BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

Transkript

1 BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri Kristal Kusurları Dr. Ersin Emre Ören Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Bölümü TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Ankara - TÜRKİYE eeoren@etu.edu.tr

2 Kristal Kusurları Neden Önemlidir? Crystals are like people, it is the defects in them, which tend to make them interesting! Colin Humphreys Atom Bağları + Kristal Yapılar + Kristal Kusurları Malzeme Özellikleri Mekanik Optik Elektriksel Manyetik Isıl... Kristal Kusurları Nokta Kusurları Çizgi Kusurları Düzlemsel Kusurlar Hacim Kusurları 0 Boyutlu 1 Boyutlu 2 Boyutlu 3 Boyutlu

3 Alaşımların Kompozisyonu (Konsantrasyon) Alüminyum bakır alaşımı için elementlerin ağırlık yüzdeleri ve atom ağırlıkları aşağıda verilmiştir. Verilen bu değerlere göre alaşımın kompozisyonunu atom yüzdeleri cinsinden hesaplayınız. C Cu = C Al = 3 97 A = g / mol Cu A = g / mol Al N Al CAl A = Cu 100 C A + C A Al Cu Cu Al N Al g / mol = g / mol g / mol N Al = 98.7 at% N Cu CCu A = Al 100 C A + C A Cu Al Al Cu N Cu g / mol = g / mol g / mol N = 1.3 at% Cu

4 Çizgi Kusurları Dislokasyon (Aykırı yerleşim): çizgi veya 1 boyutlu kusur olarak adlandırılır ve çevresindeki atomların yanlış yerleşmesi / yerdeğiştirmesi sonucu oluşur. Bu kusurlar genellikle kristallerin büyümesi sırasında veya mekanik deformasyon nedeni ile olur. Si, Ge gibi kristallerde: tane / cm 2 iken bazı kristallerde tane / cm 2 çıkabilir... gibi değerlere Kenar Dislokasyonu (Edge dislocation) Burgu Dislokasyonu (Screw dislocation) Karışık dislokasyon (Mixed dislocation)

5 Çizgi Kusurları Kenar Dislokasyonu (Edge dislocation): kristal içerisinde fazladan bir yarım atom düzlemi varsa bu tip dislokasyonlara kenar dislokasyonu denir. Kayma vektörü (Burgers vector): bir dislokasyonun her adımda ilerlediği yönü ve mesafeyi belirtir.

6 Çizgi Kusurları

7 Çizgi Kusurları Burgu dislokasyonu (Screw dislocation): kristalin alt ve üst katmanlarına uygulanan kayma gerilmesi (shear stress) sonucu kristalin üst ön bölümü alt ön bölümüne göre bir atom uzaklığı kayarsa oluşur. Kayma vektörü (Burgers vector): bir dislokasyonun her adımda ilerlediği yönü ve mesafeyi belirtir.

8 Çizgi Kusurları Karışık dislokasyon (Mixed dislocation): kristal malzemeler içerisindeki dislokasyanları çoğunluğu ne tek kenar ne de tek burgu dislokasyonudur. Daha çok her iki tip dislokasyonun da özelliklerini belirli bölgelerde gösterirler. Kayma vektörü (Burgers vector): bir dislokasyonun her adımda ilerlediği yönü ve mesafeyi belirtir.

9 Çizgi Kusurları Kayma vektörü (Burgers vector): bir dislokasyonun her adımda ilerlediği yönü ve mesafeyi belirtir. Kayma vektörü nü bulmak için atomdan atoma her yönde eşit miktar giderek kapalı bir devre kurmaya çalışılır. Devrenin kapanması için gereken vektör kayma vektörüdür. b b b dislokasyon hattına diktir. b dislokasyon hattına paraleldir.

10 Düzlemsel Kusurlar Arayüzey kusurları (Interfacial defects ) iki boyutlu sınırlardır ve farklı kristal yapıları ve/veya kristalografik yönelimleri birbirlerinden ayırırlar. Bu kusurlar: Dış yüzeyler (External surfaces) Tane sınırları (Grain boundaries) İkizleme sınırları (Twin boundaries) İstif hataları (Stacking faults) Faz sınırları (Phase boundaries) Dış yüzeyler (External surfaces): En belirgin sınırlardır ve kristal yapının sona erdiği dış yüzey olarak tanımlanır. Yüzey atomları yapabilecekleri bağ sayısını tamamlayamazlar ve bu nedenle içteki atomlara göre daha yüksek bir enerji seviyesindedirler. Yüzey enerjisi (Surface energy): J/m 2. Malzemeler bu enerjiyi azaltmak için toplam yüzey alanlarını mümkün olduğunca küçültme eğilimindedirler.

11 Düzlemsel Kusurlar Tane sınırları (Grain boundaries): Tane sınırları çok kristalli malzemelerde farklı kristal yönlere sahip taneleri birbirinden ayıran bölgelerdir.

12 Düzlemsel Kusurlar Tane boyu belirlenmesi Kullanılan en yaygın yöntem ise, American Society for Testing Materials (ASTM) tarafından geliştirilmiştir. N = 1 2 n N: 100x büyütmede çekilen bir fotoğraf üzerinde 1 inç kare alan içerisindeki ortalama tane sayısı n: Tane boyutu numarası

13 Düzlemsel Kusurlar Tane boyu belirlenmesi 100x büyütmeli bir mikrograf üzerinde yapılan tane boyutu sayımı sonucu 1 inç karelik alanda ortalama 45 adet tane (grain) olduğu bulunmuştur. Bu metal numunenin ASTM tane boyutu numarası nedir? N = 1 2 n ( n ) log N = 1 log 2 log N n = + 1 log 2 log 45 n = + 1 = 6.5 log 2 Aynı numunenin 85x büyütmede çekilmiş mikrografı üzerinde 1 inç karelik alanda kaç adet tane (grain) bulunur? 1 inç 2 100x inç 2 85x 45 N 45 = = N Mx = N 100x 2 M 100

14 Düzlemsel Kusurlar İstif hataları (Stacking faults): Sıkı paketlenmiş (close packed) yapılarda meydana gelen paketlenme hatalarıdır. Yüzey Merkezli Kübik Face Centered Cubic (FCC) Altıgen Kapalı Yapı Hexagonal Close Packed (HCP) A B C A B C A B C A B C A B A B C A A B A B A B A B A B A B A B B A B A B A

15 Düzlemsel Kusurlar İkizlenme sınırları (Twin boundaries): Tane sınırlarının özel bir durumudur ve tane sınırı boyunca kafes yapısı içerisinde ayna simetrisi oluşması durumudur. İkizlenme sadece belirli kristal düzlemleri ve yönlerinde oluşur. Tane sınırlarının özel bir durumudur ve tane sınırı boyunca kafes yapısı içerisinde ayna simetrisi oluşması durumudur. Nitinol (Nickel Titanium-Naval Ordnance Laboratory): Şekil Bellek Alaşım (Shape Memory Alloy )

16 Önümüzdeki Ders Saatinde Ders Kitabımızın 5. Bölümündeki KATILARDA YAYINIM (DİFÜZYON) adlı konuya başlayacağız!