1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Aşağıdaki grafik saf suya (H 2 0) ait faz diyagramını göstermektedir. Bu grafikte yer alan değişkenler; dış basınç (düşey eksende ve logaritmik ölçekte) ve sıcaklıktır. Bir bakıma bu diyagram iyi bilinen üç farklı fazın (katı buz, sıvı su ve gaz buhar) bölgelerini tanımlayan bir haritadır. Kırmızı çizgiler, faz bölgelerini ayıran sınırları temsil etmektedir. Her bir bölge içinde yer alan fotoğraflar o bölgelerdeki fazları ve küp şeklindeki buz, bardağa konan su, çaydanlıktan çıkan buhar gibi bulunduğu durumları göstermektedir.
Faz diyagramlarının detaylı olarak yorumlanması ve kullanılmasının öncesinde alaşımlar, fazlar ve bunların denge durumu hakkında temel oluşturacak bazı tanım ve kavramların ortaya konması gereklidir. Bu kapsamda bileşen deyimi, çoğunlukla alaşımı oluşturan saf metaller ve/veya bileşikler için kullanılır. Örneğin bir bakır çinko alaşımı olan pirinçte Cu ve Zn, bileşenlerdir. Sistem, bu kapsamda kullanılan diğer bir terimdir. Sistem deyimi öncelikle incelenen bir malzemenin sahip olduğu özel durumunu (örneğin bir potadaki ergimiş çelik) ifade etmek için kullanılır. Ayrıca sistem deyimi, kimyasal bileşimden bağımsız olarak aynı alaşım elementleri tarafından oluşturulan olası alaşımları ifade etmek için de kullanılmaktadır (örneğin Fe C sistemi).
Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta çözünen atomların, çözen kafes içinde ulaşa bileceği ve çözünebilirlik (çözünürlük) sınırı olarak isimlendirilen bir üst konsantrasyon sınır değeri vardır. Bu çözünebilirlik sınırının üzerinde yapılan element ilavesi sonucunda, başka bir bileşime sahip bir diğer katı çözelti veya bileşik meydana gelmektedir. Başlangıçta şekerin suya karıştırılmasıyla şekersu karışımı meydana gelmektedir. Daha fazla şeker ilave edildiğin de çözünebilirlik sınırına ulaşana veya su şeker açısından doyana kadar çözelti daha da yoğunlaşmaktadır. Bu anda çözelti daha fazla şeker çözme yeteneğini kaybeder ve şekerin fazlası çözeltinin dibine katı halde çökelir. Böylece sistem sıvı durumdaki şeker su karışımı ve çözünmemiş katı durumdaki şeker kristalleri olmak üzere iki farklı maddeyi birden içermektedir.
Faz diyagramlarının anlaşılmasında faz kavramı oldukça önemli bir yer tutar. Faz, bir sistemin homojen fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren parçası olarak tanımlanabilir. Her saf malzeme bir faz olarak düşünülebildiği gibi her katı, sıvı ve gaz çözelti de faz olarak değerlendirilebilir. Örneğin üzerinde durulan şeker su karışım çözeltisi bir fazdır ve katı şeker de diğer bir fazı oluşturur. Bir sistemde her biri kendi farklı özelliklerine sahip birden fazla faz bulunuyorsa, bu fazları birbirinden ayıran ve fiziksel ve/veya kimyasal özelliklerin süreksiz ve ani olarak değiştiği sınırlar söz konusudur. Sistemde iki faz mevcutsa, hem fiziksel hem de kimyasal özelliklerde bir değişiklik oluşması gerekmeyip bir veya diğer özellik gurubunda farklılığın bulunması yeterlidir. Bir kap içinde bern su hem de buz birlikte bulunacak olursa, burada iki ayrı faz mevcuttur, bunlar fiziksel olarak birbirinden farklı, ancak kimyasal olarak aynı bileşime sahiptir.
Çoğu zaman bir malzemenin fiziksel özellikleri, özellikle de mekanik özellikleri sahip olduğu iç yapıya yani mikroyapıya bağlıdır ve optik veya elektron mikroskoplarında gerçekleştirilen mikroskobik incelemelerle belirlenir. Metal alaşımlarında mikroyapılar, yapıdaki oranları, dağılımları ve düzenlen farklı olan ve bir veya birden fazla faz ile tanımlanır. Bir alaşımın mikroyapısı sahip olduğu alaşım elementlerine, bunların kimyasal bileşimdeki oranlarına ve gördüğü ısıl işleme (örneğin alaşımın belirlenen sıcaklığa ısıtılması, bekletilmesi ve bu sıcaklıktan farklı hızlarda oda sıcaklığına soğutulması gibi) bağlıdır. Metal yüzeyi uygun bir şekilde parlatıldıktan ve kimyasal bir çözeltiyle dağlandıktan sonra mikroyapıdaki farklı fazların ayırt edilebilmesi mümkündür. Örneğin iki fazlı bir alaşım için bir faz açık renkte görünürken, diğer faz daha koyu renk alır.
NiTi ve Çelik NiTiNOL
Denge hali, en iyi şekilde serbest enerji adı verilen bir termodinamik büyüklük ile tanımlanan bir diğer temel kavramdır. Kısaca serbest enerji bir sistemin iç enerjisi ile atom veya moleküllerinin rastgeleliğiveya düzensizliğinin (entropi) bir fonksiyonudur. Bir sistemin serbest enerjisi tanımlanan sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim için en düşük durumda ise bu sisteın dengededir. Makroskopik ölçekte özelliklerinin sürekli olarak aynı kalması o sistemin kararlı olduğunu gösterir. Dengeli bir sistem için sıcaklık, basınç ve/veya kimyasal bileşimde olabilecek değişiklikler serbest enerjide artışa neden olacak ve bir başka olası hale ani olarak dönüşmesiyle serbest enerji azalacaktır. Bu konunun kapsamında kullanılan faz dengesi deyimi sıklıkla içinde birden fazla faz bulunduran sistemlerin denge halini tanımlamada kullanılır. Faz dengesi bir sisteme ait faz özelliklerinin zamanla değişmediğini ifade eder. Katı sistemlerde denge haline ulaşma hızı çok yavaş olduğundan, tam denge haline ulaşılmaz ve bu tür sistemler dengesiz yarı kararlı veya yarı kararlı (meta stabil) halde bulunur. Yarıkararlı hal veya mikroyapı zamanla birlikte ya değişmeyerek ya da fark edilmeyecek boyutta çok az değişerek devamlılığını ve sürekliliğini korur.
Belirli bir sistemin faz yapısının kontrol edilmesine ait bilginin birçoğu, kısaca faz diyagramlan veya denge diyagramları olarak da isimlendirilen grafikler yardımıyla elde edilir. Faz diyagramlarını etkileyen ve kontrol edilebilen üç dış parametre sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim olup, faz diyagramları bunların çeşitli kombinasyonlarının birinin diğerine göre çizilmesiyle belirlenir. Faz diyagramlarının anlaşılmasının en basit ve kolay olan türü tek bileşenli sistemlere ait olanıdır. Bu tür faz diyagramlarında kimyasal bileşim sabit tutulmakta (bu durumda faz diyagramı sadece saf maddeler için geçerli olmakta) ve sıcaklık ile basınç faz diyagramının değişkenlerini oluşturmaktadır.
ao eğrisi boyunca, benzer şekilde katı sıvı dengesi bo boyunca ve sıvı buhar arasındaki denge de co eğrisi boyunca gerçekleşir. Aynı şekilde sıcaklığı veya basıncı değiştirerek bu çizgilerin aşılması durumunda bir faz diğerine dönüşür. Örneğin 1 atm (101,3 kpa) basınçta ısıtılması sırasında katı faz sıvı faza, 2 ile işaretlenmiş olan noktada (yatay kesikli çizginin katı sıvı faz sınırını kestiği nokta) dönüşmekte ve bu nokta O C ye tekabül etmektedir. Doğal olarak soğuma sırasında bunun tersi dönüşüm, yani sıvının katıya dönüşmesi veya katılaşma aynı noktada gerçekleşir. Benzer şekilde ısıtma sırasında yatay kesikli çizginin sıvı buhar faz sınırını kestiği noktada (100 C deki 3 noktası) sıvı, buhar fazına dönüşür veya buharlaşır, soğuma sırasında da buhar sıvı faza dönüşerek yoğuşur. Son olarak ao eğrisi bir şekilde geçildiğinde katı olan buz ısıtmayla direk olarak buharlaşır. üç faz sınırı çizgisi 0 olarak belirtilen bir ortak noktada kesişir. Bu noktada H 2 Osistemi 273,16 K sıcaklığında ve 6,04x10 3 atm (6,1x10 1 kpa) basınç altında olup sadece bu noktada sistemin ü. fazı (katı,sıvı ve buhar) birbirleriyle denge halinde bulunmaktadır. Bu şekilde P T diyagramları üzerinde yer alan ve ü. Fazın dengede bulunduğu üçlu nokta değişmez nokta olarak tanımlanmakta olup, bu noktanın diyagram üzerindeki yeri belli ve sabit basınçve sıcaklıkdeğerlerine sahiptir.
Çok yaygın olan bir diğer faz diyagramı da sıcaklık ve kimyasal bileşimin değişken para metreleri olduğu ve basıncın 1 atm (101,3 kpa) olarak sabit tutulduğu diyagramlardır. İkili faz diyagramları alaşımların bulundukları sıcaklıkta ve sahip oldukları kimyasal bileşimde iç yapılarında hangi fazları denge halinde bulundurduğunu, bu fazların hangi oranlarda mikroyapıya dağıldığını ve fazların kimyasal bileşimleri hakkındaki bilgileri ve ren haritalardır. Çoğumikroyapı sıcaklığındeğiştirilmesi sonucunda gerçekleşen faz dönüşümleri neticesinde oluşur. Bu durum bir fazdan diğer faza geçişi, yeni bir fazın ortaya çıkışını veya mevcut fazın yok olması sonucunu ortaya çıkarmaktadır. İkili faz diyagramları, faz dönüşümlerini ve bunların sonucunda ortaya çıkan dengeli veya dengesiz mikroyapıları belirlemede yardımcı olur.
Ssıvısı, hembakır hem de nikel içeren homojen bir sıvı çözeltidir. Katı faz, Cu ve Ni içeren bir ikame (veya yeralan) katı çözelti olup, yüzey merkezli kübik (YMK) kristal yapısına sahiptir. Yaklaşık 1080 C nin altında Cu ve Ni birbiri içinde tam olarak çözüne bilme, yani karşılıklı olarak tüm oranlarda birbiri içinde katı çözelti yapabilme özelliğine sahiptir. Burada görülen tam çözünürlük Cu ve Ni elementlerinin her ikisinin de YMK kristal yapıda olması, atom yarıçaplarının ve elektronegativitelerinin birbirine yakın olmasından ve benzer valans özelliği göstermelerinden kaynaklanır. Cu Ni elementlerinin hem sıvı hem de katı hallerde gösterdiği tam çözünürlük özelliğinden dolayı, bu sistem izomorfik olarak nitelendirilir. Metal alaşım sistemlerine ait faz diyagramlarında katı çözeltiler genellikle α, β, γ gibi küçük Yunan alfabesi harfleriyle belirtilir. Faz sınır çizgilerinden sıvı faz ile α+s faz bölgelerini birbirinden ayıranı likidüs çizgisi, katı faz α ile α+s faz bölgesini birbirinden ayıranı ise solidüs çizgisi olarak isimlendirilir. Likidüs çizgisinin yukarısındaki tüm sıcaklıklarda sistem sıvı çözelti, solidüs çizgisinin altındaki tüm sıcaklıklarda ise sistem katı çözelti halinde bulunur.
Solidüs ve likidüs çizgilerinin kimyasal bileşimin iki uç durumunda birbirlerini kestikleri ve de bu kesişim noktalarının aynı zamanda metallerin saf hallerinin ergime sıcaklıklarını oluşturduğu görülmektedir.örneğin saf bakırın ergimenoktası 1085 C ve saf nikelin ergime noktası 1453 C dir. Saf bakırın ısıtılması soldaki sıcaklık ekseninde yukarı doğru çıkıldıkça gerçekleşir. Bakır ergime sıcaklığına ulaşılana kadar katılığını korumaktadır. Ergime sıcaklığındakatı sıvı dönüşümü gerçekleş Bileşenlerin saf hali dışında ergime olayı, herhangi bir kimyasal bileşim için solidüs ve likidüs çizgilerinin belirlediği sıcaklıkaralığında gerçekleşir ve hem sıvı hem de α katı fazı bu aralıkta denge halinde bulunur. Örneğin bileşiminde ağırlıkça%50nive%50cuiçerenalaşımın ısıtılması sırasında ergime yaklaşık olarak 1280 C de başlamakta, sıvı faz oranı sıcaklık artışı ile birlikte sürekli artmakta ve sıcaklık 1320 C ye ulaştığında alaşım tamamen ergiyerek sıvı faz oluşumu tamamlanmaktadır.
Sıcaklık ve bileşimin belirli olduğu denge halindeki bir sistemde en az üç çeşit bilgiye ulaşılabilmektedir: (1) sistemde var olan fazlar,(2) bu fazların kimyasal bileşimleri ve (3) bu fazların hangi oranlarda sistemde yer aldığı. Söz konusu bu bilgilerin elde edilme yöntemleri bu bölüm kapsamında Cu Ni ikili alaşımsistemielealınarak açıklanacaktır. Mevcut Fazların Belirlenmesi Sistemde hangi fazların bulunduğunu belirlemek nispeten kolaydır. Sıcaklık kimyasal bileşimin oluşturduğu nokta faz diyagramına yerleştirildiğinde hangi faz veya fazların bulunduğu bölgede yer alıyorsa, o bölgenin sınırladığı faz ve/veya fazların sistemde mevcut olduğu bilgisine doğrudan ulaşılır. Örnek olarak 1100 C de ağırlıkça % 60 Ni ve % 40 Cu içeren alaşım Şekil 9.3a da A harfiyle işaretlenmiş olup bu noktanın sadeceakatı fazı bölgesinde olmasından dolayı sistemde sadece c katı fazı bulunur. Diğer taraftan 1250 C deki ağırlıkça %35 Ni ve %65 Cu içeren alaşım aynı şekil üzerinde B noktasıyla gösterilmiş olup, α+s faz bölgesi içinde yer almakta, dolayısıyla sistemde α+s fazları denge halinde bulunmaktadır.
Fazların Kimyasal Bileşimlerinin Belirlenmesi Bileşenlerin konsantrasyonları cinsinden faz ve/veya fazların bileşimlerini belirlemede ilk adım, sıcaklık bileşim kombinasyonunu oluşturan noktayı faz diyagramına yerleştirmektir. Bu amaçla tek ve iki fazlı bölgeler için değişik yöntemlerden yararlanılır. Tek bir fazın mevcut olması durumunda yöntem belli olup, fazın kimyasal bileşimi ile alaşımın kimyasal bileşimi aynıdır. Örneğin Şekil 9.3a daki A noktası tarafından temsil edilen ve 1100 C de ağırlıkça %60 Ni ve % 40 Cu içeren alaşım elealındığında yapıdaki tek fazın katı α olduğu vebufazın ağırlıkça % 60 Ni ve % 40 Cu içerdiği söylenebilir. İki fazın birlikte bulunduğu bölgeler için durum biraz daha karmaşıktır. Tüm iki fazlı bölgelerde her bir sıcaklık için yatay eksene paralel olarak uzanan hayali doğrular düşünülebilir. Bu tip doğruların iki fazlı bölgenin faz sınırı çizgileri arasında kalan kısmı genel bağ çizgisi olarak bağ çizgisi veya izoterm doğrusu olarak bilinmektedir. Fazların denge halindeki bileşimlerini (bileşenlerin ağırlıkça faz içindeki oranları) hesaplamak için şu yöntemden yararlanılır: 1. Verilen alaşım ve sıcaklık için iki fazlı bölgeyi yatay eksene paralel olarak uzanan ve iki fazlı bölgeyi boydan boya kesen bağ çizgisi çizilir. 2. Bağ çizgisiyle faz sınırlarını belirleyen çizgilerin kesiştiği noktalar belirlenir. 3. Bu kesişim noktalarından aşağı düşey çizgiler çizilerek yatay eksende her bir fazın tekabül ettiği bileşim değerleri okunur.
Örnek olarak, B noktasıyla gösterilen 1250 C de ağırlıkça % 35 Ni ve %65 Cu alaşımı dikkate alındığında, söz konusu noktanın α+sıvı bölgesinde bulunduğu görülür. Bu durumda problem, ağırlık oranları olarak katı a ve sıvı fazların kimyasal bileşimini belirlemeye dönüşmektedir. Liküdüs çizgisi ile söz konusu sıcaklıktaki bağ çizgisinin kesişme noktasından aşağı dik olarak çizilecek çizgi yatay eksende ağırlıkça % 31,5 Ni oranını işaret etmekte olup, sıvının bileşim değeri Cs yi verir. Diğer bir ifadeyle, sıvı fazın ağırlıkça % 31,5 Ni ve % 68,5 Cu içerdiğini söylemek mümkündür. Katı α fazınınbileşimini belirlemek için bu defa bağ çizgisinin, solidüs çizgisini kestiğinoktaele alınır. Bu noktadan aşağı dikey olarak indirilecek doğru, yatay eksende katı α fazının bileşimi Cα değerini ağırlıkça%42,5niolarakvermektevecuelementikatı faz içinde % 57,5 oranında bulunmaktadır.
Faz Oranlarının Belirlenmesi Tek fazda alaşım sadece % 100 oranında tek fazdan oluşur. Önceki örnek tekrar ele alınacak olursa, 1100 C de ağırlıkça % 6ONi %40 Cu içeren alaşımın (Şekil 9.3a daki A noktası) sadece c fazı içerdiği dolayısıyla fazın yapıdaki oranının % 100 olduğu görülecektir. Alaşım için verilen sıcaklıkta iki fazlı bölgeyi baştanbaşa kesen bir bağ çizgisi çizilir. Alaşımın bileşimi bu doğru üzerinde işaretlenir. Bir faza ait oran, alaşımın bileşim değeri ile diğer faza ait sınır çizgisine olan uzaklık, bağ çizgisinin tüm uzunluğuna bölünmek suretiyle bulunur Diğer faza ait oran da aynı şekilde belirlenir. Eğer oranlar yüzde şeklinde ifade edilmek istenirse bulunan oran değerleri 100 ile çarpılır. Eğer bileşimin verildiği yatay eksen ağırlık yüzdesi olarak ölçeklendirildiğinde hesaplanan faz oranları da fazların yapıdaki bağıl ağırlık oranlarını ifade eder.
Dengeli Soğuma Hali Bu noktada izomorfik alaşımlar için katılaşma sırasında mikroyapı oluşumunu incelemek konuyu daha iyi anlamada yardımcı olacaktır. Öncelikle çok yavaş soğuma durumunda, yani faz dengesinin ve kararlılığının sürekli olarak sağlanabildiği durum ele alınacaktır. Bakır Nikel alaşım sisteminde % 35Ni % 65Cu alaşımını ele alalım ve bu alaşımın 1300 C den soğutulduğunu varsayalım. Bu alaşımın soğutulması işlemi, alaşıma ait bileşimde düşey olarak gösterilen kesikli çizgiyle temsil edilir. 1300 C de a noktası ağırlıkça % 35Ni % 65Cu bileşiminde olmak üzere tamamen sıvı fazı ifade etmekte ve alaşımın sahip olduğu mikroyapı bir daire içinde şekle yerleştirilmiş olarak verilmektedir. Soğuma başladıktan sonra liküdüs çizgisine ulaşana kadar hiçbir yapı ve bileşim değişikliği gerçekleşmez.
Diyagramda b noktasıyla gösterilen soğumanın liküdüs çizgisine ulaştığı yaklaşık 1260 C sıcaklığında bu sıcaklıktan çizilen bağ çizgisinin belirlediği ağırlıkça % 46Ni %54Cu kimyasal bileşiminde ilk katı oluşmaya başlamaktadır. Katı α fazı %46Ni içermekle birlikte geri kalan sıvı yaklaşık olarak ağırlıkça % 35Ni %65Cu bileşimini koruyarak katı fazdan farklı olarak %35Ni içermeye devam etmektedir. Devam eden soğumayla birlikte, her bir fazın oranı ve bileşimi de değişecektir. Sıvı ve a katı fazının bileşimleri sırasıyla, liküdüs ve solidüs çizgilerini takip eder ve c fazının oranı soğumayla birlikte giderek artar. Burada soğumayla birlikte fazların gerek oranlarının, gerekse bileşimlerinin değişmesi söz konusu olsa da, ağırlıkça % 35Ni %65Cu şeklinde olan alaşıma ait genel bileşimin değişmediğini hatırlamakta yarar vardır.
1250 C deki c noktasında bulunan sıvı faz ağırlıkça %32Ni % 68 Cu bileşimine ve katı α fazı da %43Ni % 57 Cu bileşimine sahiptir. Diğer bir deyişle, sıvı bu sıcaklıkta ağırlıkça %32Ni içerirken, katı α %43Ni içermektedir. Katılaşma süreci yaklaşık olarak 1220 C mertebelerinde yani d noktasında tamamlanmakta olup, katı α bu sıcaklıkta ağırlıkça alaşımın genel bileşimi olan %35Ni %65 Cu bileşimine sahip olurken dönüşümün tamamlanması öncesinde kalan son sıvı % 24Ni %76 Cu bileşimindedir. Solidüs çizgisinin geçilmesiyle son kalan sıvı da katılaşmakta ve Şekildeki e noktasına ulaşmaktadır. Buradaki katı çözelti α fazının bileşimi ağırlıkça % 35Ni %65Cu şeklinde ifade edilir. Bundan sonra, gerçekleşen soğuma sırasında gerek bileşim, gerekse mikroyapı açısından herhangi bir değişiklik gerçekleşmez.
Dengesiz Soğuma Hali Önceki bölümde açıklanan dengeli katılaşma ve mikroyapı oluşumu ancak soğuma hızlarının çok yavaş olması halinde gerçekleşebilir. Bunun nedeni, her sıcaklık düşüşünde fazların bileşiminin de faz diyagramına bağlı olarak sürekli değişmesi ve yeniden düzenlenme zorunda kalmasıdır. Yeniden düzenlenme için gerek fazların içinde, gerekse faz sınırlarında atomsal yayınma mekanizmasına ihtiyaç vardır, yayınma mekanizmasının çalışabilmesi için sıcaklığın yanı sıra, yeterli süre de gereklidir. Çok yavaş soğuma hızlarında ve koşullarında bu süre tanındığı için, atomsal yeni düzenlemelerin gerçekleşmesi daha kolay olmakta ve böylece daha kararlı yapılar elde edilebilmektedir. Yayınma mekanizmasının en önemli özelliklerinden biri olan yayınma hızı, katılarda sıvılara göre daha düşük olmakta, ayrıca sıcaklıktaki azalmayla birlikte yayınma hızı, hem sıvı hem de katılarda giderek azalmaktadır. Hemen hemen pratikteki tüm uygulamalardaki soğuma hızları sözü edilen atomsal düzenlemelerin gerçekleşmesi açısından çok hızlı kalmakta ve denge halinin sağlanması ile önceki bölümde anlatılan denge halinin ve buna bağlı mikro yapıların oluşması mümkün olmamaktadır.
Alaşımı sıvı bölgedeki 1300 C deki a noktasından soğutmaya başladığımızı düşüne lim. Buradaki sıvı faz ağırlıkça %35 Ni % 65 Cu bileşiminde olup, soğudukça yani düşey olarak a noktasından aşağı doğru inildikçe sıvı fazı bölgesinde herhangi bir değişiklik olmayacaktır. Yaklaşık olarak 1260 C deki b noktasında a parçacıkları oluşmaya başlayacak ve bu parçacıklar bu sıcaklıkta çizilen bağ çizgisinden alınan bilgiye göre % 46Ni %54 Cu bileşimine sahip olacaktır.
Soğumanın yaklaşık olarak 1240 C deki c noktasına doğru sürdürülmesiyle, sıvı fazın bileşimi ağırlıkça % 29 Ni % 71 Cu şeklinde değişecek ve bu noktada katılaşan a fazının bileşimi % 40 Ni % 60 Cu değerini alacaktır. Katı cı fazındaki yayınma hızının göreceli olarak daha düşük olmasından dolayı b noktasında oluşan ce fazı bileşimini dikkate değer mertebede değiştiremeyecek ve ağırlıkça % 46 Ni içermeye devam ederken, büyüyen α tanelerinde radyal yönde Ni konsantrasyonunda sürekli bir değişim gerçekleşecektir. Faz tanelerinin merkezinde ağırlıkça % 46 olan Ni oranı tane sınırlarına doğru % 40 mertebesi ne düşecektir. Böylece e noktasında a tanelerinin Ni oranı ağırlıklı ortalama değeri olarak % 46 ile 40 arasındaki bir değeri alacaktır. Kolaylık olması açısından α fazının bu noktadaki ortalama bileşimini ağırlıkça % 42 Ni % 58 Cu olarak kabul edelim. Ayrıca kaldıraç kuralı hesaplamalarına dayanarak dengesiz soğuma şartlarında, dengeli soğuma şartlarına göre daha fazla oranda sıvının bulunduğu anlaşılmaktadır.
Yaklaşık olarak 1220 C deki d noktasında denge sağlayabilen soğuma hızlarında katılaşmanın tamamlanması lazımdır. Ancak dengesizlik ya da kararsızlık hali nedeniyle, yapıda bir miktar daha sıvı kalır ve α fazı bileşimi ağırlıkça % 35 Ni % 65 Cu değerini alır. Ortalama bileşim dikkate alındığında, c fazının ağırlıkça % 38 Ni içerebileceğini söylemek mümkündür. Dengesiz katılaşma yaklaşık 1205 C de e noktasına ulaşıldığında tamamlanır. Bu noktada oluşan son α fazı ağırlıkça, %31Ni içermekte olup, fazın ortalama Ni oranı ağırlıkça % 35 mertebelerindedir. Diyagramda yer alan f noktasına ait mikroyapı malzemenin tamamen katı hale dönüştüğünü göstermektedir.
İzomorfik alaşımların dengesiz şartlarda katılaşması bazı önemli sonuçları doğurur. Daha önce açıklandığı gibi, elementlerin tanelerin içindeki dağılımı heterojenlik gösterir ve buna segregasyon adı verilir. İlk katılaşmanın gerçekleştiği tanelerin merkezi yüksek ergime sıcaklığına sahip element açısından daha zengin konsantrasyona sahiptir. Yani üzerinde çalışılan Cu Ni sisteminde Ni elementi daha yüksek ergime sıcaklığına sahip olduğundan, tane merkezlerindeki Ni yoğunluğu tanenindiğer bölgelerine nazaran daha fazladır. Doğal olarak bunun tersi olan durum düşük ergime sıcaklığına sahip element için geçerli olup, Cu elementi bundan dolayı tane sınırları ve buraya yakın bölgelerde merkeze nazaran daha yoğun olarak yer almaktadır. Bu oluşum, teknolojide çekirdekli yapı olarak isimlendirilmekte olup malzemenin özelliklerinde bazı değişmelere yol açabilmektedir. Örneğin çekirdekli yapı oluşmuş bir döküm parça yeniden ısıtıldığında, düşük ergime sıcaklığına sahip element olarak daha zengin olan tane sınırı bölgeleri ilk önce erimeye başlar. Bu ise yapının mekanik açıdan bütünlüğünü bozarak daha zayıf davranması sonucunu doğurur. Dahası, bu tür döküm alaşımlarda ergime solidüs çizgisinin belirlediğisıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda başlar.
İZOMORFİK ALAŞIMLARIN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Bu bölümde katı haldeki izomorfik alaşımların tane boyutu gibi diğer yapısal özelliklerinin değişmediği, sadece kimyasal bileşiminin değiştiği durumlarda mekanik özelliklerinin bundan nasıl etkileneceği açıklanmaktadır. Düşük ergime noktasına sahip bileşenin (elementin) ergime noktasından daha düşük olan tüm sıcaklıklarda, yapıda sadece tek bir katı faz bulunur. Dolayısıyla, her bir elementin diğerine ilave edilmesi katı çözelti sertleşmesine neden olacaktır. Diyagramın ortalarına yakın bölgelerde dayanım bileşim eğrisi en yüksek değerine ulaşır (a). Şekil b de ise alaşımlara ait süneklik özelliğinin alaşım elementi konsantrasyonuyla değişimi verilmiştir. Süneklik ölçütü olarak malzemelerin yüzde uzama değerleri dikkate alınmıştır. Buradaki durum, dayanımda görülenin aksine, süneklik bileşim eğrisinin orta bileşim değerlerinde bir en düşük değerden geçtiğini göstermektedir.
Yaygın ve nispeten kolay anlaşılabilen bir diğer faz diyagramı bakır gümüş alaşım sistemi için gösterilmiş olan ikili ötektik faz diyagramıdır. Bu diyagramın bazı özel likleri önemli olduğundan, dikkatle değerlendirilmelidir. Öncelikle α ve β katı fazları ile sıvı faza ait üç adet tek fazlı bölge yer almaktadır. Cu elementince zengince fazında gümüş YMK kristal yapıya sahip çözünen bileşen olarak bulunur. Β katı fazı da YMK kristal yapıya sahip olup burada da bakır çözünen bileşen olarak yer alır. Aynı zamanda saf bakır ve saf gümüş de sırasıyla α ve β katı fazları olarak değerlendirilir.
Burada sözü edilen α ve β katı fazlarının birbirleri içindeki çözünmeleri sınırlıdır ve şekilde yer alan BEG doğrusunun ait olduğu sıcaklığın altında a fazı için gümüş sınırlı oranda bakır içinde çözünmekte olup, aynı durum, β katı fazının bakır çözünürlüğü için de geçerlidir. Bu diyagramda α/α+s faz bölgeleri için α nıngümüş bileşeni çözündürme sınırı CBA çizgisiyle gösterilmiştir. Buna göre, 779 C deki B noktasında bakır içinde en çok ağırlıkça % 8 Ag çözünebilir ve çözünebilirlik, sıcaklık arttıkça azalarak A noktasında, yani saf bakırın 1085 C deki ergime noktasında kaybolur. 779 C nin altındaki sıcaklıklar için c fazı bölgesini α+β faz bölgesinden ayıran çizgi solvüs adını alır ve benzer şekilde 779 C nin üzerindeki sıcaklıklar için c fazı bölgesini α+s faz bölgesinden ayıran çizgi solidüs olarak tanımlanır. G katı fazı için de solvüs HG çizgisi ile solidüs ise GF çizgisiyle belirtilmiştir. β fazında bakırın gümüş içindeki en büyük çözünürlüğü G noktasında gösterildiği gibi ağırlıkça % 8,8 dir. Şekildeki faz diyagramında BEG doğrusu, bunun altında hiçbir sıvı faz bulunmaması nedeniyle aynı zamanda solidüs olarak tanımlanır.
Söz konusu faz diyagramında α+β, α+s ve β +S şeklinde iki fazın bir arada bulunduğu üç bölge daha vardır. Bu bölgelerdeki değişik bileşim ve sıcaklıklar için hangi fazların denge halinde bulunacağı, bunların oranları ve bileşimleriyle ilgili bilgiler kaldıraç kuralının gerektiği gibi uygulanmasıyla elde edilebilir. Bakıra gümüş ilave edildikçe alaşımın tam olarak eridiği sıcaklık AE likidüs çizgisine bağlı olarak sürekli azalma gösterir. Aynı şeyleri gümüş için de söylemek mümkündür. Gümüşe ilave edilen bakır alaşımın ergime sıcaklığı FE çizgisiyle de belirtildiği gibi, sürekli azaltmaktadır. İki likidüs çizgisi diyagramındaki BEG doğrusu üzerindeki E noktasında birleşir. Buradaki E noktası değişmez nokta niteliğinde olup, C E bileşimi ve T ö sıcaklığı ile tanımlanır.
Soğuma sırasında T ö sıcaklığındaki sıvı faz α ve β ve gibi iki ayrı katı faza aynı anda dönüşür. Aynı şekilde, ısınma sırasında da iki ayrı katı faz aynı anda sıvı faza dönüşür. Bu durum malzeme biliminde ötektik reaksiyon adını almakta olup (ötektik kolayca ergiyen anlamındadır), C αe ve C βe ve /3 fazlarının T sıcaklığındaki kimyasal bileşimlerini vermektedir. Yatay solidüs çizgisinin sahip olduğu T ö sıcaklığı genellikle ötektik sıcaklık olarak adlandırılır.
Çok yaygın olarakkarşılaşılan diğer bir ötektik sistem de Şekilde verilmiş olan kurşun ve kalay bileşenlerine ait olan sistemdir. Bu sistemde de katı fazlar α ve β ile gösterilmekte olup α kalayın kurşun içindeki (kalay çözünen, kurşun çözen), β ise kurşunun kalay içindeki katı çözeltisini (kurşun çözünen, kalay çözen) ifade eder. Ötektik nokta 1 83 C de gerçekleşir ve ağırlıkça % 61,9 oranında kalay içerir. Doğal olarak ötektik nokta ile diğer sıcaklıklar ve bileşimler Cu Ag sistemindekinden farklılıklar gösterir. Çoğunlukla düşük ergime sıcaklıklarına sahip alaşımlar ötektik noktaya yakın olanlardan seçilir. Bu duruma en iyi örneklerden birisi de ağırlıkça % 60Sn ve % 40Pb içeren 60 40 lehim alaşımıdır. Şekilde görüldüğü gibi, bu alaşım bileşenlerinin ergime sıcaklıklarından daha düşük bir sıcaklık olan 185 C de ergir. Bu nedenle, lehimleme gibi bazı endüstriyel uygulamalarda ötektik alaşımların düşük ergime sıcaklığına sahip olma özelliğinden yararlanılır.
İlk olarak saf metal ile oda sıcaklığında (20 C) en büyük çözünürlüğün elde edildiği kimyasal bileşim aralığındaki durum incelenmektedir. Kurşun kalay sisteminde bu aralık, ağırlıkça % 0 ile % 2 Sn içeren kurşun esaslı α katı çözeltisi ile ağırlıkça % 99 Sn ve saf kalay asında kalan β katı çözeltisine karşılık gelir. C 1 bileşimine sahip alaşım ele alındığında, yaklaşık 350 C deki sıvı fazdan oda sıcaklığına kadar gerçekleşen soğuma ww kesikli çizgisiyle ifade edilir. Alaşım yaklaşık olarak 330 C ye kadar tamamen sıvı halinde bulunur ve bu sıcaklıkta ilk c katı çözeltisi oluşmaya başlar. Soğuma sırasında α+sıvı fazlarının birlikte bulunduğu dar bölge geçilirken, katı faz oluşumu hızlanır veww kesikli çizgisinin solidüs çizgisini kestiği noktaya karşılık gelen sıcaklıkta α katı fazının oluşumu tamamlanır. Burada elde edilen alaşım çok taneli (polikristal) ve C 1 kimyasal bileşimine sahip olup oda sıcaklığına varıncaya kadar mikroyapıda herhangi bir değişiklik meydana gelmez. Diğer bir ifadeyle, burada oluşan mikroyapı c noktasındaki iç yapıyla hemen hemen aynıdır.
Şekil 9.12 deki xx kesikli çizgisi boyunca yavaş soğuyan C 2 bileşimine sahip alaşımda meydana gelen iç yapı oluşumu incelenecek olursa, çözünme çizgisine kadar olan değişmelerin bir önceki örnekteki gibi olduğu görülür. Diğer bir ifadeyle, bu çizgi üzerindeki d noktasında tam sıvı faz, e noktasında S +α ikili fazı ve f noktasında da α katı fazı oluşmuştur. Bunları temsil eden mikroyapılar ise ilgili daireler içinde verilmiştir. Soğuma sırasında çözündürme çizgisi geçildikten sonra α fazının Sn çözündürme sınırı aşılmış olur ve Sn elementince zengin β katı fazı α fazının içinde oluşmaya başlar. Şekildeki g noktası burada oluşan iç yapıyı temsil eder. Soğumanın devam etmesiyle, oluşan β katı fazının yapıdaki oranı daha da artar.
Üçüncü durum ise ağırlıkça % 61,9 Sn içeren C 3 ötektik bileşimindeki katılaşmaya ait olup, bununla ilgili faz diyagramı Şekil 9.13 te verilmiştir. Sıcaklık azaldıkça 183 C deki ötektik sıcaklığa kadar herhangi bir değişiklik oluşmaz ve yapı, ii noktasındaki daire içinde gösterildiği gibi tamamen sıvı fazdan oluşur. Soğuma sırasında 183 C deki ötektik sıcaklık çizgisi yy kesikli çizgisiyle kesildiğinde sıvı faz aniden α ve β katı fazlarının bir arada bulunduğu ötektik yapıya dönüşür. Bu dönüşüm sırasında Sn ve Pb bileşenlerinin α ve β katı fazlarında yeniden dağılması ve gerek birbirlerinden gerekse sıvı fazdan farklı bileşimlerde oluşması zorunludur. Burada görülen kimyasal bileşim farkı atomsal yayınma nedeniyle gerçekleşir. Ötektik reaksiyonla oluşan α ve β katı fazlarının yapıda katmanlar halinde ve birbirini tekrar eder tarzda oluşması neticesinde lamelli yapı olarak da nitelendirilen ötektik yapı meydana gelir
Dördüncü ve son mikroyapı örneği, ötektik sıcaklık çizgisi boyunca ötektik nokta dışındaki tüm kimyasal bileşimlere sahip alaşımlarda gerçekleşen dönüşümleri kapsamaktadır. C4 kimyasal bileşimi ele alındığında, bunun ötektik noktanın solunda kaldığı görülür. Sıcaklık düşüşü zz kesikli çizgisi üzerinde incelenecek olursa, başlangıçta yani j noktasında yapının tamamen sıvı olduğu anlaşılır. Kesikli çizgi üzerindeki j ve l noktaları arasındaki mikroyapı oluşumu ikinci durum için açıklanan yapı oluşumuna benzer. Buradaki l noktası ötektik sıcaklığın hemen üzerinde yer almakta olup sıvı faz ve oluşabildiği kadarıyla α katı fazı bir arada bulunur. Ötektik sıcaklıktaki izoterm çizgisi kaldıraç kuralı uygulaması için bir bağ çizgisi olarak kabul edildiğinde, sıvı fazın ağırlıkça % 61,9 Sn ve α fazının da ağırlıkça % 18,3 Sn içerdiği anlaşılır. Sıcaklık ötektik sıcaklık değerinin hemen altına düştüğünde sıvı faz, α ve βkatı fazlarının lamelli olarak istiflendiği ötektik yapıya dönüşür ve ötektik reaksiyon öncesinde α ve sıvı bölgesinde oluşmuş bulunan birincil α katı fazında ise önemli bir değişim gözlenmez.
Örneğin m noktasında gösterilen temsili mikroyapıda birincil ve ötektik yapı olmak üzere iki mikroyapı bileşeni mevcuttur. Böylece α katı fazı yapıda, hem ötektik yapı içindeki a fazı hem de daha önce α+s bölgesinden soğuma sırasında geçilirken oluşan ce fazı ile birlikte bulunur. Buradaki α fazlarını birbirinden ayırt edebilmek için, ötektik reaksiyon sırasında oluşanına ötektik α, ötektik sıcaklık geçilmeden önce oluşmuş olanına ise birincil (primer) veya ötektik öncesi α adı verilmiştir.
Şekil 9.1 7 de yer alan mikroyapı fotoğrafında, hem birincil α hem de ötektik α fazlarının bir arada bulunduğu bir kurşun kalay alaşımına ait iç yapı gösterilmiştir