MALZEME BİLGİSİ
advertisement
MALZEME BİLGİSİ Doç. Dr. Ali GÜNDOĞDU Gıda Müh. Böl. GİRİŞ Genel anlamda ,ihtiyaç duyulan maddelere malzeme denir. Teknik anlamda ise, mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere malzeme adı verilir. Günümüzde kullanılan malzemeler dört ana grupta incelenir: 1. Metalik Malzemeler: Al, Cu, Zn, Fe ve Ni gibi saf metaller ile bir metalin diğer elementlerle oluşturduğu çelik (Fe–C), pirinç (Cu–Zn) ve bronz (Cu–Sn) gibi alaşımlardır. 2. Seramik Malzemeler: Genelde metallerle metal olmayan elementlerin oluşturduğu Al2O3, MgO, SiO2, Al2Si2O5(OH)4 ve SiC gibi inorganik kimyasal bileşikler veya böyle bileşiklerin cam, tuğla, beton ve porselen olarak adlandırılan karışımlarıdır. Cam; ana madde SiO2’nin yanında alkali ve toprak alkali metal oksitleriyle bazı diğer metal oksitlerini içerir. Tuğla; kilden yapılır. Killer genelde Al2O3, Fe2O3, SiO2, CaO, MgO, NaO vb. içerirler. Beton; çimento ve su karışımıdır. Çimento ise; CaO, MgO gibi alkalin öğeler ve SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 gibi hidrolik öğelerden oluşur. Betonun sertleşmesi için su gerekir. Porselen; seramikten farkı, pişirme sıcaklığı daha yüksektir. Seramik su emer ve daha dayanıksızdır. Ayrıca seramik ışığı geçirmezken porselen geçirir. 3. Organik Malzemeler: Karbonun başta hidrojen olmak üzere oksijen, azot, flor ve klor gibi metal olmayan elementlerle oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Bunlar doğal ya da yapay olabilirler. Ağaç, deri ve kauçuk olanlar doğal, poliester, polietilen, politetrafloroetilen (teflon) ve polivinilklorür (PVC) gibi plastikler de yapay olanlara örnektir. 4. Karma veya Kompozit Malzemeler: Yukarıdaki grupların farklı özelliklerini belirli ölçüde bir malzemede toplamak amacıyla değişik gruplardaki malzemelerin makro düzeyde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemelerdir. Örneğin; betonarme (beton+çelik), cam lifleriyle kuvvetlendirilmiş plastik (plastik+cam lifleri), metal matriksli kompozitler (metal+seramik). Malzemelerin özellikleri iç yapılarına bağlıdır. Örneğin bir malzeme çok yüksek sıcaklığa çıkartılıp soğutulduğunda mukavemeti azalır. Bu işlemle kimyasal yapı değişmez, ancak iç yapıdaki değişim mukavemeti etkiler. Malzeme seçiminde yalnızca mekanik özellikler yetmez. Bu nedenle üretilen bir parçanın özelliklerini anlamak için iç yapısına bakmak gerekir. Ayrıca kullanım sırasında da parçanın iç yapısında yapısal değişimler olabilir ve böylece parçanın davranışı etkilenebilir. MALZEMELERİN ATOM YAPISI Malzemelerin özellikleri yapılarına bağlıdır. Bu yapılar da atomlarının cinsine, dizilişine ve birbirine bağlanış şekillerine göre değişir. Atomların malzeme içerisine dizilişleri birim hücreler yardımıyla gösterilebilir. Milyarlarca birim hücrenin belirli bir düzen içerisinde bir araya gelmesiyle malzemelerin taneleri oluşur. Bu taneler de bir araya gelerek malzemenin iç yapısı oluşur. En küçük yapı taşı atom olduğundan malzemelerin yapılarının anlaşılması atomik özelliklerinin incelenmesiyle yapılır. ATOM YAPİSİ VE ELEKTRON DÜZENİ Bütün yapılar kimyasal elementlerden oluşur. Elementler de atomlardan meydana gelir. Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına o elementin atomu denir. Bir atom 3 parçacıktan oluşur: elektronlar (negatif elektrik yüklü), protonlar (pozitif elektrikle yüklü) ve nötronlardır (yüksüz ya da nötr). Atomun neredeyse tüm kütlesi çekirdekte toplanmıştır. Çekirdek proton ve nötronlardan oluşur. Protonun kütlesi yaklaşık 1,673 x 10–24 g ve nötronun kütlesi de yaklaşık 1,675 x 10–24 g’dır. Elektronun kütlesi ise 9,11 x 10–28 g olup bu değer protonun kütlesinin yaklaşık olarak 1/1800’üne eşittir. Proton ve nötronları içeren pozitif yüklü çekirdek negatif yüklü elektronlarla sarılmıştır. Atom elektrik yükü bakımından nötrdür. Yani atomun toplam elektrik yükü sıfırdır. Elektronlarla protonların elektrik yükleri eşit, ancak zıt işaretli olduklarından nötr bir atomun elektron sayısı proton sayısına eşittir. Proton sayısı Z, nötron sayısı N ise o elementin atom numarası Z olur ve kütle numarası veya atom ağırlığı A ise Z + N ile verilir. Bir elementin atom numarası aynı, kütle numarası farklı olan türlerine o elementin izotopları denir. Doğada bulunan elementler genelde farklı izotoplardan oluşur. Bu nedenle bir elementin atom ağırlığı izotopların ortalama ağırlığı olup, bu değer tam sayı olmayabilir. Elementlerin atom numaraları ile atom ağırlıkları veya kütle numaraları periyodik tablolarda belli bir düzene göre gösterilir. Alkali Metals THE PERİODİC TABLE Alkaline Earths Halogens Main Group Transition Metals Main Group Noble Gases Lanthanides and Actinides Şekil 1. Periyodik Tablo Elektron sayısı proton sayısından farklı olan atoma iyon denir. Atom dışarıdan elektron alırsa negatif yüklü iyon veya anyon, elektron kaybederse pozitif yüklü iyon veya katyon durumuna geçer. Bohr Atom Modeline göre elektronlar çekirdek etrafında yarıçapı rn olan belirli dairesel yörüngelerde dönerler. Her yörüngedeki elektronun belirli bir enerjisi vardır. Söz konusu enerji çekirdekten çekirdekten uzaklaştıkça artar ve n=∞ olduğunda, yani serbest elektron için enerji sıfır kabul edilir. Şekil 2. Elektron kabukları Şekil 3. Bohr Atom Modeli Şekil 4. Enerji Seviyeleri Buna göre bir atomun elektronlarının enerji değerleri negatif işaret taşır ve bu enerji değeri; 2 2 𝐸 = −13,6 × 𝑍 /𝑛 𝑒𝑉 formülü ile belirlenir. Z: atom numarası veya proton sayısı, n=yörünge sayısı ya da baş kuantum sayısıdır. Ancak Bohr Atom Teorisi’nde bazı hatalar ve eksiklikler vardır. Daha sonra bilim adamları elektronların hem parçacık hem de dalga karakterine sahip olduklarını kanıtladılar. Modern Atom Teorisi matematiksel bağıntılarla tanımlanmaktadır. Heisenberg ve Schroedinger’in 1920’li yıllardaki çalışmaları ve dalga mekaniğindeki gelişmeler sonucu, Modern Atom Kavramı bir takım matematiksel bağıntılarla ifade edilir hale gelmiştir. Bir elektronun yörüngesini tam olarak belirlemek mümkün değildir. Elektronun konumu ancak belirli bir olasılıkla belirlenebilir. Yani elektronun ait olduğu atomun verilen bölgesinde bulunup bulunmayacağı ancak belirlenebilir. Söz konusu olasılık, matematiksel olarak belirli bir denklem ile gösterilebilir. Bu dalga denkleminin çözümü ile n, l, ml ve ms harfleriyle gösterilen dört kuantum sayısı elde edilir. Bu sayılar elektronun konumunu, enerji seviyesini ve dönme (spin) yönünü belirler. Baş kuantum sayısı (n): Elektronun bulunduğu enerji kabuğunu gösterir. Numaralama iç kabuktan dışa doğru yapılır. Ve n = 1, 2, 3, 4….. gibi tam sayılarla gösterilir. Bir ana kabukta bulunabilecek maksimum elektron sayısı 2n2 ile sınırlıdır. Tablo 1. Baş kuantum sayısının gösterdiği enerji kabukları ve elektron sayıları Baş kuantum sayısı Kabuk Kabukta bununabilecek maks. Elektron sayısı (2n2) 1 K 2 2 L 8 3 M 18 4 N 32 . . . . . . Açısal kuantum sayısı (l): Bir elektron kabuğu içindeki alt kabukları veya alt enerji düzeylerini belirler. Bu sayı, orbital türünü belirler. Alabildiği değerler; l = 0, 1, 2, 3, ….(n–1). Bu alt kabuklar rakamla gösterilebileceği gibi s(0), p(1), d(2), f(3), g(4), … gibi harflerle gösterilebilir. Açısal kuantum sayıları elektron kabukları içinde bulunan elektron bulutlarını ifade eder. n = 1 için l = 0 haline karşılık gelen orbital s n = 2 için l = 1 haline karşılık gelen orbital p n = 3 için l = 2 haline karşılık gelen orbital d n = 4 için l = 3 haline karşılık gelen orbital f Tablo 2. İlk beş elektron kabuğu için alt kabuklar n l 1 2 3 4 5 0 0,1 0,1,2 0,1,2,3 0,1,2,3,4 s s,p s,p,d s,p,d,f s,p,d,f, g Magnetik kuantum sayısı (ml): Atom etrafında dolanan elektrolar, bir telden geçen elektrik akımı gibi düşünüldüğünde manyetik alan oluştururlar. Atom dış bir manyetik alana yerleştirildiğinde dış manyetik alanın etkisiyle her bir alt kabuktaki orbitaller enerji yönünden farklılaşır. Dış manyetik alan olmadığında her alt kabuktaki orbiatallerin enerjileri birbirine eşittir. Bu kuantum sayısı manyetik alanda orbitallerin yönelişi ile ilgilidir. Magnetik kuantum sayısı, orbitallerin sayısı ve uzaydaki yönelişlerini belirler. ml = –l, …., 0, …., +l kadar değer alır. Örneğin: l = 1 ise ml = – 1, 0, +1 Bu kuantum sayısı açısal kuantum sayısı ile belirlenen her bir alt kabukta kaç tane orbitalin olduğunu gösterir. ml harfi ile gösterilir. – l’den başlayarak +l’ ye kadar 0 dahil tam sayılı değerler alabilir. ( ml = –l,….0, ….+l). Her bir l değeri için 2l+1 kadar ml değeri yani orbital vardır. s alt kabuğunda 1 orbital p alt kabuğunda 3 orbital, d alt kabuğunda 5 orbital, vb. bulunur. Tablo 3. İlk üç elektron kabuğu için açısal ve magnetik kuantum sayıları n l m Orbital Sayısı 1 s 0 1 1 2 s p 0 -1, 0, +1 1 3 4 3 s p d 1 3 5 9 0 -1, 0, +1 -2,-1, 0, +1,+2 Baş kuantum sayısı n’ye kabuk, açısal kuantum sayısı l’ye ise alt kabuk da denir. Her bir kabukta (yani enerji düzeyinde) n2 tane orbital vardır. Her bir alt kabuk (2l + 1) tane orbital içerir. Spin kuantum sayısı (ms): Elektronların kendi ekseni etrafında dönmesi ile ilgili kuantum sayısıdır ve ms ile gösterilir. Spin kuantum sayısı, bir yöndeki dönme için +½ ve diğer yöndeki dönme için –½ değerini alır. Bu da orbitalde en fazla 2 elektronun bulunabileceği anlamına gelir. Elektronların biri saat yelkovanı yönünde dönerken diğeri ters yönde döner. Böylece her bir elektronun oluşturacağı manyetik alanlar birbirini yok edeceğinden elektronlar orbitalde kararlı bir halde dururlar. ATOMLARARASİ VE MOLEKÜLLERARASİ BAĞLAR Malzemelerde atomları bir arada tutan bağlar, birincil bağlar ve ikincil bağlar olmak üzere iki grupta incelenebilir. Birincil bağlar oldukça kuvvetli olan metalik, iyonik ve kovalent bağlardır. Bunlar atomlararası bağlardır. İkincil bağlar ise daha zayıf olan Van der Waals ve hidrojen bağları’dır. Bunlar da moleküllerarası bağlardır. METALİK BAĞLAR Genel olarak metallerin dış kabuklarında en fazla 3 elektron bulunur. Valens elektronları olarak bilinen bu elektronlar çekirdeğe oldukça zayıf bağlarla bağlıdırlar. Elektronların çekirdeğe kuvvetli bağlarla bağlanabilmesi için 8 tanesinin bir araya gelerek kapalı bir kabuk oluşturması gerekir. Buna oktet kuralı denir. Bu nedenle metal atomları çekirdeğe gevşek olarak bağlanan valens elektronlarını kolayca serbest bırakarak metal içerisinde bir elektron bulutu oluştururlar. Elektron bulutu ile pozitif iyon haline geçen atomlar arasında kuvvetli bir elektrostatik çekim kuvveti sayesinde atomlar birbirine sıkıca bağlanırlar. Bu şekilde oluşan bağa metalik bağ denir (Şekil 5). Magnezyum atomları metalik bağa örnek verilebilir (Şekil 6). Şekil 5. Metalik bağın oluşumu Mg2+ iyonları Elektron bulutu Şekil 6. Magnezyum iyonları arasında metalik bağın oluşumu Atomları metalik bağ ile bağlanan malzemeler, serbest elektronlara sahip olduklarından elektriği ve ısıyı iyi iletirler. Çünkü, bir metal parçasının uçlarına bir potansiyel farkı (gerilim) uygulandığında metal içerisindeki serbest elektronlar harekete geçerek bir elektrik akımı oluştururlar. Ayrıca, yeterince kuvvet ya da gerilme uygulandığında, birbirine göre kayan atom grupları arasında elektron bulutu sayesinde yeniden bağlantı sağlandığından, metalik malzemeler plastik gibi şekil değiştirmeye müsaittirler. Atomları arasında metalik bağ bulunan malzemelerin belli başlı özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1. Elektrik ve ısıyı iyi iletirler, 2. Şekil değiştirmeye elverişlidirler, 3. Katı halde kristal yapıya sahiptirler, 4. Işığı yansıtırlar. IYONİK BAĞ Bu bağ, metal atomları ile metal olmayan elementlerin (ametaller) atomları arasında oluşur. Metal olmayan element atomlarının dış kabuklarında bulunan elektron sayısı, metal atomlarının dış kabuklarında bulunan elektron sayısından daha yüksektir. Yani ametal atomları metal atomlarından daha fazla valens elektronuna sahiptir. Örneğin dış kabuğunda 7 elektron bulunan klor (Cl) atomu, bu kabuğunu doldurmak veya kararlı bir yapıya sahip olmak için bir elektronu rahatlıkla kabul eder. Klor bir elektron alınca elektron sayısı proton sayısından bir fazla olacağından –1 yüklü Cl– haline geçer. Klor atomları, bir metal olan sodyum (Na) atomlarıyla yan yana geldiğinde, dış kabuğunda bir valens elektronu bulunan Na atomlarından Cl atomuna elektron transferi olur. Bu durum, pozitif Na+ iyonları ile negatif Cl– iyonları arasında kuvvetli bir elektrostatik çekim oluşturur. Sonuçta, yemek tuzu olarak bilinen sodyum klorür (NaCl) bileşiği meydana gelir. İyonik bağın oluşumu şematik olarak Şekil 7’de gösterilmiştir. Şekil 7. İyonik bağın oluşumu ve NaCl bileşiği NaCl bileşiği hem Na’dan hem de Cl’den farklı özelliklere sahiptir. Şöyle ki, yiyecek maddesi olarak kullanılan tuz (NaCl) zararsız olmasına karşın, Cl zehirlidir. Na ise çok reaktif bir maddedir. İyonlaşma ile oluşan iyonik bağ oldukça kuvvetlidir. Atomları iyonik bağlarla bağlanan malzemelerde elektronlar sıkıca tutulduklarından bu maddelerin elektriksel iletkenlikleri, serbest elektron bulutuna sahip metalik malzemelerin iletkenliklerinden çok daha düşüktür. Atomları iyonik bağlarla bağlanan malzemeler oldukça kırılgandır. Çünkü iyon düzlemlerinin birbiri üzerinden kayması durumunda, farklı iyonların elektrik alanları birbiriyle zıtlaşır ve oluşan itme kuvvetleri malzemenin kırılmasına neden olur. KOVALENT BAĞ Elektron çifti bağı olarak da adlandırılan bu bağın en önemli özelliği, elektronların sıkıca tutulması ve komşu atomlar tarafından eşit olarak (ortaklaşa) paylaşılmasıdır. Bazı element atomları bir veya iki elektronunu komşu atomlarla paylaşarak daha kararlı bir yapı oluştururlar. Örneğin atom numarası 7 olan azotun (N) dış kabuğunda 5 elektron bulunur ve bu kabuğun doldurulabilmesi için 3 tane daha elektrona ihtiyacı vardır. Öte yandan, hidrojen (H) atomunun dış kabuğunda ise yalnızca 1 elektron vardır. Kararlı bir yapının oluşumu için N ve H, Na ve Cl’den daha farklı davranır. Yani, 1 N atomu, 3 H atomunun elektronlarını paylaşır, buna karşılık kendi 3 elektronunu H atomlarıyla paylaşarak amonyak (NH3) bileşiğini oluşturur. Bu durumda iyon oluşmaz, paylaşılan elektronlarla pozitif yüklü çekirdek arasında oluşan çekim kuvvetinden dolay kuvvetli bağ oluşur (Şekil 8). Şekil 8. Kovalent bağın oluşumu Kovalent bağ daha çok gaz moleküllerinin atomları arasında meydana gelir. Ancak seramik malzemelerinin çoğu da kovalent bağlarla bağlıdır. Atomları arasında kovalent bağ bulunan malzemelere tipik bir örnek de elmas kristalidir. Elmas kristalinde dört yüzeyli bir prizmanın merkezinde bulunan her bir karbon atomu dört elektronundan her birini komşu atomlarla paylaşır. Elmas kristalinin karbon atomları arasındaki kovalent bağlar Şekil 9’da gösterilmektedir. (a) Şekil 9. (a) Grafit, (b) Elmas’ın yapısı (b) Kovalent bağ 4 valens elektronlu yarı iletkenlerde de görülür. Örnek olarak silisyum verilebilir. Silisyum atomları arasındaki kovalent bağın oluşumu aşağıdaki gibidir: (a) (b) Şekil 10. (a) Silisyum atomu ve (b) silisyum atomları arasında kovalent bağ oluşumu VAN DER WAALS BAĞİ Bir moleküldeki elektronlar sürekli hareket ettiğinden çarpışmalar veya elektriksel çekim kuvveti etkisiyle herhangi bir anda elektronların molekülün bir bölgesinde yığılma olasılığı vardır. Böyle bir durumda, apolar olan bir molekül kısa süreliğine polarlaşır ve bir anlık dipol oluşur. Bir molekülde oluşan anlık dipol yakında bulunan başka bir moleküldeki elektronu da etkiler ve bu molekülde de dipol oluşur. Bu dipol, indüklenmiş dipol olarak adlandırılır. Anlık dipol ve indülenmiş dipoller arasındaki etkileşim moleküllerarası çekim kuvvetlerinin oluşmasına neden olur. Bir tür Van Der Waals etkileşimi olan bu çekim kuvvetleri London kuvvetleri olarak adlandırılır. London kuvvetleri, geçici zayıf bağlara sebep olduğundan sadece bu tür bağları içeren apolar maddeler genelde oda sıcaklığında gaz halinde bulunur. Ancak çok düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınç altında London kuvvetleri CO2 gibi apolar maddelerin katı ya da sıvı halde kalmasını sağlayabilir. London kuvvetleri, apolar maddelerin birbiri içinde çözünmesinde de etkilidir. Apolar moleküllerden oluşan iyodun, yine apolar moleküllerden oluşan brom sıvısı içerisinde çözünmesi London kuvvetleriyle açıklanabilir. Aslında London kuvvetleri polar moleküller arasında da söz konusudur (NaCl ve H2O gibi). Ancak bu kuvvetler diğer Van Der Waals bağları yanında çoğu zaman ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Van Der Waals bağı özellikle plastik malzemelerin özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Bir plastik malzeme olan zincir yapılı polivinil klorür (PVC) çok sayıda molekül içerir (Şekil 11) Şekil 11. PVC’de polimer zincirine bağlanan klor atomları negatif, hidrojen atomları ise pozitif olarak yüklenmiştir. Zincirler birbirlerine zayıf Van der Waals bağı ile bağlanmıştır. HİDROJEN BAĞİ Hidrojen bağı, bir molekülde oksijen, azot veya flor gibi elektronegatif bir atoma bağlı hidrojenin kısmi artı yükle yüklenmesi sonucu, başka veya aynı moleküldeki elektonegatif atom ile yaptığı kuvvetli bağdır. Van der Waals kuvvetinden güçlü olmasına karşın, tipik hidrojen bağı iyonik bağ ve kovalent bağdan daha güçsüzdür. Proteinler ve nükleik asitler gibi makromoleküller içinde, aynı molekülün iki parçası arasında var olabilir. Hidrojen bağı ismi, bağın bir hidrojen atomunu kapsamasından gelir. Genelde bağ, hidrojenin flor, oksijen ve azot gibi elektronegatifliği yüksek atomlarla yapmış olduğu kuvvetli bir etkileşim türüdür.(Sadece F, O, N ile H atomu arasında oluşabilir) Eğer hidrojen bağı iki atom arasında ortak kullanılıyor ise meydana gelen iki molekül arasındaki bağ zayıf bir bağdır. Hidrojen bağları genellikle oksijen ve azot gibi negatif elektrik yüklü atomlarla diğer bir negatif yüklü atomlara kovalent olarak bağlanmış hidrojen atomları arasında oluşan bağlardır. Dipol dipol etkileşmesinin kimyadaki en bariz örneğini teşkil eder. Hidrojen Bağı Van der Waals bağından güçlüdür, molekülleri arasında daha güçlü etkileşim olan maddenin kaynama noktası daha yüksektir. Bu yüzden hidrojen bağı içeren maddelerin erime kaynama noktaları Van der Waals bağı içeren maddelere göre daha yüksektir. İki farklı molekül birbirleriyle hidrojen bağı oluşturabilir. Şekil 12. (a) Sudaki Hidrojen bağları (b) Karboksilli asitlerde Hidrojen bağları KRİSTAL YAPILAR Malzemeler yapılarına göre kristal yapılı malzemeler ve kristal yapılı olmayan malzemeler olarak iki gruba ayrılabilir. Kristal yapılı olmayan malzemelere amorf veya camsı malzemeler de denir. Kristal yapılı malzemelerde atomlar üç boyutlu olarak belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim kafesi oluştururlar. Kristal yapılı olmayan malzemelerde ise genelde bir düzen söz konusu değildir. Kristal yapılı malzemelerin hacim kafeslerini oluşturan basit geometrik şekillere birim hücre, atom veya atom gruplarının bulunduğu yerlere de kafes noktası denir. Bir kristal yapıda bütün kafes noktaları özdeştir. Birim hücrenin kenar uzunlukları kafes parametresi olarak adlandırılır. Doğada bulunan yedi değişik kristal sistemi ile bunların geometrik özellikleri ve kafes türleri Tablo 4’de, birim hücreleri de Şekil 13’de gösterilmiştir. Kristal sistemi Kübik Tetragonal Eksenel uzunluklar ve açılar a = b = c, α = β = γ = 90o a = b ≠ c, α = β = γ = 90o a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90o Rombohedral a = b = c, α = β = γ ≠ 90o Ortorombik Hegzagonal a = b ≠ c, 90o α = β = 120o, Monoklinik a ≠ b ≠ c, α = β = 90o ≠ γ Triklinik Kafes türü Basit Hacim merkezli Yüzey merkezli Basit Hacim merkezli Basit Hacim merkezli Yüzey merkezli Taban merkezli Basit γ= Basit Basit Taban merkezli Basit Şekil 13. Kristal kafes yapılarının birim hücreleri Metal malzemeler çok özel durumlar dışında daima kristal yapıya sahiptirler. Metaller genelde hacim merkezli kübik (HMK), yüzey merkezli kübik (YMK) ve sıkı düzenli hegzagonal (SDH) yapılara sahiptir. Diğer kristal yapı türlerine metal ve seramiklerde çok seyrek rastlanır. BİRİM HÜCREDEKİ ATOM SAYİSİNİN BELİRLENMESİ a) Hacim Merkezli Kübik (HMK) Kafes Yapısı: HMK yapının birim hücresi ile atomların bu birim hücre içerisinde kalan bölümleri Şekil 14’de gösterilmiştir. Şekillerde görüldüğü gibi, köşelerde 8*1/8 = 1 atom ve merkezde 1 atom olmak üzere HMK kafes yapısının birim hücresinde toplam 2 atom bulunur. (a) (b) Şekil 14. (a) Hacim merkezli kübik yapının birim hücresi ve (b) atomların birim hücre içerisinde kalan bölümleri b) Yüzey Merkezli Kübik (YMK) Kafes Yapısı: YMK yapının birim hücresi ile atomların bu birim hücre içerisinde kalan bölümleri Şekil 15’de gösterilmiştir. Bu şekillerde görüldüğü gibi, yüzeylerde 6*1/2 = 3 atom ve köşelerde 8*1/8 = 1 atom olmak üzere YMK kafes yapısının birim hücresinde toplam 4 atom bulunur. (a) (b) Şekil 15. (a) Yüzey merkezli kübik yapının birim hücresi ve (b) atomların birim hücre içerisinde kalan bölümleri c) Sıkı Düzenli Hegzagonal (SDH) Yapı: SDH yapının birim hücresi ve birim hücredeki atomların düzeni Şekil 16’da gösterilmiştir. 12*1/6 = 2 atom, içerde 3 atom ve taban merkezlerinde 2*1/2 = 1 atom olmak üzere SDH yapının birim hücresinde toplam 6 atom bulunur. (a) (b) Şekil 16. (a) Sıkı düzenli hegzagonal yapının birim hücresi ve (b) bu birim hücredeki atomların düzeni KOORDİNASYON SAYİSİ Koordinasyon sayısı, belirli bir atoma temas eden veya en yakın konumda bulunan komşu atomların sayısını ifade eder. Bu sayı, atomların ne kadar sıkı paketlendiklerini veya hangi yoğunlukta dizildiklerini gösterir. Kristal yapılı malzemelerde koordinasyon sayısı kafes yapısına bağlıdır. Şekil 17’de verilen birim hücreler incelendiğinde, basit kübik (BK) yapının koordinasyon sayısının altı, hacim merkezli kübik (HMK) yapının koordinasyon sayısının sekiz, yüzey merkezli kübik (YMK) yapının koordinasyon sayısının ise sözü edilen sayının en yüksek değeri olan on iki olduğu görülür. Bu da kübik sistemde en yoğun atom dizilişinin YMK yapıda meydana geldiğini gösterir. Basit kübik yapı Hacim merkezli kübik yapı Yüzey merkezli kübik yapı Şekil 17. Basit, hacim merkezli ve yüzey merkezli kübik yapılarda atomların paketlenme düzenleri ATOMSAL DOLGU FAKTÖRÜ Atomsal dolgu faktörü (ADF), kristal kafes yapısındaki doluluk oranını gösterir ve birim hücredeki atomların toplam hacminin birim hücrenin hacmine bölünmesiyle bulunur. Bu faktör, kristal yapılı malzemelerin hacim kafesindeki atomların ne kadar sık dizildiklerini göstermek için kullanılır. a) Hacim Merkezli Kübik (HMK) Yapıdaki Atomsal Dolgu Faktörünün Belirlenmesi Bunun için önce söz konusu yapıda kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişkinin belirlenmesi gerekir. Bu ilişki Şekil 18’de görüldüğü gibi HMK yapının birim hücresinden yararlanarak belirlenebilir. Şekil 18. HMK yapıda kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişkinin gösterimi Bu şekilde a kafes parametresini, r ise atom yarıçapını gösterir. Birim hücreden çıkarılan DAG dik üçgenine göre, (𝟒𝒓)𝟐 = 𝒂𝟐 + (𝒂 𝟐)𝟐 bağıntısı yazılarak gerekli işlem 𝒂 𝟑 yapılırsa 𝒓 = olarak bulunur. 𝟒 Bu bağıntı, HMK yapıda atom yarıçapı ile kafes parametresi arasındaki ilişkiyi gösterir. 𝟒 Bir atomun hacmi, 𝑽𝒂𝒕𝒐𝒎 = 𝝅𝒓𝟑 formülü ile belirlenir. 𝟑 Birim hücredeki atomların toplam hacmini 𝑉𝑡 ile gösterelim. Birim hücredeki toplam atom sayısı 2 olduğuna 𝟐×𝟒 göre, 𝑽𝒕 = 𝝅𝒓𝟑 olur. 𝟑 Atom yarıçapının değeri bu formülde yerine konulup gerekli işlemler yapılırsa; 𝟐×𝟒 𝒂 𝝅( 𝟑 𝟒 𝟐×𝟒 𝟑𝒂𝟑 𝟑 𝟑 𝟑) = 𝝅 𝟑 𝟑 𝟒 𝟐 𝟑𝝅𝒂𝟑 𝟒𝟐 𝝅 𝟑𝒂𝟑 𝟖 𝑽𝒕 = = = olarak bulunur. 3 Birim hücrenin hacmi = 𝑎 olarak alınıp ilgili büyüklükler aşağıdaki formülde yerine konulduğunda; Atomsal dolgu faktörü (ADF) = 𝑨𝑫𝑭 = 𝝅 𝟑𝒂𝟑 𝟖 𝒂𝟑 = 𝝅 𝟑 𝟖 = 𝟑,𝟏𝟒 𝟑 𝟖 Birim hücredeki atomların toplam hacmi Birim hücrenin hacmi = 𝟎, 𝟔𝟖 olarak bulunur. Bulunan bu sonuç, HMK yapının veya bu yapıya ait birim hücrenin %68’inin atomlarla dolu, %32’sinin ise boş olduğunu gösterir. b) Yüzey Merkezli Kübik (YMK) Yapıdaki Atomsal Dolgu Faktörünün Belirlenmesi: Önce YMK yapıda atom yarıçapı ile kafes parametresi arasındaki ilişkinin belirlenmesi gerekir. Bu ilişki Şekil 19’daki birim hücreden yararlanılarak çıkarılabilir. Şekil 19. YMK yapıda kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişkinin gösterimi Bu şekilde a kafes parametresi ve r atom yarıçapıdır. Birim hücreden çıkarılan DAB dik üçgenine göre 𝒂 𝟐 𝟐 𝟐 𝟐 (𝟒𝒓) = 𝒂 + 𝒂 = 𝟐𝒂 yazılarak, 𝒓 = 𝟐 olarak 𝟒 bulunur. Bu bağıntı YMK yapıdaki kafes parametresi ile atom yarıçapı arasındaki ilişkiyi gösterir. 𝟒 Atomun hacmi 𝑽𝒂𝒕𝒐𝒎 = 𝝅𝒓𝟑 formülü ile belirlenir. 𝟑 Birim hücredeki atom sayısı 4 olduğuna göre atomların toplam hacmi; 𝑽𝒕 = 𝟒×𝟒 𝒂 𝝅( 𝟑 𝟒 𝟑 𝟐) = 𝟒×𝟒 𝟐 𝟐𝒂𝟑 𝝅 𝟑 𝟑 𝟒 = 𝝅 𝟐𝒂𝟑 𝟔 bulunur. Bu yapıya ait birim hücrenin hacmi 𝒂𝟑 olarak alınır. Söz konusu büyüklükler atomsal dolgu faktörünün hesaplanmasında kullanılan formülde yerine 𝝅 𝟐𝒂𝟑 𝝅 𝟐 konulursa, 𝑨𝑫𝑭 = = = 𝟎, 𝟕𝟒 olarak 𝟔𝒂𝟑 𝟔 bulunur. Elde edilen bu sonuç, YMK yapının %74’ünün atomlarla dolu, %26’sının ise boş olduğunu gösterir. KRİSTALLEŞME MEKANİZMASI Kristalleşme, sıvı durumdan katı hale geçiş olarak tanımlanır ve çekirdekleşme ve tanecik büyümesi olarak bilinen iki mekanizmayla gerçekleşir. Sıvı içerisindeki atomlar belli bir düzende bulunmazlar. Ancak bazı atomlar belli zamanlarda katı durumdaki uzay kafesine karşı gelen konumlarda bulunabilirler. Bu tür gruplaşma ya da bir araya gelme durumu sürekli olmayıp, devamlı bozulup tekrar başka konumlarda ortaya çıkabilir. Bu grupların ömürleri sıcaklığa ve grubun büyüklüğüne bağlıdır. Yüksek sıcaklıklarda atomun kinetik enerjisi de yüksek olduğundan atom grubunun ömrü kısa olur. Birkaç atomdan oluşan atom grupları çok kararsız olurlar. Çünkü, böyle bir grubu oluşturan atomlardan herhangi birinin ayrılması durumunda o grup dağılabilir. Sıvı metalin sıcaklığı düştükçe atomların hareketi yavaşlar ve bunun sonucunda hem grup sayısı artar hem de bu grupların ömrü uzar. Malzeme içindeki atomlar hem kinetik hem de potansiyel enerjiye sahiptir. Kinetik enerji atomların hareket hızı ile ilgili olup tamamen sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık arttıkça atomlar aktif, yani hareketli duruma geçtiklerinden kinetik enerjileri de artar. Atomların potansiyel enerjileri ise aralarındaki uzaklığa bağlıdır. Atomlar arasındaki ortalama uzaklık arttıkça atomların potansiyel enerjileri de artar. (Detayları gör) Katılaşma noktasında bulunan bir saf metali ele alalım. Katılaşma noktasında sıvı ve katı fazların her ikisi aynı sıcaklıkta bir arada bulunur. Bu noktada sıvı ve katı fazların içerisinde bulunan atomların kinetik enerjileri aynı olur, ancak potansiyel enerjileri farklıdır. Katı faz içerisindeki atomlar sıvı içerisindeki atomlara göre birbirlerine çok daha yakındırlar. Bu nedenle, katılaşma sırasında enerji açığa çıkar. Sıvı durum ile katı durum arasındaki bu enerji farkına gizli ısı ya da ergime ısısı denir. Ancak, katı ve sıvı arasında bir yüzey oluşturmak için enerji gerekir. Katılaşma noktasında veya sıcaklığında bulunan saf metallerde gizli ısı ile kararlı bir sınır oluşturmaya yetecek ölçüde enerji açığa çıkmaz. Bu nedenle, kararlı bir çekirdek oluşturmak için her zaman bir miktar aşırı soğuma gerekir. Aşırı soğumanın ardından dışarı verilen gizli ısı, sıcaklığı tekrar katılaşma noktasına çıkartır. Bu durum, Şekil 20’deki soğuma eğrisinde görülmektedir. A B D Ergime ya da katılaşma sıcaklığı Aşırı soğumaC E Şekil 20. Saf metalin soğuma eğrisi. ABDE ideal soğuma eğrisini, ABCDE de gerçek soğuma eğrisini göstermektedir. Aşırı soğuma miktarı, gerekli yüzey enerjisini azaltan katı katkı maddeleri veya safsızlık elementleri ile azaltılabilir. Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasının altına düşünce, sıvı içerisindeki değişik nokta veya konumlarda kararlı çekirdekler oluşur. Bu çekirdekler kristalleşmeye merkezlik yapar, yani kristalleşme bu çekirdeklerin etrafında meydana gelir. Soğuma devam ettikçe daha çok sayıda atom ya mevcut çekirdeklere bağlanır ya da kendileri yeni çekirdekler oluşturur. Her çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafesi içerisinde büyür. Kristal büyümesi üç boyutlu uzayda devam eder ve atomlar belirli doğrultularda, genellikle büyüme ekseni boyunca birbirlerine bağlanırlar. Bu büyüme olayı dentrit olarak adlandırılan ve ağaç dalına benzeyen karakteristik bir yapının oluşmasına neden olur. Her çekirdek tesadüfen oluştuğundan kristal eksenleri gelişi güzel sıralanır ve dolayısıyla dentritler farklı doğrultularda büyürler. Sıvı miktarı azaldıkça dentrit kolları arasındaki boşluklar dolar ve dentritlerin büyümesi komşu dentritler tarafından engellenir. Bu durum, dentritlerin veya kristallerin düzensiz biçimde görünmelerine neden olur. Kristallerin birbirine temas etmeleri sonucunda oluşan çizgilere tane sınırları adı verilir ve bu sınırlar taneleri birbirinden ayıran ara yüzeyleri gösterirler. Tane sınırlarındaki atomların belirli bir yerleşim düzenine sahip olmamaları nedeniyle bu bölgelerde kristal olmayan (amorf) yapılar oluşur. Geri kalan sıvının en son tane sınırlarına karşı gelen yüzey bölgelerinde katılaşması nedeniyle de tane sınırlarındaki safsızlık elementi oranı nispeten yüksek olur. Çekirdekleşmeden başlayıp tane yapısının oluşumuna kadar geçen kristalleşme aşamaları şematik olarak Şekil 21’de gösterilmiştir. Şekil 21a. Çekirdekleşme ve dentrit büyümesi şeklinde meydana gelen kristalleşmenin şematik gösterimi Şekil 21b. Çekirdekleşme ve dentrit büyümesi şeklinde meydana gelen kristalleşmenin şematik gösterimi MALZEMELERİN DEFORMASYONU Malzemeler, uygulanan kuvvetin büyüklüğüne göre elastik ve plastik olmak üzere iki çeşit deformasyona maruz kalır. Elastik Deformasyon Elastik şekil değiştirme, genel olarak kuvvet uygulanan malzemeye ait atomların komşularından ayrılmadan aralarındaki uzaklığın değişmesi anlamına gelir. Uygulanan kuvvetin ortadan kalkması durumunda cisim eski boyutlarına geri dönüyorsa bu cisimde meydana gelen şekil değişimine elastik deformasyon denir. Elastik deformasyonun iyi anlaşılabilmesi için atomlar arasındaki bağların bir yay gibi davrandıkları ve şekil değişimi sırasında kopmadıkları düşünülebilir. Yay gibi davranan atomlar arası bağ Şekil 22’de, kristal yapılı malzemelerde elastik deformasyonun meydana gelişini gösteren şematik diyagram da Şekil 23’de verilmiştir. Şekil 22. Atomlar arası bağın şematik gösterimi Gerilmesiz durum Çekme gerilmesi uygulandığında meydana gelen durum Basma gerilmesi uygulandığında meydana gelen durum Gerilme kaldırıldıktan sonraki durum Şekil 23. Çekme ve basma gerilmeleri uygulanan kristal yapılı bir malzemenin birim hücresinde elastik deformasyonun meydana gelişini gösteren şematik diyagram Plastik Deformasyon Uygulanan gerilmenin malzemenin elastiklik sınırını aşması durumunda meydana gelen kalıcı şekil değişimine plastik deformasyon denir. Plastik şekil değiştirme yeteneği, malzemeleri birbiriyle karşılaştırmak için kullanılan karakteristik özelliklerin başında gelir. Haddeleme, presleme, markalama, dövme, derin çekme, tel çekme ve ekstrüzyon gibi şekil verme işlemleri malzemenin plastik şekil değişimi ile ilgilidir. Detayları gör Şekillendirme işlemlerinin doğru yapılabilmesi için plastik deformasyon mekanizmaları ile malzemelerin davranışlarının iyi bilinmesi gerekir. ALAŞIMLAR En az biri metal olmak üzere iki veya daha fazla kimyasal elementten oluşan ve metal özelliği gösteren maddelere Alaşım denir. İki elementten oluşan sisteme iki bileşenli veya ikili alaşım sistemi, üç elementten oluşan sisteme ise üçlü alaşım sistemi adı verilir. Doğada en yaygın olarak bulunan 45 adet metal 990 adet ikili ve 14000 adet de üçlü sistem oluşturur. Kimyasal bileşim %1 oranında değiştirildiğinde her bir ikili sistemden 100 adet farklı alaşım elde edilir. Ticari alaşımların çoğu çok sayıda element içerir. Bu hususlar dikkate alındığında mevcut elementlerle sonsuza yakın sayıda alaşım yapılabileceği sonucuna varılabilir. ALAŞIMLAR Metallerin birçoğu yeterince dayanıklı olmadıklarından veya büyük bir sertlik arz ettiklerinden, bir kısmı da kolay aşındıklarından doğrudan doğruya kullanılamazlar. Bir metale belirli oranlarda başka elementler ilave edilerek özellikleri değiştirilebilir. Bu suretle yine bir metalden farklı görülmeyen fakat tamamen ayrı özelliklere sahip yeni bir çeşit metal üretilir. Elde edilen bu metale alaşım denir. Alaşımların üretimi için iki veya daha fazla metal uygun şartlarda fırında eritilir. Bazı alaşımlar ve bileşimleri (Tablo 1’de) verilmiştir. Tablo 5. Bazı alaşımlar ve bileşimleri Adı Tunç Pirinç Lehim Paslanmaz çelik Krom çeliği Mond metal Wood metal Yüzde oranları Özelliği Kullanım yerleri %65 Cu, %35 Zn %75 Cu, %25 Zn %60–%40 Sn, %40–%60 Pb %73 Fe, %18 Cr %8 Ni, %1 C Sert Çan, ev eşyası, heykel Parlak, paslanmaz Yapı gereçleri, Süs eşyası Lehim %98 Fe, %1 Cr, %1 C %60 Ni %34 Cu, %6 Fe %50 Bi, %25 Pb %12.5 Sn, %12.5 Cd Sert, sağlam, esnek Sert, aside dayanaklı 70 0C’de erir. Kolay erir Paslanmaz Ameliyat aletleri, Gıda sanayi aletleri, Mutfak eşyası Yaylar, Doğrama takımları Asit tankları, basınçlı buhar boruları Elektrik sigortalarında kullanılır. METAL VE ALAŞIMLARIN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Çekmeye mukavemet: Uzunluğu L ve kesit alanı S olan silindir şeklindeki homojen bir metal çubuğa gittikçe artan bir F kuvveti uygulayalım. ∆ Apsise (x ekseni) = 𝐴 uzamalarını ve ordinata (y 𝐿 ekseni) kuvvetin, çubuğun kesitine oranı olan P yükünü (P=F/S) gösterirsek aşağıdaki şekilde gösterilen bir eğri elde edilir. Deneyden sonra çubuk eski uzunluğuna döndüğü müddetçe yani, şekil değişiklikleri elastik kaldıkça uzama kuvvetle orantılıdır. Buna karşılık gelen eğri parçası OM doğrusudur. Bu seviyede kuvvet kaldırılırsa, çubuk OM doğrusu boyunca tekrar eski haline döner. Max.yük P kopma R Kuvvet Elastik limit M A II I O Elastik uzama ( P’)Plastik uzama S Şekil 24. Metal Çubuğun Çekmeye Mukavemeti Grafiği Yük, A’ya karşılık gelen değeri aşarsa AP eğrisi elde edilir. Uzama kuvvetle orantılı olmaz. Daha çabuk meydana gelir. Bu esnada metal elastikiyetini kaybeder. Yük maksimuma ulaşınca çubuğun belli bir yerinde bir daralma görülür ve ikiye kırılır. P noktası metalin kopma yükünü, A noktası elastik limitini gösterir. Bu incelemelere dayanarak pratikte önemli olan bazı tanımlar yapılmıştır. 1-Elastik limit: Silindirik çubuğun elastikiyetini kaybetmeden 10 s’de 1 mm2’sinin kg olarak çekebileceği en fazla yüktür. (kg/mm2) 2-Kopma yükü: Metalin kopmadan çekebileceği en fazla yüktür. Genellikle kg/mm2 olarak verilir. 3-Kopmaya kadar uzama: Teorik olarak maksimum yüke karşılık gelen nispi uzamadır. Pratik olarak deneme çubuğunun koptuktan sonraki uzunluğunun ilk uzunluğuna oranıdır. 4-Daralma sayısı: Çubuğun başlangıç kesiti (S1) ve koptuktan sonraki en küçük kesiti (S2) ise ε=100.(S1–S2) / S1. Daralma sayısı, metalin uzama yeteneğini ifade ettiğinden önemlidir. Metaller kopma şekillerine göre 2’ye ayrılırlar: 1-Kırılganlık Kopmasına Uğrayan Metaller (Gevrek malzemeler): Bunlar da elastik bölge çok geniş olup plastik bölgeye geçmeden kopma meydana gelir. Bu metaller cam gibi sert ve kırılgan olup aynı tipte kopma diyagramı verirler. Sulanmış çelikler bu gruba girer. 2-Plastik Kopmasına Uğrayan Metaller (Sünek Malzemeler): Bu grupta plastik şekil değişimleri büyük değerlere ulaşabilir yani, metal çok küçük bir kuvvetle bile uzamaya başlar ve kolayca kopar. Bu nedenle böyle metaller, mekanik uygulamada kullanılamaz. Bakır, bakır alaşımları ve alüminyum bu guruba örnek olarak verilebilir. Alaşımlarla elde edilen diyagramların çoğu, bu iki sınırın arasında bulunmaktadır. Uygulanan gerilmeler (yüklenme) altında; katılarda önce elastik (geri dönüşümlü) deformasyon daha sonra da ani gevrek kırılma, ya da bir plastik (kalıcı) deformasyonu takip eden sünek kırılma oluşur. Seramikler ve camlar gevrek kırılma, metaller ve polimelerler sünek kırılma davranışı gösterirler. Su verme (sulama): Metallerin belli bir sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra birden bire soğutulmasına dayanan işleme su verme denir. Tavlama: Metallerin belli bir sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra yavaş bir şekilde soğutulmasına denir. Sulanmış bir metal ile tavlanmış bir metal arasında genellikle büyük farklar vardır. Metale su verilmiş çelik çok sert olup çabuk kırılır. Buna karşılık tavlanmış çelik kolayca işlenebilir. Ancak bazı hallerde bu iki işlem istenmeyen sonuçlar verebilir. Bu durumda metal daha düşük bir sıcaklığa kadar yavaş yavaş ısıtılır ve aniden soğutularak istenilen özellik elde edilebilir. Bu işleme menevişleme denir. METALLERİN KOROZYONU Metallerin hemen hepsi doğada bileşik halinde bulunurlar. Bu bileşiklerden ilave malzeme, enerji, emek ve bilgi ile metaller veya alaşımlar üretilir. Üretilen metal ve alaşımlar ise tekrar karalı halleri olan bileşik haline dönme eğilimi gösterirler. Bu nedenle metaller, içinde bulundukları ortamın bileşenleri ile reaksiyona girerek önce iyonik duruma, sonra da bileşik haline dönmeye çalışırlar. Bu reaksiyon sonucunda da metalik malzemeler kimyasal değişime veya bozunmaya uğrarlar. Bir başka deyişle, metallerin fiziksel, kimyasal, mekaniksel ve elektriksel özelliklerinde istenmeyen bazı değişiklikler bir takım zararlara yol açar. Hem metal malzemelerin bozunma reaksiyonuna hem de bu reaksiyonun neden olduğu zarara korozyon denir. Genel anlamda ise, ortamın kimyasal ve elektrokimyasal etkilerinden dolayı metal malzemelerde meydana gelen hasara korozyon denir. Korozyon, esasında metal malzemelerin içinde bulundukları ortamla reaksiyona girmeleri sonucunda dışarıdan enerji vermeye gerek olmadan kendiliğinden meydana gelir. İçinde su bulunan ortamlarda meydana gelen korozyona sulu ortam korozyonu denir. Atmosferde, toprak altında, suda ve her türlü sulu kimyasal madde içerisinde meydana gelen korozyon buna örnek olarak verilebilir. Yüksek sıcaklıklarda gaz ortamlarında metalik malzemelerde meydana gelen korozyona ise kuru korozyon veya yüksek sıcaklık korozyonu denir. Kazanların alevle veya sıcak gazlarla temas eden bölgelerinde meydana gelen korozyon da bu tip korozyona örnek olarak verilebilir. Korozyon büyük zararlara yol açarak önemli israf kaynaklarından birini oluşturur. Korozyon nedeniyle meydana gelen malzeme, enerji ve emek kaybının yıllık değeri ülkelerin gayri safi milli gelirinin (GSMG) yaklaşık %5’i düzeyindedir. Bu değer ciddi bir ekonomik kayıp demektir. Korozyon, maddi kaybının yanında çevre kirliliğine de yol açar. Bu nedenle, korozyon ve korozyonu önleme ilkelerinin metal malzeme kullanan her kesim ve özellikle teknik elemanlar tarafından bilinmesinde büyük faydalar vardır. Korozyonu önleme yöntemlerini doğru uygulamak suretiyle korozyon kayıpları %40’lara kadar azaltılabilir. KOROZYON HÜCRESİ Yalnız sulu ortamdaki metallerin yüzeylerinde değil, atmosfere maruz kalan veya toprak altında bulunan metallerin yüzeylerinde de her zaman su veya değişik kalınlıklarda su filmi bulunur. Hava ve onun bir bileşeni olan oksijen gazı, atmosferle temas eden her çeşit su içerisinde belirli oranlarda çözünür. Suda çözünen oksijen gazı metal yüzeyinde indirgenerek, yani elektron alarak iyonik hale dönmeye meyleder. Eğer indirgenme için gerekli elektronlar metal tarafından sağlanırsa, elektronlarını oksijene vererek oksitlenen metalin atomları sulu iyon haline geçer ve sonuçta metal kimyasal değişime uğrar. Sulu ortamda elektron verme (yükseltgenme, oksidasyon) ve elektron alma (indirgenme, redüksiyon) şeklinde meydana gelen reaksiyonlara Elektrokimyasal Reaksiyonlar denir. Su içinde, atmosferde ve toprak altında meydana gelen bütün korozyon reaksiyonları elektrokimyasal reaksiyonlardır. Korozyon olayı Şekil 26’da görülen korozyon hücresi yardımıyla daha iyi açıklanabilir. Elektronların hareket yönü Anot Katot Elektronik iletken İyonlar Elektrolit Şekil 26. Korozyon hücresi Korozyonun oluşabilmesi için korozyon hücresi çevriminin kesintisiz çalışması gerekir. Bu çalışma durumu, anottaki kimyasal değişim sonucunda meydana gelen metal iyonlarının çözeltiye geçmesi sırasında açığa çıkan elektronların, elektronik bir iletken vasıtasıyla katoda taşınmalarıyla gerçekleşir. Metallerde elektronlar, elektrik akışına ters yönde hareket ederler. Akım, birim zamanda hareket eden elektronların bir ölçüsü olduğu için aynı zamanda anotta meydana gelen kimyasal değişimin de miktarını gösterir. Katot yüzeyinde harcanan elektronlar, oksijenin (O2) hidroksit (OH–) iyonu haline dönüşmesine neden olur. İyonların sulu çözelti içerisindeki hareketi sayesinde anot ile katot arasında elektrik akımı meydana gelir. Pozitif yüklü iyonlar katoda, negatif yüklü iyonlar da anoda giderler. Böylece hücre çevrimi tamamlanmış olur. Korozyon hücresinden geçen akıma korozyon akımı denir. Korozyon hücresinde anot reaksiyon hızı (korozyon hızı) ile katot reaksiyon hızı birbirine eşittir. Sulu çözeltide indirgenecek, yani elektron harcayacak madde yoksa korozyon da meydana gelmez. Çünkü anotta açığa çıkan elektronlar harcanamaz. Bir başka deyişle, katodik olay yoksa anodik reaksiyon yani korozyon da olmaz. Ayrıca anot ile katot bölgeleri arasında elektronik bağın olmaması, yani elektronların taşınamaması, anot ile çözelti veya katot ile çözelti arasındaki temasın engellenmesi ve sistemde sulu iletkenin bulunmaması durumlarında da korozyon oluşmaz Korozyon hızı veya metalin çözünmesi, karşıt reaksiyonun yani indirgenme reaksiyonunun hızı ile orantılıdır. Çözelti içinde indirgenecek madde miktarı düşükse korozyon hızının artma tehlikesi yoktur. Örneğin, deniz suyunda metallerde meydana gelen korozyon, çözünmüş oksijen miktarı ile orantılıdır. Dolayısıyla deniz suyundaki korozyon hızı metalin cinsi ile değil, daha çok çözünmüş oksijen miktarı ile ilişkilidir. Korozyonun başlıca sorumlusu sudur. Elektrokimyasal seride indirgenme potansiyeli –0,83 V’dan daha düşük olan herhangi bir metal std şartlar altında; 2H2O(s) + 2e– → H2(g) + 2OH–(suda) Eo = –0,83 V Yarı-reaksiyonunun sonucu olarak su ile yükseltgenebilir. Bu std potansiyel pH=14’e, yani kuvvetli bazik çözeltiye karşılık gelir (1 mol L–1 derişimindeki OH–). Ancak Nernst eşitliği gereği pH=7’de bu çiftin E= –0,42 V olur. Demirin potansiyeli yaklaşık aynı olduğu için demirin saf su ile yalnızca çok hafif yükseltgenme eğilimi vardır. Fe2+(suda) + 2e– → Fe(k) için Eo = –0,44 V Bu nedenle demir, su depolama sistemlerindeki boruların yapımında kullanılabilmekte ve paslanmaksızın oksijen içermeyen su içinde saklanabilmektedir. Ancak demir, oksijen ve su içeren nemli havada bırakıldığında; O2(g) + H+(suda) + 4e– → 2H2O(s) Eo = +1,23 V yarı-reaksiyonu dikkate alınmalıdır. Bu çiftin potansiyeli pH=7’de +0,81 V olup demire ait değerin üstünde bulunmaktadır. Bundan dolayı, oksijen ve su ortaklaşa demiri Fe2+’ye yükseltger, bu iyon da daha sonra Fe3+ haline yükseltgenecektir. Demirin yüzeyindeki bir damla su küçük bir elektrokimyasal hücredeki elektrolit olarak davranır. Damlanın kenarındaki çözünmüş oksijen demiri yükseltger. Fe + ½ O2 + H2O → Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2 Fe2+ iyonları, çözünmüş oksijen ile Fe3+ iyonlarına yükseltgenir. Fe(OH)2 + ½ O2 + H2O → Fe(OH)3 Bu iyonlar daha sonra bizim pas diye adlandırdığımız kahverengi, çözünmeyen bir madde olan hidratlaşmış demir(III) oksit (Fe2O3.xH2O) olarak çöker. Suda iyonlar çözündükçe iletkenlik artar ve pas oluşumu hızlanır. Sahil şehirlerinin tuzlu havasının ve anayolların buzlanmaması için kullanılan tuzun temasta olduğu metale çok zararlı olmasının nedeni budur. Korozyonu önlemenin en basit yolu, boyayarak metal yüzeyini hava ve su ile temastan korumaktır. Metali galvanize etmek daha iyi koruma sağlamak için bir yöntemdir. Bu teknikte, demirin yüzeyi düzgün ve çatlaksız bir çinko filmiyle kaplanır. Çinko elektrokimyasal seride demirin altında yer alır, dolayısıyla eğer bir çizik metali açığa çıkarırsa, daha kuvvetli indirgen olan çinko, elektronları demire verir Böylece demir değil, çinko yükseltgenir. Çinko çiziksiz yüzeyde reaksiyonlara karşı dirençlidir. KOROZYONUN MEYDANA GELİŞİ Korozyon, birbiri ile elektriksel ve elektrolitik teması olan ve aralarında potansiyel farkı oluşan iki metalik bölge veya nokta arasında meydana gelir. Bu bölge veya noktalardan potansiyel bakımdan daha asil olanın yüzeyinde katodik reaksiyon meydana gelir, diğer bölge veya nokta ise çözünür. Potansiyel farkının oluşum nedenleri şu şekilde sıralanabilir: Metal veya alaşımın yapısal, kimyasal, mekanik ve ısıl farklılıklar gösteren bölgeleri arasında potansiyel farkı oluşabilir. Farklı iki metal veya alaşımın birbirine temas etmesi nedeniyle potansiyel farkı oluşabilir. Ortamın katodik olarak indirgenebilen bileşiklerinin metalin değişik bölgelerinde farklı oranlarda bulunması potansiyel farkı oluşturabilir. Demirde meydana gelen korozyonu açıklayalım: Sıradan bir demir parçası HCl çözeltisine daldırıldığında hidrojen kabarcıklarının oluştuğu görülür. Enklüzyon (homojenliği bozan safsızlıklar), yüzey pürüzlüğü, bölgesel gerilme ve tane yönlenmesi gibi etkenler ile ortamda meydana gelen değişimlerden dolayı demir parçasının yüzeyinde çok sayıda anot ve katot bölgeleri oluşur (Şekil 27). Anot bölgesindeki demir atomları pozitif iyonlar halinde parçanın yüzeyinden ayrılarak sıvı çözeltiye geçerken, negatif yüklü elektronlar metal (demir) içinde kalırlar. Bu elektronlar, çözeltiden metal yüzeyine ulaşan pozitif hidrojen iyonlarını karşılayarak onları nötrleştirir. Nötr atomların bazıları da bir araya gelerek hidrojen gazı oluşur. Bu işlem devam ettikçe demir anot bölgesinde oksitlenir ve korozyona uğrar. Parçanın katot olan bölgeleri ise hidrojenle kaplanır. Çözünen metal miktarı, uygulanan gerilim ile metalin direncine bağlı olan hareketli elektron sayısı veya akım şiddeti ile doğru orantılıdır. H+ H+ Fe++ Fe++ Fe++ Anot Fe H+ H+ H+ H+ H2 e– e– e– e– Katot H+ Şekil 27. Bölgesel hücre çevriminde anotta iyon, katotta hidrojen oluşumunu gösteren şematik resim Korozyonun devam edebilmesi için anot ve katottaki korozyon ürünlerinin giderilmesi gerekir. Bazı durumlarda, hidrojen gazı katotta çok yavaş birikir ve metal yüzeyinde oluşan hidrojen tabakası korozyon reaksiyonunu yavaşlatır. Katodik polarizasyon olarak bilinen bu olay Şekil 28’de gösterilmiştir. Bununla birlikte elektrolitte çözünen oksijen, metal yüzeyinde biriken hidrojenle tepkimeye girerek su oluşturur ve böylece korozyonun devam etmesi sağlanır. Demir ve su için film giderme hızı, katoda temas eden suda çözünmüş oksijenin etkin konsantrasyonuna göre değişir. Sözü edilen etkin konsantrasyon değeri havalandırma derecesi, hareket miktarı, sıcaklık ve çözünmüş tuzların bulunmaması gibi etkenlere bağlıdır. Anot H2 H2 Katot H2 Şekil 28. Hidrojen filmi tarafından oluşturulan bölgesel katot polarizasyonu Anot ve katotta meydana gelen reaksiyon ürünlerinin zaman zaman karşılaşıp yeni reaksiyonlara girmeleri sonucunda gözle görülebilir pek çok korozyon ürünü oluşabilir. Örneğin su içerisindeki demirde katodik reaksiyon sonucunda oluşan hidroksit iyonları elektrolit içerisinde anoda doğru hareket ederken, ters yönde hareket eden demir iyonlarıyla karşılaşır. Bu iyonlar birleşerek demir(II) hidroksit, Fe(OH)2 oluştururlar. Şekil 29, oluşan demir(II) hidroksit, hemen çözelti içerisindeki oksijenle birleşerek demir pası olarak adlandırılan demir(III) hidroksit, Fe(OH)3 oluşturur. Bu pas çözeltinin alkalitesine, oksijen oranına ve karıştırılma durumuna göre ya demir yüzeyinden uzakta ya da korozyonun daha da ilerlemesini önleyecek uzaklıktaki bir konumda oluşur. OH– OH– Fe++ Fe(OH)2 Fe++ OH– Fe(OH)2 OH– Şekil 29. Demirin paslanmasında demir hidroksitin oluşumu Demirin korozyonunda hücre reaksiyonunu oluşturan anodik ve katodik reaksiyonlar şu şekildedir: Anodik reaksiyon: 2Fe → 2Fe2+ + 4e– Katodik reaksiyon: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH – Hücre reaksiyonu: O2 + 2Fe + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH – → Fe(OH)2 İkinci aşamada aşağıdaki reaksiyon meydana gelir ve pas olarak bilinen Fe(OH)3 bileşiği oluşur. 2Fe(OH)2 + ½O2 + H2O → 2Fe(OH)3 Hücre reaksiyonunun sol tarafında yer alan bileşenlerin enerjilerinin veya serbest enerjilerinin toplamı (ΔGsol), sağ tarafındaki bileşenlerin enerjileri toplamından (ΔGsağ) fazla ise reaksiyon soldan sağa kendiliğinden gelişir. Bunun sonucunda da demir çözünür ve oksijen indirgenir. Bu olay, suyun yüksekten alçağa veya ısının sıcaktan soğuğa doğru doğal akışına benzer biçimde meydana gelir. Hücre reaksiyonunun iki tarafı arasındaki enerji farkı (ΔGkor= ΔGsağ – ΔGsol) belirlendikten sonra aşağıdaki formülle korozyon hücresinin enerjisi (ΔEhücre) bulunur ve bu enerji negatif değere sahiptir. ∆𝑬𝒉ü𝒄𝒓𝒆 = −∆𝑮𝒌𝒐𝒓 𝒏𝑭 Bu bağıntıdaki n, korozyon hücresinde alınıp verilen elektron sayısını, F iseFaraday sabitini gösterir. Korozyon hücresine ait enerjinin veya hücre potansiyelinin bir kısmı anodik ve katodik reaksiyonların belirli bir hızla gelişmesi için, bir kısmı da sistemin direncinin yenilmesi için harcanır. Sistemin direnci ne kadar yüksekse harcanacak enerji de o kadar fazla olur ve toplam enerjiden anodik ve katodik reaksiyonlara harcanan pay da azalır, yani korozyon yavaşlar. Korozyon hızının bu şekilde azaltılması, uygulamada yaygın olarak baş vurulan bir yöntemdir. Anodik ve katodik reaksiyonların enerji ve gerilim farkları da benzer şekilde hesaplanabilir. İndirgenme olarak adlandırılan reaksiyonların hesap yöntemiyle bulunan potansiyel farkları en düşük değerden en yüksek pozitif değere doğru sıralanarak metallerin elektromotor kuvvet serisi elde edilir. Dolayısıyla bu seri, metallerin en aktiften en pasife veya asile doğru sıralanışını gösterir. Söz konusu seride artı (+) yönde yer alan, yani asil olan bir metalin eksi (–) yönde yer alan başka bir metal ile temas etmesi durumunda, (+) yöndeki metalin yüzeyinde indirgenme reaksiyonu meydana gelir ve (–) yöndeki metal korozyona uğrar. Ancak, teorik olarak mümkün olan bu olay pratikte meydana gelmeyebilir. Bu nedenle, metallerin hesapla bulunan teorik potansiyelleri yerine kullanıldıkları ortamda, örneğin deniz suyunda veya toprak altında ölçülerek bulunan potansiyelleri sıralamaya tabi tutulur. Bu şekilde elde edilen seriye «galvanik seri» denir. Bu seri uygulamadaki korozyon tahminlerinde daha gerçekçi sonuçlar verir. Tablo 6’da deniz suyu ve toprak altında yapılan ölçümlerle elde edilen iki galvanik seri verilmiştir. A – Deniz Suyunda (–) Aktif B – Toprak Altında : Magnezyum (–) Aktif : Çinko : Alüminyum : Kadmiyum : Duralümin* : Dökme demir : Yüksek nikelli dökme demir : 18/8 paslanmaz çelik (aktif) : Kurşun-kalay lehimleri : Kurşun : Kalay : Nikel (aktif) (+) Asil : Pirinçler : Bakır : Bronzlar : Gümüş lehimi : Nikel (pasif) : 18/8 paslanmaz çelik : Gümüş : Titanyum : Grafit : Altın : Platin : Magnezyum : Çinko : Alüminyum : Temiz yumuşak çelik : Paslı yumuşak çelik : Dökme demir : Kurşun : Yumuşak çelik (betonda) : Bakır, pirinç ve bronzlar : Yüksek silisli dökme demir : Karbon, kok, grafit (+) Asil * Genellikle AA2024 tipinde kullanılan %4.4 Cu %1.5 Mg , %0.6 Mn içeren bir alaşımdır. KOROZYON TÜRLERİ Metal ve alaşımlarda değişik korozyon türlerine rastlanır. Bu malzemelerde görülen belli başlı korozyon türleri homojen korozyon, galvanik korozyon, çukurcuk korozyonu, aralık korozyonu, tanelerarası korozyon ve gerilmeli korozyon şeklinde sıralanabilir. Bu korozyon türleri aşağıda kısaca açıklanmaktadır: HOMOJEN DAĞİLİMLİ KOROZYON En yaygın görülen türü olup metal malzemelerin yüzeylerinde birbirine yakın konumda bulunan mikroanot ve mikrokatot bölgeleri arasındaki elektrokimyasal etki ile meydana gelir. Katot ve anot bölgelerinin sürekli yer değiştirmeleri nedeniyle metal yüzeyi homojen olarak korozyona uğrar ve korozyon hızının hemen hemen her yerde sabit olduğu kabul edilir. Bu tür korozyon genelde atmosfere açık yerlerde veya homojen ortamlarda bulunan alaşımsız çelikler, az alaşımlı çelikler, çinko, galvanizli çelikler ve belirli ölçüde de bakır ve bakır alaşımlarında görülür. GALVANİK KOROZYON Bu tip korozyon, korozyon ortamında birbirine temas eden farklı türden metal veya alaşımların temas yüzeylerinde meydana gelir. Bu korozyonda aktif olan metalde korozyon hızlanırken, daha soy olan metallerin korozyonu yavaşlar veya tamamen önlenir. Örneğin deniz suyu ortamında pirinç malzemelerle temas eden çelik vidalarda veya bir su ısıtıcısındaki bakır ve çelik boruların bağlantı yerlerinde bu tür korozyon meydana gelir. Bir çelik parça ile temasta olan magnezyum metalinde meydana gelene galvanik korozyon Şekil 30’da görülmektedir. Farklı türden metaller birbirlerine temas ediyorsa, elektrokimyasal reaksiyon oluşur ve bu da da aktif olan metalin galvanik korozyona uğramasını sağlar. Bunun örneğini yelkenli teknemizin alüminyum direğine, köprü ya da makarayı tutturmak için kullandığımız krom vida, perçin ya da aksesuarların temas ettiği yerde alüminyum ile kromun birleştiği yerde görebilirsiniz. İki farklı metalin birleştiği yerde korozyona uğrayacak olan metal daha aktif olandır. Metallerden daha aktif olan anot diğeri katot olacaktır. Bu korozyon bir süre sonra yavaşlayabilir ama birleşim yerine çoktan zarar vermiş olacaktır (Şekil 30). Bunun önlemi öncelikle sağlam olacak diye krom perçin kullanmayın. Krom perçin kadar mukavemetli yerli üretim alüminyum perçinler var. Eğer kullanabiliyorsanız iki farklı metal arasına iletken olmayan (teflon, polietilen, plastik) conta kullanın. Şekil 30 Galvanik korozyon ÇUKURCUK KOROZYONU Metal malzeme yüzeyinin çok dar bölgelerinde çukurcuk (pit) oluşumuna neden olan bir korozyon türüdür. Korozyon ile oluşan çukurcukların büyüklüğü ve sıklığı malzeme ve ortama göre değişir. Çukurcuk korozyonu sonucunda meydana gelen toplam malzeme kaybı, homojen dağılımlı korozyon sonucunda meydana gelen malzeme kaybından çok daha azdır. Ancak çukurcuk korozyona uğrayan parçalar kısa zamanda delinerek kullanılamaz hale gelebilirler. Ayrıca, çukurcukların diplerinde meydana gelen gerilme yığılması da malzemenin çatlamasına yol açabilir. Metalik malzemelerde bozunuma yol açması, yaygın olması kontrolünün zor olması gibi nedenlerden dolayı çukurcuk korozyonu en tehlikeli korozyon türlerinden biri olarak kabul edilir. Çukurcuk korozyonu genellikle klorür ve bromür iyonları içeren nötr ortamlarda görülür. NaCl ve oksijen bakımından zengin olan deniz suyu çukurcuk korozyonu için en yaygın ortamı oluşturur. Örneğin deniz suyuna bırakılan paslanmaz çelikler kısa sürede çukurcuk korozyonuna maruz kalarak bozunuma uğrarlar. ARALİK KOROZYONU Bir metalik malzemede oksijeni az olan bölge mi korozyona uğrar, yoksa çok olan bölge mi ??? Malzeme veya malzemelerden üretilen çeşitli sistemlerde bulunan dar aralıklarda meydana gelen bir korozyon türüdür. Aralığı oluşturan eleman veya parçaların her ikisinin de metal olması gerekmez. Parçalardan biri lastik veya cam olabilir. Bu korozyon, malzemelerde bulunan çatlaklarda kir ve tufal* tabakalarının altında veya makine parçalarının montajında giderilmeyen dar bölge ve aralıkların içinde başlar. Göz önünde bulunmayan bölgelerde meydana geldiği için kolayca fark edilmeyebilir. Söz konusu korozyon, aralık içerisindeki elektrolitte bulunan oksijenin az olması nedeniyle oluşur. Elektrolit kılcallığın etkisiyle aralığın içine girer. * Yeni üretilmiş metal üzerinde oluşan metal özelliğini kaybetmiş tabakalar (oksitlenmiş) ve pullar. Korozyon aralığın içinde ve dışında oksijen reaksiyonu ile başlar ve aralığın içindeki oksijeni tamamen tüketir. Aralığın dışı hava ile temasta olduğundan burada bulunan elektrolit oksijen bakımından daha zengindir. Ancak, elektrolit aralığın hava almasını yani oksijenin aralığa girmesini engeller. Bu durumda elektrolit içerisindeki oksijen oranında farklılıklar meydana gelir. Aralık dışında kalan bölge bol miktarda oksijene sahip olması nedeniyle katot, aralık içinde kalan bölge ise oksijeni az olduğundan anot görevi yapar. Bu nedenle, söz konusu aralık korozyona uğrar. TANELERARASİ KOROZYON Korozyon olayının malzemenin tane sınırlarına yakın bölgelerinde yoğunlaşması sonucunda ortaya çıkan bir bozunma türüdür. Bu korozyon, metal veya alaşımların tane sınırlarıyla diğer bölgeleri arasında bir gerilim farkının meydana gelmesi durumunda ortaya çıkar. Bu tip korozyon, bir katı çözelti içerisinde bir fazın çökelmesi sonucunda meydana gelir. Tane sınırlarındaki çökelmenin hızlı olması nedeniyle tane sınırlarına yakın bölgeler çökeltiyi oluşturan element bakımından fakirleşir. Bu durum, tane sınırlarıyla diğer bölgeler arasında bir gerilim farkı oluşturur ve sonuçta tane sınırları tercihli olarak korozyona uğrar. Bu şekilde oluşan korozyon sonucunda taneler bütünlük ve şekillerini korurken, taneler arasındaki bağ bozunuma uğrar. Bu tür korozyona daha çok ostenitik paslanmaz çeliklerde (Cr, Ni ve Mn karışımı) ve alüminyum-bakır alaşımlarında rastlanır. Örneğin, taneler arası korozyona uğrayan ostenitik paslanmaz çeliği elle ezerek toz haline getirmek mümkündür. Şekil 31. Kaynar durumdaki sülfat-sülfürik asit çözeltisinde tutulan bir paslanmaz çelikte meydana gelen taneler arası korozyonun etkisi GERİLMELİ KOROZYON Gerilmeli korozyon, gerilme ve korozyon etkisiyle metal malzemelerde meydana gelen bozunma olarak tanımlanabilir. Bu korozyon, tane sınırlarında çatlak oluşturarak malzemelerin dayanımını azaltır. Bozunma, parça yüzeyinde bulunan çatlaklarda veya gerilme yığılmasına yol açan diğer geometrik düzgünsüzlüklerde yol başlar. Gerilmeli korozyon, korozif ortamda bulunan metal malzemelerde çekme gerilmesinin etkisiyle çatlak oluşması ve ilerlemesi şeklinde meydana gelen bir olaydır. Pirinç malzemede meydana gelen gerilmeli korozyon çatlağı Şekil 32’de görülmektedir. Oluşan çatlaklar hem gerilmenin hem de korozyonun etkisiyle belirli hızlarda malzemenin içine doğru ilerlerler. Parçanın kesiti uygulanan yükü taşıyamayacak duruma geldiğinde parça aniden kopar veya kırılır. Şekil 32. Pirinç malzemelrde meydana gelen gerilmeli korozyon çatlağının oluşumu KOROZYONUN ÖNLENMESİ
