marmara Ünİversİtesİ teknolojİ fakÜltesİ makİne ... · makİne mÜhendİslİĞİ bÖlÜmÜ...

MALZEME BİLİMİMALZEME BİLİMİ

MARMARA ÜNİVERSİTESİ MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİTEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜMAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MALZEME BİLİMİMALZEME BİLİMİTemel Temel KonularKonular

Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİRYrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

DERSİN AMACI

� Mühendislik malzemeleri ve bunların özellikleri öğrenmek: Metal, Seramik, Plastik (organik) ve Kompozitler

� Malzemelerin yapısal özellikleri ile � Malzemelerin yapısal özellikleri ile mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri arasındaki ilişkileri öğrenmek.

� Tasarımda doğru malzeme seçimini öğrenmek.

DERSİN KAZANDIRACAĞI BİLGİ VE BECERİLER

� Malzemelerin sınıflandırılması ve özellikleri

� Atom yapısı ve özellikleri, Atomlar arası ba�lar

� Kristal yapısı ve birim hücreler

� Kristal do�rultuları ve düzlemler, atom yo�unlu�u

� Kristal yapı hataları

� Atomsal yayınım ve endüstriyel uygulamaları

� Cevher, tenör ve cevher hazırlama yöntemleri � Cevher, tenör ve cevher hazırlama yöntemleri

� Ham demir üretimi ve üretim reaksiyonları

� Cevherden ve hurdadan çelik üretimi ve reaksiyonları

� Faz diyagramları ve faz kuralları

� Demir-Karbon Sistemi

� Çelik çe�itleri ve standartları

� Alüminyum, Bakır ve Magnezyum gibi demir dı�ında kullanılan metallerinde üretimi ve tanıtılması

� Seramik, polimer ve kompozit malzemelere gibi di�er metal dı�ı mühendislik malzemelerinin tanıtılması

METROLOJİ

Metroloji nedir?Ölçüm bilimi ve uygulamasıdır.Metroloji, ölçüm belirsizliği veuygulama alanına bakılmaksızın,ölçüm ile ilgili bütün teorik veuygulamaya yönelik unsurlarıiçerir.

Boyut (Dimension) ve Birim (Unit):Boyut, bir sistemin veya bir cismin özelliğiveya davranışını belirlemek üzere kullanılanfiziksel değişkenlere verilen genel addır.Birim, ise boyut için seçilen keyfi birkarşılaştırma değeridir.

BOYUT (DIMENSION) VE BİRİM (UNIT)

karşılaştırma değeridir.Ülkemizde SI birim sistemi kullanılmaktadır.Bu birimleri kullanan ana olarak iki adetbirim sistemi mevcuttur. Bunlar;Uzunluk birimi olarak metre’yi, kütle birimiolarak kilogram’ı ve zaman birimi olaraksaniyeyi temel alan MKS birim sistemi ileUzunluk birimi olarak santimetre’yi, kütlebirimi olarak gram’ı ve zaman birimi olaraksaniye’yi temel alan CGS sistemidir.

Uluslararası Birimler Sistemi - SIÖlçüler ve Ağırlıklar Genel Konferansı’nda(CGPM) kabul edilen, temel birimlerin isimleri,sembolleri, bu isim ve sembollerin ön ekleri ilebunların kullanım kurallarını kapsayanUluslararası Büyüklükler Sistemine dayalıbirimler sistemidir.SI, ISQ’nun yedi temel büyüklüğü üzerine

BOYUT (DIMENSION) VE BİRİM (UNIT)

SI, ISQ’nun yedi temel büyüklüğü üzerinekurulmuş olup, bu temel büyüklüklere karşılıkgelen isim ve semboller yandaki tablodaverilmiştir.

Uluslararası Büyüklükler Sistemi - ISQYedi temel büyüklüğe dayanan büyüklüklersistemi: Uzunluk, kütle, zaman, elektrik akımı,termodinamik sıcaklık, madde miktarı ve ışıkşiddeti

SI BİRİMLERİNİN KATLARI

1 metre: Lazer ışığının boşlukta 1 saniyede kat ettiğimesafenin 2999792458’de biridir.1 saniye: Temel haldeki Sezyum 133 atomunun iki uyarılmaseviyesi arasındaki elektron geçişine karşılık yayınladığı ışığınperiyodunun 9192631770 katıdır. Standart saat BureauInternational de l’Heure’de (Paris) bulunmaktadır.1 kilogram: Geçmişteki tanımı 1 litre suyun oda

BAZI STANDARTLAR

1 kilogram: Geçmişteki tanımı 1 litre suyun odasıcaklığındaki kütlesidir. Günümüzde 1 kg çok özel şartlaraltında korunan (International Bureau of Weights andMeasures –Sevr/Fransa) platin-iridyum karışımı (%90 platin,%10 iridyum) silindirik bir çubuktur.1 Kelvin: Suyun üçlü noktasının sıcaklığının 273.16’da biridir.1 Amper: Birbirinden 1 m uzaklıkta tutulan sonsuz uzunluktave ihmal edilebilir çapa sahip iki telin birbirine 2*10-7 N/mkuvvet uygulamasını sağlayan akım değeridir.1 Mol: 0.012 kg’lık 12C’de bulunan atom sayısıdır.

Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10^-10 m

Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10^-9 m

Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10^-6 mMicrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10^-6 m

Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10^-3 m

Üretim aşamasında kullanılan her bir malzemeyi atom altı

seviyeden ele alarak doğru seçim yapabilme kabiliyeti kazanılmalı.

MÜHENDİS, TASARIM VE MALZEME

MÜHENDİS

MÜHENDİSLİK

MALZEME

Embodiment: Bir şeyin somut hali

TASARIM


Mühendislik: Mühendislikbilim ve matematikselprensipleri, tecrübe, kararve ortak fikirleri kullanarakinsanlara faydalı ürünlerortaya koyma sanatıdır. Birortaya koyma sanatıdır. Birbaşka deyişle mühendislik,belirli bir ihtiyacıkarşılamak için gerekliteknik ürün ve sistemiüretme sürecidir.


Mühendis: İnsanların hertürlü ihtiyacını karşılamayadayalı yol, köprü, bina gibibayındırlık; tarım, beslenmegibi gıda; fizik, kimya,gibi gıda; fizik, kimya,biyoloji, elektrik, elektronikgibi fen; uçak, otomobil,motor, iş makineleri gibiteknik ve sosyal alanlardauzmanlaşmış, belli bireğitim görmüş kimsedir.


Tasarım nedir?1. Zihinde canlandırılan biçim, tasavvur.2. Bir araştırma sürecinin çeşitli

dönemlerinde izlenecek yol ve işlemleritasarlayan çerçeve, dizayn.

3. Geliştirilen bir dizgenin bölümleriarasındaki çalışma ilişkilerinin, her birbölümün özgül işlevleri ayırt edilip

Hayal etmek

bölümün özgül işlevleri ayırt edilipbelirlenmesi.

4. Bir sürecin nasıl yapılacağını, hangibirimlerden oluşacağını tasarlayıpayrıntıları düzenleme işi.

5. Bir araştırma sürecinin çeşitliaşamalarında izlenecek yol ve işlemleritasarlayan çerçeve.

Tasarım aşamasında beklenmedikdurumlarla karşılaşmamak için aşağıdakifaktörlerin etkisi göz önüne alınmalıdır.� Sıcaklık� Korozyon� Yorulma� Deformasyon Oranı

MALZEME

Genel manada malzeme:İhtiyaç duyulan maddeTeknik manada malzeme:Bir teknik fikri gerçekleştirmedekullanılan katı cisimSomut olarak; hem metaldir,plastiktir, lastiktir, ağaçtır, taştır vehem de yün, pamuktur.

Malzeme nedir?1. Günlük yaşantımızda kullandığımız hemen her şeyi

meydana getiren temel bileşenlere malzeme denilir.

2. Atomların farklı düzenlerde bir araya gelmesiyle

oluşur.3. Gereç.4. Bir eserin hazırlanmasında yararlanılan bilgi ve kaynakların tamamı.

hem de yün, pamuktur.


Fig.: The central problem of materialsselection in mechanical design: Theinteraction between function, material,process and shape.

Mühendislik Malzemesi nedir?Mühendislik ürün ve sistemlerinimalinde kullanılan, mekanik,

MÜHENDİSLİK MALZEMESİ

imalinde kullanılan, mekanik,fiziksel ve kimyasal olarak arzuedilen özelliklere sahip katılaramühendislik malzemesi denir.

Malzemesi Bilimi nedir?Malzemelerin yapısı ve

MALZEME BİLİMİ

Malzemelerin yapısı veözellikleri arasındaki ilişkiyiinceleyen bilim dalıdır.

Malzeme Mühendisliği nedir?Malzeme biliminin sunduğu yapı ve özellik arasındaki bilgiye dayanarak, arzu edilen

MALZEME MÜHENDİSLİGİ

bilgiye dayanarak, arzu edilen özellikte malzemelerin tasarlanması ve imal edilmesidir.

Malzeme bilimi seramiklerin imalatı ile başlayanuygulamalı bilim ve mühendisliğin en eskişeklidir. Modern malzeme bilimi gerçektemetalürji ve maden bilimlerinden türemiştir.

MALZEMENİN TARİHİ

metalürji ve maden bilimlerinden türemiştir.Malzeme bilimi alanında yapılan en büyük adımWillard Gibbs’in 19. yy’de malzemelerintermodinamik özelliklerini göstermesiyle ortayaçıkmıştır.

� Metaller

� Seramikler

MALZEME ÇEŞİTLERİ

Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması� Polimerler

� Kompozitler

� Yarı iletkenler

Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması� Uzay� Biyomedikal� Elektronik Malzemeler� Enerji Teknolojisi ve Çevre Teknolojisi� Manyetik Malzemeler� Fotonik veya Optik Malzemeler� Akıllı malzemeler� Yapısal Malzemeler

MALZEME ÇEŞİTLERİ

Demir esaslı malzemelerden dökmedemirlerin dışında olan çeliklerindemirlerin dışında olan çeliklerin2000 çeşidi olduğu ve bunlarındakendi içlerinde çeşitli yönlerdensınıflandırıldığı düşünülürse konununo kadar basit olmadığı anlaşılabilir.

MALZEMELER VE TARİHİ GELİŞİMİ

PROSES, YAPI, ÖZELLİK VE PERFORMANS İLİŞKİSİ

Malzeme bilimi ve mühendislik disiplininin 4 bileşeni

Proses Yapı Özellik Performans

PROSES, YAPI, ÖZELLİK VE PERFORMANS İLİŞKİSİ

Kompozisyon malzemenin kimyasalmakyajıdır.Yapı malzeme içerisindeki atomların veyaiyonların düzenine verilen tanımdır.Sentezleme doğal olarak oluşan veyakimyasal malzemelerle oluşan prosestir.kimyasal malzemelerle oluşan prosestir.Proses etme, imal etme, üretmekmalzemelerin şekil değiştirerek yararlıbileşenler haline gelmesi veya özelliklerinindeğiştirilmesi gibi bir çok değişik yollatanımlanabilir.

� Özellik: Belirli bir etkiye karşı verilen cevap:

− Mekanik özellikler: Dayanım, gevreklik, süneklik, tokluk, yorulma, sürünme,vs.

− Fiziksel özellikler: İletkenlik, ısıl özellikler, özgül ağırlık, optik özellikler(şeffaflık), vs

MALZEME ÖZELLİKLERİ & PERFORMANS

(şeffaflık), vs

− Kimyasal özellikler: Bileşimi, ortamdan etkilenmesi-korozyon, oksidasyon,vs.

� Performans: Malzemenin herhangi bir ortamda istenilen fonksiyonlarıyerine getirebilmesi.

MALZEMELERİN YAPISI

Malzemelerin yapısı bir kaç seviyede incelenebilir.• Atom• Kristal• Tane• Faz• Faz

YA DA

• Atomik Düzey• Atom Düzeni• Mikroyapı• Makroyapı

�� Atomaltı seviyede: Elektronlar, çekirdeğioluşturan protonlar/nötronlar ve bunlarınetkileşimi. Elektronların çekirdeketrafındaki düzenleri elektrik, magnetik,


etrafındaki düzenleri elektrik, magnetik,ısıl ve optik özelliklerini daha ilerigidildiğinde korozyon dirençleri, atomlararası bağlar gözönüne alındığında ne türmalzeme olduğunu ortaya koyar; metal,seramik, polimer, yarı iletken.

Atomik seviyede: Atomların belirli birdüzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar.Bir sonraki seviye atomların düzenlerinuzaydaki halleridir. Metaller, yarı iletkenler,


uzaydaki halleridir. Metaller, yarı iletkenler,seramikler ve polimerler oldukça düzgünatomik düzenlere sahiptirler. Kristal yapımekanik özellikleri etkiler.Diğer seramikler ve polimerler düzgün atomikdüzene sahip değildirler. Bunlar amorf veyacamsı malzemeler olarak adlandırılırlar.

�� Mikroskopik seviyede: Mikroskopkullanılarak incelenen mikroyapı(tanecik boyutu ve şekli vs.). Taneaynı özellikte kristal yapıya sahipbölgeye denir. Tane yapısı metaller,


Microstructure

aynı özellikte kristal yapıya sahipbölgeye denir. Tane yapısı metaller,seramikler, yarı iletkenler ve zamanzamanda polimerlerde görülürler.Tanenin yapısı şekli malzemelerinbirçok fiziksel ve mekaniközelliklerinde etkilidirler.

�� Makroskopik seviyede: Gözlegörülebilen makro yapı. Çoğumalzeme birden fazla faz içerir. Herfaz kendine özgü atomik düzene ve


faz kendine özgü atomik düzene veözelliklere sahiptir. Bu fazlarınboyutlarının dağılımlarının kontrolüile temel malzemenin özelliklerideğişebilir. Katı-sıvı-gaz ve plazmamaddenin dört hali yani fazlarıdır.

Şekil 1: Kristal yapıların karşılaştırılması: (a) Alüminyum, (b) Magnezyum.

Şekil 2: Çekme deneyinin sonuçlarına dayananMekanik davranışları açısından karşılaştırılması:(a) Alüminyum, (b) Magnezyum.(İç yapının bir sonucu olarak..)

Alüminyumda 12 adet yüksek yoğunlukludüzlem/doğrultu kombinasyonu varkenmagnezyumda sadece 3 tanedir.

� Havacılık: Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler,

MALZEME TEKNOLOJİSİNİN DOMİNANT OLARAK ETKİLEDİĞİ ENDÜSTRİLER

Industries that Heavily Rely on Material Technology

dayanıklı malzemeler,

� Otomobiller: Hafiflik ve ucuzluk,

� Bilgisayar: Yüksek hızda işlem ve bilgi-depolama özelliği,

� Spor malzemeleri: Hafiflik, estetik

DEĞİŞİK KATEGORİDEKİ MALZEMELERİN MUKAVEMETLERİ

psi (libre/in²)

1 atm= 14,69 psi1 atm= 1,013 bar

ÖRNEK MALZEME UYGULAMALARI

Değişik kompleks seramik kompanenetler, fanlar, bıçaklar ve bunlar yüksek sıcaklıklarda verimli olarak türbin motorlarının çalışmasını sağlar.

Jet motorunun kesitiÖn basınç bölümü düşük ve orta sıcaklıkdeğerlerinde çalışır ve bu bölgelerde titanyumparçalar kullanılır. Arka yanma odasında iseyüksek sıcaklık değerlerine erişildiği için nikeltemelli süper alaşımlar gereklidir. Dış kabuk isedüşük sıcaklıklarda ve alüminyum vekompozitlerden yararlanır.

Helikopterin X kanadı karbon-fiber ile güçlendirilmiş polimerden oluşur.


Polimerler Bilgisayar entegre devreleri

Kalça protezlerine ihtiyaç duyulan durumlar;• Kırıklar• Osteoarterit (Kıkırdak iltihabı veya kaybı)• Romatoid arterit (Sinoviyal sıvının yetersizliği)


Gereksinimler• Mekanik mukavemet (bir çok

çevrim)• Düşük sürtünme• Biyouyumluluk

Kalça protezleri Uygulaması

Kullanılan malzemelerMetaller1. Kobalt- Krom alaşımları2. Titanyum ve alaşımları3. Paslanma çelikPolimerler1. Polymethyl methacrylate (PMMA) çimento2. Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE)

çukurcuk (cup) veya astar (liner).Seramikler



1) structural elements (steel, rayon, nylon cords) 16 %,

2) natural and synthetic rubbers 38 %,

3) fillers (carbon black, silica, chalk, etc.) 30 %,

4) softeners (resins and oils) 10 %,

Bernd Heißing | Metin Ersoy (Eds.), Chassis Handbook Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives, 2011

Portions of total tire weight by material

4) softeners (resins and oils) 10 %,

5) curing chemicals (sulfur, zinc oxide) 4 %,

6) anti-aging (anti-ozone) additives 1 %,

7) other 1 %

Yeni geliştirilen malzemelerle uçakların dış yüzeylerindeki operasyon sıcaklıklarıyükselmiştir.

Fahrenheit cinsindensıcaklığı Celcius’açevirirken şu formülkullanılır.C� = (5/9) x (F� – 32)

Ticari gaz depolama tankı için uygun malzeme seçimi (14 MPa - 2000 psi)

OKUMA PARÇASI

Seçenekler

Ticari gaz depolama tankı için uygun malzeme seçimi (14 MPa - 2000 psi)

Şekil 4: Doğru metal alaşımı seçmek için izlenen yol

Şekil 3: Doğru malzemeyi seçmek için izlenen yol

Süneklik (Ductility): Süneklik önemli bir mekaniközelliktir. Malzemenin kırılmasına kadar olan plastikdeformasyonun bir ölçüsüdür. Gevrek malzemelerkırılmadan önce ya çok az plastik deformasyonau�rarlar ya da hiç plastik deformasyona u�ramazlar.

Şekil 5: Havacılıkta endüstrisinde doğrumalzeme sistemini seçmek için izlenecek yol.

Şekil 7: Bu amaç için aramit filamentlerden imal edilen tanklar.

Şekil 6: Havacılıkta yüksek basınç kap malzemesiolarak doğru kompozit sistemini seçmek içinizlenecek yol.

malzeme sistemini seçmek için izlenecek yol.

Yararlanılan Kaynaklar/Eserler

� Prof. Dr. Adnan Dikicioğlu, Malzeme Bilimi, Sunumlar, İTÜ.� Prof. Dr. Kaşif Onaran, “Malzeme Bilimi”, Bilim Teknik Yayınevi, 2003.� Yrd. Doç. Dr. Hüseyin Uzun, Prof. Dr. Fehmi Fındık, Prof. Dr. Serdar Salman, Malzeme Bilimin Temelleri, Değişim Yayınevi,

2003.� Prof. Dr. Ahmet Aran, “Malzeme Bilgisi Ders Notları”, İTÜ Makine Fakültesi, 2007-2008.� Yrd. Doç. Dr. Şeyda Polat, Yrd. Doç. Dr. Ömer Yıldız, “Malzeme Dersi Notları”, Kocaeli Üniversitesi Metalürji ve Malzeme

Mühendisliği Bölümü.� Asst. Prof. Dr. C.Ergun, MAK214E-Malzeme Dersi Notları”, İTÜ. � Prof. Dr. İrfan Ay / Arş. Gör. T. Kerem Demircioğlu, “Malzeme Seçimi Ders Notları”.� William F. Simith (Tercüme: Nihat G. Kınıklıoğlu), Malzeme Bilimi ve Mühendisliği� William F. Simith (Tercüme: Nihat G. Kınıklıoğlu), Malzeme Bilimi ve Mühendisliği� William D. Callister, Davit G. Rethwisch, Material Science and Engineering� Prof. Dr. Gültekin Göller, Doç. Dr. Özgül Keleş, Araş. Gör. İpek Akın, Malzeme Bilimi Ders Sunumları� Prof. Dr. Mehmet Gavgalı , Prof. Dr. Akgün Alsaran – Yrd. Doç. Dr. Burak Dikici, “Malzeme Bilimi Ders Slaytları”

Not: Eserlerinden yararlandığım tüm bilim insanlarına teşekkürlerimi sunarım. / Dr. Abdullah DEMİR

marmara Ünİversİtesİ teknolojİ fakÜltesİ makİne ... · makİne mÜhendİslİĞİ bÖlÜmÜ...

Documents