1

DENEY

NO

ISIL İŞLEM-1 : NORMALİZASYON, SU VERME VE

MENEVİŞLEME, JOMİNY UÇTAN SU VERME DENEYİ

1

Prof. Dr. Cuma BİNDAL - Prof. Dr. S. Cem OKUMUŞ - Doç. Dr. İbrahim

ÖZBEK – Araş. Gör. İbrahim ALTINSOY

Deney aşamaları Tahmini

süre (dak)

1) Hazırlık Sınavı 30

2)Normalizasyon, Temperleme, Jominy Su Verme Yöntemi, Sunum 60

3) Jominy Uçtan Su Verme Deneyi 40

4) Normalizasyon, Su Verme ve Menevişleme Deneyi 70

5) Numunelerin değerlendirilmesi 40

TOPLAM 240

1. GİRİŞ

1.1. SADE KARBONLU ÇELİKLERİN SINIFLANDIRILMASI

Sade karbonlu çelikler Tablo 1’de belirtildiği gibi 4 farklı şekilde sınıflandırılırlar ve

uygulanabilecek ısıl işlemler buna bağlı olarak, değişir.

Tablo 1. Çeliklerin karbon oranına bağlı sınıflandırılması ve uygulanabilecek ısıl işlemler.

Çok düşük karbonlu Düşük Karbonlu Orta Karbonlu Yüksek Karbonlu

%C < %0.1

Tavlama ve

Normalizasyon

uygun,

Sertleştirme

yapılamaz

%0.1 < %C < % 0.25

Tavlama ve

Normalizasyon

uygun,

Sertleştirme

yapılamaz

%0.25< %C<%0.55

Tavlama,

Normalizasyon uygun

Sertleştirme ve

Temperleme

yapılabilir.

%0.55< %C<%1-2

Tavlama,

Normalizasyon uygun

Sertleştirme ve

Temperleme

yapılabilir.

2

1.2. SADE KARBONLU ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMİ

Çeliklerin ısıl işlemi esasen faz dönüşümü olayına dayanan bir prosestir. Temel olarak iki

adımda gerçekleştirilir;

İlk adımda, çelik ostenitleme sıcaklığına ısıtılır. Ostenit fazının oluşumu ve

homojenliği ısıl işlem sıcaklığına ve bu sıcaklıkta tutma süresine bağlıdır.

İkinci adımda, belki de en önemli aşamada, su verme ortamı içerisinde çelik parça oda

sıcaklığına soğutulur. Bu kısım, çeliğin karbon içeriğine bağlı olarak, martensit,

beynit, perlit, ferrit veya bütün bu fazların karışımının oluşturulacağı faz

dönüşümünün gerçekleştiği aşamadır.

Özetle, belirli bir çelik parça için en önemli ısıl işlem parametreleri: ostenitleme sıcaklığı,

ostenitleme süresi ve soğutucu ortamdır. Çeliklere uygulanan genel ısıl işlem prosedürleri

Tablo 2’ de verilmiştir.

Tablo 2. Çeliklere uygulanan genel ısıl işlem ve prosedürleri

Isıl İşlem Prosedür

Tavlama

(Soğutma hızı: 0.01 °F/sn.)

Çeliğin ostenitlenmesi ve fırında yavaşça

soğutulması

Normalizasyon

(Soğutma hızı: 1 °F/sn.)

Çeliğin ostenitlenmesi ve havada

soğutulması

Su Verme (Sertleştirme)

(Soğutma hızı: 30 °F/sn. yağda, 300 °F/sn.

suda)

Çeliğin ostenitlenmesi ve yağ veya su

ortamında soğutulması

Temperleme

Martensitik çeliğin yeniden ısıtılması

(Ostenitleme sıcaklığına çıkılmaksızın) ve

herhangi bir şekilde, tercihen suda

soğutulması

Küreselleştirme Tavı Çeliğin fırın içerisinde uzun süre (yaklaşık

70 saat) ve herhangi bir ortamda soğutulması

3

2.NORMALİZASYON

DENEYİN AMACI: Normalizasyon ısıl işleminin AISI 1040 çeliğinin mikroyapı ve sertliği

üzerine etkisinin incelenmesi.

2.1. TEORİK BİLGİ

Bu tavlamanın amacı, göz önüne alınan çeliğe, her türlü muhtemel ön işlemlerden sonra

“normal içyapı” diye tarif edebileceğimiz ince, yuvarlak taneli, homojen dağılımlı içyapısını –

tekrar kazandırmaktır. Normalleştirme Tavlaması sadece γ→α dönüşümünün olduğu çelikler

için anlam taşır: Uygulama esası –yararlanılan mekanizmalar- bu dönüşüme dayanır. γ→α

dönüşümünün bastırıldığı alaşımlı çeliklerde normal tavlama işlemi uygulanması söz konusu

değildir. Normalizasyon için çelik, “su vermede” olduğu gibi karbon oranına bağlı A3

sıcaklığının 20-50 °C üzerine çıkarılır, bir süre (45-60 dk) bekletildikten sonra durgun havada

soğutulur. Daha yüksek sıcaklıklara ısıtma veya bu sıcaklıklarda daha uzun süre tutma, tane

irileşmelerine yol açar. Isıtma sırasında ise, A1 ve A3 sıcaklıkları arası, sonuçta özellikle ince

taneli ostenit eldesi için, mümkün mertebe çabuk geçilmelidir. Ötektoitüstü çeliklerde parça

A1 sıcaklığının üzerine kadar ısıtılır. Daha yüksek sıcaklıklara ısıtma tane irileşmelerine ve

yüzey bölgesinin karbon kaybına (dekarbürizasyona) yol açar. Ötektoitüstü çeliklerde düşük

sıcaklıklardaki tavlamanın önemli bir faydası da, tane sınırlarındaki ikinci sementit ağının,

sementitlerin kısmen de olsa küreselleşmek meyli ile, parçalanmasını sağlamasıdır. Oluşacak

nihai içyapı çeliğe önceden uygulanmış olan üretim ve hazırlama işlemlerinden (dövme,

haddeleme, döküm, kaynak ve/veya ısıl işlemler gibi) bağımsız olmuş olacaktır. Tavlanmış

parça, kararlı dengeye uygun içyapıya (büyük bir yaklaşıklıkla denge diyagramının

gerektirdiği tane yapısına) kavuşmuş olacaktır.

Normalizasyon uygulamalarının söz konusu olduğu veya olması gerektiği yerleri, genel olarak

ve önem sırası gözetilmeksizin bir arada özetleyerek belirtmek mümkündür :

• Her şeyden önce bazı ısıl işlemlere bağlı olarak, ince taneli nihai içyapı eldesi için difuzyon

tavlamasından sonra ve su verme işleminden önce,

• Sıcak haddelemelerden sonra, haddeleme tekstürüne bağlı olarak ortaya çıkabilecek

anizotropik etkileri ve gevrek kırılma meylini azaltmak amacıyla,

• Dövme ve diğer plastik şekil verme işlemlerinden sonra sıcak deformasyona ilişkin içyapı

oluşumlarının normalleştirilmesinde,

• Özellikle çelik döküm parçaların dökümden sonraki kaba ve gevrek içyapısından

(Widmannstaetten yapısından) kurtarmak, mukavemet ve tokluk özelliklerini iyileştirmek

için,

4

• Çoğu zaman rekristalizasyon tavlaması yerine uygulamak, yeniden kristalleşme sırasında

tane irileşmesine meydan vermemek için,

• Kaynak işlemlerinden sonra, temel malzeme, sıcaklık etki bölgesi (geçiş bölgesi) ve kaynak

dikişi arasında ortak nitelikli tane yapısı oluşturmak için normalizasyon tavlaması gündeme

gelir.

• Normalizasyon tavlamasının malzeme bilimindeki önemli yeri ve vazgeçilmezliği, bilimsel

çalışmalarda bir çıkış noktası oluşturmasından ve referans verileri teslim etmesindendir.

Şekil 1. Ötektoid üstü ve altı çeliklerde normalizasyon tavlaması ile tane küçülmesi.

3. SERTLEŞTİRME VE TEMPERLEME (MENEVİŞLEME)

DENEYİN AMACI: Su verilerek sertleştirilmiş AISI 1040 çeliklerinin mikroyapı ve

mekanik özellikleri üzerine farklı temperleme sıcaklıklarının etkisinin incelenmesi.

3.1. TEORİK BİLGİ

3.1.1. DEMİR VE DÖNÜŞÜMLERİ

Demir günümüzün en çok tercih edilen mühendislik metali olup; farklı çelik çeşitlerini elde

etmek için kullanılan metallerin başında gelir.

Demirin allotropik özelliği farklı mikroyapılara sahip çelikler elde edilmesini sağlar ve başlıca

iki kristal formu vardır. Saf demir, oda sıcaklığında hacim merkezli kübik (HMK) yapıdadır.

Küpün, merkezinde bir ve sekiz köşesinde birer demir atomu mevcuttur. Bu yapı Şekil 1’de

5

gösterilmekte olup; ferrit olarak adlandırılan alfa () demirdir. Saf demirin 910°C’ye kadar

ısıtılması ile alfa demirin yapısında değişiklik olmaz. Eğer demir 910°C’nin üzerine ısıtılırsa

atomik diziliş değişir ve küp köşeleri ile her yüzeyin merkezinde birer atom bulunan yüzey

merkezli kübik (YMK) sistem oluşur (Şekil 2). Bu, metalurjik terimi ostenit olan gama (γ)

demir olarak isimlendirilir ve ferrite göre yüksek karbon çözünürlüğüne sahiptir. Eğer ısıtma

devam ederse, gama yapısı 1394°C’de tekrar hacim merkezli kübik (HMK) yapıya dönüşür ve

delta (δ) demir olarak bilinir. Aşırı ısıtma, atomların termal titreşimlerinde artışa yol açar ve

1538°C’de kristal kohezif kuvvetler kaybolarak metal sıvı ya da ergimiş hale geçer. Ergimiş

demirin oda sıcaklığına soğutulması esnasında olaylar ters yönde vuku bulur. Demir oda

sıcaklığında ferromanyetiktir ve manyetikliği sıcaklıktaki artışla azalır ve A2 noktası olarak

isimlendirilen 769°C' de tamamen yok olur.

Şekil 2. Hacim merkezli kübik alfa demirin elementer kafesi.

Şekil 3. Yüzey merkezli kübik gama demirin elementer kafesi.

3.1.2. SERTLEŞTİRME

Sertleştirme çeliğe istenen sertliği kazandırmak amacı ile yapılan ısıl işlemdir. Bu işlem

çeliğin sertleştirme sıcaklığına (ostenit bölgesi) ısıtılıp (Şekil 3) bu sıcaklıkta inç başına bir

saat tutulması ve ardından uygun ortamda su verilmesi ile gerçekleştirilir. Su verme ortamı

olarak su, yağ ve hava vb. kullanılabilir. Yağda su verme genellikle suda soğutmaya göre

daha düşük soğutma hızı verir. Bununla birlikte, suda soğutma parça cinsine bağlı olarak,

yağda su vermeye göre şiddetli kalıntı gerilmelere sebep olabilir. Ötektoidaltı çelikler için

sertleştirme sıcaklığı (ya da ostenitleme sıcaklığı) A3’ün 30-50°C üzeri, ötektoidüstü çelikler

6

için ise A1’in 30-50°C üzeridir. Çeliği ostenit bölgesine ısıtma ve bu sıcaklıkta tutma sementit

ya da karbür şeklinde bağlı karbonun ostenit içerisinde çözünmesini sağlamaktır. Bundan

sonra su verme işlemi ile martensit olarak adlandırılan çok sert ve gevrek olan hacim merkezli

tetragonal (HMT) yapı oluşur (Şekil 4).

Ostenitin martensite dönüşümü için; i) minimum C içeriği ve ii) yeterince yüksek soğutma

hızı (kritik soğuma hızı) gereklidir. Çeliğin sahip olduğu daha yüksek karbon içeriği, daha sert

martensit oluşumunu sağlar. Soğutma hızı martensitin sertliğini etkilemez, ancak martensite

dönüşüm için kritik soğuma hızından daha yüksek hızda olmalıdır. Su verme işlemi kritik

soğuma hızından daha yavaş olursa martensit oluşumu gerçekleşmez, ferrit ve sementit

karışımı içeren yapılar oluşur.

0.8

g, ostenit

, ferritFe3C, sementit

Bileşim, ağ.%C

6.67

723°C

1148°C

Sıvı

g + Sıvı

Sıvı + Fe3C

g + Fe3C

+ Fe3C

Fe

Sıc

aklık,

°C

d +Sıvı

d +

g

Şekil 4. Demir-demir karbür (Fe-Fe3C) faz diyagramı

.

7

Şekil 5. Su verme sonrası oluşan martensitin kristal yapısı

Su verme işlemi çeliğin hızlı soğutulmasını sağlar ve farklı ortamlarda gerçekleştirilebilir.

Bunlar, su, tuzlu su, yağ ya da polimer olabilir. Hızlı soğutma, faz dönüşümünü ve difüzyonu

engellemekte, soğuma sonucu aşırı doymuş bir katı eriyiğin oluşumunu sağlamaktadır. YMK

yapıya sahip ostenit karbonca aşırı doymuş olan HMT yapıya dönüşmekte yapıda hapis olan

C atomları kristal kafesin distorsiyonuna (çarpılmasına) yol açarak (Şekil 5); malzemenin

sertliğini arttırmaktadır. Hemen hemen cam kadar sert olan bu yapıyı bu haliyle kullanmak

mümkün değildir. Bu yüzden endüstriyel anlamda kullanabilmek için bu yapının temperleme

ısıl işlemine tabi tutulması tavsiye edilir.

Şekil 6. Karbon miktarına göre martensit latisinin a ve c eksenlerinin değişimi.

3.2. TEMPERLEME (MENEVİŞLEME)

Çeliklerde su verme sonrası oluşan martensit yapısı oldukça sert ve gevrektir. Dolayısıyla

çalışma koşullarında kolayca çatlayabilir ve hasara yol açar. Bu yüzden çeliklere su verme

8

sonrası temperleme adı verilen bir ısıl işlemle çeliğin tokluğu ve sünekliği arttırılabilir,

bununla birlikte iç gerilmesi azaltılabilir. Bu sırada sertlikte de bir miktar düşme meydana

gelir (Şekil 7).

Temperleme, martensitik çeliğin 723 °C’nin altında (sade karbonlu çelikler için) yaklaşık 2

saat ısıtılması ve sonrasında oda sıcaklığına soğutulması işlemidir. Temperleme sırasında

kristal kafes içerisine hapsedilmiş karbonun bir bölümü kafes içinden ayrılarak serbest karbür

tanecikleri oluştururken martensit yapı da ferrite dönüşür (Denklem 1).

Martensit (HMT, tek faz) → temperlenmiş martensit (α + sementit (Fe3C)) (1)

Temperleme sıcaklığı çeliğin türü ve parçanın kullanılacağı yere bağlı olarak 150 - 650 °C

arasında değişir. Tutma süresi parça kalınlığına bağlı olarak 1 – 2,5 saat arasında değişir.

Genellikle 1 inç kalınlığında bir parça için 1 saatlik bir temperleme süresi uygulanır. Bu

sürenin sonunda parça fırından çıkarılarak havada soğumaya bırakılır. Temperleme bir

difüzyon olayıdır, dolayısıyla temperleme sıcaklığı ve tutma süresi temperleme sonucunu

etkiler. Temperleme işlem sıcaklığına bağlı olarak, 4 kategoriye ayrılabilir;

Kademe 1: 100-200 °C, 2 saat;

Bu kademede temperleme yapmanın temel amacı martensitin sertliğini muhafaza ederken, iç

gerilmeleri azaltmaktır. Kesme takımları ve kalıp çeliklerine uygulanabilir. Bu kademedeki

muhtemel dönüşümler ise;

Martensit + Kalıntı ostenit → Temperlenmiş martensit + ϵ (veya karbon yeniden dağılımı) +

kalıntı ostenit (Denklem 2) şeklindedir.

Temperlenmiş martensit, martensitten daha düşük karbon ve c/a oranına sahiptir.

Karbon atomları % 0.2 C’ dan düşük C içerikli çeliklerde yeniden dağılırken, % 0.2C’dan

yüksek C içeren çeliklerde demirle ϵ-karbür (Fe5C2) oluşturabilirler.

Kademe 2: 200-300 °C, 2 saat;

Su verme sonrası çelikler bu kademede temperlendiğinde, kademe 1 deki dönüşümleri atlanır.

Kademe 2’ de, kalıntı ostenitin beynite dönüşümü ve sonucunda tokluğun azalması

gerçekleşir. Bu durum temper gevrekliği olarak adlandırılır ve bu temperleme kademesi

endüstride nadiren kullanılır.

Martensit + kalıntı ostenit → Temperlenmiş martensit + ϵ-karbür + Beynit (Denklem 3)

9

Kademe 3: 300-700 °C, 2saat;

Su verilen çelikler bu aralıkta temperlendiğinde, kademe 2’deki dönüşümlere uğramazlar. Bu

kademe birçok uygulama için en genel uygulama safhasıdır. Reaksiyonlar,

Martensit + kalıntı ostenit → Temperlenmiş martensit + θ + α ( veya perlit) (Denklem 4)

teki gibidir.

Temperleme sıcaklığı 300 °C’ den 700 °C’ye yükseldikçe θ ve α ağırlıkça oranları artar

(temperlenmiş martensit azalır).

Kademe 4: 300-700 °C, 24 saat veya daha fazla,

Daha uzun temperleme süreleri perlitin küreselleşmesine yol açar ve en yumuşak /yüksek

süneklik durumu meydana gelir.

Temperlenmiş martensitin mikroyapısı sürekli ferrit matris içerisine üniform olarak çok ince

partiküller halinde dağılmış sementitten oluşmaktadır. Bu, sementitin çok daha küçük olması

haricinde sferoiditin mikroyapısına benzerlik göstermektedir. Temperlenmiş martensit

yaklaşık martensit kadar mukavemetli olabilir, bunun yanında daha yüksek süneklik ve

tokluğa sahiptir. Örneğin, Şekil 8’ de temperlenmiş martensitin sertliğinin karbon oranıyla

değişimini veren bir eğri verilmiştir. Temperlenmiş martensitteki yüksek dayanım ve sertlik,

sementitin iç yapıda çok ince ve sık olarak dağılmış olması nedeniyle, birim hacim başına

düşen sementit-ferrit faz sınırı alanının yüksek olmasıyla açıklanır. Sert sementit parçacıkları

ferrit matrisi güçlendirmekte ve ferrit-sementit tane sınırları da plastik deformasyon sırasında

dislokasyon hareketlerini engelleyici rol oynamaktadır. Sürekli olarak yapıda yer alan ferrit

fazı da sünek ve tok özellik gösterdiğinden, temperlenmiş martensit yapının hem sert hem de

martensitik yapıya oranla daha sünek olmasına neden olur.

10

Şekil 7. Yağda su verilmiş AISI 4340 çeliğinin temperleme sıcaklığına bağlı olarak akma,

çekme dayanımı ve % uzama değişimi.

Şekil 8. Basit karbonlu martensitik, 371 °C’ de temperlenmiş martensitik ve beynitik yapılara

sahip çeliklerin oda sıcaklığındaki Brinell sertlik değerlerinin bileşimlerdeki karbon miktarına

bağlı olarak değişimi.

11

4. JOMİNY DENEYİ

DENEYİN AMACI

Karbon ve alaşımlı çeliklerin sertleşebilirliğinin belirlenmesi.

DENEYİN YAPILIŞI

Jominy uçtan su verme deneyinde şu adımlar gerçekleştirilecektir:

i) Isıtma: Standart çelik çubuk (Jominy çubuğu) karbon içeriğine göre uygun ostenit

sıcaklığına ısıtılır ve bu sıcaklıkta homojen ostenit eldesi için belirli bir süre tutulur.

ii) Su verme: Isıtılmış çelik deney cihazına yerleştirilir ve su fıskiyesi kullanılarak bir

uçtan soğutulur.

iii) Sertlik belirleme: Jominy çubuğunun uzunluğu boyunca belirli aralıklarla Rockwell C

cinsinden sertlik değerleri belirlenir.

iv) Su verilen uçtan mesafe ile sertlik değerleri arasında çizilen grafik yardımı ile

sertleşebilirlik eğrileri çıkarılır.

4.1. SERTLEŞEBİLİRLİK

Büyük kesitli çelik parçalara su verildiği zaman yüzeyden merkeze doğru farklı soğuma

hızları gözlenir ve soğuma hızı yüzeyden merkeze doğru giderek azalır. Bunun sonucu parça

kesiti boyunca, yüzeyinde %100 martensitten başlayıp, alt beynit, üst beynit ve merkezinde

%100 perlitten oluşan çeşitli mikroyapılar içerir. Oluşan mikroyapısal değişimler uniform

olmayan özelliklere neden olur. Bu noktada sertleşebilirlik önem kazanır. Yeterli

sertleşebilirliğe sahip çelik verilen kesit kalınlığı boyunca en az %50 martensitik mikroyapı

verebilmelidir. Bu nedenle sertleşebilirlik, su verilmiş ve temperlenmiş halde kullanılacak

çeliklerin seçiminde önemli bir parametredir.

Sertleşebilirlik, Fe-C alaşımının martensit oluşumu ile sertleşebilme kabiliyetidir.

Sertleşebilirlik sertlik değildir, su verme işlemi ile çelik yüzeyinde elde edilen sertliğin

merkeze doğru ilerleyebilme kabiliyetidir ve su vermeyle elde edilen sertliğin derinliğini

saptar. Derinlik sertleşebilirliğin bir fonksiyonu olup; martensitin yüzeyden itibaren yarı

miktarına indiği veya en az %50 martensitin mevcut olduğu mesafe olarak belirtilir. Bir çelik

parçasının su verilmiş yüzeyinin sertliği öncelikle karbon içeriğine ve soğuma hızına bağlıdır.

Sertleşebilirlik önemli ölçüde alaşım elementlerinin yüzdesine, ostenit tane boyutuna,

ostenitleme sıcaklığına ve süresine bağlıdır. Yüksek sertleşebilirliğe sahip bir çeliğin

12

karakteristik özelliği, onun büyük bir sertleşme derinliği göstermesi veya büyük parçalar

halinde tam olarak sertleşebilmesidir.

Sertleşebilirlik ve sertlik arasındaki fark, iki farklı çeliğin sertleşebilirliğine bakılarak

gösterilmiştir (Şekil 9). Şekil 9a’da verilen AISI 4140 çeliği %0,4 C ve %0,7 Cr içermektedir,

Şekil 6b’de verilen ise %0,45 C içeren sade karbon çeliğidir. Bu çelikler farklı boyutlarda

hazırlanmış ve her birine aynı koşullarda su verilmiştir ve yüzeyden merkeze doğru sertlikleri

incelenmiştir. Alaşımlı çeliğin sertleşebilirliği (Şekil 9a) karbon çeliğinden (Şekil 9b) daha

yüksektir. AISI 4140 çeliği 40 mm çapa kadar tamamen sertleşmiştir, oysa tamamen aynı

koşullarda su verilen karbon çeliği 20 mm çapa kadar tam olarak sertleşebilmiştir.

(a)

(b)

Şekil 9. a) AISI 4140 ve b) % 0.45 C’lu çeliğin suda su vermeden sonra kesit boyunca elde

edilen sertlik paterni

4.2. SERTLEŞEBİLİRLİK METODLARI

Çeliklerin sertleşebilirliğinin tespitinde iki metod bulunmaktadır. Bunlar;

i. Grossmann sertleşebilirlik testi (Direk sonuç, fakat gerçekleştirilmesi pahalıdır),

ii. Jominy uçtan su verme testidir (Dolaylı sonuç, fakat endüstride yaygın ).

13

4.2.1. Grossmann Sertleşebilirlik Testi

Grossmann’a göre sertleşebilirliğin saptanması için farklı çaplarda (0.5 – 2.5 inç) olan çok

sayıda silindirik çubuk numuneler ostenitleme işlemi sonrası belli bir soğutma ortamında

sertleştirilirler. Metalografik inceleme sonucu %50 martensitten oluşan çubuk seçilir. Su

verilmiş halde merkezinde %50 martensit içeren (tam sertleştirilmiş) maksimum çap kritik

çap, D, olarak isimlendirilir. Kritik değerin üzerinde çapa sahip çelik çubukların merkezinde

tam sertlik sağlanamaz ve martensit miktarı %50’den daha azdır. Kritik çap su verme ortamı

ile değişir. Örneğin suda su verildiği zaman 25 mm çapında tam sertleşmiş olan çelik çubuğa

yağda su verildiğinde kritik çap 15 mm olmalıdır. Tablo 3 su verme ortamlarının şiddetlerini,

H, göstermektedir.

Tablo 3. Su verme ortamlarının şiddetleri

Karıştırma Su Yağ

Yok 0,9-1,0 0,25-0,30

Yumuşak 1,0-1,1 0,30-0,35

Orta 1,2-1,3 0,35-0,40

İyi 1,4-1,5 0,40-0,50

Kuvvetli 1,6-2,0 0,50-0,80

Şiddetli 4,0 0,80-1,10

D değeri soğutma ortamının H değeri kullanılarak ideal çapa, Di, çevrilebilir. İdeal çap

yüzeyin sonsuz hızda soğutulması halinde (H=), merkezinde %50 martensit oluşan çubuğun

ideal çapı olarak tarif edilir ve diğer ortamlarda (yağda veya suda) su verme için gereken

kritik çaptan daha büyüktür. Kritik çap, D, ile ideal çap, Di, arasındaki ilişki Şekil 10’da

verilmiştir.

Çeliğin sertleşebilirliği alaşım elementleri ilavesiyle artar ve kritik çapta bununla birlikte

artar. Grosmann yöntemi ile az alaşımlı ve orta alaşımlı çeliklerin kimyasal bileşimlerinden

ideal çap hesaplanabilir. Bunun için, her bir elementin ostenitleme sıcaklığında, katı eriyik

içindeki miktarının ve aynı zamanda ostenit tane boyutunun göz önünde tutulması gerekir.

Tane boyutu ne kadar küçük olursa sertleşebilirlik o kadar düşük olur. Bunun nedeni, tane

boyutunun azalmasına paralel olarak tane sınırlarının toplam yüzeylerinin artması ve bunun

karşılığında soğuma sırasında perlit oluşumu için başlangıç yerleri olan çok sayıda çekirdeğin

oluşmasıdır.

14

Şekil 10. Kritik çap (D), ideal kritik çap (Di) ve su verme ortamının şiddeti (H) arasındaki

ilişki.

Grosmann yöntemi ile kimyasal bileşimden ideal kritik çap hesabı

1. Şekil 11’den %C ve ASTM tane boyutuna tekabül eden ideal kritik çap (Dic) ve

2. Şekil 12’den % alaşım elementleri miktarına tekabül eden çarpım faktörleri bulunur.

3. Daha sonra Dic ile bu çarpım faktörleri çarpılarak o çelik için ideal çap (Di)

hesaplanır.

15

Şekil 11. Sade karbonlu çeliklerde karbon miktarı ve ostenit tane boyutunun fonksiyonu

olarak ideal çapın değişimi

Şekil 12. Sertleşebilirlik hesaplamaları için çeşitli elementlerin çarpım faktörleri (AISI)

16

Örnek: ASTM tane boyutu 8 olan bir AISI 8640 çeliğinin ideal kritik çapı nedir?

Tablo AISI 8620 çeliğinin kimyasal bileşimi

C Mn Si Ni Cr Mo

0,39 0,91 0,25 0,54 0,56 0,20

Şekil 8’den Dic ideal kritik çapın 0,195 olduğu görülür. Bu değeri Şekil 9’da belirtilen uygun

faktörle çarparak son Di şu şekilde hesaplanır:

Di = Dic × Mn %’sinin çarpım faktörü × Si %’sinin çarpım faktörü × Ni %’sinin

çarpım faktörü × Cr %’sinin çarpım faktörü × Mo %’sinin çarpım faktörü

Di = 0.195 × 4.03 × 1.18 × 1.20 × 2.21 × 1.60 = 3.93 inç

4.2.2. Jomıny Uçtan Su Verme Testi

Günümüzde en yaygın kullanılan sertleşebilirlik testi Jominy tarafından geliştirilmiştir Jominy

uçtan su verme deneyi çeliklerin sertleşebilirliğini belirlemede kullanılan standart bir testtir.

Test ostenitlenmiş standart bir deney çubuğunun (1 inc çapında 4 inc uzunluğunda) bir

ucundan su verilmesini içerir (Şekil 13). Sertleştirme fırınından numunenin alınması ile su

vermenin başlangıcı arasındaki zaman 5 sn’den az olmalıdır. Numunenin tutucuya

yerleşiminden hemen sonra su fıskiyesi 10 dk’dan az olmayan süreyle numunenin yüzeyine

karşı tüm kuvvetiyle direkt olarak açılmalıdır. Bunun bir sonucu olarak, test çubuğunun su

verilen ucu çok hızlı bir şekilde soğur, fakat soğuma hızı zıt uca doğru kademeli olarak azalır

(Tablo 4). Bu durum tüm düşük alaşımlı ve sade karbonlu çelikler için aynıdır. Test

numunesinin soğuması, soğuk su içerisine daldırmayla tamamlanır.

Tablo 4. Su verilen uçtan itibaren mesafeye bağlı soğuma hızı değişimi

JD 1 2 3 4 5 6 7 8 9

CR 490 300 200 125 77 56 42 32 21

JD: Su verilen uçtan itibaren mesafe, 1JD = 1.6mm veya 1/6 inç

CR: Soğutma hızı, °F/sn.

Soğuma hızı çubuk uzunluğu boyunca farklılık gösterir ve su verilmiş uçtan itibaren artan

mesafe ile azalır. Su verilmiş uçta kritik soğuma hızından daha yüksek hızla su verilir ise

%100 martensit ve su verilmiş uçtan uzaklaştıkça azalan soğuma hızına bağlı olarak diğer

17

dönüşüm ürünleri oluşur. Mikroyapıdaki değişimler test çubuğu boyunca sertlikte farklılıklara

neden olur.

Şekil 13. Jominy deney düzeneği

Çubuk soğuduğunda, çubuğun eksenine paralel ve ucundan itibaren 0,4 mm derinliğinden

başlamak üzere taşlama ile iki paralel kesme yüzeyi elde edilir. Bu yüzeyler parlatıldıktan

sonra yassı çubuk boyunca Rockwell C skalasında belirli aralıklarla (1/16 inch aralıkla)

sertlikleri ölçülür. Bu sertlik değerleri ve su verilmiş uçtan itibaren olan eşdeğer mesafeleri bir

diyagram üzerinde belirtilir. Bu çizelgede y ekseni Rockwell C cinsinden sertliği ve x ekseni

sertleşmiş uçtan itibaren mesafeyi gösterir. Bunlara Jominy eğrileri adı verilir (Şekil 14).

18

Şekil 14. Jominy eğrisi (sertleşebilirlik eğrisi)

Sertleşebilirliği yüksek olan bir çelik Şekil 15’deki neredeyse yatay X ‘e benzer şekilde

Jominy eğrisi verecektir. Bu çeliğin mikroyapısında martensitik yapı gözlenir. Orta seviyede

sertleşebilirlik gösteren bir çelikte Y’ ye benzer bir eğri verecektir.

Şekil 15. Farklı sertleşebilirliğe sahip iki jominy numunesinin sertleşebilirlik eğrileri

Çeliğin sertleşebilirliği, kimyasal kompozisyonu ve tane boyutuna bağlı olarak değişebilir

(Şekil 16). Bu eğrilerden üstteki çeliğin en üst kimyasal bileşim sınırına uyan maksimum

sertlik değerlerini, alttaki ise en alt bileşim sınırına uygun minimum sertlik değerlerini verir.

Eğriler beraber olarak düşünüldüğünde Jominy veya sertleşebilirlik bandı adını alırlar.

19

Şekil 16. AISI 4140 çeliğinin sertleşebilirlik bandı.

Su verme işleminden sonra su verilmiş uçtan başlayarak test çubuğu boyunca belirli

aralıklarla düzenli olarak sertlik belirlenmiş ise %100 martensit olan su verilmiş uç ile %50

martensit içeren mikroyapıya sahip mesafe belirlenebilir. Sertleşebilirliği tanımlayan Jominy

mesafesi (J) su verilmiş uç ile su verilmiş uç sertliğinin %50’sinin altına düştüğü nokta

arasındaki mesafedir. J belirlendikten sonra Tablo 5 kullanılarak ideal çap belirlenebilir.

Tablo 5. Jominy mesafesine bağlı olarak belirlenmiş ideal çap değerleri

20

4.3. TASARIMDA SERTLEŞEBİLİRLİK

Jominy sertleşebilirlik eğrileri şaft ve dişli gibi makine parçaları için alaşımlı çeliklerin

dizaynında çok kullanışlıdır. Bu testler silindirik çelik bar içerisindeki çeşitli radyal bölgelerin

(yüzey, merkez, yüzey-merkez arası) sertliğini hesaplamak için kullanılabilir. Prosedür iki

aşamalıdır;

Silindirik çubuk parçaya suda veya yağda su verildiğinde belirli bölgelerdeki soğuma

hızı hakkında bilgi olmalıdır. Şekil 17, suda veya yağda su verilmiş çeşitli boyuttaki

çelik çubuklar için eşdeğer JD (bkz. Tablo 4) değerinin hesaplanmasında

kullanılabilen şemayı göstermektedir.

Eşdeğer JD değeri bilindiğinde, çeliğin sertleşebilirlik eğrilerinden sertlik

hesaplanabilir.

Şekil 17. Suda veya yağda su verilmiş silindirik çubuk parçanın çeşitli bölgelerindeki soğuma

hızları.

21

4.4. SERTLEŞEBİLİRLİĞİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER

4.4.1. Ostenit Tane Boyutunun Çeliklerin Sertleşebilirliği Üzerine Etkisi

Ostenit tane boyutunun küçük olması daha çok tane sınırı ara yüzeyinin bulunması,

dolayısıyla daha fazla çekirdeklenme bölgeleri olmasından dolayı perlit oluşumunu

kolaylaştırır. Bu nedenle küçük tane boyutu diğer faktörler sabit olduğunda sertleşebilirliği

azaltır. Çoğu çelikler için kaba tane yapısı arzu edilmez. Çünkü kaba tane yapısı sünekliği ve

tokluğu düşürüp, çatlama riskini arttırdığından, mekanik özellikleri olumsuz yönde etkiler. Bu

nedenle tane boyutunu büyüterek sertleşebilirliği arttırmak faydalı bir işlem değildir ve

normal olarak bu yola başvurulmaz. Çeliğin sertleşebilirliğini arttırmak için alaşım

elementleri ilave etmek çok daha etkilidir.

4.4.2. Karbon İçeriğinin Çeliklerin Sertleşebilirliği Üzerine Etkisi

Çeliğin karbon içeriğini arttırmakla çeliğin sertleşebilirliği büyük ölçüde arttırılabilir. Çelikte

yüksek karbon içeriği gevrekliği arttırdığından dolayı her zaman arzu edilmediği için, alaşım

elementlerinin ilavesi ile az karbonlu çeliklerin sertleşebilirliğini arttırma çok bilinen bir

durumdur.

4.4.3. Alaşım Elementlerinin Çeliklerin Sertleşebilirliği Üzerine Etkileri

Her element çelikte sertleşebilirlik üzerine bir miktar etkiye sahiptir. Kobalt haricinde bilinen

elementlerin hepsi, özellikle Mn, Cr ve Mo çeliğin sertleşebilirliğini arttırır. Kobalt perlitin

çekirdeklenme ve büyümesini arttırdığı için, sertleşebilirliği azaltır. Çok kullanılan alaşım

elementlerinin sertleşebilirlik üzerine nispi etkileri Şekil 9’da gösterilmiştir. Bu nispi etkiler

çelikteki farklı yüzdelere sahip her alaşım elementi için çarpım faktörlerini vermektedir. Bu

çarpım faktörleri kimyasal kompozisyon ve ostenit tane boyutu bilindiğinde yaklaşık bir

sertleşebilirlik hesabının yapılmasını mümkün hale getirir.

4.4.4. İnklüzyon ve Emprüteler

Çeliğin içerisinde yer alan çeşitli inklüzyon ve emprüteler çekirdeklenmyei arttırarak,

martensit yerine perlit oluşumunu sağlarlar ve sertleşebilirliği azaltırlar.

22

5. İSTENENLER

1. Ölçülen sertlik değerlerini su verilen uçtan itibaren mesafelerin bir fonksiyonu olarak

çiziniz.

2. Jominy deneyi hangi amaçla yapılmaktadır?

3. ASTM nosu 4, 5, 6, 7, 8 olan ve kimyasal bileşimi aşağıda verilen çeliğin idaeal çapını

hesaplayınız.

%C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo

0.5 1.2 0.8 1.6 1.0 0.4

4. Su verme işlemi niçin ostenit bölgesinde yapılmaktadır?

5. Normalizasyon Tavlaması niçin yapılır, hangi tür çeliklere niçin uygulanamaz?

6. Temperleme işlemi sırasında oluşabilen temper gevrekliği nasıl meydana gelir,

sakıncaları nelerdir? Ne tür önlemler alınabilir? Araştırınız.

Kaynaklar

1.http://home.uludag.edu.tr/users/mumintutar/mm/4.pdf-Eylül 2012

2. K. H. Praphudev, Handbook of Heat treatment of the Steels, Mc-GrawHill Education,

1988.

3. William D. Callister, Jr., David R. Rethwisch, Materials Science and Engineering: An

Introduction, Eighth Edition, Wiley, 2009.

4. Molian, Engineerin Alloys, ME321, Syf:109-121.