ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)

ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)

Faz Dönüşümü = Çekirdekleşme + Büyüme Alaşımlarda özellikleri faz dönüşümleri etkiler. Tablo. Faz Dönüşümlerinin Temel Çeşitleri. Dönüşüm Tipi Örnek Reaksiyon Türü l. Buhar Sıvı Buharın yoğunlaşması Kaynama 2. Buhar Katı Buharın donması (pencere üzerinde donma) 3. Sıvı Kristal Suyun buza dönüşümü (göl üzerinde donma) Süblimasyon Ergime-katılaşma 4. Kristal l Kristal 2 a) Çökelme Ostenitin soğutulmasında Fe 3 C nin oluşması b) Allotropik dönüşümler 9l0 C de α-fe γ-fe dönüşümü c) Yeniden kristalleşme Soğuk haddelenmiş Cu da yeni tanelerin oluşumu. Katı Katı

2, 3 ve 4 Nolu reaksiyonlar önemli Faz dönüşümleri ile atomik yapılarda değişim veya yeniden düzen Dönüşümde (Yapısal dönüşüm + Bileşim değişikliği + Deformasyon oluşumu) Tablo. Faz dönüşümlerindeki değişikliklerin karmaşıklık dereceleri. Dönüşüm Örnek (a) Yapı değişimi Saf Fe in katılaşması (b) Yapı değişimi + Bileşim değişimi Alaşımlarda Ergime katılaşma (c) Yapı değişimi + Gerilim oluşumu Martensit oluşumu (d) Yapı değişimi + Gerilim oluşumu + α Fe 3 C γ perlit( α + Fe3C) Bileşim değişimi ve γ Fe 3 C + γ C,

Kontrollü Çekirdeklenme Uygulamaları Tane İnceltme Dökümde tane sayısını arttırmak için kontrollü olarak heterojen çekirdekleştirici parçacıkların ilavesi Dispersiyon sertleştirmesi İkinci bir malzemenin çok küçük parçacıklarının ilave edilmesi ile bir metalik malzemenin dislokasyon ilerlemesine direnç göstermesini sağlamak. Katı-hal faz dönüşümü Katı halde olan bir fazı başka bir katı hal fazına dönüştürmek. Hızlı katılaşma prosesi Katılaşma sırasında çok yüksek kontrollü soğutma hızları ile üstün malzeme özellikleri ortaya çıkarmak.

Saf Fe düşünüldüğünde, Yapı dönüşümü sıcaklık 910 C olduğunda aniden olmaz. Önce α-fe matriksinde küçük γ-fe bölgeleri oluşumu Küçük taneler sonra büyüyüp α -Fe γ -Fe dönüşümünü sağlar. Özet: Faz dönüşümü = (Çekirdek oluşması+büyüme) Dönüşüm hızı = f{ çekirdekleşme, büyüme } Ana faz ve ürün fazda (kompozisyon farklı) Şekil. HMK α -Fe fazı içinde YMK γ -Fe fazının çekirdekleşmesi. Yeni γ fazı oluşumu α matriksi

Kristal Çekirdeklenme ve Büyümesi; a) b) c) d) Şekil. Sıvı metalin katılaşmada farklı safhaları. a)sıvıda rastgele bölgelerde çekirdekleşen kristaller. b) ve c) Katılaşmanın ilrlemesi ile bölgelerin büyümesi. d) Katılaşmış metal. (Her bir küçük kare bir birim kafesi temsil etmektedir)

Eğer α dan γ e dönüşüm gerçekleştiriliyor ise; Çekirdekleşme hızı (I) nın tanımı; I = Birim zamanda oluşan γ bölgelerinin sayısı α fazının hacmi Yeni bir faz tane sınırı ve dislokasyon gibi süreksiz bölgelerde oluşur. Yeni faz matrikste üniform bir bölgede de oluşabilir. İki farklı çekirdekleşme türü mevcut; i) Homojen çekirdekleşme : Yeni faz matrikste üniform olarak çekirdekleşir. ii) Heterojen çekirdekleşme: Yeni faz matrikste hata içeren bölgelerde çekirdekleşir.

Homojen Çekirdekleşme Hacim serbest enerjisi G L G S ΔG B = G S -G L = negatif değer ΔT T Sıcaklık L Şekil. Katı ve sıvının hacim serbest enerjilerinin sıcaklık ile değişimi G S G L Katılaşma sonucu serbest enerji değişimi; ΔG B = G S -G L G S, G L = Katı (solid) ve Sıvı (liquid) nın serbest enerjileri

Katılaşma olmadan ΔT kadar soğutulma =Aşırı soğuma lδg B l= Aşırı soğumuş sıvı ve katı serbest enerjiye farkı (Hacim serbest enerjisi) ΔT kadar aşırı soğutmada sıvı hemen katılaşmaz Katılaşma için bazı engeller var!!!! Sıvı içinde katı parçacıklar oluşur (ÇEKİRDEKLER) Çekirdekler küresel kabul edilir (Çapları ~l0 A kadar) Yüzey/hacim oranları çok yüksek. Çekirdek yüzeyleri serbest enerjide pozitif bir artışa yol açar. Yüzeyler katılaşmada engel teşkil eder. Yüzey etkisi ile bir çekirdek oluşturmak için serbest enerji değişimi; ΔG = 4 3 πr 3 ΔG B + 4πr 2 γ (5.1)

γ = yüzey gerilimi ΔG B = Hacim serbest enerji değişimi. Bazı dönüşümlerde deformasyon enerjisi de çekirdekleşmeye engel Serbest Enerji Değişimi ΔG S = Yüzey serbest enerji değişimi = (4πr) 2.γ ks ΔG = Toplam serbest enerji değişimi Çekirdek yarıçapı, r ΔG H = Hacim serbest enerji değişimi = ΔG B. 4/3πr 2 Şekil. Çekirdek oluşum serbest enerjisi ve çekirdek yarıçapı ilişkisi

r > r* için, reaksiyon negatif serbest enerji değişimine sahip. r = r* durumunda; r* = 2γ Δ G B (5.2) ΔG* = 16πγ 3( ΔG B 3 ) 2 (5.3) Çekirdekleşme hızı (I) Kritik yarıçapa ulaşan çekirdeklerin toplam hacimdeki sayısı (Cn); Zamanla çekirdeğin büyümesi;

Çekirdekleşme = kritik yarıçapa ulaşan atom grubu + bir atom ile gerçekleşirse; C n = Kritik çaptaki (r*) çekirdek sayısı Hacim (5.4) dn/dt terimi, a)s (n* atom) + 1 atom S (n* + l atom) b)s (n* + 1 atom ) -1 atom S (n* atom) şartları göz önüne alınarak belirlenir. Kritik Yarı Kritik üstü(sonrası) kararlı öncesi çekirdek ana çekirdek çekirdek faz

İstatistiki çalkalanma ile kritik çekirdek oluşumu Kritik partikülü çevreleyen atomlar Kritik partikül Çevre atomlarının difüzyonla kritik partiküle sıçrayıp çekirdeklenme oluşturması

Katı çekirdek Sıvı ý. G (atom başına) ΔG A ΔG B. yoğunluk a) b) Sıvı Pozisyon Katı Şekil. Atomların sıvıdan katı çekirdeğe bağlanmalarının şematik gösterilişi dn dt = υsp.e ΔG A / kt (5.5) ΔG A = Bir atomun sıvıdan katı çekirdeğe sıçraması için gerekli enerji

1. Serbest enerjisi DGA dan büyük sıvı atomlarının oranı 2. u = Sıvı atomlarının titreşim frekansları 3. s = Sıvı- çekirdek arayüzeyinde çekirdeğe yönlenmiş atom sayısı 4. p = f. A f = çekirdeğe doğru bir sıvı atomun titreşme olasılığı A = Sıvı atomunun katı çekirdek ile çarpıştıktan sonra geri dönmeme olasılığı. I = K v exp ΔG A + kt ΔG * (5.6) K v = υs * pd n * ΔG * 3πkT 1/ 2 (5.7) K v terimi sabit bir terim

Düşük hareketlilik, yüksek itici güç Yüksek hareketlilik, düşük itici güç T f t Sıcaklık T f N çekirdek oluşumu için geçen süre, t = N/t a) b) Şekil. Çekirdekleşme hızının sıcaklık ile değişimi.

T Katılaşma Şekil. Sıvının sıcaklığının (T) değişimi ile çekirdekleşme hızının (I) değişimi

Heterojen Çekirdekleşme Çekirdeklenmede yüzey enerji engeli var. Yüzey azalırsa yüzey enerjisi de azalır Katı Katı Çekirdekleştirici Homojen çekirdeklenmede küre alanı yüzey enerjisini arttırır Çekirdeğin çapı değiştirilmeden çekirdek bir yüzeye yapışırsa yüzey alanı azaltılabilir

γ αβ 2R α Fazı γ αw γ βw β Katı(β) r αβ Duvar α γ αβ δ Katı (β) Duvar a) b) Şekil. a) Küresel şapkanın geometrisi, b) Şapka kenarında yüzey gerilim diyagramı.

ΔG [ A ] αβγαβ + Aβwγβw βwγαw ( yüzey) = A (5.13) A αβ : α - β arayüzeyinin alanı, ve A βw : β - w arayüzeyinin alanı. Üç fazın birleştiği kenarda yüzey gerilim kuvvet dengesi kurulursa; γ αw = γ βw + γ αβ cosδ (5.14) ΔG S = cos δ ve A βw = πr 2 ( yüzey) = Aαβγαβ πr ( γαβ 2.S) (5.15)

Küresel şapka çifti şeklinde çekirdeğin oluşması ile toplam serbest enerji değişimi; ΔG ΔG = ΔG = V β (hacim) ΔG B + + ΔG (yüzey) ( 2 ) A αβ πr S γ αβ Küresel şapkanın yüzey alanı ve hacim ilişkileri bilinmeli. (5.16) V A β αβ 3 = πr αβ 2 = πr αβ 2 3S + S 3 [ 1 S] 3 R = r αβ sin δ (5.17) Bu eşitlikler toplam serbest enerji eşitliğinde yerine konulduğunda; ΔG = πr 3 αβ 2 3S + S 3 3. ΔG B + [ 2 2 2 ] 2πr (1 S) πr (sin δ). γ αβ αβ αβ (5.18)

sin 2 δ = 1-S 2 olduğunu göz önüne alarak; ΔG = 4 πr 3. ΔG 2 3S + S + 3 2 αβδ GB + 4πr αβγαβ B 4 3 (5.19) Heterojen çekirdeklenmede kritik çekirdek yarıçapı: r * αβ = 2γ ΔG αβ B (5.20) Heterojen çekirdekleşme için ΔG*; ΔG * (het.) = ΔG * (hom.) 2 3S + S 4 3 (5.21) ΔG* (het) < Δ G* (hom.)

Heterojen Çekirdeklenme Uygulamaları; A. Yağmur Bombası: Yağmur iki şekilde oluşur: - Bulut katmanlarının çarpışması, - Buharların 0 o C altında aşırı soğur ve buz kristalleri çekirdekleşmesi. Yapay yağmur (yağmur bombası) Bulutlar CO 2, AgI veya çöl kumu vs ile buza çekirdeklenir. Atmosfer sıcaklığına bağlı: kar, sulu kar, yağmur.

B. Cam Bardakta CO 2 Çekirdeklenmesi Cam bardakta bira, gazoz, şampanya var ise; Gaz kabarcıkları bardak duvarında olur. Cam bardak yüzeyi tam düz değil. Cam yüzeyi süreksizliklerinde gazlar çekirdeklenir C. Karbür Çekirdekleyiciler Ti ve Nb mikroalaşımlı yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler (HSLA). İnce (10 20 nm) karbür ve nitrürler oluşur.

D. Tane İnceltme Sıvı Sıvı Çekirdekler Kolonsal taneler Aşırı soğuyan taneler (çil zonu) Eş eksenli taneler Sıvı

-Al ve alaşımlarına katılaşmadan önce TiB 2 ilavesi. % 0.01 TiB 2 ilavesi kolonsal büyüyen Al eş eksenli olur. -Aşılama işlemi a) b) Şekil. a) % 0,03 TiB 2 ve b) % 0,03 TiB 2 + % 0,01 katı Ti ilaveli Al

Eş eksenli taneler Sadece yaşayan kolonsal taneler Sadece yaşayan tek bir tane Şekil. Türbin kanatlarının tane yapılarının kontrol edilmesi: (a) Geleneksel eş eksenli taneli yapı. conventional equiaxed grains, (b) Yönlenmiş olarak katılaştırılan kolonsal taneler ve (c) Tek kristal.