Difüzyon (Atomsal Yayınım)

Transkript

1 Difüzyon (Atomsal Yayınım) Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi, faz dönüşümleri, içyapıların dengelenmesi ve ısıl işlemlerin gerçekleşmesi gibi temel oluşum mekanizmaları gibi olaylar ile kaynak, lehim, sementasyon gibi işlemler büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlıdır. Difüzyon, ısıl etkenlerle teşvik edilen atomsal mertebedeki parçacıkların (atomların, iyonların ve/veya küçük moleküllerin) atomlar arası mesafelerden daha büyük uzaklıklara hareket etmesi demektir. Difüzyon, sıcaklık ve zamana bağlı bir atomsal yayınma olup; gaz ve sıvı ortamlarda kolayca gelişebileceği gibi katı 1 ortamda da gerçekleşebilir.

2 Eğer bir bardak su içerisine bir damla mürekkep damlatılırsa, mürekkebin yayılarak bir süre sonra tüm suyun rengini değiştirmesi sıvıdaki difüzyonun güzel bir örneğidir. Moleküllerin daha yüksek konsantrasyon alanlarından daha düşük konsantrasyon alanlarına hareketi ile difüzyon olayı gerçekleşir. Katılarda atom hareketleri daha yavaş olduğu için, sıvılardaki gibi difüzyon olayını gözle görmek oldukça zordur. Kaynak metalinin gliserin içerisinde bekletilmesi ile ortaya çıkan gaz baloncukları katılardaki difüzyon olayına örnek olarak verilebilir. Bu baloncuklar, hidrojenin katı metal içerisine difüz ettiğinin göstergesidir. 2

3 Atomsal Hareketler Termal enerji etkisinde oluşan atom hareketleri: Birincisi termal etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri, ikincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir (Difüzyon)

4 Atom ve molekül transferi ile kütle taşınımı olan yayınma (difüzyon); gaz ve sıvılarda partikül taşınımı ile de oluşur. Difüzyonun gerçekleşmesi için: Atomun gidebileceği uygun bir yer, Pozisyonunu terk edebilmesi için yeterli enerjiye sahip olması gerekir.

5 Atomların kütle içindeki yayınımı üç şekilde gerçekleşir. Birincisi, boş kafes köşesi yayınımı olup nispeten düşük bir enerji gerektirir. Bir kristal kafesinde var olan boş kafes köşesinin çevresindeki komşu atomların bu boş köşeye atlama olasılıkları aynıdır.

6 Atomların kütle içindeki yayınımı üç şekilde gerçekleşir. İkincisi, arayer atomunun kafeste mevcut atomlar arasından geçerek oluşturduğu harekettir. Buna arayer yayınımı denir ve oldukça yüksek enerji gerektirir.

7 Atomların kütle içindeki yayınımı üç şekilde gerçekleşir. Halka yayınımı denilen üçüncü yayınımın meydana gelme olasılığı düşük olmakla birlikte oldukça ilginçtir. Birbirine değerek halka halinde bulunan atomlar aynı anda ve aynı yönde hareket ederek birbirlerinin yerini alabilirler. Bu yayınım türü çok büyük enerji gerektirdiğinden ergime sıcaklıklarına yakın bölgelerde gerçekleşebilmektedir.

8 Yayınım sabitlerinin yayınım sisteminin türü ve yapısına bağlılığı şu şekilde açıklanabilir; Küçük atomlar daha kolay yayınır Belirli bir atom ergime sıcaklığı düşük, dolayısıyla atomlararası bağı daha zayıf olan ortamda daha kolay yayınır Atomsal dolgu faktörü düşük ortamlarda yayınım daha az enerji gerektirir Düzensiz yapıya sahip ve atom sıklığı tanelere göre daha az olan tane sınırları boyunca yayınım daha kolay oluşur. Bu nedenle faz dönüşümleri ve korozyon olayları tane sınırlarında başlar ve daha hızlı oluşur.

9 Atomsal Yayınım Kuralları

10 Zamandan bağımsız difüzyon 10

11 11

12 Bazı yayınım sabitleri Çözünen Çözen D 0 (m 2 /sn) Q (kcal/mol) C (ymk) Fe 0, C (hmk) Fe 2, Fe (ymk) Fe 0, Fe (hmk) Fe Ni (ymk) Fe 0, Mn (ymk) Fe 0, Zn Cu 0, Cu Al 0, Cu Cu 0, Ag Ag 0,

13 Katsayısı (ln D) 13

14 14

15 1. Yeterli aktivasyon enerjisi 2. Boşluk veya diğer kafes kusurları varsa, atomlar hareket edebilirler. Sıcaklığın artmasıyla bu hareketin hızı artar. Ergime sıcaklığı arttıkça malzemelerdeki aktivasyon enerjisi de artar. (bağların kuvvetli olması) Katıda oluşan atom hareketi için aktivasyon enerjisi Atomlar arası bağ enerjisi ve boyut farklılıkları difüzyon hızını etkilemektedir. 15

16 16

17 17

18 C x : 18

19 Kütle Taşınımı Gerçekleşen Endüstriyel Örnekler Sementasyon İşlemi Galvanizleme İşlemi

20 Sementasyon işlemi Az karbonlu çeliklerin işlenmesi kolaydır fakat aşınma mukavemetleri düşüktür. Çeliğe şekil verdikten sonra sürtünmeye maruz kalacak yüzeylere sementasyon işlemi uygulayarak yüzeydeki karbon oranı arttırılır, sonra su vererek sertleştirilir. Sementasyonda aktif karbon ortamında az karbonlu çelik yüksek sıcaklıklara ısıtılır. Karbon atomlarının yayınması sonucu yüzeyde ince bir tabaka boyunca yüksek karbonlu bir yapı oluşur. Bu çeliğe su verilirse yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı, içi yumuşak ve tok bir malzeme elde edilir. Örneğin motorların krank millerinin sürtünen yüzeyleri bu yöntemle sertleştirilir. 20

21 21

22 Galvanizasyon İşlemi Demir korozyona karşı mukavemetini arttırmak için ergimiş çinko banyosuna daldırılır. Çinko yüzeysel yayınım sonucu demir yüzeyinde ince bir tabaka oluşturur. Böylece korozyona karşı koruma sağlanır. Kaynak ve Lehim Yüksek sıcaklıkta basınç altında iki metal parçası arasında yayınım sonucu kaynak oluşur. Buna basınç veya demirci kaynağı denir. Ergime sıcaklığı 1535 C olan demire basınç kaynağı 800 C civarında uygulanır. Ergitmeli kaynak işleminde de iki metal parçası ergitilerek yüksek sıcaklıkta aralarında uzak mesafeli bir yayınım sağlanır. En iyi bileşim ergitme kaynağı ile sağlanır. Lehimde dolgu metalinin ergime sıcaklığı birleştirilecek ana metalinkinin çok altındadır. Lehim metalinin ergime sıcaklığı yükseldikçe yayınım derinliği artar ve daha mukavim bir bileşim sağlanır. 22

23 Kütle Taşınımı Gerçekleşen Endüstriyel Örnekler Kaynak ve Lehimleme İşlemi

24 24

25 Sinterleme İşlemi 25

26 Tane Büyümesi 26

27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 Laminated Ti/Al 2 O 3 composites were successfully fabricated by vacuum hot pressing sintering at different temperature (from 1150 to 1450 C) for different holding time (from 1.5 to 2.5 h) under pressure of 30 MPa. As temperature and holding time increased, the kinetic equation for growth of reaction layers could be expressed as d= exp( ( )/RT)t the reaction layers could be separated into three stages: 1. large vacancy concentration was reached in pure Ti; Al element diffused into Ti layer by the vacancy mechanism; 2. TiAl and Ti 3 Al phases began to grow and 3. joint together and formed the reaction layers. 37

38 Borlama Kinetiği 38

39 X 2 =D.t kullanılmıştır. X 2 -t arasında çizilen grafiklerin eğiminden Difüzyon katsayıları hesaplanmıştır. 39

40 Demir esaslı malzemeler o C sıcaklıkta, 2-6 saat sürelerde borlandığında, malzeme yüzeyinde demir-borür (Fe 2 B, FeB) fazından oluşan 250 μm tabaka derinliğine, 2500 HV 0.06 tabaka sertliğine ulaşabilen bir difüzyon tabakası meydana gelir. Bu tabaka dişli forma sahip olup ana malzemeye tutunma mukavemeti çok iyidir ve tabaka özellikleri, işlem parametrelerine bağlı olarak değişir. 40

41 41

42 Şekil: AISI 1040 çeliğinin (X 2 -t) diyagramı 42

43 Tablo: Difüzyon katsayıları Eşitliğinden faydalanılarak çizilen lnd-1/t grafiğinin eğiminden aktivasyon enerjisi değerleri hesaplanmıştır. 43

44 AISI 1040 çeliğinin lnd-1/t grafiği AISI P20 çeliğinin lnd-1/t grafiği 44

45 Tablo: Aktivasyon enerjisi değerleri 45