FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ

Transkript

1 FAZ DİYAGRAMLARI ve DÖNÜŞÜMLERİ HOŞGELDİNİZ 1 /94

2 GİRİŞ * Endüstriyel amaçlı kullanılan malzemelerin pek çoğu saf metal değildir. Çünkü saf metaller, servis şartlarında istenilen mekanik özelikleri sağlayamamaktadırlar. * Bu nedenle metalik elementler, bir metal veya ametal veya bunların birkaçı ile birlikte belirli oranlarda karıştırılarak arzu edilen performansı verebilecek yeni malzemelerin üretilmesi hedeflenir. Saf demir kolay bükülür Fe-C alaşımı (çelik) kolay bükülmez 2 /94

3 GİRİŞ * Yeni üretilen malzemelerin mekanik davranışları ve fiziksel özellikleri, o malzemelerin mikroyapısının içerdiği fazların türüne, sayılarına, biçimlerine ve oranlarına bağlı olarak değişmektedir. * Bu nedenle bir malzemenin endüstriyel amaçlı kullanılabilmesi için mikro yapısının tanımlanması mühendislik açısından oldukça önemlidir. Al Cu alaşımları 3 /94

4 GİRİŞ * 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 mikro yapısı, 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 mikro yapıya sahip olduğunu belirlemek amacıyla faz diyagramlarından yararlanılır. 4 /94

5 GİRİŞ ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI: Pb-Sn sistemi 5 /94

6 GİRİŞ ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI: Mg-Pb sistemi 6 /94

7 GİRİŞ ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI: Fe-Fe 3 C sistemi 7 /94

8 GİRİŞ * Bu ders kapsamında değişik alaşımlara ait ve yavaş soğuma şartlarında elde edilen faz diyagramları incelenecektir. * Faz diyagramlarının nasıl çizildiği, malzeme ile ilgili hangi bilgileri nasıl öğrenebileceğimiz hakkında detaylı bilgiler verilecektir. * Alaşımların soğuma eğrileri ve faz dönüşümleri açıklanacaktır. * Endüstriyel önemi oldukça büyük olan demirsementit faz diyagramı üzerinde durulacak ve yavaş soğuma şartlarında mikroyapı değişimlerinin nasıl olduğu izah edilecektir. 8 /94

9 - Faz diyagramları ile ilgili temel kavramları - Gibbs Faz Kuralı İÇERİK -Tek bileşenli sistemler - İki bileşenli sistemler - İkili ötektik sistemler - Çökelme sertleştirmesi ısıl işlemleri ve dönüşümleri - Ötektoid, peritektik, ve monotektik sistemler - Üç bileşenli sistemler - Fe-Fe3C denge diyagramı, çeliklerin katılaşması ve faz dönüşümleri - Fe-C denge diyagramı, dökme demirlerin katılaşması - CCT ve TTT diyagramları - Martenzitik dönüşümler - Martemperleme,östenitleme ve östemperleme ısıl işlemleri - Seramik faz diyagramları 9 /94

10 DEĞERLENDİRME SİSTEMİ FİNAL ŞARTI: Derslere en az %70 Devam Etmek (40 saat 10 hafta devam etmek) Devam 10 /94

11 TEMEL KAVRAMLAR ALAŞIM NEDİR? * 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 Alüminyum 11 /94

12 TEMEL KAVRAMLAR ALAŞIM NEDİR? * Saf bakır, sahip olduğu yüksek iletkenliği sayesinde elektrik veya elektronik sektör uygulamalarında iletken tel olarak kullanılır. * Saf bakır, sahip olduğu yüksek korozyon direnci direnci nedeniyle de estetik çatı kaplama malzemesi olarak kullanılır. Bakır çatı Bakır iletken tel 12 /94

13 TEMEL KAVRAMLAR ALAŞIM NEDİR? * 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. Gemi pervanesi (%80 Al- %20 Cu alaşımı) 13 /94

14 TEMEL KAVRAMLAR BİLEŞEN NEDİR? Alaşımı oluşturan elementlere bileşen adı verilir. Örneğin; Al-Cu bronz alaşımında Al ve Cu olmak üzere iki bileşen element vardır. Bileşenler, kimyasal sembolleri ile gösterilirler. Bazen örnek tanımlamalarda bileşenler A, B, C gibi büyük harflerle de gösterilirler. Tekli bileşenlere örnek: Fe, Cu, Ni, H 2 O, NaCl 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 14 /94

15 TEMEL KAVRAMLAR SİSTEM NEDİR? * Elementler, değişik kimyasal oranlarda birbirleri ile karıştırılarak çeşitli alaşımlar yapılır. * 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. 15 /94

16 TEMEL KAVRAMLAR SİSTEM NEDİR? Bakır ile çinko birbirleri ile karıştırıldığı zaman meydana gelen alaşımlara pirinç adı verilir. Fakat çinko yüzde miktarının değiştirilmesi ile çeşitli pirinç malzemeleri yapılabilir. Pirinç alaşımlarının tümünü ifade ederken Cu-Zn sistemi terimini kullanmak gerekir. Pirinç alaşımını tanımlarken de pirinç alaşımı demek yerine, kimyasal bileşimini belirterek tanımlamak daha doğru olur. Örneğin; %37 Zn içeren pirinç alaşımı demeliyiz. 16 /94

17 TEMEL KAVRAMLAR FAZ NEDİR? Bir alaşımın içinde - kristal yapısı, - atom dizilişleri, - kimyasal içerikleri ve özellikleri aynı olan ve birbirinden ayırt edilebilir homojen hallerine faz adı verilir. Al-%12.6 Si ötektik alaşımı Ötektik Si fazı 17 /94

18 TEMEL KAVRAMLAR FAZ NEDİR? * Bir alaşım, belirli sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimde, bir veya birden fazla faza sahip olabilir. * Sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim değişirse, alaşımın da faz sayısı, fazların büyüklüğü ve şekli de değişebilir. * Fazların birbirinden ayırt edilebilmesi için gerekli parametrelere düzen parametreleri adı verilir. - Mikroyapı - Kimyasal içerik (bileşim) - Atomsal düzen (kristal yapıları) - Manyetik özellik v.b. * Düzen parametrelerinin bir tanesi değişirse faz da değişir. 18 /94

19 FAZ MADDENİN HALLERİ Gündelik hayatta maddenin katı, sıvı, gaz, plazma (iyonlaşmış gaz) olmak üzere dört temel fazı vardır. 19 /94

20 MADDENİN DİĞER HALLERİ Sıvı kristal, Amorf katı, Manyetik düzenli, Süper iletken, Süper akışkan, Bose-Einstein yoğunlaşması, Rydberg molekülü, Kuark-gluon plazması, Dejenere madde, Süper katı, Sicimsi sıvı ve Süper cam FAZ Sıvı kristal 20 /94

21 SU (H 2 O) FAZ * Bir atmosfer basınç altında ve 0 C nin altında su (H 2 O) katı fazındadır (buz). * Oda sıcaklığında ise su (H 2 O) sıvı fazındadır. * 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. 21 /94

22 SAF MAGNEZYUM FAZ * Bir atmosfer basınç altındaki saf magnezyum metali, oda sıcaklığında katı fazdadır. * 650 C nin üzerine ısıtıldığında magnezyum sıvı faz haline geçmektedir. * 1107 C nin üzerinde ise, magnezyum buhar fazına dönüşmektedir. Dikkat edilirse magnezyumda katı, sıvı ve buhar fazlarının kimyasal içerikleri aynı olmasına rağmen (saf magnezyum), her bir faz kendine has bir özelliğe sahiptir. 22 /94

23 SAF MAGNEZYUM 1107 C BUHAR FAZI SIVI FAZ 650 C KATI FAZ 23 /94

24 FAZ * Faz kavramını daha iyi anlayabilmek için su ile şeker karışımını örnek olarak verebiliriz. * Bir miktar şeker, sıcak su ile karıştırıldığı zaman, su içerisinde şeker tamamen eriyerek (çözünerek) bir şekersu karışımı 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. * Böylece sıcaklığın değişmesi ile faz sayısı da değişmiştir. 24 /94

25 FAZ DİYAGRAMLARINDA KULLANILAN KAVRAMLAR FAZ: Bir fazın her yerinde kristal yapı, atom dizilişi aynıdır. Bir fazın her yerinde kimyasal ve fiziksel özellikleri aynıdır. Bitişik veya cıvar fazlar arasında kesin bir ara yüzey mevcuttur. 25 /94

26 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 1- TEK FAZLI METALLER 2- ÇOK FAZLI METALLER 26 /94

27 ÇOK FAZLI METALLER: 1- TEK FAZLI METALLER 2- 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. 27 /94

28 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 1- METALOGRAFİK YÖNTEMLE BELİRLEYEBİLİRİZ. 2- X-IŞINLARI ANALİZİ YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. 3- ISIL ANALİZ YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. 4- Diferansiyel termal analiz (DTA) yardımıyla belirleyebiliriz. (2) (1) (3) (4) 28 /94

29 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 1- METALOGRAFİK YÖNTEMLE BELİRLEYEBİLİRİZ. * Numunenin kaç çeşit fazdan oluştuğunu * Fazların numune içinde homojen dağılıp dağılmadığı * Fazların kaba veya ince taneli olup olmadığı * Bir fazın diğer faz tanesi içinde mi yoksa tane sınırında mı dağıldığı * Tanelerin şeklinin yuvarlak mı yoksa iğne şeklinde mi olduğu belirlenmeye çalışır. 29 /94

30 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 1- METALOGRAFİK YÖNTEMLE BELİRLEYEBİLİRİZ. * Yüksek sıcaklıktaki bir numune oda sıcaklığına kadar çok hızlı bir şekilde soğutulursa, yüksek sıcaklık fazı oda sıcaklığında mikroskop altında incelenebilir. * Fakat 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. 30 /94

31 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 2- X-IŞINLARI ANALİZİ YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. Bu yöntemle numune içindeki fazların kafes yapıları ve kafes parametreleri belirlenerek faz dönüşümleri incelenebilir. Katı hal dönüşümlerinin ve katı durumdaki çözünürlüğün belirlenmesi hassas bir şekilde yapılabilir. Bu yöntem fazların şekli ve dağılımı hakkında fikir vermediği için metalografik inceleme ile beraber kullanıldığı zaman mikroyapı hakkında yeterli bilgiye ulaşılabilir. 31 /94

32 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 2- X-IŞINLARI ANALİZİ YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. 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. 32 /94

33 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 3- ISIL ANALİZ YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. Numunenin soğuması esnasında zaman-sıcaklık ilişkisinden faz dönüşümü olup olmadığı anlaşılabilir. Çünkü 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. Katılaşmanın başlama ve tamamlama sıcaklıkları, en doğru biçimde soğuma eğrileri yardımıyla belirlenir. 33 /94

34 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 4- DİFERANSİYEL TERMAL ANALİZ (DTA) YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. 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. Faz değişimleri DTA analizi ile belirlenebilir. Katı-katı, katı-sıvı, sıvı-gaz geçişlerinin ve bunlara alaşım elementlerinin etkilerinin belirlenmesi gerçekleştirilir. İkili ve üçlü faz diyagramı çizilmesine katkı sağlar. 34 /94

35 FAZLAR NASIL BELİRLENİR? 4- DİFERANSİYEL TERMAL ANALİZ (DTA) YARDIMIYLA BELİRLEYEBİLİRİZ. Kükürt elementine ait DTA analizi eğrisini inceleyelim: - Kükürt 113 C de rhombik yapıdan monklinik yapıya geçer. ergir. - Kükürt 124 C de - Kükürt 446 C de buharlaşır C de polimerik kükürt oluşmaya başlar 35 /94

36 FAZ DİYAGRAMLARI (DENGE DİYAGRAMLARI) Bir malzemenin mekanik davranışları ve fiziksel özellikleri, o malzemenin mikro yapısına bağlı olarak değişir. Bir metal alaşımının mikro yapısı ise, mevcut fazların sayısına, bu fazların oranlarına ve fazların dağılımına bağlı olarak tanımlanır. Bir alaşımın mikro yapısı, alaşım elementlerinin kimyasal içeriğine, sıcaklığa ve soğutma hızına bağlı olarak değiştirilebilir. Dolayısıyla bir malzemenin mikro yapısını tanımlamak mühendislik açısından çok önemlidir. 36 /94

37 FAZ DİYAGRAMLARI Belirli bir kimyasal içeriğe sahip bir alaşımın, her hangi bir sıcaklık değerinde, hangi mikro yapıya sahip olduğunu belirlemek amacıyla faz diyagramlarından yararlanılır. 37 /94

38 FAZ DİYAGRAMLARI 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. Belirlenen faz veya fazlar malzemenin fiziksel özelliklerini belirler. 38 /94

39 FAZ DİYAGRAMLARI OLUŞTURURKEN DİKKATE ALINMASI GEREKEN HUSULAR Faz diyagramları, yavaş soğuma şartlarında belirlenirler. Buna dengeli katılaşma hali denir. Yavaş soğuma esnasında kristal kafesindeki atomlar bulundukları konumlarını korurlar. Böylece kararlı bir hal olan dengeli katılaşma sağlanmış olunur. 39 /94

40 FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA HANGİ BİLGİLERİ ELDE EDEBİLİRİZ? * Faz diyagramlarından belirli bir alaşım sisteminde sıcaklık ve bileşime bağlı olarak oluşacak fazların türleri, fazların bileşimleri ve fazların miktarları belirlenebilir. * Fazların mikroyapıları tahmin edilebilir. * Endüstriyel sektörde malzemelerin üretiminde ve üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin değiştirilmesinde uygulanan ısıl işlem yöntemlerinde faz diyagramlarından çok fazla yararlanılır. 40 /94

41 FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA HANGİ BİLGİLERİ ELDE EDEBİLİRİZ? * Faz diyagramı yardımıyla farklı bileşimlere sahip bir çok alaşımın faz değişim şartları tespit edilebilir. Böylece fazların belirlenmesi için yapılacak deneysel çalışmalar azalır. 41 /94

42 FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA HANGİ BİLGİLERİ ELDE EDEMEYİZ? Faz diyagramları ile fazların lamel mi küresel mi şekilli olduğunu öğrenemeyiz. Mikroyapı içindeki fazların dağılımı hakkında bilgi sahibi olamayız. Eğer alaşımlar hızlı soğutulursa (örneğin; suda içerisinde hızlı soğutulursa) denge dışı şartlarında fazlar meydana geleceğinden bu fazları denge şartları altında oluşturulan faz diyagramında göremeyiz. 42 /94

43 ÖDEV ÖDEV HAZIRLANIRKEN DİKKAT EDİLECEK HUSUSLAR: * Soruların cevapları, soru-cevap şeklinde el yazısı ile A4 kağıdına yazılarak hazırlanacaktır. Gerektiğinde resim çizilecek veya yazıcı çıktısı kesilerek ödev kağıdına yapıştırılacaktır. * Ödev, 03 Mart 2014 Perşembe günü ders saatinde teslim edilecektir. Ödevini bu tarihten sonra getiren öğrencilerin ödevi alınmayacaktır. ÖDEVLERİN DEĞERLENDİRİLMESİNDE KULLANILAN ÖLÇÜTLER VE PUANLAMA Ödevin zamanında teslimi Ödevin soru-cevap şeklindeki formata uygun hazırlanması yeterliliği DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ Ödevin el yazısıyla yazılması yeterliliği Ödevdeki tüm soruların cevaplandırılması yeterliliği Ödev sorularının yeterli ve doğru cevaplandırılması yeterliliği Toplam Puan ÖLÇÜT PUANI /94

44 ÖDEV Ödev Soruları: 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 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? Soru 5: Faz diyagramı dersinin terimi olarak sistem ne demektir. Örnek veriniz. Soru 6: Fazların belirlenmesinde kullanılan metotları yazarak kısaca izah ediniz. Soru 7: Metalografik yöntemle, fazların hangi özelliklerini belirleyebiliriz? Soru 8: Metalografik yöntemle, fazların hangi özelliklerini belirleyemeyiz? Belirleyemediğimiz bu özelliği hangi metot ile belirlemek mümkündür? Soru 9: Bir faz diyagramı yardımıyla hangi bilgileri elde edebiliriz? Soru 10: Bir faz diyagramı yardımıyla hangi bilgileri elde edemeyiz? Soru 11: Faz diyagramları ve dönüşümleri dersinde, Metalurji ve Malzeme temeline dayalı hangi sorularının cevaplarını öğrenmeye çalışacağız? Bu soruları siz yazınız. 44 /94

45 DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM 45 /94