KATI ÇÖZELTİLERDEN ÇÖKELME (ÇÖKELME SERTLEŞMESİ) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Metal ve Alaşımlarda Mukavemet Artış Mekanizmaları Katı Eriyik Sertleşmesi Tane Boyutunu Düşürme Dispersiyon Sertleşmesi Çökelme Sertleşmesi Deformasyon Sertleşmesi İkinci faz Sertleşmesi Faz Dönüşümü 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Tanımlanan iki farklı sıcaklıkta üç faz için serbest enerji-kompozisyon diyagramları. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Sıcaklık Şekil. a) Serbest enerji - kompozisyon diyagramında spinodal noktaların yerleşimi, b) aynı kristal yapıya sahip a ve b fazlarını da gösteren faz diyagramı. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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). 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

  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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Döküm hali a + kaba q (Oda sıcaklığı denge yapısı) Su verme sonu (aşırı doymuş a) Çok küçük q çökeltileri a içinde dağılır 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Uçak gövdesinde kullanılan ve çökelme ile sertleştirilen Al alaşımları 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Çökelme sertleşmesi düşük ve nispeten yüksek sıcaklıklar için malzeme üretir. Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bölgeleri için süperalaşımların çökelme ile sertleştirilen türleri kullanılır. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

PW4084 Motor Malzemeleri 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Bekletme ile günler sonra sertlik önemli şekilde artmış Wilm, çelik gibi Al-4% Cu alaşımını sertleştirmeye çalışmış, 550ºC ye ısıtma yapmış Alfred Wilm: 1906-1909 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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 1911 yılında A. Wilm tarafından yayınlanan ilk yaşlanma sertleşmesi eğrisi. İlk sonuçları 1911 yılında yayınlanmış 1909 yılında üretilmiş = Duralumin denmiştir.; 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

(% 4.4 Cu, % 1.5 Mg ve % 0.6 Mn kalan Al) % 3-4.5 Cu, % 0.4-1.0 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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 ) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Çözünen atom Çözen atom Şekil. Çökelme sertleşmesinin atomik mekanizması; a) Çözeltiye alma, b) Çökelti fazının oluşumu, c) Oluşan çökeltinin irileşmesi ve aşırı yaşlanma. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

a) b) Şekil. a) Ana faz ile uyumsuz bir çökelti, b) Latis parametresi matriksten büyük bir uyumlu çökelti ve 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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). 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

şeklinde gruplanabilir. Bu Eşitlik; şeklinde gruplanabilir. Es ve  değerleri pozitif, GB değeri dönüşüm sıcaklıkları altında negatif; Kritik boyutta çekirdek (r*) oluşumu için gereken enerji; 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Heterojen çekirdeklenme durumu için, Şekil. Çekirdekte atom sayısının bir fonksiyonu olarak oluşum serbest enerjisi. Heterojen çekirdeklenme durumu için, Serbest Enerji 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Çekirdeklenme Prosesini Etkileyen Ana Faktörler: 1. GB = f ( kompozisyon, sıcaklık) 2. Es = f ( şekil, uyumsuzluk) 3.  = f (şekil) 4.  = 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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 10-30 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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Gradyan Enerjisi Şekil. Bağımsız atoma yakın keskin bir konsantrasyon değişimi. Spinodal ayrışmada yüksek gradyan enerjisi olmalıdır. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Sinozoidal bir kompozisyon dalgalanması. Çözünen Kompozisyonu Şekil. Sinozoidal bir kompozisyon dalgalanması. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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) 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Bunların AFS enerjileri = 100-300 erg/cm2 Dislokasyon bir partikülü kestiğinde, kayma düzleminde bir anti faz sınırı (AFS) oluşur. Düzenli uyumlu çökeltiler için 10-30 erg/cm2 (çökelti-matriks arayüzey enerjisi) Bunların AFS enerjileri = 100-300 erg/cm2  dislokasyon çizgi gerilimi fonksiyonu. Kenar dislokasyonu için: = 0.16 ve Vida dislokasyonu için = 0.24 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 13-14 erg/cm2 dır Kabalaşmaya karşı direnç gösterirler, motorların sıcak bölgelerinde kullanılırlar. Uyumlu çökelti-matriks sınrı çok düşük  değerine sahip ve bu kabalaşma hızını düşürür. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

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. 28.04.2017 Prof. Dr. Hatem AKBULUT