YAPI MALZEMESĠ DERS NOTLARI
Yapı malzemelerinin fiziksel, mekanik ve kimyasal özelliklerini, üretim şekillerini, kullanım sırasındaki davranışlarını, amaca uygun malzeme seçimini ve geliştirilmesini araştıran ve öğreten bilim alanına Yapı Malzemesi bilim dalı adı verilir.
Bir yapının ömrü yalnızca projesinin iyi olmasına ve isçiliğine bağlı değildir. En önemli faktör yapıda kullanılacak olan malzemelerin iyi seçilmesi, denetlenmesi, iyi isçilikle yerine konması ve bakımıdır.
Malzemenin az veya çok bakım gerektirmesi özellikle yapının ömrü boyunca işletme giderlerini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, ucuz bir malzeme, belirli bir süre sonra sürekli bakım veya yenileme gerektirebileceğinden, ilk fiyatı daha fazla olan bir malzemeye kıyasla ekonomik olmayabilir.
Malzeme biliminin genel amaç, malzemelerin içyapısını tanıtmak, içyapılar ile özellikler arasında bağıntılar araştırmak, bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflara ayırarak özelliklerini incelemektir.
Genelde bir yapının inşaat bedelinin yaklaşık % 65-75'ini malzeme giderleri oluşturur. Bu oran malzeme biliminin önemini ortaya koyar.
Yapı malzemesi bugün için sürekli yeni ürünlerin ortaya çıktığı, çok hızlı gelişen bir bilim dalıdır.
Bir malzemenin üretim ve uygulama koşullarının çağdaş, sağlıklı ve ekonomik olabilmesi için bazı kural ve yöntemler standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri baslığı altında toplanmıştır.
Genel anlamda standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri, malzeme seçimi ve kullanımı, planlama gücü, kalite güvenliği ve ekonomi açısından büyük olanaklar yaratmaktadır. Ayrıca, standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri malzemenin kalitesi konusunda kuramsal ve matematiksel kavramlar getirmektedir.
Malzemelerden beklenilen en önemli özellikler:
Gerilmelere karsı göstermiş olduğu dayanım,
Aşındırıcı etkilere karsı göstermiş olduğu Dayanıklılık, Yüksek sıcaklık dayanımı,
Hafiflik,
Elektrik ve ısı iletkenliği,
Üretilebilme ve şekillendirilebilme özelliği, vs.
MALZEMELERĠN GRUPLANDIRILMASI
A) KULLANIġ YER VE AMACINA GÖRE GRUPLANDIRMA
1-TaĢıyıcı Malzemeler: Bu gruba giren yapı malzemeleri, yapıyı ayakta, yapıyı ayakta tutan, yükleri karşılayan, yapının iskeletini oluşturan beton, çelik, betonarme, ahşap gibi mekanik özellikleri yüksek olan malzemelerdir.
2-Detay Malzemeleri: Bu malzemeler yapıda belirli işlevleri olan ve dekoratif amaçlarla kullanılan cilalı taş, boya gibi malzemelerdir.
3-Koruyucu Malzemeler: Yapıyı olumsuz dış etkilerden koruyan, cam pamuğu, perlit, bitümlü malzemeler gibi ısı, ses ve su yalıtım malzemeleri bu gruba girerler.
Bazı malzemeler ise bu gruplamanın her ikisine de girebilir. Örneğin boya hem detay hem de koruyucu malzemedir.
B) ġEKĠL DEĞĠġĠMĠNE GÖRE GRUPLANDIRMA
1-Elastik Malzemeler: Yük etkisi altında şekil değiştirip yük kalkınca yeniden ilk şekline dönen malzemelere elastik malzemeler denir. Elastik davranışı en iyi simgeleyen eleman yaydır. Lastik ve kauçuk elastik malzemelere örnek olarak verilebilir
2-Plastik Malzemeler: Yük etkisi altında şekil değiştirip yük kalkınca yeniden ilk şekline dönmeyen, kalıcı şekil değişimi bırakan malzemelere plastik malzemeler denir. Bu davranışa en iyi örnek kildir.
3-Elasto-Plastik Malzemeler: Bu tip malzemeler yükün mertebesine bağlı olarak hem elastik, hem de plastik davranış gösterirler. Çelik gibi birçok yapı malzemesi bu tip davranış gösterirler.
C) BÜNYE BAKIMINDAN GRUPLANDIRMA
1-Fiziksel Yapı: Fiziksel özellikleri açısından malzemeler homojen, heterojen, izotrop ve anizotrop malzemeler seklinde gruplandırılabilir.
Element BileĢik Homojen karıĢım Heterojen karıĢım
2-Kimyasal Yapı: Kimyasal açıdan ise malzemeler metalik (kristal), amorf, bileşik, kolloidal ve seramik yapı seklinde sınıflandırılabilir.
Malzeme Türleri
Malzeme çesitleri; Metaller ve Alaşımları, Polimerler, Seramikler, Kompozitler, Yarı iletkenler, Olarak sınıflandırlabilir.1-) Metaller ve alaĢımları; Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır gibi malzemelerdir.
Metallerin karakteristik özellikleri,
Element olarak veya bunların alaşımlarının kristalik yapıya sahip olmaları, ısıyı ve elektriği iyi iletmeleri, diğer malzemelere göre izafi olarak daha sağlam ve daha tok olmaları, sünek ve plastik şekillenebilir olmaları ve darbelere dayanıklı olmaları seklinde sayılabilir.
2-) Polimerler; Kauçuk, plastik ve yapıştırıcıları içine alan malzeme grubudur. Bu malzemeler polimerizasyon yöntemiyle organik moleküllerden meydana getirilir.
Polimerler “mer”lerin eklenmesiyle meydana getirilir. Mesela, etilen (-C2H4-) bir “monomer” dir. Polietilen ise “mer”lerin (-C2H4-) oluşturduğu (-C2H4-) n zinciridir. n burada 100 ile 1000 arasında değişen bir sayıdır
Pek çok polimerin temel elementi hidrojen ve karbondur. Diğer elementler ise
akriliklerde olduğu gibi oksijen, naylonda olduğu gibi azot, fluoroplastiklerde olduğu gibi flor ve silisyumdur.
Polimerlerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır ve yüksek sıcaklıklarda bulunmaları uygun değildir. Uzun molekül zincirine sahip termoplastikler sünektir ve bunlara şekil verilebilir. Termoset polimerlerin ise dayanıklılıkları daha iyi olmakla beraber kırılgandırlar.
Polimerler elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Plastikler metallere göre hafif ve ucuz olmalarından dolayı tasarımcılar için cazip malzemelerdir.
3-) Seramikler; Tuğla, cam, yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakterler ve aşındırıcı (zımpara tasları) gibi malzemelerdir. Alüminyum metaldir, fakat oksijenle yapmış olduğu Al2O3 bileşiği bir seramiktir.
Al2O3‟ in alüminyuma göre yüksek sıcaklık gibi değişik çevre Sartlarında stabil bir kimyasal yapıya ve yüksek bir ergime sıcaklığına (2020°C) sahip olması gibi iki üstünlüğü vardır (alüminyumun ergime sıcaklığı 660°C‟ dir). Al2O3 bu özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakter malzeme olarak kullanılır.
Seramikler, metaller gibi kristalik yapıya sahip olabilirler; fakat kristalik yapıya sahip olmayan pek çok seramik de vardır. Kristalik yapıya sahip olmayan seramiklere genellikle cam denilmektedir. Mesela, pencere camı %72 SiO2 ve geri kalanı Na2O ve CaO‟ dir.
Seramiklerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır; bundan dolayı elektrik izolatörleri seramiklerden yapılır. Seramikler dayanımı yüksek, sert ve kırılgan malzemedirler, yüksek Sıcaklık ve korozyonlu ortamlara dayanıklılıkları mükemmeldir. Yeni gelişmeler sayesinde, seramikler jet motoru kanatları gibi yüksek sıcaklıkta çalışan parçaların imalinde kullanılabilmektedirler.
4-) Kompozit malzemeler; İki veya daha fazla malzemeden meydana gelmişlerdir. Beton, çimento ile kumun karışımı ile meydana gelen kompozit bir malzemedir. Polyester ile camyünü beraber kullanılarak kompozit bir malzeme yapılabilir. Kompozit malzemeler, hafif, dayanıklı, sünek ve yüksek sıcaklığa dayanıklılık gibi özelliklere sahip olarak üretilebilirler. Karbon fiber takviyeli polimerler gibi kompozit malzemeler uzay araçları ve uçak sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ağaç, tabiatta bulunan kompozit malzemelere iyi bir örnektir.
5-) Yarı Ġletkenler; Yarı iletken malzemeler ne iyi bir iletken, ne de tam bir yalıtkandır. Elektronikte kullanılan çok önemli malzemelerdir; çipler, işlemciler, transistorler gibi elemanların üretiminde kullanılır. Silisyum ve germanyum en yaygın kullanılan yarı iletkenlerdir
Atomsal bağlar bakımından yapılan sınıflandırmada bu malzemeler yukarıdaki dört gruba da girmez. Yarıiletkenlerde kimyasal bileşimin hassas kontrolü ile elektronik özellikler kontrol edilebilir. Bu malzemeler ve geliştirilen yeni teknolojiler sayesinde çok küçük boyutlarda elektronik devreler elde etmek mümkün olur.
MALZEMENĠN ĠÇYAPISI
Cisimlerin yükler altındaki davranışını saptayabilmek çok önemlidir. Yapının tasarımı, boyutlandırma ve kesin hesapları açısından malzemenin "mekanik özelliklerini" bilmek gereklidir.
Malzemenin mekanik özellikleri cismin içyapısına bağlı olduğundan önce bunun incelenmesi gerekir. Ayrıca, metallerin korozyonu gibi malzeme açısından önemli olayları atom yapısına dayanmadan açıklamak olanaksızdır. Bu nedenle bu bölümde, bir yapı hatırlanması gereken kimya bilgilerini özetlemekte yarar vardır.
Atom Yapısı
Atomlar, çevrelerinde negatif yüklü elektronların devinimler yaptığı pozitif yüklü proton ve yüksüz nötronlardan oluşur. Nötronu olmayan atom, yalnız hidrojen atomudur. Bir
atom çekirdeğinde, elektron sayısı kadar proton vardır. Atomun özelliği bağ kuvvetlerinin
meydana gelmesine yol açan elektron sayısıdır. Atom numarası da elektron sayısına eĢittir. Örneğin atom numarası 29 olan (Cu) bakırın 29 elektronu vardır. Buna göre bakır atomunun çekirdeğinde 29 proton ve 34 nötron vardır ve bakırın kütle ağırlığı 63 tür.
Elektronlar, çekirdek kütlesi yanında çok küçüktür (1/1850 oranında) ve bu değer kütle hesabında göz önüne alınmaz. Atomların kütlesini belirtmek için atomsal kütle birimi kullanılır. Atomsal kütle birimi çok küçük olduğundan onun yerine bağıl atomsal kütle kullanılır ve birimi „gr‟ dır. Bir gr. Bağıl atomsal kütle 6,02×1023 (Avagadro sayısı ) kadar atomsal kütle vardır.
Örnek: Atom numarası 92 olan uranyum atomunun 146 nötronu varsa kütle ağırlığı kaçtır? Atom numarası=elektron sayısı=proton sayısı
Kütle numarası= proton sayısı + nötron sayısı = 92 + 146 = 238
Atom numarası: Atomdaki protonların(elektron sayısı=proton sayısı) toplam sayısı
Kütle numarası: Atomdaki proton ve nötronların toplam sayısı Denge durumundaki bir atomda elektronların (-) sayısı protonların (+) sayısına esittir.
Bir atom gramda; Örneğin 55,85 gram demirde 6,02×1023 (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır.
Ġzotop: Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir.
Örneğin;
26 Atom numarasına sahip demirin izotopları: 54Fe (26 p, 28 n)
55Fe (26 p, 29 n) 56Fe (26 p, 30 n) 57Fe (26 p, 31 n) 58Fe (26 p, 32 n)
Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron ve proton sayısı belirler. Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır.
İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir.
ATOMLAR ARASI BAĞLAR
1. İyonik Bağ 2. Kovalent Bağ 3. Metalik Bağ
4. Van Der Waals Bağı
Atomların son yörüngelerinde en çok sekiz elektron bulunabilir (tek yörüngeli atomlarda iki elektron).
1-ĠYONĠK BAĞ
Zıt yüklü iyonlar birbirlerini çekerek iyonik bağ oluştururlar.Son yörüngedeki eksiklikler elektron alışverişi ile sekize tamamlanır.
İyonik bağ metaller ile ametaller arasında oluşur. 2-KOVALENT BAĞ
Elektronlar çekirdek etrafında döndükleri gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Bu dönme hareketi neticesinde elektromanyetik kuvvetler oluşur.
Ametaller ile Ametaller arasında olur.
Valans elektronlarının ortak kullanımı söz konusudur.
Paylaşılan elektron ile pozitif çekirdek arasında çekim kuvveti oluşur. Bu bağ genellikle gazlarda meydana gelir (H2, NH3, O2, CH4 ).
