Dislokasyonlara giriş

Önceki konularda plastik şekil değişiminin analizini yaparken, malzemeleri homojen ve eşyönlü birer cisim olarak ele almıştık. Bu konu başlığından itibaren malzemelerin kristal yapılarını da göz önüne alarak, plastik şekil değişimini mümkün kılan, atom ölçeğindeki işleyişler üzerinde duracağız.

Kristal yapıya sahip malzemeler, dislokasyon adını verdiğimiz, kristal yapıda bulunan bir hata türü sayesinde şekillerini kalıcı olarak değiştirebiliyorlar. Bu hataların genel yapısından Temel Malzeme Bilgisi başlığı altında bahsetmiştik. Dislokasyonların yapısı hakkında bir ön bilgi almak isteyen okurların, kenar dislokasyonu ve vida dislokasyonu başlıklarını okuyarak konuya başlamalarını tavsiye ederiz.

Kristal yapıdaki malzemeler, yapı içindeki atom kümelerinin birbirleri üzerinde kayabiliyor olması sayesinde kalıcı olarak şekil değiştirebiliyorlar. Bu kayma işlemi rastgele düzlem veya yönlerde değil, her kristal yapıda sadece belli düzlemler üzerinde ve belli yönlerde gerçekleşebiliyor.

Dislokasyon hareketini daha iyi kavrayabilmek için, dislokasyonların yapısına biraz daha yakından bakalım. Dislokasyon hareketi sırasında, yani atomların kayma yönünde sıra sıra ilerlediği herhangi bir anda, bir birim kaymış olan kısımla henüz kaymamış kısım arasında kalan çizgiye dislokasyon adını veriyoruz. Örnek olarak aşağıdaki resimde soldan sağa doğru ilerleyen bir dislokasyon gösteriliyor. Dislokasyonun arkasında, yani solda kaymış kısım; dislokasyonun önünde, yani sağda da henüz kaymamış kısım görülüyor. Resimde dislokasyon genişliği olarak gösterilen kısım ise, eksik atom sırasının kristal yapıdaki düzeni nasıl bir ölçekte etkilediğini ifade ediyor. Dislokasyonun etkisi ne kadar geniş bir alana yayılıyorsa, dislokasyonun hareket etmesi o ölçüde kolaylaşıyor. Çünkü dislokasyon geniş bir alana yayıldığında, atomlar denge konumlarından çok fazla uzaklaşmak zorunda kalmadıkları için, dislokasyon boyunca oluşan elastik gerinimler düşük seviyelerde kalabiliyor. Bunun aksine, eğer dislokasyon genişliği dar bir alana kısıtlanmış ise, dislokasyonu çevreleyen atomlar denge konumlarından daha fazla uzaklaşacakları için, dislokasyonun çevresindeki elastik gerinim artıyor. Bu da, dislokasyonu harekete geçirmek için daha fazla kuvvet uygulanması gerektiği anlamına geliyor.

Dislokasyonları, kristal içindeki yarım kalmış düzlemler olarak da ele alabiliyoruz. Örnek olarak aşağıdaki resimde, dislokasyonun tam üzerinde yarım bir düzlem gösteriliyor. Bu yarım düzlemin varlığı, kristalin kayma düzleminin üzerinde kalan kısmının, kayma düzleminin altındaki kısma kıyasla bir miktar esnemesini sağlıyor. Yarım düzlemin solundaki dikey düzlemler bir miktar sola doğru, sağında kalan dikey düzlemlerse bir miktar sağa doğru kayıyorlar. Kristalde oluşan bu esneme, bu düzlemlerin dislokasyon üzerine bir miktar kuvvet uygulamasına yol açıyor. Örnek olarak aşağıdaki resimde, kristal kesitinin tam ortasında bir dislokasyon gösteriliyor. Böyle bir durumda, yani dislokasyonun sağındaki ve solundaki dikey düzlem sayısı, dolayısıyla da iki yönden uygulanan kuvvet eşit olduğunda, dislokasyon hareketsiz kalıyor.

Fakat, yarım düzlemin her iki tarafında bulunan dikey düzlem sayısı eşit değilse (gerçek kristallerde olduğu gibi), her iki yönden etki eden kuvvetlerin dengesi bozulacağı için, dislokasyon, dikey düzlem sayısının az olduğu yöne doğru hareket etmeye başlıyor. Dislokasyon üzerine diğer düzlemler tarafından uygulanan bu kuvvete, bu kuvveti ilk tarif eden ve matematiksel ifadesini geliştiren İngiliz fizikçiler Rudolf Peierls ve Frank Nabarro’ya ithafen Peierls-Nabarro kuvveti, ya da sadece Peierls kuvveti adını veriyoruz.

Dislokasyonlar sadece kristal yapıdaki Peierls kuvvetleri nedeniyle hareket etmiyor. Malzeme üzerine şekil değişimi yaratacak büyüklükte bir yük uygulandığında da dislokasyonlar hareket etmeye başlıyor. Dislokasyonları hareket ettirmek için uygulanması gereken yük miktarının nasıl hesaplandığını bir sonraki konu başlığında ele alacağız.


Devamı: