TEZ ONAYI. : Prof. Dr. Nazım UÇAR Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı

Transkript

1 T. C. SÜLEYMAN DEMĠREL ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DÜġÜK KARBONLU MĠKRO ALAġIMLI ÇELĠKLERĠN SERTLĠK VE MĠKRO YAPILARI ÜZERĠNE SOĞUMA HIZININ ETKĠSĠ Cihan EKĠNCĠ DanıĢman: Prof. Dr. Nazım UÇAR YÜKSEK LĠSANS TEZĠ FĠZĠK ANABĠLĠM DALI ISPARTA 2011

2 TEZ ONAYI Cihan EKİNCİ tarafından hazırlanan DüĢük Karbonlu Mikro AlaĢımlı Çeliklerin Sertlik ve Mikro Yapıları Üzerine Soğuma Hızının Etkisi adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı nda YÜKSEK LĠSANS TEZĠ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Prof. Dr. Nazım UÇAR Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Adnan ÇALIK Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Eğitimi Anabilim Dalı Doç. Dr. Ekrem ARTUNÇ Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı Prof. Dr. Mustafa KUġCU Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... ii ABSTRACT... iii TEŞEKKÜR... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... v ÇİZELGELER DİZİNİ... vii SİMGELER DİZİNİ... viii 1. GİRİŞ KURAMSAL TEMELLER Alaşımlar Demir-Karbon Alaşımları Demir-sementit faz diyagramı Çelikler Çeliklerde Isıl İşlemler Sırasında Oluşan İç Yapılar: Mekanik Özellikler Sertlik ve Sertlik Tayini MATERYAL VE YÖNTEM ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ i

4 ÖZET Yüksek Lisans Tezi DÜŞÜK KARBONLU MİKRO ALAŞIMLI ÇELİKLERİN SERTLİK VE MİKRO YAPILARI ÜZERİNE SOĞUMA HIZININ ETKİSİ Cihan EKİNCİ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Nazım UÇAR Bu çalışmada, iki farklı karbon içeriğine sahip düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin mikro yapı ve mikro sertlikleri üzerine ısıl işlem ve soğuma hızının etkisi araştırılmıştır. Bu amaç için çeliklere öncelikle 400 ºC de 4 saat bekleme, 800 ºC de 4 saat bekleme ve 1000 ºC de hemen şeklinde üç farklı ısıl işlem ve takiben fırında, havada, suda ve sıvı azotta soğutma şeklinde dört farklı soğuma hızı uygulanmıştır. İşlemler sonucunda çelikler üzerinden optik analizler ile mikro yapıdaki değişiklikler araştırılarak soğuma hızının mikro yapıya etkisi belirlenmiştir. Diğer yandan numuneler uygun ebatlarda kesilmiş, kalıplanmış ve mikro sertlik değerleri ölçülmüştür. Yapılan optik incelemeler ve hesaplamalar sonucunda elde edilen sertlik değerleri ile soğuma hızları ve mikro yapılar arasında bir ilişkinin varlığı saptanmıştır. Buna göre 1000 ºC de hemen soğutulan çeliklerde artan soğuma hızıyla birlikte mikro sertlik değerlerinin de arttığı gözlenmiştir. 800 ºC de 4 saat bekletme ısıl işleminde ise tamamen östenitleştirme gerçekleşmediği ve yapıda bulunan ferritin dönüşüme uğramadan yapıda kalmasıyla mikro sertliklerde azalma görülmüştür. Diğer yandan karbon oranı farklı olsa da bu çalışmada kullanılan çeliklerin 400 ºC de 4 saat bekletme şeklinde yapılan ısıl işlem sonunda soğutulmaları durumunda mikro yapıları soğuma hızından fazla etkilenmemiş, dolayısıyla mikro sertliklerinde bir değişim gözlenememiştir. Anahtar Kelimeler: Mikro sertlik, mikro yapı, soğuma hızı, ısıl işlem. 2011, 44 sayfa ii

5 ABSTRACT M.Sc. Thesis EFFECT OF COOLING RATE ON THE MICROSTRUCTURE AND HARDNESS OF LOW CARBON MICROALLOYED STEELS Cihan EKİNCİ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Science Physics Department Supervisor: Prof. Dr. Nazım UÇAR In this study, the effect of cooling rate and heat treatment on the microstructure and microhardness of low carbon microalloyed steels with two different carbon contents were investigated. For this purpose, at first the steels were subjected to three different heat treatments (held at 400 ºC for 4 hours, held at 800 ºC for 4 hours and momentarily held at 1000 ºC) followed by four different cooling rates in a furnace, air, water and liquid nitrogen. As a result of the treatments, the effect of cooling rate on the microstructure was determined by evaluating microstructural changes by optical analysis. On the other hand, samples were cut in right size, molded and their microhardness values were measured. The existence of a relationship between cooling rate and microstructure were determined by the hardness values obtained as a result of optical studies and calculations. Accordingly, it was observed that the microhardness of cooled steels momentarily held at 1000 ºC increased with increase in cooling rate. In the heat treatment at 800 ºC for 4 hours, the microhardness values of the steels decreased due to incomplete austenitization and ferrite in the structure which remained untransformed. On the other hand, although carbon content in the steels were different, the microstructure of the steels held at 400 ºC for 4 hours were not affected by cooling rate and therefore, the microhardness values of these steels did not change. Key Words: Microhardness, microstructure, cooling rate, heat treatment. 2011, 44 pages iii

6 TEŞEKKÜR Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü ne yüksek lisans tezi olarak sunduğum bu çalışmada, beni yönlendiren, bilgi ve tecrübesi ile karşılaştığım zorlukları aşmamda yardımcı olan ve ilgisi hiçbir zaman esirgemeyen değerli danışman hocam Prof. Dr. Nazım UÇAR a teşekkürlerimi sunarım. Deneysel çalışmalar için imkanlar sunan ve içtenlikle her konuda yardımcı olan değerli hocam Doç. Dr. Adnan ÇALIK a teşekkür ederim. Ayrıca her türlü konuda yardımları gördüğüm Fizikçi Hidayet YILDIZ a ve Arş. Gör. Durmuş Ali ALDEMİR e teşekkür ederim. Son olarak, ilgi ve sevgilerini hiçbir zaman esirgemeyen aileme ve nişanlıma sevgilerimi sunar teşekkür ederim. Cihan EKİNCİ ISPARTA, 2011 iv

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1. a) Katı Eriyik b) Yer alan katı eriyik c) Arayer katı eriyik oluşumu (Kakanı and Kakanı, 2004)... 6 Şekil 2.2. Saf demir için ideal ısıtma eğrisi (Kakanı, 2004; Totten, 2006)... 8 Şekil 2.3. Demir-sementit faz diyagramı (Callister, 2000) Şekil 2.4. Ötektoid çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) Şekil 2.5. Ötektoid altı çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) Şekil 2.6. Ötektoid üstü çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) Şekil 2.7. Isıl işlemde sıcaklık-zaman diyagramı (Kesti, 2009) Şekil 2.8. Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları (Ulu, 2004) Şekil 2.9. Martenzit fazının sertliği üzerine karbon konsantrasyonunun etkisi (Llewellyn and Hudd, 2004) Şekil Martenzit hacim oranıyla mikro sertliğin değişimi (Cota et al., 2003) Şekil Vickers sertlik deneyinde kullanılan ucun şematik gösterimi (Bekteş, 2004) Şekil 3.1. Struers Minitom hassas kesme cihazı Şekil 3.2. Struers Labopol zımparalama ve parlatma cihazı Şekil 3.3. Olimpus metal mikroskobu ve görüntü programı Şekil 3.4. Metkon mikro sertlik ölçüm cihazı Şekil 4.1. A çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık kısımlar ferrit) Şekil 4.2. A çeliğinin 400 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.3. A çeliğinin 800 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları v

8 Şekil 4.4. A çeliğinin 1000 ºC ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.5. A çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi Şekil 4.6. B çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık kısımlar ferrit) Şekil 4.7. B çeliğinin 400 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.8. B çeliğinin 800 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.9. B çeliğinin 1000 ºC ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil B çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi vi

9 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 3.1. Kullanılan çeliklerin kompozisyonları Çizelge 3.2. Uygulanan ısıl işlemler ve soğutma ortamları Çizelge 4.1. A çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri Çizelge 4.2. B çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri vii

10 SİMGELER DİZİNİ Ac 1 Alt kritik sıcaklık çizgisi Ac 3 Üst kritik sıcaklık çizgisi AISI Amerikan Demir Çelik Enstitüsü BCC Hacim merkezli kübik FCC Yüzey merkezli kübik Fe 3 C Sementit Hv Vickers sertlik değeri K Kelvin derecesi M f M s Martenzit bitiş sıcaklığı Martenzit başlangıç sıcaklığı ºC Santigrad derece α Ferrit fazı, alfa demiri γ Östenit fazı, gama demiri δ Delta demiri viii

11 1. GİRİŞ Tarih boyunca tüm medeniyetler malzemeleri enerji ile birlikte insanın yaşama standardını yükseltmek için kullanmışlardır. İçinde bulunduğumuz bilgi çağında teknolojik gelişmelerin de getirdiği gereksinimlerden dolayı, malzemelerin her türlü özelliğinin anlaşılması ve geliştirilmesi için birçok araştırma yapılmıştır. Her dönemin teknoloji düzeyi ve bir anlamda uygarlığı, o dönemde kullanılan malzemelerle ölçülmüştür. Diğer taraftan teknolojik ilerlemeler malzeme bilimindeki gelişmelere bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Örneğin; raylı taşımacılıktaki ilerlemeler çelik sektöründeki gelişmelerle, elektronikte atılan büyük adımlar ise yarı iletkenlerin keşfedilmesi ile gerçekleştirilmiştir (Savaşkan, 1999; Elieyioğlu, 2005). Teknolojideki gelişmelerle birlikte, mühendislik malzemelerinden beklentiler de artmıştır. Mühendislik ve tıp alanlarında yapılan bilim ve uygulama çalışmalarının gerçekleştirilmesi ve geliştirilmesi, mühendislik malzemelerinin geliştirilmesine ve bunun için uygulanan muayene yöntemlerine dayanmaktadır (Demirci, 2004). Bugünkü ekonomimizin önemli bir kısmını malzemelerin üretilmesi ve kullanım amacına uygun hale getirilmesi oluşturmaktadır. Malzemeler ve bunların üretilmeleri için gerekli yöntemler mühendisler tarafından tasarlanmaktadır. Malzemelerin üretilmesinde, her bir amaç için en uygun malzemenin seçilebilmesi ve bu üretimlerde en uygun yöntemin belirlenebilmesi, mühendislerin malzemelerin iç yapısı ve gerekli özellikleri hakkında bilgi sahibi olmalarını gerektirmektedir (Kınıkoğlu, 2001). Öte yandan, yüksek dayanımlı malzemelere olan talebin artması, daha iyi mekanik özelliklere sahip yeni malzemelerin üretimine olan ilginin artmasına neden olmuştur. Metallerin endüstride çok geniş uygulama alanı bulmalarının sebebi değişik türde özelliklere sahip olmalarındandır. Özellikle üstün mekanik özelliklere sahip olduklarından yapı ve makine malzemesi olarak kullanılırlar (Onaran, 2006). Diğer taraftan alaşım adı verilen metal karışımları arzu edilen belirli bir özellikte iyileşme sağlamak veya daha iyi özellik kombinasyonları oluşturmak için üretilmekte ve 1

12 metallere nazaran daha iyi mekanik özelliklere sahip olmaktadırlar (Erdoğan, 1998). Bu yüzden alaşımların önemi hızla artmış ve bu konuda yoğun çalışmalar yapılmıştır. Alaşımlar günlük yaşamda yaygın bir kullanıma sahiptirler. En çok kullanılan alaşımların başında ise yapı ve makine malzemesi olarak kullanılan çelikler gelmektedir. Çelikler genel manada içlerinde başta karbon olmak üzere değişik alaşım elementleri içeren bir yapıya sahiptirler. Oldukça yüksek mekanik özellikler göstermesi ve çok değişik alanlarda kullanılabilmeleri yüzünden belki de özellikleri en çok araştırma konusu olan malzeme grubunu teşkil ederler. Yaygın kullanım alanları ise makine yapım sanayisi ve ekipmanları, otomotiv endüstrisi ve yan sanayi parçaları, kalıp ve takım sanayi, savunma sanayi ve tıbbi cihazlar olarak sıralanabilir (Onaran, 2006; Dündar, 2008). Demir-karbon alaşımı olan çeliklerin mekanik özellikleri içerdikleri karbon miktarından önemli ölçüde etkilenmektedir. Ayrıca, çeşitli bazı alaşım elementlerinin alaşım sistemine eklenmesiyle veya seçilecek uygun ısıl işlemlerle çeliklere daha üstün mekanik özellikler kazandırmak mümkündür. Öte yandan çeliklerin mekanik özellikleri mikro yapılarına önemli ölçüde bağıdır. Çeliklerin içerdikleri karbon ve diğer alaşım elementlerinin oranı ve/veya ısıl işlemler, çeliğin mikro yapısını etkileyerek daha iyi mekanik özelliklerin elde edilmesine olanak sağlamaktadır (Gülgen, 2008). Diğer taraftan demir ile birlikte %0.25 oranına kadar karbon ve genellikle toplamı %2 den daha az oranda niyobyum, vanadyum, titanyum, alüminyum ve mangan gibi alaşım elementlerini ihtiva eden çelik, düşük karbonlu mikro alaşımlı çelik olarak bilinir. Mikro alaşımlı çelikler yüksek mukavemet, tokluk ve iyi kaynak kabiliyeti gibi özellikleri nedeniyle yüksek dayanım isteyen yapı elemanlarında, doğal gaz ve çeşitli boru hatlarında ve özellikle otomotiv sektöründe yoğun biçimde kullanılmaktadırlar (Erdoğan, 2000; Çapar, 2005; Özlü, 2007). 2

13 Mikro alaşımlı çeliklerin belirli termo-mekanik ısıl işlemler ve kontrollü haddeleme yoluyla üstün mekanik özellikler gösterdiği bilinmektedir. Bununla birlikte son zamanlarda çeliklerin mikro yapı ve mekanik özellikleri üzerine soğuma hızının etkisi oldukça ilgi gören bir araştırma konusu olmuştur. Nitekim Çalık (2009) tarafından yapılan çalışmada; ısıl işlem sonrası havada, fırında ve suda olmak üzere üç farklı ortamda soğutulan AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 1060 çeliklerinin mikro yapıları ve mikro sertlikleri incelenmiştir. Bu çalışmada bulunan sonuçlara göre soğuma hızının artmasıyla mikro sertliklerin arttığı bildirilmiştir. Aynı çalışmada hızlı soğumanın yapıldığı numunelerde karbon oranının artmasıyla oluşan martenzit oranının da arttığı, çok yavaş (fırında) soğuma hızlarında ise martenzit oluşmadığı gösterilmiştir. Sonuçta çeliklerin mikro sertlikleri üzerine soğuma hızının etkisi karbon oranına bağlı olarak elde edilmiştir. Benzer bir çalışmada Qiao et al. (2009), 900 ºC de 10 dakika östenitleştirilmiş 30CrNi3Mo çeliğinin ºC/dk aralığındaki soğuma hızlarında soğutulmasıyla oluşan mikro yapı değişimlerini ve mikro sertliklerini incelemiştir. Bu çalışmanın sonucunda çeliklerin ölçülen sertlik değerlerinin soğuma hızının artmasıyla lineer olmayan bir artış gösterdiği tespit edilmiştir. Ayrıca soğuma hızı 100 ºC/dk dan daha büyük olduğunda, sertliklerde artan soğuma hızıyla birlikte çok az bir düşüş yaşandığı da gözlenmiştir. Rasouli et al. (2008) yaptıkları çalışmada 30MSV6 tipi bir mikro alaşımlı çeliğin ısıl işlemle birlikte iki farklı soğuma hızında oluşan mikro yapı değişikliklerini ve buna bağlı olarak elde edilen mekanik özellikleri araştırmıştır. Bu çalışmadaki sonuçlar soğuma hızının artmasıyla ferritik-perlitik yapının iğnemsi ferrite, beynite veya martenzite dönüştüğünü ortaya koymuştur. Ayrıca akma ve kopma dayanımının arttığı ancak sünekliğin önemli ölçüde azaldığı gösterilmiştir. En iyi dayanımsüneklik kombinasyonunun ise 925 ºC ye ısıtılıp takibinde havada (3 ºC/s) soğutma ile elde edildiği belirtilmiştir. Ayrıca Shanmugam (2007), niyobyumlu mikro alaşımlı çeliklerin mikro yapı ve mekanik özellikleri üzerine soğuma hızının etkisini incelediği çalışmasında; düşük soğuma hızlarında yapının ferrit ve perlit içerdiği, orta derece bir soğuma hızında yapının ferrit-perlite ek olarak çıta tipi beynitik ferrit ile dejenere perlit içerdiği ve hızlı soğuma hızlarda ise yapının ağırlıklı olarak çıta tipi beynitik ferritten oluştuğunu bildirmiştir. Ayrıca niyobyumlu mikro alaşımlı 3

14 çeliklerin yüksek soğuma hızında elde edilen yüksek dayanım-tokluk kombinasyonunun sebebi artan soğuma hızıyla ferrit-perlit yapının ağırlıklı olarak beynitik ferrit yapıya dönüşmesi olarak açıklanmıştır. Diğer taraftan mikro alaşımlı çeliklerin mekanik özellikleri başta karbon olmak üzere alaşım elemanlarına oldukça bağlıdır. Çalık vd. (2010) tarafından yapılan çalışmada farklı karbon oranına sahip dört çelik, 1100 K sıcaklığında 4 saatlik bir ısıl işlem sonrasında mikro sertlik ve çekme testlerine tabi tutulmuşlardır. Bu çalışmanın sonucunda akma dayanımı, kopma dayanımı ve sertliğin artan karbon oranıyla birlikte arttığı bildirilmiştir. Bu çalışmada, düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin mikro yapı ve sertlik davranışlarının, soğuma hızına ve karbon bileşimine bağlı olarak değişimi incelenecektir. Mikro yapı ile sertlik davranışı arasındaki bağlantı ve mekanik özellikler açısından en uygun soğuma hızı elde edilmeye çalışılacaktır. 4

15 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1. Alaşımlar Farklı özelliklere sahip elementlerin bir araya getirilmesiyle, üstün özelliklerin uygun bir şekilde tek bir malzemede elde edilmesi için uygulanan işleme alaşımlama denir. Tek tip element içeren bir metale belirli bir özellik katmak amacıyla en az bir başka elementin katılmasıyla ortaya çıkan ve metalik karakter gösteren yeni yapıya ise alaşım denir. Ayrıca alaşımlarda katkı elemanı metal ya da ametal olabilir (Yılmaz ve Şen, 1996). Bir alaşım sistemi, mümkün olan bütün kimyasal bileşimlere sahip alaşımları içerir. İki elementten oluşan sisteme ikili alaşım sistemi, üç elementten oluşan sisteme ise üçlü alaşım sistemi denilmektedir. Doğada yaygın olarak bulunan 45 adet metal 990 tane ikili, tane de üçlü sistem oluşturur ve kimyasal bileşim %1 oranında değiştirildiğinde, her bir ikili sistem için 100 adet farklı alaşım elde edilir. Ticari alaşımların çoğu, çok sayıda element içerdiğinden mevcut elementlerle neredeyse sonsuz sayıda alaşım yapılabileceği sonucu çıkarılabilir (Savaşkan, 1999). Bir A metaline bir B metali alaşım yapacak şekilde ilave edildiğinde, ilave edilen B elementinin miktarına ve alaşımın bulunduğu sıcaklığa bağlı olarak birçok yapı ve düzen ortaya çıkabilir. Bu elementlerden çok azı tamamıyla bir katı çözelti oluşturacak şekilde davranır (Yılmaz ve Şen, 1996). Yani ilave edilen element kristal içinde katı çözelti veya bileşik olarak bulunur. Katı çözeltiler bazen katı eriyik olarak da adlandırılmaktadır. Bir çözelti, çözen ve çözünen olmak üzere iki kısım veya bileşenden oluşur. Çözeltinin yüzde oranı yüksek olan bileşenine çözen veya çözücü, oranı düşük olan bileşenine de çözünen adı verilir (Savaşkan, 1999). W. Hume-Rothery ve arkadaşları büyük ölçüde katı eriyik oluşumunu önceden belirleyen bazı kurallar ortaya koymuşlardır. İki eleman arasında bir katı eriyik oluşumunun var olabilmesi için bazı koşulların sağlanabilmesi gerekmektedir. İki elementin yüksek konsantrasyonlarda katı eriyik 5

16 oluşturabilmesi için kafes sisteminin aynı veya benzer olması gerekir. Diğer yandan metal atomlarının yarıçap farklarının %15 den büyük olması durumunda ise katı eriyik oluşması zordur. Alaşım sistemlerinde elementlerden birinin yüksek elektropozitif, diğerinin yüksek elektronegatif olması katı eriyik oluşumundan çok bileşik yapılar oluşturur. Bu durum farklı valanslara sahip elementlerin oluşturduğu alaşım sistemlerinde de ortaya çıkar (Yılmaz ve Şen, 1996; Erdoğan, 1998). Alaşımlar eriyik haldeyken genellikle homojendirler, yani tek bir sıvı çözeltiden oluşurlar. Katı halde ise yalnız bir katı çözelti içererek homojen veya çok sayıda katı çözelti, ara bileşik, saf metal kristali içererek heterojen bir iç yapıya sahip olabilmektedirler (Güleç ve Aran, 1993). Diğer taraftan farklı türdeki atomlar sıvı halde homojen sıvı eriyik oluştururlar. Katılaşma sırasında yabancı elemanlar kafes yapıda varlığını korursa katı eriyik elde edilir. Yani iki bileşen katı halde birbiri içerisinde tamamen çözünerek ortak bir kafes meydana getirirler (Onaran, 2006). Katı eriyikler katkı elementinin ana kafes içerisinde yerleşim konumlarına göre ikiye ayrılır. Eriyen atomlar eriten atomların yerine geçtiğinde yer alan katı eriyik, kafesteki boşluklara yerleştiğinde ise ara yer katı eriyik oluşmaktadır (Şekil 2.1.). Şekil 2.1. a) Katı Eriyik b) Yer alan katı eriyik c) Arayer katı eriyik oluşumu (Kakanı and Kakanı, 2004) Yer alan katı eriyik, çözünen B bileşeninin bir miktar atomunun ana kafesteki çözen A bileşeninin atomlarının yerlerine geçmesiyle oluşur (Topbaş, 1993). Ara yer katı eriyik ise, atom çapı oranı daha küçük olduğunda, çözünen atomların ana kafeste ara yerlere yerleşmesiyle oluşur (Güleç ve Aran, 1993). 6

17 Alaşımdaki iki atom türü arasındaki çekme kuvvetleri aynı türdeki atomların birbirleri arasındaki çekme kuvvetlerinden farklı değilse, yani farklı atomlar birbirlerine tarafsız davranıyorlarsa, düzensiz bir yapı meydana gelir. Fakat farklı türdeki atomlar arasındaki çekme kuvveti aynı tür atomlar arasındakine göre daha kuvvetli ise, süper kafes denilen düzenli bir yapı meydana gelir. Ayrıca belirli bir düzenin oluşabilmesi yer değişimleri için gerekli zamanın sağlanmasına bağlıdır. Dolayısıyla bahsedilen süper kafes düzeninin gerçekleştirilmesi, uygun katı eriyiklerin yüksek sıcaklıklardan yavaş soğutulmasıyla elde edilebilir. Hızlı soğumalarda ise düzenli bir yapı elde edilemez. (Güleç ve Aran, 1993) Demir-Karbon Alaşımları Metaller ve alaşımlar iyi dayanım, tokluk ve süneklik, nispeten düşük maliyet gibi faydalı mühendislik özelliklerine sahip olduklarından mühendislik tasarımlarında yaygın bir uygulama alanına sahiptir. Birçok özelliği bir arada bulundurdukları için de demir esaslı alaşımlar (çoğunlukla çelikler) dünya metal üretiminin yüzde doksanını oluşturmaktadır (Kınıkoğlu, 2001). Demir esaslı metallerde ana eleman demirdir ve bunun yanında karbon daima bir alaşım elemanı olarak bulunur (Onaran, 2006). Saf demire başka alaşım elemanları ilave edildiğinde bile eriyik halden oda sıcaklığına kadar soğutulması veya oda sıcaklığından eriyik hale kadar ısıtılması işlemleri sırasında dönüşümler gözlenir. Fakat bu dönüşümler farklı sıcaklık değerlerinde meydana gelir. Ayrıca demirin kafes yapısındaki yabancı atomların sayısı arttığında, dönüşüm sıcaklıklarındaki ötelenmeler de o oranda değişir. Diğer taraftan saf demir için en önemli alaşım elemanı karbondur ve küçük miktarlardaki karbon ilaveleri bile alaşımın mekanik özelliklerinde saf demire nazaran önemli ve büyük değişiklikler meydana getirir (Tükel, 1981). Saf demir alfa (α), gama (γ) ve delta (δ) olmak üzere üç allotropik yapı sergilemektedir. Şekil 2.2. de gösterilen saf demirin soğuma eğrileri bu kristolografik yapıların her birinin dengede olduğu sıcaklık aralıklarını göstermektedir. Demir oda 7

18 sıcaklığından 910 ºC ye kadar hacim merkezli kübik yapıya sahiptir ve bu yapı α demiri olarak adlandırılır. (α) demiri 910 ºC ye ısıtıldığında yüzey merkezli kübik γ demire dönüşür ºC ye kadar ısıtıldığında ise γ demiri tekrar hacim merkezli kübik δ demire dönüşür (Erdoğan, 2000). Şekil 2.2. Saf demir için ideal ısıtma eğrisi (Kakanı, 2004; Totten, 2006) Demir ve alaşımlarında, bu dönüşümler oldukça önemlidir. Çünkü Bravais örgüsünün değişimi ile farklı atom aralıkları ve değişik kristal yapıları, mekanik özellikleri önemli ölçüde etkilemektedir (Topbaş, 1993). Demir, kristal yapısına ve bulunduğu sıcaklığına bağlı olarak farklı oranlarda karbon içerebilir. Örneğin (α) demiri en fazla 723 ºC de %0,025 mertebesinde karbon içerirken oda sıcaklığında karbon içerme yeteneği yoktur. Yüksek sıcaklıklarda bulunan γ demiri ise 1147 ºC de %2 ve 723 ºC de %0,8 mertebesinde karbon içermektedir (Demirci, 2004). Sıcaklığın düşmesine ve karbon oranının artmasına bağlı olarak ortaya çıkan fazla karbon atomlarının yalnız başlarına veya demir atomlarıyla beraber oluşturabildikleri 8

19 kristal cinslerine göre iki temel katılaşma söz konusudur. Karbon atomları bir araya gelerek kendi kristallerinden oluşan hekzagonal kafesli grafit kristali oluşturabilirler. Bu şekilde bir toplanma için katı ortamda, her bir karbon atomunun uzun yol kat etmesi gerekir. Ancak bunun sağlanabilmesi için uzun bir difüzyon zamanı ve yüksek sıcaklık gereklidir. Bu katılaşma türüne stabil katılaşma denir. Diğer taraftan karbon atomları bir araya gelerek grafit oluşturmaya zaman bulamadıklarında, demir atomlarıyla beraber, Fe 3 C kristalini oluştururlar ve bu bileşik sementit olarak adlandırılır. Bu tür katılaşmaya ise metastabil katılaşma denir (Demirci, 2004) Demir-sementit faz diyagramı Alaşımlar termodinamik sistem olarak düşünüldüğünde, durumu sıcaklık, basınç ve bileşim büyüklükleri ile saptanabilir. Yani sıcaklık, basınç ve bileşim büyüklüklerine bağlı olarak fazların varlığı ancak incelenen sistemin termodinamik denge halinde olmasıyla belirlenebilir. Elde edilen sonuçlar faz diyagramları yardımıyla toplu olarak belirtilmektedir (Topbaş, 1993). Karbon demir içerisinde çözünerek farklı ara yer katı çözeltileri oluşturur. Katı çözelti dışında kalan karbonun demirle bir ara yer bileşiği (Fe 3 C) oluşturması durumunda demir-sementit faz diyagramı, tamamen serbest yani grafit (C) halinde bulunması durumunda ise demir-grafit faz diyagramı geçerli olur. Bu faz diyagramlarından çelik ve dökme demirlerin incelenmesinde oldukça yararlanılmaktadır. Ayrıca bu diyagramlar arasında sementitin yerini grafitin alması ve bazı küçük değişiklikler dışında, temel reaksiyonlar açısından ciddi bir fark yoktur. Çelikler genellikle grafitleşme göstermezler (Savaşkan, 1999). Demir-karbon ikili alaşımının metastabil katılaşma ve katı hal dönüşümü sürecinde, sıcaklığa ve karbon oranına bağlı olarak, hangi fazların oluşabileceği Şekil 2.3. de verilen demir-sementit faz diyagramında gösterilmektedir. Diyagramda faz dönüşümlerinin başlama ve tamamlanma sıcaklıklarının, sıvı halde veya demir kristalleri içerisinde erimiş halde bulunan karbon oranına bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Öyle ki karbon bileşimine bağlı olarak değişen dönüşüm sıcaklıkları 9

20 diyagramdaki faz bölgelerinin sınır çizgilerini oluşturmaktadır. Dolayısıyla demirkarbon faz diyagramı demir-karbon alaşımlarının gösterdiği yapı dönüşmelerini ortaya koyması açısından oldukça önemlidir (Demirci, 2004). Şekil 2.3. Demir-sementit faz diyagramı (Callister, 2000) Demir-sementit faz diyagramlarında karşılaştığımız farklı katı fazlar vardır. Bunlar ferrit (α), östenit (γ), ferrit (δ) ve sementittir. Bunlara ilaveten dengesiz bir faz olan martenzit hızlı soğutmayla oluşturulabilir (Erdoğan, 1998). Ferrit (α), hacim merkezli kübik demir kristal kafesinde, karbonun ara yer katı çözeltisidir. (α) fazında karbon çok az miktarda çözünmektedir. 727 ºC de maksimum %0.022 oranında karbon çözünür. Ferrit, demir-karbon sistemindeki en yumuşak fazdır. Ferit (δ) ise, α fazı gibi bir katı çökelti olup sadece oluştuğu sıcaklık aralığı α ferritten farklıdır. (δ) ferrit fazı nispeten yüksek sıcaklıklarda kararlı olup, teknolojik bir öneme sahip değildir. Hacim merkezli kübik yapıya sahip bu faz, karbonun en yüksek katı çözünürlüğü 1495 ºC de, %0.09 dur (Uzun vd., 2008). 10

21 Östenit (γ), yüzey merkezli kübik demir kafesinde karbonun ara yer katı çözeltisidir. Karbonun katı çözünürlüğü östenit fazında daha yüksektir ºC de %2.11 oranında karbon çözünürken, bu oran 727 ºC de %0.77 ye düşmektedir. Östenit fazdan başlayarak meydana gelen faz dönüşümleri, çeliklerin ısıl işlemi için oldukça önemlidir (Uzun vd., 2008). Sementit (Fe 3 C), karbonun demirle oluşturduğu metaller arası bileşiğe verilen isimdir. Sementitin bileşimi %6.67 karbon ve %93.3 demirdir. Sementit; sert, gevrek ve kırılgan bir yapıya sahiptir. Ayrıca ortorombik kristal yapıya sahip olan bu sementit fazının varlığı ile bazı çeliklerin mukavemetinin arttığı belirtilmektedir (Uzun vd., 2008; Savaşkan, 1999). Demir-sementit faz diyagramı her biri sabit sıcaklıkta olan ve üç fazı gerektiren, değişmeyen reaksiyonlara sahiptir. Bunlar peritektik, ötektik ve ötektoid reaksiyonlardır (Erdoğan, 2000) ºC de, peritektik tepkime noktasında %0.53 karbon içeren sıvı, %0.09 karbon içeren δ ferritle birleşerek, %0.17 karbon içeren γ östeniti oluşturur ºC de, ötektik tepkime noktasında %4,3 karbonlu sıvı, %2.08 karbonlu γ östenitini ve %6.67 karbon içeren sementit (Fe 3 C) bileşiğini oluşturur. 723 ºC de, ötektoid tepkime noktasında ise %0.8 karbonlu katı östenit, %0.02 karbonlu α ferrit ve %6.67 karbonlu sementit (Fe 3 C) oluşturur. Tamamen katı halde meydana gelen bu tepkime bazı çeliklerin ısıl işleminde oldukça önemlidir (Kınıkoğlu, 2001) Çelikler Çelikler %0.02 ile %2 arasındaki oranlarda karbon içerirler. Genel anlamda çelikler içerdikleri karbon oranına göre üç kısma ayrılır. %0.25 e kadar karbon içerenler düşük karbonlu, % arasında karbon içerenler orta karbonlu ve % arasında karbon içerenler ise yüksek karbonlu çelikler olarak sınıflandırılırlar. Diğer yandan %0.8 karbon içeren çelikler ötektoid çelik adını alır ve bunun nedeni, bu bileşimdeki östenitin yavaşça ötektoid sıcaklığın altına soğutulması halinde tamamı α ferrit ve sementitten oluşan bir yapının meydana gelmesidir. Çeliğin %0.8 den az 11

22 karbonu olması halinde ötektoid altı çelik, %0.8 den fazla karbonlu olması halinde ötektoid üstü çelik adını alır (Kınıkoğlu, 2001). Demir esaslı metaller demir-karbon alaşımları ve alaşımlı çelikler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Demir-karbon alaşımlarında sadece demir ve karbon bulunurken, alaşımlı çeliklerde demir ve karbonun yanı sıra ilaveten mangan, krom, nikel, silisyum, molibden gibi diğer alaşım elementleri de vardır. Ayrıca alaşımlı çelikler alaşım elemanlarının oranına göre az alaşımlı ve yüksek alaşımlı çelikler olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. %5 den az alaşım elemanı içeren az alaşımlı çelikler çoğunlukla yüksek mukavemetli yapı elemanları ve makine parçaları üretiminde kullanılırlar (Onaran, 2006) Çeliklerde Isıl İşlemler Sırasında Oluşan İç Yapılar: Mekanik Özellikler Çeliklerin iç yapısının sıcaklık diğer bir deyişle soğuma hızı ile değiştiği geniş biçimde araştırılmıştır. O çalışmalarda gösterilmiştir ki; %0.8 mertebesinde karbon içeren bir çelik numunesi yaklaşık 750 ºC ye kadar ısıtılır ve yeterli bir süre bekletilirse çeliğin yapısı homojen östenit olacaktır. Bu işleme östenitleme adı verilir. Bu ötektoid çelik, ötektoid sıcaklığının hemen üzerine kadar yavaşça soğutulduğunda, Şekil 2.4. de a noktasıyla gösterildiği gibi östenitli yapı kalacaktır. Ötektoid sıcaklığına veya hemen bunun altına kadar soğutulduğunda yapının tamamı, östenitten, sementit (Fe 3 C) ve ferritin üst üste levhalarından oluşan lamelli bir yapıya dönüşecektir. Ötektoid sıcaklığın hemen altında ise, Şekil 2.4. deki b noktasında, lamelli bir yapı görünüşünü alacaktır. Bu ötektoid yapıya, incinin yapısına benzediğinden dolayı perlit adı verilmiştir. Karbonun α ferrit ve sementitteki çözünürlüğü, 723 ºC den oda sıcaklığına çok az değiştiğinden, perlit yapısı da esas olarak bu sıcaklık aralığında değişmemektedir (Kınıkoğlu, 2001). 12

23 Şekil 2.4. Ötektoid çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) Diğer yandan, %0.8 den daha düşük karbonlu bir çelik numunesi yaklaşık 900 ºC ye kadar ısıtılırsa (Şekil 2.5. deki c noktası) mikro yapısı daha önce bahsedilen ötektoid çeliğin durumunda olduğu gibi homojen östenit olur. Bu çelik yavaşça d noktasına soğutulacak olursa (yaklaşık 775 ºC) ötektoid öncesi ferrit oluşacak ve çoğunlukla östenit tane sınırlarında çekirdeklenmeye başlayacaktır. Bu alaşım, Şekil 2.5. deki d sıcaklığından e sıcaklığına kadar yavaşça soğutulduğunda, ötektoid öncesi ferritin miktarı östenitin %50 si dönüşünceye kadar artar. Adı geçen çelik d noktasından e noktasına kadar soğurken, arta kalan östenitin karbon miktarı %0.8 e yükselecektir. 723 ºC de yavaş soğuma koşulları devam ediyorsa kalan östenit, ötektoid reaksiyonla perlite dönüşecektir. Perlitteki ferrit, onu ilk oluşan ötektoid öncesi ferritten ayırmak için ötektoid ferrit olarak adlandırılır (Kınıkoğlu, 2001; Erdoğan 2000). 13

24 Şekil 2.5. Ötektoid altı çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) %0.8 den fazla karbon içeren Ötektoid üstü çelik 950 ºC ye kadar ısıtılıp yeterli süre bekletildiğinde yapısı tümüyle östenit olur (Şekil 2.6 da g noktası). Bu çelik Şekil 2.6. daki h noktasına yavaşça soğutulduğunda ise ötektoid öncesi sementit, östenit tane sınırlarında çekirdeklenmeye başlayacaktır. Sıcaklık 723 ºC ye veya bunun biraz altına düşürüldüğünde, Şekil 2.6. da i noktasında gösterildiği gibi, kalan östenit ötektoid tepkimeyle perlite dönüşecektir. Ötektoid tepkimeyle meydana gelen sementite, 723 ºC nin üzerinde oluşan ötektoid öncesi sementitten ayırmak için, ötektoid sementit adı verilir. Aynı şekilde ötektoid tepkimeyle oluşan ferrite de ötektoid ferrit adı verilir (Kınıkoğlu, 2001). 14

25 Şekil 2.6. Ötektoid üstü çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) Demir-karbon diyagramında belirtilen dönüşüm sıcaklıkları ve oluşan iç yapılar, sadece düşük soğuma hızları sonucunda (yavaş soğutmalarda) belirlenirler. Soğuma hızları değiştikçe aynı çelik malzeme için elde edilecek iç yapılar ve buna bağlı olarak elde edilen özellikler oldukça farklıdır. Bu durum bahsedilen demir-karbon denge diyagramlarından okunamaz (Demirci, 2004). Çünkü katı halde atomların hareket yetenekleri çok kısıtlı olduğundan dönüşümlerin tamamlanması için belirli bir süreye ihtiyaç vardır. Öyle ki bir dönüşüm olayı atomsal yayınım sonucu oluşur ve önce atomların çevresi ile bağları kopar, daha sonra hareket ederek daha düşük enerjili konumlarına geçerler ve son olarak da yeni fazı oluştururlar. Özellikle yeni faza ait sınırların oluşması için oldukça büyük enerjiye ihtiyaç vardır. Tüm bu olayların tamamlanması için geçen süre ise bunun tersi dönüşüm veya 15

26 reaksiyon hızı olur ve bu reaksiyon hızı dönüşüm hızından fazla ise dönüşüm kısmen veya tamamen önlenebilir. Yavaş soğuma ile elde edilmesi beklenen kararlı denge yapısının yerini başka yarı kararlı denge yapısı alabilir. Öte yandan elde edilen bu yeni yarı kararlı yapı üstün özellikler gösterebilir. Böyle bir durum çeliklerde uygun bir soğuma hızında martenzit adı verilen yapının oluşmasıyla gerçekleşir. Östenitleştirilmiş alaşımsız bir karbon çeliği numunesi su verilerek hızla oda sıcaklığına soğutulduğunda yapısı östenitten martenzite dönüşecektir. Alaşımsız karbon çeliklerindeki martenzit, hacim merkezli kubik veya hacim merkezli tetragonal demir içinde karbonun aşırı doymuş ara yer katı çözeltisi oluşturduğu yarı kararlı bir fazdır. Buradaki tetragonallik hacim merkezli kübik birim hücresinin çarpılmasıyla oluşmaktadır (Kınıkoğlu, 2001; Onaran, 2006). Bir malzemenin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki, mekaniksel davranış olarak tanımlanır. Bu davranış değişik tür zorlanmalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmeleri ölçerek veya gözleyerek saptanır. Elastiklik, süneklik, mukavemet, sertlik ve tokluk gibi özellikler malzemelerin mekanik özellikleri adını alır. Bunlardan her birisi malzemenin mekanik kuvvetlere dayanıklılığı ile ilişkilidir. Malzemeler artan dış kuvvetler altında önce şekil değiştirirler, sonra dayanımını yitirerek kırılırlar. Düşük kuvvetler altında şekil değiştirmeler elastik yani tersinirdir. Uygulanan dış kuvvet elastiklik sınırını aşarsa kalıcı yani plastik şekil değişimi ortaya çıkar. Elastiklik, şekil değiştirmeye karşı direnç veya malzemenin esneklik modülü ile belirlenir. Tokluk, bir malzemeyi koparmak için gereken enerjinin bir ölçüsüdür. Süneklik ise malzemenin kopmaksızın dayanabileceği şekil değiştirme miktarıdır. (Safoğlu, 1998; Aytar, 2004; Dündar, 2008). Tüm bu mekanik özellikler çeliklerin ısıl işlemleri sonucunda ortaya çıkan yapıların her birinde farklı farklı değerler alır. Çoğu zaman oldukça karmaşık görüntü de sergileyen faz-mekanik özellikler ilişkisi birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Dikkatimizi burada mikro sertlik üzerine çevirirsek; sertlik bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona karşı gösterdiği direnç ile ifade edilir ve bir anlamda mukavemet anlamına gelir. Uygun yüzey iyileştirme yöntemlerinin (borlama, nitrürleme vb.) malzemedeki sertliği oldukça yüksek değerlere çıkarılabildiği bilinmektedir (Topbaş, 1993; Safoğlu, 1998; Dündar, 2008). Tüm bu çalışmalarda gösterilmiştir ki, 16

27 malzemelerin mekanik özellikleri büyük ölçüde bileşim elemanlarına, bunların konsantrasyonuna ve malzeme geçmişine sıkı sıkıya bağlıdır. Sıcaklık ya da başka işlemler ile iç yapıda meydana getirilebilecek değişimler sertlik, mukavemet, süneklik, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri önemli ölçüde değiştirilebilir. İç yapıda değiştirilmesi mümkün olan etkenler tanelerin büyüklüğü ve biçimi, fazların türü ve dağılımı, iç yapı kusurlarının türü ve miktarıdır (Onaran, 2006). Çeliklere katılan alaşım elementleri ferrit içerisinde küçük miktarlarda çözünerek karışım kristalleri oluştururlar. Yabancı atomların yapıya girmesi ile kristal kafesi gerilir ve kalıcı şekil değişimine karşı daha güçlü bir direnç gösterir. Dolayısyla mukavemet ve akma sınırı artar. Yüksek sıcaklıklarda alaşım elementleri östenit içerisinde çözünürler ve kristal kafesin dönüşümü sırasında karbon difüzyonunu zorlaştırırlar. Bu nedenle karbon ancak kısa mesafeler kat edebilir ve östenitin parçalanması ile ince lamelli perlit oluşur. Normal soğuma sonucu oluşan bu ince perlit, alaşımsız çeliklerin hızlı soğuması sonucunda oluşan ince perlit ile kıyaslanabilir. Böyle bir durumda alaşımlı çelik %0.8 den daha az karbon ihtiva etse bile saf perlitik bir yapı meydana gelir (Anık vd., 1998). Belirli bir kullanım amacı ile seçilen, kompozisyonu belli bir çelik malzemenin, belli oranlarda karbon ve diğer alaşım elementleri içermesi, istenen ve beklenen özelliklere sahip olduğu anlamına gelmez. Başka bir deyişle bir çelik malzemenin kompozisyonunun belli olması, o malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi için yeterli değildir. Bilindiği üzere metallerde dengeli bir soğuma süreci ile oluşan yapılar kararlı olup belirli özelliklere sahiptirler. Benzer şekilde kullanılan denge diyagramları da bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterirler. Bu durumda soğuma süresinde faz dönüşümleri kendiliğinden tamamlanır. Ancak aşırı koşullar altında ısıtma ve soğutma işlemleri ile denge hali faz dönüşümleri kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu ilkelere dayanarak endüstride çeşitli ısıl işlemler geliştirilmiştir. Bütün ısıl işlem yöntemlerinin amacı, malzemelerin özelliklerini istenilen şekilde değiştirmektir. Özellik değişimleri ise ancak iç yapı göz önüne alınarak açıklanabilir. Bu ısıl işlemler çeliğin katı haldeki dönüşümleri sonucu gerçekleşmektedir. Çeliklere 17

28 uygulanan su verme sertleşmesi buna bir örnek olarak gösterilebilir (Anık vd., 1998; Demirci, 2004; Onaran, 2006). Şekil 2.7. Isıl işlemde sıcaklık-zaman diyagramı (Kesti, 2009) Isıl işlem teriminden, malzemelerin katı haldeki sıcaklık değişmeleri ile bir veya ardı ardına birkaç işlemle, amaca uygun özellik elde etmek anlaşılır. Isıl işlemler, en genel anlamda, parçaların belirli bir sıcaklığa ısıtılması (ısıtma), bu sıcaklıkta uygun süre tutulması (bekleme) ve belirli bir usule uygun olarak sıcaklığın oda sıcaklığına düşürülmesi (soğutma) ile üç aşamada uygulanır ve böylece istenilen özellik değişimleri elde edilir (Topbaş, 1993). Literatürde çeliklerin ısıl işlemleri esnasında ortaya çıkan fazlar ile mekanik özellikler arasında bir ilişkiden bahsedilmektedir. Aşağıdaki grafikte (Şekil 2.8.) karbon oranına bağlı olarak ve istenilen özelliklere göre uygulanabilecek ısıl işlem (tavlama) sıcaklıkları gösterilmektedir. Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin tamamı östenit fazının dönüşümü ile ilgilidir. Dönüşüm ürünlerinin türü, bileşimi ve metalografik yapısı çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Östenitleştirme; çeliğin Ac 1 sıcaklık çizgisinin üzerindeki uygun bir sıcaklığa kadar ısıtılması ve yapısının tamamen östenite dönüşmesine kadar bekletilmesi anlamına gelir. Ötektoid altı çeliklerde östenitleştirme işlemi üst kritik sıcaklık çizgisinin (Ac 3 ) ºC üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Bu çeliklerin Ac 1 ile Ac 3 arasındaki 18

29 sıcaklıklarda tavlanması ile ferrit ve östenitten oluşan bir yapı elde edilir (Savaşkan, 1999). Şekil 2.8. Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları (Ulu, 2004) Tavlama işleminin ardından, çelikler nispeten daha yavaş soğuma hızlarında soğutulduklarında, östenit içerisinde çözünmüş karbon atomları difüzyon ile östenit yapıdan ayrılırlar. Daha sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir hacim merkezli kübik yapıyı oluştururlar. Burada östenit (γ)-ferrit (α) dönüşümü, zamana bağlı bir çekirdekleşme ve büyüme olayı şeklinde gerçekleşir. Soğuma hızı arttırıldığında, karbon atomları difüzyon ile östenit yapıdan ayrılmak için yeterli zamanı bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının yapı içerisinde hapsedilmelerinden dolayı hacim merkezli kübik yapıya dönüşüm gerçekleşmez ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda meydana gelen bu yapıya martenzit adı verilir (Savaşkan, 1999). Ayrıca çeliğe katılan nikel, krom ve mangan gibi alaşım elementleri, soğuma sırasında karbon atomlarının difüzyonunu yavaşlatır, dolayısıyla daha mutedil bir soğuma hızı karbonun kafes 19

30 yapıda kalmasını ve martenzit oluşmasını sağlar. Yüzey merkezli kübik östenit katı eriyiği hacim merkezli tetragonal martenzite dönüşürken %5.4 oranında hacim artışı meydana gelmektedir. Bu kristal kafesi sürekli (kesiksiz) kayma düzlemleri içermediği için şekil değiştirmesi oldukça zorlaşmış olur. Böylece oluşan yapı her türlü şekil değişimine karşı yüksek bir mukavemet (yüksek bir sertlik) gösterir (Onaran, 2006). Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. Nitekim, çeliklerde sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Martenzit sertliğinin asıl nedeni ise karbon atomlarının demir kafes yapısında zorla hapsedilebilmeleridir. Dolayısıyla yüksek sertlik değerleri ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir. Başka bir deyişle; su verme işleminden sonra elde edilen sertlik değeri çeliklerin karbon oranına bağlıdır (Şekil 2.9.). Ayrıca grafikte de görüleceği üzere karbonun %1 oranına yaklaşması durumunda sertliğin fazla değişmediği belirtilmektedir. Bunun nedeni, artan karbon oranı ile meydana gelen artık östenittir. (Tükel, 1981; Savaşkan, 1999). Martenzitin sertliği ile karbon konsantrasyonu arasındaki ilişki Şekil 2.9. da gösterilmektedir (Llewellyn and Hudd, 2004). Şekil 2.9. Martenzit fazının sertliği üzerine karbon konsantrasyonunun etkisi (Llewellyn and Hudd, 2004) Çeliklerde martenzitik dönüşüm M s olarak adlandırılan belirli bir sıcaklıkta başlar. Çeliklerin soğutulması sonucu sıcaklık M s ye eriştiğinde martenzit oluşmaya başlar. 20

31 Soğutma sırasında östenitin çoğu martenzitin bitiş sıcaklığı olan M f ye erişinceye kadar martenzite dönüşür. Ancak çeliklerde östenit tamamen martenzite dönüşemez ve çelik içerisinde düşük sıcaklıklarda bile çok düşük oranlarda da olsa kalıntı östenit bulunur (Erdoğan, 1998; 2000) Sertlik ve Sertlik Tayini Malzemelerin elastiklik, süneklik, mukavemet ve tokluk gibi önemli mekanik özelliklerinin yanında bir diğeri de sertliktir ve malzemenin yüzeyine batırılan sert bir cisme karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Belirli koşullar altında yüzeyde oluşturulan kalıcı izin büyüklüğüne göre belirlenir. Sertlik bir anlamda malzemenin plastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç olarak tanımlandığından akma mukavemeti ile yakından ilişkilidir (Onaran, 2006). Karbon oranı yanında, martenzit dönüşümünün gerçekleşme derecesi (martenzit oranı) de sertlik ve mekanik özellikleri etkiler. Esasen soğuma hızı ve karbon oranına bağlı olan martenzit hacim oranının mikro sertliğe etkisi Şekil da görülmektedir (Cota et al., 2003; Demirci, 2004). Şekil Martenzit hacim oranıyla mikro sertliğin değişimi (Cota et al., 2003) 21

32 Sertlik değerleri bütün metallerde ve özellikle çelikte soğuk sertleştirme ve ısıl işlem sonucu geniş bir aralıkta değişmektedir. Ayrıca sertlik değerlerinden malzemenin iç yapı durumu hakkında sonuçlar çıkarılabilir. Sertlik muayeneleri bu sebeple yaygın olarak uygulanır ve özel bir numune hazırlanmasına gerek göstermeden malzeme parçası üzerinde yapılabilir (Anık vd., 1998). Sertlik deneylerinde, malzemelerin yüzeyine batırılan bir cisme karşı gösterdiği direnç ölçülür. Bütün yöntemlerde batıcı bir cisim belirli bir kuvvetle (belirli bir yük altında) parça içerisine batırılır. Malzemenin sertliği uygulanan yüke bağlı olarak, ya örnek yüzeyinde oluşan izin yüzey alanına, ya da batıcı ucun batma derinliğine göre belirlenir. Günümüzde en çok Brinell, Rockwell ve Vickers sertlik ölçme yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak, bunlardan başka sertlik ölçme yöntemleri de vardır (Savaşkan, 1999; Anık vd., 1998). Brinell sertlik deneyinde sertleştirilmiş çelik veya tungsten karbürden yapılan bir bilye belirli bir yük ile malzemenin yüzeyine bastırılır ve malzemenin yüzeyinde meydana gelen izin çapı ölçülür. Uygulanan yük, malzemenin yüzeyinde oluşan izin küresel yüzey alanına bölünerek, Brinell sertlik değeri bulunur. Rockwell sertlik deneyinde ise, standart bir batıcı uç genelde 10 kg gibi küçük bir yükle malzeme yüzeyine bastırılır ve oluşan izin dip noktası başlangıç noktası olarak alınır. Daha sonra yük yüksek bir değere çıkarılıp, tekrar önceki değerine indirilir. Ucun batma derinliğinde meydana gelen değişime göre Rockwell sertlik değeri belirlenir (Savaşkan, 1999). Vickers sertlik ölçme yöntemi en duyarlı sertlik ölçme yöntemidir. Daha uzun zaman almasına karşın, özellikle araştırma amacı ile mikro sertlikleri ölçmeye elverişlidir. Bu yöntemde kullanılan batıcı uç, kare tabanlı bir piramit şeklinde olup elmastan yapılmıştır. Piramit ucun tepe açısı 136 derecedir (Şekil 2.11.). Belirli bir F yükü ile malzeme yüzeyine bastırılan batıcı uç şekilde de görüldüğü gibi bir eşkenar dörtgen oluşturur (Onaran, 2006). 22

33 Şekil Vickers sertlik deneyinde kullanılan ucun şematik gösterimi (Bekteş, 2004) Malzemede meydana gelen iz üzerinde d köşegeninin uzunluğu, d 1 ve d 2 köşegen uzunluklarının ortalaması olarak ölçülür. Uygulanan kuvvet ve hesaplanan köşegen uzunluğu aşağıdaki denklemde yerine konarak Vickers sertlik değeri hesaplanır (Bekteş, 2004). Vickers sertlik testinin oldukça doğru sonuçların alınabilmesi, en geniş ölçme aralığına sahip olması ve tüm metal yüzeyler için tek bir uç kullanılması gibi avantajları vardır. Ayrıca değişen kuvvetler altında sert ve yumuşak metallere ait sertlik ölçümleri için de kullanılabilir. Vickers sertlik testinin dezavantajı ise izin büyüklüğünün optik olarak ölçülmeye ihtiyaç duymasıdır. Nitekim ölçme cihazı, sertlik muayene cihazı ve mikroskobun karışımı olan bir alettir. Dolayısıyla izin görünebilmesi için test noktasının çok iyi parlatılması gerekmektedir. (Anık vd., 1998; Bekteş, 2004). 23

34 3. MATERYAL VE YÖNTEM Bu çalışmada, Çizelge 3.1. de kompozisyonları verilen (iki farklı karbon oranına sahip) düşük karbonlu mikro alaşımlı çelikler kullanılmıştır. Numuneler Şekil 3.1. de görülen Struers Minitom hassas kesme cihazı ile 3 x 3 x 2 mm 3 ebatlarında kesilmiştir. Karbon oranlarına göre A ve B olarak isimlendirilen çeliklerden üç farklı ısıl işlem ve dört farklı soğutma ortamı için toplam 24 adet numune hazırlanmıştır. Şekil 3.1. Struers Minitom hassas kesme cihazı Çizelge 3.1. Kullanılan çeliklerin kompozisyonları Çelikler A B Elementlerin ağırlıkça yüzdeleri (%) C Si Mn P Mo Mg Cr Al Nb Fe Kalan Kalan 24

35 A ve B çelikleri 1000 ºC ye kadar ısıtılarak bekleme olmaksızın suda, sıvı azotta, havada ve fırında soğutma işlemlerine tabi tutulmuşlardır. Bu 4 farklı soğuma hızı, 400 ºC de 4 saat ve 800 ºC de 4 saat bekletilen numuneler için de uygulanmıştır (Çizelge 3.2.). Çizelge 3.2. Uygulanan ısıl işlemler ve soğutma ortamları Isıl İşlem Sıcaklıkları (ºC) Bekleme Süresi (Saat) Soğutma Ortamları Fırında Havada Suda 1000 Hemen Sıvı Azotta Isıl işlemler uygulandıktan sonra belirtilen ortamlarda soğutulan numuneler kalıplara alınmıştır. Daha sonra da bu numunelerin yüzeyleri, mikro sertlik ve mikro yapılarının belirlenmesi amacıyla Şekil 3.2. de görülen Struers Labopol cihazı ile zımparalama ve parlatma işlemlerine tabi tutulmuş ve %2 Nital solüsyonu kullanılarak dağlanmıştır. Şekil 3.2. Struers Labopol zımparalama ve parlatma cihazı 25

36 Kalıplara alınarak zımparalama, parlatma ve dağlama işlemlerinden geçirilen numunelerin mikro yapılarının değerlendirilmesi için Şekil 3.3. de görülen Olimpus metal mikroskobu kullanılmıştır. Şekil 3.3. Olimpus metal mikroskobu ve görüntü programı Daha sonra numuneler mikro sertlik analizleri için Şekil 3.4. de görülen Metkon mikro sertlik cihazı ile mikro Vickers sertlik testine maruz bırakılmışlardır. Mikro sertlik testleri 100 g yük altında ve 15 er saniye süre ile uygulanmıştır. Mikro sertlik test sonuçların sağlıklı alınabilmesi için her bir numune için farklı bölgelerden çok sayıda (en az 20) ölçüm alınmıştır. Sertlik ölçümleri yapılan iki farklı karbon oranına sahip bu mikro alaşımlı çeliklerde mikro yapı fotoğrafları incelenerek soğuma hızının çelikler üzerindeki mikro yapısal değişimi ile mikro sertlik değerleri üzerine etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. 26

37 Şekil 3.4. Metkon mikro sertlik ölçüm cihazı 27

38 4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA Herhangi bir işlem görmemiş A çelik numunesinin optik mikroskop ile bakılan mikro yapı fotoğrafı incelendiğinde genel olarak mikro yapıda %80 90 ferrit ve %10-20 arasında perlitten oluştuğu anlaşılmaktadır (Şekil 4.1.). Şekil 4.1. A çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık kısımlar ferrit) Öte yandan A çeliğinin 400 ºC de 4 saat bekletilmesi ve farklı soğutma ortamlarında soğutulmasıyla elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.2. de verilmiştir. Bu fotoğraflar dikkatlice incelendiğinde perlit yüzdesi yaklaşık olarak %10 dur ve ısıl işlem öncesi var olan mikro yapı ile ısıl işlemler sonucu ortaya çıkan mikro yapıların aynı olduğu gözükmektedir. Bu durum, ısıl işlem öncesi mikro sertlik değeri 243 Hv olan A çeliğinin, ısıl işlem sonrası ölçülen mikro sertlik değerlerinin karşılaştırılmasıyla teyit edilebilir. Tüm soğuma hızlarıyla elde edilen mikro sertlik değerleri numunenin ısıl işlem öncesi mikro sertlik değeri ile aynıdır (Çizelge 4.1.). Dolayısıyla 400 ºC de 4 saat bekletme ısıl işlemi ve soğuma hızları A olarak işaretlenen düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin sertlik ve mikro yapılarını etkilememiştir. 28

39 Şekil 4.2. A çeliğinin 400 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Çizelge 4.1. A çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri A Çeliği 400 ºC de 4 saat 800 ºC de 4 saat 1000 ºC de hemen Fırında Soğutma Havada Soğutma Suda Soğutma Sıvı Azotta Soğutma ºC de 4 saat bekletilerek farklı soğuma hızlarında soğuma işlemine tabi tutulan A çeliğinden elde edilen mikro yapı fotoğraflarında ise Şekil 4.3. de verilmiştir. 29

40 Şekil 4.3. A çeliğinin 800 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Fırın ve hava ortamında yapılan soğutma işlemleri sonucunda A çeliklerinde martenzit yapı oluşmaz iken yapının perlit ve ferritten oluştuğu görülmektedir (Şekil 4.3. a, b). Su ve azot ortamında soğutulan malzemelerde ise mikro yapıda ferrit ve perlitin yanı sıra azda olsa (soğuma hızıyla artan) martenzitin oluştuğu gözlenmiştir (Şekil 4.3. c, d). Perlit, yumuşak ferrit yapıda düzgün olarak yer alırken martenzit ince taneli ve lamelli olarak yapıda dağılmaktadır. Diğer yandan soğuma hızı arttıkça yapıdaki ferrit ve martenzit yüzdeleri artmakta ve suda ile sıvı azotta soğutulmuş çeliklerde ferrit ve martenzit fazları nispeten daha belirginleşmektedir. Bu arada bu ısıl işlemler çeliklerin sertliklerini de etkilemiştir. Elde edilen mikro sertlik değerleri 158 Hv civarındadır ve soğuma hızının artmasıyla yavaş bir artış göstermektedir. Bu değerler 400 ºC de 4 saat bekletilmiş ve ısıl işlem görmemiş çeliklerin mikro sertliklerine nazaran daha düşük değerlerdir. Bu yüzden, bu ısıl işlemin bir tavlama rolü üstlenerek yapıda yer alan kusurların konsantrasyonunu azalttığı sonucunu 30

41 çıkarmak mümkündür. Diğer bir deyişle bu ısıl işlem ile muhtemel artık gerilmeler giderilmiş ve mikro sertliklerde azalma görülmüştür (Çizelge 4.1.). Sıcaklık 1000 ºC ye ulaştığında A çelikleri bekletilmeden havada, fırında, suda ve sıvı azotta soğutularak sırasıyla mikro yapı fotoğrafları alınmıştır (Şekil 4.4.). Şekil 4.4. A çeliğinin 1000 ºC ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları Bu fotoğraflar incelendiğinde, fırında soğutma ile elde edilen mikro yapı fotoğraflarından mikro yapıda diğerlerine göre daha fazla ferrit ve çok az perlit oluşluğu görülmektedir. Havada soğutmada ise yapıda ferrit daha ince taneli olmakla beraber az miktarda perlit ve kalıntı östenit bulunmaktadır. Diğer taraftan, suda soğutma ile elde edilen mikro yapıda çok miktarda ferrit, ince perlit, az kalıntı östenit ve %10-15 oranında martenzit vardır. Sıvı azotta soğutma durumunda ise çok ince ferrit, çok ince perlit ve %15-20 oranında martenzit görülmektedir. 31

42 Mikro sertlik (Hv) Ayrıca mikro yapı fotoğrafları karşılaştırıldığında, soğuma hızının artmasıyla tane boyutu belirgin bir şekilde azalmaktadır, martenzit yapı da belirgin bir şekilde ortaya çıkmaktadır. En yüksek soğuma hızının gerçekleştiği azot ortamındaki soğutma da martenzit oluşumu sayesinde yüksek bir mikro sertlik elde edilirken, yapıdaki iğnemsi ferritin morfolojisi nedeniyle orta derece bir soğuma hızı nispeten düşük mikro sertliklere sebep olmuştur (Şekil 4.5.) ºC de hemen 400 ºC de 4 saat 800 ºC de 4 saat Sıvı azot Su Hava Fırın Soğutma ortamları Şekil 4.5. A çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi A çeliğine göre daha düşük oranda karbon ihtiva eden B çeliğinin herhangi bir işlem görmeden alınan fotoğrafı (Şekil 4.6.) incelendiğinde yapının A çeliği ile benzerlik gösterdiği ve mikro sertlik değerinin 155 Hv civarında olduğu tespit edilmiştir. B çeliğinin 400 ºC de 4 saat bekletilmesi ve devamında farklı soğutma ortamlarında yani farklı soğuma hızlarında soğutulmasıyla elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.7. de görülmektedir. A çeliğinde olduğu gibi burada da 400 ºC de 4 saat bekletme ısıl işlemi herhangi bir mikro yapı değişikliğine sebep olmamaktadır. Dolayısıyla B çeliği için bu ısıl işlem mikro yapıda bir değişikliğe neden olmadığı için sertlik değerlerini de etkilememiştir. Bu numuneler için ölçülen mikro sertlik değerleri de bu durumu doğrulamaktadır (Çizelge 4.2.). 32

43 Şekil 4.6. B çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık kısımlar ferrit) Şekil 4.7. B çeliğinin 400 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları 33

44 Çizelge 4.2. B çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri B Çeliği 400 ºC de 4 saat 800 ºC de 4 saat 1000 ºC de hemen Fırında Soğutma Havada Soğutma Suda Soğutma Sıvı Azotta Soğutma Şekil 4.8. B çeliğinin 800 ºC de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları B çeliğinin 800 ºC de 4 saat bekletilmesi ve farklı soğuma hızlarında elde edilen mikro yapısına ait mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.8. de görülmektedir. Oluşan mikro yapılarda nispeten iri taneli ferrit ve az perlit görülmektedir. Fırında soğutma ile neredeyse ferritik-perlitik yapı korunurken, 800 ºC de oluşmuş olan ferrit-östenit 34

45 yapıdan sıvı azotta ve suda yapılan soğumalarda ferritin yapıda aynen kalmasıyla çelikte bir yumuşama olmaktadır. Dolayısıyla tamamen östenitleştirilmemiş yapıların hızlı soğutulmaları yapıda ferrit oluşmasına neden olarak sertleşmeyi engellemektedir. Hızlı soğuma ile martenzit dönüşümü beklenir fakat buradaki bileşimde karbon oranı çok az olduğu için martenzit oluşumu gözlenememiştir (Şekil 4.8. c, d). Bu ısıl işlem sonucu, A çeliğinde az da olsa görülen martenzitin B çeliği için oluşmamasının sebebi daha düşük karbon oranına sahip olması ile açıklanabilir (Davies, 1978; Kabakçı, 2006). Şekil 4.9. B çeliğinin 1000 ºC ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları B çeliği için sıcaklık 1000 ºC ye çıkarılıp hemen belirtilen ortamlarda soğutmalar yapıldığında elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.9. da görülmektedir. Fırında soğutma sonucu oluşan yapıda iri ferrit taneleriyle birlikte az miktarda perlit görülmektedir (Şekil 4.9. a). Havada soğutma da ise daha ince yapılı ferrit ve artan perlit miktarı dikkat çekmektedir (Şekil 4.9. b). Soğuma hızının artmasıyla birlikte 35