Mhendislik Malzemeleri

Vedat Temiz

Giri

Tasarmc iin mhendislik malzemelerini tanmak ve bunlarn zelliklerini bilmek ok nemlidir.

Makina elemanlar, alma artlarna uygun malzemelerden imal edilmek zorundadr. Bu malzemeler uygulamaya gre gelen ykleri karlar, elektrik iletkenlii veya yaltkanl salar, manyetik aky geirir veya geirmez, iletir veya yanstr, ok zorlu ortamlarda zelliklerini muhafaza eder vb.

Bunlara ek olarak tasarmc, imalat prosesinin ve sl ilemlerin malzeme zelliklerini nasl etkiledii bilgi sahibi olmaldr.

Malzemelerin Snflandrmas

elikler

Dkme demirler

Alm. alamlar

MetallerBakr alamlar

inko alamlar

Titanyum al.

PE, PP, PET, PC, PS, PEEK,

PA (Naylon)

PolimerlerPoliester,

Fenoller,

Epoksi

sopren

Neopren

Butil kauuk

ElastomerDoal kauuk

Silikon

EVA

Soda cam

Borosilikat cam

CamSilika cam

Cam-seramikler

Almina

Silikon karbr

SeramiklerSilikon nitrr

Zirkonyum

KompozitlerSandvi yaplar

HibridMalzemeler

Paral yaplarKpkler

rgl yaplar

Metaller

elikler: Yap elikleri demir-karbon alamdr. Yapsnda dier baz elementleri de (rn. krom, molibden, nikel vb) elikler alaml elikler olarak adlandrlr ve bunlarn mukavemeti daha yksektir.

Paslanmaz elikler ok yksek oranlarda krom ierir. Bunlarn korozyona dayanm ok yksektir.

Nispeten dk maliyetleri ve etkileyici pek ok zellikleri nedeniyle elikler, en yaygn kullanlan mhendislik malzemeleridir.

Bu malzemeler piyasada levha, plaka, boru, ktk, tel, dkm ve dvme rnler mevcuttur.

Metaller

Alminyum alamlar: Alminyum yksek mukavemet/arlk oranna ve iyi korozyon dayanmna sahip hafif (dk younluklu) bir metaldir. Bunun sonucu olarak alminyum konteynerler, ambalaj sektr, yap elemanlar, transport sistemleri ve spor ekipmanlarnda yaygn olarak kullanlr.

Alminyum yar mamul olarak eitli dkm veya dvme formlarnda mevcuttur.

Esas olarak iki alam tr mevcuttur:

1) Dkme uygun alamlar (temelde alminyum-silisyum alamlar)

2) Talal imalata uygun alamlar (temelde alminyum-bakr ve alminyum-magnezyum alamlar)

Metaller

Bakr alamlar: Bakr s ve elektriksel iletkenlii mkemmel olan snek (krlma nce kayda deer oranda uzamaya sahip) bir malzemedir. Bunun sonucu bakr genellikle elektriksel uygulamalar ve tesisatlarda yaygn kullanlr.

Farkl alam elementleri ile elde edilen bakr alam-larnn ok farkl zellikleri mevcuttur.

Pirin bir bakr-inko alamdr ve saf bakra gre olduka yksek mukavemetlidir.

Bronz ise bir bakr-kalay alamdr ve yaygn olarak kaymal yataklarda kullanlr.

Metaller

Nikel sper-alamlar: Sper-alamlar mkemmel termal mukavemet ve ok iyi yksek scaklk mekanik zeliklerine sahip metallerdir. Bu alamlar esas olarak jet motorlarndaki trbin kanatlar iin gelitirilmi ve yk altnda 1000C lik iletme scaklklarnda alabilmektedir.

Gnmz jet motorlarnda kullanlan alamlar, bol miktarda nikel yannda kayda deer oranlarda krom ve kobalt da iermektedir.

Bu alamlarn popler olanlarnn ticari isimleri Inconelve Hastelloy dur.

Seramikler

Seramik malzemeler iyonik veya kovalent balarla bir arada tutulmaktadr. Bu balama trnde valanselektronlar ya komu atomlar tarafndan paylalr (kovalent ba) veya bir atomdan komusuna aktarlr (iyonik ba). Bu yzden elektronlar metallerdeki gibi yap iinde serbeste hareket edemezler. Bunun sonucu ise seramiklerin sl ve elektriksel iletkenliinin kt olmasdr.

ok salam ve rijit olan bu balar seramii son derece rijitve yksek erime noktas olan bir malzeme yapar. Elastik zelliklerinin kt olmas nedeni ile seramikler deformasyona maruz uygulamalarda kullanlmazlar.

stenmeyen hasarlardan kanmak iin gnmz seramikleri basma zorlanmalarna maruz uygulamalarda tercih edilmektedir.

Seramikler

Mhendislik seramiklerinden bazlar:

Almina: Alminyum oksit (almina) kt elektriksel ve termal iletkenlie sahip, sert ve gevrek bir malzemedir. Genelde bujilerde termal yaltm ve oksidasyon bariyeri, talal imalatta ise abrazif olarak kullanlmaktadr.

Silikon nitrr: Dier seramiklere gre sl iletkenlii ve tokluu daha yksektir. Kesme takm, kum pskrtme llesi, trbo kompresr rotoru ve trbin kanad uygulamalarda kullanlmaktadr.

Karbon elyaf: Bu malzeme yksek mukavemet/arlk oranna ve dk sl genleme katsaysna sahiptir. Daha ziyade kompozit malzemelerde takviye amac ile kullanlmaktadr.

Cam Camlar belirli bir kristal yaps olmayan amorf

malzemelerdir. Bunlara genellikle viskoz durumda iken ekil verilir ve hzla soutulur. Camdaki atomlar svlardaki gibi geliigzel bir dalmdadr. Camdaki atomik balar kovalenttir. Bu yzden cam ok gevrek ve herhangi sreksizlik bulunmas halinde hasara ok meyillidir.

Soda cam: Silisyuma sodyum oksit ve kalsiyum oksit eklenmesi ile elde edilen dk erime noktal camdr.

Borosilikat camlar: Isya dayanm arttrmak ve dk sl genleme katsays iin boron oksit ilave edilir (mutfak eyalar ve laboratuvar ekipmalar).

Cam elyaf: Silisyum ana malzemeye ek olarak, alminyum oksit, kalsiyum oksit ve magnezyum oksit ierir. Plastiklerde takviye olarak kullanlr.

Polimerler

Plastik terimi sadece bir malzemeyi belirten bir szck deildir. Ancak, btn plastiklerde ortak olan bir ey vardr, o da bunlarn makro-molekl olarak adlandrlan ok uzun molekl zincirlerinden olutuklardr. Bu makro-molekller genellikle 10.000 den fazla yapsal elemandan meydana gelir.

Polimerleri oluturan monomerler genellikle basit organik molekllerdir. Plastiklerin makro-moleklleri bu basit maddelerden elde edilir. Makro-molekl terimi bu molekllerin ok byk boyutlarn temsil iin kullanlmaktadr. Bu byk molekller binlerce monomer moleklnn birlemesinin sonucu olarak ortaya kmaktadr.

Saf polimerler ok ender hallerde kullanlrlar. Polimer esasl malzemelere eitli zelliklerini gelitirmek veya deitirmek amac ile katklar uyguland takdirde elde edilen bu son rne plastik ad verilir.

Polimerler

Molekller aras kuvvetler ile birbirine balanm dall veya lineer (dzgn) makro-molekl zincirlerinin oluturduu plastiklere termoplastik denir. Molekller aras ekim kuvvetinin bykl dier baka faktrlerin yannda esas olarak zincirdeki dallanmalarn ekline ve saysna baldr.

Ksmi kristalin termoplastikler:

Polipropilen (PP), Polietilen (PE), Polioksimetilen (POM), Poliamid (PA)

Amorf termoplastikler: Polikarbon (PC), Polimetilmetakrilat (PMMA), Polistiren (PS), Polivinilklorr (PVC)

Polimerler

Termosetlerin en belirgin zellii molekl zincirlerinin apraz balarla (kpr benzeri) balanm olmasdr. Bu malzemelerin moleklleri sadece molekller aras kuvvetlerle deil ayn zamanda atomsal balarla birbirine balanmlardr. Youn apraz bal molekl zincirlerinin olu

Oda scaklnda bu youn apraz bal molekller ok sert ve salam olmasna karn, ayn zamanda da krlgandr. Termoplastiklerle karlatrldnda ise termosetler ayn s ile ok daha az miktarda yumuarlar. turduu yapya termoset denir.

Termosetlere rnekler: fenol formaldehit, melamin reine, poliimid, epoksi reine

Polimerler

Elastomerlerin molekl zincirleri geliigzel bir dizili gsterirler ve dk oranda apraz ba olutururlar. Polimerlerin bu kategorisi seyrek apraz bal olarak telaffuz edilebilir.

Elastomerler oda scaklnda kauuk gibi davranrlar. Elastomer iinde bulunan apraz balar molekl zincirlerinin birbirine gre hareketini olduka nemli oranda engeller.

Elastomerlere rnekler: poliretanlar, vulkanize kauuk

Kompozit (karma) malzemeler)

Kompozitler, uygulamann gerekleri dikkate alnarak kimyasal ve fiziksel zellikleri farkl iki veya daha fazla malzemenin bir araya gelerek oluturduklar malzemelerdir. Kompoziti oluturan malzemeler yap iinde ayrk olarak kalrlar.

Kompozit iinde temel olarak iki tr malzeme eidi bulunur. Bunlardan ilki matris, dieri ise takviye malzemesidir.

Matris malzemesi takviye malzemesini tmyle kaplayarak bunlarn birbirine gre olan konumlarnn muhafazasn salar ve yapya bir btnlk kazandrr. En yaygn kullanlan matrisler polimerlerdir.

Takviye malzemesi ise kompozitin mekanik, fiziksel vb. zelliklerini gelitirmek iindir.

Mhendislikte ok kullanlan kompozitler polimer matris iinde cam veya karbon elyafn kullanld malzemelerdir. Bunun yannda metal-seramik veya seramik-seramik kompozitleri de yaygndr.

Malzemelerin Mekanik zellikleri

Bir uan yapsal elemanlarnn tasarmnda uygun olmayan malzeme seiminin olas sonular.

Elastiklik modl

Elastik deformasyona kar diren olarak tarif edilebilir.

Elastiklik modl gerilme-birim uzama diyagramlarndan elde edilir. Lineer deiim iin aadaki gibi tarif edilir.

=

Elastiklik modlMALZEME Elastiklik Modl [GPa]

Kauuk (kk deformasyonlar iin) 0,01-0,1

Dk younluklu polietilen (LDPE) 0,2

Yksek younluklu polietilen (HDPE) 0,7

Polikarbon [PC] 2,6

Naylon (PA) 3

Ticari ahaplar 9-16

Alminyum ve alamlar 70

Soda cam 70

Titanyum 110

Karbon elyaf takviyeli plastikler 70-200

Kr Dkme demir 130

elikler 210

Silikon karbr (SiC) 450

Elmas 1000

Kopma ve Akma Mukavemeti

Bir mhendislik malzemesinin akma ve kopma dayanmlar ekme testi sonunda ortaya kar. Belirgin bir akma snr gstermeyen malzemelerde akma mukavemeti %0,2 kalc deformasyona karlk gelen deer olarak alnr.

Kopma ve Akma MukavemetiMALZEME Akma Mukavemeti

[MPa]Kopma mukavemeti[MPa]

Dk younluklu polietilen (LDPE) 6-20 20

Kauuk - 30

Yksek younluklu polietilen (HDPE) 20-30 37

Polikarbon [PC] 55 60

Naylon (PA) 40-90 100

Cam elyaf takviyeli epoksi - 100-300

Yap elii 220 430

Alminyum ve alamlar 100-600 300-700

Karbon elyaf takviyeli plastikler - 640-670

Titanyum alamlar 180-1320 300-1400

Dk alaml elikler 500-1900 680-2400

Silika cam (Basmada) - (7200)

Silikon karbr (SiC) (Basmada) - (10000)

Elmas (Basmada) - (50000)

Tokluk ve sneklik

Sneklik, malzemedeki plastik kopma uzamasnn byklnn bir lsdr. Bir malzemenin kopma uzamas ne kadar fazla ise, malzemenin o kadar snekolduu sylenebilir. Kopma uzamas dk olan malzemeler ise gevrek olarak tarif edilir. Sneklikbirimsizdir ve kopma uzama yzdesi veya kopmadaki ap azalmas oran olarak ifade edilir.

Tokluk, gerilme altndaki bir malzemenin krlmaya kar direncinin lsdr. Tarif olarak birim hacimdeki bir malzemenin depolayabilecei elastik enerjinin miktardr. Bu durumda birimi J/m3 dr.

Tokluk ve sneklik

YounlukMALZEME Younluk [kg/m3]

Platin 21450

Altn 19300

Tungsten 19250

Bakr 8960

Demir 7870

elik 7850

Titanyum 4500

Elmas 3500

Alminyum 2700

Grafit 2200

Cam elyaf takviyeli epoksi 2000

Magnezyum 1740

Karbon elyaf takviyeli plastik 1500

Naylon 1100

Kauuk 850

Maliyet

Mhendislik rnlerinin teknik deeri kadar, ekonomik deeri de nemlidir. Teknik deeri ok yksek olan, fakat maliyeti ok yksek olan bir teknik yaptn pazar ans yok denecek kadar azdr. Yanda malzeme maliyeti iin verilen deerler alnan kaynaktaki tarih iin verilen yaklak deerlerdir. Sadece genel fikir vermek amac ile kullanlabilir

Malzeme Maliyet [kg/]

Elmas (Endstriyel) 710.000

Platin 17.750

Altn 7.100

Karbon elyaf takviyeli plastikler 71

Nikel alamlar 71

Titanyum 35

Silikon Karbr (nce seramik) 25

Almina (ince seramik) 11

Naylon (PA) 5

Cam elyaf takviyeli epoksi 3,5

Paslanmaz elik 2

Cam 1,4

Bakr (ingot veya boru) 1,4

Alminyum alamlar (ingot/boru) 1/1,4

Doal kauuk 1

Sert ahap 0,9

Polietilen 0,7

Dk alaml elikler 0,5

Yap elikleri (yass veya ktk) 0,35

Dkme demir 0,32

Yumuak ahap 0,25

Fuel oil 0,2

Malzeme seim diyagramlar