Martenzitik faz dönüşümleri dışında diğer bütün durum değişimlerinde akımların yer değiştirmeleri zorunludur. Bu durumlar süreksiz (kademeli) olarak ve sistemin serbest enerjisinin azalması ile devam edebilir.
Kararlı denge durumuna varıldığında serbest enerji alt minimuma ulaşır. Enerjinin birinci durumda olduğu kademe ise yarı kararlı durum olarak adlandırılır 1. durumdan 2. duruma geçiş için sisteme Q enerjisinin verilmesi zorunludur. Ancak o zaman serbest enerjide azalmayla 2. duruma ulaşılabilir. Burada Q enerjisine aktivasyon enerjisi adı verilir. Bu enerji:
Sıcaklığın artması,
Pekleşme oluşacak şekil değişimi,
Elektriksel ve manyetik alanlar yardımıyla sağlanabilir.
Atomların ve boş yerlerin yer değiştirmelerine ısıl aktive adı verilir. Toparlanma, yeniden kristalleşme, sürünme ve difüzyon birer ısıl aktivitedir.
Atomların iyonların ve diğer parçacıkların sıcaklığa bağlı olarak yer değiştirmelerine "difüzyon" denir. Difüzyon bir konsantrasyon gradieninden hareket eder. Yani moleküller, yüksek konsantrasyondan konsantrasyonun daha düşük olduğu bölgeye yayılırlar.
En hızlı difüzyon gazlarda olup, sıvı ve katılarda daha yavaş olur. İki bölge arasındaki konsantrasyon farkı ne kadar büyükse difüzyonda o denli hızlı olur. Difüzyon sıcaklıkla doğru orantılıdır. Sıcaklık arttıkça moleküller daha hızlı hareket ederler. Fakat gazlarda hız molekül ağırlığıyla ters orantılıdır.
Difüzyon, moleküllerin yoğunluk düzensizliğinin yok olduğu nihai süreçtir. Gaz ve sıvıların katılar içinde difüzyonu da gözlenir. Özellikle kaynakçılıkta büyük önemi olan hidrojen ve azot diftizyonu buna örnek olarak gösterilebilir. Difüzyonun meydana gelme sebebi, Gibbs serbest enerjisini azaltma isteğidir.
Diftızyon kimyasal potansiyeli yüksek olan bölgeden kimyasal potansiyeli düşük olan bölgeye doğru meydana gelir. Yalnız bu durum özel şartlar altında doğrudur. Bu sebeple difüzyonu meydana getiren ana ilke olarak, kimyasal potansiyel göz önüne alınır. Kimyasal potansiyel her yerde aynı olunca difüzyon durur.
Önerilen Makale: Çelik çubuk malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
altıgen çelik çubuk nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Tavlama Yöntemleri ve Difüzyon
Metal ve alaşımların üzerindeki faydalı yönlerinden biride, dış görünüm ya da ölçülerde hissedilir bir değişim olmadan içyapıda değişikliğe girebilme kabiliyetidir. Çeliğin ısıl işlemi buna iyi bir örnek olarak gösterilebilir. Tavlama süreçlerinin vaki olduğu esas mekanizma, alaşım içinde atomların difüzyonudur. Katı eriyik oluşması sırasında dengeyi korumak için gerekli değişmeler, yüzey sertleştirme esnasında yüzeye, karbon ya da azot ilavesi, difüzyonla mümkündür. Atomların difüze olabildikleri iki ana mekanizma vardır.
Boş Yer Difüzyonu
Normalde, bir kristal içerisindeki ikame atomu, bulunduğu yerde salınır ve etrafındaki komşu atomlar tarafından kuşatılmış durumdadır. İkame atomunun komşu atomlar tarafından kuşatılmış olması ona, hareketinde sınırlama getirir. Bu yüzden atom bir başka kafes noktasına hareket edemez. Bununla beraber bir komşu nokta boş ise atom bu boşluğa atlayabilir.
Herhangi bir atomun boş bir kafes noktasına geçmesi yeterli titreşim enerjisini elde etmesine bağlıdır. Herhangi bir atomun katı içerisinde hareket edebileceği hız, karşılaştığı karşılaşma frekansı ve boşluk konsantrasyonuna (sayısına) bağlıdır. Boş yer difüzyonunun olabilmesi için:
a- Atomal çapları farkının %15' den daha küçük olması,
b- Malzemelerin aynı kristal kafes yapısına sahip olması,
c- Eloktronegativite farkının küçük olması,
d- Valans elektronların eşit olması gerekir.
Boş yer difüzyonuna örnek olarak Cu, Ni, Fe - Ni, Au - Ag, Fe - Cr, Ti, Zr vb. alaşımlar gösterilebilir.
Ara Yer Difüzyonu
Fe, Cr, Ni, Mn, W, Ti vb. geçiş elementlerinin B, C, H. N ve E gibi elementlerle yaptığı çözeltiye ara yer katı çözelti ve C, H. N ve F gibi elementlerin geçiş elementleri içine yaptığı difüzyona da ara yer difüzyonu adı verilir.
Önce komşu atomların basit bir kübik kafes şeklinde düzenlendiğini ve çözünen B atomlarının ara yapıda herhangi bir difüzyona sebep olmadan ara yerlerle mükemmel bir şekilde yayıldığını kabul edelim. Çözelti o kadar seyrettik olsun ki her ara yer atomu 6 adet ara yer noktası ile kuşatılmış olsun. Eğer B'nin yoğunluğu, çözelti boyunca bir yöne (x) değişirse, B atomları yoğunlukları her yerde aynı oluncaya kadar malzeme içinde difüze olabilirler. Bu durumda atomların hangi yöne hareket edebileceği hesaplanabilir.
Katının termal enerjisi sebebi ile bütün atomlar denge durumunda titreşirler ve arada sırada bir ara yer atomunun büyük orandaki titreşimi ile ya da matrisin hareketi ile ara yer atomlarının hareketinin aynı anda olması bir sıçrama ile sonuçlanır. Ara yer difüzyonunun olabilmesi için küçük atom çaplarının büyük atom çaplarına oranının 0,59 dan daha küçük olması gerekir. Boş yer ve ara yer difüzyonu yanında atomların doğrudan teorik olarak yer değiştirmesi de mümkündür.
Ancak enerji nedenleri itibariyle doğrudan yer değiştirme ihtimali düşüktür. Gerçekte ise dislakosyonlar oldukça fazla olduğundan gerekli de değildir.
Difüzyonu Etkileyen Değişkenler
Difüzyon katsayısı genellikle sabit değildir. Difüzyon katsayısı, sıcaklık, konsantrasyon ve kristal dokusu gibi birçok değişkenin fonksiyonudur. Belli bir durumda bütün bu değişkenlerin özgül değerlere sahip bulundukları varsayılır ki bu takdirde difüzyon katsayısı belli bir sayı olur. Bununla birlikte bu sayıya varılırken çoğu kez bu değişkenlerin bir ya da daha fazlasının tek başına etkilerinin dikkate alınması gerekir.
Sıcaklık
Difüzyon sabitinin her 20 °C’lık sıcaklık yükselmesi ile iki kat büyüdüğü düşünüldüğünde, sıcaklık etkisinin ne kadar büyük olduğu görülür. Difüzyon sabiti, T sıcaklığa (°C+273) D=D0.e-Q/RT denklemiyle bağlıdır. D0, Q ve R sıcaklıktan bağımsızdır. Hareketlendirici Q enerjisi gram-molekül başına kalori olarak verildiğinde gaz sabitesi R=1,987 kal/gram-mol/°K olmaktadır. (Tekerrür Faktörü) D0, difüze olmakta olan atomların titreşim frekansına bağlı olup Q, difüzyonun vaki olmasını önlemeye çalışan enerjinin bir ölçüsüdür. Başka bir deyişle D0 ve Q beraberce bulunan metallerin bileşiminin karekteristik büyüklükleridir.
Konsantrasyon
Matematik kolaylık açısından difüzyon katsayısının konsantrasyondan bağımsız kabul edilmiş olması sebebiyle bu kabülle yapılan hatanın derecesinin bilinmesi faydalı olur. Bazı sistemlerde D konsantrasyonla belirgin bir şekilde değişir. Karbonun östenitin içerisinde eriyebilmesinin sınırı olan % 1,3 °C'a kadar difüzyon katsayısında az değişme olduğu bilinmektedir. D'nin büyük ölçüde konsantrasyon bağlı olduğu sistemlerde bile difüzyonun hafif eriyik içinde veya küçük bir konsantrasyon alanı içinde olması kaydıyla D değeri sabit kabul edilebilir.
Kristal Dokusu
Yüksek sıcaklıklarda hacim merkezli kübikten yüzey merkezli kübik demire allotropik dönüşümün önemi nedeniyle, kristal dokusunun bu değişimin demir içinde, erimiş atomların difüzyon derecesi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Belli bir sıcaklıkta difüzyon süreci ve demirin kendi difüzyonu ferrit (hacim merkezli kübik) içinde, östenit içindekine göre yaklaşık yüz kat fazladır.
Saflığı Bozan Maddeler
Az miktarda ilave metallerin varlığı genellikle bir ana metal içinde eriyen atomların difüzyonu üzerinde az etki yapar. Bu çoğu kez, difüzyonun çok sayıda değişkenden sadece biri olduğu sorunların çözümünde yararlı olmaktadır. Mesela çeliğin sertleşebilme kabiliyeti üzerinde alaşım elementlerinin kuvvetli etkilerinin, karbon difüzyonu derecesinde geniş değişmelerden başka faktörlerin sonucu olduğu kanısına varılır.
Tane Boyutu
Tane sınırı difüzyonu, tanelerin içindekinden daha hızlı olduğundan genel difüzyon derecesinin ince taneli metalde daha yüksek olması beklenir. Bununla birlikte mutat tane boyları ölçülerinde, difüzyon hesaplar yapılırken tane boyutunu hesaba katmak gerekmez.
