malzeme

Malzeme Bilimine Giriş Özet Ders Notları Mustafa GÖKGÖZ Ahmet Yesevi Üniversitesi Endüstri Mühendisliği 1.1. Malzeme Nedir? Yararlı özellikleri nedeniyle uygulamalarda kullanılan cisimlere malzeme denir. Bu cisimler elementlerden oluşmuşlardır. Elementler ise kimyasal olarak daha fazla ayrılamayan basit maddeler olarak tanımlanabilir. Yani aynı atom numarasına sahip atomlardan meydana gelmişlerdir. Malzemeler tek bir elementten oluşabileceği gibi birden fazla elementten de oluşabilirler. 1.4. Malzemelerin Sınıflandırılması Metaller, Seramikler, Plastikler 1.4.1. Metaller Metalsel bağa sahip metallerde aynı ve benzer tür atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar; hacimsel atom yoğunlukları yüksektir, özgül ağırlıkları diğer sınıflara göre büyüktür. • Metaller serbest elektron içerdiklerinden ısıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksektir ve opaktır • Işığı iyi yansıtırlar. • Metallerin elastisite modülleri ve mukavemetleri yüksektir, çoğunlukla sünektirler • Plastik şekil vermeye elverişlidirler. Ayrıca

• •

Alaşımlandırma ile soğuk şekil verme Işıl işlem ile sertlik ve mukavemetleri artırılabilir.

Endüstride kullanılan metaller ve metal alaşımı türleri binlercedir. Her biri belirli amaçlar için geliştirilmiştir. Metaller demir esaslı ve demir dışı olarak gruplanırlar. Demir esaslı olanlarda demir ana elemandır ve karbon daima bir alaşım olarak bulunur. Demire karbon ilavesi ile çelik elde edilir. Demir dışı metallere en önemli örnekler alüminyum ve alaşımları ile bakır ve alaşımlarıdır. Demir dışı metaller, demir esaslı metallere göre hafiflik, korozyona dayanıklılık, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenlik, güzel görünüş ve kolay işlenebilme özelliklerine sahiptir. Bununla beraber elastisite modülleri, dolayısı ile rijitlikleri düşüktür. Bir özellikleri de pahalı olmalarıdır. 1.4.2. Seramikler Seramikler metal ve metal olmayan elemanların oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Sodyum, Magnezyum, Demir ve Alüminyum gibi elektronegatif elementlerde, Klor, Oksijen gibi iyonsal bağ kurarak NaCl, MgO, FeO, SiO2 gibi çok çeşitli türde seramik meydana getirirler. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasındadır.

• • • • •

• • •

Seramikler plastik şekil değiştiremez, sert ve gevrek olurlar. Bazıları sertliklerinden dolayı aşındırıcı olarak kullanılmaya elverişlidir. Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar. Çekme mukavemetleri düşük olmakla beraber çoğunlukla basınç mukavemetleri yüksektir. Dış etkilere karşı dayanıklıdırlar. Seramik bir malzemenin şekillendirilebilmesi için * o Malzemenin sıvı ve akışkan hale getirilmesi o Malzemenin ergime sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıkta ısıtılması gerekir

1.4.3. Plastikler

Plastiklere ayrıca polimer, organik malzemeler veya reçineler de denir. Plastik kelimesi isim olarak malzeme türünü belirtir, bir sıfat olarak kalıcı şekil değiştirebilen cisim anlamındadır.

•

Plastikler sınıfına giren malzemelerin bir kısmı doğal, bir kısmı ise sentetiktir.

• •

İnsanlar tarafından metallerden çok daha önce kullanılmaya başlanan ahşap, deri, yün ve benzeri lifler birer doğal polimerdir. Bugün endüstride kullanılan plastiklerin büyük bir çoğunluğu sentetik polimerlerdir.

•

Plastiğin birleşimindeki temel element karbondur.

Plastikler çevre koşullarına ve asitlere karşı dayanıklıdırlar ve sudan etkilenmezler. Yangına dayanıklı olamamakla beraber yavaş yanarlar (selülozikler hariç). Çoğunlukla 80 °C üzerinde yumuşarlar ve bu sınırın üzerinde kullanılmaya elverişli değildirler. Özgül ağırlıkları düşüktür. Polimerlerin ısıl ve elektriksel iletkenlikleri çok düşüktür, yalıtım malzemesi olarak kullanılmaya elverişlidirler. Plastiklerin Mukavemetleri ve elastisite modülleri düşüktür. 1.5. Genel Tanımlar ve Kavramlar Metalürji Metallerin ve diğer malzemelerin üretilmesi, işlenmesi ve insanlığın faydasına sunulmasını kapsayan bilim dalı ve mühendisliğidir. Mineral Yerkabuğunu teşkil eden ve doğal olarak belli bir kimyasal bileşime sahip homojen maddeler. Cevher Ekonomik şekilde üretime yarayan minerallere cevher adı verilir. Her cevher bir mineraldir ama her mineral bir cevher olamaz. Bileşik İki veya daha fazla atomun elektronlarının ilişkisi sonucu bir arada bulunmasına bileşik denir. Kimyasal olarak ayrılabilirler. Karışım İki veya daha fazla maddenin mekanik etkiye bir arada bulunmasına denir. Fiziksel olarak birbirinden ayrılabilirler. Özgül Ağırlık Birim hacimdeki bir cismin ağırlığıdır. Cismin Özgül Ağırlığı=Birim hacim içinde bulunan atomların sayısı x atomun ağırlığı Ergime ve Buharlaşma Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda zayıf bağlar egemendir.

• •

Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli bağlar koparlar. Sıvı halden katı hale geçerken zayıf bağlar koparlar.

•

Malzemenin elastisite modülü sıcaklıkla azalmaktadır.

•

Malzemede serbest elektron yoksa iletken sayılmaz.

Katı halden sıvı hale geçmeye ergime, katı halden haz fazına geçmeye buharlaşma denir. Isıl (Termal) Genleşme Malzemelerin ısıl genleşmesi ergime sıcaklığı ile ters yönde değişir. • Ergime sıcaklığı yüksek malzemelerde bağ enerjisi daha büyüktür. • Termal genleşme ise daha düşüktür. Mukavemet Bir malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvettir. Mukavemetin kaynağı atomlar arası bağ kuvvetidir. Elastisite Modülü Bir malzemeden bir birim şekil değiştirme için uygulanacak gerilmedir.

Elektriksel İletkenlik Malzemelerde elektriksel iletkenlik, elektriksel alan etkisinde serbest elektron hareketleri ile sağlanır. Metallerde valans elektronlar serbest halde bulunduklarından kolaylıkla yüksek iletkenlik elde edilir. Isıl İletkenlik Isıl enerji, malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimleri iletilir. Optik Özellikler Metallerde ışık dalgası, serbest elektron bulutu tarafından yansıtıldığından geçemezler ve bu nedenle metaller saydam değildirler. Cisimlerde serbest elektron bulunmadığında ışık yansıtılmadığından kolayca geçebilir. Ancak içlerindeki katkı maddeleri ve içyapı kusurları saydamlığı azaltır, yarı saydam veya opak hale gelebilirler. 1.6. Malzemelerin İç Yapısı Malzemelerin özellikleri büyük ölçüde içyapılarına bağlıdır. İçyapıları atomlar arası bağ kuvvetleri etkisinde üç boyutlu uzayda dizilmeleri sonucu oluşurlar.

Atomlar arası bağlantıların oluşmasında ana etken elektron yapılarıdır.

Maddenin en küçük yapı taşı olan atom, bir çekirdek ve etrafındaki elektronlardan meydana gelir. Çekirdek, proton ve nötronlardan oluşur.

•

• •

Protonlar, pozitif yüklü Elektronlar negatif yüklü Nötronlar elektriksel bakımdan nötr taneciklerdir.

Proton ve elektronların elektriksel yükleri birbirine eşit, fakat ters işaretlidir. Atomlar, proton ve elektron sayıları birbirine eşit olduğundan elektriksel bakımdan nötrdür. Bir atom çekirdeğini çevreleyen elektronlar, farklı enerji katlarında dönmektedirler. Malzemelerin özellikleri bağ türüne, bağ enerjisine ve atomların dizilişine büyük ölçüde bağlıdır. Atomlar arası bağ kuvveti atomları bir arada tutarak içyapıyı oluşturur ve bu uygulanan kuvvetlere karşı direnç gösterir (mukavemet), şekil değiştirmeyi ve kırılmayı önlemeye çalışırlar. Bağ kuvvetleri arttıkça malzemenin ergime sıcaklığı, elastisite modülü, mukavemeti artar ve ısıl genleşmesi düşük olur.

1.6.2. Atomlar Arası Bağlar Atomlar, atomlar arası bağ kuvvetleri ile bir araya gelirler. Malzemenin en küçük yapı taşı olan atomları bağ kuvvetleri bir arada tutar. Atomların uzaydaki dizilişleri kristal ve amorf (düzensiz) yapı olmak üzere iki türlüdür. Metallerin tamamı, bazı seramikler ve plastikler kristal yapılıdır. Malzemelerin büyük bir kısmında atomlar rast gele dizilerek düzensiz amorf bir yapı oluştururlar. Gazlar, sıvılar ve katı olarak cam gibi maddeler amorf yapıya sahiptirler. • Kristal yapıda , atomlar üç boyutlu uzayda belirli bir düzene göre dizilirler. • Atomların diziliş düzenine hacim kafesi denir. • Hacim kafesini meydana getiren basit geometrik şekillerle birim hücre denir. • Birim hücrelerde atomların bulunduğu mevkilere kafes noktaları denir. Bir kristal yapıda, bütün kafes noktaları özdeştir. • Birim hücrenin (kafesin) Şekil 1.3 kenar uzunluğuna kafes parametresi (a) adı verilir. • Şekil 1.4' de Yüzey Merkezli Kübik (Y.M.K), • Şekil 1.5' de Hacim Merkezli Kübik' li (H.M.K) • Şekil 1.6' da Hegzagonal Sıkı Paket (H.S.P) kristal kafeslerine ait birim hücreler görülmektedir.

Metalik Bağlar Metal atomlarını bir arada tutan kuvvete metalik bağ denir. Metalik bağ, metal atomlarının en dış kabuğundaki valans elektronların metal atomundan ayrılarak oluşturdukları elektron bulutunun, elektronlarını vererek pozitif iyon haline gelmiş atomları çevreleyerek, bir harç gibi atomları bir arada tutması ile ortaya çıkar. Örnek: Cr, Ni, Al.

İyonik Bağlar Metaller en dış kabuktaki valans elektronlarını vererek pozitif iyon, en dış kabuğundaki elektronları 8'e tamamlamak isteyen ametaller yeni elektronlar alarak negatif iyon oluştururlar. Pozitif iyonlarla negatif iyonların birbirlerini kuvvetli bir çekim kuvveti ile çekerek meydana getirdiği bağa iyonik bağ, metal ile ametalin oluşturduğu metal bileşiğine seramik malzeme adı verilir. Örnek: NaCl, MgF2, ZnS

1.6.2.3. Kovalent Bağlar Molekül içerisinde kovalent bağlı olanlar, moleküller arasında zayıf bağlı ve molekül yapılı bir malzemelerdir. Polimer malzemede, molekül içi kuvvetli, moleküller arası zayıf bağın etkisi ile aşağıdaki malzeme özellikleri ortaya çıkar. Kovalent bağ, komşu atomlar arasında bir çift elektron ortaklığına dayanan bir bağdır. Bu ortaklık, belli atomlar arasında olduğundan malzeme molekül (bir grup atomun oluşturduğu birim) yapısı gösterir. Kovalent bağlı malzemede molekül içinde kuvvetli bir bağ, ancak moleküller arası zayıf bir bağ oluşur. Örnek Si, Ge, Ga, As

1.6.4. Van Der Walls Bağlar İkincil veya zayıf atomlar arası bağlar denen bu tür bağlar bütün cisimlerde bulunur. Enerjileri kuvvetli bağlarınkinin onda biri kadardır. Bu nedenle onların yanında ihmal edilirler. Bununla beraber bazı hallerde (lineer

polimerlerde olduğu gibi) atomlar veya moleküller arası ilişkiyi sağlayan tek etken olabilirler. Bu durumda cismin davranışını bu tür zayıf bağlar belirler. Örnek: inert gazlar ve organikler. Van der Walls bağlar "elektriksel kutuplaşma" (dipol) sonucu doğar. Bu durumda kutuplaşma iki şekilde oluşur.

Sürekli Kutuplaşma: Simetrik olmayan moleküllerde artı elektrik yük merkezi eksi elektrik yük merkezi ile çakışmaz. Şekil 1.10' da görüldüğü gibi simetrik olmayan su molekülünde oksijen bireysel haldekine göre daha fazla elektronla kuşatılmıştır. Dolayısıyla eksi yük merkezi biraz aşağıya kaymıştır. Geçici Kutuplaşma: Simetrik olmayan moleküllerde artı elektrik yük merkezi eksi elektrik yük merkezi ile çakışmaz. Şekil 1.10' da görüldüğü gibi simetrik olmayan su molekülünde oksijen bireysel haldekine göre daha fazla elektronla kuşatılmıştır. Dolayısıyla eksi yük merkezi biraz aşağıya kaymıştır. BÖLÜM 2 KRİSTAL YAPILAR VE KUSURLAR Giriş: Kristal Yapılar Atomların üç boyutlu uzayda belirli bir düzene göre dizilmeleri sonucu oluşan yapıya kristal yapı denir. Düzenli diziliş tekrarlı karaktere sahiptir. Herhangi bir doğrultu boyunca gidildiği zaman atomlar arası uzaklık ve atomların çevreleri birbirlerine özdeştir. Düzenli yapının en küçük hacimsel birimine birim hücre denir. Birim hücre toplam kristalin bütün geometrik özeliklerine sahiptir, bunları yan yana dizerek yapının tamamı elde edilir. Bir kristal yapıyı tanımak için birim hücresini bilmek yeterlidir. Bütün metaller önemli sayıda seramikler ve bazı polimerler kristal yapıya sahiptirler. Sıvı halde düzensiz biçimde dağılan atomlar katılaşırken belirli bir düzene göre dizilirler. Düzenli diziliş atomlar düzeyinde olduğundan pek az cisimlerde dış görünüşü etkilerler. (kar taneleri, kuartz kristali ve tuz kristali gibi). 2.1. Kristal Türleri En küçük düzenli yapı birimi olan birim hücre basit bir geometrik biçime sahiptir ve uzayı düzlemlerle eşit hacimlere bölerek elde edilir. Geometri kuralları yardımı ile uzayın 7 farklı biçimde eşit hacimlere bölünebileceği kolayca gösterilebilir.

•

Gerçekten doğada 7 kristal türü veya kristal sistemi vardır.

•

Metallerin büyük bir çoğunluğu kübik kristal yapıya, yalnız Zn ve Mg hegzagonal kristal yapıya sahiptir. Çeliğin içinde Fe3C ortorombik, ısıl işlemle oluşan martenzit fazı tetragonal yapıya sahiptir.

Uzayda en genel halde bir eksen takımı seçilsin, bu eksenlerin aralarındaki açılar α, ß, γ olsun ve uzay bu eksenler boyunca eşit aralıklı paralel düzlemler geçirerek eşit hacimlere ayrılsın. Şekil 2.1' de görüldüğü gibi x ekseni boyunca a, y ekseni boyunca b ve z ekseni boyunca c aralıkları ile geçirilen düzlemlerin ayırdığı eşit hacimlerden birisi eğik genel prizma şeklindedir. Birim hücre olarak adlandırılan bir prizmanın açılarına ve kenarlarına özel değerler verilerek aşağıdaki Tablo 2.1' de verilen 7 kristal türünün birim hücreleri elde edilir.

•

2.2. Kafes Yapıları • •

Atomların kristal sistemlerindeki diziliş biçimi kafes yapıyı oluşturur. Belirli bir kristal türüne atomları birden fazla biçimde dizme imkânı vardır. • Birim hücrenin boyutlarına kafes sabiti veya birim boyutu denir. • 14 tür kafes yapı olasılığı vardır. Metalik kristal yapılar atomlar arası bağlar yöne bağlı değildir, sınırlama yoktur ve nispeten yoğun paketlenme ve dizilim vardır ve 3 ayrı basit kafes yapısında oluşurlar Burada yalnız kübik kafes yapılar ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Kübik Kafes Yapılar: Geometrik yönden kübik kristale atomlar üç ayrı biçimde dizilebilir. • Basit kübik • Hacim merkezli kübik • Yüzey merkezli kübik kafes oluşturulabilir. Basit kübik kafeste küpün her köşesinde bir atom vardır, ancak kararsız bir diziliş türü olduğundan doğada buna sahip bir cisim yoktur. Metallerin çoğunluğu yüzey merkezli ve bir kısmı da hacim merkezli kübik kafese sahiptirler. 2.2.1. Hacim Merkezli Kübik Kafes (HMK) Küpün her köşesinde birer atom ve merkezinde de bir atom bulunur ve köşe atomları merkez atoma teğettir. Atomun yarıçapı R olduğuna göre Şekil 2.2.a ve 2.2.b' de birim hücrenin kenarı a 'nın R cinsinden ifadesi verilmiştir. Gerçekte her köşedeki atom 8 komşu birim hücre arasında paylaşılmaktadır. Bir köşede bir birim hücreye ancak 1/8' lik bir dilim düşer. Bu durumda köşe atomlarının toplamı 8 X 1/8 = 1 ‘dir. Küpün merkezinde bulunan bir atomla birlikte birim hücredeki toplam atom sayısı 2 olur.

Atomların diziliş sıklığını ifade etmek için atomik dolgu faktörü (ADF) kullanılır. Bu faktör atomların dolu küreler olduğu varsayılarak bulunan birim hücredeki atomların toplam hacmini birim hücre hacmine bölerek elde edilir. Buna göre (HMK) nın ortamsal dolgu faktörü,

Tanelerden oluşan bir kütlede dolgu faktörünü bulmak için tanelerin toplam hacmi kapladıkları görünen dış hacme bölünür. Buna doluluk oranı denir. Kütledeki toplam boşluk hacmi görünen hacme bölünürse boşluk oranı (porozite oranı) elde edilir.

2.2.2. Yüzey Merkezli Kübik Kafes (YMK) Köşelerdeki ve yüzeylerin merkezindeki atomlar diyagonal boyunca birbirleriyle temas halindedirler. Bu tür yapıda her köşedeki atom 8 ayrı hücre tarafından paylaşılır. Yüzeylerdeki atomlar ise 2 ayrı hücre ile paylaşılırlar. Böylece her hücrede 4 atom bulunmuş olur.

Koordinasyon numarası: Biri biriyle temas halinde olan en yakın komşu Metallerde ADF serbest elektronların sayısını azami halde tutmak için oldukça büyüktür.

atom

sayısı

=12

Yüzey merkezli kübik kafeste birim hücrenin köşelerinde birer ve yüzeylerin merkezinde de birer atom vardır. Yüzey merkezlerindeki atomların yarısı göz önüne alınan birim hücreye, yarısı da komşu birim hücreye ait olduğuna göre yüzeylerdeki toplam atom sayısı 6x1/2=3 tür. Birim hücrede biri köşelerde, üçü yüzey merkezlerinde olmak üzere toplam 4 atom vardır. Birim hücrenin kenarı Şekil 2.3 de görüldüğü gibi a=4R/√2 dir. (YMK) ‘nin atomik dolgu (paketleme) faktörü, (YMK) 'nin (ADF)'ü (HMK)' dekinden daha büyüktür. Fakat (HSD) ile aynı olup aralarındaki tek fark Hegzagonal kafes her 2 düzlemde bir tekrar ederken (YMK) yapı her 3 düzlemde bir tekrar eder. Gerçekte (HMK) de koordinasyon sayısı 8, (YMK)de ise 12 dir. Buradan görüldüğü gibi (YMK) de atomlar daha sık dizilmişlerdir. Metaller çoğunlukla (YMK)' e sahiptir (Cu, Al gibi). İyonsal bileşikler de (YMK) türü kafes sistemine sahiptir. Şekil 2.4' te NaCl' in hücresi görülmektedir.

• •

Birim hücre kenarı: (aYMK)NaCl= (RNa+RCl) Birim hücre içinde 4 Na ve 4 Cl iyonu vardır.

2.2.2.1. Hegzagonal Kristaller Hegzagonal sık düzen kafesinin (HSD) birim hücresindeki atomların diziliş Şekil 2.5' de verilmiştir. Köşelerde 12X1/6 = 2, alt ve üst tabanda 2X1/2 = 1 ve içinde de 3 olmak üzere toplam 6 atom vardır. (ADF) hesaplanırsa 0,74 elde edilir ki bu (YMK) nin kine eşittir. Gerçekte her ikisinde de KS = 12' dir. Bu şekilden kolayca görülebilir. Taban merkezindeki atomun aynı düzlemde 6, alt ve üstünde de üçer almak üzere 12 komşusu vardır. Basit hegzagonal kafeste birim hücre içinde atom yoktur, (ADF) düşük olup bu tür kafese sahip eleman mevcut değildir. c/a = 1,6333 tür. Kristal yapılı cisimlerin özgül ağırlığını hesaplamak çok kolaydır. Bu şekilde bulunan özgül ağırlığın deneysel değerlere çok yakın oluşu diziliş modelinin gerçeğe uygunluğunun iyi bir kanıtıdır. Kusursuz bir kristalin yoğunluğu (teorik yoğunluk) birim hücredeki atomların sayısı (n), birim hücredeki atomların toplam ağırlığı (A), birim hücre hacmi (V) ve Avogadro sayısı (NA) bölerek elde edilir.

•

Çeşitli türde kusur içeren gerçek kristalin deneyle bulunan yoğunluğu, teorik yoğunluktan biraz küçüktür

2.2.2.2. Polimorfizm (Allotropizm)

• •

Aynı bileşimde iki molekül değişik atomsal dizilişe sahipse bunlara izomer denir. Benzer şekilde aynı kimyasal bileşime sahip değişik kristal yapılı cisimlere polimorflar ve bu özelliğe de polimorfizm denir.

Bunun en ilginç örneği demirdir. Demir oda sıcaklığında (HMK), 910 °C üstünde (YMK), 1400 °C in üstünde de (HMK) kristallidir (Şekil 2.6). Özellikle endüstride çeliklere uygulanan ısıl işlemler demirde 910°C da oluşan polimorfik dönüşme olayına dayanmaktadır.

2.3. Kristal Geometrisi Kristallerde atomların merkezlerini birleştiren doğrular uzatılacak olursa uzayda /kafes görünümünde bir yapı elde edilir, bundan dolayı buna kafes yapı denir. Değişik doğrultularda ve değişik düzlemlerde farklı atomsal diziliş görülür. Bu nedenle özelikler düzlemlere ve doğrultulara göre değişir, buna ANİZOTROPİ denir. Ayrıca simetriklik nedeni ile bazı doğrultular ve düzlemler birbirleri ile eşdeğerdirler. Kristallerin özellikleri incelenirken bunları geometrik yönden belirlemek gerekir. Bu amaçla aşağıda sözü edilecek Miller Endisleri kullanılır

• •

Malzeme özelliklerinin düzlemlere ve doğrultulara göre değişmesine ANİZOTROPİ denir. Kristal doğrultularını belirlemek için Miller Endisleri Kullanılır.

2.4. Kristal Doğrultuları (Yönleri) Kristallerin birçok özeliği kristal doğrultusuna bağlı olarak değişir. Doğrultuları belirtmek için Miller Endisleri kullanılır. Kafes yapıda herhangi bir doğrultuya paralel sonsuz sayıda doğru vardır. Bu doğrulara paralel olup orijinden başlayan ve bir sonraki birim hücre köşesinde sona eren doğrultu vektöründen yararlanılır. Bu doğrultu vektörünün eksenler üzerindeki izdüşümleri kafes sabiti cinsinden ifade edilerek en küçük tam sayılar dizisi elde edilir, [hkl] ile gösterilen bu tam sayılar dizisi o doğrultunun Miller Endisleri’dir. Örneğin (0,x) doğrultusunun (1) doğrultu vektörünün bu eksen üzerindeki bileşeni a, diğerleri üzerinde sıfırdır. (Şekil 2.7)

Şekil 2.7: Kristal doğrultularının Miller Endisleri ve düzlemleri.

Bu bileşenler kafes sabitine bölünür, bulunan 1, 0, 0 boyutsuz sayıları köşeli parantez içine konarak o doğrultunun Miller endisleri [100] elde edilir. Taban köşegeni (2)' nin doğrultu vektörünün bileşenleri a, a, 0 dır. a cinsinden boyutsuz hale getirilirse Miller Endisleri [110] olur. Hacim köşegeni doğrultusuna aynı yöntem uygulanırsa bu doğrultunun Miller İndisi' nin [111] olduğu kolayca görülür. Birim hücrenin üst yüzeyinin ortasından geçen (4) doğrultu vektörünün bileşenleri a, a, 2a Miller endisleri [112] dir. Eğer doğrultu vektörü eksi bölgede bileşen verirse (-) sayısı endisin üstüne konur, örneğin (5) doğrultusunun doğrultu vektörü bileşenleri a, - a, 0 dır, a cinsinden 1, -1, 0 Miller endisleri de [1I0 ] olur. Kafes yapı simetriklik özeliğine sahip olursa bazı farklı doğrultularda atomsal diziliş aynıdır, bu doğrultulara eşdeğer doğrultular denir. Bir kafes yapıda eşdeğer doğrultuların tümü bir eşdeğer doğrultular ailesi oluştururlar ve bu ailelerin Miller Endisleri ile gösterilir. Örneğin kübik kafeste <100> eşdeğer doğrultu ailesinin üyeleri [Î00], [010] ve [00Î] dir. [100], [0Î0| ve [001] da bu aileye ait görünüyorsa da bunlar ilk üç doğrultunun özdeşleridir, yani doğrultular aynı, fakat yönleri farklıdır, örneğin [100] ile [Î00] ayni doğrultuyu gösterirler, fakat yönleri zıttır. Atomsal diziliş yönünden aynı olmakla beraber vektörel işlemlerde yön önemli olduğundan doğrultuların işaretlerine dikkat etmek gerekir. <111> eş değer doğrultu ailesinde 6 farklı doğrultu ve 12 değişik yön; <111> aile sinde ise 4 farklı doğrultu ve 8 değişik yön bulunduğu kolaylıkla görülebilir. Bazı hesaplarda iki doğrultu arasındaki açıya gerek vardır, [h1k1l1] ile [h2k2l2] doğrultusu arasındaki α açısının

kosinüsü: 2.5. Doğrusal Atom Yoğunluğu Atomlar arası tekrarlı uzaklık doğrultuya bağlı olarak değişir. Atomların diziliş sıklığı özeliklere etkir. Bu sıklık birim boydaki atom sayısı ile belirtilir ve buna doğrusal atom yoğunluğu denir.

Uygulamada b cm olarak verilir ve doğrusal atom yoğunluğu (atom sayısı/cm) ile belirtilir. Atomlar arası uzaklık b' ye Burger vektörü de denilir. Simetrik kristallerde eşdeğer düzlemler ailesi vardır. Özellikle yüksek simetrikliğe sahip kübik sistemlerde önemli sayıda eşdeğer sistemler bulunur. Eşdeğer düzlemler ailesi (hkl) ile gösterilir, örneğin bir kübik kristalde {100} eşdeğer düzlemler ailesinin üyeleri: (100), (010) ve (001) dir. Ayrıca(I 00), (0 I 0) ve (00 I) düzlemleri de bu aileye aittir. Bunları ayrıca belirtmeye gerek yoktur. (100) düzlemi (100) düzleminin özdeşidir, birim öteleme ile birbirlerine çakışırlar. {111} eşdeğer düzlemler ailesinde 6, {111} ailesinde ise 4 üye bulunduğu kolayca görülebilir.

Atomların diziliş sıklığı düzlemden düzleme değişir ve buda özellikleri önemli derece de etkiler. Kristal düzlemleri üzerindeki diziliş sıklığı birim alandaki atom sayısı olarak tanımlanır ve buna düzlemsel atom yoğunluğu denir: Birim hücre içindeki düzlemlerle ilgili hesap yapılırken yalnız merkezleri düzlem üzerinde olan atomlar göz önüne alınır. Belirli bir alan içindeki atomların tam kesitlerinin kesirleri toplanıp alana bölünerek düzlemsel atom yoğunluğu bulunur. Örneğin, bir (HMK) kristalinin (100) düzlemindeki atomsal yoğunluk aşağıdaki şekilde hesaplanır: Atom yarıçapı R olduğuna göre birim hücre nin kenarı: a = 4R / √3. Şekil 2.10' da görülen (100) düzleminin köşelerinde 1/4 atom dilimi vardır. Bu düzlemin içindeki toplam atom sayısı: 4X 1/4 =1 Düzlemsel atom yoğunluğu: δ (100) = 1(atom)/a2(cm2) Bir kristal düzlemi ile o düzlemin normali aynı Miller Endislerine sahiptir. (h1,k1,l1) düzleminin normali |h1,k1,l1| doğrultusudur. Örneğin, (100) düzleminin normali |100| doğrultusu, (111) düzlemininki ise [111] doğrultusudur.

2.6. Kristal Düzlemleri Kristallerde atomlar düzlemler boyunca dizilirler. Atomların diziliş biçimi ve diziliş sıklığı üzerlerinde bulundukları düzlemlere, özellikler de doğal olarak kristal düzlemlerine bağlı olarak değişir. Kafes yapıdaki bir düzlemi belirtmek için (h k l) şeklinde tam sayılardan oluşan Miller Endisleri kullanılır. Uzayda bir düzlem eksen takımı üzerindeki arakesit noktaları İle belirtilir. Bu şekilde verilen bir düzlemin Miller Endisleri aşağıdaki yöntemle saptanır. Kristal geometrisinde genellikle atom merkezlerinden ve orta noktalardan geçen düzlemler ilginçtir. Şekil 2.8' de verilen düzlem eksenlerini orijinden başlayarak a, 2a ve a mesafelerinde kesmektedir.

Bu doğru kesitleri kafes sabiti a' ya göre boyutsuz hale getirilir: 1, 2, 1. Sonra bu sayıların tersleri alınır. 1/1, 1/2, 1/1 Bu sayılar uygun bir ortak çarpanla çarpılarak en küçük tam sayılar grubu elde edilir: 2 X (1,1/2,1) = 2, 1, 2. Bunlar bu düzlemin Miller Endisleri olup tırnak işareti içinde virgül koymadan verilir: (212). Bir kübik kafesteki bazı ana kristal düzlemlerinin Miller Endislerini bulalım (Şekil 2.9). Gerçekte kafes yapıda birbirine paralel sonsuz sayıda düzlem vardır. Bunları seçilen bir eksen takımındaki ilk birim hücre ile temsil etmek mümkündür. Göz önüne alınan düzlem orijinden geçiyorsa eksen üzerinde ayırdığı doğru parçaları sıfır olduğundan dik doğar. Bu nedenle uygulamada bir sonraki düzlem referans düzlemi olarak alınır. Şekil 2.9 da (yz) düzlemi yeri ne buna paralel (1) no lu düzlem alınır. Bu düzlemin (x, y, z) de ayırdığı doğru parçaları nın uzunluğu: (a, ∞ ve ∞ ). a ya göre boyutsuzlaştırılırsa:

(1, ∞ ve ∞ ) elde edilir. Bunların tersleri 1,0 ve 0 olur. Tam sayı olduklarından çarpana gerek yoktur. O halde (1) düzlemi nin Miller endisleri: (100). (2) düzleminde ara kesitler: (a, a, ∞ ) Bunun Miller Endislerinin (110) olacağı kolayca görülür. Birim hücre içindeki (3) düzleminin Miller indisleri bulunmak istenirse orijinden geçmenin verdiği belirsizlik ile buna özdeş olan soldaki (3) düzlemi alınır, gerçekte (3)'ün birim ötelenmesi (3')' ü verir. (3')' nin eksenler üzerinde ayırdığı doğruların boyu: a, -a ve ∞ dur. a cinsinden boyutsuzlaştırılırsa: (1,-1 ve ∞) bulunur. Tersleri (1, -1 ve 0)' dır. Sonuç olarak (3) düzleminin Miller Endisleri: (1 I 0). 2.7. Kristal Yapı Kusurları Şu ana kadar kusursuz kristallerin yapısı tanıtıldı. Bu yapılırken genellikle küp veya prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar (arı metal) tarafından doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve doğrultularının kristal boyunca uzandığı varsayıldı. Gerçekte kusursuz kristal 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 azda olsa özelikleri büyük ölçüde etkirler. 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. Bu bölümde yalnız arı kristallerdeki kusurlar ele alınacak ve bunların yapısı tanıtılacaktır. Diğer bir bölümde yabancı atomların (alaşım elementleri) ve gerçek malzemelerin (katı ergiyik) oluşturduğu iç yapı değişiklikleri ele alınacaktır. • Kristal kusurları noktasal, çizgisel ve yüzeysel olmak üzere üç türe ayrılırlar. • Kusur birkaç eksik veya yer değiştirmiş atomdan oluşursa noktasal kusur denir • Eğer kusur kristalde boydan boya bir çizgi boyunca uzanıyorsa buna çizgisel kusur (dislokasyon) denir.

Bu tür kusur (özellikle metallere plastik şekil değiştirme (süneklik) yeteneği sağlar ve bu yetenek büyük ölçüde bunların varlığına bağlıdır. Diğer yandan eğer sayıları çok artarsa aralarındaki girişim nedeni ile metallerin mukavemetini yükseltirler. Diğer sonuncu kusur iki boyutlu olup kristallerin yüzeylerinde ve çok kristalli yapılarda kristal bireyleri (tane) arasındaki sınırlarda oluşur. 2.7.1. Noktasal Kusurlar Şekil 2.12 de görülen eksik atom nedeni ile doğan boş kafes köşesidir ve ϑ simgesi ile belirtilir. Bunlar ya katılaşma suresinde veya yüksek sıcaklıkta aşırı ısıl titreşimler etkisinde oluşurlar. İyonsal cisimlerde zıt işaretli iyon çifti eksikliği (Schottky kusuru) veya yer değiştirmiş iyon (Frenkel kusuru) biçiminde de olabilirler. Boş kafes köşesinin varlığı mekanik özelikleri etkilemez fakat atomsal yayınımı kolaylaştırır. 2.7.2. Çizgisel Kusurlar (Dislokasyonlar) Kristallerde en çok rastlanan çizgisel kusur türü dislokasyonlardır. Bunlar da kenar ve vida dislokasyonu olmak üzere iki türlüdür. Kenar dislokasyonu kristal içinde oluşan eksik bir düzlemin kenarı biçimindedir. Vida dislokasyonu ise kristalde kısmen kaymış bir bölgenin sınır çizgisi olarak belirir.

•

Kristaldeki kusur boydan boya çizgi halinde uzanıyorsa bu türe DISLOKASYON denir.

2.7.3. Yüzeysel Kusurlar ve Tane Sınırları 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 tarafından daha büyük bir kuvvetle çekilirler, bu nedenle de enerjileri daha yüksektir (Şekil 2.15). 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 enerjisi ile ilgilidir. Kristal yapıların iki boyutlu kusur türlerinden bir diğeri de çok kristalli yapıda kristal bireyleri (tane) arasında kalan sınır bölgesidir (tane sınırı).

•

kütle

bağ

Atomların seyrek ve düzensiz dizilmeleri sonucu oluşan yüksek enerjiye sahip bölgelere “tane sınırı” denir.

2.8. Tane Sınırları Sıvı metallerde atomlar arası bağlar zayıftır, hareket yetenekleri yüksektir ve düzensiz bir dizilişe sahiptirler. Katılaşma süresinde atomlar birbirlerine göre düzenli bir şekilde dizilerek kristal yapıyı oluştururlar. Küçük kristal çekirdekleri aynı anda birçok noktada doğmaya başlarlar. Katılaşma ilerledikçe bu kristaller büyürler, birbirlerine değdikleri yerlerde büyümeleri durur ve sonunda bütün kütleyi doldururlar. Kristal bireyleri arasında kalan atomlar komşu tanelerle uyum sağlayamazlar ve düzensiz bir bölge (amorf) oluştururlar. Tane sınırı denen bu bölgenin kalınlığı yaklaşık olarak 2-3 atomlar arası uzaklık kadardır. Tane sınırlarında düzensizlik nedeni ile koordinasyon sayısı düşük olur, örneğin taneler içinde 12 iken tane sınırında 10-11 kadardır. Atomların seyrek dizilmeleri sonucu tane sınırları yüksek enerjiye sahip olurlar. Tane sınırlarının yüksek enerjiye sahip olmaları uygulamada önemli yararlar sağlar. Metallerin iç yapılarını incelemek için yüzeyleri parlatılır, sonra uygun bir kimyasal ayıraçla dağlanır. Ayıraç yüksek enerjili tane sınırlarından atomları daha kolay eriterek uzaklaştırır, böylece tane sınırları boyunca dağlama çukurları oluşur. Taneler daha az etkilendiğinden yüzeyleri düzgünlüğünü korur. Bu şekilde dağlanmış bir metal parçası yüzeyine metal mikroskobu ile bakıldığı zaman tane sınırları ağ şeklinde görülür (Şekil 2.16, 2.17 ve Şekil 2.18). Bu özelikten yararlanılarak gerektiği zaman iç yapının mikro yapı fotoğrafı çekilebilir. • Bu şekilde metallerin iç yapısını inceleyen bilim dalına metalografi denir. Bölüm 3-AMORF YAPILAR VE CAMLAR 3.1. Amorf Yapılar Ve Camlar

•

Uygulamalarda kullanılan malzemelerin önemli bir bölümü atomların düzensiz dizilişi sonucu oluşan amorf yapıya sahiptir.

Bütün gazlar ve sıvılar, plastiklerin çoğunluğu ve çok aşırı hızla soğumuş bazı metallerde kristallerin tersine atomlar rasgele düzensiz bir biçimde dağılmışlardır. Her amorf fazda yarı düzenli bir yapı ve kimyasal bileşim farklılıkları bulunabilir. 3.1.1. Sıvılar Sıvılarda atomlar veya moleküller arası bağlar zayıf olup kendi ağırlıkları etkisinde akarlar ve içinde bulundukları kabın şeklini alırlar.

•

Katı halde kristal yapıya sahip bir metal ısıtılırsa atomların ısıl titreşimleri artar, sıcaklık yeter düzeyde ise bazı atomlar bulundukları denge konumundan başka bir denge konumuna geçebilir (atomsal yayınım veya difüzyon).

Noktasal kusurların sayısı artan sıcaklıkla büyür. Ergime noktasına gelince belirli bir enerji (ergime ısısı) yutarak atomlar arası bağ kopar ve sıvı hale geçer, düzenli yapı düzensiz olur, koordinasyon sayısı (KS) azalır mesela (YMK) kristalinde KS 12' den 10 veya 11' e düşer. Bu nedenle sıvıların özgül ağırlığı katı hale göre biraz düşüktür (su hariç). Ergime için gerekli ısı ile ergime sıcaklığı arasında aynı yönde bir ilişki vardır. 3.2. Camlar

•

•

Sıvı haldeki düzensiz yapısını aynen koruyarak katılaşan cisimlere genellikle camlar denir Cama aşırı soğumuş sıvı da denir.

Atomlar birbirlerine bağlı fakat düzensiz yapılar oluştururlar. Katılaşan sıvının camsı veya kristalli yapıya dönüşmesi olayını hacmin sıcaklıkla değişimini gösteren eğrilerin şekline bakarak açıklamak mümkündür. 3.3. Fazlar Bir malzemede iç yapı yönünden farklı ve homojen olan kısımlarına faz denir. Her faz atomların homojen ve kendine özel olarak dizilmeleri sonucu oluşan belirli bir yapıya sahiptir. Bir malzeme içinde mevcut değişik tür kimyasal bileşimi olur veya olmayabilir, fakat farklı yapıları dolayısıyla fiziksel özellikleri farklıdır, örnek olarak su ve buz karışımı gösterilebilir. Bu karışımda su ve buz kimyasal yönden aynı olduğu halde yapılan ve özelikleri tamamen değişiktir. Bu şekilde birden fazla tür faz içeren sistemlere çok fazlı sistemler denir. Bir cisim sıvı halden katı hale geçerken faz dönüşümü oluşur. Farklı bileşimde olan cisimler sıvı halde kolayca birbirleri içinde atomlar veya moleküller mertebesinde karışarak ergiyik meydana getirir.

•

Endüstride metalleri birbirleri ile karıştırarak alaşım üretme işlemi sıvı halde yapılır.

Arı bir A metali katılaşınca çok kristalli (polikristalin) bir yapı oluşur, bu yapıdaki her tane birbirine özdeştir, yalnız kristal doğrultuları rasgele dağılmıştır. A metaline sıvı halde B metali katılarak elde edilen ergiyik katılaşmadan sonrada karışımını korursa tek fazlı bir ergiyik oluşur. Katı ergiyikte A metalinin kafesinde B metalinin atomları homojen olarak dağılmış durumda bulunur. A metalinin B atomlarını ergitme yeteneği sınırlı ise ve B atomlarının miktarı bu sınırın üstünde ise katılaşma süresinde B atomlarının fazlası ikinci bir faz halinde ayrışır (Şekil 3.4). Birinci faza α, ikinci faza da β fazı denir. Genel olarak kristal yapılı cisimlerde atomlar belirli konumları almak zorunda olduklarından ergiyik oluşturma yetenekleri sınırlıdır, bu nedenle bu tür cisimlerde faz sayısı yüksek olur. Örneğin bakır-çinko sisteminde bileşime bağlı olarak katı halde 5 değişik faz oluşabilir. Amorf yapılı cisimlerde ise atomlar düzensiz dizildiklerinden karışım daha kolay olur ve aynı anda bulunan fazların sayısı oldukça azdır. Bölüm 4-KATI ERGİYİKLER VE ALAŞIMLAR 4.1. Katı Ergiyikler Arı (saf) metaller bazı üstün özellikleri nedeni ile endüstride kullanılırlar. Ancak genellikle bunların mekanik özelikleri düşük olur. Sertlik ve mukavemetlerini arttırmak amacı ile başka elemanlar katılır, örneğin arı bakırın elektriksel iletkenliği yüksektir bu nedenle iletken tel üretimine elverişlidir, ancak çok yumuşak ve düşük mukavemetlidir. Bakırın içine çinko katarak elde edilen pirinç alaşımının sertliği ve mukavemeti daha yüksektir. •

• • •

Birden fazla tür elementin atomları sıvı halde kolaylıkla karışarak homojen bir yapı oluşturabilirler. Böyle karışımlara sıvı ergiyik denir. Aynı tür karışım katı halde de varlığını korursa katı ergiyik elde edilir. Diğer bir deyimle, kafes yapıda yabancı atom içeren cisimlere katı ergiyik denir.

Katı ergiyikte bir temel elementin (eriten) kafes yapısında yabancı atomlar (eriyen veya alaşım elementi) homojen olarak dağılmış durumda bulunurlar ve kafes yapısını değiştirmezler.* Yabancı atomların boyutu ana atomların boyutundan farklı olduğundan ya kafesi biraz genişletir veya biraz daraltırlar dolayısıyla çevrelerinde bir gerilme alanı oluştururlar. Bu şekilde ana metalin kafes yapısına sokulan bu tür kusurların sistemin enerjisini, dolayısıyla özelikleri değiştirmesi doğaldır.

Yabancı atomların kafes yapıda bulunuş biçimine göre katı ergiyikler iki türe ayrılır: • •

Yer alan katı ergiyikleri Arayer katı ergiyikleri

•

Atom yarıçapları yakın ve elektron yapıları benzer olan elementler kafes yapıda birbirlerinin yerini kolaylıkla alarak yer alan katı ergiyiğini oluştururlar • Küçük atomlar kafes yapıdaki atomlar arası boşluğa yerleşerek arayer katı eriyiği oluşturabilirler. • Genel olarak metaller birbirlerini sınırlı oranda ergitebilirler. • Alaşım elementinin miktarı ergime sınırının üzerinde ise katılaşma ve soğuma süresinde fazla olan atomlar ana fazın yanında bir ikinci faz (intermetalikler) oluştururlar. Bu ikinci fazda bir kısım ana faz atomlarını içeren değişik kafes yapılı bir katı ergiyik sistemi olabilir. Birden fazla element içeren malzeme sistemlerinde fazların türü ve fazların dönüşümü sıcaklığa ve bileşime bağlı olarak değişir, bu değişim faz diyagramları yardımı ile gösterilir. 4.2. Alaşımların Bileşimi Uygulamada alaşımlar üretilirken kullanılacak metallerin miktarı tartarak ağırlık cinsinden ölçülür ve oluşan alaşımın bileşimi ağırlık yüzdesi olarak belirtilir. Ancak atomların kafes yapıyı dolduran parçacıklar olduğu düşünülürse miktarlarını atomsal yüzde olarak belirtmek fiziksel yönden daha anlamlı olur. Ağırlık yüzdesinden (%) atomsal yüzdeye (a/o) geçiş basit bir işlemle yapılabilir. Hesaplarda kolaylık sağlamak için 100 gr alaşım göz önüne alınır. 100 gr alaşımda A1 gr A, B1 gr B metali bulunsun. Bu sayılar aynı zamanda ağırlık yüzdelerini verir. A metalinin atomsal ağırlığı PA , B ninki PB olsun.

4.3. Bileşiklerde Katı Eriyik Oluşumu Yer alan katı eriyiği metallerde olduğu gibi iyonsal bileşiklerde de oluşabilir. Bir iyonsal bileşikteki bir iyon iyonsal değeri aynı ve boyutları birbirine yakın başka bir tür iyonla yer değiştirebilir. Örneğin MgO deki bir kısım Mg2+ iyonlarının yerini Fe2+ iyonları alabilir. Diğer taraftan Ca2+ iyonunun yarıçapı oldukça büyük olduğundan Mg2+ iyonlarının yerini alamaz. Bileşiklerin büyük bir çoğunluğunda bileşiği oluşturan elemanların atomları tam sayılı sabit bir orantıya sahiptirler. MgO te 1/1 (a/o 50), H2O da 0 1/3 (a/o 33 .1/3) gibi.

•

Atomları belirli sabit bir oranda olan bileşiklere stoikiometrik bileşikler denir.

Stoikiometrik bileşime sahip FeO de toplam atomların yarısı\ (a/o 50) Fe2+ diğer yarısı da O2-(a/o 50). Ancak bazı özel hallerde bu bileşiğin kristal kafesinde bazı demir atomları eksik olabilir. Bu durumda O2- iyonlarının miktarı örneğin a/o 51-53 civarında ise gerisi demir iyonlarıdır. İyonsal bir cisimde kararlılığın gereği olan net elektriksel yükün sıfır olması koşulu burada şu şekilde sağlanır: 3 adet Fe2+ İyonu 2 adet Fe3+ iyonu ile yer değiştirir ve bir adet boş kafes köşesi oluşur. Bu tür bileşiğe stoikiometrik olmayan bileşikler denir. Bu bileşiklerde farklı işaretli iyonların sayısı tam sayılı sabit bir orantı oluşturmaz. Buna örnek olarak kusurlu demir oksitin yapısı Şekil 4.4'te gösterilmiştir. Burada Fe iyonlarının sayısı O iyonlarının sayısından daha azdır, bu nedenle Fe<1 O şeklinde gösterilir. Stoikiometrik olmayan demir oksitin yapısı oluşurken aşağıdaki bağıntı sağlanarak elektriksel yük dengesi korunur, 3Fe2+ > 2Fe3+ + ϒ

Bölüm 5-DİFÜZYON VE UYGULAMALARI 5.1. Atom Hareketleri Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi olaylarla kaynak, lehim, sementasyon, galvanizasyon gibi işlemler büyük ölçüde atomların kütle içinde hareketlerine bağlıdır. Bu hareketler iki farklı düzeyde oluşur.  Birincisi ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri,  İkincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu sonuncuya atomsal yayınım veya difüzyon denir. Atomsal yayınım sonucu cismin yapısı ve bu nedenle de özelikleri değişir. Uygulamada çok rastlanan bu olayın temel ilkeleri bu bölümde ele alınacaktır.

• •

Isıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleriyle bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketlerine difüzyon denir. * Yüksek enerji seviyesine sahip olan atom daime düşük enerji seviyesine sahip atoma göre daha kararsızdır.

5.1.1. Atomlarda Titreşimler Mutlak sıfır sıcaklığında (0 K veya -273 °C) atomlar statik haldedir ve potansiyel enerjileri minimumdur. Isıl enerji vererek sıcaklık arttırıldığı zaman atomlar kendi denge konumlan çevresinde titreşmeğe başlarlar. Şekil 1.6 da görüldüğü gibi aralarındaki bağıl uzaklık sürekli değişir ve dolayısıyla sahip oldukları kinetik ve potansiyel enerjiler de değişir. Enerji çukurunun minimum olduğu konumda potansiyel enerjileri minimum, kinetik enerjileri ise maksimumdur. Titreşimin uç noktalarında ise kinetik enerjileri sıfır (hareket yönü değişir), potansiyel enerjileri maksimum olur.

• • •

Atomlar arası bağ enerjisi çukurunun simetrik olmaması nedeni ile atomlar arası ortalama uzaklık artar ve buna termal genleşme denir. * Birim sıcaklık artışının birim boyda oluşturduğu artışa da termal genleşme katsayısı denir. Kristallerde atomların diziliş sıklığı doğrultuya bağlı olduğundan (anizotropi özelliği) ısıl genleşme katsayısı da doğrultu ile değişir.

Bu gerçek, tabakalı yapıya sahip grafitte kolaylıkla gözlenebilir.

Bir kütle içinde bulunan atomlar veya moleküller herhangi bir anda aynı enerjiye sahip değildirler. Şekil 5.1 de görülen enerji dağılım eğrisine göre bir T, sıcaklığında bazı atomların enerjisi sıfıra yakınken bazılarınınki ise çok yüksek olabilir ve çoğunluğunun ki ortalama E1 enerjisi civarındadır. Sıcaklık artınca ortalama enerji de artar. Uygulamada belirli bir E* enerjisinden fazla enerjiye sahip atomların olası sayısı önemli olabilir. Bu da şekildeki gibi eğrinin altında kalan taralı olanla gösterilir. Sıcaklık arttıkça yüksek enerjiye sahip atomların sayısı da artar. Gazlar için verilen bu enerji dağılımı katılar içinde geçerli sayılabilir. Katı yapı içinde yeterli düzeyde yüksek enerjiye sahip atomlar bir denge konumundan diğerine atlayarak atomsal yayınımı oluştururlar. 5.2 Enerji Konumları Şekil 5.2 de bir atomun iki değişik konumu enerji yönünden göz önüne alınıyor. Genellikle kristal kafes içindeki arayer atomları sıkışık durumda bulunurlar ve çevrelerinde bir gerilme alanı oluştururlar. (1) konumunda üzerine basınç etkiyen arayer atomunun E1 enerjisi, aynı atom (2) konumundaki boş kafes köşesinde iken sahip olacağı E2 enerjisinden daha yüksektir. Her iki konumda da atom denge halindedir, ancak yüksek enerjili (1) konumu düşük enerjili (2) konumuna göre yarı kararlı (yerel kararlı veya metastabil) konumdur. Benzer şekilde ara yer atomunu (1) konumunda içeren yüksek enerjili yapı yarı kararlı yapı, (2) konumunda içeren düşük enerjili yapı kararlı yapıdır. Cisimlere yeterli imkan verilirse, örneğin ısıtılırsa daima daha düşük enerji seviyesine sahip kararlı yapılar oluşturmaya doğru eğilim gösterirler. Endüstriyel işlemlerde bu eğilimden geniş ölçüde yararlanılır. Şekil 5.2 de görüldüğü gibi atom (1) den (2) ye geçerken aştığı enerji engeli * (2) den (1) e geçerken aştığı enerji engeli * den daha küçüktür. Bu enerji engelleri bir atomsal yayınım sisteminin örnekleridir. Bir yayınım sistemi bir ana faz (eriten sistem veya matris) ile onun içinde hareket eden atomlardan (eriyen sistem) oluşur. Yayınım bir atomun bir enerji engelini aşması için gerekli enerjiye aktivasyon enerjisi (Q, kal/mol.) denir. Yayınımın oluşabilmesi için aktivasyon enerjisi enerji engeline eşit olmalıdır.

• •

Cisimlere yeterli imkan verilirse, örneğin ısıtılırsa daima daha düşük enerji seviyesine sahip kararlı yapılar oluşturmaya doğru eğilim gösterirler. Endüstriyel işlemlerde bu eğilimden geniş ölçüde yararlanılır.* Difüzyonun gerçekleşmesinde bir atomun bir enerji engelini aşması için gereken enerjiye aktivasyon enerjisi denir.

5.3. Atomsal Yayınım (Difüzyon) Sıcaklık yükseldikçe atomların ısıl titreşimleri artar ve bir kısmı içinde bulunduğu yapıda bir konumdan diğer konuma atlayarak yer değiştirir. Atomsal yayınım veya difüzyon denen bu olayda önce atomun çevresi ile bağları kopar, sonra atomlar arası boşluklardan geçer ve yeni konumda tekrar çevresi ile bağ kurar. Bütün bunlar için gerekli aktivasyon enerjisi yayınım sisteminin bir özelliğidir ve deneysel olarak ölçülebilir. Genelde yüksek ergime sıcaklığı olan ve bağları kuvvetli olan bor karbür, volfram ve alümina gibi bileşik ve elementlerde yayınma için gerekli enerji seviyesi daha yüksektir. Yayınım arı metallerde de oluşur. Alaşımlarda ise konsantrasyon farklı olduğu zaman iç yapı değişikliği kolayca izlenebilir. Genellikle atomlar yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru yayınarak birim hacimdeki sayılarında net bir fark oluştururlar. Atomların kütle içinde yayınımı üç yöntemle oluşur. Birinci yöntem boş kafes köşesi yayınımı olup nispeten düşük bir enerjiyi gerektirir. Bir kristal kafesinde varolan bir boş kafes köşesinin çevresindeki komşu atomların bu boş köşeye atlama ihtimalleri aynıdır (Şekil 5.2 ve 5.3). Eğer boş köşenin solundaki atom buraya atlarsa atlayan atomun ilk konumu boş kafes köşesi olur. Böylece atom soldan sağa hareket ederken boş kafes köşesi de sağdan sola hareket etmiş olur. Bu şekilde sürekli yer değiştiren boş kafes, köşesi kristalin yüzeyine kadar çıkabilir. İkinci yöntem arayer atomunun kafeste mevcut atomlar arasından geçerek oluşturduğu harekettir, buna arayer yayınımı denir (Şekil 5.3) ve oldukça yüksek enerji gerektirir. Halka yayınımı denen üçüncü yöntemin oluşma ihtimali düşük olmakla beraber oldukça ilginçtir. Birbirine değerek bir halka halinde bulunan atomlar aynı anda ve aynı yönde hareket ederek birbirlerinin yerini alabilirler.

5.4. Atomlarda Yayınım Kuralları Bir yayınım sistemi genellikle bir anafaz (matris veya eriten sistem) ile o fazın yapısında hareket eden yabancı atomlardan (eriyen sistem) oluşur. Örneğin Cu kafesinde yayınan Ni atomları gibi. Şekil 5.4' te Ni kaplanmış bir bakır kristali göz önüne alınıyor. Başlangıçta yüzeydeki bütün atomlar Ni' dir (siyah daireler). Yüksek sıcaklıkta bir süre sonra istatistiksel kurallara göre kesikli çizgi ile gösterilen ara yüzeyden yayınım sonucu soldan sağa geçen Ni atomları ile sağdan sola geçen Cu atomlarının sayısı eşittir. Bu süreç sonunda Ni atomlarının C konsantrasyonunun kristalin yüzeyinden itibaren x derinliği ile değişimi azalan bir eğri seklinde olacaktır.

Ara düzlemdeki konsantrasyon gradyanı dC/dx eksi işaretli olmasına karşın Ni atomlarının net yayınımı soldan sağa yani artı işaretli yöndedir. Sonsuz süre sonunda Ni, Cu içinde homojen olarak yayılır (istatistiksel sonuç) ve C1 konsantrasyonu bütün kütle boyunca sabit olur. Nikel atomlarının C konsantrasyonu birim hacimde yer alan nikel atomunun sayısı olarak belirtilir (atom sayısı / cm3). 5.4.1. Birinci Yayınım Kuralı (1. Fick Kuralı) Şekil 5.4 te kristalin yüzeyinde x kadar derinlikte ve yüzeye paralel A cm2 alandan t saniye içinde N adet Ni atomunun geçtiği varsayılsın. Atomsal yayınım akışı J:

Birinci yayınım kuralına göre atomsal yayınım akışı o noktadaki konsantrasyon gradyanı dC/dx ile orantılıdır.

Burada D ye yayınım katsayısı denir ve birimi (cm2/sn) dir. Yayınımın yönü dC/dx in işaretinin tersi yönünde olduğu için denkleme eksi işareti konmuştur. D yayınım katsayısı sıcaklığa, yayınım sisteminin türüne ve yapısına bağlıdır. Boltzmann D nin sıcaklığa bağlılığını aşağıdaki denklemle vermiştir.

Burada Do (cm2/sn) yayınım sabiti; Q aktivasyon enerjisi (kal/mol), R gaz sabiti ve T Kelvin derecesi olarak sıcaklıktır. Do ve Q yayınım sistemine bağlı sabitler olup deneysel yolla ölçülebilirler. Yayınım sabitlerinin yayınım sisteminin türü ve yapısına bağlılığı aşağıdaki şekilde açıklanabilir: o o o o

Küçük atomlar daha kolay yayınır. Belirli bir atom ergime sıcaklığı düşük, dolayısıyla atomlar arası bağı daha zayıf olan ortamda daha kolay yayınır. Atomsal dolgu faktörü düşük ortamlarda yayınım daha az enerji gerektirir. Düzensiz yapıya sahip ve atom sıklığı tanelere göre daha az olan tane sınırları boyunca yayınım daha kolay oluşur. Bu nedenle faz dönüşümleri ve korozyon olayları tane sınırlarında başlar ve daha hızlı oluşur.

5.4.2. İkinci Yayınım Kuralı (2. Fick Kuralı) Bu ikinci kurala göre konsantrasyonun zamanla değişme hızı dc/dt konsantrasyon gradyanın 2. türevi ile orantılıdır:

(4) nolu denkleminin fiziksel anlamına göre yayınım olayı başlangıçta çok hızlıdır, zamanla konsantrasyon gradyanı azaldığından hız düşer ve tam homojen yapı için sonsuz süreye gerek vardır. 5.5. Atomsal Yayınımın Oluştuğu Örnek Endüstriyel İşlemler

 Sementasyon İşlemi Az karbonlu çelik yumuşak ve sünektir, işlenmesi kolaydır, ancak aşınma mukavemeti düşüktür. Çeliğe şekil verdikten sonra sürtünmeye maruz kalacak yüzeylere sementasyon işlemi uygulayarak yüzeysel karbon oranı arttırılır, sonra su vererek sertleştirilir, böylece yüzey aşınmaya dayanıklı hale getirilir. Sementasyon işleminde az karbonlu çelik aktif karbon atomları içeren bir ortamda yüksek sıcaklıkta bir süre ısıtılır. Karbon atomlarının yayınması sonucu yüzeyde ince bir tabaka boyunca yüksek karbonlu bir yapı oluşur. Bu şekilde semente edilmiş çeliğe su verilirse içi yumuşak ve tok, yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı bir malzeme elde edilir, örneğin motorların krank millerinin sürtünen yüzeyleri sementasyon işlemi ile sertleştirilir. Bölüm 6-FAZLAR VE DENGE DİYAGRAMLARI Bu bölümde de iç yapıların nasıl oluştuğu ve iç yapı oluşumuna hangi etkenlerin ne şekilde etkilediği ele alınacaktır. Bir cisim bağ kuvvetleri etkisinde denge halinde bulunan atomlar grubundan oluşur. Homojen olarak dizilmiş atomlar belirli faz meydana getirirler. Ancak koşullar değişirse denge bozulur, atomlar başka bir denge konumuna geçerek değişik biçimde dizilir ve sonuçta yeni bir faz oluşur.

Arı cisimler tek bileşenli en basit yapılı sistemlerdir, sıcaklık ve basınca bağlı olarak katı, sıvı ve gaz halinde bulunurlar. Birden fazla tür atom içeren çok bileşenli sistemlerin dengesi oldukça karışıktır. Sıcaklık ve basıncın yanında bileşim de iç yapı oluşumunu etkiler ve bunlar değiştiği zaman değişik tür fazlar meydana gelebilir. Bu değişkenler etkisinde doğacak fazların türlerini ve bunların özeliklerini bilmek uygulama yönünden çok önemlidir. Böylece amaca uygun özeliklere sahip malzeme üretimi sağlanabilir. Bunun için gerekli bilgiler ancak denge diyagramları yardımı ile elde edilebilir. Bu diyagramlardan belirli bir malzeme sisteminde sıcaklık ve bileşime bağlı olarak oluşacak fazların türleri, bileşimleri ve miktarları tayin edilebilir, hatta iç yapılar da tahmin edilebilir. Endüstride malzeme üretiminde ve mekanik özelikleri değiştirmek için uygulanacak ısıl işlemlerde denge diyagramlardan büyük ölçüde yararlanılır. 6.1.1. Fazların Dengesi Bir cisim denge halinde bulunan bir fiziksel kütle olarak tanımlanır. Bu kütle içinde homojen dağılmış atomlar bulundukları konumu sürekli korurlar. Ancak çevre koşulları değişirse mevcut denge bozulur, atomlar bulundukları konumdan başka bir konuma geçmeye zorlanırlar. Kütle halinde atomsal hareket sonucu iç yapı değişir ve yeni bir denge yapısı elde edilir. Diğer bir deyimle bir faz bir başka faza dönüşür. Bu şekilde faz dönüşümleri sonucu özellikler de değişir. Fazların dengesine etkiyen üç ana değişken bileşim, sıcaklık ve basınçtır. Bu değişkenler yardımı ile faz dönüşümlerini kontrol ederek özellikleri ihtiyaca göre uyarlamak mümkündür. Bu amaçla endüstride çeşitli işlemler uygulanmaktadır. Cisimlerde iç yapı oluşumunda en önemli etken enerjidir. Fizikte temel özelliklerden birisi enerjisi azalan bir cisimde kararlılığın artmasıdır. Sistemler daima sahip oldukları enerjiyi azaltan konumlara doğru yönelerek daha kararlı hale gelme eğilimi gösterirler. Cisme verilen ısıl enerjinin bir kısmı ısıl genleşmeye sarf edilir, dolayısıyla potansiyel enerji artar; diğer önemli bir kısmı ise ısıl titreşimleri arttırarak kinetik enerjiye dönüşür.

H=E+PV

Bir cismin entalpisi (H) o cismin iç enerjisi (E) ile çevreye karşı yaptığı PV işinin toplamına eşittir.

Katı cisimler üzerindeki gözlemler genellikle sabit basınçta yapılır ve cisimdeki hacim değişimi ihmal edilir. Bu durumda bir cisme dQ ısıl enerjisi verildiği zaman dE iç enerji değişimi dH entalpi değişimine eşit olur. Entalpiye yaklaşık olarak cismin ısı içeriği de denir. Entalpi iki kısımdan oluşur, biri F serbest enerjisi, diğeri de iç yapı düzensizlik derecesine bağlı karışım enerjisidir. Bir sistemin karışım oluşturma eğilimini belirleyen S entropisi sıcaklıkla çarpılarak karışım enerjisine dönüştürülür. Buna göre entalpi, şu şekilde olur.

H=F+TS

Buradaki F serbest enerjisi cisimlerin denge yapılarını belirlemede kullanılır. Sıfır Kelvin sıcaklığında atomlar statik haldedir ve entropi sıfırdır. H Entalpisi ise minimumdur ve serbest enerjiye eşittir.

•

Entalpi sıcaklıkla sürekli artar. Isıl düzensizlik sıcaklıkla arttığından S entalpisi de yükselir. *

Serbest enerji, aşağıdaki bağıntıdan elde edilir.

F=H-TS 6.1.2. Entalpinin Ve Serbest Enerjinin Sıcaklıkla Değişimi Şekil 6.1' de de görüldüğü gibi serbest enerji sıcaklıkla sürekli azalır. F serbest enerjisi faz dönüşümlerinde kararlı denge yapısının oluşmasında önemli rol oynar. Daima serbest enerjisi minimum olan yapılar kararlı olur. Bir reaksiyon sonucu oluşan fazın kararlı olması için serbest enerji değişiminin eksi olması gerekir. Örneğin su buharlaşırken sıcaklık sabit kalır. 6.1.3. Bileşenlerin Sistem Dengesi Birden fazla tür bileşen veya eleman içeren sistemlerin dengesi daha karışıktır. Bir arada bulunan elemanların karşılıklı etkileşmeleri önemlidir. A ve B gibi iki eleman arasında karşılıklı etkileşme yoksa A - A, A - B ve B - B karışımları arasında bir ayrıcalık yoktur, bu durumda A - B karışımı kolayca oluşur ve denge halinde bulunur. Gaz karışımlarında durum böyledir. Gaz atomları veya molekülleri arasında etkileşme bulunmadığından farklı türdeki gazlar kolay karışır ve homojen bir yapı meydana gelir. Sıvılarda atomlar arası bağ zayıftır. Katılara göre daha kolay karışarak sıvı eriyik oluştururlar. Katı halde erime oranları genelde sınırlıdır. Bu nedenle değişik türde fazlar bir arada bulunabilir. Bileşim ve sıcaklığın değişmesiyle faz da değişebilir. 6.2 Fazlar Kuralı

Gibbs tarafından geliştirilen fazlar kuralı belirli sistemdeki fazların denge halinde bulunması için gerekli koşulları belirler.

Laboratuar deneyleri genellikle sabit basınçta uygulandığından üçüncü etkenin sabit olduğu varsayılır. Bu durumda geriye iki değişken kalır.

F+D=B+1 • • •

F Bir sistemdeki mevcut fazların sayısı D Fazların dengede kalması için bağımsız değişken sayısı B Bir sistemde mevcut bileşenlerin sayısı

Bağımsız değişkenlerden biri bileşim, diğeri de sıcaklık olabileceğine göre D en fazla 2 olabilir. Saf metallerde bileşen sayısı B 1, iki bileşenli veya elemanlı metallerde 2 olur. Bir malzeme sisteminde fazlar ve faz dönüşümleri bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Bu değişmeler denge veya faz diyagramları ile gösterilir. Bu diyagramlar normal koşullarda zorlanmadan, diğer bir deyimle dengeli soğuma süresinde oluşan fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını içerirler.

• • • •

Aşırı hızlı soğuma uygulanırsa dönüşmeler gecikebilir, hatta kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu durumda diyagramlardaki faz bölgeleri ve sınır eğrileri değişebilir. Dengesiz soğuma dışı oluşan fazlar yarı kararlıdır. Bunlar ısıtılır, yavaş dengeli soğuma uygulanırsa gene kararlı denge yapıları oluşur ve dönüşmeler denge diyagramında gösterilen bölgelerde meydana gelir.

6.3. Soğuma Diyagramları Denge diyagramlarını elde etmek için soğuma diyagramlarından yararlanılır. Değişik bileşimde bir seri alaşım hazırlanarak ergitilir, sonra soğuma süresinde sıcaklığın zamanla değişimi ölçülür. Sıcaklık-zaman eksenleri, üzerine çizilen soğuma eğrileri Şekil 6.2' deki biçimde olurlar.

Saf metaller sabit sıcaklıkta katılaşırlar ve soğuma eğrileri Şekil 6.2' da görüldüğü gibi basamaklı olur. Tc ergime sıcaklığı üstünde sıvı, ergime sıcaklığında sıvı ve katı, altında ise yalnız katı faz bulunur. Saf metallerde katılaşma süresinde sıcaklığın sabit kalma zorunluluğu fazlar kuralı ile kanıtlanır. Eğrideki 2 noktasında sıvı ve katı olmak üzere iki faz vardır, dolayısıyla F = 2 dir. Saf metal olduğundan bir bileşenlidir ve B=l' dir. Bu değerler fazlar kuralı denklemine konursa; 2+D=l+l bağımsız değişken sayısı D=0 elde edilir. Bu sonuca göre iki faz bir arada bulunduğu sürece bağımsız değişken yoktur, yani sıcaklık sabit kalmak zorundadır. 1 ve 2 noktalarında fazların sayısı 1' dir ve bağımsız değişken sayısı D=1 olur. Bu sonuca göre bu bölgelerde sıcaklık değişse dahi tek faz varlığını korur. A ve B metallerinden oluşan bir katı eriyik sisteminin soğuma diyagramı Şekil 6.2' de görülüyor. Katılaşmanın sürdüğü 2 bölgesinde iki faz vardır, dolayısıyla F=2 dir. Bileşen sayısı B=2 olduğundan fazlar kuralından bağımsız değişken sayısı D=1 elde edilir. Buna göre katı eriyikler katılaşırken sıcaklık sabit kalmaz, katılaşma T1 - T2 sıcaklık aralığında tamamlanır. 6.4. Denge Diyagramları

•

Bir malzeme sisteminde fazların bileşime ve sıcaklığa bağlı olarak değişimini gösteren diyagramlara denge diyagramları veya faz diyagramları denir.

Uygulamada büyük önemi olan bu diyagramlar malzeme üretiminde, iç yapıları ve kararlılık bölgelerini saptamada ve çeşitli ısıl işlemlerde kullanılırlar. Aşağıda bu diyagramların elde edilişi ve kullanılışı ile ilgili bilgiler verilecektir. Bileşimle sıcaklığın değişken olduğu iki bileşenli sistemlerin denge diyagramları iki boyutludur. Üç bileşenli sistemlerde İki bileşenin miktarı ve bir de sıcaklık olmak üzere üç değişken vardır ve bu nedenle üç boyutlu diyagramlar gereklidir. Basitleştirmek amacı ile en yaygın olan yalnız iki bileşenli sistemlerin faz diyagramları ele

alınacaktır. Gerçekte burada açıklanacak temel ilkeler bütün sistemler için geçerlidir. Faz diyagramları soğuma diyagramları yardımı ile elde edilirler. A ve B metallerinden oluşan ikili bileşenli bir sistemde A ve B değişik oranda karıştırılarak bir seri alaşım üretilir, sonra bu alaşımların her biri için soğuma diyagramı deneysel yolla elde edilir. Normal olarak soğuma süresinden çok bileşime bağlı olarak faz dönüşümlerinin oluştuğu sıcaklıklar önemlidir. Bu nedenle zaman eksenleri kaydırılarak bütün soğuma diyagramları Şekil 6.3 (a) da görüldüğü gibi bir sıcaklık-zaman eksen takımı üzerine çizilebilir

Şekil 6.3 (b)' deki diyagramda düşey eksen sıcaklık, yatay eksen B atomlarıma ağırlık % si cinsinden bileşimini gösterir. Bir alaşımda B atomlarının yüzdesi verilmişse geri kalanı A atomlarıdır, diğer bir deyimle A ve B atomlarının yüzdelerinin toplamı 100 dür. Her bileşim için faz dönüşümlerinin oluştuğu sıcaklıklar soldaki soğuma diyagramlarından yataylar çizerek bu sıcaklık-bileşim diyagramında bileşim düşeyi üzerine taşınır. TA A metalinin ergime, TB de B metalinin ergime sıcaklıklarıdır. Bu şekilde bir seri alaşım için elde edilen üst ve alt noktalar birleştirilirse bu sistemin faz diyagramı elde edilmiş olur. Likidüs denilen üst eğrinin üstünde yalnız sıvı faz, solidüs denen alt eğrinin altında da yalnız katı faz ve bu ikisinin arasında da sıvı + katı faz bulunur. Şekil 6.3 (b) de görülen faz diyagramı birbirlerinin her sıcaklıkla sınırsız oranda eriten bir iki bileşenli sistemin denge diyagramıdır (Cu - Ni sistemi gibi). 6.5. Faz Diyagramlarından Sağlanan Bilgiler

• • •

Fazların Türü Fazların bileşimi (Bağ çizgisi kuralı) Fazların miktarı (Levye kuralı)

6.5.1. Fazların Türü Bir alaşım sisteminde verilen bir alaşımda belirli bir sıcaklıkta denge halinde mevcut fazların türü belirlenebilir. A ve B metallerinden oluşan bir sistemde bileşimi % Bo olan bir alaşım, Şekil 6.4 de görüldüğü gibi, (1) noktasında yalnız sıvı (2) noktasında da sıvı ve katı ve (3) noktasında da yalnız katı faz içerir.

6.5.2. Fazların Bileşimi (Bağ Çizgisi Kuralı) Tek fazlı bölgede mevcut fazın bileşimi göz önüne alınan alaşımın bileşimine eşdeğerdir. %B0 lık alaşımda (1) noktasındaki sıvı faz alaşımda (1) noktasındaki sıvı faz % B0, (3) noktasında kail faz da %B0 bileşimindedir, bunlarda Mevcut A atomlarının yüzdesi: %A0=%100B0 İki fazlı bölgede fazların bileşimi alaşımın bileşiminden farklıdır. Bunu açıklamak için %B0 alaşımı (2) noktasında ele alınıyor. (2)'den çizilen T1 yatayının sıcaklık eksenini kestiği c noktasında sıvı halde saf A metali vardır. A metaline bu sıcaklıkta B metali katılırsa sıvı eriyik oluşur, B nin miktarı arttırılırsa likidüs eğrisi üzerindeki a noktasına kadar yalnız sıvı faz bulunur ve a noktasında % B1, bileşimine ulaşınca B atomlarınca doymuş hale gelir. Daha fazla B katılırsa sıvı fazın yanında katı faz oluşmaya başlar. Sıvı faz varlığını solidüs eğrisi üzerindeki b noktasına kadar sürdürür ve iki fazlı (a - b) aralığında daima % B1, bileşimine sahip olur. Aynı düşünce ile hareket edilirse T1 sıcaklığında katı faz en çok % A2 kadar A veya en az % B2 kadar B atomu içerebilir. O halde (a - b) bileşim aralığındaki katı fazın bileşimi daima % B2 olur. İki fazlı bölgede çizilen sabit sıcaklık yatayının sınır eğrileri arasında kalan parçasına bağ çizgisi denir. Yukarıda açıklandığı gibi İki fazlı bölgede herhangi bir (bileşim-sıcaklık) noktasında mevcut fazların bileşimini bulmak için bu bağ çizgisinden yararlanılır. Bu çizginin likidüs eğrisini kestiği noktanın bileşim ekseni üzerindeki değeri sıvı fazın bileşimini, solidüs eğrisini kestiği noktanınki de katı fazın bileşimini verir. Bu şekilde uygulanan bu yönteme bağ çizgisi kuralı denir. 6.5.3. Fazların Miktarı (Levye Kuralı) Bir fazlı bölgede mevcut fazın miktarı alaşımın miktarına eşittir. İki fazlı bölgedeki fazların miktarları ise aşağıda açıklanan "levye kuralı" yardımı ile bulunur. Örnek olarak Şekil 6.4 de gösterilen bileşiminde P0 gr. alaşım ele alınsın. Bu alaşımın içinde T1 sıcaklığında (2) noktasında bulunan sıvı fazın ağırlığı PS ile katı fazın ağırlığı Pk nın hesaplanması isteniyor. Bu iki bilinmeyeni hesaplamak için iki denkleme gerek vardır.

6.5.4. Birbirlerini Sınırlı Oranda Eriten Sistemler

Şekil 6.3'de birbirlerini her sıcaklıkta sınırsız oranda eriten sistemlerin faz diyagramı verilmiştir. Bu tür diyagrama sahip (Cu-Ni) sisteminde Cu' a Ni atomları % 0 dan başlayarak % 100 o kadar karıştırıldığında kafes yapı değişmeksizin Cu atomlarının yerini alır ve daima katı halde tek faz oluşur. Gerçekte endüstride kullanılan sistemler birbirlerini çoğunlukla sınırlı oranda eritirler. Şekil 6.6'de birbirlerini yüksek sıcaklıkta her oranda, fakat düşük sıcaklıkta sınırlı oranda eriten bir ikili sistemin faz diyagramı görülüyor. Bu sistemde I alaşımı sıvı halden başlayarak soğutulacak olursa önce katı eriyik oluşumu ile α fazı meydana gelir. Sıcaklık T1' e düşünce β fazı B atomlarınca doymuş hale gelir ve B atomlarının fazlası ß fazı halinde çökelir ve bu sıcaklığın, altında sistem α ve β gibi iki fazın karışımından oluşur. Burada görülen eğriye çökelme veya ayrışma eğrisi denir. Çökelme eğrisi yükselip solidüs eğrisi ile kesişince birbirlerini her sıcaklıkta sınırlı oranda eriten iki bileşenli bir sistem elde edilir. Bu tür sistemlerde bazı ilginç temel faz dönüşümü reaksiyonları görülür. 6.6. Temel Faz Dönüşümleri Bir malzeme sisteminin sıcaklığı değiştiği zaman atomların hareket yeteneği de değişir ve imkan tanındığı zaman genellikle düşük enerjili kararlı denge yapısı oluşturma eğilimi doğar. Belirli fazlardan oluşan bir denge yapısından değişik fazlardan oluşan diğer bir denge yapısına geçiş olayına faz dönüşümü denir. Bu dönüşümler katılaşma dönüşümleri ve katı hal dönüşümleri olmak üzere 2 grupta toplanabilir. 6.6.1. Katılaşma Dönüşümleri Bu tür faz dönüşümlerinde fazlardan biri sıvı olduğundan atomların hareket yeteneği yüksektir, bu nedenle dönüşüm süresi çok kısadır. Genel olarak soğuma hızı dönüşme sıcaklığını etkileyemez ve dönüşmeler daima aynı sıcaklıkta oluşur. Bu tür dönüşümler üç türe ayrılabilir.  Katı eriyik oluşumu: Sıvı eriyikten katı eriyik oluşumu Şekil 6.3 de de görüldüğü gibi belirli bir sıcaklık aralığında tamamlanır ve sonuçta tek bir katı faz meydana gelir.  Ötektik reaksiyonu: Birbirlerini sınırlı oranda eriten bazı sistemlerin belirli bileşimdeki alaşımları sabit sıcaklıkta katılaşır ve ötektik reaksiyonu sonucu sıvı faz aynı anda iki ayrı katı faza dönüşür. Ötektik reaksiyonu aşağıdaki bağıntı ile tanımlanabilir: Bu tür reaksiyona sahip sistemlere ötektik sistemler denir. Aynı anda oluşan iki katı faz çok ince ve sık yapı meydana getirir. Üstün mekanik özeliklere sahip ötektik yapılar uygulama yönünden çok önemlidir, bu nedenle ileride ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Peritektik reaksiyon:

•

Katılaşma süresinde bir arada bulunan bir sıvı fazla bir katı fazın sabit sıcaklıkta başka bir katı faza dönüşmesine peritektik reaksiyon denir.

Aşağıdaki bağıntı ile tanımlanan bu dönüşüm sonucu tek fazlı yapı oluştuğundan uygulama yönünden ilginç sayılmaz

6.6.2. Katı Hal Dönüşümleri Katı halde atomların hareket yetenekleri çok kısıtlıdır, bu nedenle dönüşümlerin tamamlanması için belirli bir süreye gerek vardır. Bir dönüşme olayı atomsal yayınım sonucu oluşur ve bu, üç aşamada tamamlanır. Birinci aşamada atomların çevresi ile bağları kopar, ikinci aşamada hareket ederek daha düşük enerjili konumlara gelirler ve son aşamada da yeni fazı oluştururlar. Özellikle yeni faza ait sınırların oluşması oldukça büyük enerjiyi gerektirir. Bütün bu olayların tamamlanması için gerekli süre t ise bunun tersi R = l/t dönüşüm reaksiyon hızı olur.

•

Bu reaksiyon hızı dönüşümün oluştuğu sisteme ve sıcaklığa bağlıdır.

Eğer soğuma hızı R dönüşüm hızından fazla ise dönüşüm kısmen veya tamamen önlenebilir, normal soğumadan beklenen kararlı denge yapısı yerine başka yarı kararlı denge yapısı oluşabilir. Elde edilen yeni yarı kararlı yapı üstün özeliklere sahip olabilir. Uygulamada bu olaydan geniş ölçüde yararlanılır (çeliklere su verme işlemi). Katı hal dönüşümlerinin diğer bir özeliği de yeni doğan fazların mevcut ana faza göre belirli konumlar alması zorunluluğudur. Eğer sıcaklık yüksek, tane boyutu küçük ve süre yeterli ise tane sınırlarında çökelmesi olanağı yüksek olur. Aksi halde mevcut fazın kafes yapısı içinde kalarak tane içi çökelme meydana getirir. Katı hal dönüşümleri dört türe ayrılabilir:

6.6.2.1. Polimorfik Dönüşme Bazı saf metallerde kafes yapı sabit sıcaklıkta diğer bir tür kafes yapısına dönüşür. Bu şekilde oluşan polimorfik dönüşme aşağıda bağıntı ile de tanımlanabilir.

6.6.2.2. Ötektoid Reaksiyon Bu reaksiyon ötektik reaksiyona benzer, ancak burada bir katı faz sabit sıcaklıkta aynı anda diğer iki ayrı katı faza dönüşür. Burada da aynı anda yan yana oluşan yeni fazlar çok sık ve ince bir yapı meydana getirirler. Bu şekilde oluşan ötektoid yapı genellikle ötektik yapı gibi üstün mekanik özeliklere sahip olur, Ötektoid reaksiyon aşağıdaki bağıntı ile de tanımlanabilir:

6.6.2.3. Peritektoid Reaksiyon Bu reaksiyonda aşağıdaki bağıntıda görüldüğü gibi iki katı faz sabit sıcaklıkta diğer bir katı faza dönüşür:

Sonuçta tek fazlı yapı oluştuğundan ilginç sayılmaz.

6.6.2.4. Katı Eriyikten Çökelme Tek fazlı bir katı eriyik Şekil 6.6' de görüldüğü gibi soğurken belirli bir sıcaklık düzeyinde doymuş hale gelebilir. Bu doyma noktasında katı eriyikte bulunan yabancı atomların bir kısmı ayrışarak ikinci bir faz halinde çökelir. Çökelen fazın miktarı sıcaklık düştükçe artar. Uygulamada bu çökelen fazın miktarı, çökelme yeri ve büyüklüğü kontrol edilerek daha yararlı yapılar oluşturulabilir. Alüminyum alaşımlarına uygulanan yaşlanma sertleşmesi işlemi bu gerçeğe dayanır. 6.6.2.5. Ötektik Sistem Birbirlerini sınırlı oranda eriten bazı iki bileşenli sistemlerde bileşenler birbirlerinin ergime sıcaklıklarını düşürür ve en düşük ergime sıcaklığına sahip bileşimdeki alaşım ötektik reaksiyon sonucu katılaşır. Bu reaksiyon süresinde iki katı faz yan yana ince tabakalar halinde oluşarak ötektik yapıyı meydana getirir. Bu şekilde hem ergime sıcaklığının düşürülmesi ve hem de üstün özelikli ince karışımın oluşması nedeniyle ötektik sistemler uygulamada özel bir önem taşırlar. Faz diyagramı Şekil 6.10' de görülen bir ötektik sistemin yapısı aşağıda ayrıntılı olarak ele alınacaktır. % Be : ötektik bileşim Te : ötektik sıcaklık TA ,TB : Sırasıyla A ve B metallerinin ergime sıcaklığı % B1 : Oda sıcaklığında B metalinin α fazında erime sının % B2 : B metalinin α fazında en yüksek erime sınırı % B3 : % 100 - % B3 = % A3, A nın β daki en yüksek erime sınırı % B4 : % 100 - % B4 = % A4, A metalinin β da oda sıcaklığında erime sınırı.

•

NOT: En düşük ergime sıcaklığına sahip alaşıma monotektik adı verilir.*

6.6.2.6. Ara Fazlar ve İntermetalikler Özellikle endüstriyel faz diyagramlarından birden fazla temel faz dönüşümü reaksiyonlarına rastlanır. Örneğin Şekil 6.12' de görülen Al Mg sisteminde üç ötektik, Cu-Zn sisteminde 5 peritektik ve 1 ötektik, Fe-C sisteminde ise 1 ötektik, 1 ötektoid ve 1 de peritektik reaksiyon bölgesi vardır. Bunun nedeni böyle sistemlerde ana fazların yanında ara fazların ve intermetaliklerin oluşmasıdır. Bu ara fazlar ana fazlar arasında bir bileşime sahiptirler ve yapıları, dolayısıyla özelikleri tamamen ana fazlardan farklıdır. Örneğin Şekil 6.11' de görülen Al-Mg sisteminde saf Al dan başlayarak α , Β, δ, ve ε fazları meydana gelir, a alüminyumun kafes yapısına sahip ana faz, ε da magnezyumun kafes yapısına sahip ikinci ana fazdır ve β ile δ ara fazlardır.

İntermetalik Bileşiklerin Avantajları • • •

Bileşenler sabit bir orana sahiptir. Birbirlerine göre düzenli olarak dizilirler ve düzenli bir yapı oluştururlar. Sıvı hale geçinceye kadar düzenli yapıları varlığını korur.

6.6.2.7. Seramiklerin Faz Diyagramları Seramikler genellikle metal ile metal olmayan elementlerin iyonik bileşiklerinden oluşurlar. Birkaç iyonik bileşikten oluşan seramik malzemelerinde her bileşik bir bileşen rolünü oynar, iki bileşikten oluşan bir ikili sistemde sıcaklık ve bileşime bağlı olarak oluşan fazlar ve faz dönüşümleri faz diyagramları yardımı ile çok açık bir şekilde gösterilebilir. Ana bileşikler aralarında ara katı eriyikler veya ara kompleks bileşikler de oluşturabilir.

Bölüm 7-FİZİKSEL ÖZELLİKLER 7.1. Malzemelerin Fiziksel Özellikleri Malzemelerin sahip oldukları özellikler dört ayrı grupta incelenebilir:

•

•

Elektriksel Özellikler o İletkenlik o Yarı İletkenlik o Dielektrik o Manyetik Mekanik Özellikler

• •

o Şekil Değiştirme o Sertlik o Kırılma Termal Özellikler o Isıl Genleşme o Isıl İletkenlik Diğer Fiziksel Özellikler o Birim Ağırlık o Gözeneklilik o Geçirimlilik o Optik ve Akustik Özellikler

İletkenlik, yarıiletkenlik ve yalıtkanlık (dielektrik) gibi önemli elektriksel özellikler cisimlerin elektron yapısına, bağ türüne ve iç yapımına geniş ölçüde bağlıdır. Özellikle yarıiletkenler elektronik endüstrisinde çok geniş uygulama alanı bulmaktadır. Gerçekte manyetik, optik ve ısıl özelliklerde elektron yapıları ve elektron hareketleri ile yakından ilgili olduklarından bunları elektrik özellikler grubuna dahil etmek uygun olur. 7.2. Elektriksel Özellikler Malzemelerin elektriksel özelikleri elektron yapıları ve elektron hareketleri ile ilgilidir. Bu Özeliklerin başında elektriksel iletkenlik gelir. 7.2.1. Elektriksel İletkenlik Cisimlerin elektrik akımını iletme yeteneğine iletkenlik denir. Elektriksel yük taşıyıcılardan elektronlar ile yayınan eksi yüklü iyonlar (anyon) eksi yük taşıyıcı, elektron boşlukları ile yayınan artı yüklü iyonlar (katyon) artı yük taşıyıcılardır. Bir bireysel elektronun taşıdığı birim yük q = 0.16 X 10-18 kulondur. Yayınan iyonların taşıdığı yük ise iyonsallık derecesine bağlıdır, örneğin Pb2+ nın yükü artı 2a. SO42- nin eksi 2q dür. Bir iletkenin içinden geçen akıma karşı gösterdiği direnç R (ohm), iletken boyu l (cm) ile doğru, kesiti s (cm2) ile ters orantılıdır ve orantı katsayısına özgül direnç (ρ) denir. Buna göre: Bu denklemden özgül direnç boyutunun (ohm-cm) olacağı görülür. Özgül direncin tersine σ, özgül iletkenlik denir,

Uygulamada cisimler özgül dirençlerine veya özgül iletkenliklerini göre üç gruba ayrılırlar

• • •

İletkenler : ρ < 10-4 (ohm-cm) Yarıiletkenler: 10-4 < ρ < 104 (ohm-cm) Yalıtkanlar : ρ > 104 (ohm-cm)

Metallerde kütle içinde serbest elektronlar bulunduğundan iletkenler grubunu oluştururlar. Seramikler ve polimerler de elektronlar ana atomlara kuvvetle bağlıdırlar, dolayısıyla serbest hareket edemezler, bu nedenle iletken sayılamazlar. Ancak gerçekte serbest elektronları bulunmayan yarıiletkenlere yeterli elektriksel alan ve sıcaklık uygulanırsa yararlı sayıda elektron aktive edilerek serbest hale getirilir ve iletkenlik sağlanabilir. Yarıiletken malzemeler çok ilginç ve yararlı özelikleri nedeni ile elektronik endüstrisinde geniş uygulama alanına sahiptirler. Bu nedenle bu malzemeler ileride ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Yalıtkanlar elektrik akımını iletmezler, genellikle komşu iletkenleri birbirinden ayırarak yalıtım amacı ile kullanılırlar. Ancak bunlar elektriği iletmemelerine rağmen elektriksel alana tepki gösterirler, bunun sonucu yük birikimi, piezoelektrik, ferroelektrik gibi önemli özelikler doğar. Bunların uygulamada ayrı yeri olduğundan dielektrik özellikler ayrı bir bölümde incelenecektir. Özgül iletkenlik veya özgül direnç cismin 1 cm3 de bulunan yük taşıyıcı sayısı n ile orantılıdır,

7.2.2. Metalik İletkenlik Metallerde valans elektronlar kütle içinde serbest halde rasgele hareket halindedirler. Bu hareketleri duran dalga hareketi türündedir. Genel olarak bir yönde taşıdıkları yük sayısı zıt yönde taşınana eşit olduğundan net bir yük iletimi oluşmaz. Genel olarak bir yönde taşıdıkları yük sayısı zıt yönde taşınana eşit olduğundan net bir yük iletimi oluşmaz. Ancak metale Şekil 7.2' de görüldüğü gibi bir elektriksel alan uygulanınca artı elektroda doğru giden elektronlar hızlanır, eksi elektroda doğru gidenler ise yavaşlar, neticede eksi kutuptan artı kutba doğru net bir sürüklenme görülür, bu da elektrik akımını oluşturur. Uygulanan elektriksel alanın büyüklüğü E aşağıdaki şekilde tanımlanır,

E=V/d (volt/cm) Elektronların alan etkisinde sürüklenme hızı, v, E elektriksel alanı ile orantılıdır,

V=µ .E Burada µ elektriksel yük taşıyıcıların ortamdaki hareket yeteneğidir ve birimi cm2/V.san dir. Elektronlar iletken ortamda duran dalga hareketi ile yayılırlar. Bu dalgaların yansımadan veya saptırılmadan yayılabileceği ortalama serbest hareket yolu, ne kadar büyükse elektronların sürüklenme hızı o kadar yüksek olur. Ancak iç yapıda mevcut kusurlar, yabancı atomlar ve ısıl titreşimler dalgaları saptırır, ortalama serbest yol azalır ve sonuçta özgül direnç artar, iletkenlik azalır. 7.2.2.1. Özgül Direnci Arttıran Etkenler

• •

•

Sıcaklık Yabancı atomlar Plastik şekil değiştirmedir. *

7.2.2.2. Enerji Bantları Bir bireysel atomu çevreleyen elektronlar belirli enerji düzeyine sahiptirler. Bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların da dönme yönleri zıttır. Bir enerji düzeyi dolunca bundan sonra eklenen elektronlar bir üst enerji düzeyine geçerler. Bireysel atomda elektronlar ancak kendi atomu etrafında yörünge hareketi yaparlar. Çok atomlu kütlelerde ise ana atomlara zayıf bağlı çok sayıda valans elektronlarının enerji düzeyleri üst üste dizilerek enerji bantları oluşturur. 7.2.3. Yarıiletkenler Elektronik teknolojisinde çığır açan transistörler yarıiletken malzemelerden üretilirler. Bunlar ancak 1954 yılından sonra geliştirilerek kısa sürede büyük boyutlu ve üretimi zor elektron tüplerinin yerini aldılar. Bu sayede elektronik aletleri çok kompakt ve basit hale getirilerek günlük yaşamda geniş uygulama alanı bulmuştur. Yarı iletkenler has yarıiletken (entrensek) ve katkılı yarıiletken (ekstrensek) olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Has yarıiletkenlik bazı arı malzemelerin kendi bünyelerinin özelliğidir. Has yarıiletkenlere katılan bazı yabancı atomlar iletkenliği çok daha arttırabilir, bu tür yarıiletkenlere de katkılı yarıiletkenler denir.

•

Elektron fazlalığı içeren katkılı yarıiletkenlere eksi veya n-tipi, elektron eksikliği veya boşluğu içerenlere artı veya p-tipi yarıiletken denir.*

7.2.4. Dielektrik Malzemeler (yalıtkanlar) Yalıtkanlar elektrik akımını iletmezler, fakat uygulanan elektriksel alana karşı tepki gösterirler. Bu tepki elektriksel yük birikimi, piezo elektrik ve ferro elektrik gibi özeliklerin doğmasına neden olur. Bu özeliklere sahip plastikler, camlar ve seramikler uygulamada elektronik endüstrisinde geniş ölçüde kullanılırlar. Aralarında vakum olan iki paralel elektroda V gerilimi uygulanınca elektrot plaklarında bir miktar elektriksel yük birikir (Şekil 7.5). Biriken elektriksel yük yoğunluğu D elektron/cm2 olarak belirtilir. Uygulanan elektriksel alanın şiddeti V/d (Volt/cm) ise oluşan elektriksel yük yoğunluğu bu alanın şiddeti ile orantılıdır.

Aşağıdaki eşitlikte ko orantı katsayısına dielektrik sabit denir.

D=k0 V/d

Elektrotlar arasındaki elektriksel alana vakum yerine bir yalıtkan cisim konursa elektrotlarda biriken elektriksel yük yoğunluğu artar. Bunun başlıca nedeni yalıtkanda oluşan elektriksel kutuplaşma ve mevcut kutupların yön değiştirmesidir.

Aşağıda bu olaylar açıklanacaktır. Yalıtkanın dielektrik sabitinin vakumun dielektrik sabitine oranına k bağıl dielektrik sabit ve uygulamada kısaca yalıtkanın dielektrik sabiti denir. Tablo 7.1' de görüldüğü gibi, k dielektrik sabiti bütün yalıtkanlarda 1' den büyüktür.

Yalıtkanların dayanabileceği elektriksel alan şiddeti sınırlıdır. Eğer uygulanan gerilim kritik bir değeri aşarsa yalıtkanda, özellikle kusurlu bölgelerde mevcut elektronlar enerji aralığını atlayarak serbest hale geçer, bunlar da diğer elektronlara çarparak bir elektron seli oluşturabilirler. Bunun sonucu olarak malzemenin yalıtkanlık özeliği kaybolur. Buna elektriksel göçme denir. Her yalıtkan bu göçmeye karşı belirli bir dielektrik dirence sahiptir. İç yapı kusurları, kimyasal bozulum, çatlaklar, boşluklar ve yüksek sıcaklık bu direnci azaltır.

•

Bir malzemenin yalıtkanlık özelliğinin kaybolması olayına elektriksel göçme denir.*

Sıcaklık arttığı zaman iyonların ve moleküllerin hareket yeteneği artacağından kutuplaşma daha kolay olacağından dielektrik sabitler artar. 7.3. Manyetik Özellikler Cisimlerin manyetik özellikleri elektronların gerek kendi eksenleri etrafında dönmeleri ve gerekse atom çekirdeği çevresinde yörünge hareketi yapmaları sonucu oluşur. Hareket eden her elektriksel yük bir manyetik alan oluşturur, bundan dolayı her elektron çok küçük bir mıknatıs sayılır. Atomdaki bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur, bunlar da kendi eksenleri etrafında bağıl olarak ters yönde döndüklerinden birbirlerinin manyetik alanını yok ederler. Bir atomun enerji bantları tam dolu ise çift sayıda elektronu vardır, dolayısıyla net manyetiklik yoktur. Eğer bir atomda dolmamış enerji düzeyi varsa ve toplam elektron sayısı tekse bireysel atomda manyetik alan doğar ve bu alanın bir çift kutbu (dipol) vardır. Bu şekildeki bireysel atomların manyetik kutupları rasgele yönlenmişse kütlenin net alanı sıfır olur.

•

Ancak bireysel atomların manyetik kutupları paralel olacak şekilde yönlenirse kütlede net bir manyetik alan doğar. *

7.3.1. Manyetik Alan Manyetik alanın varlığı yaptığı etki ile belli olur. İçinden akım geçen bir iletken tel bobinin oluşturduğu manyetik alanın şiddeti H, bobinin bir metresindeki sarım sayısı ile içinden geçen akımın çarpımına eşittir ve birimi (Amper X Sarım/m)' dir. Vakumda bu alanın doğurduğu manyetik akı yoğunluğu B, aşağıdaki bağıntı ile tanımlanır.

Burada ηo ortamın manyetik geçirgenliğidir ve değeri vakumda 4p x 10-7 Henry/m dir. Manyetik akı yoğunluğu B ise Weber m2 olarak ölçülür. Ortamda oluşan manyetik kuvvet çizgilerinin sayısı da manyetik akı yoğunluğunu belirtir. Manyetik alana gösterilen tepki, içine konan cismin türüne göre değişir ve manyetik geçirgenlikleri vakumdaki ηo dan farklı olur. η'nün ηo 'a oranı o ortamın vakuma göre bağıl manyetik geçirgenliğini verir. 7.3.2. Manyetiklik Türleri Üç tür manyetiklik vardır:

• • •

Diyamanyetik Paramanyetik Ferromanyetik

Diyamanyetik özellikle manyetik alana gösterilen tepki eksi yöndedir, kuvvet çizgilerin sıklığı vakuma göre daha azdır. Diyamanyetik cisimlerin manyetik geçirgenliği vakumdakinden ortalama 10-6 katı kadar daha azdır.

Paramanyetik özellikte tepki artı yöndedir ve çok zayıf çekme oluşturur, kuvvet hatları vakuma göre biraz daha sıklaşır. Paramanyetik cisimlerin manyetik geçirgenliği vakumdakinden ortalama 10-5 katı kadar daha büyüktür. Ferromanyetik özellikte ise manyetik alana karşı gösterilen tepki çok kuvvetlidir. Ferromanyetik cisimlerin manyetik geçirgenliği vakumdakinin 103-105 daha fazladır, manyetik kuvvet çizgilerinin sayısı vakumdakine göre çok artar.

• • •

Diyamanyetik elementler: Cu, Ag. Zn, Bi. Paramanyetik elementler Al, Pt, O2. Ferromanyetik elementler: Fe, Ni, Co.

Uygulamada diyamanyetik ve paramanyetik cisimler manyetik olmayan, ferromanyetik cisimler ise manyetik olan cisimler sayılır. Kuvvetli manyetiklik özeliğine sahip metaller ve bileşikler manyetik alanda gösterdikleri davranışa göre yumuşak ve sert manyetik malzemeler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Hc manyetik cismin koerzif kuvveti veya demanyetizasyona karşı direnci denir. Bir çevrimde B manyetik akımın H manyetik alan şiddeti ile değişimini gösteren kapalı eğriye histerezis eğrisi denir. Bu kapalı eğrinin alanı bir çevrimde kaybolan enerjiyi verir ve bu enerji ısıya dönüşür. Manyetiklik özeliğine göre mıknatıslar sert ve yumuşak olmak üzere iki türe ayrılırlar. Yumuşak mıknatıslarda B, bir manyetik alan ile manyetik akı hızla artarak Bd doyma noktasına erişir, kalıcı manyetiklik zayıftır ve küçük bir Hc ters manyetik alanı ile dolayca kaybolur, histerezis alanı küçüktür, dolayısıyla bu tür malzemelerde değişken manyetik alanda enerji kaybı düşüktür. Sert mıknatıslarda ise manyetik akıyı arttırmak zordur, Bd doyma noktasına erişmek için kuvvetli manyetik alana gerek vardır, kalıcı manyetik akı yüksektir ve bunu yok etmek için büyük Hc manyetik alanına gerek vardır. Bu mıknatıslarda histerezis eğrisinin alanı büyük olduğundan değişken manyetik alan etkisinde enerji kaybı yüksektir ve çok ısınırlar. Yüksek sıcaklık ve mekanik darbe manyetikliği azaltır. 780 ° C nin üstünde (Curie sıcaklığı) demirin manyetiklik özelliği kaybolur. 7.3.3. Manyetik Malzemeler Bunlar yumuşak (veya geçici) mıknatıslar, ve sert (veya sürekli) mıknatıslar olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Yumuşak mıknatıslarda manyetik geçirgenlik yüksek, kalıcı manyetiklik az, histerezis eğrisinin alanı küçüktür. Mekanik yönden de yumuşaktırlar. Özellikle değişken akımlı uygulamada kullanılacak manyetik malzemelerde histerezis kaybının az ve içlerinde oluşacak girdap akımlarının küçük olması gerekir. Arı demir iyi bir yumuşak mıknatıs olabilir, ancak alternatif akımlar için elverişli değildir. Demirin içinde % 2-5 Si katarak elektriksel direnç çok arttırılır ve ayrıca araları yalıtılmış çok ince saç halinde kullanılırsa girdap akımları düşük düzeye indirilir. Dinamo sacı bu tür FeSi alaşımdan yapılır. FeSi alaşımları dikkatle haddeleme ve tavlamaya tabi tutularak <100> doğrultuları ana doğrultuya paralel yapılır ve bu şekilde manyetik geçirgenlik çok daha fazla artırılır. Yüksek frekanslı uygulamalar için Fe-Ni alaşımlar (permaloy ve supermalloy) daha elverişlidir. Fe-Ni alaşımları tavlanıp manyetik alanda soğutulursa çok kolay manyetiklik kazanır ve histerezis alanı daha da küçük olur, şerit ve ince saç haline getirilerek bilgisayar ve manyetik amplifikatör transformatörlerinde kullanılır. 106 Hz ten yüksek frekanslı uygulamalarda metal türü yumuşak alaşımlar mıknatıs yapmaya elverişli değildir, bunlarda girdap akımı kayıpları yüksektir. Bunların yerine çok küçük parçacıklardan oluşan (50 mµ, dan az) demir oksitli bileşiklerinden yapılmış ferrimanyetik türde yumuşak seramik mıknatıslar kullanılır. Bunların hem manyetik özelikleri iyi, hem de elektriksel dirençleri yüksektir ve yalıtkan sayılırlar. (MnZn) Fe2O4 yumuşak seramik mıknatıs olarak TV ve FM alıcılarında yüksek frekanslı transformatör yapımına uygundur. Bu malzeme toz halinde bulunur, yüksek sıcaklıkta basınç altında sinterleme ile kütle haline getirilerek biçim verilir. Sürekli mıknatıs üretiminde kullanılan sert manyetik malzemeler üç sınıfa ayrılır: Çelikler, mıknatıs alaşımları ve oksit ve seramik türü mıknatıslar. Sert mıknatıslar mekanik yönden de serttir, ya döküm veya toz metalürjisi yöntemi ile üretilirler, ancak taşlama ile şekil verilebilirler. Bunlar üretim süresinde yüksek sıcaklıkta kuvvetli manyetik alan uygulayarak mıknatıs haline getirilirler. Sürekli mıknatısların yüksek kalıcı mıknatıslık ve yüksek koerzif kuvvet Hc ye sahip olmaları istenir.

Mıknatıs üretimi için alaşımlı çelikler kullanılabilir. Bunlar önce su verilerek sertleştirilir sonra yüksek elektromanyetik alan etkisinde manyetik hale getirilir. Diğer mıknatıs alaşımlarında genellikle demir yoktur veya varsa az miktardadır, örnek olarak (Al, Ni, Co, Fe), (Cu, Ni, Fe), (Cu, Ni, Co) ve (Ag, Mn, Al) alaşımları gösterebilir. 7.4. Optik Özellikler Işık elektromanyetik dalgalar halinde yayıldığından optik özeliklerle dielektrik özelikler yakından ilgilidir. Cisimlerin elektron yapıları ışık dalgaları arasındaki etkileşmeler optik özellikleri belirler. Bu özellikler

• • • • • •

• •

Saydamlık, Opaklık Yansıtma Kırılma Yutma Renklilik Fotoiletkenlik Lüminesans

olarak sıralanabilir. Endüstride geniş uygulama alanı olan lazerler ve güneş pilleri optik özeliklerden yararlanılarak geliştirilmiştir. Atomların çevresindeki elektronlar ancak belirli enerji düzeylerinde kararlı yörünge hareketi yaparlar. Elektron bir üst enerji düzeyine geçerken belirli miktarda enerji yayar. Bu enerjinin foton denen küçük parçacıkların dalga hareketi ile yayıldığı varsayılır. Bu yolla oluşan radyasyon veya elektromanyetik dalgaların frekansı, fotonların sahip olduğu enerji ile orantılıdır ve orantı katsayısına Planck sayısı denir. Frekansla dalga boyu ters yönde değiştiğinden frekans arttıkça dalga boyu küçülür, dolayısıyla enerji de artar. Görünen ışık bölgesindeki elektromanyetik dalgaların boyu 7400- 3500 Å arasındadır. Bu dalgalar da metalleri geçemezler. Işığı geçirmeyen bu tür malzemelere opak denir. Diğer taraftan cam gibi bazı yalıtkan (dielektrik) malzemelerin atomları geniş enerji aralığına sahip bulunduğundan ışık fotonları etkilenmeden geçebilir. Bunlara da saydam cisimler denir. Bir de malzemelerin ışığı yansıtma özeliği vardır. Genel olarak hiç bir katı cisim üzerine düşen radyasyon dalgalarını ne tam olarak yansıtır nede tam olarak geçirir. Metallerin büyük çoğunluğu iyi yansıtır, ancak çok ince filim halinde (mikrondan az) kesilirse ışığı biraz geçirebilir. Yalıtkanlar ise türüne bağlı olarak dalgaları kısmen yansıtır ve kısmen de geçirir. Bazı frekanslarda iyi yansıtıcı olan bir cisim bazı frekanslarda ise iyi emici olabilir. 7.4.1. Kırılma İndisi

•

Kırılma indisi küçük olan malzemelerde ışığın yayılması kolaylaşır, cisim ışığı yansıtır.*

Işığın vakumdaki C hızının malzeme içindeki v hızına oranına o malzemenin n kırılma indisi denir.

Kırılma indisinin karesi, o cismin k dielektrik sabitine eşittir. Dielektrik sabit frekansın fonksiyonu olduğundan ışığın bir katı içinde yayılma hızı da frekansa bağlı olur. Işık dalgasının frekansı artarsa k dielektrik sabit azalır, kırılma indisi küçülür, dolayısıyla ışığın yayılma hızı artar. Katılarda elektromanyetik, dalgalarla kutup çiftleri arasında karşılıklı etkileşmeler nedeni ile dielektrik sabitler büyüktür, bu nedenle yoğunluk arttıkça kırılma indisleri de artar. Bir silis camına (SiO2) Pb veya Ba katılırsa yoğunluk artar, bunun sonucu kırılma indisi de büyür. Elementlerin atom sayısı arttıkça elektronlarının sayısı da çoğalır, bu tür atomları içeren kristallerde kırılma indisi de büyük olur. Camda ve yüksek simetrikliğe sahip kübik kristallerde kırılma indisleri yöne bağlı değildir, içeri giren ışık demeti yön değiştirir, fakat ayrışmaz. Asimetrik olan tetragonal ve hegzagonal kristallerde iki farklı kırılma indisi vardır, bu nedenle içeri giren ışık demeti hem yön değiştirir, hem de ikiye ayrılır, dışarıya iki paralel demet halinde çıkar. Buna çift kırılma (birefrenjans) olayı denir. Kırılma indislerinin farkı çift kırılma ölçüsü olarak kullanılır. Beyaz ışık değişik dalga boylu dalgalar spektrumundan oluşur. Bu spektrumda her ışığın belirli dalga boyu vardır. Saydam ve prizmadan geçirilen beyaz ışık dalga boyları kırmızıdan mora doğru azalan bir renk tayfına ayrılır. Mor uca yaklaştıkça frekanslar dolayısıyla enerjiler artar. Bu arada ortamdan geçerken yutulan dalga tayfta siyah bir şerit halinde görülür. Katkı maddelerini değiştirerek emilen dalga aralığı da değiştirilebilir. Saf silis camı (SiO2) görünen ışıkla dalga boyu 2000 A° e kadar olan ultraviyole ışınlarını, boron - silis camı 3000 Å e kadar ışınları,

pencere camı ise (soda - kireç camı) 3000 Å e kadar olan ışık dalgalarını geçirirler. Yukarıda belirtildiği gibi görünen ışık dalgaları 7400 - 3500 Å arasındadır. Bir cisimden emilmeden dışarı çekilen ışık dalgaları o cismin rengini belirler. Genellikle iyonsal kristallere ve camlara geçiş (tranzisyon) ve nadir toprak metallerinin iyonları katılarak renklendirme sağlanır. Ti sarı, Cr sarıyeşil, Mn mor, Fe sarı-yeşil, Co mavi ve Ni mor-kahverengi renk sağlar. Saf Al2O3 kristali olan korondum saydam ve renksizdir, içine katılan krom oksidin Cr2+ iyonları miktarına göre pembeden koyu kırmızıya dönen renk verir (yakut). Koronduma titan oksit katılırsa mavi renkli safir, ferrik oksit katılırsa sarı renkli topaz elde edilir. Bunlar doğada bulunan değerli minerallerdir. 7.4.2. Optik Malzemeler Uygulamada kullanılan optik malzemelerin en önemli özelliği ışık geçirgenliğidir. 10 mm kalınlıkta bir malzemeden geçen ışığın gelen ışığa göre yüzdesi geçirgenlik ölçüsü olarak kullanılır. Optik camda görünen ışık geçirgenliği % 100' e yakındır, metil metakrilatta % 90, silisyum yarı iletkeninde % 50 civarındadır. Cam dış etkilere dayanıklı, boyutları kararlı ve tıraş edilerek işlenmeye elverişli olduğundan en üstün optik malzemedir. Bazı plastikler uygun kırılma indisine ve yüksek geçirgenliğe sahip olmakla beraber kolay çizilir, boyutları kararsız ve hassas işlenmeleri zordur. Ancak ucuz plastik mercekler kalıpla üretilebilir. Hafif ve çarpmaya dayanıklı olduklarından koruyucu gözlük ve emniyet perdeleri üretimine elverişlidirler. Çok ince arı cam lifleri üzerleri kaplanırsa ışığı çok az kayıpla 1 km' den daha fazla uzağa iletebilirler. Haberleşme tekniğinde modüle edilmiş ışık dalgaları sinyal iletiminde kullanılırlar. Optik yönden izotrop ve saydam olan camsı polimerler kristalize olunca kırılma indisleri doğrultuya bağlı olarak değişir ve yarı saydam olurlar. Bazı camlar ve polimerler gerilme etkisi altında optik yönden olur ve bifrefrenjen özeliği gösterirler. Bu özeliğe sahip malzemeler fotoelastik malzemeler denir, örneğin polistiren fotoelastisite de deneysel gerilme analizinde kullanılır. Geri yansıyan dalgalar sürekli olarak fotonların sayısını arttırırlar. Aynı elemanın atomlarından yayılan fotonların dalga boyu aynıdır. Enerjileri çok yükselen aynı fazda yalın lazer ışınları yarı saydam uçtan dışarı çıkarak yayılırlar. Bu şekilde elde edilen lazer ışınları dağılmadan toplu olarak uzak mesafeye yayılır ve kolaylıkla bir noktaya teksif edilerek yüksek enerji verebilir. Bu nedenle endüstride ergitme ve kesme işlerinde, tıpta ameliyatlarda, haberleşmede modülasyonla bilgi iletmede, topografyada uzaklık ölçme işlerinde ve fotoğrafçılıkta geniş ölçüde kullanılır. 7.5. Termal (Isıl) Özellikler Bu bölümde termal enerji ile ilgili özgül ısı, termal genleşme, termal iletkenlik ve termoelektrik etki gibi uygulamada önemi olan termal özelikler ele alınacaktır. Üzerine kaynar su dökülen camın çatlaması, porselen kap yerine alüminyum kapla içilen çayın dudağı yakması, genleşmesi kısıtlanmış bir elemanın sıcaklık etkisi ile çarpılması veya kırılması günlük yaşantıda görülen termal olaylardır. Bu olayların nedenleri araştırılacak ve bağlı olduğu kurallar tanıtılacaktır. Katı cisimlere verilen ısıl enerjinin bir kısmı atomik titreşimlerin ve serbest elektronların kinetik enerjisini arttırmaya, bir kısmı da ısıl genleşme yolu ile potansiyel enerjiyi arttırmaya sarf edilir. Bunlardan başka bazı özel sıcaklıklarda ergime veya buharlaşma gibi faz değişimleri de önemli miktarda ısı yutar. 7.5.1. Termoelastik Titreşimler Atomların ısıl enerji etkisinde kendi denge konumları etrafındaki titreşimleri atomlararası bağ kuvvetleri nedeni ile cismin elastik özeliklerine bağlıdır, dolayısıyla bunlara termoelastik titreşimler denir. Bu titreşimler atomlar arası bağlarla komşu atomlara iletilerek termoelastik dalga halinde ses hızı ile yayılır. Belirli elastik enerjiye sahip termo elastik dalgaların davranışı bir gaz içinde rasgele hareket eden atomların ve moleküllerin davranışına benzetilir. Bundan esinlenerek termoelastik dalgaların belirli bir elastik enerji paketine sahip fonon denen parçacıkların davranışı ile temsil edilebileceği ileri sürülmüştür. Bu şekilde geliştirilen fonon teorisi ile elektronların enerji bantları teorisi, termal özellikleri tanıtmada ve bunların malzeme türüne göre değişimlerinin nedenini açıklamada önemli kolaylık sağlar. Belirli elastik enerjiye sahip termo elastik dalgaların davranışı bir gaz içinde rasgele hareket eden atomların ve moleküllerin davranışına benzetilir. Bundan esinlenerek termoelastik dalgaların belirli bir elastik enerji paketine sahip fonon denen parçacıkların davranışı ile temsil edilebileceği ileri sürülmüştür. Bu şekilde geliştirilen fonon teorisi ile elektronların enerji bantları teorisi, termal özellikleri tanıtmada ve bunların malzeme türüne göre değişimlerinin nedenini açıklamada önemli kolaylık sağlar.

•

Atomlarda termoelastik dalgaların belirli bir elastik enerji paketine sahip olan parçacıklarına fonon denir. *

7.5.2. Özgül Isı Bir cismin birim ağırlığının 1 °C arttırmak için gerekli ısıl enerjiye ısıl kapasite veya ısınma ısısı denir.

Isıl kapasitenin suyun ısıl kapasitesine oranlanmış bağıl değerine de Özgül ısı (C) denir.

Bir cisme verilen ısıl enerjinin büyük bir kısmı termoelastik titreşimlere veya fononlara, pek azıda (yüzde birkaçı) elektronlara sarf edilir. Fononların enerjisi aynı kalır, ancak sayıları sıcaklıkla orantılı olarak artar, dolayısıyla iç enerji de sıcaklıkla orantılı olarak yükselir, orantı katsayısı cismin özgül ısısıdır. Genellikle, cisimlerde termo elastik titreşimler benzerdir, özgül ısıları yaklaşık olarak aynıdır ve gaz sabiti R' nin 3 katı kadardır. (R=1,987 kal/gr mal °C). Cisimlerin özgül ısıları sıcaklıkla değişmez, ancak mutlak sıfıra yaklaşırken hızla azalarak sıfır olur. Cisimlerde içyapı veya faz dönüşümleri için belirli termal enerjilere gerek vardır. Birim ağırlıkta bir katının sıvı hale geçmesi için gerekli ergime ısısı sıvının gaz halinde geçmesi için gerekli buharlaşma ısısı birer ısıl özellik sayılır. Sıvı katılaşırken açığa çıkan ısıda buharlaşma ısısına eşittir. 7.5.3. Isıl İletkenlik

•

Isı iletim mekanizmaları * o Kondüksiyon o Konveksiyon o Radyasyon

Katı cisimlerden metallerde ısıl enerji fononların ve serbest elektronların dalga hareketi ile, iyonsal ve kovalan bağlı yalıtkanlarda ise yalnız fononların dalga hareketi ile iletilir. Buna kondüksiyon yolu ile ısı iletimi denir. Gaz ve sıvı haldeki akışkanlarda ise ayrıca kendi içindeki atomların ve moleküllerin kütle halinde hareketi ile sağlanan konveksiyon yolu ile ısı iletimi vardır. Bir üçüncü tür ısı iletimi de elektromanyetik dalgaların taşıdığı enerjinin ışınım veya radyasyon yolu ile iletimidir. Elektromanyetik dalgaları oluşturan fotonlar cismin yüzüne çarpınca bir kısım enerjilerini cisme verirler. Foton dalgaları boşlukta da yayıldığından iletici ortama gerek yoktur. Bilindiği gibi güneş enerjisi yer yüzüne radyasyon yolu ile ulaşır. Fononların ve serbest elektronların davranışı bir gaz içinde bulunan atomların ve moleküllerin davranışına benzetilir. Sıcak bölgedeki yüksek enerjili fononlar termoelastik dalgalar halinde yayılır ve civarda soğuk bölgedeki fononlara çarparak bir kısım enerjilerini verir ve hareketlerini şiddetlendirir. Böylece ısıl enerji sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru iletilmiş olur. Aynı şekilde yüksek enerjili serbest elektronlar da dalga hareketi ile ısıl enerjiyi soğuk bölgedekilere iletirler. Bir cismin içinden geçen ısıl enerji akışı q (kal/cm2, san) (veya enerjinin iletim hızı) rejim halinde sıcaklık gradyanı dT/dx (C/cm) ile orantılıdır.

Burada q birim alandan birim sürede geçen ısıl enerjiyi gösterir, Orantı katsayısı, k, ya cismin ısıl veya termal iletkenliği denir ve birimi (kal/cm. san °C) tır. Yukarıdaki bağıntı rejim hali, yani sıcaklığın zamanla değişmediği haller için geçerlidir. Eksi işaret ısının sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru aktığını gösterir. Genellikle ısıl iletkenlik, elektriksel iletkenlik ve atomsal yayınım arasında benzerlik vardır. Isıl iletkenlik ortamın türüne, yapısına ve sıcaklığa bağlıdır. Kusursuz kristaller 0° K de bir fonon dalgasının yayılması için ideal bir ortamdır. Yansıma olmadan uzak mesafelere kadar yayılabilirler, dolayısıyla ortalama serbest yol büyük olur. Ancak sıcaklık yükseldiği zaman fononların sayısı artar ve kristal yapıda kusurlar doğar. Dolayısıyla sayıları artan fonon dalgaları arasındaki girişimlerle kusurlar serbest yolu azaltır. Ayrıca gerçek kristalde bulunan yabancı atomlar, boş kafes köşeleri, yabancı atomlar, dislokasyonlar ve tane sınırları bu dalgaları yansıtır ve serbest hareket yolu azaltır. Özgül ısı C 0° K' de sıfırdır, sıcaklıkla önce hızla artar sonra normal koşullarda pek değişmez. Fonon dalgalarının yayılma hızı, ν ses hızına eşittir ve yaklaşık olarak sıcaklıktan bağımsızdır. Bütün bu etkenler göz önünde alınırsa genellikle kristallerde fononların sebep olduğu ısıl İletkenlik sıcaklık artışıyla azalır. Amorf yapılı cisimlerde düzensiz dizili atomlar fonon dalgalarını yansıtır, dolayısıyla ortalama serbest yol çok küçüktür ve sıcaklıktan etkilenmez. Yalnız özgül ısı C sıcaklıkla biraz artar, ν hızı ise değişmez. Sonuç olarak bu tür malzemelerde ısıl iletkenlik sıcaklıkla sürekli olarak biraz artar. Metallerde ısıl iletimini sağlayan ana etken serbest elektron hareketleridir, fononların sağladığı katkı ise önemsizdir. Yüksek iletkenlerde (Cu ve Ag gibi) elektronların hem hızı hem de ortalama serbest yolu

fononlarınkinden 10-100 kat daha fazladır. Bununla beraber elektronların sağladığı ısıl iletkenlik fononların 10-100 kat daha fazla olacaktır. lyonik ve kovalent bağlı yalıtkanlarda ısıl enerji yalnız fonon dalgaları ile taşınır, bu nedenle ısıl iletkenlikleri, metallerinkine göre çok düşüktür. Bu malzemeler kristal yapılı ise ısıl iletkenlikleri sıcaklıkla azalır, amorf yapılı iseler biraz artar. Tek kristalli metallerde ısıl iletkenlik anizotropi nedeni ile kristal doğrultusuna bağlıdır, ancak çok kristalliler izotrop sayıldığından bu özellik her doğrultuda aynıdır. Soğuk şekil değiştirmenin oluşturduğu izotropi de ısıl iletkenliği etkiler. Yüksek alaşımların iletkenliği arı metallerden daha düşüktür ve ortalama 1/10' u civarındadır. Örneğin ostenitik çelikler pratik olarak bu bakımdan yalıtkan sayılırlar. İçlerindeki yabancı atomlar hem fonon hem de elektron dalgalarını yansıtırlar, bu nedenle ortalama serbest yol küçük, dolayısıyla ısıl iletkenlik, k küçük olur. 7.5.4. Isıl Yalıtkanlık En iyi yalıtkanlar yüksek boşluk oranlı veya gözenekli malzemelerdir. Gözenekler içinde hareketsiz havanın, iletkenliği çok küçüktür. Gözenek çapı büyürse içinde doğacak hava akımı etkili olur ve iletkenliği biraz arttırır. Bu nedenle yalıtım malzemelerinin çok sayıda küçük boşluklar içermesi tercih edilir, özelikle yüksek sıcaklıkta çalışan fırınlarda bu tür boşluklu malzemeler veya sinterlenmiş seramik tozlarından yapılmış tuğlalar kullanılır. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan yalıtkan malzemelere refrakter malzemeler denir. Bu tür malzemeler uzun süre yüksek sıcaklığa maruz kaldıkları zaman sinterleme etkisi ilerler, boşluklar azalır ve yoğunluk artarsa yalıtkanlık özelliği düşer. İnce karbon tozlarında bu tür değişme olmaz, bu nedenle grafitten yapılmış refrakterler yüksek sıcaklıkta daha iyi sonuç verir. En iyi yalıtkan ortam vakumdur, bu nedenle termos şişelerinde iki cidar arasında vakum bulunur. Sıvı He ve Sıvı N kapları vakumla yalıtılır. Gözenekli plastikler düşük sıcaklıkta vakuma yakın yalıtkanlık sağlarlar. Çok düşük sıcaklıkta gözeneklerdeki gazlar (O2, N) yoğuşunca geriye vakum kalır. Bu tür yalıtkanlar kriyojenlik (aşın düşük sıcaklık) uygulamalara elverişlidir. 7.5.5. Termal Genleşme Bütün cisimler ısıtılınca genleşir, soğuyunca büzülür. Buna neden atomlararası bağ enerjisi eğrisinin asitmetrik oluşu, dolayısıyla sıcaklıkla atomlararası uzaklığın artmasıdır. Bağ enerjisi eğrisinin asitmetriklik derecesi arttıkça ısıl genleşme de büyür. Eğer sıcaklık artarken faz dönüşümü oluşursa dönüşüm türüne göre ayrıca hacim ya artar veya azalabilir. Isıl genleşme katsayısı birim sıcaklık değişmesinde birim boyda oluşan artma olarak tanımlanır. Burada ΔT sıcaklık farkı, ΔL, L boyundaki artış, α ise lineer ısıl genleşme katsayısıdır. Hacimsel genleşme katsayısı α nın üç katıdır. Genellikle atomlar arası bağları kuvvetli, dolayısıyla yüksek ergime sıcaklığına sahip olan cisimlerde bağ enerjisi çukuru daha derin ve simetrikliğe daha yakındır, bundan dolayı ısıl genleşme katsayıları daha düşüktür. Özelikle moleküller arası zayıf bağlara sahip lineer polimerlerde, ısıl genleşme çok yüksektir. Eğer bu tür termo plastiklerde kuvvetli çapraz bağ oluşur ve sayısı artarsa ısıl genleşme katsayıları azalır. Sürekli kovalent bağlı termoset türden bakalitler de ısıl genleşme diğer polimerlere göre daha düşüktür. 7.5.5.1. Termal Şok Kuvartz' ın (SiO2) ısıl genleşme katsayısı pencere camınkinin 15' de biri kadardır, bu nedenle ısıl şoka dayanır. Isıl iletkenliği düşük, fakat ısıl genleşmesi yüksek cam üzerine sıcak su dökülürse gevrek olan cam bu ani bölgesel hacim artışına ayak uyduramaz ve çatlar, buna termal şok denir.

•

Ani sıcaklık değişimi ile gerçekleşen olaya termal şok denir.

Termal şok parametresi P, malzemelerin ani sıcaklık değişmelerine çatlamadan dayanabilmelerini karşılaştırmaya yarar. Bu parametre aşağıdaki bağıntı ile tanımlanır,

K Isıl iletkenlik katsayısı E Elastisite Modülü α Isıl Genleşme Katsayısı σ ç Çekme Mukavemeti Bu bağıntıdan görülebileceği gibi düşük mukavemetli malzemelerin elastisite modülü de küçük olursa plastiklerde olduğu gibi, termal şoka dayanması beklenir. Bir cismin ısıl iletkenliği büyük, termal genleşme katsayısı düşük olursa termal şok direnci iyidir. Uygulamada yan yana konan ve birlikte çalışacak olan farklı termal genleşmeye sahip elemanlar arasında doğacak termal gerilmelerin kritik değerler altında kalması gerekir ve bunun için uygun önlemler alınır.

Refrakter tuğlalar örülürken tuğlalar arasında bırakılan genleşme payı (derz) buna bir örnektir. Bölüm 8-MEKANİK ÖZELLİKLER 8.1. Malzemelerde Mekanik Özellikler Mekanik özellikler, uygulamada zorlamaya maruz kalacak malzemelerin en önemli özelliğini oluştururlar. Bir malzemenin uygulanan dış kuvvetlere karşı gösterdiği davranış genellikle şekil değiştirme ve kırılma şeklinde kendini gösterir. Yapı sistemlerinin mukavemet hesapların da bu özelliklerin iyi bilinmesine gerek vardır. Bir katı cismin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki mekanik davranış olarak tanımlanır. Bu davranışın biçimi mekanik özellikleri belirler. Mekanik özellikler değişik tür zorlamalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmeleri ölçerek ve gözleyerek saptanır. Cisimler artan dış zorlamalar altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılır. Düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik, yani tersinirdir. Gerilme belirli bir sınırı aşarsa kalıcı yani plastik şekil değiştirme oluşur. Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç veya rijitlik malzemenin elastisite modülü ile belirlenir. Malzemelerin iç yapısında kalıcı değişim veya kırılma oluşturan herhangi bir gerilme sınırı mukavemet olarak tanımlanır. Bazı mekanik özellikler iç yapıya ve deney koşullarına bağlı değildir. Elastisite modülü bu tür bir özelik olup atomlar arası bağlar tarafından belirlenir ve iç yapıya duyarlı değildir. Diğer taraftan malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğini temsil eden süneklik ile mukavemet ve sertlik gibi sınır gerilmelerle ilgili özellikler iç yapıya ve deney koşullarına büyük ölçüde bağlıdır, örneğin bir yapı çeliğinin sünekliği oda sıcaklığında %35 iken - 250°C ta %1' e düşer. Bu çelik oda sıcaklığında %35 lik bir şekil değiştirme sonunda kırıldığı halde uygun bir işlemle iç yapısı değiştirilirse (su verme işlemi gibi) aynı koşullarda bu değer % 1-2' ye düşer, sertlik ve mukavemet ise 2-3 kat artabilir. Mekanik özelliklerin kaynağı atomlar arası bağ kuvvetleri olmakla beraber iç yapıya ve çevre koşullarına büyük ölçüde bağlı olduklarından aralarında doğrudan bir bağ kurmak imkansızdır. Atomsal teoriler birçok olayları niteliksel yönden açıklamada yararlı olmakla beraber nicelik yönünden yetersizdir, örneğin bir çeliğin bileşimi aynı kaldığı halde ısıl işlemle sertlik ve mukavemeti 2-3 kat arttırılabilir. Aradaki bu büyük farkı atomsal teoriler açıklayamaz, bunun için iç yapı değişimlerini göz önüne almak gereklidir. Şekil değiştirme sürecinde atomların nasıl davrandıklarını ve iç yapıda ne gibi değişikliklerin oluştuğunu bilmek gerekir. İç yapıyı değiştiren etkenler özellikleri de değiştirir. Bu etkenler ve uygulama yöntemleri iyi bilinirse iç yapıda gerekli değişiklikler yapılarak özellikler uygulama amacına uygun olarak ayarlanabilir. Ancak bu ayarlamalar doğal olarak sınırlıdır ve uygulayıcıların bu sınırları bilmesi gerekir. 8.2. Malzemelerin Mekanik Davranışı Bu başlık altında aşağıdaki konulara değineceğiz. • Mekanik Davranışın Temel Kavramları • Çekme Deneyi • Şekil değiştirme işi ve tokluk • Basınç Etkisi Altında Davranış • Kayma Gerilmeleri Etkisinde Davranış • Sertlik 8.2.1. Mekanik Davranışın Temel Kavramları Cisimlerin uygulanan dış kuvvetlere karşı gösterdiği tepkiye mekanik davranış denir. Sürekli artan kuvvet altında önce şekil değiştirme oluşur. Düşük yük altında şekil değiştirmeler elastik, diğer bir deyimle tersinirdir, yük artarsa bazı malzemelerde kalıcı veya plastik şekil değiştirme meydana gelir, nihayet yük bir sınırı aşarsa kırılma olur. Bütün bu süreçlerde her cismin kendine göre davranış biçimi vardır ve bu davranış biçimi mekanik özelikleri belirler. Bir cisme etki eden kuvvetler yerine parça boyutlarından bağımsız olarak zorlama şiddetini belirten gerilme esas alınarak, birim alana etki eden kuvvet gerilme olarak tanımlanır. Bu durumda parçanın kesiti A ise normal gerilme: Teğetsel veya kayma gerilmesi ise: 8.2.2. Çekme Deneyi

Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bilgilerini saptamak ve malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır. Çekme deneyi standartlara göre hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekme kuvveti uygulandığında, aynı esnada da numunenin uzaması kaydedilir. Şekil 8.1' de çekme deneyinin yapılışı ve diyagramın çizilmesi gösterilmektedir.

Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki mekanik özellikler bulunabilir. • Elastisite modülü • Elastik sınırı • Rezilyans • Akma gerilmesi • Çekme dayanımı • Tokluk • % uzama • % kesit daralması Çekme deneyine tabi tutulan numunenin yukarıda belirtilen özelliklerin sıhhatli bir şekilde ortaya çıkarılabilmesi için, alındığı malzemeyi tam olarak temsil edebilmesi şarttır. Şekil 8.2' de bir alüminyum alaşımı için gerilim-% uzama eğrisi görülmektedir.

Çekme deneyi genellikle yuvarlak veya dikdörtgen kesitli çubuklar üzerinde yapılır. Bir hidrolik çekme makinesinin konik çeneler arasına bağlanan deney çubuğu basınçlı yağ etkiyen bir piston yardımı çekilir. Yağ basıncından pistona etkiyen yük ölçülür. Ayrıca parçanın üstüne tespit edilen bir ekstansometre ile de uzamalar ölçülür. (Şekil 8.3a) N yükü etkisinde oluşan gerilme: σ= N/Ao , Kesit alanı: Ao= Πdo2 / 4 Bu yük altında ilk boyu Io olan kısımda oluşan uzama Δl dir. Şekil değiştirme oranı (birim boydaki artış): ε = (l - Io) / Io =Δl/Io Yükü kademe kademe arttırarak elde edilen gerilmelerle şekil değiştirmelerin değişimi Şekil 8.3b deki diyagram halinde gösterilebilir. Cisimlerin çoğunda düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik, yani tersinirdir. Bu bölgede yük artışı ile ekstansometre ibresinde önce bir artış yükün kaldırılmasıyla da ibre sıfıra döner. Başlangıçta diyagram doğru şeklindedir, yani gerilmelerle şekil değiştirmeler orantılıdır.

• • • •

Bu orantı sabitine elastisite modülü veya Young Modülü (E) denir. Gerilmelerle şekil değiştirmelerin orantılı olduğunu gösteren σ= Exε bağıntısına Hooke kanunu denir ve yalnız lineer elastik şekil değiştirmeler için geçerlidir. * Elastisite modülü büyük malzemelere rijit (zor şekil değiştiren), küçük olanlara fleksibl (kolay şekil alan, esnek) malzeme denir, Örneğin metaller rijit, plastikler fleksibl malzeme sayılır.

Gerilmeler orantı sınırı σp yi aşarsa Hooke kanunu geçerli olmaz. Bu sınırın üstünde çok dar bölgede malzeme nonlineer elastik davranış görülür. Gerilmeler elastik sınır σe yi aşacak olursa kalıcı plastik şekil değiştirmeler oluşur. Oluşan toplam şekil değiştirmenin bir kısmı elastik olup yük boşaltılınca kaybolur bir kısmı ise kalıcıdır ve ekstansometre ibresi sıfıra dönmez, dolayısıyla kadran üzerinde okunabilir

Bu plastik bölgede yükleme ve boşaltma eğrisi de bir doğrudur ve diyagramın başlangıçtaki kısmına paraleldir. Buradan çıkan sonuca göre plastik bölgede de elastik şekil değiştirmeleri karekterize eden elastisite modülü aynıdır ve bunun için de Hooke kanunu geçerlidir. Elastik sınır için plastik bölgenin başlangıcı olarak akma sınırı alınır. (A, Akma sınırı veya akma mukavemeti % 0.2 plastik şekil değiştirme oluşturan gerilmedir. Bu tanımdan yararlanılarak akma sınırını bulmak için sürekli yükleme ile elde edilen ( σ-ε) diyagramının şekil değiştirme ekseni üzerinde % 0,2 noktası işaretlenir ve bu noktadan diyagramın doğrusal kısmına paralel çizilir. Bu paralelin eğriyi kestiği noktaya karşı gelen gerilme akma sınırıdır. Kuvvet arttırılmaya devam edilirse bir Nm maksimum kuvvetine ulaşınca artış durur, sonra azalmaya başlar ve bu anda çubuğun bir bölgesinde kesitin daraldığı, yani büzüldüğü görülür. Maksimum kuvvete kadar olan uzamalar üniformdur, silindir biçimindeki parça boyca artıp çapça daraldığı halde silindir biçiminde kalır. Büzülme başladıktan sonra yalnız bu bölgede ek uzamalar oluşur, kesit gittikçe daralır, diğer bölgelerde ise uzama olmaz dolayısıyla uzamalar üniform değildir. Büzülen bölgedeki uzamaları oluşturmak için daha az kuvvet gerektiğinden kuvvet ibresi düşmeye başlar ve sonunda Nk kopma kuvvetinde parça koparak ikiye bölünür. Çekme mukavemeti σç, çubuğun taşıyabileceği maksimum Nm kuvvetini ilk kesite bölerek elde edilir: σç = Nm/Ao Kopma mukavemeti (k , kopma anındaki Nk kuvvetini ilk kesit Ao' a bölerek elde edilir ( k = N k /A o Gerçek kopma mukavemeti (g k ise, kopma kuvveti Nk yi en dar kesit As, ye bölerek elde edilir. gk = Nk /As. Gerçek kopma mukavemeti σgk görünen kopma mukavemeti σk den çok daha büyüktür. Bir malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğine süneklik denir, Uygulamada işlenebilme yönünden önemli olan bu özelik çekme deneyinde kopma anında oluşan toplam plastik şekil değiştirme veya kopma uzama oranı ile belirtilir. Büzülme başlamadan önce oluşan şekil değiştirmeler üniformdur ve şekil değiştirme oranı ölçü boyu lo dan bağımsızdır. Ancak büzülme, başladıktan sonra uzamalar yalnız büzülme bölgesinde yerel olarak üniform olmayan bir biçimde artmaya devam eder ve bu bölge dışında durur. Uygulamada kolaylık amacı ile çubukların üzeri birer santim ara ile işaretlenir. Kopmadan sonra iki parça uç uca getirilir, lg ölçü boyuna karsı gelen çizgi sayısının yarısı kadar kopma bölgesinin solunda, yarısı kadarı da sağda sayılır, bu şekilde elde edilen iki sınır çizginin arası ölçülerek son boy ls bulunur. Çubuğun sünekliği εk aşağıdaki

bağıntıdan bulunur, Gerçek değerler şekil değiştirme süresinde cismin hacminin sabit kalması varsayımından yararlanılarak kolaylıkla bulunabilir. Gerçek gerilme: σg = N/A burada N, o anda uygulanan kuvvet, A gerçek kesittir. İlk hacim: Vo = Ao x lo, son hacim: V = A x l dir. lo çubuğun ilk boyu, l ölçme anındaki boyudur. Hacmin değişmemesi varsayımından V=Vo=Ao x lo = Axl Buradan: A = Ao x lo / l bu değer gerilme denklemlerinde yerine konursa σ =σ (1+ ε) elde edilir Toplam gerçek şekil değiştirme bu bağıntıyı entegre ederek elde edilir, εg =ln(1+ε) Gerçek, gerilme σp nin görünen σ gerilmesinden büyük, gerçek şekil değiştirme εg, nin ise görünen şekil değiştirme ε den daha küçük olduğu kolayca görülebilir. Deneyle bulunan görünen gerilme-şekil değiştirme eğrisinden hesapla nokta nokta gerçek gerilme-şekil değiştirme eğrisi elde edilir. şekil 8.3. de görüldüğü gibi bir A noktasındaki gerilme σ, şekil değiştirme ε den gerçek gerilme σg = σ (1 + e) bağıntısı hesaplanarak işaretlenirse A noktası düşey yönde B ye ötelenir. Gerçek şekil değiştirme εg = ln(l + e) bağıntısı ile bulunursa B noktası yatay yönde C ye ötelenir. Böylece görünen A noktasına karşı gelen C noktası bulunur. Bu yöntemle bulunan noktalar birleştirilirse gerçek gerilme şekil değiştirme eğrisi elde edilmiş olur. Uygulamada sistemler elastik bölgede çalıştırılır, dolayısıyla şekil değiştirmeler çok düşüktür ve çoğunlukla % 0,2 den azdır. Diğer taraftan proje mühendisleri hesaplarını şekil değiştirmemiş sistemlere göre yaptığından görünen gerilme şekil değiştirme eğrileri yeterli bilgi sağlar. Ayrıca görünen (σ - ε) eğrisini elde etmek oldukça kolaydır. Bununla beraber gerçek (σg - εg) eğrisinin malzeme mühendisleri için önemi büyüktür. Plastik şekil verme hesaplarında ve pekleşme özeliklerini saptamada bu eğriden yararlanılır. 8.2.3. Şekil Değiştirme İşi ve Tokluk

Bir cisimde belirli miktarda şekil değiştirme oluşturmak için gerekli iş hesaplanabilir. Şekil 8.4 de görülen çubuğun kuvvet (P) - uzama (Δl) diyagramı verilmiştir. Çubuğa P kuvvetinin uygulandığı ve Δl uzamasının oluştuğu varsayılır. Bu durumda çubuğun boyunu küçük δ1 kadar arttırmak için yapılacak iş (P - δ1) dikdörtgeninin taralı alanına eşittir:

Şekil 8.4: Şekil değiştirme işi ve tokluk. Burada P, δl aralığındaki ortalama kuvvettir. Bu bağıntıdan anlaşıldığı gibi bir cismin birim hacimde ε uzama oranı için oluşturulan şekil değiştirme enerjisi gerilme-şekil değiştirme (σ-ε eğrisi) alanının altında kalan alana eşittir.

•

Tokluk birim hacimdeki cismi kırmak için gerekli enerji olarak tanımlanır. *

Bu bağıntı bir cisimde plastik şekil değiştirme oluşturmaksızın depo edilebilecek maksimum elastik şekil değiştirme enerjisini verir. Bu malzeme özelliğine rezilyans denir, özellikle yay üretiminde kullanılacak malzemelerin yüksek rezilyansa sahip olmaları istenir. 8.2.3.1. Mukavemet Ve Tokluk Yönünden Değişik Tür Davranışlar Şekil 8.5' de tokluk ve mukavemet yönünden üç tipik malzeme davranışı görülmektedir. Birinci örnekte malzeme sünek davranış göstermesine rağmen tokluk ve mukavemeti düşüktür. İkinci örnekte hem tokluk hem de mukavemet yüksektir, malzeme büyük ölçüde enerji yutarak kırılır. Üçüncü örnekte ise mukavemet çok yüksek olmakla beraber tokluk düşüktür, malzeme çok az enerji ile gevrek türde kırılır. Az karbonlu çeliklerin mukavemeti, yüksek karbonlu çeliklere göre düşük olmasına karşılık tokluğu çok yüksektir. 8.2.3.2. Bazı Tipik Gerilme-Şekil Değiştirme Eğrileri

Çarpmaya maruz kalacak elemanların üretiminde, örneğin yol kenarlarındaki emniyet bariyerleri, araba tamponları gibi, yüksek mukavemetli çelik yerine düşük mukavemetli fakat yüksek tokluklu çelik tercih edilir. Yukarıdaki örneklerden anlaşılacağı gibi basit çekme deneyi ile elde edilen gerilme-şekil değiştirme diyagramları mekanik davranış yüzünden malzeme türleri hakkında çok yararlı bilgi sağlar. Bu diyagramlara bakarak malzemenin gevrek veya sünek olduğu saptanır. 8.2.4. Basınç Etkisi Altında Davranış Bir cismin yüzeyine etkiyen normal kuvvet bileşeni N (Şekil 8..6 b) dışarıdan içeriye doğru ise basınç gerilmeleri doğar. Metaller genellikle sünek cisimlerdir, basınç etkisinde de çekme etkisinde olduğu gibi elastisite modülü, orantılık sınırı elastik sınır ve akma sınırı vardır ve bunlar yaklaşık olarak çekmedeki değerlere eşittir. Basınç etkisinde kesit devamlı büyür, parça yassılaşır ve kuvvet uygulayan yüzeydeki sürtünme nedeni ile fıçı şeklini alır, gerilme sürekli artar, fakat ani kırılma görülmez (Şekil 8.7 a). Bu tür malzemelerde basınç deneyi yapmaya gerek yoktur. Taş, beton ve seramik gibi gevrek malzemeler basınç altında çok az şekil değiştirerek ya kayma veya yanal genişlemeden doğan çekme etkisi ile kırılırlar. Şekil 8.6 b' de görüldüğü gibi çekme ve basınç eğrileri birer doğru şeklindedir, fakat basınç mukavemeti çekme mukavemetinden çok daha büyüktür (ortalama 8 kat). Bu tür malzemelerde ise basınç deneyi zorunludur. 8.2.4.1 Basma Deneyi Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler. Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme

deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. Basma deneyinin diğer bir avantajı da çok küçük numunelerin bile kullanılabilmesidir. Bu avantaj, bilhassa çok pahalı malzemelerle çalışıldığında veya çok az miktarda malzeme bulunduğu durumlarda çok faydalıdır. Basma numunelerinde, uniform bir gerilme durumu elde edilmesi gayesiyle yuvarlak kesitli numuneler tercih edilir. Fakat kare veya dikdörtgen kesitli numuneler de kullanılabilir. 8.2.5. Kayma Gerilmeleri Etkisinde Davranış İkinci basit zorlama türü kayma gerilmeleridir, bunlara makaslama veya kesme gerilmeleri de denir. Basit kayma etkisinde cismin ana boyutları değişmez, yalnız açılar değişir. Şekil 8.8' de görülen kayma şekil değiştirmesi λ dik açıda meydana gelen değişmedir. Çok küçük kaymalar için, tan γ γ = Δl/h

Kayma gerilmesi: t=T/Ao Deney yapılacak olursa kayma gerilmesi t ile kayma şekil değiştirmesi λ arasındaki bağıntı şekil 8.8b de görüldüğü gibi olur. Küçük gerilmeler altında malzemeler gene lineer elastiktir. t=Gy 8.2.6. Sertlik 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. Diğer avantajı ise, bir malzemenin sertliği ile diğer mekanik özellikleri arasında paralel bir ilişkinin bulunmasıdır. Örneğin çeliklerde, çekme mukavemeti sertlik ile doğru orantılıdır; dolayısıyla, yapılan basit sertlik ölçmesi neticesinde malzemenin mukavemeti hakkında bir fikir edinmek ve karşılaştırma yapmak mümkündür. Sertlik izafi bir ölçü olup sürtünmeye, çizmeğe, kesmeğe ve plastik deformasyona karşı direnç olarak tarif edilir. Laboratuarlarda özel cihazlarla yapılan sertlik ölçümlerindeki değer, malzemenin plastik deformasyona karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik ölçme genellikle, konik veya küresel standart bir ucun malzemeye batırılmasına karşı malzemenin gösterdiği direnci ölçmekten ibarettir. Uygun olarak seçilen sert uç, tatbik edilen bir yük altında malzemeye batırıldığında malzeme üzerinde bir iz bırakacaktır. Sertlik en ilkel çağlarda taşları birbirine sürterek ölçülmüştür, Çizen cisim, çizilenden daha sert sayılır. Bugün halen minerallerin sertliğini ölçmede uygulanan Mohs sertliği bu yönteme dayanır. Bu yöntemde standart bir uçla oluşturulan çizginin genişliği ölçülerek değerlendirme yapılır. Uzun süredir uygulanan diğer bir sertlik yöntemi ise cismin yüzeyine bir standart bilye düşürüp sıçrama yüksekliğini ölçmeye dayanan Shore sertliğidir. Bu iki sertlik ölçme yöntemi yeterli duyarlık sağlayamadıklarından endüstride kullanma alanları çok sınırlıdır. Genel deyimle malzemenin sertliği test de elde edilen izin büyüklüğü ile ters orantılıdır. Sertlik ölçmeleri yapılırken kullanılan ölçme yöntemi ne olursa olsun, numunelerin üzerinde birkaç ölçme yapılıp ortalamasının alınması gerekir. Yapılan sertlik ölçümlerindeki değerler birbirinden çok farklı ise, farklı değer ortalamaya dahil edilmeyip bu farkın mevcudiyeti mutlaka belirtilmelidir. 8.3. Malzemelerin Şekil Değiştirmesi Bu bölümde dış kuvvetler etkisinde malzemelerin nasıl şekil değiştirdiği, şekil değiştirirken atomların nasıl davrandığı ve iç yapıda ne tür değişmelerin oluştuğu, diğer bir deyimle şekil değiştirme mekanizması ele alınacaktır. Daha önce mekanik davranış incelenirken malzemelerin sürekli bir ortam olduğu varsayılmış ve iç yapı değişimleri göz önüne alınmıştı. Gerçekte iç yapılarla mekanik özelikler arasında çok yakın ilişki vardır. İç yapıyı değiştiren her etken özelikleri de değiştirir. Uygulamada bu ilişkilerden yararlanarak çeşitli endüstriyel işlemler geliştirilmiştir. Bu işlemler yardımı ile özelikler uygulama amacına göre ayarlanabilir, örneğin tavlı bir çelik yumuşaktır, kolay işlenir, ancak çok aşınır. Bu çeliğe yumuşak halde kolayca şekil verilir, sonra su verme ile sertleştirilirse aşınma direnci çok artar, özelliklerdeki bu önemli değişmeler ancak iç yapılardaki değişmeler göz önüne alınarak açıklanabilir.

Malzemeler iç yapılarına göre kristal yapılı ve amorf yapılı olmak üzere iki türe ayrılırlar. Bunların şekil değiştirme mekanizmaları farklı olduğundan ayrı ayrı ele almak gerekir. Metallerin hemen tümü ile polimerlerin ve seramiklerin bir kısmı kristal yapılı, diğer malzemeler amorf yapılıdır. Buna göre uygulamada kullanılan en önemli malzemeler çoğunlukla kristal yapılı olduklarından bunların davranışları ile ilgili yoğun araştırmalar yapılmıştır. Bu araştırmalar sonucu kristallerin şekil değiştirmesini açıklayan oldukça sağlam ve başarılı kurallar geliştirilmiştir. Diğer taraftan amorf cisimler düzensiz bir atomsal yapıya sahip olduklarından kristallerde olduğu gibi geniş kapsamlı temel kurallar henüz geliştirilememiştir. Malzemeler genellikle küçük gerilmeler altında elastik davranış gösterir. Atomların birer yayla bağlı olduğu varsayılarak bu davranış açıklanabilir. Elastik şekil değiştirme kütle içinde homojen olarak yayılır, yük kalkınca atomlar ilk konumuna döner ve şekil değiştirme kaybolur. Gerilme belirli bir sınırı aşacak olursa bir kısım atom kalıcı olarak yer değiştirir, yük kalkınca ilk konumlarına dönemezler. Bu şekilde oluşan plastik şekil değiştirme ve plastik deformasyon için kayma gerilmesinin belirli bir değere ulaşması zorunludur. Kristal yapılı cisimlerde plastik deformasyon kayma etkisinde hareket eden dislokasyonlar tarafından oluşturulur, özellikle metallerde dislokasyonların toplu davranışları sonucu oluşan plastik şekil değiştirme oldukça karışık bir olaydır ve bu olay aşağıda ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Amorf yapılı cisimlerin şekil değiştirmeleri de kristal yapılılarda olduğu gibi iç yapıya ve iç yapı türüne büyük ölçüde bağlıdır. Bu cisimler içlerinde mevcut kuvvetli bağların dağılışına göre iki gruba ayrılırlar. Birinci grupta kuvvetli bağlar sürekli bir uzay ağı oluşturur. Bu durumda şekil değiştirme çok kısıtlıdır, genellikle % 1' in altındadır. Seramikler ve bazı polimerler buna örnek gösterilebilir, ikinci grupta zincir şeklinde moleküller arası bağlar zayıftır, kuvvet etkisinde birbirleri üzerinde kolayca kayarlar. % 300' den fazla şekil değiştiren kauçuk buna örnek olarak gösterilebilir. Şekil değiştirme iç yapıdan başka deney ve çevre koşullarına da bağlıdır. Mekanik deneyler genellikle oda sıcaklığında yavaş artan yük altında yapılır, 5-10 dakika içinde parça kopartılır, bu tür deneye statik deney de denir. Bu sürede uygulanan yükle oluşan şekil değiştirme ölçülür. Bazı malzemelerde yükleme hızı sonucu etkiler; kısa süreli deneyde mukavemet yüksek, süneklik düşük iken, uzun süreli deneyde mukavemet düşük, süneklik yüksek olabilir. Davranışları yükleme hızına ve süresine bağlı cisimlere viskoelastik cisimler denir. Yüksek sıcaklıkta bütün malzemeler, oda sıcaklığında ise plastiklerin çoğu, beton ve ahşap bu tür davranışa sahiptirler. 8.3.1. Elâstik Şekil Değiştirme Bir cisme çekme gerilmeleri uygulanırsa atomlar arası uzaklık gerilme doğrultusunda artar, enine doğrultuda ise yanal ayarlamalar nedeni ile azalır. Bu tür yer değiştirmelere atomlar arası bağlar karşı koyar ve cismin elastik şekil değiştirme özeliklerini belirler. Elastik şekil değiştirme direncini temsil eden elastisite modülü atomlar arası bağ kuvveti eğrisinin denge uzaklığındaki eğimi ile orantılıdır. Bu nedenle elastik davranışı belirleyen elastik sabitler iç yapıya karşı duyarlı değildirler, örneğin çeliklerde plastik şekil değiştirme ve su verme işlemleri ile elastisite modülü değişmez, fakat elastik sınır ve mukavemet 2-3 kat artabilir. 8.3.1.1. Elastisite Modülü Çekme halinde σ gerilmesi ile oluşan εx şekil değiştirmesi arasındaki oran lineer elastik cisimlerde sabittir ve bu sabite E, elastisite modülü denir.

8.3.1.2. Poisson Oranı Aynı gerilme altında oluşan yanal şekil değiştirme εy , eksenel şekil değiştirme εx, ile orantılı olup orantı sabitine Poisson oranı denir (Şekil 8.11). Çekme yanal şekil değiştirmesi eksi işaretlidir. Poisson oranı artı işaretli bir malzeme sabiti olduğundan denkleme (-) işareti konmuştur. Basit kayma halinde lineer elastik cisimlerde kayma gerilmesi t ile kayma şekil değiştirmesi γ orantılıdır

Poisson oranı 1/2 den küçük olması gerektiğinden , n = 1/2 olursa K yani hacim modülü sonsuz olur. Bu durumda cisme uygulanan basınç sonsuz dahi olsa hacim değişmez. Bu Özeliğe sahip cisme sıkıştırılamaz cisimdenir. Malzemelerin büyük bir çoğunluğunda n = 0,2 - 0,3 arasındadır. Yalnız kauçukta Poisson oranı 0,48 civarındadır. Bu nedenle şekil değiştirme hesaplarında kauçuk için sıkıştırılamaz cisim varsayımı kullanılır. 8.3.1.3. Elastisite Modülüne Etkiyen Etkenler 1)Sıcaklık: Sıcaklık yükselirse atomlar arası uzaklık artar, Şekil 7.8 de görüldüğü gibi, bağ kuvvetleri eğrisinin yeni denge mesafesinde eğimi azalır, dolayısıyla elastisite modülü küçülür. 2)Kristal doğrultuları: Kristaller homojen anizotrop cisimler olduklarından özellikleri kristal doğrultularına bağlı olarak değişir. Atomların en sık dizili olduğu doğrultularda şekil değiştirme rijitliği dolayısıyla elastisite modülü en yüksektir, örneğin demirde atomlar [III] doğrultusunda en sık dizilidir ve elastisite modülü 2,8x 105 N/mm2 dır. Atomların en seyrek olduğu K= [100] doğrultusunda ise 1,26x105 N/mm2 dir. Çok kristalli demir istatistiksel yönden izotrop sayıldığından ortalama elastisite modülü 2,1 x 105 N/mm2 olup doğrultudan bağımsızdır. Uygulamada kullanılan bazı malzemeler homojen olduğu halde yapıları dolayısıyla özellikleri doğrultuya bağlı olarak değişir, bunlara homojen anizotrop malzemeler denir (ahşap, kompozit malzemeleri gibi). 8.3.2. Kristal Yapılı Malzemelerin Plastik Şekil Değiştirmesi Kristal yapılı malzemelerde plastik şekil değiştirme büyük ölçüde dislokasyon hareketlerinden doğan kayma olayı sonucu oluşur. Ancak kaymanın kısıtlandığı bazı özel hallerde görülen ikizlenme olayı da bir miktar plastik şekil değiştirme meydana getirir. Genellikle düşük sıcaklıkta rastlanan ikizlenme olayında kristalin bir kısmı bir düzlem boyunca makaslanarak ilk kafes yapıya göre ayna görüntüsüne dönüşür. Ayrıca çok kristalli malzemelerde yüksek sıcaklıkta tane sınırı kayması ve gerilmeli yayınma da plastik şekil değiştirmeye katkıda bulunur. Süreç ne olursa olsun plastik şekil değiştirmeden önce ve sonra kristal yapı genellikle kristalliğini korur. 8.3.2.1. Kayma Olayı Kristallerde kayma olayı incelenirken önce kusursuz bir tek kristal göz önüne alınacak. Tek kristaller üzerinde yapılan deneylerde plastik sekil değiştirme sürecinde kristal düzlemleri boyunca yer yer kayma düzlemlerinin oluştuğu izlenmiştir. Şekil değiştirmiş bir kristalin yüzeyi parlatılıp dağlanınca kayma düzlemlerinin kenarı olan kayma çizgileri şekil 8.16' deki gibi açıkça görülür. Bir kristal düzlemi boyunca kaymanın başlaması için kayma doğrultusundaki kayma gerilmesi bileşenin o kayma sisteminin kayma direncine eşit olması gerekir. Buna kayma koşulu denir. Bir cisim ancak kayma gerilmesi etkisinde plastik şekil değiştirebilir. Bütün gerilme halleri, hidrostatik gerilme hali hariç, daima kayma bileşeni meydana getirirler. Basit çekme halinde maksimum kayma gerilmeleri kuvvet doğrultusu ile 45° açı yapan düzlemler boyunca etkir ve değerleri eksenel gerilmenin yarısına eşittir. Basit çekme uygulanan bir metalin yüzeyinde akma sınırında gözlenen eğik kayma çizgileri bu gerçeğin açık bir kanıtıdır (Bkz. Şekil 8.16). Kusursuz bir kristalde kayma başlatmak için gerekli gerilme atomlar arası bağ kuvvetlerine dayanarak aşağıdaki şekilde hesaplanabilir. 8.4. Dislokasyonların Hareketleri Bir kenar dislokasyonunun x kayma gerilmesi etkisinde ne şekilde hareket ettiği şekil 8.17' de görülüyor. Birinci şekilde 4 yarım düzleminin altındaki dislokasyon çizgisi üzerinde bulunan a atomunun aşağıdaki b ve c atomları ile bağı diğer komşularına göre daha zayıftır.

•

Yüksek sıcaklıkta dislokasyonların hareketi kolaylaşır.*

8.5. Mukavemet Arttırıcı İşlemler Uygulamada belirli bir yükü mümkün olduğu kadar az malzeme ile taşımak hem hafiflik ve hem de maliyet yönünden önemlidir. Bu nedenle daima elde mevcut malzemelerin mukavemetini arttırma yolları aranmıştır.

Malzemelerde iç yapılarla mekanik özelikler arasında yakın bir ilişki bulunduğu daha önce belirtildi. Bu özelikler kimyasal bileşime, üretim yöntemine, uygulanan mekanik şekil verme ve ısıl işlem yöntemlerine bağlıdır. Bileşimler, uygulanan döküm, sinterleme, sıcak ve soğuk şekil verme, hızlı veya yavaş soğutma işlemleri tanelerin türüne, büyüklüğüne, bileşenlerin konsantrasyonuna, yabancı fazların türüne ve dağılışına, fazların kararlı veya yan kararlı oluşuna, çökeltilerin türüne ve büyüklüğüne, dolayısıyla özelliklere etkirler. Bu etkenleri kontrol ederek özelikleri amaca uygun olarak ayarlama olanağı vardır. Mukavemet arttırıcı işlemler alaşımlandırma, soğuk şekil verme, tane büyüklüğünü ayarlama ve ısıl işlemler olarak dört grupta toplanabilir. Bunlar aşağıda ele alınarak kısaca nasıl uygulandıkları ve mekanik özelikleri nasıl etkiledikleri açıklanacaktır. 8.5.1. Alaşımlandırma Arı (saf) metaller genellikle yumuşak ve düşük mukavemetli olurlar ve kolay şekil değiştirirler. Bununla beraber ısıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksek ve korozyona daha dayanıklı olduklarından önemli uygulama alanlarına sahiptirler. Arı metallere katılan alaşım elemanları özellikleri önemli ölçüde değiştirir, genellikle ısıl ve elektriksel iletkenlik azalır, dislokasyonların hareketi zorlaşır, dolayısıyla sertlik ve mukavemet artar, fakat süneklik azalır. 8.5.2. Tane Büyüklüğünü Değiştirme Metallerde tane büyüklüğü azaldıkça birim hacimdeki tane sınırı alanının arttığı, dislokasyon hareketlerinin engellendiği, dolayısıyla şekil 8.24' de görüldüğü gibi sertlik ve mukavemetin yükseldiği sünekliğin ise azaldığı yukarda açıklanmıştır. Tek kristalden oluşan demirin akma sınırı 28 N/mm2 olmasına karşın ortalama tane çapı 0.02 mm. olan çok kristalli normal bir demirin akmasının 200 N/mm2 düzeyindedir. Tane büyüklüğünün metallerin mukavemetinde ne derece etkili olduğu bu örnekten açıkça görülmektedir. Metallerde katılaşma süresindeki soğuma hızı tane büyüklüğünü etkiler. Yüksek sıcaklıkta oluşan yeni kristallerin çekirdeklenme hızı düşük, fakat yayınım, dolayısıyla büyüme hızı yüksektir. Düşük sıcaklıkta ise sıcaklık gradyanı büyük olduğundan çekirdeklenme hızı yüksek, fakat büyüme hızı düşüktür. Buna göre faz dönüşümü sıcaklığı üstündeki bir metalde hızlı soğuma sürecinde çekirdeklenme daha düşük sıcaklıklara kalacağı için tane sayısı çok fakat boyutları küçük olur ve sonuçta ince taneli yapı elde edilir. Yavaş soğumada az sayıda fakat büyük taneler oluşur ve dolayısıyla kaba taneli yapı meydana gelir. Yüksek sıcaklıktaki bir metal soğurken faz dönüşümü söz konusu değilse soğuma hızı tane büyüklüğünü etkilemez. Tane büyüklüğünü ayarlamak için uygulanan diğer bir yöntemde metale önce soğuk şekil verilir, sonra yeniden kristalleşme sıcaklığının üstünde ısıtılır. Başlangıçta çok sayıda küçük yeni kristaller oluşur. Bu ince taneli yapı ısıtılmaya devam edilirse taneler büyüyerek kaba taneli yapıya dönüşür, sertliği çok azalır. 8.5.3. Soğuk Şekil Verme Metallerin plastik şekil değiştirme süresinde pekleştiği, dolayısıyla sertlik ve mukavemetin arttığı, sünekliğin ise azaldığı görülür. Atomlar denge konumundan ayrıldığı ve iç yapı kusurları arttığı için sistemin enerjisi yükselir. Pekleşme özeliği kafes yapı türüne bağlıdır. Şekil 8.25' de görüldüğü gibi tek magnezyum kristalinde (HSD) kayma kolay oluşur, pekleşme yeteneği yoktur. (YMK) kafese sahip bakırda başlangıçta pekleşme azdır daha sonra artar. Diğer taraftan (HMK) kafesli Fe' de ise pekleşme yeteneği yüksek olduğu görülüyor. Genellikle (HMK) kafes yapılı kristallerde kafes sürtünmesi yüksek olduğu gibi daha başlangıçta birden fazla kayma, sistemi etkin hale gerek birbirleri ile etkileşirler. Ayrıca çok kristalli yapılarda pekleşme daha şiddetli oluşur. Endüstride metallere uygulanan haddeleme, tel çekme ve burma şeklinde soğuk şekil verme işlemlerinde sarf edilen enerjinin % 90' ı ısı şeklinde yayılır geri kalanı elastik şekil değiştirme enerjisi halinde depo edilir. Şekil 8.29 da görüldüğü gibi plastik şekil verme işlemleri anizotrop bir yapı oluşturur, mukavemet haddeleme doğrultusunda artar, haddelemeye dik doğrultu da biraz düşük olur.

Soğuk işleme sonucu kristal yapı kusurları arttığından yoğunluk biraz düşer, elektriksel ve ısıl iletkenlikler azalır, kimyasal etkinlik artar ve korozyon dayanımı azalır. Soğuk haddelenmiş bir çeliğin sıcak haddelenmiş çeliğe göre daha çabuk paslandığı görülür. Pekleşmiş metaller belirli bir sıcaklığın üzerinde ısıtılırsa yumuşarlar ve pekleşmenin etkileri kaybolur. Bu konu aşağıda ayrıca ele alınacaktır. 8.5.4. Isıl İşlemlerle Mukavemet Arttırma Metallerde dengeli soğuma süresinde oluşan yapılar kararlı olup belirli özeliklere sahiptirler. Denge diyagramları bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterirler. Bu durumda soğuma süresinde faz dönüşümleri zorlayıcı etki bulunmaksızın kendiliğinden tamamlanır. Ancak kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri ile sağlanan aşırı koşullar altında (çok hızlı soğutma gibi) denge hali faz dönüşümleri kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu koşullarda elde edilecek bazı denge dışı yarı kararlı fazlar üstün özeliklere sahip olabilirler. Bu ilkelere dayanarak endüstride çeşitli ısıl işlemler geliştirilmiştir. Çeliklere uygulanan su verme sertleşmesi ile bazı alüminyum alaşımlarına uygulanan çökelme veya yaşlanma sertleşmesi bunlara birer örnek olarak gösterilebilir. Çeliklere uygulanan su verme işlemi ileride metaller konusunda ele alınacak, çökelme sertleşmesi ise aşağıda kısaca açıklanacaktır. Bir ana faz içinde çok küçük parçacıklar halinde çökelmiş ikinci bir faz şekil değiştirmeyi çok kısıtlar, dolayısıyla sertlik ve mukavemeti artar. Bu ikinci faz genellikle aşırı doymuş bir fazdan kontrollü çökeltme yöntemi ile elde edilir. Bu yöntem birbirlerini sıcaklığa bağlı olarak sınırlı oranda eriten sistemlere uygulanır. Bunun en tipik örneği alüminyum-bakır alaşımlarıdır. 8.6. Yumuşatma Tavlaması ve Yeniden Kristalleşme Metallerde plastik şekil değiştirme yeteneği sınırlıdır. Uygulamada bir parçaya yırtmadan ve kırmadan plastik şekil verebilmek için bu sınırın bilinmesine gerek vardır. Bir parçaya son şekli bir aşamada verilemezse işlem sırasında arada bir yumuşatma tavlaması uygulanır. Isıtılarak tavlanan metal eski plastikliğini tekrar kazanır. Büyük ölçüde şekil verilecek parçalara ardışık tavlama ve şekil verme işlemleri uygulanır. Örneğin eksiz ve kaynaksız olması gereken bir basınçlı tüp disk şeklinde bir metalden kalıpta dövme yöntemi ile şekil verilirken birkaç defa yumuşatma tavlamasına tabi tutulur. 8.6.1. Tane Büyümesi Tavlamanın başlangıcında aşırı şekil değiştirmiş bölgelerde yeni kristal çekirdekleri oluşur, bunlar zamanla bütün kütleyi kaplar. Başlangıçta ince taneli olan yapı uzun süre tavlanırsa tane büyümesi meydana gelir ve kaba taneli yapıya dönüşür.

•

Tane büyümesi sonucu süneklik artar fakat sertlik ve mukavemet azalır.*

Yeniden kristalleşme sıcaklığı metalin ergime sıcaklığına uygulanan plastik şekil değiştirmenin büyüklüğüne ve tavlama süresine bağlıdır. Yeniden kristalleşmede atomsal yayınım oluştuğundan atomlar arası bağın yenilmesi gerekir. Atomlar arası bağ kuvvetleri de ergime sıcaklığı ile ilgilidir. Genellikle bir metalin yeniden kristalleşme sıcaklığı Kelvin derecesi cinsinden ergime sıcaklığının yarısı veya üçte biri civarındadır. Büyük ölçüde plastik şekil değiştiren metalde enerji yüksek olduğundan yayınma daha erken başlar, dolayısıyla Tr düşük olur. Ayrıca yayınma zamana bağlı bir olay olduğundan düşük sıcaklıkta uzun süre alır, yüksek sıcaklıkta bu süre kısalır. Yeniden kristalleşme sıcaklığı üretim teknolojisinde çok önemlidir. Bir metale Tr yeniden kristalleşme sıcaklığı altında plastik şekil verme işlemi uygulanırsa pekleşir, sertliği ve mukavemeti artar, fakat sünekliği azalarak gevrekleşir. 8.6.2. Soğuk ve Sıcak Şekil Verme İşlemleri Oluşan iç yapı değişikliği işlemden sonrada varlığını korur. Bu bölgedeki şekil değiştirmeye veya uygulanan işleme soğuk şekil verme işlemi denir. Soğuk haddeleme ve soğuk çekme bu sıcaklığın altında uygulanır. Eğer metale yeniden kristalleşme sıcaklığı üstünde plastik şekil verme işlemi uygulanırsa şekil 8.29' den görüldüğü gibi metal hadde merdaneleri arasından geçerken taneler uzar ve şekil değiştirir, atomların hareket yeteneği yüksek olduğundan işlemden hemen sonra hızla yayınarak yuvarlak ve ince taneli bir yapı oluştururlar, kalıcı şekil değiştirme izleri görülmez.

Bu sıcaklık bölgesinde yapının şekil verme işlemine sıcak şekil verme işlemi denir. Sıcaklık haddeleme ve sıcak dövme gibi. Özelikle dökümle elde edilen büyük metal kütleleri kaba taneli ve düşük mukavemetli olur. Sıcak haddeleme sonunda ince ve sık taneli bir yapı elde edilir. Sıcak hadde ürünü metaller dökümle elde edilen metallere göre mekanik özellikler yönünden daha üstündürler. Bölüm 8-MALZEMELERDE MEKANİK DAVRANIŞLAR 9.1. Malzemelerde Mekanik Özellikler Akma mukavemeti veya sınırı bir malzemenin plastik şekil değiştirmeye karşı direncini belirler.

•

Akma olayı ancak kayma gerilmesi etkisinde oluşabilir. *

Bir cisme basit çekme uygulandığı zaman çekme doğrultusu ile 45° açı yapan düzlemler boyunca maksimum kayma gerilmeleri etkir. Bu maksimum kayma gerilmesi çekme gerilmesinin yarısına eşittir. Maksimum kayma gerilmesi kritik bir değere erişince kayma, dolayısıyla akma başlar. Yüzeyi parlatılmış bir yumuşak çelik numunesi üzerinde akma süresinde görülen eğik kayma çizgileri (Lüders çizgileri veya Lüders bantları) bu olay için açık bir kanıttır (Şekil 9.1). Basit çekme halinde akma mukavemeti σA ise kaymaların başladığı kayma gerilmesi = σA /2 olur.

ΖA

9.1.1. Akma Olayının Pratikte Uygulanması Akma sınırından sonra iç yapıda kaymalar, dolayısıyla kalıcı etkiler oluşur. Bu nedenle uygulamada boyut hesapları için kritik gerilme olarak akma mukavemeti seçilir. Basit çekme deneyi ile saptanan σA akma mukavemeti uygun bir emniyet katsayısına bölünerek emniyet gerilmesi elde edilir. Yük taşıyıcı elemanlarda gerilmelerin hiç bir zaman akma sınırına ulaşmasına izin verilmez. Ancak çok eksenli gerilme etkisinde kaymalar genellikle kısıtlandığı için akma oldukça karışık bir hal alır. Bu durumda akmanın başlaması için gerilme bileşenlerinin belirli bir koşulu sağlaması gerekir. 9.2. Kırılma Malzemelerin dış kuvvetler etkisinde parçalara ayrılmasına kırılma denir. Kırılma oluşum biçimine göre gevrek ve sünek olmak üzere iki türe ayrılır. Gevrek kırılma plastik şekil değiştirme olmaksızın aniden meydana gelir ve çok az enerji yutar (Şekil 9.2). Bu tür kırılmanın nereden ve ne zaman oluşacağı önceden kestirilemediği için çok tehlikelidir. Geçmişte önemli kazalara ve büyük kayıplara yol açtığından üzerinde yoğun araştırmalar yapılmış ve halen de yapılmaktadır. Sünek malzemelerin yorulma kırılması da bir gevrek tür kırılmadır. Gevrek kırılma çok çeşitli etkenlerin rol oynadığı karmaşık bir olaydır. Bu nedenle henüz tam olarak anlaşılamamış ve kesin kurallar geliştirilememiştir. Sünek kırılma belirgin ölçüde plastik şekil değiştirme ve büzülmeden sonra oluşur ve oldukça büyük enerji yutar (Şekil 9.2), nereden oluşabileceği önceden görülebildiği için gerekli önlemler alınarak herhangi bir zarar vermesi önlenir. Gevrek malzeme elastik sınırın sonunda kırılır ve elastik sınırla çekme mukavemeti aynıdır. Bütün gevrek malzemelerde mukavemet hesaplarında kritik gerilme olarak çekme mukavemeti alınır.

Sünek kırılmada ise yukarıda da belirtildiği gibi kritik gerilme olarak akma sınırı seçilir. Kırılmanın türü malzemeden malzemeye değiştiği gibi çoğunlukla uygulanan gerilme halinde, parçanın geometrik biçimine, sıcaklığa ve şekil değiştirme hızına bağlıdır. Genellikle bütün kırılma olayları önce çatlak oluşumu ve sonra çatlak yayılması sonucu oluşur. Malzemelerde genellikle çentik, çatlak, boşluk, sert parçacıklar gibi çeşitli kusurlar içerirler. Hatta başlangıçta yapısında bu tür kusur içermeyen kristal yapılı cisimlerde de şekil değiştirme sırasında dislokasyon yığılması sonucu çatlak oluşabilir (Şekil 9.3). Sünek ve gevrek malzemelerde kırılma türlerinin değişimi mevcut koşullara bağlı olarak çatlak oluşması ve çatlak yayılmasındaki farklardan doğar. Düşük sıcaklık, tekrarlı gerilmeler, kaymayı kısıtlayan çok eksenli gerilmeler, yüksek hızlı şekil değiştirmeler gevrek kırılma eğilimini arttırır.

9.3. Gevrek Kırılma Gevrek kırılmada malzemeler dış kuvvetler etkisinde plastik şekil değiştirme oluşmaksızın iki veya daha fazla parçalara ayrılır. Yüksek mukavemetli metaller, seramikler ve bazı polimerler genellikle gevrek davranış gösterirler. Kusursuz bir malzemenin çekme etkininde kırılması atomlar arası bağ kuvvetlerinin kopması sonucu oluşur. Şekil 9.3' de görüldüğü gibi ayrılma biçiminde olan bu tür kırılma için gerekli gerilme o cismin kohezif mukavemetine (σc) eşittir. Atomlar arası bağ kuvvetlerine göre hesaplanan bu mukavemet yaklaşık olarak σc = 0.1xE dür. Burada E cismin elastisite modülüdür. Ancak bu kohezif veya teorik mukavemet gerçekte gözlenen mukavemetlerden bir kaç mertebe daha büyüktür. Aradaki bu büyük farkın malzemelerde mevcut kusurlardan ileri geldiği saptanmıştır. Özel koşullar altında üretilen kusursuz numunelerin mukavemetleri teorik olarak tahmin edilen değerlere yakın olduğu görülmüştür (Tablo 8.1). Gevrek malzemeler (cam ve seramikler gibi) çekmeye karşı zayıf olup basmaya karşı daha mukavemetlidirler. Çünkü çekme kuvvetleri etkisinde mevcut çatlak ve boşluklar, yüzey hataları açılma veya büyüme etkisi göstererek malzemenin çekme mukavemetini azaltırken basma etkisi altında basma kuvvetleri çatlak ve boşlukları kapatmaya çalıştıklarından dolayı hem basma mukavemeti çekmeye göre yüksek olur hem de çekme gerilmesinde olduğu gibi gerilme yığılması oluşmayacağından kuvvetler çatlağın bir yüzünden diğer yüzüne iletilir. Daha önceki bölümlerde basınç etkisinde cisimlerin ya çekmeden veya kaymadan kırıldığı belirtilmişti. (Şekil 9.3) 9.3.1. Gevrek Kırılma Türleri Genellikle gevrek malzemelerde ortalama olarak basınç mukavemeti çekme mukavemetinin 8 katıdır. Gevrek malzemelerin çekme mukavemeti kayma mukavemetinden daha küçüktür. Bu nedenle Şekil 9.4 (c)' de görüldüğü gibi basit burma uygulanan silindir biçimindeki gevrek malzeme çekme gerilmelerinin maksimum olduğu 45° lik düzlem boyunca kırılır. Sünek cisimlerde ise kayma mukavemeti en düşüktür, dolayısıyla basit burmada kırılma, kayma gerilmelerinin maksimum olduğu eksene dik düzlem boyunca makaslanarak kırılır.

9.3.2. Gevrek Malzemelerde Basınç Mukavemetine Etkiyen Etkenler Basınç makinesinin tablası ile deney numunesi arasındaki sürtünme kuvvetleri nedeni basit basınç gerilmeleri uygulamak mümkün değildir. Küp veya silindir biçiminde olan numunenin ortası basınç etkisinde yanal doğrultuda serbest genişlerken başlıklardaki sürtünme kuvvetleri genişlemeyi kısıtlar ve bu bölgede çok eksenli gerilme hali doğar (Yandaki şekil). Bu şekilde kısıtlanmış basınç deneyi basit basınç haline göre daha yüksek mukavemet verir. Tabla ile numune arasına yağ sürülür veya sürtünmesi düşük bir levha (teflon) konursa sürtünme etkileri azaltılır. Bazı hallerde sert uzun tel fırça şeklinde yükleme başlıkları da kullanılır. Basınç mukavemetine numunenin biçimi, büyüklüğü, yükleme hızı ve sıcaklık etki eder. Beton gibi oda sıcaklığında sünme gösteren malzemelerde hızlı yüklemede yüksek, yavaş yüklemede düşük basınç mukavemeti elde edilir. Bu nedenle standartlar betonun basınç deneyinde gerilme hızının 7-10 kgf/cm2 arasında kalacak şekilde uygulanmasını önerirler. Gevrek malzemelerde deney numunesini boyutu arttıkça basınç mukavemeti azalır. Bu fark büyük numunelerde kritik kusurların bulunma olasılığının artması ile açıklanabilir. 9.4. Sünek Kırılma Sünek malzemelerde kırılma önemli ölçüde plastik şekil değiştirme ve büzülmeden sonra oluşur. Bütün kırılma olaylarında olduğu sünek kırılmada da önce çatlak doğar, sonra bu çatlak yayılarak ani kırılma ile son bulur. Ancak % 100 büzülmenin oluştuğu çok özel halde çatlak oluşumu görülmez. Sünek malzemelerde çatlaklar genellikle iç yapıda bulunan oksit parçacıkları, boşluklar veya sert fazlar çevresinde oluşmaya başlar. Hiç boşluk bulunmayan ve sert faz içermeyen sürekli yapıya sahip olan kristallerde dislokasyon yığılması sonucu çatlak doğabilir. Üniform kesitli bir çubukta büzülme başladıktan sonra Şekil 9.5 de görüldüğü gibi büzülme bölgesinde eksenel σa gerilmesine ek olarak σy yanal çekme gerilmeleri meydana gelir. Bu çekme gerilmeleri sert parçacıklar çevresinde boşluk oluşturur. Bu boşluklar da birleşerek çatlağa dönüşür. Bazen de sert fazın kendi içinde de çatlak doğabilir. Bu şekilde oluşan çatlaklar birleşerek dışarıya doğru yayılır, yüzeye gelince 45° açı yapan düzlemler boyunca kayma kırılması şeklinde son bulur. Karşılıklı kırılma yüzeyleri koni-çanak biçimini alır. Kırılma yüzeyinin ortası taneli, çevresi parlak koni şeklindedir. Çatlak başlangıcına neden olan sert ve gevrek fazların miktarı çoğaldıkça gevrek kırılmaya doğru eğilimin artması doğaldır. Ayrıca pekleşme ve plastik şekil değiştirmeyi kısıtlayan çok eksenli gerilme halleri de sünekliği azaltır.

Sünek malzemelerde çentik ve ani kesit daralması olan yerlerde meydana gelen gerilme yığılması gevrek malzemelerde olduğu gibi ani kırılma oluşturmaz. Keskin çentik ucundaki yerel yüksek gerilme akma sınırına erişince plastik şekil değiştirme başlar, keskin uç yuvarlaşarak kütleşir. Bütün kesit plastik bölgeye girinceye kadar gerilmede önemli bir artış olmaz. Böylece gerilme yığılması önemini kaybeder, gevrek malzemelerde olduğu gibi aniden kırılarak tehlike doğurmaz. 9.5. Süneklikten Gevrekliğe Geçiş Normal koşullarda sünek davranış gösteren bir malzeme özel koşullar altında gevrek kırılma eğilimi gösterebilir. Bu sonucu doğuran ana etkenler sıcaklık, şekil değiştirme hızı ve gerilme halidir.

•

Sünek ve gevrek kırılma oluşumu esas itibariyle cismin kayma mukavemetine ve ayrılma mukavemetine bağlıdır.*

Ayrılma mukavemeti kayma mukavemetinden küçük ise kırılma, atomların en az olduğu kristal düzlemeleri boyunca atomlar arası bağların kopması sonucu ayrılma şeklinde oluşur ve gevrek türdedir. Ayrılma mukavemetine bazen kohezif mukavemet de denir. Bunun tersi halde kayma mukavemeti kohezif mukavemetten küçük olunca önemli ölçüde plastik şekil değiştirmeden sonra sünek kırılma meydana gelir. Genellikle kayma mukavemeti sıcaklığa önemli ölçüde bağlıdır. Kohezif mukavemetin ise sıcaklıkla değişimi önemsizdir. Şekil 9.6' daki gibi T1 sıcaklığında sünek kırılma gösteren malzeme düşük T2 sıcaklığında kayma direnci arttığı için az bir plastik şekil değiştirmeden yerel aşırı gerilmeler kohezif mukavemete erişir ve gevrek tür kırılma oluşur. Malzemelerde kaymayı kısıtlayan çok eksenli gerilme halleri (Şekil 9.7) gevrek kırılma eğilimini arttırır. Uniform kesitli bir çubukta eksenel çekme gerilmesi σa akma sınırına erişince akma başlar. Maksimum kayma gerilmesi teorisine göre en büyük ve en küçük asal gerilmeler arasındaki fark basit çekmedeki akma sınırına eşit olunca akma başlar. Şekil değiştirme hızı az olursa atomlar veya moleküller hareketleri için yeterli zaman bulabilirler, bu nedenle sünek davranış görülür (Şekil 9.6). Yüksek hızlı yüklemelerde ise gevrek kırılma eğilimi artar. Buna tipik bir örnek olarak asfaltın davranışı gösterilebilir. Bir çekiç darbesi ile gevrek biçimde parçalanan asfalt uzun sürede kendi ağırlığı ile dahi akar. 9.5.1. Çarpma Deneyi Süneklikten gevrekliğe geçiş sıcaklığı en kolay ve en güvenilir şekilde çarpma deneyi ile saptanabilir. Bu amaçla geliştirilen Charpy çarpma makinesi şekil 9.8 de görüldüğü gibi bir sarkaç çekiçten ibarettir. Sarkaç çekiç boşta iken ho yüksekliğine çıkar, ikinci kez önüne çarpma numunesi konursa onu kırıp geçerken bir miktar enerji vereceğinden daha düşük bir h yüksekliğine çıkar. İki yükseklik arasındaki fark numuneyi kırmak için sarfedilen enerji ile orantılıdır. Doğrudan makinenin skalasında okunan kırma işi numunenin dolu kesitine bölünerek çarpma mukavemeti elde edilir. Çarpma mukavemetinin boyutu: N cm/cm = N/cm dir.

Karbonlu çeliklerde çarpma mukavemetinin sıcaklıkla değişimini gösteren eğrilerin Şekil 9.8 deki gibi bir büküm noktası vardır. Bu büküm noktasına karşı gelen Tg sıcaklığı süneklikten gevrekliğe geçiş sıcaklığı olarak tanımlanır. Bu sıcaklığın üstünde sünek, altında, gevrek davranış görülür. Basit karbonlu çeliklerde bu geçiş sıcaklığı yaklaşık -20°C civarındadır. Alaşımlı çeliklerde ise böyle bir geçiş sıcaklığı yoktur, eğri az bir eğimle sürekli artar. Kırılma türü ile kırılma için sarfedilen enerji arasında bir ilişki bulunduğuna göre çekme deneyi ile de kırma işi ölçülür, dolayısıyla geçiş sıcaklığı saptanabilir. Ancak Şekil 9.8' de görüldüğü gibi çekme deneyi ile bulunan Tg' geçiş sıcaklığı çarpma deneyi ile bulunan Tg sıcaklığından daha düşüktür. Çarpma deneyi hem daha basit hem de daha yüksek geçiş sıcaklığı verdiğinden daha güvenilir yöndedir, bu nedenle çok daha sık uygulanır. Sünekliği yüksek malzemelerde eğme şeklinde uygulanan Charpy deneyinde kırılma oluşmaz, parça eğilerek mesnetler (dayanaklar) arasından geçer. Bu durumda deney parçasına çentik açılarak kırılma sağlanır. Çentikli çarpma deneyleri ile değişik malzemelerin çentik etkisine duyarlılığı saptanır.

•

Sünekliği yüksek malzemelere çentik açılarak çarpma deneyi uygulanabilir.*

9.6. Gevrek Malzemelerde Mukavemet Arttırıcı Önlemler Gevrek malzemelerde çekme mukavemeti çok düşük olmakla beraber oldukça yüksek basınç mukavemetinden yararlanma olanağı vardır. Bazı önlemler almak veya uygun işlemler uygulayarak bu tür malzemelere çok daha fazla yük taşıtılabilir. Bu önlemlere aşağıda kısaca değinilecektir.

•

Yapı elemanına çekme gerilmelerini minimumuma indirecek şekilde biçim vermek mümkündür.

• •

Yapı elemanında çekme gerilmelerinin bulunduğu bölgeye donatı konur. Temperlenmiş Cam.

Örneğin prizma şeklinde düz taş kiriş yerine taş kemer kullanılırsa taş çoğunlukla basınç gerilmeleri taşır

Isıl işlemlerle cam yüzeyinde oluşturulan artık basınç gerilmeleri camın mukavemetini önemli ölçüde arttırır. Bu amaçla cam önce yumuşama noktasına yakın ısıtılır, sonra soğuk hava üfleyerek hızla soğutulur. Dış yüzey önce hızla soğuyarak sertleşir, sıcak ve yumuşak olan iç kısım buna uyar. Daha sonra iç kısım soğuyarak büzülmeye çalışırken sertleşmiş olan dış kısım buna izin vermez. Böylece dışarıda artık basınç içeride artık çekme gerilmeleri oluşur. Bu artık gerilmeler dış kuvvetler yok iken kendi aralarında denge halindedir. Bu şekilde artık gerilmeler içeren cama temperlenmiş cam denir. Bu cama eğme veya çekme gerilmeleri uygulanırsa yüzeydeki basınç gerilmelerini yeninceye kadar önemli büyüklükte yük taşır. Temperlenmiş camların mukavemeti normal camların üç katına yakındır. Temperlenmiş camlarda çiziklerin derinliği basınç bölgesinde kaldıkça önemli sayılmazlar. Bu tür temperlenmiş camlara duracam da denir. Bunlar taşıtlarda, kapılarda ve benzer yerlerde güven yönünden geniş ölçüde kullanılırlar. 9.7. Yorulma Tekrarlı zorlamalar altında malzemenin mukavemeti azalarak çekme mukavemetinin çok altındaki gerilmeler kırılma oluşturabilir, buna yorulma denir. Yorulma kırılması gevrek türde olduğundan nerede ve ne zaman oluşacağını önceden kestirmek olanaksızdır.

Geçmişte birçok kazalara neden olduğundan üzerinde yoğun çalışmalar yapılmış ve halen de yapılmaktadır. Bununla beraber çok değişik etkenlerin rol oynadığı karışık bir olaydır, dolayısıyla henüz tam anlaşılamamıştır. Yorulma bütün malzemelerde gevrek türde kırılma meydana getirir. Hatta çekme deneyinde büyük ölçüde plastik şekil değiştiren ve büzülerek kopan bir metal Şekil 9.9 de görüldüğü gibi tekrarlı zorlanmalar altında belirgin olarak plastik şekil değiştirmesizin çatlar ve bu çatlak zamanla yayılarak ani kırılma ile sonuçlanır.

Yorulma kırılması yüzeyinin ilginç bir görünüşü vardır. Yüzeyde çatlağın başladığı yorulma odağı ile onu çevreleyen midye kabuğunu andıran aynı merkezli eğriler ve bunların yanında taneli bir bölge görülür. Çatlak zamanla yavaş ilerlerken karşılıklı yüzeylerin sürekli birbirlerine sürtünmesi sonucu yorulma kırılması yüzeyi parlak görünür. Çatlak ilerleyip geri kalan dolu kesit normal yükü taşıyamaz hale gelince ani kırılma meydana gelir, bu yüzey de taneli görünüştedir. Yorulma olayının nasıl oluştuğu tam olarak açıklanamamış olmakla beraber bu konuda bilinenler aşağıda özetlenmiştir. Yorulmaya genellikle iç yapıda mevcut kusurlar civarında oluşan yerel gerilme yığılmaları neden olur. Bundan dolayı yorulma olayı iç yapıya çok bağlıdır. İç yapıda bulunan çatlak, çentik, boşluk, sert parçacık ve ani kesit değişmeleri civarındaki gerilmeler ortalama gerilmeden daha büyüktür. Bu gerilmeler etkisinde yerel plastik şekil değiştirme meydana gelir. Diğer taraftan başlangıçta hiç bir bozukluk içermeyen yüzeyi parlatılmış üniform kesitli bir metalde elastik sınır altında da dislokasyonlar yerel olarak hareket ederek kayma bantları oluştururlar. Bu bantlar da yüzeyde çıkıntılar ve çöküntülerin doğmasına, dolayısıyla gerilme yığılmalarına neden olurlar. Bütün bu hallerde tekrarlı zorlamalar etkisinde oluşan tersinir olmayan plastik şekil değiştirme sonucu malzeme pekleşir, gevrekliği artar ve sonunda mikroçatlaklar doğar. Bu mikroçatlaklar zamanla yayılarak ani yorulma kırılması meydana getirir. Yorulma çatlakları genellikle yüzeyde başlar ve içeriye doğru yayılır. 9.7.1. Yorulma Deneyi Yorulma deneyi ile bir malzemenin belirli bir tekrar sayısı için güvenle dayanabileceği gerilme sınırı saptanır. Bunun için hazırlanan numunelere belirli büyüklükte tekrarlı gerilme uygulanır ve bu gerilme etkisinde kırılmanın oluştuğu N, tekrar sayısı ölçülür. Değişik gerilme genlikleri ile bunlara karşı gelen N kırılma tekrar sayıları bir eğri halinde çizilir. Şekil 9.10' de görülen bu yorulma eğrilerine (S - N) veya Wöhler eğrileri denir.

•

Yorulma deneyi bütün malzemelerde gevrek kırılma meydana getirir.*

9.7.2. Yorulma Mukavemetine Etkiyen Etkenler Yorulma mukavemetine etkiyen başlıca etkenler aşağıdaki şekilde sıralanabilir.

-

Parçanın yüzey işleme kalitesi Sıcaklık Çevrenin kimyasal etkisi (korozyon) Frekans

Gerilme koşulları sabit kaldığı zaman yukarıdaki etkenlerin oluşturacağı sonuçlar ayrı ayrı saptanabilir. Bunların yanında ayrıca gerilme koşulları da yorulma mukavemetine etkir. -

ortalama gerilme çok eksenli gerilme

Yorulma çatlağı çoğu zaman yüzeyde başlayıp içeriye doğru yayıldığından yüzey işleme kalitesinin önemi büyüktür. Yüzey işlemi kalitesi arttıkça yorulma mukavemeti artar.

Yüzeydeki pürüzler çentik etkisi yaparak çatlak oluşumunu kolaylaştırır. Sıcaklık genellikle mukavemeti azaltıcı yönde etki ettiğinden yorulma mukavemetinin de azalması doğaldır. Normal koşullarda frekansın yorulma mukavemetine etkisi önemsizdir. Bundan dolayı yorulma deneylerinde deney süresini kısaltmak için yüksek frekanslı gerilme uygulayan deney makineleri tercih edilir. Hidrolik yorulma makineleri 50 Hz' i geçmediği halde elektromanyetik kuvvet uygulayan makinelerde bu değer 400 Hz' e kadar çıkartılabilmiştir. Çok yüksek frekanslarda plastik şekil değiştirme için daha az zaman kaldığından genellikle yorulma mukavemeti biraz artar. Değişken gerilme altında çevrenin kimyasal etkisi daha da hızlanır. Uygulamada korozyon yorulması önemli sorun yaratabilir. Ayrıca korozif bir ortamda demirli alaşımların S-N diyagramlarının sürekli azaldığı ve asimptotik bir değere ulaşmadığı görülmüştür. Çok eksenli gerilme hali yorulma mukavemetine etkir. Özelikle değişken kesitli parçalarda çok eksenli gerilme hali doğar. Ayrıca kesitin ani değiştiği yerlerde gerilme yığılması meydana gelir. Buralardaki maksimum gerilme ortalama gerilmenin çok üstünde olabilir, dolayısıyla yerel olarak tersinir olmayan plastik şekil değiştirmeler meydana gelir, malzeme pekleşir, zamanla mikro çatlaklar doğar ve zamanla yayılarak kırılma oluşturur. Parçanın mukavemetini azaltan bu tür gerilme yığılmalarını önlemek için kesit değişmelerine mümkün olduğu kadar büyük eğrilik yarıçapı verilir ve ani kesit daralmalarından kaçınılır. 9.7.3.1. Sünme Sünme (bazı kaynaklarda sürünme de denir) bir malzemede sabit gerilme altında zamanla sürekli oluşan şekil değiştirme olarak tanımlanır. Bir cismin sünme şekil değiştirmesinin büyüklüğü ve hızı, uygulanan gerilme ve sıcaklık koşullarına bağlıdır. Sünme genellikle yüksek sıcaklıkta sorun oluşturur. Bununla beraber polimerlerin çoğunda, ahşap ve betonda oda sıcaklığında da sünme oluşur. Kristal yapılı metallerde mutlak ergime sıcaklığının yarısından az sıcaklıklarda sünme ihmal edilebilir fakat bunun üstünde sıcaklıkla artarak önem kazanır. Sünme deneyleri sabit yük altında ve belirli bir sıcaklıkta yapılır. Bu deneyler uzun süreli olduğundan en uygun deney teçhizatı Şekil 9.11' de görüldüğü gibi bir levye şeklindedir. Levye nin bir ucundaki kefeye P ağırlığı konur, öteki ucuna bağlanan numunedeki şekil değiştirmeler bir ekstansometre yardımı ile ölçülür. Sabit gerilme ve sabit sıcaklıkta şekil değiştirmenin zamanla değişim eğrileri Şekil 9.11' de gösterilmiştir. 9.7.3.1.1. Metallerde Sünme Metallerin sünme diyagramlarında genellikle dört bölge vardır.

• • • •

Birincisi yük konur konmaz oluşan ani elastik uzama bölgesi, İkincisi hızı zamanla azalan birincil sünme bölgesi, Üçüncüsü hızı sabit ikincil sünme bölgesi, Dördüncüsü de hızı zamanla artıp kırılma ile sonuçlanan üçüncül sünme bölgesi

Genellikle gerilme ile sıcaklık sünmeyi benzer şekilde arttırıcı yönde etkiler. Düşük gerilme veya düşük sıcaklıkta sünme hızı yavaş olup kırılma oluşmayabilir. Eğer gerilme veya sıcaklık yüksek ise sünme hızı büyük olur ve kırılma meydana gelir. Sünme deneyleri ile ölçülen sünme hızı ile kırılma süresinin gerilmeye ve sıcaklığa bağlılığı uygulama için çok önemlidir. Yüksek sıcaklıkta zorlamaya maruz elemanların boyut hesaplarında bu değerlerden yararlanılır (gaz türbinleri gibi). Metallerde sünme süresindeki davranışı belirleyen süreçlerden birini pekleşme, diğeri toparlanma veya yumuşamadır. Pekleşmenin nasıl oluştuğu daha önce açıklanmıştı. Pekleşmede dislokasyonların hareketi, dolayısıyla şekil değiştirme kısıtlanır. Toparlanmada ısıl enerji ile etkin hale gelmiş dislokasyon tırmanması, çapraz kayma ve boş köşe difüzyonu ana etkenlerdir. Yüksek sıcaklıkta boş köşe sayısı arttığından difüzyon yükselir toparlanma dolayısıyla pekleşmenin tersi olan yumuşama artar. Sabit hızlı ikincil sünmede pekleşme hızı ile toparlanma hızı eşittir. Birincil sünmede pekleşme hızı yüksektir, dolayısıyla şekil değiştirme hızı zamanla azalır. Üçüncül sünmede ise çeşitli faktörler etkilidir ki, bunların arasında tane sınırlarında çatlak oluşumu, büzülmenin başlaması toparlanma hızını arttırır, etkin kesit azaldığından kısa sürede kopma oluşur.

•

Sünme hızının bağlı olduğu faktörler* o Kırılma süresi o Gerilme o Sıcaklık

9.7.3.1.2. Sünme ve Vizkozite Seramikler ve polimerler genellikle amorf yapılı olduklarından bu cisimlerde sünmenin oluşum biçimi kristal yapılılardan farklıdır. Bunlar sıvı haldeki amorf yapıyı koruyarak katılaştıklarından çoğu zaman aşırı soğumuş sıvı sayılırlar. Sıvılarda gerilme etkisinde viskoz akış meydana gelir. Viskoz akışta şekil değiştirme hızı uygulanan gerilmenin bir fonksiyonudur. Viskoz akış hızı gerilme ile orantılı ise lineer vizkoz cisim, aksi halde gerilmenin non lineer fonksiyonu ise nonlineer vizkoz cisim adını alır. Lineer viskoz akışta gerilme şekil değiştirme ile orantılıdır.

•

Buradaki η' ye viskozite denir ve o cismin şekil değiştirmeye karşı direncini belirler. *

•

Seramik bir malzemenin şekillendirilebilmesi için * o Malzemenin sıvı ve akışkan hale getirilmesi o Malzemenin ergime sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıkta ısıtılması gerekir

Sıvı halde viskozite oldukça düşüktür, bu nedenle polimerler ve seramiklere bu bölgede şekil verilir. Sıcaklık azaldıkça vizkozite artar ve şekil değiştirme güçleşir. Yüksek sıcaklıkta sıvı halde kolaylıkla yer değiştiren ve yayınan atomlar sıcaklık azalınca hareket yetenekleri kısıtlanır, birbirilerine göre sabit konumlar artar, dolayısıyla katı hale geçmiş sayılır. Bu tür cisimlerde sıvı halden katı hale geçiş kristal yapılılarda olduğu gibi sabit bir sıcaklıkta oluşmaz, bunun yerine bir belirli sıcaklık aralığında tamamlanır. Seramiklerde katı halde atomlar arasında sürekli kuvvetli bağ vardır. Bu durumda gerilme etkisinde sıcaklık seviyesine bağlı olarak bir miktar atomsal yayınım, dolayısıyla viskoz akış oluşabilir, ergime noktasına yakın bölgede bu akış çok daha belirgin olur. Kristal olmayan anorganik ve organik camların (kristal olmayan polimerler) çoğu yüksek sıcaklıklarda lineer-viskoz davranış gösterirler. Sıcaklık azaldığı zaman basit elastik davranışla viskoz akışın karışımından oluşan bir davranışa sahip olurlar. Uzay ağı türü termoset plastiklerde sürekli kovalan bağ bulunduğundan zamana bağlı davranışları çok kısıtlıdır. Lineer polimerlerde zincir şeklindeki moleküller arası bağ zayıf türdendir, bu nedenle hemen hemen her sıcaklık düzeyinde sünme gösterirler, sıcaklık arttıkça zincirlerin bağıl hareketi kolaylaşır, viskozite azalır, dolayısıyla büyük ölçüde viskoz şekil değiştirirler.

9.7.3.2 Gevşeme Sabit şekil değiştirme uygulanan bir malzemede gerilmenin zamanla azalmasına gerilme gevşemesi veya kısaca gevşeme denir. Gevşeme zamana bağlı bir davranıştır. Sünme olayının oluştuğu bir malzemede gevşeme de oluşabilir. Bazı uygulama alanlarında gevşeme olayının göz önüne alınması gerekir. Örneğin patlarlı motorların silindir kapağını sıkan civatalar üzerinde yeterli bir ön gerilmeye gerek vardır. Motor silindirinde patlama olduğu zaman, bu ön gerilme basınçlı sıcak gazların contadan dışarı kaçmasını önler. Eğer yüksek sıcaklıkta çalışan civatada zamanla fazla, gevşeme oluşursa gazın kaçması önlenmez. 9.8. Mekanik davranışlar

Bir taşıyıcı sistemde dış kuvvetler etkisinde oluşacak gerilmelerin bilinmesine gerek vardır. Uygulamada taşıyıcı sistemlerin güvenliği yönünden bu gerilmelerin mukavemet sınırları altında kalması istenir. Bu amaçla yapılacak gerilme analizlerinde denge denklemleriyle kinematik bağıntılar yanında ayrıca bünye denklemlerine de gerek vardır. Malzemelerin gerilme-şekil değiştirme bağıntılarını veren bu denklemler mekanik davranış türüne göre değişirler. Malzemelerin mekanik davranış türleri genellikle elastik, plastik ve viskoelastik olmak üzere üçe ayrılır.

1) Elastik davranış Bir cisme şekil 9.13' de görülen yükleme boşaltma programı uygulandığı zaman, şekil değiştirme gerilme ile aynı anda oluşur. Gerilme sabit kalınca şekil değiştirme sabit kalır, gerilme sıfır yapılınca şekil değiştirme de sıfır olursa, diğer bir deyimle eş zamanlı olarak değişirse buna elastik davranış denir. Elastik cisimlerde şekil değiştirme gerilmenin son değerine bağlıdır, geçmişte aldığı değerlere bağlı değildir. 2) Plastik davranış Şekil 9.13' de görüldüğü gibi akma sınırı üstünde gerilme uygulanınca ani elastik şekil değiştirme ve onu izleyen plastik şekil değiştirme kısa sürede oluşur zamanla değişme, yük kaldırılınca ani elastik toparlanmadan sonra geriye plastik şekil değiştirme kalır. Plastik şekil değiştirme zamandan ve yükleme hızından bağımsızdır, yalnız gerilmenin geçmişte aldığı en büyük değerine bağlıdır, iç yapı değiştiğinden ve büyük ölçüde anizotropluk oluştuğundan plastik bölgede başarılı bir bünye denklemi geliştirmek mümkün olamamıştır. Akma koşulları bölümünde bu konuya bir ölçüde değinilmiştir. 3) Viskoelastik davranış Bu tür davranışı gösteren cisme sabit gerilme uygulanınca ani elastik uzama sonra onu izleyen zaman sürekli artan uzama görülür. Yük kaldırılınca ani elastik toparlanma ve sonra hızı zamanla azalan gecikmiş toparlanma oluşur. Viskoelastik davranışta yükleme hızının ve yükleme süresinin şekil değiştirmeye etkisi vardır. Herhangi bir andaki şekil değiştirme gerilmenin geçmişte aldığı bütün değerlere bağlıdır. Ayrıca sıcaklık ta bu tür davranışta önemli bir etkendir. Plastiklerin çoğunluğu oda sıcaklığında, seramikler ve metaller yüksek sıcaklıklarda viskoelastik davranış gösterirler.

•

En kolay sünme ve gevşeme gösteren malzeme plastik malzemedir.*

9.8.1. Elastik Davranışın Bünye Denklemleri Lineer izotrop elastik bir cismin özelikleri her doğrultuda aynıdır. Uygulanan gerilmelerle oluşan şekil değiştirmeler orantılıdır. Basit çekme halinde bünye denklemi, aşağıdaki şekilde olup buna hook kanunu denir.

Çekme etkisinde eksenel doğrultuda uzama olurken yanal doğrultuda daralma olur. Yanal doğrultudaki şekil değiştirme ile eksenel doğrultudaki şekil değiştirme orantılı olup buna "orantı sabiti, ν" veya poisson oranı denir. Cisimlerin büyük bir çoğunluğu düşük gerilmeler altında lineer elastik davranış gösterirler. Pek azında mesela kauçuk gibi, bu davranış non lineer olabilir. 9.8.2. Lineer ve Nonlineer Elastik Davranış Uygulamada kullanılan bazı tür malzemelerin yapısı doğrultuyu bağlı olarak değişebilir. Bunlara örnek olarak ahşap ve tabakalı yapılardan oluşan kompozit malzemeler gösterilebilir.

•

Bu şekilde özelikleri doğrultuya bağlı olan cisimlere anizotrop cisimler denir.

Bölüm 10-DİĞER FİZİKSEL ÖZELLİKLER 10.2. Birim Ağırlık ve Boşluk Genellikle seramikler sınıfına giren malzemelerde, kompozit malzemelerde ve hafif yapı malzemelerinde değişik tür ve büyüklükte boşluklar ve çatlaklar bulunur. Bu boşluklara porozite veya boşluk ya da gözenek adı verilir. Porozite oranı malzemenin birim ağırlığını, su emmeyi, geçirimliliği, dona dayanıklılığı, mukavemeti, korozyonunu, aşınmasını, ısı ve ses yalıtımını önemli derecede etkiler. Gerçek cisimlerde bulunan boşluk türleri Şekil 10.1' de şematik olarak gösterilmiştir.

10.2.1. Boşlukların Sınıflandırılması Bir boşluğun büyüklüğü içine sığabilen en büyük kürenin çapı ile belirtilir. Büyüklüklerine göre boşluklar aşağıdaki gibi sıralanabilirler:

•

Boşluk türleri : Açık boşluk,kılcal boşluk, kapalı boşluk

Bu boşlukların bazıları dışa açık, bazıları ise kapılıdır, Açık ve kılcal boşluklar su emme ve geçirimlilik yönünden önemlidir. Basit geometrik biçime sahip bir cismin boyutları ölçülerek, V görünen hacmi, hesaplanabilir. Şekil 10.1b de görüldüğü gibi V görünen hacmi, d dolu hacimle v boşluk hacminin toplamına eşittir

10.2.2. Özgül Ağırlık ve Su Emme Ölçümü Yoğunluk veya birim hacmin ağırlığı veya kısaca birim ağırlık cismin Po kuru ağırlığını V görünen hacme bölerek elde edilir. Bir cismin kuru ağırlığını saptamak için önce etüvde 110 °C de ağırlığı sabit kalıncaya kadar, ortalama 48 saat süre ile kurutulur, sonra tartılır. Aynı cismin özgül ağırlığı Po kuru ağırlığı d dolu hacmine bölerek elde edilir.

•

Özgül ağırlık dolu hacme göre hesaplandığında daima birim ağırlıktan büyüktür, eğer boşluk yoksa eşittir.*

•

Özgül ağırlığı ölçmek için boşluklu cisim öğütülerek ince toz haline getirilir, sonra 74 mikron çaplı elekten elenir.

•

Elekten geçen kütlenin ağırlığı bulunur, sonra aynı kütle içinde inert sıvı bulunan bir dereceli kaba (piknometre) konarak hacmi ölçülür. *

Ağırlık bu şekilde bulunan hacme bölünerek özgül ağırlık hesaplanır. Bu yöntem oldukça zordur. Porozitenin uygulama yönünden önemli olan dışa açık kısmı su emme deneyi ile ölçülebilir. Aşağıda bu deneye kısaca değinilecektir.

Prizma veya silindir gibi basit geometrik biçime sahip malzeme numunesinin boyutları ölçülerek V görünen hacmi hesaplanır. Numune etüvde kurutulur, Po ağırlığı ölçülür, sonra suya koyarak 48 saat beklenir. Suya doyan numune çıkartılarak yüzeyi nemli bezle kurulanır ve havada tartılarak P1 ağırlığı bulunur. Emilen suyun ağırlığı P1 - Po numunesi kuru ağırlığı Po a bölünerek ağırlık yönünden su emme oranı Sa elde edilir.

10.2.3. Hacimsel Su Emme

Eğer numunenin biçimi düzgün değilse görünen hacmi Arşimet terazisi ile ölçülür. Yukarıda anlatıldığı gibi numunenin önce kuru ağırlığı Po, sonra suya doymuş halde havadaki ağırlığı P1 bulunur. Aynı numune Şekil 10.2 de görülen Arşimet terazisi ile su içinde tartılarak P2 bulunur. P1 - P2 ağırlık azalması suyun kaldırma kuvvetine eşittir, suyun özgül ağırlığı bir olduğundan bu kuvvet cismin görünen hacmi V ye eşittir. Emilen suyun hacmi P1 - P2 ye bölünerek hacimsel su emme oranı Sh elde edilir,

Hacimsel su emme oranı Sh, ağırlık yönünden su emme oranı Sa birim ağırlık arasında bağıntı vardır. Yukarıdaki bağıntı şu şekilde yapılabilir.

10.2.4. Doyma Oranı ve Uygulamaları Porozite su emme, geçirimlilik ve mukavemeti etkilediğinden bu iki büyüklüğü daha doğrusu boşluluğun bilinmesi gerekir. Yukarıda anlatılanları normal koşullardaki su emme deneyi ile dışarıya açık boşlukların ancak bir kısmı ölçülebilir. Kılcal borular ve sıkışıp kalan hava kabarcıkları suyun içeri girmesini önler. Basınç uygulanan yöntemlerle su emme oranı daha da arttırılabilir. Bunun için numunenin boşluklarındaki hava vakumla (20 mm Hg) boşaltılır, sonra basınçla su emdirilir (150 kgf/cm2). Bazen de suda kaynatılarak bu boşluklardaki havanın dışarı atılması sağlanır. Bu koşullar altında yapılan su emme deneyi dışa açılan boşlukların hacmi hakkında daha gerçeğe yakın sonuç verir. Bu şekilde elde edilen hacimsel su emme oranı Sh` normal koşullarda elde edilen su emme oranı SK den daha büyüktür. Bu iki büyüklüğün oranına doyma oranı denir. Ancak bu oran yaklaşıktır, kapalı boşlukları içermez. Bu oran dışa açık boşlukların normal koşularda yüzde ne kadarının su ile dolabileceğini gösterir ve uygulamada seramik ve dış cephelerde kullanılan malzemelerin dona dayanıklılığını saptamada kullanılır. Dış yüzeye bakan malzeme boşluklarında bulunan su 0 °C altında donar ve hacmi %10 artar. Eğer boşluklar tam dolmuşsa buzun genleşmesi için yer kalmaz, hacmi genişleyen buz çatlamalara neden olur. Buz eriyip su haline geldikten sonra çatlaklardan içeri girer, su tekrar donunca çatlak daha da büyür. Böylece tekrarlı donma ve çözülme çevrimleri sonucu malzeme yüzeyinde, kırılma ve dökülmeler görülür. Ancak yapılan gözlemlere göre doyma oranı % 80 den az ise ve geriye % 20 den fazla boşluk kalmışsa malzemenin dondan genellikle zarar görmeyeceği kabul edilir. 10.3. Geçirimlilik Basınç altında akışkanların boşluklu malzemelerin içinden geçmesi doğaldır. Ayrıca basınç olmaksızın doğal koşullarda kılcal etki nedeni ile boşluklu malzemelerde su geçirimliliği oluşabilir. Uygulamada en sık rastlanan gaz halindeki akışkan su buharı, sıvı haldeki akışkan da sudur. Bu akışkanlara karşı malzemelerin geçirimliliği yapı mühendisliğinde önemli sorun sayılır. Örneğin genellikle yapılarda yağmur suyunun içeriye geçmemesi, buna karşılık su buharının içeriden dışarıya geçmesi istenir. Bu nedenle kullanılacak boya ve sıva malzemelerinin su ve buhar geçirimlilikleri deneylerle saptanır. Basınçlı su geçirimliliği su depolarında ve barajlarda kullanılan malzemeler için önemlidir. Bir malzemenin su geçirimliliğini ölçmek için l boyundaki numune iki ucu açık bir silindirik kaba yerleştirilir. Bir ucundan p basıncında su uygulanır, diğer ucundan zamanla geçen su miktarı ölçülür. Rejim halinde 1 cm2 alandan 1 saniyede geçen q cm3 su birim boydaki basınç farkı ile orantılıdır (Darcy kuralı):

Burada l numunenin kalınlığı veya akma yönüne paralel boyutu olduğuna göre p/l basınç gradyanı sayılır, k ya geçirimlilik katsayısı denir. Uygulanan basınç p, cm su sütunu, l boyu cm olarak k nın boyutu cm/sn olur. Uygulamada kalınlığı 8-10 cm düzeyinde ince yapı elemanlarında su geçirimlilik katsayısı 10 7 -10 8 cm/sn den az ise malzeme geçirimsiz sayılır. 10.3.1. Kılcal Su Emme Kılcal su emme malzemenin suya değen yüzünden zamanla emilen su miktarı ile belirlenir. Çok küçük çaplı boşluklar içinde kılcallık etkisi ile su yükselir. (Şekil 10.3 a). Düşey boruda suyun yükselme miktarı suyun yüzey gerilimi ile doğru, boru çapı ile ters orantılıdır (Jurin Kuralı). Suyun yüzey gerilimi sabit olduğuna göre borunun çapı küçüldükçe su daha yükseğe emilir. Bir taş yapılı malzemenin kılcallık özeliğini saptamak için Şekil 10.3' de görülen prizma şeklinde numunenin önce kuru ağırlığı tartılır, sonra suyun yüzüne değecek şekilde kaba yerleştirilir. Belirli zaman aralıklarında yapılan ağırlık ölçmeleri ile emilen su miktarları bulunur. Yapılan araştırmalara göre birim alandan emilen suyun hacminin karesinin t zamanı ile orantılı olduğu görülmüştür.

Burada K kılcallık veya geçirimlilik katsayısıdır. q cm3 /cm2 ve t saniye olduğuna göre K nın birimi cm2/san dir. Yapılarda kılcallıkla su iletimi suların buharlaştığı yerlerde erittikleri tuzları bırakıp çiçeklenme yaparak sıvaları ve badanayı kirletmesi ve rutubet oluşturarak sağlık koşullarını bozması nedeni ile önemli sorunlar yaratır. Bu sakıncaları önlemek için suyun girdiği yerlere zengin çimentolu sıvalar, boyalar, bitümlü tecritler ve değişik türde katkı maddeleri kullanılır. Karşılıklı iki yüzeyi arasında farklı buhar basıncı olan boşluklu malzemelerden buharın geçmesi beklenir. Buhar geçirimliliği basit bir deneyle yaklaşık olarak saptanabilir. Bunun için kullanılan silindirik kutu içine su buharını emen higroskopik özelikli CaCl2 konur, sonra silindir biçiminde hazırlanan numune kabın ağzına kapak gibi yerleştirilir ve çevresi parafinle tecrit edilir. Bu durumda kutunun ağırlığı ölçülür, sonra sıcaklığı ve buhar basıncı sabit bir dolaba yerleştirilir. CaCl2 su buharını emdiğinden kutu içinde buhar basıncı sıfırdır. Dış ortamdaki buhar basıncı etkisinde numuneden geçen su buharı sürekli olarak CaCl2 tarafından emilir. Kutu belirli zaman aralıklarında tartılarak emdiği rutubet miktarı bulunur. Belirli dış buhar basıncı altında birim kalınlıktaki numunenin birim alanından birim zamanda geçen buharı hesaplanır ve bu büyüklük buhar geçirimliliğini saptamada kullanılır. Buhar geçirimliliği karışık bir olay olduğundan basit bir kural geliştirilememiştir. Ancak belirli basınç farkı için bir ortalama buhar geçirimlilik katsayısı bulunabilir. Bu katsayı buhar basıncı farkı ile non lineer olarak değişir. Bağıl nem % 50 den az ise buhar difüzyonla, daha fazla ise kısmen difüzyon, kısmen de kılcallık etkisi ile geçer. 10.4. Aşınma Aşınma sürtünen yüzeylerden malzeme kaybı olarak tanımlanır. Aşınma, miktarı malzemenin türüne, sürtünen yüzeylerin biçimine, sürtünme koşullarına ve çevrenin kimyasal etkilerine bağlıdır. Büyük ekonomik kayıplara neden olduğundan üzerinde yoğun araştırmalar yapılmıştır. Ancak çok çeşitli etkenlerin rol aldığı bir olay olduğundan laboratuar koşullarından elde edilecek sonuçlara dayanarak uygulamadaki aşınma miktarını tahmin edecek bir bağıntı henüz geliştirilememiştir. Aşınmayı tamamen önlemek olanaksızdır. Ancak bu olayı yakından tanımanın, etkiyen etkenleri iyi bir şekilde belirlemenin aşınmayı en düşük düzeyde tutma yönünde çok yararlı olacağı açık bir gerçektir. 10.4.1. Aşınma Türleri Malzeme kaybına neden olan dört tür aşınma vardır: Adhezif aşınma: Makine elemanlarında işleme kalitesi ne olursa olsun yüzeyler daima pürüzlü olur, bu nedenle iki yüzey birbirine tam temas edemez. Şekil 10.4 de görüldüğü gibi çıkıntı noktalarındaki gerçek temas alanı görünen alana göre çok küçüktür. Yük uygulandığı zaman bu temas noktalarındaki gerilmeler kolaylıkla akma sınırına erişir ve adheziyon etkisi ile yerel kaynamalar oluşur. Yanal kuvvetlerin makaslama etkisi ile zayıf parçadan kopan malzeme yüksek mukavemetli parçaya transfer olur.

•

Adhezif aşınma denen bu tür aşınma en tahrip edici türdür, hatta aşırı halde değen yüzeylerle sarma olayı görülür, bu durumda sistem kullanılamaz hale gelir. *

Yapılan araştırmalar özelikle yumuşak ve katı eriyik oluşturabilen homojen yapılı metallerde adhezyonun daha kolay oluştuğu, dolayısıyla aşınmanın daha şiddetli olduğunu göstermiştir. Diğer taraftan birbirlerinden farklı türde, sert ve homojen olmayan metaller arasında adhezif aşınma eğilimi daha azdır. Ostenitik ve ferritik paslanmaz çelikler, titanyum ve gümüş şiddetle aşındığı halde dökme demir ile yüzeyleri çok sertleştirilmiş ve kromla kaplı çeliklerde aşınma daha azdır. Abrazif Aşınma Abrazif aşınmada sert bir malzeme veya sert bir parçacık bir malzeme yüzeyinden kazıyarak veya çizerek parça kopartır. Abrazif aşınmada yumuşak parça tükenene kadar kararlı bir şekilde devam eder. Adhezif aşınma kadar şiddetli olmaz ve sarma olayı beklenmez. İki yüzey arasına giren sert parçacıkların aşındırma etkisi ilginçtir. Endüstride üretim teknolojisinde bundan yararlanılır, örneğin taşlama ve parlatma işlemleri bu aşınma türüne dayanır. Çok iyi parlatılmış ve sertleştirilmiş yüzeylerde abrazif aşınma en düşük düzeydedir. Korozyon Aşınması Korozif aşınmada mekanik etkenlerin yanında çevrenin kimyasal etkisi de olaya karışır. Sürtünen yüzeylerde oluşan korozyon ürünü sert parçacıklar halinde koparsa aşınma şiddetlenir. Yüzey yorulması Yüzey yorulması birbiri üzerinde yuvarlanan parçalarda görülür. Biri birine değen yüzeylerde plastik şekil değiştirme dolayısıyla pekleşme oluşur ve malzeme gevrekleşir. Gevrekleşen malzeme üzerinden tekrarlı geçen kuvvet etkisi ile çatlar. Metallerde bu çatlamanın yüzeyden 0,2-0,3 mm derinlikte başladığı saptanmıştır. Bu çatlaklar zamanla yayılarak yüzeyden pul şeklinde malzeme kopar. Bu tür yüzey yorulmasını önlemek için yüzeylerin sertleştirilmesi ve iyi parlatılması gerekir.

10.5. Aşınma Deneyleri Aşınma çeşitli etkenleri içeren çok karışık bir olay olduğundan bugüne kadar aşınma direnci kesin olarak tanımlanamamıştır. Diğer taraftan aşınma davranışını saptamak için değişik deney yöntemleri geliştirilmiş, fakat bunlardan elde edilecek sonuçlarla uygulamadaki aşınma dayanımını önceden kestirmek mümkün olamamıştır. Ancak laboratuar deneyleri ile farklı türde malzemelerin aşınma dirençleri biri birine göre karşılaştırılabilir ve bir sıralama yapılabilir. Aşınma deneylerinde genellikle uygulamada aşınma oluşturan çalışma koşulları benzetilmeye çalışılır. Aşınma oluşturan hareketler kayma, yuvarlanma veya kaymalı yuvarlanma şeklinde olur. Belirli bir kuvvet etkisi altında belirli bir süre deneye tabi tutulan parçalarda aşınma miktarı ağırlık veya hacim azalması ile ölçülür. Metallerin aşınma deneyinde birbirleri üzerinde kayarak yuvarlanan disk şeklinde numuneler kullanılır. Diskler belirli bir kuvvetle bastırılır. Çevresel hızları farklı seçilerek istenen kayma oranı sağlanır. Aşınma test makinesi bu tür aşınma deneyi için geliştirilmiştir. Burada numunelerin ağırlık azalmasından aşınma miktarı saptanır. Seramik malzemelerde özellikle abrazif aşınma türü görülür. Bu tür malzeme numuneleri döner yatay bir tablo üzerine belirli bir yükle bastırılır ve araya standart aşındırıcı bir toz konur. Belirli bir süre sonunda oluşan kalınlık azalması ölçülerek aşınma miktarı elde edilir. Ahşap, kauçuk, kağıt, tekstil ürünleri ve benzeri malzemeler için özel aşındırıcı diskler kullanılır. Bu amaçla geliştirilen aşınma test makinesinde dönen yatay bir tabla üzerine deney numunesi sabitlenir. Bunun üstüne malzeme türüne göre seçilen bir çift aşındırıcı disk belirli bir yükle bastırılır. Yatay tabla döndürülerek numunelerde belirli bir süre sonunda meydana gelen ağırlık azalması ölçülür. Birim mesafede aşınan miktar aşınma direnci olarak tanımlanır. 10.6. Yatak Alaşımları Uygulamada aşınmanın en önemli olduğu yerler yataklardır. Dönerek yük ileten bir mil bir yatakla sabit zemine tespit edilir. Yataklar rulmanlı ve kaymalı olmak üzere iki türdür.

•

Rulmanlı yataklarda yuvarlanan bilye ve rulmanlarla yuvarlanma yüzeyleri çok sert ve parlatılmış olursa yağlama ile aşınma en düşük düzeye iner. *

Kaymalı yataklarda aşınma çok daha önemlidir. Mil ve yatak burcu arasında hız farkı yüksek ve temas yüzeyi büyüktür. Aşınmayı azaltmak için yüzeyi sertleştirilmiş ve parlatılmış mil ile özel yatak alaşımından yapılmış yatak burcu kullanılır. En iyi sonuç veren yatak alaşımları yumuşak bir ana faz (matris) ile içine dağılmış sert parçacıklarından oluşur. Sert parçacıklar yükü taşır, mil ile tam temas edecek ve yerel basıncı azaltacak şekilde yumuşak matris içinde kolayca döner. Bu amaçla geliştirilmiş ve çok yaygın olarak kullanılan beyaz metal (85 Sn + 10 Sb + 5 Cu) böyle bir yapıya sahiptir. Ayrıca yumuşak matriste oluşan çukurcuklar yağ cebi vazifesini görür. Makine hareket edip basınçlı yağ gelinceye kadar bu ceplerde biriken yağ ilk yağlamayı sağlar. İyi bir yatak alaşımının sürtünme katsayısı düşük olmalı aynı zamanda iyi yağlanabilmeli. • Beyaz metalden başka Cu-Pb, Ag-Pb, Al-Sn, bronz gibi çeşitli alaşımlar yatak alaşımı

•

olarak kullanılır. Yağ emebilen gözenekli yatak alaşımları ile grafitli yatak alaşımları kullanma süresinde yağlama gerektirmez. Teflon, naylon ve polietilen gibi plastikler yatak burcu üretimine elverişlidir, ancak düşük yükler altında ve düşük sıcaklıklarda kullanılabilirler. *

Bölüm 11-KOROZYON, METALLER VE ALAŞIMLARI 11.1. Korozyon ve Önemi Korozyon, çevrenin elektro kimyasal etkisi ile oluşan malzeme tahribi ve malzeme kaybı olarak tanımlanır, özelikle metallerde önemli olan bu olay oldukça karışıktır. Metalik malzeme içerisinde bulunduğu ortam tarafından korozyon vasıtasıyla tahribata uğrar ve bu olay halk arasında paslanma olarak tanınır. Büyük ekonomik kayıplara neden olan korozyonu tam önlemek imkansızdır. Ancak bu olayın temel ilkelerini bilmek korozyonu en düşük düzeyde tutmak için gerekli önlemleri belirlemede çok yararlı olmaktadır. 11.2. Korozyon Çeşitleri Korozyon iki türe ayrılabilir.

•

Uygulamada en sık karşılaşılan ve en fazla zarar veren korozyon türü Elektrokimyasal korozyondur.*

11.2.1. Elektrokimyasal Korozyon Sıvı eriyikler içine daldırılan metaller aşağıdaki bağıntıda görüldüğü gibi iyonlaşır, Bu olay tersinir olup kısa sürede dengeye erişir.

•

Aynı eriyik içine iki ayrı türde metal daldırılırsa aralarında bir gerilim doğar ve buna galvanik pil denir. Elektron veren metal anot, elektron alan metal ise katot olur. *

•

Bir iletkenle birleştirilirlerse anottan çıkan elektronlar katoda geçer. Elektron kaybeden metalin iyonları eriyiğe geçerek korozyon oluşturur, katot ise etkisiz kalır. * Bu şekilde galvanik çiftlerinde görülen korozyona elektrokimyasal veya galvanik korozyon denir.

• •

Her metalin hidrojen elektroduna göre ölçülen bir elektrot potansiyeli vardır. Bunlar sıralanacak olursa yukarıdaki tabloda görüldüğü gibi bir elektromotif kuvvet serisi elde edilir (Tablo 11.1). Bu seri de anot taraftaki metal katot taraftakine göre anot reaksiyonuna maruz kalır, elektron vererek korozyona uğrar, katot taraftaki ise korunur. Kimyasal bileşik şeklindeki korozyon ürünü kütleden ayrılır ve yenisi oluşursa tahribat sürekli olur. Burada ele alınan demirin korozyonu bu türdür. 11.2.1.1. Demirin Korozyonu Demiri çevrede bulunan rutubet ve oksijenle birlikte galvanik eleman oluşturur ve sürekli olarak korozyona maruz kalır. Demir su ile temas edince aşağıdaki şekilde iyonlarına ayrılır.

Benzer şekilde suda da iyonlaşma oluşur.

Her iki halde de görüldüğü gibi iyonlaşma kısa sürede denge haline gelerek durur. Su içindeki (OH) kökü ile Fe+3 iyonu birleşerek aşağıdaki şekilde demir hidroksit oluşturur.

Bu birleşik gevşek ve süngerimsi suda erimez, ayrışarak dibe çöker, ancak su içinde çok az (OH)- kökü bulunduğundan bu reaksiyon zayıf olur ve kısa sürede durur. Eğer su içine havanın oksijeni girerse, aşağıdaki şekilde sürekli olarak (OH)- kökü oluşur.

•

Böylece elektronu alınan Fe3+ iyonu (OH)- kökü ile birleşerek pas denen Fe(OH)3 meydana gelir (Şekil 11.1).

Demirin çevresinde su veya oksijenden biri eksik olursa demir sürekli paslanmaz. Diğer taraftan rutubetli hava ile temas eden demir sürekli paslanır ve bir süre sonra yok olur. 11.2.1.2. Galvanik Pil Türleri Korozyona neden olan galvanik pil türleri

• •

•

bileşim pilleri gerilme pilleri konsantrasyon pilleri olmak üzere üç pil türü vardır. *

11.2.1.2.1. Bileşim Pilleri İki farklı türde metal arasında bir galvanik elemanı oluşabilir. İki metalden hangisinin katot, hangisinin anot olacağı elektromotif kuvvet serisinden bulunabilir. Buradan çıkarılan sonuca göre uygulamada iki ayrı tür metali temas halinde yan yana koymamak gerekir. 11.2.1.2.2. Gerilme Pilleri Gerilme etkisinde atomlar en düşük enerjili denge konumundan ayrıldıklarından gerilmesiz bölgelere göre daha yüksek enerjiye sahiptirler. Bundan dolayı gerilme etkisindeki atomların elektrolit potansiyelleri daha büyüktür ve anot reaksiyonu gösterirler. Plastik bölgede eğilmiş veya burulmuş metallerde plastik bölgeler anot reaksiyonu gösterir. Yandaki şekilde görüldüğü gibi eğilmiş çubuğun eğilme bölgesinde korozyon daha şiddetli oluşur. Benzer şekilde soğuk burulmuş tor çeliği çubukları sıcak haddelenmiş çelik çubuklara göre daha hızlı korozyona uğrarlar. Çivilerin uç ve baş kısımları gövdeden daha çabuk paslanır. 11.2.1.2.3. Konsantrasyon Pilleri Elektrolitin konsantrasyonu elektrot potansiyelini etkiler. Konsantrasyonun yüksek olduğu bölgeler katot, düşük olduğu bölgeler anot reaksiyonu gösterir. Yandaki şekilde de kapalı olan yerlerde oksijen azdır, bu bölgeler oksijeni fazla olan açık bölgelere göre daha şiddetli paslanırlar. 11.3. Korozyona Karşı Korunma Elektrolitin bulunmadığı hallerde korozyon tamamen önlenebilir. Ancak uygulamada bunu sağlamak çok güçtür. Havadaki su buharının yoğuşarak yüzeylerde oluşturduğu su filmi bir elektrolit etkisi yapar. Metal parçalar üzerine sürülecek yağ veya gres filmi korozyona karşı korur. Korozyona karşı alınan önlemler dört grupta toplanabilir.

11.4. Endüstriyel Malzemeler Uygulamada kullanılan malzemeler metaller, plastikler ve seramikler olmak üzere üçe ayrılırlar. Metaller üstün mekanik ve fiziksel özelikleri nedeni ile en çok kullanılan ve en önemli malzeme sınıfını oluştururlar. Metallerin elastisite modülleri diğer malzemelerinkinin (beton, ahşap ve plastikler gibi) 20-50 katı, mukavemetleri ise 5-20 katı kadardır. Arı halde yumuşak ve düşük mukavemeti olmakla beraber alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlem uygulayarak sertlik ve mukavemetleri çok arttırılabilir. Ayrıca üretim sırasında döküme, plastik şekil vermeye, keserek ve talaş kaldırarak işlemeye, kaynak, perçin ve vida ile birleştirmeye elverişlidirler. Bütün bunlara karşılık diğer malzemelere göre dış etkilere (korozyona) genellikle daha az dayanıklı ve daha pahalıdırlar. Uygulamada kullanılan metallerle bunların alaşımlarının türleri binlerin üzerinde olup her biri belirli amaçlar için geliştirilmiştir. Metaller demirli metaller ve demir olmayan metaller olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Demirli metallerde ana eleman demir olup bunun yanında karbon daima bir alaşım elemanı olarak bulunur, bu nedenle bu sınıfa demir-karbon alaşımları denir. 11.5. Demir-Karbon Alaşımları (Çelikler) Saf demir yumuşak ve düşük mukavemetlidir, içine karbon katılarak sertlik ve mukavemeti büyük ölçüde arttırılır. Saf demirin çekme mukavemeti 30 kgf/mm2 civarında iken % 0,8 kadar karbon katılırsa mukavemeti 100 kgf/mm2 olur, ayrıca soğuk işleme veya su verme işlemi ile bu mukavemet 180 kgf/mm2 ye kadar çıkartılabilir. Bundan başka bu alaşımlar normal halde kolayca işlenip şekil verilir, sonra ısıl işlemle sertlikleri çok arttırılabilir. Bütün bu üstün özelikleri nedeni ile demir-karbon alaşımları uygulamada en önemli malzeme grubunu oluştururlar. 11.5.1. Demir - Karbon (Fe-C) Denge Diyagramı Demir-karbon alaşımlarının denge diyagramını elde etmek için değişik bileşimde demir-karbon alaşımları oluşturarak bunların soğuma diyagramları saptanır. İlk önce arı demirin soğuma diyagramını ele alalım. Şekil 11.4' de görüldüğü gibi demirin üç ayrı polimorfu vardır. Sıvı halden katılaşırken (HMK)' li demiri oluşur, 1400°C' da bu yapı (YMK)' li demirine, 910 °C' ta da (HMK) yapılı demirine dönüşür. (HMK)' ye sahip demire ferrit, (YMK)' ye sahip demire ise ostenit denir.

Şekil 11.4: Demirin soğuma diyagramı ve polimorfları Demir-karbon sisteminde bu , ve fazları yanında ayrıca bir de demir karbür (Fe3C) fazı bulunur ve buna sementit denir. Demir karbür bir bileşik olup ağırlık yönünden % 6,67 C içerir ve ortorombik kristal yapıya sahiptir. Demir içine % 6.67 oranında C katılırsa bütün kütle sementitten oluşur. Bir uçta arı demir olan ferrit fazı çok yumuşak ve düşük mukavemetli, öteki uçta demir karbür fazı çok sert ve gevrektir, ancak ikisinin ince karışımından oluşan çelikler hem yüksek mukavemete ve hem de yüksek tokluğa sahiptirler.

11.5.1.1. Demir-Karbon Sisteminden Denge Diyagramı

Şekil 11.5: Demir-karbon sisteminde denge diyagramı Demir-karbon alaşımlarında fazların C oranına ve sıcaklığa bağlı olarak değişimi Şekil 11.5 deki denge diyagramında gösterilmiştir. Bu sistemde en ilginç iç yapı %0,8 C içeren alaşımda görülür. Bu alaşım sıvı halden katılaşırken ostenit katı eriyiğine dönüşür, sonra 727 °C ta ötektoid reaksiyonu sonucu bu katı eriyikten aynı anda ferrit ve sementit fazları oluşur.

Ferrit ve sementitin yan yana ardışık sık tabakalar halinde dizilmesi sonucu oluşan bu yapı kırıldığı zaman parlak inci şeklinde görülür, bu nedenle, buna perlit denir. Ferrit çok yumuşak ve düşük mukavemetli, sementit çok sert ve gevrektir, fakat bunların sık karışımından doğan perlit yüksek mukavemete ve yüksek tokluğa sahiptir. Şekil 11.6: % 0.8 karbon içeren demir-karbon alaşımı 727°C da ostenitik yapıdan perlite dönüşümü % 0,8'den az C içeren alaşımlar katılaşırken önce ostenit katı eriyiğine dönüşür. A3 sıcaklığına gelince Ostenitten ferrit çökelir, 727 °C ta geri kalan ostenit %0,8C içerir ve bu sıcaklıkta perlite dönüşür. 11.5.1.2. Soğuma Süresinde Oluşan İç Yapılar Oda sıcaklığında ferrit ve perlitten oluşan bir yapı elde edilir. Bu alaşım perlitik yapıya göre daha yumuşaktır. % 0,8-2 arasında C içeren alaşımlar soğurken önce ostenit katı eriyiğine dönüşür. AC sıcaklığında Ostenit katı eriyiği karbonca doymuş hale gelir ve C'un fazlası tane sınırlarında ağ şeklinde sementit fazı halinde çökelir. Sıcaklık düştükçe çökelen sementitin kalınlığı artar. 727°C ta geri kalan % 0,8 C içerir. Dolayısıyla bu sıcaklıkta perlite dönüşür. Oda sıcaklığında perlit ile onu çevreleyen sürekli sementit ağından oluşan bir yapı elde edilir, bundan dolayı bu bölgede alaşımların çok sert ve gevrek olması doğaldır (Şekil 11.8). 11.5.1.3. Beyaz Dökme Demir ve Kır Dökme Demir C oranı % 2 den fazla olursa denge diyagramı iç yapı oluşumunu belirlemeye yetmez. Ayrıca soğuma hızı ve Si içeriği oluşacak yapıyı etkiler. Birinci halde soğuma hızı yüksek (metal kalıpta döküm) ve Si < %1 ise diyagramda görülen fazlar elde edilir. Oda sıcaklığında ana kütlesi sementit ile bunun içinde dağılmış perlit adacıklarından oluşan bu metal çok sert ve gevrektir, kırılınca beyaz görünür, bu nedenle buna beyaz dökme demir denir (Şekil 11.10). ikinci halde soğuma hızı yavaş (kum kalıpta döküm) ve Si > % 1 ise kararsız Fe3C bileşiği ayrışır. Si burada C' nun ayrışmasında katalizör etkisi yapar. Karbon ince uzun grafit levhaları halinde oluşur, bu metal kırıldığı zaman gri renkte görünür, bu nedenle buna kır dökme denir. Karbonun ayrışma derecesine göre ferritik, perlitik ve karışık bir döküm yapısı elde edilir (Şekil 11.10). 11.6. Çeliklerin Sınıflandırılması Bu alaşımlar içerdikleri karbon oranına göre iki sınıfa ayrılırlar.

1. Demirler : C<%0.1 2. Çelikler : 0.1
Çelikler de dört alt sınıfa ayrılırlar;

1. Az Karbonlu Çelikler : %0.1
11.7. Çelik Üretimi

11.8. Karbon Oranının Çeliklerin Alaşımlarının Mekanik Özeliklerine Etkisi * Çıkmış Soru Değerlendirme

•

• • • • •

Arı demir yumuşak ve düşük mukavemetlidir. Karbon oranı arttıkça sementit miktarı yükselir Sertlik ve mukavemet artar, fakat süneklik azalır. Sementit gevrek bir faz olduğundan % 1 C oranından sonra çekme mukavemetinde azalma olur. Demir-karbon alaşımlarının gerilme şekil değiştirme diyagramlarının biçimi C oranına bağlıdır Az karbonlu çeliklerde belirgin akma basamağı vardır, büyük ölçüde plastik şekil değiştirmeden sonra kırılırlar ve yüksek tokluğa sahiptirler.

Orta karbonlu çeliklerde akma basamağı görülmez ve oldukça sünektirler. Yüksek karbonlu çeliklerde ise mukavemet yüksek fakat süneklik az, toklukları düşüktür, genellikle gevrek davranış gösterirler.

Ayrıca soğuk şekil verme ve su verme işlemleri elastisite modülünü değiştirmez, ancak elastik sınırı arttırır. 11.9. Çeliklerin (Fe-C Alaşımı) Kullanım Alanları 1. Demirler: Yüksek plastik işlenebilirlik özeliğine sahiptirler, korozyona iyi dayanırlar. Ayrıca galvaniz (çinko banyosuna daldırma) veya emaye (seramik bir filmle kaplama) edilerek korozyona dayanıklılığı daha da arttırılır. Genellikle galvanizli saçların ve boruların üretiminde kullanılırlar. 2. Çelikler: Az karbonlu çelikler genel amaçlar için kullanılan en ucuz çelik türüdür. Sünekliği yüksektir, kolay işlenir, su verme ile sertleştirilemez. Orta karbonlu çelikler genellikle daha yüksek mukavemetli olup su verme ile sertleştirilebilir, yapılarda ve makine parçaları üretiminde kullanılırlar. Yüksek karbonlu çelikler sert olup işlenmesi zordur, genellikle takım ve kalıp üretimine elverişlidirler. Bu çelikler 700°C' de uzun süre tavlanırsa küresel karbür oluşur. Küreleştirme işlemi ile sertlik azalır ve şekil vermeden sonra su vererek sertleştirilir. 3. Dökme demirler: a) Beyaz dökme demir:

Ana faz demir karbür olduğundan çok sert ve gevrektir, ancak dökme ile şekil verilebilir. Genellikle aşınmaya dayanıklılık gerektiren yerlerde, örneğin bilyalı öğütme değirmenlerde, demiryolu vagonu fren pabuçlarında ve kazı makinelerinde kullanılırlar. Beyaz dökme demir yüksek sıcaklıkta uzun süre tavlanırsa kararsız Fe3C bileşiği Fe ile küçük parçacıklar halinde grafite ayrışır (Şekil 11.13). Bu yöntemle elde edilen metale temper dökme demir denir. Sünekliği ve mukavemeti yüksek olan temper dökme demir karışık şekilli parçaların seri halde üretimine elverişlidir (boru ekleme parçaları) ( b) Kır (sfero) dökme demir: İçinde serbest halde uzun grafit parçacıkları bulunduğundan çekme mukavemeti düşük ve gevrektir, fakat basınç mukavemeti yüksektir (Şekil 11.13). Kolay dökülür, talaş kaldırılarak kolay işlenir, titreşimi iyi söndürür ve en ucuz metaldir. Bu nedenle endüstride geniş kullanma alanı vardır. Dökümden önce sıvı halde iken içine biraz magnezyum katılırsa grafit kürecikler halinde oluşur, küresel veya sfero döküm denen bu metalin sünekliği ve mukavemeti yüksektir (Şekil 11.14). Kır dökme demir dökümden önce yüksek sıcaklıkta kızdırılırsa grafit çok ince parçacıklar halinde ayrışır, mekanik özelikler iyileşir. 11.10. Alaşımlı Çelikler Basit karbonlu çeliklerde C arttıkça sertlik ve mukavemet yükselir , fakat süneklik azalır ve gevrekleşir. Sünekliği koruyarak mukavemeti arttırmak için alaşım elemanları katılır. Alaşım elemanları ayrıca çeliklerin sertleşme yeteneğini arttırmak ve özel amaçlı çelikleri üretmek için de katılır. Bu şekilde elde edilen alaşımlı çeliklerin türü 2000' e yakındır. Çeliğe katılan her alaşım elemanının etkisi değişiktir. En çok kullanılan alaşım elemanları Cr ve Ni dir. Bunlardan başka Mn, Si, Mo, Co, W, V gibi çeşitli elemanlar alaşımlı çelik üretiminde kullanılırlar. Bu elemanlar yapıda ya katı eriyik veya karbür şeklinde bulunurlar, örneğin Ni yalnız katı eriyik, Cr çoğunlukla katı eriyik ve biraz karbür, Ti çoğunlukla karbür oluşturur. Alaşımlı çelikler alaşım elemanlarının miktarına göre az alaşımlı çelikler ve çok alaşımlı çelikler olmak üzere ikiye ayrılırlar: a) Az alaşımlı çelikler: Bunlarda alaşım elemanı %5' ten azdır. Genellikle yüksek mukavemetli yapı çeliği ve makine parçaları üretiminde elverişlidirler. Şekil verdikten sonra su verme ile sertlikleri çok arttırılabilir. b) Yüksek alaşımlı çelikler: Bu çeliklerde alaşım elemanı %5 ten fazladır, genellikle özel amaçlar için kullanılırlar. Örneğin, % 18 Cr , %8 Ni' li paslanmaz çelik, kayaları delmek için kullanılan ve aşınmaya ve darbeye karşı çalışan % 14 Mn' li çelikler, % 20' den fazla Cr içeren yüksek sıcaklığa dayanıklı kalıp çelikleri bu sınıfa girerler. 11.11. Metallerin Sınıflandırılması ve Standartları Endüstride, yapılarda ve makine üretiminde kullanılan metallerin türleri 2000'in üstündedir. Bunlar türlerine, birleşimlerine, mukavemetlerine ve kullanma amaçlarına göre sınıflara ayrılarak standartlaştırılmışlardır. Türk Standartları Enstitüsü her sınıf için hazırladığı standartta ayrıntılı bilgiler vermiş ve bunları birer numara ile belirtmiştir. örneğin TS 708 Beton Çelik Çubukları, TS 2162 Genel Yapı Çelikleri hakkında ayrıntılı bilgiler verilmektedir. Genel yapı çeliklerinin sınıfını belirten simgelerin başında Ç, St veya Fe harfleri bulunur. Bunlardan sonra gelen sayı o çeliğin sahip olması gereken minimum mukavemeti kgf/mm2 veya N/mm2 olarak verir. Mukavemet belirten sayıdan sonra verilen 1, 2 veya 3 sayıları çeliğin kalitesini belirtir. Örneğin yapı çeliği Ç 52-2, 2. kalite basit karbonlu çelik olup çekme mukavemeti minimum 52 kgf/ mm2 dir. Türk Standartları TS 649 Yapı Çeliklerinin. TS 708 beton çeliklerinin özeliklerini, bileşimlerini belirtir ve uygulanacak deneyleri hakkında bilgi verir. TS 708 de beton çelikleri iki gruba ayrılmıştır. Birinci grup nervürsüzdür, ÇI az karbonlu (% 0,1-0.2 C'lu) çelik çubuklardır ve çekme mukavemetleri en az 34 kgf/mm2 dir. Ç II orta karbonlu (%0,3 -0,4C'lu) çubuklardır ve çekme mukavemetleri en az 50 kgf/mm2 dir.

İkinci grup beton çelikleri nervürlü olup sınıf numarasının yanında a veya b harfleri vardır. Beton Ia çeliği az karbonlu, sıcak haddelenmiştir, çekme mukavemeti en az 34 kgf/mm2 dir. Beton IIIb çelik çubukları Ia çeliğinin soğuk burulması ile elde edilir, nervürler spiral şeklinde görülür ve çekme mukavemeti en az 50 kgf/mm2 dir. Beton IIIa çeliği orta karbonlu sıcak haddelenmiştir, çekme mukavemeti en az 50 kgf/mm2 dir, nervürler eksene paraleldir. Buna göre I sınıfındakiler düşük mukavemetli, III sınıfındakiler ise yüksek mukavemetli beton çelik çubukları sayılır. Makine parçaları üretiminde çeşitli basit karbonlu ve alaşımlı çelikler kullanılır. Bunlar kullanma amacına göre sınıflara ayrılırlar, Örneğin, sementasyon çelikleri, otomat çelikleri, kazan çelikleri, yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler, paslanmaz çelikler, yay çelikleri ve takım çelikleri gibi. Bunların simgeleri alaşım elemanlarının türüne, miktarına ve mukavemetine göre tayin edilmiştir. Dökme çelikler DÇ, beyaz dökme demir DDL simgesi ile gösterilir ve sonuna minimum mukavemet kgf/mm2 cinsinden eklenir. Demir olmayan metallerin simgesinde alaşımda bulunan elemanları ve miktarları belirtilir, örneğin CuZn40 % 40 Zn içeren pirinci, CuSn2 ise % 2 Sn içeren bronzu gösterir. Bu konuda ayrıntılı bilgiler standartlardan, kataloglardan ve el kitaplarından sağlanabilir (Ref. 10 ve 11). (Kaynaklar : Stahlschlüssel, Verlag Stahlschlüssel Wegst KG, D-7142 Marbach-Neckar, Almanya, 1974, 11) Metals Handbook, Vol. 1. Propertlies and Selection of Metals, ASM, Metals Park, Ohio, U.S.A. 1967.) Dünyada metal üreten her ülke ürünlerini kendi simgeleri ile anarlar. Bileşim ve özelik bakımından aynı olan bir ürün değişik ülkede farklı simgelerle gösterilir, özelikle dış ülkelerde görev yapan bir mühendisin yabancı kaynaklı bir ürüne ait simgenin ne tür bir alaşımı gösterdiğini bilmesi gerekebilir. Çeşitli ülkelerin çelikler için kullandıkları simgeleri ve bunların karşılıklarını içeren 10 numaralı kaynak bu konuda yararlı olabilir. 11.12. Demir Dışı Metaller

Demir olmayan metallerin bazı üstün özelikleri nedeni ile endüstride önemli uygulama alanları vardır. Sahip oldukları özellikleri nedeniyle bazı hallerde demir-karbon alaşımlarına tercih edilirler.

Bununla beraber elastisite modülleri, sertlik ve mukavemetleri daha düşüktür. Endüstride kullanılan metallerin yaklaşık olarak % 80-85' i demir-karbon alaşımları, % 15-20 kadarı demir olmayan metallerdir. Bu metallerin en önemli sakıncaları pahalı olmalarıdır. Bu grupta bakır ve bakır alaşımları ile alüminyum ve alüminyum alaşımları burada kısaca ele alınacaktır. 11.13. Bakır ve Bakır Alaşımları Arı bakır yumuşak, plastik işlenebilme özeliği yüksek ve korozyona dayanıklıdır. Yapılarda çatı kaplama malzemesi olarak kullanılır. Yüksel termal iletkenliği nedeni ile ısıtma ve soğutma sistemleri üretiminde, yüksek elektriksel iletkenliği nedeni ile de iletken tel üretiminde çok kullanılan bir malzemedir. Alaşımlandırma ile mukavemeti çok arttırılabilir.

Bakır alaşımları genellikle pirinçler ve bronzlar olmak üzere ikiye ayrılır.

11.14. Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları Arı alüminyum yumuşak, işlenmesi kolay ve korozyona dayanıklı, ısıl ve elektriksel iletkenliği yüksektir. Alaşımlandırma ile mukavemeti önemli derecede arttırılır. Özgül ağırlığı düşük olduğundan (2,7 gr/cm3) uçak ve benzeri hafif yapılar için çok elverişlidir. Arı alüminyum büyük açıklıklı enerji hatlarında iletken tel olarak kullanılır. Alüminyuma Cu, Mg, S, Ni ve Mn gibi çeşitli alaşım elemanları katılarak belirli amaçlar için değişik türde alaşımlar üretilir. Bunlardan en önemli olan ikisi aşağıda kısaca tanıtılacaktır.

Düralümin

Piston Alaşımı

Alüminyuma eloksal denen elektrokimyasal işlem uygulayarak korozyona dayanıklılığı daha da arttırılır. Kolay işlenebilme, boyutların zamanla değişmemesi ve güzel görünüşü nedeni ile yapılarda doğrama malzemesi olarak kullanılır.

11.15. Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirmek İçin Uygulanan İşlemler Metallerin mekanik özelikleri büyük ölçüde iç yapıya bağlıdır. İç yapıları değiştirmek suretiyle sertlik, mukavemet ve süneklilik uygulama amacına göre ayarlanabilir, örneğin yumuşak olan bir orta karbonlu çeliğe kolayca şekil verilir, sonra su vererek çok sert hale getirilir ve aşınma direnci çok arttırılır. İç yapıda değiştirilmesi mümkün yapısal faktörler tanelerin büyüklüğü ve biçimi, bileşimi, fazların türü ve dağılış biçimleridir. İç yapıları değiştirmek için uygulanan işlemler • Alaşımlandırma • Soğuk şekil verme • Isıl İşlem 11.15.1. Isıl İşlemler

•

Metallere uygulama amacına en uygun özelliği sağlamak amacı ile uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemlerine ısıl işlem denir.

Bunlar genellikle iki ayrı grupta incelenir.

• •

Yumuşatma tavlaması ve normalizasyon Çeliklere uygulanan su verme sertleşmesi ve temperleme işlemleri

11.15.1.1. Bir Çeliğe Su Verebilmek İçin Gerekli Koşullar

Bir çeliğe su verebilmek için aşağıdaki koşullar sağlanmalıdır:

Martenzit çok sert ve gevrek olduğundan çarpma mukavemeti düşüktür. Bu sakıncayı gidermek için su vermeden sonra 300-350 °C' ta bir süre ısıtılır. Bu işlem süresinde artık gerilmeler giderilir, sertlik biraz azalmakla beraber tokluk önemli ölçüde artar. Bu işleme temperleme denir. Temperlemeden sonra bazıları çeliği suda soğutur. Bundan dolayı halk dilinde buna çifte su verme, ayrıca temperleme sıcaklığı civarında çeliğin yüzeyi mor-mavi bir renk aldığından menevişleme de denir. 11.16. Metallerde Kaynaklı Bileşimler Kaynak, metal parçalarına yüksek sıcaklıkta uygulanan birleştirme işlemidir. Ergitme kaynağı ve basınç kaynağı olmak üzere iki yöntem vardır. Ergitme kaynağında birleştirilecek metal parçalarla dolgu olarak kullanılacak kaynak teli ergime sıcaklığına kadar ısıtır. Bunun için gaz alevi (oksi-asetilen alevi) veya elektrik arkı kullanılır. Kaynak sırasında sıvı hale gelen metaller birbirleri ile karışarak sürekli bir iç yapı oluştururlar. Basınç kaynağı ise genellikle demire uygulanır ve buna demirci kaynağı da denir. 800°C' un üstünde tavlanan demir parçalar üst üste konarak presle bastırılır veya dövülürse temas yüzeyi boyunca atomsal yayınım nedeni ile sürekli bir yapı oluşur ve iki parça birbirine kaynar. Kaynak sırasında oksitlenmeyi önlemek ve oluşacak cürufu uzaklaştırmak için özel örtü maddeleri (kaynak pastası ve dekapan) kullanmak gerektir.

Kaynak sırasında metallerde görülen doğal ergime ve katılaşma faz dönüşümleri oluşur. Kaynak bölgesinde ergimiş metal çevredeki soğuk ana kütle tarafından hızla soğutulur, bu nedenle ince taneli yapı meydana gelir.

Soğuma hızı elektrik kaynağında daha hızlıdır, genellikle daha homojen ve mukavemeti daha yüksek kaynak elde edilir. Kaynak çevresinde sıcaklık farkları çok yüksek olduğundan özelikle kalınlıkları fazla ve değişik büyüklükte olan bileşimlerde önemli artık gerilmeleri doğar. Büyük yapılarda bu gerilmeler çatlamalara neden olabilir. Bu durumlarda artık gerilmeleri azaltacak önlemler almak gerekir. Bazı hallerde artık gerilmeleri giderici tavlama uygulanabilir. Örneğin, büyük buhar kazanlarını 600°C civarında tavlayarak artık gerilmeleri gidermek zorunludur. Kaynak süresinde yüksek sıcaklık nedeniyle ana metalde yapısal değişiklik oluşabilir. Soğuk burma ile sertleştirilmiş tor çeliklerde 600° C' un üstündeki sıcaklıklarda pekleşmenin oluşturduğu mukavemet artışı kaybolur. 11.16.1. Bindirme Kaynağı ve Alın Kaynağı Bu tür çeliklerde tüm kesiti yumuşatacak alın kaynağı yerine bindirme kaynağı uygulanır; bindirme bölgesi kısmen ve kademeli olarak kaynatılır. Genellikle ısıl işlemle sertleştirilebilen yüksek mukavemetli çeliklerin kaynak bölgesinin mukavemeti ana kütleninkinden daha az olur. Çeliklerde kaynak sırasında FeO oluşur ve buda C tarafından redüklenerek CO gazları meydana gelir. C oranı arttıkça kaynak bölgesinde kalan bu CO gazı kabarcıkları kaynak kalitesini azaltır. % 0.25' in altında C içeren çeliklerin kaynak kabiliyeti iyidir. Bu değerin üstünde özel önlemler ve uygun elektrot kullanılarak bu sakınca önlenmeğe çalışılır.

•

Karbon miktarı arttıkça kaynak kabiliyeti azalır.*

Dökme demirin kaynağında beyaz dökme demir ve sakıncalı artık gerilmeler doğar, çatlamalar oluşabilir. Yüksek silisyumlu kaynak çubuğu kullanmak, kaynaktan önce parçayı ısıtmak ve yavaş soğutmak suretiyle bu sakıncalar önlenir. Dökme demir parçalara pirinç kaynağı da uygulanabilir. Alüminyum ve bakır alaşımları da kaynakla birleştirilebilir. Bunun için özel kaynak elektrodları ve uygun örtü malzemesi (dekapan) kullanılır. Bölüm 12-SERAMİKLER, ÇİMENTO VE KOMPOZİTLER 12.1. Seramikler Seramikler metal ve metal olmayan elemanlardan oluşan inorganik bileşiklerdir. Bunlar çoğunlukla doğada kayaların dış etkilerle parçalanması sonucu meydana gelen kil, kaolen ve benzeri maddeleri yüksek sıcaklıkta pişirerek elde edilirler. Bu nedenle halk dilinde seramik, pişmiş toprak esaslı malzeme anlamına gelir. Uygulamada çok kullanılan cam, tuğla, kiremit, taş, beton, aşındırma tozları, porselen ve refrakter malzemeler bu sınıfa girerler. Seramiklerin bileşiminde çoğunlukla değişik türde silikatlar, alüminatlar ve bunların yanında bir miktar metal oksitleri bulunur. Bu bileşikler genellikle iyonsal bağa, bazıları iyonsal bağla kovalan bağın karışımına sahiptirler; dolaysıyla yapıları çok kararlıdır. Genellikle yüksek sıcaklığa dayanıklı, sert ve gevrek olurlar. İyi yalıtkandırlar, ayrıca bazıları manyetik, piezo elektrik ve yarıiletkenlik özelliklerine sahiptir, bu nedenle elektronik endüstrisinde geniş ölçüde kullanılırlar. 12.1.1. Seramiklerin Yapısı Seramik mineraller ve fazlar çoğunlukla metallerde olduğu gibi kristal yapılı, bazıları da amorf yapılıdır. Ancak seramik kristallerinde atomların dizilişi çok daha karışıktır. Örneğin basit bir kil olan Al2Si2O5(OH)4'ün kristal yapısında Al, Si, O ve OH kökü olmak üzere dört değişik tür yapısal birey vardır. Bazı seramiklerin kristal yapısı, mikada olduğu gibi, dıştan gözlenebilir, nitekim mika belirli kristal düzlemleri boyunca ayrılarak kolayca kırılır. Yapı bireylerinin dizilişi değişik biçimde olabilir. Bazılarında üç boyutlu uzayda düzenli (kristal), bazılarında bir düzlem boyunca, bazılarında da yalnız bir zincir boyunca düzenli, bazılarında ise tamamen düzensiz (amorf) diziliş vardır. Bazı seramiklerde polimorfizm özelliği görülür. Örneğin silika'nın (SiO2) düşük sıcaklıkta kuvartz, orta sıcaklık ta tridimit ve yüksek sıcaklıkta kristobalit olmak üzere üç polimorfu vardır. Seramiklerin yapısı karmaşık ve bağları kuvvetli olduğundan faz dönüşümleri oldukça yavaştır. Bu nedenle soğuma hızının iç yapı oluşumuna etkisi büyüktür. Sıvı halde amorf olan cam normal soğuma süresinde amorf yapıyı koruyarak katılaşır. Eğer cam çok yavaş soğutulursa kısmen kristalleşme görülür. Refrakter özelliğe sahip karbür ve nitrürlerde metalsel ve kovalan bağlar karışık haldedir. TiC, Si3N4, SiC, BN ve ZrN gibi seramik bileşiklerin yapı ve özellikleri metallerle seramikler arasındadır. Silikatlar yapı ve özellikleri

nedeni ile inorganik polimer sayılırlar. Soğuma süresinde hacmin sıcaklıkla değişimi yönünden polimerlerle camlar arasında bir benzerlik vardır. Kristal yapı oluşumunda olduğu gibi katılaşma sabit sıcaklıkta oluşamaz ve katılaşırken ani hacim azalması görülmez. 12.1.1.1. Seramiklerde Kristal Yapılar Seramiklerde kristal yapılar aşağıda görüleceği gibi üç ayrı türe ayrılabilir. AX türü kristaller: En basit seramik bileşiklerde eşit sayıda metalsel ve metalsel olmayan eleman vardır. A türü atomlarla B türü atomlar arasında düzenli bir ilişki kurarlar. Koordinasyon sayıları 4, 6 veya 8 olabilir. 6'lı koordinasyona sahip yüzlerce seramik bileşik vardır. Yüzey merkezli kübik kafesin köşelerinde ve yüzey merkezlerin de birer Cl iyonu, kenar ortalarında da birer Na iyonu bulunur. Buna göre bir birim hücrede 4 Na ve 4 Cl atomu vardır. Birim hücrenin bir kenarı Cl iyonu ile Na iyonunun iyonsal çaplarının toplamına eşittir. MgO ve FeO te bu tür kristal yapıya sahiptir. Am, Xp türü kristaller: Bu tür kristalleri oluşturan elemanların oranı 1/2 veya 2/3 şeklindedir. Bunlara örnek olarak CaF2 ve Al2O3 gösterilebilir. CaF2 yüzey merkezli kübik, Al2O3, hegzagonal sık düzenli birim hücreye sahiptir. Am,,Bn,Xp türü kristaller: İkiden fazla tür eleman içeren bu çok elemanlı bileşiklerin yapısı çok daha karışıktır. Bu türün en ilginç örneği baryum titanattır (BaTiO3). Yüzey merkezli kübik birim hücrenin köşelerinde Ba2+ iyonları yüzey merkezlerinde O2iyonları ve merkeze yakın bir yerde Ti4+ iyonu bulunur. Ti4+ iyonunun asimetrik konumu nedeni ile piezo elektrik özelliğine sahip baryum titanat mekanik titreşimleri elektriksel büyüklüğe dönüştürür, bu nedenle pikap iğneleri üretiminde kullanılır. Bu grubun diğer bir ilginç örneği MFe2O3 bileşikleridir. Burada M bir iki değerli katyondur. Ferrit türü seramikler denen bu malzemeler manyetik özelliğe sahiptir. Bu tür seramik mıknatıslar manyetiklik özelliğine sahip oldukları gibi elektriksel yalıtkandırlar, bu nedenle elektrik elektronik endüstrisinde geniş ölçüde kullanılırlar. 12.2. Silikatlar Seramiklerin büyük bir çoğunluğu çeşitli türde silikatlar içerirler. Doğada bol miktarda bulunan silikatlar bazı üstün özellikleri nedeni ile geniş ölçüde seramik malzeme üretiminde kullanılırlar. Beton, tuğla, kiremit, cam ve porselen yapı malzemeleri temel bileşimleri silikatlardır. Bunların yapıları aşağıda kısaca tanıtılacaktır. Silikatlarda temel yapı bireyi SiO4 dörtyüzlüsüdür. Bu dörtyüzlünün merkezinde bir silisyum atomu, köşelerinde birer oksijen atomu bulunur. Si ile O atomları arasındaki bağ kovalent türde olup çok kuvvetlidir. Köşelerdeki O atomlarının valans kabuğunda bir boş enerji düzeyi vardır. Bu oksijen atomları ya komşu dörtyüzlünün Si atomu ile bir çift elektron paylaşarak veya bir metal atomundan bir elektron alarak valans elektronlarının sayısını sekize tamamlarlar ve böylece çok kararlı bir yapıya sahip olurlar. Şekil 12.2 (a)' da oksijen atomlarının komşu dörtyüzlülerin Si atomları ile oluşturduğu sürekli kovalent bağ ağı görülüyor. Bu şekilde birbirleri ile bağlanan dörtyüzlüler uzayda düzensiz dizilirse amorf silis, eğer düzenli dizilirse kuvartz kristali oluşur. Her ikisinin de kimyasal bileşimi SiO2 dir. İç yapı türlerinin şekillerini görmek için başlıklara tıklayınız. Şekil 12.2: Silikatların oluşturduğu iç yapı türleri Silikat dörtyüzlüleri iki değerli metal iyonu ile bağ kurarsa Şekil 14.2 (b)' deki gibi sürekli bir yapı elde edilir (Mg2SiO4 gibi). Diğer taraftan oksijen atomları bir değerli metal iyonları ile bağ kurarsa Şekil 12.2 (c)' de görüldüğü zincir şeklinde bir silikat yapısı oluşur (Mg2SiO4 gibi). Bu durumda zincir boyunca sürekli kovalan bağ, yan atomlarda iyonsal bağ bulunur. Yukarıda açıklanan iç yapı oluşumları göz önüne alınacak olursa silikatların polimerler de olduğu gibi zincir ve uzay ağı türü yapılara sahip olduğu görülür. Bundan başka bazı silikatların tabakalı yapısı vardır. Zincir türü yapıya örnek asbest lifleri, uzay ağı türü yapıya örnek kuvartz ve tabakalı yapıya örnek mika gösterilebilir. Bu yapısal benzerlikler nedeni ile seramiklere bazen inorganik polimerler de denir.

12.3. Seramiklerin Sınıflandırılması Endüstride geniş kullanma alanına sahip seramikler iki gruba ayrılarak incelenebilirler. a) Camlar: Silikatlar en çok cam üretiminde kullanılır. Yüzlerce cam türü bulunmakla beraber en önemlileri: soda-kireç camı (pencere camı), kurşunlu cam, boronsilikat camı ve silis camıdır. b) Pişmiş kil ürünleri: Tuğla, kiremit, porselen ve refrakter malzemeler (ateş tuğlası). Cam genel anlamda ergimiş haldeki amorf yapısını koruyarak katılaşan inorganik malzeme olarak tanımlanabilir. Çok sert ve gevrek olan camın saydam oluşu en yararlı özelliği sayılır. Basınç mukavemeti çok yüksek, fakat çekme mukavemeti çok düşüktür. Burada başlıca dört tür camın yapısı ve genel özellikleri ele alınacaktır. 12.3.1.1. Cam Türlerinin Bileşimleri Ve Özellikleri Silis Camı: Silika (SiO2) en iyi cam oluşturan bir bileşiktir. Yukarıda açıklandığı gibi silikat dörtyüzlülerinin ara oksijen atomları ile oluşturduğu sürekli bir kovalent bağ ağına sahiptirler. Genel olarak amorf yapıya sahiptirler. Silikanın ergime sıcaklığı çok yüksek olduğu gibi (1710°C) yumuşak halde viskozitesi çok büyüktür, bu nedenle işlenmesi zordur. Bununla beraber ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşme katsayısı düşük olduğundan termal şoka iyi dayanır, dolayısıyla sıcaklığa dayanıklı cam eşya üretimine elverişlidir. Soda-Kireç Camı: Silikaya soda (Na2O) ve kireç (CaO) katılacak olursa Si-O bağlarının sürekliliği yer yer bozulur ve açık kalır, ergime sıcaklığı düşer (650-815°C) ve viskozite azalır, dolayısıyla kolay işlenir. CaO camın suya ve kimyasal etkilere direncini arttırır, sertliğini yükseltir. Isıl genleşme katsayısı yüksek ve ısıl iletkenliği düşük olduğundan soda-kireç camı ısı şokuna dayanamaz, kolayca çatlar. Bu tür cam genellikle pencere camı ve ucuz cam eşya üretiminde kullanılır. Kurşunlu Cam: Silikaya kireç yerine kurşun oksit (PbO) katılırsa elde edilen kurşunlu camın ışığı kırma ve yayma özelliği yüksek olur. Optik endüstrisinde kullanılan flint cam bu türdendir. Ayrıca parlak ve pırıltılı bir görünüşte olduğundan halk dilinde kristal denen değerli cam eşya üretimine elverişlidir. Boron Silikat Camı: Silika alkali metal oksitleri yerine boron oksit (B2O3) katılırsa camdaki kuvvetli kovalent bağlar sürekliliğini korur. Bu tür camın ısıl genleşme katsayısı çok düşüktür (pencere camının üçte biri kadar), kimyasal etkilere ve yüksek sıcaklığa dayanıklıdır. Laboratuar aletleri ve ateşe dayanıklı cam eşya üretiminde kullanılır. Endüstride pyrex denen cam boron silikat camıdır. 12.3.2. Pişmiş Kil Ürünleri Killer kayaların dış etkilerle ufalanması sonucu oluşurlar. Doğada çok değişik bileşimde ve özellikte kil vardır. Killerin içinde bulunan temel bileşenler silika (SiO2), alümina (Al2O3) ve sudur. Bunlardan başka demir oksitler, alkali ve toprak alkali bileşikleri bulunur. Temel bileşenlerden silika (SiO2) 1720 °C da, alümina 2050 °C ta ergir. Silikaya % 6 alümina katılırsa ötektik reaksiyon oluşur, ergime sıcaklığı 1550 °C'a düşer. Kil içinde bulunan demir oksit ve alkali bileşikler ergime sıcaklığını daha da azaltarak 900 °C 'a kadar indirir. Kilde ilk ergiyen bileşenler sıvı hale geçerek katı parçacıkların çevresini sararak boşlukları doldurmaya başlar. Bu olaya camlaşma veya vitrifikasyon denir. Sıcaklık yükseldikçe ergiyen kısmın miktarı artar, camlaşma derecesi yükselir, boşluklar azalır, en sonunda bütün kütle hale geçerek tam camlaşma oluşur (1400°C civarında). Ergime başladıktan sonra soğutulursa cam yapısına sahip bir matris ile onun çevrelediği inert parçacıklardan oluşan bir yapı meydana gelir. Camlaşma derecesi arttıkça porozite azalır, yoğunluk artar, sert gevrek ve yüksek mukavemetli bir malzemeye dönüşür. Yapılarda kullanılan tuğla ve kiremit kilin pişirilmesi sonucu elde edilir. Yeşil renkte plastik kıvamda kil SiO2 ve Al2O3'ten başka demir oksitleri, bağı alkali bileşikleri ve % 20 kadar su içerir. Plastik kıvamdaki kile kolayca şekil verilerek önce kurutulur. Kurutma çabuk olursa su hızla buharlaşır, geriye boşluklar bırakır ve mukavemet düşük olur.

Kurumuş kil fırında pişirilir, önce serbest su, sonra kimyasal bileşimdeki suyun önemli bir kısmı uçar. 800°C' ın üzerinde vitrifikasyon sonucu parçacıklar arasında bağlar oluşmaya başlar (buna sinterleme de denir) , sıcaklık yükseldikçe vitrifikasyon artar. Tuğlanın rengi başlangıçta kırmızı olur, sıcaklık yükseldikçe siyaha döner, bu durumda gözenekler azalır, mukavemet artar. 12.3.3. Refrakter Kilden veya diğer seramik oksitlerden (CaO, MgO, SiO2 ve Al2O3 ve ZrO2) üretilen refrakter malzemeler yüksek sıcaklığa dayanıklıdır ve iyi yalıtım sağlarlar. Bu nedenle metalürji fırınlarında kullanılan refrakter tuğlası üretimine elverişlidirler. Bu amaçla yüksek oranda silika, alümina ve magnezyum oksit içeren killerde kullanılır. Alümina oranı arttıkça ateşe dayanıklılık artar. Asidik tuğlalarında ana bileşen silika, bazik tuğlalarda magnezyum oksittir. 12.4 Seramiklerin Özellikleri Mekanik Özellikler Seramikler genellikle çok sert ve gevrektirler. Basınç mukavemetleri çok yüksek olmakla beraber çekme mukavemetleri çok düşüktür. Gevrek olduklarından iç yapı kusurları, çentikler, çizikler ve mikroçatlaklar gerilme yığılmasına neden olur, dolayısıyla çekme etkisinde kolay kırılırlar. Seramiklerde basınç mukavemeti ortalama olarak çekme mukavemetinin sekiz katıdır. Isıl işlemle yüzeyde artık basınç gerilmeleri oluşturarak çekmeye karşı mukavemetleri arttırılabilir. Yumuşama noktasına kadar ısıtılıp hızla soğutulmuş camın mukavemeti üç katına çıkabilir. Bunlara temperlenmiş cam veya duracam denir. Diğer taraftan iç yapı kusurlarını azaltacak şekilde üretilen camın çekme mukavemeti çok yükselir, örneğin çok ince cam liflerinde kusur çok azdır, dolayısıyla mukavemeti cam çubukların mukavemetinin yüz katı kadar olabilir. Cam lifleri epoksi veya poliyesterle yapıştırılarak çok yüksek mukavemetli kompozit malzemeler elde edilir. (Örnek: bot, tekne ve su deposu yapımında ) Seramiklerin kaymaya karşı direnci çok yüksektir, plastik şekil değiştirmeksizin kırılırlar. Ayrıca bazıları çok sert olduklarından aşındırıcı malzeme (abrazif) olarak geniş ölçüde kullanılırlar. Arı Al2O3 kristali (Karborandum) doğada elmastan sonra en sert cisimdir.. Zımpara tozu çoğunlukla Al2O3 içerir. SiC, TiC ve WC bileşikleri de çok serttir. Bunlar toz halinde elde edilirler. Uygun bir metalle sinterlenerek sert kütle haline getirirler. Bağlayıcı madde olarak Al, Co, Mo, Fe, Cr, ve Ni kullanılabilir. Seramik ve metal tozları karışımı metalin ergime sıcaklığına kadar ısıtılır, ergiyen metal katı parçacıkların arasını doldurur, basınç uygulayarak boşlukluk azaltılır (buna sıvı faz sinterlemesi denir). % 20 metal ve % 80 seramik içeren bu malzemelere sermetler ve uygulanan yönteme toz metallürjisi yöntemi denir. Elektriksel özellikler Seramikler genellikle yalıtkan veya dielektrik malzemelerdir. Elektriği iletmezler fakat elektrik alanına tepki gösterirler. Elektriksel alan etkisinde oluşan kutuplaşma nedeni ile yüzeylerinde büyük ölçüde elektron depo edilebilir. Yüksek dielektrik özelliğine sahip seramikler kondansatör üretiminde kullanılır. Bazı seramikler, Fe3O4, FeO ve NiO gibi, yarıiletkenlik özelliğine sahiptirler. Kuvars kristali ve baryum titanat (BaTiO3) mekanik etkiyi elektriksel etkiye çevirirler. Piezoelektrik denen bu özelliğe sahip seramikler elektronik endüstrisinde transdüser olarak kullanılır. Diğer taraftan manyetik özelliğe sahip seramikler yalıtkan olduklarından yüksek frekanslı uygulamalara elverişlidirler. Baryum ferrit (BaO. 6Fe2O3) ve (MnZn) Fe3O4 bunlara örnek olarak gösterilebilirler. 12.5. Beton Beton kum, çakıl, çimento ve su karışımından oluşur. Bileşiminden anlaşılacağı gibi beton seramik türü malzeme sayılır ve yapılarda büyük ölçüde kullanılır. Değişik büyüklükte kum, çakıl ve kırma taştan oluşan agrega iskeleti çimento hamuru yardımı ile birbirlerine bağlanarak sağlam ve dayanıklı bir kütleye dönüşür. Bu kütlede bağlayıcı madde olarak kullanılan çimento su ile karıştırılınca işlenebilir plastik bir kıvam alır, kalıp içine yerleştirilir ve zamanla sertleşir. Uygulamada en çok kullanılan bağlayıcı madde çimentodur. Aşağıda çimentonun bileşimi ve su ile karıştırılıp hamur haline getirildikten sonra oluşan sertleşme olayı kısaca tanıtılacaktır. Çimento üretiminde kullanılan hammaddeler kil, kalker taşı, az miktarda demir oksit ve alçı taşıdır. Kilin bileşiminde silis (SiO2), alümina (Al2O3) ve demir oksit, kalkerde ise kireç (CaO) ve magnezya (MgO) bulunur. Döner fırında pişirilen kil-kalker karışımı klinkere dönüşür. Klinker bir miktar alçı taşı katılarak değirmende öğütülür ve toz haline getirilir. Uygulamada kullanılan toz halindeki çimentonun da bulunan ana bileşenler aşağıdaki karmaşık bileşiklerdir.

Çimento su ile karıştırılarak hamur haline getirildikten bir süre sonra hidratasyon (su ile reaksiyon) sonucu katılaşma ve sertleşme başlar. Trikalsiyum silikat ve dikalsiyum silikatın hidratasyonları sonucunda 3CaO.2SiO2 3H2O ve Ca(OH)2 bileşikleri oluşur. Trikalsiyum alüminat ise 3 CaO . Al2O3. 6H2O bileşiğine dönüşür ve bu olay süresinde önemli miktarda su açığa çıkar. Hidratasyon olayları sonucu mikro kristalli bir jel yapısı oluşur. Agregaların arasını dolduran bu sürekli faz zamanla griftleşerek kütleye mukavemet kazandırır. 12.5.1. Çimentonun Sertleşmesi Trikalsiyum silikat oldukça hızlı sertleşerek 30 günde alacağı son mukavemetin % 70 ine ulaşır. Dikalsiyum silikatın sertleşmesi ise çok yavaş ilerler, 6 ay sonra son mukavemetin 2/3 üne erişir ve hidratasyon sırasında ısı açığa çıkar. Büyük beton kütlelerinde sertleşme süresinde sıcaklığın yükselmesi, daha sonra azalması önemli ısıl büzülmelere, dolaysiyle çatlamalara neden olur. Bunu önlemek için çimentodaki bileşenlerin miktarını uygun bir biçimde ayarlamak gerekir. Çimentoların özellikleri bileşimlerine bağlıdır. İnşaat endüstrisinde en çok kullanılan çimento türü normal portland çimentosudur. Bu çimento % 50 trikalsiyum silikat, % 30 dikalsiyum silikat ve % 20 kadar diğer maddeler bulunur. Ayrıca ilk mukavemeti yüksek hidratasyon ısısı düşük ve sülfata dayanıklı portland çimentosu türleri vardır. Bunların dışında yüksek fırın cürufu çimentosu, doğal veya yapay traslı çimentolar ve alüminalı çimentolar üretilmektedir. Bunlar belirli özellik istenen yerlerde kullanılır, örneğin kimyasal etkilere dayanıklılık, geçirimsizlik ve ateşe dayanıklılık gibi. 12.5.2. Beton Karışımları Beton karışımları hazırlanırken sıkı bir yapı elde etmek için agrega boyutlarının uygun bir şekilde dağılması gerekir (Şekil 12.4). Bu yalnız çimento miktarını azaltmakla kalmaz, daha az geçirimli, dolayısıyla daha dayanıklı bir malzeme oluşturur, inen agrega (kum) ile kalın agrega (çakıl veya kırma taş) oranı hacim cinsinden genellikle ortalama 1/2 seçilir. Betona katılan su hidratların oluşmasında kullanıldığı gibi agreganın ıslanarak kaygan olmasını dolayısıyla iyi işlenebilmesini sağlar. Bununla beraber katılan fazla su ve karışımda sürüklenen hava betonun gözenekliliğini arttırır 12.5.2.1. Beton Su - Çimento Oranı Özellikle su-çimento oranı betonun kalitesini etkiyen önemli bir etkendir. Eğer bu oran düşükse işlenebilme azalır, içeride tutulan hava kolaylıkla yok edilemez, boşlukluluk artar ve mukavemet düşer. Dişler taraftan su-çimento oranı yüksekse akıcılık artar, beton kolay işlenerek kalıbı doldurur, fakat, fazla su zamanla buharlaşarak kılcal boşluklar meydana getirir ve gene mukavemet düşer. Bu duruma göre Şekil 12.5'da görüldüğü gibi, su-çimento oranı değişik sıkıştırma yöntemlerine göre optimum değerlere sahip olmalı. Bu oran genellikle ağırlık cinsinden 0,4 - 0,7 arasında bulunur. Akıcı betonlar şişlenerek veya kendiliğinden yerleşebilir, ancak plastik veya daha kuru betonlara vibrasyon uygulanır. Betona değişik özellikler kazandırmak amacı ile çimento ağırlığının yüzde, hatta binde bir mertebesinde katkı maddeleri katılır Örneğin betona katılan hava sürükleyici katkılar işlenebilirliği düzeltir, dona dayanıklılığı arttırır, bunlar boşluklar oluştursa dahi boşluklar küçük ve bağımsız küreler şeklinde olduğundan sakınca yaratmazlar. 12.6. Kompozit Malzemeler Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. Cam elyaflı poliyester levhalar, çelik donatılı beton elemanlar, otomobil lastikleri ve sermetler bunlara birer örnektir. Kompozitler birden çok fazlı yani çok fazlı malzeme sayılırlar. Yapılarında sürekli bir ana faz ile onun içinde dağılmış pekiştirici bir donatı fazı bulunur. Bazı malzemelerde bu tür yapı üretim sırasında oluşabilir ve fazların karışımı mikroskopik düzeydedir, örneğin perlitik çelikte yumuşak ve düşük mukavemetli ferrit ile sert ve gevrek sementit yan yana ince tabakalar halinde dizilir. Tek başlarına mekanik özellikleri elverişli olmayan ferrit ve sementitin mikroskopik düzeyde homojen karışımından oluşan perlit yüksek mukavemete ve yüksek tokluğa sahiptir. Ancak uygulamada kompozit malzeme

olarak anılan sistemlerde bileşenler makroskopik düzeydedir ve bunlar sonradan bir araya getirilerek üstün özellikli bir kütleye dönüştürülmüştür. Kompozitlere donatılı veya pekiştirilmiş malzemeler de denir. Pekiştirici bileşenin türüne ve düzenlenme biçimine göre üç gruba ayrılabilirler: Taneli kompozitler, lifli kompozitler ve tabakalı kompozitler (Şekil 12.6). Lifli ve tabakalı kompozitlerin sağladığı özelliklerdeki artış, tanelilere göre daha yüksektir. Taneli kompozitler için en önemli örnek betondur. Sert tanelerin sünek bir bağlayıcı madde ile birleştirilip aglomere haline getirilen kompozitlere diğer bir örnek asfalt yol kaplamalarıdır. Asfalt, viskoz ve düşük mukavemetlidir. Taş ise sert ve gevrektir, kütle halinde fazla şekil değiştirmeden, çatlayarak kolayca kırılabilir. Halbuki değişik boyutlu kırma taş ile asfaltın karışımından oluşan yol kaplama malzemesi hem sünek hem de yeter mukavemetlidir. Tungsten karbür (WC) taneciklerinin Co metali ile yüksek sıcaklıkta basınç altında sinterlenmesi sonucu elde edilen seramik kompozit çok sert olup yüksek hızlı kesme takımı üretimine elverişlidir. Uygulamada bunlara sermet denir. 12.7. Kompozitlerin Üretimleri ve Özellikleri

En önemli kompozitler lifli olanlardır. özellikle cam lifleri ile pekiştirilmiş plastiklerden oluşan kompozitler çok geniş kullanma alanına sahiptirler. Gerçekte birçok malzeme lif hâlinde çok daha yüksek mukavemetli olurlar (Tablo 12.2). Özellikle kıl (Whisker) halinde dislokasyon içermeyen cisimlerin mukavemeti normal boyuttakilerle oranla yaklaşık bin katı kadar daha fazladır. Uygulamada donatı malzemesi olarak kullanılan lifler çoğunlukla kuvvetli kovalan bağlara sahiptirler. Aynı amaçla kullanılan metal liflerin mukavemeti de soğuk çekme ile çok arttırılabilir.