FAZLAR ve DEMİR-SEMENTİT DİYAGRAMI TTT DİYAGRAMLARI ÇELİK ISIL İŞLEMLERİ KASIM 2011

Transkript

1 FAZLAR ve DEMİR-SEMENTİT DİYAGRAMI TTT DİYAGRAMLARI ÇELİK ISIL İŞLEMLERİ KASIM 2011

2 Faz kavramı Kristal yapılı malzemelerin iç yapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere faz (phase) adı verilir. Fazlar; bu atom düzenlerinden ve toplam iç yapıda bu fazların oluşturdukları tanelerden meydana gelir.

3 Katı çözelti Sıvı çözeltide olduğu gibi, katı durumda da bir elementin atomları diğer bir elementin kafes yapısı içerisinde uygun bir yer bulup yerleşmesi ile katı çözelti meydana gelir. Uygun yerler arayer veya yeralan (ikame) olabilir. Hume-rothery kuralı gerçekleşmişse tam ve sınırsız bir çözünme (karışma) sağlanabilir. Çözeltinin tanımı: İki farklı atomun veya molekülün atomsal veya moleküler düzeyde karışımına ÇÖZELTİ adı verilir. Bu karışım sıvı haldeyse sıvı çözelti, katı haldeyse katı çözelti adını alır. Bir elemente diğer bir element karıştırılacak olursa, daima toplam iç enerji mimimum olacak şekilde yeni atom düzenleri meydana gelir.

4 (a) Suyun 3 hali; gaz, sıvı, ve katı. Herbiri bir fazdır. (b) Su ve alkol; tam çözünme. (c) Tuz ve su; sınırlı çözünme. (d) Su ve yağ; Hiç çözünmeme.

5 (a)sıvı Cu ve Ni, tam çözünür. (b)katı Cu ve Ni kristal yapıda rastgele yerlere yerleşmek suretiyle tam katı çözelti oluşturur. Katı Çözelti 2.Faz (c)cu ve Zn alaşımları sınırlı çözünmeden dolayı % 30 dan fazla Zn çözemez, ikinci faz bölgeleri oluşturur.

6 Faz kavramı sadece fiziksel durum (maddenin sıvı, katı veya gaz hali) ile ilişkili değildir.örneğin metal alaşımlarında aynı anda birden fazla katı faz yanyana bulunur. Bileşenin tanımı: Bir alaşımı oluşturan kimyasal elementlere o alaşımın bileşenleri adı verilir. Bir faz içindeki elementleri derişikliği genellikle ağırlık yüzdesi olarak verilir. Saf metaller tek fazlıdır, iç yapıları çok taneli olsa bile, taneler farklı olmadığından ayrı faz sayılmaz.çeliklerde karakteristik bir yapı olan perlit ise ferrit ve sementit adı verilen iki ayrı fazın lamelli (levhalı) bir şekilde dizilmesiyle oluşur.

7 Saf molibden taneleri Ferrit Sementit Saf molibdenin çok kristalli(taneli) yapısı.tek fazlı yapı.her tane yönlenme farkı dışında birbiriyle özdeştir. Demir-Karbon alaşımının(çelik) yapısı.iki fazlı yapı.fazlar:ferrit (Beyaz alanlar) ve sementit (Parmak izi görünümlü, gerçekte levha şeklinde)

8

9 Faz diyagramları Kimyasal bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak belirli şartlarda hangi fazların stabil olduğu faz diyagramları ile belirlenir.

10 Tek bileşenli sistemlerde faz diyagramı doğal olarak sıcaklık ve basınç değişkenlerinin yer aldığı faz diyagramında çizilir. Örneğin saf suda faz diyagramı aşağıdaki gibidir.bu diyagramda, sıcaklık ve basınca bağlı olarak faz değişimleri görülmektedir. Sıcaklık Gaz Buhar Sıvı Su Katı Buz Basınç(Log skala)

11 Benzer şekilde saf demire ait faz diyagramı da aşağıda verilmiştir.burada α, γ ve δ fazları katıdır ve bunların kristal kafes yapıları sırasıyla HMK, YMK ve HMK dir. Sıcaklık Gaz Sıvı Sıvı Katı Basınç(Log skala)

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

13 Faz(Denge) diyagramları 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.

14 Faz diyagramının soğuma eğrilerinden elde edilişi (Cu-Ni sistemi) Katı çözeltiler, malzeme biliminde α, β, γ gibi Yunan harfleriyle adlandırılır.

15 Gibbs Faz kuralı Bir sistemde bileşen ve faz sayısının belirli olması durumunda serbest değişken olup olmadığını belirlemede kullanılan bir kuraldır. Basıncın değişken bir parametre olması durumu F + S = B + 2 ygulamada genelde atmosfer basıncında çalışıldığından, ve bu nedenle basınç sabit lduğundan durum büyüklüklerinden biri sabit olur (Basınç). Bu durumda Gibbs kuralı Basıncın sabit olması durumu (en çok kullanılan bağıntı) Faz sayısı F + S = B + 1 Serbest değişken sayısı Bileşen sayısı

16 Serbestlik derecesi tanımı: Fazların sayısı aynı kalmak koşuluyla,birbirinden bağımsız olarak değiştirilebilecek durum büyüklüklerinin (Sıcaklık,basınç ve bileşim) sayısıdır. Gibbs in faz kuralı Dengede olan çok fazlı bir madde için faz kuralı aşağıdaki gibi verilir: F+S =B+2 B=Bileşen sayısı S= Serbestlik derecesi F= Faz sayısı

17 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.

18 Sıcaklık Gaz F + S = B + 2 (GİBBS Faz Kuralı-Kanunu) F:Faz Sayısı S: Serbestlik Derecesi B:Bileşen sayısı 2: Sıcaklık ve Basınç Değişken Buhar Sıvı Su Katı Buz Basınç(Log skala) SUyun Faz Diyagramı

19

20 Erime noktasında Gibbs kuralı Diagramda saf element için erime noktasındaki (T A ) durum: F = 2 (sıvı ve olarak 2 faz) B = 1 (Tek bileşen A) S =1-2+1=0 T TA nın soğuması Sıvının soğuması Katılaşma aralığı t Basınç sabit, kimyasal bileşimde değişmediği için tek değişken olan sıcaklıktır. Ancak bu da erime/katılaşma boyunca sıcaklık sabittirserbest değişken bulunmaz

21 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)

22 Sıcaklık İki bileşenli diyagramlara ait örnekler a)katı durumda tam çözünürlük Sıvı (Çözelti) Likidüs B nin erime noktası A nın erime noktası Solidüs Katı çözelti Bileşim( Ağırlık %)

23 T, Sıcaklık T T A Likidüs çizgisi Sıvı S + (katı) T B Kimyasal bileşim: Kompozisyon Solidüs çizgisi T1 T2 T3 Sıvı (katı) S + Xs X1 X X 1 kompozisyonuna sahip alaşım: T1 de: S T2 de: S+ T3 de: fazlarına sahiptir.

24 -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.

25

26 -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.

27 -Bu nedenle saf metallerin soğuma sırasındaki katılaşma sahanlığı yatay bir doğrudur. -Buna karşılık alaşımlarda,(b=2) faz kuralı F+S= B = 3 olur. İki fazlı bölgede (katı çözelti +sıvı çözelti) F=2 olup,serbestlik derecesi S= 1 çıkar.yani alaşımın bileşimi ya da alaşımın sıcaklığı durum büyüklüklerinden birini serbestçe değiştirdiğimiz halde iki faz denge halinde sistemde mevcut olabilir.bu durumda verilmiş bir bileşimdeki, alaşımda belirli aralıkta sıcaklık değişse bile iki fazı denge halinde muhafaza etmek mümkündür. -Soğuma eğrilerindeki katılaşma sahanlığı bu nedenle eğiktir.

28 Arafazlar ve Metallerarası bileşikler Faz diyagramlarının birden fazla reaksiyon içermeleri durumunda görülür. Arafazın tekbir kimyasal bileşik olması durumunda metaller arası fazlar söz konusudur. Metaller arası fazlar çok sert ve gevrek malzemelerdir. Arafazlar Metallerarası bileşikler

29 Verilmiş bir bileşimdeki alaşımn İki fazlı bölgesindeki her bir fazın verilen sıcaklıktaki bileşimlerinin hesabı DİKKAT:Tek fazlı bölgede fazın bileşimi alaşımın bileşimine eşittir.ancak gözönüne alınan bölgede faz sayısı birden fazla ise, her bir fazın bileşimi hem birbirlerinden hem de alaşımın bileşiminden farklıdır. L nin T1 deki bileşimi Hal noktası İki fazlı bölge (Beyaz bölge) Alaşımın sıcaklığı Bağ çizgisi SS nin T1 deki bileşimi Alaşımın bileşimi

30 Tam Çözünme Belirli bir bileşimdeki alaşımın(sistem) sıvı halden itibaren soğuması sırasındaki içyapıları Sıcaklık S, Sıvı T B Sıvı Tamamen sıvı faz Sıvı % 90 Sıvı + % 10 T A S+, Katı % 60 Sıvı + % 40 % 10 Sıvı + % 90 %B X Tamamen katı faz. : %x oranında B elementi içerir.

31

32

33

34 REAKSİYONLAR Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid

35 Ötektik Yapı Ötektik reaksiyon; sıvı fazın ani olarak iki ayrı katı faza dönüşmesi reaksiyonudur. Ötektik reaksiyon: Soğuma Sıvı (Katı) + (Katı) Ötektik nokta Ötektik noktadan uzaklaştıkça, ötektik reaksiyon, dönüşüm öncesi varolan sıvı faz kadar gerçekleşir. Ötektik Sıcaklık

36 Katılaşma sırasında çekirdeklenme bir çok noktadan başlar, Bu çekirdekler tabaka şeklinde büürler Birbirlerine temas etmeleri ile ince ve tabakalı yapı meydana gelir, Çekirdeklenme ne kadar çok noktadan meydana gelmişse yapı o kadar ince tabakalı (veya küçük taneli) olacaktır. A kristal taneleri (Açık renk) B kristal taneleri (Koyu renk) S ö = B F + 1 = = 0

37 Ötektik reaksiyon ile oluşan katı faz. Lamelli (tabakalar şeklinde paketlenmiş) Nodüler (matris faz içerisinde küresel diğer fazın bulunması) Lamelli yapıda iki katı faz birbiri üzerine paketlenmiş tabakalar şeklindedir. Her bir tabaka bir tanedir. 1 Lamelli Yapı 2 Nodular Yapı

38 Hiç Çözünmeme Ötektik Sıcaklık T A 1 2 A+S S A+B S+B %B X 1 X X 3 2 Ötektik Bileşim T B 1.Alaşım (Ötektik Altı) Alaşım 3.Alaşım Ötektik Üstü Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı A Sıvı A Proötektik A 2 3 Ötektik Yapı Ötektik A Ötektik B Sıvı B A Kristalleri (Açık renk) B Kristalleri (Koyu renk) Ötektik A Ötektik B Proötektik B Ötektik A Ötektik B

39 Sıcaklık b)tam Çözünmezlik durumunda ötektik reaksiyon A ve B atomlarına ait kafeslerin birbirlerini kafeslerine almadığı durum görülmektedir (Tam çözünmezlik). Ötektik:Düşük sıcaklıkta eriyen anlamına gelir. Ötektik noktada: F+S = B+1 F=3 B=2 S=0 çıkar. Ötektik sıcaklık Ötektik nokta Her iki katı fazın birarada oluşması nedeniyle ötektik İçyapılar sıkı istiflenmiş İçyapılardır. Ya lamel şeklinde ya da kürecik şeklinde oluşurlar. Mekanik özellikleri İyidir. Ötektik reaksiyon Sıvı(L) A + B Ötektik bileşimdeki sıvı, ötektik sıcaklıkta iki katı faza dönüşür. Ötektik Bileşim Bileşim

40 Malzeme bileşimi ötektik bileşimden farklı ise,katılaşma(kristalleşme) sabit sıcaklıkta değil, belirli bir sıcaklık aralığında olur.ötektik sıcaklığa inildiğinde yapıda bir miktar sıvı mevcuttur.artan bu sıvı ötektik bileşime sahip olduğundan, ötektik sıcaklıkta iki ayrı katı faza ayrışarak ötektik yapıda katılaşır. Sıcaklık L Sıvı :Ötektik bileşimde L öt A L 1 matrisi İçinde A kristalleri L+A L +B L 2 matrisi içinde B kristalleri B L öt A+B Ötektik yapı: İnce A ve B lamellerinin oluşturduğu içyapı Bileşim

41 Sınırlı Çözünme c) Sınırlı çözünürlük durumunda ötektik reaksiyon Alaşım sistemlerinin çoğunda görülür. B elementi A nın içerisinde sınırlı olarak çözünebilir. Oda sıcaklığında X 1 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X 2 kadar çözünebilir. Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar.

42 fazı: Katı Çözelti Çözeltiye giremeyen yabancı atomlar kendilerinin çoğunlukta olduğu yeni atom düzeni (faz) oluştururlar. A nın çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur, B nin çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur. Fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki katı faz ve aynı yapıda birarada bulunabilir. fazı: 2.Faz ve Katı çözelti

43

44 Faz diyagramları: Sınırlı Çözünme I II III IV T A T ö I II III IV S 1 S+ 3 2 S TB X 1 X 2 4 X 3 3 X ö + %B Ötektik Ötektik öncesi Ötektik ( dan ayrışan) Ötektik öncesi

45 Ötektik Bileşim Ötektik altı bileşim (hypo) X ö Ötektik üstü bileşim (hyper)

46 Aynı şekilde A elementi B içerisinde sınırlı miktarda çözünebilir. Oda sıcaklığında X 3 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X 4 kadar çözünebilir. (Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar).

47 DİKKAT: alaşım düşeyi ötektik yatayını kesmiyorsa, ötektik reaksiyon meydana gelmez, kesiyorsa gelir. Ötektik reaksiyon oluşmaz Ötektik Reaksiyon oluşur Birincil α kristalleri Sıcaklık Sıvı L öt 1 matrisi çinde α 3 ristalleri L öt Birincil β kristalleri ok taneli α 1 atı çözeltisi L +α L +β Bileşim α+β L 2 matrisi içinde β 1 kristalleri α 2 ve β 2 kristallerinin oluşturduğu ince lamelli Ötektik yapı

48 Teknik bakımdan önemli ötektik diyagramlar Kurşun-Kalay ötektik faz diyagramı Kalay atomsal yüzdesi Kalay ağırlık yüzdesi Yumuşak lehim alaşımı 183 o C da eriyen % 61,9 Sn-%38,1 Pb alaşımıdır.

49 Basınçlı Al-Si alaşımı dökümü Erime sıcaklığı: 577 o C Aluminyum -silisyum ötektik faz diyagramı

50 Ötektik faz diyagramında mukavemet değişimi

51 Ötektoid Reaksiyon Soğuma sırasında bir katı fazdan iki ayrı katı fazın oluşması reaksiyonudur. Ötektoid reaksiyon: (Katı) Soğuma (Katı) + (Katı)

52 T ötektik T A +S S S+ T B T ötektoid X ötektoid %B X ötektik

53 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

54 Ötektoid reaksiyonla faz dönüşümleri Sıcaklık Sıvı(L) S β + γ Çok taneli katı Çözelti, γ ötek β 1 matrisi içinde ince taneli γ 2 küreciklerinden oluşan ötektik içyapı α 1 ve β 2 kristallerinin oluşturduğu ince tabakalı ötektoid içyapı γ α + β Alaşım düşeyi Bileşim

55 Peritektik ve Peritektoid Reaksiyon Kısmi çözünürlük gösteren alaşım sistemlerinde elementlerin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması durumunda meydana gelen faz reaksiyonlarıdır. Peritektik reaksiyon: Soğuma Sıvı + (Katı) (Katı) Peritektoid reaksiyon: Soğuma (Katı) + (Katı) (Katı)

56 Peritektik reaksiyon: Sıvı + (Katı) Soğuma (Katı) Peritektoid reaksiyon: Soğuma (Katı) + (Katı) (Katı)

57 d)peritektik reaksiyona ait faz diyagramı Biri sıvı diğeri katı olan iki faz sabit sıcaklıkta reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştururlar. δ + S γ S+δ δ δ+γ Sıvı çözelti S +γ γ Xp Fe-C faz diyagramında peritektik sistem

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

59 Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid

60 ÖNEMLİ BAZI İKİLİ FAZ DİYAGRAMLARI

61 Kurşun-Kalay ötektik faz diyagramında içyapılar

62 Cu : YMK Zn : SDH Bakır-Çinko faz diyagramı(pirinçler) Ara fazlara(tek fazlı bölgeler) örnek

63 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Örnek Aşağıda verilen faz diyagramında bulunan 3 adet farklı faz reaksiyonlarını tespit ediniz o C, 920 o C, 750 o C, 450 o C ve 300 o C lerde yatay çizgiler vardır 1150 o C: δ + L γ, peritektik 920 o C: L 1 γ + L 2 a monotektik 750 o C: L γ + β, a ötektik 450 o C: γ α + β, a ötektoid 300 o C: α + β μ or a peritektoid

64

65 Terazi (Kaldıraç) Kuralı Faz diagramları: Hangi sıcaklık ve bileşimde hangi fazlar var? Bu fazların bileşimi nedir? Faz diagramında, fazların oranlarını ve bileşimlerini bulmak için terazi kuralı (lever rule) kullanılır.

66 x-a b-x S S+ x bileşiminin T sıcaklığında bileşim oranları: T S% % b b x b x a a a a x b S% % 100%

67 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?

68 1) Sözkonusu noktada iki faz mevcuttur : α + β Alaşım düşeyi Alaşımın Sıcaklığı X Y Z X-Z :Bağ çizgisi Mesnet

69 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

70 TERAZİ (KALDIRAÇ) KURALI İLE İLGİLİ DAHA GENİŞ AÇIKLAMA ve UYGULAMA ÖRNEKLERİ

71 Örnek Cu-40% Ni alaşımı için aşağıdaki sıcaklıklarda serbestlik derecelerini bulunuz (a) 1300 o C, (b) 1250 o C, and (c) 1200 o C. Cu - Ni faz diyagramlarında Basınç sabit olduğu için eşitlik: (1 + B = S + F) olur. (a) 1300 o C, F=1 (Sadece sıvı faz), B=2 (Cu ve Ni) Böylece; 1 + B = S + F = S + 1 S = 2

72 (b) 1250 o C, İki faz mevcut; P = 2, (Sıvı ve katı) Cu ve Ni den dolayı; C = 2: 1 + B = S + F = S + 2 S = 1 (c) 1200 o C, F = 1, sadece katı faz; B = 2, (Cu ve Ni). 1 + B = S + F = S + 1 S = 2

73 Örnek Cu-40% Ni faz diyagramında aşağıdaki sıcaklıklarda kompozisyonları bulunuz; (a) 1300 o C, (b)1270 o C, (c)1250 o C, (d)1200 o C. 40% Ni kompozisyonunda dikey çizgi çizilir; o C: Sadece sıvı faz mevcut o C: 2 Faz mevcut: Sıvı ve katı. Sıvı (S) faz 37% Ni, Katı ( ) faz 50% Ni konsantrasyonuna sahip.

74 -1250 o C: İki faz mevcut. Sıvıda (L) 32% Ni, katıda( ) 45% Ni mevcut o C: Sadece katı ( ) mevcut; 40% Ni konsantrasyonuna sahiptir.

75 100 gr ağırlığına sahip Cu-40% Ni alaşımı, 1250 o C de (a) hangi fazlara sahiptir (b) bu fazlarda ağırlığı nedir?

76 Sadece 2 faz mevcuttur: Sıvı faz (L) v katı faz ( ). x ; nın oranı olacak olursa; x L = 1 - x. Sıvının oranı x = (40-32)/(45-32) = 8/13 = 0.62 = % 62 x L = 1-x = = 0.38= % 38 fazının ağırlığı; 100 gr x 0.62 = 62 gr Sıvının ağırlığı; 100 gr x 0.38 = 38 gr.

77 Örnek Cu-40% Ni alaşımı için aşağıdaki sıcaklıklarda faz oranlarını saptayınız (a) 1300 o C, (b) 1270 o C, (c) 1250 o C, (d) 1200 o C. 1300o C: 100%L 1270o C: %L % %α %

78 1250oC: %L % 38% 62% oC: 100%

79 Örnek1 100 gr Pb-%10 Sn alaşımı için; (a)100 o C de Sn nin Pb içerisinde max çözünürlüğünü bulunuz, (b) Pb nin Sn içerisinde max çözünürlüğünü bulunuz, (c) 0 o C de ve faz miktarlarını bulunuz, (d) α ve β fazları içerisinde Sn miktarını ağırlık olarak bulunuz, (e) α ve β fazları içerisinde Pb miktarını ağırlık olarak bulunuz.

80 (a) 100 o C (Sn) nin (Pb) içerisinde çözünürlüğü % 5. (b) Pb nin Sn içerisinde max çözünürlüğünü ötektik sıcaklık olan 183 o C de gerçekleşir: Bu değer % T ötektik :183 o C 97.5% Sn 2.5% Pb 5%

81 (c) 0 o C de, α + β bölgesinde terazi kuralını uygularsak: 2% Sn a b

82 % β a 8.2% a x100 b % α % 8.2

83 2% Sn

84 (d) M (Sn) = 2% Sn 91.8 g (α) = g = g. M (Sn) = ( ) g = g. (e) M (Pb) = 98% Sn 91.8 g (α) = g = g M (Pb) = = g.

85 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

86 Örnek2 Pb-Sn alaşımına ait faz diyagramı verilmektedir. Ötektik kompozisyonda faz miktarlarını hesap ediniz. (b) Fazların ağırlık miktarlarını bulunuz. (c) 200 gr ötektik alaşım için her fazda bulunan Pb ve Sn miktarlarını bulunuz.

87 (a) Ötektik alaşım Pb - % 61.9 Sn kompozisyonunda olacaktır. Bu kompozisyon için ötektik sıcaklıkta terazi kuralını uygularsak: a b % Sn 2.5% Pb

88 a b :(Pb 19% Sn) % b x a b 97.5 :(Pb 97.5% Sn) % a x a b % 54.65%

89 (b) Ötektik sıcaklığın hemen altında: M(α)= M(alaşım) % = 200 g = 90.7 g M(β)= M(alaşım) M( ) = g g = g (c) M (Sn) α = M( ) % Sn(α) = 90.7g x 0.19 = g M (Pb) = M( ) M(Sn) = 90.7 g g = g M (Pb) β = M( ) % Pb(β) = g ( ) = 2.73 g M (Sn) β = M( ) M(Pb) = g g = g

90 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

91 DEMİR/KARBON veya DEMİR/SEMENTİT DİYAGRAMI

92 Fe/C ve Fe/Fe 3 C Faz diyagramı

93 Demir-Karbon faz diyagramı Diyagramın ötektik reaksiyon bölgesi

94 Fe-Fe3C sistemi Demir-Karbon alaşımları mühendislikte yaygın olarak kullanılan çelik ve dökme demir malzemelrin esasını teşkil eder. %2 nin altında karbon içeren malzemeler çelik, üstünde ise dökme demir olarak adlandırılır. Çeliklerin içyapısındaki karbon, teknikte geçerli olan soğuma hızlarında ayrı bir faz olarak değil,demir karbür (sementit) içinde bulunur. Bu nedenle yukardaki diyagram Fe-Fe3C diyagramı olarak verilmiştir. A3 Çelikler Dökme demirler A1 sıcaklığı

95 Demir Sementit Faz diyagramı Sementit; demir karbon faz diyagramında metallerarası bir bileşiktir. Pratikte Fe-C diagramında sementite kadar olan bölge önemlidir. Sementit; % 6.67 C konsantrasyonuna sahiptir. Atom ağrılıkları dikkate alındığında; Fe:56, C:12. % C(sementit) C 3xFe C 3x

96 Çelik için önemli sıcaklıklar A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769 o C). Bu sıcaklıkta manyetiklik kaybolur. A3 sıcaklığı: Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir) Acm sıcaklığı: Ötektoid üstü çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir)

97 A 3 A cm + A 1 +Fe 3 C +Fe 3 C

98 Perlit Ledeburit Demir Sementit Faz diyagramı +S (ostenit) +S S 1148 o C T ötektik Sementit : Fe 3 C Ferrit : Perlit : + Fe 3 C Ostenit: Delta demir: Ledeburit. T ötektoid Çelik %C: ağırlık olarak Dökme demir

99

100 Çelik ve Dökme demir Çelik (steel): %2 ye kadar C içeren demir alaşımına verilen isimdir. Dökme Demir (cast iron) : %2 oranından daha fazla C içeren demir esaslı malzemelere verilen isimdir. Pratikte C oranı en fazla % 4.3 kadar olur.

101 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.

102 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.

103 Çelik Perlit: Ötektoit reaksiyon sonrası -Fe ve Fe 3 C tarafından oluşturulan özel yapıya verilen isimdir. Ötektoit yapı hakkında daha ayrıntılı bilgi geçen derste verilmişti. C miktarı % 0.8 iken (ötektoit çelik) %100 perlitik yapı elde edilir. C miktarı sıfıra doğru azaldıkça, perlit azalır, ferrit ( -Fe) artar. C miktarı %0.8 in üzerinde arttıkça, perlit miktarı azalır, sementit miktarı artar. (ferrit) taneleri (Açık renk) Sementit taneleri (Koyu renk)

104 Ötektoid altı ve Ötektoid üstü Çeliklerde Ötektoid reaksiyon

105 Perlit I II III I II III Fe 3 C Sementit Otektoit Bileşim Perlit Perlit

106 Ötektoid altı çeliğin içyapısı

107 %100 Perlit + γ +Fe 3 C + Perlit Perlit +Fe 3 C Otektoit Bileşim

108 Ötektoid çeliğin içyapısı

109 Ötektoid üstü çeliğin içyapısı

110 İçinde %1,1 C bulunan çeliğin içyapısı nasıl saptanacak? Acm A3 A1

111 Ötektoid üstü çeliğin içyapısı Perlit (Ferrit +2. sementit lamelli yapı) Sürekli sementit ağı Birinci(Primer) sementit

112

113 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. Yavaş soğuma: Kır dökme demir (ferritik, ferritik/perlitik, perlitik). Temper dökme demir: BDDin tavlanması ile. Küresel dökme demir: Mg, Ce gibi grafiti küreselleştiren alaşım elementleri katılması ile.

114 Dönüşmüş Ledeburit Ledeburit +S 1 2 Beyaz DD Ötektik reaksiyonda: Sıvı ledeburit iç yapı ( +Fe 3 C) S S+Fe 3 C Hızlı soğuma sonrası: Beyaz dökme demir oluşur. BDD: sementitin baskın olduğu sert ve gevrek bir yapıya sahiptir. 1 Sıvı 3 +Fe 3 C 2 +Fe 3 C 4 3 Ötektik öncesi Ötektik Ötektik Fe 3 C Dökme demir Ötektoit Perlit 4 Ötektik Fe 3 C

115 Beyaz Dökme demirin yapısı (Demir-Fe3C sistemi)

116 Kır dökme demir Sıvı fazdan çok yavaş soğuma ile karbon difüzyonla biraraya toplanarak lamelli bir yapı oluşturur. Soğuma hızı çok yavaş ise Ferritik DD. Biraz daha hızlı olması durumunda Ferritik-perlitik DD. Daha hızlı olması durumunda Perlitik DD. oluşur. Perlit oranı arttıkça dayanım artar. Tüm durumlarda süneklik çok kötüdür. Lamelli yapıda keskin uçların oluşturduğu çentik etkisi nedeniyle mekanik özellikler çok kötüdür. Grafit Lameller Ferritik DD Perlitik DD Ferritik-Perlitik DD Perlit Artan Soğuma Hızı

117 Grafitin dayanımı Demirin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır. Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır. Dolayısı ile kır DD ler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Lameller

118 Kır Dökme demirin yapısı(fe-karbon sistemi)

119 Temper Dökme Demir (TDD) Temper DD: Hızlı soğuma ile elde edilen Beyaz dökme demir yaklaşık 950 o C de uzun süre (48 saat) tavlanır ve sementit yapı içerisindeki kararsız karbon bir araya toplanarak temper grafiti denilen topak halinde yapılar meydana getirir. Bu yapıda süneklik %10 a kadar artabilir. Soğuma hızına göre Ferritik TDD, Ferritik-perlitik TDD ve Perlitik TDD şeklinde 3 farklı TDD elde edilebilir. Temper grafiti Ferritik TDD Perlitik TDD Ferritik-Perlitik TDD Artan Soğuma Hızı Perlit

120 Temper ve Küresel grafitli DD Lamellerin mekanik özelliklere olumsuz etkisini ortadan kaldırmak amacıyla grafitlerdeki keskin kenarlar ortadan kaldırmak amacıyla bazı işlemlere tabi tutulur. Demirin dayanımı yanında grafitinki ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Dolayısıyla grafit bölgeler daha çok iç boşluk gibi davranır. Birde lamellerin köşelerindeki keskin kenarların oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır. Dolayısı ile DD ler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz.

121 Ferritik TDD Temper grafiti Perlitik TDD Ferritik-Perlitik TDD Artan Soğuma Hızı Perlit

122 Küresel Dökme Demir (KDD) Eriyik DD içerisine Mg ve Sb gibi grafitleri küreselleştiren alaşım elementleri katılır. Bu şekilde oluşan grafitler küresel şekillidir ve süneklik %20 lere kadar artar. Soğuma hızına göre Ferritik KDD, Ferritik-perlitik KDD ve Perlitik KDD şeklinde 3 farklı KDD elde edilebilir. Küresel grafit Perlitik KDD Ferritik KDD Ferritik-Perlitik KDD Perlit Artan Soğuma Hızı

123

124 Uygulama (a) White cast iron prior to heat treatment. (b) Ferritic malleable iron with graphite nodules and small MnS inclusions. (c) Pearlitic malleable iron drawn to produce a tempered martensite matrix. (d) Annealed ferritic ductile (nodular) iron. (e) As-cast ferritic-pearlitic ductile iron. (f) Normalized pearlitic ductile iron.

125 FAZ KİNETİĞİ VE ISIL İŞLEMLER

126 Isıl işlemler: Faz Dönüşümleri Şu ana kadar yavaş soğuma hızlarında elde edilebilecek 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 özelliklerini ayarlamak amacıyla yapılan kontrollü ısıtma ve 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.

127 elde edilir. Böylece kararlı yapılar

128 Bunlara kararsız yapılar adı verilir.

129 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? Sıcaklık yandaki Bu eğrinin şeklinin neden böyle olduğu daha sonra açıklanacak

130 Zaman-Sıcaklık Dönüşüm diagramları Sınır: Dönüşümün tamamlanması Birbiri içerisinde hiç çözünmeyen elementler için faz diagramı. Faz diagramında TA nın altındaki sıcaklıklarda A katısının oluşacağı bilinebilir. Fakat dönüşüm süreleri bilinemez. Soğuma hızlarına bağlı olarak ne tür katıların oluşacağı Zaman-Sıcaklık Dönüşüm (ZSD) (TTT-Time Temperature Transformation) diagramları ile verilir

131 Faz dönüşümü hızı 1-Sıvı içinde önce katı çekirdekleri oluşur. 2-Daha sonra bu çekirdekler büyür ve tüm sıvının yerini alır(katılaşma tamamlanır) Sıvı Katı Kristal çekirdeği Kristal büyümesi Katılaşmada çekirdeklenme ve büyüme aşamaları

132 Çekirdeklenme/Büyüme Yüksek sıcaklıklarda ve düşük sıcaklıklarda dönüşüm süreleri düşük. Hızlı dönüşümün gerçekleştiği bir sıcaklık aralığı mevcut (Burun bölgesi) Belli sıcaklığın altında dönüşüm gerçekleşmez. 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.

133 Net enerji değişimi Çekirdeklenme(Katılaşma ) olurken sistemin hacım enerjisi(δg h ) azalır. Katılaşma(düzen) enerji azalmasına neden olur.(bu çekirdeğin büyümesini teşvik eder). Buna karşılık yeni sıvı-katı ara yüzeyi yaratıldığından sisteme yeni bir yüzey enerjisi(γ) katılır.bu enerji artışı ise ise çekirdeğin büyümesini engeller. Kritik r c yarıçapına ulaşmış çekirdekler büyür,diğerleri dağılır yok olurlar. Yarı çapı r c olan çekirdeklere kararlı çekirdek adı verilir. Yüzey enerjisi artması 4π.r 2.γ Net enerji değişimi : ΔG T = 4π.r 2.γ + (4/3).π. r 3.ΔGh r c = -2γ/ΔG h Hacım enerjisi azalması (4/3).π. r 3.ΔG h

134 Çekirdeklenme hızı Sıcaklık, faz diyagramındaki likidüs sıcaklığının altına düştüğünde,atomlar katı faza ait kristali oluşturmak isterler. Bu istek sıcaklık düştükçe artar ve bu nedenle sıvı fazda birim zamanda oluşan çekirdek sayısı artar.öte yandan düşük sıcaklıklarda çekirdeklerin oluşması için gerekli atom hareketliliği(yayınma) hızı düşüktür.yani çekirdek oluşması için gerekli yayınma katkısı yüksek sıcaklıklarda fazla, düşük sıcaklıklarda azdır. Sıcaklık Erime sıcaklığı Yayınmanın katkısı(atomların bir araya gelmesi) r r c olan çekirdekler için net çekirdeklenme hızı (iki eğrinin çarpımı) Sıvı fazın dengesizliğinin katkısı (Çekirdek sayısında artma eğilimi) Birim zamanda oluşan çekirdek sayısı Çekirdeklenme hızı (Kararlı çekirdekler için)

135 Büyüme ve Dönüşüm hızı Büyüme: Tamamen yayınmanın etkisinde çekirdeklerin büyümesi şeklinde olur. Dönüşüm hızı; çekirdeklenme ve büyüme hızlarının çarpımıdır. Oluşan r c yarıçaplı çekirdeklerin büyümesi için de atomların yayınması gerekir ve bu çekirdeklerin büyüme hızı yüksek sıcaklıklarda daha yüksek tir(g eğrisi). Toplam faz dönüşüm hızı çekirdeklenme hızı ve çekirdeklerin büyüme hızı eğrilerinin çarpımına eşittir. Dönüşümün tamamlanması için gereken süre, dönüşüm hızıyla ters orantılıdır. Dolayısıyla sıcaklık-zaman eğrisi sıcaklık- hız eğrisine benzer karakterde fakat tam ters şekilde olacaktır. G; Büyüme hızı H; Toplam dönüşüm hızı H G C e Q RT N; Çekirdeklenme hızı Hız H N x G

136 Bir önceki eğrinin apsisi olarak hız yerine zaman(dönüşüm zamanı) alınırsa aşağıdaki eğri ya da ilk verilen eğri elde edilir. Dönüşüm başlaması ve tamamlanması, belli bir zaman aralığında gerçekleşecektir. Bu nedenle dönüşüm; dönüşüm başlangıcını ve sona ermesini ifade eden iki çizgini arasında gerçekleşir Zaman Sıcaklık Dönüşüm (ZSD) diyagramı Time Temperature Transformation (TTT) Curve Bu diyagrama izotermal dönüşüm (Sabit sıcaklıkta dönüşüm)diyagramı adı da verilir. Sıcaklık Dönüşüm başlar T1 t1 Dönüşüm tamamlanır Tamamlanmış dönüşüm yüzdesi İlk gösterilen eğri Zaman, t(logaritmik skala)

137 Ötektoid çelikte ZSD(TTT),İzotermal dönüşüm diyagramı Sertlik artar Kaba perlit: Lamel(levhalı) yapı; levhalar arası mesafe(serbast ferrit yolu) büyük İnce perlit : Lamelli (levhalı) yapı;levhalar arası mesafe(serbest ferrit yolu) küçük Beynit :Yapı levhalı değil ferrit ve sementitin ince bir karışımı Kaba perlit İnce perlit Beynit

138 Dengesiz ostenit T T m Ostenit Kaba perlit İnce Perlit Üst Beynit Sertlik t (logaritmik skala) Alt Beynit Reaksiyon Başlamamış Sürüyor Tamamlanmış

139 Soğuma hızı T Soğuma hızı= ΔT t t (logaritmik skala)

140 Soğuma hızı

141 Perlitin oluşumu

142 Perlit: Ferrit ve sementitin levhalı yapısı Beynit : Ferrit ve sementitin ince bir karışımı

143

144 Faz dönüşümleri Faz dönüşümlerini ikiye ayrılır: 1. Yayınmalı dönüşümler: 2. Yayınmasız dönüşümler:

145 Faz dönüşümleri 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)

146 2. Yayınmasız dönüşümler: Atomlar düşük enerjili kararlı fazları oluşturacak yeterli sürelere sahip değillerdir. Bu nedenle faz diyagramlarında rastlanmayan yarı kararlı veya kararsız fazlar oluştururlar. * Martenzit

147 1. Yayınmalı dönüşümler:

148 Yayınmalı dönüşüm 1a: Perlit Kaba Perlit (coarse pearlite): Tabakalar (lameller) halinde dizilmiş iri ve Fe 3 C fazlarından oluşur. Nispeten yumuşaktır. Yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşmaktadır, dolayısıyla çekirdeklenmesi yavaş büyümesi ise hızlı olarak gerçekleşir. (Ferrit) Fe 3 C

149 Yayınmalı dönüşüm 1b: Perlit İnce Perlit (fine pearlite): İnce ve Fe 3 C tabakalarının (lamellerin) istiflenmesi ile oluşan yapıdır. Daha serttir. Düşük sıcaklıklarda dönüşüm sonucu oluşur (çekirdeklenme hızı yüksek). Kaba yapıta göre daha serttir. (Ferrit) Açık renk Fe 3 C

150 Yayınmalı dönüşüm 2a: Beynit Üst Beynit (Upper bainite): Ferrit matris içinde dağılmış sementit tanelerinden ibarettir. Düşük dönüşüm sıcaklıklarında oluştuğundan tabakalı yapı oluşturulamaz. Perlitle aynı kimyasal bileşime sahip fakat daha serttir. (Ferrit) Matris Fe 3 C

151 Yayınmalı dönüşüm 2b: Beynit Alt Beynit (lower bainite): Dönüşüm sıcaklıkları daha da düşüktür. Böylece büyüme imkanı bulamamış ve ferrit içine dağılmış çok ince ve sık dağılımlı sementit taneleri oluşur. Ancak elektron mikroskopunda görülebilir. Çok daha sert bir yapıdır. (Ferrit) Açık renk Fe 3 C Koyu tanecikler

152 Dengesiz ostenit T Ötektoit Çelik Ostenit + +Fe 3 C Kaba perlit İnce Perlit Üst Beynit +Fe 3 C Alt Beynit M s M f Martenzit t (logaritmik skala)

153 Dengesiz ostenit Ötektoit altı çelik T Ostenit + +Fe 3 C İnce Perlit Kaba perlit Üst Beynit Alt Beynit +Fe 3 C Martenzit t (logaritmik skala)

154 Dengesiz ostenit T Ötektoit üstü çelik Ostenit + +Fe 3 C İnce Perlit Kaba perlit Üst Beynit +Fe 3 C Alt Beynit M s M f Martenzit t (logaritmik skala)

155 2. Yayınmasız dönüşüm:

156 Kritik soğuma hızı Yayınmalı veya yayınması dönüşüm olacağını belirleyen parametre soğuma hızıdır. Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması durumunda ostenit martenzite dönüşür. Daha yavaş soğuma hızlarında yayınma gerçekleşir ve soğuma hızına bağla olarak yayınma perlit veya beynit oluşabilir. Kritik soğuma hızı

157 Yayınmasız dönüşüm: Martenzit Kararlı fazların oluşması için gereken yayınmanın olmaması durumlarında dönüşüm kararsız olarak gerçekleşir. Bu değişim yayınmasız olmasından dolayı zamandan bağımsızdır ve iki yatay çizgi şeklinde gösterilir. Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması durumunda ostenit faz martenzit faza dönüşür. İğnemsi yapı (Optik mikroskopta Martenzit başlangıç sıcaklığı Martenzit bitiş sıcaklığı

158 Martenzit Fakat hızlı soğumada C, yayınma (difüzyon) için zaman bulamaz ve ferrit içerisinde hapis olur. Yayınamayan C atomları hacim merkezli kübik yapıyı gererek hacim merkezli tetragonal yapıya dönüşmesine sebep olur. Bu yapıya martenzit adı verilir. Çok serttir ve iğnemsi bir görünüşe sahiptir.

159 Yayınmasız dönüşümler-martenzitik yapılar HMK Ostenit ( ) YMK ferrit(α) allotropik dönüşümü yavaş soğumada karbon atomunun kafesten yayınması sonucu kolaylıkla oluşur.ancak hızlı soğumada C kafesten yayınamadan kafes soğur ve C yayınamadan kafeste hapsolur ve HMK α kafesini zorlar ve HM Tetrogonal hale getirir.bu nedenle Kafeste iç gerilmeler de doğar. Bu olay aniden olur yani YMK Ostenit kafesi yayınmasızdır. HMT kafes Fe Martenzitin kafesi HM Tetrogonal C c/a = Tetrogonalite DİKKAT: Çelikte Karbon içeriği arttıça c/a artar, buna bağlı olarak sertlik artar

160 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

161 TTT Diagrams Sürekli soğutma eğrisi boyunca dönüşüm İzotermal eğri boyunca dönüşüm Isothermal annealing for fully pearlitic structure. Ferrite + Perlite for hypoeutectoid steels or Perlite + Cementite for hypereutectoid steels ZSD diyagramları 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)

162 İzotermal dönüşüm için Sürekli soğuma için eğri İzotermal dönüşüm için ZSD eğrisi, özellikle yüksek sıcaklıklarda bir miktar sola doğru kayar. Bunun nedeni sürekli soğumada ısıl aktivasyon azalan sıcaklıkla sürekli azalacak olmasıdır. Bu durum atom hareketlerinin yavaşlaması ve dönüş için gereken sürenin artmasıyla sonuçlanır. Öte yandan yüksek sıcaklıklarda ki izotermal dönüşüm de dönüşüm sırasında ısıl aktivasyon sürekli etkin kalacaktır.

163 Su verme (Quenching) Amaç tamamen martenzitik bir yapı (%100) (very hard but brittle) elde etmektir. Bu amaçla önce çelik ostenit bölgesinde en az 1 saat ısıtılır: Ötektoid altı çelikler için: A o C Ötektoid üstü çelikler için: Acm o C Daha sonra, Mf in altındaki sıcaklıklara, kritik soğuma hızlarının üzerindeki değerlerde hızlı soğutma yapılırsa yapı tamamen martenzite dönüşür (quenching). Su verme çeliğin ostenit bölgeden kritik soğuma sıcaklıklarının üzerindeki hızlarda ani olarak soğutulması işlemidir. Eğer Mf in altındaki sıcaklıklara ani soğutma söz konusu ise yapı tamamen martenzite dönüşür. Aksi halde ani soğutma sırasında eğer ZDS eğrileri kesilmiyorsa yapı dengesiz ostenit halinde bulunuz.

164 A cm A 3 + +Fe 3 C A 1 +Fe 3 C Critical Cooling rate.

165 Çeliğe ait ısıl işlemler 1. Sürekli soğuma ile uygulanan ısıl işlemler Tavlama (Yumuşak Hale Getirme) Normalizasyon Temperleme Martemperleme 2. İzotermal dönüşüm ile uygulanan ısıl işlemler Ostemperleme İzotermal tavlama

166 Tavlama(Annealing) Yapıyı en yumuşak hale getirme 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.

167 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.

168 Kritik soğuma hızı Yumuşatma Tavı Normalizasyon Su Verme Martenzit Perlit + Martenzit İnce perlit Ms Mf Kaba perlit

169 ISIL İŞLEMLER Alaşımsız çeliklere (bazı metal ve metal alaşımlarına da) tatbik edilebilen ısıl işlemler: Katı haldeki metal ve alaşımlara belirli özellikler (istenilen) kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleridir.

170 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.

171 C oranı düştükçe burun sola kayar ve belli bir değerde martenzit oluşumu için gereken hıza pratik olarak ulaşmak mümkün olmaz. Pratikte %0.25 tan az olan çeliklere su verilmez. Çünkü, orta kısımları hale yumuşak kalma problemi yaşanır. 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.

172 Jominy deneyi Sertleşme kabiliyeti Jominy deneyi ile ölçülür. Ostenit sıcaklığına kadar ısıtılan numune bir ucundan soğuk su ile soğutulur. Ucundan itibaren soğuma hızı mesafeye bağlı olarak azalır. Numune, uç kısmından itibaren sertlik değerleri ölçülür.

173 Jominy numunesi Su

174 Soğuma hızı Soğuma hızı-mesafe değişimi 0 Jominy mesafesi (Su verilen uçtan mesafe)

175 Rockwell sertliği Jominy mesafesi (Su verilen uçtan mesafe)

176 Rockwell sertliği İdeal durum Sertleşebilirlik Jominy mesafesi (1/16 inch) Mesafeye bağlı olarak sertlik değerinde azalma görülür. Mesafenin artması ile yüksek sertlik değerleri gösteren malzemelerin sertleşme kabiliyetleri daha iyidir. Soğuma hızı çok arttırıldığında ise çatlama riski doğar. Bu nedenle Cr, Mo, V, gibi bazı alaşım elementleri katılarak sertleşebilme kabiliyetleri arttırılır. En iyi sertleşebilirliği 4340 göstermektedir.

177 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. Eğer...ise çatlamalar ve kırılmalar olur.

178 Çekme Gerilmesi γ Martenzit Çekme Gerilmesi Su verme çatlakları (Quench cracks) Martenzit Genleşme Martenzit Çatlaklar

179 Martemperleme (Martempering) T yüzey merkez Temperleme sıcaklığı (Beynit oluşum sıc. girilmeden) t (logaritmik skala) 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.

180 Martenzit: Genel kültür (a) Lath martensite in low-carbon steel ( 80). (b) Plate martensite in high-carbon steel ( 400). Tempered martensite in steel ( 500).

181 Temperleme 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.

182 Sertlik Havada Suda Yağda Sıcaklık ( o C) Bazı alaşım elementleri ikincil temper sertleşmesine sebep olabilirler. Sebebi belirli sıcaklıkta karbürlerin çökelmesidir.

183 Menevişleme (Temperleme) T merkez yüzey Temperleme sıcaklığı Kırılgan Martenzit iç yapının, daha tok ve hala yüksek dayanımlı iç yapıya dönüştürülmesi ısıl işlemidir. Ostenit sıcaklıktan su verilen iç yapıda martenzitler oluşur. Daha sonra bu malzeme temper sıcaklığına ısıtılarak martenzit temper yapıya yani ince taneli ferritik-perlitik bir yapı dönüştürülür. t (logaritmik skala)

184 MARTEMPERLEME ile MENEVİŞLEME arasında Isıl İşlem birbirine benzemekle beraber iç yapı ve buna bağlı olarak Mekanik Özellikler farklıdır. MARTEMPERLEME: % 100 Martenzit Yapılır ve Beynitik sıcaklık derecesine çıkmadan ısıtılır. İç yapı da % 100 Martenzit kalır ama Martenzit iğneleri formunu yumuşatır Sertlik biraz düşer. MENEVİŞLEME (ISLAH ETME): Beynitik sıcaklığa çıkılı biraz beklenir. Martenzit yapının bir kısmı Beynitik yapıya dönüşür. Yapıda Martenziy ve Beynit bulunur. Yapı sertl,ikten kaybeder ancak tokluk kazanır.

185 Ostemperleme (Austempering) Yapıyı % 100 Beynitik hale getirme T yüzey merkez t (logaritmik skala) Yapının %100 alt beynite dönüştürülmesi için yapılan ısıl işlemdir. Ostenit sıcaklığına ısıtılan malzeme martenzit oluşum sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa su verilir. Daha sonra yeterince uzun süre bekletileren dengesiz ostenit %100 beynite dönüştürülür.