ITAB

Saf demirin soğuma eğrisi ve oluşan kristal yapıları -demiri (HMK) -demiri (YMK) -demiri (HMK Sıvı 911°C 1392°C 1538°C Zaman Sıvı +   +   +  °C 768°C

  + Fe3C Fe  + Fe3C Sıcaklık (°C) +  Fe3C Karbonun kütlesel yüzdesi (%) Sıcaklık (°C)   +  + Fe3C  + Fe3C Fe Fe3C

 ı   + Fe3C Fe  + Fe3C Sıcaklık (°C) Fe3C +  C1 Karbonun kütlesel yüzdesi (%) Sıcaklık (°C)   +  + Fe3C  + Fe3C Fe Ötektoid öncesi Fe3C Ötektoid Fe3C C1 Fe3C  ı

 f  g  + Fe3C Fe  + Fe3C Sıcaklık (°C) +  Fe3C Karbonun kütlesel yüzdesi (%) Sıcaklık (°C)   +  + Fe3C  + Fe3C Fe Fe3C  f g

Karbonun çözünürlüğü HMK yapıya sahip -demiri içerisinde, karbonun çözünürlüğü çok azdır. Maksimum çözünürlüğü 723 C’ de yaklaşık % 0,02’dir. Oda sıcaklığında ise ihmal edilebilecek oranda düşük çözünürlüğe sahiptir (% 0,0001’ den az). YMK yapıya sahip -demiri içerisinde ise karbonun çözünürlüğü daha fazladır. 1148 C’ de % 2,11 C ve 727 C’ de ise % 0,77 C çözünür.

Östenit  - Östenit bölgesine kadar ısıtılan bir çeliğin içerisindeki tüm karbon ve diğer bileşikler, tek bir faz şeklinde bulunurlar. Ferrit  - Perlit - +Fe3C fazlarından oluşur. % 0,8 ötektoid bileşime sahip çeliklerde oda sıcaklığında görülen mikroyapı olan sementit oldukça sert bir faz olup, 1150 Hv sertliğe sahiptir. Fakat yumuşak ferrit ile karışık halde bulunduğu zaman oluşan perlitin sertliği, sementitin sertliğinden daha düşüktür.

Perlit büyümesi % 0,8 C içeren bir çelik, yavaş soğuma şartlarında, 723 C’nin hemen altında perlit yapısına dönüşür. Perlit, ferrit ve Fe3C fazlarının çizgisel (levhasal) halde bulunduğu bir yapıdır. Ferrit çok az C içerirken, Fe3C % 6,7 C içerir. Perlit oluşumunda ferrit içerisindeki C atomları sementit levhalarının içerisine doğru difüze olur. Ferrit ile Fe3C levhaları arasındaki mesafe perlitin büyüme hızına bağlı olarak gelişir. Çok hızlı büyüme oranında, karbonun difüzyonu için gerekli olan süre az olduğu için, daha ince perlit oluşur. Yani  ile Fe3C levhaları arasındaki mesafe az olur.

Tane büyümesi Çeliğin yüksek sıcaklıklara çıkarılması ile yapı östenite dönüşür. Yeniden östenit taneleri oluşmuş olur. Östenit tanelerinin büyüklüğü, ulaşılan sıcaklık değeri ve çeliğin türüne bağlıdır. Bazı çelikler alüminyum ve vanadyum nitrit içerirler. Bu çelikler yüksek sıcaklıklarda bile ince taneli kalırlar. Çelikler üretim aşamasında isteğe bağlı olarak ince taneli ve kaba taneli olarak üretilebilirler. Eğer çeliğin tokluğunun yüksek olması isteniyorsa, ince taneli çelik üretilir. Eğer çeliğin yüksek sıcaklıklardaki sürünme direncinin iyi olması arzulanıyorsa kaba taneli çelik üretilir. Konstrüksiyonlarda genellikle ince taneli çelikler tercih edilir. Şekilde östenit sıcaklığının tane büyüklüğüne etkisi gösterilmektedir. İnce taneli çeliklerin belirli bir sıcaklığa kadar ince tane yapısı değişmez. 1100 C’nin üzerinde ise, ince taneler kaba tanelere dönüşerek kaba taneli bir yapı meydana gelir. Bu sıcaklık üzerinde alüminyum ve vanadyum nitrit çözünür ve çelik kaba taneli çelik haline gelir. Bu olay, çeliklerin kaynak işleminde oluşan ITAB bölgesi için oldukça önemlidir.

ITAB’ın tane büyüklüğü ince taneli ve kaba taneli çelikler arasındaki ITAB tane büyülüğü farklılığı gösterilmektedir. Kaba taneli çeliklerin ITAB’ında, tane büyümesinin meydana geldiği geniş bir bölge vardır. Yani kaynak ergime sınırına komşu olan sınırdan ana metale doğru daha büyük kaba taneli bölge meydana gelir. İnce taneli çeliklerde ise belirli bir sıcaklığa kadar ince tane büyüklüğü aynı kalır. Fakat yüksek sıcaklığın etkilediği, ergime sınırına yakın dar bir bölgede ise taneler kabalaşır. Dolayısıyla ince taneli çeliklerde ITAB içerisindeki kaba tane bölgesinin büyüklüğü, kaba taneli çeliklerden daha dardır. Fakat bu dar bölgedeki tane büyüklüğü, kaba taneli çeliğin ITAB’ındaki kaba tane bölgesindeki büyüklüğü ile aynıdır.

Titanyum içeren çeliklerin kaynağında, ergime sınırına kadarki ITAB bölgesinde bile taneler ince olarak kalabilir. Çünkü titanyum nitrit çok karalıdır. Yüksek sıcaklıklarda bile ITAB içerisinde kolay kolay tamamen çözünmez. Bundan dolayı modern çeliklerde, ITAB bölgesinin tane büyüklüğünün ince kalabilmesi için, titanyum ilave edilerek üretim gerçekleştirilir.

Kararsız soğuma Alaşım elementi olarak da sadece C düşünülmüştü. Oysa çelik içerisine çok farklı alaşım elementleri ilave edilmektedir. Bu alaşım elementlerinin ilavesi ile Fe-Fe3C faz diyagramındaki dönüşüm eğrileri yer değiştirir ve ötelenir. Örneğin, alaşım elementlerinin ilavesi ötektoid sıcaklığının (723 C) yerini değiştirir

Yapı çeliklerinde alaşım elementleri içeriği oldukça az olduğu için, Fe-Fe3C faz diyagramındaki dönüşüm eğrileri çok fazla yer değiştirmez. Kararlı haldekine yakındır. Hızlı soğumanın etkisi soğuma hızı ne kadar hızlı olursa, perlit o kadar ince Fe3C levhaları şeklinde oluşur. Hızlı soğuma oranlarında, karbonun Fe3C içerisine difüzyonu için zaman çok az olduğundan, perlit yapısı meydan gelmez. Hızlı soğuma sonucu meydana gelen mikroyapı, çeliğin ne kadar hızlı soğutulduğuna bağlı olarak farklılaşır. Eğer çelik suda soğutulursa, soğuma hızı çok hızlı olup, karbonun difüzyonu için hiç zaman kalmaz. Karbon, östenit içerisinde nerede bulunuyorsa olduğu yerde kalır. Hızlı soğuma, YMK kristal kafesinden HMK kristal kafese dönüşümünü etkilemez. Fakat HMK kristal kafesi içerisinde, tutulmuş karbon atomları kristal kafesin şeklini değiştirir ve bir tetragonal kristal kafesine dönüşür (Şekil 16). Tetragonal kristal kafesinin şekli ve boyutları, C içeriğine göre değişir.

Martenzit Bu oluşan tetragonal kristal kafesine sahip mikroyapı şekline martenzit adı verilir. Mikroskop ile bakıldığında martenzit mikroyapısında pek çok iğnenin karmaşık iç içe girmiş haldeki görüntüsü görülür. Martenzit sert ve kırılgan bir yapıdır. Sertliği C miktarına bağlı olarak değişir. Diğer elementlerin martenzitin sertliği üzerindeki etkisi daha azdır. Şekil 18’de martenzitin sertliği ile C miktarı arasındaki ilişki gösterilmektedir.

ITAB içerisindeki mikroyapı değişiklikleri, soğuma hızına bağlı olarak değişir. Hızlı soğutulan kaynak bölgesi, martenzite dönüştüğü için çok serttir (475 Hv). Yavaş soğutulan kaynak bölgesindeki yapı perlitik olduğundan, sertlik daha düşüktür (275 Hv). ITAB’ın sertliğinin yüksek olması, bu bölgedeki martenzitik yapının varlığına bağlanır.

Beynit Özellikle alaşımlı çeliklerde, martenzit oluşturan hızlı soğuma ile perlit oluşturan yavaş soğuma arasındaki orta seviyedeki bir soğutma hızında, beynit adı verilen başka bir mikroyapı meydana gelir. Beynit yapısı, ferrit ve Fe3C fazlarının karışımlarını içerir. Fakat perlit içerisindeki levhasal görünümdeki sementit yerine beynit içerisinde küresel sementitler şeklinde görünmektedir. Beynit 300 C’nin üzerindeki bir sıcaklıkta oluşursa, kaba Fe3C partikülleri meydana gelir. Bu tür beynitik yapıya üst beynit adı verilir. Eğer beynit 300 C’nin altındaki sıcaklıklarda meydana gelirse, daha ince bir sementit yapısı oluşur ve buna da alt beynit denilir. Alt beynitte sementit, ferrit levhalarına doğru çizgi halinde sıralanarak bulunur. Alt beynitte sementit, Fe2,4C () şeklindedir.

Dönüşüm diyagramları Fe-Fe3C faz diyagramı sadece yavaş soğumanın gerçekleştirildiği bir durum için geçerlidir. Hızlı soğumanın varlığında ise dönüşüm diyagramları kullanılır. İki tür dönüşüm diyagramı vardır: 1) Sürekli Soğuma Dönüşümü (CCT) 2) İzotermal Dönüşüm (TTT)

TTT diyagramlarının elde edilişinde, öncelikle çelik östenitik sıcaklına çıkartılır, sonra 723 C’nin altına kadar suda soğutulur ve dönüşüm gerçekleşinceye kadar sıcaklık belirli bir derecede sabit tutulur. Sıcaklı-zaman eğrisi ile ifade edilen TTT diyagramı, her bir çelik içeriği için ayrı ayrı yapılmış olmalıdır.

TTT diyagramı

2- Ötektoid öncesi ferrit oluşmaya başlar. 3- Perlit oluşmaya başlar. 650 C’deki dönüşümler gösterilmektedir. 1- Numune östenit fazından hızlı soğutularak 650 C’ye ulaşılır, sıcaklık 650 C’de sabit tutulur ve zamana bağlı olarak dönüşüme bakılır. 2- Ötektoid öncesi ferrit oluşmaya başlar. 3- Perlit oluşmaya başlar. 4- Perlit dönüşümü bitmiş olur.

Düşük sıcaklıklarda ise, ötektoid öncesi ferrit oluşmaz ve perlit ince yapılır. Örneğin, 550 C’de en kısa zamanda perlit oluşur ve ötektoid öncesi  oluşmaz 1- Numune östenit fazından hızlı soğutularak 550 C sıcaklıkta sabit tutulur. 2- Perlit oluşmaya başlar. 3- Perlit dönüşümü bitmiş olur.

Çok daha düşük sıcaklıklarda ise, beynit yapısı meydana gelir Çok daha düşük sıcaklıklarda ise, beynit yapısı meydana gelir. Bu dönüşüm düşük sıcaklıklarda çok daha uzun zamanda gerçekleşir Numune östenit fazından hızlı soğutularak 450 C’ye indirilir ve bu sıcaklıkta sabit tutulur. Beynit oluşmaya başlar. Beynit dönüşümü tamamlanır.

Çok daha düşük sıcaklıklarda ise martenzit yapısı oluşur 1- Numune östenit sıcaklığından Ms’nin altına kadar soğutulur, martenzit tamamen oluşmaya başlar. 2- Sabit sıcaklıkta tutulsa bile martenzit oranı değişmez. 3- Numune oda sıcaklığına soğutulur. Martenzit dönüşümü, Mf sıcaklığını geçer geçmez tamamlanır.

Her bir çelik için, sabit bir Ms (martenzit başlama) sıcaklığı ve sabit bir Mf (martenzit dönüşümün tamamlandığı sıcaklık) sıcaklığı vardır. Martenzitin miktarı sıcaklığa bağlı olmakla beraber, bu sıcaklıkta bekletme süresine bağlı değildir.

CCT diyagramları TTT diyagramı üzerinde bir soğuma eğrisini ele alalım. Hangi mikroyapının oluşabileceği hakkında fikir yürütebilmek için CCT diyagramları, TTT diyagramlarından biraz farklıdır. Şekil 27’de, soğuma eğrisi CCT diyagramının dönüşüm burnuna değmeden önceki bir mesafeye denk gelmektedir. Bu tarz bir soğuma hızına sahip çelikte martenzit oluşumu söz konusu olup, kaynak esnasında çatlama riskine sahiptir. Daha yavaş soğuma hızına sahip çelikte ise, ferrit ve perlit oluşumu söz konusu olacaktır.

Kritik soğuma oranı Çeliklerde beynit yapısı, dönüşüm diyagramı nedeni ile CCT diyagramında meydana gelmez. Beynit bölgesi perlitin altında gizlendiği için, soğuma eğrisi ya perlit çizgisi üzerinden geçer, ya da eğrilere hiç değmeden geçer. Hızlı soğuma durumunda, soğuma eğrisi dönüşüm çizgilerine değmeden direk martenzit bölgesine geçer ve yapı martenzit olur. Yavaş soğuma eğrisi ise, ferrit başlama eğrisine temas ederek geçtiğinden yapı ferrit + perlit şeklinde olur.

Alaşım elementlerinin etkisi Alaşım elementleri CCT ve TTT diyagramlarının şeklini oldukça etkiler ve farklı mikroyapıların oluşmasına sebep olurlar. Örneğin, molibden ve bor elementleri perlitin üst kısmını sağa doğru kaydırır. Böylece beynit bölgesi açığa çıkar. Bu elementleri içeren çeliklerde, CCT diyagramı üzerinde beynit mikroyapısı oluşabilir. Alaşım elementlerinin diğer etkisi ise, çeliğin sertleşebilirliğinin arttırılmasına neden olmalarıdır. Alaşım elementlerinin bir başka etkisi de, Ms ve Mf eğrilerinin yerlerini değiştirmesidir. Şekil 29’da görüldüğü gibi, C oranı arttıkça Ms sıcaklığı ve Mf sıcaklığı dönüşümleri azalmaktadır.

Diğer elementlerin Ms ve Mf sıcaklıklarına nasıl etki ettiğini şu formülle hesaplayabiliriz: Ms (C) = 550 – 350  % C – 40  % Mn – 35  % V – 20  % Cr – 17  % Ni – 10  % Cu – 10  % Mo – 5  % W + 15  % Co + 30  % Al Eğer Mf oda sıcaklığının altında olursa, martenzit dönüşümü tamamlanmaz ve çelik kalıntı östenit içerir.

Eğer yuvarlak çelik bir çubuğu 910 C’nin üzerinde östenit bölgesine kadar ısıtır ve sonra suda soğutursak çubuğun yüzeyindeki soğuma oranı, çubuğun merkezindeki soğuma oranından daha yüksektir. Yani çubuğun yüzeyi daha hızlı soğumaktadır (Şekil 30).

Bundan dolayı çubuğun yüzeyinde oluşan mikroyapı ile merkezinde oluşan mikroyapı birbirinden farklıdır. Daha kalın bir kesite sahip çelik çubuğun merkezi yavaş soğuyacağı için, merkezinde martenzit oluşmaz ve böylece çeliğin merkezi sertleşmemiş olur. Bu nedenle, sertleşmiş yüzey ile çubuk merkezi arasındaki mesafe oldukça önemlidir. İdeal bir sertleştirme yapabilmek için, ideal kritik çapa sahip çubuğun merkezinde elde edilecek martenzit oranı % 50 olmalıdır.

Bu işlem çeliğin sertleşebilirliğinin ölçülmesidir Bu işlem çeliğin sertleşebilirliğinin ölçülmesidir. Eğer alaşım elementi ilave edilirse, çubuk merkezinde % 50 martenzit oranını elde etmek için daha büyük bir çapa gerek duyulacaktır. Böylece çeliğin sertleşebilirliği artmış olacaktır. Kısacası ne kadar büyük çapa sahip çubuk merkezinde % 50 sertlik oluşturulursa o kadar sertleşebilirlik artar. Bunu arttırabilmek için de, alaşım elementi ilave edilir.

Sertleşebilirliğin ölçülmesi Bir çeliğin sertleşebilirliğini, Jominy Deneyi ile ölçebiliriz (Şekil 32). 25,4 mm çapında ve 101,6 mm uzunluğunda bir numune kullanılır. Silindirik çubuk, sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılır ve bir ucuna sabit bir mesafeden su püskürtülür. En hızlı soğuma çubuğun ucunda başlar ve çubuğun diğer ucuna doğru sırasıyla daha yavaş soğuma oranlarında soğuma işlemi tamamlanır. Sonra soğutulan uçtan diğer uca doğru sertlik ölçümü yapılarak, sertlik-mesafe diyagramı oluşturulur.