bölüm 5 difüzyon (yayınma) -...
TRANSCRIPT
Chapter 5 -
• Difüzyon nasıl oluşur?
• Neden önemlidir?
• Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir?
• Difüzyon malzemenin yapısına ve sıcaklığa göre
nasıl değişir
BÖLÜM 5 - DİFÜZYON
Chapter 5 -
Difüzyon Nedir?
• Difüzyon veya yayınım, bir malzeme içinde atomların hareketidir. Atomlar, konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluşturmak için hareket ederler.
• Gazlardaki, sıvılardaki ve katılardaki atomlar sürekli hareket halindedir ve zamanla bir yerden diğerine geçer. Pişen yemeğin kokusunun yayılmasından anlaşılacağı gibi gazlarda atom/molekül hareketi nispeten hızlıdır.
• Sıvılardaki atom hareketi, suya katılan bir mürekkebin yayılmasından görüleceği gibi, gaza göre daha yavaştır.
• Katılarda atomlar birbirine kuvvetli bağlandıklarından dolayı atomların hareketi yavaştır. Fakat, katılardaki ısıl titreşimler, bazı atomların hareket etmesine imkan verir
Chapter 5 -
Difüzyon Nedir?
• Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi olaylar ile kaynak, lehim erime ve katılaşma prensibine dayalı birleştirmeler ve sementasyon gibi bazı yüzey setleştirme işlemleri büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlıdır.
• Atomların hareketleri ısıl enerji etkisinde oluşur ve iki aşamalıdır:
– Birincisi ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri,
– İkincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu sonuncuya atomsal yayınım veya difüzyon denir.
• Katı malzemelerde meydana gelen difüzyon gaz ve sıvılardaki difüzyondan çok daha yavaştır. Sebebi kuvvetli bağlarıdır.
Chapter 5 -
Kendi Kendine Difüzyon (Öz difüzyon)
• Tamamen saf katı düzenli malzemelerde atomlar bir kafes
noktasından diğerine hareket ederler. Tüm atomlar aynı
tipte atomlar ile yer değiştirme yaparlar. Bu olaya öz
difüzyon denir. Tabii ki burada konsantrasyonda değişim
yoktur.
• Öz difüzyon, saf metallerde olur. Aynı elemente ait A,B, C,
D, atomları sıcaklığın etkisi ile hareket ederler veya
yayınırlar.
4
Chapter 5 -
Alaşımlarda Difüzyon
• Alaşımlarda difüzyon, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi yüzeyleri birbirine temas
eden iki farklı metal (mesela Cu ve Ni) çubuk ile açıklanabilir. Bu şekilde ara yüzeyde
atom yerleri bileşim şematik olarak gösterilmiştir. Metal çifti erime noktalarının altında
bir sıcaklığa ısıtılıp belli bir süre bekletilir. Ara yüzeyde kimyasal analiz yapıldığında
saf bakır ve nikel bölgeleri arasında alaşımlı bölge bulunduğu görülür. Her iki metalin
derişimi (konsantrasyonu) aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi mesafeye bağlı olarak
değişir. Sonuç olarak bakır atomları nikel içine hareket etmiş veya yayınmıştır ve nikel
atomları da bakır içine yayınmıştır. Cu-Ni örneğinde olduğu gibi yüksek
konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atomların hareketi vardır.
Konsantrasyon profili, aşağıdaki örnekte, ara yüzeyden itibaren konsantrasyonun
mesafeye bağlı değişimini gösterir
5
Chapter 5 - 6
Katılarda Difüzyon Mekanizmaları
Boşluk difüzyon mekanizması
• Eğer atomların ısıl titreşiminin sağladığı yeterli aktivasyon enerjisi varsa ve atomların hareket ettiklerinde girebilecekleri boşluklar veya diğer kafes kusurları mevcutsa, atomlar kristal kafesinde bir yerden diğerine hareket eder. Metal ve alaşımlarında boşluklar her zaman vardır ve atomların yayınmasına yardımcı olur.
• Bir kafes noktasından diğerine atomların sıçraması için atomlar, komşuları ile yaptıkları bağ koparacak ve sıçrama sırasında kafes çarpılmaları yapacak seviyede aktivasyon enerjisine enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerji, atomik ısıl titreşimlerden gelir. [YMK (100) düzlemi]
Chapter 5 -
Katılarda Difüzyon Mekanizmaları
• Arayer difüzyon mekanizması
• Kristal kafeslerinde atomların arayer
difüzyonu, ana kristal kafesini kalıcı olarak
bozmadan atomlar bir ara yerden diğerine
hareket ettikleri zaman meydana gelir.
• Arayer mekanizmasının işleyebilmesi için
yayınan atom boyutunun ana faz
atomu(çözen) boyutuna göre küçük olması
gerekir. Hidrojen, oksijen, azot, karbon gibi
küçük atomlar ara yer boşluklarına
sığabilecek boyutlarda oldukları için arayer
difüzyon mekanizması ile hareket ederler.
• Arayer difüzyonu, boşluk difüzyonundan
genellikle daha hızlıdır. Çünkü arayer
atomlarının komşu atomlar ile olan bağ
normalde daha zayıf ve atom boşluğundan
çok daha fazla ara yer boşlukları vardır.
7
Chapter 5 -
Katılarda Yayınım Mekanizmaları
Chapter 5 -
Difüzyonda aktivasyon enerjileri
• Atomik açıdan, yayınma tam olarak, atomların bir kafes
boşluğundan diğerine adım adım yaptıkları yer değiştirmedir.
Aslında, katı malzemelerdeki atomlar sürekli hareket halindedir
ve hızlı bir şekilde konumlarını değiştirirler. Bir atomun böyle bir
hareketi yapabilmesi için iki şartın sağlanması gereklidir:
• (1) bitişiğinde boş bir yer olmalı ve
• (2) Komşu atomlarla arasındaki bağı koparacak ve sonrasında,
yer değiştirme sırasında oluşacak kafes çarpılmalarını
karşılayacak kadar enerjiye sahip olmalıdır. Bu enerji atomların
titreşim hareketleri yapmasını sağlayan enerjisidir.
• Yayınan bir atom, yeni yerine ulaşmak için komşu atomları
sıkıştırarak geçmek zorundadır. Bunun olabilmesi için atomların
yeni konumlarına geçmesini zorlayacak enerji sağlanmalıdır. Bu
durum yandaki şekilde boşluk difüzyonu ve arayer difüzyonu için
gösterilmiştir.
• Atom, başlangıçta nispeten kararlı konumda ve düşük enerjili
haldedir. Yeni bir konuma hareket etmek için enerji engelini
aşmak zorundadır. Bu enerji”aktivasyon enerjisi” dir. Ve Q ile
gösterilir. Söz konusu enerji engelini aşmak için gerekli enerji
sıcaklığın artırılması suretiyle elde edilir.
• Normal olarak bir arayer atomunun komşu atomları geçmek için
sıkıştırması daha az enerji gerektirir. Bunun sonucu olarak, ara
yer difüzyonu için aktivasyon enerjileri boşluk difüzyonu için
olandan daha azdır. Aktivasyon enerjisi düştükçe difüzyon
kolaylaşır.
Difüzyon sırasında atomların birbirlerini
sıkıştırarak geçmesi için enerji engelinin
(aktivasyon enerjisi,Q) aşılması gerekir.
Chapter 5 - 10
Chapter 5 -
Kararlı hal difüzyonu
• Eğer, difüzyon akısı zamanla değişmiyor ise kararlı hal durumu ortaya çıkar. En çok
bilinen örnek olarak, iki tarafında konsantrasyonları sabit olan gaz halindeki bir
elemente ait atomların bulunduğu ince bir metal levhadan geçen bu atomların
difüzyonu verilebilir. Aşağıda (Şekil a) şematik olarak gösterilmiştir. Eğer, levha
içinde yayınan atomların konsantrasyonunu (C, kg/m3 ) mesafeye (X) bağlı olarak
grafiğini çizersek, bir eğri elde edilir. Bu eğri, “konsantrasyon profili” olarak
tanımlanabilir. Bu eğrinin belirli bir noktadaki eğimine de “konsantrasyon gradyantı”
denir. Şekil b’de konsantrasyon profilinin lineer olduğu var sayılmıştır.
11
Chapter 5 -
Kararlı hal difüzyonu-1.Fick Kanunu
• Tek bir yöndeki kararlı hal difüzyonu matematiksel olarak aşağıdaki
denklem ile ifade edilir. Burada, akı (J), konsantrasyon gradyantı ile
orantılıdır. (Yayınan atomun, ana faz atomu ile kimyasal reaksiyona
girmediği varsayılır).
• Burada orantı sabiti D difüzyon katsayısı olarak tanımlanır. Denklemdeki
negatif işaret difüzyonun yönünün konsantrasyon gradyantının aşağısına
doğru olduğunu gösterir. Konsantrasyon gradyantı dikleştikçe akı artar.
Difüzyon için itici güç, konsantrasyon gradyantıdır. Yukarıdaki denklem 1.
Fick Kanunu olarak adlandırılır
12
Chapter 5 - 13
Chapter 5 -
Metalik sistemler
Chapter 5 -
Kararsız hal difüzyonu-2. Fick kanunu
• Pratikte gerçekleşen yayınmaların çoğu kararlı değildir. Kararsız yayınma sırasında, bir katı
içerisinde yayınan atomların birikmesi veya eksilmesi sonucunda, belirli bir noktadaki
yayınma akısı ve konsantrasyon gradyeni zamanla değişir. Bu durum, üç farklı yayınma
süresi için konsantrasyon grafiğinin şematik olarak çizildiği Şekil5.5‘te gösterilmiştir.
Kararsız yayınma şartlarında1.Fick Kanunu uygun değildir, bu nedenle Fick’in ikinci kanunu
olarak bilinen aşağıdaki kısmi diferansiyel denklem kullanılır. Örneğin, çelik bir milin
yüzeyinden içeriye sertleştirmek amacıyla karbon yayınıyor ise yüzeyinde altında karbon
konsantrasyonu zamanla değişecektir. Kararsız hallerde 2. Fick kanunu olarak bilenen
aşağıdaki denklem kullanılır:
15
Chapter 5 - 16
Dt
xerf
CC
CC
os
ox
21
Chapter 5 -
Dt
xerf
CC
CC
os
ox
21
Dt
xz
2Tablo üzerinde:
Chapter 5 -
D927°C = 1.28x 10-11 m2/sn
Cy = %0.90 x = 0.5 mm = 5.0 x 10-4 m
Co = %0.20
Cx = %0.40 t = ? Sn
ÖRNEK Problemler:
1020 çeliğinden bir dişliyi 927°C'de karbonladığınızı düşünün. Yüzeyin 0.50 mm
altında karbon miktarını %0.40'a çıkarmak için gerekli zamanı dakika cinsinden
hesaplayın. Fırın atmosferindeki karbon miktarının %0.90 ve çeliğin karbon
miktarının %0,20 olduğunu kabul edin.
Çözüm:
Dt
xerf
CC
CC
s
ox
21
0
Dt
xerf
CC
CC
s
xs
20
veya
Chapter 5 -
Dt
xerf
CC
CC
s
ox
21
0
veya
Dt
xerf
CC
CC
s
xs
20
Chapter 5 -
Örnek
1020 çeliğinden bir dişliyi bir önceki problemdeki gibi 927 °C'ta gazla
karbonlayacağımızı düşünelim. Bu kez 5 saatlik karbonlamadan sonra dişli yüzeyinin
0.50 mm altındaki karbon miktarını hesaplayın. Atmosferdeki karbon miktarının %0.90,
çeliğin karbon miktarının da %0.20 olduğunu kabul edin
Z = 0.521 kabul edelim. Şimdi bu Z - 0.521 değerine hangi hata fonksiyonunun
uyduğunu bilmemiz gerekir. Bu sayıyı Tablo’dan bulmak için verileri yandaki
tabloda olduğu gibi ara değerlememiz gerekir
Chapter 5 -
Dikkat edilecek olursa, 1020 çeliğinde karbonlama
süresini 2.4 saatten 5 saate yükseltmek, dişli yüzeyinin
0.5 mm altındaki karbon miktarını % 0.4'ten sadece %
0.52'ye yükseltebilmektedir.
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-1
22
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-2
23
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-3
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-4
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-5
26
Chapter 5 -
Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-6
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarında atomlar
difüz eder, köprüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur.
Chapter 5 -
Difüzyonu etkileyen faktörler-1
28
Chapter 5 -
Difüzyonu etkileyen faktörler-2
29
Chapter 5 -
Difüzyonu etkileyen faktörler-3
30
Chapter 5 - 31