kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar

FİZİKSEL METALÜRJİ Doç. Dr. SERMİN OZAN

KRİSTALYAPIDA

NOKTASAL VEÇİZGİSELHATALAR


Kusursuz kristaller tanıtılırken, genellikle küp veya prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar tarafından doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve doğrultularının kristal boyunca uzandığı varsayıldı.

Gerçekte hatasız kristal yoktur.

Kristallerin içinde değişik boyutlu yabancı atomlar bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım olabilir. Bir malzeme tek yerine çok kristalli olabilir. Bu etkenler ve çok kristalli malzemelerdeki sınır bölgeleri, kristal yapıyı bozup kusurlu hale getirirler. Bu kusurların biçimi, boyutu ve miktarı ne kadar olursa olsun, malzeme özelikleri büyük ölçüde etkilenir.


HATALAR

1.Noktasal hatalar (0 boyutlu hatalar)- Küçük yer alan- Büyük yer alan-Ara yer- Boş yer (boşluk)- Frenkel- Schottky

2.Çizgisel hatalar (1 boyutlu hatalar)- Dislokasyonlar (kenar, vida, karışık)- Dizgi hataları (sık kayma düzlemlerinin birbirini takip etmesi)

3.Düzlemsel hatalar (2 boyutlu hatalar)- Tane sınırı- İkiz sınırı- Faz sınırı

4.Hacimsel hatalar (3 boyutlu hatalar)- Çok tanelilik- Gaz boşlukları- Metalik, intermetalik ve ametalik fazlar- Kalıntılar


Noktasal Hatalar

Bir veya birkaç atomun oluşturduğu, bölgesel kafes düzensizlikleridir. Noktasal hatalar, çevrelerindeki atomların hatasız dizilimlerini engellerler.

Malzemenin yüksek sıcaklıkta ani soğutulması,plastik şekillendirme,malzemeye yüksek enerjili parçacıkların çarpması gibi olaylar noktasal hataları oluşturur.

Katı halde kristal yapıya sahip bir malzeme, ısıtıldığında atomlarının ısıl titreşimleri artar, sıcaklık biraz daha artırıldığında, bazı atomlar bulundukları denge konumundan başka bir denge konumuna geçebilir (difüzyon). Bu nedenle, noktasal kusurların sayısı, sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Ergime noktasınagelinince atomlar arası bağlar kopar ve malzeme sıvı hale geçer,düzenli yapı düzensiz olur, koordinasyon sayısı (KS) azalır.Örneğin sıcaklık arttıkça, (YMK) kristalin KS 12' den 10 veya 11' e düşer. Bu nedenle sıvıların özgül ağırlığı, katı hale göre biraz düşüktür (su hariç).


1.Yer alan hatası. Normal kafes noktasında bulunması gereken bir atomun yerinde başka bir atomun bulunmasıdır. Metal kafesindeki bir atomun yerini farklı bir atom alır, çözünen yabancı atomlar, çözen atomlara ait kafes noktalarına yerleşir. Bu yerleşme, atomların boyutlarına göre, kafeste çökmeveya şişmelere neden olabilir.

Saflığı bozan farklı element atomları kafes içerisinde belli noktalarda bulunabilir, yani bir malzeme yapısı içerisinde farklı

atomları belli oranlarda çözebilir.Bu şekilde oluşan yapıya “katıçözelti” denir. Katı çözelti, sıvı çözeltiyle karışma açısından benzerlik gösterir. Katı çözeltide de çözen ve çözünen vardır.

Katı çözelti oluşumu iki şekilde olabilir:

1.Yer alan (ikame) katı çözeltisi2.Ara yer katı çözeltisi


Örneğin; Cu-Ni alaşımındaki Ni, Cu içerisinde Cu atomlarının bulunması gereken kafes noktalarına yerleşir. Bu durumda Cu, çözen, Ni ise çözünen olur.

Büyük yer alan ve küçük yer alan atomlarının oluşturduğu hata ve kafeste meydana gelen çarpılma

Cu

Ni


Çözen ve çözünen atomların tüm oranlarda sınırsız olarak yer alan katı çözeltisi oluşturabilmesi için, bazı özel şartların

sağlanması gerekir. Bu şartlara, “Hume-RotheryKuralları” denir.

1.Çözen ve çözünen atomların yarıçapları arasındaki fark, % 15’ ten az olmalıdır,

2.İki elementin de aynı kristal yapıya sahip olması gerekir (KHM, KYM gibi)

3.Aynı elektronegatifliğe (elektronları çekebilme kabiliyetine) sahip olmaları gerekir,

4.Aynı valansa sahip olmaları gerekir,

5.Yoğunluklarının birbirine yakın olması gerekir.


Hatasız Yapı

Yer Alan Atomu


2.Ara yer hatası. Kristal yapı içerisinde, atomun kafes noktası dışındaki bir yere yerleşmesidir.

Katı eriyik oluşurken çözen ve çözünen atomların boyutları arasındaki fark arttıkça kafesteki çarpılmalar artacak ve çözünen atomların kafes noktalarına yerleşmesi enerji dengeleri açısından imkansız hale gelecektir. Bu durumda küçük taneli atomlar (ara yer atomu), daha dengeli bir konum olarak, kafes içerisindeki ara yerleri tercih edip aralara yerleşeceklerdir.

Ara yerlere yerleşme imkanı az olduğu için, ara yerlere yerleşen atomların miktarı azdır.

Örneğin, C atomları -Fe içerisinde en çok % 0.1 oranında ara yer katı çözeltisi oluşturabilirler.


Hatasız Yapı

Ara Yer Atomu


3.Boşluk hatası. Kristal yapıdaki bir atomun veya iyonun bulunması gereken yerde bulunmamasıdır. Eksik atom veya iyon nedeni ile, bir kafes köşesi boştur.

Boşluk hatası, ϑ simgesi ile belirtilir.

Boşluklar, katılaşma sırasında ve yüksek sıcaklıkta aşırı ısıl titreşimlerden dolayı oluşurlar.

Boşluklar mekanik özelikleri etkilemezler, difüzyonu kolaylaştırırlar.


Hatasız YapıBoşluk Hatası


4.Frenkel hatası. İyonik bağa sahip malzemelerde, yapının kararlı olabilmesi için, elektriksel yükün sıfır olması gerekir.İyonik bağa sahip malzemelerde görülen bu hatada, ( + ) veya ( - ) yüklü iyonlardan biri yer değiştirmiştir, boşluk ile ara yer hatası aynı anda mevcuttur. Yani, bir iyon normal kafes konumundan bir ara yer konumuna atlayıp ara yer hatası oluşturur ve kendi yeri de boş kalır.

Radyasyona maruz kalan malzemelerde görülür.


5.Schottky hatası. İyonik bağla bağlı malzemelerde, zıt işaretli iyon çiftinin eksik olmasıdır. Bu tür malzemelerin kristal yapıları içerisinde elektriksel yükün korunması için, kafesten bir anyon ile bir katyonun ayrılması gerekir.

Her iki boşluk da bu hataların etrafındaki iyonların elektriksel düzenini bozar.


a.boşluk hatası b.ara yer hatası c.küçük yer alan hatası

d.büyük yer alan hatası e.Frenkel hatası f.Schottky hatası


-Noktasal hatalar ısı ile oluşmakta ve hareket edebilmektedirler ve difüzyonda büyük öneme sahiptirler. Malzemenin sıcaklığı arttıkça, atomların enerji seviyesi yükselir ve hata oluşma ihtimali artar. Bir noktasal hatanın oluşabilmesi için, atomun bir enerji eşiğini aşması gerekir.

-Noktasal hatalar katılaşma sonrasında, sıcaklığın yükselmesiyle ya da malzemelerin yüksek hızlı nükleer parçacıklar ile bombardıman edilmeleri sonucunda oluşurlar.

-Noktasal hatalardan bazıları, malzemelerin kafes düzlemlerini çarpıtarak dislokasyonların hareketini zorlaştırıp veya engelleyip, malzemede sertliği ve mukavemeti artırır.


Çizgisel Hatalar

Kristaldeki düzensizliklerin bir çizgi boyunca gitmesidir.

Malzemelerin birçok davranışının nedeni olan dislokasyonlar, en sık görülen çizgisel hatalardır.

Dislokasyon, bir kristalin kusursuz iki bölgesi arasında bulunan, düzeni bozulmuş bölgedir ve kristalin kaymış bölgesi ile kaymamış bölgesi arasında sınır oluşturan çizgisel hatadır.

Kenar dislokasyonu Karışık dislokasyonVida dislokasyonu

DİSLOKASYON


Dislokasyonun kayma düzlemi üzerinde bulunan

kenarına “dislokasyon çizgisi” denir.

Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzleme

“kayma düzlemi “ denir.

Kayma düzlemi ve dislokasyon çizgisi: (a)kenar dislokasyonu(b)vida dislokasyonu


Burgers Vektörü, dislokasyonların hareket, yön ve büyüklüklerini ifade etmek için kullanılan bir parametredir. Yön ve şiddet belirtir. Dislokasyonun ilerlemesi için gereken minimum mesafeyi gösterir.

Burgers Vektörü’nün bulunuşu: Hatanın etrafında bir atomdan başlayıp saat yönünde aynı adımlarla önce yukarı, sonra sağa, daha sonra aşağı ve en son olarak sola doğru hareket edilir, bitiştenbaşlangıca doğru bir vektör çizildiğinde ortaya çıkan vektör BurgersVektörü’ dür yani çevrimin tamamlanması için gereken yer değiştirme miktarı, Burgers Vektörü ile ifade edilir.

Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geri dönülür, hata içeren kristalde kapalı bir çevrim elde edilemez, yani başlangıç noktasına dönülemez.


Bir dislokasyona kayma gerilmesi uygulandığında, atomlar yer değiştirir, bu değişim dislokasyonun kayma yönünde Burgers Vektörü kadar hareket etmesi ile olur. Dislokasyonun devamlı hareket etmesi sonucu bir basamak oluşur ve kristal deforme olur. Tırtıl hareketi, dislokasyon hareketine benzetilebilir.


1.Kenar dislokasyonu. Kristal içinde sona eren, ek bir yarım kafes düzleminin varlığı ile oluşan hatadır. Kenar dislokasyonu, kristal içinde sona eren bu düzlemin kenarıdır.

Kenar dislokasyonu kayma düzleminin üzerinde yer alıyorsa “pozitif kenar dislokasyonu” olarak isimlendirilir ve ( ) simgesiyle ifade edilir.

Kayma eğer kenar dislokasyonu üzerinde yer alıyorsa “negatif kenar dislokasyonu” olarak isimlendirilir , ( ) simgesiyle ifade edilir.


Burgers Vektörü, kenar dislokasyonunadiktir.


1.Vida dislokasyonu. Kristalin burulması ile oluşan ve vida şeklinde kayma hareketi sağlayan düzlemlerin oluşturduğuhatalardır. Vida dislokasyonları hareket sırasında, vida adımına benzer şekilde hareket ederler. Dislokasyon çizgisi dislokasyonun üst kısmında çekme gerilmeleri, alt kısmında ise basma gerilmeleri oluşturur ve kafes yapısı içerisinde bozulmuş bir bölge meydana getirir.


Burgers Vektörü, vida dislokasyonuna paraleldir.


3.Karışık dislokasyon. Hem kenar hem de vida dislokasyonukarakteri gösterirler. Dislokasyonçizgisi,eğri şeklindedir. Ön tarafta bulunan vida dislokasyonu, yan taraflara doğru yavaş yavaş kenar dislokasyonu özelliği kazanır.

Gerçek malzemelerdeki dislokasyonlar, karışık dislokasyonlardır.


-Kristal kafeste kalıcı (plastik) şekil değişimi için, kafesin bir bölümü, komşu atomlarla bağlarını koparıp kayma düzlemi boyunca ötelenir. Bunun için deneysel olarak bulunan değerler, hesaplanan teorik değerlerden çok büyüktür. Bunun nedeni, dislokasyonların düşük kuvvetlerle kalıcı şekil değişimini sağlamasıdır.

Dislokasyonların hareketi, bir solucanın ilerlemesine veya halıyı yerden kaldırmaya benzer. Metallerin kolay şekillendirilebilmesinin nedeni, kayma düzlemleri boyunca, halının dalgalandırılmasına benzer şekilde, atomların hareket etmesidir.

-Malzemelerin içinde, belirli miktarlarda dislokasyonbulunur.Malzemenin bir santimetre kübündeki toplam dislokasyon uzunluğu, dislokasyon yoğunluğudur. Malzemelere uygulanan gerilmeler de yeni dislokasyonlar ortaya çıkarır. Uygulanan bir zorlama ile ortaya çıkan kayma gerilmeleri, dislokasyonları hareketlendirir ve şekil değişimi gerçekleşir.

FİZİKSEL METALÜRJİ Doç. Dr. SERMİN OZAN-Dislokasyonlar özellikle metal kafeslerinde kolay ilerlerler. Bunu

nedeni,dislokasyon hareketi sonrası kristalin elektrik yükleri bakımından bir değişime uğramamasıdır. Seramikler kristal yapılı olmalarına rağmen, seramiklerde dislokasyon hareketi görülmez ve bu malzemelere kalıcı şekil vermek imkansızdır. Bunun nedeni, kafes yapılarının karmaşık oluşu ve düzlemlerin ötelenmesi ile elektrik yüklerinin dağılımında dengesizliklerin ortaya çıkmasıdır.

-Bir malzemede kalıcı şekil değişimini zorlaştırmak için dislokasyonhareketi zorlaştırılır. Tane sınırları dislokasyonu engeller, tane sınırları arttıkça (taneler küçüldükçe) dislokasyonların hareketi zorlaşır. Bu nedenle ince taneli malzemeler, kaba taneli malzemelere göre daha dayanıklıdır.

Kafes içindeki yabancı atomlar, kristal yapının çarpılmasına ve dislokasyon hareketinin zorlaşmasına neden olur.

Daha önce kalıcı şekil değişimine uğramış ve kafes içinde çok yoğun dislokasyon bulunan malzemelerde de, dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller.


-Çok kristalli metallerde dislokasyon hareketleri çeşitli engeller tarafından kısmen önlenir. Şekil değişimi sırasında ilerleyen dislokasyonlarbu tür engellere gelince durmak zorunda kalır ve arkasından gelenler ile birlikte bu bölgelerde bir dislokasyon yığılması oluşturur. Artan zorlama ile birlikte yeni dislokasyonlar oluşur ve artan dislokasyonlar birbirlerinininhareketini engellerler. Dolayısıyla malzemede kalıcı şekil değişimi oluşturmak için uygulanması gereken kuvvetin sürekli arttırılması gerekir.

Malzemenin plastik şekil değişimine karşı direncinin giderek

artmasına “pekleşme” denir. Pekleşme, malzemenin plastik şekil değiştirme sırasında mukavemetinin ve sertliğinin artmasıdır.

Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve difüzyon artacağından, kalıcı şekil değiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren kristallerde, atomlar yeniden düzenlenir (yeniden kristalleşme),dislokasyon yoğunluğu düşer ve pekleşmenin etkisi ortadan kalkar.

-Dislokasyonların hareketi, kayma gerilmelerinin etkisi ile gerçekleşir. Dislokasyonlar atom yoğunluğu en yüksek düzlemlerde ve bu düzlemler üzerindeki yoğun doğrultularda kayarlar. Çünkü bu şekilde atomların kayma için gerekli yer değişimleri azalacağından,kaymaya karşı dirençleri küçülür ve hareket daha küçük gerilmelerle gerçekleşir.

kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar

Documents