BÖLÜM 3 DİFÜZYON (YAYINIM)

Transkript

1 BÖLÜM 3 DİFÜZYON (YAYINIM) 1

2 Mürekkebin suda yayılması veya kolonyanın havada yayılması difüzyona örnektir. En hızlı difüzyon gazlarda görülür. Katılarda atom hareketleri daha yavaş olduğu için katılarda sıvılardaki gibi difüzyon olayını gözlemlemek oldukça zordur. 2

3 DİFÜZYON (YAYINIM) Maddelerin çok yoğun ortamdan, az yoğun ortama doğru kendiliğinden yayılmasıdır. Difüzyon iki ortamın yoğunlukları eşitleninceye kadar devam eder. Difüzyon sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonudur. 3

4 Difüzyon mekanizmaları a) Boşluk Difüzyonu Atomların komşu olan boş örgü noktalarını doldurması yani örgü boşluğu difüzyonudur. Çözünen element atomlarının boş noktalara sıçraması neticesinde boş olan yeri doldurması ve bu olayın zincirleme olarak devam etmesi söz konusudur. Fakat bu boşluklar atomsal doldurma hareketi sonucunda tane sınırlarında yok olurlar. Atom göçü, boşluk akma yönüne zıttır. 4

5 Difüzyonda aktivasyon (etkinleştirme) enerjileri Aynı cins (orjinal) atomların konumlarını değiştirmesiyle ortaya çıkan yayınmaya kendi kendine ya da öz difüzyon (self diffusion) denir. Yaklaşık eşit çaptaki yabancı atomların difüzyonuna da yabancı atom difüzyonu denir. 5

6 Başlangıç durumu Ara durum Son durum Enerji Aktivasyon enerjisi 6

7 b) Arayer Difüzyonu Küçük çaplı atomların (hidrojen, karbon, azot,..) ara bölgelere sıçraması ile difüzyon gerçekleşir. Sıcaklığa bağlıdır. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için boşluklara gerek yoktur. Karbon atomları demir içinde Arayer Difüzyonu mekanizma ile yayınır. 7

8 c) Halka Difüzyonu Metallerde en yaygın olarak boşluk ve arayer difüzyon mekanizmaları görülmesine rağmen, nadirende olsa halka difüzyonu gösterir. Birbirine değen halka şeklinde bulunan atomlar aynı yönde beraberce hareket ederek birbirlerinin yerlerini alırlar. Atomların bu şekilde hareketine halka difüzyonu denir. 8

9 Küçük atomlar daha kolay yayınır. Belirli bir atom ergime sıcaklığı düşük dolayısıyla atomlararası bağ daha zayıf olan ortamda daha kolay yayınır. Atomsal dolgu faktörü düşük ortamlarda yayınım daha az enerjiyi gerektirir. Düzensiz yapıya sahip ve atom sıklığı tanelere göre daha az olan tane sınırları boyunca yayınım daha kolay oluşur. 9

10 DİFÜZYON KANUNLARI I. FICK KANU (Kararlı Hal Difüzyon) 10

11 DİFÜZYON KANUNLARI I. FICK KANU (Kararlı Hal Difüzyon) J : difüzyon hızı veya difüzyon akısı (atom/m 2.s) D : difüzyon katsayısı (m 2 /s) C : difüzyona uğrayan atomların konsantrasyonu (atom/m 3 ) X : difüzyon mesafesi (m) dc/dx : konsantrasyon gradyeni 11

12 Örnek: 1000 o C ortam sıcaklığında Fe bir levhanın bir kenarı karbonca zengin bir atmosfere diğer kenarı ise karbonca daha fakir bir atmosfere temas ettirilmektedir. Fe levhanın x=2 mm deki C konsantrasyonu 1kg/m 3 ve x=7 mm deki C konsantrasyonu ise 0,5 kg/m 3 tür. Kararlı hal difüzyonunun söz konusu olduğu durumda Fe levhanın bir kenarından diğer kenarına doğru karbon atom yayınım (difüzyon) akısını hesaplayınız. (1000 o C deki C un Fe içindeki D=3x10-11 m 2 /s dir.) 12

13 13

14 Örnek: Cu içindeki Zn nun 600 o C deki difüzyon katsayısını hesaplayınız. (çinkonun Cu içindeki difüzyon sabitini 3.4x10-5 m 2 /s, aktivasyon enerjisini 191 kj/mol ve gaz sabitini 8.31 J/mol.K olarak alınız.) Örnek: 300 C de Si kristalinde bakır difüzyonu için difüzyon katsayısı ve aktivasyon enerjisi D = 7,8 x10-11 m 2 /s ve Q = 41,5 kj/mol olarak verilmektedir. 350 C sıcaklıktaki difüzyon katsayısını hesaplayınız. 14

15 Bazı metalik sistemlerin difüzyon katsayısı ve aktivasyon enerji değerleri 15

16 II. FICK KANU (Kararsız Hal Difüzyon) Konsantrasyonun Zamanla değişim hızı Konsantrasyon gradyenin türevi Bu diferansiyel denklem sınır şartları dikkate alınarak çözülürse Cs: malzeme yüzeyine difüz eden atomların sabit konsantrasyonu C 0 : malzemede difüz eden atomların başlangıç konsantrasyonu Cx: t zaman sonra yüzeyden x kadar uzaklıkta difüz eden atomların konsantrasyonu erf: hata fonksiyonu 16 t : zaman

17 17

18 Örnek: 1020 çeliğinden bir dişliyi 927 C ta karbonladığınızı düşünün. Yüzeyin 0.50 mm altında karbon miktarını %0.40 a çıkarmak için gerekli zamanı dakika cinsinden hesaplayın. Yüzeyde karbon miktarının %0.90 ve çeliğin karbon miktarının %0.20 olduğunu kabul edin. D =1.28x10-11 m 2 /s, 927 C 18

19 Bazı Endüstriyel Uygulamalar a) Galvanizasyon İşlemi Demirin korozyona karşı mukavemetini arttırmak için ergimiş çinko banyosuna daldırılır. Çinko yüzeysel yayınım sonucu demir yüzeyinde ince bir tabaka oluşturur. Böylece korozyona karşı koruma sağlanır. 19

20 b) Karbürleme (Sementasyon) işlemi Az karbonlu çeliklerin işlenmesi kolaydır fakat aşınma mukavemetleri düşüktür. Çeliğe şekil verdikten sonra sürtünmeye maruz kalacak yüzeylere sementasyon işlemi uygulayarak yüzeydeki karbon oranı arttırılır, Sementasyonda aktif karbon ortamında az karbonlu çelik yüksek sıcaklıklara ısıtılır. Karbon atomlarının yayınması sonucu yüzeyde ince bir tabaka boyunca yüksek karbonlu bir yapı oluşur. Sonra su vererek sertleştirilir. Bu çeliğe su verilirse yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı, içi yumuşak ve tok bir malzeme elde edilir. Örneğin motorların krank millerinin sürtünen yüzeyleri bu yöntemle sertleştirilir. 20

21 Örnek: Bir YMK (FCC) demir-karbon alaşımının başlangıç karbon içeriği ağırlık yüzdesi olarak 0.20 iken yüksek sıcaklıkta karbonlanmış ve yüzey karbon konsantrasyonu ağırlık yüzdesi olarak 1.0 sabit değeri veren bir atmosfere maruz bırakılmıştır saat sonra yüzeyin 4,0 mm altında karbon konsantrasyonu ağırlık yüzdesi olarak 0.35 ise işlemin yapıldığı sıcaklığı bulunuz. ( D o = 2,3x10 5 m2 R = 8,314 J mol, Q = 148 kj/mol) s, 21

22 c) Sinterleme Sinterleme (pişirme) malzeme parçacıklarının birbirleriyle birleşmesini sağlayan ve kademeli bir şekilde parçacıklar arasındaki gözenek hacmini azaltan bir yüksek sıcaklık işlemidir. Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarındaki atomlar difüzeder, körüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur. 22

23 d) Kaynak ve Lehim 2 metal parça belli bir sıcaklıkta birbirine bastırılarak belli bir süre bekletilir. Bu sırada basınç ve sıcaklığın etkisiyle 2 farklı metal yüzeyindeki atomlar geçiş yaparak güçlü bir bağ oluşur. Ergime sıcaklığı 1535 C olan demire basınç kaynağı 800 C civarında uygulanır. Lehimde dolgu metalinin ergime sıcaklığı birleştirilecek ana metalinkinin çok altındadır. Lehim metalinin ergime sıcaklığı yükseldikçe yayınım derinliği artar ve daha kuvvetli bir bileşim sağlanır. Yumuşak lehimde bazı ergime - kullanma sıcaklıkları; Pb-Sn : 185 C Sn-Zn : 260 C Pb-Hg : 310 C Ag-Cu-Zn : 620 C 23