Kimyasal olarak iki maddenin atomsal ve molekülsel karışımına eriyik denir. Bu karışımın katı halde olması katı eriyik olarak adlandırılır. Maddelerin sıcaklık ve basınç koşulları altında, katı hâlde bulunan yapının doğrudan sıvı hâle geçişini ifade eder.
Bu önemli fiziksel olay, maddelerin termal davranışı ve faz geçişleriyle ilgili araştırmalarda büyük bir öneme sahiptir. Katı eriyik, bir maddenin erime noktası olarak da bilinir ve maddenin katı hâlden sıvı hâle geçiş sürecini temsil eder.
Katı Eriyik Süreci ve Faz Diyagramları:
Katı eriyik, bir madde için belirli sıcaklık ve basınç koşullarında gerçekleşir.
Maddelerin erime noktası, her bir maddenin kimyasal yapısına, moleküler bağlarına ve atom düzenlemesine bağlı olarak değişir. Örneğin, suyun erime noktası 0°C iken, demirin erime noktası 1538°C’dir.
Katı eriyik, maddeyi oluşturan atomların veya moleküllerin düzenli kristal yapıdan dağılmış düzensiz sıvı yapıya geçişini ifade eder.
Bu süreç sırasında madde, ısının etkisiyle enerji alır ve moleküller arasındaki bağlar gevşer. Bu bağların gevşemesiyle madde sıvı hâle geçer.
Katı eriyik süreci, kristal yapının düzeninden kaynaklı genellikle belirgin bir erime noktasına sahiptir.
Katı Eriyik’in Önemi ve Uygulamaları:
Katı eriyik, birçok alanda önemli uygulamalara sahiptir. Metallürjide, çelik ve diğer alaşımların üretimi için malzeme karakterizasyonunda ve işleme koşullarının belirlenmesinde katı eriyik bilgisi kullanılır.
Kimyada, saf maddelerin saflık derecesini tespit etmek için erime noktaları ölçülür.
Ayrıca, katı eriyik fiziksel bilimlerde ve malzeme mühendisliğinde yeni malzemelerin sentezlenmesi ve özelliklerinin anlaşılması için temel bir araştırma alanıdır.
Faz diyagramları, farklı sıcaklık ve basınç koşullarında maddelerin hangi fazda bulunacağını ve faz geçişlerinin nasıl gerçekleşeceğini gösteren önemli araştırma araçlarıdır.
Doyma
Eriyebilirliğin bir sınırı vardır ki buna doyma denir.
Sıcaklık yükseldikçe; eriyebilirlik artar.
Sıcaklık düştükçe; eriyebilirlik azalır.
Demir de karbonu eritir. Oda sıcaklığında eritme azdır. Sıcaklık arttıkça artar. Allotropik sıcaklığa ulaşınca eritme oldukça hızlanır.
Düşük sıcaklıktakine alfa katı eriyiği
Birinci Allotropik sınırın üzerindekine gamma katı eriyiği
İkinci Allotropik sınırın üzerindekine delta katı eriyiği denilir.
Çelik soğurken karbonu eritme kabiliyeti düşer ve karbon çökelmesi meydana gelir. Çökelen karbon, sıcaklığın 727-912°C etkisiyle demir ile kimyasal olarak Fe3C- karbür bileşiğini oluşturur. Demir karbüre sementit denir.
Oda sıcaklığında çeliğin yapısı alfa katı eriyik i ile sementit karışımı şeklindedir.
Çelik ısıtılırken, Allotropik sıcaklıkta demir karbür molekülleri parçalanır ve serbest kalan karbon atomları demir içinde eriyerek gamma katı eriyiğini oluştururlar.
Genel kural:
•katı eriyikler sünektir
•karbürler gevrek ve serttirler
Çeliğin sünekliği de alfa katı eriyiğinden, sertliği ise demir karbürden kaynaklanır.
Çeliği alaşımlandırmak için demir de eriyen Mangan, Silisyum, Molibden, Krom, Nikel vb. metaller katılır. Metaller kimyasal bileşik oluşturamadıklarından, karbondan daha az gevrekleştirirler.
Böylelikle çelik fazla sertleştirilmeden dayanımı yükseltilmiş olur.
Kaynaklar:
Callister Jr., William D. Materials Science and Engineering: An Introduction. New York, NY: John Wiley & Sons, 2007.
Reed-Hill, Robert E., and Reza Abbaschian. Physical Metallurgy Principles. Stamford, CT: Cengage Learning, 2009.
Zumdahl, Steven S., and Susan A. Zumdahl. Chemistry. Stamford, CT: Cengage Learning, 2017.
Giessen, Harald, and Beatriz Roldan Cuenya. “Size- and Shape-Dependent Melting Properties of Nanometer-Sized Metal Particles.” The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(18), 10067-10075.
Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. New York, NY: McGraw-Hill Education, 1986.
