Metalografik inceleme ve ısıl işlem deneyi

Transkript

1 Metalografik inceleme ve ısıl işlem deneyi 1. DENEYİN AMACI: Metalografik muayene ile ısıl işlem görmüş ve görmemiş çeliklerin dokusunu inceleme ve ısıl işlem mekanizmalarını öğrenmek. Deney: Isıl işlem sonucu martenzit faza dönüştürülen çeliğin gerekli parlatma ve dağlama işleminden geçirildikten sonra optik mikroskopta iç yapısının incelenmesi. 2. TANIMLAMALAR: Parlatma: İnce aşındırıcılar kullanılarak yüzey pürüzlülüğünün azaltılması suretiyle, ışığı iyi yansıtan bir yüzey elde etmektir. Dağlama: Parlatılmış yüzeye kimyasal enerji vererek metalin mikro yapısını mikroskopta görünür hale getirme işlemidir. Metal mikroskobu: objektif, aküler ve aydınlatma sisteminden oluşan malzemenin içyapısının incelenmesinde kullanılan optik mikroskoptur. Metal mikroskopları numune yüzeyinden yansıyan ışınları incelemektedir Isıl İşlem: Malzemelerin istenilen özelliklere getirilebilmesi için belli bir sıcaklığa kadar ısıtıp, belli bir süre bu sıcaklıkta bekletip ve belli ortamlarda su verme işlemine denir. 3. TEORİK BİLGİ: Makina mühendisliğinde %95 civarında metaller kullanılmaktadır. Bu nedenle metalografik muayene de makina mühendisliğinde çoğunlukla metallere uygulanmaktadır. Metal atomları düzgün geometrik yapılar oluşturarak dizilirler. Aynı doğrultudaki geometrik yapılar tane adı verilen gruplar halinde bir araya gelirler. Atmosferik şartlar altında metal yüzeyinde kir, pas ve nem tabakaları oluşur. Bu tabakalar gerçek yüzeyin görülmesini engellerler. Bu yüzden muayene parçasının bir yüzü düzeltilir ve parlatılır. Düzleme işlemi SiC su zımparası ile zımparalanarak gerçekleştirilir. Daha sonra çok küçük boyutlardaki (0,01-1µm) alümina tozu (Al2O3) aşındırıcı olarak keçe üzerine dökülerek numune parlatılır. Parlatma işleminden sonra malzeme yüzeyine kimyasal enerji verilerek ki buna dağlama işlemi denir, tane sınırlarındaki yüksek enerjili atomlar koparılarak malzeme içerisi oluşturulan bu renk farklılığından dolayı görünür hale getirilmiş olur. Kesme: Metalografik içyapı kontrolüne tabi tutulacak numunelerin (Kesme) İncelenecek mikro yapı elemanlarına göre, malzemenin neresinden ne tür bir numunenin alınacağı tespit edildikten sonra kesilerek numune çıkarılır. Numune çıkarma işlemlerinde malzemede yapı değişikliğinin meydana gelmemesi için önlemler alınmalıdır. Uygun ebatlara sahip bir numune elle kolayca tutulabilir ve yüzey genişliği zımparaya oturacak kadardır. Eğer numune uygun ebatlara sahip değilse bakalite veya polyestere alınmalıdır.

2 Zımpara: Zımparalar üzerindeki birim alana düşen aşındırıcın miktarına göre adlandırılır mesela üzerinde birim alanda 80 tane aşındırıcı partikül varsa 80 numara, 1200 adet aşındırıcı partikül varsa 1200 numara zımpara olarak tanımlanır. Dolayısıyla 1200 numaralı zımpara çok daha ince zımparadır ve işlemin sonlarında kullanılır. Her zımpara işlemi bir önceki zımparanın izinin silinmesi veya yok olana kadar yapılır Zımparalamada bir önceki izin silinmesi için numunenin 90 O çevrilmesi Parlatma: Parlatma işleminin temel amacı, yüzey pürüzlülüğünü azaltmak suretiyle, ışığı iyi yansıtan bir yüzey elde etmektir. Parlatma işlemi ile de zımparalama işlemi sırasında yüzeyde bırakılan izlerin yok edilmesi hedeflenmektedir. Bu bakımdan, parlatma işleminde çok ince (0,01-1µm) alümina tozu (Al2O3)aşındırıcılar kullanılmaktadır..en son ince zımparadan sonra keçe üzerine dökülen aşındırıcı (çoğunlukla elmas olarak adlandırılır) ile numune parlatılır. Parlatmada sert parçalarda yüksek devir, yumuşak parçalarda düşük devir seçilmelidir. Dağlama: Metalin mikro yapısını mikroskopta görünür hale getirebilmek için dağlama işlemi yapılır. Dağlayıcılar incelenecek numunenin malzemesine göre alkol, saf su, gliserin, asit gibi malzemelerin karışımlarından elde edilir. Dağlama süresi numuneye ve dağlayıcıya bağlı olarak değişir. Dağlama işleminden sonra kullanılan dağlayıcıya bağlı olarak numune yüzeyi ya su ya da etil alkol dökülüp kurutulur. Eğer mikroskopta detay görünmüyorsa numune biraz daha dağlanmalıdır. Muayene: Malzeme içyapısının incelenmesinde optik mikroskop kullanılır. Bir optik mikroskop objektif, oküler ve aydınlatma sisteminden oluşur. Büyütme miktarı objektif ve okülerin büyütme değerlerinin çarpımı ile bulunur. Metal mikroskop ile numunedeki fazların özellikleri, dağılımları, tane sınırları, porozite, kalıntı ve çatlaklar gibi çeşitli yapılar incelenir. Stereomikroskop ile numunenin bir bölgesi veya tamamı daha düşük büyütme oranları ile incelenerek numunede imalat yöntemi ile meydana gelmiş (ısı tesiri bölgeleri, yönlenmeler, katmerler) olan yapısal değişiklikler, çeşitli makro hatalar (çatlak, gözenek, boşluk, cüruf kalıntısı vs.) incelenir. Çeliklerde Isıl İşlem Temel Isıl İşlemler 1-GERİLİM GİDERME TAVI

3 Gerilim giderme tavı şekil verme, döküm veya kaynak işlemlerinden doğan iç gerilmeleri azaltmak amacı ile çelik parçaları, genellikle ºC arasında ısıtma ve sonra yavaş yavaş soğutma işlemidir. 2-NORMALİZE TAVI Normalize tavı çelik malzemenin kristal yapısını daha homojen, daha ince bir hale getirmek ve bir sonraki ısıl işleminde karbürün uygun şekilde dağılmasını sağlamak amacıyla çeliğin kritik sıcaklığının (yeniden kristalleşme sıcaklığı) 40-60ºC üstünde tavlanıp havada soğutulmasıdır. 3-SU VERME İŞLEMİ Belli bir sıcaklığa kadar (genellikle ºC) ısıtılmış çeliğin cinsine göre su, yağ veya tuz banyolarında soğutularak martensit bir yapı sağlamasına su verme işlemi denir. Soğutma hızı, parçanın büyüklüğüne, çeliğin sertleşebilme yeteneğine ve su verme ortamına bağlı olarak değişir. En fazla arzu edilen su verme hızı, en uygun sertlik sağlamaya yarayan en ağır soğutma hızıdır. Soğutma hızı çok yüksek olursa parçada çatlaklar oluşur, çok düşük olması halinde de uygun sertlik elde edilemez. 4-MENEVİŞLEME Menevişleme, ısıl işlem sonucu sertleştirilmiş bir çeliğin su verme sonunda soğutmadan ileri gelen gerginlikleri gidermek ve çeliğin sahip olduğu martensitik özlülüğünü ve direncini arttırmak için genellikle ºC arasında ısıtılarak ve uygun bir hızla soğutularak gevrekliğini giderme işlemidir. Çatlamaları en aza indirebilmek için meneviş işleminin su verme işleminden hemen sonra yapılması gerekir. 5-SEMENTASYON (YÜZEY SERTLEŞTİRME) Sementasyon işlemi, düşük karbonlu çelik parçasının yüzeyine karbon emdirilmesi işlemidir. Karbon emdirilmesi işlemi, çelik parçasının karbon monoksit (CO) içeren bir ortamda östenit faz sıcaklığına ( ºC) kadar ısıtılmasıyla gaz-metal tepkimesi sonucu oluşur. Çelik parça, sementasyon sıcaklığında yüzeyden çekirdeğe doğru karbon difüzyonunun istenen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye sementasyon zamanı adı verilir. Bu süre içinde çelik parçanın yüzeyinden içeriye doğru difüz eden karbonun ilerleme derinliğine sementasyon derinliği adı verilir.

4 6-TAVLAMA İstenilen yapısal, fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla metal malzemelerin uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp, gerekli değişikler sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulması ve sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama denir. Yumuşatma Tavı Yumuşatma tavı, çelik iç yapısındaki tane boyutunu küçülterek sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak veya döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermektir. Ötektoid altı çelikleri Ac3, ötektoid üstü çelikleri ise Ac1 çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtılır, içyapılarını ostenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutulur. Normalizasyon (Normalleştirme) Tavı: Normalizasyon tavı genelde tane küçültmek, homojen bir iç yapı elde etmek ve çoğunlukla mekanik özellikleri iyileştirmek amacıyla ötektoid altı çelikleri Ac3 ve ötektoid üstü çelikleri Acm dönüşüm sıcaklıklarının yaklaşık olarak 40-50oC üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtıp, tavlandıktan sonra fırın dışında sakin havada soğutma işlemidir. Normalizasyon tavının belli başlı amaçları; a) tane küçültmek, b) homojen bir iç yapı elde etmek, c) ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağını dağıtmak, d) çeliklerin işlenme özelliklerini iyileştirmek, e) mekanik özellikleri iyileştirmek ve f) yumuşatma tavına tabi tutulmuş çeliklerin sertlik ve mukavemetlerini artırmak Küreselleştirme Tavı: Küreselleştirme tavı, çelikleri Ac1 sıcaklık çizgisi civarında uzun süre tuttuktan ve bu bölgede salınımlı olarak tavladıktan sonra, yavaş soğutma ile karbürlerin küresel şekle dönüştürülmesi işlemidir. Bu işlem, ostenitleştirmeden sonra kontrollü soğutma ile de yapılabilir. Yumuşatma tavı işleminde belirtildiği gibi, tavlanmış durumdaki ötektoid üstü çelikler iç yapılarında sert ve gevrek sementit tanelerinin bulunması nedeniyle işlenmeye elverişli değildir. Bu tür çeliklerin işlenmesini kolaylaştırmak ve sünekliğini artırmak amacıyla da küreselleştirme tavı kullanılır. Gerilim Giderme Tavı ve Ara Tavı Gerilim giderme tavı; döküm, kaynak ve soğuk şekil verme işlemlerinden kaynaklanan iç gerilmeleri azaltmak amacıyla, metalik malzemeleri dönüşüm sıcaklıklarının altındaki uygun

5 bir sıcaklığa kadar ısıtma ve sonra yavaş soğutma işlemidir. Bu işlem, bazen dönüşüm sıcaklığı veya kritik sıcaklık altı tavı olarak da adlandırılır. Çelik malzemeler 540oC ile 630oC sıcaklıkları arasında gerilme giderme tavına tabi tutulurlar. Martensitik Dönüşüm Kullanım şartlarında çeliklerin belirli bir sertlik değerine sahip olmaları istenir. Çeliklerin sertleştirilmesi için uygulanan ısıl işlem ise su verme ısıl işlemi olarak bilinir. Genel olarak bir çeliğin su verme ısıl işlemi ile sertleştirilmesi üç safha içerir. Bunlar; ostenitleme, ostenitleme sıcaklığında bekletme, su verme. Ostenitleme, çeliğin γ-fe (ostenit) faz bölgesine ısıtılması işlemidir. Bu işlemle çeliğin bünyesindeki sementitin parçalanarak, karbonun YMK ostenit yapı içerisinde tamamen çözülmesi işlemidir. Çeliklerde ostenitleme sıcaklığı çeliğin ötektoid altı, ötektoid veya ötektoid üstü olmasına göre değişmektedir. Ostenitleme sıcaklığında bekletme, çelik yapısının tamamen ostenit olması yani sementitin parçalanarak karbonun yapı içerisinde tamamen çözünmesi için gereken süredir. Bu süre genel olarak 1 inç (25,4 mm) kalınlık için 1 saat olarak kabul edilir. Uygulamada çelik üreticisinin vereceği süreye uyulmalıdır. Su verme, ostenitleme bölgesinde belirli bir süre bekletilerek yapısı tamamen ostenitleştirilmiş bir çeliğin soğutulması olayıdır. Su verme sözü her ne kadar çeliğin su içerisine daldırılarak soğutulması gibi bir anlam içeriyorsa da, çeliğin soğutulmasını ifade eden genel bir terimdir.

6 Buna göre çelik ostenitleştirme sıcaklığında tutulduktan sonra, su içerisine daldırılarak, yağ banyosu içerisine daldırılarak, havada bırakılarak sertleştirilebilir (Şekil 2). Çelikler ister suda, ister yağda veya havada sertleştirilsin, sertleşmeyi sağlayan mekanizma, ostenitleme sıcaklığında beklemeyle oluşan ostenitin soğuma sonrası hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal kafes yapısına sahip martensite dönüşmesidir. Martensit Fe-C denge diyagramında olmayan bir fazdır. Çeliğin hızlı soğuması sonucunda oluşan martensitik dönüşüm TTT (Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm) diyagramı ile gösterilebilir (Şekil 3)

7 Bu diyagramda burun noktası denilen bir nokta vardır. Herhangi bir çeliğin su verilerek sertleştirilmesi için gerekli soğuma hızı, o çeliğe ait TTT diyagramında burun noktasını kesmeyecek şekilde seçilecek bir soğuma hızıdır. Bu soğuma hızı o çeliğin sertleştirilebilmesi için gerekli minimum soğuma hızıdır ve kritik soğuma hızı olarak bilinir. Şekil 4, farklı karbon bileşimlerine bağlı olarak oluşan masif ve iğnesel martensit mikroyapılarını göstermektedir.