ATOMSAL YAPI TÜRLERİ Metalik malzemelerin çoğu küçük kristal kümeciklerinden oluştuğundan polikristal adını alırlar. Bu kristal kümeciklerinin

Transkript

1 ATOMSAL YAPI TÜRLERİ Metalik malzemelerin çoğu küçük kristal kümeciklerinden oluştuğundan polikristal adını alırlar. Bu kristal kümeciklerinin kristal yapısıda kendi içinde düzenlidir. Kristal kümeciklerinin ayrımını, bunların birim hücrelerinin değişik yönlerde dizilişinden anlayabiliriz. 1

2 Birleşen kristal kümecikleri arasında tane sınırı adı verilen atomik bir boşluk vardır. Bu bölgede belirli bir düzensizlik görülür. İnce yapılı bir metalik cismin kristal kümecikleri daha küçük yapılıdır. Bu nedenle kaba tane yapılı kristale kıyasla daha çok tane sınırı bulunmaktadır. 2

3 ALLOTROPİK DEĞİŞİM Isı ve basıncın etkisiyle bazı cisimlerin kristal yapılarında değişimler olabilir. Örneğin, demirin C de hacim merkezli kübik kristal yapısı var iken, 910 C C arasında kristal yapısı yüzey merkezli kübik olur. Bu tip kristal yapı değişimine allotropik değişim denir. 3

4 ANİZOTROPİ Tekil kristal kümeciklerinin (monokristal) özellikleri kristal eksenlerine göre farklılıklar gösterir. Monokristallerin yönlere göre farklı davranış göstermesi nedeniyle; mekanik, fiziksel, kimyasal özellikleri, dış etkilerin, uygulama doğrultusuna bağlı olarak, farklı değerler alabilir. Özelliklerin yönlere göre farklılık göstermesine anizotropi denir. 4

5 METALLERDE ERGİME ve KRİSTALLEŞME Her bir maddenin atomları devamlı titreşim yapar. Bu titreşim o maddenin sıcaklığını belirler. Sıcaklık yükseldikçe titreşim artar, düştükçe azalır. Mutlak sıfır sıcaklığında (-273ºC) bütün atomların titreşimleri durur. Metallerin sıcaklığı arttıkça, atomların titreşimleri artar ve bu titreşimler atomlar arasındaki bağı zayıflatır. 5

6 Titreşimlerin meydana getirdiği enerji, metal atomlarını birbirine bağlayan enerjiyi geçince ergime dediğimiz olay meydana gelir; yani metal sıvı hale geçer. Ergimiş bir metalin sıvıdan katıya geçişinde meydana gelen kristalleşme iki safhada oluşur: 1. Çekirdek oluşumu 2. Kristal büyümesi 6

7 Katılaşma sırasında belirli düzlem grupları farklı yönlerde dizilir. Bu dizilme gruplarına tane sınırları denir. TANE SINIRLARI 7

8 Sıvı metallerde atomlar arası bağlar zayıftır, hareket yetenekleri yüksektir ve düzensiz bir dizilişe sahiptirler. Katılaşma süresinde atomlar birbirlerine göre düzenli bir şekilde dizilerek kristal yapıyı oluştururlar. Küçük kristal çekirdekleri aynı anda birçok noktada doğmaya başlarlar. Katılaşma ilerledikçe bu kristaller büyürler, birbirlerine değdikleri yerlerde büyümeleri durur ve sonunda bütün kütleyi doldururlar. 8

9 Kristal bireyleri arasında kalan atomlar komşu tanelerle uyum sağlayamazlar ve düzensiz bir bölge (amorf) oluştururlar. Tane sınırı denen bu bölgenin kalınlığı yaklaşık olarak 2-3 atomlar arası uzaklık kadardır. Tane sınırlarında düzensizlik nedeni ile koordinasyon sayısı düşük olur, örneğin taneler içinde 12 iken tane sınırında kadardır. Atomların seyrek dizilmeleri sonucu tane sınırları yüksek enerjiye sahip olurlar. 9

10 Tek kristalli yapılarda tane grupları aynı yönde gelişir ve tane sınırları oluşmaz. Tane sınırları yüksek enerjilidir. (Yüzey gerilimi) Tane sınırları kimyasal reaksiyona girebildiği için üzerine dökülen kimyasallar ile tespit edilir. 10

11 KRİSTAL YAPI KUSURLARI Kristal yapılar kusursuz değillerdir ve bu kusurların varlığı çoğu kez malzemelerin davranışını belirleyici rol oynarlar. 11

12 Şu ana kadar kusursuz kristallerin yapısı tanıtıldı. Bu yapılırken genellikle küp veya prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar (arı metal) tarafından doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve doğrultularının kristal boyunca uzandığı varsayıldı. Gerçekte kusursuz kristal yoktur. 12

13 Kristallerin içinde değişik boyutlu yabancı atomlar bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım olabilir. Bunlardan başka cisim tek yerine çok kristalli oluşabilir. Yukarıda sözü edilen tüm etkenler ve çok kristalli cisimlerde sınır bölgeleri kütlenin düzenli yapısını bozar ve kusurlu hale getirirler. Bu kusurların biçimi, boyutu ve miktarı toplam kütleye göre çok azda olsa özelikleri büyük ölçüde etkirler. 13

14 Örneğin atomdan bir tanesi dahi yer değiştirmişse bazı özeliklerde belirgin değişiklik olabilir (iletkenlik gibi). Metallerin plastik şekil değiştirmesi, mukavemeti ve İletkenlikleri büyük ölçüde kristal yapı kusurlarına bağlıdır. Malzemelerin gerçek davranışını açıklayabilmek için bu kusurları yakından tanımak gerekir. 14

15 Kusurlar, gözle görülen malzeme özellikleri üzerinde derin etkileri vardır ve belirleyicidirler. SINIRLAR YAPI ÖZELLİKLER KUSURLAR 15

16 Kusurların belirlenmesi işlemini işlem basamakları BİLEŞİM SINIRLAR KRİSTAL YAPI KUSURLARIN BAŞLANGICI TERMOMEKANİK İŞLEME MİKROYAPI 16

17 KRİSTAL YAPI KUSURLARI (HATALARI) 1. Nokta Hataları 2. Çizgi Hataları 3. Yüzeysel Hatalar 4. Segregasyon 17

18 NOKTA HATALARI Boşyer: (Porozite) Katılaşma sırasında büzülme, yeterli sıvı olmaması veya içeride gaz hapsolması nedenleri ile oluşur. Atom olması gereken yerde, atomun eksikliğidir. -Süreksizlik -Kesitte daralma -Mukavemet kaybı nedenidir. 18

19 Boşluklar atomların kristal içerisinde hareketlerini kolaylaştırır. 19

20 Ara Yer hataları Ara yer: Her hangi bir kristalde esas atomların aralarındakilere daha küçük çaplı atomların yerleşmesi ile oluşur. Yani atom olmaması gereken yerde fazladan bir atomun bulunmasıdır. 20

21 Yer alan: Her hangi bir kristalde esas atomların yerine başka atomların yerleşmesi ile oluşur. 21

22 Çizgi Hataları Atomların hatalı dizilişleri bir çizgi boyunca devam ederse çizgi hatası oluşur. Kristallerde en çok rastlanan çizgisel kusur türü dislokasyonlardır. İki tür dislokasyon vardır. 1. Kenar Dislokasyonu 2. Vida Dislokasyonu 3. Karma(Mixed) Dislokasyonu 22

23 Kenar dislokasyonu, kristal içinde sona eren bir düzlemin kenarıdır. İşareti şeklindedir. 23

24 Vida dislokasyonunda ise, çizgi etrafındaki atomların dizilişi vidanın helisi gibidir. İşareti şeklindedir. 24

25 Karışık Dislokasyonlar: Dislokasyonlar sadece çok kısa bölümlerinde saf kenar veya saf vida karakteri gösterirler. enar ve vida dislokasyonları çoğu zaman beraber bulunurlar ki; buna karışık dislokasyon denilir. 25

26 26

27 Dislokasyonlar, atomların denge mesafesini bozduğu için kristalin enerjisini artırır. Dislokasyon yoğunluğu Birim hacimdeki dislokasyon çizgilerinin uzunluğu olarak verilir. (mm / mm2) 27

28 28

29 Bir dislokasyonu BURGERS VEKTÖRÜ karakterize eder. Dislokasyon çizgisini kapsayacak şekilde bir atomdan başlayıp saat yönünde aynı adımlarla önce yukarı, sonra sağa, daha sonra aşağı ve en son olarak sola doğru hareket ederiz. Bitişten başlangıca doğru bir vektör çizdiğimizde ortaya çıkan vektör Burgers Vektörüdür. Bu vektör kenar dislokasyonunda dislokasyon çizgisine dik, vida dislokasyonunda ise dislokasyon çizgisine paraleldir. 29

30 30

31 Yüzeysel Kusurlar ve Tane Sınırları Bir cismin yüzeyinde bulunan atomlar enerji yönünden içeridekilerden farklıdır. İçerideki atomlar komşu atomlarla tamamen kuşatılmış olup düşük enerji konumundadırlar. Yüzey atomlarının ise bir yanlarında komşu atomlar yoktur ve kütle tarafından daha büyük bir kuvvetle çekilirler, bu nedenle de enerjileri daha yüksektir. 31

32 Yüzeye atom eklenirse bir miktar enerji açığa çıkar, eğer yüzeyden atom koparılmak istenirse bir miktar enerji vermek gerekir. Yüzeydeki bu fazla enerjiye yüzey enerjisi denir. Bir sıvı damlasının küresel bir biçim alarak daha düşük enerji seviyesine dolayısıyla daha kararlı bir yapıya sahip olma eğilimi yüzey enerjisinin varlığı için belirgin bir kanıttır. Yüzey enerjisi atomlar arası bağ enerjisi ile ilgilidir. Kristal yapıların iki boyutlu kusur türlerinden bir diğeri de çok kristalli yapıda kristal bireyleri (tane) arasında kalan sınır bölgesidir (tane sınırı). 32

33 Yüzeysel hatalar Dış Yüzey: İç kısımdaki atomlar kendini çevreleyen atomlar ile denge durumunda olduğu halde, metalin dış yüzeye açılan atomlarında denge durumu bozulmuştur. Küçük Açılı Tane Sınırı: Kenar dislokasyonları biri birinin üzerine sıralanması ile küçük açılı tane sınırları oluşur. İki boyutlu olan bu sınırlarda atomlar düzensiz yerleşirler Tane Sınırları: Metal sıvı halden katı hale geçerken genellikle çok sayıda kristal tanesi oluşur. Katılaşma tamamlandığında tanelerin birleştiği yerlerde 2-3 atom kalınlığında düzensiz yerleşme oluşur 33

34 Segregasyon Katılaşma sırasında belirli malzemeler, belirli fazların, belirli bir yerde toplanması. Makro ya da mikro olabilir. 34

35 MEKANİK ÖZELLİKLER Dış kuvvetlerin etkisi altında değişik zorlamalar karşısında, malzemede oluşan şekil değişiklikleri ve bu etkiler altında malzemenin gösterdiği dayanma gücü özelliklerine mekanik özellikler adı verilir. 35

36 36

37 Bir malzemenin uygulanan dış kuvvetlere karşı gösterdiği davranış genellikle şekil değiştirme ve kırılma şeklinde kendini gösterir. Yapı sistemlerinin mukavemet hesapların da bu özelliklerin iyi bilinmesine gerek vardır. Bir katı cismin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki mekanik davranış olarak tanımlanır. Bu davranışın biçimi mekanik özellikleri belirler. 37

38 Mekanik özellikler değişik tür zorlamalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmeleri ölçerek ve gözleyerek saptanır. Cisimler artan dış zorlamalar altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılır. Düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik, yani tersinirdir. Gerilme belirli bir sınırı aşarsa kalıcı yani plastik şekil değiştirme oluşur. Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç veya rijitlik malzemenin elastisite modülü ile belirlenir. 38

39 Malzemelerin iç yapısında kalıcı değişim veya kırılma oluşturan herhangi bir gerilme sınırı mukavemet olarak tanımlanır. Bazı mekanik özellikler iç yapıya ve deney koşullarına bağlı değildir. Elastisite modülü bu tür bir özelik olup atomlar arası bağlar tarafından belirlenir ve iç yapıya duyarlı değildir. Diğer taraftan malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğini temsil eden süneklik ile mukavemet ve sertlik gibi sınır gerilmelerle ilgili özellikler iç yapıya ve deney koşullarına büyük ölçüde bağlıdır, örneğin bir yapı çeliğinin sünekliği oda sıcaklığında %35 iken C ta %1' e düşer. 39

40 Bu çelik oda sıcaklığında %35 lik bir şekil değiştirme sonunda kırıldığı halde uygun bir işlemle iç yapısı değiştirilirse (su verme işlemi gibi) aynı koşullarda bu değer % 1-2' ye düşer, sertlik ve mukavemet ise 2-3 kat artabilir. Mekanik özelliklerin kaynağı atomlar arası bağ kuvvetleri olmakla beraber iç yapıya ve çevre koşullarına büyük ölçüde bağlı olduklarından aralarında doğrudan bir bağ kurmak imkansızdır. 40

41 Mekanik özellikler esas olarak atomlar arası bağ kuvvetlerinden kaynaklanır, ancak bunun yanında malzemenin içyapısının da büyük etkisi vardır ve iç yapısal değişiklikler yapılarak mekanik özellikler önemli oranda geliştirilebilir. Dış kuvvetler altında dengede olan katı bir cisim düşünelim. Dış kuvvetler cisim içinde her atoma etkiyen yayılı iç kuvvetler oluştururlar. 41

42 Bu cisim hayali bir CC kesiti ile K ve L parçalarına ayrılsın ve kesilen iki parça dengede kalsın. 42

43 F kuvveti kesite dik normal N ve kesit yüzeyine teğet T bileşenlerine ayrılabilir. Gerçekte N ara kesit düzleminde her atoma etkiyen normal yayılı kuvvetlerin toplamına, T ise yayılı teğetsel (kesme) kuvvetlerinin toplamına eşittir. Kuvvetler yerine parça boyutundan bağımsız zorlama şiddetini belirten GERİLME tanımı kullanılır. 43

44 Herhangi bir kesitte birim alana düşen kuvvete gerilme denir. Kuvvet kesite dik ise ve boy değişimlerine yol açıyorsa normal gerilme ( ), kuvvet kesit içinde ise ve açı değişimlerine neden oluyor ise kayma gerilmesinden ( ) söz edilir. Normal gerilmeler artı işaretli ise çekme, eksi işaretli ise basma anlamına gelir. Bir parçaya uygulanan kuvvet ve momentler, incelenen kesitin durumuna göre hem normal, hem de kayma gerilmeleri oluşturacaktır. 44

45 Gerilme en basit şekliyle birim alana gelen kuvvet olarak tanımlanabilir. Bu durumda cismin parçasının kesit alanı A ise, NORMAL GERİLME 45

46 NORMAL GERİLME: TEĞETSEL GERİLME (kesme, kayma, makaslama) ise, 46

47 POZİTİF KAYMA VE NORMAL GERİLMELERİ Kesitten uzaklaşan gerilmeler çekme gerilmesi adını alır ve işareti artıdır. Kesite doğru gelen gerilmeler ise basınç gerilmesi adını alır, işareti eksidir. 47

48 Kesme gerilmeleri için ise pozitif işaret kuralı; normal doğrultudan saat ibrelerinin ters yönünde okun ucunun yukarıda olması ile belirlenir. 48

49 Gerilme bir, iki ve üç eksenli olmak üzere çeşitli şekillerde cismi etkileyebilir 49

50 Kayma gerilmeleri nedeniyle oluşan açısal şekil değişimi ise boyutsuz bir büyüklük olan (radyan) ile verilir ve birim kayma olarak adlandırılır. Normal ve Kayma gerilmeleri 50

51 Gerilme altındaki parçalarda boy ve açı değişimleri meydana gelir. ΔL boy değişimi ilk ölçü boyu L0 değerine oranlanırsa birim uzama olarak adlandırılan birimsiz bir büyüklük elde edilir. =ΔL/L0 Bu değer yüzde olarak verilirse yüzde uzama % = (ΔL/L0) 100 olarak adlandırılır. Şekil değişiminin uzama veya kısalma olmasına göre bu değer artı veya eksi işaretli olabilir. 51

52 Tek eksenli gerilme altındaki bir parça uzarken aynı zamanda gerilmeye dik doğrultuda da daralır. = - ( enine/ boyuna) oranı Poisson oranı olarak adlandırılır. Poisson oranı daima pozitiftir. Elastik şekil değişimindeki Poisson katsayısı metaller için yaklaşık olarak 0,3 civarındadır. 52

53 ÖRNEK 53

54 54

55 Basit çekme hali (kablo) 55

56 Basit basınç 56

57 57