Bölüm 4: Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar

Transkript

1 Bölüm 4: Kusurlar Malzemelerin bazı özellikleri kusurların varlığıyla önemli derecede etkilenir. Kusurların türleri ve malzeme davranışı üzerindeki etkileri hakkında bilgi sahibi olmak önemlidir. Saf metallerin mekanik özellikleri alaşımlarına kıyasla oldukça farklılık gösterir. örnek olarak, pirinç (70% bakır 30% çinko) saf bakıra göre çok daha sert ve yüksek dayanıma sahiptir. Kusurlar Kristal kusurları: en az bir boyuttaki kafes düzensizliğidir. Kristal yapıdaki kusurların sınıflandırılması kusurun boyutuna ve geometrisine göre yapılır. Noktasal kusurlar Çizgisel (bir boyutlu) kusurlar Arayüzey kusurları Tane sınırları Yabancı maddelerin varlığı 1 3 Kusurlar Şimdiye kadar kristal yapıya sahip malzemelerin atomsal ölçekte kusursuz olduğunu kabul ettik ancak gerçekte kusursuz bir malzeme yoktur. Tüm malzemelerde oldukça fazla sayıda kusur bulunur. Nitekim, malzemelerin birçok özelliği kristal yapısındaki kusurlara bağlıdır. Kusurların etkisi her zaman olumsuz yönde olmaz. Hatta çoğunlukla bazı özellikler belirli miktarda kusur bulunmasını sağlamak suretiyle elde edilir. Kusurlar Katılaşma eriyik haldeki malzemenin dökümü sonucunda 2 adım Çekirdek oluşumu Çekirdeğin büyümesiyle kristal oluşumu tane Eriyik haldeki malzemede başlar tamamen sıvı çekirdek Kristal büyümesi taneler sıvı Adapted from Fig. 4.14(b), Callister & Rethwisch 8e. Kristaller birbirleriyle karşılaşana kadar büyürler 2 4 1

2 Tane Sınırları Kristaller arası bölge Bir kafesten diğerine geçiş bölgesi Düzensiz sayılabilir Tane sınırlarında yoğunluklar düşük Yüksek hareket kabiliyeti Yüksek geçirimlilik Yüksek kimyasal reaktivite Polikristal Malzemeler Metallerde Noktasal Kusurlar Boş köşeler: -yapı içindeki atom boşlukları. En basit noktasal kusur boş kafes köşesidir, Eksik atom. Bütün kristal katılarda bulunur ve aslında kusursuz bir malzeme üretmek mümkün değildir. Boş kafes köşesi kristalin düzensizliğini arttırır. Düzlemlerde burulma Boşluk Adapted from Fig. 4.7, Callister & Rethwisch 8e. 5 7 boş atom köşesi arayer atomları yeralan atomları dislokasyonlar Kusur Türleri Noktasal kusurlar (bir veya iki atom konumu ile ilgili) Çizgisel kusurlar Arayer atomları: Atomlararası boşluklarda bulunan fazladan" atomlar. normal koşullar altında bir atomun sığamayacağı kadar küçük boşluklara yerleşirler. Arayer atomu Düzlemlerin bozulması tane sınırları Yüzeysel kusurlar Metallerde, arayer atomları çevrelerindeki düzlemlerde bozulmalara neden olur çünkü arayer atomu her zaman yerleştiği atomlararası boşluktan çok daha büyüktür. Sonuçta, bu kusurun oluşma ihtimali oldukça azdır. Bu nedenle atom içindeki konsantrasyonları boş köşelere kıyasla çok daha düşüktür

3 Aktivasyon Enerjisi Ölçümü Arayer Atomu: Tam bir düzlemde fazla bir atomun bulunması sonucu kristalde meydana gelen kusur durumu Deneylerle Q v değerini elde edebiliriz. Nv N exponensiyal ilişki! T Kusur konsantrasyonu N v N = exp Q v kt Nv ln N eğim -Qv /k 1/T 9 11 Denge konsantrasyonu sıcaklığa bağlıdır! Kusur sayısı Potansiyel kusur sayısı Her düzlem potansiyel bir boş köşe bölgesidir Denge Konsantrasyonu: Noktasal Kusurlar Aktivasyon enerjisi N v N = exp Q v kt Sıcaklık Boltzmann sabiti (1.38 x J/atom-K) (8.62 x 10-5 ev/atom-k) 10 Boş Köşe Konsantrasyonunun Tahmini 1000 C sıcaklıkta bulunan 1 m 3 of Cu daki boş köşe sayısı bulunuz. verilenler: r = 8.4 g/cm 3 A Cu = 63.5 g/mol Q v = 0.9 ev/atom N A = 6.02 x atom/mol 0.9 ev/atom N v = 2.7 x 10 N = exp Q v kt K 8.62 x 10 N -5 ev/atom-k 1 m 3 için, N = r x A x 1 m 3 = 8.0 x bölge sayısı A Cu Cevap: Nv = (2.7 x 10-4 )(8.0 x ) bölge = 2.2 x boş köşe 12 3

4 Saflık Tek bir tür atom içeren saf ve kusursuz bir metal yoktur; kusurlar veya yabancı atomlar mutlaka bulunur. Son teknoloji içeren karmaşık yöntemleri kullanarak bile metalleri % oranında saflaştırmak (rafine etmek) oldukça zordur. Normal koşullar altında, malzemenin her bir metrekübünde yaklaşık mertebesinde yabancı atom bulunur. Metallerde Alaşımlandırma İki tür alaşımlandırma mevcuttur: (B:eriyen) (A:eriten) Katı Eriyik (noktasal kusurların rastgele dizilişi) VEYA En çok aşina olduğumuz metaller saf olmadıkları gibi, malzemenin belirli özelliklerini iyileştirmek amacıyla yabancı atomların iradi olarak katıldıkları alaşım sınıfına girerler. Alaşımlandırma metallerin mekanik özellikleri ve korozyon direncini geliştirmek amacıyla uygulanmaktadır. Yeralan katı eriyiği (ör: Ni içinde Cu) Arayer katı eriyiği (ör: Fe içinde C Katı Eriyikler: Birden fazla tür maddenin atomları sıvı halde kolayca karışarak homojen bir yapı oluşturular. Bu karışımlara sıvı eriyik denir. Katılaşma sırasında yabancı atomlar kafes yapıda varlığını korursa katı eriyik elde edilir. Yabancı katkı maddelerinin türü, konsantrasyonu ve sıcaklığa bağlı olarak ikinci bir faz oluşumu gerçekleşebilir. Eriten ve Eriyen Atomlar: Kafes yapıya sahip en fazla miktarda bulunan ana eleman veya bileşiğe Eriten, Esas yapı içerisinde dağılmış halde bulunan ve daha düşük konsantrasyona sahip elemana da Eriyen denir. 14 Metallerde Alaşımlandırma Yeralan katı eriyiği oluşumu için: 1. r (atom yarıçapı) < 15% aksi takdirde eriyen atomlar kafes içerisinde ciddi çarpılmalara neden olur. 2. Periodik tabloda yakınlık ör: benzer elektronegatiflik 3. Herbirinin saf hali aynı kristal yapıda olmalı 4. Valans Toplam elektriksel yük sıfır olmalı Bir metal (eriten) yüksek valans sayısına sahip bir atomu düşük değerliğe sahip atoma göre kendi içerisinde daha fazla eritme eğilimindedir. 16 4

5 Arayer katı eriyiği: Atomsal yüzde (at%) alaşım içerisindeki bir elemanın mol sayısının alaşımdaki toplam mol sayısına oranıdır. Katılan atomlar ana elemanlar (atomlar) arasındaki boşluk ve çatlakları doldurur. Daha yüksek atomsal dolgu faktörü değerine sahip metalik malzemelerde bu boşluklar oldukça küçüktür. Bu nedenle, bu tür malzemelerde katkı elemanının (eriyen) atomsal yarıçapı ana atomunkinden oldukça düşük olmalıdır. Normal koşullar altında, arayer atomlarının konsantrasyonu oldukça düşüktür (%10 dan az). Bir elemanın belirli bir kütle içerisindeki mol sayısı: atomsal yüzde: ' C1 = n m1 nm 1 n m2 x 100 n m1 ve n m2 = sırasıyla, bileşen 1 ve 2 nin mol sayısı Çok küçük boyutlu katkı elemanları bile genellikle ara boşluklardan büyük olduğundan dolayı kafes yapıdaki komşu atomların bir miktar yerdeğiştirmesine neden olur Katılarda Saflığın Bozulması Bileşimin tanımlanması: Bir alaşımda, bileşimin (bileşenlerin konsantrasyonunun) tanımlanması gerektiğinde; En fazla kullanılan yöntemler ağırlıkça (veya kütlece) yüzde ve atomsal yüzde dir. Ağırlıkça yüzde (ağ%) kavramının temeli alaşım içinde bulunan belirli bir elemanın alaşımın toplam ağırlığına oranına dayanır. m1 Ağırlıkça yüzde: C1 = x 100 m m m 1 ve m 2 = sırasıyla, bileşen 1 ve 2 nin kütleleri. 1 2 Bazen ağırlıkça ve atomsal yüzde arasında geçiş yapmak gerekebilir örnek olarak, ağırlıkça yüzdeden atomsal yüzdeye geçiş: İki elemanlı bir alaşım için: Ağırlıkça yüzdeden atomsal yüzdeye dönüşüm Atomsal yüzdeden ağırlıkça yüzdeye dönüşüm

6 Ağırlıkça yüzdeden birim hacimdeki ağırlığın bulunması Çizgisel Kusurlar Dislokasyonlar: Çizgisel kusurlardır Dislokasyonların hareketi kristal düzlemlerinde kaymaya neden olur Kalıcı (plastik) deformasyona neden olur Çinkonun gösterimi (HCP): Deformasyon öncesi Çekme uzaması sonrası Alaşımın «ortalama» yoğunluğunun bulunması Kayma merdivenleri 21 Örnek: Katı Kusurları Çizgisel kusurlar (dislokasyonlar) Atomların etrafında hizasızlık gösterdiği tek boyutlu kusurlar Kenar dislokasyonu: Kristal yapısına eklenen yarı-düzlem atomları b dislokasyon çizgisine diktir ( ) Vida dislokasyonu: Kayma deformasyonundan kaynaklanan spiral düzlemsel rampa b dislokasyon çizgisine paraleldir () Burger vektörü, b: Kafes çarpıklığı ölçüsü

7 Katı Kusurları Katı Kusurları Kenar dislokasyonu Burger vektörü Vida dislokasyonu Kenar dislokasyon çizgisi Dislokasyon çizgisi Burger vektörü b (a) b (b) 27 Kenar Dislokasyon Hareketi Dislokasyon hareketi yarı düzlemde atomların sıralı kaymasını gerektirir (burada soldan sağa) Kayma düzleminde bağlar sıralı olarak kırılıp yeniden oluşur VMSE: Vida Dislokasyonu Dislokasyon içeren bir kristal bölgesinin üç boyutlu görüntüsü Dislokasyon hareketinin animasyon gösterimi Soldan sağa kristal kayması sırasında kenar dislokasyonu görüntüsü 26 Önden görünüş Üstten görünüş 7

8 Kenar, Vida ve Karma Dislokasyonlar Dislokasyonlar ve Kristal Yapıları Karma Yapı: sıkı istifli düzlem ve doğrultular tercih edilir İki sıkı istifli düzlem üzerine görüntü Kenar Vida Sıkı istifli düzlem (alt) Sıkı istifli düzlem (üst) Kristal yapıların karşılaştırılması: YMK (FCC): birçok sıkı istifli düzlem/doğrultular HSD (HCP): Sadece bir düzlem, 3 doğrultu; HMK (BCC): Yok Çekme deneyine tabi tutulan numuneler tensile direction Sıkı istifli doğrultular Mg (HCP) Al (FCC) 29 Katı Kusurları Dislokasyonlar elektron mikroskopla görüntülenebilir Dislokasyonlar ve Kristal Yapıları Kristal yapıların dislokasyonlara etkisi önemli sonuçlar doğurabilir Sadece HMK (BCC) yapılar sünek-gevrek geçiş sıcaklığı sergiler Düşük sıcaklıklarda aktif kayma sistemleri sayısı sınırlıdır --> sınırlı plastik deformasyon YMK (FCC) veya HSD (HCP) sistemler bu davranışı sergilemez 8

9 Katılarda Düzlemsel Kusurlar Her durum için ikiz sınır (düzlemsel) İkiz sınır etrafında atom konumlarının ayna görüntüleri Dizilme kusuru (istif bozukluğu) FCC metallerde ABCABC istifleme dizisi hatası Ex: ABCABABC Özet Katılarda noktasal, çizgisel ve düzlemsel kusurlar bulunur Kusurların sayı ve tipleri değişkendir ve kontrol edilebilir (Örn, boşluk konsantrasyonu sıcaklıkla kontrol edilebilir) Kusurlar malzeme özelliklerini etkiler (Örn, tane sınırları kristal kaymasını sınırlar) Kusurlar istenebilir veya istenmeyebilir (Örn, plastik deformasyon istenip istenmediğine bağlı olarak dislokasyonlar istenebilir veya istenmeyebilir.) 9