ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ÇELİK YAPISINA ETKİSİ

ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ÇELİK YAPISINA ETKİSİ Karbonlu çeliklerden normal olarak sağlanamayan kendine has özellikleri sağlayabilmek amacıyla, bir veya birden fazla alaşım elementi katmak suretiyle yapılan çelikler alaşımlı çeliklerdir. Alaşım elemanlarının etkisi, diğer metallere nazaran  en çok çelik yapısında etkili olmaktadır. Ayrıca alaşım elementlerinin etkileri toplanabilir olmadığından, çok sayıda alaşım elementinin birlikte bulunması halinde beklenen özellik değişmeleri ancak genel çerçevede ele alınabilir ve bu konuda kesin bir yaklaşım yapılamaz. Alaşımlı çelikler, alaşım elemanların ( karbon ve arıtılamayan elemanlar dışında kalan diğerleri ) toplam miktarı % 5 den az olanlar düşük alaşımlı çelikler ve alaşım elemanlarının toplamı % 5 den fazla olanlar yüksek alaşımlı çelikler olmak üzere, iki ana gruba ayrılırlar. Alaşımsız çeliklere benzer davranışa sahip olan düşük alaşımlı çeliklerin en belirgin özelliği, sertleşme kabiliyetlerinin daha yüksek olmasıdır. Ayrıca, sertlik, çekme dayanımı, akma sınırı, elastiklik  modülü gibi dayanım özellikleri ile sıcağa dayanıklılık, meneviş dayanıklılığı, gibi karakteristikler yükselirken, genellikle kopma uzaması, kesit daralması, çentik darbe dayanımı gibi değerlerde azalma olur. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde istenilen özelliklerin bulunmaması veya yetersiz olması halinde yüksek alaşımlı çelikler kullanılır. Bu tür alaşımlama, normal sıcaklıklardaki mekanik dayanımın artırılması yanısıra,   özellikle sıcağa, tufallaşmaya  ve korozyona dayanım, sıcaklıkta sertlik ve manyetlenmeme gibi bazı istenen özelliklerin elde edilmesini amaçlar.

KARBON Çelik için temel alaşım elementidir KARBON Çelik için temel alaşım elementidir. Karbon miktarının artmasıyla sertlik ve dayanım önemli ölçüde artar. % 0.8 karbona kadar çekme gerilmesi ve akma sınırı değeri artar. Bu değerden sonra kırılganlık artar, ısıl işlem sonu sertlik kalıntı ostenit sebebiyle daha fazla artmaz. Çeliğin alabileceği max sertlik 67 HRC olup bu değer 0.6 karbon miktarı ile elde edilir. Karbon miktarının artması aynı zamanda sünekliği, dövülebilirliği, derin çekilebilirliği ve kaynak kabiliyetini düşürür. Yüksek karbonlu çeliklerin ısıl işleminde çatlama riski de fazladır. MANGAN  Yapıya genellikle cevher halinde iken girer. Mekanik özellikleri iyileştirmesi dolayısıyla ayrıca da ilave edilir, temel alaşım elementi olarak da kendisini gösterebilir. Genel olarak sünekliği azaltmakla birlikte çeliğin dayanımını artırır özelliğe sahiptir. % 3 Mn miktarına kadar, her % 1 Mn için çekme dayanımı yaklaşık 100 Mpa kadar artar. % 3 - 8 arası artış azalır. % 8 den itibaren düşüş görülür. Çeliğin dövülebilirliği ve sertleşebilirliğini iyileştirici özelliktedir. Kaynak kabiliyetini etkilemez ve kaynaklanabilir malzemeler içinde % 1.6 oranına kadar yükseltilebilir. Manganın iyi yöndeki etkisi karbon oranının artmasıyla birlikte artar. SİLİSYUM Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak  kullanılır. Döküm çeliklerde, döküme akıcılık sağlamak için ilave edilebilir. Ferrit içerisinde çözünebilme özelliğine sahip olduğu için malzemenin süneklik ve tokluğunu düşürmeden, dayanımı ve sertliği artırır. Yüksek silis içeren çeliklerin ısı dayanımı da yüksektir. Genel olarak sertleşebilirliği, aşınma dayanımını, ve elastikiyeti yükseltmesine karşın yüzey kalitesini olumsuz yönde etkiler. KÜKÜRT Demir ile birlikte FeS bileşiği oluşturarak, tane sınırlarında birikerek malzemenin gevrek olmasına yol açar. 800° C - 1000° C arasında şekil değiştirme esnasında "kızıl sıcaklık kırılganlığı" 1200° C üzerindeki sıcaklıklarda "akkor sıcaklık kırılganlığı" meydana getirir. Bu sebeplerle çelik için zararlı bir element olarak kabul edilerek, giderilmesi yönünde çalışılır. Ancak otomat çeliklerinde iki katı kadar Mn ilave edilerek kullanılmak suretiyle, talaşlı işlenebilirlik kabiliyetini  artırmak amacıyla kullanılır. Genel olarak kaynak kabiliyeti ve sertleşebilirliği olumsuz etkiler.

FOSFOR Mevcudiyeti ile malzeme tokluğunu düşüren, zararlı etkiye sahip bir elementtir. Çeliğin dayanımını ve sertliği artırıcı özelliği olmasına karşın süneklik ve darbe dayanımını düşürür. Bu etki yüksek karbonlu çeliklerde daha net görülür. Çelik içerisinde mümkün olduğunca düşük olmasına çalışılır ve kükürtle birlikte fosfor azlığı malzeme kalitesinde birinci kriterdir. KROM Çeliklere en fazla ilave edilen alaşım elementidir. Çeliğe ilave edilen krom Cr7C3 ve Cr23C6 gibi sert karbürler oluşturarak sertliği direkt olarak artırır. Dönüşüm hızlarını da yavaşlatarak sertlik derinliğini de aynı oranda artırır. Krom %25 varan değerlerde ilave edilmesi halinde malzeme yüzeyinde bir oksit tabakası oluşturarak paslanmaya karşı direnç sağlar ve malzemeye parlak bir görüntü kazandırır. Çekme dayanımını ve sıcağa dayanımı da artırır özelliğe sahiptir. Bazı alaşımlarda meneviş kırılganlığına sebep olabilir veya sünekliği düşürebilir. Bu etkileri azaltmak amacıyla daha çok Ni ve Mo ile birlikte kullanılır. NİKEL Nikel %5 e varan oranlarda, alaşımlı çeliklerde geniş bir biçimde kullanılır. Nikel malzemenin mukavemetini ve tokluğunu artırır. Özellikle paslanmaz çeliklerde daha geniş yer alır. Nikel aynı zamanda tane küçültme etkisine de sahiptir. Alaşım elemanı olarak nikelin tek başına kullanımı son yıllarda azalmış Ni-Cr alaşımı başta olmak üzere Ni - Mo yahut Ni - Cr - Mo alaşımları yaygınlaşmıştır. Sıcağa ve tufalleşmeye karşı iyileştirici özelliğe sahip olmasının yanısıra, krom ile birlikte kullanılarak sertleşmeyi, sünekliği ve yüksek yorulma direncini artırır. MOLİBDEN   Molibden düşük nikel ve düşük krom içeren çeliklerde temper gevrekliği eğilimini gidermek için kullanılır. % 0.3 civarında molibden ilavesi bunu sağlar. Molibden ilavesi yapılan nikel ve krom çeliklerinin temper sonrası darbe dayanımları da önemli ölçüde yükselir. Aynı zamanda akma ve çekme dayanımını artırır.

VANADYUM Nikel gibi vanadyum da çelikler için önemli bir tane küçültücüdür. % 0.1 gibi bir oranda kullanılması bile, sertleştirme prosesi esnasında tane irileşmesini önemli ölçüde engeller. Vanadyum sertlik derinliğini artırmakla beraber sıcaklık dayanımını da artırır. Özellikle kesmeye çalışan parçalarda, darbe dayanımının artmasını sağlayarak kesici kenarların formunun uzun süre muhafaza edilmesinde etkilidir. WOLFRAM Wolfram; çeliğin dayanımını artıran bir alaşım elementidir. Takım çeliklerinde, kesici kenarın sertliğinin muhafazasını, takım ömrünün uzamasını ve yüksek ısıya dayanımını sağlar. Bu sebeple özellikle yüksek hız çeliklerinde, takım çeliklerinde ve ıslah çeliklerinde, alaşım elementi olarak kullanılır. Yüksek çalışma sıcaklıklarında, çeliğin menevişlenip sertliğini kaybetmemesini sağladığından, sıcağa dayanımlı çeliklerin yapımında kullanılır. NİOBYUM Tane inceltici ve karbür yapıcı etkiye sahip olduğundan akma sınırının yükselmesine ve sertliğin artmasına sebep olur. TİTANYUM Kuvvetli karbür yapıcı özelliği vardır ve sertliği artırır. Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak da kullanılır. Tane inceltici yapıya sahiptir.

KOBALT                 Yüksek sıcaklıklarda tane büyümesini yavaşlatır bu nedenle daha çok hız çeliklerine ve sıcağa dayanıklı çeliklere ilave edilir. ALÜMİNYUM                 En güçlü deoksidandır. Isıtma da tane kabalaşması ve yaşlanmayı azaltır. Tane inceltici özelliğe sahiptir. BOR                 Düşük ve orta karbonlu çeliklerde sertleşebilme özelliğini arttırır. Sakinleştirilen çeliklere 0.0005 - 0.003 kadar düşük oranda katılırlar. BAKIR Sıcak şekillendirmede kırılganlık yaratan bakır için % 0.5 oranı pek aşılmaz. Sünekliği ciddi oranda düşürür. Buna rağmen korozyon dayanımını ve sertliği arttırır. AZOT                 Nitrür teşekkül ettirerek sertliği artırır. Mekanik dayanım ve korozyona karşı direnci artırır.  

Alaşım Elementlerinin Fe-C Denge Diyagramına Etkileri Tip 1.Östenit Sahayı Açık Hale Getirenler) Ni, Mn, Co, Pt vb.

Tip 2.Östenit Sahayı Genişletenler Cu, Zn, Au,C, N vb.

Tip 3. Östenit Sahayı Daraltan-Ferrit Alanı Açık Hale Getirenler Si, Al, Be, P, Ti, V, Mo, Cr vb

Elementlerin Ötektoid Noktaya Etkileri Austenite and ferrite stabilizers widen the respective phase fields. The effect alloying elements on the Fe-Fe3C phase diagram is strongly reflected in the eutectoid temperature, which is raised or lowered by the alloying addition. The austenite stabilizers lower the eutectoid temperature, thereby widening the temperature range over which austenite is stable. Similarly, the ferrite formers raise the eutectoid temperature, thereby restricting the γ –phase field. Fig. 3 shows the influence of alloying addition on eutectoid temperature and eutectoid carbon content.

Alaşım Elementlerinin Karbür Yapma Etkisi 1) Karbür yapıcı olmayan elementler: e.g. Ni, Si, Co, Al, Cu and N 2) Karbür yapıcı olan elementler: e.g. Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, and Nb.

Effects on Transformation Diagrams Alloying elements have considerable influence on the kinetics and mechanism of all three types of transformation of austenite to pearlite, bainite and martensite. Alloying elements that dissolve only in ferrite and cementite without the formation of special carbides exert just a quantitative effect on the transformation processes (Fig. 8). Cobalt speeds up a transformation but the majority of elements, including NI, Si, Cu, Al, etc., slow it down.

Carbide- forming elements produce both quantitative and qualitative changes in the kinetics of isothermal transformations (Fig. 8). They (e.g., Cr, Mo, W, V, etc.) influence the austenite decomposition differently at different temperatures: i. At 700-500 °C (pearlite formation), they slow the transformation ii. At 500-400 °C, they dramatically slow the transformation iii. At 400-300 °C (bainite formation), they speed up the transformation Therefore, steels alloyed with carbide-forming elements have two maxima of the austenite isothermal decomposition rate separated by a region of relative stability undercooled austenite (Fig. 8).

Fig. 35 TTT diagram for 4130 low-alloy steel

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. A heat treatment is needed to produce a uniform microstructure and hardness of HRC 23 in a 1050 steel axle. Sertlik arttı Fe3C meydana geldi Figure 12.8 The TTT diagrams for (a) a 1050 and (b) a 10110 steel

Nitride-forming Elements All carbide formers are also nitride former. Nitrogen may be introduced into the surface of the steel by nitriding. By measuring the hardness of various alloy steels do treated it is possible to investigate the tendency of the different alloying elements to form hard nitrides or to increase the hardness of the steel by a mechanism known as precipitation hardening. The results obtained by such investigations are shown in Fig. 11, from which it can be seen that very high hardnesses result from alloying a steel with Al or Ti in amounts of about 1.5%. On nitriding the base material in Fig. 11 a hardness of about 400 HV is obtained and according to the diagram the hardness is unchanged if the steel is alloyed with Ni since this element is not a nitride former and hence does not contribute to any hardness increase. Fig. 11 Effect of alloying element additions on hardness after nitriding. Base composition is 0.25% C, 0.30% Si, 0.70% Mn

Effect on Tempering Martensite in steels can be a very strong and in its virgin condition rather brittle. It is then necessary to modify its mechanical properties by heat treatment in the range 150-700 °C. This process is called tempering, in which the microstrucrure approaches equilibrium under the influence of thermal activation The addition of alloying elements to a steel has a substantial effect on the kinetics of the →transformation, and also of the pearlite reaction. As pointed out previously, most common alloying elements move the time-temperature-transformation (TTT) curves to longer times, with the result that it is much easier to miss the nose of the curve during quenching. This essentially gives higher hardenability, since martensite structures can be achieved at slower cooling rates and, in practical terms, thicker specimens can be made fully martensitic. The alloying elements also retard the rate of softening during tempering by stabilizing both the transition carbides (e.g. -iron carbide) and the supersaturated martensitic structure to higher tempering temperature and by delaying considerably the precipitation and growth of cementite.

The Formation of Alloy Carbides (Secondary Hardening) The alloying elements Cr, Mo, V, W and Ti all form carbides with substantially higher enthalpies compared to the iron carbide, while the elements Ni, Co and Cu do not form carbide phases. Manganese is a weak carbide former, found in solid solution in cementite and not in a separate carbide phase. It is the ability of certain alloying elements to form fine alloy carbide dispersions in the range 500-600°C, which remain very fine even after prolonged tempering. Indeed, the formation of alloy carbides between 500°C and 600°C is accompanied by a marked increase in strength, often in excess of that of the as-quenched martensite (Fig. 17). This phenomenon, which is referred to as secondary hardening, is best shown in steels containing Mo, V, W, Ti and also in chromium steels at higher alloy concentrations. This secondary hardening process is a type of age hardening reaction, in which a relatively coarse cementite dispersion is replaced by a new and much finer alloy carbide dispersion. In Fig. 17 the effect of increasing Mo content is demonstrated in a series of steels containing 0.1 wt% carbon.

The effects of C and some alloying elements on the tempering of a 10%Ni steel are illustrated in Fig. 18. Beginning with an alloy of Fe-10%Ni, successive additions of C, Co, Cr, and Mo were made. Co, although it does not enter the carbide, delays tempering. The addition of Cr provides an increase in strength during tempering, and Mo gives a sharp secondary hardening peak. Fig. 18 Effect of carbon, cobalt, chromium, and molybdenum on tempering of 10%Ni steels.

Fig. 19 The effect of Cr on the tempering of a 0.35 wt% C steel

Fig. 12 Variation of room-temperature hardness with tempering temperature for H11 steel. All specimens air cooled from 1010 °C (1850 °F) and double tempered 2 h plus 2 h at temperature