MALZEME BİLGİSİ DERS 4 DR. FATİH AY.

Transkript

1 MALZEME BİLGİSİ DERS 4 DR. FATİH AY fatihay@fatihay.net

2 GEÇEN HAFTA KRİSTAL KAFES NOKTALARI KRİSTAL KAFES DOĞRULTULARI KRİSTAL KAFES DÜZLEMLERİ DOĞRUSAL VE DÜZLEMSEL YOĞUNLUK KRİSTAL VE KRİSTAL OLMAYAN MALZEMELER

3 BÖLÜM IV KATILARDA KUSURLAR NOKTASAL KUSURLAR ÇİZGİSEL KUSURLAR (DİSLOKASYONLAR) DÜZLEMSEL KUSURLAR (ARAYÜZ KUSURLARI) MİKROSKOBİK İNCELEME (MUAYENE)

4 ÖĞRENECEKLERİNİZ: Atomsal boşluk (boşyer) ve kendinde-arayer atomu kristal kusurlarını tanımlayabilirsiniz Belirli bir sıcaklıktaki bir malzemenin içinde, denge durumunda bulunan atomsal boşluk sayısını hesaplayabilirsiniz İki farklı katı çözelti türünü bilir ve kısaca tanımlayarak şematik olarak gösterebilirsiniz

5 ÖĞRENECEKLERİNİZ: Bir metal alaşımdaki iki ya da daha fazla elementin kütleleri ve atom ağırlıklarının verilmesi durumunda, her elementin ağırlık ve atom yüzdelerini hesaplayabilirsiniz Kenar, vida ya da karışık dislokasyonlar için tanımlamalar ve çizimler yapabilirsiniz Tane sınırı ve ikiz sınırı etrafındaki atom yapısını tanımlayabilirsiniz Malzemenin mikroyapısını karakterize etmek için gerekli cihazları bilir onları sınıflandırabilirsiniz

6 KATILARDA KUSURLAR Atomsal ölçekte mükemmel kristal düzenden bahsedildi Gerçekte mükemmel bir kristal yoktur ve bütün kristallerde farklı türlerde çok sayıda kusur bulunur. Kusurlar malzeme özelliğini doğrudan etkiler Kusurlar malzeme özelliklerini olumsuz yönde etkileyebildikleri gibi onların özelliklerini iyileştirmek amacı ile kullanılırlar

7

8 KATILARDA KUSURLAR Noktasal Kusurlar Çizgisel Kusurlar (Dislokasyonlar) Düzlemsel Kusurlar (Arayüz Kusurları) Atomsal Boşluk Nokta Kusuru Öz Arayer Nokta Kusuru Kenar Dislokasyonu Vida Dislokasyonu Dış Yüzeyler Tane Sınırları Faz Sınırları Diğer (Yeralan, asal yer, Schottky, Frenkel) Karışık Dislokasyonlar İkiz Sınırları

9 KATILARDA KUSURLAR Noktasal Kusurlar Çizgisel Kusurlar (Dislokasyonlar) Düzlemsel Kusurlar (Arayüz Kusurları) Termal Aktivasyon ile oluşur Olmazsa yayınım çok zor gerçekleşir Plastik şekil değiştirme ile ilgilidir Olmazsa plastik şekil değişimi çok zor gerçekleşir Katılaşma ve/veya plastik şekil değişimi ile oluşur Enerjilerin yüksek olması dolayısıyla çok aktif bölgelerdir

10 NOKTASAL KUSURLAR Arayer atom kusuru Atomsal boşluk nokta kusuru ( ) : Atomsal boşluk sayısı : Birim hacimdeki atom sayısı : Boşluk oluşumu için gerekli enerji : Boltzman sabiti : Sıcaklık (Kelvin)

11 NOKTASAL KUSURLAR Noktasal kusurlar: (a) atomsal boşluk (vacancy), (b) arayer (interstitial) atom, (c) küçük yeralan (substitutional) atom, (d) büyük yeralan atom, (e) Frenkel kusuru: Bir atomun yer değiştirerek, boş yer ile fazladan bir arayer atomunun oluşturduğu kusur, (f) Schottky kusuru: Ters elektriksel yükte iki iyonun kristal kafesinde olması beklenen yerde bulunmamasıdır, elektriksel nötrlük korunmaktadır.

12 KATI ÇÖZELTİ Yaygın olarak kullanılan metallerin çoğunda, malzemelere belirli özellikler kazandırmak için empürite (safsızlık) atomları ilave edilir. ÇÖZELTİ Çözen (Matris) Çözünen Yeralan empürite atomu Arayer empürite atomu

13 KATI ÇÖZELTİ Katı çözelti oluşturabilme şartları: 1- Atomsal boyut faktörü: Elementlerin atom yarıçapları farkı <%15 2- Kristal yapılar: Çözen ve çözünen atomların kristal yapıları aynı 3- Elektron ilgisi: Elektronegatiflik değerleri birbirine yakın 4- Değerlikleri: Bir metal değerliği kendinden büyük olanı çözmeye yatkındır

14 ÖRNEK: Aşağıda tablo verilerine göre elementlerin bakırda çözünürlük değerlerini tahmin edin: (%70-%100 çok yüksek; %30-%70 yüksek; %10-%30 orta; <%1 çok düşük) Element Atom yarıçapı, Kristal yapı Elektronegatiflik Değerlik nm Bakır 0,128 YMK Çinko 0,133 SDH Kurşun 0,175 YMK , +4 Silisyum 0,117 Elmas Kübik Nikel 0,125 YMK Alüminyum 0,143 YMK Berilyum 0,114 SDH

15 ÖRNEK: Aşağıda tablo verilerine göre elementlerin bakırda çözünürlük değerlerini tahmin edin: (%70-%100 çok yüksek; %30-%70 yüksek; %10-%30 orta; <%1 çok düşük) Çözelti Atom yarıçapı farkı, % Elektronegatiflik farkı Tahmini bağıl çözünürlük Gözlemlenen en yüksek katı çözünürlük, % Bakır - Çinko Yüksek 38.3 Bakır - Kurşun Çok Düşük 0.1 Bakır - Silisyum Orta 11.2 Bakır - Nikel Çok Yüksek 100 Bakır - Alüminyum Orta 19.6 Bakır - Berilyum Orta 16.4

16 Örnek: Karbon atomu demire ilave edildiğinde arayer katı çözeltisi oluşturur. Karbonun demir içindeki maksimum çözünürlüğü %2 Karbon atomu yarıçapı: 0,071 nm Demir atomu yarıçapı: 0,124 nm Yarıçap farkı: %42,74 Saf demir yumuşak ve düşük mukavemetlidir: Karbon katılarak sertlik ve mukavemeti büyük ölçüde arttırılabilir

17 Katı Çözeltilerde bileşim Ağırlık yüzdesi Atom yüzdesi 100, 100 : elementlerin kütlesi

18 Bileşimlerin birbirlerine dönüşümleri : elementlerin atom ağırlıkları

19 ÇİZGİSEL KUSURLAR (DİSLOKASYONLAR) Kenar Dislokasyonu Vida Dislokasyonu Karma Dislokasyonlar

20 KENAR DİSLOKASYONU Dislokasyonlar, çevrelerindeki bazı atomların kristal içindeki düzene bir miktar aykırı olarak konumlandıkları çizgisel veya tek boyutlu kusurlardır. Kenar Dislokasyonu, bir kristalin içerisinde sona eren bir ek düzlem veya ek yarı düzlemin bulunduğu dislokasyonlardır. Kristal düzlemin üzerinde dislokasyon gösterimi Kristal düzlemin altında dislokasyon gösterimi Dislokasyon çizgisi

21 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.

22 Dislokasyon çizgisi, ek yarı düzlemin alt sınırında atomların oluşturduğu çizgidir. Kayma düzlemi, dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzlemdir.

23 KENAR DİSLOKASYONU (a) kusursuz kristal yapı (b) Ekstra düzlemin oluşturduğu kenar dislokasyon (c) Kenar dislokasyonu etrafında çevrimi tamamlamak için gereken Burgers vektorü b.

24 VİDA DİSLOKASYONU Vida Dislokasyonu, kusursuz bir kristalde bir kesme düzleminin iki tarafına zıt yönde kayma gerilmesi uygulayarak oluşturulabilir.

25 VİDA DİSLOKASYONU Bir dislokasyonun kafeste oluşturduğu çarpılmanın yönü ve büyüklüğü Burgers vektörü ile gösterilir. Kenar dislokasyonunda burgers vektörü dislokasyon çizgisine dik, vida dislokasyonunda ise paraleldir.

26 VİDA DİSLOKASYONU (a) mükemmel kristal (b) kaymanın düzleminin oluşumu (c) bir atom uzunluğunda kayma.

27 KARMA DİSLOKASYON Her iki türün bir arada bulunduğu dislokasyonlara karma dislokasyon adı verilir. Bu durumda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine dik veya paralel değildir.

28 KARMA DİSLOKASYON Karma dislokasyonunda dislokasyon çizgisi eğri şeklindedir. Karma dislokasyon hem kenar hemde vida dislokasyonu karakteri gösterir. Ön tarafta bulunan vida dislokasyon yan taraflara doğru yavaş yavaş kenar dislokasyonu karakteri kazanır.

29

30

31

32 DİSLOKASYONLARIN ÖNEMİ Dislokasyonlar; katılaşma veya plastik şekil değişimi sırasında oluşur Dislokasyonlar plastik şekil değişimi açısından çok önemlidir Nasıl noktasal kusurlar olmadan yayınım çok zor gerçekleşiyorsa dislokasyon olmadan plastik şekil değişimi çok zor gerçekleşir Bir malzemeye uygulanan kuvvet veya stres kaldırıldığında ortaya çıkan ve geri döndürülemeyen şekil değişimlerine plastik şekil değişimi adı verilir Plastik şekil değişimi çok sayıda dislokasyonun kayması sonucunda meydana gelir

33 KAYMA Metalik bir malzemede kristal yapı boyunca dislokasyon hareketleri sonucunda meydana gelen deformasyona kayma adı verilir Yüksek atomsal yoğunluğa sahip düzlemler ve bu düzlemlerde en büyük atomsal yoğunluğa sahip doğrultularda diğerlerine göre çok daha kolaydır Bir kayma sistemi, her bir kristalde ayrı ayrı tanımlanan en yoğun düzlem ve doğrultu kombinasyonları tarafından oluşturulur En kolay kaymanın olduğu doğrultuda; burgers vektörü en küçüktür, dolayısıyla kayma mesafesi en küçüktür

34 KAYMA SİSTEMLERİ Kayma belirli düzlem ve doğrultularda çok daha kolaydır

35 KAYMA SİSTEMLERİ HMK YMK SDH HMK en yoğun düzlem {110} ailesi ve bu ailede en yoğun doğrultu <111> ailesidir YMK en yoğun düzlem {111} ailesi, ve bu ailede en yoğun doğrultu <110> ailesidir SDH en yoğun düzlem {0001} ailesi ve bir tanedir. Bu ailede en yoğun doğrultu 3 tanedir

36

37 Kayma işlemi özellikle metallerin mekanik davranışlarının anlaşılmasına yardımcı olur Metallerin dayanımının metalik bağdan tahmin edilen değerden neden çok daha az olduğunu açıklar Metallerde sünekliği sağlar Metal ve alaşımların mekanik özelliklerinin kontrol edilmesini sağlar Dislokasyonsuz bir malzemeye uygulanan kuvvet veya stresler yüzey boyunca bağların tümünü kopabilirdi. Dislokasyon kaydığında ise bağlar sadece dislokasyon çizgisi boyunca kopar

38 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 adet/ dislokasyon yoğunluğuna sahiptir

39 SCHMID YASASI Kayma yönünde kuvvet bileşeni Silindire uygulanan normal kuvveti

40 Dislokasyon hareketlerinin gerçekleşmesi için kayma gerilmesinin etkimesi gerekir Kritik kayma gerilmesi, bir dislokasyonun hareket etmeye başlayarak kaymaya sebep olması için gereken minimum gerilmedir Etki eden normal gerilmenin, herhangi bir düzlem ve doğrultuda oluşturacağı kayma gerilmesi: Dolayısıyla düzlemde kayma olabilmesi için bu gerilmenin kritik kayma gerilmesinden büyük olması beklenir

41 DÜZLEMSEL KUSURLAR (ARAYÜZ KUSURLARI) Dış Yüzeyler İkiz Sınırları Tane Sınırları Faz Sınırları

42 DIŞ YÜZEYLER Yüzey atomları yapabileceklerinden daha az sayıda komşu atom ile bağ yaptıklarından iç kısımlardaki atomlara göre enerjileri yüksektir. Bu yüzden malzemeler mümkünse yüzey alanlarını düşürerek enerjilerini düşürmeye çalışırlar. Katı cisimler için bu mümkün değildir!!

43 Tane sınırları çok kristalli malzemelerde, farklı yönlenmelere sahip küçük taneleri veya kristalleri ayıran sınırlardır. TANE SINIRLARI Bir tanenin kristal yönlenmesinden diğer tanenin yönlenmesine geçişte, atom dizilişinde bir süreksizlik ya da sapma meydana gelir. Tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına (anizotropi) karşın çok taneli malzemeler tanelerinin çok sayıda ve konumlarının rasgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilir.

44 TANE SINIRLARI Katılaşma sırasında iki farklı bölgede büyümüş kristaller arasında kalan sınır yüzeyidir. Mühendislik malzemeler, elektronik sanayii hariç genelde çok tanelidir. Küçük açılı ve büyük açılı tane sınırları olmak üzere iki grupta incelenirler.

45 TANE SINIRLARI Tane sınırları dislokasyon hareketini engellemektedirler Bu nedenle plastik şekil değişimi için daha fazla gerilme gerekir böylece malzemenin dayanımı artmış olur Malzemenin özelliklerini kontrol etmenin bir yolu tane boyutunu kontrol etmektir Küçük taneli malzemeler büyük tanelilere göre daha dayanımlıdır Dayanım. f 1 d y o k / ( d Hall-patch denklemi D 1/ 2 )

46 Oda sıcaklığında ortalama tane çapının, çeliğin akma dayanımı üzerindeki etkisi

47 FAZ SINIRLARI Fazı oluşturan sınırların her iki tarafında farklı fazlar vardır Her fazın kendine ait fiziksel ve kimyasal özellikleri vardır Çok fazlı malzemelerde faz sınırlarının mekanik özellikler üzerine etkisi çok fazladır

48 İKİZ SINIRLARI İkiz sınırı kristal kafeste ayna simetrisi oluşturan, yani bu sınırın bir tarafında bulunan atomların, diğer taraftaki atomların ayna görüntüsü konumlarında bulunduğu birtürtanesınırıdır. Bu sınırların arasında kalan bölgede bulunan malzeme ikiz olarak adlandırılır.

49 MİKROSKOBİK İNCELEME (MUAYENE)

50 MİKROSKOBİK İNCELEME (MUAYENE) Mikroskobik inceleme, malzemelerin incelenmesi ve karakterizasyonu için son derece faydalı bir araçtır. Mikroskobik incelemelerin; özellikler ve yapı (ve kusurları) arasındaki ilişkilerin doğru bir şekilde anlaşıldığından emin olunması, bu ilişkilerin ortaya konulması durumunda malzeme özelliklerinin tahmin edilmesi, yeni özellik kombinasyonlarına sahip alaşımlarım tasarlanması, bir malzemenin doğru bir şekilde ısıl işlem görüp görmediğinin belirlenmesi ve malzemelerin mekanik kırılma türünün (modunun) tespit edilmesi gibi önemli uygulamaları vardır.

51 MİKROSKOBİK İNCELEME (MUAYENE) Optik Mikroskoplar Elektron Mikroskopları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) (Scanning Electron Microscope) Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) (Transmission Electron Microscope) Taramalı Uç (probe) Mikroskobu (SPM) (Scanning Probe Microscope)

52 Numune yüzeyine gönderilen ışınlar, yüzeyden yansır. Daha sonra bunlar mercek sisteminde toplanır ve bu sayede büyütülmüş bir görüntü elde edilir X 2000 büyütme elde etmek mümkündür, çözünürlük 0.5 m kadar olur Mikrometre boyutunda taneler, yüzey topografyası, fazlar vs tespit edilebilir OPTİK MİKROSKOPLAR

53 NUMUNE HAZIRLAMA

54 OPTİK MİKROSKOPLAR

55 OPTİK MİKROSKOPLAR

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

57 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

58 SEM: TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU: 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)

59 Apollo 11 in getirdiği aya ait toprak Paslanmaz çelik kırık yüzeyi (304 tip X180)

60 Pb-Sn lehimi: (a) normal fotoğraf, (b) Pb elemental dağılım (açık renk) haritası (c) Sn elemental dağılım (açık renk) haritası

61 TEM: GEÇİRİMLİ ELEKTRON MİKROSKOBU: 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)

62 TEM resimleri (a) dislokasyon etrafında gerilme alanı, (b) dislokasyon ormanı (forest), (c) tane sınırları ve D-dislokasyon.

63 SPM: TARAMALI UÇ MİKROSKOBU:

64 SPM: TARAMALI UÇ MİKROSKOBU: Diğer mikroskobik yöntemlere göre çok daha iyi çözünürlüklere ulaşılabilir, X 10^9 kadar yüksek büyütmelerin mümkün olduğu nanometre ölçeğinde incelemeler yapılabilir İlgilenen özellikler hakkında topoğrafik bilgi edinilmesini sağlayan büyütülmüş üç boyutlu görüntüler oluşturulabilir Bazı TUM'ler vakum, hava, sıvı gibi çeşitli ortamlarda çalışabilir. Bu sayede belirli bir numune, kendisi için en uygun ortamda incelenebilir

65

66

67 4. DERSİN SONU