MAL 201 FAZLAR ve DEMİR-SEMENTİT

DİYAGRAMI TTT DİYAGRAMLARI ÇELİK ISIL İŞLEMLERİ

KASIM 2016

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.

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.

(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.

(c)Cu ve Zn alaşımları sınırlı

çözünmeden dolayı % 30 dan

fazla Zn çözemez, ikinci faz

bölgeleri oluşturur. 2.Faz

Katı

Çözelti

(a)Sıvı Cu ve Ni, tam çözünür.

(b)Katı Cu ve Ni kristal yapıda rastgele yerlere yerleşmek suretiyle

tam katı çözelti oluşturur.

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.

Saf molibdenin çok kristalli(taneli) yapısı.Tek fazlı yapı.Her tane yönlenme farkı dışında birbiriyle özdeştir.

Demir-Karbon alaşımının(Çelik) yapısı.İki fazlı yapı.Fazlar:Ferrit (Beyaz alanlar) ve sementit (Parmak izi görünümlü, gerçekte levha şeklinde)

Saf molibden taneleri Ferrit Sementit

Faz diyagramları

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.

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

Basınç(Log skala)

Buhar

Su

Buz

Gaz

Sıvı

Katı

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.

Faz diyagramının soğuma eğrilerinden elde edilişi (Cu-Ni sistemi) Basınç Sabit = 1 atm.

Katı çözeltiler, malzeme biliminde α, β, γ gibi Yunan harfleriyle adlandırılır.

İki bileşenli diyagramlara ait örnekler a)Katı durumda tam çözünürlük

Sıvı (Çözelti)

Likidüs

Solidüs Katı çözelti

Bileşim( Ağırlık %)

A’ nın erime noktası

B’nin erime noktası

Sıca

klık

Sıvı

(katı)

S +

Likidüs çizgisi

Solidüs

çizgisi

T, S

ıcak

lık

Kimyasal bileşim: Kompozisyon

TB

TA

S +

Sıvı

(katı)

T

T2

X1 X Xs

X1 kompozisyonuna sahip alaşım:

T1 de: S

T2 de: S+

T3 de:

fazlarına sahiptir.

T1

T3

-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.

Sıc

ak

lık

S, Sıvı

, Katı

S+

%B

Sıvı

Sıvı

TA

TB Tamamen sıvı faz

Tamamen katı faz.

: %x oranında B elementi

içerir. X

% 90 Sıvı + % 10

% 60 Sıvı + % 40

% 10 Sıvı + % 90

Belirli bir bileşimdeki alaşımın(sistem) sıvı halden itibaren soğuması sırasındaki içyapıları

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.

Gaz Sıvı

Sıcaklık Sıvı

Basınç(Log skala)

Katı

Allotropi(Polimorfizm) Bileşimi aynı kalan bir malzemenin kafes yapısının sıcaklıkla değişmesine “Allotropi” adı verilir.Aşağıda saf demirin allotropik halleri verilmiştir:

Gibbs Faz kuralı • Bir sistemde bileşen ve faz sayısının belirli olması

durumunda serbest değişken olup olmadığını belirlemede kullanılan bir kuraldır.

F + S = B + 2 Basıncın değişken bir parametre olması durumu

Basıncın sabit olması durumu (en çok kullanılan bağıntı)

F + S = B + 1

Serbest değişken

sayısı

Faz sayısı

Bileşen sayısı

Uygulamada genelde atmosfer basıncında çalışıldığından , ve bu nedenle basınç sabit olduğundan durum büyüklüklerinden biri sabit olur (Basınç). Bu durumda Gibbs kuralı

Sıcaklık

Basınç(Log skala)

Buhar

Su

Buz

Gaz

Sıvı

Katı

F + S = B + 2 (GİBBS Faz

Kuralı-Kanunu)

F:Faz Sayısı

S: Serbestlik Derecesi

B:Bileşen sayısı

2: Sıcaklık ve Basınç Değişken

Suyun Faz Diyagramı

F + S = B + 1 (GİBBS Faz Kuralı-

Kanunu)

F:Faz Sayısı

S: Serbestlik Derecesi

B:Bileşen sayısı

1: Sıcaklık Değişken, Basınç = Sabit.

Sabit basınçta (Atmosfer

Basıncı) hazırlanmış 2 Bileşenli

Denge Diyagramı: Al-Si

Erime noktasında Gibbs kuralı

Sıvının soğuması

nın soğuması

Katılaşma aralığı

TA

T

t

• Diagramda saf element için erime noktasındaki (TA) durum:

• F = 2 (sıvı ve olarak 2 faz)

• B = 1 (Tek bileşen A)

S =1-2+1=0

• Basınç sabit, kimyasal

bileşimde değişmediği için

tek değişken olan sıcaklıktır.

Ancak bu da erime/katılaşma

boyunca sıcaklık sabittir-

serbest değişken bulunmaz

Çözünme durumuna göre

• Tam çözünme: Bir elementin diğeri içerisinde sınırsız çözünebilmesi.

• Hiç çözünmeme: Bir elementin diğeri içinde hiç çözünememesi.

• Sınırlı çözünme: Bir elementin diğeri içerisinde kısıtlı çözünebilmesi.

a) b) c)

-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.

-Bu nedenle saf metallerin soğuma sırasındaki katılaşma sahanlığı yatay bir doğrudur.

-Buna karşılık alaşımlarda,(B=2) faz kuralı F+S= B+1 2+1 = 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.

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

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?

Terazi (Kaldıraç) Kuralı

Faz diaygramında, fazların oranlarını ve

bileşimlerini bulmak için terazi kuralı (lever

rule) kullanılır.

Faz diagramları:

• Hangi sıcaklık ve bileşimde hangi fazlar var?

• Bu fazların bileşimi nedir?

T

x

b a

x bileşiminin T sıcaklığında bileşim

oranları:

b-x

x-a

100%

ab

ax

100%

ab

xbS

%100%% S

S+

S

Mesnet

Alaşım düşeyi

Alaşımın Sıcaklığı

X Z

X-Z :Bağ çizgisi

1) Sözkonusu noktada iki faz mevcuttur : α + β

Y

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

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.

Alaşımın bileşimi

Alaşımın sıcaklığı

Hal noktası

L nin T1 deki bileşimi

SS nin T1 deki bileşimi

İki fazlı bölge (Beyaz bölge)

Bağ çizgisi

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.

Peritektik

Peritektoid

Ötektik

Ötektoid

Monotektik

REAKSİYONLAR

Ötektik Yapı • Ötektik reaksiyon; sıvı fazın ani olarak iki ayrı

katı faza dönüşmesi reaksiyonudur.

Ötektik noktadan

uzaklaştıkça, ötektik

reaksiyon, dönüşüm

öncesi varolan sıvı

faz kadar gerçekleşir.

Sıvı (Katı) + (Katı) Soğuma

Ötektik reaksiyon:

Ötektik nokta

Ötektik

Sıcaklık

Sö = B – F + 1 = 2 – 3 + 1 = 0

• 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)

• 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.

2 1

Nodular

Yapı

Lamelli

Yapı

Hiç Çözünmeme

TA

TB

Ötektik

Sıcaklık

%B

S

A+B

A+S S+B

•

•

• •

•

•

•

•

•

•

• •

•

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

X2

Ötektik Bileşim

X1 X3

1.Alaşım

(Ötektik Altı)

2.Alaşım 3.Alaşım

Ötektik Üstü

2

1

3

4

5

2

1

3

4

5

2

1

3

Sıvı Sıvı Sıvı

A

A

Proötektik A

Sıvı

Sıvı

Ötektik A

Ötektik B

Ötektik Yapı

Ötektik A

Ötektik B

Proötektik B Ötektik A

Ötektik B

B

Sıvı

A Kristalleri

(Açık renk)

B Kristalleri

(Koyu renk)

b)Tam Çözünmezlik durumunda ötektik reaksiyon A ve B atomlarına ait kafeslerin birbirlerini kafeslerine almadığı durum görülmektedir (Tam çözünmezlik).

Ötektik sıcaklık

Ötektik Bileşim

Bileşim

Sıc

aklık

Ötektik reaksiyon Sıvı(L)

A + B

Ötektik bileşimdeki sıvı, ötektik sıcaklıkta iki katı faza dönüşür.

Her iki katı fazın birarada oluşması nedeniyle ötektik İçyapılar sıkı istiflenmiş İçyapılardır. Ya lamel şeklinde ya da kürecik şeklinde oluşurlar. Mekanik özellikleri İyidir.

Ötektik nokta

Ötektik noktada: F+S = B+1 F=3 B=2 S=0 çıkar.

Ötektik:Düşük sıcaklıkta eriyen anlamına gelir.

Sıvı :Ötektik bileşimde Löt

Sıcaklık

Bileşim

Löt

L2 matrisi içinde B kristalleri

Ötektik yapı: İnce A ve B lamellerinin oluşturduğu içyapı

L1 matrisi İçinde A kristalleri

L +B L+A

A+B

L

A

B

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.

Sınırlı Çözünme

• Alaşım sistemlerinin çoğunda görülür.

• B elementi A nın içerisinde sınırlı olarak çözünebilir. Oda

sıcaklığında X1 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X2 kadar

çözünebilir.

• Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar.

c) Sınırlı çözünürlük durumunda ötektik reaksiyon

• 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

fazı: Katı

Çözelti

•

•

•

•

X1

1

3

4

2 •

•

•

•

X2

1

3

4

2

• 5

•

•

•

X3

1

3

2

• 4

•

•

Xö

1

2

• 3

TA

TB

%B

S

+S S+

+

I II III IV

Tö

2

1

3

2

1

3

4

2

1

3

4

5

2

1

3

4

Faz diyagramları: Sınırlı Çözünme

Ötektik

Ötektik

öncesi

Ötektik

Ötektik

öncesi

( dan

ayrışan)

I II III IV

Ötektik

Bileşim

Xö Ötektik altı bileşim

(hypo)

Ötektik üstü bileşim

(hyper)

• Aynı şekilde A elementi B içerisinde sınırlı miktarda çözünebilir.

• Oda sıcaklığında X3 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X4

kadar çözünebilir.

• (Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar).

DİKKAT: alaşım düşeyi ötektik yatayını kesmiyorsa, ötektik reaksiyon meydana gelmez, kesiyorsa gelir.

Ötektik reaksiyon oluşmaz

Ötektik Reaksiyon oluşur

Löt

Sıvı Löt

L2 matrisi içinde β1 kristalleri

α2 ve β2 kristal- lerinin oluştur- duğu ince lamelli Ötektik yapı

L1 matrisi İçinde α3 kristalleri

Çok taneli α1

katı çözeltisi

Sıcaklık

Bileşim

L +α L +β

α+β

Birincil α kristalleri

Birincil β kristalleri

Teknik bakımdan önemli ötektik diyagramlar

Kalay ağırlık yüzdesi

Kalay atomsal yüzdesi

Kurşun-Kalay ötektik faz diyagramı

Yumuşak lehim alaşımı

183o C da eriyen % 61,9 Sn-%38,1 Pb alaşımıdır.

Aluminyum -silisyum ötektik faz diyagramı

Basınçlı Al-Si alaşımı dökümü Erime sıcaklığı:

577oC

Ötektik faz diyagramında mukavemet değişimi

Ötektoid Reaksiyon • Soğuma sırasında bir katı fazdan iki ayrı katı fazın oluşması

reaksiyonudur.

(Katı)

(Katı) + (Katı)

Soğuma

Ötektoid reaksiyon:

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

Ötektoid reaksiyonla faz dönüşümleri

Alaşım düşeyi

Sıcaklık

Bileşim

Çok taneli katı Çözelti, γötek

α1 ve β2 kristallerinin oluşturduğu ince tabakalı ötektoid içyapı

β1 matrisi içinde ince taneli γ2 küreciklerinden oluşan ötektik içyapı

Sıvı(L) S β + γ

γ α + β

• Kısmi çözünürlük gösteren alaşım sistemlerinde elementlerin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması durumunda meydana gelen faz reaksiyonlarıdır.

Peritektik ve Peritektoid Reaksiyon

Sıvı + (Katı) (Katı) Soğuma

Peritektik reaksiyon:

(Katı) + (Katı) (Katı) Soğuma

Peritektoid reaksiyon:

Sıvı + (Katı) (Katı) Soğuma

Peritektik reaksiyon:

(Katı) + (Katı) (Katı) Soğuma

Peritektoid reaksiyon:

d)Peritektik reaksiyona ait faz diyagramı Biri sıvı diğeri katı olan iki faz sabit sıcaklıkta reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştururlar.

Xp

Fe-C faz diyagramında peritektik sistem

Sıvı çözelti

γ

S +γ

δ

S+δ

δ + S γ

δ+γ

e)Peritektoid sistem(Katı-katı reaksiyonu) İki ayrı katı çözelti sabit sıcaklıkta reaksiyona girerek yeni bir katı çözelti oluşturur. α + β δ

Peritektik

Peritektoid

Ötektik

Ötektoid

Monotektik

ÖNEMLİ BAZI İKİLİ FAZ DİYAGRAMLARI

Bakır-Çinko faz diyagramı(Pirinçler) Cu : YMK Zn : SDH

Ara fazlara(Tek fazlı bölgeler) örnek

(c)2

003 B

rooks/

Cole

, a

div

isio

n o

f T

hom

son L

earn

ing,

Inc.

T

hom

son L

earn

ing

™ i

s a

trad

emar

k u

sed h

erei

n u

nder

lic

ense

.

Aşağıda verilen faz diyagramında bulunan 3 adet farklı faz reaksiyonlarını tespit

ediniz.

Örnek

1150oC, 920oC, 750oC, 450oC ve 300oC

lerde yatay çizgiler vardır

1150oC: δ + L γ, peritektik

920oC: L1 γ + L2 a monotektik

750oC: L γ + β, a ötektik

450oC: γ α + β, a ötektoid

300oC: α + β μ or a peritektoid

DEMİR/KARBON veya DEMİR/SEMENTİT

DİYAGRAMI

Fe/C ve Fe/Fe3C Faz diyagramı

Demir-Karbon faz diyagramı

Diyagramın ötektik reaksiyon bölgesi

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.

A1 sıcaklığı A3

Çelikler Dökme demirler

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.

6.67123x55

12

C3xFe

Ct)% C(sementi

6.671256 x 3

12

CFe x 3

C(sementit) %C

• Atom ağrılıkları dikkate alındığında; Fe:56, C:12.

%C: ağırlık olarak

Dökme demir Çelik

Tötektoid

Tötektik

Sementit : Fe3C Ferrit : Perlit : + Fe3C Ostenit: Delta demir: Ledeburit.

(ostenit) +S S

+S

Led

ebu

rit

Per

lit

Demir Sementit Faz diyagramı

1148oC

1538

1495

1400

• 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.

Çelik ve Dökme demir

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.

• 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.

Çelik

• Perlit: Ötektoit reaksiyon sonrası -Fe ve Fe3C 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)

• A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı

• A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769oC). 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)

Çelik için önemli sıcaklıklar

+Fe3C +

+Fe3C

A1

A3 Acm

Ötektoid altı ve Ötektoid üstü Çeliklerde Ötektoid reaksiyon ve iç yapılar

+

+Fe3C

Per

lit

I II III

1

2 3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

I II III

Perlit Ötektoid Bileşim

Perlit

Sementit

+

Perlit +Fe3C

Otektoid Bileşim

+ Perlit

γ +Fe3C

%1

00

Per

lit

İçinde %1,1 C bulunan çeliğin içyapısı nasıl saptanacak ?

A3

Acm

A1

Sürekli sementit ağı Birinci(Primer) sementit

Perlit (Ferrit +2. sementit lamelli yapı)

Ötektoid üstü çeliğin içyapısı

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).

FAZ KİNETİĞİ VE ISIL İŞLEMLER

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.

Böylece kararlı yapılar elde

edilir.

Bunlara kararsız yapılar adı verilir.

Sıca

klık

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

Sıvı

Katı

Çekirdeklenme Büyüme

• 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.

Çekirdeklenme/Büyüme

Kararlı Çekirdek Oluşumu: Çekirdeklenme (Katılaşma ) olurken sistemin hacım enerjisi (ΔGh) 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.

Hacım enerjisi azalması (4/3).π. r3.ΔGh

Yüzey enerjisi artması 4π.r2.γ

Net enerji değişimi :

ΔGT = 4π.r2.γ + (4/3).π. r3.ΔGh

Net

en

erj

i de

ğişi

mi

Kritik rc yarıçapına ulaşmış çekirdekler büyür, diğerleri dağılır yok olurlar.

Yarı çapı rc olan çekirdeklere kararlı çekirdek adı verilir.

rc = -2γ/ΔGh

Çekirdeklenme hızı

Çekirdeklenme hızı

Sıcaklık

Yayınmanın katkısı(Atomların bir araya gelmesi)

Sıvı fazın dengesizliğinin katkısı

net çekirdeklenme hızı (iki eğrinin çarpımı)

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.

(Kararlı çekirdekler için)

r ≥ rc olan çekirdekler için

Erime sıcaklığı

Birim zamanda oluşan çekirdek sayısı

(Çekirdek sayısında artma eğilimi)

Dönüşüm hızı (Çekirdeklenme hızına, büyüme hızının etkisi)

• Büyüme: Tamamen yayınmanın etkisinde çekirdeklerin büyümesi şeklinde olur. Oluşan rc 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.

GxNH

eCG RTQ

Hız

G; Büyüme hızı

N; Çekirdeklenme hızı

H; Toplam dönüşüm

hızı

H

Zaman, t(Logaritmik skala)

Sıcaklık

Bir önceki eğrinin apsisi olarak hız yerine zaman(dönüşüm zamanı) alınırsa aşağıdaki eğri ya da ilk verilen eğri elde edilir.

Tamamlanmış dönüşüm yüzdesi

İlk gösterilen eğri

Zaman Sıcaklık Dönüşüm (ZSD) diyagramı - Time Temperature Transformation (TTT) Curve

T1 t1

Dönüşüm başlar

Dönüşüm tamamlanır

Hiç Dönüşüm

Olmamış bölge

• Dönüşüm başlaması ve tamamlanması, belli bir zaman aralığında gerçekleşecektir.

• Bu nedenle dönüşüm; dönüşüm başlangıcını ve sona ermesini ifade eden iki çizgini arasında gerçekleşir

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

Sert

lik

arta

r

Ötektoid çeliğin ZSD diyagramı

t (logaritmik skala)

T

Tm

Kaba perlit

İnce Perlit

Üst Beynit

Alt Beynit Den

gesi

z o

sten

it

Ostenit

Reaksiyon Başlamamış Sürüyor Tamamlanmış

Sertlik

Ötektoid altı çeliğin ZSD(TTT) diyagramı

Ötektoid üstü çeliğin TTT(ZSD) diyagramı

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)

TTT Diagrams

Isothermal annealing for fully pearlitic structure.

İzotermal eğri

boyunca dönüşüm

Sürekli soğutma eğrisi

boyunca dönüşüm

Burun kısmının üstünde daha sola yanaşık gösterilen kesik kesik

hazırlanan diyagram izotermal (sabit bir sıcaklıkta tutularak hazırlanan) TTT diyagramları içindir.

İzotermal dönüşüm için ZSD eğrisi, özellikle yüksek sıcaklıklarda bir miktar sola doğru kayar. Bunun nedeni sürekli soğumada ısıl aktivasyon azalan sıcaklıkla sürekli azalacak olmasıdır.

İzotermal dönüşüm için Sürekli soğuma için eğri

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.

Soğuma hızı=

t

ΔT

t (logaritmik skala)

T

Soğuma hızı ne demektir?

Soğuma hızı (Sürekli soğuma eğrisi) Sürekli çizgili TTT diyagramı dikkate alınmalıdır.

Beynit : Ferrit ve sementitin ince bir karışımı

Perlit: Ferrit ve sementitin levhalı yapısı

Perlitin oluşumu

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)

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).

dönüşüm ısıl işlemi kesintiye

karmaşık mikroyapılar

Örneğin 1050 çeliği (Şekil A),

östenitlenip 650 °C'ye

sonra ve 10 sn.için bekletilir

ferrit ve perlitin oluşması

daha sonra da 350 °C'ye

ardından 1 saat bekletilir.

soğutulmadan önceki dengesiz

beynite dönüşür. Son yapı ferrit,

beynitten oluşur (a).

işlem 350°C’de 1 dakika

uğratılmakla ve daha sonra

verilmekle yapı daha da karmaşık

getirilebilir. 350°C’de 1 dakika

beklettikten sonra kalan diğer östenit,

oluşturur. Bu durumda son

ferrit, beynit, perlit ve martenziti

edilirse her defasında sıcaklık

ve sıfır zamanda başlanır

(kronometre sıfırlanır). Böyle karmaşık

içyapıların karışımı tahmin edilemeyen

oluşturduğu içi bu yapılan

olarak çok nadiren oluşturulur.

a

b

Çeliklerin Isıl İşlemleri

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

1. Yayınmalı dönüşümler:

T

t (logaritmik skala)

Kaba perlit

İnce Perlit

Üst Beynit

Alt Beynit Den

gesi

z o

sten

it

Ostenit

Reaksiyon Başlamamış Sürüyor Tamamlanmış

+P

+B

Ötektoid Çelik

+ +Fe3C

Per

lit

Reaksiyon Başlamamış Devam ediyor Bitmiş

Yayınmalı dönüşüm 1: Perlit

(Ferrit)

Fe3C

Kaba Perlit (coarse pearlite):

– Tabakalar (lameller) halinde dizilmiş iri ve Fe3C fazlarından oluşur.

– Nispeten yumuşaktır.

– Yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşmaktadır, dolayısıyla çekirdeklenmesi yavaş büyümesi ise hızlı olarak gerçekleşir.

Yayınmalı dönüşüm 1: Perlit

İnce Perlit (fine pearlite):

– İnce ve Fe3C tabakalarının (lamellerin) istiflenmesi ile oluşan yapıdır.

– Daha serttir.

– Düşük sıcaklıklarda dönüşüm sonucu oluşur (çekirdeklenme hızı yüksek). Kaba yapıta göre daha serttir.

(Ferrit) Açık renk

Fe3C

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

Fe3C

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

Fe3C Koyu tanecikler

t (logaritmik skala)

T

Kaba perlit

İnce Perlit

Üst Beynit

Alt Beynit Den

ges

iz o

sten

it

Ostenit

Martenzit

Ms

Mf

Ötektoit Çelikte Yapılar

+ +Fe3C

+Fe3C

Ötektoit Altı Çelikte Yapılar T

t (logaritmik skala)

+ +Fe3C

+Fe3C

Kaba perlit

İnce Perlit

Üst Beynit

Alt Beynit Den

gesi

z o

sten

it

Ostenit

Martenzit

Ötektoit Üstü Çelikte Yapılar T

t (logaritmik skala)

+ +Fe3C

+Fe3C

Kaba perlit

İnce Perlit

Üst Beynit

Alt Beynit Den

gesi

z o

sten

it

Ostenit

Martenzit

Ms

Mf

2. Yayınmasız dönüşüm:

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

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

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

yayınmasızdır. YMK Ostenit kafesi

Fe

C

HMT kafes

Martenzitin kafesi HM Tetrogonal

c/a = Tetrogonalite

DİKKAT: Çelikte Karbon içeriği arttıça c/a artar, buna bağlı olarak sertlik artar

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

Martenzit başlangıç sıcaklığı

Martenzit bitiş

sıcaklığı

•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: A3 + 30-50oC

•Ötektoid üstü çelikler için: Acm + 30-50oC

•Daha sonra, kritik soğuma hızlarının üzerindeki değerlerde hızlı soğutma yapılırsa (Mf in altındaki sıcaklıklara) yapı tamamen martenzite dönüşür (quenching).

Su verme (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.

+Fe3C

+

+Fe3C

A1

A3 Acm

“Critical Cooling rate”.

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.

Su verme çatlakları (Quench cracks)

Martenzit

γ

Mart

enzi

t

Çatlaklar

Martenzit

Genleşme

Çek

me

Ger

ilm

esi

Çek

me

Ger

ilm

esi

Martenzit: Genel kültür

(a) Lath martensite in low-carbon steel ( 80). (b) Plate martensite in high-carbon steel ( 400).

Tempered martensite in steel ( 500).

Özet

Çeliklerin mekanik özellikleri iç yapılarıyla doğrudan alakalıdır.

– Ferrit

– Kaba Perlit

– İnce Perlit

– Üst beynit

– Alt beynit

– Martenzit

Sertlik

Ostenit Perlit (+Fe3C)

Yavaş Soğuma

Yayınmalı

Ostenit Beynit (+Fe3C)

İzotermal Dönüşüm

Yayınmalı

Ostenit Martenzit (tekfaz) Çok hızlı Soğuma

Yayınmasız

Kırmızı çizgi; çeliği ostenit sıcaklıktan 600oC ye hızla soğutulduğunu, bu sıcaklıkta 102 s tutulduğunu ve daha sonra oda sıcaklığına soğutulduğunu göstermektedir. Perlit başlangıç ve bitiş çizgileri kesildiği için çelik %100 perlitik bir yapıya sahip olacaktır.

(a) perlit, (b) beynit, (c) temperlenmiş martenzit

İç yapılar: Genel kültür

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.

• 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.

Sertleşebilirlik parametreleri

Alaşım elementleri (Cr, Mo, V vs. gibi) katıldığında bazı alaşım

elementleri ikincil temper sertleşmesine sebep olabilirler. Sebebi

belirli sıcaklıkta karbürlerin çökelmesidir.

Sıcaklık (oC)

Ser

tlik

Havada

Yağda

Suda

• 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.

Jominy deneyi

Jominy numunesi

Su

Jominy mesafesi

(Su verilen uçtan mesafe)

Rockw

ell

se

rtliğ

i

• Mesafeye bağlı olarak sertlik değerinde azalma görülür.

• Mesafenin artması ile yüksek sertlik değerleri gösteren malzemelerin sertleşme kabiliyetleri daha iyidir.

Jominy mesafesi (1/16 inch)

Rockw

ell

se

rtliğ

i

İdeal durum

En iyi sertleşebilirliği 4340 göstermektedir.

Çökelme Sertleşmesi • İç yapıda, dislokasyon hareketlerini engelleyerek

dayanımın artmasına sebep olan çok küçük ve sert

ikinci fazların çökeltilmesi işlemidir.

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).

Çökeltme sertleşmesinde adımlar

+

%100

(tek fazı)

Denge mikroyapısı

İçerisinde taneleri

Yavaş soğutma

Zaman

T

Bileşim

Yavaş soğutma yapılırsa (Faz Diyagramı Yapısı)

Tek faz; bölegesinde

tamamen çözme işlemi

tyaşlandırma

Yapı içerisinde küçük

çökeltiler oluşturulur

+

Bileşim

Zaman

T YAŞLANDIRMA İŞLEM ve YAPISI

Yaşlandırma işleminde; yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığında

gerçekleşiyorsa, buna doğal yaşlandırma (natural aging),

seçilen bir sıcaklıkta fırın içerisinde gerçekleşiyorsa yapay

yaşlandırma (artificial aging) adı verilir.

• 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.

İç yapının oluşumu:

Yaşlanma zamanına göre sertliğin değişimi

Aşırı yaşlanma(Overaging)

yaşlanma

Zaman

Ser

tlik

T4 T3 T2

T1

Yaşlandırma Sıcaklıkları:T1 < T2 < T3 < T4

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.

Aşırı

yaşlanma

Sıc

aklık

%B Zaman

,

max

0.2

(1)

(2)

(3)

(1)

(2)

(3)

Zaman

Tipik bir yapay yaşlandırma ısıl işlemi ve mekanik özelliklere

etkisi.

Çeliğe ait ısıl işlemler

1. Sürekli soğuma ile uygulanan ısıl işlemler

– Yumuşatma

– Normalizasyon

– Martemperleme

2. İzotermal dönüşüm ile uygulanan ısıl işlemler

– Ostemperleme

– İzotermal tavlama

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.

İzotermal Tavlama ile Kaba Perlit Elde Etme

t (logaritmik skala)

Ostemperleme

İzotermal

tavlama

T • 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.

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.

t (logaritmik skala)

T yüzey merkez

Temperleme sıcaklığı

• Martenzit oluşumu sırasında

çatlama ve kırılma risklerini

azaltmak amacıyla ostenit

bölgesinden martenzit

başlangıç sıcaklığının hemen

üzerinde ani olarak soğutulur.

• Bu sıcaklıkta iç ve yüzey

sıcaklıkları eşitlenecek ve

beynit oluşum sıcaklığına

girmeyecek şekilde bekletilir

ve sonra tekrar su verilir.

Martemperleme (Martempering)

• 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.

Menevişleme-Islah Etme Temperleme/ (Önce su verme

sonra ferrit-sementit oluşumu sağlamak üzere ısıtma)

t (logaritmik skala)

T

yüzey

merkez

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.

Menevişleme (Temperleme)

Menevişlenmiş (Islah Edilmiş) Yapı (α + Fe3C)

t (logaritmik skala)

T yüzey

merkez

İzotermal İşlem:Ostemperleme (Austempering)-% 100 Beynit Yapma

• 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.

(a) Üst beynit, (b) Alt beynit

Osforming

• 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.

The bay area obtained by alloying

Bir tür termomekanik ısıl işlemdir. Malzeme A1 sıcaklığının

altında ostenit bölgesinde plastik deformasyon ile şekillendirilir.

Daha sonra beynit veya martenzit oluşacak şekilde soğutulur.

Kaba perlit

İnce perlit

Beynit

İnce P + B İnce P+ M

x

y z (a)

(b)

(C)

Ötektoid çelikte ısıl işlem safhaları: PROBLEM 1.Çelik γ sahasından aniden 500o C ye soğutuluyor. 2.Bu sıcaklıkta 5 saniye tutuluyor(x noktası). 3.Bundan sonra aniden 250oC ye soğutuluyor(Y noktası) i –Çelik 250oC 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 ?

Yapılar: - (a) y’de: Dngsz γ+İnce Ρ - (b) z’de : Alt Beynit -(C)’ de: İnceP + Martenzit

Yumuşatma

Tavı

Normalizasyon

Su Verme

Kaba perlit

İnce perlit

Perlit +

Martenzit Martenzit

Ms

Mf

Kritik

soğuma hızı

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 1010

m/m3, soğuk şekil değiştirmiş haldeyken ise yapısında

1016m/m3)

• Taneler soğuk ş.d. yönünde uzama gösterirler.

% 100 x A

AAŞDS%

o

fo

• 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.

• Malzemeyi hasara uğratmadan daha fazla plastik şekil değişimi yapabilmek için deformasyon öncesi düşük dislokasyon yoğunluğuna sahip yumuşak yapıya dönülmek isteniyorsa......

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

Tane büyüklüğü

Yumuşatma Tavlamaları (ProcessAnnealing)

0.2 0.4 0.6

Tb

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.

Dislokasyonların düzenlenmesi

ile oluşan “Alt taneler”

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.

–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).

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.

Prinçte; (a) soğuk ş.d. Yapı, (b) yeni tanelerin görülmesi, (c) yeni tanelerin

oluşumu, (d) Y.K tamamlanması, (e) Tane büyümesi

Yumuşatma Tavlamaları Sonrası

Yapı

DİĞER ISIL İŞLEMLER

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.

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 400oC, ve çelikte 500oC 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.