ISIL İŞLEMLER

Temel Isıl İşlemler Şekil 2- Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları

tutma T ısıtma T S T N zaman Tavlama fırında soğutma RC 15 Normalizasyon havada soğutma RC 30 Sertleştirme suda soğutma RC 65 Temperleme su verme sonrası ısıtma RC 55

Su Verme Sertleştirmesi Tavlama işleminden sonra çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Bundan hemen sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir HMK kafes yapısı oluştururlar. Soğuma hızı artırılıp belirli bir değerin üzerine çıkarıldığında karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içerisinde hapsedilmeleri nedeniyle kafes yapısı HMK yapıya dönüşemez . ….ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya "martenzit" adı verilir.

Martenzit, karbon ile aşırı doymuş hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahip bir katı çözeltidir. Martenzitin birim hücresinin iki kenarı birbirine eşit olup, üçüncü kenarı veya yüksekliği hapsedilen karbon atomlarının etkisiyle çok az bir miktar uzamıştır. Birim hücrenin c uzunluğunun a uzunluğuna oranı (c/a) artan karbon oranıyla artarak, en fazla 1,08 değerine kadar ulaşır.

Hızlı / Yavaş Soğutma çeliklere Etkisi OSTENİTLEME Ferrit () + Sementit (Fe3C)  Ostenit () HMK  YMK YAVAŞ SOĞUMA Ostenit ()  Ferrit () + Sementit (Fe3C) YMK  HMK HIZLI SOĞUMA (SU VERME) Ostenit ()  Martensit (’) YMK  HMT

Kritik Soğuma hızı Sertleştirme işleminin temel amacı, tamamen martenzitik bir yapı elde etmektir. Bunun içinde malzemenin tavlama işleminden sonra, kritik soğuma hızı adı verilen bir değerden daha yüksek hızlarda soğutulması gerekir. Kritik soğuma hızı; tamamen martenzitik bir yapı oluşturmak için gerekli en düşük soğuma hızıdır.

Ötektoid çelik içinTTT diyagramı SERTLEŞTİRME Sertlik RC 65 Kararlı ostenit başlangıç bitiş ’: martenzit (M) Son derece hızlı, C-eğrisi olmaz Kararlı olmayan ostenit Ms : Martenzit başlangıç sıcaklığı Ms M + A Mf : Martenzit bitiş sıcaklığı Mf M

Çelikler için önemli bir kriter olan kritik soğuma hızı, kimyasal bileşim (karbon ve alaşım elementi oranı ostenit tane boyutuna bağlıdır. Düşük karbonlu çeliklerin kritik soğuma hızları çok yüksektir. Ancak, karbon oranı arttıkça kritik soğuma hızı hızlı bir şekilde azalarak yaklaşık % 1.2C oranında en düşük değerine ulaşmakta, %1.4 C oranından sonra da az miktarda artış göstermektedir. Çeliklerde kritik soğuma hızının karbon oranına göre değişimi

Su Verme Sertleştirmesi Tavlama işleminden sonra çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Bundan hemen sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir HMK kafes yapısı oluştururlar. Soğuma hızı artırılıp belirli bir değerin üzerine çıkarıldığında karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içerisinde hapsedilmeleri nedeniyle kafes yapısı HMK yapıya dönüşemez . ….ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya "martenzit" adı verilir.

Martenzit, karbon ile aşırı doymuş hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahip bir katı çözeltidir. Martenzitin birim hücresinin iki kenarı birbirine eşit olup, üçüncü kenarı veya yüksekliği hapsedilen karbon atomlarının etkisiyle çok az bir miktar uzamıştır. Birim hücrenin c uzunluğunun a uzunluğuna oranı (c/a) artan karbon oranıyla artarak, en fazla 1,08 değerine kadar ulaşır.

(a) The unit cell of BCT martensite is related to the FCC austenite unit cell. (b) As the percentage of carbon increases, more interstitial sites are filled by the carbon atoms and the tetragonal structure of the martensite becomes more pronounced.

Plate martensite in high C steels The c/a ratio of the BCT structure, caused by trapped C atoms, is a measure of the degree of lattice distortion of martensite. Higher C contents produce martensites of higher c/a ratios; and higher c/a ratios make martensite harder and more brittle. High-C martensite is extremely hard and brittle. Plate martensite in high C steels

C along the c-axis obstructs the contraction Martensite Possible positions of Carbon atoms Only a fraction of the sites occupied FCC Austenite Bain distortion C along the c-axis obstructs the contraction FCC Austenite Alternate choice of Cell Tetragonal Martensite In Pure Fe after the Matensitic transformation c = a 20% contraction of c-axis 12% expansion of a-axis Austenite to Martensite → 4.3 % volume increase Refer Fig.9.11 in textbook

HMT  (ostenit) hücresinin Martenzitik dönüşüm büzülme~ 20% HMT  (ostenit) hücresinin genleşme ~ 12% HMT ’ (martenzit) hücresinin 0% C (BCC) 1.2 % C

Martensitic transformation (contd.) BCT unit cell of  (austenite)  ostenitin HMT kafes parametresi Contract ~ 20% Expand ~ 12% BCT unit cell of ’ (martensite) ’Martenzitin HMT kafes parametresi 0% C (HMK) 1.2 % C Fig. 9.12

Austenite to Martensite → 4.3 % volume increase Martenzit -hacimsel büyüme -sertlik Martenzit yüksek sertliğe sahiptir. Martenzitin sertliğinin yüksek olmasının en önemli nedeni, kafes yapısının aşırı ölçüde distorsiyona uğraması, yani çarpıtılmış olmasıdır. Martenzitin atomsal dolgu faktörünün, ostenitin atomsal dolgu faktörunden daha düşük olması nedeniyle, martenzitik dönüşüm sırasında çelik malzemelerde bir miktar hacimsel büyüme meydana gelir. Söz konusu hacimsel büyüme matris yapısını plastik deformasyona uğratabilecek büyüklükte yerel gerilmeler oluşturur. Austenite to Martensite → 4.3 % volume increase

Martenzitin oluşumu sırasında meydana gelen hacimsel büyüme çok yüksek düzeyde yerel gerilmeler oluşturarak çeliklerin matris yapısının aşırı ölçüde çarpılmasına veya plastik şekil değişimine uğramasına neden olur. Kafes yapısının çarpılması da dislokasyon hareketinin zorlaşmasına veya engellenmesine neden olduğundan, su verilen çeliklerin sertlik ve mukavemeti artar.

…..Martenzitin sertliğinin yüksek olması, martenzitik dönüşüm sırasında malzemenin kafes yapısında meydana gelen aşırı çarpılmadan kaynaklandığı bilinmektedir. Çünkü martenzit katı çözeltisi çözebileceği orandan çok daha yüksek oranda karbon içermektedir. Bu aşırı doymuşluk durumu da kafes yapısının aşırı ölçüde çarpılmasına neden olmaktadır. Sonuç olarak, su verilen veya martenzitik durumdaki alaşımsız bir çelikten elde edilebilecek en yüksek sertliğin yanlız çeliğin karbon oranına bağlı olduğu söylenebilir.   Martenzitik dönüşüm yanlız çeliklere has bir özellik değildir. Fe-Ni, Cu-Zn, Cu-­Al ve Cu-Al-Zn gibi pek çok alaşım sisteminde de martenzitik dönüşüm meydana gelebilir.

Martenzitin Mikroyapısı Su verme işleminden sonra oluşan martenzit mikroskop altında iğne veya diken biçminde gözükür ve bazen saman demetini andıran bir görünüm sergiler. Çeliklerin çoğunda martenzitik yapı belirsiz ve soluktur, bu nedenle kolayca ayırt edilemez. Yüksek karbonlu çeliklerde ise kalıntı ostenit arka fonu oluşturduğundan, martenzitin iğne veya diken biçimindeki yapısı daha belirgin bir görünüm kazanır.

50 mm

Martensitik dönüşüm 1. Difüzyonsuz (uzun mesafeli değil) 2. kayma ( ve ’ atomları arasında bire bir uyum) 3. Bileşim değişimi yok HMT

Lath (İgnemsi) martenzit (düşük karbonlu çeliklerde) (80). Plate martenzit (yüksek karbonlu çeliklerde) (400).

Martenzitik dönüşümün önemli özellikleri Martenzitik dönüşüm difüzyonsuz olup, dönüşüm sırasında malzemenin kimyasal bileşiminde herhangi bir değişme olmaz. Bu dönüşüm sırasında ostenit fazı ikili kayma mekanizmasıyla aniden kafes yapısını değiştirir. Martenzitik dönüşüm yalnız soğuma sırasında meydana gelir ve soğuma engellenirse dönüşüm durur. Bu nedenle, söz konusu dönüşüm zamandan bağımsız olup, yalnız sıcaklığın azalmasına yani soğumaya bağlıdır. Bu tür dönüşüme "atermal dönüşüm" denilir.

Dönüşüm sırasında oluşan martenzitin oranı, azalan sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişmez. Dönüşümün başlangıç aşamasında az miktarda martenzit oluşur, sonradan martenzit oranı hızlı bir şekilde artar ve dönüşümün sonuna doğru bu oran tekrar azalır. Martenzitik dönüşümün başlangıç sıcaklığı Ms, bitiş sıcaklığı ise Mf harfleri ile gösterilir. Bir çelik parça, Ms 'nin altındaki bir sıcaklıkta tutulursa martenzitik dönüşüm durur ve sıcaklık düşmedikçe dönüşüm devam etmez.

Soğuma hızını değiştirmekle bir alaşımın ne Ms sıcaklığı değiştirilebilir ne de martenzitik dönüşümü engellenebilir. Bir başka deyişle, soğuma hızını değiştirmekle bir alaşımın Ms sıcaklığı değiştirilemediği gibi, martenzitik dönüşümü de engellenemez. Martenzitik dönüşüme ait sıcaklık aralığı alaşımın bir karakteristiği olup, soğuma hızının artırılması ile değiştirilemez.

yüksek ve orta alaşımlı çelikler için kullanılan bağıntı; Ms sıcaklığı yalnız alaşımın kimyasal bileşimine bağlıdır. Çeliklerin Ms sıcaklığını hesaplamak için bazı bağıntılar geliştirilmiştir. Bütün alaşım elementlerinin ostenit içerisinde çözünmeleri durumunda geçerli olan bağıntı; Ms =561-(474x %C)-(33x %Mn)-(17x %Ni)-(17x %Cr)-(21x %Mo), yüksek ve orta alaşımlı çelikler için kullanılan bağıntı; Ms=550-(350x%C)-(40x%Mn)-(20x%Cr)-(10x%Mo)-(17x%Ni)-(8x%W)-(35x%V) şeklinde yazılabilir.

Mf sıcaklığı genelde net olarak belirlenemediğinden diyagramlarda kesikli çizgi biçiminde gösterilir. Teorik olarak ostenit tamamen martenzite dönüşemez, yani ostenit-martenzit dönüşümü hiç bir zaman tamamlanamaz ve çelik içerisinde düşük sıcaklıklarda bile çok düşük oranda da olsa kalıntı ostenit bulunur. Martenzit iğneleriyle çakışan düşük oranlardaki kalıntı ostenitin metalografik yöntemle belirlenmesi oldukça zordur. Bunun için ya x-ışını ya da elektron difraksiyonu yöntemi uygulamak gerekir. Ancak, martenzitik dönüşümün tamamlanma sıcaklığını gösteren Mf çizgisi olabildiğince metalografik gözlemlerle belirlenir.

Martenzit, her ne kadar oda sıcaklığında veya buna yakın sıcaklıklarda ölçülemeyecek kadar uzun bir süre dönüşüme uğramadan kalabilirse de gerçekten kararlı bir faz değildir. Martenzitik yapı, kararsız ostenit fazı ile ferrit ve sementit karışımından oluşan kararlı yapı arasında bir geçiş fazı olarak kabul edilebilir.

Martenzitin özellikleri e- Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. çeliklerde sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Yüksek sertlik değerleri, ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir. su verme işleminden sonra elde edilen sertlik değeri çeliğin karbon oranına bağlıdır. diyagramdan görüldüğü gibi su verilen çeliklerden elde edilen martenzitin sertliği başlangıçta artan karbon oranı ile hızlı bir şekilde artarak %0,4 C oranında yaklaşık 60 RSD-C değerine ulaşmaktadır. Su verilen karbon çeliklerinde sertliğin karbon oranına göre değişimi

Martenzitik dönüşüm Sertlik, RC 60 40 Sertlik, RC 20 0.2 0.4 0.6 Wt % Carbon → C oranına bağlı olarak martenzitin sertliğindeki değişim (diğer alaşım elementleri olmaksızın)

% C oranına bağlı olarak martenzitin sertliğindeki değişim 60 0.2%C – 50 Rc 0.4%C – 58Rc 0.8%C – 65 Rc (2000 Mpa) Hardness (Rc) → 40 20 0.2 0.4 0.6 % Carbon → 0.8% C lu çeliğin özellikleri Yapı Sertlik (Rc) Çekme mukavemeti (MN / m2) Kaba perlit 16 710 İnce perlit 30 990 Beynit 45 1470 Martenzit 65 - 250 oC de temperlenmiş martenzit 55 1990

kalıntı ostenit Bu noktadan sonra ise söz konusu eğrinin eğimi ya da sertliğin artış hızı gittikçe azalarak %0,8 C oranında yaklaşık 65 RSD-C değerinde bir sertlik elde edilmektedir. Sertliğin artış hızındaki azalma, yüksek karbonlu çeliklerde kalıntı ostenit oluşma eğiliminin artmasından kaynaklanmaktadır. ….

Çelik Mf sıcaklığının allındaki bir sıcaklığa soğutulursa bile ostenitin bir kısmı dönüşmeden kalır. Bu dönüşmeden kalan ostenite kalıntı ostenit adı verilir. Su verilen çelikte kalıntı oslenit miktarı çelik kimyasal bileşimine bağlıdır. Şekil de alaşımsız çeliklerde kalıntı ostenit miktarının karbon oranı ile arttığım görüyoruz.

Karbon oranı ile Mf azaldığından oda sıcaklığında su verilen çelikte kalıntı ostenit miktarı artar. Alaşımlı çeliklerde alaşım elementleri osteniti kararlı hale getirdiğinden kalıntı ostenit oluşumunu teşvik ederler. Hatla bazı yüksek alaşımlı çeliklerde Ms sıcaklığı oda sıcaklığı altında olduğundan çeliğe ostenit bölgesinden su verilince %l00 ostenit mikroyapısı elde edilir.

Martensite The martensitic transformation occurs without composition change The transformation occurs by shear without need for diffusion The atomic movements required are only a fraction of the interatomic spacing The shear changes the shape of the transforming region → results in considerable amount of shear energy → plate-like shape of Martensite The amount of martensite formed is a function of the temperature to which the sample is quenched and not of time Hardness of martensite is a function of the carbon content → but high hardness steel is very brittle as martensite is brittle Steel is reheated to increase its ductility → this process is called TEMPERING