Metalik malzemeler, metal elementlerin veya temel bileşeni metal olan ve metalik özellikler gösteren malzemelerin genel adıdır. Bu grup, saf metalleri, alaşımları, intermetalik bileşikleri ve özel metalik malzemeleri kapsar. İnsanlık tarihinin gelişiminde merkezi bir rol oynayan metalik malzemeler, Taş Devri'nin ardından Tunç Çağı ve Demir Çağı gibi dönemlere adını vererek medeniyetin ilerlemesinde temel bir malzeme temeli oluşturmuştur. Günümüzde de mühendislik, inşaat, tıp, ulaşım ve teknoloji gibi sayısız alanda vazgeçilmez bir yere sahiptirler. Genellikle iyi termal ve elektriksel iletkenlik, kolay şekillendirilebilirlik, yüksek mukavemet ve darbe dayanımı gibi özellikleriyle bilinirler. Bu malzemeler, saf halde kullanılabildikleri gibi, belirli özellikleri geliştirmek amacıyla farklı metallerin veya metal ile ametallerin birleştirilmesiyle oluşturulan alaşımlar şeklinde de yaygın olarak kullanılırlar.

Sınıflandırma

Metalik malzemeler, kimyasal bileşimlerine ve özelliklerine göre temel olarak üç ana gruba ayrılır: demirli metaller, demir dışı metaller ve özel metal malzemeler.

Demirli Metaller

Bu grup, ana bileşeni demir (Fe) olan metalleri ve alaşımlarını içerir. Endüstriyel saf demir (%90'dan fazla demir içeren), dökme demir (%2 ila %4 karbon içeren) ve çelik (%2'den az karbon içeren) bu kategorinin en bilinen örnekleridir. Yapısal çelikler, paslanmaz çelikler, ısıya dayanıklı çelikler ve çeşitli amaçlar için geliştirilmiş hassas alaşımlar da demirli metaller sınıfında yer alır. Geniş anlamda, demir alaşımlarında sıkça kullanılan krom (Cr) ve manganez (Mn) gibi elementler ve bu elementlerin kendi alaşımları da bu grupta değerlendirilir.

Demir Dışı Metaller

Demir, krom ve manganez dışındaki tüm metalleri ve bunların alaşımlarını kapsayan geniş bir kategoridir. Bu grup kendi içinde hafif metaller (alüminyum, magnezyum, titanyum), ağır metaller (bakır, çinko, kurşun, nikel), değerli metaller (altın, gümüş, platin), yarı metaller, nadir metaller ve nadir toprak metalleri olarak sınıflandırılır. Demir dışı metallerin alaşımları, genellikle saf hallerine göre daha yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir. Ayrıca elektriksel dirençleri daha büyük, direnç sıcaklık katsayıları ise daha küçüktür. Alüminyum, bakır, pirinç, bronz ve titanyum alaşımları bu grubun yaygın örneklerindendir.

Özel Metal Malzemeler

Bu kategori, belirli yapısal veya fonksiyonel amaçlar için geliştirilmiş ileri teknoloji malzemelerini içerir. Bunlar arasında, hızlı soğutma (yoğunlaştırma) işlemiyle elde edilen amorf (camsı) metal malzemeler, yarı kristal, mikrokristal ve nanokristal yapılı malzemeler bulunur. Ayrıca, görünmezlik (stealth), hidrojen direnci, süperiletkenlik, şekil hafızası, yüksek aşınma direnci ve sönümleme gibi özel fonksiyonlara sahip alaşımlar ile metal matrisli kompozit malzemeler de bu grupta yer alır. Bu malzemeler, geleneksel metallerin özelliklerinin ötesinde performans sergileyerek havacılık, uzay, elektronik ve biyomedikal gibi alanlarda kullanılır.

Özellikleri

Metalik malzemelerin geniş kullanım alanları, sahip oldukları çeşitli mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerden kaynaklanır. Bu özellikler, malzemenin atomik yapısı, kristal düzeni ve kimyasal bileşimi tarafından belirlenir.

Mekanik Özellikler: Metalik malzemelerin en belirgin özelliklerinden biri yüksek mekanik dayanımlarıdır. Çekme dayanımı, basma dayanımı, yorulma dayanımı ve kırılma tokluğu gibi özellikler, özellikle yük taşıyan yapısal uygulamalarda tercih edilmelerini sağlar. Malzemelerin mekanik davranışlarını belirlemek için oda sıcaklığında çekme deneyi (TS EN ISO 6892-1 standardına göre) gibi standart testler uygulanır. Bu testler, malzemenin elastisite modülü, akma ve çekme mukavemeti gibi kritik değerlerini ortaya koyar. Sertlik, süneklik (plastik deformasyon kabiliyeti) ve tokluk (kırılmaya karşı direnç) da önemli mekanik özelliklerdendir.

Fiziksel Özellikler: Metalik malzemeler, serbest elektronlar içeren metalik bağ yapılarından dolayı genellikle iyi elektrik ve ısı iletkenliğine sahiptir. Yoğunlukları malzemeden malzemeye büyük farklılık gösterir; örneğin alüminyum hafifken, kurşun ve altın oldukça yoğundur. Ferromanyetik metaller olan demir, nikel ve kobalt gibi malzemeler ve bunların alaşımları, güçlü manyetik özellikler gösterir ve sürekli mıknatısların yapımında kullanılır.

Kimyasal Özellikler: Korozyon, metalik malzemelerin çevreleriyle kimyasal reaksiyona girerek bozulmasıdır. Korozyon direnci, bir malzemenin kullanım ömrünü ve güvenilirliğini belirleyen en önemli faktörlerden biridir. Paslanmaz çelik ve titanyum gibi bazı metaller, yüzeylerinde oluşan ince, yoğun ve koruyucu bir oksit tabakası (örneğin krom oksit veya titanyum oksit) sayesinde korozyona karşı oldukça dirençlidir. Bu pasif tabaka, malzemenin alttaki katmanlarını çevresel etkilerden korur.

^{İnşaat Demiri (AA)}

Yaygın Metalik Malzemeler ve Alaşımları

Endüstride ve günlük hayatta en sık karşılaşılan metalik malzemelerden bazıları şunlardır:

Dökme Demir: Yüksek karbon içeriği (%2-%4) sayesinde mükemmel akışkanlığa sahip olan dökme demir, karmaşık şekilli parçaların döküm yoluyla üretimi için idealdir. İçerdiği grafit sayesinde iyi aşınma direncine ve basma mukavemetine sahiptir. Kanalizasyon kapakları, mutfak gereçleri, makine gövdeleri ve motor blokları gibi alanlarda yaygın olarak kullanılır.

Çelik ve Paslanmaz Çelik: Çelik, demir ve karbonun alaşımı olup, karbon oranı %2'nin altındadır. Mekanik özellikleri, eklenen diğer alaşım elementleri (krom, nikel, molibden vb.) ve uygulanan ısıl işlemlerle geniş bir yelpazede değiştirilebilir. Paslanmaz çelik, minimum %10.5 krom içeren bir çelik türüdür. Krom, yüzeyde kendi kendini onaran bir krom oksit filmi oluşturarak paslanmayı önler. Östenitik paslanmaz çelikler (örneğin 304, 316L) ev ürünleri, endüstriyel borular ve tıbbi implantlarda; martensitik paslanmaz çelikler bıçak ve türbin kanatlarında; ferritik paslanmaz çelikler ise kazan parçaları gibi uygulamalarda kullanılır.

Alüminyum ve Alaşımları: Düşük yoğunluğu, iyi korozyon direnci ve yüksek mukavemet/ağırlık oranı ile öne çıkan alüminyum, modern bir mühendislik malzemesidir. Doğada boksit cevherinden elde edilir. Havacılık ve uzay sanayisinde, otomotiv sektöründe (araçların hafifletilmesi için) ve ambalaj sanayisinde yaygın olarak kullanılır. Alüminyum-lityum gibi ileri alaşımları, havacılık uygulamaları için özel olarak geliştirilmiştir.

Titanyum ve Alaşımları: Titanyum, paslanmaz çeliklere göre daha hafif olmasına rağmen benzer mukavemet özellikleri sunar. En önemli özelliklerinden biri, vücut sıvılarına karşı neredeyse tamamen inert olması ve yüksek biyouyumluluğudur. Bu nedenle ortopedik implantlar (kalça, diz protezleri), dental implantlar ve cerrahi aletlerde yaygın olarak kullanılır. Ti6Al4V alaşımı, yüksek korozyon direnci ve statik/dinamik dayanımı sayesinde hem biyomedikal hem de havacılık sektöründe en çok kullanılan titanyum alaşımıdır.

Bakır ve Alaşımları: Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği ile bilinen bakır, elektrik kablolarında ve ısı değiştiricilerde kullanılır. Pirinç (bakır-çinko alaşımı) ve bronz (bakır-kalay alaşımı) gibi alaşımları, korozyon direnci ve mekanik özellikleri nedeniyle boru tesisatları, vanalar, yataklar ve dekoratif amaçlar için tercih edilir.

Çinko: Alüminyum ve bakırdan sonra en çok kullanılan üçüncü demir dışı metaldir. Düşük erime noktası sayesinde döküm işlemleri için uygundur. En yaygın kullanımı, çeliği korozyondan korumak için kaplama (galvanizleme) işlemidir. Ayrıca pirinç alaşımının bir bileşenidir ve pil üretiminde kullanılır.

Üretim ve Şekillendirme Yöntemleri

Metalik malzemeler, ham cevherden son ürüne kadar çeşitli üretim ve şekillendirme süreçlerinden geçer. Bu yöntemler, malzemenin son şeklini, boyutlarını ve mekanik özelliklerini belirler.

Döküm: Metalin ergitilerek bir kalıba dökülmesi ve katılaşmaya bırakılması işlemidir. Karmaşık geometrili parçaların seri üretimi için uygundur. Kum döküm, hassas döküm, basınçlı döküm ve kokil döküm gibi farklı türleri vardır.

Plastik Şekil Verme: Malzemeye kalıcı şekil değişimi sağlayacak kuvvetler uygulayarak yapılan işlemlerdir. Bu yöntemler genellikle talaşlı imalat ihtiyacını azaltır veya ortadan kaldırır. Başlıca plastik şekil verme yöntemleri şunlardır:

• Haddeleme: Metalin, dönen iki merdane arasından geçirilerek kesitinin küçültüldüğü ve şekillendirildiği bir işlemdir. Levha, sac, şerit, ray ve çeşitli profillerin (köşebent, I-demiri) üretiminde kullanılır.
• Dövme: Malzemenin basma kuvvetleri altında, açık veya kapalı kalıplar içinde şekillendirilmesidir. Genellikle yüksek mukavemet ve tokluk gerektiren parçaların üretiminde tercih edilir.
• Ekstrüzyon: Silindirik bir metal blokun (takoz) yüksek basınçla bir kalıp deliğinden itilerek uzun ve sabit kesitli profillerin (boru, çubuk, ray) üretildiği bir yöntemdir. Alüminyum gibi kolay şekil alabilen malzemeler için yaygındır.
• Çekme: Tel, çubuk ve boru üretiminde kullanılan, malzemenin bir kalıptan çekilerek kesitinin küçültüldüğü bir işlemdir.

Toz Metalurjisi: Metal tozlarının yüksek basınç altında sıkıştırılıp ardından sinterleme (yüksek sıcaklıkta birleştirme) yoluyla katı parçaların üretildiği bir ileri imalat tekniğidir. Karmaşık şekilli, yüksek hassasiyetli ve üstün özellikli parçaların üretimini mümkün kılar.

Kaynak: İki veya daha fazla metal parçanın ısı, basınç veya her ikisi kullanılarak birleştirilmesi işlemidir. Elektrik ark kaynağı, TIG (Argon) kaynağı ve MIG-MAG kaynağı gibi yöntemler, metalik malzemelerin montajında yaygın olarak kullanılır.

İleri Metalik Malzemeler

İleri metalik malzemeler, geleneksel malzemelere kıyasla daha üstün özellikler sunan, yüksek katma değerli ve ileri teknoloji gerektiren malzemelerdir. Bu malzemeler, üretim aşamasında atomik düzeyde yapı kontrolü ile istenen tokluk, sertlik, sıcaklık ve korozyon dayanımı gibi özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanır. Önemli örnekler arasında nikel, kobalt ve titanyum bazlı süper alaşımlar (yüksek sıcaklık uygulamaları için), intermetalik malzemeler, ultra dayanımlı çelikler ve şekil hafızalı alaşımlar (belirli bir sıcaklıkta eski şekline dönebilen) bulunur. Bu malzemeler, ülkelerin teknolojik gelişmişlik düzeylerini ve ekonomik rekabet güçlerini artıran kilit bir rol oynamaktadır.