Download "MAL 201 FAZLAR ve DEMİR-SEMENTİT DİYAGRAMI TTT DİYAGRAMLARI ÇELİK ISIL İŞLEMLERİ KASIM 2016"
1 MAL 201 FAZLAR ve DEMİR-SEMENTİT DİYAGRAMI TTT DİYAGRAMLARI ÇELİK ISIL İŞLEMLERİ KASIM 2016
2 Faz kavramı Kristal yapılı malzemelerin iç yapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere faz (phase) adı verilir. Fazlar; bu atom düzenlerinden ve toplam iç yapıda bu fazların oluşturdukları tanelerden meydana gelir.
3 Katı çözelti(katı Eriyik) Sıvı çözeltide olduğu gibi, katı durumda da bir elementin atomları diğer bir elementin kafes yapısı içerisinde uygun bir yer bulup yerleşmesi ile katı çözelti meydana gelir. Uygun yerler arayer veya yeralan (ikame) olabilir. Hume-rothery kuralı gerçekleşmişse tam ve sınırsız bir çözünme (karışma) sağlanabilir. Çözeltinin tanımı: İki farklı atomun veya molekülün atomsal veya moleküler düzeyde karışımına ÇÖZELTİ adı verilir. Bu karışım sıvı haldeyse sıvı çözelti, katı haldeyse katı çözelti adını alır. Bir elemente diğer bir element karıştırılacak olursa, daima toplam iç enerji mimimum olacak şekilde yeni atom düzenleri meydana gelir.
4 (a) Suyun 3 hali; gaz, sıvı, ve katı. Herbiri bir fazdır. (b) Su ve alkol; tam çözünme. (c) Tuz ve su; sınırlı çözünme. (d) Su ve yağ; Hiç çözünmeme.
5 (a)sıvı Cu ve Ni, tam çözünür. (b)katı Cu ve Ni kristal yapıda rastgele yerlere yerleşmek suretiyle tam katı çözelti oluşturur. Katı Çözelti 2.Faz (c)cu ve Zn alaşımları sınırlı çözünmeden dolayı % 30 dan fazla Zn çözemez, ikinci faz bölgeleri oluşturur.
6 Faz kavramı sadece fiziksel durum (maddenin sıvı, katı veya gaz hali) ile ilişkili değildir. Örneğin metal alaşımlarında aynı anda birden fazla katı faz yan yana bulunur. Bileşenin tanımı: Bir alaşımı oluşturan kimyasal elementlere o alaşımın bileşenleri adı verilir. Bir faz içindeki elementleri derişikliği genellikle ağırlık yüzdesi olarak verilir. Saf metaller tek fazlıdır, iç yapıları çok taneli olsa bile, taneler farklı olmadığından ayrı faz sayılmaz. Çeliklerde karakteristik bir yapı olan perlit ise ferrit ve sementit adı verilen iki ayrı fazın lamelli (levhalı) bir şekilde dizilmesiyle oluşur.
7 Saf molibden taneleri Ferrit Sementit Saf molibdenin çok kristalli(taneli) yapısı.tek fazlı yapı.her tane yönlenme farkı dışında birbiriyle özdeştir. Demir-Karbon alaşımının(çelik) yapısı.iki fazlı yapı.fazlar:ferrit (Beyaz alanlar) ve sementit (Parmak izi görünümlü, gerçekte levha şeklinde)
8 Faz diyagramları
9 Faz (Denge) diyagramları Kimyasal bileşim, basınç ve sıcaklığa bağlı olarak belirli şartlarda hangi fazların stabil olduğu faz diyagramları ile belirlenir. Fazların oluşumunda ve faz dönüşümünde ana etken maddenin enerji içeriğidir.bu içeriği değiştiren üç ana etken şunlardır: - Alaşımın Sıcaklığı, T -Alaşımın bileşimi, c -Basınç, p Faz(Denge) diyagramları yardımıyla belirli bir malzemede sıcaklık ve bileşime bağlı olarak denge halinde oluşacak fazların türleri, bileşimleri ve miktarları ve hatta iç yapıları da belirlenebilir.
10 Tek bileşenli sistemlerde faz diyagramı doğal olarak sıcaklık ve basınç değişkenlerinin yer aldığı faz diyagramında çizilir. Örneğin saf suda faz diyagramı aşağıdaki gibidir.bu diyagramda, sıcaklık ve basınca bağlı olarak faz değişimleri görülmektedir. Sıcaklık Gaz Buhar Sıvı Su Katı Buz Basınç(Log skala)
11 Faz diyagramları yardımıyla bir maddeye ait faz durumları, sıcaklık T, basınç p ve bileşim B ye bağlı olarak belirlenebilir. Malzeme biliminde en çok kullanılan faz diyagramları sabit basınç için alaşımlara ait iki bileşenli faz diyagramlarıdır( B= 2 ; p=1 atm=st.) İki bileşenli faz diyagramlarında yatay eksende bileşim(derişiklik),düşey eksende ise sıcaklık bulunmaktadır. Bu diyagramlar verilen her sıcaklık ve bileşim için malzemede denge halinde bulunan fazların ne olduğunu gösterir.
12 Faz diyagramının soğuma eğrilerinden elde edilişi (Cu-Ni sistemi) Basınç Sabit = 1 atm. Katı çözeltiler, malzeme biliminde α, β, γ gibi Yunan harfleriyle adlandırılır.
13 Sıcaklık İki bileşenli diyagramlara ait örnekler a)katı durumda tam çözünürlük Sıvı (Çözelti) Likidüs B nin erime noktası A nın erime noktası Solidüs Katı çözelti Bileşim( Ağırlık %)
14 T, Sıcaklık T T A Likidüs çizgisi Sıvı S + (katı) Kimyasal bileşim: Kompozisyon T B Solidüs çizgisi T1 T2 T3 Sıvı (katı) S + Xs X1 X X 1 kompozisyonuna sahip alaşım: T1 de: S T2 de: S+ T3 de: fazlarına sahiptir.
15 -A ve B sürekli olarak, yani her oranda tek fazlı bir yapı (SS: Solid Solution: katı çözelti) oluşturmaktadır. -Bir başka deyişle, her iki malzemeye ait atomlar( A ve B) ortak bir kafes içinde, birbiri içinde her oranda çözünmektedir. Buna tam çözünürlük adı verilir. Bunların dışında yüksek sıcaklıklarda sıvı çözeltinin tek başına bulunduğu bir bölge ve sıvı+ katı çözeltinin birlikte bulunduğu iki fazlı bir bölge de mevcuttur.
16 Sıcaklık Belirli bir bileşimdeki alaşımın(sistem) sıvı halden itibaren soğuması sırasındaki içyapıları S, Sıvı T B Sıvı Tamamen sıvı faz Sıvı % 90 Sıvı + % 10 T A S+, Katı % 60 Sıvı + % 40 % 10 Sıvı + % 90 %B X Tamamen katı faz. : %x oranında B elementi içerir.
17 Benzer şekilde saf demire ait faz diyagramı da aşağıda verilmiştir.burada α, γ ve δ fazları katıdır ve bunların kristal kafes yapıları sırasıyla HMK, YMK ve HMK dir. Sıcaklık Gaz Sıvı Sıvı Katı Basınç(Log skala)
18 Allotropi(Polimorfizm) Bileşimi aynı kalan bir malzemenin kafes yapısının sıcaklıkla değişmesine Allotropi adı verilir.aşağıda saf demirin allotropik halleri verilmiştir:
20 Gibbs Faz kuralı Bir sistemde bileşen ve faz sayısının belirli olması durumunda serbest değişken olup olmadığını belirlemede kullanılan bir kuraldır. Basıncın değişken bir parametre olması durumu F + S = B + 2 ygulamada genelde atmosfer basıncında çalışıldığından, ve bu nedenle basınç sabit lduğundan durum büyüklüklerinden biri sabit olur (Basınç). Bu durumda Gibbs kuralı Basıncın sabit olması durumu (en çok kullanılan bağıntı) Faz sayısı F + S = B + 1 Serbest değişken sayısı Bileşen sayısı
21 F + S = B + 2 (GİBBS Faz Kuralı-Kanunu) F:Faz Sayısı S: Serbestlik Derecesi B:Bileşen sayısı 2: Sıcaklık ve Basınç Değişken F + S = B + 1 (GİBBS Faz Kuralı- Kanunu) F:Faz Sayısı S: Serbestlik Derecesi B:Bileşen sayısı 1: Sıcaklık Değişken, Basınç = Sabit. Sıcaklık Gaz Buhar Sıvı Su Katı Buz Basınç(Log skala) Suyun Faz Diyagramı Sabit basınçta (Atmosfer Basıncı) hazırlanmış 2 Bileşenli Denge Diyagramı: Al-Si
22 Erime noktasında Gibbs kuralı Diagramda saf element için erime noktasındaki (T A ) durum: F = 2 (sıvı ve olarak 2 faz) B = 1 (Tek bileşen A) S =1-2+1=0 T TA nın soğuması Sıvının soğuması Katılaşma aralığı t Basınç sabit, kimyasal bileşimde değişmediği için tek değişken olan sıcaklıktır. Ancak bu da erime/katılaşma boyunca sıcaklık sabittirserbest değişken bulunmaz
24 -Tam çözünürlük alaşımlarda yaygın olarak görülmez. Buna örnek olarak Bakır-Nikel alaşımı verilebilir. -Tam çözünürlük için,bilindiği gibi Hume-Rothery kurallarının geçerli olması gerekir. Bu tür faz diyagramları soğuma eğrileri yoluyla elde edilirler. Buna ait bir örnek Cu-Ni sistemi için verilmiştir. DİKKAT: -Saf nikel veya saf bakır halinde B=1 olup,faz kuralı F+S=B+1= 1+1 =2 şeklini alır. Faz sayısı iki iken(yani katılaşma sırasında hem sıvı hem de katı faz birlikte bulunur.) serbestlik derecesi S = 0 çıkar.bir başka deyişle iki faz tek bir sıcaklıkta (katılaşma sıcaklığı) denge halinde bir arada bulunabilir. Faz sayısı aynı kalmak kaydıyla değiştirilebilecek bir durum büyüklüğü yoktur.
25 -Bu nedenle saf metallerin soğuma sırasındaki katılaşma sahanlığı yatay bir doğrudur. -Buna karşılık alaşımlarda,(b=2) faz kuralı F+S= B = 3 olur. İki fazlı bölgede (katı çözelti +sıvı çözelti) F=2 olup,serbestlik derecesi S= 1 çıkar.yani alaşımın bileşimi ya da alaşımın sıcaklığı durum büyüklüklerinden birini serbestçe değiştirdiğimiz halde iki faz denge halinde sistemde mevcut olabilir.bu durumda verilmiş bir bileşimdeki, alaşımda belirli aralıkta sıcaklık değişse bile iki fazı denge halinde muhafaza etmek mümkündür. -Soğuma eğrilerindeki katılaşma sahanlığı bu nedenle eğiktir.
26 Arafazlar ve Metallerarası bileşikler Faz diyagramlarının birden fazla reaksiyon içermeleri durumunda görülür. Arafazın bir tek kimyasal bileşik olması durumunda metallerarası fazlar söz konusudur. Metaller arası fazlar çok sert ve gevrek malzemelerdir. Arafazlar Metallerarası bileşik = Metallerarası faz
27 Fazların ağırlık oranlarının hesaplanması Terazi Kuralı (Kaldıraç kuralı) Verilmiş bir malzeme bileşimi ve sıcaklık için faz diyagramlarından aşağıdaki bilgiler elde edilir: 1)Hangi fazlar mevcuttur? 2)Fazların bileşimi nedir? 3)Fazların ağırlık yüzdeleri nedir?
28 Terazi (Kaldıraç) Kuralı Faz diagramları: Hangi sıcaklık ve bileşimde hangi fazlar var? Bu fazların bileşimi nedir? Faz diaygramında, fazların oranlarını ve bileşimlerini bulmak için terazi kuralı (lever rule) kullanılır.
29 x-a b-x S S+ x bileşiminin T sıcaklığında bileşim oranları: T b x S% 100 b a x a % 100 b a a x b S% % 100%
30 1) Sözkonusu noktada iki faz mevcuttur : α + β Alaşım düşeyi Alaşımın Sıcaklığı X Y Z X-Z :Bağ çizgisi Mesnet
31 2)Fazların bileşimi nedir? Bağ çizgisinin iki ucundan inilen düşeyler fazların bileşimlerini vermektedir : α nın bileşimi : %20 B ;%80 A β nın bileşimi : %70 B; %30 A 3)Fazların ağırlık yüzdeleri nedir? Kaldıraç kuralı ile kolaylıkla hesaplanır: Y noktasından desteklenmiş bir kaldıracın dengede olabilmesi için, x ve z noktalarına asılması gereken ağırlıkların hesaplanması gibi düşünülebilir: %α =100.b/(a + b)=100.(70-40)/(70-20) = %60 %β = 100.a/(a+b)= 100.(40-20)/(70-20) = %40
32 Verilmiş bir bileşimdeki alaşımın İki fazlı bölgesindeki her bir fazın verilen sıcaklıktaki bileşimlerinin hesabı DİKKAT:Tek fazlı bölgede fazın bileşimi alaşımın bileşimine eşittir. Ancak gözönüne alınan bölgede faz sayısı birden fazla ise, her bir fazın bileşimi hem birbirlerinden hem de alaşımın bileşiminden farklıdır. L nin T1 deki bileşimi Hal noktası İki fazlı bölge (Beyaz bölge) Alaşımın sıcaklığı Bağ çizgisi SS nin T1 deki bileşimi Alaşımın bileşimi
33 Kaldıraç Kuralına göre hesaplama Soru: % 50 B içeren alaşımda T1 sıcaklığındaki fazların isimleri ve % oranlarını bulunuz: Sıvı + SS (katı fazı) Sıvı fazı içinde: % 30 B ve geri kalanı % 70 A var SS (katı fazı) içinde: % 80 B ve geri kalan % 20 A var Hesaplar B cinsine göre yapılır (Sağa doğru) % SS miktarı = (50-30) / (80-30) = 20/50 = % 40 SS Katı Fazı var. Geri kalanı % 60 Sıvı fazıdır. Veya % Sıvı = (80-50) / (80-30) = 30/50 = % 60 Sıvı fazı var Geri kalanı % 40 SS katı fazıdır.
37 REAKSİYONLAR Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid
38 Ötektik Yapı Ötektik reaksiyon; sıvı fazın ani olarak iki ayrı katı faza dönüşmesi reaksiyonudur. Ötektik reaksiyon: Sıvı Soğuma (Katı) + (Katı) Ötektik nokta Ötektik noktadan uzaklaştıkça, ötektik reaksiyon, dönüşüm öncesi varolan sıvı faz kadar gerçekleşir. Ötektik Sıcaklık
39 Katılaşma sırasında çekirdeklenme bir çok noktadan başlar, Bu çekirdekler tabaka şeklinde büürler Birbirlerine temas etmeleri ile ince ve tabakalı yapı meydana gelir, Çekirdeklenme ne kadar çok noktadan meydana gelmişse yapı o kadar ince tabakalı (veya küçük taneli) olacaktır. A kristal taneleri (Açık renk) B kristal taneleri (Koyu renk) S ö = B F + 1 = = 0
40 Ötektik reaksiyon ile oluşan katı faz. Lamelli (tabakalar şeklinde paketlenmiş) Nodüler (matris faz içerisinde küresel diğer fazın bulunması) Lamelli yapıda iki katı faz birbiri üzerine paketlenmiş tabakalar şeklindedir. Her bir tabaka bir tanedir. 1 Lamelli Yapı 2 Nodular Yapı
41 Hiç Çözünmeme Ötektik Sıcaklık T A 1 2 A+S X 1 S A+B X 2 Ötektik Bileşim S+B %B X 3 T B 1.Alaşım (Ötektik Altı) Alaşım 3.Alaşım Ötektik Üstü Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı A Sıvı A Proötektik A 2 3 Ötektik Yapı Ötektik A Ötektik B Sıvı B A Kristalleri (Açık renk) B Kristalleri (Koyu renk) Ötektik A Ötektik B Proötektik B Ötektik A Ötektik B
42 Sıcaklık b)tam Çözünmezlik durumunda ötektik reaksiyon A ve B atomlarına ait kafeslerin birbirlerini kafeslerine almadığı durum görülmektedir (Tam çözünmezlik). Ötektik:Düşük sıcaklıkta eriyen anlamına gelir. Ötektik noktada: F+S = B+1 F=3 B=2 S=0 çıkar. Ötektik sıcaklık Ötektik nokta Her iki katı fazın birarada oluşması nedeniyle ötektik İçyapılar sıkı istiflenmiş İçyapılardır. Ya lamel şeklinde ya da kürecik şeklinde oluşurlar. Mekanik özellikleri İyidir. Ötektik reaksiyon Sıvı(L) A + B Ötektik bileşimdeki sıvı, ötektik sıcaklıkta iki katı faza dönüşür. Ötektik Bileşim Bileşim
43 Malzeme bileşimi ötektik bileşimden farklı ise,katılaşma(kristalleşme) sabit sıcaklıkta değil, belirli bir sıcaklık aralığında olur.ötektik sıcaklığa inildiğinde yapıda bir miktar sıvı mevcuttur.artan bu sıvı ötektik bileşime sahip olduğundan, ötektik sıcaklıkta iki ayrı katı faza ayrışarak ötektik yapıda katılaşır. Sıcaklık L Sıvı :Ötektik bileşimde L öt A L 1 matrisi İçinde A kristalleri L+A L +B L 2 matrisi içinde B kristalleri B L öt A+B Ötektik yapı: İnce A ve B lamellerinin oluşturduğu içyapı Bileşim
44 Sınırlı Çözünme c) Sınırlı çözünürlük durumunda ötektik reaksiyon Alaşım sistemlerinin çoğunda görülür. B elementi A nın içerisinde sınırlı olarak çözünebilir. Oda sıcaklığında X 1 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X 2 kadar çözünebilir. Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar.
45 fazı: Katı Çözelti Çözeltiye giremeyen yabancı atomlar kendilerinin çoğunlukta olduğu yeni atom düzeni (faz) oluştururlar. A nın çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur, B nin çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur. Fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki katı faz ve aynı yapıda birarada bulunabilir. fazı: 2.Faz ve Katı çözelti
47 Faz diyagramları: Sınırlı Çözünme I II III IV T A T ö I II III IV S S S+ T B X 1 5 X 2 4 X 3 3 X ö + %B Ötektik Ötektik öncesi Ötektik ( dan ayrışan) Ötektik öncesi
48 Ötektik Bileşim Ötektik altı bileşim (hypo) X ö Ötektik üstü bileşim (hyper)
49 Aynı şekilde A elementi B içerisinde sınırlı miktarda çözünebilir. Oda sıcaklığında X 3 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X 4 kadar çözünebilir. (Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar).
50 DİKKAT: alaşım düşeyi ötektik yatayını kesmiyorsa, ötektik reaksiyon meydana gelmez, kesiyorsa gelir. Ötektik reaksiyon oluşmaz Ötektik Reaksiyon oluşur Birincil α kristalleri Sıcaklık Sıvı L öt 1 matrisi çinde α 3 ristalleri L öt Birincil β kristalleri ok taneli α 1 atı çözeltisi L +α L +β Bileşim α+β L 2 matrisi içinde β 1 kristalleri α 2 ve β 2 kristallerinin oluşturduğu ince lamelli Ötektik yapı
51 Teknik bakımdan önemli ötektik diyagramlar Kurşun-Kalay ötektik faz diyagramı Kalay atomsal yüzdesi Kalay ağırlık yüzdesi Yumuşak lehim alaşımı 183 o C da eriyen % 61,9 Sn-%38,1 Pb alaşımıdır.
52 Basınçlı Al-Si alaşımı dökümü Erime sıcaklığı: 577 o C Aluminyum -silisyum ötektik faz diyagramı
53 Ötektik faz diyagramında mukavemet değişimi
54 Ötektoid Reaksiyon Soğuma sırasında bir katı fazdan iki ayrı katı fazın oluşması reaksiyonudur. Ötektoid reaksiyon: (Katı) Soğuma (Katı) + (Katı)
55 c)ötektoid reaksiyona ait faz diyagramı Ötektoid reaksiyon: γ α+β Bir katı çözeltiden iki ayrı katı çözeltinin sabit sıcaklıkta oluşması Diyagramın ötektoid reaksiyon bölgesi
56 Ötektoid reaksiyonla faz dönüşümleri Sıcaklık Sıvı(L) S β + γ Çok taneli katı Çözelti, γ ötek β 1 matrisi içinde ince taneli γ 2 küreciklerinden oluşan ötektik içyapı α 1 ve β 2 kristallerinin oluşturduğu ince tabakalı ötektoid içyapı γ α + β Alaşım düşeyi Bileşim
57 Peritektik ve Peritektoid Reaksiyon Kısmi çözünürlük gösteren alaşım sistemlerinde elementlerin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması durumunda meydana gelen faz reaksiyonlarıdır. Peritektik reaksiyon: Sıvı + (Katı) Soğuma (Katı) Peritektoid reaksiyon: (Katı) + (Katı) Soğuma (Katı)
58 Peritektik reaksiyon: Sıvı + (Katı) Soğuma (Katı) Peritektoid reaksiyon: (Katı) + (Katı) Soğuma (Katı)
59 d)peritektik reaksiyona ait faz diyagramı Biri sıvı diğeri katı olan iki faz sabit sıcaklıkta reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştururlar. δ + S γ S+δ δ δ+γ Sıvı çözelti S +γ γ Xp Fe-C faz diyagramında peritektik sistem
60 e)peritektoid sistem(katı-katı reaksiyonu) İki ayrı katı çözelti sabit sıcaklıkta reaksiyona girerek yeni bir katı çözelti oluşturur. α + β δ
61 Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid
62 ÖNEMLİ BAZI İKİLİ FAZ DİYAGRAMLARI
63 Cu : YMK Zn : SDH Bakır-Çinko faz diyagramı(pirinçler) Ara fazlara(tek fazlı bölgeler) örnek
64 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Örnek Aşağıda verilen faz diyagramında bulunan 3 adet farklı faz reaksiyonlarını tespit ediniz o C, 920 o C, 750 o C, 450 o C ve 300 o C lerde yatay çizgiler vardır 1150 o C: δ + L γ, peritektik 920 o C: L 1 γ + L 2 a monotektik 750 o C: L γ + β, a ötektik 450 o C: γ α + β, a ötektoid 300 o C: α + β μ or a peritektoid
65 DEMİR/KARBON veya DEMİR/SEMENTİT DİYAGRAMI
66 Fe/C ve Fe/Fe 3 C Faz diyagramı
67 Demir-Karbon faz diyagramı Diyagramın ötektik reaksiyon bölgesi
68 Fe-Fe3C sistemi Demir-Karbon alaşımları mühendislikte yaygın olarak kullanılan çelik ve dökme demir malzemelrin esasını teşkil eder. %2 nin altında karbon içeren malzemeler çelik, üstünde ise dökme demir olarak adlandırılır. Çeliklerin içyapısındaki karbon, teknikte geçerli olan soğuma hızlarında ayrı bir faz olarak değil,demir karbür (sementit) içinde bulunur. Bu nedenle yukardaki diyagram Fe-Fe3C diyagramı olarak verilmiştir. A3 Çelikler Dökme demirler A1 sıcaklığı
69 Demir Sementit Faz diyagramı Sementit; demir karbon faz diyagramında metallerarası bir bileşiktir. Pratikte Fe-C diagramında sementite kadar olan bölge önemlidir. Sementit; % 6.67 C konsantrasyonuna sahiptir. Atom ağrılıkları dikkate alındığında; Fe:56, C:12. C 12 % C(sementi t) xFe C 3x55 12
70 Atom ağrılıkları dikkate alındığında; Fe:56, C:12. C 12 %C (sementit) x Fe C 3x 56 12
71 Perlit Ledeburit Demir Sementit Faz diyagramı +S (ostenit) +S 1148 o C S T ötektik Sementit : Fe 3 C Ferrit : Perlit : + Fe 3 C Ostenit: Delta demir: Ledeburit. T ötektoid Çelik %C: ağırlık olarak Dökme demir
73 Çelik ve Dökme demir Çelik (steel): %2 ye kadar C içeren demir alaşımına verilen isimdir. Dökme Demir (cast iron) : %2 oranından daha fazla C içeren demir esaslı malzemelere verilen isimdir. Pratikte C oranı en fazla % 4.3 kadar olur.
74 Çelik Çelik; %2 ye kadar C içeren demir alaşımına verilen isimdir. Otektoit çelik; % 0.8 C içeren çeliğe ötektoit çelik adı verilir. Bu kompozisyonun altındaki çeliklere ötektoit altı çelikler (C oranı < % 0.8 %), bu bileşimden daha fazla C içeren çeliklere ötektoid üstü çelikler (C oranı > % 0.8) adı verilir. C oranının %2 yi geçmesi durumunda malzeme artık çelik olarak değil, dökme demir (cast iron) olarak adlandırılır.
75 C miktarı % 0.8 %100 perlitik yapı (ötektoit çelik). C miktarı sıfıra doğru azaldıkça, perlit azalır, ferrit ( -Fe) artar. C miktarı % 0.8 in üzerinde arttıkça, perlit miktarı azalır, sementit miktarı artar.
76 Çelik Perlit: Ötektoit reaksiyon sonrası -Fe ve Fe 3 C tarafından oluşturulan özel yapıya verilen isimdir. Ötektoit yapı hakkında daha ayrıntılı bilgi geçen derste verilmişti. C miktarı % 0.8 iken (ötektoit çelik) %100 perlitik yapı elde edilir. C miktarı sıfıra doğru azaldıkça, perlit azalır, ferrit ( -Fe) artar. C miktarı %0.8 in üzerinde arttıkça, perlit miktarı azalır, sementit miktarı artar. (ferrit) taneleri (Açık renk) Sementit taneleri (Koyu renk)
77 Çelik için önemli sıcaklıklar A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769 o C). Bu sıcaklıkta manyetiklik kaybolur. A3 sıcaklığı: Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir) Acm sıcaklığı: Ötektoid üstü çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir)
78 A 3 A cm + A 1 +Fe 3 C +Fe 3 C
79 Ötektoid altı ve Ötektoid üstü Çeliklerde Ötektoid reaksiyon ve iç yapılar
80 Perlit I II III I II III Fe 3 C Sementit Ötektoid Bileşim Perlit Perlit
81 %100 Perlit + γ +Fe 3 C + Perlit Perlit +Fe 3 C Otektoid Bileşim
82 İçinde %1,1 C bulunan çeliğin içyapısı nasıl saptanacak? Acm A3 A1
83 Ötektoid üstü çeliğin içyapısı Perlit (Ferrit +2. sementit lamelli yapı) Sürekli sementit ağı Birinci(Primer) sementit
84 Dökme demir C içeriği %2 den daha fazla olan Demir-karbon alaşımıdır. Artan karbon oranı yapıyı kırılgan hale getirir. Sıvı fazdan katılaşması sırasında soğuma hızlarına bağlı olarak farklı iç yapılara sahip olabilir. Hızlı soğuma: Beyaz dökme demir (Faz diyagramı yapısı). Yavaş soğuma: Kır dökme demir (Matriks yapı: ferritik, ferritik/perlitik, perlitik). Temper dökme demir: Beyaz Dökme Demirin tavlanması ile (Matriks yapı:ferritik, ferritik/perlitik, perlitik). Küresel dökme demir: Mg, Ce gibi grafiti küreselleştiren alaşım elementleri katılması ile (Matriks yapı: ferritik, ferritik/perlitik, perlitik).
85 FAZ KİNETİĞİ VE ISIL İŞLEMLER
86 Isıl işlemler: Faz Dönüşümleri Şu ana kadar yavaş soğuma hızlarında elde edilebilecek kararlı iç yapılar görüldü. Gerçek uygulamalarda soğuma hızlarının kontrolü ile farklı iç yapılar elde etmek mümkündür. Bu sayede mikro yapı ve mekanik özellikler ayarlanabilir. Isıl İşlemler: Malzemelerin iç yapılarını ve bunlara bağlı olarak mekanik özelliklerini ayarlamak amacıyla yapılan ısıtma ve kontrollü soğutma işlemleridir. Şu ana kadar incelenen faz diyagramları yavaş soğumada dengede olan fazlara göre hazırlanmıştır. Isıl İşlemler, malzemelerin zamana bağlı faz dönüşümlerinin bilinmesi ile uygulanabilirlik kazanır.
87 edilir. Böylece kararlı yapılar elde
88 Bunlara kararsız yapılar adı verilir.
89 Sıcaklık Örneğin; yandaki diyagramda T1 sıcaklığında herhangi bir x noktasındaki fazların dönüşümünün tamamlanması için gerekli süre t1 dir. Diyagram üzerinde her bir sıcaklıkta gerekli dönüşüm için süreler açıkça görülür ve her sıcaklık için faz değişim süresi farklılık göstermektedir. Çok yüksek ve düşük sıcaklıklarda faz dönüşüm süresi çok fazla iken, belirli bir sıcaklık aralığında bu dönüşüm daha kısa zamanda oluşmaktadır. Bu nedenle eğrinin ortasında bir burun oluşmaktadır. Bu eğrinin şekli neden böyledir? Bu eğrinin şeklinin neden böyle olduğu daha sonra açıklanacak
90 Çekirdeklenme/Büyüme Sıvı Katı oluşumu 2 aşamada olur. Çekirdeklenme (nucleation) Büyüme (Growth) Çekirdeklenmede: atomlar bir araya gelerek çekirdekleri oluştururlar. Daha sonra belli bir boyutun (kritik çap) üzerinde olan çekirdekler büyürler. Diğerleri çözünür yok olur. Katı Çekirdeklenme Büyüme
91 Net enerji değişimi Kararlı Çekirdek Oluşumu: Çekirdeklenme (Katılaşma ) olurken sistemin hacım enerjisi (ΔG h ) azalır. Katılaşma (düzen) enerji azalmasına neden olur (Bu çekirdeğin büyümesini teşvik eder). Buna karşılık yeni sıvı-katı ara yüzeyi oluştuğundan sisteme yeni bir yüzey enerjisi (γ) katılır. Bu enerji artışı ise ise çekirdeğin büyümesini engeller. Kritik r c yarıçapına ulaşmış çekirdekler büyür, diğerleri dağılır yok olurlar. Yarı çapı r c olan çekirdeklere kararlı çekirdek adı verilir. Yüzey enerjisi artması 4π.r 2.γ Net enerji değişimi : ΔG T = 4π.r 2.γ + (4/3).π. r 3.ΔGh r c = -2γ/ΔG h Hacım enerjisi azalması (4/3).π. r 3.ΔG h
92 Çekirdeklenme hızı Sıcaklık, faz diyagramındaki likidüs sıcaklığının altına düştüğünde,atomlar katı faza ait kristali oluşturmak isterler. Bu istek sıcaklık düştükçe artar ve bu nedenle sıvı fazda birim zamanda oluşan çekirdek sayısı artar. Öte yandan düşük sıcaklıklarda çekirdeklerin oluşması için gerekli atom hareketliliği(yayınma) hızı düşüktür. Yani çekirdek oluşması için gerekli yayınma katkısı yüksek sıcaklıklarda fazla, düşük sıcaklıklarda azdır. Sıcaklık Erime sıcaklığı Yayınmanın katkısı(atomların bir araya gelmesi) r r c olan çekirdekler için net çekirdeklenme hızı (iki eğrinin çarpımı) Sıvı fazın dengesizliğinin katkısı (Çekirdek sayısında artma eğilimi) Birim zamanda oluşan çekirdek sayısı Çekirdeklenme hızı (Kararlı çekirdekler için)
93 Dönüşüm hızı (Çekirdeklenme hızına, büyüme hızının etkisi) Büyüme: Tamamen yayınmanın etkisinde çekirdeklerin büyümesi şeklinde olur. Oluşan r c yarıçaplı çekirdeklerin büyümesi için de atomların yayınması gerekir ve bu çekirdeklerin büyüme hızı yüksek sıcaklıklarda daha yüksektir (G eğrisi). Dönüşüm hızı; çekirdeklenme ve büyüme hızlarının çarpımıdır. Dönüşümün tamamlanması için gereken süre, dönüşüm hızıyla ters orantılıdır. Dolayısıyla sıcaklık-zaman eğrisi sıcaklık- hız eğrisine benzer karakterde fakat tam ters şekilde olacaktır. G; Büyüme hızı H; Toplam dönüşüm hızı H G C e Q RT N; Çekirdeklenme hızı H N x G Hız
94 Zaman Sıcaklık Dönüşüm (ZSD) diyagramı - Time Temperature Transformation (TTT) Curve Bir önceki eğrinin apsisi olarak hız yerine zaman(dönüşüm zamanı) alınırsa aşağıdaki eğri ya da ilk verilen eğri elde edilir. Dönüşüm başlaması ve tamamlanması, belli bir zaman aralığında gerçekleşecektir. Bu nedenle dönüşüm; dönüşüm başlangıcını ve sona ermesini ifade eden iki çizgini arasında gerçekleşir Sıcaklık Dönüşüm başlar T1 t1 Dönüşüm tamamlanır Hiç Dönüşüm Olmamış bölge Tamamlanmış dönüşüm yüzdesi İlk gösterilen eğri Zaman, t(logaritmik skala)
95 Ötektoid çeliğin ZSD diyagramı Sertlik artar Kaba perlit: Lamel (levhalı) yapı; levhalar arası mesafe (Serbast ferrit yolu) büyük İnce perlit : Lamel (levhalı) yapı;levhalar arası mesafe (Serbest ferrit yolu) küçük Beynit :Yapı levhalı değil ferrit ve sementitin ince bir karışımı
96 Dengesiz ostenit T T m Ostenit Kaba perlit İnce Perlit Üst Beynit Sertlik t (logaritmik skala) Alt Beynit Reaksiyon Başlamamış Sürüyor Tamamlanmış
97 Ötektoid altı çeliğin ZSD(TTT) diyagramı
98 Ötektoid üstü çeliğin TTT(ZSD) diyagramı
99 ZSD diyagramaları üzerinde iki ayrı soğutma yöntemi ve bunları temsil eden eğriler uygulanarak dönüşüm gerçekleştirilebilir. 1. Sürekli soğuma ile dönüşüm (Continuous cooling curve) 2. İzotermal soğuma ile dönüşüm (isothermal curve)
100 TTT Diagrams Sürekli soğutma eğrisi boyunca dönüşüm İzotermal eğri boyunca dönüşüm Isothermal annealing for fully pearlitic structure. Burun kısmının üstünde daha sola yanaşık gösterilen kesik kesik hazırlanan diyagram izotermal (sabit bir sıcaklıkta tutularak hazırlanan) TTT diya
101 İzotermal dönüşüm için Sürekli soğuma için eğri İzotermal dönüşüm için ZSD eğrisi, özellikle yüksek sıcaklıklarda bir miktar sola doğru kayar. Bunun nedeni sürekli soğumada ısıl aktivasyon azalan sıcaklıkla sürekli azalacak olmasıdır. Bu durum atom hareketlerinin yavaşlaması ve dönüş için gereken sürenin artmasıyla sonuçlanır. Öte yandan yüksek sıcaklıklarda ki izotermal dönüşüm de dönüşüm sırasında ısıl aktivasyon sürekli etkin kalacaktır.
102 Soğuma hızı ne demektir? T Soğuma hızı= ΔT t t (logaritmik skala)
103 Soğuma hızı (Sürekli soğuma eğrisi) Sürekli çizgili TTT diyagramı dikkate alınmalıdır.
104 Perlit: Ferrit ve sementitin levhalı yapısı Beynit : Ferrit ve sementitin ince bir karışımı
105 Perlitin oluşumu
106 oda sıcaklığına hızla soğutulmuştur. II. 800 C'ye ısıtılan parça ani olarak 300 C'ye soğutulmuş ve burada 2 saat bekletildikten sonra oda sıcaklığına hızla soğutulmuştur. Bu iki ısıl işlem sonunda parçada oluşması beklenen mikroyapıları şematik olarak ayrı ayrı çiziniz, oluşması beklenen fazları ve iç yapıdaki oranlarını ve sertlik değerlerini (Rc) belirtiniz. (Sertlik Bakılacak)
107 Ötektoid çeliğe aşağıdaki ısıl işlemler uygulanıyor. a) Ostenit alanından 650 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 100 (yüz) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. b) ) Ostenit alanından 450 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 10 (on) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. c) Ostenit alanından 100 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 100 (yüz) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. Bu ısıl işlemler sonucunda oluşacak içyapıları belirtip, sertliklerine göre sıralayınız (sertten yumuşağa doğru).
108 üm ısıl işlemi kesintiye armaşık mikroyapılar eğin 1050 çeliği (Şekil A), enitlenip 650 C'ye nra ve 10 sn.için bekletilir rit ve perlitin oluşması sonra da 350 C'ye dından 1 saat bekletilir. ulmadan önceki dengesiz dönüşür. Son yapı ferrit, oluşur (a). şlem 350 C de 1 dakika ratılmakla ve daha sonra le yapı daha da karmaşık bilir. 350 C de 1 dakika sonra kalan diğer östenit, luşturur. Bu durumda son beynit, perlit ve martenziti a se her defasında sıcaklık e sıfır zamanda başlanır sıfırlanır). Böyle karmaşık arışımı tahmin edilemeyen luşturduğu içi bu yapılan k çok nadiren oluşturulur. b
109 Çeliklerin Isıl İşlemleri
110 Faz dönüşümleri Faz dönüşümlerini ikiye ayrılır: 1. Yayınmalı dönüşümler: Atomlar en kararlı halin (min.enerji) gerektirdiği fazları oluşturmada yeterli süreye sahiptirler. Bu fazlar faz diyagramlarında yer alan fazlardır. a) Kaba perlit (coarse pearlite) b) İnce perlit (fine pearlite) c) Üst beynit (upper bainite) d) Alt beynit (lower bainite) 2. Yayınmasız dönüşümler: Atomlar düşük enerjili kararlı fazları oluşturacak yeterli sürelere sahip değillerdir. Bu nedenle faz diyagramlarında rastlanmayan yarı kararlı veya kararsız fazlar oluştururlar. a) Martenzit
111 1. Yayınmalı dönüşümler:
112 Dengesiz ostenit Perlit Ötektoid Çelik T Ostenit + +Fe 3 C +P İnce Perlit Kaba perlit +B Reaksiyon Başlamamış Üst Beynit Devam ediyor Alt Beynit Bitmiş Reaksiyon Başlamamış Sürüyor Tamamlanmış t (logaritmik skala)
113 Yayınmalı dönüşüm 1: Perlit Kaba Perlit (coarse pearlite): Tabakalar (lameller) halinde dizilmiş iri ve Fe 3 C fazlarından oluşur. Nispeten yumuşaktır. Yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşmaktadır, dolayısıyla çekirdeklenmesi yavaş büyümesi ise hızlı olarak gerçekleşir. (Ferrit) Fe 3 C
114 Yayınmalı dönüşüm 1: Perlit İnce Perlit (fine pearlite): İnce ve Fe 3 C tabakalarının (lamellerin) istiflenmesi ile oluşan yapıdır. Daha serttir. Düşük sıcaklıklarda dönüşüm sonucu oluşur (çekirdeklenme hızı yüksek). Kaba yapıta göre daha serttir. (Ferrit) Açık renk Fe 3 C
115 Yayınmalı dönüşüm 2: Beynit Üst Beynit (Upper bainite): Ferrit matris içinde dağılmış sementit tanelerinden ibarettir. Düşük dönüşüm sıcaklıklarında oluştuğundan tabakalı yapı oluşturulamaz. Perlitle aynı kimyasal bileşime sahip fakat daha serttir. (Ferrit) Matris Fe 3 C
116 Yayınmalı dönüşüm 2: Beynit Alt Beynit (lower bainite): Dönüşüm sıcaklıkları daha da düşüktür. Böylece büyüme imkanı bulamamış ve ferrit içine dağılmış çok ince ve sık dağılımlı sementit taneleri oluşur. Ancak elektron mikroskopunda görülebilir. Çok daha sert bir yapıdır. (Ferrit) Açık renk Fe 3 C Koyu tanecikler
117 Dengesiz ostenit T Ötektoit Çelikte Yapılar Ostenit + +Fe 3 C Kaba perlit İnce Perlit Üst Beynit +Fe 3 C Martenzit M s M f Alt Beynit t (logaritmik skala)
118 Dengesiz ostenit Ötektoit Altı Çelikte Yapılar T Ostenit + +Fe 3 C İnce Perlit Kaba perlit Üst Beynit Alt Beynit +Fe 3 C Martenzit t (logaritmik skala)
119 Dengesiz ostenit T Ötektoit Üstü Çelikte Yapılar Ostenit + +Fe 3 C İnce Perlit Kaba perlit Üst Beynit +Fe 3 C Alt Beynit M s M f Martenzit t (logaritmik skala)
120 2. Yayınmasız dönüşüm:
121 Yayınmasız dönüşüm: Martenzit Kararlı fazların oluşması için gereken yayınmanın olmaması durumlarında dönüşüm kararsız olarak gerçekleşir. Bu değişim yayınmasız olmasından dolayı zamandan bağımsızdır ve iki yatak çizgi şeklinde gösterilir. Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması durumunda ostenit faz martenzit faza dönüşür. İğnemsi yapı (Optik mikroskopta
122 Kritik soğuma hızı ve Martenzit Oluşumu Yayınmalı veya yayınması dönüşüm olacağını belirleyen parametre soğuma hızıdır. Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması durumunda ostenit martenzite dönüşür, YAYINMASIZDIR. Daha yavaş soğuma hızlarında yayınma gerçekleşir ve soğuma hızına bağla olarak yayınma perlit veya beynit oluşabilir. Kritik soğuma hızı
123 Yayınmasız dönüşümler-martenzitik yapılar HMK Ostenit (γ) YMK ferrit(α) allotropik dönüşümü yavaş soğumada karbon atomunun kafesten yayınması sonucu kolaylıkla oluşur.ancak hızlı soğumada C kafesten yayınamadan kafes soğur ve C yayınamadan kafeste hapsolur ve HMK α kafesini zorlar ve HM Tetrogonal hale getirir.bu nedenle Kafeste iç gerilmeler de doğar. Bu olay aniden olur yani YMK Ostenit kafesi yayınmasızdır. HMT kafes Fe Martenzitin kafesi HM Tetrogonal C c/a = Tetrogonalite DİKKAT: Çelikte Karbon içeriği arttıça c/a artar, buna bağlı olarak sertlik artar
124 Martenzitin iğneli iç yapısı (İçinde çözebileceği miktardan daha fazla karbon bulunduran,bu nedenle kararsız ve iç gerilmeli olan ferrit yapısı) - α adı da verilir. Kararsız yapı
125 Martenzit başlangıç sıcaklığı Martenzit bitiş sıcaklığı
126 Su verme (Quenching) Amaç tamamen martenzitik bir yapı (very hard but brittle) elde etmektir. Bu amaçla önce çelik ostenit bölgesinde en az 1 saat ısıtılır: Ötektoid altı çelikler için: A o C Ötektoid üstü çelikler için: Acm o C Daha sonra, kritik soğuma hızlarının üzerindeki değerlerde hızlı soğutma yapılırsa (M f in altındaki sıcaklıklara) yapı tamamen martenzite dönüşür (quenching). Su verme çeliğin ostenit bölgeden kritik soğuma sıcaklıklarının üzerindeki hızlarda ani olarak soğutulması işlemidir. Eğer Mf in altındaki sıcaklıklara ani soğutma söz konusu ise yapı tamamen martenzite dönüşür. Aksi halde ani soğutma sırasında eğer ZDS eğrileri kesilmiyorsa yapı dengesiz ostenit halinde bulunuz.
127 A cm A 3 + +Fe 3 C +Fe 3 C A 1 Critical Cooling rate.
128 Su vermede çatlak oluşumu Yapıda %100 martenzit oluşturmak ostenit bölgesinden kritik soğuma hızı değerinden daha hızlı olarak soğutulması. Yüzey ve iç bölgelerdeki yüksek sıcaklık farkı oluşur. Daha soğuk olan yüzey kendini çeker fakat halen sıcak olan iç bölgeler daha hala yüksek hacme sahiptir. Bu nedenle yüzeyde çekme gerilmeleri oluşur. Çarpılma veya çatlama/kırılmalar meydana gelebilir.
129 Çekme Gerilmesi γ Martenzit Çekme Gerilmesi Su verme çatlakları (Quench cracks) Martenzit Genleşme Martenzit Çatlaklar
130 Martenzit: Genel kültür (a) Lath martensite in low-carbon steel ( 80). (b) Plate martensite in high-carbon steel ( 400). Tempered martensite in steel ( 500).
131 Özet Yavaş Soğuma Ostenit Perlit ( +Fe 3 C) Yayınmalı Ostenit Beynit ( +Fe 3 C) Ostenit İzotermal Dönüşüm Yayınmalı Çok hızlı Soğuma Yayınmasız Martenzit (tekfaz) Çeliklerin mekanik özellikleri iç yapılarıyla doğrudan alakalıdır. Ferrit Kaba Perlit İnce Perlit Üst beynit Alt beynit Martenzit Sertlik
132 Kırmızı çizgi; çeliği ostenit sıcaklıktan 600 o C ye hızla soğutulduğunu, bu sıcaklıkta 10 2 s tutulduğunu ve daha sonra oda sıcaklığına soğutulduğunu göstermektedir. Perlit başlangıç ve bitiş çizgileri kesildiği için çelik %100 perlitik bir yapıya sahip olacaktır.
133 İç yapılar: Genel kültür (a) perlit, (b) beynit, (c) temperlenmiş martenzit
134 Sertleşebilirlik (Sertleşme kabiliyeti) (hardenability) Çeliklerde soğuma hızı (su verme-quenching) arttıkça, sertlik artar. Parçalar kalınlık arttıkça, iç kısımlar martenzit oluşumu için gereken kritik soğuma hızlarına ulaşılamayabilir. Sadece kritik soğuma hızından daha yüksek hızlarda soğuyan bölgelerde martenzit oluşur. Bu nedenle iç ve dış kısımlarda önemli sertlik farkları olabilir. Sertleşme kabiliyeti, malzemenin sertleştirme işlemi esnasında ne kadar derine sertleşebildiğinin gösteren bir kavramdır.
135 Sertleşebilirlik parametreleri C oranı düştükçe burun sola kayar ve belli bir değerde martenzit oluşumu için gereken hıza pratik olarak ulaşmak mümkün olmaz. Pratikte %0.25 C d an az olan çeliklere su verilmez. Çünkü, orta kısımları hale yumuşak kalma problemi yaşanır. Soğuma hızı çok arttırıldığında ise çatlama riski doğar. Büyük parçaların orta kısımlarının dahi sertleşebilmesi için çeliğin kritik soğuma hızının düşürülmesi diğer bir değişle eğrinin sağa doğru kaydırılması gerekir. Bu, çeliğin Cr, Mo, V vs, gibi alaşım elementleri ile alaşımlandırılması sonucu sağlanabilir.
136 Sertlik Havada Suda Yağda Sıcaklık ( o C) Alaşım elementleri (Cr, Mo, V vs. gibi) katıldığında bazı alaşım elementleri ikincil temper sertleşmesine sebep olabilirler. Sebebi belirli sıcaklıkta karbürlerin çökelmesidir.
137 Jominy deneyi Sertleşme kabiliyeti Jominy deneyi ile ölçülür. Ostenit sıcaklığına kadar ısıtılan numune bir ucundan soğuk su ile soğutulur. Ucundan itibaren soğuma hızı mesafeye bağlı olarak azalır. Numune, uç kısmından itibaren sertlik değerleri ölçülür.
138 Jominy numunesi Su
139 Mesafeye bağlı olarak sertlik değerinde azalma görülür. Mesafenin artması ile yüksek sertlik değerleri gösteren malzemelerin sertleşme kabiliyetleri daha iyidir. Rockwell sertliği Jominy mesafesi (Su verilen uçtan mesafe)
140 Rockwell sertliği İdeal durum Jominy mesafesi (1/16 inch) En iyi sertleşebilirliği 4340 göstermektedir.
141 Çökelme Sertleşmesi İç yapıda, dislokasyon hareketlerini engelleyerek dayanımın artmasına sebep olan çok küçük ve sert ikinci fazların çökeltilmesi işlemidir.
142 Çökeltme sertleşmesinde adımlar 1. Çözündürme işlemi (solution treatment): Malzeme tek faz bölgesine ısıtılarak çökelecek olan sert 2. faz, tek faz içerisinde tamamen çözülür. 2. Ani soğutma (Quenching): Oda sıcaklığına ani soğutma ile 2. fazın çökelmesi engellenir ve aşırı doymuş katı çözelti elde edilir. 3. Yaşlandırma işleminde; aşırı doymuş katı çözelti, çözündürme sıcaklığından daha düşük olan yaşlandırma sıcaklığına tekrar ısıtılarak çok küçük bağdaşık (koherent) 2. faz tanecikleri çökeltilir. (Bu çökeltiler dislokasyonlara engel teşkil ederek malzemenin dayanımını arttırır). Aşırı yaşlanma: çökelmelerin çok büyüyerek bağdaşıklığın (koherentliğin ) kaybolması (bu durum istenmez).
143 Yavaş soğutma yapılırsa (Faz Diyagramı Yapısı) T %100 (tek fazı) Yavaş soğutma + Denge mikroyapısı İçerisinde taneleri Bileşim Zaman
144 YAŞLANDIRMA İŞLEM ve YAPISI T Tek faz; bölegesinde tamamen çözme işlemi Yapı içerisinde küçük çökeltiler oluşturulur t yaşlandırma + Bileşim Yaşlandırma işleminde; yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığında gerçekleşiyorsa, buna doğal yaşlandırma (natural aging), seçilen bir sıcaklıkta fırın içerisinde gerçekleşiyorsa yapay yaşlandırma (artificial aging) adı verilir. Zaman
145 İç yapının oluşumu: Çökeltmenin ilk aşamasında, çok küçük koherent GP bölgeler (Guinier preston zones) oluşur, GP bölgeleri genelde dislokasyon altındaki boşluklarda çekirdeklenir (sistemin enerjisini düşürmek için) ve dislokasyon hareketlerini engeller. Bu bölgeler, daha büyük bağdaşık (koherent) çökeltilere dönüşür. Bağdaşık çökeltiler kafesi aşırı gererek dayanım artışı oluştururlar. Daha sonra sıcaklığın veya zamanın gerekenden yüksek tutulması halinde tane büyümesi gerçekleşir. Dayanım düşmeye başlar.
146 Yaşlanma zamanına göre sertliğin değişimi Aşırı yaşlanma(overaging) yaşlanma
147 Sertlik Aşırı yaşlanma Aşırı büyüme: Çökeltilerin çok büyümesi ile oluşan gerilmeler artık taşınamaz ve bağdaşıklık sona erer. Çökeltinin sertleştirme etkisi azaltır. Yeterince uzun süre beklendiğinde ilk yapıya geri dönülür. T 4 T 3 T 2 T 1 Zaman Yaşlandırma Sıcaklıkları:T 1 < T 2 < T 3 < T 4
148 Sıcaklık Tipik bir yapay yaşlandırma ısıl işlemi ve mekanik özelliklere etkisi., (1) (1) max 0.2 (2) (2) (3) (3) %B Zaman Zaman
149 Çeliğe ait ısıl işlemler 1. Sürekli soğuma ile uygulanan ısıl işlemler Yumuşatma Normalizasyon Martemperleme 2. İzotermal dönüşüm ile uygulanan ısıl işlemler Ostemperleme İzotermal tavlama
150 Kaba Tane Tavı/Yumuşatma (Annealing) Çelikte, en yumuşak durumu elde etmek amacıyla uygulanan ısıl işlemdir. Bu işlemde amaç, tamamen kaba perlite dönüştürmektir. Kaba taneli yapı ostenit bölgesinden fırın içerisinde kontrollü olarak soğutma ile elde edilebilir.
151 İzotermal Tavlama ile Kaba Perlit Elde Etme T t (logaritmik skala) İzotermal tavlama Ostemperleme Çeliğin tamamen kaba perlitik bir yapıya dönüştürülmesi için yapılan izotermal işlemdir. Önce ostenit bölgesinden dönüşüm sıcaklığına ani soğutma yapılır ve bu sıcaklıkta eğriyi kesecek şekilde beklenir. Dönüşüm sonrası oda sıcaklığına soğutulur.
152 Normalizasyon (Normalization) İç yapıda ince taneli perlit oluşturarak dayanım ve tokluk artışını birlikte sağlamak amacıyla (çeliklere) uygulanır. İnce taneli yapı, ostenit bölgesinden havada soğutma ile elde edilebilir.
153 Martemperleme (Martempering) T yüzey merkez Temperleme sıcaklığı Martenzit oluşumu sırasında çatlama ve kırılma risklerini azaltmak amacıyla ostenit bölgesinden martenzit başlangıç sıcaklığının hemen üzerinde ani olarak soğutulur. t (logaritmik skala) Bu sıcaklıkta iç ve yüzey sıcaklıkları eşitlenecek ve beynit oluşum sıcaklığına girmeyecek şekilde bekletilir ve sonra tekrar su verilir.
154 Menevişleme-Islah Etme Temperleme/ (Önce su verme sonra ferrit-sementit oluşumu sağlamak üzere ısıtma) Temperleme sırasında, ısıl aktivasyon ile yarı kararlı martenzit içerisinde sıkışmış bulunan C atomları kafesi terketmeye başlar ve yapı ince dağılımlı ferrit-sementitten oluşan daha kararlı bir yapıya dönüşür. Böylece, kafes çarpılması ve dislokasyon yoğunluğu azalır ve yapı yumuşar. Yapıda tavlama sıcaklığına ve süresine bağlı olarak sertlikte azalma yani yumuşama olur. Bu değişim parametrelerin kontrolü ile kontrol edilebilir. Dolayısıyla çeliğin sertliği istenilen değerlere ayarlanabilir. Temperleme ile su vererek elde edilen gevrek ve yüksek dayanımlı yapı, daha düşük dayanımlı ve yüksek toklukta malzemeye dönüştürülebilir.
155 Menevişleme (Temperleme) T merkez yüzey Temperleme sıcaklığı Kırılgan Martenzit iç yapının, daha tok ve hala yüksek dayanımlı iç yapıya dönüştürülmesi ısıl işlemidir. Ostenit sıcaklıktan su verilen iç yapıda martenzitler oluşur. Daha sonra bu malzeme temper sıcaklığına ısıtılarak martenzit temper yapıya yani ince taneli ferritik-perlitik bir yapı dönüştürülür. t (logaritmik skala)
156 Menevişlenmiş (Islah Edilmiş) Yapı (α + Fe3C)
157 İzotermal İşlem:Ostemperleme (Austempering)-% 100 Beynit Yapma T yüzey merkez t (logaritmik skala) Yapının %100 alt beynite dönüştürülmesi için yapılan ısıl işlemdir. Ostenit sıcaklığına ısıtılan malzeme martenzit oluşum sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa su verilir. Daha sonra yeterince uzun süre bekletileren dengesiz ostenit %100 beynite dönüştürülür. Not: Karbonlu çeliklerde beynit, sürekli soğutma ile elde edilemez. Beynit elde etmek için izotermal soğutma gereklidir.
158 (a) Üst beynit, (b) Alt beynit
159 Osforming Bir tür termomekanik ısıl işlemdir. Malzeme A1 sıcaklığının altında ostenit bölgesinde plastik deformasyon ile şekillendirilir. Daha sonra beynit veya martenzit oluşacak şekilde soğutulur. The bay area obtained by alloying İlk öncw gwniş dengesiz ostenit alanına kadar ani olarak soğutulur, Daha sonra bu bölgede perlit oluşumuna izin vermeyecek sürede plastik deformasyona maruz bırakılır. En sonunda Oda sıcaklığına ani olarak soğutulursa martenzit oluşur. Yavaş soğutulursa beynit oluşur.
160 Ötektoid çelikte ısıl işlem safhaları: PROBLEM 1.Çelik γ sahasından aniden 500 o C ye soğutuluyor. 2.Bu sıcaklıkta 5 saniye tutuluyor(x noktası). 3.Bundan sonra aniden 250 o C ye soğutuluyor(y noktası) Yapılar: - (a) y de: Dngsz γ+ince Ρ - (b) z de : Alt Beynit -(C) de: İnceP + Martenzit i Çelik 250 o C sıcaklıkta 1 gün tutulursa(z noktası) ve oda sıcaklığına soğutulursa yapı ne olur? ii- Eğer çelik x noktasından oda sıcaklığına aniden soğutulursa yapı ne olur? Kaba perlit x İnce perlit y (a) Beynit z (b) (C) İnce P+ M İnce P + B
161 Kritik soğuma hızı Yumuşatma Tavı Normalizasyon Su Verme Martenzit Perlit + Martenzit İnce perlit Ms Mf Kaba perlit
162 Soğuk Şekil Verme sonucu Yapının Bozulması Sıcaklığın Tb<0.2 olduğu sıcaklıklarda plastik şekil değişimi işlemidir.(haddeleme, ekstrüzyon, vs.) Soğuk ş.ds dislokasyon yoğunluğu önemli miktarda artar. (metal en yumuşak halinde iken yapısında m/m 3, soğuk şekil değiştirmiş haldeyken ise yapısında m/m 3 ) Taneler soğuk ş.d. yönünde uzama gösterirler.
163 %SŞD A o A o A f x % 100 Soğuk ş.d. Sırasında pekleşme ile dayanım ve sertlik artar süneklik ve elektrik iletkenliği azalır, iç gerilmeler artar. Belirli bir oranın üzerine çıkılması ile mikro çatlak oluşumu ve hasar meydana gelebilir.
164 Malzemeyi hasara uğratmadan daha fazla plastik şekil değişimi yapabilmek için deformasyon öncesi düşük dislokasyon yoğunluğuna sahip yumuşak yapıya dönülmek isteniyorsa...
165 Yumuşatma tavlamaları serileri (Process Annealing) Soğuk şekil değiştirme (Tb < 0.2) ile dayanımı ve sertliği artmış, sünekliği ve elektrik iletkenliği azalmış metalin soğuk şekil değişiminden önceki yapısını tekrar kazandırmak için uygulanan ısıl işlemlere yumuşatma tavlaması adı verilir. Yumuşatma Tavlama Serileri: A - Toparlanma B - Yeniden kristalleşme C - Tane irileşmesi
166 Yumuşatma Tavlamaları (ProcessAnnealing) Tane büyüklüğü T b
167 A - Toparlanma İç yapıda önemli ölçüde değişiklikler olmaz. (0.2 < Tb < 0.4) Tane içlerinde noktasal kusurların azalması ve dislokasyonların daha düşük iç enerji oluşturacak şekilde yeniden dizilmesi (poliganizasyon) için termal aktivasyon için yeterli sıcaklık vardır. Dislokasyonların dizilmesi ile alt taneler oluşur. Bu alt taneler YK sırasında oluşan gerçek taneler için çekirdekler görevi görür. Mekanik özelliklerden önemli bir değişme olmaz. Fakat elektrik iletkenliği önemli ölçüde artar.
168 Dislokasyonların düzenlenmesi ile oluşan Alt taneler
169 B - Yeniden Kristalleşme Sıcaklığın atomsal hareketler için gereken aktivasyonu sağlayacak şekilde olması ile (0.4 < Tb < 0.6) gerçekleşir. Artan sıcaklık ile atomlar daha düşük enerjili bölgelere hareket etme imkanı bulur. Soğuk ŞD ile oluşan iç yapıda yeni eş eksenli ve iç gerilmesiz küçük tanelerin çekirdeklenip büyümesi ile bütün yapı küçük yeni taneler ile kaplanır. Yeniden kristalleşme sıcaklığı: Malzemenin en az yarısının 1 saat içinde Y.K.si için gereken sıcaklıktır.
170 Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşme ile oluşan tane boyutu küçülür. Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşme sıcaklığı azalır. Bunun sebebi; YK için gereken enerjinin bir bölümünün depolanan mekanik enerji tarafından sağlanmasıdır. Dolayısıyla ısıl enerji katkısı böylece azalır, YK daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilir. YK nın gerçekleşebilmesi için malzeme kesitinde mutlaka soğuk şekil değiştirmenin bulunması gerekir (%5-10).
172 C - Tane Büyümesi Yeniden Kristalleşme ile oluşan ve Soğuk Ş.D. ye nazaran daha kararlı (düşük enerjili) iç yapının, yüksek sıcaklıkta tutulmaya devam edilmesi böylece tanelerin yayınma mekanizması ile büyümesine denir. Tane büyümesine sebep olan itici güç: yüksek enerji bölgeleri olan tane sınırlarının azaltılıp iç enerjini düşürülmesi eğilimidir. Malzeme sonuçta sadece bir büyük tane şeklinde olup min enerjiye sahip olmak eğilimi gösterir.
173 Yumuşatma Tavlamaları Sonrası Yapı Prinçte; (a) soğuk ş.d. Yapı, (b) yeni tanelerin görülmesi, (c) yeni tanelerin oluşumu, (d) Y.K tamamlanması, (e) Tane büyümesi
174 DİĞER ISIL İŞLEMLER
175 Homojenleştirme Döküm sonrası tane içerisinde nispeten hızlı soğumanın sebep olduğu kimyasal bileşim farklılıkları olabilir. Bu farklılıkların ortaya çıkardığı bölgelere segregasyonlar denir. Bu durum malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz olarak etkileyebilir. Bu durumu ortadan kaldırmak için malzemeyi erime sıcaklığının altında uzun süre tavlamak ve böylece yayınma mekanizması ile kimyasal bileşim homojen hale getirme işlemi- homojenleştirme uygulanır. Fazlarla segregasyonlar ayrı şeylerdir. Fazlar etkilenmez sadece faz içlerindeki segregasyonlar ortadan kalkar.
176 Gerilme giderme Kaynak, döküm, kısmi plastik şekil verme gibi bazı üretim yöntemleri sonrası yapıda artık (kalıntı) gerilmeler oluşur. Bunlar mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir. Bunu azaltmak için Al da 400 o C, ve çelikte 500 o C civarında ısıtılarak (sıcaklık arttıkça akma dayanımı düşer) yapı içindeki elastik artık (kalıntı) gerilmelerin oluşturduğu elastik şekil değişimi plastik şekil değişimine dönüştürülür. Böylece artık gerilme seviyesi zararsız düzeylere indirilebilir.