Fiziksel Metalurji Çökelme Sertleşmesi ÇÖKELME SERTLEŞMESİ Bir metalin kristal yapısının plastik şekil değişimine karşı direncini artırabilmek için üç önemli genel yöntem vardır. Bunlar soğuk şekil verme, katı çözelti sertleşmesi ve çökelme sertleşmesidir. Bugün çok yüksek dayanımlı alaşımların elde edilmesi bu yöntemlerin bir veya bir kaçının kullanılmasına bağlıdır. Alaşım elementleri, esas metale özelliklerini değiştirmek ve arzu edilen karekteristikleri kazandırmak için eklenir. Alaşım elementlerinin katı çözelti içine girmesiyle, elektriksel iletkenlik ve süneklikte azalma, sertlik ve mekanik dayanımda artma vardır ve bu katı çözelti sertleşmesi veya alaşım sertleşmesi adını alır. Çökelme Serleşmesi Isıl İşlemi Çökelme sertleşmesi, bazı alaşımlar için sertlik ve dayanımı arttırmak için geliştirilmiş temel sertleştirme mekanizmasıdır ve çözünmenin temel karekteristiğine dayanır. Bu metodun prensibi genelleştirilmiş olarak Şekil deki şematik diyagramla ifade edilmiştir. Sıvı X alaşımı denge altına soğutulursa, T1 sıcaklığında katılaşmanın başladığını T2 sıcaklığında bittiğini biliyoruz. T3 erişinceye kadar fazda herhangi bir değişiklik yoktur. Soğutmaya devam edildiğinde ikinci bir faz tane sınırları boyunca ve kayma düzlemlerinde çökelir. (katılaşmanın sınırı aşılırken) Bu çökelen faz, aslında, esas metal, eriyik metal veya bir ara faz olabilir. Şekil – Çökelme sertleşmesi faz diyagramı Başka bir deyişle, soğutma hızı, çok hızlı ise tamamlanmamış çökelme elde ederiz. Gerçekte T2 ve T3 sıcaklıkları arasında, hızlı soğuma, çoğu alaşımda, çözeltideki bütün ikinci faz içeriğini muhafaza etmeye musaade etmek için yeterlidir. Örneğin alaşım aşırı doymuştur. Çözeltideki B atomları fazla olduğundan çökelmenin meydana gelmesine eğilim vardır. Uygulama süresinde çökelmenin meydana gelip gelmemesi difüzyon hızına bağlıdır. Difüzyon yeterince hızlı ise, çökelme oda sıcaklığında meydana gelir. Bu durumda alaşım doğal yaşlanır. Çoğu alaşımda, oda sıcaklığında difüzyon çok yavaştır. T3 den daha düşük sıcaklıklara ısıtma, difüzyonu artırır ve çökelmeye müsaade eder. Bu durumda alaşım yapay olarak daha hızlı yaşlanır. Çökelme sertleşmesi üç temel aşamayı izleyen işlem gerektirir. 1. Çözündürme ısıl işlemi 2. Hızlı soğutma 3. Çökeltme (yaşlandırma) işlemi Çözündürme ısıl işlemi: Alaşım Şekil de belirtilen T3 sıcaklığının üzerine (fakat Tö nün altına) ısıtılması ve homojen yapı elde etmek için bir süre tutmayı içerir. T3 , müsaade edilen tam çözünme için en düşük sıcaklıktır ve Tö2 yarı kararlı olabilen ötektiğin erimesinden kaçınmak için kullanılan max sıcaklıktır. Pratikte mümkün olan en yüksek sıcaklık en hızlı difüzyonu elde etmek için kullanılır. Örneğin, Al-Cu da 2024 (%4.5 cu ağırlıkça içerir) 500 ?C ötektik sıcaklığına sahiptir ve çözündürme ısıl işlemi normal olarak 488-500 ?C arasında gerçekleşir. Hızlı soğutma: Numune, düşük sıcaklığa (genelde oda sıcaklığına) hızlı olarak soğutulur (suda soğutma yeterlidir). Soğutma ortamı oda sıcaklığında genelde sudur. Suda hızlı soğutmadan sonra alaşım örneğinin yapısı aşırı doymuş katı çözelti içerir. Bizim X alaşımımızın yapısı, düşük sıcaklığa hızlı soğutmadan sonra Şekilde a noktasında, ? fazının aşırı doymuş katı çözeltisini içerir. Yaşlandırma (çökeltme) işlemi: Yaşlandırma işlemi, sertlik ve dayanımda arzu edilen artma meydana gelinceye kadar, malzemeyi uygun sıcaklıkta tutmayı gerektirir. Alaşımda ince dağınık çökeltinin teşekkülü, çökelme sertleşmesi işleminin amacıdır. Aşırı doymuş çökelti kararsız olduğundan, ikinci fazın çökelmesi için kesin eğilim vardır. İşlem sıcaklığında ? çözeltisinin kabul etmek istemediği fazla B atomları belli kristalografik düzlemlere doğru difüzyon eğilimindedir. 1. Isıl işlemlerle mukavemet arttırma Metallerde dengeli soğuma süresinde oluşan yapılar kararlı olup belirli özelliklere sahiptirler. Denge diyagramları bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterir. Bu durumda soğuma süresinde faz dönüşümleri zorlayıcı etki bulunmaksızın kendiliğinden tamamlanır. Ancak kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri ile sağlanan aşırı koşullar altında (su içinde soğutma gibi) denge hali faz dönüşümleri kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu koşullarda elde edilecek bazı denge dışı yarı kararlı fazlar üstün özelliklere sahip olabilirler. Bu ilkelere dayanarak endüstride çeşitli ısıl işlemler geliştirilmiştir. Çeliklere uygulanan su verme sertleştirmesi ile bazı alüminyum alaşımlarına uygulanan çökelme veya yaşlanma sertleşmesi bunlara birer örnek olarak gösterilebilir. Bir ana faz içinde çok küçük parçacıklar halinde çökelmiş ikinci bir faz şekil değiştirmeyi çok kısıtlar, dolayısıyla sertlik ve mukavemet artar. Bu ikinci faz genellikle aşırı doymuş bir fazdan kontrollü çökeltme yöntemi ile elde edilir. Bu yöntem birbirlerini sıcaklığa bağlı olarak sınırlı oranda eriten sistemlere uygulanır. Bunun en tipik örneği Al-Cu alaşımlarıdır. 2. Alüminyum alaşımları Yapısal ürünler için kullanılan alüminyumun çoğu alüminyum alaşımları şeklindedir. Yüksek mukavemet ve düşük yoğunluk özelliklerinden dolayı alüminyum üretiminin büyük bir kısmı nakil araç gereçleri ve hareketli makina parçalarında kullanılır. 190 ? nin üzerinde metalin akma dayanımını şiddetle düşmesi sebebiyle bölgesel ısı uygulamalarının yada yangın tehlikesinin olduğu büyük yapılarda çeliğin yerini alması uygun değildir. Alüminyum alaşımlarının çoğu kolaylıkla ekstrüzyon yöntemiyle şekillendirilebilir ve ayrıca alüminyum, derin çekme işlemlerinde de oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Alüminyuma katılan en önemli alaşım elemanları bakır, magnezyum, silisyum ve berilyumdur. Bu elemanlar katı eriyik oluştururlar. Endüstride alüminyum alaşımları dövme alaşımlar (hadde ürünü) ve dökme alaşımları olarak iki guruba ayrılırlar. Alüminyum alaşımlarında katı eriyik sertleşmesinden başka soğuk şekil verme ve çökelme sertleşmesi işlemleri ile de mukavemet artışı sağlanır. Özellikle bakır içeren dövme alaşımlara uygulanan çökelme sertleşmesi veya yaşlanma sertleşmesi uygulamada önemli yer tutar. Bakırın alüminyumda erime oranı sıcaklığa bağlıdır. Yüksek sıcaklıkta katı eriyik halinde olan bir alaşım dengeli soğuma sırasında doyma sıcaklığına gelince ikinci faz tane sınırı boyunca çökelir. Eğer soğuma çok hızlı olursa ikinci faz ayrışamaz, sonuçta bakırca aşırı doymuş tek faz elde edilir. Bu durumdaki alaşım kontrollü ısıtılıp mikroskopaltı düzeyde çökelme sağlanırsa sert ve mukavemeti yüksek bir metal elde edilir. Bu işleme çökelme yada yaşlanma sertleşmesi denir. Bakırın yanında magnezyum ve mangan içeren alüminyum alaşımları düralümin adı ile uçak endüstrisinde çok fazla kullanılır. (Şekil 1, Al-Cu ikili denge diyagramının alüminyumca zengin ve pratikte kullanılan kısmını göstermektedir. Metal Handsbook 8. Cilt ; Metalografi, Yapılar ve Faz Diyagramlarından alınmıştır.) Şekil 1 3. Yaşlandırma Al-Cu dizgesinde bir katı çözeltiye yüksek sıcaklıklarda tek faz bölgesinde çözündürme ısıl işlemi uygulanır ve sonra birden, çözünürlüğün çok daha az olduğu oda sıcaklığına soğutulursa (su verme işlemi) katı çözelti aşırı doymuş katı çözelti olarak yarı kararlı duruma girer. İşte bu aşırı doymuş çözelti, oda sıcaklığında yada düşük sıcaklıklarda ısıtılarak, yarı kararlı durumdan kararlı duruma geçebilir. Bu olay, metalurjide daha önce gördüğümüz gibi, denge dışı durumlarda çökelme diye anılır. Bu çökelme sonucu su verilmiş yapının sertliği artar. Oda sıcaklığında yada biraz daha yüksek sıcaklıklarda, sertliğin süreye bağlı olarak artmasına, metalurjide, yaşlanma yada çökelme sertleşmesi; bunu gerçekleştiren ısıl işlemede yaşlandırma denir. Yaşlanma olayının en belirgin olarak görüldüğü alaşımlar Al-Cu alaşımlarıdır. Al-Cu dizgesinde % 5.7 Cu olan en yüksek çözünürlük değeri altında kalmak koşulu ile, bileşimleri % 1 Cu ile % 4.5 Cu arasında değişen bir dizi alaşım, 500 ? C sıcaklıkta çözündürme ısıl işlemi uygulandıktan sonra su verilip 150 ? C ‘de bekletilirse buna suni yaşlandırma denir. Eğer su verilmiş numune doğal olarak oda sıcaklığında bekletilirse buna tabii (doğal) yaşlandırma denir. Her iki durumda da bekleyen numunenin arttığı gözlenmiştir. Oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklarda bekletilen numunenin yaşlanma işlemi hızlanır. Ayrıca % Cu arttıkça yaşlandırma etkisi artar. Eğer % 4 Cu bileşimli bir Al-Cu alaşımı T1 sıcaklığındaki çözündürme ısıl işleminden sonra yavaşça soğutulacak olursa Şekil 2’ de A daki yapı oluşur. Şekil 2. a) Al içinde Cu nun max Çözünürlüğü b) % 0.4 Cu-Al alaşımının yaşlandırma işlemi ve oluşan yapılar ? tane sınırlarında çökelmiş kaba ? fazı çökeltileri görülür. Bu faz CuAl2 bileşiğidir; ? tane sınırlarında çökelmesiyle yapıyı gerçekleştirir. Yavaş soğuma yerine 500 ?C sıcaklıktan bu alaşıma su verilirse, ? fazı çökelmesi için gerekli yayınma gerçekleşemez ve C deki gibi ? aşırı doymuş çözeltisi oluşur. Bu aşırı doymuş çözelti oda sıcaklığında kendiliğinden, daha yukarı sıcaklılarda ise hızlandırılmış olarak aşırı doymuşluk durumundan, D’de de görüldüğü gibi,çökelim yoluyla çıkar. Su verilmiş alaşım -20?C de tutulacak olursa aşırı doymuş katı çözelti, çökelmeye yol açmadan, yarı kararlı durumunu korur. Yukarıda anlatılanlar yalnızca Al-Cu alaşımı için geçerli değildir. Al-Mg alaşımlarının davranışları da benzer biçimdedir. Bu alaşımlarda Al3Mg2 bileşiği; Al-Mg-Si alaşımlarında ise Mg2Si bileşiği oluşur. Eğer alaşım Al-Mg-Cu-Si alaşımı ise bu kez Mg2Si ve CuAl2 her ikisi birlikte çökelir. Sertleşmeye yol açan bunların oluşumudur. Yapay yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığından 200 ?C a dek arttırıldıkça, çökelme ve bunun sonucu sertleşme hızlanır. Sertliğin en yüksek değerine ulaştığı noktada ışık mikroskobunda, yapıda çökeltiler görülmez. Ancak aşırı yaşlandırılmış ve yumuşatılmış yapılarda çökeltileri görmek olasıdır. 4. Deneyin yapılışı Deneyde 7075 alaşımı kullanılmıştır. Numune 2 saat süreyle çözeltiye alma ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra su verilir ve sertliği ölçülür. Daha sonra bir hafta boyunca her gün sertlik alınır. Numunenin her geçen gün sertleştiği görülür. 5. Yaşlandırma koşulları Çökelme sertleşmesinin meydana gelebilmesi için uygulanacak alaşımlarda bazı özellikler aranır. Bunlar; ? Denge diyagramı azalan sıcaklıkla, azalan katı çözeltiyi göstermelidir. Yani denge diyagramı bir solvüs eğrisine sahip olmalıdır. ? Matris yumuşak ve sünek, çözelti ise sert ve gevrek olmalıdır. Yaşlanabilir pek çok alaşımda çökelti sert intermetalik bir bileşiktir. ? Alaşım su alabilmelidir. (ikinci fazın soğuma ile engellenebilmesi) ? Çökelti max mukavemet ve sertliği sağlayabilmek için matris yapısı ile uyumlu olmalıdır. Dahası, çökeltinin şekli, boyutu ve dağılımı kontrol edilebilmelidir. Yaşlanma veya çökelme sertleşmesi metodu en çok alüminyum alaşımları için kullanılır. Bunun nedeni Cu,Mg içeren alaşımları yukarıda bulunan 4 özelliğe kusursuz sahip olmalarıdır. Ayrıca yapının sertleşmesine, oluşan fazların bağdaşıklığı yol açmaktadır. GP bölgecikleri ile çökeltileri ? fazı ile tam bir süreklilik ve bağdaşıklık gösterirler. ?” fazının kristal yapısı tetragonaldir ve alüminyum birim hücresine iki yönde tam uyar, üçüncü yönde ise uyumsuzdur. İşte bu nedenle yapı içinde sıkışma doğar. Bu sıkışma bağdaşıklık gerinimlerine yol açar. Yaşlanma olayının yarattığı sertleşme işte buradan kaynaklanmaktadır. Bu olay en iyi alüminyum ve alaşımlarında gerçekleştiği için pratikte en çok bu alaşımlar kullanılır. Çökelme sertleşmesi ilk olarak Duralumin’e adını veren Alman Metal Şirketi Dürener firması tarafından Birinci Dünya savaşı sırasında zeppelinlerde kullanıldı. Yine ? bölgesinde tavlanan alüminyum alaşımı perçinler, suda soğutularak buz dolabına konur, gerektiği zaman alınarak yumuşak halde hemen perçinlenir. Perçin bir süre sonra sertleşir ve mukavemeti artar. Ayrıca paslanmaz çeliklerde bu yöntemle sertleştirilmektedir. 6. Çökelme ile sertleşebilen paslanmaz çelikler Normalde 300 serisine ait paslanmaz çelikler ısıl işlem görmez ve korozyon direnci Düşüktür fakat 400 serisinin C içeriği fazladır ve çevreye daha fazla direnç gösterir. Al, Mg, Ni ve Fe esaslı yüksek korozyon dirençli alaşımlar genelde çökelme ile sertleştirilebilen alaşımlardır. Mukavemete duyulan gereksinim, çökelme ile sertleştirilebilen düşük C li martenzit matrisli alaşımların geliştirilmesini sağlamıştır. Bu tür alaşımlar üçe ayrılırlar. ? Çökelme ile sertleştirilebilen yarı-östenitik paslanmaz çelikler ? Çökelme ile sertleştirilebilen martenzitik paslanmaz çelikler ? Çökelme ile sertleştirilebilen östenitik paslanmaz çelikler Kaynaklar 1. Demirdışı Metaller ve Alaşımlarının Uygulamalı Optik Metalografisi Doç. Dr. Erdoğan Tekin – SEGEM Yayınları, 1984 2. Materials Science and Engineering William D. Callister, Jr – Utah Üniversitesi, 1990 3. Malzeme Bilimi Prof. Dr. Kaşif Onaran – Bilim Teknik Yayınevi, 1995 4. Metallerin Isıl İşlemi Ders Notları Yrd. Doç. Dr Sakin Zeytin – Sakarya Üniversitesi 5. Alaşımların Yapı ve Özellikleri Prof. Dr. Fevzi Yılmaz – Öğr. Gör. Uğur Şen, Sakarya Üniversitesi yayınevi, 1996 6. Paslanmaz Çeliklerde Çökelme Sertleşmesi Mustafa Katar, Bitirme Ödevi - Sakarya Üniversitesi, 2001 Emre EROL G9601.080