ITAB
Saf demirin soğuma eğrisi
ve oluşan kristal yapıları
°C
Sıvı
1538°C
Sıvı + 
-demiri (HMK
+
1392°C
-demiri (YMK)
+
911°C
768°C
-demiri (HMK)
Zaman


 + Fe3C
Sıcaklık
(°C)
+


Fe3C
 + Fe3C
Fe
Karbonun kütlesel yüzdesi (%)



 + Fe3C






Sıcaklı
k (°C)
Fe3C
+
ı

Ötektoid öncesi Fe3C





Ötektoid öncesi Fe3C
Ötektoid Fe3C
Fe
 + Fe3C
C1
Karbonun kütlesel yüzdesi (%)


 + Fe3C
Sıcaklı
k (°C)
+
f

g


Fe3C
 + Fe3C
Fe
Karbonun kütlesel yüzdesi (%)
Karbonun çözünürlüğü
HMK yapıya sahip -demiri içerisinde, karbonun çözünürlüğü
çok azdır. Maksimum çözünürlüğü 723 C’ de yaklaşık %
0,02’dir. Oda sıcaklığında ise ihmal edilebilecek oranda düşük
çözünürlüğe sahiptir (% 0,0001’ den az).
YMK yapıya sahip -demiri içerisinde ise karbonun çözünürlüğü
daha fazladır. 1148 C’ de % 2,11 C ve 727 C’ de ise % 0,77 C
çözünür.
Östenit  - Östenit bölgesine kadar ısıtılan bir çeliğin
içerisindeki tüm karbon ve diğer bileşikler, tek bir faz
şeklinde bulunurlar.
Ferrit  Perlit - +Fe3C fazlarından oluşur. % 0,8 ötektoid bileşime
sahip çeliklerde oda sıcaklığında görülen mikroyapı olan
sementit oldukça sert bir faz olup, 1150 Hv sertliğe sahiptir.
Fakat yumuşak ferrit ile karışık halde bulunduğu zaman
oluşan perlitin sertliği, sementitin sertliğinden daha
düşüktür.
Perlit büyümesi
% 0,8 C içeren bir çelik, yavaş soğuma şartlarında, 723 C’nin hemen altında
perlit yapısına dönüşür. Perlit, ferrit ve Fe3C fazlarının çizgisel (levhasal) halde
bulunduğu bir yapıdır. Ferrit çok az C içerirken, Fe3C % 6,7 C içerir. Perlit
oluşumunda ferrit içerisindeki C atomları sementit levhalarının içerisine doğru
difüze olur. Ferrit ile Fe3C levhaları arasındaki mesafe perlitin büyüme hızına
bağlı olarak gelişir. Çok hızlı büyüme oranında, karbonun difüzyonu için gerekli
olan süre az olduğu için, daha ince perlit oluşur. Yani  ile Fe3C levhaları
arasındaki mesafe az olur.
Tane büyümesi
Çeliğin yüksek sıcaklıklara çıkarılması ile yapı östenite dönüşür. Yeniden
östenit taneleri oluşmuş olur. Östenit tanelerinin büyüklüğü, ulaşılan sıcaklık
değeri ve çeliğin türüne bağlıdır. Bazı çelikler alüminyum ve vanadyum nitrit
içerirler. Bu çelikler yüksek sıcaklıklarda bile ince taneli kalırlar.
Çelikler üretim aşamasında isteğe bağlı olarak ince taneli ve kaba taneli
olarak üretilebilirler. Eğer çeliğin tokluğunun yüksek olması isteniyorsa, ince
taneli çelik üretilir. Eğer çeliğin yüksek sıcaklıklardaki sürünme direncinin iyi
olması arzulanıyorsa kaba taneli çelik üretilir. Konstrüksiyonlarda genellikle
ince taneli çelikler tercih edilir.
Şekilde östenit sıcaklığının tane
büyüklüğüne etkisi
gösterilmektedir. İnce taneli
çeliklerin belirli bir sıcaklığa kadar
ince tane yapısı değişmez. 1100
C’nin üzerinde ise, ince taneler
kaba tanelere dönüşerek kaba
taneli bir yapı meydana gelir. Bu
sıcaklık üzerinde alüminyum ve
vanadyum nitrit çözünür ve çelik
kaba taneli çelik haline gelir. Bu
olay, çeliklerin kaynak işleminde
oluşan ITAB bölgesi için oldukça
önemlidir.
ITAB’ın tane büyüklüğü
ince taneli ve kaba taneli çelikler arasındaki ITAB tane büyülüğü farklılığı
gösterilmektedir.
Kaba taneli çeliklerin ITAB’ında, tane büyümesinin meydana geldiği geniş bir bölge
vardır. Yani kaynak ergime sınırına komşu olan sınırdan ana metale doğru daha
büyük kaba taneli bölge meydana gelir. İnce taneli çeliklerde ise belirli bir sıcaklığa
kadar ince tane büyüklüğü aynı kalır. Fakat yüksek sıcaklığın etkilediği, ergime
sınırına yakın dar bir bölgede ise taneler kabalaşır. Dolayısıyla ince taneli çeliklerde
ITAB içerisindeki kaba tane bölgesinin büyüklüğü, kaba taneli çeliklerden daha
dardır. Fakat bu dar bölgedeki tane büyüklüğü, kaba taneli çeliğin ITAB’ındaki kaba
tane bölgesindeki büyüklüğü ile aynıdır.
Titanyum içeren çeliklerin kaynağında, ergime
sınırına kadarki ITAB bölgesinde bile taneler
ince olarak kalabilir. Çünkü titanyum nitrit çok
karalıdır. Yüksek sıcaklıklarda bile ITAB
içerisinde kolay kolay tamamen çözünmez.
Bundan dolayı modern çeliklerde, ITAB
bölgesinin tane büyüklüğünün ince kalabilmesi
için, titanyum ilave edilerek üretim
gerçekleştirilir.
Kararsız soğuma
Alaşım elementi olarak da sadece C düşünülmüştü.
Oysa çelik içerisine çok farklı alaşım elementleri ilave
edilmektedir. Bu alaşım elementlerinin ilavesi ile FeFe3C faz diyagramındaki dönüşüm eğrileri yer
değiştirir ve ötelenir. Örneğin, alaşım elementlerinin
ilavesi ötektoid sıcaklığının (723 C) yerini değiştirir
Yapı çeliklerinde alaşım elementleri içeriği
oldukça az olduğu için, Fe-Fe3C faz
diyagramındaki dönüşüm eğrileri çok fazla yer
değiştirmez. Kararlı haldekine yakındır.
Hızlı soğumanın etkisi
soğuma hızı ne kadar hızlı olursa, perlit o kadar ince Fe3C levhaları
şeklinde oluşur. Hızlı soğuma oranlarında, karbonun Fe3C içerisine
difüzyonu için zaman çok az olduğundan, perlit yapısı meydan
gelmez.
Hızlı soğuma sonucu meydana gelen mikroyapı, çeliğin ne kadar hızlı
soğutulduğuna bağlı olarak farklılaşır. Eğer çelik suda soğutulursa,
soğuma hızı çok hızlı olup, karbonun difüzyonu için hiç zaman
kalmaz. Karbon, östenit içerisinde nerede bulunuyorsa olduğu yerde
kalır. Hızlı soğuma, YMK kristal kafesinden HMK kristal kafese
dönüşümünü etkilemez. Fakat HMK kristal kafesi içerisinde, tutulmuş
karbon atomları kristal kafesin şeklini değiştirir ve bir tetragonal
kristal kafesine dönüşür (Şekil 16). Tetragonal kristal kafesinin şekli
ve boyutları, C içeriğine göre değişir.
Martenzit
Bu oluşan tetragonal kristal kafesine sahip
mikroyapı şekline martenzit adı verilir. Mikroskop
ile bakıldığında martenzit mikroyapısında pek
çok iğnenin karmaşık iç içe girmiş haldeki
görüntüsü görülür.
Martenzit sert ve kırılgan bir yapıdır. Sertliği C
miktarına bağlı olarak değişir. Diğer elementlerin
martenzitin sertliği üzerindeki etkisi daha azdır.
Şekil 18’de martenzitin sertliği ile C miktarı
arasındaki ilişki gösterilmektedir.
ITAB içerisindeki mikroyapı değişiklikleri, soğuma
hızına bağlı olarak değişir. Hızlı soğutulan kaynak
bölgesi, martenzite dönüştüğü için çok serttir (475
Hv). Yavaş soğutulan kaynak bölgesindeki yapı
perlitik olduğundan, sertlik daha düşüktür (275 Hv).
ITAB’ın sertliğinin yüksek olması, bu bölgedeki
martenzitik yapının varlığına bağlanır.
Beynit
Özellikle alaşımlı çeliklerde, martenzit oluşturan hızlı soğuma ile perlit oluşturan
yavaş soğuma arasındaki orta seviyedeki bir soğutma hızında, beynit adı
verilen başka bir mikroyapı meydana gelir. Beynit yapısı, ferrit ve Fe3C
fazlarının karışımlarını içerir. Fakat perlit içerisindeki levhasal görünümdeki
sementit yerine beynit içerisinde küresel sementitler şeklinde
görünmektedir. Beynit 300 C’nin üzerindeki bir sıcaklıkta oluşursa, kaba
Fe3C partikülleri meydana gelir. Bu tür beynitik yapıya üst beynit adı verilir.
Eğer beynit 300 C’nin altındaki sıcaklıklarda meydana gelirse, daha ince
bir sementit yapısı oluşur ve buna da alt beynit denilir. Alt beynitte
sementit, ferrit levhalarına doğru çizgi halinde sıralanarak bulunur.
Alt beynitte sementit, Fe2,4C () şeklindedir.
Dönüşüm diyagramları
Fe-Fe3C faz diyagramı sadece yavaş
soğumanın gerçekleştirildiği bir
durum için geçerlidir. Hızlı
soğumanın varlığında ise dönüşüm
diyagramları kullanılır. İki tür
dönüşüm diyagramı vardır:
1) Sürekli Soğuma Dönüşümü (CCT)
2) İzotermal Dönüşüm (TTT)
TTT diyagramlarının elde edilişinde, öncelikle çelik
östenitik sıcaklına çıkartılır, sonra 723 C’nin altına
kadar suda soğutulur ve dönüşüm gerçekleşinceye
kadar sıcaklık belirli bir derecede sabit tutulur.
Sıcaklı-zaman eğrisi ile ifade edilen TTT diyagramı,
her bir çelik içeriği için ayrı ayrı yapılmış olmalıdır.
TTT diyagramı
650 C’deki dönüşümler gösterilmektedir.
1- Numune östenit fazından hızlı
soğutularak 650 C’ye ulaşılır, sıcaklık
650 C’de sabit tutulur ve zamana bağlı
olarak dönüşüme bakılır.
2- Ötektoid öncesi ferrit oluşmaya başlar.
3- Perlit oluşmaya başlar.
4- Perlit dönüşümü bitmiş olur.
Düşük sıcaklıklarda ise, ötektoid öncesi ferrit oluşmaz
ve perlit ince yapılır. Örneğin, 550 C’de en kısa
zamanda perlit oluşur ve ötektoid öncesi 
oluşmaz
1- Numune östenit fazından hızlı soğutularak 550 C
sıcaklıkta sabit tutulur.
2- Perlit oluşmaya başlar.
3- Perlit dönüşümü bitmiş olur.
Çok daha düşük sıcaklıklarda ise, beynit yapısı
meydana gelir. Bu dönüşüm düşük sıcaklıklarda
çok daha uzun zamanda gerçekleşir
Numune östenit fazından hızlı soğutularak 450 C’ye
indirilir ve bu sıcaklıkta sabit tutulur.
Beynit oluşmaya başlar.
Beynit dönüşümü tamamlanır.
Çok daha düşük sıcaklıklarda ise martenzit yapısı oluşur
1- Numune östenit sıcaklığından Ms’nin altına kadar
soğutulur, martenzit tamamen oluşmaya başlar.
2- Sabit sıcaklıkta tutulsa bile martenzit oranı değişmez.
3- Numune oda sıcaklığına soğutulur. Martenzit dönüşümü,
Mf sıcaklığını geçer geçmez tamamlanır.
Her bir çelik için, sabit bir Ms (martenzit
başlama) sıcaklığı ve sabit bir Mf (martenzit
dönüşümün tamamlandığı sıcaklık) sıcaklığı
vardır. Martenzitin miktarı sıcaklığa bağlı
olmakla beraber, bu sıcaklıkta bekletme
süresine bağlı değildir.
CCT diyagramları
TTT diyagramı üzerinde bir soğuma eğrisini ele alalım. Hangi
mikroyapının oluşabileceği hakkında fikir yürütebilmek için CCT
diyagramları, TTT diyagramlarından biraz farklıdır. Şekil 27’de,
soğuma eğrisi CCT diyagramının dönüşüm burnuna değmeden
önceki bir mesafeye denk gelmektedir. Bu tarz bir soğuma hızına
sahip çelikte martenzit oluşumu söz konusu olup, kaynak esnasında
çatlama riskine sahiptir.
Daha yavaş soğuma hızına sahip çelikte ise, ferrit ve perlit oluşumu söz
konusu olacaktır.
Kritik soğuma oranı
Çeliklerde beynit yapısı, dönüşüm diyagramı nedeni ile CCT
diyagramında meydana gelmez. Beynit bölgesi perlitin altında
gizlendiği için, soğuma eğrisi ya perlit çizgisi üzerinden geçer,
ya da eğrilere hiç değmeden geçer. Hızlı soğuma durumunda,
soğuma eğrisi dönüşüm çizgilerine değmeden direk martenzit
bölgesine geçer ve yapı martenzit olur. Yavaş soğuma eğrisi
ise, ferrit başlama eğrisine temas ederek geçtiğinden yapı
ferrit + perlit şeklinde olur.
Alaşım elementlerinin etkisi
Alaşım elementleri CCT ve TTT diyagramlarının şeklini oldukça etkiler ve farklı
mikroyapıların oluşmasına sebep olurlar.
Örneğin, molibden ve bor elementleri perlitin üst kısmını sağa doğru kaydırır.
Böylece beynit bölgesi açığa çıkar. Bu elementleri içeren çeliklerde, CCT
diyagramı üzerinde beynit mikroyapısı oluşabilir.
Alaşım elementlerinin diğer etkisi ise, çeliğin sertleşebilirliğinin arttırılmasına
neden olmalarıdır.
Alaşım elementlerinin bir başka etkisi de, Ms ve Mf eğrilerinin yerlerini
değiştirmesidir. Şekil 29’da görüldüğü gibi, C oranı arttıkça Ms sıcaklığı ve
Mf sıcaklığı dönüşümleri azalmaktadır.
Diğer elementlerin Ms ve Mf sıcaklıklarına
nasıl etki ettiğini şu formülle hesaplayabiliriz:
Ms (C) = 550 – 350  % C – 40  % Mn – 35
 % V – 20  % Cr – 17  % Ni – 10  % Cu –
10  % Mo – 5  % W + 15  % Co + 30  %
Al
Eğer Mf oda sıcaklığının altında olursa,
martenzit dönüşümü tamamlanmaz ve çelik
kalıntı östenit içerir.
Eğer yuvarlak çelik bir çubuğu 910 C’nin
üzerinde östenit bölgesine kadar ısıtır ve sonra
suda soğutursak çubuğun yüzeyindeki soğuma
oranı, çubuğun merkezindeki soğuma oranından
daha yüksektir. Yani çubuğun yüzeyi daha hızlı
soğumaktadır (Şekil 30).
Bundan dolayı çubuğun yüzeyinde oluşan mikroyapı ile
merkezinde oluşan mikroyapı birbirinden farklıdır. Daha kalın
bir kesite sahip çelik çubuğun merkezi yavaş soğuyacağı için,
merkezinde martenzit oluşmaz ve böylece çeliğin merkezi
sertleşmemiş olur. Bu nedenle, sertleşmiş yüzey ile çubuk
merkezi arasındaki mesafe oldukça önemlidir. İdeal bir
sertleştirme yapabilmek için, ideal kritik çapa sahip çubuğun
merkezinde elde edilecek martenzit oranı % 50 olmalıdır.
Bu işlem çeliğin sertleşebilirliğinin ölçülmesidir.
Eğer alaşım elementi ilave edilirse, çubuk
merkezinde % 50 martenzit oranını elde etmek
için daha büyük bir çapa gerek duyulacaktır.
Böylece çeliğin sertleşebilirliği artmış olacaktır.
Kısacası ne kadar büyük çapa sahip çubuk
merkezinde % 50 sertlik oluşturulursa o kadar
sertleşebilirlik artar. Bunu arttırabilmek için de,
alaşım elementi ilave edilir.
Sertleşebilirliğin ölçülmesi
Bir çeliğin sertleşebilirliğini, Jominy Deneyi ile ölçebiliriz (Şekil
32). 25,4 mm çapında ve 101,6 mm uzunluğunda bir
numune kullanılır. Silindirik çubuk, sertleştirme sıcaklığına
kadar ısıtılır ve bir ucuna sabit bir mesafeden su püskürtülür.
En hızlı soğuma çubuğun ucunda başlar ve çubuğun diğer
ucuna doğru sırasıyla daha yavaş soğuma oranlarında
soğuma işlemi tamamlanır. Sonra soğutulan uçtan diğer uca
doğru sertlik ölçümü yapılarak, sertlik-mesafe diyagramı
oluşturulur.
Download

Saf demirin soğuma eğrisi ve oluşan kristal yapıları