FAZ (DENGE) DİYAGRAMLARI

Transkript

1 FAZ (DENGE) DİYAGRAMLARI 1

2 FAZ (DENGE) DİYAGRAMLARI Fz tnımı: Kristl ypılı mlzemelerin iç ypılrınd homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere verilen ddır. Kimysl bileşim, sıcklık ve bsınc bğlı olrk hngi fzlrın stbil olduğu fz (denge) diygrmlrı ile belirlenir. 2

3 FAZ DİYAGRAMLARI Alşımlrın iç ypılrındki değişimler, o lşımın fz diygrmı krkteristikleri ile çıklnbilir. Alşım sistemlerinin fz diygrmlrının iyi nlşılmsı, mlzeme iç ypısı ve meknik özellikleri rsınd çok güçlü korelsyonlrın olmsı bkımındn oldukç önemlidir. i- Terminoloji, ii- Fz diygrmlrının yorumlnmsı, iii- Fe-C lşımlrının d içinde olduğu bzı yygın ve nispeten koly 2 bileşenli (binry) fz diygrmlrının incelenmesi, iv- Soğum ile birlikte, dengeli ktılşm sonucu oluşn mikroypılrın gelişiminin incelenmesi.

4 FAZ DİYAGRAMLARI DEĞİNİLECEK KONULAR... 2 elementi krıştırdığımızd... Nihi denge durumu ne olcktır? Örneğin Bileşenler (% Cu - % Ni), ve -- Sıcklık (T) ise... Kç fz oluşur? Oluşn her fzın bileşim ornlrı ne olcktır? Oluşn her fzın miktrı ne olcktır? Fz A Fz B Nikel tomlrı Bkır tomlrı

5 Su Şeker Sıcklık (ºC) Fz dengesi: Çözünebilirlik limiti Çözelti/Eriyik ktı, sıvı vey gz, tek fz Krışım birden fzl fz Çözünebilirlik limiti: Tek fzlı eriyik elde edebileceğimiz en yüksek konsntrsyon Soru: Şekerin 20ºC sudki çözünebilirlik limiti nedir? Şeker/Su Fz Diygrmı L (Sıvı eriyik) (şurup) Çözünebilirlik Limiti L (Sıvı) + S (ktı şeker) Cevp: %65 şeker. 20ºC de, eğer C şeker < 65%: şurup 20ºC de, eğer C şeker > 65%: şurup+ şeker C = Bileşim (% şeker)

6 Bileşenler ve Fzlr Bileşenler: Alşımd bulunn ve onu oluşturn elementler yd bileşikler (örn., Al ve Cu) Fzlr: Alşım içinde fiziksel ve kimysl özellikler bkımındn frklılıklr gösteren bölgeler (örn., ve b). b (çık renkli fz) Aluminyumbkır lşımı (koyu renkli fz) 6

7 Fz dengesi Serbest enerji kvrmı ile çıklnbilir. Serbest enerji, bir lşım sisteminin iç enerjisinin bir fonksiyonudur. Dengedeki bir sistemde, belirli bir sıcklık, bsınç ve bileşimde, serbest enerji minimumdur. Bunun mkro-ölçekteki nlmı, bir sisteme it krkteristiklerin zmnd değişmeyeceği yni stbil klcğıdır. Dengedeki bir sistemde sıcklık, bsınç vey bileşimdeki bir değişim, serbest enerjinin rtmsın ve bun bğlı olrk d, sistemin serbest enerjisini tekrr minimum ypbilmek için frklı bir durum geçmesine neden olur: İç ypı ve özellikler değişir. 7

8 Sıcklık (ºC) Sıcklığın ve bileşimin etkisi Sıcklığın değişimi fz miktrını değiştirebilir: Bileşimdeki değişim fz mikt. değiştirebilir: A B httı. B D httı. Su- Şeker sistemi L (Sıvı eriyik) (syrup) B (100ºC,C = 70) 1 fz L (sıvı) + S (ktı şeker) D (100ºC,C = 90) 2 fz A (20ºC,C = 70) 2 fz C = Bileşim(% şeker)

9 Ktı Eriyik Oluşturbilme Kriterleri Örnek system: (Ni-Cu) Kristl Ypı Elektronegtivite r (nm) Ni YMK Cu YMK Her ikisi de benzer Kristl ypıd (YMK), benzer elektronegtivite değerlerine ve benzer çplr ship. Ni ve Cu birbiri içerisinde her ornd çözünebilir. 9

10 Fz Diygrmlrı Fzlrı T, C, ve P nin değişimleri ile ifde ederler. Bu dersin kpsmınd: - 2-bileşenli sistemler: sdece 2 komponent içeren. - bğımsız değişkenler: T ve C (P = 1 tm). T(ºC) Cu-Ni Sistemine it Fz Diygrmı L (sıvı) (YMK ktı eriyik) fz: L (sıvı) (YMK ktı eriyik) 3 frklı fz bölgesi: L L + %Ni

11 İzomorfoz İkili (binry) Fz Diygrmı Fz diygrmı: Cu-Ni sistemi. Sistem: -- İki bileşenli (binry) Cu ve Ni. -- izomorfoz bir komponentin diğeri içinde tm (limitsiz) çözünebilirliği örn., fz bölgesi 0 ile100 %Ni rlığınd mevcut. T(ºC) L (sıvı) (YMK ktı eriyik) Cu-Ni Fz diygrmı % Ni

12 Fz Diygrmlrı: Mevcut fzlrın belirlenmesi Kurl 1: Eğer T ve C o biliniyors: -- hngi fz vey fzlrın oluştuğunu belirleyebiliriz. Örnek: A(1100ºC, %60 Ni): 1 fz: B(1250ºC, %35 Ni): 2 fz: L + T(ºC) L (sıvı) B (1250ºC,35) (YMK kyı eriyik) A(1100ºC,60) Cu-Ni fz diygrmı % Ni

13 Fz Diygrmlrı: Fz bileşimlerinin belirlenmesi Kurl 2: eğer T ve C 0 biliniyors: -- her fzın bileşimi belirlenebilir. Örnek: Örn. C 0 = 35 wt% Ni T A = 1320ºC: sdece sıvı (L) fz C L = C 0 ( = 35 wt% Ni) T D = 1190ºC: sdece ktı () fz C = C 0 ( = 35 wt% Ni) T B = 1250ºC: hem hem de L mevcut C L = Clikidüs ( = 32 wt% Ni) C = Csolidüs ( = 43 wt% Ni) T(ºC) T A 1300 T B 1200 T D 20 L (sıvı) Cu-Ni sistemi A B D Bğ çizgisi (ktı) CL C0 C % Ni

14 Fz Diygrmlrı: Fzlrın ğırlık ornlrının belirlenmesi Kurl 3: eğer T ve C 0 biliniyors, -- her fzın ğırlıkç ornlrı belirlenebilir. Örnekler: T(ºC) Örn., C 0 = 35 wt% Ni T A : sdece sıvı fz (L) mevcut T D : T B : W L W L = 1.00, W = 0 sdece ktı fz (α) mevcut W L = 0, W = 1.00 hem hem de L mevcut S R +S T A 1300 T B 1200 T D 20 L (sıvı) Cu-Ni sistemi A B R S D 3235 Bğ çizgisi (ktı) 43 C CLC0 % Ni W R R +S = 0.27

15 Levye (Mnivel) Kurlı Bğ çizgisi iki fzlı bölgede çizilen, sbit sıcklık ytyının sınır eğrileri rsınd kln prçsı izoterm olrk d isimlendirilir. T(ºC) 1300 TB 1200 L (sıvı) R B Bğ çizgisi S (ktı) Her fzın ornı nedir? Bğ çizgisini bir levye (mnivel) gibi düşünelim. M L M 20 30C L C 0 C % Ni R S M x S M L x R W L ML M M L S R S C C C0 CL W R R S C C 0 C C L L

16 Mnivel Kurlının Elde Edilişi (Fzlrın ğırlık ornlrının toplmı 1 olmlıdır.) (Her iki fzd d bulunn bileşenlerden birinin (Cu yd Ni) ğırlığı, o komponentin toplm lşım içindeki ğırlığın eşit olmlıdır.) 16

17 Ağırlık - hcimsel orn dönüşümleri: Çok fzlı lşımlrd bzı durumlrd, fz miktrlrının hcimce belirlenmesi dh uygun olbilir. Mikro-ypısl incelemeler ile hcimsel fz ornlrı yklşık tesbit edilebilir. (α fzının hcimsel ornı) (α ve β fzlrının ğırlık ornlrındn hcimsel ornlrın geçiş) (α ve β fzlrının hcimsel ornlrındn ğırlık ornlrın geçiş) 17

18 İzomorfoz Alşımlrd İçypı Gelişimi (Dengeli soğum durumu) Cu-Ni lşımının soğumsı 18

19 Örn.: Cu-Ni lşımının soğumsı Fz diygrmı: Cu-Ni sistemi. Co=%35Ni lşımınd soğum ile meydn gelen içypısl değişiklikler T(ºC) 1300 L: 35 wt% Ni : 46 wt% Ni 1200 L (sıvı) (ktı) A B C 24 D 36 E L: 35wt%Ni Cu-Ni sistemi L: 32 wt% Ni : 43 wt% Ni L: 24 wt% Ni : 36 wt% Ni C 0 % Ni 19

20 Dengesiz ktılşm ve segregsyon: Dengeli ktılşm ve iç ypı oluşm şrtlrı oldukç düşük soğum hızlrınd mümkün olur. Fz diygrmın göre, sıcklık düştükçe iç ypıd yeni düzenlemeler meydn gelmektedir. Mikroypıdki bu yeniden düzenlemeler ktı fz, sıvı fz ve ynı zmnd ktı-sıvı tems yüzeyinde gelişen difüzyon sürecine dynmktdır. Difüzyon süreci zmn gerektiren bir süreç olduğundn, ktılşm sırsınd dengenin sğlnmsı için her sıcklık seviyesinde yeterli zmnın tnınmsı gerekir. Difüzyon hızlrı özellikle ktı fz için oldukç yvştır ve her iki (sıvı ve ktı) fz için de sıcklığın zlmsı ile birlikte dh d yvşlycktır. Gerçekte, soğum hızlrı mikroypıdki yeniden düzenlemeler in tmmlnbilmesi ve dengenin kurulbilmesi için çok yüksektir. Dolyısıyl frklı mikroypısl özellikler belirecektir. 20

21 Dengesiz ktılşm ve segregsyon Solidüs eğrisindeki yer değiştirme miktrı: Soğum hızının zlmsı ile birlikte zlcktır. Ktı fzdki difüzyon hızı rttıkç zlcktır. 21

22 Dengesiz ktılşm ve segregsyon Dengesiz ktılşmnın oluşturcğı olumsuzluklr: Tne içindeki 2 elementin dğılımı homojen olmycktır. İç kısımlr yüksek sıcklıkt eriyen element bkımındn zengin iken (%46 Ni), tne sınırlrın doğru Ni konsntrsyonu bkımındn dh düşük olcktır (%31Ni). Yeniden ısıtıldığınd tne sınırı bölgeleri ilk önce eriyecek ve bu durum meknik bütünlüğün dengeli soğum durumun göre dh düşük sıcklıklrd, niden kybolmsın neden olcktır. 22

23 Ktmnlı (cored) ve Dengeli Ypılr Yvş soğum hızı: Dengeli ypı Homojen C : %35 Ni Hızlı soğum hızı: Ktmnlı ypı İlk ktılşn α fzı: %46 Ni Son ktılşn α fzı:< %35 Ni 23

24 Çekme Dynımı (MP) Uzm (%) Meknik Özellikler: Cu-Ni sistemi -- Çekme dynımı (ÇD) -- Süneklik (% uzm) ÇD (sf Cu) Cu Ni Bileşim, % Ni ÇD (sf Ni) %uzm (sf Cu) Cu Ni Bileşim, % Ni %uzm (sf Ni) 24

25 İki bileşenli-ötektik Sistemler 25

26 İki bileşenli-ötektik Sistemler 2 bileşen Örn.: Cu-Ag sistemi 3 fz bölgesi (L,, b) Limitli çözünürlük: : büyük ornd Cu b: büyük ornd Ag T E : T E ltınd sıvı değil C E : T E sıcklığındki bileşim Ötektik reksiyon T(ºC) L(C E ) (C E ) + b(c be ) soğum Minimum ergime sıcklığınd özel bileşim ornlrı. L + L (sıvı) b Cu-Ag sistemi L+b b T ºC E L( 71.9 wt% Ag) (8.0 wt% Ag) b(91.2 wt% Ag) ısınm C E C, % Ag 26

27 ÖRNEK 1: Pb-Sn Ötektik Sistemi 40%Sn-%60 Pb lşımının150ºc deki: -- mevcut fzlrı: Pb-Sn Cevp: + b T(ºC) sistemi -- fz bileşimleri: Cevp: C = 11 wt% Sn C b = 99 wt% Sn -- Fz miktrlrı: Cevp: S C W b - C 0 = R+S = C b - C = W b = = = 0.67 R R+S = = C 0 - C C b - C = = L+ 183ºC 18.3 R L (sıvı) + b L+b S C C 0 C b C, %Sn 27 b

28 ÖRNEK 2: Pb-Sn Ötektik Sistemi 40%Sn-%60 Pb lşımının 220ºC deki: -- mevcut fzlrı : Pb-Sn Cevp : + L T(ºC) sistemi -- fz bileşimleri Cevp : C = 17 wt% Sn C L = 46 wt% Sn -- Fz miktrlrı: Cevp: W = C L - C 0 C L - C = L+ R S L (sıvı) 183ºC + b L+b b = 6 29 = 0.21 W L = C 0 - C C L - C = = C C 0 C L C, % Sn 28

29 ÖRNEK 3: Pb-Sn Ötektik Sistemi %40Sn-%60Pb lşımınd 150 o C de : i.hngi fzlr oluşur? ii.oluşn fzlrın bileşimleri nedir? iii.oluşn fzlrın ğırlık ve hcimsel ornlrı nedir? C α : ~%10Sn-%90Pb C β : %98Sn-%2Pb 29

30 Mnivel kurlı gereği ğırlıkç yüzdeler: Hcimsel % delerin hesplnmsı için öncelikle her fzın yoğunluğunun bulunmsı gerekir: Benzer şekilde β fzının yoğunluğu: 30

31 Hcimsel ornlrın belirlenmesi: 31

32 Ötektik Sistemlerde İçypı Gelişimleri - I C 0 < %2 Sn oln lşımlrd: Sonuç: od sıcklığınd -- fzınd ve C 0 konsntrsyonun ship polikristlin ypı. T(ºC) T E 100 : C 0 %Sn L: C 0 %Sn + b L L+ L (Pb-Sn sistemi) 0 C C, wt% Sn 2 (od sıcklığı çözünürlük limiti) 32

33 Ötektik Sistemlerde İçypı Gelişimleri - II %2 Sn < C 0 < %18.3 Sn oln lşımlrd: Sonuç: + b rlığındki sıcklıklrd -- tnelerinin oluşturduğu polikristlin ypı ve küçük b-fzı prçcıklrı T(ºC) T E L L + + b L: C 0 %Sn L : C 0 %Sn b Pb-Sn sistemi C 0 (Çöz. T od ) 18.3 (Çöz. T E ) C, %Sn 33

34 Bileşimi C 0 = C E oln lşımlrd: Sonuç: Ötektik mikroypı (tbklı ypı) -- ve b fzlrının oluşturduğu değişken levhlı (lmelli) ypı T E T(ºC) Ötektik Sistemlerde İçypı L+ Gelişimleri - III L 183ºC L: C 0 %Sn L b b Pb-Sn ötektik ypıy Ship lmelli mikroypı 100 b b: 97.8 %Sn : 18.3 %Sn 160 m C E C, %Sn Pb-Sn sistemi 34

35 Lmelli (levhlı) Ötektik Ypı Bu dönüşüm sırsınd Sn ve Pb tomlrının yeniden dğılımı sözkonusudur. Bu dğılım tomik difüzyon ile sğlnır. Bu dğılım sonucund ve b fzlrının oluşturduğu değişken lmelli ypı teşkil eder. Ötektik sıcklıktn, od sıcklığın kdr oln soğum sürecinde önemsiz mikroypısl değişimler meydn gelir. 35

36 Lmelli (levhlı) Ötektik Ypı Kurşun (Pb) tomlrı α fzı tbklrın doğru difüzyon uğrrken (α fzı kurşunc zengindir: Ötektik noktnın hemen ltınd %18,3Sn-%81,7Pb). Kly (Sn) tomlrı β fzı tbklrın doğru difüzyon uğrr (β fzı klyc zengindir: Ötektik noktnın hemen ltınd %97,8Sn-%2,2Pb). 36

37 Ötektik Sistemlerde İçypı Gelişimleri - IV %18.3 Sn < C 0 < %61.9 Sn oln lşımlrd Sonuç: fzı prçcıklrı ve ötektik mikrobileşenler T E 100 Pb-Sn sistemi T(ºC) 0 L+ R R +b L: C 0 %Sn L L L S C, %Sn S L+ b b birincil ötektik ötektik b T E nin hemen üstü: C = 18.3 %Sn C L = 61.9 %Sn S W = = 0.50 R + S W L = (1- W) = 0.50 T E nin hemen ltı: C = 18.3 %Sn C b = 97.8 %Sn W S = = 0.73 R + S W b =

38 Ötektik ltı & Ötektik üstü (Hypo-ötektik & Hyper-ötektik) 300 T(ºC) 200 T E 100 L+ L + b L+b b (Pb-Sn sistemi) hipoötektik: C 0 = 50 wt% Sn ötektik 61.9 C, %Sn hiperötektik: (çizim) ötektik: C 0 = 61.9 wt% Sn b b b b b b 175 m 160 m Ötektik mikrobileşen 38

39 TERMİNAL VE ARA FAZLI KATI ERİYİKLER Cu-Ag ve Pb-Sn gibi bzı fz diygrmlrı sdece 2 ktı fz shiptir: α ve β Bunlr Terminl ktı eriyikler olrk d isimlendiriler. Diğer bzı lşım sistemlerinde ise r ktı eriyikler (r fzlr) bulunbilirler ve ypılrı terminl ktı eriyiklere göre dh krmşıktır. Bkır-Çinko sistemi (Cu-Zn) bun bir örnek olrk verilebilir. Bu sitemde 2 terminl (α ve η) ve 4 r fz (β,γ,δ,ε) mevcuttur. Diygrmd sdece tek vey 2 fzlı bölgeler mevcuttur ve fzlrın bileşimlerinin ve ornlrının belirlenmesinde dh önce bhsedilen kurllr geçerlidir. 39

40 (Cu-Zn sistemi): r fzlr mevcut 40

41 İntermetlik Bileşikler Bzı sistemlerin fz diygrmlrınd, ktı eriyikten frklı, (süreksiz) r bileşikler bulunbilir. Bu r bileşikler, metl-metl sistemleri için net bir kimysl formüle shiptir. Örneğin Mgnezyum (Mg) Kurşun (Pb) sistemi dikkte lındığınd, Mg 2 Pb bileşimi ğırlıkç %19Mg-%81Pb bileşimine shiptir. Bu bileşim fz diygrmınd rlığı belli oln bir fz bölgesi olrk değil, düşey bir çizgi ile ifde edilir. Dolyısıyl Mg 2 Pb bileşimi sdece bu hsss krışım ornınd elde edilebilir. 41

42 İntermetlik Bileşikler Mg 2 Pb 42

43 Ötektik, Ötektoid, & Peritektik Ötektik- sıvı (L), 2 ktı fz ( + b) dönüşür. soğum L + b (Pb-Sn için, 183ºC, 61.9 wt% Sn) ısınm Ötektoid bir ktı fz (S 2 ), iki ktı fz (S 1 +S 3 ) dönüşür. İntermetlik bileşiksementit S 2 S 1 +S 3 soğum + Fe 3 C (Fe-C, 727ºC, %0.76 C) ısınm Peritektik- sıvı+ktı fz (S 1 +L), frklı bir ktı fz (S 2 ) dönüşür. S 1 + L S 2 soğum + L (Fe-C, 1493ºC, %0.16 C) ısınm 43

44 44

45 Ötektoid& Peritektik Cu-Zn fz diygrmı Peritektik dönüşüm: + L Ötektoid dönüşüm: + 45