KRİSTAL MALZEMELERİN DAYANIMLARININ

ARTIRILMASI

Turgut GÜLMEZ

DAYANIMIN ARTIRILMASIKristal malzemelerin dayanımların artırılması için dislokasyon hareketinin (kaymasının) engellenmesi gerekir.Bu amaçla çeşitli engellerden yararlanılır.Kullanılan bu engeller:

diğer dislokasyonlartane sınırlarıempürite atomlarıikincil faz taneleri

çökelek halinde dışarıdan eklenen

Çoğu yüksek dayanımlı alaşım bu dayanımıartırma mekanizmalarının birden fazlasının katkısıyla sertleştirilir.

ENGELLER Engelleri tanımlayan birincil etken

kayma düzleminde aralarındaki ortalama mesafedir(L’).

Dışarıdan bir kuvvet uygulanmasıile, dislokasyon kayma düzlemi üzerinde ve kayma doğrultusunda kaymak ister ve engelle karşılaşınca hareket engeller tarafından durdurulur.

Dışarıdan uygulanan kuvvet artırıldıkça dislokasyonlar engeller tarafından yay şeklinde kritik açı φcdeğerine ulaşılana kadar gerilir.

φc değerine ulaşılınca dislokasyonengellerden kurtulur ve kayma düzlemindeki hareketine devam eder.

Dislokasyon yeniden bir engelle karşılaşana kadar kaymaya devam eder ve engelle karşılaşınca yukarıda bahsedilen proses tekrar oluşur.

Dislokasyonhareket yönü

L’

P

Q

Engel

φc

ENGELLEREngellerin kuvveti dislokasyonların kayma hareketini ve böylecede akma dayanımını belirler.Kuvvetli engeller dislokasyonların hareketini oldukça zorlaştırır ve bu engeller için φc açısı sıfıra yaklaşır.

2cos'

c

LGb φτ =

L

Kuvvetli engeller

L’

Zayıf engeller

kuvvetli engeller için;

0

L’: efektif mesafe

≅cφ LL ≅′ve

LGb

=maxτ

2/3

2cos ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛≅ c

LGb φτ2

cos c

LGb φτ ≅

ENGELLERŞekilde kuvvetli ve zayıf engeller için verilen bağıntılar ile bilgisayar simülasyonu ile elde edilen sonuçlar gösterilmektedir.

Kuvvetli engeller için elde edilen bağıntı simülasyon sonuçlarından biraz farklıgörülmektedir.

METALLERDE DAYANIMIN ARTIRMA MEKANİZMALARI

a) Alaşım Sertleşmesib) Çökelme Sertleşmesic) Dispersiyon Sertleşmesid) Deformasyon Sertleşmesie) Tane sınırları Sertleşmesi,f) Akma noktası ve Deformasyon Yaşlanması Sertleşmesi,g) Karma Malzeme oluşturarak Sertleşmesi,h) Martenzitik Dönüşüm Sertleşmesi,i) Radyasyon etkisiyle Sertleşmesi,j) Tekstür oluşumu ile Sertleşmesi.

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİBünyede bulunan empürite atomları da

dayanımı artırıcı rol oynar.

Kayma düzlemi üzerinde ilerlemekte olan bir dislokasyon bir empürite atomu ile karşılaştığında dislokasyon hareketi zorlaşır ve bu yüzden de malzemenin dayanımı artar

Bunların yaptığı çözeltiler arayer ve ikame olmak üzere iki çeşittir

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİ Küçük yer alan empürite atomu

A

B

Büyük yer alan empürite atomu

C

D

Hume-Rothery Kuralları1) Atomların yarıçapları arasında %15 den daha az fark2)Aynı kristal yapı3)Elektronegativeleri yakın4)Valans elektron sayısı aynı

KATI ÇÖZELTİ SERTLEŞMESİBakırÇelik

ÇÖKELME SERTLEŞMESİ Mikroyapıda çökelen ikincil faz taneleri dayanımı

artırmak için kullanılan yöntemlerden birisidir.

Çok küçük ve sert olan bu taneler dislokasyonlarınilerlemesini zorlaştırmakta ve böylece de dayanımın artmasını sağlamaktadır.

Çökelme sertleşmesinde şu faktörler önemlidir:Tane boyutu ve hacim oranı

Tanenin şekli

Tane ve matris arasındaki sınırın türü(bağdaşıklık)Tanenin mekanik dayanımı (elastik modülü,akma dayanımı)

Yaşlandırma işleminde; yaşlandırma sıcaklığı oda sıcaklığında gerçekleşiyorsa, buna doğal yaşlandırma (natural aging), seçilen bir sıcaklıkta fırın içerisinde gerçekleşiyorsa yapay yaşlandırma (artificial aging) adı verilir.

Çözündürme işlemi (solution treatment): Malzeme tek faz bölgesine ısıtılarak çökelecek olan sert 2. faz, tek faz içerisinde tamamen çözülür. Ani soğutma (Quenching): Oda sıcaklığına ani soğutma ile 2. fazın çökelmesi engellenir ve aşırı doymuş katı çözelti elde edilir.Yaşlandırma işleminde; aşırı doymuş katı çözelti, çözündürme sıcaklığından daha düşük olan yaşlandırma sıcaklığına tekrar ısıtılarak çok küçük bağdaşık (koherent) 2. faz tanecikleri çökeltilir. (Bu çökeltiler dislokasyonlara engel teşkil ederek malzemenin dayanımını arttırır).Aşırı yaşlanma: çökelmelerin çok büyüyerek bağdaşıklığın (koherentliğin ) kaybolması (bu durum istenmez).

ÇÖKELME SERTLEŞMESİNİN AŞAMALARI

Çökeltmenin ilk aşamasında, çok küçük koherent–GPbölgeler (Guinier preston zones) oluşur, GP bölgeleri genelde dislokasyon altındaki boşluklardaçekirdeklenir (sistemin enerjisini düşürmek için) ve dislokasyon hareketlerini engeller. Bu bölgeler, daha büyük bağdaşık (koherent) çökeltileredönüşür. Bağdaşık çökeltiler kafesi aşırı gererek dayanım artışı oluştururlar. Daha sonra sıcaklığın veya zamanın gerekenden yüksektutulması halinde tane büyümesi gerçekleşir. Dayanım düşmeye başlar.

Yaşlandırma ısıl işleminde sürenin iç yapıya ve dolayısıyla malzeme özelliklerine etkisinin şematik gösterimi

Aşırı büyüme: Çökeltilerinçok büyümesi ile oluşan gerilmeler artık taşınamaz ve bağdaşıklık sona erer. Çökeltinin sertleştirme etkisiazaltır.Yeterince uzun sürebeklendiğinde kararlı ilk yapıya geri dönülür.

Aşırı yaşlanma

Birinci fazın matrisi içinde ikinci faz partiküllerinin homojen dağıtılmasına bağlı dislokasyonların çivilenmesine (pining) sağlayan bir işlem

Normalde Sert parçacıkların boyut aralığı (1nm den 1 µm

Dispersiyon Sertleşmesi

MekanizmaOrowan Modeli

Orowan eğilme modeliyle dislokasyonların engelleri bypass ederek geçmesi

Aralarında λ kadar mesafe olan iki parçacık arasında bir dislokasyon çizgisini eğmek için gereken kayma gerilmesi τ ´~´ Gb /λ Düz bir dislokasyon çizgisi parçacıklara ulaşır. Araya giren çizgi eğilir Kritik bir yarıçapa ulaşır Her parçacığın etrafında bir halka bırakarak engellerden ayrılır

İkinci Faz Parçacıklarla Sertleşmeyi Etkileyen Faktörler

1- Parçacık veya Çökeltinin Sertliği

2- Parçacık veya Çökeltinin şekli

3- Parçacık veya Çökeltinin Büyüklüğü

4- Parçacık veya Çökeltilerin Hacimsel Oranı

5- Parçacık veya Çökeltilerin yapıdaki dağılımı

Dispersiyon Sertleşmesiyle Çökelme Sertleşmesi Arasındaki Farklar

ÇS de bağdaşıklık vardır, DS de yok DS tüm sıcaklıklarda kararlı iken ÇSdeğil DS de zaman faktörü önemli değil DS ile herhangi bir alaşım yapılabilir DS de kimyasal kararlıkık daha fazla ÇS izotropik, DS anizotropik

Koherent çökeltiyi bir kenar dislokasyonunun geçişi.

nispeten büyük ve küçük bağdaşıklığa sahip bir çökelti ile dislokasyon arasındaki karşılıklı etkileşim

SOĞUK ŞEKİL DEĞİŞİMİ SERTLEŞMESİ

Plastik deformasyon nedeniyle dislokasyonkonsantrasyonunda meydana gelen artış (work hardening) pekleşmeye sebep olur.Bunun sebebi dislokasyonların, dislokasyonlarınhareketlerine engel olmasıdır.Dislokasyonlar arasındaki etkileşime bağlı olarak; diğerdislokasyonlar zayıf veya kuvvetli engel olabilir.

τ : Akma dayanımı (kayma)

τ ο:Çok düşük dislokasyon yoğunluğundaki akma dayanımıα :malzeme sabiti (HMK için 0.4, YMK için 0.2) ρ :Dislokasyon yoğunluğu

τ=τ o+αGbρ 1/ 2

Tb=Tişlem (K)/Tergime(K)Soğuk: 0-0,2Ilık : 0,2-0,5Sıcak : 0,5-1

• Akma Dayanımı(σA) artar.• Çekme mukavemeti (σÇ) artar.• Süneklik (% δk veya% ψ.) azalır.

DEFORMASYON SERTLEŞMESİ

Yandaki şekilde, bakırkristalinde, kritik kaymagerilmesinin dislokasyonyoğunluğuna bağlı olarakdeğişimi görülmektedir.

Soğuk şekil değiştirme (Tb < 0.2) ile dayanımı ve sertliği artmış, sünekliği ve elektrik iletkenliği azalmış metalin soğuk şekil değişiminden önceki yapısını tekrar kazandırmak için uygulanan ısıl işleme “yumuşatma tavlaması” adı verilir.Yumuşatma Tavı sırasında tav sıcaklıklarına bağlı olarak farklı aşamalar görülebilir:

Toparlanma Yeniden Kristallenme Tane İrileşmesi

İç yapıda önemli ölçüde değişiklikler olmaz. (0.2 < Tb < 0.4)

Tane içlerinde noktasal kusurların azalması ve dislokasyonların daha düşük iç enerji oluşturacak şekilde yeniden dizilmesi (poliganizasyon) için termal aktivasyon için yeterli sıcaklık vardır.Dislokasyonların dizilmesi ile alt taneler oluşur.Bu alt taneler YK sırasında oluşan gerçek taneler için çekirdekler görevi görür.Mekanik özelliklerden önemli bir değişme olmaz. Fakat elektrik iletkenliği önemli ölçüde artar.

TOPARLANMA

Yeniden kristalleşme Sıcaklığın atomsal hareketler için gereken aktivasyonu sağlayacak şekilde olması ile (0.4 < Tb < 0.6) gerçekleşir.

Artan sıcaklık ile atomlar daha düşük enerjili bölgelere hareket etme imkanı bulur.

Soğuk ŞD ile oluşan iç yapıda yeni eş eksenli ve iç gerilmesiz küçük tanelerin çekirdeklenip büyümesi ile bütün yapı küçük yeni taneler ile kaplanır.

Yeniden kristalleşme sıcaklığı: Malzemenin en az yarısının 1 saat içinde Y.K.si için gereken sıcaklıktır.

Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşmeile oluşan tane boyutu küçülür.–Soğuk Ş.D. miktarı (%CW) arttıkça yeniden kristalleşme sıcaklığı azalır.YK nın gerçekleşebilmesi için malzeme kesitinde mutlaka soğuk şekil değiştirmenin bulunması gerekir (%5-10).

Tane büyümesi

Yeniden kristalleşme ile oluşan ve soğuk Ş.D. ye nazaran daha kararlı (düşük enerjili) iç yapının, yüksek sıcaklıkta tutulmaya devam etmesi tanelerde zamanla büyümesine denir.

Tane büyümesine sebep olan itici güç: yüksek enerji bölgeleri olan tane sınırlarının azaltılıp iç enerjini düşürülmesi eğilimidir. Malzeme sonuçta sadece bir büyük tane şeklinde olup min enerjiye sahip olmak eğilimi gösterir.

YK Sıcaklığı • Kimyasal bileşim• İlk tane büyüklüğü• Tavlama süresi• Soğuk ŞD miktarı

TANE SINIRI ETKİSİTane sınırları da dislokasyonhareketlerini kısıtlayan engellerdendir.Tane sınırları, dislokasyonlardan veyaempüritelerden daha kuvvetliengellerdir.Dislokasyonun kayma düzlemi üzerindebulunan bir engelle kıyaslandığında,tane sınırı (yüzey !) daha kuvvetli birengeldir.Kristallografik olarak düşünüldüğünde;bir tane (kristal) içinde ilerleyen birdislokasyon tane sınırına ulaştığındabaşka oryantasyona sahip tanelerle(kristallerle) karşılaşacağından dahafazla ilerleyemez.Böylece dislokasyon hareketiengellenmiş olur.Tane boyutunun küçük olması hemdayanımı hem de tokluğu aynı artıranbir etkendir.

TANE SINIRI ETKİSİAkma dayanımının tane boyutuna bağlı olarakdeğişimi:

2/10 dka

A +=σσ

Hall-Petch Eşitliği

Akma dayanımı:Aσ

Malzeme sabitleri:,0 akσTane boyutu:d

Malzeme Kristal yapı

ka

Düşük karbonlu çelik

HMK 0.307

Molibden HMK 1.768

Çinko HSP 0.220

Magnezyum HSP 0.279

Titanyum HSP 0.403

Bakır YMK 0.112

Alüminyum YMK 0.068

TANE SINIRI ETKİSİHall-Petch eşitliğine göre akma dayanımınıartırmak için tane boyutunun küçültülmesigerekir.Örneğin metalik malzemelerde, çok küçükboyuta sahip ve metalin içinde çözünmeyenve tane büyümesini engelleyen ikincil fazlarkullanılmaktadır.Tane boyutunun etkisinden ciddi anlamdayararlanmak için tane boyutunun 5 mikrondan küçük olması gerekmektedir.

TANE SINIRI ETKİSİBasit karbonlu bir çelikte

Hall-Petch ilişkisi

SORU-1Bir karbon çeliği ve alüminyum alaşımından aşağıdaki veriler elde edilmiştir.

Karbon Çeliği Alüminyum Alaşımı

d(µm) σy(MPa) d(µm) σy(MPa)

406 93 42 223

106 129 16 225

75 145 11 225

43 158 8.5 226

30 189 5.0 231

16 233 3.1 238

Karbon çeliğinin ve alüminyum alaşımının akma dayanımlarının Hall-Petch ilişkisinisağlayıp sağlamadığını tespit ediniz.Küçük miktarlarda vanadyum veya niobiyum eklenmesi sonucu bazı düşük alaşımlıçeliklerin tane boyutu 2µ değerine kadar düşürülebilir. Benzer şekilde ileri alüminyumalaşımlarında tane boyutu bazı özel taneler kullanılarak 2µ değerine kadardüşürülebilir.Buna göre bu örnekteki çeliğin ve alüminyum alaşımlarının tane boyutları 2µ değerinekadar düşürülürse her birinin akma dayanımı ne olur hesaplayınız.

ÇÖZÜM-12/10 d

kaA +=σσ Akma dayanımını 1/d1/2 fonksiyonu olarak çizersek:

0

50

100

150

200

250

0.0 0.1 0.2 0.3

d-1/2 (µ -1/2)

Akm

a D

ayan

ımı (

MPa

)

Karbon Çeliği

210

220

230

240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

d-1/2 (µ -1/2)

Akm

a D

ayan

ımı (

MPa

)

Alüminyum alaşımı

2/1

5.68946.60dA +=σ 2/1

4.365.215dA +=σ

ÇÖZÜM-1 devam…Karbon Çeliği Alüminyum alaşımı

2/1

4.365.215dA +=σ

2/1

5.6895.60dA +=σ

µ2=d µ2=d

2/1

4.365.215dA +=σ

2/125.6895.60 +=Aσ

MPaA 548=σ MPaA 241=σ

Belirgin Akma Olayı

DEFORMASYON YAŞLANMASI

Cottrell Atmosferi

Al-Mg alloy (5086)

Dinamik deformasyon yaşlanması,Mavi gevreklik:Temper Haddesi

SERTLEŞTİRME (YA DA SU VERME)

Çeliğe istenen sertliği kazandırmak amacı ile yapılan ısılişlem, sertleştirme çeliğin sertleştirme sıcaklığına (ostenitbölgesi) ısıtılıp bu sıcaklıkta inç başına bir saat tutulması veardından uygun ortamda su verilmesi ile gerçekleştirilir.

Sertleştirme çelik yüksek sıcaklıktan oda sıcaklığındaki birbir banyoya daldırıldığı için su verme olarak da isimlendirilir

Sertleştirme sıcaklığı (ya da ostenitleme sıcaklığı)

● Ötektoidaltı çelikler için A3’ün 30-50°C üzeri,

● Ötektoidüstü çelikler için ise A1’in 30-50°C üzeridir.

Çeliği ostenit bölgesine ısıtma ve bu sıcaklıkta tutma sementit ya da karbür şeklinde bağlı karbonun ostenit içerisinde çözünmesini sağlamaktır. Bundan sonra su verme işlemi ile martensit olarak adlandırılan yarı kararlı çok sert ve gevrek olan hacim merkezli tetragonal (HMT) yapı oluşur.

Thennal bistm:y for center of part being heat-treated

Thermal bistoı:y for urface of part heiııg heat-tı:eated

Trausfonnation

Marten ite

Time (logaıithmic cale)

Kritik Soğuma Hızı Difüzyonlu (yayınmalı) veya difüzyonsuz (yayınmasız) dönüşümü belirleyen parametre soğuma hızıdır. Soğumanın kritik bir hızın üzerinde olması durumunda ostenit martensite dönüşür. Daha yavaş soğuma hızlarında difüzyon gerçekleşir ve soğuma hızına bağla olarak yayınma perlit veya beynit oluşabilir.

Kritik soğuma hızı

Martensit (’)

Martensit çarpılmış alfa demir kafeste karbon ve diğer elementlerin oluşturduğu aşırı doymuş katı çözeltidir, ostenitin kompozisyonuna sahiptir.

Martensit oluştuğu zaman HMK yapının çözebileceği karbon miktarının çok üzerinde bir değere ulaşılır ve karbon atomları kafesi tetragonal konfigurasyona zorlar. Birim hücrenin “c” parametresi diğer iki “a” kafes parametresinden daha büyüktür ve karbon artışı ile c aksisi artarken a aksisi azalır (ostenitte ise karbon artışı ile kübik kafes parametresi de artar).

Martensitik dönüşüm

difüzyonsuz, kayma ile ses hızına yakın hızlarda meydana gelir

C ve Fe atomu yayınamaz, bu nedenle de karbür oluşamaz

oluşumu perlit ve beynit oluşumundan farklı olarak zamandanbağımsızdır (atermal).

Martensit oluşumu Ms sıcaklığında başlar ve soğuma ile ostenitin martensite dönüşümü devam eder. %1C içeren çelik 100°C’de %90 martensitik dönüşüme sahiptir Bu sıcaklıkta ne kadar tutulur ise tutulsun bu oran değişmez.

Fe

C

Yüzey merkezli kübik ostenit a=3,571 A

Hacim merkezli tetragonal martensit a=2,850 A c= 2,950 A

a

a

c

a

a

a

%0,8 C’lu Fe-C alaşımının kafes parametreleri

YMK HMT

Çelikte yaygın olarak iki tür martensit yapısı teşekkül eder

1.Çubuk (lata) martensit bitişik paralel lataların büyümesi ile karakterize edilir. Lataların bir grubu aniden kooperatif bir şekilde bir dizin olarak büyür

2.Plaka (plate) martensit ilk oluşan plakalar tüm östenit tanesini keserek büyür. İlave plakalar bundan sonra östenitte ilk oluşmuş plakalar ve tane sınırları arasında oluşur. Martensit plakalarının oluşumu ile östenit giderek bölündüğü için östenitik bölgeler küçülür ve bu nedenle sonradan oluşan plakalar küçük olur.

Böylece plaka martensitte oldukça büyük boyut dağılımlı paralel olmayan plakalar var iken lata martenzitlerde yoğun olarak paralel lata oluşumu vardır; burada paket içindeki lata boyutları oldukça homojendir

Martensites (a) Lath (b) Plate

Karbon içeriğine bağlı olarak oluşabilecek martensit yapıları

Ostenitin martensite dönüşümü için;

minimum C içeriği ve

yeterince yüksek soğutma hızı (kritik soğuma hızından dahayüksek) gereklidir.

Çeliğin sahip olduğu daha yüksek karbon içeriği, dahasert martensit oluşumunu sağlar.

Soğutma hızı martensitin sertliğini etkilemez, ancakostenitin martensite dönüşebilmesi için yeterince yüksekolmalıdır.

Su verme işlemi çeliğin kritik soğuma hızından daha yüksek hızda soğutulmasını sağlar ve farklı ortamlarda gerçekleştirilebilir. Bunlar, su, tuzlu su, yağ, polimer ya da bazı durumlarda hava olabilir. Genel olarak su verme ortamı alaşımsız çelikler için su, düşük alaşımlı çelikler için yağ ve yüksek alaşımlı çeliklerde havadır. Su verme işlemi kritik soğuma hızından daha yavaş olursa martensit oluşumu gerçekleşmez, ferrit ve sementit karışımı içeren yapılar oluşur.

Şekil 1. Temel gevrekleşme mekanizmalarını sıralaması (a) birincil radyasyon kusurlarının yaratılması: (b) nano ölçekli çözünen ve kusur kümelerinin oluşumu ; (c) dislokasyonların çivilenmesi ve nanoözellikler ile sertleştirme; (d) güçlendirilmiş yarık kırığının gelişimi; (e) gerilme yığılması

RADYASYON SERTLEŞMESİ

• :Nötron radyasyonu• α-parçacıkları• β-parçacıkları• γ- ışınları

Tekstür OluşumuBCC Metal ve alaşımlarının deformasyonu sonrası tekstür oluşumuBCC metallerin tek eksenli soğuk deformasyonundan sonra yapıda basit bir [110] lif dokusuna yönlenme olur.

Bauschinger Etkisi,• Kısa aralık etkileri• Uzun aralık etkileri

Pek çok mühendislik malzemesi çeşitli sertleştirme mekanizmaları ile güçlendirilebilir, ancak mukavemette artış neredeyse her zaman

süneklikte bir azalmaya neden olur.

Dayanım Artışı Yapılan Malzemelere Örnekler

2