1
6.Hafta: 27.03.2015
FAZ (DENGE) DİYAGRAMLARI
Malzeme özellikleri, içerdikleri fazların cinsine, sayısına, oranına, şekline ve dağılım biçimine bağlıdır. Bu nedenle,
malzemeyi oluşturan fazların, hangi şartlarda oluştuklarını ve dönüşüme uğradıklarını bilmek gerekir.
Faz diyagramında, sıcaklık (T), basınç (P) ve derişiklik (c) büyüklüklerine bağlı olarak hangi fazların bulunabileceği,
incelenen sistem genellikle termodinamik denge halindeyken saptanır. Elde edilen sonuçlar, faz (denge) diyagramları
yardımıyla topluca gösterilir. Faz diyagramları iki veya üç bileşenli olabilir.
Bu diyagramlarda, alaşımlara uygulanan işlemlerin vakum metalürjisi dışında, çoğunlukla atmosfer basıncında (P≈ 1
bar) yapılması nedeniyle, basınç sabit, T ve c değişken alınır.
Alaşım sistemiyle ilgili diyagramda, genel olarak aşağıdaki fazlar veya bunların karışımlarını içeren alanlar bulunabilir:
• Saf elementler (bileşenler)
• Sıvı çözeltiler (eriyikler)
• Katı çözeltiler
• Ara bileşikler (intermetalikler)
Gibbs Faz Kanunu
Dengede olan çok fazlı bir sistem için
S= B+2-F
S : Serbestlik derecesi
B : Bileşen sayısı
F : Faz sayısı
Serbestlik derecesi, faz sayısı sabit kalmak şartıyla değiştirilebilecek durum büyüklüklerinin sayısıdır (basınç, bileşim ve
sıcaklık). Basınç sabit kabul edilirse
S= B+1-F
olur. Bu durumda iki bileşenli sistemde durum büyüklükleri T ve c’dir.
S= 2+1-F= 3-F
Tek fazlı durum için S= 2’dir. Böylece faz sayısı değişmeden, T ve c belirli sınırlar içinde, birbirinden bağımsız olarak
değiştirilebilir.
İki fazlı durum için S= 1’dir. Faz sayısı aynı kaldığı sürece, T ve c birbirinden bağımsız olarak değiştirilemezler.
İki bileşenli sistemde 3 faz aynı anda bulunuyorsa, S= 0 olur. Fazların sayısı 1 azalıncaya kadar, sıcaklık ve fazların
derişiklikleri sabit kalır. Bu duruma örnek olarak, ötektik, ötektoid ve peritektik reaksiyonlar gösterilebilir.
Faz sayısı sabit kalmak şartıyla T1 sıcaklığında L1 alaşımının bileşimi değiştirilebilir. Sıcaklık değiştirilirse faz sayısı
değişir.
2
L1
L1
TA
E
Tö sıcaklığında
S= 2+1-3= 0
TB
Ö
TÖ
E+A kr+B kr
A kr+B kr
A
%B
B
t
Faz diyagramları, alaşımların soğuma diyagramları yardımıyla elde edilirler. Çeşitli oranlarda karıştırılmış birçok alaşım
termik analize tabi tutularak, soğuma sırasındaki davranışları incelenir ve soğuma diyagramları hazırlanır.
Soğuma Diyagramları
Faz Diyagramlarının Çizimi
Faz diyagramları ile verilen faz sayıları, türleri ve miktarları, genellikle sistemin termodinamik denge halinde geçerlidir.
Bunun için de ısıtma ve soğutma hızları, söz konusu dengenin oluşmasına imkan verecek ölçüde düşük olmalıdır.
C
o
o
o
C
C
Faz diyagramları, oda sıcaklığından ergime sıcaklığına kadar olan tüm sıcaklıklar için, alaşım sisteminin (ikili, üçlü vb)
içerdiği faz oranını verir.
TA
E
TB
E+K
E+K
K
%100 A
%60A+%40B
%100 B
%80A+%20B
%20A+%80B
Soğuma Eğrileri
t
A
%100 A
%B
B
%100 B
Faz Diyagramı
Denge durumunu yansıtan faz diyagramları, teknik alaşımların yorumunda bazı yanılgılara neden olabilir. Pratikte
karşılaşılan ısıtma ve soğuma koşullarının, denge haline ulaşmak için gerekenden önemli ölçüde farklı olması,
özelliklerde çoğunlukla çok belirgin değişikliklere yol açar.
Katı Halde Denge Diyagramları
1. Katı Halde Tam Çözünürlük (Tam Karışma Durumu)
Bu durumda, likidüs (sıvılaşma) çizgisinde, yani T1 sıcaklığında, αkç oluşmaya başlar ve böylece iki fazlı alana girilir.
Düşük sıcaklıklarda A ve B atomları ortak bir kafes içinde, her oranda çözünmektedirler. Tam çözünürlük, alaşımlarda
yaygın bir durum değildir. Cu-Ni alaşımı örnek olarak verilebilir.
3
2
E
2
C
C
L1
o
C
L1
o
o
C
1
o
1
TNi=1453
E+Cu kç
TCu=1083
Cu kç
t
Cu
%kr
%Ni
Ni
Cu kç
Cu
t
Oda sıcaklığında Tammann diyagramı
%Ni
Ni
2. Katı Halde Tam Çözünmezlik (Hiç Karışmama Durumu)
Eriyikten sadece saf A veya B kristalleşiyorsa, alaşımların sıvılaşma sıcaklıkları, bileşenlerin ergime noktalarına göre
azalır. Sıvılaşma eğrileri, A ve B’nin ergime sıcaklıklarından başlayarak, sürekli alçalan sıvılaşma eğrisinde (Ö) kesişirler.
Bu ötektik nokta tarafından belirlenen ötektik bileşimindeki malzeme ötektik alaşım, ötektik sıcaklığındaki sıvı fazın
katılaşmasıyla elde edilen içyapı da ötektik yapı olarak adlandırılır.
Ötektik alaşım belirli bir aralıkta değil, saf metal gibi, sabit bir sıcaklıkta katılaşır. Bu nedenle, soğuma eğrisi sadece
sabit sıcaklık noktası gösterir.
Ötektik noktada
E → K1 + K 2
C
o
C
o
C
o
o
C
4
Ötektik nokta, ergiyikten iki ayrı katının meydana geldiği sıcaklık noktasıdır. Ötektik alaşımın, ergime ya da katılaşma
noktasıdır. Bu alaşımda katılaşma, her iki bileşende aynı anda ancak, sadece kendi kendilerine kristalize oluncaya kadar
engellenir. Sonuçta, iki ayrı kristal çeşidinden oluşmuş bir kristal karışımı meydana gelir. Ötektik alaşımın katılaşma
sıcaklığı, kendisini oluşturan bileşenlerin katılaşma sıcaklığının altında olduğu için, bir alt soğuma meydana geldiğinden,
ince tanelidir. Diğer bir deyişle, iki kristal çeşidinin meydana getirdiği ince taneli karışıma ötektik yapı adı verilir.
Ötektik alaşımların ergime sıcaklıkları düşük, mekanik özellikleri iyi ve kendini çekme oranı küçük olduğundan, döküm
alaşımı olarak kullanılır.
Tammann Diyagramı (Bünye Diyagramı, Faz Yüzdeleri Diyagramı): Mühendisler çoğunlukla oda sıcaklığındaki fazların
tür ve miktarları ile ilgilenirler. Tammann Diyagramı, bu sıcaklık için gerekli olan bilgileri içermektedir. Anılan
diyagramdaki sınır çizgilerinin tümü, doğru biçimindedir.
3. Katı Halde Sınırlı Çözünürlük (Kısmi Karışma Durumu)
Alaşım sistemlerinin büyük çoğunluğunda, bileşenler katı durumda ne sürekli bir katı çözelti oluştururlar ne de tümüyle
çözünmez haldedirler. Genellikle, A bileşeninin belirli miktarlarda B bileşenini, B bileşeninin de belirli miktarlarda A
bileşenini çözebildiği derişiklik aralıkları mevcuttur.
oC
oC
oC
oC
5
A kç: α kç: α
B kç: β kç: β
Çözünürlük yüksek sıcaklıklarda alçak sıcaklıklara göre genellikle daha fazladır. Dolayısıyla, soğuma sırasında, bileşime
bağlı olan belirli bir sıcaklığın altına düşülünce çözünürlük sınırı (çözeltinin doyma sınırı) aşılmış olur. Örneğin A
kafesinde daha önce çözünmüş B atomlarının bir kısmı, zorunlu olarak kafes dışına yayınıp, B’ce zengin ve kristal yapısı
farklı yeni bir faz oluştururlar. Böylece, bir katı fazdan diğer bir katının ayrışması, çökelme olarak adlandırılır. Her
sıcaklıktaki çözünürlük sınırını belirleyen çizgiye, katılaşma eğrisi denir.
4. İntermetalik (Metal-Metal) Bileşiklerin Faz Diyagramları
İntermedial (Metal-Ametal) Bileşiklerin Faz Diyagramları
Arafazlı (Arabileşikli) Faz Diyagramları (AxBy)
C
o
o
C
Arabileşikler sert ve kırılgandırlar; sabit sıcaklıkta katılaşırlar ve ergirler. Kafes yapıları, kendisini oluşturan A ve B
elementlerinin kafes yapısından farklıdır. İntermetalik ve intermedial bileşikler, iyonik ya da kovalent bağ bulunan
bileşiklerdir. Denge diyagramlarını bağımsız bölgelere ayırırlar.
E
E
TA
kç
kç
E+B kç
TÖ2
kç
E+A kç
A kç
kç
A
Ö2
B kç
Ö1
TÖ1
TB
kç
kç+B kç
%B
B
kç: C kç
6
5. Peritektik Oluşumlu Faz Diyagramları
Sabit sıcaklıkta, biri sıvı olan iki faz reaksiyona girerek, yeni bir katı faz oluşturur.
Ötektik dönüşüm: E→ K1 + K2
Peritektik dönüşüm: E+ K → K1
6. Ötektoid Oluşumlu Faz Diyagramları
Ötektik reaksiyona benzer şekildedir; burada bir katı çözelti, sabit sıcaklıkta iki farklı katı faza ayrışmaktadır.
Faz Diyagramından Faz Miktarlarının Bulunması
Ters Manivela Kuralı (Kaldıraç Kuralı)
T1 sıcaklığında L1 alaşımının faz miktarları:
a
x100
(ergiyik için solidüs eğrisini kesen bölge)
a+b
b
%α kç =
x100
(katı için likidüs eğrisini kesen bölge)
a+b
%α kç + % E = %100
%E =
7
C
o
C
o
o
C
Problem:
a) Faz diyagramını doldurunuz.
b) Verilen L1 alaşımı için soğuma diyagramını çiziniz.
c) Oda sıcaklığındaki Tammann (bünye) diyagramını çiziniz.
d) Tx sıcaklığında L1 alaşımı için faz miktarlarını bulunuz.
b
50 − 40
x100 =
x100 = %25
a+b
50 − 10
a
40 − 10
%E =
x100 =
x100 = %75
a+b
50 − 10
% A kç =
% A kç + % E = %100
Üçlü Faz Diyagramlarına Örnekler
Kaynaklar (Bu bölüm için):
1. Ders notları, Prof. Dr. Ayşegül Akdoğan Eker.
2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt I”, TÜGAM Matbaası, 1985.
3. Temel Savaşkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009.
4. Prof.Dr. Ahmet ARAN, Malzeme Bilgisi Ders Notları, 2008.
5. ASM Handbook, Volume 3 : Alloy Phase Diagrams.
Download

2014-2015 B Malzeme 1 dersi 6.hafta _internete_