MALZEMELERİN İÇ YAPI OLUŞUMU

Prof. Dr. Ali Bayat

MALZEMELERİN İÇ YAPI OLUŞUMU

• Malzemelerde, belirli sınırlar içinde yapı ve özellikleri aynı olan homojen bölgelere faz adı verilir.
• Bu bölgelerde bulunan atom grupları düzenli dizilmiş ve denge halinde bulunurlar

Faz Dönüşümü

​

• Bir fazı oluşturan denge koşulları değişirse atomlar yeni bir denge konumuna geçerler.
• Yeni denge konumunda, atomların diziliş biçimi yeni bir faz oluşturur. Böyle bir denge yapısından, başka bir denge yapısına geçişe faz dönüşümü adı verilir.
• Örneğin, saf metaller tek bileşenli bir yapı oluştururlar. Birden fazla atom türü içeren çok bileşenli yapıların dengesi karmaşıktır.

Faz Dönüşümü/sıvı faza geçiş

• İçyapı oluşumu; sıcaklık, basınç ve bileşim oranının etkisindedir
• Malzemelerin içi yapı oluşumunda en önemli etken enerjidir. Bir metali eritmek yani katı fazdan sıvı faza geçirmek için verilen ısı enerjisi, atomların kinetik enerjisinin artmasına neden olur. Bu durumda, atomların titreşim hareketleri de artar.
• Belirli bir sıcaklık değerinde atomlar kazandıkları titreşim hareketi ile bağ kuvvetini yenerek serbest kalırlar Bu erimenin başlangıcıdır
• Erimenin tamamlanması yani bütün kitlenin eriyik haline geçmesi için ısıtma sürdürülür. Ancak bu süre içinde metalin sıcaklığı yükselmez. Çünkü verilen ısı enerjisi diğer atomların kinetik enerjilerinin artmasına harcanır. Bu ısıya ergime ısısı adı verilir.

​

Ergime Eğrileri

​

Katı malzemenin ısıtılarak eriyik hale getirilmesi sırasında malzemede oluşan değişiklikleri gösteren ısıl eğrilere ergime eğrisi denir.

B noktası ile C noktası arasında dışarıdan ısı alınmaz. Malzemeye dışarıdan verilen ısı atomlar arasındaki bağların çözülmesine harcandığından, malzemenin sıcaklığı sabit kalır.

Faz Dönüşümü/katı faza dönüş

• Eriyik sıvı fazdan katı faza geçerken, eriyik çevreye ısı vererek soğumaya başlar.
• Çevreye verilen ısı enerjisi atomlarının kinetik enerjisini azaltır. Çevreden ısı çekilmesine rağmen, katının sıcaklığının düşmemesi açığa çıkan ısı enerjisinden kaynaklanır.
• Katılaşma sıcaklığına ulaşılınca, bağ kuvvetleri etkili olur ve malzeme katı faza geçer.

​

Katılaşma Eğrileri

​

Eriyik haldeki malzemenin soğutularak katı hale getirilmesi sırasında malzemede oluşan değişiklikleri gösteren ısıl eğrilere katılaşma eğrisi denir.

Isı düştüğünde atomlar yakınlaşarak bağ kurmaya çalışırlar. Bu durum C noktasına kadar devam eder. D noktasından sonra atomların bağ kurmaları sırasında açığa çıkan enerji, sıcaklığın düşmesini engeller.

Faz Dönüşümü

• Metallerde sıvı fazdan katı faza geçerken oluşan kristal gruplarının sayısı ya da büyüklüğü, kristal çekirdeklerinin sayısına ve soğutma hızına bağlıdır.
• Kristal çekirdekleri, rasgele bir araya gelmiş atomlar, küçük cüruf parçacıkları, henüz erimemiş kristal kalıntıları ya da katkı maddeleri olabilir.
• Eriyiğin soğutulmaya devam edilmesi durumunda, kristal çekirdeklerinin çevresinde toplanan atomlar kristal kafesini oluşturmaya başlarlar.
• Böylece, sürdürülen soğutma ile kristaller büyümeye başlar. Büyüme komşu kristale değene kadar sürer. Her bir kristal grubuna gren (tanecik) adı verilir. Tanecik sayısı çok fazla olan yani küçük tanecikli bir yapı elde edilmek istenirse hızlı soğutma, örneğin metal kalıba (kokil) döküm yapılmalıdır.

​

Metal Alaşımları

• Saf metallerin özellikleri ve kullanma alanları sınırlı olduğundan, bunların alaşımları elde edilmiştir. Böylece, metallerin özellikleri ve kullanma alanları genişlemiştir.
• Alaşımı oluşturan temel maddelere bileşen adı verilir. Alaşımlar bileşenlerin birlikte eritilmesi ile elde edilirler.

Metal Alaşımları

• Bir alaşımı oluşturan elementlerden en az biri metal olmalıdır.
• Alaşım için bir diğer önemli kural, eriyik halde iken bileşenler, birbiri içinde tamamen çözünmelidir.
• Eriyiğin soğutulması ile elde edilen alaşımın iç yapısı iki türe ayrılır; katı eriyik ve ötektik. Bunlara ana faz adı da verilir.

Katı eriyikler

​

• Katı durumda birbiri içinde çözünen, yani ortak kafes oluşturan bileşenlerden elde edilirler.
• Katı eriyikler tek fazlı, bir yapıya sahiptirler. Miktarı fazla olan bileşene çözen diğerine çözünen denir.
• İki tür katı eriyik vardır; yeralan ve arayer

Katı eriyikler

• Çözenin kafes noktalarından bazıları, çözünen bileşenin atomları tarafından doldurulmuşsa yeralan katı eriyiği,
• Çözünen bileşenin atomları çözen bileşenin atomları arasındaki boşluğa yerleşmişse arayer katı eriyiği adı verilir.

Yeralan ve arayer katı eriyiği

Çözen çözünen

Katı eriyikler

• Yeralan katı eriyiğinde çözen ve çözünen bileşenlerin atom büyüklükleri ve kristal kafes türleri benzerdir (bakır ve nikel alaşımında olduğu gibi).
• Arayer katı eriyiğinde ise çözünen bileşenin atom çapı oldukça küçüktür (C, H, N atomları gibi).
• Katı eriyik oluşturan alaşımlar, soğuma eğrilerinde iki büküm noktası içerirler. Bu soğuma eğrileri ile, katılaşma bölgesi mercimek biçiminde olan bir denge diyagramı elde edilir

Katı eriyikler

• Katı eriyik oluşturan alaşımların denge diyagramlarında, mercimek biçimindeki kapalı alanda katı ve sıvı (eriyik) birlikte bulunmaktadır. Kapalı alanı üstten sınırlandıran eğri sıvılaşma eğrisi, alttan sınırlandıran eğri katılaşma eğrisi olarak adlandırılır.

Katı eriyikler

• Eriyik haldeki alaşım soğutulmaya başladığında; önce sıvılaşma eğrisinin altına inilir ve kristalleşme başlar. Soğumanın sürdürülmesi ile kristalleşen miktar artar. Katılaşma eğrisi geçilirken artık bütün alaşım kristal (katı) duruma ulaşır.
• Kristaller içinde A ve B bileşenlerinin oranları, kristalleşme başlangıcından itibaren sürekli değişmektedir. Katılaşma tamamlandıktan sonra ilk kristallerle, sonradan kristalleşen katı bölümlerin bileşen oranları farklı olmaktadır. Bu durum soğuma hızı ile ilgilidir.

Pratikteki soğuma hızı ile böyle homojen

olmayan bir yapı elde edilir. Bu farklılık, daha sonra yapılacak bir ısıl işlemle i homojenleştirme) giderilebilmektedir.

Ötektikler �

• Bu alaşım tipinde iki faz bulunur. Yani; iki bileşen kendi kristallerini oluştururlar. Bu fazlar iç içedir. Örnek olarak bizmut ve kadmiyum kristallerinin oluşturduğu ötektik yapı gösterilebilir (Şekil 3.5).

Ötektikler

• Diagram, katı eriyikte olduğu gibi, 2 saf metal ve çok sayıda farklı alaşım oranlarındaki alaşımın soğuma eğrilerinden elde edilmiştir. Yani 2 saf metalin durak noktalarından ve alaşımlarının büküm noktalarından yararlanılmıştır.
• Örnek denge diyagramında soldan sağa doğru gidildikçe kadmiyum oranı artmakta, bizmut oranı azalmaktadır. E noktası ötektik oranı, tE sıcaklığı ötektiktik sıcaklığı göstermektedir
• Ötektik orandaki bileşenin kristalleri iç içe bir kristal karışımı oluştururlar. Buna ötektik alaşımı adı verilir. Örnekte, ötektik alaşım yaklaşık olarak % 40 kadmiyum ve % 60 bizmuttan oluşmaktadır.

Ötektikler

• Ötektik alaşım, saf metaller gibi, bir tek ve en düşük ergime ve katılaşma sıcaklığına sahiptir. Bu durum, iki bileşen atomlarının diğer bileşenin atomlarının kendi kristallerini oluşturmasını engelleme eğiliminden kaynaklanmaktadır.
• Dolayısıyla, her iki bileşen de kristallerini aynı anda oluşturmaya başlarlar. Çevreden kuvvetli ısı çekilirse kristalleşme çok kısa sürede tamamlanır. Bu nedenle, kristal tanecikleri çok sayıda ve ince taneli olarak elde edilir.
• Otektik orana sahip alaşımlar bu nedenle çok iyi mekanik özelliklere sahiptir.