Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Kristalleşme ve kusurlar Kristal Yapılar

Transkript

1 Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN Kristalleşme ve kusurlar Kristal Yapılar

2 İçerik Kristalleşme Kristal yapı kusurları Noktasal kusurlar Çizgisel kusurlar Düzlemsel kusurlar Kütlesel kusurlar Katı çözelti 2

3 Kristalleşme (katılaşma) mekanizması Kristalleşme, sıvı halden katı hale geçiş olup, çekirdeklenme ve çekirdeklerin büyümesi aşamalarından meydana gelir. Sıvı içerisinde atomlar belirli bir düzende bulunmazlar, ancak bazı atomlar belirli zamanlarda katı durumdaki uzay kafesine karşılık gelen konumlarda bulunabilirler. Çekirdek Büyüyen kristaller Tane yapısı Sıvı Adapted from Fig.4.14 (b), Callister 7e. Kristalleşmeyi başlatan en küçük katı oluşumlara çekirdek denir. 3

4 Kristalleşme (katılaşma) mekanizması Malzeme içerisindeki atomlar hem kinetik hem de potansiyel enerjiye sahiptir. Kinetik enerji atomların hareket hızı ile ilgili olup, tamamen sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık artıkça atomlar aktif, yani hareketli duruma geçerler ve kinetik enerjileri artar. Atomların potansiyel enerjileri ise aralarındaki uzaklığa bağlıdır. Uzaklık artıkça artar. Bir metalin sıvı halden katı hale, yani eriyikten kristalli duruma geçebilmesi için çekirdek oluşumu mutlaka gereklidir. Eriyik haldeki metalin atomları çekirdek etrafında toplanmaya ve çekirdeği büyütmeye başlarlar. Başlangıcı çekirdek tarafından yapılmış olan katılaşma bölgeleri büyüyüp sıvı metalin tamamen katı hale geçmesini sağlayacaktır. Kristal veya tane adı verilen aynı yön ve düzen içindeki katı metal adacıkları, eriğin çeşitli noktalarından yani çekirdeklerinden büyüyüp tüm metalin kristalleşmesini sağlar. Katı metal eriyiği Çekirdek oluşumu Tane büyümesi Kristal yapı 4

5 Sıcaklık T ( C) Kristalleşme (katılaşma) mekanizması Katılaşma noktasında bulunan saf metali ele alalım. Katılaşma noktasında sıvı ve katı fazların her ikisi aynı sıcaklıkta bir arada bulunur. Bu noktada sıvı ve katı fazların içerisinde bulunan atomların kinetik enerjileri aynı olur, ancak potansiyel enerjileri farklıdır. Katı faz içerisindeki atomlar, sıvı içerisindeki atomlara göre birbirlerine göre çok daha yakındırlar. Bu nedenle katılaşma sırasında enerji açığa çıkar. Sıvı durum ile katı durum arasındaki bu enerji farkına gizli ısı veya ergime ısısı denir. Ancak katı ve sıvı arasında bir yüzey oluşturmak için enerji gerekir. Katılaşma noktasında bulunan saf metallerde gizli ısı ile kararlı bir sınır oluşturmaya yetecek ölçüde enerji açığa çıkmaz. Bu nedenle kararlı bir çekirdek oluşturmak için her zaman bir miktar aşırı soğuma gerekir. Aşırı soğumanın ardından dışarı verilen gizli ısı sıcaklığı tekrar katılaşma noktasına çıkarır. Katılaşma Başlangıcı Katılaşma Bitişi Aşırı soğuma Katılaşma Durak Noktası Zaman t (sn) 5

6 Kristalleşme (katılaşma) mekanizması Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasının altına düşünce, sıvı içerisindeki değişik nokta ve konumlarda kararlı çekirdekler oluşur. Katılaşan çekirdekler kristalleşmeye merkezlik yapar, yani bu çekirdekler kristallerin merkez noktalarını oluşturur. Soğuma devam ettikçe daha çok sayıda atom ya mevcut çekirdeklere bağlanır yada kendileri yeni çekirdekler oluştururlar. Her çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafesi içerisinde büyür. Kristal büyümesi üç boyutlu uzayda büyümeye devam eder ve atomlar belirli doğrultularda, genellikle büyüme ekseni boyunca birbirlerine bağlanırlar. Kristallerin karşılaştığı bölgeye tane sınırı adı verilir. 6

7 Kristal yapı kusurları Malzemelerin iç yapısı mükemmel değildir. Atomlar arasında yer yer kusurlar bulunabilir. Bunlara yapı kusurları denir. Malzemede yapı kusurlarının bulunması her zaman zarar verici bir durum oluşturmaz, aksine yapı kusurları sayesinde örneğin metallere daha kolay şekil verilebilir, mukavemeti artırılabilir, yarı iletkenlik ve tam iletkenlikleri kontrol edilebilir. Yapı kusurları başlıca dört grupta toplanabilir: 1. Noktasal Kusurlar: Boyutsuz kusurlardır. Örneğin atom boşlukları, fazla elektron veya elektron boşlukları 2. Çizgisel Kusurlar veya Dislokasyonlar: Tek boyutlu kusurlardır. 3. Düzlemsel Kusurlar: İki boyutlu kusurlardır. Örneğin istif kusurları, tane sınırları, faz sınırları 4. Kütle Kusurları: Üç boyutlu kusurlardır. Örneğin kaynak hataları, malzeme içerisindeki çatlaklar, poroziteler, segregasyonlar Hatasız bir iç yapı diğer deyişle ideal kristal gerçekte yok sayılır. Çünkü her ideal kristal bir yerde sona erip tane sınırı bulundurmak zorundadır ki buda düzlemsel kusurdur. 7

8 Noktasal kusurlar Malzemelerin iç yapısı mükemmel değildir. Atomlar arasında yer yer kusurlar bulunabilir. Bunlara yapı kusurları denir. Malzemede yapı kusurlarının bulunması her zaman zarar verici bir durum oluşturmaz, aksine yapı kusurları sayesinde örneğin metallere daha kolay şekil verilebilir, mukavemeti artırılabilir, yarı iletkenlik ve tam iletkenlikleri kontrol edilebilir. Yapı kusurları başlıca dört grupta toplanabilir: 1. Noktasal Kusurlar: Boyutsuz kusurlardır. Örneğin atom boşlukları, fazla elektron veya elektron boşlukları 2. Çizgisel Kusurlar veya Dislokasyonlar: Tek boyutlu kusurlardır. 3. Düzlemsel Kusurlar: İki boyutlu kusurlardır. Örneğin istif kusurları, tane sınırları, faz sınırları 4. Kütle Kusurları: Üç boyutlu kusurlardır. Örneğin kaynak hataları, malzeme içerisindeki çatlaklar, poroziteler, segregasyonlar Hatasız bir iç yapı diğer deyişle ideal kristal gerçekte yok sayılır. Çünkü her ideal kristal bir yerde sona erip tane sınırı bulundurmak zorundadır ki buda düzlemsel kusurdur. 8

9 Noktasal kusurlar Noktasal hatalar atomik boyutlu olup, genellikle kalıntı atomun varlığında, ana atomun kafeste yerinde bulunmamasından veya yanlış yerde bulunmasından meydana gelir. Noktasal kusurlar katılaşma esnasında, deformasyon sırasında ve yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilir. Noktasal kusurlar: 1. Atom boşluğu (Boş nokta kusuru): Bir atom bulunması gereken yerde bulunmuyorsa buna atom boşluğu denir. Atom boşlukları katılaşma sırasında atomların hatalı yerlere yerleşmesi, bazı kafes pozisyonlarını doldurmamaları nedeniyle ve katı fazda yüksek sıcaklıkta termal titreşimler nedeniyle bazı atomların kafes yerlerinde fırlamaları, plastik şekil verme ve yüksek enerjili parçacıkların çarpması nedeniyle oluşabilir. Düzlemin çarpılması Boşluk 9

10 Noktasal kusurlar Atom boşluğu konsantrasyonu artıkça; Metalin öz direnci (elektriksel) artar. Akma mukavemeti artar. Boyut büyümesi oluşur (Nedeni kafeste ayrılan atomum dış yüzeylere yerleşmesi). Oksitlenme eğilimi artar (karasız yapı) HMK da akma noktası kaybolur, YMK da akma noktası keskinleşir. Atom boşlukları hareketlidir ve enerji durumuna göre yer değiştirebilirler. 10

11 Noktasal kusurlar 2. Arayer kusuru: Atom kristal kafesteki yerinde ayrılıp atomlar arasındaki bir boşluğa yerleşmişse bu atoma denir. Yarıçapları 1 A an küçük olan H, N, B, O ve C atomlarının ana metalin atomları arasına girmesiyle oluşur. Düzlemin çarpılması Arayer 3. Yer alan atom kusuru: Bu kusur, yer alan katı çözelti içerisindeki çözünen element atomlarının çözen elementin atomlarının yerini almasıyla meydana gelir. Yer alan katı çözeltisinin oluşması için çözen ve çözünen elementlerin atom çaplarının birbirlerine yakın olması gerekir. Yer alan atomu 11

12 Noktasal kusurlar 4. Frenkel kusuru: Atom kristal kafesteki yerinde ayrılıp atomlar arasındaki bir boşluğa yerleşmişse bu kusura denir. Yarıçapları 1 A an küçük olan H, N, B, O ve C atomlarının ana metalin atomları arasına girmesiyle oluşur. 5. Schotty kusuru: Bu kusur iyonik bağlı malzemelerde boş nokta çifti şeklinde meydana gelir. Bu tür malzemelerin kristal yapıları içerisinde eşit elektriksel yükün korunması için kafesten bir anyon ile katyonun ayrılması gerekir. Bunun sonucunda da schotty kusuru oluşur. İyonik bağlı malzemelerde elektriksel yönden nötrlük sağlanmak zorunda olduğu için noktasal kusurlar farklılık gösterir. 12

13 Çizgisel kusurlar Kristallerde düzensizlik merkezi bir çizgi boyunca yer almaktadır ve çizginin her iki tarafında kristal kusursuz olabilir. Fakat kafes noktaları birbirlerinin devamı değildir. Başka bir deyişle; kristalin bir bölgesi bu bölgeyi alt ve üst kısımlara ayıran bir düzlem üzerinde kaymaya uğramışsa, alt ve üst noktalar birbirlerine göre belirli bir miktar ötelenmişse kaymaya uğramış ve uğramamış bölgeleri ayıran çizgi bir kristal hatadır ve dislokasyon denir. Dislokasyonlar kenar, vida ve karışık olmak üzere üç çeşittir. Bir dislokasyonun, dislokasyon çizgisi ve Burger vektörü olmak üzere iki karakteristik büyüklüğü vardır. Burger vektörü (b) hareket eden dislokasyonun hareket doğrultusunu ve miktarını gösterir. 13

14 Çizgisel kusurlar Mükemmel bir kristalde paralel doğrultularda eşit adımlar gidilip, bir çevrim bir çevrim tamamlanınca başlangıç noktasına gelinir. Ancak, dislokasyon içere bölge çevresinde aynı işlem yapılırsa Burger çevrimi kapanmaz. Başlangıç ve bitiş atomları arasındaki atomlar arası uzaklık kadar bir açıklık kalır ve bu açıklık b ile gösterilir. Kenar dislokasyonlarının oluşturduğu büyüklük Burger vektörü adını alır ve bu vektör dislokasyon çizgisine diktir. 14

15 Çizgisel kusurlar Kristal yapılı malzemelerin teorik mukavemeti gerçek mukavemetin çok üzerindedir. Aradaki fark dislokasyonla açıklanır. a b k.sin 2 x b 2 k x b Çok küçük G. (Hook kanunu) x a x G. a 2 x k. b k G. b 2 a G. b 2 a sin 2 x b x b 4 max Gb 2 a o a b o G 2 15

16 Çizgisel kusurlar Kenar Dislokasyonu Kusursuz bir kristalde ekstra bir atom tabakasının ilavesi ile kenar dislokasyonu oluşur. Malzemenin şekillenmesini sağlayan kuvvetin geldiği yöne dik olarak oluşan dislokasyonlardır. Kayma düzlemi Kesme gerilmesi 16

17 Çizgisel kusurlar Vida Dislokasyonu 17

18 Çizgisel kusurlar Dislokasyon 18

19 Çizgisel kusurlar Karışık Dislokasyonu Vida ve kenar dislokasyonun beraber bulunduğu haldir. Dislokasyonlar enerjiyi küçük tutmak için en küçük burger vektörünü tercih edecektir. Yani burger vektörü en sıkı istif edilmiş doğrultuda olan dislokasyonlar en kararlıdır. Büyük olanlar ise enerjisini azaltmak için parçalanma eğilimindedir. 19

20 Çizgisel kusurlar Kayma düzlemi bir halı ile onun altındaki odanın tabanı arasındaki temas yüzeyine benzetilebilir. Halıyı bir ucundan düz taban üzerinden çekersek bütün sürtünme kuvvetini de yenmemiz gerekir. Fakat halıyı bir ucundan kaldırır ve dalgalandırırsak halı sadece birkaç yerde tabanla temas eder. Böylece halıyı kolayca çekip kaydırabiliriz. Metallerin nispeten kolay şekillendirilebilir olması kayma düzlemleri boyunca halının dalgalanmasına benzer şekilde, atomların dislokasyon hareketi olarak arka arkaya ve teker teker atomlar arası bağları yenip birbiri üzerinden tırmanması sayesinde olur. 20

21 Çizgisel kusurlar b Bir dislokasyonu kayma düzleminde hareket ettirmek veya kayma olayını başlatmak için gerekli gerilmeye denir. w P 2Ge 2 w b b değeri ne kadar küçükse gerilme değeri de o kadar küçük olur. Dolayısıyla en sık istif edilmiş düzlem ve doğrultuda kayma olur. Yani burger vektörü küçük ise kayma gerilmesi de küçük olur. Eğer kristal içerisinde hata yoksa kayma gerilmesi yaklaşık olarak akma gerilmesine eşittir. 21

22 Düzlemsel kusurlar Düzlemsel kusurlar bir malzemeyi aynı kafes yapısına sahip, ancak farklı doğrultularda yönlenmiş değişik bölgelere ayıran yüzeylerden oluşur. Bu yüzeyler kesit üzerinde sınır biçiminde gözükür. Düzlemsel Kusurlar; Serbest yüzey olarak bilinen katı ile sıvı arasında ki ara yüzey Tane sınırı Fazlar arası sınır İstif kusurları Domain olarak bilinen, elektronik yapının değiştiği fakat ortam düzeninin değişmediği ara yüzey 22

23 Düzlemsel kusurlar-tane sınırları Her tanedeki atomsal düzen ve yönlenme farklıdır. Tane sınırları taneleri birbirinden ayıran yüzeylerdir. Bu yüzeyler metalografik kesitler üzerinde çizgi biçiminde gözükürler. Tane içerisinde düzenli olan atom dizilişi tane sınırlarında düzensiz hale gelirler. Çünkü her bir tanenin kristolografik yönlenmesi farklıdır, kafes düzlemleri birbirlerinin devamı değildir. Tane sınırlarında atomlar arası mesafe tane içerisine göre büyük ve küçük olabilir. Tane sınırlarında atomlar arası çekme kuvveti her yönde aynı olmayabilir, bu düzensizlik fazla enerji demektir. Tane sınırı Tane, kendi içinde nispeten homojen ve kafes sistemi aynı, kayma düzlemleri benzer karakterli, kimyasal yapısı aynı olan katı maddeye denir. Faz ise kendi içerisinde homojen kimyasal ve/veya fiziksel yapısı etrafındakilerden farklı olan mikro ve makro yapıya denir. 23

24 Düzlemsel kusurlar-tane sınırları Bir malzemenin tane büyüklüğü ile akma mukavemeti arasında Hall-Patch bağıntısı ile belirlenir. Burada σ a akma mukavemeti, d ortalama tane büyüklüğü ve σ 0 ile K malzeme sabitidir. 1 Küçük açılı tane sınırı Kd 2 a o Taneler arasında yönlenmeye bağlı olarak küçük açılı ve büyük açılı olmak üzere iki çeşit tane sınır vardır. İki tane arasındaki açı 10 den küçük ise küçük açılı tane 10 den büyük (genellikle ) ise büyük açılı tane sınır söz konusudur. Büyük açılı Tane- 1 Tane- 2 Küçük açılı Kenar dislokasyonu tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırına eğme sınırı, vida dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırına da bükme sınırı denir. 24

25 Düzlemsel kusurlar-istiflenme (yığılma) Atom düzlemlerinin istiflenmesi esnasında bozulması neticesinde oluşan 2 boyutlu kusurlardır. Özellikle ikiz teşekkülünde, faz dönüşümlerinde ve sürünmede önemlidir. Gerilme ve dislokasyon hareketleri oluşturur. Örneğin atom düzlemlerinin YKM yapıda ABCABCABCABABCABC dizilmeleri ile oluşur. 25

26 Düzlemsel kusurlar-ikiz sınırlar İkiz sınırı, kristal kafes yapısındaki atom düzenlerinin simetrik olarak farklı doğrultularda yönlenmesi sonucunda birbirinin ayna görüntüsü şeklinde oluşan iki bölge arasındaki düzlem olarak tanımlanır. İkiz sınır boyumca etki eden bir kayma kuvveti atomların yerini değiştirerek bir ikizlenmeye neden olur. İkizlenme bazı metallerin plastik deformasyonu veya ısıl işlemi sırasında meydana gelir. İkiz düzlem original İkizlenmeden atomic positions önce before atom twinning pozisyonları 26

27 Düzlemsel kusurlar-ikiz sınırlar Her bir nokta atom kolonudur İkiz düzlemler 27

28 Kütlesel (hacimsel) kusurlar Üç boyutlu kusurlar olup, iki sebepten oluşur; 1. Malzemenin üretimi sırasında 2. Malzemenin döküm, dövme, hadde gibi şekillendirmesi esnasında Örnek olarak, döküm kusurlar, biçimlerdirme, dövme kusurları ve kaynak kusurları 28

29 Sıcaklık T ( C) Katı çözeltiler Katı çözeltilerin diğer bir ismi katı eriyiktir. Katı çözelti katı durumdaki çözelti olup, farklı türdeki atomların aynı kafes yapısında bir araya gelmesi ile oluşur. Bir çözelti çözen ve çözünen olmak üzere iki bileşenden oluşur. Çözeltinin yüzde oranı yüksek olana çözen, oranı düşük olanda çözücü adı verilir. Şekerli su örneğinde olduğu gibi su çözen, şekerde çözünendir. Sabit basınç altında, herhangi bir çözen içersinde çözünen madde miktarı sıcaklığa bağlıdır ve sıcaklık artıkça çözünme oranı artar. Bir çözelti için doymamışlık, doymuşluk ve aşırı doymuşluk olmak üzere üç durum söz konusudur. Bir çözen, uygulanan bir sıcaklık ve basınç altında çözebileceği miktardan daha az bir miktarda madde çözerse doymamış çözelti oluşur. Eğer çözen sınır değerine kadar madde çözerse doymuş çözelti, denge koşullarında çözebileceğinden daha fazla madde çözerse aşırı doymuş olur. Sıvı çözelti Sıvı (%50Sb+%50Bi) Bi sıvı içerisinde oluşan Sb ce zengin katı çekirdekler Katılaşma Aralığı Sıvı + Katı çözelti Bi sıvı içerisinde büyüyen Sb ce zengin dentritler SbBi50 katı çözeltisinin soğuma eğrisi Katı çözelti SbBi50 katı alaşımına ait üç adet tane Zaman t (sn) 29

30 Katı çözeltiler Katı çözeltiler yer alan ve ara yer katı çözelti olmak üzere ikiye ayrılır. Yer alan katı çözeltisi: Çözünen element atomlarının çözen element atomlarının yerini alması ile oluşan katı çözeltidir. Alaşım sistemlerinde çözünme aralığını kontrol eden faktörler Hume-Rothery tarafından belirlenmiştir. Kristal yapı faktörü: İki elementin birbiri içerisinde çözünebilmeleri için kristal kafes yapılarının aynı olması gerekir. Atom büyüklüğü faktörü: Çözen ve çözünen elementlerin atom yarıçapları arasındaki farkın ±%15 den az olması durumunda katı çözeltinin oluşumu kolaylaşır. Atomsal boyut faktörü %15 den büyük olduğunda ise zorlaşır. Çünkü kafes yapısında çarpılma oluşur. Kimyasal çekicilik (elektronegativite) faktörü: İki metalin birbirine karşı elektronegativitesi arttıkça katı çözelti oluşturma durumları zorlaşır ve bileşik oluşturma meyli artar. Relatif valans faktörü: Çözünen metalin valans değeri, çözen metalin valans değerinden farklı ise elektron oranı olarak adlandırılan atom başına düşen valans elektron sayısı değişir. Kristal yapı, elektron oranındaki azalmaya bu orandaki artıştan daha fazla duyarlıdır. Başka bir deyişle, valans değeri düşük olan metal yüksek olan metali daha fazla çözer. Çözünen elementin atomu Çözen elementin atomu 30

31 Katı çözeltiler Ara yer katı çözeltisi: Yarıçapları küçük olan atomların, çözen elementin atomları arasındaki boşluklara girmesiyle oluşur. Yarıçapı ancak 1 A dan küçük atomlar ara yer katı çözeltisi oluşturabilir. Bunlar H, B, N C ve O 2 atomlarıdır. Katı çözeltisi ile metaller arası bileşikler arasındaki farklar; Metaller arası bileşikler belirli formüllerle gösterilebilir, katı çözeltiler ise gösterilmez. Metaller arası bileşikler çok dar bir bileşim aralığında meydana gelir, katı çözeltiler ise çok daha geniş bileşim aralığında meydana gelir. Bileşikler içerdiği elementlerin özelliklerinden farklı özelliklere sahiptir, katı çözeltiler ise kendilerini oluşturan elementlerin özelliklerine benzer özellikler sergiler. Metaller arası bileşiklerin erime veya katılaşma sıcaklıkları genelde sabittir, katı çözeltiler ise belirli sıcaklık aralıklarında ergirler veya katılaşırlar. Metaller arası bileşikler genelde katı çözeltilerde daha sert ve gevrektir. Çözen elementin atomu Çözünen elementin atomu Katı çözeltiler sonrası kafes yapısında çarpılma meydana gelir ve dislokasyon hareketi engellenerek sertlik ve mukavemet artar. 31