VİZE II ye HAZIRLIK Tüm Konuları Kapsamaz (Faz/TTT) (Aralık 2011)
FAZ PROBLEMLERİ
F + S = B + 2 (GİBBS Faz Kuralı-Kanunu) F:Faz Sayısı S: Serbestlik Derecesi B:Bileşen sayısı 2: Sıcaklık ve Basınç Değişken F + S = B + 1 (GİBBS Faz Kuralı- Kanunu) F:Faz Sayısı S: Serbestlik Derecesi B:Bileşen sayısı 1: Sıcaklık Değişken, Basınç = Sabit. Sıcaklık Gaz Buhar Sıvı Su Katı Buz Basınç(Log skala) Suyun Faz Diyagramı Sabit basınçta (Atmosfer Basıncı) hazırlanmış 2 Bileşenli Denge Diyagramı: Al-Si
Arafazlar ve Metallerarası bileşikler Faz diyagramlarının birden fazla reaksiyon içermeleri durumunda görülür. Arafazın tekbir kimyasal bileşik olması durumunda metaller arası fazlar söz konusudur. Metaller arası fazlar çok sert ve gevrek malzemelerdir. Arafazlar Metallerarası bileşikler
Gibbs Faz kuralı Bir sistemde bileşen ve faz sayısının belirli olması durumunda serbest değişken olup olmadığını belirlemede kullanılan bir kuraldır. Basıncın değişken bir parametre olması durumu F + S = B + 2 Basıncın sabit olması durumu (en çok kullanılan bağıntı) Serbest değişken sayısı S = B F + 1 Bileşen sayısı Faz sayısı
Erime noktasında Gibbs kuralı Diagramda saf element için erime noktasındaki (T A ) durum: F = 2 (sıvı ve olarak 2 faz) B = 1 (Tek bileşen A) S=1-2+1=0 T Basınç sabit, kimyasal Sıvının soğuması bileşimde değişmediği için Katılaşma aralığı tek değişken olan sıcaklıktır. Ancak bu da erime/katılaşma TA boyunca sıcaklık sabittirserbest değişken bulunmaz t nın soğuması
b noktasında: F=2 (2 Faz: sıvı ve ) B=2 (Bileşenler: A ve B) S = 2 2 + 1 = 1 Tek değişken: Sıcaklık a noktasında: F=2 (2 Faz: sıvı ve ) B=2 (Bileşenler: A ve B) S = 2 2 + 1 = 1 Tek değişken: Sıcaklık c noktasında: F=1 (1 Faz: sıvı) B=2 (Bileşenler: A ve B) S = 2-1 + 1 = 2 Değişkenler: Sıcaklık ve bileşim.
Terazi kuralı Faz diagramları: Hangi sıcaklık ve bileşimde hangi fazlar var? Bu fazların bileşimi nedir? Faz diagramında, fazların oranlarını ve bileşimlerini bulmak için terazi kuralı (lever rule) kullanılır.
Örnek Cu-40% Ni alaşımı için aşağıdaki sıcaklıklarda serbestlik derecelerini bulunuz (a) 1300 o C, (b) 1250 o C, and (c) 1200 o C. Cu - Ni faz diyagramlarında Basınç sabit olduğu için eşitlik: (1 + B = S + F) olur. (a) 1300 o C, F=1 (Sadece sıvı faz), B=2 (Cu ve Ni) Böylece; 1 + B = S + F 1 + 2 = S + 1 S = 2
(b) 1250 o C, İki faz mevcut; F = 2, (Sıvı ve katı) Cu ve Ni den dolayı; B = 2: 1 + B = S + F 1 + 2 = S + 2 S = 1 (c) 1200 o C, F = 1, sadece katı faz; B = 2, (Cu ve Ni). 1 + B = S + F 1 + 2 = S + 1 S = 2
Örnek Cu-40% Ni faz diyagramında aşağıdaki sıcaklıklarda kompozisyonları bulunuz; (a) 1300 o C, (b)1270 o C, (c)1250 o C, (d)1200 o C. 40% Ni kompozisyonunda dikey çizgi çizilir; -1300 o C: Sadece sıvı faz mevcut. -1270 o C: 2 Faz mevcut: Sıvı ve katı. Sıvı (S) faz 37% Ni, Katı ( ) faz 50% Ni konsantrasyonuna sahip.
-1250 o C: İki faz mevcut. Sıvıda (L) 32% Ni, katıda( ) 45% Ni mevcut -1200 o C: Sadece katı ( ) mevcut; 40% Ni konsantrasyonuna sahiptir.
Örnek Cu-40% Ni alaşımı için aşağıdaki sıcaklıklarda faz oranlarını saptayınız (a) 1300 o C, (b) 1270 o C, (c) 1250 o C, (d) 1200 o C. 1300o C: 100%L 1270o C: %L 50 50 37 40 77% %α 50 40 37 37 23% 100 100
1250oC: %L % 38% 62% 45 40 45 32 40 32 45 32 100 100 1200oC: 100%
REAKSİYONLAR Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Örnek Aşağıda verilen faz diyagramında bulunan 3 adet farklı faz reaksiyonlarını tespit ediniz. 1150 o C, 920 o C, 750 o C, 450 o C ve 300 o C lerde yatay çizgiler vardır 1150 o C: δ + L γ, peritektik 920 o C: L 1 γ + L 2 a monotektik 750 o C: L γ + β, a ötektik 450 o C: γ α + β, a ötektoid 300 o C: α + β μ or a peritektoid
Örnek1 100 gr Pb-%10 Sn alaşımı için; (a)100 o C de Sn nin Pb içerisinde max çözünürlüğünü bulunuz, (b) Pb nin Sn içerisinde max çözünürlüğünü bulunuz, (c) 0 o C de ve faz miktarlarını bulunuz, (d) α ve β fazları içerisinde Sn miktarını ağırlık olarak bulunuz, (e) α ve β fazları içerisinde Pb miktarını ağırlık olarak bulunuz.
(a) 100 o C (Sn) nin (Pb) içerisinde çözünürlüğü % 5. (b) Pb nin Sn içerisinde max çözünürlüğünü ötektik sıcaklık olan 183 o C de gerçekleşir: Bu değer % 97.5. T ötektik :183 o C 97.5% Sn 2.5% Pb 5%
c) 0 o C de ve faz miktarlarını bulunuz, (c) 0 o C de, α + β bölgesinde terazi kuralını uygularsak: 2% Sn a b 2 10 100 % β a x100 a b 8.2% 100 10 - - 2 2 100 % α 100 91.8% 8.2
2% Sn (d) M (Sn) = 2% Sn 91.8 g (α) = 0.02 91.8 g = 1.836 g. M (Sn) = (10 1.836) g = 8.164 g. (e) M (Pb) = 98% Sn 91.8 g (α) = 0.98 91.8 g = 89.964 g M (Pb) = 90-89.964 = 0.036 g.
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
Örnek2 Pb-Sn alaşımına ait faz diyagramı verilmektedir. Ötektik kompozisyonda faz miktarlarını hesap ediniz. (b) Fazların ağırlık miktarlarını bulunuz. (c) 200 gr ötektik alaşım için her fazda bulunan Pb ve Sn miktarlarını bulunuz.
(a) Ötektik alaşım Pb - % 61.9 Sn kompozisyonunda olacaktır. Bu kompozisyon için ötektik sıcaklıkta terazi kuralını uygularsak: a b 19 61.9 97.5 97.5% Sn 2.5% Pb
a b 19 61.9 97.5 :(Pb 19% Sn) % b x100 97.5 a b 97.5 :(Pb 97.5% Sn) % a x100 61.9 a b 97.5 61.9 19.0 19.0 19.0 100 100 45.35% 54.65%
(b) Ötektik sıcaklığın hemen altında: M(α)= M(alaşım) % = 200 g 0.4535 = 90.7 g M(β)= M(alaşım) M( ) = 200.0 g - 90.7 g = 109.3 g (c) M (Sn) α = M( ) % Sn(α) = 90.7g x 0.19 = 17.233 g M (Pb) = M( ) M(Sn) = 90.7 g - 17.233g = 73.467 g M (Pb) β = M( ) % Pb(β) = 109.3 g (1 0.975) = 2.73 g M (Sn) β = M( ) M(Pb) = 109.3 g - 2.73 g = 106.57 g
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
Demir-Sementit Faz Diyagram Problemleri (723 C alınan yerlerde 727 C olarak kabul edilmelidir. Bazı problemlerde 723 bazen 727 (Ötektoid sıcaklık) görülebiliyor; % lerde ise bazen % 0,8 C bazen de % 0,77 C (Ötektoid nokta) olarak kabul edilmektedir)
Perlit Ledeburit Demir Sementit Faz diyagramı +S (ostenit) +S S 1148 o C Sementit : Fe 3 C Ferrit : Perlit : + Fe 3 C Ostenit: Delta demir: Ledeburit. T ötektik T ötektoid Çelik %C: ağırlık olarak Dökme demir
Ostenitleşme sıcaklıkları 800 C olan çeliklerin, soğuma eğrisi (sıvı halden-oda sıcaklığına) % C oranlarını bulup oda sıcaklığındaki iç yapısını çiziniz.
Aşağıda verilen MgO-Al 2 O 3 faz diyagramını kullanarak 1700 C de % 20 MgO içeren seramikte (a) mevcut bulunan fazları, (b) fazların % olarak miktarlarını, (c) fazların bileşimlerini bulunuz
TTT (ZAMAN SICAKLIK DÖNÜŞÜM) PROBLEMLERİ
ZSD (zaman-sıcaklık-dönüşüm) diyagramlarının nasıl elde edildiğini, gerekli şekilleri çizerek açıklayınız? Cevap: Kritik Çekirdeklenme Çekirdeklenme Hızı Dönüşüm Hızı Ötektoid çeliğe ait Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm (ZSD) diyagramını dikkate alarak ostenit-perlit (ve/veya beynit) dönüşümlerinin belli bir sıcaklık aralığında neden daha hızlı gerçekleştiğini açıklayınız
Ötektoid çeliğe aşağıdaki ısıl işlemler uygulanıyor. a) Ostenit alanından 650 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 100 (yüz) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. b) ) Ostenit alanından 450 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 10 (on) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. c) Ostenit alanından 100 C a aniden soğutuluyor ve bu sıcaklıkta 100 (yüz) saniye bekletiliyor, sonra oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. d) Ostenit alanından aniden oda sıcaklığına soğutuluyor. Sonra 400 C ye ısıtılıp, 1 saat bekletiliyor ve oda sıcaklığına aniden soğutuluyor. Bu ısıl işlemler sonucunda oluşacak içyapıları belirtip, sertliklerine göre sıralayınız (sertten yumuşağa doğru).
İzotermal dönüşüm ısıl işlemi kesintiye uğratılarak karmaşık mikroyapılar oluşturulur. Örneğin 1050 çeliği (Şekil A), 800 C de östenitlenip 650 C'ye soğutulduktan sonra ve 10 sn.için bekletilir (bir miktar ferrit ve perlitin oluşması sağlanır) daha sonra da 350 C'ye soğutulmanın ardından l saat bekletilir. 350 C'ye soğutulmadan önceki dengesiz östenit beynite dönüşür. Son yapı ferrit, perlit ve beynitten oluşur (a). a b Şekil: 1050 (ÖTEKTOİD ALTI) çeliği izotermal ısıl işleminin kesintiye uğratılmasıyla karmaşık yapıların oluşumu Yukardaki işlem 350 C de 1 dakika kesintiye uğratılmakla ve daha sonra su verilmekle yapı daha da karmaşık hale getirilebilir. 350 C de 1 dakika beklettikten sonra kalan diğer östenit, martensit oluşturur. Bu durumda son yapı ferrit, beynit, perlit ve martenziti içerir (b). Dikkat edilirse her defasında sıcaklık değiştirilir ve sıfır zamanda başlanır (kronometre sıfırlanır). Böyle karmaşık içyapıların karışımı tahmin edilemeyen özellikler oluşturduğu içi bu yapılan bilinçli olarak çok nadiren oluşturulur.
Faz dönüşümleri Faz dönüşümlerini ikiye ayrılır: 1. Yayınmalı dönüşümler: Atomlar en kararlı halin (min.enerji) gerektirdiği fazları oluşturmada yeterli süreye sahiptirler. Bu fazlar faz diyagramlarında yer alan fazlardır. a) Kaba perlit (coarse pearlite) b) İnce perlit (fine pearlite) c) Üst beynit (upper bainite) d) Alt beynit (lower bainite) 2. Yayınmasız dönüşümler: Atomlar düşük enerjili kararlı fazları oluşturacak yeterli sürelere sahip değillerdir. Bu nedenle faz diyagramlarında rastlanmayan yarı kararlı veya kararsız fazlar oluştururlar. a) Martenzit
Su verme Yapıda başka bir faz oluşumuna imkan vermeden %100 martenzit oluşturmak amacıyla uygulanır. Ostenit bölgesinden ani olarak soğutma ile elde edilebilir. Soğuma hızının kritik soğuma hızı olarak adlandırılan kritik değerden daha büyük olması gerekir. Kullanımı için temperlenmesi gerekebilir. Su verme çeliğin ostenit bölgeden kritik soğuma sıcaklıklarının üzerindeki hızlarda ani olarak soğutulması işlemidir. Eğer Mf in altındaki sıcaklıklara ani soğutma söz konusu ise yapı tamamen martenzite dönüşür. Aksi halde ani soğutma sırasında eğer ZDS eğrileri kesilmiyorsa yapı dengesiz ostenit halinde bulunuz.
Bu amaçla önce çelik ostenit bölgesinde en az 1 saat ısıtılır: Ötektoid altı çelikler için: A3 + 30-50 o C Ötektoid üstü çelikler için: A1 + 30-50 o C Daha sonra, Mf in altındaki sıcaklıklara, kritik soğuma hızlarının üzerindeki değerlerde hızlı soğutma yapılırsa yapı tamamen martenzite dönüşür (quenching).
Sertleşebilirlik Mesafeye bağlı olarak sertlik değerinde azalma görülür. Mesafenin artması ile yüksek sertlik değerleri gösteren malzemelerin sertleşme kabiliyetleri daha iyidir. Soğuma hızı çok arttırıldığında ise çatlama riski doğar. Bu nedenle Cr, Mo, V, gibi bazı alaşım elementleri katılarak sertleşebilme kabiliyetleri arttırılır. En iyi sertleşebilirliği 4340 göstermektedir.
Çekme Gerilmesi γ Martenzit Çekme Gerilmesi Su verme çatlakları (Quench cracks) Martenzit Genleşme Martenzit Çatlaklar
Rockwell sertliği İdeal durum Jominy mesafesi (1/16 inch)
Menevişleme (Temperleme) T merkez yüzey Temperleme sıcaklığı Kırılgan Martenzit iç yapının, daha tok ve hala yüksek dayanımlı iç yapıya dönüştürülmesi ısıl işlemidir. Ostenit sıcaklıktan su verilen iç yapıda martenzitler oluşur. Daha sonra bu malzeme temper sıcaklığına ısıtılarak martenzit temper yapıya yani ince taneli ferritik-perlitik bir yapı dönüştürülür. t (logaritmik skala)
Meneviş işlemi Ac1 çizgisinin altında bir sıcaklıkta yapılabilir. Ancak, sıcaklık değiştikçe malzemedeki iç yapı da değişecektir. Bu yüzden malzemede istenen özelliklere tam olarak bilinmeli ve bu doğrultuda meneviş sıcaklığı seçilmelidir. 200 oc ye kadar olanmenevişlemede sertlikte önemli bir kayıp görülmez. Ancak iç gerilimlerin büyük bir bölümü giderilmiş olur. İşlem sonrası yapı siyah martenzit adını alır. 200-400 oc arasında yapılan menevişleme ile çekme dayanımında az da olsa bir düşme görünür. Sertlikte ise önemli azalmalar görülebilir. Genellikle 60-40HRC arasında bir değer alır. 400-650 oc arasında yapılan menevişleme ile oldukça tok bir yapı elde edilirken; sertlik de 40-20HRC ye kadar düşebilir. 650-723 oc arasında ise sementit taneleri küreselleşirler. Bunun sonucunda ise oldukça yumuşak ve tok bir yapı elde edilir.
Martemperleme (Martempering) T yüzey merkez Temperleme sıcaklığı Martenzit oluşumu sırasında çatlama ve kırılma risklerini azaltmak amacıyla ostenit bölgesinden martenzit başlangıç sıcaklığının hemen üzerinde ani olarak soğutulur. t (logaritmik skala) Bu sıcaklıkta iç ve yüzey sıcaklıkları eşitlenecek ve beynit oluşum sıcaklığına girmeyecek şekilde bekletilir ve sonra tekrar su verilir.
Ostemperleme (Austempering) T yüzey merkez t (logaritmik skala) Yapının %100 alt beynite dönüştürülmesi için yapılan ısıl işlemdir. Ostenit sıcaklığına ısıtılan malzeme martenzit oluşum sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa su verilir. Daha sonra yeterince uzun süre bekletileren dengesiz ostenit %100 beynite dönüştürülür.
Osforming Bir tür termomekanik ısıl işlemdir. Malzeme A1 sıcaklığının altında ostenit bölgesinde plastik deformasyon ile şekillendirilir. Daha sonra beynit veya martenzit oluşacak şekilde soğutulur. The bay area obtained by alloying İlk öncw gwniş dengesiz ostenit alanına kadar ani olarak soğutulur, Daha sonra bu bölgede perlit oluşumuna izin vermeyecek sürede plastik deformasyona maruz bırakılır. En sonunda Oda sıcaklığına ani olarak soğutulursa martenzit oluşur. Yavaş soğutulursa beynit oluşur.
Yumuşatma Tavı (Soğuk Şekil Verme Sonrası) Yumuşatma Tavı sırasında tav sıcaklıklarına bağlı olarak farklı aşamalar görülebilir: Toparlanma (sadece Elektrik İletkenliğini düzeltir- 0,2-0,4 T e ) Yeniden kristalleşme (Soğuk Şekil Verilmiş Yapıyı düzeltir 0,4-0,6 T e ) SŞV miktarı fazla ise alt sınıra az ise üst sınıra yaklaşmak gerekir. Tane irileşmesi (Sertlik ve Dayanım düşer, Tokluk azalır 0,6- T e )
Yumuşatma tavı (ProcessAnnealing) Tane büyüklüğü 0.2 0.4 0.6 T b
Çökeltme sertleşmesinde adımlar 1. Çözündürme işlemi (solution treatment): Malzeme tek faz bölgesine ısıtılarak çökelecek olan sert 2. faz, tek faz içerisinde tamamen çözülür. 2. Ani soğutma (Quenching): Oda sıcaklığına ani soğutma ile 2. fazın çökelmesi engellenir ve aşırı doymuş katı çözelti elde edilir. 3. Yaşlandırma işleminde; aşırı doymuş katı çözelti, çözündürme sıcaklığından daha düşük olan yaşlandırma sıcaklığına tekrar ısıtılarak çok küçük bağdaşık (koherent) 2. faz tanecikleri çökeltilir. (Bu çökeltiler dislokasyonlara engel teşkil ederek malzemenin dayanımını arttırır). Aşırı yaşlanma: çökelmelerin çok büyüyerek bağdaşıklığın (koherentliğin ) kaybolması (bu durum istenmez).
T Tek faz; bölegesinde tamamen çözme işlemi Yapı içerisinde küçük çökeltiler oluşturulur t yaşlandırma + Bileşim Zaman
Yaşlandırma işleminde; yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığında gerçekleşiyorsa, buna doğal yaşlandırma (natural aging), seçilen bir sıcaklıkta fırın içerisinde gerçekleşiyorsa yapay yaşlandırma (artificial aging) adı verilir.
İç yapı Çökeltmenin ilk aşamasında, çok küçük koherent GP bölgeler (Guinier preston zones) oluşur, GP bölgeleri genelde dislokasyon altındaki boşluklarda çekirdeklenir (sistemin enerjisini düşürmek için) ve dislokasyon hareketlerini engeller. Bu bölgeler, daha büyük bağdaşık (koherent) çökeltilere dönüşür. Bağdaşık çökeltiler kafesi aşırı gererek dayanım artışı oluştururlar. Daha sonra sıcaklığın veya zamanın gerekenden yüksek tutulması halinde tane büyümesi gerçekleşir. Dayanım düşmeye başlar.
Yavaş soğutma T %100 (tek fazı) Yavaş soğutma + Denge mikroyapısı İçerisinde taneleri Bileşim Zaman
Sertlik Sıcaklık t yaşlandırma Yaşlandırma ısıl işleminde sürenin iç yapıya ve dolayısıyla malzeme özelliklerine etkisinin şematik gösterimi. t yaşlandırma (saat)
Sertlik GP Bölgesi oluşumu Bağdaşık tane oluşumu Bağdaşık çökelti Aşırı yaşlanma Bağdaşıklığın kaybolması Zaman
Yaşlandırma ısıl işleminde sıcaklığın malzeme özelliklerine etkisinin şematik gösterimi.
Sertlik T 2 T 1 T 4 T 3 Aşırı yaşlanma T 1 < T 2 < T 3 < T 4 Zaman
Aşırı yaşlanma Aşırı büyüme: Çökeltilerin çok büyümesi ile oluşan gerilmeler artık taşınamaz ve bağdaşıklık sona erer. Çökeltinin sertleştirme etkisi azaltır. Yeterince uzun süre beklendiğinde ilk yapıya geri dönülür.
Sıcaklık Tipik bir yapay yaşlandırma ısıl işleminin şematik gösterimi., (1) (1) max 0.2 (2) (2) (3) (3) %B Zaman Zaman
Homojenleştirme Döküm sonrası tane içerisinde nispeten hızlı soğumanın sebep olduğu kimyasal bileşim farklılıkları olabilir. Bu farklılıkların ortaya çıkardığı bölgelere segregasyonlar denir. Bu durum malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz olarak etkileyebilir. Bu durumu ortadan kaldırmak için malzemeyi erime sıcaklığının altında uzun süre tavlamak ve böylece yayınma mekanizması ile kimyasal bileşim homojen hale getirme işlemi- homojenleştirme uygulanır. Fazlarla segregasyonlar ayrı şeylerdir. Fazlar etkilenmez sadece faz içlerindeki segregasyonlar ortadan kalkar.
Gerilme giderme Kaynak, döküm, kısmi plastik şekil verme gibi bazı üretim yöntemleri sonrası yapıda artık gerilmeler oluşur. Bunlar mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir. Bunu azaltmak için Al da 400 o C, ve çelikte 500 o C civarında ısıtılarak (sıcaklık arttıkça akma dayanımı düşer) yapı içindeki elastik atrık gerilmelerin oluşturduğu elastik şekil değişimi plastik şekil değişimine dönüştürülür. Böylece artık gerilme seviyesi zararsız düzeylere indirilebilir.
Aşağıdaki hayali faz diyagramında yer alan beş farklı alaşımdan hangisine veya hangilerine çökelme sertleşmesi uygulayabileceğinizi nedeni ile birlikte açıklayınız. (Not- Neden belirtilmezse bu sorudan puan alınamaz).