METALLERDE MUKAVEMET ARTIRICI MEKANİZMALAR. (Ders Notları) Hazırlayan Yrd. Doç. Dr. Gençağa Pürçek

Transkript

1 METALLERDE MUKAVEMET ARTIRICI MEKANİZMALAR (Ders Notları) Hazırlayan Yrd. Doç. Dr. Gençağa Pürçek Trabzon, 2007

2 GİRİŞ Malzemelerin mekanik özellikleri büyük ölçüde metalürjik yapılarına bağlıdır. Metalürjik yapı ise kimyasal bileşim ile malzemeye uygulanan mekanik ve ısıl işlemlerle değiştiğinden, dolaylı olarak malzemenin mekanik özelliklerinin bu faktörlere de bağlı olduğu söylenebilir. Mukavemet en önemli malzeme özelliklerinden biridir ve diğer özellikler de buna bağlı olarak değişir. Malzeme biliminde dayanım, malzemenin plastik şekil değiştirmeye olan direnci şeklinde tanımlanır. Metallerin plastik şekil değişimi ise esas olarak dislokasyon adını verdiğimiz çizgisel kusurların kristal içerisinde ilerlemesiyle meydana gelmektedir. Dolayısıyla dayanım, sertlik, süneklik gibi mekanik özellikler, metallerin iç yapılarındaki dislokasyonların gerek yoğunluğu, gerekse hem kendileri, hem de diğer kusurlarla olan etkileşimleri ile açıklanma yoluna gidilmiştir. Metallerin iç yapısında bulunan dislokasyonların hareketini zorlaştıracak veya engelleyecek her türlü etken malzemede dayanım artışına yol açacaktır. Bunun tersi olarak, dislokasyon hareketlerini kolaylaştıracak her türlü etken ise plastik şekil değişiminin daha kolay gerçekleşmesini sağlayacaktır. Dislokasyonlar kristal yapıda plastik şekil değişimini çok küçük gerilmeler yardımıyla gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Ancak bu durumda gerçek kristallerin, dislokasyon hareketi için gereken gerilmelere oranla neden daha yüksek dayanımlara sahip olduğunun açıklanması gereği ortaya çıkmaktadır. Bu ise kristal yapıdaki dislokasyonların hareketine karşı koyan aşağıdaki faktörlere bağlanmaktadır. 1. Peierls-Nabarro sürtünme gerilmeleri, 2. Tane ve alt tane sınırlarının engellemesi, 3. Yoğunluğu artan dislokasyonların birbirini engellemesi, 4. Dislokasyonların diğer noktasal kusurlar tarafından engellenmesi, 5. Dislokasyonların gerek ikinci faz parçacıkları, gerekse makro partiküller tarafından engellenmesi. Peierls-Nabarro sürtünme gerilmesi kristal kafesin periyodik yapısı nedeniyle dislokasyon hareketlerine karşı gösterdiği dirençtir. Buna aynı zamanda kafes sürtünme kuvveti de denilmektedir. Tane sınırları kayan dislokasyonların kristal içerisindeki hareketlerinin bittiği ve yığıldığı yerlerdir. Bu nedenle, tane sınırları dislokasyonların ileri hareketlerini büyük oranda engellemektedirler. Aynı etkiyi alt taneler de yapmaktadır. Alt tane sınırları (küçük açılı tane sınırları) tam bir tane sınırı özelliği göstermemekle beraber kristalde eğilme neticesi bir çarpılma oluşturduğundan dislokasyon hareketini zorlaştırıcı etkisi vardır. Aynı kayma düzlemelerinde hareket eden dislokasyonların sayısı arttığında yığılmalar gerçekleşmekte ve dislokasyonların ileri hareketi için daha fazla gerilme gerekmektedir. Aynı şekilde farklı düzlemlerde hareket eden dislokasyonlar ya Cottrell-Lomer engelleri gibi kaymayan dislokasyonlara dönüşmekte, ya da orman dislokasyonları ile etkileşim neticesi basamak oluşturup ileriye hareketlerini zorlaştırmaktadır. Bu ise pekleşmeye neden olduğundan malzemede deformasyondan kaynaklanan sertleşmeye neden olur. Yabancı atomlar veya noktasal hatalar dislokasyon civarındaki elastik şekil değişimi miktarını azalttığı için dislokasyonların öz enerjisini düşürmektedir. Öz enerjideki bu azalma, dislokasyon hareketi için dışarıdan daha büyük iş sarf edilmesine neden olarak dayanım artışını sağlar. İkinci faz çökeltileri ve partiküller kafese bağlı olup olmamalarına göre çevrelerinde oluşturdukları ve çarpılmadan kaynaklanan gerilme alanları ile dislokasyon hareketini 2

3 engellerler. Kafese bağlı olan çökeltilerin oluşturduğu gerilme alanı bağlı olmayanlara göre daha büyük olduğundan, bunlar sertleşme üzerinde daha etkin rol oynarlar. Malzemelerde mukavemet artışı aşağıdaki temel mekanizmaların çalıştırılması ile gerçekleştirilmektedir. 1. Alaşım sertleştirmesi, 2. Çökelme ve dispersiyon sertleştirmesi, 3. Deformasyon sertleştirmesi, 4. Tane sınırı sertleştirmesi, 5. Deformasyon yaşlanması sertleşmesi, 6. Karma (Composite) malzeme sertleştirmesi 7. Martenzitik dönüşüm sertleştirmesi, 8. Tekstür oluşumu ile sertleşme, 9. Fiber sertleştirmesi, 10. Radyasyon etkisi ile sertleşme Mukavemet artırma mekanizmaların iyi anlaşılabilmesi için dislokasyonların ve dislokasyon hareketlerinin iyi anlaşılması gerekmektedir. Bu nedenle, mukavemet artırma yöntemlerine geçmeden önce dislokasyonlar konusunda genel bazı bilgiler verilecektir. 1. DİSLOKASYONLAR 1900 lü yılların başında mükemmel bir kristal yapısı esas alınarak teorik olarak hesaplanan malzemelerin mukavemet değerleri ile gerçek değerler arasında çok büyük farkların olduğu görünmüştür. Bunun nedeni uzun yıllar tam olarak ortaya konulamamıştır lı yıllarda bu farkın malzemenin iç yapısında bulunabilecek bazı çizgisel hatalardan kaynaklanabileceği öne sürülmüştür. Ancak 1950 yıllarında malzemelerin iç yapılarının direk olarak elektron mikroskopları ile incelenmesi sonucunda bu çizgisel kusurlar belirlenebilmiştir. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, bir demir çubuğun kesit alanı boyunca metalik bağların hepsi kopartılarak kırılma gerçekleştirilseydi her cm 2 için milyonlarca kg lık kuvvet sarf etmek zorunda kalınırdı. Bunun yerine, kayma olayının herhangi bir anında sadece metalik bağların çok küçük bir kısmının kırılmasına gerek duyulan kaymayı sağlamakla çubuğun şekli değiştirilebilir. Demir çubuğun kayma ile şeklinin değiştirilmesi için sadece 70 MPa lık bir gerilme yeterli olabilir. Öte yandan, dislokasyonların varlığı yapıda süneklik de sağlar. Dislokasyonlar olmasaydı demir çubuk gevrek olurdu ve metal şekillendirme yöntemleriyle şekillendirilemezdi. Ayrıca, dislokasyon hareketini etkilemekle metal veya alaşımların mekanik özellikleri de kontrol edilebilmektedir. Kristal içerisinde oluşturulan bir engel, dislokasyonun hareketini kısıtlar ve kaymanın devam edebilmesi için daha yüksek gerilmelerin uygulanmasını gerektirir Kristallerin teorik mukavemeti Kristal yapılı malzemelerin gerçek mukavemetlerinin teorik mukavemet değerlerinin çok altında olduğu bilinmektedir. Bu büyük fark dislokasyonlardan kaynaklanmaktadır. Kristallerin teorik mukavemetini ilk defa belirleyen kişi Frankel dir. Frankel modelinde, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi iki sıra atom tabakasının kayma gerilmesi altında olduğu varsayılmıştır. Bu nedenle atom tabakaları arasındaki mesafe a, kayma yönündeki atomlar arasındaki mesafe ise b dir. τ kayma gerilmesi altında iki atom tabakası birbiri üzerinde kaydığında a ve b, denge konumlarına tekabül etmektedir ve bu konumu muhafaza etmek için gerekli olan gerilme miktarı sıfırdır. Benzer şekilde, iki atomun üst üste olduğu C 3

4 ve D konumları için de gerilme miktarı sıfırdır. Bu konumlar arasında ise gerilme değişimi periyodiktir. Dolayısıyla τ gerilmesinin neden olduğu öteleme miktarı x, b periyotlu bir fonksiyon olacaktır. Bu fonksiyon için en basit kabul, sinüssoidal ilişki olup, 2πx τ = k.sin( ) b şeklinde ifade edilebilir. Küçük ötelemeler için ise bu bağıntı, 2πx τ = k. b yazılabilir. Diğer taraftan Hooke kanununa göre τ, Gx τ = a yazılabilir. Burada; G kayma modülü, ve x/a kayma şekil değiştirme oranıdır. Gb k = a τ nun maksimum değeri, dengesiz konuma tekabül eden b/4 ötelemesinde olduğu varsayıldığına göre, Gb τ max = = τ 0 2πa Burada, τ 0 kritik kayma gerilmesidir. a b kabul edilirse, τ 0 =G/2π olur. Bu netice Cu tek kristaline uygulandığında teorik mukavemetin τ 0 =730kg/mm 2 olduğu görülür (G=4600 kg/mm 2 ). Oysa, Cu tek kristalinin gerçek mukavemeti, τ=100 gr/mm 2 olarak ölçülmüştür. Bu örnekten de görüldüğü gibi malzemenin mukavemeti teorik mukavemet değerlerinin çok altındadır. Bu sonuca ilk tepki, yapılan analizin yanlış olduğu yolunda idi. Oysa sonradan yapılan bütün realistik varsayımlara rağmen aradaki bu büyük fark kapatılamamıştır. Daha sonra bu basit modelin kristallerde gerçek durumu yansıtmadığı belirtilerek kristal kusurlarının mukavemeti azalttığı ileri sürülmüştür. 1912de Griffith cam gibi gevrek malzemelerde, mikro çatlakların malzemenin kırılma mukavemetini önemli ölçüde düşürdüğünü vurgulamıştır. Bununla beraber, teorik mukavemet ile ölçülen mukavemet 4

5 arasındaki farkın açıklanması 1934 yılına kadar sürmüştür yılında Polanyi, Orowan ve Taylor birbirlerinden habersiz olarak geliştirdikleri dislokasyon kavramını ortaya atarak, kristal içerisindeki kusurların nedeniyle deformasyonun çok kolay olabileceğini ileri sürmüşlerdir de kavram olarak ortaya atılan dislokasyonlar ancak 1956 yılında Hedgas ve Hitchell tarafından AgCl kristalinde gözlenmiştir. Bugün ise dislokasyonlar TEM ile görüntülenmektedirler. Dislokasyonlar hatasız bir kafesteki çizgisel kusurlardır. Vida, kenar ve karışık dislokasyon olmak üzere üç tipi vardır. Bunlar metallerde kaymaya neden olarak plastik şekil değişimine olanak sağlamaktadırlar. Tablo 1.1. Mazı malzemelerin teorik olarak hesaplana ve gerçek mukavemet değerleri [Bowman]. Şekil 1.1. Bazı malzemelerde dislokasyon yoğunluğuna bağlı olarak akma gerilmesinin değişimi [Bowman] 5

6 1.2. Dislokasyon türleri Kenar dislokasyonu (Edge dislocation) Kenar dislokasyonları kayma düzlemi adı verilen bir düzlem üzerinde ek yarı düzlemin yerleşmesi veya çıkarılması sonucunda oluşmaktadır. Şekil 1.2. Kenar dislokasyonunun oluşumu. Bu ek yan düzlem, kayma düzleminin üzerinde kalan kristal bölgenin sıkışıp çarpılmasına neden olmaktadır. Dislokasyon çizgisi, ek yarı düzlemin kayma düzleminde yer alan atomlarını birbirlerine bağlayan doğrudur (CD doğrusu). Bu tip dislokasyonlar pozitif kenar dislokasyonu ( ) olarak anılır. Bunun aksi olarak ek yarı düzlemin kayma düzleminin altında olması durumunda dislokasyon negatif kenar dislokasyonu (Τ) adını alır. Bir dislokasyonu tanımlayan temel büyüklük Burgers Vektörü( b ) dür. Burgers vektörü, dislokasyonun yönünü ve şiddetini vermektedir. Dislokasyonun bağıl hareketinin hem yön hem de şiddetini veren bu vektör aynı zamanda Miller indisi ile de tanımlanabilmektedir. Bilindiği gibi kristal yapılarda kayma atomların en yoğun olarak dizildikleri düzlemler ve bu düzlemler üzerinde en yoğun oldukları doğrultularda gerçekleşmektedir. Buna göre, kaymanın en yoğun atom düzlemleri üzerinde en kısa Burgers vektörü yönünde en kolay gerçekleşmesi doğaldır. Bir kenar dislokasyonun ait Burgers çevrimi aşağıda verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi, bir kenar dislokasyonun etrafında eşit adımlar ile hareket edildiğinde çevrimin kapanmadığı görülür. Kenar dislokasyonunda Burgers vektörü dislokasyon çizgisine diktir. Şekil 1.3. Kenar dislokasyonuna ait Burgers çevrimi. 6

7 Kenar dislokasyonu aynı zamanda kristal içerisinde kayan ve kaymayan bölgeleri birbirinden ayıran sınırlardır. Kenar dislokasyonunun kayma düzlemi içerisindeki yaptığı harekete kayma (slip, glide), kayma düzlemine dik doğrultuda yaptığı harekete de tırmanma (climb) denir. Tırmanma, atom veya boşlukların kristal içerisinde yayılması sonucu oluştuğu için ısıl aktivasyon gerektirir ve dolayısıyla nispeten yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen bir olaydır. Dislokasyonlar kayma sırasında sadece kristalin iç sürtünme kuvvetini yenerek hareket ederler. Ancak, pratikte kristaller dislokasyon hareketini engelleyebilecek hata ve unsurlar içerdiği için kaymayı sağlayacak kuvvetin sürtünme kuvvetini yenmesinin yanında diğer engellerden doğacak direnci de yenmesi gerekmektedir. Şekil 1.4. Dislokasyonların ilerlemesini gösteren şematik resim. Şekil 1.5. Kenar dislokasyonunun kayması sonucu oluşan deformasyon. Dislokasyonların hareketi malzemelerin plastik olarak deforme olmasına neden olur. Dislokasyonların hareketi için gerekli olan gerilme değeri teorik kafes mukavemetinin çok altındadır. Dislokasyonların hareketini, daha kolay anlaşılabilmesi açısından bazı fiziksel olaylara da benzetmek mümkündür. Aşağıdaki şekilde pozitif bir kenar dislokasyonunun hareketi bir tırtılın hareketine benzetilmiştir. Tırtıl hareket ederken bütün gövdesini sürüklemez. Bunun yerine gövdesinde bir tümsek oluşturarak bu tümseği kuyruktan baş kısma doğru öteler. Her kıvrımın ilerlemesiyle bir miktar öteleme sağlayan tırtıl, daha az bir kuvvetle kolayca ilerlemiş olur. Bu örnekte, bir kıvrımdan doğan öteleme miktarı tek bir dislokasyon Burgers vektörüne tekabül eder. Öte yandan büyük bir halının kıvrımlar sayesinde kolayca yer değiştirmesi de dislokasyon hareketine benzetilebilir. Oysa halıyı bir ucundan çekerek tümünü yerinden oynatmak oldukça güçtür. 7

8 Şekil 1.6. Kenar dislokasyonunun bir tırtılın hareketine benzer olarak ilerlemesi. Şekil 1.7. Bir halının ve solucanın hareketinin dislokasyon dislokasyon hareketine benzetilmesi. Bir dislokasyon çizgisinin yapıya girmesi nedeniyle çizginin altında atomlar bir baskı altındadır. Dislokasyon çizgisinin üzerinde atomlar normal bulunabileceği yerden uzaktır ve bu durum bölgenin gerilmesine neden olur. Bu etki çok yaygındır. Dislokasyon çizgisine yakın atomlar önemli ölçüde orijinal pozisyonlarının dışındadır ve atomların diziliş düzeni bozulmuştur. Normal düzende bulunamayan atomlar yakındaki pek çok atomun da düzeninin bozulmasına neden olurlar. Şekil 1.8. Kenar dislokasyonunun etrafında oluşan gerilme alanları. 8

9 Vida dislokasyonu (Screw dislocation) Bir kristal kayma gerilmesi etkisiyle belirlenmiş olan kayma düzlemi üzerinde kısmen kaymıştır. Vida dislokasyonu çizgisi kayan ve kaymayan kristaller arasındaki sınır olarak tanımlanabilir. Şekil 1.9. Vida dislokasyonunun oluşumu ve bu dislokasyonun etkisiyle kaymanın meydana gelişi Vida dislokasyonuna ait Burgers çevrimine bakıldığında çevrim tamamlanamamakta ve tamamlanması için dislokasyon çizgisine paralel bir Burgers vektörüne ihtiyaç duyulmaktadır. Vida dislokasyonu sadece kayma hareketi gerçekleştirir, tırmanma hareketi yapamaz. Bunun yerine bir engelle karşılaştığında ancak çapraz kayma (cross-slip) hareketini yapabilir. Vida dislokasyonun kayma düzleminde kayarken, bu düzlemi kesen diğer bir düzleme geçip burada kaymasına devam etmesine çapraz kayma denir. İkinci kayma düzleminden tekrar ilk kayma düzlemine paralel bir düzleme geçerek kayması ise çifte çapraz kayma olarak isimlendirilir. Şekil Vida dislokasyonunun çapraz kayması Karışık dislokasyonlar Kristal içerisindeki kaymış ve kaymamış bölgeyi ayıran sınırda çok sayıda kenar ve vida dislokasyonu bir arada bulunabilir. Karışık karakterdeki bir dislokasyon aşağıdaki gibi vida ve kenar bileşenlerine ayrılabilir. 9

10 b b 1 2 = b.sinθ : Kenar bileşile ( Dis. çiz. dik) = b.cosθ : Vida bileşile ( dis. çiz. paralel) b = b + b 1 2 Şekil Karışık dislokasyonlarda kenar ve vida dislokasyon bileşenlerinin belirlenmesi Kısmi dislokasyonlar ve dizi hataları (stacking faults) Atomlar sert küreler şeklinde düşünüldüğünde, belirlenen kayma yönünde zig-zaglar yaparak daha rahat hareket imkanı bulurlar. Bu durumda dislokasyonların ayrışması söz konusu olur. Örneğin, YMK yapılı kristalde b 1 dislokasyonunun ilerlemesi zor olduğundan ilerleme hareketini iki farklı dislokasyon hareketleri toplamı şeklinde gerçekleştirmektedir. Reaksiyona giren dislokasyon b 1 =(a/2)[101], çıkan b 2 =(a/6)[2 1 1] ve b3 =(a/6)[112] olduğuna göre reaksiyon b + 1 b2 b3 Şekil Kısmi dislokasyonların oluşması. Bu tür bir reaksiyonun gerçekleşebilmesi için ayrışma sonrası toplam dislokasyon enerjisinin başlangıçtakinden düşük olması gerekir b2 b3 b + 10

11 Bu şekilde meydana gelen iki aşamalı kayma, kristalde dizi hatası (stacking fault) meydana getirmektedir. Kısmi dislokasyonlar arası mesafe veya bunların oluşturduğu bölgenin alanı Dizi hatası enerjisi (stacking fault enery) kavramı ile açıklanmaktadır. Şekil Dizi hatasının oluşumu Dizi hatası enerjisi şekil değişimi özelliklerinde önemli rol oynar. Bu durum genellikle YMK yapılı metallerde önem kazanmaktadır. Dizi hatası bölgesi dar olanlar yüksek dizi hatası enerjisine, geniş olanlar ise düşük dizi hatası enerjisine sahiptirler. Örnek olarak bakır 40 erg/cm 2 lik, alüminyum ise 200 erg/cm 2 lik dizi hatası enerjisine sahiptir. Dolayısıyla aynı kristal yapıda olan metallerin deformasyon karakteristiklerinde görülen farklar bu kavram ile açıklanmaktadır. Genelde düşük dizi hatası enerjisine sahip paslanmaz çelik, bakır ve nikel gibi YMK yapılı metallerde çapraz kayma mekanizması çalışmamakta veya çok büyük şekil değişimlerinden sonra aktif duruma geçmektedirler. Yüksek dizi hatası enerjisine sahip Al da ise çapraz kayma çok etkin bir mekanizma olup deformasyona uğrayan yapının daha düşük enerji seviyeli alt yapılara dönüşmesi daha kolay gerçekleşmektedir. Özetle düşük dizi hatası enerjisine sahip metaller daha kolay ve çabuk pekleşmektedir Dislokasyon enerjisi Dislokasyon civarındaki atomlar normal kafes konumlarından farklı bir yerde bulunmalarından, dislokasyon etrafında bir gerilme veya deformasyon alanı oluşur. Bunların varlığı kristalin serbest enerjisini daima artırır. Bu gerilme alnında birikmiş elastik enerjiye, dislokasyon elastik enerjisi veya kısaca dislokasyon enerjisi denir. Yapılan hesaplamalar sonucunda birim uzunluğa tekabül eden enerji miktarı vida dislokasyonu için; 2 Gb R E = ln( ) 4π r0 Benzer şekilde kenar dislokasyonu için; E = elde edilir. 2 Gb R ln( ) π (1 ν ) r

12 Burada; υ: Poisson sayısıdır ve değeri 1/3 alındığında, kenar dislokasyonunun enerjisi vida dislokasyonunun enerjisinin 3/2 si kadar olur. Öte yandan elastik bölge için lnr/r 0 4π yaklaşımı yapılırsa, E=Gb 2 olur. Bu netice çok önemli olup, dislokasyonlar enerjilerini küçük tutmak için en kısa Burgers vektörünü tercih ederler. Diğer bir ifade ile, Burgers vektörü en sıkı istif edilmiş doğrultuda olan dislokasyonlar en kararlı olanlarıdır. Burgers vektörü büyük olan dislokasyonlar ise enerjilerini düşürmek için parçalanma eğilimi göstereceklerdir Dislokasyonların çoğalması ve plastik deformasyondaki önemi Dislokasyonlar metallerde plastik deformasyonu sağlayan en önemli faktörlerden birisidir. Çizgisel karakterdeki bu yapı kusurları bir gerilme vasıtasıyla kristal içerisinde hareket etmeye zorlanmakta ve bunun sonucunda plastik deformasyon meydana gelmektedir. Dislokasyonlar; a) Katılaşma sırasında kristal yapı oluşurken, b) Uygulanan gerilmenin zorlamasıyla, c) Kendini sürekli yenileyen mekanizmalar yardımıyla çoğalırlar. Tavlanmış, yani herhangi bir pekleşme etkisi taşımayan bir kristaldeki dislokasyon yoğunluğu 10 6 adet/cm 2 mertebelerindedir. Ancak plastik şekil değişimi için adet/cm 2 mertebesinde dislokasyona ihtiyaç vardır. Bunun için uygulanan gerilmenin de yardımıyla bazı kaynaklar dislokasyon doğurucu olarak çalışırlar. Bu tür mekanizmaların en önemlisi Frank-Read kaynağı olarak bilinmektedir. Aşağıdaki şekilde Frank-Read tipi bir kaynakla dislokasyonların çoğalması şematik olarak verilmiştir. Frank-Read kaynağı ilk defa 1956 da silisyum tek kristalinde görülmüştür. Dislokasyonlar plastik deformasyon sırasında birbirlerini keserler ve bu kesim noktaları arasındaki dislokasyon parçası Frank-Read kaynağı olarak çalışır. Şekilden de görüldüğü gibi kristal içerisinde l boyunda bir dislokasyonun iki ucundan ilerlemeye karşı engellendiği görülmektedir. Başlangıçta kayma gerilmesi sıfır olup, artmaya başladığında dislokasyon çizgisine dik olarak ilerlemeye çalışmakta, ancak dislokasyonu sabitleyen engeller buna izin vermemektedir. Böylece ilerleme belirli bir eğrilik yarıçapında dairesel karakterde gerçekleşebilmektedir. Eğrilik yarıçapı R=l/2 olduğunda bu harekete karşı koyan kuvvet en büyük değeri almakta, bu noktanın ötesinde ise kararsız hale geçerek dislokasyon halkasının hızla büyüyüp gelişmesine neden olmaktadır. Genişleyen dislokasyon çizgisinin düğüm noktaları birbirlerine temas ettiğinde, temas noktaları ters işaretli oldukları için birbirlerini yok etmekte ve kristal düzgün hale geçmektedir. Böylece halka ile segman (kaynak) birbirinden ayrılmakta, halka kayma hareketi yapmaya devam ederken segman yeni dislokasyon halkaları üretmeye devam etmektedir. Dislokasyon yoğunluğunun artması plastik deformasyonda çok önemlidir. Dislokasyonların mevcudiyeti plastik deformasyonu kolaylaştırırken, yoğunluğunun artması dislokasyon hareketini sınırlar ve malzemenin plastik deformasyonunu güçleştirir. Deformasyon sertleşmesinin esası dislokasyon yoğunluğunun artmasıdır. 12

13 Şekil Frank-Read kaynağında dislokasyonun çoğalması (hertzbeg) 13

14 Şekil Frank-Read kaynağı [Bowman] 14

15 Şekil Bir silisyum kristalinde Frank-Read kaynağının görünümü (hertzbeg) 1.5. Kenar dislokasyonunun tırmanması Kenar dislokasyonu, Burgers vektörüne dik olacak şekilde de hareket edebilir. Kenar dislokasyonunun bu hareketine tırmanma (climb) adı verilir. Tırmanma hareketi için atomların (veya atom boşluklarının) yer değiştirmesi gerekmektedir. Aşağıdaki şekilde bir kenar dislokasyonunun tırmanma hareketi görülmektedir. Ekstra tabakadaki atomlar atom boşluklarını doldurarak kenar dislokasyonunun yukarı doğru ilerlemesini sağlarlar. Tırmanma olayı atomların yer değiştirmesi ile meydana geldiğinden ancak yüksek sıcaklıklarda, difüzyonun mümkün olabileceği koşullarda meydana gelir. Dolayısıyla tırmanma difüzyon kontrollü bir olay olup genellikle malzemelerin yüksek sıcaklıktaki deformasyonunda söz konusu olur. Örneğin sürünme deformasyonunda etkin mekanizmalardan biri de dislokasyon tırmanmasıdır. Tırmanma, ayrıca malzemenin yükleme şekline bağlı olarak kuvvet etkisi ile de meydana gelebilir. Şekil (a) Boş noktanın kenar dislokasyonuna yayılması, (b) dislokasyonun bir üst kayma düzlemine tırmanması Bu olayı daha iyi açıklayabilmek için, kayma düzlemleri üzerinde bulunan çeşitli çözelti partikülleri nedeniyle, kaymanın engellendiği durumu düşünelim. Kayma kuvveti (birim uzunluk başına τb), çökeltideki f 0 reaksiyon kuvveti ile dengelenir. Eğer dislokasyon çökeltinin merkez noktasına çarpmış ise, dislokasyona kayma düzleminden dışarıya doğru itmeye çalışan τbtanθ değerinde bir kuvvet bileşeni oluşur. Atom düzlemlerinin kayması ile dislokasyon yukarı doğru hareket edemez, fakat yarım düzlemin altındaki atomların 15

16 yayınması söz konusu olursa dislokasyon yukarı doğru hareket edebilir. Yayınma için gerekli itici güç, konsantrasyon farkından kaynaklanmakta olup, yayınmada Fick kanunu geçerlidir. Bu işlem tırmanma olarak adlandırılır. Tırmanma sonucu çökeltiler ile etkileşimi azalan dislokasyonlar, serbest hale gelirler ve böylece yeniden kaymaya neden olurlar. Benzer durumlar, dislokasyon hareketlerinin çökelti atomları ve diğer dislokasyonlarla engellenmesi halinde de kendini gösterir. Serbest hale geçen dislokasyonlar komşu engele rastlayıncaya kadar kayar ve benzer olaylar zinciri tekrarlanır. Şekil Bir dilokasyona etki eden tırmanma kuvveti Aşağıdaki şekilde kenar dislokasyonunun tırmanması şematik olarak gösterilmiştir. Şekil Dislokasyonun tırmanma hareketi yaparak yolunadevam etmesi 1.6. Dislokasyonların birbirlerini kesmesi Dislokasyonlar kristal içerisinde sadece paralel düzlemler üzerinde hareket etmezler. Diğer bir değişle, birbirini kesen kayma düzlemlerinde de hareket etmeye çalışırlar. Bu durumda farklı sitemlerde kayan dislokasyonlar birbirleriyle kesişirler ve geometrik bazı değişiklikler yaratarak yollarına devam etmeye çalışırlar. Genellikle iki dislokasyonun kesişmesiyle bir basamak (Jog) meydana gelir. Bu durumda dislokasyonun boyu uzar, enerjisi artar ve kesişme öncesi kolay ilerleme özelliğinin yitirir. Bu sayede pekleşme olayına katkıda bulunurlar. Bu olayın oluşumu aşağıdaki şekilde verilmiştir. Bu şekilde hareket eden XY dislokasyonu duran AD kenar dislokasyonu ile karşılaştığında bunun üzerinde PP basamağını oluşturmaktadır. Böylece AD dislokasyonunun boyu artmakta ve bu da yapıdaki dislokasyon yoğunluğunu artırıcı etkide bulunmaktadır. Eğer basamak hareket eden dislokasyonun üzerinde oluşursa bun king adı verilir. 16

17 Deformasyon sertleşmesi (pekleşme) sadece dislokasyonların parçacıklara takılmasıyla gerçekleşmez. Kayma düzlemine dik olarak uzanan dislokasyonlar da düzlem üzerinde kaymaya çalışan dislokasyonları yukarıda anlatıldığı gibi engellemeye veya basmak oluşturarak hareketlerini kolay gerçekleştirmemelerine neden olurlar. Bu şekilde dislokasyon ormanı oluşur. Deformasyon sırasında dislokasyonların bu şekilde birbirlerini kesmesi malzemenin mukavemetinin artmasına neden olur. Aslında deformasyon sertleşmesi diye bilinen olayı meydana getiren temel mekanizma da budur. Şekil İki kenar dislokasyonunun birbirini kesmesi (Dieter) 1.7. Dislokasyonların yığılması Dislokasyonlar kayma düzlemleri üzerinde tane sınırları, kaymayan dislokasyonlar, ikinci faz parçacıkları gibi engeller tarafından durdurulduklarında engel tarafına doğru daha sıkı aralıklı olmak üzere yığılırlar. Bu aynı zamanda dislokasyon kaynağına doğru gittikçe artan bir geri basıncın doğmasına neden olur. Eğer bu basınç yeterli bir seviyeye ulaşırsa dislokasyon kaynağı faaliyetini durdurur. Engele etkiyen kuvvet, F=n.b.τ s şeklinde tanımlanmaktadır. Burada, n yığılan dislokasyon sayısı, τ s kaymanın gerçekleşmesi için gereken kritik gerilme, b ise Burgers Vektörünün şiddetidir. Bir kristal içerisinde en fazla yığılabilecek dislokasyon miktarı, n l.π.τ s /G.b 17

18 şeklinde hesaplanabilmektedir. Burada l kaynak ile engel arasındaki mesafedir. Eğer söz konusu engel bir tane sınırı ve kaynağı d ortalama çapındaki bu tanenin merkezi ise, bu durumda dislokasyon sayısı yaklaşık olarak, n d.π.τ s /4.G.b ifadesi ile belirlenir. Yığılan dislokasyonlar engel üzerinde büyük gerilmeler doğurur ve bu yığılma ancak kayma düzleminin değişmesi, dislokasyonların engeli ya keserek ya da tırmanarak aşmaları, engelde bir çatlak oluşumu veya kayma olayının bitişik tanede devam etmesi gibi durumlarda çözülebilir. Şekil Dislokasyonların bir engel önünde yığılması (Dieter) 1.8. Orowan dislokasyon çevrimler Dislokasyon hareketleri (kayma) kristal içerisinde çeşitli engeller tarafından engellenmeye çalışılır. Bu engellerden birisi de ikinci faz parçacıklarıdır. Dislokasyonlar eğer bu engeller zayıfsa onları keserek hareketlerini sürdürmeye çalışırlar. Ancak kuvvetli engeller söz konusu ise bu durumda parçacık etrafında bir çevrim yaparak hareketlerine devam ederler. Bu şekilde parçacıklar etrafında oluşan dislokasyon çevrimlerine Orowan Dislokasyon Çevrimleri denir. Şekil Orowan dislokasyon çevriminin oluşumu ve (b) Al-Li alaşımında bu oluşumun görünümü (Hertzberg) 18

19 2. ALAŞIM SERTLEŞMESİ Alaşım sertleştirmesi, kimyasal bileşimin alaşım elementi ilavesi ile değiştirilmesi ve bu sayede mukavemetin artırılması işlemidir. Alaşım elementini saf metal içerisinde çözerek tek fazlı bir yapı oluşturulması durumunda katı çözelti sertleşmesi (solid solution hardening), ikinci bir faz oluşturulması durumunda ise ikinci faz sertleşmesi (scond phase hardening) adını almaktadır Katı çözelti sertleşmesi Herhangi bir saf metale, matris yapısı içerisinde tamamen eriyen atomların ilavesi ile elde edilen katı çözeltiler yer alan ve ara yer katı çözeltileri olmak üzere iki gruba ayrılır. Şekil 2.1. Yer alan ve ara yer katı çözeltileri Ara yer katı çözeltisi, çözünen atomların (solute atom) çözen kafes (solvent lattice) atomlarına göre çok daha küçük olduğu durumlarda, kafes içerisindeki atomların boşluklarına yerleşmesi ile gerçekleşir. Daha çok; H, B, C ve N gibi atom yarıçapı çok küçük olan element atomlarının geçiş elementlerinin atomları arasına yerleşmesi ile oluşur. Örnek olarak, C un α-fe içerinde çözünmesi ile oluşturduğu katı çözelti gösterilebilir. Çözünen atomların kafes yapısında çözen matris atomlarının yerlerini alarak alaşım oluşturması durumunda yer alan katı çözeltisi oluşur. Yer alan katı çözeltisi oluşabilmesi için bazı şartların sağlanması gerekir. Home-Rothery ilkeleri olarak bilinen bu şartlar aşağıda verilmiştir. 1. Çözünen ve çözen atomların boyutları arasındaki fark %15 den az olmalıdır, 2. İki metalin birbirleri içerisinde tam olarak çözünebilmesi için bunların aynı kristal yapıya sahip olmaları gerekir, 3. Elektronegativite özellikleri birbirine yakın olan metaller yer alan katı çözeltisi yapabilirler. Bu fark arttıkça metaller arası bileşik yapma eğilimi de artar. 4. Çözen ve çözünen atomlarının valans seviyelerinin aynı olması durumunda her oranda bir biri içerisinde eriyerek katı çözelti yapabilirler. Katı çözeltiler, saf metallere göre daha yüksek mukavemete sahiptir. Bunun nedeni, eriyen ve eriten atomların boyut farklılığı sonucunda oluşan kafes çarpılmaları ile eriyen atomlarla 19

20 hareket halindeki dislokasyonların etkileşimi sonucu oluşan iç gerilmelerdir. Bu durumda, dislokasyon hareketleri engelleneceği veya yavaşlatılacağı için malzemenin sertlik ve mukavemet değerleri artmaktadır. Cu-Ni sisteminde, orijinal bakır kafesine, bilinçli olarak nikel ara yer atomları sokulduğu için, Cu-Ni alaşımı saf bakıra göre daha fazla dayanıma sahiptir. Benzer şekilde, %40 dan daha az çinko bakıra ilave edildiğinde çinko yer alan atomu olarak davranır ve Cu-Zn alaşımı bu sayede mukavemetlendirilir. Bu alaşım saf bakıra göre çok daha mukavemetlidir. Şekil 2.2. Çeşitli alaşım elementlerinin bakırın akma dayanımı üzerine etkisi. Ni ve Zn atomlarının boyutları yaklaşık olarak aynı, fakat Be ve Sn atomlarının boyutları Cu atomlarının boyutlarından çok daha farklıdır. Atom boyutları arasındaki fark ve alaşım yüzde miktarları artırıldığında katı çözelti mukavemetlenmesinin etkisi de artmaktadır. Katı çözelti sertleşmesi sonucunda malzemenin akma dayanımı artar ve gerilme-birim şekil değiştirme eğrisi yukarı doğru kayar. Bu durum aşağıdaki şekilde verildiği gibi, Cu içerisinde çözünen Zn (%30 dan az) nun oluşturduğu α-pirinci nde rahatlıkla gözlenebilir. 20

21 Şekil 2.3. Katı çözelti yapan alaşım elementi miktarının gerilme-birim şekil değiştirme eğrisine etkisi Katı çözelti sertleşmesinin düzeyi iki faktöre bağlıdır. Birincisi, orijinal (eriten) ve ilave (eriyen) atomlar arasındaki boyut farkı, diğeri ise ilave edilen alaşım elementi oranıdır. Çözen ve çözünen atom çaplarındaki büyük boyut farkları, kafes yapıyı daha fazla bozarak daha çok distorsiyona neden olur ve böylece dislokasyonların kafes yapısı içerisindeki hareketleri daha fazla engellenir. Başka bir değişle kafes yapının dislokasyon hareketine karşı direnci artar. Öte yandan, daha fazla miktarda alaşım elementi ilavesinin daha büyük mukavemet ve sertlik artışına neden olacağı da açıktır. Nitekim, Cu-%20Ni alaşımının mukavemt değeri Cu-%10Ni alaşımının mukavemet değerinden çok daha fazladır. Alaşım elementi konsantransonu ile malzemenin akma dayanımı arasında genellikle, σ a =σ i + K c C 1/2 şeklinde bir ilişkinin bulunduğu tespit edilmiştir. Burada; σ a : Katı çözeltinin akma mukavemeti σ i : Saf matrisin iç sürtünme gerilmesi K c : Malzeme sabiti C : Alaşım elementi konsantrasyonu Kafes çarpılmalarının geometrik şeklinin de mukavemet artışında önemli bir rolü vardır. Örneğin küresel bir çarpılmanın neden olduğu dayanım artışı en alt düzeyde iken, eliptik veya disk şeklindeki bir çarpılmada mukavemet artışı daha üst seviyelerdedir. Katı çözelti sertleşmesinin alaşımın mekanik özelliklerin etkisi aşağıdaki gibi özetlenebilir. 1. Katı çözelti oluşumuyla meydana gelen alaşımın akma ve çekme dayanımları ile sertlik değerleri saf metalden daha büyüktür, 2. Alaşımın süneklik değeri çoğunlukla saf metalden düşüktür. Bazen, Cu-Zn alaşımlarında olduğu gibi, katı çözelti sertleştirmesi dayanım ve sünekliği birlikte artırır, 3. Alaşımın elektriksel iletkenliği saf metalden düşüktür. Bundan dolayı katı çözelti halindeki Cu ve Al alaşımlarının elektrik iletiminde kullanılması tavsiye edilmez, 21

22 4. Sürünme dayanımı veya yüksek sıcaklıklarda dayanım azalması, katı çözelti sertleşmesi ile iyileştirilir. Yüksek sıcaklıklar, katı çözelti sertleştirmesi uygulanmış alaşımlarda çok büyük özellik değişimlerine neden olmaz. Şekil 2.4. Bakıra çinko ilavesinin alaşımın özellikleri üzerindeki etkisi. Katı çözelti oluşturan bakır-nikel alaşım sisteminin mekanik özelliklerindeki değişim, aşağıdaki şekilde verilmiştir. Bakıra yaklaşık, %60Ni ilave edilene kadar bakırın dayanımı katı çözelti sertleşmesi ile artar. Diğer taraftan, saf nikele %40 a kadar bakır ilavesi ile katı çözelti mukavemetlenmesi sağlanır. Monel olarak bilinen Cu-%60Ni alaşımı ile maksimum dayanım elde edilir. Maksimum dayanım faz diyagramının saf nikel tarafına yakındır. Çünkü saf nikel saf bakırdan daha dayanıklıdır. Şekil 2.5. Bakır-nikel alaşımının mekanik özellikleri. 22

23 2.2. İkinci faz sertleşmesi Metallerin alaşım elementi ilavesi ile her oranda çözünen katı çözelti oluşturmasının da bir sınırı vardır. Bu sınıra ulaşıldığında, fazla alaşım elementinin de içyapıda bulunabilmesini sağlayacak yeni bir oluşumuna ihtiyaç vardır. Bu durum ise ikinci bir fazın oluşumu ile sağlanır. Ticari olarak kullanılan alaşımların çoğu birden fazla faz içeren alaşımlardır. Şekil 2.6. İki fazlı bir alaşımın faz diyagramı ve oluşan mikroyapısı İkinci fazlı yapının sertleşmesi genel olarak katı eriyik sertleşmesine eklenebilir. İki fazlı alaşımlarda, ikinci faz, matris fazı içerisinde bölgesel iç gerilmeler oluşturması nedeniyle alaşımın mekanik özelliklerini etkilemektedir. Her faz ayrı özelliklere sahip olduğundan, bunların ortaklaşa olarak alaşım üzerindeki etkisi yapıdaki hacimsel oranları dikkate alınarak belirlenmektedir. İki fazlı bir alaşımda, f 1 birinci fazın hacimsel oranı, f 2 ikinci fazın hacimsel oranı ise bunların toplamları da 1 e eşit olacaktır. İki fazlı yapıların özellikleri, fazların karakteri ile birlikte bunların yapıdaki konumlarına da bağlı olarak değişiklikler gösterir. Bu tür alaşımlara örnek olarak Cu a %30-47 arasında Zn ilavesi ile oluşturulan α+β pirinci gösterilebilir. a) İki sünek faz içeren alaşımlar: Bu tür alaşımların akma özellikleri, eşit birim şekil değişimi veya eşit gerilme kriteri göz önüne alınarak belirlenir. Aşağıda verilen ilk şekilde, her iki fazın da eşit oranlarda bulunduğu bir alaşımın akma eğrisinin eşit birim şekil değişimi kriterine göre saptanması verilmiştir. Bu hipotezde her iki fazda da eşit birim şekil değişiminin oluğu kabul edilir. Kesikli çizgi ile temsil edilen bu diyagramın elde edilmesinde belirli bir birim şekil değişimi miktarı için alaşımın sahip olması gereken ortalama gerilme değeri, σ or = f 1 σ 1 + f 2 σ 2 şeklinde saptanmaktadır. Burada, f 1 ve f 2 : alaşımdaki fazların hacimsel oranları, σ 1 ve σ 2 : fazların mukavemet değerleri Eşit gerilme hipotezinde alaşımın iki fazının da eşit gerilmelere sahip oluğu varsayılır. Bu durumda alaşımın ortalama birim şekil değişimi (ε or ), sabit bir gerilme durumunda 23

24 aşağıdaki gibi hesaplanır. Eşit gerilme hipotezine göre fazların hacimsel oranının 0.5 olması halinde alaşımın deformasyon gerilmesinin hesaplanması aşağıdaki şekilde verilmiştir. ε or = f 1 ε 1 + f 2 ε 2 Şekil 2.7. İki fazlı bir alaşımın deformasyon gerilmesinin hesaplanması. (a) Eşit birim şekil değiştirme durumu, (b) eşit gerilme durumu b) Sünek bir faz ile sert ve kırılgan bir faz içeren alaşımlar Bu durumda plastik deformasyon düşük dayanımlı matris fazında başlamaktadır. Sert fazın hacim oranı %30 a ulaşana kadar deformasyon büyük oranda yumuşak fazda oluşmaktadır. Bu oran aşıldığında yumuşak faz sert fazın etrafındaki sürekliliğini kaybetmekte ve deformasyon her iki faz tarafından da neredeyse eşit sayılabilecek ölçüde paylaşılmaktadır. Sert fazın oranı %70 in üzerine çıktığında mekanik özellikler tamamen bu fazın şekil değişimi özellikleriyle kontrol edilmektedir. Bu tür alaşımlarda mekanik özellikler, kırılgan fazın alaşımın yapısındaki dağılımına bağlıdır. Eğer kırılgan faz tane sınırlarında ince ve sürekli bir tabaka halinde bulunursa (ötektoid üstü çelikler ve bakır bizmut alaşımları) alaşım kırılgan olur. Ancak bu faz tane sınırlarında süreksiz küçük tanecikler şeklinde bulunuyorsa daha az kırılgan özellik gösterir. Örnek olarak, çelikteki sementit fazı tane sınırlarında sürekli şekilde bulunuyorsa malzeme kırılgan özellikler göstermekte, diğer bir değişle düşük süneklik ve tokluk özellikleri ile tehlikeli bir durum arz etmektedir. Ancak bu yapı uygulanan ısıl işlemle değiştirilip sementit fazı süreksiz küresel (tanecikli) formlara dönüştürülebilirse o zaman yapı daha az gevrek ve kırılgan olur. Ayrıca çelik içerisindeki kalıntı elementlerin de alaşımın deformasyon özelliklerine önemli etkileri vardır. Örneğin çelikte kükürt, demir sülfür halinde tane sınırlarında toplanırsa sıcak kırılganlık, fosfat ise demir fosfür halinde tane sınırlarında toplanırsa soğuk kırılganlık oluşturur. Fazların yapıda kütlesel olarak dağıldığı iki fazlı alaşımlarda mukavemetin artması, genellikle kaymanın ikinci faz ile engellenmesi sonucunda yapıda homojen olmayan plastik deformasyonun oluşmasına bağlanmaktadır. 24

25 3. ÇÖKELME VE DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ 3.1. Çökelme sertleşmesi (Precipitation hardening) Yaşlandırma sertleşmesi (age hardening) adı da verilen bu yöntemde, ikinci faz küçük tanecikler halinde matris fazı içerisinde çökeltilerek oluşturulur. Yaşlandırma veya çökelti sertleşmesi, yumuşak ve daha sünek matriste sert ve uyumlu çökeltinin üniform dağılımını sağlamak için tasarlanır. Çökelme sertleşmesi uygulanabilen alaşımlar sıcaklık yardımıyla aşırı doymuş katı çözelti oluşturabilen alaşımlardır. Aşırı doymuş katı fazdan zaman ve sıcaklığın etkisi ile yeni bir fazın çökelmesi sonucunda malzemenin sertlik ve mukavemeti artar. Genellikle demir dışı alaşımlar (Al, Mg, Ti alaşımları gibi) ve çok yüksek mukavemetli çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Al-%4Cu (duralümin) alaşımı yaşlandırılabilen alaşımların klasik örneğidir. Bu yöntem denge diyagramında solvüs eğrisi (katı durumda kısmi çözünürlük gösteren) içeren alaşım sistemlerine uygulanabilir. Alaşımlara uygulanan çökelme sertleşmesi aşağıda gösterildiği gibi üç aşamada gerçekleştirilir. 1. Çözeltiye alma, 2. Aşırı doymuş katı çözelti oluşturma (veya su verme), 3. Yaşlandırma, Şekil 3.1. Çökelme sertleşmesinin safhalarını gösteren şematik resim. a) Çözeltiye alma: c 1 bileşimindeki alaşım önce tek fazlı yapı elde etmek amacı ile T 1 sıcaklığına kadar ısıtılır ve bu sıcaklıkta β-fazı α-fazı içerisinde tamamen çözülünceye kadar beklenir. Bu durumda tek fazlı (α-fazı) homojen bir çözelti oluşturulur. Bu işlem çözeltiye alma olarak adlandırılır. Bu aşamada, alaşımda herhangi bir mikro oluşumun varlığı sıcak yırtılmaya neden olabilir. O nedenle, ötektik karışımın erimemesi için çözündürme işlemi genellikle solvüs çizgisi ile ötektik nokta arasındaki bir sıcaklıkta gerçekleştirilir. b) Su verme (aşırı doymuş katı çözelti oluşturma): Çözündürme uygulamasından sonra, alaşım herhangi bir atomsal yayınma mekanizmasının çalışmasına fırsat verilmeyecek şekilde su verilerek hızlı bir şekilde oda sıcaklığına soğutulur. Bu durumda β-fazı tekrar oluşmaya fırsat bulamaz ve alaşım elementlerine ait tüm 25

26 atomlar α-fazı içerisinde aşırı doymuş bir durumda zoraki olarak kalırlar. Bu işlem aşırı doymuş katı çözelti oluşturma veya sı verme işlemi olarak bilinir. c) Yaşlandırma: Bu aşamada alaşım, ya çok uzun süreler oda sıcaklığında tutularak doğal yaşlandırma (natural aging), veya oda sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklarda (solvüs çizgisinin altında), nispeten daha kısa sürelerde tutularak yapay yaşlandırma (artificial aging) işlemine tabi tutulur. Bu işlem sırasında, ısıl aktivasyonun teşviki ile alaşım elementi atomları tercihen önce kenar dislokasyonlarının altında toplanmaya başlar. Bu atom kümeleri GP bölgeleri (Guinier Preston Zones) olarak tanımlanırlar. Bu bölgeler kafeste bölgesel iç gerilmeler yarattığından belli oranda çarpılmaya neden olurlar ve dolayısıyla yapının az da olsa sertleşmesini sağlarlar. Yaşlandırmanın devam etmesi ile bu kümeler α-matris fazına yapışık β-çökeltileri oluşturmaya başlar. Bu bağdaşık (cohorent) çökeltiler sertliğin artmasında büyük rol oynar. Yaşlandırma işlemi devamında bağdaşık çökeltiler büyürler ve kritik bir boyuta ulaşırlar. Bu anda yapıda en büyük sertlik artışı sağlanmış olur. Bundan sonra yaşlandırma işlemine devam edilmesi durumunda çökeltilerin kafesle olan bağdaşıklığı yavaş yavaş ortadan kalkar. Ayrıca bazı çökeltiler birbirleri ile birleşerek sayılarını azaltırlar. Bu iki faktörün ortak etkisi ile yapı giderek yumuşamaya başlar ve aşırı yaşlanma (overaging) oluşur. Bu safha korozyona karşı direncin arandığı bazı uygulamalar dışında istenmez. Aşağıdaki şekilde, aşırı doymuş, bağdaşık ve aşırı yaşlanmış katı çözeltiler verilmiştir. Şekil 3.2. %15 oranında B atomu içeren (85A-15B) alaşımın mikroyapısını gösteren şematik resimler. (a) Tavlanmış orijinal yapı, (b) Çözündürüldükten sonra su verilmiş (aşırı doymuş) yapı ve (c) yaşlandırılmış yapı. Şekil 3.3. Yaşlandırma safhalarını gösteren şematik şekil 26

27 Yaşlandırmayı sıcaklık ve süre değişkenleri kontrol etmektedir. Aşağıdaki şekilde bu iki değişkenin etkileri gösterilmiştir. Sıcaklık arttıkça en büyük sertliğe ulaşma süresi azalmakta, ancak daha düşük sıcaklıklarda yapılan yaşlandırmalara oranla daha düşük sertlik değerleri elde edilmektedir. Süneklik değerleri ise yaşlandırma süresiyle devamlı olarak düşüş göstermektedir. Bu nedenle uygulama açısından ekonomikliği de dikkate alarak en uygun sıcaklık-süre kombinasyonunun seçilmesine özen gösterilmelidir. Yaşlanma eğrileri aşağıdaki şekilde verilen Al-%4Cu (duralumin) alaşımının yaşlandırılması sırasında, dengeli θ (CuAl 2 ) meydana gelmeden önce seri çökeltiler oluşur. Yaşlanmanın başlangıcında, bakır atomları matriste (100) düzlemlerinde yoğunlaşırlar ve Guinier-Preston veya GP-1, bölgesi olarak adlandırılan çok ince bakır kümeleri oluştururlar. Yaşlanma devam ettiğinde daha çok bakır atomları çökeltilere yayılır ve GP-1 bölgeleri kalın disklere veya GP-2 bölgelerine dönüşür. Daha sonra GP-2 bölgeleri çözünür ve dengeli θ ya benzer θ oluşur ve dengeli θ fazı tamamen çökelir. Dengesiz çökeltiler, GP-1, GP-2 ve θ kafes yapısıyla uyumlu çökeltilerdir. Isıl işlemin başlangıç aşaması sırasında bu uyumlu fazların boyutu büyüdüğünde, alaşımın dayanımı yaşlanma zamanı ile artar. Bu uyumlu çökeltiler varlıklarını korudukları sürece, alaşım yaşlanma şartları içindedir. Şekil 3.4. Yaşlandırma sıcaklığı ve zamanın Al-%4Cu alaşımının akma dayanımı üzerindeki etkisi Yaşlandırma sertleştirmesi için dört temel şartın oluşması gerekmektedir. Bunlar; 1. Faz diyagramı azalan sıcaklıkla birlikte azalan katı çözünürlük sergilemek zorundadır, Bir başka değişle, alaşım solvüs eğrisinin üzerine ısıtıldığında tek fazlı bir yapı oluşturmalı, daha sonra soğutulduğunda iki fazlı yapıya dönüşmelidir. 2. Matris nispeten yumuşak ve sünek, çökelti ise sert ve kırılgan olmalıdır. Çoğu yaşlandırılabilir alaşımlarda çökelti sert ve kırılgan metaller arsı bileşiktir. 3. Alaşıma su verilebilmesi zorunludur. Bazı alaşımlara ikinci fazın oluşumunu engellemek için yeterince hızlı su verilemez. 4. Maksimum sertlik ve dayanımı oluşturmak için çökelti matris yapısı ile uyumlu olmak zorundadır. Bundan başka, çökeltinin boyutu, şekli ve dağılımı kontrol edilebilmelidir. 27

28 Aşağıdaki şekilde, yaşlandırma süresine bağlı olarak malzemelerin özelliklerinde meydana gelen değişimler verilmiştir. Buna göre, yaşlanma süresi ile malzemenin mukavemet değerleri artarken süneklik değerleri azalmaktadır. Ancak, aşırı yaşlanma devresi ile beraber bu durum tersine dönmekte ve malzeme eski orijinal özelliklerine geri dönmeye başlamaktadır. Şekil 3.5. Yaşlandırma süresinin malzemelerin özelliklerine etkisi [savaşkan] Yaşlandırma ile mukavemetlendirilmiş Al-%4Cu (duralümin) alaşımı yüksek sıcaklıklarda kullanım için seçilmez. Oda sıcaklığından 500 C ye kadar olan sıcaklık aralığında alaşım aşırı yaşlanır ve dayanımı hızla kaybeder. 500 C nin üzerinde matris içerisinde ikinci faz yeniden çözünür ve dağılım mukavemetlenmesi bile elde edilemez. Genellikle Al gibi yaşlandırma ile mukavemetlendirilen alaşımlar oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda kullanılırlar. Buna karşın, bazı Mg alaşımları dayanımlarını yaklaşık 250 C ye kadar korurlar. Belirli Ni alaşımları ise 1000 C de bile aşırı yaşlanmaya direnç gösteririler. Yaşlandırma ile mukavemet artışı sağlanan alaşımlarda kaynak edilebilme problemi vardır. Çünkü kaynak esnasında kaynağa bitişik metal ısınır. Isıdan etkilenen kısım iki bölge içerir. Esas metale yakın, ısıdan etkilenmiş düşük sıcaklık bölgesi solvüsün hemen altındaki sıcaklıklara maruz kalır. Yüksek sıcaklık bölgesinde ise çözündürme uygulanmıştır. Kaynak uygulaması bu bölgede yaşlandırma etkisini yok eder. Eğer çözündürme uygulanmış bölge çok yavaş soğursa, tane sınırlarında dengeli θ oluşabilir ve kaynak bölgesini kırılganlaştırabilir. 28

29 Şekil 3.6. Ergime kaynağı sırasında yaşlandırma ile sertleştirilmiş alaşımlarda iç yapısal değişimler. (a) Kaynak sırasında oluşan maksimum sıcaklıklar, (b) Maksimum sıcaklıkta kaynak bölgesindeki iç yapı, (c) oda sıcaklığına yavaş soğutulmadan sonra kaynak bölgesinde oluşan mikro yapı. Çökelen parçacıklar küçük ve kafes yapıları matris yapısına uyumlu olduğu zaman çökelme sertleşmesi en etkin düzeye ulaşır. Bunun nedeni şekil değiştirmenin dislokasyonların şekil değiştirme alanları ile etkileşerek itme gerilmeleri oluşturmasıdır. Çevreye uyumlu parçacıklar nispeten daha az sayıda atom bulundurur. Bundan dolayı, ikinci fazın belirli bir toplam miktarı için uyumlu parçacıkların sayısı çok daha yüksek olacaktır. Aynı zamanda bunların sayısı çok olduğu için parçacıklar arası uzaklık da son derece küçük olur. Dislokasyonların çapraz kaymaları veya tırmanmaları sonucu oluşan toparlanma olayı, dislokasyonların bazı ayrışmış parçacıkların etkisinden kurtulmasına da neden olabilir Dispersiyon sertleşmesi Bu mekanizma prensip olarak çökelme sertleşmesinin aşırı yaşlandırılmış durumuna çok benzemekle birlikte, esas olarak ikinci faz parçacıkları yerine makro-partüküllerin matris fazında fiziksel olarak dağıtılmasında ibarettir. Dayanım artışı bu partiküllerin dislokasyon hareketlerini engellemesi ile meydana gelmektedir. Aşağıda, partiküllerin dislokasyon hareketleri önünde oluşturduğu etkiler gösterilmiştir. Uygulanan τ gerilmesi dislokasyonları partiküller arasından geçirmeye çalışmaktadır. Bu bir kuş kafesi içerisinde bir balonu şişirmeye benzer. Balonun çubukların arasından geçerek şişmesi için çok yüksek basınca 29

30 gerek vardır ve balonun herhangi bir kısmı çubuklar arasından geçmiş ise, o kısım kolaylıkla daha fazla şişebilir. Dislokasyonun engellerden kurtulabilmesi (ve yenilerinin meydana gelmesi) için, τ a =(2Gb/L) değerinde bir gerilme malzemeye uygulanmalıdır. Burada, G, kayma modülü, b, Burgers vektörü ve L partiküller arasındaki mesafedir. Partiküllerin oluşturduğu direnç ise, f b =(2Gb 2 /L) değerindedir. Bu denklemden anlaşılabileceği gibi, mukavemetteki en yüksek artış partiküller sert ve birbirlerine çok yakın olduğunda meydana gelir. Şekil 3.7. Çökeltilerin dislokasyon hareketlerini ve malzemenin plastik deformasyonunu engellemeleri. Alaşımın mekanik özellikleri, partiküllerin boyutuna, şekline, hacimsel oranına, dağılımına ve matris fazı ile uyumuna bağlı olarak değişmektedir. Bu tür uygulamalara örnek olarak Al içine karıştırılan Al 2 O 3 (alümina) partikülleri ve Ni içine katılan ThO 2 (Thoria) gösterilebilir. Özellikle partiküllerin yüksek sıcaklıkta dengeli durum gösterenleri (sıcaklıktan kolay etkilenmeyenleri) kullanıldığında yüksek sıcaklıklara dayanıklı metal yapılar elde etmek mümkün olmaktadır. Gerek çökelti ve gerekse parçacıklarla yapılan sertleştirmelerde aşağıdaki faktörler göz önünde bulundurulmalıdır. 30

31 1. Parçacık veya çökeltinin sertliği: Sert veya kesilemeyen parçacık veya çökeltiler dayanımı daha çok artırır. Bu tür çökeltiler dislokasyonların kaymasına çok kuvvetli bir engel olarak davranır. Buna karşın matris alaşımın bütününe en azından biraz süneklik sağlar. 2. Parçacık veya çökeltinin şekli: Küresel tipteki parçacıklar dayanımı en alt düzeyde artırır, disk veya çubuk şeklinde olanların katkısı daha fazladır.öte yandan çökelti parçacıklarının iğnesel ve keskin köşeli olması yerine yuvarlak olması istenir. Çünkü, yuvarlatılmış bir şeklin çatlak başlatma veya çentik olarak davranma ihtimali daha azdır. 3. Parçacık veya çökeltinin büyüklüğü: Küçük parçacıkların yarattığı sertlik büyük boyutta olanlara göre daha fazladır. Dolayısıyla çökelti parçacıkları küçük ve çok sayıda olmalıdır. Küçük çökelti sayısının artması, kayma işlemiyle kesişme ihtimalini artırır. 4. Parçacık veya çökeltinin hacimsel oranı: kritik bir değere kadar artan oranlardaki parçacık ve çökeltiler dayanımı da artırır. 5. Parçacık ve çökeltilerin yapıdaki dağılımı: Eğer bunların yapıdaki dağılımı homojen ise ve birbirleri ile arasındaki mesafeler küçük ise dayanım daha yüksek oranda artar. Sert kırılgan çökeltiler süreksiz olmalıdır. Çökelti sürekli olsaydı çatlaklar yapının her yerine doğru büyüyebilirdi. Fakat kesintili kırılgan çökeltideki çatlakların büyümesi, çökelti-matris arayüzeyinde tutularak önlenir. 31

32 4. DEFORMASYON SERTLEŞTİRMESİ (Deformation hardening, work hardening) Deformasyon sertleşmesi, metallere soğuk deformasyon bölgesinde uygulana plastik deformasyonla sağlanır. Soğuk deformasyon veya soğuk şekil değişimi, en genel olarak metallerin ergime sıcaklığının (Kelvin cinsinden) yarısından daha düşük sıcaklıklarda, ve genellikle de oda sıcaklığında gerçekleştirilir. Bu sıcaklık aralığında yapılan deformasyon işlemi metalik yapıda pekleşmeye (strain hardening) neden olur. Deformasyon sertleşmesi, dislokasyonların birbirleri ile ve dislokasyonların hareketini zorlaştıran çeşitli engellerle etkileşimi sonucunda oluşur. Ayrıca, soğuk deformasyon sırasında yeni dislokasyonların doğması da buna katkıda bulunur. Plastik şekil değişimine uğramamış tavlanmış durumdaki bir metalin iç yapısında dislokasyon yoğunluğu cm/cm 3 mertebesinde olduğu belirlenmiştir. Bu değerlerdeki bir dislokasyon yoğunluğu büyük oranda plastik deformasyon için yeterli değilse de, plastik şekil değiştirdikten sonra kristal içerisindeki dislokasyon yoğunluğu cm/cm 3 mertebelerine yükselmektedir. Bu durum ise plastik deformasyon sırasında dislokasyon doğuran kaynakların varlığını kanıtlamaktadır. Yoğunluğu artan dislokasyonların gerek birbirleriyle ve gerekse başka engeller ile etkileşimi neticesinde pekleşme ve buna bağlı olarak da dayanım artışı meydana gelir. Özellikle ısıl işlemle sertleştirilemeyen metal ve alaşımlar deformasyon sertleşmesi ile sertleştirilirler. Deformasyonu sıcaklığa bağlı olarak sınıflandırılmasında ve soğuk deformasyon aralığının belirlenmesinde bilimsel anlamda benzeş sıcaklık (T b ) (Homologous Temperare) kavramından yararlanılmaktadır. T b = T d / Te [K] 0<Tb <Tb <Tb<1 :Soğuk deformasyon :Ilık deformasyon :Sıcak deformasyon Burada; T b : benzeş sıcaklık, T d : deformasyon sıcaklığı, Te: ergime sıcaklığı Yukarıdaki kritere göre, metalin soğuk şekil değişimine uğraması belirli sıcaklığın altında şekil değiştirmesiyle mümkün olmaktadır. Plastik deformasyon sonucunda malzeme yapısında meydana gelen dislokasyon yoğunluğunun malzemenin mukavemetine etkisi aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir. σ a = σ i + α G b ρ 1/2 Burada; σ a : Akma gerilmesi σ i : Sürtünme gerilmesi G: Kayma elastisite modülü b: Burgers vektörü ρ: dislokasyon yoğunluğu α: Bir sabit (genellikle arasında) Soğuk deformasyon sırasında sarf edilen enerjinin bir kısmı dislokasyon enerjisine çevrilir, bir kısmı ise ısı halinde kaybolur. Böylece enerjinin büyük bir kısmı dislokasyon enerjisi olarak iç yapıda depo edilir. 32