Kati çözelti sertleşmesi

İlk olarak, dislokasyonların çevresine yabancı atomların konumlanarak dislokasyon hareketini zorlaştırdığı, en basit senaryo ile başlayalım.

Kristal yapıdaki metaller, sahip oldukları düzenli yapıların içinde bazı yabancı atomlar barındırabiliyor. Kristal içine sızan bu atomlar, malzemenin kristal simetrisinde yapısal bir değişim yaratmayacak kadar düşük miktarda olduğunda, ortaya çıkan karışımlara katı çözelti (İngilizce: solid solution) adını veriyoruz. Kristal yapı içinde bulunması muhtemel yabancı atom türleri hakkında bilgiye, kristal yapı hatalarının anlatıldığı noktasal hatalar başlığı altında ulaşabilirsiniz.

Katı çözeltilerin, malzemelerin mekanik davranışı üzerinde nasıl bir değişim ortaya çıkardığını, bir örnek üzerinden açıklayalım. Aşağıdaki resimde, bir kristal içindeki bir kenar dislokasyonu, kristal içine sızmış birkaç yeralan atomu ile birlikte gösteriliyor. Kırmızı renkle gösterilen yeralan atomları, malzemenin kristal simetrisinde yapısal bir değişim yaratmadıkları için, bu atomları kristal içinde çözünen atomlar (İngilizce: solute atoms) olarak değerlendiriyoruz.

Kristal içinde, hem dislokasyonların içine, hem de dislokasyon çizgisinin çevresine konumlanan bu yeralan atomları, dislokasyonların hareketini iki şekilde etkileyebiliyor. İlk olarak, dislokasyonların harekete geçmesini zorlaştırarak, plastik şekil değişiminin başladığı gerilimin, yani akma dayancının artmasına yol açıyorlar. Bu etkiyi, gerilim-gerinim eğrisi üzerinde, akma dayancındaki artışa bakarak tespit edebiliyoruz. İkinci etki ise, dislokasyonların hareketi sırasında ortaya çıkıyor: bir dislokasyon kendisini durduran çözünen atomlardan kurtulduktan sonra, hata içermeyen bir kristalde ilerliyormuş gibi daha düşük gerilim altında hareket etmiyor. Aksine, dislokasyonların harekete devam edebilmeleri için uygulanması gereken gerilim miktarının da, hata içermeyen bir kristale kıyasla arttırılması gerekiyor. Bu da, kristal içinde çözünen atomların sadece akma dayancını değil, kristal içinde yarattıkları gerinimler nedeniyle, dislokasyonların kayarken maruz kaldıkları sürtünme direncini de (İngilizce: frictional resistance) arttırdığını gösteriyor. Aşağıdaki resimde, kristal içinde çözünen atom miktarına bağlı olarak gerilim-gerinim eğrilerinde gözlemlenen değişimler gösteriliyor. Resimde görüldüğü gibi, kristal içinde çözünen atom miktarı arttıkça, malzemenin hem akma dayancı, hem de belli bir gerinim elde etmek için uygulanması gereken gerilim miktarı, yani akma gerilimi (İngilizce: flow stress) artış gösteriyor.

Katı çözelti sertleşmesine dair aklımızda tutmamız gereken bu önemli noktayı tekrar vurgulayalım: kristal içinde çözünen atomlar sadece akma dayancını değil, akma gerilimini de etkiliyorlar. Diğer bir deyişle, kristal içinde çözünen atomların kristalde yarattığı gerinim, dislokasyonlar harekete geçtikten sonra da dislokasyonları etkilemeye devam ediyor.

Bu noktada şöyle bir soru sorabiliriz: bu işleyişin sadece akma dayanıcını etkileyecek şekilde ortaya çıkması mümkün olabilir mi? Yani, dislokasyonları harekete geçirmek için uygulanması gereken gerilim (akma dayancı) artmasına rağmen, dislokasyonlar kendilerini durduran engellerden kurtulduktan sonra, tekrar daha düşük bir gerilim altında hareket etmeye devam edebilirler mi?

Bu sorunun kısa cevabı: evet. Nasıl mümkün olabildiğinden ise, bir sonraki konu başlığı altında bahsedeceğiz.


Devamı: