Malzeme bilgisi veya malzeme bilimi, katı hâldeki malzemelerin iç yapıları, özellikleri, işlenmeleri ve performansları arasındaki ilişkileri inceleyen disiplinler arası bir bilim dalıdır. Temel olarak, herhangi bir malzemenin yapısını oluşturan materyalleri ve bu materyallerin özelliklerini ortaya koymayı hedefler. Bu bilim dalı, mevcut malzemeleri daha iyi anlamanın yanı sıra, farklı süreçler aracılığıyla yeni malzemelerin tasarlanarak insanlığın kullanımına sunulmasını amaçlar. Malzeme biliminin temelinde, bir malzemenin yapısı ile özellikleri arasındaki bağlantıyı doğru bir şekilde kurmak yatar. Bu yapı-özellik ilişkisi anlaşıldıktan sonra, malzemenin belirli bir uygulamadaki performansı öngörülebilir ve geliştirilebilir.

Malzeme bilgisi, fizik ve kimya gibi temel bilimlerle mühendislik uygulamaları arasında bir köprü görevi görür. Malzemelerin yapısı, atomik seviyeden başlayarak kristal, faz ve tane gibi daha büyük ölçekli seviyelere kadar farklı düzeylerde incelenir. Bu incelemeler, malzemelerin mekanik, termal, elektriksel, optik ve manyetik özelliklerinin nedenlerini anlamayı sağlar. Şekil verilmemiş bir ham madde, "proses" olarak adlandırılan şekil verme veya işleme aşamasıyla yeni ve işlevsel bir malzemeye dönüştürülür. Bu nedenle malzeme bilimi, "yapı-özellik-proses-performans" dörtgeni üzerine kuruludur.

Tarihçe

Malzeme biliminin kökenleri, insanlık tarihinin ilk dönemlerine kadar uzanır. Seramiklerin üretimi, bu alanın en eski uygulamalarından biri olarak kabul edilir. Ancak modern anlamda bir bilim dalı olarak ortaya çıkışı, maden bilimleri ve metalürjinin gelişimiyle yakından ilişkilidir. 19. yüzyılda malzemelerin termodinamik özelliklerinin anlaşılmasıyla alanda önemli adımlar atılmıştır. Bu dönemde, özellikle metallerin ve alaşımların davranışları üzerine yapılan çalışmalar, malzeme bilgisinin temellerini oluşturmuştur. 1960'lı yıllara kadar malzeme dersleri büyük ölçüde metalürji adı altında verilmekteydi. Bu tarihten sonra, polimerler ve seramikler gibi metal dışı malzemelerin de artan önemiyle birlikte, çalışma alanı genişlemiş ve "malzeme bilimi ve mühendisliği" olarak adlandırılan daha kapsayıcı bir disiplin hâline gelmiştir. Bu dönüşüm, bilimin sadece metalleri değil, tüm malzeme sınıflarını kapsayan bütüncül bir yaklaşıma sahip olmasını sağlamıştır.

Malzemelerin Yapısı

Bir malzemenin özellikleri, büyük ölçüde atomlarının nasıl düzenlendiğine bağlıdır. Malzeme bilgisi, bu düzenlemeyi farklı ölçeklerde inceler.

Atomik Yapı ve Atomlar Arası Bağlar

Her şeyin temelinde atomun yapısı yer alır. Elektronların atom çekirdeği etrafındaki orbitallerde nasıl dağıldığı (elektron dizilimi), bir atomun diğer atomlarla nasıl etkileşime gireceğini belirler. Değerlik elektronları, yani en dış kabuktaki elektronlar, atomlar arası bağların oluşumunda kilit rol oynar. İki atom birbirine yaklaştığında, aralarındaki itme ve çekme kuvvetleri dengeye ulaşır ve bu denge mesafesinde kararlı bir bağ oluşur. Bu bağlar, malzemenin temel özelliklerini tanımlar. Başlıca bağ türleri şunlardır: metalik, iyonik ve kovalent bağlar (birincil bağlar) ile Van der Waals bağları^【1】  (ikincil bağlar). Bağ türü, atomların katı hâlde nasıl bir düzen oluşturacağını doğrudan etkiler.

Kristal ve Amorf Yapılar

Katı malzemelerdeki atom düzenlenmesine göre iki temel yapıdan bahsedilebilir: kristal ve amorf.

Kristal Yapı: Metaller ve birçok seramik malzeme, atomların üç boyutlu uzayda düzenli ve tekrar eden bir desen oluşturduğu kristal bir yapıya sahiptir. Bu en küçük tekrar eden birime "birim hücre" denir. Atomların bu düzenli dizilimi, malzemeye anizotropi (yöne bağlı özellikler) gibi belirli karakteristikler kazandırır. Kristal yapılarda yönler ve düzlemler, malzemenin mekanik davranışını anlamada önemli referanslardır.

Amorf Yapı: Cam gibi bazı seramiklerde ve birçok polimerde, atomlar düzenli bir yapı oluşturmazlar. Bu tür malzemeler, uzun menzilli bir atomik düzenden yoksundur ve "düzensiz" veya "amorf" olarak adlandırılır. Bu yapısal düzensizlik, malzemelerin izotropik (yönden bağımsız) özellikler göstermesine neden olur.

Malzeme Sınıfları

Malzemeler genellikle atomik bağlarına ve yapılarına göre üç ana sınıfa ayrılır: metaller, seramikler ve polimerler.

Metaller

Metaller, metalik bağlarla bir arada tutulan bir veya daha fazla metalik elementten oluşur. Bu bağ yapısında değerlik elektronları serbestçe hareket edebilir, bu da metallere yüksek elektrik ve ısı iletkenliği kazandırır. Genellikle kristal bir yapıya sahiptirler. Bu yapı, atom düzlemlerinin birbiri üzerinden kaymasına izin verdiği için metaller sünek (kolayca şekil verilebilir) ve toktur. Saf metallerin yanı sıra, iki veya daha fazla elementin birleşimiyle oluşturulan alaşımlar da bu sınıfa girer. Alaşımlar, genellikle saf metallerden daha üstün mekanik özellikler sunar. Alaşımlar, katı çözeltiler veya intermetalik, arayer ve elektron bileşikleri gibi ara bileşikler formunda olabilir.

Seramikler

Seramikler, genellikle metalik ve metal dışı elementlerin bileşikleridir. Atomları arasında iyonik ve/veya kovalent bağlar bulunur. Bu güçlü bağlar nedeniyle seramikler sert, basma dayanımı yüksek, yüksek sıcaklıklara ve kimyasal etkilere karşı dirençli malzemelerdir. Ancak aynı zamanda kırılgandırlar. Seramikler hem kristal (örneğin, alümina) hem de amorf (örneğin, cam) yapıda olabilirler. Geleneksel seramikler (kil, porselen) ve ileri teknoloji seramikleri (motor parçaları, elektronik bileşenler) gibi geniş bir kullanım alanına sahiptirler.

Polimerler

Polimerler, "mer" adı verilen küçük moleküllerin tekrar eden birimler hâlinde kovalent bağlarla birleşerek oluşturduğu uzun zincirlerden meydana gelir. Genellikle organik bileşiklerdir ve karbon atomları iskeletin temelini oluşturur. Alkanlar ve alkenler gibi farklı organik bileşik türleri, polimerlerin yapı taşlarını oluşturur. Polimer molekülleri arasındaki ikincil bağlar (van der Waals) zayıf olduğu için genellikle düşük yoğunluklu, esnek ve düşük mekanik dayanıma sahip malzemelerdir. Ancak molekül zincirlerinin yapısı ve uzunluğu değiştirilerek çok çeşitli özellikler elde edilebilir.

Kristal Yapı Hataları

Teorik olarak mükemmel kabul edilen kristal yapı, gerçekte çeşitli hatalar içerir. Bu yapısal kusurlar, malzemenin özelliklerini, özellikle de mekanik mukavemetini ve elektriksel iletkenliğini önemli ölçüde etkiler. Hatalar boyutlarına göre sınıflandırılır:

• Noktasal Hatalar: Atomik boyutta, tek bir kafes noktasını etkileyen hatalardır. Boşluklar (eksik atom), arayer atomları (kafes arasına sıkışmış atom) veya yabancı atomlar bu gruba girer.
• Çizgisel Hatalar (Dislokasyonlar): Atom düzlemlerindeki bir boyutlu hatalardır. Kenar dislokasyonu (fazladan bir atom düzleminin sona ermesi) ve vida dislokasyonu (atom düzlemlerinin bir vida ekseni etrafında kayması) olmak üzere iki temel türü vardır. Dislokasyonların hareketi, metallerin plastik deformasyonunun (kalıcı şekil değişimi) temel mekanizmasıdır.
• Düzlemsel Hatalar: İki boyutlu yüzey hatalarıdır. Bunlar arasında en yaygını, farklı kristal yönelimlerine sahip bölgeleri (taneleri) ayıran tane sınırlarıdır. Tane sınırları, dislokasyon hareketini engelleyerek malzemeyi güçlendirir. Diğer düzlemsel hatalar arasında ikizlenme sınırları, dizilim hataları ve farklı fazları ayıran faz sınırları bulunur.