KRİSTAL MALZEMELERİN DAYANIMLARININ ARTIRILMASI Aytekin Hitit

DAYANIMIN ARTIRILMASI Kristal malzemelerin dayanımların artırılması için dislokasyon hareketinin (kaymasının) engellenmesi gerekir. Bu amaçla çeşitli engellerden yararlanılır. Kullanılan bu engeller: diğer dislokasyonlar tane sınırları empürite atomları ikincil faz taneleri çökelek halinde dışarıdan eklenen Çoğu yüksek dayanımlı alaşım bu dayanımı artırma mekanizmalarının birden fazlasının katkısıyla sertleştirilir.

ENGELLER Engelleri tanımlayan birincil etken kayma düzleminde aralarındaki ortalama mesafedir(L’). Dışarıdan bir kuvvet uygulanması ile, dislokasyon kayma düzlemi üzerinde ve kayma doğrultusunda kaymak ister ve engelle karşılaşınca hareket engeller tarafından durdurulur. Dışarıdan uygulanan kuvvet artırıldıkça dislokasyonlar engeller tarafından yay şeklinde kritik açı fc değerine ulaşılana kadar gerilir. fc değerine ulaşılınca dislokasyon engellerden kurtulur ve kayma düzlemindeki hareketine devam eder. Dislokasyon yeniden bir engelle karşılaşana kadar kaymaya devam eder ve engelle karşılaşınca yukarıda bahsedilen proses tekrar oluşur. Dislokasyon hareket yönü L’ P Q Engel fc

ENGELLER Engellerin kuvveti dislokasyonların kayma hareketini ve böylecede akma dayanımını belirler. Kuvvetli engeller dislokasyonların hareketini oldukça zorlaştırır ve bu engeller için fc açısı sıfıra yaklaşır. L Kuvvetli engeller L’ Zayıf engeller L’: efektif mesafe kuvvetli engeller için; ve

ENGELLER Şekilde kuvvetli ve zayıf engeller için verilen bağıntılar ile bilgisayar simülasyonu ile elde edilen sonuçlar gösterilmektedir. Kuvvetli engeller için elde edilen bağıntı simülasyon sonuçlarından biraz farklı görülmektedir.

ÇALIŞMA SERTLEŞMESİ Plastik deformasyon nedeniyle dislokasyon konsantrasyonunda meydana gelen artış work hardening e sebep olur. Bunun sebebi dislokasyonların, dislokasyonların hareketlerine engel olmasıdır. Dislokasyonlar arasındaki etkileşime bağlı olarak; diğer dislokasyonlar zayıf veya kuvvetli engel olabilir. Akma dayanımı (kayma) Çok düşük dislokasyon yoğunluğundaki akma dayanımı malzeme sabiti (HMK için 0.4, YMK için 0.2) Dislokasyon yoğunluğu

ÇALIŞMA SERTLEŞMESİ Yandaki şekilde, bakır kristalinde, kritik kayma gerilmesinin dislokasyon yoğunluğuna bağlı olarak değişimi görülmektedir.

TANE SINIRI ETKİSİ Tane sınırları da dislokasyon hareketlerini kısıtlayan engellerdendir. Tane sınırları, dislokasyonlardan veya empüritelerden daha kuvvetli engellerdir. Dislokasyonun kayma düzlemi üzerinde bulunan bir engelle kıyaslandığında, tane sınırı (yüzey !) daha kuvvetli bir engelidir. Kristallografik olarak düşünüldüğünde; bir tane (kristal) içinde ilerleyen bir dislokasyon tane sınırına ulaştığında başka oryantasyona sahip tanelerle (kristallerle) karşılaşacağından daha fazla ilerleyemez. Böylece dislokasyon hareketi engellenmiş olur. Tane boyutunun küçük olması hem dayanımı hem de tokluğu aynı artıran bir etkendir.

TANE SINIRI ETKİSİ Akma dayanımının tane boyutuna bağlı olarak değişimi: Hall-Petch Eşitliği Malzeme Kristal yapı ka Düşük karbonlu çelik HMK 0.307 Molibden 1.768 Çinko HSP 0.220 Magnezyum 0.279 Titanyum 0.403 Bakır YMK 0.112 Alüminyum 0.068 Akma dayanımı Malzeme sabitleri Tane boyutu

TANE SINIRI ETKİSİ Hall-Petch eşitliğine göre akma dayanımını artırmak için tane boyutunun küçültülmesi gerekir. Örneğin metalik malzemelerde, çok küçük boyuta sahip ve metalin içinde çözünmeyen ve tane büyümesini engelleyen ikincil fazlar kullanılmaktadır. Tane boyutunun etkisinden ciddi anlamda yararlanmak için tane boyutunun 5 mikron dan küçük olması gerekmektedir.

TANE SINIRI ETKİSİ Karbon çeliğinde Hall-Petch ilişkisi

SORU-1 Karbon Çeliği Alüminyum Alaşımı d(mm) sy(MPa) 406 93 42 223 106 Bir karbon çeliği ve alüminyum alaşımından aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Karbon Çeliği Alüminyum Alaşımı d(mm) sy(MPa) 406 93 42 223 106 129 16 225 75 145 11 43 158 8.5 226 30 189 5.0 231 233 3.1 238 Karbon çeliğinin ve alüminyum alaşımının akma dayanımlarının Hall-Petch ilişkisini sağlayıp sağlamadığını tespit ediniz. Küçük miktarlarda vanadyum veya niobiyum eklenmesi sonucu bazı düşük alaşımlı çeliklerin tane boyutu 2m değerine kadar düşürülebilir. Benzer şekilde ileri alüminyum alaşımlarında tane boyutu bazı özel taneler kullanılarak 2m değerine kadar düşürülebilir. Buna göre bu örnekteki çeliğin ve alüminyum alaşımlarının tane boyutları 2m değerine kadar düşürülürse her birinin akma dayanımı ne olur hesaplayınız.

ÇÖZÜM-1 Akma dayanımını 1/d1/2 fonksiyonu olarak çizersek: Karbon Çeliği Alüminyum alaşımı

ÇÖZÜM-1 devam… Karbon Çeliği Alüminyum alaşımı

10.HAFTA

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİ Bünyede bulunan empürite atomları da dayanımı artırıcı rol oynar. Kayma düzlemi üzerinde ilerlemekte olan bir dislokasyon bir empürite atomu ile karşılaştığında dislokasyon hareketi zorlaşır ve bu yüzden de malzemenin dayanımı artar.

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİ • Küçük yer alan empüritesi • Büyük yer alan empüritesi

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİ Çelik Bakır

ÇÖKELME SERTLEŞMESİ Mikroyapıda çökelen ikincil faz taneleri dayanımı artırmak için kullanılan yöntemlerden birisidir. Bu taneler dislokasyonların ilerlemesini zorlaştırmakta ve böylece de dayanımın artmasını sağlamaktadır. Çökelme sertleşmesinde şu faktörler önemlidir: Tane boyutu ve hacim oranı Tanenin şekli Tane ve matris arasındaki sınırın türü Tanenin mekanik dayanımı (elastik modülü,akma dayanımı)

DEFORME EDİLEBİLİR ÇÖKELEKLER Kenar dislokasyonunun bir taneyi deforme etmesi b b çökelek r

DEFORME EDİLEBİLEN TANELER Taneleri kesmek için gerekli kayma gerilmesinin tane boyutuna göre degişimi yandaki şekilde verilmiştir. Tane boyutu arttıkça tanenin deforme edilmesi zorlaşacaktır (arayüzey alanı artıyor) ve bu yüzden de taneleri deforme etmek için gerekli kayma gerilmesi daha büyük olacaktır. Belli bir tane boyutundan sonra sonra; taneler arası mesafe artacağından toplam gerekli kayma gerilmesi tane boyutuna bağlı olarak azalacaktır. Aynı tane boyutunda, tanelerin hacim oranı artırılırsa gerekli toplam kayma gerilmesi de artacaktır. Aynı tane boyutunda, tanelerin deformasyon direnci artırılırsa gerekli toplam kayma gerilmesi de artacaktır. tc Tane dayanımı veya hacim oranı artıyor r

DEFORME OLMAYAN TANELER Dislokasyonların taneler arasında bükülmesi aşağıda gösterildiği şekilde olur.

DEFORME OLMAYAN TANELER Deforme edilebilen tanelerdeki dislokasyonları engelleme (bükme) dirençlerinin tane boyutuna göre değişimi yanda verilmiştir. Hacim oranı sabit kalmak koşuluyla tane boyutu artarsa taneler arası mesafe artacağından; dislokasyonların bu tanelerle karşılaşma oranı azalacak bu yüzden de gerekli toplam kayma gerilmesi de azalacaktır. Aynı tane boyutunda, tanelerin hacim oranı artırılırsa taneler arası mesafe azalacağından; dislokasyonların bu tanelerle karşılaşma oranı artacak bu yüzden de gerekli toplam kayma gerilmesi de artacaktır. tB r f1 f2>f1

DEFORME OLAN-OLMAYAN GEÇİŞİ Deformasyon mekanizmaları arasındaki geçiş yandan verilmiştir. Kritik tane büyüklüğünden küçük tane boyutlarında taneler deforme edilebilir tanelerdir. Kritik tane büyüklüğünden büyük tane boyutlarında taneler by-pass edilebilir tanelerdir ve dayanım bu şekilde artırılır. rc t r tB tK

DEFORME TANELER-DEFORME OLMAYAN TANELER Şekilde saf bakırın, bakır-berilyum sisteminin(deforme edilebilen taneler) ve Cu-BeO sisteminin (deforme edilebilen taneler) gerilme-gerinim eğrileri verilmiştir. Courtney Sayfa 213, Şekil 5.29