SAU Fen Bi Jimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cilt,.Say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda Modellennesi R.Ymaz, F.Vatansever, H.Uzun Fe-F3C İKİLİ DENGE DİYAGRAMININ BİLGİSAYARDA MODELLENMESİ Ramazan YILMAZ,Fahri VATANSEVER, Hüseyin UZUN Özet - Bu makalede, demir-sementit (Fe-F3C) ikili denge diyagrann, üzerindeki faz oranlarn, mikroyapsn ve ayn zamanda kristal kafeslerini gösterebilen bir bilgisayar modellernesi yapld. Bu belirtilen paranetreler hakkndaki teorik bilgiler ve mikroyap fotoğraflar modelierne program içerisine yüklendi. Bu modelierne Delphi bilgisayar yazlm program kullanlarak yapld. Programn işleyişi başar ile gerçekleştirildi. Program yardmyla, Teknik ve Endüstri Meslek Liselerinde, Teknik Eğitim ve Mühendislik Fakültelerinin Malzeme Bilimi ders içeriği kapsam doğrultusunda, eğitim ve öğretim de başar ile uygulanabileceği umut edilmektedir. Anahtar kelimeler- Fe-F3C faz diyagran, bilgisayar modellenesi, Delphi Abstract - In this study, it is tried to develop a computer modelling, which is able to show iron-iron carbide diagram, percentages of the phases view of the microstructure and lattice structures. Theoretical information and microstructure photographs of the parameters which are mentioned above were loaded on this programme. The running of the medeliing w as performed successfully. lt is ho pe that it can be used in teaching of the materials sciences lectures in the technical collages, technical education and engineering faculties by this programme. Keywords- Fe-F3C phase diagrams, computer modelling, Delphi I. GİRİŞ. Içinde bulunduğumuz yüzyl, bilgi çağ olarak kabul edilmektedir. Günümüzde her işlev, bilgisayar kullan larak kolay laşhnlma ya çalşlmaktadr. Bilgisa yarn başar ile uygulandğ alanlardan birisi de eğitim-öğretimdir. Öğretim, oyun oynar gibi gerçeldeştirilmektedir. Oyunlar öğretime motivasyon icazandudğndan, temel dersler için bile bilgisayar yazlm programlar geliştirilmiştir. Teknik ve Endüstri \.Ylmaz, F.Vatansever, H. Uzun Sakarya Üniversitesi Teknik E tim :akültcsi, Esentepe Kampüsü-SAKARYA ryilmaz@sakarya.edu.tr, ahriv@sakarya.edu.tr, huzun@sakarya.edu.tr Meslek Liseleri, Teknik Eğitim ve Mühendişlik Fakültelerinin ilgili böümlerinde, Malzeme Bilgisi dersinin en önemli konularndan biri olan demirsementit ikili denge diyagrarn, teorik olarak faz ve dönüşümleri, sözlü anlatm ile verildiğinde, öğrenenler hayati önemi olan bu konuyu öğrenmekte zorlanabilmektedir. Hayatmzn her alanna giren bilgisayar neden eğitime girnesin ve öğrencilere öğrenmede yardmc olmasn diye düşünülen bir ortamda, bilgisayarn bu alana uzak kalmas imkanszdr. Milton Ohring [ ], Basic bilgisayar dilini kullanarak demir-sementit denge diyagram ile ilgili program, kullanclarn hizmetine sunmuştur. Delphi bilgisayar yazlm program, geliştirilmiş görsel bir program olmas itibanyla eğtimde de yararlanlabileceği düşünülmüştür. Bu makalede, Delphi bilgisayar yazlm progranu kullanlarak, denir-sementit denge diyagram üzerinde istenilen faz bölgesi mouse yardm ile tklanarak, bilgisayar ekrannda tklanan noktann içerdiği fazlar ve faz yüzdeleri, mikroyap ve kristal kafes yaps beraberce gözüknesi amaçlanmştr. Tklanan noktann hangi scaklkta ve ne kadar görülebilmektedir. karbon içerdiği ekranda Ayrca demir-senentit ikili denge diyagranun tantc teorik bilgiler kullanc ya sunulmuştur. Böylece bu ikili denge diyagram ve özelliklerinin kolay ve eğlenceli bir şekilde öğretilmesi ümit edilmektedir. II. DEMİR-SEMENTİT DENGE DİYAGRAMI VE TANIMLAMALAR Saf demir, çoğu mühendislik oluşturan bir metaldir ve alaşmlarnn temelini en önemli ahişm elementi karbondur. Karbon, demirin özelliklerini önemli oranlarda etkiler. Karbonun, demirle metaller aras bileşik (Fe3C) oluşturnasna ve tamamen karbonun serbest yani grafit halinde bulunmasna göre Fe- Fe3C ve Fe-C faz diyagramlar meydana gelir. Bu iki diyagram arasnda, sementitin (Fe3C) yerini grafit almas ve küçük baz eklenmeler dşnda temel reaksiyonlar bakmndan fark yoktur. Çelikler genellikle graftleşme gösternezler. Dolaysyla Fe-C diyagram özellikle dölane demirler için önem taşr. Endüstriyel amaçlar için kullanlan çelikierin içerdiği karbon oram çelikierin özelliklerini ve snflandrlmasn belirler. Demir-sementit denge 35
., n k d SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cilt, l.say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda ModeJie.m R. Y lmaz, F. Vatansever > H - Uz diyagramnda scaklk ve karbon miktarna bağl olarak ortaya çkan farkl bölgeleinde, ferrit ( a), sementit (Fe3C ), ostenit (y) ve ledeburit (y + Fe3C) yaplan vardr. Bu yaplarn özellikleri ile ilgili detayl bilgiler programn kendinde ve çeşitli literatürlerde mevcuttur [2-7]. Fe-F3C ikili sistemindeki faz dönüşümleri şu şekilde o lmaktadr: Peritektik Dönüşüm (Sv+ ô <=> y): Bu dönüşüm% O. 8 C içeren alaşnlsz çelikte 492 oc scaklkta meydana gelir. Ötektik dönüşüm (Sv <=> y +Fe3C): Bu dönüşüm % 4.3 içeren Fe-C alaşmnda 3 O oc scaklkta meydana gelen dönüşümdür. Ötektoid dönüşüm ( y <:::> a + Fe3C): % 0.80 C içen çelikte 723 oc scaklkta meydana gelen dönüşümdjir. Demir sementit denge diyagrarnnda herha ngi b scaklkta alaşmda bulunan fazlarn miktarlarm kaldn kural ile hesaplamak mümkündür. Bu kuralda r, miktarlarn hesaplamak için diyagranun en az iki r, içeren bölgesinde desteği olan bir bağ çizgisi oluşturulu Kaldracn bağ çizgisinin desteği, faz miktatla bulunmas arzulanan alaşmn yüzde karbon miktarn denk gelecek şekilde yerleştirilir. Şekil ' de soğuma esnasnda faz diyagram ile ilişb olarak, karbon oram farkl çeliklerde mikroyapl2n oluşumu şematik olarak gösterilmektedir 00,.---,----r----r--..,--- 000 y 900 A3,-.. u 800 o k '--" : a + - :..- 700 ka4l r i l - fzj 600 A :-7 27"C! soo a + Fe3C 400 o O. 8.0. 2 2.0 O. 5 % C Karbon miktar (% Ağrlk ) a. (a) (b) Ötektoid a (d).. ektoid öncesi a! (e) (f) Per/it (g) (h) (i) Şekil. Demir-sementit denge diyagramnda çeşitli scaklklara ait% 0.5 C (a, b, c, d) % 0.8 C (e, f), %.2 C (g, h, i) içeren çelikierin mikroyap Iannn şematik görüntüsü. 36
AU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi.Cilt, I.Sa)'l (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnm Bilgisayarda Modellennesi R.Ylmaz, F.Vatansever, H.Uzun ekil ' de görüldüğü gibi, o/o 0.5 C içeren bir ötektoid lh çelik, A3 dönüşüm scaklğnn üzerine stlrsa (a oktas), mikroyapda sadece ostenit kalr. A3 dönüşüm caklğnn hemen altna soğutulduğunda ferrit çökelir e ostenit tane snrlannda büyür (b noktas). Scaklk üşüşü 723 oc ulaşnca ya kadar, ferrit taneleri büyümeye evam eder (c noktas). Scaklk 723 oc nin altna üştüğü zaman, ötektoid reaksiyonla, bütün geri kalan stenit perlite dönüşür (d noktas). Son yap ferit ve ferrit ( a) ve perlit ementitten oluşan iki faz içerir ve a+ Fe3C) olarak gözüken iki mikroyap mevcuttur. Başla Faz diyagramnda nokta seç Nokta koordinatlarna göre faz diyagramndaki bölgeyi belirle o 0.8 karbon içeren bir çelik, 723 oc nin üstünde bir caklkta tamamen ostenit bir yapya sahiptir (e noktas). caklk 723 oc ' erlite dönüşür ( f noktas). nin altna düştüğünde, ostenit tamamen Dönüşüm srasnda karbon aneleri tane snrlarndan itibaren içeri doğru büyüyen ementit lamellerini oluşturacak şekilde bir araya gelerek, lamelierin aralannda karbonca fakir ferrit ölgeleri oluşur. Scaklğn, oda scaklğna düşmesiyle birlikte elmez. mikroyapda herhangi bir değişiklik meydana %.2 karbon içeren ötektoidüstü çelik, A4 dönüşüm scaklğnn üzerinde stlrsa (g noktas) mikroyap tanarn yla ostenitten oluşur. A4 dönüşüm scaklğnn hemen altnda soğutulduğunda, ilk çökelen faz olan Fe3C, ostenit tane snrlarnda oluşur (h noktas). Scaklk 723 oc nin altna düştüğü zaman, ostenitik faz perlitik yapya dönüşür. Böylece çelik, perlit adalarn kuşatan sert krlgan sementiti içerir (i noktas). Perlit adalarn çevreleyen sementit, ötektoid reaksiyon öncesi sementittir. Bu noktadan somaki soğuma ile mikroyapda değişme görülmez. Konu ile ilgili detayl bilgi hazrlanan bilgisayar Jrogrannn içinde vardr. III. BILGISAY AR PROGRAMI )emir-sementit ikili denge diyagram ile ilgili bilgisayar nodellemesi, Delphi program kullamlarak erçekleştirilmiştir. Yazlan program en az Pentium II şlemcili bilgisayarlarda Windows 95/98/2000/ME/XP şletim sistemleriyle uyumlu şekilde çalşmaktadr. Şekil, de programn akş şe mas verilmektedir. ekil 2 'de programa ait akş di ya gramnda da göüldüğü ibi, faz diyagramnda seçilen noktann, önce hangi ölgeye ait olduğu tespit edilmektedir. Bölge elidendikte n sonra, o noktadaki C ve Fe oranlan ile Jktann scaklğ belirlenmektedir. Daha sonra da ldraç metoduyla faz oranlar ve ait olduklar faz rumu bulunmaktadr. Belirlenen bölgeye ait hesaplama fonülleri ile oranlar hesapla Sonuçlar görüntü! e Dur Şekil 2. Programa ait akş şemas Ayn programda herhangi bir noktamn seçilmesi durumunda, hesaplamalan ve sonuçlar görüntüleyen alt program örnek olarak aşağda verilmiştir: procedure TForml.ImagelMouseDown(Sender:TObject; Button:TMouseButton; Shift:TShiftState; X, Y: Integer) ; if ((((X>=4) or (X<=57)) and (Y<=(47- S*(X-57)/4)))) and (((X<=57) or (X>=48)) and (Y>=47)) and (((X>=4) or (X<=48)) and (Y>=(46-9*(X-48)/7))) then begin LabellO.caption:='Delta Ferrit'; Labelll.caption:='Ostenit'; edit4.text:='delta Ferrit+Ostenit'; edit5.text:=floattostr((57- X} *00/6) i edit6.text:=floattostr(l00- strtofloat(edit5.text)) i gauge2.progress:=round(strtofloat(e dits.text)*loo/(strtofloat(edits.text)+str tofloat(edit6.text)}) i image3.visible:=false; film:='c:\fv\fil\cph.avi'i end; 37
SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cilt, l.say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda Modelernt R.Ylmaz, F.Vatansever, H- U. IV. ÖRNEK SUNUŞLAR VE İRDELEME Delphi programlama dili kullanlarak yaplan demirsementit denge diyagram ile ilgili program çalştrldğnda Şekil 3 'deki görüntü ekrana gelir. Görüntüdeki demir-sementit denge diyagram üzerindeki herhangi bir noktaya 'mouse' yardmyla klik yapldğnda, o noktadaki % karbon ve demir miktar ağrlk olarak ve noktann scaklk değeri oc olarak ekrann sağ alt köşesinde saysal ve dairesel grafk olarak yüzde oranlan belirir. Belirtilen noktann bulunduğu bölgedeki fazlar ve bunlann saysal ve dairesel grafk olarak yüzde oranlar ekrann orta alt ksmnda yerini almştr. Onun hemen yannda ise, ilgili bölgelerin metalografk yapsn gösteren fotoğraf görünecektir. Farkl bakş açsndan fazlar ve oranlan ise, ekramn en solunda gösterilir. Demir-sementit denge diyagrarmnda bulunan fazlar ve özellikleri, faz dönüşümleri, demirin allotropileri, kafes yaplar ve faz dönüşüm ve oranlarnn hesaplanmalar haklandaki bilgileri içeren konular, açklamalar bölümü altnda, ekramn sol üst köşesinde "açklamalar" yazan ksmnda belirtiinnştir. Onun hemen altnda ilgili noktadaki fazn kafes yapsn gösteren görüntü sürekli olarak dönen bir görüntü arz eder. Programn daha iyi bir şekilde açklanmas için birkaç örnek verilecektir. İlk olarak Şekil 4 'te verilen % 0.2 orannda C bulunan 723 oc deki çizginin altnda kalan bölge verilmiştir. Bu bölgede ferrit ve sementit fazlar bulunur [-7]. Bu bölgedeki ferrü otektoid öncesi ferrittir. Bu fazn oran % 76.6 dr. Geriye kal. % 23.4 oram perlittir. Bu sonuçlar literatürde belirti!: kaldraç metodu kullanlarak elde edilen sonuç lar uyum içerisindedir [6]. Ekrann sol alt köşesin belirtilen ferrit miktar değerindeki farkllk, bu de ğer otektoid ve otektoid öncesi ferrit oranlarnn heps içernesi olarak açklanabilir [6]. Bu noktada mikroyap görüntüsü ekranda yerini almştr. Bu bölge\ hacim merkezli kübik (HMK) bir mikroyapya sahipt Bu görüntü, ilgili köşede hareketli olarak yer almştr. % 0.2 C içeren alaşmn, 723 oc çizgisinin heni üstündcki, yani 80 oc civarndaki scaklk noktasr mouse kliklendiğinde Şekil 5'deki durum ortaya çl Bu bölgede, ferrit ve os ten it fazlar vardr. Faz o, değerleri ilgili ksmnda belitilir. Bu değer literatürdeki hesaplamalar la uyum balindedir [ 6]. : noktadaki fazlar HMK ve yüzey merkezli kübik (Yl\ yapya sahiptirler. Bu yaplar srasyla dönüşümlü o la: ekranda gözükmektedir. % 4.3 C bulunan ötektik çizgisi üzerindeki bir nokt' (93 C) 'mouse' kliklendiğinde Şekil 6'daki görü ortaya çkar. Burada da hesaplanan faz oranj literatürdeki hesaplamalarla uyum içindedir. Ledebri + Fe3C) yaps metalografik mikroyap ksmnda : almştr..;.. (fe-c) Oenge Oiyagr m..& 20ÔO J:op.vigth by fahri VATANSEVER & J;tamazan.YILMAZ. : -. De.i aabon: :';:\ : ' fğei... Şeki 3. Program açldğndaki ekran görüntüsü Son örnek olarak % 5.5 C bulunan 590 oc scaklk noktasndaki görüntü Şekil 7 'de verilmiştir. Bu noktadaki hesaplanalarda önce verilen örneklerde olduğu gibi literatürdeki hesaplamalara paralellik gösternektedir. Program kullanan kişi, mo yardmyla Fe-F3C ikili diyagram üzerindeki istediğ C oranm ve scaklk değerini kliklediğinde, progiçinde mevcut bilgi ve görüntülere ulaşabilecektir. 38
U Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi ilt, l.say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda Modellennesi R.Ylmaz, F.Vatansever, H.Uzun 76.6666 fertl - 23,3333 Peli Şekil 4. % 0.2 C içeren demir-karbon alaşmnn 69 C scaklk noktadaki bilgisayar ekran görüntüsü Şekil 5. o/o 0.2 C içeren demir-karbon alaşmnn ve 80 C'deki sonuçlannn ekran görüntüsü 39
SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6.Cilt,.Say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda Modellen R.Ylmaz, F.Vatansever, H.Uz. Şekil 6. % 4.3 C içeren demir-karbon alaşmnn 93 oc scaklk noktasndaki sonuçlannn ekran görüntüsü Şekil 7. % 5.5 C içeren demir-karbon alaşmnn 590 oc noktastndaki sonuçlannn ekran görüntüsü V. SONUÇ Bu makalede, bilgisayar yazlm program Delphi kullanlarak demir-sementit (Fe-F3C) ikili denge diyagran, her bir alaşmn farkl scaklk değerlerindeki optik nikroskopla çekilen mikroyap fotoğraflan, faz adlar ve oranlar, kristal kafes tüü ve konu ile ilgili teorik açklamalar içeren bir bilgisayar modellernesi yaplmştr. Programn kullanm, başany gerçekleştirilmiştir. Fe-F 3C ikili denge diyagrann ilgili bilgilere kolayca ulaşma imkan, progra: vastasyla el e edilmiştir. Programn kullanşnn çe kolay olmas nedeniyle, öğrencilerin, hatta sanayc çalşan teknik elemanlarn rahatlkla kullanabilmelt"' bilgiye ksa zamanda ve görsel olarak ulaşma. sağlayacaktr. 40
Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi lt, l.say (Mart 2002) Fe-F3C İkili Denge Diyagramnn Bilgisayarda Modellennesi R.Ylmaz, F.Vatansever, H.Uzun program geliştirerek ileriye dönük çalşmalar.. makta mümkündür. Orneğin; mouse ile kliklenen talar, bir büyüteç altnda büyütülerek her noktaya şlabilir. Böylece scaklk eğrileri üzerindeki talarda meydana gelen faz dönüşüm hesaplama uçlan, programda gösterilebilir. KAYNAKLAR [ ] Ohring, M., ''Computer Modules For Engineering Materials Science" Demostration Discet, USA, ( 995) [2] Savaşkan, T., "Malzeme Bilgisi ve Muayenesj", s 32-40, Derya Kitabevi-Trabzon, ( 999) [3) William, D., "Materials Science and Engineering An Introduction", s 267-279, Third Edition, John Willey&Sons, New York- USA, ( 994) [ 4] Topbaş, M.A., "I sl İşlemler", 8-90, Prestij basn- İstanbul, (993) [5] Onaran, K., "Malzeme Bilimi", s 75-96, Çağlayan Basmevi-İstanbul, ( 985) [ 6] Pollack, H. W. "Metarial Science and Metalurgy'', s 2-3, 2nd edition, Reston Publishing Company, Ins. Reston, Virginia-USA, ( 977) [7] Askcland, R.D. "Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri", Cilt, s 298-302, (Çeviri. Mehmet Erdoğan), Nobel Yayn Dağtm Ankara, (998) 4