Kafes oluşumunu, yani kristalizasyonu, eşit çaptaki kürelerle yapılan bir deneyde gösterebiliriz. Bunları bir kutu içerisine boşaltıp biraz da sallarsak kendiliklerinden kutu içerisine yerleşecek ve en «sıkı paket» halini alacaklardır.
Yüzey üzerinde (iki boyutlu sistemde) en sıkı paket şekli, her küre altı küre tarafından çepeçevre sarılınca ortaya çıkacaktır (Şekil 1).
Üç boyutlu sistemde en sıkı paket şekli ise, bu sıkı durumdaki atomların iki tabaka halinde üst üste gelmeleriyle oluşur. Bu üst üste gelme sırasında üstteki atam daima alt tabakadaki bitişik üç atomun arasındaki çukura yerleşir. Üst üste duran bu iki tabakaya bir üçüncüsünü eklersek, iki imkân ortaya çıkar.
a) Üçüncü tabaka, birinci tabakanın üzerinde düşey olarak durmakladır. Bu dizilişten, bir kafes elemanını kesersek, bu birim hücrenin altıgen yapıda olduğunu görürüz. Hekzagonal en sıkı paket şekli olan bu duruma (yapıya) hekzagonal kafes denir (Şekil 2).
b) Üçüncü tabaka birinci tabakana üzerinde düşey vaziyette durmamakta; buna karşılık diğer serbest boşlukları doldurmaktadır (Şekil 3). Birinci üzerinde, diklemesine duran bir dördüncü tabaka ilâve edersek, bir köşesi üzerinde duran küp şeklini aldığı görülür. Bu küp, kübik yüzey merkezli kafesin birim hücresidir. Ayni zamanda kübik en sıkı paket şeklini de temsil eder. Küp, 8 köşe atomu ile her yüzeyin merkezindeki 6 atomdan oluşur. Bu sebepten ötürü de yüzey merkezli denir.
Bu iki kafes tipi dışında, çok sıkı paketlenmemiş olan üçüncü bir tip kübik hacım merkezli kafes ve tetragonal hacim merkezli kafes vardır. Aynı şekilde bu tipler de birim hücreler ile tanımlanırlar.
Bazı metaller ve birçok alaşımlar katılaştıklarında, birkaç atomdan meydana gelen karmaşık kristal kafesten oluştururlar. Daha sonra şekil değiştirme özelliklerinin (uzama, süneklik) kristal kafes yapısına bağlı olduğunu göreceğiz. Bütün malzemeler islenmeler esnasında, herhangi bir kademede, şekil değişimine uğramayı gerektirdiğinden, yalnız metaller ve alaşımlar uygun bir yapı gösterirler. Zira şekil değiştirme (değişimi) sırasında bu malzemeler çatlamaz ve bu özelliği ise, ancak basit kafes tipleri gösterir, istisnaları ise, malzemelerin işlenmesinde kullanılan ve malzemeden daha sert olmaları gereken aletler teşkil eder.
ÖRNEK: Grafit ve elmas ayni kimyasal maddelerdir (Karbon-C). Grafit hekzagonal dizilişteki karbon atomlarından oluşur. Bu nedenle yumuşak ve tabakalıdır. Elmas buna karşılık, karmaşık yapıya sahiptir. Yüksek sertliğe ve kırılganlığa sebep bu yapısıdır.
Isıtma ve soğutma sırasında kafesin davranışı (ergime, katılaşma, termik analiz) :
Ergitme:
Bir metali ergitmek için ısı vermek gerekir. Bu enerji kaybolmaz (Enerjinin sakımı kanunu), mekanik enerji olarak malzemenin yapısında saklı kabı.
Verilen ısı atomları daha kuvvetli titreşimler yapmaya teşvik eder. Atomların kinetik enerjisi artar. Bu hareketi yapabilmek için daha geniş bir hacme ihtiyaç duyar. Madde genişler.
Ergime sıcaklığına erişilince titreşim hareketi o kadar kuvvetlenir ki, atomları kafes içinde tir arada tutan kuvvetten üstün gelerek, onların yalnız yerçekimi kuvvetine bağlı kalacak düzensiz bir durum almalarına sebep ölür Bu olay ergimenin başlangıcıdır. Ergimenin tamamlanması için ısı vermeye devam etmek gerekir. Bu süre içerisinde sıcaklık sabit kalır. Verilen ısı tamamen maddenin sıvı hale dönüşmesi için harcanır ve ergime ısısı olarak adlandırılır.
Katılaşma :
Bir eriyiğin çevresinden ısı enerjisi alınırsa, eriyik soğumaya başlar. Alınan enerji gerçekte titreşim yapan parçacıklara ait olduğundan, parçacıkların kinetik enerjileri azalır. Katılaşma sıcaklığına vardığında hareketleri o kadar azalmıştır ki, birbirlerini çekim kuvvetleri tekrar etkili olabilir.
Kristallerin büyüyebilmesi için iki şartın mevcut olması gerekir:
- a) Kristal çekirdekleri: Bunlar tesadüfen kafes şeklinde bir araya gelmiş atomlardır. Bütün metallerde bu oluşum vardır. Atomların hareketleri esnasında tesadüfen birbirleriyle kafes şeklinde bir araya gelebilme ihtimali, eriyik sıcaklığı katılaşma sıcaklığına yaklaştıkça veya bu sıcaklığın altına inince artar. Kristal çekirdeği vazifesini ince cüruf parçacıkları, daha ergimemiş olan kristal artıkları veya katkı maddeleri de görebilir.
- b) Alt soğutma: Eriyiğin sıcaklığı (genellikle yalnız bölgesel olarak meselâ, döküm kalıbının cidarlarında) katılaşma noktasının altında olmalıdır. Çekirdeklerin etrafında tembelleşen atomlar toplanarak kristal kafesini oluşturmaya başlar. Toplanan atom sayısı devamlı olarak artar. Kristal büyür. Büyüme, kristal tanesi komşu bîr kristale değinceye kadar veya eriyik bitene kadar devam eder.
Eriyikler çok sayıda çekirdek ihtiva edebilirler. Bu durumda birçok kristal ayni anda büyümeye başlar. Meta! ince taneli olarak katılaşır (Şekil 5/a).
Buna karşılık eriyikten az sayıda çekirdek mevcut ise, kristaller birbirlerine değinceye kadar aşın derecede büyür. Metal iri taneli olarak katılaşır (Şekil 5/b).
Pratikte bu özelliklerden faydalanılır, Belirli bir kristalizasyon şekli elde etmek için metaller, belirli maddelerle eriyik halinde iken aşılanır. Küresel grafitli dökme demirin dökümünde, grafitin küresel halde katılaşabilmesi için magnezyum ile aşılama yapılır.
Al – Si (Silümin) alaşımları ince taneli bir yapı elde edebilmek için sodyum ile aşılanır.
Alüminyum ile dezokside edilen çelikte ince taneli katılaşmaya sebep olan küçük alüminyumoksit ve alüminyumnitrit parça aklandır.
Katılaşmış metalin tane büyüklüğü yapısında ihtiva ettiği parçacıklar dışında, soğumanın gidiş şekline de bağlıdır.
Eriyik içerisindeki atomlar büyümekte olan bir kristale bağlandıkları anda titreşim hareketleri aniden azalır; zira kafes yapısı içerisinde ancak sınırlı ve küçük hareketler yapabilirler. Kinetik enerjileri düşer, fakat bu enerji kaybolmaz.