Demir Esaslı Malzemelerin Mikroyapısal Değişimi

Demir esaslı malzemelerdeki uygulamalarda demir kafesindeki çeşitlilik ve alaşımların

oluşumundaki faklılıklar denge-dışı yapıların oluşumunu mümkün kılar ve nihai analizde

çeliğin karakteristiklerini belirler. Yapının oluşumunu zaman faktörü büyük bir kesinlikle

belirlemektedir. Bu duruma zaten demir-karbon diyagramının açıklanmasında değinilmişti.

Gösterilen yapılar sadece denge durumundaki oluşumlardı, yani karbon difuzyonu için daima

yeterli zaman vardı. Eğer çelik çok daha hızla soğutulursa, karbon daha kısa bir difuzyon

zamanına sahip olacaktır. Dolayısıyla karbon atomlarının hareketi sınırlandırılmış olacaktır.

Saniyede yaklaşık 15°C’lik bir soğuma hızıyla östenitin ferrite dönüşümü ve karbürlerin

çökelmesi az veya çok önlenmektedir. Perlit oluşumu 723°C’nin altındaki sıcaklıklara

ötelenmekte ve ilgili dönüşüm %0,8’den daha az karbon miktarında gerçekleşmektedir. Perlit

yapısı artan soğuma hızıyla daha ince lamelli oluşur. Hatta daha kısa difuzyon yolları sonuçta

beynit oluşumuna yolaçar. Östenit, karbon içeriğinde düşüş olmaksızın ferrite dönüşür ve

ferritin bilinen kübik yapısından bir miktar sapmasıyla eşzamanlı olarak karbürlerin

çökelmesi meydana gelir.

 

Şekil 4

 

Çok yüksek soğuma hızlarıyla östenit martenzite dönüşür. Hızlı soğuma (suverme) nedeniyle

çok kısa bir zamanda oluşan yapı iğne şekilli kristallere sahiptir ve son derece serttir. Böyle

bir yapı, demirkarbürün oluşumunu tamamen önlemektedir. Demir-karbon diyagramına göre

hernekadar oda sıcaklığında çok fazla karbon ferrit kristalinde çözünemese de karbon, kristal

yapısında hala mevcuttur. Buna göre karbonun zoraki kristalde çözündürülmesi kübik demir

kafesinde çarpılmaya neden olur. Tetragonal bir birim kafes oluşur. Bu kafes kübik birim kafesin bir ekseninin

uzamasına yolaçan karbon atomlarının kafeste tutulması ile oluşmakta ve diğer iki eksende de üniform bir

azalma meydana gelmektedir. Şekil 4 martenzit kafesi ve karbon atomlarının olası konumlarını göstermektedir.

Doğal olarak tetragonal çarpılma karbon içeriğine bağlıdır. Yani çarpılma derecesi karbon miktarıyla artar.

%1,8 karbona kadar C eksenindeki uzamayla eksen uzunluğu 0,286 nm’den yaklaşık 0,306 nm’ye çıkarken,

aynı zamanda diğer iki eksen uzunlukları 0,286 nm’den yaklaşık 0,283 nm’ye azalır. Martenzit birim kafesinde

tetragonal büyümenin artmasıyla daha güçlü bir kafes gerilmesi ve dolayısıyla sonuçta daha sert bir çelik elde

edilir. Özel ısıl işlem proseslerinden bahsetmeden önce çeliğin zaman-sıcaklık-dönüşüm ve

zaman-sıcaklık-östenitleştirme reaksiyonlarını ele almalıyız. Zaman-sıcaklık-dönüşüm

reaksiyonu çeliğe özel ZSD (time-temperature-transformation; TTT) diyagramlarıyla ve

zaman-sıcaklık-östenitleştirme reaksiyonu da yine çeliğe özel ZSÖ (time-temperatureaustenitization;

TTA) diyagramlarıyla tanımlanmaktadır. Heriki diyagram türü de pekçok

çelik kalitesi için hem izotermik (eşısısal) hem de sürekli soğuma diyagramları olarak

mevcuttur. Sözkonusu dönüşümlerin başlangıç ve bitişleri herzaman dönüşüm

sıcaklıklarından tayin edilebilir. Burada karşımıza bazı terimler çıkmaktadır. Isıtma

sırasındaki dönüşüm noktalarına Ac (c: fransızca “chauffage” için) ve soğuma sırasındaki

noktalara Ar (r: fransızca “refroidissement” için) denmektedir. Özellikle ısıl işlem için önemli

olan Ac noktalarıdır. İncelenmekte olan yalın karbonlu çeliklere veya alaşımlı çeliklere bağlı

olarak aşağıda açıklandığı gibi dönüşüm noktaları için ilave indisler eklenmektedir:

Ac1 : Yalın karbonlu çeliklerde östenitin oluştuğu sıcaklık,

Ac1b : Alaşımlı çeliklerde östenitin oluştuğu sıcaklık,

Ac1e : Alaşımlı çeliklerde perlit dönüşümünün tamamlandığı sıcaklık,

Ac3 : Ferritin östenite dönüşümünün tamamlandığı sıcaklık,

Accm : Sementitin tamamen katı-çözeltiye geçtiği sıcaklık.

 

1.3.1. ZSÖ (TTA) Diyagramları

ZSÖ diyagramları östenitleştirme sıcaklığı ve sertleştirme için gerekli zamanın belirlenmesini

sağlar. Isıl işlem tekniği için zaman-sıcaklık-östenitleştime diyagramlarının iki tipi mevcuttur.

Sürekli ZSÖ diyagramında (Şekil 5) östenitleştirme işlemi oda sıcaklığından farklı ısıtma

hızları için sürekli ısıtma şeklinde gösterilmektedir. Şurası çok açıktır ki artan ısıtma hızıyla

dönüşüm daha önce başlamaktadır, ancak aynı zamanda daha yüksek sıcaklıklara

kaymaktadır. Özellikle hızlandırılmış ısıtma proseslerinde bu durumun mutlaka göz önünde

bulundurulması gerekir.

İzotermal ZSÖ diyagramları (Şekil 6) zamanla ilişkili olarak okunur. Seçilen daha yüksek

sıcaklıklar dönüşümün daha önce başlaması demektir ve tersi de geçerlidir. Homojen östenit

yalnızca uzun bir bekleme süresiyle çözünmüş karbon atomlarının difüzyonundan sonra elde

edilebilir.

 

Prensip olarak bir noktaya dikkat edilmesi gerekmektedir: ZSÖ diyagramları çeliğe özeldir ve yalnızca belirli bir başlangıç mikroyapısı için geçerlidir. Şekil 7 dilatometre yardımıyla elde edilmiş, farklı tavlanmış mikroyapısal oluşumları içeren bir tür çeliğe ait östenit dönüşüm eğrilerini göstermektedir. Düşük sıcaklıklarda dönüşüm ince lamelli perlite oluşur; küresel şekilli perlite dönüşüm ise daha dar bir sıcaklık aralığında gerçekleşmektedir.

 

ZSD (TTT) Diyagramları

 

Isıtma sırasındaki östenit oluşumu ZSÖ diyagramlarıyla tanımlanırken, soğuma (suverme)

sırasında çeliğin heterojen östenit bölgesinden dönüşümü ZSD (TTT) diyagramlarıyla

tanımlanmaktadır. Burada da sürekli ve eşısıl diyagramları birbirinden ayıracağız. Şekil 8 ve 9

heriki diyagramın bir karşılaştırmasını vermektedir.

 

Pratik uygulayıcı için şunların bilinmesi önemlidir: eşısıl diyagram yalnızca zaman eksenine

paralel olarak okunabilirken, sürekli diyagram ise kaydedilmiş soğuma eğrileri boyunca

okunabilir. Heriki diyagram da tam anlamıyla yalnızca kimyasal bileşimi bilinen bir çelik tipi

için geçerlidir. Genelde ZSD diyagramlarından şu bilgiler elde edilebilir:

12

 

Elde edilecek mikroyapı ile dönüşümün başlangıcı ve bitişi,

 

İlgili soğuma eğrisinin dönüşümün bittiği çizgi ile kesiştiği noktalarda mikroyapı

 

bileşenlerinin % olarak miktarları,

 

Dönüşümün sona ermesinden sonra HV veya HRC cinsinden ulaşılabilecek

sertlikler,

 

Martenzitik dönüşümün başlangıç sıcaklığı (Ms),

 

Parametre şeklinde veya °C/dak cinsinden soğuma hızları.

Östenitleştirme koşullarının değiştirilmesi ile dönüşüm davranışında değişimler mümkün

olabilir. Dönüşüm aralıklarının konumları çeliğin çeşitli alaşım elementlerinden önemli

ölçüde etkilenmektedir. Bu etki Şekil 10’da görülmektedir.

 

ZSD diyagramlarıyla sertleştirme uzmanına pratik çalışma için elde edilebilecek değerli bir

bilgi birikimi sunulmaktadır. Maalesef hala bu bilginin çok az bir kısmı kullanılmaktadır.