Fe-Mn bazlı alaşımlarda termal etkili faz dönüşümleri ve faz dönüşümlerinin manyetik özellikleri üzerine etkisi

(1)

T.C.

KIRIKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

FĠZĠK ANABĠLĠM DALI DOKTORA TEZĠ

Fe-Mn BAZLI ALAġIMLARDA TERMAL ETKĠLĠ FAZ DÖNÜġÜMLERĠ VE FAZ DÖNÜġÜMLERĠNĠN MANYETĠK ÖZELLĠKLERĠ ÜZERĠNE

ETKĠSĠ

Osman ARMAĞAN

ġUBAT 2019

(2)

Fizik Anabilim Dalında Osman ARMAĞAN tarafından hazırlanan Fe-Mn BAZLI ALAġIMLARDA TERMAL ETKĠLĠ FAZ DÖNÜġÜMLERĠ VE

FAZ DÖNÜġÜMLERĠNĠN MANYETĠK ÖZELLĠKLERĠ ÜZERĠNE ETKĠSĠ adlı Doktora Tezinin Anabilim Dalı standartlarına uygun olduğunu onaylarım.

Prof. Dr. Saffet NEZĠR Anabilim Dalı BaĢkanı

Bu tezi okuduğumu ve tezin Doktora Tezi olarak bütün gereklilikleri yerine getirdiğini onaylarım.

Prof. Dr. Talip KIRINDI DanıĢman

Jüri Üyeleri

BaĢkan : Prof. Dr. Ziya MERDAN _________________

Üye (DanıĢman): Prof. Dr. Talip KIRINDI _________________

Üye : Prof. Dr. HAKAN GÜNGÜNEġ _________________

Üye : Doç. Dr. Hülya ÖZTÜRK _________________

Üye : Doç. Dr. Erdem YAġAR _________________

…../…../…….

Bu tez ile Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onaylamıĢtır.

Prof. Dr. Recep ÇALIN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

(3)

i

ÖZET

Fe-Mn BAZLI ALAġIMLARDA TERMAL ETKĠLĠ FAZ DÖNÜġÜMLERĠ VE FAZ DÖNÜġÜMLERĠNĠN MANYETĠK ÖZELLĠKLERĠ ÜZERĠNE

ETKĠSĠ

ARMAĞAN, Osman Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı, Doktora Tezi DanıĢman: Prof. Dr. Talip KIRINDI

ġubat 2019, 186 sayfa

Bu çalıĢmada, Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si ve Fe-%18,45Mn-

%4,69Mo-%1,99Si alaĢımlarında termal etki ile meydana gelen faz dönüĢümlerinin yapısal, kristalografik ve manyetik özellikleri incelenmiĢtir. Isıl iĢlem sıcaklığının numunelerin mikro yapısı üzerine etkisi Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Metalurji Mikroskobu (MM) incelemeleri ile kristalografik özellikleri ise Geçirmeli Elektron Mikroskobu (TEM) ve X-IĢınları Kırınımı (XRD) yöntemleri kullanılarak ortaya çıkarılmıĢtır. Faz dönüĢümlerinin alaĢımların manyetik özellikleri üzerine etkisi ise Mössbauer Spektroskopisi yöntemi kullanılarak incelenmiĢtir.

750 C‟ de ısıl iĢleme tabi tutulan Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si alaĢımında beynit (bainite) yapı, Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımında ise ferrit (ferrite) yapı oluĢumu gözlendi. 900 C‟ de her iki

(4)

ii

alaĢımda da perlit (pearlite) yapı oluĢumu gözlendi. Kristalografik incelemelerde beynit ve perlit mikro yapılarının ferrit ve sementit (cementite) karıĢımını içerdiği anlaĢıldı. TEM incelemelerinde elektron kırınım deseni analizleri sayesinde beynit ve ferrit fazın b.c.c. yapısında, sementit fazın ise ortorombik yapıda kristalleĢtiği ortaya konuldu. -beynit oluĢumu için 

türü dönüĢüm gözlendi ve dönme bağımlılığı ̅ _ _ , _ ̅ ̅ _ olarak bulundu. Bu yönelim bağıntısının literatürle (Kurdjumov-Sachs yönelim bağıntısı) uyum içerisinde olduğu gözlendi. XRD incelemelerinde bu fazların kırınım veren düzlemlerine ait olan beynit yapı için (110), ferrit yapı için (110), sementite yapı için (112) pikleri elde edildi. Örgü parametreleri;

beynit yapının (110) düzlemi için a_  2,8818 Å, ferrit yapının (110) düzlemi için a_  2,8707 Å, sementit yapının (112) düzlemi için a_  4,4329 Å, b_  4,9507 Å ve c_  6,6592 Å olarak hesaplandı. Her iki alaĢım için de; 1050 C ısıl iĢlem sıcaklığında kaba perlit yapı, 1200 C ısıl iĢlem sıcaklığında ise östenit (-austenite) tane içerisinde martenzit (martensite) yapıların ( ve ) oluĢtuğu görüldü.  martenzit plaka oluĢumu için, → türü dönüĢüm gözlendi ve dönme bağımlılığı ̅ ̅ _ ̅ _ , ̅ ̅ _ ̅ _ olarak bulundu. Bu yönelim bağıntısının literatürle (Shoji – Nishiyama yönelim iliĢkisi) uyum içerisinde olduğu gözlendi.

Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si ve Fe-%18,45Mn-%4,69Mo-%1,99Si alaĢımlarının manyetik özelliklerini incelemek için Mössbauer Spektroskopisi yöntemi kullanıldı. Mössbauer Spektroskopisi ile ana ve ürün fazların iç manyetik alanları, hacimsel oranları (dönüĢüm oranları), izomer kayma değerleri ve manyetik karakterleri ortaya çıkarıldı. Mössbauer

(5)

iii

Spektrumlarında -beynit, -ferrit ve -sementit fazların altılı ferromanyetik pik, -martenzit ve -östenit yapıların tekli paramanyetik pik, -martenzitin de altılı ferromanyetik pik sergilediği görüldü.

Anahtar Kelimeler: Beynit, Ferrit, Sementit, Östenit, Martenzit, SEM, TEM, XRD, Mössbauer Spektoroskopisi.

(6)

iv

ABSTRACT

THERMALLY INDUCED PHASE TRANSFORMATIONS AND THE EFFECT OF PHASE TRANSFORMATIONS ON MAGNETIC

PROPERTIES IN Fe-Mn BASED ALLOYS

ARMAĞAN, Osman Kırıkkale University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics, Ph.D. Thesis

Supervisor: Prof. Dr. Talip KIRINDI February 2019, 186 pages

In this study, structural, crystallographic and magnetic properties of phase transformations occurring with thermal effect in Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-

%2,18Si and Fe-%18,45Mn-%4,69Mo-%1.99Si alloys have been investigated. The effect of heat treatment temperature on the micro structure of the samples was revealed by using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Metallurgical Microscopy (MM) and crystallographic features by using Transmission Electron Microscopy (TEM) and X-Ray Diffraction (XRD) methods. The effect of phase transformations on the magnetic properties of alloys has been investigated by using Mössbauer Spectroscopy method.

Bainite structure was observed Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si alloy subjected to heat treated in 750 C and ferrite structure was observed in Fe-

%18,45Mn-%4,69Mo-%1,99Si alloy. Pearlite structure formation was

(7)

v

observed at 900 C in both alloys. The bainite and pearlite microstructures were understood to contain a mixture of ferrite and cementite in the crystallographic studies. In the TEM studies it was revealed by electron diffraction pattern analyses that bainite and ferrite phase crystallized in b.c.c.

structure and cementite phase in orthorhombic structure.  →  type transformation was observed for -bainite formation, and orientation relationship was found as ̅ _ _ , _ ̅ ̅ _ . It was noticed that this orientation relationship was compatible with the literatüre (Kurdjumov-Sachs orientation relationship). In the XRD investigations, the peaks belonging to diffraction giving planes of these phases were obtained for the bainite structure (110)_, for the ferrite structure (110)_, and for the cementite structure (112). Lattice paramaters; were calculated as a  2,8818 Å for the (110) plane of bainite structure, a_  2,8707 Å for the (110) plane of ferrite structure, a  4,4329 Å, b  4,9507 Å and c  6,6592 Å for the (112) plane of cementite structure. It was noticed in both alloys that there was the coarse pearlite structure at 1050 C heat treatment temperature and martensite structures ( and ) within austenite () grain at 1200 C heat treatment temperature.  →  type transformation was observed for  martensite plate formation, and orientation relationship was found as ̅ ̅ _ ̅ _ , ̅ ̅ _ ̅ _ . It was observed that this orientation relationship was compatible with the literatüre (Shoji – Nishiyama orientation relationship).

Mössbauer Spectroscopy method was used to investigate the magnetic properties of Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si and Fe-%18,45Mn-%

(8)

vi

4,69Mo-%1,99Si alloys. The internal magnetic field, volume fractions (transformation rates), isomer shift values and magnetic properties of the main and product phases were revealed with Mössbauer Spectroscopy. In the Mössbauer Spectrum, it was noticed that -bainite, -ferrite and - cementite phases showed ferromagnetic six-peaks, -martensite and - austenite structures showed paramagnetic single-peak, and -martensite showed ferromagnetic six- peaks.

Key Words: Bainite, Ferrite, Cementite, Austenite, Martensite, SEM, TEM, XRD, Mössbauer Spectroscopy.

(9)

vii

TEŞEKKÜR

ÇalıĢmalarım süresince değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren ve destek veren hocam Sayın Prof. Dr. Talip KIRINDI‟ ya sonsuz teĢekkürlerimi sunarım.

Deneylerin yapılması ve tezin yazılması sırasında, yardımlarını esirgemeyen Sayın Prof. Dr. Ziya MERDAN‟ a, Sayın Prof. Dr. Hakan GÜNGÜNEġ‟ e, Sayın Doç. Dr. Erdem YAġAR‟ a, teĢekkür ederim.

Ders aĢamasında bilgi ve deneyimlerinden yararlandığım Fizik Bölümü‟ nün değerli öğretim üyelerine ve her konuda yardımlarını gördüğüm Fen Bilimleri Enstitüsü‟nün akademik ve idari personeline teĢekkür ederim.

Doktora ders dönemi ve tez dönemi boyunca yardım ve dostluklarını esirgemeyen Sayın Uzman Ümit ERDEM‟ e ve Sayın Uzman Hilal TOPBAġ‟

a teĢekkür ederim.

Benim için maddi ve manevi hiçbir fedakarlıktan kaçınmayan, hayatım boyunca vermiĢ oldukları destekle her zaman yanımda olduklarını bildiğim, onlara karĢı hissettiğim sevgi ve saygıyı anlatmaya kelimelerin yetmeyeceği, sevgili annem Hatice ARMAĞAN‟ a ve sevgili babam Hüseyin ARMAĞAN‟ a sonsuz teĢekkür ederim.

(10)

viii

İÇİNDEKİLER DİZİNİ

Sayfa

ÖZET ………. i

ABSTRACT ………. iv

TEŞEKKÜR .……… vii

İÇİNDEKİLER DİZİNİ ….……….... viii

ÇİZELGELER DİZİNİ …..………... xi

ŞEKİLLER DİZİNİ …..………... xii

SİMGELER DİZİNİ …..………... xix

KISALTMALAR DİZİNİ ………. xxi

1. GİRİŞ …….………... 1

1.1. Literatür Özeti ..………... 4

1.2. ÇalıĢmanın Amacı ………... 11

2. MATERYAL VE YÖNTEM ………... 14

2.1. Difüzyonlu ve Difüzyonsuz Faz DönüĢümleri ….…………... 14

2.1.1. Difüzyonlu Faz DönüĢümlerinin Genel Özellikleri ... 15

2.1.1.1. Difüzyon Mekanizmaları ……….…………... 18

2.1.1.2. KatılaĢma ve Katı Hal DönüĢümleri ……...………... 20

2.1.1.3. Demir Esaslı Metaller ……….………... 22

2.1.1.4. Demir-Karbon Denge Diyagramları ve Demir-Karbon AlaĢımlarının Ġçyapıları ... 22

2.1.2. Difüzyonsuz Faz DönüĢümleri ……….………... 30

2.1.2.1. Austenite-Martensite Faz DönüĢümlerinin Genel Özellikleri ………... 31

2.1.2.1.1. Austenite Fazın Stabilizasyonu ………... 31

2.1.2.1.2. Austenite-Martensite Faz DönüĢümlerinin OluĢumu ……….. 32

2.1.2.1.3. Austenite-Martensite Faz DönüĢümlerinin Kinetik Özellikleri ... 33

(11)

ix

2.1.2.1.4. Martensitik Faz DönüĢümün Tersinir Olma Özelliği .. 36

2.1.2.2. Demir Bazlı AlaĢımlarda Martensitik DönüĢümler …... 38

2.1.2.3. Martensitik Faz DönüĢümlerinin Yapısal ve Kristalografik Özellikleri ………..…... 39

2.1.2.3.1. F.c.c. – B.c.c. Faz DönüĢümü ……….. 40

2.1.2.3.2. B.c.c. – H.c.p. Faz DönüĢümü ………. 44

2.1.2.3.3. F.c.c. – H.c.p. Faz DönüĢümü ………. 45

2.1.2.4. Yapı Kusurlarının Martensitik DönüĢümlere Etkisi ... 49

2.2. Difüzyonlu ve Difüzyonsuz Faz DönüĢümlerinin Fe Bazlı AlaĢımların Manyetik Özellikleri Üzerine Etkisi ………..………... 51

2.2.1. Manyetizma ve Manyetizma ÇeĢitleri ………... 52

2.2.1.1. Diyamanyetizma ………... 53

2.2.1.2. Paramanyetizma ………... 54

2.2.1.3. Ferromanyetizma ve Antiferromanyetizma .………... 55

2.3. Deneysel Materyal ve Yöntem ………... 57

2.3.1. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ………... 57

2.3.2. Enerji Dağılım Spektroskopisi (EDS) ………. 58

2.3.3. Metalurji Mikroskobu (MM) ……….. 59

2.3.4. Geçirmeli Elektron Mikroskobu (TEM) ………... 60

2.3.4.1. Elektron Kırınım Desenlerinin Ġndislenmesi ... 63

2.3.4.1.1. Kristal Doğrultuları ………... 63

2.3.4.1.2. Miller Ġndislerinin Gösterimleri ………..…... 64

2.3.4.1.3. Ġki Düzlemin Zon Ekseni ………..……... 67

2.3.4.1.4. Yansıma ġartları ………..……... 69

2.3.4.1.5. Elektron Kırınımının Geometrisi ve Ġndisleme ... 71

2.3.5. X-IĢını Difraktometresi (XRD) ………..……... 74

2.3.5.1. X-IĢınları ………. 74

2.3.5.2. X-IĢını Kristalografisi ……… 76

2.3.5.2.1. Tek Kristallerde Kırınım ………. 77

(12)

x

2.3.6. Mössbauer Spektroskopisi ...………... 78

2.4. Numunelerin Hazırlanması ………... 84

2.4.1. Numunelerin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) Ġçin Hazırlanması ………... 85

2.4.2. Numunelerin Geçirmeli Elektron Mikroskobu (TEM) Ġçin Hazırlanması ………... 85

2.4.3. Numunelerin X-IĢını Difraktometresi (XRD) Toz Ölçümü Ġçin Hazırlanması ……… 86

2.4.4. Numunelerin Mössbauer Spektroskopisi Ġçin Hazırlanması ………... 87

3. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA ………... 88

3.1. Termal Etkili Faz DönüĢümleri ………... 88

3.1.1. Termal Etkili Faz DönüĢümlerinde Mikro Yapının Ġncelenmesi ……… 88

3.1.1.1. Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si AlaĢımında Mikro Yapı Ġncelemeleri ………. 88

3.1.1.2. Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si AlaĢımında Mikro Yapı Ġncelemeleri ………. 123

3.1.2. Termal Etkili Faz DönüĢümlerinde Manyetik Özelliklerin Ġncelenmesi ………. 146

3.1.2.1. Mössbauer Spektroskopisi Ġncelemeleri .………. 146

4. SONUÇLAR ………... 160

5. KAYNAKLAR ………... 172

6. ÖZGEÇMİŞ ………. 186

(13)

xi

ÇİZELGELER DİZİNİ

ÇĠZELGE

Sayfa 2.1. KatılaĢma ve katı hal dönüĢümleri için baĢlıca reaksiyonlar ... 24 3.1. ġekil 3.1.b‟ de belirtilen bölgelerin SEM-EDS analiz sonuçları ... 93 3.2. ġekil 3.6.a‟ da belirtilen bölgelerin SEM-EDS analiz sonuçları …... 104 3.3. ġekil 3.10‟ da belirtilen bölgenin SEM-EDS analiz sonuçları ……... 111 3.4. ġekil 3.14.b‟ de belirtilen bölgenin SEM-EDS analiz sonuçları ..…. 117 3.5. ġekil 3.18.a‟ da belirtilen bölgelerin SEM-EDS analiz sonuçları …. 128 3.6. ġekil 3.22‟ de belirtilen bölgelerin SEM-EDS analiz sonuçları ……. 136 3.7. ġekil 3.26‟ da belirtilen bölgenin SEM-EDS analiz sonuçları ...…… 140 3.8.a. Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si ve

Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımlarına ait

Mössbauer Spektroskopisi analiz verileri …...………. 157 3.8.b. Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si ve

Mössbauer Spektroskopisi analiz verileri …...………. 158 3.8.c. Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si ve

Mössbauer Spektroskopisi analiz verileri …...………. 159

(14)

xii

ŞEKİLLER DİZİNİ

ġEKĠL Sayfa

2.1. BoĢluk Ģeklinde difüzyon ………... 19

2.2. Arayer Ģeklinde difüzyon ……….. 19

2.3. DeğiĢim ve halka Ģekli difüzyon ………... 20

2.4. Zaman-sıcaklık-dönüĢüm diyagramı ………... 23

2.5. Ferrite yapı ………... 25

2.6. Austenite, ferrite ve martensitenin kafes yapıları ………. 25

2.7. Cementite yapı ………... 27

2.8. Pearlite yapı ve Ģematik gösterimi ... 28

2.9. Bain dönüĢümü ………... 29

2.10. Bainite yapı (Bainitic-Ferrite) …..………... 30

2.11. Austenite () ve martensite () fazların serbest enerjilerinin sıcaklığın fonksiyonu olarak değiĢimi ..………... 34

2.12. a) Atermal dönüĢüm için dönüĢüm yüzdesinin zamanla değiĢimi b) Ġzotermal dönüĢüm için dönüĢüm yüzdesinin zamanla değiĢimi ………. 36

2.13. Austenite-martensite faz dönüĢüm sıcaklıkları ……….. 37

2.14. Austenite kristalinde ortaya çıkan martensite alıĢım düzlemi …….. 40

2.15. a) f.c.c. kristal yapı, b) b.c.c. kristal yapı ……….. 41

2.16. (111) düzlemindeki kesme doğrultuları a) N iliĢkisi, b) K-S iliĢkisi …..………... 42

2.17. Kurdjumov-Sachs ve Nishiyama‟nın ileri sürdükleri → dönüĢümlerinde kesme mekanizmaları arasındaki iliĢki ……… 43 2.18. Burgers tarafından önerilmiĢ olan b.c.c.→h.c.p. dönüĢümünde

(15)

xiii

kesme mekanizması ……… 44

2.19. a) f.c.c. yapının <111>f.c.c. doğrultusunun, b) h.c.p. yapının <0001>h.c.p. doğrultusuna paralel olacak Ģekilde gösterimi ……….. 46

2.20. h.c.p. kristal yapının kürelerle Ģematik gösterimi ……….. 47

2.21. Sıkı paketlenmiĢ f.c.c. kristal yapının kürelerle Ģematik gösterimi .. 47

2.22. a-b) f.c.c.→h.c.p. dönüĢüm mekanizması, c) f.c.c.→h.c.p. dönüĢümünde üç çeĢit kesme doğrultusu ... 48

2.23. Diyamanyetik malzemenin atomları ... 54

2.24. a) Paramanyetik bir malzemenin manyetik düzenleniĢi, b) DıĢ manyetik alan altında paramanyetik bir malzemenin manyetik düzenleniĢi ... 55

2.25. a) Ferromanyetik bir malzemenin manyetik düzenleniĢi, b) DıĢ manyetik alan altında ferromanyetik bir malzemenin manyetik düzenleniĢi ... 56

2.26. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve mekanizması ... 58

2.27. Metalurji Mikroskobundaki optik sistemin Ģematik gösterimi ..……. 60

2.28. Elektron-numune etkileĢiminin Ģematik gösterimi ..………... 61

2.29. Geçirmeli Elektron Mikroskobu (TEM) ve yapısı ... 62

2.30. Örgü doğrultusu ... 63

2.31. Miller Ġndisleri tayin edilecek düzlem … ... 65

2.32. Basit kübik yapıdaki bazı önemli düzlemler ve onların Miller Ġndisleri ...………... 66

2.33. Ġki düzlemin ara kesit doğrusu ve bunların zon ekseni ... 68

2.34. Kübik yapı için; a) temel düzlemler ve b) (100) ve (010) düzlemlerinin zon ekseni ... 68 2.35. Tek kristal üzerinde elektron kırınımının geometrik

(16)

xiv

konfigürasyonu ……… 71

2.36. TEM‟ den alınan noktasal desenli elektron kırınım görüntüsü ... 72

2.37. X-IĢını kırınımının Ģematik gösterimi ……….. 74

2.38. X-IĢını kırınım cihazı ……….. 76

2.39. Bragg Kırınımının Ģematik gösterimi ..……… 77

2.40. Mössbauer Spektrometresi ... 79

2.41. UyarılmıĢ durumdan taban durumuna geçiĢ ... 81

2.42. (a) ⁵⁷Fe‟nin taban ve uyarılmıĢ düzeylerinin manyetik alanda yarılmaları, (b) Yarılmalar sonucu Mössbauer Spektrumu‟ nda oluĢan çizgiler ... 83

3.1. 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımının yüzey görüntüleri ..………... 89

3.2. 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımının MM ile çekilen yüzey görüntüsü ………..………... 92

3.3. ġekil 3.1.b‟ de seçilen bölgelere ait EDS analiz grafikleri a) 1. Bölgeye ait EDS analizi, b) 2. Bölgeye ait EDS analizi... 93

3.4. a) 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımına ait TEM görüntüsü ……… 95

b) 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımına ait elektron kırınım deseni ile indis diyagramı ... 96 3.5. 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak

hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımının

(17)

xv

XRD ölçümü ………...……..………... 99 3.6. 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak

yüzey görüntüleri; a) SEM görüntüsü, b) MM görüntüsü …... 101 3.7. ġekil 3.6.a‟ da seçilen bölgelere ait EDS analiz grafikleri

a) 1. Bölgeye ait EDS analizi, b) 2. Bölgeye ait EDS analizi, c) 3. Bölgeye ait EDS analizi ….………... 104 3.8. a) 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si

alaĢımına ait TEM görüntüsü ………... 106 b) 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait elektron kırınım deseni ve indis diyagramı ……….. 107 3.9. 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak

XRD ölçümü ………….………...……….. 108 3.10. 1050 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının yüzey görüntüsü ………..… 109 3.11. ġekil 3.10‟ da seçilen bölgelere ait EDS analiz grafiği ……… 111 3.12. a) 1050 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait TEM görüntüsü ………... 112 b) 1050 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait elektron kırınım deseni ile indis diyagramı …… 113

(18)

xvi

3.13. 1050 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si

alaĢımının XRD ölçümü ………...……….……… 114 3.14. 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımının yüzey görüntüleri ………. 115 3.15. ġekil 3.14.b‟ de belirtilen bölgelerin SEM-EDS analiz grafiği …… 117 3.16. a) 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait TEM görüntüsü …..……… 119 b) 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait elektron kırınım deseni ile indis diyagramı …….. 120 c) 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait elektron kırınım deseni ile indis diyagramı ……… 120 3.17. 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının XRD ölçümü ……… 123 3.18. 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımının yüzey görüntüleri

a) SEM görüntüsü b) MM görüntüsü ..……… 124 3.19. ġekil 3.18.a‟ da seçilen bölgelere ait EDS analiz grafikleri

a) 1. Bölgeye ait EDS analizi, b) 2. Bölgeye ait EDS analizi ……. 128 3.20. a) 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

(19)

xvii

atılarak hızlı soğutulan Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si

alaĢımına ait TEM görüntüsü ………. 130 b) 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait elektron kırınım deseni ile indis diyagramı …….. 131 3.21. 750 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının yüzey görüntüsü ………...……….. 134 3.23. ġekil 3.22‟ de seçilen bölgelere ait EDS analiz grafikleri

a) 1. Bölgeye ait EDS analizi, b) 2. Bölgeye ait EDS analizi ……. 135 3.24. 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımına ait TEM görüntüsü …………..……… 137 3.25. 900 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının yüzey görüntüsü ……...………. 139 3.27. ġekil 3.26‟ da seçilen bölgeye ait EDS analiz grafiği ...…………. 140 3.28. 1050 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının XRD ölçümü ……… 141

(20)

xviii

3.29. 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya atılarak hızlı soğutulan Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımının yüzey görüntüleri

a) Austenite tane yapısı, b) Martensite yapılar ……… 143 3.30. 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımına ait TEM görüntüsü ……….……… 144 3.31. 1200 ^C sıcaklıkta 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

alaĢımının XRD ölçümü ………...……….………. 145 3.32. Farklı sıcaklıklarda 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığında suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%15.14Mn-%5.10Mo-%2.18Si alaĢımındaki numunelerinin Mössbauer Spektrumları

a) 750 ^C, b) 900 ^C, c) 1050 ^C, d) 1200 ^C ... 153 3.33. Farklı sıcaklıklarda 2 saat tavlanan ve oda sıcaklığındaki suya

atılarak hızlı soğutulan Fe-%18.45Mn-%4.69Mo-%1.99Si alaĢımındaki numunelerinin Mössbauer Spektrumları

a) 750 ^C, b) 900 ^C, c) 1050 ^C, d) 1200 ^C ... 155

(21)

xix

SİMGELER DİZİNİ

 Yüz merkezli kübik yapı (austenite)

 Hacim merkezli kübik yapı (bainite, ferrite)

 Ortorombik yapı (cementite)

 Hacim merkezli kübik yapı (martensite)

 Hegzagonal yapı (martensite) Fhkl Yapı çarpanı

Å Angstrom

C Santigrat

K Kelvin

T0 Martensite – austenite fazların dengede bulunduğu sıcaklık As Martensite – austenite ters dönüĢüm baĢlama sıcaklığı Af Martensite – austenite ters dönüĢüm tamamlanma sıcaklığı Ms Martensite – austenite faz dönüĢümünün baĢlama sıcaklığı Mf Martensite – austenite faz dönüĢümünün bitme sıcaklığı F^ Ana fazın (austenite) kimyasal serbest enerjisi

F^ Ürün fazın (martensite) kimyasal serbest enerjisi

F^- Kimyasal serbest enerji değiĢimi G Gibbs Serbest Enerjisi

H Entalpi

T Mutlak sıcaklık S Entropi

E Ġç enerji P Basınç V Hacim

J Atomsal yayınım akısı D Yayınım katsayısı

(22)

xx

C Atom konsantrasyonu

cx Konsantrasyon gradyanı Q Aktivasyon enerjisi R Gaz sabiti

F Toplam Ģekil deformasyonu B Bain zorlanması

S Sabit kesme zorlanması R Katı cismin dönmesi C Tamamlayıcı kesme P Plastik bozulma ⃗ Burgers vektörü

M Mıkanatıslanma vektörü H Manyetik alan

 Manyetik alınganlık

0 Serbest uzayın manyetik geçirgenliği

m Manyetik geçirgenlik fj Atomik yapı çarpanı

(23)

xxi

KISALTMALAR DİZİNİ

f.c.c. Yüz merkezli kübik yapı

b.c.t. Hacim merkezli tetragonal yapı b.c.c. Hacim merkezli kübik yapı h.c.p. Hekzagonal yapı

Fe3C Demir karbür (Cementite) BF Beynitik-ferrit (Bainitic-ferrite) RA Kalıntı Östenit (Retained Austenite) WLR WechsIer, Lieberman ve Read teorisi BM Bowles ve Mackenize teorisi

SEM Taramalı Elektron Mikroskobu TEM Geçirmeli Elektron Mikroskobu EDS Enerji Dağılım Spektroskopisi MM Metalurji Mikroskobu

XRD X-IĢını Difraktometresi (hkl) Miller Ġndisleri

[uwv] Zon ekseni

(24)

1

1. GİRİŞ

Metal alaĢımlar kullanıĢlı Ģekillere getirilmeden önce bir takım iĢlemlerden geçmektedir. Uygulanan iĢlem Ģartlarına bağlı olarak malzemenin yapısı değiĢikliğe uğramaktadır. Yapıda meydana gelen bu değiĢiklikler malzemenin özelliklerini etkilemektedir. Örneğin döküm, ısıl iĢlem veya deformasyon yoluyla Ģekillendirilen aynı tür malzemenin yapıları, uygulanan iĢlem Ģartlarına göre oldukça farklı yapılarda oluĢmakta ve bu farklı yapılar özelliklere farklı Ģekillerde yansımaktadır. Yapı, özellik ve iĢlem arasındaki iliĢkinin anlaĢılması bilimsel bir yaklaĢımı gerektirmektedir [1].

Malzeme bilimi kapsamında faz kelimesi, fiziksel ve kimyasal özelliklerin değiĢmediği, homojen yapıları tanımlamak için kullanılır. Sürekli bir maddede;

kristal özellikleri ve atomların düzenleniĢi kendi içinde homojen olan ve fiziksel olarak maddenin diğer kısımlarından ayrılan her bölge bir faz olarak tanımlanır [2,3]. Faz, eğer saf bir elementten bahsediliyorsa, elementin katı, sıvı ya da gaz hallerini ifade eder. Katı halde birden fazla kristal yapı sergileyebilen metal ve alaĢımlar mevzubahis olduğunda ise, faz kelimesi, malzeme içindeki farklı kristal yapıya sahip bölgeleri tanımlamak için kullanılır. Dolayısıyla, katı haldeki faz dönüĢümleri denildiğinde, malzemelerin kristal yapısında meydana gelen dönüĢümler kastedilir. Bu dönüĢümler alaĢımın kompozisyonu, ortam basıncı, sıcaklık gibi birçok değiĢkene bağlı nedenlerle gerçekleĢebilir. Bu dönüĢümlerin doğasını basitçe aktarabilmek ve konuyu daha anlaĢılır bir hale getirmek amacıyla, bu tez çalıĢmasında ısıl iĢlem etkisiyle ortaya çıkan dönüĢümler üzerinde durulmuĢtur [4].

(25)

2

Malzeme bilimi temel olarak, cisimlerin içyapısını tanıtmak, kristalografik yapılarla fiziksel ve mekanik özelikler arasındaki bağıntıları araĢtırmak ve bu Ģekilde geliĢtirilen temel ilkeler ve kavramlar ıĢığında uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflandırmak üzere yapılan çalıĢmaları kapsar. Metal alaĢımların, kristalografik yapıları ile fiziksel ve mekanik özellikleri birbiriyle yakından ilgilidir. Uygulanan herhangi bir iĢlem sonucu özelliklerde meydana gelen değiĢmelerin nedeni ancak içyapı göz önüne alınarak açıklanabilir.

Diğer taraftan endüstride, özellikle metal alaĢımlarında içyapıyı değiĢtirerek özellikleri gereksinimlere göre ayarlamak amacıyla ısıl iĢlem uygulamaları, deformasyon uygulamaları, soğuk Ģekil verme, su verme gibi çeĢitli yöntemler geliĢtirilmiĢtir [4]. Faz dönüĢümlerine sistematik bir Ģekilde yaklaĢmak için; malzemelerin içyapılarını yani kristal yapılarını, kristal yapı kusurlarını, atomsal yayınım (difüzyon) gibi kavramlarını ve malzemelerin içyapı oluĢumlarını yani fazların dengesini, faz dönüĢümlerini ve faz diyagramlarını ele alan bir süreç izlenmelidir [5]. Bu sürecin baĢlangıcında en temel düzeyde faz dönüĢümleri difüzyonlu ve difüzyonsuz faz dönüĢümleri olmak üzere iki grupta değerlendirebilir.

Difüzyonlu faz dönüĢümleri ile demir ve çelik alaĢımlarında meydana gelen bainite, ferrite, cementite gibi yapılar aynı zamanda difüzyonsuz faz dönüĢümleri sayesinde de elde edilebilir. Martensite yapılar ise sadece difüzyonsuz faz dönüĢümleriyle oluĢur [5].

Metal ve metal alaĢımlarında difüzyonsuz (austenite-martensite) faz dönüĢümleri üzerinde ilk çalıĢmalar teknolojinin geliĢmesine paralel olarak 19. yüzyılın sonlarından itibaren baĢlamıĢtır. Martensitik dönüĢüm olayı ilk

(26)

3

olarak Alman bilim adamı A. Martens tarafından bulunduğu için bu bilim adamının adı ile anılır. Austenite ana kristal yapının martensite ürün faza difüzyonsuz olarak dönüĢmesi Ģeklinde gerçekleĢen martensitik dönüĢümler önceleri çeliğin su verilerek sertleĢtirilmesi sonucu ortaya çıkan bir olay iken, daha sonra yapısal, kristalografik, termodinamik, kinetik ve mekanik özellikleri nedeni ile akademik açıdan ilgi çekici bir araĢtırma konusu haline gelmiĢtir [2,6].

Martensitik faz dönüĢümü çelik alaĢımlarına üstün malzeme olma özelliği kazandırdığı gibi diğer metal ve metal alaĢımlarına da termoelastiklik, süperelastiklik ve Ģekil hatırlama gibi fiziksel ve teknolojik özellikler kazandırır [2].

Martensitik faz dönüĢümü; sıcaklığın hızlıca düĢürülmesiyle, dıĢ mekaniksel zorun etkisi ile veya her iki etkinin birlikte uygulanması ile gerçekleĢir. Termal etki ile oluĢan austenite-martensite faz dönüĢümleri alaĢımın kompozisyonuna göre atermal veya izotermal olarak gerçekleĢir. Atermal özellik gösteren martensitik dönüĢümler çok yüksek hızlarda patlama yoluyla meydana gelirken izotermal özellik gösteren dönüĢümler gözle takip edilebilecek kadar yavaĢ bir Ģekilde zamana bağlı olarak oluĢur. Mekanik zor ile meydana gelen dönüĢümler ise zor veya zorlanma etkili martensitik dönüĢümlerdir [6,7].

(27)

4

1.1. Literatür Özeti

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

(28)

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

(29)

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].

(30)

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

(31)

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

(32)

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

(33)

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].

(34)

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].

1.2. Çalışmanın Amacı

Hızla geliĢen günümüz teknolojisinin getirdiği gereksinimlerden dolayı; metal ve metal alaĢımlarının mekanik ve fiziksel özelliklerinin anlaĢılması pek çok bilimsel çalıĢmaya konu olmuĢtur. Özellikle sıcaklık, zor ve bunların farklı bileĢimleri gibi etkilere maruz kalan bazı metal ve metal alaĢımlarında görülen olağanüstü mikro yapısal değiĢiklikler ve bunun sonucunda oluĢan makroskobik Ģekil değiĢimlerinin atomik boyuttaki nedenleri açıklanmaya çalıĢılmıĢtır [1].

Mikro yapısal boyutta oluĢan değiĢiklikler sayesinde elde edilen ürün fazlar yapının birçok özelliğini değiĢtirmektedir. Örneğin, b.c.c. türü martensite oluĢumu yapının manyetikliği açısından büyük önem taĢımakta olup, h.c.p.

türü martensite oluĢumu ise Ģekil hatırlama olayı açıĢından oldukça önemlidir. Yine mikro boyuttaki istenilen değiĢimleri elde edebilmek için ısıl iĢlem süreleri ve deformasyon etkisi de oldukça önemlidir. Isıl iĢlem süresinin ya da sıcaklığının arttırılmasıyla elde edilen ürün fazın miktarı veya çeĢidi değiĢebilir. Aynı Ģekilde uygulanan deformasyon miktarındaki değiĢimler sayesinde ürün fazlarda birçok farklı yapılar ve bu yapıların farklı oranlarda

(35)

12

oluĢum miktarları gözlenebilir [6].

Daha önceki çalıĢmaların neredeyse tamamına yakını izotermal özellikteki faz dönüĢümleri altında ve genellikle yüzdece (kütlece) belli karbon oranlarındaki (düĢük, orta ve yüksek) çelik alaĢımlarında yapılmıĢtır. Bu tez çalıĢmasında, genel olarak çelik alaĢımlarında izotermal özellikteki faz dönüĢümleriyle elde edilen ürün fazların (bainite, ferrite vs.), Fe-Mn bazlı alaĢımlarda yani çelik alaĢımlarına göre yüzdece çok daha az karbon oranlarında (C < 0.05) ve atermal özellikteki faz dönüĢümleriyle oluĢturulması hedeflenmiĢtir. Ayrıca orta ve yüksek karbonlu alaĢımlarda (dökme demirler gibi) Mn oranlarına bağlı olarak elde edilen cementite yapının, bu çalıĢmadaki alaĢımlarda düĢük karbon oranına rağmen yüksek Mn oranları ve atermal özellikteki dönüĢümün etkisi ile meydana gelmesi istenilmiĢtir.

Diğer taraftan bu çalıĢma için, Fe-Mn bazlı alaĢımlarda oluĢturulan ürün fazların manyetik özelliklerinin nasıl bir değiĢim gösterdiğini anlamak önemli bir yer tutmaktadır. Bunun içinde malzemeye eklenen alaĢım elementlerinin manyetik özellikler üzerine ne gibi etkilerde bulunduğunu incelemek önemli bir durum haline gelmiĢtir.

Özellikle günümüz endüstrisinde Ģekil hatırlamanın uygulamaları önemli bir yer tutmaktadır. Fe-Mn bazlı alaĢımlarda Ģekil hatırlama olayının h.c.p. türü martensite dönüĢümle gerçekleĢtiğini göz önünde bulundurursak martensite dönüĢümlerin nedenli önemli olduğunu anlamıĢ oluruz [74,75]. Benzer Ģekilde difüzyonlu ve difüzyonsuz faz dönüĢümleriyle oluĢan bainite, ferrite,

(36)

13

cementite vb. yapılar sayesinde çelik ve demir alaĢımlarında istenilen yapıların elde edilmesi (istenilen sertlikte, mukavemette, esneklikte, gevreklikte, vb.) endüstriyel olarak çok büyük öneme sahiptir.

Bu çalıĢmada, Fe-%15,14Mn-%5,10Mo-%2,18Si ve Fe-%18,45Mn-

%4,69Mo-%1,99Si alaĢımlarında termal etki ile meydana gelen yapıların kristalografik, morfolojik ve manyetik özelliklerinin nasıl etkilendiği çeĢitli deneysel yöntemler kullanılarak araĢtırılacaktır. Elde edilecek sonuçlar eĢliğinde Fe-Mn bazlı alaĢımlarda faz dönüĢümleri üzerine endüstriyel alanda yapılabilecek çalıĢmalara katkıda bulunabilmek hedeflenmektedir.

(37)

14

2. MATERYAL VE YÖNTEM

2.1. Difüzyonlu ve Difüzyonsuz Faz Dönüşümleri

Sürekli bir maddede; kristal özellikleri ve atomların düzenleniĢi kendi içinde homojen olan ve fiziksel olarak maddenin diğer kısımlarından ayrılan her bölge bir faz olarak tanımlanır. Burada homojenlik kavramı, belirli fiziksel Ģartlar altında özel bir yapıda bulunma Ģeklinde tanımlanır. Metal ve metal alaĢımları, farklı fiziksel Ģartlar altında farklı fazlarda bulunur. Yapı içerisinde belirli fazların oluĢturduğu bir denge yapısından değiĢik fazların oluĢturduğu bir baĢka denge yapısına geçiĢ olayı gerçekleĢebilir, bu olay ise faz dönüşümü olarak bilinir. Katı yapıdaki faz dönüĢümleri sırasında atomlar yeni faz yapısını oluĢtururken yer değiĢtirirler [2,3].

Olay sırasında atomların komĢuluklarının değiĢip değiĢmemesine göre faz dönüĢümleri iki ana gruba ayrılır. Atomların komĢuluklarını değiĢtirecek Ģekilde meydana gelen faz dönüĢümlerine difüzyonlu (yayılmalı) faz dönüĢümleri, atomların komĢuluklarını değiĢtirmeden meydana gelen faz dönüĢümlerine de difüzyonsuz (yayılmasız) faz dönüĢümleri denir [7].

Faz dönüĢümü sıcaklığın hızlıca düĢürülmesi veya yükseltilmesi sonucunda ya da dıĢarıdan uygulanan mekaniksel zorun etkisi altında meydana gelir. Bu dönüĢüm esnasında dönüĢmüĢ ve dönüĢmemiĢ bölgelerin kimyasal bileĢimleri değiĢmez, sadece kristal yapıları değiĢir [76].

Bir fazdan diğer bir faza dönüĢümün olabilmesi için sistemin son faza göre daha kararsız olması gerekir. Yani bu süreç boyunca atomlar yeni ve daha

(38)

15

kararlı yerlere hareket ederek yeniden dizilirler [77]. Sabit sıcaklık ve basınç altında bir sistemin kararlılığı:

(2.1)

ġeklinde ifade edilir. Bu ifade Gibbs Serbest Enerjisidir. Burada, H entalpi, T mutlak sıcaklık ve S sistemin entropisidir.

(2.2)

Burada, E sistemin iç enerjisi, P sistemin basıncı ve V sistemin hacmidir.

YalıtılmıĢ bir fazın serbest enerjisi minimum ise o faz kararlıdır. Bir faz sisteminin iç enerjisi o sistemdeki atomların kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamından meydana gelir ve fazlar, iç enerjinin minimum olmasını sağlayacak Ģekilde oluĢurlar. Kinetik enerji, katıda atomların titreĢimlerinden doğarken, potansiyel enerji atomlar arası bağlar ve etkileĢmelerden kaynaklanır [78]. Sıcaklık yükseldikçe atomların ısıl titreĢimleri artar ve bir kısmı içinde bulunduğu yapıda bir konumdan diğer konuma atlayarak yer değiĢtirir. Difüzyon denilen bu olayda önce atomun çevresiyle bağları kopar, sonra atomlar arası boĢluklardan geçer ve yeni konumda tekrar çevresi ile bağ kurar [5]. Yani sistemin iç enerjisindeki değiĢime bağlı olarak ısı miktarı değiĢtiğinde faz dönüĢümü denilen olay gerçekleĢir.

2.1.1. Difüzyonlu Faz Dönüşümlerinin Genel Özellikleri

Difüzyon (yayınım), bir malzeme içindeki atomların hareketidir. Atomlar,

(39)

16

konsantrasyon farkını yok etmek ve homojen bir kompozisyon oluĢturmak için düzgün bir Ģekilde hareket ederler. Atomlar, malzemeye gerilim (voltaj) veya dıĢ kuvvetler uygulamakla da, harekete zorlanabilir. Gerçekte, saf metallerde, atomlar dıĢ kuvvetler uygulanmadığında veya konsantrasyonu farklı olmayan ortamlarda rastgele hareket edebilirler [1].

Katılarda denge noktalarına bağlanmalardan dolayı atomların hareketi sınırlıdır. Fakat ısıl titreĢimler bazı atomların hareket etmesine imkan verir.

Katı hal tepkimeleri atom hareketini gerektirdiğinden, metallerde ve alaĢımlarda atomların yayınımı oldukça önemlidir [77].

Atomların hareketleri ısıl enerji etkisinde oluĢur ve iki aĢamalıdır. Birincisi, ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreĢim hareketleri, ikincisi ise yine aynı etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Hareket eden bir atom yerine ulaĢmak için çevre atomlarını sıkıĢtırarak geçmek zorundadır ve bunun için bir enerji sağlanmalıdır. Bu enerji aktivasyon enerjisidir ve “Q” ile gösterilir [1].

Bir malzeme içindeki atomların yayınım hızı, birim zamanda birim düzlem alanı boyunca geçen atom sayısı olarak tanımlanan akı (J) ile ölçülebilir.

(2.3)

Ġfadesi birinci Fick Yasası olarak bilinir. Burada, J atomsal yayınım akısı, D yayınım katsayısı, C atom konsantrasyonu ve cx konsantrasyon gradyanıdır. Yayınım katsayısı ise:

(40)

17

(2.4)

Ġle ifade edilir. Burada, D0 yayınım sabiti, Q aktivasyon enerjisi, R gaz sabiti ve T mutlak sıcaklığı temsil etmektedir [1]. Yayınım sabitlerinin yayınım sisteminin türü ve yapısına bağlılığı Ģu Ģekilde açıklanabilir:

 Küçük atomlar daha kolay yayınır.

 Atomlar arası bağı daha zayıf olan atomlar daha kolay yayınır.

 Atomsal dolgu faktörü düĢük ortamlarda yayınım daha az enerji gerektirir.

 Düzensiz yapıya sahip ve atom sıklığı tanelere göre daha az olan tane sınırları boyunca yayınım daha kolay oluĢur. Bu nedenle faz dönüĢümleri ve korozyon olayları tane sınırlarında baĢlar ve daha hızlı oluĢur.

Kompozisyon profili olarakta bilinen ikinci Fick Yasası, atomların dinamik veya durağan olmayan hallerini tanımlar.

(2.5)

Bu ifadenin fiziksel anlamına göre yayınım olayı baĢlangıçta çık hızlıdır, zamanla konsantrasyon gradyanı azaldığından hız düĢer ve tam homojen yapı için sonsuz süreye gerek vardır [79].

Faz dönüĢümleri iki aĢamada oluĢur. Birincisi yeni faz çekirdeklerinin doğması, diğeri doğan çekirdeklerin büyümesidir. Çekirdeklerin doğması için

(41)

18

belirli bir süreye gerek vardır. Kuluçka devresi denen bu süre içinde içyapıda bir değiĢiklik görülmez. Çekirdeklerin mikro düzeyde görülmeye baĢlaması için geçen süreye çekirdeklenme süresi denir. Çekirdekler doğduktan sonra büyüyerek bütün kütleyi kaplamaya baĢlarlar ve yeni fazın oluĢuma sebep olurlar [80].

Difüzyon, maddelerin mesela iki gazın birbirlerinin içerisine nüfuz etmesidir.

Kapalı bir odada klor gazı ile dolu bir ĢiĢeyi açarsak, gaz molekülleri derhal ĢiĢeden çıkıp odaya dağılırlar. Isısal karakterleri neticesinde çevredeki hava içerisine nüfuz ederler ve yavaĢ yavaĢ bütün odaya yayılırlar. Belirli bir süre sonra klor gazı oda içerisinde eĢit miktarda dağılmıĢ olur [81].

Metallerde bu tip bir difüzyon, atomlar arası mesafeler küçük olduğu için oldukça zordur. Ancak yüksek sıcaklıklarda atomların titreĢen kristal kafesleri içerisinde dolaĢması mümkün olmaktadır. Mevcut kristal hataları (kafes boĢlukları, hatalı yerleĢmeler vs.) difüzyonu kolaylaĢtırırlar. Bu Ģekilde malzeme içerisindeki düzensizlikler dengelenirler. Aynı Ģekilde yabancı atomlarda dıĢarıdan malzeme yapısı içerisine difüzyon yoluyla girebilirler [81].

2.1.1.1. Difüzyon Mekanizmaları

Boşluk difüzyonu, eğer atomların ısıl titreĢimlerinin sağladığı yeterli etkileĢme enerjisi varsa ve atomların hareket ettiklerinde girebilecekleri boĢluklar veya diğer kafes kusurları mevcutsa, atomlar kristal kafesinde bir

(42)

19

yerden diğerine hareket ederler. Metal ve metal alaĢımlarındaki boĢluklar denge kusurlarıdır, dolayısıyla bazıları her zaman vardır ve atomların yayınmasına yardımcı olur. Metalin sıcaklığı arttıkça daha fazla boĢluk ve daha fazla ısıl enerji olur, dolayısıyla yüksek sıcaklıklarda yayınım hızı daha yüksektir [77].

Şekil 2.1. BoĢluk Ģeklinde difüzyon

Arayer difüzyonu, kristal kafeslerinde atomların arayer yayınımı ana kristal kafesini kalıcı olarak bozmadan atomlar bir arayerden diğerine hareket ettikleri zaman meydana gelir. Arayer mekanizmasının iĢleyebilmesi için, yayınan atom boyutunun ana faz atomu boyutuna göre küçük olması gerekir [77].

Şekil 2.2. Arayer Ģeklinde difüzyon

(43)

20

Diğer difüzyon mekanizmaları, bazen bir yeralan atomu normal kafes noktasını terk eder ve bir arayer pozisyonuna girer. Bu arayer Ģeklinde difüzyon mekanizması yaygın değildir. Çünkü atom küçük arayerlere kolaylıkla sığmaz. Atomlar çok basit bir değiĢim veya halka mekanizmasıyla da hareket eder. Buna karĢın atom hareketlerinin çoğu, boĢluk ve arayer mekanizmalarıyla gerçekleĢir [1].

Şekil 2.3. DeğiĢim ve halka Ģekli difüzyon

2.1.1.2. Katılaşma ve Katı Hal Dönüşümleri

KatılaĢma dönüĢümlerinde fazlardan biri sıvı olduğundan atomların hareket yeteneği yüksektir, bu nedenle dönüĢüm süresi çok kısadır. Genel olarak soğuma hızı dönüĢüm sıcaklığını etkileyemez ve dönüĢümler daima aynı sıcaklıkta oluĢur. Bu tür dönüĢümler üçe ayrılabilir [5]:

a) Katı eriyik oluşumu: Sıvı eriyikten katı eriyik oluĢumu belirli bir sıcaklık aralığında tanımlanır ve sonuçta tek bir katı faz meydana gelir.

(44)

21

b) Ötektik reaksiyon: Birbirini sınırlı oranda eriten bazı sistemlerin belirli bir bileĢim aralığındaki alaĢımları sabit sıcaklıkta katılaĢır ve ötektik reaksiyon sonucu sıvı faz aynı anda iki ayrı katı faza dönüĢür.

c) Peritektik reaksiyon: KatılaĢma süresinde bir arada bulunan bir sıvı fazla bir katı fazın sabit sıcaklıkta baĢka bir katı faza dönüĢmesine peritektik reaksiyon denir.

Katı hal dönüĢümlerine bakacak olursak, katı halde atomların hareket yetenekleri çok kısıtlıdır, bu nedenle dönüĢümlerin tamamlanabilmesi için belirli bir süreye gerek vardır. Bir dönüĢüm olayı atomsal yayınım sonucu oluĢur ve bu üç aĢamada tamamlanır. Birinci aĢamada atomların çevresi ile bağları kopar, ikinci aĢamada hareket ederek daha düĢük enerjili konumlara giderler ve son aĢamada da yeni fazı oluĢtururlar [79,80].

Katı hal dönüĢümlerini dört türe ayırabiliriz:

a) Polimorfik dönüşme: Bazı saf metallerde kafes yapısı sabit sıcaklıkta diğer bir tür kafes yapısına dönüĢür. Bu dönüĢüme polimorfik dönüĢüm adı verilir.

b) Ötektoid reaksiyon: Bu reaksiyon ötektik reaksiyonuna benzer, ancak burada bir katı faz sabit sıcaklıkta aynı anda iki ayrı katı faza dönüĢür. Bu yeni iki faz çok sık ve ince bir yapı meydana getirirler.

Bundan dolayı ötektik yapı gibi üstün mekanik özelliklere sahip olurlar.

c) Peritektoid reaksiyon: Bu reaksiyonda iki katı faz sabit sıcaklıkta diğer bir katı faza dönüĢür. Sonuç olarak tek fazlı yapı oluĢur.

(45)

22

d) Katı eriyikten çökelme: Tek fazlı bir katı eriyik soğutularak içindeki yabancı atomların çökmesi sağlanır ve böylece bu yabancı atomların bir kısmı ayrıĢarak ikinci bir faz halinde çökelir. Çökelen fazın miktarı sıcaklık düĢtükçe artar.

2.1.1.3. Demir Esaslı Metaller

Demir esaslı metaller demir-karbon alaĢımları ve alaĢımlı çelikler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Demir karbon alaĢımlarında sadece demir ve karbon bulunur. AlaĢımlı çeliklerde ise demir ve karbonun yanında ayrıca Mn, Cr, Ni, Si, Mo gibi diğer alaĢım elemanları vardır.

2.1.1.4. Demir-Karbon Denge Diyagramları ve Demir-Karbon 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,

(46)

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