Mukavemeti etkileyen değişkenler

Geleneksel seramik bünyelerin mukavemetini etkileyen ana değişkenler malzemenin şekillendirme ile sinterleme aşamalarında ortaya çıkan hatalar (gözenek ve çatlak) ve malzeme içindeki mevcut fazlardır (Çizelge 5.1)

Çizelge 5.1. Mukavemeti etkileyen değişkenler

Gözenek Faz

Miktar Miktar

Küresel Amorf

Şekil

Elips Tür

Kristal

Gözenek-çatlak birleşimi Küresel

Konum

Gözenekler arasındaki mesafe Şekil

İğnesel Boyut ve dağılım Boyut ve dağılım

Isıl genleşme katsayısı

Gözenekler

Sistemde bulunan gözenek miktarı arttıkça uygulanan yükü taşıyacak alan azalır ve bünyede uygulanan yüke karşı oluşan gerinim artar (Richerson 1992).

Gözenek şekli olarak, küresel şekilli gözenekler elips şekilli gözeneklere göre daha az gerilme bölgeleri içerirler. Bunun nedeni Bölüm 5.1.1’ de açıklanmıştır.

Fakat malzeme içerisinde bulunan gözeneklerin hepsi küresel değildir.

Şekillendirme ve sinterleme aşamalarında gözeneklerin bazıları küresel şekil alırken büyük bir çoğunluğu elips şeklinde kalır (Dorey 2002). Şekil 5.5’ de seramik sağlık gereçleri bünyesine ait parlatılmış yüzeyin ikincil taramalı elektron mikroskobu görüntüsünde küresel ve elips şekilli gözenekler görülmektedir.

Şekilde, küresel gözenekler elips şekilli büyük gözeneklerin arasında dağılmıştır.

Şekil 5.5. STD bünyesine ait parlatılmış yüzeyin SEM ikincil elektron görüntüsü

Gözeneklerin şekli ve çatlaklarla olan etkileşimine ek olarak malzeme içerisindeki konumu mukavemeti etkileyen diğer önemli bir değişkendir.

Malzemeye yük uygulandığı zaman malzeme yüzeyi ile gözenek arasında kalan bölgede çatlaklar oluşur ve çatlağın boyu gözenek ile bu mesafenin toplamına eşit olur (Riceherson 1992).

Fazlar

Porselen bünyelerin mukavemeti gözenek oranı dışında, kristal tipine, kristal boyutu ve şekline ve kristal/amorf faz oranına bağlıdır (Rado 1969).

Porselen bünyelerin mukavemeti üzerine mikroyapı içerisinde oluşan fazlarla ilgili olarak üç farklı hipotez geliştirilmiştir. Bunlar müllit hipotezi, dağılan fazla mukavemet (dispersion strengthening hypothesis) hipotezi ve matris güçlendirme hipotezidir (Carty ve Senepati 1998).

Müllit hipotezine göre, yüksek boy/en oranına sahip müllit kristallerinin oluşturduğu ağ yapısı, porselen bünyeye mukavemet kazandırır (Rado 1969).

Şekil 5.6’da feldispat ve kil kalıntısı karışımından uzamaya başlamış müllit kristalleri görülmektedir. Kil kalıntısı alümina kaynağı oluşturur ve feldispat içersisinde bulunan toprak alkali iyonları (Na⁺,K⁺) müllit kristallerinin çekirdeklenip uzayabileceği ortamı oluştururlar (Iqbal ve Lee 2000). Özellikle yüksek müllit miktarı, yüksek oranda müllit kristallerinin kenetlenmesi demektir bu da mukavemeti arttırır.

Şekil 5.6. STD bünyesine ait dağlanmış yüzeyin SEM ikincil elektron görüntüsü

Dağılan fazla mukavemet hipotezine göre, porselen bünyede camsı fazda kuvars ve müllit gibi dağılan taneler, oluşan çatlakların boyutunu sınırlandırarak mukavemeti arttırır (Carty ve Senepati 1998).

Matriks güçlendirme hipotezine göre, amorf faz ile kristal fazların ısıl genleşme katsayıları arasındaki farktan dolayı oluşan basma gerilmeleri yapıya mukavemet sağlar. Şekil 5.7’ de kuvarsın ve oda sıcaklığındaki polimorflarının sıcaklığa bağlı genleşme davranışları görülmektedir. Buna göre ısıtıldığında kuvars 573 °C, tridimit 105 °C ve kristobalit 270 °C civarında ani bir hacimsel genleşme göstermektedir. Seramik sağlık gereçleri bünyelerinde kuvarsın kristal formu α kuvars olduğu için tridimit ve kristobalitte oluşan hacimsel genleşmeler dikkate alınmaz (Fortuno 2000c).

Şekil 5.7. Kuvarsın polimorflarının sıcaklığa bağlı olarak doğrusal ısıl genleşmelerinin değişimi

Geleneksel seramik bünyeler soğumaya başladığında, deformasyon ve camsı fazın viskozitesi cam geçiş sıcaklığına (≈850 °C) kadar kalıntı gerilmelerin oluşumunu engeller (Carty ve Senepati 1998). Cam geçiş sıcaklığından oda sıcaklığına soğurken 573 °C civarında α kuvars dönüşümü gerçekleşir ve kuvars tanesinin hacminde yaklaşık % 2 oranında bir azalma meydana gelir (Carty ve Senepati 1998). Kuvars tanelerinin hacmindeki ani azalma sonucu amorf fazda çekme gerilmeleri oluşurken, kuvars tanesi içerisinde basma gerilmesi oluşur.

Bunun sonucunda kuvars tanesi amorf fazdan ayrılır ve kuvars kristalinin etrafında küresel çatlaklar oluşturur (Şekil 5.8).

Şekil 5.8. Kuvars tanesinin etrafında oluşan basma ve çekme gerilmeleri, T: Çekme gerilmesi, C:

Basma gerilmesi,_{Ku vars}(_2310^6), _AmorfFaz (_310^6) (Carty ve Pinto 2002)

Ana faz ile içerisinde dağılmış ikinci faz arasında ki ısıl genleşme katsayısı farkından dolayı oluşan toplam gerilme Eşitlik (5.8) ile ifade edilir. Eğer ikinci faz ana fazdan daha yüksek ısıl genleşme katsayısına sahipse, p (gerilme) değeri eksi bir değer alır ve tane etrafında küresel çatlaklar oluşur.

p

 : Ana faz ve ikinci faz arasında ki genleşme katsayısı farkı T

 : Sistemin soğutma aralığı

Vm: Ana faz poison oranı, V_p: İkinci fazın poison oranı

Em: Ana faz elastisite modülü, E_p: İkinci fazın elastisite modülü P = Toplam gerilme

Alan-yazında porselen bünyelerin mukavemetini belirleyen mekanizmalar hakkında birçok çalışma mevcuttur. Çizelge 5.2’ de konu ile ilgili yapılan çalışmalar ve mukavemeti etkileyen etken mekanizmalar kısaca özetlenmiştir.

Çizelge 5.2. Porselen bünyelerinin mukavemeti üzerine yapılan çalışmalar

Kaynak Baskın mekanizmalar

Mattyasovszky ve Zsonay (1957) Kuvars tane boyutu Oral ve arkadaşları (1983) Leonelli ve ark. (2001) Kuvars tane boyutu Ece ve Nakagawa (2002) Kuvars tane boyutu

Gözenek şekli Carty ve Pinto (2002) Kuvars tane boyutu Bragança ve Bergman (2003) Yığınsal yoğunluk

Çatlaklar

Stathis ve ark. (2004) Kuvars tane boyutu Gözenek şekli Zanelli ve ark. (2004b) Gözeneklilik miktarı Bragança ve arkadaşları (2006) Kuvars tane boyutu Carbajal ve ark. (2007) Kuvars

Yapılan tüm çalışmalarda kuvars tane boyutu ortak değişkendir. Soğuma esnasında kuvars tanesi etrafında oluşan çevresel çatlaklardan dolayı, alan yazında yapılan çalışmalarda kuvars tane boyutunun mukavemet üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda ortalama 10–30 μm tane boyutuna sahip kuvars tanelerinin bünyeye azamî mukavemet değerini kazandırdığı belirtilmiştir (Mattyasovszky ve Zsonay 1950; Kobayashi ve arkadaşları 1992; Leonelli ve ark.

2001; Ece ve Nakagawa 2002; Carty ve Pinto 2002; Stathis ve ark. 2004;

Bragança ve arkadaşları 2006). Leonelli ve ark. (Leonelli ve ark. 2004), mikroyapıda oluşan çatlakların feldispat taneleri çevresinden geçip kuvars tanesine gelince durduğunu ve bunun nedeni olarak, kuvars içerisinde oluşan basma gerilmelerinin çatlağın ilerlemesi için gereken enerjiyi sönümlediğini belirtmişlerdir. Aynı şekilde Stathis ve ark. (Stathis ve ark. 2004), 5–20 μm boyut dağılımına sahip kuvars tanelerinde, < 5 μm ve 20–40 μm boyut dağılımına sahip kuvars tanelerine göre daha yüksek basma gerilmesi oluştuğunu ve bu nedenle

mukavemet değerinin arttığını belirtmişlerdir. Öte yandan, Carty ve Pinto (2002), kuvars ve alümina içeren bünyelerde kuvars tane boyutuna bağlı olarak oluşan gerinme ve gerilme değerlerini incelemişlerdir. Buna göre kuvars tane boyutu azaldıkça kuvars tanesi içerisinde daha az kalıntı gerilme oluşmakta ve malzeme yüzeyine uygulanan yük ana faz tarafından karşılanarak kırılma için gereken süre uzamaktadır.

Yapılan çalışmalarda kuvars tane boyutuna ek olarak, müllit miktarı ve boyutunun mukavemet üzerindeki etkisi incelenmiş ve müllit miktarının mukavemet üzerinde herhangi bir etkisi olmadığı vurgulanmıştır (Kobayashi ve arkadaşları 1992; Leonelli ve ark. 2001; Ece ve Nakagawa 2002; Stathis ve ark.

2004). Zanelli ve ark. (Zanelli ve ark. 2004b), mukavemetin müllit faz miktarından bağımsız olduğunu ve gözeneklilik değerinin; mikroyapısal hataların;

büyük tanelerin mukavemet üzerinde daha baskın olduğunu belirtmişlerdir.

Kuvars tane boyutu ve müllit fazından başka şekillendirme ve sinterleme esnasında oluşan gözenekler, mukavemeti etkileyen ikinci mekanizma olarak incelenmiştir. Oral ve ark. (Oral ve ark. 1983), düşük oranda amorf faz içeren bünyede (< % 50 ağ.) mukavemet üzerinde kuvars miktarının baskın değişken olduğunu, yüksek oranda amorf faz içeren (>% 50 ağ.) bünyede ise kuvars tanesi etrafında oluşan çatlaklar ile gözeneklerin birleşiminin baskın değişken olduğunu belirlemişlerdir. Buna ek olarak küresel olmayan gözeneklerin çatlak başlangıcını oluşturan gerilme bölgeleri olduğunu vurgulamışlardır. Kobayashi ve ark. (1992), ince dağılmış yuvarlak şekilli kapalı gözenekler ile mukavemetin denetlenebileceğini ve ince taneli kuvarsın yapıda homojen olarak dağıtılması ile çatlaklara karşı engel oluşturulabileceğini vurgulamışlardır. Aynı şekilde Ece ve Nakagawa (Ece ve Nakagawa 2001), yuvarlak gözeneklerin yapıda homojen bir şekilde dağılması ile mukavemetin denetlenebileceğini belirtmişlerdir. Buna ek olarak Stathis ve ark. (Stathis ve ark. 2004), küçük yalıtılmış gözenekler içeren bünyelerde toplam gözenek miktarının mukavemet üzerinde önemli bir değişken olmadığını ve toplam gözenek değerinin ancak birbirine bağlı gözeneklerin bulunduğu sistemlerde mukavemeti etkileyen değişken olduğunu belirtmişlerdir.

Bunun aksine Bragança ve Bergman (Bragança ve Bergman 2002), yığınsal yoğunluğun mukavemet üzerinde baskın mekanizma olduğunu ve amorf fazın

kristal fazları tamamen sardığı zaman yüksek mukavemet değerleri elde edilebileceğini vurgulamışlardır.