Muhendislik Malzemeleri Ve Ozellikleri

7/29/2019 Muhendislik Malzemeleri Ve Ozellikleri

1/62

MHENDSLK MALZEMELER

ve ZELLKLER

Prof. Dr. Ayegl AKDOAN EKER


2/62

MHENDSLK MALZEMELER ve

ZELLKLERMhendislik Malzemelerinin

Snflandrlmas


3/62


4/62


5/62

Malzeme zelliklerinin Tanmlanmas

Malzemelerin zellikleri, onlarn performansn etkiler.

Ancak, paran

n performans

n

n tek bir zellie bal

olmas durumu ok nadirdir.

Malzemenin peformans dier bir deyile verimi,hemen her zaman zelliklerinin

kombinasyonudur.rn.mukavemet / arlk orannn(f/) ve rijitlik / arlk orann (E/)kombinezonudur. Her iki zellikte ortak nokta

hafifliktir. Bu nedenle de her iki zelliin tek birdiyagramda gsterilmesi uygun olmaktadr.

B1


6/62

Slide 5

B1 BULENT; 04.03.2008


7/62


Mhendislik malzemelerinin her bir zellii,

deerce karakteristik bir dalm blgesinesahiptir.

Aada verilen diyagramlarda elastiklik

modl (E) younluk () ilikisine aitdeerler logaritmik skalada verilmitir.

Eksenler, en hafif kpk malzemelerden en

ar ve en rijit metallere kadar tmmalzemeleri kapsayacak kadar seilir.


8/62


9/62


Diyagramlarda bu veriler, bir malzeme grubu iin rn.

polimerler, bir arada toplu halde dier bir deyile anablgeler (balon halinde) bulunur.

Her malzeme snf ile ilgili olarak alt blgeler bulunur.

Ana blgeler, iinde bulunan malzemelere ait altblgedeki tm yelerin o zellie ait deerlerinikapsar.

Uygun eksen ve skala seilirken eklentiler yaplabilir.


10/62

Malzeme zelliklerinin Tanmlanmas Bir kat iinde ses hz elastiklik modl (E) ve

younlua () baldr.rn.boylamasna ses hz v,

v = [ E/ ]1/2 formlyle verilir.eitliin logaritmas alnrsa,log E = log + 2 log v bulunur.

vnin sabit deerleri iin bu denklem, eimi 1 olandorularla gsterilir ve diyagrama sabit hzlarneklenmesine olanak vermektedir. Bunlar eimleri 1olan paralel dorular ailesidir.

Her bir doru sesin yaylma hz ayn olanmalzemeleri birletirir. Dier bir deyile, ayn doruzerine denk gelen malzemelerde ses ayn hzdayaylmaktadr.


11/62


12/62

Malzeme-zellik Diyagramlar Elastiklik Modl- Younluk Diyagram


13/62


14/62

Elastiklik Modl- Younluk

Diyagram Bir kat cismin younluu;

atomlarn veya iyonlarnn--arlna,--boyuna ve paketleme ekline baldr. Atomlarn boyutu ok fazla olmayp ounun hacmi

1x10-29-2x10-29 mertebesindedir. Paketleme faktrnn deeri de dktr.rn. sk

paket hegzagonal (sph) kafes iin paketleme deeri

yada atom dolgu faktr ADF= 0.74dr.


15/62


Diyagram Younluk dalm esas olarak atom arlna

baldr. Hidrojenin atom arl=1g/atom iken uranyumun

atom arl=238 g/atom dr. Metaller, ar atomlardan olutuklar iin younluklar

fazladr. Polimerler ise hafiftir. nk 2 yada 3 boyutlu olarak

dizilmi karbon ve hidrojen atomlarndanolumulardr.

Seramiklerin byk bir ksmnn younluu,metallerden daha dktr. nk, atom arlklardk olan oksijen, azot ve karbon atomu ierirler.


16/62


Diyagram En hafif atomlarn en gevek tarzda dizilmi

olduu katlarn younluu yaklak 1Mg/m3dr.

1Mg/m3 den daha az younlua sahip olan

malzemeler, byk miktarda gzenek ierenhcrelerden oluan kpklerdir.


17/62


Diyagram ou malzemenin elastiklik modl;

ba rijitlii ve birim blge bana den bayounluuna bal olarak deimektedir.

Atomlar aras ba yay gibi olup bir yay sabitinesahiptir.

Elastiklik Modl,

E= S / r0r0 :atom boyutu , S=atomlar aras ba sabiti (N/m)


18/62


Diyagram Elastiklik modlnn geni bir blgeye yaylmas,

S in deerinin ok geni bir da

l

m gstermesi ileoluur.

Kovalent ba rijittir ve S=20-200N/m.dir.

Kovalent bal olan elmas, ok byk elastiklikmodlne sahiptir. nk karbon atomu kkolduundan yksek ba younluu verir ve elmasn

atomlar ok kuvvetli yaylar oluturur. ( S=200 N/m)


19/62


Diyagram Metaller yksek elastiklik modlne

sahiptirler. nk, atom dolgu faktrnnyksek olmas ba younluunun da yksekolmasna neden olur.

Metal atomlar arasndaki balar, elmastakikarbon atomlar arasndaki ba kadar kuvvetliolmasa da yine de kuvvetlidir.


20/62


Diyagram Polimerler; hem elmas gibi kuvvetli balar hem de

zay

f hidrojen yada Van der Waals balar

ierirler(S=0,5-2.0 N/m). Polimerler deforme olduundagerilen bu zayf balar, dk elastiklik modlverirler.

Zayf balarla balandnda (S=0.5N/m) bykatomlar bile (r0 = 3x10

-10 m.) elastiklik modlleriyaklak olarak

E = 0.5 / 3x10-10

= 1GpaE=1Gpa deeri , katlar iin en kk deerdir.


21/62


Diyagram Mhendislik malzemelerinin her zellii

deerce karakteristik geni bir dalmblgesine sahiptir.

Elastiklik modl, tokluk, sl iletkenlik gibi

zellikler iin bu blgelerin iki ba arasndakideer fark yaklak 105 kat deermertebesine kadar farkl olabilecei

grlmektedir.


22/62


Diyagram Elastiklik Modl-Younluk

diyagramlarnda,mhendislik malzemelerinin elastiklik modllerinin105 kat kadar farkl olabilecei grlmektedir.(Kpkler iin E= 0.01GPa, elmas iin E=1000GPa )

Younluk ise 2000 kat kadardeiebilmektedir(rn. 0.1 M/m3 den 20 M/m3 kadar ).

Malzeme snflarnn zellikleri arasndaki ilikilerfarkl yaklamlar ile izah edilebilir.

Elastomerler hari tm malzemeler iin G 3E/8 vehacim (bulk) modl K E denilebilir.

Elastomerler iin G= E/3 ve K >> E dir.


23/62


Diyagram


24/62


Diyagram Logaritmik lekler daha ok bilgi verir .Malzemedeki

elastik dalgann hz ve bunun bir bileeninin doaltitreim frekans (E/)1/2 ye orantldr.

(E/)1/2 , bu malzemeden yaplan ince birubuktaki boylamasna ses dalgas hzdr.

(E/)1/2 sabitinin snrlar Elastiklik Modl-Younlukdiyagramnda verilmitir ve boylamasna dalga hz ilenitelendirilmitir. Deeri ise yumuak elastomerlerde

50 m/s den daha kk iken, hassas seramiklerde 10m/snin biraz zerindedir.


25/62


Diyagram Alminyum ve cam dk younluklar nedeniyle,

dk elastiklik modllerine ramen, ses dalgalarmhzl iletilirler.

Kpklerin ise dk elastiklik modlleri nedeniyleses hzn yava iletmeleri beklenir, fakat dkyounluk hemen hemen dengelenir.

Ses hz, ahapta tanelere dik ynde dktr. Fakattaneler boyunca mzik enstrmanlar yapmndakullanacak kadar yksektir ( yaklak olarak

eliktekine eittir).


26/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

Bir malzemenin elastiklik modl, kesin deerlerletanmlanm olan bir niteliktir. Dayanm ise byle birnitelik deildir.

DAYANIM;

Metaller ve polimerler iin akma dayanmdr.

ekil verme ile pekleen malzemelerde akmadayanmndan kopma dayanmna kadar kabilir.

Bir ok pratik ama iin basmada ve ekmede deeri

ayndr.rn. Gevrek malzemeler olan seramikler iinbasma (ezilme) dayanm nemlidir.


27/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

Gevrek malzemelerde, 15 kat daha kk olanekmedeki dayanm alnmaz. Gevrek malzemeleridierlerinden ayrmak iin bunlara ait balonlar kesikliizgilerle gsterilmitir.

Elastomerler iin; dayanm, yrtlma dayanmdr.

Kompozitler iin ekmedeki hasar dayanmdr(basmadaki dayanm elyaflarn bklmesi nedeniyledaha kk olabilir).

Malzemeler iin ,hasar mekanizmalar fakl olmasnaramen ayn fsimgesi kullanlacaktr.


28/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

Dayanm-Younluk diyagramnn apsisinde isepyounluk deiimi vardr.

Her bir malzemeye ait dayanm baloncuklarndagrlen dey yndeki uzamalar ise alamlama,souk ekil verme, tane boyutu, gzeneklilik vb.

hususlardan kaynaklanmaktadr. Elastiklik modl-Younluk diyagramnda da olduu

gibi bir snfa ait yeler tek bir blgede

toplanabilir(koyu izgili balonlar). Bunlar

n her biridiyagramda karakteristik bir blgeyi kapsar.


29/62


30/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

Mhendislik malzemeleri iin dayanm blgesi,elastiklik modl gibi ,105 katlk bir blgeyi kapsar:

0,1 MPa deerinden daha kk deerlerdenrn.ambalajlarda kullanlan ve enerji absorbe edenkpkler), 104 MPa deerlerine kadar rn.elmasndayanm deimektedir.

Bu geni dalmda en nemli husus kafesdayanmdr: malzemenin makaslanma kuvvetinekar gsterdii doal diren, dislokosyanIarnhareketini gerektirir.


31/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

Metaller, metal atomlar

aras

ndaki metalsel balarnedeniyle ok sert deildirler. Bu nedenle de metalselbalar, dislokasyon hareketini az da olsanlemektedirler.

Halbuki seramikler, dislokasyonlarn hareketiniengelleyen ok lokalize olmu kovalent ve iyonikbalar nedeniyle serttirler.

Malzemenin plastik dayanmnn artmas,malzeme plastik kald srece ve ani krlma ilehasara uramad srece yararldr.


32/62

Dayan

m- Younluk Diyagram

atlak oluumuna kar diren, krlma tokluu KIC ilellr.

Krlma tokluu - younluk diyagramnda; krlmatokluu deerleri 0,01 den 100 Mpam1/2 zerindekideerlere kadar geni bir blgeye yaylmtr. Bu

blgenin en alt ucunda, krlana kadar elastik olarakdavranan gevrek malzemeler vardr.

En st noktada krlmadan nce nemli derecede

plastiklik gsteren sper tok malzemeler yer al

r.Bunlar iin KICnin deeri yaklaktr,


33/62

K

rlmaTokluu-Younluk Diyagram

J-integralinden (Jc) ve ve kritik atlak almadeplasman (c) lmesinden bulunur.

rn. KIC = (EJ)1/2yazlabilir. KIC deerleri,malzemelerin sralanmas iin yararldr.

Krlma Tokluu-Younluk Diyagramnda;

mhendislik metallerinin, k

r

lma tokluu deerleridaha yksektir. nk, metaller; gelenekselmhendislik tasarmlan in ok kez bir minimumdeer olarak verilen 20 MPa. m nin zerinde birKIC

deerine sahiptir.


34/62

K

rlmaTokluu-Younluk Diyagram


35/62

Elastiklik Modl-Dayan

m Diyagram

Yksek dayanml elikler yay imalat iin ok uygundurlar.Fakat lastikler de yay imalat iin uygun malzemelerdir.

O halde bu kadar farkl iki malzeme nasl olur da ayn tarzdadavranabilir? Tm diyagramlar iin yararl olan bu ve benzeri dier sorularn

yantlar, Elastiklik modl - dayanm diyagramlarndaverilmitir.

"Dayanmn" snflandrlmas daha nce anlatld gibidir.Yani;metaller ve polimerler iin akma dayanm, seramikler iinbasmadaki ezilme dayanm, elastomerler iin yrtlma dayanmve kompozit ile ahap iin ekme dayanmdr, ve f simgesi

tm malzemeler iin kullanlr. .


36/62

Elastiklik Modl-Dayanm

Diyagram

Mhendislik polimerlerinin dayanm f IE ; 0,01 ile 0,1 MPaarasnda deimektedir. Bu nedendendir ki bu malzemeler

dikkate deer derecede kuvvetlidir: metaller iin (f IE ) deerien azndan 10 katlk bir faktr kadar daha kktr. Seramiklerin bile basma dayanm ok kuvvetli olmayp ekme

dayanmlar olduka zayftr. Seramiklerin basma dayanm,ekme dayanmndan yaklak 15 kat daha fazladr.

Kompozitler ve ahaplarda ise f IE = 0,01 MPa snrndadr. stisnai olarak dk elastik modlne sahip olan

elastomerlerin , f IE deerleri, dier malzemelerlekarlatrldnda daha byktr(f IE =0,1 den 10 MPa kadardr).


37/62


Diyagram Atomlar aras etkiyen kuvvetler kktr. Atomlar

aras orijinal uzaklk %10 kadar artrlrsa ba kopar.Buna gre bir ba koparan kuvvet:

F= Sr0 /10

Burada S, ba rijitliidir. Eer makaslama kuvvetisonucu ba koparsa, cismin akma dayanmkabaca:

y = F / r20 = S/10r0 = E/10olarak bulunur.


38/62


Diyagram Akma dayanm E/10000 kadar kk olan ok saf

metalleri, mhendislikte kullanl hale getirmek iindayanmlarnn uygun bir mekanizma ile artrlmasgerekir.

Kovalent ba lokalize yani blgesel olduundan

kovalent bal malzemeler, dk scaklklarda E/10deeri kadar akma dayanmlarna sahiptir.

Elastomerlerin elastiklik modlleri ba gerilmesindentretilmedikleri iin dayanmlar, elastiklik modl ( E)kadardr.


39/62

l iji lik l


40/62

zgl Rijitlik-zgl Dayanm

Diyagram Bir ok parann zellikle de hareketli

paralar

n tasar

m

nda, rijitlik ve dayan

m iinminimum arlk istenmektedir.

Bu amala, younluk da gz nne alnarak

E/p ve / verileri iin yeni bir diyagramizilerek hazrlanmtr.


41/62

l Rijitlik l D


42/62


Diyagramzgl rijitlik-zgl dayanm diyagramnabakldnda;

Birim arlk bana zellikle yksek dayanma sahipolan seramikler, sada en stte yer almaktadrlar.

Diyagramda verilen veriler seramikler iin basmadayanm olup, seramiklerin ekme dayanm basmadayanmndan yaklak 15 kat daha dktr.

Diyagramdan kompozitlerin, ok ekici zellikleresahip bir malzeme snf olduu grlmektedir. Bu

nedenle de kompozit malzemeler, havac

l

kta gittikeartan bir oranda kullanlmaktadr.

l Rijitlik l D


43/62


Diyagram Metaller, greceli olarak ok yksek

younlukta olduklarndan cazip deildirler. Polimerler ise dk younluklu olduklar iin

ncelikle tercih edilirler.

zgl rijitlik-zgl dayanm diyagram;hafif yaylar ve enerji depolayan gerelereait para malzemesi seiminde yararlanlr.

K r lma Tokl Elastiklik Modl


44/62

Krlma Tokluu-Elastiklik Modl

Diyagram Genel olarak polimerlerin krlma tokluu

seramiklerden daha kktr. Ancak polimerlermhendislik yaplarnda ok daha yaygn kullanlrlar.

Seramikler ise "gevrek" olduklarndan, kullanrken birok uyary dikkate almak gerekir.

Krlma Tokluu Elastiklik Modl diyagramnda;Kc krlma tokluu ile E elastiktik modl birliktegsterilmektedir.

K r lma Tokluu Elastiklik Modl


45/62


Diyagram nce krlma iin gerekli koullar gz nne alnr.

Yeni yzeyler yaratmak in birim alan bana 2

enerjisinin ya dtan uygulanmas gerekir yada birelastik enerjinin serbest kalmasnn salanmasgerekir. Bu u ekilde yazlr:

G>2 Burada K serbestleme derecesidir. G ile gerilmeiddeti faktr Karasndaki standart K(LG)1/2 ilikisikullanlarak

K(2E )1/2 bulunur.

Krlma Tokluu Elastiklik Modl


46/62


Diyagram Kat malzemenin yzey enerjisi, elastiklik modl

olarak ifade edilebilir.

Uygun bir yaklamla= Er0/20 eitliinde r0 atom

boyutudur.

K(2E )1/2 de yerine konursaK [Er0/20 ]

1/2 denklemi yazlabilir.

K [Er0/20 ]1/2 denkleminin sa taraf KIC nin

kk bir deeri ile zletirilebilir

Krlma Tokluu Elastiklik Modl


47/62


Diyagram Eer r0= 2x 10

-10olarak alnrsa,

(KIC

)min

/ E = [r0

/20] 3x10-6m1/2 bulunur.

Bu kriter diyagramda saalt kede glgeli,diyagonal banteklinde verilmitir (bandn genilii=Er0/C eitliinde olup, r0ve C 'nin gerek alannyanstr).

Bu doru KIC nin en dk snrn tanmlar.Kimyasal reaksiyonlar ve yorulma gibi baz dierenerji kaynaklar olmadka , KIC nin deeri bundandaha kk olamaz. Eer olursa yeni bir simge ile

verilir:


48/62


49/62


50/62

SnmlemeKapasitesi-Elastiklik


51/62

Snmleme Kapasitesi-Elastiklik

ModlDiyagram anlar geleneksel olarak bronzdan yaplr. anlar

bazen olduu gibi camdan da yaplr, ve anlar eer

yeterli paranz varsa silisyum karbrden deyaplabilir. Parann titremesi durumunda;metaller,camlar ve seramikler doru koullardanemli bir malzeme zeliii olan dk snmleme

veya "i srtnme" zelliine sahiptirler. Doalsnmleme, Snmleme Kapasitesi-Elastiklik ModlDiyagram ile verilir ve snmleme kapasitesi ilegsterilir.

Doal snmleme ve histerizis iin bir okmekanizma vardr.

SnmlemeKapasitesi-Elastiklik


52/62

Snmleme Kapasitesi Elastiklik

ModlDiyagram Kurun ve saf alminyum gibi yumuak metallerde

snmleme olduka yksektir. Fazla miktarda

alamlandrlm rn.ok bileenli bronz gibialamlarda ve yksek karbonlu elikte snmlemedktr. nki keltiler, dislokasyonlarm hareketiniengeller. Bu malzemeler an yapmna uygun

malzemelerdir. zellikle Mn-Cu alamlarnda, genlemeyi tevik

eden martenzit dnm ve magnezyumda isemuhtemelen geri dndrlebilir ikiz oluumu

nedeniyle snmleme ok fazladr.


53/62


54/62


55/62


56/62

Dayanm- Bal Fiyat Diyagram

Birim Hacim Bana Bal fiyat : Cr (Mg/mm3)


57/62

Malzemelerin Srtnme

Katsay

lar


58/62


59/62

Anma Hz- Sertlik Diyagram


60/62


61/62

Malzemelerin Farkl

Ortamlardaki Davran


62/62

Muhendislik Malzemeleri Ve Ozellikleri

Documents

Transcript of Muhendislik Malzemeleri Ve Ozellikleri