MAL 201 (4) 2. ÇİZGİSEL KUSURLAR (DİSLOKASYONLAR) - TANE YAPISI ŞUBAT 2016

MAL 201 (4)

2. ÇİZGİSEL KUSURLAR ( DİSLOKASYONLAR ) - TANE YAPISI

ŞUBAT 2016

• Noktasal kusurlar daha çok “termal aktivasyon” ile oluşmakta idi.

• Diğer yapı kusurlarından biri olan çizgisel kusurlar

“dislokasyonlar”dır. Daha çok plastik şekil değiştirme ile ilgilidirler.

• Dislokasyonlar: yapı içerisinde eksik kalmış atomsal düzlemlerdir.

2. Çizgisel Kusurlar Dislokasyon

• En önemli oluşum sebepleri plastik (kalıcı) şekil değişimleridir

• Malzemelerin mekanik özelliklerinde önemli role sahiptirler.

Dislokasyon çeşitleri

• Kenar dislokasyonu

• Vida dislokasyonu

• Karışık dislokasyonlar

Burgers vektörü

Burgers vektörü: Dislokasyonların hareket yön ve büyüklüklerini ifade etmek için kullanılan parametredir.

•Yön ve şiddet belirtir.

•Dislokasyonun kafes içerisinde ilerlemesi için gereken minimum mesafeyi gösterir.

• İçinde dislokasyon içermeyen bir kristalde

• her yönde eşit miktarda dönerseniz başladığınız noktaya gelirsiniz , yani döngü kapanır.

• Ancak bir dislokasyon çizgisi etrafında dönerseniz, döngü açık kalır. Açık kalan kısma Bürgers vektörü (veya kayma vektörü ) adı verilir. Bürgers

vektörünün şiddeti bir kafes parametresi kadardır.

Burgers vektörünün bulunuşu:

– Hatanın etrafında eşit adım sayısında yanlara, yukarı ve aşağı yönlerde hareket edilir.

– Mükemmel kristalde başlangıç noktasına geri dönülürken hata içeren kristalde kapalı bir çevrim elde edilemez.

– Çevrimin tamamlanması için gereken deplasman miktarı burgers vektörü ile ifade edilir.

B (Kenar tipi) C (Vida tipi)

Diğer önemli kavramlar.

• Dislokasyon çizgisi: Ek yarı düzlemin alt sınırında atomların oluşturduğu çizgidir.

• Kayma düzlemi: Dislokasyonun üzerinde hareket ettiği düzlemdir.

• Kenar dislokasyonu, kafes içerisine ilave edilen tam olmayan ek düzlemdir. Kristal içindeki fazla bir yarım düzlemin kenarına kenar dislokasyonu adı verilir

• Pozitif kenar dislokasyonu ┴ sembolü ile ifade edilir. Ek yarı düzlem kayma düzleminin üzerindedir.

• Negatif kenar dislokasyonu ┬ sembolü ile ifade edilir ve dislokasyon kayma düzleminin altında bulunur.

(a) kusursuz kristal yapı (b) Extra düzlemin oluşturduğu kenar dislokasyon (c).

Kenar dislokasyonu etrafında çevrimi tamamlamak için gereken Burgers vektorü b.

Kenar Dislokasyonu

Kenar Dislokasyonu

• Kenar dislokasyonunda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine dik olarak uzanır. Diğer bir değişle kayma doğrultusu

dislokasyon çizgisine diktir

Dislokasyon çizgisi Bürgers vektörüne diktir.

• Kenar dislokasyonu kayma gerilmesi yönünde hareket eder.

a) Kenar dislokasyonu,

b) Kayma kuvveti uygulandığında dislokasyon bir Burgers vektorü kadar ilerler.

c) Hareket devam ettiğinde kristal bir basamak oluşturur

d) Kayma hareketi kırkayağın hareketine benzetilebilir.

(a) mükemmel kristal

(b) kaymanın düzleminin oluşumu (c) bir atom uzunluğunda kayma.

Vida Dislokasyonu

Vida dislokasyonu; kristal düzlemlerde vida şeklinde kayma hareketi sağlayan düzlemlerdir.

a b

c

Vida dislokasyonu

Kristalde spiral veya helisel bir rampa (Vida dişi gibi)

oluşturan bir deformasyon sonucu oluşan çizgisel kusurdur.

Üstten bakış

Vida dislokasyon çizgisi

Dislokasyon çizgisi Bürgers vektörüne paraleldir!

ζ

ζ

Vida dislokasyon çizgisi ,kayma düzlemi içinde kendisine dik doğrultuda hareket eder

• Vida dislokasyonunda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paralel olarak uzanır. Diğer bir değişle kayma doğrultusu

dislokasyon çizgisine diktir.

• Kayma kuvveti uygulandığında vida dislokasyonu kayma

gerilmesine dik yönünde hareket eder.

Vida Dislokasyonu

Karışık dislokasyon

Karışık dislokasyonunda dislokasyon çizgisi eğri şeklindedir.

Karışık dislokasyon hem kenar

hemde vida dislokasyonu karakteri gösterir.

Ön tarafta bulunan vida dislokasyon yan taraflara doğru yavaş yavaş kenar dislokasyonu karakteri kazanır.

1.3.Karışık dislokasyon

Bürgers vektörüne dik olmayan ve paralel olamayan dislokasyon çizgisidir.Bürgers vektörüyle 0 ve 90 dereceden farklı bir açı

yapar.

Üstten bakış

Kenar Vida

Karışık

Dislokasyonların Önemi

• Dislokasyonlar Soğuk Plastik (Kalıcı) şekil değişimi açısından çok önemlidir .

• Nasıl noktasal kusurlar olmadan yayınım çok zor gerçekleşiyorsa dislokasyon olmadan plastik şekil değişimi çok zor gerçekleşir.

• Dislokasyonların oluşumu:

– Katılaşma sırasında

– Soğuk Plastik şekil değişimi sırasında oluşur.

Kristal yapılarda kolay plastik şekil değişimi için dislokasyonların varlığı çok önemlidir.

Dislokasyonların hareketi ile aynı anda tüm bağları koparmadan, çok daha küçük zorlamalar ile plastik şekil değişimi gerçekleşir.

Metallerin içinde kusur olarak belirli miktarda dislokasyon bulunur. Dış kuvvetlerin oluşturduğu kayma gerilmeleri ile (Yeterli şiddette iseler) bu dislokasyonlar ilerlemeye başlarlar (Malzemenin akma sınırında yani dislokasyonları harekete geçiren) ve plastik şekil değişimi meydana gelir (Malzemenin akma sınırı geçildikten sonra).

Bu sırada kristaldeki dislokasyonlar da çoğalır.

Dislokasyonlar özellikle metal kafeslerinde kolaylıkla

ilerler. Çünkü, kafes içindeki tüm atomlar elektronları

ortak olarak kullandıkları için, dislokasyon hareketi

sonrası, kristalin elektrik yükleri bakımından bir değişime

uğraması söz konusu değildir.



  G 

 = Kayma gerilmesi

 = Kayma birim şekil değişimi G = kayma modülü

Kayma gerilmesi



  

 E

A F /

Normal gerilme

• Dayanım/Mukavemet (strength) plastik şekil değişimine karşı gösterdiği direnç.

 = Normal gerilme

 = Birim şekil değişimi E = Elastiklik modülü

• Yapılan teorik çalışmalar, malzemelerin dayanımlarının Elastik modül değerlerinin 1/10 civarında olması gerektiğini

göstermektedir.

• Mesela Cu ın teorik dayanımı 1,000 MPa dır. Fakat deneysel dayanım 1MPa civarında olmaktadır.

• Deneysel datalar Teorik datalardan 1,000-10,000 kat daha küçüktür.

• Bu durum mevcut dislokasyonların varlığı ile açıklanmaktadır.

• Kayma, dislokasyonların varlığı ile çok kolay bir şekilde gerçekleşir.

• En yumuşak halde yapı 10⁶ adet/cm² dislokasyon yoğunluğuna sahiptir.

Kristal kafeste plastik (kalıcı) şekil değişimi için,

kafesin bir bölümünün, komşu atomlarla bağlarını koparıp, kayma düzlemi boyunca ötelenmesi (Kayma) gerekir.

Kaymaya Dislokasyonun Etkisi

Şekil 4.30: Kaymanın bütün

düzlemde aynı anda gerçekleşmesi.

Yüksek kayma gerilmesi gerektirir. Şekil 4.31: Kaymanın düşük gerilmeli alternatifi.

Ti₃Al içerisindeki dislokasyonların EM fotoğrafları: (a) Dislokasyon zincirleri (x26,500). (b) Al içerisinde x 100 büyütmede kayma

çizgileri ve tane sınırları. (c) kayma bantları oluşumu.

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning_™ is a trademark used herein under license.

 Kayma: Dislokasyonun kayma düzlemi boyunca hareket etmesidir.

 Plastik şekil değiştirme: kuvvet veya gerilmelerin etkisinde meydana gelen kalıcı şekil değişimidir.

 Elastik şekil değiştirme – kuvvet veya gerilme

uygulandığında meydana gelen fakat kaldırıldığında ortadan kalkan kalıcı olmayan şekil değişimidir.

 Dislokasyon yoğunluğu – Malzemenin birim (cm³) hacminde bulunan toplam dislokasyon uzunluğudur.

Dislokasyon ile ilgili bazı kavramlar

Kayma gerilmelerinin etkisiyle

dislokasyon çizgisinin kristal içinde ilerlemesi ve plastik(kalıcı)

deformasyonun oluşması (Genelde Karışık Dislokasyon olacağı).

Dislokasyonun içinde ilerlediği düzleme kayma düzlemi adı verilir.

Dislokasyon çizgisinin kayma düzlemini her süpürüşünde kristalin üst kısmı alt kısmına nazaran I bIok kadar ilerler.

DİKKAT: Dislakosyon çizgisi her noktada kendi dış normali doğrultusunda ilerler.

MUKAVEMET ARTTIRMA YÖNTEMLERİ.

Kristal yapıya sahip bir malzemenin akma sınırını arttırmak (Yani onun mukavemetini arttırmak ) için

dislokasyonların harekete başlayabildiği kayma gerilmesi değerini artırmak gerekir.

Bu kristal içinde dislokasyon hareketini zorlaştıran engeller (kristal kusurları ) yaratarak gerçekleştirilir.

Dislokasyon hareketini zorlaştıran engeller:

1.1 Tane sınırları

1.2.Yabancı atomlar

1.3.Diğer dislokasyonlar

1.1 Tane sınırları

Malzemeler genel olarak tek değil çok kristallidir (Çok taneli).

Dolayısıyla her tane (kristal) başka tanelerle komşudur ve aralarında 3-4 atom genişliğinde amorf yapıda tane sınırları bulunur. Bu sınırlar dislokasyonun tane içinde kayması sırasında dislokasyonun

hareketine engel bir duvar gibi davranır. Malzeme içinde tane sınırı (duvar) uzunluğu arttıkça (yani tane çapı küçüldükçe) bu engeller daha kuvvetli olur, yani malzemenin akma mukavemeti daha da artar. Aksi takdirde akma mukavemeti azalır.

•Tane sınırları arttıkça (Yani tane boyutları küçüldükçe);

•* Bu engeller nedeniyle dislokasyonlar üst üste yığılır bu defa malzemenin kalıcı şekil değiştirebilmesi için bu dislokasyonları harekete geçirebilmek için gereken gerilmenin (kuvvetin) arttırılması gerekir çünkü Malzemenin şekil değişimine karşı direnci artmıştır. Bu olaya “Pekleşme” denir.

•TANE SINIRLARININ ARTMASI TANELERİN KÜÇÜLMESİ

1.2. Yabancı atomlar

Kristal içindeki yabancı atomlar, kristal yapının çarpılmasına ve dislokasyon hareketinin zorlaşmasına neden olur.

Alaşımlama; kafesin içine çok sayıda Arayer ve Yeralan atomlarının girmesi demektir. Bu nedenle dislokasyon hareketi zorlaşır ve malzemenin Akma Dayanımı artar.

Yer alan yabancı atomu Kenar Dislokasyonu

Dislokasyonun hareket etmeye teşebbüs ettiği yön Örnek: Dislokasyonun kayma düzlemi

üzerinde bir yabancı atom mevcut

ALAŞIMLAMA

1.3. Diğer dislokasyonlar

Daha önce soğuk kalıcı şekil değişimine uğramış ve kafesinde yoğun bir şekilde dislokasyon bulunan

kristallerde dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller.

Malzemede soğuk plastik şekil değiştirme miktarı arttıkça dislokasyon miktarı da (Dislokasyon yoğunluğu) artar.

Dislokasyon yoğunluğu arttığında dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller ve plastik şekil

değiştirmeyi (Kaymayı) sürdürmek için gerekli gerilme değeri buna bağlı olarak artar. Yani malzemenin plastik şekil değişimine direnci plastik şekil değiştirdikçe artar.

Buna “pekleşme” adı verilir.

SOĞUK ŞEKİL VERME

PEKLEŞMEYE SICAKLIĞIN ETKİSİ ve SERAMİKLERDE DURUM:

Yüksek sıcaklıklarda atom hareketliliği ve yayınma artacağından, kalıcı şekil değiştirme sonrası bozulan ve çok sayıda kusur içeren kristallerde atomlar yeniden düzenlenir; Yani malzeme, söz konusu sıcaklıktaki akma gerilmesi değerinde şekil değiştirir (bu sıcaklıkta malzemenin akma gerilmesi de düşer-

Yeniden Kristalleşme) ve dislokasyon yoğunluğu düşeceğinden gerekli kayma gerilmesi artmadan ,yani dislokasyonlar yeni bir engelle karşılaşmadan ilerlerler ve

pekleşmenin etkisi ortadan kalkar.

Seramiklerde, kristal yapının karmaşıklaşması nedeniyle seramiklerde dislokasyon hareketleri görülmez ve bu malzemelerde kalıcı şekil değiştirmek mümkün değildir.

Buna neden hem kafes yapılarının karmaşık oluşu, hem de düzlemlerin ötelenmesi ile örneğin iyonik kristallerde elektrik yüklerinin dağılımında dengesizliklerin ortaya çıkmasıdır.

KAYMA SİSTEMLERİ

• Kayma belirli düzlem ve doğrultularda (atom yoğunluğu en fazla olan) çok daha kolaydır.

Kayma sistemleri

Kayma Kolay Kayma Zor

Kolay kayma

Zor kayma

Düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğu yüksek

Düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğu düşük

Kayma niçin düzlemsel ve doğrusal atom yoğunluğunun en fazla olduğu yerlerde olur ?

Kayma sistemleri

Kristal kafesi içinde bazı düzlemler ve o düzlem içindeki bazı doğrultularda kaymaya karşı direnç diğerlerine nazaran daha düşüktür. Dolayısıyla kayma bu düzlem ve doğrultularda olur. Bunlara kayma düzlemleri ve kayma doğrultuları adı verilir. Atom yoğunluğu en fazla olan bir kayma düzlemi ve bu düzlemin üzerinde atom yoğunluğu en fazla olan bir kayma doğrultusundan oluşmuş sisteme kayma sistemi adı verilir.

Kayma düzlemleri atom yoğunluğunun en fazla olduğu düzlemlerdir. Kayma doğrultuları da atom yoğunluğunun en fazla olduğu doğrultulardır. Çünkü bu şekilde atomların kayma için gerekli yer değişimleri azalacağından, kaymaya karşı direnç azalır ve hareket daha küçük gerilmelerde oluşur.

Bir kristalde kayma sistemi sayısı ne kadar çok ise

kristalde kayma o kadar kolay olur (Kayma sistemi sayısı

aynı olduğunda kayma doğrultusu fazla olan esastır).

Kayma sistemlerinde:

• Kayma: yüksek atomsal yoğunluğa sahip düzlemler ve bu düzlemlerde en büyük atomsal yoğunluğa sahip doğrultularda diğerlerine göre çok daha kolaydır .

• “Kayma sistemi” Her bir kristalde ayrı ayrı tanımlanan atom yoğunluğu en fazla olan düzlem ve bu düzlemler üzerindeki atom yoğunluğu en fazla olan doğrultu kombinasyonları tarafından oluşturulur.

• En kolay kaymanın olduğu (atom yoğunluğu en fazla)

doğrultuda; burgers vektörü en küçüktür, dolayısıyla

kayma mesafesi en küçüktür.



 



YMK SDH HMK

Kristal Kafes Sistemlerinde En Yoğun Atom Düzlem ve Doğrultuları

Ailede 6 düzlem ve her düzlemde 2 doğrultu mevcuttur: Kayma sistemi 6 x 2 = 12 dır.

• YMK: en yoğun düzlem {111} ailesi, ve bu ailede en yoğun doğrultu <110> ailesidir.

Ailede 4 düzlem ve her düzlemde 3 doğrultu mevcuttur: Kayma sistemi 4 x 3 = 12 dir.

• SDH: en yoğun düzlem {0001} ailesi ve bir tanedir. Bu ailede en yoğun doğrultu 3 tanedir.

Kayma Sistemleri

Tek kristallerde kayma ve Schmid

Kuralı

Tek kristalden imal edilmiş bir çubuk belli bir yönden çekme gerilmesi ile çekilirse, etki eden kuvvete dik yöndeki alanda normal gerilme ve kayma gerilmesi:

 0







A o

F

F

F

A_o



o r

A  A







  cos cos

• Schmid kuralı –kayma gerilmesi ile uygulanan gerilme ve kayma yüzeyi ve kayma doğrultusu arasındaki ilişkiyi

tanımlar.

 = Fr/A = F Cos / (A0/CosF)

o

Kayma Doğrultusu

Dislokasyon hareketi yani kayma için

kayma gerilmesi gereklidir.Kristale etki eden kuvvetin kayma düzlemi içindeki ve kayma doğrultusundaki bileşenine,

kayma gerilmesi bileşeni adı verilir. Bu gerilme değeri kristale özgü kritik bir değere ulaştığında kristalde dislokasyon hareketi yani kayma veya başka bir deyişle plastik şekil değişimi başlar.

Kayma gerilmesi Bileşeni ,

Kayma düzleminin normali

Schmid’s Tek kristale uygulandığında:

 En büyük kayma gerilmesi için:

 =  = 45^o olmalıdır.

 Diğer düzlemlerde daha düşük gerilmeler elde edilir.

 Tek kristalde atom düzlemleri farklı açılar yapabilir.

 “En düşük gerilmede kayma olabilmesi için atom kayma düzlemleri ile max kayma

gerilmesi olan açının çakışması gerekir.”

 Çakışmaması, dayanımı yöne bağlı olarak değiştirir.

 Anizotropi kavramı: Malzemelerin farklı yönlerde farklı özellikler

göstermesi. TEK KRİSTAL







  cos cos

 Dislokasyon hareketleri için kayma gerilmesinin etkimesi gereklidir.

 Kritik kayma gerilmesi – Bir dislokasyonun hareket etmeye başlayarak kaymaya sebep olması için gereken minimum kayma gerilmesidir.

 Etki eden normal gerilme, herhangi bir düzlem ve doğrultuda oluşturacağı kayma gerilmesi:







  cos cos

Dolayısı ile ilgili düzlemde kayma olabilmesi için bu

gerilmenin kritik kayma gerilmesinden daha büyük olması gerekir

 cr







  cos cos 

 

 

M Pa 0.933

0.756 x

0.617 x

τ 2

756 .

2 0 14

3 0

1 01

1 . 23 1

01 1 . 23 1 cos

617 .

3 0 14

3 2

1 111

. 23 1

111 .

23 1 cos

cr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 



 

 

 

 

 



















YMK yapıya sahip bir kristal, 2MPa normal gerilme altında [123]

yönünde akma göstermektedir. Kayma düzleminin (111) ve kayma

yönünün (Kayma doğrultusu) [101] durumu için _cr değerini hesap ediniz









  cos cos 

-

-

3. Yüzeysel Kusurlar

Düzlemsel Kusurlar – 2 Boyutlu

• Her bir kristal tane, belirli sınırlarla çevrelenmiş (tane sınırı) olarak bulunurlar

• Bu sınırlar atomsal dizilişin bozuldukları yerlerdir .

• Bu tür kusurlar yüzeysel kusurlar olarak adlandırılır.

• İkiye ayrılabilir.

– İkiz sınırlar

– Malzeme yüzeyleri – Tane sınırları

• Büyük açılı tane sınırları

• Küçük açılı tane sınırları

İkiz sınırlar

• İki kristal bölgeyi simetrik olarak birbirinden ayıran sınırdır .

• İkiz oluşumu kaymadan çok yapı içerisinde burkulmadan dolayı oluşur.

• Bu kusur çok yaygın olmamasına rağmen sebepleri

– Şekil değiştirme (burkularak-mekanik zorlama) - HMK ve SDH yapılarda. Kayma ile plastik Şdnin zor olduğu

koşullarda örneğin darbeli yüklemelerde.

– Tavlama (ısıl işlemle) - YMK yapılarda

olabilir.

İkiz sınırları dislokasyon kaymasını güçleştirir ve metallerin akma dayanımını arttırır.

Şekil 4.15: 2 kristal bölgeyi birbirinden ayıran ikiz sınır

(a) Mükemmel kristal.

(b) ikizlemeden dolayı atomlardaki öteleme

Prinçte ikizleme sınırları

İkiz oluşumu

İkiz

Ayna

Düzlemleri

Kayma bantları zımparalama ile yok edilebilir.

İkiz bantları yok edilemez!

Tane sınırları

Mühendislik malzemelerinin yapıları tek bir kristalden oluşmaz. Bu malzemelerde yapıları aynı olduğu halde, uzaydaki konumları birbirinden farklı olan (yani verilmiş bir kristal doğrultusu farklı farklı yönlere yönlenmiş kristal parçacıkları) kristal parçacıkları bulunur.

Bu nedenle tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına karşın (anizotrop), çok taneli (polikristal) malzemeler, tanelerin çok sayıda ve konumlarının rastgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilebilirler.

Tane sınırı taneleri birbirinden ayıran ve kalınlığı 3-4 atom kalınlığında ve amorf bir yapıya sahip olan yüzeylerdir. Tane sınırlarının atomsal mertebedeki yapısı büyük açılı ve küçük açılı tane sınırları olmak üzere iki farklı halde incelenir.

• Tane sınırları: birbirine komşu olarak, tek kristal şeklinde bulunan iki tanenin

arasındaki yüzeydir.

• İki grupta incelenmektedir

• Katılaşma sırasında iki farklı bölgede büyümüş kristaller arasında kalan sınır yüzeyidir.

• Mühendislik malzemeler, elektronik sanayii hariç genelde çok tanelidir- polikristal.

• Tek kristalde özellikler yöne bağlı olmasına (anizotropi) karşın çok taneli malzemeler tanelerinin çok sayıda ve konumlarının rasgele olması nedeniyle izotrop olarak kabul edilir.

A.Büyük açılı tane sınırları

Sınır boyunca atomlar her iki kristale de uyum

sağlayamadığından rastgele dizilmişlerdir.Yapı dar bir alanda bu yüzden amorftur.

Büyük açılı (komşu tanelerin kristal doğrultuları arasındaki açı) tane sınırlarının atomsal mertebedeki yapısı..Sağ taraftaki kafese ait 5 atomdan biri sol taraftaki kafesle uyum içindedir(1/5 uyum).

Tane boyutu küçültülerek tane sayısı ve böylece de tane sınırları miktarı arttırılabilir.

• Tane sınırları, dislokasyonun hareketini engellemektedirler .

• Bu nedenle plastik şekil

değişimi için daha fazla gerilme gerekir böylece malzemenin dayanımı artmış olur.

• Küçük taneli malzemeler büyük tanelilere göre daha

dayanımlıdır.

) (

. f d



Dayanım

 

 



 

d

 1

D

o k

y 





Hall-patch denklemi tane boyutu ile metalin akma dayanımı arasındaki ilişkiyi ifade etmektedir.

Hall-patch denklemi

Oda sıcaklığındaki tane boyutunun çeliğin akma dayanımı üzerine etkisi.

Burada a malzemenin kalıcı şekil değiştirdiği akma dayanımı veya gerilimidir, d tanelerin ortalama çapı, ₀ ve K metal için sabitlerdir.

• Genelde Isıl aktivasyon (poliganizasyon) ile

gerçekleşir.

• Dislokasyonların meydana getirdiği iki komşu dizi

arasındaki açı 10^o den küçüktür.

• Bazı kaynaklarda alt tane (sub grain) olarakda anılır.

• Kenar dislokasyonları tarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırları eğik sınırlar, vida dislokasyonunun neden olduğu sınırlar ise burkulma sınırları olarak adlandırılır.

B. Küçük açılı tane sınırı(Tilt sınırları)

Komşu kafeslerin doğrultuları arasında çok küçük bir yönlenme farkı olduğunda oluşan tane sınırıdır.Üst üste sıralanmış kenar dislokasyonları ile modellenir.

• Θ açısı küçük olduğundan rad. cinsinden değeri alınır. D dislokasyonlar arası mesafedir.

Malzeme yüzeyleri

Malzeme yüzeyleri de bir düzlemsel kusurdur.

Yüzeydeki atomların bağları komşu atomlarla birleşmediği için yüzey atomlarının enerjileri yüksektir.Birim yüzey alanı başına bu enerjiye yüzey enerjisi adı verilir.

TANE BOYUTU

ASTM(American Society for Testing and Materials) tane büyüklüğü numarası, G

N = 2^G-1 bazen N = 2^n-1 şeklinde de verilebilir.

N: 100 büyütmeli yapıda 1 inch² alanda gözlenen tane sayısı.Alan sınırını kesen taneler yarım tane olarak sayılır.

Örnek: 21+22/2 = 32 tane Daire çapı= 2,25 in

N= 32/π.(2,25/2)² = 8,04 tane/in²

N = 2^G-1

G = lnN/ln2 + 1 = 4,01 Tane büyüklüğü

numarası G = 4,01

G, 1 ila 10 arasında değişir.

G=1 ise çok büyük taneli G= 10 ise çok küçük taneli

• Örnek: Bir metalin ASTM tane büyüklüğü, metalin 100x

büyütmeli bir mikro fotoğrafından belirlenmiştir. Bir inç kareye 9 tane düştüğüne göre bu metalin ASTM tane büyüklüğü sayısı nedir?

• Çözüm:

• DİKKAT Soruda İnçkare deniyor ise formül: N = 2^G-1 olacaktır

• Burada, N= 100x büyütmede santimetre kareye düşen tane sayısı G = ASTM tane büyüklüğü sayısıdır.

• Buna göre, 9 tane/1 inç² = 2^G-1

• log9 = (G-1)(log 2)

• 0,954 = (G-1)(0,301)

• G = 4,17 Tane Büyüklüğü Numarası (Sayısı)

• Eğer İnç kare yerine metre kare kullanılıyorsa bu defa formül: N = 2 ^G+3

• Örnek: Bir metalin 100 kez büyültülmüş fotoğrafında, her metre karede 256 tane sayıldığı kabul edilsin. Bu durumda ASTM tane boyutu numarasını

belirleyiniz.

• Cevap :

• N = 256 = 2 ^G+3 Log 256 = (G + 3 ) log2 2.408 = (G + 3) (0.301} G=5

• Örnek: 250 kez büyütülerek çekilmiş bir fotoğrafta her metre karede 256 tane sayıldığı kabul edilsin. Bu durumda ASTM tane boyu numarası nedir?

• Cevap:

• 250 kez büyütmede, her metre karede 256 tane sayılırsa;

• N = (250/100)² (256) = 1600 = 2 ^G+3

• Log 1600 = (G + 3) log2

• 3.2 = (G+3) (0.301)

• G= 3.64 bulunur.

01 .

4 2 1

ln

04 .

8 ln

04 .

8 2

grains/in ) 8.04

2 / 25 .

2 (

grains 32

1 100

2 100 2

















G N N

G x

x



Assume that there are 32 grains appeared on the microscope ocular which was set to x100 magnification.

The total circular area that this observation was

performed has an diameter of 2.25 inch. What would be

the ASTM grain size of this material?



















 

 



 







7 18

. 7 2 1

ln

4 . 72 ln

4 . 72 2

grains/in 72.4

9 04 . 8

1 3

grains/in ) 8.04

2 / 25 . 2 (

grains 32

1 100

2 100

2

300 100

2 300 2

G N

x N

N N N

G x

x x x

x



Assume that there are 32 grains appeared on the microscope ocular which was set to x300 magnification.

The total circular area that this observation was

performed has an diameter of 2.25 inch. What would be

the ASTM grain size of this material?

ASTM E112 has standard test methods for average grain sizing. The comparison method does not require the tester to count grains, but rather comparing of the grain structure to a series of graded images, either in the form of a wall chart, clear plastic overlays,

or a grain counting eyepiece reticle. There appears to be a general bias in that comparison grain size ratings claim that the grain size is somewhat coarser than it actually is.

Intersept metodu ile ortalama

Tane Boyutu

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Figure 4.17 The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature.

D

o k

y 





Kristal olmayan yapılarda kusurlar

Atomların rastgele istiflendiği yapılar amorf olarak adlandırılır.

Amorf yapılarda bile kısa mesafe düzeni (Yani birkaç atom veya bir molekül mertebesinde) mevcut olabilir

Uzun mesafe düzeni (Kristal yapı)

Amorf yapıdaki kısa mesafe düzeni

Camdaki Na yabancı atomları(Noktasal kusurlar). Na atomları ağdaki Oksijen bağlarını kopararak camın erime ve yumuşama sıcaklığını düşürür ve camı kolay işlenebilir hale getirir.

MİKROSKOPİ

Numunenin sırasıyla 100, 200, 400, 600 numaralı zımpara kağıdıyla ve sonra da Al₂O₃ gibi sert parçacıklarla çuhada parlatılıp uygun ayraçlarla dağlanıp mikroskop altında incelenmesine mikroskopi adı verilir.

-Farklı fazlar veya aynı fazın çeşitli doğrultudaki taneleri ayraçtan farklı şekilde etkilenerek ışığı değişik şekillerde yansıtır, böylece birbirlerinden ayırt edilebilir duruma gelirler.

Parlatılmış numune yüzeyine ayraç uygulanmış

% 0,45 C lu Normalize çeliğin mikro yapısı

(Beyaz alanlar Ferrit siyah alanlar Perlit)

PERLİTİK ÇELİĞİN ÇEŞİTLİ ISIL İŞLEMLERDEKİ MİKRO YAPILARI

P Perlit Beynit

Beynit Martenzit

Mikroskoplar

• Optik mikroskoplar

• Elektron Mikroskopları

– Transmisyon Elektron Mikroskopu – Tarayıcı Elektron Mikroskopu



.

IŞIK-METAL MİKROSKOBU

Göz merceği

Numune(Objektiv)

merceği Numune tablası

• X 2000 büyütme elde etmek mümkündür, çözünürlük 0.5m kadar olur.

• Mikrometre boyutunda taneler, yüzey topografyası, fazlar vs tespit edilebilir.

IŞIK (METAL) MİKROSKOBU NASIL ÇALIŞIR ?

-Numune üzerine düşürülen ışığın yansıması esasına

dayanır. Daha sonra bunlar mercek sisteminde toplanır ve bu sayede büyütülmüş bir görüntü elde edilir.

-Numunenin farklı bölgeleri farklı miktarda ışık yansıtarak görüntü kontrastını sağlar.

-Işık mikroskobunun gözlem derinliği çok küçük olduğundan numunenin gözlenecek yüzeyi giderek artan incelikte parlatılır (yani yüzeyin her noktası arasındaki derinlik farkı minimuma indirilir).

-Daha sonra yüzey uygun bir ayraçla dağlanır. Dağlama

yüzeydeki farklı fazların ve tane sınırlarının farklı derecede yenmesine neden olur. Yüzeye gönderilen ışınlar her

bölgeden farklı şiddette geri yansır. Böylece bölgeler arasında farklı görünüm elde edilir.

Figure 4.18 Microstructure of palladium (x 100). (From ASM Handbook, Vol. 9, Metallography and Microstructure (1985), ASM International, Materials Park, OH 44073.)

İnsan gözünün 25 cm lik normal gözlem mesafesinden , bir numune üzerinde iki nokta veya iki çizgi arasında algılayabileceği minimum

uzaklık 0,1 mm dir. Buna seçme(Ayırma) gücü adı verilir. Bundan daha küçük detaylar göz tarafından ancak numune büyütülürse fark edilebilir. Bu büyütme, el merceği, ışık

mikroskobu veya elektron mikroskobu gibi optik cihazlarla gerçekleştirilir.

Seçme gücünün daha da arttırılması gerekiyorsa elektron mikroskobu kullanmak gerekir.

Işık mikroskobunun gözlem derinliği

Seçme gücünün zayıflığına ek olarak ışık mikroskobunun gözlem derinliği de çok kötüdür.

Gözlem derinliği ,aynı anda birbirinden farklı seviyedeki çok sayıda noktayı net bir şekilde görme olanağıdır. Işık mikroskobunda

gözlem derinliği çok sınırlıdır.

Büyütme oranı ve NA arttıkça gözlem derinliği azalır.

Örneğin, 10X büyütmede 2 mm olan gözlem derinliği, 1000X büyütmede 1 mikrona kadar düşer.

Bu nedenle kaba yüzeylerde (örneğin kırılma yüzeyi) netlik

sağlanamaz. Işık mikroskobu bu nedenle parlatılmış yüzeylerde iki boyutlu görüntü almaya uygundur.

Elektron mikroskobunun gözlem derinliği

80000 V da çalışan bir elektron mikroskobunun gözlem

derinliği 1000 mikron (1 mm) civarındadır. Bu nedenle kırık yüzeylerinin incelenmesine uygundur.

.

ELEKTRON MİKROSKOPLARI

TARAYICI (Scanning)

GEÇİRMELİ (Transmission)

ELEKTRON MİKROSKOPLARI

Bu mikroskoplar, elektronların parçacık ve dalga etkileşiminden yararlanır. Hızlandırılmış elektronlar çok kısa dalga boyuna sahip olup kısa dalga boyları ile daha fazla büyütme oranları ve daha iyi ayırma gücü elde edilir.

Ayırma gücü (standart elektron mikroskobunda)

birkaç nanometre seviyesindedir. Elektron

mikroskobunda ışının geçtiği bölge yüksek vakum

altındadır.

Tarayıcı (Scanning) elektron mikroskopu

• Numune yüzeyine elektron demeti düşürülür ve bu demet yüzeyi sürekli tarar. Numunenin inceltilmesine gerek yoktur.

• Yüzeyden yansıyan elektron ışınları cihaz tarafından toplanır ve işlenir. Görüntüye dönüştürülerek ekrana verilir.

• Bu sayede x100.000 e kadar büyütmeler mümkündür.

• Bazı modelleri kimyasal analiz yapabilir (elektron ışını ile uyarılan atomların yaydığı dalga boyu karakteristiktir. Saçılan dalga boyları

belirlenerek elementler bulunabilir).

Tarayıcı EM, ışık mikroskobunda kullanılan ışık dalgaları yerine,

elektron demeti (dalgaları) kullanarak büyütülmüş görüntü yaratır.

Tarayıcı EM ışık mikroskobunda mümkün olandan çok daha büyük oranda büyütülmüş üç boyutlu görüntü gösterir. Işık mikroskobunda görüntü iki boyutludur.

-Numune elektriği ileten bir malzemeden olmalıdır.

-Numune hava sızdırmaz bir kapısı olan vakum odasına yerleştirilir.

-Vakum* odasındaki hava pompalanarak boşaltıldıktan sonra, elektron tabancası yüksek enerjili elektronlardan oluşmuş bir elektron demeti gönderir.

*Vakum sayesinde elektron demetine havadaki moleküllerin çarparak demeti saptırması engellenir.

Bu demet, elektronları numune üzerinde çok küçük bir

noktaya odaklayacak biçimde tasarlanmış bir seri manyetik mercekten geçerek aşağı doğru hareket eder. Mikroskobun alt kısmına yakın yerde bulunana bir “tarama” sargı grubu

odaklanmış demeti numune üzerinde çizgi-çizgi ileri geri hareket ettirir.

-Elektron demeti numune üzerindeki her noktaya çarptığında yüzeyden uyarılmış (sekonder) elektronlar fırlatılır. Bir detektör bu elektronları sayar ve bir yükselticiye sinyaller gönderir.

-Numune üzerinden yayılan bu uyarılmış (sekonder) elektronlar vasıtasıyla nihai görüntü elde edilir.

-Görüntü bir monitör vasıtasıyla gözlenir

TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOPU (TEM)

Elektron tabancası

Vakum odası

monitör

Uyarılmış elektronlar

Hedef (numune) Elektron demeti

Objektif merceği Tarama sargısı

Yoğunlaştırma mercekleri

Detektör ve yükseltici

büyütülmüş görüntü

TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOBUNDA KIRILMA YÜZEYİ GÖRÜNTÜSÜ

TARAYICI ELEKTRON MİKROSKOBUNDA DENDİRİTİK KATILAŞMA

Tarayıcı elektron mikroskobu :

Kır dökme demirde lamel grafitler

Tarayıcı elektron mikroskobu:

Noduler grafitli(Temper) dökme demir

GEÇİRİMLİ (TRANSMİSYON)

ELEKTRON MİKROSKOBU

Transmisyon (Geçirimli) elektron mikroskopu:

• Elektron demetinin geçmesini (transmisyon) mümkün kılacak incelikte numuneler kullanılır (10-20 nm- 100 atom kalınlığı).

• Numuneden geçen elektronlar, florasan bir ekrana düşürülür ve bu sayede görüntü alınmış olur.

• Bu sayede x100.000 den daha büyük büyütmeler mümkün hale gelir.

• Dislokasyonları görebilir. (Taneleri kolaylıkla görür)

Geçirimli elektron mikroskobu slayt projektörü gibi çalışır.

Projektör slaytın içinden bir ışık demeti geçirir. Işık slayttan geçerken slaytın yapısından ve üzerindeki şekillerden

etkilenir. Bu etkilerin sonucu olarak, ışık demetinin belirli bir kısmı, slaytın belirli bazı kısımlarından geçebilir. Slayttan geçmiş olan bu ışık gözlem ekranına yansıtılarak ekran üzerinde slaytın büyütülmüş görüntüsü oluşturulur.

Geçirimli elektron mikroskobunda ışık yerine elektron demeti kullanılır (Şekil). Demetin slayt gibi hazırlanmış (replika)(Şekil) numuneden geçirilebilen kısmı kullanıcının görebileceği fosforlu

bir ekrana düşürülür. Görüntünün koyu alanları, numunenin az sayıda elektron geçiren bölgelerine aittir (daha kalın veya daha yoğun).

Görüntünün açık renkli alanları numunenin çok sayıda elektron geçiren bölgelerine aittir (ince veya daha az yoğun).

Bu mikroskop büyük parçaları kesmeden kırılma yüzeylerini (replikaları alınarak) incelemek için çok uygundur.

GEÇİRİMLİ (Transmission) ELEKTRON MİKROSKOBU

Elektron tabancası

NUMUNE (replika)

Ekran(fosforlu) Projektör merceği

Birinci yoğunlaştırma merceği İkinci yoğunlaştırma merceği

Yoğunlaştırma deliği

Objektif merceği

Seçili alan deliği Objektif deliği Birinci ara mercek

İkinci ara mercek

GEÇİRİMLİ ELEKTRON MİKROSKOPU

GÖRÜNTÜ Elektron

demeti

{

{

Şekil 4.29: Geçirimli (transmission) EM resimleri (a)

dislokasyon etrafında gerilme alanı, (b) dislokasyon ormanı (forest), (c) tane sınırları ve D-dislokasyon.