MAL 201 Malzeme Bilimi retim yesi Y Do

MAL 201: Malzeme Bilimi • • Öğretim Üyesi: Y. Doç. Dr. Murat Tabanlı Zaman: Ptesi: 9. 30 -11. 30 & Çarşamba: 11. 30 -12. 30 Sınıf: D 355 Ders kitabı: "Introduction to Materials Science for Engineers" , James F. Shackelford, Mc. Millan Pub. Co. 1992

DERSİN AMACI • Mühendislik malzemeleri ve bunların özellikleri öğrenmek: Metal, Seramik, Plastik (organik) ve Kompozitler • Malzemelerin yapısal özellikleri ile mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri arasındaki ilişkileri öğrenmek. • Tasarımda doğru malzeme seçimini öğrenmek.

DERSİN KAZANDIRACAĞI BİLGİ ve BECERİLER • • • Fiziksel özellikler, kimyasal bileşimler ve atomsal bağ yapıları, Kristal düzlemleri ve doğrultuları, Yapısal kusurları, Mekanik özellikleri, Katılaşma ve Yayınma (difüzyon), İki bileşenli faz diyagramları, Faz dönüşümleri ve ısıl işlemler, Malzemelerde yapı-özellik ilişkisi, Korozyon türleri ve korunma yöntemleri,

Yıl sonu değerlendirme FİNAL ŞARTI: • • • Derslere en az %70 Devam Etmek Ödevler (5): 10% Kısa sınavlar (10): 10% Vize #1: 20% Vize #2: 20% Final: 40%

Malzeme Bilimi MAL 201

Mühendislik malzemesi nedir? • Mühendislik ürün ve sistemlerin imalinde kullanılan ve mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen özelliklere sahip katılardır. Malzemesi Bilmi nedir? • Malzemelerin yapısı ve özellikleri arasındaki ilişkiyi inceleyen bilim dalıdır. Malzemesi Mühendisliği nedir? • Malzeme bilminin sunduğu yapı ve özellik arasındaki bilgiye dayanarak, arzu edilen özellikte malzemelerin tasarlanması ve imal edilmesidir.

Malzeme çeşitleri • Metaller • Seramikler • Polimerler • Kompozitler • Yarı iletkenler

Proses, yapı, özellik ve performans ilişkisi Proses Yapı Özellik Performans

Malzemelerin Yapısı • Atomaltı seviyede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar / nötronlar ve bunların etkileşimi, • Atomik seviyede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar, • Mikroskopik seviyede: Mikroskop kullanılarak incelenen microyapı (tanecik boyutu ve şekli vs. ) • Makroskopik seviyede: Gözle görülebilen makro yapı,

Atomic Structure Crystal Structure Microstructure Macrostructure

Malzeme özellikleri & Performans • Özellik: Belirli bir etkiye karşı verilen cevap: - Mekanik özellikler: Dayanım, gevreklik, süneklik, tokluk, yorulma, sürünme, vs. - Fiziksel özellikler: iletkenlik, ısıl özellikleri, özgül ağırlık, optik özellikleri (şeffaflık), vs - Kimyasal özellikler : Bileşimi, ortamdan etkilenmesikorozyon, oksidasyon, vs. • Performans: Herhangi bir ortamda istenilen fonksiyonları yerine getirebilmesi.

Şekil 1 -18: Kristal yapıların karşılaştırılması: (a) Aluminyum, (b) magnezyum. Şekil 1 -20: Çekme deneyin sonuçlarına dayanan Mekanik davranışları açısından karşılaştırılması: (a) Aluminyum, (b) magnezyum. (İç yapının bir sonucu olarak. . ) Aluminyumda 12 adet yüksek yoğunluklu düzlem / doğrultu kombinasyonu varken magnezyumda sadece 3 tanedir. .

Malzeme Teknolojisine yüksek derecede ihtiyaç duyan endüstrilere örnek • • Uzay-uçak endüstrisi: Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler Otomobiller: hafiflik ve ucuzluk Bilgisayar: yüksek hızda işlem ve bilgi-depolama özelliği, Spor malzemeleri: hafiflik, estetik

Ticari gaz depolama tankı için uygun malzeme seçimi (14 MPa- 2000 psi) Seçenekler Şekil 1 -24: Doğru malzemeyi seçmek için izlenen yol Şekil 1 -25: Doğru metal alaşımı seçmek için izlenen yol.

Şekil 1 -27: Havacılıkta endüstrisinde doğru malzeme sistemini seçmek için izlenecek yol. Şekil 1 -27: Havacılıkta yüksek basınç kap malzemesi olarak Doğru kompozit sistemini seçmek için izlenecek yol. Şekil 1 -28: Bu amaç için aramit filamentlerden imal edilen tanklar.

Yiyecek ve içecek uygulamaları için Dekoratif Foil Kese • Gıda : aranan özelliklerdir. ®yüksek korozyon direnci, ®yeterli dayanım, ®sızdırmazlık, ®kolay şekillendirilebilirlik • • 1 XXX saf aluminyumu. Özellikleri; - Kolay şekil verilebilirlik, korozyona karşı dayanım, elektrik iletkenliği. - Elektrik, ve kimyasal uygulamalar için elverişli. - yüksek dayanım aranan uygulamalara elverişli değil. . 1 XXX; bu uygulamada kullanılabilir.

Atomaltı yapı

Gezegen modeli Atom • Çekirdek • Nötron (yüksüz) • Proton (+yüklü ≈ + 0. 16 x 10 -18 coulomb) • Elektron (-yüklü ≈ -0. 16 x 10 -18 coulomb) Scanning Tunnelling Microscope

• • • Proton ağırlığı = nötron ağırlığı Proton sayısı = elektron sayısı “İzotop”: proton sayısı ≠ nötron sayısı. Atom numarası = proton sayısı Atomsal kütle birimi = proton ağırlığı = 1 amu = 1, 66 x 10 -24 g. • Avagadro sayısı = 6. 023 x 10 -23. • 1 gr = 6. 023 x 10 -23 amu. (1 / 1. 66 x 10 -24) dur.

Atom numarası 6 C 12. 01 Kütle numarası (Atom ağrılığı) Atom numarası: Proton sayısı = 6 Nötr atomda, Proton sayısı = Elektron sayısı = 6 Alt quantum (kabuk) sayıları 1 s 2 2 p 2 Quantum (kabuk) sayıları Elektron sayıları

• Elektronun kütlesi = 0. 911 x 10 -27 g (protonun 1/1000 i) • Dualite özelliği gösterirler. ® Dalga özelliği ® Parçaçık özelliği • Elektronlar çekirdek etrafında “yörünge-orbital” lerde dönerler. • Bu yörüngeler farklı mesafelerde bulunur ve Ana quantum sayıları (1, 2, 3. . ) ile ifade edilir. • Ana kabuklar içerisinde alt kabuklar (s, p, d, f, . . ) vardır. • Elektron sayıları: s=2, p=6, d=10, f=14. . . • Elektronlar en alt kabuktan başlayarak sırayla kabukları doldururlar.

Kuantum sayısı arttıkça ve Alt kabuk s den uzaklaştıkça elektronu bağlayan enerji seviyesi düşer. Elektronun bu seviyeden uzaklaşması kolaylaşır. 1 s 2 2 p 2 Hibrit (hybridization): Daha simetrik dağılım. 1 s 2 2 s 1 2 p 3 Elektron alışverişi en dış yörüngede daha kolay olur.

Atomik seviyede yapı

ØHer malzemenin atomlardan oluşur. ØBu atomlar bir araya geldiğinde birine bağlanmaları gerekir. ØAtomları birarada tutan faktör “atomlar arası bağ” bağ dır

Atomlar arası bağ ØKuvvetli bağlar (primary) üİyonik üKovalent üMetalsel ØZayıf bağlar (secondary) üVan der Waals

En kararlı elementler Elektron hareketleri daima en kararlı hale ulaşmaya çalışır. En belirli bir quantum sayısının en dış yörüngesinde bulundurabileceği en fazla elektron bulundurması durumu “Oktet” olarak adlandırılır ve bu şekilde bulunan kabuğa kapalı kabuk denir. Bu tür elementlerin elektron alıp vermesi çok zordur. Bu elementlere Asal (soy) elementler denir, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn gibi.

İyonik Bağ

• Daha kararlı yapı için bir atomdan diğerine e- transferi olabilir. Atomlar daha kararlı iyonlar haline gelir. • İyonik bağ bu elektronların transferi ile olur. • İyonik bağda yönlenme yoktur (non-directional). Farklı yüklü iyonlar her yönde komşu iyonu eşit kuvvetle çeker. • Dolayısıyla yönlenme yoktur ve iyonlar farklı yüklü komşu (kordinasyon sayısı) iyon sayısını maksimum tutacak şekilde istif olurlar.

Katyon Na(11) 1 s 2 2 p 6 3 s 1 Cl(17) 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 P 5 Na+(10) 1 s 2 2 p 6 Ne(10) Cl-(18) 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 P 6 Anyon Ar(10)

• Koordinasyon sayısı: Her hangi bir referans iyonu çevreleyen komşu iyon sayısı. Na. Cl için CN=6

Koordinasyon sayısı: yarıçap oranlarına bağlıdır.

Kovalent Bağ

• En dış yörüngede valans elektronlarının ortaklaşması (paylaşımı) ile oluşur. • Kovalent bağda yönlenme söz konusudur (directional). • Elmasta, polimer zincirlerinin içerisinde görülen bağ çeşitidir Şekil 2 -13: Cl 2 gazı için (a) Gezegen modeli (b) Gerçekteki elektron yoğunluğu, (c) Elekton noktaları, (d) Bağ çizgileri.

Şekil 2 -14: (a) Etilen molekülü (çift çizgi 2 e- ortak kullanımından doğan 2 kovalent bağı ifade eder) (b) 2 bağın tek bağa dönüşmesi ile polietilen ─ polimerik molekül oluşur. • Uzun zincirlerin 3 boyutlu hacmi dolduracak şekilde fleksibiliteye sahiptir. • Zincirler arasında “zayıf bağlar” olduğu için düşük erime sıcaklığı söz konusu. Şekil 2 -15: Polietilenin spagetti benzeri yapısı. C-C ve C-H kovalent bağlar.

• • • Şekil 2 -16: Elmasın 3 D kovalent yapısı. CN = 4 Şekil 2 -17: Si. O 44 - tetrahedron. Si-O hem kovalent hem iyonik karakter gösterir. Elmas bilinen en sert malzeme. Erime sıcaklığı 3500 o. C. CN = 4 r / R= 1 CN = 12 olmalıydı. Nedeni Sp 3 hibritleşmesi ile kovalent bağın yönlenmesidir. 1 s 2 2 p 2 1 s 2 2 s 1 2 p 3 • Bir çok ticari cam ve seramiklerde bulunur. • r. Si 4+ / r. O- =0. 039/0. 132=0. 295 • CN=4. Gerçekte de CN=4. • Sebebi yarı iyonik yarı kovalent karakter göstermesidir.

Şekil 2 -19: Elmasta C nun tetrahedral konfigürasyonu. Bağ açısı 109. 5 o • Kovalent bağda- yönlenmeden doğan bağ açısı önemli bir faktör. • Her bir C atomu 4 adet eşit uzunluğa sahip bağ oluşturma eğilimi gösterir. Bu durumda bağ açısı 109. 5 o.

• Bağ kuvveti ve enerjisi iyonik ve kovalent bağlarda benzesede iyonik bağa ait denklemler uygulanamaz. Şekil 2 -18: Bağ Enerjisi eğrisi: Bütün bağ çeşitleri için geçerli. Tablo 2 -2: Kovalent bağlar için bağ enerjisi-bağ uzunluğu değerleri. Bağ uzunluğu ile enerji lineer değil.

Metalsel Bağ

• İyonik bağ: elektron transferi söz konusu ve yönlenme yoktur. • kovalent bağ: elektron paylaşımı vardır ve yönlenme söz konusudur. • Metalsel bağ: yine elektron paylaşımı söz konusudur fakat yönlenme yoktur. • En dış yörüngede 2, 3 veya 4 valans elektronu (IIa, IVa) elementlerde görülür. • Bu elektronlar bulut şeklinde yapı içerisinde hareket edebilirler. • Bu sayede elektrik ve ısı iletimi kolaydır. • Atomların istifi, iyonik bağda olduğu gibi, en verimli yerleşmeyi- en fazla komşu sayısını- sağlayacak şekilde olur. Bu nedenle büyük CN değerleri söz konusu.

• Süblimasyon katıdan direk olarak gaz fazına geçme anlamına gelir. • Sublimasyon enerjisi, bağ enerjisi değerleri hakkında fikir verir.

Van der Waals Bağı

• Bu bağda elektron transferi veya paylaşımı yoktur. • Bağ; atom veya moleküllerde pozitif veya negatif yüklerin asimetrik dağılımı ile oluşan baskın bölgeler arasında oluşur. • Bu yük asimetrisine dipol adı verilir. • 2 çeşittir: geçici ve kalıcı dipol • Ar , asal elementtir. e- alış verişi zordur. İki Ar atomu yanyana geldiğinde yüklerde küçük distorsiyon ile oluşan geçici dipol atomları birine düşük enerji ile bağlar (0. 99 k. J/mol) Şekil 2 -22: Ar da dipol oluşumu ve bu sayede oluşan bağ.

• Bağ enerjisi kalıcı dipol olma durumunda daha büyüktür. • Su molekülünde H-O kovalent bağı yönlenmeye sahiptir. Molekülde H bölgeleri (+) O bölgesi (-) davranır. Bu molekülde yükler arası mesafe ve yük daha büyük olduğu dipol momentide büyür ve bağ enerjisi artar (21 k. J/mol) • Polimer zinciri içerisinde C-C ve C-H bağları kovalent iken zincirler arasında yine van der Waals bağı söz konusudur. Bu nedenle “karışık bağ yapısına” sahiptir.

Bağlar Kuvvetli Bağlar: • İyonik bağ: elektron transferi söz konusu ve yönlenme yoktur. Metal ve Ametal element atomları arasında gerçekleşir. • Kovalent bağ: elektron paylaşımı vardır ve yönlenme söz konusudur. Ametal element atomları arasında gerçekleşir. • Metalsel bağ: yine elektron paylaşımı söz konusudur fakat yönlenme yoktur. Metal element atomları arasında gerçekleşir. Zayıf bağlar: • Van der Waals bağ: asimetrik yük dağılımı ile oluşan geçici veya kalıcı dipoller arasında meydana gelen zayıf çekim kuvvetleri ile oluşur. Karışık bağ yapısı?

Elastik özellikler

• Elektron alışverişi ile zıt yüklü iyonlar haline gelirler. • Farklı yüklü iyonlar birbirini çeker. • “Coulomb çekim kuvveti” iyonları birbirine bağlar. q = 0. 16 x 10 -18 C, ko = 9 x 109 Vm/C • Belirli bir yaklaşmadan sonra aynı yüklü çekirdekler birbirini iter. Toplam kuvvet Denge durumu

Elastikli modülü Bağ enerjisi / bağ kuvveti arasında difransiyel bağıntı vardır. @ ao

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

• En sert malzeme hangi yapıya sahip olabilir? • Sünek malzemeler hangi bağa sahip olabilir? • Yüksek erime sıcaklığına sahip malzemeler hangi bağ çeşidine sahip olabilirler? • CN değeri, kovalent bağda iyonik veya metalsel bağa göre neden daha az olabilir? • İyonik bağlarda atom istifi için kriter nedir? • Karışık bağ yapısı hangi malzemelerde görülebilir? • Polimerler hangi bağ çeşidine sahiptir? • Seramikler hangi bağ çeşitine sahiptir? • Kovalent bağ sayısı arttıkça yönlenme. . . , CN. .

Kristal malzemeler

Atomsal yapılar • Malzemeler atomların bir araya gelmesi ile oluşur. • Atomları bir arada tutan kuvvete “atomlar arası bağ” denir. • Atom düzenleri 3 şekilde incelenebilir: ®Düzensiz yapı (amorph-orderless): Atom veya moleküllerin rastgele dizilmesi. ®Kısa aralıklı düzenli yapı (short range order): Küçük ölçekte düzenlilik. ®Uzun aralıklı düzenli yapı (long range order). Bütün hacimde düzenlilik; Kristal malzemeler (metaller, seramikler, kristal camlar, bazı polimerler.

• Kristal Malzemeler: 3 boyutlu uzayda düzenli ve sürekli tekrar eden “birim hücre” lere sahip malzemeler. • Birim hücre (unit cell): Kristal yapı içerisinde tekrar eden yapıların en basitidir. • Kristal kafes (lattice): Birim hücrelerin üç boyutta tekrarı ile meydana gelen düzendir. Şekil 3. 1: Kristal yapıyı tanımlayan farklı birim yapılar Şekil 3. 3: Basit kübik kafes

• Doğadaki bütün kristal malzemeler 7 kristal sistem ve 14 kristal kafesin birine uyarlar.

Kafes sistemleri Bütün 3 D hacmi dolduran kafes sistemi sadece 7 adet kafes sisteminden biri olabilir. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Kübik Tetragonal (kare prizma) Ortorombik (dikdörtgen prizma) Rhomohedral Hegzagonal Monoklinik Triklinik

Bravis Kafes sistemleri Atomların bu kafes sistemi içerisinde nasıl yerleştiklerini 14 adet “Bravis kafes sistemi” ifade eder. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Basit Kübik Hacim Merkezli Kübik Yüzey Merkezli Kübik Basit Tetragonal Hacim Merkezli Tetragonal Basit Ortorombik Hacim Merkezli Ortorombik Taban Merkezli Ortorombik Yüzey Merkezli Ortorombik Basit Rombohedral Basit Hegzagonal Basit Monoklinik Taban Merkezli Monoklinik Triklinik

• Atomlar her birim hücrede kafes noktalarında bulunur. • Her birim kafes; kafes kenar ve eksenler arası açıları içeren kafes parametreleri ile ifade edilir. Birim hücre geometrisi

Kafes Noktaları • Kafes noktaları: Atomların kafes içerisinde bulundukları koordinatlarıdır (noktaların). • Kafes noktaları; atomların uzayda bulundukları koordinatların, birim hücre boyutlarının katları veya kesirleri şeklinde ifadesidir. • Kesirli ifadeler bulunabilir. • x, y, z veya xyz şeklinde ifade edilebilir.

Kafes Doğrultuları Kübik sistemde doğrultu ve düzlemleri Miller indisleri ile ifade edilir. Şu şekilde saptanır: • Birim hücrede başlangıç ve bitiş koordinatları belirlenir. • Başlangıç koordinatları, bitiş koordinatlarından aritmetik olarak çıkarılır. • Miller indisleri, kesirli olamaz, tam sayı olmalıdır. Gerekirse orantılı olarak en küçük tam sayıya çevrilir. • Köşeli parantez içine virgülsüz olarak gösterilir.

Önemli noktalar 1. Eksen takımının başlangıcı herhangi bir atom seçilebilir. 2. Paralel doğrultuların indisleri aynıdır. 3. Aynı indisli fakat negatif işaretli doğrultular aynı değildir. 4. Bir doğrultunun indislerinin aynı tam sayı ile çarpılarak bulunan indislere ait doğrultular aynıdır. 5. Birbirlerine paralel olmayan (farklı miller indisli) fakat atom dizilişleri benzer (kübik sistem) olan doğrultular “doğrultu ailesi” ni oluşturur.

Doğrultu A 1. Başlangıç ve bitiş: 1, 0, 0, ve 0, 0, 0 2. 1, 0, 0, -0, 0, 0 = 1, 0, 0 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [100] Doğrultu B 1. Başlangıç ve bitiş: 1, 1, 1 ve 0, 0, 0 2. 1, 1, 1, -0, 0, 0 = 1, 1, 1 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [111] Doğrultu C ? ?

Doğrultu C 1. Başlangıç ve bitiş: 1/2, 1, 0 ve 0, 0, 1 2. 0, 0, 1 - 1/2, 1, 0 = -1/2, -1, 1 3. 2(-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 4.

Doğrultular arasındaki açı vektörel olarak hesaplanabilir. İki doğrunun skaler çarpımı:

Kafes Düzlemleri • Düzlemin eksen sisteminden (orijin) geçmesi durumunda en yakın düzleme paralel olarak kaydırılır. • Düzlemin koordinat eksenini kestiği noktalar belirlenir. • Bu değerlerin tersi alınır. • İndisler tam sayı olmalıdır. Gerekiyorsa orantılı en küçük tam sayı ile çarpılır. • Bulunan sayılar normal parantezde virgülsüz olarak ifade edilir. • Negatif sayılar üzerinde (–) işareti ile gösterilir.

Önemli noktalar 1. indisleri negatif olan düzlemler aynıdır. (Doğrultulardan farkı) 2. indisleri tam sayı ile çarpılarak bulunan düzlemler birbirinden farklıdır. (Doğrultulardan farkı) 3. Kübik sistemde birbirinin aynı indise sahip doğrultu ve aynı indise sahip düzlemler birbirine diktir. 4. Aynı özelliğe sahip düzlemler “düzlem ailesi” oluştururlar. Büyük parantez ile ifade edilirler.

Movie: Düzlem indis belirleme Düzlem A 1. x = 1, y = 1, z = 1 2. 1/x = 1, 1/y = 1, 1 /z = 1 3. Kesir bulunmuyor. 4. (111) Düzlem B 1. 2. 3. 4. Düzlem z eksenini kesmez, x = 1, y = 2, z = 1/x = 1, 1/y =1/2, 1/z = 0 Tam sayı olmalı: 1/x = 2, 1/y = 1, 1/z = 0 (210) Düzlem C 1. Düzlem 0, 0, 0 dan geçiyor. y-doğrultusunda kaydırırsak. Then, x = , y = -1, z = 2. 1/x = 0, 1/y = 1, 1/z = 0 3. Kesir bulunmamakta. 4.

12 adet 110 6 adet

<111> 8 adet 111 8 adet

Kristal yapıda Parametreler • Kafes parametresi: Birim hücrenin kenar uzunlukları • Koordinasyon sayısı: her bir atoma temas eden komşu atom sayısıdır. • Birim hücrede bulunan atom sayısı: Birim hücrede bulunan tam atom sayısını ifade eder. (Atom sayısı/hücre) • Atomsal dolgu faktörü: Birim hücrede, atomların toplam birim hücre hacmin ne kadarını kapladığının bir ölçüsüdür. (ADF=Atom hacmi / hücre hacmi) • Doğrultu atom yoğunluğu: Birim hücre içinde yer alan bir doğrultuda atom sayısıdır. • Düzlem atom yoğunluğu: Birim hücre içerisinde tanımlanan bir düzlemdeki atom yoğunluğunu ifade eder.

• Metaller kristal yapıya sahiptirler. • Seramikler daha kompleks kristal yapıya sahiptirler. • Seramik Camlar, kristal yapıya sahip değillerdir. • Cam Seramikler kristal yapıya sahiptirler • Polimerler amorf veya kristal veya belli oranlarda iki yapıya birden sahip olabilirler.

Metaller • • Kristal yapıdadırlar, Yüksek dayanım, Yüksek süneklik, Yüksek elektrik ve ısı iletkenlik, Yüksek tokluk, Şeffaf değil ve parlak görünüşe sahip, Fe, Al, Mg, Ti, Ni, Zn, Cu, ve alaşımları.

Şekil 1. 3: Periyodik tabloda metalik karakterde olan elementler

Metaller kristal yapıdadır. 14 Bravis sisteminin sadece 3 tanesine en çok rastlanır. ®Hacim merkezli kübik (Body centered cubic) yapı HMK. ®Yüzey merkezli kübik (Face centered cubic) yapı YMK. ®Sıkı düzen hegzagonal (Hexagonal closed packed) yapı SDH.

Hacim Merkezli Kübik (HMK) Figure 3. 4 Hacim merkezli kübik yapı (a) Kafes noktaları; (b)atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi. • Köşelerde ve merkezde birer atom bulunmaktadır. • Bu yapıdaki metallerden bazıları; Fe (α-ferrit), V, Cr, Mo, W.

Atom yarıçapı ve Kafes parametresi arasındaki ilişki Koordinasyon sayısı Her bir atoma temas eden komşu atom sayısı. KS = 8 Birim Hücrede atom sayısı Her köşede = 1/8 Merkezde 1 atom Toplam = 8 x (1/8) +1 = 2 atom / hücre Atomsal dolgu faktörü

Yüzey Merkezli Kübik (YMK) Figure 3. 4 Yüzey merkezli kübik yapı (a) Kafes noktaları; (b) atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi. • Köşelerde ve yüzey merkezlerinde birer atom bulunmaktadır. • Bu yapıda metallerin bazıları; Fe ( -ostenit), Al, Cu, Ni, vs.

Atom yarıçapı ve Kafes parametresi arasındaki ilişki Koordinasyon sayısı Her bir atoma temas eden komşu atom sayısı. KS = 12 Birim Hücrede atom sayısı Her köşede = 1/8 Yüzey merkezlerde = 1/2 atom Toplam = 8 x (1/8) + 6 x 1/2 = 4 atom / hücre Atomsal dolgu faktörü

Sıkı Düzen Hegzagonal (SDH) Figure 3. 4 Yüzey merkezli kübik yapı (a) Kafes; (b) atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi. • Hegzagon kristal yapının üç adedinin yana gelmesi ile oluşur. Bu yapıda metallerin bazıları; -Ti, Zn, Mg, Be, Zr, vs.

Atom yarıçapı ve Kafes parametresi arasındaki ilişki Birim Hücrede atom sayısı 4 köşede = 1/6 4 köşede = 1/12 Merkezde = 1 atom Toplam = 4 x (1/6) + 4 x 1/12 + 1 = 2 atom / hücre Koordinasyon sayısı Her bir atoma temas eden komşu atom sayısı. KS = 12 Atomsal dolgu faktörü

Seramikler § Metal ve metal dışı elementlerin yaptığı bağlarla oluşur. § Dolayısıyla iyonik ve/veya kovalent bağlara sahiptirler. § Yüksek erime sıcaklığı - refraktörlük § Kimyasal ve yüksek sıcaklıkta kararlılık § Kırılganlık (Düşük kırılma tokluğu)

Şekil 1. 5: Periyodik tabloda seramik malzemeleri oluşturan metalik karakterde olan elementler (açık mavi) ve metal dışı elementler (koyu mavi)

Seramik Malzemeler • İki grupta incelenebilir: ®Kristal yapılı ®Amorf yapılı • Seramikler metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu kimyasal bileşiklerdir. • Farklı türleri mevcuttur: ØMX 2 ØM 2 X 3 ØM 1 M 22 X 4 M: Metal element X: Metal olmayan element

MX Yapı Bu seramikler iki şekilde bulunabilirler: • YMK Yapıya sahip Na. Cl. Kafes içerisinde hem Na hem de Cl iyonları bulunur. • HMK Yapı: Cs. Cl tipi yapıda hem Cs hem de Cl iyonları kafes yapısı içerisinde bulunur. Bu yapıda seramikler: Mg. O, Ca. O, Fe. O, Ni. O. .

MX 2 Yapı Bu tip seramiklere Ca. F 2 örnek olarak verilebilir: • YMK Yapıda her kafes noktasında 1 Ca ve 2 F olmak üzere 3 iyon bulunur. • Her birim hücrede toplam 12 iyon vardır. Bu yapıda diğer bazı seramikler: UO 2, Si. O 2, Th. O 2. .

MX 2 Yapı Si. O 2, kristabolit yapıya sahiptir: • YMK Yapıda her kafes noktasında 2 Si ve 4 O olmak üzere 6 iyon bulunur. • Bu yapının Si. O 4 -4 tetrahedralarının ağ şeklinde bağlanarak oluşturdukları yapı olarak düşünülür.

M 2 X 3 Yapı Bu yapıya Al 2 O 3, korundum, örnek olarak verilebilir: • Rombohedral yapısı vardır ama, hegzagonal yapıya da benzerlik gösterir. • Her kafes noktasında 12 Al ve 18 O olmak üzere 30 iyonun bulunduğu düşünülür. • Cr 2 O 3 ve Fe 2 O 3 bu yapıya sahiptir. SDH O iyon tabakası ve 2/3 uzaklıkta Al iyon tabakası

M 1 M 2 X 3 Yapı Perovskit olarak ta bilinen bu yapıya bir tür elektro seramik olan Ca. Ti. O 3, ve elektro seramik ve piezo elektrik özelliklere sahip Ba. Ti. O 3 örnek olarak verilebilir. M 1 M 22 X 3 Yapı Spinel olarakta bilinen bu yapıya Mg. Al 2 O 4, Mg. Fe 2 O 4 gibi bir çok manyetik seramikler dahildir.

Kristal olmayan yapılar: Camlar: network yani ağ yapıya sahiptirler. • Seramik camlar (Camlar): Amorf yapıdadırlar –kısa mesafede düzenli yapıları vardır (short range ordered (SRO) structure) (random network). • Cam seramikler: Kristal camlardır – uzun mesafede düzenli yapıları (long range order (LRO) structures) vardır.

Polimerler • Hafiflik, • Korozyona ve kimyasallara karşı direnç, • Düşük dayanım ve tokluk, • Düşük rijitlik, yüksek elastiklik, • Tekrar kullanılabilirlik (Recyclable), • Elektrik yalıtkanlık.

Şekil 1. 12: Periyodik tabloda polimer malzemeleri oluşturan elementler.

Polimer Malzemeler PE: -(C 2 H 4)- yapısı • C atomlarının oluşturduğu omurga: • her C atomuna 2 H atomu bağlı. • Bütün bağlar kovalent. (b) (a) (d) (c) (a) (b) (c) (d) Lineer dallanmamış, Lineer dallanmış, Dallanmamış Termoset Dallanmış Termoset

Polimer Malzemeler • Polimer yapılarda: uzun zincirler • Belirli bir düzen oluşturmaları zor. • Genelde kristal değillerdir. • Bazı durumlarda zincirlerin belirli bir düzen oluşturması ile kristal yapı oluşabilir. • Ayrıca, çapraz bağ oluşumu ve dallı yalpı da olabilir. Bütün bunlar özellikleri etkiler. Kristal PE de birim hücre

X-ışını difraksiyonu

• Ölçmede kullanılan teknik veya ekipman ne kadar hassassa o kadar küçük boyut ölçülebilir. • Hassasiyeti kaba olan ölçü aletiyle küçük ve hassas skalada ölçüm yapılamaz. • X-ışın difraksiyonu kristal yapıları ve dolayısı ile malzemeleri tanımada kullanılabilir.

X-ışını difraksiyonu • X-ışını tüpünden gelen ışın parça yüzeyine düşürülür. Yansıyan ışın gelme ve yansıma açıları dikkate alınarak ganiometre ile ölçülür.

Pikler • Bir kristal üzerine dalga boyu olan ışın düşürüldüğünde bunlar kristal düzlemlerde atomlara çarparak yansırlar. Yansıyan ışınlar arasında faz kayması varsa bunlar birbirlerini yok edebilir ve net yani kaydedilebilen bir ışın yansıması ölçülemeyebilir. Fakat yansıyan ışın demetlerinin aynı fazda olması durumunda bunlar birbirlerini kuvvetlendirir ve şiddetli bir ışın yansıması gerçekleşir. • Bu şiddetli yansıma, ölçüm cihazında belli açılarda gözlenen pikler şeklinde olur.

• Bu piklerin oluşumunun gerçekleştiği açılarda yansıyan ışın demetleri aynı fazda olur ve bu durum “Bragg kuralı” nın sağlanması anlamına gelir. • : gelen ışının dalga boyu. • d: düzlemler arası mesafe. • : gelen ışın – düzlem arası açı. • 2 : brag açısı. • h, k, l: düzlemin miller indisleri. Yani piklerin oluştuğu brag açıları ölçüm yapılan kristal malzemenin belli atom düzlemelerini “d” düzlemler arası mesafe parametresi yardımı ile ifade eder.

Brag kuralından d saptandıktan sonra yukarıdaki formülden kafes parametresi saptanabilir.

• X-ışın difraksiyonu ile kristal yapıları, kafes parametresi ve atom çapı bulunabilir. • Bu parametreler, malzemenin özelliği olduğu ve her bir malzemede farklı değer aldığı için ilgi element veya bileşikleri saptamada kullanılmaktadır.

Aşağıdaki malzemeler için [111] yönünde çizgisel atom yoğunluklarını hesaplayınız (a) hmk yapıya sahip tungsten (b) ymk yapıya sahip alüminyum App. 2 r. W=0. 137 nm r. Al= 0. 143 nm

Aşağıdaki malzemeler için (111) düzleminde düzlemsel atom yoğunluklarını hesaplayınız (a) hmk yapıya sahip tungsten (b) ymk yapıya sahip alüminyum App. 2 r. W=0. 137 nm r. Al= 0. 143 nm