KATI ÇÖZELTİLERDEN ÇÖKELME (ÇÖKELME SERTLEŞMESİ)

... konulu sunumlar: "KATI ÇÖZELTİLERDEN ÇÖKELME (ÇÖKELME SERTLEŞMESİ)"— Sunum transkripti:

1 KATI ÇÖZELTİLERDEN ÇÖKELME (ÇÖKELME SERTLEŞMESİ)
Prof. Dr. Hatem AKBULUT

2 Metal ve Alaşımlarda Mukavemet Artış Mekanizmaları
Katı Eriyik Sertleşmesi Tane Boyutunu Düşürme Dispersiyon Sertleşmesi Çökelme Sertleşmesi Deformasyon Sertleşmesi İkinci faz Sertleşmesi Faz Dönüşümü Prof. Dr. Hatem AKBULUT

3 Serbest enerji faz sınırlarından başlayarak nasıl değişir
Bir katı çözelti iki fazlı bölgeye soğutulursa katı çözelti aşırı doymuş hale gelir Yeni bir fazın oluşum nedeni sistemin serbest enerjisinde meydana gelen düşüştür. Serbest enerji faz sınırlarından başlayarak nasıl değişir Sıvı (L) a+L b+L a+b a b A B % B Sıcaklık Prof. Dr. Hatem AKBULUT

4 Teğet (Tanjant) Kuralı
Tek fazlı a, a' ve b ya dönüşmektedir ( a, a' ile aynı kristal yapısında, farklı kompozisyonda) x20 = orijinal çözelti içinde (A durumu) 2 bileşeninin mol fraksiyonu x2a ve x2β = B durumunda iki farklı çözeltinin mol fraksiyonu (b) Şekil. İki faz içinde tek bir fazın dağılımı ; a) göz önüne alınan iki durum ve b) serbest enerjiler. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

5 Herhangi bir kinetik bariyer yoksa, x20 kompozisyonundaki a çözeltisi,
x2α ve x2β kompozisyonlarında iki ayrı çözeltiye ayrışacak Bu kompozisyonlar denge kompozisyonları (Faz diyagramlarında denge kompozisyonları) Serbest enerji-kompozisyon eğriler sıcaklıkla değişir. Şekil. Teğet kanununu gösteren düzen. G Prof. Dr. Hatem AKBULUT

6 Yüksek sıcaklıklarda sıvı eğrisi (G1s) diğer iki eğrinin altına düşer.
Sıcaklık düştükçe sıvı eğrisi yükselir, katı eğrileri düşer. Düşüş ve yükselişler ötektik sıcaklığında teğet eğrisinde birbirlerine temas ederler. Şekil. İki farklı sıcaklıktaki fazların tanımlandığı basit bir ötektik denge diyagramı. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

7 Şekil. Tanımlanan iki farklı sıcaklıkta üç faz için serbest enerji-kompozisyon diyagramları.
Prof. Dr. Hatem AKBULUT

8 Spinodal Noktalar Spinodal dönüşümde çekirdekleşme için bariyer yok.
Karışabilirlik aralığı içeren malzeme sistemlerinde meydana gelir. Kompozisyon çalkalanmaları mevcuttur. Alaşım = A + B elementleri . A ve B ce zengin bölgeler oluşur ve serbest enerji düşer. Spinodal noktalarda İkinci türev = 0 olmaktadır. a ve b eğrileri birleştirilmişler (Kristal yapı a ve b fazlarında aynı) Eğride ikinci türev d2Gs/dx2 = 0, iki nokta spinodal noktadır Prof. Dr. Hatem AKBULUT

9 Sıcaklık Şekil. a) Serbest enerji - kompozisyon diyagramında spinodal noktaların yerleşimi, b) aynı kristal yapıya sahip a ve b fazlarını da gösteren faz diyagramı. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

10 Şekilde ( bir önceki sayfa) xA kompozisyonu ele alınmakta,
Tek fazlı katı çözelti, yüksek ve daha düşük kompozisyonlarda ayrışma yapmaktadır. Sistemin serbest enerjisi düşecek. Kompozisyondaki değişimler xB gibi bir bileşimde, spinodal noktaların dışında olursa, Sistemin serbest enerjisi yükselir. Alaşımlarda ilginç ve yararlı özellikleri için, sistemler dengeden uzaklaştırılır(Ör. Ani soğutma). Prof. Dr. Hatem AKBULUT

11   fazı, ötektoid altı  fazından çökelecek
Şekilde, Ötektoid reaksiyon dışında dört mümkün çökelme reaksiyonu var.   fazı, ötektoid altı  fazından çökelecek  fazı ötektoid üstü  fazından çökelecek   fazı  fazını çökeltecek   fazı  fazını çökeltecek Şekil. Mümkün çökelme reaksiyonlarını gösteren ötektoid faz diyagramı. 1. Ana faz = matriks ana fazın kompozisyonu = x2m olarak temsil edilir. 2. Ana fazdan büyüyen faz çökelti, kompozisyonu = x2p olarak temsil edilir.  Pozitif çökelti = x2p  x2m  Negatif çökelti = x2p  x2m Prof. Dr. Hatem AKBULUT

12 Çökelme Sertleşmesi Oluşum Şartları
Buna göre, b = pozitif ve a negatif çökelti. Çökelme Sertleşmesi Oluşum Şartları Sistem karışabilirlik aralığı içermeli Alaşım denge diyagramı solvüs eğrisi içermeli 3. Yüksek sıcaklıkta yüksek, düşük sıcaklıkta düşük çözünürlük olmalı 4. Çözen ve çözünenin atom çapları yakın olmalı 5. Çözen ve çözünenin kristal sistemleri benzer olmalı İlk iki şart mutlaka olmalı, Diğer şartlar çökelme serleşmesinin etkisini arttırır Prof. Dr. Hatem AKBULUT

13 Şekil. Bir faz diyagramında solvüs eğrilerinin yerleşimi.
Maksimum çözünürlüğü veren çizgiler solvüs eğrileridir. x20 orijinal bileşimdeki alaşım Alaşım; T1 sıcaklığından T3’ e yavaş soğutma; katı çözeltiden b fazı çökelir: α(x20) → α(x2α) + β(x2β) (Denge reaksiyonu) Katı çözelti çok düşük sıcaklıklara ani olarak soğutulursa yeni faz çökelir. Yeni çökelen faz artık b çökeltisi değildir. Yeni faz, denge diyagramında temsil edilmemektedir. Bu tür reaksiyonlar yüksek miktarda sertleşme etkisine yol açarlar = çökelme sertleşmesi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

14 Direkt döküm yapısı yüksek mukavemetli olmaz
Direkt döküm yapısı yüksek mukavemetli olmaz. Oluşan intermetalik tane sınırlarına birikir (segregasyon) ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. İdeal Tipik Bakır oranı (ağırlıkça) Şekil. Al-Cu denge diyagramı ve Al- % 4 Cu alaşımının soğumada ortaya çıkan mikroyapıları Prof. Dr. Hatem AKBULUT

15 Döküm hali a + kaba q (Oda sıcaklığı denge yapısı)
Su verme sonu (aşırı doymuş a) Çok küçük q çökeltileri a içinde dağılır Prof. Dr. Hatem AKBULUT

16 T1 Suni yaşlanma Doğal yaşlanma 1 3 2
Su verme Çözeltiye alma işlemi (denge diyagramında tek faz bölgesi) 1 T1 Sıcaklık Denge diyagramında tek faz bölgesi Suni yaşlanma 3 Çökelme işlemi (Örn: 170 oC de 20 saat) Doğal yaşlanma ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 2 Zaman Aşırı doymuş katı çözelti Alaşım hızlı soğutulursa (su verme), ikinci faz dönüşümü tamamen engellenebilir, Yarı kararlı katı çözelti elde edilir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

17 Çok ani su verme ile solvüs eğrisi yer değiştirir (kırmızı çizgi gibi)
Sıcaklık (oC) Su verme Çökelme (yaşlandırma) Bakır Oranı (ağırlıkça) Çok ani su verme ile solvüs eğrisi yer değiştirir (kırmızı çizgi gibi) Prof. Dr. Hatem AKBULUT

18 Al-Cu alaşımlarında akma mukavemetine yaşlandırma sıcaklığı etkisi.
Maksimum mukavemet için yaşlandırma sıcaklığı önemli. Her bir malzemede optimum yaşlandırma sıcaklığı mevcut. Yaşlanma süresi (saat) Akma Mukavemeti (MPa) Al-Cu alaşımlarında akma mukavemetine yaşlandırma sıcaklığı etkisi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

19 İki ayrı dengesel çökelme reaksiyonu vardır:
Sürekli: Yeniden kristalleşmeye benzer.  fazı bağımsız olarak çekirdekleşir ve  içinde büyür. Süreksiz: Hücresel çökelme olarak adlandırılır. X2α kompozisyonundaki  matriks fazı, kompozisyonunda  plakaları ve alternatif olarak yeni  fazı plakaları içerir. Hareket eden faz sınırı (x20) ve (x2α) arasında olan yüksek açılı sınır. Şekil. İki tür çökelme reaksiyonunun şematik olarak gösterilişi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

20 Boeing 767 Çökelme sertleşmesinin Önemi, ve Uygulama Alanları
Çökelme reaksiyonuna ticari ilgi nedeni: mukavemet artışı mekanizmasından dolayı Havacılık sektöründe mukavemet / ağırlık oranı yüksek alaşımlar istenir. Boeing 767 1.5mm • Alaşımlanan Al çöklme sertleşmesi ile mukavemetlendirilir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

21 Uçak gövdesinde kullanılan ve çökelme ile sertleştirilen Al alaşımları
Prof. Dr. Hatem AKBULUT

22 Çökelme sertleşmesi düşük ve nispeten yüksek sıcaklıklar için malzeme üretir. Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bölgeleri için süperalaşımların çökelme ile sertleştirilen türleri kullanılır. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

23 PW4084 Motor Malzemeleri Prof. Dr. Hatem AKBULUT

24 Bekletme ile günler sonra sertlik önemli şekilde artmış
Wilm, çelik gibi Al-4% Cu alaşımını sertleştirmeye çalışmış, 550ºC ye ısıtma yapmış Alfred Wilm: Çelikler su vermede sertleşir, Al alaşımları neden sertleşmesin diye düşünmüş Bekletme Isıtma Su verme Sertlik kontrolü Süre Maalesef! Sertlikte artış yok 20 yy. ın en önemli teknolojik başarılarından biri Bekletme ile günler sonra sertlik önemli şekilde artmış Prof. Dr. Hatem AKBULUT

25 Çökelme ile günümüzde akma mukavemeti 4-5 kat arttırılabilir.
Yüksek mukavemet / ağırlık oranı yanında süneklik değerleri önemli oranda düşmez. 1906’ da Wilm kazaen keşfetmiş (Al-Cu-Mn alaşımına Mg ilave etkisi incelemesinde) Su verilen alaşımda sertlik yaşlanma ile önemli derecede artmış. Şekil yılında A. Wilm tarafından yayınlanan ilk yaşlanma sertleşmesi eğrisi. İlk sonuçları 1911 yılında yayınlanmış 1909 yılında üretilmiş = Duralumin denmiştir.; Prof. Dr. Hatem AKBULUT

26 (% 4.4 Cu, % 1.5 Mg ve % 0.6 Mn kalan Al)
% Cu, % Mg +Mn, Fe, Si. 1920 yılında P.D. Merica, mikroyapıda çok küçük çökelti var demiştir. Çökelmeni aydınlatılması (fiziksel olarak) 1950’ li yıllarda, elektron mikroskobu ile Çökelme Yaşlanmasının Etkisini İncelemek İçin 2024 Alüminyum Alaşımı Verileri: (% 4.4 Cu, % 1.5 Mg ve % 0.6 Mn kalan Al) Akma Gerilmesi (yaşlanma işlemi olmaksızın) = 138 MPa Akma Gerilmesi (oda sıcaklığında yaşlanma ) = 276 MPa Akma Gerilmesi (optimum yaşlanma işlemi ile) = 414 MPa Prof. Dr. Hatem AKBULUT

27 gibi şekillerde olabilir.
Çökelti fazları levhasal, iğnesel gibi şekillerde olabilir. 1820 yılında Carl von Schreibers, demir-nikel meteorunun mikroyapısını yayınlamış Mikroyapı Aloys von Widmanstatten tarafından nitrik asitle dağlanmış Prof. Dr. Hatem AKBULUT

28 Çökelti-matriks arayüzeyi düşük enerjili arayüzeydir;
İkinci faz levhalar veya iğnecikler halinde matriks içinde tercihli olarak dizildiğinde, Widmanstatten yapısı olarak isimlendirilmiştir. Çökelti levhaya benzer ise, çökelti fazı matriks içinde belirli {hkl} düzlem ailesinde (habit) oluşur İğnesel çökeltiler de matrikste habit yönlerinde çökelirler. Çökelti-matriks arayüzeyi düşük enerjili arayüzeydir; Düşük enerjili arayüzeyler, matriks-çökelti arasında spesifik kristallografik oryantasyon gösterir. Örnek; -pirinç (YMK) -pirinç (HMK)’ dan çökeldiğinde; (110)b (111)a [111]b [110]a Kurdjumov-Sachs Prof. Dr. Hatem AKBULUT

29 Çökelme İşlem Safhaları
Solvüs eğrisi altına ani olarak soğutma, Nisbeten yüksek bir sıcaklıkta yaşlanma ile denge çökeltisi oluşmaya başlar. Denge çökeltisinden önce iki yarı kararlı çökelti oluşumu gözlenmiş. Al-Cu % 4.5 Cu alaşımı 550 °C’ de çözeltiye alınmış, soğutma ve yaşlandırmada Al-Cu alaşımlarında GP Zonları  Geçiş Çökeltileri  Dengesel Çökelti Alaşımlarda Genel Prof. Dr. Hatem AKBULUT

30 Şekil. Al-Cu Faz Diyagramı.
100 200 300 400 500 600 700 800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % Cu, (ağ.) Sıcaklık, ( °C) + a q + sıvı sıvı 5.65 548 °C 660 o C Şekil. Al-Cu Faz Diyagramı. GP Zonları: TEM ile görülür. 80 A° çapında, 3-6 A° kalınlığında disk şekilli zonlar Yaklaşık % 90 Cu. Cu’ ca hakim atomların Al latisinde oluşumları. İlk olarak Gunier ve Preston tarafından X-ışınları tesbit edilmişler (1930’ lu yıllar) Gunier-Preston zonları (GP zonları) Prof. Dr. Hatem AKBULUT

31 Deformasyon Etkisindeki Bölge
Şekil. Bir q" çökelti partikülünün şematik olarak kenar görünüşü. q" Çökeltisi: Isıtma ile GP zonları çözünmeye başlar ve II. çökelti " oluşmaya başlar. a = b = 4.0 A° ve c = 7.8 A° latis boyutları, (tetragonal faz). Levhasal çökelti kalınlığı=20 A°, çapı = 300 A° kristallografik ilişki {100}q {100}matriks Ana faz ve çökelti arasında bire bir eşleşmeye zorlamadan dolayı uyumlu arayüzey var Bu nedenle büyük deformasyonlar ortaya çıkar. (Şekil ) Prof. Dr. Hatem AKBULUT

32 q’ Çökeltisi: Optik mikroskopta gözlenebilecek belki de ilk çökelti.
Boyutu = 1000 A° civarı a = b = 4.04 A° ve c = 5.8 A° (tetragonal faz) Üçüncü sırada çökelen faz. Kristallografik ilişki {100}  {100}matriks q Çökeltisi: Denge çökeltisi, a = 6.06 A° ve c = 4.87 A° (tetragonal) Üç çökelti direkt Al matriksi veya başka bir yerden mi çökelir. Deneysel deliller direkt olarak Al matriksinden çekirdeklendiği kanısını verir. Sertlik artışı q' nün oluşumundan önce meydana gelir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

33 Çözünen atom Çözen atom Şekil. Çökelme sertleşmesinin atomik mekanizması; a) Çözeltiye alma, b) Çökelti fazının oluşumu, c) Oluşan çökeltinin irileşmesi ve aşırı yaşlanma. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

34 Şekil. Al-Cu alaşımları için yaşlanma sertleşmesi eğrileri
Çözen ve çözünen atom boyut farkları yaklaşık % 12’ den daha küçük ise, Dengesel çökeltinin kristal yapısı basit ise GP zonu gözlenebilmekte. Mikrosertlik Zaman Şekil. Al-Cu alaşımları için yaşlanma sertleşmesi eğrileri Prof. Dr. Hatem AKBULUT

35 Mukavemetin yüksek olmasının nedeni uyumlu intermetalik fazın ana faz içinde oluşmasıdır. GP zonu ve geçiş çökeltileri mukavemeti çok önemli oranda arttırır. GP zones q” q’ q Şekil. Al-Cu alaşımları için yaşlanma sertleşmesi eğrileri ve mikro yapıları. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

36 a) b) Şekil. a) Ana faz ile uyumsuz bir çökelti, b) Latis parametresi matriksten büyük bir uyumlu çökelti ve Prof. Dr. Hatem AKBULUT

37 Şekil. a) Latis parametresi matriksten küçük bir uyumlu çökelti.
Uyumlu çökeltiler etrafında meydana gelen deformasyon alanı mukavemetin daha da artmasına sebebiyet verir. a) b) Şekil. a) Latis parametresi matriksten küçük bir uyumlu çökelti. b) Bir Al alaşımında çökelen 8 nm çapında çökelti partikülünün yüksek çözünürlüklü TEM yapısı. Alaşım Al - % 0.3 Sc alaşımıdır ve 300 oC de 350 saat yaşlandırılmıştır. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

38 f11_25_pg405 Çözen (Al) atomu Çözünen (Cu) atomu q” faz partikülü q faz partikülü a) b) c) f11_25_pg405.jpg Şekil. a) Çözeltiye alınmış Al-Cu atomik yapısı, b) q” geçiş çökelti fazı, c) Dengesel çökeltinin oluşması (aşırı yaşlanma). Prof. Dr. Hatem AKBULUT

39 Tablo: Birçok alaşım sisteminde görülen çökelme sıralanması ve düzeni.
Ana metal Alaşım Çökelme Sıralanması Dengesel Çökelti Alüminyum Al-Ag Zonlar (küreler)  ' (plaka) (Ag2Al) Al-Cu Zonlar (diskler)  '' (diskler)  ' (CuAl2) Al-Zn-Mg Zonlar (küreler)  M' (plakalar) (MgZn2) Al-Mg-Si Zonlar (çubuklar)  ' (Mg2Si) Al-Mg-Cu Zonlar (çubuk veya küreler)  S' S(Al2CuMg) Bakır Cu-Be Zonlar (diskler)  g'   (CuBe) Cu-Co Zonlar (küreler)    Demir Fe-C  - karbür (diskler)   Fe3C (dilimler) Fe-N '' (diskler)   Fe4N (dilimler) Nikel N-Cr-Ti-Al ' (küpler)    (Ni3Ti,Al) Prof. Dr. Hatem AKBULUT

40 Tablo: Çökelme ile sertleşebilen alaşımlarda sıkça görülen çökelme safhaları.
Çökelti Kristal Yapısı Uyumluluk Çekirdekleşme 1 GP Zonları Matriksle Aynı Tamamen Uyumlu Üniform  1018/cm3 2 Geçiş Fazı Matriksten Farklı Tam yada Kısmen Uyumlu Heterojen 3 Dengesel Uyumsuz Prof. Dr. Hatem AKBULUT

41 Bir reaksiyonun ilerlemesi pozitif enerji ile engellenir.
Katı Halde Çekirdeklenme Bir reaksiyonun ilerlemesi pozitif enerji ile engellenir. I II III a b Şekil. Dönüşümde hacim değişikliklerinin öneminin şematik olarak temsil edilmesi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

42 Klasik Çekirdeklenme Yaklaşımı
Çekirdek oluşumu ile ilişkili serbest enerji (G), n = Çekirdekteki atomların sayısı = Çekirdekteki atom başına hacim serbest enerji değişimi  = Şekil faktörü (n2/3 = yüzey alanı)  = Yüzey gerilimi  yüzey serbest enerjisi Es = Çekirdekteki atom başına deformasyon serbest enerjisidir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

43 şeklinde gruplanabilir.
Bu Eşitlik; şeklinde gruplanabilir. Es ve  değerleri pozitif, GB değeri dönüşüm sıcaklıkları altında negatif; Kritik boyutta çekirdek (r*) oluşumu için gereken enerji; Prof. Dr. Hatem AKBULUT

44 Heterojen çekirdeklenme durumu için,
Şekil. Çekirdekte atom sayısının bir fonksiyonu olarak oluşum serbest enerjisi. Heterojen çekirdeklenme durumu için, Serbest Enerji Prof. Dr. Hatem AKBULUT

45 Dengesel çökeltiler tane sınırlarında çökelirler.
Geçiş çökeltileri ve dengesel çökeltiler heterojen olarak oluşurlar. Geçiş (ara) çökeltiler dislokasyon yönelimine göre çökelir, Dengesel çökeltiler tane sınırlarında çökelirler. Homojen çekirdeklenme sadece , Es ve dislokasyon yoğunluğu çok küçük ise oluşabilir. Diğer durumlarda, spinodal ayrışma mekanizması ile ortaya çıkarlar. Dengesel çökeltilerin homojen olarak oluşmaları ile ilgili sadece iki sistem olduğu görünmektedir. Ancak bu durumlardaki homojen çekirdeklenme bile belirli şartların sağlanması ile meydana gelir. Böylece, dengesel çökelti şeklinde katı sistemlerin çok küçük bir kısmının oluşması söz konusudur. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

46 Çekirdeklenme Prosesini Etkileyen Ana Faktörler:
1. GB = f ( kompozisyon, sıcaklık) Es = f ( şekil, uyumsuzluk) 3.  = f (şekil)  = f (kompozisyon, uyumsuzluk) Tablo. Üç farklı sıcaklıkta üç çözeltinin oluşum serbest enerjilerinin değişimi. Su Verme Sıcaklığı GB(GP) = I GB(int.) = II GB() = III Th Pozitif'  Pozitif  Negatif T(ort) Negatif  Daha Negatif TL Negatif'  Daha negatif  Çok Negatif Prof. Dr. Hatem AKBULUT

47 Çekirdekleşmeyi Engelleyici Faktörler
Deformasyon enerjisi oluşumu, Çökelti uyumsuz bir arayüzeyde oluşursa hemen hemen deformasyondan serbest. Uyumlu arayüzeyde deformasyon enerjisi yüksek. Küresel çökeltiler maksimum Es değerine, plaka şekilli çökeltiler ise minimum Es değerine sahip Plaka daha büyük yüzey/hacim oranına sahip ve yüzey enerjisi () plakada, küresele göre yüksek. Deformasyon enerjisi; E =Young modülü, = atom  = uyumsuzluk Prof. Dr. Hatem AKBULUT

48 Çökelti-matriks arayüzey enerjisi = arayüzeyin yüzey gerilimi.
Arayüzey uyumsuz ise yüzey gerilimi = yüksek açılı sınırın yüzey gerilimi (~ 500 erg/cm2). Arayüzey uyumlu ise yüzey gerilimi erg/cm2 Çekirdekleşmeyi engelleyen iki faktör: i) yüzey enerjisi, ii) Deformasyon enerjisi. Plaka uyumlu bir arayüzeyle meydana geliyorsa uyumlu sınırdan dolayı  ihmal edilebilir. t= plaka kalınlığı ise; uyumlu bir arayüzey için çekirdeklenmeyi engelleyen enerji t3 ile, uyumsuz bir çekirdekleşmede engelleyici enerji için ise t2 ile doğrudan orantılıdır. Başlangıç çökelti kalınlığı tCR’ in altında ise uyumlu arayüzey oluşur Prof. Dr. Hatem AKBULUT

49 Spinodal Ayrışma Konsantrasyon Şekil. Klasik çekirdeklenme (üst kısımdaki şekil) ve spinodal ayrışmada kompozisyon değişimi Spinodal dönüşüm için karşılıklı difüzyon katsayısı (D) (yüksek olmalıdır) ve karşılıklı hareketlilik M arasında bir ilişki vardır. F'' = Mesafeye bağlı enerji. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

50 Gradyan Enerjisi Şekil. Bağımsız atoma yakın keskin bir konsantrasyon değişimi. Spinodal ayrışmada yüksek gradyan enerjisi olmalıdır. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

51 Deformasyon Enerjisi Bir katının latis parametresi = ao
Kompozisyon değiştirildiğinde latis parametresi de değişir. Uzunluğu boyunca bir kompozisyon gradyantı varsa ve uyumluluk da varsa, Çubuğun boyunca latis parametresi de değişir. Çubuk boyunca uyumluluk, latis çakışmasının olmasına sebebiyet verir. Deformasyon enerjisi ve kimyasal potansiyel artar. Spinodal ayrışmada uyumluluğun korunabilmesi için çözünen atomların sürekli ana faza göre belirli frekanslarla azalıp artması gerekir. Burada = kompozisyon ferakansı, R() = Zaman katsayısı. R() pozitif ise embiryolar büyür. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

52 Şekil. Sinozoidal bir kompozisyon dalgalanması.
Çözünen Kompozisyonu Şekil. Sinozoidal bir kompozisyon dalgalanması. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

53 Katı Hal Çekirdeklenme Özeti
İtici Güç GB Çekirdekleşmeyi Önleyen Faktörler Çökelti Düşük T (spinodal içinde) Yüksek Sıcaklık (tam solvüs altı) Deformasyon Enerjisi, Es Yüzey Enerjisi() Oluşum modu GP zonu Küçük negatif Pozitif Düşük(genelde belirli <hkl> yönünde) Düşük Spinodal ayrışma veya homojen çekirdeklenme ve büyüme Geçiş Ortalama negatif Orta-yüksek (dislokasyonlar üzerinde çökelme ile düşürülebilir) Düşük-orta Heterojen çekirdeklenme ve büyüme Dengesel Geniş negatif Negatif Yüksek (hatalar üzerinde çökelme ile düşürülebilir) Prof. Dr. Hatem AKBULUT

54 Çökelme Reaksiyonlarının Kinetiği Başlangıç Oluşumu
GP zonları difüzyonlu prosesler ile oluşur. 520 °C’ den (çözelti sıcaklığı) oda sıcaklığına su verme (Al-% 2 at. Cu) zon oluşumu hızının ölçümü. 3 saat sürede 4x10-7 cm atomun göç ettiği bulunmuş. D hesaplanması. Rn2= sıfır pozisyondan n sıçrama sonunda bir atomun yer değiştirmesi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

55 GP zonu oluşumunda D = 2.5x10-18 cm2/sn,
Al içinde Cu’ ın difüzyon katsayısı ölçümü 27 °C’ de 2.3x10-25 cm2/sn (tavlama anı) GP zonu oluşumunda D = 2.5x10-18 cm2/sn, D = 2.5x10-18 cm2/sn / 2.3x10-25 cm2/sn = 1.08x107 kadarlık bir faktör 520 °C’ den hızlı bir soğutmada boşluk sayısı çok yüksek. Difüzyon hızlı, boşluk kaybolması için yüksek difüzyon gereklidir Prof. Dr. Hatem AKBULUT

56 İnce  ların yoğun dağılımı Aşırı yaşlanmış
Partikül Kabalaşması -Taneleri Su verilmiş -taneleri +  Yaşlandırılmış Pik yaşlandırılmış İnce  ların yoğun dağılımı Aşırı yaşlanmış Kaba  ların seyrek dağılımı Kabalaşma için itici güç / arayüzey enerjisidir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

57 Oswald Kabalaşması Yaşlanma ile sertleşen alaşım mukavemeti =
f {uyumlu çökeltilerin partikül boyutu} İlave büyüme engellemelidir (Jet motorlarının sıcak bölgelerinde, yüksek sıcaklık alaşımları) Yüksek sıcaklıkta partikül büyümesinin engellemenmasi zor. Partikül kabalaşması(1900 W. Oswald tarafından çalışılmış) Oswald Kabalaşması Küçük partiküller kaybolur, büyük partiküller irileşirler. Sistemin yüzey potansiyel enerjisi (gA) ise azalmaya başlar. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

58 n = birbiri üzerine toplanan partikül sayısı
Ortalama partikül boyutu, n = birbiri üzerine toplanan partikül sayısı çaplı partikül çözünür. dR/dt ise daha düşük boyutlu partiküllere göre partikül büyüme hızı düşer. Şekil. Eşitliğinin grafiksel olarak açıklaması. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

59 Ortalama Yarıçaptaki Partiküllerin Zamana Bağımlılığı;
= Kabalaşmanın Başlangıcında Orijinal Ortalama Partikül Boyutu. Diğer Çökelme Sıralanma ve Düzenleri Temelde faz geçişi Al-Cu GP zonları  uyumlu faz 1 '' uyumlu faz 2 ' kısmen uyumlu faz uyumluluğun kaybolması Temelde kabalaşma Ni-Al Küresel olarak Çekirdekleşen Partiküller Şekil Değişimi ve Çift Etkileşim Deformasyon enerjisinin minimum olması, modülasyon yapısı Deformasyon İkizlenmesi Nb-O İkiz yönlerinde elipsoid partiküller Deformasyon ikizleri ile beraber koloniler Kabalaşmış defor-masyon ikizleri ile tamamlanmış dönüşüm. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

60 Özet Olarak Büyüme Kinetiği
Yaşlanma sıcaklığının artışı ile çökelme hızı artar. Düşük ergimeli alaşımlarda, yüksek ergimeli alaşımlara göre çökelme daha hızlıdır. Yaşlanma öncesi radyasyon veya soğuk deformasyon, yaşlanmayı hızlandırır. Birbirineden çok farklı olan metallerden meydana gelen sistemlerde reaksiyon çok daha hızlıdır. Çözünebilir veya çözünmeyen empüritelerin olması genel olarak çökelmeyi hızlandırır. Çökelme Sertleşmesi Metal mukavemeti kontrolü = dislokasyonların üremesi ve hareketleri Yaşlanma sertleşmesinde yüksek mukavemet, disperse fazlarının dislokasyonlarla etkileşimi Dislokasyon-partikül etkileşimi; 1) partiküll halkalanması, 2) partikül kesilmesi, 3) partiküller etrafında çapraz kayma. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

61 Partiküllerin Halkalanması
Dislokasyon çizgi gerilimine (T) sahip bir dislokasyonu R yarıçapında eğmek için gerekli olan kayma gerilmesi = T/(bR) b = burgers vektörü. Dislokasyonların bir partikülü geçmeye zorlamak için gerekli kayma gerilmesi, Şekil. Çökelti Partiküllerinin Bir Kolonu İle Etkileşen Bir Dislokasyon Çizgisi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

62 Çizgi Gerilimi İçin Kritik Kayma Gerilmesi,
f hacim oranına ve r yarıçapına sahip partiküller için; Kübik Dağılım İçin Partiküller Arası Ortalama Mesafe; = 1/3 için, kenar dislokasyonları için sabit = 0.093, vida dislokasyonları için =0.14 Partiküller arası mesafe ve partikül yarıçapı düşmesi ile halkalanma ile yüksek mukavemet artışı Prof. Dr. Hatem AKBULUT

63 Partiküllerin Kesilmesi
Bazen dislokasyon çökelti içinden kayar veya geçer Dislokasyon kayma düzlemiyle b kadar kayar. Kısa Mesafe Etkileşimi Dislokasyon-partikül etkileşimi, partikülü kesmek için gerekli olan iş artar. Partikülün olmadığı eşit alana göre bu iş Dt.b kadar artar. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

64 Şekil. Partikülün dislokasyonla
Üst görünüş Alan = A Partikül Kayma düzlemi Şekil. Bir Ni–Cr–Al alaşımında Ni3Al partiküllerinin dislokasyonlar ile kesişmesini gösteren gerçek bir TEM yapısı. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

65 Bunların AFS enerjileri = 100-300 erg/cm2
Dislokasyon bir partikülü kestiğinde, kayma düzleminde bir anti faz sınırı (AFS) oluşur. Düzenli uyumlu çökeltiler için erg/cm2 (çökelti-matriks arayüzey enerjisi) Bunların AFS enerjileri = erg/cm2  dislokasyon çizgi gerilimi fonksiyonu. Kenar dislokasyonu için: = 0.16 ve Vida dislokasyonu için = 0.24 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

66 Dislokasyon hareketi ve halkalanma
Uzun Mesafe Etkileşimi Dislokasyon partiküle yaklaştığında, partikül deformasyon alanı (matrikste) ve kendi alanı etkileşir. İlave kayma gerilmesi oluşur. Dislokasyon hareketi ve halkalanma Prof. Dr. Hatem AKBULUT

67 Çökelme Sertleşmesi Örnekleri
Nikel Esaslı Süper Alaşımlar Bu alaşımlar Ni3(Al,Ti) ' fazı çökeltilmek için Al ve Ti un çökelmesi ile sertleştirilen bir Ni-Cr katı çözeltileridirler. ' fazı = YMK dır Ni matriksi ile ( fazı) uyumludur Uyumlu sınır enerjisi sadece erg/cm2 dır Kabalaşmaya karşı direnç gösterirler, motorların sıcak bölgelerinde kullanılırlar. Uyumlu çökelti-matriks sınrı çok düşük  değerine sahip ve bu kabalaşma hızını düşürür. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

68 Tablo. Udimet 700 alaşımı ve bu alaşımın g ve g' fazlarının kompozisyonları.
Cr Co Al Ti Mo C Ni Udimet 700 16.4 17.6 9.0 3.9 2.9 0.3 49.9  24.3 23.5 5.3 1.5 - 41.5 ' 2.7 8.0 13.9 0.9 66.5 1150 °C civarında tek faz yapısı gösterir ve soğutma ile ' yapısı oluşur. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

69 Tablo. Çökelme ile Sertleştirilen Temel Alaşımlar
Sembolü Kompozisyon Durum Akma Muk. (MN/m2) Çekme Muk. (MN/m2) Uzama (%)  Al-7075 5.6 Zn, 1.6 Cu Tavl. 103 228 16 2.5 Mg, 0.25 Cr, kalan Al Yaşl. 503 572 11 Titanyum- 6-Al-4V 6 Al, 4 V, kalan Ti 882 951 12 1069 1172 8-15 Berilyum- Bakır -172 1.9 Be, 0.25 Co, kalan Cu 221 476 47 1220 7 İnkonel-718 Ni esaslı sü- süper alaşım 19 Cr, 19 Fe, 3 Mo, 0.8 Ti, 0.6 Al 5.2 Co, kalan Ni 758 1010 1296 1380 20 Paslanmaz çelik 17-7 PH 17 Cr, 7 Ni, 1.2 Al, 0.07 C, kalan Fe 324 889 39 1276 9 Maraging çeliği 0.8 Ni, 8 Co, 5 Mo, 0.4 Ti, kalan Fe 648 18 1530 1572 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

70 Dispersiyon ile de mukavemet artışı:
Çok küçük inert partiküllerin alaşım içine mekanik karıştırma ile ilavesi. (ThO2 partiküllerinin tane büyümesini kontrol için Tungsten (W) metaline ilavesi) Şekil . TD Ni (ThO2 takviyeli) ve iki süper alaşım için sıcaklığın bir fonksiyonu olarak kopma gerilmesi. Prof. Dr. Hatem AKBULUT