Kristal Kusurları

Bir önceki yazımda kaleme almış olduğum kristal yapıları ve kurguladığım beden eğitimi öğretmeni modelimi iyi anladığınızı düşünmekteyim. Bu yazımda ise, kristal halde bulunan katıların yapılarındaki kusurları anlatacağım.

Beden eğitimi öğretmenleri düdük çaldığında düzgün dizilen 1000 kişilik öğrenci kafilemizi tekrar ele alalım. Tekrar düdüğü çalalım. Fakat bu defa birbiriyle anlaşamayan küçük öğrenci gruplarını birbirlerine yakın tutalım. Düdüğün çalmasıyla, sıraya geçmeleri mecburi oluyor. Fakat birbirlerine fazlada yaklaşmak istemiyorlar. Aralarında husumet olan bu küçük gruplar farklı yönlere bakarak dizilsinler. İşte bu yapıyı, kristal katılarda tane oryantasyonu olarak tanımlayabilirim. Bu bölgeler yapıdaki diğer bölgelere göre daha zayıftır. Şöyle düşünün, aralarında husumet olan küçük grupların birbirinden uzak durması ve farklı yönlenmesi esnasında, bir kuvvet o bölgeden bir öğrenciyi çekerek çıkarmaya çalışsa, ona pek kimse yardım etmez. İşte malzemelerde de aynı durum söz konusudur. Bir yük altında gerilim tane sınırlarında odaklanır ve taneleri zorlayacak kuvvetler oluşturur. Taneler farklı yönlere baksalar da, kendi içlerindeki istiflenmeleri ve düzenleri homojendir.

Tane ve tane sınırları aslında birer kusurdur. Çünkü sıcaklığı ve soğutma hızını düzgün ayarlayabilirseniz ve bazı özel metotlar kullanırsanız, katılar tek kristal hale geçecektir. Ama bu özel şartları sağlamadan, katılaşmayı beklerseniz, yapıda taneler ve tane sınırları olacaktır. “Peki ya diğer kusurlar nasıl modellenebilir ?” diyor gibisiniz. Herkes malzeme mühendisi değil. Olmak zorunda da değil. Blogumu yazarken ki amacım, herkesin bu konuları anlayabilmesiydi. O yüzden sürekli olarak kendi ürettiğim modellerimi anlatıyorum.

Kristal Kusurları

Malzeme biliminde, kristal kusuru, mükemmel bir düzende –kendini tekrarlayan- hata oluşturan noktalar, çizgiler ve bölgeler olarak bilinirler. Diğer adları, dislokasyondur. 3 adet temel kristal kusuru vardır. Tane sınırları bu yapılara ait değildir. Fakat yukarıda tane ve tane sınırlarınında aslında birer kusur olduklarını anlatmıştım.

Noktasal kusurlar olarak bilinen boşluk dislokasyonları en basit kusurlardır. Örgü içerisindeki bir atom veya iyonun olmayışı veya kendine ait olmayan bir yerde bulunma durumudur. (Bkz. : Schottky, Frenkel defect) Genellikle zararlı olamazlar. Basit kusurlardır.

Çizgisel kusurlar malzemenin dayanımını doğrudan etkileyen kusurlardır. Bunlara çizgisel dislokasyonlar denir. 2 türü vardır. Birincisi kenar dislokasyonu, ikincisi ise vida dislokasyonu. Kenar dislokasyonunun adı, sürekli olarak kenarlara dışarlanması sonucu hareket etmesinden gelir.

Vida dislokasyonu ise, bir üstteki düzleme taşınarak ilerler. Bu yüzden adeta bir vida gibi adım adım çıktığı varsayılır ve vida dislokasyonu denilir. Bir çizgisel dislokasyonda, örgü içerisinde bir hat ya tamamen yoktur, ya çarpıktır, ya da atomlar birbirlerine olması gerekenden uzak veya yakındır. Vida dislokasyonuda aynı şekilde bulunur. Aralarındaki tek fark ilerleme yönlerinin farklı olmasıdır. Bu ilerleme yani kayma yönlerini tayin eden vektöre “Burger Vektörü” denir.

Hacimsel veya Kütlesel kusurlar olarak bilinen dislokasyonlar ise, üretim esnasında özellikle de döküm esnasında ortaya çıkarlar. Malzemeyi kullanılamaz hale getirebilecek kusurlardır. Örneğin, dökümde eriyik metal içerisinde gaz kabarcığı kalırsa, o bölgede yüksek enerji depolanacaktır ve adeta bir kitle olacaktır. Bu da o noktayı zayıf hale getirir ve olası gerilim yüklenmelerini o bölgeye odaklar.

Arayer ve Yer alan olarak bilinen durumlar ise, aslında birer kusurdur. Çünkü kendi kafesi içerisinde düzgün dizilen bir metale kendi atomundan farklı başka bir metal atomu eklerseniz -alaşımlama- matriks metalin kafes yapısında çarpılmalara sebep olursunuz. Matriks metalinkiyle eklenen metalin atom yarıçapları yakın ise, Yer Alan (substitutional atom) atomu olarak tanımlanır. Eğer ilave edilen metalin veya ametalin yarı çapı matriksinkinden ciddi oranda küçükse ( dr > +- %15) , ilave edilen metal/ametal atomları kafeslerde araya sıkışır. Buna da arayer atomu denir. Arayer atomlarının genellikle sıkıştığı yerler tetrahedral ve oktahedral boşluklardır.

Daha önceden olduğu varsayılan bu kusurların ilk teşhisi ancak TEM’in (Transmission Electron Microscope) 1930 yıllarda icadıyla yapılabildi. Aşağıda çizgisel kusurlar, boşluk kusurları, vida kusurunu ve Arayer – Yer alan atomlarını görebilirsiniz.

Kristal Kusurlarının Faydaları

Evet, başlıktaki tezatın farkındayım. “Bir kusurun nasıl faydası olabilir?” sorusunu sorduğunuzu duyar gibiyim. Fakat mükemmel kristal düzene -yaklaşık mükemmel- sahip malzemelerle yapılan mekanik testler sonucunda, aynı malzemenin kusurlar içerenine göre çok daha az dayanım gösterdiği saptanmıştır. Bunun sebebi, bir gerilme altında kaymaya başlayan atomların ve düzlemlerin serbestçe hareketine devam edebilmesidir. Eğer siz bu kayan düzlem ve atomların önüne kusurlar, ikinci tür partiküller -safsızlık- çıkarırsanız, kayma hareketini zorlaştırır veya engellersiniz. Bu yüzden mukavemette artış gözlemlenir.

Bu kitap bilgilerinin üzerine yine bu olayı bir model ile açıklama gereksinimi duyuyorum. Belki sıkıldınız ama yine beden eğitimi öğretmenimizi sahneye davet edeceğim. Evet düdüğü de ağzında, hatta çaldı bile. Fakat ters giden bir şeyler var. Öğrenciler farklı yönlere bakan ufak kümeler halinde sıralandı. Taneler ve tane sınırları bu modelle açıklanmıştı. O da neyin nesi? Küçük grupların içerisinde durmaması gereken yerde iri yarı adamlar var. Bunlar kim yahu? İşte o iri yarı adamlar, öğrencilerden hacmen büyük olduklarından öğrencilerin düzenini bozmakta. Olmaması gereken yerlerde duruyorlar. Fakat çok büyük bir faydaları da mevcut. O küçük grubun içerisinden bir öğrenciyi çekip almaya çalışırsanız, bu iri kıyım adamlar bu durumdan hiçte hoşnut olmayacak ve öğrenciyi size vermeyeceklerdir. Yani kaymayı engelleyeceklerdir. O adamlar metaller içerisindeki safsızlıklar olarak nitelendirilebilir.

Kristal Kusurlarının Uygulamadaki Yeri

Tel çekme, haddeleme, dövme gibi işlemleri hemen hemen her mühendis adayı duymuştur. Peki neden tek parça dökmek varken, talaşlı imalat varken tel çekme veya haddeleme kullanılır?

Bu sorunun cevabı çok acıktır. Metalik malzemelerde plastik şekil değişimi için büyük miktarda enerji gereklidir. Haddeleme ve tel çekme esnasında yüksek enerji kullanıldığından, malzeme üzerinde oluşan gerilim, malzemenin plastik şekil değiştirmesine sebebiyet verir. Plastik şekil değişimi bildiğiniz üzere, geri kazanımı imkansız bir şekil değişimidir ve kalıcıdır. Çünkü, plastik deformasyon esnasında dislokasyonlar – kusurlar- ve atomlar kayarak yer değiştirmiş ve sizin verdiğiniz enerjiyi bu hareketlerine harcamış bir kısmınıda ısıya dönüştürüp atmosfere salmıştır. Yani termodinamiksel olarak geri kazanımı mümkün değildir. Haddeleme ve tel çekme esnasında gelişen bu olaylar sonucu, dislokasyon kümeleri oluşur. ( Ayrıca Bkz: Cottrell Atmosphere) Bu dislokasyon kümeleri, malzemenin üretim esnasında kasti olarak oluşturulur ki, malzemeni kullanım esnasındaki aşırı yüklenmelerde atomları kayarak plastik şekil değişimine sebebiyet vermesin. Yani bu işlemlerdeki amaç, mukavemeti yükseltmektir. Bu tip işlemlere pekleşrtirmede denir. Fakat bir olumsuz yönüde mevcuttur. Pekleşen çelik malzeme fazlaca enerji depoladığından tokluğu düşer. Hatta bu pekleştirme işleminde, malzeme sürekli gerilim altında tutulursa kopabilir kırılabilir. Bu yüzden pekleştirme işlemleri esnasında malzemeler arada kısa süreli olmak koşuluyla tavlanır ki iç gerilmeleri bir nebze giderilsin ve işleme devam edilebilsin. Bu hayati önem taşıyan ısıl işleme ara tav denir.

Burada vermiş olduğum bilgiler “Malzeme Bilimi” adına çok temel ve basit bilgilerdir. Bu olayların mekanik ve termodinamik incelemelerini yazsam, blogumu kapatıp veya burada yazmayı bırakıp kitap çıkartmam gerekir. Yani sadece yüzeysel ve bir fikriniz olsun diye anlatıyorum. Bir sonraki yazılarımda “Kırılma Mekaniği” konusunda bu konuyu da biraz daha açacağım. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Öğrencisi

Kaynaklar:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Crystallographic_defect
2. Material Science and Engineering, W.F. Smith, Crystallographic Defects.