BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

Benzer belgeler
BÖLÜM 3 DİFÜZYON (YAYINIM)

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

İTÜ Elektrik Elektronik Fakültesi MAL 201 Malzeme Bilimi Ders Notları. Difüzyon (Yayınım)

1. Giriş 2. Yayınma Mekanizmaları 3. Kararlı Karasız Yayınma 4. Yayınmayı etkileyen faktörler 5. Yarı iletkenlerde yayınma 6. Diğer yayınma yolları

BÖLÜM 9 - DİFÜZYON. Difüzyon nasıl oluşur? Neden önemlidir? Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir?

Bölüm 5: Yayınma (Difüzyon)

ATOM HAREKETLERİ ve ATOMSAL YAYINIM

MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI)

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

4. Adveksiyon ve Difüzyon Süreçleri

Boya eklenmesi Kısmen karışma Homojenleşme

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

MALZEME BİLİMİ. Difüzyon

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Mekanizma ve etkileyen faktörler Difüzyon

KARARLI HAL ISI İLETİMİ. Dr. Hülya ÇAKMAK Gıda Mühendisliği Bölümü

Difüzyon (Atomsal Yayınım)

O )molekül ağırlığı 18 g/mol ve 1g suyun kapladığı hacimde

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

Bölüm 4: Kusurlar. Kusurlar

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)

Faz dönüşümleri: mikroyapı oluşumu, faz dönüşüm kinetiği

STOKİYOMETRİ. Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkisi

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MALZEME BİLGİSİ. Katı Eriyikler

MADDENİN SINIFLANDIRILMASI

ELEMETLER VE BİLEŞİKLER ELEMENTLER VE SEMBOLLERİ

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

MEMM4043 metallerin yeniden kazanımı

MALZEME BİLGİSİ DERS 7 DR. FATİH AY.

E = U + KE + KP = (kj) U = iç enerji, KE = kinetik enerji, KP = potansiyel enerji, m = kütle, V = hız, g = yerçekimi ivmesi, z = yükseklik

Bir katı malzeme ısıtıldığında, sıcaklığının artması, malzemenin bir miktar ısı enerjisini absorbe ettiğini gösterir. Isı kapasitesi, bir malzemenin

2014/2 MÜHENDİSLİK BÖLÜMLERİ FİZİK 2 UYGULAMA 4

Malzemeler elektrik yükünü iletebilme yeteneklerine göre 3 e ayrılırlar. İletkenler Yarı-iletkenler Yalıtkanlar

Akışkanların Dinamiği

MALZEME BİLGİSİ DERS 4 DR. FATİH AY.

ELEMENT VE BİLEŞİKLER

Kristalizasyon Kinetiği

Döküm Prensipleri. Yard.Doç.Dr. Derya Dışpınar. İstanbul Üniversitesi

TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

Sıcaklık (Temperature):

4 ELEKTRİK AKIMLARI. Elektik Akımı ve Akım Yoğunluğu. Elektrik yüklerinin akışına elektrik akımı denir. Yük

3.BÖLÜM: TERMODİNAMİĞİN I. YASASI

MADDE NEDİR? Çevremize baktığımızda gördüğümüz her şey örneğin, dağlar, denizler, ağaçlar, bitkiler, hayvanlar ve hava birer maddedir.

GENEL KİMYA 101 ÖDEV 3

Ç l e i l k i l k e l r e e e Uyg u a l na n n n Yüz ü ey e y Ser Se tle l ş e t ş ir i me e İ şl ş e l m l r e i

ELEMENTLER VE BİLEŞİKLER

Eksi (-) işareti atomların düşük yoğunluğa doğru akışından dolayı gelmekte. Konsantrasyon gradyanı varsa yayınma ile bir madde akışı olur.

Katı ve Sıvıların Isıl Genleşmesi

KRİSTALLERİN PLASTİK DEFORMASYONU

1. HAFTA Giriş ve Temel Kavramlar

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

GENEL KİMYA. Yrd.Doç.Dr. Tuba YETİM

Isı transferi (taşınımı)

CALLİSTER FAZ DÖNÜŞÜMLERİ

MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ. Bölüm 5 Malzemelerde Atom ve İyon Hareketleri

Termal Genleşme İdeal Gazlar Isı Termodinamiğin 1. Yasası Entropi ve Termodinamiğin 2. Yasası

Problem 2.6 Problem 2.21 Problem 2.23

Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü 7. Hafta. Aysuhan OZANSOY

Gazların fiziksel davranışlarını 4 özellik belirler.

KRİSTAL KUSURLARI BÖLÜM 3. Bağlar + Kristal yapısı + Kusurlar. Özellikler. Kusurlar malzeme özelliğini önemli ölçüde etkiler.

İstatistiksel Mekanik I

MALZEME BİLGİSİ DERS 5 DR. FATİH AY. fatihay@fatihay.net

KBM0308 Kimya Mühendisliği Laboratuvarı I ISI İLETİMİ DENEYİ. Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 1

SEMENTASYON

TAŞINIMLA ISI AKTARIMI DENEYİ

FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

Kristal Kusurları Noktasal Kusurlar Yayınma-Katı Hal Yayınması Şubat 2016

Enerji iş yapabilme kapasitesidir. Kimyacı işi bir süreçten kaynaklanan enerji deyişimi olarak tanımlar.

Akım ve Direnç. Bölüm 27. Elektrik Akımı Direnç ve Ohm Kanunu Direnç ve Sıcaklık Elektrik Enerjisi ve Güç

Faz ( denge) diyagramları

şeklinde, katı ( ) fazın ağırlık oranı ise; şeklinde hesaplanır.

Bazı işlemlerde kısaltma olarak (No: Avogadro sayısı) gösterilir. Bir atomun gram türünden miktarına atom-gram (1 mol atom) denir.

GENEL KİMYA. 10. Hafta.

YANMA. Derlenmiş Notlar. Mustafa Eyriboyun ZKÜ

1 mol = 6, tane tanecik. Maddelerde tanecik olarak atom, molekül ve iyonlar olduğunda dolayı mol ü aşağıdaki şekillerde tanımlamak mümkündür.

Faz kavramı. Kristal yapılı malzemelerin iç yapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere faz (phase) adı verilir.

MOL KAVRAMI I. ÖRNEK 2

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

TERMAL ve ENERJİ MÜHENDİSLİĞİ. Rıdvan YAKUT

Prof.Dr. Mustafa ODABAŞI

Malzemelerin Deformasyonu

Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Temel kavramlar Demir-Karbon Denge Diyagramı

Bölüm 4: Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar

FIRAT ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 3. SINIF EKSTRAKTİF METALURJİ DERSİ VİZE SINAV SORULARI CEVAP ANAHTARI

Günümüzde bilinen 117 element olmasına rağmen (92 tanesi doğada bulunur) bu elementler farklı sayıda ve şekilde birleşerek ve etkileşerek farklı

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

İçindekiler. 1 )Difüzyonun Tanımı. 2 )Difüzyon Mekanizmaları. 3 )Fick Kanunları. 4 )Difüzyona Etki Eden Faktörler

ÖĞRETĐM TEKNOLOJĐLERĐ VE MATERYAL GELĐŞTĐRME DERSĐ GAZLAR KONU ANLATIMI

SINAV SÜRESİ 90 DAKİKADIR. BAŞARILAR

DENEY-1: NEWTON KURALINA UYMAYAN AKIŞKANLARIN REOLOJİK DAVRANIŞLARI

ÇEVRE MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ KODLU TEMEL ĠġLEMLER-1 LABORATUVAR DERSĠ DENEY FÖYÜ

Sürekli Rejimde İletim Çok Boyutlu 77. Giriş 1. Sürekli Rejimde İletim Bir Boyutlu 27. Geçici Rejim Isı İletimi 139

Transkript:

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri Katılarda Yayınım Dr. Ersin Emre Ören Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Bölümü TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Ankara - TÜRKİYE eeoren@etu.edu.tr http://eeoren.etu.edu.tr

Doğadaki temel madde taşınım mekanizmaları Difüzyon Adveksiyon Göç (Drift) Reaksiyon Atomik/moleküler hareketleri gerektirir. Sıvı/gaz akımlarını gerektirir. Elektroforez Sedimentasyon Katı, sıvı ve gaz Sıvı ve gaz Elektrik Alan Kütle çekim Alanı Konveksiyon = Difüzyon + Adveksiyon Difüzyon Atomik hareketler sonucu oluşan bir madde taşınımı mekanizmasıdır. Latince diffundere kelimesinden gelir ve yayılmak (to spread out) anlamına gelir.

Atomlar katı malzemeler içerisinde nasıl hareket ederler? Rasgele yürüyüş (Random Walk): Rastgele yürüyüş, stokastik (rastsal) süreçlerin gözlemlenen davranışları açıklamak için kullanılır. ard arda rastgele adımlarla oluşan bir rotanın matematiksel tanımlanmasıdır. Karl Pearson 1857-1936 Quantum Cloud sculpture in London, UK.

Yüksek Konsantrasyon Difüzyon: Atomların rastgele yürüyüşleri neden yüksek konsantrasyon bölgelerinden düşük konsantrasyon bölgelerine yönelik bir akı oluşturur? Düşük Konsantrasyon Sonuç olarak, soldan sağa net bir akı vardır.

Difüzyon Çifti (Diffusion couple) Isı

Difüzyon Mekanizmaları: Boşluk (Vacancy) Difüzyon Boşluk Atom Arayer Atomu (Interstitial) Diffusion Bir atomun bu şekilde hareket edebilmesi için şu iki koşulun yerine getirilmesi gerekir: 1. atoma komşu bir kafes noktasında boşluk olmalıdır, 2. atomun komşu atomlarla olan bağını kırabilecek ve kafes yapısında bozulma oluşturabilecek kadar enerjiye sahip olmalıdır. Arayer atom difüzyonu genellikle boşluk difüzyonundan daha hızlıdır. Kafes yapılarındaki ara yerlere (interstitial sites) sığacak küçük safsızlık (interstitial) atomları (örneğin C, H, O) gerektirir.

MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7gjxe https://youtu.be/uvluuaiia50?t=283 Bilgisayar: 0 ve 1 yani iki farklı duruma ihtiyacımız var. İletken (conducting) / yalıtkan (nonconducting) on / off

Difüzyon: Difüzyon zamana bağlı bir işlemdir ve makroskopik olarak bir elementin başka bir element içerisindeki taşınımı zamanın bir fonksiyonudur. Akı (Flux) J: birim alandan birim zamanda geçen madde miktarıdır. J M = At J 1 d = M A dt A Akı birimi: kg/m 2 s veya atoms/m 2 s Kararlı Hal (Steady-State) Difüzyonu d J dt = 0 Kararsız Hal (Nonsteady-State) Difüzyonu d J dt 0

Kararlı Hal (Steady-State) Difüzyonu: d J dt = 0 Difüzyon akısı zamanla değişmez ise, sistemde kararlı bir durum oluşur. Konsantrasyon Gradienti: dc dx = lim x 0 C x C CB C = x x x B A A A B

Fick in 1. Kanunu (1855): Yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru bir madde akısı oluşur. Bu akının büyüklüğü konsantrasyon gradienti ile orantılıdır ve orantı sabitine difüzyon katsayısı (diffusivity) denir. J dc dx Adolf Eugen Fick (1829-1901) eksi işaret difüzyonun yüksek yoğunluktan düşük yoğunluğa doğru olduğunu belirtir Birim Analizi: J dc = D dx J : difüzyon akısı C : konsantrasyon kg kg m m s = D m 2. 3 itici güç (driving force) mekanistik anlamda bir kuvvet değildir D : difüzyon katsayısı D = 2 m s

Soru Demir bir plaka bir tarafından karbürleme (karbonca zengin) diğer tarafından ise karbonsuzlaştırıcı (karbonca fakir) bir atmosfere maruz bırakılmıştır. Eğer difüzyonun kararlı hale (steady state) ulaşmışsa aşağıda verilen bilgileri kullanarak karbonun yayınım akısını bulunuz. Demir plakanın karbonca zengin taraftaki yüzeyine göre 5 ve 10 mm içerideki karbon (C) yoğunlukları: C5 = 1.2 kg m mm 11 2 3 D = 310 m s C10 = 0.8kg m mm 3 dc C CB C J = D = D = D dx x x x B A A 3 3 11 2 0.8kg m 1.2kg m J = 310 m s 3 3 1010 m 510 m J = 2.410 9 2 kg m s

d Kararsız Hal (Nonsteady-State) Difüzyonu: J 0 dt J = 1 d A dt M Birçok gerçek durumda konsantrasyon profili ve konsantrasyon farkı zamanla değişir. Fick in 2. Kanunu (1855): Konsantrasyon profilinin zamanla değişimini tanımlar. Adolf Eugen Fick (1829-1901) Süreklilik denklemi (Kütlenin Korunumu): İzole bir sistem içerisinde, kimyasal reaksiyonlar veya fiziksel dönüşümler ile kütle oluşturulamaz veya yok edilemez. Sistem içerisindeki madde artışı/azalışı sadece içeriye giren ve çıkan akıların farkı ile oluşabilir. J Sistem içerisindeki madde artışı: in Jout x d d 1 d J = dx dx A dt M = 1 d M = 1 d M A. x dt V dt d M = dt V d dx J d = dt C d dc d D = C dx dx dt 2 d d C C = D dt 2 dx

Fick in 2. Kanunu: t C = 2 C D 2 x Analitik Sayısal Çözüm Yarı-sonsuz katı için çözüm: Katı bir çubuk eğer yayınım yapan atomlar yayınım süresince çubuğun sonuna ulaşamıyorlarsa yarı sonsuz kabul edilir. Yüzey konsantrasyonu Konsantrasyon (C) C S CH 4 C O Başlangıç konsantrasyonu Başlangıç ve Sınır Koşulları: Uzaklık (x) t = 0 anında, C = C 0 x 0 t C = Cs x = 0 0 anında C = Co x =

erf (z) Yarı-sonsuz katı için çözüm: C t Cx Co x = 1 erf C C 2 Dt s o = 2 C D 2 x Gaussian error function Gaussian error function: ( ) 2 z y erf z = e dy 0 2 1 0.8 erf( x) 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 xz

Soru Bazı uygulamalar için çelik (demir-karbon alaşımı) plakaların yüzeylerinin iç bölgelere göre daha sert olması gerekir. Bunu karbürleme işlemi ile yapılabilir. Karbürleme işleminde çelik parça yüksek sıcaklıkta belirli bir süre karbonca zengin (metan, CH 4 ) bir atmosfere maruz bırakılır. Eğer difüzyon kararsız halde (nonsteady state) ise aşağıda verilen bilgileri kullanarak karbonun yüzeyden 0.5 mm içeride ağırlıkça 0.80 % olması için 950 o C de gereken zamanı hesaplayınız. C 0.25 % 11 2 o = wt C Cs = 1.20 wt % C x = 0.5 mm Cx = 0.80 wt % C D = 1.610 m s Cx Co x = 1 erf C C 2 Dt s o 0.80 0.25 510 = 1 erf 1.20 0.25 2 1.610 4 m 11 2 m s t 0.4210 = erf 62.5 s t 1/2 z 0.35 0.4210 0.3794 = 0.40 0.35 0.4284 0.3794 z = 0.392 0.392 1/2 62.5 s = t = 25400 s = 7.1 saat t

Soru Bakırın alüminyum içerisindeki difüzyon katsayısı 500 ve 600 o C için: 500 14 2 D = 4.810 m s 600 o C 13 2 D = 5.310 m s o C Bu değerleri kullanarak, 500 o C de ne kadar bir süre beklenmelidir ki 600 o C de 10 saatlik ısıl işlem sonucunda ulaşılan difüzyon durumuna ulaşılsın? Cx Co x = 1 erf = C C 2 Dt s o sabit x erf = sabit x = 2 Dt 2 Dt sabit Dt = sabit D t = D t o o o o 500 C 500 C 600 C 600 C t D o t o 13 2 600 C 600 C m s o 500 C o 14 2 500 C 4.810 5.3 10 10 saat = = = 110.4 saat D m s

Enerji Difüzyon: Yayınım Kanunları Fick in 1. Kanunu: dc J = D dx Fick in 2. Kanunu: 2 d d C C = D dt 2 dx E m Aktivasyon enerjisi E 1 ev / atom m Uzaklık (x)

1903 Nobel Kimya Difüzyon: Isı ile aktive edilen bir işlemdir... Bir atomun oda sıcaklığındaki ortalama ısı enerjisi: kt = 0.026 ev Bir atomun boşluk difüzyonu sırasındaki hareket olasılığı o atoma komşu bir boşluk bulunması olasılığı ile atomun atlama frekansının çarpımına eşittir. Boşluk bulunması olasılığı Qv P= zexp kt Svante Arrhenius 1859-1927 Atom atlama frekansı R o exp E = R m kt Difüzyon Sabiti Q exp v E exp m E exp m + Q D z R v o = z Ro kt kt kt o exp Q D D d Difüzyon aktivasyon enerjisi = kt

Soru Tablo 5.2 de verilen bilgileri kullanarak 550 o C de magnezyumun alüminyum içerisindeki difüzyon katsayını hesaplayınız. o exp Q D= D d kt 4 2 131000 J / mol D = 1.210 m / sexp 8.31 J / mol. K 823K 13 2 D = 5.7610 m / s

Difüzyon: o exp Q D D d = kt D log D log D kesim noktası= log( D o ) eğim = 1 2.3 Q d k T Q ln D= ln D d o kt Q 1 ln ln d D= Do k T 1 Q 1 log log d D= Do 2.3 k T 1 T 1 T log D log D = 2.3k 1 1 T2 T1 2 1 Q d

Soru Sağda verilen grafikte bakırın altın içerisindeki difüzyon verileri bulunmaktadır. Buna göre difüzyon aktivasyon enerjisini (Q d ) ve sıcaklıktan bağımsız (D o ) katsayısını hesaplayınız. Qd = 2.3k eğim Q d = 2.3k log D log D 1 1 T2 T1 2 1 15.45 ( 12.4) Qd = 2.38.31 J / mol. K 3 1 3 1 1.1 10 K 0.8 10 K Q = 194 kj / mol d log D o 1 Q 1 log d = D+ 2.3 k T 1 194 kj / mol ( 3 1 = 15.45 + 1.110 K ) 2.3 8.31 J / mol. K = 4.28 4.28 2 5 2 Do 10 = m / s = 5.210 m / s

Zaman Soru Sağdaki çelik dişlinin yüzey aşınma direncini arttırmak için karbürleme işlemi uygulanmalıdır. Başlangıçta dişlinin C konsantrasyonu 0.20 wt% olarak verilmiştir ve karbürleme işlemi sırasında yüzey konsantrasyonu 1.00 wt% değerinde sabit tutulmuştur. Aşağıdaki verileri kullanarak dişli yüzeyinin 0.75 mm altında 0.60 wt% C konsantrasyonu için gereken sıcaklık zaman bağıntısını bulunuz. 5 2 D = 2.310 m / s o Q = 148 kj / mol d Cx Co x = 1 erf = C C 2 Dt s o x = sabit = 0.4747 2 Dt sabit x 0.6 0.2 erf = 1 = 0.5 2 Dt 1.0 0.2 0.0271 t = saat 17810 3600.exp T 100 7 2 Dt = sabit = 6.2410 m 80 60 t( x) Q exp d Do t = 6.24 10 m kt 7 2 40 20 0 1.1 10 3 1.2 10 3 1.3 Sicaklik x 10 3 1.4 10 3

Difüzyon Yolları: Hacim Difüzyonu Tane Sınırı Difüzyonu Yüzey Difüzyonu Yüzey Difüzyonu Hacim Difüzyonu Tane Sınırı Difüzyonu

Önümüzdeki Ders Saatinde Ders Kitabımızın 6. Bölümündeki KATILARDA YAYINIM adlı konuya devam edeceğiz!