metallerin ısıl işlemleri

1 İÇİNDEKİLER DİZİNİ İÇİNDEKİLER DİZİNİ ............................................................................................ 1 1. GİRİŞ ............................................................................................................. 3 2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI ......................................................... 4 2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı .................................................................... 6 2.1.1. Isıtma .................................................................................................. 9 2.1.2. Soğutma ............................................................................................ 10 2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri ................................................................ 10 2.2.1. Isıtma ................................................................................................ 11 2.2.2. Soğutma ............................................................................................ 15 2.2.3. Perlit Oluşumu .................................................................................... 16 2.2.4. Beynit Oluşumu................................................................................... 17 2.2.5. Martenzit Oluşumu............................................................................... 18 2.2.6. Kalıntı Ostenit ..................................................................................... 22 2.2.7. TTT Diyagramları ................................................................................. 23 2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları ...................... 24 2.4. Difüzyon .................................................................................................. 28 2.4.1. Difüzyonun şekli .................................................................................. 28 2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler ......................................................... 29 2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması........................................................ 30 2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma .................................................................. 32 Katılardaki Difüzyon Çeşitleri .......................................................................... 33 A. Kitle Difüzyonu ............................................................................................ 33 B. Tane Sınırları Boyunca Difüzyon..................................................................... 35 2.4.5. Difüzyona Etki Eden Faktörler ................................................................ 36 3. YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ.................................................................. 38 3.1. Sementasyon ........................................................................................... 38 3.1.1. Kutu Sementasyonu............................................................................. 40 3.1.2. Tuz Banyosunda Sementasyon ............................................................. 40 3.1.3. Gaz Sementasyonu .............................................................................. 41 3.2. Sertleştirme Yöntemleri ............................................................................. 42 Şekil 3.1: Direkt sertleştirme şeması ............................................................... 42 Şekil 3.2: Basit sertleştirme şeması ................................................................. 43 Çift Sertleştirme................................................................................................. 44 Şekil 3.5: Çift sertleştirme şeması ................................................................... 44 3.3. Sementasyon Derinliğine, Yüzey Sertliğine ve Çekirdek Sertliğine Etki Eden Faktörler ........................................................................................................ 45 Sementasyon Derinliği ........................................................................................ 45 Şekil 3.6: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki ................................. 45 Yüzey Sertliği .................................................................................................... 48 Çekirdek Sertliği ................................................................................................ 49 3.4. Nitrürasyon .............................................................................................. 50 3.4.1.Amonyakla Gaz Nitrürasyonu ................................................................. 53 3.4.2. Tuz Banyosunda Nitrürasyon ................................................................. 55 3.4.3.Toz Nitrürasyonu .................................................................................. 56 3.4.4.Gaz ve Tuz banyosunda Nitrürasyonun Karşılaştırılması.............................. 56 3.4.5. Nitrürlenebilirlik................................................................................... 58 3.5. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme.................................................................. 61 Şekil 3.22: İndüksiyonla sertleştirmede kullanılan bobin tipleri ............................ 64 3.6.Alevle Sertleştirme ..................................................................................... 67 4. SERTLEŞEBİLİRLİK ......................................................................................... 68 4.1. Grossmann Sertleşebilirlik Testi................................................................... 70 4.1.1. Çeliğin Kimyasal Bileşiminden Di Değerinin Hesaplanması.......................... 71 4.2.Jominy-Uç Su Verme Sertleşebilirlik Deneyi ................................................... 73 4.2.1.Kimyasal Bileşimden Jominy Eğrilerinin Hesaplanması ................................ 74

2 4.3.Jominy ve Grossmann Eğrilerinin Pratik Uygulamaları ...................................... 75 5.ÇELİKTE ALAŞIM ELEMENTLERİ ......................................................................... 90 5.1.Ostenit Oluşturucu Elementler...................................................................... 90 5.2.Ferrit Oluşturan Elementler.......................................................................... 91 Şekil 5.2: Fe-Cr denge diyagramı .................................................................... 92 5.3.Karbür Oluşturan Elementler........................................................................ 92 5.4.Karbürleri Kararlı Yapan Elementler .............................................................. 92 5.5.Nitrür Oluşturan Elementler ......................................................................... 93 5.6.Alaşım Elementlerinin Ferritin Sertliğine Etkileri .............................................. 94 Şekil 5.4: Alaşım elementlerinin ferritin sertliğine etkileri.................................... 95 5.7.Alaşım Elementlerinin Tane Büyümesine Etkileri ............................................. 95 6.GENEL ISIL İŞLEM ........................................................................................... 99 6.1.Tavlama ................................................................................................... 99 6.2.Maksimum yumuşaklık için tavlama ............................................................ 100 6.3. Soğuk Deformasyon ve Yeniden Kristalleşme Tavlaması................................ 102 6.4.Gerilim Giderme Tavlaması........................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.İzotermal Tavlama ...................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.1.Ostemperleme Isıl İşlemi ........................ Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.2.Martemperleme ..................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.

3

4 1. GİRİŞ Isıl İşlem kavram olarak metal malzemelerin iç yapılarını, o malzemenin özelliklerini iyileştirmek üzere değiştirmek için yapılan ısı temelli işlemlerin tümünü kapsayan bir deyimdir. Bir metal parçanın ısıl işlemi, o metalin faz diyagramı göz önüne alınarak yapısının belli sıcaklıklar arasına malzemenin ısıtılması, bu sıcaklıklarda tutulması ve ardından ortam sıcaklığına belli soğutma hızlarıyla soğutulması anlamlarını bir arada içerir. Metallerin ısıl işlemi dersi kapsamında, metal malzemelerin hangi ısıl işlem prosedürleri sonunda nasıl özellikler kazanacağı, bu ısıl işlem prosedürlerinin malzemelere nasıl uygulanacağı anlatılacaktır. Bunun yanı sıra bazı metal malzemeler için ısıl işlem uygulamaları yapılacak, elde edilen sonuçlar metalografik veya mekanik yöntemlerle kontrol edilecektir. Bu nedenle Metallerin ısıl işlemi dersini alan öğrencilerin, özellikle Metalografi, Faz Diyagramları

ve Malzemelerin Mekanik Özellikleri derslerini almış

olmaları gerekmektedir. Metallerin ısıl işlemleri anlatılırken, şüphesiz, çelik malzemelerin ısıl işlemleri önemli bir yer tutacaktır. Bu nedenle ders notları hazırlanırken iki temel bölüm oluşturulmuştur. Bunlar; Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri ve demir dışı metal ve alaşımlarının ısıl işlemleri şeklindedir. Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri bu dersin hem temel anlatım konularını hem de uygulama örneklerini oluşturacaktır. Demir dışı metallerin ısıl işlemleri konusu ise öğrencilerin hazırlayacağı dönem ödevlerinin konusu olacak ve dönem sonunda her öğrenci kendi konusunu sınıf huzurunda anlatacaktır. Demir ve demir alaşımlarının ısıl işleminin daha iyi anlaşılabilmesi için öncelikle dönüşümler ve demirin kristal yapısı üzerinde durulmuştur. 2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI Bir saf demir parçası oda sıcaklığından ergime sıcaklığına kadar ısıtıldığında, çok sayıda kristalografik dönüşümlere uğrar ve iki farklı allotropik dönüşüm gösterir. Demirin allotropik değişim olayına karışan ısıya dönüşüm gizli ısısı adı verilir. Eğer bir demir numune kararlı bir hızla ısıtılırsa, sıcaklıktaki artış dönüşümün başlamasıyla kesilir ve sıcaklık dönüşüm tamamlanmasına kadar sabit olarak kalır. Ergimiş demirin oda sıcaklığına soğutulması sırasında, dönüşümler ısıtmadakine yakın bir sıcaklıkta ters olarak meydana gelir. Bu dönüşümler sırasında ısı serbest hale geçer ve soğuma hızının

5 azalmasına neden olur. Soğuma hızındaki bu değişiklik dönüşüm devam ettiği sürece devam eder. Ferrit ve Ostenit adı verilen demire ait iki faz ile bunların ısıtma ve soğutma sırasındaki dönüşüm sıcaklıkları ve kararlılık bölgeleri, şekil 2.1’de gösterilmektedir. Bu şekilde A harfi Fransızca arreter (gecikme), C harfi chauffer (ısıtma), R harfi ise refroi (soğutma) anlamlarını ifade eder. Ferrit 1392°C ile ergime sıcaklıkları arasında olduğu gibi 911°C’nin altında da kararlıdır. Ferritin kararlı yapıda olduğu bu iki halinden ilkine δ demiri, ikincisine α demiri adı verilir. Ostenit adı verilen γ demiri 911°C ile 1392°C arasında kararlıdır. Demir, oda sıcaklığında ferro manyetik olup bu özelliği sıcaklık arttıkça azalır ve Curie sıcaklığı adı verilen 769°C’de tamamen yok olur. Atomların metaller içerisinde oluşturdukları düzenli 3 boyutlu paterne kristal yapı adı verilir. Bu kristal yapı demir için küplerin yan yana veya üst üste dizilmeleri şeklindedir. Her bir kübün köşesinde yer alan 8 atom, 8 adet birim hücre tarafından paylaşılmaktadır. Köşe atomlarının yanı sıra, birim hücrede demirin allotropik durumuna bağlı olarak ilave atomlarda bulunabilir.

Şekil 2.1: Saf demir için ısıtma ve soğutma eğrileri.

6 Hacim merkezli kübik yapıda (HMK) olan ferritin birim hücresinin köşelerinde birer atom ve köşegenlerinin kesim noktasında (yani merkezde) bir atom mevcuttur. Birim hücrenin kenar uzunluğu veya latis parametresi oda sıcaklığında (20°C) 2.87 °A’dır (Angström = 10-8 cm). Ostenit yüzey merkezli kübik yapıya sahip olup latis parametresi 3.57 °A’dır. α demiri ile γ demirinin birim hücreleri şekil 2.2’de gösterilmiştir. γ demirinin birim hücresinin latis parametresi, α demirine oranla daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Örneğin 20°C’daki yoğunluklar, γ demiri için 8.14 gr/cm3, α demiri için 7.87 gr/cm3 olarak gerçekleşir.

Şekil 2.2: Ferrit ve Ostenitin kristal yapıları. 2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı Çelikteki alaşım elementlerinden en önemlisi karbondur. Karbonun varlığı, çeliği günlük yaşantının en yararlı bir unsuru yapan, elde edilebilir çok sayıda özelliklerinden büyük ölçüde sorumludur. Oda sıcaklığında karbonun α demiri içersindeki çözünürlüğü çok düşüktür ve bu nedenle karbon atomları tek tek demir atomları arasında çok seyrek olarak bulunurlar. Ferritte çözünmüş karbon miktarının düşük olması karbonun demir karbür bileşiğini oluşturduğunu gösterir. Karbonun demir ile yaptığı karbüre Sementit adı verilir. Demir karbür ferrit ile beraber “Lamel” şeklinde mevcut olabilir. Perlit adı verilen bu yapı %0.8 C içerir. Yapıdaki perlit oranı karbon miktarının %0.8 değerine kadar artış gösterir. Bu miktardan daha fazla karbon tane sınırları karbürü olarak ayrılır. %0.8 C’lu bu çeliğe ötektoid adı verilir. Şekil 2.3a-d’de bu yapılar şematik olarak verilmiştir.

7

Şekil 2.3: Farklı karbon içeriklerine sahip karbonlu çeliklerin mikroyapıları. Demir

karbon

ile

alaşımlandığında,

dönüşüm,

Fe-C

denge

diyagramında

gösterildiği gibi, karbon miktarına bağlı olarak belli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Şekil 2.4’de Fe-C denge diyagramının çeliğin ısıl işlemi için kullanılan kısmına ait çeşitli mikroyapıları gösterilmektedir.

8

Şekil 2.4: Fe-C denge diyagramının sol alt kısmı. Bu denge diyagramını %6 C içeriğine kadar tamamlanmış olarak verildiği şekil 2.5’den açıkça görüldüğü gibi, karbonun ostenitteki erirliği ferrittekinden daha fazladır.

9

Şekil 2.5: Fe-C denge diyagramı, --------: kararlı Fe-C sistemi, ⎯⎯⎯⎯: yarı kararlı Fe-Fe3C sistemi. 2.1.1. Isıtma α demirinin 911°C’ye ısıtıldığında γ demirine dönüştüğüne daha önce değinilmişti. Bu dönüşüm şekil 2.4’deki diyagramın sol kısmının düşey eksenine bakılarak kolaylıkla görülebilir. %0.8 C içeren yani ötektoid bileşimindeki bir çelikte ostenitin dönüşümü 723°C’de başlar. α demiri γ demiri ve sementitin dengede olduğu sıcaklık A1 olarak gösterilir. Otektoid altı çelik adı verilen az karbon içerikli çelikler perlitik halden ostenite aynı sıcaklıkta yani 723°C’de dönüşürler. PS ve GS arasındaki dengeli bölgede perlitten oluşmuş ostenit ve dönüşmemiş ferrit mevcuttur. Isıtma durumunda dönüşüm GS hattı olarak verilen A3 sıcaklığına ulaşıncaya kadar tamamlanmaz. A3 sıcaklığı üzerinde ise sadece bir faz mevcuttur. Buna ostenit adı verilir. Eğer çeliğin karbon miktarı %0.8’den fazla ise bu çeliğe otektoid üstü çelik adı verilir. Bu çeliklerde de perlitin ostenite dönüşümü 723°C’de gerçekleşir. Fakat sementitin tamamen katı eriyik içine alınması için sıcaklığın SE olarak gösterilen Acm denge hattının üzerine çıkarılması gerekir. Şimdi bir an için ısıtma sırasında meydana gelen olaylara dönelim. 723°C sıcaklıkta %0.025 C’dan daha fazla C içeren çeliklerde, ostenite dönüşüm başlar. Bu

10 kristal yapının ferritten, C atomlarının daha yüksek çözünürlüğe sahip oldukları ostenit fazına

geçiş

anlamına

gelir.

Ostenitteki

C

atomlarının

pozisyonları

şekil

2.6’da

gösterilmektedir. G-S-E üzerindeki sıcaklıkta sadece ostenit mevcut olup, tüm karbon atomları ostenit katı eriyiği içinde düzenli bir şekilde dağılmış durumdadır.

Şekil 2.6: γ demirinde karbon atomlarının yerlerinin şematik gösterilişi. 2.1.2. Soğutma Tamamen ostenitlenmiş sade karbonlu otektoid bir çelikte, eğer sıcaklık 723°C’nin altına hafifçe düşürülürse, γ demirinden α demirine dönüşüm başlar ve sonuçta γ demirinin kristal kafesinden karbonun atılmasıyla sementit oluşumu gerçekleşir. Soğuma oda sıcaklığında tamamlandığında çelik yine perlitik bir yapıya sahip olur. 2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri Demir-karbon denge diyagramının ısıl işlem proseslerinde tartışılmaz bir önemi vardır. Ancak bu diyagram sadece demir ile karbon arasında denge oluşumunun söz konusu olduğu koşulu tarif eder. Isıl işlemin büyük bir çoğunluğunda işlemi belirleyici faktörlerden zaman parametresinin etkisinin gösterildiği “zaman-sıcaklık-dönüşüm” adı verilen diyagramlardan yararlanılır. Bu diyagramlardan hem zamanın hem de sıcaklığın dönüşümlere olan etkilerini takip etmek mümkündür.

11 2.2.1. Isıtma Zamanın etkisi en iyi bir şekilde şekil 2.7a-f’de gösterilen diyagramlardan açıklanabilir. Şekil 2.7a Fe-C diyagramının sol alt kısmına ait olup 0.8 C’lu bir çeliğin 723°C’ye ısıtılması sırasında ostenite dönüşümünü göstermektedir.

Şekil 2.7: Çeşitli karbon çeliklerinde ısıtma sırasındaki yapısal dönüşümlerin şematik gösterilişi. a) %0.8 C, b) %0.8 C, c) %0.45 C, d) %0.45 C, e) %1.2 C, f) %1.2 C A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit.

12 Bu diyagram bize dönüşümün nekadar süreceği hususundan başka hiçbir şey vermemektedir. Şekil 2.7b’den sıcaklığın 730°C’de tutulduğu durumda dönüşümün 30 saniyede başlayacağı tahmin edilebilir. Eğer çelik bunun yerine, aniden 750°C’ye ısıtılırsa dönüşüm 10 saniye içinde, 810°C’ye ısıtıldığında ise 1 saniyenin çok az üzerinde yani pratik olarak bu sıcaklıkta aniden başlar. Perlitin ostenit ve sementite dönüşümü 810°C’de yaklaşık 6 saniyede tamamlanır. Eğer çelik tamamen ostenit olacak ise, bu sıcaklıkta yaklaşık 5 saat tutulmalıdır. Pratikte, örneğin setleştirme için yapılan ısıtmada, sementitin nadiren tam olarak katı eriyik içine alınması (ostenit içinde çözünmesi) %100 ostenitik yapının elde edilmesini zorlaştırmaktadır. %0.45 C içeren sade karbonlu bir çeliğe ait olan şekil 2.7 c ve d, 810°C’de aynı özellikleri, örneğin perlitin ostenite dönüşümünün ani oluşmasını göstermektedir. Burada perlitin dönüşümü 5 saniye içerisinde gerçekleşmiş olup yapı, ferrit, ostenit ve sementitten oluşmaktadır. Yaklaşık 1 dakika sonra karbon ferrite difüze olmuş ve dolayısıyla ferrit ostenite dönüşmüştür. Yapıda mevcut sementit partiküllerini tamamen çözündürebilmek (katı eriyik içine almak) için 10 saatlik bir süre gereklidir. %1.2 C içeren otektoid üstü bir çelik 810°C’ye ısıtıldığında 5 saniye içerisinde şekil 2.7 e ve f’den görüldüğü gibi ostenit ve sementit karışımı bir yapıya sahip olur. Bu sıcaklıkta sementitin tamamen

çözünmesi

mümkün

değildir.

Bu

durum

denge

diyagramından

açıkça

görülebilir. Sementitin tam olarak çözünmesini etkilemek için sıcaklığın en azından 860°C’ye çıkarılması gereklidir. Sementitin çözünme hızını incelemek için çelik önceden tespit edilen bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve orada belirli bir süre tutulduktan sonra su verme sonucu önceki mevcut yapı dondurulmuş (dönüşmesi önlenmiş) olur, ancak bu işlemle ostenit martenzite dönüşür. %0.45 C’lu çeliğe ait böyle bir deneyden elde edilen sonuç şekil 1.8’de gösterilmektedir. Burada tüm hallerde tutma süresi 5 dakikadır. Şekil 2.8 a, %50 ferrit %50 Perlitten oluşan orijinal yapıyı göstermektedir. Bu yapıda mevcut sementitin lamellerinin bir kısmı 725°C’de 5 dakika ısıtma sonucu küreler haline çevrilirler. Bu tür bir işleme küreleştirme adı verilir. Küreleştirme işlemi sonucu sertlikte azalma meydana gelir ve herhangi bir dönüşüm söz konusu değildir (Şekil 2.7 e). Eğer yukarıdaki bileşimdeki çelik 735°C’ye ısıtılırsa perlitin esas kısmı ostenite dönüşür ki bu yapıya su verilmesi sonucu bir miktar ferrit ve perlit dönüşmemiş olarak kalır. 750°C’de 5 dakika tutma süresi tüm perliti dönüştürmek için yeterli olmasına karşın ferritin %5’i yinede dönüşmemiş olarak kalabilir. Bununla beraber şekil 2.8 e’de görüldüğü gibi 775°C’de 5 dakika tutma süresi tüm ferriti dönüştürmek için kafi gelmemektedir. Ferrit kalıntıları şekil 2.8’de açıkça görülebilir. Sementitin varlığı ise şekil 2.7 ile uyumlu olarak yinede söz konusudur.

13 Sertleştirme

sıcaklığına

kadar

olan

ısıtmanın

farklı

hızlarda

yapılmasının

dönüşümün hızına ve bileşiklerin (faz veya partikül) çözünmesine etkisi olur. Şekil 2.9’da orijinal olarak ferrit ve perlitten oluşan hemen hemen otektoid bileşiminde bir çeliğin sürekli ısıtma diyagramı gösterilmektedir. Diyagramda sağdan 3. eğri 3°/dak.’lık bir ısıtma hızını temsil eder. Dönüşümün sıcaklığı ısıtma hızındaki artış ile yükselir. Kalıntı karbürlerin dilatometre (faz değişimiyle beraber meydana gelen boyut değişimini veren cihaz) ile bulunan çözünme sıcaklığı, metalografik yöntemle tespit edilen sıcaklıktan (şekil 2.7) bir miktar farklıdır.

14

Şekil 2.8: %0.45 C’lu bir çeliğin çeşitli ısıl işlemler sonrası mikro yapısı, a) İşlem görmemiş, sertlik 220 HV, b) Tuz banyosunda 725°C’ye kadar ısıtılmış tutma süresi 5 dk. Su verilmiş, sertlik 215 HV, c) Tuz banyosunda 735°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 376 HV, d) Tuz banyosunda 750°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 662 HV, e) Tuz banyosunda 775°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 738 HV, f) Tuz banyosunda 825°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 744 HV. Çeşitli çelik gruplarına ait tamamlanmış sürekli ısıtma eğrilerinin ısıl işlemin pratik olarak uygulanmasında büyük katkısı vardır. Böyle diyagramlar genellikle hazır

15 olmadıkları için ısıtma ve soğutma sürelerinin basit olarak tahminleriyle yetinmemiz gerekir.

Şekil 2.9: Sürekli ısıtma için dönüşüm diyagramı. %0.7 C’lu çelikte ferrit ve lamelli perlitin çözünmesi (katı eriyik içine girmesi). 2.2.2. Soğutma Soğutma veya soğuma sürecinde oluşan yapının genel görünümü, sıcaklığına ve dönüşümün başlaması için geçen süreye bağlıdır.

Isıtma durumunda olduğu gibi Fe-C

denge diyagramı bize bu husustan başka bir şey vermemektedir. Yukarda tarif edilen şekilde çeliğin belli bir sıcaklıktaki dönüşümü, çeliğin ostenitik halden ilgili sıcaklığa kadar soğutulduktan sonra dönüşümüne ve bu dönüşümü takiben oda sıcaklığında su verilmesine

izin

verilerek

mikroskopta gözlenir.

incelenebilir.

Bu

işlemler

sonucunda

elde

edilen

yapı

16

Şekil 2.10: Çeşitli çeliklerin çeşitli soğuma programlarından sonuçlanan yapısal dönüşümler. A) %0.8 C, b) %0.45 C, c) %0.1 C A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit, M: Martenzit, Ms: Martenzit başlama sıcaklığı. 2.2.3. Perlit Oluşumu

17 Bir

perlitik

çelik

ostenitleme

sıcaklığından,

örneğin

850°C’den

750°’ye

soğutulduğunda, Fe-C denge diyagramına göre herhangi bir dönüşümün meydana gelmesi söz konusu değildir. Eğer sıcaklık 650°C’ye düşerse 1 saniye sonra perlit oluşur ve dönüşüm 10 saniye içinde tamamlanır (şekil 2.10’dan II eğrisi). Perlit oluşum sıcaklığı düştükçe, perlit lamelleri çok inceleşir ve tüm yapı sert olur. Şekil 2.10b’de gösterilen otektoid altı bir çeliğin 750°C’de dönüşümüne izin verilirse, sadece ferrit ayrışır ve ferrit ile ostenit arasında bir denge sağlanır (şekil 2.10’dan I nolu eğri). Eğer dönüşüm 650°C’de gerçekleşirse önce ferrit ayrışması ve bunu takiben kısa bir süre sonra perlit oluşumu meydana gelir. Şekil 2.10c’den görüldüğü gibi benzer olarak otektoid üstü çelikte de ilk önce sementit ayrışır ve bunu perlit oluşumu takip eder. Perlit oluşumu ostenit tane sınırlarında veya ostenit tanelerinin içersindeki diğer düzensiz bölgelerde başlar. Bu proses Hillert tarafından ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Hillert yapmış olduğu çalışmalarda perlit teşekkülünün ya ferrit, ya da sementit üzerinde başladığını ve perlitin büyümesinin de dallanma şeklinde ilerlediğini saptamıştır. Ostenitten ince sementit plakalarının kenarlarına karbon iletimi, aynı zamanda ferrit plakalarının kenarlarının karbonca fakirleşmesine neden olduğundan sementit ve ferrit plakaları yan yana pozisyonda büyürler. Perlitin bu modele göre büyümesi şekil 2.11’de gösterilmektedir.

Şekil 2.11: Perlitin büyümesinin şematik olarak gösterilişi. 2.2.4. Beynit Oluşumu 550°C’nin altındaki sıcaklıklarda beynit perlitle beraber ayrışmaya başlar. Beynit oluşumunun tane sınırlarından plakalar halinde büyüyen ferrit çekirdeklerinin üzerinde başladığı varsayılır. Beynit teşekkülü sırasında ostenitin çevresindeki karbon miktarı sürekli olarak artar. Bu artış belli bir sınıra geldiğinde ferrit plakaları ile yan yana pozisyonda sementit plakaları meydana gelir. Sıcaklık düştükçe beynitin oluşumu ostenit

18 tanelerinin içersinde de başlar; aynı zamanda beynitin meydana geliş şekli değişir. Metalurjik amaçlı mikroskopta beyniti diğer fazlardan ayırt etmek güçtür. Çünkü beynitin oluşum sıcaklığına ve çeliğin cinsine bağlı olarak görünümü de değişir. Şekil 2.12’de CrMn çeliğine ait beynitik bir yapı görülmektedir. Beynit; oluşum sıcaklığına bağlı olarak üst ve alt beynit olarak tanımlanır. Genellikle 370-500°C sıcaklıklar arasında elde edilen beynit türü, üst beynit olarak adlandırılır. Daha düşük sıcaklıklarda elde edilen beynit ise alt beynittir. Üst beynit alt beynite göre daha az mukavim fakat daha sünektir.

Şekil 2.12: Beynitik yapı, x500

2.2.5. Martenzit Oluşumu Şekil 2.10a-c’ye dönecek olursak, eğer soğuma çok hızlı bir şekilde ve Ms sıcaklığının altına gelecek şekilde uygulanırsa ostenitin dönüşümü sırasında çok az karbon hareketi olacak, böylece karbon atomları α demiri katı eriyiği içerisinde kalacaklardır. Karbon atomlarının yerleşebilecekleri mevcut boşluklar γ demirine oranla α demirinde daha az olduğu için, α demiri kafesinde bir genişleme söz konusu olacak ve böyle bir gerilmeli hal ise çeliğin sertleşmesine yol açacaktır. Sertleşme sonrası oluşan ve karbonun α demiri içerisinde aşırı doymuş bir eriyiği olan bu yeni faza martenzit adı verilir. Çok sayıda zıt görüşlerin yer aldığı martenzit oluşum mekanizması hakkında birkaç teori geliştirilmiştir. Şekil 2.13 martenzit oluşumu sırasında γ demirinden, α

19 demirine geçişin şekil olarak gösterilişi sunulmaktadır. Martenzit birim hücresinin kenarlarında yerleşmiş karbon atomları birim hücrenin bir yönde uzamasına ve sonuçta tetragonal kafesin ortaya çıkmasına neden olurlar. Yüksek karbonlu çeliklerde bile, mümkün kafes yerlerinin çok az bir kısmı karbon atomları tarafından işgal edilirler. Martenzit miktarı karbon içeriğindeki artışa bağlı olarak artar.

Şekil 2.13: Ostenitten, martenzite dönüşüm için yapılmış basit bir modelin şematik olarak gösterilişi.

Dönüşüm diyagramlarından görüldüğü gibi, perlit ve beynit oluşması zamana bağlı olarak ilerlediği halde, martenzit teşekkülünde böyle bir durum söz konusu değildir. Ms’nin altındaki her bir sıcaklık belli bir martenzit oluşum yüzdesine tekabül eder. Ancak oluşan gerçek martenzit miktarı çeliğin cinsine, ostenitleme işleminin koşullarına ve sertleştirme için uygulanacak soğutma hızına bağlıdır. Sıcaklık düştükçe meydana gelen martenzitik dönüşüm, sıcaklık mikroskobu altında izlenebilir. Şekil 2.14a-f martenzit dönüşümünün adım adım ilerleyişini göstermektedir.

20

Şekil 2.14: Düşük sıcaklıklarda ostenitin martenzite ard arda dönüşmesi, a)280°C b)220°C c)200°C d)195°C e)180°C ve f)175°C Bu şekle göre 220°C’de martenzit meydana gelecek ve 175°C’de ostenitin büyük bir kısmı martenzite dönüşmüş olacaktır.

21 Marder ve Krauss Fe-C alaşımlarında martenzitin yapısını incelemişler, masif martenzit ve iğnesel martenzit adı verilen iki çeşit martenzitin var olduğunu bulmuşlardır. Masif martenzit %0.6’ya kadar C içeren çeliklerde mevcuttur. Bu martenzit türü birbirine paralel olarak uzanmış ince plakalardan oluşur (Şekil 2.15a). Bu yapı ancak elektron mikroskobu ile ayırt edilebilir. Buna çok benzer görünümlü martenzit sadece %1 C’lu ve daha yüksek karbonlu çeliklerde görülmektedir. Yüksek karbonlu çeliklerin su verilmiş yapıları ostenit matrisi içinde düzensiz sıralanmış plakalardan oluşur (Şekil 2.15b). %0.61 C değerleri arasında hem masif martenzit hem de iğnesel martenzit bir arada meydana gelebilir.

Şekil 2.15: a) Masif martenzit, b) İğnesel martenzit.

22 Bir alaşımsız çelik için martenzit başlama ve bitiş sıcaklığı (Ms ve Mf), şekil 2.16’dan görüldüğü gibi karbon içeriğine bağlıdır.

Şekil 2.16: Alaşımsız bir çelikte ostenitik karbon (ostenit içerisinde çözünmüş) miktarının Ms ve Mf sıcaklığına etkisi. 2.2.6. Kalıntı Ostenit Bir otektoid çelikte ostenitin büyük bir kısmı, oda sıcaklığına yapılan soğutma sırasında martenzite dönüşür. Soğutma sırasında ostenitin dönüşmemiş olarak yapıda kalan kısmına, kalıntı ostenit adı verilir. Şekil 2.17 bir alaşımsız çelikte kalıntı ostenit miktarının karbon miktarı ile değişimini göstermektedir. Eğer sıcaklık oda sıcaklığının altına düşürülürse ostenitten martenzite dönüşüm devam eder (Şekil 2.16).

Martenziti

artırmak için yapılan bu işleme sıfırın altına soğutma, “subzero-treatment”, adı verilir.

23

Şekil 2.17: Ostenit içerisinde çözünmüş halde bulunan karbon miktarına bağlı olarak kalıntı ostenitin değişimi. 2.2.7. TTT Diyagramları Son yirmi yıl içerisinde yukarıda bahsedilen fazların oluşumu hakkında çok fazla araştırmalar yürütülmüş ve günümüzde kullanılan tüm çelik grupları için TTT (ZamanSıcaklık-Dönüşüm) diyagramları yardımıyla bilgi dolu diyagramlar çıkarılmıştır. TTT diyagramları

aynı

zamanda

izotermal

(eş

ısıl)

dönüşüm

diyagramları

olarak

da

adlandırılırlar. Bunlar sabit sıcaklıkta dönüşüme maruz bırakılan çelikler üzerinde yapılan deneylerden elde edilen verilerden oluşturulurlar. Diğer bir tür diyagram (CCT diyagramı) gerçek sertleştirme sırasında yer alan dönüşüme çok yakın bir dönüşümü tarif eder. Şekil 2.18a ve b dönüşümün başlamasının sürekli soğuma halinde izotermal işleme oranla daha uzun olduğunu göstermektedir.

24

Şekil 2.18: BS 708 A 37 çeliğinin a) İzotermal, b) Sürekli soğuma diyagramı.

TTT diyagramları çeliğin ısıl işleminde çok önemli rol oynarlar. Bu diyagramların tanıtılması konusuna daha sonra tekrar değinilecektir. 2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları Sertleştirme sırasında oluşan martenzit genel olarak çok gevrektir. Bu yüzden martenzit halinde bir çeliğe temperleme işlemi uygulanmadan pratik olarak kullanmak doğru değildir. Temperleme genellikle toklukta artışa aynı zamanda sertlik düşüşüne neden olur. Temperleme işleminin mekanizmasının daha iyi anlaşılması amacıyla,

25 sertleştirilmiş bir karbon çeliğinde temperleme sıcaklığındaki sürekli bir artışla beraber meydana gelen üç adet temperleme kademesi aşağıda özetlenmektedir: 1. 80-160°C → ε karbür adı verilen karbonca zengin bir fazın çökelmesi. ε karbürün çökelmesi sonucunda martenzit içerisindeki karbon oranı %0.3 değerine iner. 2. 230-280°C → Kalıntı ostenitin beynite benzer bir yapıya dönüşmesi 3a. 160-400°C → Sementit (Fe3C) oluşumu ve bunun ε karbürün yerine büyümesi. 3b. 400-700°C → Sementitin küreleşmesi ve sürekli olarak büyümesi Yukarıdakilerden bir miktar farklı temperleme sıcaklıkları da ileri sürülmüştür. Bunların farklı oluşu esas olarak farklı ısıtma hızlarından ileri gelmektedir. Şekil 2.19 %1 C’lu

çeliğin

çeşitli

temperlenme

kademelerinin

işaretlendiği

göstermektedir.

Şekil 2.19: %1 C’lu çeliğin temperlenme kademeleri.

temperleme

eğrisini

26 Yüksek alaşımlı Cr’lu çelikler, sıcak-iş çelikleri ve yüksek hız çeliklerinde, kalıntı ostenitin dönüşümünün meydana geldiği sıcaklık aralığı yüksek sıcaklıklara doğru kayma gösterir. Kalıntı

ostenitin dönüşüm ürünü örneğin beynit veya martenzit, temperleme

sıcaklığı ve temperleme süresine bağlıdır (Şekil 2.20). Beynit teşekkülü izotermal olarak meydana gelir. Örneğin beynit; temperleme sırasında sabit bir sıcaklıkta, martenzit ise çeliğin temperleme sıcaklığından soğutulmasıyla oluşur.

Şekil 2.20: A2 çeliğinde kalıntı ostenitin dönüşümünü gösteren TTT diyagramı. Yüksek alaşımlı çeliklerde çok ince dağılmış karışık karbürlerin çökelmesi 500°C civarında gerçekleşir. Bu işleme temperlemenin dördüncü kademesi adı verilir. Kalıntı ostenitten oluşan martenzit ile karbürün beraber çökelmesiyle yüksek hız çelikleri ve diğer alaşımlı çeliklerde karakteristik bir özellik olan maksimum sertliğe ulaşılır. Şekil 2.21’de farklı sıcaklıklarda 2 saat temperlenmiş günümüzde kullanılan bazı takım çeliklerinin sertliklerindeki değişimler gösterilmektedir.

27

Şekil 2.21: Günümüzde kullanılan bazı takım çelikleri için temperleme eğrileri. Sertlik, sıcaklık ve temperleme süresi arasındaki ilişki, Holloman ve Jaffe tarafından formüle edilmiştir. Bu bağıntı;

P = T ( k + log t ) şeklinde verilir. Burada; P: Temperleme prosesine bağlı bir parametre T: Sıcaklık, °K k: Bir sabit t: zaman, saat Her bir P değeri, her bir çelik grubu için önceden çizilmesi gereken bir ana parametre eğrisinden okunabilen bir sertlik değerine tekabül eder. k sabiti alaşımlı çeliklerin çoğu için yaklaşık 20’dir. H13 çeliği için böyle bir eğri şekil 2.22’de verilmektedir. Bu tür eğrilerin pratik uygulamaları iler ki bölümlerde anlatılacaktır.

28

Şekil 2.22: H13 çeliği için ana parametre eğrisi. 2.4. Difüzyon 2.4.1. Difüzyonun şekli Difüzyon malzemeler içindeki atomların hareket etmesi olayıdır. Bu olay gazlar, sıvılar, çelikler ve diğer metalik sistemlerde meydana gelir. Difüzyonun ısıl işlemlerin çoğunda büyük bir önemi vardır. Bu nedenle, difüzyon mekanizmasının ve difüzyon kanunlarının anlaşılması, karbürizasyon, dekarbürizasyon, nitrürasyon, borlama ve tavlama gibi ısıl işlemlerin kavranmasını kolaylaştırır. Demir atomundaki misafir bir atom gibi aynı tür yerleri işgal eden yeralan bir katı eriyikteki yabancı veya alaşım atomları boşlukların yardımıyla hareket ederler. Çelik malzemelerde çok sayıda boş yerler mevcut olduğu için bu boşluklar yardımıyla atomların sürekli olarak hareketi söz konusudur. Demir atomlarına oranla çok küçük boyutta olan C ve N atomları demir atomlarının aralarına yerleşerek arayer katı eriyiği oluştururlar. Bu küçük atomlar boşlukların yardımı olmaksızın difüze olurlar ve difüzyon hızları yeralan atomlardan daha yüksektir. Einstein tarafından yapılan araştırmalar sonucunda ortalama difüzyon mesafesi;

x = (2Dt ) bağıntısı ile ifade edilmektedir. Burada: D: difüzyon katsayısı, cm2/sn

29 t: Zaman, sn’dir.

Bu bağıntı pratik olarak atomların bir yönde hareketleri sırasında belli bir süre içinde difüzyonun ne kadar ilerlediğini saptamak için uygulanır. Böyle bir amaç için bağıntı,

x = (2 Dt )

,

(2D) = k

x=k t olarak yazılır. Bu eşitlik difüzyon proseslerinin çoğu için temel kabul edilir. Eğer k=0.1 durumunu ele alacak olursak, şekil 2.23’deki grafiği elde ederiz.

Şekil 2.23: k=0.1 durumu için difüzyonun zamana bağlı değişimi. Şekil 2.23’de difüzyon mesafeleri arasındaki farka dikkat edilmelidir. Difüzyonun başlangıcından itibaren zamanla lineer

bir değişim göstermiyor olması dikkat edilmesi

gereken durumdur.

2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler Difüzyon bir konsantrasyon gradyanından ileri gelir (örneğin, malzemenin içerdiği C oranı ile, malzemenin içinde tutulduğu ortamın C oranı arasındaki fark). Bu gradyan

30 difüzyon

olayının

gerçekleşmesi

için

gerekli

itici

kuvveti

oluşturur.

Difüzyonun

konsantrasyon gradyanına bağlılığı Fick’in birinci kanunu ile verilmiştir.

J = −D ⋅

δc δx

Bu bağıntıda; J: difüzyon yönüne dik bir düzlemin birim alanından birim zamanda geçen madde miktarı, gr/cm2.sn D: difüzyon katsayısı, cm2/sn c: Difüze olan maddenin konsantrasyonu, gr/cm3 x: Difüzyon mesafesi, cm Difüzyon katsayısı sıcaklığa çok etkin bir şekilde bağlıdır. Kaba bir tahminle D, her bir 20°C’lik artışta çift değerine ulaşır. Farklı sıcaklıklar için, D aşağıdaki bağıntıyla verilir.

D = D0 e

(−

Q ) RT

Burada, D0: Frekans faktörü, cm2/sn Q: Aktivasyon enerjisi, cal/mol/°K T: Sıcaklık, °K R: Gaz sabiti Tablo 2.1’de bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri verilmektedir. Bu değerler çeşitli araştırmacılar tarafından biraz farklı olarak verilebilmektedir. Tablo 2.1: Bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri. Yayınan Element

Difüzyon Ortamı

D0, cm2/sn

Q, cal/mol/°K

Karbon Karbon Nikel Manganez Krom Krom

α-demiri γ-demiri γ-demiri γ-demiri α-demiri γ-demiri

0.0079 0.21 0.5 0.35 30000 18000

18100 33800 66000 67000 82000 97000

2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması İkinci Fick kanunundan hareketle difüzyon mesafesi hesaplanabilir. Bu bağıntı;

δ2c δc =D 2 δt δx şeklindedir.

31 Bu bağıntının, karbürizasyon (sementasyon) ısıl işlemindeki uygulama şekli aşağıda anlatılmıştır. Karbürizasyon sırasında çeliğin yüzeyinin sahip olabileceği karbon miktarının, karbürleştirici

ortamın

karbon

potansiyeline

eşdeğer

olduğu

ve

yüzeyin

en

dış

tabakasındaki karbon konsantrasyonunun tüm işlem sürecinde sabit kaldığı varsayılır. Çeliğin yüzeyinin dış tabakasında karbürizasyon sırasında genellikle %0.8-1.0 değerleri arasında karbon mevcuttur. Belirli bir karbürizasyon süresi sonunda belli bir mesafedeki karbon konsantrasyonu aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır;

⎡ x ⎤ )⎥ C − C 0 = (C1 − C 0 ) ⎢1 − erf ( 2 Dt ⎦ ⎣ Burada, C: Yüzeyin altında x derinliğindeki gerekli (hedeflenen) karbon konsantrasyonu (Şekil 2.24) C0: Çeliğin esas karbon miktarı C1: Çelik yüzeyinin karbon miktarı x: Difüzyon mesafesi (cm) D: Difüzyon katsayısı (cm2/sn) t: zaman (sn) erf: Hata fonksiyonu (Tablo 2.2)

Şekil 2.24: Karbürizasyon diyagramı

32 Tablo 2.2: Bazı hata fonksiyonu değerleri. Y

Erf(y)

y

Erf(y)

0

0.000

0.8

0.742

0.1

0.112

0.9

0.797

0.2

0.223

1.0

0.843

0.3

0.329

1.2

0.910

0.4

0.428

1.4

0.952

0.5

0.521

1.6

0.976

0.6

0.604

2.0

0.995

0.7

0.678

2.4

0.999

Örnek 1. %0.20 C’lu çeliğin 900°C’de karbürizasyonu sonucu yüzeyin 1 mm altında %0.4 C konsantrasyonu sağlamak için karbürizasyon süresi ne olmalıdır? Yüzeydeki C konsantrasyonu %1 olarak alınacaktır.

⎡ ⎤ x 0.4 − 0.2 = (1.0 − 0.2) ⎢1 − erf ( )⎥ 2 ( Dt ) ⎥⎦ ⎣⎢ x ) = 0.75 erf ( 2 ( Dt ) x = 0.814 2 ( Dt )

x = 1.63 ( Dt ) D = 0.21e

(

33800 ) 1.987×1173

D = 1.1 × 10 −7 Sonuç olarak; t=34200 saniye olarak bulunur. 2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma

Difüzyon, en geniş anlamda maddenin bir yerden diğer bir yere taşınmasıdır. Sıvı ve gazlarda, moleküllerin gelişigüzel hareketi sayesinde difüzyon çok kolaydır. Katılarda, atomların gelişigüzel hareketi çok zordur. Ancak; katı malzeme mutlak sıfır noktasının üzerine ısıtılırsa iki türlü hareket yapar. Bunlardan birincisi, atomların denge konumları etrafında (kristal kafesindeki) titreşmesidir (şekil1-a). İkinci atomsal hareket ise yayınmadır. Yayınmada atomlar kristal kafesi içindeki konumlarını komşu atomlara göre değiştirirler. Yayınma için temel şart titreşimdir. Atomsal titreşimin genliği sıcaklık arttıkça artar ki bu da yayınma hızını arttırır.

33

Şekil 2.25: Katılarda difüzyonun şematik gösterilişi Katılardaki Difüzyon Çeşitleri A. Kitle Difüzyonu Bu tip difüzyon, atomların çeşitli hareketleri sonucu meydana gelir. Örneğin; a) Arayer Mekanizması: Yayılan atom çapı, matris atomu çapından çok küçükse arayer mekanizması gerçekleşir. Karbonun α veya γ demiri içinde yayınması bu mekanizma ile olur. Atom, denge konumundan ayrılarak arayer atomu durumuna gelir.

E

Yayınma Yönü

b) Boş Köşe Mekanizması: Kafes köşelerinin her tarafı kafes hatasından dolayı işgal edilmiş olmayabilir. Bu durumda yayınmayı sağlayan etkenler varsa, atom bu boş köşeye doğru hareket edecektir. Çoğunlukla YMK sistemlerde görülür. Bazı HMK sistemlerde de olabilir.

34

E

Yayınma Yönü

c) Arayerimsi Mekanizma: Arayere sıkışan atom çapı diğer atomların çapına yakın ise bu mekanizma meydana gelir. Örneğin Ag-Br alaşımında (∅Ag