1. AMAÇ Çeliklerde ısıl işlem yoluyla mikroyapı ve mekanik özelliklerin değişiminin incelenmesi

Transkript

1 1. AMAÇ Çeliklerde ısıl işlem yoluyla mikroyapı ve mekanik özelliklerin değişiminin incelenmesi 2. TEORİK BİLGİ 2.1. Çeliklerin Isıl İşlemi Metal ve alaşımlarının, faz diyagramlarına bağlı olarak ergime sıcaklığının altındaki sıcaklıklara uygulanan farklı işlemlerle istenilen mekanik özellik ve içyapıların elde edilmesine ısıl işlem denir. Demir, titanyum, kobalt, krom ve zirkonyum gibi metallerde, farklı sıcaklıklarda farklı kristal yapıları görülür. Sıcaklığa bağlı olarak metalin kristal yapısının değişimine alotropi denilmektedir. Isıl işlemler ile malzemenin özelliğinin değiştirilmesinde allotropik özelliğin önemi büyüktür. Katı fazda çeliklere uygulanan ısıl işlemler ile geniş sınırlar içinde özellikler değiştirilmekte ve böylece çeliklerin kullanımları daha geniş bir sahaya yayılmaktadır. Bu durum, her şeyden önce demirin γ / α allotropik dönüşümü ile mümkündür. Bu nedenle, γ / α allotropik dönüşümü göstermeyen östenitik veya ferritik çeliklerde, normalleştirme (normalizasyon) veya sertleştirme gibi ısıl işlemler yapılamamaktadır. Çeliklere uygulanan bütün ısıl işlemlerde prensip olarak üç aşamada gerçekleştirilmektedir. Oda sıcaklığından tavlama sıcaklığına ısıtma: Isıtma hızı ve tavlama sıcaklığı malzemeden istenen özelliklere göre belirlenerek uygulanmaktadır. Bekletme: Gerçekleştirilecek ısıl işlemin amacına uygun bir süreç içinde malzeme bekletilerek tavlanır. Soğutma: Malzemeden istenen özellikleri sağlamak amacıyla, fırında, havada, yağda veya suda soğutma gerçekleştirilir. Ayrıca, amaca uygun olarak sürekli veya kademeli olarak soğutma işlemleri de yapılmaktadır. Isıl işlemlerden beklenen özellikleri sağlayabilmek için, bekletme sıcaklığı (tav sıcaklığı) ve soğutma şekli birinci derecede önemli olan etkenlerdir. Çeliğin kullanım yerine, başka bir ifade ile çelikten istenen özelliklere bağlı olarak, tav sıcaklığında en uygun sürede bekletilen malzeme, durgun havada, yağda veya suda soğutulabilir.

2 Şekil 1. Isıl işlem için uygulanan aşamalar; ısıtma, bekletme, soğutma Şekil 2. Fe-C diyagramının çelik bölgesi ve uygulanan ısıl işlemlerin sıcaklık bölgeleri 2.2. Karbonun Çeliğe Etkisi Özellikle düşük karbonlu ve yumuşak çeliklerde karbonun α-demirinde sıcaklığa bağlı olarak çözünebilirliği büyük önem taşımaktadır. α-demiri 723 o C de en fazla %0,02 o C çözündürebilmektedir. Karbon atomları, demir kafesinde demir atomlarının arasında bulunur.

3 700 o C nin üzerindeki sıcaklıklardan hızlı soğutma gerçekleştirilirse, dengeli soğutma şartları bozulur ve oda sıcaklığında ferrite %0,02 C karbon çözünür. Böylesi bir durumda oda sıcaklığında elde edilen doku, karbonca aşırı doymuş ve homojen ferrit kristallerinden oluşmaktadır. PQ doyma eğrisi, aslında tipik ayrışma (çökelme-yaşlanma) sertleşmesi gösteren alaşımlar için karakteristiktir. Bu nedenle, %0,02C içeren bir çelik 700 o C den suda ani soğutulur ve oda sıcaklığında bekletilirse, çeliğin sertliği, çekme dayanımı ve akma dayanımı zamana bağlı olarak artar. Bu mekanik özelliklerin artışına bağlı olarak da, uzama değeri, büzülme değeri, eğilebilirlik ve darbeye karşı dayanım değerleri düşer. Ani soğutulmuş ve böylece aşırı doygun faz olarak elde edilmiş ferritin dayanım değerlerindeki bu değişimin nedeni, soğutma sonrası dokunun dengede olmayışındandır. Böylesi denge dışı bir yapıya sahip olan dokuda, tekrar denge durumuna dönmek için demir kafeslerinde bulunan karbon atomları dislokasyon (aykırı yerleşim) bölgelerine yayınmaya başlarlar. Bu yayınma oda sıcaklığında gerçekleştiğinden, yayınma hızı oldukça düşüktür. Ani soğutmanın hemen sonrasında homojen yapıya sahip olan ferrit mikroskobik boyutta olmayan çökeltilerin oluşumu ile, atomal ölçekte bozunmaya başlar. Buna bağlı olarak C atomlarının demir kafeslerinde gerçekleştirmiş olduğu iç gerilmeler, dayanım değerlerinin değişmesine yol açar. Ani soğutulmuş ve aşırı doygun olarak elde edilmiş ferrit yapısına sahip çeliğin, oda sıcaklığında bekletilmesi yerine, sıcaklık o C aralığına yükseltilirse, C atomlarının yayınma hızı artacağından, istenen dayanım değerlerine çok daha kısa sürede ulaşılır. Bu sıcaklık aralığında bekleme süresi, olması gereken zamandan daha uzun tutulursa, çekme dayanımı ve sertlik gibi mekanik özelliklerde ulaşılan maksimum değerlerde tekrar bir düşüş görülür. Bu değerlerin düşmesine bağlı olarak süneklikte ulaşılan minimum bir değerde de tekrar bir yükselme görülür. Aynı durum, seçilen sıcaklığın arttırılmasıyla da ortaya çıkar. Suda soğutulmuş yumuşak çeliğin özelliklerinin değişimi ani soğutma yaşlanması olarak adlandırılır. Ani soğutulmuş çelik oda sıcaklığında bekletilirse özelliklerin değişimi, doğal yaşlanma o C gibi daha yüksek sıcaklıklarda bekletilirse özelliklerin değişimi, yapay yaşlanma olarak adlandırılır. Bir çeliğin yaşlanma işlemi ile değişen dokusu ve buna bağlı taşıdığı özellikler, teknikte çok fazla arzu edilmez, çünkü; alaşım elementlerinin, çeliğin özelliklerinde sağladığı ve kontrol edilemez tarzda gerçekleştirdikleri değişimler söz konusudur. %0,02-0,3 C aralığında karbon içeren çeliklerin çok yavaş ve özellikle A 1 noktasında kademeli soğutma ile dejenere perlit dokusu elde edilir. Perlitin ferrit lamelleri mevcut birincil ferrit tanelerinde kristalleşirken, perlitin sementit lamelleri de ferritlerin tane sınırlarında band formunda yer alırlar. Bu dokunun oluşumu ile çelik gevrekleşir, çünkü; sünek ferrit kristalleri, daha gevrek sementit kabuğu ile birbirinden ayrılmışlardır. Ferrit tane sınırlarında oluşan bu sementit kabuğu çeliğin gevrekleşmesine yol açmaktadır.

4 Şekil 3. Fe-C faz diyagramında ötektoit altı çelik bölgesi, α-demirin karbonu çözündürebilirliği 2.3. Manganın Çeliğe Etkisi ve Mangan Çelikleri Çelikte oksijeni gidermek (deoksidasyon) ve her şeyden önce kükürtü ergiyik banyoda bağlayarak, çelikteki S oranını azaltmak amacıyla, karbon çeliklerinde %0,8 değerine kadar mangan (Mn) bulunmaktadır. α-demirio oda sıcaklığında karışık kristal şeklinde yaklaşık %10 Mn çözündürmektedir (Şekil 3). Alaşımsız çeliklerde düşük oranlarda bulunan mangan, çelik dokusunda özel bir faz oluşturmamaktadır. Buna göre, çeliğin metalografik olarak hazırlanmış kesitinde mangan miktarı belirlenemez. Manganın bir kısmı sementitte çözünerek demirmangan-karbür (Fe,Mn) 3 C oluşturmaktadır. Bu faz östenit sıcaklığında çok hızlı bir şekilde çözünerek bozunuma uğramaktadır. γ-karışık kristalleri bu nedenle herhangi bir engelle karşılaşmadan büyüyebilmektedir. Yüksek mangan içerikli çelikler de aynı şekilde, aşırı sıcaklığa ve tane büyümesine karşı hassas olmaktadırlar. Manganın kükürt ile bağlantısı olan MnS ancak yüksek sıcaklıklarda ergiyebildiğinden, yüksek mangan içerikli çeliklerde sıcak yırtılma (kızıl çatlama) eğilimi görülmez.

5 Şekil 3. Demir-mangan faz diyagramı Mangan elementi demirin γ sahasını genişleten alaşım elementleri içinde yer almaktadır. Çelikte %1 Mn artışı ile akma ve çekme dayanımlarında 100 MPa artış sağlanırken % uzaman değerlerinde çok az düşme görülür. Mangan ilavesi ile zaman-sıcaklık-dönüşüm diyagramında perlit oluşumu zorlaşırken, beynitik dönüşümün gerçekleşme oranı artar. Manganın çelik için en önemli etkisi, kritik soğuma hızını düşürmesi ve böylece çelikte sertleşebilirliği yükseltmesidir. Mangan çeliklerinin bu üstün yönlerine karşılık, aşırı ısınmaya karşı dayanımları düşüktür. Bunun nedeni, karışık karbür olan (Fe,Mn) 3 C östenit fazında, demir karbürden (sementit- Fe 3 C) çok daha hızlı bir şekilde çözünür. Bunun anlamı, mangan çeliklerinin meneviş kırılganlığına eğilimleri yüksektir. Mangan çeliklerinde oluşan başka bir sorun ise, özellikle sıcak şekillendirme sırasında oluşan MnS, MnO ve MnO.SiO 2 gibi metal dışı bileşiklerin sıralı yapı şeklinde dokuda yer alması ve bu sıralı yapıya dik yönde çeliğin çentik darbe dayanım değerlerinin düşmesidir. Yüksek mangan içerikli östenitik çelik grubunda Mn:C oranı genellikle 10:1 şeklinde olmaktadır. Örneğin X 120 Mn 12 çeliğinde karbon oranı %1,2 ve mangan oranı ise %12 olup Mn:C=12:1,2=10:1 oranı mevcuttur. Bu tür östenitik mangan çelikleri teknikte, sert mangan çelikleri olarak adlandırılmakta olup, özellikle aşınmaya dayanımları oldukça yüksektir. Bu çeliklerde doku östenit olup, östenit kristallerinde ikizlenmeler görülmektedir.

6 Östenit mangan çeliklerinde 1050 o C de uygulanan tav işlemi sonrasında 500 o C de eş sıcaklıklı soğutma ile bir ısıl işlem uygulanırsa, oda sıcaklığında elde edilen doku, östenit kristalleri ve bunların sınırlarına ayrışmış olan demir karbürlerden (sementit) oluşur. Bu tür sert mangan çeliklerinde şekillendirme zor olduğundan, üretimleri döküm yoluyla gerçekleştirilmektedir. Aşınmaya karşı gösterdikleri yüksek dayanımları sayesinde, sert mangan çelikleri genellikle kırma ve öğütme makinelerinin üretiminde kullanılırlar. Yüzeyleri aşınmaya karşı yüksek dayanım istenen parçalarda kaynak yöntemi ile genellikle sert mangan çeliklerinden yüzeyleri sert bir tabaka oluşturulur. Ferritik ve östenitik çeliklerin ısıl uzama katsayıları farklı olduğundan, genellikle kristaller arası gerilim çatlağı oluşur. Bu nedenle kaynak sonrasında parça oda sıcaklığına yavaşça soğutulmalıdır. Dövülmüş bir sert mangan çeliği yüksek sıcaklıklardan yavaşça soğutulduğunda, tane sınırlarında karışık karbür, aynı zamanda tane içinde de iğnesel formda görülürler. 3. KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Deneyde ısıl işlem yapılacak malzeme ASTM A128-B4 östenitik mangan çeliği Kül Fırını Uzun Kıskaçlı Maşa Su havuzu Yüzey hazırla işlemleri için zımparalama ve parlatma cihazları Sertlik cihazı 4. DENEYİN YAPILIŞI Metalik malzemelerin östenitleme bölgesinden farklı soğutma ortamlarına soğutulmaları sonucu mekanik özelliklerinde içyapılara bağlı olarak farklılıklar meydana gelmektedir. Tane sınırları karbürlerinin östenit taneleri içinde tam çözünmesinin çalışma sırasındaki darbelere dayanımda belirgin etkisi vardır. Bu alaşımların tokluğu tane sınırlarındaki çökelmelere bağlıdır. Alaşımın özelliklerinde etkili olan önemli değişkenler sıcaklık, ısıtma hızı, bekletme süresi ve su vermedeki etkinliktir. (çabukluk). Su verme esnasında 980 o C yeterli olmasına rağmen, parçaların fırından çıkarılıp su banyosuna girmesine kadar olabilecek sıcaklık kayıplarını karşılamak üzere 1050 o C sıcaklık seçilmiştir. Bu kadar yüksek bir östenit sıcaklığın seçmenin başka bir sebebi ise metalin sıcakta bekleme süresini azaltacak ve karbür çözünmesi sırasında atomların tam çözünmesini sağlayabilmektir. Metalin östenit sıcaklığında bekleme süresi üç farklı değişkenle ilişkilidir. Tüm numunelerde tam homojenliği sağlayabilecek, karbürleri östenit doku içinde çözebilecek atomların çok iyi yayınmasını sağlayabilmek için gereken süre yaklaşık 4 dakika alır. Bu karşılık Mn atomlarında bu yayınma çok daha yavaş olur.

7 Belirlenen sıcaklık ve süre sonrası fırına yerleştirilen numune ısıl işlem süreci bittikten sonra. Metalografik cihazlar yardımıyla yüzey düzeltme ve parlatma işlemi yapıldıktan sonra sertlik cihazı ile sertlik ölçme işlemi yapılarak ısıl işlem önce ve sonrası özelliklerin değişimi incelenir. Ayrıca numune metalografik işlemden geçirilerek ısıl işlem önce ve sonrası için değişen mikroyapı gözlemlenir. 5. SONUÇ Yapılan incelemeler sonucunda uygulanan ısıl işlemin mekanik özellikler ve mikroyapı özellikleri yorumlanır. Gerekirse ısıl işlem için belirlenen sıcaklık ve süre parametreleri değiştirilerek deney tekrarlanır.