Kristal kusurları Hiç bir kristal mükemmel değil;

... konulu sunumlar: "Kristal kusurları Hiç bir kristal mükemmel değil;"— Sunum transkripti:

1 Kristal kusurları Hiç bir kristal mükemmel değil;
Kusurlar yapıda kasti veya kasti olmadan bulunabilir. Kusur çeşitleri: Noktasal kusurlar Çizgisel kusurlar Düzlemsel kusurlar

2 Noktasal kusurlar: Atomsal boşluk (vacancy): Bir atomun veya iyonun kristal kafes içerisinde bulunmaması, normal konumu olan kafes noktasında boşluk bulunması durumudur. Yeralan (substitutional) atom: Bir atom veya iyonun yerine başka bir elemente ait atom veya iyonun bulunması durumudur. Arayer (interstitial) atom: Bir atom veya iyonun normal konumları olan kafes noktası yerine kristal kafes içerisinde kafes noktaları arasındaki boş hacimlerde bulunması durumudur. Özel kusur tipleri Frenkel kusuru, Schottky kusuru.

3 Bütün bu kusurlar mükemmel kristal yapıyı bir şekilde etkiler.
Noktasal kusurlar: (a) atomsal boşluk (vacancy), (b) arayer (interstitial) atom, (c) küçük, (d) büyük yeralan (substitutional) atom, (e) Frenkel kusuru, (f) Schottky kusuru. Bütün bu kusurlar mükemmel kristal yapıyı bir şekilde etkiler.

4 Katı çözelti Malzemeler yapılarının içerisinde belli oranlarda farklı atomları çözebilirler. Bu durum “katı çözeltiler” olarak adlandırılır. Karışma açısından katı çözelti, sıvı çözeltiyle benzerlik gösterir.

5 Katı çözelti Katı çözeltide çözen ve çözünen vardır.
Örneğin Cu-Ni alaşımında; Ni, Cu içerisinde tamamen yeralan katı çözelti oluşturacak şekilde çözülebilir. Cu: Çözen Ni: Çözünen

6 Hume-Rothery Kuralı Hume-rothery kuralı, Metalik malzemelerde iki elementin birbirine her oranda ve tamamen karışarak yeralan katı çözeltinin elde edilmesi için sağlanması gereken kuralları ifade eder. Atom yarıçaplarındaki farkın %15 ten az olması gerekir, İki elementinde aynı kristal yapıya sahip olması gerekir, Aynı elektronegatifliye sahip olmaları gerekir, Aynı valansa sahip olmaları gerekir., Yoğunluklarının birbirine yakın olması gerekir.

7 Cu-Ni Tüm kuralları sağlar ve birbirlerinin içerisinde sınırsızca çözülebilir.
Rcu= 0.128, iyonize olduğunda +2, YMK, Rni= 0.125, iyonize olduğunda +2,YMK, Al-Si 1,2 ve 4 ü sağlayamaz ancak %2 oranında çözülebilir. Rsi=0.117, iyonize olduğunda 4- veya 4+, ElmasKübik Ral= 0.143, iyonize olduğunda 3+, YMK Fe-Pb hiç bir kuralı sağlayamaz ve birbirlerinin içerisinde hiç bir oranda çözülemez. Fe = 0.124, iyonize olduğunda +2 veya +3, hmk Pb = 0.175, iyonize olduğunda +4 veya +2, ymk

8 Arayer Eğer atom çok küçükse, normal atom konumları enerji açısından kararsızlık oluşturabilir bu durumda arayerler tercih edilebilir. Örneğin C, α-Fe içerisinde arayerlerde daha stabildir. Fakat en fazla ancak 0.1% oranında çözülebilirler.

9 İyonik kristal yapılarda boşluk Schottky ve frenkel kusuru:
Eğer yüklü bir iyon yerinde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğini ortadan kaldıracak şekilde diğer yüke sahip iyon pozisyonlarında da boşluk vardır (olmalıdır). Bu duruma Schottky kusuru adı verilir. Eğer bir iyon yerinde boşluk varsa, oluşan yük dengesizliğini ortadan kaldıracak aynı yüke sahip başka bir iyon arayer pozisyonlarındada bulunabilir. Bu duruma Frenkel kusuru adı verilir.

10 Proses: Malzeme biliminde tüm olaylardır.
Proses hızları  Atomların hareket hızları. Sıcaklık   Atom hareket kabiliyeti . Proses hızı sıcaklığın exponansiyel bir fonksiyonudur. “Arrhenius fonksiyon”. Bu davranışa uyan prosesler: Malzemelerde kusur oluşum hızı, Malzemelerde difüzyon hızı, Elektrik iletkenlik, Sürünme davranışı.

11 Atomsal boşluk oluşumu
Sıcaklığın artması ısıl titreşimleri arttıracaktır. Bu şekilde oluşan ısıl enerji kusur oluşumu için gereken aktivasyon enerjisini sağladığında kusur oluşacaktır. Ekusur = Kusur oluşturmak için gereken enerji Atomsal boşluk oluşunu ifade eden arhenius denklem

12 Malzemelerde sıcaklıkla genleşme
Malzemelerde sıcaklıkla genleşme iki şekilde meydana gelir. Kafesin sıcaklıkla genleşmesi (ao/ao) Kafesteki boşluk sayısının artması Sıcaklıkla genleşme (l/lo); Kafesin sıcaklıkla genleşmesi (a/ao) ile hesaplanandan daha fazla gerçekleşir.

13 Yayınım (Difüzyon) 1.Fick kanunu: yayınım akış hızı
2.Fick kanunu: zamanın etkisi

14 Cu sağ tarafa doğru Ni in içine doğru, Ni sol tarafa Cu ın içine doğru yayılır.
Yayınım akış hızı 1.Fick kanunu ile ifade edilir.

15 1.Fick kanunu: yayınım akış hızı
Jx  x yönünde akış yoğunluğu (akısı), ∂c/∂x  x yönünde yoğunluk profili D  yayınım katsayısı (difüzivite)

16 2.Fick kanunu: Cs yüzey konsantrasyonu Co hacim konsanrasyonu Atom konsantrasyonun yüzeyden içeri doğru zamanla değişimi 2.Fick kanunu ile ifade edilir. 2.Fick kanunu, 1.Fick kanununun türevidir.

17 2.Fick kanununun, yarı sonsuz katıya difüzyon durumunda çözümü.
Cs yüzey konsantrasyonu, Co hacim konsanrasyonu erf  gaus hata fonksiyonu (error function).

18 Tablo üzerinde: Çeşitli durumlar için yukarıdaki eşitliği kullanarak oluşturulan doyma eğrileri

19 Yayınma Katsayısı

20 Do  öz yayınma katsayısı, q = Ekusur + Ekusur hareketi
Yayınma noktasal kusurların yoğunluğuna bağlı olduğu için sıcaklığın kuvvetli bir fonksiyonu (arrenhius fonksiyonu). Yayınma katsayısı konsantrasyonun fonksiyonu değildir. Çözen ve çözünen ikilisi için tanımlanır. Do  öz yayınma katsayısı, q = Ekusur + Ekusur hareketi Molar mertebede: R = evrensel gaz sabiti (NAv x k), Q = Molar aktivasyon enerjisi -Fe (hmk) içerisinde C nun yayınım katsayısının arrhenius çizimi.

21 Kararlı yayınım (Steady State)

22 (a) Kararlı olmayan (non-steady state), (b) Kararlı olan (steady state)

23 Cı, ve Ch  yüzey konsantrasyonu,
D  yayınım sabiti (difüziviti)

24 Farklı yayınım yolları
Yayınma mekanizmaları: Hacimde yayınma Tane sınırında yayınma Yüzeyde yayınma Şimdiye kadar Hacimde yayınmayı gördük. Hangi mekanizmanın etkin olduğu, o mekanizma için gereken bölgenin büyüklüğüne bağlı: Toz malzemelerde yüzey difüzyonu, küçük taneli katılarda tane sınırı difüzyonu etkin olur.

25

26 Difüzyona etki 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

27 Düşük konsantrasyonda Zn içeren bir Cu alaşımında Zn’in yayınma katsayısı 727oC de 3,67x10-11 cm2/sn, 327oC de 8.32x10-18 cm2/sn dir. Difüzyon aktivasyon enerjisini ve Bu malzemede Zn’in 177oC de difüzyon katsayısını bulunuz.

28 Semantasyon işlemi için % 0
Semantasyon işlemi için % 0.4 karbon içeriğine sahip çelik bir parça1000oC de karbon oranı % 1.2 olan bir ortamda bekletiliyor. Çelik parçanın yüzeyinden 1mm derinliğinde % 0.6 karbon içeriğine sahip olması için ihtiyaç duyulan süre nedir? (Do = 2x10-5m2/s, Q=142,000J/mol, R=8.314J/mol.K)