Malzeme Nedir ? | Malzeme Seçimi Kriterleri | Metalurji & Malzeme Bilimi
Malzeme Nedir ? Mühendislikte Malzemenin Önemi Nedir ?
Malzeme, bir ürünün tasarımında olmazsa olmaz tercih kriterlerinden biridir. Malzeme özellikleri, tasarlanan ürünün kullanım yerini, özelliklerini ve ömrünü belirlemektedir. Başarılı ve faydalı bir ürün elde edebilmek için malzeme grubu kullanım şartlarına uygun seçilmelidir. Tasarlanırken düşünülen özelliklerin hepsini bünyesinde barındırması beklenir.
Mühendislikte, tasarlanan ürüne uygun malzeme seçilmesi en önemli kriterler arasında sayılmaktadır. Bu nedenle insanoğlu varolduğu ilk zamanlardan itibaren, ihtiyaçlarına uygun malzeme bulma konusunda hep bir çaba içerisinde olmuştur. Her bir malzeme grubu kendine has özelliklere sahiptir ve her geçen gün geliştirilmektedir. Mevcut özellikler iyileştirilmekte ve yeni tipte malzemeler ortaya çıkmaktadır. Kompozit malzemelerin çıkış noktası da tam olarak budur.
Mühendislikte Malzeme Seçiminin Önemi Nedir ?
Bu konu ile ilgili yazılacak çok şey olmasına rağmen, kısa kısa örnek vermek gerekir ise aşağıdaki gibi bir tablo ile karşılaşırız.
Konu ile ilgili bu yazıyı inceleyebilirsiniz.
Örneğin uçak ve uzay araştırmaları için geliştirilecek ürünlerde aranan ilk özellik yüksek sıcaklıklarda optimum çalışma kapasitesidir. Bu nedenle, mühendisler yüksek sıcaklıklarda yapılarının bozulmayacağı tipte ürün grupları kullanmak zorundadır. Bunun için kompozit, refrakter malzemeler geliştirilmiştir. Bu tip ürünler, yüksek sıcaklıklarda şekil bozukluğuna uğramaz ve uzun süre dayanırlar.
Ayrıca havacılık sektöründeki en önemli isteklerden biri ürünlerin hafif olmasıdır. Bunun için, seçilecek malzemelerin hem dayanıklı hem de hafif olması istenmektedir. Çünkü üretilen ürünün hafif olması, yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Yakıt tasarrufunun yanında, ürünlerin sürünme dayanımı ve yorulma dayanımının da üst seviyelerde olması beklenmektedir.
Metaller ile uğraşan her hangi bir mühendis, tasarım aşamasına iken, metallerin doğal bir özelliğinden dolayı zorlanmaktadır. Bu özellik bilinen bir çok metal grubunun korozyona uğraması hususudur. Bir ürünün tasarımı yapılırken ona bir ömür biçilir. Her bir ürünün belirli bir ekonomik ömrü vardır ve bu ömrü tamamladığında kullanımdan ayrılmaktadır. Korozyon da bu konuda malzemelerin ömürlerini belirleyen önemli bir olgudur. Tasarım sırasında, korozyon ile metalden yılda ne kadar kayıp verileceği hesaplanır ve buna uygun bir şekilde et kalınlığı belirlenir. Ya da, o metalin korozyona uğramaması için çeşitli önlemler alınır. ( Boyama vb. gibi )
Korozyondan korunmak için yapılacak en önemli ve kalıcı uygulama, uygun malzemeyi seçmek olacaktır. Bunun için ürünün kullanılacağı yere uygun kimyasal alaşımda bir ürün seçilmelidir. Genel olarak, paslanmaz çelik seçimi bu konuda uygun olacaktır. Paslanmaz çelik, içerisinde bulundurduğu yüksek miktarda krom ve nikel elementleri sayesinde, oksidasyona daha dayanıklı bir malzeme grubu olarak karşımıza çıkar.
İnsanoğlu malzeme gruplarını temel olarak 2 ayrı gruba ayırmaktadır. Bunlardan ilki doğal malzemeler, diğeri ise mühendislik malzemeleridir. Doğal olan grup, genellikle işlem görmemişler olarak sınıflandırılır iken, mühendislik malzemeleri ise, doğal yolla elde edilemeyen bir takım işlemlerden geçen malzeme gruplarıdır.
Doğal malzemelere, mineral, taş, kum, yün vb. gibi doğada karşılaşabileceğimiz grupları sıralayabiliriz. Mühendislik malzemelerini sayarsak 4 ana başlığa ayırmamız gerekmektedir. Bunlar sırasıyla;
Polimerler ( Plastik )
olarak sıralanabilmektedir. Malzeme bilimi ve mühendisliği ile ilgili hazırladığımız makalemizde bunlarla ilgili genel bir bilgiye yer vermiştik.
Günümüzde halen en çok kullanılan malzeme grubu metallerdir. İnsanlık tarihinde ilk olarak metaller kullanılmaya başlanmıştır. Bunun temel nedeni, metallerin yüksek sıcaklıklara olan dayanımı, elastiklik modüllerinin yüksek olması, darbelere karşı dayanıklı olması, elektriği ve ısıyı iyi iletmeleri olarak sıralanabilir.
Metaller bir çok yöntem ile şekillendirilebilirler. Bu da mühendislikteki en önemli problemlerden birini ortadan kaldırır. Bu problem uygun şekillendirmedir. Yani, bir tasarımcı istediği ürüne nihai şeklini verirken problem yaşamak istemez. Az zamanda, düşük bütçeler ile şekillendirme işlemi yapılması istenir. Metaller genel olarak döküm, dövme, talaş kaldırma vb. işlemler ile nihai şekline ulaşabilirler.
Seramik malzemeler, yine kullanım süresi insanlık tarihi ile eşdeğer olan bir diğer malzeme grubudur. Şekillendirilme kabiliyetleri çok düşüktür. Ancak; çamur halde iken döküm yolu ile şekillendirilebilirler. Bir kere nihai ürün haline getirildikten sonra, esnetilip başka şekle bürünemez.
Seramik malzemelerin tercih edilmelerindeki temel nedenler aşağıdaki gibidir ;
Korozyona karşı yüksek dayanım,
Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirlik,
Yüksek sertlik ve aşınma dayanımı
Polimer malzemeler, genel olarak plastik grubunu kapsamaktadır ve organik yapıdadırlar. Karbon ve Hidrojen atomlarına bağlanan diğer elementlerden oluşan molekül gruplarına verilen genel isimdir. Mühendislikte kullanım alanları çoktur. 2 ana gruba ayrılmaktadırlar.
Önceki yazılarımızdan da hatırlayacağınız gibi, termoplastik malzemeler tekrar tekrar eritilip şekillendirilebilmektedir. Ancak; termoset malzemeler ısıtıldığında kömür haline gelerek bir daha kullanılamazlar.
Polimer malzeme grubu, otomotiv sektöründe, elektrik – elektronik sanayinde, gıda kaplarında bol miktarda kullanılmaktadır. Elektriği ve ısıyı iletmez ya da çok az iletirler. Korozyona dayanım istenen yerlerde kullanılabilirler. Çünkü metallerdeki gibi paslanma durumu söz konusu değildir. Dezavantajlarından en önemlisi, yüksek sıcaklıklarda tercih edilmemeleridir. Çünkü genellikle 120 Santigrat derecenin üstünde yapıları bozulmaya başlar.
İnsanoğlunun yeni olarak tanıdığı bir malzeme grubudur. En temel ve basit anlatım ile iki ya da daha fazla malzemenin uygun koşullar altında birleştirilip kullanılmasıdır. Birleştirilen malzemelerin istenen iyi özelliklerinin alınması ile meydana gelir. Karbon fiberler bu gruba en iyi örnekler arasındadır. Çeliğe göre çok daha hafif olmalarına rağmen, alaşımlı bir çelik kadar çekme ve akma dayanımlarına sahiptirler.
Korozyon dayanımı çok iyi olan kompozitler, yüksek sıcaklıklarda da kullanılabilmektedir. Yüksek teknoloji içeren uygulamalarda, metal ve seramiklerin yerini büyük bir hızla almaktadır. Düşük ağırlık ve yüksek dayanıma sahip olmaları, önümüzdeki yıllarda kompozit malzemelerin kullanımını daha da arttıracaktır.
Kompozit malzemelerin dezavantajları arasında, geri dönüşümünün mümkün olmaması ve ilk yatırım maliyetlerinin genellikle yüksek olması gelmektedir.
Kompozit malzemelere örnek vermek gerekirse;
Bir tasarımcı ya da mühendis ürün tasarlar iken, tasarlayacağı ürününün nerede ve ne için kullanılacağını irdeler ve tercihini bu yönde yapar. İrdelemeyi yaparken de aşağıdaki kriterleri göz önünde bulundurmak zorundadır.
Herhangi bir malzemenin mekanik özelliği dendiği zaman ilk olarak akla çekme testi sonuçları gelmektedir. Çekme testi yapıldığında bir malzeme hakkında detaylı bir fikir elde edilmiş olur. Örnek olarak S235 kalitede bir çelik malzemenin akma dayanımı 235 olarak düşünülebilir ve hesaplamalar buna göre yapılır. Akma dayanımı, o çeliğin belirtilen değere kadar elastik olarak şekil değiştireceği anlamına gelmektedir. Ancak; o değer aşıldığında malzeme plastik şekil değiştirmeye başlayacaktır. Yani kalıcı şekil değiştirme meydana gelecektir. Bir tasarımcı, tasarladığı bir makine ya da konstruksiyonda bu bilgileri kullanacaktır.
Herhangi bir makine parçasının maruz kalacağı yükün, o malzemenin dayanımına uygun olup olmadığını belirlemek tasarım mühendisinin işidir. Uygun olmayan bir seçimde, bir çelik yapı ya da makine rahatlıkla kırılıp kullanılamaz hale gelebilmektedir.
Önceki paragraflarda bahsettiğimiz gibi, esneme özelliği istenen bir yapıda çelik kullanılması yerine seramik malzeme kullanılır ise, seramiklerin doğal özelliklerinden dolayı kırılma meydana gelecektir. Çünkü seramik malzemelerde, metallerdeki gibi bir gerilme-gerilim eğrisi yoktur. Seramiklerde tokluk aranmaz. Ancak; bazı metallerde tokluk değeri çok yüksektir.
Tokluk, bir malzemenin rijitlik kavramını göstermektedir. Yani, ürünün darbelere olan dayancını belirlemek için kullanılan bir terimdir. Genellikle çentik darbe testi ile belirlenir.
Yorulma Dayanımı Belirlenmesi
Bir makine ya da yapı tasarlanırken tekrarlı yüklere maruz kalıp kalmayacağı da önemli bir kriterdir. Malzeme seçimi yapılacağı zaman bu bilginin ışığında seçim yapılmalıdır.
Yukarıdaki eğri, mühendislikte S-N eğrisi olarak bilinmektedir. X- ekseni gerilim, Y- ekseni ise, çevrim sayısı olarak belirlenmiştir. Çelik ve alüminyum karşılaştırmasına bakacak olursanız, çeliğin daha yüksek gerilim altında çalışabileceğini görebilirsiniz. Örnek olarak çeliğin 25 Ksi gerilimde teorik olarak sonsuza kadar çalışabileceği ortamda, alüminyum yaklaşık olarak 1.000.000 çevrimden sonra kırılacaktır. İşte iyi bir tasarım mühendisi bu grafikleri iyi irdelemeli ve tasarımlarında kullanacağı malzeme gruplarını bunlara göre belirlemelidir.
Tasarımda dikkat edilecek bir diğer hayati konu ise, malzemenin ısıl dayanımıdır. Bir malzemenin ergime sıcaklığı bilinmeli ve kullanılacağı ortam da buna göre seçilmelidir. Isıl özelliklerin belirlenmesinde tek kriter ergime sıcaklığı değildir. Diğer bir kriter ise, özellikle metaller için yumuşama sıcaklığıdır. Çünkü, metaller sıcaklık yükseldikçe dayanımlarını kaybederler. Örnek olarak oda sıcaklığında 650 MPa çekme dayanımına sahip bir çelik, 100 Santigrat derecede çok daha düşük bir çekme dayanımına sahip olacaktır.
Sıcaklığın bir diğer etki ettiği husus, oksitlenme olgusudur. Yüksek sıcaklıklarda çalışan metaller oksijene karşı daha duyarlı hale gelir. Bunun neticesinde ise, oda sıcaklığındaki haline göre çok daha kısa sürede paslanarak ekonomik ömrünü erkenden tamamlar. Bu da istenmeyen bir durumdur.
Termal özelliklerden bir diğeri ise, malzemenin genleşme katsayısıdır. Bir malzemenin genleşme katsayısı ne kadar büyük ise, sıcaklık arttığında o oranda genleşecektir. Tasarım yapılan yapı, bu genleşme düzeyine göre dizayn edilmediyse sonuç yine beklenen gibi olmayacaktır. Bu nedenle, tasarım aşamasında malzemelerin sıcaklık değişimine ne gibi tepki verdiği iyi irdelenmelidir.
Mühendislik tasarımı sırasında, üretilecek ürünün elektrik akımı ya da manyetik alan karşısında ne gibi tepkiler vereceği iyi hesaplanmalıdır. Örnek olarak yalıtımın önemli olduğu bir elektrik devresinde, iletkenliği istenen düzeyde olmayan bir metal kullanılması tehlikeli sonuçlar doğurabilmektedir. Direnci yüksek bir malzemenin tesisatta kullanılması aşırı ısınmalara neden olacaktır.
Benzer mantıkla yalıtkan olması istenen bir parçanın belirli bir sıcaklıktan sonra iletken duruma geçmesi, kullanım aşamasında ölümcül sonuçlara neden olabilecektir. Bu nedenle, bir malzemenin bütün özellikleri iyi incelenip ona göre kullanımına onay verilmesi uygun olacaktır.
Yukarıda anlatılan olguları özetlemek gerekirse, tasarım esnasında bir makine ya da herhangi bir konstrüktif yapıyı tasarlarken, teknik özelliklerine uygun bir malzemenin seçimi, o ürünün efektif olması açısından çok önemlidir.
Bir ürün tasarlığında, o ürünün çalışacağı ortam, korozif etkileri, yük durumu, çalışacağı sıcaklık ve aşınma gibi etkiler göz önünde bulundurulmalıdır. Tarihin ilk zamanlarından bu yana üretilen ürünlerin sınırlarını kullanılan malzemelerin teknik özellikleri belirlemektedir.
Bir mühendisten talep edilen şey, yeni bir ürün ya da mevcut ürünün geliştirilmesi olabilir. Günümüzde 100.000 adet mühendislik malzemesi olduğu tahmin edilmekle beraber, teknolojik gelişmelerin ışığında bu olgu gün geçtikçe gelişmektedir. Malzeme seçimi sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar aşağıdaki gibi olmalıdır ;
Malzemenin imalat yöntemi ( Döküm, Talaşlı imalat vb. )
Kullanılacağı ortamdaki sıcaklık, basınç, aşınma vb. gibi durumlara dayanıklılık
Malzemenin dayanımı, tokluğu ve sertliği.
Bir tasarımcı bir ürünü tasarlarken yukarıdaki hususları iyi irdelemeli ve bu konu ile ilgili mühendis ile koordineli bir şekilde çalışmalıdır. Çünkü doğru işe doğru malzeme seçimi, ürünün uzun ömürlü ve istenen özelliklere cevap verebilmesi açısından çok önemlidir.