prof. dr.ayşegül akdoĞan eker · 2017-03-13 · kombinasyonudur.örn.mukavemet / ağırlık...

MÜHENDİSLİK MALZEMELERİve

ÖZELLİKLERİ

Prof. Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER

MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ ve ÖZELLİKLERİ

Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması

Malzeme Özelliklerinin Tanımlanması

Malzemelerin özellikleri, onların performansını etkiler. Ancak, parçanın performansının tek bir özelliğe bağlıolması durumu çok nadirdir.Malzemenin peformansı diğer bir deyişle verimi, hemen her zaman özelliklerinin kombinasyonudur.örn.mukavemet / ağırlık oranının (σf/ρ) ve rijitlik / ağırlık oranını (E/ρ) kombinezonudur. Her iki özellikte ortak nokta hafifliktir. Bu nedenle de her iki özelliğin tek bir diyagramda gösterilmesi uygun olmaktadır.

B1

B1 BULENT; 04.03.2008


Mühendislik malzemelerinin her bir özelliği, değerce karakteristik bir dağılım bölgesine sahiptir. Aşağıda verilen diyagramlarda elastiklik modülü (E) – yoğunluk (ρ) ilişkisine ait değerler logaritmik skalada verilmiştir.Eksenler, en hafif köpük malzemelerden en ağır ve en rijit metallere kadar tüm malzemeleri kapsayacak kadar seçilir.


Diyagramlarda bu veriler, bir malzeme grubu için örn. polimerler, bir arada toplu halde diğer bir deyişle ana bölgeler (balon halinde) bulunur.Her malzeme sınıfı ile ilgili olarak alt bölgeler bulunur.Ana bölgeler, içinde bulunan malzemelere ait alt bölgedeki tüm üyelerin o özelliğe ait değerlerini kapsar.Uygun eksen ve skala seçilirken eklentiler yapılabilir.


Bir katı içinde ses hızı elastiklik modülü (E) ve yoğunluğa (ρ) bağlıdır.örn.boylamasına ses hızı v,

v = [ E/ρ ]1/2 formülüyle verilir.eşitliğin logaritması alınırsa,log E = log ρ + 2 log v bulunur.

v’nin sabit değerleri için bu denklem, eğimi 1 olan doğrularla gösterilir ve diyagrama sabit hızların eklenmesine olanak vermektedir. Bunlar eğimleri 1 olan paralel doğrular ailesidir.Her bir doğru sesin yayılma hızı aynı olan malzemeleri birleştirir. Diğer bir deyişle, aynı doğru üzerine denk gelen malzemelerde ses aynı hızda yayılmaktadır.

Malzeme-Özellik Diyagramları

Elastiklik Modülü- Yoğunluk Diyagramı


Bir katı cismin yoğunluğu;atomların veya iyonlarının --ağırlığına,--boyuna ve paketleme şekline bağlıdır.

Atomların boyutu çok fazla olmayıp çoğunun hacmi 1x10-29-2x10-29 mertebesindedir.Paketleme faktörünün değeri de düşüktür.örn. sıkıpaket hegzagonal (sph) kafes için paketleme değeri yada atom dolgu faktörü ADF= 0.74’dür.


Yoğunluk dağılımı esas olarak atom ağırlığına bağlıdır.Hidrojenin atom ağırlığı=1g/atom iken uranyumun atom ağırlığı=238 g/atom dır. Metaller, ağır atomlardan oluştukları için yoğunluklarıfazladır. Polimerler ise hafiftir. Çünkü 2 yada 3 boyutlu olarak dizilmiş karbon ve hidrojen atomlarından oluşmuşlardır.Seramiklerin büyük bir kısmının yoğunluğu, metallerden daha düşüktür. Çünkü, atom ağırlıklarıdüşük olan oksijen, azot ve karbon atomu içerirler.


En hafif atomların en gevşek tarzda dizilmişolduğu katıların yoğunluğu yaklaşık 1Mg/m3

dür.1Mg/m3 den daha az yoğunluğa sahip olan malzemeler, büyük miktarda gözenek içeren hücrelerden oluşan köpüklerdir.


Çoğu malzemenin elastiklik modülü;bağ rijitliği ve birim bölge başına düşen bağyoğunluğu’na bağlı olarak değişmektedir.

Atomlar arası bağ yay gibi olup bir yay sabitine sahiptir.Elastiklik Modülü,

E= S / r0

r0 :atom boyutu , S=atomlar arası bağ sabiti (N/m)


Elastiklik modülünün geniş bir bölgeye yayılması, S ’in değerinin çok geniş bir dağılım göstermesi ile oluşur.Kovalent bağ rijittir ve S=20-200N/m.dir.Kovalent bağlı olan elmas, çok büyük elastiklik modülüne sahiptir. Çünkü karbon atomu küçük olduğundan yüksek bağ yoğunluğu verir ve elmasınatomları çok kuvvetli yaylar oluşturur. ( S=200 N/m)


Metaller yüksek elastiklik modülüne sahiptirler. Çünkü, atom dolgu faktörünün yüksek olması bağ yoğunluğunun da yüksek olmasına neden olur.Metal atomları arasındaki bağlar, elmastaki

karbon atomları arasındaki bağ kadar kuvvetli olmasa da yine de kuvvetlidir.


Polimerler; hem elmas gibi kuvvetli bağlar hem de zayıf hidrojen yada Van der Waals bağları içerirler (S=0,5-2.0 N/m). Polimerler deforme olduğunda gerilen bu zayıf bağlar, düşük elastiklik modülüverirler.Zayıf bağlarla bağlandığında (S=0.5N/m) büyük atomlar bile (r 0 = 3x10-10 m.) elastiklik modülleri yaklaşık olarak

E = 0.5 / 3x10-10 = 1GpaE=1Gpa değeri , katılar için en küçük değerdir.


Mühendislik malzemelerinin her özelliği değerce karakteristik geniş bir dağılım bölgesine sahiptir.Elastiklik modül, tokluk, ısıl iletkenlik gibi özellikler için bu bölgelerin iki başı arasındaki değer farkı yaklaşık 105 kat değer mertebesine kadar farklı olabileceği görülmektedir.


Elastiklik Modülü-Yoğunluk diyagramlarında,mühendislik malzemelerinin elastiklik modüllerinin 105 kat kadar farklı olabileceği görülmektedir.( Köpükler için E= 0.01GPa, elmas için E=1000GPa )Yoğunluk ise 2000 kat kadar değişebilmektedir (örn. 0.1 M/m3 den 20 M/m3 kadar ).Malzeme sınıflarının özellikleri arasındaki ilişkiler farklı yaklaşımlar ile izah edilebilir.Elastomerler hariç tüm malzemeler için G ≅ 3E/8 vehacim (bulk) modülü K ≅ E denilebilir.Elastomerler için G= E/3 ve K >> E dir.


Logaritmik ölçekler daha çok bilgi verir .Malzemedeki elastik dalganın hızı ve bunun bir bileşeninin doğal titreşim frekansı (E/ρ)1/2 ye orantılıdır. (E/ρ)1/2 , bu malzemeden yapılan ince bir çubuktaki boylamasına ses dalgası hızıdır. (E/ρ)1/2 sabitinin sınırları Elastiklik Modülü-Yoğunluk diyagramında verilmiştir ve boylamasına dalga hızı ile nitelendirilmiştir. Değeri ise yumuşak elastomerlerde50 m/s den daha küçük iken, hassas seramiklerde 10 m/s’nin biraz üzerindedir.


Alüminyum ve cam düşük yoğunlukları nedeniyle, düşük elastiklik modüllerine rağmen, ses dalgalarınıhızlı iletilirler.Köpüklerin ise düşük elastiklik modülleri nedeniyle ses hızını yavaş iletmeleri beklenir, fakat düşük yoğunluk hemen hemen dengelenir.Ses hızı, ahşapta tanelere dik yönde düşüktür. Fakat taneler boyunca müzik enstrümanları yapımında kullanacak kadar yüksektir ( yaklaşık olarak çeliktekine eşittir).

Dayanım- Yoğunluk Diyagramı

Bir malzemenin elastiklik modülü, kesin değerlerle tanımlanmış olan bir niteliktir. Dayanım ise böyle bir nitelik değildir.

DAYANIM;Metaller ve polimerler için akma dayanımıdır.Şekil verme ile pekleşen malzemelerde akma dayanımından kopma dayanımına kadar çıkabilir.Bir çok pratik amaç için basmada ve çekmede değeri aynıdır.örn. Gevrek malzemeler olan seramikler için basma (ezilme) dayanımı önemlidir.


Gevrek malzemelerde, 15 kat daha küçük olan çekmedeki dayanım alınmaz. Gevrek malzemeleri diğerlerinden ayırmak için bunlara ait balonlar kesikli çizgilerle gösterilmiştir. Elastomerler için; dayanım, yırtılma dayanımıdır.Kompozitler için çekmedeki hasar dayanımıdır (basmadaki dayanım elyafların bükülmesi nedeniyle daha küçük olabilir).Malzemeler için ,hasar mekanizmaları faklı olmasına rağmen aynı σf simgesi kullanılacaktır.


Dayanım-Yoğunluk diyagramının apsisinde ise p yoğunluk değişimi vardır. Her bir malzemeye ait dayanım baloncuklarında görülen düşey yöndeki uzamalar ise alaşımlama ,soğuk şekil verme, tane boyutu, gözeneklilik vb. hususlardan kaynaklanmaktadır.Elastiklik modülü-Yoğunluk diyagramında da olduğu gibi bir sınıfa ait üyeler tek bir bölgede toplanabilir(koyu çizgili balonlar). Bunların her biri diyagramda karakteristik bir bölgeyi kapsar.

Dayanım- Yoğunluk DiyagramıMühendislik malzemeleri için dayanım bölgesi ,elastiklik modülü gibi ,105 katlık bir bölgeyi kapsar: 0,1 MPa değerinden daha küçük değerlerden örn.ambalajlarda kullanılan ve enerji absorbe eden köpükler), 104 MPa değerlerine kadar örn.elmasındayanımı değişmektedir.Bu geniş dağılımda en önemli husus kafes dayanımıdır: malzemenin makaslanma kuvvetine karşı gösterdiği doğal direnç, dislokosyanIarınhareketini gerektirir.


Metaller, metal atomları arasındaki metalsel bağlar nedeniyle çok sert değildirler. Bu nedenle de metalsel bağlar, dislokasyon hareketini az da olsa önlemektedirler.Halbuki seramikler, dislokasyonların hareketini engelleyen çok lokalize olmuş kovalent ve iyonik bağlar nedeniyle serttirler. Malzemenin plastik dayanımının artması, malzeme plastik kaldığı sürece ve ani kırılma ile hasara uğramadığı sürece yararlıdır.


Çatlak oluşumuna karşı direnç, kırılma tokluğu KIC ile ölçülür.Kırılma tokluğu - yoğunluk diyagramında; kırılma tokluğu değerleri 0,01 den 100 Mpam1/2 üzerindeki değerlere kadar geniş bir bölgeye yayılmıştır. Bu bölgenin en alt ucunda, kırılana kadar elastik olarak davranan gevrek malzemeler vardır. En üst noktada kırılmadan önce önemli derecede plastiklik gösteren süper tok malzemeler yer alır. Bunlar için KIC nin değeri yaklaşıktır,

Kırlma Tokluğu-Yoğunluk Diyagramı

J-integralinden (Jc) ve ve kritik çatlak açılma deplasmanı (δc) ölçmesinden bulunur.

örn. KIC = (EJ)1/2 yazılabilir. KIC değerleri, malzemelerin sıralanması için yararlıdır. Kırılma Tokluğu-Yoğunluk Diyagramında; mühendislik metallerinin, kırılma tokluğu değerleri daha yüksektir. Çünkü, metaller; geleneksel mühendislik tasarımlan İçin çok kez bir minimum değer olarak verilen 20 MPa. m ½ ‘nin üzerinde bir KICdeğerine sahiptir.

Kırlma Tokluğu-Yoğunluk Diyagramı

Elastiklik Modülü-Dayanım Diyagramı

Yüksek dayanımlı çelikler yay imalatı için çok uygundurlar. Fakat lastikler de yay imalatı için uygun malzemelerdir.O halde bu kadar farklı iki malzeme nasıl olur da aynı tarzda davranabilir? Tüm diyagramlar için yararlı olan bu ve benzeri diğer soruların yanıtları, Elastiklik modülü - dayanım diyagramlarında verilmiştir."Dayanımın" sınıflandırılması daha önce anlatıldığı gibidir.Yani;metaller ve polimerler için akma dayanımı, seramikler için basmadaki ezilme dayanımı, elastomerler için yırtılma dayanımıve kompozit ile ahşap için çekme dayanımıdır, ve σf simgesitüm malzemeler için kullanılır. .


Mühendislik polimerlerinin dayanımı σf IE ; 0,01 ile 0,1 MPaarasında değişmektedir. Bu nedendendir ki bu malzemeler dikkate değer derecede kuvvetlidir: metaller için (σf IE ) değeri en azından 10 katlık bir faktör kadar daha küçüktür.Seramiklerin bile basma dayanımı çok kuvvetli olmayıp çekme dayanımları oldukça zayıftır. Seramiklerin basma dayanımı, çekme dayanımından yaklaşık 15 kat daha fazladır.Kompozitler ve ahşaplarda ise σf IE = 0,01 MPa sınırındadır.İstisnai olarak düşük elastik modülüne sahip olan elastomerlerin , σf IE değerleri, diğer malzemelerle karşılaştırıldığında daha büyüktür (σf IE =0,1 den 10 MPa kadardır).


Atomlar arası etkiyen kuvvetler küçüktür. Atomlar arası orijinal uzaklık %10 kadar artırılırsa bağ kopar. Buna göre bir bağı koparan kuvvet:

F= Sr0 /10

Burada S, bağ rijitliği’dir. Eğer makaslama kuvveti sonucu bağ koparsa, cismin akma dayanımıkabaca:

σy = F / r20 = S/10r0 = E/10

olarak bulunur.


Akma dayanımı E/10000 kadar küçük olan çok saf metalleri, mühendislikte kullanışlı hale getirmek için dayanımlarının uygun bir mekanizma ile artırılmasıgerekir. Kovalent bağ lokalize yani bölgesel olduğundan kovalent bağlı malzemeler, düşük sıcaklıklarda E/10 değeri kadar akma dayanımlarına sahiptir.Elastomerlerin elastiklik modülleri bağ gerilmesinden türetilmedikleri için dayanımları, elastiklik modülü ( E) kadardır.

Özgül Rijitlik-Özgül Dayanım Diyagramı

Bir çok parçanın özellikle de hareketli parçaların tasarımında, rijitlik ve dayanım için minimum ağırlık istenmektedir.Bu amaçla, yoğunluk da göz önüne alınarak

E/p ve σ/ρ verileri için yeni bir diyagram çizilerek hazırlanmıştır.


Özgül rijitlik-özgül dayanım diyagramına bakıldığında;Birim ağırlık başına özellikle yüksek dayanıma sahip olan seramikler, sağda en üstte yer almaktadırlar. Diyagramda verilen veriler seramikler için basma dayanımı olup, seramiklerin çekme dayanımı basma dayanımından yaklaşık 15 kat daha düşüktür. Diyagramdan kompozitlerin, çok çekici özelliklere sahip bir malzeme sınıfı olduğu görülmektedir. Bu nedenle de kompozit malzemeler, havacılıkta gittikçe artan bir oranda kullanılmaktadır.


Metaller, göreceli olarak çok yüksek yoğunlukta olduklarından cazip değildirler. Polimerler ise düşük yoğunluklu oldukları için öncelikle tercih edilirler. Özgül rijitlik-özgül dayanım diyagramı; hafif yaylar ve enerji depolayan gereçlere ait parça malzemesi seçiminde yararlanılır.

Kırılma Tokluğu-Elastiklik ModülüDiyagramı

Genel olarak polimerlerin kırılma tokluğu seramiklerden daha küçüktür. Ancak polimerler mühendislik yapılarında çok daha yaygın kullanılırlar.Seramikler ise "gevrek" olduklarından, kullanırken bir çok uyarıyı dikkate almak gerekir.Kırılma Tokluğu –Elastiklik Modülü diyagramında; Kıc kırılma tokluğu ile E elastiktik modülü birlikte gösterilmektedir.


Önce kırılma için gerekli koşullar göz önüne alınır. Yeni yüzeyler yaratmak İçin birim alan başına 2γenerjisinin ya dıştan uygulanması gerekir yada bir elastik enerjinin serbest kalmasının sağlanmasıgerekir. Bu şu şekilde yazılır:

G>2 γBurada K serbestleşme derecesidir. G ile gerilme şiddeti faktörü K arasındaki standart K≅ (LG)1/2 ilişkisi kullanılarak

K≥(2E γ)1/2 bulunur.


Katı malzemenin γ yüzey enerjisi, elastiklik modülüolarak ifade edilebilir.Uygun bir yaklaşımla

γ= Er 0 /20 eşitliğinde r 0 atom boyutudur.

K≥(2E γ)1/2 de ‘’γ’’ yerine konursaK≥ [Er 0 /20 ]1/2 denklemi yazılabilir.

K≥ [Er 0 /20 ]1/2 denkleminin sağ tarafı KIC ninküçük bir değeri ile özleştirilebilir


Eğer r0 = 2x 10-10 olarak alınırsa, (KIC )min / E = [r0 /20] ½ ≅ 3x10-6 m1/2 bulunur.

Bu kriter diyagramda sağ alt köşede gölgeli, diyagonal bant şeklinde verilmiştir (bandın genişliği γ=Er0/C eşitliğinde olup, r0 ve C 'nin gerçek alanınıyansıtır). Bu doğru KIC’ ‘nin en düşük sınırını tanımlar. Kimyasal reaksiyonlar ve yorulma gibi bazı diğer enerji kaynakları olmadıkça , KIC’ ‘ nin değeri bundan daha küçük olamaz. Eğer olursa yeni bir simge ile verilir:

Sönümleme Kapasitesi-Elastiklik Modülü Diyagramı

Çanlar geleneksel olarak bronzdan yapılır. Çanlar bazen olduğu gibi camdan da yapılır, ve çanlar eğer yeterli paranız varsa silisyum karbürden de yapılabilir. Parçanın titreşmesi durumunda; metaller,camlar ve seramikler doğru koşullarda önemli bir malzeme özeliiği olan düşük sönümleme veya "iç sürtünme" özelliğine sahiptirler. Doğal sönümleme, Sönümleme Kapasitesi-Elastiklik ModülüDiyagramı ile verilir ve sönümleme kapasitesi ‘’ η ‘’ ile gösterilir.Doğal sönümleme ve histerizis için bir çok mekanizma vardır.

Sönümleme Kapasitesi-Elastiklik Modülü Diyagramı

Kurşun ve saf alüminyum gibi yumuşak metallerde sönümleme oldukça yûksektir. Fazla miktarda alaşımlandırılmış örn.çok bileşenli bronz gibi alaşımlarda ve yüksek karbonlu çelikte sönümleme düşüktür. Çünki çökeltiler, dislokasyonlarm hareketini engeller. Bu malzemeler çan yapımına uygun malzemelerdir.Özellikle Mn-Cu alaşımlarında, genleşmeyi teşvik eden martenzit dönüşümü ve magnezyumda ise muhtemelen geri döndürülebilir ikiz oluşumu nedeniyle sönümleme çok fazladır.

Elastiklik Modülü- Bağıl Fiyat DiyagramıDayanım- Bağıl Fiyat Diyagramı

Birim Hacim Başına Bağıl fiyat : Crρ (Mg/mm3)

Malzemelerin Sürtünme Katsayıları

Aşınma Hızı- Sertlik Diyagramı

Malzemelerin FarklıOrtamlardaki Davranışı

prof. dr.ayşegül akdoĞan eker · 2017-03-13 · kombinasyonudur.örn.mukavemet / ağırlık...

Documents