Transcript kristal hataları

KRİSTAL KAFES HATALARI
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.
Merkezlerinin geometrik şekline göre, kristal
hataları üç gruba ayrılır;
1. Nokta hataları
2. Çizgi hataları
3. Yüzey hataları
1. Nokta Hataları
Kafes yapısının çok küçük bölgelerindeki hatalar
olup;
• atom boşluğu ve
• yabancı atom (yeralan ve arayer)
olarak ortaya çıkarlar.
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
• 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)
7
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.
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.
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.
Değişik nokta kusurları yanda
görülmektedir.
Bu şekilde,
1.kusur; boşluk,
2.kusur; kendiliğinden araya
girme,
3.kusur; farklı
araya girmesi,
bir
atomun
4 ve 5. kusur ise, katkının
değişmesidir.
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
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.
• Burgers vektörü, hareket eden dislokasyonun
hareket doğrultusunu ve miktarını gösterir.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
T
Kenar dislokasyonu ,
simgesi ile gösterilir.
Şekilde
Atomların
içindeki
dislokasyon
kaydırma
kuvveti
uygulandığında,
dislokasyonlar kayma doğrultusunda bir Burgers vektörü mesafesi
hareket edene kadar atomlar yer değiştirir.
Şekilde atomların içindeki dislokasyon kaydırma kuvveti
uygulandığında,
dislokasyonlar kayma
doğrultusunda bir Burgers vektörü
mesafesi hareket edene kadar atomlar yer değiştirir.
Dislokasyon yoğunluğu, birim hacimdeki toplam
dislokasyon çizgileri boyu ile tanımlanır ve birimi
mm/mm3 ‘tür.
Katılaşma süresinde oluşan ortalama dislokasyon
yoğunluğu 102-105 mm/mm3 kadardır.
Plastik şekil değiştirme sonucu 106-1010mm/mm3‘e kadar
yükselebilir.
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.
• Ötelenmenin dislokasyon çizgisine paralel
olması halinde meydana gelen vida
dislokasyonudur.
• Vida dislokasyonunun hareketi, dislokasyon
çizgisine paraleldir.
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.
Kenar ve vida dislokasyonlarının her ikisinin de
birarada bulunmasına karışık dislokasyon denir.
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.
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.
Şekilde
Dislokasyonsuz bir malzeme (a) yüzey
(A0) boyunca bağlarının hepsini koparmakla
kopabilirdi.
Buna karşın bir dislokasyon kaydığıda (b),
bağlar sadece dislokasyon çizgisi boyunca
kırılır.
Dislocations are visible in electron
micrographs
http://zig.onera.fr/DisGallery/3D.html
Fig. 4.6, Callister & Rethwisch 8e.
Zıt dislokasyonların karşılaşmaları ve
birbirlerini yok edişleri
• 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
Kayma ile şekillendirme tüm metallerde ortaya çıkabildiği
halde,
ikiz oluşumu daha ziyade kayma olasılığı düşük olan
belirli malzemelerde görülmektedir (Şekil 6).
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.
Dislokasyon hareketlerine engel oluşturması nedeniyle tane
sınırları mukavemet artışı sağlar.
(Küçük tanelerin dayanımının yüksek olması)
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
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.
Tane Sınırı Hataları
Şekilde görüldüğü gibi, bu hata
sıvı metal katılaşmasını tamamladığında;
tane sınırlarında düzlemlerin kesişmesi sırasında
oluşan düzensizliktir.
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.
71
(a) Üç tanenin sınırlarına yakın eşit aralıklı veya
düzende değildir.
(b) Paslanmaz çelik taneler ve tane sınırları
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.
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.
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.
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.
Oda sıcaklığında çeliğin akma dayanımına tane
boyutunun etkisi.
Nikelin tane yapısını gösteren fotoğraf (x 100)
a. Kafes yapıları aynı, fakat yönlenmeleri farklı olan taneler
b. Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırı
83
Küçük açılı tane sınırı bir grup
dislokasyon tarafından oluşturulur.
Diğer taraftaki latisten θ kadar açı
oluşturarak ayrılır.
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.
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.
86
Mükemmel kristalde gerilim uygulandığında;
(a)atomların yer değiştirmesine sebep olur,
(b)ikizlenme oluşur.
Kristal ikizlenme mekanizması ile deforme olmuştur.
İkizlenme,
belirli metallerin
şekil değiştirmesi
veya ısıl işlemi
sırasında olur.
İkiz sınırları,
kayma işlemi ile
kesişir ve
metallerin dayanımını
arttırır.
• 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.
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.
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.
İkiz oluşumunda GENİŞ BANDLAR
Zn’ de ikiz bant görüntüsü
Bu kusurlardan istiflenme (yığılma) kusurları
93
YMK metallerde olur ve sıkıpaket düzlemlerin
istiflenme sırasındaki bir hatayı gösterir.
ABCABCABC …
(YMK metalde hatasız istiflenme)
ABCABAB, CABC
(YMK metalde istif hatası)
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
96
Kafes Hatalarının Özelliklere Etkisi
Yapı içindeki kristal hatalarının yoğunluğuna
bağlı olarak;
İletkenlik,
Plastik şekil değiştirme ve
Dayanım değerleri
değişir.
Hataların Önemi
Kayma Prosesinin Kontrolü ile Mekanik Özellikler
Değiştirilebilir.
Deformasyon Sertleşmesi
Katı Çözelti Sertleşmesi
Tane Boyutu Sertleşmesi
Manyetik, elektrik ve optik özellikler
üzerine etkisi.
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.