MMM291 MALZEME BİLİMİ

Transkript

1 MMM291 MALZEME BİLİMİ Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ Ofis Saatleri: Perşembe 14:00 16:00 Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

2 Malzemeler yapılarının içerisinde, belli oranlarda farklı atomları çözebilirler. Bu durum katı çözeltiler olarak adlandırılır. Katı çözeltilerin diğer bir ismi katı eriyiktir. Bir çözelti çözen ve çözünen olmak üzere iki bileşenden oluşur. Çözeltinin, yüzde oranı yüksek olana çözen, oranı düşük olana da çözücü adı verilir. Karışma açısından katı çözelti, sıvı çözeltiyle benzerlik gösterir. Şekerli su örneğinde olduğu gibi, su çözen, şekerde çözünendir.

3 Metallere katkı elemanları ergimiş halde katılır. Değişik tür atomlar sıvı halde kolayca karışarak homojen sıvı eriyik oluştururlar. Katılaşma sırasında yabancı elemanlar kafes yapıda varlığını korursa katı eriyik elde edilir. Bu işleme alaşımlandırma, elde edilen metale alaşım denir. Katkı elemanına alaşım elemanı, kafes yapıya sahip ana eleman eriten, içinde dağılmış halde bulunan eleman ise eriyen adını alır.

4 Çözünen atomlar kristal kafes yapısına iki farklı şekilde girebilmektedir. Bunun sonucunda da iki farklı katı çözelti oluşmaktadır. Bu süreçte çözücü atomların kristal yapısı korunur yani yeni bir kristal yapı oluşmaz. Yeralan Katı Çözeltisi Kristal kafeste çözücü (matris, ev sahibi) atomların bir kısmının yerine çözünen atomların girmesiyle meydana gelen katı çözeltilerdir. Arayer Katı Çözeltisi Çözünen atomlar kristal kafeste bazı çözücü (matris, ev sahibi) atomlar arasındaki boşluklara yerleşirler. Çözücü atomlar kendi pozisyonlarını korurlar. Çözünen Atom Çözünen Atom Yeralan Katı Çözeltisi Çözücü/ Matris Atomu Arayer Katı Çözeltisi Çözücü/ Matris Atomu

5 Saf demir yumuşak bir metal olması nedeniyle, mühendislik uygulamalarında kullanımı sınırlıdır. Ancak, karbon ile alaşımlandırılma yapılarak demirin mukavemetinde önemli bir artış sağlanmaktadır. Demirin içerisinde karbonun %0,1-%0,2 gibi çok düşük oranlarda bulunması bile, mukavemetin önemli ölçüde artmasını sağlamaktadır. Karbon yumuşak demir metalini sert ve mukavemetli bir alaşım haline getirebilen önemli bir elementtir. Fe-C alaşımları içerdikleri karbon miktarına göre çelik veya dökme demir olarak isimlendirilmektedir. Çelik %2 ye kadar karbon içeren demir karbon alaşımıdır. Dökme demir ise %2 den büyük daha fazla oranda karbon içeren demir-karbon alaşımıdır. Alaşım : Metalik özelliklere sahip, en azından biri metal olmak üzere iki veya daha fazla kimyasal elementin bileşiminden oluşan bir malzemedir. Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbon alaşımıdır. Üretim yöntemleri ve kullanılan cevherlerden dolayı manganez, silisyum, fosfor ve kükürt çeliğin bünyesinde bulunan diğer elementler olabilir.

6 Alaşım : Metalik özelliklere sahip, en azından biri metal olmak üzere iki veya daha fazla kimyasal elementin bileşiminden oluşan bir malzemedir. Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbon alaşımıdır. Üretim yöntemleri ve kullanılan cevherlerden dolayı manganez, silisyum, fosfor ve kükürt çeliğin bünyesinde bulunan diğer elementler olabilir. Karbon atomları demir atomları arasındaki boşluklara yerleşir Fe 0,124 nm atom yarıçapı C 0,071 nm atom yarıçapı

7 Metallerin büyük çoğunluğu kafes yapısı içinde belirli sayıda yabancı atom barındırabilirler. Yabancı atomların asıl metalin kafes sistemindeki yerleşimlerine bağlı olarak (a) arayer veya (b) yeralan katı eriyikleri oluşmaktadır. Fe C Yarıçapı ancak 1 A dan küçük atomlar arayer katı çözeltisi oluşturabilir. Bunlar H, B, N C ve O 2 atomlarıdır. Çelik Arayer Katı Çözeltisi Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan atomların arasındaki boşluğa bir başka atomun girmesiyle oluşur. Burada ana yapıyı oluşturan Fe atomlarıdır. Kristal yapıda Fe atomlarının arasına yer yer daha küçük çapa sahip C atomlarının girmiş olduğu görülmektedir.

8 Metallerin büyük çoğunluğu kafes yapısı içinde belirli sayıda yabancı atom barındırabilirler. Yabancı atomların asıl metalin kafes sistemindeki yerleşimlerine bağlı olarak (a) arayer veya (b) yeralan katı eriyikleri oluşmaktadır. Pirinç Cu Zn Yeralan Katı Çözeltisi Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan bir atomun yerini bir başka atomun almasıyla oluşur. Örneğin burada Cu ana yapıyı oluşturan elementtir. Ancak kristal yapıda yer yer Cu atomlarının yerine Zn atomları geçmiştir.

9 Bronz Bronz bir çağa ismini vermiş olan, çok eski zamanlardan günümüze kadar kullanılmakta olan bir metal alaşımıdır. İlk kullanımının yaklaşık olarak 5500 yıl önce olduğu düşünülmektedir. Yeralan Katı Çözeltisi Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan bir atomun yerini bir başka atomun almasıyla oluşur. Örneğin burada Cu ana yapıyı oluşturan elementtir. Ancak kristal yapıda yer yer Cu atomlarının yerine Sn atomları geçmiştir.

10 Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Yeralan katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterler bulunmaktadır. William Hume Rothery Oxfor Üniversitesi nde metallerin alaşımlandırılması konusunda önemli çalışmalar gerçekleştirmiş bir bilim insanıdır. William Hume Rothery yaptığı çalışmalar ile hangi elementin hangi metal içerisinde ne kadar çözüneceğini belirlemek üzere oldukça sade ve faydalı kurallar geliştirmiştir. Bu kurallar günümüzde hala yaygın olarak kullanılmaktadır. William Hume Rothery Oxford University Sizce bu kriterler neler olabilir?

11 Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Yeralan katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterler bulunmaktadır. Hume Rothery Kuralları 1) Atomsal boyut faktörü 2) Kristal Yapıları 3) Elektronegatiflikleri arasındaki fark 4) Değerlikleri William Hume Rothery Oxford University

12 Hume Rothery Kuralları 1. Atomsal boyut faktörü : Katı çözeltide kayda değer miktarda çözünen atom bulunabilmesi için, iki elementin atom yarıçapı farkının % 15 den az olması gerekir. Boyut farkı ne kadar az olur ise katı çözelti oluşumu o kadar kolay olur. Eğer boyut farkı % 15 ise yer değiştirme miktarı çok sınırlı olacaktır. 1. Kristal Yapıları : Çözen ve çözünen atomların kristal yapılarının aynı olması gerekir. 1. Elektronegatiflikleri : Çözücü ve çözünen atomların elektronegatiflik değerlerinin birbirine yakın olması gerekir. Elektronegatiflikleri arasındaki farkın büyük olması durumunda ise atomlar arasında yerdeğiştirme yoluyla katı çözelti oluşturmak yerine metaller arası yeni bir bileşik oluşturmaları söz konusu olabilecektir.

13 Hume Rothery Kuralları 4. Değerlikleri : Çözücü ve çözünen atomların değerliklerinin aynı olması veya yakın olması gerekir. Maksimum çözünürlüğün sağlanabilmesi için çözücü ve çözünen atomların değerlikleri aynı olmalıdır. Eğer çözücü ve çözünen atomların değerlikleri aynı değil ise o zaman yapıda yük dengesinin korunması için bazı yapısal değişikliklerin de atomların yer değiştirmesi ile birlikte gerçekleşmesi gerekecektir. Örneğin boşluk oluşumu gibi. Diğer faktörler sağlandığında, bir metal, değerliği kendinden daha düşük olan bir metale göre, değerliği daha fazla olanı çözmeye daha yatkındır. Karbon atomları demire ilave edildiğinde, arayer katı çözeltisi oluşturur ve karbonun demir içindeki maksimum çözünürlüğü yaklaşık olarak % 2 dir. Karbon atomunun atom yarıçapı (0,071 nm) demire göre oldukça küçüktür (0,124 nm).

14 Metal katı çözeltisi oluşumuna örnek Cu ve Ni metalleri tüm oranlarda birbiri içerisinde tamamen çözünmekte ve bir katı çözelti oluşturmaktadır. Ni Cu Kristal Yapısı YMK YMK Elektronegatifliği 1,9 1,8 Değerliği r (nm) 0,1246 0,1278 : katı çözelti Liquid : sıvı faz

15 Seramik katı çözeltisi oluşumuna örnek NiO ve MgO birbiri içerisinde tamamen çözünebilen bir katı çözelti oluşturabilmektedir. NiO ve MgO her ikisi de kübik kristal yapıya sahiptir Ni and Mg aynı değerliğe sahiptir, +2. İyonik yarıçaplar arasındaki fark ± 15% aralığı içerisindedir

16 Seramik katı çözeltisi oluşumuna örnek MgO and NiO tüm oranlarda birbiri içerisinde tamamen çözünmekte ve bir katı çözelti oluşturmaktadır. SS: katı çözelti L : sıvı faz

17 Arayer Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Arayer katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterler bulunmaktadır. Sizce bu kriterler neler olabilir?

18 Arayer Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Arayer katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterler bulunmaktadır. Çözünen atomların kristal kafeste yer alan çözücü atomlar arasında kalan boşluktan daha küçük bir boyuta sahip olması gerekir. Çözücü ve çözünen atomların elektronegatiflik değerlerinin birbirine yakın olması gerekir. Arayer boşluklarına girebilecek olan sınırlı sayıda atom bulunmaktadır. Örneğin; C, H, Li, oksijen ve B.

19 Arayer katı çözeltisi oluşumu Fe-C Faz Diyagramı Sementit sistemde oluşan bir ara bileşiktir (Fe 3 C). Östenit ve ferrit fazları ise sistemde oluşan birer arayer katı çözeltisidir. Fe-C faz diyagramının bir kısmı

20 Arayer katı çözeltisi oluşumu Fe-C Faz Diyagramı

21 QUESTIONS