Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Nedir?

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, inorganik ve organik kökenli doğal veya sentetik hammaddelerden başlayarak metal, seramik ve polimer esaslı mühendislik malzemelerinin tasarlanmasını, geliştirilmesini, üretilmesini ve bunların özelliklerinin çeşitli sanayi dallarındaki teknik ihtiyaçlara uyarlanmasını konu alır.

Havacılık başta olmak üzere, savunma, enerji, haberleşme ve otomotiv sanayii gibi birçok gelişen sektörün giderek artan ihtiyaçları üstün performanslı yeni malzemelerin geliştirilmesini zorunlu hale getirmiştir. Bunun sonucunda polimerler, seramikler ve kompozitler, konvensiyonel metalik malzemelerin yanında yerini almış ve mühendislik malzemelerini büyük ölçüde zenginleştirmiştir. Tüm bu gelişmeler karşısında, insanlık tarihi boyunca geliştirilmiş olan geleneksel malzemelerin, bir taraftan özelliklerinin daha da iyileştirilmesi, diğer taraftan yeni ve yaratıcı yaklaşımlarla alternatiflerinin geliştirilmesi kaçınılmazdır. Son 30 yıldır malzeme mühendisliği alanına yeni bir ivme kazandıran bu olgu, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği eğitim programlarına da yön vermektedir.

İnsanlık varolduğu sürece çevresi ile etkileşimde bulunmuş, yaşadığı zamana göre çevresinde bulunan çeşitli malzemeleri kendi ihtiyaçları çerçevesinde kullanmaya çalışmıştır. Seneler içinde insanlık, milattan önce üretilen Hitit krallarının demir tahta ve asalarından ve günümüzde üretilen mikroçiplere kadar geniş bir aralıkta üretim çalışmalarına devam etmiş ve bu çalışmaları teorik olarak ispatlayabilecek duruma gelmiştir. Günümüzde sürdürülen mühendislik çalışmaları sürekli olarak yeni malzemelerin geliştirilmesi üzerinedir. Bu çalışmalar yapay insan dokularından, elektronik malzemelere kadar çok geniş bir alanda sürdürülmektedir.

Metalurji (metal bilimi) ve Malzeme Mühendisliği, bu çerçevede yapılan tüm çalışmaları kapsayan bir ana bilim dalıdır.Metalurji ve Malzeme Mühendisliği temel olarak malzemeleri 4 ana bölümde inceler:

1. Metaller
2. Seramikler
3. Polimerler
4. Bu üç türün birlikte oluşturdukları kompozitler

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü bu malzeme türlerinin,

• çeşitli türlerde mikroskoplar ile görülebilen iç yapılarını,
• özel olarak tasarlanmış cihazlarla ölçülebilen mekanik, optik, elektronik, manyetik özelliklerini,
• çeşitli bilgisayar yazılımları ile belirli koşulları oluşturarak  analizini,
• üretim simülasyonlarını,
• çeşitli analitik cihazlar kullanarak kimyasal ve fiziksel içeriklerini,
• deneysel ve gerçek hayatta kullanım için üretim senaryolarını,

inceler ve bunların günlük hayata uygulanmasını sağlar.

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği’nin kapsamı oldukça geniş olup, bunlardan bazıları:

• Demir çelik ve döküm
• Demir ve demir dışı alaşımlar (alüminyum, titanyum, magnezyum )
• Nanomalzemeler (nanoparçacıklar, nanoteller, nanotüpler )
• Enerji malzemeleri (güneş pilleri, bataryalar,  hidrojen depolama )
• Fonksyonel ince film kaplamalar (ısıya ve ışığa duyarlı akıllı camlar)
• Biyo malzemeler ( yapay organlar, sentetik kemik dokuları )
• Kompozit malzemeler ( tenis raketi, kayak, tekne gövdesi )
• Elektronik malzemeler ( diyotlar, transistörler, kapasitörler )
• Modelleme ve simülasyon ( malzeme özellikleri, üretim süreçlerinin belirlenmesi )
• Polimer ve organik malzemeler ( plastikler, yanmaz kablolar, alevlenme dayanımı olan malzemeler )
• Teknik seramik malzemeler ( hafif zırh malzemeleri, yalıtım malzemeleri )

olarak belirtilebilir.

İş Olanakları

Mezunlarımız, yurtiçi ve yurt dışında, çeşitli kuruluşlar ve araştırma merkezlerinde seçkin elemanlar olarak çalışmaktadır. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği’nin ayırdedici bir özelliği, bu alan mezunlarının geniş iş olanaklarına sahip olmasıdır. Bu durum, var olan tüm sektörlerin yaklaşık %70’inin malzeme veya malzeme ile ilintili olmasından kaynaklanmaktadır. Mezunlarımız bir taraftan demir ve çelik, seramik, cam gibi entegre tesislerde veya orta ölçekli araürün üreten tesislerde üretim bazında görev alırken diğer taraftan savunma, petrokimya, enerji, havacılık ve otomotiv, beyaz eşya vb. sektörlerde daha çok kalite kontrol alanında görev yapmaktadır. Oldukça geniş bir yelpazeyi kapsayan bu ikinci alanda son yıllarda oluşan hızlı ve yenilikçi ürün geliştirme zorunluluğu, iş olanaklarında malzeme mühendislerine tasarım ve araştırma geliştirme alanlarında yeni fırsatlar sunmuştur. Ayrıca önemli sayıda girişimci mezunumuz kendilerine ait küçük ölçekli işletmelerde döküm, ısıl işlem, toz metalurjisi, yüzey kaplamalar, kompozit üretimi vb. konularında faaliyet göstermektedir.

Bölümümüz mezunlarının çalıştığı bazı endüstri kolları:

• Demir Çelik ve Döküm
• Demir Dışı Metal Üretim
• Otomotiv
• Kamu Araştırma Kurumları
• Savunma Sanayii
• Seramik ve Cam
• Enerji
• Madeni Eşya ve Makine Üretimi
• Polimer
• Elektronik
• Kaynak ve Tahribatsız Muayene

FE-C FAZ DİYAGRAMI VE ÖZELLİKLERİ

Malzemelerin özellikleri içerdikleri fazların cinsine, sayısına, oranına ve biçimine bağlıdır. Bu nedenle faz diyagramları malzeme konusuyla uğrasan herkes için oldukça önemlidir. İlk olarak faz nedir? Faz  termodinamikte heterojen bir karışımdan mekanik yolla ayrılabilen, kimyasal ve fiziksel bakımdan homojen maddedir. Faz diyagramları fazların oranı, sıcaklık ve basınç gibi değişkenlerin şematik olarak gösterimidir. Faz diyagramları denge koşullarına göre çizilmiş olup çok yavaş soğumalar sonucu elde edilmişlerdir. Gelelim asıl konumuz olan Fe-C  diğer adıyla Demir-Karbon denge diyagramına  kendileri aşağıdaki sekil gibi olup her metalürji ve malzeme mühendisiliği öğrencisine  zorla ezberletilmiş  hatta yetinilmeyip  her seferinde adımızdan daha iyi bilmemiz gerektiği vurgulanmıştır.

Karışık gibi görünmesi gözünüzü korkutmasın aslında o kadarda karışık olmadığını  yazımın sonunda anlayacaksınız.Öncelikle fazlarımızı tanıyarak başlayalım...

Ferrit (α-demir): Saf demirin oda sıcaklığında ki  HMK yapısına verilen isimdir. Bu faz içerisinde çok az miktarda  C çözündürür  723 °C  (A1) sıcaklıkta  %0,025 çözündürürken  oda sıcaklığında %0,008 değerine düşmektedir içerisinde çok az C olduğundan nerdeyse  saf demir gibidir ve manyetiktir. Ferritin çekme dayanımı 270 MPA'dır kopma uzaması %40  sertliği ise 150 BHN civarındadır. Atomik dolgu faktörü (ADF) 0,68 kafes parametresi ise 2,86 Å'dur. Az miktarda  C içerdiği için sertliği ve mukavemeti düşüktür fakat sünekliliği ve işlenebilirliği yüksektir.

Ostenit (γ- demir):  Yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahiptir. 910-1401°C  arasında kararlı yapıya sahiptir. Atomik dolgu faktörü(ADF) 0,74 kafes parametresi 3,57  Å'dur. Ostenit yüksek sertliğe(HRC 40) ve tokluğa sahiptir. Oda sıcaklığında kararlı halde değildir fakat bazı alaşım elementleri ilavesi ile kararlı hale getirilebilir.

Perlit (α+Fe3C):  Ötektoid bileşime sahip çeliğin  ostenit bölgesinden  yavaş soğutulmasıyla 723°C  sıcaklıkta meydana gelen ötektoid dönüşüm  sonucu elde edilir. Perlit ferrit ana matrisi üzerine sementit lamellerinin dizilmesiyle  oluşan mikro yapıdır. %12 sementit %88 ferritten oluşur. Perlit demir ve çelik teknolojisinde çok onemli bir yere sahiptir uygun ısıl işlem ile bütün çeliklerde oluşturulabilir. %0,8 C içeren çeliğin oda sıcaklığındaki mikro yapısı %100 perlittir.Sertliği 20 HRC ,90-100HRB veya 250-300 HB civarındadır.

Sementit (Fe3C): İntermetalik bir bileşiktir. Ortorombik kristal  yapıya sahip demir karbürüdür. Sert ve kırılgan bir yapıya sahiptir. 215°C  altında ferromagnetiktir. Sementit fazı düşük çekme  dayanımı (35 MPa) olan bir arayer bileşiğidir fakat  basma dayanımı oldukça yüksektir. Bir çok ticari çeliğin sertleştirilmesinde önemli rol oynar.

Ledeburit : Ostenit ve sementit fazlarının oluşturduğu bir ötektik bileşimdir. Sıcaklık A1 çizgisinin altına düştüğünde yapıdaki ostenit perlite dönüşür yapı perlit+sementitten oluşur. %4.3 C içeren dökme demirlerin yapısında bulunur. 1130°C  oluşur. Ledeburit fazı oldukça sert ve mukavemetlidir.

Faz diyagramları  çok yavaş soğuma koşullarında  çizilmiştir.Soğuma hızı arttırıldığında faz diyagramında görünmeyen  Martensit ve Beynit gibi kararsız  fazlar ortaya çıkar.

Martenzit: Ostenitin hızlı soğutulmasıyla elde edilir.Kristal yapısı hacim merkezli tetragonaldir. Karbonca aşırı doymuştur. %0,6 C  daha fazla C içeriyorsa hacim merkezli kübik yapıda bulunur. Martenzit fazı oldukça sert ve kırılgan bir fazdır. Mukavemet değeri oldukça yüksektir.

Beynit: Demir ve sementit fazlarının oluşturduğu iki fazlı bir yapıdır. İzotermal bir ısıl işlemde ostenitin dönüşümü ile oluşur. Beynit iki farklı morfolojik yapıya sahiptir bunlar üst beynit ve alt beynittir.

Fazlardan özelliklerinden sonra faz  diyagramı üzerinde önemli noktaları tanıyalım. Yukarıdaki resimde  1, 2 ve 3 noktaları  dönüşümlerin olduğu önemli noktalardır. Bunlar sırasıyla aşağıdaki gibi  sıralanmıştır.

1)Ötektoid nokta:  Bu nokta faz diyagramında 723°C (A1) ve %0.8C nun kesiştiği noktadır. Ostenit bölgesinden soğumaya başlayan çelik bu noktaya geldiğinde tek fazlı( γ)yapıdan çift fazlı(α+Fe3C) dönüşür.Bu noktadan itibaren ostenit ,ferrit ve yüksek miktarda C içeren  sementit  fazına dönüşür.Bu dönüşüm esnasında  ferrit ve sementit lamelli bir yapı oluşturur  bu yapı perlit olarak adlandırılır. Dönüşüm izotermal olarak gerçekleşir.Katı fazdan katı faza dönüşüm söz konusudur. Ötektoid nokta yukarıda ki resimde 1 numaralı noktadır .

2)Ötektik nokta: 1130 °C  ve %4.3 C içeren dökme demirin kesiştiği noktadabulunur.Bu noktada  sıvı faz katılaşarak  iki ayrı katı fazdan( γ+ Fe3C )oluşan ledeburite  dönüşür. Dönüşüm izotermal olarak gerçekleşir. Sıvı fazdan katı faza dönüşüm söz konusudur. Ötektik nokta yukarıdaki diyagramda 2 numaralı noktadır.

3)Peritektik nokta:1492°C  ve %0.25 C içeren çeliğin kesiştiği noktada bulunur. Bu noktada üç faz( δ+γ+sıvı )dengede bulunur Sıvı faz önceden meydana gelen bir katı fazla reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştururlar yani sıvı faz + δ demir, ostenite dönüşür . İzotermal bir dönüşüm söz konusudur.Peritektik nokta  yukarıdaki diyagramda 3 numaralı noktadır.

A1 sıcaklığı: 723°C derce boyunca uzanan çizgidir bu sıcaklık birçok faz dönüşümü için önemli bir sıcaklıktır diğer adıyla ötektoid sıcaklık olarakta anlandırılabilir.Busıcaklığın altında demir hacim merkezli kübik(HMK) yapıda bulunurken bu sıcaklığın üstünde yüzey merkezli kübik(YMK) yapıda bulunur.(düz bir çizgidir)

A2 sıcaklığı: 760°C de bulunur bu sıcaklığın altında demir manyetikken bu sıcaklığın üzerinde paramanyetiktir.(düz bir cizgidir)

A3 sıcaklığı: 910°C den ötektoid noktasına inen eğridir.Ostenit bölgesini sınırlandırır.Bu eğrinin altında ostenit , ostenit +ferrite dönüşür.

Fe-C faz diyagramında %2den az C içeren bileşimler çelik %2 den daha fazla C içeren bileşimler  dökme demir olarak adlandırılır.

Çelikler ve dökme demirlerde kendi aralarında ayrılır . %0,8 C altında C içeren çelikler otektoid altı çelikle  %0,8 C üzerinde C içeren çelikler ise ötektoid üstü çelikler olarak adlandırılır.