Transcript Bölüm 3

BÖLÜM 3: MALZEMELERİN YAPISI
İÇERİK
• Metalik Yapılar
Chapter 3 - 1
KRİSTAL YAPILAR
Malzemelerin iç yapısı atomların
diziliş biçimine bağlıdır.
Kristal yapı
Amorf yapı
Kristal yapılarda atomlar Amorf yapıda atomlar
düzenli olarak dizilirler ve düzensiz ve rastgele
temel niteliği tekrarlılıktır. dağılmışlardır.
Metallerin tümü, seramiklerin önemli bir kısmı ve bazı
polimerler kısmen kristal yapılıdır.
Chapter 3 -
KRİSTAL YAPILAR
• Malzemeler atomların biraraya
gelmesiyle oluşur.
• Yapı içinde atomlar, atomlar arası bağ
kuvvetleri ile bir arada tutulur.
• Yapı içinde atomlar farklı şekillerde
bulunabilir:
• 1.Kristal yapı
• 2.Amorf yapı
Chapter 3 - 3
KRİSTAL YAPILAR
• Burada atomlar üç boyutlu bir düzene göre dizilirler.
• Kristal yapı(Kristal kafes) olarak Adlandırılan bu yapı,
metallerde, seramiklerde, cam seramiklerde ve bazı
polimerlerde görülür
• Polimerlerin molekül yapıları karmaşık olduğundan,
bu malzemelerde kristalleşme ancak yerel ve hacim
olarak en fazla %50 oranında görülür.
Chapter 3 - 4
Kristal olmayan(Amorf) yapılar
• Burada atom veya moleküller rastgele
dizilirler(Örn. Camlar). Bazı
malzemelerde örneğin camlarda olduğu
gibi kısa mesafede(örneğin moleküler
mertebede) bir düzen mevcut olabilir.
Chapter 3 - 5
Kristallerde birim hücre (birim kafes)
• Üç boyutlu düzende sürekli olarak tekrar eden yapıya
“birim hücre veya birim kafes” adı verilir.
• Birim hücre kristal içinde tekrar eden yapıların en
basitidir.
• Birim hücrelerin kenar uzunluklarına ve kenarlar
arasındaki açılara “kafes parametreleri” adı verilir
Chapter 3 - 6
KRİSTAL YAPILAR
Chapter 3 - 7
Toplam 14 tür kafes
yapı olasılığı vardır. 14
Bravais birim hücresi
yandaki şekilde
verilmiştir.
(Bravais kafesleri)
Chapter 3 -
Doğada 7 kristal türü veya kristal sistemi vardır.
Chapter 3 -
Metallerin büyük bir çoğunluğu kübik kristal yapıya, bazıları
(Zn,Mg gibi) hegzagonal kristal yapıya sahiptir.
Çeliğin içindeki Fe3C ortorombik yapılıdır.
Isıl işlemle oluşan martenzit fazı tetragonal yapıya sahiptir
Chapter 3 -
KAFES YAPILARI
Atomların kristal düzlemindeki diziliş biçimi kafes yapıyı
oluşturur
Birim hücrenin boyutlarına kafes sabiti (a) veya birim hücre
boyutu denir.
Atomların diziliş sıklığını ifade etmek için Atomsal Dolgu
Faktörü (ADF) kullanılır.
Chapter 3 -
Hacim merkezli kübik (HMK) kafes
Kafes Merkezinde 1 atom,
Köşelerde ise 8 adet 1/8 hacimli
atom vardır. Birim hücredeki toplam
atom sayısı 2’dir.
Chapter 3 -
Chapter 3 -
Hacim merkezli kübik kafeste atomsal dolgu faktörü
ADF=0,68 olur;
%68’i dolu,
%32’si boştur.
Chapter 3 -
Yüzey merkezli kübik (YMK) kafes
Kafes Yüzeylerdeki atom sayısı = 6x1/2 =
3 Köşelerdeki atom sayısı = 8x1/8 = 1
Birim hücredeki toplam atom sayısı = 4
Chapter 3 -
Chapter 3 -
Yüzey merkezli kübik kafeste atomsal dolgu
faktörü
ADF=0,74 olur;
boştur.
%74’i dolu,
%26’si
Chapter 3 -
Hekzagonal Sıkı Düzen (HSD) kafes
Köşelerdeki atom sayısı= 12x1/6= 2
Alt ve üst yüzeyde =2x1/2= 1 Birim
hücrenin ortasında 3 adet atom vardır.
Toplam atom sayısı = 2+1+3= 6
Chapter 3 -
Chapter 3 -
Atomların Konumları
Atomların konumları şekilde görüldüğü gibi orijin
esas alınarak x, y, z koordinatlarını birbirinden
ayıran virgül ile üç mesafe olarak yazılır.
Chapter 3 -
Kristal Doğrultuları (Yönleri)
Birim hücrede belirli doğrultular özel bir öneme
sahiptir.
Metaller
yakın
temas
halindeki
atomlar
doğrultusunda şekil değiştirirler. Malzemenin
özellikleri kristalde özelliğin ölçüldüğü doğrultuya
bağlı olarak değişebilir.
Doğrultular için Miller indisleri bu doğruları
tanımlaması için kullanılan kısa gösterimlerdir.
Chapter 3 -
Doğrultuların Miller indisleri (yön işaretleri)
şöyle bulunur;
1. Sağ el koordinat sistemi kullanılarak doğrultu
üzerinde iki koordinat noktası belirlenir.
2. Uç noktanın koordinatlarından başlangıç
noktasının koordinatları çıkarılır.
3. Elde edilen kesirler kaldırılır ve/veya
azaltılarak tam sayıya çevrilir.
4. Numaralar köşeli paranteze alınır [hkl]. Negatif
işaret çıkarsa üzerine negatif işareti konur.
Chapter 3 -
OR doğrusu’nun (1,0,0) yön indisi [100] OS doğrusu’nun
(1,1,0) yön indisi [110] OT doğrusu’nun (1,1,1) yön indisi
[111] OM doğrusu’nun (1,1/2,0) yön indisinde sayıların
tam sayı olması için 2 ile çarpılır; 2(1,1/2,0) = [210] ON
doğrusunun konum koordinatları (-1,-1,0), negatif yönlü
olduğundan yön indisi
Chapter 3 -
[h1k1l1] ve [h2k2l2] doğruları arasındaki α açısı;
Chapter 3 -
Bir kafes yapıda herhangi bir doğrultuya paralel sonsuz
sayıda doğru vardır.
Paralel olan doğrultuların indisleri (yön işaretleri) aynıdır.
Kafes yapı simetriklik özelliğine sahip olursa bazı farklı
doğrultularda atomsal diziliş aynıdır. Bu doğrultulara
eşdeğer doğrultular denir.
Bir kafes yapıda eşdeğer doğrultuların tümü eşdeğer
doğrultular ailesi oluştururlar ve ailenin miller indisleri
<hkl> ile gösterilir.
<100> eşdeğer doğrultu ailesinin üyeleri;
[100], [010], [001], [1-00], [01-0], [001-]
Chapter 3 -
Düzlemlerin Miller İndisleri (İşaretleri)
Bir kristalde belirli atom düzlemleri özel bir öneme
sahiptir.
Metaller atomların çok sıkı paketlendiği düzlemler
boyunca şekil değiştirir.
Bu düzlemleri tanımlamak için (hkl) şeklinde tam
sayılardan oluşan Miller indisleri kullanılır.
Chapter 3 -
Düzlemlerin Miller İndisleri şöyle bulunur;
1. Düzlemin x, y, z eksenlerini kestiği noktaların
koordinatları tanımlanır
2. Bu noktaların tersi alınır
3. Bu sayılar uygun bir ortak çarpanla en küçük
tam sayılar grubu haline getirilir.
4. Sonuç (hkl) şeklinde gösterilir, negatif
numaralar üzerine (–) işareti konur.
5. Eşdeğer düzlemler ailesi {hkl} ile gösterilir.
Kübik sistemlerde bir düzlem ile aynı indislere
sahip doğrultular, bu düzleme diktir.
Örneğin [100] doğrultusu, (100) düzlemine diktir.
Chapter 3 -
X=1/3 y=2/3 z=1
Tersi alınır → 3, 3/2, 1
Tam sayı yapmak için 2
ile
çarpılır ve Miller indisi
(632) olur.
Chapter 3 -
Düzlemler Arası Mesafe
Kübik kristal yapılarda aynı
Miller İndisine (işaretine) sahip,
birbirine paralel en yakın iki
düzlem arasındaki düzlemler
arası uzaklık dhkl şeklinde
gösterilir.
Chapter 3 -
X-IŞINI DİFRAKSİYONU
• Numune üzerine gönderilen dalga boyu bilinen x-ışınları
malzemedeki düzlemler tarafından farklı açılarda (Bragg
kanununa göre) kırınıma uğratılır.
• Bu yöntemle elde edilen paternler her bir faz için parmak
izi niteliğinde olup, malzeme içerisinde bulunan fazların
tayinini sağlar. XRD ile analizde, malzeme yapısı
(kristalin/amorf), kristalin malzemeler için kalitatif
mineralojik analiz, latis parametresinin hesaplanması,
kristal yapısının belirlenmesi, nanomalzemelerde tane
boyutu ölçümü belirlenebilecek özelliklerdir.
• Uygun paket programların kullanılmasıyla kantitatif olarak
mineralojik analiz yapılabilmektedir.
Chapter 3 -
X-IŞINI DİFRAKSİYONU
• X-ışını tüpünden gelen ışın parça yüzeyine düşürülür. Yansıyan
ışın gelme ve yansıma açıları dikkate alınarak ganiometre ile
ölçülür.
• X ışınlarının rastladığı her atomdan, aynı dalga boyunda fakat düşük
şiddette ikincil dalgalar saçılır. Küresel olarak yayılan bu dalgalar,
aralarındaki girişim sonucu belirli açılarda birbirini yok eder veya faz farkı
dalga boyunun tam katı ise kuvvetlendirirler.
Chapter 3 -
• Bir kristal üzerine dalga boyu  olan ışın
düşürüldüğünde bunlar kristal düzlemlerinde
atomlara çarparak yansırlar. Yansıyan ışınlar
arasında faz kayması varsa bunlar birbirlerini
yok edebilir ve net yani kaydedilebilen bir ışın
yansıması ölçülemeyebilir. Fakat yansıyan ışın
demetlerinin aynı fazda olması durumunda
bunlar birbirlerini kuvvetlendirir ve şiddetli bir
ışın yansıması gerçekleşir.
• Bu şiddetli yansıma, ölçüm cihazında belli
açılarda gözlenen pikler şeklinde olur.
Pikler
X-ray
intensity
(from
detector)
d=
n
2 sin qc
q
qc
Chapter 3 -
X-RAY DIFFRACTION PATTERN
z
z
Intensity (relative)
c
a
x
z
c
b
y (110)
a
x
c
b
y
a
x (211)
b
(200)
Diffraction angle 2q
Diffraction pattern for polycrystalline a-iron (BCC)
Adapted from Fig. 3.22, Callister 8e.
Chapter 3 - 33
y
• Bu pikler oluşumu diğer bir değişle yansıyan ışın demetlerini
aynı fazda olması durumu “Bragg kuralı” nı sağlar.
• : gelen ışının dalga boyu.
• d: düzlemler arası mesafe.
• q: gelen ışın – düzlem arası açı.
• q: brag açısı.
• h, k, l: düzlemin miller indisleri.
Yani piklerin oluştuğu brag açıları ölçüm
yapılan kristal malzemenin belli atom
düzlemelerini “d” düzlemler arası mesafe
parametresi yardımı ile ifade eder.
Chapter 3 -
nλ = 2dsin θ
d hkl =
ao
h2  k 2  l 2
n: 1., 2. , 3. , n. mertebeden difraksiyon dalgalarını tanımlar.
Brag kuralından d saptandıktan sonra yukarıdaki formülden
kafes parametresi saptanabilir.
Chapter 3 -
• X-ışın difraksiyonu ile kristal yapıları, kafes
parametresi ve atom çapı bulunabilir.
• Bu parametreler, malzemenin özelliği olduğu ve her
bir malzemede farklı değer aldığı için ilgi element
veya bileşikleri saptamada kullanılmaktadır.
Chapter 3 -
Chapter 3 -
Chapter 3 -
Unt vs. PIII320C=%0,17
Chapter 3 -
POLİFORMİZM (ALLOTROPİZM)
Aynı bileşimde iki molekül değişik atomsal dizilişe
sahipse bunlara izomer denir.
Aynı kimyasal bileşime sahip fakat değişik kristal
yapılı cisimlere polimorflar ve bu özelliğe de
polimorfizm denir.
Çeliklere uygulana ısıl işlemler
dönüşme olayına dayanmaktadır.
poliformik
Chapter 3 -
SAF DEMİRİN ALLOTROPİK DÖNÜŞÜMÜ
Fe 910 0C’nin altında
HMK,
910 0C’nin üstünde YMK,
1400 0C’nin üstünde de
HMK kristallidir.
Chapter 3 -
TEK KRİSTALLER
• Kristal yapılı bir katıda, tekrar eden
atom düzeninin, numunenin tamamı
boyunca kesintisiz devam etmesi
durumunda tek kristal yapı meydana
gelir.
Chapter 3 - 42
TEK KRİSTALLER
Chapter 3 - 43
ÇOK KRİSTALLER
• Kristal katıların çoğu, çok sayıda küçük kristalden ya
da taneden meydana gelmiştir. Böyle malzemeler
çok-kristal olarak adlandırılır.
• Şekil ‘de çok kristalli bir malzemenin katılaşma
evreleri şematik olarak gösterilmiştir.
• Tanelerin birbirlerine temas ettikleri bölgelerde
atomsal olarak düzensizlik söz konusudur ve bu
bölgeler tane sınırı olarak adlandırılır.
Chapter 3 - 44
ÇOK KRİSTALLER
Chapter 3 - 45
TEK KRİSTAL & ÇOKKRİSTAL
• Tek kristaller
-özellikleri yöne bağımlıdır:
anizotropik
-Örneğin: HMK demirde
Elastiklik Modülü:
E (diagonal) = 273 GPa
E (edge) = 125 GPa
• Çok kristaller
-Özellikleri yöne bağımlı
olabilir/olmayabilir.
-Taneler rastgele dağılım
gösteriyorsa: izotropik.
(Epoly iron = 210 GPa)
-Taneler yönlendirilmişse:
textured,
anisotropic.
200 mm
Chapter 3 - 46