DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI

MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME BİLİMİ Demir, Çelik ve Dökme Demir Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Saf demire teknolojik özellik kazandıran karbon dur. Saf demir in Yoğunluğu: 7,8 g/cm3 Sertliği: 60 HB Akma mukavemeti: 10 dan/mm2 Çekme mukavemeti: 20 dan/mm2 Kopma uzaması: %50 Kesit daralması: %80 Saf demir mukavemetinin düşük olması nedeniyle teknolojik öneme sahip değildir. Saf karbonun da mukavemeti düşüktür. Tek başına önemli bir malzeme değildir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Demirle karbon bir araya getirilirse bu ikiliden ÇELİK ve DÖKME DEMİR adında iki yeni mekanik özellikleri farklı alaşımlar meydana getirilir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI ÇELİK NEDİR? Demir- karbon alaşımının içinde; max. %2 ye kadar KARBON %1 MANGAN %0,5 SİLİSYUM %0,05 den az KÜKÜRT ve FOSFOR varsa bu malzemeye çelik denir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI DÖKME DEMİR NEDİR? Karbon (C) oranı %2 den fazla olan demir-karbon alaşımına DÖKME DEMİR denir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Yapı içeresindeki KARBON; soğuma şartlarına ve yapıdaki MANGAN ve SİLİSYUM oranlarına bağlı olarak farklı oluşumlar şeklinde bulunur. Şayet; %Si miktarı fazla ve soğuma yavaş yapılırsa karbon, demirin içerisindeki yapıda GRAFİT şeklindedir. Karbon yapıda bağımsız bulunur. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Demir içinde karbon grafit şeklinde dağılırsa, dövülebilen yumuşak dökme demir elde edilir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

Şayet; %Mangan fazla ve soğuma hızlı yapılırsa; karbon demire bağlı olarak (Fe3C) DEMİR SEMENTİT şeklinde oluşacaktır. Bu yapı yarı dengeli halde olacaktır. DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Hem Sementit hem de Grafit yapı "DEMİR-KARBON DENGE DİYAGRAMI olarak ele alınır. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Fe-C Denge diyagramı dikkatle incelenirse; Yatay eksen, erimiş demir içinde %C oranını, Düşey eksen, gittikçe artan sıcaklığı göstermektedir. Yatay eksende karbon en fazla %6,67 ye kadar olabilmektedir. Tam bu noktada iç yapı %100 sementit Fe3C dir. %4,5 C dan sonraki yapının teknolojik önemi yoktur. Düşey eksende de sıcaklık artıkça, yatay eksende karbon oranı değiştikçe her bölgede İÇYAPI lar değişmektedir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Çelik ve dökme demirler mikroskop altında incelenirse; önce saf demirin ısıtılması ve katılaşması sonucu sıcaklığa bağlı olarak saf demirin hangi kristal yapılara dönüştüğü yandaki şekilden görülebilir. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Üç önemli temel yapı mevcuttur. Ferrit, östenit, sementit Ferrit yapı nedir? α-demiri olarak bilinir. Kristal kafes yapısı HMK şeklindedir. C atomları Fe atomları arasında az miktarda yeralan atomlar olarak bulunur. Demir-karbon denge diyagramının en yumuşak yapısıdır. Tokluğu düşüktür, uzaması %40 a kadar varır. İç yapısı üstteki gibi görünür. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Östenit yapı nedir? Demirin yüzey merkezli kübik halidir. g-demiri olarak bilinir. İç yapısı şekildeki gibidir. Tokluğu yüksektir. Sertliği 40 RC civarındadır. C nun yapı içerisinde katı arayer atomu olarak çok miktarda bulunduğu yapıdır. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Sementit (Fe3 C) yapı ne demektir? Demir karbid olarak bilinir. Maksimum %6,67 C ihtiva eder. Oldukça sert ve gevrek bir yapısı vardır. Çekme mukavemeti düşük ama basma mukavemeti yüksektir. Çeliğin sert olmasını sağlar. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI %C(sementit) C 3xFe C 12 3x55 12 6.67 Sementit; demir karbon faz diyagramında metallerarası bir bileşiktir. Pratikte Fe-C diyagramında sementite kadar olan bölge önemlidir. Sementit; %6,67 C konsantrasyonuna sahiptir. Atom ağrılıkları dikkate alındığında; Fe:56, C:12.

Beynit yapı ne demektir? Karbon ve sementit e doymuş a-ferrit karışımıdır. Perlit yapıdan pek farklı bir yapıdır. Daha serttir. İğne şeklinde tane yapısına sahiptir. İlk soğutma hızlı, sonra yavaş olması halinde bu yapı oluşur. DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Martenzit yapı ne demektir? Östenit ve karbonun yarı-kararlı versiyonudur. Kristal kafes yapısı, g bölgesindeki YMK yapıdan çarpık tetragonal yapıya dönüşmüştür. Çok sert ve kırılgan bir yapısı vardır. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Fe-C denge diyagramındaki tüm iç yapıların bir arada gösterimi Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Demir-Karbon Denge Diyagramında çok önemli 2 nokta vardır. 1. Ötektik nokta 2. Ötektoid nokta Ötektik Nokta Nedir? Bu noktada tek olan sıvı fazı, iki ayrı katı faza dönüşmüştür. Bu nokta C nu %4,3 olan, sıcaklığı da 1147 C olan noktadır. (Lederburit yapı-sert ve gevrektir) Ötektik reaksiyon; sıvı fazın ani olarak iki ayrı katı faza dönüşmesi reaksiyonudur. Sıvı Soğuma (Katı) + (Katı) Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Lederbürit Yapı Ne Demektir? Lederburite, ötektik noktadaki iç yapının adıdır. Östenit (g) + Sementit (Fe3C) ten oluşmuştur. Bir nevi çelik ile dökme demir arasına çizgi çekilmiş yerdedir. Oda sıcaklığında pek görülmez. Lederbürit yapı (sert ve gevrek) Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Siyahlar sementit (Fe3C), beyazlar ferritik (a-fe) yapılardır. Perlit = a-fe + Fe3C Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

+ + Perlit %100 Perlit γ +Fe 3 C Perlit +Fe 3 C Otektoit Bileşim

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Dönüşüm sıcaklıkları (A 1, A 3, A cm ) A 1 : Isıtırken östenitin oluşmaya başladığı sıcaklık A 3 : Ötektoid altı çeliklerde ısıtırken ferrit in ostenit e dönüşümünü tamamladığı sıcaklık A cm : Ötektoid üstü çeliklerde, ısıtırken sementit in ostenite dönüşümün tamamlandığı sıcaklıktır. Kaynak: Prof. Dr. İRFAN AY / Öğr. Gör. FAHRETTİN KAPUSUZ; DEMİDEMİR-KARBON (Fe-C) DENGE DİYAGRAMI

ÇELİK İÇİN ÖNEMLİ SICAKLIKLAR A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769 o C). 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) A 3 + A cm A 1 +Fe 3 C +Fe 3 C

DEMİR SEMENTİT FAZ DİYAGRAMI +S (ostenit) +S 1148 o C S T ötektik Sementit : Fe 3 C Ferrit : Perlit : + Fe 3 C Ostenit: Delta demir: Ledeburit. Perlit Ledeburit T ötektoid Çelik Dökme demir %C: ağırlık olarak

Fe/Fe3C FAZ DİYAGRAMI Sıcaklık ( o C) 1148 o C T ötektik T ötektoid Fe 3 C: Sementit : Ferrit : Ostenit : Delta demir %C: ağırlık olarak

DEMİR KARBON FAZ DİYAGRAMI Sıcaklık ( o C) T ötektik T ötektoid Fe 3 C: Sementit : Ferrit : Ostenit %C: ağırlık olarak

ÖRNEK 1150 o C, 920 o C, 750 o C, 450 o C ve 300 o C lerde yatay çizgiler vardır. 1150 o C: δ + L γ, peritektik 920 o C: L 1 γ + L 2 a monotektik 750 o C: L γ + β, a ötektik 450 o C: γ α + β, a ötektoid 300 o C: α + β μ or a peritektoid

ÇELİK Çelik; %2 ye kadar C içeren demir alaşımına verilen isimdir. Otektoit çelik; %0,8 C içeren çeliğe ötektoit çelik adı verilir. Bu kompozisyonun altındaki çeliklere ötektoit altı çelikler (C oranı < %0,8), bu bileşimden daha fazla C içeren çeliklere ötektoid üstü çelikler (C oranı > %0,8) adı verilir. C oranının %2 yi geçmesi durumunda malzeme artık çelik olarak değil, dökme demir (cast iron) olarak adlandırılır.

ÇELİK Perlit: Ötektoit reaksiyon sonrası -Fe ve Fe 3 C tarafından oluşturulan özel yapıya verilen isimdir. C miktarı %0,8 iken (ötektoit çelik) %100 perlitik yapı elde edilir. C miktarı sıfıra doğru azaldıkça, perlit azalır, ferrit ( -Fe) artar. C miktarı %0,8 in üzerinde arttıkça, perlit miktarı azalır, sementit miktarı artar. (ferrit) taneleri (Açık renk) Sementit taneleri (Koyu renk)

I II III I II III + 1 2 3 4 Perlit 1 2 1 2 3 4 +Fe 3 C Sementit 5 3 5 Otektoit Bileşim Perlit Perlit

DÖKME DEMİR 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: BDD in 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 ( +Fe 3 C) 1 Sıvı +S 1 2 S 3 +Fe 3 C S+Fe 3 C Ledeburit 2 3 Ötektik öncesi Ötektik +Fe 3 C 4 Dönüşmüş Ledeburit 4 Ötektik Fe 3 C Ötektoit Perlit Dökme demir Ötektik Fe 3 C

KIR DÖKME DEMİR Sıvı fazdan çok yavaş soğuma ile karbon difüzyonla bir araya toplanarak lamelli bir yapı oluşturur. Ferritik kır dökme demir : Çok yavaş soğuma hızı. Ferritik-perlitik kır dökme demir : Biraz daha hızlı olması durumunda. Perlitik kır dökme demir: Daha hızlı olması durumunda 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 Perlit Artan Soğuma Hızı

KIR DÖKME DEMİR 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 basmaya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Lameller

TEMPER VE KÜRESEL GRAFİTLİ DD Lamellerin mekanik özelliklere olumsuz etkisini ortadan kaldırmak amacıyla grafitlerdeki keskin kenarları ortadan kaldırmak amacıyla bazı işlemlere tabi tutulur.

TEMPER DÖKME DEMİR (TDD) Temper DD: Hızlı soğuma ile elde edilen beyaz dökme demir yaklaşık 950 o C 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 Artan Soğuma Hızı Ferritik-Perlitik TDD Perlit

KÜRESEL DÖKME DEMİR (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 Perlit Artan Soğuma Hızı