Çeliklerin Fiziksel Metalurjisi

Transkript

1 Çeliklerin Fiziksel Metalurjisi

2 Ders kapsamı Çelik malzemeler Termik dönüģümler ve kontrolü Fiziksel özellikler Ölçüm yöntemleri Malzeme seçim kriterleri Teknik ısıl iģlem uygulamaları

3

4 Malzemelerin Kullanım Sınırları Sıcaklık C Polimer malzemeler Cu-Bazlı Malzemeler Hafif Metaller(Al, Mg, Ti) Fe-Bazlı Malzemeler Ni-Bazlı Malzemeler Seramikler Mukavemet (Oda Sıcaklığında Çekme Mukavemeti (Mpa) Polimer malzemeler Cu-Bazlı Malzemeler Hafif Metaller(Al, Mg, Ti) Fe-Bazlı Malzemeler Ni-Bazlı Malzemeler Seramikler

5 Çelikler Fe-C alaģımları Fe-C dengesi Stabil (C : grafit) Metastabil (C : Fe 3 C)

6 Çelik malzemelerin ayrımı C oranına göre % 2 den daha az C = Çelik malzeme % 2 den daha fazla C = Dökme demir malzeme

7 % 2 östenitin C çözünürlük sınırı % 2 altında ledebürit (ötektik) yok Plastik Ģekil alabilir % 2 üstünde ledebürit var Plastik Ģekil alamaz, Ģekillendirme sadece döküm (katılaģma) ile mümkün (dökme demir)

8 Fe-Fe 3 C sistemi (ÇELĠK) Metastabil (soğutma hızı yüksek) Fe-C sistemi (DÖKME DEMĠR) Stabil (soğutma hızı düģük)

9 Sıcaklık C Karbon % At. Stabil Metastabil Karbon % Sementit % Fe-C Denge diyagramı (çift sistem)

10 g bölgesi = östenit (Sir W.C. Robert Austen 1897) Yüksek sıc. peritektik g = d + sıvı DüĢük sıc. ötektoid a + Fe 3 C = g Yüksek C oranlarında ötektik g + Fe 3 C = sıvı

11 Peritektik (0,1) 1493 C g damax C (2,06) Ötektik (4,25) 1147 C max C 0.02 Ötektoid (0,8) 723 C

12 d ferrit g östenit Pri. sementit a primer Ön ötektoid a sek. sementit a ferrit a+fe 3 C = Perlit ter. semnetit Perlit+Fe 3 C = ledebürit a sek

13 Isıl iģlem Kombine prosesler (ısıtma ve soğutma) Denge dıģı durumu gösteren diyagramlar Denge koģulları Sonsuz yavaģ Isıtma veya soğutma

14 Denge dıģı DönüĢüm sıcaklıkları değiģir Denge diyagramından farklı dönüģüm sıcaklıkları vardır Bunların bilinmesi gerekir

15 Isıl iģlem uygulamaları Demir-çelik ve alaģımları Dökme demirler Demir dıģı metaller ve alaģımları

16 Isıl iģlem hedefleri Sertlik, dayanım (mukavemet), aģınma direnci YumuĢak bir doku ile kolay iģlenilebilirlik Sadece yüzeyde sertlik Amacına göre yapı değiģimi ĠĢlem ile paralel mikroyapı kontrolü

17 Demir çelik alaģımları Isıl iģlem uygulamaları Östenite dönüģüm ve kinetiği (Isıtma) Zaman sıcaklık östenitleme (Heating transformation) diyagramları Soğutma dönüģümleri Zaman sıcaklık dönüģüm (Time temperature transformation) diyagramları

18

19 Denge dıģı dönüģüm diyagramlarının ölçümü

20 farklı dönüģüm süreçlerinde ani soğutulan ve metalografi ile incelenen numuneler

21 Fiziksel özellik değiģimlerinin ölçümü Diferansiyel termik analiz (DTA) Dilatometrik ölçümler (hacim değiģimi) Manyetik özelliklerin ölçümü Elektriksel özelliklerin ölçümleri

22 Her durumda değiģim ölçümü Uzun zaman aralığında Diyagram eksenleri Sıcaklık (lineer eksen) Zaman (logaritmik eksen) GeniĢ bir zaman aralığı görülebilir Diyagram hassasiyetleri Sıcaklık ±10 K Zaman %10

23 DönüĢüm sıcaklıkları (A= Arrèt=durdurmak) Ac, c=chauffage= ısıtma Ar, r=refroidissement=soğutma

24 Ac 1 = a+g+karbür üç faz dengesi Ac 1b = a+g+karbür bölgesine giriģ Ac 1e = a+g+karbür bölgesinden çıkıģ ve a+g veya g+karbür bölgesine giriģ Ötektoid altı Ötektoid üstü

25 Ac 2 = Curie sıcaklığı (769 C) Ferro-paramanyetik geçiģ sıcaklığı Kobalt 1121 C Nikel 360 C Gadolonyum 16 C Ġyi bir ferromanyetizma için Curie yüksek olmalı

26 Ac 3 =a /g dönüģüm sonu Acc m =Fe 3 C karbürlerin östenitte çözünme sonu Ötektoid üstü Ac 3 Ms= Östenit / Martenzit dönüģüm baģlangıcı Mf= Östenit / Martenzit dönüģüm sonu

27 Zaman sıcaklık östenitleme diyagramlarının ölçümü Ġzoterm (eģsıcaklık) diyagramları Farklı sıcaklıklarda farklı tutma sürelerinden sonra suda ani soğutulan ve metalografi ile incelenen numuneler (a) Sürekli diyagramlar Farklı ısıtma hızlarında farklı sıcaklıklara kadar ısıtılan numunelerin ulaģılan sıcaklıklarda suda ani soğutulması ve metalografi ile ölçümleri (b)

28

29 Metalografik ölçümler ile DönüĢümün baģladığı sıcaklık DönüĢüm sona erdiği sıcaklık belirlenir Bu noktalar sıcaklık zaman diyagramına iģaretlenir Ve hangi dönüģüm olduğu yazılır (Ac 1, Ac 1e v.b.)

30 Zaman Sıcaklık DönüĢüm Diyagramlarının (TTT) Ölçümü İzoterm Östenitleme sonrası Farklı sıcaklıklara ani soğutulur ve metalografik ölçümler yapılır (c) Tuz banyoları KurĢun banyoları Dilatometrik ölçümler (e)

31

32 Sürekli diyagramlar Östenit sıcaklığından soğutulan numuneler Lineer, üstsel v.b. Soğutma hızlarında (d) Farklı zaman ve sıcaklıklarda soğutma kesilir Suda ani soğutma yapılır Metalografik incelenir Dilatometrik ölçümler yapılır (f)

33

34 ZAMAN SICAKLIK ÖSTENĠTLEME DĠYAGRAMLARI

35 Bu diyagramlar ile

36 Karbürlerin çözünme sıcaklıkları Homojen/Heterojen Östenit sınır sıcaklıkları Östenit tane boyutu değiģimi Isıl iģlem sonrası sertlik

37 Çelik sistematiği

38 Teknik anlamda çelik alaģımları DüĢük miktarda alaģım elementi içerir Fe-C dengesi yerine Fe-C-M (M=metal, alaģım elementi Cr, Mo, Mn v.b.) üçlü dengesi geçerli olur

39 Üçlü denge ile Fe-C diyagramı yerine Fe-C-M üçlü denge kesiti kullanılır

40 Üçlü denge alanı (a + g + Karbür)

41 Denge diyagramlarına yakın sıcaklıkların belirlenmesi için çok yavaģ ısıtma hızı (3 C/dak) kullanılır

42 Sıcaklık C Karbon oranı % Fe-C-M üçlü sisteminden ikili faz diyagramı ve Ac1 sıcaklığının değiģimi M: sabit ve düģük miktarda alaģım elementi

43 BaĢlangıç Isıtma ile meydana gelenler a = ferrit, % 0,001 C çözünürlüğü (çok düģük) M 3 C=karbür % 6,9 C içeriği (çok yüksek) Böyle bir çelik ısıtıldığında (östenit bölgesine) C östenite dağılır (g içerisinde C çözünürlüğü %2 çok yüksek) Önce heterojen Sonra homojen dağılır C dağılımı kinetik bir olay ve difüzyon katsayısına bağlı Bu nedenle zaman alır

44 Teknik anlamda östenitleme (Isıtma ile östenite dönüşüm) Genellikle izotermik Fırında östenitleme Sürekli de olabiliyor Alevle veya induksiyon ile yüzey sertleģtirme

45 Sıcaklık C Zaman logaritmik- (s) Denge diyagramı ve sürekli zaman-sıcaklık-östenitleme diyagramı

46 Ötektoid altı çeliklerde dönüģüm

47 Diyagramda dönüģüm sıcaklıkları EĢ sertlik değiģimleri Farklı sıcaklıklardan ani soğutma ile martenzit sertliği ölçülmüģ Homojen heterojen g sınırı var

48 Sıcaklık C Sertlik değerleri (HV) 1600 s=27 dak s= 175 dak. 9 s 0,3 s Zaman logaritmik- (s) Ck45, zaman sıcaklık östenitleme diyagramı izoterm, sertlik değerleri

49

50 Sıcaklık C Homojen östenit Ferrit+Östenit+Karbür Ferrit+Perlit Zaman s 15CrNi6, Zaman-Sıcaklık-Östenitleme Diyagramı (Sürekli)

51 Ötektoid Üstü Çeliklerde DönüĢüm

52 100Cr6 İzoterm Zaman Sıcaklık Östenitleme diyagramı Tane boyutu Homojen östenit Heterojen östenit Östenit + Karbür ASTM Tane boyutu Ferrit+ Östenit + Karbür Ferrit+Karbür (küresel sementit tavlı) Isıtma hızı = 130 C/s

53 İzoterm Zaman Sıcaklık Östenitleme diyagramı Sertlik Heterojen östenit Homojen östenit Sertlik HV Östenit + Karbür Ferrit+ Östenit + Karbür Ferrit+Karbür (küresel sementit tavlı) Isıtma hızı = 130 C/s

54 Sertlik HV Sürekli Zaman Sıcaklık Östenitleme diyagramı Sertlik Isıtma hızı C/s Homojen östenit Östenit + Karbür Ferrit + Karbür (Küresel sementit tavlı)

55 ASTM tane boyutu Sürekli Zaman Sıcaklık Östenitleme diyagramı Tane Boyutu Isıtma hızı C/s Homojen östenit Östenit + Karbür Ferrit + Karbür (Küresel sementit tavlı)

56 KĠMYASAL BĠLEġĠMDEKĠ DEĞĠġĠMLERĠN ZAMAN SICAKLIK ÖSTENĠTLEME DĠYAGRAMLARINA ETKĠSĠ Homojen Östenit HOMOJEN VE HETEROJEN ÖSTENĠT SINIRLARI Östenit+ Karbür Ferrit+ perlit+ Östenit Ferrit+ perlit Çelik 1 Çelik 2

57 BAġLANGIÇ YAPISINDAKĠ DEĞĠġĠMLERĠN ZAMAN SICAKLIK ÖSTENĠTLEME DĠYAGRAMLARINA ETKĠSĠ Homojen Östenit Heterojen Östenit

58 ZAMAN SICAKLIK DÖNÜġÜM DĠYAGRAMLARI TIME TEMPERATURE TRANSFORMATION (TTT)

59 DEMĠR KARBON DENGE DĠYAGRAMI VE SÜREKLĠ TTT DĠYAGRAMI ĠLĠġKĠSĠ (SOĞUTMA HIZI DENGE DĠYAGRAMI ĠÇĠN SONSUZ YAVAġ)

60 Denge sıcaklığı ÇEKĠRDEKLENME [DĠFÜZYON+ÇEKĠRDEKLENME ENERJĠSĠ]

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70 Üst Diyagram 41Cr4 Islah çeliği TTT diyagramı BaĢlangıç yapısı : %25 Ferrit+%75 Perlit Östenitleme 840 C, 15 dak. Alt Diyagram Faz dağılımı

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82 Östenitleme Sıcaklıkları ve Sürelerinin Seçimi Önemli 820 C östenitleme 10 5 s=1667 dak=27 saat Tane boyutu 11 (7mm) 1000 C östenitleme s=1000 dak= 16 saat Tane boyutu 0 (320 mm) 790 C östenitleme 16 h=optimum ASTM 12, 5 mm