Dağlama İşlemi

Malzemelerde gerçek iç yapı özelliklerini ortaya çıkarmak için metalografide çoğu kez parlatılmış numune yüzeyine uygun bir reaktif tatbik edilir. Bu işleme Kimyasal Dağlama veya kısaca Dağlama denilmektedir. Dağlama ile parlatma sonucunda görülemeyen mikroyapı elemanları açığa çıkmaktadır. Dağlama, ayrıca fazların cinsini tayin etmede, dislokasyonların yerlerini belirlemede (etch pitting) ve yönlenme etütlerinde kullanılır.

Nihai parlatmadan çıkan numunede -gösterilen bütün ihtimama rağmen- kaçınılmaz olarak parlatılan yüzeyde soğuk işlenmiş bir tabaka bulunmaktadır. Bu tabaka başlıca iki kısımdır; üst tabakanın serbest enerjisi alt tabakaya kıyasla daha fazladır. Bu nedenle ilk dağlama işlemi sonunda üst tabaka kolayca reaktifin etkisi ile ortadan kalkar ve yüzeyde alt tabaka kalır. Bu durumda mikrokopik etüd yapıldığında orjinal yapıya benzemeyen bir yapı görülür. Bu tabakayı ortadan kaldırmak için parlatma ve dağlama işlemi bir daha tekrarlanmalıdır. Genel olarak parlatma ve dağlama işlemlerinin üç defa tekrarı, bu tabakanın tamamen ortadan kalkması için yeterlidir.

Bu tabakanın mevcudiyeti ve kalınlığı,
- numunenin yapısına,
- uygulanan parlatma yöntemine,
- numunenin parlatılması esnasında uygulanan basma kuvvetine,
- parlatmada kullanılan aşındırıcının karakterine

DAĞLAMA AYRAÇLARI

Genellikle metalografik numunenin dağlanmasında kullanılan reaktifler su, alkol, gliserin, glikol veya bunların karışımı olan çözücülerin içinde, organik ve inorganik asitle, çeşitli alkalilerin ve diğer kompleks bileşiklerin eritilmesi ile elde edilir. Kullanılan reaktiflerin aktivileri ve genel davranışları; hidrojen iyonu konsantrasyonuna, hidroksit iyonu konsantrasyonuna veya reaktifin bir veya daha fazla yapı bileşenlerini karartma yeteneğine bağlıdır.

Dağlama reaktifi, mikroyapı ayrıntılarını, numunenin yüzeyinden içeriye doğru selektif olarak çözündürmesi sonucu ortaya çıkarır. Çok fazlı yapılarda farklı fazların veya tek fazlı
alaşımlarda ve saf metallerde farklı doğrultuda yönlenmiş tanelerin dağlama reaktifi içinde çözünme miktarları şüphesiz farklıdır. Bu prensipe dayanan dağlama mekanizması aşağıda iki farklı durum için ele alınmıştır:

Çok Fazlı Alaşımlarda: Çok fazlı alaşımların dağlanma mekanizması elektrokimyasal niteliktedir. Numune reaktif ile temas ettiğinde, yapı bileşenleri (fazlar) arasında potansiyel farkı doğar. Daha yüksek potansiyelli faz, diğerine kıyasla anodik veya elektropozitifdir ve bu nedenle dağlama esnasında çözünmeye başlar. Katodik veya elektronegatif olan diğer faz, daha düşük potansiyele sahip olduğundan dağlama esnasında herhanği bir değişikliğe uğramaz.

Çok Fazlı Alaşımlarda Dağlama

Çok Fazlı Alaşımlarda Dağlama

Anodik ve katodik bileşenler arasındaki potansiyel farkı, elektropozitif fazın genellikle kullanılan dağlayıcı reaktifler içinde uygun hız ve oranda çözünmesi için yeterli büyüklüktedir. Bu durum aşırı dağlamayı önlemek bakımından dikkatli kontrol gerektirir. Saf metallerde ve tek fazlı yapılarda söz konusu potansiyel farkının
olmayışı nedeniyle bu malzemeler, çok fazlı malzemelere göre –tane sınırları hariç– daha zor dağlanırlar.

Dağlama esnasında anodik fazın öncelikle çözünmesinden dolayı iki fazlı alaşımlarda bu faz, parlatılmış yüzeyde veya hiç olmazsa anot-katot fazı arasında bir dereceye kadar çukurlaşma meydana getirir ve mikroskopta incelendiğinde ışınları yansıttığından çözünen bu faz karanlık (koyu gri-siyah) görülür. Katotik faz ise dağlamadan etkilenmediğinden ışınları ayna gibi yansıtır ve mikroskopta parlak (açık gri-beyaz) görülür.

Gerekli dağlama sürecinden daha uzun süre dağlamaya devam edilirse evvelce elektronegatif karakterde olan faz,  elektropozitif fazın bütün özelliklerini sahip olabilir. Bu duruma Aşırı Dağlama denir. Böyle durumlarda numune tekrar nihai parlatma diskine tabii tutulmalıdır.

Saf Metaller ve Tek Fazlı Alaşımlarda: Homojen tek fazlı alaşımlar ve saf metallerin dağlama işlemi çok fazlı alaşımlarınkinden farklıdır. Burada dağlama mekanizması elektropozitif bir olaya dayanır. Ana metal ile çözünmeyen kalıntılar ve tane sınırları ile taneler arasındaki potansiyel farkı genellikle o kadar belirsizdir ki dağlamanın etkisi olsa bile bu çok küçüktür.

Saf bir metal veya tek fazlı alaşımın dağlanması, bir reaktif tarafından metalin kimyasal olarak çözünmesidir. Öyle ki her tane parlatılmış numunenin yüzeyine kıyasla yönlenmesiyle ilişkili bir hızda çözünür. Netice olarak yapı tek fazlı olmasına rağmen mikroskopta aynı yöndeki taneler aynı parlaklıkta, farklı yöndeki taneler de farklı koyulukta görünürler. Bu olaya yönlenmiş tane parlaklığı adı verilir. Özellikle uzun süre dağlama sonunda kolayca bu durum farkedilir.

Tek Fazlı Yapılarda Dağlama

Tek Fazlı Yapılarda Dağlama

Tane sınırları atomik seviyede kusurlu bölgeler olduğundan tanenin iç kısmına kıyasla daha yüksek enerjiye sahiptir ve bu nedenle öncelikle çözünerek vadiler oluşur. Bu vadilerdeki ışınların dağılması sonucu tane sınırları optik mikroskopta ince ve karanlık hatlar halinde görülür.

Şişeler Çalkalanırsa Neden Fışkırır

siseGazlı içeceklerde çözünmüş halde bulunan karbondioksitin yüzeye çıkmasıyla artan basınç, sıvının şişeden patlarcasına ani bir şekilde çıkmasına neden olur. Ancak gazın sıvıdan kaçmasına molekül ölçeğinde neden olan nedir?

Şişe ilk açıldığında hafif bir ses duyulur. Bu dışarı çıkan karbondioksitin sesidir. Şişe kapalıyken karbondioksit belli bir basınç altında tutulur ve uygulanan bu basınç gazın suda çözünerek karbonik asidin sulu çözeltisini oluşturmasını sağlar. Ancak bu durumda ortamda sadece karbonik asidin sulu çözeltisi değil bir miktarda karbondioksit vardır. Çünkü karbondioksit suda çözünerek karbonik asidi oluştururken açığa çıkan karbonik asidin bir kısmı tekrar karbondioksite dönüşür. Bu sırada gaz çoğunlukla şişenin yukarı kısımlarında toplanır.

Şişe açıldığında ise içindeki basınç aniden düşer ve karbondioksit genleşerek daha fazla hacim kaplamaya başlar. Şişe açıldığında çıkan sesin nedeni budur. Şişe çalkalandığında kabın üst kısımlarında biriken gaz çok sayıda küçük baloncuk şeklinde içeceğin tamamına dağılır. Şişe açıldığında küçük gaz baloncukları çok hızlı bir şekilde genleşir. Örneğin kapalı bir gazlı içecek şişesinin içindeki basınç atmosfer basıncının 4 katıysa, Boyle Yasası’na göre (sabit sıcaklıkta bir gazın hacminin ve basıncının ters orantılı olarak değiştiğini söyler) şişe açıldığında basınç  4 kat azalırken gaz baloncuklarının hacimleri 4 kat artar. Bu baloncuklar hızlı bir şekilde şişeden çıkmak için bir yol arar ve bunu yaparken patlamaya sebep olacak şekilde sıvıyı şiddetli bir şekilde iter.

Su Taşı Nasıl Aşındırabiliyor?

Rice Üniversitesi ve Bremen Üniversitesi’nden araştırmacılar suyun doğal taşlarda ve betonda bulunan kristal yapıları nasıl aşındırdığını anlayabilmek için yeni bir bilgisayar modellemesi geliştirdi.

su-asinma

Journal of Physical Chemistry C’de yayımlanan çalışma, farklı alanlardaki araştırmalara (örneğin beton yapılarda, korozyon direncinin belirlenmesi gereken durumlarda, su kalitesi ve kontrolünde) önemli katkılarda bulunabilir.

Kristal yapıdaki minerallerin suda nasıl çözündüğünü anlamak isteyen araştırmacılar sıvı ile mineral arasındaki bölgeye yoğunlaştı. Yer kabuğunda en çok bulunan minerallerden biri olan kuvars ile yaptıkları araştırmada kuvars ile su arasındaki bölgede (sınır tabakasında) birden fazla tepkimenin meydana geldiği anlaşıldı.

Bu tepkimelerin bir kısmı eş zamanlı olarak gerçekleşirken bir kısmı art arda gerçekleşiyor. İleri görüntüle meyöntemleri kullanılan araştırmada kristal yapıların yüzeyi nanometre ölçeğinde taranarak topografik haritaları çıkarıldı. Geliştirilen bilgisayar modellemesi sayesinde su ile kristal yapı arasındaki bölgede gerçekleşen tepkimelerin yani çözünme sürecinin hızının daha doğru bir şekilde öngörülmesi sağlandı. Böylece yapı malzemelerinin kararlılığı, radyoaktif atıkların depolanmasında kullanılan malzemelerin ömrü ile ilgili daha doğru hesaplamalar yapılması mümkün olabilir.

Kendini Onaran Beton

Derinleşen çatlaklarla birlikte hem betonun yapısal bütünlüğünün bozulması hem de çatlaktan içeri sızan suyun ve oksijenin etkisiyle yapıların metal iskeletlerinin paslanması, yapıların kullanım ömürlerini yarı yarıya azaltabiliyor.

kendini-onaran-beton

Öte yandan oluşan çatlakları kapamak hiç kolay değil. Onlarca metre yüksekliğindeki köprüleri, viyadükleri, yüksek binaları veya yerin metrelerce altındaki tünelleri sürekli kontrol ve tamir etmek için uzmanlaşmış ekipler gerekiyor. Sonuç olarak her yıl yeni inşa edilen yapıların maliyetinin yarısı kadar para eski yapıların onarımı için harcanıyor.

2009 yılında Amerikan İnşaat Mühendisleri Topluluğu tarafından yapılan bir araştırma onarımın maliyetinin ne kadar yüksek olduğunu gösteriyor. Ülke çapındaki yapılara kalite yönünden ortalama olarak D notunun verildiği çalışmada, yapıların B notunu alabilecek biçimde onarılması için 2,2 trilyon dolar gerektiği belirlendi.

beton-catlaklari

Bilim insanları özellikle son 20 yıldır sıcaklık değişimi, rüzgâr, yağmur gibi etkenlere maruz kalma sonucu yapısında çatlaklar oluşan betonun, insan müdahalesi olmadan kendini onarmasını sağlamak için araştırmalar yapıyor. Çeşitli yöntemlerle üretilen ve kendini onaran beton ismi verilen bu ürünlerin geleceğin en dikkat çekici malzemelerinden biri olacağı belirtiliyor.

Aslında betonun belli bir oranda kendini onarma özelliğine sahip olduğu zaten uzun zamandır biliniyordu. Örneğin suda çözünmüş CO2 betondaki Ca+2 iyonları ile tepkimeye girip suda çözünürlüğü çok az olan CaCO3 (kireçtaşı) kristalleri oluşturarak betonu onarabilir. Ancak bu tarz kendini onarmanın gerçekleşebilmesi için ortamda su bulunması gerekiyor ve bu onarım ancak çatlaklar çok küçükse gerçekleşebiliyor.

Betona üretilirken katılan ekstra malzemelerle kendini onarma yetisinin kazandırıldığı ilk çalışma 1994’te Illionis Üniversitesi’nden Dr. Carolyn Dry tarafından yayımlanmıştı. Son yıllarda bu alanda dikkat çekici bir çalışma Hollanda Delft Üniversitesi’nde yapıldı. 2006 yılından beri kendini onaran beton konusunda çalışan araştırmacılar Eric Schlagen ve Henk Jonkers, betonu üretirken karışımın içine bakteri  sporları ve kalsiyum laktatlı gıdalar ilave ediyor.

Betonda çatlak oluştuğu zaman içeri sızan su, bakteri  sporlarını etkin hale getiriyor. Üretim esnasında eklenen kalsiyum laktatlı gıdalarla beslenen bu bakteriler kireçtaşı üretiyor. Kireçtaşı suda çok az çözünen bir madde olduğu için çatlak kapanıyor ve derinleşerek ilerlemesi engelleniyor. Ancak betonun kendini onarmasını sağlayan karışım henüz büyük ölçekte ve uygun maliyetle üretilebilmiş değil. Aslında içine bakteri katılmış çimento ile kendini onaran beton üretimi konusunda başka üniversitelerde de çalışmalar yapılıyor. Ancak Delft Üniversitesi araştırmacıları ürettikleri malzemenin ömrünün diğer yöntemlerle üretilmiş olanlardan 10 kat daha uzun ömürlü olduğunu söylüyor. Bu betonun dört yıl içinde piyasaya sürüleceği umut ediliyor.

Benzer bir çalışma Bath, Cardiff ve Cambridge üniversiteleri tarafından ortaklaşa gerçekleştiriliyor. Mikro kapsüllerin içindeki bakteriler Delft Üniversitesi tarafından yürütülen araştırmada olduğu gibi su girişiyle birlikte kireçtaşı üreterek çatlağı sıvıyor. Araştırmacılardan Dr. Richard Cooper, bakteriler kireçtaşı üretirken ortamdaki oksijeni kullandığı için yapıyı oluşturan çelik veya demir iskeletin paslanmasının da önüne geçildiğini belirtiyor.

Ancak beton  üretmek için kullanılan çimentolu karışım hayli bazik olduğu için pek çok bakteri türünün yaşaması için uygun bir ortam değil. Bu nedenle hangi bakteri türlerinin yüksek derecede bazik ortamda uzun süre yaşayabileceğini tespit etmek için araştırmalar yapılıyor. Ayrıca beton sertleştikçe yoğunlaşan bir malzeme olduğu için bakterilerin bulunduğu mikro kapsüllerin ezilmesine sebep olabilir. Bu yüzden mikro kapsüllerin de yeterince sağlam olması gerekiyor.

Rhode Island Üniversitesi’nden Arijit Rose ve Michelle Pelletier çalışmalarında onarıcı madde olarak poliüretan mikro kapsüller içine yerleştirilmiş sodyum silikat kullanmış. Çatlak oluştuğu zaman silikat kapsüller kırılıp betonun bileşimindeki kalsiyum hidroksit ile tepkimeye giriyor. Oluşan kalsiyum-silika-hidrat jel bir hafta içinde sertleşerek betondaki gözenekleri kapıyor. Pelletier bu yöntemin maliyetinin düşük olduğunu ve diğer yöntemlerden farklı olarak güneş ışığı, nem gibi tetikleyicilere ihtiyaç olmadığını belirtiyor.

Güney Kore’deki Yonsei Üniversitesi öğretim üyelerinden polimer kimyası üzerine çalışan Chan-Moon Chung ise ekibiyle birlikte daha farklı bir yaklaşımla kendini onaran beton üretti. Geçtiğimiz şubat ayında ACS Applied Materials & Interfaces’de yayımlanan çalışmada bakteri gibi biyolojik bir öge yer almıyor. Betonda bulunan polimer yapılı mikrokapsüller, polidimetilsiloksan türevi bir polimer ile benzoin izobütil karışımı bir çözelti içeriyor. Beton zarar gördüğü zaman kırılan kapsüllerin içindeki çözelti ortama dağılıyor ve güneş ışığı vasıtasıyla katılaşıyor. Chung, herhangi bir ticari katalizöre ihtiyaç duymayan yöntemde kullanılan polimerlerin çevreye zarar vermediğini de belirtiliyor. Ayrıca katalizörler maliyeti artırdığı için Dr. Chung ve ekibinin geliştirdiği malzemenin maliyeti, katalizör içeren malzemelere göre çok daha az.

Kendini onaran betonun kullanımı yaygınlaşabilirse sadece mali yönden değil çevre açısından da büyük kazanç elde edilecek. Çünkü betonun ana malzemelerinden olan çimentonun üretimi esnasında atmosfere salınan CO2 miktarı, bir yılda atmosfere salınan toplam CO2 miktarının %7’sini oluşturuyor. Ancak yaygın kullanım için aşılması gereken iki temel sorun var. Birincisi kendini onaran betonun üretim maliyetinin düşürülmesi gerekiyor. İkincisi betonun kendini onarma özelliğinin uzun süre devam etmesinin sağlanması gerekiyor. Bu iki temel sorun çözüldüğü zaman beton kanserine de çözüm bulunmuş olacak.

KAYNAK: BİLİM TEKNİK İbrahim Özay Semerci

Üstün Verimli Güneş Enerjisi Paneli

Caltech California Institute of Technology’ te Malzeme bilimi ve Uygulamalı fizik profesörü Harry Atwater Güneş enerjisinden yararlanma verimini katlayarak artırabilecek bir tasarım öne sürdü. Şu an piyasada var olan güneş panelleri tek bir yarıiletken malzemeden, genellikle silikondan yapılan güneş hücrelerinden oluşuyor. Bu malzeme de Güneş’ten gelen ışınım yelpazesinin sadece dar bir dalga boyu aralığındaki kısmını soğurabiliyor, güneş ışığındaki enerjinin büyük bir kısmı ısı olarak kayboluyor, paneller tipik olarak enerjinin %20’den az bir kısmını elektriğe çevirebiliyor.

Ancak Atwater ve arkadaşlarının tasarladığı sistem en az %50 verime sahip olabilir. Bu tasarımda güneş ışığını bir prizmanın yaptığı gibi -her biri farklı bir renk üretecekolan- 6 ila 8 farklı dalga boyundaki bileşenlerine etkin biçimde ayrıştırabilen bir sistem yer alacak. Her renk onu soğurabilecek bir yarıiletkenden yapılmış olan hücrelere dağıtılacak.

Sistemin nihai tasarımı kesinleşmemiş, ancak Atwater piyasadaki pek çok sistemden daha basit olacağını öngörüyor ve bu yüzden de bir prototip üretildikten sonra kolayca ticarileşebileceğini düşünüyor.