Demir-Karbon Alaşımlarının Yapısı
Demir-Karbon alaşımları, çelik ve dökme demir olarak en geniş çapta kullanılan mühendislik
malzemeleridir. Yüksek fırından elde edilen sıvı ham demir, kalıplara dökülerek katılaşmasından elde
edilen yarı mamule pik adı verilir. Pik'in bir kısmı çelik üretiminde diğer bir kısmı da dökme demir
üretiminde kullanılır. Demir-karbon alaşımlarına, bileşimleri değiştirerek ve çeşitli ısıl işlemler
uygulayarak çok geniş fiziksel özellikler kazandırmak mümkündür. Saf demir, yumuşak ve düşük
mukavemetlidir, içerisine karbon ilave edilerek sertliği ve mukavemeti arttırılır.
Ayrıca, çeşitli mekanik ve ısıl işlemlerle bu özellikler daha da arttırılabilir. Örneğin, düşük karbonlu
çeliğin mukavemeti 30 kg/mm2 iken karbon ilavesi ile 100 kg/mm2 ve özel ısıl işlemlerle de 180
kg/mm2 mertebesine çıkartılabilir.
Çelikler
% 2 C'dan daha az karbon içeren demir alaşımlarına çelik adı verilir. %0.8 C içeren çelik, ostenit
fazından itibaren soğutulduğunda 723°C’de (A1) ötektoid reaksiyon sonucu, ferrit (a) ve sementit
(Fe3C) den oluşan lamelli bir yapıya dönüşür ki bu yapıya perlit adı verilir. %0.8 C'dan daha az
karbon içeren çelikler ötektoid altı çelikler olarak tanınır. Bu tür çelikler, ostenit fazından itibaren
soğutulursa A3 sıcaklığına ulaşıldığında ferrit fazı çekirdeklenir ve yapı (ferrit+ostenit) karışımıdır.
Sıcaklık ötektoid sıcaklığına (723°C) ulaştığında yapıda mevcut ostenit (ϒ);
ϒ
perlit (α+Fe3C)
perlite dönüşür. Nihai mikroyapı böylece (ferrit+perlit) mikro bileşenlerini içerir.
Ferrit(α):Karbonunαdemiriiçindeerimesisonucuoluşankatıeriyiğeferritadıverilir.Saf
demir
910°C’ye kadar HMK kristal kafesyapısına sahiptir. Ferriten fazla 723°C'de (A1sıcaklığı)
%0.02 karbon çözebilir. Sıcaklık derecesinin düşmesine bağlı olarak bu oran da azalır. Oda
sıcaklığında ise bu oran %0.008’tir. Ferritin çözemediğ ikarbon kristalin dışına atılır ve
sementit oluşur.
Saf Fe’inmikroyapısı.Dağlama:%2Nital
1
%0.02Ciçerençelikteferritinmikroyapısı.Dağlama:
Marshallçözeltisi,X500
Perlit:αdemirveFe3C’ninlamellarkarışımıdır.Perlitfazdeğildir.İkifazın(αdemir+Fe3C)karışım
ıdır.Çeliklerdeperlitikyapı,östenitinötektoidreaksiyonauğramasısonucuoluşur.Ötektoidkompoz
isyona(%0.77C-%0.8C)sahipçelikyavaşsoğutulduğunda%100perlitikyapıeldeedilir.
Östenitten perlit oluşumunun şematik gösterimi
Tamamenperlitikyapıyasahiprayçeliğin
in(%0.8C)optikmikroyapısı.Dağlama:%
4Pikral.X1000
Tamamenperlitikyapıyasahiprayçeliğin
in(%0.8C)SEMresmi.Dağlama:%4Pikr
al.X10000
İzotermaldönüşümdiyagramındaötektoidçelikiçinkabaperlitveinceperlitiçinsoğumaeğrileri
2
a)Kabaperlit(coarsepearlite),
b)İnceperlit(finepearlite)X3000.
AISI1080çeliği,kabaperlitikyapı.Dağlama:%4pikral,X500.
AISI1080çeliği,inceperlitikyapı.Dağlama:%4pikral,X500.
3
Östenit(γ): Karbonun γ demiri içinde erimesi sonucu oluşan katı eriyiğe östenit adı verilir.
Saf demir 910-1400°C arasında kadar YMK kristal kafes yapısına sahiptir. Östeniten fazla
1148°C'de %2 karbon çözebilir. Östenitin farklı hızlarda soğutulması sonucu çeliklerde farklı
mikroyapılar elde edilir.
Östenitinmikroyapısı.Dağlama:%2Nital
AISI316östenitikpaslanmazçeliğinmikroyapısı.
Dağlama:%4pikral+HClçözeltisi,X500
Ötektoid üstü çeliklerde ise ostenit fazı içerisinde çözünen karbon miktarı, sıcaklıkla artar.
Dolayısıyla, yüksek sıcaklıktan itibaren soğutulan ötektoid üstü bir çelik, Acm sıcaklığına geldiğinde,
ostenit sınırlarında sementit çökelmeğe başlayacaktır. Sıcaklık 723°C’ye ulaştığında, yapıdaki ostenit
fazı, perlit fazına dönüşerek nihai yapıda, (perlit+sementit) mikro bileşenleri yer alır. Sementit fazının
sert ve gevrek olması nedeniyle ötektoid üstü çelikler, ötektoid altı çeliklere kıyasla daha sert ve
gevrek bir karakterdedir. Alttaki şekilde Fe-C denge diyagramı ile ilişkili olarak çeliklerin yapısı ana
hatları ile görülmektedir.
Çeliklerin mikroyapısı
4
Sade karbonlu çelikler, içerdikleri karbon miktarına göre kabaca üç sınıfa ayrılır. Bileşimdeki karbon
miktarı %0.1'in altında ise demir olarak kabul edilir. Karbon miktarı, %0.1- 0.2 arasında ise az
karbonlu çelik, %0.2-0.5 arasında ise orta karbonlu çelik ve %0.5- 2 arasında ise yüksek karbonlu
çelik olarak kabul edilir. Şekilde, farklı miktarda karbon içeren çeliklerin mikroyapıları görülmektedir.
Karbon miktarına göre çelik mikroyapıları;a) %0.07C, b) %0.2C, c) %0.4C, d) %0.6C, e)%1.0C.
(a)
(b)
Çeliklerde ısıl işlem yapıları; a) Martensit (800X), b) Küresel sementit (250X).
5
(a)
(b)
Hızlı soğutulmus %0.5 C’lu çelik yapısı; a) Ferrit fazı, tane sınırlarında ve tane içersinde
Widmanstatten morfolojisinde (70X), b) Yüksek büyütmedeki yapı(700X).
Sıcak işlem görmüş çeliklerin yapısında, ferrit ve perlit tercihli yönlenmesi (bantlaşma) veya işlem
yönünde uzamış kalıntılar görülebilir (Alttaki Şekil).
(a)
(b)
Sıcak işlem sonucu a) bantlaşma yapısı, b) kalıntıların uzaması.
6
Ötektoid altı çeliklerin (%C<0.77) mikroyapıları
%0.38Ciçerençeliğininmikroyapısı.Mikroyapıötektoidöncesiferritveperlittenoluşmaktadır.X635
7
AISI1010çeliğininmikroyapısı.Dağlama:Marshal
l’densonra%2Nital.X200
8
ISI1045çeliğininmikroyapısı.Dağlama:%4Pikral
densonrasonra%2Nital.X300
Ötektoid çeliğin (%C=0.77) mikroyapısı
Ötektoidçeliğinmikroyapısı.KoyurenklifazFe3C,açıkrenklifazα.X470
9
AISI1080çeliğininoptikmikroyapısı.Dağlama:%4pikral.X500
PerlitinSEMmikroyapısı.X5000
10
Ötektoid üstü çeliklerin (%C>0.77) mikroyapıları
%1.4Ciçerenötektoidüstüçeliğinmikroyapısı.Ötek
toidöncesiFe3Cöstenittanesınırlarındaağşeklinde
yeralmaktadır.Dağlama:%2Nital.X1000
11
%1.4Ciçerenötektoidüstüçeliğinmikroyapısı
.ÖtektoidöncesiFe3Cöstenittanesınırlarında
ağşeklindeveperlitikmatristeiğnelerşeklinde
yeralmaktadır.Dağlama:%4Pikral.X500
%1CiçerenötektoidüstüçeliğinSEMmikroya
pısı.ÖtektoidöncesiFe3Cöstenittanesınırları
ndaağşeklindeyeralmaktadır.Dağlama:%4N
ital.
ÖtektoidaltıveÖtektoidüstüçeliklerdesoğumaesnasındamikroyapıdeğişimiveFe–
Fe3Cfazdiyagramıileilişkisi
12
Beynit(Bainite)
Çeliklerde östenitin izotermal dönüşüm ürünü olan beynit, ferrit(α) ve Fe3C’in lamelar
olmayan karışımıdır. 250-350°C izotermal beklemede alt beynit, 350- 50°C izotermal
beklemede ise üst beynit oluşur.
a)Üstbeynit(gritüylülevhalar),b)Altbeynit(siyahiğneler)
AltBeynitveÜstBeynit
ÜstbeynitveAltbeynitoluşumununşematikgösterimi
13
Martensit(Martensite)
Martensit;difüzyonsuzkatıhaldönüşümününbirsonucuolarakoluşanbirfazdır.%0.25C’dendahaf
azlakarboniçerençeliklerdeYMKkristalkafesliöstenithızlısoğutmasonucuHMT(hacimmerkezlit
etragonal)kristalkafeslimartensitedönüşür.
SadeC’luçeliklerdekarbonoranıileMssıcaklığıarasındakiilişkivekarbonoranıilemartensittipinindeğişi
mi.
a)DüşükC’luçelikteçıtatipmartensitX80,b)YüksekC’luçelikteplakatipmartensitX400.
14
a)DüşükC’lualaşımlıbirçelikteçıtatipmartensit(%0.03C,%2Mn),Dağlama:%2Nital,X100.
b)%0.57CiçerenortaC’luçelikteçıtatipmartensitveplakatip(mixedkarışık)martensit,Dağlama:%2Nital,X1000.
c)%1.2CiçerenyüksekC’luçelikteplakatipmartensit,beyazbölgelerkalıntıöstenit(retainedaustenite),Da
ğlama:%2Nital,X1000
15
Çeliklerde gözlenen diğer mikroyapılar
SıcakhaddelenmişveSuverilmişMikroyapılar
16
KüreselleştirilmişMikroyapılar
17
Çeliklerdeöstenitlemesıcaklığıvesoğumahızınınmikroyapıyaetkisi
Suverilmişvetemperlenmişmikroyapılar
18
Çeliklerdedekarbürizebölgemikroyapıları
19
Beynitik mikroyapılar
20
Yüzey Galvanizlenmiş Çelik Mikroyapıları
Yüzey Kaplanmış (AlveyaCr) Çelik Mikroyapıları
21
Yüzey Karbürlenmiş Mikroyapılar
22
Yüzey Karbonitrürlenmiş Mikroyapılar
Yüzey Nitrürlenmiş mikroyapılar
23
Takım Çeliklerinin Mikroyapıları
Takım Çeliklerinin Mikroyapıları
24
Dökme Demirler
Pik, çeşitli ergitme fırınlarında ergitilerek arzu edilen bileşime getirilir ve yeniden istenilen şekilde
hazırlanan kalıplara dökülür. Böylece dökme demir malzeme üretilir.
Dökme demirler, %2 'in üzerinde karbon içerirler. Adi dökme demirler genellikle ötektik bileşime
yakın olup %0.4-3.5 arasında Si ihtiva ederler. Dökme demirlerin bileşimindeki silisyum, grafiti
kararlı kılar. Silisyum aynı zamanda ötektik içindeki karbon miktarını düşürür ve ötektik bileşim
daima; %4.3 CE (karbon equvalanı);
CE = %C + 1/3 %Si
değerine yakındır.
Dökme demirlerin bir çok üstünlükleri mevcuttur. Bunlar;
 - Düşük ergime sıcaklığı (1150-1300°C),
 - Döküm ve kalıp şeklini alabilme yeteneğindeki üstünlük,
 - Ergitme ve döküm işlemlerinin ucuzluğu,
 - Kimyasal bileşim sınırlarının geniş tutulabilmesine rağmen yakın özellikler elde
edilebilmesi,
 - İyi akışkanlık,
 - Talaşlı imalat tekniğinde iyi işlenebilme,
 - Titreşim söndürme özelliğinin çok iyi olması,
 - Basma mukavemetinin yüksek olması,
 - Aşınma ve korozyona dayanıklılık şeklinde sıralanabilir.
Yukarıda sıralanan üstün özelliklere rağmen dökme demirler yapılarından dolayı gevrek karakterdedir
ve oda sıcaklığında işlenemezler.
Dökme demirlerin mikroyapıları bileşimlerine, katılaşma koşullarına ve uygulanan ısıl işleme bağlı
olarak değişir. Beş grupta toplanan dökme demirlerin mikroyapıları, alttaki şekilde şematik olarak
gösterilmiştir.
25
Dökme demirlerin yapıları (şematik); a) Gri dökme demir, b) beyaz dökme demir, c) temper dökme
demir, d) küresel dökme demir ve e) vermicular grafitli dökme demir.
Gri dökme demir : Gri dökme demirin yapısında, altaki şekilde görüldüğü gibi grafit lamelleri
bulunur. Ostenit ve grafitin katılaşması sonucu kararlı demir-grafit veya yarıkararlı demir-sementit
ihtiva eder. Bu dökme demirlerde toplam karbon miktarını ve serbest veya grafit halindeki karbon
miktarını birbirinden ayırt etmek gerekir Gri dökme demirin bileşimine ve soğuma hızına bağlı olarak
grafit lamelleri farklı morfolojide oluşur ve dolayısıyla fiziksel özelliklerde farklılaşma meydana gelir.
Perlitik lamel grafitli dökme demir (600X).
Beyaz dökme demir : Bu tür dökme demirlerdeki karbon, sementit veya diğer metalkarbürlere
bağlıdır. Dökme demirin ani soğuması ile elde edilen bu malzeme içerisinde grafit bulunmadığından
kırık yüzey gri dökme demire kıyasla açık renktedir.
(a)
(b)
Beyaz dökme demir a) Ötektik altı, b) Ötektik üstü.
26
Küresel (nodüler veya sfero) dökme demir : Gri dökme demir, grafit lamellerinin morfolojisinden
dolayı gevrek karakterdedir. Bu nedenle gri dökme demirin mekanik özelliklerini geliştirmek amacı ile
grafitin şekli ve dağılımı kontrol edilir. Bunun için günümüzde çeşitli yöntemler uygulanmaktadır.
Bunlardan biri; sıvı alaşımı aşılayarak ince ve küçük grafit lamelleri elde etmektir. Aşılamada
genellikle ferro silisyum veya kalsiyum-silisyum kullanılır. Bu malzemelerin az miktarda ilave
edilmesiyle çekirdekleşme noktaları artarak neticede grafit lamelleri küçülür. Eğer sıvı alaşım, Mg
veya Ce gibi alaşım elementleri ile aşılanırsa grafitin morfolojisi, lamel yerine küresel olur. Grafit
kürelerinin etrafında, karbon fakirleşmesi nedeniyle ferrit halkası oluşur. (alttaki Şekil). Küresel
dökme demirin tokluğu yüksektir.
Ferritik perlitik küresel grafitli dökme demir.
Temper (malleable) dökme demir :
Beyaz dökme demir, 900°C civarında yeniden uzunca bir süre ısıtılırsa karbürler
Fe3C
3Fe + C(grafit)
şeklinde parçalanarak kar tanesi biçiminde grafit kümeleri oluşur. (Alttaki Şekil). Buna temper
karbonu adı verilir.
Temper dökme demir,
- Beyaz temper dökme demir (Avrupa'da uygulanan)
- Siyah temper dökme demir (ABD'de uygulanan)
olmak üzere temperleme işleminin oksitleyici (%65 Fe203, %20-30 SiO2 ortamı) veya nötr (curuf
gibi) bir ortamda yapılısına göre ikiye ayrılır. Beyaz dökme demir parçaları oksitleyici veya nötr ortam
içeren temper kapları içersine yerleştirilerek, fırında temperlenir.
(a)
(b)
Temper dökme demir; a) ferritik, b) perlitik.
27
Vermicular Grafitli Dökme Demir:
Bu dökme demirlerin yapısında grafitler, yer yer küresel olup grafit lamelleri ile birbirine bağlıdır.
Vermicular grafitli dökme demirler, katılaşma esnasında küreselleşme için gerekli olan
magnezyumdan daha az kullanılması halinde meydana gelir ve gerek mikroyapı ve gerekse özellikler
açısından gri dökme demirle küresel dökme demir arasındadır.
Ticari olarak kullanılan dökme demirlerin Fe-C faz diyagramında şematik gösterimi ve Isıl işleme
bağlı olarak değişen şematik mikroyapıları. Gf: Lamel grafit, Gn: Nodül grafit, Gr: Rosetgrafit, α:
Ötektoid öncesi ferrit, P: Perlit.
28
Dökme demirlerde gözlenen diğer mikroyapılar
29
Yukarıda verilen mikroyapıları tanımlayınız?
30
Download

ϒ perlit (α+Fe3C)