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Nötr bir atomda ; elektron sayısı = proton sayısı İyonlarda ise ; proton sayısı = SABİT elektron sayısına göre + veya - yüklü + yüklü iyon katyon - yüklü iyon anyon Örnek : Na (z = 11, A = 23) e p n Na atomu 11 11 12 Na + iyonu 10 11 12 26 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) İzotop’ ta ; proton sayısı = SABİT nötron sayısı = DEĞİŞKEN (z aynı, A değişken) Örnek : Hidrojen’in izotopları İzotop e p n z A Hidrojen ( 1 H) 1 1 0 1 1 Döteryum ( 2 H) 1 1 1 1 2 Trityum ( 3 H) 1 1 2 1 3 27 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Atomun hacmını esas olarak elektronlar oluşturur. Atomun kütlesini ise çekirdek belirler. Atomaltı parçacıkların özellikleri : m p = m n = 2000 m e 28 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) Atomlar küçük kütlelere sahiptir. Bu nedenle atomların kütlesini belirlemek için “mol” kavramı geliştirilmiştir. 1 mol, 6.022045x10 23 parçacık içerir, bu sayı Avogadro Sayısı (N A ) olarak bilinir. SI sisteminde 12 gram karbon -12 izotopu içindeki gerçek atom sayısı N A kadardır. 1 mol’de veya molar kütlede Avogadro sayısı kadar atom bulunur. 1 gram = 6.022045x10 23 akb (akb=atom kütle birimi) 29 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) ÖRNEK : Bir Al atomunun ağırlığı nedir ? Aluminyumun yoğunluğu 2.7 g/cm 3 olduğuna göre cm 3 ’de kaç atom vardır ? Periyodik Tablodan Al için ; z=13, A=27 Bir atomun ağırlığı = 27 g/mol 6.02x10 23 atom/mol = 4.48x10 -23 g/atom 30 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atom Numarası ve Atom Kütlesi (devamı) ÖRNEK (devamı) : Bir cm 3 ’de ki atom sayısı = 2.7 g/cm 3 4.48x10 -23 g/atom = 0.6x10 23 atom/cm 3 = 6.0x10 22 atom/cm 3 31 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı Elektronlar kuantum mekaniği kurallarına uyan parçacıklardır. 1.Kural : Elektron enerjisi kuantize olur, yani elektron yalnız belli enerji değerlerine sahip olabilir. Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedir ve belirli enerji düzeyine sahiptir. 32 Enerji yayımına mekaniksel benzetişim. Top basamakların herhangi birinde durabilir ama aralarında duramaz. 33 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) 2.Kural : Pauli ayırdedilebilirlik ilkesi Aynı enerji düzeyinde 2’den fazla elektron bulunamaz ve bu 2 elektron karşıt dönmelere sahip olmalıdır. Bu nedenle bir atomda bütün elektronlar aynı düşük enerji değerini alamazlar, elektronların 2’si hariç diğerleri daha yüksek enerji düzeylerinde bulunur. 34 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Modern atom teorisine göre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır. Bunlar ; n = Ana (baş) kuantum sayısı l = Alt (açısal momentum) kuantum sayısı m l = Manyetik kuantum sayısı m s = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı 35 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Ana kuantum sayısı, n = 1 , 2 , 3, … gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomunda n’nin değeri orbital enerjisini belirler. Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; “n” ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve karasız olur. 36 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denir. n’nin değeri K, L, M, N gibi kabuklara karşılıktır. Bir n sayısına sahip enerji kabuğunda en çok 2n 2 adet elektron olabilir. 50 O 5 98 7 72 P 6 32 N 4 18 M 3 8 L 2 2 K 1 e sayısı Kabuk n 37 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Alt (açısal momentum) kuantum sayısı orbitalin şeklini anlatır, l’nin alabileceği değerler n’ye bağlıdır. Verilen bir n için l sıfır ile (n-1) arasındaki tam sayılar olabilir. Örneğin, n = 1 ise l = 0 n = 2 ise l = 0 , 1 n = 3 ise l = 0 , 1 , 2 38 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) l’nin değeri genellikle, s , p , d gibi harflerle gösterilir. h g f d p s Orbital ismi 5 4 3 2 1 0 l 39 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denildiğini öğrenmiştik. Aynı n ve l değerindeki bir veya daha fazla orbital ise altkabuk olarak adlandırılır. Örneğin, n = 2 kabuğu, iki altkabuktan ( l = 0 ve 1 ) oluşur. Bu altkabuklar 2s ve 2p altkabuklarıdır, burada 2 sayısı n değerini s ile p de l değerlerini işaret eder. 40 Tablo 2.1. Enerji kabuklarının kuantum sayıları 41 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Manyetik kuantum sayısı bir orbitalin uzaydaki yönünü belirler. Bir altkabuk içinde, m l ’nin değerleri açısal momentum kuantum sayısı olan l’e bağlıdır. Verilen bir l için, ( 2l + 1 ) adet m l olabilir ve bu sayılar aşağıdaki şekilde bulunur : -l , ………. 0, ………. +l Örneğin, l = 0 ise, m l = 0 l = 1 ise, m l = -1, 0, 1 l = 2 ise, m l = -2, -1, 0, 1, 2 42 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) m l ‘nin toplam sayısı, belirli bir l altkabuğunda bulunan orbitallerin sayısını verir. Örnek : n = 2 ve l = 1 durumunda, n ve l değerleri 2p altkabuğunu belirler ve bu altkabukta üç 2p orbitali vardır (çünkü, m l için -1, 0, 1 olmak üzere üç değer vardır). 43 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) f (7 adet) -3 , -2 , -1 , 0 , 1 , 2 , 3 3 d (5 adet) -2 , -1 , 0 , 1 , 2 2 p (3 adet) -1 , 0 , 1 1 s (1 adet) 0 0 Orbital adedi m l l 44 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektromanyetik teoriye göre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yaratır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Elektronun dönmesini işin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır. Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, m s ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½ değerlerini alır. 45 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) 3d xy , 3d yz , 3d xz , 3d z2 , 3d x2-y2 5 -2 , -1 , 0 , 1 , 2 2 3 3p x , 3p y , 3p z 3 -1 , 0 , 1 1 3 3s 1 0 0 3 2p x , 2p y , 2p z 3 -1 , 0 , 1 1 2 2s 1 0 0 2 1s 1 0 0 1 Orbitallerin gösterilişi Orbital sayısı m l l n 46 Hidrojen 1s, 2s ve 3s orbitallerinin sınır yüzeyleri. Bütün s orbitalleri küreseldir. Gene yaklaşık olarak, bir orbitalin büyüklüğü n 2 ile orantılıdır (n, ana kuantum sayısı). s orbitallerinin alabileceği maksimum elektron sayısı 2’dir. 47 Üç tane 2p orbitalinin sınır yüzeyleri. Bu orbitallerin şekilleri ve enerjileri aynıdır ama yönleri farklıdır. Daha yüksek ana kuantum sayılı p orbitalleri de benzer şekillere sahiptirler. p orbitallerinin alabileceği maksimum elektron sayısı 6’dır. 48 Beş 3d orbitalinin sınır yüzeyleri. Daha yüksek ana kuantum sayılı d orbitalleri de benzer şekillere sahiptirler. d orbitallerinin alabileceği maksimum elektron sayısı 10’dur. 49 Elektronlar 1s’den başlayarak orbitalleri doldururlar. Elektronların orbitalleri doldurduğu ana düzen şöyledir : 7s 7p 7d 7f 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s 50 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Örnek : Atom numarası 25 olan elementin (Mn) elektronik düzenini gösteriniz. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 Örnek : Atom numarası 70 olan elementin (Yb) elektronik düzenini gösteriniz. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 51 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Kimyasal Reaktiflik : Atomların kimyasal reaktifliği dış kabuk (valens, değerlik) elektronlarına bağlıdır. s 2 p 6 şeklindeki dış kabuk düzeni en kararlı olandır (oktet). Asal gazların elektronik düzeni He için s 2 (dublet) ve diğerleri için s 2 p 6 şeklindedir. s 2 ve s 2 p 6 dış kabuk düzenindeki elementler kimyasal reaksiyona girmezler. 52 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektronegatiflik (Elektron ilgisi) : Bir atomun kendine elektron çekme derecesidir. Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyon) oluştururlar. Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon (katyon) haline gelirler. Elektronegatiflik kavramı atomik bağların anlaşılmasına yardımcı olur. 53 Elementlerin elektronegatiflik değerleri : 54 Elementlerin elektronegatiflik değerleri : 55 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Metal ve metal olmayan elementler elektronik yapı açısından aşağıdaki gibi özetlenebilir. Yüksek elektronegatifliğe sahiptirler. Düşük elektronegatifliğe sahiptirler. Elektron alarak anyon oluştururlar. Elektron vererek katyon oluştururlar. Dış kabuklarında 4 veya daha fazla elektron vardır. Dış kabuklarındaki elektron sayısı azdır (3 veya daha az). Metal olmayanlar Metaller 56 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri Atomlararası bağ kuvvetleri atomları bir arada tutarak iç yapıyı oluştururlar. Malzemenin fiziksel ve mekanik özellikleri bağ yapısına bağlıdır. Kuvvetli bağlar (iyonik, kovalent, metalsel), yüksek elastisite modulü, yüksek mukavemet, yüksek ergime sıcaklığı ve düşük ısıl genleşme verir. Zayıf bağlar ise elektriksel kutuplaşma sonucu ortaya çıkar. 57 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri (devamı) Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valens (değerlik) elektronları denir. Bunlar Coulomb çekim kanunlarına göre çekirdeğe en az kuvvetle bağlı olanlardır. Valens elektronları, bağ türlerini, atomlar arası uzaklığı, mekanik, elektriksel, kimyasal, ısıl, optik özellikleri belirler. Eğer element 8 valens elektronuna sahipse (s 2 p 6 ) kararlıdır, elektron alışverişi yapmaz. 58 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar Arası Bağ Türleri (devamı) İyonizasyon enerjisi : Bir atomun dış kabuğundan bir elektron uzaklaştırmak için sarf edilen enerjidir. Bağ enerjisi : Elektron alışverişi ile oluşan molekülden atom koparılması (yani ilgili bağın kırılması) için gereken enerjidir. 59 Tablo 2.2. Atomlararası bağlar