Bölüm 5 Difüzyon (Yayınma) - simgeirizalp.cbu.edu.trsimgeirizalp.cbu.edu.tr/mlzblmB/bolum5.pdf · Difüzyon için itici güç, konsantrasyon gradyantıdır. Aağıdaki denklem

Chapter 5 -

• Difüzyon nasıl oluşur?

• Neden önemlidir?

• Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir?

• Difüzyon malzemenin yapısına ve sıcaklığa göre

nasıl değişir

BÖLÜM 5 - DİFÜZYON

Chapter 5 -

Difüzyon Nedir?

• Difüzyon veya yayınım, bir malzeme içinde atomların hareketidir. Atomlar, konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluşturmak için hareket ederler.

• Gazlardaki, sıvılardaki ve katılardaki atomlar sürekli hareket halindedir ve zamanla bir yerden diğerine geçer. Pişen yemeğin kokusunun yayılmasından anlaşılacağı gibi gazlarda atom/molekül hareketi nispeten hızlıdır.

• Sıvılardaki atom hareketi, suya katılan bir mürekkebin yayılmasından görüleceği gibi, gaza göre daha yavaştır.

• Katılarda atomlar birbirine kuvvetli bağlandıklarından dolayı atomların hareketi yavaştır. Fakat, katılardaki ısıl titreşimler, bazı atomların hareket etmesine imkan verir

Chapter 5 -

Difüzyon Nedir?

• Malzemelerde üretim ve uygulama sırasında görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme, tane büyümesi gibi olaylar ile kaynak, lehim erime ve katılaşma prensibine dayalı birleştirmeler ve sementasyon gibi bazı yüzey setleştirme işlemleri büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlıdır.

• Atomların hareketleri ısıl enerji etkisinde oluşur ve iki aşamalıdır:

– Birincisi ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri,

– İkincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu sonuncuya atomsal yayınım veya difüzyon denir.

• Katı malzemelerde meydana gelen difüzyon gaz ve sıvılardaki difüzyondan çok daha yavaştır. Sebebi kuvvetli bağlarıdır.

Chapter 5 -

Kendi Kendine Difüzyon (Öz difüzyon)

• Tamamen saf katı düzenli malzemelerde atomlar bir kafes

noktasından diğerine hareket ederler. Tüm atomlar aynı

tipte atomlar ile yer değiştirme yaparlar. Bu olaya öz

difüzyon denir. Tabii ki burada konsantrasyonda değişim

yoktur.

• Öz difüzyon, saf metallerde olur. Aynı elemente ait A,B, C,

D, atomları sıcaklığın etkisi ile hareket ederler veya

yayınırlar.

4

Chapter 5 -

Alaşımlarda Difüzyon

• Alaşımlarda difüzyon, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi yüzeyleri birbirine temas

eden iki farklı metal (mesela Cu ve Ni) çubuk ile açıklanabilir. Bu şekilde ara yüzeyde

atom yerleri bileşim şematik olarak gösterilmiştir. Metal çifti erime noktalarının altında

bir sıcaklığa ısıtılıp belli bir süre bekletilir. Ara yüzeyde kimyasal analiz yapıldığında

saf bakır ve nikel bölgeleri arasında alaşımlı bölge bulunduğu görülür. Her iki metalin

derişimi (konsantrasyonu) aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi mesafeye bağlı olarak

değişir. Sonuç olarak bakır atomları nikel içine hareket etmiş veya yayınmıştır ve nikel

atomları da bakır içine yayınmıştır. Cu-Ni örneğinde olduğu gibi yüksek

konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atomların hareketi vardır.

Konsantrasyon profili, aşağıdaki örnekte, ara yüzeyden itibaren konsantrasyonun

mesafeye bağlı değişimini gösterir

5

Chapter 5 - 6

Katılarda Difüzyon Mekanizmaları

Boşluk difüzyon mekanizması

• Eğer atomların ısıl titreşiminin sağladığı yeterli aktivasyon enerjisi varsa ve atomların hareket ettiklerinde girebilecekleri boşluklar veya diğer kafes kusurları mevcutsa, atomlar kristal kafesinde bir yerden diğerine hareket eder. Metal ve alaşımlarında boşluklar her zaman vardır ve atomların yayınmasına yardımcı olur.

• Bir kafes noktasından diğerine atomların sıçraması için atomlar, komşuları ile yaptıkları bağ koparacak ve sıçrama sırasında kafes çarpılmaları yapacak seviyede aktivasyon enerjisine enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerji, atomik ısıl titreşimlerden gelir. [YMK (100) düzlemi]

Chapter 5 -

Katılarda Difüzyon Mekanizmaları

• Arayer difüzyon mekanizması

• Kristal kafeslerinde atomların arayer

difüzyonu, ana kristal kafesini kalıcı olarak

bozmadan atomlar bir ara yerden diğerine

hareket ettikleri zaman meydana gelir.

• Arayer mekanizmasının işleyebilmesi için

yayınan atom boyutunun ana faz

atomu(çözen) boyutuna göre küçük olması

gerekir. Hidrojen, oksijen, azot, karbon gibi

küçük atomlar ara yer boşluklarına

sığabilecek boyutlarda oldukları için arayer

difüzyon mekanizması ile hareket ederler.

• Arayer difüzyonu, boşluk difüzyonundan

genellikle daha hızlıdır. Çünkü arayer

atomlarının komşu atomlar ile olan bağ

normalde daha zayıf ve atom boşluğundan

çok daha fazla ara yer boşlukları vardır.

7

Chapter 5 -

Katılarda Yayınım Mekanizmaları

Chapter 5 -

Difüzyonda aktivasyon enerjileri

• Atomik açıdan, yayınma tam olarak, atomların bir kafes

boşluğundan diğerine adım adım yaptıkları yer değiştirmedir.

Aslında, katı malzemelerdeki atomlar sürekli hareket halindedir

ve hızlı bir şekilde konumlarını değiştirirler. Bir atomun böyle bir

hareketi yapabilmesi için iki şartın sağlanması gereklidir:

• (1) bitişiğinde boş bir yer olmalı ve

• (2) Komşu atomlarla arasındaki bağı koparacak ve sonrasında,

yer değiştirme sırasında oluşacak kafes çarpılmalarını

karşılayacak kadar enerjiye sahip olmalıdır. Bu enerji atomların

titreşim hareketleri yapmasını sağlayan enerjisidir.

• Yayınan bir atom, yeni yerine ulaşmak için komşu atomları

sıkıştırarak geçmek zorundadır. Bunun olabilmesi için atomların

yeni konumlarına geçmesini zorlayacak enerji sağlanmalıdır. Bu

durum yandaki şekilde boşluk difüzyonu ve arayer difüzyonu için

gösterilmiştir.

• Atom, başlangıçta nispeten kararlı konumda ve düşük enerjili

haldedir. Yeni bir konuma hareket etmek için enerji engelini

aşmak zorundadır. Bu enerji”aktivasyon enerjisi” dir. Ve Q ile

gösterilir. Söz konusu enerji engelini aşmak için gerekli enerji

sıcaklığın artırılması suretiyle elde edilir.

• Normal olarak bir arayer atomunun komşu atomları geçmek için

sıkıştırması daha az enerji gerektirir. Bunun sonucu olarak, ara

yer difüzyonu için aktivasyon enerjileri boşluk difüzyonu için

olandan daha azdır. Aktivasyon enerjisi düştükçe difüzyon

kolaylaşır.

Difüzyon sırasında atomların birbirlerini

sıkıştırarak geçmesi için enerji engelinin

(aktivasyon enerjisi,Q) aşılması gerekir.

Chapter 5 - 10

Chapter 5 -

Kararlı hal difüzyonu

• Eğer, difüzyon akısı zamanla değişmiyor ise kararlı hal durumu ortaya çıkar. En çok

bilinen örnek olarak, iki tarafında konsantrasyonları sabit olan gaz halindeki bir

elemente ait atomların bulunduğu ince bir metal levhadan geçen bu atomların

difüzyonu verilebilir. Aşağıda (Şekil a) şematik olarak gösterilmiştir. Eğer, levha

içinde yayınan atomların konsantrasyonunu (C, kg/m3 ) mesafeye (X) bağlı olarak

grafiğini çizersek, bir eğri elde edilir. Bu eğri, “konsantrasyon profili” olarak

tanımlanabilir. Bu eğrinin belirli bir noktadaki eğimine de “konsantrasyon gradyantı”

denir. Şekil b’de konsantrasyon profilinin lineer olduğu var sayılmıştır.

11

Chapter 5 -

Kararlı hal difüzyonu-1.Fick Kanunu

• Tek bir yöndeki kararlı hal difüzyonu matematiksel olarak aşağıdaki

denklem ile ifade edilir. Burada, akı (J), konsantrasyon gradyantı ile

orantılıdır. (Yayınan atomun, ana faz atomu ile kimyasal reaksiyona

girmediği varsayılır).

• Burada orantı sabiti D difüzyon katsayısı olarak tanımlanır. Denklemdeki

negatif işaret difüzyonun yönünün konsantrasyon gradyantının aşağısına

doğru olduğunu gösterir. Konsantrasyon gradyantı dikleştikçe akı artar.

Difüzyon için itici güç, konsantrasyon gradyantıdır. Yukarıdaki denklem 1.

Fick Kanunu olarak adlandırılır

12

Chapter 5 - 13

Chapter 5 -

Metalik sistemler

Chapter 5 -

Kararsız hal difüzyonu-2. Fick kanunu

• Pratikte gerçekleşen yayınmaların çoğu kararlı değildir. Kararsız yayınma sırasında, bir katı

içerisinde yayınan atomların birikmesi veya eksilmesi sonucunda, belirli bir noktadaki

yayınma akısı ve konsantrasyon gradyeni zamanla değişir. Bu durum, üç farklı yayınma

süresi için konsantrasyon grafiğinin şematik olarak çizildiği Şekil5.5‘te gösterilmiştir.

Kararsız yayınma şartlarında1.Fick Kanunu uygun değildir, bu nedenle Fick’in ikinci kanunu

olarak bilinen aşağıdaki kısmi diferansiyel denklem kullanılır. Örneğin, çelik bir milin

yüzeyinden içeriye sertleştirmek amacıyla karbon yayınıyor ise yüzeyinde altında karbon

konsantrasyonu zamanla değişecektir. Kararsız hallerde 2. Fick kanunu olarak bilenen

aşağıdaki denklem kullanılır:

15

Chapter 5 - 16

Dt

xerf

CC

CC

os

ox

21

Chapter 5 -

Dt

xerf

CC

CC

os

ox

21

Dt

xz

2Tablo üzerinde:

Chapter 5 -

D927°C = 1.28x 10-11 m2/sn

Cy = %0.90 x = 0.5 mm = 5.0 x 10-4 m

Co = %0.20

Cx = %0.40 t = ? Sn

ÖRNEK Problemler:

1020 çeliğinden bir dişliyi 927°C'de karbonladığınızı düşünün. Yüzeyin 0.50 mm

altında karbon miktarını %0.40'a çıkarmak için gerekli zamanı dakika cinsinden

hesaplayın. Fırın atmosferindeki karbon miktarının %0.90 ve çeliğin karbon

miktarının %0,20 olduğunu kabul edin.

Çözüm:

Dt

xerf

CC

CC

s

ox

21

0

Dt

xerf

CC

CC

s

xs

20

veya

Chapter 5 -

Dt

xerf

CC

CC

s

ox

21

0

veya

Dt

xerf

CC

CC

s

xs

20

Chapter 5 -

Örnek

1020 çeliğinden bir dişliyi bir önceki problemdeki gibi 927 °C'ta gazla

karbonlayacağımızı düşünelim. Bu kez 5 saatlik karbonlamadan sonra dişli yüzeyinin

0.50 mm altındaki karbon miktarını hesaplayın. Atmosferdeki karbon miktarının %0.90,

çeliğin karbon miktarının da %0.20 olduğunu kabul edin

Z = 0.521 kabul edelim. Şimdi bu Z - 0.521 değerine hangi hata fonksiyonunun

uyduğunu bilmemiz gerekir. Bu sayıyı Tablo’dan bulmak için verileri yandaki

tabloda olduğu gibi ara değerlememiz gerekir

Chapter 5 -

Dikkat edilecek olursa, 1020 çeliğinde karbonlama

süresini 2.4 saatten 5 saate yükseltmek, dişli yüzeyinin

0.5 mm altındaki karbon miktarını % 0.4'ten sadece %

0.52'ye yükseltebilmektedir.

Chapter 5 -

Endüstriyel uygulamalarda difüzyon-1

22

Chapter 5 -


23

Chapter 5 -


Chapter 5 -


Chapter 5 -


26

Chapter 5 -


©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarında atomlar

difüz eder, köprüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur.

Chapter 5 -

Difüzyonu etkileyen faktörler-1

28

Chapter 5 -


29

Chapter 5 -


30

Chapter 5 - 31

Bölüm 5 Difüzyon (Yayınma) - simgeirizalp.cbu.edu.trsimgeirizalp.cbu.edu.tr/mlzblmB/bolum5.pdf · Difüzyon için itici güç, konsantrasyon gradyantıdır. Aağıdaki denklem

Documents