MARMARA ÜNİVERSİTESİ MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİTEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜMAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MALZEME BİLİMİMALZEME BİLİMİ

Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİRYrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

MALZEME BİLİMİMALZEME BİLİMİKristal Yapı HatalarıKristal Yapı Hataları

MALZEMELERİN YAPISI

� Atomaltı seviyede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar / nötronlar ve bunların etkileşimi,

� Atomik seviyede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar,

� Mikroskopik seviyede: Mikroskop kullanılarak incelenen mikroyapı (tanecik boyutu ve şekli vs.)(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. Fick kanunları

– Difüzyon katsayısı, Difüzyon tipleri– Difüzyon katsayısı, Difüzyon tipleri

� Çizgisel kusurlar (1-boyutlu):

- Dislokasyonlar

– Burgers vektörü

– Dislokasyon çeşitleri

– Dislokasyon yoğunluğu

� 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� Noktasal kusurlar

� Çizgisel kusurlar

� Yüzeysel kusurlar

Noktasal kusurlar: (a) atomsal boşluk (vacancy), (b) arayer (interstitial) atom, (c) küçük yeralan (substitutional)atom, (d) büyük yeralan atom, (e) Frenkel kusuru: Bir atomun yer değiştirerek, boş yer ile fazladan bir arayer atomunun oluşturduğu kusur,(f) Schottky kusuru: 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 safkompozisyonlarda imal etmekmümkün olamamaktadır.

� Malzemeler yapılarının içerisinde� Malzemeler yapılarının içerisindebelli oranlarda farklı atomlarıçözebilirler. Bu durum “katıçözeltiler” olarak adlandırılır.

� Katı çözelti, sıvı çözeltiyle tamamenkarışma açısından benzerlik gösterir.

KATI ÇÖZELTİ

� Katı çözeltide çözen ve çözünen vardır.

� Örneğin Cu-Ni alaşımında; Ni, Cu içerisinde tamamen yeralan katı çözeltioluşturacak şekilde çözülebilir.

Interdifüzyon: Bir alaşım veya difüzyon çiftinde atomlar yüksekkonsantrasyondan düşüğe doğru göçetmeye meyillidirler

Cu: Çözen

Ni: Çözünen

� Metalik malzemelerde iki elementin birbirine tamamen ve her orandakarışarak katı çözeltinin elde edilmesi için Hume-Rothery kuralınınsağlanması gerekir.

� Hume-Rotery kuralı

� Atom yarıçaplarındaki farkın %15’ten az olması gerekir.

� İki elementinde aynı kristal yapıya sahip olması gerekir.

HUME-ROTHERY KURALI

� Aynı elektronegatifliğe (elektron çekme kabiliyeti) sahip olmalarıgerekir.

� 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 oC üzerinde Au ve Cu atomları YMKyapıda rastgele bulunurlar,

• Daha düşük sıcaklıklarda Cu, yüzey merkezlerini, Auköşe noktalarının tercih eder.

– Seramikler AuCu3 yapısı gösterir.– Basit kübik bravis indislerine sahip olurlar.

(Düzenli istiflenme birim hacimde atom karışımoranları sabit ve kafes içindeki yerleri belli)(Düzenli istiflenme birim hacimde atom karışımoranları sabit ve kafes içindeki yerleri belli)

ARAYER KATI ÇÖZELTİSİ

Eğer atom çok küçükse, normal atom

konumları enerji açısından kararsızlık

oluşturabilir bu durumda arayerler

tercih edilebilir.

• Örneğin C, α-Fe içerisindearayerlerde daha stabildir.Fakat en fazla ancak %0,1oranında çözülebilirler.

İYONİK HATALAR: BOŞLUK

Eğer yüklü bir iyon bulunması gereken yerde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğiniortadan kaldıracak şekilde diğer yüke sahip iyon pozisyonlarında da boşluk vardır. Buduruma Schottky kusuru adı verilir.

Eğer bir iyon yerinde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğini ortadan kaldıracak aynıyüke sahip başka bir iyon arayer pozisyonlarında da bulunabilir. Bu duruma Frenkelkusuru adı verilir.

Noktasal hatalar: Kristalde bir veyabirden fazla bölgede oluşan kusurlardır.Boşluk şeklindedirler.Genişlemiş hatalar: Kristalinmalzemede belirli bir hacmi içine alanatom veya iyonların oluşturduğuhatalardır (ör. Dislokasyonlar ve istifhataları)Boşluk: Bir atom veya iyon kristalyapıda bulunması gereken yerde yoksaboşluk oluşur.Arayer hatası: Bir atom kristalde latisnoktası dışında bir yere yerleşirse arayernoktası dışında bir yere yerleşirse arayerhatası oluşur.Yeralan hatası: Normal latis noktasındabulunan bir atom başka bir atom ile yerdeğiştirirse oluşan hata türüdür. Değişenatomların genelde boyutları aynı değildir.

İyonsal cisimlerde kararlı yapı için net elektriksel yükün sıfır olmasızorunludur. Bunlarda zıt işaretli iyon çifti eksik olursa Schottky

Hatası, yer değiştirmiş iyon Frenkel Hatası oluşturur.

Interstitialcy - Arayerimsi: Normal atomun kristalde arayer alanınıişgal ederse oluşur.

interstitialcy diffusion: arayer atomu yayınımı

Frenkel hatası: İyon arayer bölgesi oluşturmak içinhareketlendiğinde arkasında boşluk bırakır.

Schottky hatası: İyonik bağlı malzemelerde görülen noktasalSchottky hatası: İyonik bağlı malzemelerde görülen noktasalhatadır. Nötr hali koruyabilmek için stokiometrik olarak gereklianyon 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.

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.

AKTİVASYON ENERJİSİ

Malzemenin sıcaklığı arttığında yüksek enerjili atom bulunma ihtimali, dolayısıyla bueşik değerini aşarak kusur oluşma şansı artar.

Hareket Yönü

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 oluşanısıl enerji kusur oluşumu için gereken aktivasyon enerjisinisağladığında 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 yüketkisinde akma gerilmesinin altında,gerilme etkisiyle sürekli ve yavaşolarak plastik uzama kaydetmesiolayıdır. Sürünme genellikle yükseksıcaklıklarda bazen de odasıcaklığında meydana gelir. Sürünmeher sıcaklıkta gerçekleşebilir, kurşunoda sıcaklığında ve sabit yük altındaönemli ölçüde uzama gösterir.

Üstel fonksiyon, matematiğin en önemlifonksiyonlarından biridir. ex veya exp(x) sembolleriylegösterilir. Burada e, yaklaşık değeri 2,718 olan Eulersayısını temsil eder, x ise gerçel ya da karmaşık birdeğişkendir. Kuvvet fonksiyonunun tersine, değişkentabanda değil üstte olduğu için bu fonksiyona üstel denir.

• Malzeme, mükemmel kristal yapıya sahip olsa idi atom veya iyonlar yayınma için gereken açıklıkları bulamazlardı.

• Dolayısı ile katı hal yayınma için noktasal kusurların varlığı gereklidir.

• Yayınma 2 türde olabilir: (a) Atom / Boşluk göçü (b) Arayer göçü.

YAYINIM (DİFÜZYON)

Şekil: Atomsal yayınma boşluk hareketi ile olmaktadır. Atom hareket yönüyle boşlukhareket yönü birbirinin ters istikametidir.

Gelişigüzel hareket (Random walk) karakteri gösterenarayer hareketine dayalı difüzyon mekanizması

A ve B malzemelerinin karşılıklı difüzyonu. Herikisi de gelişi güzel hareket doğrultularıgösterseler de A ve B konsantrasyon profilinde netbir akış olmaktadır.

Fick Kanunları difüzyon kurallarını verir…

1. Fick kanunu: Yayınım akış hızı2. Fick kanunu: Konsantrasyon profili• Atom konsantrasyonun yüzeyden içeri doğru zamanla değişimi 2.

Fick kanunu ile ifade edilir.• 2. Fick kanunu, 1. Fick kanununun türevidir.• 2. Fick kanunu, 1. Fick kanununun türevidir.

1. FİCK KANUNU: YAYINIM AKIŞ HIZI

• Cu sağ tarafa doğru Ni’in içine doğru, Ni soltarafa Cu’ın içine doğru yayılır.

• Yayınım akış hızı 1. Fick kanunu ile ifadeedilir.

• Yayınma noktasal kusurların yoğunluğuna bağlı olduğu için sıcaklığın kuvvetli bir fonksiyonu.

• Yayınma katsayısı konsantrasyonun fonksiyonu değildir. Çözen ve

YAYINMA KATSAYISI

fonksiyonu değildir. Çözen ve çözünen çifti için tanımlanır.

Figure: Diffusion in ionic compounds. Anions can only enter other anion sites.Smaller cations tend to diffuse faster

Anions: - iyonCations: katyon

Farklı Yayınım YollarıFarklı Yayınım Yolları

Hangi mekanizmanın etkin olduğu, omekanizma için gereken bölgeninbüyüklüğüne bağlı: Toz malzemelerdeyüzey difüzyonu, küçük taneli katılardatane sınırı difüzyonu etkin olur.

Yayınma mekanizmaları:

� Hacimde yayınma (Kafes içinde)

� Tane sınırında yayınma

� Yüzeyde yayınma

� A - Yayınmada Kristal türleri önemli rol oynamaktadır. Buna göre Catomunun Demir içinde yayınması (arayer yayınması) göz önünealınacak olursa:

� QHMK < QYMK

� Yani HMK yapıda YMK yapıda yayınmaya göre daha az enerji ihtiyacıvardır (nedeni HMK yapı Atomsal dolgu faktörü = 0,68; YMK yapıAtomsal dolgu faktörü = 0,74).

� B – Ayrıca Yayınma Kristal kafes (Bulk Diffusion) içinde (Q ; D ); Tane� B – Ayrıca Yayınma Kristal kafes (Bulk Diffusion) içinde (QH; DH); TaneSınırlarında (QTS; DTS); Yüzeye (QY; DY) göz önüne alındığında;

� QH > QTS > QY

� DH < DTS < DY

� Yüzeyde en hızlı en kolay, tane sınırlarında orta zorlukta ve taneiçinde yani kristal kafeste en yavaş ve en zor gerçekleşir.

� Kafesteki düzensizlikler (kusurlar) arttıkça veya yüzeydeki gibiserbestlik 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 oluşturacakşekilde birbirleri ile kaynaması.

� Toz metalurjisinde – Toz başlangıç malzemelerinde yekpare makine parçalarınınimali.

� Elektro seramik malzemelerde – elektrik iletken seramiklerin imali.

� Tane büyümesinde – Tane sınır alanlarının azaltılması için tane sınırlarınınhareketi ile büyük tanelerin oluşturulması

� Difüzyon kaynağında – 2 yüzeyin basınç ve sıcaklık altında birbirinebirleştirilmesi için kullanılan kaynak tekniği.

� Yüzey sertleştirme – metal yüzeylere sertleştirme kabiliyeti olan elementlerinemdirilmesi. Çeliğe karbon veya bor emdirilmesi vs.

Figure 1: Particles of barium magnesium tantalate(BMT) (Ba(Mg1/3 Ta2/3)O3) powder are shown. Thisceramic material is useful in making electroniccomponents known as dielectric resonators thatare used for wireless communications. (Courtesy ofH. Shirey.)

Figure 2: The microstructure of BMT ceramicsobtained by compaction and sintering of BMTpowders. (Courtesy of H. Shirey.)

Figure: Grain growth occurs as atoms diffuse across the grain boundaryfrom one grain to another

Figure: Grain growth in alumina ceramics can be seen from the SEM micrographs ofalumina ceramics. (a) The left micrograph shows the microstructure of an aluminaceramic sintered at 1350oC for 150 hours. (b) The right micrograph shows a samplesintered at 1350oC for 30 hours. (Courtesy of I. Nettleship and R. 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) grainboundary diffusion permits voids to shrink; and (d) final elimination of the voidsrequires volume diffusion

DİSLOKASYONLAR

� Kenar dislokasyonu

� Vida dislokasyonu

� Karma dislokasyonlar

• 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.

DİSLOKASYON

• En önemli oluşum sebepleri plastik(kalıcı) şekil değişimleridir.

• Malzemelerin mekanik özelliklerindeönemli role sahiptirler.

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

DİSLOKASYON

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.

Burgers vektörü: Dislokasyonların hareket yön ve büyüklüklerini ifade etmek içinkullanılan parametredir.

� Yön ve şiddet belirtir.

� Dislokasyonun kafes içerisinde ilerlemesi için gereken minimum mesafeyi gösterir.

DİSLOKASYON - Burgers vektörü

Not: Burgers vektörü kenar dislokasyonuna diktir.

Burgers vektörünün bulunuşu:

– Hatanın etrafında eşit adım sayısındayanlara, yukarı ve aşağı yönlerde hareketedilir.

– Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geridönülürken hata içeren kristalde kapalı birçevrim elde edilemez.

– Çevrimin tamamlanması için gerekendeplasman miktarı burgers vektörü ile ifadeedilir.edilir.

Diğer önemli kavramlar.• Dislokasyon çizgisi: Ek yarı düzlemin alt sınırında atomların oluşturduğu

çizgidir.• Kayma düzlemi: Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzlemdir.

• Kenar dislokasyon, kafes içerisine ilave edilen tam olmayan ek düzlemdir.

• Pozitif kenar dislokasyonu � sembolü ile ifade edilir. Ek yarı düzlem kaymadüzleminin üzerindedir.

• Negatif kenar dislokasyonu � sembolü ile ifade edilir ve dislokasyon kaymadüzleminin altında bulunur.

KENAR DİSLOKASYONU

(a) kusursuz kristal yapı (b) Extra düzlemin oluşturduğu kenar dislokasyon(c). Kenar dislokasyonu etrafında çevrimi tamamlamak için gereken Burgersvektorü b.

a) Kenar dislokasyonu,

b) Kayma kuvveti uygulandığında dislokasyon birBurgers vektorü kadar ilerler.

c) Hareket devam ettiğinde kristal bir basamakoluşturur

d) Kayma hareketi kırkayağın hareketinebenzetilebilir.

Şekil: Solucanı dislokasyonolmadan hareket ettirmekçok 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 bvida dislokasyonu etrafındaki eşit atom aralığını kapatmak için gereklidir.

KARMA DİSLOKASYON

Karma dislokasyonda dislokasyon çizgisi eğrişeklindedir.

Karma dislokasyon hem kenar hem de vida

dislokasyonu karakteri gösterir.

Ön tarafta bulunan vida dislokasyon yantaraflara doğru yavaş yavaş kenardislokasyonu karakteri kazanır.dislokasyonu karakteri kazanır.

DİSLOKASYONLARIN ÖNEMİ

� Dislokasyonlar, plastik şekildeğişimi açısından çok önemlidir.

� Nasıl noktasal kusurlar olmadanyayınım çok zor gerçekleşiyorsadislokasyon olmadan plastik şekildeğişimi çok zor gerçekleşir.değişimi çok zor gerçekleşir.

� Dislokasyonların oluşumu:

– Katılaşma sırasında

– Plastik şekil değişimi sırasındaoluşur.

Gerilme, Hooke kanunu, Elastik Şekil Değişimi ve Dayanım Şekil Değişimi ve Dayanım

GERİLME

• Yapılan teorik çalışmalar, malzemelerin dayanımlarının Elastik modüldeğerlerinin 1/10 civarında olması gerektiğini göstermektedir.

• Mesela Cu’ın teorik dayanımı 1.000 MPa’dır. Fakat deneysel dayanım 1MPa 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.• Kayma, dislokasyonların varlığı ile çok kolay bir şekilde gerçekleşir.

• En yumuşak halde yapı 106 adet/cm2 dislokasyon yoğunluğuna sahiptir.

γτ ×= Gτ = Kayma gerilmesiγ = Kayma birim şekil değişimiG = Kayma modülü

Kayma gerilmesi

Dayanım (Strength) plastik şekil değişimine karşı gösterilen dirençtir.

εσ ×= E

Normal gerilme

Dayanım (Strength) plastik şekil değişimine karşı gösterilen dirençtir.

σ = Normal gerilmeε = Birim şekil değişimiE = Elastiklik modülü

F

Tek kristal bir çubuk belli bir yöndençekme gerilmesi ile çekilirse, etkieden kuvvete dik yöndeki alandanormal gerilme ve kayma gerilmesi:

0=

=

τ

σoA

F

F

Ao

• Schmid kuralı: Kayma gerilmesi ile uygulanan gerilme ve kayma yüzeyi ve kayma doğrultusu arasındaki ilişkiyi tanımlar.

o

Kayma

Do�rultusu

• 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.

KAYMA SİSTEMLERİ

• 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.

� 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

ARA ÖZET….

gelen fakat kaldırıldığında ortadan kalkan kalıcı olmayan şekil

değişimidir.

� Dislokasyon yoğunluğu: Malzemenin birim hacminde (cm3) bulunan

toplam dislokasyon uzunluğudur.

•••• •••••••• ••••

••••SDHYMKHMK

••••Kristal kafes sistemlerinde en yoğun atom düzlem ve doğrultuları

Not: Sıkı düzen hegzagonal/Hegzagonal sıkı paket (Hexagonal closed packed) yapı SDH

Dislokasyonlar metal kafeslerinde kolay ilerlerler. Çünkü kafes içindeki tümatomlar elektronlarını ortak olarak kullandıkları için, dislokasyon hareketisonrası kristalin elektrik yükleri bakımından bir değişime uğramaz.

Bir malzemenin kalıcı şekil değiştirmesini zorlaştırmak yani “AkmaMukavemeti”ni artırmak için en etkin önlem dislokasyon hareketinizorlaştırmaktır.Bu engeller:� Tane sınırları arttıkça (Yani tane boyutları küçüldükçe);

1

DİSLOKASYON HAREKETİNİ ZORLAŞTIRMAK

� Tane sınırları arttıkça (Yani tane boyutları küçüldükçe);� Kafes içindeki yabancı atomlar (Kristal yapının çarpılması ve kaymasistemlerinin bloke olması);� Daha önce kalıcı şekil değişimine uğramış malzemelerde yoğunluğu artmışolan dislokasyonlar birbirlerinin hareketlerini engellerler.

Bu engeller nedeniyle dislokasyonlar üst üste yığılır bu defa malzemenin kalıcışekil değiştirebilmesi için bu dislokasyonları harekete geçirebilmek içingereken gerilmenin (kuvvetin) arttırılması gerekir. Çünkü malzemenin şekildeğişimine karşı direnci artmıştır. Bu olaya “Pekleşme” denir.

Alaşımlama; kafesin içine çok sayıda arayer ve yeralan atomlarınıngirmesi demektir. Bu nedenle dislokasyon hareketi zorlaşır ve malzemeninakma dayanımı artar.

Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve yayınma artacağından, kalıcı şekildeğiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren kristallerde atomlaryeniden düzenlenir (Yeniden Kristalleşme) ve dislokasyon yoğunluğudüşeceğinden pekleşmenin etkisi ortadan kalkar.

DİSLOKASYON HAREKETİNİ ZORLAŞTIRMAK

Seramiklerde, kristal yapının karmaşıklaşması nedeniyle dislokasyon

hareketleri görülmez ve bu malzemelerde kalıcı şekil değiştirmek mümkündeğildir.

Buna neden hem kafes yapılarının karmaşık oluşu, hem de düzlemlerinötelenmesi ile örneğin iyonik kristallerde elektrik yüklerinin dağılımındadengesizliklerin ortaya çıkmasıdır.

Yüzeysel Kusurlar

Düzlemsel Kusurlar – 2 Boyutlu 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– 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.

�ekil: 2 kristal bölgeyi birbirinden ayıran ikiz sınır

(a) Mükemmel kristal.

(b) �kizlemeden dolayı atomlardaki ötelemePrinçte ikizleme sınırları

KÜÇÜK AÇILI TANE SINIRLARI

• Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçükaçılı tane sınırları eğik sınırlar, vida dislokasyonununneden olduğu sınırlar ise burkulma sınırları olarakadlandırılır.

� Kristal içerisinde kenar dislokasyonlarının üst üste dizilmesi ile meydana gelir.

• Genelde ısıl aktivasyon (poliganizasyon) ile gerçekleşir.

• Dislokasyonların meydana getirdiği iki komşu dizilim arasındaki açı 10o 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 büyümüşkristaller arasında kalan sınır yüzeyidir.

• Mühendislik malzemeleri, elektronik sanayii hariçgenelde çok tanelidir-polikristal.

• Tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına(anizotropi - malzemelerin farklı yönlerde farklı(anizotropi - malzemelerin farklı yönlerde farklıözellikler göstermesi) karşın çok taneli malzemelertanelerinin çok sayıda ve konumlarının rastgeleolması nedeniyle izotrop olarak kabul edilir.

� Tane sınırları, dislokasyonun hareketiniengellemektedirler.

� Bu nedenle plastik şekil değişimi içindaha fazla gerilme gerekir böylecemalzemenin dayanımı artmış olur.

� Küçük taneli malzemeler büyüktanelilere göre daha dayanımlıdır.

TANE SINIRLARI

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 boyutunun belirlendiği birteknik, ASTM (Test ve Malzemeler İçinAmerikan Birliği) tane boyunumarasıdır. Her metrekaredekitanelerin sayısı x 100 defa büyüterekçekilen bir metal fotoğrafındanbelirlenir.

TANE BOYUTU

belirlenir.

� Her metre karedeki tane sayısı Nolmak üzere N = 2n+3 göre ASTM taneboyu sayısı n hesaplanır. Eğer inçkaredeki tane sayısı söylense idi budefa formül N = 2n-1 olacaktı.

� Büyük bir ASTM numarası çok sayıdataneyi veya çok ince tane boyutunugösterir ve bu durum yüksekdayanımla ilişkilidir.

Mikroskoplar:

� Optik mikroskoplar

� Elektron Mikroskopları

– Transmisyon Elektron Mikroskobu

– Tarayıcı Elektron Mikroskobu

Elektron Mikroskopları: Bu mikroskoplar,elektronların parçacık ve dalga etkileşimindenyararlanır. Hızlandırılmış elektronlar çok kısa dalgaboyuna sahip olup kısa dalga boyları ile daha fazlabüyütme oranları ve daha iyi ayırma gücü elde edilir.Ayırma gücü (standart elektron mikroskobunda)birkaç nanometre seviyesindedir. Elektronmikroskobunda ışının geçtiği bölge yüksek vakumaltındadır.

ELEKTRON MİKROSKOPLARI

SEM - TARAYICI/TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU

Şekil 2: Paslanmaz çelik kırık yüzeyi (304 tip X180).

Şekil 1: Apollo 11’in getirdiği aya ait toprak.

SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu)

Şekil: Pb-Sn lehimi: (a) normal fotoğraf, (b) Pb elemental dağılım (açık renk) haritası (c) Sn elemental dağılım (açık renk) haritası

OPTİK MİKROSKOPLAR

• Numune yüzeyine gönderilen ışınlar,yüzeyden yansır. Daha sonra bunlarmercek sisteminde toplanır ve busayede büyütülmüş bir görüntü eldeedilir.edilir.

• X2000 büyütme elde etmekmümkündür. Çözünürlük 0,5 µm kadarolur.

• Mikrometre boyutunda taneler, yüzeytopografyası, fazlar vs. tespit edilebilir.

Figure: Microstructure of palladium (x 100).

(From ASM Handbook, Vol. 9, Metallography and 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, florasan bir 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) dislokasyonormanı (forest), (c) tane sınırları ve D-dislokasyon.