Malzeme Malzeme 1 Ders Notu (İbrahim Şahin) 1 İlk Hafta: 20.02.2012 Derse giri ş ve dönemin özeti yapıldı. İkinci Hafta: 27.02.2012 MALZEMELER VE MÜHEND İSL İK Malzemeler, kendilerinden bir şeyler olu şturulan veya yapılan maddelerdir. Uygarlı ğın ba şından beri malzemeler, enerji ile birlikte insanın ya şama standardını yükseltmek için kullanılmı ştır. A ğaç, beton, tu ğla, plastik, cam, lastik, çelik, alüminyum, bakır ve ka ğıt çevremizde yaygın olarak rastlanılan malzemelerdir. Aslında çevremize baktı ğımızda, çok daha fazla malzeme çe şidi oldu ğunu görürüz. Sürekli ara ştırma ve geli şmelerin sonucunda, sık sık yeni malzemeler ortaya çıkarılmaktadır. Üretimde malzeme kullanıldı ğından, her bir uygulama için en uygun malzemenin seçilebilmesi ve bunu i şlemek için en uygun yöntemin belirlenebilmesi, mühendislerin malzemenin içyapısı ve özellikleri hakkında bilgi sahibi olmalarını gerektirir. Örne ğin mühendisler, tasarladıkları X-30 ses üstü uzay uça ğının 12-25 Mach hızla uçabilmesi için 1800°C’ye kadar dayanabilecek, yeni yüksek sıcaklık malzemelerine ihtiyaç duymu şlardır. Bu amaçla da Al metal anafazlı (matrisli) kompozit (karma) malzemeler ve refrakter malzemelerin geli ştirilmesine çalı şılmaktadır. Örne ğin makine mühendisleri jet motorlarını daha verimli çalı ştırabilmek için, daha yüksek sıcaklıklarda çalı şabilecek malzemeler aramaktadır. Uzay ve uçak mühendisleri, uzay ta şıtları ve uçaklar için daima daha yüksek dayanım/a ğırlık oranına sahip malzemeler aramaktadır. Kimya mühendisleri korozyona dayanıklı malzemeler, elektrik mühendisleri ise elektronik aletlerin daha hızlı ve yüksek sıcaklıklarda çalı şabilmesi için yeni malzemeler pe şindedir. (Bir maddeyi do ğadan elde etmeye ÜRET İM adı verilir. Üretilen maddeyi kullanılabilir hale getirmeye de İMALAT denmektedir.) Disiplin olarak malzeme bilimi, malzemelerin özellikleri ve yapıları arasında var olan ili şkilerin, ba ğlantıların ara ştırılmasını kapsar. Bunun tersine malzeme mühendisli ği, önceden özellikleri belirlenmi ş malzemelerin yapısı, şekillendirilmesi ve bunların yapı özellik korelasyonuna dayanır. Makine, in şaat, kimya ya da elektrik mühendisli ğinde çalı şan uygulamalı bilim adamları ve mühendisler, malzemelerin şekillendirilmesi, dizayn problemleri ile kar şıla şabilirler. Ço ğu zaman malzeme problemleri, uygun malzeme seçilmeyi şinden kaynaklanabilir. Bu nedenle malzeme seçimi büyük önem kazanmaktadır. Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması Kolaylık için üç grupta incelenebilir. Metal malzemeler, polimer malzemeler (plastikler) ve seramik malzemeler. Mühendislikteki büyük önemleri nedeniyle bu üç malzemeye ilaveten, karma malzemeler (kompozitler) ve elektronik malzemeler de incelenmeye de ğerdir. 1. Metalik Malzemeler Metal malzemeler, tekni ğin ve endüstrinin gereksinimini büyük oranda kar şılayan malzeme grubudur. Periyodik sistemde yer alan gaz (hidrojen, oksijen vb) ve soygazlar (neon, argon vb) endüstriyel malzeme grubu arasında yer almazlar. Bir veya daha fazla metalik elementten meydana gelen ve bazı metalik olmayan elementleri de içeren, organik olmayan maddelerdir. Metalik elementlere örnek olarak Cu, Fe, Al, Ni, Ti gösterilebilir. Metalik malzemeler içinde C, N, O 2 de bulunabilir. Metaller, atomların düzenli yer aldı ğı kristal yapıdadırlar. Metallerin birçok özelli ği, en dı ş yörüngedeki atom sayıları ile ba ğlantılıdır. Ço ğu oda sıcaklı ğında dayanıklı ve sünek olup, yüksek sıcaklıklarda bile, nispeten dayanımlarını korurlar. Elektri ği ve ısıyı iletirler, ı şı ğı geçirmezler. Nikel esaslı yüksek sıcaklık süperala şımları gibi yeni ve ileri uçak sanayi ala şımları ise, daha yüksek sıcaklık dayanımı ve korozyon direnci için devamlı geli ştirilmektedir. Bu ala şımların kullanıldı ğı jet motorlarının verimi, artan çalı şma sıcaklı ğı ile artmaktadır. Sıcak e ş basınçlı presleme ve e ş s ıcaklıklı dövme gibi yeni i şleme teknikleri, uçak ala şımlarında yorulma ömürlerini uzatabilmektedir. Bazı ala şımlarda mamul maliyetini dü şürdüğünden, toz metalürjisi tekni ği de geli şmektedir. Hızlı so ğutma tekni ği ile ergimi ş durumdan saniyede bir milyon santigrat hızla so ğutulan metal tozları üretilmektedir. Bu tozlar daha sonra sıcak e şbasınçlı presleme gibi tekniklerle şekillendirilip, çubuklar haline getirilmektedir. Bu yöntemle, yeni nikel esaslı süperala şımlar, Al ala şımları ve Ti ala şımları üretilmi ştir. Ergimi ş durumdan hızlı katıla şma sonucu, metal yapısı kristalin yapıdan farklı amorf yapıya dönü şece ğinden, malzeme yepyeni özelliklere ve korozyon direncine sahip olacaktır. Jet motorlarının yanma odalarında ve türbin kanatlarında yüksek sıcaklı ğa dayanıklı süper ala şımlar kullanılır. (Süper ala şım; ana yapısı demir, nikel ya da kobalt olan nispeten yüksek miktarlarda krom, az miktarda da yüksek sıcaklıkta ergiyen molibden, wolfram ve titanyum içeren ala şım olarak tanımlanabilir. Süper ala şımlar; çok yüksek sıcaklıklarda mekanik dayanımlarını koruyabilen ala şımlardır.) 2. Polimer Malzemeler Polimerler, plastik ve kauçuk malzeme ailelerini kapsarlar. Polimer malzemelerin ço ğu organik bile şikler olup, kimyasal olarak karbon, hidrojen ve di ğer metal olmayan elementlerden meydana gelen uzun molekül zincirlerine ve a ğlarına sahip, yüksek molekül a ğırlıklıdırlar. 2 Yapısal polimerlerin ço ğu kristal yapıda de ğildir. Fakat bazılarında, hem kristalli hem de kristalsiz bölgeler beraberce bulunabilmektedir. Polimer malzemelerin dayanım ve sünekli ği, büyük de ği şmeler göstermektedir. İçyapılarının etkisiyle polimer malzemelerin ço ğu, kötü bir elektrik iletkenidir. Bunların bir kısmı ise iyi yalıtkandır ve elektrik yalıtımında kullanılır. Genel olarak polimer malzemeler dü şük yo ğunlu ğa, nispeten dü şük yumu şama ve bozunma sıcaklı ğına sahiptir. 3. Seramik Malzemeler Kimyasal olarak birbirine ba ğlı metal ve metal olmayan elementlerden olu şan, organik olmayan malzemelerdir. Seramik malzemeler kristalli veya kristalsiz ya da bunların karı şımı olabilirler. Seramik malzemelerin ço ğu yüksek sertli ğe ve yüksek sıcaklık dayanımına sahip olmakla birlikte, mekanik olarak kırılgandır. Ço ğunlukla oksitler, nitritler ve karbürlerdir. Kil mineralleri, çimento ve camdan olu şan seramik malzemeler, malzeme grubunda geni ş bir yer kaplamaktadır. Elektri ği ve ısıyı iletmezler; yalıtkandırlar. Yalıtım özellikleri, ısı ve a şınmaya dayanımları nedeniyle, yüksek sıcaklık sıvı metal fırınlarında astar olarak kullanılır. Buji gövdeleri yapılır. Uzay ta şıtlarının kaplanmasında seramik fayanslar kullanılır. Seramik fayanslar, Al iç gövdeyi, atmosfere giri ş ve çıkı şta olu şan yüksek sıcaklıktan korumaktadır. Ayrıca seramik malzeme, içten yanmalı motorlarda da kullanılmaktadır. Motorlarda kullanılan seramik malzemelerin üstün özellikleri; hafiflikleri, yüksek dayanım ve sertlikleri, iyi ısı ve a şınma dirençleri, dü şük sürtünmeleri ve yalıtkanlıklarıdır. Entegre devrelerde kullanılırlar. 4. Kompozit (Karma) Malzemeler İki veya daha fazla malzemenin karı şımıdır. Kompozit malzemelerin ço ğu, istenen özellikleri elde etmeye uygun dolgu ve güçlendirme malzemeleri ile ba ğlayıcı reçineden ibarettir. Genellikle bile şenler birbiri içinde çözünmez ve birbirlerinden belirli bir arayüzle ayrılır. De ği şik türleri vardır. Ana faza göre metalik, polimer ve seramik kompozitler olarak isimlendirilirler. Dayanım ve hafiflikleri nedeniyle uçak malzemesi olarak (uça ğın kanat motorunda), korozyon dayanımları nedeniyle petrol boru ba ğlantılarında (camla güçlendirilen polifenilen sülfür) tercih edilirler. Skorsky helikopterlerinde, uçak ve uzay araçlarında karbon fiber ile güçlendirilmi ş polimer matrisli kompozit malzemeler kullanılır. Betonarme, emaye, araba lasti ği ve fiberglas tekneler kompozit malzemelere örnektir. 5. Elektronik Malzemeler Bu malzemeler hacim olarak önemli bir yer tutmamakla birlikte, ileri mühendislik teknolojileri için son derece önemli malzemelerdir. En önemli elektronik malzeme, çe şitli katkılarla elektrik özellikleri de ği ştirilmi ş saf silisyumdur. Çok sayıda karma şık elektronik devre 5-6 mm 2 ’lik bir Si yongası üzerine i şlenebilmektedir. Bu yeni malzemelerle yapılan mikroelektronik cihazlar içinde haberle şme uydularını, bilgisayarları, hesap makinelerini, dijital saatleri ve kaynak robotlarını sayabiliriz. 6. Yarı İletkenler Elektriksel özellikleri metaller ve yalıtkanlar arasında yer alır. Bu malzemelerin elektriki karakteristikleri, impürite atomların çok küçük miktarının varlı ğına bile son derece duyarlıdır. Elektronik ve bilgisayar endüstrisinde yaygın kullanım alanı bulmu şlardır. Si-Ga esaslı malzemelerdir. Örne ğin mikrodevrelerde silikon çip kullanılır. 7. Biometaller İmplantlar ve herhangi bir nedenle vücut içinde yer alan malzemelerdir. Örne ğin kemikleri ba ğlamada kullanılan çivi (platin, Ti ala şımı). Şekil. Mühendislik malzemelerinin sınıflandırılması. 3 Şekil. Mühendislik malzemelerinin sınıflandırılması. Şekil. Metallerin sınıflandırılması. Atomik Ba ğ Yapısı n p K + = (kütle no) 4 Ba ğ Çe şitleri: Atomları birada tutan elektriksel çekim kuvvetleridir. 1. Kovalent Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) Ametal-Ametal arasında meydana gelen kuvvetli bir ba ğdır. Bu ba ğ yapısına sahip malzemelerin ergime sıcaklıkları ve sertlikleri yüksektir. Plastik şekil de ği ştirmeye elveri şsizdirler. Örnek: Örnek: Elmas veya kömür (C atomlarının dizili şine göre) H . . H H 2 Örnek: Plastik malzemelerden polietilen Örnek: Seramik malzemelerden SiC 2. İyonik Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) Metal-Ametal arasında meydana gelen kuvvetli bir ba ğ çe şididir. Metalin bile şik yaparken verdi ği elektronu ametal alır ve dı ş yörünge 8‘e tamamlanır. Na 11 Cl 17 İyonların bir kısmının bir atom aralı ğı kadar ötelenmesi durumunda kar şı kar şıya gelen, aynı i şaretli elektriksel yükler birbirini itece ğinden, kristal yapı bozulur. Bu nedenle de bu ba ğ yapısına sahip inorganik malzemeler plastik şekil de ği ştiremezler. Katyonlar tarafından verilen elektronlar anyonlar tarafından ba ğlandı ğından, serbest hareket eden elektron kalmadı ğı için bu ba ğ yapısına sahip malzemelerin iletkenlik (elektrik, ısı) özelli ği yoktur. 3. Metalik Ba ğ ( ?100 kcal/mol’lük bir güce sahiptir.) Metal-Metal arasında meydana gelir. Cu-Al (Al bronzu) (%5-15 arasında Al içeriyorsa Al bronzu adını alır; gemi pervanelerinin yapımında kullanılır) 5 Cu-Zn (prinç) Metal elektronları elektron vererek (+) yüklü hale geçerler, açıkta kalanlar elektron bulutu (elektron denizi, valans elektronları denizi) olu ştururlar. Saf metallerde elektron alabilecek türden atomlar bulunmadı ğından, serbest kalan valans elektronları elektron bulutunu olu şturur. Valans elektronlarının serbest hareket edebilmesi nedeniyle, metallerin elektrik ve ısı iletkenlikleri iyidir. Metalik ba ğ bozulmaksızın atomlar birbirlerine göre ötelenebildi ğinden, bu ba ğ yapısına sahip malzemeler plastik şekil de ği ştirebilirler. Metalik ba ğ yapısına sahip malzemeler Katı halde; sünek yapı gevrek (kırılgan) yapı Sünek yapıda atomlar düzgün bir şekilde dizilmi şlerdir. Kolaylıkla plastik şekil de ği ştirebilirler. Gevrek malzeme kolaylıkla kırılır, yapıda atomlar düzgün da ğılmamı ştır. Sıvı halde; Kısmen düzensiz bir yapı söz konusudur. Isıtma ile ba ğ kopar, kısmen düzensiz yapı olu şur. Gaz halde; Tamamen düzensiz yapı vardır. 4. Van der Waals Ba ğları ( ?10 kcal/mol’lük bir güce sahip, zayıf ba ğlardır.) Soygazların sıvıla ştırılması sırasında daha çok ortaya çıkar. 0°C’nin altındaki sıcaklıklarda kararlıdırlar. 5. Karı şık Ba ğ Birden fazla ba ğ yapısının malzeme içerisinde bulunması durumudur. Plastik malzemeler kovalent ba ğa sahip oldukları halde, sıcakta kolayca şekil de ği ştirirler. Bunun nedeni, merleri bir arada tutan zayıf Van der Waals ba ğlarıdır. Atomsal Dizinim Atomların dizili şi, malzemelerin özellikle de kristal yapılı malzemelerin mekanik özellikleri (çekme, basma, çentik darbe dayanımı gibi) ve mikroyapı özelliklerini büyük oranda etkiler. Bunun yanı s ıra atom dizinimine ba ğlı olarak elektrik, ısı iletkenlikleri ve korozyon özellikleri de de ği şir. Atom dizili şinde atomlar arasındaki ba ğ ve ba ğ açılarının rolü büyüktür. 6 1. Amorf (Düzensiz) Yapı: Atomlar ya da moleküller tümüyle düzensizdir. Daha çok gazlarda görülür. Termoplastiklerde de görülmektedir. gaz 2. Moleküler Yapı (Kısa Mesafede Düzen): Molekül içinde sadece iki atom arasında belli bir düzen varsa bu yapıdan söz edilir. 3. Kristalin Yapı (Uzun Mesafede Düzen): Kristal yapıda örne ğin katı bir metalde atomlar üç boyutlu bir düzen içinde bulunurlar. Metallerin yanı sıra yarı iletkenlerde, seramiklerde ve bazı termoplastiklerde kristalin yapı bulunur. %100 kristal yapıya sahip plastik yoktur. Maksimum %70-80’i kristal yapı olabilir. Kristal yapı miktarı arttıkça dayanım artar. KAFES S İSTEMLER İ Atomlar, atomlararası ba ğ kuvvetleri, yani valans kuvvetleri etkisiyle, düzenli bir şekilde dizilirler. Bu dizilim iki boyutlu sistemde incelenirse düzlemsel kafes yapısı, üç boyutlu sistemde incelenirse hacimsel kafes yapısı elde edilir. Hacimsel kafes, birbiriyle özde ş konumda birçok sayıda birim hücreden olu şur. Birim hücrenin boyutu çok küçüktür. Örne ğin khm saf demirin 1 mm’sinde 3,48x10 6 adet birim hücre vardır. Bravais Birim Hücreleri August Bravais 1811-1863 yılları arasında ya şamı ş kristal çizerdir. Birim hücrelerin şekline ve atomların yerle şimine göre, 7 kafes tipi ya da kristal sistemi vardır. 7 kristal sisteminin ço ğu, temel bir birim hücrenin de ği şik durumlarını ifade eder. Bravais, mümkün olan bütün kafes a ğlarını tamamlayabilmek için, 14 standart birim hücrenin yeterli oldu ğunu göstermi ştir. Bravais kafeslerinde 4 temel birim hücre vardır. - Basit - Hacim merkezli - Yüzey merkezli - Taban merkezli Kristal yapılarda atomlararası uzaklık, deneysel olarak X ı şınları difraksiyonu (kırınım çözümlenmesi) metoduyla bulunabilir. Bu metodla iki Al atomu arasındaki uzaklı ğın 0,2862 nm oldu ğu saptanmı ştır. 1. Kübik Sistem ° = = = = = 90 ? ß ? , c b a 7 a b 1.1. Basit Kübik Sistem (bu kafes sistemine sahip metal yoktur.) : N : S . A A Birim hücredeki atom sayısı I yF xC N A + + = : C kö şelerden gelen atom sayısı : F yüzeylerden gelen atom sayısı : I hacim merkezinden gelen atom sayısı Kübik sistemde kö şedeki atom, kö şe sayısı kadar birim hücre tarafından payla şılır. 1 0 0 8 1 8 = + + = x N A bks khm kym sph N A 1 2 4 6 KS 6 8 12 12 ADF 0,52 0,68 0,74 0,74 Kayma Sistemi sayısı - 12 24 6 Birim hücredeki atom sayısı, metalin plastik şekillendirilebilirli ğini etkiler; fazla ise plastik şekillendirilebilirli ği yüksektir. 1.2. Kübik Hacim Merkezli (khm) (Hacim Merkezli Kübik hmk-(body centered cubic, bcc) K , Na , Ta ), T ( W , V , Mo , Cr , Fe - ? 2 1 0 8 1 8 = + + = x N A Hacim merkezindeki atom, sadece o birim hücreye aittir. 1.3. Kübik Yüzey Merkezli (kym) (Yüzey Merkezli Kübik ymk- face centered cubic (fcc)) 8 Pb , Pt , Ag , Au , Ni , Al , Cu , Fe - ? 4 0 2 1 6 8 1 8 = + + = x x N A Allotropi (Polimorfi): Malzemelerin sıcaklı ğa ba ğlı olarak kafes yapısının de ği şiklik göstermesidir. Ti , Mn , Co , Fe allotrop malzemelerdir. Şekil. Saf demirin ısınma e ğrisi 2. Tetragonal Sistem (kare prizma) - basit - hacim merkezli ° = = = ? = 90 ? ß ? , c b a 9 basit tetragonal sistem hacim merkezli tetragonal sistem 1 0 0 8 1 8 = + + = x N A 2 1 0 8 1 8 = + + = x N A 3. Ortorombik Sistem (dikdörtgenler prizması) - basit - hacim merkezli - yüzey merkezli - taban merkezli ° = = = ? ? 90 ? ß ? , c b a taban merkezli ortorombik sistem 2 0 2 1 2 8 1 8 = + + = x x N A 4. Monoklinik Sistem ? ß ? ? ° = = ? ? 90 , c b a 5. Triklinik Sistem ° ? ? ? ? ? 90 ? ß ? , c b a 6. Rombohedral Sistem ° ? = = = = 90 ? ß ? , c b a 7. Hegzagonal Sistem Sıkı paket hegzagonal sistem (sph-hexagonal closed pocket, hcp) ° = ° = = ? = = 120 , 90 , 3 2 1 ? ß ? c a a a 6 3 2 1 2 6 1 12 = + + = x x N A Co Be Zr Mg Cd Ti Zn , , , , , , - ? 10 Koordinasyon Sayısı (KS) Koordinasyon sayısına valans elektronları ve atom dizinimi etki eder. 11 Hacimsel kafes içerisinden alınan bir atoma yakın ve e şit uzaklıklardaki atomların sayısına denir. Koordinasyon sayısına valans elektronu ve atomların dizinimi yanı sıra, atomlararası ba ğlar ve atom yarıçapı da etkendir. Saf bir metalde KS en fazla 12’dir. Atom Yarıçapı-Kafes Parametresi İli şkisi 3 4r a = r a 2 = 2 4r a = Atom Dolgu Faktörü (ADF) (Atom Dizim Katsayısı (ADK), Atom Dolum Oranı (ADO), Paketleme Faktörü (PF)) Birim hücre atomlar tarafından ne kadar fazla yüzde ile dolduruluyorsa, plastik şekillendirme kabiliyeti o kadar iyidir. bh A V hacmi xAtom N hacmi kafes hücre Birim hacmi atom hücredeki Birim ADF = = ) ( 52 0 2 3 4 3 4 1 3 3 3 3 , ) r ( r a r x ADF bks = = = › ? ? , ) r a ( 2 = 68 0 3 4 3 4 2 3 3 , r r x ADF khm = ? ? ? ? ? ? ? ? = › ? 74 0 2 4 3 4 4 3 3 , r r x ADF kym = ? ? ? ? ? ? = › ? 74 0, ADF sph = › 12 Örnek: kym’li Cu atomunun yarıçapı ° = A , r 556 2 ise, kafes parametresini ) a ( bulunuz. ° = = = A , , x r a 230 7 2 556 2 4 2 4 m cm A 10 8 10 10 1 - - = = ° ° = A nm 10 1 Örnek: khm’li Fe - ? ’nin ° = A , a 86 2 kym’li Fe - ? ’nin ? = a ° = ? = = A , r , r a 2384 1 86 2 3 4 ° = = = A x r a 502 , 3 2 2384 , 1 4 2 4 Dedik ki - Birim hücredeki atom sayısı ne kadar fazla ise o kafes yapısına sahip malzeme kolay p şd. (hsp) - KS en fazla olan malzeme kolay p şd (kym, hsp) - ADF yüksek olan malzeme kolay p şd (kym, hsp) Öyleyse hangi kafes yapısına sahip en kolay p şd? hsp görünüyor, ancak p şd’yi etkileyen en önemli etken kayma sistemi sayısıdır. Örne ğin kym Au, Cu, Al kolay şekillendirilirken hsp Mg, Ti şekillendirilmesi zordur. Nedeni kayma sistemi sayısıdır. Kayma sistemi belli yönlerde ve düzlemlerde yo ğun olarak bulunur. O yönde elektrik ve ısı iletkenli ği artar, atomların hareketi daha fazla olur. İşte bu yönleri ve düzlemleri tanımlamak için Miller indislerini inceliyoruz. MILLER İND İSLER İ (hkl) Kristal yapılarda, do ğrultuların ve düzlemlerin isimlendirilmesine yararlar. Yani kristal içindeki düzlem ve do ğrultuların adresleridir. Kübik hücrelerde atomların yerlerini belirlemek için, birbirine dik z , y , x eksenlerinden faydalanılır. Birim hücredeki atom yerleri z ve y x, eksenleri boyunca verilen uzaklıklarla tanımlanır. - Nokta indisleme - Düzlem indisleme - Yöne göre indisleme Kübik Sistemde ° = = = 90 ? ß ? 13 x a h = y b k = z c l = Miller indisleri, kafes birim mesafesi ölçüsü olarak, merkezden eksenler üzerindeki kesim noktaları de ğerlerinin tersidir. x y z x y z koordinat ? 1 ? 1 1 1/2 tersini al 1/ ? 1/1 1/ ? 1 1 2 kesirden kurtar 0 1 0 1 1 2 indis 0 1 0 1 1 2 1. Nokta indisleme hkl 001 011 101 111 010 000 110 100 210 001 00 1 000 010 0 1 0 100 1 00 2. Düzlem indisleme (Düzleme göre indisleme) (hkl) ) 001 ( ) 100 ( ) 010 ( ) 0 1 0 ( ) 1 00 ( ) 110 ( ) 101 ( ) 111 ( ) 221 ( x y z koordinat 1 1 ½ kesirden kurtar 2 2 1 indis (2 2 1) 3. Yöne göre indisleme [hkl] veya Nokta indis bulunur ve orijinle birle ştirilir. ] 001 [ ] 111 [ ] 010 [ ] 100 [ ] 110 [ ] 210 [ 14 Metaller, atom yo ğunlu ğu en yüksek olan yönlerde deformasyona u ğrarlar. Metallerin dayanımları (örne ğin çekme dayanımı) ve elektrik iletkenli ği yöne göre de ği şir. Kübik sistem olması şartıyla, aynı indise sahip düzlemler aynı indise sahip yönlere diktir. ] 100 [ ) 100 ( ? ] 100 [ ) 100 ( Örnek: Koordinatlar x=1/2, y=1, z=1/2. Nokta indislemede gösteriniz. x y z Koordinat ½ 1 ½ Tersini al 2 1 2 Kesirden kurtar - - - Miller indisi 2 1 2 212 210 Hegzagonal sistemde hkil ° = ° = = ? = = 120 , 90 , 3 2 1 ? ß ? c a a a ) 0001 ( ) 0 1 01 ( ) 00 1 1 ( ) 0 1 10 ( 4. Düzlem ailesi {hkl} {} { } ) 1 00 ( ), 0 1 0 ( ), 00 1 ( ), 001 ( ), 010 ( ), 100 ( 100 = Manyetik özellik, elektrik özelli ği, doluluk oranı, kayma özelli ği vb özellikleri aynı olan, ancak Miller indisleri farklı olan düzlemler toplulu ğudur. 15 Kayma Sistemleri Yönü Kayma x Düzlemi Kayma Sistemi Kayma = Atomların sık aralıklarla dizildikleri düzlemler kayma düzlemleridir. Kafes içerisindeki kayma düzlemi ve kayma yönü sayısı arttıkça, metalsel malzeme kolay şekillendirilir. Kafes tipi Kayma düzlemi ailesi Kayma yönü Kayma düzlemi sayısı Kayma yönü sayısı Kayma sistemi sayısı khm {110} [111] 6 2 12 kym {111} [110] 8 3 24 sph {0001} [1000] 2 3 6 ) 110 ( ) 111 ( ] 111 [ Kayma sistemi sayısı, metalsel malzemenin plastik şekil de ği ştirme kabiliyetinin ölçüsüdür. Buna göre, kym kafes yapısına sahip metallerin plastik şekil de ği ştirme kabiliyeti en yüksektir. Örne ğin Al, Cu, Au, Ag, Pt vb. Anizotropi Malzeme özelliklerinin yöne ba ğlı olarak de ği şmesine anizotropi, bu davranı şa anizotropik davranı ş, bu davranı şı gösteren malzemeye de anizotrop malzeme denir. Kristal yapılı malzemelerde, kristal (kafes) düzlem ve yönlerinin farklı atom yo ğunlu ğuna sahip olması nedeniyle, metal malzemelerin özellikleri yönlere göre de ği şir. Özellikleri yöne göre de ği şmeyen malzemelere izotropik malzeme, bu davranı şa da izotropik davranı ş denir. Örne ğin W (T) izotropik malzemedir. Tek kristal olarak bilinen ve daha çok uzay ve elektronik endüstrisinde kullanılan malzemeler anizotroptur. Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Mehmet Yüksel, Cemal Meran, “Malzeme Bilgisine Giri ş Cilt 2”, MMO, 2010. 1 3.Hafta: 05.03.2012 KAFES HATALARI (KR İSTAL HATALARI, İÇYAPI HATALARI) Atomlararası mesafe a r 1 r 2 a çekme kuvveti (pozitif ve negatif iyon arasındaki kuvvet) itme kuvveti (aynı i şaretli iyonlar arasındaki kuvvet) net kuvvet (toplam kuvvet, F K ) (Kohezyon kuvveti) a =r 1 +r 2 a ideal kafes yapısı Şekil: Metalsel ba ğda atomlararası kuvvetler (ala şımlama durumunda) İdeal bir kafeste, iki atom arasındaki en küçük denge uzaklı ğı a 0 (x 0 ) olup, her metal için karakteristik bir de ğerdedir. Bir ba şka deyi şle a 0 , atomlararasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin birbirine e şit oldu ğu mesafe veya dengedir. Atomlararası mesafe, saf katı metal içerisinde atom çapına veya iyonik ba ğlı malzemeler için iki farklı iyonun yarıçapı toplamına e şittir. a 0 durumunda iki atom arasındaki ba ğ enerjisi, en küçük de ğere sahiptir (itme ve çekme kuvvetleri dengededir). Ba ğ enerjisi, iki atomu 0 K’de birbirinden ayırmak için gerekli olan i ştir. Ba ğ enerjisi yüksek malzemelerin dayanımları ve ergime sıcaklı ğı yüksektir. Ergiyiğin katıla şması sırasında termodinamik dengenin bozulması halinde, ideal kafesten sapmalar meydana gelerek, kafes (kristal) hataları olu şur. Bu hataların olu şumu, katı bir kristalde mekanik şekillendirme ve nükleer radyasyon gibi yollarla enerji vererek de meydana gelebilir. Ala şımlama gibi bazı durumlarda ise özellikle olu şturulur. Ala şımlama; en az biri metal olmak üzere, iki ya da daha fazla elementin ergiyik fazda karı ştırılması ve katıla şmaya tabi tutulmasıdır. Kafes hatalarına her zaman olumsuz bakmamak gerekir. Ço ğu kez bu hataların olması ve hatta bu hataların ço ğaltılması amaçlanır. Örne ğin, metalik bir malzemenin, çe şitli yöntemlerle ince taneli olması sa ğlanır veya so ğuk şekillendirme ile dislokasyon yo ğunlu ğu (çizgisel hata) arttırılarak mekanik dayanımının yükselmesi sa ğlanmı ş olur. Kafes (kristal) hataları, biçimlerine (atomların dizili şine) göre sınıflandırılır. 1. Sıfır boyutlu (Noktasal, Atomsal) hatalar Alan iyon mikroskobu ile saptanır. 2. Bir boyutlu (Tek boyutlu, Çizgisel) hatalar TEM ile saptanır. 3. İki boyutlu (Yüzeysel) hatalar SEM (TAREM) veya optik mikroskopla saptanır. 4. Üç boyutlu (Hacimsel) hatalar Maksimum 50 büyütmeli (50x) optik mikroskopla veya çıplak gözle saptanır. 1. Sıfır Boyutlu Hatalar Bir veya birkaç atom büyüklü ğündeki bölgeyi kapsayan hatalardır. Metaller için önem ta şıyan bir hata grubudur. Yüksek sıcaklıktan itibaren ani so ğutma, plastik şekillendirme ve yüksek enerjili parçacıkların çarpmasıyla meydana gelir. 1.1. Bo şluk (bo şyer) hatası İlk (birincil) kristalle şme yani ergimi ş malzemenin katıla şması sırasında, termodinamik dengenin bozulması sonucunda atomların hatalı olarak yı ğılması ve yüksek sıcaklıkta atomların ısıl titre şimleri sonucu kafes yerlerinin herhangi bir atom tarafından doldurulmadı ğı durumda meydana gelir. Bo şyerlerin sıklı ğı s ıcaklı ğa ba ğlı olup, sıcaklık arttıkça, boşyer olasılı ğı artar. Genel olarak bo şyer konsantrasyonu 10 -4 -10 -7 alınır. Oda sıcaklı ğında ise bu değer 10 -12 ’dir (10 12 atomda 1 bo şluk var). 2 ) / exp( . RT Q n n V - = n v : cm 3 ba şına bo şluk sayısı. n : cm 3 ba şına kafes noktası. Q: Bo şluk olu şumu için gerekli aktivasyon enerjisi (J/mol) R= 8.314 J/molK : Gaz sabiti T: Sıcaklık (K) Bo şyer konsantrasyonu, plastik şekillendirme veya nötron ya da elektron bombardımanı ile olu şturulabilir. Bu hata, metallerin difüzyonu için önemlidir. Isıl i şlem için bo şluk konsantrasyonu, yüksek sıcaklıktan ani so ğutma yapıldı ğında önem kazanır. Ani so ğutmada termodinamik denge bozuldu ğu için bo şluk sayısı artar. Ayrıca metallerin tala şsız şekillendirme ve nötron ve elektron bombardımanı gibi yüksek enerjili parçacıkların çarptırılmasıyla bo şluk sayısı arttırılabilir. Bo şyer olu şturmak için harcanan enerji 1 eV kadardır. (1 eV= 1.60219x10-19 J) 1.2. Arayer hatası Yarıçapları 1 A o ’den daha küçük olan H, N, B, O ve C atomlarının, ana metalin atomları arasındaki ara yerlere girmesiyle olu şur. Ara yer atomları, kendilerini çevreleyen atomları iterek, kafes düzlemini çarpıtabilirler. 1.3. Asalyer (Yer alan) hatası Yer alan katı çözeltisi içindeki çözünen element atomlarının, çözen elementin atomlarının yerini almasıyla meydana gelir. Yer alan katı çözeltisinin olu şması için, atom boyutlarının birbirine yakın olması gerekir. Bu hata da kafes yapılarında az da olsa çarpılmaya sebep olur. 14 % 100 ? - x D d D asalyer hatası 59 % 100 ? - x D d D arayer hatası Asalyer hatası atom dolgu faktörü dü şük olan kafeslerde çok görülür. 1.4. Schottky tipi bo şluk hatası İyonik ba ğlı malzemelerde, bo ş nokta çifti şeklinde meydana gelir. Bu tür malzemelerin kristal yapıları içerisinde e şit elektriksel yükün korunması için, bir anyon ile bir katyonunun ayrılması gerekir. Bunun sonucunda da Schottky hatası olu şur. 3 1.5. Frenkel tipi bo şluk hatası (bo şyer-arayer hatası) Bir atomun, normal kafes konumundan bir arayer konumuna atlaması ile olu şan bo ş kafes noktası-arayer atomu çifti olup, radyasyona maruz kalan metallerde görülür. Atom dolgu faktörü dü şük olan khm kafeslerde görülür. Nokta hatalarından bazıları, malzemelerin kafes düzlemlerini çarpıtarak, dislokasyon hareketinin zorla şmasına veya engellenmesine yol açar. Dislokasyon hareketinin engellenmesi de malzemenin sertlik ve mekanik dayanımının artmasına neden olur. 2. Bir Boyutlu Hatalar - Dislokasyonlar - İkiz hatası - Yı ğılma hatası 2.1. Dislokasyonlar Dislokasyon, bir kristalin mükemmel iki bölümü arasında, yapı düzeni bozulmu ş bir bölge anlamına gelir ve kristalin kaymı ş bölgesi ile kaymamı ş bölgesi arasında sınır olu şturan çizgisel hata olarak tanımlanır. Dislokasyonda; • Ya kayma düzlemleri arasına bir kayma düzlemi sıkı şmı ştır, • Ya da kayma düzlemleri arasında çizgisel olarak bo ş yer yı ğılması vardır. Gerçekte dislokasyon olu şumu için, her iki mekanizma da geçerlidir. So ğuk şekillendirme sonucu olu şan dislokasyonlar ilk sisteme göre, kristalle şme sırasında olu şan dislokasyonlar ise ikinci, yani bo ş yer yı ğılması şeklindedir. Dislokasyonun kelime anlamı kayıklıktır. b r (burgers vektörü) kayıklı ğın ölçüsüdür. Burgers vektörü, hareket eden dislokasyonun hareket yönünü ve miktarını gösterir. Dislokasyon, kafes içinde en sık rastlanan hatadır. Metal malzemede dislokasyon olması, malzemenin plastik şekil verme kabiliyetini iyile ştirir. Çekme sırasında dislokasyonların yönlenmesi istenir ki o yönde sertlik ve dayanım iyi olsun. Dislokasyonların bir yöne yönlenmesiyle, o yönde iletkenlik artı şı meydana gelir. Bir ba şka deyi şle dislokasyon, kristalin kayma düzlemleri arasında bulunan kısa kayma düzlemlerinin, kristalin içinde kalana kenarları boyunca görülen düzensizliklerdir, ötelemelerdir. Bu öteleme şeklindeki hatalar, kenar ve vida dislokasyonları şeklindedir. 2.1.1. Kenar dislokasyonu Bir sıra atom düzleminin, kafes yapısı içerisine girmesiyle oluşur. Veya kristal boyunca olu şumunu tamamlamamı ş fazladan yarı düzlemlerdir. Malzemeye plastik şekil verme esnasında, bir sıra atom, kafes içerisine girerek atom sıraları de ği şir, atomlar sa ğa sola kayarlar. Kayıklı ğı hesaplamak için, dislokasyonun ba şladı ğı kısımdan dislokasyonun bittiği hata gelinir (Burgers çevrimi). Kenar dislokasyonunda, Burgers vektörü dislokasyon çizgisine diktir. H D b . ? r 4 Aynı yöndeki dislokasyonlar birbirini iter, ters yönlü olanlar ise birbirini yok eder. Aynı düzlemde olmayan dislokasyonlar, birbirinin hareketini engeller. Dislokasyon hareketini etkileyen faktörler de arayer yabancı atomlar, yeralan (asalyer) yabancı atomlar ve tane sınırlarıdır. Dislokasyon yo ğunlu ğu 1 cm 3 malzeme içerisindeki toplam dislokasyon kenarı uzunlu ğudur. 3 cm cm N ? = Kuvvet (F) Şekil de ği ştirme kuvveti (F) Geli şmi ş bir kristalde dislokasyon yo ğunlu ğu N= 10 7 -10 8 cm/cm 3 ’tür. Plastik şekil de ği ştirmi ş bir malzemede dislokasyon yo ğunlu ğu N= 10 12 -10 13 cm/cm 3 ’tür. Pekle şme Dislokasyonların çe şitli engellerle kar şıla şması sonucu, kısmen veya tamamen hareketlerinin engellenmesiyle olu şur. Pekle şme sonucunda, malzemenin plastik şekil de ği ştirmeye kar şı direnci artar. Dislokasyonların tekrar harekete geçirilmesi ve yeniden olu şturulması için, daha fazla gerilmeye ihtiyaç vardır. Dislokasyonlar, Orowan mekanizması ve Frank-Read kayna ğı ile tekrar harekete geçirilebilir. Engeller; tane sınırları, impürite (yabancı) atomlar ile oksitler, karbürler, nitrürler vb. kalıntılar olabilir. 5 Şekil. Frank-Read Kayna ğı Şekil. Bir silisyum kristalinde Frank-Read kayna ğının foto ğrafı Şekil. Orowan mekanizması b r H D b . ? r b r b r 6 Problem: kym kafes yapısına sahip bir metal kafeste, kafes parametresi a= 3.61x10 -10 m’dir. (110) düzleminde bir kenar dislokasyonu vardır. Burgers vektörünün yönünü bulunuz ve büyüklü ğünü ( şiddetini) hesaplayınız. > < 110 ] 110 [ veya yönü b r b r büyüklü ğü, düzlemlerarası mesafeye e şittir. m x x l k h a d 10 2 2 2 10 2 2 2 10 553 , 2 0 1 1 10 61 , 3 - - = + + = + + = 2.1.2. Vida dislokasyonu Vida dislokasyonu, düzenli bir kristalin kısmen kesilmesi ve bu kesilen kısımdan kristalin bir atom mesafesi kadar çarpıtılması halidir. E ğer bir kristal düzlemi üzerinde kalmak şartıyla, çarpılma ekseni etrafında e şit atom mesafeleri takip edilirse, ba şlangıç noktasına göre bir atom mesafesi daha a şa ğıda olunur. Yine mesafeyi veren burgers vektörüdür. Vida dislokasyonunda, Burgers vektörü dislokasyon çizgisine paraleldir. H D b . // r 2.1.3. Karı şık dislokasyon (Dislokasyon halkası) Dislokasyonlar, sadece çok kısa bölümlerde saf kenar ya da saf vida karakteri gösterirler. Genellikle, bu ikisinin bile şimi olan karı şık dislokasyon şeklindedir. Dislokasyonlar hem şekil de ği şimi hem de kristalle şme ile ba ğlantılıdır. Şekil. Nikeldeki dislokasyonların (siyah çizgiler) TEM görüntüsü Dislokasyon hareketlerini, bir tırtılın ilerlemesine veya bir halının silkelenmesi hareketine benzetebiliriz. 7 Kayma: Dislokasyon hareketleri sonucunda meydana gelir ve plastik şekil de ği şimini olu şturur. Ancak, kaymanın kısıtlandı ğı bazı durumlarda görülen ikizlenme ile de bir miktar plastik şekil de ği şimi meydana gelebilir. 2.2. İkiz Olu şumu Oda sıcaklı ğında veya oda sıcaklı ğının hemen üzerindeki sıcaklıklarda, metalsel malzemelerin yüksek hızlarda şekil de ği ştirmeye zorlanması sonucunda, bir düzlem veya düzlemler toplulu ğunun, alt ve üst bloklarının topluca kayarak, birbirine göre ayna simetrisi durumuna geçmeleridir. Tane içindeki kayma düzlemlerinin kırılmasıyla ortaya çıkarlar. Taneyi düz bir çizgi ile ikiye veya daha çok paçaya bölerler. Fakat bu bölünmeler, ayrı tanelerin olu şması anlamına gelmez. 8 kayma ikiz ? ? > Kayma ve ikiz olu şumu, plastik şekil de ği ştirme mekanizmalarını olu ştururlar. Kayma, birçok atom boyutunda meydana gelir. İkizlenmede ise, atomların kayması veya hareketi bir atom boyutundan daha az olabilir. Kaymanın yönü (-) ya da (+) olabilir. İkizlenmede ise ikizlenme do ğrultusu, ancak ikiz görüntüsü olu şturacak şekilde sınırlıdır. 2.3. Yı ğılma Hatası kym ve sph kafes yapılarına sahip metallerde görülür. Atomların hatalı yı ğılmasıyla meydana gelir. ABCABC… hatasız ACCBAABCCC… hatalı İç yı ğılma hatası D ı ş yı ğılma hatası 3. İki Boyutlu Hatalar (Yüzeysel Hatalar) 3.1. Tane Sınırı Hatası Tane: Bir hacim kaplayan, üç boyutlu kristal topluluklarıdır, yani atomların üç boyutlu düzlemde dizilmesiyle olu şur. Her bir tanede atomların dizili ş yönü farklıdır. Tane sınırı: Taneler arasında kalan, 2-3 atom kalınlı ğında, amorf, kayma düzlemi içermeyen, enerjisi fazla kısımlardır. Enerjisi fazla oldu ğundan, en fazla görülen hata, tane sınırı hatalarıdır. İki tanenin kar şılıklı pozisyonuna göre, büyük açılı ve küçük açılı tane sınırları olu şur. atom veya a 3 2 ) 5 3 ( - - = ? 3.1.1. Küçük açılı tane sınırı Aynı i şaretli kenar dislokasyonlarının, birbiri üzerine sıralanmasıyla olu şur. 9 3.1.2. Büyük açılı tane sınırı Tane sınırlarında hatalı yönlenmeler ço ğalırsa, bu bölgelerde kristallografik yapılardan bahsetmek zordur. Bu bölge, tek tek ve birbirinden ayırt edilebilir dislokasyon hatalarından olu şmu ştur. Böyle bir büyük açılı tane sınırı, yakla şık kalınlı ğı 2-4 atom mesafesi olan, yönsüz yapılı, ince bir filmle anlatılır. 3.2. Antifaz Sınır Hataları (Faz Sınır Hataları) Kendi içinde homojen, kimyasal veya fiziksel yapısı etrafından farklı olan mikro veya makro yapılara faz denir. Sıvı faz, katı faz, gaz fazı gibi fiziksel yapı farkları yanı sıra, metal içerisindeki cüruf kalıntıları gibi metal-ametal fazlar ya da A metali kristalleri içerisinde B metali veya C metali intermetalik bile şimi gibi kimyasal farklı fazlar da vardır. Bu fazlarla ana metalin kristalleri arasındaki sınırlara antifaz veya faz sınırları denir. 3.3. Fe, Co, Ni gibi metalik malzemelerde görülen Blok (Bloch) duvarlarındaki kaymalar Taneler içinde manyetik olarak yönlenmi ş Vals bölgelerindeki kaymalardır. 4. Üç Boyutlu Hatalar (Hacimsel Hatalar) Çıplak gözle ya da 50X ile görülebilen hatalardır. Bunlar; - Malzemenin ince taneli ya da kaba taneli olu şu - Döküm parçalarda gaz bo şluklarının kalması - Takım çeliklerinde WC fazı gibi ametalik veya özellikle kütle çeliklerinde istenmeyen cüruf, MnS ve kalıntılar gibi fazların bulunması - Yapı içinde segregasyonların (ayrı şım) olması - Kaynak diki şlerindeki çatlaklar, gözenekler. 10 Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Mehmet Yüksel, Cemal Meran, “Malzeme Bilgisine Giri ş Cilt 2”, MMO, 2010. 3. Temel Sava şkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009. 4. Soboyejo, W., Mechanical Properties of Engineered Materials, Marcel Dekker, 2003. 5. Prof.Dr. Ahmet ARAN, Döküm Teknolojisi Ders Notları, 2007. 1 4.Hafta: 12.03.2012 METALLERDE ERG İME VE KATILA ŞMA Mutlak sıfır (-273.15 °C) noktasında, tüm elementler ve bile şikler katı haldedir ve atomları hareketsiz olup, en yüksek düzene sahiptirler. Isı verildi ğinde ise, atomlar titre şime geçerler ve düzen bozulur. Metallerde, atomların kendi yerlerinden uzakla şmalarını, kom şu atomların itmeleri (itme kuvvetleri) ve elektron bulutunun çekmesi (çekme kuvvetleri) kontrol eder. Isı etkisiyle atom titre şim genli ğinin artması sonucu katı halin korunamadı ğı kritik sıcaklı ğa ergime sıcaklı ğı veya ergime noktası denir. Ergime sırasında ve ergimi ş halde iken, buharla şma, oksitlenme ve içinde ergitildi ği kapla (pota) kimyasal reaksiyonlar olabilir. Metallerde bu durum, özellikle oksitlenmeden dolayı cürufla birlikte malzeme kaybına neden olabilir ve ala şımın kimyasal bile şimi bozulur. Ergitme sırasında önlem alınması gerekir. Metal malzemelerin, kullanım açısından katı durumdaki teknik özellikleri önemlidir, ancak hemen hemen tüm malzemeler üretim sürecinde ergitme ve döküm a şamasından geçer. Bu a şamada olu şan içyapı, ço ğunlukla dökümü izleyen plastik şekil verme ve ısıl i şlemlerin etkisiyle kısmen veya tamamen de ği şir. Ancak de ği şim sırasındaki dönü şme ve çökelme olayları da ba şlangıç yapısına ba ğlıdır. Dolayısıyla, sadece döküm de ğil, dövme malzemelerin de özelliklerinin anla şılması için, katıla şma olayının (kristalle şme) iyi bilinmesi gerekir. Sıvı/katı geçi şi, birincil kristalle şme ve bu sırada olu şan katıla şma içyapısı (döküm içyapısı) birincil içyapı adını alır. Isıl (örne ğin normalle ştirme) ve termomekanik (örne ğin sıcak şekil verme) i şlemler ile malzeme katı durumda tekrar kristalle şebilir ve bu şekilde ikincil içyapı ortaya çıkar. Termik Analiz Şekil. Saf metallerin ısınma-so ğuma e ğrileri Saf Metallerde Birincil Kristalle şme Ergiyik halde düzensiz durumda bulunan atomlar, so ğuma sırasında belli bir sıcaklı ğa inildi ğinde, kristalle şme merkezi veya çekirdek denen atom grupları olu ştururlar ve ergiyi ğin di ğer atomları zamanla bunlara eklenir. Dolayısıyla katıla şma olayı, çekirdek olu şumu ve kristal büyümesi olarak iki safhaya ayrılabilir. 1. Çekirdek Olu şumu Çekirdekler çok küçük katı parçacıklar olup, tekrar ergimemeleri için, yeterli bir büyüklü ğe eri şmi ş olmaları gerekir. Ergiyikte katı parçacıkların olu şması sırasında, katı durum sıvıya göre daha az enerjili oldu ğundan, kristalle şme ısısı açı ğa çıkar. Böylece serbest enerji bir yandan azalma, di ğer yandan da yaratılan yeni yüzeyler dolayısıyla artma e ğilimindedir. Bu (-) ve (+) i şaretli enerji de ği şimleri, çekirdek yarıçapı ile büyüdü ğünden, her ikisinin toplamı kritik bir r k için maksimum de ğere (aktivasyon enerjisi) ula ştıktan sonra azalmaya ba şlar. Buna göre, olu şan çekirde ğin ergimemesi ve büyümesi için, en az r k yarıçapına sahip olması, yani söz konusu duruma kar şılık olan aktivasyon enerjisinin sa ğlanmı ş olması gerekir. ? ? ? 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 : : ? ? r k : Kritik çekirdek yarıçapı ?G y : Serbest yüzey enerjisi de ği şimi ?G V : Serbest hacim enerjisi de ği şimi Şekil. Saf bir metalin katıla şmasında serbest enerji ( ?G) de ği şimi 2 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. 1.1. Homojen çekirdeklenme (Öz çekirdeklenme) İçinde daha önceden olu şmu ş çekirdek (karbür, nitrür, oksit ve di ğer katı bile şikler) bulunmayan ideal ve homojen bir ergiyikte kararlı çekirdeklenmeye ili şkin aktivasyon enerjisi, ergiyi ğin enerji içeri ğinden kar şılanır. Bu nedenle homojen çekirdeklenme için bir ?T a şırı so ğuması gereklidir. Yani ergiyik katıla şmaya T e sıcaklı ğında de ğil, ancak T= T e - ?T sıcaklı ğında ba şlayabilir. (A şırı so ğuma: Ergiyik malzemenin donma sıcaklı ğının daha altına so ğutulmasıdır). Sıcaklık T ( o C) ' e T e T dt dT v s = e T T ? Şekil. Katıla şan ergiyiklerde so ğuma hızının (v s ) a şırı so ğumaya ( ?T)etkisi T H T r f erg k ? ? ? . 2 = T= T e - ?T ?T = 0.2T e ?H f : Katıla şma gizli ısısı Şekildeki e ğrinin a noktası, çekirdek olu şumunun ba şlangıcını ifade etmektedir. Açı ğa çıkan kristalle şme ısısı nedeniyle, sıcaklık ergime derecesine kadar artar. Daha sonra T e sıcaklı ğı sabit kalarak katıla şma devam eder ve b noktasında sona erer. Çok hızlı bir so ğutma sırasında uzakla ştırılan ısı, kristalle şme ısısından daha büyük olabilir. Bu durumda ergiyik daha dü şük bir sıcaklıkta (T e ') katıla şır. Birincil içyapının tane büyüklü ğü, çekirdek sayısı (K) ve kristalin büyüme hızına (W) ba ğlıdır. 1.2. Heterojen çekirdeklenme (Ayrı şık çekirdeklenme) Sanayide döküm i şlemlerinde, yani teknik saflıktaki malzemelerin katıla şması s ırasında heterojen çekirdeklenme görülür. Çekirdek olarak etki edebilecek bazı yüzeyler şunlardır: Ergiyiğin içinde bulundu ğu kalıbın duvarları (örne ğin döküm kalıbı) Daha yüksek sıcaklıklarda eriyen karbürler, nitrürler, oksitler ya da ala şımın di ğer bile şenleri (intermetalik bile şikler vb.) Aynı veya yabancı türden çekirdeklerin, katıla şmadan hemen önce ergiyik içine ilave edilmesi (inokülasyon, a şılama, tohumlama). Örne ğin AlSi ala şımına %0.1 Na ilavesi ile kısa sürede çok sayıda çekirdek olu şur, ince taneli yapı meydana gelir, özellikleri iyile şir. 2. Kristal Büyümesi Kübik kafes sistemine sahip metallerde kristal, tercihli yönlerde (küp yüzeyine dik) çok hızlı, di ğer yönlerde ise daha yava ş büyür ve dendrit adını alır. Ancak, kristalle şme biçimleri, büyük ölçüde so ğuma ko şullarına ba ğlıdır. Katıla şma gizli ısısının ( ?H f ) ortamdan uzakla ştırılmasının şekli, büyüme mekanizmasını ve son yapıyı tayin eder. Ergiyik düzgün so ğursa e şeksenli yani toparlak taneler olu şur. Düzgün olmayan (yönlenmi ş) ısı iletiminde ise, uzun taneler (çubuk taneler) meydana gelir. Şekil. Ergiyi ğin bulundu ğu kaptan ısının çekili ş tarzının, tanelerin olu şumuna etkisi 3 Şekil. Tane büyümesi Ala şımlarda en az iki tür atom bulunur. Dolayısıyla, bu malzemelerin kendilerine özgü katıla şmalarında, sıvı/katı ara yüzeyinde bile şim farklılı ğı ortaya çıkar. ısı ısıı sı ısı e ş eksenli taneler kolonsal taneler (ısının çekili ş yönüne do ğru uzar) çil bölgesi (çok taneli, ince yapı) kokil (metal) kalıp So ğuma hızı v s = dT/dt v s ^ tane sayısı ^, tane boyutu (d) v, ince taneli yapı, dayanım ^ v s v tane sayısı v, tane boyutu (d) ^, kaba taneli yapı, dayanım v Hall-Petch Ba ğıntısı (Dayanım-Tane Boyutu İli şkisi) 2 1 0 - + = kd A ? ? Hall-Petch ba ğıntısı d : Ortalama tane boyutu ? 0 , k : Metal malzemeye ba ğlı katsayılar Katıla şma Zamanı (t s ) 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. t s = B.(V/A) 2 M= V/A: Katıla şma modülü (cm) t s =B.M 2 B : Kalıp sabiti V : Döküm parçası hacmi A : Isı kaçan yüzey t s v v s ^ tane boyutu v t s ^ v s v tane boyutu ^ Katıla şma sırasında bazı hatalar meydana gelir. Kendini çekme ile parça boyutu küçülür. Parça, kesitine göre bölgelere ayrılır. Her bir bölgenin katıla şma modülü (M) hesaplanır. Hangisininki fazla ise yolluk oraya konur, hatta besleyici ilavesi gerekebilir. 4 Tane Büyüklü ğü Tane büyüklü ğü, düzlemsel bir kesitte, tek bir tanenin ortalama çapı veya ortalama alanı ile verilir ve birkaç mikron ile birkaç mm arasında de ği şir. Tane büyüklü ğünü; katıla şma, şekil verme ve ısıl i şlem ko şulları belirler. Taneler, toplam yüzey enerjisini en aza indirgemek için, birle şerek büyüme e ğilimindedirler. Böylece, belli bir kütlede, tane sayısı ve toplam tane yüzeyi azalmı ş olur. İnce taneli malzemelerin özellikleri, kaba taneli malzemelerin özelliklerinden genelde daha iyidir; bunlarda birim kütle ba şına tane sınır alanının büyük olması, örne ğin mekanik dayanım de ğerlerinin artmasını sa ğlar. Şekil de ği ştirme sırasında, ince taneli malzemeler yüzey kalitelerini korurlar, kaba taneli malzemelerde ise yüzey pürüzlenir. Şekil. Kaba taneli ve ince taneli içyapı. (http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0122_mos/index.html) Şekil. İnce taneli östenitik çelik. (http://pmpaspeakingofprecision.com/2009/11/24/5-ways-fine-austenitic-grain-size- affects-your-machine-shop/) Şekil. Kaba taneli östenitik çelik. (http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1516-14392008000100012&script=sci_arttext) Şekil. Kaynak bölgesinin mikroyapısının şematik olarak gösterilmesi (http://www.cadcam.4t.com/fsw.htm) Şekil. Kaynak bölgesinin mikroyapı görüntüleri (http://www.cadcam.4t.com/fsw.htm) 5 Şekil. ITAB’da tanelerin durumu (http://web.itu.edu.tr/~dikicioglu/dersnotleri28022005.htm) Tane Biçimleri Hacim sabit kalmak ko şuluyla, bir cismin yüzeyi küresel durumda minimum oldu ğundan, taneler, di ğer etkiler a ğır basmadı ğı sürece e şeksenli (toparlak) bir biçim almaya çalı şırlar. Kristalin büyümesi sırasında, anizotropi etkisiyle, büyüme hızı her yönde aynı de ğildir. Dolayısıyla çam a ğacı, i ğne veya plaka biçiminde kristal taneleri olu şabilir. İğne veya plakaların birbirini sıkça takip etmesi ile lamelli bir içyapı görülebilir. Çam a ğacı görünümlü kristaller, dendrit olarak adlandırılırlar. Kristallerin biçimi, anizotropi yanında, so ğuma şartlarına da ba ğlıdır. So ğumanın belirli yönde olması durumunda, paralel olarak büyüyen çubuk kristaller olu şabilir. Şekil. (http://hp.physnet.uni-hamburg.de/group_g/methods.htm) Şekil. Dendritler Şekil. a) Lamel grafitli, b) Küresel grafitli dökme demir içyapısı. 6 METAL MALZEMELER İN DEFORMASYONU Şekil de ği şimi için gereken kuvvet, etkidi ği alana bölünürse gerilme elde edilir. Açı de ği şimlerinde ? kayma gerilmeleri söz konusudur. Dı ş yüklerin uygulanması ile malzeme içindeki düzlemlerde, de ği şik büyüklüklerde kayma gerilmeleri do ğar. Örne ğin bir çekme kuvvetinin uygulanması halinde, bu kuvvet ile 45° açı yapan düzlem ve do ğrultuda, de ğeri ? ç çekme gerilmesinin yarısına e şit olan maksimum kayma gerilmesi olu şur. Şekil. Tek eksenli çekme zorlamasında normal ve kayma gerilmeleri Şekil. Çekme kuvveti uygulanan silindir biçimindeki tek kristalin kayma düzlem ve do ğrultuları ile kayma düzlemi üzerindeki kuvvet bile şenleri. Küçük kayma gerilmeleri, sadece kafes açılarının de ği şmesine yol açar ve gerilme kaldırılırsa, şekil de ği şimi kaybolur (elastik şekil de ği şimi). Kayma gerilmesi (ve bununla birlikte açı de ği şimi) belirli bir kritik ? 0 de ğerini a şarsa, bir takım kristal bölümlerindeki atomlar, kayma düzlemleri boyunca, ani olarak ötelenirler (kayma olayı). Gerilme kaldırılırsa, atomlar sadece açı de ği şimini yok edecek kadar geri hareket eder, ancak hiçbir zaman ilk yerlerine dönmezler (plastik (kalıcı) şekil de ği şimi). Şekil. Bir e ğme çubu ğunun şekil de ği ştirmesi ( şematik). a) şekil de ği ştirmemi ş, b) elastik şekil de ği ştirmi ş, c) elastik ve plastik şekil de ği ştirmi ş. Şekil. Dislokasyon hareketi ile plastik şekil de ği şimi. a) kenar dislokasyonu içeren şekil de ği ştirmemi ş kafes, b) kayma gerilmeleri ile şekil de ği şimi, c) dislokasyonun 1 atomlararası uzaklık kadar ötelenmesi, d), e) Dislokasyonun sürekli ötelenerek yüzeyde bir basamak olu şturması. 7 Serbest yüzeyde basamak olu şması, kayma çizgileri ve kayma bantlarının ortaya çıkmasına yol açar. Bu nedenle, ba şlangıçta parlak olan metal yüzeyleri, plastik şekil de ği şimi sonunda, özellikle kaba taneli malzemelerde daha belirgin olmak üzere matla şır. Bo şyerlerin yayınması ile dislokasyonlar kayma düzlemlerini terk edebilirler. Tırmanma denilen bu olay, öncelikle boşyer yo ğunlu ğunun büyük oldu ğu yüksek sıcaklıklarda görülür (sürünme olayı). Şekil. Bir bo şyerin yayınması ile kenar dislokasyonunun tırmanması Bir di ğer plastik şekil de ği şimi mekanizması ise, kafesin bazı bölümlerinin farklı do ğrultuda katlanmasıdır (ikiz olu şumu). Şekil. Plastik şekil de ği şimi. a) kayma, b) ikiz olu şumu. Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Temel Sava şkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009. 3. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt I”, TÜGAM Matbaası, 1985. 4. Çe şitli internet siteleri. 1 5.Hafta: 19.03.2012 D İFÜZYON (YAYINMA) Atomların veya moleküllerin, konsantrasyon (deri şiklik) farkını dengelemek amacıyla, sadece ısı etkisini kullanarak yaptıkları yer de ği ştirme ve yerle şme olayına difüzyon denir. Di ğer bir deyi şle; atomların, sıcaklı ğın etkisiyle yer de ği ştirirken, kütleyi de ta şıması olayıdır. Bu yer de ği ştirme, atomların kafes parametresini a şan uzaklıklarda kütleyi ta şımasıdır. Martenzitik faz dönü şümü dı şındaki bütün durum de ği şimlerinde, olaya katılan atomların yer de ği ştirmesi zorunludur. Bu olaylar, süreksiz (kademeli) olarak ve sistemin serbest enerjisinin azalması şartıyla devam edebilir. Böylece kararlı (stabil) denge durumuna varıldı ğında, serbest enerji minimuma ula şır (2.durum). Enerjinin görece minimum oldu ğu kademeler ise (örne ğin 1.durum), yarı kararlı (metastabil) denge olarak adlandırılır. 1’den 2’ye geçi ş için, sisteme önce aktivasyon enerjisinin (Q) verilmesi zorunludur; ancak o zaman serbest enerjide gerekli azalmayla 2 durumuna ula şılabilir. Yani olayın aktive edilmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, yayınma için, atomların sahip olması gereken enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Şekil. Serbest enerjinin durum de ği şimine ba ğlılı ğı Aktivasyon enerjisi; sıcaklı ğın arttırılması, pekle şme yaratacak şekil de ği şimi, elektriksel ve manyetik alanlar yardımıyla sa ğlanabilir. Parçacıkların (atomlar, moleküller) ve bo ş yerlerin yer de ği ştirme hızı ( k) sayısal olarak Arrhenius denklemi ile tanımlanabilir: ) / exp( 0 RT Q A k - = A 0 : Malzemeye ba ğlı sabit de ğer. Q : Aktivasyon enerjisi (malzemeye ba ğlı). R : Gaz sabiti. T : Sıcaklık (K). Logaritma alınarak denklem şu hale getirilir: RT Q A k - = 0 ln ln Bu denkleme göre, yer de ği ştirme hızı, artan sıcaklıkla sürekli artar, mutlak sıfır sıcaklı ğında ise sıfır olur. Mutlak sıfır noktasının üzerindeki sıcaklıklarda, katı, sıvı, gaz hallerde ve ayrıca kristal ve amorf yapıdaki malzemelerde difüzyon olu şur. Yayınmanın önemi: 1. Metallerin ısıl i şlemi: Difüzyon (yayınma) tavlaması (Mikrosegregasyonu (tane sınırlarına yerle şen katı şkıların konsantrasyon farklılıklarını) azaltmak için yapılır). 2. Metallerin katıla şması 3. Sementasyon (karbon atomu yayındırma) i şlemi: Yüzey sertli ği sa ğlamak içindir. 4. Nitrasyon (nitrürleme): Yüzeye N atomları yayındırarak, yüzey sertle ştirme i şlemi. 5. Sürünme olayı: Yüksek sıcaklıklarda metal tanelerinin birbiri üzerinde kayarak yer de ği ştirmesidir. 6. Elektroteknikte kullanılan yarı iletkenlerin üretimi 7. Metallerin oksidasyonu 8. Seramiklerin üretimi 9. Transistör ve güne ş pillerinin üretimi 1. Yayınan atom türü bakımından difüzyon çe şitleri 1.1. Self (Öz) Difüzyon Ana kütleyi olu şturan atomların kendi yayınmasıdır. Homojen malzemelerde tümüyle aynı olan parçacıkların (atomların) yer de ği ştirme olaylarıdır. Bu çe şit difüzyonda, atomların hareketi sırasında kütle ta şınmaz. 2 Self difüzyon bütün malzemelerde görünmesine kar şın, malzeme davranı şları üzerinde önemli bir etkisi yoktur. Atomları harekete geçiren aktivasyon enerjisi, ergime sıcaklı ğı ile yakla şık orantılıdır. 1.2. Difüzyon Heterojen malzemelerde görülen ve konsantrasyon farkını dengelemek için atom hareketi sırasında kütlenin de ta şındı ğı durumdur ve teknik açıdan önemli olan difüzyon çe şididir. 2. Difüzyon Çe şitleri Atomların katılar içerisinde yayındıkları bölge itibarıyla üçe ayrılırlar. 2.1. Tane Sınırı Difüzyonu Atomlar, tane sınırı olarak bulunan arayüzeyler boyunca yayınırlar. Tane sınırlarında ADF dü şük oldu ğu için, difüzyon daha kolay meydana gelir. Bu bölgelerdeki hareket halindeki atomlar, etrafındaki atomları kolay sıkı ştırabildi ğinden aktivasyon enerjisi küçüktür. 2.2. Yüzeysel Difüzyon Malzeme yüzeylerinde ADF ve KS dü şük oldu ğundan, bu bölgelerde aktivasyon enerjisi dü şüktür ve difüzyon hızlıdır. 2.3. Hacimsel difüzyon Atomlar bir kafes noktasından veya arayer pozisyonundan di ğerine hareket etti ğinde, yayınan atom etrafında atomların dizinim sıklı ğı fazla oldu ğundan, aktivasyon enerjisi yüksek, yayınım da daha azdır. Q= Q 1 + Q 2 Q 1 : Atomun yerinden sökülmesi için gerekli aktivasyon enerjisi Q 2 : Sökülen atomun hareketi için gerekli aktivasyon enerjisi Hacimsel difüzyon, yüzeysel difüzyona kıyasla daha yava ş olmasına kar şın, kesit alanı fazla oldu ğundan, yayınan madde miktarı fazladır. Şekil. Gümü şün öz difüzyonu Şekil. Toryumun (Th) Wolfram (W) içerisinde yayınması 3 Difüzyon Kanunları Difüzyonu düzenleyen kanunlara “Fick kanunları” denir. I.Fick Kanunu Heterojen malzemelerdeki yayınma olayında, deri şiklik (konsantrasyon) farkları, parçacıkların belirli yönde hareket etmelerine neden olur. Bu olay matematiksel olarak I.Fick Kanunu ile ifade edilir. x ? c ? Şekil: I.Fick Kanunu ile ilgili bazı büyüklükler Birim zamanda, birim düzlem alandan geçen atomların sayısı I.Fick Kanunu’nu verir. dt S dx dc D dm A A . - = dm A , deri şiklik gradyeninin dc A /dx olması durumunda, dt süresinde ve yayınma yönüne dik S yüzeyinden geçen A maddesi miktarıdır. D yayınma katsayısı, A atom türünün yer de ği ştirme e ğilimi (yayınma kabiliyeti) için bir ölçüdür; dolayısıyla bu, malzemeye özgü bir de ğerdir. dx dc D dt dm s A A - = 1 ba ğıntısına göre D de ğeri, dc A /dx deri şiklik gradyeni yanında, yayınma olayının hızını belirler. D için Arrhenius ba ğıntısına çok benzer olan a şa ğıdaki denklem geçerlidir. ) / exp( 0 RT Q D D - = D : Difüzyon katsayısı (cm 2 /s, m 2 /s) D 0 : Yayınan atomların titre şim frekansı için bir ölçü olu şturan yayınma sabiti (cm 2 /s, m 2 /s) e= 2.71828 : Do ğal logaritma tabanı Q : Aktivasyon enerjisi (J/mol) R= 8.314 J/molK= 1.987 cal/molK : Gaz sabiti T : Sıcaklık (K) (-) i şareti, atomların, konsantrasyonun daha az oldu ğu yere yayınması anlamına gelmektedir. Problem: Karbonun, ?-Fe’ne 927 °C’de yayınması durumu için difüzyon katsayısını (hızını) bulunuz. D 0 = 2.0x10 -5 m 2 /s , Q = 142 kJ/mol , R = 8.314 J/molK ise D = ? m 2 /s RT / Q e D D - = 0 veya ) / exp( 0 RT Q D D - = () () ( ) ? ? ? ? ? ? - = - K molK J mol J s m x D 1200 / 314 . 8 / 142000 exp / 10 0 . 2 2 5 ( ) ( ) 23 . 14 2 5 / 10 0 . 2 - - = e s m x D ( ) ( ) 6 2 5 10 661 . 0 / 10 0 . 2 - - = x s m x D s m x D / 10 32 . 1 2 11 - = II.Fick Kanunu: Yayınma olayında deri şikli ğin (c), zaman (t) ve yere (x) ba ğlılı ğı II.Fick Kanunu ile verilir. 2 2 x c D t c ? ? = ? ? 4 Sınır şartlarına göre bu diferansiyel denklemin, de ği şik çözümleri vardır. Örne ğin karbonlama (sementasyon) i şleminde çözüm a şa ğıdaki şekildedir. ? ? ? ? ? ? = - - Dt x erf c c c c s x s 2 0 II.Fick Kanunu’nun özel hali D : Difüzyon katsayısı x : Yayınma mesafesi t : Zaman c 0 : Malzemenin ba şlangıç (nominal) konsantrasyonu c x : t zamanda yüzeyden x kadarlık mesafeye yayınan atomların konsantrasyonu c s : Malzeme yüzeyine yayınan atomların sabit (yüzey) konsantrasyonu erf : Hata fonksiyonu (hata fonksiyonu e ğrisinden takip edilir) Problem: 1020 çeli ğinden bir di şli, 927°C’de karbonlanıyor. 5 saatlik karbonlamadan sonra di şli yüzeyinin 0.50 mm altında karbon konsantrasyonunu hesaplayınız. Atmosferdeki karbon miktarını % 0.90 ve çeli ğin karbon miktarını % 0.20 kabul ediniz. D 927°C = 1.28x10 -11 m 2 /s z erfz 0.500 0.5205 0.521 x 0.550 0.5633 c s = 0.90, c 0 = 0.20, c x = ? x= 0.50 mm= 5x10 -4 m t= 5 h= 1.8x10 4 s ? ? ? ? ? ? = - - Dt x erf c c c c s x s 2 0 ? ? ? ? ? ? = - - - - 4 11 4 10 8 . 1 10 28 . 1 2 10 5 20 . 0 90 . 0 90 . 0 x x x x erf c x 521 . 0 70 . 0 90 . 0 erf c x = - z= 0.521’e uygun hata fonksiyonu bulunacak. Tablodan; 538 . 0 5205 . 0 5633 . 0 5205 . 0 500 . 0 550 . 0 500 . 0 521 . 0 = ? - - = - - x x 52 . 0 % 538 . 0 521 . 0 70 . 0 90 . 0 = ? = = - x x c erf c Problem: Si yongasına Ga yayındı ğını düşünelim. Yüzeydeki konsantrasyon 10 24 atom/m 3 ise ve Si yongası daha önce hiç Ga içermiyorsa, 1100°C’de 3 h sonra yüzeyin ne kadar altında konsantrasyon 10 22 atom/m 3 ’e ula şır? D 1100°C = 7x10 -17 m 2 /s erfz z 0.95 0.8209 0.99 0.84 1.00 0.8427 m x x x x x x erf 6 17 24 22 24 10 46 . 1 3600 3 10 7 2 0 10 10 10 - - = ? ? ? ? ? ? ? = - - Problem: Ag atomlarının, katı Ag metalindeki yayınırlı ğı 500°C’de 1.0x10 -17 m 2 /s ve 1000°C’de 7.0x10 -13 m 2 /s’dir. 500-1000°C sıcaklık aralı ğında gümü şün, gümü ş içinde yayınabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisini kJ/mol cinsinden hesaplayınız. T 1 = 500+273= 773 K T 2 = 1000+273= 1273 K D 500 = 1.0x10 -17 m 2 /s D 1000 = 7.0x10 -13 m 2 /s Q= ? () () 1 2 500 1000 / exp / exp RT Q RT Q D D - - = 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - - = - - 1 1 1 exp 10 1 10 7 2 17 13 T T R Q x x ()() 4 4 10 18 . 5 314 . 8 10 7 ln - - = x Q x mol kJ mol J Q / 183 / 183000 = = Difüzyon Mekanizmaları Katı içerisinde yayınma bir ya da daha fazla mekanizma ile gerçekle şir. a) Bo şyer (Bo şluk) Difüzyon Mekanizması Bu mekanizmanın gerçekle şebilmesi için küçük aktivasyon enerjisi yeterlidir. Artan sıcaklıkla birlikte atomların titre şim genlikleri ve bo şyer yo ğunlu ğu artar, dolayısıyla yayınma kolayla şır. b) Arayer Difüzyon Mekanizması Arayer mekanizması, aynı türden atomlar için (öz yayınma) sadece yüksek sıcaklıklarda olasıdır. Ancak, çapları ana kafesin atomlarından oldukça küçük olan yabancı atomlar için (örne ğin demir kafesinde C, N ve H) büyük önem ta şır. Bu mekanizma, ideal, yani tümüyle kusursuz kristallerde dahi etkili olabilmektedir. c) Do ğrudan Yer De ği ştirme (Do ğrusal De ği şim) Difüzyon Mekanizması Enerji nedenleriyle (yüksek aktivasyon enerjisi gereklili ği nedeniyle), do ğrudan yer de ği ştirme olasılı ğı düşüktür ve gerçek metallerde hata yo ğunlu ğu yüksek oldu ğundan, gerekli de de ğildir. d) Arayerimsi Difüzyon Mekanizması Bazen bir yeralan atomu normal kafes noktasını terk ederek, bir arayer pozisyonuna girer. Ancak yeralan atomun arayere girmesi zordur. Aktivasyon enerjisi çok yüksektir, az görülür. Difüzyon mekanizmalarından en çok görülenler, bo şyer ve arayer difüzyon mekanizmalarıdır. Difüzyonu Etkileyen Faktörler 1) Aktivasyon enerjisi Q v D ^ 2) Difüzyonun meydana geldi ği sıcaklık (T) T ^ D ^ Yayınırlık (m 2 /s) Yayınan atom Ara faz yapısı 500°C 1000 °C Karbon (C) kym ?-Fe 5x10 -15 3x10 -11 Karbon (C) khm ?-Fe 10 -12 2x10 -9 Fe kym ?-Fe 2x10 -23 2x10 -16 Fe khm ?-Fe 10 -20 3x10 -14 Ni kym ?-Fe 10 -23 2x10 -16 3) Yayınan atomun konsantrasyonu (deri şikli ği) arttıkça difüzyon hızı artar. 6 4) Kafes tipi khm ADF= 0.68, KS= 8 › D ^ kym ADF= 0.74, KS= 12 › D v sph ADF= 0.74, KS= 12 › D v khm kafes yapısına sahip malzemelerde difüzyon kolay oldu ğu için, yüksek sıcaklıklarda çalı şan parçaların malzemesi olarak kullanılamazlar. 5) Atom çapı v Q v D ^ C, N, H, B ? ?1 A ° 6) Ergime sıcaklı ğı v Q v D ^ T ergAl = 657°C T ergCu = 1083°C T ergNi = 1453°C 7) Difüzyon mekanizması türü Bo şluk ve arayer difüzyon mekanizmalarında Q v D ^ 8) Katı halde atomun yayındı ğı bölge Tane sınırlarında ADF v Q v D ^ Kirkendal Olayı Difüzyon katsayısı büyük olan atomların, küçük olan tarafa yayınmasıdır. Di ğer bir deyi şle, bir tarafın atomal olarak boşalması, yani süngerle şmesidir. ALA ŞIMLAMA Ala şım, en az biri metal olmak üzere, iki ya da daha fazla elementin, ergiyik fazda karı ştırılması ve katıla şmaya terk edilmesidir. Ala şımın amacı, saf bir metale, sahip olmadı ğı özellikleri kazandırmaktır. Ala şımlama sonunda; metal malzemenin sertli ği, dayanımı, rengi, parlaklı ğı, döküm kabiliyeti ve bulundu ğu ortamlardaki korozyon direnci (ala şımlama korozyon direncini dü şürür) gibi özellikleri de ği şir. Ala şımı olu şturmak için metal seçerken, ala şımlamaya uygun olmasına ve istenen özellikleri sa ğlamasına dikkat edilir. A. Eriyik halde A.1. Tam karı şma (su-tuz) A.2. Kısmi karı şma (su-kahve) A.3. Hiç karı şmama (su-zeytinya ğı) B. Katı halde B.1. Tam karı şma (Cu-Ni) B.2. Kısmi karı şma (Cu-Pb) B.3. Hiç karı şmama (Cd-Bi) Bile şen: Ala şımı olu şturmak için gerekli kimyasal elementlere ala şımın bile şeni denir. Bile şenler; 1. Metal+Metal ala şımı (Cu-Al, Cu-Zn, Cu-Ni) 2. Metal+Ametal ala şımı (Fe-C) A, B, C, D,….. bile şenler olmak üzere; iki bile şenli ala şım A+B (Cu-Ni) üç bile şenli ala şım A+B+C (Fe-C-Cr: paslanmaz çelik) dört veya daha çok bile şenli ala şım A+B+C+D+… (Fe-C-Mo-W-V: Hız çeli ği) 7 Ala şımlama Sonucu Olu şan Kristal Çe şitleri 1. Kristal Karı şımı (kr) A ve B elementinin kafes yapıları FARKLI 2. Katı Çözelti (kç) (Katı Eriyik) (Karı şık Kristal) A ve B elementinin kafes yapıları AYNI 2.1. Arayer Katı Çözeltisi 2.2. Asalyer (Yeralan) Katı Çözeltisi Faz; fiziksel ve kimyasal özellikleri homojen olan sistem veya sistem parçalarıdır. Bir katı çözelti fazından olu şan ala şıma homojen ala şım denir. İki ya da daha fazla fazın karı şımıyla meydana gelen ala şıma heterojen ala şım denir. Ala şımlama, ergimi ş metal veya metal olmayan elementlerin katıla şmaya bırakılmasıyla ya da katı haldeki metal tozlarının sıkı ştırılarak istenilen şeklin verilmesi (ön şekillendirme) ve dayanımı olmayan preslenmi ş bu parçaların izostatik presleme ile (metal tozlarının birbirine ba ğlanarak) yüksek dayanımlı parçaların elde edilmesi gibi mekanik ala şımlama şeklinde yapılır. Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt I”, TÜGAM Matbaası, 1985. 1 6.Hafta: 26.03.2012 FAZ (DENGE) D İYAGRAMLARI Malzeme özellikleri, içerdikleri fazların cinsine, sayısına, oranına, şekline ve da ğılım biçimine ba ğlıdır. Bu nedenle, malzemeyi olu şturan fazların, hangi şartlarda olu ştuklarını ve dönü şüme u ğradıklarını bilmek gerekir. Faz diyagramında, sıcaklık (T), basınç (P) ve deri şiklik (c) büyüklüklerine ba ğlı olarak hangi fazların bulunabilece ği, incelenen sistem genellikle termodinamik denge halindeyken saptanır. Elde edilen sonuçlar, faz (denge) diyagramları yardımıyla topluca gösterilir. Faz diyagramları iki veya üç bile şenli olabilir. Bu diyagramlarda, ala şımlara uygulanan i şlemlerin vakum metalürjisi dı şında, ço ğunlukla atmosfer basıncında (P ? 1 bar) yapılması nedeniyle, basınç sabit, T ve c de ği şken alınır. Ala şım sistemiyle ilgili diyagramda, genel olarak a şa ğıdaki fazlar veya bunların karı şımlarını içeren alanlar bulunabilir: • Saf elementler (bile şenler) • Sıvı çözeltiler (eriyikler) • Katı çözeltiler • Ara bile şikler (intermetalikler) Gibbs Faz Kanunu Dengede olan çok fazlı bir sistem için S= B+2-F S : Serbestlik derecesi B : Bile şen sayısı F : Faz sayısı Serbestlik derecesi, faz sayısı sabit kalmak şartıyla de ği ştirilebilecek durum büyüklüklerinin sayısıdır (basınç, bile şim ve sıcaklık). Basınç sabit kabul edilirse S= B+1-F olur. Bu durumda iki bile şenli sistemde durum büyüklükleri T ve c’dir. S= 2+1-F= 3-F Tek fazlı durum için S= 2’dir. Böylece faz sayısı de ği şmeden, T ve c belirli sınırlar içinde, birbirinden ba ğımsız olarak de ği ştirilebilir. İki fazlı durum için S= 1’dir. Faz sayısı aynı kaldı ğı sürece, T ve c birbirinden ba ğımsız olarak de ği ştirilemezler. İki bile şenli sistemde 3 faz aynı anda bulunuyorsa, S= 0 olur. Fazların sayısı 1 azalıncaya kadar, sıcaklık ve fazların deri şiklikleri sabit kalır. Bu duruma örnek olarak, ötektik, ötektoid ve peritektik reaksiyonlar gösterilebilir. Faz sayısı sabit kalmak şartıyla T 1 sıcaklı ğında L 1 ala şımının bile şimi de ği ştirilebilir. Sıcaklık de ği ştirilirse faz sayısı de ği şir. 2 Faz diyagramları, ala şımların so ğuma diyagramları yardımıyla elde edilirler. Çe şitli oranlarda karı ştırılmı ş birçok ala şım termik analize tabi tutularak, so ğuma sırasındaki davranı şları incelenir ve so ğuma diyagramları hazırlanır. So ğuma Diyagramları Faz Diyagramlarının Çizimi Faz diyagramları ile verilen faz sayıları, türleri ve miktarları, genellikle sistemin termodinamik denge halinde geçerlidir. Bunun için de ısıtma ve so ğutma hızları, söz konusu dengenin olu şmasına imkan verecek ölçüde dü şük olmalıdır. Faz diyagramları, oda sıcaklı ğından ergime sıcaklı ğına kadar olan tüm sıcaklıklar için, ala şım sisteminin (ikili, üçlü vb) içerdi ği faz oranını verir. o C o C o C Denge durumunu yansıtan faz diyagramları, teknik ala şımların yorumunda bazı yanılgılara neden olabilir. Pratikte kar şıla şılan ısıtma ve so ğuma ko şullarının, denge haline ula şmak için gerekenden önemli ölçüde farklı olması, özelliklerde ço ğunlukla çok belirgin de ği şikliklere yol açar. Katı Halde Denge Diyagramları 1. Katı Halde Tam Çözünürlük (Tam Karı şma Durumu) Bu durumda, likidüs (sıvıla şma) çizgisinde, yani T 1 sıcaklı ğında, ?kç olu şmaya ba şlar ve böylece iki fazlı alana girilir. Dü şük sıcaklıklarda A ve B atomları ortak bir kafes içinde, her oranda çözünmektedirler. Tam çözünürlük, ala şımlarda yaygın bir durum de ğildir. Cu-Ni ala şımı örnek olarak verilebilir. 3 %Ni E A kç o C E+A kç T Ni =1453 Cu Ni o C 12 L 1 o C t o C t 2 1 %kr Oda sıcaklı ğında Tammann diyagramı %Ni Cu Ni A kç T Cu =1083 L 1 2. Katı Halde Tam Çözünmezlik (Hiç Karı şmama Durumu) Eriyikten sadece saf A veya B kristalle şiyorsa, ala şımların sıvıla şma sıcaklıkları, bile şenlerin ergime noktalarına göre azalır. Sıvıla şma e ğrileri, A ve B’nin ergime sıcaklıklarından ba şlayarak, sürekli alçalan sıvıla şma e ğrisinde (Ö) kesi şirler. Bu ötektik nokta tarafından belirlenen ötektik bile şimindeki malzeme ötektik ala şım, ötektik sıcaklı ğındaki sıvı fazın katıla şmasıyla elde edilen içyapı da ötektik yapı olarak adlandırılır. Ötektik ala şım belirli bir aralıkta de ğil, saf metal gibi, sabit bir sıcaklıkta katıla şır. Bu nedenle, so ğuma e ğrisi sadece sabit sıcaklık noktası gösterir. 2 1 K K E noktada Ötektik + › 4 o C o C o C o C Ötektik nokta, ergiyikten iki ayrı katının meydana geldi ği sıcaklık noktasıdır. Ötektik ala şımın, ergime ya da katıla şma noktasıdır. Bu ala şımda katıla şma, her iki bile şende aynı anda ancak, sadece kendi kendilerine kristalize oluncaya kadar engellenir. Sonuçta, iki ayrı kristal çe şidinden olu şmu ş bir kristal karı şımı meydana gelir. Ötektik ala şımın katıla şma sıcaklı ğı, kendisini olu şturan bile şenlerin katıla şma sıcaklı ğının altında oldu ğu için, bir alt so ğuma meydana geldi ğinden, ince tanelidir. Di ğer bir deyi şle, iki kristal çe şidinin meydana getirdi ği ince taneli karı şıma ötektik yapı adı verilir. Ötektik ala şımların ergime sıcaklıkları dü şük, mekanik özellikleri iyi ve kendini çekme oranı küçük oldu ğundan, döküm ala şımı olarak kullanılır. Tammann Diyagramı (Bünye Diyagramı, Faz Yüzdeleri Diyagramı): Mühendisler ço ğunlukla oda sıcaklı ğındaki fazların tür ve miktarları ile ilgilenirler. Tammann Diyagramı, bu sıcaklık için gerekli olan bilgileri içermektedir. Anılan diyagramdaki sınır çizgilerinin tümü, do ğru biçimindedir. 3. Katı Halde Sınırlı Çözünürlük (Kısmi Karı şma Durumu) Ala şım sistemlerinin büyük ço ğunlu ğunda, bile şenler katı durumda ne sürekli bir katı çözelti olu ştururlar ne de tümüyle çözünmez haldedirler. Genellikle, A bile şeninin belirli miktarlarda B bile şenini, B bile şeninin de belirli miktarlarda A bile şenini çözebildi ği deri şiklik aralıkları mevcuttur. 5 %B E o C E+A kç T A T B AB o C T Ö Ö E+B kç A kç kç+Ö Ö+B kç B kç t o C t o C 1L 1 L 3 L 2 %B AB Ötektik (Ö) %kr Oda sıcaklı ğında Tammann (bünye) diyagramı 1 L 1 L 2 L 3 L 4 L 4 kç da ğılmı ş kç da ğılmı ş kç doymu ş kç doymu ş kç doymamı ş kç doymamı ş A kç: ? kç: ? B kç: ß kç: ß Çözünürlük yüksek sıcaklıklarda alçak sıcaklıklara göre genellikle daha fazladır. Dolayısıyla, so ğuma sırasında, bile şime ba ğlı olan belirli bir sıcaklı ğın altına dü şülünce çözünürlük sınırı (çözeltinin doyma sınırı) a şılmı ş olur. Örne ğin A kafesinde daha önce çözünmü ş B atomlarının bir kısmı, zorunlu olarak kafes dı şına yayınıp, B’ce zengin ve kristal yapısı farklı yeni bir faz olu ştururlar. Böylece, bir katı fazdan di ğer bir katının ayrı şması, çökelme olarak adlandırılır. Her sıcaklıktaki çözünürlük sınırını belirleyen çizgiye, katıla şma e ğrisi denir. 4. İntermetalik (Metal-Metal) Bile şiklerin Faz Diyagramları İntermedial (Metal-Ametal) Bile şiklerin Faz Diyagramları Arafazlı (Arabile şikli) Faz Diyagramları (A x B y ) Arabile şikler sert ve kırılgandırlar; sabit sıcaklıkta katıla şırlar ve ergirler. Kafes yapıları, kendisini olu şturan A ve B elementlerinin kafes yapısından farklıdır. İntermetalik ve intermedial bile şikler, iyonik ya da kovalent ba ğ bulunan bile şiklerdir. Denge diyagramlarını ba ğımsız bölgelere ayırırlar. %B E E+A kç T A T B AB Ö 1 T Ö1 T Ö2 Ö 2 E E+B kç kç A kç kç kç kç+B kç B kç kç kç kç: C kç 6 5. Peritektik Olu şumlu Faz Diyagramları Sabit sıcaklıkta, biri sıvı olan iki faz reaksiyona girerek, yeni bir katı faz olu şturur. Ötektik dönü şüm: E › K 1 + K 2 Peritektik dönü şüm: E+ K › K 1 6. Ötektoid Olu şumlu Faz Diyagramları Ötektik reaksiyona benzer şekildedir; burada bir katı çözelti, sabit sıcaklıkta iki farklı katı faza ayrı şmaktadır. Faz Diyagramından Faz Miktarlarının Bulunması Ters Manivela Kuralı (Kaldıraç Kuralı) T 1 sıcaklı ğında L 1 ala şımının faz miktarları: 100 % x b a a E + = (ergiyik için solidüs e ğrisini kesen bölge) 100 % x b a b kç + = ? (katı için likidüs e ğrisini kesen bölge) 100 % % % = + E kç ? 7 Problem: a) Faz diyagramını doldurunuz. b) Verilen L 1 ala şımı için so ğuma diyagramını çiziniz. c) Oda sıcaklı ğındaki Tammann (bünye) diyagramını çiziniz. d) T x sıcaklı ğında L 1 ala şımı için faz miktarlarını bulunuz. o C o C o C 25 % 100 10 50 40 50 100 % = - - = + = x x b a b kç A 75 % 100 10 50 10 40 100 % = - - = + = x x b a a E 100 % % % = + E kç A Üçlü Faz Diyagramlarına Örnekler Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt I”, TÜGAM Matbaası, 1985. 3. Temel Sava şkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009. 4. Prof.Dr. Ahmet ARAN, Malzeme Bilgisi Ders Notları, 2008. 5. ASM Handbook, Volume 3 : Alloy Phase Diagrams. 1 Yedinci Hafta: 02.04.2012 DEM İR-KARBON (Fe-C) DENGE D İYAGRAMI Saf Demirin So ğuma ve Isınma E ğrileri Saf demir çok yumu şak ve sünektir. Üretimi pahalı ve mekanik dayanımı düşük oldu ğundan, konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılamaz. Manyetik geçirgenli ği büyük oldu ğundan, elektroteknik uygulamalarda önem ta şır. So ğuma ve ısınma e ğrilerine bakıldı ğında, özellikle katı durumdaki durak noktalarının konumları, çok yava ş so ğutma ve ısıtmada bile farklı olabilir (ısıl histerizis). Bu nedenle örne ğin A 3 yerine A r3 ve A c3 gibi bir ayrım gerekebilir. Burada A: durma, r: so ğutma, c: ısıtma kelimelerinden gelmektedir. A 4 ve A 3 noktaları kym ?-demiri alanının, khm ?- ve ?- demiri alanlarıyla sınırını belirtirler. Curie noktası olan A 2 ise, kristal yapı dönü şümleri ile ilgili de ğildir. Demir bu sıcaklı ğın altında, ferromanyetik özelli ğe sahiptir. 723°C’deki A 1 durak noktası saf demirde görülmez (ötektoid reaksiyon). Demir-Karbon Denge Diyagramındaki Faz Dönü şümleri Teknikte kullanılan demir ala şımları karbonun yanısıra, özellikleri ve içyapıyı önemli ölçüde de ği ştirebilen ba şka elementleri de içerir. Buna ra ğmen temel olaylar Fe-C denge diyagramı yardımıyla açıklanabilir. Fe-C denge diyagramları, birçok mühendislik dalının en önemli malzeme grubunu olu şturan çelikleri ve dökme demirleri kapsar. Bu malzemelerin çe şitli sıcaklıklardaki içyapıları ve içyapı de ği şimleri bu diyagramdan takip edilebilir. Çeli ğin ısıl i şlemlerinde de bu diyagramdan yararlanılır. Demir-Karbon denge diyagramının geçerlili ği; • So ğuma veya ısınma hızı yükseldikçe, • Karbon dı şındaki di ğer ala şım elementlerinin miktarı arttıkça azalır. 2 Şekil. Demir-Karbon denge diyagramı Demir ve karbon, sementit olarak isimlendirilen Fe 3 C arafazını olu ştururlar. Yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutma veya özellikle sıvı durumdan yava ş so ğutma sonucu, bu faz karbon (grafit) ile demire ayrı şma e ğilimi gösterir. Di ğer bir deyi şle, sementit karbona göre daha yüksek enerjili durumdadır, yani daha az kararlıdır. Bu nedenle demir-karbon denge diyagramı, kararlı Fe-C ve yarı kararlı Fe-Fe 3 C olmak üzere iki ayrı sistemi kapsar. Uygulamada ço ğunlukla yarı kararlı Fe-Fe 3 C diyagramından yararlanılır. Sementit ve karbon miktarları birbirine ba ğlı oldu ğundan ve çelikler genellikle karbon oranı ile tanımlandıklarından Fe-Fe 3 C diyagramında da deri şiklik karbon cinsinden verilir. Teknik demir-karbon ala şımlarının karbon oranı en çok %5 olabilir (döküm malzemeler). Bu nedenle, bu diyagramın, sadece demirce zengin ve %6.67 C (%100 Fe 3 C) deri şikli ğine kadar olan bölümü kullanılır. Bu bölüm; • bir ötektik • bir ötektoid • bir peritektik (pratikte pek önemli olmayan) reaksiyondan olu şur. Fe-C denge diyagramında artan karbon miktarıyla, • Fe-C ala şımlarının ergime sıcaklı ğı azalır. • Benzer şekilde ?›? dönü şümünün meydana geldi ği A 3 sıcaklı ğı da dü şer. • Öte yandan A 4 sıcaklı ğı yükselir. Buna göre karbon, ? alanını geni şleten, östenit yapıcı elementlerden birisidir. Ötektoid Dönü şüm (Perlitik Dönü şüm) Perlit denilen ötektoid yapı %0.8 C içeren ? kç’nin 723°C’de ferrit ve sementite ayrı şması ile ortaya çıkar. 2 1 K K K + › 3 4 4 4 43 4 4 4 42 1 ) ( ) 67 . 6 ( 3 ) 02 . 0 ( 723 ) 8 . 0 ( P Perlit C C C C C Fe kç kç + ? ?› ? ° ? ? Perlit tanesi Fe 3 C Fe 3 C Perlitik yapı (Ötektoid çelik) Söz konusu ötektoid reaksiyon sabit sıcaklıkta olu şur ve durak noktası A 1 adını alır. Bu nokta C ? %0.02 olan ala şımlarda görülür. Perlitin karakteristik yapısında ferrit ve sementit, genellikle lamel biçiminde yan yana bulunur. Perlit iki ayrı fazdan meydana geldi ğinden perlit taneleri yerine perlit kolonileri deyiminin kullanılması daha uygun olur. Perlit reaksiyonu sırasında, karbon ve demirin katı halde yayınma yoluyla ta şınması gerekir. Bu olay do ğal olarak a şırı so ğumadan kuvvetle etkilenir; yani yüksek so ğuma hızı (kısa yayınma süresi) kütle ta şınmasını büyük oranda engeller. Böylece ortaya çıkan özellik de ği şimleri teknik açıdan çok önemlidir. Şekil. 1080 çeli ğinde, ostenitten meydana gelen ötektoid bile şimdeki perlit mikroyapısı. Buradaki lamelli yapıda açık renk bölgeler ferrit, daha koyu bölgeler sementittir (x2500) Şekil. Sıcak haddelenmi ş yapı çeli ğinin boyuna kesitinde ferrit matris içerisinde koyu renkli perlit bandlarının görünü şü (x200) Ötektik Dönü şüm (Ledeburitik Dönü şüm) Ledeburit diye anılan ötektik yapı %4.3 C içeren ergiyi ğin 1147°C’de ? kç ve Fe 3 C fazlarına ayrı şması ile ortaya çıkar. 2 1 K K E + › 4 4 4 4 43 4 4 4 4 42 1 ) ( ) 67 . 6 ( 3 ) 06 . 2 ( 1147 ) 3 . 4 ( ) . 1 ( a Led Ledeburit C C C C Sem C Fe kç E + ? ?› ? ° ? 4 Dönü şmü ş ledeburit (Led z ): Ötektoid sıcaklı ğının (723°C’nin) altında, ledeburit içindeki östenitlerin bir kısmının perlite dönü şmesi durumudur. Fe 3 C kç Ledz Perlit Peritektik Dönü şüm 1 K K E › + kç kç E C ? ? ? ?› ? + ° 1493 Demir-Karbon Katı Çözeltileri Karbon, demirin en önemli ala şım elementidir. ?-, ?- ve ?- demiri kafeslerindeki arayerlere yerle şir, bundan dolayı demir içerisindeki çözünürlü ğü sınırlıdır. ?-demiri ile katı çözeltisine ferrit (?-kç), ?-demiri ile katı çözeltisine östenit (?-kç) denir. Fe C Arayer katı çözeltisi khm %?-Fe+C %? kç : Ferrit kym %?-Fe+C %? kç : Östenit khm %?-Fe+C %? kç : ? Ferrit Fe 3 C : Sementit (intermedial bile şik) Ferrit; khm yapılı demir içerisinde, çok az orandaki karbonun çözünmesiyle olu şan bir arayer katı çözeltisidir. Bu faz içerisinde 723°C’de %0.020 oranında karbon çözünürken, bu oran, oda sıcaklı ğında %0.006 de ğerine dü şmektedir. Fe- C sistemindeki en yumu şak faz olan ferritin sertli ği 90 HRB, çekme dayanımı 270 MPa ve kopma uzaması de ğeri de %40 civarındadır. Manyetiktirler. Şekil. Ferrit (?-Fe) kafes yapısı Şekil. %0.001 C içeren yapı (ferrit) Östenit; karbonun kym yapılı ?-demiri içerisinde çözünmesiyle olu şan, bir arayer katı çözeltisidir. Bu faz, 1147°C’de %2.06 oranında karbon çözündürür. Çekme dayanımı 1030 MPa, kopma uzaması %10 ve sertli ği 40 HRC civarına olan östenitin toklu ğu oldukça yüksektir. Manyetik de ğildir. Şekil. Östenit (?-Fe) kafes yapısı Şekil. Östenit (?-Fe) iç yapısı Sementit; bir arayer bile şi ği olup, ortorombik kafes yapısına sahiptir. Fe-C denge diyagramında yer alan fazların en serti olan (yakla şık 800 HV) sementitin çekme dayanımı oldukça dü şük (35 MPa), basma dayanımı ise nispeten yüksektir. İki türdür. 1.Sementit, ergiyikten ilk katıla şan sementittir. 2.Sementit ise ? kç’den çökelen sementittir (Diyagramda ? kç +2.Sem yayı boyunca). 5 Karbon Oranlarına Göre Çelikler Ötektoidaltı çelik %0.006 C - %0.8 C Şekil. %0.2 C içeren sıcak haddelenmi ş çeli ğin mikroyapısında ferrit matris (beyaz) içerisinde perlit kolonilerinin (koyu renkli) görünü şü (x200) Şekil. %0.3 C içeren çeli ğin mikroyapısı Şekil. %0.36 C içeren sıcak haddelenmi ş çeli ğin mikroyapısında artan perlit miktarının (koyu renkli) görünü şü (x500) Şekil. %0.6 C içeren çeli ğin mikroyapısı Ötektoid (Perlitik) çelik (%0.8 C’li) Şekil. %0.8 C içeren çeli ğin mikroyapısı 6 Ötektoidüstü çelik %0.8 C - %2.06 C Şekil. %1.0 C içeren çeli ğin mikroyapısı Ötektik Ala şım (Ledeburitik Ala şım %4.3 C’li) %2.06 C - %4.3 C Ötektikaltı ala şım %4.3 C - %6.67 Ötektiküstü ala şım Şekil. %3.0 C içeren dökme demirin mikroyapısı Şekil. Fe-C denge diyagramının çeliklere ait kısmı ve bazı çeliklerin östenit fazından so ğutulması sırasında olu şan içyapılar. 7 Fe-C Denge Diyagramı ile İlgili Bazı Uygulamalar • %0.5 C içeren ala şımsız çeli ğin oda sıcaklı ğındaki içyapısında bulunan fazların miktarları: Kaldıraç kuralından; %ferrit= (BC/AC)x100= (0.3/0.8)x100= %37.5 %perlit= (AB/AC)x100= (0.5/0.8)x100= %62.5 • Ötektoid bile şimdeki ala şımsız çeli ğin oda sıcaklı ğındaki içyapısında bulunan fazların miktarları: Tamamen perlitten olu şan içyapıdır. %ferrit= (CE/AE)x100= (5.9/6.7)x100= %88.1 %sementit= (AC/AE)x100= (0.8/6.7)x100= %11.9 • %1.2 C içeren çeli ğin oda sıcaklı ğındaki içyapısında bulunan fazların miktarları: %perlit= (DE/CE)x100= (5.5/5.9)x100= %93.2 %sementit= (CD/CE)x100= (0.4/5.9)x100= %6.8 ÇEL İK • Çelik, herhangi bir i şleme tabi tutulmadan dövülebilen, yani şekil de ği şimine elveri şli ve en çok %2.06 oranında karbon içeren demir-sementit ala şımıdır. • Genellikle sünek malzemelerdir. • Uygulanan ısıl i şlemlerle sertlikleri, dayanımları ve tane boyutları de ği ştirilebilir. 8 • Çeli ğin özelliklerinin (bilhassa sertli ğinin) de ği şimine en fazla etki eden element karbondur. • Çelik, demir-karbon ala şımı olup, di ğer ala şım elementlerini de belli oranda içerebilir. Karbon Oranına Göre Çelikler Karbon oranı < %0.1 oldu ğunda saf demir olarak adlandırılır. a) Dü şük (Az) Karbonlu Çelikler • En fazla miktarda üretilen çelik türüdür. Genellikle %0.25’ten daha az karbon içerirler. • Isıl i şlemle martenzit yapısı elde edilemedi ği için, dayanımlarının arttırılması ancak so ğuk i şlem ile mümkündür. b) Orta Karbonlu Çelikler • %0.25-0.55 arasında karbon içeren çeliklerdir. • Isıl i şleme (östenitleme, hızlı so ğutma ve menevi şleme) tabi tutularak, mekanik özellikleri iyile ştirilebilir. • Ala şımsız orta karbonlu çelikler, dü şük sertle ştirilebilirli ğe sahiptirler. Bundan dolayı, sadece çok ince kesitleri uygun bir şekilde sertle ştirilebilir. c) Yüksek Karbonlu Çelikler • %0.55-%1.6 arasında karbon içeren; en sert, en dayanıklı ve en dü şük sünekli ğe sahip karbon çelikleridir. • Yüksek a şınma dayancına sahip olup, neredeyse tamamı sertle ştirilmi ş ve menevi şlenmi ş halde kullanılırlar. • Takım ve kalıp çelikleri, yüksek karbonlu çelikten olup, genellikle krom, vanadyum, tungsten ve molibden içerirler. Çelik içerisine ilave edilen karbon oranı, çeli ğin dayanımını ve sertli ğini etkiler. Şekil. Karbon oranının, çeli ğin çekme dayanımı ve sertli ğine etkisi 9 ÇEL İĞİN SINIFLANDIRILMASI Çelik, EURONORM 2074 standardına göre şu şekilde sınıflandırılır: 1. Kimyasal bile şimlerine göre 1.1. Ala şımsız çelikler 1.2. Ala şımlı çelikler 2. Kullanım yerinde istenen özelli ğe göre 2.1. Kütle (Temel) çelikleri (ala şımsız) 2.2. Kaliteli çelikler (ala şımsız/ala şımlı) 2.3. Asal (Soy) çelikler (ala şımsız/ala şımlı) 3. Kullanım yerine göre 3.1. Yapı çelikleri: Genel yapı çeli ği, otomat çeli ği, sementasyon çeli ği, nitrasyon çeli ği, yay çeli ği, ıslah çeli ği, paslanmaz çelik, vb. 3.2. Takım çelikleri: 3.2.1. Ala şımsız takım çeli ği 3.2.2. So ğuk i ş takım çeli ği 3.2.3. Sıcak i ş takım çeli ği 3.2.4. Yüksek hız çeli ği 4. Mamul şekline göre 4.1. Yassı çelik 4.2. Uzun çelikler 4.3. Di ğer şekillerdeki çelikler (Kısa çelikler) Özel Tür Çelikler Yukarıda anlatılan çeliklerin dı şındaki Hadfield, Maraging, Hardox ve Weldox çelikleri özel tür çeliklerdir. DÖKME DEM İR Çelikler döküm malzemesi olarak kullanıldıklarında, dövülebilme özelli ğini korumalarına ra ğmen dökme çelik diye anılırlar. Karbon oranı %2.06’nın üzerinde olan demir esaslı ala şımlar ise, ek bir i şlem uygulanmadan dövülemezler. Sadece döküm yoluyla şekillendirilir ve dökme demir ismini alırlar. Demir esaslı döküm malzemelerin DIN 17006’ya göre sınıflandırılması a şa ğıdaki şekildedir. 10 Şekil. Demir esaslı döküm malzemelerin sınıflandırılması. Faz diyagramları ile ilgili web sayfası adresi: http://www.fpt.tnuni.sk/kfim/predmety/rocnik1/nauka_o_materiali/nauka_o_materiali1.htm Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt 2”, TÜGAM Matbaası, 1987. 3. Temel Sava şkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009. 4. ASM Handbook, Volume 3 : Alloy Phase Diagrams. 5. Mehmet Yüksel, Cemal Meran, “Malzeme Bilgisine Giri ş Cilt 2”, MMO, 2010. 6. Kalpakjian and Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, Prentice-Hall, 2001. 7. Çe şitli internet siteleri. 1 9.hafta: 16.04.2012 ISIL İŞLEMLER Demir esaslı malzemeler, sıcaklı ğa ba ğlı olarak farklı özellikteki kristal yapılara sahiptir (allotropi). Ayrıca, östenit sıcaklı ğından hızlı so ğutulmaları halinde, a şırı so ğuma görülür; yani östenitin dönü şümü dü şük sıcaklıklarda, karbon ve di ğer ala şım elementleri için güçle şen yayınma ko şulları altında gerçekle şir. Olu şan içyapı, dönü şüm sıcaklı ğı ve bu sıcaklıktaki yayınma hızı ile yakından ilgilidir. Böylece allotropluk ve kuvvetli a şırı so ğuma e ğilimi, özellikleri de ği ştirebilecek ısıl yöntemlerin, demir dı şı metal malzemelere göre daha çe şitli ve etkin olmasını sa ğlar. İçyapı ve özellikler bakımından belirli bir durumu elde etmek üzere, malzemenin solidüs (katıla şma) sıcaklı ğının altında, uygun sıra ve süre ile ısıtılıp so ğutulmasına ısıl i şlem denir. İşlem sırasında ortamın etkisiyle, örne ğin karbonlamada ve nitrürlemede oldu ğu gibi, çeli ğin kimyasal bile şimi de de ği şebilir. Ortamın oksitleyici olması, karbon kaybı ve tufal olu şumuna yol açar. Karbonsuzla şan yüzey tabakası, malzemenin özellikle yorulma dayanımını düşürür. Bu durum parçanın kullanım yeri açısından bir sakınca yaratacaksa, söz konusu tabakanın i şlenerek giderilmesi ya da ısıtma i şleminin koruyucu gaz, kömür tozu, erimi ş tuz veya kur şun banyosu gibi ortamlarda yapılması gerekir. ÇEL İĞİN ISIL İŞLEMLER İ Çeli ğin ısıl i şlemleri, ba şlıca şu amaçlar için uygulanır: 1. Tala şlı i şlenebilme özelli ği iyile ştirilebilir (yumu şatma tavlaması, tane irile ştirme (kaba tane) tavlaması), 2. Dayanım arttırılıp azaltılabilir (yumu şatma tavlaması, normalle ştirme tavlaması, sertle ştirme), 3. So ğuk şekil vermenin etkisi yok edilebilir (yeniden kristalle ştirme tavlaması, normalle ştirme tavlaması), 4. Mikrosegregasyon ortadan kaldırılabilir (homojenle ştirme tavlaması), 5. Tane büyüklü ğü de ği ştirilebilir (tane irile ştirme tavlaması, normalle ştirme tavlaması, yeniden kristalle ştirme tavlaması), 6. İç gerilmeler azaltılabilir (gerilme giderme tavlaması) 7. Belirli içyapılar elde edilebilir (normalle ştirme tavlaması, yumu şatma tavlaması, sertle ştirme). Isıl i şlemler, genellikle iki ana grupta toplanabilir: • Tavlama • Sertle ştirme Tavlama ile içyapının kararlı denge durumuna yakla şması sa ğlanır (so ğutma yava ş yapılır). Sertle ştirmede ise, östenit, çeli ğin bile şimine ba ğlı minimum bir hızın altına inilmeyecek şekilde so ğutularak, yarı kararlı bir içyapı (martenzit) olu şturulur. Her iki uygulamayı da içeren i şleme, yani dengesiz bir yapı elde ettikten sonra istenilen ölçüde denge durumuna yakla şmaya ıslah etme denir. Tavlama i şlemleri de kendi aralarında iki gruba ayrılır: 1.Tür Tav İşlemleri İçyapı de ği şikliklerine neden olsalar bile, öncelikle belirli özelliklerin elde edilmesine yöneliktirler (homojenle ştirme, tane irile ştirme, gerilme giderme, yeniden kristalle ştirme i şlemleri) 2.Tür Tav İşlemleri Bunlarda temel amaç, belirli içyapı durumlarına ula şmaktır (yumu şatma, normalle ştirme i şlemleri). Sıcaklık-Zaman Diyagramı Her ısıl i şlem, • Belirli bir sıcaklı ğa ısıtma, • Bu sıcaklıkta tutma, • So ğutma a şamalarını içerir. Isıtma i şlemi için ya parçaya dı ş kaynaktan ısı ta şınır (temas veya radyasyon yoluyla) ya da ısı parçada olu şturulur (do ğrudan elektrik akımı geçirme veya indüksiyon yoluyla). Isı dı ştan verildi ğinde, parçanın merkezi, yüzeyinden daha geç ısınır. 2 Tutma süresi, öncelikle östenitleme sıcaklı ğının üzerindeki ısıl i şlemlerde yeterince uzun olmalıdır. 2 20 s t T + = t T : Tutma süresi (dak) s : Et kalınlı ğı (mm) (silindirik parça ise çap) Örne ğin et kalınlı ğı veya çapı 200 mm olan bir malzeme için; h dak t T 2 120 2 200 20 = = + = Parçanın so ğuma hızı; parça kalınlı ğı ve malzemenin ısı iletimi katsayısı ile orantılıdır. Ala şım elementi yüzdesi arttıkça, ısı iletimi zorla şır. Tavlama İşlemleri %C kç o C A c3 =911 Fe o C kç+P 2.06 Şekil. Fe-C diyagramının çelik bölümü 0.8 0.02 A c1 =723 kç+ kç kç kç+2.Sem 1147 P+2.Sementit Difüzyon tavlaması İri tane tavlaması Normalle ştirme tavlaması Rekristalizasyon tavlaması Gerilme giderme tavlaması ötektoidaltı ötektoidüstü P kç kç kç+P 2.Sem P+2.Sem Yumu şatma tavlaması 1.Tür Tav İşlemleri Difüzyon Tavlaması (Homojenle ştirme Tavlaması) Birincil kristalle şme sonucunda olu şan kimyasal bile şim farklarını (mikrosegregasyon) gidermek için yapılır. Böylece ikincil kristalle şmede (örne ğin sıcak şekillendirmede) ortaya çıkabilecek bantlı içyapının olu şması önlenir. Difüzyon yoluyla deri şikli ğin dengelenmesi ancak mikro ölçekte olmak üzere, çok yüksek sıcaklık (1100-1300°C) ve çok uzun sürede (yakla şık 50 h) gerçekle şir. Bu nedenle pahalı ve makrosegregasyonu (yo ğunluk farkından dolayı olan 3 bile şim farklılı ğı) gideremeyen bir i şlemdir. Artan sıcaklık, yüksek enerjili tane sınırlarını ve dolayısıyla tane sayısını azalttı ğından, homojenle ştirme, genellikle a şırı tane irile şmesine yol açar. Hadde mamullerinin ba şlangıç malzemesi olan ingotlar, tav çukurlarında bir tür difüzyon tavı görür. Çeli ğin kalitesi açısından böyle bir i şlem zorunluysa, bunun ingot a şamasında yapılması uygun olur. Çünkü yöntemin olumsuz etkileri (tufal olu şumu, tane irile şmesi) daha sonra haddeleme ile ortadan kalkar. Malzemede gevrekle ştirici katı şkılardan çözünebilir olanları, homojenle ştirme sırasında tane sınırlarından tane içlerine do ğru yayınır. Çözünemeyen bile şikler (oksitler, karbürler, nitrürler) ise, küresel bir biçim alırlar. Böylece bazı çeliklerin mekanik özellikleri iyile şebilir. Örne ğin ço ğunlukla (ala şımlı) çelik döküm parçalara normalle ştirmeden önce difüzyon tavı uygulanması, çentik darbe toklu ğunu yükseltir. Tane İrile ştirme Tavlaması ( İri Tane Tavlaması, Kaba Tane Tavlaması) Dü şük karbonlu çeliklerde (C<%0.2), tala şlı i şlemeyi kolaylaştırmak amacıyla gevrek ve kaba taneli bir içyapının elde edilmesi, tala şın süreklili ğini engeller. Bu durumda malzeme takıma sıvanmaz ve özellikle kısa tala ş verdi ğinden, otomat tezgahlarında i şlenebilir. Tav sıcaklı ğı 950-1100°C arasında seçilir, tav süresi ise yakla şık 3-5 h’dir. Yüksek sıcaklıktan dolayı pahalı sayılan bu i şlem, malzemenin tokluk de ğerini dü şürdü ğünden, seyrek uygulanır. t c c1 yava ş so ğutma önemsiz so ğutma Gerilme Giderme Tavlaması Üniform olmayan ısıtma-so ğutma i şlemleri (döküm, kaynak, sertle ştirme), üniform olmayan şekil de ği şimi (e ğme, so ğuk şekillendirme), tala şlı i şleme (frezeleme, planyalama, tornalama vb.) ve dönü şüm olayları sırasında parça içinde olu şan gerilmelerin giderilmesi amacıyla uygulanır. Dayanımda önemli de ği şikliklere yol açmamak için, tav sıcaklı ğı alt dönü şüm sıcaklı ğı A c1 ’den, ıslah edilmi ş çeliklerde ise menevi şleme sıcaklı ğından dü şük tutulmalıdır. İşlem sıcaklı ğı malzemenin kimyasal bile şimine göre, ala şımsız ve az ala şımlı çeliklerde 580-650°C arasındadır. Tav süresi ise 0.5-1 h arasındadır. İşlemin ba şarılı sonuç verebilmesi için, so ğutmanın yava ş yapılması gerekir. Aksi halde, sıcaklık farklarından dolayı, parçada iç gerilmeler tekrar olu şabilir. Aynı nedenlerle, ısıtmanın da yava ş yapılması gerekir. Yeniden Kristalle ştirme (Rekristalizasyon) Tavlaması So ğuk şekil verme sonucunda pekle şen malzemenin özelliklerini (yüksek dayanım, dü şük süneklik ve tokluk) ba şlangıç durumuna getirmek amacıyla yapılır. Birçok uygulamada, örne ğin derin çekmede, ara tav olarak da yapılır. Böylece, daha sonraki şekil verme kademeleri için, gerekli süneklik malzemeye tekrar kazandırılır. İşlem, şekil de ği ştirme oranı ile di ğer etkenlere ba ğlı olarak, 500°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda ve ço ğunlukla 600-700°C dolayında gerçekle ştirilir. Yakla şık 1 h’lik sürede gerçekle şir. 4 o C Söz konusu ısıl i şlem sonunda, içyapı yeniden kristalle şir. Olu şan e şeksenli taneler, daha önce şekil de ği şimi yönünde uzamı ş olanların yerini alır. Bu sırada dislokasyon yo ğunlu ğunun azalmasıyla da malzeme ba şlangıç sünekli ğine kavu şur. Yeniden kristalle şmede şekil de ği şimi oranı, tav süresi ve tav sıcaklı ğı uygun seçilmelidir; aksi halde tane irile şmesi tehlikesi vardır. İnce taneli bir içyapı ele edebilmek için i şlem, kritik şekil de ği şimi oranının üzerinde (en az %10 oranında) so ğuk şekillendirilmi ş parçalara uygulanmalıdır. Teknik saflıktaki metallerde yeniden kristalle şme sıcaklı ğı; ) ( 4 . 0 K T T T e YK RK ? = So ğuk şekil verdikten sonra içyapı Tavlamadan sonraki içyapı İç gerilme yüksek İç gerilme azalmı ş Taneler uzamı ş Taneler küçük ve e ş eksenli Yapıda homojenlik yok Yapıda homojenlik var Dislokasyon yo ğunlu ğu yüksek Dislokasyon yo ğunlu ğu azalmı ş Yüksek ala şımlı çelikler gibi dönü şüm göstermeyen çeliklerde tane boyutu küçültme i şlemi, yeniden kristalle ştirme tavlaması ile yapılır. 2.Tür Tav İşlemleri Yumu şatma Tavlaması (Kürele ştirme Tavlaması) C ? %0.4 olan çeliklerde tala şlı i şlemeyi, C< %0.4 olan çeliklerde so ğuk şekillendirmeyi kolayla ştırmak amacıyla uygulanır. Tavlama sıcaklı ğı çeli ğin ötektoidaltı (A c1 s ıcaklı ğının hemen altında) ya da ötektoidüstü (A c1 s ıcaklı ğı civarında) olmasına göre de ği şir. Tavlama sıcaklıklarında tutma süresi ise yakla şık 100 h olabilir. Amaç; ötektoidaltı çeliklerde sert perlit tanelerindeki sementit lamellerini parçalamak, ötektoidüstü çeliklerde ise hem perlit tanelerindeki sementit lamellerini parçalamak hem de tane sınırlarındaki 2.sementit a ğını parçalamaktır. 5 o C Normalle ştirme Tavlaması Küçük ve e ş eksenli tanelerden olu şan perlitik-ferritik içyapı eldesi için uygulanır. Şu amaçlarla yapılır: • So ğuk şekil verme sonrasında uzamı ş taneleri küreselle ştirmek için. • Döküm içyapısını (Widmanstaetten yapısı) iyile ştirmek için: Böyle bir yapıda yumu şak ferrit levhaları ile sert perlit kolonileri birbiri içine girdi ğinden, malzeme oldu ğundan daha çok perlit içeriyormu ş gibi davranır. Di ğer bir deyi şle, aynı kimyasal bile şimde ve içinde perlit odacıkları bulunan ferritik içyapıya sahip çelikten daha sert ve gevrektir. • Sıcak haddeleme sonucunda olu şan bantlı içyapının giderilmesi için. • Kaynaklı parçalarda, kaynak diki şi yanında sıcak biçimlendirilmi ş hadde içyapısı bulunmaktadır. Kaynak diki şi, çelik döküm içyapısındadır ve homojen olmayan bir kombinasyon vardır. Di ğer bir deyi şle, tane büyüklü ğü farklı olan hadde yapısı ve döküm içyapısının bir arada oldu ğu durumlarda uygulanır. • Difüzyon tavlaması sonucunda irile şmi ş taneleri inceltmek için. 6 Tavlama i şlemi sonucunda, mekanik özelliklerde, özellikle de toklukta artı ş sa ğlanır. Tav süresi, et kalınlı ğına göre 30- 60 dak arasındadır. Basınçlı kaplara mutlaka bu tavlama i şlemi uygulanmalıdır. o C o C SERTLE ŞT İRME Sertle ştirme ile metastabil (yarı kararlı) bir içyapı elde edilir. Östenit, çeli ğin bile şimine ba ğlı olarak, minimum bir hızın altına inilmeyecek şekilde so ğutulur ve yarı kararlı tetragonal hacim merkezli martenzit yapısı olu şur. Di ğer bir deyi şle, çeliklerin mümkün olan en yüksek sertlik ve a şınma dayanımına sahip olması istendi ğinde sertle ştirme i şlemi yapılır. Sertle ştirme sonucunda so ğuk şekil de ği ştirme kabiliyeti azalır, süneklik dü şer. Bu i şlem daha çok dönü şüm sertle şmesinde geçerlidir. Ya ğda so ğutma, ala şımlı çeli ğin sertle ştirilmesinde uygulanır. Sertle ştirme - Dönü şüm sertle şmesi (çekirde ğe kadar sertle ştirme) - Yüzey Sertle ştirme - Çökelme sertle şmesi Dönü şüm Sertle şmesi (Çekirdeğe kadar sertle ştirme) Ön şart: • C >%0.25 olması gerekir. • Ötektoidaltı çeliklerde T tavlama =A c3 +(30°-50°C) • Ötektoidüstü çeliklerde T tavlama =A c1 +(30°-50°C) • So ğuma hızı v s > v kritik 7 kr s v v > %C kç o C A c3 =911 Fe o C kç+P 2.06 0.8 0.02 A c1 =723 kç+ kç kç kç+2.Sem 1147 P+2.Sementit L 1 v s o C c3 A c3 0.5 c1 12345 r ’ v altkr v üstkr M s M f 1 ferrit+perlit 2 az ferrit+perlit 3 sorbit (sıkı lamelli perlit) 4 trostit+ martenzit + + + + + / / / / 5 martenzit + + + + + + + + + + Hızlı so ğuma sonucu elde edilen içyapı, büyük ölçüde dönü şüm sıcaklı ğına, yani karbonun ve di ğer ala şım elementlerinin yayınmasına ba ğlıdır. A şırı so ğumu ş östenit, üç temel sıcaklık kademesinde dönü şüme u ğrar: 1. Perlit kademesinde dönü şüm So ğuma hızı arttıkça C ve di ğer ala şım elementlerinin yayınma süresi azalır. Sementit lamellerinin geni şli ği azalarak, ince veya çok ince lamelli perlitik bir içyapı meydana gelir. Lamellerarası mesafe ne kadar kısa ise, içyapıda C da ğılımı o kadar homojendir. Bu nedenle de sertlik ve dayanım de ğerleri artar. 8 ferrit ~60 HV sementit ~800-850 HV metal nitrür ~1200 HV 2. Beynit kademesinde dönü şüm Fe atomu yayınamaz, C atomu yayınması ise güçle şir. Elektron mikroskobunda iki şekilde görülebilir. - İğneli beynit: Ferrit içerisine gömülmü ş karbon parçacıkları olarak tanımlanır. Sürekli so ğuma veya sabit sıcaklıkta (izotermik) dönü şüm ile elde edilir. - Taneli beynit: Sürekli so ğuma ile elde edilir. So ğuma hızına ba ğlı olarak i ğneli beynit, kaba ve ince taneli beynit olarak ikiye ayrılır. İnce taneli beynit, M s ’nin hemen üzerindeki sıcaklıklarda olu şur. Beynitik içyapı, ala şımlı çeliklerin karakteristik içyapısıdır. Ala şımsız çeliklerde beynitik yapı elde edilmek isteniyorsa sabit sıcaklık dönü şümü gerekir. 3. Martenzit kademesinde dönü şüm C ve Fe atomu yayınması mümkün de ğildir. Karbür olu şamaz. C, martenzit kafesi içerisinde zorunlu olarak çözünmü ş durumdadır. Martenzitin sertli ği, kafes içerisinde zorla çözündü ğünden, C miktarına ba ğlıdır. Martenzit olu şumu için kritik so ğuma hızının üzerine çıkılması gerekti ğinden, dönü şüm sertle şmesi yapılabilmesi için çelikteki C miktarı %0.25’in üzerinde olmalıdır. Martenzit kafesleri sürekli kayma düzlemi içermedi ğinden, şekil de ği ştiremez, yüksek sertlik ve dayanım gösterir. Zaman M ğı caklı sı ş kı çı n rı Fı v s so ğ - = M s = f(C, Mn, di ğer ala şım elementleri) (Martenzit olu şumu ba şlangıç sıcaklı ğı) M f = f(C, Mn, di ğer ala şım elementleri) (Martenzit olu şumu biti ş sıcaklı ğı) C >%0.8 olan çeliklerde dönü şüm sertle şmesi sonucunda, martenzitin yanı s ıra sementit de olu ştu ğundan, sertlik ve a şınma dayanımı daha yüksektir. Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt II”, TÜGAM Matbaası, 1987. 1 11.Hafta: 30.04.2012 Zaman-Sıcaklık-Dönü şüm (ZSD) Diyagramları (Time-Temperature-Transformation (TTT) Diagrams) Östenit dönü şümü sırasında görülen ve öncelikle dönü şüm ürününün (perlit, sorbit, trostit, beynit, martenzit) özelliklerini belirleyen olayların incelenmesinde, denge durumunda geçerli olan Fe-C diyagramından yararlanılamaz. Östenit dönü şümü, artan so ğuma hızından etkilenmektedir. Ancak denge diyagramları, dönü şümün zamanla ili şkisini açıklayamamaktadır. ZSD diyagramları, dönü şüm olaylarını s ıcaklık ve zamana ba ğlı olarak gösterirler. Olaylar bazen çok uzun sürebilece ğinden, zaman ekseni logaritmik bölümlüdür. Östenit dönü şümü, sürekli so ğuma ve sabit sıcaklık durumlarında birbirinden ayrı olarak incelenir. Bu diyagramları elde etmek için, deney parçaları, aynı östenitleme sıcaklı ğına ısıtılarak; • Öngörülen e ğrilere (1, 2, 3 vb.) uygun biçimde sürekli so ğutulur • Ya da istenen sıcaklı ğa (T 1 , T 2 , T 3 vb.) hızla so ğutulup, bu sabit sıcaklıkta izotermik dönü şüm tamamlanıncaya kadar tutulur. Şekil. ZSD diyagramında T 1 , T 2 , T 3 sabit sıcaklık, 1,2,3 sürekli so ğuma dönü şümlerinin şematik gösterili şi. (gerçekte her iki dönü şüm, farklı diyagramlar verir.) Ortaya çıkan içyapılar ço ğunlukla metalografik, dönü şüm sıcaklıkları ise dilatometrik olarak saptanır. Örne ğin, perlit veya beynit olu şumuna ait ba şlama ve biti ş noktaları birle ştirildi ğinde, östenitin farklı koşullardaki dönü şüm davranı şı diyagram haline getirilmi ş olur. 1. Sürekli So ğuma İçin ZSD Diyagramları Östenitleme sıcaklı ğından ba şlayarak, sadece çizilen so ğuma e ğrileri do ğrultusunda okunabilen bu diyagramlar, çeli ği östenit bölgesinden so ğutarak yapılan bütün ısıl i şlemlerin tasarlanmasında çok yararlıdırlar. Bunlardan, dönü şüm davranı şı dı şında, şu bilgiler de elde edilebilir: • De ği şik dönü şüm alanlarında olu şan içyapı bile şenlerinin miktarı (so ğuma e ğrisi ile alan alt sınırının kesim noktasında yüzde olarak), • Elde edilen içyapının sertli ği (so ğuma e ğrisi sonunda HV veya HRC olarak). Şekil. %0.45 C’lu ala şımsız bir çeli ğin sürekli so ğuma ZSD diyagramı. 2 1.So ğuma e ğrisi yava ş so ğumayı temsil eder. Burada dönü şüm 4x10 3 saniyelik bir süre sonunda ve 740 °C’de ferrit olu şumu ile ba şlar. Östenitin %60’ı 10 4 s sonra sıcaklık 690 °C’ye indi ğinde ferrite, %40’ı da 1.25x10 4 s sonra sıcaklık 680 °C’ye indi ğinde perlite dönü şmü ş olur. Elde edilen içyapının sertli ği 179 HV’dir. 2.So ğuma e ğrisi ya ğda so ğumayı temsil eder. Östenit 1.5 s ve 653 °C’de önce ferrite (%3), daha sonra büyük oranda perlite (%70) dönü şür. Kalan östenitten 525-315 °C arasında beynit (%17) ve M s sıcaklı ğının altında da martenzit (%10) olu şur. Bu bile şenleri içeren içyapının sertli ği 318 HV’ye yükselmi ştir. 3.So ğuma e ğrisi suda so ğumayı temsil eder. Östenite yakla şık üst kritik so ğuma hızında su verilmi ş olup, içyapıda %98 martenzit ve sadece %2 beynit bulunmaktadır. Sertlik 548 HV’ye yükselmi ştir. 2. Sabit Sıcaklık ( İzotermik) ZSD Diyagramları Östenit bölgesine ısıtılan parça seçilen bir sıcaklı ğa hızla so ğutularak, burada dönü şüm tamamlanıncaya kadar tutulur. Sürekli so ğuma diyagramında oldu ğu gibi, belirli bir bekleme süresinden sonra östenit dönü şümü ba şlar. Dönü şüm ba şlangıç e ğrisi, ço ğunlukla karakteristik C biçimindedir. A şırı so ğumanın küçük olması halinde, dönü şüm e ğilimi azdır (uzun bekleme süresi). Büyük a şırı so ğumada ise, bu e ğilim kuvvetle artar. Ancak dönü şüm sıcaklı ğı dü ştükçe, özellikle karbon atomlarının hareketlili ği engellendi ğinden, bekleme süresi tekrar uzar. Bu iki ters etkinin yarattı ğı burun olu şumu, sürekli so ğumadakinden daha belirgindir. Şekil. %0.45 C’lu ala şımsız bir çeli ğin sabit sıcaklık ZSD diyagramı. İzotermik diyagram, sadece dönü şümün türüne ba ğlı olarak, zaman eksenine paralel do ğrular yönünde (izotermler yönünde) okunabilir. Yani sürekli so ğumanın tersine, sabit sıcaklıkta dönü şüm, sıcaklı ğa göre, tümüyle perlit ya da beynit alanında olabilir. Çeli ğin türü ne olursa olsun, %100 beynit ancak sabit sıcaklık dönüşümleri ile elde edilebilir. Şekil. Fe-C diyagramı ile izotermik ZSD diyagramının kar şıla ştırılması Yukarıdaki şekilde de görüldü ğü gibi, ZSD diyagramındaki dönü şüm olayları, Fe-C diyagramında yalnız A c1 ve A c3 durak noktaları arasında benzemekte, artan a şırı so ğuma ile Fe-C denge diyagramnda bulunmayan içyapılar (sorbit, trostit, gibi ince perlit türleri ve beynit) ortaya çıkmaktadır. 3 Yapı tümüyle martenzite dönü şmez, artık östenit kalır. Tekrar ısıtıp hızlı so ğutma ile tümüyle martenzit yapı elde edilir. M s = f(C, Mn, di ğer ala şım elementleri) M f = f(C, Mn, di ğer ala şım elementleri) Bütün ala şım elementlerinin östenit içerisinde çözünmeleri durumunda: Ms (°C)= 561-(474x%C)-(33x%Mn)-(17x%Ni)-(17x%Cr)-(21x%Mo) Yüksek ve orta ala şımlı çelikler için ise: Ms (°C)= 550-(350x%C)-(40x%Mn)-(20x%Cr)-(10x%Mo)-(17x%Ni)-(8x%W)-(35x%V) Zaman M ğı caklı sı ş kı çı n rı Fı v s so ğ - = ZSD diyagramını etkileyen faktörler: - % C oranı (Ötektoidaltı ve ötektoidüstü çelikler için ayrı ayrı) - Ala şım elementlerinin cinsi ve miktarı. %Ni ilavesiyle A c3 v % ? ^ %Cr ilavesiyle A c3 ^ % ? ^ Çeli ğin Sertle şme Davranı şı Bir çeli ğin sertle şme davranı şı, iki ayrı kavramı, yani hem eri şilebilen en büyük sertli ği hem de elde edilebilen sertle şme derinli ğini kapsar. Martenzitik yapının ula şabilece ği en büyük sertlik, öncelikle çeli ğin karbon deri şikli ğine ba ğlıdır. Sertle şme kabiliyeti de denilen sertle şme derinli ği ise, sertli ğin öngörülen bir de ğeri a ştı ğı kenar tabakasının kalınlı ğı olup, karbondan çok, ala şım elementleri miktarı ile belirlenir. Çeli ğin sertle şme davranı şı, Jominy Deneyi ile saptanabilir. 4 Jominy (Alından Su Verme) Deneyi (DIN 50191) 100 65±10 25 deney parçası askı yuvası deney numunesi su akımının serbest çıkı ş yüksekli ği alın yüzeyi 12±1 12±1 Alın yüzeyinden uzaklık (l) HRC max Sertlik l 1 l 2 1 2 3 v s azalıyor 1: ala şımsız çelik 2: dü şük ala şımlı çelik 3: yüksek ala şımlı çelik Sertle ştirme sonucunda %0.8 C’li çeli ğin (ötektoid çelik) sertli ği yakla şık 67 HRC’dir. Çeli ğin sertle şme derinli ği, genellikle %50 martenzit içeren, yani böyle bir içyapının sertli ğine sahip olan noktanın, alın yüzeyinden uzaklı ğıdır. Ala şımsız çeliklerin kritik so ğuma hızının yüksek olması nedeniyle, sertle şme derinli ği azdır. Yani elde edilebilen martenzitik tabakanın kalınlı ğı yakla şık 5 mm’dir. Bu nedenle, bu tür çeliklere sı ğ sertle şme çelikleri adı verilir. Ala şımlı çeliklerde ise, elde edilebilen martenzitik tabakanın kalınlı ğı yakla şık 12 mm’dir. Su Verme Ortamları Su verme ortamı, parçanın kritik so ğuma hızını a şacak şekilde olmalıdır ki östenitin tümü martenzite dönü şebilsin (dönü şüm sertle şmesi için). Su verme i şlemini şu faktörler etkiler: - Çelik içerisindeki C ve ala şım elementi oranları (kimyasal bileşim) - Su verme ortamının so ğutma kabiliyeti - Parça malzemesinin ısı iletim kabiliyeti (ala şım elementi miktarı ile azalır) - Parçanın boyutu ve şekli - Parçanın yüzey durumu (tufal: oksit tabakası olup olmadı ğı) - Parçanın su verme ortamında kalma süresi İdeal su verme ortamı, malzemeden perlit kademesinde mümkün oldu ğu kadar çok, martenzit kademesinde ise çatlama tehlikesini azaltmak için mümkün oldu ğu kadar az ısı çekmektir. Su verme ortamları: • Su o Buzlu su o %5-10 NaCl içeren su o %5-10 NaOH içeren su o Oda sıcaklı ğında su • Ya ğ (200-250 °C ) • Tuz banyosu (tuz ergimi ş halde) Su verme ortamı olarak su seçildi ğinde: Östenitleme sıcaklı ğındaki parça su içerisine daldırıldı ğında, parça yüzeyinde olu şan buhar filminin yalıtımı etkisiyle so ğuma ba şlangıçta yava ştır. Sıcaklık 600°C’nin altına indi ğinde, atom hareketlili ğinin yardımıyla buhar filmi yırtılır, buhar kabarcıklar halinde yükselmeye ba şlar. So ğuma hızı 400°-500°C civarında en yüksek de ğerine ula şır. Bu nedenle su içerisine %5-10 NaCl veya NaOH ilave edilerek, buhar filminin olu şum noktası daha üst sıcaklıklara çekilir ve film olu şumu engellenir. Bu so ğutma ortamında, parçanın sertle şme derinli ği artarken, çatlama tehlikesi azalır. So ğutma ortamı ya ğ oldu ğunda: So ğutma gücü suya göre üç kat daha azdır. Ya ğ seçerken kolay temizlenmesine (su bazlı olmasına), tutu şmamasına ve ucuz olmasına dikkat edilmelidir. Alaşımlı çeliklere su verilmesinde kullanılır ve beynitik yapı elde edilir. 5 SU VERME ÇE ŞİTLER İ 1. Do ğrudan (Basit) Su Verme Su veya ya ğ gibi tek bir ortamda sürekli so ğutma i şlemidir. Sertle şme derinli ği az olan alaşımsız çeliklerde, özellikle suda yüksek hızda so ğutma sonucu, karma şık şekilli parçaların iç ve dı ş kısımları arasında do ğabilecek sıcaklık farkı nedeniyle, çarpılma ve çatlamalar meydana gelebilir. 2. Kesikli Su Verme Östenitten 300-400°C’ye kadar (ara sıcaklı ğa) suda hızlı so ğutulur. Sonra iç ve dı ş k ısımdaki sıcaklık farkının dengelenebilmesi için ya ğda so ğutmaya devam edilir. Ara sıcaklı ğın seçimi ve yakalanması deneyim gerektirdi ğinden, seyrek uygulanan bir yöntemdir. Çatlama tehlikesi daha azdır. 3. Duraklı (Kademeli) Su Verme (Martemperleme) Özellikle karma şık şekilli parçalara su verme esnasında deformasyon ve çatlama riskini azaltmak için parçaların kademeli so ğutulması sonucunda %100 martenzit yapı olu şur. Martemperleme, martenzit olu şumu ba şlangıcındaki temperlemedir. Banyoda tutma süresi, beynit olu şumuna imkan vermeyecek şekilde olmalıdır. o C o C Su Verme Gerilmeleri Su verme i şlemi sonucunda, parça içerisinde olu şan gerilmeleri gidermek için 100°-200°C sıcaklıklarda temperleme (menevi şleme) i şlemi uygulanır. Bu i şlem sonucunda, a şırı kafes gerilmeleri ve çatlama riski azaltılabilir, ama sertlikte düşme meydana gelmez. Su verme gerilmeleri öncelikle dü şük so ğuma hızları uygulanarak ve temperleme (ısıl dengeleme) ile azaltılabilir. Tokla ştırma Yöntemleri 1. Islah Etme Ötektoidaltı çelikler için uygulanır. ) 650 450 ( ) ( . ) 50 30 ( 3 C leme Menevi ş Temperleme soğ hıızlı C A etme ıslah tirme sertle ş e östenitlem c ° - ° + + ° - ° + 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 443 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 442 1 4 4 4 4 43 4 4 4 4 42 1 4 4 43 4 4 42 1 6 %0.20-0.65 C içeren çeliklere ıslah çelikleri denir (ala şımsız ıslah çelikleri). Mekanik dayanımı (çekme, akma dayanımları) yüksek olan çeliklerin eldesi amaçlanır; istenilen sertlik elde edilir. Islah i şlemi ile toklu ğun iyile ştirilmesi, kalın parçaların iç kısmını da kapsamalıdır. Bu durum, tüm kesit ıslahı diye adlandırılır ve sayısal olarak, ıslah derinli ği ile tanımlanabilir. 2. Östemperleme (Beynitleme) %100 beynit yapısı elde etmek amacıyla yapılır. Östenitleme sıcaklı ğına ısıtılan parça, T b (beynitleme) sıcaklı ğındaki ergimi ş Pb ya da tuz banyosuna daldırılır ve kararsız östenitin tamamının izotermik olarak beynite dönü şmesi tamamlanıncaya kadar bekletilir. Daha sonra istenen hızda havada so ğutulur. Bekleme sırasında ısıl gerilmeler giderilir. Östemperleme, çatlak olu şumuna duyarlı karma şık şekilli parçaların tokla ştırılmasında büyük önem kazanır. Yöntem daha çok, tala şsız şekillendirme kalıplarının imalatında kullanılan takım çeliklerinin sertle ştirilmesi için uygundur. Elde edilen içyapının sertli ği, martenzite göre daha dü şüktür. Bu nedenle parçanın çentik darbe dayanımı daha iyidir. Yay üretimi için idealdir. 3. Patentleme-Perlitleme Östemperlemeye benzer biçimde ancak, sıcaklı ğı perlit kademesinde olan bir banyo yardımıyla gerçekle ştirilir. Patentleme sonucunda: • Sorbitik, trostitik içyapı elde edilir • So ğuk şekillendirme oranı fazla olan malzeme elde edilir. • ? ç ? 3000 N/mm 2 olan çelik teller üretilebilir. Perlitleme sonucunda ise, perlitik içyapı elde edilir. Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Şefik Güleç, Ahmet Aran (Çeviri: J.Bargel, G.Schulze), “Malzeme Bilgisi Cilt II”, TÜGAM Matbaası, 1987. 3. Temel Sava şkan, “Malzeme Bilgisi ve Muayenesi”, Celepler Matbaacılık, 2009. 1 12.Hafta: 07.05.2012 Yüzey Sertle ştirme Yöntemleri Yüzeyin sert ve a şınmaya dayanıklı oldu ğu, buna kar şın sünek bir çekirdek istendi ği durumda yüzey sertle ştirme i şlemi uygulanır. Yöntemde parçanın arzu edilen yüzey ya da yüzeylerinde, 1-2 mm derinli ğinde veya büyük parçalarda istenirse 5 mm’ye kadar çıkabilecek derinliklerde sert ve yarı kararlı martenzit tabakası olu şturulur. İşlemin amacı, a şınmaya maruz kalan yüzeylerin a şınma dayanımının arttırılmasının yanı sıra, parçanın yorulma ömrünü arttırma ve korozyon direncini iyile ştirmektir. Sertle ştirilmesi istenmeyen yüzeyler, özel bir macun, pasta ya da kille kapatılır. Di şli çark yüzeyi, cıvata, muylu, mil, perno yatakları gibi birçok makine elemanında, kalınlı ğı ço ğunlukla 0.1-2 mm olmak üzere, sadece yüzey tabakasının sertle ştirilmesiyle istenen a şınma ve ezilme dayanımına ula şılırken, iç kısımlar tok kalır. Sınıflandırma a şa ğıdaki şekilde yapılabilir: 1. Sınırlı Isıtmanın Uygulandı ğı Yöntemler 1.1. Alevle Yüzey Sertle ştirme 1.2. İndüksiyonla Yüzey Sertle ştirme 1.3. Daldırma Yöntemi ile Yüzey Sertle ştirme 2. Kimyasal Bile şimin De ği ştirildi ği Yöntemler 2.1. Sementasyon (Karbonlama) 2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) 2.3. Borlama 2.4. CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme) 1. Sınırlı Isıtma İşleminin Uygulandı ğı Yöntemler 1.1. Alevle Yüzey Sertle ştirme Özellikle büyük parçalara uygulanan bu yöntemde, parça yüzeyinin hızlı ısıtılmasında, O 2 ’nin yakıcı gaz olarak kullanıldı ğı üfleçlerden yararlanılır. Yanıcı gaz olarak asetilen, propan vb. gazlar kullanılır. Parça yüzeyi östenitleme sıcaklı ğına getirilir ve su püskürtülerek so ğutulur. Böylece, yüzeyde yarı kararlı martenzit tabakası olu şturulur. Yüzeyde sertle şen tabaka kalınlı ğı, üflecin gücü ve di ğer parametrelere ba ğlı olarak, 1-6 mm arasında de ği şir. Basit ve ucuz bir yöntemdir. Tam otomatik olarak da gerçekle ştirilebilir. Büyük boyutlu parçalarda, di ğer sertle ştirme yöntemleri ile kıyaslandı ğında, teknik ve ekonomik bakımdan elveri şlidir. 1.2. İndüksiyonla Yüzey Sertle ştirme Sertle ştirilecek parçanın çevresine, yüksek frekanslı akımla beslenen bir indüksiyon bobini yerle ştirilir ve parçada indüklenen frekans arttıkça yüzeye yakın kısımlarda yo ğunla şan girdap akımlarına malzemenin gösterdi ği direnç nedeniyle bu bölgeler ısınır. Yani frekans ne kadar yüksek olursa, ısınan tabaka kalınlı ğı o kadar incelir ve ısınma hızı artar. Östenitleme sıcaklı ğına ısınan parça yüzeyi hızla so ğutularak (su verilerek) sertle ştirilir. Bu yöntemle sertle şen tabaka kalınlı ğı 0.1 mm düzeyine indirilebilir. İşlem otomatik olarak da yapılabilir. µ ? ? . f ? Sertle şen tabaka kalınlı ğı ? : Malzemenin özgül elektrik direnci f : Akım frekansı µ : Malzemenin manyetik geçirgenli ği Yöntemde ısıtma süresinin kısalı ğı, çarpılma, çatlama ve tane irile şmesi olasılıklarını azaltır. Yöntem kolay ve kesin olarak kontrol edilebilir, otomasyona çok elveri şlidir. Ancak, yatırım masrafı yüksektir. Ekonomiklik için, parça sayısının fazla olması gerekir. 1.3. Daldırma Yöntemi ile Yüzey Sertle ştirme Parça, çok yüksek sıcaklıktaki sıvı banyosuna daldırılarak, öngörülen kalınlıktaki yüzey tabakası östenitleme sıcaklı ğına gelinceye kadar uygun bir süreyle bekletilir. Isının yüzeye yı ğılmasını sa ğlamak amacıyla, ısı iletim katsayısı yüksek olan sıvılar kullanılır (örne ğin Sn bronzu banyosu). Sıcak banyodan çıkarılan parçaya su verilerek, yüzey sertle ştirilir. Sıvı banyosu, metal banyosu yanı s ıra, erimi ş tuz banyosu da olabilir. Yöntemin alev ya da indüksiyonla yüzey sertle ştirmeye göre önemli üstünlükleri şunlardır. - Karma şık biçimli parçalar için uygun olması - Ek donanıma ihtiyaç duyulmaması - Yatırım maliyetinin dü şük olması - Üretim hızının yüksek, bu nedenle ekonomik olması Dezavantajları ise, - Sertle şen tabaka kalınlı ğının ayarlanması ve özellikle yeter ölçüde küçük tutulmasının zorlu ğu - Metal banyolarının parça yüzeyine yapı şması, tuz banyoları kullanımında ise yüzeyde karbon azalmasının meydana gelmesi 2 Şekil. Bir di şli çarkta, a) İndüksiyon veya alevle, b) Daldırmayla sertle ştirilen bölgelerin (koyu siyah) şematik gösterili şi. 2. Kimyasal Bile şimin De ği ştirildi ği Yöntemler 2.1. Sementasyon (Karbonlama) Yöntem, dü şük karbonlu çeliklerden (%0.02 > 2 1 , 2 1 ? ? Tokluk= ? k d ? ? ? 0 . Kopmadan önce şekil de ği ştirebilen malzemeye sünek malzeme denir. Kopmadan önce maksimum %1 oranında şekil de ği ştirebilen malzemeye gevrek malzeme denir. 11 Problem: 12 mm çapındaki Al çubu ğa 1000 kgf’lik kuvvet uygulanıyor. Çubuk üzerindeki çekme gerilmesini bulunuz. Çözüm: 2 2 0 max / 85 . 8 4 12 1000 mm kgf A F ç = = = ? ? Problem: Ticari saflıkta ve 1.20 cm geni şli ğinde, 0.1 cm kalınlı ğında, 20 cm uzunlu ğundaki Al çekme numunesinde ölçüm boyu 50 mm, çekmeden sonraki ölçü boyu 67 mm ise %uzama ne kadardır? Çözüm: 34 % 100 50 50 67 100 % 0 0 1 = - = - = x x l l l ? Problem: 15 mm çapında, 50 mm ölçü boyunda test parçasının çekme testinden elde edilen de ğerleri a şa ğıdadır. Yük (kN) 70 120 150 160 170 200 220 233 233 220 Uzama miktarı(mm) 0.25 0.40 0.50 0.60 0.75 1.75 3 5 6.5 8 Kopmadan sonra numune çapı: 12.45 mm a) çekme dayanımını, b) elastiklik modülünü, c) %0.2 akma gerilmesini, d) %kopma uzamasını, e) %kesit daralmasını bulunuz. Çözüm: Verilen de ğerlere göre kuvvet-uzama e ğrisi a şa ğıdaki gibi bulunur. a) Test parçasının kesit alanı: 2 2 2 0 0 7 . 176 4 15 4 mm x d A = = = ? ? kN F 235 max = MPa x A F ç 1330 7 . 176 10 235 3 0 max = = = ? b) 12 GPa MPa mm N l l A F E 9 . 84 84900 / 84900 5 . 0 50 7 . 176 10 . 150 2 3 0 0 = = = = = = ? ? ? c) 50 mm’nin %0.2’si 0.1 mm’dir. 0.1 mm uzama de ğerinden, e ğrinin lineer kısmına çizilen paralel çizginin e ğriyi kesti ği yerdeki yük 164 kN’dir. MPa 928 7 . 176 / 164000 2 , 0 = = ? d) Kuvvet-Uzama e ğrisinin lineer elastik kısmına paralel kopma noktasından çizilen do ğru, apsisi 7.3 mm uzama de ğerinde keser. 50 mm ölçme boyunda uzama; 6 . 14 % 100 50 3 . 7 100 % 0 0 = = - = x x l l l k ? e) Kopmadan sonra çap 12.45 mm idi. 2 2 7 . 121 4 45 . 12 mm x A K = = ? 1 . 31 % 100 7 . 176 7 . 121 7 . 176 100 % 0 0 = - = - = x x A A A q k Kaynaklar (Bu bölüm için): 1. Ders notları, Prof. Dr. Ay şegül Akdo ğan Eker. 2. Mehmet Erdo ğan (Donald R.Askeland), “Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri Cilt 1 ”, Nobel, 1998. 3. Mehmet Yüksel, “Malzeme Bilgisi Cilt 1”, MMO, 2003. 4. A.Halim Demirci, “Malzeme Bilgisi ve Malzeme Muayenesi”, Alfa, 2004. 5. Ahmet Topuz, Müzeyyen Mar şo ğlu vd. (Çeviri: V.B.John), “Mühendislik Malzemeleri”, Taç Ofset, 2001. 6. Çe şitli internet siteleri. 1 14.Hafta: 21.05.2012 Basma Deneyi (DIN 50106, TS 206) ( ? b ) ASTM E9 - 89a(2000) Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature Basma deneyinin amacı, gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekli ğini ve mekanik özelliklerini ölçmektir. Basma deneyi sonunda, çekme deneyinde görülen boy artı şı yoktur. Çekme deneyi makinelerinde gerçekle ştirilir. Basma kuvvetlerinin uygulandı ğı yerlerde kullanılan malzemelere (örne ğin lamel grafitli ve küresel grafitli dökme demirler), beton, refrakter, seramik, LgSn60 (%60 Sn içeren) yatak ala şımı gibi gevrek malzemelere uygulanır. Bu malzemelerin basma dayanımı, çekme dayanımına kıyasla çok yüksektir. Lamel grafitli dökme demirde ? b = 3 ? ç Seramiklerde ? b = (3-10) ? ç Deney, çapı 10-30 mm arasında de ği şen numunelere uygulanır. Dairesel ya da kare kesitli olabilir. Küçük numunelere uygulanması açısından avantajlıdır. Çekme gerilmesi Basma gerilmesi ASTM standartlarına göre, gevrek numunelerin alt ve üst yüzeylerinin yumu şak çelik veya karton ile kaplanması önerilir. Çünkü numunenin basma plakaları arasına yerle şimi esnasında çatlamaması istenir. Kullanılan basma plakaları, oynar ba şlıklı ve yüzeyleri paralel olmalıdır. 0 max A F b = ? F max ; gevrek malzemelerde numunenin kırıldı ğı, sünek malzemelerde ise çatladı ğı andaki yüktür. Kısa numune h 0 = d 0 Orta numune h 0 = 3d 0 Uzun numune h 0 = 10d 0 Özgül kısalma 0 0 1 h h h b - = ? Özgül şi şme 0 0 1 A A A b - = ? E ğme Deneyi Sert metaller ve Kır DD gibi gevrek malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla uygulanır. Kır DD için DIN 50110 standardına göre deney yapılır. 2 Burulma deneyi ise daha az önemli bir deneydir. Teller için burulma deneyi DIN 51212 standardına göre yapılır. SÜRÜNME (SÜNME) DENEY İ (DIN 50118, DIN 50119, TS 279 EN 10291) ASTM E21 - 05 Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials Sürünme: Sünme: Sürekli uzama (Creep) Sınırlı kullanım aralıklarında (dü şük sıcaklık gibi), statik yüklemelerde, sadece gerilmenin deformasyon oranına ba ğlı olarak de ği şiminin bilinmesi ( ?= f( ?) tespiti), malzeme verilerinin seçilmesi için yeterli olabilir. Ancak, teknolojik uygulamalarda yükleme süresinin ve çalı şma sıcaklı ğının etkisini de ço ğu zaman hesaba katmak gerekebilir. Metalsel malzemelerin yüksek sıcaklıklardaki dayanımlarını, davranı şlarını ve kopmadan önce farklı zamanlardaki kalıcı uzama miktarını saptamak için sürünme deneyi uygulanır. Deney numuneleri, statik çekme deneyinde kullanılan numune ile aynıdır. Deney sıcaklı ğı ise T d ? 0.4T e (K) de ğerindedir. Plastik malzemelerde ve kym metallerde dü şük sıcaklıklarda da sürünme meydana gelebilir. Deney süresi; t< 100 h kısa süreli t> 1000 h uzun süreli ?= sabit T d = sabit ? pl = f(t) Sürünme deneyi, yükün (gerilmenin) sabit tutuldu ğu ve şekil de ği şiminin zamanla artı şının ölçüldü ğü deneydir. Ba şka bir deyi şle sürünme, sabit yük altında, zamana ba ğlı olarak ilerleyen plastik şekil de ği ştirmedir. 3 Gerilme gev şemesi (rölaksasyon) ise, şekil de ği ştirmenin sabit tutulması halinde, gerilmenin zamana ba ğlı olarak düşü şüdür. Metalsel malzemelerde sürünme deneyleri ço ğunlukla çekme zorlamaları altında yapılır. Basma, e ğme gibi di ğer zorlamalar söz konusu ise, bu durum, özel indislerle mutlaka verilmelidir. Enerji santralleri, petrol tesisleri, kimya sanayinde yüksek sıcaklık altında çalı şan parçaların davranı şlarını belirlemek amacıyla genellikle uygulanır (Buhar türbininde 500 °C, türbin kanatlarında 600 °C). Sürünme ve gerilme gev şemesi, ısıl aktive olaylardır. Bu nedenledir ki deney sıcaklı ğının mutlaka verilmesi gerekir. Gerilme gev şemesi daha çok plastikler için önem kazanır. Yüklemede zamanın (t) göz önüne alınabilmesi, malzemenin sürünme davranı şını veren ?= f(t) e ğrileri yardımıyla olur. Bu e ğriler, deformasyonun sabit gerilme altında ve sabit sıcaklıkta zamana ba ğlılı ğını gösterir (Demirci, 2004). Zaman (t) T (K) sabit Şekil. Sürünme uzamasının zorlama zamanı ile de ği şimi ' II II I I teknik uygulamalar kırılma sabit dt d zı hı Sürünme = = ' ? ? : Yükün uygulanmasıyla ? 0 birim uzaması olu şur ve birinci bölge ya da birincil sürünme ba şlar. Sürünme hızı sürekli olarak azalır. Bunun nedeni, dislokasyonların birbirini keserek hareketlerini engellemeleri ve pekle şmenin meydana gelmesidir. Ancak sürünme hızı azalmakla birlikte devam da eder. Bunun da nedeni, toparlanma mekanizmalarının devreye girmesidir. Birincil sürünme dü şük gerilmelerde ve 0.4T e (K) sıcaklı ğı civarında malzeme davranı şını tek ba şına karakterize edebilecek şekilde uzun sürer. I.sürünme ?= a.lnt ( a=sabit) (logaritmik sürünme) Teknik uygulamalarda kararlı sürünme yani II.bölge ya da ikincil sürünme önemlidir. Çünkü öngörülen i şletme koşulları ve süresine göre, I.bölgede kalınması ekonomik açıdan, III.bölgeye girilmesi ise kırılmaya kar şı güvenli ği azaltaca ğından istenmez. İkincil sürünmede pekle şme ile toparlanma arasında denge olu ştu ğundan, sürünme hızı sabittir. III.bölgede ise sürünme hızı giderek artar ve kırılma meydana gelir. Meydana gelen, kırılma toleransı, di ğer bir deyi şle sürünme kırılmasıdır. ) / ( . T B e A dt d - = ? Arrhenius ba ğıntısına göre sürünme hızı artı şı Sıcaklık artı şı öncelikle, enerjisi fazla olan büyük açılı tane sınırlarında yayınmayı kolayla ştırır. Tane sınırlarında boşyer yo ğunlu ğu artar. Buna ba ğlı olarak dislokasyonların tırmanma e ğilimi artar ve sürünme için uygun ko şullar sa ğlanmı ş olur. Meydana gelen kırılma tanelerarası, di ğer bir deyi şle sürünme kırılmasıdır. E ş dayanım sıcaklı ğı (T e ş ): Tane ve tane sınırının aynı dayanıma sahip oldu ğu sıcaklık de ğeridir. 4 Yüksek sıcaklıklarda malzeme içyapısında ve özelliklerinde görülen bazı de ği şiklikler şunlardır: • Bo şyer yo ğunlu ğunun artması yayınmayı kolayla ştırır. • Dislokasyonların tırmanması ve çapraz kayması gibi yeni kayma sistemleri ortaya çıkar. • Tane sınırları şekil de ği ştirebilir, şekil de ği ştirme gittikçe basitle şir. • Yapının kararlılı ğı azalır; örne ğin so ğuk şekil de ği ştirmi ş malzeme yeniden kristalle şir ya da çökelme sertle şmesine u ğramı ş malzeme a şırı ya şlanır. • Parça yüzeyi ortamla daha kolay reaksiyona girer, korozyon ve tufal sorunu ortaya çıkar. Sürünme Olayına Etkiyen Faktörler 1. Tane boyutu: Sürünme dayanımının yüksek olması için tane boyutu büyük olmalıdır. 2. Ala şımlama: Ala şım elementi ilavesi ile sürünme dayanımı iyile şir. 3. Metalin ana kütlesi: Ana kütle Mo, Ta, W, Nb esaslı ise sürünme dayanımı fazladır. Deney Sonuçlarının Verilmesi 1. Sürünme Dayanımı: Belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir süre sonunda malzemenin kopmasına neden olan gerilmedir. ) ( / ) ( / C T t ç C T t m veya R ° ° ? T : Sıcaklık (°C) t : Süre (h) R m : ? ç : Çekme dayanımı (N/mm 2 ) 2 ) 500 ( 10000 / ) 500 ( 10000 / / 150 mm N R C ç C m = = ° ° ? 2. Sünme (sürekli uzama) sınırı: Belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir süre sonunda, belirli bir kalıcı uzama olu şturan gerilmedir. Sürünme sınırları ço ğunlukla %0.2 veya %1’lik kalıcı birim uzamalar için verilir. ) ( / ) ( / C T t C T t p pl veya R ° ° ? ? ? pl : Kalıcı uzama R p : ? ? pl : Kalıcı uzama olu şturan gerilme 2 ) 500 ( 10000 / 1 ) 500 ( 10000 / 1 / 130 mm N R C C = = ° ° ? Sürünme hızının giderek sıfır de ğerine kadar azalabildi ği en büyük gerilmeye sürünme duru ş s ınırı adı verilir. Sürünmenin hiçbir zaman kopma ile sonuçlanmadı ğı en büyük gerilme ise sonsuz ömürlü sürünme dayanımı ismini alır. 3. Kopmadan sonraki uzama: ) ( / ) ( / C T t u C T t u veya A ° ° ? uzun çubuk ) ( / ) ( / C T t k C T t k veya A ° ° ? k ısa çubuk 5 k= 5, u= 10 20 % ) 500 ( 100 / 5 ) 500 ( 100 / 5 = = ° ° C C A ? A : ? : %Uzama= %20 t : Zaman=100 h 4. Kopma büzülmesi: ) ( ) ( C T t C T t veya Z ° ° ? 45 % ) 500 ( 100 ) 500 ( 100 = = ° ° C C Z ? Z : ?= %45 t : Zaman=100 h ÇENT İK DARBE DENEY İ (VURMA DENEY İ) (DIN 50115, TS EN 10045) ASTM E23 - 07ae1 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials Çentik darbe deneyi, malzemelere bir darbe şeklinde dinamik zorlamanın etki etmesi halinde, malzemenin kırılması için harcanması gereken enerji miktarını tespit etmek amacıyla uygulanır. Malzemenin ani darbelere dayanımı, malzemenin toklu ğu ile ili şkilidir. Genel olarak bu deneyin yapılma nedenleri şunlardır: • Malzemelerde sünek kırılmadan gevrek kırılma davranı şına geçi şin tespiti, • Ya şlanma dayanımının (ya da ya şlanma e ğiliminin) belirlenmesi, • Herhangi bir etken dolayısıyla (ikincil faz olu şumu gibi) gevrekle şmenin takibi, herhangi bir ısıl i şleme dayanan üretim hatası olup olmadı ğının kontrolü, • Farklı malzemelerin veya aynı malzemeye uygulanan çe şitli ısıl i şlemlerin sonuçlarının kar şıla ştırılması ve de ğerlendirilmesi. (Ya şlanma, malzemenin zamanla gevrekle şmesidir. Ala şımsız çeliklerde sıkça görülür. Olu şum sebebi, malzemede çözünmü ş olarak bulunan azot vb. küçük atomlu elementlerdir. So ğuk şekillendirme ya şlanmayı h ızlandırır. Malzemenin ya şlanmaya e ğilimli olup olmadı ğını anlamak için yapay ya şlandırma yapılır. Bunun için çelik malzeme %10 deformasyon oranında so ğuk şekillendirilir ve daha sonra 30 dakika boyunca 250 °C’de tutulur. Malzemenin ya şlanıp ya şlanmadı ğını belirlemek için, çentik darbe deneyi yapılır. Ya şlandırma i şlemi görmemi ş malzeme ile ya şlandırma i şlemi sonundaki numunelerin çentik darbe i şleri kar şıla ştırılır. İşlem sonunda darbe i şinde dü şme varsa o çelik ya şlanıyor demektir.) Gevrek kırılma ani olarak meydana geldi ğinden dü şük bir kırılma i şi ile gerçekle şir. Bu tür kırılma, malzemenin güvenli kullanım olasılı ğını azaltır. Gevreklik, malzemenin tokluk özelli ğinin tersi olarak dü şünülebilir. Bazı malzemeler bile şimleri nedeniyle gevrektirler (örne ğin DDL, Fe 3 C, Metal karbürler), bazı malzemeler ise oda sıcaklı ğında sünek olmalarına kar şın bazı ko şullarda (örne ğin sıfırın altındaki sıcaklıklarda, gerilme yı ğılmalarının bulunması halinde, darbe zorlama hızı ve şiddeti altında) gevrek davranı ş gösterirler. Çentik darbe deneyinde, numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gerekli enerji miktarı tayin edilir. Bulunan de ğer, malzemenin darbe direnci ya da darbe mukavemeti olarak verilir. Deney numunesi Kompozit malzemelerden yapılan deneylerde genellikle çentiksiz numuneler kullanılmaktadır. 6 Deneyin Yapılı şı Deneyde kütlesi m olan sarkaç düzenekli bir çekiç, önceden belirlenmi ş H yüksekli ğinden dü şer ve en alt noktada arka yüzüne vurdu ğu deney numunesini kırmaya zorlar. Dü şmeden önce çekicin sahip oldu ğu potansiyel enerji m.g.H’dir. Çekiç numuneyi kırdıktan sonra daha küçük bir yükseklik de ğeri olan h yüksekli ğine kadar çıkar ve potansiyel enerjisi m.g.h olur. İşte aradaki enerji farkı, numuneyi kırmak için harcanan kırma enerjisi ya da kırma i şi de ğeri olmaktadır. Vurma de ğeri (VD) olarak da belirtilen bu de ğer (A v ), cihaz göstergesinden do ğrudan okunur. Vurma anında çekicin hızı 4.5-7 m/s arasında olmalıdır. H h Numune Destek Şekil. Charpy çentik darbe deneyi Vurma i şi: A v = mg(H-h) Çentik vurma toklu ğu: 0 S A v K = ? 0 S : Anma kesiti Çentik vurma toklu ğu, dayanım hesaplamalarında sayısal bir de ğer olarak kullanılamaz; çünkü konstrüksiyonlardaki gerilme durumu, yüklemenin seyri, boyutlar ve çentik geometrisi çok farklıdır. Bu nedenle de malzemenin kalitesini belirlemek için yapılan bu deneyde sonuçların vurma de ğeri olarak verilmesi yeterlidir. Deney sıcaklı ğının kontrolü önemli bir husustur. Yüksek sıcaklıklarda numunenin kopmasını sa ğlamak için daha büyük vurma enerjisi gerekir. Yüksek sıcaklıklarda malzeme sünek davranı ş gösterir. Dü şük sıcaklıklarda malzeme gevrektir ve kırılma noktasında çok az şekil de ği ştirme gözlenir. Geçi ş bölgesinde büyük da ğılmalar gösteren vurma de ğerleri, alt bölgede yakla şık 10 J düzeyinde kalırken, üst bölgede malzemenin durumuna ba ğlı olarak 100-300 J’dir. Deney, Charpy ve Izod darbe deneyi olmak üzere iki şekilde yapılır. 7 Darbe Geçi ş Sıcaklı ğı (T g ) Malzemenin sünek yapıdan gevrek yapıya geçti ği sıcaklı ğa geçi ş sıcaklı ğı veya darbe geçi ş sıcaklı ğı denir. Malzemenin düşük sıcaklıkta dayanım göstermesi istenir. Bunun için dü şük geçi ş sıcaklıklarında malzemenin çentik toklu ğuna sahip olması gerekir. Problem: 10x10 mm 2 kesitli standart 2 mm V çentikli çentik darbe numunesi 115 J’lik kırma enerjisi vermi ştir. Çentik darbe dayanımını kJ/m 2 cinsinden bulunuz. Çözüm: 2 6 3 0 / 1438 10 ). 8 10 ( 10 . 115 m kJ x S A v K = = = - - ? YORULMA DENEY İ (DIN 50100, TS 1487) Çe şitli malzemelerden üretilen makine parçaları dinamik yükler altında çalı şıyorsa ve bu yükler devamlı tekrarlanan türden ise, malzeme zaman içerisinde dayanımını yitirir. Genel olarak ilk ba şlarda malzeme yüzeyinde kılcal çatlaklar ortaya çıkar. Süreç içerisinde çatlaklar büyüyerek, makine parçasının kırılmasıyla sonuçlanan sorunlar ortaya çıkarır. Zamana göre de ği şen gerilmelerle zorlanan parçaların çekme hatta akma dayanımlarının altındaki dü şük yüklemelerde bile, belli bir çalı şma süresi sonunda (veya yük tekrar sayısında) tahrip olmasına yorulma, bu tür yükleme sonundaki kırılmaya da yorulma kırılması denir. Dinamik yükler altında çalı şma, özellikle cıvatalar, akslar ve miller gibi makine elemanları için geçerlidir. Örne ğin, pek düzgün olmayan yolda saatte 100 km hızla giden bir ta şıtın mil ya da akslarından biri saniyede belki de 10 kez çekme- basma gerilmelerinin çevrimi altında kalır. Ta şıtların ola ğan ömürleri boyunca, bu tür milyonlarca çevrimsel yük uygulaması olur. Köprülerde, vinçlerde, uçaklarda, füzelerde vb. yapı ve ta şıtlarda uzun zaman alan titre şimler ya da tekrarlanan yükler söz konusudur. 8 ü ü g g ? ü : Üst gerilme (gerilmenin en büyük de ğeri) ? a : Alt gerilme (gerilmenin en küçük de ğeri) ? ort = ? m : Ortalama gerilme ? g : Gerilme genli ği (titre şimli zorlama) T : Titre şim periyodu N : Çevrim sayısı (yük de ği şim sayısı) f= 1/T : Titre şim frekansı (yük de ği şim frekansı) Titre şimli zorlama, şiddeti ve yönü de ği şken bir zorlamadır. Zorlama şekli çekme ( ? gç ), basma ( ? gb ), e ğme ( ? ge ) ve burulma ( ?) olabilir. Gerilme oranı ü a R ? ? = -1 0 g ort y ort ? ? ? ? - = ? < 0 Yorulma dayanımı: Belirlenen bir sınır çevrim sayısına kadar, malzemenin kırılmadan ta şıyabilece ği en büyük gerilme genli ğidir (ortalama gerilme ile birlikte). g ort y g y veya ? ? ? ? ? ± = ± = Sınır çevrim sayısı(N s ): Deney sürelerinin sınırlandırılması için gerekli olan çevrim sayısı olup, malzemeye ba ğlıdır. Dü şük genliklerde yorulma ömrü çok uzun olabilece ğinden, belirli bir çevrim sayısına ula şıldı ğında, parçanın kırılması beklenmeden deney durdurulur. Gerilme genli ği g Yorulma ömrünün sınır çevrim sayısından daha kısa oldu ğu gerilme genliklerine süreli yorulma dayanımı adı verilir ve ? y (10 4 ) olarak gösterilir. Süreli yorulma dayanım bölgesi, genellikle 10 6 gerilme genli ğinde sona erer. Kısa ömürlü yorulma < 10 4 Çok kademeli zorlamada: Deney sırasında sistematik biçimde de ği ştirilen zorlama çok kademeli olarak nitelenir. İşletme ko şullarına uyan bu tür zorlamalar, malzeme özelliklerinin saptandı ğı deney parçaları yerine, do ğrudan makine elemanları üzerinde yapılan deneylerde gerçekle ştirilir. Smith Diyagramı De ği şken ve dalgalı bölgeler için saptanmı ş bir sıra Wöhler e ğrisinden elde edilen sonuçlar yorulma dayanımı diyagramlarında toplu olarak verilebilir. Bu diyagramlar her zorlama şekli için ortalama gerilme, gerilme genli ği, alt gerilme ve üst gerilme arasındaki ba ğıntıları grafik olarak gösterir. Yorulma dayanımına etki eden zorlama de ğerleri arasındaki ba ğıntıları en açık şekilde belirtti ği için, makine mühendisli ğinde genellikle Smith Yorulma Dayanımı diyagramı kullanılır. 10 Şekil. Çekme-basma zorlamaları için Smith Yorulma Dayanımı Diyagramı Yorulma Deneyinin Yapılı şı Yorulma dayanımını ölçmenin yaygın yöntemi dönen destekli kiri ş testidir. Yorulma deneyi için de yine di ğer mekanik testlerde oldu ğu gibi standartlara göre hazırlanan yorulma deney numuneleri kullanılır. Şekil. Dönen destekli kiri ş yorulma test düzene ği Şekildeki gibi geometriye sahip numunenin bir ucu motora ba ğlanır. Di ğer uçtan bir F yükü uygulanır. Numunenin üstü çekme alt yüzeyi basma gerilmesi altında kalır. Numune döndürüldü ğünde ise bu gerilmeler yer de ği ştirecektir. Ve numunenin ortasında sürekli çekme- basma gerilmesi olacaktır. Uygulanan F kuvvetine ba ğlı olarak numuneye etki eden gerilme, 3 18 . 10 d Fxl y = ? dür. Burada F; numuneye uygulanan kuvvet, l; numune boyu, d; numunenin çapıdır. Malzemenin yorulma ömrünü ve yorulma sınırını tespit etmek için birkaç seri numune hazırlanmalıdır. Uygulanan gerilmeye ba ğlı olarak numune kopuncaya kadarki dönme devir sayısı grafi ği elde edilir. Yorulma Kırılması Yorulma kırılması sadece tekrarlı çekme ve basma zorlamalarında de ğil, e ğme ve burulma tekrarlarında da ortaya çıkabilir. Yorulma nedeniyle malzemenin kırılmasına neden olabilecek gerilmeler, çekme dayanımından çok daha düşük (örne ğin yarısı kadar) seviyelerdedir. Yorulma kırılması çeli ğin içyapısındaki en yüksek gerilme noktasından ba şlar. Bu nedenle, gerek çelik parça yüzeyinde ve gerekse içyapısındaki gerilmeyi arttırıcı çentik, çizik, girinti, çökelti, kılcal çatlak gibi durumlar yorulmanın ba şlama noktasını olu ştururlar. Önce bir kılcal çatlak olu şur. Kılcal çatlak hemen kırılmaya yol açmaz. Uygulanan çevrimsel gerilmenin her çevrimiyle birlikte çelik içinde çok yava ş ilerler. Gerilme ne denli yüksek ise, çatlak ilerlemesi o denli 11 büyük olacaktır. Çatla ğın bu tür ilerlemesi sürekli bir sürtünme de yarattı ğından, yorulma kırılması gösteren yüzeyin bu bölgesi düzgündür. Sonunda çatlak öyle bir yere kadar ilerler ki çeli ğin kesit alanının geri kalan çatlamamı ş bölgesi uygulanan gerilmeyi ta şıyamaz ve ola ğan çekme dayanımı a şıldı ğında da kırılır. Duraklama çizgileri, i şletme yükünün de ği şimi ya da makinenin durması gibi durumlarda, çatlak ilerleme hızlarının de ği şmesi ve dolayısıyla çatlak ucundaki oksidasyonun farklı olması nedeniyle meydana gelir. Titre şimli zorlamada, yorulma ömrünün yakla şık %10 süresinde yüzeyde çatlak olu şur ve geriye kalan %90 süresinde ise çatlak ilerler ve parça aniden kırılır. Çelik ve dökme demir için ? y ? 0.5? ç Demirdı şı metal ve ala şımları (örne ğin Cu ve Cu ala şımları, Al ve Al ala şımları, Ni ve Ni ala şımları) için ? y ? (1/3) ? ç Yorulma Dayanımını Etkileyen Faktörler - Gerilmelerin yo ğunla şması (örne ğin kesit üzerinde çentikler, delikler, keskin kö şelerin olması) yorulma dayanımını azaltır. - Yüzey pürüzlülü ğü fazla ise yorulma dayanımı azalır. - Parça içerisinde iç gerilmeler varsa yorulma dayanımı azalır. - Segregasyon, cüruf, kalıntı varsa yorulma dayanımı azalır. - Çevre ko şulları korozyon olu şturmaya elveri şli ise yorulma dayanımı azalır. - Parçanın yüzeyine karbürleme, nitrürleme gibi yüzey sertle ştirme i şlemi uygulanmı şsa yorulma dayanımı iyile şir. Teknolojik Deneyler Teknolojik deneylerin amacı, malzemelerin ve özellikle de yarı mamullerin, daha sonraki üretim a şamasında görecekleri i şlemlere uygunlu ğunu belirlemektir. 1. Plastik Şekillendirme Özelliklerin Belirlenmesi So ğuk şekillendirme kabiliyeti ile ilgili deneyler, sac, bant, boru, çubuk ve profil gibi yarı mamullerin dı şında, perçinlere de uygulanır. 1.1. Katlama Deneyi: Deney parçasının çekmeye zorlanan yüzeyinde ilk çatla ğın olu ştu ğu e ğme açısı saptanır. Çatlak olu şmadan, parçanın öngörülen bir açıya (genellikle 180°) ula şıp ula şmadı ğı kontrol edilir. 1.2. Çökertme Deneyi (Erichsen Deneyi): Bir tutucu çember yardımıyla sabitle ştirilen sac veya bant parçası, küresel bir zımba ile yırtılıncaya kadar çökertilir. 1.3. Derin Çekme Deneyi (Kap Çekme Deneyi): Farklı D çaplarındaki dairesel deney parçaları, daha küçük d çaplı bir kalıpta derin çekilirler. İşlem sırasında radyal ve eksenel çekme gerilmeleriyle, te ğetsel basma gerilmeleri altındaki malzeme, çökertme deneyine kıyasla, daha fazla plastik şekil de ği ştirir. 12 2. Döküm Özelliklerinin Belirlenmesi Bir ala şımın döküm malzemesi olarak uygunlu ğunun belirlenmesi için, akma kabiliyeti (akıcılık), kalıp doldurma kabiliyeti, sıcak çatlama (yırtılma) e ğiliminin azlı ğı ve kendini çekme oranının küçüklü ğü belirlenmelidir. Malzemenin akma ve kalıp doldurma kabiliyeti, döküm spirali (helisi) deneyi ile yapılır. Döküm ala şımlarının so ğuma sırasında ısıl gerilmeler nedeniyle çatlak olu şumuna e ğilimi ise, halka döküm deneyi ile yapılır. 3. Kaynak ve Lehim Yapılmı ş Parçalara Uygulanan Deneyler: Deney parçası biçimine ve deney ko şullarına ba ğlı olarak, ba ğlantının veya kaynak metalinin dayanımı bulunur. METALOGRAF İK MUAYENELER Metal ve ala şımlarının içyapısını inceleyen, içyapı ile özellikler arasında ili şki kuran bilim dalı “metalografi” olarak isimlendirilir. İçyapı incelemesi makro ve mikro ölçekte yapılabilir. 1. Makroskobik İnceleme Makroskobik incelemeler çıplak gözle ya da maksimum 50x mertebesindeki küçük büyütmelerle yapılır. Ta şlanarak hazırlanan yüzeyde, uygun ayraçlar yardımı ile bazı kimyasal reaksiyonların gerçekle ştirilmesine dayanan bu yöntemler iki grupta toplanabilir: • Da ğlama yöntemleri: Derin da ğlama olarak da adlandırılır ve geni ş alanlı içyapı farklılıklarının ayırt edilmesinde kullanılır (örne ğin kaynak diki şi veya ısı tesiri altında kalan bölge (ITAB), döküm parçalarda birincil kristalle şme yapısı ve segregasyonların da ğılımı, yeniden kristalle şme yapısı ve şekillendirilmi ş parçalarda liflerin akı şı). • Baskı yöntemleri: En yaygını çelikte sülfür segregasyonlarının da ğılımını belirlemek için kullanılan Baumann baskısıdır. H 2 SO 4 çözeltisi emdirilmi ş bir foto ğraf ka ğıdı, ta şlanmı ş metal yüzeyine bastırılır. Asidin sülfür kalıntılarına etkisi sonucu olu şan kükürtlü hidrojen, foto ğraf tabakası ile reaksiyona girerek koyu renkli gümü ş sülfür meydana getirir. Bu şekilde sülfür kalıntılarının da ğılımını gösteren bir resim elde edilmi ş olur. 2. Mikroskobik İnceleme - Optik Mikroskop Malzeme içerisindeki fazların, faz miktarlarının, tane boyutu ve tane da ğılımlarının incelenmesinde optik mikroskop yeterlidir. Odaklama derinli ği az oldu ğundan deney parçası yüzeyinin optik düzgünlükte hazırlanması gerekir. Bu nedenle parça yüzeyinin çok iyi zımparalanması ve parlatılması gerekir. Daha sonra uygulanan kimyasal ya da elektrolitik da ğlama ile içyapı bile şenleri farklı ölçüde etkilendi ğinden, taneler ve tane sınırları belirginle şir. Optik mikroskopla normalde en fazla 1250 büyütme elde edilebilir. - Tarayıcı Elektron Mikroskobu (SEM) (TAREM) Deney parçası yüzeyi çok ince bir elektron ı şını demeti ( ?0.01 mm) ile satırsal olarak taranır. I şını olu şturan birincil elektronların çarpması ile yüzeyden fırlatılan ikincil elektronlar, bir dedektör yardımı ile toplanır. Gelen sinyaller, dönü şüm ve kuvvetlendirme a şamalarından geçirilerek katot ı şınları tüpü ekranına farklı koyulukta noktalar halinde yansıtılır. Maksimum 200000 büyütme yapılabilir. Odaklama derinli ğinin büyük olması nedeniyle, SEM ile kırılma yüzeylerinin incelemesi ve hasar analizi yapılır. - Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) Elektron ı şınları ince tabakalar içerisinden geçirilerek de ğerlendirme yapılır. Kristal yapı ile ilgili görüntü olu şturma prensibi, elektron ı şınları difraksiyonuna dayanır (Gönderilen ı şınların atomlara rastlayarak saçılıp, birbirlerini kuvvetlendirecek şekilde giri şimine difraksiyon (kırınım) denir). Kristal yapıdaki heterojenliklerin, malzemeden geçen ı şınların difraksiyonunda yarattı ğı farklılıklar, elektromanyetik merceklerde büyütüldükten sonra fluoresan ekranda açıklı-koyulu bir görüntüye dönü şür. 10 6 ’ya varan büyütmeler yapılabilir. Kafes hatalarının bulundu ğu yerler koyu görünür. Dislokasyonlar, dizi kusurları, döküm hataları, kafes içerisindeki çökeltiler TEM ile saptanır. - AFM (Atomik Force Microscope) 1 15.Hafta: 28.05.2012 YARI TAHR İBATLI ( ŞARTLI TAHR İBATLI) MUAYENELER SERTL İK DENEYLER İ Sertlik, bir malzemenin kendisinden çok daha sert ba şka bir uç veya ( şekli tarif edilen) bir parçanın çizmesine, batmasına, genel olarak kalıcı şekil de ği ştirmeye kar şı gösterdi ği dirençtir. Sertlik deneyleri genel olarak, kısa süreli deneylerdir. Hızlı, kolay ve ucuz olması birçok alanda tercih edilmesine yol açar. Parça yüzeylerinde olu şturulan iz genellikle çok küçük oldu ğundan, tahribatsız bir deney olarak da kabul edilebilir. Sertlik Deneylerinin Uygulama Alanları • Malzemelerin kabaca sınıflandırılması • Teslim alınan yarı mamullerin homojen bir içyapıya sahip olup olmadı ğının kontrolü • Yarı mamullerin ve mamul parçaların kullanım özelliklerinin (a şınma gibi) veya şekillendirilme kabiliyetlerinin (dövme, tala ş kaldırma gibi i şlemler için) ön de ğerlendirilmesi • Uygulanan ısıl i şlemin de ğerlendirilmesi (sertle ştirme gibi) veya bir metalürjik olayın takibi (ıslah etme ve rekristalizasyon gibi) • Sadece pratik kullanım anlamı ta şısa bile, akma ve çekme dayanımları gibi malzeme karakteristikleri için öngörü olu şturulması • Önceden uygulanan bir üretim yönteminin veya ön deformasyonun, malzemede özellik de ği şimine etkisinin sistematik belirlenmesi (pekle şme gibi). Statik Sertlik Ölçme Yöntemleri Sertlik Ölçme Deneylerinde Dikkat Edilecek Hususlar - Deney, mamul standardında aksi belirtilmedikçe, düzgün, pürüzsüz, oksitsiz, tufalsız, yabancı malzeme (özellikle ya ğlama maddeleri) bulunmayan bir yüzeyde yapılmalıdır. - Hazırlık i şlemleri herhangi bir de ği şikli ği, örne ğin sıcaklık veya so ğuk i şleme yüzünden olu şabilecek de ği şiklikleri en aza indirecek şekilde yürütülmelidir. Vickers ve Knoop mikrosertli ğinin iz derinli ğinin az olması nedeniyle, yüzey hazırlama sırasında özel önlemler alınmalıdır. Malzeme parametrelerine uygun olan parlatma/elektroparlatma tavsiye edilir. - Deneyden sonra deney parçasının arka yüzünde hiçbir şekil bozulması görülmemelidir. - Deney, genel olarak 10 °C-35 °C aralı ğındaki ortam sıcaklı ğında yapılmalıdır. Kontrollü şartlarda yürütülen deneyler (23 ±5) °C sıcaklıkta yapılmalıdır. - Deney parçası, esnemeyen bir destek üzerine yerle ştirilmelidir. Temas eden yüzeyler temiz olmalı, üzerlerinde yabancı maddeler (tufal, ya ğ, kir, vb.) bulunmamalıdır. Deney parçasının, deney sırasında yerinden oynamayacak şekilde destek üzerine yerle ştirilmi ş olması önemlidir. - Deney süresince, deney cihazı, sonuçları etkileyebilecek sarsıntı veya titre şimlerden korunmalıdır. Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi (HBW, BSD) (DIN 50351) TS EN ISO 6506-1 Metalik Malzemeler - Brinell Sertlik Deneyi Bir basma ucu (D çaplı sert metal bilye) deney parçasının yüzeyine bastırılır ve F kuvvetinin kaldırılmasından sonra yüzey üzerinde bıraktı ğı izin çapı ölçülür. Brinell sertli ği, deney kuvvetinin iz çapına bölünmesiyle elde edilen de ğerle 2 orantılıdır. İzin bilye yarıçapında küresel oldu ğu kabul edilir ve yüzey alanı ortalama iz çapı ile bilye çapından hesap edilir. Deney parçasının kalınlı ğı, iz derinli ğinin en az sekiz katı olmalıdır. Çelik bilye kullanıldı ğında ölçülen sertlik de ğeri HB veya HBS ile gösterilir. Sert metal bilye kullanıldı ğında ise Brinell sertli ği HBW ile gösterilir. Bu metot 650 HBW sınırına kadar uygulanabilir. Yakla şık HB ? 400 için çelik bilye ve HBW > 400 için sert metal bilye kullanılır. 3 Deneyde dikkat edilecek hususlar ve deneyin yapılı şı - Çizelge 2’de verilen deney kuvvetleri kullanılmalıdır. - Deney kuvveti, iz çapı ( d) 0.24xD ile 0.6xD de ğerleri arasında olacak şekilde seçilmelidir. Çizelge 3, çe şitli malzemeler ve çe şitli sertlik seviyelerinde deney için uygun, tavsiye edilen kuvvet-çap oranlarını (0.102xF/D 2 ) göstermektedir. Deney parçasının en büyük temsili alanını deneye tabi tutmak için deney bilyesinin çapı mümkün oldu ğunca büyük seçilmelidir. Deney parçasının kalınlı ğı izin veriyorsa, 10 mm çapında bir bilye tercih edilmelidir. 4 - Basma ucu deney yüzeyine de ğdirilir ve sarsıntıya, titre şime ve kaymaya yol açmayacak şekilde, belirtilmi ş de ğere ula şıncaya kadar yüzeye dik yönde kuvvet uygulanır. Ba şlangıç kuvvetinin uygulanmaya ba şladı ğı ilk andan, deney kuvvetinin tamamının uygulandı ğı ana kadar geçen süre 2 saniyeden az, 8 saniyeden çok olmamalıdır. Bu kuvvet 10-15 s süreyle uygulanır. - Deney parçasının kenarından her bir izin merkezine kadar olan uzaklık, ortalama iz çapının en az iki buçuk katı olmalıdır. Birbirine kom şu iki izin merkezleri arasındaki uzaklık, ortalama iz çapının en az üç katı olmalıdır. - Her izin çapı birbirine dik iki yönde ölçülür. İki okumanın aritmetik ortalaması Brinell sertlik de ğerinin hesaplanmasında kullanılmalıdır. - İz çapına ba ğlı olarak Brinell sertli ğini belirlemede kullanılan hesaplama cetvelleri bulunmaktadır. Brinell sertlik de ğeri ile çekme dayanım arasında a şa ğıdaki ba ğıntı geçerlidir. ? ç = xHB Çelik için x= 0.35 Dökme demir için x= 0.09 – 0.11 Cu için x= 0.55 Al için x=0.34 – 0.36 Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi (HV, VSD) (DIN 50133) TS EN ISO 6507-1 Metal Malzemeler – Vickers Sertlik Deneyi Elmastan, kare tabanlı, kar şılıklı yüzeyleri arasındaki açı belirtilmi ş, dik piramit biçiminde bir basma ucunun tepe noktası deney parçasının yüzeyine bastırılır ve deney kuvvetinin (F) kaldırılmasından sonra ortaya çıkan izin kö şegen uzunlu ğu ölçülür. Vickers sertli ği, deney kuvvetinin, kare tabanlı dik piramit ve tepe noktasındaki açıları basma ucuyla aynı olaca ğı varsayılan e ğimli iz alanına bölümünden elde edilen de ğerle orantılıdır. 5 Deney parçasının veya deneye tabi tutulan tabakanın kalınlı ğı, izin kö şegen uzunlu ğunun en az 1.5 katı olmalıdır. Deneyde dikkat edilecek hususlar ve deneyin yapılı şı - A şa ğıdaki deney kuvvetleri kullanılabilir. - Basma ucu deney yüzeyine temas ettirilir ve önceden belirlenen de ğere ula şılıncaya kadar, deney yüzeyine dik yönde kuvvet uygulanır. Deney kuvvetinin ilk uygulanmaya ba şladı ğı andan ba şlayarak istenilen kuvvet de ğerine ula şıncaya kadar geçen süre 2 s’den az 8 s’den çok olmamalıdır. Dü şük-kuvvet sertlik ve mikrosertlik deneylerinde bu süre 10 s’yi a şmamalıdır. Dü şük-kuvvet sertlik ve mikrosertlik deneylerinde basma ucunun yakla şma hızı 0.2 mm/s’yi geçmemelidir. Deney kuvvetinin uygulandı ğı süre, (süreye ba ğımlı özellikleri bu aralı ğı uygun olmayan bir aralık yapan malzemelerin deneyleri hariç) 10-15 s kadar olmalıdır. Bu deneyler için daha uzun bir süre uygulanmasına müsaade edilir ve bu süre sertlik gösterili şinin bir parçası olarak belirtilmelidir. - Çelik, bakır ve bakır ala şımlarında herhangi bir izin merkezleri ile deney parçasının kenarı arasındaki mesafe, iz köşegen ortalamasının en az 2.5 katı; hafif metaller, kur şun, kur şun ala şımları, kalay ve kalay ala şımlarında iz kö şegen ortalamasının en az 3 katı olmalıdır. Çelik, bakır ve bakır ala şımlarında kom şu iki izin merkezi arasındaki mesafe, iz köşegen ortalamasının en az 3 katı; hafif metaller, kur şun, kur şun ala şımları, kalay ve kalay ala şımlarında iz kö şegen ortalamasının en az 6 katı olmalıdır. İki kom şu izin büyüklü ğü birbirinden farklı ise mesafe, daha büyük olan izin ortalama kö şegeni esas olarak belirlenmelidir. - İki kö şegen uzunlu ğu ölçülür. Vickers sertli ği hesaplanması için yapılan iki okumanın aritmetik ortalaması alınır. Vickers sertlik ölçme yönteminin di ğer sertlik ölçme yöntemlerine üstünlükleri: • Ölçme hassasiyeti daha yüksektir. • Aynı uçla (piramit uçlu) hem sert hem de yumu şak malzemelerin sertlik ölçümleri yapılabilir. 6 • Daha küçük izlerle ölçümler yapılabilir, yüzey bölgesinde çökme ve hasar en aza indirilir. • İnce kaplama tabakaları ve ince metal yapraklarının hatta yapıdaki küçük faz bölgelerini ayrı ayrı sertlik ölçümleri mümkün olur (mikrosertlik ölçümleri). • Di ğer yöntemlerde bir ölçme aralı ğından bahsedilirken, Vickers yöntemi bütün sertlik mertebeleri için geçerli olur. Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi (DIN 50103) TS EN ISO 6508-1 Metalik Malzemeler – Rockwell Sertlik Deneyi Bir batıcı uç (elmas konik uç çelik veya sert metalden bilye), belirtilen şartlarda iki a şamada deney parçası yüzeyine bastırılır. İlk önce ön yük daha sonra esas yük uygulanır. Esas yükün kaldırılmasından sonra ön yük uygulanmaya devam edilerek olu şan izin derinli ği h ölçülür. Rockwell sertli ği h de ğerinden ve iki sabit sayı N ve S’den a şa ğıdaki formülle hesaplanır: Rockwell sertli ği = N- (h/S) 7 Deney parçasının veya denenmekte olan tabakanın kalınlı ğı, daha ince deney parçalarının ölçülen sertlik değerini etkilemedi ği gösterilmedikçe, konik batıcı uçlarda sürekli derinli ğin en az on katı, bilye batıcı uçlarda en az on be ş katı olmalıdır. Deneyde dikkat edilecek hususlar ve deneyin yapılı şı - Batıcı uç deney yüzeyi ile temas eder duruma getirilir ve ön deney kuvveti F 0 uygulanır. Ön deney kuvvetinin uygulanma süresi 3 saniyeyi geçmemelidir. - Ölçme cihazı, ba şlangıç konumuna ayarlanır ve 1 saniyeden az, 8 saniyeden çok olmayan bir zaman aralı ğında uygulanan kuvvet F 0 ’dan F’ye yükseltilir. - Toplam F kuvveti, 4 saniye ±2 saniye süreyle uygulanır. Ön kuvvet F 0 ’ı koruyarak esas deney kuvveti F 1 kaldırılıp ve kararlılı ğın sa ğlanması için kısa bir süre beklendikten sonra nihai okuma yapılmalıdır. - Rockwell sertlik numarası, Çizelge 2’de verilen formül kullanılarak sürekli iz derinli ği h’dan elde edilir ve genellikle ölçme cihazından do ğrudan okunur. Rockwell sertlik numarasının elde edili şi Şekil 1’de gösterilmi ştir. - Birbirine kom şu iki izin merkezleri arasındaki mesafe iz çapının en az dört katı olmalıdır (ancak 2 mm’den az olmamalıdır). Herhangi bir izin merkezinden, deney parçasının kenarına olan uzaklık en az iz çapının iki buçuk katı olmalı (ancak 1 mm’den az olmamalıdır). Yöntemin uygulandı ğı malzeme türleri: Rockwell A: Sert metaller, yüzeyi sertle ştirilmi ş parçalar, ince levhalar Rockwell B: Demir dı şı metaller, yapı çelikleri vb. Rockwell C: Sertle ştirilmi ş ve ıslah edilmi ş çelikler Rockwell D: Yüzeyi sertle ştirilmi ş, ince et kalınlıklı parçalar Rockwell E: Dökme demirler, Al ala şımları, Mg ala şımları, yatak malzemeleri Rockwell F: Bakır ala şımları, ince levhalar Rockwell sertlik ölçme yönteminin üstünlükleri: - Batıcı ucun batma derinli ği esas alındı ğından iz boyutlarının ölçülmesi söz konusu de ğildir ve sonuçlar do ğrudan cihaz göstergesinden okundu ğundan Brinell ve Vickers yöntemlerine göre daha kısa sürelidir. - Ön yükleme sayesinde numune yüzeyine ili şkin etkiler devre dı şı kalır. - Otomasyona uygundur. Ölçüm tamlı ğının az olması ise dezavantajlı yanıdır. Knoop Sertlik Ölçme Yöntemi TS EN ISO 4545-1 Metalik Malzemeler – Knoop Sertlik Deneyi 8 Tepe noktasında kar şılıklı yüzeyler arasındaki ? ve ß açıları sırasıyla 172.5° ve 130° olan e şkenar dörtgen tabanlı elmas bir batıcı uç, deney parçasının yüzeyine bastırılır ve F deney kuvvetinin kaldırılmasından sonra olu şan izin uzun köşegeni d ölçülür. Knoop sertli ği, deney kuvvetinin e şkenar dörtgen tabanlı ve tepe noktasında batıcı uçla aynı açılara sahip bir piramit olaca ğı varsayılan izin iz dü şüm alanına bölünmesiyle elde edilen de ğerle orantılıdır. Knoop sertli ği, deney kuvvetinin elde edilen izin izdü şüm alanına bölünmesi suretiyle bulunan de ğerle orantılıdır. Bu izin, tepe noktasındaki açıları batıcı ucun açılarına e şit e şkenar dörtgen tabanlı bir piramit olaca ğı varsayılır. 9 Deneyde dikkat edilecek hususlar ve deneyin yapılı şı - Çizelge 2’de verilen deney kuvvetlerinin uygulanması tavsiye edilir. - Ölçme mikroskobu, numune yüzeyi gözlemlenebilecek şekilde odaklanır. - Batıcı uç, deney yüzeyi ile temas haline getirilip önceden belirlenmi ş de ğere ula şıncaya kadar, yüzeye dik yönde kuvvet uygulanır. Batıcı ucun yakla şma hızı 15-70 µm/s arasında olmalıdır. Kuvvetin ilk uygulanmaya ba şladı ğı andan, istenilen de ğere ula şıncaya kadar geçen süre 10 s’yi a şmamalıdır. - Deney kuvvetinin yüzeye uygulandı ğı süre, aksi belirtilmedikçe, 10-15 s arasında olmalıdır. Bazı malzemelerde tutarlı sonuçlar elde etmek için, deney kuvveti deney yüzeyi üzerine daha uzun süre bastırılır; bu süre ± 2 s toleransla uygulanmalıdır. - Bir izin sınırı ile deney parçasının kenarı arasındaki mesafe, izin kısa kö şegeninin en az 3 katı olmalıdır. - Yan yana konumlanmı ş aynı yöndeki kom şu iki izin sınırları arasındaki asgarî mesafe, kısa köşegeninin en az 2.5 katı olmalıdır. Art arda iki izin sınırları arasındaki asgarî mesafe uzun kö şegenin en az bir katı olmalıdır. Kom şu iki izin boyutları farklıysa, en az mesafe, izlerden büyük olanının kısa kö şegeni esas alınarak hesaplanmalıdır. - Uzun kö şegen ölçülmeli ve Knoop sertlik de ğerinin hesaplanmasında kullanılmalıdır. Bütün deneylerde iz çevresi mikroskobun gözlem alanında açıkça tanımlanmalıdır. Dinamik Sertlik Ölçme Yöntemleri Cihazları, statik sertlik ölçme cihazlarından küçük olup, ta şınabilir türdendir. Bu nedenle, daha çok, a ğır parçaların muayenesinde kullanılır (örne ğin haddeler, büyük boyutlu dövme ve dökme parçalar). Poldi Çekici (Aleti) Ucunda ?10 mm olan bir çelik bilye bulunan bir el cihazıdır. Cepte ta şınabilir. Çekiçle malzeme üzerine konan yay ba ğlantılı bilyeye vurulur. Aynı kol kuvvetiyle sertli ği bilinen di ğer bir malzemeye de aynı şekilde iz yaptırılır. İki izin ölçülüp kar şıla ştırılmasıyla sertlik de ğeri bulunmaya çalı şılır. Sertlik= A/ İz alanı A: Yayın i ş kapasitesi (Nm) Bauman Çekici Yay kuvvetiyle metal yüzeyine çarptırılan ?5, ?7.5 ve ?10 mm’lik üç farklı çelik bilyeye sahiptir. Bilyenin parça üzerinde bıraktı ğı izden yararlanarak, Brinell yöntemi de ğerlerini esas alarak sertlik de ğerini verir. Shore Sertli ği Metallerde; Malzeme yüzeyine dü şürülen bir cismin geriye sıçraması prensibi kullanılır. Genelde çelik malzemeler uygulanır. 26.5 g – 20 g – 2.5 g gibi sertle ştirilmi ş çelik bilyeler alınır ve sabit bir yükseklikten (19 mm, 112 mm, 256 mm) sertli ği ölçülecek metalin üzerine dü şürülür. Sıçrama yüksekli ğine göre daha önce kalibrasyonu yapılmı ş e ğrilerden Shore sertlik de ğeri bulunur. Ta şınabilir olması nedeniyle pratiktir ve fabrikalarda çelik merdaneler gibi büyük parçaların sertli ğini yerinde ölçmede kullanılır. Fakat çok hassas bir yöntem de ğildir. 10 100 Shore: %0.8 C’li perlitik çeli ğin sertli ği Plastik ve Lastiklerde; Kolay test i şlemine uygun bir el cihazıdır. Koni uçlu pim yay ba ğlantılıdır. Sertli ği ölçülecek malzemenin üzerine konan cihazın batıcı ucu sonuna kadar lasti ğe batacak şekilde bastırılır. Malzemenin yumu şaklı ğına göre yay daha az veya fazla gerilir. Cihazın göstergesinden Shore A veya Shore D cinsinden sertlik de ğeri okunur. Shore A ucu küt olup, lastik, kauçuk gibi yumu şak malzemelerin sertli ğinin ölçülmesinde kullanılır. Lastik için sertlik de ğeri 78-80 Shore A’dır. Shore D ise sivri uçlu olup, mika, fleksiglas gibi malzemelerin sertli ğinin ölçülmesine kullanılır. TAHR İBATSIZ MUAYENELER İş parçalarının imalatı esnasında veya belli bir müddet kullandıktan sonra örne ğin korozyon ve a şınma gibi nedenlerden dolayı olu şan çatlak, iç kesimlerde olu şan bo şluk, kesit incelmesi vb. hataların tespiti yapılır. Muayeneler do ğrudan i ş parçası üzerinde yapılır. Kullanıma uygun olmayan veya uygunlu ğunu zamanla yitirmi ş olan i ş parçası üzerinde ço ğunlukla ıskartaya çıkarma şeklinde karar verilir. 1. Ultrasonik Muayene (Ultrasonografi) İnsan kula ğının duyamadı ğı 16 kHz’den daha yüksek frekanstaki mekanik dalgalara ultrasonik (ses ötesi) dalga denir. Malzeme muayenesinde kullanılan ses dalgalarının frekansları 0.25-25 MHz arasındadır. Malzeme muayenesinde kullanılan ultrasonik dalgalar piezoelektrik kristaller yardımıyla üretilir. Piezoelektrik malzeme olarak baryum titanat, kuvars veya lityum sülfat kullanılır. Fizikte piezoelektrik olay, bazı kristallerin elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirme özelli ğidir. Ultrasonik yöntemde piezoelektrik malzemeden yapılmı ş problar kullanılır. Malzeme içindeki bir hatadan veya kar şı yüzeyinden yansıyarak toplayıcı proba ula şan ultrasonik dalgaların meydana getirdikleri elektrik darbeleri arasındaki çok kısa zaman farkı, bir katot tüpü vasıtası ile belirlenir. Zaman farkı, hatanın muayene yüzeyine uzaklı ğı ile orantılıdır. Homojen malzemelerde ses dalgaları kayba u ğramadan yayınır. Ancak malzeme arayüzeyinden havaya geçemezler. İki katı arayüzeyine ise çok az geçerler. Bu nedenle de ultrasonik dalgalar dı ş yüzeylerden, döküm içindeki bo şluklardan, porozitelerden, çatlaklardan ve gayri safiyetlerden yansırlar ve saçınırlar. Döküm parçalarda parça boyutu, şekli, kalınlı ğı, yüzey durumu yöntemin sınırlandırılması için etkendir. Karma şık şekilli parçalarda yorumlama daha zordur. Ultrasonik muayene, küçük boyutta ve tek biçimli kesitlerin denetlenmesinde ekonomik olarak uygulanır. Paslanmaz çelikler ve ısıya dayanıklı malzemelerde, ultrasonik dalgaların nüfuziyeti güçtür. Uygulanan frekans ne kadar büyükse nüfuziyet, dolayısıyla saptanacak hata o kadar fazladır. Ultrasonik yöntemle sadece hatalar tespit edilmez. Ultrasonik dalganın yayınma hızı malzemenin elastiklik modülü, Poisson oranı (enine gerinimin boyuna gerinime oranı) ve yo ğunlu ğuna ba ğlıdır. Bu özellikten faydalanılarak, ultrasonik yöntemle malzemelerin elastiklik modülleri de hesaplanabilir. 11 Prob çe şitleri • Düz (normal) prob: Dövme parçalarda kalıntıların, hadde ürünlerinde yırtılmaların, döküm parçalarda porozite ve iç çatlakların saptanmasında kullanılır. • Açısal prob: Daha çok kaynak hatalarının (çatlak, gözenek, cüruf) bulunmasında, ayrıca korozyon ve erozyon çatlaklarında da kullanılabilir. • Daldırma prob: Seri kontrollerde suyla yapılan muayeneler için kullanılır. • Çift elemanlı prob: Sac, levha ve borularda kalınlık ölçmede, haddeleme i şleminde olu şan katmer hatalarının belirlenmesine kullanılır. • Geciktirme bloklu prob: Kalınlık ölçümlerinde ve yüzeye paralel olmayan hataların belirlenmesinde kullanılır. • Geni ş tarama a ğızlı prob: Çok geni ş yüzeyli sacların kontrolünün hızlandırılmasında kullanılır. 2. Radyografi Yöntemi (Röntgen I şınları Yöntemi) X ve ? ı şınları ile malzeme hatalarının saptanması yöntemidir. X ı şınları frenleme yoluyla katot tüplerden elde edilir ve uygulanan voltaja göre nüfuziyet derinli ği de ği şir. X ve ? ı şınları döküm parça içerisinden geçerken, parçanın kalınlı ğına, yo ğunlu ğuna ve bile şimine ba ğlı olarak absorbe edilir. X ı şınlarını üretebilmek için elektrik akımına ihtiyaç vardır. Cihaz çalı ştı ğında ı şın üretilir, kapatıldı ğında üretim durur. X ı şınları ile yapılan muayeneye radyografi, ? ı şınları ile yapılan muayeneye ise gammografi adı verilir. X ı şınları röntgen tüpleri ile, ? ı şınları ise Co, Ir gibi elementlerin yapay izotoplarından (radyoizotop) elde edilir. I şınlar parça içerisinden geçerken, geçtikleri ortama göre az ya da çok absorbe edilerek zayıflarlar. İyi bir film görüntüsü elde edebilmek için film ile parça arasındaki uzaklı ğın en aza indirilmesi gerekir. Hatalar, referans radyografiye göre saptanır. Film içerisindeki hatanın büyüklü ğünü belirlemek için, parça ile kaynak arasına gelecek şekilde, parça üzerine bir telli penantrametre konur. Döküm parçalarda gözeneklerin, kendini çekme bo şluklarının, gaz bo şluklarının, gerilme çatlaklarının, metal olmayan kalıntıların tespiti için uygulanan yöntemdir. Metal kalınlı ğının %0.5-%2’si büyüklü ğündeki bo şluklar radyograf üzerinde dikkatli kontrollerle saptanabilir. Bu nedenle de çok ince çatlakların ultrasonik kontrolle önceden kontrolü gerekir. Dövme parçalar radyografi yöntemi ile pek muayene edilmez. Çünkü bu yöntemle ölçülebilen gaz bo şlukları bu parçalar içinde bulunmaz. Basınçlı kapların muayenesinde ve kaynak diki şlerinin kontrolünde çok kullanılır. 3. Manyetik Toz Parçacıkları ile Muayene Yöntemde ferromanyetik malzemeler, elektrik akımından yararlanılarak manyetlenirler. Daha sonra üzerine demir tozları tatbik edilir. Tozlar, manyetik geçirgenli ğin de ği şik oldu ğu kısımda hatanın şekline benzer şekilde toplanarak, yüzey ve yüzeyden en fazla 6 mm derinlikte olan hatalar belirginle şir. Manyetik kuvvet çizgilerinin durumunu kolayca izleyebilmek için, genellikle ya ğ ile nemlendirilmi ş demir tozu kullanılır. Hatalar manyetik alan yönüne dik geliyorsa, en iyi şekilde algılanır, paralel geliyorsa algılanmaz. Manyetik alanın yönü daima akım yönüne diktir. 12 Manyetik yöntem kuru yöntem ve ıslak yöntem olmak üzere iki çe şittir. Kuru yöntem: Manyetik tozlar hava ile bulut şeklinde parça yüzeyine püskürtülür. Islak yöntem: Manyetik toz, ta şıyıcı bir sıvı ile parça yüzeyine uygulanır. 60°C’ye kadar çalı şılabilir. Tozlar ıslak oldu ğundan, hareket etme yetene ği fazlala şır ve çok küçük süreksizlikler, örne ğin yüzeyden 0.02 mm derinlikteki yorulma ve ta şlama çatlakları algılanabilir. Islak yöntem, pürüzlülü ğü fazla olan yüzeylere uygulanır. Manyetik yöntemin di ğer yöntemlere göre üstünlükleri şunlardır: • Ucuz, kolay ve fazla tesis masrafı gerektirmez. • Kaba bir yüzey temizli ği yeterlidir. • Yabancı maddelerle dolmu ş çatlaklar algılanabilir. Yöntemin di ğer yöntemlere göre sınırlamaları ise şunlardır: • Fe, Ni, Co ve ala şımları gibi iletken malzemelere uygulanabilir, östenitik paslanmaz çelikler ve demirdı şı metallere uygulanamaz. • Parça yüzeyindeki boya ve kaplamalar, yöntemin duyarlılı ğını azaltır. • Demanyetizasyona gerek duyulabilir. • Manyetlenme sırasında temas noktalarında olu şan ısınma ve ark, malzeme özelliklerinin bozulmasına neden olur. 4. Elektromanyetik Muayene Ferromanyetik malzemelerde kimyasal, fiziksel ve mekaniksel de ği şimlerin, kimyasal bile şimin, sertlik ve artık gerilmelerin belirlenmesinde kullanılan çabuk ve ekonomik bir yöntemdir. 5. Girdap Akımları ile Muayene Sadece iletken malzemelere uygulanır. Üzerinden alternatif akım geçen bir bobin iletken malzemeye yakla ştırıldı ğında, malzeme içerisinde girdap akımları olu şur. Malzeme içerisinde var olan hatalar, geometrik ve metalürjik de ği şimler, elektriksel iletkenlik ve geçirgenlikte dolayısıyla da girdap akımlarında de ği şmelere neden olurlar. Girdap akımlarındaki bu de ği şmeler, bir dedektör yardımıyla osilograf veya voltmetreye gönderilerek okunur, böylece süreksizlikler ölçülmü ş olur. İşlem öncesinde muayene parçasının kuru olması gerekir. Bu yöntemle, metalürjik yapı farklılıkları, malzeme hataları (iç hatalar, çatlaklar, bo şluklar) nedeniyle iletkenlik ve geçirgenlik de ğerinin de ği şimi ölçülür. Kullanım alanları şunlardır: • Fiziksel boyutlar, sertlik, ısıl i şlem şartları, tane boyutu, manyetik geçirgenlik ve elektriksel iletkenlik gibi şartların ve özelliklerin belirlenmesi ve ölçülmesinde, • Kaynak diki şlerindeki çatlakların, bo şlukların; döküm parçalarda ise cüruf ve kalıntıların belirlenmesi, • Farklı malzemelerin mikroyapı ve kimyasal bile şenleri yönünden incelenmesi, • Manyetik malzemeler üzerindeki manyetik olmayan kaplamaların kalınlıklarının ölçülmesi. 6. Penetrasyon Yöntemi (Kapiler Yöntem) Bu yöntemde yüzeydeki çatlaklar belirlenebilir. İç kesimlerde bulunan çatlak ve bo şluklara ula şılamaz. İşlem sırası: 1. Test yüzeyinin temizlenmesi: Mekanik temizleme ile veya tiner gibi çözücüler kullanılarak yapılır. Daha etkin bir temizlik için ultrasonik temizleme banyoları kullanılabilir. 13 2. Penetran sıvının yüzeye ta şınması: Fırçayla sürülerek, spreyle püskürtülerek ya da daldırma ile yapılır. 3. Penetran sıvının sızması: Yüzeydeki çatlaklara dü şük viskoziteli sıvının sızabilmesi için 5-15 s beklenir. 4. Yüzeyden penetran sıvının temizlenmesi: Sızma sonunda fazla sıvının yüzeyden uzakla ştırılması gerekir. Bu i şlem, temiz bir bezle veya uygun sıvılarla hızlı bir şekilde yapılır. 5. Çatlaklardaki penetran sıvının görünür hale getirilmesi: Yüzeye, çatlaklardaki sıvıyı dı şarı emen higroskopik bir toz veya sıvı ince bir şekilde ta şınır. Bu şekilde, gözle görülemeyen kılcal çatlaklardaki penetran sıvı dı şarıya emilir ve çatlaklar, üzerinden bir kalemle geçilmi ş gibi kalın bir şekilde görünür hale gelir. Ultraviyole ı şınları ile yapılan gözlemlerde emici maddeye ihtiyaç olmayabilir. Sadece yüzeyin temizlenmesi yeterlidir. Penetran sıvının kolay görülebilmesi için renk veya ultraviyole ı şınları altında parlayan fluoresan katkıların olması gerekir. Penetrasyon yönteminin uygulama alanları: • Döküm parçalarda: Yüzeydeki kendini çekme sonucu olu şan çatlaklar, mikroskobik çekme gözenekleri, yüzeydeki yırtılmalar. • Dövme parçalarda: Yüzeyde olu şan dövme çatlakları, kanalcıklar. • Haddelenmi ş parçalarda: Sac kenarlarındaki katmer hataları. • Kaynaklı parçalarda: Isı etkisi altında kalan bölgedeki (ITAB) her türlü çatlak, gözenek ve küresel bo şluklar. • Di ğer: Isıl i şlemde so ğuma nedeniyle olu şan çatlaklar, gerilmeli korozyon ve yorulma çatlakları.