ÇÖKELME

VE

ÇÖKELME SERTLEŞMESİ

Bir çözelti içinde çözünen atomların yayılımla bir araya gelerek çözelti içinde çok ufak

parçacıklar halinde ayrı bir faz oluşturması sürecine kimya biliminde çökelme (İngilizce:

precipitation), oluşan parçacıklara ise çökelti (İngilizce: precipitate) adı verilmektedir.

Elimizde A ve B elementlerinin karışımıyla elde edilen bir alaşımdan hazırlanmış bir numune

olduğunu farz edelim. Bu numunenin sıcaklığını, aşağıdaki denge diyagramında α ile

gösterilen tek faz bölgesine çıkarıp, sonrasında yayılım oluşmasına izin vermeyecek şekilde,

hızlıca tekrar çift faz bölgesine (α + θ) düşürdüğümüzü düşünelim. Bu durumda, faz diyagramı

uyarınca α fazının bir kısmının θ’ya dönüşmesini bekliyor olsak da, numuneyi atom

yayılımına izin vermeyecek kadar hızlı soğuttuğumuz için, α çözeltisinin aşırı doymuş bir

şekilde, ayrışamadan kaldığını gözlemliyoruz. Bu düşük sıcaklıkta yayılım çok yavaş

gerçekleştiği için, θ fazı aşırı doymuş α çözeltisinden çökelemiyor. θ fazının çökelmeye

başlayabilmesi için yayılımı kolaylaştırmamız, yani numuneyi tekrar bir miktar ısıtmamız

gerekiyor.

α ve θ fazlarının kristal yapıları farklı olduğunda, iki faz arasında bağdaşmaz bir arayüzey

oluşacağı için, bu arayüzeyin yaratılması için gereken enerji miktarı yüksek bir değere sahip

oluyor. Bu tür durumlarda, malzeme içinde öncelikle anafaz α ile aynı kristal yapıya sahip,

fakat α’dan daha fazla miktarda B atomu içeren bölgeler oluştuğunu gözlemliyoruz (θ fazının

α’ya kıyasla daha fazla B atomu içerdiğine dikkat ediniz). Çökelmenin başlangıcında ortaya

çıkan bu bölgelerin varlığını ilk olarak keşfeden Fransız kristal bilimci André Guinier ve

İngiliz fizikçi George Dawson Preston’a ithafen Guinier-Preston bölgeleri, ya da kısaca GP

bölgeleri (İngilzce: GP zones) adını verdiğimiz bu bölgeler, sadece birkaç atom tabakası

kalınlığa ve birkaç nanometre genişliğe sahip oluyorlar. GP bölgelerinin anafaz ile aynı kristal

yapıya sahip olduğunu, fakat daha yüksek oranda çözünen atom içerdiğini tekrar

vurgulayalım.

GP bölgeleri oluştuktan sonra sıcaklığı bir miktar daha arttırdığımızda, θ fazı henüz tam olarak

ortaya çıkmadan, α ile θ arasında kalan yapısal özelliklere sahip bazı geçiş fazları (İngilizce:

transition phases) ortaya çıkıyor. Geçiş fazları, anafaz α ile benzer yapısal özellikler taşıyor.

Bu nedenle, direkt olarak θ fazının oluşmasına kıyasla daha düşük bir enerji bariyerinin

aşılmasıyla oluşabiliyorlar. Geçiş fazları sayesinde, çökeltinin ortaya çıkacağı sıcaklığa kadar

beklemeye gerek duymadan, sistem yapısını azar azar değiştirerek, enerjisini de adım adım

azaltabiliyor.

Çökelen fazın gösterimi yanına kesme işareti ekleyerek (θ’’, θ’ gibi) belirttiğimiz bu geçiş

fazlarının sayısı sistemden sisteme değişiklik gösterebiliyor. Örneğin bakır-berilyum

alaşımlarında GP bölgesini takiben çökelti ortaya çıkana kadar sadece bir geçiş fazı ortaya

çıkarken, alüminyum-bakır alaşımlarında iki ayrı geçiş fazı oluştuğunu görüyoruz. Çökelen

fazın gösterimi yanına eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısı sistemde kaç farklı geçiş fazı

olduğunu gösteriyor. Eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısını, geçiş fazının ortaya çıkış

sıralamasında sondan geriye sayacak şekilde belirtiyoruz. Örneğin α fazı içinden θ çökeltileri

oluşurken iki geçiş fazı ortaya çıkıyorsa, ilk oluşan geçiş fazını θ’’, ikinci geçiş fazını ise θ’

ile gösteriyoruz. Dolayısıyla çökelme α → GP bölgeleri → θ’’ → θ’ → θ sırasıyla

gerçekleşiyor.

Çökelme ile sertleştirilen sistemlerde GP zonları ve geçiş fazı her zaman gözlenmemektedir.

GP zonları genelde, çözen ve çözünen atom boyut farkları yaklaşık olarak %12 den daha

düşük ise ve dengesel çökeltinin kristal yapısı nispeten basit ise gözlenmektedir. Bazen, bazı

sistemlerde küresel GP zonları oluşabilmektedir. Küresel GP zonları sadece atomik uyum

yaklaşık olarak %3 den daha düşük ise gözlenebilir.

Çökelme için daima geçiş fazlarının ortaya çıkması gerekmiyor. Bazı sistemlerde çökelmenin

denge faz diyagramı uyarınca gerçekleştiğini, çökeltinin anafazdan direkt olarak çökeldiğini

de gözlemleyebiliyoruz. Geçiş fazlarının oluşmadığı bu çökelme işleyişinde GP bölgeleri de

oluşmadığı için, çökeltiler çekirdeklenebilmek için tane sınırlarından ya da anafaz içinde

bulunan diğer parçacıkların yüzeylerinden faydalanıyorlar. Bu duruma bir örnek olarak, orta

karbonlu çeliklere su verildiğinde martensit fazına ek olarak tane sınırlarında karşımıza çıkan

ferrit parçacıklarını gösterebiliriz. Aşağıdaki resimde pirinç içerisinde, tane sınırlarında

çekirdeklenmiş tabaka yapısındaki bu çökeltileri görebilirsiniz.

Tabaka biçimindeki bu çökeltileri, ilk olarak gözlemleyen Avusturyalı bilim adamı Count

Alois von Beckh Widmanstätten’e ithafen Widmanstätten yapısı olarak adlandırılmaktadır.

Yeni bir fazın oluşum nedeni sistemin serbest enerjisinde meydana gelen düşüştür.

ÇÖKELME SERTLEŞMESİ

Bir metalin mukavemeti, dislokasyonların çoğalması ve hareketleri ile kontrol edilir. Yaşlanma

ile sertleştirilen bir alaşımın yüksek mukavemeti, disperse olan çökelti fazlarının, dislokasyonlar

ile etkileşimlerinden dolayıdır.

Kayan dislokasyonların disperse partiküllerle etkileşimi Δ olarak ifade edilebilen miktarda

kritik kayma gerilmesini arttıracaktır. Teorik çalışmalar Δ ; dislokasyon-partikül etkileşim

parametrelerinin bir fonksiyonu olarak tespit etmeye dayanmaktadır. Dislokasyon-partikül

etkileşimini üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım, dislokasyonların disperse olan

partiküllere ne şekilde nüfuz ettikleri esasına göre yapılmaktadır. Dislokasyonlar,

1) partikülleri halkaya alırlar,

2) partikülleri keserler ve

3) partiküller etrafında çapraz kayarlar.

1. Partiküllerin Halkalanması

Bu şekil, bir dislokasyonun çökelti partikülleri ile karşılaştığı yerde partikül arkasına doğru nasıl

kavis yaptığını göstermektedir. Uygulanan kayma gerilmesinin artmasıyla t2 zamanında Şekilde

gösterilen A ve B noktalarında tekrar birleşmek üzere dislokasyon kavis yapmaya devam

ederler. Burada A noktasındaki dislokasyon davranışının B ile ters olduğuna dikkat etmek

gerekir. Sonuçta, eğer bu dislokasyon parçalan karşılaşırlarsa yok olacaklar ve ana

dislokasyonun Şeklide t3 zamanı ile gösterildiği gibi halkalanmış dislokasyondan ayrılmalarına

yol açacaktır. Dislokasyonlar her zaman bir partikülü geçmeye çalışırken bu tür halkaları

partikül etrafında bırakacaklardır. Bu mekanizma ilk olarak 1948 yılında Orowan tarafından

hazırlanmış ve dolayısıyla Orowan mekanizması olarak bilinmektedir.

Şekil 1 : Çökelti partiküllerinin bir kolonu ile etkileşen bir dislokasyon çizgisi.

Dislokasyon, bir çizgi gerilimine (T) sahiptir. Bir dislokasyonu R yarıçapında eğmek için

gerekli olan kayma gerilmesi T/(bR) şeklinde verilir. Burada b ile gösterilen terim,

dislokasyonun burgers vektörüdür. Dislokasyonların bir partikülü geçmeye zorlamak için

uygulanması gerekli kayma gerilmesi,

şeklinde yazılabilir.

-Burada Rmin Şekil 1′ de gösterildiği gibi farklı şekilli çökeltileri geçebilmek için dislokasyonun

sahip olduğu minimum ortalama eğrilik yarıçapıdır. Frank-Reed kaynağında olduğu gibi

disloksyon, Rmin =d/2 şeklinde verilen partiküller arası mesafenin yarısının yarıçapı ile yarı

çember olmaya başladığında minimum ortalama eğrilik yarıçapına sahip olur.

eşitlikler birleştirildiği zaman halka mekanizması için yukarıdaki eşitlik elde edilmiştir.Partiküller arası mesafenin ve partikül yarıçapının küçülmesi ile beraber halkalanmamekanizmasından dolayı mukavemet artışının çok daha fazla artacağı açıktır. Artanpartiküller arası mesafe ve partikül yarıçapı ile Δτ değeri küçük olmaya başlayacaktır.

2. Partiküllerin Kesilmesi

Yukarıdaki mekanizmada, direkt partikül-dislokasyon temas noktalarında dislokasyonlarındurdurulacağı şekilde partikül ve dislokasyon arasındaki itme kuvvetinin yeterince büyükolduğu kabul edilmektedir. Ancak, bazı durumlarda dislokasyonun çökeltinin içindenkayması veya geçmesi mümkündür. Şekil 2′ de gösterildiği gibi böyle bir durumda partikül,dislokasyon kayma düzlemiyle b kadar bir mesafede kayar. Bu prosesle ilgili çok sayıdamümkün etkileşim mekanizması öne sürülmüştür ve burada sadece birkaç önemlimekanizma ele alınacaktır. Bu mekanizmaları iki alt gruba ayırmak mümkündür.Dislokasyon-partikül etkileşim mesafesi 10b’ den daha kısa ise bu tür etkileşim kısamesafeli etkileşim, eğer bahsedilen mesafe l0b’ den daha büyük ise uzun mesafeli etkileşimolarak adlandırılmaktadır.

2.1. Kısa Mesafe Etkileşimi

Bu şekildeki bir etkileşim Şekil 2′ de gösterilmiştir. Mukavemet artışına yol açan bir dislokasyon-

partikül etkileşimi, partiküller tarafından işgal edilen kayma düzlemi birim alanını kesmek için

gerekli olan işi arttırır. Partikülün olmadığı aynı miktar alana göre bu iş artış miktarı Δτ.b

kadardır.

Çökelti partikülünün düzenli olduğu kabul edilsin ve dislokasyon bir partikülü kestiğinde kayma

düzleminde bir anti faz sınırı (AFS) meydana getirir. Bir AFS için olan enerji (γA) ihmal

edilemez. Örneğin düzenli uyumlu çökeltiler sadece 10-30 erg/cm2 lik bir çökelti-matriks

arayüzey enerjisine sahip iken bunların AFS enerjileri yaklaşık olarak 100-300 erg/cm²

aralığındadır.

2.2. Uzun Mesafe Etkileşimi

Dislokasyon bir partiküle yaklaştığında, partikül tarafından matrikste ortaya çıkarılan

deformasyon alanı ile kendi alanı etkileşime girer. Bu mekanizmadan dolayı ortaya ilave bir

kayma gerilmesi çıkacaktır.

Çökelme Sertleşmesi Görmüş Malzemelerin Sanayideki Uygulama Alanları

Çökelme reaksiyonuna ilgi, mukavemet artışı mekanizmasından dolayı malzemeciler için

yararlı olmasından ileri gelmektedir.

Havacılık sektöründe hafif ve yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip alüminyum

alaşımlarının kullanımını mümkün kılan, önemli bir yöntem haline gelmiştir.

Sanayide çok kullanılan dur alüminyum ( %4.4 Cu %1.5 Mg , %0.6 Mn içeren bir alaşımdır)

da bu yöntemle üretilmektedir.

Çok yüksek mukavemetli çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Ayrıca yüksek mukavemet

istenen pek çok alaşım ısıl-işlem uygulanarak bu yöntemle sertleştirilebilir. Çökelme

sertleşmesi düşük ve nispeten yüksek sıcaklıklar için malzeme üretir.

Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bölgeleri için süper alaşımların çökelme ile sertleştirilen

türleri kullanılır.

Dispersiyon ile de mukavemet artışı: Çok küçük inert partiküllerin alaşım içine

mekanik karıştırma ile ilavesi. (ThO2 partiküllerinin tane büyümesini kontrol için

Tungsten (W) metaline ilavesi)

Kaynaklar:

William D. Callister, “Materials Science and Engineering”, Utah University Pres 1990

AKBULUT,H., “Faz Dönüşümleri” Ders Notları 2009

http://muhendishane.org/