Malzemeler ve Özellikleri

1. Malzemeler ve Özellikleri Makine Mühendisliğine Giriş

2. Uygarlığın başlangıcından beri malzemeler enerji ile birlikte insanın yaşama standardını yükseltmek için kullanılmıştır. • İlk uygarlıklar geliştirdikleri malzemelerin düzeylerine göre adlandırılmışlardır (Taş devri, bronz çağı, demir çağı).

3. Çevremizde yaygın olarak rastlanan bazı malzemelere örnek olarak ağaç, beton, tuğla, plastik, cam, lastik, çelik, alüminyum, bakır ve kağıdı sayabiliriz. • Aslında çevremize dikkatle baktığımızda çok daha fazla malzeme türünün olduğunu görürüz. Sürekli araştırma ve geliştirme ile yeni malzeme türleri ortaya çıkmaktadır.

4. Bir makine ve ürün üretirken hangi malzemeden üretilmesi gerektiğini bilmek, buna karar vermek çok önemlidir.

5. Kullanılacak malzemenin * fiyatı, * kolay veya zor işlenebilir-şekil verilebilir olması, * karşılaşacağı yüklere dayanıp dayanamayacağı, zaman içinde deforme olması, * aşınması, gibi faktörler malzemeyi belirlemede önem arz etmektedir.

6. Kullanılabilir cisimler yapmak amacı ile doğal ya da yapay olarak üretilmiş maddelere malzeme denir.

7. Her bir eleman için istenen şartları karşılayan malzemeyi belirlemek mühendisin önemli görevlerindendir.

8. «En doğru malzeme» istenen şartları tam anlamıyla sağlayan en ekonomik malzemedir. Ucuz bir malzeme, üretim teknolojimize uyuyor ve uygun mukavemet değerlerini sağlıyor ise daha mukavemetli ancak pahalı bir malzemeyi emniyet sağlar diye seçmek anlamsızdır. Gereksiz yere maliyeti arttırır. Malzeme ve yöntem seçilirken her zaman Performans/Maliyet oranı göz önünde bulundurulmalıdır.

9. MalzemeSeçim Kriterleri

10. Mühendislerin malzemelerden beklediği önemli özellikler; • Statik gerilemelere karşı dayanıklı olması. • Değişken gerilmelere karşı dayanıklı olması (yorulma dayanımının iyi olması) • Korozyona karşı dayanıklı olması. • Aşındırıcı etkilere karşı dayanıklı olması. • Yüksek sıcaklığa dayanıklı olması. • Düşük sıcaklıklarda gevrekleşmemesi • Hafif olması. • Elektrik ve ısı iletkenliğinin iyi olması, bazı durumlarda kötü olması. • Üretilebilir ve şekillendirilebilir olması. • Fiyatının ucuz olması. • Görünümünün güzel olması

12. Malzemelerin Gruplandırılması

13. Metalik Malzemeler • İmalat sektöründe en büyük paya sahip olan malzemeler metaller ve alaşımlardır. • Alaşımlar: İki veya daha çok metalin belli özellikler elde edilmesi için karıştırılması ile elde edilir.

14. Metalik Malzemeler • Kullanıma sunulan metal ve alaşımları şu yapılara sahip olabilirler: – Döküm yapı (Caststructure) – Yoğruk yapı (Wroughstructure) – Sinter yapı (Sinteredstructure) – Camsı yapı (Glassy/rapidlysolidifiedstructure)

15. Metalik Malzemeler • Bu malzemeler bir veya daha fazla metalik elementten oluşan ve bazı metalik olmayan elementleri de eser miktarda içeren maddelerdir. Metalik elementlere örnek olarak; demir (Fe), bakır (Cu), alüminyum (Al), nikel (Ni), titanyum (Ti) ve altını (Au) gösterebiliriz. Genellikle nispeten az miktarlarda karbon, azot ve oksijen gibi metal olmayan elementleri de içerirler.

16. Metal içerisinde yer alan atomlar düzenli olarak sıralanmaktadır, bu şekilde yer alan atomlar kristal yapıyı oluşturur. • Metaller ısıyı ve elektriği iyi iletirler. • Metal ve alaşımları genel olarak iki sınıfa ayrılır:1. Demir esaslı metal ve alaşımlar2. Demir dışı metal ve alaşımlar

17. Metallerin Temel Mekanik Özellikleri • Çekme testi • Basma testi • Sertlik • Darbe tokluğu testi

18. Metal alaşımlarının sınıflandırılması

19. Demir Alaşımları • Demir alaşımları (ana bileşen demir) diğer metal ve alaşımlara oranla çok daha büyük miktarlarda üretilip, kullanılan malzemelerdir. Bunlar özellikle mühendislik yapı malzemesi olarak çok önemlidir. • En önemli demir alaşımları, Çelik ve Dökme Demir’ dir.

20. Çelikler, demir-karbon alaşımı olup diğer alaşım elementlerini de belli oranda içerebilir. Binlerce farklı kompozisyonda ve/veya farklı ısıl işleme sahip çelik çeşidi mevcuttur. Mekanik özellikler kompozisyona ve uygulanan ısıl işleme bağlıdır.

22. Demir dışı alaşımlar • Alüminyum ve alaşımları • Bakır ve alaşımları • Magnezyum ve alaşımları • Titanyum ve alaşımları • Nikel ve alaşımları • Çinko ve alaşımları

23. Esas olarak metal alaşımlarından yapılan bir ticari uçak türbin motoru

24. Metal Malzemelerin Fiziksel Özellikleri • Elektriksel özellikler: İletkenlik Dielektrik (yalıtkanlık) • Manyetik özellikler • Optik özellikler • Isıl özellikler

25. Mekanik özellikler: Şekil değiştirme Uzama Kırılma Kopma sınırı Akma mukavemeti Elastisite modülü (E) Kayma modülü (G) Büzülme oranı Yorulma dayanımı

26. Diğer fiziksel özellikler: Birim ağırlık Yoğunluk Porozite Akustik özellikler Korozyon dayanımı Aşınma dayanımı

27. Kompozit Malzemeler • Her kompozitte genellikle iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesi. • Bu malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahiplerdir, ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Genel olarak takviye malzemesi (E: reinforcement / D: Verstärkung) taşıyıcı görev üstlenir ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar.

28. Bu tip malzeme, birbirinden biçimleri ve kimyasal bileşimleriyle ayrılmış ve esas olarak birbiri içinde çözünmeyen, iki veya daha çok mikro veya makro bileşenin karışımı veya bileşimiyle oluşan malzemelerdir.

29. Kompozit malzemelerin en stratejik yanı, iki veya daha çok öğenin oluşturduğu bu malzemedeki her bir öğenin özelliğinden daha üstün bir özelliğe sahip olmasıdır. • Yaygın örnekler: liflerle güçlendirilmiş plastikler, beton, asfalt

32. Seramikler • Metal veya yarı metallerin metal olmayan elementlerle yaptığı bileşiklere Seramik denir. • Seramikler, tuğla, cam, yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakterler ve aşındırıcı zımpara taşları gibi malzemelerdir. • Seramik malzemelerin büyük bir kısmını oksitler, karbürler ve nitrürler oluşturur. Alüminyum oksit (alümina, Al2O3), silisyum dioksit (silika, SiO2),silisyum karbür (SiC), silisyum nitrürün(Si3N4) yanında, kil minerallerinden oluşan (yani porselen) – geleneksel seramikler ve de cam ve çimento yaygın olarak kullanılan seramik malzemeler olarak sayılabilir.

33. Alüminyum metaldir, fakat oksijenle yapmış olduğu Al2O3 bileşiği bir seramiktir. Al2O3 ‘in alüminyuma göre yüksek sıcaklık gibi değişik çevre şartlarında istikrarlı bir kimyasal yapıya ve yüksek bir ergime sıcaklığına (2020 °C) sahip olması gibi üstünlükleri vardır (alüminyumun ergime sıcaklığı 660 °C’ dir).

34. Al2O3 bu özelliğinden dolayı yüksek sıcaklıkta refrakter malzeme olarak kullanılır. • Si3N4silisyumnitrür yeni üretilen seramiklerdendir ve otomobil motorlarının yüksek sıcaklık bölgelerinde kullanılmaya adaydır. • B4C borkarbür- zırh malzemesi olarak kullanılmaktadır. • TiN titanyum nitrür-sert ve aşınmaya dayanıklı takım malzemesi olarak kaplanmaktadır.

35. Seramikler metaller gibi kristalik yapıya sahip olabilirler; fakat kristalik yapıya sahip olmayan amorf yapıya sahip olan pek çok seramik de vardır. Örneğin; cam. Mesela, pencere camı %72 SiO2 ve geri kalanı Na2O ve CaO’ dir.

36. Elektrik ve ısıl iletkenlikleri azdır. • Dayanımı yüksek, sert ve kırılgandır • Yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklıdır.

37. Polimerler • Karbonun diğer C veya H, O, OH, Cl gibi element veya iyonlarla kovalent bağlar yaparak oluşturduğu molekül zincirlerinin zayıf bağlar ile bir arada bulunması ile oluşan malzeme grubuna verilen isimdir.

38. Polimerler • Polimerler, plastik ve lastikten oluşur. Bunların çoğu, kimyasal olarak karbon, hidrojen ve diğer bazı metal dışı elementlerden (O, N ve Si) meydana gelen bileşiklerdir. • Ayrıca ana omurgasını çoğu kez karbon atomlarının oluşturduğu ve genellikle zincire benzetilen uzun moleküller halinde bulunan, çok geniş molekül yapıları vardır. • Yaygın olarak kullanılan polimerlere örnek olarak, polietilen (PE), naylon, poli (vinilklorür) (PVC), polikarbonat (PC), polisitiren (PS) ve silikon kauçuk verilebilir.

39. Üç farklı malzeme türünden imal edilen ve günlük hayatta sıkça karşılaştığımız ürünlerden biri, gazlı içecek kaplarıdır. Gazlı içecekler alüminyum (metal) kutularda (üstte), cam (seramik)(ortada) ve plastik (polimer) şişelerde (altta) satışa sunulmaktadır.

40. Bazı metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki yoğunluk değeri aralıklarını gösteren diyagram

41. İleri Malzemeler

42. İleri Malzemeler • Teknik Seramik: Teknik seramikler, tasarımcıya yüksek sertlik değerinin yanı sıra iyi bir aşınma dayanımı ve yüksek sıcaklıklarda çalışma olanağı sunmaktadır.

43. Yüksek Dayanımlı Plastikler: Yüksek dayanımlı plastikler, düşük ağırlığının yanı sıra çok iyi şekillendirilebilir olmalarıyla da tasarımcıya yeni imkanlar sunmaktadır.

44. Kompozit Malzemeler: Kompozit malzemeler, malzeme özellikleri açısından seçme imkanlarını daha da artırmaktadır.

45. Akıllı alaşımlar: Akıllı alaşımlar, hatırlatma yetenekleri sayesinde bağlama ve tahrik fonksiyonlarında alışılmamış yeni çözümlere imkan tanımaktadır.

46. Metal Köpükler: Metal köpükler, hafif konstrüksiyonlarda, filtre, ısı iletimi ve darbe sönümleme gibi fonksiyonel uygulamalarda yenilikler sunmaktadır.

49. Modern Malzeme Gereksinimleri • Enerji darboğazı açısından ümit vaat eden nükleer enerji konusundaki problemlerin çözümü; yakıtlar, depolama malzemelerinin yapılarını ve radyoaktif atıkların depolanma imkânlarını içermektedir. • Araç ağırlıklarının azaltılmasının yanında, motor çalışma sıcaklıklarının arttırılması da yakıt sarfiyatını iyileştirecektir.

50. Kullandığımız malzemelerin çoğu yenilenebilir olmayan, yani tekrar oluşturulamayan kaynaklardan elde edilmektedir. • Yenilenebilir olmayan bu kaynakların zamanla tükenmekte olması; yeni rezervlerin bulunmasını, karşılaştırılabilir özelliklere sahip aynı zamanda çevreye daha az zararlı yeni malzemelerin geliştirilmesini ve/veya geri dönüşüm çabalarının arttırılması ile yeni geri dönüşüm teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır.