Dislokasyon kaynakları

Mühendislik uygulamalarında kullandığımız, kristal yapıdaki bütün metaller, ister tek taneli ya da çok taneli olsun, belli bir miktarda dislokasyon içeriyor. Özel işlemlerle katılaştırılan tek taneli kristal yapılar bile, bir miktar dislokasyon barındırarak büyüyorlar. Bu dislokasyonlar, kristal büyümesi sırasında, kristal içindeki sıcaklık ve kompozisyon dağılımının homojen olmamasına bağlı gerilimler nedeniyle ortaya çıkıyor. Çok taneli kristallerde görülen dislokasyonlar ise, tane ya da faz sınırları gibi, kristalin yöneliminde ya da yapısında değişimlerin olduğu sınırlarda çekirdeklenerek kristal içine giriyorlar. Bu tür sınırların atom ölçeğinde pürüzsüz yapılara sahip olmaması ve ufak basamaklar, girintiler ya da çıkıntılar içermesi, dislokasyonların bu kusurlar üzerinde kolaylıkla çekirdeklenebilmesini sağlıyor.

Dislokasyonlar, sadece kristal yapı oluşurken ya da kristalin yüzeyindeki hatalar nedeniyle ortaya çıkmıyor. Kristal yapı içerisinde, birazdan bahsedeceğimiz bir işleyiş sayesinde de çoğalabiliyorlar. Bu çoğalmanın nasıl gerçekleştiğini kavramak için aşağıdaki resme bakalım.

Bu resimde, ekrana paralel konumlanan bir kayma düzleminde ilerleyen bir dislokasyonun, kristalde yer alan yabancı atomlar ya da farklı düzlemlerde yer alan dislokasyonlar gibi iki engele takılarak nasıl büküldüğü; iki ucu birleştiğinde de ayrı bir dislokasyon haline gelerek nasıl ayrıldığı gösteriliyor. Yukarıda (D) ile gösterilen resimde, dislokasyonun iki ucu birleşmeden hemen önceki durum gösteriliyor. Dislokasyonun zıt yönde hareket eden iki ucu birleşerek birbirini yok ettikten sonra (resimde: E), içeride kalan kısım ayrı bir dislokasyon haline gelerek dislokasyonun çoğalmasını sağlıyor. Bu dislokasyon kaynaklarına, kuramı geliştiren İngiliz fizikçi Charles Frank ve Amerikalı fizikçi Thornton Read’e ithafen Frank-Read kaynağı (İngilizce: Frank-Read source) adını veriyoruz.

Dislokasyonun iki ucu birleştikten hemen sonra (yukarıdaki resimde: E) ortaya çıkan durumun son derece kararsız olması nedeniyle, hem içeride, hem de dışarda kalan dislokasyonlar resimde (F) ile gösterilen duruma – esneyerek kopmuş bir lastik misali – çok hızlı bir şekide geçiyorlar. Aşağıda, Frank-Read kaynağının işleyişini gösteren benzetimde, bu geçişin ne kadar hızlı gerçekleştiğine dikkat ediniz.

Resim: Goingtodie (Kamu malına aktarılmış resim – telif hakkı bulunmuyor.)

Dislokasyonların kristal yapıda nasıl çoğalabildiklerini tarif eden bu işleyiş, gerinim sertleşmesinin nasıl gerçekleştiğine; yani, gerinim ile malzemedeki dislokasyon sayısının nasıl artabildiğine de ışık tutuyor. Bu işleyişin çok hızlı bir şekilde gerçekleşiyor olması sayesinde, tek bir Frank-Read kaynağı kısa bir zaman dilimi içinde çok fazla sayıda dislokasyon üretebiliyor.

Bu mekanizmanın gerekliliğini kavramak açısından, makroskopik şekil değişimi için gereken dislokasyon sayısını düşünebiliriz: Tek bir dislokasyon sırası kristalin bir ucundan diğer ucuna ilerlediğinde, kristalde sadece iki atom düzlemi arasındaki mesafe kadar, yani 1 nanometreden daha ufak bir şekil değişimi meydana geliyor. Aynı düzlem üzerinde 1000 dislokasyon kristalin bir ucundan diğer ucuna ilerlediğinde ise, 1 mikrometreden daha küçük şekil değişimi elde edebiliyoruz. Bu rakamlardan yola çıkarak, bir metal çubuğu birkaç santimetre bükebilmek için metalin ihtiyaç duyduğu dislokasyon sayısının ne kadar fazla olması gerektiğini kavrayabiliriz. Bu dislokasyonların “şekil değişimi sırasında” ortaya çıkabilmesi, yukarıda bahsettiğimiz Frank-Read kaynakları sayesinde mümkün oluyor.

Frank-Read kaynakları, kaynağın merkezinde yer alan dislokasyonun, farklı yönelimdeki bir düzlemde yer alan bir dislokasyon tarafından kesilmesiyle işlevsiz hale gelebiliyor.


Devamı: