Dünya metal üretiminin çok büyük bir kısmını demir esaslı metaller oluşturmaktadır. Demirin (Fe) karbon (C) ile yaptığı alaşım temelli mühendislik malzemesine (max. %2 C) çelik denmektedir. Bu malzemelerin bu kadar yaygın kullanılmasının başlıca nedeni demirin allotropik bir metal olması ve Fe-C alaşımlarına alaşımlama ve/veya ısıl işlemler yoluyla çok farklı özellikler kazandırılabilmesidir.
Saf Demirin Yapısı
Saf demir, katı halde belirli sıcaklık aralıklarında Hacim Merkezli Kübik (HMK) ve Yüzey Merkezli Kübik (YMK) olmak üzere iki kristal yapıya sahiptir. Mutlak sıfırdan 911 °C’ye kadar kararlı olan yapı α-ferrit HMK yapıdadır. Bu yapı 911 °C’de ϒ-demir (ostenit) olarak adlandırılan YMK yapıya dönüşür. YMK kristal yapısı 911 °C – 1394 °C arasında kararlıdır. 1394 °C’den yüksek sıcaklıklarda tekrar bir kristal yapı dönüşümü olur ve demir yeniden HMK yapıya dönüşür.(δ-ferrit) δ-ferrit yapısı da 1539 °C’ye kadar kararlıdır ve 1539 °C demirin ergime noktasıdır [1].
Kristal yapı değişimi, demirin genleşme davranışını da etkilemektedir. α-demirin, ϒ-demirin ve δ-demirin kararlı olduğu sıcaklık aralıklarında artan sıcaklıkla hacim doğrusal olarak artmaktadır. Ancak α-demirin ϒ-demire dönüşmesi hacimde ani azalmaya sebep olurken ϒ-demirin δ-demire dönüşümü sırasında hacim ani artmaktadır. Bu sırada HMK yapının YMK yapıya dönüşümü sırasında hacim azalmasının teorik olarak %1,34 civarında olduğu hesaplanmıştır.
Demirin Alaşımlandırılması
Yumuşak bir metal olması nedeniyle mühendislik uygulamalarında genellikle saf demir kullanılmaz. Karbon ile alaşımlandırma sonrasında mukavemet artışı olduğu için demir-karbon alaşımları olan dökme demirler ve çelikler mühendislik malzemesi olarak kullanılırlar. Demire %0,1-0,2 gibi çok düşük C ilaveleri bile mukavemetin önemli ölçüde artmasına sebep olmaktadır. %2’ye kadar (max.) C içeren demir esaslı alaşımlara çelik denir.
Karbonun yanı sıra diğer alaşım elementlerinin ilavesi ile de çeliklere çok geniş çapta özellikler kazandırılabilir. Alaşım elementleri belirli oranlarda demir kristal yapısı içinde çözünmekte, ilave miktarı çözünürlük sınırını geçerse ikincil fazlar çökelmektedir [2].
Çeliğin yapısında bulunan katı eriyiğin tipi ilave edilen atomun çapına göre değişiklik gösterir. Atom çapı demirinkinden çok çok daha düşük karbon, azot gibi ilavelerle bu atomlar demir kristal yapısındaki boşluklara yerleşir ve bu tip eriyiğe ara yer katı eriyiği denir. Çapı demirinkine yakın olan mangan, krom, nikel gibi ilaveler normalde demirin bulunması gereken yerlere yerleşirler ve yer alan katı eriyiğini oluştururlar.
Demir – Karbon Denge Diyagramı
Saf Fe ile %6,67 C bulunan Fe3C arasında çizilen denge diyagramlarıdır. Normal koşullarda Fe-C faz diyagramında α-ferrit, ϒ-ostenit, δ-ferrit ve Fe3C (sementit) fazları bulunur.
Fe-C alaşımlarının mikro yapı ve mekanik özellikleri incelenirken bu diyagramlar göz önünde bulundurulmalıdır. Bu diyagramlar sadece Fe ve C’dan ibaret bileşimler için çizilmiş olmasına rağmen diğer alaşım elementleri ilavesi için de bilgi verir. Yalnız, diğer alaşım elementleri ilavesinin bu diyagramdaki faz bölgesi sınırlarını ve denge sıcaklıklarını etkileyeceği göz önünde bulundurulmalıdır. Diyagramdaki ostenit alanı ferrit alanından çok daha geniştir ve bu durum YMK kristal yapının HMK kristal yapısından daha yüksek miktarda C çözebilme kabiliyetinden kaynaklanmaktadır. Ostenit ve ferrit arasındaki bu temel fark çeliklerin ısıl işlem teorilerinin temelini oluşturur.
Fe-C denge diyagramında kritik sıcaklık noktaları mevcuttur. Bunların ilki ötektoid reaksiyonun meydana geldiği 723 °C olup, bu sıcaklık A1 ya da alt kritik sıcaklık olarak bilinir. İkinci önemli sıcaklık, A3 ya da üst kritik sıcaklık olarak bilinen ostenitin ferrite dönüştüğü sıcaklıktır. Üst kritik sıcaklık, çeliğin C oranı arttıkça azalır. Üçüncü nokta, A4 olarak bilinen ve ostenitin δ-ferrite dönüştüğü sıcaklıktır. A2 noktası Curie noktası olarak bilinir ve 769 °C’dir. Bu sıcaklıkta malzemenin manyetik özelliği değişir fakat kristal yapıda herhangi bir değişim olmaz [3].
Ostenitin Dönüşümü
Fe-C denge diyagramındaki ötektoid sıcaklık 723°C, ötektoid bileşim ise %0,8 C oranıdır. %0,8 C içeren bir çeliğin, ostenit sahasından C yayınmasına müsaade edecek şekilde yavaşça soğutulması sırasında, ostenit dönüşürken 723 °C’de ferrit ve sementit fazlarının lamelli şekilde yan yana dizilmesi ile perlit yapısı oluşur.
%0,8’den daha düşük C oranına sahip ötektoid altı bir çeliğin ostenit bölgesinden yavaşça soğutulması sırasında, üst kritik sıcaklık (A3) geçildiğinde, ostenit tane sınırlarında ferrit oluşmaya başla, 723 °C’ye gelene kadar, ostenit karbonca zenginleşir. Bu durum, çelik ötektoid sıcaklığa gelene kadar devam eder. 723 °C’ye gelindiğinde ostenit, %0,8 C bileşimindedir ve bu sıcaklığın hemen altında ötektoid reaksiyon sonucu perlite dönüşür. Oda sıcaklığına gelindiğinde ötektoid altı çeliğin mikro yapısı, ötektoid sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda oluşmuş ferrit ve ötektoid reaksiyon sonucu oluşmuş perlitten ibarettir.
%0,8 C’dan daha yüksek C oranına sahip yapıya ötektoid üstü çelik denir ve bu yapının soğuması sırasında farklı sıralarda reaksiyon meydana gelir. Soğuma sırasında ostenit tane sınırında sementit oluşur, ötektoid sıcaklığa gelene kadar ostenit karbonca fakirleşir ve ötektoid sıcaklıkta %0,8 C bileşimine erişir. Ötektoid üstü çeliğin mikro yapısı, ötektoid öncesi oluşmuş sementit ve ötektoid reaksiyon sonucu oluşmuş perlitten ibarettir [4].
Çeliğin ostenit sahasından karbon yaymasına müsaade edilmeyecek derecedeki hızlı soğutma şartlarında;
Ostenit (ϒ) → Ferrit (α) + Sementit (Fe3C)
dönüşümünden farklı bir dönüşüm meydana gelmektedir. Ostenit içinde çözünmüş olan karbon atomlarının yayınmasına müsaade etmeyecek derecede yapılan hızlı soğutma çeliğim mikro yapısında HMK kristal yapıdaki ferrit yerine martenzit (α1) fazı oluşur:
Ostenit (ϒ) → Martenzit (α1)
Martenzit, ostenit içinde çözünmüş olan karbon atomlarının bulundukları konumdan uzaklaşmamaları sonucu HMK yerine bir ekseni diğerine göre daha uzun olan Hacim Merkezli Tetragonal (HMT) yapı oluşur. Bu faz, yarı kararlı bir fazdır ve zamanla bozunur. HMT yapısı demirin mevcut sıcaklıkta içerebileceği maksimum karbon miktarından daha fazla karbon içerdiğinden HMK yapıya göre daha serttir.
Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm (TTT) Diyagramları
Çeliklerin oda sıcaklığındaki mikro yapısında; ostenitin dönüşümüne bağlı olarak oluşabilecek faz ve yapılar TTT diyagramları ile izlenebilir. Gerçekte TTT diyagramları 723 °C’nin altındaki sabit sıcaklıklarda ostenitin dönüşüme başladığı ve bittiği süreleri belirten grafikler olup, karbon atomlarının yayınma hızına bağlı olarak gelişen dönüşümler bazen çok uzun sürebildiğinden zaman ekseni logaritmik bölümlüdür. 723 °C ile 550 °C sıcaklıkları arasında perlitik mikro yapı oluşur. Bu sıcaklık aralığında dönüşüm sıcaklığı düştükçe perlit kaba bir yapıdan ince bir yapıya değişir ve buna bağlı olarak sertlik artar. Ostenit 550 °C ile 250 °C sıcaklık aralığında tutulacak olursa mikro yapı beynit adı verilen ferrit ve lamel olmayan ince sementit fazlarından oluşur. Malzemede martenzit fazı oluşturmak ise TTT diyagramlarındaki dönüşüm çizgilerini kesmeyecek hızda soğutma yapılmalıdır.
Demir-Karbon Denge Diyagramına Alaşım Elementlerinin Etkisi
Alaşım elementleri Fe-C denge diyagramlarında faz sınırlarına ve dönüşüm sıcaklıklarına etki etmektedir. Bu bakımdan alaşım elementinin hangisinin hangi yönde diyagrama etki ettiğinin bilinmesi gerekmektedir.
Fe-C denge diyagramlarına etkisi açısından alaşım elementleri 2’ye ayrılır:
- Ostenit bölgesini genişleten elementler
- Ostenit bölgesini daraltan elementler.
Bu iki grup alaşım elementi birbirine zıt etki gösterirler.
Grup 1: Açık ostenit bölgesi bulunduran yapılardır. Bu tip denge diyagramını oluşturan elementler başta nikel ve mangan olmak üzere kobalt, rutenyum, rodyum, paladyum, osmiyum ve platindir. Nikel ve mangan yeterli oranda ilave edilirse ferrit fazı tamamen yok olur ve mikro yapı oda sıcaklığında dahi tamamen ostenit olabilir.
Grup 2: Geniş ostenit bölgesi bulunduran yapılardır. Karbon ve azot bu grubun en önemli alaşım elementlerindendir. Bakır, çinko ve altın da benzer etkiye sahiptir.
Grup 3: Kapalı ostenit bölgesini bulunduran yapılardır. Birçok element ferrit oluşumunu teşvik ederek ostenit oluşumunu sınırlar. Bunun sonucu olarak α ve δ fazları sürekli hale gelir. Bu grupta silisyum, alüminyum, berilyum ve fosfor başta olmak üzere titanyum, vanadyum, molibden ve krom gibi güçlü karbür oluşturucu elementler bulunmaktadır.
Grup 4: Dar ostenit bölgesi bulunduran yapılardır. Bor, bu grubun en önemli elementidir. Bunun yanı sıra tantalyum, niobyum, zirkonyum gibi karbür oluşturucu elementler de bu grupta yer alır. Ostenit faz alanı daralır ve bileşik oluşumu meydana gelir.
Grup 1 ve 2 ostenit kararlı yapıcı elementlerden, grup 3 ve 4 ferriti kararlı yapıcı elementlerin demir ile oluşturduğu diyagrama örnektir. Ostenit oluşturucu elementler A1 ve A3 sıcaklıklarını düşürürken ferrit oluşturucu elementler ise yükseltir.
Öte yandan çeliğe katılan tüm alaşım elementleri ötektoid noktayı daha az C oranlarına düşürür.
Hamdi Ekici
Metalurji ve Malzeme Mühendisi
Kaynaklar:
- R.W.K. Honeycombe, ‘’Steels Microstructure and Proporties’’, Edward Arnold, London, 1981
- H. Liebowitz, ‘’Fracture An Advanced Treatise’’, Vol. 6, Fracture of Metals, Academic Press, New York, 1969
- German Iron and Steel Institute, ‘’Steel –A Handbook for Materials Research and Engineering ‘’ Vol 1:Fundamentals, Springer –Verlag, Berlin, 1993
- W.C. Leslie, ‘’The Physical Metallurgy of Steels’’, McGraw-Hill, New York, 1981
- http://www.an-ka.com/skins/shared/images/library/kutular1.jpg (15 Haziran 2015)