MUKAVEMET ARTIRICI İŞLEMLER

Malzemenin Mukavemeti;

a) Kimyasal Bileşim

b) Metalurjik Yapı değiştirilerek arttırılabilir

Malzemelerin Mukavemet Arttırıcı İşlemleri:

1. Martenzitik Dönüşüm

2. Alaşım Sertleştirmesi

3. Çökelme Sertleştirmesi

4. Dispersiyon Sertleştirmesi

5. Soğuk İşlem

6. Tane Boyutunu Küçültme

7. Deformasyon Yaşlanması

8. Radyasyonla Sertleştirme

1. Martensitik Dönüşüm (Su Verme Sertleştirmesi)

Östenitleme işleminden sonra, çelikler yavaş

ya da orta seviyedeki bir hızla

soğutulduklarında, ostenit içerisinde

çözünmüş durumda bulunan karbon atomları

difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar.

Soğuma hızı arttırıldığında, karbon atomları

difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için

yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları

bir miktar hareket etseler bile, karbon

atomlarının çözelti içerisinde hapsedilmeleri

nedeniyle farklı bir yapı oluşur. Hızlı

soğuma sonucunda oluşan bu yapıya

“martenzit” adı verilir. Martenzit karbonla

aşırı doymuş hacim merkezli tetragonal

(HMT) yapıya sahip bir katı çözeltidir.

Martenzitik dönüşüm sırasında

ostenitin YMK yapılı birim

hücrelerinden martenzitin HMT

yapılı birim hücresinin oluşumu

Su verme işleminden sonra oluşan martenzit mikroskop altında iğne veya diken

biçiminde gözükür ve bazen saman demetini andıran bir görünüm sergiler. Çeliklerin

çoğunda martenzitik yapı belirsiz ve soluktur, bu nedenle kolayca ayırt edilemez.

Yüksek karbonlu çeliklerde ise kalıntı ostenit arka fonu oluşturduğundan, martenzitin

iğne veya diken biçimindeki yapısı daha belirgin bir görünüm kazanır.

Martenzitik dönüşüm yalnız hızlı soğuma sırasında meydana gelir. Bu nedenle, söz

konusu dönüşüm zamandan bağımsız olup, yalnız sıcaklığın azalmasına yani

soğumaya bağlıdır. Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır.

Çeliklerde, sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Yüksek sertlik değerleri,

ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir.

Çeliklerde oluşan tipik bir martenzitik yapının

görünümü.

İğne biçimindeki taneler martenzit fazını, beyaz

bölgeler ise kalıntı osteniti göstermektedir.

1. Martensitik Dönüşüm (Su Verme Sertleştirmesi)

Martenzit yüksek sertliğe sahiptir. Martenzitin sertliğinin yüksek olmasının en

büyük nedeni kafes yapısının aşırı ölçüde distorsiyona uğraması, yani çarpıtılmış

olmasıdır. Martenzitin atomsal dolgu faktörünün ostenitin atomsal dolgu faktöründen

daha düşük olması nedeniyle, martenzitik dönüşüm sırasında çelikte bir miktar

hacimsel büyüme meydana gelir. Söz konusu hacimsel büyüme matris yapısını

plastik deformasyona uğratabilecek büyüklükte yerel gerilmeler oluşturur. Bir başka

deyişle, martenzitin oluşumu sırasında meydana gelen hacimsel büyüme çok yüksek

düzeyde yerel gerilmeler oluşturarak çeliklerin matris yapısının aşırı ölçüde

çarpılmasına veya plastik şekil değişimine uğramasına neden olur. Kafes yapısının

çarpılması da dislokasyon hareketini zorlaştırarak veya engelleyerek su verilen

çeliklerin sertlik ve mukavemetini arttırır.

1. Martensitik Dönüşüm (Su Verme Sertleştirmesi)

2. Alaşım Sertleştirmesi

2.1.Katı Eriyik Sertleştirmesi

Herhangi bir saf metale, matris yapısı içinde eriyen

atomların ilavesiyle elde edilen katı eriyikler iki çeşittir.

Bunlar;

A) Yeralan Katı Eriyiği

B) Arayer Katı Eriyiğidir.

•Bir katı çözelti oluşmuşsa, kristal içindeki yabancı atomlar hem dislokasyon çizgisi

boyunca konumlanarak akma dayanımını arttırıyorlar, hem de kristaldeki toplam

elastik gerinim miktarını arttırarak kayan dislokasyonların sürtünme direncini de

arttırıyorlar. Yani sadece akma dayanımı değil plastik akma boyunca uygulanması

gereken bütün gerilim değerlerinin topyekün arttığını, gerilim-gerinim eğrisinin

yukarı kaydığını gözlemliyoruz.

•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.

2.1.Katı Eriyik Sertleştirmesi

2.2. 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. Örnek; a+b pirinci (Cu-Zn%30-

47)

3. Çökelme Sertleşmesi

Çökelme sertleşmesi, ikinci fazın küçük tanecikler halinde matrisfazı içinde çökelmesinin sağlandığı alaşım sistemlerindemukavemet artırmada kullanılan en önemli sertleştirmeyöntemlerinden biridir.

Çökelme Sertleşmesi Üç

Kademede Yapılır;

1)Solüsyona Alma

2) Su Verme

3) Yaşlandırma

3. Çökelme Sertleşmesi

3. Çökelme Sertleşmesi

t 't

3. Cokelme Sertlesmesi

( Maksimum sertlik ) durumu

Tam ya§lanml§

Az ya§lanml§

Saf AI

Y--

~ QJ c: "E "' .c: ~

0 .c: tiO c: ~ -en

Overaging 9

Zones

Logarithm of aging time

Strength Development • Fine precipitates (Guinier-Preston zones :::::> 8" phase) are

coherent with lattice • Deformation of crystal impedes dislocation motion • At optimal aging time, precipitates are dispersed, small , and

coherent. • After optimal aging time, precipitates get too big, incoherent with

matrix.

~ .......

I " • ....... I /'/

~ ........ •

0

I -....:i I · ~ '..-, , ;-... t <_, (-< 0~0* I V.-P 0

/ ............ ...(

Solvent (AI) Atom Solute !Cu) \ r~Pha*::..,.-atom 8P ase particle I

:\. Lf... X X ),Nl ,1, J. r -hY- - t-.

JJ

~ I

" -- "~- - ---- M H ;, >-< ' I H

I I I

~ I I ' >-< .~ H o.; - "' -- ---- -- -- >-< ~ ~ H I

t.; _ - ' :~ c, - [.J

:( x )

From: Callister

Overaging

• After solution heat treatment the material is ductile, since no precipitation has occurred. Therefore, it may be worked easily.

• After a time the solute material precipitates and hardening develops.

• As the composition reaches its saturated normal state, the material reaches its maximum hardness.

• The precipitates, however, continue to grow. The fine precipitates disappear. They have grown larger, and as a result the tensile strength of the material decreases. This is called averaging.

Precipitation-Hardening Microstructure Basics

• Forms because of supersaturation - Solubility cttanges w1th temperature

• What doe:. the proces:.ing do to lhc mtcrostructure? 1. Pomt or Solut1omzmg create solutton

•

2 Po1nt of Quendung supersa turate the solution

3 Pomt of P·H Heat Treatment -allow the elements to d•ffuse and form prec•p•tilte~

Too long heu t tre<~tm~nt leads to overaging Pn:tJpitilrer beco!T'e too l;nnc·/loo fJ r upart to bloc~. dtslocauon motion cHr<ltii£'1V GdVWIU lowt>r trenvth

Solullon zdJ

3. Çökelme Sertleşmesi3. Cokelme Sertlesmesi

Maksimum mukavemet ic;in ya~land1rma SICakhgl onemli. Her bir malzemede optimum ya~land1rma s1cakhg• mevcut.

Ia 500 D.

! 400 ·-.... cu E cu >

300

~ 200 :I :1: ftl 100 .§

0 c( 0.001 0.01

1o7·c

/ 1so·c

19o·c 26o·c

0.1 1 10 100 1,000 10,000

Ya~lanma si.iresi (saat)

AI-Cu ala~1mlarmda akma mukavemetine ya~land1rma s1cakhg1 etkisi.

3. Çökelme Sertleşmesi3. Cokelme Sertlesmesi

~okelme sertle~mesi nin Onemi, ve Uygulama Alanlan c;okelme reaksiyonuna ticari ilgi nedeni: mukavemet art1~1 Boeing 767 mekanizmasmdan dolay1 ,...---------------"""

Havac1hk sektoriinde mukavemet I ag1rhk oran1 yiiksek ala~1mlar istenir.

1.5Jlm

3. Çökelme Sertleşmesi3. Cokelme Sertlesmesi

.......... II ,..~ .... ro..Tntu ate , 'P'lll> ,.,..11 ... I ..

1..4...--.w-..-'=: - ­Dl!to1'»­uu..nsu. , r•

....,. m =•= tl .. Tnl11 • .,.,ln'l11 .... ~ rr•'m'lu...., •, u .. ._.,_...,-.

~~~­,..n7111 .. .,.... 'Tn'ltt ....... .,.,_ "mmn t ' A I .. '\M

" s •v a ,..T7rd&Jd ·-

U~ak govdesinde kullamlan ve ~okelme ile sertle!jtirilen AI ala!jlmlarl

Simge

Mühür

Simge

Mühür

• Bu 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.

4. Dispersiyon Sertleşmesi

Dispersion Strengthening

Pinning Sites

5.Soğuk İşlem

Soğuk işlem malzemeye plastik sekil verme yöntemleriyleuygulanır. Plastik şekillendirme hem dislokasyonlarınhareketini sağlar, hem de yeni dislokasyonların oluşumunasebep olur. Soğuk işlem sonunda mukavemetin artmasıdeformasyon sertleşmesi nedeniyledir. Deformasyonsertleşmesi, dislokasyonların birbirleri ve dislokasyonlarınhareketini zorlaştıran çeşitli engeller ile etkileşimi sonucundaolur.

5.Soğuk İşlem

• Plastik deformasyon sırasında, dislokasyonlar kayma düzlemlerinde kayarak hareket ederler.

• Fakat bu sırada yeni dislokasyonlar meydana gelir ve yoğunlukları artar.

• Sayılarının artması ile birbirlerinin hareketini engellemeye veya başka engellere (boşluk, yer alan, ara yer, tane sınırı, faz sınırı, çökelti, vs.) takılmaya başlarlar.

• Böylece hareketleri için daha yüksek gerilmeler gerekir.

• Bu durum deformasyon sertleşmesi veya PEKLEŞME (strain hardening-work hardening) olarak adlandırılır.

• Pekleşmenin gerçekleşmesi için metallerin, malzemelerin soğuk şekillendirilmesi gerekir.

5.Soğuk İşlem

5.Soğuk İşlem

)0 20 30 40 50 60 70

Yiilde sotuk 18-1l <leli•1mi

/a)

S.Soguk islem

900

800

~ 700 i! ~600 i 1500 ~

400

)0 20 30 40 50 60 70

YW:de sotuk f!kil deJi$imi

(b)

$ckil 7.19 1040 r,:eligi, pirinr,: ve balurda artan soguk ~eki l degi~imi

ytizdesiyle (a) akma dayammmdaki art1 ~ (b) r,:ekme dayan1mmdaki art1~, ve (c) siineklikteki (o/ouzama) azalma. [Melals Handbook: Properties and Seleclion: Irons and Steels, Vol. I, 9th edition, B. Bardes (Editor), American Society for Metals, 1978, p. 226; and Melals Handbook: Properties and Seleclion: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th edition, H. Baker (Managing Edi tor), American Society for Metals, 1979, p. 276-327.]

LO 20 30 40 50 60 70

YUtd~ 90!uk ,ekll <let .. imi

(<)

Wi1c

5.Soğuk İşlemS.Soguk islem

Birlm ~ekll de{Ji~iml

Sekil 7.20 Soguk ~ekil degi ~iminin di.i~ilk karbonlu 9eligin gerilme-birim ~ekil degi ~imi davram~ma etkisi; egriler S~D'nin % 0,% 4 ve % 24 degerleri iyin y izilmi~tir.

W nc

• Metalik malzemelerde soğuk işlem miktarı sınırlıdır, çünkü belirli bir soğuk işlem miktarında malzemenin sünekliği sıfıra iner.

• Soğuk işlem sırasında malzeme kusurlarının soğuk işlem miktarı arttıkça artması malzemede çatlaklara sebep olur. Çatlak oluşumunu önlemek, hem de soğuk işlemle azalan sünekliği arttırmak için malzeme soğuk işlem sırasında zaman zaman tavlanır.

• HANGİ TAVLAMA???

5.Soğuk İşlem

6.Tane Boyutunu Küçültme

Tane boyutunu küçülterek bir malzemenin mukavemetiarttırılabilir. Tane boyutunu hızlı soğutma veya çeşitli termo-mekanik işlemlerle küçültmek mümkündür. Tane boyutuküçültme ile malzemenin mukavemetinin artması şu sebepleolur:Dislokasyonlar tane sınırları ile engellendiğinde tane sınırları önünde yığılırlar ve dislokasyonların hareketi zorlanır. Bunun sonucunda mukavemet artışı meydana gelir.

6.Tane Boyutunu Küçültme6.Tane Bovutunu Kucultme

Tane Boyutu ve akma arasmdaki ili~ki;

<Ja Akmn ~Iukawmeti

<Ji Siirttirune Gerilmesi

k Sabit

D Tane Boyutu

7.Deformasyon Yaşlanması

Metalik malzemelerin soğuk deformasyondan sonra genellikledüşük sıcaklıklarda tavlanması veya oda sıcaklığında uzun sürebekletilmesi sonucunda akma ve çekme mukavemetlerininartması, sünekliğinin azalması olayı deformasyon yaşlanmasıolarak adlandırılır. Soğuk deformasyon sonucu giderilmiş olanbelirgin (süreksiz) akma olayı , yaşlanma sonunda tekrar görülür.

(a) Test durduktan hemen sonra tekrar yükselme yapılıp teste devam ediliyor.

(b)Test durduktan hemen sonra100-400C de ısıtılıp soğutulduktan sonra teste devam ediliyor.

• Gerinim Yaşlanması için şöyle düşünelim: Bir çekme testi yaptık, belli bir miktar deforme ettikten sonra akma noktası ortaya çıktı, ardından bütün dislokasyonlar kendilerini durduran bu atomlardan kurtuldular ve hareket etmeye başladılar ve homojen pşd başladı. Bu noktada testi durdurup numune üzerindeki yükü sıfırlayalım.

• Bu süreçte numunede belirli bir plastik gerinim oluşmuştur. Bu numuneye örneğin 400°C’ de fırında birkaç saat bekletelim. Bu işleme aslında yaşlandırma diyoruz.

• Böyle bir ısıl işlem yaptığımız zaman malzemenin yaşlandığını görebiliyoruz. Çünkü dislokasyonlar bu yabancı atomlardan kurtulmuş olmalarına rağmen biz testi durdurduğumuzda dislokasyonlar tekrar durgun hale geliyorlar ve yabancı atomlar kristal içinde başka bölgedeler. Ve sıcaklığı arttırdığımızda difüzyonla tekrar yabancı atomların dislokasyonları yakalayarak içlerine yerleşmesi mümkün.

• ① Elimizde düşük karbonlu çelik olsun. Ve karbon atomları dislokasyon etrafında toplanmış durumdalar. Malzeme içinde nitrojen atomları varsa onlar da benzer şekilde davranabilirler.

• ② Bir miktar pşd’ den sonra (dislokasyonlar bu atomlardan kurtulduktan sonra) 400°C gibi bir sıcaklıkta yaşlandırma işlemi yapalım, bu yabancı atomlar tekrar dislokasyonları yakalayıp içine yerleşebilirler.

• Biz aynı numuneyi tekrar yüklemeye başladığımız zaman yine bir elastik kısım ile karşılaşıyoruz ve tam akma noktasının hizasına geldiğimizde burayı da aşarak hatta pşd bölgesinde bıraktığımız gerilim değerini de aşarak ondan sonraki bir akma noktası verdiğini gözlemliyoruz ve buradan sonra homojen pşd başlıyor.

• Yine bir plastik deformasyon ile başladığımız için bir akma noktası görüyoruz fakat bu kez daha yüksek bir değer oluyor. Bunun nedeni malzeme deformasyona uğradıkça malzemedeki dislokasyon sayısının artıyor olması. Ve duran dislokasyonları aktive etmek için daha fazla miktarda gerilim uygulamamız gerekmektedir. Dislokasyon sayısındaki artışa bağlı olarak malzemedeki bu güçlenmeye gerinim sertleşmesi diyoruz. Ancak burada gözlemlediğimiz duruma gerinim yaşlanması diyoruz. İkisi farklı mekanizmalardır.

• Gerinim Yaşlanması

• Temel olarak malzeme bir miktar gerinime uğradıktan sonra (dislokasyonlar yabancı atomlardan kurtulduktan sonra) yüksek sıcaklıkta kısa bir süre geçiyor ve bir miktar yaşlandırıyoruz. Daha sonra tekrar teste tabi tuttuğumuzda ya da tekrar pşd’ ne tabi tuttuğumuzda malzemenin güçlendiğini görüyoruz. Bu gerinim yaşlanmasıdır.

• Gerinim sertleşmesi ise dislokasyon sayısındaki artış ile ilgilidir. Gerinim yaşlanması ise bu atomların tekrar bu dislokasyonların içine yerleşmesi ile ilgili bir durum.

• Deformasyon yaşlanmasının uygulanmasının uygulamada

önemi çok büyüktür. Özellikle yumuşatma tavı yapılmış az

karbonlu çelik saçlarda derin çekme işlemleri sırasında,

süreksiz akma olayı sebebi ile malzeme yüzeyinde pürüzler

oluştuğundan deformasyon yaşlanması, istenmeyen bir olaydır.

Çelikte deformasyon yaşlanması veya süreksiz akma olayını

gidermek veya geciktirmek için yapılan işlemler;

• Ferrit fazında çözünmüş C ve N miktarını azaltmak amacı ile,

kuvvetli karbür ve nitrür yapıcı elementleri çelik üretimi

sırasında ilave etmek.

• Yumuşatma tavından sonra küçük deformasyon oranlarında

(%0,5-%1,5) soğuk haddelemek ve hemen kullanmak.

• Özel ısıl işlem yapmak

7.Deformasyon Yaşlanması

• Portevin-Le Chatelier Etkisi

• Deformasyon yaşlanması, çekme grafiğinde, deformasyon

süresince, devamlı olarak süreksiz akma olayındaki gibi zik-

zagların oluşması ile ilgilidir. Bu dinamik deformasyon

yaşlanması olayı Portevin-Le Chatelier etkisi olarak

isimlendirilir.

7.Deformasyon Yaşlanması

• Radyasyonla sertleştirme, esasında radyasyon etkisi ile

malzemenin kristal yapısında nokta hataları oluşumunun

sonucudur.

8.Radyasyonla Sertleştirme