Kur'ân-ı Kerîm'de, Hz. Davud (aleyhisselâm) anlatılırken; "Ayrıca ona demiri yumuşattık." (Sebe, 34/10) buyrulur. Tefsirlerde bunun bir mu'cize olduğu ve Hz. Davud'un (aleyhisselâm) demiri eliyle hamur gibi işlediği belirtilmiştir. Bir diğer görüş de, Hz. Davud'un (aleyhisselâm) demiri o zamana kadar bilinenlerin dışında bir usûlle yumuşatarak işlediğidir. Çelikleri kolay işlemek için de, yumuşak hâlde almak veya ısıl işlemle yumuşatmak gerekir. İşleme kademelerinde daha sonra sertleştirme yapılır. İşte bu, Yaratıcı'nın demire ve diğer bazı elementlere verdiği allotropi özelliği sebebiyledir. Allotropi, aynı cins atomların farklı şartlar altında birbirlerine farklı şekillerde bağlanabilmeleridir.

Kendilerine verilmiş benzer kâbiliyetleri biri hayırda, diğeri şerde kullanan iki insanı 'elmas ruhlu' ve 'kömür ruhlu' şeklinde tarif etmek, allotropinin kullanıldığı güzel ve klâsik bir teşbihtir. Her ikisi de saf karbondan müteşekkil olmasına rağmen, elmas paha biçilmez, kömür -nisbeten- ucuz; elmas şeffaf ve ışıltılı, kömür kapkaradır. Karbon atomlarının farklı şartlar altında birbirlerine farklı şekillerde bağlanmaları neticesi oluşan bu durum da allotropiye güzel bir örnektir.

Allotropik dönüşümler enerji yönünden katı-sıvı, sıvı-gaz faz değişimleri ile tamamen aynı şekilde gerçekleşir; ancak farklı olarak, burada madde katı ise katı, gaz ise yine gaz hâlinde kalır. Allotropik dönüşümler sayesinde bu özelliği gösteren maddelerden çok geniş bir alanda istifade edebilmemiz, her şeyi bir maksada uygun yaratan Fâtır-ı Hakîm'in tecellilerinden biridir.

Bir maddenin Yaratıcı'nın programladığı belli sıcaklık ve basınç değerlerinde katı-sıvı-gaz hâlleri arasında faz dönüşümleri yaptığını biliyoruz. Allotropik dönüşüme programlanmış bir madde ise, hâl değişimi yapmadan faz değişimi yapar. Bunu bir katıdan başka bir katıya dönüşüm olarak izah edebiliriz. İşte karbonda meydana gelen hâdise de budur. Kömürde karbon atomları düzensiz veya şekilsizdir (amorf). Kömür milyon yıl mertebesinde yeraltında kaldığında karbon atomları altıgen prizma (hekzagonal) şeklinde yerleşmeye başlar ve neticede grafit hâline gelir. Grafit daha da uzun yıllar yüksek sıcaklık ve basınç altında kalırsa, karbon atomları hekzagonal düzenden düzgün dörtyüzlü şekline geçmeye başlarlar ve neticede kömür elmasa dönüşür. Yani bu misalde amorf karbon (düzensiz), grafit (hekzagonal) ve elmas (düzgün dörtyüzlü) olmak üzere üç katı faz mevcuttur (Şekil–1).

Allotropik dönüşüm katılaşmada ve buharlaşmada olduğu gibi sıcaklık ve basıncın değişmesiyle meydana gelir. Şartlar dönüşümden evvelki hâle dönerse, madde de eski hâline döner. Yani yüksek sıcaklık ve basınç altında oluşan elmas yeryüzü şartlarında grafite geri dönme eğilimindedir. Ancak şartların değişmesi tek başına yeterli sebep değildir. Dönüşümün hızı da mühimdir. Teorik olarak elmasın grafite dönüşmesi beklenirken, dönüşüm hızı öyle yavaştır ki, pratikte hiçbir zaman gerçekleşmez. Elmas, oksijen varlığında 850 °C'de yanar ve karbondioksit oluşur.

Allotropik bir maddenin allotropları farklı özelliklere sahiptir. Meselâ grafit çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu hâlde, elmas yalıtkandır. Bu farklılık, atomların birbirlerine bağlanış şekilleriyle alâkalıdır.

Çelik ve allotropi
Hayatımızda büyük yer tutan diğer bir allotropik element de demirdir. Yeryüzünde en çok bulunan metallerden biri olması, ucuzluğu ve yüksek mukavemeti sebebiyle demir medeniyet için vazgeçilmez bir malzemedir. Allotropik yaratılışı sâyesinde, demir alaşımlandırma ve ısıl işlemlerle çok farklı özellikler gösterebildiğinden, diğer metallerle kıyaslanmayacak kadar geniş bir sahada kullanılmıştır. Gerçekten, geçmişten bugüne insanlığın kullandığı âlet ve malzemelere bakıldığında, büyük çoğunluğunun farklı miktarlarda demir ihtiva eden hususi alaşımlar olduğu görülür. Yüksek ergime sıcaklığı sebebiyle, demir üretiminin zor olduğu zamanlarda bile, kalay da bulunmadığında bronz îmâl edilemediğinden, birçok malzeme yapımında demir kullanılmıştır.

Demir, 'dökme demir' ve 'çelik' olmak üzere başlıca iki şekilde kullanılır. Saf demir ise, ancak hususi gayeler için kullanılır. Çelik % 2'ye kadar karbon ihtiva eden demir-karbon alaşımıdır. Daha yüksek karbon miktarı dökme demirlerde bulunur. Ergimiş hâldeki demirin ihtiva ettiği karbon % 2 ve altına düşürülerek çelik elde edilir. Tabii ki, istenen özellikteki çeliğe göre, karbonun yanında başka alaşım elementleri de olabilir (Nikel, Wolfram, Vanadyum, Titan, Molibden, Krom, Çinko, vs).

Demir, üç allotropa sahiptir (Şekil–2). Oda sıcaklığında demir atomları hacim merkezli kübik (HMK) şekilde dizilir ki, buna ferrit denir. Sıcaklık 910 °C'ye yükseltildiğinde HMK yapı yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya dönüşür. Buna da ostenit denir. Isıtmaya devam ettiğimiz takdirde ostenit de 1400 °C civarında delta () demirine dönüşür ki, bu da HMK yapıdadır. Bu dönüşümler ve hızları Yaratıcı tarafından öyle ayarlanmıştır ki, demirden azamî istifadeyi sağlayabilelim. Demir, delta hâlinden havada soğutulduğunda tekrar ostenite ve sonra da ferrite dönüşür.

Mıknatıs çekmeyen çelik
Ostenit, demirin 910 °C üzerindeki allotropudur. Oda sıcaklığına inildikçe ferrite dönüşür. Çeliğe belli bir miktarın üzerinde nikel ilâve edilirse, ostenit fazı artık ferrite dönüşmez ve çelik oda sıcaklığında bile ostenit olarak kalır. Bunun iki mühim özelliği vardır. Birincisi, ostenit fazı manyetik değildir. Meselâ bu yüzden, altında 'CrNi 18 10' yazan paslanmaz çelik tencereleri mıknatıs çekmez. İkincisi ise, YMK yapılı metaller düşük sıcaklıklarda kırılgan hâle gelmez. Bu sâyede, ostenitik ya­pılı paslanmaz çelikler -150 ºC'nin altındaki (kriyojenik) sıcaklıklarda kullanılabilir. En mühim kriyojenik uygulama, sıvı azot depolanmasıdır. Sıvı azot tıpta ve sanayide soğutucu olarak kullanılmaktadır. Sıvı azotu taşıyan tankların îmâlinde krom nikelli paslanmaz çelikler kullanır (Şekil–3).























Katı çözelti
Bir çay bardağı sıcak çaya çok miktarda şeker atalım. Çay yavaş içiliyorsa, soğudukça fazla şekerin bardağın dibinde çökeldiği görülür. Sıcaklık azaldıkça çay sıvısının şekeri çözebilirliği azalmış ve ihtiva ettiği fazlalık katı hâlde dibe çökmüştür. İşte Alîm-i Hakîm, demire buna benzer bir allotropik özellik vermiştir.

Sertleştirilebilir bir çelik, sıvı hâlden ostenit fazına kadar havada kendi hâlinde soğutulmuş olsun. Ostenit (YMK) fazında çeliğin ihtiva ettiği bütün karbon erir. Yani katı hâldeki karbon atomları demir atomlarının arasında kendileri için ayrılmış uygun boşluklara yerleştirilerek dağıtılırlar. Bu durumdaki bir alaşıma katı çözelti denir. Soğuma ilerledikçe ostenit fazı ferrit fazına (demir atomlarının yerleşimi YMK yapıdan HMK yapıya) dönüşür. İşte bu andan itibaren fazla karbon, demirin kafes yapısından dışarı atılmaya başlar. Çünkü HMK yerleşimde demir atomları arasında karbon atomlarının yerleşebileceği uygun boşluklar fazla değildir. Atılan bu karbon, demirin bir kısmıyla birleşir ve yapıda sementit (Fe3C) denen ayrı bir faz oluşur (Şekil–4a). Bu faz sert yapısıyla çeliğin mukavemetini artırır. Ancak, çeliğin daha sert olması gerektiği durumlarda yeterli olmaz.

Çeliğe su verme
Çeliğe son şekli verilirken sertliğini artırmak için, eski çağlardan beri su verme işlemi uygulanır. Çelik soğudukça YMK kafes yapısı difüzyonla (atom yayılması) HMK'ya dönüşür. Difüzyonun meydana gelebilmesi için, yüksek sıcaklık gerekir. Ostenit fazında, yani bünyesinde karbon atomları dağılmış bulunan yüksek sıcaklıktaki çelik oda sıcaklığındaki suya atılırsa, sıcaklığın âniden düşmesi neticesi difüzyon gerçekleşemez. Atomlar bir miktar ötelendikleri hâlde kalırlar; böylece yapı içerisinde karbon hapsolur. Bu yapıya martenzit denir ve çelikte elde edilebilecek en sert fazdır (Şekil–4b).

Allotropik dönüşümlerin oluşması kadar dönüşüm hızının da uygun olması çelik üzerinde birçok ısıl işlem yapılabilmesini sağlar. Uygun sıcaklıkta bekleterek ve soğutma hızını değiştirerek istenen mekanik özelliklerde çelik elde etmek mümkündür. Krom, vanadyum gibi alaşım elemanlarının ilâvesiyle dönüşüm hızları değişir. Meselâ, uygun alaşımlandırma ve ısıl işlemlerle, değişik özelliklerde gitar telinden tren amortisörüne kadar yaylar (Şekil–5) yapılabildiği gibi, yüksek sıcaklık ve yüklerde bile ebatlarını hassasiyetle muhafaza eden takım çeliğinden mâmûl kalıplar (Şekil-6) yapmak da mümkündür.


Martenzit
Martenzit aşırı doymuş katı çözeltidir. Fazla karbonun çarpıttığı kafes yapısında, çeliği, cam gibi çok kırılgan hâle getiren iç gerilmeler mevcuttur. Martenzit ancak yeniden belli bir sıcaklığa ısıtılıp menevişlenerek iç gerilimleri giderildikten sonra kullanılır. Bıçaklar ve makaslar martenzitik yapılı paslanmaz çelikten îmâl edilir. Bilhassa takım çelikleri içerisinde canavar taşıyla bile kesilemeyen çelikler mevcuttur. Tatbikatta, her çelik cinsi için su verme ve menevişleme sırasında hangi fazların oluşacağını gösteren şemalar kullanılır (Şekil–7). Burada, soğuma hızı arttıkça sertliğin arttığı görülmektedir.

Netice olarak, demir, allotropik yapısı ve dönüşüm hızlarının uygun olmasıyla, kâinatta hiçbir şeyin tesadüfî olmadığını, her şeyin ilim sahibi bir Yaratıcı'nın eseri olduğunu göstermektedir. Demirin farklı sûretlere girerek çok farklı işlerde hayatımızı nasıl kolaylaştırdığına bakmak bile, bunu anlamak için yeterlidir.

comments powered by Disqus