close

Enter

Log in using OpenID

B5 - A. Alper Cerit, PhD

embedDownload
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Giriş Yayınma Mekanizmaları
Kararlı‐Karasız Yayınma
Yayınmayı etkileyen faktörler
Yarı iletkenlerde yayınma
Diğer yayınma yolları
MALZEME BILGISI‐B5
Sol üstte yüzey seftleştirme işlemi uygulanmış bir çelik dişlinin fotoğraf görülmektedir. Yüksek sıcaklıkta yapılan ısıl işlem sırasında, dişlinin içinde bulunduğu ortamdaki karbon, yüzeyden içeri yayınarak
yüzey tabakasının sertleşmesi sağlanmıştır. Kesitin alındığı kısımda sertleştirilmiş olan yüzey tabakası, koyu tonda görülmektedir. üzere, karbon miktarının yükselmesi, sertliğin artmasını ve bu da dişlinin aşınma direncinin iyileşmesini sağlamaktadır. Ayrıca, sertleştirilmiş yüzey tabakasında oluşan basma artık gerilmeleri dişlinin çalışma sırasında yorulma hasarına olan direncini de arttırmaktadır
MALZEME BILGISI‐B5
Malzemelere ait işlemlerde önemli olan reaksiyon ve süreçlerin çoğu, belirli bir katı içinde (genellikle mikroskobik düzeyde) veya bir sıvı/gazdan ya da bir başka katı fazdan malzeme içine doğru gerçekleşen kütle transferine dayanır. Bu olaylar tamamen atomsal hareketlerle, malzemenin bir yerden başka yere taşınması olan yayınma ile gerçekleşir.
Yayınma olayı, bir yüzeylerinden birbirlerine sıkı bir şekilde temas ettirilmiş iki farklı metal (bakır ve nikel) çubuktan oluşan bir yayınma çifti yardımıyla açıklana bilir.
Bu durum, nikel‐bakır çifti için, arayüzey boyunca atomların konum ve konsantrasyonlarını içeren Şekil 5.1de şematik olarak gösterilmiştir. Söz konusu bakır‐nikel yayınma çifti, her iki metalin ergime sıcaklının altındaki bir sıcaklıkta, uzunca bir süre ısıtılmasından ve arkasından oda sıcaklığına soğutulmasından sonra yapılacak bir kim yasal analiz, Şekil 5.2’dekine benzer, yani arayüzden uzak bölgelerde saf bakır ve nikelin bulunduğu ve bu bölgelerin arasında, nikel ve bakır atomlarının bir arada bulunduğu bir alaşım bölgesinin varlığını ortaya çıkarır.
görüleceği gibi mesafeyle değiştiği ve buradan, bakır atomlarının nikel içerisine, nikelin de bakırın içerisine doğru yayındığı anlaşılır. Bir metale ait atomların diğerinin içerisine yayınmasıyla gerçekleşen bu olaya birbirinde yayınma veya empürite yayınması denir.
Makro ölçekte, birbirinde yayınma, Cu‐Ni yayınma çifti örneğinde olduğu gibi, uzun bir süre sonra konsantrasyonda oluşan değişimle fark edilebilir. Burada yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atomların sürüklenmesi veya taşınması söz konusudur. MALZEME BILGISI‐B5
Saf metallerde de yayınma gerçekleşir ancak konumlarını değiştiren atomların hepsi aynı tür MALZEME BILGISI‐B5
Atomik açıdan, yayınma tam olarak, atomların bir kafes boşluğundan diğerine adım adım yaptıkları yer değiştirmedir. Aslında, katı malzemelerdeki atomlar sürekli hareket halindedir ve hızlı bir şekilde konumlarını değiştirirler. Bir atomun böyle bir hareketi yapabilmesi için iki şartın sağlanması gereklidir: (1) bitişiğinde boş bir yer olmalı ve
(2) Komşu atomlarla arasındaki bağı koparacak ve sonrasında, yer değiştirme sırasında oluşacak kafes çarpılmalarını karşılayacak kadar enerjiye sahip olmalıdır. Bu enerji atomların titreşim hareketleri yapmasını sağlayan enerjisidir (bkz. 4.8). Belirli bir sıcaklıkta, atomların küçük bir kısmı sahip oldukları titreşim enerjilerinden dolayı yayınma hareketi yapabilirken sıcaklığın yükselmesiyle bu atomların sayısı da artar.
Yayınma sırasında gerçekleşen atom hareketleri için birkaç farklı model önerilmiş olup metal malzemelerdeki yayınma hareketi için bunlardan iki tanesi kabul görmüştür.
MALZEME BILGISI‐B5
şematik olarak gösterildiği gibi bu mekanizmada, normal kafes noktasındaki bir atom ile komşu kafes boşluğunun yer değiştirmesi söz konusudur. Dolayısıyla da bu mekanizmaya boşluk yayınması adı verilmiştir. Doğal olarak, bu mekanizma için boş yerlerin bulunması gerekir ve yayınmanın etkinliği var olan bu kusurların (boşlukların) sayısına bağlı olarak değişir. Yüksek sıcaklıklarda, metaller önemli oranda boşluk konsantrasyonuna sahiptir (bkz. 4.2). Atomlar ve boşluklar yayınma sırasında konumlarını değiştirmesi nedeniyle, atomların bir yönde yayınmasına karşılık olarak, boşluklar aksi yönde hareket eder. Kendinde‐
yayınma ve birbirinde yayınma bu mekanizmayla gerçekleşir. Birbirinde yayınmada ise empürite (yabancı element) atomları, matris atomlarının yerini alır.
MALZEME BILGISI‐B5
Bu yayınma türünde arayer konumunda bulunan bir atom, komşu bir diğer arayer boşluğuna yayınır. Hidrojen, karbon, azot ve oksijen gibi arayer boşluğuna yerleşebilecek kadar
Küçük empürite atomlarının yayınması bu mekanizmayla gerçekleşir. Matris veya yeralan
empurite atomları nadiren arayer konumunda bulunurlar ve bu atomlar normalde bu mekanizmayla (arayer yayınmasıyla) yer değiştirmez. Küçük çaplı empürite atomlarının yaptıkları bu yayınma türüne, doğal olarak arayer yayınması adı verilmiştir. Arayer
atomlarının daha küçük ve bu nedenle hareket etme yeteneklerinin daha yüksek olmasından dolayı, çoğu metal alaşımlarında, arayer yayınması, boşluk yayınmasından çok daha hızlıdır. Ayrıca arayer boşluklarının sayısı, atomsal boşluklara göre daha fazladır, bu nedenle arayer
atom hareketinin gerçekleşme olasılığı, boşluk yayınmasından daha büyüktür.
MALZEME BILGISI‐B5
Yayınma, zamana bağlı olarak gerçekleşen bir olay olduğu için, makro ölçekte taşınan
elementin miktarı zamanın bir fonksiyonu olarak değişir. Çoğu zaman yayınma veya kütle
transfer hızının bilinmesi gereklidir. Yayınma akısı (J) olarak ifade edilen hız, katı içerisinde birim kesit alanına dik olarak, birim zamanda yayınan kütle, M olarak (veya eşdeğer
atom sayısı) tanımlanır. Matematiksel olarak;
şeklinde ifade edilebilir. Burada A yayınmanın gerçekleştiği kesit alanını, t ise yayınma süresini işaret etmektedir. Bu denklem diferansiyel olacak yazılırsa,
elde edilir. J’nin birimi, bir metre kareden bir saniyede yayınan atomun ağırlıkça ya da sayıca miktarıdır (kg/m2 s veya atom/m2 s).
Yayınma akısı zamanla değişmiyorsa, kararlı yayınma hali söz konusudur. Her iki yüzeyindeki konsantrasyonun (veya basıncın) sabit tutulduğu bir metal plakada, kesit boyunca gaz atomlarının yayınması kararlı yayınına için verilen tipik bir örnektir.
MALZEME BILGISI‐B5
Katı içerisindeki karbon (C) konsantrasyonun konumla, x göre değişimi çizildiğinde, elde edilen eğri konsantrasyon profihi, bu eğri üzerinde belirli bir noktadaki eğim ise konsantrasyon gradyeni olarak adlandırılmıştır.
MALZEME BILGISI‐B5
Yayınma problemlerinde, konsantrasyonun birim hacim başına yayınan kütle miktarı
(kg/m3 veya g/cm3) cinsinden ifade edilmesi bazı durumlarda tercih edilebilir. Yayınma
akısının konsantrasyon gradyeniyle orantılı olması nedeniyle tek bir (x) doğrultudaki kararlı yayınma matematiksel olarak nispeten basit bir şekilde ifade edilir.
Buradaki D orantı sabiti yayınma katsayısı olarak adlandırılır ve metre kare bölü saniye şeklinde ifade edilir. Bu denklemdeki eksi işareti, yayınma yönündeki konsantrasyonun azaldığını işaret eder, çoğu zaman Fick’in birinci kanunu olarak anılır.
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
Pratikte gerçekleşen yayınmaların çoğu kararlı değildir. Kararsız yayınma sırasında, bir
katı içerisinde yayınan atomların birikmesi veya eksilmesi sonucunda, belirli bir noktadaki
yayınma akısı ve konsantrasyon gradyeni zamanla değişir. Bu durum, üç farklı yayınma
süresi için konsantrasyon grafiğinin şematik olarak çizildiği Şekil 5.5 ‘te gösterilmiştir. Kararsız yayınma şartlarında, Denklem 5.3’ in kullanılması uygun değildir, bu nedenle Fick’ in
ikinci kanunu olarak bilinen aşağıdaki kısmi diferansiyel denklem kullanılır.
MALZEME BILGISI‐B5
Uygulamada önemli bir çözüm, yüzey konsantrasyonun sabit tutulduğu bir yarı sonsuz
katı için yapılmıştır. Genelde yayınan atomların kaynağı kısmi basıncı sabit bir değerde
tutulan bir gaz fazı kullanılır. Ayrıca aşağıdaki kabuller söz konusudur:
1. Yayınma öncesinde, katı içerisindeki çözelti atomlarının konsantrasyonları C0’dır ve
bu atomlar üniform olarak dağılmışlardır.
2. x’in değeri yüzeyde sıfırdır ve katı içerisinde yüzeyden içeriye doğru mesafeyle
değeri artmaktadır.
3. Yayınma başlamadan hemen önce süre sıfır olarak alınır.
Sınır şartları kısaca,
şeklinde ifade edilir. Bu sınır şartlarının kullanılmasıyla aşağıdaki çözüm elde edilir.
Burada Cx, t süresinde, x derinliğindeki oluşan konsantrasyonu ifade etmektedir.
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
Yayınan Atomların Türü
Yayınma katsayısı D’nin büyüklüğü, yayınan atomların hızının bir göstergesidir. Çeşitli metal yayınma çiftleri için kendinde‐yayınma ve birbirinde‐yayınmaya ait katsayılar Tablo 5.2’de listelenmiştir. Yayınma katsayısının büyüklüğü, gerek yayınan gerekse matris atomlarına göre değişmektedir. Örneğin, 500°C’de demirin kendinde‐yayınması ile karbonun demir içinde yayınması arasında büyük bir fark vardır (3,0 X 10‐21 m/s karşın 2,4 x 10‐12 m2/s), karbonun yayınmasında D’nin değeri daha yüksektir. Bu karşılaştırma, daha önce ele alınan, boşluk yayınması ve arayer yayınma hızları arasındaki farkı da ortaya koymaktadır. Kendinde‐yayınma
bir boşluk yayınma mekanizması ile meydana gelirken karbon demir içinde arayer yayınması
yapar.
MALZEME BILGISI‐B5
Sıcaklık
Yayınma katsayısı ve hızı üzerinde en büyük etki sıcaklığa aittir. Örneğin, α‐Fe’de, Fe’in
yayınmasında (kendinde‐yayınma), sıcaklığın 500 ‘ den 900°C yükselmesiyle yayınma
katsayısının değeri yaklaşık 106 oranında (3,0 X 10‐21‘den 1,8 X 10‐15m2/s) artar
Yayınma katsayısının sıcaklıkla olan ilişkisi
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
MALZEME BILGISI‐B5
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
1
File Size
4 570 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content