FAZ ve DENGE DİYAGRAMLARI

FAZ ve DENGE DİYAGRAMLARI

FAZ KAVRAMI Kristal yapılı malzemelerin içyapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere faz (phase) adı verilir.

Bileşen deyimi, çoğunlukla alaşımı oluşturan saf metaller ve/veya bileşikler için kullanılır. Örneğin bir bakır-çinko alaşımı olan pirinçte Cu ve Zn, bileşenlerdir. 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).

(a) Suyun üç hali; katı, sıvı ve gaz. Herbiri bir fazdır. (b) Su ve alkol; tam çözünme. (c) Tuz ve su; sınırlı çözünme. (d) Su ve yağ; Hiç çözünmeme.

MİKROYAPIDA FAZLAR Fazlar; bu atom düzenlerinden ve toplam içyapıda bu fazların oluşturdukları tanelerden meydana gelir.

KATI ÇÖZELTİ Sıvı çözeltide olduğu gibi, katı durumda da bir elementin atomları diğer bir elementin kafes yapısı içerisinde uygun bir yer bulup yerleşmesi ile katı çözelti meydana gelir. Uygun yerler, arayer veya yeralan olabilir. Hume-Rothery kuralı gerçekleşmişse, tam ve sınırsız bir çözünme (karışma) sağlanabilir.

Hume-Rothery Kuralları: Bir elementin bir metal içinde çözünmesi ile oluşan katı çözeltilerin hangi koşullar altında oluşabileceğini ilk kez HumeRothery tarafından tanımlanıp ortaya konulmuş kurallardır. Bu kurallar dört adet olup şunlardır: 1) Çözücü ve çözünen elementlerin atom çaplarının farkı, %15'ten fazla olmamalıdır. 2) Çözücü ve çözünenin kristal yapıları birbirine uymalıdır. 3) İki elementin atom değerlikleri (valans) aynı olmalıdır. 4) Çözücü ve çözünenin elektron ilgileri" birbirine yakın olmalıdır.

(a) Sıvı Cu ve Ni, tam çözünür. (b) Katı Cu ve Ni kristal yapıda rastgele yerlere yerleşmek suretiyle tam katı çözelti oluşturur. Katı Çözelti (c) Cu ve Zn alaşımları sınırlı çözünmeden dolayı % 30 dan fazla Zn çözemez, ikinci faz bölgeleri oluşturur. 2.Faz

Bakırın akma mukavemeti üzerine değişik alaşımların etkileri. Nikel ve çinko atomları bakır atomları ile yaklaşık aynı büyüklükte ama Berilyum (Be) ve kalay (Sn) oldukça farklı boyutlardadır. Atomik boyutlardaki farklar ve alaşımlama miktarındaki değişim, katı-eriyik mukavemetlendirmesini artıracaktır.

Mikroyapıda Fazlar niçin oluşur? Neden atomlar her noktada homojen karışım oluşturamazlar?

Bir elemente diğer bir element karıştırılacak olursa, daima toplam iç enerji minimum olacak şekilde yeni atom düzenleri meydana gelir.

SİSTEMDE ENERJİ Fazlar: İç enerjinin minimum olmasını sağlayacak şekilde oluşurlar. Bir sistemde enerji durumu: Sıcaklık, kimyasal bileşim, basınç gibi değişkenler ile belirlenir. Eğer basınç sabit ise (atmosferik basınç), sistemin enerjisi kimyasal bileşim ve sıcaklık tarafından belirlenir.

FAZ DİYAGRAMLARI Faz diyagramları, alaşım sistemlerinde bulunan fazların oluşumları ve dönüşümleriyle ilgili bilgi ve verileri içerir. Bu diyagramlar, denge diyagramları olarak da adlandırılırlar. Dengedeki bir sistemin durumunu belirlemek için birbirinden bağımsız üç değişken kullanılır. Dışarıdan kontrol edilebilen bu değişkenler; sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimdir.

Denge diyagramı, sabit atmosfer basıncında, alaşım yapılarının veya fazların, sıcaklık veya kimyasal bileşim oranına göre nasıl değiştiğini gösterir. Faz diyagramı, fazların denge koşulları altındaki durumunu ve ilişkilerini gösterir.

Kimyasal bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak belirli şartlarda hangi fazların stabil olduğu faz diyagramları ile belirlenir.

Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta çözünen atomların, çözen kafes içinde ulaşabileceği 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.

DENGELİ VE YARI KARARLI DURUM Bir sistem eğer sabit sıcaklık, basınç ve bileşimde dengede ise sistem kararlıdır, zamanla değişmez. Fakat dengeye ulaşmak için zaman çok uzun olabilir denge için yol boyuncaki durum kararlı olarak görülebilir. Buna yarı kararlı durum denir.

Çoğu zaman bir malzemenin fiziksel özellikleri, özellikle de mekanik özellikleri sahip olduğu iç yapıya yani mikroyapıya bağlıdır. Mikroyapı, optik veya elektron mikroskoplarında gerçekleştirilen mikroskobik incelemelerle belirlenir.

Tek Bileşenli Faz Diyagramları 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.

Hava basıncı artarsa, ağzı açık kaptaki sıvının kaynaması zorlaşır. Hava basıncının azalması ise, kaynamayı kolaylaştırır. Dolayısıyla sıvı daha düşük sıcaklıkta kaynar. Saf su, Deniz düzeyinde Ankara da Erzurum da ise 100 C de, 96 C de, 94 C de kaynar.

İki Bileşenli Faz Diyagramları

Likidüs çizgisi T, Sıcaklık Sıvı TA TB S+ (katı) Kimyasal bileşim: Kompozisyon Solidüs çizgisi

Çözünme durumuna göre Tam çözünme: Bir elementin diğeri içerisinde sınırsız çözünebilmesi. Hiç çözünmeme: Bir elementin diğeri içinde hiç çözünememesi. Sınırlı çözünme: Bir elementin diğeri içerisinde kısıtlı çözünebilmesi. a) b) c)

Sıcaklık Tam Çözünme S, Sıvı TB Sıvı Tamamen sıvı faz Sıvı % 90 Sıvı + % 10 S+ % 60 Sıvı + % 40 TA % 10 Sıvı + % 90, Katı %B X Tamamen katı faz. : %x oranında B elementi içerir.

Cu-Ni elementlerinin hem sıvı hem de katı hallerde gösterdiği tam çözünürlük özelliğinden dolayı, bu sistem izomorfik olarak nitelendirilir.

Hiç Çözünmeme 2.Alaşım 1.Alaşım S 1 TA 1 Ötektik Sıcaklık 1 Sıvı 1 Sıvı 2 2 A+S 3 4 TB 1 S+B 3 4 2 5 X1 Sıvı A 2 2 3 Sıvı A 3 3 5 4 %B X2 Ötektik Bileşim X3 A Kristalleri (Açık renk) B Kristalleri (Koyu renk) 1 2 A+B 3 3.Alaşım Proötektik A 5 Sıvı Sıvı B Ötektik Yapı Ötektik A Ötektik B 4 5 Ötektik A Ötektik B Proötektik B Ötektik A Ötektik B

Ötektik Yapı Ötektik reaksiyon; sıvı fazın ani olarak iki ayrı katı faza dönüşmesi reaksiyonudur. Ötektik reaksiyon: Sıvı Soğuma (Katı) + (Katı) Ötektik nokta Ötektik noktadan uzaklaştıkça, ötektik reaksiyon, dönüşüm öncesi varolan sıvı faz kadar gerçekleşir. Ötektik Sıcaklık

Katılaşma sırasında çekirdeklenme bir çok noktadan başlar, Bu çekirdekler tabaka şeklinde büyürler Birbirlerine temas etmeleri ile ince ve tabakalı yapı meydana gelir, Çekirdeklenme ne kadar çok noktadan meydana gelmişse yapı o kadar ince tabakalı (veya küçük taneli) olacaktır. A kristal taneleri (Açık renk) B kristal taneleri (Koyu renk) Fö = C P + 1 = 2 3 + 1 = 0

Ötektik reaksiyon ile oluşan katı faz. Lamelli (tabakalar şeklinde paketlenmiş) Nodüler (matris faz içerisinde küresel diğer fazın bulunması) Lamelli yapıda iki katı faz birbiri üzerine paketlenmiş tabakalar şeklindedir. Her bir tabaka bir tanedir. 1 Lamelli Yapı 2 Nodular Yapı

Sınırlı Çözünme Alaşım sistemlerinin çoğunda görülür. B elementi A nın içerisinde sınırlı olarak çözünebilir. Oda sıcaklığında X1 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X2 kadar çözünebilir. Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar.

Aynı şekilde A elementi B içerisinde sınırlı miktarda çözünebilir. Oda sıcaklığında X3 kadar, sıcaklık arttıkça (ötektik sıcaklıkta) X4 kadar çözünebilir. (Sıcaklıkla ısıl aktivasyon artar ve boşluk miktarı artar).

fazı: Katı Çözelti Çözeltiye giremeyen yabancı atomlar kendilerinin çoğunlukta olduğu yeni atom düzeni (faz) oluştururlar. A nın çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur, B nin çoğunlukta olduğu katı çözelti fazını oluşturur. Fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki katı faz ve aynı yapıda birarada bulunabilir. fazı: 2.Faz ve Katı çözelti

Ötektik Bileşim Ötektik altı bileşim (hypo) Xö Ötektik üstü bileşim (hyper)

S TA Ötektik Sıcaklık TB Ötektik Bileşim +S Xö S+ + X1 X2 %B X4 X 3

Faz diagramları: Sınırlı Çözünme I I II TA III Tö 4 1 +S 3 1 X1 X2 1 1 1 1 TB 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 S+ 2 + 4 5 IV S 2 3 III IV 1 1 2 2 3 II 4 3 X3 Xö Ötektik Ötektik %B Ötektik öncesi 5 ( dan ayrışan) Ötektik öncesi

Ötektoid Reaksiyon Soğuma sırasında bir katı fazdan iki ayrı katı fazın oluşması reaksiyonudur. Ötektoid reaksiyon: (Katı) Soğuma (Katı) + (Katı)

TA Tötektik Tötektoid S 1 2 Xötektoid S+ +S + + %B Xötektik TB

Peritektik ve Peritektoid Reaksiyon Kısmi çözünürlük gösteren alaşım sistemlerinde elementlerin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması durumunda meydana gelen faz reaksiyonlarıdır. Peritektik reaksiyon: Sıvı + (Katı) Soğuma Peritektoid reaksiyon: (Katı) + (Katı) Soğuma (Katı) (Katı)

Peritektik reaksiyon: Sıvı + (Katı) Soğuma (Katı) Peritektoid reaksiyon: (Katı) + (Katı) Soğuma (Katı)

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. Metallerarası bileşikler Arafazlar

Örnek (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Aşağıda verilen faz diyagramında bulunan 3 adet farklı faz reaksiyonlarını tespit ediniz. 1150oC, 920oC, 750oC, 450oC ve 300oC lerde yatay çizgiler vardır 1150oC: δ + L γ, peritektik 920oC: L1 γ + L2 a monotektik 750oC: L γ + β, a ötektik 450oC: γ α + β, a ötektoid 300oC: α + β μ or a peritektoid

TERAZİ KURALI Faz diyagramları: Hangi sıcaklık ve bileşimde hangi fazlar var? Bu fazların bileşimi nedir? Faz diyagramında, fazların oranlarını ve bileşimlerini bulmak için terazi kuralı (lever rule) kullanılır.

Dengesiz soğuma Katı içerisinde difüzyon için zamanın yetersiz olması segregasyonlu bir yapı oluşturur. Dengesiz solidüs çizgisinin gerçek yeri ve son dengesiz solidüs sıcaklığı soğuma hızına bağlıdır. Yüksek soğutma hızı, dengede daha büyük sapmalara neden olur.

Sıcaklık (oc) Demir Karbon Faz diyagramı Tötektik Tötektoid Fe3C: Sementit : Ferrit : Ostenit %C: ağırlık olarak

Fe/Fe3C Faz diyagramı Sementit (Fe3C); demir karbon faz diyagramında metaller arası bir bileşiktir. Pratikte Fe-C diyagramında sementite kadar olan bölge önemlidir. Sementit; % 6,67 C konsantrasyonuna sahiptir.

Fe/C ve Fe/Fe3C Faz diyagramı

Sıcaklık (oc) Fe/Fe3C Faz diyagramı 1148oC Tötektik Tötektoid Fe3C: Sementit : Ferrit : Ostenit : Delta demir %C: ağırlık olarak

Demir Sementit Faz diyagramı +S (ostenit) +S S Sementit : Fe3C Ferrit : Perlit : + Fe3C Ostenit: Delta demir: Ledeburit. Tötektik Perlit Ledeburit 1148oC Çelik Dökme demir %C: ağırlık olarak Tötektoid

Çelik Perlit: Ötektoit reaksiyon sonrası -Fe (ferrit) ve Fe3C (sementit) tarafından oluşturulan özel yapıya verilen isimdir. (ferrit) taneleri (Açık renk) Sementit taneleri (Koyu renk)

Çelik için önemli sıcaklıklar A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769oC). Bu sıcaklıkta manyetiklik kaybolur. A3 sıcaklığı: Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir) Acm sıcaklığı: Ötektoid üstü çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir)

Çelik Çelik; %2 ye kadar C içeren demir alaşımına verilen isimdir. Otektoit çelik; % 0.77 C içeren çeliğe ötektoit çelik adı verilir. Bu kompozisyonun altındaki çeliklere ötektoit altı çelikler (C oranı < % 0.77 %), bu bileşimden daha fazla C içeren çeliklere ötektoid üstü çelikler (C oranı > % 0.77) adı verilir. C oranının %2 yi geçmesi durumunda malzeme artık çelik olarak değil, dökme demir (cast iron) olarak adlandırılır.

I II I III 5 III 1 2 1 2 3 4 +Fe3C 3 5 Perlit + 12 3 4 II Otektoit Bileşim Perlit Sementit Perlit

C miktarı % 0.77 %100 perlitik yapı (ötektoit çelik). C miktarı sıfıra doğru azaldıkça, perlit azalır, ferrit ( -Fe) artar. C miktarı % 0.77 nin üzerinde arttıkça, perlit miktarı azalır, sementit miktarı artar.

+ + Perlit %100 Perlit γ +Fe3C Perlit +Fe3C Otektoit Bileşim

Dökme demir C içeriği %2 den daha fazla olan Demir-karbon alaşımıdır. Artan karbon oranı yapıyı kırılgan hale getirir. Sıvı fazdan katılaşması sırasında soğuma hızlarına bağlı olarak farklı iç yapılara sahip olabilir. Hızlı soğuma: Beyaz dökme demir. Yavaş soğuma: Kır dökme demir (ferritik, ferritik/perlitik, perlitik). Temper dökme demir: BDDin tavlanması ile. Küresel dökme demir: Mg, Ce gibi grafiti küreselleştiren alaşım elementleri katılması ile.

Beyaz DD Katılaşma (Sıvı fazdan katıya dönüşme) sırasında soğuma hızı yüksek tutulursa Beyaz DD elde edilir. Bu yapıda sementit baskındır dolayısıyla sert ve gevrektir.

Beyaz DD Ötektik reaksiyonda: Sıvı ledeburit iç yapı ( +Fe3C) 1 S +Fe3C 3 +Fe C 3 4 Dökme demir S+Fe3C Ledeburit 1 2 Dönüşmüş Ledeburit +S 2 Sıvı Ötektik öncesi 3 Ötektik Ötektik Fe3C 4 Ötektoit Perlit Ötektik Fe3C

Kır dökme demir Sıvı fazdan çok yavaş soğuma ile karbon difüzyonla biraraya toplanarak lamelli bir yapı oluşturur. Soğuma hızı çok yavaş ise Ferritik DD. Biraz daha hızlı olması durumunda Ferritik-perlitik DD. Daha hızlı olması durumunda Perlitik DD. oluşur. Perlit oranı arttıkça dayanım artar. Tüm durumlarda süneklik çok kötüdür. Lamelli yapıda keskin uçların oluşturduğu çentik etkisi nedeniyle mekanik özellikler çok kötüdür. Grafit Lameller Perlitik DD Ferritik DD Ferritik-Perlitik DD Artan Soğuma Hızı Perlit

Grafitin dayanımı Demirin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır. Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır. Dolayısı ile kır DD ler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Lameller

Temper ve Küresel grafitli DD Lamellerin mekanik özelliklere olumsuz etkisini ortadan kaldırmak amacıyla grafitlerdeki keskin kenarlar ortadan kaldırmak amacıyla bazı işlemlere tabi tutulur.

Temper Dökme Demir (TDD) Temper DD: Hızlı soğuma ile elde edilen Beyaz dökme demir yaklaşık 950oC de uzun süre (48 saat) tavlanır ve sementit yapı içerisindeki kararsız karbon bir araya toplanarak temper grafiti denilen topak halinde yapılar meydana getirir. Bu yapıda süneklik %10 a kadar artabilir. Soğuma hızına göre Ferritik TDD, Ferritik-perlitik TDD ve Perlitik TDD şeklinde 3 farklı TDD elde edilebilir. Temper grafiti Perlitik TDD Ferritik TDD Perlit Ferritik-Perlitik TDD Artan Soğuma Hızı

Küresel Dökme Demir (KDD) Eriyik DD içerisine Mg ve Sb gibi grafitleri küreselleştiren alaşım elementleri katılır. Bu şekilde oluşan grafitler küresel şekillidir ve süneklik %20 lere kadar artar. Soğuma hızına göre Ferritik KDD, Ferritik-perlitik KDD ve Perlitik KDD şeklinde 3 farklı KDD elde edilebilir. Küresel grafit Perlitik KDD Ferritik KDD Ferritik-Perlitik KDD Artan Soğuma Hızı Perlit

http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/pds.swf?targetframe=al-cu

Micrograph 1 : Al 75, Cu 25 (wt%), hypoeutectic alloy System: Al-Cu, Composition: Al 75, Cu 25 (wt%) (a) Light microscopy, (b) SEM

Micrograph 3 : Al 67, Cu 33 (wt%), eutectic alloy system: Al-Cu, Composition: Al 67, Cu 33 (wt%), (a) light microscopy, (b) SEM

2000 Serisi Birincil alaşım elementi bakırdır, genellikle ikincil element olarak magnesyum tercih edilir. Bu alaşımlar optimum özelliklerine sahip olabilmesi için ısıl işleme tabi tutulurlar, bazende yaşlandırma ile mekanik özellikleri artırılır. Alaşımlar; 2014 (ISO: Al-Cu4SiMg) 2024 (ISO: Al-Cu4Mg1 ) Kullanım alanları: özellikle havacılıkta uçak gövdelerinde ve kanatlarda (mukavemet gerektiren yerler), makine parçası imalatındadır.

5000 Serisi Birincil alaşım elementi magnezyumdur. Yüksek mukavemet, kaynaklanabilir olması ve yüksek korozyon direnci (deniz suyu ve kimyasallara karşı) ile özellikle gemi sanayiinde bir çok kullanım alanına sahiptir. Alaşımlar; 5005 (DIN: AlMg1 ) 5049 (DIN: AlMg2Mn0,8 ) 5052 (DIN:AlMg2,5 ) 5083 (DIN: AlMg4,5Mn ) 5754 (DIN: AlMg3 )

Cu-Zn alaşımları pirinçler olarak adlandırılır. Pirinç Kullanım Alanları Pirinç Malzemeler Makine Sanayi, Armatür Sanayi, Elektrik ve Elektronik Sanayi, Süs ve Oyuncak İmalatı, Saat Parçaları, Pil Uçları, Pompa Boruları, Silah Sanayi, Reflektör, Oto Radyatör ve Benzin Depoları, Döküm Sanayi gibi bir çok yerde kullanılır.

Cu, Sn 20 (wt%) bronze, exhibiting dendritic solidification

Diğer temel elementlerle oluşturulan Cu alaşımına (%Cu 60) ise genel olarak BRONZ adı verilir; temel alaşım elementinin zikredilmesi ile birbirinden ayırt edilir (Al-Bronzu, Be- Bronzu, P-Bronzu gibi; herhangi bir bileşenin verilmemesi, alaşımın Sn-Bronzu olduğunu gösterir).

%96 Cu-%4Sn: Çok yumuşak ve kırmızı renge sahiptir. Akıcılığı bakırda olduğu gibi iyi değildir. Bu sebepten dökümcülükte kullanılmaz. Pres ile madalya, madeni para ve süs eşyası şekillendirmesinde kullanılır. %90 Cu-%10 Sn: Parlatma işlemi gereken döküm parçaların üretiminde kullanılır. Yüzeyi portakal sarısı, kesiti ise pembe rengindedir. Sürünme dayanımı çok düşüktür. Volan, boru, rondelâ, somun ve başlık takımları kullanım alanlarından bazılarıdır. %88 Cu-%12 Sn: Çekme boşlukları diğer bronz alaşımlara göre daha azdır. Rengi saman sarısı kesiti kırmızımtraktır. Buhar ve sıvı basınca dayanım gerektiren parçaların (musluklar, kamlar ve sübaplar) üretiminde kullanılır. %86 Cu-%14 Sn: Rengi açık sarı kesiti sarımtrak gridir. Sürünme dayanımı yukarıda verilen alaşımlardan biraz daha iyidir. Hidrolik ve kompresörlerin bazı parçalarının üretiminde kullanılır. %84 Cu-%16 Sn: Kesiti gri, yüzey rengi açık sarıdır. Sürünme dayanımı orta düzeydedir. Yatak, kulisler ve bazı kamların üretiminde kullanılır. %82 Cu-%18 Sn: Kesiti gridir. Sürünme dayanımı iyidir. Buhar makinesi çekmeceleri, dingil yatakları ve büyük yük altında çalışan parçaların üretiminde kullanılır. %80 Cu-%20 Sn: Bu bronz alaşımı sarımtrak beyaz renktedir. Sert ve ve sürünme dayanımı yüksektir. Buhar makinesı segmanlarının üretiminde kullanılır. %78 Cu-%22 Sn: Çok serttir. Çan ve çıngırak yapımında kullanılır. %75 Cu-%25 Sn: Çok sert ve kırılgan bir bronz alaşımıdır. İnce tanelidir. Gri renge sahip olup ses verme (tantanlık) özelliği iyi olduğu için çan yapımında kullanılır.