MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ ISIL İŞLEM ( FAZ DÖNÜŞÜMLERİ )

ISIL İŞLEMİN TANIMI Genel anlamda ısıl işlem; Metal alaşımlara istenilen özellikleri kazandırmak amacıyla katı halde uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır. Isıl işlemin Türk Standartlarındaki (TS 1112) tanımı ise; Katı haldeki metal alaşımlara belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine zamanlanarak uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleri olarak verilmektedir. Isıl işlemin önemi Tasarımcılar ve İmalatçılar için metaller piyasada üretici firmaların sundukları özelliklerde bulunurlar. Özel olarak sipariş üzere üretilmedikleri zaman müşterilerin tercih ettiği standartlaşmış değerlerde piyasaya sunulur. Bununla beraber, şekil verme işlemleri sonucu imalat yönteminin sunduğu özelliklerde söz konusudur.

Tasarımcı ve İmalatçı çalışmalarını mevcut özellikler ile sınırlı düşünür ise işlemlerinde başarısızlıklar söz konusudur. Mühendislikte tasarım ve imalatı gerçekleştirmek için kullanılacak malzeme seçiminin doğru yapılması üretim kolaylığı, boyutları ve mamulün emniyetli ömrü açısından önemlidir. Malzeme seçimi yapılırken önce aşağıdakine benzer soruların cevaplandırılması gerekmektedir. Bunlardan bazıları şunlardır; - Mamul hangi gerilmeler altındadır? (Gerilmenin büyüklüğü, statik veya dinamik oluşu) - Mamul hangi ortamda çalışacaktır? (Hava, su, yağ, asit vb) - Mamul hangi sıcaklıkta çalışacaktır? - Sürtünme ve aşınma söz konusu mudur? - İmalat hangi metotlarla gerçekleştirilecektir? Döküm, plastik şekil verme vb. Bu gibi sorulara cevap bulunduktan sonra piyasada bulunabilen malzemenin mukavemet, sertlik, tokluk, yoğunluk, yüksek sıcaklığa dayanıklılık ve korozyon direnci gibi özellikleri ile ekonomik olup olmadıkları da göz önüne alınarak bir seçim yapılır. Bazı özelliklerden bir miktar ödün verip kullanım için en önemli özellik dikkate alınır.

ISIL İŞLEMLERLE DEĞİŞTİRİLEBİLEN ÖZELLİKLER Malzeme Bilimi dersinde, Üretim – İç yapı – Özellik – Performans ilişkileri detaylı açıklanmaktadır. Bu ilişkiden de anlaşılacağı gibi özellikler iç yapının etkisindedir. Eğer iç yapı değişir ise özelliklerde değişim göstermektedir. Burada piyasadaki ve herhangi bir üretim sonrası ürünün iç yapısı değiştirilebilir mi? Bu konu Isıl İşlem olarak bilinmektedir. ISIL İŞLEMLERLE DEĞİŞTİRİLEBİLEN ÖZELLİKLER Sertleştirilmiş yapı yumuşatılabilir. Malzemenin talaşlı ve talaşsız işlenebilirliği artırılabilir. Malzemenin iç yapısında homojen ince yapılı taneler elde edilebilir. Döküm veya haddeleme sonrası iç yapıda homojen olmayan alaşım elementleri dağılımı giderilebilir. Döküm veya haddeleme sonrası iç yapıda homojen olmayan tane dağılımı giderilir. Talaşlı imalatı kolaylaştırmak için tane kabalaşması sağlanabilir. Soğuk şekillendirme, kaynak işlemi, döküm ya da sıcak şekillendirme sonucu yapılan soğutma sırasında ya da daha önce uygulanmış bir ısıl işlem sonucu oluşmuş iç gerilmeler ( kalıntı gerilmeler ) azaltılabilir. Yüzeye yabancı atom difüzyonu ile ya da dayanıklı bir oksit tabakası oluşturarak, korozyona direnç sağlanabilir. Sertlik artması, tüm kesitte veya yüzeyde elde edilebilir. Yüzeye yabancı atom difüzyonu ile aşınmaya dayanım elde edilebilir.

Genel ısıl işlem aşamaları Isıl işlemde bu tanıma uygun olarak, parçaların belirli bir sıcaklığa ısıtılması “ ısıtma “, bu sıcaklıkta uygun süre tutma “ bekleme “ ve belirli bir programa uygun olarak sıcaklığın oda sıcaklığına düşürülmesi “ soğutma “ ile üç kademede özellik değişimleri sağlanır. Isıtma Parçanın sıcaklığının, oda sıcaklığından ısıl işlemde belirlenen sıcaklığa yükseltilmesi işlemine ısıtma denir. Isıtma işleminin herhangi bir anında, ısıtılan parçanın yüzeyindeki ve merkezindeki sıcaklık değerleri farklıdır. Isıtma gücüne bağlı olarak, parçanın yüzeyi belirli bir sıcaklığa ulaştığında parçanın merkezi (içi), parçanın boyutuna ve parça malzemesinin ısı iletim kabiliyetine bağlı olarak daha geç ısınacaktır.

Diğer bir ifadeyle, parçanın yüzeyi istenen sıcaklığa geldiğinde, çekirdeğinde aynı sıcaklığa gelmesi için biraz daha fazla sürenin geçmesi gereklidir. Bu nedenle, ısıtmada parçanın yüzeyinin ısınması dış ısınma ve merkezinin ısınması iç ısınma olarak tanımlanır. Oda sıcaklığından itibaren, parça yüzeyinin belirlenen işlem sıcaklığına kadar ısınması için geçen süre dış ısınma süresi, merkezinin işlem sıcaklığına gelmesine kadar geçen süre iç ısınma süresi ve parça yüzeyi işlem sıcaklığına geldikten sonra, merkezinin işlem sıcaklığına gelmesi için geçen sürede iç ısınma için bekleme süresi olarak adlandırılır. Isıtma işleminin herhangi bir anında, yüzey sıcaklığı ile merkezinin sıcaklığı arasındaki ∆T sıcaklık farkı: 1) Malzemenin ısı iletme kabiliyeti azaldıkça 2) Isıtma hızı yükseldikçe 3) Malzeme boyutu büyüdükçe artar. Bu sıcaklık farkının artması, büyük ısıl gerilmeler ve içyapıda farklılıklar oluşturacağından genellikle istenmez.

∆T sıcaklık farkını azaltmak amacıyla, belirlenen ısıtma sıcaklığının altında bir ya da iki ayrı sıcaklıkta ara ısıtma yapılabilir. Ön ısıtma adı verilen bu işlemle, parçalarda daha düzenli ve homojen ısıtma sağlanır. Aynı zamanda iç ısıtma için bekleme süresi kısalır. Ayrıca, ısıtma hızını azaltarak ta yüzey ile çekirdek arasındaki sıcaklık farkı azaltılabilir. Çeliklerde daha çok ön ısıtma tercih edilirken, döküm malzemelerde yavaş ısıtma da tercih edilmektedir.

Bekleme Belirlenen sıcaklıkta sabit tutma işlemine bekleme, bu sıcaklıkta geçen süreye de bekleme süresi denir. Beklemenin gerçekleştirildiği sıcaklık olan, ısıtma sıcaklığı veya işlem sıcaklığı, ısıl işlemde ulaşılması öngörülen en yüksek sıcaklıktır. Ancak ısıl işlem türüne bağlı olarak, ısıtma sıcaklığı terimi yerine; tavlama sıcaklığı, sertleştirme sıcaklığı, ostenitleştirme sıcaklığı, ani soğutma sıcaklığı, meneviş sıcaklığı, çözme sıcaklığı, yaşlandırma sıcaklığı ve çökeltme sıcaklığı gibi terimlerde kullanılmaktadır. Isıl işlemde, bekleme süresini tayini önemlidir. Teorik olarak iç ısınmanın bitimi ile soğutmanın başlangıcına kadar geçen süredir. Ancak, iç ısınmanın bittiği anı tespit etmek veya hesaplamak çok zordur. Bu nedenle, pratikte dış ısınmanın bittiği an kolaylıkla ölçülebildiğinden, uygulamalarda daha çok dış ısınmanın bittiği an bekleme süresinin başlangıcı olarak alınır. Belirlenen bekleme süresi ve işlem sıcaklığı hatalı olursa problemli ısıl işlemler ortaya çıkar. Örnek olarak; fazla bekleme süresi tane kabalaşmasına, yanmaya ve yüzeyde element kaybına ( çeliklerde karbon kaybı ( dekarburizasyon)) sebep olabilir. Az bekleme süresi ise ……..

Çalışma alanı yöntemi yerleştirme düzenleme İletkenlik tablalar ortamı

Soğutma Isıl işlemin üçüncü kademesi olan soğutma işlemi, parçanın ısıtma ortamından oda sıcaklığına getirilmesidir. Isıl işlemden istenen özelliklerin elde edilmesinde çok önemli bir aşamadır. Soğutmanın gerçekleştirilmesinde çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bunlar : Fırında ( ısıtma ortamında bırakarak ) soğutma Açık havada soğutma Belirlenen bir ortamda ( suda, yağda v.b.) soğutma şeklindedir. Bunla beraber, ortamlardan farklı soğutma planları da vardır. Bunlar : Sürekli soğutma Kesintili soğutma Kademeli soğutma İzotermik dönüşümlü soğutma şeklindedir. Soğutma şekillerinin çizimi? GİRİŞ - SON

YAPISAL DÖNÜŞÜMLER Isıtmada yapısal dönüşüm

Östenit Tane İriliği

Soğutmada yapısal dönüşüm

%0,45 oranında karbon içeren çelik

TE T(°C) time (s) A P B 800 Austenite (stable) 600 400 200 10 3 5 time (s) -1 400 600 800 T(°C) Austenite (stable) 200 P B TE 0% 100% 50% pearlite/bainite boundary A

Ferrit (α-demir) Ferrit, demirde (HMK) az miktarda karbonun erimesiyle oluşan bir arayer katı eriyiğidir. Demir-karbon denge diyagramında “α” işaretiyle gösterilen bölgede oluşur. Ferritte çözünebilen en fazla karbon miktarı % 0.008 karbon çözünür. Çelikteki en yumuşak fazdır. Perlit % 0.80 karbon içeren ötektoid yapıdır. Ferrit ve sementit fazlarının karışımı olan perlit yavaş soğuma şartlarında 723 oC sıcaklıkta oluşur.

Sementit (Fe3C) % 6.67 karbon içeren demir karbür bileşiğidir. Çeliğin yapısındaki en sert fazdır. Yapıda iğneli veya ağ şeklinde bulunan sementit, çok sert ve kırılgandır. Çekme dayanımı düşük, buna karşılık basma mukavemeti yüksektir. Östenit (Ɣ-demir) YMK şeklinde demir yapıda katı karbon çözeltisidir. Demir-karbon denge diyagramında “Ɣ” işaretiyle gösterilen bölgede oluşan östenit yaklaşık % 2’ye kadar karbon çözündürebilir. Her cins çelikte 723 oC nin üzerinde bulunur. Ac3 ve Acm sıcaklıklarının üzerinde ise çözünme tamdır. Alaşımsız çelikte normal olarak oda sıcaklıklarında bulunmaz.

Ferrit + Perlit içyapı Perlit Lamelli yapıda Ferrit + Perlit içyapı Perlit Küresel yapıda

Martenzit içyapı

Temperlenmiş Martenzit Beynit yapı ne demektir? Karbon ve sementit‘e “doymuş a ferrit” karışımıdır. Perlit yapıdan pek farklı bir yapıdır. Daha serttir. İğne şeklinde tane yapısına sahiptir. İlk soğutma hızlı, sonra yavaş olması halinde bu yapı oluşur. Temperlenmiş Martenzit

Çelikte Alaşım Elementlerinin Isıl işlem konularına etkileri Çeliklerde Demir elementinin yanındaki ikinci büyük alaşım elementine göre faz diyagramlarına etkisi

Çelikte alaşım elementlerinin Ostenit alanına etkisi Alaşım elementlerinin çeliğin ostenit alanını daraltıcı ve genişletici etkileri vardır. Ti, V, Cr, Mo ve W v.d. ostenit alanını daraltır. Ni, Mn, Co çok fazla genişletir. Fe-C da % C değeri olarak ötektoid değerine etkisi Cr, Mn, Ni, Si, Ti, Mo ve W ın her biri miktarına göre % 0,8 ile % 0,3 arasıda değişime yol açar. Fe-C da ötektoid sıcaklığı değerine etkisi Ti sıcaklık değerini çok artırır. Mo, W, Si ve Cr artırır. Mn ve Ni azaltır.

Tane büyümesine etkisi V tane büyümesini kuvvetli bir şekilde sınırlandırır. Ti, Nb, W ve Mo sınırlandırır.

Martenzitin oluştuğu sıcaklığı etkisi Co hariç diğer alaşım elementlerinin hepsi martenzit başlama ve bitiş sıcaklıklarını düşürür. % 0,5 C dan yüksek çeliklerde martenzit bitiş sıcaklığı oda sıcaklığı altında bir sıcaklıktır. Perlit ve Beynit oluşumuna etkisi Co hariç, tüm alaşım elementleri ferrit ve sementit oluşumunu geçiktirir. Örneğin, TTT diyagramında dönüşüm eğrilerini sağa doğru kaydırırlar. Her alaşım elementi ve miktarının etki miktarı farklıdır.

Temper sıcaklığına etkisi Çeliklerdeki alaşım elementlerini türü ve miktarına bağlı olarak temperlemeden istenen özelliği sağlayacak sıcaklık değerleri değişim gösterir. Bu değişim V, Mo ve W gibi elementler için V da % 1,2 gibi, Mo de % 4 gibi, W da % 8 gibi değerlere kadar temper sıcaklığını artırıcı şekildedir. Artış 50 – 150oC arası değişmektedir. Nitrürleme derinliğine etkisi Sertleşebilme derinliğine etkileri