Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ -I

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ -I 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı 2.1. Atom Yapısı 2.2. Atom Bağları 2.3. Atomsal Yapı Türleri Metalik (Kristal) Yapı Amorf Yapı Bileşik Yapı Kolloidal Yapı Seramik Yapı 1

2 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı Yapı ilk boyutlandırma tasarım yükler altındaki davranış? Yükleme koşulları ve kesin hesaplamalar malzeme mekanik özellikler 2

3 2. Katı Cisimlerin İç Yapısı Mekanik Özellikler iç yapı Atom yapısı Bağlar Moleküler yapı Fazlar Tane yapısı Yapı Mühendisi min.fizik ve kimya bilgisi 3

4 2.1. Atom Yapısı Elektronlar (e) Çekirdek (p+n) Denge durumundaki bir atomda elektronların (-) sayısı protonların (+) sayısına eşittir. Elektronlar, çekirdek kütlesi yanında çok küçüktür (1/1850 oranında) ve bu değer kütle hesabında göz önüne alınmaz. Atomun en önemli özelliği, çeşitli bağ kuvvetlerinin meydana gelmesine yol açan elektron sayısıdır. 4

5 2.1. Atom Yapısı Atom numarası (Z) = proton sayısı = elektron sayısı (dengede) Kütle numarası (A) = Atomdaki proton ve nötronların toplam sayısı Z A 6 C O Fe s 2,2s 2,2p 2 1s 2,2s 2,2p 4 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6,4s 2,3d 6 5

6 2.1. Atom Yapısı Örneğin, atom numarası 92 olan uranyumun 92 elektronu vardır. r. Buna göre, g uranyum atomunun çekirdeğinde inde 92 proton ve 146 nötron n vardır. r. Böylece uranyumun kütle ağıa ğırlığı 238 olur (elektron kütle k ağıa ğırlığı ihmal). Yoğunluğu: 18.95g/cm 3 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 d 10 4s 2 p 6 d 10 f 14 5s 2 p 6 d 10 f 3 6s 2 p 6 d 1 7s 2 Valans elektronları: 5f 3 6d 1 7s 2 6

7 2.1. Atom Yapısı Nötr bir atom için; elektron sayısı= proton sayısı İyon yükü= proton sayısı elektron sayısı (E.S.) (K.N.) Kütle numarası= proton + (N.S)nötron sayısı (atom ağırlığı) Atom Numarası (A.N.) = Proton Sayısı = Çekirdek Yükü = Elektron Sayısı 7

8 2.1. Atom Yapısı 1 Angstrom = m Atomların çapları çok küçüktür (2-5 Angstrom). Atom numarasına bağlı olarak atom çekirdeğinin yarıçapı mm aralığında, atom yarıçapı ise yaklaşık 10-7 mm civarındadır. Hidrojenin atom yarıçapı 0, mm, toryumun atom yarıçapı 1, mm dir. 8

9 2.1. Atom Yapısı Elektronların çekirdekten belli mesafedeki yörüngelerde hareket ettiği kabul edilir. Her yörüngede 2n 2 (n yörünge sayısı) sayıda elektron bulunur. Yörüngeler K, L, M, N, O, P ve Q olarak adlandırılır. En dış yörüngede bulunan elektronlar: valans elektronları 9

10 2.1. Atom Yapısı Valans elektronları atomlar arası bağı, atomlar arası mesafeyi ve malzemenin birçok özelliğini etkiler. bulunanlardır (Periyodik cetvelin en sağ kolonu: VIIIA En kararlı atomlar en dış kabuğunda 8 elektron grubu). 2 He: 1s 2 10 Ne: 1s 2,2s 2,2p 6 18 Ar:1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6 36 Kr, 54 Xe, 86 Rn 10

11 2.1. Atom Yapısı Elektropozitif elementler Elektronegatif elementler Valans elekton sayısı azalır Kolay elektron verip pozitif yüklü iyon (katyon) oluştururlar. Elektronlarını ortaklaştırarak bağ oluştururlar. Elektron almaya ve negatif iyon (anyon) 11 haline gelmeye eğilimli

12 2.1. Atom Yapısı İZOTOP Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron ve proton sayısı belirler. Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır. İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir. 12

13 2.1. Atom Yapısı İZOTOP 13

14 2.1. Atom Yapısı İZOTOP Aynı atom numarasına (A.N.=p) sahip ancak kütle numarası (K.N.=p+n) farklı elementlerdir. Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir. Örneğin; 26 Atom numarasına sahip demirin izotopları: 54Fe (26 p, 28 n) 55Fe (26 p, 29 n) 56Fe (26 p, 30 n) kararlı 57Fe (26 p, 31 n) kararlı 58Fe (26 p, 32 n) kararlı 59Fe (26 p, 31 n) radyoaktif 60Fe (26 p, 32 n) radyoaktif 14

15 2.1. Atom Yapısı Bir atom gramda; örneğin 55,85 gram demirde 6, (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır. Demir atomunun 165 milyar kez büyütülmüş hali (HMK) Brüksel Belçika,

16 2.1. Atom Yapısı İZOTOP 16

17 2.1. Atom Yapısı İZOBAR Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotopların kütle sayıları birbirlerine eşit olabilir. Proton adedi farklı, kütle sayıları aynı atomlara izobar denir. 17

18 2.1. Atom Yapısı ATOM MODELLERİ Elektronların hareket etmediği tahmin edilen model Çekirdek etrafında güneş sistemine benzer belirli yörüngelerde dönen elektronlar Son olarak elektronların dalga hareketi yaptığı ve belirli bir bölgede bulunması ihtimali olduğu yörüngeler 18

19 2.2. Atomlar arası bağlar Bağ kuvvetleri: Teorik mukavemetin kaynağı Elektriksel ve ısıl özellikler Atomlar arası bağ kuvvetli ise şekil değiştirme direnci büyük, ergime sıcaklığı yüksek ve ısıl genleşme düşük olur. Atom bağları zayıf (fiziksel) veya kuvvetli (kimyasal) olabilir. Kimyasal bağlar üç şekilde olur. 19

20 2.2. Atomlar arası bağlar En dış yörüngedeki elektron sayısı az ise atom bu elektonları verip yörüngeyi boşaltma eğilimindedir. Bu elementler metaldir ve metal atomları birbiri ile metalik bağ ile bağlanır. En dış yörüngedeki elekton sayısı hemen hemen doluya yakın atomlar ise eksik elektronu tamamlamaya eğilimlidir. Bu elementler ametal olarak adlandırılır. İki ametal arasındaki bağ genelde kovalenttir. Bir metal ile ametal atom arasında ise iyonik bağ meydana gelir. 20

21 2.2. Atomlar arası bağlar BAĞ ÇEŞİTLERİ 1. İyonik Bağ 2. Kovalent Bağ 3. Metalik Bağ 4. Van Der Waals Bağı 21

22 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Metaller atomlarının son yörüngelerinde genellikle 1, 2 veya 3 elektron bulunur. Ametallerde ise son yörüngede 5, 6 veya 7 elektron bulunur (Bor hariç). 22

23 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Son yörüngedeki y eksiklikler elektron alış ışverişi i ile sekize tamamlanır. Elektron kaybeder Na + Cl - Na (0) yüksüz Elektron alır Cl (0) yüksüz Na + (+) Katyon Cl - (-) Anyon

24 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ İyonik bağ metaller ile ametaller arasında oluşur. ur. 24

25 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Sodyum klorür (NaCl) Yoğunluk g/cm 3 Ergime sıcaklığı 801 C Kübik kafes yapısı 25

26 2.2. Atomlar arası bağlar İyonik moleküller suda çözünebilir: Su molekülleri ile iyonlar arasındaki çekim iyonların suda çözülmesini sağlar. İyon yüküne göre su molekülleri yönlenir ve iyonları taşır. 26

27 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Magnezyum klorür (MgCl 2 ) Yoğunluk 2.32 g/cm 3 Ergime sıcaklığı 714 C Rombohedral kafes yapısı 27

28 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Kalsiyum oksit (CaO) Kübik kafes yapısı Yoğunluk 3.35 g/cm 3 Ergime sıcaklığı 2572 C 28

29 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ İyonik bağ yönsüzdür. Çünk nkü her iyon mümkm mkün n olduğu kadar zıt z t yönly nlü iyonla çevrilidir. Transfer edilen elektron sayısı arttıkça a bağı koparmak zorlaşı şır r ve malzemenin ergime noktası yükselir. 29

30 2.2. Atomlar arası bağlar 1. İYONİK K BAĞ Genel olarak iyonik bağ içeren katı malzemeler: Serttir. Çünkü atomlar arasında kayma hareketi oluşması güçtür. İyi yalıtkandır. Çünkü serbest elektronları veya serbest iyonları yoktur (bir çözeltide çözülmüş veya eritilmemişse). Kırılgandır, deforme olmak yerine çatlamaya meyillidir. Çünkü bağlar çok kuvvetlidir. Yüksek ergime sıcaklığına sahiptir. 30

31 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Elektronlar çekirdek etrafında döndd ndükleri gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. d Bu dönme d hareketi neticesinde elektromagnetik kuvvetler oluşur. ur Paylaşı şılan elektron ile pozitif çekirdek arasında çekim 31 kuvveti oluşur. ur.

32 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Bu bağlar periyodik tablodaki konumları ve elektronegatiflikleri birbirine yakın n olan atomlar arasında oluşur ur (ametal-ametal). ametal). Çok sayıda valans elektronunun yörüngeyi y boşaltacak şekilde verilmesi veya sekize tamamlanması çok enerji gerektirir. Valans elektronlarının ortak kullanımı ile kovalent bağ kurmaya eğilim e vardır. r. 32

33 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Valans elektronları ortaklaşarak arak oktetler (sekizli elektron sistemi) oluşturur. Kovalent bağ yönlüdür. Her atomun en yakın komşu u sayısı (8-N) kuralı ile belirlenir. (N en dışd kabuktaki elektron sayısıdır.) 33

34 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ F, Cl, Br, I, At N=7 8-N=88 N=8-7=1 Her atomun yalnız z bir komşusu var ise di-atomik moleküller ller oluşur. ur. 17 Cl 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 5 Cl Cl H 2, HCl (gaz) 34

35 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ O, S, Se, Te N=6 8-N=88 N=8-6=2 Her atom iki atomla bağlan lanır r ve uzun zincir oluşturur. Rubber-like strands of plastic sulfur formed by pouring hot molten sulfur into cold water. 16 S 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 4 35

36 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ N, P, Sb N=5 8-N=88 N=8-5=3 Her atomun üç oluşturur. komşusu vardır r ve plaka 7 N 1s 2,2s 2,2p 3 36

37 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ C, Si N=4 8-N=88 N=8-4=4 Her atomun dört d komşusu vardır r ve üç boyutlu yapı oluşturur. 6 C 1s 2,2s 2,2p 2 37

38 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ 3726 C 38

39 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Elmas hariç kararlı üç boyutlu yapı gösteremedikleri için i in düşük d k mukavemetlidirler. Polimerler genelde kovalent bağlı malzemelerdir. 39

40 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Atomlar arasındaki kovalent bağlar kuvvetlidir. Ancak moleküller arasındaki bağlar daha zayıftır. Bu nedenle kovalent bağlı malzemeler kırılgandır. Çoğu seramik kovalent bağlıdır. -Sert - İyi yalıtkan - Şeffaf 40

41 2.2. Atomlar arası bağlar 2. KOVALENT BAĞ Buz 0 o C de eriyince hidrojen bağlarının kabaca %15 i kırılır. Sonuç olarak tetrahedral yapı bozulur, her su molekülü komşu 4 molekülden daha fazla moleküle bağlanır. Böylece yoğunluk den 1 e çıkar. 41

42 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ çekirdek elektron bulutu Metaller son yörüngelerindeki valans elektronlarını serbest bırakarak iyon haline gelirler. Serbest kalan elektronların metal atomu çekirdeği ile bağları çok zayıftır ve hiçbir atoma bağlı kalmadan metal çekirdekleri etrafında serbestçe dolaşırlar. 42

43 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ çekirdek Metal atomları birbirine yaklaştığında son yörüngelerindeki enerji bantları birbirinin içine girer ve serbest elektronlar bu bantlarda hareket edebilirler. elektron bulutu 43

44 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ elektron bulutu çekirdek Metallerin valans elektronlarını serbest bırakmaları özelliği, iyi elektrik iletimi sağlamalarına sebep olur. Bu bantlar içinde hareket eden negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü çekirdek arasındaki çekim metalik bağı oluşturur 44

45 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ Metal atomları arasındaki bağ belirli atomlar ve elektronlara bağlı olmadığı için, atomların birbirine göre hareket etmesi ile bu bağ kopmaz. Bu özellik metallerin şekillendirilebilmelerini sağlar. 45

46 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ Alüminyum atomlarının en dış yörüngesindeki elektronlar serbest halde bir bulut oluşturur. Bu bulut iyi elektrik iletkenliğinin yanında deformasyon hareketini de kolaylaştırır. Böylece alüminyum cam ve diğer kırılgan malzemelerin tersine yüksek oranda deforme olabilir (düktil). 46

47 2.2. Atomlar arası bağlar 3. METALİK K BAĞ Metalik bağlar yönsüzdür. Aynı atomlar veya kimyasal olarak benzer atomlar arasında oluşur. Yüksek ısı ve elektrik iletkenliği: serbest elektronların kolay hareket etmesi. Serbest elektronlar ışık enerjisini yutmaktadır. Bu nedenle metaller opaktır. 47

48 2.2. Atomlar arası bağlar Kuvvetli bağlar ların n beraberliği Üç kuvvetli bağ ayrı ayrı incelense de birçok malzeme birden fazla şekilde bağlanabilir. Örneğin HCl'de H-Cl bağı sıvı çözeltilerde iyonik, gaz halinde iken kovalent bağlıdır. Hidrojen klorit gazı Hidroklorik asit çözeltisi 48

49 2.2. Atomlar arası bağlar Kuvvetli bağlar ların n beraberliği Bir malzemede birden fazla bağ bulmak mümkündür. Örneğin susuz alçı (anhidrit) CaSO 4 İyonik kovalent Ortorombik kafes 49

50 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI Bu bağlar, elektron alış verişini tamamlamış moleküller veya son yörüngesindeki elektron sayısı sekiz olan inert gaz atomları arasında oluşan zayıf bağlardır. 50

51 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI MOLEKÜL L KUTUPLAŞMASI Kovalent bağ ile kurulmuş bir molekülde, mesela hidrojen florür molekülünde paylaşılan elektronların çoğu florür atomu etrafında olacağından, molekül içinde bir elektrik yükü dengesizliği vardır. Molekülün + + H H Florür - Dipol + oluşumu H Florür - H + hidrojen tarafı pozitif florür tarafı negatif olur ve bu iki yük farkı moleküller arası çekim kuvvetini oluşturur. 51

52 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI Grafit plakları arasındaki ikincil zayıf bağlar. 52

53 2.2. Atomlar arası bağlar VAN DER WAALS BAĞLARI 53

54 2.2. Atomlar arası bağlar Mesafe - bağ enerjisi ilişkisi itme + + çekme + - itme itme - - itme 54

55 2.2. Atomlar arası bağlar Mesafe - bağ enerjisi ilişkisi Metal atomları arasında oluşan itme ve çekme kuvvetlerinin kuvvetin dengelendiği durumdaki atomlar arasındaki uzaklığa atomlar arası mesafe denilir. Bu konumda iç enerji en azdır; yani atomlar en kararlı durumdadırlar. Kuvvet Çekme Net kuvvet İtme Atomlar arası mesafe r R a = R + r a 55

56 2.2. Atomlar arası bağlar Mesafe - bağ enerjisi ilişkisi Net kuvvetin sıfır olduğu nokta, atomlar arası mesafenin en kararlı durumudur. Bu noktada atomlar arası bağ enerjisi değeri 56

57 2.3. Atomsal yapı türleri 1.Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı 4. Kolloidal Yapı 5. Seramik Yapı 57

58 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı Atomlar 3 boyutta belirli bir düzendedir. Tüm malzeme boyunca sürekliliğini korur. Kristalin karbon Kristalin SiO 2 Kristalin buz 58

59 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı Atomların dizilişinde bir düzensizlik vardır. Sıvılar amorf yapılıdır. Amorf karbon Amorf SiO 2 (cam) 59

60 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı Çok küçük kristal parçalarının gelişigüzel bir yığını vardır. Yığını tek kitle haline getiren bağlayıcı Ahşap Çelik 60

61 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı 4. Kolloidal Yapı duman, sis bitümlü emülsiyonlar 61

62 2.3. Atomsal yapı türleri 1. Kristal (Metalik) Yapı 2. Amorf Yapı 3. Bileşik Yapı 4. Kolloidal Yapı 5. Seramik Yapı Bir metal veya iki metal ile bir ametal atomun belirli steokimetrik oranlarda birleşmesiyle oluşurlar. Seramiklerde metal olmayan atom çoğunlukla oksijendir. Seramiklerde metaller katyon, ametaller ise anyon oluşumuna neden olurlar. Böylece seramiklerde iyonsal bağlar oldukça yaygındır. Ancak seramiklerde kovalan bağlara, kristal yapıya, hatta amorf yapıya da rastlanır. 62

63 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Metal atomları üç boyutlu olarak düzenli bir diziliş meydana getirirler ki buna uzay kafesi denilir. Üç boyutlu olarak tekrarlanan en küçük yapıya birim hücre (kafes) denilir. 63

64 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri 64

65 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları kübik a = b = c = = = 90 65

66 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları hekzagonal a = b c = = 90, =

67 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları tetragonal a = b c = = = 90 67

68 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları rombohedral a = b = c = = 90 68

69 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları ortorombik a b c = = = 90 69

70 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları monoklinik a b c = = 90, 90 70

71 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Kristal sistemi uzunlukları açıları triklinik a b c 90 71

72 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Yapı Malzemesi olarak kullanılan metallerin kristal yapıları daha çok kübik ve hekzagonal sisteme uymaktadır. Hacim Merkezli Kübik (hmk) Yüzey Merkezli Kübik (ymk) Sıkı dizilmiş hekzogonal (sdh) 72

73 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri 73

74 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Hacim Merkezli Kübik K (hmk) Küpün tam merkezine bir atom ve köşelere de birer atom yerleşmiştir. Küp hacminin içinde kalan atom hacmi: A-A kesiti r 2r 2a r 1 + 8*1/8= 2 adet a ADF= 3a 2 =16r 2 a= ADF= r 3 2*4/3*PI*r 3 a 3 A 74 A

75 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Yüzey Merkezli Kübik K (ymk): Küpün her köşesine birer atom ve her bir yüzeye de birer atom yerleşmiştir. Küp içinde kalan atom hacmi: B-B kesiti r 2r a r 6*1/2 + 8*1/8= 4 adet a ADF= 2a 2 =16r 2 a= ADF= r 2 2*4/3*PI*r 3 a 3 B B 75

76 Kristal (metalik) yapı kafes sistemleri Sıkı Dizilmiş Hegzagonal (sdh): Atomlar taban düzlemde altıgenin köşelerine ve bir tane de altıgenin tam ortasına yerleşmiştir. İki taban düzlemi arasında taban düzlemindeki üç atoma teğet olacak şekilde üç tane atom yerleşmiştir. ADF=

77 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları 2. Çizgi Hataları 3. Yüzeysel Y Hatalar 4. Segregasyon 77

78 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Boş Yer Boşyer: (Porozite) Katıla laşma sırass rasında büzülme, b yeterli sıvıs olmaması veya içeride gaz hapsolması nedenleri ile oluşur. ur. Boş yer Süreksizlik Kesitte daralma Mukavemet kaybı nedenidir. 78

79 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Boşluklar atomların n kristal kafes içerisinde i hareketleri kolaylaştırır r!!! 79

80 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Ara yer Yer alan Yabancı atomlar kristal kafes içerisinde i hareketleri zorlaştırır r!!! 80

81 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Ara yer alaşımlandırması (çelik) Çelik = demire karbon katılarak alaşımlandırılır. Dayanım ve sertlik artışı Demirin atom yarıçapı: 140 pm Karbonun atom yarıçapı: 70 pm 81

82 Kristal (metalik) yapı kusurları 1. Nokta Hataları Pirinç = bakıra çinko katılarak (%45'e kadar) alaşımlandırılır. Yüksek işlenebilirliğe sahip bir metal Yeralan alaşımlandırması (pirinç) Bakırın atom yarıçapı: 135 pm Çinkonun atom yarıçapı: 135 pm 82

83 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Atomların n hatalı dizilişleri leri bir çizgi boyunca devam ederse çizgi hatası oluşur. ur. Çizgi hataları kenar dislokasyonu ve vida dislokasyonu olarak bilinir. Dislokasyonlar (Bazı iyon sıra ve düzlemlerinin yanlış yerlerde bulunabilmesi) 83

84 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonu, kristal içinde i inde sona eren bir düzlemin kenarıdır. r. İşareti şeklindedir. 84

85 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Vida Dislokasyonu Vida dislokasyonunda ise, çizgi etrafındaki atomların n dizilişi i vidanın n helisi gibidir. İşareti şeklindedir. 85

86 Kristal (metalik) yapı kusurları 2. Çizgi Hataları Kenar ve vida dislokasyonları çoğu zaman beraber bulunurlar ki; buna karışı ışık k dislokasyon denilir. Dislokasyonlar, atomların n denge mesafesini bozduğu u için i in kristalin enerjisini artırır. r. 86

87 Kristal (metalik) yapı kusurları 3. Yüzeysel Y Hatalar Dış Yüzeyler: İç kısımdaki atomlar kendini çevreleyen atomlar ile denge durumunda olduğu u halde, metalin dışd yüzeye açılan a atomlarında denge durumu bozulmuştur. Tane SınırlarS rları: İki boyutlu olan bu sınırlarda s atomlar düzensiz yerleşirler 87

88 Polikristal yapı ve tane sınırları Metalik malzemelerin çoğu küçük kristal kümeciklerinden oluştuğundan polikristal adını alırlar. Bu kristal kümeciklerinin kristal yapısı da kendi içinde düzenlidir. Kristal kümeciklerinin ayrımını, bunların birim hücrelerinin değişik yönlerde dizilişinden anlayabiliriz. 88

89 Polikristal yapı ve tane sınırları Birleşen kristal kümecikleri arasında tane sınırı adı verilen atomik bir boşluk vardır. Bu bölgede belirli bir düzensizlik görülür. İnce yapılı bir metalik cismin kristal kümecikleri daha küçük yapılıdır. Bu nedenle kaba tane yapılı kristale kıyasla daha çok tane sınırı bulunmaktadır. 89

90 Ergime ve kristalleşme ile tane sınırı ilişkisi Her bir maddenin atomları devamlı titreşim im yapar. Bu titreşim im o maddenin sıcakls caklığını belirler. Sıcaklık k yükseldiky kseldikçe e titreşim im artar, düştükçe d e azalır. Mutlak sıfır s r sıcakls caklığında (-273( 273ºC) bütün b n atomların titreşimleri imleri durur. Metallerin sıcakls caklığı arttıkça, a, atomların titreşimleri imleri artar ve bu titreşimler imler atomlar arasındaki bağı zayıflat flatır. Titreşimlerin imlerin meydana getirdiği i enerji, metal atomlarını birbirine bağlayan enerjiyi geçince ergime dediğimiz imiz olay meydana gelir; yani metal sıvıs hale geçer. er. 90

91 Ergime ve kristalleşme ile tane sınırı ilişkisi Ergimiş bir metalin sıvıdan s katıya geçişinde inde meydana gelen kristalleşme iki safhada oluşur: ur: 1. Çekirdek oluşumu umu 2. Kristal büyümesi. b 91

92 Ergime ve kristalleşme ile tane sınırı ilişkisi TANE SINIRLARI Metal sıvıs halden katı hale geçerken erken genellikle çok sayıda kristal tanesi gelişir. ir. Katıla laşma tamamlandığı ığında tanelerin birleşti tiği i yerlerde atom kalınl nlığında düzensiz yerleşme oluşur. ur. Tek kristalli yapılarda tane aynı çekirdekten gelişir ir ve tane sınırlars rları oluşmaz. Tane sınırlars rları yüksek enerjilidir. (Yüzey gerilimi) Tane sınırlars rları kimyasal reaksiyona girebildiği i için i in üzerine dökülen d kimyasallar ile tespit edilir. 92

93 Kristal (metalik) yapı kusurları 4. Segregasyon Katıla laşma sırass rasında belirli fazların, belirli bir yerde toplanması. Makro ya da mikro olabilir. 93

94 Allotropik değişim Isı ve basıncın etkisiyle bazı cisimlerin kristal yapılarında değişimler olabilir. Bu tip kristal yapı değişimine allotropik değişim denir. Örnek: demir Oda sıcaklığında demir atomları hacim merkezli kübik (HMK) şekilde dizilir ki, buna ferrit denir. Sıcaklık 910 C ye yükseltildiğinde HMK yapı yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya dönüşür. Buna da ostenit denir. Isıtmaya devam ettiğimiz takdirde ostenit de 1400 C civarında delta demirine dönüşür ki, bu da HMK yapıdadır. Demir, delta hâlinden havada soğutulduğunda tekrar ostenite ve sonra da ferrite dönüşür. 94

95 Allotropik değişim Ergimiş hâldeki demirin ihtiva ettiği karbon % 2 ve altına düşürülerek çelik elde edilir. Çelik % 2 ye kadar karbon ihtiva eden demir-karbon alaşımı Daha yüksek karbon miktarı dökme demirlerde bulunur. Saf demirin ticari kullanımı yoktur. İstenen özellikteki çeliğe göre, karbonun yanında başka alaşım elementleri de olabilir (Nikel, Wolfram, Vanadyum, Titan, Molibden, Krom, Çinko, vs). 95

96 Allotropik değişim Mıknatıs çekmeyen çelik Ostenit, demirin 910 C üzerindeki allotropudur. Oda sıcaklığına inildikçe ferrite dönüşür. Çeliğe belli bir miktarın üzerinde nikel ilâve edilirse, ostenit fazı artık ferrite dönüşmez ve çelik oda sıcaklığında bile ostenit olarak kalır. Ostenit yapının iki özelliği vardır: Birincisi, ostenit fazı manyetik değildir. İkincisi ise, YMK yapılı metaller düşük sıcaklıklarda kırılgan hâle gelmez. Bu sâyede, ostenitik yapılı paslanmaz çelikler -150 ºC nin altındaki (kriyojenik) sıcaklıklarda kullanılabilir. 96

97 Allotropik değişim ALLOTROPİK K DEĞİŞİ ĞİŞİM Karbonun bazı allotropları: a) Elmas b) Grafit c) Altıgen elmas d-f) Fullerenler (C60, C540, C70) g) Amorf karbon h) Karbon nanotüp Karbon allotropları (8) 97

98 Allotropik değişim 98

99 Allotropik değişim 99

100 Allotropik değişim Hafif Karbon Fiberli M3 Cabrio Body pieces are all crafted from carbon fiber reinforced polymer.21 Glass-reinforced plastics are used throughout structural points in the car 100

101 Allotropik değişim nanotüp ve fulleren: yeni sentezlenen karbon formları 2010 Nobel Fizik Ödülü, "iki-boyutlu grafen malzemeler" İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'nde çalışan Rus kökenli bilimadamları Andre Geim ve Konstantin Novoselov Görüntü teknolojisinde büyük değişimler 101

102 Allotropik değişim Kalsit: CaCO 3 'ün en kararlı allotropu (300ün üzerinde kalsit kristal formu var) CaCO 3 'ün diğer allotropları: aragonit, mermer, kireçtaşı 102

103 İzotropi - anizotropi (mikro boyutta) Homojenlik, anizotropi ve izotropi boyuta bağlıdır. Tek kristal (monokrsital) yapı anizotropik iken, çoğu kristal yapılı malzeme izotropik ve homojen özellik gösterir. 103

104 İzotropi - anizotropi (makro boyutta) Mekanik, fiziksel, kimyasal özellikleri, dış etkilerin, uygulama doğrultusuna bağlı olarak, farklı değerler alabilir. Özelliklerin yönlere göre farklılık göstermesine anizotropi denir. İzotropik malzemeler (METALLER) δ 1 = δ 2 δ 1 Ξ δ 2 Anizotropik malzemeler (AHŞAP) δ 1 δ 2 δ 1 δ 2 104

105 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları Bir metalik malzemenin yapısı gerekli kesme, parlatma gibi hazırlıklar yapıldıktan sonra mikroskobik olarak incelenebilir. Bu çalışmalar şu açılardan çok yararlıdır: 1) Metalik göçmelerin nedenini açıklayabilirler, 2) Metalin geçmişini öğrenerek uygun fabrikasyon işlemini ortaya çıkarırlar, 3) Isıl işlemlerin yeterlilik derecesini saptarlar, 4) Alaşımların geliştirilmesine yardımcı olabilirler, 5) Metal bileşenleri ve özellikleri kestirilebilir. 105

106 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları Düşük karbon oranlı çelik Yüksek karbon oranlı çelik 106

107 Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları ferrit perlit sementit <