ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ

Transkript

1 1. DENEYİN AMACI: Alüminyum alaşımlarında çökelme sertleşmesinin (yaşlanma) mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi ve sertleşme mekanizmasının öğrenilmesi. 2. TEORİK BİLGİ Çökelme sertleşmesi terimi, genel bir ifadeyle birbirleri içerisinde sınırlı çözünürlüğe sahip (tek faz bölgesi içeren) alaşımlara uygulanan bir sertleştirme yöntemidir. Bu işlem, ikinci fazın bir matris içinde katı çözeltiden çökelmesi sonucu alaşımın mukavemetinin artmasını sağlar. Çökelme sertleşmesi, demir dışı malzemelerde özellikle alüminyum esaslı alaşımlarda diğerlerine göre daha geniş çaplı bir kullanım alanına sahiptir. Çökelme sertleşmesinin uygulanabilmesi için, alaşım sistemi iki önemli ön şartı sağlamalıdır. Bunlar: 1- Bir elementin diğer element içinde kayda değer miktarda, yani yüzde birkaç oranında çözünebilmesi 2- Ana element içindeki çözünen elementin çözünme sınırının, sıcaklığın düşmesiyle birlikte hızla azalması (solvüs eğrisine sahip olmalıdır) Çökelme sertleşmesi ısıl işlemi üç aşamada gerçekleştirilir: 1. Çözeltiye alma işlemi, 2. Ani soğutma ile aşırı doymuş yapı elde etme, 3. Yaşlandırma işlemi. Yaşlanma ancak denge diyagramında solvüs eğrisi bulunan alaşımlarda ve sadece solvüs eğrisinin sınırladığı katı eriyik bileşimlerinde meydana gelebilir. Bu nedenle alüminyum alaşımlarının bazıları yaşlandırılabilir. Yaşlanabilir alüminyum alaşımlarından 2XXX, 6XXX ve 7XXX serisi alaşımların ısıl işlemi teknolojik açıdan önem taşır. Bir alaşımın çökelmeyle sertleşebilirliği için temel koşul alaşım elementinin çözünebilirliğinin düşen sıcaklıkla birlikte azalmasıdır. Şekil 1 de verilen Al-Cu denge diyagramından da görüldüğü gibi, Cu nun çözünürlüğü sıcaklığın düşmesi ile birlikte 1

2 azalmaktadır. Çözeltiye alma işleminin ardından katı eriyik ani soğutularak aşırı doymuş yapı elde edilir. Şekil 1. Alüminyumun içerisinde bakırın sıcaklığa bağlı olarak çözünebilirliği Üçüncü aşamada olan yaşlandırma işleminde aşırı doymuş yapı içerinde ikincil fazın küçük partiküller halinde çökelmesi sağlanır (Şekil 2). Çökelmenin başlangıcında, çökelti boyutu çok küçük olduğundan çökeltiler deformasyon sırasında dislokasyonların hareketini çok az etkileyebilirler, bundan dolayı malzemenin sertliğinde önemli bir değişiklik görülmez. Fakat çökeltilerin boyu arttıkça dislokasyon hareketleri zorlaşır. Dolayısıyla malzemenin dayanımı yükselir. 2

3 Şekil 2. Çökelme sertleşmesi sırasında meydana gelen mikroyapısal değişimler. Alüminyum alaşımları için oda sıcaklığında uzun sürede (birkaç saat ile birkaç hafta arasında) yapılır ise doğal yaşlandırma işlemi olarak isimlendirilir. Eğer oda sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta yapılırsa (100 o C ila 200 o C arasında) yaşlanma işlemi hızlandırılır. Bu tür yaşlanma yapay yaşlandırma olarak isimlendirilir. Sertleşme Mekanizması Çökelme sertleşmesi genel olarak yüksek dayanımlı alüminyum alaşımlarına uygulanır. Şekil 1 deki Al-Cu faz diyagramından görüldüğü üzere; α, bakırın alüminyum içinde yaptığı yer alan katı çözeltisi; θ ise CuAl 2 metallerarası bileşiğini temsil eder. Denge halindeki θ fazının çökelme sertleştirmesi işlemindeki gelişimi sırasında sırayla bir takım ara veya geçiş fazları oluşmaktadır (Şekil 3 ve Şekil 4). Alaşımın mekanik davranışı bu geçiş fazlarının parçacıklarına ait özelliklerden etkilenir. Sertleşmenin ilk kademelerinde bakır atomları α katı çözeltisi içindeki birçok noktada olmak üzere, bir veya iki atom kalınlığında ve yaklaşık 25 atom çapındaki çok ince diskler şeklinde bir araya gelerek kümelenir. 3

4 Bu atom toplulukları genellikle Guinier-Preston (GP) bölgeleri olarak adlandırılır ve çok küçük boyutta oldukları için, bunlar henüz bir çökelti parçacığı olarak addedilmez. Ancak bakır atomlarının zamanla yayınmasıyla, bu atom topluluklarının boyutu da büyür, kristal yapı oluşturarak birer faz parçacığı haline gelir. Çökelen parçacıklar θ kararlı faz yapısına kavuşmadan önce, sırasıyla θ ve θ olarak gösterilen iki geçiş fazını oluşturur. Şekil 3. θ fazının çökelmesi esnasında meydana gelen ara fazlar ve sertliğe etkileri 4

5 Şekil 4. Al-Cu alaşımının yaşlanma sırasında farklı evrelerdeki mikroyapıları a) GP zonları (720000x) b) θ (63000x) c) θ (18000x) d) θ (8000x) Çökelme sertleşmesi, hareket edebilen dislokasyonların yolu üzerinde küçük ve sert partiküllerin oluşmasının sağlanmasıyla gerçekleştirilir. Şekil 5 ve Şekil 6 dan da görüldüğü gibi, çökelti partikülleri dislokasyon hareketlerini engelleyerek malzeme mukavemetinin artmasını sağlar. Çökelen II. fazın türü, dağılımı, miktarı, ortalama çapı ve sayısı mukavemet değerini etkiler. Çökelen II. faz tanecikleri yapı içinde ne kadar küçük, sık ve homojen olarak dağılmışlar ise, mukavemette o kadar yüksek olmaktadır. Mukavemet artış mekanizmasının tabiatını anlamanın en iyi yolu, dislokasyonların çökelen ikinci faz ile etkileşimlerini incelemektir. Kayan dislokasyonların çökelti partiküllerle etkileşimi Δt olarak ifade edilebilen miktarda kritik kayma gerilmesini arttıracaktır. Teorik çalışmalar, Δt yi dislokasyon-partikül etkileşim parametrelerinin bir fonksiyonu olarak tespit etmeye dayanmaktadır. Dislokasyon-partikül etkileşimini üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım, dislokasyonların çökelen partiküllere ne şekilde nüfuz ettikleri esasına göre yapılmaktadır. Dislokasyonlar, 1) partikülleri halkaya alırlar, 2) partikülleri keserler ve 3) partiküller etrafında çapraz kayarlar. 5

6 1. Partiküllerin Halkalanması Şekil 5. Dislokasyonların çökelen partikülleri halkaya alması 2. Partiküllerin Kesilmesi Şekil 6. Çökelen partiküllerin dislokasyonlar tarafından kesilmesi 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Çökelme sertleşmesi uygulanan alüminyum alaşımından yapılmış numuneler (AA 7075) Solüsyona alma işlemi için fırın, Ani soğutma ortamı, Yaşlanma işlemi için etüv, Brinell veya Vickers sertlik ölçüm cihazı. 4. DENEYİN YAPILIŞI Deney malzemesi olarak 7075 alüminyum alaşımından üretilmiş numuneler kullanılacaktır. Deney malzemesinin kalınlığı en az 5 mm olmalıdır. Deneyin yapılışı örnek olarak % 4 Cu, % 0,8 Mg, % 0,5 Mn içeren AlCuMg alaşımı için açıklanabilir. Solüsyona alma işlemi 480 o C lik bir fırında yaklaşık 1 saat süre ile gerçekleştirilir. 6

7 Solüsyona alma işleminden sonra numuneler fırından mümkün olduğunca çabuk alınarak derhal soğuk suya daldırılarak ani soğutma yapılırlar. Çökelme sertleşmesi alüminyum alaşımlarında ani soğutmadan hemen sonra başladığı için ilk 15 dakika içerisinde yapılmalıdır. Yaşlanma işlemi için üç sıcaklık seçilir: oda sıcaklığı, 170 o C ve 250 o C. Oda sıcaklığındaki yaşlanma (doğal yaşlanma) çok yavaş seyreder. Çoğu zaman sertlik artışı birkaç saat sonra başlar ve belirli aralıklarla birkaç hafta sürdürülür. Her iki sıcaklıkta yapılan suni yaşlanmada sertlik ölçmeleri kısa aralıklarla yapılır. Örneğin, 170 o C için ½, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 saat sonra ve 250 o C için ¼, ¾, 1, 5, 2.5, 3.5, 5 saat sonra sertlik ölçümü yapılır. Suni yaşlanma için sıcaklığı ayarlanabilir etüv kullanılır. Sertliklerin ölçülmesi için parçalar soğutulur. Etüv dışında geçen süre sonucu etkileyeceğinden sertlik ölçme işlemleri numune soğuyunca hemen yapılmalıdır. Alüminyum alaşımlarında 170 o C deki yaşlanma işleminde birkaç saat boyunca sabit kalabilen sertlik değerleri görülebilir. Ancak işlem devam ettiğinde tekrar sertlik artışı görülür. Suni yaşlanmada (doğal yaşlanmada da olabilir) önce Guinier-Preston bölgelerinin oluştuğu ve devam eden yaşlanmada stabil olmayan intermetalik fazının oluşmasıdır. Deney esnasında sertlik yükselişinde düzensizlikler ve geniş dağılımlar görülebilir. Bunun sebebi, deneylerin dikkatli yapılmayışı ve deney malzemesindeki homojensizlikler olabilir. Bu nedenle, deney numunesi sayısı mümkün olduğunca fazla olmalıdır. 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA Değerlendirme yaşlanma süresine bağlı olarak sertlik değişiminin grafik üzerinde belirtilmesiyle yapılır. 7

8 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) Yaşlanma işlemi sırasında ölçülen sertlikler göz önüne alınarak iç yapı değişimlerinin değerlendirilmesi. c) Yaşlandırma süresine bağlı olarak sertlik değişim grafiği çizilmesi ve grafiğin sertleşmesi mekanizmaları da göz önüne alınarak yorumlanması. 7. KAYNAKLAR Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Malzeme Üretim Laboratuarı I Deney Föyü AA 2024 Alüminyum Alaşımında Çökelme Sertleşmesinin Mekanik Özelliklere Etkisi, Ş. Y. Güven, Y. E. Delikanlı, SDÜ Teknik Bilimler Dergisi (4) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, William D. Callister, David G. Rethwisch 8