BÖLÜM 3b:MÜHENDİSLİK ALAŞIMLARINDA YAPI-ÖZELLİK-ISIL İŞLEM İLİŞKİLERİ

BÖLÜM 3b:MÜHENDİSLİK ALAŞIMLARINDA YAPI-ÖZELLİK-ISIL İŞLEM İLİŞKİLERİ 1 Fe-C alaşımlarının tavlanması Tavlama, malzemenin belli bir sıcaklığa ısıtılması, bu sıcaklıkta belli bir süre tutulması ve sonra yavaş soğutulması kademelerini içeren bir ısıl işlemdir. Tavlama sıcaklığında bekleme süresi, istenen dönüşümün tamamlanmasını sağlayacak kadar olmalıdır. Malzeme, sıcaklık gradyanları veya termo-elastik gerilmelerin yol açtığı çatlama/yamulmayı önlemek için yavaşça soğutulmalıdır.tavlama, iç gerilmeleri gidermek, sünekliği, tokluğu artırmak, belli bir mikroyapı elde etmek amacıyla uygulanır. Tavlama çeşitleri aşağıda verilmiştir. Çeliklerde tavlama sıcaklıkları yandaki diyagramda gösterilmektedir. Normalleştirme: Çeliğin üst kritik sıcaklıkların (A 3 ve A cm ) hemen üstündeki sıcaklıklarda ostenitleme bölgesine kadar ısıtılıp havada soğutulduğu bir ısıl işlemdir. Normalleştirilmiş ötektoid altı sade karbon çeliğinin mikroyapısı, ötektoid öncesi ferrit ve ince perlitden oluşur. Normalleştirme işlemi, perlit ve ötektoid öncesi faz tane boyutlarını küçültmek, döküm ve dövme parçalarda homojen tane boyutu ve bileşim elde etmek için uygulanan bir tavlama işlemidir. Sıcaklık, C Küreselleştirme: Ötektoid sıcaklığın tam altında, yüksek C lu çeliklere yumuşak küresel yapı elde etmek amacıyla uygulanan çok uzun süreli (16-24 saat) ısıtma işlemidir. Böylece ilave şekillendirme işlemleri için maksimum yumuşaklık elde edilir. Sade karbonlu çeliği tavlamada çoğunlukla kullanılan sıcaklıklar Gerilme giderme Normalleştirme Küreleştirme Tam tavlama Tam tavlama: Ostenitleme ve yavaş soğutma (birkaç saat) ısıl işlemi olup bu işlem sonucu daha yumuşak ve sünek kaba perlit (ve ötektoid öncesi faz) elde edilir. Aşırı soğuk işlem (Plastik deformasyonla) ile sertleşmiş ve ilave şekillendirme gerektiren parçaların yumuşatılması için tam tavlama yapılır. 2 1

Sade Karbon Çeliklerinin sınıflanması ve örneksel mekanik özellikleri Sade karbon çelikleri ABD standardlarında plain carbon steels diye geçer, yaygın olarak dört rakamlı AISI-SAE işareti ile tanımlanır. Örneğin, AISI-SAE 1030 çeliği. Burada 10 rakamı sade karbon çeliğini, 30 rakamı ise çelikte %0.30 C bulunduğunu göstermektedir.tüm sade karbon çelikleri dayanımı artırmak için alaşım elementi olarak Mn (%0.300.95) içerir. Sade karbon çelikleri empürite (katışkı) olarak P, S, Si ve diğer bazı elementleri de içerebilir. Aşağıdaki tablo da sade karbon çeliklerinin örneksel mekanik özellikleri gösterilmektedir. Çok düşük karbonlu sade karbon çelikleri, nispeten düşük dayanıma fakat yüksek sünekliğe sahiptir. Bu çelikler otomobil kaportasında olduğu gibi şekil verilen sac ve şerit malzemesi olarak kullanılır. Sade karbon çeliğinin karbonu arttıkça çelikler daha dayanımlı fakat daha az sünek olmaktadır. Orta karbonlu (1020-1040) çelikler miller ve dişliler için kullanılır. Yüksek karbonlu çelikler (1060-1095) yaylarda, dövme kalıplarında, bıçak ve makasların kesici ağızlarında kullanılır. Sade 3 DÜŞÜK ALAŞIMLI ÇELİKLER Neden alaşımlı çelikler? Sade karbonlu çelikler, dayanımı ve diğer mühendislik gereksinimleri çok yüksek olmayan yerlerde başarıyla kullanılır. Maliyetlerinin nispeten düşük olmasına rağmen bu çeliklerin aşağıdaki sınırlamaları vardır: Sade karbonlu çeliklerin dayanımları, süneklik ve darbe dayanımından büyük kayıplar olmadan 700 MPa dan üzerine çıkarılamaz. Sade karbon çeliklerinde büyük geniş kesitli parçaların her yerinde martenzitli yapı oluşturulamaz, yani bu çelikler derin sertleştirilemez. Sade karbonlu çeliklerin korozyon (yenim) ve oksitlenme direnci düşüktür. Orta karbonlu sade bir çelikte, tam martenzitli bir yapı elde etmek için hızla soğutulmalıdır. Hızlı soğutma ise ısıl işlem gören parçanın çarpılmasına ve çatlamasına neden olabilir. Sade karbon çeliklerinin düşük sıcaklıklardaki darbe dayanımı düşüktür. Sade karbonlu çeliklerin yukarıda belirtilen yetersizliklerini gidermek, özelliklerini iyileştirmek için, alaşım elementleri içeren, alaşımlı çelikler geliştirilmiştir. Alaşımlı çelikler, genellikle sade karbonlu çeliklerden pahalı olmalarına rağmen belirli mühendislik isteklerine yanıt verebilmek amacıyla kullanılabilecek tek çelik cinsidir. Alaşımlı çelikler için kullanılan başlıca alaşım elementleri mangan, nikel, krom, molibden ve volframdır. Ara sıra kullanılan diğer elementler ise vanadyum, kobalt, bor, aluminyum, kurşun, titanyum ve niobyumdur. Alaşım elementlerinin mikroyapıda dağılımı: Alaşım elementlerinin karbon çeliklerinde dağılımı bir elementin karbür ve bileşik oluşturma eğilimine bağlıdır. Yandaki tablo, alaşımlı çeliklerde alaşım elementlerinin dağılımını göstermektedir. Oklar, listenen elementlerin ferritte çözünme ya da karbür içinde birleşme eğilimlerini göstermektedir. Karbon miktarına bağlı olarak alaşım elementlerinin bazıları kısmen ferrit içinde çözünür, kısmende karbür oluşturur. Nb, Ti, W, V, Mo kuvvetli karbür oluşturucu elementlerdir. Si ve Al gibi elementler oksijenle birleşerek oksitler oluşturur. 4 2

Alaşım elementlerinin Ötektoid dönüşüme etkisi TEutectoid ( C) Ceutectoid (wt%c) Çeşitli elementler, Fe-Fe3C faz diyagramında ötektoid sıcaklığın ve otektoid karbon miktarının değişmesine 0.8 1200 Ti Si yol açar. Mangan ve Nikel ötektoid Mo W 0.6 Ni sıcaklığı düşürür ve Fe-Fe3C faz Cr 1000 diyagramında ostenit bölgesini 0.4 Cr Si genişleterek ostenit kararlaştırıcı 800 Mn element olarak iş görür. Bazı çeliklerde W 0.2 Mn Ti Mo 600 yeterli miktarda mangan veya nikelin Ni 0 0 4 8 12 bulunması durumunda oda sıcaklığında 0 4 8 12 bile ostenitli bir yapı elde edilir. wt. % of elementleri alloying elements Alaşım wt. % of alloying elements Ağ% Alaşım elementi ilavesi ile Totektoid değişimi Alaşım elementi ilavesi ile C otektoid değişimi Ağ% Alaşım elementleri Sıcaklık ( C) Volfram, molibden ve titanyum gibi karbür oluşturan elementler ötektoid sıcaklığını yükselterek ostenit faz alanını daraltır. Bu elementlere karbür kararlaştırıcı elementler denir. Alaşım elementleri ötektoid bileşimi 0. 76 % den daha az değerlere düşürür. Yukarıdaki grafikler düşük alaşımlı çeliklerin ısıl işlemi için ostenitleme sıcaklığını tahmin etmede faydalıdır. Alaşım elementleri ostenit dönüşümünü yavaşlatır. Çünkü karbonun yanında alaşım element atomlarıda dönüşüm sırasında yer değiştirmektedir. Yandaki şekil, %0.25 Mo ilavesinin ötektoid çelikte ostenit dönüşüm başlangıcını 650 C nin altındaki %0.25 Mo sıcaklıklarda dört kat geciktirdiğini göstermektedir. Alaşım elementlerinin çoğu (Cr, Ni, Si, Mn, Mo, Ti, W gibi) demir % 0 Mo kafesinde karbondan daha yavaş yayındığı için düşük alaşımlı çeliklerin eş sıcaklık eğrileri sağa kaydırır. Bu yüzden bir çok alaşımlı çeliklerde oda sıcaklığına nispeten yavaş soğutma ile dönüşüm eğrisinin yanda görüldüğü gibi burnundan geçmeden martenzit elde edilir. 5 Zaman, sn Düşük alaşımlı çeliklerin örneksel mekanik özellikleri ve uygulama alanları Yandaki tablo, yaygın olarak kullanılan düşük alaşımlı çeliklerin örneksel özelliklerini ve kullanım yerlerini vermektedir. Düşük alaşımlı çelikler, bazı dayanım düzeylerinde, sade karbonlu çeliklerden daha iyi dayanım, tokluk ve süneklik değerleri gösterir. Fakat, düşük alaşımlı çelikler daha pahalı olduğundan sadece gerekli olduğunda kullanılır. Düşük alaşımlı çelikler, çoğunlukla, taşıt parçalarının üretiminde sade karbonlu çeliklerle elde edilemeyecek yükseklikte dayanım ve tokluğun gerekli olduğu yerlerde kullanılır. 6 3

Dökme Demirler-I Tanımı: Dökme demirler, temelde %2-4 karbon ve %1-3 silisyum içeren ötektik alaşımlardır. Bu bakımdan, düşük ergime sıcaklığına (yak 1200 C) sahiptirler. Bu yüzden döküm yoluyla düşük maliyetle belirli uygulamalar için mühendislik parçaları üretilebilir. Silisyumun etkisi: Dökme demirlerin çoğu %1-3 oranında silisyum içerir. Silisyum, dökme demirdeki ferritin mukavemetin artırır. Ayrıca, silisyum ilavesi ile ötektik noktası %4.3 C dan %2-3.5 karbona kayar. Silisyum, ayrıca karbürün, demire ve grafite (serbest C na) dönüşümüne yol açar. Grafitleşme: Grafitleşme, bileşim ve soğuma hızı ile kontrol edilmektedir. %1 den fazla Si bulunması ve sıvı dökme demirin yavaşça soğutulması grafitleşmeyi kolaylaştırır. Dökme demirler grafitleştiğine göre, Fe-Fe 3 C faz diyagramı gerçekte denge diyagramı değildir. Fe-C ve Fe-Fe 3 C diyagramlarının demirce zengin tarafı (sol taraf) hemen hemen aynıdır. Fakat, Fe-C faz diyagramında Fe 3 C nin yerini grafit (C) alır. Böylece, 400 C de, %3.5C içeren dökme demirdeki ferrit miktarı α=(100-3.5)/(100-0)=0.965 dir. Gri dökme demir:yüksek oranda Si içeren (~ %2 Si) dökme demir, katılaşma sırasında grafitleşir ve Fe 3 C oluşmaz. Bu tür dökme demirde grafit, yapraklar halinde bulunur. Kırıldığında açığa çıkan grafitler nedeniyle kırılma yüzeyi gridir. Grafit yapraklar nedeniyle gri dökme demir mükemmel titreşim söndürme kapasitesine ve aşınma direncine sahiptir. Bu bakımdan bu malzeme, ağır ekipmanlarda taban malzemesi olarak kullanılır. Gri dökme demir, ısıl işlemle perlitli, ferritli, martenzitli ve beynitli mikroyapılara sahip olabilir. Örneğin, gri dökme demir 750 C de ısıtıldığında ostenit (%0.75 C) ve grafit fazlarını içerir. Orta derece soğuma neticesinde ostenit, perlite dönüşür. Karbür oluşumu, daha az difüzyon gerektirdiğinden grafit oluşumundan daha kolaydır. Nihai yapı, perlitik ana faz içinde grafit yapraklarından oluşur. Yavaş soğuma hızında ferritli ana faz daha baskındır. Gri dökme demir mikroyapısı (400X). Koyu grafit yaprakları α-ferrit matrisi içinde bulunur. 7 Dökme Demirler-II Küresel grafitli dökme demir: Eğer çok az miktarda magnezyum veya seryum sıvı metale ilave edilirse yapraksı grafit yerine küre (nodul) şeklinde grafit oluşur. Normal gri dökme demirde süneklik sıfırdır. Küresel grafitli dökme demir ise %10-20 uzama gösterebilir. Küresel grafitli dökme demir, ısıl işlemle ferritli, perlitli veya temperlenmiş martensitli mikroyapıya sahip olabilir. Valf, pompa gövdeleri ve krank millerinin yapımında kullanılır. Beyaz dökme demir: Erimiş dökme demir katılaşırken karbonun çoğu grafit yerine demir karbür oluşturduğundan beyaz dökme demir meydana gelir. Döküm halindeki beyaz dökme demirin mikroyapısı perlitli anafaz içinde büyük miktarda demir karbürden (Fe 3 C) oluşur. Beyaz dökme demirin beyaz diye adlandırılmasının nedeni kırılma yüzeyinin beyaz veya parlak bir görünüşte olmasıdır.beyaz dökme demirde, karbonu demir karbür halinde tutmak için karbon ve silisyum miktarı nispeten düşük (%2.5-3.0 C ve %0.5-1.5 Si) ve katılaşma hızının yüksek olması gerekmektedir. Beyaz dökme demirler, çoğunlukla mükemmel aşınma ve yıpranma dirençleri için kullanılmaktadır. Dövülgen dökme demir: Dövülgen dökme demir, beyaz dökme demirin tavlanması ile elde edilir. Tavlama sonucu beyaz dökme demirdeki demir karbür, demir ve grafite ayrışır. Reaksiyon, sıvı olmayan ortamda olduğu için ortaya çıkan grafit yapraksı veya küresel değildir. Fakat, grafit katı faz içinde düzensiz yumrular halinde büyür. Gri dökme demirden daha dövülgendir. Ferritli veya perlitli dövülgen demir üretilebilir. Dövülgen dökme demirler, dökülebilirlik, talaşlı işlenebilirlik, orta dayanım, tokluk gibi özellikleri nedeni ile hırdavat malzemesi ve demiryolu ekipman parçası imalinde kullanılır. Küresel grafitli dökme demir mikroyapısı (150X) Koyu grafit noduller ferrit matrisi tarafından kuşatıımaktadır. Beyaz dökme demir mikroyapısı (350 X) Beyaz sementit bölgeleri perlit fazı ile kuşatılmaktadır. Dövülgen dökme demir mikroyapısı (100X): α-ferrit matrisi içinde koyu grafit yumruları 8 4

Gerçek demir-karbon faz diyagramında (kesikli çizgiler) sementit yerine grafit fazı bulunur. Fe-Fe 3 C diyagramı aşağıda kesiksiz çizgiler ile gösterilmektedir. 0 γ soğuma hızlı orta Beyaz Dövülgen Dökme demir aralığı yavaş Gri γ+grafit α+grafit Dökme Demirler-III küresel 100 Grafit Dökme demirde katılaşma sırasında soğuma hızına ve ısıl işleme bağlı olarak mikroyapının değişimi Fast=hızlı, Moderate=orta, slow=yavaş, malleable=dövülgen, reheat=yeniden ısıtma, cool=soğuma Dökme demirlerin mekanik özellikleri Dökme demir Gri (3.2C-2Si) G=grafit, P=perlit, α=ferrit Çekme Day.(.(MPa)) % Uzama Ferritli 172 <1 Perlitli 275 <1 Martensitli 550 0 Küresel (3.5C-2.5Si) Ferritli 413 18 Perlitli 550 6 Temp. Mar. 825 2 Beyaz (3.5C-0.5Si) Perlitli (dök.) 275 0 Dövülgen (2.2-1Si) Ferritli 365 18 Perlitli 450 10 Temp. Mar. 700 2 9 Paslanmaz Çelikler Paslanmaz çelikler, değişik ortamlarda korozyona (paslanmaya) karşı yüksek dirence sahiptir. Bunun nedeni, içerdikleri yüksek krom miktarıdır. Paslanmaz çeliğin paslanmaz olması için çeliğin en az %12 Cr içermesi gerekir. Krom elementi çeliğin yüzeyinde koruyucu oksit filmi oluşturarak alt taraftaki ana malzemeyi oksitlenmeden korumaktadır. Korozyon direnci Ni ve Mo ilavesi ile artırılabilir.paslanmaz çelikler genel olarak mikroyapıları temel alınarak dört türe ayrılır. Ferritli, ostenitli, martenzitli, çökeltili sertleşen. Aşağıdaki tabloda, paslanmaz çeliklerin örneksel mekanik özellikleri ve kullanılma yerleri görülmektedir.martensitli paslanmaz çeliklerde ısıl işlemle elde edilen martenzit anafaz olarak yapıda bulunur. Alaşım elementleri ilavesi, Fe-Fe 3 C faz diyagramını çok değişir. Ostenitik paslanmaz çeliklerde, ostenit faz alanı oda sıcaklığına kadar genişler. Ferritli paslanmaz çelikler, α-ferritten oluşur. Ostenitli ve ferritli paslanmaz çeliklerin sertliği ve mukavemeti, ısıl işlemle değil, soğuk işlemle artırılır. Ostenitli paslanmaz çelikler, yüksek oranda Cr ve Ni içerdiği için korozyona en fazla dayanımlıdır. Martensitli ve ferritli çelikler, manyetiktir. Ostenitli çelikler manyetik değildir. 10 5

Çökelme (yaşlandırma) sertleşmesi mekanizması Aluminyum alaşımlarının ve diğer metal alaşımlarının bir çoğunun dayanımları çökelme sertleşmesi ile artar. İkincil faz çökeltisi Ana faz (α) İkincil faza ait çökelen küçük parçacıkların içindeki ve etrafındaki kafes çarpılmaları dislokasyonun hareketini engellediğinden çökelme işlemi ile malzeme mukavemetleşir. Çözünürlük sınırı üstünde aşırı doymuş katı çözeltilerde, çökeltiler belli ısıl işlem sıcaklıklarında zamanla oluştuğundan çökelme sertleşmesi, yaşlandırma sertleşmesi olarak da bilinir. ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI Çökelme sertleşmesi ısıl işlem basamakları A-B metallerine ait ikili faz diyagramı Çökelme sertleşmesi Sıvı ısıl işlem basamakları Sıcaklık Bileşim α + β Sıcaklık Çözeltiye alma Su verme yaşlandırma Zaman Çözeltiye alma ısıl işlemi: Bir alaşım sisteminde çökelme sertleşmesinin olabilmesi için, sıcaklık düştükçe çözünürlüğü azalan bir uç katı çözeltisinin var olması gerekir. Yukarıdaki faz diyagramında C o bileşimindeki bir alaşım içinde T 0 sıcaklığında tüm çözünen atomlar α tek fazlı katı eriyik içinde çözünür. Hızlı soğutma: Solvus çizgisi (çözünürlük sınır eğrisi) hızla geçilerek çözünürlük sınırı aşılır. Bu durumda T 1 sıcaklığında yarı-dengeli aşırı doymuş katı eriyik elde edilir. Bu sıcaklıkta denge fazları α+β dır. Fakat, difüzyonun sınırlı olması β fazının oluşumunu engeller. Yaşlandırma: Aşırı doymuş katı eriyiğin, difüzyonun yeterli olduğu T 2 sıcaklığına ısıtılması suretiyle β fazı küçük parçacıklar şeklinde zamanla çökelmeye başlar. Yani yaşlanma olur. 11 Al-%4 Cu alaşımının çökelme sertleşmesi Aşağıdaki şekilde Al-Cu faz diyagramı kısmen Katı çözelti görülmektedir. Al-%4Cu alaşımı çökelme sertleşmesi için uygun bir bileşim olup oda sıcaklığında alaşımda α ve θ fazları bulunmaktadır. Bu alaşımda çökelme sertleşmesi için ısıl işlem sırasışöyledir. A sıcaklığında (ör. 540 C) çözeltiye alma işlemi 540 C uygulanır. Bu işlem uygulanmış alaşıma su verilir (B: Oda sıcaklığı). Çözeltiye alma ve su verme işlemlerinden sonra, alaşım 130-200 C arasında (C 20 C sıcaklığı) değişik sürelerde yapay olarak yaşlandırılır. Yandaki şekilde çökelme işlemi sırasında oluşan mikroyapılarşematik olarak görülmektedir. Çökelme sertleşmesi işlem kademeleri, mikroyapıları ve çekme değerleri 200 C 1 saat >1 saat sıvı Su verilmiş katı çözelti ÇD=240 Mpa Uzama=%40 yaşlandırılmış (mikron altı çökelti oluşumu başlamış) ÇD=415 Mpa Aşırı yaşlanmış (büyümüş θ çökeltileri) ÇD=170 Mpa Uzama=%20 Uzama=20 Çökelme serleşmesi için gerekli bileşim aralığı 540 C de tavlanmış yapı yavaş soğutulursa tane sınırlarında θ çökeltileri oluşur. ÇD=170, Uzama=%15 12 6

Al-%4Cu alaşımında yaşlanma sonucu meydana gelen yapılar ve mekanik özellikler Dayanım veya sertlik Al atomu GP 1 Bölgesi Log yaşlanma zamanı Cu atomu θ faz parçacığı Kafes çarpılması var Aşırı yaşlanma θ faz parçacığı Kafes çarpılması yok Yandaki şekilde, çökelme sertleşmesi gösteren Al- Cu(%4) alaşımının oda sıcaklığı dayanım ve sertlik değerlerinin sabit bir sıcaklıkta yaşlandırma zamanı ile değişimi görülmektedir. Artan zaman ile mukavemet önce artar, yüksek bir değere erişir ve sonra azalır. Uzun süre sonra mukavemet değerlerindeki azalma aşırı yaşlanma sonucu oluşur. Al-%4Cu alaşımının yaşlanması sırasında önce küçük disk şeklinde GP1 bölgeleri (1-2 atom kalınlık, 25 atom çap) Cu atomu kümeleşmesi sonucu oluşur. Zamanla Cu atomu difüzyonu ile bu bölgeler büyüyerek sırasıyla θ (GP2 bölgesi de denir) ve θ geçiş fazları meydana geldikten sonra denge θ çökelti parçacıkları ortaya çıkar. Yandaki şekle bakıldığında maksimum mukavemet θ geçiş fazına tekabül etmektedir. Bu fazda çökelen parçacık ile matris arasında ve parçacık içinde kafes çarpılmaları en yüksek düzeydedir. Kafes çarpılmaları, plastik deformasyon sırasında dislokasyonların hareketini engelleyerek mukavemette artışa neden olur. Kafes çarpılmaları, aşırı yaşlanma ile azalır ve θ denge fazında tamamen kaybolur. Kaymaya karşı direnç azaldığından mukavemette düşüş olur. 13 Demir dışı alaşımlar ve kullanım yerleri Aluminyum alaşı şımlarının n mühendislik m özellikleri: Alüminyum, düşük yoğunluğu (2.70 gr/cm 3 ) nedeniyle özellikle taşıt parçaları yapımında tercih edilir. Yüzeyinde meydana gelen sağlam oksit filmi nedeniyle, iyi korozyon direnci gösterir. Saf aluminyuma alaşım elementleri ilave ederek dayanımı 690 MPa ya çıkarılabilir. Alüminyum, yiyecek kutularında ve paketlemede yaygın olarak kullanılır. Bakır r alaşı şımları: Bakır, gerek alaşımsız durumda, gerekse de diğer elementler katılarak alaşımlı durumda yaygın olarak kullanılan mühendislik metalidir. Alaşımsız bakır: yüksek iletkenliği nedeniyle büyük çapta elektrik sanayinde kullanılır. Cu-Zn alaşımları (pirinç): Pirinçler %5-%40 oranında Zn içeren bakır alaşımlarıdır. Tavlanmış durumda orta dayanımdadır (234-374 MPa) ve soğuk işlenerek dayanımları artırılabilir. Kullanım yerleri arasında kilitler, anahtarlar, mermi parçaları, vidalar, pimler vs sayılabilir. Cu-Sn alaşımları (tunç): Bu alaşımlar bakıra katı çözelti sertleşmesi elde edebilmek amacıyla %1-10 Sn katılarak elde edilir. Yataklar, bilezikler, vana parçaları, dişliler kullanım yerleri arasındadır. Cu-Be alaşımları: Bu alaşımlar, %0.6-2 Be ve %0.2-2.5 Co içerir. Çökeltili sertleşebilen bu alaşımlarda ısıl işlem ve soğuk işlemle 1460 MPa dayanıma ulaşılabilir ki bakır alaşımlarında en yüksek değerdir. Kullanım yerleri arasında yaylar, merdane pimleri, kaynak cihazı parçaları sayılabilir. Magnezyum alaşı şımları: Magnezyum hafif bir metal olup (yoğunluk=1.74 g/cm 3 ) düşük yoğunlukta metal gerektiren uygulamalarda alüminyumla rekabet eder. Düşük yoğunlukları nedeniyle uçak sanayinde ve el aletlerinde kullanılmaktadır. Fakat, magnezyum ve alaşımlarının, yaygın kullanımlarını engelleyen birçok istenmeyen tarafları da vardır. Öncelikle, magnezyum aluminyumdan pahalıdır. Magnezyum havayla temas ettiğinde yandığı için dökümü nispeten daha zordur. Magnezyum alaşımları, aynı zamanda düşük dayanıma (200-300 Mpa), düşük sürünme ve aşınma direncine sahiptir. Magnezyumun oda sıcaklığında şekil değiştirmesi güçtür. Çünkü magnezyum SDH (sıkı düzen hegzagonal) kristal yapısında olduğundan üç kayma sistemine sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda magnezyumun taban kayma düzlemlerinden başka kayma mekanizmaları devreye girdiğinden Mg alaşımları soğuk işlenmez, sıcak veya ılık işlenir. Aluminyum ve çinko katı çözelti sertleşmesi ile magnezyumun dayanımını artırır. Soğuk işlenmelerindeki güçlük nedeniyle, yapı elemanlarında kullanılan magnezyum alaşımlarının çoğu dökümle elde edilir. Titanyum alaşı şımları: Nispeten hafif bir metal olan titanyum (yoğunluk=4.54 gr/cm 3 ), hayli pahalı olmasına rağmen yüksek dayanımı (%99 Ti için 662 MPa) nedeniyle, uçak ve uzay sanayinde Al alaşımlarıyla rekabet edebilmektedir. Ti metali oda sıcaklığında SDH krstal yapıya sahiptir. Ti-6Al-4V alaşımı yüksek dayanım ve işlenebilirlik özelliklerini bir arada taşıdığından en yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımıdır. Bu alaşımın çözelti ısıl işlemi görmüş ve yaşlandırılmış durumdaki çekme dayanımı 1170 MPa ya ulaşmaktadır. Bu alaşım, örneğin uçak gaz türbin motorlarında disk ve kanat olarak kullanıldığı gibi kimyasal işlem cihazlarında da 14 kullanılmaktadır. 7

Nikel, yüksek sıcaklıkta korozyon ve oksitlenmeye karşı mükemmel direnciyle önemli bir mühendislik malzemesidir. Nikelin YMK yapısı ona yüksek şekillendirilebilirlik vermekte fakat nispeten pahalı olması ve yüksek yoğunluğu (8.9g/cm 3 ) kullanılmasını sınırlamaktadır. Nikel asıllı süper alaşımlar yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve yüksek oksitlenme direncine sahip ve sürünme dirençli alaşımları gerektiren gaz türbini parçaları üretiminde kullanılmaktadır. Nikel asıllı süper alaşımların çoğu yaklaşık %50-60 Ni, %15-20 Cr ve %15-20 Co içerir. Çökelme sertleşmesi için az miktarda Al (%1-4) ve Ti (%1-4) de katılır. Nikel asıllı süper alaşımlar esas olarak üç ana faza sahiptir: (1) γ ostenit fazı, (2) gamma üstü (γ ) adı verilen Ni 3 Al ve Ni 3 Ti çökelti fazları, (3) karbür parçacıkları (%0.01-0.04 C katılmasıyla). γ bu alaşımlarda dislokasyonların gerilme altındaki hareketlerini güçleştirerek yüksek sıcaklık dayanımını artırır, karbürler ise yüksek sıcaklıklarda tane sınırı kararlılığını sağlar. Yandaki şekilde, sol üstteki kaba mikroyapı döküm yapısı olup ısıl işlemle bu mikroyapı değiştirilebilir ve γ ostenit matrisde küpsü ve ince gama üstü parçacıkları elde edilir (en sağdaki mikroyapılar). Nikel alaşımları Döküm yapısı Ni asıllı süper alaşım mikroyapıları Türbin motorunda Ti ve Ni alaşımları kullanım yerleri İnce küpsü γ parçacıkları ısıl işlem uygulanmış yapılar (çözeltiye alma+yaşlandırma) 15 Metal malzeme kullanan mühendislik tasarımları için malzeme seçimi Mühendislik tasarımlarında metal malzeme kullanmak bugün önemli olduğu gibi gelecekte de önemini koruyacaktır. Bunun başlıca nedeni metallerin aşağıdaki özelliklere sahip olmasıdır. Orta dayanım, iyi süneklik, şekillendirilebilirlik ve kolay kaynaklanabilirlik (çok düşük karbonlu sac çelikleri) Ortadan yükseğe dayanım ve yeterli tokluk, süneklik (düşükten orta karbonluya kadar sade karbonlu çelikler ve düşük alaşımlı çelikler). Düşük yoğunluk, yeterli dayanım ve iyi korozyon (yenim) direnci (aluminyum ve alaşımları) İyi elektrik ve ısı iletim, şekillendirilebilirlik, birleştirilebilirlik ve korozyon direnci (bakır ve alaşımları) İyi dökülebilirlik, yeterli dayanım, iyi aşınma dayanımı ve düşük maliyet (dökme demirler) Mükemmel korozyon direnci, iyi dayanım, yeterli süneklik (paslanmaz çelik) Yüksek dayanım, nispeten düşük yoğunluk ve iyi korozyon dayanımı (titanyum ve alaşımları) İyi dayanım, yüksek sıcaklıkta oksitlenme ve korozyon direnci (nikel ve kobalt asıllı alaşımlar) Düşük yoğunluk, yeterli dayanım ve süneklik (magnezyum alaşımları) Yukarıdaki liste tüm metalleri kapsamamakta, sadece metal malzemelerin önemli bazı özelliklerine değinmektedir. Bir mühendislik tasarımında kullanılacak metal malzemeye henüz karar verilmemişse, başlangıç noktası olarak metal malzemelerin uygulama alanlarına göz atılması önerilebilir. Maliyet malzeme seçiminde önemli bir etmendir. 16 8