Tane sınırlarına genel bakış

Bu konu başlığı altında tane sınırı adını verdiğimiz, kristal düzenin malzeme içindeki sürekliliğine dair bir hata türü üzerinde dıracağız. Konunun kapsamını basit tutmak amacıyla, yalnızca tek fazlı malzemeleri gözönüne alarak tane sınırlarını açıklamaya çalışacağız. Farklı fazlar arasında oluşan sınırları ise, ayrı bir başlık altında ele alacağız.

Metal ve alaşımların kristalleşmesi, bu malzemeleri meydana getiren atomların üç boyutlu bir simetride düzenlenmesiyle gerçekleşiyor. Kristalleşme süreci tamamlandığında, çoğu zaman bu düzenin malzeme içinde kusursuz bir şekilde gerçekleşmediğini, yer yer kesintiye uğradığını gözlemliyoruz. Bu kesintiler kristal düzenin malzeme içinde bazı bölgelerde kurulamaması şeklinde değil, yöneliminin birden değişmesiyle kendini gösteriyor. Bu malzemelere daha geniş bir perspektiften baktığımızda, içyapılarının farklı yönelime, fakat aynı yapıya sahip birçok kümeden meydana geldiğini; yukarıda bahsettiğimiz yönelim değişiminin de iki küme arasındaki sınırı ifade ettiğini görüyoruz. Aynı yapıya, fakat farklı yönelime sahip bu kristal kümelerine malzeme biliminde tane (İngilizce: grain), tanelerin aralarında kalan bölgelere ise tane sınırı adını veriyoruz.

Tane sınırlarının oluşma nedenini anlayabilmek için kristalleşme sürecine bakmamız gerekiyor. Kristalleşme, atomların düzensiz bir durumdan düzenli bir duruma geçişini tarif ediyor. Fakat bu dönüşüm tek bir adımda gerçekleşmiyor; yani, sıvı fazdaki düzensiz atomlar katılaşma sırasında tek adımda düzenlenerek kristal yapıyı ortaya çıkarmıyorlar. Bir yapı kristalleşmeye başladığında, sıvı fazdaki düzensiz atom denizi içinde bir yerlerde, birkaç atom tesadüfen biraraya gelerek bir kristal çekirdeği oluşturuyor. Bu çekirdek, oluşacak üç boyutlu kristalin, birkaç atomdan meydana gelen ufak bir modeli niteliğini taşıyor. Kristalleşme sürecinin devam eden kısmında, bu çekirdeği sarmalayan düzensiz atom denizi içindeki atomlar teker teker çekirdeğe eklenerek, tane adını verdiğimiz düzenli, sıralanmış atom kümesini meydana getiriyorlar.

Tane sınırlarının oluşma nedeni ise, çekirdeklenmenin birçok farklı noktada başlıyor olması. Çekirdekler sıvı içinde rastgele noktalarda ve birbirlerinden bağımsız oluştukları için, herbiri farklı bir yönelime sahip olarak büyüyor. Taneler iyice büyüyüp birbirleriyle temas ederek durduklarında ise, aralarında daima bir miktar yönelim farkı bulunuyor. Bu yönelim farkı, tanelerin birbirleriyle kusursuz bir şekilde bütünleşebilmelerini engelliyor. Bu sebeple tanelerin en ucunda bulunan, yani tane sınırlarına denk düşen atomların oluşturabileceği kimyasal bağların bir kısmı kurulamıyor. Bol miktarda bağlanmamış kimyasal bağ içermeleri nedeniyle tane sınırlarını, tanelerin iç kısımlarına göre daha yüksek enerjili bölgeler olarak değerlendiriyoruz.

Resim: DoITPoMS, Creative Commons (CC BY-NC-SA 2.0)

Tane sınırlarını, sınırı iki yanındaki tanelerin arasındaki yönelim farkına bakarak düşük açılı ya da yüksek açılı olarak ele alabiliyoruz. İlerleyen konularda bu sınıflandırmanın ayrıntılarından bahsedeceğiz.


Devamı: