Malzeme Bilimi

• Bileşen deyimi, çoğunlukla alaşımı oluşturan saf
metaller ve/veya bileşikler için kullanılır. Örneğin bir
bakır-çinko alaşımı olan pirinçte Cu ve Zn,
bileşenlerdir.
• Sistem deyimi öncelikle incelenen bir malzemenin
sahip olduğu özel durumunu (örneğin bir potadaki
ergimiş çelik) ifade etmek için kullanılır. Ayrıca sistem
deyimi, kimyasal bileşimden bağımsız olarak aynı
alaşım elementleri tarafından oluşturulan olası
alaşımları ifade etmek için de kullanılmaktadır
(örneğin Fe-C sistemi).
• Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta
çözünen atomların, çözen kafes içinde
ulaşabileceği ve çözünebilirlik (çözünürlük) sınırı
olarak isimlendirilen bir üst konsantrasyon sınır
değeri vardır.
• Bu çözünebilirlik sınırının üzerinde yapılan
element ilavesi sonucunda, başka bir bileşime
sahip bir diğer katı çözelti veya bileşik meydana
gelmektedir.
• Faz, bir sistemin homojen fiziksel ve kimyasal
özellikler gösteren parçası olarak
tanımlanabilir.
• Her saf malzeme bir faz olarak düşünülebildiği
gibi her katı, sıvı ve gaz çözelti de faz olarak
değerlendirilebilir.
• Çoğu zaman bir malzemenin fiziksel özellikleri,
özellikle de mekanik özellikleri sahip olduğu iç
yapıya yani mikroyapıya bağlıdır.
• Mikroyapı, optik veya elektron
mikroskoplarında gerçekleştirilen mikroskobik
incelemelerle belirlenir.
• Denge hâli, en iyi şekilde serbest enerji adı verilen
bir termodinamik büyüklük ile tanımlanan bir
diğer temel kavramdır. Kısaca serbest enerji bir
sistemin iç enerjisi ile atom veya moleküllerinin
rastgeleliği veya düzensizliğinin (entropi) bir
fonksiyonudur.
• Faz dengesi deyimi sıklıkla içinde birden fazla faz
bulunduran sistemlerin denge halini tanımlamada
kullanılır. Faz dengesi bir sisteme ait faz
özelliklerinin zamanla değişmediğini ifade eder.
Şekil 9.1
• Belirli bir sistemin faz yapısının kontrol edilmesine ait
bilginin birçoğu, kısaca faz diyagramları veya denge
diyagramları olarak da isimlendirilen grafikler
yardımıyla elde edilir.
• Faz diyagramlarını etkileyen ve kontrol edilebilen üç
dış parametre sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim
olup, faz diyagramları bunların çeşitli
kombinasyonlarının birinin diğerine göre çizilmesiyle
belirlenir.
• İkili faz diyagramları alaşımların bulundukları
sıcaklıkta ve sahip oldukları kimyasal bileşimde
iç yapılarında hangi fazları denge halinde
bulundurduğunu, bu fazların hangi oranlarda
mikroyapıya dağıldığını ve fazların kimyasal
bileşimleri hakkındaki bilgileri veren
haritalardır.
Devam ediyor…
• Cu-Ni elementlerinin hem sıvı hem de katı
hallerde gösterdiği tam çözünürlük
özelliğinden dolayı, bu sistem izomorfik olarak
nitelendirilir.
• Sistemde hangi fazların bulunduğunu
belirlemek nispeten kolaydır. Sıcaklık-kimyasal
bileşimin oluşturduğu nokta faz diyagramına
yerleştirildiğinde hangi faz veya fazların
bulunduğu bölgede yer alıyorsa, o bölgenin
sınırladığı faz ve/veya fazların sistemde
mevcut olduğu bilgisine doğrudan ulaşılır.
• Tek bir fazın mevcut olması durumunda yöntem belli
olup, fazın kimyasal bileşimi ile alaşımın kimyasal
bileşimi aynıdır.
• İki fazın birlikte bulunduğu bölgeler için durum biraz
daha karmaşıktır. Tüm iki fazlı bölgelerde her bir
sıcaklık için yatay eksene paralel olarak uzanan hayali
doğrular düşünülebilir. Bu tip doğruların iki fazlı
bölgenin faz sınırı çizgileri arasında kalan kısmı genel
olarak bağ çizgisi veya izoterm doğrusu olarak
bilinmektedir.
• Eğer bileşim ve sıcaklığı oluşturan nokta iki
fazlı bölgede ise durum biraz daha karmaşıktır.
• Bu amaçla kullanılan yöntem çoğunlukla
kaldıraç kuralı olarak nitelendirilmektedir.
• 779oC’nin altındaki sıcaklıklar için α fazı
bölgesini α + β faz bölgesinden ayıran çizgi
solvüs adını alır ve benzer şekilde 779oC’nin
üzerindeki sıcaklıklar için α fazı bölgesini α + S
faz bölgesinden ayıran çizgi solidüs olarak
tanımlanır.
• Bakıra gümüş ilave edildikçe alaşımın tam olarak
eridiği sıcaklık AE likidüs çizgisine bağlı olarak
sürekli azalma gösterir. Aynı şeyleri gümüş için de
söylemek mümkündür. Gümüşe ilave edilen bakır
alaşımın ergime sıcaklığı FE çizgisiyle de
belirtildiği gibi, sürekli azaltmaktadır. İki likidüs
çizgisi diyagramdaki BEG doğrusu üzerindeki E
noktasında birleşir. Buradaki E noktası değişmez
nokta niteliğinde olup, CE bileşimi ve TÖ sıcaklığı
ile tanımlanır.
• Soğuma sırasında TÖ sıcaklığındaki sıvı faz α ve
β gibi iki ayrı katı faza aynı anda dönüşür. Aynı
şekilde, ısınma sırasında da iki ayrı katı faz aynı
anda sıvı faza dönüşür. Bu durum malzeme
biliminde ötektik reaksiyon adını almakta olup
(ötektik kolayca ergiyen anlamındadır), CαE ve
CβE α ve β fazlarının TÖ sıcaklığındaki kimyasal
bileşimlerini vermektedir.
• Ötektik reaksiyonla oluşan α ve β katı
fazlarının yapıda katmanlar halinde ve birbirini
tekrar eder tarzda oluşması neticesinde lamelli
yapı olarak da nitelendirilen ötektik yapı
meydana gelir ve bu özel yapı, Şekil 9.13’teki i
noktasındaki daire içinde temsili olarak
gösterilmiştir.
• α fazlarını birbirinden ayırt edebilmek için,
Şekil 9.16’da gösterildiği gibi ötektik reaksiyon
sırasında oluşanına ötektik α, ötektik sıcaklık
geçilmeden önce oluşmuş olanına ise birincil
(primer) veya ötektik öncesi α adı verilmiştir.
• Mikroyapıların incelenmesi sırasında yapıda
bulunan ve tanımlanabilir belli özelliklere
sahip elemanları (fazlar) temsil etmesi
açısından mikroyapı bileşenleri deyiminin
kullanılmasında fayda vardır.
• Katı δ fazı soğumayla birlikte aşağıda verilmiş olan
reaksiyon neticesinde γ ve ϵ katı fazlarına dönüşür.
• Aynı şekilde bunun tersi olan reaksiyon ısıtma
sırasında gerçekleşir ve iki katı faz tek bir δ katı fazına
dönüşür. Bu dönüşüm ötektoid reaksiyon sonucunda
gerçekleşmekte olup bunun gerçekleştiği 560oC,
ötektoid sıcaklığı ve ağırlıkça % 74 Zn-% 26 Cu ise
ötektik bileşim olarak isimlendirilir.
• Faz diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan esaslar ile
fazların denge durumuna ait prensipler termodinamik
kanunlarıyla açıklanır. Bunlardan birisi de 19. yüzyıl
fizikçilerinden J. Williard Gibbs tarafından öne sürülen
Gibbs faz kuralıdır. Bu kural bir sistemde denge
durumunda bulunan fazların sayısını belirlemede
kullanılan bir kriteri vermekte ve aşağıdaki basit
denklemle ifade edilmektedir:
• Tüm ikili alaşım sistemleri içinde en önemli
yeri demir-karbon alaşım sistemi tutmaktadır.
Teknolojik açıdan önemli yere sahip olan tüm
toplumlar, esas olarak demir-karbon alaşımı
olan dökme demir ve çelikleri ana yapısal
malzeme olarak kullanılmışlardır.
• Demir-karbon faz diyagramının bir bölümü
Şekil 9.24’te verilmiştir. Saf demir ısıtılması
sırasında ergimeden önce iki defa kristal yapı
değişikliğine uğrar. Oda sıcaklıklarında demir,
α-demiri veya ferrit adını almakta olup hacim
merkezli kübik (HMK) kristal yapıya sahiptir.
Ferrit 912oC’nin üzerine çıkıldığında yüzey
merkezli kübik (YMK) yapıya sahip γ-demirine
veya ostenit fazına dönüşür.
• Kimyasal bileşimin belirtildiği yatay eksen,
sadece ağırlıkça % 6,67 C miktarına kadar
uzanmaktadır. Bu karbon miktarında bir
metaller arası bileşik olan demir karbür veya
daha yaygın olarak kullanılan ismiyle sementit
(Fe3C) oluşur ve demir-sementit faz
diyagramının sağ tarafındaki düşey eksenle
temsil edilir.
• Ötektoid çeliğinin mikroyapısı, ötektoid
sıcaklıktan yavaşça soğuma sırasında, birbirini
tekrar edecek tarzda üst üste α ve Fe3C fazlarına
ait tabakaların (lamellerin) bir araya gelmesiyle ve
bir anda oluşan özel bir yapıya dönüşür. Burada
oluşan α ve Fe3C lamellerinin (tabakalarının)
kalınlıklarının oranı 8’e 1 mertebelerindedir. Şekil
9.26’daki faz diyagramının altında yer alan ve b
noktasını gösteren daire içinde şematik olarak
gösterilen bu tipik yapıya malzeme biliminde
perlit adı verilmiştir.
• Reaksiyon neticesinde oluşan ferrit fazına ötektoid ferrit,
daha önce oluşmuş bulunan ferrit fazına da ötektoid
öncesi (veya primer) ferrit denilir.
• Ostenit bölgesinden yavaşça soğutulan ve
bileşiminde ağırlıkça % 0,76 ile % 2,14 C
bulunan ötektoidüstü alaşımlar için de
benzer dönüşümler ve mikroyapılar söz
konusudur.
• Şekil 9.29’daki d noktasında α’nın başlamasına
benzer şekilde Fe3C fazının önceki ostenit tane
sınırları boyunca oluşmaya başladığı görülür.
Ötektoid reaksiyondan önce oluşan bu
sementite ötektoid öncesi sementit (veya
primer sementit) denilir ve sıcaklık değişse
bile bileşimindeki ağırlıkça % 6,67 C oranı
değişmez.