MAL 201 (4) 2. ÇİZGİSEL KUSURLAR (DİSLOKASYONLAR) - TANE YAPISI ŞUBAT 2016

Transkript

1 MAL 201 (4) 2. ÇİZGİSEL KUSURLAR (DİSLOKASYONLAR) - TANE YAPISI ŞUBAT 2016

2 2. Çizgisel Kusurlar Dislokasyon Noktasal kusurlar daha çok termal aktivasyon ile oluşmakta idi. Diğer yapı kusurlarından biri olan çizgisel kusurlar dislokasyonlar dır. Daha çok plastik şekil değiştirme ile ilgilidirler. Dislokasyonlar: yapı içerisinde eksik kalmış atomsal düzlemlerdir. En önemli oluşum sebepleri plastik (kalıcı) şekil değişimleridir Malzemelerin mekanik özelliklerinde önemli role sahiptirler.

3 Dislokasyon çeşitleri Kenar dislokasyonu Vida dislokasyonu Karışık dislokasyonlar

4 Burgers vektörü

5 Burgers vektörü: Dislokasyonların hareket yön ve büyüklüklerini ifade etmek için kullanılan parametredir. Yön ve şiddet belirtir. Dislokasyonun kafes içerisinde ilerlemesi için gereken minimum mesafeyi gösterir. İçinde dislokasyon içermeyen bir kristalde her yönde eşit miktarda dönerseniz başladığınız noktaya gelirsiniz, yani döngü kapanır. Ancak bir dislokasyon çizgisi etrafında dönerseniz, döngü açık kalır. Açık kalan kısma Bürgers vektörü (veya kayma vektörü ) adı verilir. Bürgers vektörünün şiddeti bir kafes parametresi kadardır.

6 Burgers vektörünün bulunuşu: Hatanın etrafında eşit adım sayısında yanlara, yukarı ve aşağı yönlerde hareket edilir. Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geri dönülürken hata içeren kristalde kapalı bir çevrim elde edilemez. Çevrimin tamamlanması için gereken deplasman miktarı burgers vektörü ile ifade edilir. B (Kenar tipi) C (Vida tipi)

7 Diğer önemli kavramlar. Dislokasyon çizgisi: Ek yarı düzlemin alt sınırında atomların oluşturduğu çizgidir. Kayma düzlemi: Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzlemdir.

8 Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonu, kafes içerisine ilave edilen tam olmayan ek düzlemdir. Kristal içindeki fazla bir yarım düzlemin kenarına kenar dislokasyonu adı verilir Pozitif kenar dislokasyonu sembolü ile ifade edilir. Ek yarı düzlem kayma düzleminin üzerindedir. Negatif kenar dislokasyonu sembolü ile ifade edilir ve dislokasyon kayma düzleminin altında bulunur. (a) kusursuz kristal yapı (b) Extra düzlemin oluşturduğu kenar dislokasyon (c). Kenar dislokasyonu etrafında çevrimi tamamlamak için gereken Burgers vektorü b.

9

10

11 Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonunda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine dik olarak uzanır. Diğer bir değişle kayma doğrultusu dislokasyon çizgisine diktir Dislokasyon çizgisi Bürgers vektörüne diktir. Kenar dislokasyonu kayma gerilmesi yönünde hareket eder.

12 a) Kenar dislokasyonu, b) Kayma kuvveti uygulandığında dislokasyon bir Burgers vektorü kadar ilerler. c) Hareket devam ettiğinde kristal bir basamak oluşturur d) Kayma hareketi kırkayağın hareketine benzetilebilir.

13 Vida Dislokasyonu Vida dislokasyonu; kristal düzlemlerde vida şeklinde kayma hareketi sağlayan düzlemlerdir. a (a) mükemmel kristal (b) kaymanın düzleminin oluşumu (c) bir atom uzunluğunda kayma. b c

14 Vida dislokasyonu Kristalde spiral veya helisel bir rampa (Vida dişi gibi) oluşturan bir deformasyon sonucu oluşan çizgisel kusurdur. ζ Üstten bakış ζ Vida dislokasyon çizgisi Vida dislokasyon çizgisi,kayma düzlemi içinde kendisine dik doğrultuda hareket eder Dislokasyon çizgisi Bürgers vektörüne paraleldir!

15 Vida Dislokasyonu Vida dislokasyonunda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paralel olarak uzanır. Diğer bir değişle kayma doğrultusu dislokasyon çizgisine diktir. Kayma kuvveti uygulandığında vida dislokasyonu kayma gerilmesine dik yönünde hareket eder.

16

17 Karışık dislokasyon Karışık dislokasyonunda dislokasyon çizgisi eğri şeklindedir. Karışık dislokasyon hem kenar hemde vida dislokasyonu karakteri gösterir. Ön tarafta bulunan vida dislokasyon yan taraflara doğru yavaş yavaş kenar dislokasyonu karakteri kazanır.

18 1.3.Karışık dislokasyon Bürgers vektörüne dik olmayan ve paralel olamayan dislokasyon çizgisidir.bürgers vektörüyle 0 ve 90 dereceden farklı bir açı yapar. Karışık Üstten bakış Kenar Vida

19 Dislokasyonların Önemi Dislokasyonlar Soğuk Plastik (Kalıcı) şekil değişimi açısından çok önemlidir. Nasıl noktasal kusurlar olmadan yayınım çok zor gerçekleşiyorsa dislokasyon olmadan plastik şekil değişimi çok zor gerçekleşir. Dislokasyonların oluşumu: Katılaşma sırasında Soğuk Plastik şekil değişimi sırasında oluşur. Kristal yapılarda kolay plastik şekil değişimi için dislokasyonların varlığı çok önemlidir. Dislokasyonların hareketi ile aynı anda tüm bağları koparmadan, çok daha küçük zorlamalar ile plastik şekil değişimi gerçekleşir.

20 Metallerin içinde kusur olarak belirli miktarda dislokasyon bulunur. Dış kuvvetlerin oluşturduğu kayma gerilmeleri ile (Yeterli şiddette iseler) bu dislokasyonlar ilerlemeye başlarlar (Malzemenin akma sınırında yani dislokasyonları harekete geçiren) ve plastik şekil değişimi meydana gelir (Malzemenin akma sınırı geçildikten sonra). Bu sırada kristaldeki dislokasyonlar da çoğalır. Dislokasyonlar özellikle metal kafeslerinde kolaylıkla ilerler. Çünkü, kafes içindeki tüm atomlar elektronları ortak olarak kullandıkları için, dislokasyon hareketi sonrası, kristalin elektrik yükleri bakımından bir değişime uğraması söz konusu değildir.

21 Kayma gerilmesi G F / Normal gerilme A E = = G = Kayma gerilmesi Kayma birim şekil değişimi kayma modülü = Normal gerilme = Birim şekil değişimi E = Elastiklik modülü Dayanım/Mukavemet (strength) plastik şekil değişimine karşı gösterdiği direnç.

22 Kristal kafeste plastik (kalıcı) şekil değişimi için, kafesin bir bölümünün, komşu atomlarla bağlarını koparıp, kayma düzlemi boyunca ötelenmesi (Kayma) gerekir. Yapılan teorik çalışmalar, malzemelerin dayanımlarının Elastik modül değerlerinin 1/10 civarında olması gerektiğini göstermektedir. Mesela Cu ın teorik dayanımı 1,000 MPa dır. Fakat deneysel dayanım 1MPa civarında olmaktadır. Deneysel datalar Teorik datalardan 1,000-10,000 kat daha küçüktür. Bu durum mevcut dislokasyonların varlığı ile açıklanmaktadır. Kayma, dislokasyonların varlığı ile çok kolay bir şekilde gerçekleşir. En yumuşak halde yapı 10 6 adet/cm 2 dislokasyon yoğunluğuna sahiptir.

23 Kaymaya Dislokasyonun Etkisi Şekil 4.30: Kaymanın bütün düzlemde aynı anda gerçekleşmesi. Yüksek kayma gerilmesi gerektirir. Şekil 4.31: Kaymanın düşük gerilmeli alternatifi.

24 (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Ti 3 Al içerisindeki dislokasyonların EM fotoğrafları: (a) Dislokasyon zincirleri (x26,500). (b) Al içerisinde x 100 büyütmede kayma çizgileri ve tane sınırları. (c) kayma bantları oluşumu.

25 Dislokasyon ile ilgili bazı kavramlar Kayma: Dislokasyonun kayma düzlemi boyunca hareket etmesidir. Plastik şekil değiştirme: kuvvet veya gerilmelerin etkisinde meydana gelen kalıcı şekil değişimidir. Elastik şekil değiştirme kuvvet veya gerilme uygulandığında meydana gelen fakat kaldırıldığında ortadan kalkan kalıcı olmayan şekil değişimidir. Dislokasyon yoğunluğu Malzemenin birim (cm 3 ) hacminde bulunan toplam dislokasyon uzunluğudur.

26 Kayma gerilmelerinin etkisiyle dislokasyon çizgisinin kristal içinde ilerlemesi ve plastik(kalıcı) deformasyonun oluşması (Genelde Karışık Dislokasyon olacağı). Dislokasyonun içinde ilerlediği düzleme kayma düzlemi adı verilir. Dislokasyon çizgisinin kayma düzlemini her süpürüşünde kristalin üst kısmı alt kısmına nazaran I biok kadar ilerler. DİKKAT: Dislakosyon çizgisi her noktada kendi dış normali doğrultusunda ilerler.

27 MUKAVEMET ARTTIRMA YÖNTEMLERİ. Kristal yapıya sahip bir malzemenin akma sınırını arttırmak (Yani onun mukavemetini arttırmak ) için dislokasyonların harekete başlayabildiği kayma gerilmesi değerini artırmak gerekir. Bu kristal içinde dislokasyon hareketini zorlaştıran engeller (kristal kusurları ) yaratarak gerçekleştirilir. Dislokasyon hareketini zorlaştıran engeller: 1.1 Tane sınırları 1.2.Yabancı atomlar 1.3.Diğer dislokasyonlar

28 1.1 Tane sınırları Malzemeler genel olarak tek değil çok kristallidir (Çok taneli). Dolayısıyla her tane (kristal) başka tanelerle komşudur ve aralarında 3-4 atom genişliğinde amorf yapıda tane sınırları bulunur. Bu sınırlar dislokasyonun tane içinde kayması sırasında dislokasyonun hareketine engel bir duvar gibi davranır. Malzeme içinde tane sınırı (duvar) uzunluğu arttıkça (yani tane çapı küçüldükçe) bu engeller daha kuvvetli olur, yani malzemenin akma mukavemeti daha da artar. Aksi takdirde akma mukavemeti azalır. Tane sınırları arttıkça (Yani tane boyutları küçüldükçe); * Bu engeller nedeniyle dislokasyonlar üst üste yığılır bu defa malzemenin kalıcı şekil değiştirebilmesi için bu dislokasyonları harekete geçirebilmek için gereken gerilmenin (kuvvetin) arttırılması gerekir çünkü Malzemenin şekil değişimine karşı direnci artmıştır. Bu olaya Pekleşme denir. TANE SINIRLARININ ARTMASI TANELERİN KÜÇÜLMESİ

29 1.2. Yabancı atomlar Kristal içindeki yabancı atomlar, kristal yapının çarpılmasına ve dislokasyon hareketinin zorlaşmasına neden olur. Alaşımlama; kafesin içine çok sayıda Arayer ve Yeralan atomlarının girmesi demektir. Bu nedenle dislokasyon hareketi zorlaşır ve malzemenin Akma Dayanımı artar. Kenar Dislokasyonu Örnek: Dislokasyonun kayma düzlemi üzerinde bir yabancı atom mevcut Yer alan yabancı atomu ALAŞIMLAMA Dislokasyonun hareket etmeye teşebbüs ettiği yön

30 1.3. Diğer dislokasyonlar Daha önce soğuk kalıcı şekil değişimine uğramış ve kafesinde yoğun bir şekilde dislokasyon bulunan kristallerde dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller. Malzemede soğuk plastik şekil değiştirme miktarı arttıkça dislokasyon miktarı da (Dislokasyon yoğunluğu) artar. Dislokasyon yoğunluğu arttığında dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller ve plastik şekil değiştirmeyi (Kaymayı) sürdürmek için gerekli gerilme değeri buna bağlı olarak artar. Yani malzemenin plastik şekil değişimine direnci plastik şekil değiştirdikçe artar. Buna pekleşme adı verilir.

31 PEKLEŞMEYE SICAKLIĞIN ETKİSİ ve SERAMİKLERDE DURUM: Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve yayınma artacağından, kalıcı şekil değiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren kristallerde atomlar yeniden düzenlenir; Yani malzeme, söz konusu sıcaklıktaki akma gerilmesi değerinde şekil değiştirir (bu sıcaklıkta malzemenin akma gerilmesi de düşer- Yeniden Kristalleşme) ve dislokasyon yoğunluğu düşeceğinden gerekli kayma gerilmesi artmadan,yani dislokasyonlar yeni bir engelle karşılaşmadan ilerlerler ve pekleşmenin etkisi ortadan kalkar. Seramiklerde, kristal yapının karmaşıklaşması nedeniyle seramiklerde dislokasyon hareketleri görülmez ve bu malzemelerde kalıcı şekil değiştirmek mümkün değildir. Buna neden hem kafes yapılarının karmaşık oluşu, hem de düzlemlerin ötelenmesi ile örneğin iyonik kristallerde elektrik yüklerinin dağılımında dengesizliklerin ortaya çıkmasıdır.

32 KAYMA SİSTEMLERİ

33 Kayma sistemleri Kayma belirli düzlem ve doğrultularda (atom yoğunluğu en fazla olan) çok daha kolaydır. Kayma Kolay Kayma Zor

34 Kayma niçin düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğunun en fazla olduğu yerlerde olur? Düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğu yüksek Kolay kayma Düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğu düşük Zor kayma

35 Kayma sistemleri Kristal kafesi içinde bazı düzlemler ve o düzlem içindeki bazı doğrultularda kaymaya karşı direnç diğerlerine nazaran daha düşüktür. Dolayısıyla kayma bu düzlem ve doğrultularda olur. Bunlara kayma düzlemleri ve kayma doğrultuları adı verilir. Atom yoğunluğu en fazla olan bir kayma düzlemi ve bu düzlemin üzerinde atom yoğunluğu en fazla olan bir kayma doğrultusundan oluşmuş sisteme kayma sistemi adı verilir. Bir kristalde kayma sistemi sayısı ne kadar çok ise kristalde kayma o kadar kolay olur (Kayma sistemi sayısı aynı olduğunda kayma doğrultusu fazla olan esastır). Kayma düzlemleri atom yoğunluğunun en fazla olduğu düzlemlerdir. Kayma doğrultuları da atom yoğunluğunun en fazla olduğu doğrultulardır. Çünkü bu şekilde atomların kayma için gerekli yer değişimleri azalacağından, kaymaya karşı direnç azalır ve hareket daha küçük gerilmelerde oluşur.

36 Kayma sistemlerinde: Kayma: yüksek atomsal yoğunluğa sahip düzlemler ve bu düzlemlerde en büyük atomsal yoğunluğa sahip doğrultularda diğerlerine göre çok daha kolaydır. Kayma sistemi Her bir kristalde ayrı ayrı tanımlanan atom yoğunluğu en fazla olan düzlem ve bu düzlemler üzerindeki atom yoğunluğu en fazla olan doğrultu kombinasyonları tarafından oluşturulur. En kolay kaymanın olduğu (atom yoğunluğu en fazla) doğrultuda; burgers vektörü en küçüktür, dolayısıyla kayma mesafesi en küçüktür.

37 Kayma Sistemleri HMK YMK SDH Kristal Kafes Sistemlerinde En Yoğun Atom Düzlem ve Doğrultuları Ailede 6 düzlem ve her düzlemde 2 doğrultu mevcuttur: Kayma sistemi 6 x 2 = 12 dır. YMK: en yoğun düzlem {111} ailesi, ve bu ailede en yoğun doğrultu <110> ailesidir. Ailede 4 düzlem ve her düzlemde 3 doğrultu mevcuttur: Kayma sistemi 4 x 3 = 12 dir. SDH: en yoğun düzlem {0001} ailesi ve bir tanedir. Bu ailede en yoğun doğrultu 3 tanedir.

38

39 Tek kristallerde kayma ve Schmid Kuralı

40 Tek kristalden imal edilmiş bir çubuk belli bir yönden çekme gerilmesi ile çekilirse, etki eden kuvvete dik yöndeki alanda normal gerilme ve kayma gerilmesi: F A o F A o 0 F

41 Schmid kuralı kayma gerilmesi ile uygulanan gerilme ve kayma yüzeyi ve kayma doğrultusu arasındaki ilişkiyi tanımlar. Kayma düzleminin normali o Kayma Doğrultusu A r A o cos Kayma gerilmesi Bileşeni, = Fr/A = F Cos / (A0/CosF) cos cos Dislokasyon hareketi yani kayma için kayma gerilmesi gereklidir.kristale etki eden kuvvetin kayma düzlemi içindeki ve kayma doğrultusundaki bileşenine, kayma gerilmesi bileşeni adı verilir. Bu gerilme değeri kristale özgü kritik bir değere ulaştığında kristalde dislokasyon hareketi yani kayma veya başka bir deyişle plastik şekil değişimi başlar.

42 En büyük kayma gerilmesi için: = = 45 o olmalıdır. Diğer düzlemlerde daha düşük gerilmeler elde edilir. Tek kristalde atom düzlemleri farklı açılar yapabilir. En düşük gerilmede kayma olabilmesi için atom kayma düzlemleri ile max kayma gerilmesi olan açının çakışması gerekir. Çakışmaması, dayanımı yöne bağlı olarak değiştirir. Anizotropi kavramı: Malzemelerin farklı yönlerde farklı özellikler göstermesi. TEK KRİSTAL Schmid s Tek kristale uygulandığında: cos cos

43 Dislokasyon hareketleri için kayma gerilmesinin etkimesi gereklidir. Kritik kayma gerilmesi Bir dislokasyonun hareket etmeye başlayarak kaymaya sebep olması için gereken minimum kayma gerilmesidir. Etki eden normal gerilme, herhangi bir düzlem ve doğrultuda oluşturacağı kayma gerilmesi: cos cos Dolayısı ile ilgili düzlemde kayma olabilmesi için bu gerilmenin kritik kayma gerilmesinden daha büyük olması gerekir cos cos cr

44

45 YMK yapıya sahip bir kristal, 2MPa normal gerilme altında [123] yönünde akma göstermektedir. Kayma düzleminin (111) ve kayma - yönünün (Kayma doğrultusu) [101] durumu için cr değerini hesap ediniz cos cos τ cos cos cr x x MPa cr

46 3. Yüzeysel Kusurlar Düzlemsel Kusurlar 2 Boyutlu

47 Her bir kristal tane, belirli sınırlarla çevrelenmiş (tane sınırı) olarak bulunurlar Bu sınırlar atomsal dizilişin bozuldukları yerlerdir. Bu tür kusurlar yüzeysel kusurlar olarak adlandırılır. İkiye ayrılabilir. İkiz sınırlar Malzeme yüzeyleri Tane sınırları Büyük açılı tane sınırları Küçük açılı tane sınırları

48 İkiz sınırlar İki kristal bölgeyi simetrik olarak birbirinden ayıran sınırdır. İkiz oluşumu kaymadan çok yapı içerisinde burkulmadan dolayı oluşur. Bu kusur çok yaygın olmamasına rağmen sebepleri Şekil değiştirme (burkularak-mekanik zorlama) - HMK ve SDH yapılarda. Kayma ile plastik Şdnin zor olduğu koşullarda örneğin darbeli yüklemelerde. Tavlama (ısıl işlemle) - YMK yapılarda olabilir. İkiz sınırları dislokasyon kaymasını güçleştirir ve metallerin akma dayanımını arttırır.

49 Şekil 4.15: 2 kristal bölgeyi birbirinden ayıran ikiz sınır Prinçte ikizleme sınırları (a) Mükemmel kristal. (b) ikizlemeden dolayı atomlardaki öteleme

50 Kayma bantları zımparalama ile yok edilebilir. İkiz bantları yok edilemez! İkiz oluşumu İkiz Ayna Düzlemleri

51 Tane sınırları Mühendislik malzemelerinin yapıları tek bir kristalden oluşmaz. Bu malzemelerde yapıları aynı olduğu halde, uzaydaki konumları birbirinden farklı olan (yani verilmiş bir kristal doğrultusu farklı farklı yönlere yönlenmiş kristal parçacıkları) kristal parçacıkları bulunur. Bu nedenle tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına karşın (anizotrop), çok taneli (polikristal) malzemeler, tanelerin çok sayıda ve konumlarının rastgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilebilirler. Tane sınırı taneleri birbirinden ayıran ve kalınlığı 3-4 atom kalınlığında ve amorf bir yapıya sahip olan yüzeylerdir. Tane sınırlarının atomsal mertebedeki yapısı büyük açılı ve küçük açılı tane sınırları olmak üzere iki farklı halde incelenir.

52 Tane sınırları: birbirine komşu olarak, tek kristal şeklinde bulunan iki tanenin arasındaki yüzeydir. İki grupta incelenmektedir Katılaşma sırasında iki farklı bölgede büyümüş kristaller arasında kalan sınır yüzeyidir. Mühendislik malzemeler, elektronik sanayii hariç genelde çok tanelidirpolikristal. Tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına (anizotropi) karşın çok taneli malzemeler tanelerinin çok sayıda ve konumlarının rasgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilir.

53 A.Büyük açılı tane sınırları Sınır boyunca atomlar her iki kristale de uyum sağlayamadığından rastgele dizilmişlerdir.yapı dar bir alanda bu yüzden amorftur. Büyük açılı (komşu tanelerin kristal doğrultuları arasındaki açı) tane sınırlarının atomsal mertebedeki yapısı..sağ taraftaki kafese ait 5 atomdan biri sol taraftaki kafesle uyum içindedir(1/5 uyum).

54 Tane boyutu küçültülerek tane sayısı ve böylece de tane sınırları miktarı arttırılabilir. Tane sınırları, dislokasyonun hareketini engellemektedirler. Bu nedenle plastik şekil değişimi için daha fazla gerilme gerekir böylece malzemenin dayanımı artmış olur. Küçük taneli malzemeler büyük tanelilere göre daha dayanımlıdır. Dayanım. f 1 d ( 1/ 2 d ) Hall-patch denklemi Oda sıcaklığındaki tane boyutunun çeliğin akma dayanımı üzerine etkisi. Burada a malzemenin kalıcı şekil değiştirdiği akma dayanımı veya gerilimidir, d tanelerin ortalama çapı, 0 ve K metal için sabitlerdir. y o k / D Hall-patch denklemi tane boyutu ile metalin akma dayanımı arasındaki ilişkiyi ifade etmektedir.

55 B. Küçük açılı tane sınırı(tilt sınırları) Komşu kafeslerin doğrultuları arasında çok küçük bir yönlenme farkı olduğunda oluşan tane sınırıdır.üst üste sıralanmış kenar dislokasyonları ile modellenir. Θ açısı küçük olduğundan rad. cinsinden değeri alınır. D dislokasyonlar arası mesafedir. Genelde Isıl aktivasyon (poliganizasyon) ile gerçekleşir. Dislokasyonların meydana getirdiği iki komşu dizi arasındaki açı 10 o den küçüktür. Bazı kaynaklarda alt tane (sub grain) olarakda anılır. Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırları eğik sınırlar, vida dislokasyonunun neden olduğu sınırlar ise burkulma sınırları olarak adlandırılır.

56 Malzeme yüzeyleri Malzeme yüzeyleri de bir düzlemsel kusurdur. Yüzeydeki atomların bağları komşu atomlarla birleşmediği için yüzey atomlarının enerjileri yüksektir.birim yüzey alanı başına bu enerjiye yüzey enerjisi adı verilir.

57 TANE BOYUTU ASTM(American Society for Testing and Materials) G, 1 ila 10 arasında değişir. G=1 ise çok büyük taneli G= 10 ise çok küçük taneli tane büyüklüğü numarası, G N = 2 G-1 bazen N = 2 n-1 şeklinde de verilebilir. N: 100 büyütmeli yapıda 1 inch 2 alanda gözlenen tane sayısı.alan sınırını kesen taneler yarım tane olarak sayılır. Örnek: 21+22/2 = 32 tane Daire çapı= 2,25 in N= 32/π.(2,25/2) 2 = 8,04 tane/in 2 N = 2 G-1 G = lnn/ln2 + 1 = 4,01 Tane büyüklüğü numarası G = 4,01

58 Örnek: Bir metalin ASTM tane büyüklüğü, metalin 100x büyütmeli bir mikro fotoğrafından belirlenmiştir. Bir inç kareye 9 tane düştüğüne göre bu metalin ASTM tane büyüklüğü sayısı nedir? Çözüm: DİKKAT Soruda İnçkare deniyor ise formül: N = 2 G-1 olacaktır Burada, N= 100x büyütmede santimetre kareye düşen tane sayısı G = ASTM tane büyüklüğü sayısıdır. Buna göre, 9 tane/1 inç 2 = 2 G-1 log9 = (G-1)(log 2) 0,954 = (G-1)(0,301) G = 4,17 Tane Büyüklüğü Numarası (Sayısı)

59 Eğer İnç kare yerine metre kare kullanılıyorsa bu defa formül: N = 2 G+3 Örnek: Bir metalin 100 kez büyültülmüş fotoğrafında, her metre karede 256 tane sayıldığı kabul edilsin. Bu durumda ASTM tane boyutu numarasını belirleyiniz. Cevap : N = 256 = 2 G+3 Log 256 = (G + 3 ) log = (G + 3) (0.301} G=5 Örnek: 250 kez büyütülerek çekilmiş bir fotoğrafta her metre karede 256 tane sayıldığı kabul edilsin. Bu durumda ASTM tane boyu numarası nedir? Cevap: 250 kez büyütmede, her metre karede 256 tane sayılırsa; N = (250/100) 2 (256) = 1600 = 2 G+3 Log 1600 = (G + 3) log2 3.2 = (G+3) (0.301) G= 3.64 bulunur.

60 Assume that there are 32 grains appeared on the microscope ocular which was set to x100 magnification. The total circular area that this observation was performed has an diameter of 2.25 inch. What would be the ASTM grain size of this material? N N x100 x grains (2.25/ G1 2) 8.04 ln 8.04 G ln grains/in 2

61 Assume that there are 32 grains appeared on the microscope ocular which was set to x300 magnification. The total circular area that this observation was performed has an diameter of 2.25 inch. What would be the ASTM grain size of this material? 32 grains 2 N x grains/in 2 (2.25 / 2) N N N N G x100 x300 x100 x x9 G1 ln 72.4 ln grains/in

62 ASTM E112 has standard test methods for average grain sizing. The comparison method does not require the tester to count grains, but rather comparing of the grain structure to a series of graded images, either in the form of a wall chart, clear plastic overlays, or a grain counting eyepiece reticle. There appears to be a general bias in that comparison grain size ratings claim that the grain size is somewhat coarser than it actually is.

63 Intersept metodu ile ortalama Tane Boyutu

64

65 (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning y o k / D Figure 4.17 The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature.

66 Kristal olmayan yapılarda kusurlar Atomların rastgele istiflendiği yapılar amorf olarak adlandırılır. Amorf yapılarda bile kısa mesafe düzeni (Yani birkaç atom veya bir molekül mertebesinde) mevcut olabilir Uzun mesafe düzeni (Kristal yapı) Amorf yapıdaki kısa mesafe düzeni

67 Camdaki Na yabancı atomları(noktasal kusurlar). Na atomları ağdaki Oksijen bağlarını kopararak camın erime ve yumuşama sıcaklığını düşürür ve camı kolay işlenebilir hale getirir.

68 MİKROSKOPİ Numunenin sırasıyla 100, 200, 400, 600 numaralı zımpara kağıdıyla ve sonra da Al 2 O 3 gibi sert parçacıklarla çuhada parlatılıp uygun ayraçlarla dağlanıp mikroskop altında incelenmesine mikroskopi adı verilir. -Farklı fazlar veya aynı fazın çeşitli doğrultudaki taneleri ayraçtan farklı şekilde etkilenerek ışığı değişik şekillerde yansıtır, böylece birbirlerinden ayırt edilebilir duruma gelirler.

69 Parlatılmış numune yüzeyine ayraç uygulanmış

70 % 0,45 C lu Normalize çeliğin mikro yapısı (Beyaz alanlar Ferrit siyah alanlar Perlit)

71 PERLİTİK ÇELİĞİN ÇEŞİTLİ ISIL İŞLEMLERDEKİ MİKRO YAPILARI Perlit Beynit Beynit Martenzit

72 Mikroskoplar Optik mikroskoplar Elektron Mikroskopları Transmisyon Elektron Mikroskopu Tarayıcı Elektron Mikroskopu

73 . Göz merceği IŞIK-METAL MİKROSKOBU X 2000 büyütme elde etmek mümkündür, çözünürlük 0.5m kadar olur. Mikrometre boyutunda taneler, yüzey topografyası, fazlar vs tespit edilebilir. Numune(Objektiv) merceği Numune tablası

74 IŞIK (METAL) MİKROSKOBU NASIL ÇALIŞIR? -Numune üzerine düşürülen ışığın yansıması esasına dayanır. Daha sonra bunlar mercek sisteminde toplanır ve bu sayede büyütülmüş bir görüntü elde edilir. -Numunenin farklı bölgeleri farklı miktarda ışık yansıtarak görüntü kontrastını sağlar. -Işık mikroskobunun gözlem derinliği çok küçük olduğundan numunenin gözlenecek yüzeyi giderek artan incelikte parlatılır (yani yüzeyin her noktası arasındaki derinlik farkı minimuma indirilir). -Daha sonra yüzey uygun bir ayraçla dağlanır. Dağlama yüzeydeki farklı fazların ve tane sınırlarının farklı derecede yenmesine neden olur. Yüzeye gönderilen ışınlar her bölgeden farklı şiddette geri yansır. Böylece bölgeler arasında farklı görünüm elde edilir.

75 Figure 4.18 Microstructure of palladium (x 100). (From ASM Handbook, Vol. 9, Metallography and Microstructure (1985), ASM International, Materials Park, OH )

76 İnsan gözünün 25 cm lik normal gözlem mesafesinden, bir numune üzerinde iki nokta veya iki çizgi arasında algılayabileceği minimum uzaklık 0,1 mm dir. Buna seçme(ayırma) gücü adı verilir. Bundan daha küçük detaylar göz tarafından ancak numune büyütülürse fark edilebilir. Bu büyütme, el merceği, ışık mikroskobu veya elektron mikroskobu gibi optik cihazlarla gerçekleştirilir. Seçme gücünün daha da arttırılması gerekiyorsa elektron mikroskobu kullanmak gerekir. Işık mikroskobunun gözlem derinliği Seçme gücünün zayıflığına ek olarak ışık mikroskobunun gözlem derinliği de çok kötüdür. Gözlem derinliği,aynı anda birbirinden farklı seviyedeki çok sayıda noktayı net bir şekilde görme olanağıdır. Işık mikroskobunda gözlem derinliği çok sınırlıdır. Büyütme oranı ve NA arttıkça gözlem derinliği azalır. Örneğin, 10X büyütmede 2 mm olan gözlem derinliği, 1000X büyütmede 1 mikrona kadar düşer. Bu nedenle kaba yüzeylerde (örneğin kırılma yüzeyi) netlik sağlanamaz. Işık mikroskobu bu nedenle parlatılmış yüzeylerde iki boyutlu görüntü almaya uygundur. Elektron mikroskobunun gözlem derinliği V da çalışan bir elektron mikroskobunun gözlem derinliği 1000 mikron (1 mm) civarındadır. Bu nedenle kırık yüzeylerinin incelenmesine uygundur.

77 . ELEKTRON MİKROSKOPLARI TARAYICI (Scanning) GEÇİRMELİ (Transmission)

78 ELEKTRON MİKROSKOPLARI Bu mikroskoplar, elektronların parçacık ve dalga etkileşiminden yararlanır. Hızlandırılmış elektronlar çok kısa dalga boyuna sahip olup kısa dalga boyları ile daha fazla büyütme oranları ve daha iyi ayırma gücü elde edilir. Ayırma gücü (standart elektron mikroskobunda) birkaç nanometre seviyesindedir. Elektron mikroskobunda ışının geçtiği bölge yüksek vakum altındadır.

79 Tarayıcı (Scanning) elektron mikroskopu Numune yüzeyine elektron demeti düşürülür ve bu demet yüzeyi sürekli tarar. Numunenin inceltilmesine gerek yoktur. Yüzeyden yansıyan elektron ışınları cihaz tarafından toplanır ve işlenir. Görüntüye dönüştürülerek ekrana verilir. Bu sayede x e kadar büyütmeler mümkündür. Bazı modelleri kimyasal analiz yapabilir (elektron ışını ile uyarılan atomların yaydığı dalga boyu karakteristiktir. Saçılan dalga boyları belirlenerek elementler bulunabilir).

80 Tarayıcı EM, ışık mikroskobunda kullanılan ışık dalgaları yerine, elektron demeti (dalgaları) kullanarak büyütülmüş görüntü yaratır. Tarayıcı EM ışık mikroskobunda mümkün olandan çok daha büyük oranda büyütülmüş üç boyutlu görüntü gösterir. Işık mikroskobunda görüntü iki boyutludur. -Numune elektriği ileten bir malzemeden olmalıdır. -Numune hava sızdırmaz bir kapısı olan vakum odasına yerleştirilir. -Vakum* odasındaki hava pompalanarak boşaltıldıktan sonra, elektron tabancası yüksek enerjili elektronlardan oluşmuş bir elektron demeti gönderir. *Vakum sayesinde elektron demetine havadaki moleküllerin çarparak demeti saptırması engellenir.

81 Bu demet, elektronları numune üzerinde çok küçük bir noktaya odaklayacak biçimde tasarlanmış bir seri manyetik mercekten geçerek aşağı doğru hareket eder. Mikroskobun alt kısmına yakın yerde bulunana bir tarama sargı grubu odaklanmış demeti numune üzerinde çizgi-çizgi ileri geri hareket ettirir. -Elektron demeti numune üzerindeki her noktaya çarptığında yüzeyden uyarılmış (sekonder) elektronlar fırlatılır. Bir detektör bu elektronları sayar ve bir yükselticiye sinyaller gönderir. -Numune üzerinden yayılan bu uyarılmış (sekonder) elektronlar vasıtasıyla nihai görüntü elde edilir. -Görüntü bir monitör vasıtasıyla gözlenir

82 TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOPU (TEM) Elektron tabancası Vakum odası monitör Yoğunlaştırma mercekleri Tarama sargısı büyütülmüş görüntü Objektif merceği Elektron demeti Uyarılmış elektronlar Hedef (numune) Detektör ve yükseltici

83 TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOBUNDA KIRILMA YÜZEYİ GÖRÜNTÜSÜ

84 TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOBUNDA DENDİRİTİK KATILAŞMA

85 Tarayıcı elektron mikroskobu : Kır dökme demirde lamel grafitler

86 Tarayıcı elektron mikroskobu: Noduler grafitli(temper) dökme demir

87 GEÇİRİMLİ (TRANSMİSYON) ELEKTRON MİKROSKOBU

88 Transmisyon (Geçirimli) elektron mikroskopu: Elektron demetinin geçmesini (transmisyon) mümkün kılacak incelikte numuneler kullanılır (10-20 nm- 100 atom kalınlığı). Numuneden geçen elektronlar, florasan bir ekrana düşürülür ve bu sayede görüntü alınmış olur. Bu sayede x den daha büyük büyütmeler mümkün hale gelir. Dislokasyonları görebilir. (Taneleri kolaylıkla görür)

89 GEÇİRİMLİ (Transmission) ELEKTRON MİKROSKOBU Geçirimli elektron mikroskobu slayt projektörü gibi çalışır. Projektör slaytın içinden bir ışık demeti geçirir. Işık slayttan geçerken slaytın yapısından ve üzerindeki şekillerden etkilenir. Bu etkilerin sonucu olarak, ışık demetinin belirli bir kısmı, slaytın belirli bazı kısımlarından geçebilir. Slayttan geçmiş olan bu ışık gözlem ekranına yansıtılarak ekran üzerinde slaytın büyütülmüş görüntüsü oluşturulur. Geçirimli elektron mikroskobunda ışık yerine elektron demeti kullanılır (Şekil). Demetin slayt gibi hazırlanmış (replika)(şekil) numuneden geçirilebilen kısmı kullanıcının görebileceği fosforlu bir ekrana düşürülür. Görüntünün koyu alanları, numunenin az sayıda elektron geçiren bölgelerine aittir (daha kalın veya daha yoğun). Görüntünün açık renkli alanları numunenin çok sayıda elektron geçiren bölgelerine aittir (ince veya daha az yoğun). Bu mikroskop büyük parçaları kesmeden kırılma yüzeylerini (replikaları alınarak) incelemek için çok uygundur.

90 GEÇİRİMLİ ELEKTRON MİKROSKOPU Elektron demeti Elektron tabancası Birinci yoğunlaştırma merceği İkinci yoğunlaştırma merceği Yoğunlaştırma deliği NUMUNE (replika) Objektif merceği Objektif deliği Seçili alan deliği Birinci ara mercek İkinci ara mercek Projektör merceği Ekran(fosforlu) { Görüntü oluşturulur { Görüntü büyütür GÖRÜNTÜ

91 Şekil 4.29: Geçirimli (transmission) EM resimleri (a) dislokasyon etrafında gerilme alanı, (b) dislokasyon ormanı (forest), (c) tane sınırları ve D-dislokasyon.