FAZ DİYAGRAMLARI DERS NOTLARI İçerik KTÜ, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Peritektik Alaşım Sistemleri Peritektik Dönüşüm: Peritektik dönüşüm; ötektik dönüşüm gösteren alaşım sistemlerine benzer olarak sabit bir peritektik dönüşüm sıcaklığında mevcut olan sıvı ve katı fazın başka bir katı faza dönüşmesi olarak tanımlanmaktadır. Yanda verilen peritektik faz diyagramında Xp (peritektik kompozisyon), peritektik dönüşüm sıcaklığın üzerinde bulunan L+ fazı, peritektik sıcaklığın geçilmesiyle birlikte β fazına dönüşmektedir. L + β 2
Peritektik Alaşım Sistemleri Aşağıdaki katılaşmanın gösterildiği şekilden de görüldüğü gibi fazı, β katı fazı ile çevrelendiğinden atomlarının peritektik reaksiyona devam edebilmesi için β katı fazı ile oluşan kabuğu aşmak zorundadırlar. Bununla birlikte, atomların bir katı faz içerisindeki difüzyon hızı, sıvı faz içerisindeki difüzyon hızından oldukça yavaştır. Peritektik reaksiyon devam ettikçe katı etrafında oluşan β katı fazı kalınlaşmaya devam eder ve peritektik dönüşüm daha da yavaşlar. Soğuma hızının çok yüksek olması durumunda peritektik dönüşüm tamamlanamaz. Difüzyon için gerekli zamanın tanındığı sürece tam bir peritektik dönüşüm gerçekleşir. Ancak pratikte böyle bir durum söz konusu değildir. 3
Peritektik Alaşım Sistemleri Gerçekte peritektik dönüşüm heterojen bir dönüşüm olarak incelenmektedir. Bu heterojen faz dönüşümü, iki veya daha fazla fazın (katı, sıvı, gaz) sabit bir sıcaklıkta (T P ) reaksiyona girerek bu sıcaklığın altında yeni bir faz oluşturduğu tüm reaksiyonları tanımlamak için kullanılabilir. Genellikle daha öncede belirtildiği gibi peritektik reaksiyon: birsıvıfazınenazbirkatı faz ile reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştuğu reaksiyonları tanımlar. Peritektoid faz dönüşümü: TP sıcaklığın üzerinde bulunan iki farklı katı fazın TP sıcaklığında peritektoid dönüşüm sonucu yeni bir katı faza dönüşmesidir. β + Bir peritektik veya peritektoid reaksiyon sırasında oluşan fazların bileşenleri birinin katı bir çözeltisidir, bileşenlerin birinin allotropik bir fazı veya bir intermetalik bileşiğidir. γ 4
Peritektik Alaşım Sistemleri Peritektik ve peritektoid faz dönüşümleri Yüksek ergime sıcaklığına sahip intermetalik bir fazdan peritektik dönüşüm sonucu yeni intermetalik fazların oluşumu Yüksek ve düşük erime sıcaklığına sahip bileşenler arasında basamaklı peritektik dönüşüm 5
Peritektik Alaşım Sistemleri Yanda verilen peritektik faz diyagramında; I nolu alaşımın sol tarafındaki tüm bileşenler fazıolarak katılaşır. III numaralı alaşımın sağ tarafındaki tüm bileşenler β fazı olarak katılaşır. I ve II nolu alaşımlar arasındaki tüm bileşenlerde ilk olarak, sıvı faz içerisinden önce kristalleri oluşur. Ancak oda sıcaklığında kısmen β kristallerine dönüşür. II ve III nolu alaşımlar arasındaki bileşenlerde ilk olarak, sıvı faz içerisinden önce kristalleri oluşur. Oda sıcaklığında kristalleri kısmen β kristallerine dönüşür. Ancak bazı bileşenler için tamamen β fazına dönüşür. 6
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma T 1 Sıcaklığında 1 numaralı alaşım tamamen sıvı fazdadır. Sıcaklığın T 1 den T 2 ye düşmesi ile birlikte sıvı faz içerisinden kristalleri çekirdeklenir. Bu noktada sıvı fazın bileşimi L 2, fazının bileşimi ise 2 ye eşittir. T 2 sıcaklığı ile T 4 sıcaklığı arasında herhangi bir faz dönüşümü gerçekleşmez. Ancak kristalleri büyür. T 4 yani peritektik dönüşüm sıcaklığının hemen üzerinde katı fazının bileşimi 4,sıvı fazın bileşimi ise L 4 e eşittir. 7
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma Sıcaklığın peritektik dönüşüm sıcaklığına düşmesi ile birlikte sıvı faz ve fazı reaksiyona girerek β fazını oluşturur. Ancak β fazının yapının tamamında oluşması için gerekli zamanın (difüzyonun) sağlanmış olması gerekir. 8
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma Peritektik dönüşüm sıcaklığının hemen üzerinde (Şekil a) sıvı fazdan oluşan δ fazı görülmektedir. Şekil b ve c de ötektik reaksiyon sonucunda δ fazının etrafında oluşan γ fazı görülmektedir. Şekil c de ise δ fazının tamamen γ fazına peritektik dönüşümü görülmektedir. Fe-C 9
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma 2 numaralı alaşımın katılaşması incelendiğinde sıvı fazdaki alaşımın sıcaklığı T 1 sıcaklığına düştüğünde sıvı faz içerisinden birincil fazı oluşur ve bu faz peritektik sıcaklığa (T 4 ) kadar sıvı faz içerisinde büyür. Peritektik sıcaklığın hemen üzerinde katı fazının ve sıvı fazın oranları kaldıraç kuralıyla aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Sıvı 10
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma Sıcaklığın peritektik sıcaklığın altına düşmesi ile birlikte, sıvı faz içerisinden oluşan bir miktar fazı peritektik reaksiyon sonucu β katı fazına dönüşür. Oluşan fazların hacim oranları kaldıraç kuralına göre; β 11
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma 3 numaralı alaşımın katılaşma şekli incelendiğinde faz diyagramından da görüldüğü gibi T 3 sıcaklığına kadar alaşım sıvı fazdadır. Sıcaklığın T 3 sıcaklığının altında düşmesi ile birlikte çok az miktarda fazı oluşur. β Sıvı 12
Peritektik Faz Diyagramında Katılaşma Yaklaşık olarak %10 civarında oluşan fazı T4 sıcaklığında peritektik dönüşüm sonucu β fazına dönüşür. T5 sıcaklığına kadar sıvı faz içerisinde oluşan β fazı büyür. T5 sıcaklığından sonra ise sıvı faz β fazına dönüşür. β β β β 13
Peritektik Faz Diyagramında Dengesiz Katılaşma Daha öncede belirtildiği gibi %100 peritektik dönüşümün gerçekleşmesi için soğuma hızının tam peritektik dönüşümün gerçekleşmesini sağlayacak kadar yavaş olmasıgerekir. Pratikte böyle bir soğuma sağlanamadığı için β fazının merkezinde her zaman bir miktar katı fazı kalmaktadır. Bu durumun giderilmesi için katılaşma işlemi sonrası belirli sıcaklıklarda yapılan ısıl işlem ile yapının tamamen β fazına dönüşmesi sağlanabilir. Dengeli Soğuma T<T P T>T P β T=T P β Dengesiz Soğuma β 14 T<T P
Peritektik Dönüşümün Mekanizması Peritektik reaksiyon veya dönüşüm bir çok alaşım sisteminde görülmektedir. Bunlar içerisinde en önemli faz diyagramları: Demir Karbon Demir Nikel Bakır Kalay Bakır Çinko Peritektik dönüşüm sonucu oluşan yapı en az üç farklı mekanizma sonrası oluşur. Peritektik Reaksiyon: Üç fazın (üçlü nokta) (sıvı,, β) bir biriyle temas halinde olduğu peritektik reaksiyon noktası. Peritektik Dönüşüm: Sıvı ve katı çözeltisinin β fazı tarafından sarılması ve bu iki fazın etkileşimini engellemesi. Β fazının sıvı faz içinden direkt çökeltilmesi: yüksek miktardaki soğuma hızları ile sıvı fazdan direk olarak β fazının çökeltilmesi. 15
Peritektik Dönüşümün Mekanizması A β / + β solvus ve β solidus'un aynı işareti olan eğimlere sahip olduğu Tipik A non stikiyometrik sistemi. Düşük soğuma hızları gereklidir. B Eğimleri bir birine göre zıt olan tipik B nonstikiyometrik sistemi sistemi Düşük soğuma hızları gereklidir. C Sabit bileşime sahip stikiyometrik C tipi sistemi Yüksek soğuma hızları gereklidir. 16
Peritektik Dönüşümün Mekanizması Peritektik reaksiyonun sürekli olarak devam etmesinin en önemli şartı fazı ile Sıvı fazın sürekli etkileşim halinde olması gerekmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi β fazı fazı üzerinde çekirdeklenir ve bu mekanizma kısa mesafeli difüzyonla gerçekleşir. Sıvı difüzyon ile peritektik reaksiyon esnasında sıvı arayüzeyi boyunca β tabakasının lateral (yanal) büyümesi. 17
Peritektik Dönüşümün Mekanizması Bu mekanizmanın tersine peritektik dönüşümün gerçekleşmesi için uzun mesafeli difüzyon mekanizması geçerlidir. Bu mekanizmada A ve B metallerine ait atomları β ve β sıvı ara yüzeylerinde β fazını oluşturmak amacıyla tabakasına difüze ederler. Peritektik dönüşüm esnasında katı hal difüzyon ile bir β tabakasının kalınlaştırılması. Düz oklar β büyüme yönünü belirtir; Kesik çizgili oklar atom türlerinin difüzyon yönünü göstermektedir 18
Mikroyapı Örnekleri Cu 20Sn Beyaz bölge gri bölge β Siyah bölge kalayca zengin bölge Cd 10Cu Fe C (AISI T1) yüksek hız çeliği 19
Örnek Problem 1 Aşağıda verilen Pt Ag faz diyagramına göre; a) %42,2 gümüş içeren alaşımın 1400 derecede b) 42,2 gümüş içeren alaşımın 1186+ΔT c) 42,2 gümüş içeren alaşımın 1186 ΔT d) %60 gümüş içerenalaşımın 1150 derecede faz oranlarını bularak oluşan mikroyapıları çiziniz. 20
Örnek Problem 1 Bulunan Fazlar (A Şıkkı) Kompozisyonu Faz Oranları Sıvı %55 Gümüş 52,4 7 55 7 100 74 Alfa fazı %7 Gümüş 55 42,4 100 26 55 7 21
Örnek Problem 2 Pt Ag faz diyagramını kullanarak; 1) %54 Pt ve %46 Ag içeren alaşımın 1650, 1205, 1150 derece mevcut fazların oranlarını bularak mikroyapısını çiziniz. 2) Aynı bileşime sahip alaşımın sabit basınç altında 1650,1205,1185 ve 1150 derece Gibbs faz kuralını uygulayarak çıkan sonuçları yorumlayınız. 22
Monotektik Faz Diyagramları Ötektik sınıfın önemli üç faz reaksiyonlarından diğeri de monotektik reaksiyondur. Bu reaksiyonda sıcaklığın azalmasıyla birlikte sıvı faz bir başka sıvı faza ve katı faza dönüşmektedir. Belirli bir kimyasal bileşim aralığında su ve yağ gibi iki sıvı faz bir biri içerisinde çözünmemektedir. Bir biri içerisinde kısmen çözünen malzemeler ise bir karışma aralığı oluştururlar. Bu sistemde iki fazın bir biri içerisinde kısmen çözünmesi (L 1 +L 2 ) ile oluşan bir karışma aralığı oluşur. Sıvı bakır ve kurşun yüksek sıcaklıklarda bir biri içerisinde tamamen çözünebilir. Buna karşın %36 ve %87 arasında kurşun içeren bakır alaşımlarının soğuması esnasında iki sıvıya ayrılırlar. Bu iki sıvı ergimezlik aralığında ve tepede birlikte yer alır. 23
İki Sıvının Karışmadığı Bölge İki fazın dengede bulunduğu şartlarda L 1 + L 2 faz bölgesinin her sıcaklığında sonsuz sayıda bağ çizgisinden oluştuğu kabul edilirse; L 1 fazının bileşimi ile L 2 fazının bileşimi bir sıcaklık değerinde birleşmektedir. Bu bölge, kritik sıcaklık olarak adlandırılan bir kritik nokta ile kapanmaktadır. Bağ çizgisinin uzunluğu sıcaklığın artması ile birlikte azalarak kritik sıcaklık değerinde sıfır değerineeşit olmaktadır. Bu kritik sıcaklık değerinde aynı bileşime sahip sıvı fazların ayırt edilemez. Bu kritik sıcaklığın üzerinde ise yalnızca bir sıvı faz oluşmaktadır. 24
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Yanda verilen Cu Pb faz diyagramında monotektik altı alaşımın oda sıcaklığına soğuması esnasında gerçekleşen faz dönüşümleri verilmiştir. %20 Pb içeren bakır alaşımın katılaşması sırasında ilk olarak bakırca zengin olan fazı sıvı faz içerisinden oluşur. 995 derecenin (monotektik reaksiyon sıcaklığı) hemen üzerinde (+ΔT) sıvı fazın bileşimi monotektik reaksiyonun gerçekleştiği bileşime eşit olacağından mevcut sıvı faz monotektik dönüşüm sonucu daha fazla fazına ve bileşimde %87 Pb bulunan ikinci bir sıvıya dönüşür. Kaldıraç kuralına göre 995 derecenin ΔT kadar altında çok az miktarda sıvı faz olduğu bulunabilir. 25
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Sıcaklığın 325 derece düşmesi ile birlikte mevcut sıvı faz ötektik reaksiyona uğrayarak +β fazına dönüşür. Buradaki β fazı saf kurşundan oluşmaktadır. Oda sıcaklığındaki alaşımın mikroyapısında ise bakırca zengin fazı içerisinde küresel β fazı parçacıkları bulunmaktadır. Matris içerisinde oluşan β fazı dağılım mukavemetlendirmesine neden olduğundan alaşımın dayanımında artış sağlar. Bi 10Cu10Sn 26
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Monotektik bileşime sahip alaşım monotektik sıcaklığın üzerinde L sıvı fazından meydana gelmektedir. Monotektik sıcaklıkta veya monotektik sıcaklığın hemen altında ( ΔT) L sıvı faz bir bakıma ötektik ayrışmasına tamamen benzer şekilde ve ikinci bir sıvı faza ayrışır. Burada ötektik dönüşümden tek fark ikinci bir katı faz yerine ikinci bir sıvı fazın oluşmasıdır. Monotektik sıcaklığın hemen altındaki faz oranlarını hesaplamak gerekirse; 87 36 87 0 100 58,62 36 0 2 100 41,38 87 0 Yukarıdaki hesaplamadan da görüldüğü gibi sıvı faza göre daha yüksek oranda oluşan alfa fazı L2 fazının etrafını sarar. L2 27
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Sıcaklığın 325 dereceye düşmesi ile birlikte L2 sıvısının bileşimi yüksek oranda (%99,94) oranında kurşun içerdiğinden saf olarak kurşun olarak nitelendirilmektedir. Sıcaklığın ötektik sıcaklığın altına düşmesi ile birlikte bu faz β fazına dönüşmektedir. β 28
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Monotektik üstü alaşımlarda iki farklı sıvı fazın karışmaması monotektik sıcaklığın üstünde gerçekleşir. Yeterli zaman verildiğinde iki sıvı faz yoğunluklarına göre tabaka halinde sıralanırlar. Yağın su üzerinde durması gibi yoğunluğu düşük olan sıvı faz üstte bulunur. İkisıvıfazınbirbiri içinde bulamaç halinde bulunması ise sıvı fazlardan birisinin diğer sıvı faz içerisinde damlacıklar halinde bulunduğu gösterir. Bu durum alaşımı oluşturan elementlerin fiziksel özelliklerine ve bileşimlerine bağlı olarak değişir. 29
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Kırmızı çizgiyle gösterilen ve %43 Pb içeren bakır alaşımını ele aldığımızda; İlgili alaşım yaklaşık olarak 1000 dereceye ısıtıldığında bir biri içerisinde tamamen çözünebilen bir sıvı faz oluştururlar. Soğuma sırasında sıcaklığın 980 dereceye ulaşması ile birlikte sıvı faz, iki ayrı yoğunluğa sahip iki farklı sıvı faza dönüşmektedir. Sıcaklık azalırken L 2 sıvı fazının miktarı artar ve monotektik sıcaklığın hemen üzerinde; 1 87 43 100 % 86,28 87 36 2 43 36 100 %13,72 87 36 L1 L2 30
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Bu sıvı farklı bir katman olarak ergitme potasında bulunacaktır. Potada bulunan L 1 sıvısı ise monotektik ürünleri oluşturmak için reaksiyona girecektir. Reaksiyon sonucunda alaşımın üst katmanı, monotektik dönüşüm sonucu L 1 sıvısından oluşmuş fazı ile sarılmış L 2 den meydana gelirken, alt katmandaki L 2 fazı tamamen sıvı fazda bulunacaktır. L 2 L 2 31
Monotektik Alaşımlarda Katılaşma Soğumanın devam etmesiyle birlikte her iki katmanda da bulunan L 2 sıvısının bileşimi daha önceki bileşimlerde olduğu gibi çok yüksek kurşun içerdiğinden direk olarak β fazı olarak kabul edilmektedir. Ötektik sıcaklıkta L 2 sıvısı ötektik reaksiyona uğrayarak β fazını oluşturmaktadır. β β 32
Monotektik Katılaşmada Oluşan Yapının Morfolojisi Monotektik alaşımlar temelde kritik sıcaklık ile monotektik reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklık farkına göre (TC TM) sınıflandırılmaktadır. High dome alaşımlarında bu fark oldukça yüksek iken (100 lerce derece), low dome alaşımlarında oldukça yüksektir (10 larda derece). Farklı yoğunluğa sahip iki sıvının katılaşması sırasında L 2 fazını saran fazı oluşmaktadır. Low dome alaşımlarında ve L 2 fazları L 1 sıvı fazı ile ayrılmaktadır. Düşük büyüme hızlarında, L 2 sıvıdamlacıklarıkatısıvıarayüzeyitarafındandışarıya doğru itilmektedir. Ancak, katılaşma hızının kritik bir değeri aşması ile birlikte L 2 sıvı fazı katı faz arasında düzensiz elyaf biçiminde oluşur. Buna bağlı olarak çoğu alaşım sisteminde L 2 sıvısını oluşturan bileşim kolonsal olarak katılaşır. Düşük katılaşma hızı Yüksek katılaşma hızı 33
Monotektik Katılaşmada Oluşan Yapının Morfolojisi High dome alaşımlarında katılaşma esnasında oluşan ve L2 sıvı faz arasındaki ara yüzey oldukça düşük bir enerjiye sahiptir. Bunun sonucu olarak L2 fazı tarafından sarılan fazı birlikte düzenli bir yapı şeklinde kolonsal olarak büyürler. Bu tür alaşımlarda büyüme sırasında oluşan morfolojisinin düzenli olup olmadığını ise ara yüzey enerjisi ile katılaşma arasında oran belirlemektedir. Düzenli yapılarda monotektik dönüşüm sonucu oluşan kolonsal taneler arasındaki mesafe yüzey enerjisi ile kontrol edilirken ötektik dönüşüm sonrası difüzyon mekanizması ile kontrol edilmektedir. 34
Örnek Problem 3 %40 Pb içeren bakır alaşımında 200, 400, 955 ve 1100 derecede oluşan fazların şematik resimlerini çiziniz. 952 ve 955 derecede oluşan mevcut fazların ağırlıkça oranlarını bulunuz. 35
Syntektik Faz Diyagramları Syntektik reaksiyon, sıcaklığın artmasıyla birkatıfazınikiayrısıvıfazadönüşmesi sonucunda meydana gelmektedir. L 1 + L 2 Yandaki diyagramda S ile gösterilen syntektik noktada L1 ve L2 sıvı reaksiyona girerek katı fazını oluşturmaktadır. Genellikle katı fazı, yoğunlukları farklı L1 ve L2 sıvılarının oluşturdukları ara yüzeyde oluşarak bir süre büyümeye devam eder ancak daha sonra durur. Büyüme zamanını artırmak için reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklıkta uzun süre beklemek gerekmektedir. Syntetik sisteme örnek olarak Na Zn faz diyagramı verilebilir. 36
Örnek Problem 4 Yanda verilen diyagramda faz dönüşümlerini gösteriniz. Bu tür bir problemde kimyasal bileşim eksenine paralel olan sıcaklık izoterm eğrileri takip edilir. Sıcaklık Reaksiyon Türü 1150 δ+l γ Peritektik 920 L1 γ+l2 Monotektik 750 L γ+β Ötektik 450 γ +β Ötektoid 300 +β µ Pertektoid 37
Örnek Problem 5 38
Örnek Problem 6 39
Örnek Problem 7 40
Örnek Problem 8 41