Faz sınırları

Faz sınırlarına geçmeden önce, malzeme bilimi kapsamında fazın ne anlama geldiğini açıklayarak başlayalım. Faz kelimesini iki ayrı anlamda kullanıyoruz: (i) maddenin hallerini tarif etmek için: katı faz, sıvı faz ve gaz fazı gibi; ve (ii) katı bir malzeme içindeki, fiziksel ve kimyasal özelliklerin değişmeden kaldığı bölgeleri tarif etmek için. Bu konu başlığı altında fazı yukarıdaki ikinci anlamıyla, yani, katı içindeki homojen yapıdaki bölgeler olarak ele alacağız.

Tane sınırlarından bahsederken taneleri aynı yapıya, fakat farklı yönelime sahip kristaller olarak tanımlamıştık. Dolayısıyla, bir tane sınırının iki tarafındaki kristalleri göz önüne aldığımız zaman, bu yapılar arasındaki tek farkın iki kristal arasındaki yönelim farkı olduğunu görüyoruz. Katı fazlar arasındaki sınırlar söz konusu olduğunda ise, sınırın iki tarafında sadece yönelimin değil, kristal yapının da değiştiğini gözlemliyoruz.

İki katı faz arasındaki arayüzeyleri, sınırın iki tarafındaki atomların ne derece uyumlu bir şekilde bir araya geldiklerine bakarak üç grup altında sınıflandırabiliyoruz.

Eğer sınırın iki tarafındaki atomlar mutlak bir uyumla hizalanarak bir araya geliyorlarsa, oluşan arayüzeye bağdaşık arayüzey (İngilizce: coherent interface) adını veriyoruz. Aşağıda soldaki resimde bir örneği gösterilen bu tür arayüzeyler, iki kafes arasında uyumsuzluğa bağlı bir gerinim oluşmayacağı için, birazdan bahsedeceğimiz diğer arayüzey türlerine kıyasla daha düşük enerjiye sahip oluyorlar. Bağdaşık arayüzeylerin enerjisi, iki faz arasında kompozisyon farklı bulunduğu durumlarda, sınır atomlarının farklı bir atoma bağlanıyor olması nedeniyle, sadece kimyasal kökenli bir enerji artışına dayanıyor.

İki fazın benzer kristal yapıda olduğu, fakat yapılar arasında bir miktar boyut farkı olduğu durumlarda ise, oluşan arayüzeyde bu uyumsuzluğa bağlı gerinimler ortaya çıkıyor. Yarıbağdaşık (İngilizce: semicoherent interface) adını verdiğimiz bu arayüzeyler, arayüzeye paralel konumlanan kenar dislokasyonları aracılığıyla bu gerinimleri bir miktar tolere edebiliyorlar. Yine de, iki yapı arasındaki uyumsuzluk nedeniyle bu arayüzeyler, bağdaşık arayüzeylere kıyasla daha yüksek enerji içeriyorlar.

İki fazın kristal yapısının birbirinden çok farklı olduğu durumlarda ise, bağdaşmaz arayüzey (İngilizce: incoherent interface) adını verdiğimiz ve iki yapının atomlarının son derece uyumsuz bir şekilde bir araya geldiği sınırlar karşımıza çıkıyor. Sınır boyunca konumlanan atomların sınırın diğer tarafındaki atomlara bağlanamaması nedeniye, bu arayüzeyler çok yüksek enerjiye sahip oluyor. Bu tür arayüzeyleri ortaya çıkaran fazların halihazırda çok farklı yapılara sahip olmaları nedeniyle, iki faz arasındaki yönelim farklı arayüzeyin enerjisi üzerinde ciddi bir etki yaratmıyor.

İki faz arasındaki sınırın atom düzeyindeki yapısı, katı hal faz dönüşümlerindeki büyüme sürecini önemli ölçüde etkileyebiliyor. Örnek olarak bağdaşık arayüzeyler, düzenli yapıları nedeniyle, atomların sınır boyunca yayılımla gezinmesine izin vermedikleri için düşük hareket kabiliyetine; bağdaşmaz arayüzeyler ise, atomların sınır boyunca yayılımla çok daha rahat gezinebilmeleri nedeniyle yüksek hareket kabiliyetine sahip şekilde karşımıza çıkıyorlar. Arayüzey yapısının büyüme sürecini ve büyüme yapılarını nasıl etkilediği hakkında daha kapsamlı bilgiye Malzeme Biliminin Fiziksel Temelleri başlığı altından ulaşabilirsiniz.


Devamı: