malzeme bilimi ve mühendisliğine giriş - malzemelerin İç yapısı 1

7/31/2019 Malzeme Bilimi ve Mhendisliine Giri - Malzemelerin Yaps 1

1/20

1

2007-2008 GZ YARIYILI

MALZEME I

Malzeme Bilimi ve Mhendisliine GiriMalzemelerin Yaps

01.10.2007

2

RETM YELER ve KAYNAKLAR

Yrd.Do.Dr. eyda POLAT Yrd.Do.Dr. mer YILDIZ

Ders Kitab :Malzeme Bilimi I Ders NotlarKocaeli niversitesiMetalurji ve Malzeme Mhendislii Blm2006

3

ERK

Giri Malzemelerin Yaps

Katlarn Atomik Dzeni (Kristal Yaplar) Kafes Hatalar Boyerler Dislokasyonlar Arayzeyler Plastik Deformasyon Mekanik zellikler


2/20


3/20

7

ekil 1.1. Malzeme Bilimi veMhendisliinin alma Kapsam

8

GRMalzeme Bilimi ve Mhendislii (devam)

Tm mhendislik dallarnn ve temel bilimdallarnn Malzeme Bilimi ve Mhendislii ileyakn bir ilikisi vardr.

A.B.D.de gelitirilen istatistiksel bir bulguya gre diertm mhendislik alanlarnda alan mhendislerin her 6saatlik alma srelerinin en az bir saati malzemeve onun uygulamalar ile ilgili olmaktadr.

9

GRMalzeme Bilimi ve Mhendislii (devam)

Bir mhendisinseebilecei malzemegruplar temelde 3e

ayrlr (metaller,seramikler vepolimerler). Ayrca ikiveya daha fazlamalzemeden retilenkompozitler, tek birmalzemeden eldeedilemeyen zelliklerisalar.


4/20

10

ekil 1.2. Mhendislik malzeme gruplar

11

GRMalzeme zellikleri

Malzeme seimini etkileyen zellikler :

albeniEstetik

ilenebilirlik, kaynaklanabilirlik vb.Teknolojikanma (abrazif, korozif) vb.Yzey

elektriksel iletkenlikElektriksel

geirgenlikOptik

sl iletkenlik, sl genleme, sl dayanmIsl

ekme ve akma mukavemeti, elastisite modul, tokluk,yorulma ve srnme mukavemeti vb.

Mekanik

fiyat, bulunabilirlikEkonomik

12

Tablo 1.1. Malzeme gruplarnnortalama fiyatlarnn karlatrlmas


5/20

13

Tablo 1.2. Deiik malzemelerin odascakl elastisite modl (E) ve termalgenleme katsays () deerleri

14

Tablo 1.3. Mhendislik malzemelerininzeliklerinin karlatrlmas

15

MALZEMELERN YAPISIAtom ve Molekller

Madde :Bolukta yer kaplayan (hacim) ve belli bir

ktlesi olan her cisme madde denir.


6/20

16

MALZEMELERN YAPISIAtom ve Molekller (devam)

Saf Madde :

Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelereayrlamaz. Belirli bir bileime sahiptir (rnek :su, amonyak, altn, oksijen vb.).

Karm :ki veya daha fazla saf maddenin zelliklerinikoruyarak biraraya gelmesinden oluur. Bileimisabit deildir (rnek : hava, meyva suyu vb.).

17


Homojen Karm :Bileenleri birbirinden ayrd edilemez ve bileimiher yerde ayndr (rnek : ekerli su).

Heterojen Karm :Bileenleri birbirinden ayrd edilebilir ve bileimiher yerde ayn deildir (rnek : kum ve demirtala).

18


Element :Kimyasal olarak kendinden daha basit

maddelere ayrlamaz. Temel birimi atomdur.(rnek : H,O) Bileik :

ki veya daha fazla elementin belirli orandakimyasal olarak birlemesinden oluur. Temelbirimi molekldr. (rnek : H2O)


7/20

19

MALZEMELERN YAPISIElementlerin Periyodik Tablosu

20


21


Atom : Elementin temel birimine atom denir. Tm maddeler atom topluluklarndan oluur. Tek bir elementten olumu bir malzemede,

malzemenin gsterdii tm kimyasal zellikler,atomda da vardr.

Atom, eski Yunancada blnemez, paralanamazanlamna gelen atoma kelimesinden gelmektedir.

1850lerde balayan bir dizi aratrma atomlarnatomalt paracklarndan (elektron, proton, ntronvb.) oluan bir i yapya sahip olduunu gstermitir.


8/20

22


Molekl :

Bileiklerin temel birimine molekl denir. Bileiklerin kimyasal zelliklerini aksettiren en kk

para molekldr. Molekl, Latince kitle anlamna gelen molekula

kelimesinden gelmektedir.

Malzemelerin fiziksel ve mekanik zellikleriise onu oluturan atomlarn trnden ok,atomlarn diziliine ve aralarndaki balarabaldr.

23

MALZEMELERN YAPISIAtom Numaras ve Atom Ktlesi

Atomlar bir ekirdek ile onu evreleyen -ykl elektronlardan oluur.

ekirdekte + ykl protonlarla ykszntronlar bulunur.

Elekton bulutu

ekirdek

24

MALZEMELERN YAPISIAtom Numaras ve Atom Ktlesi (devam)

Periyodik tabloda her atomun bir numarasvardr.

z=Atom numarasBu say ekirdekteki proton saysdr. Ntr biratomda elektron saysna da eittir.

A=Ktle numaras (veya Atom Ktlesi)Bu say proton says ile ntron saysnntoplamna eittir.


9/20

25


Ntr bir atomda ;elektron says = proton says

yonlarda ise ;proton says = SABTelektron saysna gre + veya - ykl+ ykl iyon katyon- ykl iyon anyon

rnek: Na (z = 11, A = 23)e p n

Na atomu 11 11 12Na+ iyonu 10 11 12

26


zotop ta ;proton says = SABTntron says = DEKEN(z ayn, A deiken)

rnek: Hidrojenin izotoplar

zotop e p n z AHidrojen (1H) 1 1 0 1 1Dteryum (2H) 1 1 1 1 2Trityum (3H) 1 1 2 1 3

27


Atomun hacmn esas olarak elektronlaroluturur. Atomun ktlesini ise ekirdek

belirler. Atomalt paracklarn zellikleri :

mp = mn = 2000 me


10/20

28


Atomlar kk ktlelere sahiptir. Bu nedenleatomlarn ktlesini belirlemek iin mol kavramgelitirilmitir.

1 mol, 6.022045x1023 parack ierir, bu sayAvogadro Says (NA) olarak bilinir.

SI sisteminde 12 gram karbon -12 izotopuiindeki gerek atom says NA kadardr.

1 molde veya molar ktlede Avogadrosays kadar atom bulunur.

1 gram = 6.022045x1023 akb(akb=atom ktle birimi)

29


RNEK :Bir Al atomunun arl nedir ? Aluminyumunyounluu 2.7 g/cm3 olduuna gre cm3de kaatom vardr ?Periyodik Tablodan Al iin ; z=13, A=27Bir atomun arl = 27 g/mol

6.02x1023 atom/mol

= 4.48x10-23 g/atom

30


RNEK (devam) :Bir cm3de ki atom says = 2.7 g/cm3

4.48x10-23 g/atom

= 0.6x1023 atom/cm3

= 6.0x1022 atom/cm3


11/20

31

MALZEMELERN YAPISIAtomlarn Elektronik Yaps

Elektronlar kuantum mekanii kurallarna uyan

paracklardr. 1.Kural :

Elektron enerjisi kuantize olur, yani elektronyalnz belli enerji deerlerine sahip olabilir.Elektronlar atom ekirdei evresindebelirli yrngeler zerinde srekli harekethalindedir ve belirli enerji dzeyinesahiptir.

32

Enerji yaymna mekaniksel benzetiim.Top basamaklarn herhangi birinde durabilir amaaralarnda duramaz.

33

MALZEMELERN YAPISIAtomlarn Elektronik Yaps (devam)

2.Kural : Pauli ayrdedilebilirlik ilkesiAyn enerji dzeyinde 2den fazla elektron

bulunamaz ve bu 2 elektron kart dnmeleresahip olmaldr.Bu nedenle bir atomda btn elektronlarayn dk enerji deerini alamazlar,elektronlarn 2si hari dierleri daha

yksek enerji dzeylerinde bulunur.


12/20

34


Modern atom teorisine gre, elektronlarn

yrngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemekiin 4 kuantum says vardr. Bunlar ;n = Ana (ba) kuantum saysl = Alt (asal momentum) kuantum saysml = Manyetik kuantum saysms = Elektron dn (spin) kuantum says

35


Ana kuantum says,n = 1 , 2 , 3,

gibi tam saylar olabilir, ve hidrojen atomundannin deeri orbital enerjisini belirler.

Ana kuantum says, belirli bir orbitaldekielektronun ekirdee olan ortalamauzakln da gsterir ; n ne kadar bykolursa, orbitalde elektronun ekirdee olanortalama uzakl o kadar byk olur ve orbital de

o derece byk ve karasz olur.

36


Ayn n deerine aitorbitallere kabuk

denir. nnin deeri K,L, M, N gibi kabuklarakarlktr.

Bir n saysna sahipenerji kabuunda enok2n2 adet elektronolabilir.

50O5

98Q7

72P6

32N4

18M3

8L2

2K1

e saysKabukn


13/20

37


Alt (asal momentum) kuantum says orbitalin

eklini anlatr, lnin alabilecei deerler nyebaldr. Verilen bir n iin l sfr ile (n-1)arasndaki tam saylar olabilir.rnein,n = 1 ise l = 0n = 2 ise l = 0 , 1n = 3 ise l = 0 , 1 , 2

38


lnin deeri genellikle,s , p , d

gibi harflerle gsterilir.

hgfdpsOrbitalismi

543210l

39


Ayn n deerine ait orbitallere kabukdenildiinirenmitik.

Ayn n ve l deerindeki bir veya daha fazlaorbital ise altkabukolarak adlandrlr.rnein,n = 2 kabuu, iki altkabuktan ( l = 0 ve 1 )oluur. Bu altkabuklar 2s ve 2p altkabuklardr,burada 2 says n deerini s ile p de l deerleriniiaret eder.


14/20

40

Tablo 2.1. Enerji kabuklarnn kuantum saylar

41


Manyetik kuantum says bir orbitalin uzaydakiynn belirler. Bir altkabuk iinde, mlnin deerleriasal momentum kuantum says olan le baldr.Verilen bir l iin, ( 2l + 1 ) adet ml olabilir ve busaylar aadaki ekilde bulunur :

-l , . 0, . +lrnein,

l = 0 ise, ml = 0l = 1 ise, ml = -1, 0, 1l = 2 ise, ml = -2, -1, 0, 1, 2

42


mlnin toplam says, belirli bir l altkabuundabulunan orbitallerin saysn verir.

rnek :n = 2 ve l = 1 durumunda, n ve l deerleri 2paltkabuunu belirler ve bu altkabukta 2porbitali vardr (nk, ml iin -1, 0, 1 olmak zere deer vardr).


15/20

43


f (7 adet)-3 , -2 , -1 , 0 , 1 , 2 , 33

d (5 adet)-2 , -1 , 0 , 1 , 22

p (3 adet)-1 , 0 , 11

s (1 adet)00

Orbital adedimll

44


Elektromanyetik teoriye gre, dnen ykl birparack bir manyetik alan yaratr ve bu hareket deelektronun bir mknats gibi davranmasna nedenolur.

Elektronun dnmesini iin iine katabilmek iindrdnc bir kuantum saysna ihtiya vardr.

Bir elektronun iki olas dnmesi (saat ynnde veters ynnde), elektron dn (spin) kuantum

says, ms ile gsterilir ve bu say + veya -deerlerini alr.

45


3dxy , 3dyz , 3dxz , 3dz2 , 3dx2-y25-2 , -1 , 0 , 1 , 223

3px , 3py , 3pz3-1 , 0 , 113

3s1003

2px , 2py , 2pz3-1 , 0 , 112

2s1002

1s1001

Orbitallerin gsteriliiOrbitalsays

mlln


16/20

46

Hidrojen 1s, 2s ve 3s orbitallerinin snr yzeyleri. Btns orbitalleri kreseldir. Gene yaklak olarak, bir orbitalinbykl n2 ile orantldr (n, ana kuantum says).

s orbitallerinin alabilecei maksimum elektron says 2dir.

47

tane 2p orbitalinin snr yzeyleri. Bu orbitallerin ekillerive enerjileri ayndr ama ynleri farkldr. Daha yksek anakuantum sayl p orbitalleri de benzer ekillere sahiptirler.

p orbitallerinin alabilecei maksimum elektron says 6dr.

48

Be 3d orbitalinin snr yzeyleri. Daha yksek ana kuantumsayl d orbitalleri de benzer ekillere sahiptirler.

d orbitallerinin alabilecei maksimum elektron says 10dur.


17/20

49

Elektronlar 1sden balayarak orbitalleri doldururlar.Elektronlarn orbitalleri doldurduu ana dzen yledir :

7s 7p 7d 7f

6s 6p 6d 6f

5s 5p 5d 5f

4s 4p 4d 4f

3s 3p 3d

2s 2p

1s

50


rnek :Atom numaras 25 olan elementin (Mn) elektronikdzenini gsteriniz.1s22s22p63s23p64s23d5

rnek :Atom numaras 70 olan elementin (Yb) elektronikdzenini gsteriniz.

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14

51


Kimyasal Reaktiflik : Atomlarn kimyasal reaktiflii d kabuk (valens,

deerlik) elektronlarna baldr. s2p6 eklindeki d kabuk dzeni en kararl olandr

(oktet). Asal gazlarn elektronik dzeni He iin s2 (dublet) ve

dierleri iin s2p6 eklindedir. s2 ve s2p6 d kabuk dzenindeki elementler

kimyasal reaksiyona girmezler.


18/20

52


Elektronegatiflik (Elektron ilgisi) :

Bir atomun kendine elektron ekme derecesidir. Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir.

Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar(anyon) olutururlar.

Doadaki elektropozitif elementler metallerdir.Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon(katyon) haline gelirler.

Elektronegatiflik kavram atomik balarnanlalmasna yardmc olur.

53

Elementlerin elektronegatiflik deerleri :

54

Elementlerin elektronegatiflik deerleri :


19/20

55


Metal ve metal olmayan elementler elektronik

yap asndan aadaki gibi zetlenebilir.

Yksek elektronegatifl iesahiptirler.

Dk elektronegatifliesahiptirler.

Elektron alarak anyonolutururlar.

Elektron vererek katyonolutururlar.

D kabuklarnda 4 veyadaha fazla elektron vardr.

D kabuklarndaki elektronsays azdr (3 veya daha az).

Metal olmayanlarMetaller

56

MALZEMELERN YAPISIAtomlar Aras Ba Trleri

Atomlararas ba kuvvetleri atomlar bir aradatutarak i yapy olutururlar.

Malzemenin fiziksel ve mekanik zellikleri bayapsna baldr.

Kuvvetli balar (iyonik, kovalent, metalsel),yksek elastisite modul, yksek mukavemet,yksek ergime scakl ve dk sl genlemeverir.

Zayf balar ise elektriksel kutuplama sonucuortaya kar.

57

MALZEMELERN YAPISIAtomlar Aras Ba Trleri (devam)

Atomlarn en d kabuundaki elektronlara valens(deerlik) elektronlar denir. Bunlar Coulomb

ekim kanunlarna gre ekirdee en az kuvvetlebal olanlardr. Valens elektronlar, ba trlerini, atomlar

aras uzakl, mekanik, elektriksel,kimyasal, sl, optik zellikleri belirler.

Eer element 8 valens elektronuna sahipse (s2p6)kararldr, elektron alverii yapmaz.


20/20

58

MALZEMELERN YAPISIAtomlar Aras Ba Trleri (devam)

yonizasyon enerjisi :

Bir atomun d kabuundan bir elektronuzaklatrmak iin sarf edilen enerjidir. Ba enerjisi :

Elektron alverii ile oluan moleklden atomkoparlmas (yani ilgili ban krlmas) iingereken enerjidir.

59

Tablo 2.2.Atomlararas balar

malzeme bilimi ve mühendisliğine giriş - malzemelerin İç yapısı 1

Documents