alaşım diyagramları

1

---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 1

8. ALAŞIM DİYAGRAMLARI


METALLERİN ALAŞIM SİSTEMLERİ

Metal alaşımı, çoğunluğunu bir metalin oluşturduğu, karışımdaki diğer elementlerin mutlaka metal olması gerekmediği, belli bazı özelliklerin kazanılmasının amaçlandığı karışımlardır.

Metal alaşımı denebilmesi için ana malzemenin örneğin Fe veya Cu veya Al vs. gibi metalik bir element olması gerekir. Diğer karışanlar ise yine metal olabileceği gibi yarı metal veya ametal de olabilir.

Metal – Metal (Cu-Ni)Metal - YarıMetal (Al-Si)

Metal – Ametal (Fe-C)

2


NİÇİN ALAŞIM ?

Daha saf olmaları hem daha yüksek maliyet gerektirecektir ve hem de amaçlanan özellik bakımından genelde fazla bir yarar sağlamayacaktır.

Mühendislik malzemesi olarak çeşitli konstrüksiyonlarda kullanılan metallerin saflık dereceleri nadiren dört dokuzluk metal, yani % 99,99 kadardır. Normalde ise % 99,9 veya % 99,0 gibi üç dokuzluk veya iki dokuzluk saflıkta metallerle yetinilir.

Bilhassa mekanik özelliklerin ön planda tutulduğu malzemelerde daha az saflık oranıyla yetinilir. Katışkıların sadece belli sınırların altında kalmasıyeterli olacaktır.

Alaşım elementi olarak metale katılmamış olan ve arındırılması zor olan, sadece belli oranların altında kalmaları sağlanan karışım elementlerine katışkıadı verilir.


NİÇİN ALAŞIM ?

Alaşım elementi, bir metale belli mekanik, teknolojik, fiziksel veya kimyasal özellikler kazandırmak amacıyla katılan elementlere denir.

•Ekonomiklik

•Mukavemet

•Teknolojik özellik

•Kimyasal özellik

•Fiziksel özellik (Renk, Isı ve elektrik iletkenlikleri, Isıl genleşme katsayıları, Kıvılcım çıkarmaması, Akustik özellik, Titreşim söndürme özelliği)

3


ALAŞIMLAR? Bir metal alaşımını oluşturan karışımda genelde bir metal o alaşımın ana metalidir ve diğer katkılar da o alaşımın alaşım elementleri olarak görev alırlar. Örneğin Türkiye piyasasında sarı diye adlandırılan fakat standartlarca pirinç olarak bilinen bakır-çinko alaşımlarından biri CuZn28’dir.

Bu alaşımın ana metali bakırdır: % 72Cu ve alaşım elementi olarak içinde ortalama % 28 Zn bulunur.

Isıtıcıların rezistans telleri.NiCr20AlSi

Korozyondan korumada kurban anotlar.MgMn2

Uçak gövdeleri imalatı.AlCu4Mg1

Al pencere ve kapılar, kornişler, iç mimari.Al99,8MgSi

Kaymalı yataklar, subaplar, makine kızakları vs.CuAl11Ni6Fe5

Metal para basımında kullanılır.CuNi25

KULLANIM YERLERİNE ÖRNEKLERALAŞIM


ALAŞIM DİYAGRAMLARI

Yaklaşık 1 bar olan atmosfer basıncında iki veya üç bileşenin % 0 - 100 arası oranlarda birbirleri içinde karıştırılmasıyla elde edilen karışımların ergiyene kadar ısıtılmasıyla ortaya çıkan faz bölgelerinin deneysel olarak belirlenmesidir.

Böyle bir sistem örneğin A ile B elementlerinden oluşan bir alaşım sistemi ise, deneysel olarak çizilen diyagram bu elementlerin Karışım Oranı -Sıcaklık diyagramı, yani A ile B elementlerinin alaşım diyagramı olacaktır. Alaşım diyagramlarına faz diyagramları veya denge diyagramları adlarıda verilir.

4


ALAŞIM DİYAGRAMLARIBu diyagramlar sıcaklığın ve karışım oranlarının değişimiyle hangi fazların oluştuğunu gösterirler.

Alaşım diyagramları diğer taraftan birer denge diyagramıdır. Isıtma ve soğutma adeta sonsuz yavaşlıkta gerçekleşir.

Gerçek teknik hayatta çok daha farklı ısıtma ve soğutma hızları kullanılmak zorundadır. Bundan dolayı, alaşım diyagramlarını okurken dikkatli olunması gerekir.

Yayınlanmış diyagramdan bilinen faz bölgeleri gerçek uygulamalarda aşağıveya yukarı doğru kaymış durumdadır.

Alaşım sistemleri olarak sadece iki bileşeni olan ikili alaşım diyagramlarıen yaygın olarak kullanılanlardır.


FAZ DİYAGRAMLARI

Katı

Sıvı

Gaz

Basın

ç

Sıcaklık

5


FAZ DİYAGRAMLARI

Sıca

klı k

X Yartan % Y

Sıvı

Katı

İki faz


Likudus, Solidus Nedir?

Sıca

klı k

X Yartan % Y

Likudusçizgisi

Solidusçizgisi

Katılaşma aralığı

6


Basit alaşımlar İçin Soğuma EğrileriSı

caklık

Süre

Ergiyik

İki Faz

Katı


Katı Eriyik, Katı Çözelti

Bir elemente ait atom diğer elemente ait olan kafes yapısı içinde çözünebilir.

α, β, χ, δ, γ

Yer Alan Ara Yer

Ni/Cu C/Fe

7



B fazıA fazı

Nikel atomuBakır atomu



α (koyu renkli faz)

β (açık renkli faz)

Aluminyum-Bakır alaşımı

8



İlk katılaşan bölge Son katılaşan

tane sınırı

Tane büyümesi çekirdekten dışa doğru olur



Bakır ve Nikel tamamen birbiri içinde çözünebilir.Bakır ve Çinko birbiri içinde kısmen çözünebilirBakır ve Kurşun birbiri içinde hiç çözünemez

9


Bakırın Mukavemeti Üzerinde Alaşım Elementlerinin Etkisi

-10.6%1.143Be

-8.0%1.176Si

-2.7%1.243Ni

+18.1%1.509Sn

+12.1%1.432Al

+4.2%1.332Zn

1.278Cu

(r-rCu)/rCu *100Radius (A)

Metal

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 5 10 15 20

Alaşım elementi miktarı

Çek

me

daya

nımı(

psi)

BeSiSnAlNiZn

1 psi= 6,89 Pascal


Alaşım Elementlerinin ÖzelliklereEtkisi

ÖzellikÇekme dayanımıAkma Sınırı% UzamaElektrik iletkenliği

EtkiArtarArtarDüşerDüşer

10


İKİLİ ALAŞIM DİYAGRAMLARI

%B 100

B

TEA

0A

50

Şematik olarak ikili A - B alaşım sistemi

TEB

Katı Eriyik: α

Ergiyik

α + Ergiyik

Likidüs eğrisi

Solidüs eğrisi


İKİLİ ALAŞIM DİYAGRAMLARI

İkili alaşım sistemleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

1- Sıvı ve katı durumda tam çözünürlük gösteren sistemler

2- Ötektik sistemler•Sıvı durumda tam çözünürlük, katı durumda tam çözünmezlik gösteren sistem; •Sıvı durumda tam çözünürlük, katı durumda sınırlı çözünürlük gösteren sistem,

3- Peritektik sistemler

4- Ara fazlı sistemler

11


1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük

Cu-Ni

Au-Pd

Bi-Sb

Cs-K

Cs-Rb

Cu-Pd

Ni-Pd

Si-Ge

Fe2SiO4 - Mg2SiO4 , vs. bu sistemi oluştururlar.



Cu-Ni Alaşım Diyagramı

10 20 30 40 70 8060 90

1200

1300

1400

1500

1000

900

800

%Ni 100Ni

1083

50

Bakır - Nikel alaşım diyagramı

1453

0Cu

Ergiyik Likidüs eğrisi

Solidüs eğrisiα + Ergiyik

Katı Eriyik: α

1600

12




1200

1100

1000

1500

1300

%70Cu%100Ni %30Cu

Zaman, (min)

%100Cu

Bakır - Nikel alaşım diyagramının elde edilmesi%Cu

CuNi 30 70

1390

1330

1240

1170

1083 1083

1453




13




İç yapıyı 1350 oC’de oluşturan katı+ergiyik fazlarının oranlarına gelince: %30 Cu içeren alaşımın diyagramda 1350 oC’de bulunduğu noktadan o sıcaklıktaki solidus eğrisine uzaklığı (a) ve likidus sıcaklığına uzaklığı (b) ile işaretlenirse, a = 30 – 23 = 7 olarak ve b = 42 – 30 = 12 olarak bulunur.

(Katı eriyik miktarı) x a = (Ergiyik miktarı) x b

Bu kaldıraç formülünden;

[Katı eriyik x 7 = Ergiyik x 12] ve oranı bulunmaktadır. Demek ki 1350 oC’de alaşımın % 63,1’i α kristallerinin oluşturduğu katı eriyikten ve % 36,9’u da henüz kristalleşmemiş, fakat soğutma devam ettiğinde kristalleşecek ergiyikten oluşmaktadır.




14




wt% Ni20

120 0

130 0

30 40 50110 0

L (liquid)

α (solid)

L + α

L + α

T(°C)

A

D

B

35Co

L: 35wt%Ni

α: 46wt%NiC

E

L: 35wt%Ni

464332

24

35

36α: 43wt%Ni

L: 32wt%Ni

L: 24wt%Ni

α: 36wt%Ni




15



Çek

me

Day

anımı(

MP

a)

%NiCu Ni020406080100200300400 Saf Ni

saf Cu

(%U

zam

a)

%NiCu Ni0204060801002030405060 Saf NiSaf Cu


Source: Barret, Nix & Tetelman, The Principles of Engineering Materials, 1973. p 125


Ge-Si Alaşım Diyagramı

α

α + Erg.

Ergiyik

% Si

16



Nb-W Alaşım Diyagramı

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

0 20 40 60 80 100

Weight % W

Tem

pera

ture

(C)



MgO-FeO Alaşım Diyagramı

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

0 20 40 60 80 100

Wt% FeO

Tem

pera

ture

(C)

17


2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik

Ötektik sistemlerde, alaşımın likidüs ve solidüs sıcaklıklarının bir noktada çakıştığı ve bir ergime noktası oluşturduğu, ergiyikten kristalli yapıya veya tersinin, yani kristalli yapıdan ergiyik duruma geçişin bir sıcaklık noktasında gerçekleştiği en azından bir adet ötektik nokta (ötektikum: iyi yapılı) vardır.

Bu ötektik noktanın sıcaklığı, alaşımı oluşturan metallerin ergime sıcaklıklarından daha düşüktür.

Bazı alaşım sistemlerinde bu fark önemli miktarlara ulaşabilir.



18



Ötektik reaksiyon: Ötektik karışımdaki bir alaşımın ısıtma esnasında veya soğutma esnasında ötektik sıcaklıkta olan iç yapıdeğişimlerini tarif eder. Ötektik reaksiyonun tanımı, ısıtma esnasında iki farklı katı fazdan bir sıvı çözeltinin oluşması, soğutma esnasında ise ergiyikten iki farklı katı fazın kristalleşmesidir.

Ötektik Reaksiyon: A + B ↔ Ergiyik

Yukarıda örnek olarak verilen sistemdeki ötektik reaksiyon:

Au + Si ↔ Ergiyik



19





900 oC’de AuSi4 iç yapısındaki primer Au kristalleri ve ergiyik

20



Hansen & Anderko, Constitution of Binary Alloys, 1958. p. 206


2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük

Ötektik Reaksiyon:

Ergiyik ↔ α + β

21





(α kristalleri miktarı) x alfa kolu = (β kristalleri miktarı) x beta kolu

Kaldıraç Formülü

22



Kaldıraç Formülü(α kristalleri miktarı) x (38,1 – 2,5) = (β kristalleri miktarı) x (80,5 – 38,1)

Ötektik iç yapıda α+β = % 100 olduğu esasına göre, orantı alınır ve αkristalleri oranı yaklaşık % 55 ve β kristalleri ise yine yaklaşık % 45 olarak bulunur.



23



Source: Askeland, The Science & Engineering Of Materials, 1984, p 246



Source: Askeland, The Science & Engineering Of Materials, 1984, p 249

24


Ötektik Mikro Yapı

Ergiyik ↔ α + β

Pb bakımından zengin olanlar α fazı (koyu bölgeler)

Sn bakımından zengin olanlar β fazı (açık bölgeler)



25



Source: Callister, Materials Science and Engineering:An Introduction, 2000. p. 256


3- Peritektik SistemlerPeritektik nokta (peritektikum: çevresel yapılı), Peritektik Sıcaklık

Alaşımı soğuturken peritektik noktada primer β kristalleri çevresindeki ergiyikle reaksiyona girer ve α kristallerinin oluşmasına neden olurlar. Alaşımı ısıtırken de tam tersi gerçekleşir. α taneleri ergimeye başladıklarında oluşan ergiyikle birlikte β taneleri oluşur.

Peritektik altı alaşımlarda reaksiyon: Ergiyik + β ↔ α + ergiyik

Peritektik üstü alaşımlarda ise reaksiyon: Ergiyik + β ↔ α + β

Tam peritektik noktada ise reaksiyon aşağıdaki gibidir:Ergiyik + β ↔ α

26


3- Peritektik Sistemler



27





28





29




4- Ara Fazlı SistemlerAra fazlı sistemlerde, alaşımı oluşturan elementler arasında bir kimyasal bileşik mevcuttur. Bu bileşik, alaşımlara göre metal/metal bileşiği (intermetalik), metal/yarımetal, metal/ametal, yarımetal/yarımetal, yarımetal/ametal veya ametal/ametal arasında intermedier bileşikşeklinde olabilirler.

Örnekler: Mg2Sn, FeCr, Fe3C, AlN, WC, Co2Si vs. Bu ara fazlardan bir sistemde bir adet olabileceği gibi aynı sistem içinde alaşım oranlarına göre birden çok da olabilir. Örnek olarak Al–Cu alaşım sisteminde bulunan intermetalik fazlar alınabilir: Al2Cu, AlCu, Al3Cu5, AlCu2, AlCu3.

Ara fazlar alaşım sistemini, kendileri de ayrı bir elementmiş gibi bölerler. Onlar gerçekte de alaşım oluşturan birer alaşım bileşenidirler. Al – Cusisteminde gerçekte Al – Al2Cu, Al2Cu – AlCu, AlCu – Al3Cu5, vs. Sistem birden çok kısma bölünmüştür.

30


4- Ara Fazlı Sistemler


4- Ara Fazlı Sistemler

31


Al-Si Alaşım Diyagramı

Source: Hansen & Anderko,Constitution of BinaryAlloys, 1958. p. 133



Al-Mg Alaşım Diyagramı

32


Cr-Ni Alaşım Diyagramı



Cu-Zn Phase Diagram

33


Al2O3-Cr2O3 Faz Diyagramı


SiO2-Al2O3 Faz Diyagramı

34


Referanslar

1. M. Hansen & K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill, 1958

2. R.P. Elliot, Constitution of Binary Alloys, First Supplement, McGraw-Hill, 1965

3. F.A. Shunk, Constitution of Binary Alloys, Second Supplement, McGraw-Hill,1969

4. ASM International, ASM Handbook Volume 3: Alloy Phase Diagrams, 1992

5. R. Hultgren, P.D. Desai, et al, Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys, ASM International, 1973


Referanslar

6. E.M. Levine, C.R. Robbins & H.F. McMurdie, Phase Diagrams for Ceramists, The American Ceramic Society, 1964

7. A. Reisman, Phase Equilibria-Basic Principles, Applications, Experimental Techniques, Academic Press, 1970

8. A. Findlay, The Phase Rule and its Applications, Dover Publications, 1951

9. G. Humpston & D.M. Jacobson, Principles of Soldering and Brazing, ASM International, 1993

10. Yüksel, M., Malzeme Bilgisi, Cilt 1, MMO 2002/271-1, 2001, Denizli

alaşım diyagramları

Documents