Doç. Dr. Halit YAZICI

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ MÜHENDĐSLĐK K METAL ve IMLARI-I Doç. Dr. Halit YAZICI

2 GİRİ İ MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Mühendislik uygulamalarında çok önemli bir yer tutan metaller ve alaşı şımlar polikristal yapılı, inorganik cisimlerdir. Metaller homojen yapılı,, katı veya sıvıs halde özelliklerini değiştirmeyen; demir, bakır, alüminyum gibi yapı malzemeleridir. Limonit Metaller doğada çoğunlukla oksit, kükürt k ve karbonatlı cevherler halinde bulunur.

3 GİRİ İ MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Genellikle mühendislik m malzemesi olarak kullanılan lan metalik malzemeler ana metale başka bir element veya elementler eklenmesi ile elde edilen metalik alaşı şımlardır. r. Özelliklerin iyileştirilmesi veya istenen özelliklerde malzeme elde etme amacıyla alaşı şımlar geliştirilmi tirilmiştir. tir. Alaşı şımlar saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Uygulamada çoğunlukla mekanik özelliklerinin düşükld klüğü nedeniyle saf metaller kullanılmaz. lmaz. Saf metallerin korozyona karşı büyük k bir dayanıkl klılığıığı vardır. r.

4 ALA IM Alaşı şım; MÜHENDĐSLĐK K METAL ve bir metale belirli özellik sağlamak için i in en az bir başka elementin (metal veya ametal) kasıtl tlı olarak eklenmesi ile elde edilen metal karakterli bir malzemedir. Örneğin, çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşı şımdır. İlave edilen element, kristal içinde i inde ya katı çözelti veya ara bileşikler ikler halinde bulunur. Alaşı şımda fazla miktarda olan metale asıl l metal adı verilir. Alaşı şımı elde etmek için i in bu metale karış ıştırılanlara da alaşı şım elemanları denir.

5 KATI ERİYİKLER: Uygun sıcakls caklıklarda, klarda, gaz ve sıvıs çözeltilerinde olduğu u gibi, katı cisimler de homojen bir eriyik olan çözelti haline dönüşebilirler. d Katı eriyikler sıcakls caklık k ve içeriklerine i göre g değişik ik fazlarda bulunabilirler. Faz, üniform fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren g bir sistemin homojen bir parças asıdır. Aynı ortamda değişik ik fazlar bulunabilir. İlave edilen element, kristal içinde i inde ya katı çözelti veya ara bileşikler ikler halinde bulunur. Genellikle çözücü bir cismin içinde i inde ancak sınırls rlı bir miktar çözünen madde çözünebilir. Örneğin, bir bardak suda ancak belirli bir miktar şeker çözülebilir. Benzer şekilde metal eriyiklerinde de çözülebilirlik sınırlars rları vardır. r.

6 KATI ERİYİKLER: Örnek olarak su-şeker karışı ışımını dikkate alınırsa; sabit bir sıcaklıkta kta şekerin su içinde i inde çözünebilece nebileceği i maksimum miktar vardır. r. Buna çözünürl rlük k sınırı s denir. Sıcaklık k artıkça a bu sınır s r artar. Bu sınırdan s daha fazla şeker konursa, fazla şeker su içinde i inde çözünmez ve karışı ışımın n dibinde katı parçac acıklar çökelir. Bu durumda ortamda iki faz vardır: r: 1- Çökelmi kelmişşeker eker fazı 2- ekerli su fazı (şerbet)

7 KATI ERİYİKLER: Metallerin büyük b çoğunluğu u kafes yapısı içinde inde belirli sayıda yabancı atom barınd ndırabilirler. Yabancı atomların n asıl l metalin kafes sistemindeki yerleşimlerine göre, metalik katı eriyiklerin iki türüt vardır: r: 1. Ara-yer Katı Eriyiği 2. Yeralan Katı Eriyiği i (Asal Yer Katı Eriyiği) i)

8 KATI ERİYİKLER: Yabancı atom esas metalin atomu yerine yerleşiyor ise Yeralan Katı Çözeltisi zeltisi kafes aralarındaki boşluklara yerleşiyor ise Arayer Katı Çözeltisi meydana gelir

9 ARAYER KATI ÇÖZELT ZELTİSİ Bu türde atomik yarı çapı 10-8 cm' den küçük üçük k olan H, C ve N gibi çözünen metalin atomları, çözücü metalin atomlarının n arasındaki boşluklara dağı ğılmışlardır. r. YERALAN KATI ÇÖZELT ZELTİSİ Bu türde t çözünen metalin atomları çözücü metalin kristal atomlarının n bazılar larının n yerini almış ıştır.

10 Eriyen elementin (yabancı elementin) atomlarının n kafesteki dağı ğılımı düzenli ya da düzensiz d olabilir. Belli bir kritik sıcakls caklığın n altında, eriyen atomlar tüm t m birim kafeslerde aynı pozisyonlara yerleşerek erek düzenli d katı eriyik oluştururlar. Bu tür t r kafeslere süper kafes adı verilir. Ancak düzenli d katı eriyikleri, sert ve kırılgan k bir yapıya sahip olduklarından dolayı mühendislik malzemesi olarak uygun olmayan özelliklere sahiptir. Düzensiz katı eriyikleri ise tok ve düktil d olduklarından uygulamada daha çok tercih edilirler.

11 Hume-Rothery Kuralları Yer alan katı eriyiğinin inin oluşabilmesi için i in bazışartlar artların sağlanmas lanması gerekmektedir. a) Atom boyut faktörü b) Kimyasal Faktör c) Rölatif Valans Faktörü

12 ATOM BOYUT FAKTÖRÜ Alaşı şıma giren atomların çapları birbirine ne kadar yakın n ise bu elementlerin birbirini çözme olasılığı ığı o kadar yüksektir. y Bu tip eriyiklerde atomların çapları arasındaki fark birbirinden % 14-15' 15' den fazla ise iki elementin birbiri içinde i inde çözülmesi çok sınırls rlı kalır. Örneğin kurşun un ve alüminyumun atom çapları arasındaki bağı ğıl l fark % 16 olduğundan, undan, ergitilmiş bu iki metal karış ıştırılıp p soğumaya terkedilince, sonunda birbirleriyle birleşmemi memiş ve karış ışmamış kurşun un ve alüminyum katı metalleri elde edilir. Buna karşı şın n atom çapları arasındaki fark % 7'yi geçmiyor ise bunların n her oranda birbiri içinde i inde çözünmesi olanaklıdır. Örneğin, nikelin atom çapı A, A, bakırın n ise A A olduğundan, undan, bu iki metal her oranda birleşip ip farklı karakterde alaşı şımlar oluşturabilirler.

13 KİMYASAL FAKTÖR Eriyen ve eriten atomların n birbirine olan kimyasal ilgisi ne kadar az ise katı eriyik oluşturma eğilimleri e o kadar fazladır, aksi takdirde kimyasal bileşik ik oluştururlar. RÖLATİF F VALANS FAKTÖRÜ Bir atoma düşen d valans (değerlik) erlik) elektronu sayısı demektir. Bu sayının n artması katı eriyik bölgesinin b genişlemesine yol açar, a ar, yani düşük d k valanslı bir metal, içerisinde i yüksek y valanslı metalleri daha fazla eritir.

14 Hume-Rothery Kuralları İki metal üçşart artı da sağlıyor ise her bileşim im oranında nda katı eriyik oluştururlar. Ayrıca bu şartlar elementlerin kristal yapılar larının n aynı olması durumunda geçerlidir. erlidir. Hume-Rothery tarafından belirlenen bu kurallara göre g bakır r grubu, gerek atom boyutu gerekse kimyasal bakımdan metallerin ortasında yer aldığı ığından en iyi eritici olarak bilinir. Örneğin bakır r birçok metali en az % 5 oranında nda eriterek katı eriyik oluşturur (Al, Au, Cd, Mg, Pt, Sn, Zn vb.). GümüşG de aynı özelliklere sahiptir.

15 Hume-Rothery Kuralları Geçiş elementlerinden olan demir de birçok metali geniş oranda eritebilir (Al, Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pt, Sn, V, W, vb.). Periyodik tablonun aynı sırasında bulunan ve atom çapları birbirine uyan geçiş elementleri birbirini geniş oranlarda eritirler. Çok değerlikli, erlikli, geçiş metalleri grubundan olmayan metallerin ise, gerek atom boyutlarının n ve gerekse kimyasal duyarlılıklar klarının artması dolayısıyla yla eritebilirlik sınırlars rları daralır. r. Bunlara örnek olarak; Mg, Al, Sn metalleri verilebilir.

16 KATILA MA Alaşı şımlandırma yani bir metale istenen element veya elementlerin eklenmesi sıvıs halde yapılır. Alaşı şım m kalıplara dökülerek d ya mamül parça a halinde ya da daha sonra şekillendirilmek üzere kütük k k haline getirilir. Bu safhalar saf metaller için i in de geçerlidir. erlidir. Döküm m sonrasında nda malzeme katıla laşma veya ergime sıcakls caklığında sıvı halden katı hale geçecektir. ecektir.

17 KATILA MA OLAYI Sıvı halde saf bir metal ya da alaşı şım m soğutulmaya bırakb rakılsın. İlk sıcaklık k yüksek y olduğu u için i in sistem sıvıs fazdadır. İlk katıla laşma (çekirdek( oluşumu) umu) erime sıcakls caklığında meydana gelecektir. Bu anda ilk olarak katı tanecikler oluşacakt acaktır.

18 KATILA MA OLAYI Malzemenin bulunduğu u ortamın n sıcakls caklığı düşük k olduğundan undan malzemenin sıcakls caklığının n daha da düşmesi d beklenir. Ancak katıla laşma dolayısıyla yla sıvıdan s dışd ışarıya verilen enerji ısı şeklinde dışd ışarıya atıld ldığından civarındaki katı ve sıvıs ısınacaktır. Bundan dolayı T er denge sıcakls caklığına kadar yükselir. y Eğer etrafındaki sıvıs homojen bir sıcakls caklık k alanına na sahipse soğuma esnasında nda katı her yönde y homojen büyüme b göstereceg stereceğinden küremsi bir şekil alır. Sonuç olarak, katıla laşma tamamlandığı ığında metalin taneleri küresel k olur. Böyle B bir yapı tam bir izotropik özellikten dolayı ideal yapı adını alır.

19 KATILA MA OLAYI Ancak pratikte katıla laşma çok büyük b k bir genelde başka şekilde oluşur. ur. Dışarıya atılan ısı,, sıvıda s homojen bir sıcakls caklık k oluşturmaz. Dolayısıyla yla katıla laşma sıvının s n soğuk bölgelerine b doğru ilerleyerek katı iğnecikler oluşturur. Sonunda çam dalına benzeyen katılar oluşur ur ki buna dendrit adı verilir. Dendritler büyüdükçe e aradaki sıvı, s açığa çıkan ısının n artması dolayısıyla yla çok çabuk soğuyamayaca uyamayacağından katıla laşma hızıh azalır.

20 KATILA MA OLAYI Bu sırada s dendritler büyümüşb ve birbirleri ile temas haline gelmişlerdir. lerdir. Her bir dendrit farklı yönlerde büyüdüğünden, b temas yerlerinde katıla laşma tamamlandığı ığında tane sınırlars rları oluşur. ur. İrileşmiş dendritlerin arasındaki dendrit boşluklar luklarını doldurarak sonuçta taneler oluşur. ur.

21 DENGE DİYAGRAMLARID Maddeler belirli çevre şartlarında bir veya birden fazla faz içerebilirler. Maddenin denge halindeki faz sayısı ve miktarı, maddenin; a) Kimyasal komposizyonuna, b) Ortam sıcakls caklığına, c) Ortam basınc ncına na bağlıdır. Maddenin hangi çevre şartlarında ve hangi kimyasal kompozisyonda ne gibi fazları (denge hali) içerdii erdiği, i, sıcakls caklık, k, kompozisyon ve basınc ncın değişken alınd ndığı diyagramlarda gösterilir. g Bu diyagramlara Faz Denge diyagramları veya doğrudan denge diyagramları denir.

22 DENGE DİYAGRAMLARID Değişik ik metaller için i in faz diyagramları çizilip, makina ve metalurji mühendislerine çok yararlı olacak veriler elde edilebilir. Denge diyagramları sistemi oluşturan bileşen en sayısına göre g 1 li, 1 2 li, 2 3 lü ve 4 lü4 denge diyagramları olabilir. Pratikte en çok 2 li 2 denge diyagramları kullanılır.

23 BİR R BİLEB LE ENLİ DENGE DİYAGRAMLARID Saf maddelere ait 1 li 1 diyagramlardır. r. Bu u tip diyagramlarda değişken sıcakls caklık k ve basınçtır.

24 BİR R BİLEB LE ENLİ DENGE DİYAGRAMLARID 1 nolu bölge b katı madde bölgesini b gösterir. Diğer bölgeler b sıvıs ve gaz fazlarını gösteren bölgelerdir. b Bölgeleri birbirinden ayıran P ve T değerlerindeki erlerindeki şartlarda her iki bölge fazları beraberce denge halinde yer alır. O noktasında nda (üç( üçlü nokta) ise her üç faz (katı+s +sıvı+gaz) +gaz) beraberce denge halinde bulunurlar.

25 İKİ BİLE ENLİ DENGE DİYAGRAMLARID İkili denge diyagramları diyagramı oluşturan elementlerin birbirinde çözünme durumuna göre g üçe e ayrılır. r. a) Sıvı ve katı halde birbirinde hiç erimeyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Ag-Ni, Al-Pb, K-Mg, K Fe-Pb. Bu tür t r karışı ışımların n pratikte önemi yoktur b) Sıvı ve katı halde birbirinde kısmen k eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Pb-Zn c) Sıvı halde birbirlerinde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları Bunları da üçe e ayırmak mümkm mkündür.

26 İKİ BİLE ENLİ DENGE DİYAGRAMLARID c) Sıvı halde birbirlerinde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları c1) Katı halde birbiri içinde i inde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Cu-Ni, Fe-Ni c2) Katı halde birbiri içinde i inde kısmen k eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Pb-Sb, Cu-Zn, Pb-Sn, Cr-Ni c3) Katı halde birbiri içinde i inde hiç erimeyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Bi-Cd, Sn-Zn, Al-Sn, Bi-Cu

27 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Alaşı şımı meydana getiren elementler sıvıs ve katı halde birbirlerini tam olarak eritebiliyor ise bu tip denge diyagramları oluşur. ur. Normal şartlar altında saf bir madde tek bir ergime sıcakls caklığında (TE) ergir veya katıla laşır. Ancak birbiri içinde i inde tamamen eriyebilen iki madde karış ıştırıldığında oluşan alaşı şımda ergime ve katıla laşma A elementinin ergime sıcaklığı (T EA ) ile B elementinin ergime sıcakls caklığı (T EB ) arasındaki sıcaklarda meydana gelir. Bu aralık k karışı ışımı oluşturan maddelerin konsantrasyonuna göre g değişmektedir. Alaşı şımların n faz diyagramlarının n belirlenmesi için i in değişik ik konsantrasyonlarda alaşı şımlar hazırlanarak ergime ve katıla laşma noktaları belirlenir.

28 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Bu denge diyagramında sıvı,, katı, sıvı+katı fazlar ile bu fazlara ait sınırlar s likudus ve solidus görülmektedir.

29 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Katı faz, birbiri içinde tamamen eriyen A ve B maddelerinin oluşturduğu katı eriyikten (α) meydana gelmiştir. Maddeler birbiri içinde tamamen eridiğinden dolayı katı (α) tanelerinde sadece tane sınırları görülebilir.

30 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik A içindeki B veya B içindeki A miktarı arttıkça katılaşma sıcaklığı düşmektedir. Ö noktasında Likudus eğrileri kesişmektedir.

31 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik Bu noktada alaşım saf elementler gibi davranarak T ö sıcaklığında katılaşmaktadır. Bu düzen genellikle katmanlı veya spiral biçiminde yan yana dizilme şeklinde olur. Bu görünüm nedeniyle bu yapıya "güzel şekilli" "iyi yapılı" anlamında ötektik ismi verilmiştir. Bu alaşıma da ötektik alaşım denilir.

32 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik Katılaşma esnasında ötektik alaşımın solunda kalan alaşımlarda ilk önce A sağında kalan alaşımlarda ise ilk önce B katılaşır. Sıvının içindeki sırasıyla B ve A miktarları da artar. Geriye kalan sıvı ötektik konsantrasyona gelince ötektik yapı oluşur. Bu ötektik yapı katılaşma sıcaklığı küçük olması nedeniyle çekirdekleşme hızı yüksektir. Bundan dolayı ötektik alaşım ince tanelidir.

33 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Bu denge diyagramlarının ikinci tip denge diyagramlarından farkı A bileşenin belirli bir B çözebildiği α bölgesi ve B bileşeninin belirli bir A çözebildiği β bölgesinin bulunmasıdır

34 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Çözünürlük, sıcaklığın artması ile arttığı için, ötektik sıcaklıkta en büyüktür.

35 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Oda sıcaklığındaki çözünürlük sınırının üstünde A ve B içeren α ve β fazları oda sıcaklıklarına soğur iken çözemedikleri A ve B yi kristal dışına atarak B ce zengin β çök ve A ca zengin fazları α çök oluşur.

36 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Bu ayrışma olayına çökelme denilir. Çökelme olayında difüzyon söz konusudur. Difüzyonun olması için yeterli zaman verilmeden hızlı bir soğutma yapılır ise aşırı doymuş bir kararsız yapı meydana gelir.

37 8 MALZEME BĐLGB LGĐSĐ DEMĐR R ve

38 Demir ve Alaşı şımları Sanayi ve yapılarda en çok kullanılan lan metalik malzeme, demir ve karbonlu alaşı şımları olan font (dökme demir, pik) ve çelik türleridir. t Demir grimsi esmer bir metal olup, özgül l ağıa ğırlığı dir C de erir, serttir tir ve fazla elastik değildir. Demir doğada 4. yaygın n bulunan bir metaldir (% 4.2). Demir, doğada en çok oksit cevherleri (Magnetit, Fe 3 O 4 ), kükürtlk rtlü cevher (Pirit, FeS 2 ) ve karbonatlı cevher (Spathik demir, FeCO 3 ) şeklinde rastlanır. r. Yurdumuzda en zengin demir cevheri limonittir (Fe 2 O 3. nh 2 O) ve Divriği'de i'de bulunur (% Fe).

39 Demir ve Alaşı şımları Demir kökenli k kenli alaşı şımların n değişik ik özellikleri olan çeşitli türleri t vardır. r. Ayrıca demir ve karbon alaşı şımından oluşan çeliğe, e, krom, nikel, tungsten gibi metaller değişik ik oranlarda katılarak bir takım özellikler kazandırılabilir. Demire alaşı şım m malzemesi olarak katılan karbon veya diğer metallerin oranı,, alaşı şımın n yalnızca kimyasal yapısını değiştirmekle kalmayıp, metalin mekanik davranışı ışını da etkiler. Alaşı şımların n davranış ışları,, ayrıca geçirdi irdiği i dayanımı arttırma rma yöntemlerine de (ısıl( l işlemi i vb.) bağlıdır.

40 Demir Karbon Denge diyagramı Mekanik özelliklerini değiştirmek amacıyla demire değişik ik elementlerle alaşı şım m yapılır. Bu amaca yönelik y olarak en çok karbon kullanılır. Demiri en çok etkileyen alaşı şımlama elemanı karbondur. Demir karbon alaşı şımı olan çelik, tüm t m demir kökenli k kenli malzemenin en çok kullanılan lanıdır. Genellikle karbon oranının n belirli bir yüzdeye y kadar artması ile alaşı şımın n dayanım m ve sertlik gibi özellikleri doğru orantılı olarak artar. Ancak bazı özellikleri de örneğin düktilite d ve enerji yutabilme yeteneği i azalır.

41 Demir Karbon Denge diyagramı Saf demir 30 MPa (N/mm 2 ) gibi oldukça a düşük d k akma dayanımı değerine erine sahiptir. Demirin içerisine i az miktar karbon ilavesi bile akma dayanımını değerini erini önemli bir şekilde artırır. r.

42 Demir Karbon Denge diyagramı Demir-karbon alaşımlarının değişik sıcaklıklardaki iç yapılarını gösteren faz diyagramında, sistemin sıvı halden, katı hale geçinceye kadar uğradığı değişiklikler görülmektedir.

43 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Denge diyagramları aslında alaşım bünyesinde oluşan oldukça karmaşık olayları açıklamaya yarar. Sıvı halden soğuyup katılaşıncaya kadar geçen süre içinde alaşımın bünyesinde önemli değişiklikler olur. Polimorfik veya allotropik reaksiyonlar şeklinde gelişen bu değişiklikleri faz diyagramları üzerindeki eğriler yardımıyla izlemek mümkün olabilir.

44 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Atomların bulundukları yerlerden çok az miktarda hareket etmesi sonucu oluşan bu reaksiyonların tamamlanabilmesi için belirli bir süre gerekir. Bu süre içinde atom bağları kopar, atomlar yer değiştirir ve yeni bağlar kurulur. Bu olayların süresi ortamın sıcaklık derecesi ile yakından ilişkilidir.

45 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Katı cisim içinde meydana gelen bu reaksiyonlarda kristal yapıda değişmeler olduğundan, cismin hacmi ve yoğunluğu da değişir.

46 Ferrit MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Ferrit: Karbonun α demiri içinde erimesi sonucu oluşan katı eriyiğe ferrit adı verilir. Karbon bu eriyik içinde en fazla 723 C'de (A1sıcaklığı) % kadar eriyebilir. Sıcaklık derecesinin düşmesine bağlı olarak bu oranda azalır. Oda sıcaklığında ise bu oran % tir. Ferritin çözemediği karbon kristalin dışına atılır ve sementit oluşur. Ferritten ayrışan sementite tersiyer sementit denilir.

47 Ostenit MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Karbonun γ demiri içinde erimesi sonucu ostenit oluşur. Karbon bu eriyik içinde ötektik sıcaklık olan 1147 C'de en fazla % 2.06 oranında eriyebilir. Çeliğin sıcak şekillendirme ve ısıl işlemlerin pek çoğu ostenit fazında 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.

48 δ demiri: MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Özel bir adı ve teknik bir önemi yoktur; en çok 1493 C de % 0.08 karbon eritebilir.

49 Diyagramdan görülebile-ceği gibi, NIE eğrisinin üst kısmında alaşım sıvı haldedir. En düşük derecesi 1147 C olan bu eğriye ulaşan değerlerde alaşım katılaşmaya başlamaktadır. Soğumanın devamı halinde allotropik değişmeler başgösterir.

50 Katılaşmanın başlama eğrisinin 723 C ve % 0.83 C oranı için S ile gösterilen en düşük ordinatına ötektoid noktası adı verilir.

51 Ötektoid en az iki fazın belirli bir sıcaklıkta katı cisim içinde, mekanik olarak gayet homojen bir şekilde karışabildiği sınır noktası olmaktadır. Örneğin, bu noktada ferrit ve sementitin karışmasıyla elde edilen bileşime inci görünümünden perlit (pearlite) adı verilir.

52 Perlit MÜHENDĐSLĐK K METAL ve A1 sıcaklığındaki karbon çözünürlük sınırı % 0.025, oda sıcaklığında % dir. Karbon oranları bu değeri aştığında perlit adı verilen bileşen oluşur. Perlit, çeliğin ötektoit sıcaklığından (723 C) soğutulması sonucu aşağıdaki reaksiyona göre oluşur.

53 Ledeburit MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Demir karbon denge diyagramındaki ötektik alaşıma (1147 C % 4.3 C) ledeburit denilir. Ledeburit, ostenit ve 1.sementitten meydana gelir. Sıvıdan ayrışan sementite 1. sementit (primer sementit) denilir. Ötektik ayrışma aşağıdaki reaksiyondaki gibi sıvıdan iki ayrı katının oluşmasışeklinde gelişir.

54 Ledeburit MÜHENDĐSLĐK K METAL ve Ledeburit içindeki ostenitin karbon oranı sıcaklık düştükçe azalır (ES eğrisi boyunca). Ostenitin içinde ötektoit oran olan % 0 8C kalınca, perlit olarak dönüşür. Bundan dolayı 723 C nin altındaki ledeburite dönüşmüş ledeburit denilir.

55 Demir-karbon alaşı şımlarının n isimlendirilmesi Karbon oranı % 0.2 den az olan Fe Fe 3 C alaşımlarına yumuşak demir adı verilir. Karbon oranı % % 1.7 arasında olan Fe Fe 3 C alaşımlarına çelik denir. Karbon oranı % 1.7 den büyük olanlarına ise dökme demir (Font) denilir.

56 Soğuma Esnasında nda Çelik Ve Dökme D Demirlerdeki Faz Değişimleri imleri Diyagram üzerinde % 0.4 ve %1.4 karbonlu çelik ile %3 karbonlu dökme demirin ergime noktasından oda sıcaklığına kadar geçirdiği değişiklikleri inceleyelim

57 % 0.4 karbonlu alaşı şım % 0.4 karbonlu alaşı şım, 1 noktasına na gelince katıla laşmaya başlar, 2 noktasına na gelindiğinde inde yapı tamamen ostenittir. 3 noktasına na kadar herhangi bir değişiklik iklik olmaz. 3 noktasına na gelince tane sınırlars rlarında ferritler (α)( ayrış ışmaya başlar. Ostenitin karbon oranı ise A 3 eğrisi boyunca sıcakls caklık düştükçe e artar ve en son 723 C C de % 0.8C oranına na ulaşı şır. Bu alaşı şım m 723 C C nin altında (4. nokta) perlit olarak dönüşür.

58 % 0.4 karbonlu alaşı şım Oda sıcakls caklığında yapı ferrit ve perlitten meydana gelmiştir.

59 % 1.4 karbonlu alaşı şım %1,4 karbonlu çelik 1 noktasına na gelince ostenit (γ)( ) tanecikleri oluşmaya başlar. 2 noktasında nda yapı tamamen ostenitten ibarettir. Acm eğrisinin e altına inince (3 noktası) ostenitin çözebildi zebildiği i karbon oranı azaldığı ığından ikinci sementit oluşur. ur.

60 % 1.4 karbonlu alaşı şım A1 sıcakls caklığının n altına inildiğinde inde (4 noktası) yapı perlit ve ikinci sementitten ibarettir

61 % 3 karbonlu alaşı şım % 3 karbonlu alaşı şım m 1 noktasına na gelince ostenit tanecikleri katıla laşmaya başlar ötektik sıcaklığa a gelindiğinde, inde, ostenitin karbon oranı % 2.06, sıvıs içindeki indeki karbon konsantrasyonu % 4.3 tür. t Geriye sıvıs olarak kalan kısım k ledeburit olarak katıla laşır. Sıcaklık k düşerken d ostenitin karbon eritme oranı Acm eğrisi e boyunca düştüğü için in ostenitten karbonlar ayrışı ışır r ve 2.sementiti oluşturur.

62 % 3 karbonlu alaşı şım A1 sıcakls caklığına gelindiğinde inde ostenitin karbon oranı % 0.8 e düşmüştür. 723 C C nin altında ostenit perlite dönüşür. Oda sıcakls caklığında yapı perlit, ikinci sementit ve dönüşmüşd ledeburitten ibarettir.

63 Düşük k Karbonlu Çelikler Düşük k karbonlu çelikler en fazla % 0.25 mertebelerinde karbon içerirler. Bunlar diğer türlere t kıyasla k en fazla düktil, d buna karşı şın n en düşük d dayanım m ve sertliktedirler. Bu tip çelikler, büyük b k düktilite d ve işlenebilirlik i gerektiren yerlerde kullanılırlar. Örneğin, otomobil gövdesi, g ince saç levha, çivi, perçin, betonarme donatısı,, profil eleman malzemesi üretiminde kullanılırlar. Tavlama ve ısıl l işlemler i yardımıyla yla sertleştirilemezler. tirilemezler.

64 Orta Karbonlu Çelikler % % 0.5 oranında nda karbon içeren i orta karbonlu çelikler ise; demiryolu rayları,, tren ve tekerlekleri, dingil şaftları ve yüksek y nitelikli betonarme donatısı gibi sertlik ve yüksek y dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. Karbon içerikleri i martensit oluşumuna umuna izin vermesi nedeniyle ısıl işlem ve tavlama yoluyla özellikleri düzeltilebilir. d

65 Yüksek Karbonlu Çelikler % % 0.95 arasında karbon içeren i yüksek y karbonlu çelikler, en sert, en dayanıkl klı ancak en az düktil d olan türdt rdür. r. Isıl l işlemlere i en iyi bu tür t r yanıt t verip, gereken işlemlere i tabi tutulduktan sonra istenen niteliğe e getirilebilir. Bu tür t çelikler, değişik ik özellikli tellerin, savaş araçlar larının, n, keskin bıçaklarb akların n vb. yapımında kullanılır. Kaynak işlemi i bu tip çeliklerde lokal sertleşme ve düktilite d kaybına yol açabildia abildiğinden inden kaynaklama sırass rasında dikkatli olunması gerekir.

66 Çeliklerin içinde i inde doğal olarak bazı yabancı maddeler bulunabilir (En çok Mn % 0.6-% % 0.7, Si % % 0.45, S % % 0.04, P % oranlarında nda bulunabilir). Bunlar yukarıda belirtilen sınırlar s içinde i inde kalırsa, alaşı şımın n mekanik davranışı ışını pek etkilemezler. Ayrıca Mn oranının n artması dayanımı olumlu yönde y etkiler. Ancak kükürt k çeliğin in kırılganlk lganlığını arttırır, r, bu nedenle iyi bir çelikte oranı % 0.04'ü geçmemelidir.

67 8 MALZEME BĐLGB LGĐSĐ ÇELĐK ÜRETĐMĐ

68 ÇELĐK ÜRETĐMĐ DEMİR (Fe) KARBON (C) ÇELİK Fe ( %99,7) C (0,25-0,4) ÇELİK

69 ÇELĐK ÜRETĐMĐ CEVHER+ERİTİCİ Baca KIRMA, UFALAMA YAKMA Gaz Çıkışı Döner yükleme haznesi Büyük Çan 200 C YAKMA (1900 C) Küçük Çan 800 C SOĞUTMA 1300 C BEYAZ FONT ESMER FONT Ham demir 1800 C 1500 C Hazne Ana hava simidi Hava giriş borusu Curuf akıtma kanalı

70 ÇELĐK ÜRETĐMĐ HAM DEMİRİN ARINDIRILMASI karbon, silisyum, mangan, fosfor, kükürt gibi maddelerin kısmen veya tamamen yok edilip, çeşitli çelik ve endüstriyel demirlerin edilmesi PİYASAYA ARZ EDİLEBİLİR HALE GETİRME piyasada görülen saç, değişik boy ve şekillerdeki çubuk, profil elemanlar olarak yarı mamul

71 Çelik Üretimi Demir ve alaşı şımlarının n elde edilişi, i, düzeltimi, d değişimi imi ve yarı işlenmiş eşya haline dönüştürülmesi d ile uğrau raşan an endüstri ve teknik bölümüne "siderurji" adı verilir. Siderurji tekniği i dört d büyük b k gruba ayrılır r : 1. Cevher, eritici ve kömürden oluşan ham maddeleri; kırma, k ufalama, yakma (Piritlerin yakılmas lması), kok yapımı vb. ilk işlemlerden i geçirerek yüksek fırına f atılabilecek şekle dönüştürme d aşaması.

72 Çelik Üretimi 2. Ham demir (pik) veya font elde edilişi i ve iri döküm d ürünlerinin elde edilişi; i; Demir metalürjisinde kullanılan lan yüksek y fırında f cevher, kömür k r ile beraber 1900 C C civarında yakılmakta ve 1300 C de çabuk soğuma sonucu beyaz font üretilir. Yavaş soğuma sağlan lanırsa esmer font elde edilir. Artık maddeye letiye(curuf) adı verilir.

73 Çelik Üretimi Yukarıdaki reaksiyonla elde edilen font'a hava ve demir oksit etki ettirilerek yumuşak demir üretilir (Puddling Yöntemi). Y Çelik üretiminde ise beyaz fontun yakılarak fazla karbonun alınmas nması (Martin-Siemens Yöntemi) Y veya yumuşak demire hava üflenerek karbonlanması (Bessemer veya Thomas) yöntemi gibi işlemler i uygulanır.

74 SÜREKLİ DÖKÜM 4. Üçünc ncü aşamanın ürünü olan kütüklerin k klerin ya ingot kalıplara dökülerek d veya su ile soğutulan bakır r kokil ile bir uçtan u akıtılırken öteki uçtan katıla laşmışşekilde dışarı çekilerek sürekli s olarak (sürekli döküm) d dökülerek piyasada görülen g saç,, değişik ik boy ve şekillerdeki çubuk, profil elemanlar olarak yarı işlenmiş eşya durumuna getirilmesi.

75 ÇELĐK ÜRETĐMĐ

76 Çelik Üretimi Demir ve çelik ürünleri aynı zamanda hurda malzemeleri değerlendiren erlendiren ark ocağı sistemi ile de elde edilir. Temin edilen hurda demir, alaşı şıma karbon sağlamak amacıyla pik demir (yüksek karbon oranlı dökme demir) ile birlikte elektrik ark ocaklarında eritilir. Eritme için i in gerekli olan yaklaşı şık k 1600 C sıcaklık k yarım m metre çaplı üç adet büyük b elektrot ile sağlan lanır.

77 Çelik Üretimi Elektrotlardan geçen en yüksek y elektrik akımı sonucunda doğadaki yıldy ldırım düşmesine benzer şekilde elektrik arkı oluşur. ur. Oluşan ark yüksek y ısı yaydığı ığından dolayı demir ve içerindeki i diğer elementler erir. Eriyik üzerine oksijen verilerek istenmeyen elementlerin aktiflik sırasına göre g oksitlenerek eriyikten ayrış ışması sağlan lanır.

78 Çelik Üretimi Bu oksitler curuf adı verilen karışı ışımı oluştururlar. Bu curufun özgül l ağıa ğırlığı demirden oldukça a düşük d k olduğundan undan dolayı (yaklaşı şık k ), curuf eriyiğin in yüzeyine çıkar ve yüzeyden y dışd ışarıya atılır. Eriyikten curuf alınd ndıktan sonra; eriyik daha küçük üçük k elektrotları olan potaya boşalt altılır. Burada eriyikten örnek alınarak kimyasal bileşimine bakılır ve gerekli işlemler yapılarak istenen kimyasal kompozisyon elde edilir.

79 Çelik Üretimi En son elde edilen alaşı şım m sürekli s döküm m işlemine i tabi tutulur. Burada sıvıs haldeki demir-karbon alaşı şımının n sıcakls caklığı bakır kokillerde su ile soğutulup 1200 C ye kadar düşürülerek d katıla laşma sağlan lanır. Daha sonra katılaşan malzeme istenen formda kütükler haline getirilerek ya kendi halinde soğumaya bırakılır ya da fazla soğumadan istenen boyut, şekil, sertlik ve dayanımda çelik üretilmek üzere haddelemeye geçilir.

80 Çelik Üretimi

81 Çelik Üretimi

82 Çelik Üretimi

83 12 YAPI MALZEMESĐ I Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme Yöntemleri

84 Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme YöntemleriY Metallerin mekanik özellikleri kullanım m amacına göre g yeterli olmayabilir. Bu amaca yönelik y olarak bazı yöntemleri kullanarak metallerin mekanik özellikleri geliştirilebilir. Bu yöntemler y daha çok metalurji mühendislerinin m uğrau raşı alanında nda kalmaktadır. Ancak bir fikir verebilmek açısından a bu yöntemlerden y kısaca k söz z etmekte yarar vardır. r. Malzeme kopmadan önce belirli bir kopma uzaması (bazı literatür r % 5 kabul etmektedir) gösteriyor g ise böyle b malzemelere sünek malzeme, belirgin bir uzama göstermeden g koparsa (plastik şekil değiştirmeden) gevrek malzeme denir. Sünek malzemeler dislokasyon hareketleri ile şekil değiştirdikleri için, i in, dislokasyon hareketini zorlaştıran ran her etki malzemenin dayanımını artırır. r.

85 Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme YöntemleriY Tane Ufaltma Katı eriyik Alaşı şımlandırılması Deformasyon Sertleştirmesi tirmesi Isıl İşlem

86 Tane Ufaltma Kristal kaymasının n tane sınırlars rları ile engellendiğinden inden söz s z edilmişti. Tane boyutu daha küçük üçük k olunca daha büyük b k oranda sınır s malzemesi çıkacağından, malzemenin tane boyutu küçük üçülürken, mukavemeti artar. Bu nedenle malzemenin tane çaplarını incelten işlemler i aynı zamanda o malzemenin dayanımını arttırır. r. Bu işlemler i daha ziyade eriyiklerin dondurulması ile gerçekle ekleşir. Eğer sıvıs daha hızla h donduruluyorsa ince yapılı taneler, yavaş donarsa daha kaba yapılı taneler oluşur. ur.

87 1. Tane Ufaltma Donma hızıh genellikle dökümün d n yapıld ldığı kalıbın n cinsine göre g değişir. ir. Metal kalıplarda, kum kalıplardan daha hızlh zlı donma oluşur. ur. Metal kalıplar pları su ve yağ ile soğutmak bu işlemi i daha da hızlandırır.. r.. Özellikle iri taneli yapı istenirse sıcak s kum kalıplar kullanılır. Tane boyutları mekanik işlemlerle i (form ve şekil verme) ve ısıl işlemler (tavlama) ile ayarlanabilir. Gelişen en metalurji teknikleri ile bu işlemler i değişik ik şekillerde düzenlenebilir.

88 2. Basit Alaşı şım m Etkileri Alaşı şımı oluşturan atomlar yarıçaplar apları farklı olduğu u için i in kristal hatası oluştururlar. Elementlerden biri diğerine göre g ya arayer atomu ya da yeralan atomu oluşturur. Her iki halde de dislokasyon hareketi zorlaşı şır. Dislokasyon hareket ederken bu nokta hatalarına ulaşı şırsa veya nokta hataları yayınma ile dislokasyon bölgesine b ulaşı şırlarsa, dislokasyon bölgesinin b enerjisini azaltarak hareketini zorlaştırır. r.

89 3. Deformasyon Sertleştirilmesi tirilmesi Bir malzemeye elastik limitin üzerinde bir statik gerilme uygulanıp p sonra kaldırılırsa rsa ve bu işlem i aynışekilde tekrarlanırsa, rsa, orijinal elastik limitten büyük b yeni bir elastik limit belirir.

90 3. Deformasyon Sertleştirilmesi tirilmesi Bu işleme i soğuk işlemi adı da verilir.

91 4. Isıl l işlemi MÜHENDĐSLĐK K METAL ve İstenilen mikroyapı ve özellikleri elde etmek için i in çelik katı fazda iken ısıtılıp, soğutulma işlemlerine i ısıl l işlemi denir. Isıl l işlemler i tavlama ve sertleştirme tirme olarak iki grupta incelenebilir.

92 4. 1. Tavlama Çeliklerin ısıtılıp p soğutulma işlemlerine i tavlama denilir. Soğuk işlemin i etkileri (iç gerilmeler) tavlama denilen metal işlendikten sonra yapılan bir ısıtma işlemi i ile giderilir. Tavlama sonucu, elastik dayanım m biraz azalabilir ancak enerji yutma kapasitesi ve düktilite büyük ölçüde artar ve yassıla laşan an taneler birbirleri ile kaynaşı şırlar.

93 4. 1. Tavlama Tavlama adı Homojenleştirme (Yayınma) Tane irileştirme. Uygulanması Çelik C ler arasında 50 saat gibi uzun bir süre bekletilir. Çelik C ler arasında bekletilir. Elde edilen özellik Tane sınırlarında biriken ve gevrekleşmeye neden olan katışkılar ve kalıntılar tane içine doğru yayınır. Yayınamayanlar ise küreleşerek tokluk artar. Taneler irileşerek çeliğin talaşlı işleme özelliği artar

94 4. 1. Tavlama Tavlama adı Tam Uygulanması Ötektoit altı çeliklerde A3, ötektoit üstü çeliklerde A1 sıcaklığının yaklaşık 30 C üstünde tutularak genellikle fırında, en az A1 sıcaklığının 30 C altına kadar yavaşça soğutularak yapılır Elde edilen özellik İnce taneli yapı elde edilir, aynı zamanda yumuşama meydana gelir, elektrik ve manyetik özellikler ve işlenebilirlik iyileşir. soğuma kontrollü yapıldığı için homojen bir mikro yapı elde edilir.

95 4. 1. Tavlama Tavlama adı Normalizasyon Uygulanması Bozulan tane yapısının normal hale getirilmesi için ötektoit altı çeliklerde A3 sıcaklığının ötektoit üstü çeliklerde ise Acm veya A1 sıcaklığının yaklaşık 55 C üstünde tavlanma yapılır. Soğutma oda sıcaklığında, havada yapılır. Elde edilen özellik Çelik döküm parçaları genellikle çentik darbe mukavemetini artırmak için normalizasyon işlemine tabi tutulur. Parça havada soğutulduğu için, soğu-ma homojen olmaz. Parçanın kalınlığı, ortam sıcaklığının farklılığı mikroyapıyı değiştirir. Kalın parçalarda yüzey mikro-yapısı ile iç kısmın mikroyapısı farklı olur. Normalizasyon tavlamasında soğuma daha hızlı olduğu için mikroyapı daha sert ve daha dayanıklı olur.

96 4. 1. Tavlama Tavlama adı Küreselleştirme (Yumuşatma) Uygulanması Sementitleri parçalamak için, ötektoit altı çelikler A1 in altında tutulur ötektoit üstü çeliklerde A1 sıcaklığının altında ve üstünde salınım yaptırılır. Elde edilen özellik Ötektoit üstü çeliklerdeki sementit lamellerinin parçalanması çeliğin işlenmesini kolaylaştırır, tokluğunu artırır. Çelik içindeki sementitlerin küreselleştirilmesi çeliğin sünekliği, yorulma dayanımı gibi mekanik özelliklerinin iyileşmesine neden olur.

97 4. 1. Tavlama Tavlama adı Yeniden kristalleşme Uygulanması Çelik 650 C ye ısıtılıp bir süre bu sıcaklıkta bekletildikten sonra soğumaya bırakılır. Elde edilen özellik Soğuk şekillendirme neticesi kristal yapısı bozulan çeliği yeniden kristal yapılı hale getirmek için yapılır. Soğuk şekillendirme işlemi genellikle karbon oranı % 0.25 ve daha küçük olan çeliklere uygulandığı için yeniden kristalleştirme tavı bu çelikler için söz konusudur.

98 4. 1. Tavlama Tavlama adı Gerilme Giderme Uygulanması Malzeme C ler arasına ısıtılıp bir süre bu sıcaklıkta bekletildikten sonra soğumaya bırakılır. Elde edilen özellik Makine parçalarının farklı bölgelerinin farklı zamanlarda soğuması veya farklı plastik deformasyona uğramasından dolayı iç gerilmeler meydana gelir. Bu tavlama sayesinde iç gerilmeler iyice azalır.

99 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ MÜHENDĐSLĐK K METAL ve IMLARI-I Doç. Dr. Halit YAZICI