METALLERDE KATILAŞMA HOŞGELDİNİZ

Transkript

1 METALLERDE KATILAŞMA Malzeme Malzeme Bilgisi Bilgisi PROF. DR. HÜSEYİN UZUN HOŞGELDİNİZ 1 /94

2 METALLERDE KATILAŞMA Metal ve alaşımlar, belirli bir sıcaklıktan sonra (ergime sıcaklığı) katı halden sıvı hale geçerler. Bu sıcaklığın altında ise sıvı halden katı hale geçerler. Katılaşma süreci içerisinde ortaya çıkan yapı; * Metal veya alaşımın mekanik özelliklerini etkiler ve * Arzu edilen özelliklerin elde edilebilmesi için hangi işlemlerin uygulanması gerektiğine karar vermeyi etkiler. Özellikle tane boyutunun ve şeklinin, katılaşma süreci ile kontrol edilmesi mümkündür. Düşük karbonlu Mo Nb Cu B beynitik çelik (a)dakikada 1 C hızla soğutma (b) Dakikada 5 C hızla soğutma (c) Dakikada 10 C hızla soğutma (d) Dakikada 30 C hızla soğutma 2 /94

3 METALLERDE KATILAŞMA Metallerin katılaşma mekanizması: (1) Ergiyikten kararlı çekirdeklerin oluşması (çekirdeklenme) (2) Çekirdeklerin kristaller halinde büyümesi (3) Tane yapısının oluşması 3 /94

4 ÇEKİRDEKLENME Kristalleşmeyi başlatan en küçük katı oluşumlara çekirdek (İngilizce: nucleus) denir. Çekirdeğin oluşma sürecine de çekirdeklenme (İngilizce: nucleation) adı verilir. Bir metalin sıvı halden katı hale, yani ergiyikten kristalli duruma geçebilmesi için çekirdek oluşumu mutlaka gereklidir. 4 /94

5 ÇEKİRDEKLENME Katılaşma işlemi, çekirdeklenme ve sonra katının büyümesi sürecini takip eder. Sıvı, katılaşma noktasına soğutulduğunda sıvı içerisindeki atomlar kümeleşerek küçük bir katı parçacık bölgesi oluştururlar. Bu küçük katı parçacıklarına embriyo adı verilir. 5 /94

6 ÇEKİRDEKLENME Eğer embriyo kritik çekirdek çapından (r*) küçükse, kararlı katı dediğimiz çekirdekleşme oluşmadığı için büyüme başlamaz. Ne zaman embriyo kritik çekirdek çapını (r*) geçerse, çekirdek oluşur ve büyüme de başlar. Katının yarıçapı kritik çaptan (r*) küçük ise embriyo, kritik yarıçaptan büyük ise çekirdek adı verilir. Katının büyümesi, atomların sıvıdan oluşan çekirdeklere geçmeleri ile olur ve bu şekildeki büyüme sıvı bitene kadar devam eder. 6 /94

7 ÇEKİRDEKLENME Katılaşan saf bir metalde iki tür enerji oluşur: 1- Katılaşan parçacığın katı ile sıvı arasında katı-sıvı arayüzeyinin meydana gelebilmesi için gerekli yüzey enerjisi 2- Sıvının katıya dönüşmesi sırasında açığa çıkan hacim serbest enerjisi 7 /94

8 ÇEKİRDEKLENME * Yüzey enerjisinin artması kritik yarıçapı (r*) nasıl etkiliyor? Çekirdek (katı parçacığı) ve ana faz (sıvı) arasında oluşan katı-sıvı arayüzeyinin enerji (yüzey enerjisi) ihtiyacı ne kadar yüksekse, çekirdeğin kararlı hale gelmesi o kadar güç hale geliyor. Yüzeyin enerji ihtiyacı, çekirdeğin oluşumuyla açığa çıkan hacimsel enerji tarafından karşılanıyor. Dolayısıyla, arayüzeyin oluşması için gereken yüksek enerji ihtiyacının karşılanarak çekirdeğin kararlı hale gelebilmesi için, çekirdek yarıçapının artması gerekiyor. 8 /94

9 ÇEKİRDEKLENME * Hacim serbest enerjisinin artması kritik yarıçapı (r*) nasıl etkiliyor? Çekirdeğin oluşumu karşısındaki temel engel, oluşan yüzeyin enerji ihtiyacıdır. Eğer bir çekirdek oluştuğunda açığa çıkan hacimsel enerji miktarı yüksekse, daha ufak boyuttaki çekirdekler bile, yüzey enerji ihtiyaçları karşılanarak kararlı hale gelebilirler. Bu nedenle, hacim serbest enerjisi arttıkça, daha küçük çekirdeklerin kararlı hale gelebildiklerini gözlemliyoruz. 9 /94

10 ÇEKİRDEKLENME Çekirdeklenme sırasındaki toplam enerji değişiminin eksi değerlere düşmesi, hacim artışına bağlı olarak açığa çıkan enerjinin yüzeyin ihtiyacı olan enerjiyi sağladığı gibi, bir miktarının da arttığını ifade ediyor. Toplam enerjinin artı değerlerde olması ise, açığa çıkan enerjinin yüzeyin ihtiyacını karşılamakta yetersiz kaldığını gösteriyor. 10 /94

11 ÇEKİRDEKLENME Saf bir metalin katılaşması sırasında r yarıçapında bir çekirdekçik veya çekirdek oluşumu için gerekli toplam serbest enerji degişimi aşağıdaki bağıntı ile verilir: ΔF = Toplam serbest enerji değişimi ΔFv = Serbest hacim enerjisi σ = Serbest yüzey enerjisi Yarıçapı r olan küresel embriyonun hacmi Yarıçapı r olan küresel embriyonun yüzey alanı 11 /94

12 ÇEKİRDEKLENME TÜRLERİ 1- Çekirdekler ergiyik metalin kendi atomlarından oluşuyorsa (saf metal ise) bunlara öz çekirdek veya homojen çekirdek denilir ve burada homojen çekirdek oluşumu söz konusudur. 2- Çekirdek yabancı katı parçacıklarından oluşuyorsa (saf metal değilse) bunlara da yabancı çekirdek veya heterojen çekirdek denir ve burada da heterojen çekirdek oluşumu mevcuttur. 12 /94

13 1- HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME Homojen çekirdeklenme, sıvı metalin yani eriyiğin kendi atomlarının kendi sıvısı içinde çekirdek oluşturduğu durumlarda meydana gelir. Başka bir ifadeyle içinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar (karbür, nitrür, oksit ve diğer katı bileşikler) bulunmayan ideal ve homojen bir ergiyikte kararlı çekirdeklenme türüdür. 13 /94

14 1- HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME Homojen çekirdek oluşumu için bir ΔT alt soğuma gereklidir Yani ergiyik, katılaşmaya ergime sıcaklığında değil daha düşük bir sıcaklıkta başlar. Homojen çekirdekleşme için bazen birkaç yüz derece santigrada kadar ulaşan bir alt soğumaya (Örneğin, Pb için T=80 C, Fe için T=295 C) ihtiyaç vardır. Bazı metallerin homojen çekirdeklenmedeki süper soğuma sıcaklığı (ΔT) değerleri 14 /94

15 1- HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME Toplam serbest enerji eşitliğinin diferansiyeli alınırsa, kritik çekirdeklenme boyutu tahmin edilebilir. r = r* olduğunda serbest enerji eğrisinin maksimumda olmasından dolayı r' ye göre diferansiyeli sıfırdır. (1.1) eşitliği Hacim serbest enerjisi aşağıdaki eşitlikle ifade edilir: (1.2) eşitliği 15 /94

16 1- HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME Hacim serbest enerjisi aşağıdaki eşitlikle ifade edilir: (1.2) eşitliği Burada; ΔH f = metalin gizli ergime ısısı Tm = Kelvindeki denge katılaşma sıcaklığı ve sıvının sıcaklığı T olduğunda ΔT = Tm-T alt soğumadır. Gizli ergime ısısı, sıvıdan katıya dönüşüm sırasında verilen ısıyı temsil eder. 16 /94

17 1- HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME (1) ve (2) eşitlikleri birleştirildiğinde kritik çekirdek yarı çapı (r*) aşağıdaki eşitlikle ifade edilir. r* = kritik çekirdek yarı çapı (cm) σ = yüzey serbest enerjisi (J/cm 2 ) T m = Metalin ergime derecesi (Kelvin) ΔH f = Gizli ergime ısısı (J/c 3 ) ΔT = Alt soğuma sıcaklığı ( C) 17 /94

18 ÖRNEK Saf bakırın katılaşmasında homojen çekirdeklenme için gerekli kritik çekirdek yarıçapı (r*) değerini hesaplayınız. Bakırın ergime gizli ısısı (ΔH f ) = 1628 J/cm 3 Süper soğuma sıcaklığı (ΔT) = 236 C Bakırın ergime sıcaklığı (T m ) = 1085 C = 1358 K Bakırın Yüzey serbest enerjisi (σ) = 177 x 10-7 J/cm 2 ÇÖZÜM: Kritik yarıçapı hesaplamak için aşağıdaki formülden yararlanır. 18 /94

19 2- HETEROJEN ÇEKİRDEKLENME!!!! Sıvı metal içinde homojen çekirdeklenme, özel yapılan laboratuvar deneyleri dışında asla olmaz. * Sıvı ile temas halinde bulunan kalıp duvarları, yabancı katı maddeler (impuriteler) veya katı parçacıkları, çekirdeklenme için uygun yüzey sağlayabilirler. * Sanayi uygulamalarında büyük değerlerde alt soğumalar yoktur. Döküm işlemlerinde alt soğumanın C olduğu düşünülürse, çekirdeklenme heterojen olmak zorundadır. 19 /94

20 2- HETEROJEN ÇEKİRDEKLENME Katı ve sıvı arasındaki yüzeyin enerjisi (γ sk ) sıvı ve kalıp duvarı arasındaki yüzeyin enerjisi (γ st ) katı ve tabaka arasındaki yüzeyin enerjisi ise (γ kt ) ile gösteriliyor. Katı faz, sıvı içinde bir tabaka üzerinde çekirdeklendiğinde, oluşan yüzeyin enerji ihtiyacı homojen çekirdeklenmeye kıyasla daha düşüktür. 20 /94

21 2- HETEROJEN ÇEKİRDEKLENME Yüzeyin oluşması için gereken enerji ihtiyacının azalması iki nedene dayanır: (1) Yüksek enerjiye ihtiyaç duyan sıvı/katı arayüzeyi miktarı tabakanın varlığı nedeniyle azalması (2) Tabaka ile katı arasındaki arayüzey, sıvı ile katı arasındaki arayüzeye kıyasla daha düşük enerjiye ihtiyaç duyması 21 /94

22 KONTROLLÜ ÇEKİRDEKLENME UYGULAMA ÖRNEKLERİ * Tane boyutunun küçültülmesi - Kontrollü bir şekilde heterojen çekirdeklerin sıvıya eklenmesi sayesinde, sıvı katı dönüşümü sayesinde oluşan tanelerin sayısı artmış olur. Böylece ortalama tane boyutu küçülmüş olur ki bu özellikle mekanik özellikler açısından avantajlı bir durumdur. Örneğin Al içine Ti tane inceltici olarak katılması gibi. * Dispersion sertleştirmesi * Katı hal faz dönüşümü * Hızlı soğutma 22 /94

23 KRİSTALLERİN SIVI METALDE BÜYÜMESİ VE TANE YAPISININ OLUŞMASI * Katılaşan metalde katı çekirdekler oluştuktan sonra, bu çekirdek büyüyerek bir kristal haline gelecektir. * Her katılaşan kristalde atomlar esas olarak düzenli bir kristal halinde dizilmekte, fakat her bir kristalin doğrultusu farklı olmaktadır. * Metalin katılaşması bittikten sonra faklı doğrultudaki kristaller yan yana gelerek yönlenmenin birkaç atom boyunca değiştiği tane sınırlarını oluştururlar. * Çok sayıda kristali içeren metallere çok kristalli metaller denir. Katılaşmış metallerdeki kristaller taneleri, taneler arasındaki yüzeyler ise tane sınırlarını meydana getirirler. Taneler Tane sınırları 23 /94

24 DÜZLEMSEL BÜYÜME * Sıvının sıcaklığı katılaşma sıcaklığının üzerinde olduğunda, katı-sıvı yüzeyinde bulunan düzensizlik büyüyemeyecektir. * Bunun sebebi düzensizliğe sıvıdan giren ısı enerjisinin düzensizlikten çıkan ısı enerjisinden fazla olmasıdır. * Böylece düzensizlikte birim zamanda biriken ısı enerjisi pozitif olacağından düzensizlik ergiyecektir. 24 /94

25 DENTRİTİK BÜYÜME * Eğer sıvı ergime sıcaklığının altına soğutulursa katı-sıvı yüzeyindeki düzensizlik hızlı bir şekilde dentritik olarak katılaşacaktır. * Füzyon ısısı dışarıya verildiği için sıvının sıcaklığı tekrar katılaşma sıcaklığına çıkacaktır. Çelikteki dentritlerin elektron mikroskobu görüntüsü 25 /94

26 ÖDEV SORULARI Soru 1- Metallerin katılaşma mekanizmasını şekil çizerek izah ediniz. Soru 2- Metallerin katılaşma mekanizmasında yer alan Çekirdek ve çekirdeklenme terimlerini tanımlayınız. Soru 3- Sıvı bir metal soğutulmaya başlandığında çekirdeklenme süreci nasıl meydana gelir? Soru 4- Embriyo ve kritik çekirdek çapı terimlerini şekil çizerek izah ediniz. Soru 5- Sıvı saf bir metalin katılaşması esnasında çekirdek oluşumu ve büyümesi için etkin olan sıvı-katı arayüzey gerilimi ve hacim serbest enerjisi nedir? Çekirdek oluşumu ve büyümesi esnasında nasıl değişirler? Soru 6- Homojen çekirdeklenme nedir? Nasıl oluşur? Saf bir metale ait Sıcaklık-zaman soğuma eğrisini çizerek izah ediniz. Soru 7- Saf demirin sıvı halden katılaşırken görülen sıcaklık-zaman soğuma eğrisini çiziniz. Soru 8- Saf nikelin katılaşmasında homojen çekirdeklenme için gerekli kritik çekirdek yarıçapı (r*) değerini hesaplayınız. Nikel için gerekli değerler internetten bulunacaktır. Soru 9- Heterojen çekirdeklenme nedir? Soru 10- Kontrollü çekirdeklenme hangi uygulamalarla geçleştirilebilinir? Soru 11- Tane sınırı nedir? Örnek bir mikroyapı üzerinde tane sınırlarını gösteriniz. Soru 12- Düzlemsel katılaşma nasıl meydana gelir? Açıklayınız. 26 /94

27 DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM 27 /94

28 28 /94