Malzeme Kusurları I

1. Malzeme Kusurları I F.Ü. TEF Metal E. Bl.

2. Malzeme Kusurları • Malzeme Bilimi ve Mühendisliği 1 • “Kristaller insanlar gibidir.Onları ilginç kılan kusurlardır” - Colin Humphreys. • • Katılardaki Kusurlar • 0 Boyutlu:Nokta kusurları • boşluklar • arayerler • Empüriteler,ağırlık ve atomik bileşimleri • 1Boyutlu: Dislokasyonlar • kenar • vida • 2 Boyutlu: Tane sınırları • kalkık • bükük • 3 Boyutlu: Hacim kusurları • Atomik titreşimler

3. kusurlar • Gerçek kristaller asla mükemmel değillerdir. Daima kusurlar vardır. • Birçok hata barındıran çok kristalli bir yapının şematik resmi.

4. Kusurlar– Giriş (II) • Kusurların, malzemenin makroskopik özellikleri üzerinde büyük etkisi vardır.

5. Kusurlar – Giriş (III) • Malzemeye uygulanan işlemler özellikleri belirler

6. Nokta kusurları: boşluklar& aynı cins arayerler • Aynı arayerler • Boşluklar • Boşluk– Atom bulunmayan bir kafes noktası • Arayer – Normal bir kafes noktası dışındaki bir yeri işgal eden atom. Bu atom malzemenin kendi atomu olabileceği gibi, yabancı bir atom da olabilir. • diğerleri (aynı atom arayer) veya bir empürite atomundan arayer.

7. Kaç tane boşluk vardır? • Isıl titreşimlerin sonucunda oluşan boşlukların denge sayısı termodinamikten hesaplanabilir. • Nv =Ns exp (-Qv/ kB T) • Burada Ns, düzenli kafes noktalarının sayısı, kB Boltzman sayısı, Qy mükemmel bir kristalde bir boşluk oluşturmak için gerekli enerji, T ise, Kelvin cinsinden sıcaklıktır. • Bu denklemle mesela bakırda oda sıcaklığında her 1015 kafes atomunda 1 boşluk olduğu hesaplanabilir. Halbuki, hemen ergime sıcaklığının altında bu oran 10000 de 1 e düşer. • Bu denklemle sadece muhtemel en az sayıdaki boşluk değerini verir. Ayrıca, bir büyüme sürecinde, veya plastik deformasyon, suya çekme gibi ilave bir işlem sonucunda daha fazla sayıda boşluk oluşabileceği unutulmamalıdır.

8. Oda Sıcaklığında Bakırdaki Boşluk Sayısı • Boltzmann sabiti kB = 1.38 × 10-23 J/atom-K = • 8.62 × 10-5 eV/atom-K • Sıcaklık, Kelvin T = 27o C + 273 = 300 K. • kBT = 300 K × 8.62 × 10-5 eV/K = 0.026 eV • Boşluk oluşum enerjisi Qv = 0.9 eV/atom • Düzenli kafes noktalarının sayısı Ns = NAρ/Acu • NA = 6.023 × 1023 atom/mol • ρ = 8.4 g/cm3 • Acu = 63.5 g/mol

9. Diğer nokta kusurları: aynı atomdan arayerler, empuriteler • Farklı nokta kusurlarının şematik görünümü: • (1) boşluk; • (2) aynı atomdan arayer; • (3) arayer emürite; • (4,5) yer alan atomlarından empüriteler • Oklar nokta kusurlarının neden olduğu gerilmeleri göstermektedir. Aynı cins atomdan arayerler • Metallerde aynı cins atomdan arayerler etraflarındaki matriste çok büyük deformasyonlar meydana getirirler. Bu tür arayerlerin oluşum enerjileri boşluk oluşum enerjisinden yaklaşık 3 kez daha fazladır (Qi • ~ 3×Qv) • Aynı cins atomdan arayerlerin denge konsantrasyonu çok düşüktür (oda sıcaklığında (T), cm3 te 1 den daha az)

10. Empuriteler (safiyet bozucular-yabancı atomlar)Alaşımlar • Empuriteler – ev sahibi atomlardan farklı olan atomlar dır. • Bütün gerçek katılar heterojendir. Çok saf metaller % 99.9999 oranında saftır. • - Yani, 106 atomda 1 empürite vardır. • Empüriteler bazen isteyerek yerleştirilir. • Örnekler: karbon, demire küçük miktarlrda katılarak çelik üretilir. Çelik demirden çok daha mukavimdir. • Bor silisyuma katılarak elektrik özellikleri değişitirilir. • Alaşımlar • Bilerek oluşturulan metal karışımlarıdır. • Örnek: Para üretiminde kullanılan sterlin gümüşü, % 92.5 gümüş – % 7.5 bakır alaşımı olup, saf gümüşten daha mukavimdir.

11. Katı Çözeltiler • Katı çözeltiler. • Ev sahibi çözücümatris ve çözünen bileşenden oluşur. • Çözme yeteneğine çözünürlük denir. • Çözücü: bir alaşımda, daha fazla miktarda bulunan element yada bileşik • Çözünen: bir alaşımda,daha az miktarda bulunan bileşik yada element • Katı çözeltiler: • homojendir • çözücünün ana kristal yapısını korur • gelişigüzel dağılmış , yeralan yada arayer empüriteleri içerirler. • İkinci faz: çözünen atomlar eklendikçe, bir doyum noktasından sonra, yeni bileşikler/yapılar oluşur veya çözünen atomlar lokal çökeltiler oluşturur. • Empürite ilevesinin katı çözelti mi yoksa ikinci faz mı oluşturacağı, empüritelerin doğası, konsantrasyonları ile basınç ve sıcaklığa bağlıdır.

12. Bir yüzeyi alaşımlama • Cu ın (111) yüzeyinin düşük enerjili elektron mikroskop görüntüsü • Sn adacıkları yüzey boyunca hareket ederler ve Cu ı Sn atomları ile alaşımlarlar. Böylece bronz oluşur. • Adacıklar sürekli olarak alaşımlanmamış bölgelere ilerler ve arkalarında ince bronz partikülleri bırakırlar • Sonunda bu adacıklar kaybolurlar.

13. Yer alan katı Çözeltileri • Yüksek çözünme şartları: • Atomik boyut faktörü – çözünen ve çözücü atomların çapları arasındaki fark %15 ten büyük olmamalıdır. • Çözünen ve çözücünün kristal yapıları aynı olmalıdır. • Çözünen ve çözücünün elektronegatiflikleri mukayese edilebilir olmalıdır. Aksi taktirde yeni metallerarası fazların oluşma eğilimi artar. • Çözünenin elektronegatifliği çözücüden daha fazla ise, genellikle daha fazla çözünen çözeltiye dahil olur.

14. Arayer Katı Çözeltileri • C nun α-Fe deki arayer katı çözeltisi. C atomu bir parça deforme ettikten sonra KHM li kafese yerleşecek kadar küçüktür. • Yüksek çözülebilirlik faktörleri: • Kym,khm,hsp li yapılar için konakçı atomlar arasındaki boşluklar yada arayerler nispeten küçüktür. Çözünenin atom çapı çözücününkinden önemli ölçüde küçük olmalıdır. • Normal olarak, maks. çözünen konsantrasyonu ≤ 10%, (2% for C-Fe) KHM li demirde Karbon arayer atomu

15. Bileşim / Konsantrasyon • Bileşim birkaç büyüklükle ifade edilebilir: • Ağırlık yüzdesi, çözelti yaparken faydalıdır. • atom yüzdesi, malzemeyi atom seviyesinde anlamaya çalışırken faydalıdır. • Ağırlık yüzdesi (wt %): Belli bir elementin ağırlığının toplam alaşım ağırlığına oranı. İki bileşenli bir sistem için 1. elementin yüzde olarak bileşimi % ….dir. • Atom yüzdesi (at %): Bir alaşımdaki belli bir elementin mol ya da atom sayısının alaşımın toplam mol yada atom sayısına oranı. İki bileşenli bir alaşım sisteminde, 1. elementin atom yüzdesi olarak bileşimi %... dir. • Burada nm1 = m’1/A1, m’1 1 nolu elementin gram cinsinden ağırlığı, A1 ise 1 nolu elementin atomik ağırlığıdır.

16. Bileşim Dönüştürme Ağırlık % sini Atomik % ye: Atomik %yi Ağırlık %sine:

17. Dislokasyonlar—Çizgi Kusurları(Eksik atom düzlemleri) • Dislokasyonlar çizgisel kusurlardır: Atomlar arası bağlar dislokasyon hattının hemen çevresinde önemli ölçüde çarpılmıştır. Çarpılmış bu alana dislokasyon çekirdeği adı verilir. • Dislokasyonlar aynı zamanda kafesin dislokasyona uzak kısımlarında da küçük deformasyonlar yaratırlar. . • Dislokasyonlar mazlemelerin mekanik özellikleri açısından çok önemlidirler.

18. Dislokasyonların Gösterilmesi—Burgers Vektörü-- • Dislokasyonun ana kafes sisteminde meydana getirdiği çarpılmanın büyüklüğü ve yönünü göstermek için Burgers vektörünü b kullanırız. • Burgers vektörünü bulmak için, Bütün yönlerde aynı büyüklükteki atomik mesafeleri sayarak atomdan atoma bir devre kurmamız gerekir. Eğer devre bir dislokasyonu sararsa, kapanmayacaktır. Düğümü kapatan vektör Burgers vektörü b dir. • Burgers vektörü Dislokasyon çizgisine dik doğrultuda ise bu dislokasyonlara kenar dislokasyonları denir. Kenar dislokasyonu

19. Vida dislokasyonları • İkinci tip dislokasyon: Vida dislokasyonları • Vida dislokasyonu kristalin yöneldiği yöne paralel doğrultuda olan dislokasyonlardır (Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir)

20. Karışık/kısmi dislokasyonlar • Gerçek kristallerdeki dislokasyonların tam yapısı çok daha karmaşıktır. Kenar ve vida dislokasyonları muhtemel dislokasyon yapılarının uç formlarıdır. Çoğu dislokasyon kenar ve dislokasyonu karışımıdır. Dislokasyonlar sık sık çekirdekleri geniş nbir alana dağılmış kısmi dislokasyonlardır.

21. Arayüzey Kusurları • Harici Yüzeyler • Yüzey atomlarının serbest atomik bağları vardır. Bu nedenle enerjileri içteki atomlardan daha fazladır. Yüzey enerjileri γ (J/m2) bundan doğar. • Yüzey alanları küçülmeye çalışırlar (Sıvı damlasında olduğu gibi) • Katı yüzeyleri yüzeydeki atomik bağı tamamlayabilmek için yeniden düzenlenir.

22. Arayüzey Kusurları • Tane sınırları • Çok kristalli malzemeler birçok küçük kristal yada taneden oluşurlar. Taneler farklı yönlenmiş yapı gruplarıdır ve yani farklı kristalografik yönlere sahiptirler. Tanelerin karşılaştığı yerlere tane sınırı denir. Buralarda atomlar arası uyumsuzluk vardır ve buralarda da enerji seviyesi yüksektir. • Yüzeyler ve arakesitler reaktif olup empüriteler buralarda toplanmaya eğilimlidirler. Arayüzeylerde enerji fazla olduğu için daha büyük taneler enerjiyi minimum seviyeye indirmek için, daha küçük taneleri yutarak büyüme eğilimindedirler. Bu da yüksek sıcaklıklarda hızlanan difüzyon (yayınma) yolu ile olur.

23. Yüksek ve Düşük Açılı Tane Sınırları • Komşu taneler arasındaki atom düzlemlerinin uyumsuzluklarındaki farklılıklar nedeniyle düşük ve yüksek açılı tane sınırlarını ayırabilmekteyiz.

24. Kalkık ve Bükük Tane Sınırları • Kalkık Sınır • Düşük açılı tane sınırı sıralanmış bir tane dislokasyonu dizinidir. Bu tip tane sınırlarına kalkık sınır denir (iki kamanın bağlantısını düşünün) • Bükük Sınır Tane sınırı bölgesi birçok sıralı vida dislokasyonu içerir. (bir küpün iki yarısının birleştiğini ve kesit normali ile bir açı yapavcak şekilde büküldüğünü düşünün) • Si da küçük açılı kalkık bir sınırın Transmisyon Elektron Mikroskop görüntüsü. Kırmızı çizgiler kenar dislokasyonlarını, mavi çizgiler kalkık sınırları göstermektedir.

25. İkiz Sınırları • Düşük enerjili ikiz sınırlar sınır boyunca ayna yansımalı atomik konumaları ile malzemeler deforme olduklarında ortaya çıkarlar. • Bu, şekil hafızalı metallerin yani yüksek bir sıcaklığa ısıtılırlarsa ilk şekillerine geri dönen malzemelerin doğmasına yol açmıştır. • Şekil hafızalı alaşımlar ikizlenirler ve deforme edilirlerse ikizlenme bozulur. Yüksek sıcaklıklarda alaşım orijinal ikiz konfigürasyonuna devam eder ve orijinal şeklini tekrar kazanır.

26. Elektron Mikroskopisi • Nikeldeki dislokasyonlar (siyah çizgiler ve düğümler) TEM görüntüsü. • Alüminyumda bir kalkık tane sınırının yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

27. İç Yada Hacim Kusurları Gözenekler – optik, ısıl ve mekanik özellikleri büyük ölçüde etkileyebilir. • Çatlaklar – mekanik özellikleri etkiler. • Yabancı inklüzyonlar – elektrik, mekanik, optik, özellikleri etkiler. • Atomik Titreşimler • Isı atomların titreşmesine neden olur. • Titreşimin genliği arta sıcaklıkla artar. • Titreşimler atomlar arası bağı koparacak seviyeye ulaşınca erime meydana gelir. • Titreşimin frekansı ~ 1013 Hz • Isıl uyarım nedeniyle ortalama atom enerjisi kT mertebesindedir.