Bölüm 7: Dislokasyonlar & Dayanım Arttırıcı Mekanizmalar

• Neden metallerde dislakosyon daha fazla görünür?

• Dayanım ve dislakosyon hareketi nasıl ilişkilidir?

• Isı dayanım ve diğer özellikleri nasıl etkiler?

Bölüm 7:

Dislokasyonlar & Dayanım Arttırıcı

Mekanizmalar

Chapter 7 - 2

Dislokasyonlar & Malzemelerin Sınıflandırılması

• Kovalent Seramikler

(Si, elmas): Hareket zor - yönlü bağ

• İyonik Seramikler (NaCl):

Hareket zor

- en yakın komşularının aynı yükte olmaması gerekir.

+ + + +

+ +

+

+ + + +

- - -

- -

- -

- - -

• Metaller (Cu, Al):

Dislokasyon hareketi en kolay - yönsüz bağ

- kayma için sıkı paketlenme

yönleri elektron bulutu Iyon çekirdekler

+ + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + +

+

Chapter 7 - 3

Dislokasyon Hareketi

Dislokasyon hareketi & plastik deformasyon

• Metaller - plastik deformasyon kayma ile olur – kenar dislokasyonları (ekstra yarım-düzlem atomlar)

birbirleri üzerinden geçerler.

• Eğer dislakosyon hareketi olmazsa, plastik deformasyon olmaz!

Adapted from Fig. 7.1, Callister & Rethwisch 8e.

Chapter 7 - 4

Dislokasyon Hareketi

• Dislokasyon kayma düzlemindeki kayma doğruları boyunca dislokasyon çizgisine dik olarak hareket ederler.

Kenar dislokasyonu

Burgu dislokasyonu

Adapted from Fig. 7.2, Callister & Rethwisch 8e.

Dislokasyonların Kafesteki Şekil Değişimi

Adapted from Fig. 7.4, Callister & Rethwisch 8e.

Basma Çekme

Chapter 7 - 6

Kafes Şekil Değişiminin Birbirleri ile Etkileşimi

Adapted from Fig.

7.5, Callister &

Rethwisch 8e.

Kayma Sistemleri

– Kayma düzlemi- kaymanın en kolay gerçekleştiği düzlem

• Düzlemsel yoğunluk en yüksek

– Kayma doğrultusu – hareketin yönü

• Doğrusal yoğunluk en yüksek

Deformasyon Mekanizması

Adapted from Fig.

7.6, Callister &

Rethwisch 8e.

– YMK’da kayma {111} düzlemlerinde (sıkı paketlenmiş)

<110> doğrultularında (sıkı paketlenmiş) daha kolay olur.

=>YMK da toplam 12 tane kayma sistemi vardır.

– HMK & HSP de daha farklı kayma sistemleri mevcuttur.

Chapter 7 - 8

Gerinim ve Dislokasyon Hareketi

• Kayma gerilmesi bileşenleri, _B

– uygulanan çekme geriliminden doğar

Kayma düzlemi normali, n_k

Kayma gerilmesi bileşeni: _B = F _K /A _K

A_K

B

B

F_K

ve _B arasındaki ilişki

R= F_K/A_K

F cos A / cos

F

F_K

n_K

A_KA

Uygulanan çekme gerilimi: = F/A

A F

F

cos

B

cos

• Dislokasyon hareketinin şartı: ^{B BKri}

• Ease of dislocation motion depends on crystallographic orientation

10^-4 GPa ‘dan 10^-2 GPa tipik olarak

cos

B cos

Kritik Kayma Gerilmesi Bileşeni

= = 45º maksimum değerindedir.

B = 0

= 90° ^B

=

/2

= 45°

= 45°

B = 0

= 90°

Chapter 7 - 10

Tek Kristallerde Kayma

Adapted from Fig. 7.8, Callister & Rethwisch 8e.

Adapted from Fig.

7.9, Callister &

Rethwisch 8e.

Ör: Tek kristallerde deformasyon

45 MPa lık uygulanan gerilim kristalde akma yaratmaz.

cos cos 45 MPa

= 35°

= 60°

BKri = 20.7 MPa

a) Şekildeki tek kristalde akma olurmu?

b) Eğer hayırsa, ne kadar gerilim gerekir?

= 45 MPa

Adapted from Fig. 7.7, Callister &

Rethwisch 8e.

MPa 7

. 20

MPa 4

. 18

) 41 . 0 ( MPa) 45

(

) 60 )(cos 35

cos (

MPa) 45

(

BKri





Chapter 7 - 12

Ör: Tek kristallerde deformasyon

Ne kadar gerilim gerekir (Akma gerilimi ,

)?

) 41 . 0 ( cos

cos 7

.

BKri

20 MPa

MPa 0.5

41 5 . 0

MPa 0.7

2 cos

cos

BKri y

MPa 5

.

Ak

50

Deformasyonun gerçekleşmesi için uygulanan gerilimin akma gerilimine eşit yada büyük olması gerekir.

Adapted from Fig.

7.10, Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 7.10 is courtesy of C.

Brady, National Bureau of

Standards [now the National Institute of Standards and Technology,

Gaithersburg, MD].)

Polikristallerde Kayma Hareketi

300 m

• Polikristaller tek kristallerden daha güçlüdür. – tane sınırları dislokasyon hareketine

engeldir.

• Kayma düzlemi & doğrultuları ( , ) bir taneden diğerine değişir.

• B bir taneden diğerine değişir.

• B si en büyük olan en çabuk akar.

• Diğer (daha az tercih edilen oryantasyondaki) taneler sonra akar.

Chapter 7 - 14

Dayanım Arttırıcı Mekanizmalar:

1: Tane Boyutunu Küçültmek

• Tane sınırları kaymaya karşı baryer görevi görür.

• Bariyerin «dayanımı»

yapının oriyantasyonun açısının artmasıyla artar

•Küçük tane boyutu:

kaymaya karşı daha fazla bariyer.

• Hall-Petch Denklemi: Akma o ^ky^{d 1/2}

Adapted from Fig. 7.14, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 7.14 is from A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)

Dayanım Arttırıcı Mekanizmalar : 2: Katı Çözelti Oluşturmak

• Küçük yeralan impürite

İmpürite dislokasyon hareketine karşı A ve B de lokal gerinim yaratır.

A

B

• Büyük yeralan impürite

İmpürite dislokasyon hareketine karşı C ve D de lokal gerinim yaratır.

.

C

D

• Katışık atomlar kafesi çarpıtır & kafes gerinimi yaratır.

• Bu gerinimler dislokasyon hareketine karşı bariyer görevi görür.

Chapter 7 - 16

Katı Çözelti Alaşımı ile Dayanımı Arttırmak

• Küçük çaplı impüriteler matris atomları üzerinde çekme şekil değişimi uygular. – dislakasyonların çekme şekil

değişimlerini uygun konumlara yerleşerek kısmi olarak yok eder.

• Dislokasyonları hareketliliği azalır ve dayanım artar.

Adapted from Fig. 7.17, Callister & Rethwisch 8e.

Katı Çözelti Alaşımı ile Dayanımı Arttırmak

• Büyük çaplı impüriteler matris atomları üzerinde basma şekil değişimi uygular.

Adapted from Fig. 7.18, Callister & Rethwisch 8e.

Chapter 7 - 18

Ör: Bakırın katı çözelti dayanımı

• Çekme dayanımı & akma dayanımı ağırlıkça artan % Ni oranı ile artar.

• Alaşımlama _Ak ve ÇD yi arttırır

Adapted from Fig.

7.16(a) and (b), Callister &

Rethwisch 8e.

Çekme dayanımı (MPa)

Ni içeriği (ağ.%)

200 300 400

0 10 20 30 40 50

Akma dayanımı (MPa)

Ni içeriği (ağ.%)

60 120 180

0 10 20 30 40 50

Dayanım Arttırıcı Mekanizmalar :

3: Pekleşme (Deformasyon sertleşmesi) Soğuk işlem (Soğuk şekillendirme)

• Oda sıcaklığında yapılan deformasyonlar (bir çok metal için).

• Genel şekillendirici işlemler kesit alanı azaltır:

Adapted from Fig.

11.8, Callister &

Rethwisch 8e.

-dövme

A o A d

kuvvet Kalıp

Ham madde

kuvvet

-çubuk çekme- dövme

çekme force A o

A d Kalıp

Kalıp

-Ekstrüzyon

piston kütük kovanr kovan

kuvvet tutucu

kalıp A o

A d

ürün

100 ŞD x

%

o d o

A A S A

-haddeleme

merdane A o

A d merdane

Chapter 7 - 20

• Ti nin soğuk işlemden sonraki dislokasyon yapısı

• Soğuk şekillendirmede dislakasyonlar birbirine dolanır.

• Dislokasyon hareketi zorlaşır.

Fig. 4.6, Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)

Soğuk işlemden sonra

Dislokasyon yapısı değişir

Soğuk Şekillendirmenin etkisi

Adapted from Fig. 7.20, Callister & Rethwisch 8e.

• Akma dayanımı( _Ak) artar.

• Çekme dayanımı (ÇD) artar.

• Süneklik (%UZ veya %KD) azalır.

Soğuk şekillendirme yüzdesi arttıkça

Düşük karbonlu çelik

Chapter 7 -

• Cu’ya soğuk şekillendirme uygulandıktan sonra akma

dayanımı, çekme dayanımı ve süneklik değerlerine ne olur?

100 x

4

4 ŞD 4

%

2 2

o

d o

D

D D

S

Soğuk Şekillendirmenin Mekanik Özelliklere Etkisi

D_o = 15.2 mm

Soğuk İŞlem

D_d = 12.2 mm Bakır

% 6 . 35 100

mm) x 2

. 15 (

mm) 2

. 12 ( mm)

2 . 15 ŞD (

% ₂

2 2

S

100

2 x

2 2

o d o

D D D

22

Chapter 7 -

Soğuk Şekillendirmenin Mekanik Özelliklere Etkisi

% Soğuk işlem

100 300 500 700

Cu

20

0 40 60

Ak= 300 MPa

300 MPa

% Soğuk işlem

200

Cu

0 400 600 800

20 40 60

% Soğuk işlem

20 40 60

20 40 60 0 0

Cu

340 MPa

ÇD = 340 MPa

7%

%UZ = % 7

%SÇD=35.6 olan Cu’ın akma dayanımı, çekme dayanımı ve süneklik değerleri nedir?

Akma dayanımı (MPa) Çekme dayanımı (MPa) süneklik (%UZ)

Adapted from Fig. 7.19, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 7.19 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Iron and Steels, Vol. 1, 9th ed., B. Bardes (Ed.), American Society for Metals, 1978, p. 226;

and Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H.

Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979, p. 276 and 327.)

Chapter 7 - 24

• Ttavlama ’da gerçekleşen 1saatlik işlem sonucu;

ÇD azalır ve %UZ artar.

• Soğuk işlemin etkisi yok edilir!

Adapted from Fig. 7.22, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 7.22 is adapted from G. Sachs and K.R. van Horn, Practical Metallurgy, Applied Metallurgy, and the Industrial Processing of Ferrous and Nonferrous Metals and Alloys, American Society for Metals, 1940, p. 139.)

Soğuk Şekillendirmeden Sonra Uygulanan Isıl İşlemin Etkisi

çekme dayanımı (MPa) süneklik (%UZ) Çekme dayanımı

süneklik

600

300 400 500

60 50 40 30 20

Tavlama sıcaklığı(ºC)

200

100 300 400 500 600 700 • Tavlamanın üç seviyesi:

1. Toparlanma

2. Yeniden kristalleşme 3. Tane büyümesi

Isıl İşlemin Üç Basamağı 1. Toparlanma

• Senaryo 1

Yayınmanın sonucu

• Senaryo 2

4. Ters yöndeki dislokasyonlar Karşılaşır ve birbirini yok eder

Dislokasyonlar yok olur

ve

mükemmel

atomsal düzlemler oluşur.

Ekstra yarım düzlem atomlar

Ekstra yarım düzlem atomlar

atomlar gerilim bölgelerine yayınır

2 . Diffüzyon sonucu ortaya çıkan gri atomlar

Yeni bir dislokasyon oluşturur

B

1. Dislokasyon bloke olur;

sağa hareket edemez

Engel dislokasyon 3. “Yeni” disl. yeni kayma

düzleminde ilerler

Dislokasyon yoğunluğu birbirlerini yok eder.

Chapter 7 - 26 Adapted from Fig. 7.21(a),(b), Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 7.21(a),(b) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)

% 33 soğuk şekillendirilmiş pirinç

Yeni kristaller

580 C de ve 3 sn Sonra gelişiyor.

0.6 mm 0.6 mm

Isıl İşlemin Üç Basamağı : 2. Tekrar Kristalleşme

• Yeni oluşan taneler:

-- daha az dislokasyon yoğunluğuna sahiptir -- boyutları daha küçüktür

-- yakın olan soğuk işlem görmüş taneleri içlerine alır ve yer değiştirirler..

• Bütün soğuk şekillenmiş tanecikler yeniden kristalleşir^.

Adapted from Fig. 7.21(c),(d), Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 7.21(c),(d) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)

4 saniye sonra

8 saniye sonra

0.6 mm 0.6 mm

Tekrar kristalleşme devam ettikçe…

Chapter 7 - 28 Adapted from

Fig. 7.21(d),(e), Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 7.21(d),(e) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)

Isıl İşlemin Üç Basamağı : 3. Tane Büyümesi

• Daha uzun zaman sonra, ortalama tane boyutu artar.

580ºC de 8 sn sonra

580ºC de 15 dak sonra

0.6 mm 0.6 mm

• Deneysel ilişki:

Kt d

d

Geçen süre

Malzeme ve T bağımlı katsayı

t zamanında tane çapı.

Üstel sabit genelde. ~ 2

-- Küçük taneler büzülür (ve en sonunda yok olur) -- Büyük taneler gelişmeye devam eder

T_R

Adapted from Fig. 7.22, Callister & Rethwisch 8e.

T_R = yeniden kristalleşme sıcaklığı

º

Chapter 7 - 30

Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı

T

= yeniden kristalleşme sıcaklığı = yeniden kristalleşmenin 1 saat içinde tamamlanmaya eriştiği sıcaklık.

0.3T

< T

< 0.6T

Belirli metaller/alaşımlar için,

• %SÇD -- T

artan %SÇD ile azalır.

• Metalin saflığı-- T

artan saflıkla azalır.

Çap Azaltma Prosedörü - Problem

Çapı 10 mm (0.39 inç) olan silindirik pirinç çubuk dövülerek soğuk şekillendirilmiştir. Deformasyon süresince kesit alan dairesel kalmıştır. Soğuk işlem çekme dayanımı 380 MPa (55,000 psi) aşacak ve

sünekliği en az 15 % UZ olacak şekilde uygulanacaktır.

Bunlara ilaveten, son çap 7.5 mm olmalıdır. Bu işlemin nasıl uygulanabileceğini izah ediniz.

Chapter 7 - 32

Çap Azaltma Prosedörü - Problem (devam)

Dövme işlemini son çapa ulaşılacak şekilde en başta uyguladığımızda sonuçları ne olur?

% 8 . 43 100

10 x 5 . 1 7

100 4 x

1 4

100 1

100 ŞD x

%

2 2

2

o f

o f o

f o

D D

A x A A

A S A

D o = 10 mm Brass

Cold Work

D f = 7.5 mm

Chapter 7 -

Adapted from Fig. 7.19, Callister & Rethwisch 8e.

Çap Azaltma Prosedörü - Problem (devam)

• %SŞD = 43.8% için

420 540

– _Ak = 420 MPa

– ÇD = 540 MPa > 380 MPa

6

– %UZ = 6 < 15

• Bu kriterleri sağlamaz… mümkün olan diğer seçenekler nedir?

Chapter 7 - 34

Çap Azaltma Prosedörü - Problem (devam)

Adapted from Fig. 7.19, Callister & Rethwisch 8e.

380

12

15

27

%UZ > 15 için

ÇD > 380 MPa için > 12 %SŞD < 27 %SŞD

işlem limiti 12 < %SŞD< 27 arasındadır.

Çap Azaltma Prosedörü - Problem (devam)

Soğuk şekillendirme, sonra tavlama, sonra yine soğuk şekillendirme

• Soğuk işlem 12 < %SŞD < 27 arasında olmalı – 20 %SŞD kullanalım

• İlk soğuk işlem sonunda elde edeceğimiz çap (2nci soğuk işlemden önce) şöyle hesaplanır:

100 1 %SŞ

100 1

%SŞ ₂

02 2 2 2

02 2

2 D

D x D

D

D D^{f f}

5 . 0

02 2

100 1 %SŞD D

D_f

5 . 0 2

02

100 1 %SŞD

D D^f

mm 39

. 100 8

1 20 mm

5 . 7

5 . 0 02

1 D

D_f

Ara Çap=

Chapter 7 - 36

Çap Azaltma Prosedörü - Özet

Basamak 1: Soğuk işlem– Çap10 mm den 8.39 mm ye azalacak

Basamak 2: Tavlama yapılacak (yeniden kristalleşme oluşacak) Basamak 3: Soğuk işlem– Çap 8.39 mm den 7.5 mm ye azalacak.

Bütün kriterler sağlanmıştır.

20 49 100

. 8

5 . 1 7

%SŞ

2

2 x

D

24 Z

%

MPa 400

MPa 340

U ÇD

Ak

6 . 29 mm 100

10

mm 39 . 1 8

%SŞ

2

1 x

D

Şekil 7.19

Soğuk İşlem Sıcak İşlem

• Sıcak İşlem (tavlama) deformasyon T

nin üstünde

• Soğuk İşlem (şekillendirme deformasyon

T

nin altında

Chapter 7 - 38

• Dislokasyonlara temelde metallerde ve metal alaşımlarda rastlanır

• Dislokasyon hareketi kısıtlanarak dayanım arttırılır.

Özet

• metallerin dayanımları:

-- tane sayısını küçülterek -- katı çözelti oluşturarak

-- soğuk şekillendirme uyguluyarak, arttırılır.

• Soğuk işlenmiş metale ısı uygulaması yaparak toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi sağlanır- bu da

malzemenin özelliklerini değiştirir.