MUKAVEMET ARTIRICI İŞLEMLER

Malzemenin mekanik özellikleri metalurjik yapılarına bağlıdır.

Metalurjik yapı ise kimyasal bileşim ile malzemeye uygulanan mekanik ve ısıl işlemle değiştiğinden dolayı olarak malzemenin mekanik özelliklerinin bu faktörlere de bağlı olduğu söylenebilir.

Malzemenin Mukavemeti;a) Kimyasal Bileşimb) Metalurjik Yapı değiştirilerek arttırılabilir

Malzemelerin Mukavemet Arttırıcı İşlemleri:

1. Alaşım Sertleştirmesi2. Çökelme Sertleştirmesi3. Dispersiyon Sertleştirmesi4. Soğuk İşlem5. Tane Boyutunu Küçültme6. Deformasyon Yaşlanması7. Martenzitik Dönüşüm8. Radyasyonla Sertleştirme

Katı Eriyik SertleştirmesiHerhangi bir saf metale, matris yapısı içinde eriyen atomların

ilavesiyle elde edilen katı eriyikler iki çeşittir. Bunlar;

A) Yeralan Katı EriyiğiB) Arayer Katı Eriyiğidir.

Yer Alan Katı Eriyiği

Saf metal atomları ile ilave edilen alaşım elementi atomlarının boyutları biribirlerine uygunsa, kristal içinde eriyen atomlar eriten atomların yerini alabilirler. Bu çeşit katı eriyiğe yer alan katı eriyiği denir.

Arayer Katı EriyiğiEğer kristal içinde eriyen atomlar, eriten atomlardan çok küçükse bu durumda eriyen atomlar,eriten atomların oluşturduğu kristalin matris içindeki atomlararası boşluklar yerleşirler. C,N,O,H ve B bu cins eriyen atomlar olup, sözkonusu elementlerin saf metallerle yaptığı katı eriyik, arayer katıeriyiği olarak isimlendirilir.

Hume-Rothery Kaideleri:Farklı iki metal atomunun birbiri içinde her oranda eriyerek

yeralan katı eriyiği yapabilme sartları Hume –Rothery kaideleri olarak bilinir.

1. Eriyen ve eriten atom boyutları arasındaki fark %15’den az olmalıdır.

2. Farklı iki metalin birbiri içinde her oranda eriyebilmesi aynı kristal yapısına sahip olmaları halinde mümkündür.

3. Elektronegativiteleri birbirine yakın olan metaller yeralan katı eriyiği yapabilirler.

4. Eriyen ve eriten metal atomlarının valansları aynı olduğunda her oranda bir biri içinde eriyerek, katı eriyik yapabilirler.

•Katı eriyikler saf metallere göre daha yüksek mukavemete sahiptirler.

•Katı eriyik sertleşmesi sonucunda malzemenin akma mukavemeti artar.

•Katı eriyik yapan alaşım elementleri genellikle süreksiz akma olayına da sebep olurlar.

Alaşım elementi konsantrasyonu ile katı eriyik mukavemetinin değişimi;

CKcia

a: Katı eriyiğin akma mukavemetii

cK

C

: Saf matrisin iç sürtünme gerilmesi: Malzeme sabiti

: Alaşım elementinin konsantrasyonu

İkinci Faz Sertleştirmesi

İkinci faz sertleşmesi, genellikle katı eriyik sertleşmesine eklenebilir. İki fazlı alaşımlarda, ikinci faz matris fazı içinde bölgesel iç gerilmeler oluşturması nedeniyle alaşım mekanik özelliklerini etkilemektedir.

Çökelme Sertleşmesi

Çökelme sertleşmesi, ikinci fazın küçük tanecikler halinde matris fazı içinde çökelmesinin sağlandığı alaşım sistemlerinde mukavemet artırmada kullanılan en önemli sertleştirme yöntemlerinden biridir.

Çökelme Sertleşmesi Üç Kademede Yapılır

1)Solüsyona Alma

2) Su Verme

3) Yaşlandırma

Dispersiyon SertleşmesiBu sertleştirme işlemi prensip olarak çökelme sertleştirmesinin aynıdır. Çökelme sertleştirmesinin dispersiyon sertleştirmesinden farkı, çökelme sertleştirmesinde ikinci fazın katı eriyikten çökerek tabii olarak oluşması, dispersiyon sertleşmesinde ise ikinci fazın ince tanecikler halinde matris fazı oluşturan malzeme içinde fiziksel olarak dağıtılmasıdır.

Matris içerisinde çok küçük taneler halinde ikinci fazın bulunması durumunda malzemenin mukavemetinin artmasının nedenleri, deformasyon sırasında ikinci faz tanelerinin dislokasyonların hareketini engellemeleri ve de malzemede dislokasyon yoğunluğunun artmasına sebep olmalarından kaynaklanmaktadır.

Soğuk İşlem

Soğuk işlem malzemeye plastik sekil verme yöntemleriyle uygulanır. Plastik şekillendirme hem dislokasyonların hareketini sağlar, hemde yeni dislokasyonların oluşumuna sebep olur. Soğuk işlem sonunda mukavemetin artması deformasyon sertleşmesi nedeniyledir. Deformasyon sertleşmesi, dislokasyonların birbirleri ve dislokasyonların hareketini zorlaştıran çeşitli engeller ile etkileşimi sonucunda olur.

Soğuk İşlem

Soğuk işlem sonucunda malzeme yapısında meydana gelen dislokasyon yoğunluğunun malzemenin mukavemetine etkisi aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir.

2/1 Gbip

p

iGb

Plastik deformasyon gerilmesi: Sürtünme gerilmesi

: Kayma elastik modülü: bir sabit (0,3-0,6)

:Burgers vektörü:Dislokasyon yoğunluğu

Tavlama: Tavlama ile yüksek sıcaklıkta bir süre tutulan malzemenin soğuk işlem yapısı bozulur. Malzeme yapısının değişimini

a) toparlanma, b)yeniden kristalleşme c) tane büyümesi

olarak üç safhada gerçekleşir.

Toparlanma:Bu safhada soğuk işlenmiş malzemedeki dislokasyonlar yeni bir düzene girer. Bu düzen dislokasyonların daha düşük enerjiye sahip oldukları durum olup, poliganizasyon olarak isimlendirilir.

Yeniden Kristalleşme:Bu safhada dislokasyon içeren toparlanmış taneler kaybolur ve yerine yeni taneler çekirdeklenir. Çekirdeklenme genellikle hatalı bölgelerde, tane sınırlarında meydana gelir.

Yeniden kristalleşme sıcaklığı, malzemenin pratik olarak bir saat içinde %50’sinin yeniden kristalleştiği sıcaklıktır. Ve yaklaşık olarak malzemenin ergime sıcaklığının 13ü ile 12’si arasındadır. Malzemenin yeniden kristalleşme sıcaklığı sabit olmayıp soğuk işlem miktarı, kimyasal bileşim, ilk tane boyutu, tav süresi, malzemenin ergime sıcaklığı çeşitli faktörlere bağlıdır.

Tane BüyümesiYeniden kristalleşen taneler, tavlama sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda tavlanırsa yayınma ile zamanla büyürler. Tane büyümesi tavlama süresi ve sıcaklığa bağlıdır.

Tane Boyutunu Küçültme

Tane boyutunu küçülterek bir malzemenin mukavemetii arttırılabilir. Tane boyutunu hızlı soğutma veya çeşitli teermo-mekanik işlemlerle küçültmek mümkündür. Tane boyutu küçültme ile malzemenin mukavemetinin artması şu sebeple olur.a) Tane sınırları kaymayı önlerb)Deformasyon sırasında taneler arasında uyum sağlamak,

Tane Boyutu ve akma arasındaki ilişki;

2/1 kDia

a

ikD

Akma Mukavemeti

Sürtünme Gerilmesi

Sabit

Tane Boyutu

Deformasyon YaşlanmasıMetalik malzemelerin soğuk deformasyondan sonra genellikle düşük sıcaklıklarda tavlanması veya oda sıcaklığında uzun süre bekletilmesi sonucunda akma ve çekme mukavemetlerinin artması, sünekliğinin azalması olayı deformasyon yaşlanması olarak adlandırılır. Soğuk deformasyon sonucu giderilmiş olan akma olayı , yaşlanma sonunda tekrar görülür.

Martensitik Dönüşüm

Yayınmasız kayma tipi bir dönüşüm olan martensitik dönüşüm bazı demirdışı alaşımlara ve genellikle çeliklere uygulanan sertleştirme işlemlerinden biridir. Martensitik dönüşümün mukavemet arttırmadaki etkisi en belirgin olarak Fe-C alaşımlarında görülür.

SERTLEŞTİRME

Karbon Miktarının Sertliğe Etkisi

Hızlı Soğutma ile Sertleştirme

Fe-C martensiti C’ca aşırı doymuş bir fazdır. Martensitik dönüşüm ile yapıda mikroskobik

seviyede iç gerilmeler, ikizler ve dislokasyonlar oluşur. %0,2 C’lu bir çelik, martensitik yapıda 1x1012 cm/cm3 yoğunluğunda dislokasyon içerir. Bu haliyle martensit soğuk deforme edilmiş yapıya benzer.

Martensitik yapıda bir ısı karşısında (Temperleme) çökeltiler oluşur. Çökeltiler tercihen levha ve iğneler arasındaki sınırlarda yer alır.

Isıl işlem şartlarına bağlı olarak, yapıda martensitin yanı sıra kalıntı ostenit de bulunabilir. Bu kalıntı ostenit kararlı olmayıp, herhangi bir ısı karşısında (Temperleme) daha kararlı ürünlere dönüşür.

Özellikle takım çeliklerinde yapı içinde bulunan karbürler, ostenit içinde çözündürülemez ise martensitik yapı içinde yer alabilir.

TEMPERLEME (MENEVİŞLEME)

Ostenit sahasından su verilerek martensitik yapı kazandırılmış olan çelikleri yumuşatmak ve tokluğunu arttırmak amacıyla ötektoid sıcaklığın altında belli bir süre tutma işlemidir.

t (logaritmik skala)

Tyüzey

merkez

Temperleme sıcaklığı

Menevişleme (Temperleme)• Kırılgan Martenzit iç

yapının, daha tok ve hala yüksek dayanımlı iç yapıya dönüştürülmesi ısıl işlemidir.

• Ostenit sıcaklıktan su verilen iç yapıda martenzitler oluşur.

• Daha sonra bu malzeme temper sıcaklığına ısıtılarak martenzit temper yapıya yani ince taneli ferritik-perlitik bir yapı dönüştürülür.

1. Safha (38-250C):

Yüksek C’lu çeliklerde SPH yapıdaki karbürün (Fe2,5C) çökelmesi ile martensitin sertliği bir miktar artar.

Martensit tetragonelliğini kısmen kaybeder.C<%0,25 çelikte karbür oluşma şansı yoktur. Çeliğe Si ilavesi karbürün 200C’nin üzerinde

kararlı olmasını sağlar.

2. Safha (230-370C): 200C’nin üstünde karbür çözünür ve çok ince sementit

(Fe3C) çökelir. Martensit tetragonel yapısını tamamen kaybederek bir nevi

ferrit oluşur. Temperleme sıcaklığının yükselmesi ile sementitler büyür ve

küreselleşir. Sertlik düşer. Yüksek karbonlu çeliklerin mikroyapısında martensitle

birlikte bulunan kalıntı ostenit kısmen beynite dönüşerek malzemenin sertliğinde artışa neden olur.

Bu sıcaklık aralığındaki temperleme ile sade karbonlu düşük alaşımlı çeliklerin tokluğunda düşme olur (Temper Gevrekliği). Bu nedenle bu sıcaklıkta temperleme işlemlerinden kaçınılır. Ancak temperlemeye karşı direnci arttıran alaşım elentlerinin ilavesi ile temper gevrekliği azaltılabilir.

3. Safha (370-540C):

Sementit büyümeye ve küreleşmeye devam eder.Malzemenin sertliği düşerken, tokluğu artar. Tokluk ve mukavemetin optimum kombinasyonu bu

aralıkta elde edilir.Yüksek tokluk gerektiren ortamlarda kullanılan sade

karbonlu ve düşük alaşımlı yapı çelikleri bu aralıkta temperlenir.

4. Safha (540-675C): Bu bölgede 1 saat temperleme ile aşağıdaki dönüşüm olur:

Martensit Yeniden kristalleşmiş ferrit + Küresel Sementit

Yeniden kristalleşme ile sınırlarında ve içinde küresel sementit içeren eş eksenli ferrit taneleri oluşur ve daha sonra bu ferrit taneleri büyür.

Bu safhada dislokasyonlar yeniden düzenlenir ve dislokasyon yoğunluğu azalır.

Düşük karbonlu çeliklerde yeniden kristalleşme kolay olurken, yüksek karbonlu çeliklerde sementit partiküllerinin yoğunluğu fazla olduğundan, sementitler tane sınırlarında dislokasyon hareketini ve ferrit tane sınırlarını kilitleyerek yeniden kristalleşmeyi zorlaştırır.

Yer alan atomlarının (Cr, Mo, Ni, ...) yayınımı, arayer atomlarının yayınımından çok daha yavaştır.

Çeliğin bileşiminde alaşım elementlerinin bulunması durumunda C’un yayınımı yavaşlar ve dolayısıyla, temperleme sırasında karbür çökelmesi ve büyümesi daha yavaş olur.

Alaşım elementleri, C’un martensit latisinden çıkış hızını azaltarak martensit tetragonelliğinin 450-500C’ye kadar kararlı olmasını sağlar.

Özellikle yüksek alaşımlı çeliklerde 450C’den yüksek sıcaklıklarda yapılan temperleme ile martensitin sertliği düşmesine rağmen, mikroyapıda oluşan alaşım karbürlerden dolayı çeliğin sertliğinde daha düşük temperleme sıcaklıklarına göre sertlik artışı görülebilir.

Bu olaya ikincil sertleşme adı verilir.