FAZ DİYAGRAMLARI Malzeme özellikleri görmüş oldukları termomekanik işlemlerin sonucunda oluşan içyapılarına bağlıdır. Faz diyagramları mühendislerin içyapı değişikliği için uygulayacakları ısıl işlemin tasarımı ve kontrolüne yardımcı olduğundan önemlidir. Ayrıca alaşımlara ait ergitme, döküm, kristalleşme gibi olaylarla ilgili değerli bilgiler içerirler. TEMEL KAVRAMLAR: Bileşen bir alaşımı oluşturan saf metal ve/veya bileşikleri ifade eder. Örneğin, pirinç alaşımında bileşenler bakır (Cu) ve çinko (Zn) dir. Bileşenlerden biri çözen diğeri çözünen olarak da ifade edilebilir. Katı çözeltide çözünen atomların çözen kafes içinde erişebileceği üst konsantrasyon (doyma) değeri sıcaklığa bağlı olup buna çözünürlük sınırı denir. Faz, bir sistemin (malzemenin sahip olduğu özel durum veya kimyasal bileşimden bağımsız olarak aynı alaşım elementleri tarafından oluşturulan olası alaşımlar, örneğin Fe-C sistemi) homojen fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren parçasıdır. Saf malzemeler ve katı/sıvı/gaz çözeltiler birer fazdır. Örneğin, çözünürlük sınırı aşılmış bir şeker-su çözeltisinde şerbet bir faz, katı şeker ise diğer bir faz olarak düşünülür. bir sistemde iki farklı faz bulunuyorsa, fazlar arasında fiziksel veya kimyasal özelliklerin ani olarak değiştiği faz sınırları bulunur. Örneğin, buzlu su kimyasal özellikleri aynı fiziksel özellikleri farklı iki fazlı bir sistemdir. Faz dengesi bir sisteme ait faz özelliklerinin zamanla değişmediği anlamına gelir. Örneğin, kapalı kapta 20 o C sıcaklıkta bulunan doymuş bir şeker-su çözeltisinde (% 63 şeker ve % 30 sudan oluşan) şerbet ve katı şeker birlikte bulunur ve sistem dengededir. Eğer sıcaklık arttırılırsa bir miktar katı şeker daha çözünerek yeni denge konumuna gelir. Özellikle katı sistemlerde denge haline ulaşma hızı çok yavaş olup çoğu zaman denge haline ulaşmak mümkün olmayabilir. Isıl işlemlerde çok karşılaşılan bu tip sistemlere yarı kararlı (meta stabil) sistemler denir. FAZ DİYAGRAMLARI: Fazların oluşum ve dönüşümünde ana etken enerji içeriği olup sistemler enerjilerini düşürerek denge haline gelmeye çalışırlar. Burada sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim temel parametrelerdir. Faz (denge) diyagramları ile bir sistemde oluşacak fazların türü, bileşimi, miktarı ve içyapılar belirlenebilir. Saf maddeleri ifade eden tek bileşenli sistemlerde sıcaklık ve basınca bağlı olarak fiziksel durum değişimleri görülür. Bu diyagramlardaki çizgiler faz sınırlarını ifade eder.
İkili faz diyagramları alaşımların bulundukları sıcaklıkta ve sahip oldukları kimyasal bileşimde içyapılarında denge halinde bulunan fazlar, bu fazların mikroyapıya dağılım oranı ve fazların kimyasal bileşimleri hakkında bilgiler içeren haritalardır. İKİLİ İZOMORFİK SİSTEMLER: Birbiri içinde tam çözünürlüğe sahip elementlerin oluşturduğu ikili izomorfik sistemlere ait 1 atm sabit basınçta scaklık ve kimyasal bileşim değişkenlerine sahip diyagramlar yaygın olup, anlaşılması ve yorumlanması kolaydır. Her ikisi de YMK kristal yapılı, atom yarıçapları ve elektronegatiflikleri yakın ve valans özellikleri benzer olduğundan birbirleri içinde tamamen çözünebilen bakır (Cu) ve nikel (Ni) bu tip diyagramlara iyi bir örnektir. Saf bakırın ergime sıcaklığı 1085 o C, saf nikelin ergime sıcaklığı ise 1455 o C dir. Diyagramda % 45 nikel, % 55 bakır içeren 1270 o C deki alaşım B noktasıyla gösterilmiş olup katı ve sıvı fazlar dengededir. Bu noktadan çizilen yatay eş sıcaklık doğrusunun likidüs çizgisini kestiği noktanın yataydaki izdüşümü (% 37) sıvı fazdaki Ni konsantrasyonunu, solidüs çizgisini kestiği noktanın yataydaki izdüşümü ise (% 50) katı fazdaki Ni konsantrasyonunu verir. Diyagramda % 45 nikel, % 55 bakır içeren 1050 o C deki alaşım ise sadece katı faz içerir. Bu diyagramda B noktasına ait eş sıcaklık doğrusunun likidüs çizgisini kestiği noktanın yatay izdüşümü ( ) sıvı fazdaki Ni konsantrasyonunu, solidüs çizgisini C s kestiği noktanın yatay izdüşümü (C ) katı fazdaki Ni konsantrasyonunu ve B noktasının yatay izdüşümü ( ) ise toplam Ni konsantrasyonunu verir. Buna göre sıvı fazın ağırlık oranı; S C C o WS R S C C S C o şeklinde, katı ( ) fazın ağırlık oranı ise; R C C o S W R S C C S şeklinde hesaplanır.
ve fazlarından oluşan bir sistemde fazların hacimsel oranları ( V V 1 olmak üzere) ise sırasıyla; V W W W ve V W W W şeklinde hesaplanır. Benzer şekilde ağırlık oranları da sırasıyla; V * W V * V * V * ve W V * V * şeklinde hesaplanır. İzomorfik Cu-Ni alaşımının 1300 o C sıcaklıktan dengeli yani çok yavaş soğutulması durumunda a noktası tamamen sıvı fazda ağırlıkça % 35 Ni ve % 65 Cu içeren bileşime sahiptir ve likidüs çizgisine yani b noktasına kadar yapı ve bileşim değişmez. Yaklaşık 1260 o C deki b noktasında ağırlıkça % 46 Ni ve % 54 Cu içeren ilk katı faz oluşmaya başlar ancak sıvı fazda bileşim yaklaşık % 35 Ni ve % 65 Cu oranını korur. Devam eden soğumayla birlikte her bir fazın oranı ve bileşimi değişmeye başlar. 1250 o C deki c noktasında sıvı faz ağırlıkça % 32 Ni ve % 68 Cu içermekte, katı faz ise ağırlıkça % 43 Ni ve % 57 Cu içermektedir. Yaklaşık 1220 o C de katılaşma tamamlanırken son sıvı faz ağırlıkça % 24 Ni ve % 76 Cu bileşimindedir. e noktasında ise tamamen katı faz bulunduğundan bu faz doğal olarak % 35 Ni ve % 65 Cu içermektedir. Birbirini sınırlı oranda çözen bileşenlerden oluşan sistemlerin belirli bir bileşimdeki alaşımları sabit sıcaklıkta katılaşırken ötektik reaksiyon sonucu sıvı faz aynı anda iki ayrı kata faza dönüşür. Bu duruma ilk örnek bileşenlerinin diğer atomu kendi kafesine almadığı tam çözünmezlik için verilebilir.
TAM ÇÖZÜNMEZ ÖTEKTİK SİSTEMLER: Düşük sıcaklıklarda iki faz içyapıda ayrı ayrı bulunur. Diyagrama adını veren ötektik nokta, soğuma sırasında sıvı fazın sabit sıcaklıkta iki katı faza dönüştüğü noktadır. SINIRLI ÇÖZÜNÜR ÖTEKTİK SİSTEMLER: Alaşımlarda en yaygın görülen durum sınırlı çözünürlüktür. Her iki bileşen belirli oranlarda diğer bileşen atomlarını kafesi içinde çözebilir. Şekilde bakır (Cu) ile gümüş (Ag) alaşımının ötektik faz diyagramı görülmektedir. Burada fazı Cu atomunca zengin olup içinde bir miktar Ag atomu bulunmaktadır. fazı ise Ag atomunca zengin olup içinde bir miktar Cu atomu bulunmaktadır. A ve B bileşenlerinden oluşan sistemde A ve B birbiri içinde çözünmediğinden katılaşma her iki bileşen için ayrı ayrı gerçekleşmekte ve fazlar ayrı ayrı oluşmaktadır. Katılaşmanın tamamlandığı sıcaklık ötektik sıcaklık ve bu bileşim de ötektik bileşim olarak adlandırılır. Ötektik yapılar ince taneli olup fazlar yan yana istiflenir ve mekanik özellikleri iyidir. ÖTEKTOİD SİSTEMLER: Ötektik sistemlere benzer olmakla birlikte ötektoid sıcaklıkta bir katı çözelti iki ayrı faza ayrışır. PERİTEKTİK SİSTEMLER: Sabit bir sıcaklıkta biri sıvı olan iki faz reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluşturur. PERİTEKTOİD SİSTEMLER: Sabit bir sıcaklıkta iki katı faz reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluşturur.
GIBBS FAZ KANUNU: Faz diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan esaslar ve fazların denge durumuna ait prensipler termodinamik kanunlarına dayanır. Gibbs faz kuralı sistemde dengede bulunan fazların sayısını belirlemekte kullanılır ve basitçe; P F C N şeklinde ifade edilir. Burada; P, sistemde bulunan faz sayısını; F, sistemin serbestlik derecesini yani dışarıdan kontrol edilebilen değişken sayısını (basınç, sıcaklık, kimyasal bileşim); C, bileşen sayısını ve N ise kimyasal bileşim dışında kalan değişkenlerin sayısını ifade eder. İkili izomorfik Cu-Ni sistemi örnek verilecek olursa, sabit 1 atm basınç söz konusu olduğu için kimyasal bileşim dışında kalan tek değişken sıcaklık olduğundan P F C 1, sistem iki bileşenden oluştuğundan P F 2 1 3, yani F 3 P yazılabilir. Buna göre tek fazlı bölgelerde alaşımın özelliklerini tanımlayabilmek için 2 (sıcaklık ve kimyasal bileşim), iki fazlı bölgelerde ise 1 (sıcaklık veya kimyasal bileşim) parametrenin bilinmesi gerekir. DEMİR KARBON SİSTEMİ: Demir karbon alaşımı olan dökme demir ve çelikler en yaygın kullanılan mühendislik malzemeleri olması nedeniyle Fe-C faz diyagramı önem arz etmektedir. Saf demir ısıtıldığında ergimeden önce iki kez kristal yapı değişikliğine uğrar. Oda sıcaklığında HMK yapılı demiri (ferrit) iken, 912 o C üzerine çıkıldığında YMK yapılı demirine (ostenit) dönüşür. 1394 o C üzerine çıkıldığında ise HMK yapılı demirine (ferrit) dönüşerek 1538 o C üzerinde sıvı faza dönüşür. Bu durum daha önce bahsedildiği üzere allotropi olarak bilinir. Fe-C faz diyagramı yatay ekseninde karbon oranı (% 100 sementite karşılık gelecek şekilde) maksimum % 6,67 olarak belirtilir. Yaklaşık % 2 nin altında karbon içeren sistemler çelik, % 2 nin üzerinde karbon içeren sistemler ise dökme demir olarak adlandırılır. Çeliklerin içyapısında bulunan karbon uygulamadaki soğuma hızlarında demir karbür (sementit: Fe3C ) fazında bulunduğundan faz diyagramına demirsementit ( Fe - Fe3C ) diyagramı da denir. Karbon, demir içinde bir arayer elementi olup -ferrit, -ferrit ve -ostenit fazlarıyla katı çözeltiler oluşturur. HMK yapılı -ferrit içinde karbonun çözünürlüğü oldukça düşük olup 727 o C de en fazla % 0,022 C çözünür. Ostenit fazının en fazla C çözünürlüğü ise 1147 o C de % 2,14 oranındadır. Bu büyük çözünürlük farkının ana nedeni YMK kafesin HMK kafese göre daha büyük boyutlu olmasıdır. -ferrit sadece çok yüksek sıcaklıklarda denge konumunda bulunduğundan teknik açıdan fazla önem arz etmez. Sementit fazı çok sert ve gevrek olduğundan çeliklerin dayanımını artıran temel unsurdur. Dökme demirler uygulamada % 2,14 ile % 4,5 arasında C içerirler. % 0,022 ile % 0,76 arasında C içeren ve ötektoid noktanın solunda bulunan çelikler ötektoid altı, % 0,76 ile % 2,14 arasında C içeren ve ötektoid noktanın sağında bulunan çelikler ötektoid üstü olarak adlandırılır.
SORU: Ağırlıkça % 40 kalay (Sn) ve % 60 kurşun (Pb) içeren bir lehim alaşımının 150 o C de hangi fazları içerdiğini belirleyerek fazların bileşimlerini ile kütlesel ve hacimsel oranlarını hesaplayınız. 150 o C de kurşunun yoğunluğu 11,23 gr/cm 3, kalayın yoğunluğu 7,24 11,23 gr/cm 3 olarak verilmiştir. Fazların hacimsel oranlarını belirlemek için öncelikle fazların yoğunluklarının belirlenmesi gerekir. 100 100 10,59 gr / cm CSn( ) CPb( ) 11 89 7,24 11,23 Sn Pb 3 100 100 7,29 gr / cm CSn( ) CPb( ) 98 2 7,24 11,23 Sn Pb 3 Buna göre fazların hacimsel oranları; V V W 0,67 10,59 0,58 W W 0, 67 0,33 10,59 7, 29 W 0,33 7,29 0,42 W W 0, 67 0,33 10,59 7, 29 Şekle göre B noktasında ve fazları bulunmaktadır. Bağ çizgisinin yatay eksendeki izdüşümlerine göre fazının bileşimi % 11 Sn ve % 89 Pb, fazının bileşimi ise % 98 Sn ve % 2 Pb şeklindedir. Fazların kütlesel oranları; C C1 98 40 C1 C 40 11 W 0,67 ; W 0,33 C C 98 11 C C 98 11