Kristalit
a) dövülebilir demir
b) kaplaması olmayan manyetik çelik
c) polikristalin silikondan yapılmış güneş pilleri
d) çinko galvanizli yüzey
e) tane sınırlarını vurgulayan asitle aşındırılmış metalin mikrografı
Kristalit, birçok malzemenin soğuması sırasında oluşan, küçük veya mikroskobik boyutta kristal yapılardır. Bu yapılar, polikristalin katıların temel bileşenlerini oluşturur ve bu nedenle genellikle tane (grain) olarak da adlandırılır.
Türleri
[değiştir | kaynağı değiştir]Kristalitlerin özel türlerinden biri basillittir.[1] Kristalitlerin boyutu, şekli ve yönelimi; bir malzemenin mekanik dayanımı, saydamlığı ve elektriksel iletkenliği gibi fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkiler.[2] Basillit, çubuk şeklinde (çubuğumsu) bir yapıya sahiptir ve içinde paralel longulitler bulunur. Bu yapısal özellikler, bulundukları malzemenin dokusunu ve yüzey özelliklerini etkileyebilir.
Yapı
[değiştir | kaynağı değiştir]Kristalitlerin yönelimi, herhangi bir tercihli doğrultu olmaksızın rastgele olabilir (bu durumda rastgele doku olarak adlandırılır) ya da büyüme ve işlenme koşullarına bağlı olarak belirli bir yönde yönlenmiş olabilir. Tekli kristallerin yapısı son derece düzenlidir; kristal örgüsü kesintisiz ve süreklidir.Buna karşılık, cam ve birçok polimer gibi amorf malzemeler, kristal yapı içermezler; bu tür malzemelerde yapıtaşları düzensiz bir şekilde yerleşmiştir.
Polikristalin yapılar ve parakristalin fazlar, bu iki uç yapı (tam düzenli kristal ve düzensiz amorf) arasında yer alır. Polikristalin malzemeler (veya polikristaller), farklı boyut ve yönelimlere sahip çok sayıda kristalitten oluşan katılardır. Günümüzde kullanılan malzemelerin büyük çoğunluğu polikristalindir. Bu kristalitler, genellikle ince amorf katmanlarla birbirine bağlanır. Tüm yaygın metaller, birçok seramik, kayalar ve buz dahil olmak üzere çoğu inorganik katı, doğada polikristalin yapıdadır.
Kristalitlerin birleşim noktalarına tane sınırları (grain boundaries) denir.
Boyut
[değiştir | kaynağı değiştir]
Tekdüze (monodispers) mikro yapılar içinde kristalit boyutu genellikle X-ışını kırınım desenlerinden elde edilen verilerle yaklaşık olarak belirlenir. Ayrıca tane boyutu, geçirimli elektron mikroskobu (TEM) gibi diğer deneysel tekniklerle de ölçülebilir.
Gözle görülebilecek ve elle tutulabilecek kadar büyük olan katı nesneler, nadiren tek bir kristalden (monokristal) oluşur. Ancak bazı özel durumlarda bu mümkündür. Örneğin:
- Değerli taşlar (mücevher kristalleri),
- Elektronik endüstrisinde kullanılan monokristalin silikon,
- Bazı özel lif türleri,
- Turbojet motorlarında kullanılan nikel bazlı süperalaşımlardan tek kristaller,
- ve çapı 0,5 metreyi aşabilen bazı buz kristalleri bu nadir örneklerdendir.[3]
Kristalit boyutu, birkaç nanometreden birkaç milimetreye kadar değişiklik gösterebilir
Malzeme fiziksel özellikleri üzerindeki etkiler
[değiştir | kaynağı değiştir]Bir katının kristalinliği (kristallilik derecesi), onun fiziksel özellikleri üzerinde önemli etkiler yapar.[4] Örneğin, kükürt genellikle polikristalin bir yapıya sahip olmasına rağmen, tamamen farklı özelliklere sahip başka allotropik formlarda da bulunabilir.[5] Kristalitler, genellikle taneler olarak adlandırılsa da, toz taneleri farklıdır, çünkü bu taneler kendileri de daha küçük polikristalin tanelerden oluşabilir.[6]
Genel olarak, polikristaller aşırı ısınamazlar; yüksek sıcaklıklara getirilir getirilmez erirler. Bunun nedeni, tane sınırlarının amorf olması ve bu sınırların sıvı faz için nükleasyon noktası işlevi görmesidir. Buna karşın, eğer sıvı soğurken bir katı nükleusu mevcut değilse, sıvı genellikle aşırı soğur. Bu durum, mekanik malzemeler için istenmeyen bir durumdur, bu yüzden alaşım tasarımcıları genellikle buna karşı önlemler alır (örneğin, tane incelemesi ile).
Malzeme kırılmaları, intergranüler (tane sınırları arası) veya transgranüler (tane içi) olabilir. Toz taneleri ile ilgili bir belirsizlik vardır: bir toz tanesi birden fazla kristalitten oluşabilir. Bu nedenle, toz "tane boyutu", X ışını kristalografisi (Scherrer yöntemi), polarize ışıkla optik mikroskopi veya taramalı elektron mikroskobu (geri saflanmış elektronlar) ile ölçülen "tane boyutu"ndan farklı olabilir.
Eğer bireysel kristalitler tamamen rastgele yönelmişse, yeterince büyük bir polikristalin malzeme hacmi, yaklaşık olarak izotropik olur. Bu özellik, sürekli ortamlar mekaniğinin gerçek dünya katılarında uygulanmasını kolaylaştırır. Ancak, çoğu üretilmiş malzeme, kristalitlerine belirli bir yönelim sahip olup, bu da davranışlarının ve özelliklerinin doğru bir şekilde tahmin edilmesi için dikkate alınması gereken bir doku oluşturur. Kristalitler büyük oranda rastgele yönelimler gösterdiğinde, buna mozaik kristal denir.
Anormal tane büyümesi, birkaç kristalitin ortalama kristalit boyutundan önemli derecede büyük olduğu durumları tanımlar. Bu durum, çeşitli polikristalin malzemelerde yaygın olarak gözlemlenir ve mekanik ve optik özelliklerde farklar yaratır. Bu tür malzemeler, tekdüze kristalit boyut dağılımına sahip benzer malzemelerden farklı özellikler gösterir.
İri taneli kayaçlar, çok yavaş bir şekilde oluşur, oysa ince taneli kayaçlar jeolojik zaman dilimlerinde hızla oluşur. Eğer bir kayaç çok hızlı bir şekilde, örneğin bir volkanın lavının katılaşmasıyla oluşursa, hiç kristal oluşmayabilir. İşte bu şekilde obsidyen oluşur.
Tane sınırları
[değiştir | kaynağı değiştir]Tane sınırları, farklı yönelimlere sahip kristallerin birleştiği arayüzlerdir. Bir tane sınırı, her iki tarafındaki kristallerin yönelim dışında özdeşt olduğu tek fazlı bir arayüzdür. Kristalit sınırı terimi bazen kullanılsa da, nadiren tercih edilir. Tane sınırları bölgeleri, orijinal örgü noktalarından sapmış atomları, dislokasyonları ve enerji açısından daha düşük olan tane sınırlarına göç etmiş kirleticileri içerir.
Bir tane sınırını, tek bir kristalin ikiye bölünmüş hâlindeki arayüz olarak geometrik olarak ele alırsak, bir kristalin döndürülmesiyle tanımlanan beş değişkenin gerekli olduğunu görürüz. İlk iki sayı, dönüş eksenini belirten birim vektörden gelir. Üçüncü sayı, kristalin döndürülme açısını belirtir. Son iki sayı ise tane sınırının düzlemini (ya da bu düzleme normal olan birim vektörü) tanımlar.
Tane sınırları, malzeme içindeki dislokasyonların hareketini bozar. Dislokasyonların yayılması, tane sınırı defekt bölgesinin gerilme alanı, kayma düzlemleri ve kayma yönlerinin eksikliği ve genel hizalama eksiklikleri nedeniyle engellenir. Bu nedenle tane boyutunun küçültülmesi, genellikle dayanımı artırmak için yaygın bir yöntemdir. Bu işlem, tokluktan fedakârlık yapılmadan uygulanabilir, çünkü daha küçük taneler kayma düzleminde birim alan başına daha fazla engel yaratır. Bu kristalit boyutu-dayanıklılık ilişkisi Hall–Petch ilişkisi ile ifade edilir. Tane sınırlarının yüksek aralar arası enerji ve göreceli zayıf bağlar, onları korozyonun başlaması ve katıdan yeni fazların çökelmesi için tercih edilen alanlar hâline getirir.
Tane sınırı göçü, birçok sürünme mekanizmasında önemli bir rol oynar. Tane sınırı göçü, kayma gerilmesinin tane sınırı düzlemi üzerinde etkili olması ve kristallerin kaymasına yol açmasıyla gerçekleşir. Bu nedenle ince taneli malzemeler, özellikle yüksek sıcaklıklarda, iri taneli malzemelere göre daha zayıf bir yavaşlama direncine sahiptirler çünkü küçük taneler, daha fazla atomu tane sınırlarında içerir. Ayrıca tane sınırları, deformasyona da neden olur çünkü **nokta defektlerinin kaynakları ve çekiş yerleridir. Bir malzemedeki boşluklar, genellikle tane sınırlarında toplanır ve bu boşluklar kritik bir boyuta ulaşırsa, malzeme kırılabilir.
Tane sınırı göçü sırasında, hız belirleyici adım, iki komşu tane arasındaki açıya bağlıdır. Küçük açıdaki dislokasyon sınırlarında, göç hızı dislokasyonlar arasındaki boşluk difüzyonuna bağlıdır. Yüksek açıdaki dislokasyon sınırlarında ise bu hız, atomların tek atom atlamalarıyla küçülen kristallerden büyüyen kristallere taşınmasına bağlıdır.[7]
Tane sınırları genellikle yalnızca birkaç nanometre genişliğindedir. Yaygın malzemelerde, kristalitler yeterince büyük olduğu için, tane sınırları malzemenin küçük bir kısmını oluşturur. Ancak, çok küçük tane boyutları mümkündür. Nanokristalin katılarda, tane sınırları malzemenin önemli bir hacim oranını oluşturur ve bu durum, difüzyon ve plastisite gibi özellikler üzerinde derin etkiler yapar. Kristalitlerin boyutları çok küçük olduğunda, tane sınırlarının hacim oranı %100'e yaklaştığında, malzeme kristalin özelliklerini kaybeder ve amorf katı hâline gelir.
Tane sınırları, manyetik malzemelerdeki mıknatıssal bölgeciklerde de bulunur. Örneğin, bir bilgisayar sabit diski, sert bir ferromanyetik malzemeden yapılmıştır ve burada atomların manyetik momentlerinin indüktif bir kafa ile yeniden hizalanması sağlanır. Bu hizalanma, bölgeden bölgeye farklılık gösterir ve bu bölgeler arasındaki uyumsuzluk, veri depolamanın anahtarı olan sınırları oluşturur. Indüktif kafa, bu manyetik bölgelerin yönelimlerini ölçer ve ya bir "1" ya da "0" okur. Bu veri okuma işlemidir. Tane boyutu, bu teknolojide önemlidir çünkü bu, bir sabit diske sığabilecek bit sayısını sınırlar. Tane boyutları küçüldükçe, daha fazla veri depolanabilir.
Bazı malzemelerde, örneğin süperalaşımlı türbin kanatları gibi, tane sınırlarının tehlikeleri nedeniyle büyük teknolojik atılımlar yapılmış ve tane sınırlarının etkisini minimuma indirmek için önemli adımlar atılmıştır. Sonuç olarak, yönlü katılaşma işleme yöntemi geliştirilmiş ve tane sınırları, kanadın eksenine paralel hizalanmış kolonlu kristal yapılar üretilerek yok edilmiştir. Bu yönelim genellikle bir kanadın dönme hareketi sırasında maksimum çekme gerilmesinin hissedildiği yöndür. Sonuç olarak, türbin kanatları tek bir kristalden oluşmuş ve güvenilirlik artmıştır.[8]
Ayrıca bakınız
[değiştir | kaynağı değiştir]Kaynakça
[değiştir | kaynağı değiştir]- ^ "Bacillite | jeoloji" 15 Şubat 2025 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. - Encyclopedia Britannica. Erişim tarihi: 06 Eylül 2021.
- ^ Manutchehr-Danai, Mohsen (9 Mart 2013). "Mücevher ve Mücevherat Sözlüğü". Springer Bilim ve İş Medyası. s. 34. ISBN 978-3-662-04288-5.
- ^ Petit, JR; Souchez, R.; Barkov, NI; Lipenkov, V.Ya.; Raynaud, D.; Stevenard, M.; Vassiliev, NI; Verbeke, V.; Vimeux, F. (10 Aralık 1999). "Antarktika'daki Vostok Buzul Altı Gölünün Üzerinde 200 Metreden Fazla Buz Gölü". Bilim. 286 (5447): 2138– 2141. doi : 10.1126/science.286.5447.2138. 8 Kasım 2023 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. PMID10591641.
- ^ "Katıların Kategorileri" 26 Şubat 2024 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. Bodner Araştırma Web. Purdue Üniversitesi. Erişim tarihi: 19 Haziran 2023.
- ^ Hogan, C. Michael; Nodvin, Stephen C. (1 Kasım 2011) [25 Mart 2007]. "Sulfur". Encyclopedia of Earth. Washington DC: Çevresel Bilgi Koalisyonu, Ulusal Bilim ve Çevre Konseyi. 28 Ekim 2012 tarihinde orijinalinden arşivlendi. 14 Kasım 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
- ^ "Polikristalin grafit" (PDF). IUPAC Kimyasal Terminoloji Derlemesi (2. baskı). 1997. 21 Mayıs 2011 tarihinde orijinalinden (PDF) arşivlendi. 27 Ekim 2014 tarihinde erişildi.
- ^ Manutchehr-Danai, Mohsen (9 Mart 2013). "Mücevher ve Mücevherat Sözlüğü". Springer Bilim ve İş Medyası. s. 34. ISBN 978-3-662-04288-5.
- ^ Doherty, RD; Hughes, DA; Humphreys, FJ; Jonas, JJ; Jensen, D.Juul; Kassner, ME; King, WE; McNelley, TR; McQueen, HJ; Rollett, AD (1997). "Yeniden kristalleşmede güncel konular: Bir inceleme". Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: A. 238 (2): 219– 274. doi: 10.1016/S0921-5093(97)00424-3. hdl: 10945/40175. 8 Ekim 2024 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. S2CID 178854 9 Temmuz 2023 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
