MALZEME BİLİMİ. Difüzyon

MALZEME BİLİMİ Difüzyon

Difüzyon D E R S N O T U Difüzyon; ısıl etkenlerle teşvik edilen atomsal mertebedeki parçacıkların (atom, iyon, küçük moleküller) kafes parametresinden daha büyük (ve tam katları kadar) mesafelere hareket etmesidir. Bir diğer tanımla difüzyon; belli bir difüzyon sisteminde sıcaklık ve zamana bağlı bir atomsal yayınmadır.

Difüzyon D E R S N O T U Difüzyon sistemi ile kastedilen sistem iki öğeden oluşur. Bunlar: Eriten (anafaz) Eriyen (yabancı atomlar) dır.

Difüzyon D E R S N O T U Metallerde atomların çok sık olması bu olayı zorlaştırsa da, sıcakla beraber titreşim genliğinin artması difüzyonu mümkün kılar. Yine de metallerde difüzyon zaman gerektiren bir olaydır. Mevcut kristal hataları da difüzyonu kolaylaştırır.

Difüzyon D E R S N O T U Malzemelerde faz dönüşümleri, iç yapıların dengelenmesi ve ısıl işlemlerin gerçekleşmesi gibi temel oluşum mekanizmaları difüzyon esasına dayanır veya difüzyonla kontrol edilir. Bazı durumlarda (nitrürleme, karbonizasyon vs) difüzyon teşvik edilirken bazı durumlarda (sızdırmaz borular, su verme ile sertleştirme) kısmen ya da tamamen engellenmeye çalışılır.

Difüzyon Mekanizmaları Difüzyon mekanizmalarının tanınması malzeme biliminde amaca uygun kullanım için gereklidir. Oluş mekanizmaları açısından difüzyon 3 gruba ayrılabilir: 1. Arayer difüzyonu D E R S N O T U 2. Boşluk difüzyonu 3. Yer değiştirme ile difüzyon Doğrudan yer değiştirme Halka hareketi ile yer değiştirme

Arayer difüzyonu Mevcut kristal düzleminin gerektirdiği şekilde yerleşmiş atomlar arasından genellikle daha küçük çaplı yabancı atomların geçerek gerçekleşen yayınma hareketidir; hiç kafes boşluğu olmasa bile gerçekleşebilir; yüksek enerji gerektirir. D E R S N O T U

Boşluk difüzyonu Komşu atomların boş atom yerine sıçraması ile yayınım gerçekleşir. Atom hareketinin zıt yönünde boş atom yeri hareket etmiş olur. Bu hareket sürekli yer değiştirme ile kristalin yüzeyine kadar devam edebilir. Boş atom yeri üzerinden yayınma nispeten düşük bir enerji gerektirir. D E R S N O T U

Yer Değiştirme ile difüzyon Bu difüzyon mekanizmaları ise hem arayer atomunun hem de boş kafes köşesinin bulunmadığı durumlardaki atom yayınımlarını (ve/veya bunlara ek difüzyon hareketlerini) açıklar. Doğrudan Yer Değiştirme Halka Hareketi ile Yer Değiştirme D E R S N O T U

Kendi kendine difüzyon Bu difüzyon mekanizmalarının yanında saf metallerde; özdifüzyon olarak da adlandırılan bir difüzyon türü daha vardır. Bu tip difüzyonda homojen dağılımdan dolayı atom hareketlerini izlemek ancak radyoaktif izotoplarla mümkündür. Alaşımlarda ise yabancı atom hareketi, yapı içerisinde bir kompozisyon değişikliği oluşturduğu için kolaylıkla izlenebilir. D E R S N O T U

Difüzyon Çeşitleri Yüzey Difüzyonu D E R S N O T U Malzeme yüzeyindeki atomların koordinasyon sayısı düşük (az atomla çevrilmiş) olduğundan enerjisi yüksektir. Bu yüzden aktivasyon enerjisi (Q) düşüktür. Tane Sınırı Difüzyonu Tane sınırlarında atom sıklığı düşük difüzyon hızı yüksektir aktivasyon enerjisi düşüktür. Hacim Difüzyonu Yayınan atomun etrafında sıkı bir dizilim olduğundan difüzyon hızı düşük aktivasyon enerjisi yüksektir. Ancak yayınan madde miktarı çok fazladır. Çünkü tanelerin toplam hacmi çok daha fazladır.

Difüzyon Çeşitleri D E R S N O T U

Difüzyon Bağıntıları D E R S N O T U Bütün bu ifadeler için geçerli bir hüküm: Yabancı atomların hareketi (difüzyon), bu yabancı atomların yapı içerisindeki konsantrasyonunun düşüş yönündedir. Kristal bölgeleri arasındaki konsantrasyon farkı, bu bölgelerdeki anafaz kafes yapılarındaki farklı çarpılmaları ve farklı gerilmeleri doğurur. Belirtilen fark, tüm kristal bölgelerinde giderilene kadar, difüzyon değişik hızlarla da olsa devam eder. Difüzyon un kinetiği I. ve II. Fick kanunları ile verilir.

I. Fick Kanunu D E R S N O T U Homojen olmayan konsantrasyon farkı atomların belli bir yönde hareket etmelerine neden olur. Bu durum I. Fick kanunu ile verilir. I. Fick Kanunu, atom yoğunluğundaki düşüşün ( c A / x) etkisinde, yayınım yönüne dik, x mesafesinde belli bir malzeme F [cm 2 ] kesitinden, belli bir t [s] zamanı içinde yayınan atom sayısını verir: : x[cm] başına düşen konsantrasyon farkı c A [g/cm 3 ], D : Difüzyon katsayısı [cm 2 /s]

I. Fick Kanunu Birim kesitten birim zamanda geçen atom sayısına Difüzyon Akısı (n) dersek I. Fick kuralına göre: yazılabilir; D E R S N O T U bu bağıntı, tarif edilen bir kesitteki difüzyon akısının, o kesitteki konsantrasyon gradyanı ( d c /d x ) ile orantılı olduğunu ifade eder. Buradaki eksi (-) işareti A atomlarının daima düşen yoğunluk bölgesine doğru yayındığını ifade eder. Bu bağıntıda D [cm 2 /s], Difüzyon Katsayısı nı gösterir.

D E R S N O T U

Difüzyon Katsayısı (D) Difüzyon Katsayısı alaşımı oluşturan atomların cins ve yapısına (A/B Difüzyon sistemine), ve daha da kuvvetli bir şekilde sıcaklığa (T) bağlıdır: D 0 [cm 2 /s] : Sıcaklıktan bağımsız, mevcut difüzyon sistemi için karakteristik bir sabit; Q [kal/mol] : A atomlarını harekete geçirmek için gerekli olan, difüzyon sistemine bağlı aktivasyon enerjisi; R : Genel faz sabiti; T [ K] : Sıcaklık Burada Q ve D 0 sistem sabitleri deneysel olarak belirlenebilirler; A/B Sistemine olduğu gibi, yayınma yönüne paralel kristal doğrultusuna, bu yöndeki atomlar arası mesafeye de bağlıdır.

Arrhenius Denklemi Verilen formülde her iki tarafın logaritması alınırsa; ln D ln D 0 Q RT bulunur. Bu denklem Arrhenius Denklemi olarak bilinir ve difüzyon katsayısı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi gösterir.

Aktivasyon Enerjisi (Q) Belli bir sıcaklıkta (T) bulunan bir kristal içindeki bütün atomlar aynı enerji seviyesine sahip değillerdir. Bir kristal içerisinde bir atomun bir kafes boşluğuna atlayabilmesi için difüzyon sistemine bağlı olan belli bir enerji seviyesinde (Q : aktivasyon enerjisi) olması gerekir. Sıcaklığı yükseltmekle atomların ortalama enerji seviyesi ve burada önemli olan da aktivasyon enerji seviyesi üzerine ulaşan atomların miktarı artırılmış olur.

Aktivasyon Enerjisi (Q) a b Yeralan (a)- ve Arayer (b) atomları nın kristal içerisindeki hareketi

Aktivasyon Enerjisi (Q) Yeralan (a)- ve Arayer (b) atomları nın kristal içerisindeki hareketinde konum enerjisi değişimi ve hareket için gerekli aktivasyon enerjileri ( Q a ve Q b ).

Difüzyon parametrelerinin ilişkisi

- Fe içerisindeki farklı atom difüzyonlarına ait D - T ilişkisi

II. Fick Kanunu II. Fick Kanunu, herhangi bir malzeme kesitindeki ( yayınım yönünde, x mesafesindeki) konsantrasyonun zamana göre değişimini verir: Buradan, konsantrasyon farkının başlangıçta büyük olmasıyla ilgili olarak difüzyonun da hızlı başladığını, yayınımın ilerlemesiyle düşen konsantrasyon gradyanının difüzyon hızını gittikçe düşüreceğini ve ideal eşit dağılımlı (homojen) bir yapının oluşması için sonsuz sürenin gerektiğini söylemek mümkündür.

II. Fick Kanunu D E R S N O T U Bir A / B Difüzyon Sisteminde, A- atomları konsantrasyonunun (c A ) yayınım süresine göre ve mesafeye bağlı değişimi

II. Fick Kanunu D E R S N O T U Belli bir kristalde ( ) farklı konsantrasyon bölgeleri arasındaki yayınım

II. Fick Kanunu D E R S N O T U ve kristal yapısına sahip ve katı halde tam eriyebilen difüzyon sistemindeki yayınım

II. Fick Kanunu D E R S N O T U Kullanıma dönük sonuç çıkarmak bakımından, difüzyon parametreleri ile yayınan atomların katettikleri ortalama difüzyon mesafesi ( x ) arasındaki bağıntı kullanışlıdır: Bu bağıntıdan (eğer atomların yayınması, yüzeyden itibaren başlıyorsa) ortalama yayınma derinliğinin, zamana ve özellikle sıcaklığa çok şiddetle bağlı olduğu bariz olarak görülmektedir.

Difüzyonda Etkili Parametreler Difüzyon mekanizmasını Difüzyon sıcaklığı Yayınan atomun kristal kafes yapısı (ADF) Aktivasyon enerjisi Yayınan maddenin derişimi Kristal hatalarının yoğunluğu Anafaz içerisinde yayınan atomdan başka atomların bulunması. Q Q Q D E R S N O T U Arayer Boşluk Yerdeğiştirme

Endüstriyel Uygulamalar Difüzyon işlemi, gittikçe gelişen imalat sanayinde - yüzey işlemleri teknolojisinde- önemli bir kullanım alanı bulmaktadır. D E R S N O T U İmalat sanayiinde uygulanan yüzey işlemleri özellikle aşınmaya ve korozyona dayanıklı, çok sert yüzey tabakalarının üretilmesini içerir. Bu çeşit yüzey tabakalarının üretilmesi ise, difüzyonla yüzey bölgesine karbon, azot ve bor gibi atomların nüfuz ettirilmesi ve uygun intermetalik fazların oluşturulması esasına dayanır.

Endüstriyel Uygulamalar Metallerin işlenmesinde vazgeçilmez bazı üretim yöntemleri (dövme ve çekme gibi plastik şekil verme işlemleri) veya çatlamaları veya yüksek iç gerilmeleri önleyici ısıl işlemler (martemperleme gibi) veya bunların kombinasyonu demek olan termomekanik iyileştirme işlemleri yüksek sıcaklıklarda yapılırlar: Dönüşümleri kısa sürede tamamlamak ve/veya dengeli yapıya kavuşmak için gerekli hızlı atomik hareketler imkân dahiline girer (yüksek sıcaklıklarda difüzyon hızlanır). D E R S N O T U

Endüstriyel Uygulamalar D E R S N O T U Difüzyon kaynağı sonuç olarak metallerarası difüzyondan yararlanarak gerçekleştirilen bir birleştirme yöntemidir. Bu birleştirmede esas olan, birleştirilecek yüzeylerde metal-metal temasını sağlamak ve temas bölgesinde hızlı difüzyon için gerekli yüksek sıcaklığa, ya sürtünme ısısı üretilerek (sürtünme kaynağı), yada basınç altında ısıtarak (basınç veya demirci kaynağı) ulaştırılmasıdır. Birleştirilecek parçaların ve dolgu metallerinin uygunluğu, difüzyon sisteminin doğru seçilmesi demektir. Dolgu metali olmadan da kaynak yapılabilir ve difüzyon sistemi vardır.

Endüstriyel Uygulamalar Toz metalurjisinde, en düşük düzeyde makina teknolojisi gerektiren fakat önemli bazı metalik parçaların üretiminde, özellikle sert metal parça veya üretim kalıplarının ve aynı beklentilerle (yüksek sıcaklıkta mukavemetli ve aşınmaya dayanıklı) seramik parçaların imalinde temel mekanizma, çapları mikron mertebesindeki çeşitli metal, metaller arası bileşik ve/veya seramik toz parçacıklarının aralarında, çoğu zaman sıcaklık ve basıncın birlikte uygulanmasıyla, difüzyonun sağlanmasıdır (sinterleme işlemi). D E R S N O T U