Faz dönüşümleri: mikroyapı oluşumu, faz dönüşüm kinetiği

Faz dönüşümleri: mikroyapı oluşumu, faz dönüşüm kinetiği

Faz dönüşümleri 1. Basit ve yayınma esaslı dönüşümler: Faz sayısını ve fazların kimyasal bileşimini değiştirmeyen basit ve yayınma esaslı ölçümler. Örneğin, saf bir metalin katılaşması, allotropik dönüşüm ile yeniden kristalleşme ve tane büyümesi ile gerçekleşen dönüşümlerdir. 2. Yayınma esaslı dönüşümler: faz bileşiminde ve sıklıkla sayısında değişikliklere neden olan ve genellikle son mikroyapının 2 fazdan oluştuğu dönüşümlerdir. Örneğin, Fe-C faz diyagramındaki ötektoid reaksiyon. 3. Yayınmasız dönüşümler: yayınmasız koşullarda gerçekleşen ve sonucunda yarı kararlı fazın oluştuğu dönüşümlerdir. Örneğin, martenzitik dönüşümler bu tür dönüşümlere örnek olarak verilebilir. Ayrıca, çeliklere uygulanan bazı ısıl işlemler sırasında gerçekleşen faz dönüşümleri de bu grup içerisinde yer almaktadır.

Faz dönüşümlerinin kinetiği Faz dönüşümlerinin gerçekleşmesi; çekirdeklenme ve büyüme olarak adlandırılan iki safhadan meydana gelir. Çekirdeklenme safhası: yaklaşık olarak birkaç yüz atomdan oluşan ve büyüyebilme yeteneği bulunan yeni faza ait çekirdekler veya parçacıklar meydana gelir. Büyüme safhası: Bu çekirdeklenen yeni faz parçacıkları büyüyerek önceki fazın bir kısmı veya tamamının zamanla yok olmasına neden olurlar. Çekirdeklenme, büyüme ve tane sınır oluşumu safhaları

Çekirdeklenme aşaması Homojen çekirdeklenme Heterojen çekirdeklenme Sıvı içerisinde bir küresel katı parçacığın çekirdeklenmesini gösteren diyagram.

Homojen çekirdeklenme Katılaşan bir metalde küre şeklinde bir çekirdeğin oluşumu için toplam serbest enerji değişimi( ΔG): ΔG v metalin birim hacminde sıvı ve katı arasındaki serbest enerji değişimi r, yarıçap ɣ, spesifik serbest yüzey enerjisi (J/m 2 )

(a) Hacim serbest enerjisi ve yüzey serbest enerjisi etkilerinin toplam serbest enerjisi değişimine olan katkısının katılaşma sırasında küresel bir parçacık oluşumu için şematik gösterimi. (b) Serbest enerjinin embriyo/ çekirdek yarıçapına bağlı olarak değişimi ile kritik çekirdek çapı r * ile buna karşılık gelen kritik serbest enerji değişimi ΔG * değerlerinin şematik olarak gösterimi. Kritik bir r * değerine tekabül eden ΔG * enerjisi kararlı bir çekirdeğin oluşması için gerekli olan aktivasyon serbest enerji değeridir.

Homojen çekirdeklenme Homojen çekirdeklenmede kararlı katı parçacık çekirdeğinin kritik yarıçapı Homojen çekirdeklenmede kararlı çekirdek oluşumu için gerekli aktivasyon serbest enerjisi:

Homojen çekirdeklenme Kritik yarıçap ile yüzey serbest enerjisi, ergime gizli ısısı, ergime sıcaklığı ve dönüşüm sıcaklığı ilişkisi Aktivasyon serbest enerjisi

T2< T1 İki farklı sıcaklık için serbest enerji-çekirdek yarıçapı eğrilerinin şematik olarak gösterimi. Kritik serbest enerji değişimi ΔG * ve buna karşılık gelen kritik çekirdek yarıçapı r * değerleri her sıcaklık için ayrı ayrı gösterilmektedir.

Kararlı çekirdeklerin ( yani kritik yarıçap üzerinde yarıçapa sahip ) sayısı n * değerinin sıcaklığın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki şekilde ifade edilirler: Katılaşmada kararlı çekirdek sayısının sıcaklıkla değişimi

Atomların katı çekirdeğe tutunma frekansının (atomların kümelenmesi) yayınma aktivasyon enerjisi ve sıcaklığa bağlı olarak değişimi: Katılaşmada atomların birbirine olan bağlılık frekansının sıcaklıkla değişimi.

Çekirdeklenme hızı Ń, saniyede ve birim hacimde gerçekleşen çekirdeklenme sayısıdır ve şu şekilde ifade edilir: Katılaşmada çekirdeklenme hızının sıcaklıkla değişiminin şematik olarak gösterimi.

Çeşitli metallerin homojen çekirdeklenmedeki (ΔT) süper soğuma sıcaklığı değerleri

Heterojen çekirdeklenme Heterojen çekirdeklenmede katılaşma kararlı çekirdek oluşumunu sağlamak için gerekli kritik serbest enerjiyi (ΔG * ) düşürür. Endüstriyel döküm operasyonlarında büyük miktarda aşırı soğuma ( birkaç yüz santigrad derece) genellikle 0.1 ile 10 o C arasındadır. Yüzey ve arayüzeylerde kolaylıkla oluşan çekirdekler, yüzey serbest enerji değerinin de azalmasına neden olmaktadır. ϒ IL = sıvı katı arayüzey enerjisi ϒ SI = katı yüzey enerjisi ϒ SL = katı-sıvı yüzey enerjisi Katının sıvıdan heterojen çekirdeklenmesi.

Homojen ve heterojen çekirdeklenmede serbest enerji-çekirdek/embriyo yarıçapı diyagramlarının şematik olarak gösterilişi

Heterojen çekirdeklenme Heterojen çekirdeklenmede kritik yarıçap (r * ) ve kritik aktivasyon serbest enerji değişimi (ΔG * ) S(ϴ) terimi sadece ıslatma açısı ϴ nın bir fonksiyonudur ve sayısal olarak 0 ile 1 arasında değerler alır. Heterojen çekirdeklenme ile homojen çekirdeklenme arasındaki ilişki: Heterojen çekirdeklenmenin homojen çekirdeklenmeye göre daha kolay ve çabuk gerçekleştiği bu denkleme göre söylenebilir.

Heterojen çekirdeklenme Heterojen ve homojen şartlar için çekirdeklenme hızı-sıcaklık eğrileri. Her şart için süper soğuma derecesi (ΔT) değerleri de gösterilmiştir.

Büyüme hızı Ǵ, sıcaklıkla değişimi: Büyüme Q ve C sıcaklıktan bağımsız aktivasyon enerjisi ile malzeme katsayısıdır. Çekirdeklenme hızı (Ń) ile büyüme hızı (Ǵ) ve toplam dönüşüm hızının sıcaklıkla değişimi.

(a) Dönüşüm hızı sıcaklık, (b) belirli bir orandaki ( örneğin 0.5 oranında) dönüşümün tamamlandığını gösteren logaritmik ölçekteki dönüşüm süresi. Belirli bir orandaki ( örneğin 0.5 yani %50) dönüşümü sağlayan, dönüşüm hızı ile bu orandaki dönüşüm için gereken süre t 0.5 birbirleriyle ters orantılıdır.

Katı-hal dönüşümlerinin kinetik açıdan incelenmesi Dönüşümün zamana bağlı olarak değişimi dönüşümün kinetiği olarak adlandırılır. Sıcaklığın sabit tutulduğu çoğu katı-katı dönüşümlerinde görülen logaritmik olarak zamanla dönüşüm oranının değişimini veren diyagram.

Katı-hal dönüşümlerinin kinetik açıdan incelenmesi Katı-hal dönüşümü için dönüşüm oranı y zamanın bir fonksiyonu olarak Avrami denklemi ile ifade edilir: k ve n zamandan bağımsız olan, dönüşüm reaksiyonuna ait sabitlerdir. Genelde kural olarak dönüşme hızı dönüşümün yarısının tamamlanması için gereken süre olan t 0.5 nin tersi olarak hesaplanır ve buradan dönüşüm hızı:

Sabit sıcaklıkta saf bakıra ait yeniden kristalleşme oranının zamana bağlı olarak değişimi.

Fe-C alaşımlarında mikroyapı ve özellik Ötektoid reaksiyon: değişimi Ötektoid bileşime (ağırlıkça %0.76 C içeren) sahip bir demir-karbon alaşımında (ötektoid çelikte) ostenit-perlit dönüşümü için dönüşmüş perlitin, farklı sıcaklıklardaki dönüşüm oranının, dönüşüm süresinin logaritmik değeri ile değişimini veren eğriler.

Altta yeralan izotermal dönüşüm diyagramının üstteki dönüşüm oranılogaritmik zaman ölçüm değerlerinden nasıl oluşturulduğunun gösterilişi.

Ötektoid demir-karbon alaşımına ait izotermal dönüşüm diyagramı ve ABCD çizgisiyle ifade edilen bir izotermal ısıl işlem uygulaması. Dönüşüm öncesindeki, sırasındaki ve sonrasındaki iç yapılar ilgili daireler içinde şematik olarak gösterilmiştir.

(a) Kaba perlit ve (b) ince perlite ait mikroyapı fotoğrafları. X3000.

Bileşiminde %1.13 C bulunan bir demir-karbon alaşımının izotermal dönüşüm diyagramı: A.Ostenit, C. Ötektoid öncesi (primer) sementit, P. Perlit.

Beynit TEM mikroskobunda elde edilen mikroyapı fotoğrafında tipik beynitik iç yapı. Sol alt köşeden sağ üst köşeye doğru uzanan ve ferritik bir matris içinde uzanarak dağılmış iğnemsi beynit tanelerinin görünüşü.

Beynit (a) Üst beynit ( gri faz) (x600), (b) alt beynit ( koyu renkli faz) (x400) (From ASM Handbook, Vol. 8, (1973), ASM International, Materials Park, OH 44073.)

Ötektoid bileşime sahip bir demir-karbon alaşımına ait, ostenit-perlit (A-P) ve ostenitbeynit (A-B) reaksiyonlarını içeren izotermal dönüşüm diyagramı.

Küresel sementit Küresel sementit (sferodit) mikroyapısındaki bir çeliğe ait mikroyapı fotoğrafı. Sürekli ferrit fazı içinde dağılmış halde bulunan küçük parçacıklar sementit fazına aittir.

Martenzit Martenzit oluşumu için kararlı γ ostenit bölgesinden çok hızlı soğutma yapılmalıdır. Martenzitin kompozisyonu dönüştüğü fazın kompozisyonu ile aynı olmak zorundadır. Martenzitik yapıyı oluşturan hacim merkezli tetragonal birim hücre. Daireler demir atomlarını, X işaretleri ise karbon atomlarının yerleşmek zorunda kaldığı kafes noktalarını göstermektedir.

Martenzit Çelikte ve diğer malzemelerde difüzyonsuz, atermal oluşan yarı kararlı fazdır. Difüzyonsuz katıhal dönüşümünün sonucu oluşan bir fazdır. Difüzyona bağımlı değildir. Reaksiyon zamana değil sıcaklığa bağlıdır. a) Martenzitin HMT birim hücresi östenit YMK ile ilgilidir. (b) C konsantrasyonu arttıkça daha fazla arayer bölgeleri karbon atomları ile dolar ve martenzitin tetragonal yapısı daha fazla belirginleşir.

Ötektoid bileşime sahip bir demir- karbon alaşımının (ötektoid çeliğin) tam izotermal dönüşümü. A: Östenit, P: perlit, M: martenzit, B: beynit.

Çelikte Martenzit (a) Düşük karbonlu çelikte (Lath) iğne martenzit ( 80). (b) Yüksek karbonlu çelikte levha martenzit ( 400). (FromASM Handbook, Vol. 8, (1973), ASM International, Materials Park, OH 44073.)

Çelikte martenzitin özellikleri Çelikte martenzit sert ve kırılgandır. HMT kristal yapıda dislokasyonların kolayca hareket edebileceği sıkı paket kayma düzlemleri yoktur. Martenzit C ile aşırı doymuştur. Martenzit çok ince tane boyutu ve tane içinde çok ince alt yapıya sahiptir. Martenzit sünek değildir ve çok sert olduğu için özel takımlarla işlenebilir.

AISI 4340 düşük alaşımlı çeliğine ait izotermal dönüşüm diyagramı. A: ostenit, B: beynit, P: perlit, M: martenzit, F: ötektoid öncesi ferrit (Atlas of isothermal transformation and cooling transformation diagrams, H. Boyer (Ed.), ASTM, p.181, 1977).

Sürekli soğumada dönüşüm diyagramları Pratikte ısıl işlemlerin çoğu numunelerin yüksek sıcaklıklardan oda sıcaklığına sürekli olarak soğutulması ile gerçekleşir. Ötektoid bileşime sahip Fe-C alaşımı için izotermal dönüşüm eğrileri, reaksiyonun daha düşük sıcaklıklarda ve daha geç başlayıp daha uzun sürelerde tamamlanmasına neden olacak şekilde sağa ve bir miktar aşağıya doğru kaymıştır.

Ötektoid demir-karbon alaşımı için orta hızda ve düşük hızdaki soğumalar sırasında elde edilen ve sıcaklığın zamanla değişimini gösteren soğuma eğrilerinin, sürekli soğumadaki dönüşüm diyagramı üzerinde gösterilişi.