|
mahonick Üye Puan: 1768.5  | Gönderilme Tarihi: 03 Aralık 2011 02:19:05
İhtiyaç duyulan her tür maddeler malzemedir. Bu anlamda malzeme türleri ve biliminin kapsamı oldukça geniştir. Termal genleşme oranı düşük olan ve çok yüksek sıcaklıklara dayanabilen Alümina seramik malzemelerinden, aydınlatmada kullanılan toryum oksit takviyeli lamba flemanlarına kadar, petrol sondajında kullanılan delici ser-met uçlardan, kalın sac plakaları kesen giyotin makas malzemelerine kadar çok farklı amaçlar için üretilen malzemeler mevcuttur. Malzemelerin özellikleri içyapılarıyla doğrudan ilgilidir. Uygulanan herhangi bir işlemler içyapıda meydana gelecek her tür değişim malzemenin özelliklerini değiştirir.
Kristal Yapılarda Atomik Dizilim
Tüm maddelerin atom dizilişlerinden oluştuğu bilinen bir gerçektir. Bu madelerin temel özelliklerine atomların cinsi, bağ yapısı, atomik çapı, dizilimleri etki eder. Bazı saf metaller yumuşaktır ve kolay deforme edilirken bazıları kısmen daha sert ve daha zor deforme edilirler. Bazıları da belli yönlerde kolay belli yönlerde zor deforme olurlar. Şu metal çiftlerini sertlik bakımından kıyaslayın. Ni ve Cr, Cu ve Fe, Al ve V, Ag ve Fe, Pb ve Ti bu metal çiftlerinden bildiğiniz hangi metaller diğerinden sertliği düşüktür? Neden daha düşük sertliğe sahiple ve daha kolay deforme olurlar? Acaba ergime dereceleri ile mi alakalı? Atomik çapları ile mi alakalı? Yoksa atomik dizilişleri ile mi alakalı? Aslında bu özellikleri tümüyle alakalıdır. Tüm bu sayılan faktörler sadece malzemelerin sertlik özelliklerini değil, diğer mekanik özellikleri, elektrik, ısı ve manyetik özelliklerini de etkiler.
Doğada maddelerin bir çoğunun atomik dizilimi düzenlidir. Bazılarının atomik dizilimi düzenli değil karmaşık olup amorf yapılıdır. Atomik dizilimi düzenli olan maddelerin ise 7 farklı tipte atomik dizilimleri vardır. Bunlar kübik, tetragonal, hegzagonal, monoklinik, triklinik, rombohedral, ortorombik kristal sitemleridir. Bunlar içinde metalik malzemelerde en çok bulunan kristal sistemleri kübik, tetragonal ve hegzagonal’dir. Şimdi sırasıyla bu sitemleri kısaca özellikleri ile birlikte tanıyalım.
Kübik Kristal Sistemler
Bunlar kübik bir siteme sahip olup kendi aralarında atom dizilim konumlarına göre 3 farklı sistemde bulunabilirler.
a. Basit Kübik
b. Hacim Merkezli Kübik (HMK)
c. Yüzey Merkezli Kübik (YMK)
d. Hacim Merkezli Tetragonal (HMT)
e. Hegzagonal
Malzeme Türleri
Metalik Malzemeler
Mühendislik uygulamalarında çok önemli bir yer tutan metal ve alaşımları çok kristal yapılı inorganik malzemelerdir. Metaller homojen yapılı, düzenli atomik dizilime sahip elektrik ve ısı iletkenliği yüksek, saf halleri oldukça esnek olan demir, bakır, alüminyum gibi yapı malzemeleridir. Metalik malzemelerin atomları arası bağlar metalik başla bağlanırlar. Metal atomlarının valans elektron sayısı en fazla 3 olabildiğinden bu elektronlarını rahatça serbest bırakabilirler ve elektron veren atom + yükle yüklenirken çevresinde bulunan – yüklü serbest elekron bulutu ile zıt kutuplu çekim kuvveti ile bir arada bulunurlar. Bu serbest elektron bulutlarına elektrik akımı verildiğinde kolaylıkla elektron akımı sağlanır; ayrıca bu özelliğinden dolayı saf metalik malzemelere esneklik verir. Metaller doğada çoğunlukla oksit, kükürt ve karbonatlı cevherler halinde bulunur. Alaşımları saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Uygulamada çoğunlukla mekanik özelliklerinin düşüklüğü nedeniyle saf metaller kullanılmaz. Alaşımlandırılarak, soğuk şekillendirmeyle, ısıl işlemlerle faz dönüşümleri ile sertlik ve diğer mekanik özellikler geliştirilebilir. Koordinasyon sayısı çoğunda 12 diğerlerinde 8 olup bu nedenle özgül ağırlıkları diğer malzeme türlerine göre daha fazladır.
Seramikler
Genellikle Na, Fe, Al, Mg, Ti gibi metallerle Cl, O, C, N gibi metal olmayan elementlerin oluşturduğu MgO, Si2O, SiC, Al2O3 gibi iyonsal bileşiklerdir. Bunlar teknolojik seramikler grubuna girerler. Pek çoğu kristal yapılı olup amorf yapılı seramik türleri de mevcuttur. Koordinasyon sayıları çoğunlukla 4 ya da 6 olabilmekte ve yoğunlukları metallerle polimerlerin arasındadır. Seramikler düşük sıcaklıkta kolaylıkla şekil değiştiremezler, oldukça yüksek sertlikte olup aynı zamanda gevrek ve kırılgandırlar. Ergime sıcaklıkları da çok yüksek olup, elektrik ve ısı iletkenlikleri düşüktür. Yüksek sıcaklıklarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Geleneksel seramiklere örnek olarak tuğla, porselen, beton, kiremit verilebilir. Seramiklerin atomlarının pek çoğu bir birleri ile iyonik bağla bağlıdırlar
Plastikler
C elementinin özellikle H ve Cl, F, O, N ya da S ile yapmış oldukları büyük moleküllü ve kovalent bağlı organik bileşiklerdir. Bunlar büyük moleküllü dev zincir (lineer) şeklinde dizilime sahiptirler. Zincir molekülleri arası zayıf bağa sahip olanlar polietilen, polivinilklorür, politetrafloraetilen (teflon) gibi termoplastikler ve zincir molekülleri arası çapraz kovalent bağa sahip bakalit, epoksiler, pliyester gibi termosetplastik grupları vardır. Yoğunlukları oldukça düşük olan plastikler (polimerler) elektrik ve ısı iletkenlikleri de düşük olup yalıtım malzemesi olarak kullanılmaya elverişlidir. Ayrıca, hafif olmaları nedeniyle özellikle havacılıkta kompozit ana malzemesi olarak kullanımı yaygındır.
Kompozit Malzemeler
Özellikler birbirlerinden farklı iki veya daha fazla malzemenin oluşturduğu karma malzeme gruplarıdır. Betonarme, cam fiber takviyeli plastikler, otomobil lastikleri metal matrisli seramik takviyeli malzemeler kompozitlere örnek verilebilir. Kesici uçlarda kullanılan TiC-Co (seramik-metal) gibi Sermetler de kompozitlere örnek gösterilebilir. Kompozit malzemeler konusu oldukça geniş ve başlı başına ayrı bir bilim dalıdır.
Malzemede Yapı-İşlem-Özellik İlişkileri
Malzemelerin özelliklerini etkileyen temel faktörlerin başında malzemeyi oluşturan atomik yapısı, dizilimi ve bağ yapıları gelmektedir. Ancak malzemenin özelliklerini etkileyen daha pek çok faktör bulunmaktadır. Saf metal malzemelerin önemli özelliklerinden birisi atomik dizilimin düzenli olmasıdır. Ancak bu düzen bozulursa malzemelerin mukavemet özellikleri artırılabilir. Bu nedenle alaşımlar kristal yapı düzeni bozuk malzeme gruplarına girmektedirler. Şüphesiz yapı denilince sadece akla atomik dizilim ya da kristal düzeni akla gelmemelidir. Tıpkı kompozit malzemeler için geçerli olan düşünce gibi sertliği düşük olan bir malzemenin dayanımını artırmak için başka bir sert malzeme ile takviye edilmesi gibi metallerin güçlendirilmesinde de yapısında sert ve mukavemet artırıcı başka fazların ya da yapıların üretilmesi gerekir. Düzenli dizilmiş atom gruplarının düzenin tamamen ya da kısmen bozulması ve bu grupların başka gruplarla sınır oluşturması malzemenin temel yapılarında bulunan bir durumdur. Tüm bu yapılara malzeme biliminde mikroyapı denir. Tipik bir mikroyapıda yukarıda örnekleri verildiği gibi belli kristal yapılarının oluşturduğu kristal tanelerin (ya da sadece “tane” de denir) ebatı, morfolojisi, kimyasal bileşimi, eriyen atomların pozisyonu (arayer ya da yer alan olması), atom boşluğu ya da dislokayon içermesi ve bunların oranları, üretim aşamasında ya da ısıl işlemlerle ya da faz dönüşümleri ile çökelti (oksit, karbür, nitrür, metallerarası bileşik vs) içermesi komşu kristal taneleri arasındaki atomik uyumu, birbirleri ile arasında açıları ve dahası bulunur. Tüm bunlar içsel bir özellik olup malzemenin pek çok özelliğine etki eder. Malzemenin özelliklerine sıcaklık, atmosfer, harici yük, radyasyon, basınç gibi çevresel faktörler de etki eder.
Şekil 1’deki gibi yapı-işlem-özellik arasında doğrudan ilişki vardır. Malzemenin yapısı herhangi bir işlemle değiştirilebilir ve bu değişim malzemenin özelliklerine yansır.
Şekil 1 Yapı-İşlem-Özellik İlişkisi
Daha öncede belirtildiği gibi malzemelerin mukavemeti kristal yapının yani atomik dizilimin belli oranlarda bozulması ile artırılabilir. Ancak bu bozukluk daha makro boyutta ise şüphesiz malzemenin özelliklerini olumsuz yönde etkiler. Malzeme mikro yapısını oluşturan kristal yapı kusurlarını bilmekte yarar vardır.
Kristal Yapı kusurları
Şekil 2’de şematik olarak kusursuz atomik dizilimli kusursuz bir kristal yapı gösterilmiştir. Ancak endüstriyel uygulamalarda bu şekilde kusursuz yapılı malzeme bulmak hemen hemen imkansızdır. Kullandığımız bütün metalik malzemelerde mutlaka kristal yapı kusuru vardır. Bunlar geometrik olarak noktasal, çizgisel ve yüzeysel olarak bulunur.
Şekil 2. Kusursuz bir atomik dizilim
a. Nokta Kusurları
Bunlar, atomik düzeydeki kusurlardır.
• Atom boşluğu kusuru
Şekil 3. Atom boşluğu kusuru
• Arayer ve Yeralan Atom kusuru
Bu kusurlar esasen alaşımların temelini teşkil eder. Saf metallere farklı özellikte olan alaşım elementleri ilave dildiğinde atomları kısmen ya da tamamen saf metalin atomları arasına ya da yerine girerler. Böylede malzemenin güçlenmesine neden olurlar.
Şekil 4. Arayer atom kusuru
Şekil 5. Yeralan atom kusurları
• Schotky ve Frenkel kusurları
Şekil 5. Schotky kusuru (atom boşluğu çifti kusuru) Şekil 6. Frenkel kusuru (atom
boşluğu+arayer atom çifti kusuru)
b. Çizgisel Kusurlar (Dislokasyonlar)
Malzemelerin plastik deformasyonuyla ortaya çıkan çizgi görünümlü kusurlarıdır. Bunlar malzemenin bir taraftan şekillendirilmesini kolaylaştırırken yoğunluklarının giderek artması ile malzemenin sertliğinin artmasına neden olur. Buna deformasyon sertleşmesi denir. Dislokayonlar; veya T sembolü ile gösterilir.
Şekil 7. Çizgisel kenar dislokasyonun atomik düzeyde gösterimi ve çizgisel görünümü
d. Yüzey Kusurları (tane sınırları)
Metaller tipik kristal tanelerinden oluşur. Kristal tanelerinin birbirleri ile çakıştığı bölgede atomik dizilim bozuk olup bu bölgelere tane sınırı denir ve bir yüzey kusurudur
Şekil 8. Tane sınırının şematik gösterimi
Metalik Malzemelerin Deformasyonu
Pek çok uygulamada metaller, alaşımlar, malzemeler deformasyona zorlanırlar. Malzemenin dayanımının yüksek olması için bu deformasyona karşı direnç göstermesi gerekir. Malzemelerde deformasyon iki aşamada gerçekleşir. Başlangıçta düşük yüklerde iken atomların dizildiği düzlemler kaymaya zorlanır. Ancak kritik gerilmeyi geçtiği zaman yük kaldırıldığında malzeme eski haline geri gelir. Bu şekildeki deformasyon elastik deformayondur. Ancak atomik düzlemler kritik gerilmeyi geçtiğinde bir atom boyu kadar ötelendiğinde malzemede kalıcı şekil değiştirme gerçekleşir. Buna plastik deformasyon denir.
Şekil 9’da gösterildiği gibi malzemeye uygulanan ve devamlı artan bir F yükü ile üzerinde gerilme oluşturulur. Bu gerilme ile atom düzlemleri birbirleri üzerinde kaymaya zorlanır. Malzeme kritik kayma gerilmesine ulaştığında malzemede kalıcı şekil değiştirme gerçekleşmekte ve bu gerilmeye akma gerilmesi adı verilir. Bu gerilme değerinden sonra malzemede dislokasyonlar oluşmaya başlar ve artan gerilme değerleri ile dislokasyon yoğunlukları giderek artar ve malzemenin sertlik ve mukavemetini artırır. Ancak bu mukavemet artışı sınırlıdır. Her malzemenin dayanabileceği maksimum bir gerilme değeri vardır. Buna maksimum çekme gerilmesi denir. Bu gerilme değerinden sonra malzeme daha fazla dislokasyon üretemez hale gelir ve koparak ya da kırılarak hasar meydana gelir.
Metalik malzemelerin plastik deformasyonu kayma, ikizlenme, tane sınırı kayması ve sürünme mekanizmalarıyla gerçekleşir. Kayma ve ikizlenme düşük sıcaklık deformasyon mekanizması iken diğerleri yüksek sıcaklıkta daha etkilidir. Kayma mekanizması düşük deformasyon hızında etkili iken ikizlenme kaymanın zor olduğu durumlarda ve hızlı deformasyonla devreye girer. İkizleme mekanizmasının plastik deformasyona katkısı oldukça düşük olup Şekil 10’daki gibi atomlar yönlenirler.
F
F
F
Şekil 9. Malzemeye uygulanan gerilme ile malzmedeki elastik ve plastik deformasyon aşamaları
Şekil 10. İkizlenme meydana gelmiş atomların konumları
Deformasyona maruz bırakılan malzemede tespit edilebilen mekanik özelliklerden bazıları şunlardır. Akma, Çekme ve Kopma gerilmesi, Rezilyans (elastik deformasyon için harcanan toplam enerji), Tokluk (malzemeyi koparmak için harcanan toplam enerji), % Uzama veya Birim uzama ve Elastik modül bunlar aşağıdaki gibi ifade edilirler (Şekil 11).
a
Şekil 11. Çekme etkisi altında deformasyona maruz bırakılan bir malzemedeki mekanik özelliklerin ifade eden bir çekme-uzama diyagramı
Gerilme;
Elastik Modül;
Rezilyans;
% Uzama;
x100
(lo: malzmenin ilk boyu, ls: malzemenin herhangi bir deformasyon sonucu son boyu)
Soğuk Şekil Değiştirmenin Malzeme Özelliklerine Etkisi
Metalik malzemelere soğuk plastik deformasyon uygulandığında, malzemenin sertlik ve dayanımı artarken, süneklik ve elektrik iletkenlikleri Şekil 12’deki gibi azalır. Bu özellikleri yeniden orijinal haline getirmek için malzemeler yeniden kristalleşme sıcaklına kadar ısıtılarak tavlanır. Bu tavlama aşamasında malzemenin bozulmuş kristal ve tane yapısı yeniden düzene girer. Bu tavlama aşaması toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi aşamasını kapsar. Toparlanma aşamasında dislokasyon yoğunluğunda özenli bir değişim olmaz dislokasyonlar bir düzene girerler ve sadece elektrik iletkenliği artmaya başlarken diğer özelliklerde önemli değişim beklenmez. Yeniden kristalleşme gerçekleştiğinde dislokayonlar tamamen yok olurlar ve sertlik ve dayanım yeniden azalmaya, elektrik iletkenliği ve süneklik artmaya başlar.
Şekil 12. Soğuk plastik deformasyonun malzemenin bazı özelliklerine etkileri
Demir-Karbon Alaşımları
Demir –karbon alaşımları çeliklerin anlaşılmasında temel teşkil eder bu nedenle Fe-Fe3C alaşımını ve Şekil 13’de verilen faz diyagramını bu bölümde anlamaya çalışalım.
Şekil 13. Fe-Fe3C alaşımın faz diyagramı
Demir karbon alaşımları iki sınıfa ayrılabilir; 1.Demir karbon alaşımlarında (alaşımsız çelikler)sadece demir ve karbon bulunur. 2.Alaşımlı çeliklerde demir ve karbonun yanında ayrıca Mn, Cr, Ni, Si, Mogibi diğer alaşım elemanları da bulunur.
Bu alaşımlarda temel eleman olan demir saf halde çok yumuşak ve düşük mukavemetlidir. İçine katılan karbon oranı arttıkça sertlik ve mukavemet artar, ancak süneklikve tokluk azalır. Çelik ve dökme demirler bu gruba girerler. Sertlik ve mukavemetlerinin yanında elastik modülünün yüksek oluşu diğer metallere göre ayrı bir üstünlük sağlar. Bu nedenle bu alaşımlar yapı ve makine malzemesi olarak kullanılmaya en uygun metallerdir.
HMK demir (ferrit) yumuşak ve düşük mukavemetlidir. Ferit ile arayer katı eriyiği oluşturan karbonun ferritte erime oranı oda sıcaklığında çok sınırlı olup en fazla %0,025 tir.
Demirde mevcut karbonun fazlası sementit(Fe3C) denen demir karbür bileşiğini oluşturur. Demir karbon sistemi diyagramı dengeli veya yarı dengeli sistemlerde olabilir. Dengeli sistem de karbon grafit olarak oluşurken, yarı dengeli sistemde ise karbon Fe3C (sementit) bileşiği halindedir.
Alaşımın ihtiva ettiği bütün karbon miktarı, kimyasal olarak demir karbür şeklinde bağlanmıştır ve sementit şeklinde yapıda yer alır. Bu içyapı hızlı soğutma ile oluşur ve manganez oranı ile oluşumu kolaylaşır. Sementit kristali yüksek sıcaklıkta parçalanmış ferrit ve grafit taneciklerine (tempergrafiti) dönüşebileceği için bu tip katılaşmaya metastasbil(kararsız dengeli) sistem denir.
Demir karbon alaşımları bu sebepten ötürü birbirinden farklı eğrilere sahip iki ayrı denge diyagramından oluşur. Aralarındaki fark çok düşük olduğundan, genellikle her ikisi de aynı diyagram üzerinde gösterilir.
% 6,67 karbon içeren sementit ortorombik kristal yapıya sahiptir. Çok sert ve gevrek olan bu faz çeliklerin yüksek mukavemetli oluşunda ana etkendir. 723 °C nin üzerinde var olan östenitinYMK kafesinde karbonun erime oranı daha yüksek olup en fazla % 2 dir. Karbonun fazlası östenitin yanında demir karbür yani sementit oluşturur.
Ferrit(demir): oda sıcaklığında HMK kafes yapılı α-kristaline “Ferrit”denir.
Sementit(Fe3C): kimyasal bileşiğidir. % 93,33 ferrit ve % 6,67 karbondan oluşan bir bileşiktir. Özgül ağırlığı düşük, sert, kırılgan, 215 °C sıcaklıkta mıknatıslanma özelliğini kaybeder. Biçimlendirilme özelliği olmayan, çeliğe dayanım ve sertlik veren bir yapıdır.
Perlit: %0,8 karbon içeren alaşım soğutulunca 723 °C de ostenit yapı ferrit ve sementite dönüşür. Bu iki faz ince ve sık tabakalar (lamelli) halinde oluşur. Kırıldığı zaman inciyi (pearl) andıran görünüşü sebebiyle perlit adını alır. %87 ferrit ve %13 sementitin yaptığı bir ötektoiddir.
Ledeburit Sementit ile östenitin yapmış olduğu bir ötektir. Ötektiksıcaklık 1130°C olup, %4,3 karbon ile %95,7 ferritin yapmış olduğu bir ötektik yapıdır. Ötektik sıcaklık altında ostenit ve sementitten meydana gelmiş olmakla beraber sıcaklık düştükçe östenit dönüşüme uğrayarak sementit oluşturur ve 723°C altında ostenit bulunamayacağından yapı tamamen sementit ile perlite dönüşür.
Östenit: YMK kafes yapılı γ kristal yapısına verilen bir isimdir. Sıcaklık yükselmesi ile karbon eritebilirliği artarak % 1,7’ye kadar yükselir. Saf veya karbon eritmiş halde mıknatıslanmaz. Nikel ve Manganez ile elde edilen ve düşük sıcaklıklarda da yapısı östenit olan çelikler elde edilmektedir. Bu çelikler de östenitik olduğundan mıknatıslanmazlar. Özlü olup biçimlendirilme özelliği çok yüksektir. Isı ve elektriği iyi iletmezler.
Ötektoidaltıçelikler: %0,8’den az karbon içeren alaşımlara ötektoid altı çelikler denir. Bu alaşımlar soğurken önce östenit katı eriyiği oluşur. Daha sonra ostenitten ferrit fazı ayrışır, 723 °C’a gelince geriye kalan YMK östenit %0,8 karbon içerdiğinden yine sık tabakalar halinde tane sınırlarında ferrit ve sementit içeren perlite dönüşür.
Ötektoidüstüçelikler: %0,8 den fazla karbon içeren alaşımlara ötektoid üstü çelikler denir. Bu alaşımlarda, östenit katı eriyiği oluşumundan sonra soğutulursa şu dönüşümler meydana gelir. Sıcaklık düşünce karbonca doymuş hale gelen ostenit tanelerinin çevresinde ağ şeklinde demir karbür fazı çökelmeye başlar.
723 °C’a gelince geriye kalan östenit perlite dönüşür. Sonuçta perlit bölgeleri sementityapılıbir kabukla çevrilmiş olur. Böylece malzeme gevrekleşerek kullanılamayacak hale gelir. Bu kabuk şekilli sementit oluşumu ısıl işlemler ile önlenebilir.
BÖLÜM 2
ALAŞIMLI ÇELİKLER
Çok yüksek sertlik ve dayanım gerektirmeyen yerlerde az alaşımlı ya da sade karbonlu çelikler kullanılabilir. Sertliği artırmak ya alaşım elementi ilavesi ile ya da su verme ısıl işlemi ile sağlanabilir. Suverme ısıl işlemi sonrası çeliğin mikroyapısında bulunan sert ve gevrek martensit fazının (yani çeliğin) temperlenmesi gerekmektedir. Böylece çeliğin darbe dirençleri (toklukları) artırılmış olur. Ancak daha yüksek sıcaklıklarda ya da uzun süreli temperlendiğinde sertliği önemli ölçüde kaybedilecektir. Bu durumda istenilen yüksek sertlikten vazgeçilmesi gerekir anlamına gelir. O zaman hem yüksek sertlik hem de darbeye dirençli malzeme üretmek için alaşımlı çelik kullanılmasına ihtiyaç doğmaktadır.
Sade karbonlu (C’dan başka alaşım elementi içermeyen) çelikte sertlik artırmak için martensit fazı üretimi için östenitleme bölgesinden perlit burnunu kesmeden çok hızlı bir şekilde Ms sıcaklıklarının altına çok hızlı soğutulması gerekmektedir. Bu soğutma perlit burnunu kesmemesi için çok hızlı olmalıdır. Aksı halde perlit burnunu keserse yapısında martensitten daha yumuşak perlit yapısı martensitle birlikte oluşur ya da martensit hiçbir zaman oluşamayabilir. İşte alaşımlı çelikte perlit burnu daha ileri zamanlara itelendiğinden martensit fazı üretmek için nispeten daha geniş zamanda soğutmaya imkan sağlayacaktır.
Sade C’lu alaşımsız çeliklerde martensit fazı üretilse bile bu faz temperleme (200-500 °C) sıcaklıklarında hızlı bir şekilde yumuşar. Bazı makine parçalarının çalışma ortamı bu sıcaklıkları geçebilir. Bu durumda sertliklerini hızlı bir şekilde kaybederler ve kullanılamaz hale gelebilirler. Alaşımlı çekiklerde su verme ile elde edilen yüksek sertlik temperleme ile hemen kaybolmaz, hatta sertlik dirençleri alaşım karbürlerinin oluşumuyla kararlı kalabilir hemen yumuşamazlar ve o zamana yüksek sıcaklıklarda bile sertliğini kaybetmeden uzun süre kullanılabilirler.
Sade C’lu çeliklerde su verme işlemi için çok hızlı soğutmadan dolayı çarpılmalar olabilir hatta kılcal çatlamalar bile olabilir. Çünkü martensit fazı çok yüksek sıcaklıktaki östenit fazından dönüştüğü sırada hacmen %2-4 genleşme yapmaktadır. Aynı zamanda kalın kesitli sade C’lu çeliklerde su verme sonrası sertlik (martensitik dönüşüm) malzemenin merkezine kadar artması her zaman mümkün olmayabilir. Çünkü merkezin soğuması yüzeye göre daha yavaştır. Alaşımlı çeliklerde daha yavaş soğutma ile bile sertlik artırmak için martensit fazı üretilebilir. Böylece kalın kesitli malzemelerde hem merkezine kadar martensit fazı üretilebilir hem de daha yavaş soğutmadan dolayı çarpılma ve çatlaklık riski ortadan kalkabilir.
Bilindiği gibi çelikteki ferrit yumuşak bir fazdır. Bu, çeliğin sertliğini düşürür. Ferritin sertliği katı eriyik mukavemetlenmesi ile artırılabilir. Bunun için alaşım elementine ihtiyaç duyulur. Pek çok alaşım elementi (Si, Ni, Mn, Cu gibi) ferrit fazında çözünebilir. Bu da ferritin sertliğini artırır.
Çeliklere ilave edilen alaşım elementlerinin genel amaçlarını özetle şu şekilde sıralayabiliriz;
1. Çeliğin sertliğini, dayanımını, tokluğunu, aşınma, korozyon direncini ve yorulma ömürlerini artırırlar
2. Hem düşük sıcaklık hem de yüksek sıcaklık mekanik özellikleri geliştirirler.
3. Sertleşebilirlik (martensite dönüşebilme) yeteneğini artırırlar.
Alaşım elementleri tüm bu özellikleri temelde iki mekanizma ile geliştirmektedir. Bazı alaşım elementleri ferritte çözünerek katı eriyik mukavemetlenmesi ile ferritin sertliğini dolayısı ile çeliğin mukavemetini artırırlar. Bazıları ise C ile birleşerek alaşım karbürleri (Metal Karbür) yaparak çeliğin sertlik ve mukavemetini artırırlar. Ancak üretilen her alaşım karbür çeliğin mekanik özelliklerine faydalı olmayabilir. Tablo 1’de verilen bazı alaşım elementlerinin çelikteki görevleri verilmiştir. Bazı alaşım elementleri ferritte katı eriyik sağlarken, bazı alaşım elementleri ise C ile birleşerek karbür oluşturmaktadır. Bazı alaşım elementleri ise her iki görevi de yerine getirmektedir.
Bu alaşım elementlerinin hemen hemen tamamı ferrite katı eriyik çözünerek sertliği ve mukavemeti artırmaktadırlar. İlave edilen bu alaşım elementleri oranlarının yumuşak ferrit ( -demir) fazının sertliği ve çekme dayanımı üzerine etkilerini Şekil 1’den görebilirsiniz.
Tablo 1. Çeliğe ilave edilen bazı alaşım elementlerinin özellikleri
Alaşım Elementi Ferrite çözünerek katı eriyik yapabilme eğilimi Karbür oluşturma eğilimi Karbür yaparsa, karbürün kimyasal formülü
Nikel - -
Silisyum - -
Alüminyum - -
Bakır - -
Mangan (FeMn)3C
Krom (FeCr)3C
Cr7C3
Cr23C6
Tungsten W2C
Molibden Mo2C
Vanadyum V4C3
Titanyum TiC
Şekil 1. Alaşım elementlerinin ferrit fazının sertliği ve çekme dayanımı üzerine etkileri
Çeliğe ilave edilen ya da üretim aşamasında bulunan alaşım elementleri ve çeliğe kazandırdıkları özellikler şunlardır;
Karbon (C): Çelikte en temel alaşım elementidir. C oranının artmasıyla çeliğin sertliği, akma ve çekme dayanımı önemli ölçüde artar. Ancak C oranı % 0.8’i geçtiğinde yapıda sementit miktarının daha da artmasıyla kırılganlık riski artar. Ayrıca, Çeliğin C oranı artarken suverme sonrası kalıntı östenit oluşma ihtimali de artmaktadır. Bu nedenle, yüksek C’lu çelikte suverme ile sertlik artışı kalıntı östenitlerin oluşumu nedeniyle daha da artmaz. Ancak temperleme sırasında kalıntı östenitler martensite dönüşebilir. Sade C’lu çeliklerde sertlik su verme sonrası en fazla 60-65 HRC civarına çıkabilir. Suverme çatlama riski de yüksektir. Bu nedenle diğer alaşım elementlerine ihtiyaç vardır. Yüksek C’lu çeliklerin kaynak yapılabilirliği de düşüktür.
Silisyum: Çeliğin üretim aşamasında oksit giderici olarak kullanılır. Ayrıca çeliğin dökümünde akıcılığı kolaylaştırır. Çelikte bulunan Si ferrit fazında katı eriyik olarak çözünerek yumuşak olan ferritin mukavemetini artırır. Böylece çeliğin süneklik ve tokluk direncini düşürmeden çeliğin sertlik akma - çekme dayanımlarını ve elastik modülünü artırır. Genel olarak işlenebilirliğe olum yönde etkisi varken yüzey kalitesini düşürebilir.
Mangan (Mn): Çeliğin mekanik özelliklerini geliştiren temel alaşım elementlerindendir. Çeliğin sünekliğini düşür, ancak dayanımı, dövülebilirliğini, sertleşebilirliğini ve kaynak edilebilirliğini artırır. Ayrıca paslanmaya ve korozyona karşı da direnç sağlar.
Kükürt (S): Çelikte bulunan S, FeS bileşiği şeklinde özellikle tane sınırlarında oluşur. Bu durumda çeliği gevrekleştirir. Bu nedenle çelikteki S miktarının mümkün olduğunca düşük olması istenir. Ancak bazı uygulamalarda (otomat çeliklerinde olduğu gibi), Mn ilavesi ile birlikte çeliğin işlenebilirliğini artırmak için kullanılabilir. Kaynak kabiliyetini ve sertleşebilirliği olumsuz yönde etkilemektedir.
Fosfor (P): Çelikte sertlik artırmasına rağmen, özellikle sünekliği ve tokluğu önemli ölçüde düşürdüğünden zararlı bir elementtir. S ve P’un düşük miktarlarda olması çeliğin kalitesini artırmaktadır.
Krom (Cr): Krom; çeliğin dayanım artırırken sünekliğini bir derece düşüren alaşım elementidir. Krom, çeliğin özellikle yüksek sıcaklık dayanımını arttırır. Yüksek oranda Cr çeliğin paslanmaya karşı direncini de arttırır. Kromlu paslanmaz çeliklerde Cr oranı artarken kaynak edilebilme yeteneğini düşürür. Cr, sıcaklıkla bozulmayan dengeli karbürleri meydana getirir.
Nikel (Ni): Ni, çeliğin dayanımını Si ve Mn’a kıyasla daha az arttırır. Çelikte nikel, özellikle kromla birlikte bulunduğu zaman, sertleşebilirlik derinliklerini artırır. Ni, Cr ile birlikte östenitik paslanmaz çeliklerde de kullanılır. Diğer taraftan Ni, özellikte düşük sıcaklıklarda, makine imalat çeliklerinde çentik darbe direncini arttırır.
Molibden (Mo): Mo, çeliğin akma ve çekme dayanımını ve yüksek sıcaklık dayanımlarını, kaynak edilebilme özelliklerini arttırır. Yüksek miktarda molibden, çeliklerin dövülebilmesini güçleştirir. Alaşımlı çeliklerde Mo, Cr ve Ni’le birlikte kullanıldığında, akma ve çekme dayanımını daha etkili arttırır. Molibden kuvvetli karbür meydana getirdiğinden, hava ve sıcak iş çeliklerinde, östenitik paslanmaz çeliklerde, sementasyon, makine imalat çelikleriyle ısıya dirençli çeliklerde.
Vanadyum (V): V, çok düşük miktarda kullanıldığında bile çeliğin yüksek sıcaklık dayanımlarını arttırır. Vanadyum, alaşımlı makine yapı çelikleri tane yapısının ince olmasını ve fiziksel özelliklerinin gelişmesini sağlar. Aynı zamanda çelik kesici uçlarının, daha uzun zaman kullanılmasını sağlar. Genellikle alaşımlı makine yapım çeliklerinde bulunan V miktarı %0,03-0,25 arasında değişir. Karbür yapmaya karşı kuvvetli bir eğilimi vardır. Çeliğin çekme ve akma dayanımını arttırır. Makine imalat ve sıcak iş çeliklerinde özellikle vanadyum krom, hava ve makine yapım çeliklerinde W ile birlikte kullanılır.
Volfram (Tungsten) (W): W, çeliğin dayanımını arttıran önemli alaşım elementlerindendir. Takım çeliklerinde sertliğin artmasını ve yüksek ısıya dayanımını sağlar. Bu yönden hava çeliklerinde, takım çeliklerinde ve ıslah çeliklerinde, alaşım elementi olarak yaygın bir şekilde kullanılır. Çelikte bulunan W belirli oranlara kadar kaynak edilebilme özelliğine artırır. W’ın karbür oluşturmaya karşı kuvvetli bir eğilimi olup, yüksek çalışma sıcaklığında, çeliğin temperlenip sertliğini kaybetmemesini sağladığından, yüksek sıcaklığa dirençli çeliklerin üretiminde tercih edilir.
Karbürlerin pek çoğu oda sıcaklığında çeliklerin mukavemetini benzer şekilde etkilerken yüksek sıcaklıkta farklı davranabilirler. Örneğin çeliğin östenitlenme sıcaklığını, temperleme sıcaklığını, tane büyümesini etkiler. Bazı karbürler düşük sıcaklıkta bile kolayca çözünürken bazıları çok yüksek sıcaklıkta bile çözünmeden kararlı (dengeli) kalabilir. Yüksek sıcaklık takım çeliklerinde olduğu gibi yüksek sıcaklıkta kararlı olan (Çözünmeyen) karbürler, yüksek sıcaklıkta bu çeliklerin mukavemetini korur. Karbürlerin tamamı çok yüksek sertlikte olup gevrek ve kırılgandırlar. Çelikte az oranlarda karbürlerin bulunması mukavemet için yeterli olabilir. Alaşımsız Çelikler (Sade Karbonlu Çelikler) % 0.1-1 arasında C ve C’dan başka düşük miktarlarda Si, Mn, P ve S içerirler. Bu çelikler su verildikten sonra 100-500 °C sıcaklıklarda temperlenirler. Bu sıcaklıkların üzerinde sertliklerini önemli ölçüde yitirirler. Tablo 2’de bazı az alaşımlı Karbonlu Çeliklerin özellikleri ve kullanıldığı yerler verilmiştir.
Alaşım elementleri östenitleme sıcaklıklarının yanı sıra denge diyagramlarını da etkili şekilde değiştirirler. Bazı alaşım elementleri demir-sementit denge diyagramındaki A1 sıcaklılarını daha üst sıcaklıklara çıkararak östenit () alanını küçültür ve hatta tamamen yok eder. Bazıları da tam tersi etki yapar. Şekil 2’de alaşım elementlerinin östenitleme sıcaklığına (A1 sıcaklığına), Şekil 3’de de ötektoid C bileşimine etkileri gösterilmiştir. Mn ve Ni alaşım elementi östenit alanını genişletirken (A1 sıcaklığını düşürürken) diğerleri A1 sıcaklığını artırmaktadır. C’dan başka alaşım elementi içermeyen sade karbonlu çeliğin ötektoid C oranı % 0.8 ve ötektoid dönüşüm sıcaklığının 723 °C olduğunu hatırlayınız. İşte bu alaşım elementleri bu oranı ve sıcaklığı da etkilemektedir. Örneğin östenit alanını daraltan (ferrit alanını artıran ya da ferrit kararlaştırıcı olan) Cr, Fe-C alaşımına ilave edildiğinde, Şekil 4a’daki gibi Fe-Cr-C alaşımın faz diyagramında A1 sıcaklığın artırdığını, östenit alanının daralttığını (Fe-C alaşımına göre) görebilirsiniz. Şekil4b’de görüldüğü gibi Fe-C alaşımına östenit kararlaştırıcı olan (östenit alanını genişleten) Ni ilave edildiğinde, A1 sıcaklığını düşürdüğünü ve östenit alanını da ne kadar genişlettiğinizi görebilirsiniz.
Tablo 2. Az alaşımlı karbonlu çeliklerinin özellikleri ve Kullanım yerleri
AISI veya TSE Gösterimi
Kullanım yerleri Akma Dayanımı
(Kg/mm2) Kopma Dayanımı
(Kg/mm2)
% Kopma Uzaması
Ç1010 Cıvata, somun, konstrüksiyon için ıslah edilebilir makine parçalarında 30-40 65-85 16
Ç1020 Cıvata ve somunların yapımında ısıl işlem uygulanabilir 30 50-65 16
Ç1025 40 51-71 21
Ç1030 Makineler, dingiller, gemi şaftları, cıvata vs yapımında 30-36 55-80 20-22
Ç1035 Civatalar, taşıyıcı dingil, uskur mili, dişli çarklar yapımında İndüksiyon veya alevle sertleştirilebilir. 40 60-80 19
Ç1040 Transmisyon milleri, raylar, dişliler, vs yapımında, İndüksiyon veya alevle sertleştirilebilir. 33-42 60-80 16-20
Ç1045 Dişli çarklar, kancalar, çapa, kazma, kürek vs yapımında, İndüksiyon veya alevle sertleştirilebilir. 43 70-85 17
Ç1050 Cer kancaları, dişliler, kazmalar, ferze mili yapımında 36-48 60-90 18-14
Ç1060 Miller, şaftlar, civatalar yapımında 44-57 70-105 15-12
Ç1070 Spiral ve yaprak yaylar, makaslar, kesici basit takımlar, zımbalar, kesme kalıpları yapımında 40-45 75-90 6
Ç1090 Greyder bıçağı, kepçe dişleri gibi yüksek mukavemetli makine parçaları ve eğe, keser, testere, zımba yapımında 90 115 7
St37 Profil çubuk yapımında 30-35 37 27
St42 Yüksek mukavemetli sıcak çekilmiş sanayi profilleri yapımında 30 42 27
St50 Basmaya maruz kalan manivelalar, miller, hassas olmayan dişliler, kalıp ve pres altlıkları yapımında 30-35 50 27
St52 Mukavemet gerektiren genel parça imalatında 46-40 52 20
St60 Dişli çarklar vs gibi mukavemet gerektiren makine parçaları yapımında 40-45 60 25
St70 Perçin, özel cıvata, kama ve mukavemet gerektiren diğer makine parçalarında kullanılır 40-45 70 -
Şekil 2. Alaşım elementlerinin ötektoid karbon bileşimi üzerine etkileri
Şekil 3. Alaşım elementlerinin ötektoid dönüşüm (A1) sıcaklığı üzerine etkileri
Şekil 4. Çeliğe ilave edilen alaşım elementlerinin Fe-C denge diyagramına etkisini gösteren örne gaz diyagramları ((a) Ferit kararlaştırıcı (östenit alanını azaltıcı) %17 Cr ilaveli Fe-C denge diyagramı, (b) Östenit kararlaştırıcı (ferrit alanı daraltıcı) Ni ilaveli Fe-C denge diyagramı)
Şekil 5. Alaşımsız ve yüksek alaşımlı çeliklerin şematik temperleme sıcaklıklarına bağlı sertlik değişim grafiği
Özellikle karbür oluşturma eğilimi fazla olan Cr, W, Mo V gibi elementler içeren çeliklere su verme işlemi sonrası martensit fazı üretildiğinde ve bu çeliklerin sertliğini azaltıp tokluğunu artırmak için temperlenirler. Temperleme esnasında alaşım karbürler oluşursa çeliğin sertliğinin azalma hızı yavaşlar hatta kısmen artırabilirler. Örneğin Şekil 5’de her hangi iki çeliğin temperleme sıcaklıklarına bağlı sertlik değişimleri verilmiştir. Şekil den görüleceği gibi bunlardan birisi ( çizgi ile gösterilen ) artan temperleme sıcaklığı ile sertlikleri devamlı olarak azalırken diğeri ( çizgi ile gösterilen )artan temperleme sıcaklığı ile sertlikleri önce artmış ardından azalma eğilimine girmiştir.
Temperleme sıcaklığı artışı ile sertliğin artmasının iki temel nedeni olabilir. Bu nedenlerden birisi çeliğin kimyasal bileşiminde (Tablo 1’de görüldüğü gibi) karbür yapıcı elementler varsa, diğer neden ise su verme sırasında (martensitik dönüşüm sırasında) kalıntı östenitler oluştuysa, bu kalıntı östenitlerin bu temperleme sıcaklıklarında martensit fazına dönüşümünden dolayı sertliği artırabilir. Karbür oluşturucu elementlerin karbür oluşturma sıcaklıkları farklıdır. Bu nedenle bu elementlerin bulunduğu çeliklerde temperleme ile sertliklerinin artacağı sıcaklıklar da farklılık gösterecektir.
Alaşım elementleri çeliklere daha önce bahsedildiği gibi farklı amaçlarla katılırlar. İlave edilen alaşım elementlerine göre aşağıdaki gibi paslanmaz çelikler, rulman çelikleri, takım çelikleri gibi amaçlı alaşımlı çelikler mevcuttur.
Paslanmaz Çelikler
Bunlar yüksek alaşımlı çelikler grubuna girerler. Yüksek oranda Cr ve Ni elementi içerirler. Paslanmaz çelikler oksidasyona, korozyona ve yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Oksidasyona ve korozyona karşı yüksek dirençleri yüzeydeki ince krom oksit (Cr2O3) katmanıyla sağlanmaktadır. Paslanmaz çelikler, içerdikleri alaşım elementi ve mikroyapılarına bağlı olarak östenitik, martensitik, ferritik paslanmaz çelikler olarak bilinirler.
Östenitik Paslanmaz Çelik;
Bunlar, Cr, Ni ve Mn içerirler. Cr ve Ni elementinin toplamı en az % 23 düzeyindedir. Mikroyapıları oda sıcaklığında bile östenitik olduğundan dolayı ısıl işlemle sertleştirilemezler. Tipik bir östenitik paslanmaz çeliğin mikroyapısı Şekil 3’deki gibidir. YMK kristal yapısından dolayı düşük ve yüksek sıcaklıkta tokluk özellikleri ve diğeri mekanik özellikleri fazladır. Yüksek sıcaklıkta işlenebilirlikleri kolaydır. Paslanmazlıklarının yanı sıra asitlere karşı da dayanıklı olduğundan gıda, kimya ve tıbbi cihazlar endüstrisinde sıklıkla kullanılırlar.
Martensitik Paslanmaz çelik;
Bunlar, % 12-18 oranında Cr içerirler. Su verme (suda ya da yağda) ile mikroyapıda sert martensit fazı üretilir. Bu çeliklerde martensit fazı üretme için öncelikler östenitlenmesi gerekir. Ancak bu çeliklerde östenitleme sıcaklığı oldukça yüksektir. Yaklaşık 1000-1100 °C civarındadır (Hatırlanırsa sade C’lu çeliklerde östenitleme sıcaklıkları C oranına bağlı olarak 750-900 °C’lerde idi). Bu yüksek östenitleme sıcaklığı içerisindeki yüksek miktardaki Cr’dan dolayıdır. Cr daha öncede belirtildiği gibi östenit alanını daraltan, A1 sıcaklığını artıran bir elementtir. Yaklaşık 1000-1100 °C’de östenitlenmiş bu paslanmaz çelik suda ya da yağda su verilerek sertleştirilir. Ardından 590 °C sıcaklıkların üzerinde temperlenirler. 400-500 °C arasında temperlenirlerse bazı alaşım karbürlerin çökelmesinden dolayı darbe dirençleri ve kısmen de korozyon dirençleri düşmektedir. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıkta temperlenmeleri gerekmektedir. Bu paslanmaz çelikler, özellikle yüksek sıcaklıklarda zorlamalara karşı mekanik direnç sağlamaktadırlar. Özellikle buhar türbin kanatları, basınçlı kapların imalatında tercih edilmektedir.
Ferritik Paslanmaz çelikler;
% 14-27 oranında Cr içerirler. C oranları martensitik paslanmaz çeliklerin C oranından daha düşüktür. Bunlar da östenitik paslanmaz çelikler gibi ısıl işlemler sertleştirilemezler. Ancak soğuk deformasyonla kısmen sertleştirilebilir. Aynı zamanda manyetik özelliklere de sahiptirler. Paslanma direnci ve işlenebilme özellikleri, martensitik paslanmaz çeliklerden daha üstündür. Cr oranı % 20’den fazla olduğunda 550-850 °C arasında uzun süreli tavlama yapıldığında sigma fazı oluşabilir. Bu faz, paslanmaz çeliğin gevrekleşmesine ve korozyon direncini azalmasına neden olur. Bu nedenle sigma fazının oluşumu genellikle istenmez. Tablo 3’de paslanmaz çeliklerin kullanım alanları ve özellikleri verilmiştir.
Tablo 3. Paslanmaz Çeliklerin özellikleri ve kullanım yerleri
Paslanmaz
Çelik Türü Standart
Gösterimi
Kullanım yerleri Akma Dayanımı (MPa) Çekme Dayanımı (MPa) % Uzama
ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLER 301 Genel amaçlı kullanılırlar, Yüksek süneklik gerektiren yerlerde, süslemecilikte (isimliklerde, anahtarlık), anten telleri, uçak parçaları, otomobil jant kapakları, gıda, buzdolabı ve kimya sanayisinde ve pişirme ekipmanları imalatında 275 750 60
302 275 620 50
304
304L Kimya ve gıda sektöründe, sac kaplama, gıda hazırlama mikserleri, buz dolaplarda 230
220 500-700
450-700 45
40-45
309
309S
310 Yüksek sıcaklık dayanımı gerektiren yerlerde, ısıtıcı ekipmanlarda, fırınlarda, ısı kolektörlerinde, türbin kanallarında, oksitlenme riski yüksek olan yerlerde, petrol rafineri donanımlarında
210
500-750
25
316
316L
316Ti
317
317L Yüksek şekil değiştirme, yüksek korozyon direnci ve yüksek sıcaklıkta direnç gerektiren uygulamalarda kullanılır. Gıda hazırlama sektöründe. Ayrıca kaynaklanabilirlikleri (kaynağa uygunlukları) yüksektir. Sülfürik asit ve fosforik asitlerin kullanıldığı yerlerde, suni gübre üretimi ve diğer kimya sanayisinde
200-240
490-710
35-40
321 Çok yüksek sıcaklık ve şiddetli korozyona maruz kalan yerlerde kullanılır. Kaynak ekipmanlarında, Jet motorların egzostlarında, kaynatma kaplarında, ısıtcılarda kullanılır 460-680 210 45
347 500-750 200 35
MARTENSİTİK PASLANMAZ ÇELİKLER 403 Türbin ekipmanları (jet motorlarında) 275 570 30
410 Derin sıvama işlemleri ve paslanmaz boru üretiminde 275 570 30
414 Çatal, kaşık imalatında, medikal aletlerde, meyve sebze blenderleri gibi aşınmaya direnç gerektiren yerlerde 650 830 18
420 Valfler, makine parçaları, civatalar, makaslar vs 350 650 25
422 Buhar türbin ekipmanları gibi yüksek sıcaklığa direnç gerektiren yerlede
440 Çatal-Bıçak imalatında 480-1800 730-1900 15-30
FERRTİK PASLANMAZ ÇELİKLER 405 Petrol rafineri donanımlarında, kaynak ekipmanlarında 275 450 25
430 Asansör ve otomabil parçalarında, levye ve çatal-bıçak imalatında 330 520 20
434 Genel amaçlı kullanılabilir. Egzost ekipmanları vs 370 530 22
436 Genel amaçlı korozyon ve ısı direnci gerektiren yerlerde kullanılabilir 370 530 22
442 Yüksek oranda Cr içerdiğinden özellikler yüksek sıcaklığa direnç gerektiren fırın parçaları gibi yerlerde kullanılır 310 550 20
446 1100 °C’ye kadar sıcaklıkta kullanılması gereken malzeme imalatında 350 550 20
Yüksek Alaşımlı Takım Çelikleri
Bu çelikler tornalarda, frezelerde, eğelerde, derin çekme aparatlarında, dövme-haddeleme malzemelerinde, zımbalarda kullanılan yüksek alaşımlı ve yüksek mukavemetli malzeme gruplarıdır. Takım çelikleri içerdikleri alaşım elementleri ve kullanım yerlerine bağlı olarak Tablo 4-7’de özellikleri verilmiş Rulman Çelikleri, Yüksek Hız Takım Çelikleri, Soğuk İş takım Çelikleri ve Sıcak İş Takım Çelikleri olarak bilinirler.
Yüksek sıcaklıklarda (600 °C’de bile) sertlik ve mukavemetin korunması gereken yerlerde yüksek alaşımlı çelikleri kullanılmalıdır. Bu alaşımlı çeliklerde önemli alaşım elementleri Cr, V, W, Mo ve Co’dır. Bu çelikler, genellikle yağda veya havada soğutularak sertleştirilirler. Genellikle temperleme sıcaklıkları 500-600 °C civarındadır. Özellikle yüksek C ve Cr içeren takım çelikleri aşınmaya karşı direnç gösterirler.
Bu takım çeliklerinin yanı sıra Rulmanlı yatak üretiminde kullanılan Rulman çelikleri de önemli yere sahiptir. Rulman çeliklerin en önemli özellikleri aşınmaya ve yüksek basınca dayanıklı olmasıdır. Bu çelikler, yüksek Cr içeren ötektoid üstü çeliklerdir. Rulman çelikleri, vakum ortamında ergitilir ve gaz giderme işlemiyle kalıntılar (inklüzyonlar) minimum düzeyde tutulan yüksek kaliteli çelik gruplarıdır. Rulman yapımında kullanılan çeliğin sertliği en az 58 HRc olması gerekmektedir. Tablo 4’de bazı Rulman çelikleri ve kullanım alanları verilmiştir.
Tablo 4. Bazı Rulman Çelikleri, Özellikleri ve Kullanım yerleri
Standart
Gösterimi
Kullanım yerleri Akma Dayanımı Kg/mm2 Kopma Dayanımı Kg/mm2 Kopma % Uzaması
DIN100Cr6 Rulman malzemesi olup özel makara ve ray tekeri imalatında
35
70
-
52100
Tablo 5. Bazı Yüksek Hız Takım Çelikleri, Özellikleri ve Kullanım yerleri
DIN Gösterimi AISI Gösterimi
Kullanım yerleri Suverme+Temperleme sonrası sertlikleri
1.3355
S 18-0-1 T 1 Torna, Planya Kalemi 64-66
1.3255
S 18-1-2-5 T 4 Torna, Planya Kalemi 64-66
1.3348
S 2-9-2 M 7 Kılavuz, Matkap, Freze, Rayba, Broş 64-66
1.3346
S 2-9-1 M 1 Kılavuz, Matkap, Freze, Rayba, Broş 64-66
1.3247
S 2-10-1-8 M 42 Kılavuz, Matkap, Freze, Broş 67-69
1.3343
S 6-5-2 M 2 Matkap, Rayba, Freze, Broş 64-66
1.3344
S 6-5-3 M 3 Cl.2 Kılavuz, Matkap, Freze, Rayba, Broş 64-66
1.3333
S 3-3-2 - 63-65
1.3207
S 10-4-3-10 - Torna kalemi 65-67
1.3243
S 6-5-2-5 M 41 Freze, Torna kalemi 64-66
Tablo 6. Bazı Sıcak iş Takım Çelikleri, Özellikleri ve Kullanım yerleri
DIN Gösterimi AISI Gösterimi
Kullanım yerleri Suverme (Yağ, sıcak banyo ya da havada) sonrası sertlikleri (HRC) Temperleme sonrası sertlikleri (HRC)
400 °C 500 °C 600 °C 700 °C
1.2581
X30WCrV9 3 H21 Demir, çelik, bakır, bronzların sıcak şekillendirilme (dövme, ekstrüzyon ve enjeksiyon pres) malzemesi olarak kullanılır 44-52 50 51 50 38
1.2344
X40CrMoV5 1 H13 50-56 54 55 48 30
1.2365
X32WCrV3 3 H 10 52-66 50 51 50 36
1.2385
X32CrMoCoV3 3 3 - 52-56 52 52 52 36
1.2323
48CMoV6 7 - Al-Mg-Zn alaşımlarının sıcak şekillendirilmesinde 54-58 51 49 46 32
1.2343
X38CrMoV5 1 H11 Al-Mg-Zn alaşımlarının sıcak şekillendirilmesinde 50-56 53 54 48 30
1.2714
56NiCrMoV7 L6 Demir-çelik dövme (özellikle şahmerdanda) kalıplarında 44-58 49 45 40 -
1.2886
X15CrCoMo10 10 5 - Çalışma ortamı 700 °C civarında olan kalıplarda 50 49 53 53 44
Tablo 7. Bazı Soğuk iş Takım Çelikleri, Özellikleri ve Kullanım yerleri
DIN Gösterimi AISI Gösterimi
Kullanım yerleri Suverme (Yağ, sıcak banyo ya da havada) sonrası sertlikleri (HRC) Temperleme sonrası sertlikleri (HRC)
100 °C 200 °C 300 °C 400 °C
1.2080
X210Cr 12 D 3 Tüm kesme kalıplarında 63-65 64 62 59 57
1.2601
X165CrMoV 12 - Süneklik özelliği istenen her türlü kesme ve bükme kalıplarında 63-65 64 62 60 58
1.2326
X210CrW 12 D 6 İnce sacların kesiminde kullanılan malzemeler 64-66 65 63 61 60
1.2379
X155CrVMoV12 1 D2 Süneklik özelliği istenen her türlü kesme ve bükme kalıplarında 63-65 64 61 59 58
1.2345
X50CrVMoV5 1 - Kesme bıçakları 54-60 57 56 51 40
1.2550
60WCrV7 S 1 Kesici, zımba, matriks malzemesi 58-62 60 59 56 53
1.2510
100MnCrW4 O 1 63-65 64 62 58 52
1.2063
145Cr6 - Kesme Bıçakları 63-65 64 62 58 52
1.2210
115CrV3 - Cr-alaşımlı civa çeliği olarak çeşitli pim imalatı ve matkap gibi kesici takım imalatında 64-66 64 62 57 51
1.2721
50NiCr13 - Baskı kalıp malzemesi 54-59 59 56 52 48
1.2770
85NiV4 - Zımba malzemesi 63-66 65 62 56 -
1.2842
90MnCrV8 O 2 Kesici, zımba, matriks malzemesi 63-65 64 62 57 50
1.1740
C60W - 58-63 58-62 54-58 48-52 -
1.1545
C105W1 W 1 65 64 62 55 -
Dökme Demirler
Genel olarak dökme demirler ekonomik maliyetli olmaları nedeniyle mühendislik uygulamalarında geniş yer bulmaktadır. Sahip oldukları sertlikler çoğunlukla yüksek olup uygulanan bazı işlemlerle bu sertlikler kontrol altına alınıp işlenebilir duruma getirilebilir. İlave edilen alaşım elementleri ile aşınmaya ve korozyona karşı mükemmel direnç sağlayabilirler. Aynı zamanda yüksek basma direncine ve rijitliğe sahip olduklarından ve özellikle grafit içeren gri dökme demirlerin sahip olduğu gibi titreşim enerjisini önemli oranda emebildikleri için pek çok makine gövdelerinde, motor pistonlarında vs. kullanılabilirler.
Klasik dökme demirler, %(ağırlıkça) 2-4 C ve % (ağırlıkça) 1-3 Si içerirler. Pek çok özelliklerini değiştirmek için diğer metal ya da metal olmayan elementler dökme demirlere ilave edilebilirler. Dökme demirlerin karbon eşdeğerliği (KE) gri dökme demir ve beyaz dökme demirin mikroyapı ve pek çok özelliğini etkileyen bir faktördür. Dökme demirdeki KE aşağıdaki eşitlikle tanımlanmıştır.
Bunun yanı sıra dökme demirlerin katılaştırılma hızı, döküm yöntemi, daha sonraki ısıl işlemler gibi bir çok faktör dökme demirlerin mikroyapısını ve mekanik özelliklerini etkiler. Düşük KE ve daha hızlı soğutma oranı kullanılırsa yüksek oranda sementit içeren beyaz dökme demirin üretimi sağlanırken daha yüksek KE ya da daha yavaş soğuma hızı uygulandığında grafit içeren gri dökme demir üretimi sağlanır. KE eşdeğerliğinin artırmasına neden olan Si elementi aynı zamanda dökme demirde grafit oluşumuna katkı sağlar. Bu nedenle lamelli grafit içeren gri dökme demirlerde Si oranı, beyaz dökme demire oranla daha fazladır. Beyaz dökme demir oldukça sert ve kırılgan olup aynı zamanda kolaylıkla işlenemezler de.
Dökme demirler içerdikleri kimyasal bileşim ve mikroyapılarına bağlı olarak beyaz dökme demir, gri dökme demir, Benekli dökme demir, küresel grafitli (sünek) dökme demirler olarak çeşitlenmektedirler. Tablo 8’de dökme demirlerin kimyasal ve mekanik özellikleri ile kullanım alanları verilmiştir.
Tablo 8 Dökme demirlerin kimyasal, mekanik özellikleri ve kullanım alanları
Dökme
Demir Nominal Kimyasal Bileşimi (%) Üretim Şartları Akma Dayanımı (%0,2 OffSet) (KSi) Çekme Dayanımı (KSi) 50 mm’de % uzama Sertlik (BSD) (HB) Genel Kullanım Yerleri
C Si Mn S P Ni Mg
Beyaz
(ASTM A48) 3,4 0,7 0,6 0,06-0,20 0,06-0,20 - - Yalnızca Dökülmüş - 25 0 450 Yatak Yüzeyleri
Gri 3,4 1,8 0,5 0,025 0,05-0,1 - - Yalnızca Dökülmüş - 25 0,5 150 Motor blokları, hava araçları, Dişililer, makine takımları, Fren diski, kampana, Yağ pompalama çubuğu, Su pompası pervanesi, Denge parçası, Krank kepi, Manifold, Vantilatör kasnağı, Su pompası gövdesi, Volan
Temper (ASTM A47) Dökülmüş ve tavlanmış 33 52 12 130 Dingil yatakları, kamyon tekerleri, otomotiv krank milleri
Sünek ya da
Küresel Grafitli 3,4 1,8-2,8 0,4 0,02 0,1 1 0,06 Yalnızca Dökülmüş 53 70 18 170 Valfler , silindir gömleği , pompa gövdesi ve darbe dayanıklı parçalar
Dişliler , kamlar , yatak gövdeleri , pistonlar ve krank milleri
kamalar , tekerlek göbekleri , bilezikler , volanlar , egzost manifoldları
Sünek ya da
Küresel Grafitli
(ASTM A48) 3,4 1,8-2,8 0,4 0,02 0,1 1 0,06 Dökülmüş ve suverilmiş
+temperlenmiş 108 135 5 310
Beyaz Dökme Demirler
Tablo 8’deki gibi uygun kimyasal bileşime sahip dökme demir, eriyik durumdan yeterince hızlı soğuma hızıyla mikroyapılarında yüksek miktarda sementit oluşumu ile beyaz dökme demir üretilir. Şekil 6’da bir beyaz dökme demirin mikro yapısı gösterilmiştir. Bilindiği gibi sementit fazı oldukça sert ve bununla beraber gevrektir. Bu dökme demirlerin işlenebilirlikleri oldukça zordur. İşlenebilirliklerini artırmak için küreselleştirilme ısıl işlemi uygulanabilir. Bu ısıl işlemle sementit fazları küreselleştirilir. Beyaz dökme demirler, yüksek basma dayanımına ve çok yüksek aşınma direncine sahiptirler. Mikroyapıda grafit bulunmadığı için beyaz görünümdedirler. Aynı zamanda kopma yüzeyleri de diğer dökme demirlere göre daha beyazdır.
X50
Şekil 6. Beyaz dökme demir mikroyapısı (beyaz alanlar sementit, koyu bölgeler perlittir).
Her ne kadar Şekil 7’de görüldüğü gibi demir-sementit ve demir-grafit denge diyagramında sementit fazı en dengeli (kararlı) fazlardan gibi görülse de beyaz dökme demirde olduğu gibi sementit faz tam dengeli (kararlı) değildir. Dökme demire ilave edilen Si miktarı artırıldığında sementitten daha dengeli olan grafitin oluşumunu kolaylaştırır.
Şekil 7. Fe-Fe3C ve Fe-Grafit denge diyagramı
Gri Dökme Demirler
Şekil 8’de görüldüğü gibi, lamelli grafit içeren dökme demirler gri dökme demir olarak bilinirler. Gri dökme demirlerdeki Si oranı beyaz dökme demirlere oranla daha fazladır. Çünkü daha önce de bahsedildiği gibi dökme demire ilave edilen Si elementi önemli bir grafit kararlaştırıcı elementtir. Normal döküm şartlarında oluşan bu grafitler hem lamelli hem de birbirleri ile de Sekil 8’de görüldüğü gibi bağlantılıdırlar. Bu nedenle süneklikleri çok fazla değildir. Aynı zamanda grafit oluşumunu sağlamak için ilave edilen Si elementi, sıvı dökümün akışkanlığını da kolaylaştırdığından karmaşık ve ince kesitli parçaların dökümü (üretimi) rahatlıkla yapılabilmektedir. Dökme demirlerde bulunan S’ün zararlı etkisini ortadan kaldırmak için S’ün iki katından biraz fazla manganez ilave edilir.
Endüstride kullanılan dökme demirleri % 70-80’i gri dökme demirdir. Çünkü hem üretim maliyeti düşük hem de mekanik performansları da yüksektir. Aynı zamanda gri dökme demirlerde bulunan grafitlerin titreşimleri önemli ölçüde sönümleme yeteneği vardır ve bu nedenle makine gövdeleri, motor ve silindir blokları gibi yerlerde geniş kullanıma sahiptirler. Gri dökme demirlerin sertlikleri beyaz dökme demirler kadar olmasa da aşınma dirençleri ve işlenebilirlik yetenekleri yüksektir. Çünkü grafitler hem talaş kırma özelliğine hem de kesici takımı yağlayıcılık özelliğine sahiptirler. Grafitin yağlayıcılık etkisi gri dökme demirlerin aşınmaya karşı direncini de artırmaktadır.
Şekil 8. Gri Dökme demirin mikro yapısı ve lamel grafitin şematik resmi
Şekil 7’de görüldüğü gibi Si ilavesi ile çeliğin ötektoid ve ötektik C içeriğini düşürürken ötektik sıcaklığı artırır. Bu diyagram hem Fe-Fe3C denge diyagramını (kesikli çizgi), hem de Fe-C(Grafit) (kesiksiz çizgi) denge diyagramını göstermektedir. Hem bu ötektik sıcaklık farkından hem de soğuma (katılaşma) hızına bağlı olarak beyaz ya da gri dökme demirin üretimi sağlanır. Sekil 7’deki denge diyagramının ötektik dönüşüm sıcaklık farkı daya ayrıntılı olarak Sekil 9’da gösterilmiştir. Buradan da görüldüğü gibi dökme demir eriyik durumdan daha hızlı katılaştırıldığında katılaşması kesikli çizginin altında gerçekleşirse beyaz dökme demir, katılaşması kesiksiz çizginin hemen altında gerçekleştirilirse gri dökme demir üretimi gerçekleşir. Lamel grafitli (gri) dökme demirler DDL şeklinde sembolize edilirler. Bunların ortalama özgül ağırlıkları 7.25 g.cm-3, ergime sıcaklığı 1250 °C, çekme dayanımları da Tablo 8’de görüldüğü gibi 100-340 MPa dır
Şekil 9. Beyaz dökme demir ve gri dökme demirlerin üzerimi için ergiyik (sıvı) durumdan soğuma eğrileri
Dökme demirdeki Kükürt (S) lamel grafitin oluşumuna destek sağladığı bilinmektedir. Çok az oranlarda Kalsiyum Karbür kullanılmasıyla sıvı metalden kükürt’ün uzaklaştırılmasıyla küresel şekli grafitin çökelmesi sağlanır. Bu durum bir miktar magnezyum ya da seryum (Ce) elementinin ilavesiyle daha da desteklenir. Kalsiyumlama işlemi magnezyum ilavesinden önce gereklidir. Çünkü magnezyumun oksijen ve kükürde ilgisi vardır. Diğer taraftan magnezyumun sementitin çökelmesine eğilimi de vardır. Bu nedenle silisyum (ferrosilisyum olarak) grafit olarak karbonun çökeltilmesini sağlanmasından emin olmak için ilave edilir.
Küresel Grafitli (Nodüler veya Sünek) Dökme Demirler
Küresel grafitli dökme demirde adından da anlaşıldığı üzere grafitler lamel değil küreseldir Küresel grafitli dökme demir yüksek süneklik ve mükemmel tokluğa (darbelere karşı dirence) sahip olduğundan krank millerinde olduğu gibi oldukça geniş bir alanda kullanıma sahiptir. Küresel grafitli dökme demirlerin kimyasal bileşimleri gri dökme demirlerinkine benzer ancak %0.05 magnezyum ve çok daha az S ve P içerirler. Bu alaşım elementlerinin oranlarına, katılaştırma zamanına ve tavlama şartlarına bağlı olarak sünek ferrit matriste küresel grafitlerle birlikte perlitik yapılar bulunabilir (Şekil 10a) ya da perlit bulunmaya ferritik matriste sadece küresel grafitler bulunabilir (Şekil 10b).
Şekil 10. Küresel grafitli dökme demirlerin mikroyapıları
Küresel grafitli dökme demirler genellikle Şekil 10a’da görüldüğü gibi perlitik matrislidirler. Bu dökme demirler tavlandığında perlitteki karbonların çözünerek daha fazla grafit oluşumuna (çökelmesine) izin verilir. Böylece matris yapı Şekil 10b’de görüldüğü gibi tamamen ferrite dönüşmüş olur. Böylece küresel grafitli dökme demire daha fazla oranda süneklik kazandırılacağından darbelere karşı direnci (tokluk) artırılmış olur.
Son yıllarda en önemli atılım küresel grafitli dökme demirin matrisinde perlit yerine beynit yapısının üretilmesidir. Beynit östenitin perlit oluşum sıcaklığının altında izotermal dönüşümüyle elde edilmektedir. Bu işleme östemperleme denir. Şekil 11’de östemperlenmiş bir küresel grafitli dökme demirin mikroyapısı verilmiştir.
Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler darbelere karşı üstün bir özellik sağladığı gibi aynı zamanda yorulma ömürleri de oldukça yüksektir. Mikroyapısındaki grafitler ayrıca titreşimleri sönümleme yeteneğine sahip olduklarından dolayı makine parçaları olarak kullanıldığında gürültü seviyesini de düşürmektedir. Bu özellik de bu dökme demirlerin ayrıca bir özelliğini ortaya koymaktadır. Bu nedenle küresel grafitli dökme demirler otomotiv sanayisinde geniş kullanım alanına sahiptir. Küresel grafitli dökme demirler dişli çarklar, krank milleri, pompa, sanjıman ve motor muhafazaları gibi parçaların yapımında, yüksek dayanınım ve uzama göstermesi gereken yerlerde kullanılmaktadır.
Şekil 11. Östemperlenmiş küresel grafitin mikroyapısı
Temper Dökme Demirler
Temper dökme demirlerin mikroyapılarında Şekil 12’de görüldüğü gibi lamel ve küresel olmayan düzensiz şekilli grafit vardır. Bu dökme demirler beyaz dökme demirlerin 900-950 °C’de uzun süreli tavlanmasıyla elde edilir. Bu sıcaklıkta sementtiten çözünen karbonlar grafit oluşturmak için bir araya toplanırlar. Ancak bu grafitler ne lamelli ne de tam bir küredir. Bunlar Şekil 12’de görüldüğü gibi grafitlerin morfolojisi ferritik matriste mısır patlağına benzerdirler. Tüm bu işlemler sünekliği hemen hemen hiç olmayan beyaz ve gri dökme demirlerin sünekliklerini artırmaktır. Tavlama sıcaklığına ve kimyasal bileşimlerine bağlı olarak ferritik veya perlitik matrisli olabilirler.
Şeki1 12. Temper dökme demirin mikroyapısı
Tablo 8’de verilen kulanım alan dışında ferritik temper dökme demirler, petrol endüstrisinde, el takımlarında, ızgara malzemesi olark, vites kutularında, fren pabuçlarında; perlitik temper dökme demirler iselevyelerde, motor destekleme elmanlaırnda, pistonlar, aks ve diferansiyel kutularında, ara dişliler, krank şaftları vb elemanlarda kullanılmaktadır.
Çift Fazlı Çelikler
Çift-fazlı çelikler yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çeliklerin bir ürünüdür. Mikroyapıları, yumuşak ferrit matris içerisinde sert martensit paçacıklarının dağılımından oluşmaktadır. Mikroyapılarında çok az miktarda beynit, perlit ve kalıntı östenit bulunmasına karşın, çift faz terimi, esas fazları oluşturan ferrit ve martenzit fazlarından ileri gelmektedir. Çift fazlı çeliklerin üretim amaçlarından biri bu çeliklerin üstün şekillendirme özelliğine sahip olmasıdır. Bu çelikler, diğer çeliklerden farklı olarak bazı özelliklere sahiptir. Bunlar genel olarak sürekli akma davranışı, yüksek çekme dayanımı, yüksek deformasyon pekleşmesi ve düzgün ve toplam uzama değerleridir.
Ayrıca çift fazlı çeliklerde mikroyapıda ikinci faz olan martensitin şekil ve boyutunun kontrolüyle, çekme, darbe, yorulma, aşınma ve işlenebilirlik özelliklerinin geliştirilebileceği görülmüştür. Aşağıda düşük alaşımlı ingot çeliklerden üretilen çift fazlı çeliklerin genel üretim yöntemleri, mikroyapıları ve özellikleri hakkında genel bilgiler verilmiştir.
Çift Fazlı Çeliklerin Genel Üretim Yöntemleri
Tipik bir çift fazlı çelik, Şekil 13’de örnek olarak verilen bir denge diyagramında A1 ve A3 sıcaklıkları arasında kalan ve ara kritik tavlama (AKT) bölgesi olarak da adlandırılan ferrit+östenit (a+g) alanında kısmen östenit fazlarının oluşumu için yeterli bir süre tavlanarak ve ardından da östenitin martensite dönüşümünün gerçekleşebileceği yeterlilikteki bir hızda oda sıcaklığına soğutma ile üretilmektedir. Çift fazlı yapının üretilebilmesi için çeliğin denge diyagramında, yeterli bir büyüklükte a+g alanının olması gerekmektedir. Bu nedenle çeliğin içerdiği alaşım elementleri bu alanın büyüklüğünde önemlidir.
Çift fazlı yapı üretilecek olan düşük alaşımlı bir çeliğin ferrit+östenit bölgesine ısıtılmadan önceki mikroyapıları farklı olabilir (mikroyapı ferrit+perlit veya tamamen östenitik bölgeden su verme ile oluşturulan martensitik yapı gibi). Bu farklılıktan dolayı ferrit matriste farklı şekiller e sahip martensit parçacıklarının üretilmesi mümkün olmaktadır (AKT öncesi mikroyapı ferrit+perlit ise kaba martensit parçacıkları veya AKT öncesi mikroyapı martensit ise çelik AKT’den su verme ile ince martensit parçacıkları üretilebilir). Elde edilen martensitin hacim oranını, farklı AKT sıcaklıkları belirlemektedir. Bu iki faz bölgesinde farklı sıcaklıklarda oluşan östenitin toplam hacim oranı terazi kuralına göre belirlenir. Dolayısıyla östenit hacim oranı, su verme sonrası elde edilen martensitin hacim oranına eşittir. Sonuçta elde edilecek martensitin şekil, boyut ve toplam hacim oranı düşük C’lu çeliğin çekirdek yapısına ve a+g bölgesindeki izotermal sıcaklıklara bağlı olarak kontrol edilebilmektedir.
Şekil 13. Fe-C-Mn denge diyagramında ara kritik tavlama (AKT) sıcaklık bölgesi
Çift fazlı çelikler, ya sürekli tavlama ya da kutu tavlama teknikleri ile üretilebilir. Sürekli tavlama tekniği ile üretilen çift fazlı çeliklerde daha az alaşım elementi kullanmak mümkündür. Sürekli tavlama tekniği ile çelik plakalar AKT sıcaklıklarına çok kısa zamanda ısıtılır (~2 dakika) ve ardından östenit fazının martensite dönüştürülebilmesi için hızla (~10°C/s) soğutulur. Gerçek soğuma hızı tavlama hattı üzerinde çelik plakanın kalınlığına ve su verme şartlarına bağlıdır. Sonuçta çeliğin kompozisyonu yeterli sertleşebilirliği sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır.
Çift fazlı çelikler, üretildikleri düşük alaşımlı yüksek dayanımlı (HSLA) çeliklere göre genellikle daha iyi dayanım-süneklik ilişkisi sergilemektedir. Çift fazlı çelikler genellikle, düşük akma dayanımı, yüksek çekme dayanımı ve pekleşme hızı, yüksek düzenli ve toplam uzama değerlerine sahiptirler.
Çift fazlı çeliklerde deformasyon pekleşme mekanizması karmaşıktır. Ancak genel olarak çeşitli gerinim aralıklarında pekleşme davranışları üç basamağa ayrılmaktadır. İlk aşamada (% 0,1-0,5 gerinimde), kalıntı gerilmelerin elimine edilmesiyle hızla deformasyon pekleşmesi gerçekleşir. Martensit ve ferrit fazları arasında plastik deformasyon farklılığından dolayı ferritte yeniden gerilimler hızla oluşur. İkinci aşamada (%0,5-4 gerinimde), plastik olarak akması sonrası ferrit deforme olamayan martensit kadar bir sertliğe sahip olabilir ve deformasyon pekleşme hızı düşer. Aynı zamanda bu aşamada kalıntı östenitlerin de martensite dönüşümü gerçekleşebilir. Kalıntı östenit, sünekliği ve gerinim esnasında martensite dönüşümünden dolay
|
mahonick ÜyePuan: 1768.5 | Gönderilme Tarihi: 03 Aralık 2011 02:19:56 | # 1
AKT sıcaklıkları artırıldığında su verme sonrası elde edilen sertlik hafifçe artmaktadır. Aynı zamanda AKT sıcaklığı arttırıldığında tane boyutu da artmaktadır. Sertliği artıran martensitin toplam miktarının yanı sıra, ince taneli çift fazlı yapılarda ferrit-martensit ara yüzeylerindeki hareketli dislokasyonların sayısının fazla olmasıdır. Bu iki faktör sertlikte bir denge sağlamaktadır.
AKT ısıl işlemi ile üretilen çift fazlı çeliklerin bazı araştırmacılar tarafından aşınma özellikleri araştırılmıştır. Genel olarak, çift fazlı çelikler düşük alaşımlı olmasına rağmen yapısında bulunan sert martensit partiküllerinin aşınmaya karşı bir direnç göstermektedir. Aynı zamanda martensitin C içeriği, oranı ve şekli de aşınma özelliklerini belirlemektedir. En önemlisi martensitin C içeriği arttıkça sertliği artmakta ve aşınmaya karşı daha etkili bir direnç göstermektedir. Bu sabit bileşime sahip düşük alaşımlı bir çelikte AKT sıcaklıklarının düşürülmesiyle elde edilebilir. Çünkü AKT sıcaklığı düşerken östenitin dolayısıyla martensitin C içeriği artmaktadır.
Çift fazlı çelikler, aynı zamanda mikroyapının kontrol edilmesiyle üstün yorulma özellikleri göstermektedir. Yorulma sonunda sertliğin ve dislokasyonların daha fazla olduğu ferrit/martensit ara yüzeylerine yakın ferritte kayma bantları ortaya çıkmaktadır. Kayma bantları ve mikro çatlaklar ince taneli olan numunelerde daha erken zamanlarda gerçekleşmektedir. Yorulma sonucunda mikro çatlaklar kayma bantları boyunca ve tane sınırlarında gerçekleşmiştir.
Son zamanlarda AKT ısıl işlemleri, reaktörler için basınçlı çeliklerde de tokluk özellikleri geliştirmek için kullanılmaktadır. Örneğin SA508e1.3 çeliği basınçlı kaplarda son 10-20 yıldır kullanılmaktadır. Bu çeliklere tokluk özelliklerini geliştirmek için daha önceleri klasik su verme+temperleme ısıl işlemleri uygulanmış ancak ara kritik tavlama ısıl işlemleri ile %20-60 oranında temperlenmiş martensit elde edildiğinde tokluk özellikleri daha da geliştirilmiştir.
Kompozit Malzemeler
İstenen amaç doğrultusunda tek başlarına uygun olmayan farklı iki veya daha fazla malzemeyi istenen özellikleri sağlayacak şekilde belli şartlar ve oranlarda fiziksel olarak, makro yapıda bir araya getirilerek elde edilen malzemeye kompozit malzeme denir. Yapıları çıplak gözle incelendiğinde (makroskobik muayene) yapı bileşenlerinin seçilip ayırt edilmesi mümkün olabilir. Yapılarında birden fazla fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro ölçüde homojen olmalarına rağmen mikro ölçüde heterojen malzemelerdir. Kompozit malzemelerde yapıyı oluşturan bileşenler birbiri içinde çözünmezler Ancak özellikle metalik sistemlerde düşük oranlarda bir miktar çözünme bileşenler arasında kompozit özelliklerini geliştiren için ara yüzey reaksiyonları görülebilir. Yapılarında sürekli bir matris yapı olarak ana faz (çoğunlukla daha yumuşak) ile onun içinde dağılmış takviye fazı (çoğunlukla daha sert) bulunur. Bu iki malzeme grubundan, fiber malzemeler takviye elemanı olarak kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini, matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici özelliğe sahip ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirici özellikte olmalıdır. Matris olarak kullanılan malzemenin bir amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylece fiber malzemelerde plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi olayının önüne geçilmiş olur.
Kompozitler, masa, sandalye, televizyon kabinleri, bazı makine parçaları, saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinden elektrik ve elektronik sanayine kadar elektriksel izolasyon olmak üzere her tür elektrik ve elektronik malzemenin yapımında, havacılık sanayinde planör gövdesi, uçak gövde ve iç dekorasyonu, helikopter parçaları ve uzay araçlarından otomotiv sanayindeki otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastiklerine kadar, inşaat sektöründe dış cephe korumaları, prefabrik evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıplarından tarım sektöründe seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımına kadar çok geniş kulanım alanına sahiptirler
Kompozit malzemeler takviye elemanı tipine göre parçacık takviyeli, sürekli veya süreksiz lif takviyeli olarak bulunur. Kompozit malzemenin ana yapısına göre metal matrisli, polimer matrisli ya da seramik matrisli olarak bulunur.
Metal Matrisli Kompozitler (MMC): Metalik bir ana fazın bazı takviye malzemeleri ile eritme vakum emdirme, sıcak presleme ve difüzyon kaynağı gibi ileri teknikler uygulanarak üretilirler. MMC’ler daha çok uzay ve havacılık alanlarında, örneğin uzay teleskobu, platform taşıyıcı parçalar, uzay haberleşme cihazlarının reflektör ve destek parçaları vs. yerlerde kullanılır. Metal matrisli kompozitlere başka bir örnek olarak, Tungsten karbür (WC) seramik parçacıklarının Co metali ile yüksek sıcaklıkta basınç altında sinterlenmesi sonucu elde edilen kompozit çok sert olup yüksek hızlı kesme takımı üretimine elverişlidir. Uygulamada bunlara seramik metal karışımı olduğu için Ser-Met denir.
Polimer Matrisli Kompozitler: Fiberlerle takviye edilmiş polimer matrisli kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir. Takviye elemanı olarak cam, karbon kevlar ve boron fiberleri kullanılır. Bazı takviye fiberlerin özellikleri Tablo 9’de verilmiştir.
Tablo 9. Bazı takviye fiberlerin özellikleri
Fiber Türü Özgül ağırlık
gr / cm3 Çekme mukavemeti
N / mm2 Elastisite modülü
N / mm2
Cam 2,54 2410 70000
Karbon 1,75 3100 220000
Kevlar 1,46 3600 124000
Takviye fiberlerin miktarı arttıkça kompozitin mukavemeti yükselir. Polimer matrisli kompozitlerin en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet(mukavemet/ özgül ağırlık) ve özgül elastisite modülüdür. Dolayısıyla bu özelliklerden dolayı diğer malzemelere üstün durumundadırlar. Diğer taraftan karbon liflerinin özgül elastisite modülü alüminyumunkinin 5 katı kadardır. Bu üstünlüklerinden dolayı polimer kompozitler uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaşımlarına tercih edilir. Tablo 10’da Fiber takviyeli kompozitlerin özellikleri verilmiştir.
Tablo 10. Fiber Takviyeli Bazı Kompozitlerin Özellikleri
Takviye türü-Matris Özgül ağırlık
gr/cm3 Çekme mukavemet
N/mm2 Elastik mukavemet
N/mm2
Cam fiber takviyeli polyester 1,5 – 2,1 200 – 340 55000 – 130000
Karbon fiber takviyeli epoksi 1,5 – 1,8 1860 145000
Kevlar fiber takviyeli epoksi 2,36 2240 76000
Boron fiber takviyeli epoksi 1,4 1240 176000
Uygulamada en önemli kompozitler fiber ya da lif takviyeli olanlardır. Fiberin çapları yaklaşık 0,1mm civarında olup tek başına kullanılmazlar. Kalınlıkları arttığında kusur oluşma olasılığı nedeniyle mukavemetleri çok azalır. Bu fiberler matris malzemeye uygulanan yükün iletilmesiyle bu yükü taşıyabilecek özellikte olmalıdır.
Seramik Matrisli Kompozitler (CMC): Bunun için yapısal ve fonksiyonel nitelikli yüksek teknoloji seramikleri kullanılmaktadır. Başlıcaları Al2O3, SİC, Si3N4, B4C, CbN, TiC, TİB, TİN, AIN’ dir. Bu bileşikler değişik yapılarda olup amaca göre bir yada bir kaçı beraber kullanılarak CMC’ler elde edilir. Sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım yerleridir.
Fiber Takviyeli Kompozitlerin Mekaniği
Kompozitlerde fiberler uygulanan yönüne paralel veya dik yönde ya da rast gele dağılmış durumda bulunurlar. Fiberler yönlü olduğunda kompozit malzemelerin mekanik özellikleri önemli ölçüde anizotropik olur. Fiberler matris yapıya rast gele dağıtılmış ise mekanik ve pek çok özellikleri izotropik olur.
Uygulanan yük Şekil 15a'daki gibi fiberlere paralel ise matris yapı fiberlerle aynı oranda şekil değiştirebilir. Bu durum eş şekil değiştirme halidir. Matris malzemenin elastik modülü Em, fiberlerin elastik modülü Ef ve fiberlerin toplam hacim oranı Vf ise kompozitin uygulanan yükün fiberlere paralel olması durumunda elastik modülü;
Ek = Ef .Vf + Vf (I- Em)
dir.
F F
(a) (b)
F F
Şekil 15. Fiber takviyeli kompozitte a) uygulanan yükün fiberlere paralel olması durumu, b) uygulanan yükün fiberlere dik olması durumu
Kompozit malzemelerin çekme mukavemetleri fiberlerin kopmasıyla sona erer. En uygun mekanik özellik kompozit fiberlere uygulanan yüke paralel olması durumunda sağlanır. Ancak fiberlerin uygulanan yük yönüne dik olduğu durumlarda matris elamanın gerilme değeri kadar fiberler aynı yükü taşır. Bu eş gerilme halinde kompozitin elastik modülü;
dir.
Kompozit malzemenin çekme mukavemeti fiberlerin kopması ile sona erer. En uygun kompozit özelliği fiberler kuvvet doğrultusuna paralel olduğunda sağlanır. f; liflerin çekme mukavemeti, m; fiberlerin koptuğu andaki şekil değiştirme için matristeki gerilme ve Vf; fiberlerin hacim kesri olduğuna göre karışım kuralına göre kompozitin çekme mukavemeti.
k = f Vf + (1 – Vf) m
dir.
Kompozit Malzemelerin Endüstride Bazı Kullanım Alanları
Yaygın şekilde cam elyafı, cam, keçe ve cam dokuma ile polyester reçineden yapılan çeşitli ürünler kullanılmaktadır. Cam elyaf oranı % 30– 40 arasıdır. Çay tepsisi, masa–sandalye, depo, küvet, tekne, bot ve otomotiv sanayi bu kompozitlerin uygulama örnekleridir. Ayrıca formika, baskılı devre plakası, elektrikçi fiberleri, spor malzemeleri ve atlama sırıkları, kaynak takımı, tenis raketi, yarış kanoları değişik birleşik malzemelerden yapılan ürünlerdir.
Kompozit malzemelerin uzay ve havacılık sanayinde kullanımı başta hafiflik ve sağlamlık nitelikleri sayesindedir. Amaç daha az yakıt harcamak, daha yüksek hıza ulaşmak ve verimliliği sağlamaktır. Bu kullanımda sadece maddi kazanç düşünülmeyip stratejik performanslarda dikkate alınmıştır. Özellikle titreşim, yorulma ve ısı dayanımı gibi nitelikler uzay ve havacılık sanayinde kompozit malzemelerin önde gelen avantajlarıdır.
Kompozit malzemeler, değerli niteliklerden dolayı uzay ve havacılık araçlarında gittikçe daha fazla kullanılmaktadır. Örneğin Şekil 16’da da görüldüğü gibi Boeing uçağında ilk üretiminden itibaren kullanılan kompozit malzeme oranı günümüzde ne kadar çok artmıştır. Bugün bir av bombardıman uçağında birleşik malzeme kullanımı toplam uçak ağırlığının yarısına ulaşmış bulunmaktadır. Bu sayede bor karbür, silisyum karbür, alümina karbon, cam ve kevlar elyafı değişik reçinelerle değişik kompozit malzemeler yapımında kullanılmaktadır. Kompozit malzemelerin silah üretimi de kullanımı pek yaygın olmamakla beraber 3000 bara kadar dayanabilen 60 ve 81 mm gibi küçük çaplı havanlar için bazı çalışmalar olmuştur.
Şekil 16. Kompozit malzemelerin Boeing 747’nin ilk uçuşundan Boeing 777’lere kadar geçen zamanda kullanım oranları
Roket üretiminde birleşik malzemelerin rolü oldukça büyüktür. Örnek olarak M72 de motor lançeri cam elyafı ve epoksiden, Apilasta ve diğer tanksavar roketlerde gövde kısmen kevlar ve epoksiden , M77 MLRS de lüle (nozzle) karbon birleşik malzemesinden yapılmaktadır. Mühimmat üretiminde de birleşik malzemeler kısmen kullanılmaktadır. M19 A/T mayınında gövde ABS reçine ve cam elyaf parçacıklarından, bu mayına ait küçük ve büyük belleville yayları cam doku ve fenolik reçineden yapılmışlardır. 155mm lik ICM mühimmatı gövdelerinde cam elyafı epoksi sargı vardır. Miğfer konusunda kevlar ve değişik reçineler kullanılmaktadır. Kurşun geçirmez yeleklerde günümüzde kevlardan, balistik testler için zırh levhaları cam ve fenolik reçineler imal edilmektedir.
BÖLÜM 3
MEKANİK TESTLER
Sertlik Ölçümü
Sertlik ölçümü ya da deneyi, malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılır. Sertlik: bir malzemenin kendinden daha sert geometrik bir batıcı uca karşı göstermiş olduğu dirençtir. Diğer bir anlamı malzemenin bu uçla oluşturulacak plastik deformasyona karşı ya da dislokasyon oluşumuna ya da dislokasyon hareketine karşı gösterdiği direnç olarak da bilinir. Sertlik ölçümünde bahsi edilen batıcı uçların geometrisi bilye, piramit ya da konik olarak bulunur. Bu uçlar çoğunlukla sertleştirilmiş çelik, tungsten karbür ya da elmas gibi çok sert malzemelerden imal edilir. Çünkü her zaman bu batıcı uçların sertliği, sertlik ölçümü yapılacak olan malzemeninkinden çok daha fazla olmak zorundadır. Aksi taktirde batıcı uçlar şekli değiştirerek kullanılamaz hale gelirler. Şekil 1’ de bahsi edilen bu batıcı uçar ve standart bir sertlik ölçme cihazı gösterilmiş.
Şekil 1. Standart (Brinell, Vickers, Rockwell) Sertlik ölçümleri yapabilen sertlik ölçüm cihazı ve batıcı uçları
Sertlik ölçümü yapılırken dikkate edilecek durumlar var. Bunlar;
a) Sertlik ölçümü yapılacak olan malzemenin yüzeyi düzgün ve yerleştirildiği tablaya yüzeyi paralel olmalıdır.
b) Uygulanacak yüke bağlı olarak malzeme kalınlığına dikkat edilmelidir. Batıcı uca fazla yük uygulandığında ince kesitli malzemeler delinebilir. Bu nedenle malzeme kalınlığı iz çapı ya da köşegen uzunluğunun en az 10 katı olmalıdır.
c) Batıcı uç malzeme kenarlarına uygulanmamalı, batıcı uçların oluşturduğu izler arasındaki mesafe iz çapı ya da köşegen uzunluğunun en az 3 katı mesafede olmalıdır.
Günümüzde yaygın olarak sertlik öçlüm metotları ve ayrıntıları şunlardır;
Brinell Sertlik Ölçüm Yöntemi (BSD)
Bu yöntemde kullanılan batıcı ucun geometrisi bilyedir. Malzemenin kalınlığı ve cinsine bağlı olarak bilye çapı ve uygulanan yükler değişim göstermektedir. Şekil deki gibi şematik olarak bir bilye ucun üzerine bir F yükü uygulandığında, malzeme üzerinde belli bir çapta iz bırakması sağlanır. Uygulanan F yükü, bilye çapı (D) ve oluşan izi çapına (d) bağlı olarak malzemenin Brinell sertliği aşağıdaki formülle bulunur. Olaşan izin çapı ne kadar az ise o malzemenin o kadar sert olduğuna işaret eder.
Brinell Sertlik Değeri (BSD)=
F (Yük-kg)
D(Bilye çapı-mm)
Numune
d (iz çapı- mm)
Vickers Sertlik Ölçüm Yöntemi (HV)
Bu yöntemde kullanılan batıcı ucun geometrisi elmas piramittir. Malzemenin kalınlığı ve cinsine uygulanan yükler değişim göstermektedir. Şekil deki gibi şematik olarak piramit ucun üzerine bir F yükü uygulandığında, malzeme üzerinde belli bir çapta köşegenli iz bırakması sağlanır. Uygulanan F yükü, oluşan ortalama köşegen izi uzunluğuna (d) bağlı olarak malzemenin Vickers sertliği aşağıdaki formülle bulunur.
HV= 1,8544.
F (Yük-kg)
Piramit uç
Numune İz
Ön görünüş
d1
Numune
d2
Üst görünüş
Şekil 2. Malzeme üzerine Piramit uçla oluşturulan şematik iz şekli
Vickers sonuçları HV0.01, HV5, HV30 gibi gösterilir. HV nin yanındaki rakamlar Vickers deneyinde uygulanan yükü göstermektedir. Bu yöntemde malzemenin mikro ve makro ölçekli sertlikleri ölçülebilir. Şekil 3^deki gibi Mikroyapıdaki her bir taneciğin, fazın, bileşiklerin sertlikleri ayrı ayrı çok düşük yükler uygulanarak ölçülebilir. Bu şekilde sertlik ölçümü mikro sertlik tanımlamasına girer. Ancak malzemenin yapısal makro ölçekli sertliği ise mikroyapıdaki sert, yumuşak tane ya da fazlar tarafından belirlenir. Genel sertlik ölçümü yapılırsa (bu da daha fazla F yükü ile yapılır) makro sertlik tanımlamasına girer.
Sert tanecik Yumuşak tanecik
(10 g yükle Mikro-Sertlik izi) (10 g yükle Mikro-Sertlik izi)
Malzemenin genel sertliğini verir.
İz hem sert hem de yumuşak
taneciklere isabet emiş
(5 kg yükle Makro-Sertlik izi)
Şekil 3. Mikro ve makro sertlik ölçümü yapılmış Vickers sertlik izleri
Rockwell Sertlik Ölçüm Yöntemi (HR )
Elmas ucun koniklik açısı 120° dir ve uç kavis yarıçapı 0.2 mm olan yuvarlatılmıştır uçtur. Rockwell sertlik değerleri daima sembol bir harfle birlikte anılır (HRA, HRB, HRC… gibi) Bu batıcı ucun tipini, kullanılan yükün miktarını anlatır.Rockwell sertlik deneyinde batıcı uç ya çelik bir bilyadır, ya da küresel konik elmastır. Önce 10 kg’lık ön yük uygulanarak malzemeye ilk batma sağlanır. Böylece batıcı uç malzeme üzerine oturur. Kadran sıfıra getirilir ve daha sonra kalan büyük yük uygulanır. Büyük yük uygulandıktan ve kaldırıldıktan sonra, standart işleme göre, küçük yük hala uygulanır durumda iken kadranın gösterdiği değer okunur.
Rockwell Sertlik Skalaları aşağıdaki Tabloda kullanım alanlarına göre verilmiştir. (En çok kullanılan ve bilinenleri HRB, HRC ve HRA dır).
Rockwell Tipi Batıcı Uç Toplam Yük Kg Tipik Kullanma Yerleri
B 1.588 mm (1/16 inç) bilya 100 Bakır alaşımları, yumuşak çelikler, alüminyum alaşımları, temper döküm vs.
C Elmas konik uç 150 Çelik, sert dökme demirler, perlitik temper döküm, titan, derin olarak yüzeyi sertleştirilmiş çelik ve Rockwell B değeri 100’den daha fazla olan diğer malzeme
A Elmas konik uç 60 Sert metaller, ince çelik ve yüzeyi ince tabaka halinde sertleştirilmiş çelik
D Elmas konik uç 100 İnce çelik ve orta kalınlıkta yüzeyi sertleştirilmiş çelik ve temper döküm
E 3.175 mm (1/8 inç) bilya 100 Dökme demir, alüminyum ve magnezyum alaşımları, yumuşak ince saç metaller
F 1.588 mm (1/16 inç) bilya 60 Tavlanmış bakır alaşımları, yumuşak ince sac metaller
G 1.588 mm (1/16 inç) bilya 150 Fosforlu bronz berilliyumlu bakır temper dökümler. Bilyanın yassılaşma ihtimalini önlemek etmek için üst sınır G 92 Rockwell sertlidir.
H 3.175 mm (1/8 inç) bilya 60 Yatak metalleri ve diğer çok yumuşak
K 3.175 mm (1/8 inç) bilya 150 veya ince malzeme. Altta bulunan
L 6.350 mm (1/4 inç) bilya 60 mesnedin etkisini minimum düzeye
M 6.350 mm (1/4 inç) bilya 100 indirmek için en küçük bilya ile en ağır
P 6.350 mm (1/4 inç) bilya 150 yük kullanılır.
R 12.700 mm (1/2 inç) bilya 60
S 12.700 mm (1/2 inç) bilya 100
V 12.700 mm (1/2 inç) bilya 150
Çekme Deneyi
Malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan deneylerden biridir. Bu deney de malzemenin tahrip edilmesi ile gerçekleştirilir. Bunun için standartlara göre hazırlanmış standart çekme deneyi numunesi kullanılır. Çekme deney numunelerinin kesit geometrisi kare, yuvarlak, dik dörtgen(lama) şeklinde olabilir. Önemli olan Şekil 4’dekine benzer standartlara göre hazırlanmış bir deney numunesi olmalıdır.
(G- Ölçü boyu, R- Kavis yarıçapı, B- Tutma boyu, L- Tam boy)
Şekil 4. Standart bir çekme test numunesinin şematik resmi
Hazırlanan numune, Şekil 5de’ki gibi bir standart çekme deney cihazına tutma başlarından tutturularak bir tarafı sabit olacak şekilde diğer taraftan sabit çekme hızında sürekli artan çekme kuvveti uygulanır. Bu kuvvet numune kopuncaya kadar devam ettirilir. Uygulanan her çekme yükü sırasında çekme gerilmesi ve boyda meydana gelen uzama kaydedilir. Ayrıca bu verilerle Gerilme-Birim uzama diyagramı çizilir. Bu verilerle malzemenin;
- Akma Gerilmesi (a)
- Maksimum Çekme Gerilmesi (ç)
- Elastik Modülü (E)
- Boyda % Uzama Oranı ()
- Kopma uzaması ve Kopma Büzülme oranı
- Rezilyans
- Tokluk
Özellikleri belirlenir.
Şekil 5. Standart bir çekme deney cihazı
Akma Gerilmesi(a)
Gerilmenin anlamı malzemenin kesit alanına uygulanan kuvvettir. a ile gösterilir. Ve;
a=
ile belirlenir. Birimi ( )=MPa dır
F: Uygulanan yük (N), Ao:Malzemenin orijinal kesit alanı (mm2) dir.
Akma gerilmesi (a) malzemenin plastik deformasyonun ilk gerçekleştiği dayanım (gerilme) olarak bilinir. Bu gerilme değerinin altında malzemede kalıcı şekil değişimi meydana gelmez. Dislokasyon oluşmaz. Ancak akma gerilmesinde malzemede oda sıcaklığında kayma ve/veya ikizlenme mekanizmalarıyla malzemedeki şekil değiştirme kalıcıdır. Düşük karbonlu çeliklerde olduğu gibi sünek malzemelerde akma noktası, (Şekil 6’daki gibi) gerilme-uzama diyagramı üzerinde belirgindir. Ancak sert ve gevrek malzemelerde olduğu gibi akma noktası bazen belirgin olmayabilir. Bu durumda için Şekil 7’deki gibi % 0.2’lik uzama oranına karşılık gelen gerilme değeri dikkate alınır.
ç
a 0.2
a
) 0.2 )
Şekil 6. Akma noktası belirgin olan bir malzemenin Şekil 7. Akma noktası belirli olmayan
Çekme-Uzama diyagramı bir malzemenin Çekme-Uzama
diyagramı
Çekme Gerilmesi(ç)
Bir malzemenin dayanabildiği en yüksek gerilme değeridir. Bu gerilme pratik uygulamalarda =
(Birimi ( )=MPa dır)
şeklinde ifade edilir ve mühendislik gerilmesi olarak bilinir. Bu eşitlikte Ao malzemenin orijinal ilk kesit alanıdır. Ancak malzeme maksimum çekme gerilme değerine kadar şiddetli olarak deforme olmaktadır. Boyda önemli oranda uzama gerçekleşirken kesiti de bir o kadar daralmakta ve kesit alana azalmaktadır. Bu durumda malzemenin gerçek (son) kesit alanına (As) düşen gerilme gerçek çekme gerilmesi
=
(Birimi ( )=MPa dır)
olarak ifade edilir.
Elastik Modül (E)
Malzemenin çekme –uzama diyagramında elastik deformasyon bölgesindeki lineer elastik eğimin ölçüsü olarak ifade edilir. Şekil 8’deki gibi elde edilir.
E=tg=
Şekil 8. Elastik Modülün Gerilme-Uzama diyagramı üzerindeki ifadesi
Buradan da görüldüğü gibi Elastik Modül
E=
(Birimi ( )=MPa dır)
ile bulunur. Elastik modülün yüksek olması o malzemenin daha rijit ve sert olduğuna işaret eder. Malzemenin kimyasal bileşimi, sıcaklığı ve deformasyon hızı ( ) değişmeksizin mikroyapıdaki değişimlerle etkilenmez.
% Uzama () veya Birim Uzama (e)
Malzeme üzerine uygulana her F kuvveti ile boyda bir uzama meydana gelir. Boyda gerçekleşen % uzama veya Birim uzama F yükü altında iken ilk boy ile son boya arasındaki farkın ilk boya olana oranıdır. Ve
%= veya e =
ile bulunur. Burada Ls ve L0 sırasıyla, malzemenin son ölçü boyu ve ilk ölçü boyudur. Ancak bu eşitlikler yine malzemenin gerçek değerleri olmayıp mühendislik değerleridir. Gerçek birim uzaması
eger=ln(
olarak ifade edilmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken bir durum, Şekil 9’da gösterildiği gibi özellikle sünek malzemenin kesiti maksimum çekme gerilmesine ( )kadar lineer daralırken, bu değerden kopmaya kadar gerilme şartlarında kesiti önemli ölçüde boyunlaşarak daralır. Bu nedenle maksimum çekme gerilmesine kadar
eger=ln(
eşitliği kullanılırken, maksimum çekme gerilmesinden sonra
eger=
eşitliği kullanılmalıdır.
Lineer Kesit daralmasında
Kesit daralması Boyunlaşma var
Elastik Deformasyon Plastik Deformasyon
Bölgesi Bölgesi
Şekil 9. Malzemenin Gerilme-uzama diyagramı üzerinde bölgeler
Kopma Uzaması ve Kopma Büzülmesi
% uzamada olduğu gibi malzeme koparıldıktan sonraki boyda meydana gelen uzama oranıdır. %k= veya ek =
ile bulunur. Burada Lk ve L0 sırasıyla, malzemenin kopma boyu ve ilk ölçü boyudur.
Kopma büzülmesi ise malzeme kesitinde meydana gelen daralma oranıdır. Bu da kopma uzamasına benzer şekilde ifade edilir.
%K.B.=
ile bulunur. Burada A0 ve As sırasıyla, malzemenin ilk kesit alanı ve son kesit alanıdır.
Rezilyans
Malzemenin elastik deformasyonu için harcanan enerjidir. Diğer bir ifade ile plastik deformasyonun başlangıcına kadar malzemede depolanan enerjidir. Şekil 10’daki gibi lineer elastik eğimin altında kalan alan olarak ifade edilir.
Rezilyans= (dik üçgenin alanı)
)
Şekil 10. Gerilme- Uzama grafiğinde rezilyans ifadesi
Tokluk
Malzemenin koparılıncaya kadar harcanan enerjisidir. Yani malzemenin hem elastik hem de plastik deformasyonu için malzemede depolanan enerjidir. Şekil 11’deki gibi ifade edilir. Çekme eğrisinin altında kalan toplam alandır.
Alan=Tokluk=
Şekil 11. Tokluğu ifadesi
Tokluğu fazla olan malzemeler dinamik yüklere (darbelere) karşı direnci de fazladır. Bu nedenle bir malzemenin çekme gerilmesinin yüksek olması o malzemenin tokluğunun yüksek olacağı anlamına gelmez. Çekme eğrisin altında kalan alanın fazla olması tokluğun artışını sağlar. Genellikle sünek (şekil değiştirme oranı) fazla olam malzemelerin tokluğu da fazla olmaktadır.
Darbe Deneyi
Malzemenin dinamik yüklere karşı kırılma enerjisini belirlemek için yapılan bir deneydir. Bu deneyin temel prensibi Şekil 12’de şematik olarak gösterildiği gibi, bir l uzunluğundaki sarkacın ucundaki belli bir G ağırlığına sahip çekiç belli bir h1 yüksekliğinden numuneyi kırması için serbest bırakılıyor. Serbest bırakılmadan önce çekicin potansiyel enerjisi G.h1 iken numune kırıldıktan sonra belli bir h2 yüksekliğine çıkan çekicin potansiyel enerjisi G.h2 olur. Bu durumda Kırılma Enerjisi (K.E.) =G.h1-G.h2 olarak ifade edilir. Buna göre
K.E.=G(h1-h2)=G.l.(Cos-Cos) olarak ifade edilir. Burada l sarkaç boyudur. Buradan, salınım açısı ve h2 yüksekli ne kadar az gerçekleşirse kırılan o malzemenin ne kadar çok darbe direnci ya da yüksek tokluk gösterdiğini anlarız.
Şekil 12. Bir darbe deneyinin şematik olarak gösterimi
Bir çekme deney numunesi standartlara göre hazırlanmalıdır. Genellikle Charpy ve Izod olarak iki tipte darbe deney yöntemi vardır. Temel prensip aynıdır. Charpy deney numunesi yatık olarak Izod deney numunesi dik olarak darbe deney cihazına yerleştirilir. Tipik bir Charpy darbe deney numunesinin ölçü boyutu Şekil 13’de İzod deney numunesinin ölçü boyutu Şekil 14’de verilmiştir. Bu numune üzerinde özellikle sünekliği fazla ve yüksek darbe direnci gösteren numunelerde belli ölçülerde çentik açılmalıdır. Bu çentikler Şekil 14 de gösterildiği gibi V-çentik, anahtar deliği ve U-çentik gibi çeşitlenebilir. Ancak Sert-kırılgan (gevrek) malzemelerin darbe deney numunelerine çentik açılmaz. Açılan bu çentikler aslında sünek malzemelerde kırılmayı kolaylaştırmak amacıyla yapılmaktadır.
Şekil 13. Charpy Darbe deney numunesi şematik gösterimi
Genellikle bir malzemenin darbe direnci enerjisi (tokluğu) ile sünekliği arasında bir ilişki vardır. Fazla süneklik göstermeyen malzemelerin (%1-2’in altında) darbe dirençleri de düşüktür. Daha önce tokluk konusunda bahsedildiği gibi bir malzemenin çekme (gerilme)-uzama eğrisi altıda kalan alan ne kadar fazla ise o malzeme o kadar çok darbeye karşı direnç gösterecektir.
Şekil 14. Izod darbe deney numunesinin şematik gösterimi
Malzemelerin kırılma enerjileri sıcaklık karşısında da değişim göstermektedir. Malzemelerin kırılma enerjisi sıcaklık düştükçe düşer. Kırılma enerjisinin farklı sıcaklılarda yapılmasıyla malzemenin geçiş sıcaklığı belirlenir. Geçiş sıcaklığı malzemenin sünek kırılmadan gevrek kırılmaya geçişin olduğu sıcaklıktır. Bu genellikle malzemede % 50 gevrek % 50 sünek kırılmanın olduğu noktadaki sıcaklık olarak bilinir. Şekil 15’de sıcaklığa bağlı olarak bir malzemenin geçiş sıcaklığı gösterilmiştir.
Şekil 15. Geçiş sıcaklığının belirlenmesi için elde edilmiş Sıcaklık-Kırılma Enerjisi diyagramı
Bir malzemede geçiş sıcaklığının düşük olması istenir. Çünkü o malzemenin kullanıldığı ortam sıcaklığı çok düşük olabilir. Bu durumda oda sıcaklığında normal bir darbe (kırılma) direnci gösterse bile geçiş sıcaklığının altında kırılma riski önemli ölçüde artacaktır. Bu nedenle tasarım mühendisleri bu durumu dikkate alarak geçiş sıcaklığı düşük olan malzeme seçimi yapmak zorundadırlar.
Metalik malzemelerin geçiş sıcaklıkları ve darbe dirençleri kristal yapılarına göre de değişir. Çoğunlukla YMK yapılı malzemelerin kırılma dirençleri daha fazladır. HMK yapılı malzemelerde daha belirgin bir geçiş sıcaklığı tespit edilebilir. Malzemenin sertlik ve dayanımı yüksek olması o malzemenin kırılma direncinin daha az olabileceğine işaret eder. Kırılma enerjisi(veya direncini) artırılması için o malzemenin yüksek süneklik göstermesi gerekir. Şekil 16’da farklı kristal yapılı malzemeler için genel kırılma enerjisi ilişkisi verilmiştir.
Şekil 16. Farklı yapılı malzemelerin kırılma enerjisi ilişkisi
Malzemelerin geçiş sıcaklıkları kristal yapısına, mikroyapısına (ince, kaba taneli, martensitik,ferritik vs), kimyasal bileşimine, uygulanan ısıl işleme ve yüzey kalitesine bağlı olarak değişir. Mikroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe direçlerini etkiler. Bu sert kırılgan fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini zayıflatır.
Örneğin Küresel grafitli dökme demir gri dökme demirden daha fazla darbe dayanımına sahiptir. Gri dökme demirde sert kırılgan grafitler sivri, keskin köşeli ve birbirleri ile bağlantılı olduğundan bu yapılar çentik etkisi yapmaktadır.
Gri Dökme Demir Küresel grafitli Dökme demir
Yorulma Deneyi
Bir malzeme kullanıldığı yerde deforme olmadan çalışması istenir. Bu nedenle o malzeme Akma gerilmesinin altıdan kullanılmak zorundadır. Ancak bazı makine parçalarında olduğu gibi akma gerilmesinin altında bir gerilmede çalıştırılsa bile sürekli olarak tekrarlı gerilmelere maruz kalabilir. Örneğin krank milleri, dikiş makinesi masura ve iğnesi ya da bir uçağın kanadı sürekli bir tekrarlı gerilme atında çalışırlar. Genel anlamda tekrarlı gerilmeler altında çalışan malzemelerde meydana gelen hasar o malzemenin yorulması sonucu ortaya çıkar. Bu yorulma olayı belirtildiği gibi o malzemede her hangi bir plastik deformasyon olmadan tamamen elastik deformasyon şartlarında meydana gerilir. Bu elastik deformasyon sürekli olarak tekrarlandığında zamanla malzemenin atomları arası bağların zayıflamasına neden olmaktadır. Bu durumda o malzeme belli bir süre sonra plastik deformasyon olmaksızın hasara uğraması kaçınılmaz olmaktadır. Bu nedenle kritik malzemelerin laboratuar şartlarında hızlandırılmış yorulma ömürleri ve yorulma dayanımları belirlenmeye çalışılır. Yorulma deneyi için de yine diğer mekanik testlerde olduğu gibi standartlara göre hazırlanan yorulma deney numuneleri kullanılır. Şekil 17’de yorulma deney numunesinin şematik resmi verilmiştir.
Şekil 17. Yorulma deney numunesi geometrisi
Şekildeki gibi geometriye sahip numunenin bir ucu motora bağlanır. Diğer uçtan bir F yükü uygulanır. Numunenin üstü çekme alt yüzeyi basma gerilmesi altıda kalır. Numune 90 ° döndürüldüğünde ise bu gerilmeler ye değiştirecektir. Ve numunenin ortasında sürekli çekme basma gerilmesi olacaktır. Uygulanan F kuvvetine bağlı olarak numuneye etki eden gerilme
dir. Burada F, numuneye uygulanan kuvvet, l; numune boyu, d;numuneni çapı
Malzemenin yorulma ömrünü ve yorulma sınırını tespit etmek için birkaç seri numune hazırlanmalıdır. Uygulanan gerilmeye bağlı olarak numune kopuncaya kadar geçen dönme devir sayısı grafiği elde edilir ve Şekil 18’deki gibi bir grafik elde edilir.
Şekil 18. Bir malzemenin yorulma eğrileri
Şekildeki herhangi iki malzemeye ait tipik bir yorulma eğrileri verilmiştir. Şekildeki A malzemesinin yorulma sınırının ~445 MPa olduğunu görebilirsiniz. Bunun anlamı bu malzeme bu gerilme ve bunun altındaki gerilme değerlerinde sonsuz süre yorulmadan çalışabilir demektir. Ancak bazı malzemelerde (demirdışı malzemelerde)özellikle Al alaşımlarında yorulma sınırının olmadığı görülür. Numune üzerine uygulanan gerilme ne kadar azaltılırsa azaltılsın malzeme belli bir gerilme devrinden sonra hasara uğramaktadır. Yorulma eğrisi B malzemesindeki gibi elde edilir. A malzemesine 500 MPa yorulma gerilmesi uygulandığında bu malzemenin yorulma ömrü ~105 (100000) devirdir. 460 MPa gerilme uygulanırsa yorulma ömrü 1000 000 devirdir. 450 MPa gerilme uygulanırsa yorulma ömrü sonsuz devirdir. Yani bu malzeme kritik yerde kullanılacaksa 450 MPa gerilme değerinin altında çalıştırılmalıdır.
Örnek: 3000 dev/dk hızda dönen A malzemesine 4000 N luk bir yük uygulanıyor. Malzemenin çapı 28 mm ve 250 mm uzunluğunda olduğunda
a) Bu malzemeye etkiyecek gerilme değeri ve kopma zamanını hesaplayınız.
b) Bu malzemenin yorulma kopmasını önleyecek min çapını hesaplayınız.
Çözümü:
a) d: 20mm, l:250mm, F:4000N dir
yorulma gerilmesi , =464 MPa bu gerilme değerinde A malzemesi 1000 000 devir sonra kopacaktır. 3000 dev/dk lık bir dönüş hızında
1000000/3000 =333 dk lık bir yorulma ömrü ortaya çıkar.
b) Bu A malzemesi 450 MPa gerilme altında yorulma gerçekleşmemektedir. Buna göre den d=28,2 mm bulunur.
Bir malzemenin yorulma ömrünü mikroyapısı ve yüzey kalitesi önemli ölçüde etkiler. Malzemenin yüzeyinde izler çentikler varsa malzemenin yorulma ömrünü kısaltır. Aynı zamanda artan sıcaklık da yorulma ömrünü azaltır. Çünkü sıcaklığın artması malzemenin dayanımını düşürmektedir. Yorulma oranı malzemenin .ekme dayanımına bağlıdır.
Yorulma oranı= =~0.5 dir
Sürünme Deneyi
Malzemeler yüksek sıcaklıkta sabit bir yük altında (hatta kendi ağırlıkları ile bile) zamanla kalıcı plastik şekil değiştirmesine sürünme denir. Metalik malzemelerde sürünme ergime sıcaklığının ~1/3’ünde seramik malzemelerde ergime sıcaklıklarının ~2/5 sıcaklıklarında gerçekleşir.
Bu deneyde de yine standartlara göre hazırlanmış sürünme test numuneleri kullanılır. Sürünme test numunesi test cihazında tutma başlarından tutturularak yüksek sıcaklıkta sabit yük uygulanır. Zamana bağlı olarak her zaman diliminde numunede meydana gelen uzama oranı kaydedilerek Zaman-Uzama grafiği elde edilir. Tipik bir sürünme grafiği Şekil 19 deki gibidir.
t
(t)
Şekil 19. Tipik sürünme eğrisi
Şekilden de görüldüğü gibi sürünme gerçekleşen malzemede üç farklı sürünme aşaması görülür. Sürünmede etkin olan iki mekanizma vardır. Birisi deformasyon pekleşmesi diğeri toparlanmadır.
Birincil aşama: bu aşamada pekleşme hızı toparlanma hızından daha fazladır bu nedenle sürünme hızı yavaşlar.
İkincil aşama: bu aşama karalı aşama olarak da bilinir. Bu aşamada deformayon pekleşme hızı ve toparlanma hızı birbirine eşit olduğundan sürünme hızı da eşittir. Sürünme hızı şekildeki gibi ikincil bölgenin eğimidir.
Sürünme hızı= =tan=/t olarak ifade edilir.
Üçüncül aşama:Bu aşamada malzemenin kesitinde önemli bir daralma meydana gelir. Boyunlaşma olur. Bu aşamada yumuşama hızı pekleşme hızından daha fazla olur ve malzeme kopuncaya kadar sürünme hızı giderek artar.
Malzemenin Sürünme özelliklerine sıcaklık gerilme hızı ve mikroyapıları daha çok etki eder. Şekil 20. da malzemenin sürünmesine sıcaklık ve gerilmenin etkisi gösterilmiştir.
Şekil 20. Sürünme eğrisi üzerine sıcaklık ve gerilmenin etkisi
BÖLÜM 4
ÇELİKLERE UYGULANAN TEMEL ISIL İŞLEMLER
Isıl işlem kontrolümüz altındaki ısıtma-tavlama-soğutma sürecini kapsar. Yapı-İşlem-Özellik ilişkisine göre uygulanabilen herhangi bir ısıl işlemle çeliklerin mikroyapıları değişebilir. Bu değişim özelliklerini de etkiler. Endüstriyel olarak temelde çeliğe uygulanan ısıl işlemler; deformasyonla oluşan gerilimi gidermek, kısmen ya da daha çok sertleştirmek, yumuşatmak ve sekilendirilebilirliği artırmak, darbelere karşı direnci ve işlenebilirliği artırmaktır.
Bu ısıl işlemler, çeliğin kimyasal ve fiziksel özelliklerine göre uygulanabilir ya da uygulanamayabilir. Uygun ısıtma hızı, tavlama süresi ve soğutma hızının doğru seçimi hedeflenen yapının üretilmesi ve hedeflenen özelliklerin kazandırılması için son derece önemlidir. Bazen ısıl işlem sıcaklığındaki birkaç °C’lik fark kritik olup malzemenin özelliklerini beklenmedik şekilde değiştirebilir. Bu nedenle malzemede istenilen değişimler için ısıl işlem rotasını doğru bir şekilde tespit etmek gerekir. Bir malzemeye herhangi bir ısıl işlem uygulanacaksa, o malzemenin kimyasal bileşimi, CCT ya da TTT eğrileri ve gerekirse onların faz diyagramları tespit edilmesi gerekebilir.
Çeliklere uygulanan temel ısıl işlemler aşağıdakilerdir.
1. Gerilim giderme tavlaması
Çelik malzemeler bazen soğuk olarak deformasyona maruz kalabilirler. Bu durumda yapısında dislokasyon yoğunlukları artabilir ve böylece deformasyon sertleşmesi (pekleşmesi) gerçekleşir. Deformasyon pekleşmesi, malzemede çatlama ve kırılma riskini ortaya çıkarır. Bu riski ortadan kaldırmak için çeliğin gerilim giderme tavlanmasına ihtiyaç doğar. Gerilim giderme tavlamasının esası, çeliğin bozulmuş tane yapısını yeniden orijinal haline getirmek ve artan dislokasyon yoğunluğunu da minimum düzeye indirmek hatta yok etmektir. Bu ısıl işlem malzemede toparlanma ve yeniden kristalleşme sürecini kapsar.
2. Normalizasyon ısıl işlemi
Amaç: Bu ısıl işlemle,
a. daha ince tane ve daha homojen mikroyapı üreterek mekanik özellikleri geliştirmek amacıyla yapılır. Sertlik ısıl işlem öncesine göre kısmen artar. Daha da sertleştirmek için suverme ısıl işlemi uygulanır.
b. Ötektoid üstü kimyasal bileşime sahip çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağlarını dağıtmak ve böylece çeliğin işlenmesini kısmen daha kolaylaştırmak, kırılganlıklarını azaltmak (darbe dirençlerini geliştirmek) amacıyla bu ısıl işlem uygulanır.
Uygulama: Ötektoid altı kimyasal bileşime sahip çelik A3 sıcaklığının, ötektoid kimyasal bileşime sahip çelik A1 sıcaklığının üzerine ve ötektoid üstü kimyasal bileşime sahip çelikler ise Acm sıcaklıklarının 50-60 °C üzerine ısıtılarak tamamen östenitlenmesi için tavlanırlar. Ardından bu sıcaklıktan alınıp oda sıcaklığına kadar kendi halinde ya da hareketli hava ile soğutulurlar. Isıl işlem çevrimin şematik özeti Şekil 1 de ve Fe-Fe3C denge diyagramında da tavlama bölgesi gösterilmiştir.
Şekil 1 Gerilim giderme, normalizasyon, tam tavlama ve küreselleştirme ısıl işlemleri için şematik ısıl işlem çevrimleri
Uyarı: Östenitik bölgeden hava ortamında oda sıcaklığına soğutma denge dışı soğuma sayılır. Bu nedenle yapısında bulunan ferrit, sementit ve perlit oranlarını hesaplanması için Fe-Fe3C denge diyagramı kullanılmaz. Normalizasyon ısıl işlemi ile ötektoid harici birincil ferrit ve birincil sementit oranları tam dönüşümlerine izin vermediğinden daha çıkmasına neden olacaktır. Aynı çeliğe bu ısıl işlemin tekrar tekrar uygulanması ile tane yapısı daha da inceltilebilir. Ancak birkaç normalizasyon ısıl işlem çevriminden sonra tanelerin küçülme hızı ve etkisi yavaşlamaktadır. Şekil de ısıl işlem uygulanmamış ve normalizasyon ısıl işlemi uygulanmış aynı kimyasal bileşimli çeliğin mikroyapıları gösterilmiştir.
Şekil 2. Uygulanan temel ısıl işlemlerinin gerçekleştirildiği çeliğin Fe-Fe3C diyagramı üzerindeki bölgeleri
Şekil 3. Normalizasyon ve tam tavlama ısıl işlemlerinin çeliğin C oranına bağlı olarak bazı mekanik özelliklerine etkisi
Şekil 4. Normalizasyon ısıl işlemi uygulanmış çeliğin tipik bir mikroyapısı (SEM büyütme:x300)
3. Tam tavlama (Yumuşatma) ısıl işlemi
Amaç: Genel olarak, çeliğin tane yapısını ve perlit lamelleri arası mesafeyi artırarak sertliğini azaltmak, soğuk şekillendirmeyi, işlenebilmeyi artırmak amacıyla uygulanan bir ısıl işlemdir. Ayrıca döküm ve dövme parçalardaki iç gerilmeleri de azalmak amacıyla da uygulanır. Aynı zamanda tane ve kristal yapısı daha düzenli olacağından elektrik iletkenlikleri de artar.
Uygulama: Ötektoid altı kimyasal bileşime sahip çelikler A3 sıcaklığının üzerine, ötektoid ve ötektoid üstü kimyasal bileşime sahip çelikler A1 sıcaklıklarının 30-40 °C üzerine ısıtılıp mikroyapının östenite dönüşümü için belli bir süre tavlanıp çok yavaş soğuma hızında (fırının içinde fırınla birlikte) oda sıcaklığına soğutmaktır. Isıl işlem çevrimi özeti Şekil 1’de ve Şekil 2’de Fe-Fe3C denge diyagramında tavlama bölgesi gösterilmiştir. Şekil 5’de tam tavlanmış çeliğin mikroyapısı ısıl işlem uygulanmamış mikroyapısı ile birlikte verilmiştir. Şekil 3’de de Çeliğin C oranına bağlı olarak normalizasyon ve tama tavlama ısıl işleminin bazı mekanik özelliklere etkisi gösterilmiştir.
Şekil 5. Tam tavlama ısıl işlemi uygulanmış çeliğin tipik bir mikroyapısı(SEM büyütme:x300)
4. Suverme ve temperleme ısıl işlemi
Amaç: Çeliğin sertliğini ve aşınma direncini artırmaktır. Bunun için çelik Şekil 2’deki gibi Fe-Fe3C denge diyagramında gösterildiği gibi tamamen östenitlenir. Östenitlenmiş çeliğin kristal yapısı YMK olacağından C atomlarını rahatlıkla ara yer boşluklarında çözer (buna çözündürme de denir)ardından C atomlarının difüzyonuna izin verilmeyecek bir hızda (suda, yağda, hareketli havada) Ms (martensitik dönüşüm) sıcaklıklarının altına soğutulması ile mikroyapıda martensit fazının üretilmesi ile sağlanır. Su verilmiş bir çeliğin tipik bir martensitik mikroyapısı Şekil 6’da verilmiştir. Şayet, hızlı soğutma durumunda YMK yapıdan C difüzyonla uzaklaşırsa sementit ya da diğer alaşım karbürlerin oluşumu sağlayarak YMK yapı C’ca fakirleşir ve HMT yapıya dönüşemez HMK yapılı ferrit fazına dönüşür. Bu operasyonda YMK östenit fazı HMT martensit fazına dönüştürülür. Ms sıcaklıkları çeliğin içerdiği kimyasal bileşime bağlı olup C oranı arttıkça Şekil 7’deki gibi düşer. Mf sıcaklığı martensitik dönüşümün tamamlandığı sıcaklık olup çalışmalarla bu dönüşüm sıcaklığı tam net olarak belirlenemediğinden kesikli çizgi ile gösterilmiştir.
Şekil 6. Isıl işlem uygulanmamış ve suverme ısıl işlemi uygulanmış çeliğin tipik bir mikroyapısı (SEM büyütme:x300)
Şekil 7. Çeliğin C bileşimine bağlı olarak Ms ve Mf sıcaklıklarının değişimi
Ms sıcaklıklarının belirlenmesi için çeşitli formüller geliştirilmiş olup östenit fazında atomları çözünebilme durumunda;
Ms (°C)= 561-(474*%C)-(33*%Mn)-(17*%Ni)-(17*%Cr)-(21*%Mo)
formülü ile,
Orta ve yüksek alaşımlı çelikler için
Ms (°C)= 550-(350*%C)-(40*%Mn)-(17*%Ni)-(20*%Cr)
-(10*%Mo)-(8*%W)-(35*%V)
formülü ile belirlenebilir.
HMT Martensit fazı kristal kafes yapısının önemli ölçüde çarpılmasından dolayı oldukça serttir. Aynı zamanda östenitten martensite dönüşüm sırasında hacimce %2-4 oranında genleşme gerçekleşir. Bu genleşmeden dolayı kristal yapı çarpılabilir ya da malzemede suverme çatlaklarına neden olabilir. Bu nedenle çeliğin mümkün olduğunca daha yavaş soğutma hızlarında sertleştirilmesi gerekir.
Martensitik Dönüşümün Bazı Önemli Özellikleri
a. Martensit fazı östenit fazından difüzyonsuz olarak dönüşür.
b. Martensitik dönüşüm atermal soğuma ile meyadana gelir. Soğuma engellenirse dönüşüm sona erer.
c. Dönüşüm Ms gibi kesin bir sıcaklıkta başlar ve Mf sıcaklığının altında dönüşümü tamamlar. Sıcaklık sadece Ms nin altında tutulursa martensitik dönüşüm tamamlanmaz.
d. Soğutma hızı Ms dönüşüm sıcaklığını etkilemez. Ms sıcaklığını yalnız çeliğin kimyasal bileşimi etkiler.
e. Martensitik dönüşüm sırasında hacimce genişlemeden dolayı östenit fazının tamamı martensit fazına dönüşmeyebilir. Dönüşemeyen östenitler, Mf sıcaklığının altında kalıntı östenit olarak martensitin çıta yada iğneleri arasında sıkışır. Kalıntı östeniti klasik metalografik yöntemiyle belirlemek oldukça zordur. Bunların belirlenmesinde X-ray, EDS, TEM ya da Mössberr yöntemleri kullanılabilir.
f. Martensitik dönüşüm kararlı değildir. İmkan verildiğinde ferrit ve sementit gibi kararlı olan fazlara ayrışır.
g. Martensit çelikte sementitten sonra gelen en sert fazdır. Yüksek sertlik olabilmesi için yeterli C içermesi gerekir. Çeliğin içerdiği C oranı artarken martensitin sertliği de artar martensitik dönüşüm için gerekli Ms sıcaklığı ve kritik soğutma hızı azalır. Kalıntı östenit oluşma ihtimali artar.
Martensit bu yüksek sertliğinden dolayı çeliği gevrekleştirir. Yani darbelere karşı direncini düşürür. Bu nedenle martensitin temperlenmesi gerekir. Temperleme sıcaklığı ve süresi çeliğin kimyasal bileşimine göre değişebilir. Temperlemenin amacı HMT yapıda sıkışmış C atomlarının kafesten uzaklaşmasını sağlamak ve HMT yapının c-eksenin azaltılmasını sağlayarak sertliği kısmen düşürmektir. Temperleme sıcaklıklarına bağlı olarak C’lu çeliğin mekanik özelliklere etkisi Şekil 8’de verilmiştir.
5. Küreselleştirme ısıl işlemi
Amaç: Yüksek C’lu çeliğin işlenebilirliğini artırmak için uygulanır. Yüksek C’lu çelikte tane sınırlarına sürekli çökelimiş sement ağ tabakasının bağlantılarını koparmak ve sementiti küreselleştirmektir.
Uygulama: Çelik, Şekil 1 ve Şekil 2’de gösterildiği gibi A1 sıcaklığının hemen altında çok uzun süre ile tavlanır. Çelik A1 sıcaklığının hemen altında ve hemen üzerinde salınımlı olarak tavlanırsa sementitin küreselleştirilmesi daha etkili olur. Bunun için çelik öncelikle A1 sıcaklığının üzerine ısıtılır daha sonra fırınla birlikte A1 sıcaklığının altına çok yavaş soğutulur ve fırında uzunca bir süre bekletilir. Ardından oda sıcaklığına yavaş soğutularak gerçekleşir. Şekil 9’da küreselleştirme ısıl işlemi sonrası elde edilen bir mikroyapı gösterilmiştir.
6. Östemperleme ısıl işlemi
Bazı ısıl işlemler devamlı soğutma ile gerçekleşirken, bazıları da östemperleme gibi izotermal dönüşümle gerçekleştirilir. Bunun için çeliklerin devamlı soğuma (CCT) ve izotermal dönüşüm (TTT) diyagramlarından yararlanılır.
Amaç: Çelikte beynit üreterek darbe direncini artırmaktır.
Uygulama: Bunun için çelik öncelikle tamamen östenitlenir ve ardından Ms sıcaklıklarının üzerinde izotermal tavlanarak beynit yapısı üretimi gerçekleştirilir. Şekil 10’daki gibi soğutma ve izotermal tavlama uygulanır.
7. Martemperleme (Marsuverme) ısıl işlemi
Martensit fazı üretmek için su verme sırasında özellikle kalın kesitli malzemelerin yüzeyinde Şekil 11’de şematik olarak gösterildiği gibi, gerilmeden dolayı severme çatlakları oluşabilir. Bu çatlaklar suverme sırasında oluştuğundan temperleme işleminin uygulanması bu çatlakların önüne geçemez. Bu nedenle çelik Ms sıcaklıklarının üzerinde beynit yapısının oluşumu gerçeklemeyecek kadar bir süre bekletilir ve sonra su verilir. Bu bekletme esnasında çeliğin yüzeyi ve merkezi arasındaki sıcaklık farkı giderilir. Su verme sonrası yüzeyde gerçekleşebilecek su verme çatlaklık riski önlenmiş olur. Ardından martensitin temperlenmesine de ihtiyaç olmaz. Bunun için Şekil 12’de gösterildiği gibi bir ısıl işlem çevrimi uygulanır.
8. Arakritik tavlama ve suverme ısıl işlemi
Bu ısıl işlem ilk defa 1970’li yılların başında HSLA çeliklerin sünekliklerini ve şekillendirilebilirlerini artırmak için uygulanmıştır. Günümüzde farklı kimyasal bileşime sahip çeliklere farklı amaçlar için uygulanmaktadır. Bu ısıl işlem için çeliğin ötektoid altı bir kimyasal bileşime sahip olması gerekir. Isıl işlem çeliğin A1 ve A3 sıcaklıkları arasında ferrit ve kısmi östenit fazlarının oluşturulması için tavlanması ile başlar ve östenitin martensit fazına dönüştürülmesi için hızla soğutulmasıyla tamamlanır. Böylece ferrit+martensit fazları içiren mikroyapı üretilir. Bu fazların üretildiği çeliklere çift fazlı çelikler adı verilmektedir.
Bu ısıl işlemin avantajı, A1 ve A3 arasındaki sıcaklıkları değiştirerek çelikteki martensit fazının oranları ve hatta martensitin morfolojileri kontrolümüz altında değiştirilek çeliğe istenilen yönde özellikler kazandırılabilir. Bu özellikler süneklik, akma ve çekme dayanımı, sertlik, tokluk, aşınma direnci, işlenebilirlik, şekillendirilebilirlik ve yorulma sayılabilir. Bu ısıl işlemle üretilmiş tipik bir çift fazlı çelik mikroyapısı gösterilmiştir.
9. Yaşlandırma (Çökelti Sertleştirme) ısıl işlemi
Metalik bir malzemenin sertlik ve mukavemetini artırmak için üç temel yöntem vardır. Bunlar soğuk şekil verme (plastik deformasyon), katı eriyik sertleşmesi ve çökelme dağılımı ile sertleşmesidir.
Alaşım elementleri, ana metale özelliklerini değiştirmek ve arzu edilen karekteristikleri kazandırmak için eklenir. Alaşım elementlerinin katı saf metale ilavesiyle, elektriksel iletkenlik ve süneklikte azalma, sertlik ve mekanik dayanımda artışa neden olur ve bu katı eriyik sertleşmesi veya alaşım sertleşmesi adını alır. Çökelme dağılımı serleştirme ısıl İşlemi bazı alaşımlar için sertlik ve dayanımı arttırmak için geliştirilmiş temel sertleştirme mekanizmasıdır. Alaşım elementlerinin belli yüksek sıcaklıkta solvüs eğrisi üzerinde çözünebilme özelliğine bağlıdır. Bu metodun temel prensibi örnek olarak Al-%4 alaşımında olduğu gibi Şekil 14’deki gibi bir faz diyagramına sahip olması gerekir.
Bu faz diyagramından da görüldüğü gibi alaşımın azalan sıcaklıkla beraber azalan katı eriyebilme sergilemesi gerekir yani bu gibi bir solvüs eğrisine sahip olması gerekir. Tipik bir yaşlandırma ısıl işlemi uygun kimyasal bileşime sahip alaşımın (örneğin Al-%4 Cu alaşımı) 1. sıcaklık noktasındaki gibi tek fazlı yapıya dönüştürülmeli yani örnekte olduğu gibi Al içince Cu atomları çözündürülmelidir. Alaşım şayet 2. sıcaklık noktasına yavaşça soğutulursa Al ana yapısında CuAl2 çökeltileri Şekil 15’deki gibi Al tane sınırlarına çökelir. Oysaki buna benzer çökeltilerin ana yapı içerisine homojen bir şekilde dağıtılırsa sertlik ve mukavemet artırılır. Bu da yaşlandırma ısıl işlemi ile sağlanabilir. Bu ısıl işlem özetle
1. Çözündürme ısıl işlemi (1. sıcaklık bölgesinde tavlama)
2. Hızlı soğutma (2. sıcaklık noktasına yani oda sıcaklığına hızla suverme ile 1. sıcaklık noktasındaki yapı aynen korunur. Henüz CuAl2 çökeltilerinin oluşumuna izin verilmemiştir.
3. Çökeltme (yaşlandırma) işlemi (oda sıcaklığında ya da kısmen daha üst sıcaklıklarda 3. sıcaklık noktasında ince ve homojen dağılımlı çökeltiler üretmek) Bu aşamada yaşlandırma sıcaklık ve zamanına bağlı olarak Al Cu alaşımının sertliği ve mukavemeti artacaktır. Şekil 16’daki gibi yaşlandırma zamanının ilerleyen safhalarında sertlik artmış daha fazla yaşlandırma zamanı uygulandığında alaşım aşırı yaşlanarak sertlik ve mukavemet düşmektedir. Bu nedenle alaşımın ideal yaşlanma zamanının bilinmesi önemlidir.
Sertleşebilirlik
Sertleşebilirlik kavramı sertlikten daha farklıdır. Sertlik bir malzemenin kendinden daha sert cisme karşı gösterdiği dirençti oysaki sertleşebilirlik östenitin martensite dönüşebilme yeteneğidir. Östenitlenmiş bir çelik malzeme ne kadar yavaş bir soğuma hızıyla martensit fazı üretebiliyorlarsa o kadar yüksek serleşebilirliğe sahiptir demektir.
Bir çeliğin sertleşebilirliği Jominy ya da Grosmann metodu ile belirlenir. Her iki deneyin amacı da çeliğin sertleşebilirliğini belirlemektir. Jominy deneyinde sonuca ulaşmak daha kolaydır. Bu metotta, Şekil 16’daki gibi 25 mm çapında 100 mm boyunda bir numune hazırlanır. Ardından östenitleme sıcaklığına kadar ısıtılır. Östenitlenen çeliğin ucuna soğutma amaçlı su tatbik edilir. Çelik tamamen soğutulunca su verilen uçtan itibaren belli aralıklarda içe doğru sertlikleri ölçülerek Şekil 17’deki gibi mesafe-sertlik grafikleri çizilir.
C ve diğer alaşım elementleri çeliğin CCT ve TTT diyagramlarının perlit burnunu uzun zamana öteler. Bu da çeliğin sertleşebilirliğinin artması demektir. Şekil 19’da 1020 (%0.2C içeren) çeliğinin, Şekil 20’de de 1080 (%0.8 C içeren) ötektoid çeliğinin CCT diyagramı verilmiştir. C oranı artırıldığında perlit burnu daha uzun zamanlara ötelenmiştir.
Yapılan tüm ısıl işlemler çeliğin sertliğini artırmak ya da azaltmak içindir. Östenitik bölgeden farklı soğutma hızı uygulandığında farklı yapı ya da fazlar üretilecektir. Bu faz ya da yapılar çeliğin sertliğini değiştirecektir. Şekil 21’de ötektoid altı ve ötektoid üstü çeliğin soğuma eğrileri sonuçta elde edilecek sertlik değerleri ile mukayeseli olarak verilmiştir.
Yüzey Sertleştirme Yöntemleri
Çelik malzemelerin hem aşınma hem de darbe dirençlerinin yüksek olması istendiğinde yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır. Bunun için malzemenin yüzeylerinin sert, iç bölgelerinin nispeten yumuşak olması gerekir. Çelik parçaların yüzeyleri sementasyon (karbürleme), nitrürasyon (nitrürleme), alevle ve endüksiyonla sertleştirme olmak üzere dört ana yöntemle sertleştirilir. Bu işlem malzemenin kimyasal bileşimine ve boyutlarına göre uygulanır.
Yüzey sertleştirme krank milleri, kam milleri, kamalı miller, dişli çarklar, saplamalar, kavrama parçaları, zincir parçaları, tırtıllı tahrik parçaları gibi elemanlara uygulanır. Yüzey sertleştirilmiş parçaların aynı zamanda yorulma ömürleri de yükselir
1.Sementasyon
Sementasyon terimi bir tür termo-kiyasal işlemdir ve yüzeyi sertleştirilecek parçanın yüzeyine istenilen derinlikte yüksek oranda C difuzyonun sağlanmasıdır. Sementasyon % 0,2 den daha az C içeren çeliklere sıklıkla uygulanır. Bu işlemin esası, düşük karbonlu çeliklerin yüzeyine C emdirme karbon verici bir ortamda ve Ac3 sıcaklığını üzerindeki bir sıcaklıkta (östenitleme sıcaklığında) uygun bir süre tutulması ile gerçekleştirilir.
Fe- Fe3C denge diyagramı incelendiğinde de görüleceği üzere ferrit fazı en fazla % 0,025 oranında C çözebilirken, östenit %2 oranına kadar C çözebilmektedir. Bu nedenle sementasyon işlemi uygulanacak çelik parçalar östenitleme bölgesi olan 900-950 °C arasındaki bir sıcaklıkta, C verici bir ortamda yeterli bir süre tavlanırlar. Yüzeye emdirilecek C kaynağı katı, sıvı veya gaz olabilir.
Katı ortam olarak grafit, odun kömürü ile baryum karbonat karışımı, sıvı ortam olarak siyanür banyosu ve gaz ortamı olarak da hidrojen ya da azotla karıştırılan karbonmonoksit, metan ve propan gibi gazlar kullanılabilir. Semantasyon işlemi için yapılan uzun süreli tavlama nedeniyle parçanın iç bölgelerinde tane tane irileşmesi gerçekleşir ve iç kısımlar daha da yumuşar. Semetasyon için çelik östenitleme sıcaklığı yani Ac3 sıcaklığının üstünde (yaklaşık olarak 900 °C) ısıtılmaktadır. Bu sıcaklıkta östenit % 1 den fazla C’u rahatlıkla çözündürebilir. C miktarına ve sıcaklığa bağlı olarak, C atomları yüzeyden merkeze doğru difüze olur (yayınır). Şekil 22’de yüzeyden merkeze doğru yayınan C kimyasal gradyanı zamanla nasıl değiştiği gösterilmiştir. Sıcaklık ne kadar yüksekse bu difüzyon olayı da o kadar hızlı olur. C’un yapıya nüfuz etme derinliğini tavlama (sementasyon) süresi ve sıcaklık etkidiği gibi sementasyon işlemi uygulanan çeliğin orijinal kimyasal bileşimi de etkiler.
Tuz banyosunda sementasyon için çelik malzeme ön bir tavlama işlemi uygulandıktan sonra sudan arındırılmış bir tuz eriyiği içerisine 850-950 °C’de daldırılırlar. Kullanılan tuzlar ticari anlamda kolay bulunabilen karbon taşıyıcı olarak sodyum siyanür (NaCN) ihtiva eden tuzlardır. Yüksek sıcaklıkta siyanür parçalanarak C ve bir miktar N verir. N sementasyonu kolaylaştırır ve süreyi azaltarak avantaj sağlar. Tuz banyoları içerinde sementasyon işlemiyle doğrudan sertleştirme mümkündür.
Gaz karbürizasyon hidrokarbon, metan, etan, propan gibi gazlar kullanılır. Bu gazlar, CO2, H2, N2 gibi taşıyıcı gazlarla seyreltilerek yüksek sıcaklıkta karbürlenecek çelik üzerine gönderilir. C’un çelik içerisine difüze olmasını sağlamak amacıyla bu sıcaklıkta istenen sertleştirme tabakası kalınlığına göre belirli bir süre bekletilir. Yüzeyde istenen sertliğe ulaşılabilmesi için, işlem sonrası su verme uygulanır.
Herhangi bir T sıcaklığında, bir x mesafesi kadar yüzeyden merkeze yayınan elementlerin (C,N vb) t zamanına bağlı olarak konsantrasyon değişimi 2.Fick’s kanunun genel çözümüne göre ilişkilendirilmektedir. Bu genel çözüm aşağıdaki eşitlikle verilmektedir. Bu denklemle örneğin karbürlenecek çelikte yüzeyden merkaze ne kadar derinlikte ve her hangi bir istenen x mesafesinde ne kadar C oranı sağlanabileceği karbürleme zamanını ve sıcaklığı tespit edilebilir.
Burada CS: malzemenin yüzeyinde sağlanan kimyasal bileşim oranı, CX: her hangi bir t zamanında yüzeyden merkeze x mesafedeki kimyasal bileşim oranı, C0: malzemenin orijinal kimyasal bileşim oranı, D: yayınan (difüze olan) elementin difüzyon katsayısı, t: zaman.
İstenilen bir X mesafesinde yüzeyine C emdirilen çelik, yüzey sertleştirilmesi için su verilir. Su verme sıcaklığı, karbürleme sıcaklığından genellikle daha düşük bir sıcaklıktır. Gaz karbürleme sıcaklığı 925 °C yapıldığında su verme sıcaklığı 825 °C’ye düşürülür. Çünkü bu sıcaklık yüzeyin halen östenitik olmasına yeterli bir sıcaklıktır. Ayrıca daha düşük sıcaklıkta su verme yapıldığında çelikte çarpılma riskinin daha aza indirecektir. Su verilmiş yani sertleştirilmiş çelikte çatlama riski yoksa malzeme doğrudan temperleme yapılmadan kullanılabilir. Ancak temperlenmeleri gerekiyorsa 150 – 200 °C gibi düşük sıcaklıkta yapılması tavsiye edilir. Çünkü temperleme ile sertliğin çok fazla düşürülmemesi gerekir.
Pratik uygulamalarda kullanılan sementasyon çelikleri Tablo 1’de verilmiştir. Kimyasal bileşimlerinden de dikkat edileceği gibi bu çeliklerin hemen hemen tümünün orijinal C oranları %0.2’nin altındadır.
2. Nitrürasyon (Nitrüleme)
Nitrürleme, yine sementasyon işleminde olduğu gibi düşük karbonlu ve nitrür oluşturma özelliğine sahip alaşım elementleri içeren çeliklere uygulanır. Al, Cr, V ve Mo gibi alaşım elementleri nitrür oluşturan elementlerdir. Nitrürasyon çeliklerinde bulunan bu elementler kayma olayını engelleyerek sertliğini artırırlar. Çelikler ferritik (HMK) şartlarda iken yüksek sıcaklıkta (A1 sıcaklığının altında) yüzeye atomik azot (N) ilave edilerek yüzey sertleştirme işlemi sağlanır. Genellikle bu işlem, çelik tipine ve arzu edilen derinliğe bağımlı olarak 1- 100 saat süreyle 495-595 °C sıcaklıklarında gerçekleştirilir. Bu işlemde, Azot verici ortam olarak genelde sodyum siyanür (NaCN) ve potasyum siyanür (KCN) içeren 550 °C sıcaklığa sahip banyolar kullanılır. Bu banyolar siyanür içerdiklerinden oldukça zehirli olduklarında dikkatli kullanılmalıdır.
Nitrürleme işlemi için sıvı banyolar yerine gaz nitrürlemeler de kullanılabilir. Bunun için NH3 (amonyak) gazı kullanılır. Bunun için bu gaz çelik üzerine gönderilirken yaklaşık 500-550 °C sıcaklıklara ısıtıldığında aşağıdaki gibi reaksiyonla Azot ve Hidrojen’e ayrışırlar.
NHN+3H
Ayrışan buradaki N çeliğin yüzeyinde çeşitli formlarda nitrür katmanları oluşturur. Nitrürlenmiş çeliğin yüzeyi sementasyon uygulanan çeliğin yüzeyinden daha serttir ve nitrürleme sıcaklıklarına kadar dengelidir. Nitrürlenmiş çelikler mükemmel sayılabilecek bir aşınma direncine sahiptirler. Ayrıca nitrürlenmiş çeliklerin yorulma ömürleri fazla ve yüksek sıcaklıklara ve korozyona karşı direnç sağlarlar.
Nitrürleme, işlemi çeliği östenitik sıcaklıklara ısıtmayı ve ardından martensit oluşturmak için su vermeyi gerektirmediği ve nispeten düşük sıcaklıklarda yapabildiği için iş parçasında karbürleme ve geleneksel su verme ve temperleme işlemlerinden daha az çarpılma deformasyonu oluşur.
Martenzitten çok daha sert olan ( HV = 900) yüzey katmanı sürtünmeler sonucu aşınmaz. lıdır. Bu işlemin uygulandığı yerler krank ve kam milleri, aks mafsalları, dişli çarklar, direksiyon takımları, silindir yuvaları, silindir başları, hidrolik direksiyon parçaları vb dir. Bu parçalar için banyoda yapılacak nitrürasyon işlemi uygulanırsa, sementasyon işleminden kısmen daha ucuzdur ve çarpılma ile taşlama işlemlerine gerek kalmaz.
Sıvı ve gaz nitrürleme işlemlerinin yanı sıra plazma nitrürleme ( iyon nitrürleme ) yöntemi de vardır. Yine aşınma ve yorulma direnci sağlamak için uygulanır. Plazma nitrürlemenin en önemli avantajı bir elektriksel alan altında çelik yüzeyine yüksek enerjili N iyonlarının kütlesel transferini artırmasıdır. Böylece daha hızlı nitrürasyon işlemi gerçekleşir.
3. Karbonitrürasyon ( Karbo-Nitrürleme)
Karbonitrürleme, aynı anda aynı ortama karbon ve azot atomları yayınımını sağlayan bir işlemdir. Karbürizasyon ve nitrürasyon işlemlerini karışımı şeklinde olan bu yüzey sertleştirme işlemi, N’un C’la birlikte çelik yüzeyine difüzyonu için karbürleme gazına amonyak ( NH3 ) ilavesiyle yapılabilir. Karbonitrürleme genellikle karbürlemeden daha kısa bir sürede ve düşük sıcaklıkta yapıldığı için yüzeye karbürizasyona göre daha fazla azot ve daha az karbon emdirilirmiş olur. Bu nedenle,
|
 Sayfalar:
[1] |
|
Ara
