Chapter 9: Faz Diyagramları

Transkript

1 Chapter 9: Faz Diyagramları İki elementi birleştirdiğimizde... ortaya çıkan denklik durumu nedir? genel olarak aşağıdakileri belirlersek kompozisyon (örn., ağ% Cu - ağ% Ni), ve -- sıcaklık (T ) şunlara cevap buluruz... Kaç tane faz oluşur? Fazların kompozisyonu ne olur? Her fazın miktarı nedir? A fazı B fazı Nikel atomu Bakır atomu Chapter 9-1

2 Su Seker Sıcaklık (ºC) Faz Dengesi: Çözünebilirlik Sınırı Çözelti katı, sıvı yada gaz çözeltileri, tek faz Karışım birden fazla karışım Çözünebilirlik Sınırı: Tek faz oluşturacak maksimum konsantrasyon. Soru: 20ºC deki şekerin sudaki çözünebilirlik sınırı nedir? Cevap: ağ%65 şeker. 20ºC de, eğer C < ağ% 65 şeker: şurup 20ºC de, eğer C > ağ% 65 şeker: şurup + şeker Şeker/Su faz diyagramı (sıvı çözelti, şurup) Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e. çözünebilirlik sınırı (sıvı (likit)) + K (katı şeker) C=Kompozisyon (ağ% şeker) Chapter 9-2

3 Bileşenler ve Fazlar Bileşenler: Alaşımda bulunan elementler veya bileşikler (örn., Al ve Cu) Fazlar: birbirinden fiziksel veya kimyasal ayrı oluşan bölgeler (örn., ve ). Al-Cu Alaşımı Adapted from chapteropening photograph, Chapter 9, Callister, Materials Science & Engineering: An Introduction, 3e. (açık faz) (koyu faz) Chapter 9-3

4 Temperature (ºC) Sıcaklık ve Kompozisyonun Etkisi T yi değiştirmek faz sayısını değiştirebilir: A dan B ye. C yi değiştirmek faz sayısını değiştirebilir B den D ye. suşeker sistemi Adapted from Fig. 9.1, Callister & Rethwisch 8e ( Sıvı solüsyon, şurup) B (100ºC,C = 70) 1 faz (sıvı) + K (katı şeker) C = Kompozisyon (ağ% şeker) D (100ºC,C = 90) 2 faz A (20ºC,C = 70) 2 faz Chapter 9-4

5 Katı Çözünürlük Kriterleri Basit Sistem (ör., Ni-Cu solüsyonu) Kristal Yapı Elektronegativiteler r (nm) Ni YMK Cu YMK Her ikisi aynı yapıya sahiptir (YMK) ve benzer elektronegativitiye ve atom yarıçapına sahiptir.(w. Hume Rothery kuralı) bunlar sağlanırsa yüksek çözünürlük olur. Ni ve Cı birbirinin içinde her kompozisyonda çözünür. Chapter 9-5

6 Faz Diyagramları FazlarıT, C, ve P nin fonksiyonu olarak gösterirler. Bu ders için (MAK211): - ikili sistem: sadece 2 bileşen. - bağımsız değişken: T ve C (P = 1 atm, hemen hemen her uygulamada). Cu-Ni Sistemi için Faz Diyagramı (sıvı(likit)) 2 faz: (likit-sıvı) (YMK katı çözeltisi) 3 farklı faz bölgesi: (YMK katı çözeltisi) Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). ağ% Ni Chapter 9-6

7 İkili İzomorfik Faz Diyagramları Faz Diyagramı: Cu-Ni sistemi. Sistem: -- ikili 2 bileşen: Cu ve Ni. -- izomorfik bir bileşenin diğerinde tam çözünmesi; fazı alanı Ni ağ% 0 dan %100 e kadar yayılır (sıvı) (YMK katı çözelti) Cu-Ni Faz diyagramı ağ% Ni Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991). Chapter 9-7

8 Faz Diyagramları: Sistemde var olan fazların saptanması Kural 1: EğerT ve C o ı biliyorsak : -- hangi fazın(fazların) olduğunu saptarız. Örnekler: A(1100ºC, ağ% 60 Ni): 1 faz: B (1250ºC, ağ% 35 Ni): 2 faz: + Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.3(a) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991) (sıvı) B (1250ºC,35) (YMK katı çözeltisi) A(1100ºC,60) Cu-Ni Faz diyagramı ağ% Ni Chapter 9-8

9 Faz Diyagramları: Faz Kompozisyonunun Saptanması Kural 2: EğerT ve Co ı biliyorsak : -- her fazın kompozisyonunu saptarız Örnekler: C 0 = ağ% 35 Ni alalım T A = 1320ºC de: sadece sıvı() bulunur C = C 0 ( = ağ% 35 Ni) T D = 1190ºC de: sadece katı ( ) bulunur C = C 0 ( = ağ% 35 Ni) T B = 1250ºC de: Hem hemde bulunur C = C liküdüs ( = ağ% 32 Ni) C = C solidüs ( = ağ% 43 Ni) T A 1300 T B 1200 T D 20 (sıvı) Cu-Ni system A 3235 Bağ çizgisi B D (katı) 4 C C C 0 ağ% Ni Chapter 9-9

10 Kural 3: EğerT ve Co ı biliyorsak : -- her fazın oranlarını saptarız. Örnekler: C 0 = ağ% 35 Ni alalım T A da: sadece sıvı() bulunur W = 1.00, W = 0 T D da: sadece katı( ) bulunur Faz Diyagramları: Faz Oranlarının Saptanması T B da: hem W W W = 0, W = 1.00 S R + S R R + S hemde bulunur = S R T A 1300 T B 1200 T D C 20 C (sıvı) Cu-Ni system A B R S D 3235 Bağ çiz. (katı) 4 C C C 0 W 0 W 0 S C C R S C Kaldıraç Kuralı R C C C ağ% Ni Chapter 9-10

11 İzomorfik Alaşımlarada Mikroyapı Örn: Cu-Ni Alaşımının soğutulması faz diyagramı: Cu-Ni sistemi. Ağırlıkça % 35 Ni ve %65 Cu içeren alaşımda dengeli katılaşma sırasındaki Mikroyapı oluşumu C 0 = ağ% 35 Ni alaşım 1300 : ağ% 35 Ni : ağ% 46 Ni (sıvı) (katı) Adapted from Fig. 9.4, Callister & Rethwisch 8e. A B C 24 D 36 E 35 : ağ% 35 Ni C 0 ağ% Ni Cu-Ni sistemi : ağ% 32 Ni : ağ% 43 Ni : ağ% 24 Ni : ağ% 36 Ni Chapter 9-11

12 Cored vs Equilibrium Structures C katılaşma süresince değişir. Cu-Ni durumu: İlk Son Yavaş soğutma hızı: Dengeli yapı oluşumu aynı C : ağ% 35 Ni katılaşması C = ağ% 46 Ni de olur. katılaşması C = ağ% 35 Ni de olur. Hızlı soğutma hızı: Dengesiz (çekirdek)yapı oluşumu Önce ağ% 46 Ni katılaşır Son katılaşma: < ağ% 35 Ni Chapter 9-12

13 Çekme gerinimi (MPa) Uzama (%UZ) Mekanik Özellikler: Cu-Ni Sistemi Katı çözeltinin dayanım arttırıcı etkisi: -- Çekme Gerinimi (ÇD) -- Esneklik (%UZ) ÇD saf Cu Cu Ni Kompozisyon, ağ% Ni Adapted from Fig. 9.6(a), Callister & Rethwisch 8e. ÇD saf Ni %UZ saf Cu Cu Ni %UZ saf Ni Kompozisyon, ağ% Ni Adapted from Fig. 9.6(b), Callister & Rethwisch 8e. Chapter 9-13

14 (ağ%71.9 Ag) 2 bileşen Ör.: Cu-Ag sistemi İkili-Ötektik Sistemler 3 tek faz bölgesi (,, ) Sınırlı çözünürlük: : Cu ca zengin : Ag ce zengin T E : T E altında sıvı yok C E : T E sıcaklığındaki kompozisyon Ötektik reaksiyon (8.0 wt% Ag) (C E ) (C E ) + (C E ) soğutma ısıtma Min. erime T de özel bir kompozisyon + (91.2 wt% Ag) (sıvı) Cu-Ag sistemi + T ºC E C E C, ağ% Ag (ağ% 71.9 Ag (ağ %8.0 Ag)+ (ağ% 91.2 Ag) Chapter 9-14

15 Örn. 1: Pb-Sn Ötektik Sistemi 150ºC de ağ% 40 Sn- ağ% 60 Pb alaşımı için: -- fazları bulunuz. Pb-Sn Cevap: + sistemi -- faz kompozisyonlarını bulunuz Cevap: C = ağ% 11 Sn C = ağ% 99 Sn -- her fazın oranlarını bulunuz Cevap: W = = W = = S R+S = R = R+S C - C 0 C - C = 59 = C 0 - C C - C = = C R (sıvı) 183ºC + ağ% Sn C C 0 Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. S Chapter 9-15

16 Örn. 2: Pb-Sn Ötektik Sistemi 220ºC de ağ% 40 Sn- ağ% 60 Pb alaşımı için: -- fazları bulunuz. : Pb-Sn Cevap: + sistemi -- faz kompozisyonlarını bulunuz Cevap: C = ağ% 17 Sn C = ağ% 46 Sn -- her fazın oranlarını bulunuz Answer: W = C - C 0 C - C = 6 29 W = C 0 - C C - C = = = = C + R S (sıvı) 183ºC + ağ% Sn C 0 Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. C Chapter 9-16

17 Ötektik Sistemlerde Mikroyapı Oluşumu I Kompozisyonu C 0 < 2 wt% Sn olan alaşım için : C 0 ağ% Sn Sonuç: oda sıcaklığında -- taneleri fazına sahip, C 0 kompozisyonunda polikristal yapı. 200 T E 100 : C 0 ağ% Sn + + (Pb-Sn Sistemi) Adapted from Fig. 9.11, Callister & Rethwisch 8e. 0 C (oda T çözünürlük sınırı) 30, ağ% Sn Chapter 9-17

18 Ötektik Sistemlerde Mikroyapı Oluşumu II Kompozisyonu 2 wt% Sn < C 0 < 18.3 wt% Sn olan alaşım için Sonuç: + bölgeleri arası sıcaklıkta -- fazı tanelerinin ve az miktarda -fazı tanelerinin olduğu polikristal yapı T E : C 0 ağ% Sn : C 0 ağ% Sn Pb-Sn sistemi Adapted from Fig. 9.12, Callister & Rethwisch 8e (T C 0 oda çözünürlük s (T E de çözünürlük s) ağ% Sn Chapter 9-18

19 Ötektik Sistemlerde Mikroyapı Oluşumu III Kompozisyonu C 0 = C E olan alaşım için Sonuç: Ötektik microyapı (katmansal yapı) -- ve fazlarında birbirini takip eden katmanlar. 300 Pb-Sn sistemi 200 T E + 183ºC : C 0 ağ% Sn Pb-Sn ötektik mikroyapının mikrografiği. 100 : ağ% 97.8 Sn : ağ% 18.3 Sn 160 m Adapted from Fig. 9.14, Callister & Rethwisch 8e. 0 Adapted from Fig. 9.13, Callister & Rethwisch 8e C E ağ% Sn Chapter 9-19

20 Katmanlı Ötektik Yapı Adapted from Figs & 9.15, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 9-20

21 Ötektik Sistemlerde Mikroyapı Oluşumu IV Kompozisyonu ağ%18.3 Sn < C 0 < ağ% 61.9 Sn olan alaşım için Sonuç: fazı taneleri ve ötektik mikroiçerikli yapı 300 Pb-Sn sistemi 200 T E R R + Adapted from Fig. 9.16, Callister & Rethwisch 8e. : C 0 ağ% Sn S S ağ% Sn + primer ötektik ötektik T E nin hemen üstünde : C = ağ%18.3 Sn C = ağ% 61.9 Sn S W = = 0.50 R + S W = (1- W ) = 0.50 T E nin hemen altında : C = ağ% 18.3 Sn C = ağ% 97.8 Sn W S = = 0.73 R + S W = 0.27 Chapter 9-21

22 Ötektik Altı & Ötektik Üstü Alaşımlar Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 3, T.B. Massalski (Editor-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) (Figs and 9.17 from Metals Handbook, 9th ed., Vol. 9, Metallography and Microstructures, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1985.) T E Ötektik altı: C 0 = 50 wt% Sn 175 m Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e ötektik 61.9 ötektik: C 0 = 61.9 wt% Sn 160 m Ötektik mikro oluşumlar Adapted from Fig. 9.14, Callister & Rethwisch 8e. ağ% Sn Ötektik üstü: (Pb-Sn Sistemi) Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e. (Illustration only) Chapter 9-22

23 Metallerarası Bileşikler Adapted from Fig. 9.20, Callister & Rethwisch 8e. Mg 2 Pb Note: metallerarası bileşikler diyagramlarda çizgi olarak gösterilir alan olarak değil çünkü bunlar belli kompozisyona sahip bileşiklerdir. Chapter 9-23

24 Ötektik, Ötektoid, & Peritektik Ötektik sıvıdan iki ayrı katı fazına geçiş soğuma + (Pb-Sn için, 183ºC, ağ% 61.9 Sn) ısınma Ötektoid bir katı faz farklı iki faza geçiş yapar. Metallerarası bileşiksementit S 2 S 1 +S 3 soğuma + Fe 3 C (Fe-C için, 727ºC, ağ% 0.76 C) ısınma Peritektik sıvı ve bir katı faz başka bir katı faza geçiş yapar. S 1 + S 2 cool + (Fe-C için, 1493ºC, ağ% 0.16 C) heat Chapter 9-24

25 Ötektoid ve Peritektik Cu-Zn Faz Diyagramı Peritektik Geçiş + Ötektoid Geçiş + Adapted from Fig. 9.21, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 9-25

26 Fe 3 C (sementit) Demir-Karbon (Fe-C) Faz Diyagramı 2 önemli nokta - Ötektik (A): + Fe 3 C - Ötektoid (B): + Fe 3 C (östenit) ºC A +Fe 3 C +Fe 3 C B 727ºC = T ötektoid +Fe 3 C 120 m (Fe) Sonuç: Perlit = ve Fe 3 C fazlarında birbirini takip eden oluşum. (Adapted from Fig. 9.27, Callister & Rethwisch 8e.) 0.76 Adapted from Fig. 9.24, Callister & Rethwisch 8e C, wt% C Fe 3 C (sementite-sert) (ferrit-yumuşak) Chapter 9-26

27 0.76 Fe 3 C (sementit) 1600 Ötektoidaltı Çelik (östenit) (Fe) perlit C 0 727ºC 1148ºC + Fe 3 C + Fe 3 C +Fe 3 C ağ% C (Fe-C Sistemi) 100 m Ötektoidaltı çelik Adapted from Figs and 9.29,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in- Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) perlit Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e. Ötektoidaltı ferrit Chapter 9-27

28 0.76 Fe 3 C (sementit) 1600 Ötektoidaltı Çelik W = s/(r + s) W =(1 - W ) perlit W perlit = W W = S/(R + S) (austenite) (Fe) W =(1 W ) Fe 3 C r C 0 s R S perlit 727ºC 1148ºC + Fe 3 C + Fe 3 C +Fe 3 C C, wt% C Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e. (Fe-C Sistemi) 100 m Ötektoidaltı çelik Adapted from Figs and 9.29,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in- Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) Ötektoidaltı ferrit Chapter 9-28

29 0.76 Fe 3 C (sementit) 1600 Ötektoidüstü Çelik Fe 3 C perlit (östenit) C ºC +Fe 3 C +Fe 3 C +Fe 3 C (Fe) ağ %C (Fe-C Sistemi) Adapted from Figs and 9.32,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) 60 m Ötektoidüstü Çelik perlit ötektoidaltı Fe 3 C Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 9-29

30 0.76 Fe 3 C (sementit) Fe 3 C W W =(1-W ) Fe 3 C =x/(v + x) W perlit = W perlit W = X/(V + X) W =(1 - W ) Fe 3 C (östenit) (Fe) V Ötektoidüstü Çelik v C 0 x X perlit 1148ºC +Fe 3 C +Fe 3 C +Fe 3 C ağ%c (Fe-C Sistemi) 60 m Ötektoidüstü Çelik ötektoidaltı Fe 3 C Adapted from Figs and 9.32,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 9-30

31 Örnek Problem Ötektoidin hemen altındaki sıcaklıktaki ağ% 99.6 Fe- ağ% 0.40 C çelik için,aşağıdakileri bulunuz: a) Fe 3 C ve ferrit ( ) kompozisyonu. b) 100 g çelikte oluşan sementit miktarı gram olarak. c) 100 g çelikteki perlit ve ötektoidaltı ferrit ( ) miktarı. Chapter 9-31

32 Fe C (sementit) Örnek Problemin Çözümü a) Ötektoidin hemen altındaki RS bağ çizgisini kullanarak C = ağ% C C Fe3 C = ağ% 6.70 C b) Bağ çizgisinde kaldıraç kuralını kullanarak W Fe3 C R R S C 0 C Fe3 C g çelikteki Fe 3 C C C (östenit) R ºC + Fe 3 C 727ºC S + Fe 3 C +Fe 3 C = (100 g)w Fe3 C = (100 g)(0.057) = 5.7 g C ağ% C C 0 Chapter 9-32 C Fe C 3

33 Fe C (cementite) Örnek Problemin Çözümü(devam) c) VX bağ çizgisi gözönüne alınır C 0 = ağ% 0.40 C C = ağ% C C perlit = C = ağ% 0.76 C 1600 W perlit V V X C C C C g daki perlit miktarı (östenit) V X ºC + Fe 3 C 727ºC + Fe 3 C +Fe 3 C = (100 g)w perlit = (100 g)(0.512) = 51.2 g C C C, wt% C C 0 Chapter 9-33

34 Alaşıma diğer Elementlerin katkısı C ötektoid (wt% C) T ötectoid değişir: C ötektoid değişir: T ötektoid (ºC) Ti Mo Ni Si W Cr Mn Ti Si Mo Ni Cr W Mn ağ % alaşım elementleri Adapted from Fig. 9.34,Callister & Rethwisch 8e. (Fig from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.) ağ % alaşım elementleri Adapted from Fig. 9.35,Callister & Rethwisch 8e. (Fig from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.) Chapter 9-34

35 Özet Faz diyagramları verilen sıcaklık ve kompozisyonda şunların saptanmasına yarayan bir araçtır: -- fazların sayısı ve ne oldukları, -- her fazın kompozisyonu, -- her fazın oranı Alaşımların mikroyapıları şunlara bağlıdır -- kompozisyonu ve -- soğutma hızının degeye ulaşırken ne şekilde uygulandığına. Faz diyagramlarındaki önemli faz geçişleri ötektik, ötektoid, and peritektik. Chapter 9-35