Material Science textbook, Exercises of Materials science

Download Material Science textbook and more Exercises Materials science in PDF only on Docsity!

MALZEME BİLİMİ DERS SLAYTLARI

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Prof. Dr. Mehmet GAVGALI – Prof. Dr. Akgün ALSARAN – Yrd. Doç. Dr. Burak DİKİCİ

Malzeme Bilgisi Tanıtımı

Malzeme Bilimi Slaytları 2/

Malzemelerin mekanik zorlanmalar karşısındaki davranışı, malzeme grupları, yapıları, özellikleri, kullanım alanları ve bu malzemelerin kimyasal etkilerle hasara uğraması (korozyon) gibi konular hakkında mühendis adaylarını bilgilendirmek ve malzemeleri NE amaçla NEREDE kullanmaları gerektiği becerisini kazandırmak.

Makine sanayi donatımında, gemi, uçak yapımında, konstrüksiyon (dizayn) ve imalatta ve tüm mühendislik uygulamalarının gerçekleştirilmesinde malzeme bilgisinin öneminin kazandırılması.

Vizyon

Misyon

Malzeme Bilimi Slaytları 3/

Müfredat

I.HAFTA :Malzeme bilimine giriş , malzemelerin atom yapısı, atomlar arası bağlar, II. ve III. HAFTA :Kristal yapılar, kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri, IV. HAFTA :Kristal yapı hataları, amorf yapılar, katı eriyikler, malzemelerin deformasyonu V. HAFTA :Fazlar ve faz diyagramları, faz kanunu, tek bileşenli sistemler, iki bileşenli sistemler, VI. HAFTA :Faz diyagramı reaksiyonları, faz diyagramlarından yaralanma VII. ve VIII. HAFTA :Demir-Karbon alaşım sistemi, Fe-C Denge diyagramı, çeliklerin üretim yöntemleri, kimyasal bileşimin çeliğin özelliklerine olan etkisi, çeliklerin sınıflandırılması, çelik standartları, alaşımlı çelikler, dökme demirler, IX. ve X HAFTA :Çeliklere uygulanan ısıl işlemler, XI. ve XII HAFTA :Tahribatlı ve tahribatsız malzeme muayene yöntemlerinin tanıtımı, XIII. ve XIV HAFTA :Mühendislik malzemelerinin kullanım alanları, demir dışı malzemeler, polimerler, seramikler, karma malzemeler (kompozitler)

Malzeme Bilimi Slaytları 4/

Dersin değerlendirilmesi

• Sıvavlar ortak yapılacak ve değerlendirilecek
• 2 vize yapılacak. Ayrıca 2 de ödev verilecek. Ödev teslim tarihi Internet vasıtasıyla bildirilecek.

•Değerlendirme Ödev maksimum %20 oranında vize notuna eklenecek.

• Haftalık ders notları ve sınav sonuçlarına web sayfasından ulaşılabilir.

2. haftadan itibaren ders slaytları sizlere verilecek.

Öğretim Üyeleri : Doç. Dr. Mehmet GAVGALI ve Doç. Dr. Akgün ALSARAN

E-posta adresi : mgavgali@atauni.edu.tr ve aalsaran@atauni.edu.tr

Malzeme Bilimi Slaytları 5/

Malzeme nedir?

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme konuları nelerdir?

Bu günkü konular

Malzeme Bilimi Slaytları 6/

Genel manada malzeme;

İhtiyaç duyulan madde

Teknik manada malzeme;

Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullanılan katı cisim

Somut olarak;

Hem metaldir, plastiktir, lastiktir, ağaçtır, taştır ve hem

de yün, pamuktur.

Malzeme nedir?

Malzeme Bilimi Slaytları 13/

Metal Malzemeler

Lama Çelik

Altı köşe çelik Kare Çelik Kare Çelik

Oluklu Çelik

Tamamı çelik Rulman

Dairesel çelik

Bakır

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme Bilimi Slaytları 14/

Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar

Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar

Alüminyum raflar

Metal Malzemeler

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme Bilimi Slaytları 15/

Seramik Malzemeler

Cam Tuğlalar

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme Bilimi Slaytları 16/

Kompozit Malzemeler

Çelik Gövdeli Lastik

Betonarme

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme Bilimi Slaytları 17/

Elmas

Grafit

Celestite

Sülfür (^) Pyrite(Sülfürdioksit)

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Malzeme Bilimi Slaytları 18/

Malzeme biliminin kapsamı?

Atom altı seviye: Bağ oluşumu Atomik seviye: Malzeme içerisinde atomların yerleşim düzeni. Örneğin C hem grafit hemde elma halindedir.

Mikroskobik seviye: Malzeme içerisinde taneler mikroskop ile tespit edilebilir.

Makroskobik seviye: Gözle görülebilecek yapılar.

Malzeme Bilimi Slaytları 19/

Malzeme biliminin kapsamı?

Malzeme Bilimi Slaytları 20/

Sonuç?

Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10-10 m Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10-9 m Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10-6 m Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10-3 m

Üretim aşamasında kullanılan her bir malzemeyi

atom altı seviyeden ele alarak doğru seçim

yapabilme kabiliyeti kazanılmalı.

Malzeme Bilimi Slaytları 21/

Malzeme bilgisi uygulama

 Kalça protezlerine ihtiyaç duyulan durumlar;

 Kırıklar

 Osteoarterit (Kıkırdak iltihabı veya kaybı)

 Romatoid arterit (Sinoviyal sıvının yetersizliği)

Malzeme Bilimi Slaytları 22/

Malzeme bilgisi uygulama

 Gereksinimler

 Mekanik mukavemet (bir

çok çevrim)

 Düşük

sürtünme

 Biyouyumluluk

Omurga

Malzeme Bilimi Slaytları 23/

Kalça protezi uygulaması

Çözüm

Malzeme Bilimi Slaytları 24/

Çözüm

Kalça Protezleri

 Kullanılan malzemeler

 Metaller  Kobalt- Krom alaşımları  Titanyum ve alaşımları  Paslanma çelik  Polimerler  Polymethyl methacrylate (PMMA) çimento  Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) çukurcuk (cup) veya astar (liner).  Seramikler

Malzemelerin Atom Yapısı

Malzeme Bilimi Slaytları 2/

Atom modeli

Atom ağırlığı

Elektron düzeni

Elementlerin periyodik sistemi

Ders içeriği

Malzeme Bilimi Slaytları 3/

Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur. Elementler ise atomlardan meydana gelir. Klasik fiziğin atom modelinde bir atom, çekirdekten ve bu çekirdeğin etrafını saran eksi yüklerin sardığı örtü tabakasından oluşur. Çekirdekte pozitif yüklü protonların yanında elektrik yüklü olmayan nötronlarda bulunur.

Proton ve nötronların kütleleri elektronlarınkine göre çok daha büyüktür. Bir protonun kütlesi bir nötronun kütlesine yaklaşık olarak eşit olmasına karşın elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10-24^ g, nötronun kütlesi 1.675x10-24^ g ve elektronun kütlesi 9.11x10- g’dır.

Çekirdek yarıçapı 10 -12^ cm mertebesinde olup, bu değer 1 °A (10-8^ cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. Nötr, yani dışa karşı herhangi bir elektrik yükü görünmeyen atomda elektron sayısı adet olarak proton sayısına eşittir. Çünkü bir elektron yükü, ters işaretli olarak proton yüküne eşittir. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar.

Atom modeli

Malzeme Bilimi Slaytları 4/

Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adedine eşittir. Atomun kütle sayısı A, proton adedi Z ve nötron adedi N ' nin toplamına eşittir. A = Z + N

Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir. Aynı elementin izotopları o elementin atom numarasına, dolayısıyla o elementin proton sayısına sahip olacaktır. Kütle sayılarını farklı yapan unsur nötron sayılarının farklılığıdır. Doğada bulunan elementler farklı izotoplardan oluşur. Bu nedenle bir elementin atom ağırlığı izotoplarının ortalama ağırlığı olup, bu değer tam sayı olmayabilir. Bir elementin atom ağırlığı, C’nun atom ağırlığına göre belirlenir.

Elementin kimyasal özelliklerini, o elementlerin elektronları belirler. Proton adetleri eşit olan atomlar eşit elektronlara da sahip olacakları için aynı kimyasal özelliktedirler. Yani bir elementin hangi izotopu alınırsa alınsın, aynı kimyasal özellikler beklenmelidir. Fakat bu izotopların bazı fiziksel özellikleri birbirlerinden faklılık gösterebilirler. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir.

Atom modeli

Malzeme Bilimi Slaytları 5/

Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotoplarının kütle sayıları birbirlerine eşit düşebilir. Proton adedi farklı, fakat kütle sayıları eşit olan atomlara izobar denir. Kütle sayıları peş peşe gelen farklı elementlerin izotoplarına da izoton denir.

Kısaca :

Z elektron => elektron örtü tabakası Z proton +N nötron => A atom çekirdeği Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => ATOM

Örtü tabakalarını oluşturan elektronların adedi, atomun proton adedinden fazla ise negatif yüklü iyon, az ise pozitif yüklü iyon ortaya çıkar. Kimyasal reaksiyonlardaki yük değişimi protonların eksilmesi veya artmasıyla değil, sadece ve sadece dışardan elektron alıp vermesiyle gerçekleşir.

Atom modeli

Metre, vakumda ışığın 1/β99 79β 458 saniyede aldığı mesafedir. Malzeme Bilimi Slaytları 6/

Bir elementin protonlarının bir kısmını yitirmesi, yani

çekirdeğinin parçalanması (atom reaktörleri ve atom

bombasında olduğu gibi) veya hidrojen bombasında ve

güneş merkezindeki çekirdek füzyonunda olduğu gibi bir

kısım proton kazanması demek, o elementin başka bir

elemente veya elementlere dönüşmesi demektir. Bu

reaksiyonları, fiziksel reaksiyonlar olarak nitelemek

gerekir. Kimyasal reaksiyonlar ise elektron alışverişiyle

gerçekleşenlerdir.

Atom modeli

Saniye, 133 Cs izotopunun 9 19β 631 770 titreşimi esnasında geçen zamandır.

Malzeme Bilimi Slaytları 7/

Atom modeli

Modern atom modeline göre elektronların yeri kesin olarak bilinemez. Fakat elektronlar orbital adı verilen bölgelerde buluma ihtimalleri yüksektir. Çekirdeğin çevresinde "n“ kuvant sayısıyla ifade edilen enerji düzeyleri bulunur.

Malzeme Bilimi Slaytları 8/

Atom ağırlığı

Atom ağırlığı kavramı iki yönden incelemek gerekir; bağıl atom ağırlığı, gerçek atom ağırlığı.

Bağıl atom ağırlığı: Bir elementin atom ağırlığı denince bağıl atom ağırlığı anlaşılır. Bağıl olduğu için birimsizdir. Burada kullanılan bağıllık, kütle sayısı 12 olan karbon izotopundan, yani C12’den gelmektedir. C12 karbonun doğada en çok bulunan izotopudur ve proton sayısı nötron sayısına eşittir. Diğer atomların kütle sayıları bu karbon atomun kütle sayısının 1/12 sine bölünür ve çıkan değer o elementin atom ağırlığı olarak verilir.

Bütün elementlerin atom ağırlıklarının kesirli olmasının nedeni: Karbon da dahil olmak üzere bütün kimyasal elementler değişik kütle sayılı izotoplardan oluşur. Atom ağırlık olarak, o elementin atom ağırlığı olarak o elementin bütün izotoplarının oranları ayrı ayrı göz önüne alınarak kütle sayılarının ağırlıklı ortalaması alınır ve bu da o elementin atom ağırlığının verir.

Gerçek atom ağırlığı: Burada atomun gerçek ağırlığı olan tartı ağırlığını anlamak gerekir. Birimi gram veya kg dır. Bağıl atom ağırlığının Avagadro sayısına bölünmesiyle elde edilir.

Malzeme Bilimi Slaytları 9/

Nucleus

2 s

2 p

1 s

K

L

L shell with

two subshells

1 s^22 s^22 p^2 or [He] 2 s^22 p^2

Fig. 1. 1 : The shell model of the atom in which the electrons are confined to live within certain shells and in subshells within shells. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition , S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Materials.Usask.Ca

Çekirdek

İki alt kabukla L kabuğu

Atomun kabuklu modeli. Elektronlar belirli kabuk ve alt kabuklarda bulunmak zorundadırlar.

Atom

Malzeme Bilimi Slaytları 10/

Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan 10-15 m

de etkin olan çekirdek kuvvetleri tarafından tutulmaktadır.

Çekirdek Kuvveti-Nükleer Kuvvet

Bu kuvvet benzer yükler arasında kısa mesafede ortaya

çıkan büyük itme kuvvetinin çok üzerinde olduğundan

çekirdek kararlıdır.

Elektronlar çekirdek boyutu ile karşılaştırıldığında büyük

yarıçaplı yörüngelerde bulunmaktadır.

Malzeme Bilimi Slaytları 11/

Elektron düzeni

Bir atomun kimyasal özellikleri, çekirdeği saran örtü tabakasındaki elektronların dizilişi ile etkilenir. Örtü tabakasının tamamı, farklı enerjili elektronların yer aldığı tabakalar oluşturur. En düşük enerjiye, yarı çapı en küçük olan K tabakasındaki elektronlar sahiptir. Artan enerjiye göre sıralanan ana elektron tabakaları şunlardır:

K, L, M, N, O, P, Q tabakaları

Anatabakalar K L M N O P Q Anakuantum sayısı (n) (^1 2 3 4 5 6 )

Her tabakaya düşen en çok elektron adeti (2n^2 ) 2 8 18 32 50 72 98

Atomların ana elektron tabakaları ve ve bunlarda bulunabilecek en çok elektron sayıları

Malzeme Bilimi Slaytları 12/

Elektron düzeni

Elektron düzenlerine örnekler;

Li 1s^2 2s^2

Ne 1s^2 2s^2 2p^6 Cl 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 Ti 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^2 4s^2

Ga 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^1 Kr 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 K 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^0 4s^1

Ca 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^0 4s^2

Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır.

7s 7p 7d

6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f

3s 3p 3d 2s 2p 1s

Niçin bazı malzemeler manyetiklik bazıları ise yüksek ergime sıcaklığı gösterir?

Malzeme Bilimi Slaytları 19/

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 20/

ALKALİ METALLER

 Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden

düşüktür.Grupta yukarıdan aşağıya doğru erime

ve kaynama noktaları düşer.

 Özkütleleri düşük olan elementlerdir.

 İyonlaşma enerjileri,sıralarında, en düşük olan

elementlerdir.

 Tepkime verme yatkınlıkları çok fazladır.

 Doğada daha çok bileşikleri halinde bulunurlar.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 21/

 Alkali metaller,havanın oksijeni ile etkileşerek

oksit oluştururlar.

2 M(k) +1/2 O 2 ( g) M 2 O(k)

 Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar.

2 M(k) + X 2 2 MX(k)

 Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H 2 )

oluştururlar.

2 M(k) + 2 H 2 O(s) 2 MOH (suda) + H2 (g)

ALKALİ METALLER

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 22/

TOPRAK ALKALİ METALLER

 Periyodik cetveli 2a grubunda yer alan

elementlere toprak alkali metaller adı verilir.

 Be , Mg , Ca , Sr , Ba , Ra bu grubun

elementleridir.

 Bileşiklerinde +2 değerliklidirler.

 Isı ve elektrik akımını iyi iletirler.

 Alkali metallerden daha sert erime ve kaynama

noktaları daha yüksektir.

 İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha

yüksektir.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 23/

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 24/

TOPRAK ALKALİ METALLER

 Özkütleleri de alkali metallerden daha büyüktür

 Oksijenle birleşerek oksitleri oluştururlar.

M (k) + ½ O2 (g)  MO(k)

 Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar.

M (k) + Cl2 (g)  MCl2 (k)

 Su ile tepkimeye girerek hidrojen gazı ( H 2 )

oluştururlar.

M (k) + 2 H 2 O (s)  M(OH)2 (suda) + H2 (g)

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 25/

HALOJENLER

 Periyodik cetvelin 7a grubunda yer alan

elementlerdir.

 F , Cl , Br , I , At bu grubun elementleridir.

 Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında çeşitli değerlikler

alabilirler.Ancak F bileşiklerinde sadece -

değerlik alır.

 Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan

yukarıya doğru azalır.

 Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 26/

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 27/

HALOJENLER

 Tümü renklidir.

 Tümü zehirli ve tehlikelidir.

 Element halinde 2 atomlu moleküllerden

oluşurlar. (F 2 ,Cl 2 , Br 2 , I 2 , At 2 )

 At (astatin) doğada bulunmayan,ancak radyoaktif

olaylarla oluşan bir elementdir.

 Oda koşullarında F ve Cl gaz, Br sıvı, I ise katı

haldedir.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 28/

ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ

Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (sodyum) metali ile başlar Ar (argon) ile biter.

Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir.Ancak bir sırada bulunan elementlerin başta değerlik elektron sayıları olmak üzere birçok özellikleri farklılık gösterir.Dolayısıyla da Fiziksel ve kimyasal özeliklerde önemli değişiklikler söz konusudur.

Buradan sonuç olarak sodyumdan başlayarak argona kadar devam eden elementler birbirlerinden fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından ayrılmışlardır.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 29/

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 30/

 Üçüncü sıranın elementleri şunlardır: Na , Mg , Al

, Si , P , S , Cl , Ar

 Üçüncü sıranın ilk üç elementi Na , Mg ve Al

metal,dördüncü element olan silisyum yarı

metal,daha sonra gelen P , S, Cl ve Ar elementleri

ise ametaldir.

 Na , Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir.P , S

, Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez.

 Soldan sağa doğru sırada özkütle,erime ve

kaynama noktası gibi özeliklerde büyük farklılık

vardır.Yine soldan sağa doğru genel olarak

iyonlaşma enerjileri arttığından metal özelliği

azalıp ametal özelliği artar.

ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 37/

İyonlaşma Enerjisi

Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa,o kadar

iyonlaşma enerjisi vardır.Bunlardan en küçüğü birinci

iyonlaşma enerjisidir.Çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir

elektrondan kopmaktadır.İkinci elektron +1 yüklü bir

iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma

enerjisi,birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür.

Atom çapı küçülmekte,elektron koparmak güçleşmektedir.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 38/

İyonun yükü arttıkça atom çapı küçülür.İyonlaşma

enerjisi artar.Buna göre de;

Eİ 1 <Eİ 2 <Eİ 3 <Eİ 4 <...

İyonlaşma enerjisi periyodik cetvelde aşağıdan

yukarıya,soldan sağa doğru artar.Bunun nedeni çekim

kuvvetinin artmasıdır.

İyonlaşma enerjisi artar. (Çekme kuvveti artar)

İyonlaşma Enerjisi

Periyodik cetvel

İyonlaşma enerjisi artar. (Enerji seviyesi dolayısıyla

çekme kuvveti artar)

Malzeme Bilimi Slaytları 39/

Ortalama Atomik Yarıçapı

Bir atomda en üst enerji seviyesindeki atomların atom

çekirdeğine olan ortalama uzaklığına Ortalama Atomik

Yarıçap denir.

Periyodik cetvelde soldan sağa doğru gittikçe atom

numarası ( çekirdek yükü )arttığından en dıştaki elektron

daha çok çekilir,ortalama atomik yarıçap küçülür.

Gruplarda ise yukarıdan aşağıya gidildikçe temel enerji

seviyesi arttığından dıştaki elektronlar daha az

çekilir,ortalama atomik yarıçap artar,

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 40/

Ortalama Atomik Yarıçap

Ortalama atomik yarıçap azalır. (Elektron seviyesi^ azalır.)

Ortalama atomik yarıçap azalır.

 Elektron veren atomun yarıçapı küçülür.

 İzotop atomlarda (proton sayıları aynı olan atomlarda)

kütle numarası büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür.

 Elektron sayıları aynı olan atomlarda proton sayısı

büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 41/

Elektron İlgisi (Elektron Affinitesi):

Gaz fazındaki 1 mol nötral atoma 1 mol elektron

bağlandığı zaman açığa çıkan enerjinin miktarına

elektron ilgisi ya da elektron affinitesi ( Eaf ) denir.

Periyodik cetvelde soldan sağa , yukarıdan aşağıya

doğru gidildikçe elektron ilgisi artar.Çünkü çekim arttığı

için elektronun bağlanması kolaylaşır.

Elektron ilgisi azalır.

Elektron ilgisi artar.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 42/

Metalik özelliği elementlerin iyonlaşma enerjisi ile

ilgilidir.İyonlaşma enerjisi düşük olan elementler metalik

özelliğe sahip,iyonlaşma enerjisi yüksek olan elementler

ise metalik özelliğe sahip değildir.

Periyodik cetvelde soldan sağa,yukarıdan aşağı

gidildikçe metalik özellik azalır.

Metalik özellik azalır.

Metalik özellik azalır.

Metalik Özellikler

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 43/

5.Elektronegatiflik:

Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine

denir.Elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik

artar.Elektron ilgisi fazla olan elementler daha

elektronegatiftir.Bilinen en elektronegatif element

flordur (F).

Elektronegatiflik;periyodik cetvelde soldan

sağa,aşağıdan yukarıya doğru artar.

Elektronegatiflik artar.

Elektronegatiflik artar.

Periyodik cetvel

Malzeme Bilimi Slaytları 7/

Potansiyel enerji çukurunun şekline göre ne tür bilgiler alınabilir?

Atomlararası denge mesafesi

Dar ve derin enerji çukuru elastisite modülünün yüksek olduğu, elastisite modülünün yüksekliği de ergime sıcaklığını yüksek ve düşük genleşme katsayısı anlamına gelir. Dolayısıyla mukavemet yüksektir. Aksine geniş olan enerji çukurlarında ise, düşük ergime sıcaklığı, yüksek genleşme katsayısı ve düşük elastisite modülü görülür.

İki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme kuvvetlerine “ Birincil bağ (iyonik ; σ, π, ∆ kovalent ve metalik bağlar) ”, moleküller arasındaki etkileşimden doğan bağa da “ İkincil bağlar (van der waals)” denir. Birincil bağların oluşması için atomlar arasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin birbirine eşit olması, yani minimum potansiyel enerjinin sağlanması gerekir.

Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomum yeni bir madde oluşturmak için birleşmesidir.

Malzeme Bilimi Slaytları 8/

Elastisite modülü

Elastisite Modülü

 Elastik modülü (E) bir katının esneklik sınırları içinde uğrayabileceği deformasyonun ölçüsüdür.

 Elastik modülün artması aynı geometrideki malzemenin aynı deformasyona uğrayabilmesi için daha büyük kuvvet gerekeceğine işaret eder.

 A yüzeyi üzerinden bir cisme F kuvveti etkidiğinde =F/A büyüklüğünde gerilmeye maruz kalır.

 Bu kuvvet neticesinde orijinal uzunluğu lo olan cismin uzunluğu

l kadar değişir. Oluşan şekil değiştirme ise = l / lo ile verilir.

Malzeme Bilimi Slaytları 9/

 Uygulanan gerilme

ve oluşan elastik şekil değiştirme (strain) arasında

= E

ilişkisi vardır ve E elastik modül olarak adlandırılır.

Elastisite modülü

A Lo + L

Solid

F (^) F

FN FN

(a)

0^ r r

FN

ro

FN

E dFN/dr

(b)

Attract

ive

Repu

lsive

Fig. 1. 14 : (a) Appli ed for ces F str ech the solid elastically fr om Lo to L. Th e for ce i s di vid ed amongst chains of at oms that mak e th e solid. Ea ch chain carr ier s a for ce FN. (b) In equili br ium, the applied for ce i s balanced by th e n et for ce FN between th e at oms a s a r esult of their in cr ea sed separ ation. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition , S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) http://Material s. Usask.Ca

Malzeme Bilimi Slaytları 10/

 Uygulanan gerilme ile kuvvet doğrultusunda uzaklaşan atomlar, şekildeki gibi geri çağırıcı kuvvetin etkisinde kalır.

 r yer değiştirmesi ile ortaya çıkan FN kuvveti sistemi eski

haline döndürmeye çalışan kuvvettir.

0

2 0 r

r E r

FN

E, Elastisite modülünün FN kuvvetinin r=ro’daki değişimi ile orantılı olduğu görünmektedir.

veya Enerjinin ro’daki eğriliği ile orantılıdır.

(^00)

2

2

0

r r

bağ r r

N

o dr

dE

dr r

dF

r

E

Elastisite modülü

Malzeme Bilimi Slaytları 11/

 yaklaşık ifadesi ile Elastisite modülü ile bağ enerjisi

arasındaki ilişki verilmektedir.

 Büyük bağ enerjisine sahip katıların büyük elastik

modülüne sahip olacakları görülmektedir.

 İkincil tür bağlar için bağ enerjisinin küçüklüğü ile

Elastisite modülüde küçük olacaktır.

3

r 0

E

E f

bağ

Elastisite modülü

Malzeme Bilimi Slaytları 12/

Bağlar

Niçin atomlar bağ yapmak isteler?

Atomlar daha karalı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler yada ortak kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler.

Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar

Malzeme Bilimi Slaytları 13/

Lewis yapılar

Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. Yani son kabuktaki elektronlar

Atomların Lewis yapıları Atom için kimyasal simge valans elektron sayısına karşılık gelen noktaların sayısı ile çevrilidir.

• Noktalar Valans elektronlarını gösterir.
• Atomların ne çeşit bağla bağlanacaklarını valans elektronları belirler. Valans elektron sayısı periyodik cetveldeki konumdan belirlenir.
• Valans elektronlarını göstermek için Lewis diyagramı kullanılır. Bu diyagramda elementin ismi ve çevresinde en dış enerji seviyesindeki valans elektronlarını gösterir.

Malzeme Bilimi Slaytları 14/

Bağlar

 Bağ çeşitleri

 Metal-metal olmayan (İyonik bağ)

 Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ)

 Metal-metal (Metalik bağ)

Malzeme Bilimi Slaytları 15/

İyonik bağ

1. Metal ve ametal arasında görülür.
2. Elektron alışveriş esasına dayanır.
3. Son yörüngesi elektron dengesi bakımından dengesiz, elektron ilgisi düşük (elektropozitif) bir metal ile son yörüngesini elektronla doldurma isteğinde olan yani elektron ilgisi yüksek olan (elektronegatif) bir ametal arasında mevcut elektronların alış verişiyle kararlı bir yapı oluşturulması söz konusudur. Sonuç olarak iyon bağın oluşabilmesi için iki atomun elektronegativite değerleri arasında çok fark olmalıdır.
4. Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da – iyon haline geçerler.

Bağ kuvveti bu iyonlar arasında ki elektrostatik çekmeden doğar. Malzeme Bilimi Slaytları 16/

İyonik bağ

5. Oluşan iyonik bağ simetrik (elektron dağılımı homojen) bir

yapı gösterir. Dolayısıyla bağda açı oluşumu söz

konusudur. Simetriklikten uzaklaştıkça kovalent bağ

oluşma eğilim artar.

6. Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş

halde elektrik akımını iyi iletirler.

7. İyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok

yüksektir.

8. İyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar.

9. İyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler.

10. İyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar.

11. Örnek : NaCl , LiF

Malzeme Bilimi Slaytları 17/

İyonik bağ

Katı iyonik bileşik

Erimiş iyonik bileşik

Su içerisinde çözünmüş iyonik bileşikler

Malzeme Bilimi Slaytları 18/

Dış kuvvet

İtme kuvveti (^) Kristal çatlar

İyonik bağ

Malzeme Bilimi Slaytları 25/

Metalik bağ

Malzeme Bilimi Slaytları 26/

Dış kuvvet

Deforme olmuş metal

Metal deformasyonunun sebebi

Metal bağına bir çok örnek

Metalik bağ

Malzeme Bilimi Slaytları 27/

Van der Waals bağ

1. Moleküller arası olan ikincil bağlardır.
2. Elektronik kutuplaşmaya dayanır.
3. Dış yörüngesi tam dolmuş soygazlar ya da tam dolmamış element atomlarının, kovalent iyonik bağlı bileşiklerin kendi aralarında oluşan kutuplaşmalardan çekme etkisi olur.
4. Bu çekme son yörüngesi tam dolu olan soygazlarda ve simetrik moleküllerde geçici kutuplaşma ile gerçekleşir. Herhangi bir etki neticesinde elektronların konumlarını değiştirmesiyle, salınımlarıyla ani kutuplaşmalar olur.
5. Bu çekme özellikle kovalent bağlı bileşiklerde yönlülükten kaynaklanan asimetrik yük dağılımından (molekül kutuplaşması) dolayıdır. Bu nedenle elektronların hareketi, titreşim vs. gibi sebeplerle salınım yapar, yani dipoller (kutuplaşmalar) meydana gelir. Bir bölgede çok küçük zaman dilimlerinde elektron yük dağılımı değişir. Yani potansiyel enerji değişir. Bu potansiyel enerjinin minumum edilmesi adına van der Waals bağları oluşur.
6. Molekül kutuplaşması ile oluşan van der Waals bağları geçici kutuplaşma ile oluşan van der Waals bağlarından güçlüdür.
7. Örnek : H 2 O (molekül kutuplaşması) , sıvı azot (geçici kutuplaşma) Malzeme Bilimi Slaytları 28/

Van der Waals bağ

Dipol oluşumu

Ar atomları sıvılaşma sıcaklığında

Soru: Genellikle moleküler katılar, kovalent bağlı olmalarına rağmen yüksek mukavemet ve ergime sıcaklığına sahip değildirler, neden?

Malzeme Bilimi Slaytları 29/

Van der Waals bağ

H H

H 2

Malzeme Bilimi Slaytları 30/

Bağların etkisi

1. Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar.
2. Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir.
3. Mukavemet
4. Elastisite modülü
5. Isıl iletkenlik: Serbest elektron hareketi ile ilişkilidir. İyonik ve kovalent bağlılarda ısı enerjisi yalnızca atomların ısıl titreşimleri ile olur.
6. Optik özellikler: Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu ile yansıtıldığından geçmez. Bu nedenle metaller saydam değildir. Kovalent ve iyoniklerde ise serbest elektron olmadığından ışık yansıtılmadan geçer. Yapıda kusur varsa?
7. Kimyasal özellikler: Metalik bağlılarda valans elektronları kolayca yapıdan ayrılır ve artı yüklü iyonlar kalır. Bu iyonlarda çevrenin elektro-kimyasal etkilerine karşı duyarlı olur.

1

Kristal Yapılar

Malzeme Bilimi Slaytları 2/

Kristal yapı

Kristal yapı, atomların üç boyutta belirli bir geometrik düzene göre yerleştiği yapılardır.

Atomlar uzayda öyle dizililer ki, maddenin birim hacmindeki enerjisi minimum olsun.

Kristal Yapılar

Amorf yapılı Kristal yapılı

Amorf yapı, düzensiz katılaşmış mikroyapılardır, bütün doğal (kazein selüloz, kauçuk, v.b.) ve yapay (plastikler) organik bileşimler, bazı anorganik maddeler (cam gibi) amorf yapıdadır. Kristal yapı, atomların belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim merkezi oluşturmasıdır.

Birim hücre

Malzeme Bilimi Slaytları 3/

Kristal yapı

Kristal yapılı malzemelerin hacim kafesi oluşturan basit geometrik şekillere birim hücre , atom veya atom gruplarının bulunduğu yere de kafes noktası denir.

Doğada yedi değişik kafes sistemi bulunur. Bunlar;

1. Kübik: Basit , hacim merkezli, yüzey merkezli (a=b=c; α=β=Ȗ=90°)

Basit (^) merkezliYüzey Hacim merkezli

Malzeme Bilimi Slaytları 4/

Kristal yapı

2. Tetragonal: Basit , hacim merkezli
3. Ortorombik: Basit, yüzey, merkezli, hacim merkezli, taban merkezli

Malzeme Bilimi Slaytları 5/

Kristal yapı

4. Hekzagonal: Basit
   5. Rombohedral: Basit, (a=b¥c; α=β=Ȗ¥ 90 °)

Malzeme Bilimi Slaytları 6/

Kristal yapı

6. Monoklinik: Basit, taban merkezli
   7. Triklinik: Basit

C 14 H 10