ÇELİKLERDE SERTLESEBİLME KABİLİYETİ

Transkript

1 ÇELİKLERDE SERTLESEBİLME KABİLİYETİ (Hardenabilitv) Çelikte ostenit bölgeden yapılan soğutmalarda soğuma hızı iç yapıyı oluşturan fazları belirlemektedir. Parçaların kalınlaşması durumunda iç kısımlarda ulaşılan soğuma hızları tam martenzitik dönüşümü sağlamada yeterli olmayabilir. Bu durumda, örneğin silindirik bir parçanın orta kısımlarına doğru gidildikçe sertlikte düşmeler söz konusu olabilir. İçte ve dışta önemli sertlik farkı göstermeyen, yani göbeğinin de sertleşebildiği çelikler "SERTLESEBİLME KABİLİYETİ" iyi olarak vasıflandırılır. Bunun olabilmesi için bu tür çeliklerin ZSD diyagramlarında Perlit ve/veya Beynit dönüşüm çizgilerinin sağa kaymış olması gerekmektedir. Örneğin içinde % 0,2 oranında C içeren basit karbonlu ötektoid altı çeliğin burun kısmı sola çok yakın olduğu için en hızlı soğuma hızlarında bile kritik soğuma hızı sağlanamamakta dolayısıyla yapı bir miktar önceki dönüşüm ürünleri olan ferrit/perlit gibi fazları da içermektedir. Bu nedenle istenen sertliklere ulaşılamayabilir ve bu yüzden % 0,25 oranından daha düşük C içeren çelikler su verilerek sertleştirilemezler. C miktarı yeterli olanlarında ise (orta ve yüksek karbonlu çelikler kast edilmektedir) kalın parçalarda göbeğin sertleşememesi sorunu yaşanmaktadır. Ötektoid çeliğin ZSD diyagramı ele alınacak olursa parça yüzeyinde ve içindeki soğuma hızları aşağıdaki gibi gösterilebilir:

2 Bu durumda elde edilen sertlik profili (sertliğin yüzeyden içen doğru nasıl değiştiğini veren grafik) aşağıdaki gibi olur: Bu profil incelendiğinde ortalardaki düşüşü azaltmak amacıyla S eğrilerini (dönüşüm eğrileri) sağa kaydırmak gerekir. Bu ise bazı alaşım elementlerinin (Cr, Mo, V vs) bileşime ilavesiyle gerçekleşir.

3 Diğer bir yöntem soğuma hızını arttırmak olabilir ancak bu durumda çok büyük ısıl gerilmelerin meydana gelmesi, bunların da Su verme Çatlaklarına neden olmaları nedeniyle bu yöntem tercih edilmez. Bu nedenle kalın ve büyük çelik parçalar su verme yoluyla sertleştirilecekse ALAŞIMLI ÇELİKLERİ tercih etmek gerekir. Bu çelikler yeterli C içermeleri koşuluyla Sertleşebilirle Yeteneği iyi olan çelik gurubunu oluştururlar. Çeliklerin sertliklerini belirlemede JOMINY Deneylerinden yararlanılır. Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin dışında diğer metal ve alaşımlara da uygulanan ısıl işlemler mevcuttur. Bunlar: 1. Yumuşatma Tavlaması (Process Annealing) 2. Çökelme (Yaşlandırma) Sertleştirmesi (Precipitation Hardening) 3. Homojenleştirme Tavı (Homogenizing Treatment) 4. Gerilme Giderme Tavı (Stress Relief Treatment) 1 YENİDEN KRİSTALLEŞTİRME TAVI (Process Annealing) Soğuk şekillendirmeyle (pekleşerek) dayanımı ve sertliği arttırılmış metal ve alaşımları yumuşatmak ve şekil değişimi öncesindeki yapısına kavuşturmak amacıyla uygulanan ısıl işlemlerdir. Soğuk bölgede (T b < 0,25) şekillendirilen malzemenin deformasyon sertleşmesi nedeniyle dayanımı artarken sünekliği ve elektrik iletkenliği azalır.

4 Şekil değişimi miktarını belirlemede değişik kriterler uygulanmakla beraber en çok kullanılanı kesit değişimine bağlı olarak belirlenenidir. A 0 = Parçanın ilk kesiti A s = Parçanın şekil değişimi sonrası kesiti Metalin en yumuşak durumda cm 2 sinde yaklaşık 10 6 adet dislokasyon bulunur. Soğuk deformasyonla birlikte dislokasyon üreten mekanizmalar devreye girer ve dislokasyon yoğunluğu yaklaşık olarak mertebelerine ulaşır. Soğuk şekil değişimine devam edilmesi neticesinde mikro çatlaklar oluşur ve hasar meydana gelir. Eğer metalin deformasyon öncesi düşük dislokasyon yoğunluklu yumuşak yapısına dönülmek isteniyorsa (şekil değişiminin yeterli olmadığı ve ileri soğuk şekillendirmelerin gerektiği durumlarda) yumuşatma tavına baş vurulmaktadır. Bu işlem sırasında seçilen tav sıcaklığına bağlı olarak malzeme yapısında farklı değişiklikler meydana gelir. Bu nedenle değişik mekanik/fiziksel özellikler elde edilebilir. a. TOPARLANMA (Recoverv) Düşük tav sıcaklıklarında görülür. Dislokasyon yoğunluğunda önemli bir değişme olmaz, ancak dislokasyon düzeninde (kenar) değişiklik olur. Kenar dilokasyonlar düşük ısıl aktivasyon nedeniyle birbirleri üzerinde yer alan yapı

5 oluştururlar (düşük açılı tanesınırları-poligonizasyon). Yeni düzen elektron hareketlerini rahatlatıcı yönde olduğu için elektrik iletkenliğinde iyileşme gözlenirken diğer özelliklerde bir değişme olmaz. b. YENİDEN KRİSTALLEŞME (RecrystalIisation) Bu aralıkta tav sıcaklığı yeterince yüksektir ve atomsal hareketlilik sağlanmaktadır. Soğuk şekil değiştiren yapının yüksek gerilme bölgelerindeki atomlar hareketlenerek düşük dislokasyon yoğunluklu yeni taneler oluştururlar. Yapının tamamen bu tanelerle kaplanması yeterli süre gerektirir. Bu aralıkta sıcaklık ve/veya süre arttırılırken dayanım azalmakta süneklik de başlangıçtaki değerlerine yaklaşmaktadır. Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı: Soğuk şekil değiştirmiş bir metal yapısının en az yarısını 1 saat içinde yeniden kristalleştirebilen sıcaklık olarak tanımlanmaktadır. Sıcaklığın yüksek seçilmesi durumunda yeniden kristalleşme daha kısa sürede gerçekleşir. Soğuk şekil değişimi miktarı yeniden kristalleşme tav sıcaklığı üzerinde önemli rol oynar. Uygulanan büyük şekil değişimleri yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürmektedir. Bu ise yeniden kristalleşme için aşılması gereken enerji seviyesinin önemli bir bölümünün depolanan mekanik enerji tarafından sağlanması neticesinde oluşur. Dolayısıyla ısıl enerji katkısı düşer ve daha düşük sıcaklıklar yeniden kristalleşme için yeterli olur. Ancak yeniden kristalleşmenin gerçekleşebilmesi için Eşik miktarda soğuk deformasyonun malzemeye uygulanmış olması gerekir (yaklaşık %5-10 mertebelerinde). c) TANE İRİLEŞMESİ (Grain Growth) Daha yüksek sıcaklıklarda görülür ve bu sıcaklıklarda atom hareketliliği çok artar. Küçük taneler konveks tane sınırlarına sahip olduklarından atomları daha

6 yüksek enerjilidir. Isıl aktivasyonun yeterli olması durumunda bunlar atomlarını büyük tanelere vererek rahatlamaya çalışırlar. Sonuçta küçük taneler kaybolurken atom alan büyük taneler irileşmeye devam ederler. İri taneli yapılar bazı yüksek sıcaklık uygulamaları dışında istenmez. Bunun nedeni kırılgan olmaları, düşük dayanımlı olmaları ve soğuk şekil değişimi sırasında yüzeylerinde istenmeyen belirgin izler bırakmalarıdır. 2. YASLANDIRMA (ÇÖKELTME) SERTLEŞTİRMESİ Bilindiği gibi yapıda sert ikinci faz oluşması durumunda dayanım artmaktadır. Bu alaşım sertleşmesinin bir kademesidir. Ancak ikinci faz, dengeli dönüşüm sırasında (yayınmalı durumda) tane sınırlarında (özellikle üçlü tane sınırlarında) ve iri boyutlarda oluşmaktadır. Çökelme sertleşmesi ikinci fazın bu şekildeki dağılımını değiştirerek dayanım üzerinde daha etkin bir rol oynaması amacıyla uygulanır. Özellikle ikinci fazın diğer matris fazın içinde ince ve sık olarak dağılması amaçlanır. İşlemde şu aşamalardan geçilir:

7 i. Çözündürme İşlemi (Solution Treatment): Bu işlem ile ikinci ve sert faz tamamen yok edilmektedir. Bunu sağlamak için çözündürme sıcaklığının biraz üzerindeki bir sıcaklığa çıkılır (T ç ) ve yeterli süreyle burada tutulur. Burada yapı tek a fazından ibarettir. ii. Hızlı Soğutma (suverme) İşlemi (Quenchinq): Bu işlemde malzeme oda sıcaklığına ani olarak (örneğin suda) soğutularak kararlı p fazının oluşması önlenir. Ancak bu durumda elde edilen aşırı doymuş (supersaturated) yapı yarı kararlı davranış gösterir. Diğer bir deyişle şartların uygun olması (örneğin yeterli ısıl aktivasyon) durumunda daha kararlı yani enerji düzeyi daha alt seviyede olan yapıları oluşturma eğilimi taşır. İç yapı önceki durumla aynıdır. iii. Yaslandırma (Çökeltme) İşlemi (Aaina Treatment): Asırı doymuş yapıyı çözündürme sıcaklıklarından daha düşük sıcaklıklarda tavlama işlemidir. Aşırı doymuş matriste bulunan B atomları bazı A atomlarıyla birlikte kenar dislokasyonlarının altındaki boşluklara yerleşerek buralarda GP Bölgelerini (Guinier Preston Zones) oluştururlar. Buralarda oluşan etki nedeniyle dislokasyonların gerilme altındaki hareketleri zorlaşır ve bu nedenle malzeme dayanımında bir miktar artış meydana gelir.

8 yaşlandırma işlemi sürdürüldüğünde GP bölgelerindeki atomlar bir düzene girerek bağdaşık çökeltilerini oluşturmaya başlarlar. Bağdaşık çökeltilerin en önemli özelliği matrisin kafesi ile beraber davranmalarıdır. Yani bağdaşık çökeltiler matris ile uyumsuzlukları ölçüsünde matrisin kafesini gererler ve çarpıtarak dayanım artışına neden olurlar. Burada alaşım en yüksek sertliğe ulaşır. Yaşlandırma işleminin sürdürülmesi durumunda " parçacıkları büyür ve a matrisiyle bağdaşıklıkları biter. Bu durumda kafes gerilmeleri azalır

9 ayrıca ikinci faz parçacıkları irileştiği için sertleşme etkisi azalır. Buna aşırı yaşlandırma (overaging) adı verilir. Bu çok daha kararlı bir yapı ortaya koymaktadır. Aşırı yaşlandırma çok uzun süreyle uygulanacak olursa başlangıçtaki (Denge Faz diyagramındaki) mikroyapıya ulaşılabilir. Bu ısıl işle özellikle bazı Alüminyum, magnezyum ve titanyum alaşımlarına uygulanmaktadır. 3. HOMOJENLESTİRME ISIL İŞLEMİ Döküm sırasında katılaşma sonrasında tane içinde kimyasal bileşim farklılıkları oluşabilir. Bu özellikle hızlı soğumalar sonrasında kendini gösterir. Bu bazı malzeme özellikleri açısından olumsuz durum yaratır. Bu amaçla malzeme katılaşma sıcaklığının altındaki bir sıcaklığın altında uzun süreyle tavlanır. Yayınma mekanizması yardımıyla yapıdaki kimyasal bileşim homojen hale getirilir. 4. GERİLME GİDERME TAVI Bazı üretim işlemleri sonrasında (kaynak, döküm, kısmi plastik şekil verme gibi) iç yapıda artık gerilmeler oluşur. Bunlar bazı mekanik özellikleri (yorulma gibi) kötü yönde etkiliyebilir. Bunu azaltmak için bu işleme başvurulur. Al için 400 C, Fe için 550 C mertebelerinde yapılan bu işlemde elastik artık gerilmeler plastik şekil değişimine neden olur (sıcaklıkla malzemenin akma dayanımı düştüğünden). Bunun neticesinde artık gerilmelerin seviyesi azalır.