METAL VE ALAŞIMLARDA FAZ DÖNÜŞÜMLERİ 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Katı hal faz dönüşümü Katı 1 Katı 2 Ergime Katılaşma Süblimasyon Yoğunlaşma Gaz Sıvı Buharlaşma 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Faz Dönüşümü Nedir? Kararlı tek faz  Kararlı başka bir faza dönüşme Önekler : Sıvının katılaşması, allotropik dönüşümler, aşırı doymuş fazdan ikinci fazın çökelmesi Faz dönüşümü, avantaj veya dezavantaj olabilir Dönüşüm Mekanizmaları 1. Yayınmalı dönüşümler (difüzyon esaslı dönüşümler) 2. Kaymalı dönüşümler, 3. Karışık dönüşümler. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

1. Yayınmalı Dönüşümler Yayınmalı dönüşümlerde; arayüzey, atomların sıcaklık etkisi altında yayınması ile ilerler. (Örnek: Ötektik, ötektoid, çökelme reaksiyonu) Yüksek sıcaklıklarda, atomlar serbestce hareket eder. Yayınmalı dönüşümler = sivil dönüşümler Çeliklerde perlit oluşumu Çeliklerde sementit kürselleş-mesi 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

2. Kaymalı Dönüşümler Aşırı soğutma artınca fazın ayrışması için gerekli itici güç artar Bir çok atom grubu geniş bir bölgede kayma ile arayüzey meydana getirir Kaymanın olduğu bölgede yeni bir latis oluşur. Kaymalı dönüşümler = askeri dönüşümler 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

3. Karışık Dönüşümler Yayınmalı ve kaymalı dönüşümlerin birlikte meydana gelmesi. Sert ve tokluğu yüksek yapılar elde edilir. Örnek: çeliklerde “beynit” 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Denge Diyagramlarına Bağlı Faz Dönüşümleri İkili Faz Diyagramları Faz diyagramları veya denge diyagramları, alaşımların çalışılmasında ve anlaşılmasında kullanılır İzomorf (Tek kristal) Alaşım Sitemleri İki bileşenli sistemlerin en basiti, tüm oranlarında tek tip bir kristal yapısı (izomorf) sistemler Bileşimler % ağırlıkça 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. İkili sistemlerde denge diyagramlarına bağlı olarak oluşan mümkün faz dönüşümleri 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Serbest Enerji - İzomorf Alaşım Sistemleri Cu-Ni gibi bir alaşım sisteminde bileşen atomların doğası birbirlerine çok yakındırlar sıvı ve katı fazlar ideal çözeltiler meydana getirirler. Her iki fazın da serbest enerji - kompozisyon eğrilerinin benzer olması gerekir 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Ni’in donma sıcaklığı=1455 °C’ Saf Ni kompozisyonunda katı ve sıvının serbest enerjileri birbirine eşittir. Ni içinde Cu miktarının artması ile serbest enerji diğer kompozisyonlarda sıvı fazda katı faza göre düşer Sıcaklık, oC Katı-sıvı bölgesi % Ni (ağırlıkça) 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Sıvı ve katı faz serbest enerjileri tam saf Ni bileşiminde çakışırlar. Sıcaklığın 1455 °C’ den yüksek olduğu her durum için; Sıvı ve katı serbest enerjileri biri birinden ayrılacaktır Şekil. Cu - Ni alaşım sisteminde serbest enerji- kompozisyon eğrileri a) saf Ni’ in 1455 °C olan donma noktasında ve b) 1200 °C sıcaklıkta. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Katı eğrisi sıvı eğrisine göre daha düşük eğriliğe sahiptir. Maksimum ve Minimum Katı eğrisi sıvı eğrisine göre daha düşük eğriliğe sahiptir. Şekil a) da düşen sıcaklıkla katı ve sıvı faz iki serbest enerji eğrileri gösterir Kesişim saf A ve B bileşen kompozisyonda olduğunu göstermektedir. Sıcaklığın azalması ile kesişim hareket eder. Tc sıcaklığında iki enerji eşit teğet gösterir. (Td, sıcaklığında, sebest enerji eğrileri birbirinden ayrılır Şekil. Bir minimum ortaya çıkmasına yol açan serbest enerji eğrileri ilişkisi. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Likidüs ve solidüs birbirlerine teğettirler. Katı çözeltinin serbest enerji eğrisinin daha büyük bir eğriliğe sahip olduğu farzedildiğinde İki faz bölgesi sınırları kesiştiğinde, sınırlar bir maksimum veya minumumda birleşirler Likidüs ve solidüs birbirlerine teğettirler. Teğet noktasında iki eğrinin sıcaklığı da birbirine eşittir. Bu noktalar eş noktalar dır. Eş noktalardaki katılaşma, saf metallerdeki katılaşma ile benzerdir. Şekil. Bir maksimum ortaya çıkmasına yol açan serbest enerji eğrileri ilişkisi. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Süperlatisler Sıcaklık (oC) Aktivite (a) Kısmi mol oranı (NA) % Au Şekil. 500 °C’ de katı alaşımda Cu ve Au’ nun aktiviteleri. Şekil. Cu - Au faz diyagramı. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Cu ve Au, sürekli katı çözelti serileri oluşturur. Kimyasal aktiviteleri negatif bir sapma sergiler. Aktiviteler negatif sapma gösterirse, bileşenler birbirlerini çeker demektir. Cu ve Au atomlarının latis içinde düzenli bir şekilde birbirlerinin yerlerini alırlar. Cu ve Au atomlarının periyodik düzeni termal hareketle bozulur Düşük sıcaklıklarda böylece Cu ve Au atomları kendilerini kristal içinde düzenli kılacak yeni birleşmeler yaparlar. Birbirini tekrarlayan yapıların değişik Au - Cu bileşikleri yapması ile oluşan yapılara süperlatis veya süper yapılar denilmektedir. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Domainler Farklı kristaller Şekil. İki farklı kristalde düzenli domainler. Düzen, eşit sayıda A (siyah) ve B (beyaz) atomların bir araya gelmesi esasına dayanmıştır. Tane sınırı Domain sınırı : Au : Cu Şekil. Cu - Au alaşımlarında bilinen üç düzenli yapıdan ikisinin gösterilmesi. Cu3Au CuAu 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Karışabilirlik Aralıkları Sıcaklık (oC) % Au Şekil. Altın (Au) - Nikel (Ni) faz diyagramı. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

- a1 fazı Ni’ in çözeltide olduğu Au latisi esaslı faz Cu - Au, ve Cu - Ni sistemine benzer Au ve Ni tüm oranlarda katı çözelti oluşturur - Au - Ni faz diyagramında Sıcaklığın düşmesi ile bileşenler segregasyon eğilimi gösterirler. 812 °C altındaki tüm sıcaklıklarda a1 ve a2 olarak iki faz kararlı olur. - a1 fazı Ni’ in çözeltide olduğu Au latisi esaslı faz Ikici faz a2 Au’ ın çözeltide olduğu Ni latis esaslı fazdır. Her iki faz da YMK yapısındadır (Latis parametreleri, yoğunlukları, rekleri ve diğer fiziksel özellikleri açısından farklılıdırlar) a1 ve a2 fazlarının ikisinin de kararlı olduğu iki faz bölgesi karışabilirlik aralıkları olarak adlandırılan bölgelerdir. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Faz Diyagramı Karakteristiği Reaksiyon İsmi Eşitlik Faz Diyagramı Karakteristiği Ötektik Sıvı Soğutma Sıvı a + b a b Ötektoid a Soğutma a b+g b g Peritektik Soğutma Sıvı a a+Sıvı b b Peritektoid Soğutma a b a+b g g Monotektik Soğutma Sıvı(1) Sıvı(2) Sıvı(1) a + Sıvı (2) a 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

1 Sıcaklık (oC) % Ag (ağırlıkça) Şekil. Cu - Ag sistemi 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Ötektik altı bir alaşımın katılaşma ve mikroyapısı (Pb-30% Sn). Sıcaklık (oC) % Sn (ağırlıkça) Şekil. Ötektik altı bir alaşımın katılaşma ve mikroyapısı (Pb-30% Sn). 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Ötektik bir alaşımın katılaşma ve mikroyapısı (Pb-61.9% Sn). Sıcaklık (oC) % Sn (ağırlıkça) Şekil. Ötektik bir alaşımın katılaşma ve mikroyapısı (Pb-61.9% Sn). 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Ötektik Sistemlerin Dengesel Mikroyapıları Şekil: Faz diyagramında % 24 Cu içeren Cu - Ag alaşımında ötektik altı yapı. Beyaz oval bölgeler ötektik öncesi alfa, gri alanlar ise ötektik yapıdır. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Bir önceki yapının daha büyütülmüş mikroyapısı Şekil. Bir önceki yapının daha büyütülmüş mikroyapısı. Beyaz matriks alfa veya Ag’ ce zengin fazdır. Koyu küçük partiküller beta veya Cu’ ca zengin fazdır. Dolayısıyla ötektik yapı alfa matriksinde beta partiküllerinin karışımından oluşmaktadır. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Şekil. Ötektik öncesi (primer) beta fazı (büyük koyu alanlar) ve ötektik içeren ötektik üstü Cu-Ag yapısı. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Bir sıvı ve bir katı bir diğer katı faza dönüştür Peritektik Dönüşümler Bir sıvı ve bir katı bir diğer katı faza dönüştür Sıcaklık (oC) Sıcaklık (oC) Şekil. Fe-Ni faz diyagramının peritektik bölgesi. Şekil. Demir-Nikel faz diyagramı. 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Atom çapları (Fe: 2. 476 A° ve Ni: 2. 486 A°) Atom çapları (Fe: 2.476 A° ve Ni: 2.486 A°). Periyodik tabloda hem Fe ve hem de Ni VIII grubu Her iki element de YMK sistemde kristalleşir. Ni tüm sıcaklıklarda YMK yapıda iken Fe ise 910 - 1390 °C aralığında YMK yapıda. Fe Ni içine ilave edildiğinde HMK dan YMK’ya geçiş var Monotektik Reaksiyon Monotektikler, sıvı bir fazın farklı kompozisyonlarda bir sıvı ve bir katıya dönüşmesi 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

954 °C’ de % 36 Pb içeren Cu - Pb sisteminde meydana gelir. 326 °C’ de ve % 99.94 noktasında bir ötektik nokta Oda sıcaklığında Cu’ ın Pb içinde çözünebilme sınırı % 0.007 den daha düşük iken Cu içinde kurşun çözünürlüğü ise % 0.002 - 0.005 aralığındadır. Sıcaklık (K) Şekil. Bakır (Cu) - Kurşun (Pb) faz diyagramı 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Üçlü Faz Sistemleri Diğer Üç Faz Reaksiyonları Peritektoid, ötektoidler Üçlü Faz Sistemleri Genelde, seramiklerde üçlü faz sistemleri sökonusu Birçok metal ve alaşımı üçlü sistemlerde oluşurlar. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan metal ve alaşımları yaklaşık 10 civarında metal içerirler 17.04.2018 Prof. Dr. Hatem AKBULUT