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 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. 1 2 1
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 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 3 4 2
Polikristal Malzemeler Kusur Türleri Tane Sınırları Kristaller arası bölge Bir kafesten diğerine geçiş bölgesi Düzensiz sayılabilir Tane sınırlarında yoğunluklar düşük Yüksek hareket kabiliyeti Yüksek geçirimlilik Yüksek kimyasal reaktivite boş atom köşesi arayer atomları yeralan atomları dislokasyonlar tane sınırları Noktasal kusurlar (bir veya iki atom konumu ile ilgili) Çizgisel kusurlar Yüzeysel kusurlar Adapted from Fig. 4.7, Callister & Rethwisch 8e. 5 6 3
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. Arayer atomları: Atomlararası boşluklarda bulunan fazladan" atomlar. normal koşullar altında bir atomun sığamayacağı kadar küçük boşluklara yerleşirler. Arayer atomu Düzlemlerin bozulması Düzlemlerde burulma Boşluk Metallerde, arayer atomları çevrelerindeki düzlemlerde bozulmalara neden olur çünkü arayer atomu her zaman yerleştiği atomlararası boşluktan daha büyüktür. Sonuçta, bu kusurun oluşma ihtimali oldukça azdır. Bu nedenle atom içindeki konsantrasyonları boş köşelere kıyasla çok daha düşüktür. 7 8 4
Arayer Atomu: Tam bir düzlemde fazla bir atomun bulunması sonucu kristalde meydana gelen kusur durumu 9 Kusur sayısı Potansiyel kusur sayısı Her düzlem potansiyel bir boş köşe bölgesidir Denge Konsantrasyonu: Noktasal Kusurlar Denge konsantrasyonu sıcaklığa bağlıdır! N v N = exp Q v kt Sıcaklık Boltzmann sabiti (1.38 x 10-23 J/atom-K) (8.62 x 10-5 ev/atom-k) Aktivasyon enerjisi 10 5
Aktivasyon Enerjisi Ölçümü 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 11 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 10 23 atom/mol 0.9 ev/atom N v = 2.7 x 10-4 N = exp Q v kt 1273 K 8.62 x 10-5 ev/atom-k N 1 m 3 için, N = r x A x 1 m 3 = 8.0 x 10 28 bölge sayısı A Cu Cevap: Nv = (2.7 x 10-4 )(8.0 x 10 28 ) bölge = 2.2 x 10 25 boş köşe 12 6
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 %99.9999 oranında saflaştırmak (rafine etmek) oldukça zordur. Normal koşullar altında, malzemenin her bir metrekübünde yaklaşık 10 22 10 23 mertebesinde yabancı atom bulunur. 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. 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. 13 14 7
Metallerde Alaşımlandırma İki tür alaşımlandırma mevcuttur: (B:eriyen) (A:eriten) Katı Eriyik (noktasal kusurların rastgele dizilişi) VEYA 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 Yeralan katı eriyiği (ör: Ni içinde Cu) Arayer katı eriyiği (ör: Fe içinde C 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. 15 16 8
Arayer katı eriyiği: 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). 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 1 2 Çok küçük boyutlu katkı elemanları bile genellikle ara boşluklardan büyük olduğundan dolayı kafes yapıdaki komşu atomların bir miktar yerdeğiştirmesine neden olur. 17 m 1 ve m 2 = sırasıyla, bileşen 1 ve 2 nin kütleleri. 18 9
Atomsal yüzde (at%) alaşım içerisindeki bir elemanın mol sayısının alaşımdaki toplam mol sayısına oranıdır. Bir elemanın belirli bir kütle içerisindeki mol sayısı: atomsal yüzde: m1 m2 x 100 n m1 ve n m2 = sırasıyla, bileşen 1 ve 2 nin mol sayısı C ' 1 = n nm1 n 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 19 20 10
Örnek: Ağırlıkça yüzdeden birim hacimdeki ağırlığın bulunması Alaşımın «ortalama» yoğunluğunun bulunması 21 22 11
Dislokasyonlar: çizgisel kusurlardır, kristal düzlemler arasındaki kayma dislokasyon hareketi ile olur, birçok kristal yapılı malzemede meydana gelen kalıcı (plastik) deformasyon dislokasyon hareketi sonucu oluşur. Çinko (HSP): deformasyon öncesi Çizgisel Kusurlar çekme etkisinde uzama sonrası kayma 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 23 24 12
Kenar dislokasyonu Katı Kusurları Burger vektörü Kenar dislokasyonu Dislokasyon civarındaki düzlemlerde bir miktar burulma görülür: Kenar dislokasyon çizgisi 26 13
Düzlemlerdeki burulmanın yönü ve büyüklüğü Burger vektörü ile tanımlanır ve b ile gösterilir. Dislokasyon çizgisi ile Burger vektörü birbirine diktir. 3 adım sağa Kenar Dislokasyon Hareketi Dislokasyon hareketi yarı düzlemde atomların sıralı kaymasını gerektirir (burada soldan sağa) Kayma düzleminde bağlar sıralı olarak kırılıp yeniden oluşur 4 adım yukarıya 4 adım aşağıya Soldan sağa kristal kayması sırasında kenar dislokasyonu görüntüsü 3 adım sola 27 28 14
Vida dislokasyonu Katı Kusurları Dislokasyon çizgisi Burger vektörü b (a) b (b) 29 30 15
Vida Dislokasyonu: Kristalin ön kısmında üstte bulunan atonların alttakilere göre bir atom boyu kayması durumudur. Kenar, Vida ve Karma Dislokasyonlar Karma Bu atomsal burulma vida dislokasyonunu oluşturur. b Burger vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir. Kenar Vida 31 32 16
Yüzeysel Kusurlar: Yüzeysel kusurlar iki boyutlu kusurlardır ve malzeme içerisindeki farklı kristal yapılara ve/veya kristal diziliş farklılıklarına sahip bölgeleri ayırırlar. Bu kusurlar: -dış yüzeyler, -tane sınırları, -ikizlenme sınırlarıdır. Dış Yüzeyler: Yüzeyde bulunan atomlar içeridekilere göre daha az sayıda bağ kurabilmeleri nedeniyle enerji seviyeleri daha yüksektir. Bu durum yüzey enerjisini ortaya çıkarır. Surface 33 34 17
Tane Sınırları: daha önce anlatıldı.. Tane Boyutunun Küçültülmesi ile Mukavemet artırma: 35 Polikristal bir metaldeki ortalama tane boyutu mekanik özellikleri etkiler. Komşu tanelerde kristal doğrultuların çakışmaması sonucunda bu taneler arasında sınır oluşur. Plastik deformasyonun belirli bir aşamasında dilokasyonlar bu sınırı aşmak zorundadır (A tanesinden B tanesine geçmek zorundadır). 36 18
Tane Boyutunun Küçültülmesi ile Mukavemet artırma: Tane sınırı dislokasyon hareketine iki şekilde engel olur: 1. Tanelerin doğrultuları arasındaki uyumsuzluktan dolayı, B tanesine geçmek isteyen dislokasyonun doğrultusunu değiştirmesi gerekir. Bu durum düzensizliği artırır. 2. Tane sınırları içerisindeki, atomsal düzensizliğin kendisi de kayma düzlemlerinin süreksizliğine neden olur. Tane Boyutunun Küçültülmesi ile Mukavemet artırma: Küçük kristal tanelere sahip bir malzeme iri taneli olanlara göre daha sert ve sağlamdır çünkü birincisinde toplamda daha fazla tane sınırı olması nedeniyle dislokasyon hareketi engellenir. 37 38 19
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.) 20