BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri Faz Diyagramları Dr. Ersin Emre Ören Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Bölümü TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Ankara - TÜRKİYE eeoren@etu.edu.tr http://eeoren.etu.edu.tr
Atom Bağları + Kristal Yapılar + Kristal Kusurları Malzeme Özellikleri Mekanik Optik Elektrik Manyetik Isıl... Faz Diyagramları: Tanımlar ve Temel Kavramlar Bileşen (Component): Saf metal ya da alaşımların bileşiklerine denir. Örneğin bakır-çinko alaşımının bileşenleri bakır ve çinkodur. Çözünürlük Limiti (Solubility Limit): Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta çözücü (solvent) içerisinde çözünebilecek çözünen yoğunluğu için üst bir limit vardır bu limite çözünürlük limiti denir.
Soru 1000 gram su içerisinde 20 o C de çözülebilecek en yüksek miktarda şeker çözdürülmüştür. Bu çözeltiye 2 kg şeker eklenir ve 80 o C ye ısıtılarak dengeye ulaşabileceği kadar uzun süre bekletilirse çözelti tabanında kaç gram şeker kalır. C şeker mşeker ( wt%) 100 m m şeker su 64% mşeker 64 100 m 1000 şeker m o C 20 şeker 1778g mşeker 74 100 m 1000 şeker m o C 80 şeker 2846g mşeker 1778g 2000g 2846g 932g
Faz (phase): Bir sistem içerisinde kimyasal ve fiziksel özellikleri aynı olan ve diğer bölgelerden belirli bir sınır (faz sınırı) ile ayrılan homojen parçaya denir. Mikroyapı (microstructure): Bir alaşımın özellikleri sadece içerisinde bulunan fazların oranına değil aynı zamanda bu fazların yapı içerisindeki dağılım, yerleşim ve doğrultularına da bağlıdır. Dökme Demir Mikroyapısı: Grafit, BCC Fe ve Fe 3 C bileşiği. Faz diyagramları mikroyapıları anlamamıza ve hangi koşullar altında hangi tür mikroyapıların oluşacağını tahmin etmemize yarar.
Faz Dengeleri (Phase Equilibria) Serbest enerji (free energy) bir sistemdeki iş yapabilme kapasitesine sahip enerjidir. İç enerjisi (internal energy) ile sistem içerisindeki atom veya moleküllerin düzensizliğinin (entropi) bir fonksiyonudur. A( T, V) U TS G( T, P) H TS Helmholtz free energy Gibbs free energy Bir sistemin serbest enerjisi belirlenen bir sıcaklık, basınç ve kompozisyon altında en küçük değerine ulaştığı ana denge (equilibrium) denir. Makroskopik anlamda, sistemin özelliği zamanla değişmez yani sistem denge (kararlı) haline gelmiştir. Denge halindeki bir sistemin sıcaklık, basınç ve/veya kompozisyonundaki herhangi bir değişiklik sitemin serbest enerjisini arttırır ve sistem bu yeni koşullar altında yeni bir denge noktasına doğru hemen hareket eder.
Faz Diyagramı (Phase diagram): sıcaklık, basınç ve kompoziysona göre bir sistemin denge fazlarını gösteren grafik çizimlere denir. Faz Diyagramı Sıcaklık Basınç Kompozisyon Faz diyagramları bazen de denge diyagramı olarak adlandırılır. Faz diyagramları sadece denge durumlarını gösterir, denge durumuna ne kadar bir sürede ulaşılacağını belirtmez. Tek Bileşenli Faz Diyagramı (One-Component Phase diagram): Faz Diyagramı Sıcaklık Basınç Kompozisyon Saf maddeler için geçerlidir ve P-T diyagramı olarak da adlandırılır.
Tek Bileşenli Faz Diyagramı (One-Component Phase diagram): H 2 O Faz Diyagramı 8,848 m Faz sınırları Katı (buz) Sıvı (su) Gaz (buhar) Üçlü Nokta: 0.01 o C, 6.04x10-3 atm Üçlü noktada her üç fazda dengededir. Sıcaklık veya Basınçta herhangi bir değişiklik olursa fazlardan birtanesi ortadan kaybolur. Suyun kaynama sıcaklığı deniz seviyesinden yükseldikçe her 285 metrede 1 C düşer.
Tek Bileşenli Faz Diyagramı (One-Component Phase diagram): Gerçekte H 2 O Faz Diyagramı çok karmaşıktır ve bazı kısımları halen çözülememiştir. CO 2 Süperkritik Sıvı
Gibbs Faz Kuralı: Gibbs Phase Rule Serbestlik derecesi 2 C F P Sistemdeki bileşenlerin sayısı Sistemde bir arada bulunabilecek fazların sayısı Josiah Willard Gibbs 1839 1903 2 C F P 2 1 F 1 F 2 2 C F P 2 1 F 2 F 1 2 C F P 2 1 F 3 F 0
İkili Faz Diyagramı (Binary Phase diagram): İki bileşenin olduğu sistemlerde basınç sabit tutularak (1 atm) sıcaklık ve kompozisyon altında hangi fazların olduğunu gösteren diyagramlar hazırlanır. Eğer sistem de üç veya daha fazla komponent varsa faz diyagramları giderek çok karmaşık hale gelirler. Sıvıgen çizgisi Donma aralığı Katıgen çizgisi
Faz Diyagramlarının Yorumlanması Soru Ağırlıkça % 35 Ni ve % 65 Cu içeren bir alaşım 1250 o C ye ısıtılırsa, a) Sistemde bulunan fazlar, b) Bu fazların kompozisyonları, c) Fazların yüzdeleri. a) Sıvı + Sıvı b) Faz kompozisyonları Sıvı + Fazı: % 42.5 Ni + % 57.5 Cu Sıvı Faz: % 31.5 Ni + % 68.5 Cu c) Faz yüzdeleri Fazı: Kaldıraç Kuralı Sıvı Faz:
Kaldıraç Kuralı (Lever Rule): Fazı (% C o Ni ) Fazı (% C Ni ) + Sıvı Faz (% C L Ni ) W W L W W L 1 (Eq. 1) Sıvı WC WLCL Co (Eq. 2) Sıvı + W C W C C 1 L o Co C W C C C C L L W o L C C L
Kaldıraç Kuralı (Lever Rule): Fazı (% 35 Ni ) Fazı (% 42.5 Ni ) + Sıvı Faz (% 31.5 Ni ) W W L Sıvı Co C W C C L L Sıvı + W 35 31.5 42.5 31.5 0.32 C C W o L C C L W L 42.5 35 42.5 31.5 0.68
Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi A) Denge soğuması (equilibrium cooling) a) Sıvı (35 % Ni) (46 Ni ) L (35 Ni ) a b) Sıvı (35 % Ni) + (46 % Ni) 1260 o C 1220 o C b c d e (42 Ni ) (24 Ni ) L (30 Ni ) L (35 Ni ) c) Sıvı (30 % Ni) + (42 % Ni) d) Sıvı (24 % Ni) + (35 % Ni) e) (35 % Ni) Denge soğuması son derece yavaş soğutmalar için geçerlidir! (35 Ni ) Neden? Difüzyon Difüzyon zamana bağlıdır.
Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi A) Denge Dışı soğuması (Nonequilibrium cooling) Gerçek hayatta tüm katılaşmalar denge dışı durumlarıdır. Bunun nedeni soğutma işlemi özellikle katı faz içerisindeki difüzyon işleminin tamamlanması için çok hızlıdır. Bu durumda, bir önceki konuda gördüğümüz mikroyapılar hipotetiktir. Gerçek 1205 o C Katlı mikroyapı (cored structure) Sıcaklık artışı ile malzemenin mekanik bütünlüğü aniden kaybedilebilir. Benzeştirme Isıl İşlemi (Homogenization)
Katı alaşımların mekanik özellikleri Soru Aşağıda verilen bilgileri kullanarak Çekme dayanımı en az 400 MPa ve sünekliği en az % 32.5 EL olan bir Ni-Cu alaşımı tasarlayınız. 45 % Ni < x < 78 % Ni x < 39 % Ni veya 72 % Ni < x 72 % Ni < x < 78 % Ni
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Çözünürlük Limiti (Solubility Limit) Sıvıgen çizgisi Katıgen çizgisi Çözgen çizgisi Ötektik çizgi Değişmez Nokta (Ötektik)
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Ötektik: Kolay eriyen demektir.
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Soru Ağırlıkça % 40 Sn ve % 60 Pb içeren bir alaşım 150 o C ye ısıtılırsa, a) Sistemde bulunan fazlar, b) Bu fazların kompozisyonları, c) Fazların yüzdeleri. a) + fazları var. b) Faz kompozisyonları Fazı: % 10 Sn + % 90 Pb Fazı: % 98 Sn + % 2 Pb c) Fazların yüzdeleri W W 98 40 98 10 40 10 98 10 0.66 0.34
Ötektik Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi a a b d c d b
Ötektik Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi
Ötektik Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi Fazı (kurşunca zengin) Fazı (kalayca zengin) Ötektik katmanlı yapı Ötektik mikroyapı Ötektik katmanlı yapı, difüzyonun çok kısa mesafelerde olması sonucu oluşur.
Ötektik Alaşımlarda Mikroyapı Gelişimi Fazı (kurşunca zengin) Fazı (kurşunca zengin) Fazı (kalayca zengin)
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Soru Ağırlıkça % 40 Sn ve % 60 Pb içeren bir alaşım 300 o C den çok yavaş bir şekilde 182 o C ye soğutulursa a) Sistemde bulunan fazlar, b) Bu fazların kompozisyonları, c) Fazların yüzdeleri. a) fazı + - ötektik fazı b) Faz kompozisyonları Fazı: % 18.3 Sn + % 81.7 Pb Sıvı Faz: % 61.9 Sn + % 38.1 Pb Fazı: Fazı: % 18.3 Sn + % 81.7 Pb % 97.8 Sn + % 2.2 Pb
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Soru Ağırlıkça % 40 Sn ve % 60 Pb içeren bir alaşım 300 o C den çok yavaş bir şekilde 182 o C ye soğutulursa a) Sistemde bulunan fazlar, b) Bu fazların kompozisyonları, c) Fazların yüzdeleri. c) Fazların yüzdeleri W 61.9 40 61.9 18.3 0.50 W L 40 18.3 61.9 18.3 0.50 W W 97.8 40 97.8 18.3 40 18.3 97.8 18.3 0.73 0.27
İkili Ötektik Alaşım Sistemleri (Binary Eutectic Systems): Soru Ağırlıkça % 40 Sn ve % 60 Pb içeren bir alaşım 300 o C den çok yavaş bir şekilde 182 o C ye soğutulursa a) Sistemde bulunan fazlar, b) Bu fazların kompozisyonları, c) Fazların yüzdeleri. c) Fazların yüzdeleri W 61.9 40 61.9 18.3 0.50 W L 40 18.3 61.9 18.3 0.50 W 97.8 61.9 97.8 18.3 0.46 W 61.9 18.3 0.54 97.8 18.3 W 0.5 0.46 0.23 W 0.5 0.54 0.27
Ara Faz veya Bileşikler içeren Faz Diyagramları Ara fazlar (Intermediate Phases) Uç fazlar (Terminal Phases)
Ara Faz veya Bileşikler içeren Faz Diyagramları Mg 2 Pb
Önümüzdeki Ders Saatinde Ders Kitabımızın 9. Bölümündeki FAZ DİYAGRAMLARI adlı konuya devam edeceğiz!