MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI) Bölüm 3 Atomik ve İyonik Dizilmeler Düzenlerde Hatalar
Hedefler 1) 3 temel hatayı tanımlamak: Noktasal Hatalar Çizgisel Hatalar (dislokasyonlar) Yüzey Hataları 2) Değişik tür hataların neden ve etkilerini araştırmak
Gerçekte kristaller hiç bir zaman kusursuz değildir, alaşımlarda soğuk şekillendirilebilirlik, yarı iletkenlerde elektrik iletkenliği, atomların hareket hızı ve metallerde korozyon gibi bir çok fiziksel ve mekanik özelliği etkileyen kusur içeriler. Kusurların malzeme özelliklerine büyük etkisi vardır. Kristal kafes kusurları geometrilerine ve şekillerine göre sınıflandırılabilir; 1) Sıfır boyutlu nokta kusurları 2) Bir boyutlu çizgi kusurları (Dislokasyonlar) 3) İki boyutlu yüzeyler ve tane sınırları kusurları 4) Üç boyutlu hacim kusurları (gözenekler, Çatlaklar ve yabancı maddeler)
1) NOKTA KUSURLARI 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.
Isıl titreşimler sonucu oluşan boşluk sayısı termodinamik olarak hesaplanabilir; Nv = Kristal kafesinin belirli bir hacmindeki atom boşluğu sayısı (atom/m 3 ) Ns = Kristal kafesin birim hücresindeki atom sayısı (atom/m 3 ) Qv = Mükemmel bir kristalde bir atom boşluğunun oluşabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisi (ev/atom) T = Mutlak sıcaklık ( K) K = Gaz veya Boltzmann sabiti (8.62 x 10-5 ev/atom K) Bu eşitlik kullanılarak yapılan hesaplamalarda oda sıcaklığında bakırda 10 15 latis atomuna 1 boşluk olduğu, yüksek sıcaklıklarda ergime sıcaklığının hemen altında ise 10 000 atoma 1 atom boşluğu oranı tespit edilmiştir. Düzenli latis içinde normalde yer alan konumdan metal atomunun ara yere ve öz ara yerimsi konuma geçmesi büyük distorsiyona (çarpılma) neden olur ve öz arayerimsi oluşum enerjisi boşluk enerjisine göre 3 kat daha büyüktür ( Qö x 3Qv).
2. ÇİZGİSEL KUSURLAR (Dislokasyonlar) Hatasız bir kafesteki çizgi hatalarıdır. Vida Dislokasyonu: Kristalin burulması ile bir atom düzleminin spiral bir rampa üretmesi ile oluşur. Kenar Dislokasyonu: Kristale ekstra yarım bir düzlemin girmesi ile oluşur. Karışık dislokasyonlar: Kısmen kenar kısmen vida dislokasyonuiçeren dislokasyonlardır. Kayma:Metalik malzemelerin deformasyonudur, kristal boyunca oluşur.
Kenar dislokasyonu işareti ile karakterize edilir. Bu işaret yukarıya doğru ise () ekstra atom düzleminin kayma düzleminin üzerinde olduğu anlaşılır ve bu durumda dislokasyon pozitiftir. Eğer işaret ( T ) aşağıya işaret ediyorsa, ekstra atom düzleminin kayma düzleminin altında olduğunu gösterir ve bu durumda dislokasyon negatiftir. Kenar dislokasyon etrafındaki atomların yer değiştirme mesafesi, kayma veya Burger vektörü b olarak tanımlanır ve kenar dislokasyon çizgisine diktir. Dislokasyonun hareketi burgers vektörü ile aynı yönde ise bu dislokasyonun hareketi kayma hareketi olarak tanımlanır. Ancak, eğer dislokasyon burgers vektörüne dik açıda hareket ederse bu hareket dislokasyon tırmanması olarak adlandırılır. Bu, dislokasyon ekstra yarım atom düzleminin kısalması veya uzamasına neden olur. Bu durum ancak atom boşluklarının dislokasyon çizgisine hareketi (difüzyonu) ile mümkün olur.
Kenar dislokasyonun önemli özelliklerini şu şekilde özetleyebiliriz; Kenar disloaksyonu bir kristal içinde ekstra bir yarım atom düzlemidir. Burgers vektörü dislokasyon çizgisine diktir. Kayma düzlemi, dislokasyon çizgisi ve burgers vektörünün oluşturduğu düzlemi ile tanımlanır. Kayma hareketi kayma düzlemi üzerindeki atomların, bu düzlemin altındaki atomlara göre bir burgers vektörü kadar hareket etmesine neden olur. Dislokasyon tırmanma hareketi, ekstra yarım atom düzleminin büyüklüğünün değişmesi ile oluşur ve bu durum kristal içinde boşlukların yok edilmesi veya oluşturulması ile gerçekleşir. Vida dislokasyonun oluşturduğu kusurun büyüklüğüne ve yönünü saptamak için Burgers çemberi uygulanır. 360 derecelik dönme tamamlanınca çemberin açık kaldığı görülmektedir. Açık kalan kısım burgers vektörüdür ve b, dislokasyon çizgisine paraleldir. Aynı şekilde hareketin devam edilmesi durumunda dislokasyon çizgisi boyunca bir spiral çizildiği görülür. Bundan dolayı bu tür kusura vida dislokasyonu denir
Vida dislokasyonunun yapısını belirleyen bazı önemli özellikler kısaca; Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir. Bu nedenle dislokasyon çizgisi ve burgers vektörü belirli bir kayma düzlemini tanımlamaz (kenar dislokasyonunda belirliyordu) Bu dislokasyon kenar dislokasyonunda olduğu gibi ekstra bir yarım atom düzlemi gibi düşünülemez. Dislokasyon çizgisi bir kristalin bütünü içinde hareket ettiğinden, kayma düzleminin alt ve üstündeki atomların birbirinden b vektörü kadar hareket ederek ayrılmasını sağlar. Bir metal şekil değiştirmeden önce metalin her mm 3 yaklaşık 10 4 mm dislokasyon içerir. Bu dislokasyon miktarı nispeten küçük bir dislokasyon miktarıdır. Akma geriliminden daha yüksek gerilim uygulandığında dislokasyonlar kaymaya başlar. Sonunda kayma düzleminde hareket eden bir dislokasyon çizgisi uçlarını tutan engellerle karşılaşır. Gerilim uygulanmaya devam edildiği takdirde dislokasyon hareketine merkezden kavislenerek halka oluşturana dek devam edebilir. Dislokasyon halkayı tamamlayıp uçları kendine dokunduğunda yeni bir dislokasyon üretilir. Dislokasyon üreten bu mekanizma Frank-Read kaynağı olarak adlandırılır. Dislokasyon miktarı metalin her mm 3 nde yaklaşık 10 10 mm dislokasyon çizgisine yükselebilir.
Dislokasyon hareketini zorlaştıran yabancı atomlar, tane içi çökeltiler, tane sınırları, kesişen dislokasyonlar ve kristal düzlemlerinin distorsiyonu gibi etkenler sertlik ve mukavemeti arttırır.
KAYMA Kayma, dislokasyonların hareketi sonucunda atom düzlemlerinin birbiri üzerinde kayması veya ötelenmesi anlamına gelir. Dislokasyon çizgisinin hareket ettiği doğrultu kayma doğrultusu, kenar dislokasyonları için Burgers vektörlerinin doğrultusudur. Kayma esnasında kenar dislokasyonu Burgers vektörü tarafından oluşturulmuş düzlemi ve dislokasyonu dışarı götürür; bu düzlem kayma düzlemi olarak adlandırılır. Kayma doğrultusu ve kayma düzleminin bütününe kayma sistemi denir. Metalik Yapılarda Kayma Düzlemleri ve Doğrultuları Kayma doğrultusu sıkı paket (atom yoğunluğunun en fazla olduğu) doğrultudur ve kayma düzlemi bir sıkı paket düzlemidir.
Örnek: Dislokasyon içeren 4.0 A uzunluğunu belirleyiniz. (222 )düzleminde kafes parametreli bir HMK yapının burgers vektör a 4 d 1. 555 2 2 2 2 2 2 h k l 2 2 2 Dislokasyonların Gözlenmesi Dağlama noktaları/pits Dislokasyonların yüzeye ulaştığı alanlarda küçük boşluklar oluşur. Bu boşluklar dislokasyonların varlığı ve yoğunluğunun tespiti için kullanılır. Kayma çizgileri Metalik malzeme yüzeyinde binlerce dislokasyon tarafından üretilen gözle görülebilir çizgilerdir. Kayma bantları Birçok kayma çizgisinin toplamıdır ve gözle görülebilir. o
Dislokasyonların Önemi Kayma işlemi özellikle metallerin mekanik davranışlarının anlaşılmasına yardımcı olur. Metallerin dayanımının metalik bağdan tahmin edilen değerden neden çok daha az olduğunu açıklar. Metallerde süneklik sağlar. Metal veya alaşımların mekanik özelliklerinin kontrol edilmesini sağlar. Dislokasyonsuz bir malzeme yüzey boyunca bağların tümünü koparmakla kopabilirdi. Dislokasyon kaydığında ise bağlar yalnızca dislokasyon çizgisi boyunca kopar. Plastik Deformasyon güç veya gerilim uygulandığında malzemelerin şekillerinde oluşan geri dönülmez değişimdir. Elastik Deformasyon Gerilim ortadan kaldırıldığında deformasyonun/şekil değiştirmenin ortadan kalkmasıdır. Dislokasyon Yoğunluğu Malzemenin bir santimetre kübündeki toplam dislokasyon uzunluğudur.
Kayma kuvveti Fr = F Cos Bu eşitlik kayma düzlemi alanına (A=A 0 /Cos) bölünürse Schmid kanunu elde edilir; r= Cos. Cos
Bir kayma sistemi en azından ve =45 'ye yakın açı oluşturmak için yönelmişse, düşük gerilimler altında r= krit gerçekleşir. HSP metaller sadece bir grup paralel sıkı paket düzlem setine sahip olup, (0001) düzlemleri ve üç kayma sistemi sağlayan üç sıkı paket yönü vardır. Bunun sonucu olarak, sıkı paket düzlemler ve yönlerin ve 45 'ye yakın ve açısı ile yönelme ihtimali çok zayıftır. HSP metaller önemli ölçüde kayma olmaksızın kırılgan bir şekilde kopabilirler. YMK metaller {111} yapısında paralel olmayan sıkı paket düzlemleri ve her düzlemin içinde <110> yapısında üç sıkı paket yönü içermektedir ve böylece toplam 12 kayma sistemi oluşmaktadır. Düşük gerilim uygulamalarında kayma için en azından bir kayma sistemi uygun bir şekilde yönelmiştir. Bu durum YMK metallerin düşük dayanım ve yüksek sünekliğe sahip olmasına neden olmaktadır. HMK metaller hemen hemen 48 kadar, sıkı paket kayma sistemine sahiptir. Pek çok kayma sistemi, kaymanın her zaman olması için uygun bir şekilde yönelmiştir. Gerçekte pek çok muhtemel kayma sistemi vardır. Bir kayma düzlemi üzerinde etkiyen dislokasyonlar diğer aktif kayma düzlemleri üzerinde hareket eden dislokasyonlarla kesişebilir. Bu kesişme HMK metallerde yüksek dayanıma neden olur ise de, bir miktar süneklik sağlar.
Çapraz kayma: Kayma düzlemi üzerinde hareket eden bir dislokasyonun bir engelle karşılaştığını ve daha ileri hareketin önünün kesildiği düşünülsün. Dislokasyon, uygun şekilde yönelmiş iki kesişen kayma sistemine de kayabilir ve harekete devam edebilir. Bu çapraz kayma olarak adlandırılır. Pek çok HSP metallerde çapraz kayma olamaz, çünkü kayma düzlemleri kesişmez birbirine paraleldir. Bu nedenle HSP metaller gevreklik gösterirler. Fakat HSP metaller alaşımlandığında veya ısıtıldığında ilave kayma sistemleri aktif olur, bu nedenle süneklik iyileşir. Çapraz kayma YMK ve HMK metallerin her ikisinde de mümkündür, çünkü birçok kesişen kayma sistemleri vardır. Çapraz kayma bunun sonucu olarak bu metallerde sünekliğin devam ettirilmesine yardımcı olmaktadır.
Tane Büyüklüğü: Tane sınırı yüzeyinin miktarı metallerin birçok özelliği üzerinde, birinci derecede de dayanımı üzerinde çok etkili olduğundan, çok kristalli metallerde tane büyüklüğü önemlidir. Düşük sıcaklıklarda (erime sıcaklığının yaklaşık yarısından düşük sıcaklıklarda) tane sınırları gerilme altında aykırı yerleşimlerin hareketini önleyerek metallerin dayanımlarını artırır. Yüksek sıcaklıklarda tane sınırı kayması meydana gelebildiğinden, tane sınırları çok kristalli metallerde zayıf bölgeleri oluşturur. Tane büyüklüğünü ölçmenin yöntemlerinden biri ASTM yöntemidir. Bu yöntemde tane büyüklüğü sayısı n, N = 2 n-1 formülünden bulunur. Burada N, parlatılarak dağlanmış malzeme yüzeyinde 100X büyütmede bir inç kareye düşen tane sayısı, n ise ASTM tane büyüklüğü sayısı diye adlandırılan bir tamsayıdır. ASTM, American Society for Testing Materials ın kısaltılmışıdır.
Yüzey hatalarının kayma işlemi ile kesişme etkisi, yüzey enerjilerinden belirlenebilir (Tablo ). Yüksek enerjili tane sınırları, dislokasyonları kilitlemede, istif hatası veya ikiz sınırlarından çok daha etkilidir.
Kaynaklar: W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt: K. Genel, 2013 D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M. Erdoğan, W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001 K. Onaran, Malzeme Bilimi 1997.