Chapter 3: Kristal ve Kristal Olmayan Katılar

Transkript

1 Chapter 3: Kristal ve Kristal Olmayan Katılar Bazı sorular... Katı yapılarda atomlar nasıl bir araya gelir? Yapıya bağlı malzeme yoğunluğu nasıl değişir? İç yapı yönlenmesi ile malzeme özellikleri ne zaman değişir? Chapter 3-1

2 Malzemeler atomların bir araya gelmesiyle oluşur. Yapı içinde atomlar, atomlar arası bağ kuvvetleri ile bir arada tutulur. Yapı içinde atomlar farklı şekillerde bulunabilir: 1. Kristal yapı 2. Amorf (camsı) yapı Chapter 3-2

3 Malzemelerin iç yapısı atomların diziliş biçimine bağlıdır. Kristal yapı Kristal yapılarda atomlar düzenli olarak dizilirler ve temel niteliği tekrarlılıktır. Amorf yapı Metallerin tümü, seramiklerin önemli bir kısmı ve bazı polimerler kısmen kristal yapılıdır. Chapter 3-3

4 (a) Asal gazlar atomik düzene sahip değildir. Bazı maddeler (b,c) su buharı ve camlar gibi kısa mesafede atomik düzenlemeye sahiptir. (d) metal birçok katıdaki atomlar belli bir düzene göre Chapter 3-4

5 Enerji ve Düzen Yoğun olmayan, düzensiz yapı Enerji typical neighbor bağ uzunluğu Tipik komşu bağ enerjisi r Yoğun, düzenli yapı Enerji typical neighbor bağ uzunluğu Tipik komşu bap enerjisi Yoğun düzenli yapılar enerjilerini minimize etme eğilimindedirler. r Chapter 3-5

6 Kristal malzemeler... atomlar periyodik dizilir, 3D kafes Atomlar arası uzaklık eşit ve özdeş Tipik olarak: Malzeme ve Diziliş -metaller -birçok seramik -bazı polimerler Kristal olmayan malzemeler atomlar periyodik bir düzene sahip değil Yapı : -Karmaşık, düzensiz yapı -Hızlı soğuma kristal SiO2 Adapted from Fig. 3.23(a), Callister & Rethwisch 8e. Si Oxygen "Amorf" = Kristal olmayan Kristal olmayan SiO2 Adapted from Fig. 3.23(b), Callister & Rethwisch 8e. Chapter 3-6

7 Kristal Yapılar Kristal yapılı malzemeler: Atomlar üç boyutlu olarak belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim kafesi oluşturur. Hacim kafeslerini oluşturan basit geometrik şekiller birim hücre, atom veya atom gruplarının bulunduğu yerlere de kafes noktası denir. Bir kristal yapısında bulunan bütün kafes noktaları özdeştir. Birim hücrenin kenar uzunlukları kafes parametresi olarak adlandırılır. Kristal yapılı olmayan malzemeler (amorf veya camsı) : Bu malzemelerde belirli bir düzen yoktur. 7 tane kristal sistemi 14 kristal kafesi a,b ve c kafes parametreleri Chapter 3 -

8 Kristallerde birim hücre (birim kafes) Üç boyutlu düzende sürekli olarak tekrar eden en küçük hacimsel yapıya birim hücre veya birim kafes adı verilir. Birim hücre kristal içinde tekrar eden yapıların en basitidir. Birim hücrelerin yan yana getirilmesi ile kristal kafesi oluşur. Birim hücrelerin kenar uzunluklarına ve kenarlar arasındaki açılara kafes parametreleri adı verilir Birim hücre kristal kafesinin bütün geometrik özelliklerini taşıdığı için, eğer birim hücrenin yapı düzeni bilinirse kristal kafesininde yapı düzeni kolayca tarif edilir. Chapter 3-8

9 Kristal kafesi içersindeki atomların (veya atom grupların) bulundukları yerlere kafes noktaları adı verilir. Kristal yapıda bütün kafes noktaları özdeştir. Atomlar birim hücrenin köşelerinde, merkezinde, herbir yüzeyinde veya yüzey kenarlarında bulunabilir. Chapter 3-9

10 Kristal Yapılar Birim hücre Chapter 3-10

11 Kristal Yapılar 7 kristal sisteme ait 14 farklı kristal kafes kafes geometrisi mevcuttur. 14 Bravais birim hücresi yandaki şekilde verilmiştir.(bravais kafesleri) Chapter 3-11

12 Metalik Kristal Yapılar Boşluk alanı minimize etmek için metal atomları nasıl düzenlenebilir? 2-boyutlu veya Şimdi bu 2 boyutlu tabakaları 3 boyutlu yapılara dönüştürelim Chapter 3-12

13 Chapter 3-13

14 Yoğun bir düzende sıralanırlar. Bunun nedenleri: Metalik Kristal Yapılar - Tipik olarak bir atom mevcuttur, bu nedenle tüm atomların yarıçapı aynıdır - Metalik bağ yönlü değildir. - En yakın komşu mesafesi için daha düşük bağ enerjisi elde etmek küçük olma eğilimindedir. - Serbest elektron bulutu birbirini dengeler En basit kristal yapıya sahiptir.genel olarak daima kristaldir. 3 tip kristal yapıyı incelersek... Chapter 3-14

15 Koordinasyon sayısı En yakın komşu atomların sayısını ifade eder. Bu sayı atomların ne kadar sıkı paketlendiğini veya hangi yoğunlukta dizildiklerini gösterir. Atomlar ne kadar sıkı paketlenirse (dizilirse), kristal yapısı o derece düşük enerji seviyesine sahip olur. Böylece daha kararlı bir kristal yapı meydana gelir. Chapter 3-15

16 Atomsal Dolgu Faktörü (ADF) : ADF kristal kafes yapısındaki doluluk oranını gösterir ve birim hücredeki atomların toplam hacminin birim hücrenin hacmine bölünmesiyle bulunur. Paketlenme faktörü olarak adlandırılan bu faktör, kristal yapılı malzemelerin hacim kafesindeki atomların ne kadar sık dizildiklerini göstermek için kullanılır. ADF = Birim hücredeki atomların toplam hacmi Birim hücrenin hacmi Chapter 3-16

17 Basit Kübik Yapı (BK) Düşük kafes yoğunluğu nedeniyle azdır (only Po has this structure) Sıkı kafes yapısı kübik yapı kenarlarıdır.. Koordinasyon # = 6 (# en yakın komşu sayısı) Click once on image to start animation (Courtesy P.M. Anderson) Chapter 3-17

18 Atomik dolgu faktörü(adf) APF = Birim hücredeki toplam atom hacmi* Birim hücre hacmi basit kübik yapılar için ADF= 0.52 a Sıkı dolgu yönleri *atomların dolu küreler olduğu varsayılır. Adapted from Fig. 3.24, Callister & Rethwisch 8e. R=0.5a 8 x 1/8 atom içerir= 1 atom/birim hücre Atomlar Birim hücre1 ADF = Hacim 4 3 p (0.5a) 3 atom a 3 hacim Birim hücre Chapter 3-18

19 Hacim Merkezli Kübik Yapılar (HMK) Kübün her köşesindeki atomlar birbirine dokunur. --Not: Bütün atomlar benzerdir; merkezdeki atom diğer atomlara göre farklı olup teğet olarak gölgelenmiştir Örn Cr, W, Fe ( ), Tantalum, Molybdenum Koordinasyon # = 8 Click once on image to start animation (Courtesy P.M. Anderson) Adapted from Fig. 3.2, Callister & Rethwisch 8e. 2 atom/birim hücre: 1 merkez + 8 köşe x 1/8 Chapter 3 -

20 Atomik dolgu faktörü: HMK Hacim merkezli kristal yapılar için ADF = a a 2 a Adapted from Fig. 3.2(a), Callister & Rethwisch 8e. atom R Birim hücre APF = 2 a 4 3 p ( 3a/4) 3 a 3 Sıkı paket yönü: Uzunluk= 4R = 3 a hacim hacim atom Birim hücre Chapter 3-20

21 Yüzey merkezli dolgu faktörü (YMK) Yüzey boyunca olan atomlar birbirine değer.. --Not: Bütün atomlar benzerdir; yüzey merkezlerindeki atomlar gölgelenmiştir. ex: Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag Koordinasyon # = 12 Click once on image to start animation (Courtesy P.M. Anderson) Adapted from Fig. 3.1, Callister & Rethwisch 8e. 4 atom/birim hücre: 6 yüzey x 1/2 + 8 köşex 1/8 Chapter 3-21

22 Atomik dolgu Faktörü: ADF Yüzey merkezli kübik yapılar için ADF = 0.74 Maksimum ulaşılabilir ADF 2 a a Adapted from Fig. 3.1(a), Callister & Rethwisch 8e. atom Birim hücre ADF = Sıkı paket yönleri: uzunluk = 4R =2 a Birim hücre içerir: 6 x 1/2 + 8 x 1/8 = 4 atom/birim hücre p ( 2a/4) 3 a 3 hacim atom Hacim Birim hücre Chapter 3-22

23 Hekzagonal Sıkı Düzen Kafes Yapıları (HSD) ABAB... Kafes dizilimi Ör: Cd, Mg, Ti, Zn 3D Gösterim 2D Gösterim c A sites B sites Ust katman Orta katman a Koordinasyon # = 12 ADF = 0.74 c/a = A sites Adapted from Fig. 3.3(a), Callister & Rethwisch 8e. 6 atom/birim hücre Köşelerde 12x1/6 İçeride Taban merkezinde 2x1/2 Toplam Alt katman = 2 atom = 3 atom =1 atom = 6 atom Chapter 3-23

24 Metallerin büyük bir çoğunluğu kübik kristal yapıya, bazıları (Zn,Mg gibi) hegzagonal kristal yapıya sahiptir. Çeliğin içindeki Fe 3 C ortorombik yapılıdır. Isıl işlemle oluşan martenzit fazı tetragonal yapıya sahiptir Tablo: Bazı metallerin kristal yapısı Metal Al Cd Cr Co Au Pt Ag Zn Mo Kristal yapı YMK HS P HMK HS P YM K YM K YM K HSP HM K Chapter 3-24

25 Teorik Yoğunluk, r Yoğunluk = r = r = Birim hücredeki atom ağırlığı Birim hücre toplam hacmi n A V C N A n = atomların sayısı/birim hücre A = atomik agırlık V C = birim hücre hacmi= a 3 (kübik yapı) N A = Avogadro sayısı = x atom/mol Chapter 3-25

26 Teorik Yoğunluk, r Ex: Cr (BCC) A = g/mol R = nm n = 2 atoms/unit cell Adapted from Fig. 3.2(a), Callister & Rethwisch 8e. volume unit cell atoms unit cell r = R a 3 a x a = 4R/ 3 = nm g mol r theoretical r actual atoms mol = 7.18 g/cm 3 = 7.19 g/cm 3 Chapter 3-26

27 3 Malzeme yoğunluk sınıflandırması Genellikle r metaller > r seramik Neden? > r polimer Metaller... Sıkı kafes (metalik bağ) often large atomic masses Seramikler... Daha az yoğun kafes genellikle hafif olanlar Polymerler... düşük kafes yoğunluğu (genelde amorf yapı) hafif elementler(c,h,o) Kompozitler... orta seviyede r(g/cm ) Metal/ Alaşım Platinyum Altın, Tungsten Tantalum Gümüş Mo Cu,Ni Celik Tin, Çinko Titanyum Aluminyum Magnezyum Grafit/ Seramikler/ Polimerler Yarı iletkenler Data from Table B.1, Callister & Rethwisch, 8e. Kompozitler/ Elyaflar Based on data in Table B1, Callister *GFRE, CFRE, & AFRE are Cam, Karbon, & Aramid Elyaf takviyeli Epoksi kompozit (değerler 60% volüm fraksiyon yönlenmiş elyaf in an epoxy matrise göre). Zirkonya Al oksit Elmas Si nitrit Cam -soda Beton Silikon Grafit PTFE Silikon PVC PET PC HDPE, PS PP, LDPE Cam elyafı GFRE* Karbon elyaf CFRE* Aramid elyaf AFRE* odun Chapter 3-27

28 TEK KRİSTALLER Kristal yapılı bir katıda, tekrar eden atom düzeninin, numunenin tamamı boyunca kesintisiz devam etmesi durumunda tek kristal yapı meydana gelir. Chapter 3-28

29 Yapı taşı olarak Tek-kristaller Bazı mühendislik uygulamaları tek kristal yapıları içerir: -- Elmas tek kristal yapısı ile abrazif özelliktedir (Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.) Kristalin malzemelerin özellikleri sıklıkla kristal yapıları ile ilgilidir. -- Ex: Kuarz kristali kristal düzlemleri boyunca çok daha kolay kırılım gösterirler. -- türbün bıcakları Fig. 8.33(c), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 8.33(c) courtesy of Pratt and Whitney). (Courtesy P.M. Anderson) Chapter 3-29

30 TEK KRİSTALLER Chapter 3-30

31 ÇOK KRİSTALLER Kristal katıların çoğu, çok sayıda küçük kristalden ya da taneden meydana gelmiştir. Böyle malzemeler çok-kristal olarak adlandırılır. Şekil de çok kristalli bir malzemenin katılaşma evreleri şematik olarak gösterilmiştir. Tanelerin birbirlerine temas ettikleri bölgelerde atomsal olarak düzensizlik söz konusudur ve bu bölgeler tane sınırı olarak adlandırılır. Chapter 3-31

32 ÇOK KRİSTALLER Chapter 3-32

33 Çok kristaller (Poli-kristaller Çoğu mühendislik malzemesi Çok kristallidir. Anizotropik 1 mm Adapted from Fig. K, color inset pages of Callister 5e. (Fig. K is courtesy of Paul E. Danielson, Teledyne Wah Chang Albany) Nb-Hf-W tabaka elektron ışını ile dağlanmış. izotropik Her bir «tane" tek kristaldir. Eğer taneler rastgele dağılmış ise, Genel numune özellikleri yöne bağlı olarak değişmez. Tane boyutları tipik olarak1 nm den 2 cm ye kadardır (Yani; birkaç taneden milyonlarca atomik tabakaya kadar). Chapter 3-33

34 TEK KRİSTAL & ÇOKKRİSTAL Tek kristaller -özellikleri yöne bağımlıdır: anizotropik -Örneğin: HMK demirde Elastiklik Modülü: E (diagonal) = 273 GPa Çok kristaller -Özellikleri yöne bağımlı olabilir/olmayabilir. -Taneler rastgele dağılım gösteriyorsa: izotropik. (E poly iron = 210 GPa) -Taneler yönlendirilmişse: textured, anisotropic. E (edge) = 125 GPa 200 mm Chapter 3-34

35 Polimorfizim Aynı bileşimde iki veya daha fazla atomsal diziliş varsa (allotropi veya polymorfizim) Demir sistemleri titanyum liquid, -Ti 1538ºC Karbon Elmas, grafit HMK YMK -Fe 1394ºC -Fe 912ºC HMK -Fe Chapter 3-35

36 Atomların Konumları Atomların konumları şekilde görüldüğü gibi orijin esas alınarak x, y, z koordinatlarını birbirinden ayıran virgül ile üç mesafe olarak yazılır. Kafes parametresi (a) birim uzunluk olarak seçilir. Chapter 3-36

37 Kristal Doğrultuları (Yönleri) Birim hücrede belirli doğrultular özel bir öneme sahiptir. Metaller yakın temas halindeki atomlar doğrultusunda şekil değiştirirler. Malzemenin özellikleri kristalde özelliğin ölçüldüğü doğrultuya bağlı olarak değişebilir. Doğrultular için Miller indisleri bu doğruları tanımlaması için kullanılan kısa gösterimlerdir. Chapter 3-37

38 Bir kristal kafes doğrultusu iki nokta arasına çizilen bir doğru yada vektör ile tanımlanır. Doğrultuların Miller indislerini (yön işaretlerini) bulmak için; 1. Koordinat sistemi kullanılarak doğrultunun bir ucu orijinde bulunacak şekilde diğer ucun koordinat noktası belirlenir. 2. Eğer sayılar kesirli ise ortak bir çarpan kullanılarak en küçük tamsayılar elde edilir. 3. Sayılar köşeli parantez içine [ ] virgül koymadan alınır. Negatif işaret çıkarsa üzerine negatif işareti konur. 4. Not: orijinin yeri değiştirilebilir. Chapter 3-38

39 Örnek OR doğrusu nun (1,0,0) Miller indisi [100] OS doğrusu nun (1,1,0) Miller indisi [110] OT doğrusu nun (1,1,1) Miller indisi [111] OM doğrusu nun (1,1/2,0) Miller indisinde sayıların tam sayı olması için 2 ile çarpılır; 2(1,1/2,0) = [210] ON doğrusunun konum koordinatları (-1,-1,0), negatif yönlü olduğundan yön indisi Chapter 3-39

40 Ödev: OE, OF, OG, GA doğrultularını belirleyiniz. Chapter 3-40

41 Kübik Kafes Yapısındaki Yön Tayini [001] [101] [111] [100] [110] Chapter 3-41

42 Bir kafes yapıda herhangi bir doğrultuya paralel sonsuz sayıda doğru vardır. Kafes yapı simetriklik özelliğine sahip olursa bazı farklı doğrultularda atomsal diziliş aynıdır. Bu doğrultulara eşdeğer doğrultular denir. Bir kafes yapıda eşdeğer doğrultuların tümü eşdeğer doğrultular ailesi oluştururlar ve ailenin miller indisleri <hkl> ile gösterilir. <100> eşdeğer doğrultu ailesinin üyeleri; [100], [010], [001], [1-00], [01-0], [001-] Chapter 3-42

43 Kristal Düzlemlerin Miller İndisleri Bir kristalde belirli atom düzlemleri özel bir öneme sahiptir. Metaller atomların çok sıkı paketlendiği düzlemler boyunca şekil değiştirir. Bu düzlemleri tanımlamak için (hkl) şeklinde tam sayılardan oluşan Miller indisleri kullanılır. Chapter 3-43

44 Düzlemlerin Miller İndisleri şöyle bulunur; 1. Düzlemin x, y, z eksenlerini kestiği noktaların koordinatları tanımlanır. 2. Bu noktaların tersi alınır. 3. Bu sayılar uygun bir ortak çarpanla en küçük tam sayılar grubu haline getirilir. 4. Sonuç (hkl) şeklinde gösterilir, negatif numaralar üzerine ( ) işareti konur. 5. Eşdeğer düzlemler ailesi {hkl} ile gösterilir. Kübik sistemlerde bir düzlem ile aynı indislere sahip doğrultular, bu düzleme diktir. Örneğin [100] doğrultusu, (100) düzlemine diktir. Chapter 3-44

45 Kübik Yapıdaki Düzlemler Kristalografik Düzlem ve Yönler Atomların dizildikleri tabaka veya düzlemlere atom düzlemleri ya da kristalografik düzlemler denir. Miller indisleri (h k l) Kafes parametresi a=1 birim x y z z Eksenlerlerle kesişme noktaları 1 1 Kesişme noktaların ait koordinatların tersi Miller indisleri 1/1 1/1 1/ o y Miller Indices (110) x Chapter 3-45

46 x y z z Eksenlerlerle kesişme noktaları 1/2 Kesişme noktaların ait koordinatların tersi Miller indisleri 1/1/2 1/ 1/ o y Miller indisleri (2 0 0) x y z x Eksenlerlerle kesişme noktaları z Kesişme noktaların ait koordinatların tersi 1/1 1/1 1/1 Miller indisleri Miller indisleri (1 1 1) y x Chapter 3-46

47 Eksenlerlerle kesişme noktaları Kesişme noktaların ait koordinatların tersi x y z 1 1/ 1/1 1/ Miller indisleri _ z o z y (011) z z (101) x x _ (110) o y o y o x x Chapter 3-47

48 Eksenlerlerle kesişme noktaları Kesişme noktaların ait koordinatların tersi x y z 1 1/ 1/1 1/ Miller indisleri _ z o z y (011) z z (101) x x - (110) o y o y x x Chapter 3-48

49 Kristal düzlemleri z example a b c 1. Eksenlerlerle kesişme noktaları 1 1 1/1 1/1 1/ 3. Kısaltma Kesişme noktaların ait koordinatların tersi 4. Miller indisleri (110) example a b c 1. Kesisme nok 1/2 2. Kesisme nok 1/½ 1/ 1/ koord. tersi Kısaltma Miller Indisleri (100) x a a c c z b b y y x Chapter 3-49

50 Kristal düzlemleri z Örnek a b c 1. Kesişme 1/2 1 3/4 2. Kesisme 1/½ 1/1 1/¾ koord. tersi 2 1 4/3 3. Kısaltma Miller indisleri (634) x a c b y Düzlem ailesi{hkl} Örn: {100} = (100),(010), (001), (100), (010), (001) Chapter 3-50

51 Kristal düzlemleri(hsd) In hexagonal unit cells the same idea is used z example a 1 a 2 a 3 c 1. Kesişme Kesişme 1 1/ -1 1 koord. tersi Kısaltma a 2 a 3 4. Miller-Bravais Indisleri (1011) a 1 Adapted from Fig. 3.8(b), Callister & Rethwisch 8e. Chapter 3-51

52 Örnek: BGFC, DEFC, ABCD ve ADEO düzlemlerinin miller Chapter 3-52

53 Örnek: Aşağıdaki düzlemlerin miller indislerini belirleyiniz. Chapter 3-53

54 Chapter 3-54

55 X-Ray Difraksiyoınu Difraksiyon seviyeleri difrakte olan radyasyonun dalga boyuna kıyasla boşluklara sahip olmalıdır. Boşluklar çözülemez (dalga boyu) Boşluklar paralel atom düzlemleri arasındaki mesafedir. Chapter 3-55

56 X-Ray Kristal Yapıları Belirler Gelen X ray ışınları kristal düzlemlerinden difrakte olur. refleksiyonlar bir belirlenebilr sinyal için faz içerisinde olmalıdır ekstra mesafe dalgayla Geçen 2 q q d Adapted from Fig. 3.20, Callister & Rethwisch 8e. düzlemler arası boşluk Ölçümlerde kritik açı, q c, düzlemsel boşlukların, d hesaplanmasını sağlar. X-ray şiddeti (detektörden) d = n 2 sin qc q q c Chapter 3-56

57 Intensite (nispi) z c X-Ray Difraksiyon Eğrisi z c z c a x b y (110) a x b y a x (211) b y (200) Adapted from Fig. 3.22, Callister 8e. Difraksiyon açısı 2q Çoklu kristal yapıdaki -demir (HMK) için difraksiyon eğrisi Chapter 3-57

58 Özet Atomlar kristalin veya amorf kafes yapı olarak bir araya gelir. Yaygın metallerin kristal yapıları YMK, HMK ve HSD dir. Koordinasyon numarası ve atomik dolgu faktörüymk ve HSD kristal kafes yapıları için aynıdır. Malzemenin teorik yoğunluğu, atomik ağırlık, atomik yarıçap, ve kristal geometrisi (yani, YMK, HMK, HSD) bilinirse belirlenebilir. Kristal noktalar, doğru ve düzlemleri indeks semaları ile ifade edilir. Chapter 3-58

59 Özet Malzemeler tek kristalli ve çok kristallidir. Malzeme özellikleri genellikle tek kristalli anizotropik yapı yönelimi ile değişmektedir. Fakat çok-kristal malzemelerde izotropik (yöne bağlı olmayan) rastgele yönlenmiş tane yapıları şeklinde olduğu ifade edilebilir. Bazı malzemeler birden fazla kristal yapıya sahip olabilir Buna allotropi veya polimorfizim denir. X-ray difraksiyonu kristal yapılar için kullanılır ve düzlemler arası boşluğun belirlenmesi sonucuna dayanır. Chapter 3-59

60 Amorf Yapılar Atomların düzensiz rastgele dizilmeleri sonucu oluşan yapılardır. Gazlar sıvılar camlar plastiklerin önemli bir kısmı, ve aşırı hızda soğumuş metaller Gazlar aralarında koordinasyon sayısı sıfırdır. Özgül ağırlığı cok düşüktür Moleküller rasgele serbest dolaşırlar Sıvılar zayıf bağa sahiptir. Sıvıların ks değeri katılara göre düşüktür. Camlar sıvı haldeki düzensiz yapısını aynen koruyarak katılaşan cisimlerdir. Tg sıc. Atomlar daha sık dizilerek dengededir. Metalik cam amorf yapıda bir metaldir. Ergimiş metal Cok düşük sıcaklıkta bir yüzeye dökülürse atomlar düzenli bir yapı oluşturamaz Sonuçta Yalıtkan ve manyetik özellikte amorf bir yapı oluşur. Chapter 3-60

61 (a) Asal gazlar atomik düzene sahip değildir. Bazı maddeler (b,c) su buharı ve camlar gibi kısa mesafede atomik düzenlemeye sahiptir. (d) metal birçok katıdaki atomlar belli bir düzene göre Chapter 3-61

62 Kristalleşme Mekanizması Kristalleşme sıvı durumdan katı duruma geçiş olarak tanımlanır ve çekirdekleşme ve büyüme olarak bilinen iki aşamadan oluşur. Saf metalin soğuma eğrisi Chapter 3 -

63 Fazlar İç yapı yönünden farklı olan kısımlara faz denir (sınıfdaki farklı sıra dizileri) Her faz atomların homojen dizilmeleri sonucu oluşur. Oluşan fazların kimyasal yapısı aynı veya farklı olabilir ancak değişik yapıları nedeniyle fiziksel özellikleri farklıdır Karışımdaki su ve buz kimyasal olarak aynı ama yapı ve özell. Farklıdır Bundan dolayı bazı yapılar cok fazlı sistemler olarak ifade edilir. Sıvı halden katı hale geçerken faz dönüşümleri gerçekleşir. Farklı bilşimdeki cisimler sıvı halde birbiri içinde kolayca karışabilir atom ve mol. Mertebede eriyik olabilirler. Metaller endüstriyel olarak sıvı halde birbirine karıştırılarak alaşımlar üretilir. Bir saf A metali sıvı halden katı halde cok kristalli bir yapı oluşur bu yapıdaki her tane özdeş ancak kristal yönleri rastgele dağılmıştır. h Chapter 3-63

64 Fazlar A metaline sıvı halde B metali katılırsa ve tamamen erirse katılaşmadan sonra karılım korunursa tek fazlı eriyik olur. A metal kafesi içerisinde B metali atomları homojen dağılmış olur A metali B metalini sınırlı oranda eritirse B atomları ikinci bir faz oluşturur Bu durumda birinci faz alfa ikinci faz beta olur Kristal yapılar denge konumuna en düşük enerjide gelmek istediklerinden eriyik oluşturma yetenekleri düşüktür bu nedenle faz sayısı yüksek olur. Bakır çinko da 5 farklı faz vardır. Amorf yapılar düzensiz dizildiklerinden kolayca karışabilirler bundan dılayı düzenli faz sayısı oldukça azdır Chapter 3-64

65 KUSURLAR Kusur türleri ve kusurların malzeme davranışındaki etkisi nedir? Chapter 3-65

66 Katı çözeltiler Empürite (yabancı)atomların i,lave edilmesiyle saf metallerde meydana gelen değişimler sonucu katı çözeltiler oluşur Empürite türü, konsantrasyonu ve sıcaklık etkili faktörlerdir. Sonuçta yeni bir faz oluşabilir. Matris (çözen) atomlara çözünen atomların ilavesiyle oluşur Chapter 3-66

67 Kristal Yapı Kusurları 1.Noktasal kusurlar 2. Çizgisel kusurlar 3. Yüzeysel kusurlar 4. Hacimsel ( kütlesel kusurlar) -Boş nokta kusuru -Dislokasyonlar -Tane sınırları -Ara yer kusuru -İkizlenme -Yer alan atom kusuru -İstiflenme -Frenkel kusuru -Schottky kusuru 1. Noktasal kusurlar Boş nokta kusuru Ara yer kusuru Chapter 3 -

68 Yer alan atom kusuru 2. Çizgisel kusurlar (Dislokasyonlar) Frenkel ve schottky kusuru (iyonik bağla bağlı malzemelerde net elektriksel yükün sıfır olması gerekir. Bunlardan zıt işaretli iyon çifti eksik olursa Schottky, eğer iyon yer değiştirse Frenkel kusuru meydana gelir.) Dislokasyon, bir kristalin mükemmel iki bölümü arasında yapı düzeni buzulmuş bir bölge anlamına gelir ve kristalin kaymış bölgesi ile kaymamış bölgesi arasında sınır oluşturan çizgisel kusur olarak tanımlanır. Kenar dislokasyonu Vida dislokasyonu Her iki türü içeren karmaşık dislokasyonlar Chapter 3 -

69 Yayınım (Difüzyon) Atomların ısıl titreşimler sıcaklık yükselmesi sonucu artar ve bir kısmı içinde bulunduğu yapıda bir konumdan diğer konuma atlayarak yer değiştirir. Bu olaya atomsal yayınım adı verilir. Bu durumda atomun çevresi ile bağı kopar atomlararası boşluktan geçer ve tekrar çevre ile bağ kurulur Yayınım için aktivasyon enerjisine ihtiyaç vardır. Bu enerji yarı kararlı haldeki arayer atomlarının kararlı oldukları boş kafes köşelerine geçerken gerekli olan enerji düzeyini ifade eder. Yayınım eriyen ve eriten sistemlerden oluşur Chapter 3-69

70 Kenar dislokasyonu mükemmel bir kristale bir yarım atom düzlem veya tabakasının ilavesi ile oluştuğu gibi, mükemmel bir kristalden bir veya iki sıra atom düzleminin çıkarılması ile oluşabilir. Pozitif kenar dislokasyonu Negatif kenar dislokasyonu Burgers vektörü; hareket eden dislokasyonların hareket yönünü ve miktarını gösterir. Kenar dislokasyonunda Burgers vektörü kenar çizgisine diktir. Pozitif kenar dislokasyonu Chapter 3-70

71 Vida dislokasyonu, atom düzleminin dislokasyon çizgisine paralel olarak ötelenmesi sonucunda meydana gelir. Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir. Vida dislokasyonunda, dislokasyon çizgisi etrafındaki atom düzlemleri helisel veya spiral bir yüzey oluşturur. Chapter 3-71

72 Kenar, vida ve karmaşık dislokasyonlar Titanyum alaşımındaki dislokasyoların SEM u görüntüsü Chapter 3-72

73 Kenar dislokasyonun kristal içersindeki hareketi ve bunun sonucunda meydana gelen kayma Chapter 3-73

74 Kenar dislokasyonunda, dislokasyon çizgisi üst kısımda bası alt kısımda çeki gerilmeleri oluşturur. Chapter 3-74

75 3. Yüzeysel kusurlar -Tane sınırları: Malzemenin aynı atom düzenine sahip olan her parçasına tane denir. Ancak birbirine komşu olan her bir tanedeki atom düzenleri farklı yönelme gösterir. θ 10º dar açılı tane sınırı θ> 10º geniş açılı (10º-20º) tane sınırı Eğim sınırı Küçük açılı tane sınırları dislokasyonlar tarafından oluşturulmaktadır. Küçük açılı tane sınırlarını oluşturan dislokasyonlar kenar dislokasyonu olması halinde eğim sınırı, vida dislokasyonu olması halinde ise büküm sınırı meydana gelir. Chapter 3-75

76 -İstiflenme kusuru YMK yapılı malzemelerde meydana gelir. İstiflenme kusuru en yaygın deformasyon mekanizması olan kaymayı zorlaştırır. ABCABCABC ABCABABCABC -İkiz sınırları İkiz sınırı boyunca etki eden kayma kuvveti atomların yerini değiştirerek ikizlenmeye neden olur. İkizlenme bazı metallerin plastik deformasyonu yada ısıl işlemi sırasında da meydana gelir. İkiz sınırları, kaymayı zorlaştırarak metallerin mukavemetini artırır. İkiz sınırlarının hareketi aynı zamanda metal malzemelerin plastik deformasyona uğramasına da neden olur. Chapter 3-76

77 4. Hacimsel kusurlar Malzemelerin üretimi ve şekillendirilmesi sırasında ortaya çıkan kusurlar Chapter 3-77