GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHEDNSİLİĞİ MEM-312 FİZİKSEL METALURJİ DERS NOTLARI

Transkript

1 1 GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHEDNSİLİĞİ MEM-312 FİZİKSEL METALURJİ DERS NOTLARI Hazırlayan Yrd. Doç. Dr. VOLKAN KILIÇLI ANKARA MART 2014

2 1 KONULAR 1-ARAYÜZEYLER 2-DİFÜZYON VİZE (ARA SINAV) 3-KATI ERİYİKLERDE ÇÖKELTİ MUKAVEMETLENMESİ 4-YENİDEN KRİSTALLEŞME KONU ALT BAŞLIKLARI 1. ARAYÜZEYLER 1.1. Metallerin arayüzeylerinin tanımlanması, sınıflandırılması 1.2. Kristal yapıda arayüzey hataları, tane sınırı modelleri 1.3. Arayüzey enerjisi, Arayüzey ıslatma açısı ilişkileri 2. DİFÜZYON (ATOMİK YAYINMA) 2.1. Difüzyon (Atomik yayınma), Difüzyon Türleri, Difüzyon Mekanizmaları 2.2. Fick kanunları, Arrhenius Denklemi, Difüzyon-Sıcaklık ilişkisi, Aktivasyon enerjisi 2.3. Difüzyon-Sıcaklık ilişkisi, Aktivasyon enerjisi, Difüzyon ile ilgili problemler ve çözümleri 3. KATI ERİYİKLERDE ÇÖKELTİ MUKAVEMETLENMESİ 3.1. Katı eriyiklerde yaşlandırma ile çökelme ve çökelti sertleşmesi 3.2. Dislokasyon-çökelti ilişkileri 4. YENİDEN KRİSTALLEŞME 4.1. Soğuk işlem- pekleşme, Frank-Read kaynağı, Birikmiş Enerji 4.2. Toparlanma ve Yeniden Kristalleşme 4.3. Yeniden Kristalleşme ve Tane büyümesi

3 2 1. ARAYÜZEYLER 1.1. Tane ve Tane Sınırları Katılaşma esnasında katılaşmanın heterojen olması nedeniyle sıvı fazdan katı faza dönüşümde aynı anda farklı bir ok bölgede tane çekidekciklerinin oluşup zamanla büyümesi sonucu malzemenin mikroyapısı birçok tanelerin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Doğal olarak taneler birbirlerinden tane sınırları ile ayrılmışlardır. Şekil 1.1. İki boyutlu bir kristal içinde tane sınırları; a) İki kristalin yan yana gelmesi, b) Yan yana gelen iki kristalin bir tane sınırı oluşturması. Şekil 1.2. Tane sınırları çeşitli tanelerin yönlenme farlılıkları sonucu ortaya çıkan sınırlardır

4 3 Resim 1.1. Alüminyumda geçirimli elektron mikrsokobu(tem) ile görüntülenmiş gerçek tane sınırı 1.2. Tane Sınırı Modelleri Eski tane sınırı modeli: Tane sınırlarında amorf yapıda bir tabaka ile kristalleri birbirinden ayıran ve hemen hemen bir sıvı sınır davranan bir sınır oalrak tanımlanır. Yeni tane sınırı modeli: Mükemmel kristaller birbirine neredeyse uzanır ve düzensiz noktalarda dokunur. Sınır birkaç atom içerir ve D noktası hem kendine hemde komşu taneye aittir. Genelde tane sınırları çok dar genişlikte olup, yalnızca birkaç angström'dür Şekil 1.3. Eski ve yeni tane sınırı modellerinin şematik gösterimi

5 4 Şekil 1.4. Atom sıçramaları yoluyla tane sınırlarının hareketi; a) Sınır hareketi mekanizması, b) Sınırdan geçen bir atomun serbest enerjisi Tane Sınırı Açıları Komşu iki tanenin belli kristalografik yönleri (veya düzlemleri) karşılaştırıldığında, aralarındaki sapma açısının (θ) büyük olduğu gözlenmiştir. Eğer bu sapma açısı 15 den büyükse yüksek açılı tane sınırı olarak tanımlanır. Taneler arasındaki kristalografik sapma daha küçük açılar mertebesinde olduğunda tane sınırlarına küçük açılı tane sınırları denir. Küçük açılı tane sınırları ile yüksek açılı tane sınırları arasındaki geçişi sağlayan ve karakter olarak her iki tane sınırı özelliklerini gösteren tane sınırlarına orta açılı tane sınırları denir. θ>15 ise Büyük açılı tane sınırı θ>3-15 ise Orta açılı tane sınırı θ<10 ise Küçük açılı tane sınırı Tane sınırlarının enerjileri karşılaştırıldığında en önemli özellik, tane sınırı sapma açısının (θ) artışı ile sınır enerjisinin artmasıdır. Artan tane sınırı açısı ile uyumsuzluk artar. Uyumun en yüksek noktasında tane sınırı enerjisi E TS = erg/cm 2 değerleri arasındadır. Yapılan

6 5 istatistikî ölçümler çok kristalli malzemelerde tane sınırlarının %90 nın yüksek açılı karakterde olduğunu göstermiştir. Şekil 1.5. Tane sınırı enerjisinin sınırı açısı (θ) ile deneysel olarak değişimi 1.4. Dar Açılı Sınırlar (Küçük açılı Tane Sınırları) Küçük açılı tane sınırlarında komşu kristaller arasındaki açı (θ) çok küçüktür. Açı küçüldükçe tane sınırının özelliği yarı uyumlu tane sınırı karakterine yaklaşır. Tane sınırındaki uyumsuzluklar, kenar dislokasyonlarını oluşmasıyla azaltılmaya çalışılır. Sınır boyunca oluşan dislokasyonlar alt alta sıralanarak birbirlerinin doğal çevrelerindeki gerilim ve sıkışma alanlarını nötralize ederek hem tane sınırı açısını ve hem de tane sınırı enerjisini azaltırlar. b b sin tan açısının küçük değerleri (yani dar açılı tane snırları) için; D ve b / ve b / Bu durumda; b D Burada b; Burgers vektörü, D; dislokasyonlar arası mesafe ve θ tane sınırı açısıdır. Dislokasyonlar arası mesafe(d) arttıkça, tane sınırı açısı (θ)azalır ve uyum artar, tane sınırı enerjisi azalır. Dislokasyonlar arası mesafe(d) azaldıkça, dislokasyon yoğunluğu artar ve sonuçta tane sınırı açısı (θ) da artar ve tane sınırı enerjisi de artar.

7 6 Şekil 1.6. Dar açı eğimli (tilt) tane sınırı Dar açılı eğim (tilt) sınırları kenar dislokasyonlarının dizilimi ile oluşurken, dar açılı twist (burkulma) sınırları vida dislokasyonları ile oluşur. Şekil. Dar açılı twist (burkulma) sınırı oluşumu.

8 Dislokasyon Birim Uzunluk Enerjisi Şekil 1.7. Bir tilt sınırında sıralanmış kenar dislokasyonları Tane sınırlarındaki kenar dislokasyonu birim boy enerjisi (E) aşağıdaki formülle ifade edilir. 2 Gb r E. n C 4 (1 ) ro Burada; G; kayma modülü, b; Burgers vektörü, ; Poisson s oranı, r o ; dislokasyon çekirdek yarıçapı, r; dislokasyondan uzaklık ve C; sabit tir. Kenar dislokasyonu birim boy enerjisi formülünde anlaşılacağı üzere, burgers vektörü arttıkça kenar dislokasyonu birim boy enerjisi artar Sınır Uyumluluğu Kristal sınırları ve arayüzeyleri arasında uyumlu (coherent), uyumsuz (semi-coherent) ve yarı-uyumlu (incoherent) olmak üzere üç tür uyum vardır.

9 Uyumlu sınırlar veya arayüzeyler Farklı kristal düzlemler arasındaki kafes parametresi (a) birbirine çok yakınsa, ortak sınırların ideal olarak uyumlu olduğunu söylenebilir. Sınırda bire bir uyum ve eşleşme vardır. Eşleşme için sınırda düzlemler arasına bir bükülme söz konusudur. Bu bükülme, sınırda kafes gerinmesi (lattice strain) üretir. Şekil 1.8. Uyumlu arayüzey veya sınır Yarı Uyumlu sınırlar veya arayüzeyler Uyumlu ve uyumsuz tane sınırları özellikleri arasında özellik gösteren tane sınırları yarı uyumlu tane sınırlarıdır. Bu sınırlarda uyumsuzluğun oluştuğu bölgesel ara düzlemlerin varlığı kenar dislokasyonlarının tanımlanmasıyla ifade edilir. Uyum olmayan yerlerde dislokasyonlar oluşur ve elastik deformasyonu düşürürler. Şekil 1.9. Yarı uyumlu bir sınırda, uyumlu (A) ve uyumsuz (B) bölgeler

10 Uyumsuz Kafes düzlemleri arasında bire birlik uyum söz konusu değilse oluşan sınır tam uyumsuz tane sınırıdır. Şekil a) ve b) Uyumlu arayüzey veya sınır, c) Yarı Uyumlu arayüzey veya sınır, d) Uyumsuz arayüzey veya sınır 1.7. İkiz Sınırları İkiz sınırları kristal kafesin oluşumu ile meydana gelebildiği gibi plastik deformasyon ve tavlama (ısıl işlem) ile de oluşabilir. Deformasyon kayması bir tür ikiz sınır oluşturur. Bu ikiz sınırı, düzlem boyunca kafes yapısındaki oryantasyon bozukluğunun bir ayna görüntüsü olan düzlemdir (Şekil 1). İkizler, ikiz sınırı boyunca kayma kuvveti etkidiğinde oluşabilir ve atomların pozisyon dışına kaymasına neden olur. İkizleme belirli metallerin şekil değiştirmesi veya ısıl işlemi sırasında olur. İkiz sınırları kayma ile kesişir ve metalin dayanımını arttırır.

11 10 Şekil a) Hatasız kristal kafes yapısı, b) Kristale gerilme uygulanması sonucu ikiz ve ikiz sınırları oluşumu, c) Pirincin mikroyapısında ikizleme. İkiz sınırının her iki tarafındaki kayma miktarı sınırda eşit uzaklıkta olup sınıra paraleldir. Şekil (a) Bir uyumlu ikiz sınır, (b) kısmen uyumlu (uyumsuz) bir ikiz sınır, c) uyumlu ikiz sınırın sabit bir düzlemde atomik yaklaşımda temsili olarak çizimi.

12 11 Şekil a) Uyumlu bir ikiz sınırı, b) Uyumsuz bir ikiz sınırı ve c) Tane sınırı oryantasyonunu bir fonksiyonu olarak ikiz sınır enerjisi değişimi. Tablo 1.1. İkiz ilişkilerinde Kristallerde ölçülen sınır serbest enerjileri (Birimler: mj/m 2 ) Kristal Uyumlu İkiz Sınır Enerjisi Uyumsuz İkiz Sınır Enerjisi Tane Sınırı Enerjisi Cu Ag Fe-Cr-Ni (Paslanmaz Çelik) YMK [110] ekseni 70.5 yüksek açılı sınıra sahip olduğundan uyum düşüktür. İkiz sınırları özel yüksek açılı tane sınırları olarakta bilinir İstif Hata Sınırı İstif hataları YMK kristal kafes yapısında atomların sıkı paket yığılmaları esnasında ortaya çıkar. YMK kristal kafes yapılarında ABCABCABC düzenindeki yığılmada ABCABABC şeklindeki bir sıralama eksik olduğunda ortaya çıkar. Bu tip yüzeysek hatalar ya sıvıdan katıya geçişteki kristal kafes oluşumu esnasında veya dislokasyon açılması veya genişlemesi ile oluşurlar.

13 12 Yığılma hatasının yarattığı arayüzey enerjisi düşük olduğu zamana bu hatanın kapladığı yüzey alanı artar. Örneğin Alüminyumda yığılma enerjisi yüksek iken, Cu ve HMK kafesli ferritik çeliklerden yığılma enerjisi düşük olduğunda yığılma hatalarının oluşum ve sayısı fazladır. ABABAB SPH yapı (hatasız) ABCABCABC YMK yapı (hatasız) ABCABABC İstif hatası Şekil ABABAB istif sırası sonucu SPH yapı oluşur Şekil ABCABCABC istif sırası sonucu YMK yapı oluşur

14 Yüzey Enerjisi veya Yüzey Gerilimi Yüzey enerjisi tanım olarak birim ara yüzeyi oluştururken kırılan atom bağ sayısı ile oratılıdır. Daha açık bir ifade ile ara yüzeyi oluştururken koparılan atomik bağlar için yapılan iş, harcanan enerji miktarıdır. Yüzey gerilimi yeni bir yüzey oluşturmak için gerekli iş olarakta tanımlanabilir. Kristal yapı içerisinde farklı atomik düzlemlerde atom yoğunluğu faklı olduğu için yüzey enerjisinin atomik düzlemlerin fonksiyonu olduğu veya atom yoğunluğu fazla olan kristalografik düzlemlerde oluşabilecek ara yüzeylerin enerjilerinin daha fazla olabileceği söylenebilir. 1- Kristal kafes yapısında yüzey gerilimi anizotropiktir. 2- En yüksek atom yoğunluğuna sahip düzlem en düşük yüzey gerilimine sahiptir. Yüzey enerjisini (gerilimini) termodinamik olarak ifade etmek gerekirse; dw γ= da (T, V, µi) Kırılmış atom bağ sayısı enerji γ=. Oluşturulan birim yüzey alanı bağ Şekil YMK kristal kafes yapısında farklı düzlemlerde atomik dizilim Örneğin; YMK kristal kafes yapıda (111) düzleminin ara yüzey enerjisi (200) ve (220) düzlemlerinin enerjilerinden daha düşüktür.

15 Yüzey Serbest Enerjisi Yüzey serbest enerjisi malzeme içersinde oluşturulan arayüzeylerin termodinamik anlamda malzemenin toplam serbest enerji değerine katkısı olarak ifade edilmiştir. Örneğin yüksek açılı tane sınırları oluşumunda tane sınırlarında atomlar arasındaki mesafeler normalde olması gereken minimum enerji veya denge konumlarından sapmalar gösterirler. Bunun sonucunda malzemenin toplam iç enerjisinde artmalar görülür. Sabit atmosfer basıncı altında Gibbs serbest enerjisi yerine Helmholtz serbest enerjisi göze alınabilir; G= H-TS H= E+PV G= E+PV-TS G= E-TS A ' : Helmholtz Serbest Enerjisi Sonuçta malzemede kaçınılmaz olarak oluşan arayüzeyler nedeniyle serbest enerji değerindeki artmalar; ' da da ' da dni - i da i da Saf metaller için Alaşımlar için şeklinde ifade edilirler. Burada; γ: Yüzey gerilimi A : Helmholtz serbest enerjisi A: Oluşan yüzey alanı µ i : Kimyasal potansiyel ' da da dn i da : Birim başına sistemdeki serbest enerji değişimi. : Birim arayüzey oluşması sonucu tane içindeki atom sayısında değişme (Tane sınırı alanındaki değişimden kaynaklanan)

16 Arayüzeylerin Denge Şekilleri Termodinamik olarak bütün sistemler daima en düşük enerji seviyelerinde denge konumuna eriştiklerinden, malzeme içerinde oluşan tane sınırlarının toplam uzunluğunu ve dolayısıyla tane şekillerini mümkün olan en düşük enerji seviyesine getirmek için ayarlar. Yapılan hesaplar ve metalografik incelemeler tane sınırlarının daima üçlü noktalarda dengeye geldiğini göstermiştir. Termodinamik denge için gerekli olan temel ilke; Denge = Sistemdeki minimum γda (yüzey alanı) Denge = Minimum da da fonksiyonu = Termodinamik potansiyel ise denge için γda minimum olmalı. γsabit ise denge sadece A' nın fonksiyonudur. Denge durumunda net enerjinin sıfır olması prensibi geçerlidir; Şekil Taneler arası üçlü bir noktanın tanımlanması sin sin sin γa en aza indirilmesi tane sınırlarının kenarlarında birleşme noktalarının niteliği ile ilgilidir. Çok kristalli malzemelerde, tane sınır enerjisi 600 erg/cm 2 olduğu bilinmektedir. Eğer dört tane dörtlü noktada birleşmişse bir tane ayrılarak 3üç taneyi üçlü noktada birleşecek şekle getirir ve denge konumunda θ 12 = θ 13 = θ 23 = 120 dir.

17 16 Şekil Sabun köpüğü tanelerinin büyümeleri sırasında ortaya çıkan sınır. Tane sınırları üçlü birleşim noktalarında termodinamik olarak dengededir İkincil Bir Fazın Varlığı Küçük miktar (Pb) sıvıhaldeki (Ni) içine ilave edilmiş; Pb, Ni içinde hemen hemen hiç çözünmez. Karışımı 350 C 'ye soğutulmuş kübik Ni kristalleri içinde dört farklı yerde yerleşir; (1) tane köşeleri, (2) Dört tane arasında kalan kenarlar, (3) İki tane arsındaki yüzeyler, (4) Tane içleri. Şekil Bir tane yapısında ikinci bir fazın yerleşebileceği yerler

18 Tane içi (Bulk) γa nın minimum olması için A minimum olmalı (Küre olmalı). Küresel şekil en düşük yüzey alanına sahip olduğu için tane iç hacminde yer alan ikincil fazların küresel şekilli olmasını bekleriz Yüzey Şekil Bir tane sınırına yerleşen bir ikinci fazın iki kesit görüntüsü Şekil Bir üçlü birleşim noktası için, dihedral açıyı tanımlayan kuvvet dengesi 2 cos 2

19 18 Şekil Bir tane sınırı veya tane kenarında üç farklı dihedral açısı (δ) için ikinci fazın şekli Şekil Dihedral açıya ((δ)) bağlı olarak arayüzey gerilimlerinin (γ) değişimi

20 Tane sınırı ve üçlü birleşim noktalarındaki δ değişimine göre değişik şekiller Şekil Bir ikinci fazın tane kenar ve köşelerindeki görünümü Şekil İkinci sıvı faz içeren Cu alaşımlarında δ: (a) ~80, (b) ~ 50, ve (c) ~0.

21 Arayüzey Islatma Açısı İlişkileri Şekil Bir yüzeydeki bir sıvı damlacığı için yüzey gerilim dengesi Sıvı damlacığı bir katı yüzeye damlatılırsa küre, elipsoid ve yüzeye yayılma şeklinde olabilir. Damlacığın bir yüzeye bırakılması neticesinde yüzey gerilim dengesi; cos KG KS SG γ KG = katı-gaz, γ KS = katı sıvı, γ SG = sıvı-gaz yüzey gerilimlerini göstermektedir. = 180 ise sıvı damlacığı küre olur. Islatmanın olmadığı durum için; KS KG SG olur. = 0 ise, ikinci faz tane sınırını tam olarak ıslatır, KS KG SG olur. Şekil A: Islatma yok, B: Kısmi ıslatma, C: Tam Islatma

22 Farklı dihedral Açı Değerleri ve Pratikteki Uygulamaları Sinterleme Uygulamaları: Toz halde Co + WC (kesici uç) Co ve WC bağlanması için metalin karbürleri iyi ıslatması gerekir. Dihedral açı (δ) düşük olmalı Çelikte Sıcak Gevreklik: Kükürt, demirle 988 C de FeS yapar. Sıcak haddelemede FeS ergir. FeS Fe δ değeri düşük (TANE SINIRINA GİDER) Çelik gevrekleşir (Sıcak gevreklik) Önlenmesi: Mn ilavesi Mn + S MnS (Terg= 1610 C) Lehimleme: Lehim yüzeyi başarılı şekilde ıslatmalı. Dihedral açı sıfıra yaklaşmalı Kompozit Üretimi: Metal ve seramik malzemelerin birleştirilmesi (Metal matrisli kompozitler) Dihedral açı 90 den küçük olmalı Tane Sınırı Segregasyonu: İki kristal yapı, sistemi, atom çapları uyumsuz ise; Kimyasal bileşik tane sınırına doğru itilir. Tane sınırına itilmemesi için δ 0 olmamalı. Örnek: Saf Ni+ Bi 700 C de bekletilme Sıvı Bi, Ni tane sınırlarına nüfuz eder. Tane sınırı boyunca kırılma olur.

23 22 2. DİFÜZYON (ATOMİK YAYINMA) Difüzyon (atomik yayınma) bir malzeme içindeki atomların hareketidir. Atomlar konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluşturmak için düzgün bir şekilde hareket ederler. Atom veya molekül hareketleriyle kütle taşınımına difüzyon denir. Diğer bir tanımla, malzeme içerisinde atom hareketleriyle kütle taşınmasıdır. Homojen malzemelerde aynı atomları yer değiştirmesi (kendi kendine difüzyon) gözlenir. Bu tür malzemelerde kendi kendine difüzyon ile kütle taşınımı görülmez. Malzemelere uygulanan pek çok ısıl işlem için atomların hareketi gereklidir. Metallerin ısıl işlemi, seramiklerin üretimi, malzemelerin katılaşması, transistör üretimi güneş pilleri ve hatta seramik malzemelerin çoğunun elektrik iletkenliği için difüzyona ihtiyaç vardır Kendi Kendine Difüzyon (Self Diffusion) Tamamen saf, katı düzenli malzemelerde atomlar bir kafes pozisyonundan diğerine hareket ederler. Kendi kendine difüzyon olarak biline bu işlem radyo aktif izler kullanılarak tespit edilebilir. Normal altın (Au 197 ) yüzeyine, altının (Au 198 ) radyoaktif izotopunun etkileştirildiği düşünülsün. Belli bir süre sonra radyoaktif atomlar, düzenli altın içine hareket ederler. Yeterince uzun süre beklenirse, radyoaktif atomlar bütün düzenli altın boyunca üniform olarak dağılır. Bütün malzemelerde devamlı olarak, kendi kendine difüzyon olmakla birlikte malzeme davranışı üzerine etkisi önemli düzeyde değildir. Şekil 2.1. Kendi kendine difüzyonun şematik gösterimi Alaşımlarda Difüzyon Alaşımlar ve seramiklerde benzer olamayan atomların difüzyonu söz konusudur. A malzemesi, B malzemesine bağlanırsa A atomları yavaş yavaş bakıra difüz ederken B atomları da A ya göç ederler. Eğer yeterince uzun süre beklenirse A ve B atomları bütün

24 23 metal boyunca üniform olarak dağılır. A ve B atomlarının konsantrasyonu metalin her yerinde aynı olduğundan, metal homojen haldedir. Şekil 2.2. İki farklı malzemede difüzyonun şematik gösterimi 2.3.Difüzyon Mekanizmaları Difüzyon mekanizmaları aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi Direkt yer değiştirme (Exchange), Çevrimli yer değiştirme-halka (Ring), Boşluk Difüzyonu (Vacancy), Arayer Difüzyonu (Interstitial), Arayerimsi Difüzyon (Interstitialcy), ve Tırmanmalı Difüzyon dur.

25 24 Şekil 2.3. Difüzyon Mekanizmaları; 1- Direkt yer değiştirme (Exchange), 2- Çevrimli yer değiştirme -Halka (Ring), 3- Boşluk Difüzyonu (Vacancy), 4- Arayer Difüzyonu (Interstitial), 5- Arayerimsi Difüzyon (Interstitialcy), 6- Tırmanmalı Difüzyon (Crowdion) Boşluk Difüzyonu: Kendi kendine ve atomların birbirlerinin yerini aldığı difüzyonda bir atom yanındaki boşluğu doldurmak için kendi kafesindeki yerini terk eder (bu nedenle orijinal kafes yerinde yeni bir boşluk oluşturur). Çok yüksek aktivasyon enerjisi gerektirmez. Kafes distorsiyona uğramadan atomlar hareket eder. Şekil 2.4. Boşluk difüzyonun şematik gösterimi

26 Arayer Difüzyonu: Kristal yapıda küçük bir arayer atomu varsa, atom bir arayerden diğerine hareket eder. Genelde atom yarıçapı küçük olan atomların ana atomların arasına göç etmesidir. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için atom boşluklarına ihtiyaç yoktur. Düşük aktivasyon enerjisi gerektirir. Şekil 2.5. Arayer difüzyonun şematik gösterimi 2.6. Direkt yer değiştirme: Atom yoğunluğu yüksek sistemlerde meydana gelir. Yüksek oranda kafes distorsiyonuna yol açar. Çok yüksek aktivasyon enerjisi gerektirir Çevrimli yer değiştirme: N adet atom sürekli bir şekilde birbirlerinin yerini alır. Aktivasyon enerjisi direkt yer değiştirmeden çok daha küçüktür Difüzyon için Aktivasyon Enerjisi Difüzyon sırasında atomların birbirini sıkıştırarak geçmesi için yüksek bir enerji gereklidir. Bu enerji aktivasyon enerjisi Q dur. Aktivasyon enerjisi (Q) difüzyon için enerji bariyeri olarak ta adlandırılır. Genellikle yeralan atomlarının difüzyonu için arayer atomlarından daha fazla aktivasyon enerjisine ihtiyaç vardır. Normal olarak bir arayer atomunun, çevre atomları geçmek için sıkıştırması daha az enerji gerektirir. Bunun sonucu olarak arayer difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisi yeralan difüzyonu veya boşluk difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisinden daha azdır. Düşük bir aktivasyon enerjisi daha kolay difüzyonu gösterir. Q Q arayer arayer Q Q yeralan boşluk

27 26 Şekil 2.6. Atomun bir denge konumundan diğer denge konumuna geçişi esnasında ihtiyaç duyulan enerji Şekil 2.7. Difüzyonda aktivasyon enerjisi (Q) engelinin aşılması Aktivasyon enerjisi sıcaklık, deformasyon, manyetik güç ve radyasyon ile aşılabilir. Metalik malzemelerde daha çok sıcaklıkla aktivasyon enerji sınırı aşılır.

28 Fick in 1. Kanunu Birim zamanda, birim düzlem alanı boyunca geçen atom sayısı olarak tanımlanan akı (J) ile ölçülebilir. Birinci Fick kanunu net atom akısını açıklar. Akı, difüzyon sırasında birim zamanda birim alandan geçen atom sayısı olarak tanımlanır. c J D x Burada J, akı (atomlar/m 2 s), D; difüzyon katsayısı(m 2 /s) ve Δc/Δx; konsantrasyon gradyantıdır (atomlar/ m 3.m). Difüzyon esnasında atomların akısını pek çok faktör etkiler. Şekil 2.8. Akı birim alandan geçen atom sayısı olarak tanımlanır c x Konsantrasyon gradyantı Şekil 2.9. Konsantrasyon gradyantının gösterimi

29 28 Konsantrasyon gradyantı, malzeme kompozisyonun uzaklık ile nasıl değiştiğini gösterir. Δc, Δx uzaklığındaki konsantrasyon farkıdır Difüzyonun Sıcaklığa Bağımlılığı (Arrhenius Bağıntısı) D Q RT. Do. e Arrhenius Bağıntısı Burada, D; Difüzyon Katsayısı, D o ; difüzyon için belirli sabit, Q; aktivasyon enerjisi (J/mol), R gaz sabiti (8.314 J/mol.K), T; sıcaklık(k) olarak gösterilmektedir. Tablo 2.1. Bazı malzemeler için difüzyon sabitleri (D o ) ve aktivasyon enerjisi (Q) verileri Difüze Eden Ana Malzeme D o (m 2 /s) Q (J/mol) Fe α-fe (HMK) 2,8x Fe γ-fe (YMK) 5x C α-fe (HMK) 6,2x C γ-fe (YMK) 2,3x Cu Cu 7,8x Zn Cu 2,4x Al Al 2,3 x Cu Al 6,5 x Mg Al 1,2 x Cu Ni 2,7 x Bir malzemenin sıcaklığı (T) arttığı zaman difüzyon katsayısı ve atomların akısı da artar. Yüksek sıcaklıklarda atomların difüzyonu için sağlanan enerji, atomların aktivasyon enerji engelini aşmasını ve daha kolaylıkla yeni kafes yerlerine hareket etmesini sağlar. Düşük sıcaklıklarda, genellikle malzemenin mutlak ergime sıcaklığının yakalşık 0.4 kat altında difüzyon çok yavaştır ve etkili olmayabilir. Bu nedenle seramiklerin işlemi ve metallerin ısıl işlemi yüksek sıcaklıklarda yapılır. Bu sıcaklıklarda, atomlar reaksiyonları tamamlamak veya denge şartlarına ulaşmak için daha hızlı hareket ederler.

30 29 Şekil Bazı seramik ve metaller için sıcaklığın fonksiyonu olarak difüzyon katsayıları (D) Aktivasyon enerji engelini aşmak için az bir ısıl enerji gerekli olduğundan, küçük bir Q aktivasyon enerjisi, difüzyon katsayısını ve akısını arttırır. Düşük aktivasyon enerjili arayer difüzyonu, genellikle boşluk veya yeralan difüzyonundan daha hızlı olur. Düşük yoğunluklu kristal yapılar boyunca difüz eden atomlar için aktivasyon enerjileri sıkı paket kristal yapılar için aktivasyon enerjileri ile karşılaştırıldığında, genellikle daha düşüktür. YMK demirde difüz eden karbon atomlarının aktivasyon enerjisi J/mol iken, HMK demirde difüz eden karbon atomlarının aktivasyon enerjisi J/mol dür.

31 30 Atomların difüzyonu için aktivasyon enerjileri, düşük ergime sıcaklığına sahip malzemelerde daha düşüktür. Q düşük yoğunluklu kristal yapı Q sıkı paket kristal yapı 2.11.Fick in 2. Kanunu Fick in ikinci kanunu atomların dinamik hallerini tanımlar. Diğer bir tanımla konsanrasyon gradyantının zamana bağlı olarak değişimini açıklar. C t C x 2 D 2 Denklemin çözümü belirli durumlar için sınır şartlarına bağlıdır. Fick in ikinci kanunun analitik çözümleri genellikle karmaşıktır ve malzemenin boyutlarına ve şekline bağlı olarak değişkendir. Sonuç olarak difüzyonda başlangıçta belli bir atom konsantrasyonun zaman içerisinde azaldığı prensibine dayanır. Her koşulda difüzyon katsayısının (D) olay sırasında sabit olduğu varsayımına dayanır ki bu pratikte her zaman geçerli değildir. Çok basitleştirilmiş difüzyon denklemini bulmak için, yapılan istatiki analizler sonucu, belli zaman içerisinde atomların difüze edeceği mesafeyi ifade eden bağıntı aşağıdaki şekilde tespit edilmiştir. x D. t Burada, x; atomların difüze edebileceği mesafeyi (m), t; zamanı (saniye) ve D; difüzyon katsayısını (m 2 /s) göstermektedir. Fick in ikinci kanunu tek boyutta yarı sonsuz sistemler için çözümü bize aşağıdaki bağıntıyı verir. Bu bağıntı sayesinde pratikte sementasyon (karbürleme), işlemi için gerekli zamanı ve difüzyon mesafesini hesaplayabiliriz. Cs Cx x erf C C 2 Dt s o

32 31 Burada, Cs; malzeme yüzeyine difüz eden atomların sabit konsantrasyonu, Co; malzemede difüz eden atomalrın başlangıç üniform konsantrasyonu, ve Cx; belli bir t zaman sonra yüzeyden x kadar uzaklıktaki difüz eden atomların konsantrasyonunu göstermektedir. erf hata fonksiyonudur ve Şekil 12. te gösterilmekte olup Tablo 2 de değerleri verilmektedir. 2 x 2 z erf ( x) e dz 0 erf erf (0) 0 ( ) 1 Şekil Fick in ikinci kanunun kullanışını gösteren, bir malzeme yüzeyine atomların difüzyonu

33 32 Şekil Hata fonksiyonu Tablo 2.2. Hata fonksiyonu değerleri x erf(x) x erf(x) x erf(x) 0 0 0,55 0,5633 1,3 0,9340 0,025 0,0282 0,60 0,6039 1,4 0,9523 0,05 0,0564 0,65 0,6420 1,5 0,9661 0,1 0,1125 0,70 0,6778 1,6 0,9763 0,15 0,1680 0,75 0,7112 1,7 0,9838 0,20 0,2227 0,80 0,7421 1,8 0,9891 0,25 0,2763 0,85 0,7707 1,9 0,9928 0,30 0,3286 0,90 0,7970 2,0 0,9953 0,35 0,3794 0,95 0,8209 2,2 0,9981 0,40 0,4284 1,0 0,8427 2,4 0,9993 0,45 0,4755 1,1 0,8802 2,6 0,9998 0,50 0,5205 1,2 0,9103 2,8 0,9999 Fick in ikinci kanunu için verilen denklemin çözümü; difüzyon katsayısı D nin sabit ve yüzeyde difüz eden atomun konsantrasyonu C s ve malzemede C o değişmeden sabit kalmak şartıyla, zaman ve uzaklığın bir fonksiyonu olarak malzeme yüzeyine yakın yerler difüz eden atomların konsantrasyonunu hesaplamayı mümkün kılar. Fick in ikinci kanununun sonuçlarından birisi D sabit kaldıkça değişik şartlarda aynı konsantrasyon profilinin elde edilebilmesidir. Bu özellik belirli bir ısıl işlemin uygulanması için gerekli zaman üzerine sıcaklığın etkisini belirlemeyi sağlar.

34 Difüzyon Türleri Yüzey, hacim ve tane sınırı olmak üzere üç tür difüzyon vardır. Hacim difüzyonunda atomlar bir kafes veya arayer bölgesinden diğerine hareket eder. Çevre atomlardan dolayı aktivasyon enerjisi büyüktür ve difüzyon hızı nispeten düşüktür. Buna karşın atomlar tane sınırları, arayüzeyler boyunca ve malzeme yüzeylerinde difüze edebilirler. Atomların paketlenmesi tane sınırlarında zayıf olduğu için atomlar tane sınırları difüzyonuyla çok kolaylık difüz edebilirler. Atomlar; yollarını düzensiz tane sınılarına doğru çok kolaylıkla sıkıştırabildikleri için aktivasyon enerjileri düşüktür. Yüzey difüzyonu ise en kolay olanıdır. Sonuç olarak tane sınırı ve yüzey difüzyonu için aktivasyon enerjisi daha düşük ve difüzyon katsayısı daha yüksektir. Tablo 2.3. Tungsten de toryumun difüze edebilirliği üzerine difüzyon türlerinin etkisi Difüzyon Türleri Yüzey Tane Sınırı Hacim (Kafes içinde) Difüzyon katsayısı (D) D Do. e Q RT e RT 0.47x e RT 0.74x e RT 1.00x10 D Yüzey >D Tane Sınırı >D Hacim Şekil Yüzey, hacim ve tane sınırlarında difüzyonun şematik gösterimi

35 34 Şekil Gümüş için hacim, tane sınırı ve yüzey difüzyonu durumlarında, difüzyon katsayısının karşılaştırılması Difüzyonun Pratikteki Uygulamaları Difüzyonun pratikte metalik malzemelere pek çok uygulaması görülmektedir. Bunlardan bazıları aşağıda maddeler halinde verilmektedir; Metallerin yüzey sertleştirme uygulamaları (sementasyon-karbürleme, nitrürleme, borlama, karbo-nitrürleme. Toz metalurjisinde sinterleme, Mikrosegregasyonu gidermede homojenizasyon ısıl işlemi Katı hal kaynağı (difüzyon kaynağı) Isıl işlemler (östemperleme-c difüzyonu) Yarı iletken üretimi

36 35 Şekil Metallerin yüzey sertleştirme uygulamaları Şekil Yüzeyi borlanmış iki farklı çelikte bor tabakası Şekil a)1035 çeliğinin yüzeyi N 2 gazı ile nitrürlenmiş mikroyapısı, b)yüzeyi karbürlenmiş dişlinin makroyapısı

37 36 3. KATI ERİYİKLERDE ÇÖKELTİ MUKAVEMETLENMESİ 3.1. Yaşlandırma ile çökelme ve çökelti sertleşmesi Metalik malzemelerin mukavemetlendirilmesinde dört temel yöntem vardır. Bunlar; 1- Soğuk deformasyon, 2- Katı eriyik mukavemetlenmesi, 3- Dağılım mukavemetlenmesi ve 4- Çökelti sertleştirmesidir. Günümüzdeki yüksek dayanımlı alaşımlar bu dört yöntemden en az biri tarafından dayanımı arttırılmıştır. Al alaşımlarında ilk çökelti sertleştirilmesi ile mukavemetlenme ve sertlik artışı 20. yüzyılın başlarında (1906) Alfred Wilm tarafından gözlenmiştir. Alfred Wilm, alüminyum alaşımları üzerine yaptığı çalışmalarında tıpkı çelik gibi yüksek sıcaklıktan ani soğutma (su verme) ve oda sıcaklığında bekleme sonucunda duralüminyumun sertlik kazandığını gözlemiştir. Duralüminyum olarak bilinen (Al-%4.4Cu- %1.5 Mg-%0.5Mn ) alüminyum alaşımının su verme ve oda sıcaklığında bekletilmesi sonucu sertliğinin zamanla artması doğal yaşlandırma olarak adlandırılmaktadır. Su verme sonrası 100 C-200 C arasındaki bir sıcaklıkta belirli bir süre bekleme ise yapay (suni) yaşlandırma olarak adlandırılmaktadır. Yaşlandırma sıcaklığının arttırılmasıyla yaşlandırma süresinin kısaldığı daha sonraki çalışmalarda ortaya çıkmıştır. Şekil 3.1. Al-Cu faz diyagramının alüminyumca zengin tarafı, yaşlandırma ısıl işlemindeki üç aşama ve üretilen mikroyapılar

38 Yaşlandırma Isıl işleminin Aşamaları Yaşlandırma veya çökelti mukavemetlenmesi yumuşak ve sünek matriste ince, sert ve uyumlu çökeltilerin homojen dağılımını sağlamak için tasarlanır. Duralüminyum yaşlandırılabilen Al alaşımlarının klasik bir örneğidir. Alümintum alaşımlarında 2XXX serisi(al-cu alaşımı), 6XXX serisi(al-si-mg alaşımı) ve 7XXX serisi (Al-Zn alaşımı) yaşlandırılabilen alüminyum alaşımları olarak bilinir. Şekil 3.2. Yaşlandırma (Çökelti sertleşmesi) ısıl işlemini zaman-sıcaklık diyagramında gösterimi 1. Aşama: Çözündürme Uygulaması (Çözeltiye alma): Alaşım ilk olarak solvüs sıcaklığının üzerine ısıtılır ve homojen katı eriyik (α) oluşana kadar beklenir (Şekil 3.1). Bu aşama θ çökeltisini çözer ve orijinal alaşımda bulunan herhangi bir segregasyonu azaltır. Al- %4 Cu alaşımında bu uygulama 500 C-548 C ler arasında yapılabilir. 2. Aşama: Su verme (Hızlı soğutma):çözündürme uygulamasından sonra yapısında sadece α içeren alaşım hızla soğutulur veya su verilir (Şekil 3.1). Atomlar potansiyel çekirdeklenme yerlerine difüz etmek için yeterli zaman sahip değildir ve bu yüzden θ fazı oluşmaz. Su vermeden sonra yapıda yine α vardır. α fazla bakır içeren aşırı doymuş katı eriyiktir (α SSSS ) ve dengeli bir yapıda değildir. 3. Yaşlanma: Son olarak aşırı doymuş α SSSS solvüs sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa ısıtılır. Bu yaşlanma sıcaklığında atomlar kısa mesafelere difüz edebilirler. Aşırı doymuş α SSSS dengede olmadığı için, fazla bakır atomları çok sayıdaki çekirdeklenme yerlerine difüz eder, çökeltiler oluşur ve büyür. Sonunda alaşım yaşlandırma sıcaklığında etkili bir süre bekletilirse α ve θ yapısı oluşur.

39 38 Al-Cu alaşımının yaşlandırılması sırasında dengeli θ meydana gelmeden önce seri çökeltiler oluşur. Yaşlanma başlangıcında, bakır atomları matriste (100) düzlemlerinde yoğunlaşırlar ve Guinier-Preston veya GP-1 bölgesi olarak adlandırılan çok ince bakır diskleri oluştururlar. Yaşlnam devam ettiğinde daha çok bakıt atomalrı çökeltilere difüz eder ve GP-1 bölgeleri daha kalın diskler veya GP-2 bölgelerine dönüşür. Daha sonra, GP-2 bölgeleri çözünür ve dengeli θ ya benzeyen θ oluşur. Son olarkta θ çözünür ve dengeli θ fazı tamamıyla çökelir (Şekil 3.3). Dengesiz (kararsız) çökeltiler; GP-1, GP-2 uyumlu çökeltilerdir. θ ise yarı uyumlu çökeltidir. Isıl işlemin başlangıç aşaması sırasında bu uyumlu fazların boyutu büyüdüğünde, alaşımın dayanımı yaşlandırma zamanı ile artar. Bu uyumlu çökeltiler varlıklarını korudukları sürece alaşım yaşlandırma şartları içerisindedir. Dengeli (kararlı) θ fazı çökeldiğinde alaşımın dayanımı düşer. Bu durumda alaşım aşırı yaşlandırılmış şartlar içindedir. θ halen bir miktar dağılım mukavemetlenmesi sağlar, fakat zaman arttırıldığında θ fazı daha da büyür ve sayılrı azalır. Mikroyapıda dislokasyon hareketlerini kilitleyen veya önleyen çok ince, sert ve homojen dağılmış ikinci faz çökeltilerinin varlığı ve dayanımı arttırmaktadır. Sertlik ve dayanım, çökelti boyutu belli bir büyüklüğe ve dağılıma ulaşıncaya kadar artmakta (maksimum dayanıma ulaşmakta) çökelti boyutundaki aşırı artma ise yüksek sertlik değerinin tekrar azalmasına neden olmaktadır Yaşlandırma Sıcaklığı ve Zamanın Etkileri Yaşlandırılabilen bir alaşımın özellikleri, yaşlandırma sıcaklığı ve zamanına bağlıdır (Şekil 3.3). 260 C deki yaşlandırma sıcaklığında Al-%4 Cu alaşımında difüzyon hızlıdır ve çökeltiler çabuk oluşur. Yaşlandırma devam ettiğinde ise küçük GP-1 ve GP-2 bölgelerinden θ oluşur. Dayanım, 0.1 saatten daha az bir zamanda, maksimuma erişir. Alaşım 0.1 saatten fazla bekletilirse aşırı yaşlanmış olur. Pek çok alüminyum alaşımı için tipik yaşlandırma sıcaklığı olan 190 C de optimum dayanım elde etmek için daha uzun tavlama zamanı gereklidir. Buna karşın düşük sıcaklık kullanmanın birçok faydası olabilir. İlk olarak maksimum dayanım, yaşlandırma sıcaklığı düştükçe yükselme eğilimi gösterir. İkinci olarak da elde edilen yüksek dayanım uzun bir süre korunabilir. Bu geniş pik noktalar, ısıl işlemcilerin sıcaklık ve zamanda küçük yanlış hesaplamalarına izin verir, fakat istenilen özellikler yinede de ortaya çıkar. Üçüncü olarak özellikler daha üniformdur. Alaşım 260 C de sadece 10 dakikalık süre için yaşlandırılırsa,

40 39 parçanın yüzeyi uygun sıcaklığa erişir ve mukavemetlenir, fakat merkez soğuk kalır ve yaşlanma çok az olur. Şekil 3.3. Yaşlandırma sıcaklığı ve zamanın Al-%4 Cu alaşımının akma dayanımı üzerine etkisi 190 C veya 260 C de yaşlandırma yapay yaşlandırma olarak adlandırılır. Çünkü alaşım çökelti oluşumunu sağlamak için ısıtılır. Çözündürme uygulanmış ve su verilmiş alaşımlar oda sıcaklığında da yaşlanır. Bu yaşlandırma ise doğal yaşlandırma olarak adlandırılır. Doğal yaşlandırma çok zaman gerektirir ve genellikle maksimum dayanıma birkaç günde ulaşılır. Şekil 3.4. a) Uyumsuz bir çökelti, kendisini kuşatan matrisin krital yapısı ile ilişkiye sahip değildir. b) çökelti ve matrisin kristal yapıları arasında sürekli (kesintisiz) bir ilişki olduğunda uyumlu bir çökelti oluşur.

41 40 Ancak uyumlu bir çökelti oluştuğunda çökelti kafesindeki atom düzlemleriyle matris kafesinin düzlemleri arasında süreklilik oluşur (Şekil 3.4.b). Süreklilik oluştuğu halde çökelti etrafında geniş bir gerilim alanı meydana gelir ve bu alna içerisinden geçen dislokasyonların hareketi zorlaşır. Uyumlu çökelti oluşturmak için yaşlandırma sıcaklık ve zamanın kontrolü gerekir Yaşlandırma Mukavemetlenmesi için Gerekli Özellikler Alaşımların hepsi yaşlandırılamaz. Isıl işlem sırasında bir alaşım gerçek yaşlandırmaya tepki vermesi için dört şartı yerine getirilmesi zorunludur. Bu şartlar şunlardır; 1. Faz diyagramı azalan sıcaklıkla birlikte azalan katı eriyebilirlik sergilemek zorundadır. Bir başka deyişle alaşım solvüs çizgisinin üzerine ısıtıldığında tek faz oluşturmalı ve daha sonra soğutmakla da iki faz bölgesine girmelidir. 2. Matris nispeten yumuşak ve sünek, çökelti ise sert ve kırılgan olmalıdır. Çoğu yaşlandırılabilir alaşımlarda çökelti sert, kırılgan metaller arası bileşiktir. 3. Alaşıma su verilebilmesi zorunludur. Bazı alaşımlara, ikincil sert fazın oluşumunu engellemek için, yeterince hızlı su verilemez. 4. Maksimum sertlik ve dayanımı geliştirmek için oluşan çökelti, matris yapısı ile uyumlu olmak zorundadır. Bundan başka çökeltinin boyutu, şekli ve dağlımı kontrol edilebilmelidir Dislokasyon-çökelti ilişkileri Yaşlandırmada çökelti oluşumunun ilk safhalarında, çekirdek sayısı zamanla artar. Yeni çökeltiler oluşurken, daha önce oluşmuş çökeltiler büyür. Hem çekirdeklenme hemde büyüme nedeniyle birim alaşım hacmindeki toplam çökelti hacmi sürekli artar. Ancak yaşlanmanın ileri safhalarında θ çökeltilerinin tamamı meydana geldiğinden, bundan sonraki yaşlandırma süresinde toplam çökelti hacmi sabit kalırken çökelti boyutu artmaya devam eder. Bu büyük çökeltilerin küçük çökeltileri yutması (yemesi) şeklinde olur Kesme Mekanizması Uyumlu çökeltilerin oluştuğu safhada, çökelti-matris arasındaki sınırda bölgesel iç gerilmeler meydana geldiğinden dislokasyonlar çökeltiler temas etmeden önce bu gerilim bölgelerinin etkisiyle kilitlenirler. Dolayısıyla hem çökeltilerin büyümesi sırasında bölgesel iç gerilimlerin artması, hem de yeni oluşan çekirdeklerin sayısının artmasıyla, dislokasyon hareketlerine karşı oluşan dirençte de artma meydana gelir. Sonuç olarak plastik deformasyon için

42 41 gereken kayma gerilimimi (akma dayanımını) çökelti boyutu ve toplam hacmini fonksiyonu olarak göstermek mümkündür. Vr. 1/2 Eşitlikten görülebileceği üzere, çökelti yarıçapı (r) ve çökelti hacmi (v) değerleri arttıkça kayma gerilimi () artmaktadır. Şekil 3.5. Ni-Cr-Al alaşımında Ni 3 Al çökeltilerinin dislokasyonlar tarafından kesilmesi sonucu görüntülenen geçirimli elektron mikroskobu (TEM) fotoğrafı Dislokasyonlar çökeltileri keserek geçerken dirençle karşılaşırlar. Eğer çökelti parçacıkları ara metalik bileşiklerde olduğu gibi sert iseler söz konusu direnç değeri oldukça yükselir. Dislokasyonlar, çökeltileri kesip geçtikçe çökeltilerin şekilleri bozulur ve kenarlarında burger vektörü ve onun katları kadar basamaklar oluşur (Şekil 3.5). Bu basamaklar yeni arayüzeyler oluşturduklarından sistemin toplam iç enerjisinde yükselmeler sebep olurlar. Böylelikle çökeltiler dislokasyonların hareketlerini bu nedenle de engellerler Orowan Mekanizması Uyumsuz çökeltilerin oluştuğu yaşlanmanın ileri safhalarında, toplam çökelti hacmi sabitken çökelti boyutu artmaya devam ettiğinden, çökeltiler arasındaki ortalama mesafe () artmaya başlar. Bu durumda dislokasyonlar çökeltileri kesme yerine onarlı çevreleyerek geçerler. Bu olaya Orowan mekanizması olarak bilinir. Mekanizmanın çalışması için çökeltiler arası mesafenin belli bir değeri aşması gerekir.

43 42 Şekil 3.6. Orowan mekanizmasının şematik gösterimi Şekil 3.6 da görüldüğü gibi dislokasyonun iki parçacık arasından yay şekli alarak geçmesi için yayın çapının 2r, çökeltileri arası ortalama mesafeye () eşit olması gerekir. Bu yüzden dislokasyonu hareket ettirmek için kayma gerilimi (); 1 olarak ifade edilir. Şekil 3.7. Kesme ve Orowan mekanizmaları

44 43 4. YENİDEN KRİSTALLEŞME 4.1. Soğuk Şekillendirme Numuneye akma gerilmesinden daha büyük bir σ 1 gerilmesi uygulanırsa gerilem kaldırıldığında kalıcı şekil değişikliği (plastik deformasyon) veya gerinim ε 1 oluşur (Şekil 4.1.a). σ 1 e gerdirilmiş numuneden gerilme kaldırılıp numune yeniden test edildiğinde farklı gerilme-gerinme eğrisi elde edilebilir (Şekil 4.1.b). Nu işlem tekrarına devam edilirse her defasında metale daha yüksek bir gerilme uygulanması gerekir. Akma ve çekme dayanımı yükselirken süneklik azalır. Sonunda metalin akma, çekme, kopma dayanımı eşit olana ve hiç süneklik kalmayana kadar bir mukavemetlenme oluşur (Şekil 4.1.c). (a) (b) (c) Şekil 4.1. Gerilme-gerinme diyagramında pekleşe oluşması. a) Numune gerilme kaldırılmadan önce akma dayanımının ötesi gerdirilmiştir, b) Şimdi numune daha yüksek bir akma ve çekme dayanımına fakat düşük sünekliğe sahiptir, c) İşlem tekrarlanırsa dayanım devamlı artmaya ve süneklik ise alaşım çok kırılgan olana kadar devamlı azalmaya devam eder Soğuk şekillendirmenin ticari saflıkta bakırın mekanik özellikleri üzerine etkisi Şekil 4.2 de gösterilmiştir. Soğuk şekil değiştirme miktarı yükseltildiğinde akma ve çekme dayanımının her ikisi de yükselir. Buna karşın süneklik azalır. Ve sıfıra yaklaşır. Daha fazla soğuk şekillendirmeye teşebbüs edilirse metal kırılır. Bu nedenle metale uygulanabilecek maksimum soğuk şekillendirme miktarı sınırlıdır.

45 44 Soğuk şekillendirme esnasında dislokasyonların sayısının artmasıyla dayanım artışı pekleşme olarak bilinir. Plastik şekil değiştirme ve ısıl işlem kontrol edilerek malzemeye uygun şekiller verilebildiği gibi özelliklerde kontrol edilebilir ve iyileştirilebilir. Şekil 4.2. Soğuk şekillendirmenin bakırın mekanik özellikleri üzerine etkisi 4.2. Dislokasyonların çoğalması Soğuk şekil değiştirme esnasında metalde dislokasyon sayısı arttırılarak mukavemetlenme elde edilir. Bir metal şekil değiştirmeden önce metalin her mm 3 de yaklaşık 10 4 mm dislokasyon çizgisi içerir Bu dislokasyon miktarı nispeten küçük bir dislokasyon miktarıdır. Şekil 4.3. Frank Read kaynağı şekilde görüldüğü gibi dislokasyonlar üretebilir. a) Bir dislokasyon uçlarında kafes hataları tarafından tutulur, b) Dislokasyon harekete devam ettiğinde dislokasyon kavislenir, c) Sonunda dislokasyon halkası oluşur, d) Yeni bir dislokasyon üretilir.

46 45 Akma geriliminden daha yüksek gerilme uygulandığında dislokasyonlar kaymaya başlar. Sonunda, kayma düzleminde hareket eden bir dislokasyon, dislokasyon çizgisi uçlarını tutan engellerle karşılaşır. Gerilme uygulanmaya devam edildiğinde dislokasyon hareketine merkezden kavislenerek halka oluşturana kadar devam edebilir (Şekil 4.3). Dislokasyon halkayı tamamlayıp uçları kendine dokunduğunda yeni bir dislokasyon üretilir. İki ucundan sabitlenmiş orijinal dislokasyon, burada açıklandığı gibi, yeni dislokasyon halkaları üretir. Dislokasyon üreten bu mekanizma Frank-Read kaynağı olarak bilinir. Dislokasyonların miktarı metalin her mm 3 de yaklaşık mm dislokasyon çizgisine yükselebilir. Dislokasyon miktarı çoğaldıkça birbirleriyle etkileşme ihtimalinin arttığı ve bunun sonucu olarak da metallerin daha dayanıklı hale geldiği bilinmektedir Tavlama Tavlama, soğuk şekillendirmenin etkilerini yok etmek ve soğuk şekillendirilmiş metali orijinal yumuşak ve sünek şartlarına geri döndürmek için tasarlanmış bir ısıl işlemdir. Diğer bir tanımla; soğuk deforme edilmiş hatalı yapı içerisinden hatasız, temiz yeni tanelerin çekirdeklenip büyümesidir. Tavlama pek çok şekilde ve aşamada yapılır. İlk olarak, tavlama soğuk şekillendirme sırasında oluşan pekleşmeyi tamamen yok etmek için uygulanabilir. Tavlama sonrası parça yumuşak ve sünektir, bununla birlikte iyi bir yüzey kalitesi ve düzgünlüğüne sahiptir. İkinci olarak, yeniden kristalleşmeden sonra süneklik yeniden kazandırıldığı için soğuk şekillendirmeye devam edilebilir. Tekrar edilen soğuk şekillendirme ve tavlama işlemleriyle, büyük miktarlarda şekil değiştirme sağlanabilir. Son olarak, soğuk olarak şekillendirilmiş bir parçada şekillendirme sırasında oluşan kalıntı gerilmeleri gidermek için mekanik özelikleri etkilemeksizin, düşük sıcaklıklarda tavlama yapılabilir. Tavlam işleminde üç aşama vardır. Soğuk şekillendirme ve bu üç aşamanın gerçekleştiği bir tavlama işleminin pirinç malzemenin (Cu-%35 Zn) mekanik özellikleri üzerine etkisi Şekil 4.4 de gösterilmektedir.

47 46 Şekil 4.4. Soğuk şekillendirme ve tavlamanın Cu-%35 Zn alaşımının özellikleri üzerine etkisi (a) (b) (c) (d) Şekil 4.5. Yeniden kristalleşme aşamaları; a)soğuk şekillendirme, b) Toparlanma, c) Yenidem kristalleşme ve d) Tane büyümesi Toparlanma Gerilim giderme veya toparlanma tavlaması kalıntı gerilmleri gidermek için tasarlanmış bir düşük sıcaklık ısıl işlemidir.mikroyapı; karmaşık ve çok sayıda dislokasyonları içeren şekil değiştirmiş tanelerden oluşmaktadır. Metal hafif yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında bir taraftan kalıntı gerilmeler azalıp ve sonunda yok olurken, diğer taraftan dislokasyonlar hareket eder ve yeniden düzene girer (bkz. Şekil 4.5.b ve Şekil 4.6).

48 47 Şekil 4.6. Toparlanma aşamaları Buna karşın dislokasyonalrın miktarında önemli bir azalma oluşmaz. Bunun yerine dislokasyonlar poligonal bir ağ şeklinde yeniden düzene girer (Şekil 4.5.b). Böylece şekil değiştirmiş taneler içerisinde dislokasyonlar yeniden düzene girerken, bir poligonal alt tane yapısını oluşturur. Alt tane yapısı, dislokasyonalrın bazı bölgelerde yoğunlaşmasının bir sonucudur. Bu yapı, poligonlaşma mikroyapısı olarak görünür. Dislokasyonların sayıları azalmadığı iiçin metalin mekanik özellikleri nispeten pek değişmez. Soğuk şekillendirmeden sonra gerilim giderme tavlaması yapılan bakır ve alüminyum teller iyi iletkenlik özelliklerini yeniden kazanırlar. Soğuk şekillendirme ile dayanımı artan tel birbirinden oldukça uzak iki mesnet arasında asıldığında, dayanabielceği bir dirence sahip olduğu gibi, halen iyi bir iletkendir Yeniden Kristalleşme Yeniden kristalleşme çok az dislokasyon içeren yeni tanelerin çekirdeklenme ve büyümesi ile olur. Metal yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, (yaklaşık metalin mutlak ergime sıcaklığının 0,4 katı) hızlı bir toparlanam ile kalıntı gerilmeler yok olur ve poligonlaşmış dislokasyon yapısı oluşur. Bu durumda, yeni taneler poligonlaşmış alt tane sınırlarında çekirdeklenir ve dislokasyonların çoğu yok olur (Şekil 4.7.iii). Dislokasyonların

49 48 sayısı büyük miktarda azltıldığından yeniden kristalleşen metalin dayanımı düşerken yüksek bir sünekliğe sahip olur. Şekil 4.7. Yeniden kristalleşme aşamalarının şematik gösterimi; i)soğuk şekillendirme, ii) Toparlanma, iii) Yenidem kristalleşme ve iv) Tane büyümesi 4.6. Tane Büyümesi Yüksek tavlama sıcaklıklarında toparlanma ve yeniden kristalleşmenin her ikisi de hızlı bir şekilde gerçekleştiğinden yeniden kristalleşmiş ince taneler oluşur. Büyük miktara ulaşan tane sınır birim yüzey enerijisi, yüksek sıcaklıkta küçük taneli yapıyı dengesiz yapar. Bu enerjisi azaltmak için nispeten büyük tanelerin küçük taneleri yutmasıyla tane büyümesi başlar. Bu olay tane büyuümesi olarak adlandırılır. Tane sınırları atomların düzensiz paketlenmesinden doalyı yüksek enerjiye sahiptir. Tane sınır alanaı, tane büyümesi ile azaltılırsa malzemde daha düşük bir toplam enerji elde edilir Depolanmış Enerji Metalik bir malzeme plastik deforme edildiğinde artan dislokasyon ve diğer kristal hataların sonucu, malzemenin iç enerji değerinde yükselme gözlenir. Söz konusu enerji artışı tamamen iç yapıda oluşan elastik gerilmeler sonucu olur.

50 49 Dislokasyon sayısındaki hızlı artış artan iç enerjinin %80-%90 kadarını oluşturur. Dislokasyonlar dışındaki kristal hataları; atom boşluğu, arayer atomu, istif hataları, ikiz sınırları sadece deformasyon enerjisinin %10 nun teşkil ederler. Temodinamik olarak soğuk deformasyon ile serbest enerji değişimi; G E PV T S olarak ifade edilir. Burada PV ve TSterimleri çok küçük olduğundan ihmal edildiğinde G E E S Toplam deformasyon enerjisi olarak ifade edilir. Soğuk deformasyona uğratılan bir metal ısıtılıp sıcaklık yeterli olmaya başladığında depolanan enerji açığa çıkmaya başlar Depolanmış enerjiye etki eden değişkenler Metalin Saflığı: Metal içerisindeki impurite miktarı arttıkça, dislokasyon hareketleri zorlaşacağından birim deformasyon miktarındaki dislokasyon yoğunluğu artar. Deformasyon Türü: Basit deformasyonda (çekme testi gib) sadece belli kayma düzlemleri aktive olacağından, dislokasyon artış hızı yavaştır. Deformasyon karmaşıklaştıkça, birçok kayma sistemi aynı anda çalışacağından dislokasyon yoğunluğu da hızla artacaktır. Deformasyon Sıcaklığı: Soğuk işlem sırasındaki sıcaklık arttıkça kristal hataları kendisini tasnif edeceğinden (toparlanma eğilimi), dislokasyon yoğunluğu ve toplam deformasyon enerjisinde azalma gözlenecektir. İstif Hata Enerjisi: İstif veya dizi hata enerjisi arttıkça, dislokasyonların bölünme olasılığı azalacağından, dislokasyonlar daha aktif olacaklardır. Buda dislokasyon yoğunluğu ve deformasyon enerjisinin arttırır. Tane büyüklüğü: Deformasyon öncesi tane boyutu küçüldükçe, tane sınırı-dislokasyon ilişkileri artacağından, tane sınırına yakın bölgelerdeki karmaşık deformasyon miktarı artacaktır. Sonuçta dislokasyon yoğunluğu, deformasyon enerjisi ve depolanmış enerji artacaktır Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı Yeniden kristalleşme sıcaklığı metalin mutlak ergime sıcaklığının 0,4 katı (0,4xT m ) olarak bilinmektedir. Gerçekte yeniden kristalleşme sıcaklığı yeniden kristalleşmenin (dönüşümü %95 nin) 1 saatte tamamlandığı sıcaklıktır.

51 50 Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı (T YK ) çeşitli işlem değişkenlerine bağlı olarak değişir; 1- Soğuk şekillendirme miktarı (soğuk deformasyon % si) arttığında T YK azalır. Yüksek miktardaki soğuk şekillendirme, metalde depolanmış enerji seviyesini arttırarak, yeniden kristalleşmede tanelerin çekirdeklenmesini hızlandırır. Minimum soğuk şekillendirme miktarı %30-40 tır. Bunun altında yapılan soğuk deformasyon oranlarında yeniden kristalleşme gerçekleşmez. 2- Soğuk şekillendirmede küçük orijinal bir tane boyutu önceki tane sınırlarında yeni tanelerin çekirdeklenebildiği, daha çok yer sağlandığından yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürür. 3- Saf metallerin yeniden kristalleşmesi katı eriyik mukavemetlendirilmiş alaşımlardan daha düşük sıcaklıklarda oluşur. Bu genellikle faydalıdır. Örneğin sert veya yumuşak lehimlenecek alaşımların birleştirme işlemi sırasında, tavlama ve yumuşamaya direnebilmesi, saf bir metalden daha etkili olabilir. 4- Tavlama zamanını arttırmak, yeninden kristalleşme sıcaklığını düşürür. Bu nedenler yeniden kristalleşen tanelerin çekirdeklenmesi ve büyümesi için daha çok zamana ihtiyaç vardır. Buna karşın sıcaklık daha önemlidir. Tavlama zamanını iki katına çıkarmak, yeniden kristalleşme sıcaklığının sadece 10 C düşürür. 5- Yeniden kristalleşme sıcaklığı alaşıma da bağlıdır. Genellikle yüksek ergime sıcaklığına sahip alaşımlar yüksek yeniden kristalleşme sıcaklığına sahiptir. Yeniden kristalleşme, difüzyon kontrollü bir işlem olduğu için yeniden kristalleşme sıcaklığı kabaca 0,4xT m e iel orantılıdır. Bazı metaller için tipik yeniden kristalleşme sıcaklığı Tablo 4.1 de verilmiştir. Tablo 4.1. Bazı metaller için tipik yeniden kristalleşme sıcaklıkları Metal Ergime Sıcaklığı ( C) Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı ( C) Sn 232 < Oda sıcaklığı Cd 321 < Oda sıcaklığı Pb 327 < Oda sıcaklığı Zn 420 < Oda sıcaklığı Al Mg Ag Au Cu Fe Pt Ni Mo Ta W

52 Yeniden Kristalleşme Kinetiği Yeniden kristalleşme, çekirdeklenme ve büyüme olarak iki aynı olayın iç içe oluşması şeklindedir. Çekirdeklenme ( Ṅ ); hem yapılan toplam deformasyonun hem de malzemenin tavlama sıcaklığının fonksiyonudur. ε kri Şekil 4.8. Sıcaklık ve deformasyon oranına bağlı olarak çekirdeklenme hızının etkisi Şekil 4.8. Zamana bağlı olarak çekirdeklenme hızının etkisi (sabit sıcaklık ve deformasyon oranında) Büyüme (G); ise sadece sıcaklığın fonksiyonudur. Sıcaklık arttıkça atomik yayınma hızı da arttığından tane sınırı hareketi de artar.