1. DENEYİN AMACI: Farklı soğuma hızlarında (havada, suda ve yağda su verme ile) meydana gelebilecek mikroyapıların mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi ve su ortamında soğutulan numunenin temperleme işlemi sonucunda mekanik özelliklerindeki değişimin gözlenmesi. 2. TEORİK BİLGİ Tavlama işleminden sonra çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Bundan hemen sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir hacim merkezli kübik (HMK) kafes yapısı oluştururlar. Söz konusu ostenit dönüşümü, zamana bağlı bir çekirdekleşme ve büyüme olayı şeklinde meydana gelir. Soğuma hızı artırılıp belirli bir değerin üzerine çıkarıldığında, karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içerisinde hapsedilmeleri nedeniyle kafes yapısı HMK yapıya dönüşemez ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya "martenzit" adı verilir. Martenzit, karbon ile aşırı doymuş hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahip bir katı çözeltidir. Ötektoit altı çelikler A3, ötektoit üstü çelikler A1 sıcaklığının 30-50 o C üzerine ısıtıldıktan sonra hızla soğutularak, yapıda bulunan ostenitin, perlit yerine martenzite dönüştürülmesiyle su verme gerçekleştirilir. Pratik olarak % 0.2 den az C içeren çeliklere su verilemez. Östenitleştirme Sıcaklığı: Otektoid altı çelikler, A3 çizgisinin en az 10 C üzerindeki bir sıcaklıkta ostenitleştirilir. Eğer otektoid altı bir çelik, AC3 sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda tavlanırsa bu çelikte bulunan otektoid dışı ferrit, su verme işleminden sonra da yapıda aynen kalır. Söz konusu ferrit, iç yapıda yumuşak bölgelerin oluşmasına neden olur ve sonuçta çelik sertleşemez. Otektoid üstü karbon çelikleri Acm ile A1 çizgileri arasındaki bir sıcaklıkta 1
ostenitleştirilir. Acm çizgisi oldukça dik olduğundan, bütün yapıyı ostenite dönüştürmek için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekir. Ancak, Acm çizgisinin üzerindeki sıcaklıklarda yapılan uzun süreli tavlama işlemi ostenit tanelerinin irileşmesine neden olur. Ostenit tanelerinin irileşmesi de çatlama olasılığını artırır. Ostenitin homojenliği, karbonun ostenit içerisinde düzgün dağılımı veya her bir ostenit tanesinin aynı karbon oranına sahip olması demektir. Otektoid altı çelikler ısıtıldığında, A1 çizgisinin üzerindeki sıcaklıklarda oluşan ilk ostenit taneleri %0,8 oranında karbon içerirler. Isıtma devam ettikçe, oluşan ostenit tanelerinin karbon oranı azalır ve AC3 çizgisinin üzerindeki sıcaklıklara çıkıldığı zamanda karbon oranı homojen olmayan ostenit taneleri oluşur. Çeliğe, A3 çizgisi üzerindeki bir sıcaklıktan su verilirse karbon oranı düşük olan ostenit taneleri kritik soğuma hızlarının daha yüksek olması nedeniyle martenzit olmayan yapılara dönüşebilirler. Karbon oranı yüksek olan taneler ise daha düşük kritik soğuma hızlarına sahip olduklarından, martenzite dönüşürler. Bu işlem sonucunda, homojen olmayan ve sertliği değişen bir iç yapı elde edilir. Bu durumu önlemek için difüzyona imkan verecek şekilde çeliği çok yavaş ısıtarak karbonun daha homojen dağılmasını sağlamak gerekir. Ancak, yavaş ısıtma işlemi çok uzun süre aldığından pratik olmadığı gibi, ekonomik de değildir. Bu nedenle çeliğin ostenitleştirme sıcaklığında belirli bir süre tutulması daha uygun yol olarak görülmektedir. Bu sıcaklıkta karbonun difüzyonu daha hızlı olduğundan, kısa süre içerisinde homojen bir yapı elde edilir. Güvenli olması bakımından her 25 mm'lik kalınlık veya çap için çeliğin ostenitleştirme sıcaklığında 1 saat'lik bir süre tutulması tavsiye edilir. 2.1. Su verme Su verme ostenitleme bölgesinde belirli bir süre bekletilerek yapısı tamamen ostenitleştirilmiş bir çeliğin soğutulması olayıdır. Su verme sözü her ne kadar çeliğin su içerisine daldırılarak soğutulması gibi bir anlam içeriyorsa da, çeliğin soğutulmasını ifade eden genel bir terimdir. Buna göre çelik ostenitleştirme sıcaklığında tutulduktan sonra, su 2
içerisine daldırılarak, yağ banyosu içerisine daldırılarak, havada bırakılarak sertleştirilebilir. Çelikler ister suda, ister yağda veya havada sertleştirilsin, sertleşmeyi sağlayan mekanizma, ostenitleme sıcaklığında beklemeyle oluşan ostenitin soğuma sonrası hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal kafes yapısına sahip martensite dönüşmesidir. Martenzit Fe-C denge diyagramında olmayan bir fazdır. Çeliğin hızlı soğuması sonucunda oluşan martenzitik dönüşüm TTT (Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm) diyagramı ile gösterilebilir (Şekil 1). Şekil 1. TTT diyagramı. Bu diyagramda burun noktası denilen bir nokta vardır. Herhangi bir çeliğin su verilerek sertleştirilmesi için gerekli soğuma hızı, o çeliğe ait TTT diyagramında burun noktasını kesmeyecek şekilde seçilecek bir soğuma hızıdır. Bu soğuma hızı o çeliğin sertleştirilebilmesi için gerekli minimum soğuma hızıdır ve kritik soğuma hızı olarak bilinir. 3
2.2.Temperleme (Menevişleme) Çeliklerde su verme sonrası oluşan martensit yapısı oldukça sert ve gevrektir. Dolayısıyla çalışma koşullarında kolayca çatlayabilir ve hasara yol açar. Bu yüzden çeliklere su verme sonrası temperleme adı verilen bir ısıl işlemle çeliğin tokluğu ve sünekliği arttırılabilir (Şekil 2). Bu sırada sertlikte de bir miktar düşme meydana gelir. Temperleme sıcaklığı çeliğin türü ve parçanın kullanılacağı yere bağlı olarak 150-600 C arasında değişir. Tutma süresi parça kalınlığına bağlı olarak 1 2,5 saat arasında değişir. Genellikle 1 inç kalınlığında bir parça için 1 saatlik bir temperleme süresi uygulanır. Bu sürenin sonunda parça fırından çıkarılarak havada soğumaya bırakılır. Temperleme bir difüzyon olayıdır, dolayısıyla temperleme sıcaklığı ve tutma süresi temperleme sonucunu etkiler. Şekil 2. Martenzit dönüşümü ve temperleme işlemlerinin şematik gösterimi 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Fırın C45 çeliği Soğutma ortamları (Yağ, su, hava) Vickers Sertlik Ölçüm Cihazı 4
4. DENEYİN YAPILIŞI Numuneler ısıl işleme tabi tutulmadan önce sertliği ölçülür. Östenitleme işleminden sonra havada, suda ve yağda su verilir. Ardından her bir numuneden tekrar sertlik ölçümü alınır, değerler farklı soğuma hızına bağlı mikroyapı değişimleri göz önüne alınarak kıyaslanır ve yorumlanır. Suda su verilmiş olan numune temperleme işlemine tabi tutularak nihai sertlik değerleri ölçülür. Deneyde C45 alaşımsız çelik kullanılacaktır. 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA Metalik malzemelerin ostenitleme bölgesinden farklı soğuma ortamlarında soğutulmaları sonucu mekanik özelliklerinde içyapılarına bağlı olarak farklılıklar meydana gelmektedir. Deney sonucunda soğuma hızında meydana gelebilecek değişimler sürekli soğuma eğrileriyle birlikte değerlendirilerek meydana gelen mikroyapıların mekanik özelliklere etkisi tespit edilmiştir. Ayrıca suda su verilmiş numunelere uygulanan menevişleme işleminin içyapıda meydana getirdiği değişikliğin sertliğe etkisi gözlenmiştir. 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) Çeliğin başlangıçtaki ve ısıl işlem sonucundaki sertliklerini göz önüne alarak, yaptığınız ısıl işlemde meydana gelebilecek iç yapı değişimlerini çizerek yorumlayınız. c) Havada, suda ve yağda gerçekleştirilen farklı soğuma hızlarının sonucunda elde edilen verileri grafik çizerek kıyaslayınız. 7. KAYNAKLAR a- http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/duy/lab/cii.pdf b- Malzeme Bilgisine Giriş, Mehmet Yüksel, Cemal Meran 5