FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ

Transkript

1 FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ Prof. Dr. Ramazan YILMAZ Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Esentepe Kampüsü, 54187, SAKARYA

2 FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ Dersin Amacı Alaşımlar ve/veya seramiklerin sıcaklık, bileşim ve basınca bağlı olarak kararlılıklarını tanımlamak ve değerlendirmek, faz diyagramlarını okumayı ve yorumlamayı öğretmek. Isıl işlem yöntemlerini tanımak. Isıl işlemler ile malzemelerin iç yapısal ve fiziksel özellikleri arasındaki ilişkileri öğrenmek. Isıl işlem süreçlerinde faz diyagramlarından yararlanma yöntemlerini tanımak

3 o Faz diyagramlarının önemi. Faz diyagramları ile ilgili temel kavramlar: Alaşım, Bileşen, Sistem ve Faz o Tek fazlı ve çok fazlı metaller. Fazlar hangi metotlarla tespit edilir? o Faz diyagramlarının belirlenme şartları. Faz diyagramlarıyla hangi bilgiler elde edilebilir ve elde edilemez. Dersin İçeriği o Maddelerin karıştırılması: sınırlı ve sınırsız eriyebilirlik, eriyememezlik ve örnekler. o Saf metallerin tekli faz diyagramları, Basınç-sıcaklık faz diyagramları, kullanımının önemi ve örnek basınçsıcaklık faz diyagramları o Gibbs Faz Kuralı. Saf maddeler ve ikili bileşenler için örnek uygulamalar o Metallerde katılaşma aşamaları, Homojen ve hetorejen çekirdeklenme, kristallerin sıvı metalde büyümesi ve tane yapısının oluşması. Saf metallerin ve alaşımların soğuma eğrilerinin karşılaştırılması

4 o Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarının tanıtılması ve Cu-Ni örneği, Faz diyagramlarının çizilmesi, Hume-Rothery kuralları ve örnek çalışmalar. o Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarından hangi bilgiler elde edilebilir: Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarlarının örnek uygulamalarla belirlenmesi. Yavaş soğuma şartlarında meydana gelen şematik mikroyapılar. Dersin İçeriği o Faz diyagramları ile alaşımın mukavemeti arasındaki ilişki. o İkili ötektik faz diyagramlarının tanıtılması: Cu-Ag, Pb- Sn örnekleri. Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarlarının örnek uygulamalarla belirlenmesi. Yavaş soğuma şartlarında meydana gelen şematik mikroyapılar. o Hiper ve hipo ötektik alaşımların mikroyapı değişimlerinin tanıtılması. Ötektik noktanın değişmesine etki eden faktörler

5 o Üç faz reaksiyonları ve örnek faz diyagramları. Ötektik, ötektoid, peritektik, peritektoid, monotektik ve syntektik. Ara fazların ve metaller arası bileşiklerin tanıtılması. o Çökelme sertleştirmesi ısıl işlemleri ve dönüşümleri o Fe-Fe3C denge diyagramının tanıtılması, fazlar, fazların bileşimi, yüzde miktarlarının belirlenmesi ve şematik mikroyapıların gösterilmesi. Öektoid altı, ötektoid ve ötektoid üstü çeliklerin mikroyapıları arasındaki farklılıklar. Dersin İçeriği o Dökme demirlerin mikroyapı dönüşümleri. Demir alaşımlarında alaşım elementlerinin faz diyagramlarının yapısının değişimine etkileri o Üçlü faz diyagramları ve örnek uygulamalar. o İzotermal faz dönüşümleri, TTT diyagramlarının tanıtılması ve örnek uygulamalar. o Sürekli soğuma dönüşüm diyagramlarının (CCT) tanıtılması ve CCT diyagramlarının kullanımı ile ilgili örnek uygulamalar

6 Dersin İçeriği o Seramik faz diyagramlarının tanıtılması ve örnek uygulamalar. Basınç-sıcaklık ve ikili seramik faz diyagramlarının örneklerle tanıtılması o Martemperleme, östenitleme ve östemperleme ısıl işlemleri, Martenzitik dönüşümler

7 Dersin Öğrenme Çıktıları 1) Faz diyagramları ve dönüşümleri ile ilgili temel kavramları tanımlar (Bilgi). 2) Homojen ve hetorejen çekirdeğe sahip saf metallerin ve katı eriyik metal alaşımlarının soğuma eğrilerini birbirinden ayırt ederek, yorumlar (Kavrama) 3) Saf metallerin faz diyagramlarından metalin ergime, buharlaşma ve süblimleşme sıcaklıklarını belirler. Sınırlı eriyebilirlik faz diyagramlarından yararlanarak, hangi sıcaklıkta ne kadar maddenin çözünebileceğini çözümler (Analiz) 4) Saf bir metalin katılaşması esnasındaki homojen çekirdeklenme için gerekli kritik çekirdek yarıçapının hesaplanması amacıyla örnek problem çözer (Uygulama) 5) Herhangi bir ikili ötektik ve Fe-Fe3C faz diyagramlarını çizerek, faz diyagramı içerisindeki her bir bölgeye ait fazları adlandırır (Bilgi) 6) Ötektik, hipoötektik, hiperötektik alaşımların ve ötektoid, ötektoid altı ve ötektoid üstü çeliklerin, çeşitli sıcaklıklardaki mikroyapılarını şematik olarak çizer, fazlarının bileşim ve yüzde miktarlarını bulmak amacıyla örnek problem çözer (Analiz) 7) Ötektik alaşım sistemindeki herhangi bir alaşımın, ötektoid, ötektoid altı ve ötektoid üstü çeliklerin yavaş soğuma şartlarında oluşan mikroyapılarını birbirinden ayırt ederek, oda sıcaklığındaki mikroyapıdaki fazların neler olduğunu belirler (Kavrama) 8) Çökelme sertleştirmesi uygulanabilecek bir alaşımı belirler (Kavrama). İşlem basamaklarını sıralar, şematik mikroyapıları çizer (Bilgi). Çökelme sertleştirmesi ile bir alaşımın mukavemetinin nasıl arttığı ile ilgili mikroyapı mekanizmasını yorumlar (Kavrama)

8 Dersin Öğrenme Çıktıları 9) Saf metal ve alaşımlara ait soğuma eğrileri arasındaki farkları ayırt edip, birbirleri ile karşılaştırarak çözümler (Analiz) Dökme demir çeşitlerini, mikroyapılarına bakarak ayırt edip, belirler. (Kavrama) 10) İki elementin birbirleri ile Hume-Rothery kurallarına göre sınırsız katı eriyik yapıp yapamayacaklarını analiz eder ve sınırsız katı eriyik yapabilecek bir alaşım önerir (Sentez) 11) Alaşımsız veya alaşımlı bir çeliğin, TTT diyagramından yararlanarak çeşitli ısıl işlem şartlarında meydana gelen son mikroyapılarını belirler. İstenen herhangi bir mikroyapı için ısıl işlem şartlarını önererek değerlendirir (Değerlendirme) 12) Alaşımsız veya alaşımlı bir çeliğin, CCT diyagramından yararlanarak istenen son mikroyapıları elde edebilmek için sürekli soğumada dönüşüm eğrilerini çizer ve istenen herhangi bir mikroyapı için sürekli soğuma hızını önererek değerlendirir (Değerlendirme) 13) TTT ve CCT diyagramları üzerindeki dönüşüm eğrilerini ve bölgelere ait faz ve mikroyapıları tanımlar (Bilgi) 14) Üçlü izoterm diyagramlarını tanımlar ve her bir elementin ergime derecelerini belirler (Bilgi). Herhangi bir üçlü alaşımın kimyasal içeriklerini, fazlarını ve ergime derecelerini belirler (Analiz) 15) Seramik faz diyagramlarını tanımlar (Bilgi). Seramik faz diyagramından yararlanarak herhangi bir refrakter malzemeyi, maliyet ve kullanım amacı dikkate alınarak önerir. (Sentez)

9 HAFTA KONULAR Faz diyagramlarının önemi. Faz diyagramları ile ilgili temel kavramlar: Alaşım, Bileşen, Sistem ve Faz. Tek fazlı ve çok fazlı metaller. Fazlar hangi metotlarla tespit edilir? Faz diyagramlarının belirlenme şartları. Faz diyagramlarıyla hangi bilgiler elde edilebilir ve elde edilemez. - Maddelerin karıştırılması: sınırlı ve sınırsız eriyebilirlik, eriyememezlik ve örnekler. Saf metallerin tekli faz diyagramları, Basınç-sıcaklık faz diyagramları, kullanımının önemi ve örnek basınç-sıcaklık faz diyagramları. Gibbs Faz Kuralı. Saf maddeler ve ikili bileşenler için örnek uygulamalar Metallerde katılaşma aşamaları, Homojen ve heterojen çekirdeklenme, kristallerin sıvı metalde büyümesi ve tane yapısının oluşması. Saf metallerin ve alaşımların soğuma eğrilerinin karşılaştırılması

10 HAFTA KONULAR Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarının tanıtılması ve Cu-Ni örneği, Faz diyagramlarının çizilmesi, Hume-Rothery kuralları ve örnek çalışmalar. Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarından hangi bilgiler elde edilebilir: Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarlarının örnek uygulamaları. Şematik mikroyapılar. Faz diyagramları ile alaşımın mukavemeti ilişkisi. İkili ötektik faz diyagramlarının tanıtılması: Cu-Ag, Pb-Sn örnekleri. Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarlarının örnek uygulamalarla belirlenmesi. Şematik mikroyapılar. Hiper ve hipoötektik alaşımların mikroyapılar. Ötektik nokta. Üç faz reaksiyonları ve örnek faz diyagramları. Ötektik, ötektoid, peritektik, peritektoid, monotektik ve syntektik. Ara fazların ve metaller arası bileşiklerin tanıtılması. Çökelme sertleştirmesi ısıl işlemleri ve dönüşümleri

11 HAFTA KONULAR Fe-Fe 3 C denge diyagramının tanıtılması, fazlar, fazların bileşimi, yüzde miktarlarının belirlenmesi ve şematik mikroyapıların gösterilmesi. Öektoid altı, ötektoid ve ötektoid üstü çeliklerin mikroyapıları arasındaki farklılıklar. Dökme demirlerin mikroyapı dönüşümleri. Demir alaşımlarında alaşım elementlerinin faz diyagramlarının yapısının değişimine etkileri. Üçlü faz diyagramları ve örnek uygulamalar. İzotermal faz dönüşümleri, TTT diyagramlarının tanıtılması ve örnek uygulamalar. Sürekli soğuma dönüşüm diyagramlarının (CCT) tanıtılması ve CCT diyagramlarının kullanımı ile ilgili örnek uygulamalar Seramik faz diyagramlarının tanıtılması ve örnek uygulamalar. Basınç-sıcaklık ve ikili seramik faz diyagramlarının örneklerle tanıtılması Martemperleme, östenitleme ve östemperleme ısıl işlemleri, Martenzitik dönüşümler

12 KAYNAKLAR [1] Mühendisler için Malzeme Biliminin Temelleri", Prof. Dr. Hüseyin UZUN, Değişim Yayınları, 2012, Sakarya. [2] Metalurjide Faz Diyagramları", Prof. Dr. S üleyman GÜNDÜZ, Seçkin yayınları,2012, Ankara [3] "Malzeme Bilimi ve Mühendisliği", William D. Callister, David G. Rethwisch, Çeviri: Prof. Dr. Kenan GENEL, Nobel yayınevi, 2013, Ankara. [4] «Metalurjistler İçin Faz Diyagramları, Prof. Dr. ZİYA ENGİN ERKMEN, YALIN YAYINCILIK,2007 [4] «Mühendislik Alaşımları için Faz DiyagramlarI^ Prof.Dr.AhmetKARAASLAN,Literatür yayıncılık

13 YARIYIL İÇİ ÇALIŞMALARI SIRA KATKI YÜZDESİ Ara Sınav 1 50 Kısa Sınav 2 10 Ödev (8 adet) 8 40 TOPLAM 100 Finalin Başarıya Oranı 50 Yıliçinin Başarıya Oranı 50 TOPLAM

14 FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ Endüstriyel uygulamalarda çeşitli amaçlar için kullanılan metallerin birçoğu saf değildir. Çünkü saf metaller, servis şartlarında arzu edilen mekanik özelikleri sağlayamamaktadırlar. Saf demir kolay bükülürken Bu nedenle metalik elementler, bir metal veya ametal veya bunların birkaçı ile birlikte belirli oranlarda karıştırılarak arzu edilen performansı sağlayabilecek yeni tür malzemelerin üretilmesi hedeflenmektedir. Haltercinin tutuğu bar Fe-C alaşımı (çelik) malzemedendir ve kolay bükülmez

15 FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ Saf bakır çok kolay bükülürken Cu Zn alaşımı olan pirinç malzemeler kolay şekillendirilemez

16 FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ Saf alüminyum çok kolay bükülürken Çeşitli alüminyum alaşımları şekillendirmeye karşı daha dirençlidir

17 Malzemelerin mekanik davranışları ve fiziksel özellikleri, malzemelerin mikroyapısında bulunan fazların türüne, sayılarına, biçimlerine ve oranlarına bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle bir malzemenin endüstriyel amaçlı kullanılabilmesi için mikroyapısının tanımlanması mühendislik açısından oldukça önemlidir. Al-Si alaşımlarına Ti etkisi

18 Sarı prinç diye de anılan α+ß pirincinin mikroyapısı. ß (Beta) fazı ~ 45 wt% Zn, α(alpha) fazı ~ 30 wt% Zn içerir

19 Al Cu alaşımının mikroyapısı Fe-C alaşımı çeliklerin mikroyapısı

20 Saf metallerin özellikleri aynı olduğu için doğal olarak tek fazlı yapıya sahiptirler. Fakat birden fazla elementin bir araya getirilmesi sonucu oluşturulan alaşımlarda ise, çok fazlı bir yapı söz konusudur. Bir alaşımın mikroyapısı, alaşım elementlerinin kimyasal içeriğine, sıcaklığa, basınca ve soğutma hızına bağlı olarak değiştirilebilir. Dolayısıyla belirli bir kimyasal içeriğe sahip bir alaşımın, her hangi bir sıcaklık değerinde hangi mikroyapıya sahip olduğunu belirlemek amacıyla faz diyagramlarından yararlanılır

21 ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI

22 ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI

23 ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI

24 ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI Fe-Fe 3 C faz diyagramı

25 ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI Fe-Fe 3 C faz diyagramı

26 ALAŞIM TEMEL KAVRAMLAR Endüstriyel uygulamalarda kullanılan metallerin bir kısmı saf olarak kullanılır. Saf metallerin yüksek iletkenlik, yüksek korozyon direnci ve kolay şekillendirilebilme özelliliği gibi üstün özelliklere sahip olmalarına rağmen, genellikle mekanik özellikleri düşüktür, yumuşaktırlar ve pahalıdırlar. Saf bakır Saf bakır

27 Saf alüminyum

28 o Saf bakır, sahip olduğu yüksek iletkenliği sayesinde elektrik veya elektronik sektör uygulamalarında iletken tel olarak kullanılır. o Saf bakır, sahip olduğu yüksek korozyon direnci nedeniyle de estetik çatı kaplama malzemesi olarak kullanılır

29 Saf bakır yumuşak ve mukavemeti düşük bir malzemedir. Bakıra belirli oranda çinko ilave edilerek (örneğin, %60 Cu - %40 Zn alaşımı), elde edilen alaşımın mukavemeti daha yüksek, daha sert ve daha ucuz olmaktadır. Bir metalin diğer bir metal veya ametal veya bunların birkaçı ile birlikte belirli oranlarda karıştırılarak arzu edilen performansı verebilecek malzemelere alaşım adı verilir

30 BİLEŞEN o Alaşımı oluşturan elementlere bileşen adı verilir. Örneğin; Al-Cu bronz alaşımında Al ve Cu olmak üzere iki bileşen element vardır. o Bileşenler, kimyasal sembolleri ile gösterilirler. o Bazen örnek tanımlamalarda bileşenler A, B, C gibi büyük harflerle de gösterilirler. o Bileşen (component): Bir denge diyagramını oluşturan fazların herbiri. Örneğin, Fe-C ikili denge diyagramında iki bileşen vardır (Fe ve C). Bileşenler, saf metal veya elementler veya bileşikler olabilir. Sistemdeki herhangi bir fazı tanımlamak için gerekli bağımsız değişken olan kimyasal unsur çeşitlerinin sayısıdır. Tekli bileşenlere örnek: Fe, Cu, Ni İkili bileşenlere örnek: H 2 O NaCl, Cu-Ni sistemi, Fe-C sistemi Üçlü bileşenlere örnek: Fe-Ni-Cr, Ti-V-Al, Cu-Zn-Mg

31 SİSTEM o Elementler, değişik kimyasal oranlarda birbirleri ile karıştırılarak çeşitli alaşımlar yapılır. o Bir elementle, çeşitli oranlarda karışım yapan diğer bir elementin meydana getireceği tüm alaşım türlerini kapsayacak şekilde ifade edilmesine sistem adı verilir. Örneğin; bakır ile nikel çeşitli yüzde oranlarında birbirleri ile karıştırılarak değişik alaşımlar meydana getirilebilir. Buna Cu-Ni sistemi adı verilir. Sistem (system): Birbirine yakın değişik anlamları vardır: 1. Sınırları dışıyla madde ve enerji alış verişi yapmayan kapalı bir hacim, 2. incelenen özel bir malzeme kütlesi (bir sıvı çelik potası gibi), 3. ilgilenilen evrenin özel bir parçası, 4. Bileşenleri aynı fakat bileşimleri farklı olan mümkün alaşım serisi (Fe-C sistemi gibi)

32 SİSTEM o Kapalı sistem (closed system): İçerisine madde giriş ve çıkışına izin vermeyen, evrenin diğer kısımlarından ayrılmış bir sistemdir. Ne var ki, bu tür bir sistemin sınırları boyunca ısı (enerji )transferi olabilir. o Açık sistem (open system): Evrenin diğer kısımları ile ayrılmış olmayan ve sisteme madde giriş ve çıkışına izin veren sistemdir. o Bakır ile çinko birbirleri ile karıştırıldığı zaman meydana gelen alaşımlara pirinç adı verilir. Fakat çinko yüzde miktarının değiştirilmesi ile çeşitli pirinç malzemeleri yapılabilir. o Pirinç alaşımlarının tümünü ifade ederken Cu-Zn sistemi terimini kullanmak gerekir. o Pirinç alaşımını tanımlarken de pirinç alaşımı demek yerine, kimyasal bileşimini belirterek tanımlamak daha doğru olur. Örneğin; %37 Zn içeren pirinç alaşımı demeliyiz

33 FAZ FAZ (PHASE): Bir sitemin üniform fiziksel ve kimyasal karakteristikleri olan homojen bir kısmı. Daha geniş ifade edilecek olursa; o Bir sistemin homojen, o Belli bir sıcaklık, basınç ve bileşime sahip, o Makroskobik olarak tek bir yapı gösteren, o Bir yüzey ile sistem içerisindeki diğer kısımlardan mekanik olarak ayrılan bölgelerinden her biri olarak tanımlanabilir. Her bir saf malzeme (element, bileşik veya katı çözelti), katı, sıvı veya gaz halde olabilir, bunlar birer fazdır

34 FAZ Diğer bir ifade ile Bir alaşımın içinde - kristal yapısı, - atom dizilişleri, - kimyasal içerikleri ve özellikleri aynı olan ve birbirinden ayırt edilebilir homojen hallerine faz adı verilir. Bir sistemin tek tür (homojen) bir parçası olan ve sistemin diğer parçalarından kesin bir sınırla ayrılmış olan bölüme faz denir. Bu tanıma göre bir kap içindeki su, üzerindeki su buharı ile beraber iki fazdan oluşan; buzlu su ise, üç fazdan oluşan bir sistemdir

35 FAZ o Bir alaşım, belirli sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimde, bir veya birden fazla faza sahip olabilir. o Sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim değişirse, alaşımın da faz sayısı, fazların büyüklüğü ve şekli de değişebilir. o Fazların birbirinden ayırt edilebilmesi için gerekli parametrelere düzen parametreleri adı verilir. o Mikroyapı o Kimyasal içerik (bileşim) o Atomsal düzen (kristal yapıları) o Manyetik özellik v.b. Düzen parametrelerinin bir tanesi değişirse faz da değişir

36 MADDENİN HALLERİ Gündelik hayatta maddenin katı, sıvı, gaz, plazma (iyonlaşmış gaz) olmak üzere dört temel fazı vardır

37 MADDENİN DİĞER HALLERİ o Sıvı kristal, o Amorf katı, o Manyetik düzenli, o Süper iletken, o Süper akışkan, o Bose-Einstein yoğunlaşması, o Rydberg molekülü, o Kuark-gluon plazması, o Dejenere madde, o Süper katı, o Sicimsi sıvı ve Süper cam Sıvı kristal

38 SUYUN FAZLARI o Bir atmosfer basınç altında ve 0 C nin altında su (H 2 O) katı fazındadır (buz). o Oda sıcaklığında ise su (H 2 O) sıvı fazındadır. o Sıvı su (H 2 O) 100 C nin üzerinde ısıtıldığında gaz fazına (buhar) geçmektedir. Suyun katı, sıvı ve buhar fazlarındaki kimyasal içeriği aynı olmasına rağmen (H 2 O), her bir fazın birbirinden ayırt edilebilir kendine ait kristal yapısı, atom dizilişi ve özellikleri vardır

39

40 Sistemdeki faz sayısı P ile gösterilir. Örneğin bir gaz karışımı veya kristal haldeki bir katı tek fazlıdır. Ancak su-buz karışımı iki fazlı bir sistemdir

41 o Faz kelimesi Yunanca da görünüş anlamındadır. Faz maddenin hem kimyasal hem de fiziksel açıdan homojen olan haline denir. o Maddelerin tek bir sıvı ve tek bir gaz fazı varken katı halde deki faz sayısı birden fazla olabilir.(örneğin beyaz fosfor, kırmızı fosfor ) o Bileşenden kasıt ise sistemde bulunan tür sayısıdır. Örneğin ikili bir sistem çözücü ve çözünen bileşenlerinden oluşur

42 KATI HALDE BİRDEN FAZLA FAZ o Maddelerin tek bir sıvı ve tek bir gaz fazı varken katı halde deki faz sayısı birden fazla olabilir. o Örneğin beyaz fosfor, kırmızı fosfor gibi fosfor birden fazla katı fazı vardır

43 SAF MAGNEZYUM o Bir atmosfer basınç altındaki saf magnezyum metali, oda sıcaklığında katı fazdadır. o 650 C nin üzerine ısıtıldığında magnezyum sıvı faz haline geçmektedir. o 1107 C nin üzerinde ise, magnezyum buhar fazına dönüşmektedir.. o Dikkat edilirse magnezyumda katı, sıvı ve buhar fazlarının kimyasal içerikleri aynı olmasına rağmen (saf magnezyum), her bir faz kendine has bir özelliğe sahiptir

44 SAF MAGNEZYUM

45 FAZ o Faz kavramını daha iyi anlaşılabilmesi için verilebilecek en iyi örnek su ile şeker karışımıdır. o Bir miktar şeker, sıcak su ile karıştırıldığı zaman, su içerisinde şeker tamamen eriyerek (çözünerek) bir ŞEKER-SU KARIŞIMI elde edilir. Şekerli suyun her tarafı aynı bileşimde, aynı kimyasal ve fiziksel özellikte homojen bir karışım haline gelmiştir. Yani tek fazlıdır. Eğer şeker-su karışımını soğutup, daha fazla şeker ilave edilirse, su artık şekeri çözmez (eritmez). Şekerler, bardağın dibinde çözünmemiş bir halde ve katı olarak birikecektir. Bu durumda su-şeker karışımı iki farklı faz içerecektir. Birisi şekere doymuş sıvı faz; diğeri ise, çözünmemiş haldeki katı şeker fazıdır. o Böylece sıcaklığın değişmesi ile faz sayısı da değişmiştir

46

47 FAZ DİYAGRAMLARINDA KULLANILAN TERİMLER VE TANIMLAR FAZ: Bir fazın her yerinde kristal yapı, atom dizilişi aynıdır. Bir fazın her yerinde kimyasal ve fiziksel özellikleri aynıdır. Bitişik veya civar fazlar arasında kesin bir ara yüzey mevcuttur

48 1- TEK FAZLI METALLER 2- ÇOK FAZLI METALLER TEK FAZLI METALLER Saf metaller, tek fazlı olup özellikleri her yerde aynıdır. Saf bir metalin veya alaşımın değişik sıcaklık, basınç ve kimyasal içeriklerde hangi fazlardan oluştuğunu faz diyagramları yardımıyla bulabiliriz. Örnek; Katı, sıvı, gaz veya αfe,ϫfe, δfe

49 ÇOK FAZLI METALLER Birden fazla elementin bir araya gelerek oluşturduğu alaşımlar ise, çok fazlıdırlar. Alaşımların (çok fazlı) faz diyagramları, hem yavaş soğuma şartlarındaki denge halinde, hem de sabit basınçta (1 atmosfer basınç) gösterilir

50 FAZ BELİRLEME YÖNTELERİ o Metalografik Yöntemle Belirleme. o X-ışınları Analizi Yardımıyla Belirleme. o Termal Analiz Yardımıyla Belirleme o Diferansiyel Termal Analiz (DTA) Yardımıyla Belirleme o Bilgisayar Hesaplamaları:

51 o METALOGRAFİK YÖNTEM: FAZLARIN BELİRLENMESİ Bu yöntem, bir alaşımının numunelerinin farklı sıcaklıklara ısıtılması, orada denge sağlanıncaya kadar beklenmesi ve sonra yüksek sıcaklıktaki yapıyı koruyacak sağlanacak hızla soğutulması şeklinde uygulanmaktadır. Soğutulan numuneler mikroskobik olarak incelenerek faz yapısı tanımlanır. Bu metodu metallere çok yüksek sıcaklıklarda uygulamak zordur. Çünkü, hızlı soğutulan numuneler her zaman yüksek sıcaklık yapısını koruyamamakta ve görülen mikroyapıyı doğru olarak yorumlamak oldukça beceri gerektirmektedir

52 Bu yöntemle: METALOGRAFİK YÖNTEM o Numunenin kaç çeşit fazlardan oluştuğunu o Fazların numune içinde homojen dağılıp dağılmadığı o Fazların kaba veya ince taneli olup olmadığı belirlenmektedir. Bu durum metallerde her zaman gözlenmeyebilir. Çünkü metal atomlarının difüzyon hızı çok yüksek olduğundan, yüksek sıcaklık fazı hızlı soğutma hızında bile oda sıcaklığına kadar dönüşebilir

53 Bu yöntemle: X-IŞINLARI ANALİZİ YÖNTEMİ o Numune içindeki fazların kafes yapıları ve kafes parametreleri belirlenerek faz dönüşümleri incelenebilir. o Katı hal dönüşümlerinin ve katı durumdaki çözünürlüğün belirlenmesi hassas bir şekilde yapılabilir. Bu yöntem kafes boyutlarını ölçmek ve kafes boyutlarındaki değişimle veya yeni bir kristal yapısının gözlenmesi ile yeni bir fazın varlığını göstermek için uygulanmaktadır. Bu yöntem sıcaklıkla bir katı çözeltideki değişimleri belirlemede çok hassas ve çok kullanışlı bir yöntemdir. Bu yöntem fazların şekli ve dağılımı hakkında fikir vermediği için metalografik inceleme ile beraber kullanıldığı zaman mikroyapı hakkında yeterli bilgiye ulaşılabilir

54

55 X-IŞINLARI ANALİZİ YÖNTEMİ Günümüzde daha da geliştirilmiş cihazlarla faz analizleri yapılmaktadır. Değişik ısıl işlem şartlarında alaşımda ortaya çıkan fazlar elektron mikroskobu (SEM) veya geçirimli elektron mikroskobu (TEM) altında dalga boyu dispersif ve enerji dispersif XRF yardımı ile faz analizleri yapılabilmektedir

56 TERMAL ANALİZ YÖNTEMİ o Numunenin soğuması esnasında zaman-sıcaklık ilişkisinden faz dönüşümü olup olmadığı anlaşılabilir. o Ergime sıcaklığına kadar ısıtılan bir numunenin soğutulması esnasında, eğer bir faz dönüşümü meydana gelirse, ısı açığa çıkması nedeniyle soğuma eğrisi saparak eğimi değişir. Böylece farklı bir fazın varlığı belirlenmiş olunur. o Katılaşmanın başlama ve tamamlama sıcaklıkları, en doğru biçimde soğuma eğrileri yardımıyla belirlenir

57 DİFERANSİYEL TERMAL ANALİZ (DTA) YÖNTEMİ o DTA analizi ile sıcaklık değişimi karşısında maddelerin ağırlıklarındaki değişimler belirlenir. Maddeler pek çok durumda bozunma ile ağırlık kaybı gösterirler. Bazı durumlarda da ağırlık artışı (örneğin oksidasyon, karbürizasyon gibi) olabilir. o Faz değişimleri DTA analizi ile belirlenebilir. o Katı-katı, katı-sıvı, sıvı-gaz geçişlerinin ve bunlara alaşım elementlerinin etkilerinin belirlenmesi gerçekleştirilir. o İkili ve üçlü faz diyagramı çizilmesine katkı sağlar

58

59

60 TERMAL ANALİZ YÖNTEMİ Bu yöntem en geniş ölçüde kullanılan deneysel yöntem olup, soğuma diyagramlarından elde edilen bilgilere dayanmaktadır. Bu yöntemde, farklı bileşimlerdeki alaşım karışımları ergitilmekte ve sonra karışımın sıcaklığı, karışım oda sıcaklığına soğuyuncaya kadar, belirli zaman aralıklarında ölçülmektedir. Her bir karışım için bir soğuma diyagramı kurulmaktadır ve başlangıç ve son faz değişim sıcaklıkları belirlenmektedir. Sonra bu sıcaklıklar faz diyagramını kurmak için kullanılmaktadır

61 BİLGİSAYAR HESAPLAMALARI: Bu yöntemde, önce sabit sıcaklıkta denge halindeki sistemde var olan fazların G-X verileri girdi olarak bilgisayara yüklenir (örneğin α, β,ε ve L gibi). Her bir G-X eğrisinden geçen teğet fonksiyonları da bilgisayara yüklenir. Karışım serbest enerjileri her faz ve bileşim için hesaplanır ve en düşük serbest enerjili faz bulunur

62

63 FAZ DİYAGRAMLARI

64

65

66 FAZ DİYAGRAMLARI o Belirli bir kimyasal içeriğe sahip bir alaşımın, her hangi bir sıcaklık değerinde, hangi mikroyapıya sahip olduğunu belirlemek amacıyla faz diyagramlarından yararlanılır

67 FAZ DİYAGRAMLARI

68 FAZ DİYAGRAMLARI o Aslında faz diyagramları, alaşımların mikro yapılarını belirlemede bir harita niteliğindedir. Bir doktor için anatomi atlası neyi ifade ediyorsa, malzeme mühendisi için de faz diyagramları aynı şeyi ifade eder. o Belirlenen faz veya fazlar malzemenin fiziksel özelliklerini belirler

69 FAZ DİYAGRAMLARI OLUŞTURURKEN DİKKAT EDİLMESİ GEREKLİ HUSULAR o Faz diyagramları, yavaş soğuma şartlarında belirlenirler. Buna dengeli katılaşma hali denir. o Yavaş soğuma esnasında kristal kafesindeki atomlar bulundukları konumlarını korurlar. o Böylece kararlı bir hal olan dengeli katılaşma sağlanmış olunur

70 FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA ELDE EDEBİLECEK BİLGİLER o Faz diyagramlarından belirli bir alaşım sisteminde sıcaklık ve bileşime bağlı olarak oluşacak fazların türleri, fazların bileşimleri ve fazların miktarları belirlenebilir. o Fazların mikroyapıları tahmin edilebilir. o Endüstriyel sektörde malzemelerin üretiminde ve üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin değiştirilmesinde uygulanan ısıl işlem yöntemlerinde faz diyagramlarından çok fazla yararlanılır. o Faz diyagramı yardımıyla farklı bileşimlere sahip bir çok alaşımın faz değişim şartları tespit edilebilir. Böylece fazların belirlenmesi için yapılacak deneysel çalışmalar azalır

71 FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA ELDE EDELEMEYEN BİLGİLER o Faz diyagramları ile fazların lamel mi küresel mi şekilli mi olduğunu öğrenemeyiz. o Mikroyapı içindeki fazların dağılımı hakkında bilgi sahibi olamayız. o Eğer alaşımlar hızlı soğutulursa (örneğin; suda içerisinde hızlı soğutulursa) denge dışı şartlarında fazlar meydana geleceğinden bu fazları denge şartları altında oluşturulan faz diyagramında göremeyiz

72 ÖDEV Soru 1: Faz nedir? Örnek bir mikroyapı üzerinde çeşitli fazları gösteriniz? Soru 2: Alaşım nedir? Al-Si alaşımlarının özellikleri ve kullanım yerleri hakkında bilgiler araştırarak kısaca yazınız? Soru 2: Cu-Zn alaşımlarının özellikleri ve kullanım yerleri hakkında bilgiler araştırarak kısaca yazınız? Soru 3: Bileşen nedir? Örnek bir alaşım belirleyerek bileşenlerini tayin ediniz. Soru 4: Saf bir bakırın özellikleri ile her hangi bir Cu-Ni alaşımının özellikleri arasında ne gibi bir fark vardır yazınız? Soru 5: Faz diyagramı dersinin terimi olarak sistem ne demek olduğunu örnekler vererek açıklayınız? Soru 6: Fazların belirlenmesinde kullanılan yöntemleri açıklayınız? Soru 7: Bir faz diyagramı yardımıyla elde edilebilen bilgileri yazınız? Soru 8: Bir faz diyagramı yardımıyla elde edilemeyen bilgileri yazınız?

73 KAYNAKLAR D. R. Askeland, The Science and Engineering of Materials, Brooks/Cole Engineering Division, Monterey, W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, An Introduction, John Wiley&Sons, New York, H. Uzun, Faz Diyağramları internet sunusu İ. Özbek, Faz Diyağramları internet sunusu A. Alsaran Malzeme Bilgisi internet sunusu Çeşitli sunumlar Çeşitli internet web sayfaları

74 Dinlediğiniz için Teşekkür ederim!