Tane sınırları

Şu ana kadar üzerinde durduğumuz, plastik davranışı etkileyen tüm faktörler, kristal içine sızan yabancı atomların bir şekilde dislokasyonların hareketini zorlaştırmasına dayalıydı. Bu konu başlığından itibaren, kristal içindeki yabancı atomları bir kenara bırakıp, dislokasyonların karşısında yer alması muhtemel bazı diğer engeller üzerinde duracağız.

İlk olarak, tane sınırlarını ele alalım. Mühendislik uygulamalarında kullandığımız birçok metal ve alaşımın mikroyapısını incelediğimizde, benzer kristal yapıya, fakat farklı yönelimlere sahip tanelerden oluştuklarını görüyoruz. Bu taneler ve tanelerin arasında kalan sınırlar hakkında daha ayrıntılı bilgi isteyen okurlar, ilgili konu başlığına bu bağlantı üzerinden ulaşabilirler.

Çok taneli malzemelerde gözlemlediğimiz bu tane sınırları, dislokasyonların hareketini kısıtlayarak, malzemenin güçlenmesine yol açabiliyorlar. Dislokasyonlar, tane sınırlarına iki nedenle takılabiliyor. İlk olarak, tane sınırlarında kristal yapının sona ermesi ve düzensiz bir yapı bulunması nedeniyle, bu bölgelerde dislokasyonların üzerinde kayabilecekleri sürekli bir kayma düzlemi bulunmuyor. Dolayısıyla, bir tane sınırına gelen bir dislokasyon, ister istemez durmak zoruna kalıyor. İkinci neden ise, taneler arasında daima bir miktar yönelim farkı bulunuyor olması. Bir tanenin ucuna kadar ilerleyen bir dislokasyon, sınırın diğer tarafındaki tanenin farklı bir açıda konumlanmış olması nedeniyle, sınırın öbür tarafına geçip, hareketine devam edemiyor.

Bu nedenle, bir malzemedeki tane sınırı miktarı arttıkça, dislokasyonların karşılaştığı engel miktarı da arttığı için, daha fazla sayıda dislokasyon hareketsiz kalıyor; yani, malzeme güçleniyor. Malzeme içindeki tane sınırını arttırmanın yolu ise, açıkça görülebileceği üzere, malzemedeki tanelerin boyutunu küçültmekten geçiyor. Malzeme içindeki taneler küçüldükçe, birim hacme düşen tane sınırı miktarı arttığı için, malzemenin güçlendiğini gözlemliyoruz.

Malzemedeki tanelerin boyutu, plastik şekil değişimini farklı bir şekilde daha etkileyebiliyor. Şekil değişimi esnasında, aynı kayma düzlemi üzerinde hareket eden dislokasyonlar tane sınırı yakınlarına birikerek, dislokasyon yığınları (İngilizce: dislocation pile-up) oluşturuyorlar. Bu yığınlara yeni dislokasyonlar eklendikçe, arkadan gelen dislokasyonlar, tane sınırının dibinde duran, yığının önündeki dislokasyonların üzerine kuvvet uygulayarak, öndeki dislokasyonların diğer taneye geçip kaymaya devam etmelerini sağlayabiliyorlar. Bu da, malzemenin şekil değiştirme becerisini olumlu yönde etkiliyor. Malzemenin tane boyutu küçüldüğünde ise, tane sınırı önünde biriken yığıntılar nispeten küçük kaldıkları için, sınırın önündeki dislokasyonları diğer taneye itebilecek kadar kuvvetli bir etki yaratamıyorlar. Bu da, bir yandan malzemenin şekil değiştirebilme kapasitesi üzerinde olumsuz bir etki yaratırken, diğer yandan malzemenin daha da güçlenmesine yol açıyor.

Malzemenin tane boyutu ile akma dayancı arasındaki ilişki incelendiğinde, tane boyutu küçüldükçe, malzemenin akma dayancının arttığını gözlemliyoruz. İlk olarak, 1950’li yılların başlarında, birbirlerinden bağımsız olarak E.O. Hall ve N.J. Petch tarafından keşfedilen bu etkiyi, bu iki bilim adamının ismiyle andığımız Hall-Petch ilişkisiyle ifade ediyoruz:

Bu eşitlikte σ0 malzemenin akma dayancını, σi kristalin dislokasyon hareketine gösterdiği direnci; yani dislokasyonları harekete geçirmek için uygulanması gereken gerilim miktarını, k malzemeye özgü mukavemet sabitini, D ise malzemenin ortalama tane boyutunu ifade ediyor.


Devamı: