MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
ÇEKİRDEKLEŞME
(Nucleation)
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Faz Dönüşümü = Çekirdekleşme + Büyüme
Alaşımlarda özellikleri faz dönüşümleri etkiler.
Tablo. Faz Dönüşümlerinin Temel Çeşitleri.
Dönüşüm Tipi
Örnek
Reaksiyon Türü
Buharın yoğunlaşması
Kaynama
2. Buhar  Katı
Buharın donması
(pencere üzerinde donma)
Süblimasyon
3. Sıvı  Kristal
Suyun buza dönüşümü
(göl üzerinde donma)
Ergime-katılaşma
a) Çökelme
Ostenitin soğutulmasında
Fe3C’ nin oluşması
Katı  Katı
b) Allotropik dönüşümler
9l0 °C’ de α-Fe  γ-Fe
dönüşümü
“
c) Yeniden kristalleşme
Soğuk haddelenmiş Cu da
yeni tanelerin oluşumu.
“
1. Buhar 
Sıvı
4. Kristal 1  Kristal 2
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Faz dönüşümleri ile atomik yapılarda değişim veya yeniden düzen
Dönüşümde (Yapısal dönüşüm + Bileşim değişikliği + Deformasyon oluşumu)
Tablo. Faz dönüşümlerindeki değişikliklerin karmaşıklık dereceleri.
Dönüşüm
(a) Yapı değişimi
Örnek
Saf Fe’ in katılaşması
(b) Yapı değişimi + Bileşim değişimi
Alaşımlarda Ergime – katılaşma
(c) Yapı değişimi + Gerilim oluşumu
Martensit oluşumu
  perlit (   Fe 3 C )
(d) Yapı değişimi + Gerilim oluşumu   Fe 3 C
+ Bileşim değişimi
ve,   Fe 3 C   C
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Kontrollü Çekirdeklenme Uygulamaları
 Tane İnceltme – Dökümde tane sayısını arttırmak için
kontrollü olarak heterojen çekirdekleştirici parçacıkların
ilavesi
 Dispersiyon sertleştirmesi – İkinci bir malzemenin çok
küçük parçacıklarının ilave edilmesi ile bir metalik
malzemenin dislokasyon ilerlemesine direnç göstermesini
sağlamak.
 Katı-hal faz dönüşümü – Katı halde olan bir fazı başka bir
katı hal fazına dönüştürmek.
 Hızlı katılaşma prosesi – Katılaşma sırasında çok yüksek
kontrollü soğutma hızları ile üstün malzeme özellikleri
ortaya çıkarmak.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Kristal Çekirdeklenme ve Büyümesi;
a)
b)
c)
d)
Şekil. Sıvı metalin katılaşmada farklı safhaları. a) Sıvıda rastgele bölgelerde
çekirdekleşen kristaller. b) ve c) Katılaşmanın ilerlemesi ile bölgelerin büyümesi. d) Katılaşmış metal (Her bir küçük kare bir birim kafesi temsil etmektedir)
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Saf Fe düşünüldüğünde,
Yapı dönüşümü sıcaklık 910 °C olduğunda
aniden olmaz.
Önce α-Fe matriksinde küçük γ-Fe bölgeleri
oluşumu
Küçük taneler sonra büyüyüp
α -Fe  γ -Fe dönüşümünü sağlar.
Özet:
Faz dönüşümü =
(Çekirdek oluşması+büyüme)
Dönüşüm hızı = f{ çekirdekleşme, büyüme }
Ana faz ve ürün fazda (kompozisyon farklı)
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Yeni 
fazı
oluşumu

matriksi
Şekil. HMK α -Fe fazı içinde
YMK γ -Fe fazının
çekirdekleşmesi.
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Eğer  dan  e dönüşüm gerçekleştiriliyor ise;
Çekirdekleşme hızı (I) ‘nın tanımı;
I=
Birim zamanda oluşan  bölgelerinin sayısı
 fazının hacmi
Yeni bir faz tane sınırı ve dislokasyon gibi süreksiz bölgelerde oluşur.
Yeni faz matrikste üniform bir bölgede de oluşabilir.
İki farklı çekirdekleşme türü mevcut;
 i) Homojen çekirdekleşme : Yeni faz matrikste üniform olarak
çekirdekleşir.
 ii) Heterojen çekirdekleşme: Yeni faz matrikste hata içeren bölgelerde
çekirdekleşir.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
Homojen
Çekirdekleşme
GL
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
DGB = GS - GL = negatif değer
Şekil. Katı ve sıvının
hacim serbest enerjilerinin
sıcaklık ile değişimi
Hacim serbest enerjisi
GS
GS
DT
GL
TL
Sıcaklık
Katılaşma sonucu serbest enerji değişimi; ΔGB = GS - GL
GS, GL = Katı (solid) ve Sıvı (liquid) nın serbest enerjileri
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Katılaşma olmadan ΔT kadar soğutulma =Aşırı soğuma
lΔGBl = Aşırı soğumuş sıvı ve katı serbest enerjiye farkı
(Hacim serbest enerjisi)
DT kadar aşırı soğutmada sıvı hemen katılaşmaz
Katılaşma için bazı engeller var !!!!
Sıvı içinde katı parçacıklar oluşur (ÇEKİRDEKLER)
Çekirdekler küresel kabul edilir (Çapları ~10 A° kadar)
Yüzey/hacim oranları çok yüksek.
Çekirdek yüzeyleri serbest enerjide pozitif bir artışa yol açar.
Yüzeyler katılaşmada engel teşkil eder.
Yüzey etkisi ile bir çekirdek oluşturmak için serbest enerji değişimi;
DG =
4
3
3
2
r D G B  4 r 
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
(5.1)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
 = yüzey gerilimi
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
ΔGB = Hacim serbest enerji değişimi.
Serbest Enerji Değişimi
Bazı dönüşümlerde deformasyon enerjisi de çekirdekleşmeye engel
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
DGY = Yüzey serbest enerji
değişimi = (4r)2.ks
DG = Toplam serbest
enerji değişimi
Çekirdek yarıçapı, r
DGH = Hacimsel serbest
enerji değişimi = DGB . 4/3r2
Şekil. Çekirdek
oluşum serbest
enerjisi ve çekirdek
yarıçapı ilişkisi
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
r > r* için, reaksiyon negatif serbest enerji değişimine sahip.
r = r* durumunda;
r* =
 2
(5.2)
DG B
DG* =
16 
3
3( D G B )
(5.3)
2
Çekirdekleşme hızı (I)
Kritik yarıçapa ulaşan çekirdeklerin toplam hacimdeki sayısı (Cn);
Zamanla çekirdeğin büyümesi;
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Çekirdekleşme = kritik yarıçapa ulaşan atom grubu + bir atom ile gerçekleşirse;
Kritik çaptaki (r*) çekirdek sayısı
C n=
I=
dn
dt
(5.4)
Hacim
Cn =
Çekirdek sayısı
Hacim- zaman
dn/dt terimi,
a)S (n* atom) + 1 atom
S (n* + l atom)
b)S (n* + 1 atom ) -1 atom
S (n* atom)
şartları göz önüne alınarak belirlenir.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Kritik
çekirdek
Kritik
öncesi
çekirdek
Kritik
üstü(sonrası)
çekirdek
Yarı
kararlı
“ana”
faz
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Kritik partikülü
çevreleyen atomlar
İstatistiki çalkalanma ile
kritik çekirdek oluşumu
Kritik
partikül
Çevre
atomlarının
difüzyonla kritik
partiküle
sıçrayıp
çekirdeklenme
oluşturması
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Sıvı
ý.
Katı
çekirdek
G (atom başına)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
b)
a)
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
DGA
Sıvı
Pozisyon
DGB. yoğunluk
Katı
Şekil. Atomların sıvıdan katı çekirdeğe bağlanmalarının şematik gösterilişi
dn
=  sp .e
 D G A / kT
(5.5)
dt
ΔGA = Bir atomun sıvıdan katı çekirdeğe sıçraması için gerekli enerji
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
1. Serbest enerjisi DGA dan büyük sıvı atomlarının oranı
2.  = Sıvı atomlarının titreşim frekansları
3. s = Sıvı- çekirdek arayüzeyinde çekirdeğe yönlenmiş atom sayısı
4. p = f . A
f = çekirdeğe doğru bir sıvı atomun titreşme olasılığı
A = Sıvı atomunun katı çekirdek ile çarpıştıktan sonra
geri dönmeme olasılığı.
 DG A  DG * 
I = K v exp  

kt


s * p  DG * 
Kv =
n *  3  kT 
1/ 2
Kv terimi sabit bir terim
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
(5.6)
(5.7)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
Düşük hareketlilik, yüksek itici güç
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Yüksek hareketlilik, düşük itici güç
Tf
t
Sıcaklık
Tf
N çekirdek oluşumu için geçen süre, t = N/t
b)
a)
Şekil. Çekirdekleşme hızının sıcaklık ile değişimi.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
TKatılaşma
Şekil. Sıvının sıcaklığının (T) değişimi ile
çekirdekleşme hızının (I) değişimi
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Heterojen Çekirdekleşme
Çekirdeklenmede yüzey enerji engeli var.
Yüzey azalırsa yüzey enerjisi de azalır
Katı
Katı
Çekirdekleştirici
Homojen çekirdeklenmede
küre alanı yüzey enerjisini
arttırır
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Çekirdeğin çapı değiştirilmeden
çekirdek bir yüzeye yapışırsa
yüzey alanı azaltılabilir
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
2R
b
w
 Fazı
bKatı(b)

bw
Katı (b)
d
rb
a)
b
Duvar
b)
Şekil. a) Küresel şapkanın geometrisi,
b) Şapka kenarında yüzey gerilim diyagramı.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Duvar
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
DGHeterojen= DGHacim + DGYüzey
DGHeterojen= Şapka hacmi x Hacim enerjisi + Yüzey alanı x Yüzey enerjisi


D G ( yüzey ) = A b  b  A b w  b w  A b w   w
(5.13)
Aαβ : α - β arayüzeyinin alanı, ve Aβw : β - w arayüzeyinin alanı.
Üç fazın birleştiği kenarda yüzey gerilim kuvvet dengesi kurulursa;
  w =  b w   b cos d
S = cos d
(5.14)
2
ve A b w =  R
2
D G ( yüzey ) = A b  b   R (  b .S )
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
(5.15)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Küresel şapka çifti şeklinde çekirdeğin oluşması ile toplam serbest enerji
değişimi;
D G = D G ( hacim )  D G ( yüzey )

2
(5.16)

D G = Vb D G B  A b   R S  b
Küresel şapkanın yüzey alanı ve hacim ilişkileri bilinmeli.
 2  3S  S
3
Vb =  rb 

3
A b =  rb 1  S 
2
3


(5.17)
R = rb sin d
Bu eşitlikler toplam serbest enerji eşitliğinde yerine konulduğunda;
 2  3S  S
3
D G =  rb 

3
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
3


2
2
2
 .D G B  2  rb (1  S )   rb (sin d ) .  b

(5.18)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
sin2δ = 1-S2 olduğunu göz önüne alarak;
4 3
2
DG =
 rb D G B  4  rb  b
 3
3

2

3
S

S

.D G B  


4


(5.19)
Heterojen çekirdeklenmede kritik çekirdek yarıçapı:
*
rb = 
2  b
(5.20)
DG B
Heterojen çekirdekleşme için ΔG*;
3

2

3
S

S
*
*
D G ( het .) = D G (hom .) 

4


ΔG*(het) < Δ G*(hom.)
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
(5.21)
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Heterojen Çekirdeklenme Uygulamaları;
A.
Yağmur Bombası:
Yağmur iki şekilde oluşur:
- Bulut katmanlarının çarpışması,
- Buharların 0 oC altında aşırı soğuması ve buz kristalleri
çekirdekleşmesi.
Yapay yağmur (yağmur bombası)
Bulutlar CO2, AgI veya çöl kumu vs. ile buza çekirdeklenir.
Atmosfer sıcaklığına bağlı: kar, sulu kar, yağmur.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
B.
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Cam Bardakta CO2 Çekirdeklenmesi
Cam bardakta bira, gazoz, şampanya var ise;
Gaz kabarcıkları bardak duvarında olur.
Cam bardak yüzeyi tam düz değil.
Cam yüzeyi süreksizliklerinde gazlar çekirdeklenir
C.
Karbür Çekirdekleyiciler
Ti ve Nb mikroalaşımlı yüksek mukavemetli
düşük alaşımlı çelikler (HSLA).
İnce (10 – 20 nm) karbür ve nitrürler oluşur.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
D.
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Tane İnceltme
Sıvı
Çekirdekler
Kolonsal taneler
Sıvı
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Sıvı
Aşırı soğuyan taneler (çil zonu)
Eş eksenli taneler
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
-Al ve alaşımlarına
katılaşmadan önce TiB2
ilavesi.
% 0.01 TiB2 ilavesi
kolonsal büyüyen Al eş
eksenli olur.
- Aşılama işlemi
a)
b)
Şekil. a) % 0,03 TiB2 ve
b) % 0,03 TiB2 + % 0,01 katı Ti ilaveli Al
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
Eş eksenli
taneler
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
Sadece yaşayan
kolonsal taneler
Şekil. Türbin kanatlarının tane yapılarının kontrol
edilmesi: (a) Geleneksel eş eksenli taneli yapı. (b)
Yönlenmiş olarak katılaştırılan kolonsal taneler ve
(c) Tek kristal.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT
Sadece yaşayan
tek bir tane
Download

Çekirdekleşme