Bir önceki sayfada ikinci Fick yasasını arayer yayılımı tasviri üzerinden anlattık. Şimdi, bu tasvire bir örnek vermek adına, konsantrasyon eğiminin zamana bağlı değişim gösterdiği ve arayer işleyişiyle gerçekleşen bir yayılım uygulamasına bakalım.
Arayer yayılımından bahsederken, kafes atomlarına kıyasla daha küçük boyuttaki atomların, kristal içindeki ara yerlerlerden faydalanarak kristal içinde gezinebildiklerini belirtmiştik. Örnek olarak, demir ve karbonun alaşımlanmasıyla elde edilen çeliklerde karbon atomları, demir atomlarına göre daha küçük oldukları için, demir kristali içindeki ara yerlerde konumlanıyorlar. Kristalin ara yerlerine yerleşen bu karbon atomları kristal yapıdaki dislokasyonların hareketini güçleştirdikleri için, malzemenin şekil değiştirme becerisi üzerinde olumsuz bir etki yaratıyorlar. Bu da, çelikteki karbon miktarı arttıkça çeliğin sertliğinin artacağı, sünekliğinin ise azalacağı anlamına geliyor.
Sertliği artan bir çeliğin aynı zamanda sünekliğini ve tokluğunu kaybetmesi nedeniyle, çelikteki karbon miktarını arttırmak yerine karbürleme (İngilizce: carburization) adı verilen bir işlem uyguluyoruz. Karbürleme işleminde, düşük miktarda karbon içeren sünek bir çeliğe yüzeyinden karbon emdirerek sadece yüzeyinin sertleşmesini, iç kısımların ise sünekliğini ve tokluğunu korumasını sağlayabiliyoruz. Böylece hem sünek ve tok, hem de yüksek yüzey sertliğine sahip bir malzeme elde edebiliyoruz.
Karbürleme işleminde, düşük miktarda karbon içeren bir çelik, karbon içeren bir gazla (karbonmonoksit ya da metan gibi) dolu bir fırın içerisinde ısıtılarak, karbon atomlarının çelik içine yayılması sağlanıyor. Çeliğin yüzeyindeki karbon yoğunluğu istenen bir değere ve derinliğe ulaştığında çeliğe su verilerek (İngilizce: quenching) işlem sona erdiriliyor. Böylece çeliğin sadece yüzeyinde, ferrite göre çok daha sert bir faz olan martensit oluşması sağlanmış oluyor. Düşük miktarda karbon içeren çeliklerde martensit oluşamaması nedeniyle su verme işlemi sadece yüksek miktarda karbon içeren, yüzeye yakın kısımlarda martensit oluşmasını sağlıyor. Çeliğin iç kısımların yapısı değişmeden kaldığı için, parça tokluğundan ve sünekliğinden çok fazla kaybetmeden, yüksek yüzey sertiğine kavuşabiliyor.
Karbürleme derinliği fırın sıcaklığı, işlem süresi ve ortamdaki gaz konsantrasyonu ile belirleniyor. Örnek olarak aşağıdaki resimde, karbürleme sırasında çelik içindeki karbon konsantrasyonunun zamanla nasıl değiştiği gösteriliyor. Karbürleme işlemi boyunca fırındaki ve çeliğin iç kısımlarındaki karbon konsantrasyonu sabit olduğu için, zaman ilerledikçe sadece yüzeye yakın kısımlardaki karbon konsantrasyonu değişim gösteriyor. Aşağıdaki resimde üç farklı zaman değerindeki (t1, t2 ve t3) konsantrasyon profilleri gösteriliyor. Resmin altında ise, ikinci Fick yasasının çözümü ile elde edilen ve resimde gösterilen profilleri tarif eden eşitlik gösteriliyor. Zaman ilerledikçe çeliğin yüzeyine yakın kısımlarındaki karbon miktarının nasıl artış gösterdiğine dikkat ediniz.
Yukarıdaki eşitlikte yer alan hata fonksiyonu (İngilizce: error function), çan eğrisi olarak da bilinen Gauss eğrisinin altında kalan alanı, yani eğrinin integralini veriyor. Bu fonksiyon, yalın bir ifadeyle, bir deney sonucunda elde edilen bir verinin, bütün verilerin ortalama değerinden gösterdiği sapma miktarının z ile gösterilen bir değerden daha düşük olma olasılığını ifade ediyor. Diğer bir deyişle, tek bir karbon atomunun ilerlediği mesafe ölçüldüğünde, bu atomun, bütün karbon atomlarının ilerlediği ortalama mesafeden z kadar farklı bir mesafe ilerlemiş olma olasılığını ifade ediyor.
Yukarıda gösterilen karbon profilleri azalan bir eğilim gösterikleri için, karbürlenen kalınlığı net bir şekilde ifade edemiyoruz. Bu nedenle, karbürlenen yaklaşık kalınlığı belirtmek için, karbon konsantrasyonunun çeliğin yüzeyindeki ve iç kısımlarındaki karbon konsantrasyonlarının ortalamasına ulaştığı kalınlık değerini göz önüne alıyoruz. Aşağıdaki interaktif uygulama üzerinde zamana bağlı olarak konsantrasyon profilinin ve karbürlenen yaklaşık kalınlığın nasıl değiştiğini inceleyebilirsiniz.
Devamı:
- Sonraki sayfa: Pratik uygulamalar: Yeralan yayılımı
- Önceki sayfa: İkinci Fick yasası
- Ana konu başlığı: Malzeme Biliminin Fiziksel Temelleri