Kristal Yapı Hataları

Malzemelerin iç yapılarından bahsederken sıklıkla kristal kafeslerden bahsederiz. Kristal yapı, malzeme biliminde makroskopik olarak kristalli minerallerin yüzeyleri arasında, mikroskobik olarak ise çoğu katının atomları arasında görülen tekrarlı düzen olarak geçer. İdeal yapı sistemlerinde tüm atomlar olması gerektiği yerdedir, kristal kafes hiç hata bulundurmaz ve yapı kusursuzdur. Ancak gerçekte bütün kristal yapılar kusurludur. Kusur kelimesini kullandığımıza bakmayın, bu kusur dediğimiz özellikler çoğu zaman işimize yararlar. Biz yine de onlara kusur diyeceğiz. Kristaller hakkında popüler bir deyiş vardır:

“Kristaller insanlar gibidir, kusurları onları farklı yapan şeydir.”   

Malzemelerde iki tip kusurdan bahsedebiliriz 

Kimyasal: Kimyasal kusurlarla uğraşırız. Bu kusurlar faydalı ya da zararlı oluşlarına göre iyi kusurlar (alaşımlar, takviyeninler…) ya da kötü kusurlar(safsızlık) olarak ayrılırlar.  

Atomik düzen: Kristal yapı kusurlarıyla uğraşırız.  

Mükemmel kristaller ne kimyasal anlamda ne de atomik anlamda gerçek hayatta var olmazlar.  

0-Boyutlu: Nokta Hataları 

Kristal yapıda bir ya da bir atomun kayıp ya da yanlış yerde bulunması sebebiyle oluşan hatalardır.  Çevrelerindeki atomların hatasız dizilimlerini engeller. Nokta hataları, yalnızca tek bir kafes noktasında veya çevresinde meydana gelen kusurlardır. Kristal yapılı malzeme ısıtıldıkça atomlarının titreşimleri artar ve denge konumundan başka bir denge konumuna geçebilir (difüzyon) bu nedenle nokta hataları sıcaklık arttıkça genellikle artar. Difüzyon için çok önemlidirler. Kimi noktasal hatalar sayesinde sertlik ve mukavemet artar. Nokta hataları yer alan, ara yer ve boşluk hataları olarak görülür. 

1-Yer alan hatası:

  İdeal kafeste bir noktada bulunması gereken atomun yerine başka bir atomun bulunmasıdır. Burada yer alan atomla kafesteki atomlar arasındaki fark, %15’ten az olmalı, iki element aynı kristal yapıya sahip olmalı, aynı elektronegatifliğe ve valansa sahip olmalı ve yoğunlukları birbirine yakın olmalıdır. Bu şartlara “Hume-Rothery Kuralları” adı verilir. Buna örnek olarak bakır ve çinkodan oluşan pirinçten bahsedebiliriz. 0.133 nm yarıçapıyla çinko atomları, 0.128 nm yarıçaplı bakır atomlarının yerini alır. 

2-Ara yer Hatası:

Kristal kafes içinde atomun kafes noktası dışında bir yere yerleşmesidir. Ara yerlere yerleşmek zor olduğu için sıklıkla görülmez. Yüksek enerji gerektirir. Bazı kristallerde küçük atomlar yüksek enerji olmadan ara yer hatasını gerçekleştirebilir. Örneğin, paladyumun içerisinde bulunan hidrojenler. Ara yer hatasına bir örnek de demire karbon atomu eklenmesidir. 0.071nm yarı çaplarıyla karbon atomları 0.124 nm yarıçaplı demir atomlarının arasına kolaylıkla sığar.  

3-Boşluk Hatası:

Kristal yapıda normalde bir atomun bulunması gereken yerde bulunmaması sebebiyle boş olmasıdır. Bu boşluklar, özellikle yüksek sıcaklıkta atomların rastgele ve sıklıkla pozisyonlarını değiştirip geride boş kafes noktaları bıraktıklarında yaygındırlar. Difüzyonun gerçekleşmesini sağlarlar.  

4-Frenkel Hatası:

Bir iyonun kendi normal kafes konumundan bir ara yer konumuna geçerek aynı anda hem ara yer hem de boşluk hatası oluşturmasıdır. Radyasyona maruz kalan malzemelerde görülür.  

5-Schottky Hatası:

Bir nevi iyonik kristallerde görülen boşluk hatasıdır. Zıt yüklü iyonlar yani bir anyon ve bir katyon eksik olduğunda ve boşluk bıraktıklarında oluşan hataya denir. 

1- Boyutlu: Çizgi Hataları (Dislokasyonlar) 

Düzensiz pozisyonlarda bulunan atom gruplarıdır. Kristalde atom dizilişinin bir çizgi boyunca bozulması sonucu oluşur. Kristalin ideal bölgeleri arasındaki düzensiz bölgesidir. Dislokasyonlar olarak bilinirler. Dislokasyonların üzerinde hareke ettiği düzlem kayma düzlemidir. Bir malzemenin plastik deformasyonu dislokasyonların hareketine bağlı olarak gerçekleşir. Milyonlarca dislokasyonun sonucu olarak ekstrüzyon ve haddeleme gibi plastik şekil değiştirme işlemleri gerçekleşir. Normal kristal yapıdaki dislokasyon hareketini bozan herhangi bir kusur aynı zamanda plastik deformasyonu zorlaştırır. Dislokasyon hareketi başka dislokasyonlar üretir ve dislokasyonlar birbirine rast geldiğinde genellikle dislokasyonların hareketi engellenir. Dislokasyonlar bu engellenme karşısında o bölgede durmak zorunda kalır ve bu dislokasyon yığılmasına yol açar. Bu dislokasyonu hareket ettirmek için gereken kuvveti arttırır yani malzemeyi güçlendirir. Bu şekilde plastik şekil değişimine karşı direncin giderek artmasına pekleşme denir. Çizgi hataları yani dislokasyonlar, kenar dislokasyonu, vida dislokasyonu ve diğer iki dislokasyonun bir arada bulunduğu dislokasyon halkası (karışık dislokasyon) olarak 3 şekilde gözlemlenirler. 

1-Kenar Dislokasyonu:

Kristal düzlemin içine giren ekstra bir yarım kafes düzleminden ötürü oluşan hatadır. Bu kristal yapının düzenini bozan kafes düzlemi, kristal yapı içinde sona erir ve bu düzlemin kenarı kenar dislokasyonudur. Yapıda bulunan atomlar arası baplan yalnızca dislokasyon hattının hemen yakınında ise önemli ölçüde bozulmaktadır. Dislokasyon hareketi, bir tırtılın hareketine benzer. Tırtıl eğer tüm vücudunu hareket ettirmeye çalışsaydı çok büyük bir kuvvet uygulamak zorunda kalacak ve hareket etmesi mümkün olmayacaktı ancak bunun yerine vücudunun arka kısmını az miktarda ileri ittirerek bir kıvrım yaratır ve ardından bu kıvrımı içeri hareket ettirerek tüm vücudunu küçük bir miktar ileri doğru hareket ettirir. Burada dislokasyon hareketi de buna benzer bir şekilde hareket eder. Bunu yaparken aynı tırtılın hareketinde küçük bir miktar ileri hareket etmesi gibi daha az güç gerektirerek bağların küçük bir kısmını kopararak ilerler.  

2-Vida Dislokasyonu:

Hareket esnasında vida adımına benzer bir şekilde hareket etmesinden dolayı vida dislokasyonu deriz. Vida dislokasyonunu resmetmek biraz zordur. Dislokasyon çizgisi üst kısımda çekme alt kısımda basma gerilmeleri oluşturarak kafes içinde bozulmuş bölge meydana getirir. Vida ve kenar dislokasyonunu kullanmak için burgers vektörü kullanabiliriz. Burgers vektörü, kenar dislokasyonu için dislokasyon çizgisine dik iken vida dislokasyonu için dislokasyon çizgisine paraleldir. 

Burgers Vektörü:  Dislokasyonların hareket, yön ve büyüklüklerini ifade etmek için kullanılır. Bulmak için hatanın etrafından bir atom seçip saat yönünde aynı adımlarla yukarı, sağa, aşağı ve sola giderek başlangıçta seçtiğimiz noktaya vektör çizeriz. Kusursuz kristallerde başlangıç noktasına geri döneriz.  

3-Karışık Dislokasyon:

Hem kenar hem de vida dislokasyonudur.  

2-Boyutlu: Yüzeysel Hatalar 

Yüzeysel hatalar iki boyutlu olan sınırlardır ve genellikle, farklı kristal yapıları ve/ veya farklı kristalografik yönelimlere sahip olan malzemelerde bölgeleri ayırır. Yüzeysel hatalar tane sınırlarını, faz sınırlarını, ikiz oluşumunu, yığılma hatalarını ve dış yüzeyleri içerir.  

1-Dış Yüzey Hatası:

En belirgin kusurlardan biridir. Yüzey atomları maksimum sayıda komşu atoma bağlı değildirler ve bu nedenle iç konumlardaki atomlardan daha yüksek bir enerji durumundadırlar. Bu enerjiyi azaltmak için, malzemeler mümkün olduğunca toplam yüzey alanını en aza indirgeme eğilimindedir. 

2-Tane Sınırları: 

Polikristal malzemelerdeki farklı kristalografik yönelimlere sahip iki küçük taneciği veya kristali ayıran sınır olarak tanımlanır. Katılar genellikle birkaç kristalit veya taneden oluşur. Tanelerin büyüklükleri nanometreden milimetreye kadar değişebilir ve yönleri genellikle komşu tanelere göre konumlandırılır. Bir tanenin durduğu ve bir başkasının başladığı yer tane sınırı olarak bilinir. Tane sınırları, dislokasyonların uzunluklarını ve hareketlerini sınırlar. Ufak taneli olmak malzemeyi güçlendirir. Taneciklerin boyutu, malzeme dökülürken veya ısıl işlem görüldüğünde soğutma hızı ile kontrol edilebilir. Genellikle hızlı soğutma daha küçük taneler üretir, yavaş soğutma ise daha büyük taneler oluşturur.  

3-Faz Sınırı: 

Faz sınırları, çok fazlı malzemelerde bulunur; burada sınırın her bir tarafında farklı bir faz vardır; ayrıca, bu fazların her biri kendine özgü fiziksel ve/veya kimyasal özelliklere sahiptir. Faz sınırları çok fazlı metal alaşımlarının mekanik özelliklerini belirlemede önemli bir role sahiptir. 

4-İkiz Oluşumu (İkizlenme):

 İkiz sınırı, kristal düzeninde bir ayna simetri düzlemi oluşturan bir kusurdur. Örneğin, kübik sıkı-paket kristallerde, bir ikiz sınırın istif dizisi ABCABCBACBA şeklinde olacaktır. 

5-İstif Hatası:

İstifleme hataları birkaç kristal yapıda meydana gelir, ancak bunların sıkı paket yapılarda nasıl gerçekleştiğini görmek en kolay yoldur. Bir kristalde katmanların istifleme dizisinin bölgesel bir sapması ile oluşurlar. Örneğin, ABABCABAB şeklinde istifleme dizisi olabilir.  

3- Boyutlu: Hacimsel Hatalar 

Hacimsel hatalar, burada ele aldığımız kristal kusurların geri kalanından çok daha büyük ölçeklerde meydana gelirler. Boşluklar, çatlaklar ve çökeltiler bazı yaygın hacimsel hatalardır.