İleri Kompozit Malzemeler - depo.btu.edu.trdepo.btu.edu.tr/dosyalar/metalurji/Dosyalar/Ayse_Kalemtas_Malzeme_Bilimi_X7.pdf · Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Yeralan

Asst. Prof. Dr. Ayşe KALEMTAŞ

MMM291 MALZEME BİLİMİ

Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ

Ofis Saatleri: Perşembe 14:00 – 16:00 [email protected], [email protected]

Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi,Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

mailto:[email protected]











Katı Eriyikler (Çözeltiler)

Malzemeler yapılarının içerisinde, belli oranlarda farklıatomları çözebilirler.

Bu durum “katı çözeltiler” olarak adlandırılır.

Katı çözeltilerin diğer bir ismi katı eriyiktir.

Bir çözelti çözen ve çözünen olmak üzere iki bileşendenoluşur.

Çözeltinin, yüzde oranı yüksek olana çözen, oranı düşükolana da çözücü adı verilir.

Karışma açısından katı çözelti, sıvı çözeltiyle benzerlikgösterir. Şekerli su örneğinde olduğu gibi, su çözen, şekerdeçözünendir.



Metallere katkı elemanları ergimiş halde katılır.

Değişik tür atomlar sıvı halde kolayca karışarakhomojen sıvı eriyik oluştururlar.

Katılaşma sırasında yabancı elemanlar kafes yapıdavarlığını korursa katı eriyik elde edilir.

Bu işleme alaşımlandırma, elde edilen metale alaşımdenir.

Katkı elemanına alaşım elemanı, kafes yapıya sahipana eleman eriten, içinde dağılmış halde bulunaneleman ise eriyen adını alır.



Çözünen atomlar kristal kafes yapısına iki farklı şekilde girebilmektedir. Bunun sonucunda da iki farklı katı çözelti oluşmaktadır. Bu süreçte çözücü

atomların kristal yapısı korunur yani yeni bir kristal yapı oluşmaz.

Çözücü/Matris Atomu

Çözünen Atom

Yeralan Katı Çözeltisi


Kristal kafeste çözücü (matris, evsahibi) atomların bir kısmınınyerine çözünen atomlarıngirmesiyle meydana gelen katıçözeltilerdir.

Arayer Katı Çözeltisi

Çözünen atomlar kristal kafestebazı çözücü (matris, ev sahibi)atomlar arasındaki boşluklarayerleşirler. Çözücü atomlar kendipozisyonlarını korurlar.

Çözücü/Matris Atomu

Çözünen Atom



Saf demir yumuşak bir metal olması nedeniyle, mühendislik uygulamalarındakullanımı sınırlıdır. Ancak, karbon ile alaşımlandırılma yapılarak demirinmukavemetinde önemli bir artış sağlanmaktadır.

Demirin içerisinde karbonun %0,1-%0,2 gibi çok düşük oranlarda bulunması bile,mukavemetin önemli ölçüde artmasını sağlamaktadır. Karbon yumuşak demirmetalini sert ve mukavemetli bir alaşım haline getirebilen önemli bir elementtir.

Fe-C alaşımları içerdikleri karbon miktarına göre “çelik” veya “dökme demir”olarak isimlendirilmektedir.

Çelik %2 ye kadar karbon içeren demir karbon alaşımıdır.

Dökme demir ise %2 den büyük daha fazla oranda karbon içeren demir-karbonalaşımıdır.


Alaşım : Metalik özelliklere sahip, en azından biri metal olmak üzere iki veya dahafazla kimyasal elementin bileşiminden oluşan bir malzemedir.

Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbonalaşımıdır. Üretim yöntemleri ve kullanılan cevherlerden dolayı manganez,silisyum, fosfor ve kükürt çeliğin bünyesinde bulunan diğer elementler olabilir.


Karbon atomları demir atomları arasındaki boşluklara yerleşir

Fe 0,124 nm atom yarıçapıC 0,071 nm atom yarıçapı


Alaşım : Metalik özelliklere sahip, en azından biri metal olmak üzere iki veyadaha fazla kimyasal elementin bileşiminden oluşan bir malzemedir.

Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbonalaşımıdır. Üretim yöntemleri ve kullanılan cevherlerden dolayı manganez,silisyum, fosfor ve kükürt çeliğin bünyesinde bulunan diğer elementler olabilir.


Çelik

Fe

C


Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan atomların arasındaki boşluğa bir başkaatomun girmesiyle oluşur. Burada ana yapıyı oluşturan Fe atomlarıdır.Kristal yapıda Fe atomlarının arasına yer yer daha küçük çapa sahip Catomlarının girmiş olduğu görülmektedir.

Metallerin büyük çoğunluğu kafes yapısı içinde belirli sayıda yabancı atombarındırabilirler. Yabancı atomların asıl metalin kafes sistemindekiyerleşimlerine bağlı olarak (a) arayer veya (b) yeralan katı eriyiklerioluşmaktadır.


Yarıçapı ancak 1 °A’danküçük atomlar arayer

katı çözeltisi oluşturabilir.

Bunlar H, B, N C ve O2atomlarıdır.


Pirinç

Cu

Zn


Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan bir atomun yerini bir başka atomunalmasıyla oluşur. Örneğin burada Cu ana yapıyı oluşturan elementtir. Ancakkristal yapıda yer yer Cu atomlarının yerine Zn atomları geçmiştir.

Metallerin büyük çoğunluğu kafes yapısı içinde belirli sayıda yabancı atombarındırabilirler. Yabancı atomların asıl metalin kafes sistemindekiyerleşimlerine bağlı olarak (a) arayer veya (b) yeralan katı eriyiklerioluşmaktadır.



Bronz


Kristal yapıda ana yapıyı oluşturan biratomun yerini bir başka atomunalmasıyla oluşur. Örneğin burada Cuana yapıyı oluşturan elementtir. Ancakkristal yapıda yer yer Cu atomlarınınyerine Sn atomları geçmiştir.

Bronz bir çağa isminivermiş olan, çok eskizamanlardan günümüzekadar kullanılmakta olanbir metal alaşımıdır.

İlk kullanımının yaklaşıkolarak 5500 yıl önceolduğu düşünülmektedir.



Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur?

Yeralan katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterlerbulunmaktadır.


William Hume Rothery OxforÜniversitesi’nde metallerinalaşımlandırılması konusunda önemliçalışmalar gerçekleştirmiş bir biliminsanıdır.

William Hume Rothery yaptığıçalışmalar ile hangi elementin hangimetal içerisinde ne kadar çözüneceğinibelirlemek üzere oldukça sade ve faydalıkurallar geliştirmiştir. Bu kurallargünümüzde hala yaygın olarakkullanılmaktadır.

William Hume Rothery

1899–1968Oxford University

Sizce bu kriterler neler olabilir?


Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur?

Yeralan katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterlerbulunmaktadır.


William Hume Rothery

1899–1968Oxford University

Hume Rothery Kuralları

1) Atomsal boyut faktörü

2) Kristal Yapıları

3) Elektronegatiflikleri arasındaki fark

4) Değerlikleri



1. Atomsal boyut faktörü :Katı çözeltide kayda değer miktarda çözünen atom bulunabilmesi için,iki elementin atom yarıçapı farkının % 15’den az olması gerekir.Boyut farkı ne kadar az olur ise katı çözelti oluşumu o kadar kolayolur. Eğer boyut farkı % 15 ise yer değiştirme miktarı çok sınırlıolacaktır.

1. Kristal Yapıları :Çözen ve çözünen atomların kristal yapılarının aynı olması gerekir.

1. Elektronegatiflikleri :Çözücü ve çözünen atomların elektronegatiflik değerlerinin birbirineyakın olması gerekir. Elektronegatiflikleri arasındaki farkın büyükolması durumunda ise atomlar arasında yerdeğiştirme yoluyla katıçözelti oluşturmak yerine metaller arası yeni bir bileşik oluşturmalarısöz konusu olabilecektir.




4. Değerlikleri :Çözücü ve çözünen atomların değerliklerinin aynı olması veya yakınolması gerekir. Maksimum çözünürlüğün sağlanabilmesi için çözücü veçözünen atomların değerlikleri aynı olmalıdır.

Eğer çözücü ve çözünen atomların değerlikleri aynı değil ise o zamanyapıda yük dengesinin korunması için bazı yapısal değişikliklerin deatomların yer değiştirmesi ile birlikte gerçekleşmesi gerekecektir.Örneğin boşluk oluşumu gibi.

Diğer faktörler sağlandığında, bir metal, değerliği kendinden dahadüşük olan bir metale göre, değerliği daha fazla olanı çözmeye dahayatkındır.

Karbon atomları demire ilave edildiğinde, arayer katı çözeltisioluşturur ve karbonun demir içindeki maksimum çözünürlüğü yaklaşıkolarak % 2’dir. Karbon atomunun atom yarıçapı (0,071 nm) demiregöre oldukça küçüktür (0,124 nm).




Cu ve Ni metalleri tüm oranlarda birbiri içerisinde

tamamen çözünmekte ve bir katı çözelti oluşturmaktadır.

Ni CuKristal Yapısı YMK YMK

Elektronegatifliği 1,9 1,8

Değerliği +2 +2

r (nm) 0,1246 0,1278

Metal katı çözeltisi oluşumuna örnek

: katı çözeltiLiquid : sıvı faz



Seramik katı çözeltisi oluşumuna örnek

NiO ve MgO birbiriiçerisinde tamamençözünebilen bir katıçözeltioluşturabilmektedir.

NiO ve MgO herikisi de kübikkristal yapıyasahiptir

Ni and Mg aynıdeğerliğe sahiptir,+2.

İyonik yarıçaplararasındaki fark ±

15% aralığıiçerisindedir



MgO and NiO tüm oranlarda birbiri

içerisinde tamamen

çözünmekte ve bir katı çözelti

oluşturmaktadır.

Seramik katı çözeltisi oluşumuna örnek

SS: katı çözeltiL : sıvı faz


Arayer Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur?

Arayer katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterlerbulunmaktadır.


Sizce bu kriterler neler olabilir?


Arayer Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur?

Arayer katı çözeltisinin oluşabilmesi için bazı önemli isterlerbulunmaktadır.

Çözünen atomların kristal kafeste yer alan çözücü atomlararasında kalan boşluktan daha küçük bir boyuta sahip olmasıgerekir.

Çözücü ve çözünen atomların elektronegatiflik değerlerininbirbirine yakın olması gerekir.

Arayer boşluklarına girebilecek olan sınırlı sayıda atombulunmaktadır. Örneğin; C, H, Li, oksijen ve B.



Fe-C Faz DiyagramıArayer katı çözeltisi oluşumu

Fe-C faz diyagramının bir kısmı

Sementitsistemde oluşan bir ara bileşiktir

(Fe3C).

Östenit ve ferritfazları ise

sistemde oluşan birer arayer

katı çözeltisidir.


Fe-C Faz DiyagramıArayer katı çözeltisi oluşumu


QUESTIONS

Documents

İleri Kompozit Malzemeler - depo.btu.edu.trdepo.btu.edu.tr/dosyalar/metalurji/Dosyalar/Ayse_Kalemtas_Malzeme_Bilimi_X7.pdf · Yeralan Katı Çözeltisi Neye Göre Oluşur? Yeralan