MAL 201: Malzeme Bilimi retim yesi: Prof. Dr. Adnan D K C O LU Zaman: Sal : 14.30-15.30 & Cuma: 08.30-10.30 Gr me saati: Sal :9.00-13.00&Cuma: 10.3012.30

S n f: A 201 Ders kitab : "Introduction to Materials Sciencefor Engineers" , James F. Shackelford, McMillan Pub. Co. 1992

DERS N AMACI Mhendislik malzemeleri ve bunlar n zellikleri renmek: Metal, Seramik, Plastik (organik) ve Kompozitler Malzemelerin yap sal zellikleri ile mekanik, fiziksel ve kimyasal zellikleri aras ndaki ili kileri renmek. Tasar mda do ru malzeme seimini renmek.

DERS N KAZANDIRACA I B LG ve BECER LER Fiziksel zellikler, kimyasal bile imler ve atomsal ba yap lar , Kristal dzlemleri ve do rultular , Yap sal kusurlar , Mekanik zellikleri, Kat la ma ve Yay nma (difzyon), ki bile enli faz diyagramlar , Faz dn mleri ve s l i lemler, Malzemelerde yap -zellik ili kisi, Korozyon trleri ve korunma yntemleri,

Ders notlarwww.mkn.itu.edu.tr/~erguncela/mal201/download

Y l sonu de erlendirmeF NAL ARTI: Derslere en az %70 Devam Etmek

devler (5): Vize #1: Vize #2: Final:

10% 20% 20% 40%

K sa s navlar (10): 10%

Malzeme Bilimi MAL201

Mhendislik malzemesi nedir? Mhendislik rn ve sistemlerin imalinde kullan lan ve mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen zelliklere sahip kat lard r. Malzemesi Bilmi nedir? Malzemelerin yap s ve zellikleri aras ndaki ili kiyi inceleyen bilim dal d r. Malzemesi Mhendisli i nedir? Malzeme bilminin sundu u yap ve zellik aras ndaki bilgiye dayanarak, arzu edilen zellikte malzemelerin tasarlanmas ve imal edilmesidir.

Malzeme e itleri Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler Yar iletkenler

Proses, yap , zellik ve performans ili kisi

Proses

Yap

zellik

Performans

Malzemelerin Yap s

Atomalt seviyede: Elektronlar, ekirde i

olu turan protonlar / ntronlar ve bunlar n etkile imi,

Atomik seviyede: Atomlar n belirli bir dzendedizilmeleri ve atomlar aras ba lar,

Mikroskopik seviyede: Mikroskop kullan larakincelenen microyap (tanecik boyutu ve ekli vs.) makro yap ,

Makroskopik seviyede: Gzle grlebilen

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Atomic StructureFigure 2.8 The atomic structure of sodium, atomic number 11, showing the electrons in the K, L, and M quantum shells.2

Crystal Structure

Microstructure

Macrostructure

2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

Malzeme zellikleri & Performans zellik: Belirli bir etkiye kar verilen cevap: Mekanik zellikler: Dayan m, gevreklik, sneklik,tokluk, yorulma, srnme, vs. Fiziksel zellikler: iletkenlik, s l zellikleri, zgl a rl k, optik zellikleri ( effafl k), vs Kimyasal zellikler : Bile imi, ortamdan etkilenmesikorozyon, oksidasyon, vs.

Performans: Herhangi bir ortamda istenilenfonksiyonlar yerine getirebilmesi.

ekil 1-18: Kristal yap lar n kar la t r lmas : (a) Aluminyum, (b) magnezyum.

ekil 1-20: ekme deneyin sonular na dayanan Mekanik davran lar a s ndan kar la t r lmas : (a) Aluminyum, (b) magnezyum. ( yap n n bir sonucu olarak..) Aluminyumda 12 adet yksek yo unluklu dzlem / do rultu kombinasyonu varken magnezyumda sadece 3 tanedir..

Industries that Heavily Rely on Material Technology Jet uaklar : Hafif ve yksek s cakl a dayan kl malzemeler Otomobiller: hafiflik ve ucuzluk Bilgisayar: yksek h zda i lem ve bilgi-depolama zelli i, Spor malzemeleri: hafiflik, estetik

Ticari gaz depolama tank iin uygun malzeme seimi (14 MPa- 2000psi)

Seenekler

ekil 1-24: Do ru malzemeyi semek iin izlenen yol

ekil 1-25: Do ru metal ala m semek iin izlenen yol.

ekil 1-27: Havac l kta endstrisinde do ru malzeme sistemini semek iin izlenecek yol. ekil 1-27: Havac l kta yksek bas n kap malzemesi olarak Do ru kompozit sistemini semek iin izlenecek yol. ekil 1-28: Bu ama iin aramit filamentlerden imal edilen tanklar.

Yiyecek ve iecek uygulamalar iin Dekoratif Foil Kese

G da : aranan zelliklerdir.

pyksek korozyon direnci, pyeterli dayan m, ps zd rmazl k, pkolay ekillendirilebilirlik

1XXX saf aluminyumu. zellikleri;

Kolay ekil verilebilirlik, korozyona kar dayan m, elektrik iletkenli i. Elektrik, ve kimyasal uygulamalar iin elveri li. yksek dayan m aranan uygulamalara elveri li de il..

1XXX; bu uygulamada kullan labilir.

Atomalt yapAtom ekirdek Ntron (yksz) Proton (+ykl + 0.16 x 10-18 coulomb) Elektron (-ykl -0.16 x 10-18 coulomb)

Gezegen modeli

Scanning Tunnelling Microscope

Proton a rl = ntron a rl Proton say s = ntron say s zotop: proton say s ntron say s . Atom numaras = proton say s Atomsal ktle birimi = proton a rl = 1 amu = 1,66 x 10-24 g. Avagadro say s = 6.023 x 10-23. 1 gr = 6.023 x 10-23 amu. (1 / 1.66 x 10-24) dur.

Atom numaras 6 C 12.01 Ktle numaras (Atom a r l )

Atom numaras : Proton say s = 6 Ntr atomda, Proton say s = Elektron say s = 6Alt quantum (kabuk) say lar

1s2 2s2 2p2

Elektron say lar

Quantum (kabuk) say lar

Elektronun ktlesi = 0.911 x 10-27g (protonun 1/1000 i) Dualite zelli i gsterirler. p Dalga zelli i p Para k zelli i Elektronlar ekirdek etraf nda yrnge-orbital lerde dnerler. Bu yrngeler farkl mesafelerde bulunur ve Ana quantum say lar (1,2,3..) ile ifade edilir. Ana kabuklar ierisinde alt kabuklar (s, p, d, f, ..) vard r. Elektron say lar : s=2, p=6, d=10, f=14... Elektronlar en alt kabuktan ba layarak s rayla kabuklar doldururlar.

Kuantum say s artt ka ve Alt kabuk s den uzakla t ka elektronu ba layan enerji seviyasi d er. Elektronun bu seviyeden uzakla mas kolayla r.

1s2 2s2 2p2Hibrit (hybridization): Daha simetrik da l m.

1s2 2s1 2p3

Elektron al veri i en d yrngede daha kolay olur.

Atomik seviyede yapHer malzemenin atomlardan olu ur. Bu atomlar bir araya geldi inde bir birine ba lanmalar gerekir. Atomlar birarada tutan faktr atomlar aras ba d r atomlar

Atomlar aras baKuvvetli ba lar (primary) yonik Kovalent Metalsel Zay f ba lar (secondary) Van der Waals

En kararl elementlerElektron hareketleri daima en kararl hale ula maya al r. En belirli bir quantum say s n n en d yrngesinde bulundurabilece i en fazla elektron bulundurmas durumu Oktet olarak adland r l r ve bu ekilde bulunan kabu a kapal kabuk denir. Bu tr elementlerin elektron al p vermesi ok zordur. Bu elementlere Asal (soy) elementler denir, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn gibi.

yonik Ba Daha kararl yap iin bir atomdan di erine e- transferi olabilir. Atomlar daha kararl iyonlar haline gelir. yonik ba bu elektronlar n transferi ile olur. yonik ba da ynlenme yoktur (non-directional). Farkl ykl iyonlar her ynde kom u iyonu e it kuvvetle eker. Dolay s yla ynlenme yoktur ve iyonlar farkl ykl kom u (kordinasyon say s ) iyon say s n maksimum tutacak ekilde istif olurlar.

Katyon Na(11) 1s2 2s2 2p6 3s1 Cl(17) 1s2 2s2 2p6 3s2 3P5 Na+(10) 1s2 2s2 2p6 Ne(10) Ar(10)

Cl-(18) 1s2 2s2 2p6 3s2 3P6 Anyon

Elektron al veri i ile z t ykl iyonlar haline gelirler. Farkl ykl iyonlar birbirini eker. Coulomb ekim kuvveti iyonlar birbirine ba lar.

K FC ! 2 a

K ! ko ( Z1q)( Z 2 q)

q = 0.16 x 10-18 C, ko = 9 x 109 Vm/C Belirli bir yakla madan sonra ayn ykl ekirdekler birbirini iter.

FR ! Pe

a / V

Toplam kuvvet

FT ! FC FR ! 0

Denge durumu

Elastikli modl

Ba enerjisi

dE F! daBa enerjisi / ba kuvveti aras nda difransiyel ba nt vard r.

dF E! f da

dE !0 F! da

@ ao

ao ! rNa rCl

Koordinasyon say s : Herhangi bir referans iyonu evreleyen kom u iyon say s .

NaCl iin CN=6

Koordinasyon say s : yar ap oranlar na ba l d r.

Kovalent Ba En d yrngede valans elektronlar n n ortakla mas (payla m ) ile olu ur. Kovalent ba da ynlenme sz konusudur (directional). Elmasta, polimer zincirlerinin ierisinde grlen ba e itidirekil : Cl2 gaz iin (a) Gezegen modeli (b) Gerekteki elektron yo unlu u, (c) Elekton noktalar , (d) Ba izgileri.

ekil : (a) Etilen molekl (ift izgi 2 e- ortak kullan m ndan do an 2 kovalent ba ifade eder) (b) 2 ba n tek ba a dn mesi ile polietilen polimerik molekl olu ur. Uzun zincirlerin 3 boyutlu hacmi dolduracak ekilde fleksibiliteye sahiptir. Zincirler aras nda zay f ba lar oldu u iin d k erime s cakl sz konusu. ekil : Polietilenin spagetti benzeri yap s . C-C ve C-H kovalent ba lar.

ekil : Elmas n 3D kovalent yap s . CN = 4

Elmas bilinen en sert malzeme. Erime s cakl 3500oC. CN = 4 r / R= 1 CN = 12 olmal yd . Nedeni Sp3 hibritle mesi ile kovalent ba n ynlenmesidir.

1s2 2s2 2p2

1s2 2s1 2p3

Bir ok ticari cam ve seramiklerde bulunur. rSi4+ / rO- =0.039/0.132=0.295 CN=4. Gerekte de CN=4. Sebebi yar iyonik yar kovalent karakter gstermesidir.

ekil : SiO44- tetrahedron. Si-O hem kovalent hem iyonik karakter gsterir.

Ba kuvveti ve enerjisi iyonik ve kovalent ba larda benzese de iyonik ba a ait denklemler uygulanamaz.

ekil : Ba Enerjisi e risi: Btn ba e itleri iin geerli.

Tablo : Kovalent ba lar iin ba enerjisi-ba uzunlu u de erleri. Ba uzunlu u ile enerji lineer de il.

ekil : Elmasta C nun tetrahedral konfigrasyonu. Ba a s 109.5o

Kovalent ba da- ynlenmeden do an ba a s nemli bir faktr. Her bir C atomu 4 adet e it uzunlu a sahip ba olu turma e ilimi gsterir. Bu durumda ba a s 109.5o.

Metalsel Ba yonik ba : elektron transferi sz konusu ve ynlenme yoktur. Kovalent ba : elektron payla m vard r ve ynlenme sz konusudur. Metalsel ba : yine elektron payla m sz konusudur fakat ynlenme yoktur. En d yrngede 2, 3 veya 4 valans elektronu (IIa, IIIa, IVa) elementlerde grlr. Bu elektronlar bulut eklinde yap ierisinde hareket edebilirler. Bu sayede elektrik ve s iletimi kolayd r. Atomlar n istifi, iyonik ba da oldu u gibi, en verimli yerle meyi- en fazla kom u say s n - sa layacak ekilde olur. Bu nedenle byk CN de erleri sz konusu.

Sblimasyon kat dan direk olarak gaz faz na geme anlam na gelir. Sublimasyon enerjisi, ba enerjisi de erleri hakk nda fikir verir.

Van der Waals Ba Bu ba da elektron transferi veya payla m yoktur. Ba ; atom veya molekllerde pozitif veya negatif yklerin asimetrik da l m ile olu an bask n blgeler aras nda olu ur. Bu yk asimetrisine dipol ad verilir. 2 e ittir: geici ve kal c dipol Ar , asal elementtir. e- al veri i zordur. ki Ar atomu yan yana geldi inde yklerde kk distorsiyon ile olu an geici dipol atomlar birbirine d k enerji ile ba lar (0.99 kJ/mol)

ekil : Ar da dipol olu umu ve bu sayede olu an ba .

Ba enerjisi kal c dipol olma durumunda daha byktr. Su moleklnde H-O kovalent ba ynlenmeye sahiptir. Moleklde H blgeleri (+) O blgesi (-) davran r. Bu moleklde ykler aras mesafe ve yk daha byk oldu u dipol momentide byr ve ba enerjisi artar (21 kJ/mol) Polimer zinciri ierisinde C-C ve C-H ba lar kovalent iken zincirler aras nda yine van der Waals ba sz konusudur. Bu nedenle kar k ba yap s na sahiptir.

Elastik zellikler

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

zgl a rl k:

Fiziksel zellikler

p Kuvvetli ba larda yksek CN. Belli hacimde daha fazla atom miktar .

Elektrik iletkenli i.p Yap da bulunan serbest elektronlar taraf ndan sa lan r. p SiC de metalsel + iyonik ba . Elektrik iletimi s ras nda s nma olur bu nedenle s t c olarak kullan labilir.

Elastiklik modl / dayan m / sneklik:p E im ne kadar dik ise elastiklik modl o kadar byktr. p Ba ne kadar kuvvetli ise atomlar birbirinden uzakla t rmak veya koparmak o kadar zordur,dayan m o kadar byktr.

I k geirgenli i:p I k elektronlar taraf nda yans t l r. Elektronlar n konumlar sabit ise malzeme effaf olabilir. Metaller effaf de ildir.

Erime s cakl

:

p Erime olmas atomsal ba lar n kopmas anlam na gelir. Kuvvetli ba lara sahip malzemeler yksek erime s cakl na sahiptir.

En sert malzeme hangi yap ya sahip olabilir? Snek malzemeler hangi ba a sahip olabilir? Yksek erime s cakl na sahip malzemeler hangi ba e idine sahip olabilirler? CN de eri, kovalent ba da iyonik veya metalsel ba a gre neden daha az olabilir? yonik ba larda atom istifi iin kriter nedir? Kar k ba yap s nedir hangi malzemelerde grlebilir? Polimerler hangi ba e idine sahiptir? Seramikler hangi ba e itine sahiptir? Kovalent ba say s artt ka ynlenme ............, CN..........

Atomsal yap lar Malzemeler atomlar n bir araya gelmesi ile olu ur. Atomlar bir arada tutan kuvvete atomlar aras ba denir. Atom dzenleri 3 ekilde incelenebilir: pDzensiz yap (amorph-orderless): Atom veya molekllerin rastgele dizilmesi. pK sa aral kl dzenli yap (short range order): Kk lekte dzenlilik. pUzun aral kl dzenli yap (long range order). Btn hacimde dzenlilik; Kristal malzemeler (metaller, seramikler, kristal camlar, baz polimerler.

Metaller kristal yap ya sahiptirler. Seramikler daha kompleks kristal yap ya sahiptirler. Camlar, kristal yap ya sahip de illerdir. Polimerler amorf veya kristal veya belli oranlarda iki yap ya birden sahip olabilirler.

Kristal malzemeler Kristal Malzemeler: 3 boyutlu uzayda dzenli ve srekli tekrar eden birim hcre lere sahip malzemeler. Birim hcre (unit cell): Kristal yap ierisinde tekrar eden yap lar n en basititir. Kristal kafes (lattice): Birim hcrelerin boyutta tekrar ile meydana gelen dzendir.

ekil 3.1: Kristal yap y tan mlayan farkl birim yap lar

ekil 3.3: Basit kbik kafes

Do adaki btn kristal malzemeler 7 kristal sistem ve 14 kristal kafesin birine uyarlar. Metaller genelde bu sistemlerin 3 tane sinin birine sahiptirler.

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

Bravis Kafes sistemleriAtomlar n bu kafes sistemi ierisinde nas l yerle tiklerini 14 adet Bravis kafes sistemi ifade eder.1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Basit Kbik Hacim Merkezli Kbik Yzey Merkezli Kbik Basit Tetragonal Hacim Merkezli Tetragonal Basit Ortorombik Hacim Merkezli Ortorombik Taban Merkezli Ortorombik Yzey Merkezli Ortorombik Basit Rombohedral Basit Hegzagonal Basit Monoklinik Taban Merkezli Monoklinik Triklinik

Atomlar her bir birim hcrede kafes noktalar nda bulunur. Her bir birim kafes; kafes kenar ve eksenler aras a lar n ieren kafes parametreleri ile ifade edilir.ekil 3.2: Birim hcre geometrisi

A a daki 5 farkl hcrenin 2 boyuttaki gsterimi ekilde verilmektedir.

Basit kare Basit dikdrtgen Alan merkezli dikdrtgen (rhombus) Paralel kenar Alan merkezli alt gen

Kafes Noktalar Kafes noktalar : Atomlar n kafes ierisinde bulunduklar koordinatlar d r (noktalar n). Kafes noktalar ; atomlar n uzayda bulunduklar koordinatlar n, birim hcre boyutlar n n katlar veya kesirleri eklinde ifadesidir. Kesirli ifadeler bulunabilir. x,y,z veya xyz eklinde ifade edilebilir.

Kafes Do rultularKbik sistemde do rultu ve dzlemler Miller indisleri ile ifade edilir.u ekilde saptan r: Birim hcrede ba lang ve biti koordinatlar belirlenir. Ba lang koordinatlar , biti koordinatlar ndan aritmetik olarak kar l r. Miller indisleri, kesirli olamaz, tam say olmal d r. Gerekirse orant l olarak en kk tam say ya evrilir. K eli parantez iine virglsz olarak konur.

nemli noktalar1. Eksen tak m n n ba lang c herhangi bir atom seilebilir. 2. Paralel do rultular n indisleri ayn d r. 3. Ayn indisli fakat negatif i aretli do rultular ayn de ildir.

? A{ [1 00] 1004. Bir do rultunun indislerinin ayn tam say ile arp larak bulunan indislere ait do rultular ayn d r.

? Ax2 ! ?200A 1005. Birbirlerine paralel olmayan (farkl miller indisli) fakat atom dizili leri benzer (kbik sistem) olan do rultular do rultu ailesi ni olu turur.100 ? A?010A?001A [1 00].. 100 , , ,

Do rultu A 1. Ba lang ve biti : 1, 0, 0 ve 0, 0, 0 2. 1, 0, 0 -0, 0, 0 = 1, 0, 0 3. Kesir veya byk tam say yok. 4. [100] Do rultu B 1. Ba lang ve biti : 1, 1, 1 ve 0, 0, 0 2. 1, 1, 1, -0, 0, 0 = 1, 1, 1 3. Kesir veya byk tam say yok. 4. [111] Do rultu C 1. Ba lang ve biti : 0, 0, 1 ve 1/2, 1, 0 2. 0, 0, 1 -1/2, 1, 0 = -1/2, -1, 1 3. 2(-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 4. [1 2 2]

do rultu ailesi ka farkl do rultuyu ifade eder?

Ayn indisli fakat negatif i aretli do rultular ayn de ildir.

? A{ [1 00] 100

Bu nedenle Ailede 2 x 6 = 12 adet ye vard r.

Do rultular aras ndaki a vektrel olarak hesaplanabilir.p p p p p p p p

D1 ! u1 a v1 b w1 c

D 2 ! u2 a v2 b w2 c

ki do runun skaler arp m :

D1 y D2 ! D1 D2 cos H

p

p

D1 D2 u1 u2 v1 v2 w1 w2 cos H ! ! 1 2 2 2 2 2 D1 D2 u1 v1 w1 u2 v2 w2

Kafes DzlemleriDzlemin eksen sisteminden gemesi durumunda en yak n dzleme paralel olarak kayd r l r. Dzlemin koordinat eksenini kesti i noktalar belirlenir. Bu de erlerin tersi al n r. ndisler tam say olamal d r. Gerekiyorsa orant l en kk tam say ile arp l r. Bulunan say lar normal parantezde virglsz olarak ifade edilir. Negatif say lar zerinde () i areti ile gsterilir.

nemli noktalar1. Do rultular n tersine indisleri negatif olan dzlemler ayn d r. 2. Do rultular n tersine indisleri tam say ile arp larak bulunan dzlemler birbirinden farkl d r. 3. Kbik sistemde birbirinin ayn indise sahip do rultu ve dzlemler birbirine diktir. 4. Ayn zelli e sahip dzlemler dzlem ailesi olu tururlar. Byk parantez ile ifade edilirler.

_ a 100, 010, 001, (100) ... 100

Dzlem A 1. x = 1, y = 1, z = 1 2. 1/x = 1, 1/y = 1,1 /z = 1 3. Kesir bulunmuyor. 4. (111) Dzlem B 1. 2. 3. 4. Dzlem z eksenini kesmez, x = 1, y = 2, z =g 1/x = 1, 1/y =1/2, 1/z = 0 Tam say olmal : 1/x = 2, 1/y = 1, 1/z = 0 (210)

Dzlem C 1. Dzlem 0, 0, 0 dan geiyor. y-do rultusunda kayd r rsak. Then, x = g, y = -1, z =g 2. 1/x = 0, 1/y = 1, 1/z = 0 3. Kesir bulunmamakta. 4.

( 0 1 0)

_110a dzlem ailesi ka farkl dzlemi ifade eder?

Do rultular n tersine indisleri negatif olan dzlemler ayn d r. Bu nedenle Ailede 6 adet ye vard r.

HEGZAGONAL S STEMDE M LLER ND SLER

HEGZAGONAL YAPIDA DZLEM ve DO RULTU Yap n n ADF = 0,74 olup KS = 12dir. nemli rnekleri: Ti, Zn, Mg, Be gibidir. Dzlem iin 4 indisli sistem Miller-Bravais- kullan lmaktad r. (h k i l) = a1, a2, a3, c eksenleri zerindedir. KURAL : h + k = - i olmal d r. Do rultu iin 3 indisli sistem kullan lmaktad r. [ h k i ]

Dzlem A 1. a1 = a2 = a3 =g , c = 1 2. 1/a1 = 1/a2 = 1/a3 = 0, 1/c = 1 3. Kesir iermiyor 4. (0001) Dzlem B 1. a1 = 1, a2 = 1, a3 = -1/2, c = 1 2. 1/a1 = 1, 1/a2 = 1, 1/a3 = -2, 1/c = 1 3. Kesir iermiyor 4. (11 21) Do rultu C 1. 2 nokta: 0, 0, 1 ve 1, 0, 0. 2. 0, 0, 1, -1, 0, 0 = 1, 0, 1 3. Kesir iermiyor. 4. veya

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

[1 01]

[ 2112]

Do rultu D 1. 2 nokta 0, 1, 0 ve 1, 0, 0. 2. 0, 1, 0, -1, 0, 0 = -1, 1, 0 3. Kesir iermiyor. 4.

[110] [1100]

A a da verilen do rultular n indislerini bulunuz.(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Figure 3.49 Directions in a cubic 75 unit cell for Problem 3.52.

Parametreler Birim hcrede bulunan atom say s : Birim hicrede bulunan tam atom say s n ifade eder.(Atom say s /hcre) Koordinasyon say s : her bir atoma temas eden kom u atom say s d r. Atomsal dolgu faktr: Birim hcrede, atomlar n toplam hacmin ne kadar n kaplad n n bir lsdr.(ADF=Atom hacmi / hcre hacmi) Do rultu atom yo unlu u: Birim hcre iinde yeralan bir do rultuda atom say s d r. Dzlem atom yo unlu u: Birim hcre ierisinde tan mlanan bir dzlemdeki atom yo unlu unu ifade eder.

Metaller Kristal yap dad rlar, Yksek dayan m, Yksek sneklik, Yksek elektrik ve s iletkenlik, Yksek tokluk, effaf de il ve parlak grn e sahip, Fe, Al, Mg, Ti, Ni, Zn, Cu, ve ala mlar .

ekil 1.3: Periyodik tabloda metalik karakterde olan elementler

Metaller kristal yap dad r. 14 Bravis sisteminin sadece 3 tanesine en ok rastlan r. pHacim merkezli kbik (Body centered cubic) yap HMK. pYzey merkezli kbik (Face centered cubic) yap YMK. pS k dzen hegzagonal (Hexagonal closed packed) yap SDH.

Hacim Merkezli Kbik (HMK)

Figure 3.4 Hacim merkezli yap kbik (a) Kafes noktalar ; (b)atomlar n gerekteki istifi, (c) bir ok kafesin 3 boyutta istifi.

K elerde ve merkezde birer atom bulunmaktad r. Bu yap daki metallerden baz lar ; Fe ( -ferrit), V, Cr, Mo, W.

Atom yar ap ve Kafes parametresi aras ndaki ili ki

Birim Hcrede atom say s Her k ede = 1/8 Merkezde 1 atom Toplam = 8 x (1/8) +1 = 2 atom / hcre

Koordinasyon say s Her bir atoma temas eden kom u atom say s . KS = 8 Atomsal dolgu faktr

ao 3 ! 4 r4r a0 ! 3

(2atom)( 4 Tr 3 ) 3 ADF ! ! 0,68 3 ao

Yzey Merkezli Kbik (YMK)

Figure 3.4 Yzey merkezli kbik yap (a) Kafes noktalar ; (b) atomlar n gerekteki istifi, (c) bir ok kafesin 3 boyutta istifi.

K elerde ve yzey merkezlerinde birer atom bulunmaktad r. Bu yap da metallerin baz lar ; Fe (K-ostenit), Al, Cu, Ni, vs.

Atom yar ap ve Kafes parametresi aras ndaki ili ki

Birim Hcrede atom say s Her k ede = 1/8 Yzey merkezlerde = 1/2 atom Toplam = 8 x (1/8) + 6 x 1/2 = 4 atom / hcre

Koordinasyon say s Her bir atoma temas eden kom u atom say s . KS = 12 Atomsal dolgu faktr

ao 2 ! 4r4r a0 ! 2

( 4atom)( 4 Tr 3 ) 3 ! 0,74 ADF ! 3 ao

S k Dzen Hegzagonal (SDH)

Figure 3.4 Yzey merkezli kbik yap (a) Kafes; (b) atomlar n gerekteki istifi, (c) bir ok kafesin 3 boyutta istifi.

Hegzagon kristal yap n n adedinin yan yana gelmesi ile olu ur. Bu yap da metallerin baz lar ; E-Ti, Zn, Mg, Be, Zr, vs.

Atom yar ap ve Kafes parametresi aras ndaki ili ki Birim Hcrede atom say s 4 k ede = 1/6 4 k ede = 1/12 Merkezde = 1 atom Toplam = 4 x (1/6) + 4 x 1/12 + 1 = 2 atom / hcre Koordinasyon say s Her bir atoma temas eden kom u atom say s . KS = 12 Atomsal dolgu faktr

4 c ! ao ao ! 1.633ao ! 3.266r 63 2 Vuc ! a0 c 2

( 2atom)( 4 Tr 3 ) 3 ADF ! ! 0,74 Vuc

Seramikler Metal ve metal d elementlerin yapt ba larla olu ur. Dolay s yla iyonik ve/veya kovalent ba lara sahiptirler. Yksek erime s cakl - refraktrlk Kimyasal ve yksek s cakl kta kararl l k K r lganl k (D k k r lma toklu u)

ekil 1.5: Periyodik tabloda seramik malzemeleri olu turan metalik karakterde olan elementler (a k mavi) ve metal d elementler (koyu mavi)

ki grupta incelenebilir: pKristal yap l pAmorf yap l

Seramik Malzemeler

Seramikler metal ve metal olmayan elementlerin olu turdu u kimyasal bile iklerdir. Farkl trleri mevcuttur: MX MX2 M2X3 M`MX3 M`M2X4 M: Metal element X: Metal olmayan element

MX YapBu seramikler iki ekilde bulunabilirler: YMK Yap ya sahip NaCl. Kafes ierisinde hem Na hemde Cl iyonlar bulunur (Sodyumyonlar kbn kenarlar nda ve kb merkezinde; Klor iyonlar normal YMK kafes noktalar ndad r) .

HMK Yap : CsCl tipi yap da hem Cs hemde Cl iyonlar kafes yap s ierisinde bulunur (Basit kbik yap ).Bu yap da seramikler: MgO, CaO, FeO, NiO..

MX2 Yap

Bu tip seramiklere CaF2 rnek olarak verilebilir: YMK Yap da her kafes noktas nda 1 Ca ve 2 F olmak zere 3 iyon bulunur. Her birim hcrede toplam 12 iyon vard r.

Bu yap da di er baz seramikler: UO2, SiO2, ThO2..

MX2 YapSiO2, kristabolit yap ya sahiptir: YMK Yap da her kafes noktas nda 2 Si ve 4 O olmak zere 6 iyon bulunur. Bu yap n n SiO4-4 tetrahedralar n n a eklinde ba lanarak olu turduklar yap olarak d nlr.

M2X3 YapBu yap ya Al2O3, korundum, rnek olarak verilebilir: Rombohedral yap s vard r ama yakla k olarak hegzagonal yap ya da benzerlik gsterir. Her kafes noktas nda 12 Al ve 18 O olmak zere 30 iyonun bulundu u d nlr. Cr2O3 ve Fe2O3 bu yap ya sahiptir. SDH O iyon tabakas ve 2/3uzakl kta Al iyon tabakas

M M X3 YapPerovskit olarakta bilinen bu yap ya bir tr elektroseramik olan CaTiO3, ve elektro seramik ve piezo elektrik zelliklere sahip BaTiO3 rnek olarak verilebilir (Basit kbik, YMK ve HMK kombinasyonu).(K elerde Ca+2; Ymerkezlerinde O-2 ve Hacim merkezlerinde Ti+4 bylece her kafes noktas nda ve birim hcre ba na 5er iyon bulunur).

M M 2X3 YapSpinel olarakta bilinen bu yap ya MgAl2O4, MgFe2O4 gibi bir ok manyetik seramikler dahildir.

Kristal olmayan yap lar: CamlarCamlar: network yani a yap ya sahiptirler. Seramik camlar (Camlar): Amorf yap dad rlar k sa mesafede dzenli yap lar vard r (short range ordered (SRO) structure) (random network). Cam seramikler: Kristal camlard r uzun mesafede dzenli yap lar (long range order (LRO) structures) vard r.

PolimerlerHafiflik, Korozona ve kimyasallara kar diren, D k dayan m ve tokluk, D k rijitlik, yksek elastiklik, Tekrar kullan labilirlik (Recyclable), Elektrik yal tkanl k.

ekil 1.12: Periyodik tabloda polimer malzemeleri olu turan elementler.

Polimer MalzemelerPoliEtilen: -(C2H4)- yap s C atomlar n n olu turdu u omurga: her C atomuna 2 H atomu ba l . Btn ba lar kovalent.(a) (b)

(c)

(d)

(a) (b) (c) (d)

Lineer dallanmam , Lineer dallanm , Dallanmam Termoset Dallanm Termoset

Polimer Malzemeler Polimer yap larda: uzun zincirler Belirli bir dzen olu turmalar zor. Genelde kristal de illerdir. Baz durumlarda zincirlerin belirli bir dzen olu turmas ile kristal yap olu abilir. Ayr ca, apraz ba olu umu ve dallanmalar da olabilir. Btn bunlar zellikleri etkiler.The unit cell of crystalline polyethylene.

X-

n difraksiyonu

lmede kullan lan teknik veya ekipman ne kadar hassassa o kadar kk boyut llebilir. Hassasiyeti kaba olan l aletiyle kk ve hassas skalada lm yap lamaz. X- n difraksiyonu kristal yap lar ve dolay s ile malzemeleri tan mada kullan labilir.

X-

n difraksiyonu

X- n tpnden gelen n para yzeyine d rlr. Yans yan n gelme ve yans ma a lar dikkate al narak ganiometre ile llr.X nlar n n rastlad her atomdan, ayn dalga boyunda fakat d k iddette ikincil dalgalar sa l r. Kresel olarak yay lan bu dalgalar, aralar ndaki giri im sonucu belirli a larda birbirini yok eder veya faz fark dalga boyunun tam kat ise kuvvetlendirirler.

Pikler

Bir kristal zerine dalga boyu P olan n d rld nde bunlar kristal dzlemlerinde atomlara arparak yans rlar. Yans yan nlar aras nda faz kaymas varsa bunlar birbirlerini yok edebilir ve net yani kaydedilebilen bir n yans mas llemeyebilir. Fakat yans yan n demetlerinin ayn fazda olmas durumunda bunlar birbirlerini kuvvetlendirir ve iddetli bir n yans mas gerekle ir. Bu iddetli yans ma, lm cihaz nda belli a larda gzlenen pikler eklinde olur.

Bu pikler olu umu di er bir de i le yans yan n demetlerini ayn fazda olmas durumu Bragg kural n sa lar.

P: gelen n n dalga boyu. d: dzlemler aras mesafe. U: gelen n dzlem aras a . U: brag a s . h, k, l: dzlemin miller indisleri.

Yani piklerin olu tu u brag a lar lm yap lan kristal malzemenin belli atom dzlemelerini d dzlemler aras mesafe parametresi yard m ile ifade eder.

n = 2d sin

d hkl !

ao h k l2 2 2

n: 1., 2. , 3. , n. mertebeden difraksiyon dalgalar n tan mlar.

Brag kural ndan d saptand ktan sonra yukar daki formlden kafes parametresi saptanabilir.

X- n difraksiyonu ile kristal yap lar , kafes parametresi ve atom ap bulunabilir. Bu parametreler, malzemenin zelli i oldu u ve her bir malzemede farkl de er ald iin ilgi element veya bile ikleri saptamada kullan lmaktad r.