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.

• 779oC’nin altındaki sıcaklıklar için α fazı bölgesini α + β faz bölgesinden ayıran çizgi solvüs adını alır ve benzer şekilde 779oC’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 çizgisine 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, CE bileşimi ve TÖ sıcaklığı ile tanımlanır.

• Soğuma sırasında TÖ 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), CαE ve CβE α ve β fazlarının TÖ 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 fazlara 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 560oC, 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 598oC’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 912oC’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 (Fe3C) 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 Fe3C fazlarına ait tabakaların (lamellerin) bir araya gelmesiyle ve bir anda oluşan özel bir yapıya dönüşür. Burada oluşan α ve Fe3C 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 Fe3C 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.