Katı hal faz dönüşümlerine genel bakış

Bu konu başlığından itibaren kristal yapıya sahip katılarda yayılım ile gerçekleşen faz dönüşümleri (İngilizce: diffusional transformations) üzerinde duracağız. Bu dönüşümlerin nasıl gerçekleştiğine geçmeden önce, fazın (İngilizce: phase) tanımını yaparak başlayalım.

Malzeme bilimi kapsamında faz kelimesini, fiziksel ve kimyasal özelliklerin değişmediği, homojen yapıları tanımlamak için kullanıyoruz. Faz, eğer saf bir elementten bahsediyorsak, elementin katı, sıvı ya da gaz hallerini ifade ediyor. Katı halde birden fazla kristal yapı sergileyebilen metal ve alaşımlar mevzubahis olduğunda ise, faz kelimesini, malzeme içindeki farklı kristal yapıya sahip bölgeleri tanımlamak için kullanıyoruz. Dolayısıyla, katı haldeki faz dönüşümleri dediğimizde, malzemelerin kristal yapısında meydana gelen dönüşümleri kastediyoruz. Bu dönüşümler alaşımın kompozisyonu, ortam basıncı, sıcaklık gibi birçok değişkene bağlı nedenlerle gerçekleşebiliyor. Bu dönüşümlerin doğasını basitçe aktarabilmek ve konuyu yalınlaştırmak amacıyla, burada sadece sıcaklık değişimiyle ortaya çıkan dönüşümler üzerinde duracağız.

Faz dönüşümlerinin nasıl gerçekleştiğine geçmeden önce faz dönüşümlerinin neden gerçekleştiği, sıcaklık değiştikçe bir katının kristal yapısını değiştirmeye neden ihtiyaç duyduğu sorusuyla başlayalım. Bu soruya kaçamak bir cevap vermek gerekirse, bu dönüşümlerin farklı sıcaklıklarda farklı fazların kararlı olması nedeniyle gerçekleştiğini söyleyebiliriz. Tıpkı sıcaklık 0°C altına düştüğünde suyun değil, katı fazdaki buzun daha kararlı hale gelmesi gibi. Daha kapsamlı bir cevap almak ve fazların göreceli kararlılığını anlamak içinse termodinamiğe başvurmamız,  sıcaklık ve basınca bağlı olarak bir fazın serbest enerjisinin nasıl değiştiğini anlamamız gerekiyor. Konuya böyle soyut bir eksenden giriş yapmak yerine, bu dönüşümlerin türleri ve işleyişleriyle başlamanın daha doğru olacağını düşündüğümüz için, öncelikle bu dönüşümlerin nasıl gerçekleştiği üzerinde duracağız.

Katı malzemelerde gözlemlediğimiz faz dönüşümlerini dört ana başlık altında toplayabiliyoruz. Bu dönüşüm türlerini basit bir ikili denge diyagramı üzerinde kısaca tarif etmeye çalışalım.

Öncelikle malzemenin kristal yapısının tümden değiştiği, yukarıdaki resimde (I) ile gösterilen durumlara bakalım. Bu dönüşümler, tek fazlı bir bölgeden başka tek fazlı bir bölgeye (γ → β) geçilerek elde edilebileceği gibi, çok biçimli (İngilizce: polymorphic) ve tek bileşenli sistemlerde de gözlemlenebiliyor. Saf demirde gözlenen östenit – ferrit dönüşümünü bu duruma bir örnek olarak gösterebiliriz.

Zaman zaman, sıcaklık değiştiğinde malzemenin kristal yapısının tümden değil, yalnızca bazı bölgelerde, lokal olarak değiştiğini de gözlemleyebiliyoruz. Bu duruma bir örnek olarak, yukarıdaki resimde (II) ile gösterilen, tek fazlı bölgeden iki fazlı bölgeye geçilen durumu (γ → β + γ) gösterebiliriz. Çökelme (İngilizce: precipitation) adını verdiğimiz bu dönüşümlerde, tek fazlı katı çözeltinin (γ) çözünürlüğünün sıcaklık düştükçe azalması nedeniyle, bu katı çözeltiden bir miktar ayrı bir fazın çökelmesi (β) sağlanıyor. Yüksek sıcaklıktaki katı çözeltinin (γ) çözebildiği element miktarı sıcaklığın düşmesiyle azalsa da, çökelme dönüşümü sonlandığında bu anafaz malzeme içinde var olmaya devam ediyor.

Çökelmeden farklı olarak, eğer katı çözelti tepkime sonrasında tamamen ortadan kalkacak şekilde iki ayrı faza dönüşüyorsa, bu dönüşüme ayrışma (İngilizce: decomposition) adını veriyoruz. Bu dönüşümlere bir örnek olarak yukarıdaki resimde (III) ile gösterilen ötektoid dönüşümleri verebiliriz.

Çökelme dönüşümünün ters yönde işlemesiyle, yani iki fazlı bir yapıdaki fazlardan birinin diğeri içinde çözünmesiyle gerçekleşen dönüşümlere ise çözünme (İngilizce: dissolution) adını veriyoruz. Bu dönüşüme bir örnek olarak yukarıda (IV) ile gösterilen tepkimeyi (α + γ → α ) verebiliriz.

Yukarıda bahsettiğimiz bu dönüşümler her ne kadar bazı farklılıklar içeriyor olsalar da, hepsi de benzer bir işleyiş ile gerçekleşiyor. Bir kristal yapı farklı bir yapıya dönüşeceği zaman bu dönüşüm tek bir adımda gerçekleşmiyor. Anafaz içinden oluşacak yeni yapı, öncelikle malzeme içinde bazı konumlarda, birkaç atomun bir araya gelmesiyle kendini gösteriyor. Yeni ortaya çıkacak fazın oluşan bu ilk ufak modeline malzeme biliminde çekirdek (İngilizce: nucleus) adını veriyoruz. Çekirdeğin ortaya çıkmasının ardından dönüşümün geri kalan kısmı çekirdeklenen bu yapının büyümesi ile sağlanıyor. Çekirdeklenen yapı gittikçe büyüyerek sonunda bütün yapıya yayıldığında ise dönüşüm sonlanmış oluyor. Çekirdeklenme ve büyüme ile gerçekleşen bu tür faz dönüşümlerini yayılım ile gerçekleşen faz dönüşümleri (İngilizce: diffusional transformations) adıyla sınıflandırıyoruz. Çekirdeklenme ve büyüme süreçlerinin ayrıntılarına girmeden önce, bir sonraki konu başlığında faz dönüşümlerini fazların enerjileri üzerinden nasıl tarif edebileceğimiz üzerinde duracağız.

Devamı: