Katıların Mekanik Özellikleri

Konu Anlatımı

Katıların Mekanik Davranışı

Katı maddeler, dış bir kuvvet uygulandığında iki temel biçimde tepki gösterir. Esnek davranışta cisim kuvvetle biçim değiştirir ama kuvvet kaldırıldığında eski şekline döner; lastik ve yaylar buna örnektir. Rijit davranışta ise cisim şeklini korur, yalnızca kuvvetle arasındaki açı değişir; duvar ve masa gibi cisimler böyledir. Katıların gerçek hayattaki davranışı bu iki uç arasında değişir.

Katıların dayanıklılığını belirleyen başlıca büyüklük esneklik sınırıdır. Bu sınırın altında cisim geçici biçim değiştirir; sınır aşıldığında plastik biçim değiştirme başlar ve cisim kalıcı olarak şeklini kaybeder. Plastik biçim değiştirme geri dönüşsüzdür. Sınırın ötesinde gerilme artmaya devam ederse cisim kırılır veya kırılgan davranır. Sünek malzemeler kırılmadan çok uzayabilirken, cam gibi gevrek malzemeler küçük bir gerilmede bile kırılabilir.

Gerilme, birim uzama ve elastisite

Cisimlere etki eden kuvvet, kesit alanına oranlanarak gerilme olarak adlandırılır. Gerilmenin birim uzamaya oranına Young modülü denir ve malzemenin rijitliğini belirtir. Young modülü büyük malzemeler daha az uzanır. Elastisite bölgesinde gerilme ile uzama doğrusal orantılıdır; Hooke yasası bu doğrusal bağımlılığı ifade eder. Ayrıca malzeme sıcaklığı değiştiğinde genleşme katsayısı kadar bir oranda boyut değiştirir.

Kristal örgü ve malzeme seçimi

Katıların atomları, çoğu durumda belirli bir düzende dizilmiştir; bu dizilime kristal örgü denir. Metaller, tuzlar ve elmas kristal örgülüdür. Cam, plastik ve amorf maddelerde ise atom dizilimi düzensizdir; bunlara kristal örgü denmez. Kristal örgü düzeni, malzemenin mekanik özelliklerini doğrudan etkiler; örgü gevşek maddeler kolay şekil değiştirirken sıkı örgülüler daha dirençlidir.

Malzeme seçimi kullanım amacı, beklenen yükün büyüklüğü ve ortam sıcaklığına göre yapılır. Köprü ve binalarda çelik, çekme dayanımı yüksek olduğu için; temel ve kolonlarda beton, basınç dayanımı yüksek olduğu için tercih edilir. Kiriş kesitlerinin genişliği ve köprü açıklığı da malzemenin dayanıklılığını etkiler. Beklenen yükün altında kırılma dayanımına sahip, hafif ve ekonomik malzeme seçmek tasarımın temel ilkesidir.

Malzeme Seçiminde Ölçütler

Yapı ve makine tasarımında malzeme seçimi, beklenen yüke ve çalışma sıcaklığına göre yapılır. Köprü kirişlerinde çelik, yüksek çekme dayanımı sayesinde büyük açıklıkların geçilmesini sağlar. Temel ve kolonlarda ise basınç dayanımı yüksek beton kullanılır; betonun çekme dayanımı zayıf olduğu için çekme taşıyan elemanlara donatı çeliği eklenir.

Geri dönüşüm de malzeme seçiminde önemlidir. Çelik ve alüminyum gibi metallerin geri dönüştürülmesi, hammadde tüketimini ve üretim enerjisini azaltır. Kırılan malzemelerden geri kazanılan metal, yeni üretime göre çok daha az enerji harcar; bu tasarruf da enerji veriminin iyileştirilmesiyle uyumludur.

Ne Öğreneceğiz

Katıların esneklik, rijitlik, kırılma dayanımı ve kristal örgü özelliklerini karşılaştırarak malzeme seçimini değerlendirir. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Katıların esnek ve rijit davranışını günlük örneklerle ayırt eder.
• Esneklik sınırının ve kırılma dayanımının mühendislik anlamını açıklar.
• Plastik biçim değiştirmenin malzeme ömrüne etkisini tartışır.
• Kristal örgü düzeni ile katıların özellikleri arasındaki ilişkiyi kurar.
• Bina ve makine tasarımında malzeme seçiminin önemini gerekçeleriyle açıklar.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Esnek davranışta cisim eski şekline döner, rijit davranışta şekil hiç değişmez.
• Esneklik sınırı aşıldığında kalıcı biçim değiştirme başlar ve buna plastik biçim değiştirme denir.
• Kırılma dayanımı, malzemenin kırılmadan dayanabileceği en büyük gerilmedir.
• Metaller kristal örgülü, cam ve plastikler düzensiz örgülüdür.
• Malzeme seçimi kullanım amacına, yüke ve sıcaklığa göre yapılır.
• Sünek malzemeler kırılmadan çok uzayabilir, gevrek malzemeler kırılgan davranır.
• Genleşme katsayısı malzemenin sıcaklığa verdiği tepkidir ve farklı maddelerde farklıdır.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama: