Malzemeler yapılarının içerisinde, belli oranlarda farklı atomları çözebilirler. Bu durum katı çözeltiler olarak adlandırılır.

Transkript

1 KATI ÇÖZELTİ

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 Katı çözeltide çözen ve çözünen vardır. Örneğin Cu-Ni alaşımında; Ni, Cu içerisinde tamamen yeralan katı çözelti oluşturacak şekilde çözülebilir. Cu: Çözen Ni: Çözünen

4 Hume- Rothery kuralı, HUME-ROTHERY KURALI metalik malzemelerde iki elementin birbirine her oranda ve tamamen karışarak yeralan katı çözeltinin elde edilmesi için, sağlanması gereken kuralları ifade eder. 1. Atom yarıçaplarındaki farkın %15 ten az olması gerekir, 2. İki elementinde aynı kristal yapıya sahip olması gerekir, 3. Aynı elektronegatifliye sahip olmaları gerekir, 4. Aynı valansa sahip olmaları gerekir, 5. Yoğunluklarının birbirine yakın olması gerekir.

5 Cu-Ni Tüm kuralları sağlar ve birbirlerinin içerisinde sınırsızca çözülebilir. RCu= 0.128, iyonize olduğunda +2, YMK, RNi= 0.125, iyonize olduğunda +2,YMK,

6 Al-Si 1, 2 ve 4 ü sağlayamaz ancak %2 oranında çözülebilir. R Si=0.117, iyonize olduğunda 4- veya 4+, Elmas Kübik R Al= 0.143, iyonize olduğunda 3+, YMK

7 Fe-Pb Hiçbir kuralı sağlayamaz ve birbirlerinin içerisinde hiçbir oranda çözülemez. RFe = 0.124, iyonize olduğunda +2 veya +3, HMK RPb = 0.175, iyonize olduğunda +4 veya +2, YMK

8 Katı Eriyikler (Çözeltiler) 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.

9 Katı eriyik oluşumunda eriyen elementin atomlarının ana kafes içerisindeki yerleşim konumlarına göre: 1. Yeralan Katı Eriyikleri (Asalyer katı çözeltisi) 2. Arayer Katı Eriyikleri (Arayer katı çözeltisi)

10 Yer Alan Katı Eriyikler Atom yarıçapları yakın ve elektron yapıları benzer olan elemanlar kafes yapıda birbirlerinin yerini kolaylıkla alarak yer alan katı eriyiğini oluştururlar.

11 Çözünen element atomlarının çözen element atomlarının yerini alması ile oluşan katı çözeltidir. Alaşım sistemlerinde çözünme aralığını kontrol eden faktörler Hume-Rothery tarafından belirlenmiştir.

12 Yeralan katı eriyik oluşumunda etkili olan faktörler şunlardır; 1. Kafes Sisteminin Etkisi 2. Boyut Faktörünün Etkisi 3. Elektronegatif Valans Etkisi 4. Relatif Valans Etkisi

13 1. Kafes Sisteminin Etkisi İki elementin katı eriyik oluşturabilmesi için kafes sistemlerinin aynı veya benzer olması gerekir. %100 katı eriyik oluşumunun gerçekleşebilmesi için kafes sistemlerinin aynı olması gerekir. Hegzagonal sıkı düzen (HSD) sistemlerde özel bir durum vardır. Bu temel yaklaşımdan farklı olarak, oldukça farklı kristal yapıya sahip olan İndium (YMT) ve Talyum (HSD) çok geniş bir katı eriyik bölgesine sahiptirler. Ancak sürekli katı eriyik oluşumu söz konusu olmamaktadır.

14 2. Boyut Faktörünün Etkisi Katı eriyikler kristal kafesin belirli bir distorsiyonu ile oluşabildiğine göre, iki metalin atom çapları arasında belirli bir oranın olması gerekir. Yapılan araştırmalar eriten ve eriyen atomların çapları arasındaki farkın, eriten atomun çapına oranının en fazla olması gerektiğini göstermiştir. Atomsal boyut faktörü %15 den büyük olduğunda ise zorlaşır. Çünkü kafes yapısında çarpılma oluşur.

15 Bir çok durumda boyut faktörü geniş katı eriyik bölgesi oluşumuna imkan vermeyebilir. Sıcaklık arttıkça sınırlı katı eriyik bölgesi genişler. Bu tür alaşımlar çökelme sertleşmesine uygundur. Al atomları ile Cu atomları çap farkı daha büyük olduğundan Al un Cu içinde erime oranı %20 yi geçmez. Şekil-Bazı metallerin atom çapları oranına bağlı olarak Cu da erime oranları

16 3. Elektronegatif Valans Etkisi İki elementin kafes sistemi aynı veya benzer, atom boyutları uygun ise katı eriyik oluşumunda diğer bir koşul olan elektronegatif valans etkisi ön plana çıkar. Bir atomun elektronegativitesi, diğer atomdan bir elektronu kendine çekme gücüdür. Bu etki, bir araya gelen elementlerin katı eriyik veya ara kimyasal bileşik oluşturma eğilimleri olarak tanımlanabilir. İki metalin birbirine karşı elektronegativitesi arttıkça, katı çözelti oluşturma durumları zorlaşır ve bileşik oluşturma meyli artar.

17 4. Relatif Valans Etkisi Çözünen metalin valans değeri, çözen metalin valans değerinden farklı ise, elektron oranı olarak adlandırılan atom başına düşen valans elektron sayısı değişir. Düşük valanslı bir metal yüksek valanslı bir metali bünyesinde daha fazla eritir. Bunun nedeni, düşük valanslı metalin bünyesinde yüksek valanslı elementi eriterek ortalama valans değerini yükseltmek istemesidir.

18 Arayer Katı Eriyikler Arayer katı eriyiklerinin oluşumunda yeralan katı eriyiği oluşumunda geçerli olan faktörlerden sadece atomik boyut koşulunda bir farklılık vardır. Küçük atomlar kafes yapıdaki atomlararası boşluğa yerleşerek arayer katı eriyiği oluşturabilirler. Arayer atomlarının kafes içerisinde yer alması sonucu yapının distorsiyona uğraması söz konusudur.

19 Yarıçapları küçük olan atomların, çözen elementin atomları arasındaki boşluklara girmesiyle oluşur. Yarıçapı ancak 1 A dan küçük atomlar arayer katı çözeltisi oluşturabilir. Bunlar H, B, N C ve O 2 atomlarıdır. Katı çözeltiler sonrası kafes yapısında çarpılma meydana gelir ve dislokasyon hareketi engellenerek sertlik ve mukavemet artar.

20 Katı çözeltisi ile metallerarası bileşikler arasındaki farklar: Metallerarası bileşikler belirli formüllerle gösterilebilir, katı çözeltiler ise gösterilmez. Metallerarası 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. Metallerarası bileşiklerin ergime veya katılaşma sıcaklıkları genelde sabittir, katı çözeltiler ise belirli sıcaklık aralıklarında ergirler veya katılaşırlar. Metallerarası bileşikler genelde katı çözeltilerden daha sert ve gevrektir.