Malzeme Malzeme 1 - Katılaşma Katıeriyikler 3.not (Ayşegül Akdoğan) 1 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMA- KATI ER İY İKLER 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER Saf metallerin ısınma-so ğuma e ğrileri TERM İK ANAL İZ2 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMA- KATI ER İY İKLER • Bütün malzemeler ( metal, metal ala şımları, bir çok yarı iletken, kompozitler ve polimerler) belli bir sıcaklıktan sonra sıvı hale gelirler. •D o n m a s ıcaklı ğının altına so ğutulan malzemeler katıla şır ve genellikle çe şitli ısıl i şlem ve mekanik i şlemlerden sonra kullanılır. •K a t ıla şma sırasında olu şan yapı, malzemenin öncelikle mekanik özelliklerini ve di ğer özelliklerini etkiler. •K a t ıla şma ile tane boyutu ve tane şekli kontrol edilebilir. 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMA • Sistemdeki serbest enerji de ği şimine ba ğlı olarak, ergiyik malzemede tesadüf olarak iki atom bir araya gelir ve embriyo (katı parçacık) olu şturur. • Sistemin serbest enerji de ği şimine ba ğlı olarak embriyo büyür ve kritik yarıçapına ula şınca çekirdek olu şur. Zamanla sıcaklı ğın dü şmesiyle, çekirde ğin etrafına di ğer atomlar ötelenerek, büyüme meydana gelir. Katıla şma • Metallerde katıla şma olayı çekirdeklenme ve büyüme olarak 2 adımda gerçekle şir. 1- Çekirdeklenme : Küçük bir parça katının olu şması ile gerçekle şir. Bu amaçla katının denge konumuna gelmeden önce belirli bir kritik boyutu a şması gerekir. 2- Büyüme : Atomların ortamda hiç sıvı kalmayıncaya kadar küçük katı parçacı ğı üzerine ötelenmesidir.3 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER Çekirdek olu şumu Kristal Büyümesi Tane sınırları KATILA ŞMA MEKAN İZMASI 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER 1- ÇEK İRDEKLENME • Çekirdeklenme,ancak yeterli sayıda atomun aynı zamanda bir noktada birikmesi ve kritik çekirdek yarıçapına ula şması ile gerçekle şir. Bu da serbest enerji de ği şimini veren e ğrinin, maksimum noktasına rastlar. • Ergiyik içerisindeki a şırı so ğuma (super cooling) derecesi arttıkça çekirdek olu şumu artar. • A şırı so ğuma: Ergiyik malzemenin donma sıcaklı ğının daha altına so ğutulmasıdır . • Çekirdeklenme prosesi, çekirdeklenmeyi etkileyen faktörlerin varlı ğı ve çe şidine göre ikiye ayrılır: •E ğer bir ergiyik kendi atomlarından olu şan çekirdeklerin büyümesiyle katıla şıyorsa homojen katıla şma adı verilir. E ğer ergiyik yabancı bir elementin etkisi ile çekirdekleniyor ve büyüyorsa heterojen katıla şma adını alır.4 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER ? ? ? 2 4 r G y = h V G r G ? ? ? 3 3 4 = k r G ? k r enerji serbest Yüzeysel : : ? ? enerji serbest Hacimsel F G V h : : ? ? k r y G ? V G ? Serbest hacim enerjisi de ği şimi : Kritik çekirdek yarıçapı : Serbest yüzey enerjisi de ği şimi : Serbest hacim enerjisi de ği şimi Saf bir metalin katıla şmasında serbest enerji ) ( G ? de ği şimi SAF B İR METAL İN KATILA ŞMASINDA SERBEST ENERJ İ DE ĞİŞİM İ 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER 1.1. HOMOJEN ÇEK İRDEKLENME (ÖZ ÇEK İRDEKLENME, BENZE ŞİK ÇEK İRDEKLENME) • Homojen çekirdeklenme sadece laboratuvar ko şullarında ve a şırı so ğuma durumunda olu şabilir. • Homojen çekirdeklenme; sıvı sıcaklı ğının denge donma sıcaklı ğının biraz altına dü şmesi ile atomların bir araya gelerek kritik yarıçaptan daha büyük yarı çapta embriyo olu şturma ihtimali artar. Sıvı içindeki atomlar kendilerini bu çekirdeklere yapı ştırarak ‘’hareket enerjilerini’’ ergime ısılarını verirler ve kristalin büyümesini sa ğlarlar. • Embriyonun olu şması ile serbest enerjideki toplam de ği şim, hacimsel serbest enerjinin azalması ve yüzey serbest enerjisinin artı şının toplamıdır. • Serbest enerjideki toplam de ği şim , embriyo boyutuna ba ğlıdır. E ğer olu şan embriyo, çok küçükse daha büyümesi serbest enerji artı şına neden olur. Ancak , büyüme yerine tekrar ergime durumunda serbest enerjide tekrar azalma olur. Ve malzeme sıvı olarak kalmaya devam eder. Bu nedenle, denge donma sıcaklı ğının altında halen sıvının bulunmasına , sıvının a şırı so ğuması adı verilir. •A şırı so ğuma,bir denge donma sıcaklı ğı olup sıvının gerçek sıcaklı ğından dü şüktür. •S ıvı malzeme sıcaklı ğı denge so ğuma sıcaklı ğının altına dü şse bile ço ğu kez çekirdeklenme ba şlamaz ve büyüme olmaz. • Homojen Çekirdeklenme; a şırı so ğumanın ( ) kritik yarıçapı a şacak embriyo olu şturmaya uygun derecede geni ş olması ile gerçekle şir.5 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER ' e T e T dt dT v s = Katıla şan ergiyiklerde so ğuma hızının a şırı so ğumaya etkisi e T T ? A ŞIRI SO ĞUMA 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER T H T r f erg k ? ? ? . 2 = T T T e ? - = e T T 2 , 0 = ? : f H ? Katıla şma gizli ısısı •Kritik çekirdek yarıçapı A şırı So ğuma ‘’T’’ sıcaklı ğına kadar malzemenin so ğuması ile olu şan a şırı so ğuma A ŞIRI SO ĞUMA6 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER 1.2. HETEROJEN ÇEK İRDEKLENME (AYRI ŞIK ÇEK İRDEKLENME) • Sanayide 0,1-10°C civarındaki a şırı so ğumalarda (alt so ğumalarda) döküm i şlemlerinde heterojen çekirdeklenme görülür. • Labarutuvarda yapılan deneyler dı şında sıvı metalde homojen çekirdeklenme olu şmaz. Teknik saflıktaki malzemelerin katıla şması sırasında görülür. • Homojen katıla şma yerine sıvı içindeki bazı asılı empüriteler, sıvının içinde bulundu ğu kabın cidarları çekirdeklenme için yüzey olu ştururlar. Kritik yarıçaptan daha büyük yarıçap, katı ile sıvı arasında daha küçük toplam yüzey enerji ile sa ğlanır. Gerekli olan yarıçaptaki katıyı yada çekirde ğin olu şumunu sa ğlayabilmek için birkaç atomun bir araya gelmesi yeterlidir. Böylece daha az a şırı so ğuma ile daha hızlı çekirdek olu şumu sa ğlanır. Çekirdek olarak etki edebilecek bazı yüzeyler şunlardır: •E r g i y i ğin içinde bulundu ğu kalıbın cidarları • Daha yüksek sıcaklıklarda eriyen karbürler, nitrürler, oksitler ya da ala şımın di ğer bile şenleri (intermetalik bile şikler vb) •A y n ı veya yabancı türden çekirdeklerin, katıla şmadan hemen önce ergiyik içine ilave edilmesi (inokülasyon, a şılama, tohumlama). Örne ğin Al-Si ala şımına %0,1 Na ilavesi ile kısa sürede çok sayıda çekirdek olu şur, ince taneli yapı meydana gelir, özellikleri iyile şir. 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER 2. BÜYÜME •K a t ıla şma gizli ısısının ortamdan uzakla ştırılmasının şekli, büyüme mekanizmasını ve son yapıyı tayin eder. Düzlemsel ve dendritik büyüme olarak iki çe şittir.7 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER Çekirdeklenme ve dendrit olu şumu Ergimi ş metalden dendrit olu şumu Dentritler 250X ÇEK İRDEKLENME VE DENDR İT OLU ŞUMU 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER HOMOJEN KATILA ŞMA-HETEROJEN KATILA ŞMA Katıla şma 2 grupta incelenebilir. • Homojen Katıla şma: Ergiyin (sıvının), kendi atomlarından olu şan çekirdeklerin büyümesi ile katıla şmasına homojen katıla şma denir. • Heterojen Katıla şma: Ergiyin katıla şması sırasında olu şan çekirdekler, yabancı bir elementin parçacıklarından olu şmu ş ise bu tip katıla şmaya heterojen katıla şma denir.8 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER So ğuma hızı dt dT v s = METAL (KOK İL) KALIPTA KATILA ŞMA E ş eksenli taneler, ergiyikten ısı çeki şi her yönde aynı ise olu şur. Çok küçük taneler olan çiller, metal kalıp cidarından ısı kaçı şının hızlı olması sonucunda meydana gelen katıla şma sonucu olu şurlar. 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER TANE BOYUTU- DAYANIM İL İŞK İS İ ^ s v tane sayısı ^ ince taneli yapı olu şur ve tane sınırı sayısı artar, dayanım artar v ) (d v s v tane sayısı v tane boyutu ^ ) (d tane boyutu kaba taneli yapı olu şur ve tane sınırı sayısı azalır, dayanım azalır Tane sayısı, sıvı ( ergiyik) malzemenin so ğuma hızına ba ğlıdır.9 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER TANE BOYUTU- DAYANIM İL İŞK İS İ • Tane sınırları amorftur . • Dislokasyonlar, tane sınırlarında hareket edemez yani bloke olurlar . Çünkü, kayma düzlemi içermezler. • Tane boyutu ile dayanım arasında Hall-Petch ba ğıntısı vardır. 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER HALL-PETCH BA ĞINTISI • Hall-Petch Ba ğıntısı (Dayanım-Tane Boyutu İli şkisi) Hall-Petch ba ğıntısı 2 1 0 - + = kd A ? ? d : Ortalama tane boyutu k , 0 ? : Metal malzemeye ba ğlı katsayılar : Akma gerilmesi10 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMA ZAMANI • Katıla şma Zamanı •Ergiyik malzemenin katıla şması esnasında olu şan katının büyüme oranı so ğuma hızına, di ğer bir deyi şle ısı çekili ş hızına ba ğlıdır. •So ğuma hızı arttıkça katıla şma süresi kısalır. •Döküm parçalarda katıla şma süresi, Chvorinov kuralı ile hesaplanır. •Katıla şma süresi azaldıkça so ğuma hızı artar, olu şan tane boyutu küçülür ve dayanım artar. ) ( s t 2 ? ? ? ? ? ? = A V B t s A V M = : Katıla şma modülü (cm) 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMA MODÜLÜ 2 BM t s = B V A : Kalıp sabiti : Döküm parçası hacmi : Isı kaçan yüzey ^ v s s v t tane boyutu v v ^ s s v t tane boyutu ^ Parça, kesitine göre bölgelere ayrılır. Her bir bölgenin katıla şma modülü hesaplanır. Hangisininki fazla ise yolluk oraya konur, hatta besleyici ilavesi gerekebilir.11 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMADA OLU ŞAN HATALAR • Kendini Çekme( Çekilme- Büzülme) Katıla şma esnasında metal malzemelerin büyük ço ğunlu ğu %1-%5 oranında kendini çekerler. Çizgisel Kendini Çekme : %k ile gösterilir. Kendini çekmeyi önleyebilmek için : -ç ıkıcı ve besleyici kullanılarak yönlü katıla şmanın sa ğlanması. bunun için de çıkıcı ve besleyici boyutlandırmasını çok iyi yapılması gerekir. - egzotermik elemanlar kullanmak - endotermik elemanlar kullanmak - kaybolan kafa kullanılır. 03.11.2008 Prof.Dr.Ay şegül AKDO ĞAN EKER KATILA ŞMADA OLU ŞAN HATALAR • Makro-Mikro Bo şluklar Ergiyin kalıpta katıla şması sırasında çıkan gazların tahliye edilemesi nedeniyle olu şur. Çıkıcı boyutlandırılmasının iyi yapılması ile hata azaltılabilir.