Pratik uygulamalar Yeralan yayılımı

Önceki konu başlıklarında yalnızca arayer işleyişiyle gerçekleşen yayılım örnekleri üzerinde durduk. Bu başlık altında ise, yeralan işleyişiyle gerçekleşen bir yayılım örneğinden bahsedeceğiz. Öncelikle yayılımın yeralan işleyişiyle nasıl gerçekleştiğine bakalım.

Yeralan yayılımı, daha önce de belirttiğimiz gibi, atomların kristal yapıdaki kafes noktaları üzerinde gezinmeleriyle, yani kafes atomlarının yerini almalarıyla gerçekleşiyor. Bu noktada şöyle bir soru sorabiliriz: kristaldeki kafes noktaları kristal yapıyı oluşturan atomlarla dolu olduğuna göre, atomların bu konumlar üzerinde gezinmesi nasıl mümkün olabilir? Nasıl mümkün olabildiğini hemen açıklamak yerine, isterseniz öncelikle kendimiz biraz fikir yürütelim.

Aşağıdaki resimde, atomların bu şekilde gezinmesini mümkün kılabilecek üç farklı işleyiş tarifi gösteriliyor. İlk olarak, en solda gösterilen yer değiştirme işleyişini ele alalım: kafes içine sızan ve kırmızı renkle gösterilen yabancı atomun, kafes atomları ile teker teker yer değiştirerek kafes içinde gezindiğini varsayalım. Her ne kadar akla yatkın olsa da, bu işleyiş fikri karşısında pratik bir sorun var gibi görünüyor: yayılım bu şekilde gerçekleştiğinde iki atomun sürekli olarak aynı anda konum değiştirmesi gerekiyor. Bu uyumlu hareketin istatistiksel olarak gerçekleşme olasılığının oldukça düşük olması ve bu işleyişin gerçekleşebilmesi için kafes içinde yeterli miktarda boş yer olmaması nedeniyle, yayılımın bu şekilde gerçekleşmesi oldukça zor görünüyor.

İkinci bir fikir olarak, aynı anda dört atomun yer değiştirmesiyle de kristal içindeki yabancı atomun gezinmesi mümkün olabilir. Bu işleyiş aşağıda ortadaki resimde gösteriliyor. Bu işleyişin gerçekleşebilmesi için yukarıdaki gibi iki değil, dört atomun uyumlu bir şekilde hareket etmesini bekliyoruz. Dolayısıyla, bu işleyişin gerçek kristallerde gerçekleşebilme ihtimali, yer değiştime işleyişine kıyasla daha da düşük görünüyor.

Üçüncü bir fikir olarak, yabancı atomun kristal yapıdaki boş duran kafes noktalarından, yani boşluklardan faydalanarak gezindiğini düşünebiliriz. Bütün kristal yapılarda çok sayıda boşluk bulunması ve bu işleyişin diğer iki işleyişten farklı olarak kristal içinde bir gerinim yaratmıyor olması nedeniyle bu işleyişin gerçekleşme olasılığı yukarıdaki diğer fikirlere kıyasla çok daha yüksek görünüyor.

En son ortaya attığımız bu üçüncü fikir, gerçekten de, kolaylığı nedeniyle gerçek kristallerde gözlemlediğimiz yeralan yayılımının temel işleyişi olarak karşımıza çıkıyor.

Yer değiştirme ve döngüsel yer değiştirme işleyişlerini gerçek kristallerde gözlemlemediğimize göre, burada neden bahsetme ihtiyacı duyduğumuzu düşünüyor olabilirsiniz. Bunun nedeni, Amerikalı bilim adamı Ernest Kirkendall 1947 yılında, yeralan yayılımının boşluklar vasıtasıyla gerçekleştiğini gösteren çok önemli deneysel kanıtlar sunana dek, yayılımın bu iki işleyiş ile gerçekleştiğinin ve boşluk işleyişinin mümkün olamayacağının düşünülüyor olması. Yayılımın boşluklar üzerinden ilerlediği fikri bugün genel kabul görmüş olmasına rağmen, Kirkendall tarafından ilk ortaya atıldığında metalurji camiasında oldukça büyük bir tepkiyle karşılanıyor. Hatta öyle ki, Kirkendall birazdan bahsedeceğimiz deneysel sonuçları yayınladıktan sonra aldığı tepki nedeniyle üniversitedeki görevinden ayrılmak durumunda kalıyor.

Kirkendall etkisi olarak da bilinen bu deneysel sonuçları anlamak için, birbirine kaynaklanarak birleştirilmiş ve aynı alaşımdan yapılmış (diyelim ki A-B alaşımı), fakat farklı kompozisyonlara sahip iki ufak silindir numune düşünelim. Aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, mavi renki silindirin daha yoğun olarak A atomu, kırmızı renkli silindirin ise daha yoğun olarak B atomu içerdiğini kabul edelim.

Bu iki alaşımdaki A ve B atomlarının yeralan işleyişi ile yayıldıklarını ve alaşım içinde tamamen çözündüklerini varsayalım. Birleştirilen bu iki alaşımı bir fırına koyup bir süre ısıtarak atomların iki alaşım içine yayılmalarını sağladığımızda, iki alaşım arasındaki sınırın konum değiştirdiğini görüyoruz. Sınırın konum değiştirmesi iki nedene dayanıyor. Birinci neden, alaşımı oluşturan elementlerden birinin diğerine kıyasla daha hızlı yayılıyor olması. Dolayısıyla, alaşımlar arasındaki arayüzey zaman geçtikçe daha hızlı yayılan atomların yoğun olduğu tarafa doğru ilerliyor. İkinci neden ise, yayılımın boşluk işleyişi ile gerçekleşiyor olması. Eğer yayılım yer değiştirme işleyişi ile gerçekleşiyor olsaydı, bir alaşım içine sızan her atoma karşılık diğer alaşımdan da bir atomun karşı tarafa geçmesi gerekeceği için, her iki taraftaki konsantrasyonun aynı hızda değişmesi gerekecekti. Fakat, her iki alaşımda da çok sayıda boşluk bulunması ve atomların diğer alaşımdaki bu boşlukları farklı hızlarda doldurması nedeniyle, aradaki sınırın zamanla daha hızlı yayılan alaşıma doğru ilerlediğini gözlemliyoruz. Aşağıdaki resimde A atomları B atomlarına kıyasla diğer tarafa daha hızlı yayıldığında (yani JA > JB), arayüzey konumunun nasıl değiştiği gösteriliyor.

Yukarıdaki resimlerde, iki alaşım arasındaki arayüzeyin yayılım öncesindeki ve bir miktar yayılım gerçekleştikten sonraki konumları gösteriliyor. Resimde A yoğun kısım olarak gösterilen alaşımdaki A atomları diğer alaşım içine daha hızlı yayıldığı için, bir süre sonra iki numune arasındaki sınırın mavi renkli alaşıma doğru kaydığını görüyoruz.

Bu resimde gösterilen bir diğer önemli nokta da, daha hızlı yayılan atomların yoğun olduğu alaşım içinde, yayılım nedeniyle gözenekler oluşmaya başlaması. Kirkendall gözenekleri ya da Kirkendall boşlukları (İngilizce: Kirkendall voids) olarak adlandırılan bu gözenekler, benzer şekilde, A atomlarının B’ye kıyasla daha hızlı yayılıyor olması nedeniyle ortaya çıkıyor. Sonuç olarak diyebiliriz ki, iki element arasındaki yayılım hızlarının farklı olması, hem arayüzeyin konum değiştirmesine, hem de daha hızlı yayılan atomların yoğun olduğu alaşım içinde gözenekler oluşmasına neden oluyor.

Kirkendall etkisi her ne kadar ilk başta metalurji camiası içinde tepkiyle karşılanmış ve deneysel bir hatadan kaynaklanan bir etki gibi algılanmış olsa da, günümüzde bu etkiyi boşluk işleyişinin kanıtlarından biri olarak değerlendiriyoruz.


Devamı: