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

Benzer belgeler
Bölüm 5: Yayınma (Difüzyon)

BÖLÜM 3 DİFÜZYON (YAYINIM)

ATOM HAREKETLERİ ve ATOMSAL YAYINIM

Difüzyon (Atomsal Yayınım)

MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI)

MALZEME BİLİMİ. Difüzyon

Boya eklenmesi Kısmen karışma Homojenleşme

Bölüm 4: Kusurlar. Kusurlar

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

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

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

Bölüm 4: Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar. Kusurlar

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

MALZEME BİLGİSİ DERS 7 DR. FATİH AY.

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

SEMENTASYON

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

BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)

Faz dönüşümleri: mikroyapı oluşumu, faz dönüşüm kinetiği

MMM291 MALZEME BİLİMİ

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

4. Adveksiyon ve Difüzyon Süreçleri

Faz ( denge) diyagramları

5 Prof. Dr. Hatem Akbulut, Prof. Dr. Uğur Şen, Yrd. Doç. Dr. M. Oğuz Güler

MALZEME BİLGİSİ. Katı Eriyikler

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

Bölüm 4: Katılarda Kusurlar

MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri

Kristal Kusurları Noktasal Kusurlar Yayınma-Katı Hal Yayınması Şubat 2016

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

Paslanmaz Çelik Gövde. Yalıtım Sargısı. Katalizör Yüzey Tabakası. Egzoz Emisyonları: Su Karbondioksit Azot

Bölüm 3 - Kristal Yapılar

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

TERMOKİMYASAL YÜZEY KAPLAMA (BORLAMA)

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

Isıl işlem, katı haldeki metal ve alaşımlarına belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine uygulanan

Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ 1

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

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

Doç.Dr.Salim ŞAHİN SÜRÜNME

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

ÇÖKELME SERTLEŞTİRMESİ

MALZEME BİLGİSİ DERS 4 DR. FATİH AY.

ELEMETLER VE BİLEŞİKLER ELEMENTLER VE SEMBOLLERİ

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

A) DENEY NO: HT B) DENEYİN ADI: Doğrusal Isı İletimi Deneyi

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

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

CALLİSTER FAZ DÖNÜŞÜMLERİ

CALLİSTER FAZ DİYAGRAMLARI ve Demir-Karbon Diyagramı

TOKLUK VE KIRILMA. Doç.Dr.Salim ŞAHĠN

MMT440 Çeliklerin Isıl İşlemi 2 Sertleştirme Isıl İşlemi ve Sertleşebilirlik

1. Öğretmen Kılavuzu. 2. Öğrenci Kılavuzu

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

Demir, atom numarası 26 olan kimyasal element. Simgesi Fe dir. Demir, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir. Yerkürenin merkezindeki sıvı çekirdeğin

TEKNOLOJİSİ--ITEKNOLOJİSİ. Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ

MALZEMENİN İÇ YAPISI: Katılarda Atomsal Bağ

MALZEMELERİN MUKAVEMETİNİ ARTIRICI İŞLEMLER

Dislokasyon hareketi sonucu oluşan plastik deformasyon süreci kayma olarak adlandırılır.

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

Ayrıca, bu kitapta sunulan bilgilerin İnşaat Mühendislerine de meslek yaşamları boyunca yararlı olacağı umulmaktadır.

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ

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

MMT113 Endüstriyel Malzemeler 5 Metaller, Bakır ve Magnezyum. Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir Güz Yarıyılı

TAVSİYE EDİLEN SON KULLANICI FİYAT LİSTESİ - KOBATEK - Kaynak Elektrod ve Telleri 13 ŞUBAT 2014

Prof.Dr.Muzaffer ZEREN SU ATOMİZASYONU

Metallerde Özel Kırılganlıklar HASAR ANALİZİ

2. Sertleştirme 3. Islah etme 4. Yüzey sertleştirme Karbürleme Nitrürleme Alevle yüzey sertleştirme İndüksiyonla sertleştirme

Metalurji Mühendisliğine Giriş

Makine Elemanları. Sökülemeyen Bağlantı Elemanları

Chapter 9: Faz Diyagramları

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

Kaplama dekoratif görünüşü çekici kılarlar 2

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

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI

Kristalizasyon Kinetiği

MALZEME BİLGİSİ. Kristal Yapılar ve Kristal Geometrisi

İNŞAAT MALZEME BİLGİSİ

KRİSTALLERİN PLASTİK DEFORMASYONU

ELEMENT VE BİLEŞİKLER

Konu: Yüksek Hassasiyetli Yağ Keçelerinin Takviye Bilezik Kalıplarının Üretiminde Kullanılan Takım Çelikleri ve Üretim Prosesleri

FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ

Bölüm 12: Seramiklerin Yapıları ve Özellikleri

MOL KAVRAMI I. ÖRNEK 2

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

KATIHAL FİZİĞİ DERS 2. Tipik Kristal Yapılar Kuasi-kristaller Doluluk Oranı

Malzeme Bilimi ve Malzemelerin Sınıflandırılması

Maddeye dışarıdan ısı verilir yada alınırsa maddenin sıcaklığı değişir. Dışarıdan ısı alan maddenin Kinetik Enerjisi dolayısıyla taneciklerinin

ÇÖKELME SERTLEŞTİRMESİ HOŞGELDİNİZ

Manyetik Alan. Manyetik Akı. Manyetik Akı Yoğunluğu. Ferromanyetik Malzemeler. B-H eğrileri (Hysteresis)

Faz Dönüşümleri ve Faz (Denge) Diyagramları

1. Amaç Kristallerin üç boyutlu yapısı incelenecektir. Ön bilgi için İnorganik Kimya, Miessler ve Tarr, Bölüm 7 okunmalıdır.

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

İKİLİ ÖTEKTİK FAZ DİYAGRAMLARI

Adsorpsiyon. Kimyasal Temel İşlemler

Kütlesi,hacmi,eylemsizliği olan,tanecikli yapıdaki her şeye madde denir. Yer yüzünde gözümüzle görebildiğimiz her şey maddedir.

2- Bileşim 3- Güneş İç Yapısı a) Çekirdek

YANMA. Derlenmiş Notlar. Mustafa Eyriboyun ZKÜ

Enerji Band Diyagramları

Transkript:

İTÜ Elektrik Elektronik Fakültesi ers Notları ifüzyon (Yayınım) Callister, W.. Materials Science and Engineering kitabı için Wiley tarafından hazırlanan ders notlarından ve diğer kaynaklardan derlenmiştir ifüzyon Cevap aranan sorular... ifüzyon nasıl gerçekleşir? Neden işlemenin önemli bir parçasıdır? ifüzyon hızı bazı basit durumlar için nasıl tahmin edilir? ifüzyon ile yapı ve sıcaklık arasında nasıl bir ilişki vardır? 1

Bir kütle içinde bulunan atomlar veya moleküller herhangi bir anda aynı enerjiye sahip değildir Uygulamada belirli bir enerji seviyesinden (E*) fazla enerjiye sahip atomların sayısı önemli olabilir. Bu da eğrinin altında kalan alan ile gösterilir BOLTZMANN AĞILIM EĞRİLERİ Aktivasyon enerjisi = ΔE

ifüzyon ifüzyon - Atomsal hareketle kütle taşınımı Mekanizmalar Gaz ve sıvılar rastgele (Brownian) hareket Katılar atom boşluğu (vacancy) yayınımı, arayer (interstitial) yayınımı ve halka yayınımı ifüzyon Yayınma (difüzyon): Bir alaşımda, atomlar yüksek konsantrasyon bölgelerinden düşük konsantrasyon bölgelerine taşınma eğilimindedir. Başlangıçta Bir müddet sonra 3

ifüzyon Özyayınım (self-diffusion): Saf katı maddelerde de atom taşınımı gerçekleşir. Başlangıç konumları C A B Bir müddet sonra C A B ifüzyon Mekanizmaları 1) Boş kafes köşesi yayınımı atomların boş kafes köşelerine yer değiştirmeleri yerine geçmeli safsızlık atomlarında gerçekleşir az enerji gerektirir difüzyon hızının bağlı olduğu faktörler: -- boşlukların sayısı -- yerdeğiştirme aktivasyon enerjisi. zaman 4

ifüzyon Mekanizmaları ) Arayer yayınımı küçük atomların atomlar arasında difüzyonu daha fazla enerji gerektirir Boşluk atomu difüzyonundan daha hızlıdır ifüzyon Mekanizmaları 3) Halka yayınımı Birbirine değen atomların aynı anda ve aynı yönde hareket ederek birbirlerinin yerini almaları durumu. çok fazla enerji gerektirir 5

ifüzyon ifüzyon miktarı veya hızı sayısal olarak nasıl ifade edilir? J yayınan mol (veya kütle) mol kg Akı veya yüzey alanı zaman cm s m s Ampirik ölçüm Belirli yüzey alanına sahip ince bir film (membran) oluşturulur Konsantrasyon rampası (gradyan) uygulanır Atom veya moleküllerin membrana difüzyon hızı ölçülür J M At 1 dm A dt M = Yayınan kütle zaman J eğim Kararlı urum (Steady-State) Yayınımı Zamandan bağımsız difüzyon hızı Akı ile orantılı konsantrasyon gradyanı = dc dx C 1 C 1 Birinci Fick difüzyon kanunu C C dc J dx x 1 x x difüzyon katsayısı doğrusal dc C C C dx x x x 1 1 6

Örnek: Kimyasal Korumalı Giysi (Chemical Protective Clothing - CPC) Metilen klorür boya sökücülerde sık kullanılan bir bileşendir. Tahriş edici olmasının yanısıra cilde nüfuz edebilir. Boya sökücü kullanıldığında koruyucu eldiven kullanılmalıdır. Bütil lastik eldivenler (0.04 cm kalınlıkta) kullanıldığında, metil klorürün eldivene difizyon akısı nedir? Veri: Bütil lastiğin difüzyon katsayısı: = 110 x10-8 cm /s Yüzey konsantrasyonları: C 1 = 0.44 g/cm 3 C = 0.0 g/cm 3 Örnek (dvm) Çözüm doğrusal konsantrasyon rampası varsayımıyla C 1 boya sökücü t b 6 eldiven x 1 x C deri Veriler: dc J - dx = 110x10-8 cm /s C 1 = 0.44 g/cm 3 C = 0.0 g/cm 3 x x 1 = 0.04 cm C x C 1 x1 J (110 3 3-8 (0.0 g/cm 0.44 g/cm ) -5 x 10 cm /s) 1.16 x 10 (0.04 cm) g cm s 7

ifüzyona Sıcaklık Etkisi ifüzyon katsayısı sıcaklıkla (T) artar Ayrıca yayınım sistemi türüne ve yapısına bağlıdır o exp Q d RT o Q d R T = difüzyon katsayısı [m /s] = difüzyon sabiti [m /s] = aktivasyon enerjisi [J/mol veya ev/atom] = gaz sabiti [8.314 J/mol-K] = mutlak sıcaklık [K] 300ºC sıcaklıkta Si içinde Cu için difüzyon katsayısı ve aktivasyon enerjisi: (300ºC) = 7.8 x 10-11 m /s Q d = 41.5 kj/mol Örnek 350ºC sıcaklıkta difüzyon katsayısı nedir? o exp Q d RT Veri dönüşümü ln Sıcaklık = T Q d 1 ln ln0 R T ln ln1 ln ve Qd R 1 1 T ln 1 1 T1 ln 0 1/T Q d R 1 T1 8

Örnek (dvm) 1 Qd exp R 1 T 1 T 1 T 1 = 73 + 300 = 573K T = 73 + 350 = 63K 11 41,500 J/mol (7.8 x 10 m /s) exp 8.314 J/mol - K 1 63 K 1 573 K = 15.7 x 10-11 m /s Kararsız urum (Non-steady State) Yayınımı Yayınan madde konsantrasyonu zaman ve konumun bir fonksiyonudur C = C(x,t) Bu durumda İkinci Fick Kanunu kullanılır İkinci Fick Kanunu C t C x 9

engesiz urum Yayınımı Bakırın bir aluminyum çubuğa yayınımı Cu atomlarının yüzey konsant., çubuk Mevcut bakır atomlarının konsant. C C o s Cs Sınır t = 0, C = C o 0 x Koşulları t > 0, C = C S x = 0 (sabit yüzey konsantrasyonu) C = C o x = Çözüm C(x,t) = x konumunda t zamanında konsantrasyon C x,t C C C s o o 1 erf C S x t erf (z) = Gauss hata fonksiyonu e y 0 z dy C(x,t) C o erf(z) değerleri Tablo 5.1 de verilmiştir. 10

Gauss Hata Fonksiyonu ifüzyon eğerleri 11

Atomsal Yayınımın Oluştuğu Bazı Endüstriyel İşlemler Galvanizasyon: emir, ergimiş çinko banyosuna daldırılır. Yüzeysel yayınım sonucu yüzeyde ince bir tabaka oluşur. Korozyona karşı koruma sağlar Sementasyon Yüzey sertleştirme işlemidir -- Az karbonlu çelik, aktif C içeren ortamda 800 o C ye kadar ısıtılır -- Yüzeyde demir atomları arasına karbon atomları difüzyonu sonucu yüksek karbonlu ince bir tabaka oluşur. -- Aşınmaya dayanıklı sert bir yüzey elde edilir Sementasyon bir mukavemet artırma yöntemi değildir, sertliği artan bölge çok ince bir tabakadır 1

Kaynak: İki metal parçasının yüksek sıcaklıkta ergitilerek aralarında uzak mesafeli yayınım oluşturmaya ERGİME KAYNAĞI denir Lehim: T e dolgu metali T e ana metal T e dolgu metali 400 o C Sert lehim 400 o C yumuşak lehim Sert lehimde pirinç ve gümüş alaşımları Yumuşak lehimde kurşun kalay alaşımları kullanılır ifüzyon Yoluyla İşleme n-tipi yarı iletkenlerde silikonu fosfor ile katkılama: İşlem: 0.5mm 1. Yüzeye P zengin katmanlar yatırılır.. Isıtılır silikon 3. Sonuç: Katkılı yarı iletken bölgeleri Bilgisayar yongası büyütülmüş görüntüsü Açık bölgeler: Si atomları silikon Açık bölgeler: Al atomları 13

Özet ifüzyonun daha HIZLI olduğu durumlar... Açık kristal yapılar İkincil (zayıf) bağlı malzemeler Küçük difüzyon atomları üşük yoğunluklu malzemeler ifüzyonun daha YAVAŞ olduğu durumlar... Sıkı-istifli (sık düzen) yapılar Kovalent bağlı malzemeler Büyük difüzyon atomları Yüksek yoğunluklu malzemeler Örnek Bir YMK (FCC) demir-karbon alaşımının başlangıç karbon içeriği ağırlık yüzdesi olarak 0.0 iken yüksek sıcaklıkta karbonlanmış ve yüzey karbon konsantrasyonu ağırlık yüzdesi olarak 1.0 sabit değeri veren bir atmosfere maruz bırakılmıştır. 49.5 saat sonra yüzeyin 4.0 mm altında karbon konsantrasyonu ağırlık yüzdesi olarak 0.35 ise işlemin yapıldığı sıcaklığı bulunuz. Çözüm: İkinci Fick kanunu çözüm denklemi C( x, t ) C C C s o o 1 erf x t 14

Örnek (dvm) Çözüm (dvm): C( x,t ) C C C s o o 1 erf x t t = 49.5 h C x = 0.35 wt% C o = 0.0 wt% x = 4 x 10-3 m C s = 1.0 wt% C( x, t ) Co Cs Co 0.35 0.0 1.0 0.0 1 erf x t 1 erf ( z) erf(z) = 0.815 Çözüm (dvm): Bu aşamada Tablo 5.1 den hata fonksiyonunun 0.815 değerine karşılık gelen z değerinin bulunması gerekmektedir. Aşağıdaki gibi bir interpolasyon gereklidir z erf(z) 0.90 0.7970 z 0.815 0.95 0.809 Örnek (dvm) z 0.90 0.815 0.7970 0.95 0.90 0.809 0.7970 z 0.93 çözümü z x t x 4z t x 4 z t 3 (4 x 10 m) (4)(0.93) (49.5 h) 1h 3600 s 11.6 x 10 m /s 15

Çözüm (dvm): Örnek (dvm) Bulunan değeri için sıcaklığ değerinin çözümü için difüzyon sıcaklık ilişkisi denklemi yeniden düzenlenir o Tablo 5. den YMK (FCC) Fe içinde C difüzyonu için o =.3 x 10-5 m /s Q d = 148,000 J/mol T o exp Q d RT Q d R( ln ln) T (8.314 J/mol - K)(ln 148,000 J/mol 5 11.3x10 m /s ln.6x10 m /s) T = 1300 K = 107ºC Örnek: Kimyasal Korumalı Giysi Metilen klorür boya sökücülerde sık kullanılan bir bileşendir. Tahriş edici olmasının yanısıra cilde nüfuz edebilir. Boya sökücü kullanıldığında koruyucu eldiven kullanılmalıdır. Bütil lastik eldivenler (0.04 cm kalınlıkta) kullanıldığında, geçme süresi (t b ) nedir, yani metil klorür cilde nüfuz etmeksizin eldiven ne süreyle kullanılabilir? Veri Bütil lastiğin difüzyon katsayısı: = 110 x10-8 cm /s 16

Örnek (dvm) Çözüm doğrusal konsantrasyon rampası varsayımıyla C 1 boya sökücü eldiven x 1 x C cilt geçme süresi = t b t b 6 x x1 0.04 cm = 110x10-8 cm /s Equation from online CPC Case Study 5 at the Student Companion Site for Callister & Rethwisch 8e (www.wiley.com/ college/callister) t b (0.04 cm) -8 (6)(110 x 10 cm /s) 40 s 4 min Geçme süresi: 4 dakika 33 17