Demir-Karbon Denge Diyagramları ve Demir-Karbon Alaşımlarının İçyapıları Alaşımlarının İçyapıları

Metal ve metal alaĢımlarını daha kolay anlayabilmek için denge diyagramlarından faydalanılır. Faz diyagramlarının bir diğer adı denge diyagramlarıdır ve herhangi bir sıcaklıkta denge durumundaki içyapıları verir, yani söz konusu fazların oluĢumu için gerekli yayınma sürelerinin var olduğu kabul edilir. Dolayısıyla soğumanın yavaĢ gerçekleĢtirildiği ve sıcaklığın her an dengenin sürdürülebileceği yavaĢlıkta değiĢtirildiği varsayılır. Böylece kararlı yapılar elde edilir. Pratikte ise bu durum farklı olabilir, soğuma hızlı olabilir ve zaman çok önemli bir faktör haline gelebilir. Gerekli yayınma süresi var olmadığından, faz değiĢimi için koĢulların aynı olmasına rağmen,

23

soğutma hızının farklı olduğu durumlarda çok farklı yapılar ortaya çıkabilir.

Bunlara kararsız yapılar adı verilir. Yani istenilen içyapılara ulaĢmak için sıcaklık yanında zamanda önemlidir. Bu amaçla faz diyagramlarına zaman boyutunun da eklendiği ZDS (zaman-sıcaklık-dönüĢüm) diyagramları geliĢtirilmiĢtir [82].

Şekil 2.4. Zaman-sıcaklık-dönüĢüm diyagramı [82].

Polimorfik özelliğe sahip olan demirin katı halde üç değiĢik kafes yapısı vardır. ġekil 2.4‟ de saf demirin allotropik hallerini görmekteyiz. 1530 C‟ de sıvı halden katı hale geçerken önce hacim merkezli kübik kafes (b.c.c.) yapı oluĢur, buna delta demiri denir. 1400 C‟ de delta demiri yüzey merkezli kübik (f.c.c.) yapıya dönüĢür. Bu yeni faza austenite veya gama demiri denir.

Austenite 910 C‟ de f.c.c. yapısından tekrar b.c.c. yapısına dönüĢür ve buna

24

da ferrite veya alfa demiri denir [5,79,80]. Demir-karbon denge diyagramında görülen baĢlıca reaksiyonlar Çizelge 2.1‟ de verilmiĢtir.

Çizelge 2.1. KatılaĢma ve katı hal dönüĢümleri için baĢlıca reaksiyonlar (L-sıvı faz, -katı faz, - katı faz, -katı faz) [83].

Bu reaksiyonlar sonucu elde edilen baĢlıca yapılar Ģunlardır:

 Ferrite: YumuĢak, kolay Ģekil verilen ve manyetik özelliğe sahip bir yapıdır. α-demiri olarak bilinir ve kristal kafes yapısı b.c.c. Ģeklindedir.

C atomları Fe atomları arasında az miktarda yeralan atomlar olarak ya da arayer atomları olarak bulunur. Demir-karbon denge diyagramının en yumuĢak yapısıdır. Tokluğu düĢüktür, uzaması %40 „a kadar varır.

Az miktarda C içerdiği için sertliği ve mukavemeti düĢüktür, fakat

25

sünekliliği ve iĢlenebilirliği yüksektir. Atomik dolgu faktörü 0,68 ve örgü parametresi ise 2,86 Å‟ dır.

Şekil 2.5. Ferrite yapı

Şekil 2.6. Austenite, ferrite ve martensitenin kafes yapıları

26

Dökme demirler ve çeliklerin geniĢ bir çeĢitliliği tamamen ferritenin özelliklerini gösterirler. Ancak, birkaç ticari çelik tamamen ferritiktir.

Örnek olarak, aĢırı düĢük karbonlu çelik tamamen ferritik mikro yapıdadır [8].

Ferrite genellikle, demirin karbon veya bir ya da daha fazla çok alaĢım elementlerini (silisyum, krom, mangan, nikel) içeren katı bir çözeltisidir.

Katı çözeltilerinin iki tipi vardır; arayer atomu ve küçük yeralan atomudur. Bir arayer katı çözeltisinde elementler küçük atomik çaptadırlar. Bir küçük yeralan katı çözeltisinde ise elementler benzer atomik çaptaki atomların yerini alır veya demir atomlarının yerini alırlar [8].

Bu iki tip katı çözelti ferrite farklı özellikler kazandırır. Örnek olarak, arayer elementleri (karbon ve nitrojen gibi) açık b.c.c. örgü boyunca kolayca difüz edebilirler. Mangan ve nikel gibi küçük yeralan elementler ise büyük zorlukla difüz ederler. Bundan dolayı, bir arayer katı çözeltisinde demir ve karbon ısıl iĢlem boyunca hızlıca karĢılık verirken, küçük yeralan katı çözeltisinde homojenleĢtirme gibi bir ısıl iĢlem boyunca yavaĢ karĢılık verirler [8].

 Cementite: KatılaĢma sırasında karbon, demirkarbür (Fe3C) yapısında cementite denilen ayrı bir kristal oluĢturur. % 93,33 ferrite ve % 6,67 karbondan oluĢan bir bileĢiktir. Oldukça sert ve gevrek bir yapısı vardır. Çekme mukavemeti düĢük ama basma mukavemeti fazladır. Çeliğin sert olmasını sağlar. 215 C sıcaklıkta mıknatıslanma

27

özelliğini kaybeder. Biçimlendirilme özelliği olmayan, kırılgan, çeliğe dayanım ve sertlik veren bir yapıdır. Fe-C diyagramındaki en sert faz olup, ortorombik kristal yapıya sahiptir [8].

Şekil 2.7. Cementite yapı

 Pearlite: Çeliklerde, α-demiri yalnız bulunmaz. Cementite ile birlikte pearlite denilen yapıyı oluĢturur. Bu yapıda cementite, ferrite içinde lamel Ģeklinde bulunur. Bu iki faz ince ve sık tabakalar (lameller) halinde oluĢur. Kırıldığı zaman inciyi (pearl) andıran görünüĢü sebebiyle pearlite adını alır. %87 ferrite ve %13 cementiteden oluĢur.

Bu yapı aynı zamanda ötektoid yapı olarak da bilinir. Bu noktada %C oranı 0,83 ve sıcaklık ise 723 C‟ dir. Yüksek mukavemet, yüksek sertlik ve iyi aĢınma direncine sahiptirler. F.c.c. demir kafesi, b.c.c.

demir kafesine ani olarak dönüĢür. Bu arada yapıdaki C atomları da b.c.c. kafesi içinden dıĢarı itilir, difüzyon yoluyla kafesten ayrılır ve

28

cementite plakaları halinde bir araya gelir.

Şekil 2.8. Pearlite yapı ve Ģematik gösterimi

Pearlite yapıda, cementite ve ferrite lamel denilen paralel düzlemler olarak yerleĢir. Ferrite-cementite lamelleri arasındaki mesafe tarafından tamamen pearlitic (perlitik) bir çeliğin özellikleri belirlenir.

Cementite lamellerinin kalınlığı, pearlitenin özelliklerinde etkilidir. Ġnce cementite lamelleri kalın cementite lamelleri ile karĢılaĢtırıldığında deformasyon boyunca kırılmaya eğilimlidir. Buna rağmen tamamen

29

pearlitic çelikler, yüksek mukavemet, yüksek sertlik ve iyi aĢınma direncine sahiptirler. Ayrıca onlar zayıf süneklik ve tokluğa sahiptirler [8].

 Bainite: Karbon ve cementite„ e doymuĢ “-ferrite” karıĢımından oluĢan bir yapıdır. Pearlite yapıdan farklı bir yapıdır. Daha serttir, iğne Ģeklinde tane yapısına sahiptir. Yüksek mukavemete ve iyi tokluğa sahiptirler. Ġlk soğutma hızlı, sonra yavaĢ olması halinde bu yapı oluĢur [8]. Bainitenin kristalografisi, klasik KS (Kurdjumov-Sachs) ve NW (Nishiyama-Wasserman) yönelimlerine yakın olmakla beraber kesin olarak KS ve NW ile açıklanamaz.

Şekil 2.9. Bain dönüĢümü

Bainite iki Ģekilde sınıflandırılır. Bunlar, alt bainite ve üst bainitedir.

30

GörünüĢ olarak üst bainite, alt bainiteden daha kalındır. Ancak ikisi arasında doğru karar vermek elektron mikroskobuyla mümkündür. Üst bainitenin içinde demir karbür faz, sınırlarda çubuk Ģeklinde oluĢurken, alt bainite de ise çubukların içindeki özel kristalografik habit düzlemlerinin üzerinde Ģekillenir. Morfolojilerindeki farklılıklardan dolayı, alt ve üst bainitenin mekaniksel özellikleri de farklıdır. Alt bainite ince bir iğnemsi yapısı ve kafes içindeki karbürleriyle, iri yapılı üst bainiteden daha yüksek mukavemete ve tokluğa sahiptir [8].

Şekil 2.10. Bainite yapı (Bainitic-Ferrite)