Çökelme

Bir çözelti içinde çözünen atomların yayılımla bir araya gelerek çözelti içinde çok ufak parçacıklar halinde ayrı bir faz oluşturması sürecine kimya biliminde çökelme (İngilizce: precipitation), oluşan parçacıklara ise çökelti (İngilizce: precipitate) adını veriyoruz. Bu konu başlığı altında bu süreci sadece katı hal faz dönüşümlerinde karşımıza çıkan şekliyle tarif edeceğiz.

Bu dönüşümün katı malzemelerde nasıl gerçekleştiğini aşağıdaki ikili denge faz diyagramı üzerinden anlatalım. Elimizde A ve B elementlerinin karışımıyla elde edilen bir alaşımdan hazırlanmış bir numune olduğunu farz edelim. Bu numunenin sıcaklığını, aşağıdaki denge diyagramında α ile gösterilen tek faz bölgesine çıkarıp, sonrasında yayılım oluşmasına izin vermeyecek şekilde, hızlıca tekrar çift faz bölgesine (α + θ) düşürdüğümüzü düşünelim. Bu durumda, faz diyagramı uyarınca α fazının bir kısmının θ’ya dönüşmesini bekliyor olsak da, numuneyi atom yayılımına izin vermeyecek kadar hızlı soğuttuğumuz için, α çözeltisinin aşırı doymuş bir şekilde, ayrışamadan kaldığını gözlemliyoruz. Bu düşük sıcaklıkta yayılım çok yavaş gerçekleştiği için, θ fazı aşırı doymuş α çözeltisinden çökelemiyor. θ fazının çökelmeye başlayabilmesi için yayılımı kolaylaştırmamız, yani numuneyi tekrar bir miktar ısıtmamız gerekiyor.

Numuneyi bir miktar ısıtmamızla çökelmeye başlayan θ fazı, anafaz α’dan farklı bir kristal yapıya sahip olduğunda, θ çökeltilerinin tek bir adımda değil, birkaç basamaktan oluşan bir işleyişle ortaya çıktığını gözlemliyoruz. Şimdi bu basamakların üzerinde teker teker duralım.

α ve θ fazlarının kristal yapıları farklı olduğunda, iki faz arasında bağdaşmaz bir arayüzey oluşacağı için, bu arayüzeyin yaratılması için gereken enerji miktarı yüksek bir değere sahip oluyor. Bu tür durumlarda, malzeme içinde öncelikle anafaz α ile aynı kristal yapıya sahip, fakat α’dan daha fazla miktarda B atomu içeren bölgeler oluştuğunu gözlemliyoruz (θ fazının α’ya kıyasla daha fazla B atomu içerdiğine dikkat ediniz). Çökelmenin başlangıcında ortaya çıkan bu bölgelerin varlığını ilk olarak keşfeden Fransız kristal bilimci André Guinier ve İngiliz fizikçi George Dawson Preston’a ithafen Guinier-Preston bölgeleri, ya da kısaca GP bölgeleri (İngilzce: GP zones) adını verdiğimiz bu bölgeler, sadece birkaç atom tabakası kalınlığa ve birkaç nanometre genişliğe sahip oluyorlar. GP bölgelerinin anafaz ile aynı kristal yapıya sahip olduğunu, fakat daha yüksek oranda çözünen atom içerdiğini tekrar vurgulayalım.

GP bölgeleri oluştuktan sonra sıcaklığı bir miktar daha arttırdığımızda, θ fazı henüz tam olarak ortaya çıkmadan, α ile θ arasında kalan yapısal özelliklere sahip bazı geçiş fazları (İngilizce: transition phases) ortaya çıkıyor. Geçiş fazları, anafaz α ile benzer yapısal özellikler taşıyor. Bu nedenle, direkt olarak θ fazının oluşmasına kıyasla daha düşük bir enerji bariyerinin aşılmasıyla oluşabiliyorlar. Geçiş fazları sayesinde, çökeltinin ortaya çıkacağı sıcaklığa kadar beklemeye gerek duymadan, sistem yapısını azar azar değiştirerek, enerjisini de adım adım azaltabiliyor.

Çökelen fazın gösterimi yanına kesme işareti ekleyerek (θ’’, θ’ gibi) belirttiğimiz bu geçiş fazlarının sayısı sistemden sisteme değişiklik gösterebiliyor. Örneğin bakır-berilyum alaşımlarında GP bölgesini takiben çökelti ortaya çıkana kadar sadece bir geçiş fazı ortaya çıkarken, alüminyum-bakır alaşımlarında iki ayrı geçiş fazı oluştuğunu görüyoruz. Çökelen fazın gösterimi yanına eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısı sistemde kaç farklı geçiş fazı olduğunu gösteriyor. Eklediğimiz kesme işaretlerinin sayısını, geçiş fazının ortaya çıkış sıralamasında sondan geriye sayacak şekilde belirtiyoruz. Örneğin α fazı içinden θ çökeltileri oluşurken iki geçiş fazı ortaya çıkıyorsa, ilk oluşan geçiş fazını θ’’, ikinci geçiş fazını ise θ’ ile gösteriyoruz. Dolayısıyla çökelme α → GP bölgeleri → θ’’ → θ’ → θ sırasıyla gerçekleşiyor.

Çökelme için daima geçiş fazlarının ortaya çıkması gerekmiyor. Bazı sistemlerde çökelmenin denge faz diyagramı uyarınca gerçekleştiğini, çökeltinin anafazdan direkt olarak çökeldiğini de gözlemleyebiliyoruz. Geçiş fazlarının oluşmadığı bu çökelme işleyişinde GP bölgeleri de oluşmadığı için, çökeltiler çekirdeklenebilmek için tane sınırlarından ya da anafaz içinde bulunan diğer parçacıkların yüzeylerinden faydalanıyorlar. Bu duruma bir örnek olarak, orta karbonlu çeliklere su verildiğinde martensit fazına ek olarak tane sınırlarında karşımıza çıkan ferrit parçacıklarını gösterebiliriz. Aşağıdaki resimde pirinç içerisinde, tane sınırlarında çekirdeklenmiş tabaka yapısındaki bu çökeltileri görebilirsiniz.

Resim: Core Materials, Creative Commons (CC BY-NC-SA 2.0)

Tabaka biçimindeki bu çökeltileri, ilk olarak gözlemleyen Avusturyalı bilim adamı Count Alois von Beckh Widmanstätten’e ithafen Widmanstätten yapısı olarak adlandırdığımızı da parantez içinde belirtelim.

Devamı: