Transcript Kristal Yapı Kusurları(Elektrik Malzemeleri)

KRİSTAL YAPI KUSURLARI
Dersin adı : Elektrik Malzemeleri
Yapanın;
Adı
: Mustafa
Soyadı : ER
No
: 1301.00062
Bölümü: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği
KRİSTAL YAPI KUSURLARI
Noktasal hatalar
Çizgisel hatalar
Kenar dislokasyonu
Vida dislokasyonu
Düzlemsel hatalar
Tane sınırlarına genel bakış
Düşük açılı tane sınırları
Yüksek açılı tane sınırları
İkizlenme
Dizilim hataları
Faz sınırları
Noktasal hatalar
Noktasal hata dediğimiz zaman tek bir
kafes noktasındaki, ya da bir kafes
noktasının civarındaki hatalardan
bahsediyoruz. Eğer kusursuz bir kristal
yapı üzerinde atom bulunması gereken bir
noktada atom yoksa, ya da farklı türde bir
atom bulunuyorsa, ya da atom olmaması
gereken bir noktada bir atom
bulunuyorsa, bu hataları noktasal hata
olarak değerlendiriyoruz
Eğer kristal yapı üzerinde atom bulunması gereken bir noktada atom
bulunmuyorsa, bu hata türüne boşluk adını veriyoruz. Yapıdaki boşluklar
özellikle yüksek sıcaklıklarda, atomlar kristal yapı içindeki konumlarını
yayılımla daha sık değiştirmeye başladıkça ortaya çıkmaya başlıyor. Bu
boşluklar sadece yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkmıyor; düşük sıcaklıklarda da
yapı içerisinde bu tür boşluklar bulunuyor. Fakat sıcaklık arttıkça yapıdaki
boşluk miktarı da artmaya başlıyor.
Yapıda bir boşluk oluştuğu zaman bu konum sürekli boş kalmıyor. Boşluğun
çevresindeki herhangi bir atom kendi konumundan ayrılıp bu boş konuma
yerleşebiliyor. Sonrasında başka bir atom, bu konum değiştiren atomun
konumuna geçebiliyor. Bu konum değişimleri atomların kristal yapı içinde
gezinebilmesi ya da farkı türde atomların bir kristal içine sızabilmesi için
büyük önem taşıyor.
Eğer bir kafes noktasında olması gereken atomdan farklı türde bir atom
bulunuyorsa, bu yabancı atoma, başka bir atomun yerini alması
nedeniyle, yeralan atom adını veriyoruz. Yeralan atomlarını, yapıda çok ciddi
bir tahribat yaratmıyor olsalar da, kusursuz bir yapıda bulunmaması gereken
bir durum olması nedeniyle hata olarak değerlendiriyoruz.
Çizgisel hatalar
Çizgisel hata : kristal içinde bir sıra boyunca dizilmiş atomlara dair bir
hatadır.
Kenar dislokasyonu
Dislokasyon adını verdiğimiz bu
çizgisel hatalar, kristalin bir ucundan
diğerine uzanması gereken bir
düzlemin kristal içinde bir yerde,
beklenmedik bir şekilde sona
ermesiyle ortaya çıkıyor. Dolayısıyla,
bu hataları her ne kadar çizgisel
olarak değerlendirsek de, aslında
atom düzlemlerine dair bir hatadan
bahsediyoruz. Bu hataları düzlemsel
değil de çizgisel hata olarak
değerlendirmemizin nedeni
ise, düzlemin sonlandığı yerde bir sıra
boyunca atom olması gerekirken, bu
atomların eksik olması; yani, hatanın
kendini bir çizgi üzerinde gösteriyor
olması.
Vida Dislokasyonu
Öncelike vida dislokasyonları da, aynı kenar
dislokasyonları gibi, kayma düzlemine
paralel uygulanan kesme kuvvetleriyle
harekete geçebiliyorlar. Eğer uygulanan
kuvvet kayma düzlemine dik ise, bu kuvvetin
atomları kaydırabilmesi mümkün değil.
İkinci önemli nokta da, vida dislokasyonuyla
yaratılan toplam hareketin kenar
dislokasyonuyla aynı olması. Yani, kayma
hangi işleyişle gerçekleşirse gerçekleşsin,
sonuçta yaratılan şekil değişiminin aynı
olması.
. Kenar dislokasyonunda dislokasyon
çizgisi uygulanan kuvvete paralel
doğrultuda hareket ediyor. Bunun
nedeni, kenar dislokasyonu
işleyişinde dislokasyon çizgisine dik
uygulanan kuvvetin atomların
konumunu sıra sıra , uygulanan
kuvvete paralel doğrultuda
değiştirmesi.
Vida dislokasyonu işleyişinde ise,
kayan düzlem bir kenardan diğerine
uzanan bir dalga gibi ilerliyor.
Dolayısıyla, kırmızı renkle gösterilen
atom düzlemi sayfa üzerinde
yukarıya doğru hareket ederken,
dislokasyon çizgisi sağdan sola
doğru hareket ediyor.
Düzlemsel hatalar
Tane sınırlarına genel bakış
Metal ve alaşımların kristalleşmesi,
bu malzemeleri meydana getiren
atomların üç boyutlu bir simetride
düzenlenmesiyle gerçekleşiyor.
Kristalleşme süreci
tamamlandığında, çoğu zaman bu
düzenin malzeme içinde kusursuz bir
şekilde gerçekleşmediğini, yer yer
kesintiye uğradığını gözlemliyoruz.
Bu kesintiler kristal düzenin malzeme
içinde bazı bölgelerde kurulamaması
şeklinde değil, yöneliminin birden
değişmesiyle kendini gösteriyor. Aynı
yapıya, fakat farklı yönelime sahip bu
kristal kümelerine malzeme
biliminde tane , tanelerin aralarında
kalan bölgelere ise tane sınırı adını
veriyoruz.
Düşük açılı tane sınırları
İki tane arasındaki yönelim farkının 10-15 dereceden daha az olması
durumunda, taneler arasındaki sınırı düşük açılı olarak değerlendiriyoruz. Bu
yönelim farkı iki şekilde karşımıza çıkabiliyor. Kolaylık sağlaması açısından
taneleri birer küp olarak ele alırsak, bu iki yönelim farkını tanelerden birini
diğerine kıyasla taban yüzeyi ve yan yüzeyi üzerinde döndürerek tarif
edebiliriz. Bu iki tane sınırı türünü, tanelerin eğilimiyle ve burkulmasıyla
oluşan tane sınırları olarak adlandırabiliriz. Aşağıdaki resimde bu iki tane
sınırı türünü görebilirsiniz.
Düşük açılı bir tane sınırının sahip olduğu
enerji miktarını, tane sınırı içinde birim alana
düşen dislokasyonların toplam enerjisiyle tarif
ediyoruz. Dolayısıya, bir tane sınırı içinde ne
kadar çok dislokasyon yer alıyorsa, tane
sınırının enerjisinin de o ölçüde artmasını
bekliyoruz. Tane sınırı içinde kalan dislokasyon
miktarı, doğal olarak, iki tane arasındaki
yönelim farkıyla doğru orantılı olarak artıyor.
Çünkü yönelim farklı ne kadar büyükse, o farkı
yaratmak için taneler arasında bulunması
gereken dislokasyon miktarı da o ölçüde
fazlalaşıyor. Bu nedenle taneler arasındaki
yönelim farkı arttıkça, araya yerleşmesi
gereken dislokasyon miktarı da fazlalaşarak
tane sınırının enerjisinin artmasına yol açıyor.
Yüksek açılı tane sınırları
İki tane arasındaki yönelim farkı 10-15 derecenin üzerinde olduğunda, bu
yönelim farkını dislokasyonlarla tarif edebilmek için o kadar çok dislokasyon
gerekiyor ki, o sayıda dislokasyonun belli bir uzunluğa sahip tane sınırı
boyunca peşpeşe dizilebilmesi, o alana sığması mümkün olamıyor. Çok fazla
sayıda dislokasyon kısa bir mesafede peşpeşe dizilmeye kalktığında, bir
noktadan sonra ister istemez dislokasyonlar üstüste binmeye başlıyor. Bu
durumda, tane sınırı üzerindeki dislokasyonların artık teker teker ayırt
edilebilmeleri de mümkün olmuyor.
Tane sınırındaki dislokasyon sayısı bu şekilde doygunluğa ulaştığında, tane
sınırının sahip olabileceği enerji miktarı da doygunluğa ulaşıyor; yani, artık
tane sınırı enerjisini peşpeşe sıralanan dislokasyonların sayısıyla ifade
edemiyoruz. Bu doygunluk noktasına ulaşıldığında, tane sınırı da sahip
olabileceği en yüksek enerji seviyesine ulaşmış oluyor. Bu noktadan sonra iki
tane arasındaki yönelim farkı ne kadar artarsa artsın, tane sınırının enerjisi
bu doygunluk seviyesinde sabit kalıyor.
İkizlenme
Bir kristal yapı, sahip olduğu bir düzlemin iki tarafında simetrik iki farklı
yönelim gösteriyorsa, bu durumu kristal ikizlenmesi olarak adlandırılır.
Bir kristal yapının ikizlendiğini
söyleyebilmemiz için iki koşulun sağlanması
gerekiyor. Öncelikle, kristalin farklı yönelime
sahip iki tarafının, ortak kafes noktalarını
paylaştıkları, ikiz düzlemi adı verilen ortak bir
düzlemde birleşmeleri gerekiyor. İkinci olarak
da, bu ortak düzlemin iki tarafındaki
atomların, aynadan yansıyan görüntü misali
kusursuz bir simetri içinde düzenlenmeleri
gerekiyor.
Kristal yapılar üç farklı şekilde; kristal oluşumu esnasında, mekanik kuvvet
uygulanmasıyla, ya da tavlama işlemi sırasında ikizlenebiliyor.
Kristal büyürken oluşan ikizlenmelere büyüme ikizi adını veriyoruz. Kristal yapı oluşurken,
bir nedenden dolayı kristalin büyüme yönü değişim gösterebiliyor. Eğer kristal yapının bu
yön değiştiren kısmı, daha önce oluşan kısımla ortak kafes noktalarını paylaşabilecekleri
bir düzlemden başlayarak farklı bir yöne doğru büyüyebilirse, kristal yapı o düzlem
üzerinde ikizlenmiş oluyor. Aşağıdaki resimde büyürken ikizlenmiş bir pirit (FeS2) kristali
gösteriliyor.
Dizilim hataları
Kristal yapılarda yer alan düzlemler, yapıların simetrisi nedeniyle birbirini takip eden,
periyodik bir düzende sıralanıyorlar. Bu düzlemlerinin periyodik dizilimiyle ilgili hataları,
adından da anlaşılacağı üzere, dizilim hatası olarak adlandırıyoruz.
Dizilim hataları, en yaygın bilinen şekliyle yüzey merkezli kübik (YMK) yapının sıkı
paketlenmiş, altıgen simetriye sahip düzlemlerinin diziliminde karşımıza çıkıyor. Bu
nedenle biz de bu hata türünü YMK yapıda gözlemlediğimiz şekliyle tarif edeceğiz.
YMK yapıda yer alan sıkı paketlenmiş düzlem ve bu düzlemin altıgen yapısından
başlayarak konuya giriş yapalım. Aşağıdaki resimde (a) YMK yapıya ait birim hücre
(yüzey ve köşe atomları aynı olmasına rağmen kolaylık sağlaması açısından farklı
renkte gösteriliyor); (b) çok sayıda atomun biraraya gelmesiyle ortaya çıkan dizilim; (c)
sıkı paketlenmiş (111) düzleminden alınmış bir kesit; ve (d) bu düzlemdeki altıgen
simetriye sahip atom dizilimi gösteriliyor.
Altıgen simetriye sahip bu atom düzeni, adından da tahmin edebileceğiniz üzere, hegzagonal
sıkı paket (HSP) yapının tabanında da karşımıza çıkıyor. Bu da, YMK yapının (111) düzlemiyle
HSP yapının (0001) düzleminin, yani tabanının, aynı atom düzenine sahip olduğu anlamına
geliyor. YMK ile HSP yapıların farkı, bu yapılardaki sıkı paketlenmiş bu düzlemlere paralel
sıralanan diğer düzlemlerin diziliminden kaynaklanıyor. Oluşabilecek farklı dizilimleri aşağıdaki
resimler üzerinde inceleyelim.
Öncelikle, yukarıda gösterdiğimiz YMK yapının (111) düzlemindeki atom dizilimine sahip bir
düzlem düşünelim (aşağıdaki resimde: (a)). Düzlemlerin dizilimiyle ilgili bir hatadan
bahsedeceğimize göre, bu düzlemdeki atomların konumlarını bir şekilde adlandırmamız lazım.
Bu düzlemdeki atomların konumlarını tarif etmek için bu düzleme A düzlemi adını verelim.
İkinci adımda, bu düzlemde sıralanan atomların arasında kalan çukurlara denk gelecek şekilde,
aynı dizilime sahip bir düzlem daha yerleştirelim (aşağıdaki resimde: (b)). Dikkat ederseniz, bu
düzlemdeki atomların dizilim düzeni A düzlemiyle aynı olmasına rağmen,
konumları A düzlemindeki atomlardan farklı; yani, aynı hizada değiller. Bu nedenle bu düzleme
de B düzlemi adını verelim.
Üstüste dizdiğimiz bu iki düzlemin sırasını alttan üste doğru tarif etmek istersek,
altta A düzlemi, üstte de Bdüzlemi olduğu için bu sıralamayı AB şeklinde
gösterebiliriz. AB sırasına sahip bu düzlem dizilimini hem YMK, hem de HSP yapıda
gözlemliyoruz. Bu iki yapıyı birbirinden ayıran ise, üçüncü sıraya gelen düzlemdeki
atomların konumu. Üçüncü düzlem iki ayrı şekilde karşımıza çıkabiliyor.
Üçüncü konuma denk gelen atomlar A düzlemiyle aynı konuma, ya da C düzlemi adını
vereceğimiz farklı bir konuma yerleşebiliyorlar (yukarıdaki resimde: (c)). Üçüncü sıraya
gelen düzlemin hangi konumu tercih edeceği, oluşacak kristal yapıyı belirliyor:
atomlar ABCABC dizilimiyle sıralandıklarında YMK yapı oluşuyor;ABABAB dizilimiyle
sıralandıklarında ise, HSP yapı ortaya çıkıyor. Dolayısıyla YMK yapıyla HSP yapının, sıkı
paketlenmiş düzlemlerin dizilimleriyle birbirlerinden ayrıldıklarını söyleyebiliriz.
Şimdi tekrar esas konumuza, yani dizilim hatalarına geri dönelim. Sıkı paketlenmiş bu
düzlemler, YMK yapıyı ortaya çıkaracak şekilde ABCABC sıralamasıyla dizilirken, zaman
zaman bir ya da birkaç sıra atomun, olmaları gereken konumdan kayarak kısa
bir ABABAB dizilimi sergilediklerini gözlemleyebiliyoruz. Düzlem üzerindeki atomların
konumlarındaki kayma nedeniyle oluşan bu hatalara dizilim hatası adını veriyoruz.
Faz sınırları
Faz : Katı bir malzeme içindeki, fiziksel ve kimyasal özelliklerin değişmeden
kaldığı bölgelerdir. Yani, katı içindeki homojen yapıdaki bölgelerdir.
Tane sınırlarından bahsederken taneleri aynı yapıya, fakat farklı yönelime
sahip kristaller olarak tanımlamıştık. Dolayısıyla, bir tane sınırının iki
tarafındaki kristalleri göz önüne aldığımız zaman, bu yapılar arasındaki tek
farkın iki kristal arasındaki yönelim farkı olduğunu görüyoruz. Katı fazlar
arasındaki sınırlar söz konusu olduğunda ise, sınırın iki tarafında sadece
yönelimin değil, kristal yapının da değiştiğini gözlemliyoruz.
İki katı faz arasındaki ara yüzeyleri, sınırın iki tarafındaki atomların ne derece uyumlu
bir şekilde bir araya geldiklerine bakarak üç grup altında sınıflandırabiliyoruz.
Eğer sınırın iki tarafındaki atomlar mutlak bir uyumla hizalanarak bir araya
geliyorlarsa, oluşan arayüzeye bağdaşık arayüzey adını veriyoruz. Aşağıda soldaki
resimde bir örneği gösterilen bu tür arayüzeyler, iki kafes arasında uyumsuzluğa bağlı
bir gerinim oluşmayacağı için, birazdan bahsedeceğimiz diğer arayüzey türlerine
kıyasla daha düşük enerjiye sahip oluyorlar. Bağdaşık arayüzeylerin enerjisi, iki faz
arasında kompozisyon farklı bulunduğu durumlarda, sınır atomlarının farklı bir atoma
bağlanıyor olması nedeniyle, sadece kimyasal kökenli bir enerji artışına dayanıyor.
İki fazın benzer kristal yapıda olduğu, fakat yapılar arasında bir miktar boyut farkı
olduğu durumlarda ise, oluşan arayüzeyde bu uyumsuzluğa bağlı gerinimler ortaya
çıkıyor. Yarıbağdaşık adını verdiğimiz bu arayüzeyler, arayüzeye paralel konumlanan
kenar dislokasyonları aracılığıyla bu gerinimleri bir miktar tolere edebiliyorlar. Yine de,
iki yapı arasındaki uyumsuzluk nedeniyle bu arayüzeyler, bağdaşık arayüzeylere
kıyasla daha yüksek enerji içeriyorlar.
İki fazın kristal yapısının birbirinden çok farklı olduğu durumlarda ise, bağdaşmaz
arayüzey adını verdiğimiz ve iki yapının atomlarının son derece uyumsuz bir şekilde
bir araya geldiği sınırlar karşımıza çıkıyor. Sınır boyunca konumlanan atomların sınırın
diğer tarafındaki atomlara bağlanamaması nedeniye, bu arayüzeyler çok yüksek
enerjiye sahip oluyor. Bu tür arayüzeyleri ortaya çıkaran fazların halihazırda çok farklı
yapılara sahip olmaları nedeniyle, iki faz arasındaki yönelim farklı arayüzeyin enerjisi
üzerinde ciddi bir etki yaratmıyor.
İki faz arasındaki sınırın atom düzeyindeki yapısı, katı hal faz dönüşümlerindeki
büyüme sürecini önemli ölçüde etkileyebiliyor. Örnek olarak bağdaşık arayüzeyler,
düzenli yapıları nedeniyle, atomların sınır boyunca yayılımla gezinmesine izin
vermedikleri için düşük hareket kabiliyetine; bağdaşmaz arayüzeyler ise, atomların
sınır boyunca yayılımla çok daha rahat gezinebilmeleri nedeniyle yüksek hareket
kabiliyetine sahip şekilde karşımıza çıkıyorlar.
KAYNAKÇA
1.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/kristal-yapi-hatalarinoktasal-hatalar/
2.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/cizgisel-hatalar-kenardislokasyonu/
3.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/dusuk-acili-tane-sinirlari/
4. http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/tane-sinirlarina-genelbakis/
5.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/cizgisel-hatalar-vidadislokasyonu/
6. http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/dizilim-hatalari/
7.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/ikizlenme/
8.
http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/faz-sinirlari/
9. Resim: Wikityke, Creative Commons (CC BY-SA 2.5)
10. Resim: DoITPoMS, Creative Commons (CC BY-NC-SA 2.0)
11. Resim: Slinky Puppet, Creative Commons (CC BY-SA 3.0)
12. Resim: Vassil