ÇÖKELME VE
ÇÖKELME SERTLEŞMESİ
Bir çözelti içinde çözünen atomların yayılımla bir araya gelerek çözelti içinde çok ufak parçacıklar halinde ayrı bir faz oluşturması sürecine kimya biliminde çökelme (İngilizce:
precipitation), oluşan parçacıklara ise çökelti (İngilizce: precipitate) adı verilmektedir.
Elimizde A ve B elementlerinin karışımıyla elde edilen bir alaşımdan hazırlanmış bir numune olduğunu farz edelim. Bu numunenin sıcaklığını, aşağıdaki denge diyagramında α ile gösterilen tek faz bölgesine çıkarıp, sonrasında yayılım oluşmasına izin vermeyecek şekilde, hızlıca tekrar çift faz bölgesine (α + θ) düşürdüğümüzü düşünelim. Bu durumda, faz diyagramı uyarınca α fazının bir kısmının θ’ya dönüşmesini bekliyor olsak da, numuneyi atom yayılımına izin vermeyecek kadar hızlı soğuttuğumuz için, α çözeltisinin aşırı doymuş bir şekilde, ayrışamadan kaldığını gözlemliyoruz. Bu düşük sıcaklıkta yayılım çok yavaş gerçekleştiği için, θ fazı aşırı doymuş α çözeltisinden çökelemiyor. θ fazının çökelmeye başlayabilmesi için yayılımı kolaylaştırmamız, yani numuneyi tekrar bir miktar ısıtmamız gerekiyor.
α ve θ fazlarının kristal yapıları farklı olduğunda, iki faz arasında bağdaşmaz bir arayüzey oluşacağı için, bu arayüzeyin yaratılması için gereken enerji miktarı yüksek bir değere sahip oluyor. Bu tür durumlarda, malzeme içinde öncelikle anafaz α ile aynı kristal yapıya sahip, fakat α’dan daha fazla miktarda B atomu içeren bölgeler oluştuğunu gözlemliyoruz (θ fazının α’ya kıyasla daha fazla B atomu içerdiğine dikkat ediniz). Çökelmenin başlangıcında ortaya çıkan bu bölgelerin varlığını ilk olarak keşfeden Fransız kristal bilimci André Guinier ve İngiliz fizikçi George Dawson Preston’a ithafen Guinier-Preston bölgeleri, ya da kısaca GP bölgeleri (İngilzce: GP zones) adını verdiğimiz bu bölgeler, sadece birkaç atom tabakası kalınlığa ve birkaç nanometre genişliğe sahip oluyorlar. GP bölgelerinin anafaz ile aynı kristal yapıya sahip olduğunu, fakat daha yüksek oranda çözünen atom içerdiğini tekrar vurgulayalım.
GP bölgeleri oluştuktan sonra sıcaklığı bir miktar daha arttırdığımızda, θ fazı henüz tam olarak ortaya çıkmadan, α ile θ arasında kalan yapısal özelliklere sahip bazı geçiş fazları (İngilizce:
transition phases) ortaya çıkıyor. Geçiş fazları, anafaz α ile benzer yapısal özellikler taşıyor.
Bu nedenle, direkt olarak θ fazının oluşmasına kıyasla daha düşük bir enerji bariyerinin aşılmasıyla oluşabiliyorlar. Geçiş fazları sayesinde, çökeltinin ortaya çıkacağı sıcaklığa kadar beklemeye gerek duymadan, sistem yapısını azar azar değiştirerek, enerjisini de adım adım azaltabiliyor.
Çökelen fazın gösterimi yanına kesme işareti ekleyerek (θ’’, θ’ gibi) belirttiğimiz bu geçiş fazlarının sayısı sistemden sisteme değişiklik gösterebiliyor. Örneğin bakır-berilyum alaşımlarında GP bölgesini takiben çökelti ortaya çıkana kadar sadece bir geçiş fazı ortaya çıkarken, alüminyum-bakır alaşımlarında iki ayrı geçiş fazı oluştuğunu görüyoruz. Çökelen fazın gösterimi yanına eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısı sistemde kaç farklı geçiş fazı olduğunu gösteriyor. Eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısını, geçiş fazının ortaya çıkış sıralamasında sondan geriye sayacak şekilde belirtiyoruz. Örneğin α fazı içinden θ çökeltileri oluşurken iki geçiş fazı ortaya çıkıyorsa, ilk oluşan geçiş fazını θ’’, ikinci geçiş fazını ise θ’
ile gösteriyoruz. Dolayısıyla çökelme α → GP bölgeleri → θ’’ → θ’ → θ sırasıyla gerçekleşiyor.
Çökelme ile sertleştirilen sistemlerde GP zonları ve geçiş fazı her zaman gözlenmemektedir.
GP zonları genelde, çözen ve çözünen atom boyut farkları yaklaşık olarak %12 den daha düşük ise ve dengesel çökeltinin kristal yapısı nispeten basit ise gözlenmektedir. Bazen, bazı sistemlerde küresel GP zonları oluşabilmektedir. Küresel GP zonları sadece atomik uyum yaklaşık olarak %3 den daha düşük ise gözlenebilir.
Çökelme için daima geçiş fazlarının ortaya çıkması gerekmiyor. Bazı sistemlerde çökelmenin denge faz diyagramı uyarınca gerçekleştiğini, çökeltinin anafazdan direkt olarak çökeldiğini de gözlemleyebiliyoruz. Geçiş fazlarının oluşmadığı bu çökelme işleyişinde GP bölgeleri de oluşmadığı için, çökeltiler çekirdeklenebilmek için tane sınırlarından ya da anafaz içinde bulunan diğer parçacıkların yüzeylerinden faydalanıyorlar. Bu duruma bir örnek olarak, orta karbonlu çeliklere su verildiğinde martensit fazına ek olarak tane sınırlarında karşımıza çıkan ferrit parçacıklarını gösterebiliriz. Aşağıdaki resimde pirinç içerisinde, tane sınırlarında çekirdeklenmiş tabaka yapısındaki bu çökeltileri görebilirsiniz.
Tabaka biçimindeki bu çökeltileri, ilk olarak gözlemleyen Avusturyalı bilim adamı Count Alois von Beckh Widmanstätten’e ithafen Widmanstätten yapısı olarak adlandırılmaktadır.
Yeni bir fazın oluşum nedeni sistemin serbest enerjisinde meydana gelen düşüştür.
ÇÖKELME SERTLEŞMESİ
Bir metalin mukavemeti, dislokasyonların çoğalması ve hareketleri ile kontrol edilir. Yaşlanma ile sertleştirilen bir alaşımın yüksek mukavemeti, disperse olan çökelti fazlarının, dislokasyonlar ile etkileşimlerinden dolayıdır.
Kayan dislokasyonların disperse partiküllerle etkileşimi Δ olarak ifade edilebilen miktarda kritik kayma gerilmesini arttıracaktır. Teorik çalışmalar Δ ; dislokasyon-partikül etkileşim parametrelerinin bir fonksiyonu olarak tespit etmeye dayanmaktadır. Dislokasyon-partikül etkileşimini üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım, dislokasyonların disperse olan partiküllere ne şekilde nüfuz ettikleri esasına göre yapılmaktadır. Dislokasyonlar,
1) partikülleri halkaya alırlar, 2) partikülleri keserler ve
3) partiküller etrafında çapraz kayarlar.
1. Partiküllerin Halkalanması
Bu şekil, bir dislokasyonun çökelti partikülleri ile karşılaştığı yerde partikül arkasına doğru nasıl kavis yaptığını göstermektedir. Uygulanan kayma gerilmesinin artmasıyla t2 zamanında Şekilde gösterilen A ve B noktalarında tekrar birleşmek üzere dislokasyon kavis yapmaya devam ederler. Burada A noktasındaki dislokasyon davranışının B ile ters olduğuna dikkat etmek gerekir. Sonuçta, eğer bu dislokasyon parçalan karşılaşırlarsa yok olacaklar ve ana dislokasyonun Şeklide t3 zamanı ile gösterildiği gibi halkalanmış dislokasyondan ayrılmalarına yol açacaktır. Dislokasyonlar her zaman bir partikülü geçmeye çalışırken bu tür halkaları partikül etrafında bırakacaklardır. Bu mekanizma ilk olarak 1948 yılında Orowan tarafından hazırlanmış ve dolayısıyla Orowan mekanizması olarak bilinmektedir.
Şekil 1 : Çökelti partiküllerinin bir kolonu ile etkileşen bir dislokasyon çizgisi.
Dislokasyon, bir çizgi gerilimine (T) sahiptir. Bir dislokasyonu R yarıçapında eğmek için gerekli olan kayma gerilmesi T/(bR) şeklinde verilir. Burada b ile gösterilen terim,
dislokasyonun burgers vektörüdür. Dislokasyonların bir partikülü geçmeye zorlamak için uygulanması gerekli kayma gerilmesi,
şeklinde yazılabilir.
-Burada Rmin Şekil 1′ de gösterildiği gibi farklı şekilli çökeltileri geçebilmek için dislokasyonun sahip olduğu minimum ortalama eğrilik yarıçapıdır. Frank-Reed kaynağında olduğu gibi
disloksyon, Rmin =d/2 şeklinde verilen partiküller arası mesafenin yarısının yarıçapı ile yarı çember olmaya başladığında minimum ortalama eğrilik yarıçapına sahip olur.
eşitlikler birleştirildiği zaman halka mekanizması için yukarıdaki eşitlik elde edilmiştir.
Partiküller arası mesafenin ve partikül yarıçapının küçülmesi ile beraber halkalanma mekanizmasından dolayı mukavemet artışının çok daha fazla artacağı açıktır. Artan partiküller arası mesafe ve partikül yarıçapı ile Δτ değeri küçük olmaya başlayacaktır.
2. Partiküllerin Kesilmesi
Yukarıdaki mekanizmada, direkt partikül-dislokasyon temas noktalarında dislokasyonların durdurulacağı şekilde partikül ve dislokasyon arasındaki itme kuvvetinin yeterince büyük olduğu kabul edilmektedir. Ancak, bazı durumlarda dislokasyonun çökeltinin içinden kayması veya geçmesi mümkündür. Şekil 2′ de gösterildiği gibi böyle bir durumda partikül, dislokasyon kayma düzlemiyle b kadar bir mesafede kayar. Bu prosesle ilgili çok sayıda mümkün etkileşim mekanizması öne sürülmüştür ve burada sadece birkaç önemli mekanizma ele alınacaktır. Bu mekanizmaları iki alt gruba ayırmak mümkündür.
Dislokasyon-partikül etkileşim mesafesi 10b’ den daha kısa ise bu tür etkileşim kısa mesafeli etkileşim, eğer bahsedilen mesafe l0b’ den daha büyük ise uzun mesafeli etkileşim olarak adlandırılmaktadır.
2.1. Kısa Mesafe Etkileşimi
Bu şekildeki bir etkileşim Şekil 2′ de gösterilmiştir. Mukavemet artışına yol açan bir dislokasyon- partikül etkileşimi, partiküller tarafından işgal edilen kayma düzlemi birim alanını kesmek için gerekli olan işi arttırır. Partikülün olmadığı aynı miktar alana göre bu iş artış miktarı Δτ.b kadardır.
Çökelti partikülünün düzenli olduğu kabul edilsin ve dislokasyon bir partikülü kestiğinde kayma düzleminde bir anti faz sınırı (AFS) meydana getirir. Bir AFS için olan enerji (γA) ihmal edilemez. Örneğin düzenli uyumlu çökeltiler sadece 10-30 erg/cm2 lik bir çökelti-matriks arayüzey enerjisine sahip iken bunların AFS enerjileri yaklaşık olarak 100-300 erg/cm² aralığındadır.
2.2. Uzun Mesafe Etkileşimi
Dislokasyon bir partiküle yaklaştığında, partikül tarafından matrikste ortaya çıkarılan deformasyon alanı ile kendi alanı etkileşime girer. Bu mekanizmadan dolayı ortaya ilave bir kayma gerilmesi çıkacaktır.
Çökelme Sertleşmesi Görmüş Malzemelerin Sanayideki Uygulama Alanları
Çökelme reaksiyonuna ilgi, mukavemet artışı mekanizmasından dolayı malzemeciler için yararlı olmasından ileri gelmektedir.
Havacılık sektöründe hafif ve yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip alüminyum alaşımlarının kullanımını mümkün kılan, önemli bir yöntem haline gelmiştir.
Sanayide çok kullanılan dur alüminyum ( %4.4 Cu %1.5 Mg , %0.6 Mn içeren bir alaşımdır) da bu yöntemle üretilmektedir.
Çok yüksek mukavemetli çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Ayrıca yüksek mukavemet istenen pek çok alaşım ısıl-işlem uygulanarak bu yöntemle sertleştirilebilir. Çökelme sertleşmesi düşük ve nispeten yüksek sıcaklıklar için malzeme üretir.
Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bölgeleri için süper alaşımların çökelme ile sertleştirilen türleri kullanılır.
Dispersiyon ile de mukavemet artışı: Çok küçük inert partiküllerin alaşım içine mekanik karıştırma ile ilavesi. (ThO2 partiküllerinin tane büyümesini kontrol için Tungsten (W) metaline ilavesi)
Kaynaklar:
William D. Callister, “Materials Science and Engineering”, Utah University Pres 1990 AKBULUT,H., “Faz Dönüşümleri” Ders Notları 2009
http://muhendishane.org/
