Malzeme Bilimi Dislokasyonlar 1 1 2007-2008 GÜZ YARIYILI MALZEME I Dislokasyonlar 19.11.2007 2 3 4 DİSLOKASYONLAR Dislokasyonlar çizgisel hatalardır. Teorisi 1930’lu yıllarda geliştirilmiştir. Deneysel olarak 1950’li yıllarda elektron mikroskoplarında kanıtlanmıştır. Malzemelerin mukavemeti ve tokluğu bu kusurla kontrol edilir. Türleri : Kenar Dislokasyonu Vida Dislokasyonu Karışık Dislokasyonlar Kırık Dislokasyonlar (Kink ve Jog) 5 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonu, kafes içinde atomların bir ekstra yarı düzlemi olarak düşünülür (Şekil 6.1). Çizgisel bir kusurdur, çünkü kafeste üretilen kusurlu noktaların geometrik yeri bir çizgi boyunca uzanır (ekstra yarı alanın altı boyunca). Şekil 6.1’deki dislokasyon içeren kristale kayma gerilmesi, ? ? ? ? uygulandığında, atomların ekstra yarı düzlemi sağa doğru itilir ve kristalin dış yüzeyine çıkarak bir kayma çizgisinin başlangıcını oluşturur. 6 Şekil 6.1. Kenar dislokasyonu dislokasyon çizgisi kayma düzlemi ekstra yarı düzlem 7 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Dislokasyon hareketinin etkisi Şekil 6.2’de gösterilmiştir. Bir kayma gerilmesi altında tüm atomlar küçük bir miktar ötelendiğinde, ekstra yarı düzlem bir kafes parametresi “a” kadar itilerek 1 konumundan 2 konumuna yerleşir. Atomların ektra yarı düzleminin 2 konumuna kaydırılması ile, düzlemin tüm değişik atomlardan oluştuğu görülür. Ekstra düzlem artık 1L atomları yerine 1R atomlarından oluşur. Böylece, ekstra düzlem tam bir “a” mesafesi ile kaydırılmış olur. Bu hareketle beraber dislokasyonun çevresinde sınırlı ve bir göl üzerinde oluşan dalga hareketine benzer yöresel bir bozunum görülür. 8 Şekil 6.2. Kenar dislokasyonu hareketine bağlı olarak atom hareketleri 9 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Dislokasyon hareketine benzer hareketler ; Yerdeki halıyı çekerken Yatak düzeltirken Solucanın hareketi (Şekil 6.3a) Yılanın hareketi (Şekil 6.3b) vb. Şekil 6.3. Dislokasyon hareketine benzeyen doğal hareketler 10 11 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Dislokasyon hareketi için enerji gereksinimi Şekil 6.2’deki atom hareketi bir merkez doğru üzerinden simetriktir ; 1L atomunun hareketi 1R atomunun hareketine eşit ve zıt yönde 2L atomunun hareketi 2R atomunun hareketine eşit ve zıt yönde 3L atomunun hareketi 3R atomunun hareketine eşit ve zıt yönde Sonuç olarak bu harekette bağları gerdirme için gerekli enerji, bağları kısaltan enerji tarafından dengelenir. İlk yaklaşımda dislokasyonu hareket ettirme enerjisinin sıfır olacağı söylenebilir. Dislokasyon hareketleri çok düşük kayma gerilmesinde gerçekleşir. 12 Şekil 6.4. Kenar dislokasyonunun konumu ile enerji değişimi 13 Üstteki sıkı paket düzlemin sağa doğru bir başka sıkı paket pozisyonuna kayabilmesi için kararsız bir durumdan geçmesi gerekir. 14 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Şekil 6.5’de kenar dislokasyonu için değişik bir yaklaşım verilmiştir. Tek bir kristalin sağ üst tarafına bir kuvvet uygulandığında, kuvvet sağ taraftaki yüzeyin üstündeki atomların bir atom mesafesi kadar sola kaymalarını sağlar. Sol taraftaki yüzeyin üstündeki atomlar sola kaymadıkları için bu hareket bir ekstra düzlem üretir. Şekil 6.5. Kenar dislokasyonu 15 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Kavramlar Dislokasyon çizgisi : Kristal içinde biten ve atomların ekstra düzleminin kenarı boyunca uzayan çizgi. Kayma düzlemi : Kayma vektörü ve dislokasyon çizgisi tarafından saptanan kafes düzlemi. Eğer dislokasyon, kayma vektörü yönünde hareket ederse bu hareket kayma ile gerçekleşiyor denir ve dislokasyon çizgisi kayma düzlemi boyunca hareket eder. Sembol : Kenar dislokasyonları, genelde dikey işaret ile sembolize edilir, + . İşaret yukarı yönü gösteriyorsa +, ekstra düzlem kayma yüzeyinin üstünde bulunur ve dislokasyon pozitif olarak adlandırılır. İşaret aşağı yönü gösteriyorsa, T , ekstra düzlem kayma yüzeyinin altında bulunur ve dislokasyon negatif olarak adlandırılır. Kayma vektörü : Kayma vektörü genellikle Burgers vektörü olarak adlandırılır ve Şekil 6.6’da gösterildiği gibi belirlenir. 16 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Burgers vektörünün belirlenmesi (Şekil 6.6) : 1) Dislokasyon çizgisi boyunca pozitif bir yön seçilir (keyfi). 2) Şekildeki gibi dislokasyon çizgisine dik bir düzlem oluşturulur. 3) Bu alanda dislokasyon çizgisi çevresinde bir yol belirlenir ve birbirine dik 4 karşılıklı yönde kafes vektörü kadar hareket edilir. Saat yönünde dislokasyon çizgisi etrafında çevrim gerçekleştirilir (Burgers döngüsü). 4) Bu işlemde çevrimin kapanmaması bir dislokasyon göstergesidir. Burgers vektörü, döngüde kapatımı oluşturan vektördür ve kayma vektörüne denktir. 17 Şekil 6.6. Kenar dislokasyonu ve ilgili Burgers döngüsü 18 Kenar Dislokasyonu 19 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Kenar dislokasyonunun hareketleri : Kayma hareketi : Dislokasyon çizgisi Burgers vektörü yönünde hareket eder. Tırmanma hareketi : Dislokasyon çizgisi Burgers vektörüne dik hareket eder (Şekil 6.7). Bu hareket ile ekstra yarı alan uzar veya kısalır. 20 Şekil 6.7. Kenar dislokasyonunun tırmanma hareketi Ekstra yarı düzlem kısalır (pozitif tırmanma) 21 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Tırmanma Hareketi, kayma hareketinden daha fazla enerji gerektirir, çünkü tırmanma hareketinde boşyerlerin yer değiştirmesi gerekir. Pozitif tırmanma > ektra yarı alanın boyunu kısaltır Negatif tırmanma > ekstra yarı alanın boyunu uzatır Pozitif tırmanma > boşyerlerin yok olmasına neden olur. Negatif tırmanma > boşyer oluşumuna yol açar. Baskı gerilmesi > pozitif tırmanmaya neden olur. Çekme gerilmesi > negatif tırmanmaya neden olur. 22 Şekil 6.8. Kenar dislokasyonunun kayma hareketi ile oluşan kafes yer değişimi Dislokasyon geçişinin net etkisi olarak, kayma gerilmesi ile kristalin üst tarafı alt tarafına göre bir “b” vektörü kadar kayar. Sonuç olarak kayma düzleminin üst tarafındaki atomlar alt taraftakilere göre bir “b” vektörü kadar ötelenir. 23 DİSLOKASYONLAR Kenar Dislokasyonu (devamı) Kenar dislokasyonunun özellikleri (özet) : Kenar dislokasyonları atomların bir ekstra düzlemi olarak görülür. Burgers vektörü dislokasyon çizgisine düşey (dik) konumdadır. Kayma düzlemi, dislokasyon çizgisi ve Burgers vektörü ile belirlenir. Kayma hareketi, kayma yüzeyinin üstündeki atomların, kayma yüzeyinin altındaki atomlara oranla bir Burgers vektörü miktarında yer değiştirmesine neden olur. Tırmanma hareketi, ekstra yarı düzlemin boyutunun değişimiyle ortaya çıkar ve boşyerin yok edilmesi veya oluşturulması ile bağlantılıdır. 24 DİSLOKASYONLAR Vida Dislokasyonu Geometrik olarak tasarımı daha zordur. 1939 yılında Burgers tarafından bulunmuştur. Şekil 6.9(a)’da gösterildiği gibi bir palakanın kenarına karşılıklı bir kayma gerilmesi uygulandığında plaka yırtılır. Bu yırtılma Şekil 6.9(b)’de gösterildiği gibi düzlemsel açılmaya neden olur. Şekil 6.9. Vida dislokasyonu 25 DİSLOKASYONLAR Vida Dislokasyonu (devamı) Şekil 6.9(b)’de plakanın üst yarısı, alt yarısına göre sabit bir kayma vektörü ile kayma düzlemleri üzerinden kaymıştır. Vida dislokasyon çizgisi, kaymanın öncü kenarındadır ve kayma vektörüne paraleldir (kenar dislokasyonunun tersine). Vida dislokasyonu dislokasyon çizgisi boyunca “S” harfi ile sembolize edilir. Şekil 6.10, bu tür dislokasyona neden “vida” denildiğini açıklar. 26 Vida Dislokasyonu Kayma gerilmesi sonucunda kristalin üst kısmı bir atom mesafesi kadar ötelenir. 27 Şekil 6.10. (a) Vida dislokasyonu ile helisel yer değişimi (b) Vida dislokasyonu için Burgers halkası/devresi Bir silindirin merkezine doğru hareket eden vida dislokasyonu gösterilmiştir. Silindirin eksenine dik ve “b” mesafesi ile birbirinden ötelenmiş düzlemler dislokasyon hareket sonucu bir spiral çizgisi oluşturacak şekilde birbirine bağlanır, bu da bir vida dişidir. sağ el vida dislokasyonu 28 Kenar Dislokasyonu 29 Vida Dislokasyonu 30 DİSLOKASYONLAR Vida Dislokasyonu (devamı) Vida dislokasyonunun özellikleri (özet) : Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir. Bu nedenle hem çizgi, hem de b vektörünü belirlemek, kenar dislokasyonundaki gibi kayma düzlemini belirlemekle eşanlamlı değildir. Kayma hareketi, dislokasyon çizgisinin kayma yönüne dik açılarda hareketine neden olur. Bu nedenle çizginin hareketi hem gerilme vektörüne, hem de gerilme sonucu oluşan kaymaya dik açıdadır. Dislokasyonu atomların ekstra düzlemi olarak göstermek imkansızdır. Dislokasyon çizgisinin ilerlemesi, kayma düzleminde karşılıklı oturan atomların birbirlerine oranla bir b vektörü hareketine neden olur. 31 Dislokasyon hareketinin yönü Kenar dislokasyonunun kayma hareketinde dislokasyon çizgisi uygulanan gerilmeye paralel hareket eder. 32 Dislokasyon hareketinin yönü Vida dislokasyonunun kayma hareketinde dislokasyon çizgisi uygulanan gerilmeye dik hareket eder.