MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI)

Transkript

1 MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI) Bölüm 4. Malzemelerde Atom ve İyon Hareketleri Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR

2 Hedefler Malzemelerde difüzyon uygulamalarını ve prensipleri incelemek. Difüzyonun ileri malzemelerin üretimi ve sentezlenmesinde nasıl uygulandığını görmek Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

3 DİFÜZYON(YAYINMA) Mühendislik malzemelerin işlenmesindeki ve kullanılmasındaki süreçlerin çoğu, katı durumda meydana gelir. Süreç boyunca atomlar yeni ve daha kararlı oldukları yerlere hareket ederek yeniden dizilirler. Bu nedenle difüzyon (yayınma) olayının iyi bilinmesi gerekir. Difüzyon (yayınım), sıcaklığa bağlı olarak bir malzeme içinde atomların veya moleküllerin hareketi ile kütle taşınımına denir. Atomlar veya moleküller, konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluşturmak için düzgün şekilde hareket ederler (örneğin mürekkep ile suyun karışması). Ancak homojen malzemelerde aynı atomların yer değişimi-self difüzyon gerçekleşebilir (Genelde kütle taşınması görülmez). Malzeme üretimi sırasında avantaj iken yüksek kullanım sıcaklıklarında dezavantaj teşkil eder. Örneğin özellikleri yükseltmek için malzemeler sıkça ısıl işleme maruz bırakılır. Isıl işlemde atomik difüzyon meydana gelir ve duruma bağlı olarak yüksek veya düşük difüzyon hızları istenir. Isıl işlem sıcaklığı ve süresi, ısıtma veya soğutma hızları difüzyonun fiziksel olarak incelenmesi ile tespit edilebilir. Örnek: Çelik dişlilerin yüzeylerinin C veya N ile sertleştirilmesi. Katı hal şartlarında metallerde ve alaşımlarda atomların yayınımının önemini vurgulamaya örnek olarak ikincil fazların katı çözeltiden çökelmesi ve soğuk şekillendirilmiş metalde yeni tanelerin çekirdeklenmesi ve büyümesidir. Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

4 1. Kendi Kendine Difüzyon (self-difüzyon) 2. Alaşımlarda Difüzyon (İnterdifüzyon veya empürite difüzyonu) Alaşımlarda difüzyon: Alaşımlar ve seramiklerde, benzer olmayan atomların difüzyonu da söz konusudur. Bir alaşım veya difüzyon çiftinde atomlar yüksek konsantrasyondan düşüğe doğru göç etmeye meyillidirler. Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

5

6 Kendi kendine difüzyon (Self-difüzyon): Saf malzemelerde atomların bir latis pozisyonundan diğerine hareket etmeleri, kompozisyon değişikliği olmaz. Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

7 Difüzyon Mekanizmaları Boşluk Difüzyonu: Bir atom yanındaki boşluğu doldurmak için kendi kafesindeki yerini terk eder, orijinal kafeste bir boşluk oluşturur. Difüzyon devam ettiğinde atomların ve boşlukların karşıt akımı söz konusudur. Boşluğun yanındaki bir atom titreşim sonucu boşluğa yönelir ve hareket eder. Çok yüksek aktivasyon enerjisi gerekmez. Distorsiyon olmadan atomlar hareket eder Ara yer Difüzyonu: Kristal yapıda küçük bir ara yer atomu varsa, atom bir ara yerden diğerine hareket eder. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için boşluklara gerek yoktur. Genelde atom yarıçapı küçük olan atomlar ana atomlar arasına göç etmesi (H, O, N, C ve B). Distorsiyonsuz difüzyon. Düşük aktivasyon enerjisi Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

8 Diğer Difüzyon Mekanizmaları: Direkt Yer değiştirme :Atom yoğunluğu yüksek sistemlerde meydana gelir. Yüksek oranda distorsiyona yol açar. Çok yüksek aktivasyon enerjisi bariyeri aşılmalı. Çevrimli Yer değiştirme (Halka): Zener modeli olarak da bilinir. N adet atom sürekli olarak birbirinin yerini alır. Aktivasyon enerjisi direkt yer değiştirmeden çok daha düşüktür. Arayerimsi difüzyon, Bazen bir yer alan atomu normal kafes noktasını terk eder ve bir arayer pozisyonuna girer. Çok yüksek aktivasyon enerjisi, yüksek distorsiyon Tırmanmalı Difüzyon Çok yüksek aktivasyon enerjisi, yüksek distorsiyon Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

9 Difüzyon İçin Aktivasyon Enerjisi (Q) : Nispeten kararlı konumda ve düşük enerjili atomun yeni bir bölgeye hareket etmesi için gerekli olan enerjidir. Atomların yeni konumlarına geçmelerini sağlayacak bir enerji gereklidir. Aktivasyon enerjisi düşük ise difüzyon daha kolay gerçekleşir, Q(arayer) < Q (boşluk) Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

10

11

12 KARARLI HAL DİFÜZYONU (Difüzyon Hızı, Birinci Fick Kanunu): Birim zamanda, birim düzlem alanı boyunca geçen atom sayısı olarak tanımlanan akı(j) ile ölçülebilir. Difüzyon zamana bağlı işlemdir ve makroskobik hassasiyettedir. Akı: Birim zamanda birim alandan geçen malzeme yada atom miktarı, J = M/(A. t) Difüzyonda: --Boşlukların --Asal atomların (A) --Empürite atomların(b) Akısı hesaplanabilir veya ölçülebilir Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR Kararlı hal difüzyonu: Akışkan atomlar ile difüzyon katsayısı ve konsantrasyon gradyantı arasındaki ilişkidir. Konsantrasyon zamanla ve mesafeyle değişmez. Pratikte difüzyon çoğu zaman kararsız hal ile gelişir. Kararsız hal difüzyonunda I. Fick kanunu geçersiz Difüzyon katsayısı (D): Atom, iyonların difüzyonunda sıcaklık bağımlı katsayıdır. Konsantrasyon gradyanı: dc/dx (kg.m -4 ): Uniform olmayan malzemede kompozisyon değişim hızının uzaklıkla değişmesidir. Tipik olarak atom/cm 3.cm veya at%/cm.

13 Eksi (-) işareti atomların düşük yoğunluğa doğru akışından dolayı gelmekte, D yi etkileyen en önemli iki faktör: a) Sıcaklık, b)kompozisyon. Düzensizlik artınca D artar (Tane sınırı ve dislokasyonlar) Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

14

15

16

17

18

19

20 Difüzyon değerleri bir çok değişkene bağlıdır: 1) Difüzyon (yayınma) mekanizmasının türü. Difüzyonun ara yer veya yer alan (asal) olması etkilidir. 2) Difüzyonun meydana geldiği sıcaklık. Sıcaklık artıkça difüzyon artar. 3) Çözen kafesin kristal yapısının türü önemlidir. Ör: Karbon atomları, HMK yapıdaki Fe atomları arasından YMK yapısındakine kıyasla daha kolay difüze olur. Bunun nedeni HMK yapısının dolum oranı 0,68 iken, YMK 0,74 dür ve HMK yapıda Fe atomları arasındaki mesafe YMK kristalinkine göre daha büyüktür. 4) Katı hal difüzyonunun olduğu bölgede bulunan kristal kusurlarının türleri de önemlidir. Ör: metallerde ve seramiklerde difüzyon tane sınırlarında tane içinden daha hızlıdır. Boş kafes noktalarının artması metal ve alaşımlarda difüzyon hızını arttıracaktır. 5) Yayınan maddelerin derişimi(konsantrasyonu) önemlidir. Çözünen atomların derişimi yüksek olması difüzyonu etkiler. Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR

21 KARARSIZ HAL DİFÜZYONU (İkinci Fick kanunu) Koşulların zamanla değişmediği kararlı durum difüzyonu mühendislik malzemelerinde yaygın değildir. Çoğunlukla malzemenin herhangi bir noktasında, çözünen atomların derişiminin zamanla değiştiği kararsız hal difüzyonu görülür. Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32 Soru: Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

33

34 Soru: Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

35 Soru: Arrhenius eşitliğinden; Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

36 Kaynaklar: W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt: K. Genel, 2013 D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M. Erdoğan, W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001 K. Onaran, Malzeme Bilimi Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR