Alaşımların yapısı
Saf metallerin atom yapıları alaşımların özellikleri anlaşılmadan açıklanamaz.
Dış görünüşlerinden anlaşılmamakla birlikte metaller kristal yapıdadır. Metal atomları düzenli bir biçimde yerleşmiştir. Bir kafes gibi kesin geometrik kalıplar içinde, belirli noktalarda yerleşmiş düzgün bir ağ oluştururlar. Böyle yapılar mekanik olarak yumuşaktır. Çünkü bir düzlem üzerinde ya da yassı yaprak biçiminde dizilen atomlar, dışarıdan uygulanan bir kuvvet etkisiyle kolayca birbirleri üzerinden kayabilirler. Uygulanan kuvvet kalktığında, düzlemler geri kayarak asıl yerlerine gelmezler. Bu saf metallere plastik ya da macunumsu bir özellik verir.
Gerçekte, atom düzlemleri birbiri üzerinden, tam kristal yapıdaki yanlış yerleşme diye adlandırılan etkilerin doğrudan sonucu olarak, daha kolay kayar. Metal kristal biçiminin bozulmasında yanlış yerleşme’nin oynadığı rolü anlayabilmek için, büyük bir halının oda boyunca çekilmesini gözlemek gerekir. Halıyı bir ucundan kaldırmak ve çekmek için büyük bir kuvvete ve birkaç kişiye gerek vardır. Ama halı önce öteki ucundan öne doğru itilirse (yanlış yerleşme) kolayca çekilebilir.
İster alaşım oluşturmak üzere ister artık madde halinde olsun, metal kristalleri içinde farklı tipte atomların bulunması, kayma hareketini önler ve metalde yanlış yerleşmelerin oluşmasını zorlaştırır. Alaşımlara katılan metal miktarı, tipi ve aynı zamanda bu metalin kristal yapıdaki düzeni, alaşımın son özelliklerini büyük ölçüde etkiler.
Erimiş halde hazırlanan alaşımlar, daha sonra soğutulur. Metallerin çoğu erimiş halde birbirleriyle bütünüyle karışırlar. Bu karışımlar, metallerin birbirleri içindeki çözeltileri olarak da düşünülebilir. Erimiş halde karışmayan metaller, yağ ve su gibi birbirlerinden ayrılma eğiliminde olduklarından, genellikle yararlı alaşımlar oluşturmazlar.
Çözeltinin katılaşma sırasındaki davranışı, oluşacak alaşımın özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Az rastlanan bir örnek, katılaşma sırasında çözeltinin karışmamasıdır. Bu ürün katı çözelti diye adlandırılır. Burada, alaşım her tanenin erimiş karışımla aynı bileşimde olduğu taneli bir kristal yapı gösterir. Yalnızca bakır ve nikel gibi birkaç metal çifti olası göreceli oranların bütününü içerecek biçimde katı çözelti oluştururlar.
Yine az rastlanan başka bir örnek de, iki bileşiğin katılaşma sırasında büsbütün ayrılmasıdır. Bu durumda katı alaşım, saf metal kristallerinin bir karışımı olacaktır.
Bu iki aşırı örnek dışında ise, genellikle metaller birbirlerinde sınırlı ölçüde çözünürler. Böylece alaşım, iki katı çözeltinin bir karışımı olur. Bunlar evre (faz) olarak adlandırılır. Bir örnek olarak, kurşun ve kalay alaşımı alınırsa, genellikle α(alfa) olarak adlandırılan faz, içinde %5 oranında çözünmüş kalay bulunan kurşundan oluşur. β (beta) fazı ise, %1 kurşun içeren kalaydır. Bu sistemde %62 kalay, %38 kurşun idealdir. Çünkü alaşım, istenen sıcaklıkta saf bir metal gibi bütünüyle erir. Bu bileşimdeki alaşıma ötektik bileşim adı verilir. Mikroskop altında incelenirse kalayca zengin β fazı, kurşun tarafından çevrelenmiş, uygun biçimde bölümlere ayrılmış tanecikler olarak görünür. Kesin erime noktasından dolayı bu alaşım lehimleme işlemlerinde çok kullanılır.
%65 kurşun içeren bir başka alaşım, mikroskopik bir yapıdadır ve kurşunca zengin alfa fazının nispeten büyük taneleriyle ötektik fazın daha ince taneciklerinden oluşur. Bu alaşımın erime noktası 70 0C’ın biraz üstüne çıktığından, katılaşma sırasında kolaylıkla biçim verilebilir. Bu nedenle boruların birleştirilmesi gibi işlerde kullanılır ve çoğunlukla su boruları lehimi diye bilinir.
Katı çözeltilerin iki farklı yapısı vardır; yer değiştirmiş ve ara durumlu. Yer değiştirmiş katı yapıda, eklenen metalin atomları, genellikle, rastlantısal biçimde asıl metal ağları içindeki atomların yerini alır. Sözgelimi küplerden oluşmuş bir kristal ağı, her köşesine yerleşmiş olan asıl metal atomları ile birkaç köşeye rastgele girmiş olan öteki metal atomlarını içerir. Bu durum, yalnızca kabaca aynı büyüklükte atomları bulunan maddelerde gerçekleşir. Etkinin çoğu kez önemsiz görünmesine karşın, ağ hareketini engelleyen ve maddede bir sertleşme ortaya çıkaran neden, atom büyüklüklerindeki önemsiz farklılıklardır. Örneğin, bakır ve nikel yer değiştirmiş türde katı çözelti yaparlar.
Ara durumlu katı çözeltilerde, eklenen maddenin atomları, her köşesinde asıl metal atomları olan küplerin içine küçük toplar gibi yerleşmiş halde, asıl metal ağları ile bir arada bulunurlar. Eklenen maddeler, genellikle, atomları ağ aralarına yerleşebilecek küçüklükte olan karbon ya da azot gibi ametal maddelerdir.
Bazı kristal yapılarda aradaki atomlar yanlış yerleşmeyi engelleyici bir rol oynar. Bu nedenle çok küçük miktarlarda eklenmeleri gerekir. Örneğin saf demir içinde % 0,1 oranında karbonun ara durumdaki türü oluşturacak biçimde çözünmesi, metal dayanıklılığını on kat artırır ve yumuşak demiri sert çeliğe dönüştürür.
Bir başka tip alaşım yapısında da iki farklı metal atomu, bazı kesin oranlarda kimyasal bağ oluşturur (1:1, 2:2, 2:3 vb.). Böyle alaşımlara yarı – metal bileşikler denir ve düzgün bir ağ yapıları vardır. Yarı – metal bileşikler son derece sert ve kırılgandır. Ancak bu tür tanecikler, normal katı çözelti içinde dağıldığında, alaşıma sertlik verirler. Kurşun – kalay – antimon alaşımları, yarı – metal kalay – antimon bileşiği içeren, göreceli olarak büyük kristalli bir mikro yapıdadır. Bu yarı – metal bileşikler, alaşımda, öteki faz tarafından sarılan, kristal bir faz biçiminde ortaya çıkar. Kurşun – kalay – antimon alaşımları, içlerindeki yarı – metal bileşikler aşınmaya karşı dayanıklılık sağladığından ve daha kolaylıkla biçimlendirilebilme özelliklerinden dolayı, yataklarda kullanılmaya çok uygundur.
Çöktürmeyle sertleştirme
Yarı – metal bileşikler, alaşımların sertleştirilmesinde de oldukça önemli rol oynarlar. Yüksek sıcaklıklarda katı çözeltinin sertleşmesi, bir gerileme gösterir ve kristal ağının bozulma eğilimi fazladır. Bu durum, alaşım atomlarının engellemelerine karşı, yanlış yerleşmelerin ortaya çıkmasına yardımcı olur. Bu nedenle metal yumuşar. Normal koşullarda, küçük miktarda yarı – metal bileşikler içeren bir alaşım hızla soğutulursa, bileşik aşırı doymuş katı çözelti halinde tutulacaktır. Daha sonra dikkatle kontrol edilerek yapılan yeniden ısıtma, yarı – metal bileşikleri katı çözelti içinde çok iyi dağılmış halde çökelmeye götürür. Küçük, sert çökmüş tanecikler, yanlış yerleşmeleri etkin biçimde engeller. Ayrıca oluşmaya ya da yeniden erimeye başladıkları sıcaklıkla doğru orantılı olarak bu alandaki etkinliklerini sürdürürler.
Çöktürme ile sertleştirilmiş alaşımların bir başka önemli üstünlüğü de aşırı doymuş katı çözeltinin bir ölçüde yumuşak olmasıdır. Böylece, son sertleştirme işleminden önce kolaylıkla biçimlendirilebilirler.
Çeliğin ısıl işlemi
Aşırı doymuş katı çözeltinin, çeliklerin ısıl işleminde önemli rol oynayan özel bir türü vardır. 800 0C’ta bir çeliğin soğuk yağda, hızla soğutulmasıyla, 700 0C dolaylarında normal olarak oluşan özgül yapı değişimi için yeterli süre tanınmamış olur (Bu değişim demir karbür oluşturmak üzere karbon atomlarının demir içinde hareketleri sonucu oluşur ve yükseltilmiş ısıda belirli bir süre içinde gerçekleşir). Soğutma işlemi sonucu karbon atomları, ağı, yanlış yerleşme hareketlerini büsbütün güçleştirecek derecede bozar.
Bu yolla işlem görmüş çeliğe martensit adı verilir ve çok serttir. Bu sertlik, kırılganlığa neden olduğundan kullanışlı değildir. Bu özellik, alaşım yapımında göz önünde bulundurulması gereken noktaları ortaya koyar: sertlik, alaşım ekleyerek artırılabilir; ama belirli bir düzeyin üstünde, metal sağlam olmaktan çıkar. Martensitin kırılganlığı, tavlama (yeniden 500 – 700 0C arasında ısıtma) ve onu izleyen soğutma ile giderilebilir. Bu işlem, alaşım sertliğini bozmaksızın sağlamlık kazandırır.
