Endüstriyel üretim ve mühendislik uygulamalarında kullanılan malzemeler genel olarak dört ana grupta incelenmektedir. Bunlar metaller, seramikler, polimerler ve kompozit (karma) malzemelerdir. Malzeme bilimindeki gelişmeler, tarihsel süreçte araçların ve makinelerin tasarımlarını doğrudan etkilemiştir. Örneğin, geçmişte üretilen otomobillerde çelik malzeme kullanım oranı %80-90 civarındayken, günümüzde hafiflik, yakıt tasarrufu ve güvenlik gibi beklentiler doğrultusunda bu oran %35-40'lara kadar gerilemiş, yerini hafif metallere ve kompozit yapılara bırakmıştır.
Metaller, imalat sektörünün en temel yapı taşlarıdır. Demir, alüminyum, çinko, bakır ve nikel gibi saf metaller ile bunların alaşımları olan çelik (Fe-C), pirinç (Cu-Zn) ve bronz (Cu-Sn) bu gruptadır. Metaller kendi içinde demir esaslı ve demir dışı olmak üzere ikiye ayrılır. Civa hariç normal koşullarda katı halde bulunurlar, parlaktırlar, ışığı yansıtırlar, tel ve levha haline gelebilirler. Isı ve elektriği yüksek oranda iletmeleri ve yüksek erime noktalarına sahip olmaları en belirgin özellikleridir.
Seramikler, metaller ile metal olmayan elementlerin bir araya gelerek oluşturduğu inorganik kimyasal bileşiklerdir. Alüminyum oksit (Al2O3), magnezyum oksit (MgO) ve silisyum dioksit (SiO2) en yaygın örnekleridir. Seramiklerin ergime sıcaklıkları metal ve polimerlere kıyasla çok yüksektir. Isıl ve elektriksel iletkenlikleri son derece düşüktür, bu yüzden mükemmel birer yalıtkandırlar. Kimyasal ve ısıl kararlılıkları yüksek olup korozyona karşı dirençlidirler. En çarpıcı mekanik özellikleri ise yüksek basma mukavemetine sahip olmalarıdır, ancak çeki ve eğme gerilmelerine karşı dayanıksız ve kırılgandırlar.
Polimerler, karbon atomunun başta hidrojen olmak üzere oksijen, azot, flor ve klor gibi metal olmayan elementlerle oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Hafif olmaları, yüksek korozyon dayanımları ve elektriksel yalıtkanlıkları en büyük avantajlarıdır. Buna karşın çekme dayanımları metallere göre çok düşüktür ve yüksek sıcaklıklarda çalışmaya uygun değillerdir. Kompozit malzemeler ise farklı özelliklere sahip en az iki malzemenin makro düzeyde birleştirilmesiyle üretilir. Bu sayede hafiflik ve yüksek mukavemet bir arada sağlanarak özellikle uçak ve uzay teknolojilerinde yaygın kullanım alanı bulurlar.
Maddenin en küçük yapı taşı olan atom; proton, nötron ve elektron olmak üzere üç temel atom altı parçacıktan meydana gelir. Protonlar ve nötronlar atomun merkezindeki çekirdeği oluştururken, elektronlar çekirdeğin etrafında hareket ederek bir negatif yük bulutu oluştururlar. Protonlar pozitif yüklü parçacıklardır ve atomun ağırlığında hesaba katılan bir kütleye sahiptirler. Nötronlar ise yüksüz parçacıklar olup kütleleri protonlara oldukça yakındır. Atomun kütle numarasını proton ve nötron sayılarının toplamı belirler. Elektronlar ise en küçük negatif yüke sahip parçacıklardır ve özellikle dış yörüngedeki elektronlar atomun kimyasal, mekanik, elektriksel ve ısıl özelliklerini doğrudan belirler.
Atomlar tek başlarına belirli bir potansiyel enerjiye sahiptir. Bir araya gelerek bağ oluşturduklarında potansiyel enerjileri azalır ve denge durumunda minimum seviyeye iner. Bu durum kararlı bir yapının oluşmasını sağlar. Atomlar ve moleküller arası bağlar birincil (güçlü) ve ikincil (zayıf) bağlar olmak üzere ikiye ayrılır. Birincil bağlar iyonik, kovalent ve metalik bağları kapsarken; ikincil bağlar Van der Waals bağlarını içerir.
İyonik bağ, metal ve ametal atomları arasında gerçekleşen elektron alışverişiyle oluşur. Metal atomu elektron vererek pozitif, ametal atomu ise elektron alarak negatif yüklü iyon haline gelir ve aralarında güçlü bir elektrostatik çekim kuvveti oluşur. Bu bağa sahip bileşikler (örneğin sofra tuzu - NaCl) sert, kırılgan, yüksek erime noktalı olup katı halde elektriği iletmezken sıvı halde iletirler. Kovalent bağ ise elektronların ortaklaşa kullanılmasıyla oluşur; elektriği katı ve sıvı halde iletmezler. Metalik bağda ise pozitif yüklü metal çekirdekleri ortak bir elektron deniziyle çevrilidir. Bu yapı metallere yüksek iletkenlik ve şekil alabilme özelliği kazandırır. Van der Waals bağları ise molekülleri zayıf elektrostatik çekimlerle bağlayan ikincil bağlardır.
Ergimiş haldeki metal atomları soğutulup katılaştığında belirli bir geometrik düzene göre üç boyutlu olarak dizilerek kristal kafes yapılarını oluştururlar. Kendini tekrar eden bu en küçük geometrik yapıya 'birim hücre' veya 'birim kafes' adı verilir. Metalik malzemelerde en sık karşılaşılan kafes sistemleri kübik ve sıkı düzen hegzagonal yapılardır. Bunlar; Basit Kübik, Hacim Merkezli Kübik (HMK), Yüzey Merkezli Kübik (YMK) ve Sıkı Düzen Hegzagonal (SDH) kafes yapılarıdır. Örneğin nikel, platin, kurşun ve alüminyum YMK yapıya; krom, tungsten ve demir HMK yapıya; titanyum, çinko ve kobalt ise SDH yapıya sahiptir.
Malzemelerin şekillendirilebilme kabiliyeti, sahip oldukları atom ve kayma sistemi sayısıyla doğrudan ilişkilidir. YMK kafes yapısına sahip metallerde kayma sistemi sayısı, HMK yapılı metallere göre daha fazla olduğu için YMK metaller çok daha kolay şekillendirilebilirler. Örneğin alüminyumun (YMK) şekillendirilebilme kabiliyeti demirden (HMK) çok daha iyidir. Katılaşma süreci çekirdeklenme ve çekirdeklerin büyümesiyle tanelerin oluşması şeklinde iki aşamada gerçekleşir. Hızlı ve yönlü soğumalarda çubuksu taneler oluşurken, düzgün soğumalarda eş eksenli taneler oluşur. Kübik katılaşmada hızlı büyüme yönlerinde oluşan dallanmış kristal yapılara 'dendrit' adı verilir.
Gerçek malzemelerin kristal yapıları mükemmel değildir ve içlerinde çeşitli kusurlar barındırırlar. Bu kusurlar malzemenin mekanik ve fiziksel özelliklerini belirler. Kusurlar boyutlarına göre noktasal, çizgisel ve düzlemsel hatalar olarak sınıflandırılır. Noktasal hatalar; atomik boşluklar, arayer atomları ve yeralan hatalarıdır. Çizgisel hatalar dislokasyonlar olarak adlandırılır ve kenar dislokasyonu, vida dislokasyonu ve karışık dislokasyon olmak üzere üçe ayrılır. Düzlemsel hatalar ise atom dizilişinin bir yüzey boyunca bozulmasıyla oluşur; tane sınırları, ikiz sınırları ve istif hataları bu gruptadır. Bu hatalar malzemenin iletkenlik, mukavemet ve plastik şekil değiştirme kabiliyetini doğrudan etkiler.
Malzemeler üzerlerine uygulanan kuvvetin büyüklüğüne bağlı olarak elastik veya plastik olmak üzere iki tür deformasyona uğrarlar. Elastik deformasyon, uygulanan kuvvet altında atomlar arası mesafenin değişmesi ancak atomların komşularından kopmaması durumudur. Kuvvet ortadan kaldırıldığında malzeme tamamen eski boyutlarına geri döner. Bu durum, atomlar arası bağların bir yay gibi davranmasından kaynaklanır. Uygulanan kuvvet malzemenin elastik sınırını aştığında ise kalıcı şekil değişimi başlar ve buna plastik deformasyon denir. Haddeleme, dövme, ekstrüzyon ve tel çekme gibi işlemler plastik şekil verme yöntemleridir.
Kırılma, gerilme altındaki bir malzemenin iki veya daha fazla parçaya ayrılması olayıdır ve gevrek ile sünek olmak üzere iki ana tipe ayrılır. Tokluk, bir malzemenin kırılıncaya kadar sönümleyebildiği (absorbe ettiği) toplam enerji miktarını ifade eder ve darbelere karşı dayanım kapasitesini gösterir. Sünek malzemelerde çatlak ilerlemesi yüksek enerji gerektirirken, gevrek malzemelerde çok düşük enerjiyle çatlaklar hızla ilerler.
Gevrek kırılma, plastik deformasyonun hiç meydana gelmediği veya çok az olduğu, çatlağın çok hızlı ilerlediği son derece tehlikeli ve ani bir kırılma türüdür. Kırılma yüzeyi düz ve eğimsiz bir profile sahiptir. Genellikle düşük sıcaklıklarda (kış aylarında) ve dökme demir, cam, seramik gibi malzemelerde görülür. Sünek kırılma ise kırılma öncesinde büyük oranda plastik deformasyonun gerçekleştiği yüksek enerjili bir kırılmadır. Sünek kırılma sonucunda malzeme yüzeyinde karakteristik bir 'koni-çanak' görünümü oluşur ve kırılma yüzeyi eğimli bir profile sahiptir.
Demir-karbon alaşımları, endüstriyel alanda en geniş kullanım alanına sahip metalik malzemelerdir. Bu alaşımlar alaşımsız çelikler (sadece demir ve karbon içerenler) ve alaşımlı çelikler (demir ve karbonun yanında Mn, Cr, Ni, Si, Mo gibi elementler içerenler) olarak ikiye ayrılır. Saf demir oldukça yumuşak ve düşük mukavemetlidir. Demirin içerisine katılan karbon oranı arttıkça malzemenin sertliği ve mukavemeti artar; ancak süneklik, tokluk ve şekillendirilebilme özellikleri azalır. Karbon oranı %2'ye kadar olan alaşımlar çelik, %2 ile %6,67 arasındakiler ise dökme demir olarak sınıflandırılır.
Demir-Karbon denge diyagramında sıcaklık ve karbon oranına bağlı olarak farklı fazlar meydana gelir. Bunlardan ilki olan 'Ostenit', Yüzey Merkezli Kübik (YMK) yapıya sahip demir içinde karbonun çözünmesiyle oluşan arayer katı çözeltisidir. Yüksek şekillendirilebilme kabiliyetine sahiptir ve mıknatıslanmaz. 'Ferrit' ise HMK yapılı demir içinde çok az miktarda karbonun çözünmesiyle oluşan, demir-karbon sisteminin en yumuşak ve en sünek fazıdır. Oda sıcaklığında çok düşük karbon çözündürür, çekme dayanımı düşüktür ancak kopma uzaması %40 civarındadır.
Sementit (Fe3C), %6,67 karbon içeren, ortorombik kristal yapılı, aşırı sert ve gevrek bir arayer bileşiğidir. Çeliğe yüksek mukavemet ve sertlik kazandıran ana fazdır ancak şekil değiştirme kabiliyeti yoktur. 'Perlit' ise %0,8 karbon içeren ostenitin 723 °C'de yavaşça soğutulmasıyla oluşan, ferrit ve sementit fazlarının ince tabakalar halinde dizildiği ötektoid bir yapıdır. 'Ledeburit' ise 1130 °C'de ostenit ve sementitin oluşturduğu ötektik yapıdır ve sıcaklık oda derecesine düştükçe tamamen sementit ve perlite dönüşür.
Malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek veya iç ve dış yapılarındaki hataları tespit etmek amacıyla muayene yöntemleri uygulanır. Bu yöntemler tahribatlı ve tahribatsız olmak üzere ikiye ayrılır. Tahribatlı muayene yöntemleri, malzemeye kalıcı hasar vererek sınır değerlerini ölçer. En yaygın tahribatlı yöntem olan 'çekme deneyi', standart bir numuneye kopana kadar artan bir çekme kuvveti uygulanması esasına dayanır. Bu deneyle malzemenin akma noktası, çekme dayanımı, elastik ve plastik şekil değiştirme bölgeleri belirlenir. 'Basma deneyi' ise genellikle beton, tuğla gibi gevrek malzemelere uygulanır. Malzemenin darbe tokluğunu ölçmek için ise Charpy ve Izod çentik darbe deneyleri (kırma deneyleri) kullanılır.
Tahribatsız muayene yöntemleri, malzemelerin fiziksel bütünlüğüne hiçbir zarar vermeden iç ve yüzey kusurlarının tespit edilmesini sağlar. Özellikle çalışan sistemlerin periyodik kontrollerinde ve havacılık gibi kritik sektörlerde hayati öneme sahiptir. 'Penetran sıvı ile kontrol', yüzeydeki gözle görülemeyen ince çatlakların kılcal etkiyle sıvı emmesi ve ardından bir geliştirici (developer) yardımıyla görünür hale getirilmesi esasına dayanır. Sadece yüzey hatalarını tespit edebilir.
Malzeme içindeki derin kusurları tespit etmek için 'Ultrasonik kontrol' ve 'X ışınları ile kontrol' (radyografi) yöntemleri kullanılır. Ultrasonik kontrolde yüksek frekanslı ses dalgaları malzeme içine gönderilir ve içteki bir süreksizlikten yansıyan ekoların ekrandaki konumuna göre hatanın yeri belirlenir. Radyografide ise yüksek enerjili elektromanyetik dalgalar malzemeden geçirilerek arkadaki filme yansıtılır. 'Manyetik kontrol' ise sadece mıknatıslanabilen malzemelere uygulanır; parça yüzeyine uygulanan manyetik tozların, yüzeydeki çatlakların oluşturduğu manyetik kaçak alanlarda toplanmasıyla hatalar görünür kılınır.