FAZ - SABİS - Sakarya Üniversitesi

FAZ DİYAGRAMLARI
VE
DÖNÜŞÜMLERİ
Prof. Dr. Ramazan YILMAZ
Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi,
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Esentepe Kampüsü, 54187, SAKARYA
FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ
Dersin Amacı
16.02.2016
Alaşımlar ve/veya seramiklerin sıcaklık, bileşim ve
basınca bağlı olarak kararlılıklarını tanımlamak ve
değerlendirmek, faz diyagramlarını okumayı ve
yorumlamayı öğretmek. Isıl işlem yöntemlerini tanımak.
Isıl işlemler ile malzemelerin iç yapısal ve fiziksel
özellikleri arasındaki ilişkileri öğrenmek. Isıl işlem
süreçlerinde
faz
diyagramlarından
yararlanma
yöntemlerini tanımak.
2
o Faz diyagramlarının önemi. Faz diyagramları ile ilgili
temel kavramlar: Alaşım, Bileşen, Sistem ve Faz
o Tek fazlı ve çok fazlı metaller. Fazlar hangi metotlarla
tespit
edilir?
o Faz
diyagramlarının
belirlenme
şartları.
Faz
diyagramlarıyla hangi bilgiler elde edilebilir ve elde
edilemez.
Dersin İçeriği
o Maddelerin karıştırılması: sınırlı ve sınırsız eriyebilirlik,
eriyememezlik
ve
örnekler.
o Saf metallerin tekli faz diyagramları, Basınç-sıcaklık faz
diyagramları, kullanımının önemi ve örnek basınçsıcaklık faz diyagramları
o Gibbs Faz Kuralı. Saf maddeler ve ikili bileşenler için
örnek
uygulamalar
16.02.2016
o Metallerde katılaşma aşamaları, Homojen ve hetorejen
çekirdeklenme, kristallerin sıvı metalde büyümesi ve
tane yapısının oluşması. Saf metallerin ve alaşımların
3
soğuma eğrilerinin karşılaştırılması.
o Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarının
tanıtılması ve Cu-Ni örneği, Faz diyagramlarının
çizilmesi, Hume-Rothery kuralları ve örnek çalışmalar.
o Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarından hangi
bilgiler elde edilebilir: Fazlar, fazların bileşimi ve
fazların yüzde miktarlarının örnek uygulamalarla
belirlenmesi. Yavaş soğuma şartlarında meydana gelen
şematik
mikroyapılar.
Dersin İçeriği
o Faz diyagramları ile alaşımın mukavemeti arasındaki
ilişki.
o İkili ötektik faz diyagramlarının tanıtılması: Cu-Ag, PbSn örnekleri. Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde
miktarlarının örnek uygulamalarla belirlenmesi. Yavaş
soğuma
şartlarında
meydana
gelen
şematik
mikroyapılar.
16.02.2016
o Hiper ve hipo ötektik alaşımların
değişimlerinin
tanıtılması.
Ötektik
değişmesine etki eden faktörler.
mikroyapı
noktanın
4
o Üç faz reaksiyonları ve örnek faz diyagramları. Ötektik,
ötektoid, peritektik, peritektoid, monotektik ve syntektik. Ara
fazların ve metaller arası bileşiklerin tanıtılması.
o Çökelme sertleştirmesi ısıl işlemleri ve dönüşümleri
o Fe-Fe3C denge diyagramının tanıtılması, fazlar, fazların
bileşimi, yüzde miktarlarının belirlenmesi ve şematik
mikroyapıların gösterilmesi. Öektoid altı, ötektoid ve ötektoid
üstü
çeliklerin
mikroyapıları
arasındaki
farklılıklar.
Dersin İçeriği
o Dökme
demirlerin
mikroyapı
dönüşümleri.
Demir
alaşımlarında alaşım elementlerinin faz diyagramlarının
yapısının
değişimine
etkileri
o Üçlü
faz
diyagramları
ve
örnek
uygulamalar.
o İzotermal faz dönüşümleri, TTT diyagramlarının tanıtılması ve
örnek
uygulamalar.
o Sürekli soğuma dönüşüm diyagramlarının (CCT) tanıtılması
ve CCT diyagramlarının kullanımı ile ilgili örnek uygulamalar
16.02.2016
5
Dersin İçeriği
o Seramik faz diyagramlarının tanıtılması ve örnek
uygulamalar. Basınç-sıcaklık ve ikili seramik faz
diyagramlarının
örneklerle
tanıtılması
o Martemperleme, östenitleme ve
işlemleri, Martenzitik dönüşümler
16.02.2016
östemperleme
ısıl
6
Dersin Öğrenme Çıktıları
1) Faz diyagramları ve dönüşümleri ile ilgili temel kavramları tanımlar (Bilgi).
2) Homojen ve hetorejen çekirdeğe sahip saf metallerin ve katı eriyik metal alaşımlarının soğuma
eğrilerini birbirinden ayırt ederek, yorumlar (Kavrama)
3) Saf metallerin faz diyagramlarından metalin ergime, buharlaşma ve süblimleşme sıcaklıklarını belirler.
Sınırlı eriyebilirlik faz diyagramlarından yararlanarak, hangi sıcaklıkta ne kadar maddenin
çözünebileceğini çözümler (Analiz)
4) Saf bir metalin katılaşması esnasındaki homojen çekirdeklenme için gerekli kritik çekirdek yarıçapının
hesaplanması amacıyla örnek problem çözer (Uygulama)
5) Herhangi bir ikili ötektik ve Fe-Fe3C faz diyagramlarını çizerek, faz diyagramı içerisindeki her bir
bölgeye ait fazları adlandırır (Bilgi)
6) Ötektik, hipoötektik , hiperötektik alaşımların ve ötektoid, ötektoid altı ve ötektoid üstü çeliklerin,
çeşitli sıcaklıklardaki mikroyapılarını şematik olarak çizer, fazlarının bileşim ve yüzde miktarlarını bulmak
amacıyla örnek problem çözer (Analiz)
7) Ötektik alaşım sistemindeki herhangi bir alaşımın, ötektoid, ötektoid altı ve ötektoid üstü çeliklerin
yavaş soğuma şartlarında oluşan mikroyapılarını birbirinden ayırt ederek, oda sıcaklığındaki
mikroyapıdaki fazların neler olduğunu belirler (Kavrama)
8) Çökelme sertleştirmesi uygulanabilecek bir alaşımı belirler (Kavrama). İşlem basamaklarını sıralar,
şematik mikroyapıları çizer (Bilgi). Çökelme sertleştirmesi ile bir alaşımın mukavemetinin nasıl arttığı ile
ilgili mikroyapı mekanizmasını yorumlar (Kavrama)
16.02.2016
7
Dersin Öğrenme Çıktıları
9) Saf metal ve alaşımlara ait soğuma eğrileri arasındaki farkları ayırt edip, birbirleri ile
karşılaştırarak çözümler (Analiz) Dökme demir çeşitlerini, mikroyapılarına bakarak ayırt edip,
belirler. (Kavrama)
10) İki elementin birbirleri ile Hume-Rothery kurallarına göre sınırsız katı eriyik yapıp
yapamayacaklarını analiz eder ve sınırsız katı eriyik yapabilecek bir alaşım önerir (Sentez)
11) Alaşımsız veya alaşımlı bir çeliğin, TTT diyagramından yararlanarak çeşitli ısıl işlem şartlarında
meydana gelen son mikroyapılarını belirler. İstenen herhangi bir mikroyapı için ısıl işlem şartlarını
önererek değerlendirir (Değerlendirme)
12) Alaşımsız veya alaşımlı bir çeliğin, CCT diyagramından yararlanarak istenen son mikroyapıları
elde edebilmek için sürekli soğumada dönüşüm eğrilerini çizer ve istenen herhangi bir mikroyapı
için sürekli soğuma hızını önererek değerlendirir (Değerlendirme)
13) TTT ve CCT diyagramları üzerindeki dönüşüm eğrilerini ve bölgelere ait faz ve mikroyapıları
tanımlar (Bilgi)
14) Üçlü izoterm diyagramlarını tanımlar ve her bir elementin ergime derecelerini belirler (Bilgi).
Herhangi bir üçlü alaşımın kimyasal içeriklerini, fazlarını ve ergime derecelerini belirler (Analiz)
15) Seramik faz diyagramlarını tanımlar (Bilgi). Seramik faz diyagramından yararlanarak herhangi
bir refrakter malzemeyi, maliyet ve kullanım amacı dikkate alınarak önerir. (Sentez)
16.02.2016
8
HAFTA
1
2
3
4
KONULAR
Faz diyagramlarının önemi. Faz diyagramları ile ilgili temel
kavramlar: Alaşım, Bileşen, Sistem ve Faz. Tek fazlı ve çok fazlı
metaller. Fazlar hangi metotlarla tespit edilir?
Faz diyagramlarının belirlenme şartları. Faz diyagramlarıyla
hangi bilgiler elde edilebilir ve elde edilemez. - Maddelerin
karıştırılması: sınırlı ve sınırsız eriyebilirlik, eriyememezlik ve
örnekler.
Saf metallerin tekli faz diyagramları, Basınç-sıcaklık faz
diyagramları, kullanımının önemi ve örnek basınç-sıcaklık faz
diyagramları. Gibbs Faz Kuralı. Saf maddeler ve ikili bileşenler
için örnek uygulamalar
Metallerde katılaşma aşamaları, Homojen ve heterojen
çekirdeklenme, kristallerin sıvı metalde büyümesi ve tane
yapısının oluşması. Saf metallerin ve alaşımların soğuma
eğrilerinin karşılaştırılması.
16.02.2016
9
HAFTA
5
6
7
8
16.02.2016
KONULAR
Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarının tanıtılması ve
Cu-Ni örneği, Faz diyagramlarının çizilmesi, Hume-Rothery
kuralları ve örnek çalışmalar.
Sınırsız katı eriyebilirlik ikili faz diyagramlarından hangi bilgiler
elde edilebilir: Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde
miktarlarının örnek uygulamaları. Şematik mikroyapılar. Faz
diyagramları ile alaşımın mukavemeti ilişkisi.
İkili ötektik faz diyagramlarının tanıtılması: Cu-Ag, Pb-Sn
örnekleri. Fazlar, fazların bileşimi ve fazların yüzde miktarlarının
örnek uygulamalarla belirlenmesi. Şematik mikroyapılar. Hiper
ve hipoötektik alaşımların mikroyapılar. Ötektik nokta.
Üç faz reaksiyonları ve örnek faz diyagramları. Ötektik, ötektoid,
peritektik, peritektoid, monotektik ve syntektik. Ara fazların ve
metaller arası bileşiklerin tanıtılması. Çökelme sertleştirmesi ısıl
işlemleri ve dönüşümleri
10
HAFTA
9
10
11
12
13
14
16.02.2016
KONULAR
Fe-Fe3C denge diyagramının tanıtılması, fazlar, fazların bileşimi,
yüzde miktarlarının belirlenmesi ve şematik mikroyapıların
gösterilmesi. Öektoid altı, ötektoid ve ötektoid üstü çeliklerin
mikroyapıları arasındaki farklılıklar.
Dökme demirlerin mikroyapı dönüşümleri. Demir alaşımlarında
alaşım elementlerinin faz diyagramlarının yapısının değişimine
etkileri. Üçlü faz diyagramları ve örnek uygulamalar.
İzotermal faz dönüşümleri, TTT diyagramlarının tanıtılması ve
örnek uygulamalar.
Sürekli soğuma dönüşüm diyagramlarının (CCT) tanıtılması ve
CCT diyagramlarının kullanımı ile ilgili örnek uygulamalar
Seramik faz diyagramlarının tanıtılması ve örnek uygulamalar.
Basınç-sıcaklık ve ikili seramik faz diyagramlarının örneklerle
tanıtılması
Martemperleme, östenitleme ve östemperleme ısıl işlemleri,
Martenzitik dönüşümler
11
KAYNAKLAR
[1] Mühendisler için Malzeme Biliminin Temelleri", Prof. Dr. Hüseyin
UZUN,
Değişim
Yayınları,
2012,
Sakarya.
[2] Metalurjide Faz Diyagramları", Prof. Dr. S üleyman GÜNDÜZ, Seçkin
yayınları,2012,
Ankara
[3] "Malzeme Bilimi ve Mühendisliği", William D. Callister, David G.
Rethwisch, Çeviri: Prof. Dr. Kenan GENEL, Nobel yayınevi, 2013, Ankara.
[4] «Metalurjistler İçin Faz Diyagramları, Prof. Dr. ZİYA ENGİN ERKMEN,
YALIN YAYINCILIK,2007
[4]
«Mühendislik
Alaşımları
için
Faz
DiyagramlarI^
’Prof.Dr.AhmetKARAASLAN,Literatür yayıncılık 2010.
16.02.2016
12
YARIYIL İÇİ
ÇALIŞMALARI
SIRA
KATKI
YÜZDESİ
Ara Sınav
1
50
Kısa Sınav
2
10
8
40
Ödev (8 adet)
TOPLAM
100
Finalin Başarıya Oranı
50
Yıliçinin Başarıya Oranı
50
TOPLAM
16.02.2016
100
13
FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ
Endüstriyel uygulamalarda çeşitli amaçlar için
kullanılan
metallerin birçoğu saf değildir. Çünkü saf metaller, servis
şartlarında arzu edilen mekanik özelikleri sağlayamamaktadırlar.
Saf demir kolay
bükülürken
16.02.2016
Bu nedenle metalik elementler, bir metal veya
ametal veya bunların birkaçı ile birlikte belirli
oranlarda
karıştırılarak
arzu
edilen
performansı
sağlayabilecek
yeni
tür
malzemelerin üretilmesi hedeflenmektedir.
Haltercinin tutuğu bar
Fe-C alaşımı (çelik)
malzemedendir
ve
kolay bükülmez
14
FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ
Saf bakır çok
kolay bükülürken
Cu Zn alaşımı olan
pirinç malzemeler kolay
şekillendirilemez
16.02.2016
15
FAZ DİYAGRAMLARI VE DÖNÜŞÜMLERİ GİRİŞ
Saf alüminyum çok
kolay bükülürken
16.02.2016
Çeşitli alüminyum alaşımları şekillendirmeye
karşı daha dirençlidir.
16
Malzemelerin mekanik davranışları ve fiziksel özellikleri, malzemelerin
mikroyapısında bulunan fazların türüne, sayılarına, biçimlerine ve
oranlarına bağlı olarak değişmektedir.
Bu
nedenle
bir
malzemenin
endüstriyel amaçlı kullanılabilmesi
için mikroyapısının tanımlanması
mühendislik açısından oldukça
önemlidir.
Al-Si alaşımlarına Ti etkisi
16.02.2016
17
Sarı prinç diye de anılan α+ß pirincinin
mikroyapısı. ß (Beta) fazı ~ 45 wt% Zn,
α(alpha) fazı ~ 30 wt% Zn içerir.
16.02.2016
18
Al–Cu alaşımının mikroyapısı
Fe-C alaşımı çeliklerin
mikroyapısı
16.02.2016
19
Saf metallerin özellikleri aynı olduğu için doğal olarak tek fazlı
yapıya sahiptirler.
Fakat birden fazla elementin bir
araya
getirilmesi
sonucu
oluşturulan alaşımlarda ise, çok
fazlı bir yapı söz konusudur.
Bir alaşımın mikroyapısı, alaşım
elementlerinin
kimyasal
içeriğine, sıcaklığa, basınca ve
soğutma hızına bağlı olarak
değiştirilebilir. Dolayısıyla belirli
bir kimyasal içeriğe sahip bir
alaşımın, her hangi bir sıcaklık
değerinde hangi mikroyapıya
sahip
olduğunu
belirlemek
amacıyla faz diyagramlarından
yararlanılır.
16.02.2016
20
ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
21
ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
22
ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
23
ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
Fe-Fe3C faz diyagramı
24
ÖRNEK FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
Fe-Fe3C faz diyagramı
25
ALAŞIM
TEMEL KAVRAMLAR
Endüstriyel uygulamalarda kullanılan metallerin bir kısmı saf olarak
kullanılır.
Saf metallerin yüksek iletkenlik, yüksek korozyon direnci ve kolay
şekillendirilebilme özelliliği gibi üstün özelliklere sahip olmalarına
rağmen, genellikle mekanik özellikleri düşüktür, yumuşaktırlar ve
pahalıdırlar. Saf bakır
Saf bakır
16.02.2016
26
Saf alüminyum
16.02.2016
27
o Saf bakır, sahip olduğu yüksek iletkenliği sayesinde elektrik veya
elektronik sektör uygulamalarında iletken tel olarak kullanılır.
o Saf bakır, sahip olduğu yüksek korozyon direnci nedeniyle de
estetik çatı kaplama malzemesi olarak kullanılır.
16.02.2016
28
Saf bakır yumuşak ve mukavemeti düşük bir malzemedir. Bakıra belirli
oranda çinko ilave edilerek (örneğin, %60 Cu - %40 Zn alaşımı), elde
edilen alaşımın mukavemeti daha yüksek, daha sert ve daha ucuz
olmaktadır.
Bir metalin diğer bir metal veya ametal veya bunların birkaçı ile birlikte
belirli oranlarda karıştırılarak arzu edilen performansı verebilecek
malzemelere alaşım adı verilir.
16.02.2016
29
BİLEŞEN
o Alaşımı oluşturan elementlere bileşen adı verilir.
Örneğin; Al-Cu bronz alaşımında Al ve Cu olmak üzere iki bileşen
element vardır.
o Bileşenler, kimyasal sembolleri ile gösterilirler.
o Bazen örnek tanımlamalarda bileşenler A, B, C gibi büyük harflerle
de gösterilirler.
o Bileşen (component): Bir denge diyagramını oluşturan fazların
herbiri. Örneğin, Fe-C ikili denge diyagramında iki bileşen vardır (Fe
ve C). Bileşenler, saf metal veya elementler veya bileşikler olabilir.
Sistemdeki herhangi bir fazı tanımlamak için gerekli bağımsız
değişken olan kimyasal unsur çeşitlerinin sayısıdır.
• Tekli bileşenlere örnek: Fe, Cu, Ni
• İkili bileşenlere örnek: H2O – NaCl, Cu-Ni sistemi, Fe-C sistemi
• Üçlü bileşenlere örnek: Fe-Ni-Cr, Ti-V-Al, Cu-Zn-Mg
16.02.2016
30
SİSTEM
o Elementler, değişik kimyasal oranlarda birbirleri ile karıştırılarak
çeşitli alaşımlar yapılır.
o Bir elementle, çeşitli oranlarda karışım yapan diğer bir elementin
meydana getireceği tüm alaşım türlerini kapsayacak şekilde ifade
edilmesine sistem adı verilir.
Örneğin; bakır ile nikel çeşitli yüzde oranlarında birbirleri ile
karıştırılarak değişik alaşımlar meydana getirilebilir. Buna Cu-Ni
sistemi adı verilir.
Sistem (system): Birbirine yakın değişik anlamları vardır:
1. Sınırları dışıyla madde ve enerji alış verişi yapmayan kapalı bir
hacim,
2. incelenen özel bir malzeme kütlesi (bir sıvı çelik potası gibi),
3. ilgilenilen evrenin özel bir parçası,
4. Bileşenleri aynı fakat bileşimleri farklı olan mümkün alaşım serisi
(Fe-C
sistemi gibi).
16.02.2016
31
SİSTEM
o Kapalı sistem (closed system): İçerisine madde giriş ve çıkışına izin
vermeyen, evrenin diğer kısımlarından ayrılmış bir sistemdir. Ne var
ki, bu tür bir sistemin sınırları boyunca ısı (enerji )transferi olabilir.
o Açık sistem (open system): Evrenin diğer kısımları ile ayrılmış
olmayan ve sisteme madde giriş ve çıkışına izin veren sistemdir.
o Bakır ile çinko birbirleri ile karıştırıldığı zaman meydana gelen
alaşımlara pirinç adı verilir. Fakat çinko yüzde miktarının
değiştirilmesi ile çeşitli pirinç malzemeleri yapılabilir.
o Pirinç alaşımlarının tümünü ifade ederken Cu-Zn sistemi terimini
kullanmak gerekir.
o Pirinç alaşımını tanımlarken de pirinç alaşımı demek yerine,
kimyasal bileşimini belirterek tanımlamak daha doğru olur.
Örneğin; %37 Zn içeren pirinç alaşımı demeliyiz.
16.02.2016
32
FAZ
FAZ (PHASE): Bir sitemin üniform fiziksel ve kimyasal
karakteristikleri olan homojen bir kısmı. Daha geniş ifade
edilecek olursa;
o Bir sistemin homojen,
o Belli bir sıcaklık, basınç ve bileşime sahip,
o Makroskobik olarak tek bir yapı gösteren,
o Bir yüzey ile sistem içerisindeki diğer kısımlardan
mekanik olarak ayrılan bölgelerinden her biri olarak
tanımlanabilir. Her bir saf malzeme (element, bileşik veya
katı çözelti), katı, sıvı veya gaz halde olabilir, bunlar birer
fazdır
16.02.2016
33
FAZ
Diğer bir ifade ile
• Bir alaşımın içinde - kristal yapısı, - atom dizilişleri, kimyasal içerikleri ve özellikleri aynı olan ve birbirinden
ayırt edilebilir homojen hallerine faz adı verilir.
• Bir sistemin tek tür (homojen) bir parçası olan ve
sistemin diğer parçalarından kesin bir sınırla ayrılmış
olan bölüme faz denir.
• Bu tanıma göre bir kap içindeki su, üzerindeki su buharı
ile beraber iki fazdan oluşan; buzlu su ise, üç fazdan
oluşan bir sistemdir.
16.02.2016
34
FAZ
o Bir alaşım, belirli sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimde, bir
veya birden fazla faza sahip olabilir.
o Sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim değişirse, alaşımın da
faz sayısı, fazların büyüklüğü ve şekli de değişebilir.
o Fazların
birbirinden
ayırt
edilebilmesi
için
parametrelere “düzen parametreleri” adı verilir.
gerekli
o Mikroyapı
o Kimyasal içerik (bileşim)
o Atomsal düzen (kristal yapıları)
o Manyetik özellik v.b.
Düzen parametrelerinin bir tanesi değişirse faz da değişir.
16.02.2016
35
MADDENİN HALLERİ
• Gündelik hayatta maddenin
• katı,
• sıvı,
• gaz,
• plazma (iyonlaşmış gaz) olmak
üzere dört temel fazı vardır.
16.02.2016
36
MADDENİN DİĞER HALLERİ
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Sıvı kristal,
Amorf katı,
Manyetik düzenli,
Süper iletken,
Süper akışkan,
Bose-Einstein yoğunlaşması,
Rydberg molekülü,
Kuark-gluon plazması,
Dejenere madde,
Süper katı,
Sicimsi sıvı ve Süper cam
16.02.2016
Sıvı kristal
37
SUYUN FAZLARI
o Bir atmosfer basınç altında ve 0°C’nin altında su (H2O) katı
fazındadır (buz).
o Oda sıcaklığında ise su (H2O) sıvı fazındadır.
o Sıvı su (H2O) 100°C ‘nin üzerinde ısıtıldığında gaz fazına
(buhar) geçmektedir.
Suyun katı, sıvı ve buhar fazlarındaki kimyasal içeriği aynı
olmasına rağmen (H2O), her bir fazın birbirinden ayırt edilebilir
kendine ait kristal yapısı, atom dizilişi ve özellikleri vardır.
16.02.2016
38
16.02.2016
39
• Sistemdeki faz sayısı P ile gösterilir .
• Örneğin bir gaz karışımı veya kristal haldeki bir katı tek
fazlıdır .
• Ancak su-buz karışımı iki fazlı bir sistemdir .
16.02.2016
40
o Faz kelimesi Yunanca da “görünüş” anlamındadır . Faz
maddenin hem kimyasal hem de fiziksel açıdan homojen olan
haline denir .
o Maddelerin tek bir sıvı ve tek bir gaz fazı varken katı halde
deki faz sayısı birden fazla olabilir.(Örneğin beyaz fosfor,
kırmızı fosfor )
o Bileşenden kasıt ise sistemde bulunan tür sayısıdır . Örneğin
ikili bir sistem çözücü ve çözünen bileşenlerinden oluşur
16.02.2016
41
KATI HALDE BİRDEN FAZLA FAZ
o Maddelerin tek bir sıvı ve tek bir gaz fazı varken katı halde
deki faz sayısı birden fazla olabilir.
o Örneğin beyaz fosfor, kırmızı fosfor gibi fosfor birden fazla
katı fazı vardır.
16.02.2016
42
SAF MAGNEZYUM
o Bir atmosfer basınç altındaki saf magnezyum metali, oda
sıcaklığında katı fazdadır.
o 650°C’nin üzerine ısıtıldığında magnezyum sıvı faz haline
geçmektedir.
o 1107°C’nin üzerinde ise, magnezyum buhar fazına
dönüşmektedir. .
o Dikkat edilirse magnezyumda katı, sıvı ve buhar fazlarının
kimyasal içerikleri aynı olmasına rağmen (saf magnezyum), her
bir faz kendine has bir özelliğe sahiptir. .
16.02.2016
43
SAF MAGNEZYUM
16.02.2016
44
FAZ
o Faz kavramını daha iyi anlaşılabilmesi için verilebilecek en iyi
örnek su ile şeker karışımıdır.
o Bir miktar şeker, sıcak su ile karıştırıldığı zaman, su içerisinde
şeker tamamen eriyerek (çözünerek) bir ŞEKER-SU KARIŞIMI
elde edilir. Şekerli suyun her tarafı aynı bileşimde, aynı
kimyasal ve fiziksel özellikte homojen bir karışım haline
gelmiştir. Yani tek fazlıdır. Eğer şeker-su karışımını soğutup,
daha fazla şeker ilave edilirse, su artık şekeri çözmez
(eritmez). Şekerler, bardağın dibinde çözünmemiş bir halde ve
katı olarak birikecektir. Bu durumda su-şeker karışımı iki farklı
faz içerecektir. Birisi şekere doymuş sıvı faz; diğeri ise,
çözünmemiş haldeki katı şeker fazıdır.
o Böylece sıcaklığın değişmesi ile faz sayısı da değişmiştir.
16.02.2016
45
16.02.2016
46
FAZ DİYAGRAMLARINDA KULLANILAN TERİMLER VE TANIMLAR
FAZ:
 Bir fazın her yerinde kristal yapı, atom dizilişi aynıdır.
 Bir fazın her yerinde kimyasal ve fiziksel özellikleri
aynıdır.
 Bitişik veya civar fazlar arasında kesin bir ara yüzey
mevcuttur.
16.02.2016
47
1- TEK FAZLI METALLER
2- ÇOK FAZLI METALLER
TEK FAZLI METALLER
Saf metaller, tek fazlı olup
özellikleri her yerde aynıdır.
Saf bir metalin veya alaşımın
değişik sıcaklık, basınç ve
kimyasal
içeriklerde
hangi
fazlardan
oluştuğunu
faz
diyagramları
yardımıyla
bulabiliriz.
Örnek;
Katı, sıvı, gaz veya
αFe,ϫFe, δFe
16.02.2016
48
ÇOK FAZLI METALLER
Birden fazla elementin bir
araya gelerek oluşturduğu
alaşımlar
ise,
çok
fazlıdırlar.
Alaşımların (çok fazlı) faz
diyagramları, hem yavaş
soğuma
şartlarındaki
denge halinde, hem de
sabit basınçta (1 atmosfer
basınç) gösterilir.
16.02.2016
49
FAZ BELİRLEME YÖNTELERİ
o
o
o
o
o
Metalografik Yöntemle Belirleme.
X-ışınları Analizi Yardımıyla Belirleme.
Termal Analiz Yardımıyla Belirleme
Diferansiyel Termal Analiz (DTA) Yardımıyla Belirleme
Bilgisayar Hesaplamaları:
16.02.2016
50
FAZLARIN BELİRLENMESİ
o METALOGRAFİK YÖNTEM:
Bu yöntem, bir alaşımının numunelerinin farklı sıcaklıklara
ısıtılması, orada denge sağlanıncaya kadar beklenmesi ve
sonra yüksek sıcaklıktaki yapıyı koruyacak sağlanacak
hızla soğutulması şeklinde uygulanmaktadır. Soğutulan
numuneler mikroskobik olarak incelenerek faz yapısı
tanımlanır. Bu metodu metallere çok yüksek sıcaklıklarda
uygulamak zordur. Çünkü, hızlı soğutulan numuneler her
zaman yüksek sıcaklık yapısını koruyamamakta ve görülen
mikroyapıyı doğru olarak yorumlamak oldukça beceri
gerektirmektedir.
16.02.2016
51
METALOGRAFİK YÖNTEM
Bu yöntemle:
o Numunenin kaç çeşit fazlardan oluştuğunu
o Fazların numune içinde homojen dağılıp dağılmadığı
o Fazların kaba veya ince taneli olup olmadığı
belirlenmektedir.
Bu durum metallerde her zaman gözlenmeyebilir. Çünkü
metal atomlarının difüzyon hızı çok yüksek olduğundan,
yüksek sıcaklık fazı hızlı soğutma hızında bile oda
sıcaklığına kadar dönüşebilir.
16.02.2016
52
X-IŞINLARI ANALİZİ YÖNTEMİ
Bu yöntemle:
o Numune içindeki fazların kafes yapıları ve kafes
parametreleri belirlenerek faz dönüşümleri incelenebilir.
o Katı hal dönüşümlerinin ve katı durumdaki çözünürlüğün
belirlenmesi hassas bir şekilde yapılabilir.
Bu yöntem kafes boyutlarını ölçmek ve kafes boyutlarındaki
değişimle veya yeni bir kristal yapısının gözlenmesi ile yeni bir
fazın varlığını göstermek için uygulanmaktadır. Bu yöntem
sıcaklıkla bir katı çözeltideki değişimleri belirlemede çok hassas
ve çok kullanışlı bir yöntemdir.
Bu yöntem fazların şekli ve dağılımı hakkında fikir vermediği için
metalografik inceleme ile beraber kullanıldığı zaman mikroyapı
hakkında
yeterli bilgiye ulaşılabilir.
16.02.2016
53
16.02.2016
54
X-IŞINLARI ANALİZİ YÖNTEMİ
Günümüzde daha da geliştirilmiş cihazlarla faz analizleri
yapılmaktadır. Değişik ısıl işlem şartlarında alaşımda ortaya
çıkan fazlar elektron mikroskobu (SEM) veya geçirimli
elektron mikroskobu (TEM) altında dalga boyu dispersif ve
enerji
dispersif
XRF
yardımı
ile
faz
analizleri
yapılabilmektedir.
16.02.2016
55
TERMAL ANALİZ YÖNTEMİ
o Numunenin soğuması esnasında zaman-sıcaklık ilişkisinden faz
dönüşümü olup olmadığı anlaşılabilir.
o Ergime sıcaklığına kadar ısıtılan bir numunenin soğutulması
esnasında, eğer bir faz dönüşümü meydana gelirse, ısı açığa
çıkması nedeniyle soğuma eğrisi saparak eğimi değişir. Böylece
farklı bir fazın varlığı belirlenmiş olunur.
o Katılaşmanın başlama ve tamamlama sıcaklıkları, en doğru biçimde
soğuma eğrileri yardımıyla belirlenir.
16.02.2016
56
DİFERANSİYEL TERMAL ANALİZ (DTA) YÖNTEMİ
o DTA analizi ile sıcaklık değişimi karşısında maddelerin
ağırlıklarındaki değişimler belirlenir. Maddeler pek çok durumda
bozunma ile ağırlık kaybı gösterirler. Bazı durumlarda da ağırlık
artışı (örneğin oksidasyon, karbürizasyon gibi) olabilir.
o Faz değişimleri DTA analizi ile belirlenebilir.
o Katı-katı, katı-sıvı, sıvı-gaz geçişlerinin ve bunlara alaşım
elementlerinin etkilerinin belirlenmesi gerçekleştirilir.
o İkili ve üçlü faz diyagramı çizilmesine katkı sağlar.
16.02.2016
57
16.02.2016
58
16.02.2016
59
TERMAL ANALİZ YÖNTEMİ
Bu yöntem en geniş ölçüde kullanılan deneysel yöntem olup, soğuma
diyagramlarından elde edilen bilgilere dayanmaktadır.
Bu
yöntemde,
farklı
bileşimlerdeki
alaşım
karışımları ergitilmekte ve
sonra karışımın sıcaklığı,
karışım oda sıcaklığına
soğuyuncaya
kadar,
belirli zaman aralıklarında
ölçülmektedir. Her bir
karışım için bir soğuma
diyagramı kurulmaktadır
ve başlangıç ve son faz
değişim
sıcaklıkları
belirlenmektedir.
Sonra
bu
sıcaklıklar
faz
diyagramını kurmak için
kullanılmaktadır.
16.02.2016
60
BİLGİSAYAR HESAPLAMALARI:
Bu yöntemde, önce sabit sıcaklıkta denge halindeki sistemde var
olan fazların G-X verileri girdi olarak bilgisayara yüklenir (örneğin α,
β,ε ve L gibi). Her bir G-X eğrisinden geçen teğet fonksiyonları da
bilgisayara yüklenir. Karışım serbest enerjileri her faz ve bileşim için
hesaplanır ve en düşük serbest enerjili faz bulunur.
16.02.2016
61
16.02.2016
62
FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
63
16.02.2016
64
16.02.2016
65
FAZ DİYAGRAMLARI
o Belirli bir kimyasal içeriğe sahip bir alaşımın, her hangi bir sıcaklık
değerinde, hangi mikroyapıya sahip olduğunu belirlemek amacıyla
faz diyagramlarından yararlanılır.
16.02.2016
66
FAZ DİYAGRAMLARI
16.02.2016
67
FAZ DİYAGRAMLARI
o Aslında faz diyagramları, alaşımların mikro yapılarını belirlemede bir
harita niteliğindedir. Bir doktor için anatomi atlası neyi ifade
ediyorsa, malzeme mühendisi için de faz diyagramları aynı şeyi ifade
eder.
o Belirlenen faz veya fazlar malzemenin fiziksel özelliklerini belirler.
16.02.2016
68
FAZ DİYAGRAMLARI OLUŞTURURKEN DİKKAT EDİLMESİ GEREKLİ
HUSULAR
o Faz diyagramları, yavaş soğuma şartlarında belirlenirler. Buna
dengeli katılaşma hali denir.
o Yavaş soğuma esnasında kristal kafesindeki atomlar bulundukları
konumlarını korurlar.
o Böylece kararlı bir hal olan dengeli katılaşma sağlanmış olunur.
16.02.2016
69
FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA ELDE EDEBİLECEK BİLGİLER
o Faz diyagramlarından belirli bir alaşım sisteminde sıcaklık
ve bileşime bağlı olarak oluşacak fazların türleri, fazların
bileşimleri ve fazların miktarları belirlenebilir.
o Fazların mikroyapıları tahmin edilebilir.
o Endüstriyel sektörde malzemelerin üretiminde ve üretilen
malzemelerin mekanik özelliklerinin değiştirilmesinde
uygulanan ısıl işlem yöntemlerinde faz diyagramlarından
çok fazla yararlanılır.
o Faz diyagramı yardımıyla farklı bileşimlere sahip bir çok
alaşımın faz değişim şartları tespit edilebilir. Böylece
fazların belirlenmesi için yapılacak deneysel çalışmalar
azalır.
16.02.2016
70
FAZ DİYAGRAMLARI YARDIMIYLA ELDE EDELEMEYEN BİLGİLER
o Faz diyagramları ile fazların lamel mi küresel mi şekilli mi
olduğunu öğrenemeyiz.
o Mikroyapı içindeki fazların dağılımı hakkında bilgi sahibi
olamayız.
o Eğer alaşımlar hızlı soğutulursa (örneğin; suda içerisinde
hızlı soğutulursa) denge dışı şartlarında fazlar meydana
geleceğinden bu fazları denge şartları altında oluşturulan
faz diyagramında göremeyiz.
16.02.2016
71
ÖDEV
Soru 1: Faz nedir? Örnek bir mikroyapı üzerinde çeşitli fazları
gösteriniz?
Soru 2: Alaşım nedir? Al-Si alaşımlarının özellikleri ve kullanım yerleri
hakkında bilgiler araştırarak kısaca yazınız?
Soru 2: Cu-Zn alaşımlarının özellikleri ve kullanım yerleri hakkında
bilgiler araştırarak kısaca yazınız?
Soru 3: Bileşen nedir? Örnek bir alaşım belirleyerek bileşenlerini tayin
ediniz.
Soru 4: Saf bir bakırın özellikleri ile her hangi bir Cu-Ni alaşımının
özellikleri arasında ne gibi bir fark vardır yazınız?
Soru 5: Faz diyagramı dersinin terimi olarak sistem ne demek olduğunu
örnekler vererek açıklayınız?
Soru 6: Fazların belirlenmesinde kullanılan yöntemleri açıklayınız?
Soru 7: Bir faz diyagramı yardımıyla elde edilebilen bilgileri yazınız?
Soru 8: Bir faz diyagramı yardımıyla elde edilemeyen bilgileri yazınız?
16.02.2016
72
KAYNAKLAR
• D. R. Askeland, ‘The Science and Engineering of
Materials’, Brooks/Cole Engineering Division, Monterey,
1984.
• W. D. Callister, Jr. , Materials Science and Engineering,
An Introduction, John Wiley&Sons, New York, 1994.
• H. Uzun, ‘Faz Diyağramları’ internet sunusu
• İ. Özbek, ‘Faz Diyağramları’ internet sunusu
• A. Alsaran ‘Malzeme Bilgisi’ internet sunusu
• Çeşitli sunumlar
• Çeşitli internet web sayfaları
16.02.2016
73
Dinlediğiniz için
Teşekkür
ederim!..
16.02.2016
74