Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 24.05.2016 BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 24.05.2016 BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)"— Sunum transkripti:

1 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)

2 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 2 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tanımlar Saf su Diyafram Diyafram kaldırılmadan Boyalı + Saf Su karışımı Diyafram kaldırıldıktan sonra Boyalı su ve Saf su karışımı ( Kütle transferi oluşumu) Atom ve molekül transferi ile kütle taşınımına yayınma (difüzyon) denir. Gaz ve sıvılarda partikül taşınımı ile de difüzyon oluşur Boyalı su

3 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 3 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Yayınma ile birçok fiziksel proses oluşur. -Proseslerin ne şekilde oluştuğu. -Hız kontrolü. -Oluşum şartları Yayınma: Malzeme üretimi esnasında avantaj. Kullanım sırasında dezavantaj doğurur (yüksek sıcaklık) Difüzyon (basit tanım): Atomların sıcaklığa bağlı olarak hareket etmesi olayı. Difüzyon (geniş tanım): Atom transferi yoluyla malzeme içinde kütle taşınması. İstisna: Homojen malzemelerde aynı atomların yer değişimi-self difüzyon (Genelde kütle taşınması görülmez)

4 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 4 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Difüzyon İçin Konsantrasyon Gradyanı Gereklidir (Yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atom, molekül veya partikül transferi ile kütle transferi olayı) Partiküllerin soldan sağa gitmesini ne zorlar? Her bir atom veya partikül kendilerinin kararlı olacakları bölgeleri bilir mi? Tüm partikül ve atomlar sağa ve sola eşit miktarda ve hızda mı hareket ederler! Yukarıdaki şekildeki arayüzeylerde soldan sağa partikül ve atom akışı, sağdan sola akıştan daha fazladır. Ortalama akış böylece sağa doğrudur diye kabul edilir  !

5 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 5 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Özellikleri yükseltmek için malzemeler sıkça ısıl işleme maruz bırakılır. Isıl işlemde atomik difüzyon meydana gelir Duruma bağlı olarak yüksek veya düşük difüzyon hızları istenir Isıl işlem sıcaklığı ve süresi, ısıtma veya soğutma hızları difüzyonun fiziksel olarak incelenmesi ile tespit edilebilir. Örnek: Çelik dişlilerin yüzeylerinin C veya N ile sertleştirilmesi Difüzyon Neden Çalışılmalı-Bilinmeli?

6 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 6 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Dolayısıyla: Difüzyon kanunlarının anlaşılması ile: -Isıl işlemlerin anlaşılması -Karbürizasyon, dekarbürizasyon, nitrasyon ve tavlama anlaşılması -Serviste kalma süresi ve koşullarının anlaşılması (sürünme vs.) -Yüksek sıcaklıkta iletkenlik korunması -Fazlar arasında bağ oluşumu (difüzyon bağı-kompozitlerde) 3.2. Difüzyon Yaklaşımları 1. Atomsal yaklaşım: Atomların hareket mekanizmaları incelenir. (çökelme, segregasyon, mikroyapı değişiminin anlaşılması). 2. Fiziksel yaklaşım: Yayınma hızı öçülebilir parametrelerle tanımlanır. (Karbürizasyon, nitrürleme, temperleme, homojenleştirmenin anlaşılması)

7 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 7 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Interdifüzyon: Bir alaşım veya difüzyon çiftinde atomlar yüksek konsantrasyondan düşüğe doğru göç etmeye meyillidirler Atomsal Difüzyon Yaklaşımı Başlangıç (difüzyon çifti) Konsantrasyon Profillerin Bir süre sonra Konsantrasyon Profillerin

8 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 8 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Orijinal arayüzey A Atomları B Atomları t = 0 t = Mesafe x Orijinal arayüzey Şekil. İki farklı metalin kimyasal difüzyonunun şematik olarak temsil edilmesi.

9 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 9 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Örnek: Cu ve Ni elementlerinin karşılıklı difüzyonu. Fe atomları arasına C, N, B atomlarının yerleşmesi. Paslanmaz çelik-Alüminyum difüzyon kaynağı. Self-difüzyon (kendiliğinden yayınma): Saf malzemelerde atomların bir latis pozisyonundan diğerine hareket etmeleri İşaretli atomlarBir süre sonra

10 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 10 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Örnek:A- Radyoaktif altın izotopu Au 198 ) B- Normal altın (Au 197 ) plaka Normal Au plaka üzerine radyoaktif Au çöktürme Şekil. Saf metalde self-difüzyon Koyu noktalar = Radyoaktif atomlar. 1.Normal self difüzyon: Do ve aktivasyon enerjisi yüksek. D değerleri hep aynı. 1.Anormal self difüzyon: (10 metalde) Do ve aktivasyon enerjisi küçük. Radyoaktif A atomlar ı Y ü zeyden mesafe Normal (radyoaktif olmayan) A atomlar ı t1t1 t2t2 t3t3 Radyoaktiflikyoğunluğu Zaman = t 3 Zaman = t 2 Zaman = t 1 Zaman = t 0

11 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 11 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Van Liempt ilişkisi Self difüzyonun normal self difüzyon olması için; I) Self difüzyon katsayısı Arhenius kuralına uyar: D = D o exp(-Q/kT). II) D o değerleri 5x10 -6 dan 5x10 -4 m 2 /s ya değişir. III) Aktivasyon enerjisi = f {T ergime yaklaşık Q = 34 T E } ( Q = cal/mol, Q = kjoul/mol ise Q = 0.14 T E )

12 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 12 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Atomsal Yayınma Mekanizmaları Şekil Difüzyon mekanizmaları: 1; Direkt yer değiştirme, 2; Çevrimli yer değiştirme, 3; Boşluk difüzyonu, 4; Arayer difüzyon, 5; Arayerimsi difüzyon, 6; Tırmanmalı difüzyon

13 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 13 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Direkt Yer değiştirme : Atom yoğunluğu yüksek sistemlerde meydana gelir. Yüksek oranda distirsiyona yol açar. Çok yüksek aktivasyon enerjisi bariyeri aşılmalı. 2. Çevrimli Yerdeğiştirme Zener modeli olarak da bilinir. N adet atom sürekli olarak birbirinin yerini alır. Aktivasyon enerjisi direkt yer değiştirmeden çok daha düşüktür. 3. Boşluk Mekanizması Nokta hataları, çift boşluklar ve yeralanlar. Çok yüksek aktivasyon enerjisi gerekmez. Distirsiyona olmadan atomlar hareket eder.

14 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 14 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Hareket esnasında atom bir arayer atomu gibi görünür İlkin, komşu atomlarla olan bağın kopması gerekir -Boşluğun yanındaki bir atom titreşim sonucu boşluğa yönelir ve hareket eder. Yer alan atomun hareketi Boşluk

15 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 15 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Arayer (Insterstitial) Difüzyonu Arayer atom boşluklarına küçük atom transferi (H, O, N, C ve B). Distirsiyonsuz difüzyon (atom boşluğuna gerek yok) Düşük aktivasyon enerjisi - Genelde atom yarıçapı küçük olan atomlar ana atomlar arasına göç etmesi Difüzyondan önce arayer atomun pozisyonu Difüzyondan sonra arayer atomun pozisyonu

16 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 16 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Diğer Difüzyon Mekanizmaları Arayerimsi difüzyon, Tırmanmalı Difüzyon Çok yüksek aktivasyon enerjisi, yüksek distirsiyon Şekil. YMK bir kristalede oktahedral ve tetrahedral boşluklar. Oktahedral bo ş luk Tetrahedral bo ş luk Örnek:  ve  Fe’ de C,N Örnek:  Fe’ de Ni YeralanArayer

17 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 17 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Aktivasyon Enerjisi (Q), aynı zamanda difüzyon için enerji bariyeri olarak adlandırılır Başlangıç durumu Nihai durumGeçiş durumu Enerji Aktivasyon Enerjisi Difüzyon Aktivasyon Enerjisi Atom, yeni bir konuma yanındaki komşu atomları sıkıştırarak geçer. Bir enerji bariyerinin aşılması lazım

18 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 18 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Bir atomu bir boşluk bölgesine göndermek için gerekli olan aktivasyon enerjisi; Şekil. Difüzyonda aktivasyon enerjisi (Q) engeli aşılması Yeralan (boşluk) Arayer Q Q Enerji qoqo Pozisyon b) a) Enerji Aktivasyon enerjisi düşük ise kolay difüzyon Aktivasyon enerjisi nasıl aşılır? a) Isı, b) Deformasyon, c) Magnetik güç, d) Radyasyon, e) Radyo frekansı Difüzyonda latiste Difüzyonda latiste distirsiyon olur distirsiyon olur

19 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 19 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Fiziksel Açıdan Dif ü zyon Kararl ı hal (Konsantrasyon zamanla ve mesafeyle değişmez) Difüzyonda kütle transferi ne kadar hızlı gerçekleşir? Difüzyon akışı (hızı) = (J) Fiziksel Difüzyon Yaklaşımı Karars ı z hal (Konsantrasyon mesafe ve zamanla de ğ i ş ir)

20 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 20 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.1) J: Difüzyon akış hızı (kütle / m -2 s -1 ), A: Alan (m 2 ), t : süre (s), M: kütle Pratikte difüzyon çoğu zaman kararsız hal ile gelişir. Kararsız hal difüzyonunda I. Fick kanunu geçersiz. Katılarda tek yönlü yayınma A ve B atomlarından oluşan ideal katı eriyik A = çözünen, B = çözen Katının birim kesitine hareket eden M kütleli yayınan elementlerin hızı;

21 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 21 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Bir difüzyon çiftinde bileşimin zaman ve mesafe ile değişimi Şekil. Bir konsantrasyon gradyanı ile beraber tahminen verilen bir tek kristal. X düzlemiY düzlemi X düzlemi Y düzlemi a Çözünen atom- ların (A) konsan- trasyonunun en yüksek olduğu uç Çözünen atomların (A) konsantras- yonunun en düşük olduğu uç 0.01 t = 0 t =  t = t Saf Fe Mesafe, Z Xc = % Ağ. C Fe + % 1 C

22 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 22 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ dc A /dZ = Çubuk içinde konsantrasyon gradyanı (farklılığı) İki atom düzlemi arasında konsantrasyon farklılığı; (3.2) C A = A atomlarının konsantrasyonu, Z = Çubuğun uzunluğu boyunca mesafe ve a = Latis parametresi. Rasgele sıçrama mevcut t = Bir atomun bir konumda ortalama kalma süresi 1/t = atomların sıçrama frekansı. Şekil. Bir kristaldeki bir kesitte atomik boyutta bir görünüş. x Atomu a X D ü zlemiY D ü zlemi

23 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 23 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ A atomunun X düzleminden Y düzlemine sıçrama frekansı = 1/6t (C A.aA) = A atomlarının X düzlemindeki sayısı X düzleminden Y düzlemine akışı (flux); (3.3) J X  Y = Çözünen atomların X düzleminden Y düzlemine akışı, t = Çözünen atomların bir latis konumunda kalma zamanı, C A = Birim hacimdeki A atomlarının sayısı (konsantrasyonu), A = Numunenin kesit alanı, a = Kristalin latis sabiti A atomlarının Y düzlemindeki konsantrasyonu ise; (3.4)

24 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 24 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.5) A atomlarının Y düzleminden X düzlemine geçiş hızları; İki düzlem arasında net bir akış (flux); (3.6) (3.7) veya

25 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 25 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Adolf Fick (1855) atomların akışı hacim yoğunluk gradyanı ile orantılı Eşitlik (3.7) de; ise (3.8) (3.9) Birinci Fick Kanunu J A = Kesitten, birim zamanda geçen miktarı. (g/cm 2 sn veya atom/cm 2 sn) D A = A atomlarının difüzyon katsayısı (cm 2 /sn). C A = A atomlarının hacim yoğunluğu( g/cm 3 veya atom/cm 3 ).

26 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 26 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Eksi (-) işareti atomların düşük yoğunluğa doğru akışından dolayı gelmekte. Konsantrasyon gradyanı varsa yayınma ile bir madde akışı olur. (Genellikle doğru, fakat her zaman geçerli değildir). D etkileyen en önemli iki faktör: a) Sıcaklık, b) Kompozisyon. Düzensizlik artınca D artar (Tane sınırı ve dislokasyonlar) Dif ü zyon Katsay ı s ı n ı Deneysel Belirleme Metotlar ı Makroskobik metot (Fick kanunlar ı na dayan ı r) Mikroskobik metotlar Gevşeme Metotlar ı Snoek Zener N ü kleer, Magnetik rezonans (MR) Yar ı elastik n ö tron sa çı n ı m ı

27 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 27 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Difüzyon katsayısı (D) nasıl belirlenir? J A ve D A direkt olarak ölçülemez, Değişik zaman dilimlerinde bileşim profili ölçülebilir. Kütle akış yönüne dik bir difransiyel element kütle balansı kurulduğunda, Örnek: Karbon taşınımı için; Giren Kütle - Çıkan Kütle = Birikim Bu iş için geçen zaman dilimi; Giriş Hızı - Çıkış Hızı = Hız Birikimi Tüm madde şekildeki düzlem 1 den geçmekte, dolayısıyla madde transfer hızı; (1 'deki akış) x (1 'in alanı) 'dır. Yani; Şekil. Tek yönlü difüzyon için difransiyel hacim elementi. 12 dZ J içeri J d ı şar ı Giriş Hızı (3.10)

28 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 28 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Çıkış Hızı(3.11) Hız birikimi hacim yoğunluğu ile ifade edilirse; Hız Birikimi (3.12) (3.13) Sonuçta; Süreklilik eşitliği (Kullanımı tek yönlü akış ile sınırlı) (Atom akışı, sıvı akışı, ısı akışı, elektron, nötron akışı gibi...). Metalurjik işlemlerde genellikle tek yönlü kütle akışı, (3.13) eşitlikteki J yerine I. Fick kanunu ile elde edilen J ifadesi yazılır ise;

29 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 29 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.14) II. Fick Kanunu Eşitlikte, C 1 bağımlı Z ve t bağımsız değişkenlerdir. Denklemin çözümü Z, t ve D 1 ' e bağlı olarak C 1 ' i verir Fe-C sisteminde ; Mesafe, Z t = t 1 t = t 2 CoCo C o /2 Yüksek C lu çelik Saf Fe Kons.(C) % hacim Şekil. Bir Fe-çelik difüzyon çiftinde kompozisyon profili.

30 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 30 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Eğer D sabit kabul edilirse, (3.15) lineer diferansiyel denklemi elde edilir. Laplace dönüşümü kullanılarak Çubuğun üzerinde sadece Z > 0 olan kısımlar için çözüm; Sınır Şartları: C (Z = 0, t) = Co/2 :C (Z = , t) = 0 Başlangıç Şartı:C (Z, 0) = 0 t bağımsız değişken olarak kabul ederek Laplace dönüşümü ile, (3.16)

31 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 31 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ , fonksiyonu 1 den 0’ a hızla düşen bir fonksiyon İntegral fonksiyonu = hata fonksiyonu (3.17) (3.18) Sonuçta; Denklem (3.18) Z > 0 sınır şartı için gerçekleştirilmiş. Z< 0 bölgesi için ise konsantrasyon; (3.19)

32 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 32 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tablo: Hata fonksiyonu değerleri tablosu erf(  ) 

33 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 33 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Grube Çözümü: Başlangıçta karbon konsantrasyonu = C 1 ve C 1 < C o ise, Arayüzey denge konsantrasyonu = C o -C 1 )/2 olacak; (3.20) Şekil. Hata fonksiyonun grafiksel olarak tespiti.

34 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 34 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Difüzyon Prosesleri ile Yüzey Sertleştirme KarbürlemeNitrürlemeBorlamaKarbo-nitrürleme Yüzeye C °C Hv Yüzeye N °C Hv Yüzeye B °C Hv Yüzeye C, N °C Hv

35 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 35 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Karbürleme (Sementasyon) CsCs 1 23  700 o C CsCs Konsantrasyon Grafit Demir Z t1t1 t 2 C s /2 a) t3t3   +Fe 3 C b) Karbon Kons. Şekil. a) Fe karbürizasyonu için kompozisyon profilleri, b) Fe-C denge diyagramı. Karbürleme: metal yüzeyine karbon vererek yüzey altına karbon emdirme

36 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 36 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Düşük C Yüksek C Düşük karbonlu bir çelik yüzeyinde yüksek karbonlu sert ve aşınmaya dayanıklı bir tabaka üretilir Dişli Aks Dişli ve aks gibi yüzeyleri aşınmaya dayanıklı ve içi tok parçalar elde edilir.

37 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 37 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Yüksek yüzey sertliği + tokluk (1-1.2 mm lik sert tabaka) Karbonlayıcı ortam = katı, sıvı, gaz. Mesafeye bağlı karbon miktarı: (II. Fick kanunu yardımı) Sınır koşulları: Sınır koşulları : C(Z= 0, t) = C C(Z= , t) = 0 Başlangıç koşulu :C(Z, 0) = 0 yazılabilir. Arayüzey denge konsantrasyonu C o /2 yerini, C s almış. Başlangıçta çelikte hiç karbon yoksa; (3.22) (3.23) Başlangıçta C 1 kadar karbon varsa ve C 1 < C s ise,

38 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 38 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.24) Eşitliğin açılması ile; veya C(Z,t) = Malzemenin yüzeyinden itibaren Z mesafedeki C konsantrasyonu C 1 = Malzemenin başlangıç konsantrasyonu, C s = Ortamın konsantrasyonu, Z = difüzyon (karbürizasyon) mesafesi (cm), D = difüzyon katsayısı (cm2/sn), t = difüzyon (karbürizasyon) süresi (sn), erf(  ) = hata fonksiyonu (Tablo veya şekilden)

39 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 39 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tablo: Hata fonksiyonu değerleri tablosu erf(  ) 

40 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 40 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Fe-F 3 C Faz Diyagramı 400 C 1400 C 1200 C 1000 C 800 C 600 C 1600 C Fe1% C2% C3% C4% C5% C6% C6.70% C Sementit (Fe 3 C) Sıvı , Ferrit  Ostenit  Ferrit  Cementite L +  L + Sementit Ötektik Ötektoid CsCsCsCs

41 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 41 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.26) (3.27) (3.28) Buradan Tablo veya şekilden; Ve Kısaca (3.29) (3.25) Parça başlangıçta hiç C içermez ise,

42 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 42 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ c Bir 8620 çeliğinden imal edilmiş olan otomobil dişlisinin makro görüntüsü a a) Karbürlenmiş ve yağda su verilmiş b b) Karbürlenmiş ve havada soğutulmuş

43 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 43 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Malzeme yüzeylerine azot (N 2 ) emdirme Çelik kalıplar. Yorulma ömrü yüksek Demirdışı alaşımlara da uygulama Azot atomu yarıçapı karbon atomundan daha düşük. İşlem karbürlemeden daha düşük sıcaklıkta gerçekleşir. Sıvı, Gaz ve Plazma ortamları Nitrürleme Plazma ortamında; Paslanmaz çelik, Ti, Al °C de 316L CrN fazı Sertlik = 900 VN

44 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 44 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ a b Şekil a) 1035 çeliğinin azot gazı ile nitrürlenmiş yapısı. b) Sıvı siyanat banyosunda orta karbonlu çeliğini Nitrürlenmiş örnekleri. Demir dışı metal ve alaşımlarında da nitrürleme ile yüzey sertleştirilir

45 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 45 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Ti-6Al-4V alaşımında °C de Hv sertlik 10 µ b) TiN Ti 2 N  -Ti 100  a) Şekil. Plazma iyon nitrürleme prosesi ile nitrürlenen Ti-6Al-4V alaşımında, a) nitrür tabakasının merkeze doğru değişimi ve b) yüksek büyütmede nitrür bileşik tabakaları

46 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 46 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Bir çelik yüzeyinde karbonitrür yapısı Yüzeyde C 3 N 4 benzeri Fazlar üretilmeye çalışılır. Çok yüksek mukavemet ve tokluk kombinasyonu elde edilir. Gaz faz ortamında yüzey sertleştirilir. Genelde plazma yüzey modifikasyon işlemleri uygulanır Karbonitrürleme

47 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 47 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Borlama Metal ve alaşım yüzeylerine Bor (B) emdirme, Sıvı, katı ve gaz (plazma dahil) ortamlarında yüzey sertleştirilir. Katı ortam ticari amaçla kullanılmakta a b Şekil. İki farklı çelikte elde edilmiş olan bor tabaka kesit yapısı: a) FeB ve Fe 2 B fazlarının morfolojisi

48 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 48 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil K de yapılan borlama sonucunda üretilen Ni-bor tabakasının sertliği Borlanmış Ni Ni Sıcaklık, K Sertlik, H V 0.05 Şekil. Demir esaslı alaşımlarda alaşım elementlerinin difüzyon derinliğine etkileri. Alaşım elementlerinin atomik oranı, % Tabaka kalınlığı, mm

49 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 49 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Karbon fakirleşmesi Dekarbürizasyon; 1.Karbürlemede oksitlenmeden 2.Yüzey işlemek için R oktahedral boşluk  r C C atomu °C de oktahedral boşluktan çıkar Şekil çeliği; 925 °C de 8 saat karbürleme, Yağda su verme 825 °C de 15 dakika bekletme ve dekarbürizasyon. Dekarbürizasyon

50 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 50 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.30) C(Z,t) = İşlem sonunda yüzeyden Z mesafede dekarbürize olmuş kısım konsantr.(%), Cs = Dekarbürizan ortamın konsantrasyonu (%), C1 = İşlem öncesi malzeme konsantrasyonu (%),

51 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 51 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Difüzyon çiftinde atom boyutları çok çok farklı değil ise; Cu ve Ni çifti Yeralan Atomların Difüzyonu Şekil. Kirkendall hareketi. a ZZ Cu J Cu J Ni NiCuNi b ÇinkoBakır Pirinç

52 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 52 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Sonuç: Cu latisi genleşmiş, Ni küçülmüş Şekil. Ni-Cu çifti. Konsantrasyon mesafe profilleri: a) Düşük sıcaklıkta ve b) 250 °C de 107 gün bekleme. Konsantrasyon (%) Mesafe (  m) a b Yüzey temizleme (Saf Cu ve Ni) Cu-Ni birleştirme 250 °C 107 gün Cu ve Ni içinde konstr. ölçme Cu-Ni çiftinde deney

53 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 53 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Bu etki ilk olarak L. Darken tarafından incelenmiş. Kirkendall Etkisi analizi D A ve D B = Karşılıklı yayınan A ve B atomlarının difüzyon katsayıları A ve B atomlarının karşılıklı akışları I. Fick Kanununa göre; (3.31) eşitlikleri ile belirlenebilir. Kirkendall Etkisi: Bir latisin diğerinin küçülmesi pahasına genleşmesi J A ve J B = Birim alan içinden birim zamanda geçen A ve B atomlarının sayısı n A ve n B = Birim hacimde bulunan A ve B atomlarının sayısı D A ve D B = Doğal (intrinsic) difüzyon katsayıları olarak adlandırılırlar. ve

54 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 54 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Sabit(3.32) Kirkendall işaretinin hızı; (3.33) İşareti geçen madde hızı ise, işaret hızı ile aynı büyüklükte fakat ters yöndedir; (3.35) (3.34) Birim zamanda işareti geçen madde hacmi; Darken’ in kabulü: Birim hacimdeki atomların toplam sayısı sabit. 1/ nA + nB = bir atomun hacmi

55 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 55 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Net akış = A ve B atomlarının akışları toplamı ; (3.37) ve (3.38) (3.39) (3.36) Eşitlik işaret hızı eşitliğinde yerine konduğunda; Sabit idi ve ve N A ve N B = A ve B atomlarının atomik oranları

56 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 56 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ İşaretin hızı; (3.40) (3.50) (3.49) D A ve D B nasıl hesaplanır? = karşılıklı difüzyon katsayısı İşaret hızı ve ölçülürse Doğal difüzyon katsayıları D A ve D B hesaplanabilir. hesaplamada en yaygın yöntem = MATANO ARAYÜZEY YÖNTEMİ Difüzyon katsayısı = f{konsantrasyon} Bu durum için II. Fick Kanunu yardımıyla;

57 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 57 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Adım 1. Difüzyondan sonra mesafeye bağlı olarak kimyasal analiz yapmak (Bileşimin belirlenmesi, bileşim-mesafe değişimi grafiksel olarak çizilmek) 2. A ve B atomlarının aynı toplam akışa sahip olacak çubuğun kesitinin belirlenmesi Kesit = Matano Arayüzeyi (M ve N alanlarının eşit olduğu noktadaki kesit) Matano arayüzeyinin pozisyonu grafiksel integrasyon ile belirlenir. Deneysel olarak hassas ölçüm cihazları ile tespit edilebilir. İkincil elektron kütle spektroskobisi ile (SIMS) N Alanı M Alanı İşaret Arayüzeyi Matano Arayüzeyi Şekil. Matano arayüzeyinin alanları birbirine eşit olan N ve M gibi iki alanının tam ortasında yer alması. Kompozisyon

58 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 58 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Fick kanunun Boltzman çözümü, (3.51) t = difüzyon zamanı N A = Matano arayüzeyinden z mesafede atomik konsantrasyon, N A 1 = Difüzyon çiftinin bir tarafındaki, difüzyondan etkilenmemiş orijinal konsantrasyon. Rasgele bazı değerler alındığında,

59 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 59 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tablo. Matano Metodu için varsayımsal difüzyon verileri Bileşim (% atom) - Metal A Matano Arayüze- yinden Uzaklık (cm) Şekil. Matano metoduna göre difüzyon verileri grafiği

60 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 60 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (3.56) (3.54) (3.55) (3.53) dan, N A = 0.375’ e kadar olan alan= 4.66x10 4 cm 2 Difüzyon zamanı 50 saat ( saniye) olduğu kabul edilirse; bulunur. Difüzyon Katsayısının Sıcaklıkla Değişimi D o = frekans faktörü veya doğal difüzyon katsayısı Q = difüzyon aktivasyon enerjisi E çizgisi eğimi

61 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 61 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tablo. Difüzyonun sıcaklığa bağımlılığını göstermek için varsayılan değerler. Bir doğru (y = b + ax) denklemi veya Şekilden Eğim = Şekil. Q ve Do’ ı elde etmek için çizilen deneysel difüzyon verileri. Sıck. (°K) Dif. Kats. (D) 1/TlogD x x x x x x x x x x R = 2 kal/mol

62 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 62 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Ordinat kesişim noktası=0.7 Doğal difüzyon katsayısı değeri D o kal./mol Sonuçta difüzyon katsayısı değeri D  D  TmTm ToTo D  Arayer katı çözeltileri Sıvı Katı D  D  TmTm ToTo D  Yeralan katı çözeltileri Sıvı Katı T m : Ergime sıcaklığı T o : Oda sıcaklığı Şekil. Yeralan ve arayer çözeltilerinde farklı sıcaklıklarda difüzyon.

63 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 63 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tane içi Tane sınırı Yüzey Çok kristalli malzemelerde atom hareketi (Difüzyon) D Yüzey  D Tane sınırı  D tane içi (latis) (3.55) D s ve D b = yüzey ve tane sınırı yayınabilirliği, D so ve D bo = sabitler Yüzey ve Arayüzey Difüzyonu

64 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 64 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Q s ve Q b = yüzey ve tane sınırı difüzyonu için deneysel aktivasyon değerleri. Kaynak arayüzeyi dz B metali A metali Şekil. Hacimsel ve tane sınırı difüzyonunun birleşik etkisi. Ag de sıcaklığa bağlı tane sınırı ve (tane içi), latis difüzyonu verileri. Tane sınırı difüzyonu çizgisinde Latiste (tane içinde)

65 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 65 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Gümüşte tane sınırı ve tane içi (latis) difüzyonunun sıcaklıkla değişimi Sıcaklık o C LogD

66 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 66 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Difüzyonun HIZLI Olduğu şartlar Düşük atom yoğunluklu yapılar Düşük ergime dereceli malzemeler İkincil bağ yoğun malzemeler (Van deer Waals) Difüze olan atomların boyutunun küçük olması Düşük yoğunluklu malzemeler Difüzyonun YAVAŞ Olduğu Şartlar Sıkı paket yapılar Yüksek ergime dereceli malzemeler Ana bağların yoğun olduğu malzemeler (Kovalent bağ) Difüze atomların boyutunun büyük olması Yüksek yoğunluklu malzemeler ÖZET: YAPI & DİFÜZYON

67 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 67 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Arayer element difüzyonu iç sürtünmeler kullanılarak ölçülebilir. İlk kez Snoek, 1939 yılında açıklamış. Fe gibi HMK bir metalde N ve C gibi arayer atomları: a) Küb kenarlarının ortasında b) Küb yüzeylerinin merkezinde X veya W de bir C atomu yönünde iki Fe atomu arasında bir yer bulur. Fe-Fe atomları arası mesafe belli. r c  r arayer Şekil. HMK bir Fe latisinde arayer karbon atomlarının işgal ettikleri yerleri gösteren yapı. Z ekseni X ekseni Y ekseni Y Z X W a b a ve b demir atomları X atomu tarafından dışarı doğru itilir ve birbirinden uzaklaştırılır ( iç sürtünme olur) Latis boyu uzar Snoek Etkisi

68 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 68 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Katılaşma sonunda alaşım elementleri dağılımı,(segregasyon) Fick denkleminin özel bir çözümü; (3.49) C = Homojenleştirme tavlaması öncesi konsantrasyon, Co = Homojenleştirme tavlaması sonrası konsantrasyon, D = Difüzyon katsayısı, t = Difüzyon süresi, l = Difüzyon mesafesi Homojenleştirme Tavlaması


"Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 24.05.2016 BÖLÜM-III YAYINMA (DİFÜZYON)" indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları