MUKAVEMET ARTIRICI İŞLEMLER

Malzemenin makanik özellikleri metalurjik yapılarına bağlıdır. Metalurjik yapı ise kimyasal bileşim ile malzemeye uygulanan mekanik ve ısıl işlemlerle değiştiğinden dolayı malzemenin mekanik özelliklerinin bu faktörlere de bağlı olduğu söylenebilir.

Malzemelerin Mukavemet Arttırıcı İşlemleri: Malzemenin Mukavemeti; Kimyasal Bileşim Metalurjik Yapı değiştirilerek arttırılabilir Malzemelerin Mukavemet Arttırıcı İşlemleri: Alaşım Sertleştirmesi Çökelme Sertleştirmesi Dispersiyon Sertleştirmesi Soğuk İşlem Tane Boyutu Küçültme Deformasyon Yaşlanması Martenzitik Dönüşüm Radyasyonla Sertleştirme

1.Alaşım Sertleştirmesi Alaşım sertleştirmesi kimyasal bileşimin değiştirilmesi ile mukavemet arttırılması işlemi olup, alaşım elementinin saf metal içinde eriyip tek fazlı bir yapı oluşturması halinde katı eriyik sertleştirmesi, ikinci bir faz oluşturması halinde ikinci faz sertleştirmesi, olarak isimlendirilir.

a.) Katı Eriyik Sertleştirmesi Herhangi bir saf metale, matris yapısı içinde eriyen atomların ilavesiyle elde edilen katı eriyikler iki çeşittir. Bunlar; Yeralan Katı Eriyiği Arayer Katı Eriyiği

A. Yer Alan Katı Eriyiği: Saf metal atomları ile ilave edilen alaşım elementi atomlarının boyutları birbirlerine uygunsa, kristal içinde eriyen atomlar eriten atomların yerini alabilirler. Bu çeşit katı eriyiğe yer alan katı eriyiği denir. Örnek; a-pirinci (Cu-Zn<%30)

Hume-Rothery Kaideleri: Farklı iki metal atomunun birbiri içinde her oranda eriyerek yeralan katı eriyiği yapabilme şartları Hume –Rothery kaideleri olarak bilinir. Eriyen ve eriten atom boyutları arasındaki fark %15’den az olmalıdır. Farklı iki metalin birbiri içinde her oranda eriyebilmesi aynı kristal yapısına sahip olmaları halinde mümkündür. Elektronegativiteleri birbirine yakın olan metaller yer alan katı eriyiği yapabilirler. Eriyen ve eriten metal atomlarının valansları aynı olduğunda her oranda birbiri içinde eriyerek, katı eriyik yapabilirler.

B. Arayer Katı Eriyiği: Eğer kristal içinde eriyen atomlar, eriten atomlardan çok küçükse bu durumda eriyen atomlar, eriten atomların oluşturduğu kristalin matris içindeki atomlararası boşluklara yerleşirler. C,N,O,H ve B bu cins eriyen atomlar olup, söz konusu elementlerin saf metallerle yaptığı katı eriyik, arayer katı eriyiği olarak isimlendirilir. Örnek; a-Fe

Katı eriyikler saf metallere göre daha yüksek mukavemete sahiptirler. Katı eriyik sertleşmesi sonucunda malzemenin akma mukavemeti artar. Katı eriyik yapan alaşım elementleri genellikle süreksiz akma olayına da sebep olurlar.

Alaşım elementi konsantrasyonu ile katı eriyiğin mukavemetinin değişimi; : Katı eriyiğin akma mukavemeti : Saf matrisin iç sürtünme gerilmesi : Malzeme sabiti : Alaşım elementinin konsantrasyonu

b.) İkinci Faz Sertleştirmesi İkinci faz sertleşmesi, genellikle katı eriyik sertleşmesine eklenebilir. İki fazlı alaşımlarda, ikinci faz matris fazı içinde bölgesel iç gerilmeler oluşturması nedeniyle alaşımın mekanik özelliklerini etkilemektedir. Örnek; a+b pirinci (Cu-Zn%30-47)

Eşit Birim Şekil Değiştirme Durumu Eşit Gerilme Durumu

2. Çökelme Sertleşmesi Çökelme sertleşmesi, ikinci fazın küçük tanecikler halinde matris fazı içinde çökelmesinin sağlandığı alaşım sistemlerinde mukavemet artırmada kullanılan en önemli sertleştirme yöntemlerinden biridir. Örnek; Al-Cu, Al-Mg, Mg-Ti alaşımları, yüksek dayanımlı paslanmaz çelikler

Çökelme Sertleşmesi Üç Kademede Yapılır 1)Solüsyona Alma 2) Su Verme 3) Yaşlandırma

3. Dispersiyon Sertleşmesi Bu sertleştirme işlemi prensip olarak çökelme sertleştirmesinin aynıdır. Çökelme sertleştirmesinin dispersiyon sertleştirmesinden farkı, çökelme sertleştirmesinde ikinci fazın katı eriyikten çökerek tabii olarak oluşması, dispersiyon sertleşmesinde ise ikinci fazın ince tanecikler (makro partiküller) halinde matris fazı oluşturan malzeme içinde fiziksel olarak dağıtılmasıdır. Matris içerisinde çok küçük taneler halinde ikinci fazın bulunması durumunda malzemenin mukavemetinin artmasının nedenleri, deformasyon sırasında ikinci faz tanelerinin dislokasyonların hareketini engellemeleri ve de malzemede dislokasyon yoğunluğunun artmasına sebep olmalarından kaynaklanmaktadır. Örnek; Al içine Al2O3, Ni içine ThO2

4. Soğuk İşlem Soğuk işlem malzemeye plastik şekil verme yöntemleriyle uygulanır. Plastik şekillendirme hem dislokasyonların hareketini sağlar, hem de yeni dislokasyonların oluşumuna sebep olur. Soğuk işlem sonunda mukavemetin artması deformasyon sertleşmesi nedeniyledir. Deformasyon sertleşmesi, dislokasyonların birbirleri ve dislokasyonların hareketini zorlaştıran çeşitli engeller ile etkileşimi sonucunda olur.

a - Klasik Sınıflandırma Sıcak ve soğuk işlem olarak iki gruba ayrılmıştır. Sıcak işlem, deformasyon şartlarında ( T ve έ ) deformasyonla aynı anda yeniden kristalleşmenin gerçekleştiği işlemdir. Soğuk işlem ise deformasyon sırasında yeniden kristalleşmenin gerçekleşmediği işlemdir. 1-) T > T y k ise Sıcak İşlem 2-) T < T y k ise Soğuk İşlem

b - Benzeş Sıcaklığa ( T / Tm ) Göre Sınıflandırma 1-) T / T m > 0.5 ise Sıcak İşlem, 2-) 0.5 > T / T m >0.3 ise Ilık İşlem, 3-) T / T m < 0.3 ise Soğuk İşlem, olarak isimlendirilir. Not : Katı malzemelerle yapılan deformasyon işlemlerinde her zaman ( T / T m ) < 1’dir.

Soğuk İşlem Soğuk işlem sonucunda malzeme yapısında meydana gelen dislokasyon yoğunluğunun malzemenin mukavemetine etkisi aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir. : Plastik deformasyon gerilmesi : Sürtünme gerilmesi : Sabit (0,3-0,6) : Kayma elastik modülü : Burgers vektörü : Dislokasyon yoğunluğu

Tavlama: Tavlama ile yüksek sıcaklıkta bir süre tutulan malzemenin soğuk işlem yapısı bozulur. Malzeme yapısının değişimi a) toparlanma b) yeniden kristalleşme c) tane büyümesi olarak üç safhada gerçekleşir.

Toparlanma: Bu safhada soğuk işlenmiş malzemedeki dislokasyonlar yeni bir düzene girer. Bu düzen dislokasyonların daha düşük enerjiye sahip oldukları durum olup, poligonizasyon olarak isimlendirilir.

Yeniden Kristalleşme: Bu safhada dislokasyon içeren toparlanmış taneler kaybolur ve yerine yeni taneler çekirdeklenir. Çekirdeklenme genellikle hatalı bölgelerde, tane sınırlarında meydana gelir. Yeniden kristalleşme sıcaklığı, malzemenin pratik olarak bir saat içinde %50’sinin yeniden kristalleştiği sıcaklıktır. Ve yaklaşık olarak malzemenin ergime sıcaklığının 1/3’ü ile 1/2’si arasındadır. Malzemenin yeniden kristalleşme sıcaklığı sabit olmayıp soğuk işlem miktarı, kimyasal bileşim, ilk tane boyutu, tav süresi, malzemenin ergime sıcaklığı gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.

Tane Büyümesi Yeniden kristalleşen taneler, tavlama sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda tavlanırsa yayınma ile zamanla büyürler. Tane büyümesi tavlama süresi ve sıcaklığa bağlıdır. Şoğuk işlem ile dayanımı arttırılan alaşımlara örnek; östenitik paslanmaz çelikler, bakır ve bakır alaşımları, bazı Al alaşımları, yüksek Mn’lı östenitik çelikler

5. Tane Boyutunu Küçültme Tane boyutunu küçülterek bir malzemenin mukavemeti arttırılabilir. Tane boyutunu hızlı soğutma veya çeşitli termo-mekanik işlemlerle küçültmek mümkündür. Tane boyutu küçültme ile malzemenin mukavemetinin artması şu sebeple olur: a) Tane sınırları kaymayı önler b) Deformasyon sırasında taneler arasında uyum sağlamak, yani bir tanedeki şekil değişimine bağlı olarak komşu tanelerin şekil değişimine zorlanması

Tane Boyutu ve Akma Gerilmesi arasındaki ilişki (Hall-Petch bağıntısı): :Akma Mukavemeti :Sürtünme Gerilmesi :Sabit D :Tane Boyutu

Alt Tane Boyutunun Mukavemete Etkisi Çok taneli malzemelerde, tanelerin birleştiği bölgeler olarak tanımlanan tane sınırları, düzensiz atom yapısına sahip 2-3 atomlar arası mesafe kalınlığında olan geçiş zonlarıdır. Taneler arasındaki kristallografik yönlenmeye bağlı olarak büyük açılı tane sınırları ve küçük açılı tane sınırları olmak üzere iki tür tane sınırı tanımlanabilir.

Kristalin bir malzemede atomlar kristal yapıdaki boşlukların minimum olacağı şekilde dizilmişlerdir. Atomların bu dizilişinde oluşan hatalara istif hataları denir. Yüksek oranda istif hatası içeren metallerde deformasyon sertleşmesi hızı yüksektir ve tavlama sırasında tavlama ikizleri, kolaylıkla oluşur. İstif hatası yüksek olan metallerde soğuk işlem sırasında hücre yapısı oluşur. Alt tane ve hücre, tane içindeki küçük açılı sınırlarla çevrelenmiş bölgelerdir. Aralarındaki en önemli fark, hücre sınırlarında dislokasyon yoğunluğunun daha fazla olmasıdır.

Alt Tane Boyutunu Etkileyen Faktörler Deformasyon sıcaklığı Deformasyon hızı Deformasyon miktarı Deformasyonda uygulanan gerilme

:Akma Mukavemeti :Sürtünme Gerilmesi :Malzeme Sabiti :Alt Tane Boyutu Taneler içinde, dislokasyonların küçük açılı sınırlar yaparak oluşturduğu hücre veya alt tane yapısı, malzemenin oda sıcaklığındaki mekanik özelliklerini etkiler. Hücre veya alt tane boyutu küçüldükce malzemenin oda sıcaklığındaki akma gerilmesi artar. :Akma Mukavemeti :Sürtünme Gerilmesi :Malzeme Sabiti :Alt Tane Boyutu :Malzeme Sabiti (~1)

6. Deformasyon Yaşlanması Metalik malzemelerin soğuk deformasyondan sonra genellikle düşük sıcaklıklarda tavlanması veya oda sıcaklığında uzun süre bekletilmesi sonucunda akma ve çekme mukavemetlerinin artması, sünekliğinin azalması olayı deformasyon yaşlanması olarak adlandırılır. Soğuk deformasyon sonucu giderilmiş olan akma olayı, yaşlanma sonunda tekrar görülür.

Deformasyon yaşlanmasının uygulamada önemi çok büyüktür Deformasyon yaşlanmasının uygulamada önemi çok büyüktür. Özellikle yumuşatma tavı yapılmış az karbonlu çelik saclarda derin çekme işlemleri sırasında, süreksiz akma olayı sebebi ile malzeme yüzeyinde pürüzler oluştuğundan deformasyon yaşlanması, istenmeyen bir olaydır. Çelikte deformasyon yaşlanması veya süreksiz akma olayını gidermek veya geciktirmek için yapılan işlemler; Ferrit fazında çözünmüş C ve N miktarını azaltmak amacı ile, kuvvetli karbür ve nitrür yapıcı elementleri (Al, Va, Ti, Nb, B gibi) çelik üretimi sırasında ilave etmek. Yumuşatma tavından sonra küçük deformasyon oranlarında (%0,5-%1,5) soğuk haddelemek ve hemen kullanmak. Özel ısıl işlem yapmak.

Portevin-Le Chatelier Etkisi Deformasyon yaşlanması, çekme grafiğinde, deformasyon süresince, devamlı olarak süreksiz akma olayındaki gibi zigzagların oluşması ile ilgili ise, bu dinamik deformasyon yaşlanması olayı Portevin-Le Chatelier etkisi olarak isimlendirilir.

7. Martensitik Dönüşüm Yayınmasız kayma tipi bir dönüşüm olan martensitik dönüşüm bazı demir dışı alaşımlara ve genellikle çeliklere uygulanan sertleştirme işlemlerinden biridir. Martensitik dönüşümün mukavemet arttırmadaki etkisi en belirgin olarak Fe-C alaşımlarında görülür.

8. Radyasyonla Sertleştirme Radyasyonla sertleştirme esasında radyasyon etkisi ile malzemenin kristal yapısında nokta hataları oluşumunun sonucudur. Radyasyonla Sertleştirme Yöntemleri Nötron radyasyonu -taneleri radyasyonu -ışınları radyasyonu -ışınları radyasyonu