BÖLÜM 4. MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER FİZİKSEL METALURJİ BÖLÜM 4. MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER : Katı hal (katı-katı) faz dönüşümleri genellikle çekirdekleşme ve büyüme dönüşümleri ile ilişkilidir. Bu durumlarda oluşan hacimsel dönüşüm hızı genellikle Avrami tipi bir kinetik denklem ile tanımlanır. Bunun yanı sıra katı-hal faz dönüşümlerinin çok önemli ikinci bir sınıfı da bulunur; bu martenzitik dönüşüm olarak adlandırılır. Martenzitik dönüşümler Avrami tipi kinetik ilişkiye göre gerçekleşmez ve sonuç olarak bu dönüşümler çekirdeklenme ve büyüme dönüşümleri şeklinde sınıflandırılamazlar. Bununla birlikte fiziksel olarak martenzitik dönüşümde bir çekirdeklenme aşaması ve bir büyüme aşaması vardır; fakat büyüme hızı o kadar büyüktür ki hacimsel dönüşüm hızı hemen hemen tamamen çekirdeklenme aşaması ile kontrol edilir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER (devamı): Eğer bir çelik  bölgesi içine kadar ısıtılıp homojenleştirmeden sonra yeterli yüksek bir hızda su verilirse bir martenzitik dönüşüm oluşur. Karbon içeriği kütle-% 0.6 karbondan daha yüksek karbonlu çeliklerde, YMK östenit kararsız HMT bir faza dönüşür. Bu faz östenit içinde plakalar halinde çok büyük hızda büyür; öyleki, plakanın büyümesi, çekirdeklenme sonunda 0.0001 saniyeden daha az bir süre içinde oluşur. Çelikteki bu HMT fazına, ilk olarak 1895 de Floris Osmond tarafından meşhur Alman metalograf Adolf Martens adına ithaf sonucu martenzit denilmiştir.

Çelik martenzitinde olduğu gibi bu gibi süper yüksek büyüme hızlarına sahip yeni fazın oluşumu bir kaç alaşımda ve bazı saf metallerde de gözlenir (Tablo 4.1).

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER (devamı): Çelikte martenzit fazı kararsız olduğu için bu faz sadece süper yüksek hızlı soğuma ile oluşur. Buna ek olarak düşük sıcaklık tavlaması ile martenzit, bir çekirdekleşme ve büyüme reaksiyonu ile ferrit ve sementite ayrışır. Ancak bir çok martenzitik dönüşümünde düşük sıcaklık fazı, kararsız faz olmaktan ziyade bir denge fazıdır, çok düşük soğuma hızlarında bile oluşur. (Örnek:Au-Cd ve In-Tl). Bu sistemlerdeki dönüşümler doğal olarak martenzitik oluşur ve bu nedenle çelikte olduğu gibi hızlı su vererek dönüşümün bu hızlı büyüme şeklini sağlama gereksinimi yoktur. Demir dışı martenzitlerde de yüksek sıcaklık fazının östenit ve düşük sıcaklık fazının martenzit olarak adlandırılması sıkça görülür.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLER (devamı): Martenzit reaksiyonların en önemli tarafı, martenzit fazı ile ana faz arasında hızlı bir büyüme mekanizmasının işletilmesine izin veren özel kristalografik bir ilişkiyi içermesidir. Martenzitik dönüşümün kristalografisi deformasyon ikizlenmesini içeren kristalografi ile çok benzerdir. İkizlenme durumunu anlamak daha kolay olduğu için ikizlenme öncelikle incelenecektir.

İKİZLENME : Bir YMK metalde dizilim sıralamasının basitçe değiştirilmesi koherent bir ikiz sınırı ile sonuçlanır. İkiz tane sınırları çok düşük enerjiye sahiptir. Bu bölümde bütün ikiz sınırlarının koherent oldukları farz edilecektir.

İkizlenme ile dizilim sıralaması değişir ! YMK yapıda atom dizilişi en sık olan düzlemlerin birim hücredeki konumları a) ABC dizilişi b) Birim hücrenin çizimi YMK’da atom dizilişi en sık olan düzlemler {111} kübün hacım diyagonaline <111> dik olan düzlemlerdir.

İKİZLENME (devamı) : İkizler bir kristalde ya deformasyon sırasında ya da kristal büyümesi sırasında oluşur ve buna bağlı olarak ikizler, genellikle deformasyon ikizleri ve büyüme ikizleri olarak sınıflandırılır. Büyüme ikizleri ister buhardan, ister sıvıdan ve isterse katıdan büyüsün bir kristal içinde oluşabilir. Rekristalizasyon sırasında büyüme ikizlerinin oluşması YMK metaller için gayet yaygındır ve bu ikizler çoğunlukla tavlama ikizleri olarak adlandırılır. Ergiyikten katılaşan metallerde büyüme ikizlerinin oluşumu yaygın değildir; bununla birlikte bazı metalik dendritler büyüme eksenleri boyunca bir ikize sahiptir. Ayrıca dökme demirde grafit ve Al-Si ötektik alaşımlarında silisyum birçok büyüme ikizleri içerir.

İKİZLENME (devamı) : Burada sadece deformasyon ikizlenmesi ile ilgileneceğiz; büyüme ikizlerinden sadece ikizlerin birbirinden farklı iki ayrı mekanizma ile oluştuğunu açıklamak için bahsedildi. Plastik deformasyon konusunda da bahsedildiği gibi ikizlenme, metallerin plastik deformasyonu için bir başka tür sunar. Metalik malzemelerde kayma genellikle ikizlenmeden daha kolay oluştuğu için ikizlenme, yalnız kübik olmayan metallerin plastik deformasyonu için önemli bir mekanizma olur. Kübik olmayan metallerde çok az kayma sistemleri mevcuttur (örneğin SPH metaller ve HMT Sn). Bununla birlikte HMK metallerde deformasyon ikizlenmesi düşük sıcaklıklarda önemli kazanır. Deformasyon ikizlenmesi YMK metallerde nadirdir ve ancak çok düşük sıcaklıklarda bazı zorluklarla yapılabilir.

İKİZLENME (devamı) : Deformasyon ikizlenmesi prosesi şematik olarak Şekil 4.1a’da gösterilmiştir. Makroskopik bakışla uygulanan kayma gerilmesinin şekilde gösterildiği gibi orijinal tek kristal matris içinde bir kink çıkıntısı oluşumuna neden olduğu görülür. Orijinal matris ile ikiz matrisi arasındaki sınırlar ikiz düzlemleri olarak adlandırılır. İkiz matris içinde atomik düzen, ikiz düzlemleri boyunca orijinal matris içinde atomik düzenin bir ayna görüntüsünü oluşturur.

Şekil 4.1. (a) Kayma gerilmesi ile ikiz oluşumu (b) Kayma deformasyonu

İKİZLENME (devamı) : Kristalografinin tanımı için ikizlenme prosesinin esasını teşkil eden temel iki özeliği vardır: Deformasyon saf kaymadır. Bu durum Şekil 4.1b’de gösterilmiştir; burada bütün hareketler, prosesi sağlayan kayma gerilmesine paralel oluşur. İkiz dönüşümü kafes yapısını korumalıdır. Ana kristalin yapısı birim hücre ile tanımlandığında, ikiz kristalin birim hücresi de ana kristalinki ile aynı olmalıdır. Yegane farklılık Şekil 4.2 de gösterildiği gibi bazı dönmeler olacaktır.

Şekil 4.2. Birim kafesi açıklayan vektörlerin eşdüzlemsel olmayan üçlüsünün rotasyonu

İKİZLENME (devamı) : Problem iki parçaya bölünebilir; birincisi, dönüşüm üzerinde invariant (değişmez) atomik düzenleri gösteren tüm düzlemleri belirlemek ve ikincisi, dönüşüm sonrası invariant ortak açılara sahip bu düzlemlerde üç vektör saptamamızdır. İkizlenme kayması öncesinde ve sonrasında atomik düzeni aynı olan herhangi bir düzlem distorsiyona uğramamış (bozunmamış) bir düzlem olarak adlandırılacaktır. Sonuç olarak bu üç eşdüzlemsel olmayan vektörlerin yukarıda belirttiğimiz ilk gereklilik doğrultusunda bu düzlemler içinde olmalıdır. İkizlenmiş düzlemin bir kenar görünüşü Şekil 4.3’de gösterilmiştir. Bu ikizlenmiş düzlem, şekilde verilen ana matriks ile ikiz matriksin arayüzeyidir. Bu düzlem hem ana matrikse, hem de ikiz matrikse ait olduğu için bozunmamış bir düzlem olması gerekir. Böylece ikizlenmeye dahil olmuş sadece iki tane bozunmamış düzlem olduğunu saptarız.

İKİZLENME (devamı) : Bu yüzden ikizlenmenin, birim hücre vektörünün boylarını ve ayrıca onların ortak açılarını koruyan saf bir kayma dönüşümü gibi düşünülebileceği açıktır. Saf bir kayma dönüşümü için aşağıdaki üç gereksinmeyi sağlayan üç eşdüzlemsel olmayan vektör bulunması gerekir: Bunların boylarını dönüşüm sonrası muhafaza etmeleri gerekir. Bunların ortak açılarını dönüşüm sonrası muhafaza etmeleri gerekir. Bunlar rasyonel olmaları, yani kafeste atom merkezlerinden geçmeleri gerekir.

Şekil 4.3. İkiz matrikste bir yarım daire üzerine etkiyen ikiz gerilmesi K1 ve K2 düzlemleri ► ikizlenmeye dahil olmuş 2 bozunmamış düzlem.

İKİZLENME SIRASINDA ATOM HAREKETİ : YMK ikizini göz önüne alacağız. YMK ikizi, {111} düzlemlerinin dizilim sıralamasında ABCABC….. den ACBACB…. tarzı bir değişime neden olur. (111) düzlemlerinin bir kenar görüntüsü, O sembolü ile gösterilmiş (110) izi üzerinde atomlar ile Şekil 4.4’te gösterimiştir. İkizlenme düzlemi üzerindeki ikiz matriksinde atomların pozisyonu □ sembolleriyle ile gösterilir. İkiz matriksindeki atomları bağlayan kesik çizgili dörtgen, ikizlenme düzlemi üzerinden ana matrikste atomları bağlayan sürekli çizgi dörtgenin bir ayna görüntüsü oluşturur; bu da böylece ikiz ilişkisini gösterir.

Şekil 4.4. YMK kristale ait (111) düzleminde kenar görünümü, (110) izi üzerindeki atomları göstermektedir. Orijinal atom yerleri o ile gösterilmiş olup ikizlenme kayması sonraki atom yerleri □ ile verilmiştir

İKİZLENME SIRASINDA ATOM HAREKETİ (devamı) : Burada oluşan atom hareketinin doğası Şekil 4.4’nın solunda ikizlenme kayması gözönüne alınarak gösterilmiştir. İkizlenme düzlemi üzerindeki ilk (111) düzlemi üstünde atomlar, olan t vektörü ile hareket eder, bu da atomların bu düzleminin gerekli B→C geçişine uğramalarına neden olur. İkizlenme düzlemi üzerindeki herbir başarılı geçiş yapan düzlem üstünde atomlar bir ilave vektör ile ötelenir; bu durum Şekil 4.4’te oklarla ve kayma gerinmesi diyagramı ile gösterilmiştir. Bu öteleme ikinci düzlem üzerinde 2t, üçüncü düzlem üzerinde 3t dir ve bu tarz sürmeye devam eder. Bu nedenle herbir atom kendi komşusuna göre relatif aynı t vektörü ile hareket eder. Tüm atomlar kendi komşularına göre relatif aynı vektör doğrultusunda hareket ettiği için buna ortaklaşa hareket (cooperative motion) adı verilir. İkizlenme düzleminden uzaklaştıkça ortaklaşa hareket toplayarak artar ve böylece toplam gerinme büyük olur. Örneğin, ikizlenme düzlemi üzerindeki dört düzlemde toplam şekil değişimi 4t ile orantılıdır ve ikizlenme düzlemi üzerindeki n düzlemde nt ile orantılıdır. Bu nedenle oldukça büyük bir gerinme (şekil değişimi), bir çok küçük fakat ortaklaşa atom hareketleri ile üretilir.

İKİZLENME SIRASINDA ATOM HAREKETİ (devamı) : t vektörünün [112]a/6 olması oldukça enteresandır ve bu Shockley kısmi dislokasyonunun Burgers vektörüdür. Bu nedenle bu ikizlenmeler, Shockley kısmi dislokasyonlarının kaymaya uğratılmasıyla üretilebilir. Bu mekanizma, ikizlenme düzlemi üzerindeki ilk düzlemde kaymak için bir dislokasyon, ikinci düzlemde iki dislokasyon, üçüncüde üç, dördüncüde dört vb. gerektirecektir. İkizlenme düzleminden başlayarak kayabilen dislokasyonlarının sayısında bu başarılı artışı üretmek için bir kutup mekanizması kabul edilir.

İKİZLENME SIRASINDA ATOM HAREKETİ (devamı) : 180o lik ilişkinin açıklanmasında ikiz matristeki atomları bağlayan kesik çizgili dörtgen [112] yönünde 180o döndürülür. Bu durumda bu dörtgen, ana matrisin sürekli çizgi dörtgeni ile çakışacaktır. Aynı şekilde kesik çizgili dörtgenin 3 numaralı atomda ikizlenme düzlemine dik bir eksen çevresinde 180o döndürülmesi,  etiketli ikizlenmedeki atom yerlerinin O etiketli ana atom yerleri üstüne direkt olarak düşmesine neden olur. Bu operasyon ikiz ve ana matriksler arasındaki 180o lik dönme bağıntısını gösterir. İkizlenmenin neden olduğu atom hareketlerinin bütün orijinal kafesi 180o döndürmediği göz önünde tutulmalıdır. İkizlenmedeki küçük ortaklaşa atom hareketleri, yeni bir kafes yönlenmesi üretir; bu yeni oryantasyon orijinal ana kafesin 180o lik dönmüş haline benzer.

İKİZ OLUŞUMU : Bir metal üzerine uygulanan gerilme, metali deformasyon ikizlenmesine uğrayacak şekilde artırılırsa, ikizlenmenin başlayacağı bir gerilme seviyesine ulaşılır. İkiz plakaları tane içinde ayrı ayrı taneler için çekirdeklenir ve Şekil 4.5a’da gösterildiği gibi bir görünüm veren taneler içinde boydan boya hızla yayılır. İkiz plakalarının düz kenarları, ikizlenme düzlemi, K1 e paraleldir. İkizler yoğun olarak K1 düzlemine paralel yönlerde, daha küçük bir büyümeyle ise K1 düzlemine dik yönlerde büyür ve bu süreç içinde plaka morfolojilerini üretir. İkiz plakalarının başı çeken köşesi çok ince bir noktaya incelir. Böylelikle bu uç bölgesinde ikiz-ana malzeme arayüzeyi her yerde K1 düzlemine paralel olamaz. Bu nedenle bu yörelerde ikiz sınırları, mevcut bir kaç uyumsuzluk (mismatch) dislokasyonuyla kısmen koherent olmalıdır. Genelde ikiz plakalarının ucunun tavlama sonrası karevari olması gözlenir. ikiz-ana matriks arayüzeyi, körelmiş bir son oluşturarak tekrar koherent bir ikiz sınırı olur.

Şekil 4.5. İkizlenmiş plakaların oluşumu (a) tane içinde (b) serbest yüzeyi kesen

İKİZ OLUŞUMU (devamı) : İkiz plakası K1 e dik yönlerde kalınlaştığında -ikiz-matris arayüzeyinde koheranslığın muhafaza edilmesi koşulunda- ana matriste hatırı sayılır bir şekil değişimi gerekir; bu da açık olarak Şekil 4.4’teki kayma gerinmesi diyagramından görülür. Bu konum belki de Şekil 4.5b’de verildiği gibi serbest yüzeyli bir deformasyon ikizinin kesit alanının gözlemlenmesi ile en iyi şekilde gösterilebilir. İkizdeki serbest yüzey, onun orijinal oryantasyonuna bir açıda yığılmış olur ve komşu ana matriks, ikiz-ana matriks koheransının muhafaza edilmesi için şiddetli şekil değiştirir. Gösterildiği gibi yüzeyde şekil değiştirmiş ana matriks bölgesi bir intibak kink’i olarak adlandırılır. Metal sistemlerde hemen hemen daima ana matriksteki şekil değişiminin akma gerilmesinin aşılmasına neden olduğu ve bu yüzden bu bölgelerde bir plastik akmanın oluştuğu bulunmuştur.

İKİZ OLUŞUMU (devamı) : İnce bir kadmiyum metal çubuk büküldüğünde dışarıdan farklı bir çıtırtı sesi işitilecektir. Bu ses kadmiyumda oluşan deformasyon ikizlenmesi ile üretilir. İkiz plakalarının büyüme hızının çok yüksek olması nedeniyle ses dalgaları üretilir. İkiz plakalarının büyüme hızının bu gibi durumlarda ses hızına yaklaştığına inanılır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel : Bu bölümde genellikle martenzitik dönüşümlerde gözlenen ve kristalografiyi anlama açısından çok önemli olan dört deneysel karakteristiği tartışacağız. Çoğu zaman martenzit fazının ana matriks içinde farklı bir plaka morfolojisi ile göründüğü bulunmuştur. Deformasyon ikizlenmesindeki gibi bu plakalar, serbest bir yüzeyle kesiştiğinde şematik olarak Şekil 4.6’da gösterilen karakteristik bir yüzey rölyef tipini üretirler. Bu yüzey rölyefi ani bir şekil değişiminden sonuçlanır. Bu şekil değişiminin etüdünün daha geleneksel bir yolu, dönüşüm öncesi yüzeyin ince çiziklerle bezenmesidir. Dönüşümü takiben bu çiziklerin dikkatlice incelenmesi sonucu martenzitik dönüşümlerde oluşan şekil değişiminin doğası hakkında yoğun bilgi sahibi olunabilir.

Şekil 4.6. Martenzit plakasının oluşumuyla yüzeyde rölyef üretimi

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : Şekil 4.7a genellikle dönüşümü takiben bulunmuş sonucun tipini gösterir. Plaka boyunca ana kafesin bir yer değişimi vardır. Gözlenmeyen iki önemli şey Şekil 4.7’de ayrıca gösterilmiştir. Birincisi, Şekil 4.7b’de gösterildiği gibi martenzit-ana matriks arayüzeyindeki çizikte dönüşüm sonrası bir süreksizlik vardır, ancak bu durum gözlenmemiştir. Bu gözlem 1000x civarındaki büyütme sınırına kadar ışık mikroskobu ile doğrulanır. Makroskobik boyut olarak (atomik boyutlarla kıyasla) adlandıracağımız bu konumda martenzit-ana matriks arayüzeyinin koherent kaldığı sonucunu çıkarırız; böylece ilk önemli karakteristiği elde ederiz: Makroskobik boyutta habit düzlemi bir invariant (değişmez) düzlemdir veya alternatif olarak bir sıfır-distorsiyon ve sıfır-dönme düzlemidir (ikizlenmedeki K1 düzlemi gibi).

Şekil 4.7. Olası iz distorsiyonu (a) görülen sonuçlar (b) arayüzeyde uyum kaybı (c) matrikste elastik distorsiyon

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : İkincisi, Şekil 4.7c’de gösterildiği gibi martenzit plakalarında çiziklerin dönüşüm sonrası lineer olmadığı gözlenmemiştir. Bu durum tüm farklı çizikler ve yüzey oryantasyonları için doğrudur ve martenzit plakasındaki serbest yüzeyin düzlemsel olarak kaldığı anlamına gelir. Bu nedenle dönüşüm, düz hatların düz hatlara dönüşmesine, düzlemlerin de düzlemlere dönüşmesine neden olur. Bu tarz dönüşümler homojen olarak adlandırılır. Bir invaryant habit düzlemli homojen deformasyon üreten şekil değişimi invaryant düzlem gerinmesi olarak adlandırılır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : İkizlenmede oluşan ve Şekil 4.8a’da gösterilen basit kayma, invaryant düzlem şekil değişiminin bir örneğidir. Martenzitik dönüşümler genellikle Şekil 4.8b’de gösterilen invaryant düzlem şekil değiştirmenin daha karmaşık bir türünü içerir; burada ötelenme invariant düzleme hafif bir açıdadır. Bu nedenle martenzitik dönüşümler, basit bir kaymanın yanında habit düzlemine normal doğrultuda bir tek eksenli çekme veya basma içerir. Değişik martenzitler için bu şekil değişimi komponentlerinin örnekleri Tablo 4.2’de verilmiştir. İkinci önemli karakteristik bu doğrultuda saptanır: Bir makroskobik boyutta, martenzitte şekil değişimi bir invaryant düzlem şekil değişimidir.

Şekil 4.8. (a) ikizlenmede basit kayma gerinmesi (b) Martenzitin invaryant düzlem gerinmesi

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : Alışkanlık doğrultusunda martenzitin habit düzlemi, -martenzit plakasının fiziksel düzlemine paralel olan- ana fazın {hkl} düzlemleri olarak verilir. Bu niceliği ölçmek için yapı içinde oluşan martenzit plakalarına göre ana fazın kristalografik oryantasyonunun bilinmesi gerekir. Yüksek karbonlu çeliklerde martenzitik dönüşüm genellikle oda sıcaklığında tamamlanmaz, böylelikle artık (kalıntı) östenit bulunur. Bu nedenle artık östenitin kristalografik oryantasyonu oda sıcaklığı X ışın teknikleri ile ölçülür ve bundan sonra artık östenite göre plakaların oryantasyonu, östenitin iki yüzeyindeki plakaların izinin birbirine yaklaşık 90º de incelenmesi ile ölçülür. Kapsamlı deneysel bulgular, martenzitik dönüşümlerin kristalografisi ile ilgili üçüncü önemli eksperimental karakteristiği saptar: Martenzit habit düzlemi irrasyoneldir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : Bu bölümde son nokta martenzit fazının altyapısı ile ilgilidir. Metallerde iki farklı martenzit morfolojisi gözlenir. Bu konuda işlediğimiz plaka morfolojisinin yanısıra bir lata morfolojisi de gözlenebilir. Lata tipi martenzit bitişik paralel lataların bir dizini olarak düşünülebilir. Bir optik mikroskopta gözlendiğinde martenzit plakaları genellikle homojen görünür; bu da her bir plakanın bir tek kristal olduğu fikrini verir. Bununla birlikte elektron mikroskobu ile inceleme, plaka morfolojisinin çok ince bir altyapıya sahip olduğu gösterir. Plakaların şematik olarak Şekil 4.9a’da gösterildiği gibi çok ince ikizlerin yığınlarından oluşmuş olduğu gözlenir. Çelik martenzitinde bu ikiz aramesafeleri 15-200 Å derecesindedir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : Genellikle lata tipi martenzitin ikiz içermediği, ancak dislokasyon yoğunluğunun çok yüksek olduğu bulunmuştur. Bu yüksek dislokasyon yoğunluğunun geniş ölçüde paralel bölgelerin yığınlarına bağlıdır, Şekil 4.9b; bu bölgeler birbirlerine karşılıklı olarak kayar ve kafes invaryant kayması üretirler. Bu nedenle son önemli kristalografik karakteristik aşağıdaki gibidir: Mikroskobik boyutta martenzit plakalarının çok ince ikizlerin yığını olduğu gözlenir ve martenzit lataları genellikle çok yüksek bir dislokasyon yoğunluğuna sahiptir.

Şekil 4.9. Martenzit plakalarının altyapısı (a) ikizlenme içeren (b) kayma içeren PLAKA LATA

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Deneysel (devamı) : Tablo 4.3’de bu hususla ilgili olarak çeşitli demir bazlı alaşımlara ait veriler gösterilmiştir. Martenzit altyapısının tipinin alaşım kompozisyonuna bağlı olduğu görülebilir. Şekil 4.9a’da gösterildiği gibi ikizlenmiş bir altyapının mevcudiyeti, -yukarıdaki (1) nolu hususta ifade edildiği gibi- habit düzleminin sadece makroskobik boyutta bir invariant düzlem olduğunu ve ayrıca -yukarıdaki (2) nolu hususta ifade edildiği gibi- şekil gerinmesinin sadece makroskobik boyutta homojen olduğunu açıkça gösterir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori : Bir örnek olarak yüksek-karbon Fe-C martenziti kullanarak martenzit kristalografisinin teoriksel işlemlerini tartışacağız. Klasik bir makalede (1924 de yayınlanmış) E.C. Bain bir şema hazırlayarak bir YMK birim hücrenin bir HMT birim hücreye dönüşmesini göstermiştir. Şekil 4.10 bir ortak (010) yüzeyinde birbirlerine dokunan iki YMK birim hücreyi gösterir. Bu (010) yüzeyinin merkezindeki atom, Şekil 4.10 de gösterildiği gibi aynı zamanda bir tetragonal birim hücrenin de merkezindedir. Bu tetragonal birim hücre Şekil 4.11’de tekrar çizilmiştir; burada c/a oranının √2 olan hacım merkezli bir tetragonal birim hücrenin oluştuğu görülebilir. Eğer bu birim hücre (x3)M yönünde %18 kısalırsa ve (x1)M ile (x2)M yönlerinde %12 genişlerse Fe-C alaşımlarının HMT martenziti için doğru birim hücre elde edilir. Bu kombine uzama ve kısalma sıklıkla Bain distorsiyonu olarak adlandırılır.

Şekil 4.10. Bain ilişkisi

Şekil 4.11. Bain distorsiyonu

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori (devamı): Bain in bu teklifinde ana kafesin belirli bir yapısal biriminin martenzit kafesinin birim hücresi olmasını gerektirir. Bu iki spesifik kafes arasındaki bağıntı sıklıkla kafes tekabülü veya bazen Bain tekabülü olarak adlandırılır. Ana matriste veri bir yön, [xyz]g martenzitik matrikste spesifik bir yöne, [x’y’z’]m tekabül edecektir. Örneğin Şekil 4.10 ve 4.11’den açık olarak görülebileceği gibi Bain tekabülü aşağıdaki ilişkileri gerektirecektir. [100]m tekabül → [110]g [010]m tekabül → [110]g [001]m tekabül → [001]g Benzer olarak ana matriste veri bir düzlem, (hkl)g martenzitik matrikste spesifik bir düzleme, (h’k’l’)m tekabül edecektir; örneğin Şekil 4.10 ve 4.11’den aşağıdaki ilişki yazılabilir: (112)m tekabül → (101)g

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori (devamı): Eğer Bain tekabülü direkt olarak Fe-C martenzit dönüşümüne uygulanırsa bir yolla sıfır distorsiyonlu bir düzlem üretilmesi gerekli olduğunu anlarız. Martenzitik dönüşümlerle ilgili teoriler 1953 de Wechsler, Lieberman ve Reed ile 1954 de Bowles ve Mackenzie tarafından sunulmuştur. Gerçekte eşdeğer olan bu teoriler dönüşümdeki atom hareketlerini açıklamaz. Daha doğrusu bunlar dönüşümün başlangıç ve sonuç kristalografik durumlarını tarif eden analitik işlemlerdir. Bu anlamda ilgili teoriler termodinamikle benzerdir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori (devamı): Teorinin matematiksel işlemleri üç ana işleme bölünebilir ; Yeni kafesi üretmek için bir kafes (Bain) distorsiyonuna müsade etmek Sıfır distorsiyonlu bir düzlem elde etmek için bir uygun kafes-invariant kayma üretmek Sıfır distorsiyonlu düzlem kendi orijinal konumuna gelebilmesi için martenzit matrisi döndürmek Birinci adım, martenzit fazının gerekli kafes yapısını üretir. İkinci adım sıfır bozunumlu düzlem eldesi için bir prensip gerinmesinin sıfır olmasını sağlar. Bununla birlikte burada devreye giren ilave kayma, 1. adım ile üretilen yeni kafes yapısını değiştirmek mecburiyetinde değildir. Bu yüzden bu kaymanın bir kafes-invaryant kayma olması mecburidir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori (devamı): Kafes-invaryant kaymanın nasıl elde edildiğini göstermek için Şekil 4.12a’da verilen rombus (eşkenar dörtgen) şekilli kristal göz önüne alınır. Kristal yapısını değiştirmeksizin kayma deformasyonu ile bu eşkenar dörtgeni baştan başa bir dikdörtgen şekline iki yolla düzeltebiliriz ; Bu değişim, paralel düzlemler boyunca kayma (slip) ile (Şekil 4.12b) ve ikiz yığınlarının üretimi ile (Şekil 4.12c) başarılır. Bu kafes-invaryant kaymaların şematik olarak Şekil 4.9’da gösterildiği gibi martenzit plakaların içinde mevcut olduğu düşünülebilir. Bu nedenle ilgili teori, martenzit fazının ikiz yığınlarından oluşan bir iç altyapıya sahip olmasını veya paralel düzlemler boyunca şiddetlice kaymış olmasını gerektirir.

Şekil 4.12. Kafes-invaryant kaymaları

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN KRİSTALOGRAFİSİ – Teori (devamı): Teori için data girişi, (a) ana fazın ve martenzit fazının yapısından ve kafes parametrelerinden, (b) kafes tekabülünden (c) kafes-invariant kaymadan oluşur. Bu verilerden teoriler, (a) habit düzlemini, (b) şekil gerinmesini (c) ana matriks ve martenzit fazı arasında kristalografik oryantasyon bağıntısını ön tahmin edebilir. Deney ve teori arasındaki uyuşma, düşük şekil gerinmeleri içeren martenzitler, örneğin Au-Cd, In-Tl ve ayrıca demir-bazlı alaşımlardaki (3 10 15) martenzitleri için çok iyidir. Sonuç olarak kristalografik teorilerin martenzitik dönüşümleri oldukça iyi tanımladığı görülür.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Ortaklaşa Hareket : Martenzitik reaksiyonların ana karakteristiklerinden biri, yapı dönüşümünün bütün atomların ortaklaşa hareketleri ile üretilerek sonuçlanmasıdır. Deformasyon ikizlenmesindeki gibi her bir atom kendi komşusuna göre aynı vektör ile hareket eder. Bu ortaklaşa atom hareketinden dolayı martenzitik dönüşümler bazen askeri dönüşümler olarak da adlandırılır. Buna karşıt olarak dönüşüm arayüzeyinde atomların rastgele atladığı diğer dönüşümler, sivil dönüşümler olarak adlandırılır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Arayüzey Hızı : Martenzitik dönüşümlerin bir diğer ayırd edici karakteristiği arayüzey hareketindeki hızdır. Martenzit plakaları genellikle çekirdeklendikten sonra yaklaşık 0.0001 saniyeden daha az bir süre içinde kendi sınır boyutlarına büyürler. Lineer büyüme hızı Fe-Ni-C martenzitlerde, –20ºC ile 200ºC sıcaklık aralığındaki bütün sıcaklıklarda yaklaşık 105 cm/s olarak ölçülmüştür. Deformasyon ikizlenmesinde olduğu gibi martenzit plakalarının oluşumu, duyulabilir bir tıkırdı eşliğinde gerçekleşir. Bir plaka oluştuğunda metalde hızla mekanik bir karışıklık üretir. Bu karışıklık metal yüzeyine doğru ilerleyen bir akustik dalga yayar ve sonunda gözlemcinin kulağında bir hissedilir klik sesi üretir. Yalın karbonlu çeliklerde martenzit üretmek için gerekli hızlı su verme ile ilişkili sesten dolayı dönüşümdeki ses duyulamaz. Buna karşın Au-Cd dönüşümünde (ki burada dengeli martenzit fazı üretmek için sadece yavaş soğuma yeterli olur) bu ses duyulabilir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Yayınma (Difuzyon) İçermeyen Karakteri: Kooperatif atom hareketi ve çok hızlı büyüme hızları martenzitik dönüşümlerin bir üçüncü karakteristiğini üretir. Martenzit fazının kompozisyonu ana fazınki ile benzerdir. Örneğin % 0.77 C’lu bir ötektoid çelik yavaşça soğutulursa, % 0.022 C’lu kompozisyona sahip ferrit ve % 6.7 C’lu kompozisyona sahip sementit şeklinde iki fazdan oluşmasını bekleriz. Üretilen bu fazlar, kendi kompozisyonlarını bir difuzyon prosesi ile ana fazınkinden değiştirir. Eğer ötektoid çeliğe martenzit oluşturması için hızlı su verilirse, martenzit fazı % 0.77 C’lu ana faz ile aynı kompozisyona sahip olacaktır. Bu nedenle difuzyon gerekli değildir ve sonuç olarak martenzitik dönüşümlerden bazen difuzyonsuz dönüşümler olarak söz edilir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji : Demir bazlı alaşımlarda (çeliklerde) martenzit fazı genellikle iki farklı morfolojiden birini gösterir. Bu morfoloji (şekil) ler lata martenzit ve plaka martenzit olarak adlandırılır. Bu iki morfolojinin kabullenilmesi yıllar boyunca adım adım gerçekleştiği için bu martenzitler için kullanılan farklı isimler de vardır. En popüler alternatif isimlerin bir listesi Tablo 4.4’te verilmiştir. Birkaç yüksek alaşımlı çelikte bir üçüncü morfoloji olarak levha martenzit gözlenir. Fe-C alaşımları % 0.6 C’nın altında öncelikle lata martenziti, % 0.6 C’nın üstünde plaka martenziti oluşturur.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Bir optik mikroskopta, 500-1000x gibi yüksek büyütmelerde lata mikroyapısı incelendiğinde, optik mikroskopta ayırdedilemiyen çok ince ve tüyvari bir yapı görülür (Şekil 4.13a). Şekil 4.13’de açıkça tanımlanmış en küçük yapı birimleri paketler (veya bloklar) olarak adlandırılır. Bu paketler sıklıkla bitişik paralel şeritler (resmin sağ tarafı) olarak görünür, fakat bunlar aynı zamanda daha blokvari bir görünüme sahip olabilir (resmin sol tarafı). TEM paketlerin bir altyapıya sahip olduğunu ortaya çıkarır. Her bir paket, birbirlerine oranla küçük bir oryantasyon farkına sahip paralel plakavari alttanelerden oluşur. Paket içindeki bu ince paralel alttaneler bu yüzden lata şekline sahiptir ve bu nedenle lata martenzit olarak isimlendirilir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Her bir lata genellikle kendi içinde aşırı yüksek bir miktarda dislokasyon yoğunluğuna sahiptir; bu da yaklaşık cm2 de 0.5x1012 seviyesindedir. Çok az durumda ise latalar, plaka martenzitin karakteristiğinde ince ikizlenmiş bir mikroyapı gösterir. Yalın karbonlu çeliklerde plaka martenzit ile lata martenziti ayırmanın iki diğer önemli yol vardır. Birincisi lata martenzitin habit düzlemi {111} e yakındır, plaka martenzitin habit düzlemi ise ya {225} yada {259} dur. İkinci olarak, lata martenzitin kristal yapısı HMK iken plaka martenzitinki HMT dır.

Şekil 4.13. (a) Su verilmiş Fe – % 0,09 C lu çelikte lata martenzit (b) Fe – % 22,5 Ni – % 0,4 C alaşımında plaka martenzit

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Her bir lata genellikle kendi içinde aşırı yüksek bir miktarda dislokasyon yoğunluğuna sahiptir; bu da yaklaşık cm2 de 0.5x1012 seviyesindedir. Çok az durumda ise latalar, plaka martenzitin karakteristiğinde ince ikizlenmiş bir mikroyapı gösterir. Yalın karbonlu çeliklerde plaka martenzit ile lata martenziti ayırmanın iki diğer önemli yol vardır. Birincisi lata martenzitin habit düzlemi {111} e yakındır, plaka martenzitin habit düzlemi ise ya {225} yada {259} dur. İkinci olarak, lata martenzitin kristal yapısı HMK iken plaka martenzitinki HMT dır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Plaka martenzitin morfolojisi Şekil 4.13b’de gösterildiği gibi genellikle çok belirgindir. Ayrı ayrı plakalar yukarıda tarif edilen lata gibi birbirine bitişik paralel yığınlar olarak yerleşmemişlerdir; fakat genellikle birbirlerine gayet farklı açılardadırlar. Daha uzun plakalar daha geniştir. Yapı dağlandıktan sonra plakanın merkezinde doğru olarak uzanan bir ince hat da genellikle gözlenebilir. Bu oluşum omurga olarak isimlendirilir. Omurganın oluşacak plakanın ilk kısmı olduğu kanıtlanmıştır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Çelikte martenzitin bu iki tipinin oluşumu gayet farklıdır ; Lata martenzitin oluşumu bitişik paralel lataların büyümesi ile karakterize edilir. Lataların bir grubu bazen aniden kooperatif bir şekilde bir dizin olarak büyür ve bazen de başarılı bir çekirdekleşme sonucu ilk oluşmuş lataya paralel bir şekilde büyür. Plaka martenzitte ilk oluşan plakalar tüm östenit tanesini keserek büyür. İlave plakalar bundan sonra östenitte çekirdekleşme ve büyüme ile ilk oluşmuş plakalar ve tane sınırları arasında oluşur. Martenzit plakalarının oluşumu ile östenit giderek bölündüğü için östenitik bölgeler küçülür ve bu nedenle sonradan oluşan plakalar küçük olur. Böylece plaka martenzitte oldukça büyük boyut dağılımlı paralel olmayan plakalar var iken lata martenzitlerde yoğun olarak paralel lata oluşumu vardır; burada paket içindeki lata boyutları oldukça homojendir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Levha martenzit bazı yüksek alaşımlı çeliklerde görülür ve paralel levhalardan oluşur. Bu faz daima SPH dir ve {111} östenit düzlemlerine paralel oluşmuştur. Bu levhalar o kadar incedir ki geçirimli elektron mikroskobunda bile küçük veya hiç altyapı görüntülenemez.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Morfoloji (devamı) : Birçok demir dışı metallerin alaşımlarındaki martenzitlerin morfolojileri Fe-C alaşımlardaki plaka martenzitine gayet benzerdir. Bununla birlikte örneğin In-Tl, Mn-Cu gibi birkaç demir dışı metallerin alaşımlarındaki martenzitler paralel bandlar şeklinde görünür. Bandlar paralel ikizlenmiş bölgelerden oluşan bir altyapıya sahiptir ve hem bandlar, hem de ikizler optik mikroskopta ayırd edilebilecek kadar büyüktür. Bandlanmış martenzit Fe-C alaşımlarının lata martenzitine benzer görünümdedir; ancak boyutu lata martenzite göre çok daha kabadır ve bandlanmış martenzit bir dislokasyon altyapısından daha ziyade bir ikizlenmiş altyapıya sahiptir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Arayüzey Yapısı : Deformasyon ikizlenmesi durumunda, ikiz sınırları arayüzeyi (K1 düzlemi), ana kristal ve ikiz kristali arasında tam bir koherans düzlemidir. Martenzit-ana faz arayüzeyi sadece makroskobik boyutta koherent olduğu gösterilmişti. Martenzit plakalarının ikizlenmiş ve kaymış doğasından dolayı, martenzit-ana faz ara yüzeyinin tam koherent olmayacağı açıktır ve yarı koherent bir sınır olarak daha uygun şekilde tarif edilmiştir. Arayüzeyde gerekli kaymayı yerleştirmek için bir tür arayüzey dislokasyon yapısı genellikle kabul edilir. Şekil 4.14 bir kaymış martenzit ve bir ikizlenmiş martenzit için arayüzey yapısının şematik modellerini gösterir.

Şekil 4.14. Martenzit–östenit arayüzey yapısının şematik modeli

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Arayüzey Yapısı (devamı) : Şekil 4.14a’da kafes invaryant kayma, paralel vida dislokasyonunun bir dizini ile üretilirken, Şekil 4.14b’de bu kayma, değişken ikizlenme ile üretilir. Şekil 4.14a’daki arayüzey, arayüzey dislokasyonlarının paralel dizini ile tanımlanmış düzlemde bulunur. Her iki resimde OZ ve O’Z’ doğruları, arayüzeyin her iki kenarındaki makroskopik vektörlerdir; bunlar arayüzeyin makroskopik koheransını gösterirler. Ancak OA ve O’A’ vektörleri arayüzeyin her iki kenarındaki kafes vektörleridir ve bunlar arayüzeyde yerleşmesi gereken kafes invaryant kaymayı gösterir. Arayüzeyin detaylı ince yapısı ne olursa olsun, aşırı yüksek hızlarda hareket edebilme yeteneğine sahip olma gerekliliği açıktır. Arayüzey dislokasyon dizinleri prensipte bu yeteneğe sahiptir ve genellikle martenzit şekil değişimi, arayüzey dislokasyon dizinlerinin kooperatif kayması ile başarılır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği Bir östenit fazını soğutarak martenzit oluşumunun başlama sıcaklığı, martenzit start sıcaklığı olarak isimlendirilir ve Ms sembolü ile verilir. Yalın karbonlu çelikler ile düşük alaşımlı çeliklerde oluşan martenzit miktarı, Şekil 4.15a’da gösterildiği gibi Ms sıcaklığının ne kadar aşağısına soğutulduğunun bir fonksiyonudur. Sonuç olarak tüm östenitin martenzite dönüştüğü veya dönüşümün durduğu bir sıcaklığa ulaşılır ve bu sıcaklık martenzit finiş sıcaklığı, Mf olarak adlandırılır (Şekil 4.15a’nın üstündeki sıcaklık TE, östenit ve martenzit fazları arasındaki termodinamik denge sıcaklığını gösterir).

Şekil 4.15. (a) Sıcaklığın fonksiyonu olarak martenzit hacim miktarı (b) İki çelikte kompozisyon ile Ms sıcaklığının değişimi

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Ms sıcaklığı, çeliklerin ısıl işleminde göz önüne alınması gereken önemli bir sıcaklıktır. Deneyler, neredeyse tüm kimyasal elementlerin çeliğe katkısında, ilgili elementin östenitte çözünmesi durumunda Ms sıcaklığını düşüreceğini göstermiştir; ayrıca arayer elementleri Ms sıcaklığını düşürmede çok daha etkilidirler. Bu durum düşük alaşımlı çelikler için Steven ve Haynes’in ampirik denklemi ile gösterilir: Ms(ºC)=561 - 474 C - 33 Mn - 17 Ni - 17 Cr - 21 Mo Burada C, Mn, Ni, Cr ve Mo kütle-% miktardır. Bu formül kaba bir yaklaşım olarak kabullenmelidir, çünkü Ms’ın tane boyutu ile -küçük de olsa- bir ilişkisi bulunmaktadır. Şekil 4.15b öngörülen Ms ile kompozisyon ilişkisini yalın karbonlu bir çelik ve Fe-%0.4C-Ni çelikleri için göstermektedir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Deneyler Ms sıcaklığının 50.000 oC/s kadar yüksek soğuma oranlarında ±20 oC içinde sabit olduğunu göstermiştir; ve önceden bahsedildiği gibi martenzit plakaları (veya lataları) mikrosaniyelik bir süreçte oluşur. Bundan dolayı martenzit hacımsal miktarının zaman ile değiştiği -Şekil 4.16a’da düşük alaşımlı çelikler için gösterildiği gibi- bulunmuştur.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Dönüşüm milisaniye içinde bitirilir ve sürekli bir izotermal (eşısıl) tutma daha fazla martenzit üretmeyecektir. İlave martenzit sadece daha düşük bir sıcaklığa su verme ile elde edilebilir (Şekil 4.15a). Ancak dönüşüm tekrar görünürde bir anda oluşur ve bundan sonra sıcaklık tekrar düşürülüne kadar durdurulmuş olur. Tabii ki sıcaklık Mf sıcaklığına ulaştığında dönüşecek östenit kalmayacağından dönüşüm tamamlanmış olur. Bu tip reaksiyon ile üretilen martenzitler atermal (ısıl olmayan) martenzit olarak adlandırılır.

Şekil 4.16. Martenzit oluşumunun zaman ilişkisi (a) atermal martenzitte (b) izotermal martenzitte

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Atermal martenzit terimi bir parça karışıktır, çünkü martenzitin hacımsal miktarı kesinlikle sıcaklığa bağımlıdır. Burada tamamen atermal (sıcaklıktan bağımsız) olan nicelik, arayüzey hareketinin hızıdır. Arayüzey hızının -oluşum sıcaklığından bağımsız olarak- alaşımda ses hızının üçte biri seviyesinde olduğu tahmin edilmektedir. Fe-Ni alaşımlarında plaka martenzitlerin büyüme hızı, -20 oC den -195 oC ye kadar olan sıcaklık aralığında yaklaşık 2x105 cm/s olarak ölçülmüştür. Arayüzeyler bölümünde bir arayüzey hızının, bir mobilite çarpı bir itici kuvvet olarak açıklanabildiği gösterilmiştir. Mobilite, bir difuzyon katsayısına orantılı olduğu için hızın ağırlıklı sıcaklık bağıntısı, mobiliteden e-Q/RT terimidir; burada Q, arayüzey ilerlemesi için gerekli olan atomların difusiv hareketinin aktivasyon enerjisidir. Bu nedenle athermal martenzit için büyüme hızı sıcaklıktan bağımsız olduğu için, büyüme mekanizması için aktivasyon enerjisinin gerçekte sıfır olması gerektiği açıktır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Tüm martenzitik dönüşümler Şekil 4.15 ve 4.16a’da tarif edilen athermal kinetiğe uymaz. Bazı alaşımların (özellikle Fe-Ni-Mn alaşımları) -şematik olarak Şekil 4.16b’de şematik olarak gösterildiği gibi- Avrami denklemine benzer bir kinetik denkleme uyduğu bulunmuştur. Eğer Ms sıcaklığının altına su verilir ve o sıcaklıkta tutulursa, martenzit fazı zaman geçtikçe ortaya çıkmaya başlar. Athermal martenzitlerle karşılaştırmada sürekli bir izotermal tutma ilave martenzit oluşumu üretir. Martenzitin bu tipi izotermal (eşısıl) martenzit olarak adlandırılır. Bu tip martenzitin kinetiği, önceden gösterilen T-T-T diyagramlarına benzer tipik C eğrileri gösterir. Şekil 4.16b’de gösterildiği gibi C eğrisinin burun sıcaklığına su verme, maksimum dönüşüm hızını üretecektir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) İzotermal martenzitlerin hacımsal dönüşüm hızının athermal martenzitlerden daha yavaş olmasına rağmen izotermal martenzitlerdeki arayüzey hareketinin hızının gerçekte athermal martenzitlerdeki kadar yüksek olduğu bulunmuştur. Ayrıca, izotermal martenzitlerde genellikle bir plaka saniyenin çok küçük bir miktarında oluşup östenit tane içine sınırlı bir boyuta büyüdüğünde bu plakanın daha fazla büyümediği gözlenir. Bu yüzden izotermal martenzitlerde dönüşüm sıcaklığında tutma sonucu oluşan sürekli dönüşümün, yeni martenzit plakalarının çekirdeklenmesinden ileri gelmesi gerekir. Dönüşen hacımsal miktarın hızındaki başlangıçta görülen artışın çekirdeklenme hızındaki bir artıştan kaynaklandığına inanılır.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) İzotermal martenzitte çekirdeklenme hızındaki bu artışın bir otokatalitik etki nedenli olduğu düşünülür; otokatalitik etkide bir plaka büyüyerek diğer plakaya çarptığında daha fazla plaka çekirdeğinin üretilmesini sağlayan koşullar doğar. Çekirdeklenme hızındaki nihai azalmanın şu gerçekten sonuçlandığı düşünülür: martenzit plakalarının östeniti giderek küçülen parçalara bölmesi sonucu bu bölgelerde oluşan çekirdeklenme olayının olasılığı azalır. Bu nedenle atermal ve izotermal martenzitlerin kinetiğinde ana farklılığın kendi çekirdeklenme karakteristikleri ile ilişkili olmalıdır. İzotermal martenzitlerde mevcut çekirdek sayısı sıcaklığın ve zamanın bir fonksiyonu iken atermal martenzitlerde mevcut çekirdek sayısı yalnızca sıcaklığın bir fonksiyonudur (zamanın değil).

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Birçok Fe-Ni ve Fe-Ni-C alaşımlarında yukarıda tartışılan atermal veya izotermal martenzitlerden oldukça farklı bir dönüşüm modu devreye girer. Martenzit start sıcaklığında östenitin yoğun bir miktarı -Şekil 4.17’de iki Fe-Ni-C alaşımı için gösterildiği gibi- mili saniyeler içinde martenzite dönüşür. Bundan dolayı bu martenzitlerden burst (patlamış) martenzitler olarak söz edilir. Şekil 4.13b’de gösterildiği gibi bu martenzitlerde plaka yapısı için zig-zag şeklindeki görünüm olağandır.

Şekil 4.17. “Patlamış martenzit” için dönüşüm eğrileri

Şekil 4.13. (a) Su verilmiş Fe – % 0,09 C lu çelikte lata martenzit (b) Fe – % 22,5 Ni – % 0,4 C alaşımında plaka martenzit

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN BAZI KARAKTERİSTİKLERİ – Oluşum Kinetiği (devamı) Bir otokatalitik çekirdeklenme, Ms sıcaklığındaki martenzit oluşumunun geniş bir patlamasını üretmek için meydana gelir. Herbir plaka, diğer plaka veya bir tane sınırına çarpma ile boyutta sınırlanır. Bu çarpmada yöresel koşullar diğer plakanın çekirdekleşmesini doğurur, böylece zig-zag paternler üreten bir kooperatif çekirdeklenmenin oluşumunu ve çok büyük bir hacımsal dönüşümü meydana getirir. Bu patlamış martenzitlerin sadece Ms sıcaklığının 0 ºC nin altında olduğu konumda oluştuğu ve Ms sıcaklığının başlangıç östenit tane boyutunun bir fonksiyonu olduğu bulunmuştur.

TERMODİNAMİK Martenzit fazı, daha düşük bir serbest enerjiye sahip olması sonucu oluşur. Östenit ve martenzit fazlarının serbest enerjilerinin sıcaklık bağıntısı, Şekil 4.18’de gösterilen şekle sahip olmalıdır. İki fazın termodinamik dengede olduğu belirli bir sıcaklığın olması gerekir ve bu TE ile gösterilir. Martenzit start sıcaklığı, Ms, TE den belirgin derecede daha düşüktür. Martenzit oluşumuna kuvvetli bir çekirdeklenme engeli vardır ve bu yüzden - martenzit fazının oluşumu için yeterli serbest enerjiden önce- önemli bir miktar aşırı soğuma oluşmalıdır. Ms sıcaklığında martenzit oluşumu için gerekli serbest enerji aşağıdaki gibi tahmin edilebilir: ΔGg-M(start) = ΔSƒ[TE - Ms]

Şekil 4.18. Östenit ve martenzit için sıcaklığın bir fonksiyonu olarak için serbest enerji eğrileri

TERMODİNAMİK (devamı) Martenzitik dönüşümlerin termodinamiği ile ilgili bir ikinci enteresan husus da dönüşümün difuzyon içermeyen karakteristiği ile ilgilidir. Bir örnek olarak bir YMK östenitin bir HMK martenzite dönüştüğü lata martenzitleri göz önüne alalım. YMK ve HMK fazları arasında faz denge diyagramı Şekil 4.19(a)’da gösterilmiştir. T1 ve T2 sıcaklıklarındaki serbest enerji-kompozisyon diyagramı faz diyagramının altında gösterilmiştir (Şekil 4.19 (b) ve (c)).

Şekil 4.19. Difuzyonsuz dönüşümler için G’yi gösteren iki sıcaklıktaki serbest enerji kompozisyon eğrileri (a) YMK ve HMK fazları arasındaki faz denge diyagramı (b) T1 sıcaklığında serbest enerji-kompozisyon diyagramı (c) T2 sıcaklığında serbest Enerji-kompozisyon diyagramı

TERMODİNAMİK (devamı) Östenit fazının T1 sıcaklığına su verildiğini farz edelim; g dan a ya difuzyonsuz bir dönüşüm üretmek için a fazının ana g fazı gibi aynı kompozisyonla oluşması gerekir. Şekil 4.19’da gösterildiği gibi ΔGg-a (difuzyonsuz) T1 sıcaklığında bir pozitif niceliktir. T2 sıcaklığında (Şekil 4.23c) benzer muhakeme ile bu sıcaklıkta ΔGg-a (difuzyonsuz) değerinin negatif bir sayı olduğu ve reaksiyonun ilerleyebilir olduğu görülür. ΔGg-a (difuzyonsuz) un sıfır olduğu sıcaklık, YMK g fazından HMK a fazına martenzitik dönüşüm için denge sıcaklığı, TE nı tanımlar. T1 ile T2 arasında çeşitli sıcaklıklarda serbest enerji-kompozisyon diyagramlarının çizimi ile ΔGg-a (difuzyonsuz), Co kompozisyonunda A1 ve A3 çizgilerinin arasında kabaca orta yolda olması gereken bir sıcaklıkta sıfıra gider. Bu nedenle martenzitik dönüşüm için denge sıcaklığı TE, Şekil 4.19a’da gösterildiği gibi kabaca A1 ve A3 arasındadır.

TERMOELASTİK MARTENZİTLER Termoelastik karakteristik gösteren birkaç demir dışı alaşım martenziti bulunmaktadır. Tartışma amaçlı olarak martenzitleri -kayma komponentlerinin büyüklüğüne bağlı olarak- A ve B olarak iki gruba ayırırız: A: Büyük kayma komponenti, örneğin, Fe-C (g = 0.19), Fe-30Ni (g = 0.20) B: Küçük kayma komponenti, örneğin, Au-Cd (g = 0.05), In-Tl (g = 0.02) Daha önceden bahsedildiği gibi bir dizi martenzit, ısıtma sonucu tekrar östenite geri dönüştürülebilir. Fe-30Ni (A tipi) ve Au-Cd (B tipi) gibi bu tür iki martenzitin dönüşüm eğrileri Şekil 4.20’de gösterilmiştir.

Şekil 4.20. A tipi martenzit (Fe-Ni) ve B tipi martenzit (Au-Cd) için dönüşüm eğrilerinde gösterilen histeresisler

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) Isıtma ile yüksek sıcaklık fazına martenzitik geri dönüşüm belli bir sıcaklıkta başlar; bu sıcaklık, östenit start sıcaklığı, As olarak adlandırılır. As sıcaklığı, Ms sıcaklığının daima oldukça üzerindedir ve dönüşüm eğrileri Şekil 4.20’de gösterildiği gibi kuvvetli bir histeresis gösterir. Gösterildiği gibi, histeresisin A tipi martenzitlerde çok daha geniş olduğu bulunmuştur. Histeresis eğrisinin aralığının (yani genişliğinin) Au-Cd için sadece 16 oC olmasına rağmen Fe-Ni için 420 oC olduğu saptanmıştır.

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) Ms ve As sıcaklıklarının her ikisi de Şekil 4.20’de görülmektedir. Östenit oluşum reaksiyonu martenzit oluşum reaksiyonunun tersi olduğu için denge sıcaklığı, Ms ve As arasında ortada bir yerdedir. Histeresis genişliğinden TE tahmin edilebilir. Martenzit reaksiyonun başlaması için gerekli serbest enerjinin, GgM (start) = ST/2] şeklinde tahmin edilebildiği açıktır; burada T (=As-Ms) histeresis aralığının sıcaklık genişliğidir. Bu nedenle, A-tipi martenziti başlatmak için daha büyük bir serbest enerjinin gerekli olduğu görülebilir. Bu sonuç bu tür martenzitlerin oluşumu için daha büyük kayma gerekliliği gerçeğinin bir sonucudur.

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) A-tipi ve B tipi martenzitlerin oluşum modunda önemli bir farklılık görülür. Her iki durumda da sıcaklığın Ms’ın aşağısına düşürülmesiyle plakalar oluşarak sınırlı bir boyuta büyür. Sıcaklığın daha da düşürülmesiyle B tipi martenzitlerde ilave dönüşüm, hem yeni plakaların çekirdeklenmesi hem de eski plakaların büyümesi ile oluşur. Bununla birlikte A-tipi martenzitlerde ilave dönüşüm sadece yeni plakaların çekirdeklenmesi ile oluşur. Eski plakalar bir kere oluştuğunda daha düşük sıcaklıklarda dahi büyümeyecektir. B tipi martenzitlerde eski plakaların sürekli büyümesi, kesik kesik bir hareketle oluşur. Bu plakaların büyüme hızı, martenzitik dönüşümler için karakteristik çok yüksek değerlerde kalır, ancak büyüme, sıcaklığın düşürülmesiyle daha fazla serbest enerji mevcut olduğundan kısa mesafelerde oluşur.

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) Şekil 4.21 bir martenzit plakası gösterir; mercekvari plaka aynı r radyuslu bir küre ile çevrelenmiştir. Şekil değişimi çeşitli paralel çizgilerin kırılmasıyla ile gösterilmiştir. Plakayı çevreleyen küresel bölge içinde yoğun bir şekil değişiminin östenit fazı içine doğru başladığı açıktır. Östenit bölgesindeki birim hacımdaki şekil değişimi, Es yaklaşık olarak aşağıdaki gibi verilir: Burada G: östenitin kayma modülü, C: plaka kalınlığı ve : Şekil 4.21’de tanımlanan kayma açısıdır.

Şekil 4.21. Mercek biçimindeki martenzit plakası çevresinde gerinme

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) Plaka kalınlaştıkça (C büyüdükçe) çevresel östenit kafesinde ilave şekil değişiminin başlaması gerektiği açıktır. Sonuç olarak artan bu şekil değişimi östenitte akma gerilmesinin aşılmasına neden olur. Yeterli plastik akma oluştuğunda östenit ve martenzit arasındaki özel arayüzey düzeni tahrip olur ve büyüme durur. İlave büyüme aşırı zorlaşacaktır ve sistem için yeni plakaların çekirdeklenmesi, eski plakaların büyümesine müsade etmekten daha kolaydır. A-tipi martenzitlerde kayma şekil değişimi ve aşırı soğuma, TE-Ms büyüktür, böylece sürekli büyüme mekanizmasının sonunun devreye girdiği düşünülür.

TERMOELASTİK MARTENZİTLER (devamı) Bununla birlikte B-tipi martenzitlerde daha küçük kayma ve daha küçük aşırı soğuma vardır. Bu durumlarda, reaksiyonu sürdürmek için mevcut serbest enerji, GgM östenit fazında üretilen şekil değişimi enerjisi ile dengelendirildiğinde büyüme durur. Plastik akma oluşmaz ve elastik şekil değişimi enerjisi ile martenzit fazının daha düşük serbest enerji durumu sonucu kullanılabilecek serbest enerji arasında bir dengeye ulaşılır. Bu nedenle bu martenzit termoelastik olarak adlandırılır ve B tipi martenzitler de bu yüzden sıklıkla termoelastiktir. Sıcaklık düşürüldüğünde, martenzit oluşumu için daha fazla serbest enerji kullanıma hazır olur ve yeni bir denge için yeterli şekil değişimi enerjisi üretilene kadar plakalar büyür.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Tersinirlik (Reversibilite) Martenzitik dönüşümlerin oldukça etkileyici özelliklerinden biri de birçok durumda tersinir olması gerçeğidir. Bu durum çok iyi bir şekilde Ti- kütle-%55 Ni alaşımlarında (hafızalı alaşımlar) yaklaşık 60oC civarında oluşan martenzitik dönüşümde gözlenir. İlk olarak bu malzemenin düz telleri yüksek sıcaklık fazında hazırlanır. Teller bundan sonra oda sıcaklığına soğutulur ve bir sarmala sarılır. Bu teller tekrar yüksek sıcaklık fazına geriye ısıtıldığında (örneğin kaynakta kullanılan bir el torçu ile) teller kendiliğinden sargılı konumunu bozarak derhal kendi orijinal şekilleri olan düz hale gelir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Tersinirlik (devamı) Aynı çarpıcı etki, Au-kütle-%47.5 Cd alaşımı bir ince çubuk ile gösterilmiştir. Bir destekten dışarı uzanan düz çubuk yüksek sıcaklık fazı üretmek için ısıtılır. Dışarı çıkan serbest uca küçük bir ağırlık asılır ve çubuk dönüşüm sıcaklığının altına soğuduğunda bu ağırlık altında kuvvetli bir şekilde eğilir. Eğer çubuk şimdi yüksek sıcaklık fazına tekrar ısıtılırsa hızla geriye doğru (yani başlangıç konumundaki düz duruma) dönerek kendisi ile beraber ağırlığı da kaldıracaktır. Burada martenzitik reaksiyon ve deformasyon ikizlenmesi ile ilişkili karakteristik klik sesi işitilir. Plastik deformasyon sonrası tersinirlik sadece bu iki alaşımda örneklenmiştir; burada plastik deformasyon düşük sıcaklık martenzit fazında gerçekleştirilmiştir. Tersinirliğin bu çarpıcı gösterimi sadece ikizlenmiş altyapıya sahip termoelastik martenzitlere özgüdür.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Tersinirlik (devamı) Diğer martenzitlerle yapılan deneyler, ısıtma sonrası martenzit plakalarının kaybolarak ana fazın orijinal tane yapısını verdiğini gösterir. Soğutma sonrası martenzit plakalarının pozisyonu ve oluşum düzeni hemen hemen kesin olarak martenzitin ilk oluştuğu zamanki ile aynı olduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar, martenzit oluşumu için görev yapan aynı çekirdeğin, alaşımın östenitten martenzite her çevrime uğradığında devreye girdiğinin bir kanıtı olduğu şeklinde yorumlanır. Bu açıklama şu gerçekle desteklenir: eğer alaşım, dönüşüm sıcaklığının epey üstünde yüksek sıcaklıklarda tavlanırsa tersinirlik ihmal edilebilir. Ti-Ni ve Au-Cd un ısıtma sonrası kendi orijinal şekillerine dönüşmesinin nedeni östenit startta devreye giren çekirdeğin orijinal yönlenmelerini koruması ve orijinal yüksek sıcaklık kristal yapısının elde edilmesidir. Tersinirlik çelikte gözlenmemiştir, çünkü martenzitik fazı termodinamik olarak kararsızdır ve tersinir reaksiyon başlamadan önce bununla rekabet eden diğer reaksiyonlar gelişir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Stabilizasyon Bir östenit fazının Ms’ın altı, fakat Mf’in üstü olana kadar herhangi bir sıcaklığa soğutulduğunu ve ilgili numunenin bir t zaman aralığı için bu sıcaklıkta tutulduğunu farz edelim (Şekil 4.22). Sıcaklığın düşürülmesi sürdürülürse ilave martenzitin oluşumu, sıcaklık belirli bir T miktarı düşürülüne kadar oluşmaz ve hatta çok düşük sıcaklıklarda sürekli soğumada oluşabilecek kadar çok dönüşüm elde edilmez. Aynı olay östenit oluşumu için tersinir reaksiyon sırasında da oluşur (Şekil 4.22) ve bu olay stabilizasyon olarak adlandırılır

Şekil 4.22. Dönüşüm eğrisi üzerinde stabilizasyon etkisinin sonucu

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Stabilizasyon (devamı) Stabilizasyon etkisi hem demir ve hem de demir dışı alaşım martenzitlerinde gözlenmiştir. Teoriler, stabilizasyon etkisini, t sürecinde tutma sırasında arayer atomlarının göç etmesi ile üretilen bazı kilitleme mekanizmalarına bağlar. Mf sıcaklığı oda sıcaklığı altında olan çeliklerin temperleme öncesi artık östenit miktarını azaltmak için, oda sıcaklığına su verme sonrasında çeliği sıfır altına soğutmak gereklidir. Bu gibi durumlarda su verme ve sıfır altı soğutma arasındaki sürecin uzun tutulması stabilizasyon üretebilir, bu da sıfır altı soğutma ile ortadan kaldırılan artık östenit miktarını sınırlayacaktır. Bu etki Şekil 4.23’ün incelenmesinden görülebildiği gibi belirli takım çeliklerinde önemlidir.

Şekil 4.23. W1 tipi bir takım çeliğinde stabilizasyon etkisi

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Plastik Deformasyonun Etkisi Eğer östenit ilk olarak Ms ve Mf arasındaki bir sıcaklığa soğutulur ve plastik deformasyon bu sıcaklıkta gerçekleştirilirse, martenzit miktarı deformasyonla arttırılır. Eğer östenit Ms in üzerinde, fakat Md olarak adlandırılan bir sıcaklığın altındaki bir sıcaklığa soğutulursa, plastik deformasyon martenzit oluşumuna neden olacaktır. Md, plastik deformasyonun martenzit oluşumuna neden olacağı Ms in üzerinde en yüksek sıcaklıktır. Ad sıcaklığı ise plastik deformasyonun östenit oluşumuna neden olacağı As in altında en düşük sıcaklık olarak tanımlanır.

Şekil 4.24. Bazı Fe-Ni alaşımlarında Ms, Md, As ve Ad sıcaklıkları Denge Sıcaklığı Küçük kayma martenzitlerinde (B tipi) Md ve Ad nin gerçekte eşit olduğu sıklıkla bulunmuştur.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Plastik Deformasyonun Etkisi (devamı) Md sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda martenzit fazının serbest enerjisi östenit fazınınkinden daha düşüktür. Martenzit fazının çekirdeklenmesi, martenzit fazı plakasının oluşumu sırasında meydana gelen büyük şekil değişikliği ile ilgili gerinme enerjisi nedeniyle engellenir. Deformasyonu üreten uygulanan gerilme şekil değişiminden kaynaklanan çekirdeklenme engelini bir yolla azaltır ve böylece deformasyonun yokluğunda oluşabilecek olandan daha düşük bir itici güçte martenzit oluşumuna izin verir. Her bir martenzit plakasının oluşumu ile ilgili belirli bir kayma şekil değişimi ve çekme şekil değişimi varolduğu için uygulanan gerilme ile üretilen plastik deformasyonun, metaldeki şekil değişiminin mekanik olarak destekleneceği ve bu yüzden çekirdeklenme bariyerinin azaltıldığı –metal içinde- bir çok bölgelerin üretilmesi oldukça makul görünmektedir.

MARTENZİTİK DÖNÜŞÜMLERİN İLAVE KARAKTERİSTİKLERİ – Plastik Deformasyonun Etkisi (devamı) Eğer plastik deformasyon Md sıcaklığı üstünde yapılırsa, soğuma sonrası Ms’de ölçülen bir etki üretilir. Eğer küçük bir deformasyon uygulanırsa, tahminen çekirdeklenmeyi destekleyen hatalara bağlı olarak Ms’in yükseldiği bulunabilir. Md’nin üzerinde şiddetli deformasyon genellikle Ms’i azaltır; bu etki mekaniksel stabilizasyon olarak bilinir. Bu etkinin soğuk sertleşme (pekleşme) ye bağlı olarak östenit fazı içine plakanın ilerlemesinin zorluğundaki bir artıştan sonuçlandığı düşünülür. Eğer basit olarak bir östenit fazına bir elastik gerilme uygulanırsa, Ms sıcaklığında bir etki gözlenir, ancak bu etki genellikle yukarıda açıklanan plastik deformasyonla üretilenden daha küçüktür. Uygulanan gerilme alanı veri bir martenzit plakanın şekil değişimine ya destek ya da engel olacaktır.

MARTENZİTİN ÇEKİRDEKLENMESİ Çekirdekleşmenin klasik teorisi martenzit oluşumu için uygulanamaz (G* aşırı büyük). Örneğin çekirdekleri, r radyuslu ve yarı kalınlığı c olan bir yayvan küre olarak alalım. Buna göre bir çekirdeğin oluşumunda serbest enerji değişimi aşağıdaki gibi yazılabilir: G = 4/3r2cGB + 4/3rc2A + 2r2g (A=şekil değişim faktörü)

MARTENZİTİN ÇEKİRDEKLENMESİ (devamı) Martenzit çekirdekleşmesinin bir teorisine alternatif yaklaşımlar, genellikle östenit içinde altkritik bir çekirdek dağılımının varolduğunu kabul eder; klasik çekirdekleşme koşullarında olduğu gibi, bunlar termal olarak aktive edilmiş bir proses ile oluşmak zorunda değillerdir. Bu altkritik çekirdeklerin genellikle bir tür kristal hatası olduğu düşünülür. Örneğin YMK kafeste bir dizilim hatası, dizilim sırasını ……..ABCABABABC…… olarak değiştirir. Bu hatanın en yakın bölgesinde dizilim ABAB olmuştur; bu da SPH metallerde de oluşan aynı dizilim sırasıdır. Bu nedenle YMK ve SPH kristaller arasındaki martenzitik dönüşümler için -Co da olduğu gibi- kısmi dislokasyonların oluşumuyla kolaylıkla üretilebilen bir dizilim hatası martenzit dönüşümü için bir çekirdek rolü oynayabilecektir. Diğer durumlarda belirli dislokasyon düzenleri, altkritik çekirdekler olarak hizmet verir.

MARTENZİTİN ÇEKİRDEKLENMESİ (devamı) Atermal martenzitlerin oluşumu ; Altkritik çekirdek dağılımı vardır. Ms’de en büyük (veya en hareketli) çekirdek kritikleşir ve büyür. Sıcaklık düşürüldüğünde daha küçük (veya daha az hareketli) çekirdek daha yüksek itici güce bağlı olarak kritikleşir ve büyür. Ms ve aşağısındaki sıcaklıklarda tutma, yeni çekirdek oluşumuna müsade etmez.

MARTENZİTİN ÇEKİRDEKLENMESİ (devamı) İzotermal martenzitlerin oluşumu ; Altkritik çekirdek dağılımı vardır. Ms ve aşağısındaki sıcaklıklarda bu çekirdeklerin bazıları kritikleşir ve büyür. Ms ve aşağısındaki sıcaklıklarda tutma, bazı bilinmeyen termal aktive edilmiş prosesler yardımı ile ilave kritik çekirdek oluşumuna neden olur.

MASİF DÖNÜŞÜMLERLE KARŞILAŞTIRMA Martenzitik değişimlerin temel özelliklerinden biri martenzit reaksiyonunun kolay büyüme mekanizmasının varolması nedeniyle oluşmasıdır; burada yeni fazı oluşturacak atomsal difuzyona gereksinme duyulmaz. Bu nedenle östenit-martenzit arayüzeyindeki dislokasyon düzeninin doğasını anlamak, martenzitik reaksiyonları anlamanın çok önemli bir parçasıdır; çünkü iki özel kristal yapısı arasında martenzitik dönüşümün oluşabilmesi için bu iki kristal arasında bir tür özel düzen varolmalıdır. Arayüzey yapısı ve ilgili hızlı büyüme mekanizması hemen hemen tüm martenzitler için benzerdir.

MASİF DÖNÜŞÜMLERLE KARŞILAŞTIRMA (devamı) Bir alaşıma, bir katı hal faz dönüşümü üzerinden düşük bir sıcaklığa çok hızla su verildiğinde düşük sıcaklık denge fazının veya herhangi metastabil düşük sıcaklık fazının oluşumunun tamamen engellenmesi çoğunlukla mümkündür. Ancak bir düşük sıcaklık fazının martenzitik olarak oluşması durumunda, bu oluşumu mümkün en yüksek su verme hızlarında bile durdurmak mümkün değildir. Bazen bir düşük sıcaklık fazının hızlı su verme sırasında oluşabildiği bulunmuştur; bu dönüşümler masif dönüşümler olarak adlandırılır, çünkü yeni faz bir topaksı morfoloji oluşturur. Bu morfoloji çoğu hızlı büyüme dönüşümlerinin plaka veya iğnemsi morfolojisine keskin bir kontrasttadır.

MASİF DÖNÜŞÜMLERLE KARŞILAŞTIRMA (devamı) Masif dönüşümlerin temel özellikleri : Ana ve ürün fazları aynı kompozisyona sahiptir (difuzyonsuz dönüşüm). Büyüme oranı hızlıdır, ancak martenzitik durumdaki kadar hızlı değildir. Martenzitlerde olduğu gibi serbest yüzey üzerinde şekil değişimi görülmez. Ana faz-ürün fazı arayüzeyi inkoherent bir sınırdır.

MASİF DÖNÜŞÜMLERLE KARŞILAŞTIRMA (devamı) Bu nedenle masif dönüşümler martenzitik dönüşüme benzer bir davranış gösterir; burada yeni faz herhangi kompozisyon değişimi olmaksızın hızla oluşur. Bununla birlikte martenzitik durumun hızlı büyüme mekanizması mevcut değildir ve basitçe büyük bir itici kuvvete bağlı olarak bir yüksek açı sınırının çok hızlı göçü vardır. Bu itici kuvvet, Sf. T genellikle martenzitik dönüşümler için olandan düşüktür ve bazı sistemlerde martenzitik dönüşüm daha yüksek aşırı soğumalarda oluşurken, bir masif dönüşüm düşük aşırı soğumada oluşur. Bu gibi bir durum düşük karbonlu çeliklerde görülür (Şekil 3.4).

Şekil 3.4. Fe-C alaşımlarının sıcaklık-kompozisyon bölgeleri; uzun reaksiyon zamanlarında elde edilen çeşitli çökelti şekilleri. M: masif ferrit, W: Widmannstätten ferrit, GBA: tane sınırı ferrit.

MASİF DÖNÜŞÜMLERLE KARŞILAŞTIRMA (devamı) Özet olarak, eğer bir alaşıma bir katı-hal faz dönüşümü üzerinden şiddetle su verildiğinde birkaç olasılık oluşur: Yüksek sıcaklık fazı su verme sıcaklığında artık bir metastabil faz olarak kalabilir (buna kalıntı faz da denir). Metastabil bir fazın küçük partikülleri, ya spinoidal ayrışma yada homojen çekirdeklenme ile oluşabilir. Widmannstätten plakaları veya beynit gibi hızlı büyüyen bir çökelti fazı oluşabilir. Masif dönüşümle bir düşük sıcaklık fazı üretilebilir.

BEYNİT Östenitik bir çeliğe ötektoid sıcaklığın hemen altındaki bir sıcaklıkta su verildiğinde tanelerin içinde karakteristik lamelli perlitik yapı elde edilir. Karbon kompozisyonuna bağlı olarak ya ferrit ya da sementitin tane sınırlarında eşeksenli taneler veya Widmannstätten plakaları olarak büyüdüğü görülür. Su verme sıcaklığı düşürüldüğünde, (Şekil 3.4), perlit ara mesafesi incelir Widmannstätten plakaları da incelerek sonunda görünmez olur. Perlitin basitçe su verme sıcaklığının düşürülmesiyle (su verme sıcaklığı Ms’a kadar ulaşana kadar) giderek incelmesi beklenir. Ms sıcaklığında östenit martenzite dönüşür. Ms’in hemen üstündeki su verme sıcaklıklarında ince perlitten tamamen farklı bir mikroyapı oluşur; bu mikroyapıya bainit/beynit (almancada ara kademe yapısı da denir) adı verilir.

BEYNİT (devamı) Bainit, genellikle metalografide birbirine son derece yakın olarak büyüyen ve bir tüye benzer bir görünüme sahip çok ince plakavari projeksiyonlar grubu olarak gösterilir. Bu tüyümsü mikroyapı Davenport ve Bain tarafından 1930 da bulunmuş ve E.C. Bain’i onurlandırmak için bainit olarak adlandırılmıştır. Benzer yapılar ayrıca belirli demir dışı alaşım mikroyapılarında da gözlenmiştir. Bu tip bir mikroyapı oluşumuna genelde bainitik dönüşüm adı verilir. Beynitik dönüşüm özellikle karmaşık bir reaksiyondur, çünkü hem martenzitik reaksiyonların ve hem de difuzyon kontrollü çekirdekleşme ve büyüme reaksiyonlarının ortak özelliklerini içerir.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : i) Morfolojiler Beynit, ferrit ve demir karbürden oluşan iki fazlı bir mikroyapıya sahiptir. Su verme sıcaklığı ve kompozisyona bağlı olarak beynitin morfolojisinde ve karbürün tipinde (Fe3C veya  karbürü, ~ Fe2.5C) bir değişim görülür. Morfolojide oldukça belirgin bir değişim, yüksek ve düşük su verme sıcaklıkları arasında oluşur (Şekil 4.25). Bu iki morfoloji üst beynit (yüksek su verme sıcaklığı) veya alt beynit (düşük su verme sıcaklığı) olarak isimlendirilir. Bir dizi çelik için karbon içeriği ile geçiş sıcaklığının değişimi Pickering tarafından verilmiş ve Şekil 4.26 da gösterilmiştir. Her iki oluşumun da mevcut olduğu küçük bir sıcaklık dağılımı vardır ve buradaki geçiş sıcaklığı alt beynitin gözlendiği en yüksek sıcaklıktır.

Şekil 4.25. AISI 4340 çeliği, 843ºC de östenitleştirilmiş, T sıcaklığında 6 dakika beklendikten sonra buzlu tuzlu suda su verilmiştir; nital ile dağlanmış. a) Martenzitik matrikste üst beynit, 2200x, SEM (T= 468 ºC) b) Martenzitik matrikste alt beynit, 2300x, SEM (T= 300 ºC)

Şekil 4.26. Karbon miktarının üst beynitten alt beynite geçiş sıcaklığına etkisi

BEYNİT – Temel Karakteristikler : i) Morfolojiler – Üst Beynit Üst beynitin dış şekli gayet düzensizdir ve bu yüzden tek bir yüzeyin incelenmesiyle belirlenmesi zordur. İki yüzey analizi, üst beynitin dış morfolojisinin bir lata veya iğne benzeri şekile sahip olduğunu göstermiştir; bu şekillerde bir boyut (boy) diğer iki boyuttan (en ve genişlik) daha uzundur. Şekil 4.25a’daki üst beynit, hızlı su verme ile üretilmiş bir martenzitik matrikste bulunmaktadır. Beynit içindeki beyaz partiküller Fe3C dir.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : i) Morfolojiler – Üst Beynit (devamı) TEM çalışmaları, üst beynitin iç yapısının uzun eksene (lata eksenine) paralel uzanan ferrit lataları ile öncelikle lata sınırlarında çökelmiş karbür partiküllerinden oluştuğunu gösterir. Bu nedenle üst beynitin dış morfolojisi latadır veya iğnemsi şekillidir ve içsel olarak uzun eksene paralel uzanan ferrit lataları ile lata sınırlarında çökelmiş Fe3C partiküllerinin bir bileşimidir. Bu ferrit lataları, yüksek dislokasyon yoğunluğuna sahip altlatalara bölünebilir. Ferrit lataları arasında bazen artık östenit de mevcut olabilir. Su verme sıcaklığının düşürülmesinin üst beynit morfolojisine etkisi, lataların daha ince olmasına ve birbirlerine daha bitişik olmasına yolaçar; böylece latalar arasında karbür partiküllerinin daha düşük aramesafeli olarak üretilmesine neden olur. Ötektoid üstü çeliklerde beynitin öncü fazı ferritten ziyade sementit olabilir ve bu yapılar bazen invers (ters) beynit olarak adlandırılır.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : i) Morfolojiler – Alt Beynit Alt beynitte (Şekil 4.25b) ferrit, latalardan ziyade plakalar şeklinde oluşur ve karbürler ferrit plakalarının yan duvarlarında çökelir. Karbür çökeltileri çok ince boyutludur ve bunlar sıklıkla çubuk veya jilet (ince plaka) şekline sahiptir. Karbür çubuk ve plakaları birbirlerine çok veya az paralel olarak düzenlenmiştir ve ferrit plakasının büyüme ekseni ile 55o ve 65o arasında bir açı yaparlar. Plakaların, kendilerini küçük açılı tane sınırları ile ayıran farklı altplakaların bileşimi olduğu bulunmuştur. Altplakalar yüksek bir dislokasyon yoğunluğuna sahiptir. Çelikte silisyum bir alaşım elementi olarak bulunduğunda alt beynit içindeki demir karbürün  karbür olduğu saptanmıştır; bunun dışında karbür, sementit ve  karbürün bir karışımı veya tamamen sementit olabilir.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : ii) Kristalografi Üst ve alt beynitin ana karakteristiklerinden biri, belirli bir yüzey rölyefi göstermeleridir; bu topografinin görünümü martenzit plakalarında ve deformasyon ikizlerinde gösterilene benzer. Alt beynitin her bir plakada tek bir üniform yüzey rölyefi gösterdiği bulunmuştur. Üst beynitte her bir lata çoklu bir yüzey rölyefi gösterir. Bainitin ferrit komponenti, östenite göre belirli bir kristalografik oryantasyonla oluşur. Martenzit temperlendiğinde ilk olaylardan biri martenzit plakaları içinde  karbür çökeltisinin oluşumudur. Alt beynit temperlenmiş martenzite benzer bir görünüme sahiptir. Alt beynitte bulunan karbürler, beynit plakalarının büyüme yönüne spesifik bir açıda oluşur (ferrit ve karbür plakaları arasında spesifik bir epitaksiyel bağıntı). Alt bainitteki karbürler, ferritten çökelme ile oluşur. Ayrıca üst beynitin karbürü ve ana faz östenit arasında bir epitaksiyel bağıntı için kanıt bulunmaktadır.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : iii) Kinetik Beynit dönüşümü, bir T-T-T diyagramında kendi C eğrisini takip eder. Yalın karbonlu çeliklerde perlit reaksiyon eğrisinin alt tarafı ile beynit reaksiyon eğrisinin üst tarafı arasında arasında önemli bir üst üste çakışma bulunur (Şekil 4.27a). Belirli alaşım elementlerinin ilavesi ile perlit oluşum hızı düşürülür, ancak beynit oluşum hızında etki düşüktür. Bu durumlarda Şekil 4.27b’de gösterildiği gibi perlit ve beynit C eğrilerinin üst üste çakışma olasılığı azdır.

Şekil 4.27. Yalın karbonlu (a) ve yüksek alaşımlı (b) çelikler için TTT eğrileri

BEYNİT – Temel Karakteristikler : iii) Kinetik (devamı) Beynit için hacımsal miktar dönüşüm eğrileri çekirdekleşme ve büyüme dönüşümlerinin karakteristiklerini gösterir, ancak bazı hususlar martenzitik dönüşümlere benzer. Alaşımlı çeliklerde östenite -beynit reaksiyonu başlamadan önce- spesifik bir sıcaklığın altında su verilmelidir; bu sıcaklık Bs (bainit start) sıcaklığı olarak adlandırılır (Şekil 4.27b). Bs sıcaklığının hemen altındaki sıcaklıklarda östenitin beynite tamamen dönüşümü uzun süre sonrasında dahi mümkün değildir. Bf gibi östenitten beynite tamame dönüşümün mümkün olduğu daha düşük bir sıcaklık vardır. Bu Bf sıcaklığı Ms sıcaklığının üstünde veya aşağısında olabilir, ancak Ms sıcaklığının altında –martenzit oluşumunun başlaması nedeniyle- tamamen beynitik bir çelik elde edilemez. Martenzitin Ms ve Mf sıcaklıklarına benzer olarak alaşımlı çeliklerde beynit dönüşümleri Bs ve Bf sıcaklıkları gösterir.

BEYNİT – Temel Karakteristikler : iii) Kinetik (devamı) Beynitik dönüşümün varlığı, birçok alaşımlı çeliğin T-T-T eğrilerinin alışılmamış karmaşık bir şekil almasına neden olur. Şekil 4.27a’da gösterildiği gibi perlit ve beynit eğrileri birbirine karışmadıkça klasik C şekli elde edilmez. Bir örnek olarak AISI 4340 çeliği gibi popüler bir alaşımlı çeliğin T-T-T eğrileri Şekil 4.28’de verilmiştir. Ms sıcaklığında eğriler son bulur; bunun açık nedeni Ms sıcaklığının altında kontrolün martenzit reaksiyonu ile yapılmasındandır.

Şekil 4. 28. AISI 4340 çeliği için TTT eğrisi (0. 42 C, 0. 78 Mn, 1 Şekil 4.28. AISI 4340 çeliği için TTT eğrisi (0.42 C, 0.78 Mn, 1.79 Ni, 0.80 Cr ve 0.33 Mn, 800ºC de östenitleştirilmiş, ASTM tane boyutu 7-8)

BEYNİT – Temel Karakteristikler : iv) Reaksiyon Mekanizması Beynit ile üretilmiş yüzey rölyefi kullanarak yüksek sıcaklık mikroskobu ile plaka ve lataların oluşum hızı belirlenebilir. Beynit plakalarının gözlenen yanal büyüme hızları martenzit büyüme hızlarından çok daha küçüktür. Şekil 4.29a’daki gibi bir model kullanarak büyüme hızı analiz edilebilir. Burada büyümenin, bainit ucundan östenit ana fazına yayınan karbon atomlarının hareketi (difuzyonu) ile kontrol edildiği farz edilir. Beynitik reaksiyon yeterince düşük sıcaklıklarda ve yüksek hızlarda oluşur; bu nedenle yeralan atomların difuzif hareketinin olayın kinetiğinde rol oynadığı gözlenmez. Beynitik reaksiyonun bir kayma dönüşümü olduğuna bir süre inanılmıştır (varolan yüzey rölyef kanıtı nedeniyle); burada büyüme hızı, karbonun östenit içine difuzyonu ile kontrol edilir.

Şekil 4.29. Beynit büyümesi için modeller

BEYNİT – Temel Karakteristikler : iv) Reaksiyon Mekanizması (devamı) Bainitteki ferritinin altlatalar veya altplakalardan oluştuğunu gösteren elektron mikroskobu çalışmaları, alternatif bir büyüme mekanizması önermiştir; burada tek bir arayüzeyin sürekli büyümesi gerekmez. Bu görüşte herbir alt plaka kendi uç konfigrasyonu ile östenit içine ilerler. Bu model Şekil 4.29b’de gösterilmiştir. Burada her bir altplaka, bitişik altplaka üstünde bir çıkıntı olarak oluşur. Kalınlaşma, ilave alt plakaların çekirdeklenmesi ve dik büyümesi ile oluşur. Termiyonik emisyon mikroskobunda, Fe-0.66C-3.3Cr alaşımında üst beynit plakalarının büyümesinin direkt gözlemi bu modeli doğrular.