Çizgisel hatalar Kenar dislokasyonu

Öncelikle belirtelim: bu konu başlığı altında bahsedeceğimiz çizgisel hatalar, kristal yapıya sahip malzemelerde şekil değişiminin nasıl gerçekleştiğini anlamamız açısından büyük önem taşıyor. Bu kısa başlık altında bu hataların yapısını sadece kaba hatlarıyla tarif edeceğiz. Çizgisel hataların işleyişi hakkında daha kapsamlı bilgiye Malzemelerin Mekanik Davranışı başlığı altından ulaşabilirsiniz.

Bir önceki konuda noktasal hataların kristal yapıdaki kafes noktalarıyla ilişkili hatalar olduklarını belirtmiştik. Çizgisel hata dediğimizde ise, kristal içinde bir sıra boyunca dizilmiş atomlara dair bir hatadan bahsediyoruz.

Dislokasyon adını verdiğimiz bu çizgisel hatalar, kristalin bir ucundan diğerine uzanması gereken bir düzlemin kristal içinde bir yerde, beklenmedik bir şekilde sona ermesiyle ortaya çıkıyor. Dolayısıyla, bu hataları her ne kadar çizgisel olarak değerlendirsek de, aslında atom düzlemlerine dair bir hatadan bahsediyoruz. Bu hataları düzlemsel değil de çizgisel hata olarak değerlendirmemizin nedeni ise, düzlemin sonlandığı yerde bir sıra boyunca atom olması gerekirken, bu atomların eksik olması; yani, hatanın kendini bir çizgi üzerinde gösteriyor olması.

Taylor, Orowan ve Polyani’nin birbirlerinden bağımsız olarak dislokasyonları keşfettikleri 1934 yılına kadar metallerin nasıl eğilip bükülebildikleri, ya da çeliğin dövülerek nasıl sertleşebildiği uzun bir süre gizemini korumuş. Günümüzde ise, metallerin şekil değiştirebilme kabiliyetlerini ve  işlenerek sertleşebilmelerini dislokasyonlara borçlu olduklarını biliyoruz. Dislokasyonların metallere bu özellikleri nasıl kazandırdıklarını kavrayabilmek için şimdi bu hatalara biraz daha yakından bakalım.

Boşluk adını verdiğimiz noktasal hatalardan bahsederken, boşluklar sayesinde atomların kristal yapı içinde gezinebildiklerinden bahsetmiştik. Dislokasyonlar, yani boş atom sıraları da, atomların toplu şekilde bazı düzlemler üzerinde kayabilmelerini sağlıyor.

Bu hareketin nasıl gerçekleştiğini anlamak için aşağıdaki resimde gösterilen iki atom sırasını göz önüne alalım. Bir miktar kuvvet uygulayarak, soldaki resimde üstte duran dört atomu altta duran üç atom üzerinde sağa kaydırmak istediğimizi varsayalım; yani, aşağıdaki resimde solda gösterilen durumdan sağdaki duruma geçmek istediğimizi düşünelim. Eğer bu hareketi tek bir adımda gerçekleştirmek istersek, alt ve üst sıradaki tüm atomlar arasındaki bağları kırmamız gerekiyor. Kırılan bu bağlar, üstteki atomlar bir birim sağa kaydığında kendi hizalarına gelen atomlarla tekrar kuruluyor elbette. Burada anlamamız gerek nokta, bu hareketi tek bir adımda sağlamak için uygulamamız gereken kuvvetin bu nedenle çok fazla olması.

Atomları tek adımda sağa kaydırmak yerine, alt sırada duran atomları teker teker sola kaydırmayı da deneyebiliriz. Hareketin bu şekilde gerçekleşmesini sağladığımızda her bir adımda uygulamamız gereken kuvvet daha az olacağı için, kaymanın daha kolay gerçekleşmesini sağlayabiliyoruz.

Kolaylığı nedeniye atomların teker teker hareket ettiği bu ikinci işleyiş, dislokasyon hareketinin temelini oluşturuyor. Bu basit işleyişi birçok atomun bulunduğu kristal düzenine yansıtmak için şimdi aşağıdaki resme bakalım.

Yukarıda (a) ile gösterilen resimde, turuncu renkle gösterilen düzlemin (resimde çizgi olarak görünüyor) yukarısında, altına kıyasla fazladan bir düzlem bulunuyor. İki atomun oluşturduğu fazladan bu düzlemi yapının sağ üst tarafında görebilirsiniz. Turuncu renkle gösterilen düzleme paralel olacak şekilde kristalin alt ve üst kısımlarına ters yönlerde bir miktar kuvvet uyguladığımızı varsayalım. Kuvvetin uygulanmasıyla alt ve üst atom kümelerinin dislokasyon hareketi olarak tarif ettiğimiz işleyişle nasıl kaymaya başladıklarını bu resimdeki basamakları inceleyerek görebilirisiniz. Bu kayma hareketinin turuncu renkle gösterilen düzlem üzerinde gerçekleşmesi nedeniyle bu düzleme kayma düzlemi (İngilizce: slip plane) adını veriyoruz.

Buraya kadar üzerinde durduğumuz dislokasyon işleyişine malzeme biliminde kenar dislokasyonu adını veriyoruz. Bu dislokasyon türünün, birazdan bahsedeceğimiz vida dislokasyonundan ayrılan iki temel karakteristik özelliği bulunıyor. Vida dislokasyonuna geçmeden önce kenar dislokasyonlarını karakterize eden bu iki özelliğin üzerinde duralım:

1. Yukarıdaki resimde her ne kadar iki boyutlu olarak gösterilse de, kristal yapı aslında üç boyutlu bir simetri. Dislokasyon olarak gösterdiğimiz boşluk da, aslında sayfaya dik duran bir çizgi. Kenar dislokasyonlarını harekete geçirebilmemiz için, yani atom gruplarını birbirleri üzerinde kaydırabilmemiz için, uyguladığımız kuvvetin dislokasyon çizgisine dik olması gerekiyor. Yukarıdaki resimi inceleyerek nedenini anlayabilirsiniz: kristal yapıyı alttan ve üstten dislokasyon çizgisine dik olarak ve ters yönlerde itmedikçe kayma hareketi yaratmamız mümkün değil. Kayma düzlemine paralel uygulunan bu kuvvet türüne kesme (İngilizce: shear) kuvveti adını verdiğimizi de parantez içinde hatırlatalım.

2. Kenar dislokasyonlarının bir diğer özelliği de, birbirleri üzerinde kayan atom gruplarının dislokasyon çizgisi adını verdiğimiz boş sıra ile (resimde ekrana dik duruyor) paralel yönde hareket ediyor olması. Yukarıdaki resim bu özelliği de açıkça gösteriyor. Atomlar başlangıç konumlarının gösterildiği ilk durumdan (a) son duruma (f) doğru hareket ederlerken, dislokasyon çizgisi de kayma düzleminin altında ve üstünde kalan atom kümelerine paralel yönde hareket ediyor.

Bir sonraki sayfada yukarıda tarif ettiğimiz bu iki özelliğin geçerli olmadığı vida dislokasyonları üzerinde duracağız.


Devamı: