CALLİSTER FAZ DÖNÜŞÜMLERİ
Faz dönüşümlerinin çoğu ani olarak gerçekleşmediğinden, reaksiyon gelişiminin zamana bağlı, yani dönüşüm hızına bağlı olarak gelişen yapısal özelliklerini dikkate almak gerekir.
Malzemelerin, özellikle metal ve alaşımların işlenebilmesi için mikroyapıyı değiştirmeye yönelik olarak uygulanan çeşitli faz dönüşümleri pratikte önemli bir yer tutmaktadır.
Faz dönüşümünün gelişmesi, çekirdeklenme ve büyüme olarak adlandırılan iki farklı safhada meydana gelir. Çekirdeklenme safhasında yaklaşık olarak birkaç yüz atomdan oluşan ve büyüyebilme yeteneği bulunan yeni faza ait çekirdekler veya parçacıklar meydana gelir. Büyüme safhasında, bu çekirdeklenen yeni faz parçacıkları büyüyerek önceki fazın bir kısmı veya tamamının zamanla yok olmasına neden olurlar.
Homojen ve heterojen olmak üzere iki tür çekirdeklenme mevcuttur. Bu farklılık, çekirdeklenme faaliyetlerinin oluştuğu yerin farklı olmasından kaynaklanır. Homojen çekirdeklenme, yeni faz dönüşümünden önceki, ilk fazın içinde ve uniform olarak dağılmış bir şekilde gerçekleşir, heterojen çekirdeklenme ise tercihan yüzey, kafeste çözünmeyen katışkılar, tane sınırları ve dislokasyonlar gibi mikroyapıda heterojenliklerin bulunduğu yerlerde kendini gösterir.
Çekirdeklenme teorisi serbest enerji veya Gibbs serbest enerjisi olarak tanımlanan ve G harfiyle gösterilen bir termodinamik parametreye dayanır. Kısaca serbest enerji, sistemin iç enerjisi olan H, entalpi ile yapıdaki atom/moleküllerin düzensizliği veya rastgele bulunmalarının bir ölçüsü olarak ifade edilen S, entropi termodinamik parametrelerinin bir fonksiyonudur.
Denklem 10.16 daki de olduğu gibi hızı sıcaklığa bağlı olan olay veya süreçler, ısıl aktivasyona bağlı olay veya süreçler olarak isimlendirilirler. Sıcaklığın üstel olarak etkilediği Arrhenius hız denklemi buna bir örnektir.
Dönüşümün zamana bağlı olarak değişimi, genelde dönüşümün kinetiği olarak isimlendirilir.
Dengeli soğuma dışındaki durumlarda dönüşüm sıcaklığı faz, diyagramında belirtilen dönüşüm sıcaklıklarından daha düşük değerler almakta, bu durum ısıtma halinde ise denge halindeki dönüşüm sıcaklığı daha yüksek değerlere çıkmaktadır. Bu durum soğutma koşullarında süper soğuma, ısıtma koşullarında da süper ısınma olarak adlandırılır ve bunların dereceleri ısıtma veya soğutma işlemlerindeki hıza bağlı olarak değişmektedir.
Sabit sıcaklığı sağlayan koşullar izotermal olarak tanımlandığından, Şekil 10.13 te yer alan diyagramlara izotermal dönüşüm diyagramı veya zamansıcaklık- dönüşüm (ZSD) diyagramı adı verilmiştir.
Ötektoid sıcaklığın hemen altındaki sıcaklıkdaki dönüşümlerde, hem α-ferrit hem de sementit (Fe 3 C) fazları için kalın tabakalar elde edilir ve bu görünüme sahip faza kaba perlit adı verilmiştir. Bu yapının oluştuğu bölge Şekil 10.14 teki dönüşüm tamamlanma çizgisinin sağ üst tarafında yer alır.
Dönüşüm veya reaksiyon sıcaklığının düşürülmesiyle birlikte, karbonun yayınma hızı da düşer ve elde edilen faz tabakaları giderek daha ince hale gelir. Bu şekilde oluşan ince ferrit ve sementit tabakalı yapıya ince perlit adı verilmiştir.
Ostenit fazının dönüşmesiyle perlite ilave olarak başka mikroyapı bileşenleri de oluşabilir. Bu tür mikroyapı bileşenlerinden birisi de beynit adını almaktadır. Beynitin mikroyapısı ferrit ve sementit fazlarından oluşur ve perlitin oluşumunda olduğu gibi, burada da yayınma kontrollü olaylar ve süreçler önemli rol oynar.
Buruna yakın bölgelerde, yani nispeten daha yüksek sıcaklıklarda oluşan beynitte, sementit parçacıkları biraz daha kalın ve büyük olup bu sıcaklık aralığında oluşan yapıya üst beynit adı verilir. Diğer taraftan düşük dönüşüm sıcaklıklarında beklenerek elde edilen beynit yapıdaki sementit parçacıkları alt beynit bu sıcaklıklarda çok düşük olan yayınma hızı nedeniyle çok küçük boyutta kalmakta ve iğnemsi şekilde ferrit matris içinde sık bir şekilde yayılmaktadır. Bu şekilde elde edilen yapı ise alt beynit olarak adlandırılır.
Beynitik veya perlitik yapıya sahip bir çelik ötektoid dönüşüm sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklığa ısıtılıp, yeteri kadar uzun süreyle bu sıcaklıkta tutulursa (örneğin 700 o C de 18-24 saat gibi) küresel sementit (bazı kaynaklarda sferodit olarak da anılmaktadır) adı verilen ve Şekil 10.19 daki mikroyapı fotoğrafında görünüşü verilen bir diğer mikroyapı oluşur.
Ostenit bölgesine girene kadar ısıtılarak ostenitlenen demir-karbon alaşımları çok hızlı bir şekilde düşük sıcaklıklara soğutulursa (su verme) martenzit adı verilen bir başka mikroyapı bileşeni meydana gelir. Martenzit, ostenit fazından yayınmasız dönüşüm sonucunda meydana gelen, tek fazlı ve denge dışı koşullarda oluşmuş bir yapı özelliğine sahiptir.
Martenzitik dönüşümü tanımlayan çizgilerin yatay ve doğrusal karakterde olması martenzitik dönüşümün zamandan bağımsız olduğunu ve sadece alaşımın ani olarak soğutulduğu sıcaklığın bir fonksiyonu olduğunu işaret etmektedir. Bu türde gerçekleşen reaksiyonlara atermal dönüşüm (ısıl olmayan anlamında) adı verilmektedir.
Bileşiminde karbonun ana alaşım elementi olarak yer aldığı çelik grubuna basit karbonlu çelikler adı verilir. Yeterli seviyede olmak kaydıyla karbonun dışında kalan elementleri bileşimlerinde bulunduran çeliklere ise alaşımlı çelikler denilir.
Reaksiyonun başlama ve bitişini gösteren düzeltilmiş eğriler sürekli soğumada dönüşüm (SSD) diyagramı olarak isimlendirilmektedir.
Martenzitin dışındakiler, sementit ve ferrit fazlarının her ikisini birlikte içeren çift fazlı yapılar olup değişik mikroyapı-mekanik özellik ilişkilerinin elde edilmesine olanak sağlamaktadır.
Küresel sementitte birim hacim başına sementit-ferrit faz sınırı daha az bulunduğundan, buna bağlı olarak plastik deformasyon da daha az kısıtlanır, sonuç olarak bu yapının daha yumuşak ve zayıf malzeme özellikleri sergilemesi beklenmelidir. Hatta çelikler söz konusu olduğunda ferrit ve sementitin birlikte bulunduğu en yumuşak ve düşük dayanımlı yapının küresel sementit olduğunu söylemek mümkündür.
Temperleme işlemi sırasında uygulanan tavlama, yayınma mekanizmalarını çalıştırarak martenzit yapının aşağıdaki reaksiyona göre temperlenmiş martenzite dönüşmesini sağlar:
Temperleme işlemi bazı çeliklerin, 8.6 da açıklanmış olan darbe deneyleri vasıtasıyla ölçülen, tokluk değerlerinde düşüşe neden olabilmektedir. Bu olay temper gevrekliği olarak adlandırılır. Temper gevrekliği, bazı çeliklerin temperleme ısıl işlemi sonrasında tokluk değerlerinde beklenenin aksine, düşüş ve gevrekleşme eğilimi olarak tanımlanır.