DENGE DİYAGRAMLARI

Fiziksel özellikler nelerdir?MekanikElektrikselTermalManyetikOptik

Malzemeler neden farklı özelliklergösterirler?

ÖzelliklerFiziksel

Kimyasal

Yapı

•Elektron

•Atomik

•Kristal

•Mikro

•Makro

Üretim&İşlem

•Empüriteler

•Tane yapısı

•Kinetik ve termodinamik etkenler

•Isıl işlemler

•Üretim yöntemİ

•Bahsi gecen yapısaletkenlerden elektron düzenideğistirilemez.

•Ancak diğer yapısal etkenler, üretim esnasında yapılanislemlerde kontrol edilebilir.

•Örneğin, değişık ısıl işlemlerle aynı kompozisyona sahip bir malzemeden farklı kristal yapısına sahip malzemeler elde edilebilir.

•Değişik ısıl işlemlerle,aynıkompozisyona ve kristal yapısına sahip fakat farklımikroyapılarda malzemeler elde edilebilir.

Malzemelerin özelliklerini etkileyenyapısal faktörler

Elektron düzeniAtomik yapıKristal yapısıMikroyapıMakroyapı

Elektron DüzeniMalzemelerin elektronik özellikleri, elektron düzenine baglidir.

Metaller serbest elektronları sayesinde elektriksel iletkenliğe sahiptir.

Silisyum, elektron düzeni yüzünden yarıiletkendir.

Elektron düzeni elementlerin ne tip bag olusturacağını belirler.

Oluşan bağ da doğrudan malzemenin makroskobik özelliklerini belirler.

Atomik yapıSadece atomik yapıyı değiştirerek, malzemenin özellikleri değiştirilebilir.

Örneğin demir ve kobalt saf halde manyetiktir ve aynıkristal yapısına (HMK) sahiptirler. Bu iki elementten oluşan bir alaşım oluşturulduğu takdirde kristal yapısıyine HMK dır. Alaşımın manyetik özellikleri saf haldeki elementlerden farklıdır.

Kristal yapısıKristal yapı, makroskobik özellikleri belirler.

Örneğin hacim merkezli kubik (HMK) yapıdakidemir manyetiktir.

Buna karşın yüzey merkezli kubik (YMK) yapıdaki demir manyetik değildir.

MikroyapıTane boyutu küçüldükçe dayanım artar.

Mikroyapıda çökelen inkulüzyon miktarı (hacimoranı) azaldıkça tokluk artar.

MakroyapıKullanıma sunulan malzemenin geometrik yapısı, makroskobik özelliklerini etkiler.

DENGE DİYAGRAMLARIBir doktor için anatomi atlası ne ifade ediyorsa bir malzemeci için faz diyagramı aynı şeyi ifade eder.Denge diyagramları sıcaklık ve kompozisyona bağlı olarak hangi faz veya fazların dengede olacağını belirtir.Bu faz veya fazlar doğrudan malzemenin fiziksel özelliklerini belirler.

DENGE DİYAGRAMLARI

Faz: Bir sistem içindeki,fiziksel ve kimyasal özellikleri aynı olan bölgelere faz denir.

Bileşen:Bir sistem içinde bulunan maddelerden saf olarak eldeedilebilen ve kimyasal formül ile simgelendirilebilenlere bileşen denir.

Al-Cu alaşımı

α

β

DENGE DİYAGRAMLARI

1.Tek bileşenli sistemlerKatı,sıvı, gaz

α Fe, γFe, δFe

2.Çok bileşenli sistemFarklı kimyasal kompozisyon

SU-ŞEKER SİSTEMİSı

caklık

(o C

)

Çözünme sınırı

ŞekerSu

(Şeker-Su) Çözeltisi (Şeker-Su) Çözeltisi

+Katı Şeker

Örneğin 30oC sıcaklığında:35 gr suyun çözebileceği şeker miktarı 65 gr.

Kompozisyon (% ağırlık)

SU-ŞEKER SİSTEMİ

60gr şeker %60 su-%40 şeker çözeltisi (150gr)90gr su

+ =130gr şeker50gr su

+ = %35 su-%65 şeker çözeltisi(143gr)

37 gr şeker

30oC sıcaklığında:35 gr su 65 gr şeker çözebiliyor.Buna göre 50 gr su (50/35)×65=93 gr şeker çözebilir.130-93=37gr şeker çözünemez.

Bazı tanımlarFaz: Bir sistem içindeki,fiziksel ve kimyasal özellikleri aynı olan bölgelere faz denir.

Bileşen:Bir sistem içinde bulunan maddelerden saf olarak elde edilebilen ve kimyasal formül ile simgelendirilebilenlere bileşen denir.

su (Bileşen) şeker (Bileşen)

+ = %35 su-%65 şeker çözeltisi (Faz)

Şeker (Faz)

Fiziksel Özelliklerin Kompozisyona Bağlı Olarak Değişimi

Çekm

e da

yanı

mı(

MPa

)

Elas

tisite

(%)

Kompozisyon (%ağ.Ni) Kompozisyon (%ağ.Ni)

Tek bileşenli sistemler

Şu metalleri göz önüne alalım:Cu elementinin ergime sıcaklığı T = 1085oC (P=1 atm)Ni elementinin ergime sıcaklığı T = 1453oC (P=1 atm)

T

1085oC

T

sıvı

sıvı 1453oC

katı

katı

NiCu ve Ni karıştırılırsa ne olur?

Cu

İkili Isomorphous Sistemlerİzomorfus: Sıvı ve katı halde birbiri içinde %100 e kadar çözünebilme.

Karışımın Tm değeri bileşenlerin Tm değerleri arasında biryerdedir.

1085oC

Cu

katı

sıvı

T

1453oC

Ni

katı

sıvı

T

Sıvı

% Ni (ağ)0 100

Katı

İkili Isomorphous SistemlerFaz diyagramından

elde edilebilecek bilgiler:

1. FazlarA: sadece katı (α)

B: katı ve sıvı

2. Fazların kompozisyonları

A: %60Ni

B: %35 Ni

3. Fazların miktarlarıA: %100 α fazı

B: % katı and % sıvı?

Sıvı-katı bölgesi

2 faz bölgesindeki fazların ağırlıkça oranlarının belirlenmesi

Kaldıraç Kuralı

L

oL CC

CCSR

SW−−

=+

=α

α 68.05.315.42

355.42=

−−

=Sıvı:

L

Lo

CCCC

SRRW

−−

=+

=α

α 32.05.315.42

5.3135=

−−

=Katı:

Kaldıraç KuralıElimizde 2 faz var:

1=+ αWWL (1)

Kütlenin korunması lazım:

oLL CCWCW =+αα (2)

LWW −= 1α1. denklemden:

2. Denklemde kullan oLLL CCWCW =+− α)1(

WL and Wα hesaplanırsa:

L

oL CC

CCW−−

=α

α

L

Lo

CCCCW

−−

=α

α

Kaldıraç Kuralı-% Hacim

βα

αα mm

mW+

=L

LL mm

mW+

=α

βα

αα vv

vV+

=L

LL vv

vV+

=α

LLWWWV

ρρρ

αα

ααα //

/+

=LL

LLL WW

WVρρ

ρ

αα ///+

=

İzomofrofus alaşımlarda dengeSoğuma hızına bağlı olarak mikroyapı değişir.

Dengede soğutma: Faz dengesini sağlayacak şekilde çok yavaş bir şekide soğumanın gerçekleştirilmesi.

a (T>1300oC): homojen sıvı çözeltisi

b (T ~ 1260oC):

c (T= 1250oC):.

d (T~ 1220oC):

e (T<1220oC):homojen katı çözeltisi

Denge dışı soğumaSoğuma hızı çok fazlaysa denge dışı soğuma gerçekleşir ve mikroyapı farklı olur.Ne kadar hızlı?

Soğuma hızı>>katı içindeki difüzyonSoğuma hızı<<sıvı içindeki difüzyon

Dengesiz soğumaa’ (T>1260oC): homojen sıvı karışımı

c’ (T= 1250oC): b’ oluşan katı aynı kompozisyonla kalıyor(%46 Ni) ve onun etrafında yeni bir katı(%42Ni) oluşuyor.

d’ (T~ 1220oC): solidus çizgisine ulaşılıyor. Katılaşma hemen hemen tamamlanıyor.

e (T<1220oC): Denge dışı katılaşma tamamlanıyor.

b’ (T ~ 1260oC): liquidus çizgisine ulaşılıyor Cα = %46 Ni; CL = %35 Ni

Denge dışı soğuma - Mikroyapı• Katılaşma sırasında Cα değişir

İlk katılaşan α nın kompozisyonu Cα = %46Ni.Son katılaşan α nın kompozisyonu Cα = %35Ni.

• Hızlı soğutma: • Yavaş soğutmaDenge yapısı

İlk α%46Ni

Uniform Cα :

%35Ni

Son α< %35Ni

ARA

İkili Ötektik SistemlerKOLAYLIKLA ERGİYEN

Cu-Ag phase diagram

A

B

Cα = 3wt% Ag Cβ = 97wt% Ag

Düğüm çizgisi

Düğüm çizgisi

Cα =7wt% Ag CL = 50wt% AgTek fazlı bölgelerα-fazı (Bakırca zengin katı çözeltisi).β-fazı (Gümüşce zengin katı

çözeltisi.L-fazı (Sıvı çözeltisi).2-fazlı bölgelerα+β fazlarıα+Lβ+L

Ötektik NoktaÖtektik nokta: 2 LİKİDUS çizgisinin buluştuğu nokta.

Ötektik Reaction:soğuma

L(CE) α(CαE) + β(CβE)

Ötektik Izotherm: Ötektik noktadan geçen yatay çizgi.

ısıtma

Cu-Ag phase diagram

Ötektik Sistem:Örnek150oC %40Sn-%60Pb alaşımı:

1.Hangi fazlar mevcuttur?

2.Fazların kompozisyonlarınedir?

3. Fazların ağırlık oranları nedir?

Pb-Sn phase diagram

Ötektik Sistem:ÖrnekPb-Sn phase diagram %10Sn-%90Pb alaşımı için;

Hangi sıcaklıkta %50 sıvı dan

oluşan durum elde edilebilir?

%22Sn-%78Pb alaşımı için;

Hangi sıcaklıkta %50 sıvı dan

oluşan durum elde edilebilir?

Ötektik alaşımların mikroyapılarıPb-Sn faz diyagramı

1. Bir bileşenin zengin olduğu kompozisyona: homojen sıvı.b: α(katı)-sıvı.c: α-fazı

Bu kompoziyondaki soğuma ikili izomorfus sistemlere benzemekte.

Ötektik alaşımların mikroyapıları2. Bir bileşen zengin fakat α + β beraber bulunuyor.d: homojen sıvıe: α +Lf: tamamen αg: α ve β fazları beraber. β fazı α fazının içinde çökeliyor.

4. HAFTA DEVAM

Ötektik alaşımların mikroyapıları3. Ötektik noktada soğutma

h: homojen sıvı

i: ötektik reaksiyonla katılaşmasoğutma

L(CE) α(CαE) + β(CβE)ısıtma

Ötektik yapı: katmanlı yapı

Ötektik yapıPb-Sn Ötektik mikroyapı

L

Sn

Pbβ

α Pb zengin

Sn zengin

Kısa difüzyon mesafesinin yeterli olmasından dolayı katmanlı yapıoluşur.

Ötektik alaşımların mikroyapılarıHypoeutectic 4. Ötektik izoterm üzerinden

soğutma

j: homojen sıvı

k: α + L fazları

l: α + L fazları

m: l noktasından geriye kalan sıvı ötektikizotermin altına inince ötektik yapıya dönüşür

A noktasında

QPPWL +

=Sıvı miktarı

QPQW+

='αBirincil α miktarı

A

B noktasında

ÖTEKTİK ALAŞIMLARIN MİKROYAPILARI

B

C

Toplam α (birincil + ötektik):

RQPRQW++

+=α

Toplam β (tamamen ötektik):

RQPPW

++=β

ÖTEKTİK ALAŞIMLARIN MİKROYAPILARIT(°C)

Pb-Sn sistemiL + α

200

Co, wt% Sn20 400

300

100

L

α

60

α + β

TE β

080 100

L + β

18.361.9

97.8

Cohypoeutectic

Cohypereutectic

eutectic

hypereutectic: (illustration only)

160µm

eutectic: Co=61.9wt%Sn

175µm

β

ββ

ββ

β

α

α

α

αα

α

hypoeutectic: C o=50wt%Sn

Ötektik yapı

ÖRNEK%30 Sn içeren bir Pb-Sn

alaşımında; 184oC deki α ve sıvımiktarları nedir?182oC deki toplam α ve toplam β miktarları nedir?182oC deki ötektik alfa α miktarı nedir?B

A

ÖRNEK184oC deki α ve sıvı miktarları

BA

16.73%1003.189.61

309.61% =×−−

=α

84.26%1003.189.61

3.1830% =×−

−=L

30

182oC deki toplam α ve toplamβ miktarları

27.85%1003.188.97

308.97% =×−−

=α

73.14%1003.188.97

3.1830% =×−

−=β

182oC de: L α+β

15.45%1003.188.979.618.97% =×

−−

=α

85.54%1003.188.973.189.61% =×

−−

=β

Bu sıvı toplam kütlenin %26.84 lük kısmını oluşturuyor

11.12%1004515.02684.0% =××=α (Ötektik yapı içindeki α)73.14%1005485.02684.0% =××=β (Ötektik yapı içindeki β)

ÖRNEK%30Sn-%70Pb alaşımı

β:%14.73 Toplam β

α:%12.11

(Toplam içindeki %)

β:%14.73

(Sıvı içindeki %)

α:%45.15

Ötektik α ve β

β:%54.85

L:%26.84 α:%73.16

Birincil α

α:%12.11+%73.16=%85.27 Toplam α

Ötektik yapı

Ötektik α (%18.3 Sn)

β (%97.8 Sn)

Birincil α (%18.3 Sn)

Örnek Pb-Sn Faz Diyagramı100oC de kalayın (Sn) katı kurşun (Pb) içindeki çözünme limiti nedir?Kurşunun (Pb) katı kalay içindeki maksimum çözünme limiti nedir?Eğer Pb-%10Sn alaşımı 50oC sıcaklığına soğutulursa β miktarı ne olur?50oC sıcaklığında α ve β fazlarında bulunan kalay (Sn) miktarı?50oC sıcaklığında α ve β fazlarında bulunan kurşun (Pb) miktarı?

ÇÖZÜM100oC de kalayın (Sn) katı kurşun (Pb) içindeki çözünme limiti nedir?

5

ÇÖZÜMKurşunun (Pb) katı kalay içindeki maksimum çözünme limiti nedir?

%98Sn-%2Pb

ÇÖZÜMPb-%10Sn alaşımı 50oC sıcaklığına soğutulursa α ve β miktarları ne olur?

75.91100299

1099% =×−−

=α

102 99

25.8100299210% =×

−−

=β

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 10.10 Solidification, precipitation, and microstructure of a Pb-10% Sn alloy. Some dispersion strengthening occurs as the β solid precipitates.

ÖTEKTİK ALAŞIMLARIN MİKROYAPILARIAl-Si faz diyagramı

β fazı tamamen silisyumdan oluşuyor..

Al Si

ÖTEKTİK ALAŞIMLARIN MİKROYAPILARIAl-Si alaşımına küçük bir miktar(%0.01) Na ilavesi diyagramı değiştirmektedir.

Başlıca reaksiyonlar

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Başlıca reaksiyonlar

Ötektik reaksiyon

Peritektik reaksiyon

Monotektik reaksiyon

Ötektoid reaksiyon

Peritektoid reaksiyon

UYUMLU-UYUMSUZ FAZ DÖNÜŞÜMÜUyumlu (Congruent) faz dönüşümü: Faz dönüşümü sonucu kompozisyon değişmiyor

Uyumsuz(Incongruent) faz dönüşümü: Faz dönüşümü sonucu fazlardan en az birisinin kompozisyonu değişiyor

At what overall composition does Mg2Pb melt congruently?

INTERMELATİK (METALLERARASI) BİLEŞİKLER

Intermetalik bileşikler: Belli bir kimyasal formüle sahip metallerarasıbileşiklerdir.Bir katı çözeltisindeAxBy: x ve y değişirFakat intermetalik bir bileşikte x ve y sabittir

Mg-Pb phase diagram

Mg-Mg2Pb phase diagram Mg2Pb-Pb phase diagram

Ardışık 2 faz diyagramı gibi düşünülebilir.

INTERMELATİK (METALLERARASI) BİLEŞİKLER

A 50wt% Pb/50wt% Mg alloy is heated to 300oC. The mass fraction of each phase is 0.5.

1. What are the phases present?

2. What are the compositions of the phases?

YAŞLANDIRMA

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Al-Cu faz diyagramı

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 10.15 Summary of calculations (for Example 10.4).

Ötektik Sistemler

Kompozisyon (% ağırlık)

Sıca

klık

(o C

) α

β

α+β

α+Sıvıβ+Sıvı

SıvıLikidus

Solidus

Solvus

A

Ötektik Sistemler

A

Kompozisyon (% ağırlık)

Sıca

klık

(o C

) α

β

α+β

α+Sıvı β+Sıvı

SıvıA

B

CD

BSıvıα

C

D

Ötektik Sistemler

A

Kompozisyon (% ağırlık)

Sıca

klık

(o C

) α

β

α+β

α+Sıvı β+Sıvı

SıvıA

B

B

Bα

αα

αββ

β

Mg-Pb SistemSı

caklık

(o C

)

Kompozisyon (% ağırlık)

Sıvı

α

α+Sıvı

α+Mg2Pb

β+

Mg2Pb

Sıvı+

Mg2Pb

β

β+Sıvı

Mg2Pb

Sıvı+Mg2Pb

Cu-Zn Sistem

α

β

γ

εβ’

α+β

β+γ

γ+ε ηε

+η

Sıvı

ε+Sη+S

γ+S

δ δ+S

β+S

α+S

α+β’

β’+γ

γ+δ

Kompozisyon (% ağ.)

Sıca

klık

(o C

)