MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI)

Transkript

1 MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARI) Bölüm 9. Fe-C Faz Diyagramı ve Demir Esaslı Malzemeler Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR

2 Fe ve alaşımlarının çok geniş bir istek yelpazesine (sertlik, süneklik, tokluk, aşınma direnci gibi) olumlu cevap vermesine ve bundan dolayı sayılamayacak kadar çok alanda kullanılmasına imkan tanıyan olağanüstü bir avantajdır. Üstelik, demir 768 C de (Curie sıcaklığı) ferromanyetik karakterden paramanyetik karaktere geçmektedir; yani, kabaca denilebilir ki, demir 768 C nin altında mıknatıslanma özelliği gösterirken, bu sıcaklığın üzerinde mıknatıslanma göstermez. Demir ile karbonun oluşturduğu malzeme gruplarından birinin adı çelik, diğerinin adı ise dökme demirdir. Fe-C denge diyagramına göre; ağ. %2,l e kadar karbon içeren demir-karbon alaşımları çelik, %2,l den daha fazla karbon içeren (genellikle %5 e kadar) demir-karbonsilisyum alaşımları ise dökme demir adını alırlar.

3 Fe-Fe 3 C Faz Diyagramı Katı eriyikler: Üç katı eriyik önemlidir. Bunlar ferrit(δ), östenit(γ), ferrit(α) ve bir intermetalik bileşik olan sementittir. Bunlara ilaveten dengesiz bir faz olan martenzit hızlı soğutma ile oluşturulabilir. Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR Mikro- oluşumlar, ötektoid reaksiyonun nasıl kontrol edildiğine bağlıdır. Perlit, ferrit ve sementitin lamelli karışımıdır. Beynit ise daha geniş bir alt soğumada, östenitin dönüşümü ile elde edilen ferrit ve sementitin lamelli olmayan karışımıdır.

4

5

6 Ferrit: Karbonun α demiri içinde çözünmesi sonucu oluşan katı eriyiktir. Karbonun bu eriyik içinde en fazla 723 C de (A1 sıcaklığı) % kadar çözünebilir. Sıcaklık derecesinin düşmesine bağlı olarak bu oranda azalır. Oda sıcaklığında ise bu oran %0.008 tir. Sünek, yumuşak ve sertleştirilemez Ferritin çözemediği karbon kristalin dışına atılır ve sementit oluşur. Ferritten ayrışan sementite tersiyer sementit denilir. Ostenit:Karbonun γ demiri içinde çözünmesi sonucu ostenit oluşur. Karbon bu eriyik içinde ötektik sıcaklık olan 1147 C de en fazla %2.06 oranında çözünebilir. Yüksek sıcaklıkta kararlıdır, yüksek süneklik ve şekillendirilebilirlik Çeliğin sıcak şekillendirme ve ısıl işlemlerin pek çoğu ostenit fazından yapılır. Ostenit fazından, soğuma hızına bağlı olarak çok değişik mikroyapılar meydana gelir. Kristalin dışına atılan karbon sementit oluşturur. Ostenitten oluşan bu sementite, 2. sementit (sekonder sementit) denilir.

7 Perlit: A1 sıcaklığındaki karbon çözünürlük sınırı %0.025, oda sıcaklığında %0.005 dir. Karbon oranları bu değeri aştığında perlit adı verilen bileşen oluşur. Perlit, çeliğin ötektoid sıcaklığından (723 C) soğutulması sonucu aşağıdaki reaksiyona göre oluşur. Tokluk ve mukavemetin iyi bir kombinasyonudur ve yapısal uygulamalar için idealdir.

8 Ötektoid altı çelikler: <0.77(0.8)% C, Düşük ve orta karbonlu çeliklerdir. Mikroyapı, perlite ve ferrit den oluşmaktadır. Karbon miktarının artışı ile birlikte perlik oranı da artmaktadır ve artan perlit oranı ile birlikte çelik, daha güçlü ancak daha az sünek hale gelmektedir. Ötektoid üstü çelikler: >% 0,77(0.8)%C. yüksek-karbonlu çeliklerdir. Mikroyapı perlit matris ve tane sınırları boyunca sementit ağından oluşmaktadır; sementit ağı önemli ölçüde tokluk ve sünekliği azaltır. Sementit oranı artan karbon miktarı ile birlikte artmaktadır.

9 Ledeburit: Demir karbon denge diyagramındaki ötektik alaşıma (1147C,%4.3C) ledeburit denilir. Ledeburit, ostenit ve 1. sementitten meydana gelir. Sıvıdan ayrışan sementite 1. sementit (primer sementit) denir. Fe 3 C (demir karbür veya sementit) : Ağırlıkça %6,67 karbon içerir. Düşük çekme mukavemetli fakat yüksek basma mukavemetli sert ve gevrek metallerarası bir bileşiktir. Sementit veya demir karbür (Fe 3 C) diyagramda görülen en sert yapıdır. Ortorombik kristal yapılıdır.

10

11

12

13 Düşük karbonlu çelikler (hafif çelikler): 0,1-0,25%C içerirler. Mikroyapılarında ferrit ve küçük miktarda perlit bulunur. Yüksek şekillendirilebilirlik, yüksek süneklik: ~% 30 uzama, nispeten düşük mukavemet: y = 250 ~ 400MPa, mükemmel kaynaklanabilirlik ancak ısıl işlem ile mukavemetlendirilemez genellikle soğuk işlem (pekleştirme) ile güçlendirilir. Tipik uygulamaları: boru, paneller, levhalar, tel, I-profil vb. (0.15% carbon steel)

14 Orta karbonlu çelikler (yapı çelikleri): 0,25-0,55% C içermektedirler. Mukavemet ve sünekliğin iyi bir kombinasyonudur. Akma Mukavemeti: 300 ~ 600MPa Çekme Mukavemeti: 400 ~ 800MPa Uzama:% ~ 25 Isıl işlem ile mukavemeti artırılabilir. Kaynaklanabilir; ancak kaynaklanabilirlik kabiliyeti artan% C miktarı ile bozulur. Yük taşıma uygulamalarında kullanılır; krank mili, cıvata, dişliler, ağır iş makinaları, madencilik ekipmanları, vinçler,..

15 Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler (High strength low alloy steels, HSLA): Orta karbon çelikleri, yapısal uygulamaları için istenen mekanik özelliklere Sahiptir ancak martenzit fazının oluşumundan dolayı kaynak esnasında gevreklik problemi ile karşılaşılmaktadır. Bu sorunu aşmak için, bu çeliklerin C içeriği azalır (<% 0.3) ve mukavemet değerlerindeki kayıp, Nb, V, Ti, Cr ve Cu ile mikroalaşımlama ile ve Mn içeriği (>% 1) artırılarak telafi edilmektedir. Bu, HSLA çeliklerin gelişimini sağlamıştır. Bu çelikler yaygın olarak büyük kaynaklı yapıların üretimi için kullanılmaktadır. Örneğin Sydney harbor köprüsü, okyanus gemileri ve yük gemileri, petrol sondaj ve platformlar, büyük madencilik ve hafriyat ekipmanları, basınçlı kap ve depolama tankları gibi büyük üretim kaynaklı yapılar için kullanılır.

16 Yüksek karbonlu çelikler: Yay çelikleri: 0.6 ~% 0.8 C: Oda sıcaklığında baskın olarak ötektoid perlite içerir. Genellikle ısıl işlemle sertleştirilebilir ve mukavemetlendirilebilir. yüksek mukavemetli ve orta derecede tokluk Takım çelikleri: 0.8 ~% 1.2 C: Yay sementit + perlit içerir. çok yüksek sertlik, düşük tokluk, işlemek oldukça zordur. matkaplar, kalıplar, zımbalar, makina araçları ve aşınma dirençli uygulamalarda Yüksek karbonlu çelikler zayıf kaynaklanabilirlik ve kötü işlenebilirlik gösterirler. Kesme bıçakları Ekstrüzyon kalıpları

17 Paslanmaz Çelikler: Mikroyapı tarafından belirtilen üç temel sınıf: Ferritik: Fe-Cr alaşımları (12 ~25 %Cr), ucuz olabilir. HMK yapılı olmalarından dolayı, katı eriyik mukavemetlenmesi ve şekillendirilirken pekleşmeden meydana gelen iyi dayanım ve orta seviyede sünekliğe sahiptir. Martenzitik: Fe-Cr alaşımları, düşük Cr, sert, Kesici Takımlar Ostenitik: Fe-Cr-Ni alaşımları (18Cr-8Ni), korozyon direnci yüksek. Çökeltme ile sertleştirilmiş, yüksek mukavemet ve sertlik. Çökelti ile sertleştirilmiş paslanmaz çeliklerin kompozisyonu Al, Nb veya Ta içeriklerinin dışında östenitik paslanmaz çeliklere benzerler. Bu özellikleri, katı eriyik mukavemetlenmesi, pekleşme, yaşlandırma mukavemetlenmesi ve martenzitik reaksiyonlardan kaynaklanır. Dubleks (18Cr-5Ni)

18 Paslanmaz Çeliklerin Tipik Mekanik Özellikleri Akma Dayanımı: 200MPa ~ 1600MPa Çekme Mukavemeti: 300 MPa ~ 1800 MPa Süneklik: uzama% 40 ~ 2 Young Modülü: ~ 170 GPa

19 Çelik Üretimi:

20

21 Dökme Demir - Mikroyapıları Dökme demirler mikroyapısal olarak grafit veya sementit içeren karbonca zengin fazların çelik içerisinde oluşturduğu yapılar olarak kabul edilir. Grafit, demir içerisinde mukavemeti ve tokluğu olmayan boşluklar şeklinde davranır. Sementit ise çok sert ve kırılgan yapıdadır. Gri DD: ferrit matris içerisinde bulunan grafit lameller, matrisi sürekli keserek kırılgan davranış sergiler. Beyaz DD: perlit matris içerisindeki sementit bölgeler, yüksek sertlik ve kırılganlık gösterir. Küresel Grafitli DD: ferrit matris içindeki küsesel grafitler, metal tokluğunu ve sünekliğini önemli ölçüde iyileştirmiştir. Dövülebilir DD: grafit kümeler, beyaz dökme demir içerisine çökerek, tokluğunu ve sünekliğini önemli ölçüde iyileştirmiştir.

22 Stress Gri Dökme Demirler Üretim maliyeti düşük, mükemmel dökülebilirlik, yağlandığında iyi metalmetal aşınma direnci, yüksek sönümleme kapasitesi, çekme mukavemetinden daha yüksek basma mukavemeti Gri dökme demirler, tüm dökme demir çeşitleri arasında en çok üretilendir. Düşük maliyetleri ve mükemmel dökülebilirlikleri ile ön plana çıkmaktadırlar. Tipik uygulama alanları şunlardır: Motor silindirleri, piston, dişli kutusu gövdesi, makine parçaları, büyük vinç denge ağırlıkları, büyük çaplı yeraltı borusu Her zaman yüksek basınç altındaki uygulamalarda kullanılmaktadır. Çekme ve eğme yükleri altında çalışmak için uygun değillerdir. Grey iron Mild steel Strain Tensile stressstrain behaviour of grey cast iron Gri Dökme Demir ile üretilen bazı makine parçaları

23 Küresel Grafitli Dökme Demirler Gri dökme demire aşılama (Mg veya seryum) yapılarak elde edilmektedir. Bu işlem sayesinde grafit lameller küresel hale dönüşmektedir. Bu dökme demir türü gri dökme demirden daha mukavemetli ve toktur. Küresel grafitli DD daha çok, özel uygulamalar için kullanılmaktadır. Gri dökme demirden oldukça pahalıdır. Tipik uygulamaları şunlardır: Dişliler, krank milleri, pompa gövdeleri, subaplar, makaralar. Küresel Grafitli Dökme Demir ile üretilen bazı makine parçaları

24 Dövülebilir (Temper) Dökme Demirler Beyaz dökme demirin yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutulması ile elde edilmektedir. Bu ısıl işlem sonucunda sementit, ferrit ve grafit olarak ayrışmaktadır. Sonuç olarak bu dökme demirler, gri dökme demirden daha mukavemetli, daha tok ve daha sünek olup küresel grafitli dökme demirden daha ekonomiktir. Ani yüklemelere, eğmeye ve çekmeye karşı dayanıklıdır. İnce kesitli parçaların dökümüne olanak sağlar. Isıl işlemden dolayı üretim maliyetleri yüksektir. Tipik uygulama alanları; dişli kutusu muhafazası, transmisyon gövdesi, diferansiyel gövdesidir. Beyaz Dökme Demirler Beyaz dökme demirler nispeten daha az C ve Si içerirler. Sonuç olarak grafit yerine sementit (Fe 3 C) şekillenir. Bu oluşum alaşımı çok sert ve kırılgan yapar, pratik olarak yapısal malzemelerde kullanılmaz. Bu yüksek sertlik, abrasiv aşınma direncinin yüksek olmasına neden olur. Beyaz dökme demirin başlıca iki kullanım alanı vardır: Dövülebilir dökme demirler için ara ürün, bilyalı değirmen astarı, karışım pompası gibi abrasiv aşınma direncine sahip aşındırıcılar.

25 Çelik Standartları Çeliklerle ilgili Türk standardının hazırlanışında DIN Alman standartları esas alınmıştır. DIN (Deutsch Institute for Norming). 1. Çekme mukavemetine göre, St 70: min. çekme dayanımı (kg/mm 2 ) 2. Kimyasal bileşime göre, a) Sade karbon çelikleri: (%C x 100), C45 b) Düşük alaşımlı çelik: %5, 34Cr4 c) Yüksek Alaşımlı Çelik: > %5, X5CrNi Herhangi bir nicelik belirtmeksizin

26 Takım çeliklerinin AISI tanımlaması

27 BS (British Standards) - İngiliz Standartları

28 Kaynaklar: W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt: K. Genel, 2013 D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M. Erdoğan, W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001 K. Onaran, Malzeme Bilimi 1997.