Kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar

FİZİKSEL METALÜRJİ Doç. Dr. SERMİN OZAN

KRİSTAL
YAPIDA
NOKTASAL VE
ÇİZGİSEL
HATALAR


Kusursuz kristaller tanıtılırken, genellikle küp veya
prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde
bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar tarafından
doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve
doğrultularının kristal boyunca uzandığı varsayıldı.

Gerçekte hatasız kristal yoktur.
Kristallerin içinde değişik boyutlu yabancı atomlar
bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı
atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım
olabilir. Bir malzeme tek yerine çok kristalli olabilir. Bu
etkenler ve çok kristalli malzemelerdeki sınır bölgeleri,
kristal yapıyı bozup kusurlu hale getirirler. Bu kusurların
biçimi, boyutu ve miktarı ne kadar olursa olsun, malzeme
özelikleri büyük ölçüde etkilenir.


HATALAR
1.Noktasal hatalar (0 boyutlu hatalar)
- Küçük yer alan
- Büyük yer alan
-Ara yer
- Boş yer (boşluk)
- Frenkel
- Schottky
2.Çizgisel hatalar (1 boyutlu hatalar)
- Dislokasyonlar (kenar, vida, karışık)
- Dizgi hataları (sık kayma düzlemlerinin birbirini takip etmesi)
3.Düzlemsel hatalar (2 boyutlu hatalar)
- Tane sınırı
- İkiz sınırı
- Faz sınırı
4.Hacimsel hatalar (3 boyutlu hatalar)
- Çok tanelilik
- Gaz boşlukları
- Metalik, intermetalik ve ametalik fazlar
- Kalıntılar


Noktasal Hatalar
Bir veya birkaç atomun oluşturduğu, bölgesel kafes
düzensizlikleridir. Noktasal hatalar, çevrelerindeki atomların
hatasız dizilimlerini engellerler.

Malzemenin yüksek sıcaklıkta ani soğutulması,plastik
şekillendirme,malzemeye yüksek enerjili parçacıkların çarpması
gibi olaylar noktasal hataları oluşturur.

Katı halde kristal yapıya sahip bir malzeme, ısıtıldığında
atomlarının ısıl titreşimleri artar, sıcaklık biraz daha artırıldığında,
bazı atomlar bulundukları denge konumundan başka bir denge
konumuna geçebilir (difüzyon). Bu nedenle, noktasal kusurların
sayısı, sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Ergime noktasına
gelinince atomlar arası bağlar kopar ve malzeme sıvı hale geçer,
düzenli yapı düzensiz olur, koordinasyon sayısı (KS) azalır.Örneğin
sıcaklık arttıkça, (YMK) kristalin KS 12' den 10 veya 11' e düşer. Bu
nedenle sıvıların özgül ağırlığı, katı hale göre biraz düşüktür (su
hariç).


1.Yer alan hatası. Normal kafes noktasında
bulunması gereken bir atomun yerinde başka bir atomun
bulunmasıdır. Metal kafesindeki bir atomun yerini farklı bir atom
alır, çözünen yabancı atomlar, çözen atomlara ait kafes noktalarına
yerleşir. Bu yerleşme, atomların boyutlarına göre, kafeste çökme
veya şişmelere neden olabilir.

Saflığı bozan farklı element atomları kafes içerisinde belli
noktalarda bulunabilir, yani bir malzeme yapısı içerisinde farklı
atomları belli oranlarda çözebilir.Bu şekilde oluşan yapıya “katı
çözelti” denir. Katı çözelti, sıvı çözeltiyle karışma açısından
benzerlik gösterir. Katı çözeltide de çözen ve çözünen vardır.

Katı çözelti oluşumu iki şekilde olabilir:

1.Yer alan (ikame) katı çözeltisi
2.Ara yer katı çözeltisi


Örneğin; Cu-Ni alaşımındaki Ni, Cu içerisinde Cu atomlarının
bulunması gereken kafes noktalarına yerleşir. Bu durumda Cu, çözen, Ni ise
çözünen olur.

Cu

Ni

Büyük yer alan ve küçük
yer alan atomlarının oluşturduğu
hata ve kafeste meydana gelen
çarpılma


Çözen ve çözünen atomların tüm oranlarda sınırsız olarak yer
alan katı çözeltisi oluşturabilmesi için, bazı özel şartların
sağlanması gerekir. Bu şartlara, “Hume-Rothery
Kuralları” denir.
1.Çözen ve çözünen atomların yarıçapları arasındaki fark, % 15’
ten az olmalıdır,

2.İki elementin de aynı kristal yapıya sahip olması gerekir
(KHM, KYM gibi)

3.Aynı elektronegatifliğe (elektronları çekebilme kabiliyetine)
sahip olmaları gerekir,

4.Aynı valansa sahip olmaları gerekir,

5.Yoğunluklarının birbirine yakın olması gerekir.


Hatasız Yapı

Yer Alan Atomu

2.Ara yer hatası. Kristal yapı
içerisinde, atomun kafes noktası
dışındaki bir yere yerleşmesidir.

Katı eriyik oluşurken çözen ve
çözünen atomların boyutları arasındaki
fark arttıkça kafesteki çarpılmalar
artacak ve çözünen atomların kafes
noktalarına yerleşmesi enerji dengeleri
açısından imkansız hale gelecektir.
Bu durumda küçük taneli atomlar (ara
yer atomu), daha dengeli bir konum
olarak, kafes içerisindeki ara yerleri
tercih edip aralara yerleşeceklerdir.

Ara yerlere yerleşme imkanı az
olduğu için, ara yerlere yerleşen
atomların miktarı azdır.

Örneğin, C atomları -Fe içerisinde en çok
% 0.1 oranında ara yer katı çözeltisi
oluşturabilirler.


Hatasız Yapı

Ara Yer Atomu


3.Boşluk hatası. Kristal
yapıdaki bir atomun veya iyonun
bulunması gereken yerde
bulunmamasıdır. Eksik atom veya iyon
nedeni ile, bir kafes köşesi boştur.

Boşluk hatası, ϑ simgesi ile
belirtilir.

Boşluklar, katılaşma sırasında ve
yüksek sıcaklıkta aşırı ısıl titreşimlerden
dolayı oluşurlar.

Boşluklar mekanik özelikleri
etkilemezler, difüzyonu kolaylaştırırlar.


Boşluk Hatası
Hatasız Yapı


4.Frenkel hatası. İyonik
bağa sahip malzemelerde, yapının kararlı
olabilmesi için, elektriksel yükün sıfır
olması gerekir.İyonik bağa sahip
malzemelerde görülen bu hatada, ( + )
veya ( - ) yüklü iyonlardan biri yer
değiştirmiştir, boşluk ile ara yer hatası
aynı anda mevcuttur. Yani, bir iyon
normal kafes konumundan bir ara yer
konumuna atlayıp ara yer hatası
oluşturur ve kendi yeri de boş kalır.

Radyasyona maruz kalan
malzemelerde görülür.


5.Schottky hatası. İyonik
bağla bağlı malzemelerde, zıt işaretli
iyon çiftinin eksik olmasıdır. Bu tür
malzemelerin kristal yapıları içerisinde
elektriksel yükün korunması için,
kafesten bir anyon ile bir katyonun
ayrılması gerekir.

Her iki boşluk da bu hataların
etrafındaki iyonların elektriksel
düzenini bozar.


a.boşluk hatası b.ara yer hatası c.küçük yer alan hatası

d.büyük yer alan hatası e.Frenkel hatası f.Schottky hatası

-Noktasal hatalar ısı ile oluşmakta ve hareket
edebilmektedirler ve difüzyonda büyük öneme
sahiptirler. Malzemenin sıcaklığı arttıkça, atomların
enerji seviyesi yükselir ve hata oluşma ihtimali artar. Bir
noktasal hatanın oluşabilmesi için, atomun bir enerji
eşiğini aşması gerekir.

-Noktasal hatalar katılaşma sonrasında, sıcaklığın
yükselmesiyle ya da malzemelerin yüksek hızlı nükleer
parçacıklar ile bombardıman edilmeleri sonucunda
oluşurlar.

-Noktasal hatalardan bazıları, malzemelerin kafes
düzlemlerini çarpıtarak dislokasyonların hareketini
zorlaştırıp veya engelleyip, malzemede sertliği ve
mukavemeti artırır.


Çizgisel Hatalar
Kristaldeki düzensizliklerin bir
çizgi boyunca gitmesidir.
Malzemelerin birçok davranışının
nedeni olan dislokasyonlar, en sık görülen
çizgisel hatalardır.

Dislokasyon, bir kristalin
kusursuz iki bölgesi arasında bulunan,
düzeni bozulmuş bölgedir ve kristalin
kaymış bölgesi ile kaymamış bölgesi
arasında sınır oluşturan çizgisel hatadır.

DİSLOKASYON

Kenar dislokasyonu Vida dislokasyonu Karışık dislokasyon

Dislokasyonun kayma düzlemi üzerinde bulunan
kenarına “dislokasyon çizgisi” denir.

Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzleme
“kayma düzlemi “ denir.

Kayma düzlemi ve dislokasyon çizgisi: (a)kenar dislokasyonu
(b)vida dislokasyonu


Burgers Vektörü, dislokasyonların hareket, yön ve
büyüklüklerini ifade etmek için kullanılan bir parametredir. Yön ve
şiddet belirtir. Dislokasyonun ilerlemesi için gereken minimum
mesafeyi gösterir.

Burgers Vektörü’nün bulunuşu: Hatanın etrafında bir atomdan
başlayıp saat yönünde aynı adımlarla önce yukarı, sonra sağa, daha
sonra aşağı ve en son olarak sola doğru hareket edilir, bitişten
başlangıca doğru bir vektör çizildiğinde ortaya çıkan vektör Burgers
Vektörü’ dür yani çevrimin tamamlanması için gereken yer değiştirme
miktarı, Burgers Vektörü ile ifade edilir.

Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geri dönülür, hata
içeren kristalde kapalı bir çevrim elde edilemez, yani başlangıç
noktasına dönülemez.


Bir dislokasyona kayma gerilmesi uygulandığında, atomlar yer
değiştirir, bu değişim dislokasyonun kayma yönünde Burgers Vektörü
kadar hareket etmesi ile olur. Dislokasyonun devamlı hareket etmesi
sonucu bir basamak oluşur ve kristal deforme olur. Tırtıl hareketi,
dislokasyon hareketine benzetilebilir.


1.Kenar dislokasyonu. Kristal içinde
sona eren, ek bir yarım kafes düzleminin varlığı ile
oluşan hatadır. Kenar dislokasyonu, kristal içinde sona
eren bu düzlemin kenarıdır.
Kenar dislokasyonu kayma düzleminin üzerinde
yer alıyorsa “pozitif kenar dislokasyonu” olarak
isimlendirilir ve ( ) simgesiyle ifade edilir.

Kayma eğer kenar dislokasyonu üzerinde yer alıyorsa
“negatif kenar dislokasyonu” olarak isimlendirilir ,
( ) simgesiyle ifade edilir.


Burgers Vektörü, kenar dislokasyonuna
diktir.


1.Vida dislokasyonu. Kristalin burulması ile oluşan
ve vida şeklinde kayma hareketi sağlayan düzlemlerin oluşturduğu
hatalardır. Vida dislokasyonları hareket sırasında, vida adımına
benzer şekilde hareket ederler. Dislokasyon çizgisi dislokasyonun üst
kısmında çekme gerilmeleri, alt kısmında ise basma gerilmeleri
oluşturur ve kafes yapısı içerisinde bozulmuş bir bölge meydana
getirir.


Burgers Vektörü, vida dislokasyonuna paraleldir.


3.Karışık
dislokasyon. Hem kenar
hem de vida dislokasyonu
karakteri gösterirler. Dislokasyon
çizgisi,eğri şeklindedir. Ön tarafta
bulunan vida dislokasyonu, yan
taraflara doğru yavaş yavaş kenar
dislokasyonu özelliği kazanır.

Gerçek malzemelerdeki
dislokasyonlar, karışık
dislokasyonlardır.


-Kristal kafeste kalıcı (plastik) şekil değişimi için,
kafesin bir bölümü, komşu atomlarla bağlarını koparıp kayma
düzlemi boyunca ötelenir. Bunun için deneysel olarak bulunan
değerler, hesaplanan teorik değerlerden çok büyüktür.
Bunun nedeni, dislokasyonların düşük kuvvetlerle kalıcı şekil
değişimini sağlamasıdır.
Dislokasyonların hareketi, bir solucanın ilerlemesine
veya halıyı yerden kaldırmaya benzer. Metallerin kolay
şekillendirilebilmesinin nedeni, kayma düzlemleri boyunca,
halının dalgalandırılmasına benzer şekilde, atomların hareket
etmesidir.

-Malzemelerin içinde, belirli miktarlarda dislokasyon
bulunur.Malzemenin bir santimetre kübündeki toplam
dislokasyon uzunluğu, dislokasyon yoğunluğudur. Malzemelere
uygulanan gerilmeler de yeni dislokasyonlar ortaya çıkarır.
Uygulanan bir zorlama ile ortaya çıkan kayma gerilmeleri,
dislokasyonları hareketlendirir ve şekil değişimi gerçekleşir.

-Dislokasyonlar özellikle metal kafeslerinde kolay ilerlerler. Bunu
nedeni,dislokasyon hareketi sonrası kristalin elektrik yükleri bakımından
bir değişime uğramamasıdır. Seramikler kristal yapılı olmalarına rağmen,
seramiklerde dislokasyon hareketi görülmez ve bu malzemelere kalıcı şekil
vermek imkansızdır. Bunun nedeni, kafes yapılarının karmaşık oluşu ve
düzlemlerin ötelenmesi ile elektrik yüklerinin dağılımında dengesizliklerin
ortaya çıkmasıdır.

-Bir malzemede kalıcı şekil değişimini zorlaştırmak için dislokasyon
hareketi zorlaştırılır. Tane sınırları dislokasyonu engeller, tane sınırları
arttıkça (taneler küçüldükçe) dislokasyonların hareketi zorlaşır. Bu nedenle
ince taneli malzemeler, kaba taneli malzemelere göre daha dayanıklıdır.
Kafes içindeki yabancı atomlar, kristal yapının çarpılmasına ve
dislokasyon hareketinin zorlaşmasına neden olur.
Daha önce kalıcı şekil değişimine uğramış ve kafes içinde çok yoğun
dislokasyon bulunan malzemelerde de, dislokasyonlar birbirlerinin
hareketini engeller.

-Çok kristalli metallerde dislokasyon hareketleri çeşitli engeller
tarafından kısmen önlenir. Şekil değişimi sırasında ilerleyen dislokasyonlar
bu tür engellere gelince durmak zorunda kalır ve arkasından gelenler ile
birlikte bu bölgelerde bir dislokasyon yığılması oluşturur. Artan zorlama ile
birlikte yeni dislokasyonlar oluşur ve artan dislokasyonlar birbirlerininin
hareketini engellerler. Dolayısıyla malzemede kalıcı şekil değişimi
oluşturmak için uygulanması gereken kuvvetin sürekli arttırılması gerekir.
Malzemenin plastik şekil değişimine karşı direncinin giderek
artmasına “pekleşme” denir. Pekleşme, malzemenin plastik şekil
değiştirme sırasında mukavemetinin ve sertliğinin artmasıdır.
Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve difüzyon artacağından,
kalıcı şekil değiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren
kristallerde, atomlar yeniden düzenlenir (yeniden kristalleşme),
dislokasyon yoğunluğu düşer ve pekleşmenin etkisi ortadan kalkar.

-Dislokasyonların hareketi, kayma gerilmelerinin etkisi ile
gerçekleşir. Dislokasyonlar atom yoğunluğu en yüksek düzlemlerde ve bu
düzlemler üzerindeki yoğun doğrultularda kayarlar. Çünkü bu şekilde
atomların kayma için gerekli yer değişimleri azalacağından,kaymaya karşı
dirençleri küçülür ve hareket daha küçük gerilmelerle gerçekleşir.

Kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar

Similar to Kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar (16)

Kristal yapıda noktasal ve çizgisel hatalar