Kafes Yapılar Atomların kristal sistemlerindeki diziliş biçimi kafes yapıyı oluşturur. Hacim Merkezli Kübik Kafes, Yüzey Merkezli Kübik Kafes Hegzagonal sistemde Tabiatta bulunan 60 kadar metalden 40 kadarının yalnızca Hacim Merkezli Kübik Kafes, Yüzey Merkezli Kübik Kafes ve Hegzagonal sistemde oluştuğunu ifade etmek bu üç kafes yapısının önemini açıklamaktadır.

Kübik Kafes Yapılar Basit kübik Kafes hacim merkezli yüzey merkezli kübik kafese sahiptirler.

basit kübik kafeste kübün her köşesinde birer atom bulunur ancak kararsız bir diziliş türü olduğundan doğada bu dizilime sahip bir cisim yoktur. Metallerin çoğu hacim merkezli veya yüzey merkezli kübik kafese sahiptirler.

a) Hacim Merkezli Kübik Kafes: Kübün her köşesinde birer atom ve merkezinde de bir atom bulunur ve köşe atomları merkez atoma teğettir. Örneğin; Demir a, b, g Molibden, Wolfram a R

Atomun yarıçapı R olduğuna göre Şekilde birim hücrenin kenarı a’nın R cinsinden ifadesi verilmiştir. Gerçekte her köşedeki atom 8 komşu birim hücre tarafından paylaşılmaktadır. Bir köşede bir birim hücreye ancak 1/8 lik bir dilim düşer. Bu durumda köşe atomlarının toplamı 8x1/8=1 dir. Küpün merkezinde bulunan bir atomla birlikte birim hücredeki toplam atom sayısı 2 olur. Atomların diziliş sıklığını ifade etmek amacı ile atomsal dolgu faktörü (ADF) deyimi kullanılır. Bu faktör atomların dolu küreler olduğu varsayılarak bulunan birim hücredeki atomların toplam hacmini birim hücre hacmine bölerek elde edilir a R

Yüzey Merkezli Kübik Kafes (YMK Yüzey merkezli kübik kafeste birim hücrenin köşelerinde birer ve yüzeylerin merkezinde de birer atom vardır. Al Cu vb

Hegzagonal Kristaller Hegzagonal kristaller iki tür kafes oluştururlar. Hegzagonal Sıkı Düzen Basit Hegzagonal olarak isimlendirilirler.

Basit hegzagonal sistemde köşelerde birer atom yer almaktadır. Hegzagonal sıkı düzende ise köşelerde birer atomun bulunması ile birlikte alt ve üst tabanda birer atom ve içinde de üç atom yer almaktadır Basit hegzagonal sistemde köşelerde birer atom yer almaktadır. Hegzagonal sıkı düzende ise köşelerde birer atomun bulunması ile birlikte alt ve üst tabanda birer atom ve içinde de üç atom yer almaktadır. Basit Hegzagonal Yapı Hegzagonal Sıkı Düzen

Basit hegzagonal sistemde 12x1/6=2 adet köşe atomu yer almakta. Hegzagonal sıkı düzende ise 12x1/6=2 köşe atomu, 2x1/2=1 adet alt ve üst yüzey atomu, içinde de 3 olmak üzere toplam 6 atom yer almaktadır. Hegzagonal sıkı düzenin atomsal dolgu faktörü aynı yöntemle hesaplandığında 0.74 oranında YMK kine eş değerde bir doluluk oranı görülür. Basit hegzagonal sistemde atomsal dolgu faktörü düşük olup bu tür kafese sahip eleman mevcut değildir.

Polimorfizm (Allotropizm): Aynı kristal yapılı ancak farklı iki bileşiğe sahip ise izomorfizma denir. Örnek: Olivin (Forsterit-Fayalit ) Ortarombik Benzer şekilde aynı kimyasal bileşime sahip fakat değişik kristal yapılı cisimlere polimorflar ve bu özelliğe de polimorfizm denir. Örnek: Grafit (Hegzagona) -Elmas (Kübik), Kalsit (Hegzagona)l -Aragonit (Ortarombik)

Demirin soğuma eğrisi incelendiğinde; oda sıcaklığında (HMK), 910 oC üzerinde (YMK), 1400 oC üzerinde ise (HMK) şeklindedir

4. KRİSTAL HATALARI Bu tanıtım yapılırken genellikle prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar (arı metaller) tarafından doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve doğrultularının kristal boyunca uzadığı varsayıldı. Gerçekte ise kusursuz 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. Bunların dışında cisim tek yerine çok kristalden oluşabilir. Bu sözü edilen tüm etkenler ve çok kristalli cisimlerde sınır bölgeleri kütlenin düzenli yapısını bozar ve kusurlu hale getirirler. Bu kusurların (hataların) biçimi, boyutu ve miktarı toplam kütleye göre çok az da olsa özellikleri büyük ölçüde etkilerler.

Metallerin plastik şekil değiştirmesi, mukavemeti iletkenlikleri büyük ölçüde kristal yapı kusurlarına bağlıdır. Malzemelerin gerçek davranışını açıklayabilmek için bu kusurları yakından tanımak gerekir.

Kristal kusurları noktasal, çizgisel yüzeysel olarak üç türde gerçekleşmektedir.

Kusur, birkaç eksik veya yer değiştirmiş atomdan oluşmuşsa noktasal hata (kusur) denir. Bunların mekanik özelliklere etkisi önemsizdir. Şekil ‘de görülen eksik atom nedeni ile doğan boş kafes köşesidir. Bunlar ya katılaşma süresinde veya yüksek sıcaklıkta aşırı ısıl titreşimler etkisinde oluşurlar. İyonsal cisimlerde zıt işaretli iyon çifti eksikliği (Schottky Kusuru) veya yer değiştirmiş iyon (Frenkel Kusuru) biçiminde de olabilirler Boş Kafes Arayer Atomu

Eğer kusur kristalde boydan boya bir çizgi boyunca uzanıyorsa buna çizgisel hata (Dislokasyon) denir. Bu tür kusur özellikle metallere plastik şekil değiştirme (süneklik) yeteneği sağlar ve bu yetenek büyük ölçüde bunların varlığına bağlıdır. Diğer yandan eğer sayıları çok artarsa aralarındaki girişim nedeni ile metallerin mukavemetini yükseltirler

Kenar dislokasyonu kristal yapısı içinde fazla bir atom düzleminin kenarı olarak tanımlanabilir. Dislokasyon boyunca çekme ve itme alanları bulunduğundan kenar dislokasyonu boyunca bir enerji çoğalması vardır

Yüzeysel Kusurlar Bir cismin yüzeyinde bulunan atomlar enerji yönünden içerdiklerinden farklıdır. İçerdikleri atomlar komşu atomlarla tamamen kuşatılmış olup düşük enerji konumundadır. Yüzey atomlarının ise bir yanlarında komşu atomlar yoktur ve kütle tarafından daha büyük bir kuvvetle çekilirler, bu nedenle de enerjileri daha yüksektir.

MALZEMELERİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ ısıl genleşme ergime ve kaynama noktası özgül ısı ısı iletkenlik katsayısı özgül elektrik direnci ve özgül iletkenlik birim ağırlık ve boşluk geçirimlilik ve kılcal su emme akustik özellikler aşınma

Malzemelerin Isıl Genleşmesi

Örnek 20 oC sıcaklıkta uzunluğu L1 = 1 m olan paslanmaz çelik tel “+ 120 oC” a kadar ısıtılırsa toplam boyca ne kadar uzar ve ısıl gerilme ne kadar olur? a = 10x10-6 (1/ oC) E = 2.1x104 (kg/cm2 )

Ergime ve kaynama noktaları Ergime ve kaynama noktalarını belirten sıcaklık dereceleri, malzemenin katı fazdan sıvı faza geçişini gösteren değerlerdir. Bir maddenin, birim ergime veya kaynama ağırlığının ergitilmesi veya kaynatılması için gerekli ısıya o malzemenin latent ısısı denir. Ergime: Metalin ergimesi, Sıcaklığın ve kristal şebekesinin çözülüp dağılması ve serbestleşmiş atom ve elektron bulutları haline gelmesidir.

Isı İletkenlik Katsayısı Maddelerin ısı iletim özelliklerini gösterir. Isı iletkenlik katsayısı küçüldükçe malzemenin ısı iletim yeteneğinin olmadığı anlaşılır.

Bazı malzemelerin ısı iletkenlik katsayıları.

Elektriksel İletkenlik ve Özgül Direnç Cisimlerin elektrik akımını iletme yeteneğine iletkenlik denir. Elektriksel yük taşıyıcılardan elektronlar ile yayınan eksi yüklü iyonlar (anyon) eksi yük taşıyıcı, elektron boşlukları ile yayınan artı yüklü iyonlar (katyon) artı yük taşıyıcıdırlar. Yayınan iyonların taşıdığı yük ise iyonsallık derecesine bağlıdır. Örnek olarak verilirse, Pb+2 nin yükü 2 q (kulon), SO4-2 ’nin eksi 2 kulon dur.

Birim Hacim Ağırlık ve Boşluk Genellikle seramikler sınıfına giren taş yapılı malzemelerde ve yapı malzemeleri gibi malzemelerde değişik tür ve büyüklüklerde boşluklar bulunur. Kapalı boşluk Kılcal boşluk Açık boşluk

Bu boşluklar malzemenin birim ağırlığını, su emmeyi, geçirimliliği, dona dayanıklılığı, mukavemeti ısı ve ses yalıtımını önemli derecede etkiler.

Bir boşluğun büyüklüğü içine sığabilen en büyük kürenin çapı ile belirtilir. Büyüklüklerine göre boşluklar aşağıdaki gibi sıralanabilir. moleküller arası boşluklar, cismin iç yapısı ile ilgilidir, dışarıdan etkilenmezler (Angström “Ao” mertebesindedir) mikro boşluklar, 0.1 mikrondan küçük, kılcal boşluklar, 0.1 mikron ile 2.5 mm arasındadır, makro boşluklar, 2.5 mm den büyük. Bu boşlukların bazıları dışa açık, bazıları ise kapalıdır. Açık ve kılcal boşluklar su emme ve geçirimlilik yönünden önemlidir.

Geçirimlilik ve Kılcal Su Emme Basınç altında akışkanların boşluklu malzemelerin içinden geçmesi doğaldır. Ayrıca basınç olmaksızın doğal koşullarda kılcal etki nedeni ile boşluklu malzemelerde su geçirimliliği oluşabilir.

Aşınma Sürtünen yüzeylerden malzeme kaybı olarak tanımlanır. Aşınma miktarı: malzemenin türüne, sürtünen yüzeylerin biçimine, sürtünme koşullarına ve çevrenin kimyasal etkilerine bağlıdır. Malzeme kaybına neden olan dört tür aşınma vardır. adezif aşınma abrazif aşınma korozyon aşınması yüzey yorulması

Adezif Aşınma : Bazı makine parçaları ve malzemelerin yüzeyleri pürüzlüdür. Bu nedenle iki yüzey birbirine tam temas edemez Bazı noktalarda temas olmaktadır. Yük uygulandığı zaman bu temas noktaları kolaylıkla akma sınırına erişmekte ve yanal kuvvetlerin makaslama etkisi ile bu temas noktalarında kopmalar meydana gelmektedir Temas noktaları

Abrazif Aşınma: Sert bir malzeme veya sert bir parçacık bir malzeme yüzeyinden çizerek veya kazıyarak parça koparır. Abrazif aşınma yumuşak parça tükeninceye kadar kararlı bir şekilde devam eder, adezif aşınma kadar şiddetli olmaz ve sarma olayı beklenmez.

Korozif Aşınma: Mekanik etkenlerin yanında çevrenin kimyasal etkisi de olaya karışır. Sürtünen yüzeylerde oluşan korozyon ürünü sert parçacıklar halinde koparsa aşınma şiddetlenir.

Korozyon Korozyon, çevrenin elektrokimyasal etkisi ile oluşan malzeme kaybı olarak tanımlanır. Özellikle metallerde önemli olan bu olay oldukça karışıktır. Büyük ekonomik kayıplara neden olan korozyonu tam önlemek olanaksızdır. Ancak bu olayın temel ilkelerini bilmek korozyonu en düşük düzeyde tutmak için gerekli önlemleri saptamada çok yararlı olmaktadır. Korozyon iki türe ayrılabilir. Birincisi oksitlenme ve kimyasal eriyiklerin (asit gibi) doğurduğu doğrudan korozyon türüdür. Metaller genellikle kısa sürede havanın oksijeni ile oksitlenirler. Yüzeyde oluşan oksit filminin (tabakasının) hacmi metalden büyük ve yüzeye iyi bağlı ise kısa zamanda durur, ince film halinde kalır ve yüzeyi korur. Bakır ve alüminyum oksitleri bu türdür. Eğer oksit filminin hacmi metalden küçükse ve yüzeye zayıf bağlı ise kolayca dökülür, gözenekli olur ve yüzeyi koruma özelliği azalır. İkinci tür korozyon ise dış ortamın elektrokimyasal etkisi ile yavaş fakat sürekli oluşan elektrokimyasal korozyondur. Özellikle demirin korozyonu bu türden olmaktadır. Elektrokimyasal Korozyon: Sıvı eriyikler içine daldırılan metaller aşağıdaki iyonlaşır. Bu olay tersinir olup kısa sürede dengeye erişir. Aynı eriyik içine iki ayrı türde metal daldırılırsa fizik derslerinde görüldüğü gibi aralarında bir gerilim doğar ve buna galvani pili denir. Elektron veren metal anot, elektron alan metal ise katot olur. Bir iletkenle birleştirilirse anottan çıkan elektronlar katoda geçer. Elektron kaydeden metalin iyonları eriğe geçerek korozyon oluşturur, katot ise etkisiz kalır. Bu şekilde galvani çiftlerinde görülen korozyona elektrokimyasal veya galvanik korozyon denir.

Demirin Korozyonu: Demiri çevrede bulunan rutubet ve oksijenle birlikte galvani elemanı oluşturur ve sürekli olarak korozyona maruz kalır. Demir su ile temas edince aşağıdaki şekilde iyonlarına ayrılır. Fe Fe c Fe +2 Fe +3 + e Benzer şekilde suda da iyonlaşma olur, H2O (OH) - + H + Her iki halde de iyonlaşma kısa sürede denge haline gelerek durur. Su içindeki (OH) - kökü ile Fe +3 iyonu birleşerek, Fe (OH) - Fe (OH) 3 Demir hidroksit oluşturur. Bu birleşik gevşek ve süngerimsi olup suda erimez, ayrışarak dibe çöker. Ancak su içinde çok az (OH) - kökü bulunduğundan bu reaksiyon zayıf olur ve kısa sürede durur. Eğer su içine havanın oksijeni girerse, sürekli olarak (OH) - kökü oluşur. Böylece elektronu alınan Fe 3+ iyonu (OH) - kökü ile birleşerek pas denen Fe(OH) 3 meydana gelir (Şekil 42). Demirin çevresinde su veya oksijenden biri eksik olursa demir sürekli paslanmaz. Diğer taraftan rutubetli hava ile temas eden demir sürekli paslanır ve bir süre sonra yok olur. Fe e + H 2 O + O 2 O2O2 Fe 3+ +3(OH) Fe (OH) 3 Su damlası

Korozyona Karşı Korunma: Elektrolitin bulunmadığı hallerde korozyon tamamen önlenebilir. Ancak uygulamada bunu sağlamak çok güçtür. Havadaki su buharının yoğuşarak yüzeylerde oluşturduğu su tabakası bir elektrolit etkisi yapar. Metal parçalar üzerine sürülecek yağ veya gres tabakası korozyona karşı korur. Korozyona karşı alınacak önlemler dört grupta toplanabilir. Koruyucu bir tabaka ile, elektrot (metal) ile elektroliti (çevredeki eriyiği) ayırmak. Bu amaçla uygulanan en yaygın yöntem boyamadır. Bundan başka çinko ile kaplama (galvaniz etme), kalaylamak gibi yöntemler uygulanabilir. Korozyona dayanıklı alaşım kullanmak. Örneğin basit demir-karbon çelikleri yerine paslanmaz çelik kullanılabilir. Ancak paslanmaz çelikler çok pahalıdırlar. Galvanik çiftlerin oluşumunu önlemek. İki ayrı tür metalin yan yana temas halinde bulunma zorunluluğu varsa araya bir nötr tabaka (plastik şerit) koymak gerekir. Kaynak, lehim, perçin ve çivili bileşimlerde aynı tür metallerin yan yana bulunması sağlanır. Galvanik koruma: Korozyondan korunması gereken metal kütle yanına anot yönde olan bir metal elektrot bağlanır. Bağlanan bu elektrotlar korozyonu önemli derecede azaltacaktır. Zamanla yok olacak bu anot blokları yenilemek gerekir. Galvanik korumada bir diğer yöntemde çelik elemanlara eksi yönde gerilme uygulamadır. Örneğin, yeraltına gömülecek çelik boru hatları bir bataryanın eksi kutbuna bağlanırsa elektron kaybı önlenir ve katoda dönüştürülür, böylece korozyon en düşük düzeye indirilir.

Yüzey Yorulması: Bir biri üzerinde yuvarlanan parçalarda görülür. Değen yüzeylerde plastik şekil değiştirme dolayısı ile de pekleşme olur ve malzeme gevrekleşir. Gevrekleşen malzeme üzerinden tekrarlı geçen kuvvet etkisi ile çatlar.