MALZEME BİLİMİ 1) İyonik, kovalent ve metalik bağları açıklayınız ? –
İyonik bağ: Metal-ametal elementlerinin yaptıkları bileşiklerde bulunur. Metaller elektron verir, ametaller alır. İyonik bağ oluştuktan sonra bütün atomlar kararlı hale gelir. İyonik bağ, yönden bağımsızdır. Isı ve elektrik açıdan yalıtkandırlar. Yüksek bağ enerjisine sahip olduklarından erime sıcaklıkları yüksektir. Yapısal olarak sert ve gevrektir. Seramik malzemelerdeki bağ türü genellikle iyoniktir. – Kovalent bağ: Değerlik elektronların ortak kullanılmasıyla oluşur. Sonuçta atomlar kararlılığa ulaşmış olurlar. Kovalent bağlar, yöne bağımlıdır. Polimer malzemelerin en belirgin özelliklerindendir. – Metalik bağ : Metal ve metal alaşımlarında bulunan bağ türüdür. Bir metal parçası düşünelim; değerlik elektron, parçamızın içindeki hiçbir atoma ait değildir ama metal parçasına aittir. Elektronlar metal içinde serbestçe hareket edebilmektedir. Buna elektron bulutu denir. Metalik bağ, yönden bağımsızdır. Serbest elektronları sayesinde metaller elektrik ve ısıyı iyi iletirler. Elektron bulutu sayesinde metalik bağlarda kalıcı deformasyon (plastik şekil değişimi) görülür. 1) Neden metaller (oda sıcaklığında) sünek davranış gösterirler de iyonik bağlı malzemeler gevrek davranış sergilerler? – İyonik bağlı malzemelerde değerlik elektron sayesinde kalıcı şekil değiştirme imkansızdır (iyonlar her yönde birbirlerini çekebilirler). Metalik bağlardaysa elektron bulutu sayesinde birlikte hareket esasından dolayı kalıcı deformasyon görülür.
1) Uzun aralıkta düzen nedir? – Atomların ya da iyonların yanyana dizilirken aldıkları düzene göre sınıflandırılırlar. Kristal yapıya sahip malzemeler uzun aralıkta düzene sahip olup atomlar atomsal olarak uzun mesafede tekrarlanan düzenli diziliş yaparlar. 1) Koordinasyon sayısı nedir ? – Bir yapıda atomun temas ettiği atom sayısıdır. Yani bir atoma en yakın komşu atomların sayısıdır. 1) Allotropi nedir ? – Bir malzemenin birden fazla kristal yapısı varsa bu özelliğe allotropi denir. Sıcaklık ve basınç kristal yapı tercihinde etkilidir. Mesela karbon (C) atomu hem kömür hem elmas olabilir. 1) Tek kristalli yapı ve çok kristalli yapı nedir? – Bir malzemenin kesintisiz yerleşmiş birim hücrelerden oluşan kristal yapısıdır. – Çok kristalli yapılar çok sayıda kristalden meydana gelmiştir. Kristallerin yönelimleri rastgeledir. 1) Anizotropi nedir ?
–
Özelliklerin yöne bağımlı olmasıdır. Atom dizilişlerindeki farklılık, bağ enerjilerindeki elektron iletkenliklerindeki farklılık anizotropidir. 1) İzotropi nedir? – Özellikler yönden bağımsız ise izotropidir. Çok kristalli çoğu malzemede tanelerin yönelimi rastgeledir. Bu şartlar altında her bir tane kendi içinde anizotropik de olsa bir çok taneden oluşan malzeme tamamen izotropik davranır. 1) Tekstür ne demektir ? – Tanelerin hepsinin ya da önemli bir kısmının belli bir yönelime sahip olma durumudur. 1) Amorf yapı nedir? – Malzemeler sıvı durumda iken hızlı bir şekilde soğuma (katılaşma) olursa atomların ya da moleküllerin düzen almaları için az zaman verileceğinden amorf katılaşma olur. 1) Yüzey merkezli kübik (YMK), hacim merkezli kübik (HMK) ve sıkı düzen hekzagonal kristal yapıların birim hücrelerini, atomların yerlerini göstererek çiziniz? – YMK : Yüzeylerde ve köşelerdeki atomlara dikkat.
–
Doğadaki elementlerden altın, gümüş, alüminyum ve bakır yüzey merkezli kristallere örnektir. Bir birim YMK kübünün içinde 4 atom (toplam hacim) vardır. Kenardakiler 1/8 x 8 tane, yüzeydekiler ½ x 6 olur. Toplarsak 4 atom olur. YMK’da bir atomun yarı çapı R, bir kristal kenarı a ise; a = 22 R Koordinasyon sayısı = 12 Atomsal dolgu faktörü (ADF) = 0.74 HMK : Köşelerdeki atomlar ve kübün ortasındaki atom.
–
Doğadaki elementlerden demir, krom hacim merkezli kübik kristal yapılardandır. Bir birim HMK kübünde 2 atom vardır. HMK’ da bir atomun yarı çapı R ve bir kenarını a alırsak; a = 4R3 Koordinasyon sayısı = 8 Atomsal dolgu faktörü (ADF) = 0.68 SDH : Köşelerde ve ortada üçlü atomlar.
Doğadaki elementlerden magnezyum, çinko sıkı düzen hekzogonal kübik kristal yapılardandır. Bir birim SDH kübünde 6 atom vardır. Koordinasyon sayısı = 12 Atomsal dolgu faktörü (ADF) = 0.74 1) YMK, HMK yapılarda atomsal dolgu faktörünü (ADF) hesaplayın? ADF=(br
hücredeki atomların hacmi)/(birim hücre hacmi) ADF = n x 43πR3V – YMK için ADF : a = 22 R V = a3 = 162 R3 ADF = 4 x 43πR3162R3 = 0.74 – HMK için ADF : a = 43R V = a3 = 6433R3 ADF = 2 x 43πR36433R3 = 0.68 1) Atom yarıçapı R = 0,1431 nm, atom ağırlığı A = 26.982 grmol olan YMK saf alüminyumun teorik yoğunluğunu hesaplayınız. (alüminyumun gerçek yoğunluğu ρ = 2,7 grcm3 )
–
ρ=yoğunlukn=atom sayısıA=atom ağırlığıV=birim hacimNA=avogadro s. ρ = n . AV . NA YMK olduğu için n = 4 ve NA=6.02x1023 1 nanometre = 10-9cm a = R22 a = 0,1431 x 10-9 x22 = 0,4047 x 10-9 V = a3= 66.28x10-30 ρ = 4 x 26.98266.28x10-30 x 6.02x1023 = 107.93399 x 10-7= 2705 x103 grcm3 1) Atom yarıçapı R = 0,1241 nm, atom ağırlığı A = 55.845 grmol olan HMK saf demirin teorik yoğunluğunu hesaplayınız. (demirin gerçek yoğunluğu ρ = 7,87 grcm3 ) – HMK olduğu için n = 2 ve NA=6.02x1023 1 nanometre = 10-9cm a = R43 a = 0,1241 x 10-9 x 43 = 0,2865 x 10-9 V = a3= 23.52x10-30 ρ = 2 x 55.84523.52x10-30 x 6.02x1023 = 111.69141.59x10-7 = 7888 x103 grcm3 1) Miller indisi, birim hücrede noktalar, yönler ve düzlemler hakkında bilgi veriniz. – Birim hücredeki atomların pozisyonları koordinat sistemi (x,y,z) kullanılarak gösterilir.
–
– – – –
Miller indisleri – İngiliz mineralci William Hallowes Millerin geliştirdiği Millerian sistemi malzemede belirli kristallografik doğrultu ve düzlemleri göstermek için kullanılan işaretlerdir. Doğrultular köşeli parantez [xyz] ile gösterilir. Düzlemler parantez (xyz) ile gösterilir. Paketleme Faktörü/Atomik Dolgu Faktörü–Bir doğrultu veya düzlemde atom veya iyonlar tarafından işgal edilmiş alanların miktarıdır. Doğrultuları bulmak için : 1- doğrunun başlangıç ve bitiş noktasını belirle, 2- bitiş nokta koordinatlarından başlangıç nokta koordinatlarını çıkar. 3- Kesirli değerlerin tüm koordinat değerlerini tam sayıya getirecek şekilde düzenle. 4- köşeli parantezleri kullanarak doğrultuyu göster. 5- Negatif işaretleri o sayının üstüne yerleştir. 1) Şekilde verilen A, B ve C doğrultularının miller indislerini belirleyin. – A doğrusu: 1.bitiş noktası: 1,0,0 başlangıç noktası: 0,0,0 2.bitiş nokt. – başlangıç noktaları : 1,0,0 3.kesirli sayı yok 4.gösterim : 100 - B doğrusu: 1.bitiş noktası: 1,1,1 başlangıç noktası: 0,0,0 2.bitiş nokt. – başlangıç noktaları : 1,1,1 3.kesirli sayı yok 4.gösterim : 111 - C doğrusu: 1.bitiş noktası: 0,0,1 başlangıç noktası: 12,1,0 2.bitiş nokt. – başlangıç noktaları : -12,-1,1 3.kesirli sayı var.2 ile genişletirsek : 2x(-12,-1,1) = -1,-2,2 4.gösterim : 122
17) Şekilde verilen A, B , C düzlemlerinin indislerini belirleyin.
–
A düzlemi: 1.düzlemlerin koordinat sistemlerini kesen noktalarını belirle: x=1 , y=1 , z=1 2.terslerini al : 1/x = 1 , 1/y = 1, 1/z=1 (çarpma işlemine göre tersi örn; 2’nin çarpma işlemine göre tersi ½ dir.) 3.kesirliyse tamsayıla. 4.gösterimi : (111) -
B düzlemi: 1.z eksenini kesmez, sonsuz alınır, sonsuzun tersi 0 dır. X=1, y=2 , z=∞ 2.tersleri : 1/x = 1 , 1/y = ½ , 1/z = 0 3.kesirleri düzenleriz. 4.gösterimi : (210)
-
C düzlemi:
1.Orijin noktasının yerini değiştirmeliyiz. Çünkü düzlem 000‘ı kesmekte. Y yönünde orijini 1 birim sola kaydıralım. Böylece : x=∞ , y=-1 , z=∞ 2. tersleri : 1/x = 0 , 1/y = -1 , 1/z = 0 . Kesir yok. Gösterim : (010) 18) Doğrusal atom yoğunluğu nedir? - DAY=merkezi doğrultunun üzerinde bulunan atom sayısıdoğrultunun uzunluğu - DAY=merkezleri düzlemin üzerinde bulunan atom sayısıdüzlemin
alanı 19) YMK yapıda [110] doğrultusunun doğrusal atom yoğunluğu (DAY) hesaplayalım.
- Söz konusu koordinatlar muvakkaten doğruyu belirttiğinden ilk DAY formülünü kullanırız.
DAY[110]=2 atom4R=12R 20) 19’daki şekli (110) düzlemi için düzlemsel atom yoğunluğu (DAY) hesaplayalım. - Bu düzlemin alanı, uzunluğu olan 4R ile yüksekliği olan 2R2’nin çarpımına, yani 8R 2’ye eşittir. 2
DAY110=2 atom 8R22=14R22 21) Bir malzemede katılaşırken amorf yapı neden oluşur? - Hızlı bir şekilde soğuma olurken düzenli bir katılaşma olmuyorsa amorf yapı oluşur. Bu şekilde oluşan düzensiz yapıya amorf yapı denir. 22)Aşağıdaki terim ve kavramları kısaca açıklayınız. - AKTİVASYON ENERJİSİ : Bir mol atomun yayınma hareketi yapması için gerekli olan enerjidir. - YAYINMA : Malzemenin nakledilmesine denir.
atom
hareketleriyle
bir
bölgeden
başka
bir
bölgeye
- EMPÜRİK YAYINMA : Bir metalde iki farklı türün birbiri içinde yayınması empürite yayınması ya da türler arası yayınma olarak adlandırılır. - TÜRDEŞ YAYINMA : Yayınma saf malzemelerde de meydana gelebilir. Saf malzemelerde yayınma sırasında yer değiştiren atomlar aynı tür atomlardır ve türdeş yayınma olarak adlandırılır. Türdeş yayınma sonucu konsantrasyonda değişme olmaz. - BOŞYER YAYINMASI : Kafes noktasındaki bir atom ile bu atoma bitişik olan bir boşyer yer değiştirir. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için boşyerlerin bulunması şarttır. Yüksek sıcaklıklarda önemli miktarlarda boşyer bulunabilir. Yayınan atomlar ve boşluklar yer değiştirdikleri için atomlar bir yönde hareket ederlerken boşluklar ters yönde hareket ederler. Türdeş ve empürite yayınması da bu şekilde gerçekleşir. - ARAYER YAYINMASI : Arayer pozisyonunda bulunan bir atomun boş olan başka bir arayer pozisyonuna göç etmesinden ibarettir. Arayer atomları daha küçük ve bu sayede daha hareketli olduklarından metallerin çoğunda arayer yayınması boşyer yayınmasına oranla daha çabuk gerçekleşir. - YAYINMA KATSAYISI : Birimi m2/s ‘dir. Büyüklüğü atomların yayınma hızlarıyla ilgilidir. Yayınma katsayısı; yayınan atomlara ve yayınmanın gerçekleştiği malzemeye bağlıdır. 23) Boşyer yayınması ve arayer yayınmasını yayınma hızı bakımından karşılaştırınız. - Arayer atomları daha küçük ve bu yüzden daha hareketli oldukları için çoğunlukla boşyer yayınmasına göre çok daha hızlı gerçekleşir. - Boş olan arayer pozisyonlarının sayısı boşyerlere göre daha fazla olduğundan arayer atomlarının hareket etme olasılıkları daha yüksektir. 24) Bir atomun yayınması için hangi koşulların sağlanması gerek?
- Atoma bitişik bir boşluğun bulunması. - Atomun komşularıyla olan bağını kopartmaya ve yerdeğiştirme sırasında oluşacak kafes çarpılmasını karşılayacak kadar enerjiye sahip olması gerekir. 25) Atomların titreşimleriyle yayınmaları arasındaki fark nedir? - Katı malzemeler içindeki atomlar hızlı bir şekilde titreşmektedir. Belirli bir sıcaklıkta malzemelerin içindeki atomların bir kısmı titreşim enerjilerinin büyüklüğüne bağlı olarak yayınabilmektedirler. Sıcaklık arttıkça yayınan atom miktarı artar. 26) Kararlı yayınmayla kararsız yayınma arasındaki farkı açıklayınız. - Kararlı yayınmada yayınma zamana bağlı bir süreçtir. Kararlı yayınma koşullarında yayınma akısı zamanla değişmez. Kararsız yayınmada ise katı içindeki herhangi bir noktadaki yayınma akısı ve konsantrasyon gradyeni zamanla değişir. Pratikte gerçekleşen yayınmaların çoğunda kararsız durum söz konusudur. 27) Aşağıda verilen kavram ve terimleri kısaca açıklayınız. - MÜHENDİSLİK GERİLMESİ : Çekme deneyleri sırasında ölçülen kuvvet ve uzama deneyleri kaydedilir. Numunede ortaya çıkan bazı geometrik faktörleri en aza indirmek için bu değerler normalize edilerek mühendislik gerilmesi parametreleri elde edilir.
σ = FA0 - MÜHENDİSLİK GENLEMESİ :
ε = ls-l0l0 - ELASTİK DEFORMASYON : Bir malzemede atomların komşuluk değiştirerek kalıcı olmayan değişiklik yapmalarıdır. Ya da gerilme genleme arası doğrusal bir ilişkinin bulunduğu deformasyondur. Elastik deformasyonda deformasyon kalıcı değildir yani uygulanan kuvvet kaldırılınca parça ilk şekline geri döner. - ELASTİKLİK MODÜLÜ (E) : Elastik deformasyonda gerilme-genleme arası doğrusal bir ilişki varsa demiştik, varsa doğrunun eğimi elastiklik modülüne doğrunun heryerinde eşittir. Doğrunun eğimiyle ya da şu formülle gerilmeyi bulabiliriz. Hooke kanunu denir: σ
= E.ε - RİJİTLİK : Bir malzemenin elastik deformasyona karşı gösterdiği dirençtir. Malzemenin şekil değiştirmeme isteğidir. Bir malzemenin elastik modülü ne kadar büyükse o kadar rijit davranır. - KAYMA MODÜLÜ : Normal olarak basma, kayma ve burma gerilmeleri de elastik deformasyona neden olurlar. (G : kayma modülü, γ : poisson oranı) ζ = G.γ - POİSSON ORANI : Bir metal malzemeye bir çekme gerilmesi uygulandığında çekme gerilmesi yönünde bir elastik uzama ya da bu uzamaya karşılık gelen bir εz genlemesi meydana gelir. Bu uzamanın sonucu olarak uygulanan çekme gerilmesine dik yönde (x-y yönlerinde) daralma oluşur. Poisson oranı:
γ=-εxεz=-εyεz
- PLASTİK DEFORMASYON : Bir atom grubunun komşuluğunu kaybedip yeni bir komşuluk yapması kalıcı (plastik) deformasyon olarak isimlendirilir. Malzeme elastik deformasyonun ötesinde deforme edildiğinde gerilme ile genleme arasındaki doğrusal ilişki kalkar ve geri dönüşü olmayan plastik (kalıcı) deformasyon oluşur. - ORANTI SINIRI : Elastik-plastik geçişin tedrici olduğu metallerde gerilme-genleme eğrisinin doğrusallıktan ilk ayrıldığı yer akma noktası olarak belirlenir. Bu nokta (gerilme değeri) orantı sınırı olarak kabul edilir.
Grafikte A noktasına kadar doğrusallık devam ediyor (OA doğrusal) , B noktasına kadar elastiklik devam ediyor, B noktası artık elastiklik sınırıdır σE (AB doğrusal olmayan davranış). Daha sonra akma noktaları geliyor. C noktası üst akma sınırı, D noktası alt akma sınırıdır. Bu noktalar gerçekte birbirine çok yakın olduklarından tek nokta şeklinde akma noktası verilebilir. DF lüders bantlarının oluşumu. FG pekleşme dayanımı. G noktası kararsızlık noktasıdır, çekme dayanımı da denir σÇ. Malzemenin mukavetini gösterir. G noktasını geçtikten sonra artık malzeme boyun vermeye başlar GH’da. Bu noktaya kadar homojen plastik deformasyon gerçekleşirken artık bölgesel uzamalar görülür (boyun verme) (homojen olmayan deformasyonlar görülür GH aralığında). H noktası kopma noktasıdır. Kopma dayanımı da denir σK. Malzeme 2 parça olur, inceldiği yerden kopar. Unutma OA’ya kadar doğrusallıktan dolayı Hooke kanunu geçerlidir: σ = E.ε Malzememize bir F kuvveti uygularız, B’ye kadar gerilme olmuyorsa kuvveti bırakınca ilk haline döner. B’yi geçince dönmez.
–
–
AKMA DAYANIMI : Doğrusal orantının geride kaldığı, orantı sınırının hassas bir şekilde belirlenmesi zor olduğu, malzemenin akmaya başladığı nokta genellikle (buraya dikkat!) 0,002 genleme değerinden gerilme-genleme eğrisinin elastik kısmına paralel olarak çizilen bir doğru yardımıyla bulunur. Doğrunun gerilmegenleme eğrisini kestiği noktaya karşılık gelen gerilme değeri akma dayanımıdır. BELİRGİN AKMA : Bazı metaller ve bazı çelikler belirgin akma davranışı sergilerler. Yani alt ve üst akma dayanımları diye 2 akma sınırı vardır. Böyle durumlarda akma dayanımı olarak alt akma sınırı alınır.
–
–
–
–
– –
–
ÇEKME DAYANIMI : Çekme dayanımı bir malzemenin taşıyabileceği (dayanabileceği) en yüksek gerilme noktasıdır. Çekme dayanımına kadar (grafikte G noktası) bütün deformasyon üniform yani homojen bir şekil değişimiyle gerçekleşir. KOPMA DAYANIMI : Çekme noktasından sonra artık üniform olmayan boyun verme meydana gelir. Boyun verirken artık inceldiği yerden kopar. Bu kopma anına kopma dayanımı denir. SÜNEKLİK : Malzemenin plastik şekil değiştirme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Yani malzemenin kopana kadarki şekil değişiminin bir ölçüsüdür. YMK en sünek metal kristalidir : YMK > HMK > SDH Sıcaklık arttıkça malzemenin sünekliği de artar. Bu yüzden malzemenin kalitesinin düşmemesi için yüksek sıcaklıklarda işleme yapılır. SÜNEK KIRILMA : Malzeme sünek kırılmaya sahipse sünerek kopar, boyun verir. Lifli ve mat görünüme sahiptir. GEVREKLİK : Malzeme çok az ya da hiç plastik şekil değişimi göstermeyip kırılıyorsa gevrektir. SDH en gevrek metal kristalidir. GEVREK KIRILMA : Bir tebeşirin kırılması. Bu tür kırılma yapan malzemelerin yüzeyi parlak ve düzgündür. Kırılma kuvvet doğrultusuna diktir. Kırılmanın türü malzemeden malzemeye değiştiği gibi çoğunlukla uygulanan gerilme halinde, parçanın geometrik biçimine, sıcaklığa ve şekil değiştirme hızına bağlıdır.
KOPMA UZAMASI : Kopma anındaki genlemenin yüzdesidir.
δ = lk-l0l0x100 –
KESİT DARALMASI (kopma büzülmesi) :
ψ= A0-AkA0x100 –
– –
ÜNİFORM UZAMA : Malzemenin çekme dayanımına kadar belirgin ve ortak özelliklerde uzama göstermesidir. REZİLYANS : Bir malzemenin elastik şekil değişimi boyunca absorbe ettiği toplam enerjidir. REZİLYANS MODÜLÜ : Yüksek akma dayanımına ve düşük elastik modülüne sahip malzemelerin rezilyansları daha yüksektir.
UR= 12σakεak= σak22 –
TOKLUK : Bir malzemenin kırılıncaya/kopuncaya kadar absorbe ettiği toplam enerjidir. Bir malzemenin tok olabilmesi için dayanımında, sünekliğinde belirli bir mertebe olması gereklidir. Genellikle sünek malzemelerin toklukları gevrek malzemelere göre daha fazladır.
–
Tokluk malzemenin ilk halinden kopana kadar absorbe ettiği, rezilyans ilk halinden elastiklik sınırına kadar absorbe ettiği toplam enerjidir. SERTLİK : Malzemelerin batmaya ya da çizilmeye karşı gösterdikleri direncin bir ölçüsüdür. Kısaca plastik deformasyona karşı koymalarının bir ölçüsüdür. 28) Basma deneyi genellikle hangi durumlarda uygulanır?
Yüksek kalıcı genlemelerde (plastik) malzeme davranışının bilinmesinin gerekli olduğu imalat yöntemlerinde ve malzemenin çekme zorlaması altında gevrek olduğu durumlarda basma deneyleri gereklidir. 29) Elastik modülüyle atomlar arası bağlar arasındaki ilişki nasıldır? Atomsal ölçekte elastik deformasyon, atomlar arası bağların zorlanmasıyla atomlar arası mesafenin değişmesidir. Bundan dolayı elastik modülünün büyüklüğü bitişik atomların birbirinden ayrılmaya zorlandıkları zaman gösterdikleri direncin yani atomlar arası bağ kuvvetinin bir ölçüsüdür. 30) Elastik ve plastik deformasyon sırasında atomsal ölçekte ne oluyor? Malzemede bir atom grubunun komşuluğunu kaybedip yeni bağlarla komşuluk yapması kalıcı yani plastik deformasyondur. Atom grubu yeni bağlar yapmıyorsa; bağlarını koparmadan komşuluk değiştiriyorsa elastik deformasyondur. 31) Metalik malzemelerin kullanıldığı tasarımlarda hangi dayanım değeri kullanılır? Tasarımlarda kullanılacak malzemelerde plastik deformasyonun oluşması istenmediği için akma dayanımı kullanılır, belirtilir. 32) Ortam sıcaklığı metalik malzemelerin elastik modülünü, akma dayanımını ve çekme dayanımını nasıl etkiler? Elastik deformasyon atomlar arası bağların zorlanması ve atomlar arası mesafenin değişmesi olarak ifade ediliyordu. Elastik modülünün büyüklüğü bitişik atomların birbirinden ayrılmaya zorlandıkları zaman gösterdikleri direncin yani atomlar arası bağ kuvvetinin bir ölçüsüdür. Buradan hareketle sıcaklık arttıkça atomların birbirinden ayrılmaya zorlandıkları direnç düşeceğinden elastik modülü de azalmaktadır. Hooke kanunundan sıcaklık arttıkça akma ve çekme dayanımı da azalmaktadır.
33) 7,5 metre uzunluğunda, 10 mm çapında, elastiklik modülü E=70 GPa olan bir çubuk var. Ucuna asılan bir yükün etkisiyle boyu 20mm uzamıştır. Yükün kaldırılması durumunda parça başlangıçtaki duruma geri dönmüştür. a) Parçaya uygulanan gerilmeyi hesaplayınız? - Parça yük kaldırılınca eski haline döndüğüne göre elastik gerilme gerçekleşmiş. Hooke kanununu kullanarak gerilme bulunur. σ = E.ε
ε = Δll0 = 207,5.103=2,66x10-3 σ = 70.103x2,66.10-3=186,2 MPa b) Bu gerilme altında parçanın çapındaki daralma ne kadardır? (γ=0,29)
Gerilme uygulandıkça boy uzar, çap daralır.
γ= -εx,yεz formülünü kullanarak εx,y = - γ . εZ = -0,29 x 2,66.10-3 = 7,71.10-4 Poisson oranı εx,y 7,71.10-3mm
= Δdd0 ise; Δd= εx,y .d0= 7,71.10-4x10
Δd =
d = 10 - 7,71.10-3 = 9,992 mm c) Malzemenin akma sınırı 300 Mpa olduğuna göre kalıcı şekil değiştirmeyi bul?
Fak= σak.A0 = 300xπ1024 = 23 526 34) Kesit alanı A = 50mm2 olan parçayla deney yapılıyor. l0 = 100 mm ve aşağıdaki verilere göre;
a) E (elastiklik modülü) , % δk (kopma uzaması) , % ψ (kesit daralması), σÇ (çekme gerilmesi) , σK (kopma gerilmesi) , σkg(kopma gerçek) ? –
2.adımdaki değerlerden yararlanarak σ
=
20050 = 4 kgf/mm2
– – – – – a) –
ε = 0,02100 = 2.10-4 hooke kanunundan; E = 42.10-4 = 20.103 kgf/mm2 % δk= lk-l0l0x100= 120-100100x100=20 % ψ =A0-AkA0x100= 50-2550x100 = 50 σÇ= 185050=37 kgf/mm2 σK= 165050=33 kgf/mm2 σkg= 165025=66 kgf/mm2 4. Deneyin 0,2 mm akma sınırı olduğunu hesapla gösterin?
εplastik=εtoplama boyu-εelastik = 0,002 εtp = Δll0 = 0,3100= 3.10-3 εels = σE= 10005020.103=1.10-3 εpls=3.10-3-1.10-3=2.10-3 Δlels= εelsxl0=1.10-3x100=0,1 mm Δlpls= εplsxl0=2.10-3x100=0,2 mm
35) Metal alaşımlarının faydaları nelerdir? - Alaşımlandırarak soğuk şekil verme mümkündür. Demir esaslı metallerde karbon (C) alaşım olarak kullanılır, demir esas elemandır. Ham demirde karbon oranı % 4 ‘dür. Demire karbon ilavesiyle çelik elde edilir. Karbon oranı artırıldıkça sertlik artar. Yüksek karbonlu çeliklerde mukavemet yüksek, süneklik az, tokluk düşüktür; gevrek davranış gösterirler. 36) Demir cevherinden çelik üretimi?
-
37)Kristal yapı nedir? - Atomların üç boyutlu uzayda belirli bir düzene göre dizilmeleri sonucu oluşan yapıya kristal yapı denir. Bir kristal yapıyı tanımak için birim hücresini bilmek yeterlidir. 38) Kristal yapı çeşitleri nelerdir?
- Doğada 7 tane kristal türü/sistemi vardır. Bunlar; kübik, tetragonal, ortorombik, monoklinik, triklinik, rombohedral, hegzagonal. 39) Kristal yapı kusurları nelerdir? - Şu ana kadar kusursuz kristal yapılarla ilgilendik. Gerçekte kusursuz yapı yoktur. Kristallerin içinde değişik boyutlu yabancı atomlar bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım olabilir. Bunlardan başka cisim tek yerine çok kristalli oluşabilir. Yukarıda sözü edilen tüm etkenler ve çok kristalli cisimlerde sınır bölgeleri kütlenin düzenli yapısını bozar ve kusurlu hale getirirler. Bu kusurların biçimi, boyutu ve miktarı toplam kütleye göre çok az da olsa özelikleri büyük ölçüde etkir. Örneğin 1010 atomdan bir tanesi dahi yer değiştirmişse bazı özeliklerde belirgin değişiklik olabilir (iletkenlik gibi). Metallerin plastik şekil değiştirmesi, mukavemeti ve İletkenlikleri büyük ölçüde kristal yapı kusurlarına bağlıdır. Malzemelerin gerçek davranışını açıklayabilmek için bu kusurları yakından tanımak gerekir. Kristal yapı kusurları; 1- Tek boyutlu (noktasal) yapı kusurları, 2- İki boyutlu (çizgisel) yapı kusurları, 3- Üç boyutlu (yüzeysel) yapı kusurlarıdır. – NOKTASAL KUSUR : Kusur birkaç eksik veya yer değiştirmiş atomdan oluşursa noktasal kusur denir. Mesela; boş alan, arayer, yeralan kusurları. – ÇİZGİSEL KUSUR (DİSLOKASYON) : Kusur kristalde boydan boya bir çizgi boyunca uzanıyorsa dislokasyon vardır. İki çeşittir; kenar dislokasyonları, vida dislokasyonları. Diskolasyonlar sayesinde plastik şekil verme inanılmaz kolaylaşır. Teorik gerilmeye göre 400 Mpa (mesela) gerilme ile şekil değiştirecek bir madde pratikte uygulayacağımız 0,40 Mpa ile dislokasyonlar sayesinde şekil değiştirebilir. – YÜZEYSEL KUSUR : Bir cismin yüzeyinde bulunan atomlar enerji yönünden içeridekilerden farklıdır. İçerideki atomlar komşu atomlarla tamamen kuşatılmış olup düşük enerji konumundadırlar. Yüzey atomlarının ise bir yanlarında komşu atomlar yoktur ve kütle tarafından daha büyük bir kuvvetle çekilirler, bu nedenle de enerjileri daha yüksektir. Yüzeye atom eklenirse bir miktar enerji açığa çıkar, eğer yüzeyden atom koparılmak istenirse bir miktar enerji vermek gerekir. Yüzeydeki bu fazla enerjiye yüzey enerjisi denir. Bir sıvı damlasının küresel bir biçim alarak daha düşük enerji seviyesine dolayısıyla daha kararlı bir yapıya sahip olma eğilimi yüzey enerjisinin varlığı için belirgin bir kanıttır. Yüzey enerjisi atomlar arası bağ enerjisi ile ilgilidir. Kristal yapıların iki boyutlu kusur türlerinden bir diğeri de çok kristalli yapıda kristal bireyleri (tane) arasında kalan sınır bölgesidir (tane sınırı). Atomların seyrek ve düzensiz dizilmeleri sonucu oluşan yüksek enerjiye sahip bölgelere “tane sınırı” denir.
40) 50 mm ölçü uzunluğunda, 13 mm çapındaki çekme çubuğu numunesine basit çekme deneyi uygulanmıştır. % 0,2 şekil değiştirmeye karşılık okunan kuvvet 6800 kg ve en yüksek yük ağırlığı 8400 kgf’dir. Kopma 7300 kgf yük altında oluşmuştur. Kopma sonrası ölçülen çap 8 mm, ölçü uzunluğuysa 65 mm. Buna göre: - İlk önce şunları bulalım. A0=πd24=π1324=132,7 mm2 Ak=π824=50,3 mm2
a) % 0,2‘lik akma sınırını, çekme dayanımı?
σ0,2=F%0,2A0=6800132,7=52,2 kgf/mm2 σÇ=FmaksA0= 8400132,7=63,3 kgf/mm2 b) Kopma gerilmesi?
σk=FkA0=7300132,7=55 kgf/mm2 c) Uzamanın yüzdesi?
%δ= lk-l0l0x100=65-5050x100=%30 d) Kesit daralmasının yüzdesi?
%ψ= Ak-A0A0x100= 132,7-50,3132,7x100=%62 e) Elastiklik modülü E = 20,7x103 kgf/mm2 ve maksimum yükteki homojen birim şekil değiştirme miktarı ε = % 22 olduğuna göre maksimum yük altındaki plastik uzamayı hesaplayınız? Maksimum yükte εe=σçE εels=σçE=63,320,7x103=0,003, εpls= εt-εels = 0,22 – 0,003
εpls=0,217 bu değer üniform şekil değiştirmedir. Üniform uzama miktarıysa 50x0,217 = 10,85 mm 41) Metalik malzemelerin akma sınırı? - σg=K.εgn üstel bağıntısıyla elde edilir. (K : dayanım sabiti, n : pekleşme üstelidir ve birimsizdir) 42) Çekme deneyleri sonucunda belirlenebilen malzeme özellikleri nelerdir? - Belirgin akma gösteren malzemeler için akma sınırı, çekme dayanımı, üniform şekil değişimi, kopma uzaması, kesit daralması,elastiklik sınırı ve modülü, tokluk ve rezilyans deney sonucunda belirlenebilen özelliklerdir. 43) Rezilyans ve tokluk değerleri nasıl belirlenir? - Rezilyans için; UR=σak2/2E - Tokluk için; UT= 0εzσ.dε 44) Sürünme nedir? - Yüksek sıcaklıkta, sabit gerilme ve zamana bağlı olarak oluşan plastik şekil değişimine sürünme denir. 46) Yorulma özellikleri nelerdir? Yorulma çatlağının oluşumu :
- Yorularak kırılmış bir parçada kırık yüzeyinin şematik görünümü :
-Tekrarlı gerilmelerin etkisiyle yüzeyde çatlak oluşumu:
-Demir esaslı ve demir dışı metallere ait Wöhler eğrileri :
σY : yorulma sınırı, bu gerilme değerinin altında parçada sonsuz ömür söz konusudur.
Bu kırılmalar nasıl emniyetli gerilmelerde gerçekleşebiliyor? Uçak kanadı, piston kolu gibi emniyetli durumda ama sürekli tekrar eden gerilme nedeniyle ender kopmalar söz konusudur. 47) Kayma gerilmesi ? - Bir başka basit zorlama türü kayma gerilmeleridir, bunlara makaslama veya kesme gerilmeleri de denir. Basit kayma etkisinde cismin ana boyutları değişmez, yalnız açılar değişir.
Şekilde görülen kayma şekil değiştirmesi λ dik açıda meydana gelen değişmedir. Çok küçük kaymalar için; tanγ γ = Δl/h KAYMA GERİLMESİ: t=T/Ao Deney yapılacak olursa kayma gerilmesi t ile kayma şekil değiştirmesi λ arasındaki bağıntı şekilde görüldüğü gibi olur.
48) Sertlik ve sertlik ölçme yöntemleri? - Sertlik izafi bir ölçü olup sürtünmeye, çizmeğe, kesmeğe ve plastik deformasyona karşı direnç olarak tarif edilir. Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney sertliğinin ölçülmesidir. Endüstride en çok uygulanan, çabuk ve kolay sonuç veren bir deney türüdür. Bunun başlıca sebebi, deneyin basit oluşu ve diğerlerine oranla numuneyi daha az tahrip etmesidir. - Sertlik deneyleri: Brinell yöntemi, Rockwell yöntemi, Vickers yöntemi, mikro-sertlik deneyi.
ADEM DUYGU / Makina Mühendisliği / Sakarya Üniversitesi 2011
