Bölüm 5 Difüzyon (Yayınma)

Bölüm 5 Difüzyon (Yayınma) Şekilde yüzey sertleştirme uygulanmış bir çelik dişlinin fotoğrafı görülmektedir. Yüksek sıcaklıkta yapılan ısıl işlem sırasında, dişlinin içinde bulunduğu ortamdaki karbon, yüzeyden içeri yayınarak yüzey tabakasının sertleşmesi sağlanmıştır. Kesitin alındığı kısımda sertleştirilmiş olan yüzey tabakası, koyu tonda görülmektedir. 1

İleride açıklanacağı üzere, karbon miktarının yükselmesi, sertliğin artmasını ve bu da dişlinin aşınma direncinin iyileşmesini sağlamaktadır. Ayrıca, sertleştirilmiş yüzey tabakasında gelişen basma artık gerilmeleri dişlinin çalışma sırasında yorulma hasarına olan direncini de arttırmaktadır (ilerleyen bölümlerde). 2

BÖLÜM 5 - DİFÜZYON Difüzyon nasıl oluşur? Neden önemlidir? Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir? Difüzyon malzemenin yapısına ve sıcaklığa göre nasıl değişir

Malzemelerin özelliklerini iyileştirmek amacıyla ısıl işleme tabi tutulmaları yaygın olarak baş vurulan bir işlemdir. Isıl işlem sırasında meydana gelen olayların temelinde atomsal yayınım (difüzyon) söz konusudur. 4

Çoğu zaman yayınma hızının artması istense de, bazı durumlarda yavaşlaması için de önlemler alınır. Isıl işlem sıcaklıkları ve süreleri ve/veya soğuma hızları çoğunlukla yayınma denklemleri ve uygun sabitlerle belirlenir. 5

Difüzyon Nedir? Difüzyon veya yayınım, bir malzeme içinde atomların hareketidir. Atomlar, konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluşturmak için hareket ederler.

Gazlardaki, sıvılardaki ve katılardaki atomlar sürekli hareket halindedir ve zamanla bir yerden diğerine geçer. Pişen yemeğin kokusunun yayılmasından anlaşılacağı gibi gazlarda atom/molekül hareketi nispeten hızlıdır. 7

Sıvılardaki atom hareketi, suya katılan bir mürekkebin yayılmasından görüleceği gibi, gaza göre daha yavaştır. Katılarda atomlar birbirine kuvvetli bağlandıklarından dolayı atomların hareketi yavaştır. Fakat, katılardaki ısıl titreşimler, bazı atomların hareket etmesine imkan verir 8

Difüzyon Nedir? Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi olaylar ile kaynak, lehim, sementasyon gibi işlemler büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlıdır. Atomların hareketleri ısıl enerji etkisinde oluşur ve iki aşamalıdır: Birincisi ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri, İkincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu sonuncuya atomsal yayınım veya difüzyon denir. Katı malzemelerde meydana gelen difüzyon gaz ve sıvılardaki difüzyondan çok daha yavaştır.

Kendi Kendine Difüzyon (Öz difüzyon) Tamamen saf katı düzenli malzemelerde atomlar bir kafes noktasından diğerine hareket ederler. Tüm atomlar aynı tipte atomlar ile yer değiştirme yaparlar. Bu olaya kendi kendine difüzyon denir. Tabii ki burada konsantrasyonda değişim yoktur. Kendi kendine difüzyon, saf metallerde olur. Aynı elemente ait A,B, C, D, atomları sıcaklığın etkisi ile hareket ederler veya yayınırlar. 10

Alaşımlarda Difüzyon Alaşımlarda difüzyon, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi yüzeyleri birbirine temas eden iki farklı metal (mesela Cu ve Ni) çubuk ile açıklanabilir. Bu şekilde ara yüzeyde atom yerleri bileşim şematik olarak gösterilmiştir. Metal çifti erime noktalarının altında bir sıcaklığa ısıtılıp belli bir süre bekletilir. Ara yüzeyde kimyasal analiz yapıldığında saf bakır ve nikel bölgeleri arasında alaşımlı bölge bulunduğu görülür. Her iki metalin derişimi (konsantrasyonu) aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi mesafeye bağlı olarak değişir. Sonuç olarak bakır atomları nikel içine hareket etmiş veya yayınmıştır ve nikel atomları da bakır içine yayınmıştır. Cu-Ni örneğinde olduğu gibi yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atomların hareketi vardır. Konsantrasyon profili, aşağıdaki örnekte, ara yüzeyden itibaren konsantrasyonun mesafeye bağlı değişimini gösterir 11

Katılarda Difüzyon Mekanizmaları Boşluk difüzyon mekanizması Eğer atomların ısıl titreşiminin sağladığı yeterli aktivasyon enerjisi varsa ve atomların hareket ettiklerinde girebilecekleri boşluklar veya diğer kafes kusurları mevcutsa, atomlar kristal kafesinde bir yerden diğerine hareket eder. Metal ve alaşımlarında boşluklar her zaman vardır ve atomların yayınmasına yardımcı olur. Bir kafes noktasından diğerine atomların sıçraması için atomlar, komşuları ile yaptıkları bağ koparacak ve sıçrama sırasında kafes çarpılmaları yapacak seviyede aktivasyon enerjisine enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerji, atomik ısıl titreşimlerden gelir. [YMK (100) düzlemi] 12

Katılarda Difüzyon Mekanizmaları Arayer difüzyon mekanizması Kristal kafeslerinde atomların arayer difüzyonu, ana kristal kafesini kalıcı olarak bozmadan atomlar bir ara yerden diğerine hareket ettikleri zaman meydana gelir. Arayer mekanizmasının işleyebilmesi için yayınan atom boyutunun ana faz atomu(çözen) boyutuna göre küçük olması gerekir. Hidrojen, oksijen, azot, karbon gibi küçük atomlar ara yer boşluklarına sığabilecek boyutlarda oldukları için arayer difüzyon mekanizması ile hareket ederler. Arayer difüzyonu, boşluk difüzyonundan genellikle daha hızlıdır. Çünkü arayer atomlarının komşu atomlar ile olan bağ normalde daha zayıf ve atom boşluğundan çok daha fazla ara yer boşlukları vardır. 13

Katılarda Yayınım Mekanizmaları

Difüzyonda aktivasyon enerjileri Yayınan bir atom, yeni yerine ulaşmak için komşu atomları sıkıştırarak geçmek zorundadır. Bunun olabilmesi için atomların yeni konumlarına geçmesini zorlayacak enerji sağlanmalıdır. Bu durum yandaki şekilde boşluk difüzyonu ve arayer difüzyonu için gösterilmiştir. Atom, başlangıçta nispeten kararlı konumda ve düşük enerjili haldedir. Yeni bir konuma hareket etmek için enerji engelini aşmak zorundadır. Bu enerji aktivasyon enerjisi dir. Ve Q ile gösterilir. Söz konusu enerji engelini aşmak için gerekli enerji sıcaklığın artırılması suretiyle elde edilir. Normal olarak bir arayer atomunun komşu atomları geçmek için sıkıştırması daha az enerji gerektirir. Bunun sonucu olarak, ara yer difüzyonu için aktivasyon enerjileri boşluk difüzyonu için olandan daha azdır. Aktivasyon enerjisi düştükçe difüzyon kolaylaşır. Difüzyon sırasında atomların birbirlerini sıkıştırarak geçmesi için enerji engelinin (aktivasyon enerjisi,q) aşılması gerekir.

Difüzyon Akısı Difüzyon, zamana bağlı bir süreçtir. Bir elementin atomlarının taşınma miktarı zamanın fonksiyonudur. Difüzyon hızı, birim zamanda birim düzlem alandan geçen atom sayısı (atom/(m2.san)veya malzeme miktarı (kg/(m2.san) olarak tanımlanan akı J ile ölçülebilir (Aşağıdaki şekil) 16

Kararlı hal difüzyonu Eğer, difüzyon akısı zamanla değişmiyor ise kararlı hal durumu ortaya çıkar. En çok bilinen örnek olarak, iki tarafında konsantrasyonları sabit olan gaz halindeki bir elemente ait atomların bulunduğu ince bir metal levhadan geçen bu atomların difüzyonu verilebilir. Aşağıda (Şekil a) şematik olarak gösterilmiştir. Eğer, levha içinde yayınan atomların konsantrasyonunu (C, kg/m3 ) mesafeye (X) bağlı olarak grafiğini çizersek, bir eğri elde edilir. Bu eğri, konsantrasyon profili olarak tanımlanabilir. Bu eğrinin belirli bir noktadaki eğimine de konsantrasyon gradyantı denir. Şekil b de konsantrasyon profilinin lineer olduğu var sayılmıştır. 17

Kararlı hal difüzyonu-1.fick Kanunu Tek bir yöndeki kararlı hal difüzyonu matematiksel olarak aşağıdaki denklem ile ifade edilir. Burada, akı (J), konsantrasyon gradyantı ile orantılıdır. (Yayınan atomun, ana faz atomu ile kimyasal reaksiyona girmediği varsayılır). Burada orantı sabiti D difüzyon katsayısı olarak tanımlanır. Denklemdeki negatif işaret difüzyonun yönünün konsantrasyon gradyantının aşağısına doğru olduğunu gösterir. Konsantrasyon gradyantı dikleştikçe akı artar. Difüzyon için itici güç, konsantrasyon gradyantıdır. Aşağıdaki denklem 1. Fick Kanunu olarak adlandırılır 18

Metalik sistemler

Kararsız hal difüzyonu-2. Fick kanunu Koşulların zamanla değişmediği kararlı hal difüzyonu mühendislik malzemelerinde sık rastlanmaz. Çoğunlukla katı içinde bir noktada, difüzyon akısı ve konsantrasyon gradyantı aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi zamanla değişir. Örneğin, çelik bir milin yüzeyinden içeriye sertleştirmek amacıyla karbon yayınıyor ise yüzeyin altında karbon konsantrasyonu zamanla değişecektir. Kararsız hallerde 2. Fick kanunu olarak bilenen aşağıdaki denklem kullanılır: 21

C C s x C C o o 1 erf 2 x Dt Tablo üzerinde: z 2 x Dt

ÖRNEK Problemler: 1020 çeliğinden bir dişliyi 927 C'de karbonladığınızı düşünün. Yüzeyin 0.50 mm altında karbon miktarını %0.40'a çıkarmak için gerekli zamanı dakika cinsinden hesaplayın. Fırın atmosferindeki karbon miktarının %0.90 ve çeliğin karbon miktarının %0,20 olduğunu kabul edin. D 927 C = 1.28x 10-11 m 2 /sn C y = %0.90 x = 0.5 mm = 5.0 x 10-4 m C o = %0.20 C x = %0.40 t =? Sn Çözüm: C C x s C C o 0 1 erf 2 x Dt veya C C s s C C x 0 erf 2 x Dt

Dt x erf C C C C s o x 2 1 0 veya Dt x erf C C C C s x s 2 0

Örnek 1020 çeliğinden bir dişliyi bir önceki problemdeki gibi 927 C'ta gazla karbonlayacağımızı düşünelim. Bu kez 5 saatlik karbonlamadan sonra dişli yüzeyinin 0.50 mm altındaki karbon miktarını hesaplayın. Atmosferdeki karbon miktarının %0.90, çeliğin karbon miktarının da %0.20 olduğunu kabul edin Z = 0.521 kabul edelim. Şimdi bu Z - 0.521 değerine hangi hata fonksiyonunun uyduğunu bilmemiz gerekir. Bu sayıyı Tablo dan bulmak için verileri yandaki tabloda olduğu gibi ara değerlememiz gerekir

Dikkat edilecek olursa, 1020 çeliğinde karbonlama süresini 2.4 saatten 5 saate yükseltmek, dişli yüzeyinin 0.5 mm altındaki karbon miktarını % 0.4'ten sadece % 0.52'ye yükseltebilmektedir.

Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-1 28

Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-3

Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-4

Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-6 Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarında atomlar difüz eder, köprüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur. 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

Difüzyonu etkileyen faktörler-1 34