FAZ DÖNÜŞÜMLERİ Metalik malzemelerin dayanım, sertlik

FAZ DÖNÜŞÜMLERİ
Metalik malzemelerin dayanım, sertlik, süneklik gibi mekanik özellikleri tane boyu
küçültme, katı çözelti oluşturma ve pekleşme dışında mikroyapı ölçeğinde faz sayısı
ve özellikleri ile oynayarak da (faz dönüşümleri) iyileştirilebilir. Başlangıç fazından
fiziksel/kimyasal ve/veya içyapı olarak farklı en az bir yeni fazın oluştuğu faz
dönüşümleri:
-
-
Faz sayısının ve fazların kimyasal bileşiminin değişmediği basit ve yayınma
esaslı dönüşümler: saf bir metalin katılaşması, allotropik dönüşüm ile
yeniden kristalleşme, tane büyümesi
Faz sayısının ve fazların kimyasal bileşiminin değiştiği yayınma esaslı
dönüşümler: ötektoid reaksiyon
Yarı kararlı faz oluşturan yayınmasız dönüşümler: martenzit dönüşümü
şeklinde sınıflandırılır. Faz dönüşümleri; çekirdeklenme ve büyüme safhalarından
oluşur.
ÇEKİRDEKLENME: Birkaç yüz atomdan oluşan ve büyüyebilme yeteneği bulunan
yeni faza ait parçacıkların oluşması safhasıdır. Çekirdeklenme, önceki fazın içinde ve
yapıya düzgün dağılmış bir şekilde olursa buna homojen çekirdeklenme denir.
Çekirdeklenme; yüzeyler, katışkılar, tane sınırları ve dislokasyonların etrafı gibi yapı
içindeki düzensizlikler çevresinde olursa buna heterojen çekirdeklenme denir.
BÜYÜME: Oluşan parçacıkların belirli bir büyüklüğe ulaşarak kararlı bir çekirdek
haline gelip büyüyerek önceki fazı kısmen veya tamamen yok etmesi safhasıdır.
Büyüme süreci, yeni faza dönüşmüş parçacıklarla karşılaşılan bölgelerde reaksiyon
tamamlanacağından durur.
Daha önce bahsedildiği üzere, içyapı dönüşümleri yayınma esaslı olaylar olup
sıcaklığın yanında zaman da önemli bir parametredir. Yani soğutma hızına bağlı
olarak içyapı farklı dönüşümlere uğrayabilir. Bu nedenle, faz diyagramlarına zaman
boyutunun da eklendiği zaman-sıcaklık dönüşüm diyagramları (TTT: time
temperature transformation) geliştirilmiştir.
Faz dönüşümlerinin zamana bağlı olarak değişimi dönüşümün kinetiği olarak
adlandırılır. Sıcaklığın sabit tutulduğu durumlarda ısıtma süresine bağlı olarak
dönüşümün tamamlanma oranı cinsinden ifade edilir.
FE-C ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE ÖZELLİK DEĞİŞİMİ: Uygulamada ısıl işleme
bağlı olarak mikro yapı değişiklikleri ve buna bağlı olarak da mekanik özellikler
değişimleri fazların yapı, bileşim ve özellikleri ile ilgilidir. Bu bölümde çelikler için
sabit sıcaklık ve sürekli soğuma durumlarında faz dönüşümleri açıklanacaktır.
-
İzotermal Dönüşüm: Fe-Fe3C faz diyagramında ötektoid reaksiyon;
 (ağ. % 0,76 C)
 (ağ. % 0,022 C)  Fe3C (ağ. % 6,67 C)
şeklindedir. Burada sağ yön soğuma, sol yön ise ısınmayı ifade eder. Ötektoid
reaksiyonda soğuma ile orta karbon konsantrasyonuna sahip kararsız ostenit fazı,
çok düşük karbonlu ferrit ve çok yüksek karbonlu sementite dönüşür. Bu dönüşüm
sonunda oluşan yapı perlit olarak adlandırılır.
Perlitteki ferrit fazının tabaka kalınlığının sementit fazının tabaka kalınlığına oranı
izotermal dönüşümün gerçekleştiği sıcaklığa bağlı olarak değişir. Ötektoid sıcaklığın
hemen altındaki sıcaklıklarda her iki fazda kalın tabakalı olur ve kaba perlit yapı elde
edilir. Reaksiyon sıcaklığının düşürülmesiyle (540 oC civarı) karbonun yayınma hızı
düşerek faz tabakaları incelir ve ince perlit yapı elde edilir.
Ostenitik yapı oluşana kadar ısıtılan Fe-C alaşımları su verme ile çok hızlı bir şekilde
düşük sıcaklıklara soğutulursa tek fazlı ve denge dışı bir yapı olan iğnemsi martenzit
fazı meydana gelir. Bu yapının oluşumunda atomların denge konumlarından farklı
küçük yer değiştirmeler yaparak HMK kristal kafes yapısından HMT (hacim merkezli
tetragonal) yapıya dönüşmeleri etkilidir.
Ostenitin dönüşümünde ferrit fazının sementit içinde iğnemsi veya bağımsız küçük
plakacıklar şeklinde oluşması durumunda oluşan yapı beynit olarak adlandırılır.
Beynit veya perlit yapılı çelik ötektoid dönüşüm sıcaklığının hemen altındaki bir
sıcaklığa ısıtılıp uzun bir süre bekletilirse (örneğin 700 oC’de 24 saat kadar) sferodit
de denilen küresel sementit yapı oluşur.
Soğuma hızının yeterli olmaması durumunda martenzit fazı dönüşememiş ostenit
fazı içinde dağılmış iğnemsi tanecikler şeklinde ortaya çıkar.
-
Sürekli Soğuma Dönüşümü: Ötektoid üstü sıcaklıktaki alaşımı hızlı soğutarak
bu sıcaklıkta tutma işleminin zorluğu izotermal işlemlerin kontrolünü
zorlaştırır. Isıl işlemlerin çoğu izotermal olarak değil sürekli soğuma
durumunda daha uzun bir zaman aralığında gerçekleşir ve zaman sıcaklık
dönüşüm diyagramlarının revize edilmesini gerektirir.
FE-C ALAŞIMLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİ: Isıl işlemler sonucunda ortaya çıkan
kaba/ince perlit, küresel sementit, beynit ve martenzit gibi içyapı bileşenlerinin
alaşımın mekanik özellikleri üzerinde etkisi bulunmaktadır.
-
-
-
-
Perlit: Ferrit ve sementitten oluşan perlit yapısında sementit sert ve gevrek
fazdır. Dolayısıyla yapı içindeki sementit oranının artması çeliği daha sert ve
dayanıklı yaparken süneklik ve tokluğu düşürür. Yapıdaki karbon yani
sementit oranının yanında fazlara ait tabakaların kalınlıkları da mekanik
özellikler üzerinde etkilidir. İnce perlit yapı kaba perlitten daha sert ve
dayanıklı olup süneklik ve tokluğu daha düşüktür. Bunun nedeni faz
sınırlarının da tane sınırları gibi dislokasyon hareketlerini engellemesidir.
250 oC ile 650 oC arasındaki ötektoid altı sıcaklıklarda gerçekleştirilen bu işlem
sonucunda plastik şekil değişimi kabiliyeti arttırılırken iç gerilmeler giderilir.
Böylece, martenzit yapı sürekli ferrit yapı içinde çok ince ve homojen dağılmış
sementit parçacıkları şeklinde dönüşüme uğrayarak hem çok sert ve dayanıklı hem
de oldukça sünek ve tok bir yapı elde edilir. Aynı zamanda HMT kafesin hacminin
atomik dolgu faktörünün değişmesi de martenzit dönüşüm sırasında fiziksel ve
mekanik özellikleri değiştirir.
Mikro yapı
Küresel
sementit
Fazlar
  Fe3C
Bağıl mekanik özellikler
Yumuşak ve sünek
Fe3C
Kaba perlit
  Fe3C
İnce perlit
  Fe3C
Küresel sementit: Fazların özelliklerinin yanında şekilleri de mekanik
özellikleri etkiler. Sert ve gevrek olan sementit yapı küresel olduğunda
birim hacim başına düşen faz sınırı alanı azaldığından yumuşak ve düşük
dayanımlı bir yapı meydana gelir.
Beynit
  Fe3C
Beynit: Oldukça küçük ferrit fazı içinde çok küçük ve yoğun dağılmış
sementit fazı barındıran daha ince içyapıya sahip beynit fazlı çelikler perlit
yapılı olanlara göre daha sert ve dayanıklı olup aynı zamanda süneklikleri
de iyi seviyededir.
Temperlenmiş
martenzit
  Fe3C
Martenzit: En sert ve gevrek olup neredeyse hiç sünekliği olmayan içyapı
martenzitte ortaya çıkar. Bu durumun asıl nedeni içyapı özelliklerinden
ziyade HMT kafes yapısında kayma sistemi sayısının çok sınırlı olmasıdır.
Ayrıca su verme sırasında oluşan iç gerilmeler yapıyı daha da kırılgan hale
getirir. Bu nedenlerle martenzit yapı uygulamada fazla kullanılmaz.
Martenzit yapıyı daha kullanılabilir hale getirmek için temperleme
(menevişleme) işlemi uygulanır.
Faz düzeni
 içinde nispeten
küçük ve küresel
Martenzit
HMT tek
faz
Nispeten kalın ve
birbirini tekrarlayan
 ve Fe3C
tabakaları
Nispeten ince ve
birbirini tekrarlayan
 ve Fe3C
tabakaları
 içinde çok küçük
ve uzamış Fe3C
parçacıkları
 içinde çok küçük
ve küresel Fe3C
parçacıkları
İğnemsi taneler
Küresel sementit yapıdan
daha sert ve dayanıklı
ancak daha az sünek
Kaba perlitten daha sert ve
dayanıklı ancak daha az
sünek
İnce perlitten daha sert ve
dayanıklı, martenzitten
daha az sert ancak
martenzitten daha sünek
Martenzit kadar olmasa da
sert ve dayanıklı ancak
maertenzitten daha sünek
Çok sert ve gevrek