KRİSTAL KAFES HATALARI

... konulu sunumlar: "KRİSTAL KAFES HATALARI"— Sunum transkripti:

1 KRİSTAL KAFES HATALARI

2 Kristal kafes: Birim hücrelerin üç boyutta tekrarı ile meydana gelen düzendir. Kristal yapılı malzemelerde; yapı içindeki atomların diziliş düzenindeki hatalardır. Malzemelerin özellikleri, bu hatalardan etkilenmektedir. Gerçekte kristaller asla mükemmel değildirler, onlarda daima kusurlar vardır.

3 Merkezlerinin geometrik şekline göre, kristal hataları üç gruba ayrılır;
Nokta hataları Çizgi hataları Yüzey hataları

4 1. Nokta Hataları Kafes yapısının çok küçük bölgelerindeki hatalar olup; atom boşluğu ve yabancı atom (yeralan ve arayer) olarak ortaya çıkarlar.

5 Boşluk kusuru, atomun bulunması gereken yerde olmamasından kaynaklanır.
Arayer kusurunda ise, bir atom normal kafes pozisyonunun dışında bir yerdedir. Araya giren atom diğer atomlarla aynı ya da farklı bir atom olabilir. Yüzey merkezli bir yapıda aralara daha küçük boyutlu atomların girmesi

6

7 • A malzemesine B malzemesinin ilave edilmesi durumunda:
Yeralan atomları (yeralan katı çözeltisi) (Örneğin; Ni içinde Cu ) Arayer atomları (arayer katı çözeltisi) (örneğin, Fe içinde C)

8 Frenkel ve Schottky Kusurları
Frenkel kusuru, bir iyonun normal kafes konumundan bir arayer konumuna atlaması ile oluşan boş kafes noktası–ara yer atomu çifti olup, radyasyona maruz kalan metallerde görülür.

9 Schottky kusuru ise, iyonik bağlarla bağlı malzemelerde meydana gelen boş nokta çiftidir. Kristal yapı içerisinde eşit elektriksel yükün korunması için kafesten bir anyon ile bir katyonun ayrılması gerekir.

10 İkincil bir atom türünün büyük miktarlarda ana kafeste bulunması ile elde edilen kristal yapıya katı çözelti denir. Bu kristallerde kafesin yabancı atomlar ile gerilmesi ve dayanım artışına neden olur.

11 Değişik nokta kusurları yanda görülmektedir.
Bu şekilde, 1.kusur; boşluk, 2.kusur; kendiliğinden araya girme, 3.kusur; farklı bir atomun araya girmesi, 4 ve 5. kusur ise, katkının değişmesidir.

12 2. Çizgi Hataları Kristal yapıdaki düzensizlik, merkezi bir çizgi boyunca oluşmuş ise bu tür hatalara denir ve dislokasyon olarak adlandırılır. Yapı içinde üç farklı şekilde bulunur. 1.Kenar dislokasyonu, 2.Vida dislokasyonu, 3.Karışık dislokasyon

13 Dislokasyon, bir kristalin mükemmel iki bölümü arasında yapı düzeni bozulmuş bir bölge anlamına gelir ve kristalin kaymış bölgesi ile kaymamış bölgesi arasında sınır oluşturan çizgisel hata olarak tanımlanabilir.

14 Burgers vektörü, hareket eden dislokasyonun hareket doğrultusunu ve miktarını gösterir.

15 Burgers vektörü doğrultusunda (yönünde) hareket eden bir kayma (makaslama) kuvveti, dislokasyon içeren bir kristale uygulandığında, diskolasyonun bulunduğu düzlemde diskolasyonlar atomlar arası bağları kırarak hareket edebilir. Kesilen düzlemin orijinal kısmı, atom düzlemi ile bağ kurması için kaydırılır. Bu, kaydırma dislokasyonun bir atom aralığı kenara hareket etmesine neden olur.

16 Bu işlem devam ederse, dislokasyonlar kristalin dışında bir basamak üretilene kadar kristal boyunca hareket eder. Dislokasyonlar devamlı olarak kristalin bir tarafından girebilseydi ve kristal boyunca aynı yolda hareket etseydi kristal sonunda ikiye bölünebilirdi.

17 Dislokasyon hareketi ile şekil değişimini sağlayan işlem kayma olarak adlandırılır. Dislokasyon çizgisinin hareket ettiği doğrultu kayma doğrultusu, kenar dislokasyonları için Burgers vektörlerinin doğrultusudur. Kayma sırasında kenar dislokasyonu Burgers vektörü tarafından oluşturulmuş, düzlemi ve dislokasyonu dışarı götürür; bu düzlem kayma düzlemi olarak adlandırılır. Kayma doğrultusu ve kayma düzleminin bütününe kayma sistemi denir.

18 Bir vida dislokasyonunda da aynı durum meydana gelir
Bir vida dislokasyonunda da aynı durum meydana gelir. Kristal Burgers vektorüne paralel bir doğrultuda şekil değiştirmekle beraber dislokasyon Burgers vektörüne dik doğrultuda hareket eder. Hemen  hemen   her   zaman   kayma   doğrultusu,   sıkı paket   (atom  yoğunluğunun   en   fazla  olduğu) doğrultusudur ve kayma düzlemi bir sıkı paket düzlemidir. Metallerde en çok bilinen kayma  düzlemleri gösterilmiştir.

19

20 KENAR DİSLOKASYONU Bir kenar dislokasyonu; hatasız kristali yarısına kadar dilimleyerek, kristali ikiye ayırarak ve kesimi fazla bir atom düzlemi ile kısmen doldurarak gösterilebilir. Araya sokulan bu düzlemin alt kenarı, kenar dislokasyonunu temsil eder. Eğer her doğrultuda, eşit sayıda atom aralığında gidilirse, kenar dislokasyonu etrafında saat doğrultusundaki bir çevrim, başlangıç noktasından bir atom aralıkta bitirilir. (Çevrimi tamamlamak için gerekli vektör yine Burgers vektorüdür. Bu durumda Burgers vektorü kenar dislokasyonuna diktir.

21 Kenar dislokasyonu, mükemmel bir kristale bir yarım atom düzlem veya tabakasının ilavesi ile oluştuğu gibi, mükemmel bir kristalden bir veya iki sıra atom tabakasının çıkarılması ile de oluşabilir.

22 Kenar dislokasyonu , simgesi ile gösterilir.

23 Şekilde Atomların içindeki dislokasyon kaydırma kuvveti uygulandığında,
dislokasyonlar kayma  doğrultusunda bir Burgers vektörü mesafesi hareket edene kadar atomlar yer değiştirir.

24

25 Şekilde atomların içindeki dislokasyon kaydırma kuvveti uygulandığında,
dislokasyonlar kayma  doğrultusunda bir Burgers vektörü mesafesi hareket edene kadar atomlar yer değiştirir.

26 Dislokasyon yoğunluğu, birim hacimdeki toplam dislokasyon çizgileri boyu ile tanımlanır ve birimi mm/mm3 ‘tür. Katılaşma süresinde oluşan ortalama dislokasyon yoğunluğu mm/mm3 kadardır. Plastik şekil değiştirme sonucu mm/mm3‘e kadar yükselebilir.

27 VİDA DİSLOKASYONU Vida dislokasyonu, hatasız kristali yarısına kadar kesmekle, sonra kristali bir atom aralığı kadar eğmekle gösterilebilir. Eğer kristalin eğildiği her doğrultuda, bir atom aralıklı eşitlikte hareket ettiği eksen etrafında bir tür dönülerek kristalografik düzlem takip edilirse, başlangıç noktasından bir atom aralığı aşağıda bitirilir. Çevrimi tamamlayan ve başlangıç noktasına geri getiren vektör Burgers vektorü "b" dir. Dönülmeye devam edilseydi bir spiral yolun krokisi çizilebilirdi. Etrafında bu yolun krokisinin çizildiği eksen veya çizgi vida dislokasyonudur. Burgers vektorünün, vida dislokasyonuna paralel olduğu görülür.

28 Ötelenmenin dislokasyon çizgisine paralel olması halinde meydana gelen vida dislokasyonudur.
Vida dislokasyonunun hareketi, dislokasyon çizgisine paraleldir.

29

30

31

32 Şekilde Dislokasyon üzerinde etkiyen bir kaydırma kuvvetinin hatasız kristale uygulanmasıyla bir basamak oluşturulana kadar dislokasyonun kristal boyunca hareket etmesine neden olur,  şimdi kristal şekil değiştirilmiştir.

33 Kenar ve vida dislokasyonlarının her ikisinin de birarada bulunmasına karışık dislokasyon denir.

34 Dislokasyonların Önemi
Kayma işlemi özellikle metallerin mekanik davranışlarının anlaşılmasına yardımcı olur. Metalik malzemelerin plastik deformasyonu, en genel olarak belirli düzlemlerde ve doğrultularda atomların kayması ile gerçekleşir. Kayma, ilk olarak metallerin dayanımının metalik bağdan tahmin edilen değerden neden çok daha az olduğunu açıklar.

35 Örnek: Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bir demir çubuğun kesit alanı boyunca metalik bağların hepsi kopartılarak kırılma gerçekleştirilseydi her cm2 için milyonlarca kg'lık kuvvet sarf edilmek zorunda kalınırdı. Bunun yerine kayma olayının herhangi bir anında sadece metalik bağların çok küçük bir kısmının kırılmasına gerek duyulan kaymayı sağlamakla çubuğun şekli değiştirilebilir. Demir çubuğun kayma ile şeklini değiştirmek için sadece 70 MPa'lik bir kuvvet yeterli olabilir.

36 Şekilde Dislokasyonsuz bir malzeme (a) yüzey (A0) boyunca bağlarının hepsini koparmakla kopabilirdi. Buna karşın bir dislokasyon kaydığıda (b), bağlar sadece dislokasyon çizgisi boyunca kırılır.

37

38

39 Dislocations are visible in electron micrographs
Fig. 4.6, Callister & Rethwisch 8e.

40

41

42 Zıt dislokasyonların karşılaşmaları ve birbirlerini yok edişleri

43

44

45

46 Plastik biçimlendirmeyi oluşturan iki hareket mekanizması bulunmaktadır.
a) Belirli kristalografik düzlemler boyunca öteleme hareketleri ile kayma olayı b) Belirli kristalografik düzlemlere göre dönme hareketleri ile ikiz oluşumu

47 Kayma ile şekillendirme tüm metallerde ortaya çıkabildiği halde,
ikiz oluşumu daha ziyade kayma olasılığı düşük olan belirli malzemelerde görülmektedir (Şekil 6).

48

49

50

51

52

53

54

55 Malzemenin kristal yapısındaki kayma düzlemi ile kayma doğrultularının meydana getirdiği kayma sistemi sayısı ne kadar fazla ise, malzemenin kaymaya olan eğilimi de o ölçüde artış göstermektedir. Örneğin, yüzey merkezli kübik kafes yapısına sahip olan Pb, Sn, Cu, Al, Ag, v.b. kayma gösteren malzemelerdir. Bunları, hacim merkezli kübik ve hegzagonal kafes sistemine sahip malzemeler izler.

56

57 Dislokasyon hareketlerine engel oluşturması nedeniyle tane sınırları mukavemet artışı sağlar. (Küçük tanelerin dayanımının yüksek olması)

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67 3. DÜZLEM (Yüzey) HATALARI
İç yapıyı oluşturan atomların diziliş düzenindeki bozukluk, bir yüzey boyunca oluşmuş ise bu tür hatalara denir ve yapı içinde 4 farklı şekilde ortaya çıkar. Tane sınırları, Küçük ve büyük açılı tane sınırları İkiz sınırlar Yığılma hataları

68

69 Yapı içinde bu düzensizliklerin oluşumuna neden olan faktörler;
Katılaşma sırasında, Katı fazda iken, yüksek sıcaklıktan dolayı oluşan termal titreşimler sonucunda, Yapı içinde farklı atomların bileşik oluşturmaları sırasında, Oksijene duyarlı olan elementlerin oksitlenmesi sırasında, Radyoaktif elementlerin α, β,ϒ ışınlarının açığa çıkması sırasında, Soğuk deformasyon sırasında, bu tür olumsuzluklar açığa çıkar.

70 Tane Sınırı Hataları Şekilde görüldüğü gibi, bu hata sıvı metal katılaşmasını tamamladığında; tane sınırlarında düzlemlerin kesişmesi sırasında oluşan düzensizliktir.

71 Tane Sınırları Tane sınırları, taneleri birbirinden ayıran yüzeyler olup, içerisindeki atom dizilişleri düzgün olmayan dar bölgeciklerden oluşur ve bu bölgelerdeki atomlar kararlı bir düzene sahip değillerdir.

72

73 (a) Üç tanenin sınırlarına yakın eşit aralıklı veya düzende değildir.
(b) Paslanmaz çelik taneler ve tane sınırları

74

75 Hall Petch eşitliği; tane boyutu ile metalin akma dayanımı arasındaki ilişkiyi ifade etmektedir.
Metalin özellikleri, tane boyutuna bağlı dayanımla kontrol edilebilir. Tane boyutu küçültülerek tane sayısı ve böylece de tane sınırları miktarı arttırılabilir. Herhangi bir dislokasyon, bir tane sınırı ile karşılaşmadan önce, sadece kısa bir mesafe hareket eder ve böylece metalin dayanımını arttırır.

76 Hall Petch eşitliği σy = σ0 + Kd -1/2 Burada σy ; malzemenin kalıcı şekil değiştirdiği akma dayanımı veya gerilmesidir, d: tanelerin ortalama çapı, σ0 ve K metal için sabitedir.

77 Tane boyutunun belirlendiği bir teknik, ASTM (Test ve Malzemeler için Amerikan Birliği) tane boyutu numarasıdır. Her inç2 deki tanelerin sayısı x 100 defa büyüterek çekilen bir metal fotoğrafından belirlenir.

78 N; Her inç2 deki tane sayısı
N = 2n-1 Eşitlikte ASTM tane boyutu sayısı n hesaplanır. Büyük bir ASTM numarası, çok sayıda taneyi veya çok ince tane boyutunu gösterir ve bu durum yüksek dayanımla ilişkilidir.

79

80 Oda sıcaklığında çeliğin akma dayanımına tane boyutunun etkisi.

81

82 Nikelin tane yapısını gösteren fotoğraf (x 100)

83 Kafes yapıları aynı, fakat yönlenmeleri farklı olan taneler
Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırı

84 Küçük açılı tane sınırı bir grup dislokasyon tarafından oluşturulur.
Diğer taraftaki latisten θ kadar açı oluşturarak ayrılır.

85 İki tane arasındaki açı,
10o’den küçük ise küçük açılı tane sınırı, 10o’den büyük (genellikle 20-30o) ise büyük açılı tane sınırı söz konusu olur.

86 İKİZ SINIRLARI İkiz sınırı, kristal kafes yapısındaki atom düzlemlerinin simetrik olarak farklı doğrultularda yönlenmeleri sonucunda birbirinin ayna görüntüsü şeklinde oluşan iki bölge arasındaki bir düzlem olarak tanımlanabilir.

87 Mükemmel kristalde gerilim uygulandığında;
(a)atomların yer değiştirmesine sebep olur, (b)ikizlenme oluşur. Kristal ikizlenme mekanizması ile deforme olmuştur.

88 İkizlenme, belirli metallerin şekil değiştirmesi veya ısıl işlemi sırasında olur. İkiz sınırları, kayma işlemi ile kesişir ve metallerin dayanımını arttırır.

89 Eğer deformasyon ikiz mekanizması yolu ile olursa, referans bir eksene göre atomlar, atomlararası mesafenin kesri kadar bir yerdeğiştirme yaparlar. Mikroskop altındaki görüntüleri GENİŞ BAND ‘lar şeklinde olur. Bu geniş bandlar polisaj işlemi ile giderilemezler.

90 Bir ikiz kristalinin oluşumu sırasında,
kristalin bazı bölümleri, diğer kısımlara göre bağıl bir dönüş yapmakta ve son konum, ilk konuma göre bir ayna görüntüsü izlenimi veren simetri durumunu yaratmaktadır (Şekil). Bu iki kısmı birbirinden ayıran düzleme ikiz düzlemi denmektedir. Kayma olayında ise, kayan ve kaymamış kısımların yine aynı yönlenmede kaldıkları görülmektedir.

91 Kayma sistemi sayısının küçük olması ve kritik kayma gerilmesi değerini yükseltecek herhangi bir etkinin bulunmaması, ikiz oluşumuna sebep olabilmektedir. Ayrıca, YMK, HMK ve HSD kafes sistemine sahip olan malzemelerde, genellikle düşük sıcaklıklarda, yüksek şekil değiştirme hızlarında ve asal kayma yönleri ile uygun düşmeyen yönlenmelerde ikiz oluşumu ortaya çıkmaktadır. Bazı hallerde, ikiz ile birlikte kaymalar da oluşabilmektedir (Şekil 7). İkiz için gerekli gerilme değeri, kaymadan daha yüksektir.

92 İkiz oluşumunda GENİŞ BANDLAR
Zn’ de ikiz bant görüntüsü

93 Bu kusurlardan istiflenme (yığılma) kusurları

94 YMK metallerde olur ve sıkıpaket düzlemlerin istiflenme sırasındaki bir hatayı gösterir.
ABCABCABC … (YMK metalde hatasız istiflenme) ABCABAB, CABC (YMK metalde istif hatası)

95

96 Şekillendirme sırasında en yaygın olarak;
Hacimsel Kusurlar Hacimsel kusurlar, genelde malzemelerin üretimi veya şekillendirilmesi sırasında meydana gelir. Şekillendirme sırasında en yaygın olarak; döküm, biçimlendirme (dövme) ve kaynak kusurları görülür. Kısa lazer sinyaliyle aydınlatılmış melamin tanesindeki mikro çatlakların kümesi

97 Kafes Hatalarının Özelliklere Etkisi
Yapı içindeki kristal hatalarının yoğunluğuna bağlı olarak; İletkenlik, Plastik şekil değiştirme ve Dayanım değerleri değişir.

98 Hataların Önemi Kayma Prosesinin Kontrolü ile Mekanik Özellikler Değiştirilebilir. Deformasyon Sertleşmesi Katı Çözelti Sertleşmesi Tane Boyutu Sertleşmesi Manyetik, elektrik ve optik özellikler üzerine etkisi.

99 Dislokasyon, A noktasından sola doğru yönlendiğinde noktasal hata ile engellenir. Sağa yönlendiğinde ikinci dislokasyon olan B ile engellenir. Sağa doğru daha fazla ilerlerse de tane sınırları ile karşılaşır.