Martensit dönüşümünün atom düzeyindeki işleyişi

Martensit dönüşümünün doğasını daha rahat kavrayabilmek adına, yapının mikroskobik özelliklerine geçmeden önce bu dönüşümün atom düzeyinde nasıl gerçekleştiği üzerinde duralım.

Çeliklerde gözlemlediğimiz şekliyle martensit dönüşümleri, yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahip östenit fazının, hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahip martensit fazına dönüşmesi ile gerçekleşiyor. Bu dönüşüm yayılımsız gerçekleştiği için atomlar teker teker değil, hep birlikte ve aynı anda hareket ederek bu dönüşümün meydana gelmesini sağlıyorlar.

Atomların hep birlikte hareket edebilmeleri için, hareket ettikleri mesafelerin oldukça kısa olması gerekiyor. Yayılımla gerçekleşen faz dönüşümlerinde gözlemlediğimiz gibi uzun mesafeli konum değişimlerini, burada üzerinde durduğumuz yayılımsız dönüşümlerde gözlemlemiyoruz. Martensit dönüşümlerinde her bir atomun konumu yalnızca ~1 ya da 2 angstrom kadar değişebiliyor.

Bu noktada karşımızda duran sorun, atomların konumlarında sadece çok kısa mesafeli değişimler olduğunu göz önünde bulundurarak, YMK yapının nasıl HMT yapıya dönüşebileceğini tarif edebilmek. Bu soruya bir cevap verebilmek adına Amerikalı metalurjist Edgar Bain, 20. yüzyıl başlarında bir model geliştiriyor. Bain modeli adını verdiğimiz bu tarifi, aşağıdaki resim üzerinde açıklayalım.

Öncelikle, YMK yapı simetrisinin bir özelliğini vurgulayarak başlayalım. Aşağıda soldaki resimde gösterildiği gibi, YMK yapıya sahip östenit kristalini farklı bir açıdan ele aldığımızda, yapının aynı zamanda hacim merkezli tetragonal (HMT) simetriye de sahip olduğunu görüyoruz. Diğer bir deyişle, östenit fazındaki atom dizilimini bakış açımıza göre hem kübik, hem de tetragonal simetri üzerinden tarif etmemiz mümkün olabiliyor. Bu açıdan bakınca, YMK yapıdan bir tetragonal çıkarmanın ilk başta göründüğü kadar zor olmadığını görebiliriz. Çünkü YMK yapı içinde halihazırda bir tetragonal zaten bulunuyor.

YMK içindeki bu tetragonal yapıdan, farklı boyutlardaki tetragonal simetriye sahip martensit birim hücresini elde edebilmek için, YMK yapı içindeki tetragonali dikey doğrultuda ~%20 kadar daraltıp, yanal yüzeylerden de ~%12 kadar genişletmemiz gerekiyor. Bain gerinimi (İngilizce: Bain strain) olarak da bilinen bu şekil değişimi, Bain’in ortaya attığı dönüşüm modelinin temelini oluşturuyor: atomlar dikey eksen doğrultusunda ~%20 daralma, yanal yüzeylerden de ~%12 kadar genişleme yaratacak şekilde konumlarını değiştirdiğinde, östenit fazının martensite dönüşebilmesinin mümkün olduğunu söylüyor, Bain.

Her ne kadar ilk bakışta akla yatkın gibi görünse de, bu işleyiş karşısında önemli bir engel bulunuyor. Martensit dönüşümünde çoğu zaman yapıda bir miktar dönüşmemiş östenit (İngilizce: retained austenite) kaldığını görüyoruz. Yapıda dönüşmemiş östenitin bulunması, östenit ile martensit arasında bağdaşık bir arayüzey bulunması zorunluluğunu ortaya çıkarıyor. Yani, iki faz arasında bir düzlemin dönüşümün öncesinde ve sonrasında değişmeden, aynı şekilde kalması gerekiyor. Anafazın ve oluşan yeni fazın paylaştığı, değişmeyen bu düzleme yerleşik düzlem* (İngilizce: habit plane) adını veriyoruz.

Yukarıda tarif ettiğimiz Bain modelindeki sorun, bu modele göre işleyen bir dönüşümde yerleşik bir düzlemin bulunamıyor olması. Bu sorunu daha rahat görebilmek için şimdi aşağıdaki resme bakalım.

Bain modeline göre dönüşen bir kristaldeki morfoloji değişimini basitçe gözümüzde canlandırabilmek için, östenit kristalini bir küre olarak ele alalım. Aşağıda mavi renkle gösterilen ve östenit fazını temsil ettiğini varsaydığımız küreyi, (A) ile gösterilen şekilde, y ekseni doğrultusunda %20 daraltıp yan eksenler doğrultusunda %12 genişlettiğimizde, martensit fazını temsil ettiğini kabul ettiğimiz kırmızı elipsoidi elde ediyoruz. Bain modelini tarif eden bu dönüşümün gerçekte var olabilmesi için, her iki yapıda da bulunan ve dönüşüm boyunca değişmeyen yerleşik bir düzlemin bulunması gerektiğini yukarıda belirtmiştik. Resimde (A)’da yeşil renkle gösterilen ve sayfaya dik uzanan düzlem her ne kadar ilk bakışta yerleşik bir düzlem olabilirmiş gibi görünse de, bu düzlem dönüşüm boyunca değişmeden kalamayacağı için yerleşik olabilmesi mümkün görünmüyor.

Bu dönüşümün yerleşik bir düzlem barındırarak gerçekleşebilmesi için, aşağıda (B) ile gösterilen şekilde, elipsoidin x ekseni üzerindeki boyutlarının sabit kalması, yerleşik düzlemin de daralma yönüne dik konumlanması gerekiyor.

Elipsoidin x yönünde genişlemeden kalabilmesi için, Bain modeli uyarınca gerçekleşen dönüşümün devamında yapının bir defa daha şekil değiştirmesi; x ekseni doğrultusundaki boyutunu kısaltması gerekiyor. Bu da, dislokasyon hareketi ya da ikizlenme ile martensitin x ekseni boyunca bir miktar daralması gerektiği anlamına geliyor. Yukarıda (C) ile gösterilen resimde, martensit fazının kesme şekil değişimi sayesinde x ekseni üzerindeki boyutlarını nasıl muhafaza edebildiği gösteriliyor.

Atom ölçeğinde iki adımda gerçekleşen bu dönüşüm, östenit fazının martensite yayılımsız olarak dönüşebilmesini sağlıyor. Bir sonraki konu başlığında bu dönüşümün mikroskobik ölçekteki işleyişi üzerinde duracağız.


*Not:

İngilizce habit plane olarak adlandırılan yerleşik düzlemden bazı Türkçe kaynaklarda “alışkı düzlemi” olarak bahsedildiğini görebilirsiniz. Bu çevirinin habit‘in Türkçe karşılığı olan “alışkanlık” kelimesinden geldiğini düşünüyorum. Halbuki, buradaki  kullanımı itibariyle habit kelimesinin alışkanlık anlamıyla değil, habitation kelimesindeki şekliye, yerleşme, ikamet etme anlamıyla ele alınması gerekiyor. Bu nedenle yukarıdaki metinde habit plane‘nin karşılığı olarak “yerleşik düzlem” ifadesini kullanmayı tercih ettim (Arda Çetin).


Devamı: