Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)"— Sunum transkripti:

1 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)

2 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 2 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Dönüşüm TipiÖrnekReaksiyon Türü 1. Buhar  SıvıBuharın yoğunlaşmasıKaynama 2. Buhar  KatıBuharın donması (pencere üzerinde donma) Süblimasyon 3. Sıvı  KristalSuyun buza dönüşümü (göl üzerinde donma) Ergime-katılaşma 4. Kristal 1  Kristal 2 a) ÇökelmeOstenitin soğutulmasında Fe 3 C’ nin oluşması Katı  Katı b) Allotropik dönüşümler9l0 °C’ de α-Fe  γ-Fe dönüşümü “ c) Yeniden kristalleşmeSoğuk haddelenmiş Cu da yeni tanelerin oluşumu. “ Faz Dönüşümü = Çekirdekleşme + Büyüme Alaşımlarda özellikleri faz dönüşümleri etkiler. Tablo. Faz Dönüşümlerinin Temel Çeşitleri.

3 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 3 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Faz dönüşümleri ile atomik yapılarda değişim veya yeniden düzen Dönüşümde (Yapısal dönüşüm + Bileşim değişikliği + Deformasyon oluşumu) Dönüşüm Örnek (a) Yapı değişimiSaf Fe’ in katılaşması (b) Yapı değişimi + Bileşim değişimiAlaşımlarda Ergime – katılaşma (c) Yapı değişimi + Gerilim oluşumuMartensit oluşumu (d) Yapı değişimi + Gerilim oluşumu + Bileşim değişimi ve, Tablo. Faz dönüşümlerindeki değişikliklerin karmaşıklık dereceleri.

4 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 4 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ  Tane İnceltme – Dökümde tane sayısını arttırmak için kontrollü olarak heterojen çekirdekleştirici parçacıkların ilavesi  Dispersiyon sertleştirmesi – İkinci bir malzemenin çok küçük parçacıklarının ilave edilmesi ile bir metalik malzemenin dislokasyon ilerlemesine direnç göstermesini sağlamak.  Katı-hal faz dönüşümü – Katı halde olan bir fazı başka bir katı hal fazına dönüştürmek.  Hızlı katılaşma prosesi – Katılaşma sırasında çok yüksek kontrollü soğutma hızları ile üstün malzeme özellikleri ortaya çıkarmak. Kontrollü Çekirdeklenme Uygulamaları

5 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 5 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Kristal Çekirdeklenme ve Büyümesi; Şekil. Sıvı metalin katılaşmada farklı safhaları. a) Sıvıda rastgele bölgelerde çekirdekleşen kristaller. b) ve c) Katılaşmanın ilerlemesi ile bölgelerin büyü- mesi. d) Katılaşmış metal (Her bir küçük kare bir birim kafesi temsil etmektedir) a)b) c) d)

6 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 6 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Saf Fe düşünüldüğünde, Yapı dönüşümü sıcaklık 910 °C olduğunda aniden olmaz. Önce α -Fe matriksinde küçük γ -Fe bölgeleri oluşumu Küçük taneler sonra büyüyüp α -Fe  γ -Fe dönüşümünü sağlar. Özet: Faz dönüşümü = (Çekirdek oluşması+büyüme) Dönüşüm hızı = f{ çekirdekleşme, büyüme } Ana faz ve ürün fazda (kompozisyon farklı) Şekil. HMK α -Fe fazı içinde YMK γ -Fe fazının çekirdekleşmesi. Yeni  fazı oluşumu  matriksi

7 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 7 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Çekirdekleşme hızı (I) ‘nın tanımı; Yeni bir faz tane sınırı ve dislokasyon gibi süreksiz bölgelerde oluşur. Yeni faz matrikste üniform bir bölgede de oluşabilir. İki farklı çekirdekleşme türü mevcut;  i) Homojen çekirdekleşme : Yeni faz matrikste üniform olarak çekirdekleşir.  ii) Heterojen çekirdekleşme: Yeni faz matrikste hata içeren bölgelerde çekirdekleşir. I = Birim zamanda oluşan  bölgelerinin sayısı  fazının hacmi Eğer  dan  e dönüşüm gerçekleştiriliyor ise;

8 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 8 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Homojen Çekirdekleşme Katılaşma sonucu serbest enerji değişimi; ΔG B = G S - G L G S, G L = Katı (solid) ve Sıvı (liquid) nın serbest enerjileri Şekil. Katı ve sıvının hacim serbest enerjilerinin sıcaklık ile değişimi GLGL TLTL Sıcaklık GSGS GSGS TT  G B  = G S  - G L  negatif değer GLGL Hacim serbest enerjisi

9 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 9 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Katılaşma olmadan ΔT kadar soğutulma =Aşırı soğuma lΔG B l = Aşırı soğumuş sıvı ve katı serbest enerjiye farkı (Hacim serbest enerjisi)  T kadar aşırı soğutmada sıvı hemen katılaşmaz Katılaşma için bazı engeller var !!!! Sıvı içinde katı parçacıklar oluşur (ÇEKİRDEKLER) Çekirdekler küresel kabul edilir (Çapları ~10 A° kadar) Yüzey/hacim oranları çok yüksek. Çekirdek yüzeyleri serbest enerjide pozitif bir artışa yol açar. Yüzeyler katılaşmada engel teşkil eder. Yüzey etkisi ile bir çekirdek oluşturmak için serbest enerji değişimi; (5.1)

10 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 10 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Çekirdek oluşum serbest enerjisi ve çekirdek yarıçapı ilişkisi  G Y = Yüzey serbest enerji değişimi = (4  r) 2.  ks  G = Toplam serbest enerji değişimi Çekirdek yarıçapı, r  G H = Hacimsel serbest enerji değişimi =  G B. 4/3  r 2 Serbest Enerji Değişimi  = yüzey gerilimi ΔG B = Hacim serbest enerji değişimi. Bazı dönüşümlerde deformasyon enerjisi de çekirdekleşmeye engel

11 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 11 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ r > r* için, reaksiyon negatif serbest enerji değişimine sahip. r = r* durumunda; (5.2) (5.3) Çekirdekleşme hızı (I) Kritik yarıçapa ulaşan çekirdeklerin toplam hacimdeki sayısı (Cn); Zamanla çekirdeğin büyümesi;

12 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 12 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Yarı kararlı “ana” faz dn/dt terimi, a)S (n* atom) + 1 atom S (n* + l atom) b)S (n* + 1 atom ) -1 atom S (n* atom) şartları göz önüne alınarak belirlenir. Kritik öncesi çekirdek Kritik çekirdek Kritik üstü(sonrası) çekirdek Çekirdekleşme = kritik yarıçapa ulaşan atom grubu + bir atom ile gerçekleşirse; (5.4) Cn=Cn= Kritik çaptaki (r*) çekirdek sayısı Hacim Çekirdek sayısı Hacim- zaman C n = dn dt I =

13 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 13 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Kritik partikül İstatistiki çalkalanma ile kritik çekirdek oluşumu Kritik partikülü çevreleyen atomlar Çevre atomlarının difüzyonla kritik partiküle sıçrayıp çekirdeklenme oluşturması

14 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 14 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Atomların sıvıdan katı çekirdeğe bağlanmalarının şematik gösterilişi Sıvı ý. Katı çekirdek Sıvı Katı Pozisyon GAGA  G B. yoğunluk b) a) G (atom başına) (5.5) ΔG A = Bir atomun sıvıdan katı çekirdeğe sıçraması için gerekli enerji

15 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 15 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ 1. Serbest enerjisi  G A dan büyük sıvı atomlarının oranı 2.  = Sıvı atomlarının titreşim frekansları 3. s = Sıvı- çekirdek arayüzeyinde çekirdeğe yönlenmiş atom sayısı 4. p = f. A f = çekirdeğe doğru bir sıvı atomun titreşme olasılığı A = Sıvı atomunun katı çekirdek ile çarpıştıktan sonra geri dönmeme olasılığı. (5.6) (5.7) K v terimi sabit bir terim

16 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 16 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Çekirdekleşme hızının sıcaklık ile değişimi. N çekirdek oluşumu için geçen süre, t = N/t t Düşük hare- ketlilik, yük- sek itici güç Yüksek hare- ketlilik, dü- şük itici güç Sıcaklık TfTf TfTf a) b)

17 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 17 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Şekil. Sıvının sıcaklığının (T) değişimi ile çekirdekleşme hızının (I) değişimi T Katılaşma

18 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 18 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Çekirdeklenmede yüzey enerji engeli var. Yüzey azalırsa yüzey enerjisi de azalır Heterojen Çekirdekleşme Homojen çekirdeklenmede küre alanı yüzey enerjisini arttırır Katı Çekirdekleştirici Çekirdeğin çapı değiştirilmeden çekirdek bir yüzeye yapışırsa yüzey alanı azaltılabilir Katı

19 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 19 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ    Katı (  ) Duvar  b) Şekil. a) Küresel şapkanın geometrisi, b) Şapka kenarında yüzey gerilim diyagramı. a) r  Duvar Katı(  ) ww 2R  Fazı   ww 

20 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 20 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ (5.13) (5.14) A αβ : α - β arayüzeyinin alanı, ve A βw : β - w arayüzeyinin alanı. Üç fazın birleştiği kenarda yüzey gerilim kuvvet dengesi kurulursa; ve (5.15)  G Heterojen = Şapka hacmi x Hacim enerjisi + Yüzey alanı x Yüzey enerjisi  G Heterojen =  G Hacim +  G Yüzey

21 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 21 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Küresel şapkanın yüzey alanı ve hacim ilişkileri bilinmeli. (5.17) Bu eşitlikler toplam serbest enerji eşitliğinde yerine konulduğunda; (5.18) Küresel şapka çifti şeklinde çekirdeğin oluşması ile toplam serbest enerji değişimi ; (5.16)

22 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 22 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Heterojen çekirdeklenmede kritik çekirdek yarıçapı: (5.20) Heterojen çekirdekleşme için ΔG*; (5.21) ΔG* (het) < Δ G* (hom.) sin 2 δ = 1-S 2 olduğunu göz önüne alarak ; (5.19)

23 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 23 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Heterojen Çekirdeklenme Uygulamaları; A.Yağmur Bombası: Yağmur iki şekilde oluşur: - Bulut katmanlarının çarpışması, - Buharların 0 o C altında aşırı soğuması ve buz kristalleri çekirdekleşmesi. Yapay yağmur (yağmur bombası) Bulutlar CO 2, AgI veya çöl kumu vs. ile buza çekirdeklenir. Atmosfer sıcaklığına bağlı: kar, sulu kar, yağmur.

24 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 24 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ B.Cam Bardakta CO 2 Çekirdeklenmesi Cam bardakta bira, gazoz, şampanya var ise; Gaz kabarcıkları bardak duvarında olur. Cam bardak yüzeyi tam düz değil. Cam yüzeyi süreksizliklerinde gazlar çekirdeklenir C. Karbür Çekirdekleyiciler Ti ve Nb mikroalaşımlı yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler (HSLA). İnce (10 – 20 nm) karbür ve nitrürler oluşur.

25 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 25 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ D. Tane İnceltme ÇekirdeklerAşırı soğuyan taneler (çil zonu) Eş eksenli taneler Kolonsal taneler Sıvı

26 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 26 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ -Al ve alaşımlarına katılaşmadan önce TiB 2 ilavesi. % 0.01TiB 2 ilavesi kolonsal büyüyen Al eş eksenli olur. - Aşılama işlemi Şekil. a) % 0,03 TiB 2 ve b) % 0,03 TiB 2 + % 0,01 katı Ti ilaveli Al a)b)

27 Prof. Dr. Hatem AKBULUT 27 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Eş eksenli taneler Sadece yaşayan kolonsal taneler Sadece yaşayan tek bir tane Şekil. Türbin kanatlarının tane yapılarının kontrol edilmesi: (a) Geleneksel eş eksenli taneli yapı. (b) Yönlenmiş olarak katılaştırılan kolonsal taneler ve (c) Tek kristal.


"Prof. Dr. Hatem AKBULUT 1 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ ÇEKİRDEKLEŞME (Nucleation)" indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları