2. KATI CİSİMLERİN İÇ YAPISI İnşaat Mühendisliğinde, cisimlerin yükler altındaki davranışını saptayabilmek çok önemlidir. Yapının tasarımı, boyutlandırma ve kesin hesapları açısından malzemenin "mekanik özelliklerini" bilmek gereklidir. Malzemenin mekanik özellikleri cismin iç yapısına bağlı olduğundan önce bunun incelenmesi gerekir. Ayrıca, metallerin korozyonu gibi malzeme açısından önemli olayları atom yapısına dayanmadan açıklamak olanaksızdır. Bu nedenle bu bölümde, bir yapı mühendisinin hatırlaması gereken kimya bilgilerini özetlemekte yarar vardır. 2.1. Atom Yapısı Atomlar, çevrelerinde negatif yüklü elektronların devinimler yaptığı pozitif yüklü proton ve yüksüz nötronlardan oluşur. Nötronu olmayan atom, yalnız hidrojen atomudur. Bir atom çekirdeğinde, elektron sayısı kadar proton vardır. Elektronlar, çekirdek kütlesi yanında çok küçüktür (1/1850 oranında) ve bu değer kütle hesabında göz önüne alınmaz. Atomun en önemli özelliği, çeşitli bağ kuvvetlerinin meydana gelmesine yol açan elektron sayısıdır. Atom numarası da elektron sayısına eşittir. Örneğin, atom numarası 92 olan uranyumun 92 elektronu vardır. Buna göre, uranyum atomunun çekirdeğinde 92 proton ve 146 nötron vardır. Böylece uranyumun kütle ağırlığı 238 olur. Malzemelerin özellikleri iç yapıya büyük ölçüde bağlıdır. Uygulanan bir işlem sonucu özelliklerde meydana gelen değişmelerin nedeni ancak iç yapı göz önüne alınarak açıklanabilir. îç yapılar atomlar arası bağ kuvvetleri etkisinde üç boyutlu uzayda dizilmeleri sonucu oluşur. Atomlar arası bağların oluşmasında ana etken elektron yapılarıdır. Özellikle en dış yörüngede bulunan valans elektronları cisimlerin mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlerler. Bir cismin kimyasal bileşimi aynı kaldığı halde atomsal diziliş biçimi değişirse özellikler önemli ölçüde etkilenir. Örneğin %0,8 karbonlu çelik 800 C ta ısıtıldıktan sonra 1 günde 1 saatte ve 1 saniyede olmak üzere üç ayrı hızda soğutulacak olursa, mukavemetler yaklaşık 1/2/3 oranında farklı değerler alır. Bunun nedeni, üç farklı soğuma hızında atomların üç değişik biçimde dizilmesi, dolayısıyla üç değişik iç yapı oluşmasıdır. Mikroskopla incelendiğinde bu farklar açık bir şekilde görülebilir.
Atomların bir araya gelerek dizilişlerinde oldukça basit kurallar geçerlidir. Bu kurallar bilindikten sonra büyük kütlelerin yapısını tanımak olundukça kolaydır. Atomsal diziliş genellikle üç aşamada ele alınır: a) iki atom arasında ilişkiler, b) Bir atoma onu çevreleyen komşular arasında ilişkiler, c) Üç boyutlu uzak mesafeli dizilişler. Elektronlar çekirdeği içine alan ve çekirdekten belirli uzaklıklarda bulunan değişik yörüngeler üzerinde hareket ederler. Her yörüngede belirli sayıda elektron bulunur ve bu yörüngelere içten dışa doğru, K, L, M, N, O ve P adları verilir. İç yörüngelerde sırasıyla 2, 8,18 ve 32 elektron bulunur. En etkin elektronlar dış yörüngedekilerdir. Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedirler ve belirli enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlar çekirdek etrafına yerleşirken önce en düşük enerji düzeyini doldururlar, sayıları arttıkça sırası ile daha dıştaki enerji düzeylerini işgal ederler. Bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların eksenleri etrafında dönme yönleri zıttır. Bir atomun çevresindeki olası enerji düzeylerinin değerleri ve ardışık sırası kuvantum mekaniği kurallarına göre belirir. Bir enerji düzeyinde bulunan bir elektrona yeterli enerji verilirse, boş bir üst enerji düzeyine atlayabilir. Örneğin E1 enerji düzeyinde kararlı hareket yapan bir elektronu E düzeyine yükseltmek için verilmesi gereken enerji ΔE=E2 - Eı kadardır. Ancak E2 düzeyinde elektron kararsız olduğundan burada sürekli kalamaz, tekrar Eı taban düzeyine iner ve inerken aldığı ΔE enerjisini elektromanyetik radyasyon halinde çevreye yayar. Çevreye yayılan radyasyon dalgasının Frekansı v ΔE enerjisi ile orantılıdır. 2.2. Atom Bağları Cisimlerin en küçük yapı birimi olan atomları,'atomlar arası bağ kuvvetleri bir arada tutar. Bu bağ kuvvetleri cismin mukavemetinin esasını oluşturur. Ayrıca elektriksel ve ısıl özellikleri belirler. Genellikle atomlar arası bağ kuvvetli ise şekil değiştirme direnci büyük, ergime sıcaklığı yüksek ve ısıl genleşme düşük olur. Atom bağları zayıf (fiziksel) veya kuvvetli (kimyasal) olabilir. Kimyasal bağlar üç şekilde olur.
a) İyonsal Bağlar - Atomların elektron alış verişi ile gerçekleşir. Tuz molekülünün bağ şekli buna iyi bir örnektir (Şekil 2.1). İyon örgüsü sonsuz sayıdaki Na + ve CI" iyonlarının boşlukta küp teşkil edecek şekilde dizilmelerinden oluşmuştur, örgüdeki her bir CI" anyonu 6 Na + katyonu ile, her bir Na + katyonu 6 CI" anyonu ile sarılmıştır. Ancak bu alışveriş böyle basit atomlar arasında olabileceği gibi, komplekslerle de olabilir, örneğin Ca ++ ile CO3" kompleksinin birleşiminden CaC0 3 oluşur. İyonsal bağlar küresel nitelikte olduğundan yönsüzdür. Şekil 2.1. NaCl de iyonsal yapı oluşumu b) Kovalan Bağlar - Ametaller, moleküllerindeki ikişer atom birbirlerine elektron çifti ya da çiftleri ile bağlı olup; moleküldeki her bir atom kısmen ortaklanmış elektron çiftleri ile oktetler (sekizli elektron sistemleri) oluştururlar. Bu şekilde oluşan bağlara kovalan bağlar denir. Örneğin, 2 Cl atomu en dış yörüngelerindeki 7 elektrondan birini ortaklaşa kullanarak sekizli elektron sistemi oluşturup klor molekülünü meydana getirirler (Şekil 2.2). Bu şekilde oluşan bağlar yönlüdür. Şekil 2.2. Klor Molekülü
c) Metalik Bağlar - Metallerin çoğunun dış yörüngelerinde pek az elektron vardır. Metal atomları en dış elektronlarını verip katyon olurlar. Serbest elektronlar ise anyon görevi yapıp, bir elektron bulutu içinde atomlar arasında hareket ederler. Anyon durumundaki elektronlar ile katyon halindeki metal iyonları arasında oluşan elektrostatik kuvvet, kristal yapılı metalleri oluştur. Valans elektron sayısı arttıkça bağ enerjisi, dolayısıyla ergime sıcaklığı da artar. Örneğin, 1 valans elektronlu Na'un ergime sıcaklığı 98 OC, 2 valans elektronlu Cu'ın 851 C ve 3 valans elektronlu Fe'in 1535 C dir. Metallerde aynı veya benzer tür atomlar oldukça sık ve düzenli biçimde dizildiklerinden tümü kristal yapılıdır. Şekil 2.3. Metalsel bağ oluşumu. Fiziksel Bağlar - Bazı atomların en dış yörüngesi elektronlarla dolu olabilir. Bu tip atomlar ancak Van der Waals kuvvetleri adı verilen zayıf bağlarla bağlanabilir. Sıcaklığın sıfırın altında çok düşük bir değer alması ve atomların titreşimlerinin azalması sonucu bu bağlar oluşabilir. Van der VVaals kuvvetlerinin büyük bir kısmı moleküllerin elektriksel dipolu sonucu oluşur. Elektriksel dipol, iki atomun bir araya gelmesinden oluşan molekülde, pozitif ve negatif elektrik yüklerinin ağırlık merkezlerinin farklı konumlarda olmasından doğar. Bu olaya moleküllerin polarizasyonu denir. Fiziksel bağlantılar özellikle plastik malzemelerde önem taşır. 2.3. Atomsal Yapı Türleri Yapı Malzemelerinde beş tip atomsal yapıya rastlanır. 2.3.1. Metalik (Kristal) Yapı Metallerin normal mikroskop ile gözlenemeyen yapısı X ışınlan, elektron ışınları ve elektron mikroskobu aracılığıyla daha iyi belirlenmiştir. Bu yöntemler metalik ve metalik olmayan kristallerin birim hücrelerden oluştuğunu kanıtlamıştır. Birim hücre, üç boyutlu atomların belirli düzende dizildiği ve tüm kristali oluşturan en küçük öğedir. Birim hücrelerin her doğrultuda birbirleri ile birleşerek yayılması sonucunda tüm kristal oluşur. Katı metalik cisimlerde bu birleşme bir düzen içerisinde oluşur. Bu düzenli yapıya kristal yapı denir.
Kristal yapılı malzemeler, düzgün yapıları nedeniyle homojen, dolu, özgül ağırlıkları ve mekanik özelikleri yüksek; serbest elektronlarının hareketi nedeniyle de ısı, elektrik ve sesi iyi ileten malzemelerdir. Bir kristal birim hücresi, bir atomunu merkez almak ve diğer komşu atomların buna göre konumlarını, yayılış uzaklıkları ve açıları ile belirtmek suretiyle tanımlanabilir (Şekil 2.4) Şekil 2.4 Kristal Birim Hücresi Doğada 7 adet kristal tipi vardır. X,Y,Z eksenlerindeki uzunluklarını a,b,c ve bunların birbirleriyle olan açılarını göstererek elemanter hücre türleri (kristal tipleri) Tablo 2.1'de görüldüğü gibi özetlenebilir: Kristal doğrultular Miller indisleri ile tanımlanır. Miller indislerini bulmak için orijinden bu doğrultuya paralel ve bir sonraki köşeye kadar uzanan doğrultu vektörü çizilir. Vektörün eksenle üzerindeki izdüşümlerinin kafes sabiti
cinsinden boyutsuz değerleri parantez içinde yazılır ve aralarında virgül bulunmaz. Örneğin, (110) doğrultu vektörünün bileşenlerinin z eksenine dik olduğunu gösterir. Sırasına bakılmaksızın sayıları aynı olan düzlemler aynı aileye aittir. Kübik sistemlerde aynı mutlak Miller indislerine sahip düzlemler eşdeğer düzlemler olup, aynı ailedendir. Yapı Malzemesi olarak kullanılan metallerin kristal yapıları daha çok kübik ve hekzagonai sisteme uymaktadır. Kübik sistemin 2 özel şekli vardır (Şekil 2.4, 2.5).
Hekzagonal sistemin sık rastlanan özel bir hali vardır. Bu sistemde birim kristal hücresinin orta kesitinde 3 atom yer almıştır. Yoğun hekzagonal sistem olarak adlandırılan bu sisteme en iyi örnekler çinko, kuvars, beril, kalsit ve mangandır (Şekil 2.6). örnek: Çinko, kuvars, kalsit ve mangan Şekil 2.6. Yoğun Hekzagonal Sistem Tipik bir metal kristali 10 18 birim hücresinin düzgün bir blok şeklinde düzenlenmesinden oluşabilir. Kusursuz bir kristal yapının herhangi iki hücresinin karşılıklı yüzleri Şekil 2.7-a'da görüldüğü gibi her iki hücre için de ortak olur. 7
Isı ve basıncın etkisiyle bazı cisimlerin kristal yapılarında değişimler olabilir. Örneğin, demirin 0-910 C de hacim merkezli kübik kristal yapısı var iken, 910 C - 1400 C arasında kristal yapısı yüzey merkezli kübik olur. Bu tip kristal yapı değişimine allotropik değişim denir. Metalik malzemelerin çoğu küçük kristal kümeciklerinden oluştuğundan polikristal adını alırlar. Bu kristal kümeciklerinin kristal yapısı da kendi içinde düzenlidir. Kristal kümeciklerinin ayrımını, bunların birim hücrelerinin değişik yönlerde dizilişinden anlayabiliriz (Şekil 2.7-b). Birleşen kristal kümecikleri arasında tane sınırı adı verilen atomik bir boşluk vardır. Bu bölgede belirli bir düzensizlik görülür. İnce yapılı bir metalik cismin kristal kümecikleri daha küçük yapılıdır. Bu nedenle kaba tane yapılı kristale kıyasla daha çok tane sınırı bulunmaktadır. 2.3.1.1. Metalik Kristal Bağları Metalik birim hücreler atomların karakteristik dizilişi ile tanımlanırsa da aslında bu düzen iyonların dizilişidir. Katı metalik cisimlerde atomlar, değerlik elektronları ile çevrilmiş iyonlar olarak bulunur. Metalik kristal bağlar bu iyonları birim hücredeki konumunda tutan kuvvetlerdir. İyonların dizilişi, ilgili bütün kuvvetlerin denge konumu ile sağlanır. Pozitif elektrik yükleri bir iyon 8
çifti arasında itme kuvveti yaratır. Benzer şekilde negatif yüklü elektronlar elektron bulutu içinde elektronların düzgün dağılımını sağlar. Bu konuya elastik ve plastik davranış kavramlarının açıklanması sırasında tekrar değinilecektir. İyonların birim hücrelerdeki konumu sabit değildir. İyonlar sıcaklığa bağlı termal (ısısal) titreşim yaparlar. Ancak, mutlak sıfır derecesi olan -273 C'de tamamen hareketsizdirler (Kelvin Teorisi). Sıcaklığın artışı ile titreşim artar ve iyon hacmi genişler. Erime sıcaklıklarında iyon hareketleri bağ kuvvetlerini kırabilecek boyutlara erişir ve katı cisim sıvı hale dönüşür. 2.3.1.2. Anizotropi Tekil kristal kümeciklerinin (monokristal) özellikleri kristal eksenlerine göre farklılıklar gösterir. Monokristallerin yönlere göre farklı davranış göstermesi nedeniyle; mekanik, fiziksel, kimyasal özellikleri, dış etkilerin, uygulama doğrultusuna bağlı olarak, farklı değerler alabilir, özelliklerin yönlere göre farklılık göstermesine anizotropi denir. Anizotropi kristal yapı içindeki iyonların dizilişindeki yönlere göre farklılıklardan oluşur. Düzgün blok halindeki bir kristal kümesinin davranışı, aynı konumda bulunan aynı büyüklükteki bir kristalin davranışına benzer (Şekil 2.7-a). Ancak bir çok metalik malzeme, değişik yönlerde polikristal adı verilen kristal kümeciklerinden oluşmuştur. Monokristallerin rasgele dağılımı nedeniyle değişik yönlerdeki çok sayıda karakteristiğin ortalaması polikristalin karakteristiğini belirler. Bu ortalama, tane sınırının olumsuz etkisi nedeniyle değişik yönlerin karakteristiklerinin bileşkesi değildir. Polikristal malzemelerin kristal kümeciklerinin dizilimini metalürjik yöntemler ile kontrol edebilmek olanaklıdır. Örneğin, transformatör ve elektrik motor parçaları yapımında kullanılan tabaka çeliklerin kristal kümeciklerinin birim hücrelerinin paralel hale getirilmesine çalışılır. Metal tabakalarından kap, tabak, vb. şekillerde gereçler yapılmak istenirse böyle bir yönlendirilmeden kaçınılır. 9
2.3.1.3. Metalik Yapı Kontrolü ve Bozuklukları Bir metalik malzemenin yapısı gerekli kesme, parlatma gibi hazırlıklar yapıldıktan sonra mikroskobik olarak incelenebilir. Bu çalışmalar şu açılardan çok yararlıdır: 1) Metalik göçmelerin nedenini açıklayabilirler, 2) Metalin geçmişini öğrenerek uygun fabrikasyon işlemini ortaya çıkarırlar, 3) Isıl işlemlerin yeterlilik derecesini saptarlar, 4) Alaşımların geliştirilmesine yardımcı olabilirler, 5) Metal bileşenleri ve özellikleri kestirilebilir. Kristallerin içinde değişik boyutta yabancı atomlar bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım olabilir. Bunlardan başka cisim tek yerine çok kristallerden oluşabilir. Yukarıda sözü edilen tüm etkenler ve çok kristalli cisimlerde sınır bölgeleri kütlenin düzenli yapısını bozar ve kusurlu hale getirirler. Bu kusurların biçimi, boyutu ve miktarı toplam kütleye göre çok az da olsa özellikleri büyük ölçüde etkirler. (iletkenlik gibi). Metallerin plastik şekil değiştirmesi, mukavemeti ve iletkenlikleri büyük ölçüde kristal yapı kusurlarına bağlıdır, malzemelerin gerçek davranışını açıklayabilmek için bu kusurları yakından tanımak gerekir. Kristal kusurları noktasal, çizgisel ve yüzeysel olmak üzere üç türe ayrılırlar. Kusur birkaç eksik veya yer değiştirmiş atomdan oluşursa noktasal kusur denir. Bunların mekanik özelliklere önemsizdir. Eğer kusur kristalde boydan boya bir çizgi boyunca uzanıyorsa buna çizgisel kusur (dislokasyon) denir. Bu tür kusur özellikle metallerin mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Diğer sonuncu kusur iki boyutlu olup kristallerin yüzeyleri ve çok kristalli yapılarda kristal bireyleri (tane) arasındaki tane sınırlarıdır. Bu muayeneler özellikle metalürji bilimi için çok gereklidir. Metalik kristal kümelerindeki iyon dizilişlerinin düzgün olduğu tanımlanmış ise de, aslında az da olsa bazı kusurlara rastlanabilir. Bu kusurlar şöylece sıralanabilir: 1) Tane sınırı bölgeleri bozuklukları, 2) Yabancı iyonların varlığı, 3) Mikroskobik yapı kontrolü işlemleri (kesme, parlatma) sonucu meydana gelen bozukluklar, 10
4) Fazla sıcaklık nedeniyle ortaya çjkan bazı iyonların konum bozuklukları, 5) Dislokasyonlar (Bazı iyon sıra ve düzlemlerinin yanlış yerlerde bulunabilmesi), 6) Mozaik yapı çarpıklıkları. 2.3.2. Amorf Yapı Eğer bir cismin atomlarının dizilişinde rasgele bir düzensizlik var ise bu yapıya amorf yapı adı verilir. Sıvılar, bazı cisimler örneğin cam, amorf yapılıdır. Amorf yapılı cisimleri oluşturan atom ve moleküller belirli bir düzende dizilmemişlerdir. Bu nedenle bazen yüksek dayanımlara sahip olabilirler. Buna karşılık, plastik deformasyon özelliklerine çoğunlukla sahip değillerdir. 2.3.3. Bileşik Yapı Bileşik yapı çok küçük kristal parçalarının gelişigüzel bir yığınından ibarettir. Yığını tek kitle haline getiren bir bağlayıcı vardır: Bileşik yapıya en iyi örnekler ahşap ve bir ölçüde çeliktir. Çelikte, cismin çok küçük parçaları kristal yapı görünümde olmasına karşın, aynı cisim kaba bir bütün olarak göz önüne alındığında şekilsizdir. Ahşap ise ince kristal liflerin reçineli bir madde ile yapışmasından oluşmuştur. Bileşik yapılı cisimler yönlere göre özellikleri değişmeyen, izotrop (örneğin çelik) veya değişen, anizotrop (örneğin ahşap) yapıda olabilirler. Bileşik yapılı cisimlerde, mikroskobik iç yapı hatalarına rastlanabilir. Bu kusurlar kristalin adı verilen küçük kristaller arasındaki bağlayıcı maddede görülen boşluk, aralık gibi gevşek noktalardır. Tam kristal yapılı cisimlerde de özellikle serbest yüzeylerinde yukarıda anlatılan benzer kusurlar, kılcal süreksizlikler vardır. Bu tip yüzey bozuklukları cismin dayanımlarını şaşılacak derecede düşürebilir. 2.3.4. Kolloidal Yapı Kolloidal yapıda çok küçük elemanlar halinde bazı cisimler, birbirlerinden ayrı olarak, ayrı faz veya aynı faz halinde bulunan başka bir cisim içinde dağılmıştır, örneğin, dumanın içinde oldukça küçük çaplı yanmamış kömür zerreciklerinin bulunması veya bir sıvının diğer bir sıvı içinde yayılması bu tip yapılardır. Yol malzemelerinden bitümlü emülsiyonlar bu yapıdadır. 11
2.3.5. Seramik Yapı Seramikler, metaller ve polimerlerle birlikte en geniş malzeme gruplarından birini oluştururlar. Seramikler bir metal veya iki metal ile bir ametal atomun belirli steokimetrik oranlarda birleşmesiyle oluşurlar. Yalnızca pişmiş toprak malzemeyi temsil etmezler. Seramiklerde metal olmayan atom çoğunlukla oksijendir. Seramiklerde metaller katyon, ametaller ise anyon oluşumuna neden olurlar. Böylece seramiklerde iyonsal bağlar oldukça yaygındır. Ancak seramiklerde kovalan bağlara, kristal yapıya, hatta amorf yapıya da rastlanır. Seramikler çeşitli şekillerde gruplandırılabilirler. örneğin, yapılarına göre şu şekilde sınıflandırılabilirler: - Kristal seramikler - Tek fazlı (Örneğin MgO) veya çok fazlı (Örneğin MgO-AI 2 03) seramikler. - Amorf seramikler - (Doğal veya yapay inorganik camlar.) - Cam bağlı seramikler - (Kristalleri camsı bir matrisle bağlanmış seramikler-pişmiş toprak mamuller.) - - Çimentolar - (Kristal veya amorf kısımlardan oluşabilen bağlayıcı maddeler.) Ayrıca bunlar işlevlerine göre de sınıflandırabilirler. örneğin, pişmiş kil mamuller, çimentolar, kayalar, vb Cisimler iç yapı açısından çok karmaşık ve birbirlerinden çok farklıdırlar. Bu nedenle, bugün için malzemelerin çeşitli mekanik özelliklerinin teorik yollardan, atom fiziği ilkelerinden elde edilebilmesinin çok zor olduğu söylenebilir. Ayrıca mühendislik açısından da fazla yararı yoktur. Bu gibi özellikleri örneğin, malzemelerin dayanım sınırlarını ancak deneysel yöntemlerle saptayabiliriz. Bu nedenle bugün için malzeme biliminde cismin yük altında iç yapısında doğan fizik olaylarını incelemek yerine, bunun makroskobik ve ölçülebilir kaba verileriyle yetinilip, cismin fenomenolojik (olgusal) özellikleri göz önüne alınır. 2. 4. Moleküller Atomlar çoğunlukla komşuları ile bağ kurarak daha düşük enerjili, dolayısıyla kararlı halde bulunurlar; pek azı, asal gazlar gibi, bireysel haldedir. Moleküller kuvvetli kovalan bağlarla bağlı atom gruplarından oluşur, ancak moleküller arası bağ zayıf türdendir.basit moleküller aynı tür atomları (H2, F, O2, N2 gibi) veya birden azla tür 12
atomları (HF, H20, CO2, CH4 gibi) içerirler. Moleküllerde atomlar 8 valans elektronla (H hariç) çevrilmiştir, elektron yapıları asal gazlardakine benzer, bu nedenle çoğunlukla gaz halinde, pek azı sıvı halinde bulunur. Moleküllerde atom sayısı arttıkça boyutu büyür, yanal zayıf bağ oluşma olasılığı artar, boyut büyüdükçe gazdan sıvı, sıvıdan katı hale geçebilirler. Kovalan bağlar bir doğrultuda uzanırsa zincir şeklinde yapı (lineer polimerler), iki boyutta uzanırsa tabakalı yapı (grafit gibi) ve üç boyutta uzayda yapılırsa uzay ağı türü moleküller yapı (bakalit gibi) oluşur. 2.5. Fazlar Bir malzemede iç yapı yönünden farklı olan kısımlara faz denir. Her faz atomların homojen olarak dizilmeleri sonucu oluşan belirli bir yapıya sahiptir. Bu malzeme içinde mevcut değişik tür fazların kimyasal bileşimi aynı olur veya olmayabilir, fakat değişik yapıları dolayısıyla fiziksel özellikleri farklıdır, örnek olarak su ve buz karışımı gösterilebilir. Bu karışımda su ve buz kimyasal yönden aynı olduğu halde yapıları ve özellikleri tamamen değişiktir. Bu şekilde birden fazla tür faz içeren sistemlere çok fazlı sistemler denir. Bir cisim sıvı halden katı hale geçerken faz dönüşümü oluşur. Farklı bileşimde olan cisimler sıvı halde kolayca birbirleri içinde atomlar veya moleküller mertebesinde karışarak eriyik meydana getirirler. 2.6. Katı Eriyikler Endüstride metalleri birbirleri ile karıştırarak alaşım üretme işlemi sıvı halde yapılır. Arı bir A metali katılaşınca çok kristalli bir yapı oluşur, bu yapıdaki her tane birbirine özdeştir, yalnız kristal doğrultuları rasgele dağılmıştır. A metaline sıvı halde B metali katılarak elde edilen eriyik katılaşmadan sonrada karışımını korursa tek fazlı bir eriyik oluşur. Endüstriyel metaller çoğunlukla birden fazla tür eleman içerirler, pek azı arı halde kullanılır. Arı metallerin yüksek iletkenlik korozyona dayanıklılık gibi bazı üstün özellikleri varsa da genellikle yumuşak, mukavemetleri düşük ve pahalıdırlar, örneğin arı bakır yüksek elektriksel iletkenliği nedeni ile iletken tel, yüksek korozyon mukavemeti nedeni ile de çatı kaplama malzemesi olarak kullanılan, bununla beraber yumuşak, mukavemeti düşüktür. Bakıra %40 kadar çinko katılarak elde edilecek pirinç alaşım çok daha sert ve mukavemetlidir, aynı zamanda daha ucuzdur. Metallere katkı elemanları ergimiş halde katılır. Değişik tür atomlar sıvı halde kolayca karışarak homojen sıvı eriyik oluştururlar. Katılaşma sırasında yabancı elemanlar kafes yapıda varlığını 13
korursa katı eriyik elde edilir. Bu işleme alaşımlandırma, elde edilen metale alaşım ve katkı elemanına alaşım elemanı denir. Ayrıca kafes yapıya sahip ana eleman eriten, içinde dağılmış halde bulunan eleman eriyen sistem adını alır. Eriyen atomlar eritenin yerini alırsa yer alan katı eriyiği, kafes boşlukları arasına yerleşirse ara yer katı eriyiği oluşur. Her iki halde de farklı çaplı atomlar kafes yapıya girince çevrelerinde gerilme alanı doğar, dolayısıyla enerji artar. Enerjideki bu artış, mekanik ve elektriksel özellikleri büyük ölçüde etkiler. 14