Demirin Kristal Yapıları 1535 C 1390 C 910 C SIVI FERRİT (delta) OSTENİT (gamma) OSTENİT Kübik Yüzey Merkezli (KYM) FERRİT (alpha) FERRİT Kübik Hacim Merkezli (KHM)
Kübik hacim merkezli (KHM), Kübik yüzey merkezli (KYM) ve Hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal yapıları
(Fe-Fe 3 C) Faz Diyagramı Sementit (Fe3C) bileşiği, ağırlık olarak % 6.67 oranında karbon içerir. Bu bileşiğin meydana gelmesi durumunda demir-karbon sisteminde Fe-Fe 3 C diyagramı geçerli olur. Diyagram: Peritektik, Ötektik, Ötektoid noktalarını içermektedir. Karbon oranı % 0.8 den az olan çeliklere ötektoid altı çelikler, % 0.8 olan çeliklere ötektoid çelikler, % 0.8 den fazla olanlara da ötektoid üstü çelikler denir.
Demir-Sementit Sistemindeki Faz Dönüşümleri a ) Peritektik dönüşüm : ( S + δ γ ) : Bu dönüşüm % 0.18 C içeren alaşımsız çelikte 1492 C sıcaklıkta meydana gelir. b ) Ötektik dönüşüm : ( S γ + Fe з C ) : Bu dönüşüm % 4.3 C içeren Fe-C alaşımında 1130 C sıcaklıkta meydana gelir. c ) Ötektoid dönüşüm ( γ α + Fe з C ) : % 0.80 C içeren çelikte 723 C sıcaklıkta meydana gelir.
Fe- Fe 3 C Faz Diyagramındaki Fazlar: Ferrit(a): HMK yapılı demir içerisinde çok az orandaki karbonun çözünmesiyle oluşan bir arayer katı çözeltisidir. Bu faz içerisinde, 723 C sıcaklıkta % 0.025 oranında karbon çözünürken, bu oran oda sıcaklığında % 0.008 değerine düşmektedir. Ferrit, Fe-C sistemindeki en yumuşak fazdır ve sertliği 90 R B civarındadır. Çekme mukavemeti 270 MPa, kopma uzaması % 40 civarındadır.
Ostenit (g) : Karbonun YMK yapılı g-demiri içerisinde çözünmesiyle oluşan bir arayer katı çözeltisidir. Bu faz, 1147 C sıcaklıkta, % 2 oranında karbon çözündürür. Çekme mukavemeti 1030 MPa, kopma uzaması % 10 ve sertliği 40 R C civarında olan ostenitin tokluğu oldukça yüksektir. Normal olarak oda sıcaklığında kararsız bir faz olmasına karşın, bazı özel durumlarda oda sıcaklığında da ostenit elde edilebilir.
Sementit (Fe 3 C) : Sert ve gevrek bir arayer bileşiği olan Sementit (demir karbür), % 6.67 ağırlık oranında karbon içerir. Düşük çekme mukavemetine (35 MPa) ve nispeten yüksek basma mukavemetine sahiptir. Fe-C diyagramındaki en sert faz olup, ortorombik kristal yapıya sahiptir. Perlit (α + Fe з C) : % 0.8 C içeren çeliğin, ostenit bölgesinden yavaş soğutulması sırasında 723 C sıcaklıkta meydana gelen ötektoid dönüşüm sonucunda oluşan bir yapıdır.
Perlit, ferrit ve sementit lamellerinden oluşur. Yapıda, beyaz renkli kısım ferrit matrisi, koyu renkli lameller ise sementit fazını gösterir. Ledeburit : Sementit (Fe 3 C) ve ostenit (g) tanelerinden oluşan ve % 4.3 oranında karbon içeren ötektik karışımdır. Dönüşmüş Ledeburit : Ötektoid sıcaklığın (723 C) altındaki ledeburit demektir. Bu durumda yapıdaki ostenit taneleri perlite dönüşmüş durumda bulunur.
Çeliklerde Soğuma Sırasında Oluşan İç Yapılar
Yukarıdaki şekilden görüldüğü gibi, % 0.3 C içeren çelik A noktasında % 0.3 C oranına sahip ostenit (γ) tanelerinden oluşur. B noktasında karbon atomları yayınarak uzaklaşmaya başlar ve demir atomlarının YMK yapıdan HMK yapıya geçmeleri sonucunda, çoğunlukla ostenit tanelerinin sınırlarında karbon oranı düşük olan ferrit (α) taneleri oluşmaya başlar. C noktasında ferrit taneleri çoğalır ve yapıdaki ostenit fazının karbon oranı artarak % 0.8 değerine ulaşır. D noktasında, ostenit taneleri tamamen perlite dönüşmüş durumda bulunur.
E noktasına kadar soğutulan çelikte önemli bir faz dönüşümü meydana gelmediğinden, iç yapı D noktasındaki yapının aynısı olur. % 0.8 C içeren çeliğin F noktasındaki yapısı, % 0.8 C içeren ostenit tanelerinden oluşur. Bu yapı da, G noktasında perlitik yapıya dönüşür. Bu dönüşümde, karbon atomları tane sınırlarından başlayıp, içeri doğru büyüyen sementit lamellerini oluşturacak şekilde biraraya gelir. Lamellerin aralarında karbonca fakir ferrit bölgeleri kalır. H noktasındaki yapı G noktasındaki yapının aynısı olur.
% 1.20 C içeren çelik İ noktasında ostenit tanelerinden oluşur. J noktasında C atomlarının tane sınırlarına yayınması ile bu noktalarda sementit çökelmeye başlar. K noktasında, soğuma sırasında sürekli artan sementit bütün tane sınırlarını kaplar ve ayrıca ostenit içinde çözünen C oranı da sürekli azalarak bu noktada % 0,8 değerine düşer. L noktasında ise, arta kalan ostenit fazı tamamen perlitik yapıya dönüşmüş durumdadır. M noktasındaki yapı, L noktasındaki yapının aynısı olur. Bu yapıda bulunan ötektoid dışı sementitin oranı perlitin oranından çok düşüktür, ancak bu fazın sürekli bir ağ oluşturması çeliği sert ve gevrek yapmaktadır.
Çeliklerle ilgili faz analizleri: Fe, karbonla metallerarası bileşik (sementit) yapar. Karbonun atom ağırlığı 12 Demirin atom ağırlığı Ağırlık olarak sementit içerisinde, 56 olduğuna göre; 3 12 56 12 100 % 6.67 C bulunur. Çok yavaş soğuma şartlarında Fe in C la bileşik yapması önlenerek Fe-C (grafit) denge diyagramı elde edilir. Aksi takdirde, Fe-Fe 3 C (yarı dengeli) faz diyagramı elde edilir.
a) % 0.5 C içeren alaşımsız çeliğin, oda sıcaklığında iç yapısında bulunan fazların oranlarının bulunması A B C 0 0.5 0.8 Ferrit (α) Perlit (α+fe 3 C) Kaldıraç kuralına göre; Ferrit oranı= = % 0.3 / 0.8 * 100 = % 37.5 Perlit oranı= = % 0.5 / 0.8 * 100 =% 62.5
b) % 1.2 C içeren çeliğin oda sıcaklığında, iç yapısında bulunan fazların oranlarının belirlenmesi C D E 0,8 1,2 6,7 Perlit Sementit Perlit oranı = % 5.5 / 5.9 * 100 = % 93.2 Sementit oranı = % 0.4/ 5.9* 100 = % 6.8
c) % 0.4C, % 0.8 C ve % 1.2 C içeren çelikler ile % 3.0 C ve % 4.3 C içeren Fe-C alaşımlarının soğuma eğrileri
Pr. 1. Oda sıcaklığında ötektoit çeliğin yapısındaki ferrit ve sementit fazlarının oranlarını bulunuz. a...s 0 0.8 6.67 Buradaki ferrit ve sementit, ötektoit dönüşümde oluşan fazlardır (birincil ferrit ve birincil sementit). % ferrit % sementit 100 88 6.7 0.8 6.7 0.8 6.7 %12 % perlitmiktarı? 100 100 %88 ferrit %12 sementit veya sementit bulunur. %100 perlit var dıı.
Ötektoitaltı (Hypoeutectoid) çeliğin mikroyapısı A 1 - A 3 Sıcaklık aralığında Ferrite + Ostenit (beyaz) (sarı) A 1 sıcaklığının altında Ferrite + perlit (beyaz) (lacivert)
Pr. 2. %0.3 C içeren Fe-C alaşımının yapısında bulunan fazları ve oranlarını bulunuz. F...P 0 0.3 0.8 %0.8 den daha az karbon içerdiğinden ötektoit altı bir çeliktir. Yapısında ferrit ve perlit fazları bulunur. Buradaki ferrit ötektoit öncesi veya perlit dışı ferrittir. 0.8 0.3 % ferrit 100 0.8 %100 %62.5 %37.5 (% perlit 0.3 100 0.8 %62.5 perlit %37.5 ferrit, bulunur. perlit)
Pr. 3. Oda sıcaklığında yapısında %80 ferrit bulunan ötektoitaltı çeliğin karbon bileşimini bulunuz. F...P 0 χ 0.8 Yapı %80 ferrit ve %20 perlitten oluşmaktadır. Buradaki ferrit, ötektoit dışı (ötektoit öncesi) ferrittir. 0.8 % ferrit %80 100 0.16 0.8 C' lu çelik
Pr. 4. Oda sıcaklığında, yapısında toplam %80 ferrit bulunan çeliğin karbon bileşimini bulunuz. F...S 0 χ 6.7 %80 ferrit ise, kalan %20 sementittir. Buradaki toplam ferritten, perlitin içindeki ve dışındaki ferritlerin toplamı anlaşılmalıdır. 0.20 %1.34 6.7 ötektoitüstü birçeliktir karbon bulunan
Ötektoit Üstü Çeliğin Mikroyapısı Perlit %1.4 C lu Ötektoit üstü Çelik Tane sınırlarında birinci sementit ( Fe 3 C )
Pr. 5. %0.16 C içeren çeliğin yapısında bulunan ferrit, perlit, sementit ve toplam ferrit miktarları ile perlit içinde bulunan ferrit (ötektoit dönüşüm) miktarını bulunuz. F...P F...S a) 0 0.16 0.8 b) 0 0.16 6.7 0.8 0.16 % ferrit 100 0.8 Geriye kalan % 20 perlittir 0.16 % sementit 100 % 2.4 sementit 6.7 % 100 % 2.4 % 97.6 toplam ferrit Toplam perlit ferrit içindeki ferrit ferrit ( ö. ö.) ( ö. d.). % 80 97.6 ferrit 80 ( ö. ö.) % 17.6
Pr. 6. %1.34 C içeren çeliğin, oda sıcaklığında mikro yapısındaki perlit, sementit, ferrit ve toplam sementit ile Ö.Ö. oluşan sementit (1.sem., pro-ötektoit sem.) fazlarının oranlarını bulunuz. a) P...S b) F...S 0.8 1.34 6.7 0 1.34 6.7 6.7 1.34 % perlit 100 %91 perlit 6.7 0.8 %100 %91 %9 sementit ötektoit öncesi 6.7 1.34 Toplam ferrit 100 %80 ferrit 6.7 Bu ferrit aynı zamanda perlit içindeki ferrittir %100 %20 %80 %9 %11 %20 toplam perlit sem.( perlit içi ( ö. d.) sementitti r.. içi ve dıış)
Ötektoit Üstü Çeliklerdeki Dönüşümler Yavaş soğumada, tane sınırlarında birincil veya ötektoit öncesi Fe 3 C, daha sonra da A 1 in altında perlit oluşur.
ÇELİKLERİN SINIFLANDIRILMASI İçerdiği alaşım elementlerine göre; 1. Alaşımsız (karbon) çelikler, 2. Alaşımlı çelikler, 2.1. Düşük (alçak) alaşımlı çelikler (%5 den az), 2.2. Yüksek alaşımlı çelikler (%5 den fazla). İçerdiği karbon miktarına göre; 1. Düşük (az) karbonlu çelikler (%0.2 ye kadar C), 2. Orta karbonlu çelikler (%0.35 - %0.55 C), 3. Yüksek karbonlu çelikler (%0.55 den fazla C). Mikro yapısına göre; 1. Ötektoit altı çelikler (%0.8 den az C), 2. Ötektoit çelikler (%0.8 C), 3. Ötektoit üstü çelikler (%0.8 den fazla C)
ÇELİK TÜRLERİ (Kullanım alanlarına göre çelikler) 1. Genel Yapım çelikleri Minimum çekme mukavemetlerine göre adlandırılırlar. Genellikle ısıl işlem için öngörülmezler, karbon içerikleri %0.25 den az olan çeliklerdir. Kaynak için uygundurlar, örneğin, derin çekme ve karasori yapımında kullanılırlar. 2. Makine Yapım Çelikleri Mukavemet değerleri ile birlikte, tokluğun da yüksek olması istenen durumlarda kullanılan ıslah edilmiş çeliklerdir. Karbon miktarı %0.35 va daha az olan alaşımsız ve az alaşımlı çelikler suda, diğerleri yağda sertleştirilir. 3. Sementasyon Çelikleri Alaşımlı veya alaşımsız olabilirler. Genellikle %0.2 veya daha az karbon içerirler.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 4. Nitrürasyon Çelikleri Nitrür oluşturucu alaşım elementlerini içeren çeliklerdir. 5. Otomat Çelikleri Kısa ve kırılgan talaş vererek, yüksek kesme hızlarıyla işlenebilen ve bu sırada yüzeyi düzgün kalan çeliklerdir. 6. Civata ve somun çelikleri Civata ve somun imalatında kullanılan çeliklerdir. 7. Kazan Çelikleri Sıcaklığa dayanıklı ve kaynak kabiliyeti iyi olan çeliklerdir. En çok 500 o C a kadar yeterli sürünme, yaşlanma ve tufal dayanıklılığı gösterirler.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 8. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Çelikler Genellikle 500 o C in üzerindeki işletme şartlarında, örneğin buhar ve gaz türbinleri, tepkili motorlar, fırınlar vb. yerlerde kullanılan çeliklerdir. 9. Paslanmaz Çelikler Yüksek krom içeriklerinden dolayı (%12 den fazla), özellikle oksitleyici ortamların korozyon etkisine dayanıklı çeliklerdir. Ferritik, ostenitik ve martenzitik olan türleri vardır. 10. Süpap Çelikleri İçten yanmalı motorların emme süpapları için C45, 37MnSi5 vb. gibi makine yapım çelikleri genellikle yeterlidir. Egzost süpapları için yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklı çelikler gerekir.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 11. Rulmanlı Yatak Çelikleri Yüksek yüzey basıncına ve aşınmaya dayanıklı, ötektoit üstü kromlu çeliklerdir. 12. Yay Çelikleri Yüksek elastiklik veya akma sınırına ve aynı zamanda sarılabilecek kadar plastik şekil değiştirme kabiliyetine sahip çeliklerdir. 13. Takım çelikleri Talaşlı imalatta (eğeleme, tornalama, frezeleme vb.) ya da talaşsız şekillendirmede (soğuk veya sıcak çekme, haddeleme, zımbalama, dövme, derin çekme vb.) kullanılan takımların yapıldığı çeliklerdir.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 14. Elektrik Makinaları İçin Çelikler Elektrik makinaları yapımında kullanılan manyetik çeliklerde yüksek geçirgenlik ve mümkün olduğu kadar az histerisiz kayıbı istenir. Bu özellikler, karbon miktarının azaltılıp, silisyum miktarını artırmakla elde edilir (dinamo ve transformator sacları-silisli saclar). 15. Dökme Çelikler Herhangi bir çelik, ergitilip bir kalıba dökülerek son şeklini aldığı takdirde dökme veya döküm çelik adını alır.
DÖKME DEMİRLER Yüksek karbon miktarı (%2-4) dolayısıyla, sıvı durumda akıcılıkları yüksek olduğu için döküme çok elverişli demir alaşımlarıdır. Ayrıca ergime sıcaklıkları da çeliğe göre daha düşüktür. Dökme demirler, ham demirin tekrar ergitilip, gerekli katkılar yapılarak istenilen bileşime getirilmesiyle elde edilir. Ergitme için çoğunlukla kupol ocağı, bileşim ve sıcaklığın hassas olarak kontrol edilmesi istendiğinde ise alevli döner ocak veya elektrikli ark fırını vb. kullanılır. Ham demire, dökme demir ve çelik hurdası ile ferro-silisyum ve ferro-manganez katılarak, özellikle C, Si ve Mn miktarları ayarlanır.
DÖKME DEMİRLER (Devam) Titreşim söndürme kabiliyeti a) çelik b) gri dökme demir Gri dökme demirlerin talaşlı işlenebilirliği ve titreşim söndürme kabiliyetleri çok iyidir. Dökme demirin mekanik özellikleri büyük ölçüde mikro yapısına bağlıdır.
DÖKME DEMİRLER (Devam) Mevcut karbonun tümü, demire bağlı yani sementit (Fe 3 C) halinde bulunuyorsa beyaz dökme demir, karbon, kısmen de olsa grafit şeklinde serbest duruma geçmişse, grafitli dökme demir (veya gri dökme demir, kır dökme demir) sözkonusudur. Grafitler, lamel (yaprak) şeklinde ise lamel grafitli dökme demir, küresel biçimli ise küresel grafitli (nodüler) dökme demir adını alır. Ayrıca, temper dökme demirlerde de yıldız veya rozet türü grafitler bulunur.
DEMİR KARBON DENGE DİYAGRAMI Fe3C 3Fe( ) C( graphite) DÖKME DEMİRLER >2.14wt% Carbon
DÖKME DEMİRLER (Devam) Dökme demirlerde grafit oluşumu, bileşim ve soğuma hızına bağlıdır. %1 den fazla Si ve daha yavaş soğuma grafit oluşumunu hızlandırır. Çoğu dökme demirde karbon grafit olarak bulunur ve mikroyapı ile mekanik özellikler, bileşim ve ısıl işleme bağlı olarak gelişir. Dökme demir türleri: 1. Gri (kır) Dökme Demirler 2. Küresel (nodüler, sfero) Dökme Demirler 3. Beyaz Dökme Demirler 4. Temper Dökme Demirler
Gri (kır) dökme demir Si (%1-3) Küresel Grafitli (sünek) Dökme demir a- Ferritik ana yapıda lamel grafitler a-ferritik ana yapıda küresel grafitler Basmada İyi mukavemet ve süneklik Perlit Beyaz dökme demir Si (%1 den Si (%1 den az) az) Temper dökme demir α-ferritik ana yapıda temper (rozet) grafitler Beyaz sementit
Ticari Dökme Demirlerin Üretimi Karbonun Şeklini (biçimini) Kontrol Etmek İçin Isıl İşlem
GRİ DÖKME DEMİRLER %2.5-4.0 C ile %1-3 Si içerirler.grafitler lamel veya yaprak şeklindedir ve bunlar ferritik veya perlitik ana yapıyla sarılmış (çevrelenmiş) yapıdadır. Kırık yapıda grafitler gri renkte görüldüklerinden bunlara gri dökme demir denir. Grafitlerin gerilme artırıcı özellikleri nedeniyle gri dökme demirlerin çekme dayanımları düşüktür ve gevrektirler. Basmada dayanımları ve süneklikleri ise iyidir. Titreşim söndürme kabiliyeti iyidir. Aşınmaya dirençlidirler, döküm kabiliyeti çok iyidir.
KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER Dökümden önce gri dökme demire az miktarda ~% 0.5 Mg (mağnezyum) veya Ce (seryum) katılırsa, küresel veya nodül (sfero) şekilli grafitler oluşur. Bunlar, ısıl işleme bağlı olarak ferritik veya perlitik ana yapıda bulunur. Küresel grafitli dökme demirlerin mukavemetleri ve süneklikleri, gri dökme demirlerle kıyaslandığında oldukça yüksektir. Valfler, pompa gövdeleri, krank milleri dişliler ve diğer otomobil ve makine parçalarının üretiminde kullanılırlar.
BEYAZ DÖKME DEMİRLER Düşük Si (%1 den az) miktarı ve hızlı soğuma şartlarında karbonun önemli bir kısmı grafit yerine, sementit olarak bulunur. Bu dökme demirin kırık yüzeyi beyaz göründüğünden, beyaz dökme demir denir. Beyaz dökme demir,yapısında bulunan fazla miktardaki sementit nedeniyle çok sert ve kırılgandırlar. Taşlama dışında işlenemezler. Temper dökme demirlerin üretiminde kullanılırlar.
TEMPER DÖKME DEMİRLER Beyaz dökme demirden dolaylı olarak elde edilirler. Yıldız şekilli grafitler nedeniyle, gri dökme demire göre daha mukavemetli ve sünektirler. Siyah Temper Dökme Demirler: Beyaz dökme demir parçalar nötr bir ortamda (ör. kuvars kumu) 900-950 o C a ısıtılması ve bu sıcaklıkta uzun süre (~20 saat) beklettikten sonra yavaş soğumayla elde edilirler. İşlem esnasında sementit ayrışarak, rozet şekilli temper grafitler oluşur. Soğuma hızına bağlı olarak ana yapı ferritik veya perlitik olabilir.
BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİRLER Beyaz dökme demir parçalar, oksitleyici bir ortamda (ör. Tufal-Fe 2 O 3 ) ~1000 o C sıcaklıkta yaklaşık 80 saat süreyle tavlanır. Bu durumda yüzeydeki C, O 2 ile birleşerek karbon yanması olur. Yüzeyde, karbon tamamen yanarak yapı ferrite dönüşür. İç kısma doğru gittikçe, azalan ferrite karşılık, gittikçe artan oranlarda perlit ve temper grafiti meydana gelir. Bu tür parçalar, gerektiğinde kolayca kaynak edilir.