ATOMSAL YAPILAR. Düzensiz yapı(amorph-orderless): Atom veya moleküllerin rastgele dizilmesi.

Transkript

1 MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME BİLİMİ Kristal Yapısı Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

2 ATOMSAL YAPILAR Malzemeler atomların bir araya gelmesi ile oluşur. Atomları bir arada tutan kuvvete atomlar arası bağ denir. Atom düzenleri 3 şekilde incelenebilir: Düzensiz yapı(amorph-orderless): Atom veya moleküllerin rastgele dizilmesi. Kısa aralıklı düzenli yapı(short range order): Küçük ölçekte düzenlilik. Uzun aralıklı düzenli yapı (Long range order): Bütün hacimde düzenlilik; Kristal malzemeler(metaller, seramikler, kristal camlar, bazı polimerler. Atomların diziliş şekilleri: 1. Amorf 2. Moleküler 3. Kristal

3 MALZEMELERİN KRİSTAL YAPILARI Metaller kristal yapıya sahiptirler. Seramikler daha kompleks kristal yapıya sahiptirler. Camlar, kristal yapıya sahip değillerdir. Polimerler; amorf veya kristal veya belli oranlarda iki yapıya birden sahip olabilirler.

4 Kristalize olmuş silisyum ile amorf silisyumdaki atomik düzenler. (a) Amorf silisyum(b) Kristalin silisyum. Amorf silisyumdaki atomlar arası mesafeye dikkat edin!

5 KRİTAL MALZEMELER Kristal Malzemeler: 3 boyutlu uzayda düzenli ve sürekli tekrar eden birim hücre lere sahip malzemelerdir. Birim hücre (unit cell): Kristal yapı içerisinde tekrar eden yapıların en basitidir. Kristal kafes (lattice): Birim hücrelerin üç boyutta tekrarı ile meydana gelen düzendir. Şekil 1: Kristal yapıyı tanımlayan farklı birim yapılar Şekil 2:Basit kübik kafes Atomik Yarıçap Atomun yarıçapıdır. Birim hücrenin boyutlarından en sıkı paketlenmiş yön (koordinasyon sayısı hesaplanarak) dikkate alınarak hesaplanır. Paketleme Faktörü Birim hücrede atomların işgal ettikleri alandır.

6 KRİTAL MALZEMELER Atomik Dolgu Faktörü: Atomlar küre olarak kabullenildiğinde birim hücrede işgal ettikleri hacim oranıdır. ADF = (Atom sayısı / Hücre).(Her atomun hacmi) / Birim Hücrenin Hacmi Metallerde ADF değerleri: YMK için 0.74 HMK için 0.68 BK için 0.52 Paketleme Faktörü/Atomik Dolgu Faktörü: Bir doğrultu veya düzlemde atom veya iyonlar tarafından işgal edilmiş alanların miktarıdır. Paketleme Faktörü Birim hücrede atomların işgal ettikleri alandır. APF ya da ADF: Atom paketleme faktörü (APF) ya da Atom dolgu faktörü (ADF)

7 Kafes parametreleri birim hücrenin boyutunu ve şeklini tarif eder. Birim hücrenin boyutları ve kenarları arasındaki açılar bu kapsam içindedirler. Oda sıcaklığında ölçülen uzunluk kafes parametresi olarak belirlenmiştir. Uzunluk genellikle Angstrom birimi ile ifade edilir.

8 KRİTAL KAFES SİSTEMLERİ Kainattaki bütün kristal malzemeler 7 kristal sistem ve 14 kristal kafesten birine uyarlar. Metaller genelde bu sistemlerin 3 tanesinin birine sahiptirler. Hacim merkezli kübik (Body centered cubic) Hacim merkezli kübik (Body centered cubic) yapı HMK. Yüzey merkezli kübik (Face centered cubic) yapı YMK. Sıkı düzen hegzagonal/hegzagonal sıkı paket (Hexagonal closed packed) yapı SDH.

9 KRİTAL KAFES SİSTEMLERİ Bütün 3D hacmi dolduran kafes sistemi sadece 7 adet kafes sisteminden biri olabilir. 1) Kübik 2) Tetragonal (kare prizma) 3) Ortorombik(dikdörtgen prizma) 4) Rhomohedral/Rombohedral 5) Hegzagonal 6) Monoklinik 7) Triklinik

10 BRAVİS KAFES SİSTEMLERİ Atomların bu kafes sistemi içerisinde nasıl yerleştiklerini 14 adet Bravis kafes sistemi ifade eder. 1) Basit Kübik 2) Hacim Merkezli Kübik 3) Yüzey Merkezli Kübik 4) Basit Tetragonal 5) Hacim Merkezli Tetragonal 6) Basit Ortorombik 7) Hacim Merkezli Ortorombik 8) Taban Merkezli Ortorombik 9) Yüzey Merkezli Ortorombik 10) Basit Rombohedral 11) Basit Hegzagonal 12) Basit Monoklinik 13) Taban Merkezli Monoklinik 14) Triklinik

11 KRİTAL KAFES SİSTEMLERİ Atomlar her bir birim hücrede kafes noktalarında bulunur. Herbirbirimkafes;kafes kenarı ve eksenler arası açılarını içeren kafes parametreleri ile ifade edilir. Şekil 3.2: Birim hücre geometrisi

12 KRİTAL KAFES SİSTEMLERİ Aşağıdaki 5farklı hücrenin 2boyuttaki gösterimi şekilde verilmektedir. i.basit kare ii.basit dikdörtgen iii.alan merkezli dikdörtgen iv.paralel kenar v.alan merkezli altıgen

13 Birim hücredeki atomların pozisyonları koordinat sistemi(x y z) kullanılarak gösterilir. Miller indisleri: İngiliz mineralci William Hallowes Miller in geliştirdiği Millerian sistemi malzemede belirli kristallografik doğrultu ve düzlemleri göstermek için kullanılan işaretlerdir. Tekrar edilen uzaklık- Latis noktaları arasındaki uzaklık. Doğrultular köşeli parantez ile gösterilir [hkl]. Düzlemler parantez(hkl) ile gösterilir. Doğrultu aileleri <hkl> ile Düzlem aileleri{hkl} ile gösterilir. Negatif yönler sayıların üzerine yerleştirilen çizgiler ile gösterilir.

14 KAFES NOKTALARI Kafes noktaları: Atomların kafes içerisinde bulundukları koordinatlarıdır. Kafes noktaları; atomların uzayda bulundukları koordinatların, birim hücre boyutlarının katları veya kesirleri şeklinde ifadesidir. Kesirli ifadeler bulunabilir. x,y,z veya xyz şeklinde ifade edilebilir.

15 KAFES NOKTALARI

16 KAFES DOĞRULTULARI Kübik sistemde doğrultu ve düzlemler Miller indisleri ile ifade edilir. Şu şekilde saptanır: Birim hücrede başlangıç ve bitiş koordinatları belirlenir. Başlangıç koordinatları, bitiş koordinatlarından aritmetik olarak çıkarılır. Miller indisleri, kesirli olamaz, tam sayı olmalıdır. Gerekirse orantılı olarak en küçük tam sayıya çevrilir. Köşeli parantez içine virgülsüz olarak konur.

17 DİKKAT EDİLECEK HUSUSLAR 1) Eksen takımının başlangıcı herhangi bir atom seçilebilir. 2) Paralel doğrultuların indisleri aynıdır. 3) Aynı indisli fakat negatif işaretli doğrultular aynı değildir. [ 100 ] [1 00 ] 4) Bir doğrultunun indislerinin aynı tam sayı ile çarpılarak bulunan indislere ait doğrultular aynıdır. [ 100 ] x 2 = [ 200 ] 5) Birbirlerine paralel olmayan (farklı Miller indisli) fakat atom dizilişleri benzer (kübik sistem) olan doğrultular doğrultu ailesi ni oluşturur. 100 [ 100 ], [ 010 ], [ 001 ], [1 00 ]..

18 Doğrultu A 1. Başlangıç ve bitiş:1, 0, 0 ve0, 0, , 0, 0-0, 0, 0 = 1, 0, 0 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [100] Doğrultu B 1. Başlangıç ve bitiş:1, 1, 1 ve0, 0, , 1, 1, -0, 0, 0 = 1, 1, 1 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [111] Doğrultu C 1. Başlangıç ve bitiş:0, 0, 1 ve1/2, 1, , 0, 1 1/2, 1, 0 = -1/2,-1, (-1/2, -1, 1) = -1,-2, 2 4. [1 2 2 ]

19

20

21 Aşağıda verilen doğrultuların indislerini bulunuz.

22 ARA ÖZET Birim hücrede bulunan atom sayısı: Birim hücrede bulunan tam atom sayısını ifade eder(atom sayısı/hücre) Koordinasyon sayısı: Her bir atoma temas eden komşu atom sayısıdır. Atomsal dolgu faktörü: Birim hücrede, atomların toplam hacmin ne kadarını kapladığının bir ölçüsüdür.(adf= Atom hacmi/hücre hacmi) Doğrultu atom yoğunluğu: Birim hücre içinde yer alan bir doğrultudaki atom sayısıdır. Düzlem atom yoğunluğu: Birim hücre içerisinde tanımlanan bir düzlemdeki atom yoğunluğunu ifade eder.

23 METALLER Kristal yapıdadırlar, Yüksek dayanım, Yüksek süneklik, Yüksek elektrik ve ısı iletkenlik, Yüksek tokluk, Şeffaf değil ve parlak görünüşe sahip, Fe, Al, Mg, Ti, Ni, Zn, Cu ve alaşımları.

24 METALLER Şekil: Periyodik tabloda metalik karakterde olan elementler

25 METALLER Metaller kristal yapıdadır. 14 Bravis sisteminin sadece 3 tanesine en çok rastlanır. Hacim merkezli kübik(body centered cubic) yapı HMK. Yüzey merkezli kübik(face centered cubic) yapı YMK. Sıkı düzen hegzagonal/hegzagonal sıkı paket(hexagonal closed packed) yapı SDH. Po: Polonyum Nb: Niobyum Ta: Tantal V: Vanadyum Zr: Zirkonyum Cd: Kadmiyum Pt: Platin W: Tungsten

26 METALLER Metaller kristal yapıdadır. 14 Bravis sisteminin sadece 3 tanesine en çok rastlanır. Hacim merkezli kübik(body centered cubic) yapı HMK. Yüzey merkezli kübik(face centered cubic) yapı YMK. Sıkı düzen hegzagonal/hegzagonal sıkı paket(hexagonal closed packed) yapı SDH. Po: Polonyum Nb: Niobyum Ta: Tantal V: Vanadyum Zr: Zirkonyum Cd: Kadmiyum Pt: Platin W: Tungsten

27 HACİM MERKEZLİ KÜBİK (HMK) Şekil: Hacim merkezli kübik yapı (a) Kafes noktaları; (b) atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi. Köşelerde ve merkezde birer atom bulunmaktadır. Bu yapıdaki metallerden bazıları; Fe (α-ferrit), V, Cr, Mo, W.

28 YÜZEY MERKEZLİ KÜBİK (YMK) Şekil: Yüzey merkezli kübik yapı (a) Kafes noktaları; (b) atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi. Köşelerde ve yüzey merkezlerinde birer atom bulunmaktadır. Bu yapıda metallerin bazıları; Fe (γ-ostenit), Al, Cu, Ni, vs.

29 SIKI DÜZEN HEGZAGONAL (SDH) Hegzagonal kristal yapının üç adedinin yan yana gelmesi ile oluşur. Bu yapıda metallerin bazıları; α-ti, Zn, Mg, Be, Zr, vs. Figure: Yüzey merkezli kübik yapı (a) Kafes; (b) atomların gerçekteki istifi, (c) bir çok kafesin 3 boyutta istifi.

30 SERAMİKLER Metal ve metal dışı elementlerin yaptığı bağlarla oluşur. Dolayısıyla iyonik ve/veya kovalent bağlara sahiptirler. Yüksek erime sıcaklığı refraktörlük. Kimyasal ve yüksek sıcaklıkta kararlılık. Kırılganlık (Düşük kırılma tokluğu).

31 SERAMİKLER Şekil: Periyodik tabloda seramik malzemeleri oluşturan metalik karakterde olan elementler (açık mavi) ve metal dışı elementler(koyu mavi)

32 SERAMİK MALZEMELER İki grupta incelenebilir: Kristal yapılı Amorf yapılı Seramikler metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu kimyasal bileşiklerdir. Farklı türleri mevcuttur: MX MX 2 M 2 X 3 M`M X 3 M`M 2 X 4 M: Metal element X: Metal olmayan element

33 MX YAPI Bu seramikler iki şekilde bulunabilirler: YMK yapıya sahip NaCl. Kafes içerisinde hem Na hem de Cl iyonları bulunur(sodyum iyonları küpün kenarlarında ve küp merkezinde; Klor iyonları normal YMK kafes noktalarındadır). HMK Yapı: CsCl tipi yapıda hem Cs hem de Cl iyonları kafes yapısı içerisinde bulunur (Basit kübik yapı). Bu yapıda seramikler: MgO, CaO, FeO, NiO.. Cs: Sezyum

34 MX 2 YAPI ButipseramiklereCaF 2 örnekolarakverilebilir: YMK yapıda her kafes noktasında 1 Ca ve 2 F olmak üzere 3 iyon bulunur. Her birim hücrede toplam 12 iyon vardır. Bu yapıda diğer bazı seramikler: UO 2, SiO 2, ThO 2..

35 MX 2 YAPI SiO 2,kristabolityapıyasahiptir: YMK yapıda her kafes noktasında 2 Si ve 4 O olmak üzere 6 iyon bulunur. Bu yapının SiO 4-4 tetrahedralarının ağ şeklinde bağlanarak oluşturdukları yapı olarak düşünülür.

36 M 2 X 3 YAPI SDH O iyon tabakası ve 2/3 uzaklıkta Al iyon tabakası BuyapıyaAl 2 O 3,korundum,örnekolarakverilebilir: Rombohedral yapısı vardır ama yaklaşık olarak hegzagonal yapıya da benzerlik gösterir. Herkafesnoktasında12Alve18Oolmaküzere30iyonunbulunduğudüşünülür. Cr 2 O 3 vefe 2 O 3 buyapıyasahiptir.

37 M I M II X 3 YAPI PerovskitolaraktabilinenbuyapıyabirtürelektroseramikolanCaTiO 3 ve elektro seramik ve piezo elektrik özelliklere sahip BaTiO3 örnek olarak verilebilir(basit kübik, YMK ve HMK kombinasyonu). (KöşelerdeCa +2 ;merkezlerindeo -2 vehacimmerkezlerindeti +4 böyleceherkafes noktasında ve birim hücre başına 5 er iyon bulunur). CaTiO 3 BaTiO3 M ı M ıı 2X 3 Yapı Spinel olarakta bilinen bu yapıya MgAl 2 O 4, MgFe 2 O 4 gibi bir çok manyetik seramikler dahildir.

38 CAMLAR Camlar: Network yani ağ yapıya sahiptirler. Seramik camlar (Camlar): Amorf yapıdadırlar kısa mesafede düzenli yapıları vardır (short range ordered(sro) structure)(random network). Cam seramikler: Kristal camlardır uzun mesafede düzenli yapıları (long range order (LRO) structures) vardır.

39 POLİMERLER Hafiflik, Korozona ve kimyasallara karşı direnç, Düşük dayanım ve tokluk, Düşük rijitlik, yüksek elastiklik, Tekrar kullanılabilirlik(recyclable), Elektrik yalıtkanlık.

40 POLİMERLER Şekil: Periyodik tabloda polimer malzemeleri oluşturan elementler.

41 POLİMER MALZEMELER PoliEtilen: -(C 2 H 4 )-yapısı C atomlarının oluşturduğu omurga: HerC atomuna 2 H atomu bağlı. Bütün bağlar kovalent. (a) (c) (b) (d) (a) Lineer dallanmamış, (b) Lineer dallanmış, (c) Dallanmamış Termoset (d) Dallanmış Termoset

42 POLİMER MALZEMELER The unit cell of crystalline polyethylene. Polimer yapılarda, uzun zincirler Belirli bir düzen oluşturmaları zor. Genelde kristal değillerdir. Bazı durumlarda zincirlerin belirli bir düzen oluşturması ile kristal yapı oluşabilir. Ayrıca, çapraz bağ oluşumu ve dallanmalar da olabilir. Bütün bunlar özellikleri etkiler.

43 DİFRAKSİYON Kristal Yapı Analizine Yönelik Difraksiyon Teknikleri Difraksiyon: X ışınları veya elektronların malzeme ile etkileşimidir. Yansıyan/Difraksiyona uğrayan ışın yararlı bilgiler içerir. Bragg kanunu: Gönderilen X ışınının dalga boyu ile belirli bir düzlemler arası aralığa sahip kristallografik düzlemlerden yansıyan ışının açısı arasındaki ilişkidir. Difraktometrelerde hareketli X- ışını dedektörü açıları kaydederek karakteristik bir difraksiyon paterni oluşturulur.

44 X-IŞINI DİFRAKSİYONU Ölçmede kullanılan teknik veya ekipman ne kadar hassassa o kadar küçük boyut ölçülebilir. Hassasiyeti kaba olan ölçü aletiyle küçük ve hassas skalada ölçüm yapılamaz. X-ışın difraksiyonu kristal yapıları ve dolayısı ile malzemeleri tanımada kullanılabilir.

45 X-IŞINI DİFRAKSİYONU X-ışını tüpünden gelen ışın parça yüzeyine düşürülür. Yansıyan ışın gelme ve yansıma açıları dikkate alınarak ganiometre ile ölçülür. X ışınlarının rastladığı her atomdan, aynı dalga boyunda fakat düşük şiddette ikincil dalgalar saçılır. Küresel olarak yayılan bu dalgalar, aralarındaki girişim sonucu belirli açılarda birbirini yok eder veya faz farkı dalga boyunun tam katı ise kuvvetlendirirler. X-ışınları analizi bir metalin kristal yapısını, kristal parametrelerini ve düzlemler arası mesafeleri belirlemek için kullanılan bir tekniktir.

46 X-IŞINI DİFRAKSİYONU Bir kristal üzerine dalga boyu λ olan ışın düşürüldüğünde bunlar kristal düzlemlerinde atomlara çarparak yansırlar. Yansıyan ışınlar arasında faz kayması varsa bunlar birbirlerini yok edebilir ve net yani kaydedilebilen bir ışın yansıması ölçülemeyebilir. Fakat yansıyan ışın demetlerinin aynı fazda olması durumunda bunlar birbirlerini kuvvetlendirir ve şiddetli bir ışın yansıması gerçekleşir. Bu şiddetli yansıma, ölçüm cihazında belli açılarda gözlenen pikler şeklinde olur. Pikler

47 X-IŞINI DİFRAKSİYONU X-ışın difraksiyonu ile kristal yapıları, kafes parametresi ve atom çapı bulunabilir. Bu parametreler, malzemenin özelliği olduğu ve her bir malzemede farklı değer aldığı için ilgili element veya bileşikleri saptamada kullanılmaktadır.

48 Yararlanılan Kaynaklar/Eserler Prof. Dr. Adnan Dikicioğlu, Malzeme Bilimi, Sunumlar, İTÜ. Prof. Dr. Kaşif Onaran, Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayınevi, Yrd. Doç. Dr. Hüseyin Uzun, Prof. Dr. Fehmi Fındık, Prof. Dr. Serdar Salman, Malzeme Bilimin Temelleri, Değişim Yayınevi, Prof. Dr. Ahmet Aran, Malzeme Bilgisi Ders Notları, İTÜ Makine Fakültesi, Yrd. Doç. Dr. Şeyda Polat, Yrd. Doç. Dr. Ömer Yıldız, Malzeme Dersi Notları, Kocaeli Üniversitesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü. Asst. Prof. Dr. C.Ergun, MAK214E-Malzeme Dersi Notları, İTÜ. Prof. Dr. İrfan Ay / Arş. Gör. T. Kerem Demircioğlu, Malzeme Seçimi Ders Notları. William F. Simith(Tercüme: Nihat G. Kınıklıoğlu), Malzeme Bilimi ve Mühendisliği William D. Callister, Davit G. Rethwisch, Material Science and Engineering Prof. Dr. Gültekin Göller, Doç. Dr. Özgül Keleş, Araş. Gör. İpek Akın, Malzeme Bilimi Ders Sunumları Prof. Dr. Mehmet Gavgalı, Prof. Dr. Akgün Alsaran Yrd. Doç. Dr. Burak Dikici, Malzeme Bilimi Ders Slaytları Not: Eserlerinden yararlandığım tüm bilim insanlarına teşekkürlerimi sunarım. / Dr. Abdullah DEMİR