Faz dönüĢümleri, malzemelerde meydana getirdikleri mikro ve makro değiĢiklikler sayesinde ve bunların teknolojik olarak kullanımlarından ötürü günümüzde oldukça ilgi gören bir konu haline gelmiĢtir. Metal alaĢımları özellikle de demir ve çelik alaĢımları, göstermiĢ oldukları difüzyonlu ve difüzyonsuz faz dönüĢümlerinden dolayı endüstriyel alanda yoğun bir Ģekilde kullanılmaktadır.
Demir ve çeliklerin özellikleri, kimyasal bileĢime, iĢleme yoluna ve materyalin mikro yapısına bağlıdır; bu durum yirminci yüzyılın baĢlarından beri bilinmektedir. Belirli bir demir kompozisyonu için çoğu özellik mikro yapıya bağlıdır. Çelikler, demirler ve dökme demirlerde mikro yapı unsurları ferrite, pearlite, bainite, cementite, martensite ve austenite isimlerine sahiptir. Çelik ve dökme demirlerin geniĢ bir yelpazesi tam ferrite özelliklerini gösterir.
Bununla birlikte, sadece birkaç ticari çelik tamamen ferritiktir. Tamamen ferritik bir mikro yapıya örnek olarak çok düĢük karbonlu çelik gösterilebilir [8].
Lee ve Bhadeshia (2003), Fe-%2,05Si-%3,07Mn-%0,7Mo,%0,22C alaĢımına homojenleĢtirme ve plastik deformasyon uygulayarak izotermal bir dönüĢümle austenite fazın ferrite faza dönüĢümünü incelemiĢtir. Farklı ısıl iĢlem sıcaklıklarında ve farklı ısıl iĢlem sürelerinde iğnemsi ferrit (acicular ferrite) ve allotriomorphic yapıları gözlemlemiĢ, buna ek olarak sürekli soğutma ve izotermal bir dönüĢümle bainite ve acicular ferrite yapı oluĢumunu ve yine aynı numuneye farklı oranlarda deformasyon uygulayarak
5
aynı ürün fazların oluĢtuğunu bildirmiĢ ve bu fazların oluĢum kristalografilerini açıklamıĢlardır [9].
Bainite yapı, ilk olarak Bain ve Davenport tarafından tanımlanmıĢtır [10].
Pearlite-martensite dönüĢüm kademesi aralığındaki alana bainite denilir.
Bainite, ferrite ve cementitenin bir arada bulunduğu yeni bir düzenle oluĢur.
Deneysel uygulamalarda genellikle metal alaĢımlarının izotermal bir soğutma altında dönüĢüme uğraması sonucu austenite yapının bainite‟ ye dönüĢümü gözlenir [11]. Ayrıca, bainite yapı yüksek dönüĢüm sıcakları altında oluĢan difüzyonlu veya difüzyonsuz bir faz dönüĢümüdür [12]. AĢırı doymuĢ ferrite olarak tanımlanan bainite yapı kristalografik olarak ferrite gibi kübik bir yapı sergiler. Bugüne kadar yapılan bazı çalıĢmalarda kristalografik olarak austenite - bainitic ferrite (beynitik ferrit) faz dönüĢümlerinde; Srinivasan ve Wayman Fe-%7,9Cr-%1,11C çeliğinde G-T (Greninger-Troiano) türü, Bhadeshia ve Edmonds N-W (Nishiyama-Wassermann) türü,
Fe-%0,34C-%0,25Si-%0,6Mn-%4,5Ni-%1,3Cr çeliğinde Hokestra ve arkadaĢları ise K-S (Kurdjumov-Sachs) türü yönelim bağıntılarını bulmuĢlardır [13-15]. Ayrıca bainite oluĢumunda alaĢımın içerdiği karbon miktarı ile alaĢıma eklenen diğer elementler için literatürde, düĢük karbonlu alaĢımlara eklenen Mo, Cr ve V gibi karbür ihtiva eden alaĢım elementlerinin yapıyı bainitic hale dönüĢtürdüğünden bahsedilmiĢtir [16].
Fe-%20Ni-%6Mn-%0,009C ve Fe-%19Ni-%3,5Mn-%0,009C alaĢımları üzerinde M. X. Zhang ve P. M. Kelly yaptıkları çalıĢmalarda ürün faz olarak oluĢan martensite ve bainite yapılarının yapısal ve kristalografik özelliklerini
6
incelemiĢtir. Ġzotermal dönüĢüm yöntemi uygulayarak, %6 Mn oranı içeren alaĢımda martensite yapı (-70 C), %3,5 Mn oranı içeren alaĢımda ise bainite yapı (400 C) oluĢumunu gözlemiĢlerdir [17].
L. C. Chang, Fe-%2,12Mn-%2Ni-%1,77Si-%0,1C,
Fe-%2,16Mn-%2,07Ni-%2,01Si-%0,27C ve Fe-%2,15Mn-%2,10Si-%0,46C alaĢımları üzerinde yaptığı çalıĢmalarda yüksek, orta ve düĢük oranlarda C içeren ve aynı zamanda yüksek Si oranlarına sahip çeliklerde, alt ve üst bainitenin mikro yapısını ve dönüĢüm reaksiyon kinetiğini araĢtırmıĢtır [18]. Bainitenin yüksek dönüĢüm sıcaklıklarında meydana gelen difüzyonlu ve difüzyonsuz bir faz dönüĢümü olduğunu belirtmiĢtir. Aynı zamanda alt bainite içerisindeki cementit oluĢumunu da rapor etmiĢtir [19,20].
Yüzdece düĢük karbonlu bainitic çeliklerde mekanik özellikler üzerine Irvine ve Pickering tarafından yapılan çalıĢmada, Karbon oranının %0,1‟ e kadar azaltılması sonucunda, Boron ve Molibden ilavesi ile oluĢan bainite yapının iyi bir mekaniksel özellik gösterdiği bildirilmiĢtir [21].
D. M. Clatterbuck, D. C. Chrzan ve J. W. Morris Jr, demirin mukavemeti üzerine yaptıkları bir çalıĢmada [22], kristal halinde bir katının mekanik mukavemetinin kristal yapısının elastik stabilitesi ile sınırlı olduğunu söylemiĢlerdir [23,24]. Bhadeshia buna dayanarak karĢılaĢtırma amacıyla çok küçük bir karbon nanotüpün kopma dayanımı ölçmüĢ ve karbon nano tüplerin çelikten yüz kat daha güçlü olduğunu belirtmiĢtir [25]. Bhadesia bu çalıĢmasında, akademik bağlamda, yüksek zor etkisine elastik olarak davranan tek demir kristalleri yapıldığından da bahsetmiĢtir [25].
7
Literatürde bilindiği üzere kristallerin dayanımı, kristaller daha küçük boyutlarda yapıldıkça keskin bir Ģekilde artar [26-32]. Bhadeshia bunun sebebini, numunenin hacmi azaldıkça kusurlardan kaçınma Ģansının artması olarak tanımlamıĢtır. Aynı zamanda deformasyonla güçlendirmeyi ve martensite ile sert bainite üzerinde mekaniksel değerlerin geliĢtirilmesi konularını araĢtırmıĢtır. Bunun sonucunda güçlü malzemeler üretebilmek için gerekli mekaniksel kriterlerden söz etmiĢ, bainite ve martensitenin austenite‟
den difüzyonsuz dönüĢüm mekanizmasıyla oluĢturulduğunda bu kriterleri karĢılayabileceğini ifade etmiĢtir [33-35].
R. W. K. Honeycombe ve F. B. Pickering çeĢitli çelik alaĢımları üzerinde yaptıkları çalıĢmalarda, malzemeye alaĢım elementlerinin küçük konsantrasyonlarda bile eklenmesiyle ferrite ve bainitenin özelliklerinin ve yapısının değiĢebileceğini ileri sürmüĢtür. Pearlite alaĢımı kapsayan ferrite ile karbür iliĢkisinin çeĢitli morfolojileri, lifli karbür ötektoidleri ve f.c.c.-b.c.c. ara yüzlerinde ince alaĢım karbürlerin çökeltilmesi de dahil olmak üzere bu tür mikro yapılar üzerinde incelemeler yapmıĢlardır. Özellikle alaĢım kompozisyonunun önemine değinmiĢler, pearlitic reaksiyonlar da Cr, V, Mo, W gibi güçlü karbür oluĢturan elementler cementite‟ ye bölünürken, Co, Ni ve Si‟ nin ferrite‟ ye bölündüğünü belirtmiĢlerdir [36].
Yüzdesel olarak yüksek oranda karbonlu, silisyumlu yeni çelikler Caballero ve ark. tarafından geliĢtirilmiĢtir [37]. Bu çeliklerin alaĢımlanması, alıĢılmadık derecede düĢük sıcaklıklarda bainitic bir mikro yapının oluĢmasını sağlar [37]. Mikro yapının dönüĢümle sağlanması son derece cazip bir güçlendirme
8
mekanizması olup, yer değiĢtirme (dislokasyon) hareketine engel teĢkil eder, ancak diğer güçlendirme mekanizmalarının aksine, zorunlu olarak tokluğun azalmasına yol açmaz [38]. Tokluk, malzemenin darbe direncinin bir ölçüsüdür yani bir malzemenin darbe ile kopmaya karĢı direnci tokluk olarak bilinir [1]. Kusurları ortaya çıkarmak için deformasyondan ziyade termal etkili dönüĢümü kullanmak, alaĢımın daha sert bir yapıya sahip olacağı anlamına gelir. Bu sayede, silisyum içeren karbür içermeyen bainitic çeliklerin geliĢtirilmesi sağlanmıĢtır. Silisyum ilavelerinin, bainite dönüĢümü esnasında kırılgan karbürlerin oluĢumunu önlediği bilinmektedir [39,40]. Bu, karbonca zenginleĢtirilmiĢ retained austenite (RA - kalıntı östenit) matrisinde bainitic ferrite (BF) plakalarının bir mikro yapısına neden olur. Austenitenin tutulması mekanik özelliklerde de oldukça önemli bir etkiye sahip olabilir. Silisyum ile alaĢımın, martensitik çeliklerde temper oranını azalttığı da bilinmektedir [41,42].
Manyetik özelliklerin belirlenmesi için Mössbauer Spektroskopisi yöntemi oldukça önemli sonuçlar vermektedir. Mössbauer Spektroskopisi metal fiziğinde geniĢ çapta kullanılmıĢtır, çünkü kristallerin katı cisimlerindeki atomların konfigürasyonunu karakterize etmek için uygun bir yöntemdir [43,44]. Fe bazlı alaĢımlar söz konusu olduğunda, 1960‟dan beri Mössbauer spektroskopisi kullanılarak martensite [45], retained austenite [46,47] ve cementite [48,49] fazlara iliĢkin kapsamlı araĢtırmalar yapılmıĢtır [50].
Bainite, ferrite, cementite gibi fazların oluĢumunda karbon önemli bir yer tutmaktadır. Literatürde, Mössbauer Spektroskopisi ile C arayer atomunun, denge halinde -Fe'deki (ferrite) karbonun düĢük çözünürlüğünden dolayı
9
tespit edilemeyeceği söylenmiĢtir. Numunedeki tüm 57Fe atomlarından gelen sinyal geçiĢleri, malzemedeki birleĢme veya kristallik durumundan bağımsız olarak elde edilir. Bu durumda DönüĢüm Elektronu Mössbauer Spektroskopisi (CEMS) kullanmak gerektiği söylenmiĢtir [47].
Ni3Fe1-xSix alaĢımında Silisyum miktarı arttıkça iç manyetik alanın azaldığı Mössbauer Spektroskopisi yöntemi kullanılarak gösterilmiĢtir [51].
Fe-%33Ni-%0.7C alaĢımı ve Fe-Ni-C alaĢımlarında yapılan çalıĢmalarda, ısıl iĢlem sıcaklığı arttıkça alaĢımın iç manyetik alanının azaldığı Mössbauer Spektroskopisi yöntemi kullanılarak gösterilmiĢtir [52,53]. Fe-Ni alaĢımlarının manyetik ve yapısal özelliklerinin, oda sıcaklığı ve sıvı azot sıcaklığında Ni miktarına bağlı olarak değiĢimi Mössbauer Spektroskopisi yöntemiyle belirlenmiĢtir [54]. Benzer bir çalıĢmada Fe-Ni bazlı alaĢıma farklı oranlarda Ti ilave edilerek manyetik davranıĢtaki değiĢimler incelenmiĢtir [55]. Fe bazlı alaĢımlarda genel olarak austenite fazı paramanyetik ve ferrite fazı ise ferromanyetik bir özellik göstermektedir [56]. Ferrite yapıya benzer olarak bainite ve cementite fazlarda mıknatıslanma özelliğine sahiptirler yani genel olarak ferromanyetik özellik gösterirler [47,50].
Martensitik faz dönüĢümleri difüzyonsuz karakterleri dolayısıyla ortaya çıkardıkları ilgi çekici fiziksel özellikleri yanında; materyalin mekanik özelliklerinde yaptıkları büyük değiĢiklikler nedeni ile çoğu araĢtırmaya konu olmuĢtur [57-61]. Austenite ana kristal yapının martensite ürün faza dönüĢmesi ile gerçekleĢen martensitik dönüĢümler, ilk baĢta çeliğin su verilerek sertleĢtirilmesi Ģeklinde ortaya çıkan teknolojik açıdan da önemli bir
10
oluĢum olması nedeni ile üzerinde yoğun çalıĢmalar yapılan bir konu olmuĢtur. Bu dönüĢüm daha sonra, yapısal, kristalografik, termodinamik, kinetik ve mekanik özellikleri dolayısıyla teknolojik olduğu kadar akademik olarak da ilgi çekici bir araĢtırma konusu durumuna gelmiĢtir. Austenite-martensite faz dönüĢümü, tüm metal ve metal alaĢımlarında atomların difüzyonlu bir oluĢumla yer değiĢtirmeyecekleri kadar hızlı bir Ģekilde soğutulması ile (veya ısıtılmasıyla) meydana gelir [62].
Ġlk olarak demir ve demir bazlı alaĢımlarda gözlenen martensite faz dönüĢümleri yapılan çalıĢmalar sonucunda birçok metal ve metal alaĢımında da gözlenmiĢtir. Fe bazlı alaĢımlarda gözlenen martensitik dönüĢümler genelde yüz merkezli kübik (f.c.c.) yapıdaki ana fazın, hacim merkezli kübik (b.c.c.), hacim merkezli tetragonal (b.c.t.) veya sıkı paketlenmiĢ hekzagonal (h.c.p.) yapılardaki martensite faza dönüĢümü Ģeklinde ortaya çıkar [63-65].
Fe-Mn, Fe-Mn-Si, Fe-Mn-Si-Cr gibi alaĢımlarında gözlenen (f.c.c.)→(h.c.p.) türü martensite faz dönüĢümleri üzerine yapılan çalıĢmalar özellikle bu alaĢımların Ģekil hatırlama özelliğinin gözlenmesi ile artmıĢtır. Bu alaĢımların tipik özelliği alaĢımda yer alan elementlerin yüzdesine ve dıĢ etkilere bağlı olarak h.c.p. () yapıdaki martensite yanında b.c.c. () yapıda martensitelerin de oluĢabilmesidir [66-69]. Armağan ve ark. tarafından gerçekleĢtirilen bir çalıĢmada Mössbauer Spektroskopisi ile, Fe-Mn bazlı alaĢımlara Co ve Mo eklenmesiyle yapıdaki martensite ve martensite yapı oluĢumlarının hacim miktarları ve kristalografileri hakkında incelemeler yapılmıĢtır [70].
11
Martensite ve austenite yapı içeren Fe-Mn bazlı alaĢımlarda zor-zorlanma deneyleri yapılmıĢ, ısıl iĢlemin süresine ve sıcaklığına bağlı olarak alaĢımın mekanik özelliklerindeki değiĢme incelenmiĢtir. Plastik zorlanmanın etkisi ile martensite fazın yapısında meydana gelen değiĢikliler ortaya konulmuĢtur [71-73].