Transcript FİZİKSEL METALURJİ

FİZİKSEL METALURJİ
BÖLÜM 3
Şekil 3.1. Bir Tsoln sıcaklığından çeşitli tutma sıcaklıklarına, Thold su verilen C1
kompozisyonundaki alaşım
Şekil 3.2. Çeşitli çökelti şekilleri; (a) Tane sınırı çökeltileri (b) Masif çökeltiler (c)
Widmannstätten plakaları
Şekil 3.3. (a) Çökelti kompozisyonu, C0 ve su verme sıcaklığı T1’nı gösteren faz diyagramı
(b)  çökeltisi boyunca kompozisyon profili
Büyüme Kinetiği / Eşeksenli Taneler
Büyüyen α-γ arayüzeyinde çözünen atom akımı arayüzeye göre şöyle yazılabilir:
|arayüzeye doğru akım|=V.Cγ
γ
γ  dC 
V.C

D
. 
|arayüzeyden dışarıya doğru akım|=
α
 dZ  INT
Bu iki akım arayüzey düzlemi için her zaman dengede kalır ve bu akım balansı aşağıdaki
gibi yazılabilir:
γ
 Dγ .(dC/dZ)INT
V
(Cγ  Cα )
V
D  .(C  C 0 ) / L
(C   C )
Büyüme Kinetiği / Eşeksenli Taneler
D γ .(C γ - C 0 ) 2
dZ

dt 2.Z.(C 0  C α ).(C γ  C α )
Bu eşitliğin integrali alınarak aşağıdaki bağıntı elde edilir :
Z  A D.t
Tane sınırındaki ferrit tabakası parabolik bir zaman kuralıyla sınırlı bir hızda ve
difuzyon kontrollü olarak büyür; burada A sabiti:
A
(C
Cγ  C0
0  Cα ).(Cγ  Cα )

1/2
Büyüme Kinetiği / Eşeksenli Taneler
Eşeksenli çökeltilerin büyüme kinetiklerine ilişkin üç uygun sonuç çıkartılabilir:
1.
Bu çökeltilerin büyümesi, uzak düzen (uzun mesafe) difüzyonu gerektirir. L
mesafesi, milimetre boyutlarına varabilir.
2.
Katı durumda uzak düzen difüzyonu tarafından kontrol edildiği için büyüme
relatif olarak yavaştır.
3.
Büyüme hızı ve buna bağlı olarak çökelti boyutu zamana bağımlıdır. Büyüme
hızı zamanla sürekli olarak düşer.
Şekil 3.4. Fe-C alaşımlarının sıcaklık-kompozisyon bölgeleri; uzun reaksiyon
zamanlarında elde edilen çeşitli çökelti şekilleri M: masif ferrit, W: Widmannstätten ferrit,
GBA: tane sınırı ferrit.
Şekil 3.5. Çeşitli şekillere sahip -çökeltilerinin merkez çizgisi boyunca kompozisyon
profilleri;
(a) iğnesel, (b) silindirik ve (c) eşeksenli
Büyüme Kinetiği / Widmannstaetten Plakaları
Plaka büyümesi için ilk yaklaşımda L yi plaka yumrusunun çapı ile doğru
orantılı olarak kabulleniriz;
L=ar
Burada a orantı sabitidir. Böylece;
V
D γ .(Cγ  C0 )/(a.r)
(Cγ  Cα )
Büyüme Kinetiği / Widmannstaetten Plakaları
Plaka büyümesinin kinetiği, eşeksenli büyümeden üç farklı yolla ayrılır :
1.
Plaka uçlarındaki büküm yarıçapı çoğunlukla çok küçüktür, 100-1000 Å. Bu
nedenle r<<L ve plakasal tane büyüme hızı, eşeksenli tane büyüme hızından
çok daha yüksek olacaktır.
2.
Yumrunun küçük yarıçapından dolayı plaka büyümesinde difüzyon çok daha
kısa mesafelerde meydana gelir.
3.
Ucun merkez çizgisindeki çözünen atom profili, plakalar sabit bir uç
yarıçapıyla büyüdüğü için zamandan bağımsızdır; bu nedenle büyüme sabit
hızla (zamandan bağımsız olarak) meydana gelir.
Şekil 3.6. İğnesel çökeltilerin merkez çizgisi boyunca; (a) faz sınırlarında ve (b)
kompozisyon profilinde büküm etkisi
Büyüme Kinetiği / Widmannstaetten Plakaları
Büyüme hızı;
Dγ Cγ (r)  C0
V
a.r Cγ (r)  Cα (r)
Cγ (r)→C0 olduğunda gradyent sıfır olacaktır ve bu durumda da büyüme duracaktır.
Kritik uç yarıçapı → rc
Cγ(rc)=C0
 m
C γ (r)  C γ 1  ,
r

 m
C γ (rc )  C γ 1  
 rc 
burada
m
(1  x γ )2γ V1
α
(x γ  x α )kT
Büyüme Kinetiği / Widmannstaetten Plakaları
 r
Cγ (r)  C0  (Cγ  C0 ) 1  c 
 r
D γ (C γ  C0 ) 1  rc 
V
1 

C γ (r)  Cα (r) a.r  r 
r→rc olduğunda büyüme durur. r değeriyle diferensiasyon maksimum hızın r=2rc de
olduğunu göstermiştir, burada Cγ(rc)-Cα(r)= Cγ - Cα =sabit olduğu kabul edilmiştir.
Kabul edilen uç yarıçapı, büyümeyi olası en yüksek hızda sağlamak için 2rc değerine
uyacaktır. Bu nedenle Zener in bu modeli sabit bir büyüme hızı öngörür:
Dγ (Cγ  C0 )
V
2.a.rc (Cγ  Cα )
Şekil 3.7. (a) Perlit büyümesi esnasında gerekli karbon difuzyonu,
kompozisyonu kütle-% 0.77 C’nu, gösteren Fe-C faz diyagramı
(b) Perlit
Şekil 3.8. (a) Östenit taneleri içindeki tane sınırlarından büyüyen perlit nodüllerinin
şematik gösterimi (b) Üç perlit kolonisi içeren tek bir nodül
Şekil 3.9. Çeşitli parametreleri tanımlayan Fe-C faz diyagramı
Şekil 3.10. Yavaş ve sürekli soğuma ile dönüşmüş bir AISI 1040 çeliği (a) Eşeksenli taneler
olarak öncelikle östenit tane sınırlarında varolan ferrit; tane içinde bulunan perlitler içine doğru
büyümüş
birkaç
Widmanstätten
kenar
plakaları
görülmektedir,
170x.
(b) Bir Widmanstatten kenar plakası yanında perlit yapısı, 4300x; SEM, nital dağlanmış
Şekil 3.11. Metin kısmında tartışılan çeşitli çökelti biçimlerini gösteren iki östenit
tanesi, 1 ve 2 arasındaki tane sınırı
Şekil 3.12. Bir perlit kolonisinde yana doğru ve öne doğru büyüme
Ötektoid Dönüşümler / Büyüme
Son zamandaki deneysel çalışmalar,
oryentasyonların genelde iki farklı
göstermektedir. Bunlar:
(A)


(001)cm (52 1 )α


 100cm  13 1 α arası 2.6 
 010  113 arası 2.6  
cm
α


ferrit ve sementit arasındaki relatif
oryentasyon ilişkisinde kümelendiğini
(B)
(001)cm

100cm

101cm
(2 1 1 )α 
01 1 α 
111α 
(B) de ilişki, perlitin östenit tane sınırlarındaki önötektoid sementitler üzerinde
çekirdeklendiği zaman sağlanır. (A) daki ilişki, perlitin saf östenit tane sınırlarında
çekirdeklendiği zaman sağlanır.
Ötektoid Dönüşümler / Büyüme
Büyüme hızı;
2.D.Δ TE  1
1  1
R



(Cγ  C α )  m α m γ  S 0
 S MIN 
1 

S0 

Burada;
Cα : γ-α arayüzeyinde α fazı kompozisyonu
Cγ : γ-α arayüzeyinde γ fazı kompozisyonu
D : γ fazında çözünen atomun difuzyon katsayısı
∆TE : ötektoid sıcaklığı altı aşırı soğuma
S0 : lamellerarası mesafe
mα, : ikili denge diyagramındaα ve  fazlarının solvus eğrilerinin eğimi
Şekil 3.13. Optimum ve minimum aralıkları belirleyen Denklem 3.21’nin bir eğrisi
Ötektoid Dönüşümler / Büyüme
R nin S0 a göre diferensiyali ile aramesafe, büyüme hızını, Sopt maksimize eder.
Sonuçta, Sopt=2.Smin
Sopt
4.γ

ΔSf .TE
Perlit, aramesafesini S0→Sopt=2.Smin, olacak şekilde ayarlarsa;
R  A.
D
1
. 2
Cγ  Cα Sopt
4.γ
A
ΔSf
 1
1 


m

 α mγ 
Ötektoid Dönüşümler / Büyüme

 
  1
   m
2 3 f  1  f 
A
S f 1 sin 2 nf  / n3
α
1
 
mγ 
mα ve mγ faz diyagramında A3 ve Acm çizgilerinin eğimi, fα ferrit fazının hacim-%

1
R  KD B . .
S0 S0
 S min 
1 

S
0 

DB
1
RA
. 3
C  C0 S opt
Zener Hız Bağıntısı
Hız optimizasyonu
Şekil 3.14. (a) Al-Zn ötektoid alaşımlarında sıcaklık ile aramesafe ilişkisi (b) Fe-C
alaşımlarının izotermal büyümesinde su verme sıcaklığı ile hız ilişkisi.
Şekil 3.15. (a) Perlit için aramesafe-hız ilişkisi
(b) Perlitin izotermal büyüme hızına Cr ve Mo empürite etkisi
Ötektoid Dönüşümler / Oluşum Kinetiği
Perlit bir çekirdekleşme ve büyüme prosesi ile meydana gelir ve bunun sonucu
olarak perlite dönüşen hacımın zaman ilişkisi;
X  1  exp(kt n )
Ortalama tane boyutu, d ve ortalama büyüme hızı, G nın ilavesiyle tüm hacımsal
dönüşümüm tamamlandığı süre, tf, aşağıdaki gibi basitçe belirlenir:
0,5d
tf 
G
Tablo 3.1. Çeşitli çekirdekleşme yerleri için Avrami denkleminde sabitlerin
değerleri.
Şekil 3.16. AISI 1080 çeliği için TTT diyagramı; 900ºC’de östenitlenmiş,
ASTM tane boyutu: 6
Tablo 3.2. ASTM tane boyutu numaraları.
Şekil 3.17. Bir izotermal hacimsel-% dönüşüm eğrisinin karşılık geldiği sıcaklıklarda
TTT diyagramı ile karşılaştırılması
Şekil 3.18. (a)  ve  solvus çizgilerini gösteren faz diyagramı (b) İki çökelti
hücresinden oluşan mikroyapıyı gösteren süreksiz çökelme.
Şekil 3.19. Cu-bazlı alaşımlarda tek fazlı bölgenin altında süreksiz çökeltilerin
gözlendiği sıcaklık aralığı
Şekil 3.20. (a) 600ºC’de yaşlandırılmış Fe-atomik-% 20 Mo alaşımında çökeltimatriks arayüzeyindeki  fazının kafes parametresi ölçümleri (b) Fe- atomik-% 23.5
Zn alaşımında süreksiz çökelme sürecinde dengedışı segregasyon
Şekil 3.21. Süreksiz çökelme için model