KRİSTAL YAPI KUSURLARI

1. KRİSTAL YAPI KUSURLARI • Dersin adı : Elektrik Malzemeleri • Yapanın; • Adı : Mustafa • Soyadı : ER • No : 1301.00062 • Bölümü: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği

2. KRİSTAL YAPI KUSURLARI Noktasal hatalar Çizgisel hatalar Kenar dislokasyonu Vida dislokasyonu Düzlemsel hatalar Tane sınırlarına genel bakış Düşük açılı tane sınırları Yüksek açılı tane sınırları İkizlenme Dizilim hataları Faz sınırları

3. Noktasal hatalar • Noktasal hata dediğimiz zaman tek bir kafes noktasındaki, ya da bir kafes noktasının civarındaki hatalardan bahsediyoruz. Eğer kusursuz bir kristal yapı üzerinde atom bulunması gereken bir noktada atom yoksa, ya da farklı türde bir atom bulunuyorsa, ya da atom olmaması gereken bir noktada bir atom bulunuyorsa, bu hataları noktasal hata olarak değerlendiriyoruz

4. Eğer kristal yapı üzerinde atom bulunması gereken bir noktada atom bulunmuyorsa, bu hata türüne boşlukadını veriyoruz. Yapıdaki boşluklar özellikle yüksek sıcaklıklarda, atomlar kristal yapı içindeki konumlarını yayılımla daha sık değiştirmeye başladıkça ortaya çıkmaya başlıyor. Bu boşluklar sadece yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkmıyor; düşük sıcaklıklarda da yapı içerisinde bu tür boşluklar bulunuyor. Fakat sıcaklık arttıkça yapıdaki boşluk miktarı da artmaya başlıyor. • Yapıda bir boşluk oluştuğu zaman bu konum sürekli boş kalmıyor. Boşluğun çevresindeki herhangi bir atom kendi konumundan ayrılıp bu boş konuma yerleşebiliyor. Sonrasında başka bir atom, bu konum değiştiren atomun konumuna geçebiliyor. Bu konum değişimleri atomların kristal yapı içinde gezinebilmesi ya da farkı türde atomların bir kristal içine sızabilmesi için büyük önem taşıyor. • Eğer bir kafes noktasında olması gereken atomdan farklı türde bir atom bulunuyorsa, bu yabancı atoma, başka bir atomun yerini alması nedeniyle, yeralan atomadını veriyoruz. Yeralan atomlarını, yapıda çok ciddi bir tahribat yaratmıyor olsalar da, kusursuz bir yapıda bulunmaması gereken bir durum olması nedeniyle hata olarak değerlendiriyoruz.

5. Çizgisel hatalarÇizgisel hata : kristal içinde bir sıra boyunca dizilmiş atomlara dair bir hatadır.Kenar dislokasyonu • Dislokasyon adını verdiğimiz bu çizgisel hatalar, kristalin bir ucundan diğerine uzanması gereken bir düzlemin kristal içinde bir yerde, beklenmedik bir şekilde sona ermesiyle ortaya çıkıyor. Dolayısıyla, bu hataları her ne kadar çizgisel olarak değerlendirsek de, aslında atom düzlemlerine dair bir hatadan bahsediyoruz. Bu hataları düzlemsel değil de çizgisel hata olarak değerlendirmemizin nedeni ise, düzlemin sonlandığı yerde bir sıra boyunca atom olması gerekirken, bu atomların eksik olması; yani, hatanın kendini bir çizgi üzerinde gösteriyor olması.

6. Vida Dislokasyonu • Öncelike vida dislokasyonları da, aynı kenar dislokasyonları gibi, kayma düzlemine paralel uygulanan kesme kuvvetleriyle harekete geçebiliyorlar. Eğer uygulanan kuvvet kayma düzlemine dik ise, bu kuvvetin atomları kaydırabilmesi mümkün değil. • İkinci önemli nokta da, vida dislokasyonuyla yaratılan toplam hareketin kenar dislokasyonuyla aynı olması. Yani, kayma hangi işleyişle gerçekleşirse gerçekleşsin, sonuçta yaratılan şekil değişiminin aynı olması.

7. . Kenar dislokasyonundadislokasyon çizgisi uygulanan kuvvete paralel doğrultuda hareket ediyor. Bunun nedeni, kenar dislokasyonuişleyişinde dislokasyonçizgisine dik uygulanan kuvvetin atomların konumunu sıra sıra , uygulanan kuvvete paralel doğrultuda değiştirmesi. Vida dislokasyonu işleyişinde ise, kayan düzlem bir kenardan diğerine uzanan bir dalga gibi ilerliyor. Dolayısıyla, kırmızı renkle gösterilen atom düzlemi sayfa üzerinde yukarıya doğru hareket ederken, dislokasyon çizgisi sağdan sola doğru hareket ediyor.

8. Düzlemsel hatalar Tane sınırlarına genel bakış • Metal ve alaşımların kristalleşmesi, bu malzemeleri meydana getiren atomların üç boyutlu bir simetride düzenlenmesiyle gerçekleşiyor. Kristalleşme süreci tamamlandığında, çoğu zaman bu düzenin malzeme içinde kusursuz bir şekilde gerçekleşmediğini, yer yer kesintiye uğradığını gözlemliyoruz. Bu kesintiler kristal düzenin malzeme içinde bazı bölgelerde kurulamaması şeklinde değil, yöneliminin birden değişmesiyle kendini gösteriyor. Aynı yapıya, fakat farklı yönelime sahip bu kristal kümelerine malzeme biliminde tane, tanelerin aralarında kalan bölgelere ise tane sınırı adını veriyoruz.

10. Düşük açılı tane sınırları • İki tane arasındaki yönelim farkının 10-15 dereceden daha az olması durumunda, taneler arasındaki sınırı düşük açılı olarak değerlendiriyoruz. Bu yönelim farkı iki şekilde karşımıza çıkabiliyor. Kolaylık sağlaması açısından taneleri birer küp olarak ele alırsak, bu iki yönelim farkını tanelerden birini diğerine kıyasla taban yüzeyi ve yan yüzeyi üzerinde döndürerek tarif edebiliriz.Bu iki tane sınırı türünü, tanelerin eğilimiyle ve burkulmasıyla oluşan tane sınırları olarak adlandırabiliriz. Aşağıdaki resimde bu iki tane sınırı türünü görebilirsiniz.

11. Düşük açılı bir tane sınırının sahip olduğu enerji miktarını, tane sınırı içinde birim alana düşen dislokasyonların toplam enerjisiyle tarif ediyoruz. Dolayısıya, bir tane sınırı içinde ne kadar çok dislokasyon yer alıyorsa, tane sınırının enerjisinin de o ölçüde artmasını bekliyoruz. Tane sınırı içinde kalan dislokasyon miktarı, doğal olarak, iki tane arasındaki yönelim farkıyla doğru orantılı olarak artıyor. Çünkü yönelim farklı ne kadar büyükse, o farkı yaratmak için taneler arasında bulunması gereken dislokasyon miktarı da o ölçüde fazlalaşıyor. Bu nedenle taneler arasındaki yönelim farkı arttıkça, araya yerleşmesi gereken dislokasyon miktarı da fazlalaşarak tane sınırının enerjisinin artmasına yol açıyor.

12. Yüksek açılı tane sınırları • İki tane arasındaki yönelim farkı 10-15 derecenin üzerinde olduğunda, bu yönelim farkını dislokasyonlarla tarif edebilmek için o kadar çok dislokasyon gerekiyor ki, o sayıda dislokasyonun belli bir uzunluğa sahip tane sınırı boyunca peşpeşe dizilebilmesi, o alana sığması mümkün olamıyor. Çok fazla sayıda dislokasyon kısa bir mesafede peşpeşe dizilmeye kalktığında, bir noktadan sonra ister istemez dislokasyonlarüstüste binmeye başlıyor. Bu durumda, tane sınırı üzerindeki dislokasyonların artık teker teker ayırt edilebilmeleri de mümkün olmuyor. • Tane sınırındaki dislokasyon sayısı bu şekilde doygunluğa ulaştığında, tane sınırının sahip olabileceği enerji miktarı da doygunluğa ulaşıyor; yani, artık tane sınırı enerjisini peşpeşe sıralanan dislokasyonların sayısıyla ifade edemiyoruz. Bu doygunluk noktasına ulaşıldığında, tane sınırı da sahip olabileceği en yüksek enerji seviyesine ulaşmış oluyor. Bu noktadan sonra iki tane arasındaki yönelim farkı ne kadar artarsa artsın, tane sınırının enerjisi bu doygunluk seviyesinde sabit kalıyor.

14. İkizlenme • Bir kristal yapı, sahip olduğu bir düzlemin iki tarafında simetrik iki farklı yönelim gösteriyorsa, bu durumu kristal ikizlenmesi olarak adlandırılır. Bir kristal yapının ikizlendiğini söyleyebilmemiz için iki koşulun sağlanması gerekiyor. Öncelikle, kristalin farklı yönelime sahip iki tarafının, ortak kafes noktalarını paylaştıkları, ikiz düzlemi adı verilen ortak bir düzlemde birleşmeleri gerekiyor. İkinci olarak da, bu ortak düzlemin iki tarafındaki atomların, aynadan yansıyan görüntü misali kusursuz bir simetri içinde düzenlenmeleri gerekiyor.

15. Kristal yapılar üç farklı şekilde; kristal oluşumu esnasında, mekanik kuvvet uygulanmasıyla, ya da tavlama işlemi sırasında ikizlenebiliyor. Kristal büyürken oluşan ikizlenmelerebüyüme ikizi adını veriyoruz. Kristal yapı oluşurken, bir nedenden dolayı kristalin büyüme yönü değişim gösterebiliyor. Eğer kristal yapının bu yön değiştiren kısmı, daha önce oluşan kısımla ortak kafes noktalarını paylaşabilecekleri bir düzlemden başlayarak farklı bir yöne doğru büyüyebilirse, kristal yapı o düzlem üzerinde ikizlenmiş oluyor. Aşağıdaki resimde  büyürken ikizlenmiş bir pirit (FeS2) kristali gösteriliyor.

16. Dizilim hataları Kristal yapılarda yer alan düzlemler, yapıların simetrisi nedeniyle birbirini takip eden, periyodik bir düzende sıralanıyorlar. Bu düzlemlerinin periyodik dizilimiyle ilgili hataları, adından da anlaşılacağı üzere, dizilim hatası olarak adlandırıyoruz. Dizilim hataları, en yaygın bilinen şekliyle yüzey merkezli kübik (YMK) yapının sıkı paketlenmiş, altıgen simetriye sahip düzlemlerinin diziliminde karşımıza çıkıyor. Bu nedenle biz de bu hata türünü YMK yapıda gözlemlediğimiz şekliyle tarif edeceğiz. YMK yapıda yer alan sıkı paketlenmiş düzlem ve bu düzlemin altıgen yapısından başlayarak konuya giriş yapalım. Aşağıdaki resimde (a) YMK yapıya ait birim hücre (yüzey ve köşe atomları aynı olmasına rağmen kolaylık sağlaması açısından farklı renkte gösteriliyor); (b) çok sayıda atomun biraraya gelmesiyle ortaya çıkan dizilim; (c) sıkı paketlenmiş (111) düzleminden alınmış bir kesit; ve (d) bu düzlemdeki altıgen simetriye sahip atom dizilimi gösteriliyor.

18. Altıgen simetriye sahip bu atom düzeni, adından da tahmin edebileceğiniz üzere, hegzagonal sıkı paket (HSP) yapının tabanında da karşımıza çıkıyor. Bu da, YMK yapının (111) düzlemiyle HSP yapının (0001) düzleminin, yani tabanının, aynı atom düzenine sahip olduğu anlamına geliyor. YMK ile HSP yapıların farkı, bu yapılardaki sıkı paketlenmiş bu düzlemlere paralel sıralanan diğer düzlemlerin diziliminden kaynaklanıyor. Oluşabilecek farklı dizilimleri aşağıdaki resimler üzerinde inceleyelim. Öncelikle, yukarıda gösterdiğimiz YMK yapının (111) düzlemindeki atom dizilimine sahip bir düzlem düşünelim (aşağıdaki resimde: (a)). Düzlemlerin dizilimiyle ilgili bir hatadan bahsedeceğimize göre, bu düzlemdeki atomların konumlarını bir şekilde adlandırmamız lazım. Bu düzlemdeki atomların konumlarını tarif etmek için bu düzleme A düzlemi adını verelim. İkinci adımda, bu düzlemde sıralanan atomların arasında kalan çukurlara denk gelecek şekilde, aynı dizilime sahip bir düzlem daha yerleştirelim (aşağıdaki resimde: (b)). Dikkat ederseniz, bu düzlemdeki atomların dizilim düzeni A düzlemiyle aynı olmasına rağmen, konumları A düzlemindeki atomlardan farklı; yani, aynı hizada değiller. Bu nedenle bu düzleme de B düzlemi adını verelim.

19. Üstüste dizdiğimiz bu iki düzlemin sırasını alttan üste doğru tarif etmek istersek, altta A düzlemi, üstte de Bdüzlemi olduğu için bu sıralamayı AB şeklinde gösterebiliriz. AB sırasına sahip bu düzlem dizilimini hem YMK, hem de HSP yapıda gözlemliyoruz. Bu iki yapıyı birbirinden ayıran ise, üçüncü sıraya gelen düzlemdeki atomların konumu. Üçüncü düzlem iki ayrı şekilde karşımıza çıkabiliyor.

20. Üçüncü konuma denk gelen atomlar A düzlemiyle aynı konuma, ya da C düzlemi adını vereceğimiz farklı bir konuma yerleşebiliyorlar (yukarıdaki resimde: (c)). Üçüncü sıraya gelen düzlemin hangi konumu tercih edeceği, oluşacak kristal yapıyı belirliyor: atomlar ABCABC dizilimiyle sıralandıklarında YMK yapı oluşuyor;ABABAB dizilimiyle sıralandıklarında ise, HSP yapı ortaya çıkıyor. Dolayısıyla YMK yapıyla HSP yapının, sıkı paketlenmiş düzlemlerin dizilimleriyle birbirlerinden ayrıldıklarını söyleyebiliriz. Şimdi tekrar esas konumuza, yani dizilim hatalarına geri dönelim. Sıkı paketlenmiş bu düzlemler, YMK yapıyı ortaya çıkaracak şekilde ABCABC sıralamasıyla dizilirken, zaman zaman bir ya da birkaç sıra atomun, olmaları gereken konumdan kayarak kısa bir ABABAB dizilimi sergilediklerini gözlemleyebiliyoruz. Düzlem üzerindeki atomların konumlarındaki kayma nedeniyle oluşan bu hatalara dizilim hatası adını veriyoruz.

21. Faz sınırları • Faz : Katı bir malzeme içindeki, fiziksel ve kimyasal özelliklerin değişmeden kaldığı bölgelerdir.Yani, katı içindeki homojen yapıdaki bölgelerdir. • Tane sınırlarından bahsederken taneleri aynı yapıya, fakat farklı yönelime sahip kristaller olarak tanımlamıştık. Dolayısıyla, bir tane sınırının iki tarafındaki kristalleri göz önüne aldığımız zaman, bu yapılar arasındaki tek farkın iki kristal arasındaki yönelim farkı olduğunu görüyoruz. Katı fazlar arasındaki sınırlar söz konusu olduğunda ise, sınırın iki tarafında sadece yönelimin değil, kristal yapının da değiştiğini gözlemliyoruz.

22. İki katı faz arasındaki ara yüzeyleri, sınırın iki tarafındaki atomların ne derece uyumlu bir şekilde bir araya geldiklerine bakarak üç grup altında sınıflandırabiliyoruz. Eğer sınırın iki tarafındaki atomlar mutlak bir uyumla hizalanarak bir araya geliyorlarsa, oluşan arayüzeye bağdaşık arayüzey adını veriyoruz. Aşağıda soldaki resimde bir örneği gösterilen bu tür arayüzeyler, iki kafes arasında uyumsuzluğa bağlı bir gerinim oluşmayacağı için, birazdan bahsedeceğimiz diğer arayüzey türlerine kıyasla daha düşük enerjiye sahip oluyorlar. Bağdaşık arayüzeylerin enerjisi, iki faz arasında kompozisyon farklı bulunduğu durumlarda, sınır atomlarının farklı bir atoma bağlanıyor olması nedeniyle, sadece kimyasal kökenli bir enerji artışına dayanıyor.

23. İki fazın benzer kristal yapıda olduğu, fakat yapılar arasında bir miktar boyut farkı olduğu durumlarda ise, oluşan arayüzeyde bu uyumsuzluğa bağlı gerinimler ortaya çıkıyor. Yarıbağdaşık adını verdiğimiz bu arayüzeyler, arayüzeye paralel konumlanan kenar dislokasyonları aracılığıyla bu gerinimleri bir miktar tolere edebiliyorlar. Yine de, iki yapı arasındaki uyumsuzluk nedeniyle bu arayüzeyler, bağdaşık arayüzeylere kıyasla daha yüksek enerji içeriyorlar. İki fazın kristal yapısının birbirinden çok farklı olduğu durumlarda ise, bağdaşmaz arayüzeyadını verdiğimiz ve iki yapının atomlarının son derece uyumsuz bir şekilde bir araya geldiği sınırlar karşımıza çıkıyor. Sınır boyunca konumlanan atomların sınırın diğer tarafındaki atomlara bağlanamaması nedeniye, bu arayüzeyler çok yüksek enerjiye sahip oluyor. Bu tür arayüzeyleri ortaya çıkaran fazların halihazırda çok farklı yapılara sahip olmaları nedeniyle, iki faz arasındaki yönelim farklı arayüzeyin enerjisi üzerinde ciddi bir etki yaratmıyor. İki faz arasındaki sınırın atom düzeyindeki yapısı, katı hal faz dönüşümlerindeki büyüme sürecini önemli ölçüde etkileyebiliyor. Örnek olarak bağdaşık arayüzeyler, düzenli yapıları nedeniyle, atomların sınır boyunca yayılımla gezinmesine izin vermedikleri için düşük hareket kabiliyetine; bağdaşmaz arayüzeyler ise, atomların sınır boyunca yayılımla çok daha rahat gezinebilmeleri nedeniyle yüksek hareket kabiliyetine sahip şekilde karşımıza çıkıyorlar.

24. KAYNAKÇA • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/kristal-yapi-hatalari-noktasal-hatalar/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/cizgisel-hatalar-kenar-dislokasyonu/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/dusuk-acili-tane-sinirlari/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/tane-sinirlarina-genel-bakis/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/cizgisel-hatalar-vida-dislokasyonu/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/dizilim-hatalari/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/ikizlenme/ • http://muhendishane.org/kutuphane/temel-malzeme-bilgisi/faz-sinirlari/ • Resim: Wikityke, Creative Commons (CC BY-SA 2.5) • Resim: DoITPoMS, Creative Commons (CC BY-NC-SA 2.0) • Resim: SlinkyPuppet, Creative Commons (CC BY-SA 3.0) • Resim: Vassil