CALLİSTER FAZ DİYAGRAMLARI
ve
Demir-Karbon Diyagramı
• Bileşen
deyimi, çoğunlukla alaşımı oluşturan saf
metaller ve/veya bileşikler için kullanılır. Örneğin bir
bakır-çinko alaşımı olan pirinçte Cu ve Zn,
bileşenlerdir.
• Sistem
deyimi öncelikle incelenen bir malzemenin
sahip olduğu özel durumunu (örneğin bir potadaki
ergimiş çelik) ifade etmek için kullanılır. Ayrıca sistem
deyimi, kimyasal bileşimden bağımsız olarak aynı
alaşım elementleri tarafından oluşturulan olası
alaşımları ifade etmek için de kullanılmaktadır
(örneğin Fe-C sistemi).
• Birçok alaşım sisteminde belirli bir sıcaklıkta
çözünen atomların, çözen kafes içinde
ulaşabileceği ve
çözünebilirlik (çözünürlük) sınırı
olarak isimlendirilen bir üst konsantrasyon sınır
değeri vardır.
• Bu çözünebilirlik sınırının üzerinde yapılan
element ilavesi sonucunda, başka bir bileşime
sahip bir diğer katı çözelti veya bileşik meydana
gelmektedir.
• Faz,
bir sistemin homojen fiziksel ve kimyasal
özellikler gösteren parçası olarak
tanımlanabilir.
• Her saf malzeme bir faz olarak düşünülebildiği
gibi her katı, sıvı ve gaz çözelti de faz olarak
değerlendirilebilir.
• Çoğu zaman bir malzemenin fiziksel özellikleri,
özellikle de mekanik özellikleri sahip olduğu iç
yapıya yani
mikroyapıya
bağlıdır.
• Mikroyapı, optik veya elektron
mikroskoplarında gerçekleştirilen mikroskobik
incelemelerle belirlenir.
• Denge
hâli, en iyi şekilde serbest enerji adı verilen
bir termodinamik büyüklük ile tanımlanan bir
diğer temel kavramdır. Kısaca
serbest enerji
bir
sistemin iç enerjisi ile atom veya moleküllerinin
rastgeleliği veya düzensizliğinin (entropi) bir
fonksiyonudur.
• Faz dengesi
deyimi sıklıkla içinde birden fazla faz
bulunduran sistemlerin denge halini tanımlamada
kullanılır. Faz dengesi bir sisteme ait faz
özelliklerinin zamanla değişmediğini ifade eder.
Şekil 9.1
• Özellikle katı sistemlerde denge haline ulaşma
hızı çok yavaş olduğundan, tam denge haline
ulaşılmaz ve bu tür sistemler dengesiz veya
yarı-kararlı
(meta stabil) halde bulunur.
• Yarı-kararlı hal veya mikroyapı zamanla birlikte
ya değişmeyerek ya da fark edilmeyecek
boyutta çok az değişerek devamlılığını ve
sürekliliğini korur.
• Belirli bir sistemin faz yapısının kontrol edilmesine ait
bilginin birçoğu, kısaca
faz diyagramları
veya denge
diyagramları olarak da isimlendirilen grafikler
yardımıyla elde edilir.
• Faz diyagramlarını etkileyen ve kontrol edilebilen üç
dış parametre sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim
olup, faz diyagramları bunların çeşitli
kombinasyonlarının birinin diğerine göre çizilmesiyle
belirlenir.
• İkili faz diyagramları
alaşımların bulundukları
sıcaklıkta ve sahip oldukları kimyasal bileşimde
iç yapılarında hangi fazları denge halinde
bulundurduğunu, bu fazların hangi oranlarda
mikroyapıya dağıldığını ve fazların kimyasal
bileşimleri hakkındaki bilgileri veren
haritalardır.
Devam ediyor…
• Cu-Ni elementlerinin hem sıvı hem de katı
hallerde gösterdiği tam çözünürlük
özelliğinden dolayı, bu sistem
izomorfik
olarak
nitelendirilir.
• Sistemde hangi fazların bulunduğunu
belirlemek nispeten kolaydır. Sıcaklık-kimyasal
bileşimin oluşturduğu nokta faz diyagramına
yerleştirildiğinde hangi faz veya fazların
bulunduğu bölgede yer alıyorsa, o bölgenin
sınırladığı faz ve/veya fazların sistemde
mevcut olduğu bilgisine doğrudan ulaşılır.
• Tek bir fazın mevcut olması durumunda yöntem belli
olup, fazın kimyasal bileşimi ile alaşımın kimyasal
bileşimi aynıdır.
• İki fazın birlikte bulunduğu bölgeler için durum biraz
daha karmaşıktır. Tüm iki fazlı bölgelerde her bir
sıcaklık için yatay eksene paralel olarak uzanan hayali
doğrular düşünülebilir. Bu tip doğruların iki fazlı
bölgenin faz sınırı çizgileri arasında kalan kısmı genel
olarak
bağ çizgisi
veya
izoterm doğrusu
olarak
bilinmektedir.
• Eğer bileşim ve sıcaklığı oluşturan nokta iki
fazlı bölgede ise durum biraz daha karmaşıktır.
• Bu amaçla kullanılan yöntem çoğunlukla
kaldıraç kuralı
olarak nitelendirilmektedir.
• 779
o
C’nin altındaki sıcaklıklar için α fazı
bölgesini α + β faz bölgesinden ayıran çizgi
solvüs
adını alır ve benzer şekilde 779
o
C’nin
üzerindeki sıcaklıklar için α fazı bölgesini α + S
faz bölgesinden ayıran çizgi
solidüs
olarak
tanımlanır.
• Bakıra gümüş ilave edildikçe alaşımın tam olarak
eridiği sıcaklık AE
likidüs çizgisi
ne bağlı olarak
sürekli azalma gösterir. Aynı şeyleri gümüş için de
söylemek mümkündür. Gümüşe ilave edilen bakır
alaşımın ergime sıcaklığı FE çizgisiyle de
belirtildiği gibi, sürekli azaltmaktadır. İki likidüs
çizgisi diyagramdaki BEG doğrusu üzerindeki E
noktasında birleşir. Buradaki E noktası
değişmez
nokta
niteliğinde olup, C
E
bileşimi ve T
Ö
sıcaklığı
ile tanımlanır.
• Soğuma sırasında T
Ö
sıcaklığındaki sıvı faz α ve
β gibi iki ayrı katı faza aynı anda dönüşür. Aynı
şekilde, ısınma sırasında da iki ayrı katı faz aynı
anda sıvı faza dönüşür. Bu durum malzeme
biliminde
ötektik reaksiyon
adını almakta olup
(ötektik kolayca ergiyen anlamındadır), C
αE
ve
C
βE
α ve β fazlarının T
Ö
sıcaklığındaki kimyasal
bileşimlerini vermektedir.
• Ötektik reaksiyonla oluşan α ve β katı
fazlarının yapıda katmanlar halinde ve birbirini
tekrar eder tarzda oluşması neticesinde lamelli
yapı olarak da nitelendirilen
ötektik yapı
meydana gelir ve bu özel yapı,
Şekil 9.13
’teki i
noktasındaki daire içinde temsili olarak
gösterilmiştir.
• α fazlarını birbirinden ayırt edebilmek için,
Şekil 9.16
’da gösterildiği gibi ötektik reaksiyon
sırasında oluşanına
ötektik
α, ötektik sıcaklık
geçilmeden önce oluşmuş olanına ise
birincil
(primer)
veya
ötektik öncesi
α adı verilmiştir.
• Mikroyapıların incelenmesi sırasında yapıda
bulunan ve tanımlanabilir belli özelliklere
sahip elemanları (fazlar) temsil etmesi
açısından
mikroyapı bileşenleri
deyiminin
kullanılmasında fayda vardır.
•
Şekil 9.7
ve
9.8
’de verilen ötektik bakır-gümüş ve
kurşun-kalay faz diyagramları sadece α ve β katı
fazlarını içerir, aynı zamanda bu fazlar diyagramın
iki ucuna yakın bölgelerde oluştukları için
uç katı
çözeltiler
olarak isimlendirilir. Diğer alaşım
sistemlerinde uç katı çözeltilerin dışında
ara katı
çözeltilere,
yani
ara faz
lara da rastlamak
mümkündür. Buna benzer bir durum,
Şekil
9.19
’da verilen bakır-çinko alaşım sistemi için
geçerlidir.
• Bazı sistemlerde katı çözeltilerden ziyade farklı
ara bileşiklerin yer aldığı görülebilmektedir. Bu
bileşikler belirli tek bir kimyasal bileşime sahip
olup, literatürde
metaller arası bileşikler
olarak isimlendirilir.
• Katı δ fazı soğumayla birlikte aşağıda verilmiş olan
reaksiyon neticesinde γ ve ϵ katı fazlarına dönüşür.
• Aynı şekilde bunun tersi olan reaksiyon ısıtma
sırasında gerçekleşir ve iki katı faz tek bir δ katı fazına
dönüşür. Bu dönüşüm
ötektoid reaksiyon
sonucunda
gerçekleşmekte olup bunun gerçekleştiği 560
o
C,
ötektoid sıcaklığı ve ağırlıkça % 74 Zn-% 26 Cu ise
ötektik bileşim olarak isimlendirilir.
• Peritektik reaksiyon
üç farklı fazın bir arada
bulunduğu bir noktada gerçekleşen bir diğer
reaksiyon türüdür. Peritektik reaksiyon 598
o
C’de ve
ağırlıkça % 78,6 Zn ile % 21,4 Cu kimyasal
bileşiminde aşağıdaki ilişkiye bağlı olarak
gerçekleşir:
• Faz dönüşümleri reaksiyonlar sırasında
herhangi bir kimyasal bileşim değişikliğinin
gerçekleşip gerçekleşmemesine bağlı olarak da
sınıflandırılabilir. Dönüşüm sırasında kimyasal
bileşimde bir değişiklik olmaması durumunda
uyumlu faz dönüşümü
reaksiyonları söz
konusudur.
• Faz diyagramlarının sadece metal-metal
sistemleri için geçerli olduğu
düşünülmemelidir. Seramik sistemlerin
tasarlanmasında ve işlenme aşamalarında çok
yararlı bilgiler sağlayan faz diyagramları bunlar
gibi birçok malzeme için deneysel olarak
belirlenmiştir.
• Faz diyagramlarının oluşturulmasında kullanılan esaslar ile
fazların denge durumuna ait prensipler termodinamik
kanunlarıyla açıklanır. Bunlardan birisi de 19. yüzyıl
fizikçilerinden J. Williard Gibbs tarafından öne sürülen
Gibbs faz kuralıdır
. Bu kural bir sistemde denge
durumunda bulunan fazların sayısını belirlemede
kullanılan bir kriteri vermekte ve aşağıdaki basit
denklemle ifade edilmektedir:
• Tüm ikili alaşım sistemleri içinde en önemli
yeri demir-karbon alaşım sistemi tutmaktadır.
Teknolojik açıdan önemli yere sahip olan tüm
toplumlar, esas olarak demir-karbon alaşımı
olan dökme demir ve çelikleri ana yapısal
malzeme olarak kullanılmışlardır.
• Demir-karbon faz diyagramının bir bölümü
Şekil 9.24
’te verilmiştir. Saf demir ısıtılması
sırasında ergimeden önce iki defa kristal yapı
değişikliğine uğrar. Oda sıcaklıklarında demir,
α-demiri veya
ferrit
adını almakta olup hacim
merkezli kübik (HMK) kristal yapıya sahiptir.
Ferrit 912
o
C’nin üzerine çıkıldığında yüzey
merkezli kübik (YMK) yapıya sahip γ-demirine
veya
ostenit
fazına dönüşür.
• Kimyasal bileşimin belirtildiği yatay eksen,
sadece ağırlıkça % 6,67 C miktarına kadar
uzanmaktadır. Bu karbon miktarında bir
metaller arası bileşik olan demir karbür veya
daha yaygın olarak kullanılan ismiyle
sementit
(Fe
3
C) oluşur ve demir-sementit faz
diyagramının sağ tarafındaki düşey eksenle
temsil edilir.
• Ötektoid çeliğinin mikroyapısı, ötektoid
sıcaklıktan yavaşça soğuma sırasında, birbirini
tekrar edecek tarzda üst üste α ve Fe
3
C fazlarına
ait tabakaların (lamellerin) bir araya gelmesiyle ve
bir anda oluşan özel bir yapıya dönüşür. Burada
oluşan α ve Fe
3
C lamellerinin (tabakalarının)
kalınlıklarının oranı 8’e 1 mertebelerindedir.
Şekil
9.26
’daki faz diyagramının altında yer alan ve b
noktasını gösteren daire içinde şematik olarak
gösterilen bu tipik yapıya malzeme biliminde
perlit
adı verilmiştir.
•
Şekil 9.29
’da gösterildiği gibi, ötektoid
noktanın solunda kalan ve ağırlıkça % 0,022
ile % 0,76 arasında olmak üzere karbon
bileşimine sahip alaşımlar
ötektoid altı
alaşımlar
olarak nitelendirilir.
• Reaksiyon neticesinde oluşan ferrit fazına
ötektoid ferrit
,
daha önce oluşmuş bulunan ferrit fazına
da ötektoid
öncesi
(veya primer)
ferrit
denilir.
• Ostenit bölgesinden yavaşça soğutulan ve
bileşiminde ağırlıkça % 0,76 ile % 2,14 C
bulunan
ötektoidüstü alaşımlar
için de
benzer dönüşümler ve mikroyapılar söz
konusudur.
•
Şekil 9.29
’daki d noktasında α’nın başlamasına
benzer şekilde Fe
3
C fazının önceki ostenit tane
sınırları boyunca oluşmaya başladığı görülür.
Ötektoid reaksiyondan önce oluşan bu
sementite
ötektoid öncesi sementit
(veya
primer sementit
) denilir ve sıcaklık değişse
bile bileşimindeki ağırlıkça % 6,67 C oranı
değişmez.
• Pratikteki uygulamalar açısından
denge dışı
soğuma
şu sonuçlara neden olmaktadır: (1)
Faz dönüşümleri ve değişiklikleri faz
diyagramlarındaki faz sınırlarını belirleyen
çizgilerin öngördüğü sıcaklıkların dışında
gerçekleşmekte ve (2) denge dışı şartlarda
oluşan fazlar, faz diyagramları üzerinde yer
almamaktadır.
Dostları ilə paylaş: |