Faz ( denge) diyagramları İki elementin birbirleriyle karıştırılması sonucunda, toplam iç enerji mimimum olacak şekilde yeni atom düzenleri meydana gelir. Fazlar, İç enerjinin minimum olmasını sağlayacak düzende oluşurlar. Kimyasal bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak belirli şartlarda hangi fazların stabil olduğu (basınç sabit ise, yani atmosferik koşullarda) faz diyagramları ile belirlenir. Faz diyagramları yardımıyla alaşımın hangi fazlardan oluştuğu, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarları tespit edilebilir.
Faz diyagramları Alaşımların yapı ve özellikleri arasındaki ilişkileri en iyi biçimde inceleyebilmek için faz diyagramlarına başvurulur. Sıvı saf metal, denge halinde atmosfer basıncında yavaş yavaş soğutulursa, sabit bir sıcaklıkta oluşur. Faz: Kristal yapılı malzemelerin iç yapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelerdir. Saf metalin soğuma eğrisi Katı halde birbiri içinde her oranda çözünen alaşımların denge diyagramı ve soğuma eğrisi
Çözünebilirlik sınırı Şekerin şeker-su karışım içindeki çözünürlüğü Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta çözünen atomların, çözen kafes içinde ulaşabileceği ve çözünebilirlik (çözünürlük) sınırı olarak isimlendirilen bir üst konsantrasyon sınır değeri vardır. 20 o C de şekerin sudaki en fazla çözünebilirliği %65 dir. Belirli bir sıcaklık için çözünme sınırı o sıcaklığa ait koordinatın grafikteki çözünme eğrisini kestiği yerdir. Şekerin çözünebilme sınır suyun sıcaklığına bağlı olarak değişir.
Fazlarda denge hali Faz dengesi bir sisteme ait faz özelliklerinin zamanla değişmediğini ifade eder. Denge hali, serbest enerji (bir sistemin iç enerjisi ile atom veya moleküllerinin düzensizliğinin (entropi) bir fonksiyonu) adı verilen bir termodinamik büyüklük ile tanımlanır. Örneğin, kapalı bir kapta ve 20 C de birbirleriyle temas halinde bulunan şeker-su şerbeti ile katı şeker örneği verilebilir. Eğer sistem denge halinde ise şeker su karışımı ağırlıkça %65 şeker-%35 su içerir ve bu kimyasal bileşim ile bileşenlerin oranları zamanla değişmez.
Bir bileşenli faz diyagramları Su (H2O) için basınçsıcaklık faz diyagramı Tek bileşenli faz diyagramlarında kimyasal bileşim sabit tutulmakta(bu durumda faz diyagramı sadece saf maddeler için geçerli olmakta) ve sıcaklık ile basınç faz diyagramının değişkenlerini oluşturmaktadır. Söz konusu iki boyutlu diyagramlar aynı zamanda basınç-sıcaklık (P-T) diyagramları olarak nitelendirilmektedir. O noktasında sistem 273,16 K sıcaklığında ve 6.04x 10-3 atm basınç altında sadece bu noktada sistemin 3 fazı ( katı,sıvı,buhar) birbirleriyle dengede bulunduğu noktadır ve bu noktadan sıcaklık ve/veya basınçta olabilecek değişiklikle uzaklaşılması durumunda en azından fazlardan biri yok olur.
İkili faz diyagramları Cu-Ni faz diyagramı Çoğu alaşım sistemi ikiden fazla bileşen içermekle birlikte, faz diyagramlarının prensiplerini açıklamada ve yorumlamada ikili alaşım sistemlerinden ve bunların faz diyagramlarından faydalanılır. Tek fazlı sistemler homojen olarak adlandırılırken, birden fazla faz içeren sistemler heterojen sistemler olarak adlandırılırlar. Çoğu metal alaşımları, seramik, polimer ve kompozit sistemler heterojen özellik gösterirler. Likidüs eğrisi: katılaşmanın başladığı sıcaklıkları gösterir ve bu eğrinin üzerindeki sıcaklıklarda alaşımlar tamamen sıvıdır. Solidüs eğrisi: Katılaşmanın sona erdiği sıcaklıkları gösterir ve bu eğrinin altındaki sıcaklıklarda alaşımlar tamamen katı durumdadır.
İkili faz diyagramları S sıvısı, hem bakır hem de nikel içeren homojen bir sıvı çözeltidir. Katı faz ( α fazı); Cu ve Ni içeren bir yeralan katı çözelti olup, YMK kristal yapısına sahiptir. Yaklaşık 1080 o C nin altında Cu ve Ni birbiri içerisinde tam olarak çözünebilme yeteneğine sahiptir ve Cu-Ni elementlerinin hem katı hem de sıvı hallerde gösterdiği tam çözünürlük özelliğinden dolayı, bu sistem izomorfik olarak nitelendirilir. Cu-Ni faz diyagramı
Faz diyagramlarının yorumlanması Faz diyagramları sıcaklık ve bileşimin belirli olduğu denge halindeki bir sistemde en az 3 çeşit bilgiye ulaşılabilmektedir : Hangi sıcaklıkta bileşimde hangi fazlar var? Bu fazların kimyasal bileşimleri? Bu fazların hangi oranlarda sisteme yeralır? 1100 C de ağırlıkça %60 Ni ve %40 Cu içeren alaşım A noktası ile gösterilmiş olup bu noktada sadece α katı fazı bulunur. 1250 C de ağırlıkça %35 Ni ve &65 Cu içeren alaşım aynı şekil üzerinde B noktası ile gösterilmiş olup, bu noktada α+s fazı dengede bulunmaktadır. Cu-Ni faz diyagramı
Katı halde birbiri içerisinde kısmen çözünen alaşımların faz diyagramı Şekilde Pb metalince zengin ve özellikleri Pb a yakın α ile Sn metalince zengin ve özellikleri Sn a yakın olan β katı eriyiklerine ait olanlar arasında bu iki katı eriyiğin dengede bulunduğu iki fazlı yapılar mevcuttur.
Ötektik reaksiyon Cu-Ag faz diyagramı Cu metalince zengin α- fazında Ag çözünen fazdır. Ag metalince zengin β- fazında Cu çözünen fazdır. α- ve β- katı fazlarının birbirleri içerisindeki çözünürlükleri sınırlıdır. Örneğin,779 C de α-katı fazında Ag metalinin Cu içerisinde max çözünürlüğü ağırlıkça %8 dir. Çözünebilirlik sıcaklık arttıkça azalarak A noktasında, yani Cu in ergime noktasında kaybolur. 779C nin altındaki sıcaklıklar için α-fazı bölgesini α+ β bölgesinden ayıran çizgi solvüs olarak tanımlanır.
Ötektik reaksiyon Ötektik Bileşim Ötektik altı bileşim (hypo) X Ötektik üstü bileşim (hyper) α-fazı Pb metalince zengin faz β-fazı Sn metalince zengin faz
Ötektik alaşımlarda mikroyapı oluşumu Kurşun-kalay sisteminde ötektik yapı oluşumu. Kalay atomlarının yayınma yönü mavi, kurşun atomlarının yayınma yönü ise kırmızı oklarla gösterilmiştir.
Ötektik faz Pb-Sn alaşımının ötektik kompozisyonundaki mikroyapı görüntüsü. Pb- zengin α-fazı ( koyu tabakalar), Sn- zengin faz açık renkli katı eriyik fazlarını gösterir ( büyütme 375x). Kaynak: Metals handbook, 9th ed, vol.9, Metallography and Microstructure, ASTM, Materials Park, OH, 1985.)
(a) Ötektikaltı Pb-Sn alaşımı, (b) Ötektiküstü Pb-Sn alaşımı. Koyu bölgeler Pb-zengin α fazı, açık renkli fazlar Sn-zengin β fazı, ince tabaka şeklindeki yapılar ötektik fazı göstermektedir. Kaynak: Metals handbook, 9th ed, vol.9, Metallography and Microstructure, ASTM, Materials Park, OH, 1985.)
Ötektik Peritektik Monotektik Ötektoid Peritektoid
Ara Fazlar Gerçek sistemlerin çoğunda birden fazla reaksiyon bulunur. Şekilde görüldüğü gibi A ve B ye komşu olmayan tek fazlı bölgeler ortaya çıkar. Arafazın tek bir kimyasal bileşik olması durumunda metaller arası fazlar söz konusudur. Metaller arası fazların özellikleri A ve B metallerinden farklı olup genellikle çok sert ve kırılgan malzemelerdir. A x B y metaller arası bileşiktir ve bunların kimyasal bileşiklerden farkı metalik karaktere sahip olmalarıdır. Arafazı gösteren diyagram Metaller arası bileşiği gösteren diyagram
Demir Karbon Faz diyagramı Fe 3 C: Sementit : Ferrit : Ostenit δ: Ferrit
Fe-C faz diyagramındaki reaksiyonlar Ötektoid reaksiyon-727 o C Ötektik reaksiyon- 1147 o C Peritektik reaksiyon- 1493 o C L ( sıvı) + δ ɣ
Mikroyapılar α-ferrit ( X90) ɣ-ostenit (X325)
Ötektoid bileşimde mikroyapılar Ötektoid bileşimdeki (ağırlıkça %0.76 C içeren) demir-karbon alaşımının ötektoid sıcaklığın altındaki ve üstündeki mikroyapılarının şematik olarak gösterilişi Perlitik iç yapıya sahip ötektoid çeliğe ait mikroyapı fotoğrafı. Açık renkli yapılar ferrit, koyu renkli tabakalar sementit (X470).
Ötektoidaltı alaşımlar C o bileşimindeki (ağırlıkça %0.76 dan daha az C içeren) ötektoidaltı bir Fe- C alaşımının ostenit bölgeden ötektoid sıcaklığın altına kadar soğutulması ile oluşan iç yapılarının şematik olarak gösterilişi. Ötektoid öncesi ferrit Perlit Bileşiminde ağırlıkça %0.38 C içeren çeliğin ötektoid öncesi ferrit ve perlitten oluşan mikroyapısına ait fotoğraf (X635)
Ötektoidüstü çelikler C 1 bileşimindeki (ağırlıkça %0.76 C ile 2.14 arasında C içeren) otektoidüstü bir demir-karbon alaşımının ostenit bölgeden otektoid sıcaklığın altına kadar soğutulması ile oluşan iç yapılarının şematik gösterilişi Bileşiminde ağ.% 1.4C içeren çeliğin perlit ile bunların bir ağ yapısı halinde çevreleyen ötektoid öncesi sementitten oluşan mikroyapısına ait fotoğraf x1000)