MALZEME BİLGİSİ
DERS 9
DR. FATİH AY
www.fatihay.net
[email protected]
GEÇEN HAFTA
 TANIMLAR VE TEMEL KAVRAMLAR
 İKİLİ FAZ DİYAGRAMLARI
 FAZ DİYAGRAMLARININ YORUMLANMASI
 DEMİR-KARBON SİSTEMİ
BÖLÜM 7
FAZ DÖNÜŞÜMLERİ
 TEMEL KAVRAMLAR
 FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ
 DEMİR-KARBON ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE
ÖZELLİK DEĞİŞİMİ
 DEMİR-KARBON ALAŞIMLARININ MEKANİK
ÖZELLİKLERİ
ÖĞRENECEKLERİNİZ:
•
Tipik bir katı-katı dönüşüm oranının logaritmik olarak zamana bağlı olarak
dönüşümünü şematik olarak çizebilirsiniz ve bu davranışı tanımlayan
bağıntıyı belirleyebilirsiniz
•
Çeliklerin iç yapılarında görülen; ince perlit, kaba perlit, küresel sementit,
beynit, martenzit gibi iç yapı bileşenlerini mikroyapısal özellikleri açısından
kısaca tanımlayabilirsiniz
İnce perlit, kaba perlit, küresel sementit, beynit, martenzit ve temperlenmiş
martenzit gibi iç yapı bileşenlerinin mekanik özellikleri hakkında fikir
yürütebilir ve davranışlarını mikroyapısal özellikleri ile açıklayabilirsiniz
•
•
İzotermal ve/veya sürekli soğumadaki dönüşüm diyagramlarını kullanarak
bazı demir-karbon alaşımları için önceden belirlenen mikroyapı elde etmek
üzere gerekli ısıl işlemleri tasarlayabilirsiniz.
GİRİŞ
Metal malzemelerin çok tercih edilmesinin nedenleri;
Dayanım
Mekanik Özellikler
Sertlik
Kontrol edilebilir!!
Süneklik
Dayanım
Mikroyapısal değişimler
Faz dönüşümlerinin çoğu ani olarak gerçekleşmez
Dönüşüm hızına bağlı olarak meydana gelen yapısal değişiklikler dikkate
alınmalıdır
Demir-karbon diyagramında meydana gelen iki fazlı alaşımların iç
yapılarının oluşumları incelenmelidir
Perlit dışında meydana gelen iç yapılar ve mekanik özellikler çok
önemlidir
Faz Dönüşümleri
Yayınmalı Dönüşümler
Atomlar, en kararlı halin (min.
enerji)
gerektirdiği
fazları
oluşturmada
yeterli
süreye
sahiptirler.
Bu
fazlar,
faz
diyagramlarında
yer
alan
fazlardır.
•
•
•
•
Kaba perlit (coarse pearlite)
İnce perlit (fine pearlite)
Üst beynit (upper bainite)
Alt beynit (lower bainite)
Yayınmasız Dönüşümler
Atomlar düşük enerjili kararlı
fazları oluşturacak yeterli
sürelere sahip değillerdir. Bu
nedenle faz diyagramlarında
rastlanmayan yarı kararlı veya
kararsız fazlar oluştururlar.
•
Martenzit
FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ
Faz dönüşümleriyle normal olarak başlangıç fazından fiziksel/kimyasal ve/veya
iç yapısal özellikleri bakımından farklılık gösteren en az bir yeni faz oluşur
Yeni fazlar birçok farklı yerde küçük parçacıklar halinde meydana gelir ve
büyüyerek malzemenin tane yapısını meydana getirirler
Faz Dönüşümü
Çekirdeklenme
Büyüme
FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ
Çekirdeklenme ve Büyüme
Birkaç yüz atom ile başlar
Eski fazın üzerinde meydana gelir. Bu faz kısmen veya tamamen
kayboluncaya kadar devam eder
Denge koşullarında iç yapıda olması gereken bağıl orana
ulaşıldığında tamamen sona erer
ÇEKİRDEKLENME ve BÜYÜME
• Yüksek sıcaklıklarda ve düşük sıcaklıklarda
dönüşüm hızları düşük
• Hızlı dönüşümün gerçekleştiği bir sıcaklık
aralığı mevcut (Burun bölgesi)
• Belli sıcaklığın altında dönüşüm
gerçekleşmez.
Sıvı
Katı
Çekirdeklenme
Büyüme
• Katı oluşumu 2 aşamada olur.
– Çekirdeklenme (nucleation)
– Büyüme (Growth)
• Çekirdeklenmede: atomlar bir araya
gelerek çekirdekleri oluştururlar. Daha
sonra belli bir boyutun (kritik çap) üzerinde
olan çekirdekler büyürler. Diğerleri çözünür
yok olur.
ÇEKİRDEKLENME
• Faz dönüşümü çekirdeklenme ile başlar.
Çekirdeklenme; yerel olarak atomların
bir araya gelmesi ile oluşur.
• Sıcaklığın azalması ile iki olay etkin hale
gelir.
–Sıvı faz kararsız hale gelerek katıya
dönüşme eyilimi gösterir.
–Sıcaklık azaldıkça çekirdeklerin
büyümesi olayına difüzyonun katkısı
azalır.
Yayınmanın
etkisi
Net çekirdeklenme hızı
Sıvı kararsızlığının etkisi
FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ
Çekirdeklenme
Homojen
Yeni faz dönüşümden önce, ilk
fazın içinde ve uniform olarak
dağılmış bir şekilde gerçekleşir
Heterojen
Yüzey, kafeste çözünmeyen
katışkılar, tane sınırları ve
dislokasyonlar gibi mikroyapıda
heterojenliklerin bulunduğu
yerlerde kendini gösterir
HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME
Çekirdeklenme teorisi
Gibbs Serbest Enerjisi
4 3
∆ =  ∆ + 4 2 
3
Ani dönüşüm için ∆ < 0
∆ : Hacimsel serbest enerji (Sıvı ve katı faz serbest enerji farkları)
HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME
Çekirdeklenme teorisi
Gibbs Serbest Enerjisi
4 3
∆ =  ∆ + 4 2 
3
: Sıvı-katı arası birim ara yüzey oluşumu için gerekli enerji
HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME
Çekirdeklenme teorisi
Gibbs Serbest Enerjisi
4 3
∆ =  ∆ + 4 2 
3
Katılaşma için gerekli enerji ile
küre hacminin değeri
Katılaşma arayüzeyi için gerekli
enerji ile yüzey alanı değeri
 ∗ :  ç
∆ ∗ :   
(∆) 4
= ∆ 3 2 + 4 2 = 0

3
2
 =−
∆
∗
Kritik yarıçapa sahip parçacıklara embriyo,
bu boyutun üzerindeki parçacıklara
çekirdek adı verilir.
3
16
∆ ∗ =
3(∆ )2
İki farklı sıcaklık için serbest enerji-çekirdek yarıçapı eğrilerinin
şematik olarak gösterimi
∆ ( − )
∆ =

2
1
 = (−
)(
)
∆  − 
∗
3 2
16

1
∗
∆ = (
2 ) ( − )2
3∆

∗
∆
∗ = 1 exp(−
)

∗ :  ç 
HETEROJEN ÇEKİRDEKLENME
Çekirdeklenme yüzey ve ara yüzeylerde
diğer bölgelere göre çok daha kolay
gerçekleşir
=  +  
2
 =−
∆
∗
1, 1 ,  : Üç yüzey ve arayüzey enerjileri
3
16

∗
∆ =
()
2
3(∆ )
∗
∗
∆ℎ
= ∆ℎ
()
Heterojen çekirdeklenme engeli ile homojen çekirdeklenme engeli arasındaki ilişki
BÜYÜME
• Çekirdeklenme büyüme safhasında da devam eder, ancak daha önce
çekirdeklenmiş bölgelerde gerçekleşmez
• Büyüme yeni faza dönüşmüş parçacıklarla karşılaşıldığında reaksiyon
tamamlanmış olacağından durur.
• Parçacıkların büyümesi, atomların uzun mesafeleri katederek yayınmaları
sonucunda gerçekleşir
Yayınma aşamaları
Önceki fazda
Faz sınırında
Çekirdeğin içinde gerçekleşebilir
BÜYÜME

 = (− )

 = 
BÜYÜME

 = (− )

 = 
• Dönüşüm hızı belirli bir sıcaklık aralığında (burun bölgesinde) en yüksek değerler alır.
• Dönüşümün tamamlanması için gereken süre, dönüşüm hızıyla ters orantılıdır.
Dolayısıyla sıcaklık-zaman eğrisi sıcaklık- hız eğrisine benzer karakterde fakat tam
ters şekilde olacaktır.
BÜYÜME
%50 Dönüşüm
Dönüşüm miktarları
Dönüşüm
başlangıcı
Hiç Dönüşüm
Olmamış bölge
%100 Dönüşüm
Zaman, t(sn)-logaritmik skala
• Dönüşüm başlaması ve tamamlanması, belli bir zaman aralığında gerçekleşecektir.
• Bu nedenle dönüşüm; dönüşüm başlangıcını ve sona ermesini ifade eden iki çizgini
arasında gerçekleşir
T
Ostenit
Dengesiz ostenit
Tm
Kaba perlit
İnce Perlit
Sertlik 
Üst Beynit
Alt Beynit
Reaksiyon Başlamamış
Sürüyor
t (logaritmik skala)
Tamamlanmış
SOĞUMA HIZI
T
Soğuma hızı=
ΔT
t
t (logaritmik skala)
30
SOĞUMA HIZI
31
KARARLI VE YARI-KARARLI DURUMLARIN
KARŞILAŞTIRILMASI
• Uygulanan ısıl işlemler sonrasındaki mikroyapının oluşumu ve kazandığı
özellikleri, işlem sırasındaki ısıtma ve çoğunlukla soğutma hızına bağlıdır
• Faz diyagramlarında dönüşüm sırasında kararlı hale ulaşılması için
gerekli süre bilgisi yoktur
• Kararlı yapılara ulaşmak için gerekli süreler normalde çok kısadır
32
DEMİR KARBON ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE ÖZELLİK
DEĞİŞİMİ
İzotermal Dönüşüm Diyagramları:
Perlit
Sıcaklığın östenit-perlit dönüşümü üzerine önemli etkisi vardır
Her bir eğri alaşımın %100 östenit içerdiği bir sıcaklıktan üzerinde belirtilmiş olan
sıcaklığa ani olarak soğutulması ve burada sıcaklığın sabitlenmesinden sonra elde
edilen verilerle oluşturulur
DEMİR KARBON ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE ÖZELLİK
DEĞİŞİMİ
Kararlı östenit
727˚C üzerindeki sıcaklıklarda süreden
bağımsız olarak yapı her zaman aynı kalır
Kararsız östenit
727˚C altındaki sıcaklıklarda düşey eksen ile
soldaki eğri arasında kalan bölgede zamanla
östenit başka faza dönüşmek zorundadır
Perlit
Sağdaki eğrinin sağında kalan bölgede yer
alır
İzotermal Dönüşüm Diyagramı (Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Diyagramı)
Kaba Perlit (coarse pearlite):
• Tabakalar (lameller) halinde
dizilmiş iri  ve Fe3C fazlarından
oluşur.
• Nispeten yumuşaktır
• Yüksek dönüşüm sıcaklıklarında
oluşmaktadır,
dolayısıyla
çekirdeklenmesi yavaş büyümesi
ise hızlı olarak gerçekleşir.
 (Ferrit)
Fe3C
37
İnce Perlit (fine pearlite):
• İnce  ve Fe3C tabakalarının
(lamellerin) istiflenmesi ile oluşan
yapıdır
• Kaba yapıya göre daha serttir
 (Ferrit)
Açık renk
Fe3C
• Düşük sıcaklıklarda dönüşüm sonucu
oluşur (çekirdeklenme hızı yüksek)
38
Bileşiminde %1,13 C bulunan bir demir-karbon alaşımının izotermal dönüşüm diyagramı
Beynit:
• Ferrit ve sementit fazlarından
oluşur
• İç yapısında, ferrit matris fazı
içinde dönüşüm sıcaklığına bağlı
olarak iğnemsi ve bağımsız
küçük palakacıklarhalinde
dağılmış bulunan sementit fazı
yer alır
• Yapıdaki bu detaylar çok küçük
olduğundan elektron
mikroskobu ile görülebilir
Üst Beynit (Upper bainete):
• Ferrit matris içinde dağılmış
sementit tanelerinden ibarettir
• Düşük dönüşüm sıcaklıklarında
oluştuğundan tabakalı yapı
oluşturulamaz
 (Ferrit)
Matris
Fe3C
• Perlitle aynı kimyasal bileşime
sahip fakat daha serttir
42
Alt Beynit (Lower bainete):
• Dönüşüm sıcaklıkları daha da
düşüktür. Böylece büyüme imkanı
bulamamış ve ferrit içine dağılmış çok
ince ve sık dağılımlı sementit taneleri
oluşur.
 (Ferrit)
Açık renk
• Ancak elektron mikroskopunda
görülebilir. Çok daha sert bir yapıdır
Fe3C
Koyu tanecikler
43
Martenzit:
• Östenit bölgesine girene kadar ısıtılan
demir-karbon alaşımları çok hızlı bir
şekilde düşük sıcaklıklara soğutulursa (su
verme) martenzit adı verilen bir mikroyapı
meydana gelir
• Östenitten yayınmasız dönüşüm sonucunda
meydana gelen, tek fazlı ve denge dışı
koşullarda oluşmuş bir yapı özelliğine
sahiptir
Martenzit:
• Kararlı fazların oluşması için gereken
yayınmanın
olmaması
durumlarında
dönüşüm kararsız olarak gerçekleşir.
• Bu değişim yayınmasız olmasından dolayı
zamandan bağımsızdır ve iki yatay çizgi
şeklinde gösterilir.
• Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması
durumunda ostenit faz martenzit faza
dönüşür.
İğnemsi yapı
(Optik mikroskopta
Martenzit:
•Ostenitik yapıda arayer büyüklüğü 0.41xRFe
iken ferritik yapıda, 0.29xRFe dir
•Dolayısıyla, ostenit ferritten çok daha fazla
C’u çözebilir
•Yavaş soğutma sırasında ostenit ferrite
dönüşürken, C difüzyon ile sementit (Fe3C)
fazını oluşturur
Martenzit:
•Fakat hızlı soğumada C, yayınma (difüzyon)
için zaman bulamaz ve ferrit içerisinde hapis
olur
•Yayınamayan C atomları hacim merkezli
kübik yapıyı gererek hacim merkezli
tetragonal yapıya dönüşmesine sebep olur
•Bu yapıya martenzit adı verilir
•Çok serttir ve iğnemsi bir görünüşe sahiptir
KRİTİK SOĞUMA HIZI
Kritik soğuma hızı
• Yayınmalı
veya
yayınmasız
dönüşüm
olacağını
belirleyen
parametre soğuma hızıdır.
• Soğumanın kritik bir hızın üzerinde
olması
durumunda
ostenit
martenzite dönüşür.
• Daha yavaş soğuma hızlarında
yayınma gerçekleşir ve soğuma
hızına bağlı olarak yayınma perlit
veya beynit oluşabilir.
48
SU VERME (QUENCHING)
• Çeliğin östenit bölgeden kritik soğuma sıcaklıklarının üzerindeki hızlarda
ani olarak soğutulması işlemidir.
•Amaç tamamen martenzitik bir yapı (very hard but brittle) elde etmektir
•Bu amaçla önce çelik ostenit bölgesinde en az 1 saat ısıtılır
•Daha sonra, Mf in altındaki sıcaklıklara, kritik soğuma hızlarının üzerindeki
değerlerde hızlı soğutma yapılırsa yapı tamamen martenzite dönüşür
(quenching)
•Aksi halde ani soğutma sırasında eğer ZDS eğrileri kesilmiyorsa yapı
dengesiz ostenit halinde bulunuz.

+Fe3C
+
+Fe3C
“Critical Cooling rate”.
Kritik Soğuma Hızı
ÖZET
Ostenit
Ostenit
Ostenit
Yavaş
Soğuma
Yayınmalı
İzotermal
Dönüşüm
Yayınmalı
Çok hızlı
Soğuma
Yayınmasız
Pertlit (+Fe3C)
Beynit (+Fe3C)
Martenzit (tekfaz)
Çeliklerin mekanik özellikleri iç
yapılarıyla doğrudan alakalıdır.
– Ferrit
– Kaba Perlit
– İnce Perlit
Sertlik 
– Üst beynit
– Alt beynit
– Martenzit
ÖTEKTOİD ÇELİK

T
+
Ostenit
+Fe3C
Kaba perlit
Dengesiz ostenit
İnce Perlit
Üst Beynit
Alt Beynit
Ms
Mf
Martenzit
t (logaritmik skala)
+Fe3C
ÖTEKTOİD ALTI ÇELİK
T
Ostenit
Dengesiz ostenit
+

Kaba perlit
İnce Perlit
Üst Beynit
Alt Beynit
Martenzit
t (logaritmik skala)
+Fe3C
+Fe3C
ÖTEKTOİD ÜSTÜ ÇELİK
T
Ostenit
Dengesiz ostenit
+

+Fe3C
Kaba perlit
İnce Perlit
Üst Beynit
Alt Beynit
Ms
Mf
Martenzit
t (logaritmik skala)
+Fe3C
9. DERSİN SONU
Download

Ders 9 - Yrd.Doç.Dr.Fatih AY