TT.. CC..

SSÜÜLLEEYYMMAANN DDEEMMĠĠRREELL ÜÜNNĠĠVVEERRSSĠĠTTEESSĠĠ

FFEENN BBĠĠLLĠĠMMLLEERRĠĠ EENNSSTTĠĠTTÜÜSSÜÜ

DDÜÜġġÜÜKK KKAARRBBOONNLLUU MMĠĠKKRROO AALLAAġġIIMMLLII ÇÇEELLĠĠKKLLEERRĠĠNN

SSEERRTTLLĠĠKK VVEE MMĠĠKKRROO YYAAPPIILLAARRII ÜÜZZEERRĠĠNNEE SSOOĞĞUUMMAA HHIIZZIINNIINN

EETTKKĠĠSSĠĠ

CCiihhaann EEKKĠĠNNCCĠĠ

DDaannııĢĢmmaann:: PPrrooff.. DDrr.. NNaazzıımm UUÇÇAARR

YYÜÜKKSSEEKK LLĠĠSSAANNSS TTEEZZĠĠ

FFĠĠZZĠĠKK AANNAABBĠĠLLĠĠMM DDAALLII

IISSPPAARRTTAA––22001111

TEZ ONAYI

Cihan EKİNCİ tarafından hazırlanan “DüĢük Karbonlu Mikro AlaĢımlı Çeliklerin

Sertlik ve Mikro Yapıları Üzerine Soğuma Hızının Etkisi” adlı tez çalışması

aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim

Dalı’nda YÜKSEK LĠSANS TEZĠ olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Prof. Dr. Nazım UÇAR

Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı

Jüri Üyeleri :

Doç. Dr. Adnan ÇALIK

Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Eğitimi Anabilim Dalı

Doç. Dr. Ekrem ARTUNÇ

Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı

Prof. Dr. Mustafa KUġCU

Enstitü Müdürü

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların

kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER ............................................................................................................. i

ÖZET ........................................................................................................................... ii

ABSTRACT ................................................................................................................ iii

TEŞEKKÜR ................................................................................................................ iv

ŞEKİLLER DİZİNİ ..................................................................................................... v

ÇİZELGELER DİZİNİ .............................................................................................. vii

SİMGELER DİZİNİ ................................................................................................. viii

1. GİRİŞ ....................................................................................................................... 1

2. KURAMSAL TEMELLER ..................................................................................... 5

2.1. Alaşımlar ............................................................................................................... 5

2.2. Demir-Karbon Alaşımları ..................................................................................... 7

2.2.1. Demir-sementit faz diyagramı............................................................................ 9

2.3. Çelikler ................................................................................................................ 11

2.4. Çeliklerde Isıl İşlemler Sırasında Oluşan İç Yapılar: Mekanik Özellikler ......... 12

2.5. Sertlik ve Sertlik Tayini ...................................................................................... 21

3. MATERYAL VE YÖNTEM ................................................................................. 24

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA .................................................... 28

5. SONUÇ .................................................................................................................. 40

6. KAYNAKLAR ...................................................................................................... 41

ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................... 44

ii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

DÜŞÜK KARBONLU MİKRO ALAŞIMLI ÇELİKLERİN SERTLİK VE

MİKRO YAPILARI ÜZERİNE SOĞUMA HIZININ ETKİSİ

Cihan EKİNCİ

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

Fizik Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Nazım UÇAR

Bu çalışmada, iki farklı karbon içeriğine sahip düşük karbonlu mikro alaşımlı

çeliklerin mikro yapı ve mikro sertlikleri üzerine ısıl işlem ve soğuma hızının etkisi

araştırılmıştır. Bu amaç için çeliklere öncelikle 400 ºC’de 4 saat bekleme, 800 ºC’de

4 saat bekleme ve 1000 ºC’de hemen şeklinde üç farklı ısıl işlem ve takiben fırında,

havada, suda ve sıvı azotta soğutma şeklinde dört farklı soğuma hızı uygulanmıştır.

İşlemler sonucunda çelikler üzerinden optik analizler ile mikro yapıdaki değişiklikler

araştırılarak soğuma hızının mikro yapıya etkisi belirlenmiştir. Diğer yandan

numuneler uygun ebatlarda kesilmiş, kalıplanmış ve mikro sertlik değerleri

ölçülmüştür. Yapılan optik incelemeler ve hesaplamalar sonucunda elde edilen

sertlik değerleri ile soğuma hızları ve mikro yapılar arasında bir ilişkinin varlığı

saptanmıştır. Buna göre 1000 ºC’de hemen soğutulan çeliklerde artan soğuma hızıyla

birlikte mikro sertlik değerlerinin de arttığı gözlenmiştir. 800 ºC’de 4 saat bekletme

ısıl işleminde ise tamamen östenitleştirme gerçekleşmediği ve yapıda bulunan ferritin

dönüşüme uğramadan yapıda kalmasıyla mikro sertliklerde azalma görülmüştür.

Diğer yandan karbon oranı farklı olsa da bu çalışmada kullanılan çeliklerin 400 ºC’de

4 saat bekletme şeklinde yapılan ısıl işlem sonunda soğutulmaları durumunda mikro

yapıları soğuma hızından fazla etkilenmemiş, dolayısıyla mikro sertliklerinde bir

değişim gözlenememiştir.

Anahtar Kelimeler: Mikro sertlik, mikro yapı, soğuma hızı, ısıl işlem.

2011, 44 sayfa

iii

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

EFFECT OF COOLING RATE ON THE MICROSTRUCTURE AND

HARDNESS OF LOW CARBON MICROALLOYED STEELS

Cihan EKİNCİ

Süleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Science

Physics Department

Supervisor: Prof. Dr. Nazım UÇAR

In this study, the effect of cooling rate and heat treatment on the microstructure and

microhardness of low carbon microalloyed steels with two different carbon contents

were investigated. For this purpose, at first the steels were subjected to three different

heat treatments (held at 400 ºC for 4 hours, held at 800 ºC for 4 hours and

momentarily held at 1000 ºC) followed by four different cooling rates in a furnace,

air, water and liquid nitrogen. As a result of the treatments, the effect of cooling rate

on the microstructure was determined by evaluating microstructural changes by

optical analysis. On the other hand, samples were cut in right size, molded and their

microhardness values were measured. The existence of a relationship between

cooling rate and microstructure were determined by the hardness values obtained as a

result of optical studies and calculations. Accordingly, it was observed that the

microhardness of cooled steels momentarily held at 1000 ºC increased with increase

in cooling rate. In the heat treatment at 800 ºC for 4 hours, the microhardness values

of the steels decreased due to incomplete austenitization and ferrite in the structure

which remained untransformed. On the other hand, although carbon content in the

steels were different, the microstructure of the steels held at 400 ºC for 4 hours were

not affected by cooling rate and therefore, the microhardness values of these steels

did not change.

Key Words: Microhardness, microstructure, cooling rate, heat treatment.

2011, 44 pages

iv

TEŞEKKÜR

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü’ne yüksek lisans tezi olarak

sunduğum bu çalışmada, beni yönlendiren, bilgi ve tecrübesi ile karşılaştığım

zorlukları aşmamda yardımcı olan ve ilgisi hiçbir zaman esirgemeyen değerli

danışman hocam Prof. Dr. Nazım UÇAR’a teşekkürlerimi sunarım.

Deneysel çalışmalar için imkanlar sunan ve içtenlikle her konuda yardımcı olan

değerli hocam Doç. Dr. Adnan ÇALIK’a teşekkür ederim. Ayrıca her türlü konuda

yardımları gördüğüm Fizikçi Hidayet YILDIZ’a ve Arş. Gör. Durmuş Ali

ALDEMİR’e teşekkür ederim.

Son olarak, ilgi ve sevgilerini hiçbir zaman esirgemeyen aileme ve nişanlıma

sevgilerimi sunar teşekkür ederim.

Cihan EKİNCİ

ISPARTA, 2011

v

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 2.1. a) Katı Eriyik b) Yer alan katı eriyik c) Arayer katı eriyik oluşumu

(Kakanı and Kakanı, 2004) .............................................................................. 6

Şekil 2.2. Saf demir için ideal ısıtma eğrisi (Kakanı, 2004; Totten, 2006) .................. 8

Şekil 2.3. Demir-sementit faz diyagramı (Callister, 2000) ........................................ 10

Şekil 2.4. Ötektoid çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) .......................... 13

Şekil 2.5. Ötektoid altı çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) .................... 14

Şekil 2.6. Ötektoid üstü çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000) ................... 15

Şekil 2.7. Isıl işlemde sıcaklık-zaman diyagramı (Kesti, 2009) ................................ 18

Şekil 2.8. Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon,

küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları

(Ulu, 2004) ..................................................................................................... 19

Şekil 2.9. Martenzit fazının sertliği üzerine karbon konsantrasyonunun etkisi

(Llewellyn and Hudd, 2004) .......................................................................... 20

Şekil 2.10. Martenzit hacim oranıyla mikro sertliğin değişimi (Cota et al., 2003) .... 21

Şekil 2.11. Vickers sertlik deneyinde kullanılan ucun şematik gösterimi (Bekteş,

2004) ............................................................................................................... 23

Şekil 3.1. Struers Minitom hassas kesme cihazı ........................................................ 24

Şekil 3.2. Struers Labopol zımparalama ve parlatma cihazı ...................................... 25

Şekil 3.3. Olimpus metal mikroskobu ve görüntü programı ...................................... 26

Şekil 3.4. Metkon mikro sertlik ölçüm cihazı ............................................................ 27

Şekil 4.1. A çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık

kısımlar ferrit) ................................................................................................ 28

Şekil 4.2. A çeliğinin 400 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a)

fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta

soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları........................................ 29

Şekil 4.3. A çeliğinin 800 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a)

fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta

soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları........................................ 30

vi

Şekil 4.4. A çeliğinin 1000 ºC’ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada

soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro

yapı fotoğrafları .............................................................................................. 31

Şekil 4.5. A çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi .......................... 32

Şekil 4.6. B çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık

kısımlar ferrit) ................................................................................................ 33

Şekil 4.7. B çeliğinin 400 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a)

fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta

soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları........................................ 33

Şekil 4.8. B çeliğinin 800 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a)

fırında soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta

soğutulması ile elde edilen mikro yapı fotoğrafları........................................ 34

Şekil 4.9. B çeliğinin 1000 ºC’ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada

soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro

yapı fotoğrafları .............................................................................................. 35

Şekil 4.10. B çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi ........................ 36

vii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge 3.1. Kullanılan çeliklerin kompozisyonları ................................................... 24

Çizelge 3.2. Uygulanan ısıl işlemler ve soğutma ortamları ....................................... 25

Çizelge 4.1. A çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri..................................... 29

Çizelge 4.2. B çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri ..................................... 34

viii

SİMGELER DİZİNİ

Ac1 Alt kritik sıcaklık çizgisi

Ac3 Üst kritik sıcaklık çizgisi

AISI Amerikan Demir Çelik Enstitüsü

BCC Hacim merkezli kübik

FCC Yüzey merkezli kübik

Fe3C Sementit

Hv Vickers sertlik değeri

K Kelvin derecesi

Mf Martenzit bitiş sıcaklığı

Ms Martenzit başlangıç sıcaklığı

ºC Santigrad derece

α Ferrit fazı, alfa demiri

γ Östenit fazı, gama demiri

δ Delta demiri

1

1. GİRİŞ

Tarih boyunca tüm medeniyetler malzemeleri enerji ile birlikte insanın yaşama

standardını yükseltmek için kullanmışlardır. İçinde bulunduğumuz bilgi çağında

teknolojik gelişmelerin de getirdiği gereksinimlerden dolayı, malzemelerin her türlü

özelliğinin anlaşılması ve geliştirilmesi için birçok araştırma yapılmıştır. Her

dönemin teknoloji düzeyi ve bir anlamda uygarlığı, o dönemde kullanılan

malzemelerle ölçülmüştür. Diğer taraftan teknolojik ilerlemeler malzeme bilimindeki

gelişmelere bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Örneğin; raylı taşımacılıktaki

ilerlemeler çelik sektöründeki gelişmelerle, elektronikte atılan büyük adımlar ise yarı

iletkenlerin keşfedilmesi ile gerçekleştirilmiştir (Savaşkan, 1999; Elieyioğlu, 2005).

Teknolojideki gelişmelerle birlikte, mühendislik malzemelerinden beklentiler de

artmıştır. Mühendislik ve tıp alanlarında yapılan bilim ve uygulama çalışmalarının

gerçekleştirilmesi ve geliştirilmesi, mühendislik malzemelerinin geliştirilmesine ve

bunun için uygulanan muayene yöntemlerine dayanmaktadır (Demirci, 2004).

Bugünkü ekonomimizin önemli bir kısmını malzemelerin üretilmesi ve kullanım

amacına uygun hale getirilmesi oluşturmaktadır. Malzemeler ve bunların üretilmeleri

için gerekli yöntemler mühendisler tarafından tasarlanmaktadır. Malzemelerin

üretilmesinde, her bir amaç için en uygun malzemenin seçilebilmesi ve bu

üretimlerde en uygun yöntemin belirlenebilmesi, mühendislerin malzemelerin iç

yapısı ve gerekli özellikleri hakkında bilgi sahibi olmalarını gerektirmektedir

(Kınıkoğlu, 2001). Öte yandan, yüksek dayanımlı malzemelere olan talebin artması,

daha iyi mekanik özelliklere sahip yeni malzemelerin üretimine olan ilginin

artmasına neden olmuştur.

Metallerin endüstride çok geniş uygulama alanı bulmalarının sebebi değişik türde

özelliklere sahip olmalarındandır. Özellikle üstün mekanik özelliklere sahip

olduklarından yapı ve makine malzemesi olarak kullanılırlar (Onaran, 2006). Diğer

taraftan alaşım adı verilen metal karışımları arzu edilen belirli bir özellikte iyileşme

sağlamak veya daha iyi özellik kombinasyonları oluşturmak için üretilmekte ve

2

metallere nazaran daha iyi mekanik özelliklere sahip olmaktadırlar (Erdoğan, 1998).

Bu yüzden alaşımların önemi hızla artmış ve bu konuda yoğun çalışmalar

yapılmıştır.

Alaşımlar günlük yaşamda yaygın bir kullanıma sahiptirler. En çok kullanılan

alaşımların başında ise yapı ve makine malzemesi olarak kullanılan çelikler

gelmektedir. Çelikler genel manada içlerinde başta karbon olmak üzere değişik

alaşım elementleri içeren bir yapıya sahiptirler. Oldukça yüksek mekanik özellikler

göstermesi ve çok değişik alanlarda kullanılabilmeleri yüzünden belki de özellikleri

en çok araştırma konusu olan malzeme grubunu teşkil ederler. Yaygın kullanım

alanları ise makine yapım sanayisi ve ekipmanları, otomotiv endüstrisi ve yan sanayi

parçaları, kalıp ve takım sanayi, savunma sanayi ve tıbbi cihazlar olarak sıralanabilir

(Onaran, 2006; Dündar, 2008).

Demir-karbon alaşımı olan çeliklerin mekanik özellikleri içerdikleri karbon

miktarından önemli ölçüde etkilenmektedir. Ayrıca, çeşitli bazı alaşım elementlerinin

alaşım sistemine eklenmesiyle veya seçilecek uygun ısıl işlemlerle çeliklere daha

üstün mekanik özellikler kazandırmak mümkündür. Öte yandan çeliklerin mekanik

özellikleri mikro yapılarına önemli ölçüde bağıdır. Çeliklerin içerdikleri karbon ve

diğer alaşım elementlerinin oranı ve/veya ısıl işlemler, çeliğin mikro yapısını

etkileyerek daha iyi mekanik özelliklerin elde edilmesine olanak sağlamaktadır

(Gülgen, 2008).

Diğer taraftan demir ile birlikte %0.25 oranına kadar karbon ve genellikle toplamı

%2’den daha az oranda niyobyum, vanadyum, titanyum, alüminyum ve mangan gibi

alaşım elementlerini ihtiva eden çelik, düşük karbonlu mikro alaşımlı çelik olarak

bilinir. Mikro alaşımlı çelikler yüksek mukavemet, tokluk ve iyi kaynak kabiliyeti

gibi özellikleri nedeniyle yüksek dayanım isteyen yapı elemanlarında, doğal gaz ve

çeşitli boru hatlarında ve özellikle otomotiv sektöründe yoğun biçimde

kullanılmaktadırlar (Erdoğan, 2000; Çapar, 2005; Özlü, 2007).

3

Mikro alaşımlı çeliklerin belirli termo-mekanik ısıl işlemler ve kontrollü haddeleme

yoluyla üstün mekanik özellikler gösterdiği bilinmektedir. Bununla birlikte son

zamanlarda çeliklerin mikro yapı ve mekanik özellikleri üzerine soğuma hızının

etkisi oldukça ilgi gören bir araştırma konusu olmuştur. Nitekim Çalık (2009)

tarafından yapılan çalışmada; ısıl işlem sonrası havada, fırında ve suda olmak üzere

üç farklı ortamda soğutulan AISI 1020, AISI 1040 ve AISI 1060 çeliklerinin mikro

yapıları ve mikro sertlikleri incelenmiştir. Bu çalışmada bulunan sonuçlara göre

soğuma hızının artmasıyla mikro sertliklerin arttığı bildirilmiştir. Aynı çalışmada

hızlı soğumanın yapıldığı numunelerde karbon oranının artmasıyla oluşan martenzit

oranının da arttığı, çok yavaş (fırında) soğuma hızlarında ise martenzit oluşmadığı

gösterilmiştir. Sonuçta çeliklerin mikro sertlikleri üzerine soğuma hızının etkisi

karbon oranına bağlı olarak elde edilmiştir. Benzer bir çalışmada Qiao et al. (2009),

900 ºC’de 10 dakika östenitleştirilmiş 30CrNi3Mo çeliğinin 1-500 ºC/dk aralığındaki

soğuma hızlarında soğutulmasıyla oluşan mikro yapı değişimlerini ve mikro

sertliklerini incelemiştir. Bu çalışmanın sonucunda çeliklerin ölçülen sertlik

değerlerinin soğuma hızının artmasıyla lineer olmayan bir artış gösterdiği tespit

edilmiştir. Ayrıca soğuma hızı 100 ºC/dk’dan daha büyük olduğunda, sertliklerde

artan soğuma hızıyla birlikte çok az bir düşüş yaşandığı da gözlenmiştir.

Rasouli et al. (2008) yaptıkları çalışmada 30MSV6 tipi bir mikro alaşımlı çeliğin ısıl

işlemle birlikte iki farklı soğuma hızında oluşan mikro yapı değişikliklerini ve buna

bağlı olarak elde edilen mekanik özellikleri araştırmıştır. Bu çalışmadaki sonuçlar

soğuma hızının artmasıyla ferritik-perlitik yapının iğnemsi ferrite, beynite veya

martenzite dönüştüğünü ortaya koymuştur. Ayrıca akma ve kopma dayanımının

arttığı ancak sünekliğin önemli ölçüde azaldığı gösterilmiştir. En iyi dayanım-

süneklik kombinasyonunun ise 925 ºC’ye ısıtılıp takibinde havada (3 ºC/s) soğutma

ile elde edildiği belirtilmiştir. Ayrıca Shanmugam (2007), niyobyumlu mikro alaşımlı

çeliklerin mikro yapı ve mekanik özellikleri üzerine soğuma hızının etkisini

incelediği çalışmasında; düşük soğuma hızlarında yapının ferrit ve perlit içerdiği,

orta derece bir soğuma hızında yapının ferrit-perlite ek olarak çıta tipi beynitik ferrit

ile dejenere perlit içerdiği ve hızlı soğuma hızlarda ise yapının ağırlıklı olarak çıta

tipi beynitik ferritten oluştuğunu bildirmiştir. Ayrıca niyobyumlu mikro alaşımlı

4

çeliklerin yüksek soğuma hızında elde edilen yüksek dayanım-tokluk

kombinasyonunun sebebi artan soğuma hızıyla ferrit-perlit yapının ağırlıklı olarak

beynitik ferrit yapıya dönüşmesi olarak açıklanmıştır.

Diğer taraftan mikro alaşımlı çeliklerin mekanik özellikleri başta karbon olmak üzere

alaşım elemanlarına oldukça bağlıdır. Çalık vd. (2010) tarafından yapılan çalışmada

farklı karbon oranına sahip dört çelik, 1100 K sıcaklığında 4 saatlik bir ısıl işlem

sonrasında mikro sertlik ve çekme testlerine tabi tutulmuşlardır. Bu çalışmanın

sonucunda akma dayanımı, kopma dayanımı ve sertliğin artan karbon oranıyla

birlikte arttığı bildirilmiştir.

Bu çalışmada, düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin mikro yapı ve sertlik

davranışlarının, soğuma hızına ve karbon bileşimine bağlı olarak değişimi

incelenecektir. Mikro yapı ile sertlik davranışı arasındaki bağlantı ve mekanik

özellikler açısından en uygun soğuma hızı elde edilmeye çalışılacaktır.

5

2. KURAMSAL TEMELLER

2.1. Alaşımlar

Farklı özelliklere sahip elementlerin bir araya getirilmesiyle, üstün özelliklerin uygun

bir şekilde tek bir malzemede elde edilmesi için uygulanan işleme alaşımlama denir.

Tek tip element içeren bir metale belirli bir özellik katmak amacıyla en az bir başka

elementin katılmasıyla ortaya çıkan ve metalik karakter gösteren yeni yapıya ise

alaşım denir. Ayrıca alaşımlarda katkı elemanı metal ya da ametal olabilir (Yılmaz

ve Şen, 1996).

Bir alaşım sistemi, mümkün olan bütün kimyasal bileşimlere sahip alaşımları içerir.

İki elementten oluşan sisteme ikili alaşım sistemi, üç elementten oluşan sisteme ise

üçlü alaşım sistemi denilmektedir. Doğada yaygın olarak bulunan 45 adet metal 990

tane ikili, 14000 tane de üçlü sistem oluşturur ve kimyasal bileşim %1 oranında

değiştirildiğinde, her bir ikili sistem için 100 adet farklı alaşım elde edilir. Ticari

alaşımların çoğu, çok sayıda element içerdiğinden mevcut elementlerle neredeyse

sonsuz sayıda alaşım yapılabileceği sonucu çıkarılabilir (Savaşkan, 1999).

Bir A metaline bir B metali alaşım yapacak şekilde ilave edildiğinde, ilave edilen B

elementinin miktarına ve alaşımın bulunduğu sıcaklığa bağlı olarak birçok yapı ve

düzen ortaya çıkabilir. Bu elementlerden çok azı tamamıyla bir katı çözelti

oluşturacak şekilde davranır (Yılmaz ve Şen, 1996). Yani ilave edilen element kristal

içinde katı çözelti veya bileşik olarak bulunur.

Katı çözeltiler bazen katı eriyik olarak da adlandırılmaktadır. Bir çözelti, çözen ve

çözünen olmak üzere iki kısım veya bileşenden oluşur. Çözeltinin yüzde oranı

yüksek olan bileşenine çözen veya çözücü, oranı düşük olan bileşenine de çözünen

adı verilir (Savaşkan, 1999). W. Hume-Rothery ve arkadaşları büyük ölçüde katı

eriyik oluşumunu önceden belirleyen bazı kurallar ortaya koymuşlardır. İki eleman

arasında bir katı eriyik oluşumunun var olabilmesi için bazı koşulların

sağlanabilmesi gerekmektedir. İki elementin yüksek konsantrasyonlarda katı eriyik

6

oluşturabilmesi için kafes sisteminin aynı veya benzer olması gerekir. Diğer yandan

metal atomlarının yarıçap farklarının %15’den büyük olması durumunda ise katı

eriyik oluşması zordur. Alaşım sistemlerinde elementlerden birinin yüksek

elektropozitif, diğerinin yüksek elektronegatif olması katı eriyik oluşumundan çok

bileşik yapılar oluşturur. Bu durum farklı valanslara sahip elementlerin oluşturduğu

alaşım sistemlerinde de ortaya çıkar (Yılmaz ve Şen, 1996; Erdoğan, 1998).

Alaşımlar eriyik haldeyken genellikle homojendirler, yani tek bir sıvı çözeltiden

oluşurlar. Katı halde ise yalnız bir katı çözelti içererek homojen veya çok sayıda katı

çözelti, ara bileşik, saf metal kristali içererek heterojen bir iç yapıya sahip

olabilmektedirler (Güleç ve Aran, 1993). Diğer taraftan farklı türdeki atomlar sıvı

halde homojen sıvı eriyik oluştururlar. Katılaşma sırasında yabancı elemanlar kafes

yapıda varlığını korursa katı eriyik elde edilir. Yani iki bileşen katı halde birbiri

içerisinde tamamen çözünerek ortak bir kafes meydana getirirler (Onaran, 2006).

Katı eriyikler katkı elementinin ana kafes içerisinde yerleşim konumlarına göre ikiye

ayrılır. Eriyen atomlar eriten atomların yerine geçtiğinde yer alan katı eriyik,

kafesteki boşluklara yerleştiğinde ise ara yer katı eriyik oluşmaktadır (Şekil 2.1.).

Şekil 2.1. a) Katı Eriyik b) Yer alan katı eriyik c) Arayer katı eriyik oluşumu (Kakanı

and Kakanı, 2004)

Yer alan katı eriyik, çözünen B bileşeninin bir miktar atomunun ana kafesteki çözen

A bileşeninin atomlarının yerlerine geçmesiyle oluşur (Topbaş, 1993). Ara yer katı

eriyik ise, atom çapı oranı daha küçük olduğunda, çözünen atomların ana kafeste ara

yerlere yerleşmesiyle oluşur (Güleç ve Aran, 1993).

7

Alaşımdaki iki atom türü arasındaki çekme kuvvetleri aynı türdeki atomların

birbirleri arasındaki çekme kuvvetlerinden farklı değilse, yani farklı atomlar

birbirlerine tarafsız davranıyorlarsa, düzensiz bir yapı meydana gelir. Fakat farklı

türdeki atomlar arasındaki çekme kuvveti aynı tür atomlar arasındakine göre daha

kuvvetli ise, süper kafes denilen düzenli bir yapı meydana gelir. Ayrıca belirli bir

düzenin oluşabilmesi yer değişimleri için gerekli zamanın sağlanmasına bağlıdır.

Dolayısıyla bahsedilen süper kafes düzeninin gerçekleştirilmesi, uygun katı

eriyiklerin yüksek sıcaklıklardan yavaş soğutulmasıyla elde edilebilir. Hızlı

soğumalarda ise düzenli bir yapı elde edilemez. (Güleç ve Aran, 1993).

2.2. Demir-Karbon Alaşımları

Metaller ve alaşımlar iyi dayanım, tokluk ve süneklik, nispeten düşük maliyet gibi

faydalı mühendislik özelliklerine sahip olduklarından mühendislik tasarımlarında

yaygın bir uygulama alanına sahiptir. Birçok özelliği bir arada bulundurdukları için

de demir esaslı alaşımlar (çoğunlukla çelikler) dünya metal üretiminin yüzde

doksanını oluşturmaktadır (Kınıkoğlu, 2001).

Demir esaslı metallerde ana eleman demirdir ve bunun yanında karbon daima bir

alaşım elemanı olarak bulunur (Onaran, 2006). Saf demire başka alaşım elemanları

ilave edildiğinde bile eriyik halden oda sıcaklığına kadar soğutulması veya oda

sıcaklığından eriyik hale kadar ısıtılması işlemleri sırasında dönüşümler gözlenir.

Fakat bu dönüşümler farklı sıcaklık değerlerinde meydana gelir. Ayrıca demirin

kafes yapısındaki yabancı atomların sayısı arttığında, dönüşüm sıcaklıklarındaki

ötelenmeler de o oranda değişir. Diğer taraftan saf demir için en önemli alaşım

elemanı karbondur ve küçük miktarlardaki karbon ilaveleri bile alaşımın mekanik

özelliklerinde saf demire nazaran önemli ve büyük değişiklikler meydana getirir

(Tükel, 1981).

Saf demir alfa (α), gama (γ) ve delta (δ) olmak üzere üç allotropik yapı

sergilemektedir. Şekil 2.2.’de gösterilen saf demirin soğuma eğrileri bu kristolografik

yapıların her birinin dengede olduğu sıcaklık aralıklarını göstermektedir. Demir oda

8

sıcaklığından 910 ºC’ye kadar hacim merkezli kübik yapıya sahiptir ve bu yapı α

demiri olarak adlandırılır. (α) demiri 910 ºC’ye ısıtıldığında yüzey merkezli kübik γ

demire dönüşür. 1404 ºC’ye kadar ısıtıldığında ise γ demiri tekrar hacim merkezli

kübik δ demire dönüşür (Erdoğan, 2000).

Şekil 2.2. Saf demir için ideal ısıtma eğrisi (Kakanı, 2004; Totten, 2006)

Demir ve alaşımlarında, bu dönüşümler oldukça önemlidir. Çünkü Bravais

örgüsünün değişimi ile farklı atom aralıkları ve değişik kristal yapıları, mekanik

özellikleri önemli ölçüde etkilemektedir (Topbaş, 1993).

Demir, kristal yapısına ve bulunduğu sıcaklığına bağlı olarak farklı oranlarda karbon

içerebilir. Örneğin (α) demiri en fazla 723 ºC’de %0,025 mertebesinde karbon

içerirken oda sıcaklığında karbon içerme yeteneği yoktur. Yüksek sıcaklıklarda

bulunan γ demiri ise 1147 ºC’de %2 ve 723 ºC’de %0,8 mertebesinde karbon

içermektedir (Demirci, 2004).

Sıcaklığın düşmesine ve karbon oranının artmasına bağlı olarak ortaya çıkan fazla

karbon atomlarının yalnız başlarına veya demir atomlarıyla beraber oluşturabildikleri

9

kristal cinslerine göre iki temel katılaşma söz konusudur. Karbon atomları bir araya

gelerek kendi kristallerinden oluşan hekzagonal kafesli grafit kristali oluşturabilirler.

Bu şekilde bir toplanma için katı ortamda, her bir karbon atomunun uzun yol kat

etmesi gerekir. Ancak bunun sağlanabilmesi için uzun bir difüzyon zamanı ve

yüksek sıcaklık gereklidir. Bu katılaşma türüne stabil katılaşma denir. Diğer taraftan

karbon atomları bir araya gelerek grafit oluşturmaya zaman bulamadıklarında, demir

atomlarıyla beraber, Fe3C kristalini oluştururlar ve bu bileşik sementit olarak

adlandırılır. Bu tür katılaşmaya ise metastabil katılaşma denir (Demirci, 2004).

2.2.1. Demir-sementit faz diyagramı

Alaşımlar termodinamik sistem olarak düşünüldüğünde, durumu sıcaklık, basınç ve

bileşim büyüklükleri ile saptanabilir. Yani sıcaklık, basınç ve bileşim büyüklüklerine

bağlı olarak fazların varlığı ancak incelenen sistemin termodinamik denge halinde

olmasıyla belirlenebilir. Elde edilen sonuçlar faz diyagramları yardımıyla toplu

olarak belirtilmektedir (Topbaş, 1993).

Karbon demir içerisinde çözünerek farklı ara yer katı çözeltileri oluşturur. Katı

çözelti dışında kalan karbonun demirle bir ara yer bileşiği (Fe3C) oluşturması

durumunda demir-sementit faz diyagramı, tamamen serbest yani grafit (C) halinde

bulunması durumunda ise demir-grafit faz diyagramı geçerli olur. Bu faz

diyagramlarından çelik ve dökme demirlerin incelenmesinde oldukça

yararlanılmaktadır. Ayrıca bu diyagramlar arasında sementitin yerini grafitin alması

ve bazı küçük değişiklikler dışında, temel reaksiyonlar açısından ciddi bir fark

yoktur. Çelikler genellikle grafitleşme göstermezler (Savaşkan, 1999).

Demir-karbon ikili alaşımının metastabil katılaşma ve katı hal dönüşümü sürecinde,

sıcaklığa ve karbon oranına bağlı olarak, hangi fazların oluşabileceği Şekil 2.3.’de

verilen demir-sementit faz diyagramında gösterilmektedir. Diyagramda faz

dönüşümlerinin başlama ve tamamlanma sıcaklıklarının, sıvı halde veya demir

kristalleri içerisinde erimiş halde bulunan karbon oranına bağlı olarak değiştiği

görülmektedir. Öyle ki karbon bileşimine bağlı olarak değişen dönüşüm sıcaklıkları

10

diyagramdaki faz bölgelerinin sınır çizgilerini oluşturmaktadır. Dolayısıyla demir-

karbon faz diyagramı demir-karbon alaşımlarının gösterdiği yapı dönüşmelerini

ortaya koyması açısından oldukça önemlidir (Demirci, 2004).

Şekil 2.3. Demir-sementit faz diyagramı (Callister, 2000)

Demir-sementit faz diyagramlarında karşılaştığımız farklı katı fazlar vardır. Bunlar

ferrit (α), östenit (γ), ferrit (δ) ve sementittir. Bunlara ilaveten dengesiz bir faz olan

martenzit hızlı soğutmayla oluşturulabilir (Erdoğan, 1998).

Ferrit (α), hacim merkezli kübik demir kristal kafesinde, karbonun ara yer katı

çözeltisidir. (α) fazında karbon çok az miktarda çözünmektedir. 727 ºC’de

maksimum %0.022 oranında karbon çözünür. Ferrit, demir-karbon sistemindeki en

yumuşak fazdır. Ferit (δ) ise, α fazı gibi bir katı çökelti olup sadece oluştuğu sıcaklık

aralığı α ferritten farklıdır. (δ) ferrit fazı nispeten yüksek sıcaklıklarda kararlı olup,

teknolojik bir öneme sahip değildir. Hacim merkezli kübik yapıya sahip bu faz,

karbonun en yüksek katı çözünürlüğü 1495 ºC’de, %0.09’dur (Uzun vd., 2008).

11

Östenit (γ), yüzey merkezli kübik demir kafesinde karbonun ara yer katı çözeltisidir.

Karbonun katı çözünürlüğü östenit fazında daha yüksektir. 1148 ºC’de %2.11

oranında karbon çözünürken, bu oran 727 ºC’de %0.77 ye düşmektedir. Östenit

fazdan başlayarak meydana gelen faz dönüşümleri, çeliklerin ısıl işlemi için oldukça

önemlidir (Uzun vd., 2008).

Sementit (Fe3C), karbonun demirle oluşturduğu metaller arası bileşiğe verilen

isimdir. Sementitin bileşimi %6.67 karbon ve %93.3 demirdir. Sementit; sert, gevrek

ve kırılgan bir yapıya sahiptir. Ayrıca ortorombik kristal yapıya sahip olan bu

sementit fazının varlığı ile bazı çeliklerin mukavemetinin arttığı belirtilmektedir

(Uzun vd., 2008; Savaşkan, 1999).

Demir-sementit faz diyagramı her biri sabit sıcaklıkta olan ve üç fazı gerektiren,

değişmeyen reaksiyonlara sahiptir. Bunlar peritektik, ötektik ve ötektoid

reaksiyonlardır (Erdoğan, 2000). 1495 ºC’de, peritektik tepkime noktasında %0.53

karbon içeren sıvı, %0.09 karbon içeren δ ferritle birleşerek, %0.17 karbon içeren γ

östeniti oluşturur. 1148 ºC’de, ötektik tepkime noktasında %4,3 karbonlu sıvı, %2.08

karbonlu γ östenitini ve %6.67 karbon içeren sementit (Fe3C) bileşiğini oluşturur.

723 ºC’de, ötektoid tepkime noktasında ise %0.8 karbonlu katı östenit, %0.02

karbonlu α ferrit ve %6.67 karbonlu sementit (Fe3C) oluşturur. Tamamen katı halde

meydana gelen bu tepkime bazı çeliklerin ısıl işleminde oldukça önemlidir

(Kınıkoğlu, 2001).

2.3. Çelikler

Çelikler %0.02 ile %2 arasındaki oranlarda karbon içerirler. Genel anlamda çelikler

içerdikleri karbon oranına göre üç kısma ayrılır. %0.25’e kadar karbon içerenler

düşük karbonlu, %0.25-0.55 arasında karbon içerenler orta karbonlu ve %0.55-2

arasında karbon içerenler ise yüksek karbonlu çelikler olarak sınıflandırılırlar. Diğer

yandan %0.8 karbon içeren çelikler ötektoid çelik adını alır ve bunun nedeni, bu

bileşimdeki östenitin yavaşça ötektoid sıcaklığın altına soğutulması halinde tamamı α

ferrit ve sementitten oluşan bir yapının meydana gelmesidir. Çeliğin %0.8’den az

12

karbonu olması halinde ötektoid altı çelik, %0.8’den fazla karbonlu olması halinde

ötektoid üstü çelik adını alır (Kınıkoğlu, 2001).

Demir esaslı metaller demir-karbon alaşımları ve alaşımlı çelikler olmak üzere iki

gruba ayrılırlar. Demir-karbon alaşımlarında sadece demir ve karbon bulunurken,

alaşımlı çeliklerde demir ve karbonun yanı sıra ilaveten mangan, krom, nikel,

silisyum, molibden gibi diğer alaşım elementleri de vardır. Ayrıca alaşımlı çelikler

alaşım elemanlarının oranına göre az alaşımlı ve yüksek alaşımlı çelikler olmak

üzere iki sınıfa ayrılırlar. %5’den az alaşım elemanı içeren az alaşımlı çelikler

çoğunlukla yüksek mukavemetli yapı elemanları ve makine parçaları üretiminde

kullanılırlar (Onaran, 2006).

2.4. Çeliklerde Isıl İşlemler Sırasında Oluşan İç Yapılar: Mekanik Özellikler

Çeliklerin iç yapısının sıcaklık diğer bir deyişle soğuma hızı ile değiştiği geniş

biçimde araştırılmıştır. O çalışmalarda gösterilmiştir ki; %0.8 mertebesinde karbon

içeren bir çelik numunesi yaklaşık 750 ºC’ye kadar ısıtılır ve yeterli bir süre

bekletilirse çeliğin yapısı homojen östenit olacaktır. Bu işleme östenitleme adı

verilir. Bu ötektoid çelik, ötektoid sıcaklığının hemen üzerine kadar yavaşça

soğutulduğunda, Şekil 2.4.’de a noktasıyla gösterildiği gibi östenitli yapı kalacaktır.

Ötektoid sıcaklığına veya hemen bunun altına kadar soğutulduğunda yapının tamamı,

östenitten, sementit (Fe3C) ve ferritin üst üste levhalarından oluşan lamelli bir yapıya

dönüşecektir. Ötektoid sıcaklığın hemen altında ise, Şekil 2.4.’deki b noktasında,

lamelli bir yapı görünüşünü alacaktır. Bu ötektoid yapıya, incinin yapısına

benzediğinden dolayı perlit adı verilmiştir. Karbonun α ferrit ve sementitteki

çözünürlüğü, 723 ºC’den oda sıcaklığına çok az değiştiğinden, perlit yapısı da esas

olarak bu sıcaklık aralığında değişmemektedir (Kınıkoğlu, 2001).

13

Şekil 2.4. Ötektoid çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000)

Diğer yandan, %0.8’den daha düşük karbonlu bir çelik numunesi yaklaşık 900 ºC’ye

kadar ısıtılırsa (Şekil 2.5.’deki c noktası) mikro yapısı daha önce bahsedilen ötektoid

çeliğin durumunda olduğu gibi homojen östenit olur. Bu çelik yavaşça d noktasına

soğutulacak olursa (yaklaşık 775 ºC) ötektoid öncesi ferrit oluşacak ve çoğunlukla

östenit tane sınırlarında çekirdeklenmeye başlayacaktır. Bu alaşım, Şekil 2.5.’deki d

sıcaklığından e sıcaklığına kadar yavaşça soğutulduğunda, ötektoid öncesi ferritin

miktarı östenitin %50’si dönüşünceye kadar artar. Adı geçen çelik d noktasından e

noktasına kadar soğurken, arta kalan östenitin karbon miktarı %0.8’e yükselecektir.

723 ºC’de yavaş soğuma koşulları devam ediyorsa kalan östenit, ötektoid reaksiyonla

perlite dönüşecektir. Perlitteki ferrit, onu ilk oluşan ötektoid öncesi ferritten ayırmak

için ötektoid ferrit olarak adlandırılır (Kınıkoğlu, 2001; Erdoğan 2000).

14

Şekil 2.5. Ötektoid altı çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000)

%0.8’den fazla karbon içeren Ötektoid üstü çelik 950 ºC’ye kadar ısıtılıp yeterli süre

bekletildiğinde yapısı tümüyle östenit olur (Şekil 2.6’da g noktası). Bu çelik Şekil

2.6.’daki h noktasına yavaşça soğutulduğunda ise ötektoid öncesi sementit, östenit

tane sınırlarında çekirdeklenmeye başlayacaktır. Sıcaklık 723 ºC’ye veya bunun biraz

altına düşürüldüğünde, Şekil 2.6.’da i noktasında gösterildiği gibi, kalan östenit

ötektoid tepkimeyle perlite dönüşecektir. Ötektoid tepkimeyle meydana gelen

sementite, 723 ºC’nin üzerinde oluşan ötektoid öncesi sementitten ayırmak için,

ötektoid sementit adı verilir. Aynı şekilde ötektoid tepkimeyle oluşan ferrite de

ötektoid ferrit adı verilir (Kınıkoğlu, 2001).

15

Şekil 2.6. Ötektoid üstü çeliğin mikro yapı dönüşümü (Callister, 2000)

Demir-karbon diyagramında belirtilen dönüşüm sıcaklıkları ve oluşan iç yapılar,

sadece düşük soğuma hızları sonucunda (yavaş soğutmalarda) belirlenirler. Soğuma

hızları değiştikçe aynı çelik malzeme için elde edilecek iç yapılar ve buna bağlı

olarak elde edilen özellikler oldukça farklıdır. Bu durum bahsedilen demir-karbon

denge diyagramlarından okunamaz (Demirci, 2004). Çünkü katı halde atomların

hareket yetenekleri çok kısıtlı olduğundan dönüşümlerin tamamlanması için belirli

bir süreye ihtiyaç vardır. Öyle ki bir dönüşüm olayı atomsal yayınım sonucu oluşur

ve önce atomların çevresi ile bağları kopar, daha sonra hareket ederek daha düşük

enerjili konumlarına geçerler ve son olarak da yeni fazı oluştururlar. Özellikle yeni

faza ait sınırların oluşması için oldukça büyük enerjiye ihtiyaç vardır. Tüm bu

olayların tamamlanması için geçen süre ise bunun tersi dönüşüm veya

16

reaksiyon hızı olur ve bu reaksiyon hızı dönüşüm hızından fazla ise dönüşüm

kısmen veya tamamen önlenebilir. Yavaş soğuma ile elde edilmesi beklenen kararlı

denge yapısının yerini başka yarı kararlı denge yapısı alabilir. Öte yandan elde edilen

bu yeni yarı kararlı yapı üstün özellikler gösterebilir. Böyle bir durum çeliklerde

uygun bir soğuma hızında martenzit adı verilen yapının oluşmasıyla gerçekleşir.

Östenitleştirilmiş alaşımsız bir karbon çeliği numunesi su verilerek hızla oda

sıcaklığına soğutulduğunda yapısı östenitten martenzite dönüşecektir. Alaşımsız

karbon çeliklerindeki martenzit, hacim merkezli kubik veya hacim merkezli

tetragonal demir içinde karbonun aşırı doymuş ara yer katı çözeltisi oluşturduğu yarı

kararlı bir fazdır. Buradaki tetragonallik hacim merkezli kübik birim hücresinin

çarpılmasıyla oluşmaktadır (Kınıkoğlu, 2001; Onaran, 2006).

Bir malzemenin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki, mekaniksel davranış

olarak tanımlanır. Bu davranış değişik tür zorlanmalar altında oluşan gerilme ve şekil

değiştirmeleri ölçerek veya gözleyerek saptanır. Elastiklik, süneklik, mukavemet,

sertlik ve tokluk gibi özellikler malzemelerin mekanik özellikleri adını alır.

Bunlardan her birisi malzemenin mekanik kuvvetlere dayanıklılığı ile ilişkilidir.

Malzemeler artan dış kuvvetler altında önce şekil değiştirirler, sonra dayanımını

yitirerek kırılırlar. Düşük kuvvetler altında şekil değiştirmeler elastik yani tersinirdir.

Uygulanan dış kuvvet elastiklik sınırını aşarsa kalıcı yani plastik şekil değişimi

ortaya çıkar. Elastiklik, şekil değiştirmeye karşı direnç veya malzemenin esneklik

modülü ile belirlenir. Tokluk, bir malzemeyi koparmak için gereken enerjinin bir

ölçüsüdür. Süneklik ise malzemenin kopmaksızın dayanabileceği şekil değiştirme

miktarıdır. (Safoğlu, 1998; Aytar, 2004; Dündar, 2008). Tüm bu mekanik özellikler

çeliklerin ısıl işlemleri sonucunda ortaya çıkan yapıların her birinde farklı farklı

değerler alır. Çoğu zaman oldukça karmaşık görüntü de sergileyen faz-mekanik

özellikler ilişkisi birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Dikkatimizi burada mikro

sertlik üzerine çevirirsek; sertlik bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik

deformasyona karşı gösterdiği direnç ile ifade edilir ve bir anlamda mukavemet

anlamına gelir. Uygun yüzey iyileştirme yöntemlerinin (borlama, nitrürleme vb.)

malzemedeki sertliği oldukça yüksek değerlere çıkarılabildiği bilinmektedir (Topbaş,

1993; Safoğlu, 1998; Dündar, 2008). Tüm bu çalışmalarda gösterilmiştir ki,

17

malzemelerin mekanik özellikleri büyük ölçüde bileşim elemanlarına, bunların

konsantrasyonuna ve malzeme geçmişine sıkı sıkıya bağlıdır. Sıcaklık ya da başka

işlemler ile iç yapıda meydana getirilebilecek değişimler sertlik, mukavemet,

süneklik, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri önemli ölçüde değiştirilebilir. İç yapıda

değiştirilmesi mümkün olan etkenler tanelerin büyüklüğü ve biçimi, fazların türü ve

dağılımı, iç yapı kusurlarının türü ve miktarıdır (Onaran, 2006).

Çeliklere katılan alaşım elementleri ferrit içerisinde küçük miktarlarda çözünerek

karışım kristalleri oluştururlar. Yabancı atomların yapıya girmesi ile kristal kafesi

gerilir ve kalıcı şekil değişimine karşı daha güçlü bir direnç gösterir. Dolayısyla

mukavemet ve akma sınırı artar. Yüksek sıcaklıklarda alaşım elementleri östenit

içerisinde çözünürler ve kristal kafesin dönüşümü sırasında karbon difüzyonunu

zorlaştırırlar. Bu nedenle karbon ancak kısa mesafeler kat edebilir ve östenitin

parçalanması ile ince lamelli perlit oluşur. Normal soğuma sonucu oluşan bu ince

perlit, alaşımsız çeliklerin hızlı soğuması sonucunda oluşan ince perlit ile

kıyaslanabilir. Böyle bir durumda alaşımlı çelik %0.8’den daha az karbon ihtiva etse

bile saf perlitik bir yapı meydana gelir (Anık vd., 1998).

Belirli bir kullanım amacı ile seçilen, kompozisyonu belli bir çelik malzemenin, belli

oranlarda karbon ve diğer alaşım elementleri içermesi, istenen ve beklenen

özelliklere sahip olduğu anlamına gelmez. Başka bir deyişle bir çelik malzemenin

kompozisyonunun belli olması, o malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerinin

belirlenmesi için yeterli değildir. Bilindiği üzere metallerde dengeli bir soğuma

süreci ile oluşan yapılar kararlı olup belirli özelliklere sahiptirler. Benzer şekilde

kullanılan denge diyagramları da bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı

fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterirler. Bu durumda soğuma süresinde faz

dönüşümleri kendiliğinden tamamlanır. Ancak aşırı koşullar altında ısıtma ve

soğutma işlemleri ile denge hali faz dönüşümleri kısmen veya tamamen önlenebilir.

Bu ilkelere dayanarak endüstride çeşitli ısıl işlemler geliştirilmiştir. Bütün ısıl işlem

yöntemlerinin amacı, malzemelerin özelliklerini istenilen şekilde değiştirmektir.

Özellik değişimleri ise ancak iç yapı göz önüne alınarak açıklanabilir. Bu ısıl

işlemler çeliğin katı haldeki dönüşümleri sonucu gerçekleşmektedir. Çeliklere

18

uygulanan su verme sertleşmesi buna bir örnek olarak gösterilebilir (Anık vd., 1998;

Demirci, 2004; Onaran, 2006).

Şekil 2.7. Isıl işlemde sıcaklık-zaman diyagramı (Kesti, 2009)

Isıl işlem teriminden, malzemelerin katı haldeki sıcaklık değişmeleri ile bir veya ardı

ardına birkaç işlemle, amaca uygun özellik elde etmek anlaşılır. Isıl işlemler, en

genel anlamda, parçaların belirli bir sıcaklığa ısıtılması (ısıtma), bu sıcaklıkta uygun

süre tutulması (bekleme) ve belirli bir usule uygun olarak sıcaklığın oda sıcaklığına

düşürülmesi (soğutma) ile üç aşamada uygulanır ve böylece istenilen özellik

değişimleri elde edilir (Topbaş, 1993).

Literatürde çeliklerin ısıl işlemleri esnasında ortaya çıkan fazlar ile mekanik

özellikler arasında bir ilişkiden bahsedilmektedir. Aşağıdaki grafikte (Şekil 2.8.)

karbon oranına bağlı olarak ve istenilen özelliklere göre uygulanabilecek ısıl işlem

(tavlama) sıcaklıkları gösterilmektedir.

Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin tamamı östenit fazının dönüşümü ile ilgilidir.

Dönüşüm ürünlerinin türü, bileşimi ve metalografik yapısı çeliğin fiziksel ve

mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Östenitleştirme; çeliğin Ac1

sıcaklık çizgisinin üzerindeki uygun bir sıcaklığa kadar ısıtılması ve yapısının

tamamen östenite dönüşmesine kadar bekletilmesi anlamına gelir. Ötektoid altı

çeliklerde östenitleştirme işlemi üst kritik sıcaklık çizgisinin (Ac3) 40-60 ºC

üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Bu çeliklerin Ac1 ile Ac3 arasındaki

19

sıcaklıklarda tavlanması ile ferrit ve östenitten oluşan bir yapı elde edilir (Savaşkan,

1999).

Şekil 2.8. Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme

ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları (Ulu, 2004)

Tavlama işleminin ardından, çelikler nispeten daha yavaş soğuma hızlarında

soğutulduklarında, östenit içerisinde çözünmüş karbon atomları difüzyon ile östenit

yapıdan ayrılırlar. Daha sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir

hacim merkezli kübik yapıyı oluştururlar. Burada östenit (γ)-ferrit (α) dönüşümü,

zamana bağlı bir çekirdekleşme ve büyüme olayı şeklinde gerçekleşir. Soğuma hızı

arttırıldığında, karbon atomları difüzyon ile östenit yapıdan ayrılmak için yeterli

zamanı bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon

atomlarının yapı içerisinde hapsedilmelerinden dolayı hacim merkezli kübik yapıya

dönüşüm gerçekleşmez ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda meydana

gelen bu yapıya martenzit adı verilir (Savaşkan, 1999). Ayrıca çeliğe katılan nikel,

krom ve mangan gibi alaşım elementleri, soğuma sırasında karbon atomlarının

difüzyonunu yavaşlatır, dolayısıyla daha mutedil bir soğuma hızı karbonun kafes

20

yapıda kalmasını ve martenzit oluşmasını sağlar. Yüzey merkezli kübik östenit katı

eriyiği hacim merkezli tetragonal martenzite dönüşürken %5.4 oranında hacim artışı

meydana gelmektedir. Bu kristal kafesi sürekli (kesiksiz) kayma düzlemleri

içermediği için şekil değiştirmesi oldukça zorlaşmış olur. Böylece oluşan yapı her

türlü şekil değişimine karşı yüksek bir mukavemet (yüksek bir sertlik) gösterir

(Onaran, 2006).

Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. Nitekim, çeliklerde

sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Martenzit sertliğinin asıl nedeni ise

karbon atomlarının demir kafes yapısında zorla hapsedilebilmeleridir. Dolayısıyla

yüksek sertlik değerleri ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir.

Başka bir deyişle; su verme işleminden sonra elde edilen sertlik değeri çeliklerin

karbon oranına bağlıdır (Şekil 2.9.). Ayrıca grafikte de görüleceği üzere karbonun

%1 oranına yaklaşması durumunda sertliğin fazla değişmediği belirtilmektedir.

Bunun nedeni, artan karbon oranı ile meydana gelen artık östenittir. (Tükel, 1981;

Savaşkan, 1999). Martenzitin sertliği ile karbon konsantrasyonu arasındaki ilişki

Şekil 2.9.’da gösterilmektedir (Llewellyn and Hudd, 2004).

Şekil 2.9. Martenzit fazının sertliği üzerine karbon konsantrasyonunun etkisi

(Llewellyn and Hudd, 2004)

Çeliklerde martenzitik dönüşüm Ms olarak adlandırılan belirli bir sıcaklıkta başlar.

Çeliklerin soğutulması sonucu sıcaklık Ms’ye eriştiğinde martenzit oluşmaya başlar.

21

Soğutma sırasında östenitin çoğu martenzitin bitiş sıcaklığı olan Mf’ye erişinceye

kadar martenzite dönüşür. Ancak çeliklerde östenit tamamen martenzite dönüşemez

ve çelik içerisinde düşük sıcaklıklarda bile çok düşük oranlarda da olsa kalıntı östenit

bulunur (Erdoğan, 1998; 2000).

2.5. Sertlik ve Sertlik Tayini

Malzemelerin elastiklik, süneklik, mukavemet ve tokluk gibi önemli mekanik

özelliklerinin yanında bir diğeri de sertliktir ve malzemenin yüzeyine batırılan sert

bir cisme karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Belirli koşullar altında yüzeyde

oluşturulan kalıcı izin büyüklüğüne göre belirlenir. Sertlik bir anlamda malzemenin

plastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç olarak tanımlandığından akma

mukavemeti ile yakından ilişkilidir (Onaran, 2006).

Karbon oranı yanında, martenzit dönüşümünün gerçekleşme derecesi (martenzit

oranı) de sertlik ve mekanik özellikleri etkiler. Esasen soğuma hızı ve karbon oranına

bağlı olan martenzit hacim oranının mikro sertliğe etkisi Şekil 2.10.’da

görülmektedir (Cota et al., 2003; Demirci, 2004).

Şekil 2.10. Martenzit hacim oranıyla mikro sertliğin değişimi (Cota et al., 2003)

22

Sertlik değerleri bütün metallerde ve özellikle çelikte soğuk sertleştirme ve ısıl işlem

sonucu geniş bir aralıkta değişmektedir. Ayrıca sertlik değerlerinden malzemenin iç

yapı durumu hakkında sonuçlar çıkarılabilir. Sertlik muayeneleri bu sebeple yaygın

olarak uygulanır ve özel bir numune hazırlanmasına gerek göstermeden malzeme

parçası üzerinde yapılabilir (Anık vd., 1998).

Sertlik deneylerinde, malzemelerin yüzeyine batırılan bir cisme karşı gösterdiği

direnç ölçülür. Bütün yöntemlerde batıcı bir cisim belirli bir kuvvetle (belirli bir yük

altında) parça içerisine batırılır. Malzemenin sertliği uygulanan yüke bağlı olarak, ya

örnek yüzeyinde oluşan izin yüzey alanına, ya da batıcı ucun batma derinliğine göre

belirlenir. Günümüzde en çok Brinell, Rockwell ve Vickers sertlik ölçme yöntemleri

kullanılmaktadır. Ancak, bunlardan başka sertlik ölçme yöntemleri de vardır

(Savaşkan, 1999; Anık vd., 1998).

Brinell sertlik deneyinde sertleştirilmiş çelik veya tungsten karbürden yapılan bir

bilye belirli bir yük ile malzemenin yüzeyine bastırılır ve malzemenin yüzeyinde

meydana gelen izin çapı ölçülür. Uygulanan yük, malzemenin yüzeyinde oluşan izin

küresel yüzey alanına bölünerek, Brinell sertlik değeri bulunur. Rockwell sertlik

deneyinde ise, standart bir batıcı uç genelde 10 kg gibi küçük bir yükle malzeme

yüzeyine bastırılır ve oluşan izin dip noktası başlangıç noktası olarak alınır. Daha

sonra yük yüksek bir değere çıkarılıp, tekrar önceki değerine indirilir. Ucun batma

derinliğinde meydana gelen değişime göre Rockwell sertlik değeri belirlenir

(Savaşkan, 1999).

Vickers sertlik ölçme yöntemi en duyarlı sertlik ölçme yöntemidir. Daha uzun zaman

almasına karşın, özellikle araştırma amacı ile mikro sertlikleri ölçmeye elverişlidir.

Bu yöntemde kullanılan batıcı uç, kare tabanlı bir piramit şeklinde olup elmastan

yapılmıştır. Piramit ucun tepe açısı 136 derecedir (Şekil 2.11.). Belirli bir F yükü ile

malzeme yüzeyine bastırılan batıcı uç şekilde de görüldüğü gibi bir eşkenar dörtgen

oluşturur (Onaran, 2006).

23

Şekil 2.11. Vickers sertlik deneyinde kullanılan ucun şematik gösterimi (Bekteş,

2004)

Malzemede meydana gelen iz üzerinde d köşegeninin uzunluğu, d1 ve d2 köşegen

uzunluklarının ortalaması olarak ölçülür. Uygulanan kuvvet ve hesaplanan köşegen

uzunluğu aşağıdaki denklemde yerine konarak Vickers sertlik değeri hesaplanır

(Bekteş, 2004).

Vickers sertlik testinin oldukça doğru sonuçların alınabilmesi, en geniş ölçme

aralığına sahip olması ve tüm metal yüzeyler için tek bir uç kullanılması gibi

avantajları vardır. Ayrıca değişen kuvvetler altında sert ve yumuşak metallere ait

sertlik ölçümleri için de kullanılabilir. Vickers sertlik testinin dezavantajı ise izin

büyüklüğünün optik olarak ölçülmeye ihtiyaç duymasıdır. Nitekim ölçme cihazı,

sertlik muayene cihazı ve mikroskobun karışımı olan bir alettir. Dolayısıyla izin

görünebilmesi için test noktasının çok iyi parlatılması gerekmektedir. (Anık vd.,

1998; Bekteş, 2004).

24

3. MATERYAL VE YÖNTEM

Bu çalışmada, Çizelge 3.1.’de kompozisyonları verilen (iki farklı karbon oranına

sahip) düşük karbonlu mikro alaşımlı çelikler kullanılmıştır. Numuneler Şekil 3.1.’de

görülen Struers Minitom hassas kesme cihazı ile 3 x 3 x 2 mm3 ebatlarında

kesilmiştir. Karbon oranlarına göre A ve B olarak isimlendirilen çeliklerden üç farklı

ısıl işlem ve dört farklı soğutma ortamı için toplam 24 adet numune hazırlanmıştır.

Şekil 3.1. Struers Minitom hassas kesme cihazı

Çizelge 3.1. Kullanılan çeliklerin kompozisyonları

Çelikler

Elementlerin ağırlıkça yüzdeleri (%)

C Si Mn P Mo Mg Cr Al Nb Fe

A 0.044 0.335 1.345 0.011 0.023 0.010 0.010 0.030 0.031 Kalan

B 0.029 0.334 1.384 0.013 0.024 0.009 0.009 0.025 0.021 Kalan

25

A ve B çelikleri 1000 ºC’ye kadar ısıtılarak bekleme olmaksızın suda, sıvı azotta,

havada ve fırında soğutma işlemlerine tabi tutulmuşlardır. Bu 4 farklı soğuma hızı,

400 ºC’de 4 saat ve 800 ºC’de 4 saat bekletilen numuneler için de uygulanmıştır

(Çizelge 3.2.).

Çizelge 3.2. Uygulanan ısıl işlemler ve soğutma ortamları

Isıl İşlem Sıcaklıkları (ºC) Bekleme Süresi (Saat) Soğutma Ortamları

400 4 Fırında

Havada

Suda

Sıvı Azotta

800 4

1000 Hemen

Isıl işlemler uygulandıktan sonra belirtilen ortamlarda soğutulan numuneler kalıplara

alınmıştır. Daha sonra da bu numunelerin yüzeyleri, mikro sertlik ve mikro

yapılarının belirlenmesi amacıyla Şekil 3.2.’de görülen Struers Labopol cihazı ile

zımparalama ve parlatma işlemlerine tabi tutulmuş ve %2 Nital solüsyonu

kullanılarak dağlanmıştır.

Şekil 3.2. Struers Labopol zımparalama ve parlatma cihazı

26

Kalıplara alınarak zımparalama, parlatma ve dağlama işlemlerinden geçirilen

numunelerin mikro yapılarının değerlendirilmesi için Şekil 3.3.’de görülen Olimpus

metal mikroskobu kullanılmıştır.

Şekil 3.3. Olimpus metal mikroskobu ve görüntü programı

Daha sonra numuneler mikro sertlik analizleri için Şekil 3.4.’de görülen Metkon

mikro sertlik cihazı ile mikro Vickers sertlik testine maruz bırakılmışlardır. Mikro

sertlik testleri 100 g yük altında ve 15’er saniye süre ile uygulanmıştır. Mikro sertlik

test sonuçların sağlıklı alınabilmesi için her bir numune için farklı bölgelerden çok

sayıda (en az 20) ölçüm alınmıştır.

Sertlik ölçümleri yapılan iki farklı karbon oranına sahip bu mikro alaşımlı çeliklerde

mikro yapı fotoğrafları incelenerek soğuma hızının çelikler üzerindeki mikro yapısal

değişimi ile mikro sertlik değerleri üzerine etkisi belirlenmeye çalışılmıştır.

27

Şekil 3.4. Metkon mikro sertlik ölçüm cihazı

28

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA

Herhangi bir işlem görmemiş A çelik numunesinin optik mikroskop ile bakılan mikro

yapı fotoğrafı incelendiğinde genel olarak mikro yapıda %80–90 ferrit ve %10-20

arasında perlitten oluştuğu anlaşılmaktadır (Şekil 4.1.).

Şekil 4.1. A çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık

kısımlar ferrit)

Öte yandan A çeliğinin 400 ºC’de 4 saat bekletilmesi ve farklı soğutma ortamlarında

soğutulmasıyla elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.2.’de verilmiştir. Bu

fotoğraflar dikkatlice incelendiğinde perlit yüzdesi yaklaşık olarak %10’dur ve ısıl

işlem öncesi var olan mikro yapı ile ısıl işlemler sonucu ortaya çıkan mikro yapıların

aynı olduğu gözükmektedir. Bu durum, ısıl işlem öncesi mikro sertlik değeri 243 Hv

olan A çeliğinin, ısıl işlem sonrası ölçülen mikro sertlik değerlerinin

karşılaştırılmasıyla teyit edilebilir. Tüm soğuma hızlarıyla elde edilen mikro sertlik

değerleri numunenin ısıl işlem öncesi mikro sertlik değeri ile aynıdır (Çizelge 4.1.).

Dolayısıyla 400 ºC’de 4 saat bekletme ısıl işlemi ve soğuma hızları A olarak

işaretlenen düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin sertlik ve mikro yapılarını

etkilememiştir.

29

Şekil 4.2. A çeliğinin 400 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında

soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde

edilen mikro yapı fotoğrafları

Çizelge 4.1. A çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri

A Çeliği 400 ºC’de 4 saat 800 ºC’de 4 saat 1000 ºC’de hemen

Fırında Soğutma 241 158 144

Havada Soğutma 240 163 188

Suda Soğutma 242 165 213

Sıvı Azotta Soğutma 244 182 277

800 ºC’de 4 saat bekletilerek farklı soğuma hızlarında soğuma işlemine tabi tutulan

A çeliğinden elde edilen mikro yapı fotoğraflarında ise Şekil 4.3.’de verilmiştir.

30

Şekil 4.3. A çeliğinin 800 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında

soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde

edilen mikro yapı fotoğrafları

Fırın ve hava ortamında yapılan soğutma işlemleri sonucunda A çeliklerinde

martenzit yapı oluşmaz iken yapının perlit ve ferritten oluştuğu görülmektedir (Şekil

4.3. a, b). Su ve azot ortamında soğutulan malzemelerde ise mikro yapıda ferrit ve

perlitin yanı sıra azda olsa (soğuma hızıyla artan) martenzitin oluştuğu gözlenmiştir

(Şekil 4.3. c, d). Perlit, yumuşak ferrit yapıda düzgün olarak yer alırken martenzit

ince taneli ve lamelli olarak yapıda dağılmaktadır. Diğer yandan soğuma hızı arttıkça

yapıdaki ferrit ve martenzit yüzdeleri artmakta ve suda ile sıvı azotta soğutulmuş

çeliklerde ferrit ve martenzit fazları nispeten daha belirginleşmektedir. Bu arada bu

ısıl işlemler çeliklerin sertliklerini de etkilemiştir. Elde edilen mikro sertlik değerleri

158 Hv civarındadır ve soğuma hızının artmasıyla yavaş bir artış göstermektedir. Bu

değerler 400 ºC’de 4 saat bekletilmiş ve ısıl işlem görmemiş çeliklerin mikro

sertliklerine nazaran daha düşük değerlerdir. Bu yüzden, bu ısıl işlemin bir tavlama

rolü üstlenerek yapıda yer alan kusurların konsantrasyonunu azalttığı sonucunu

31

çıkarmak mümkündür. Diğer bir deyişle bu ısıl işlem ile muhtemel artık gerilmeler

giderilmiş ve mikro sertliklerde azalma görülmüştür (Çizelge 4.1.).

Sıcaklık 1000 ºC’ye ulaştığında A çelikleri bekletilmeden havada, fırında, suda ve

sıvı azotta soğutularak sırasıyla mikro yapı fotoğrafları alınmıştır (Şekil 4.4.).

Şekil 4.4. A çeliğinin 1000 ºC’ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada

soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı

fotoğrafları

Bu fotoğraflar incelendiğinde, fırında soğutma ile elde edilen mikro yapı

fotoğraflarından mikro yapıda diğerlerine göre daha fazla ferrit ve çok az perlit

oluşluğu görülmektedir. Havada soğutmada ise yapıda ferrit daha ince taneli olmakla

beraber az miktarda perlit ve kalıntı östenit bulunmaktadır. Diğer taraftan, suda

soğutma ile elde edilen mikro yapıda çok miktarda ferrit, ince perlit, az kalıntı östenit

ve %10-15 oranında martenzit vardır. Sıvı azotta soğutma durumunda ise çok ince

ferrit, çok ince perlit ve %15-20 oranında martenzit görülmektedir.

32

Ayrıca mikro yapı fotoğrafları karşılaştırıldığında, soğuma hızının artmasıyla tane

boyutu belirgin bir şekilde azalmaktadır, martenzit yapı da belirgin bir şekilde ortaya

çıkmaktadır. En yüksek soğuma hızının gerçekleştiği azot ortamındaki soğutma da

martenzit oluşumu sayesinde yüksek bir mikro sertlik elde edilirken, yapıdaki

iğnemsi ferritin morfolojisi nedeniyle orta derece bir soğuma hızı nispeten düşük

mikro sertliklere sebep olmuştur (Şekil 4.5.).

Şekil 4.5. A çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi

A çeliğine göre daha düşük oranda karbon ihtiva eden B çeliğinin herhangi bir işlem

görmeden alınan fotoğrafı (Şekil 4.6.) incelendiğinde yapının A çeliği ile benzerlik

gösterdiği ve mikro sertlik değerinin 155 Hv civarında olduğu tespit edilmiştir.

B çeliğinin 400 ºC’de 4 saat bekletilmesi ve devamında farklı soğutma ortamlarında

yani farklı soğuma hızlarında soğutulmasıyla elde edilen mikro yapı fotoğrafları

Şekil 4.7.’de görülmektedir. A çeliğinde olduğu gibi burada da 400 ºC’de 4 saat

bekletme ısıl işlemi herhangi bir mikro yapı değişikliğine sebep olmamaktadır.

Dolayısıyla B çeliği için bu ısıl işlem mikro yapıda bir değişikliğe neden olmadığı

için sertlik değerlerini de etkilememiştir. Bu numuneler için ölçülen mikro sertlik

değerleri de bu durumu doğrulamaktadır (Çizelge 4.2.).

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Mik

ro s

ertl

ik (

Hv)

Sıvı azot Su Hava FırınSoğutma ortamları

1000 ºC de hemen

400 ºC de 4 saat

800 ºC de 4 saat

33

Şekil 4.6. B çeliğinin ısıl işlem öncesi mikro yapısı (koyu kısımlar perlit, açık

kısımlar ferrit)

Şekil 4.7. B çeliğinin 400 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında

soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde

edilen mikro yapı fotoğrafları

34

Çizelge 4.2. B çeliği için elde edilen mikro sertlik değerleri

B Çeliği 400 ºC’de 4 saat 800 ºC’de 4 saat 1000 ºC’de hemen

Fırında Soğutma 155 151 140

Havada Soğutma 158 138 204

Suda Soğutma 157 140 223

Sıvı Azotta Soğutma 150 137 260

Şekil 4.8. B çeliğinin 800 ºC’de 4 saat ısıl işleme tabi tutulmasından sonra a) fırında

soğutma b) havada soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde

edilen mikro yapı fotoğrafları

B çeliğinin 800 ºC’de 4 saat bekletilmesi ve farklı soğuma hızlarında elde edilen

mikro yapısına ait mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.8.’de görülmektedir. Oluşan mikro

yapılarda nispeten iri taneli ferrit ve az perlit görülmektedir. Fırında soğutma ile

neredeyse ferritik-perlitik yapı korunurken, 800 ºC’de oluşmuş olan ferrit-östenit

35

yapıdan sıvı azotta ve suda yapılan soğumalarda ferritin yapıda aynen kalmasıyla

çelikte bir yumuşama olmaktadır. Dolayısıyla tamamen östenitleştirilmemiş yapıların

hızlı soğutulmaları yapıda ferrit oluşmasına neden olarak sertleşmeyi

engellemektedir. Hızlı soğuma ile martenzit dönüşümü beklenir fakat buradaki bileşimde

karbon oranı çok az olduğu için martenzit oluşumu gözlenememiştir (Şekil 4.8. c, d). Bu

ısıl işlem sonucu, A çeliğinde az da olsa görülen martenzitin B çeliği için

oluşmamasının sebebi daha düşük karbon oranına sahip olması ile açıklanabilir

(Davies, 1978; Kabakçı, 2006).

Şekil 4.9. B çeliğinin 1000 ºC’ye ısıtıldıktan sonra, a) fırında soğutma b) havada

soğutma c) suda soğutma d) sıvı azotta soğutulması ile elde edilen mikro yapı

fotoğrafları

B çeliği için sıcaklık 1000 ºC’ye çıkarılıp hemen belirtilen ortamlarda soğutmalar

yapıldığında elde edilen mikro yapı fotoğrafları Şekil 4.9.’da görülmektedir. Fırında

soğutma sonucu oluşan yapıda iri ferrit taneleriyle birlikte az miktarda perlit

görülmektedir (Şekil 4.9. a). Havada soğutma da ise daha ince yapılı ferrit ve artan

perlit miktarı dikkat çekmektedir (Şekil 4.9. b). Soğuma hızının artmasıyla birlikte

36

martenzitin varlığı belirgin şeklide gözükmektedir. Ancak A çeliğine nazaran daha az

oranlarda martenzit gözlenmiştir. Diğer yandan suda soğutma sonucu oluşan yapıda

çok ince ferrit ve perlitin yanı sıra %10 civarında martenzit ve az miktarda da kalıntı

östenit görülmektedir (Şekil 4.9. c). Sıvı azotta soğutulan numune de ise ferritle

birlikte ince perlit ve %15 civarında da martenzit görülmektedir (Şekil 4.9. d). A

çeliğinde olduğu gibi burada da en hızlı soğuma hızında en yüksek mikro sertlik elde

edilmiştir (Şekil 4.10.). Böylelikle yüksek sertliğin elde edilmesinde martenzitin

oranının etkisi yine teyit edilmiştir.

Şekil 4.10. B çeliği için soğuma hızının mikro sertlik üzerine etkisi

Karbon oranlarının farkından dolayı A ve B olarak isimlendirilen düşük karbonlu

mikro alaşımlı çeliklerin, uygulanan ısıl işlemler sonrası ölçülen mikro sertlik

değerlerinin soğuma hızlarına göre gösterdiği eğilimler Şekil 4.5. ve Şekil 4.10.’da

gösterilmiştir. Hem A çeliği hem de B çeliği için 1000 ºC’de bekleme olmaksızın

yapılan farklı hızlarda soğutma işlemleri sonucunda mikro sertlik değerlerinin artan

soğuma hızıyla arttığı açık olarak belirlenmiştir. 400 ºC’de 4 saat bekletme ısıl işlemi

için elde edilen eğriler her iki numune içinde neredeyse değişmemiştir. A çeliğinin

800 ºC’de 4 saat bekletme ısıl işlemi ile mikro sertlik değerlerinde azalma

görülmekle birlikte kendi içinde soğuma hızıyla artan bir eğilim tespit edilmiştir. Bu

durum A çeliğinin bu ısıl işlemle hızlı soğuma hızlarında oluşabilen martenzite

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Mik

ro s

ertl

ik (

Hv)

Sıvı azot Su Hava FırınSoğutma ortamları

1000 ºC de hemen

400 ºC de 4 saat

800 ºC de 4 saat

37

bağlanmaktadır. Ancak B çeliği için, ısıl işlem öncesi mikro sertlik değerlerine göre

bir azalma görülmüştür. Ayrıca B çeliğinin bu ısıl işleminde martenzit

gözlenememesine paralel olarak sertlikte de soğuma hızıyla bir artma tespit

edilmemiştir.

Bilindiği gibi martenzitin oluşumu östenitten gerçekleşen bir dönüşümdür.

Dolayısıyla martenzitin oluşumu çeliğin ihtiva ettiği alaşım elementlerine ve ısıl

işlem yöntemine göre değişebilecek olan östenit oranına da bağlıdır. A ve B

çeliklerinin oldukça düşük oranlarda karbon ihtiva etmeleri, 800 ºC’de 4 saat

bekletme ısıl işleminin Ac3 sıcaklığının altında olması ve 1000 ºC’ye ısıtılan

çeliklerde bekletme yapılmaması gibi nedenler oluşturulan östenit miktarını sınırlı

seviyelerde tutmuştur. Dolayısıyla ferrit ağırlıklı olan ferrit-östenit yapıdan

gerçekleşen dönüşümler sonucu martenzitin oluşumu da sınırlı kalmıştır. Nitekim

Acarer (2005), yaptığı çalışmada oluşacak martenzit oranının kritik tavlama

sıcaklıkları (Şekil 2.8’deki Ac1 ve Ac3 sıcaklıları) arasında yapılan ısıl işlem

sıcaklığının artmasıyla ve çeliklerin içerdiği alaşım elementlerinin miktarının

artmasıyla arttığını belirtmiştir. Öyle ki A çeliğine göre daha az oranda karbon ihtiva

eden B çeliği için 800 ºC’de 4 saat bekletme ısıl işlemi suda ve sıvı azotta soğuma

sonrasında martenzit gözlenmemiştir.

Öte yandan bu çalışmada uygulanan 800 ºC’de 4 saat bekletilme ısıl işlemi, eldeki

çelikler için Andrews tarafından verilen ifadeye (Gorni and Vicente, 2010) göre

hesaplanan Ac1 ile Ac3 sıcaklıkları aralığında olduğu için çift faz ısıl işlemi olarak

değerlendirilebilir. Çift faz ısıl işlemi, çeliklerin kritik tavlama sıcaklıkları Ac1 ile

Ac3 arasında belirli bir süre bekletildikten sonra östenitin martenzite dönüşümünü

sağlayacak soğuma hızlarında soğutulmaları olarak tarif edilmektedir (Ulu, 2009).

Çift fazlı çeliklerin dayanımlarının büyük ölçüde martenzit, sünekliklerinin ise ferrit

fazı karakterine bağlı olduğu kabul edilmektedir (Hayat vd., 2007). Dolayısıyla

düşük karbonlu mikro alaşımlı A çeliklerinin 800 ºC’de 4 saat bekletilmesi ve hızlı

soğuma hızlarında soğutulmaları ısıl işlemleri ile ferrit ve martenzit fazlarının

ağırlıklı olduğu mikro yapılar elde edilmiştir. Ancak B çeliğinin bu ısıl işleminde

martenzit yapı gözlenmemiştir. Bununla birlikte çeliklerin dayanımını ve sertliğini

38

arttıran martenzitin oranı, karbon oranının ve soğuma hızının artmasıyla A

çeliklerinde (suda ve azotta soğutmalarda) bir artma eğilimi göstermektedir. Ancak A

ve B çeliklerinin bu ısıl işlemle mikro sertliklerinin temelde azalma sebebi, iri taneli

ferritin yapıda kalmış olmasıdır. Çünkü Ac3 çizgisinin altındaki sıcaklıklarda çelik

içerisinde ötektoid dışı ferrit bulunur ve bu fazın oranı çeliğin karbon oranına

bağlıdır. Ötektoid dışı ferrit su verme işleminden sonra da yapıda aynen kaldığından,

çelik içerisinde yumuşak bölgelerin oluşmasına neden olur ve böylece malzemenin

sertleşmesi engellenir (Savaşkan, 1999).

Özellikle 1000 ºC’de bekletme olmadan hızlı soğutulan numunelerde martenzitin

mikro sertliğe katkısı açık bir şekilde belirlenmiştir. Sıvı azotta ve suda soğutulan bu

çeliklerde martenzit oranın artmasıyla orantılı olarak mikro sertliklerde artmıştır.

1000 ºC’de beklemeden farklı soğuma hızlarıyla soğutulan numunelerde artan

soğuma hızıyla mikro sertliğin artmasının bir diğer nedeni de iğnemsi ferritin

oluşmasıdır. Bu ısıl işlem sonrası A ve B çelikleri için, soğuma hızının artmasıyla

tane küçülmesi çok açık olarak görülmüştür (Şekil 4.4. ve Şekil 4.9.). Çünkü soğuma

hızının artması dönüşüm sıcaklığını düşürmekte ve ferritin çekirdekleşmesini

hızlandırmakta bu da tanelerin küçülmesine neden olmaktadır (Gündüz, 2003).

Diğer yandan soğuma hızının artması ile sertlik değerinin artması, A ve B

çeliklerinde boşluk artışı ve aşırı doymuş katı çözelti oluşturduğu ve bu durumun

dislokasyon hareketi güçleşmesi ile sertlikte bir artışa neden olduğu düşünülebilir.

İlave olarak, martenzit yüzdesinin artması ile sertlik değerlerinin arttığı çeşitli

araştırmalar tarafından belirtilmiştir. Dolayısıyla, A çeliğinin sıvı azot ortamında

soğutulması ile elde edilen sertliğin B çeliğinden daha büyük olması ise alaşım

elementleri olan karbon ve niyobyumun daha yüksek olması ile açıklanabilir.

Nitekim Grange et al. (1977), tarafından yapılan bir çalışmada azot ortamında

soğutulan düşük alaşımlı çeliklerde sertliğin sadece karbon miktarına bağlı olduğu

gösterilmiştir. Aynı çalışmada diğer alaşım elementlerinin ilavesinin sertliği

değiştirmediği belirtilmektedir. Bunun nedeni alaşım elementlerinin yapıdaki kalıntı

östenit yapıyı değiştirmemesi olarak belirtilmektedir. Diğer taraftan silisyum tabanlı

(Ni---19Si) alaşımlarında silisyum ile yer değiştiren niyobyumun akma noktasını

39

artırdığı beyan edilmektedir. X-ışınları difraksiyonu ve elektron mikroskobu ile

yapılan gözlemlerde akma noktasındaki artışın niyobyum ilavesi ile fazında örgü

genişlemesinin bir neticesi olduğu gözlenmiştir (Jang and Tsau, 2003).

40

5. SONUÇ

Çeliklerin mekanik özellikleri karbon oranı ve alaşım elementleri yanında ısıl

işlemlere de bağlı olduğu bilinen bir gerçektir. Isıl işlem ile akma noktasının daha

aşağı değerlere çekilebildiği, yapının daha sünek bir hal aldığı bilinmektedir. Ancak

ısıl işlem sonucunda malzemenin değişik soğuma ortamlarına bırakılması mevcut

yapının yeniden düzenlenmesini gerektirdiği için çok değişik ve beklenilmeyen

sertlik ya da süneklik değerleri oluşturulabilmekte ve beklenilmeyen sonuçlar ortaya

çıkmaktadır. Bu çalışma da düşük karbonlu mikro alaşımlı çeliklerin 1000 ºC’de

hemen ve 800 ºC’de 4 saat ısıl işlem sonunda yapılan farklı hızlardaki soğutma

işlemlerinde oluşan mikro yapılar, 400 ºC’de 4 saat bekletmenin akabinde yapılan

farklı hızlardaki soğuma hızları ile oluşan mikro yapılardan çok farklıdır. Bunun

neticesi olarak sertlik değerlerinde ciddi farklılıklar meydana gelmiştir. Bu durum

mekanik özellikler açısından seçilen ısıl işlem sıcaklığının oldukça önemli olduğu

anlamına gelir. Mevcut çalışmada görüldüğü üzere düşük karbonlu mikro alaşımlı

çeliklerin ısıl işlem takibinde hızlı soğutulmalarıyla, yarı kararlı bir faz olan

martenzitin oluşturulmasıyla mikro yapı değiştirilmiş dolayısıyla mikro sertlik

artmıştır. Soğuma hızının nispeten düşük olduğu durumlarda ise çeliklerin mikro

sertliklerinde bir azalma belirlenmiştir. Bu durum mikro yapıda ısıl işlemin yapıyı

iyileştirme etkisi yaptığı şeklinde yorumlanabilir.

Ayrıca başta karbon olmak üzere malzemenin içerdiği alaşım elementlerinin de ısıl

işlemelerin uygulamasında etkin oldukları bulunmuştur. Nitekim karbon ve

niyobyum miktarının artması ile aynı soğuma hızı için daha büyük bir mikro sertlik

değeri ortaya çıkarmıştır. Bu durum, bu alaşım elementlerinin yapıda ara yer

oluşturması ya da demir ile birlikte daha sert fazlar oluşturmalarının bir neticesi

olarak değerlendirilmelidir. Sonuç olarak, karbon ya da diğer alaşım elementlerinin

değişik soğuma hızları ile birlikte yapı içinde ne tür bir etkiye sahip oldukları ile

soğuma hızının zor-zorlanma eğrileri üzerindeki etkileri önümüzdeki çalışmaların

konusu olabilir.

41

6. KAYNAKLAR

Acarer, M., 2005. Düşük karbonlu çelik saçlardan çift-fazlı çelik üretimi ve

MHO’nın çekme özellikleri üzerine etkisi. Teknoloji, 8-3, 237-244.

Anık, S., Anık, E.S., Vural, M., 1988. Malzeme Bilgisi ve Muayenesi. Birsen

Yayınevi, 352s. İstanbul.

Aytar, Ö.B. 2004. Fe Tabanlı Bazı Alaşımların Mekanik Davranışlarının

İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 39s,

Isparta.

Bekteş, M., 2004. Fe-Mn Alaşımlarının Mikrosertlik Ölçümleri. Süleyman Demirel

Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 44s, Isparta.

Callister, W.D., 2000. Fundamentals of Materials Science and Engineering/ An

Interactive. John Willey and Sons, Inc., 524p. USA.

Cota, A.B., Oliveira, F.L.G., Barbosa, A.L.R., Lacerda, C.A.M., Araujo, F.G.S.,

2003. Microstructure and mechanical properties of a microalloyed steel after

thermal treatments. Materials Research, 6-2, 117-121.

Çalık, A., 2009. Effect of cooling rate on hardness and microstructure of AISI 1020,

AISI 1040 and AISI 1060 steels. International Journal of Physical Sciences 4

(9), 514-518.

Çalık, A., Düzgün, A., Şahin, O., Uçar, N., 2010. Effect of carbon content on the

mechanical properties of medium carbon steels. Z. Naturforschung A, 65a,

468-472.

Çapar, A., 2005. Dövme Amaçlı Üretilen Mikroalaşım Çeliklerinde Dövme ve Farklı

Soğuma Şartlarının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi. Zonguldak

Karaelmas Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 82s, Karabük.

Davies, R.G., 1978. Influence of martensite composition and content on the

properties of dual phase steels. Metallurgical and Materials Transactions A,

9-5, 671-679.

Demirci, H., 2004. Mühendislik Malzemeleri. Aktüel Yayınları, Motif Matbaacılık,

252s. İstanbul.

Dündar, S., 2008. AISI 1117 Çeliğinin Fiziksel Özelliklerinin İncelenmesi.

Kırıkkale Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 55s, Kırıkkale.

Elieyioğlu, S., 2005. Çeliklerin Isıl İşlem Altında Gösterdiği Yapısal Değişikliklerin

Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Mössbauer Spektroskopisi ile

İncelenmesi. Kırıkkale Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 42s, Kırıkkale.

42

Erdoğan, M., 1998. Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri Cilt 1. Nobel

Yayınları, Alemdar Ofset, 62, 364s. Ankara.

Erdoğan, M., 2000. Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri Cilt 1. Nobel

Yayınları, Arı ofset, 105, 338s. Ankara.

Gorni, A.A., Vicente, S., 2010. Steel Forming and Heat Treating Handbook. 125p.

Brazil.

Grange, R.A., Hribal, C.R., Porter, L.F., 1977. Hardness of Tempered Martensite in

Carbon and Low-Alloy Steels. Metallurgical and Materials Transactions A, 8-

11, 1775-1885.

Güleç, Ş., Aran A., 1993. Malzeme Bilgisi Cilt 1. İstanbul Teknik Üniversitesi

Yayını, 1521, 190s.

Gülgen, İ.S., 2008. İş Makineleri Tırnakları Üretiminde Kullanılan Az Alaşımlı

Çeliklerin Isıl İşlemi. Sakarya Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 100s,

Sakarya.

Gündüz, S., 2003. Kimyasal Bileşim ve Soğuma Hızının Arayer Atomu İçermeyen

Mikroalaşım Çeliklerinin Mekanik Özelliklerine Etkisi. G.Ü. Fen Bilimleri

Dergisi, 16 (1), 171-178.

Hayat, F., Demir, B., Acerer, M., 2007. 0.076C ve 1.74 Mn’lı Çift-Fazlı Çeliklerin

Mikroyapı-Dayanım İlişkisi ve Kırılma Davranışları. Teknoloji, 10-2, 123-

129.

Jang, J.S.C., Tsau, C.H., 2003. The Effect of Niobium Additions on the Fracture of

Ni---19Si-based Alloys. Materials Science and Engineering A, 153 (1-2),

525-531.

Kabakçı, F., 2006. Çift Fazlı Çeliklerde Mikroyapının Mekanik Özelliklere Etkisi.

Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 74s, Karabük.

Kakanı, S.L., Kakanı, A., 2004. Material Science. New Age International Publishers,

640p.

Kesti, E., 2009. Ç-4140 Çeliğinin, Mikro Yapı ve Mekanik Özelliklerine Su Verme

Ortamının Etkilerinin Araştırılması. Selçuk Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi,

91s, Konya.

Kınıkoğlu, N.G., 2001. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği. Yıldız Teknik Üniversitesi

Yayını, Mart Matbaacılık, 65, 855s. İstanbul.

Llewellyn, D.T., Hudd, R.C., 2004. Steels Metallurgy and Applications. Butterworth

Heinemann, 389p. United Kingdom.

43

Onaran, K., 2006. Malzeme Bilimi. Bilim Teknik Yayınevi, Ulus Matbaası, 383s.

İstanbul.

Özlü, B., 2007. Mikroalaşımlı Çeliklerin Mikro Yapısını Değiştirerek

İşlenebilirliğinin İncelenmesi. Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Yüksek

Lisans Tezi, 98s, Karabük.

Qiao, Z.X., Liu Y.C., Yu L.M., Gao Z.M., 2009. Effect of cooling rate on

microstructural formation and hardness of 30CrNi3Mo steel. Applied Physics

A, 95, 917-922.

Rasouli, D., Sh. Khameneh, A., Akbarzadeh, A., Daneshi, G.H., 2008. Effect of

cooling rate on the microstructure and mechanical properties of microalloyed

forging steel. Journal of Materials Processing Technology, 206, 92-98.

Safoğlu, R.A., 1998. Malzeme Bilimine Giriş. Birsen Yayınevi, Zafer Matbaası,

272s. İstanbul.

Savaşkan, T., 1999. Malzeme Bilgisi ve Muayenesi. Derya Kitabevi, Beta Basım,

284s. Trabzon.

Shanmugam, S., Ramisetti, N.K., Misra, R.D.K., Mannering, T., Panda, D., Jansto,

S., 2007. Effect of cooling rate on the microstructure and mechanical

properties of Nb-microalloyed steels. Materials Science and Engineering A,

460-461, 335-343.

.

Topbaş, M.A., 1992. Çeliğin Isıl İşlemi. Yıldız Üniversitesi Yayınları, Damla

Matbaacılık, 331s. İstanbul.

Topbaş, M.A., 1993. Isıl İşlemler. Prestij Yayınevi, Ekim Ofset, 440s. İstanbul

Totten, G.E., 2006. Steel Heat Treatment: Equipment and Process Design. CRC

Press, 696p.

Tükel, N., 1981. Demir-Karbon Alaşımları. İ.D.M.M.A. Makine Fakültesi Yayını,

Arpaz Matbaacılık, 383s. İstanbul.

Ulu, S., 2004. Karbonlu ve Düşük Alaşımlı Çeliklerin Temel Mekanik Özelliklerinin

Araştırılması. Afyon Kocatepe Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 105s,

Afyon.

Ulu, S., 2009. Çift Fazlı Çelikler. Teknolojik Araştırmalar, 6-3, 100-113.

Uzun, H., Fındık, F., Salman, S., 2008. Malzeme Biliminin Temelleri. Değişim

Yayınları, 288s. İstanbul.

Yılmaz, F., Şen, U., 1996. Alaşımların Yapı ve Özellikleri. Sakarya Üniversitesi, 18,

114s. Adapazarı

44

ÖZGEÇMİŞ

Adı Soyadı : Cihan EKİNCİ

Doğum Yeri ve Yılı : Turhal, 1983

Medeni Hali : Bekar

Yabancı Dili : İngilizce

Eğitim Durumu

Lise : Turhal Cumhuriyet Lisesi (YDA), 1997-2002

Lisans : Süleyman Demirel Üniversitesi Fizik Bölümü, 2004-2008

Yayınları

1- Ekinci, C., Uçar, N., Çalık, A., Karakaş, S., Akkurt, İ., 2010. Effects of heat

treatment on the microstructure and mechanical properties of low-carbon

microalloyed steels. High Temperature Materials and Processes, (Basımda).