Faz dönüşümleri Faz dönüşümlerini ikiye ayrılır: Yayınmalı dönüşümler: Atomlar en kararlı halin (min.enerji) gerektirdiği fazları oluşturmada yeterli süreye sahiptirler. Bu fazlar faz diyagramlarında yer alan fazlardır. Kaba perlit (coarse pearlite) İnce perlit (fine pearlite) Üst beynit (upper bainite) Alt beynit (lower bainite) Yayınmasız dönüşümler: Atomlar düşük enerjili kararlı fazları oluşturacak yeterli sürelere sahip değillerdir. Bu nedenle faz diyagramlarında rastlanmayan yarı kararlı veya kararsız fazlar oluştururlar. Martenzit

Çelik için önemli sıcaklıklar A1 sıcaklığı: Ötektoid reaksiyon sıcaklığı A2 sıcaklığı: Küri sıcaklığı (769oC). Bu sıcaklıkta manyetiklik kaybolur. A3 sıcaklığı: Ötektoid altı çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir) Acm sıcaklığı: Ötektoid üstü çeliklerde tam ostenit alanına geçiş sıcaklığı (C oranına bağlı olarak değişir)

A1, A3 ve Acm sıcaklıkları  +Fe3C + +Fe3C Acm A3 A1 A2: Manyetikliğin kaybolduğu Curie sıcaklıdır: 769oC.

Ötektoit Çelik  + +Fe3C +Fe3C T Ostenit Kaba perlit İnce Perlit Dengesiz ostenit Üst Beynit Alt Beynit Martenzit Ms Mf t (logaritmik skala)

Su verme Yapıda başka bir faz oluşumuna imkan vermeden %100 martenzit oluşturmak amacıyla uygulanır. Ostenit bölgesinden ani olarak soğutma ile elde edilebilir. Soğuma hızının kritik soğuma hızı olarak adlandırılan kritik değerden daha büyük olması gerekir. Kullanımı için temperlenmesi gerekebilir. Su verme – çeliğin ostenit bölgeden kritik soğuma sıcaklıklarının üzerindeki hızlarda ani olarak soğutulması işlemidir. Eğer Mf in altındaki sıcaklıklara ani soğutma söz konusu ise yapı tamamen martenzite dönüşür. Aksi halde ani soğutma sırasında eğer ZDS eğrileri kesilmiyorsa yapı dengesiz ostenit halinde bulunuz.

Bu amaçla önce çelik ostenit bölgesinde en az 1 saat ısıtılır: Ötektoid altı çelikler için: A3 + 30-50oC Ötektoid üstü çelikler için: A1 + 30-50oC Daha sonra, Mf in altındaki sıcaklıklara, kritik soğuma hızlarının üzerindeki değerlerde hızlı soğutma yapılırsa yapı tamamen martenzite dönüşür (quenching).

Menevişleme (Temperleme) merkez Kırılgan Martenzit iç yapının, daha tok ve hala yüksek dayanımlı iç yapıya dönüştürülmesi ısıl işlemidir. Ostenit sıcaklıktan su verilen iç yapıda martenzitler oluşur. Daha sonra bu malzeme temper sıcaklığına ısıtılarak martenzit temper yapıya yani ince taneli ferritik-perlitik bir yapı dönüştürülür. yüzey Temperleme sıcaklığı t (logaritmik skala)

Temperleme Temperleme sırasında, ısıl aktivasyon ile yarı kararlı martenzit içerisinde sıkışmış bulunan C atomları kafesi terketmeye başlar ve yapı ince dağılımlı ferrit-sementitten oluşan daha kararlı bir yapıya dönüşür. Böylece, kafes çarpılması ve dislokasyon yoğunluğu azalır ve yapı yumuşar. Yapıda tavlama sıcaklığına ve süresine bağlı olarak sertlikte azalma yani yumuşama olur. Bu değişim parametrelerin kontrolü ile kontrol edilebilir. Dolayısıyla çeliğin sertliği istenilen değerlere ayarlanabilir. Temperleme ile su vererek elde edilen gevrek ve yüksek dayanımlı yapı, daha düşük dayanımlı ve yüksek toklukta malzemeye dönüştürülebilir.

Havada Suda Sertlik Yağda Sıcaklık (oC) Bazı alaşım elementleri ikincil temper sertleşmesine sebep olabilirler. Sebebi belirli sıcaklıkta karbürlerin çökelmesidir.

Çeliğe ait ısıl işlemler Sürekli soğuma ile uygulanan ısıl işlemler Yumuşatma Normalizasyon Temperleme Martemperleme İzotermal dönüşüm ile uygulanan ısıl işlemler Ostemperleme İzotermal tavlama

Yumuşatma (Annealing) Çelikte, en yumuşak durumu elde etmek amacıyla uygulanan ısıl işlemdir. Bu işlemde amaç, tamamen kaba perlite dönüştürmektir. Kaba taneli yapı ostenit bölgesinden fırın içerisinde kontrollü olarak soğutma ile elde edilebilir.

Normalizasyon (Normalization) İç yapıda ince taneli perlit oluşturarak dayanım ve tokluk artışını birlikte sağlamak amacıyla (çeliklere) uygulanır. İnce taneli yapı, ostenit bölgesinden havada soğutma ile elde edilebilir.

Kritik soğuma hızı 5oC/Sn 40oC/Sn Yumuşatma Tavı 140oC/Sn İnce perlit  Kritik soğuma hızı 5oC/Sn 40oC/Sn Yumuşatma Tavı 140oC/Sn Normalizasyon Ms Su Verme Mf İnce perlit Perlit + Martenzit Kaba perlit Martenzit

Ostenit sıcaklığında ne kadar uzunlukta tutmak gerekir?

Su vermede çatlak oluşumu Yapıda %100 martenzit oluşturmak ostenit bölgesinden kritik soğuma hızı değerinden daha hızlı olarak soğutulması. Yüzey ve iç bölgelerdeki yüksek sıcaklık farkı oluşur. Daha soğuk olan yüzey kendini çeker fakat halen sıcak olan iç bölgeler daha hala yüksek hacme sahiptir. Bu nedenle yüzeyde çekme gerilmeleri oluşur. Çarpılma veya çatlama/kırılmalar meydana gelebilir. Eğer..............................ise çatlamalar ve kırılmalar olur.

Su verme çatlakları (Quench cracks) Genleşme Martenzit Martenzit Çatlaklar Gerilmesi Çekme Gerilmesi Çekme γ  Martenzit

Martemperleme (Martempering) yüzey Martenzit oluşumu sırasında çatlama ve kırılma risklerini azaltmak amacıyla ostenit bölgesinden martenzit başlangıç sıcaklığının hemen üzerinde ani olarak soğutulur. Bu sıcaklıkta iç ve yüzey sıcaklıkları eşitlenecek ve beynit oluşum sıcaklığına girmeyecek şekilde bekletilir ve sonra tekrar su verilir. merkez Temperleme sıcaklığı t (logaritmik skala)

Ostemperleme (Austempering) yüzey Yapının %100 alt beynite dönüştürülmesi için yapılan ısıl işlemdir. Ostenit sıcaklığına ısıtılan malzeme martenzit oluşum sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa su verilir. Daha sonra yeterince uzun süre bekletileren dengesiz ostenit %100 beynite dönüştürülür. T merkez t (logaritmik skala)

Not: Karbonlu çeliklerde beynit, sürekli soğutma ile elde edilemez Not: Karbonlu çeliklerde beynit, sürekli soğutma ile elde edilemez. Beynit elde etmek için izotermal soğutma gereklidir.

Martenzit: Genel kültür (a) Lath martensite in low-carbon steel ( 80). (b) Plate martensite in high-carbon steel ( 400). Tempered martensite in steel ( 500).

İç yapılar: Genel kültür (a) perlit, (b) beynit, (c) temperlenmiş martenzit

Üst beynit, (b) Alt beynit

White cast iron prior to heat treatment. Uygulama White cast iron prior to heat treatment. Ferritic malleable iron with graphite nodules and small MnS inclusions. Pearlitic malleable iron drawn to produce a tempered martensite matrix. Annealed ferritic ductile (nodular) iron. As-cast ferritic-pearlitic ductile iron. Normalized pearlitic ductile iron.

Sürekli soğutma eğrisi boyunca dönüşüm İzotermal eğri boyunca dönüşüm TTT Diagrams Sürekli soğutma eğrisi boyunca dönüşüm İzotermal eğri boyunca dönüşüm Isothermal annealing for fully pearlitic structure. Ferrite + Perlite for hypoeutectoid steels or Perlite + Cementite for hypereutectoid steels

İzotermal tavlama (Isothermal annealing) Çeliğin tamamen kaba perlitik bir yapıya dönüştürülmesi için yapılan izotermal işlemdir. Önce ostenit bölgesinden dönüşüm sıcaklığına ani soğutma yapılır ve bu sıcaklıkta eğriyi kesecek şekilde beklenir. Dönüşüm sonrası oda sıcaklığına soğutulur. T İzotermal tavlama Ostemperleme t (logaritmik skala)

The bay area obtained by alloying Osforming Bir tür termomekanik ısıl işlemdir. Malzeme A1 sıcaklığının altında ostenit bölgesinde plastik deformasyon ile şekillendirilir. Daha sonra beynit veya martenzit oluşacak şekilde soğutulur. The bay area obtained by alloying İlk öncw gwniş dengesiz ostenit alanına kadar ani olarak soğutulur, Daha sonra bu bölgede perlit oluşumuna izin vermeyecek sürede plastik deformasyona maruz bırakılır. En sonunda Oda sıcaklığına ani olarak soğutulursa martenzit oluşur. Yavaş soğutulursa beynit oluşur.

Sertleşebilirlik (Sertleşme kabiliyeti) (hardenability) Çeliklerde soğuma hızı (su verme-quenching) arttıkça, sertlik artar. Parçalar kalınlık arttıkça, iç kısımlar martenzit oluşumu için gereken kritik soğuma hızlarına ulaşılamayabilir. Sadece kritik soğuma hızından daha yüksek hızlarda soğuyan bölgelerde martenzit oluşur. Bu nedenle iç ve dış kısımlarda önemli sertlik farkları olabilir. “Sertleşme kabiliyeti”, malzemenin sertleştirme işlemi esnasında ne kadar derine sertleşebildiğinin gösteren bir kavramdır.

Sertleşebilirlik C oranı düştükçe burun sola kayar ve belli bir değerde martenzit oluşumu için gereken hıza pratik olarak ulaşmak mümkün olmaz. Pratikte %0.25 tan az olan çeliklere su verilmez. Çünkü, orta kısımları hale yumuşak kalma problemi yaşanır. Büyük parçaların orta kısımlarının dahi sertleşebilmesi için çeliğin kritik soğuma hızının düşürülmesi diğer bir değişle eğrinin sağa doğru kaydırılması gerekir. Bu, çeliğin Cr, Mo, V vs, gibi alaşım elementleri ile alaşımlandırılması sonucu sağlanabilir.

Jominy deneyi Sertleşme kabiliyeti Jominy deneyi ile ölçülür. Ostenit sıcaklığına kadar ısıtılan numune bir ucundan soğuk su ile soğutulur. Ucundan itibaren soğuma hızı mesafeye bağlı olarak azalır. Numune, uç kısmından itibaren sertlik değerleri ölçülür.

Jominy numunesi Su

Soğuma hızı-mesafe değişimi Jominy mesafesi (Su verilen uçtan mesafe)

Rockwell sertliği Jominy mesafesi (Su verilen uçtan mesafe)

Sertleşebilirlik Mesafeye bağlı olarak sertlik değerinde azalma görülür. Mesafenin artması ile yüksek sertlik değerleri gösteren malzemelerin sertleşme kabiliyetleri daha iyidir. Soğuma hızı çok arttırıldığında ise çatlama riski doğar. Bu nedenle Cr, Mo, V, gibi bazı alaşım elementleri katılarak sertleşebilme kabiliyetleri arttırılır. En iyi sertleşebilirliği 4340 göstermektedir.

İdeal durum Rockwell sertliği Jominy mesafesi (1/16 inch)

Soğuk şekil verme Sıcaklığın Tb<0.2 olduğu sıcaklıklarda plastik şekil değişimi işlemidir.(haddeleme, ekstrüzyon, vs.) Soğuk ş.ds dislokasyon yoğunluğu önemli miktarda artar. (metal en yumuşak halinde iken yapısında 1010 m/m3, soğuk şekil değiştirmiş haldeyken ise yapısında 1016m/m3) Taneler soğuk ş.d. yönünde uzama gösterirler.

Soğuk ş.d. Sırasında pekleşme ile dayanım ve sertlik artar süneklik ve elektrik iletkenliği azalır, iç gerilmeler artar. Belirli bir oranın üzerine çıkılması ile mikro çatlak oluşumu ve hasar meydana gelebilir.

Malzemeyi hasara uğratmadan daha fazla plastik şekil değişimi yapabilmek için deformasyon öncesi düşük dislokasyon yoğunluğuna sahip yumuşak yapıya dönülmek isteniyorsa......

Yumuşatma tavı (Process Annealing) Soğuk şekil değiştirme (Tb < 0.2) ile dayanımı ve sertliği artmış, sünekliği ve elektrik iletkenliği azalmış metalin soğuk şekil değişiminden önceki yapısını tekrar kazandırmak için uygulanan ısıl işleme “yumuşatma tavlaması” adı verilir.

Yumuşatma Tavında Yumuşatma Tavı sırasında tav sıcaklıklarına bağlı olarak farklı aşamalar görülebilir: Toparlanma Yeniden kristalleşme Tane irileşmesi

Yumuşatma tavı (ProcessAnnealing) Toparlanma Tane büyümesi Yeniden kristalleşme Sertlik. Dayanım Kalıntı gerilmeler Elektrik iletkenliği Süneklik Tane büyüklüğü Tb 0.2 0.4 0.6

Toparlanma İç yapıda önemli ölçüde değişiklikler olmaz. (0.2 < Tb < 0.4) Tane içlerinde noktasal kusurların azalması ve dislokasyonların daha düşük iç enerji oluşturacak şekilde yeniden dizilmesi (poliganizasyon) için termal aktivasyon için yeterli sıcaklık vardır. Dislokasyonların dizilmesi ile alt taneler oluşur. Bu alt taneler YK sırasında oluşan gerçek taneler için çekirdekler görevi görür. Mekanik özelliklerden önemli bir değişme olmaz. Fakat elektrik iletkenliği önemli ölçüde artar.

Dislokasyonların düzenlenmesi ile oluşan “Alt taneler”

Yeniden kristalleşme Sıcaklığın atomsal hareketler için gereken aktivasyonu sağlayacak şekilde olması ile (0.4 < Tb < 0.6) gerçekleşir. Artan sıcaklık ile atomlar daha düşük enerjili bölgelere hareket etme imkanı bulur. Soğuk ŞD ile oluşan iç yapıda yeni eş eksenli ve iç gerilmesiz küçük tanelerin çekirdeklenip büyümesi ile bütün yapı küçük yeni taneler ile kaplanır. Yeniden kristalleşme sıcaklığı: Malzemenin en az yarısının 1 saat içinde Y.K.si için gereken sıcaklıktır.

Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşme ile oluşan tane boyutu küçülür. Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşme sıcaklığı azalır. Bunun sebebi; YK için gereken enerjinin bir bölümünün depolanan mekanik enerji tarafından sağlanmasıdır. Dolayısıyla ısıl enerji katkısı böylece azalır, YK daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilir. YK nın gerçekleşebilmesi için malzeme kesitinde mutlaka soğuk şekil değiştirmenin bulunması gerekir (%5-10).

Tane büyümesi Yeniden kristalleşme ile oluşan ve soğuk Ş.D. ye nazaran daha kararlı (düşük enerjili) iç yapının, yüksek sıcaklıkta tutulmaya devam etmesi tanelerde zamanla büyümesine denir. Tane büyümesine sebep olan itici güç: yüksek enerji bölgeleri olan tane sınırlarının azaltılıp iç enerjini düşürülmesi eğilimidir. Malzeme sonuçta sadece bir büyük tane şeklinde olup min enerjiye sahip olmak eğilimi gösterir.

Örnek: Genel kültür Prinçte; (a) soğuk ş.d. Yapı, (b) yeni tanelerin görülmesi, (c) yeni tanelerin oluşumu, (d) Y.K tamamlanması, (e) Tane büyümesi

Çökelme sertleşmesi İç yapıda, dislokasyon hareketlerini engelleyerek dayanımın artmasına sebep olan çok küçük ve sert ikinci fazların çökeltilmesi işlemidir.

Çökeltme sertleşmesinde adımlar Çözündürme işlemi (solution treatment): Malzeme tek faz bölgesine ısıtılarak çökelecek olan sert 2. faz, tek faz içerisinde tamamen çözülür. Ani soğutma (Quenching): Oda sıcaklığına ani soğutma ile 2. fazın çökelmesi engellenir ve aşırı doymuş katı çözelti elde edilir. Yaşlandırma işleminde; aşırı doymuş katı çözelti, çözündürme sıcaklığından daha düşük olan yaşlandırma sıcaklığına tekrar ısıtılarak çok küçük bağdaşık (koherent) 2. faz tanecikleri çökeltilir. (Bu çökeltiler dislokasyonlara engel teşkil ederek malzemenin dayanımını arttırır). Aşırı yaşlanma: çökelmelerin çok büyüyerek bağdaşıklığın (koherentliğin ) kaybolması (bu durum istenmez).

T  tyaşlandırma + Zaman Bileşim Tek faz;  bölegesinde tamamen çözme işlemi Yapı içerisinde küçük çökeltiler oluşturulur   İçerisinde  taneleri Denge mikroyapısı Yapı su verme: ile korundu tyaşlandırma Su verme: ani soğutma + Zaman Bileşim

Yaşlandırma işleminde; yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığında gerçekleşiyorsa, buna doğal yaşlandırma (natural aging), seçilen bir sıcaklıkta fırın içerisinde gerçekleşiyorsa yapay yaşlandırma (artificial aging) adı verilir.

İç yapı Çökeltmenin ilk aşamasında, çok küçük koherent–GP bölgeler (Guinier preston zones) oluşur, GP bölgeleri genelde dislokasyon altındaki boşluklarda çekirdeklenir (sistemin enerjisini düşürmek için) ve dislokasyon hareketlerini engeller. Bu bölgeler, daha büyük bağdaşık (koherent) çökeltilere dönüşür. Bağdaşık çökeltiler kafesi aşırı gererek dayanım artışı oluştururlar. Daha sonra sıcaklığın veya zamanın gerekenden yüksek tutulması halinde tane büyümesi gerçekleşir. Dayanım düşmeye başlar.

Yavaş soğutma T %100  (tek fazı)  Yavaş soğutma + Denge mikroyapısı  İçerisinde  taneleri Zaman Bileşim

Sıcaklık tyaşlandırma Sertlik tyaşlandırma(saat)

Yaşlandırma ısıl işleminde sürenin iç yapıya ve dolayısıyla malzeme özelliklerine etkisinin şematik gösterimi.

Yaşlandırma ısıl işleminde sıcaklığın malzeme özelliklerine etkisinin şematik gösterimi.

Sertlik T2 T1 T3 T4 Aşırı yaşlanma T1 < T2 < T3 < T4  Zaman

Aşırı yaşlanma Aşırı büyüme: Çökeltilerin çok büyümesi ile oluşan gerilmeler artık taşınamaz ve bağdaşıklık sona erer. Çökeltinin sertleştirme etkisi azaltır. Yeterince uzun süre beklendiğinde ilk yapıya geri dönülür.  

Tipik bir yapay yaşlandırma ısıl işleminin şematik gösterimi.

, max (1) (1) 0.2 Sıcaklık (2) (2)  (3) (3)  Zaman Zaman  %B

Homojenleştirme Döküm sonrası tane içerisinde nispeten hızlı soğumanın sebep olduğu kimyasal bileşim farklılıkları olabilir. Bu farklılıkların ortaya çıkardığı bölgelere segregasyonlar denir. Bu durum malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz olarak etkileyebilir. Bu durumu ortadan kaldırmak için malzemeyi erime sıcaklığının altında uzun süre tavlamak ve böylece yayınma mekanizması ile kimyasal bileşim homojen hale getirme işlemi- homojenleştirme uygulanır. Fazlarla segregasyonlar ayrı şeylerdir. Fazlar etkilenmez sadece faz içlerindeki segregasyonlar ortadan kalkar.

Gerilme giderme Kaynak, döküm, kısmi plastik şekil verme gibi bazı üretim yöntemleri sonrası yapıda artık gerilmeler oluşur. Bunlar mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir. Bunu azaltmak için Al da 400oC, ve çelikte 500oC civarında ısıtılarak (sıcaklık arttıkça akma dayanımı düşer) yapı içindeki elastik atrık gerilmelerin oluşturduğu elastik şekil değişimi plastik şekil değişimine dönüştürülür. Böylece artık gerilme seviyesi zararsız düzeylere indirilebilir.