MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME BİLİMİ Kristal Yapı Hataları Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
MALZEMELERİN YAPISI Atomaltıseviyede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar / nötronlar ve bunların etkileşimi, Atomikseviyede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar, Mikroskopikseviyede: Mikroskop kullanılarak incelenen mikroyapı (tanecik boyutu ve şekli vs.) Makroskopik seviyede: Gözle görülebilen makro yapı,
Noktasal kusurlar (0- boyutlu): Boşluklar (vacancy) Yeralan atomlar (substitutional atoms) Arayer atomlar (interstitial atoms) Yayınım Noktasal kusurların yayınmaya etkisi Atom ve boşluk yayınımı 1. ve 2. Fickkanunları Difüzyon katsayısı, Difüzyon tipleri Çizgisel kusurlar (1-boyutlu): - Dislokasyonlar Burgersvektörü Dislokasyonçeşitleri Dislokasyonyoğunluğu Düzlemsel kusurlar (2 boyutlu): - İkizler, taneler ve tane sınırları. Hacimsel (3- boyutlu) kusurlar: Bunlara örnek olarak inklüzyonlar (kalıntılar) ve boşluklar verilebilir.
KRİSTAL KUSURLARI Hiçbir kristal mükemmel değildir. Kusurlar yapıda istenerek veya istenmeden bulunabilir. Kusur çeşitleri: Noktasal kusurlar Çizgisel kusurlar Yüzeysel kusurlar
Noktasal kusurlar: (a) atomsal boşluk(vacancy), (b) arayer(interstitial) atom, (c) küçük yeralan(substitutional) atom, (d) büyük yeralanatom, (e) Frenkel kusuru: Bir atomun yer değiştirerek, boş yer ile fazladan bir arayer atomunun oluşturduğu kusur, (f) Schottkykusuru: Ters elektriksel yükte iki iyonun kristal kafesinde olması beklenen yerde bulunmamasıdır. Elektriksel nötrlük korunmaktadır. Bütün bu kusurlar mükemmel kristal yapıyı bir şekilde etkiler.
KATI ÇÖZELTİ Hiç bir malzemeyi tamamen saf kompozisyonlarda imal etmek mümkün olamamaktadır. Malzemeler yapılarının içerisinde belli oranlarda farklı atomları çözebilirler. Bu durum katı çözeltiler olarak adlandırılır. Katı çözelti, sıvı çözeltiyle tamamen karışma açısından benzerlik gösterir.
KATI ÇÖZELTİ Interdifüzyon: Bir alaşım veya difüzyon çiftinde atomlar yüksek konsantrasyondan düşüğe doğru göçetmeye meyillidirler Katı çözeltide çözen ve çözünen vardır. Örneğin Cu-Ni alaşımında; Ni, Cu içerisinde tamamen yeralan katı çözelti oluşturacak şekilde çözülebilir. Cu: Çözen Ni: Çözünen
HUME-ROTHERY KURALI Metalik malzemelerde iki elementin birbirine tamamen ve her oranda karışarak katı çözeltinin elde edilmesi için Hume-Rothery kuralının sağlanması gerekir. Hume-Rotery kuralı Atom yarıçaplarındaki farkın%15 ten az olması gerekir. İki elementinde aynı kristal yapıya sahip olması gerekir. Aynı elektronegatifliğe (elektron çekme kabiliyeti) sahip olmaları gerekir. Aynı valansa sahip olmaları gerekir. Yoğunluklarının birbirine yakın olması gerekir.
YERALAN KATI ÇÖZELTİSİ İki tür katı çözelti mevcuttur. Rastgele(random) katı çözelti Düzenli(ordered) katı çözelti Örneğin: 390 o C üzerinde Au ve Cu atomları YMK yapıda rastgele bulunurlar, Daha düşük sıcaklıklarda Cu, yüzey merkezlerini, Au köşe noktalarının tercih eder. Seramikler AuCu 3 yapısıgösterir. Basit kübik bravis indislerine sahip olurlar. (Düzenli istiflenme birim hacimde atom karışım oranları sabit ve kafes içindeki yerleri belli)
ARAYER KATI ÇÖZELTİSİ Örneğin C, α-fe içerisinde arayerlerde daha stabildir. Fakat en fazla ancak %0,1 oranında çözülebilirler. Eğer atom çok küçükse, normal atom konumları enerji açısından kararsızlık oluşturabilir bu durumda arayerler tercih edilebilir.
İYONİK HATALAR: BOŞLUK Eğer yüklü bir iyon bulunması gereken yerde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğini ortadan kaldıracak şekilde diğer yüke sahip iyon pozisyonlarında da boşluk vardır. Bu duruma Schottky kusuru adı verilir. Eğer bir iyon yerinde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğini ortadan kaldıracak aynı yüke sahip başka bir iyon arayer pozisyonlarında da bulunabilir. Bu duruma Frenkel kusuru adı verilir.
Noktasal hatalar: Kristalde bir veya birden fazla bölgede oluşan kusurlardır. Boşluk şeklindedirler. Genişlemiş hatalar: Kristalin malzemede belirli bir hacmi içine alan atom veya iyonların oluşturduğu hatalardır (ör. Dislokasyonlar ve istif hataları) Boşluk: Bir atom veya iyon kristal yapıda bulunması gereken yerde yoksa boşluk oluşur. Arayer hatası: Bir atom kristalde latis noktası dışında bir yere yerleşirse arayer hatası oluşur. Yeralan hatası: Normal latis noktasında bulunan bir atom başka bir atom ile yer değiştirirse oluşan hata türüdür. Değişen atomların genelde boyutları aynı değildir.
İyonsal cisimlerde kararlı yapı için net elektriksel yükün sıfır olması zorunludur. Bunlarda zıt işaretli iyon çifti eksik olursa Schottky Hatası, yer değiştirmiş iyon Frenkel Hatası oluşturur. Interstitialcy- Arayerimsi: Normal atomun kristalde arayer alanını işgal ederse oluşur. interstitialcy diffusion: arayer atomu yayınımı Frenkel hatası: İyon arayer bölgesi oluşturmak için hareketlendiğinde arkasında boşluk bırakır. Schottky hatası: İyonik bağlı malzemelerde görülen noktasal Schottky hatası: İyonik bağlı malzemelerde görülen noktasal hatadır. Nötr hali koruyabilmek için stokiometrik olarak gerekli anyon ve anyon boşluğunun oluşturulmasıdır.
NOKTASAL KUSURLARIN ISIL ETKİLERLE OLUŞUMU YAYINIM (DİFÜZYON)
SICAKLIĞIN PROSESE ETKİSİ Proseslerde Hız; sıcaklığın eksponansiyeli ile orantılıdır. Yani malzemenin sıcaklığı arttıkça enerjisi ve atomlarının denge konumları etrafında hareket hızı artar. Hız arttıkça denge mesafeleri büyür, ısınan metal genişler.
AKTİVASYON ENERJİSİ 1- Atomsal boyutta Atomun bir denge durumundan diğer bir denge durumuna geçmesi için bir enerji engelini aşması gerekir (eşik enerji). İhtiyaç duyulan bu enerji eşiği q aktivasyon enerjisi dir. Hareket Yönü Malzemenin sıcaklığı arttığında yüksek enerjili atom bulunma ihtimali, dolayısıyla bu eşik değerini aşarak kusur oluşma şansı artar.
ATOMSAL BOŞLUK OLUŞUMU Sıcaklığın artması ısıl aktivasyon ile yapı içerisinde noktasal kusurların sayı ve hareket kabiliyetlerinin artmasına neden olur. Bir kusurun oluşması için atomun gerekli eşik değerini aşması gerekir. Nokta kusurları bu tür ısıl titreşimler sonucu ortaya çıkar. Malzemenin sıcaklığı arttığında yüksek enerjili atom bulunma ihtimali, dolayısıyla bu eşik değerini aşarak kusur oluşma şansı artar. Sıcaklığın artması ısıl titreşimleri arttırır. Bu şekilde oluşan ısıl enerji kusur oluşumu için gereken aktivasyon enerjisini sağladığında kusur oluşacaktır.
Proses: Malzeme biliminde tüm olaylardır. Proses hızları Atomların hareket hızları. Sıcaklık Atom hareket kabiliyeti. Proses hızı sıcaklığın exponansiyel bir fonksiyonudur. Bu davranışa uyan prosesler: Malzemelerde kusur oluşum hızı, Malzemelerde difüzyon hızı, Elektrik iletkenlik, Sürünme davranışı. Sürünme; Bir malzemenin sabit yük etkisinde akma gerilmesinin altında, gerilme etkisiyle sürekli ve yavaş olarak plastik uzama kaydetmesi olayıdır. Sürünme genellikle yüksek sıcaklıklarda bazen de oda sıcaklığında meydana gelir. Sürünme her sıcaklıkta gerçekleşebilir, kurşun oda sıcaklığında ve sabit yük altında önemli ölçüde uzama gösterir. Üstel fonksiyon, matematiğin en önemli fonksiyonlarından biridir. e x veya exp(x) sembolleriyle gösterilir. Burada e, yaklaşık değeri 2,718 olan Euler sayısını temsil eder, x ise gerçel ya da karmaşık bir değişkendir. Kuvvet fonksiyonunun tersine, değişken tabanda değil üstte olduğu için bu fonksiyona üstel denir.
YAYINIM (DİFÜZYON) Malzeme, mükemmel kristal yapıya sahip olsa idi atom veya iyonlar yayınmaiçin gereken açıklıkları bulamazlardı. Dolayısı ile katı hal yayınmaiçin noktasal kusurların varlığı gereklidir. Yayınma2 türde olabilir: (a) Atom / Boşluk göçü (b) Arayer göçü. Şekil: Atomsal yayınma boşluk hareketi ile olmaktadır. Atom hareket yönüyle boşluk hareket yönü birbirinin ters istikametidir.
A ve B malzemelerinin karşılıklı difüzyonu. Her ikisi de gelişi güzel hareket doğrultuları gösterseler de A ve B konsantrasyon profilinde net bir akış olmaktadır. Gelişigüzel hareket (Random walk) karakteri gösteren arayer hareketine dayalı difüzyon mekanizması
Fick Kanunları difüzyon kurallarını verir 1. Fick kanunu: Yayınım akış hızı 2. Fick kanunu: Konsantrasyon profili Atom konsantrasyonun yüzeyden içeri doğru zamanla değişimi 2. Fick kanunu ile ifade edilir. 2. Fick kanunu, 1. Fick kanununun türevidir.
1. FİCK KANUNU: YAYINIM AKIŞ HIZI CusağtarafadoğruNi iniçinedoğru,nisol tarafa Cu ın içine doğru yayılır. Yayınım akış hızı 1. Fick kanunu ile ifade edilir.
YAYINMA KATSAYISI Yayınma noktasal kusurların yoğunluğuna bağlı olduğu için sıcaklığın kuvvetli bir fonksiyonu. Yayınmakatsayısı konsantrasyonun fonksiyonu değildir. Çözen ve çözünen çifti için tanımlanır.
Anions: -iyon Cations: katyon Figure: Diffusion in ionic compounds. Anions can only enter other anion sites. Smaller cations tend to diffuse faster
Farklı Yayınım Yolları
Yayınma mekanizmaları: Hacimde yayınma(kafes içinde) Tane sınırında yayınma Yüzeyde yayınma Hangi mekanizmanın etkin olduğu, o mekanizma için gereken bölgenin büyüklüğüne bağlı: Toz malzemelerde yüzey difüzyonu, küçük taneli katılarda tane sınırı difüzyonu etkin olur.
A - Yayınmada Kristal türleri önemli rol oynamaktadır. Buna göre C atomunun Demir içinde yayınması (arayer yayınması) göz önüne alınacak olursa: Q HMK <Q YMK Yani HMK yapıda YMK yapıda yayınmaya göre daha az enerji ihtiyacı vardır (nedeni HMK yapı Atomsal dolgu faktörü = 0,68; YMK yapı Atomsal dolgu faktörü = 0,74). B AyrıcaYayınmaKristalkafes(BulkDiffusion)içinde(Q H ;D H );Tane Sınırlarında(Q TS ;D TS );Yüzeye(Q Y ;D Y )gözönünealındığında; Q H >Q TS >Q Y D H <D TS <D Y Yüzeyde en hızlı en kolay, tane sınırlarında orta zorlukta ve tane içinde yani kristal kafeste en yavaş ve en zor gerçekleşir. Kafesteki düzensizlikler (kusurlar) arttıkça veya yüzeydeki gibi serbestlik arttıkça daha kolay difüzyon oluşur.
DİFÜZYONA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Sıcaklık ve difüzyon katsayısı(d) Difüzyon tipi- hacim, tane sınırları, yüzey difüzyonu Süre Atomlar arası bağın türü ve kafes yapısı Yayınan elementin (çözünen) konsantrasyonu ve çözenin kompozisyonu
MALZEME PROSESLERİNDE DİFÜZYON Sinterleme Tozların yüksek sıcaklıkta pişirilerek katı parçaları oluşturacak şekilde birbirleri ile kaynaması. Toz metalurjisinde Toz başlangıç malzemelerinde yekpare makine parçalarının imali. Elektro seramik malzemelerde elektrik iletken seramiklerin imali. Tane büyümesinde Tane sınır alanlarının azaltılması için tane sınırlarının hareketi ile büyük tanelerin oluşturulması Difüzyon kaynağında 2 yüzeyin basınç ve sıcaklık altında birbirine birleştirilmesi için kullanılan kaynak tekniği. Yüzey sertleştirme metal yüzeylere sertleştirme kabiliyeti olan elementlerin emdirilmesi. Çeliğe karbon veya bor emdirilmesi vs.
Figure 1: Particles of barium magnesium tantalate (BMT) (Ba(Mg 1/3 Ta 2/3 )O 3 ) powder are shown. This ceramic material is useful in making electronic components known as dielectric resonators that are used for wireless communications. (Courtesy of H.Shirey.) Figure 2: The microstructure of BMT ceramics obtained by compaction and sintering of BMT powders.(courtesy of H. Shirey.)
Figure: Grain growth occurs as atoms diffuse across the grain boundary from one grain to another
Figure: Grain growth in alumina ceramics can be seen from the SEM micrographs of alumina ceramics. (a) The left micrograph shows the microstructure of an alumina ceramic sintered at 1350 o C for 150 hours. (b) The right micrograph shows a sample sinteredat1350 o Cfor30hours.(CourtesyofI.NettleshipandR.McAfee.)
Figure: The steps in diffusion bonding: (a) Initially the contact area is small; (b) application of pressure deforms the surface, increasing the bonded area; (c) grain boundary diffusion permits voids to shrink; and (d) final elimination of the voids requires volume diffusion
DİSLOKASYONLAR Kenar dislokasyonu Vida dislokasyonu Karma dislokasyonlar
DİSLOKASYON Noktasal kusurlar daha çok termal aktivasyon ile oluşmaktadır. Diğer yapı kusurlarından biri olan çizgisel kusurlar dislokasyonlar dır. Daha çok plastik şekil değiştirme ile ilgilidirler. Dislokasyonlar: Yapı içerisinde eksik kalmış atomsal düzlemlerdir. En önemli oluşum sebepleri plastik (kalıcı) şekil değişimleridir. Malzemelerin mekanik özelliklerinde önemli role sahiptirler.
DİSLOKASYON Çizgisel Hatalar/Dislokasyonlar Dislokasyon: Kristalin malzemedeki çizgisel hatalardır Vida dislokasyonları: Kristalin burulması ile bir atom düzleminin spiral bir rampa üretmesi ile oluşur. Kenar dislokasyonları: Kristale ekstra yarım bir düzlemin girmesi ile oluşur. Karışık dislokasyonlar: Kısmen kenar kısmen vida dislokasyonu içeren dislokasyonlardır. Kayma: Metalik malzemelerin deformasyonudur, kristal boyunca oluşur.
DİSLOKASYON - Burgers vektörü Burgers vektörü: Dislokasyonların hareket yön ve büyüklüklerini ifade etmek için kullanılan parametredir. Yön ve şiddet belirtir. Dislokasyonun kafes içerisinde ilerlemesi için gereken minimum mesafeyi gösterir. Not: Burgers vektörü kenar dislokasyonuna diktir.
Burgers vektörünün bulunuşu: Hatanın etrafında eşit adım sayısında yanlara, yukarı ve aşağı yönlerde hareket edilir. Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geri dönülürken hata içeren kristalde kapalı bir çevrim elde edilemez. Çevrimin tamamlanması için gereken deplasman miktarı burgers vektörü ile ifade edilir.
Diğer önemli kavramlar. Dislokasyon çizgisi: Ek yarı düzlemin alt sınırında atomların oluşturduğu çizgidir. Kayma düzlemi: Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzlemdir.
KENAR DİSLOKASYONU Kenar dislokasyon, kafes içerisine ilave edilen tam olmayan ek düzlemdir. Pozitif kenar dislokasyonu sembolü ile ifade edilir. Ek yarı düzlem kayma düzleminin üzerindedir. Negatif kenar dislokasyonu sembolü ile ifade edilir ve dislokasyon kayma düzleminin altında bulunur. (a) kusursuz kristal yapı (b) Extra düzlemin oluşturduğu kenar dislokasyon (c). Kenar dislokasyonu etrafında çevrimi tamamlamak için gereken Burgers vektorü b.
a) Kenar dislokasyonu, b) Kayma kuvveti uygulandığında dislokasyon bir Burgers vektorü kadar ilerler. c) Hareket devam ettiğinde kristal bir basamak oluşturur d) Kayma hareketi kırkayağın hareketine benzetilebilir.
Şekil: Solucanı dislokasyon olmadan hareket ettirmek çok zordur.
VİDA DİSLOKASYONU Vida dislokasyonu; kristal düzlemlerde vida şeklinde kayma hareketi sağlayan düzlemlerdir. (a) mükemmel kristal (b)kaymanın düzleminin oluşumu (c) bir atom uzunluğunda kayma. Kırılma/kesilme boyunca oluşan çizgi vida dislokasyonudur. Burgers vektörü b vida dislokasyonu etrafındaki eşit atom aralığını kapatmak için gereklidir.
KARMA DİSLOKASYON Karma dislokasyonda dislokasyon çizgisi eğri şeklindedir. Karma dislokasyon hem kenar hem de vida dislokasyonu karakteri gösterir. Ön tarafta bulunan vida dislokasyon yan taraflara doğru yavaş yavaş kenar dislokasyonu karakteri kazanır.
DİSLOKASYONLARIN ÖNEMİ Dislokasyonlar, plastik şekil değişimi açısından çok önemlidir. Nasıl noktasal kusurlar olmadan yayınım çok zor gerçekleşiyorsa dislokasyon olmadan plastik şekil değişimi çok zor gerçekleşir. Dislokasyonların oluşumu: Katılaşmasırasında Plastik şekil değişimi sırasında oluşur.
Gerilme, Hooke kanunu, Elastik Şekil Değişimi ve Dayanım
GERİLME Yapılan teorik çalışmalar, malzemelerin dayanımlarının Elastik modül değerlerinin 1/10 civarında olması gerektiğini göstermektedir. Mesela Cu ın teorik dayanımı 1.000 MPa dır. Fakat deneysel dayanım 1 MPa civarında olmaktadır. Deneysel datalar teorik datalardan 1.000-10.000 kat daha küçüktür. Bu durum mevcut dislokasyonların varlığı ile açıklanmaktadır. Kayma, dislokasyonların varlığı ile çok kolay bir şekilde gerçekleşir. Enyumuşakhaldeyapı10 6 adet/cm 2 dislokasyonyoğunluğunasahiptir.
Kayma gerilmesi τ = G γ τ = Kayma gerilmesi γ = Kayma birim şekil değişimi G = Kayma modülü Dayanım (Strength) plastik şekil değişimine karşı gösterilen dirençtir.
Normal gerilme σ = E ε σ = Normal gerilme ε = Birim şekil değişimi E = Elastiklik modülü Dayanım (Strength) plastik şekil değişimine karşı gösterilen dirençtir.
Tek kristal bir çubuk belli bir yönden çekme gerilmesi ile çekilirse, etki eden kuvvete dik yöndeki alanda normal gerilme ve kayma gerilmesi: F A o F σ = F A o τ = 0
Schmidkuralı: Kayma gerilmesi ile uygulanan gerilme ve kayma yüzeyi ve kayma doğrultusu arasındaki ilişkiyi tanımlar. Kayma Doğrultusu o
KAYMA SİSTEMLERİ Kayma: Yüksek atomsal yoğunluğa sahip düzlemler ve bu düzlemlerde en büyük atomsal yoğunluğa sahip doğrultularda diğerlerine göre çok daha kolaydır. Kayma sistemi her bir kristalde ayrı ayrı tanımlanan en yoğun düzlem ve doğrultu kombinasyonları tarafından oluşturulur. En kolay kaymanın olduğu doğrultuda; Burgers vektörü en küçüktür, dolayısıyla kayma mesafesi en küçüktür.
KAYMAYA DİSLOKASYONUN ETKİSİ Şekil 1: Kaymanın bütün düzlemde aynı anda gerçekleşmesi. Yüksek kayma gerilmesi gerektirir.
KAYMAYA DİSLOKASYONUN ETKİSİ Şekil 2: Kaymanın düşük gerilmeli alternatifi.
ARA ÖZET. Kayma: Dislokasyonun kayma düzlemi boyunca hareket etmesidir. Plastik şekil değiştirme: Kuvvet veya gerilmelerin etkisinde meydana gelen kalıcı şekil değişimidir. Elastik şekil değiştirme: Kuvvet veya gerilme uygulandığında meydana gelen fakat kaldırıldığında ortadan kalkan kalıcı olmayan şekil değişimidir. Dislokasyon yoğunluğu: Malzemenin birim hacminde (cm 3 ) bulunan toplam dislokasyon uzunluğudur.
HMK YMK SDH Kristal kafes sistemlerinde en yoğun atom düzlem ve doğrultuları Not: Sıkı düzen hegzagonal/hegzagonal sıkı paket (Hexagonal closed packed) yapı SDH
DİSLOKASYON HAREKETİNİ ZORLAŞTIRMAK Dislokasyonlar metal kafeslerinde kolay ilerlerler. Çünkü kafes içindeki tüm atomlar elektronlarını ortak olarak kullandıkları için, dislokasyon hareketi sonrası kristalin elektrik yükleri bakımından bir değişime uğramaz. Bir malzemenin kalıcı şekil değiştirmesini zorlaştırmak yani Akma Mukavemeti ni artırmak için en etkin önlem dislokasyon hareketini zorlaştırmaktır. Bu engeller: 1 Tane sınırları arttıkça(yani tane boyutları küçüldükçe); Kafes içindeki yabancı atomlar (Kristal yapının çarpılması ve kayma sistemlerinin bloke olması); Daha önce kalıcı şekil değişimine uğramış malzemelerde yoğunluğu artmış olan dislokasyonlar birbirlerinin hareketlerini engellerler. Bu engeller nedeniyle dislokasyonlar üst üste yığılır bu defa malzemenin kalıcı şekil değiştirebilmesi için bu dislokasyonları harekete geçirebilmek için gereken gerilmenin (kuvvetin) arttırılması gerekir. Çünkü malzemenin şekil değişimine karşı direnci artmıştır. Bu olaya Pekleşme denir.
DİSLOKASYON HAREKETİNİ ZORLAŞTIRMAK Alaşımlama; kafesin içine çok sayıda arayer ve yeralan atomlarının girmesi demektir. Bu nedenle dislokasyon hareketi zorlaşır ve malzemenin akma dayanımı artar. Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve yayınma artacağından, kalıcı şekil değiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren kristallerde atomlar yeniden düzenlenir (Yeniden Kristalleşme) ve dislokasyon yoğunluğu düşeceğinden pekleşmenin etkisi ortadan kalkar. Seramiklerde, kristal yapının karmaşıklaşması nedeniyle dislokasyon hareketleri görülmez ve bu malzemelerde kalıcı şekil değiştirmek mümkün değildir. Buna neden hem kafes yapılarının karmaşık oluşu, hem de düzlemlerin ötelenmesi ile örneğin iyonik kristallerde elektrik yüklerinin dağılımında dengesizliklerin ortaya çıkmasıdır.
Yüzeysel Kusurlar Düzlemsel Kusurlar 2 Boyutlu
Her bir kristal tane, belirli sınırlarla çevrelenmiş olarak bulunurlar. Bu sınırlar atomsal dizilişin bozuldukları yerlerdir. Bu tür kusurlar yüzeysel kusurlar olarak adlandırılır. İkiye ayrılabilir. İkiz sınırlar Malzeme yüzeyleri Tane sınırları Büyük açılı tane sınırları Küçük açılı tane sınırları
İKİZ SINIRLAR İki kristal bölgeyi simetrik olarak birbirinden ayıran sınırdır. İkiz oluşumu kaymadan çok yapı içerisinde burkulmadan dolayı oluşur. Bu kusur çok yaygın olmamasına rağmen sebepleri Şekil değiştirme(burkularak-mekanik zorlama)- HMK ve SDH yapılarda. Tavlama(ısıl işlemle)- YMK yapılarda olabilir. İkiz sınırları dislokasyon kaymasını güçleştirir ve metallerin akma dayanımını arttırır.
Şekil: 2 kristal bölgeyi birbirinden ayıran ikiz sınır Prinçte ikizleme sınırları (a) Mükemmel kristal. (b) İkizlemeden dolayı atomlardaki öteleme
KÜÇÜK AÇILI TANE SINIRLARI Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırları eğik sınırlar, vida dislokasyonunun neden olduğu sınırlar ise burkulma sınırları olarak adlandırılır. Kristal içerisinde kenar dislokasyonlarınınüst üste dizilmesi ile meydana gelir. Genelde ısıl aktivasyon (poliganizasyon) ile gerçekleşir. Dislokasyonlarınmeydana getirdiği iki komşu dizilim arasındaki açı 10 o den küçüktür. Bazı kaynaklarda alt tane (sub grain) olarakta anılır.
TANE SINIRLARI Tane sınırları: Birbirine komşu olarak, tek kristal şeklinde bulunan iki tanenin arasındaki yüzeydir. İki grupta incelenmektedir. Katılaşma sırasında iki farklı bölgede büyümüş kristaller arasında kalan sınır yüzeyidir. Mühendislik malzemeleri, elektronik sanayii hariç genelde çok tanelidir-polikristal. Tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına (anizotropi - malzemelerin farklı yönlerde farklı özellikler göstermesi) karşın çok taneli malzemeler tanelerinin çok sayıda ve konumlarının rastgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilir.
TANE SINIRLARI Tane sınırları, dislokasyonun hareketini engellemektedirler. Bu nedenle plastik şekil değişimi için daha fazla gerilme gerekir böylece malzemenin dayanımı artmış olur. Küçük taneli malzemeler büyük tanelilere göre daha dayanımlıdır. Büyük açılı tane sınırları: Sınır boyunca atomlar her iki kristale de uyum sağlayamadığından rastgele dizilmişlerdir ve çok dar bir alanda yapı amorf olarak düşünülebilir.
TANE BOYUTU Tane boyutunun belirlendiği bir teknik, ASTM(Test ve Malzemeler İçin Amerikan Birliği) tane boyu numarasıdır. Her metrekaredeki tanelerin sayısı x 100 defa büyüterek çekilen bir metal fotoğrafından belirlenir. Her metre karedeki tane sayısı N olmak üzere N = 2 n+3 göre ASTM tane boyu sayısı n hesaplanır. Eğer inç karedeki tane sayısı söylense idi bu defaformüln=2 n-1 olacaktı. Büyük bir ASTM numarası çok sayıda taneyi veya çok ince tane boyutunu gösterir ve bu durum yüksek dayanımla ilişkilidir.
Mikroskoplar: Optik mikroskoplar Elektron Mikroskopları Transmisyon Elektron Mikroskobu Tarayıcı Elektron Mikroskobu Elektron Mikroskopları: Bu mikroskoplar, elektronların parçacık ve dalga etkileşiminden yararlanır. Hızlandırılmış elektronlar çok kısa dalga boyuna sahip olup kısa dalga boyları ile daha fazla büyütme oranları ve daha iyi ayırma gücü elde edilir. Ayırma gücü (standart elektron mikroskobunda) birkaç nanometre seviyesindedir. Elektron mikroskobunda ışının geçtiği bölge yüksek vakum altındadır.
ELEKTRON MİKROSKOPLARI
SEM - TARAYICI/TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU
Şekil 1: Apollo 11 in getirdiği aya ait toprak. Şekil 2: Paslanmaz çelik kırık yüzeyi (304 tip X180).
SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) Şekil: Pb-Sn lehimi: (a) normal fotoğraf, (b) Pbelementaldağılım (açık renk) haritası (c) Sn elemental dağılım (açık renk) haritası
OPTİKMİKROSKOPLAR Numune yüzeyine gönderilen ışınlar, yüzeyden yansır. Daha sonra bunlar mercek sisteminde toplanır ve bu sayede büyütülmüş bir görüntü elde edilir. X2000 büyütme elde etmek mümkündür. Çözünürlük 0,5 µm kadar olur. Mikrometre boyutunda taneler, yüzey topografyası, fazlar vs. tespit edilebilir.
Figure: Microstructure of palladium (x 100). (From ASM Handbook, Vol. 9, Metallographyand Microstructure (1985), ASM International, Materials Park, OH 44073.)
TEM (Transmisyon Elektron Mikroskobu)
TEM (Transmisyon Elektron Mikroskobu) Elektron demetinin geçmesini (transmisyon) mümkün kılacak incelikte numuneler kullanılır (10-20 nm- 100 atom kalınlığı). Numuneden geçen elektronlar, florasanbir ekrana düşürülür ve bu sayede görüntü alınmış olur. Bu sayede x100.000 den daha büyük büyütmeler mümkün hale gelir. Dislokasyonları görebilir. (Taneleri kolaylıkla görür)
Şekil: TEM resimleri (a) dislokasyon etrafında gerilme alanı, (b) dislokasyon ormanı (forest), (c) tane sınırları ve D-dislokasyon.