KATILARDA KRİSTAL YAPILAR
Katı malzemeler atomların veya iyonların oluşturdukları düzene göre sınıflandırılırlar. Bir kristal malzemede uzun aralıklarla düzen mevcuttur. Atomlar atomsal ölçekte uzun mesafeler tekrar eden düzenli bir yapı oluştururlar. Yani katılaşma sırasında atomlar en yakın komşu atomlara bağlanırken üç boyutta tekrar eden bir düzenin içinde yerlerini alırlar. Normal katılaşma koşullarında bütün metallerde, seramik malzemelerin çoğunda ve polimerlerin bir kısmında kristal yapı bulunur.
Kristal katıların bazı özellikleri malzemelerin kristal yapılarına yani atomların iyonların ya da moleküllerin üç boyutlu olarak meydana getirdikleri düzene bağlıdır. Metallerde bulunan nispeten basit olanlardan bazı seramik ve polimerlerde bulunan son derecede karmaşık olanlara kadar bir çok farklı kristal yapı söz konusudur. Kristal yapılar anlatılırken atomların belirli çaplara sahip katı küreler şeklinde olduğu düşünülür.
Atomik dizilim Düzensiz → atomların dizilişinde düzen yoktur, argon gibi asal gazlar Kısa mesafede düzen → atomların özel dizilişinin sadece atomların en yakın komşularına kadar uzanması, su molekülü, seramik camlar Uzun mesafede düzen → atomların üç boyutta belirli bir geometrik düzene göre dizilmesi, metaller, birçok seramik ve az sayıda polimerler
Malzemelerde atomik dizilme, (a) inert tek atomlu gazlar, (b) ve (c) su buharı ve cam gibi bazı malzemeler sadece kısa bir mesafede düzenli dizilirler, (d) metaller, birçok seramik ve az sayıda polimerik katı malzemede atomlar tamamen düzenli şekilde dizilirler
Katı malzemeler; Kristal yapılı ve Kristal olmayan(=amorf) olmak üzere iki gruba ayrılır
Birim hücre Kristal yapılı malzemelerde; Atomlar üç boyutta belirli bir düzene göre dizilerek hacim kafesi (ya da latis) oluştururlar Atomların bulunduğu yerlere kafes noktası denir ve kristal yapıda bütün kafes noktaları özdeştir Düzenli yapının tekrarlanan en küçük birimine birim hücre adı verilir
Kafes ya da latis parametresi; birim hücre kenar uzunlukları ile kenarlar arasındaki açıdır birim hücrenin boyut ve şeklini tanımlar Kübik kristal sistemde küpün bir kenar uzunluğu birim hücreyi belirlemek için yeterlidir. c b g b a
7 tür kristal yapı ve 14 birim hücre veya Bravais kafesi mevcuttur Eksen Açı Birim hücre hacmi Kafes türü Kübik a=b=c ===90 a3 Basit Hacim merkezli Yüzey merkezli Tetregonal a=bc a2c Ortorombik a bc abc Taban merkezli Hegzagonal ==90, =120 0,866 a2c Rombohedral ya da trigonal == 90 Monoklinik abc ==90, 90 abc sin Triklinik 90
Bravais kafesleri Basit kübik Yüzey merkezli kübik Hacim merkezli kübik Basit tetragonal Hacim merkezli tetragonal Hegzagonal Basit ortorombik Hacim merkezli ortorombik Taban merkezli ortorombik Yüzey merkezli ortorombik Basit monoklinik Rombohedral Taban merkezli monoklinik Triklinik
Basit kübik yapı, BK Birim hücrede atom sayısı= Köşe atom sayısı/8 NBK= 8/8=1 adet atom
Herbir köşe atomu 8 birim hücre tarafından paylaşılır Yüzey merkezli atom iki birim hücre tarafından paylaşılır
Hacim merkezli kübik yapı, HMK Cr, -Fe, Mo NHMK= Köşe atom sayısı/8 + hücre içi atom sayısı NHMK= 8/8 + 1= 1 + 1= 2 adet atom
Yüzey merkezli kübik yapı, YMK -Fe, Al, Cu NYMK= Köşe atom sayısı/8+yüzey atom sayısı/2 NYMK= 8/8 + 6 1/2= 1+ 3 = 4 adet atom
Hegzagonal sıkı paket yapı, HSP Cd, Mg, Zn, Ti NHSP= Köşe atom sayısı/6+yüzey atom sayısı/2+hücre içi atom sayısı NHSP= 12/6 + 2 ½ + 3= 2+1+ 3 = 6 adet atom
Atomsal dolgu faktörü,ADF kafes yapıdaki doluluk oranını gösterir ADF = birim hücredeki atom sayısı atom hacmi / birim hücre hacmi Kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişki
Yoğunluk, d Bir malzemenin teorik yoğunluğu kristal yapı özellikleri kullanılarak hesaplanabilir d= birim hücredeki atom sayısı atom ağırlığı / (birim hücre hacmi Avogadro sayısı)
X ışınları oluşumu Bir kafes yapısında bilinmesi gereken iki büyüklük vardır. Bunlardan biri birim hücrenin boyutları ikincisi ise düzlemler arası mesafedir. Difraksiyon çalışmalarında dalga boyu sabit olan X-ışınları kullanılır ve bunlara karakteristik X-ışınları denir. Karakteristik X-ışınları elde etmek için ısırılaan bir filamandan ısı tahriki ilen yayınlanan elektronlar elektromanyetik bir alan içerisinde hızlandırılır. Hızlandırılarak yüksek enerji kazandırılan bu elektronlar bir anoda çarptığında anot malzemesinin elektron kabuklarına girerler. Yüksek enerjili elektron demeti çekirdeğe yakın olan K kabuğundaki bir elektrona çarparak onu yerinden çıkartırsa bir elektronunu kaybeden atom oldukça kararsız bir duruma geçer. K kabuğundan çıkan elektronun yerini enerji seviyesi yüksek olan bir kabuktaki örneğin L kabuğundaki bir elektron ile doldurulur. Bir başka deyişle L kabuğundaki herhangi bir elektron K kabuğunda boş bulunan yere atlar.
X-ışınları Elektronun iki konumu arasındaki enerji farkı bir elektromanyetik dalga veya X-ışını fotonu olarak yayınlanır. Eğer atomdan çıkartılan elektronun enerji düzeyi E1 ve transfer olan elektronun enerji düzeyi E2 ise yayınlanan X ışının fotonunun enerjisi E=E1-E2 olur ve bu enerji E= h.c/λ bağıntısı ile belirlenir. X-ışını difraksiyonu basit bir ifade ile kristal yapılı bir malzeme üzerine gönderilen X-ışınlarının kristalin atom düzlemlerine çarparak yansıması olayıdır. X-ışını demetinin atom düzlemlerine Bragg açısı olarak bilinen bir açı ile çarpması durumunda ise yansıyan ışınlar tarafından alınan yol dalga boyunun tam katlarına eşit olacağından ışınlar aynı faza sahip olur.
X ışınları – difraksiyon oluşumu n: kırınım mertebesi, d: düzlemler arası mesafe, θ: Bragg açısı, λ: dalga boyu
KRİSTALLEŞME Kristalleşme sıvı durumdan katı hale geçiş olarak tanımlanır ve çekirdekleşme ve büyüme olarak bilinen iki aşamada meydana gelir. Sıvı içerisindeki atomlar belirli bir düzen içerisinde bulunmazlar ancak bazı atomlar belirli zamanlarda katı durumdaki uzay kafesine karşı gelen konumlarda bulunabilirler. Bu tür gruplaşma ya da bir araya gelme durumu sürekli olmayıp devamlı bozulup tekrar başka konumlarda ortaya çıkabilir. Grupların ömürleri sıcaklığa ve grubun büyüklüğüne bağlıdır. Yüksek sıcaklıklarda atomun kinetik enerjisi de yüksek olduğundan atom grubunun ömrü kısa olur. Bir kaç atomdan oluşan atom grupları çok kararsız olurlar. Çünkü böyle bir grubu oluşturan atomlardan herhangi birinin ayrılması durumunda o grup dağılabilir. Sıvı metalin sıcaklığı düştükçe atomların hareketi yavaşlar ve bunun sonucunda hem grup sayısı artar hem de bu grupların ömrü uzar. Malzeme içerisindeki atomlar hem kinetik hem de potansiyel enerjiye sahiptirler. Kinetik enerji atomların hareket hızı ile ilgili olup tamamen sıcaklığa bağlıdır.
KRİSTALLEŞME Sıcaklık arttıkça atomlar aktif yani hareketli duruma geçtiklerinden kinetik enerjileri de artar. Atomların potansiyel enerjileri ise aralarındaki uzaklığa bağlıdır. Atomlar arasındaki ortalama uzaklık arttıkça atomların potansiyel enerjileri de artar. Katılaşma noktasında bulunan bir saf metali ele alalım. Katılaşma noktasında sıvı ve katı fazların her ikisi aynı sıcaklıkta bir arada bulunur. Bu noktada sıvı ve katı fazların içerisinde bulunan atomların kinetik enerjileri aynı olur ancak potansiyel enerjileri farklıdır. Katı faz içerisindeki atomlar sıvı içerisindeki atomlara göre birbirlerine çok daha yakındırlar. Bu nedenden dolayı katılaşma sırasında enerji açığa çıkar. Sıvı durumu ile katı durumu arasındaki bu enerji farkına gizli ısı ya da ergime ısısı denir. Ancak katı ve sıvı arasında bir yüzey oluşturmak için enerji gerekir. Katılaşma noktasında veya sıcaklığında bulunan saf metallerde gizli ısı ile kararlı bir sınır oluşturmaya yetecek ölçüde enerji açığa çıkmaz.
KRİSTALLEŞME Bu nedenle kararlı bir çekirdek oluşturmak için her zaman bir miktar aşırı soğuma gerekir. Aşırı soğumanın ardından dışarı verilen gizli ısı sıcaklığı tekrar katılaşma noktasına çıkartır. Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasının altına düşünce sıvı içerisindeki değişik nokta veya konumlarda kararlı çekirdekler oluşur bu çekirdekler kristalleşmeye merkezdeki yapar yani kristalleşme bu çekirdeklerin etrafında meydana gelir. Soğuma devam ettikçe artan sayıda atom ya mevcut çekirdeklere bağlanır yada kendileri yeni çekirdekler oluştururlar. her çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafes içerisinde büyür. kristal büyümesi 3 boyutlu uzayda devam eder ve atomlar belirli doğrultularda genellikle büyüme ekseni boyunca birbirlerine bağlanırlar.