BÖLÜM 9 - DİFÜZYON. Difüzyon nasıl oluşur? Neden önemlidir? Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir?

Transkript

1 BÖLÜM 9 - DİFÜZYON Difüzyon nasıl oluşur? Neden önemlidir? Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir? Difüzyon malzemenin yapısına ve sıcaklığa göre nasıl değişir

2 Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi olaylar ile kaynak, lehim, sementasyon gibi işlemler büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlıdır. Atomların hareketleri ısıl enerji etkisinde oluşur ve iki aşamalıdır. Birincisi ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri, ikincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu sonuncuya atomsal yayınım veya difüzyon denir. Katı malzemelerde meydana gelen difüzyon gaz ve sıvılardaki difüzyondan çok daha yavaştır.

3 2. Yayınım Mekanizmaları Boşluk yayınımı bir atomun yanındaki boşluğu doldurmak için kendi kafesindeki yerini terk etmesidir (bu nedenle orijinal kafes yerinde yeni bir boşluk oluşturur). 3

4

5

6

7 Başlangıç durumu Ara durum Son durum Enerji Aktivasyon enerjisi Buna difüzyon enerji engeli de denir.

8

9

10

11

12

13 Metalik sistemler

14 Ametalik sistemler

15 Figure 5.20 Diffusion in ionic compounds. Anions can only enter other anion sites. Smaller cations tend to diffuse faster

16 Difüzyon ve Sıcaklık Difüzivite T ile artar. Qd aktivasyon enerjisidir (bu enerji arttıkça, difüzivite ve atomik difüzyon olasılığı azalır)

17 Atom konsantrasyonun yüzeyden içeri doğru zamanla değişimi 2.Fick kanunu ile ifade edilir. 2.Fick kanunu, 1.Fick kanununun türevidir.

18 2. Fick kanunu C t x D 2 C x x 2 Cs yüzey konsantrasyonu, Co hacim konsanrasyonu 2.Fick kanununun, yarı sonsuz katıya difüzyon durumunda çözümü. C C s x C C o o 1 erf 2 x Dt erf gaus hata fonksiyonu (error function).

19 C C s x C C o o 1 Tablo üzerinde: erf z 2 2 x Dt x Dt

20 ÖRNEK Problemler: 1020 çeliğinden bir dişliyi 927 C'de karbonladığınızı düşünün. Yüzeyin 0.50 mm altında karbon miktarını %0.40'a çıkarmak için gerekli zamanı dakika cinsinden hesaplayın. Fırın atmosferindeki karbon miktarının %0.90 ve çeliğin karbon miktarının %0,20 olduğunu kabul edin. D 927 C = 1.28x m 2 /sn C y = %0.90 x = 0.5 mm = 5.0 x 10-4 m C o = %0.20 C x = %0.40 t =? Sn Çözüm: C C x s C C o 0 1 erf 2 x Dt veya C C s s C C x 0 erf 2 x Dt

21 C C x s C C o 0 1 erf 2 x Dt veya C C s s C C x 0 erf 2 x Dt

22 Örnek 1020 çeliğinden bir dişliyi bir önceki problemdeki gibi 927 C'ta gazla karbonlayacağımızı düşünelim. Bu kez 5 saatlik karbonlamadan sonra dişli yüzeyinin 0.50 mm altındaki karbon miktarını hesaplayın. Atmosferdeki karbon miktarının %0.90, çeliğin karbon miktarının da %0.20 olduğunu kabul edin Z = kabul edelim. Şimdi bu Z değerine hangi hata fonksiyonunun uyduğunu bilmemiz gerekir. Bu sayıyı Tablo dan bulmak için verileri yandaki tabloda olduğu gibi ara değerlememiz gerekir

23 Dikkat edilecek olursa, 1020 çeliğinde karbonlama süresini 2.4 saatten 5 saate yükseltmek, dişli yüzeyinin 0.5 mm altındaki karbon miktarını % 0.4'ten sadece % 0.52'ye yükseltebilmektedir.

24

25

26

27 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Figure 5.33 The steps in diffusion bonding: (a) Initially the contact area is small; (b) application of pressure deforms the surface, increasing the bonded area; (c) grain boundary diffusion permits voids to shrink; and (d) final elimination of the voids requires volume diffusion

28 Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarında atomlar difüz eder, köprüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

29 5.5. Yarı iletken endüstrisi Doping silicon with phosphorus for n-type semiconductors: Process: 0.5 mm 1. Deposit P rich layers on surface. 2. Heat it. silicon 3. Result: Doped semiconductor regions. magnified image of a computer chip light regions: Si atoms silicon light regions: Al atoms Adapted from Figure 18.27, Callister & Rethwisch 8e. 29

30