Eyüp YAYLACI

Malzemelerde Çökelme Sertleşmesi

Çökelme Sertleşmesi

Bir metalin mukavemeti, dislokasyonların üremesi ve hareketleri ile kontrol edilir. Yaşlanma ile sertleştirilen bir alaşımın yüksek mukavemeti, disperse olan çökelti fazlarının, dislokasyonlar ile etkileşimlerinden dolayıdır. Sonuç olarak, uyumlu bir ikinci faz çökelmesi, malzeme bilimcilere muhtemelen en mükemmel mukavemet artış mekanizmasını sağlamakladır. Mukavemet artış mekanizmasının tabiatını anlamanın en iyi yolu, dislokasyonların disperse olan ikinci faz ile etkileşimlerini incelemektir.


Kayan dislokasyonların disperse partiküllerle etkileşimi Δt olarak ifade edilebilen miktarda kritik kayma gerilmesini arttıracaktır. Teorik çalışmalar, Δt ‘ yi dislokasyon-partikül etkileşim parametrelerinin bir fonksiyonu olarak tespit etmeye dayanmaktadır. Dislokasyon-partikül etkileşimini üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım, dislokasyonların disperse olan partiküllere ne şekilde nüfuz ettikleri esasına göre yapılmaktadır. Dislokasyonlar, 1) partikülleri halkaya alırlar, 2) partikülleri keserler ve 3) partiküller etrafında çapraz kayarlar.

1. Partiküllerin Halkalanması

Partikül halkalanmasının anlaşılması için Şekil 1’de oldukça faydalı bir şekildir. Bu şekil, bir dislokasyonun çökelti partikülleri ile karşılaştığı yerde partikül arkasına doğru nasıl kavis yaptığını göstermektedir. Uygulanan kayma gerilmesinin artmasıyla t2 zamanında Şekilde gösterilen A ve B noktalarında tekrar birleşmek üzere dislokasyonal kavis yapmaya devam ederler. Burada A noktasındaki dislokasyon davranışının B ile ters olduğuna dikkat etmek gerekir. Sonuçta, eğer bu dislokasyon parçalan karşılaşırlarsa yok olacaklar ve ana dislokasyonun Şeklide t3 zamanı ile gösterildiği gibi halkalanmış dislokasyondan ayrılmalarına yol açacaktır. Dislokasyonlar her zaman bir partikülü geçrneye çalışırken bu tür halkaları partikül etrafında bırakacaklardır. Bu mekanizma ilk olarak 1948 yılında Orowan tarafından hazırlanmış ve dolayısıyla Orowan mekanizması olarak bilinmektedir.

Şekil 1 : Çökelti partiküllerinin bir kolonu ile etkileşen bir dislokasyon çizgisi.

Dislokasyon, bir çizgi gerilimine (τ) sahiptir. Bir dislokasyonu R yarıçapında  eğmek için gerekli olan kayma gerilmesi τ/(bR) şeklinde verilir. Burada b ile gösterilen terim, dislokasyonun burgers vektörüdür. Dislokasyonların bir partikülü geçmeye zorlamak için uygulanması gerekli kayma gerilmesi,


şeklinde yazılabilir.-Burada Rmin Şekil 1′ de gösterildiği gibi farklı şekilli çökeltileri geçebilmek için dislokasyonun sahip olduğu minimum ortalama eğrilik yarıçapıdır. Frank-Reed kaynağında olduğu gibi disloksyon, Rmin =d/2 şeklinde verilen partiküller arası mesafenin yarısının yarıçapı ile yarı çember olmaya başladığında minimum ortalama eğrilik yarıçapına sahip olur. Çizgi gerilimi için kritik kayma gerilmesi aşağıdaki gibi yazılır:


ƒ hacim oranına ve r yarıçapına sahip partiküllerin rastgele dağılımı için yüzeyin l cm2 si ile kesişen dislokasyonlann sayısı 3ƒ/7(2πr2) dir. Dolayısıyla, basit bir kübik düzen ele alındığını kabul ederek partiküller arası ortalama mesafe aşağıdaki gibi verilir.


Üstteki ve bu eşitlik birleştirildiği vakit halka mekanizması için;


Elde edilmiştir. Partiküller arası mesafenin ve partikül yarıçapının küçülmesi ile beraber halkalanma mekanizmasından dolayı mukavemet artışının çok daha fazla artacağı açıktır. Artan partiküller arası mesafe ve partikül yarıçapı ile Δτ değeri küçük olmaya başlayacaktır.

2. Partiküllerin Kesilmesi

Yukarıdaki mekanizmada, direkt partikül-dislokasyon teması noktalarında dislokasyonların durdurulacağı şekilde partikül ve dislokasyon arasındaki itme kuvvetinin yeterince büyük olduğu kabul edilmektedir. Ancak, bazı durumlarda dislokasyonun çökeltinin içinden kayması veya geçmesi mümkündür. Şekil 2′ de gösterildiği gibi böyle bir durumda partikül, dislokasyon kayma düzlemiyle b kadar bir mesafede kayar. Bu prosesle ilgili çok sayıda mümkün etkileşim mekanizması öne sürülmüştür ve burada sadece birkaç önemli mekanizma ele alınacaktır. Bu mekanizmaları iki alt gruba ayırmak mümkündür. Dislokasyon-partikül etkileşim mesafesi 10b’ den daha kısa ise bu tür etkileşim kısa mesafeli etkileşim, eğer bahsedilen mesafe l0b’ den daha büyük ise uzun mesafeli etkileşim olarak adlandırılmaktadır.


Şekil 2: Bir dislokasyonun kayma hareketi ile bir partikülün kesilmesi.

2.1. Kısa Mesafe Etkileşimi

Bu şekildeki bir etkileşim Şekil 2′ de gösterilmiştir. Mukavemet artışına yol açan bir dislokasyon-partikül etkileşimi, partiküller tarafından işgal edilen kayma düzlemi birim alanını kesmek için gerekli olan işi arttırır. Partikülün olmadığı aynı miktar alana göre bu iş artış miktarı Δτ.b kadardır.


Çökelti partikülünün düzenli olmuş, olduğu kabul edilsin. Sonrasında dislokasyon bir partikülü kestiğinde kayma düzleminde bir anti faz sınırı (AFS) meydana getirir. Bir AFS için olan enerji (γA) ihmal edilemez. Örneğin düzenli uyumlu çökeltiler sadece 10-30 erg/cm2 lik bir çökelti-matriks arayüzey enerjisine sahip iken bunların AFS enerjileri yaklaşık olarak 100-300 erg/cm² aralığındadır. Kayma düzleminde partikülün yarıçapı (r), b ile karşılaştırıldığında daha büyük ise, partikülü kesen alanı πr2 olarak alabilir ve Δτ b = nπγA yazabiliriz. Burada n, alan başına partikül sayısıdır. n =3ƒ/(2πr2γA) kullanarak,

yazılabilir. Bu basit yaklaşımda dislokasyon birleşmeleri ve dislokasyon kavislenmeleri gibi ihmal edilen şeyler vardır. Daha ileri teorik yaklaşımlarda,


elde edilir.

Burada ele alınacak olan ikinci bir mekanizma Şekil 2’de taralı alan A ile ilgili olan mekanizmadır. Bu alan, kesme ile partikül-matriks arasında oluşan yeni bir alandır. Bu alanının yaklaşık olarak A = 2rb olduğu görülebilir ve bu alanının arayüzey enerjisi γs olarak adlandırıldığında;


bulunur. Dislokasyon kavisinin oluşumuna izin vererek bu mekanizmanın tamamlanması ile,


elde edilir. Burada a, dislokasyon çizgi geriliminin bir fonksiyonudur ve a.ln(d/r0)’ a eşittir. Burada kenar dislokasyonu için a = 0.16 ve vida dislokasyonu için a = 0.24 tür.

Tam bir işlemde göz önüne alınması gereken çok sayıda başka mümkün etkileşimler de vardır. Örneğin, dislokasyonun partikül boyunca takip ettiği kayma düzlemi matriksteki kayma düzlemi ile ortak düzlemde değilse, partikül-matriks arayüzeyinde bir çeşit Jog oluşumu meydana gelir. Bu Jogun hareketi Δτ nin artışına sebebiyet verir. Dislokasyon, matriks ve partikül içinde farklı sürtünme direncine sahip olabilir. Bu da Δτ değerini yükseltir. Δτ değerini yükselten bu faktörün şeklinde değişmesi beklenir.

2.2. Uzun Mesafe Etkileşimi

Dislokasyon bir partiküle yaklaştığında, partikül tarafından matrikste ortaya çıkardan deformasyon alam ile kendi alanı etkileşime girer. Bu mekanizmadan dolayı ortaya ilave bir kayma gerilmesi çıkacaktır.


Burada E Young modülü, T çizgi gerilimi ve v poisson oranıdır, ε ise uyumsuzluğun bir fonksiyonudur. Bir dislokasyonun deformasyon alanı engelin aşmasından sonra bir partikülü kesmek için yine bu dislokasyona gereksinim vardır. Böylece uzun mesafeli etkileşim sadece kısa mesafeli etkileşimin üstüne daha fazla kritik kayma gerilmesi uygulaması durumunda önemli olması söz konusudur.

3. Çökelme Sertleşmesi Özeti

Halkalarıma mekanizması etkin olduğu zaman Orowan tarafından tahmin edilen akma mukavemetindeki artış Δτ = αƒ^1/3 r^-1 şeklinde ilerler. Sabit hacim oranında partikül içeren bir sistem için bu eğri Şekil 3′ deki gibi A eğrisi ile gösterilir. Temelde, teorik kritik kayma gerilmesine (TKKG) ulaşana değin bu eğri, azalan partikül boyutu ile düşer. Partiküllerin halkalanması mekanizması, partikül tarafından ortaya çıkarılan mukavemet artışına bir üst limit oluşturur. Yukarıdaki açıklamalardan partikül kesilmesinin çok daha kompleksliğinden dolayı ileri gelen mukavemet artışının, βƒ^1/2 r^1/2 şeklinde bir bağıntı takip edeceği açıktır. Burada β ve ƒ herhangi bağımsız bir sistem için dislokasyon partikül etkileşim mekanizmalarının kontrol edilmesine bağlıdır. Şekil 3′ de B ile gösterilen partikül kesme artışı için iki mümkün eğri mevcuttur. Partikül halkalanması sadece, dislokasyonlann partikülü kesmedeki durumlarda geçerlidir. Dolayısıyla, sıfirdan başlayarak partikül boyutu artarken akma mukavemeti artışının Ayı kesene kadar B eğrisini takip etmesi beklenir. Bu noktada halkalarıma partikül kesmeden daha kolay olmaya başlar ve çap kabalaşırken mukavemet düşer.

Şekil 3: Partikül yarıçapına karşılık mukavemet artışı yükselmesi eşitliklerinin grafiksel açıklaması.

Yaşlanma ile sertleştirilebilen alaşımlarda mukavemet artışının ana noktalarını burada özetlemek bu aşamadan sonra daha kolay ve faydalı olacaktır. Yaşlanma sırasında uyumlu partiküller (GP zonlan ve bazı durumlarda geçiş çökeltileri) oluşur ve hacim oranlan bir denge değerine ulaşana kadar büyürler. Bu süreden sonra hacim oranı esas olarak sabit kalır ve partiküller kabalaşır. Böylece ortalama halkalanmanın olabilmesi için başlangıçta partiküller oldukça küçüktür (veya alternatif olarak birbirlerine oldukça yakındır) ve akma, partikül kesme mekanizması ile kontrol edilir. ƒ ve r’ nin her ikisinin de artışı ile mukavemet artar. Kısa bir süre sonra ƒ sabit olmaya başlar ve kabalaşma mekanizması ile partiküller büyümeye başlarlar. Mukavemet yine artmaya devam eder fakat artış hızı yavaşlar. Nihayetinde partiküller, partikül halkalanmasına izin verecek ve mukavemeti düşürecek şekilde yeterince büyük hale gelirler veya birbirlerinden yeterince uzaklaşırlar ( ). Genelde, bir alaşımı etkili olarak yaşlanma ile sertleştirmek için 1 µm den düşük partiküller arası mesafeye sahip çökeltiler üretmek gerekmektedir. Dahası, etkin ve faydalılığın yüksek olması için partikülerin uyumlu veya kısmen uyumlu olmaları gerektiği tesbit edilmiştir, Bu açık olarak uyumsuz çökeltilerin daha yüksek yüzey enerjileri ile ilgilidir. Böyle çökeltiler daha büyük başlangıç boyutunda heterojen olarak çekirdekleşirler. İlave olarak, yüksek γ değeri kabalaşma kinetiğini arttırır.

Partiküllerin hacim oranını, partikül yarıçapını ve β’yı tespit eden dislokasyon partikül etkileşimlerini kontrol ederek ulaşılacak maksimum mukavemet kontrol edilebilir. Partiküllerin hacim oranı bir alaşımda faz diyagramı ile belirlenir ve partikül boyutu ısıl işlem ile kontrol edilir. Dislokasyon partikül etkileşim parametresi (β), δ ve r’ ye bağlı olan partikül deformasyon alanlarından kuvvetli derecede etkilenir, β aynı zamanda, istif hatası enerjisi, veya düzenli çökeltilerde AFS enerjisi gibi parametrelerle kesme mekanizmasından etkilenir. Örneğin YMK malzemelerde istif hatası artan dislokasyon yoğunlukları sebebiyle olmaktadır. Daha yüksek hacim oranlarında (örneğin, f ≈ 0.5) yukarıdaki modellerin bir kısmı uygulanabilir değildir ve tüm modeller hemen hemen benzer değerlendirmeler verirler.

Yukarıdaki açıklamalar ve tartışmalar akma mukavemeti üzerine çökeltilerin etkisi ile sınırlandırılmıştır. Disperse edilmiş ikinci faz partiküllerinin aynı zamanda alaşımların deformasyon sertleşmesi hızını da etkiledikler bilinen bir gerçektir. Genelde, çökelti fazlan deformasyon sertleşmesi hızını arttırırlar.

4.Çökelme Sertleşmesinin Uygulanması

Metallerde dengeli soğuma süresinde oluşan yapılar kararlı olup belirli özelliklere sahiptirler. Denge diyagramları bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterirler. Bu durumda soğuma süresinde faz dönüşümleri zorlayıcı etki bulunmaksızın kendiliğinden tamamlanır. Ancak kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri ile sağlanan aşırı koşullar altında denge hali faz dönüşümleri kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu koşullarda elde edilecek bazı denge dışı kararlı fazlar üstün özelliklere sahip olabilirler. Bu ilkelere dayanarak endüstride çeşitli ısıl işlemler geliştirilmiştir. Çeliklere uygulanan su verme sertleşmesi ile bazı alüminyum alaşımlarına uygulanan çökelme veya yaşlanma sertleşmesi bunlara örnek olarak verilebilir.

Bir ana faz içersinde çok küçük parçacıklar halinde çökelmiş ikinci bir faz şekil değiştirmeyi çok kısıtlar, dolayısıyla sertlik ve mukavemet artar. Bu ikinci faz genellikle aşırı doymuş bir fazdan kontrollü çökeltme yöntemi ile elde edilir. Çökelme sertleşmesi üç temel aşamayı izleyen işlem gerektirir.

1. Çözeltiye alma

2. Su verme (Hızlı soğutma)

3. Yaşlandırma

1.Çözeltiye Alma: (500°C ve yaklaşık 10 saat) Alaşım önce tek fazlı yapı elde etmek amacı ile T1 sıcaklığına kadar ısıtılır. Bu sıcaklıkta β fazı tamamen çözününceye kadar tutulur. Isıtmada seçilen sıcaklık ve zaman alaşımın kompozisyonuna ve malzemenin kalınlığına bağlıdır. Fazla miktarda empürite ihtiva eden alaşımlarda sıcaklık düşük tutulabilir. Fakat düşük bir sıcaklıkta çalışıldığında tam bir homojen katı eriyik elde etmek için ısıtma müddetini arttırmak gerekir.

Alaşım söz konusu sıcaklık aralıkları dışındaki düşük bir sıcaklıkta ısıtılırsa tam bir homojenizasyon sağlanamaz. Bu durumda sertlik ve mukavemet beklenen değerden düşük çıkar. Benzer şekilde belirtilen sıcaklığın üstüne çıkılırsa malzemede tane sınırlarında sıvı faz teşekkül edecektir. Bu fazın olması sebebiyle malzeme kırılgan olur.

2. Su Verme: (1-3sn) Tı sıcaklığında yapı tamamen α’ ya dönüştükten sonra alaşım genellikle oda sıcaklığına ani soğutulur. Ani soğuma β fazının çökelmesine imkân vermez ve aşırı doymuş α katı eriyiği elde edilir.

3. Yaşlandırma: Çökelme sonucu su verilmiş yapının sertliği artar. Oda sıcaklığında yada biraz daha yüksek sıcaklıklarda sertliğin süreye bağlı olarak artmasına metalürjide yaşlanma yada çökelme sertleşmesi, bunu gerçekleştiren ısıl işleme de yaşlandırma denir. Su verilmiş numune doğal olarak oda sıcaklığında soğutulursa bu tür yaşlanmaya doğal yaşlanma denir (20°C ve 6 gün). Eğer su verilmiş parça 150-180°C arasında ısıtırsa yaşlanma prosesine hız kazandırılır ve buna suni yaşlanma denir (15 saat).


Şekil 4. Al – Cu alaşımlarında çökelme sertleşmesi.

Yaşlanma olayının en belirgin olarak görüldüğü alaşımlar Al-Cu alaşımlarıdır. Al-Cu dizgesinde % 5.7 Cu olan en yüksek çözünürlük değeri altında kalmak koşulu ile, bileşimleri % 1 Cu ile % 4.5 Cu arasında değişen bir dizi alaşım, 500° C sıcaklıkta çözündürme ısıl işlemi uygulandıktan sonra su verilip 150° C ‘de bekletilirse buna suni yaşlandırma denir. Eğer su verilmiş numune doğal olarak oda sıcaklığında bekletilirse buna tabii (doğal) yaşlandırma denir. Her iki durumda da bekleyen numunenin arttığı gözlenmiştir. Oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklarda bekletilen numunenin yaşlanma işlemi hızlanır. Ayrıca % Cu arttıkça yaşlandırma etkisi artar.

Eğer % 4 Cu bileşimli bir Al-Cu alaşımı T1 sıcaklığındaki çözündürme ısıl işleminden sonra yavaşça soğutulacak olursa Şekil 4’ de A da ki yapı oluşur.

a tane sınırlarında çökelmiş kaba b fazı çökeltileri görülür. Bu faz CuAl2 bileşiğidir; a tane sınırlarında çökelmesiyle yapıyı gerçekleştirir.

Yavaş soğuma yerine 500°C sıcaklıktan bu alaşıma su verilirse, q fazı çökelmesi için gerekli yayınma gerçekleşemez ve C deki gibi a aşırı doymuş çözeltisi oluşur. Bu aşırı doymuş çözelti oda sıcaklığında kendiliğinden, daha yukarı sıcaklılarda ise hızlandırılmış olarak aşırı doymuşluk durumundan, D’de de görüldüğü gibi,çökelim yoluyla çıkar. Su verilmiş alaşım -20°C de tutulacak olursa aşırı doymuş katı çözelti, çökelmeye yol açmadan, yarı kararlı durumunu korur.

Hem polikristal hemde tek kristali erdeki ikinci sert uyumsuz bir parçacığın varlığı akma mukavemetinde bir artış meydana getirir. Şekil 4′ de bu etkiler görülmektedir, a değerinin ince çökeltiler içeren durumda daha yüksek olduğu ve belirli bir gerilimde sabit olduğu görülmektedir.

Uyumlu çökeltiler içeren alaşımlar ve uyumsuz çökeltiler içeren alaşımların arasındaki fark bu iki durumdaki parçacık – dislokasyon etkisindeki değişiklikten kaynaklanır. Eğer alaşım ince bir şekilde dağılmış tamamen uyumlu parçacıklar içeriyorsa kayma dislokasyonlan parçacığı geçebilir ve kesebilir. Böylece deformasyon saf metallerdeki gibi olur. Eğer çökeltiler sert ve uyumsuz ise dislokasyonlar sadece bazı halkalar bırakarak geçebilir. Böylece çok hızlı sertleşme dislokasyon yoğunluğunun artış hızına bağlı olarak deformasyonun başlamasıyla görülebilir.


Şekil 5. Sertleştirilmiş Al-Cu alaşımında farklı şekilde dağılan CuAl2‘ nin akma mukavemeti eğrileri.

Dislokasyon hareketini engelleyen her şey malzemenin mukavemetini arttırır. Tane içindeki ince çökeltiler genellikle matriksden daha sert oldukları için deformasyon sırasında dislokasyon hareketine birer engel teşkil ederler. Çökeltiler arasında kalan dislokasyon parçası şekil 1′ de görüldüğü gibi çökelti partiküllerini aşmak için uygulanan gerilime bağlı olarak hareket ederek çökelti partiküllerinin çevresini sarar. Dislokasyonlar her yönde hareket ettiğinde çökelti etrafındaki halka sayısı o nispette artar ve çökelti partikülleri çevresinde adeta bir dislokasyon yumağı oluşur. Böylece malzemenin dislokasyon yoğunluğu artar.

Al alaşımlarında (örneğin Al-Cu) çökelme prosesi birkaç evrede gerçekleşir. İlk olarak Guinier-Preston (GP) zonları oluşur, daha sonra q’’®  q’ ® q oluşur.

GP Zonları: TEM ile görülür. 80 A°çapındadır. 3-6 A°kalınlığında disk şekilli zonlardır.

q” Çökeltisi:Isıtma ile GP zonları çözünmeye başlar ve II. çökelti θ” oluşmaya başlar.

a = b = 4.0 A°ve c = 7.8 A° latis boyutlarına sahiptir.

q’Çökeltisi:Optik mikroskopta gözlenebilecek belki de ilk çökeltidir. Boyutu = 1000 A°civarıdır. a = b = 4.04 A°ve c = 5.8 A° latis boyutlarına sahiptir.

q Çökeltisi:Denge çökeltisi, a = 6.06 A°ve c = 4.87 A° latis boyutlarına sahiptir.


Şekil 6. a) Çözeltiye alınmış Al-Cu atomik yapısı, b) θ” geçiş çökelti fazı, c) Dengesel çökeltinin oluşması (aşırı yaşlanma).


Şekil 7 Al-Cu alaşımının yaşlanma sırasında farklı evrelerdeki mikroyapıları a) GP zonları (X720000). b) Q” X63000. c) Q’ X18000. d)Q X8000.


Şekil 8 X2NiCoMoTi 18 12 4 çeliğinin çeşitli yaşlandırma sıcaklığı için yaşlandırma süresine karşılık sertliğinin değişimi. Örnekler yaşlandırılmadan önce 1 saat 820°C ’de ısıtılmış ve soğutulmuştur.

Maraging çeliklerinin ısıl işleminde dekarbürizasyon sorunu yaşanmaz. Bu çeliklerde oluşan martensit çok düşük karbonludur. Bu yapı işlenebilirlik ve %80-90 ‘dan fazla bir orana kadar haddelenebilirlik açısından yeterince yumuşaktır. Sıcak deformasyon da mümkündür. Ayrıca martensitin yaşlandırma işleminde çok az boyutsal değişime uğrarlar. Bu nedenle yaşlandırma öncesinde son şekle işlenmesi bir sorun yaratmaz.

5. Çökelme Sertleşmesi Oluşum Şartları:

1)      Sistem kanabilirlik aralığı içermeli

2)      Alaşım denge diyagramı solvüs eğrisi içermeli

3)      Yüksek sıcaklıkta yüksek, düşük sıcaklıkta düşük çözünürlük olmalı

4)      Çözen ve çözünenin atom çapları yakın olmalı

5)      Çözen ve çözünenin kristal sistemleri benzer olmalı

İlk iki şart mutlaka olmalıdır. Diğer şartlar çökelme sertleşmesinin etkisini arttırır.

6. Çökelme İle Sertleştirilebilen Temel Alaşımlar

Çökelme sertleşmesi yöntemi genellikle demir dışı(magnezyum-titanyum alaşımları)ve yüksek mukavemetli çelikleri sertleştirmek için uygulanır. Ayrıca motorların sıcak bölümlerinde kullanılabilen nikel esaslı süper alaşımlar da bu yolla üretilir.

Çökelme Sertleşmesi Görülen Al Alaşımları:

1)Al-Mn                 3)Al-Cu                    5)Al-Mg-Si           7)Al-Zn-Mg-Cu

2)Al-Mg                4)Al-Cu-Mg              6)Al-Zn-Mg

Çökelme Sertleşmesi Görülen Cu Alaşımları:

1)Cu-Be

2)Cu-Co

Çökelme Sertleşmesi Görülen  Fe  Alaşımları:

1)Fe-C

2)Fe-N

Çökelme  Sertleşmesi Görülen Ni  Alaşımları:

1)Ni-Cr-Ti-Al

6.1. Paslanmaz Çelikler

Normalde 300 serisine ait paslanmaz çelikler ısıl işlem görmez ve korozyon direnci düşüktür fakat 400 serisinin C içeriği fazladır ve çevreye daha fazla direnç gösterir. Al, Mg, Ni ve Fe esaslı yüksek korozyon dirençli alaşımlar genelde çökelme ile sertleştirilebilen alaşımlardır. Mukavemete duyulan gereksinim, çökelme ile sertleştirilebilen düşük C li martenzit matrisli alaşımların geliştirilmesini sağlamıştır. Bu tür alaşımlar üçe ayrılırlar.

Çökelme ile sertleştirilebilen yarı-östenitik paslanmaz çelikler

Çökelme ile sertleştirilebilen martenzitik paslanmaz çelikler

Çökelme ile sertleştirilebilen östenitik paslanmaz çelikler

6.2.Maraging Çelikleri

%18 Ni maraging çeliği ısıl işlemi, genellikle 815-820 °C’de çözeltiye alma işleminin ardından, oda sıcaklığına kadar havada soğutma ve tekrar 482 °C’de 3 saat yaşlandırma işlemini takiben havada soğutma olarak yapılır. Isıl işlemleri basittir ve ısıl işlem sırasın­da boyutları açısından kararlılık gösterirler. Sonuçta el­de edilen martensitik yapı, diğer çeliklerde olduğu gibi, tetragonal kristal yapısında değil, hacim merkezli kü­bik (HMK) kristal yapısındadır. Bu kristal yapı, çok dü­şük karbon ve yüksek nikel miktarı içerdiğinden, sertliği düşük (28 Rockwell) ve tok özelliktedir. Yaşlandırma işleminden önce kolaylıkla işlenerek, işleme maliyeti, en aza indirgenmektedir. Yaşlandırma işlemi sonrası, martensit bünyede en önemli ana çökelti Nİ3Mo bile­şiğidir. Bunun yanı sıra, FeTi gibi sertleştirici çökelti fazları da yapıda yer alırlar. Bu bileşikler, çok küçük taneler halinde malzeme içi devamsızlıklara çökelirler ve dışarıdan gelen kuvvetlere karşı kristal düzlemle­rin kaymasını engelleyerek, malzeme direncini çok yüksek düzeylere çıkarırlar.

Maraging çeliklerinin geleneksel ısıl işlemi basittir. Solüsyona alma işlemi yaklaşık 820 °C sıcaklıkta 1.3 mm kalınlık için 0.25-0.5 saat süre bekletme ile sağlanır. Ağır kesitlerde tamamıyla ostenite dönüşmenin sağlanması için her 25 mm için 1 saat bekletilmesi gerekir. Ardından havada yapılan oda sıcaklığına soğutma ile yumuşak fakat yoğun dislokasyonlu, dilimli FeNi martensiti elde edilir. Yüksek nikel içeriği Ms(martenzit dönüşümünün başladığı sıcaklık) sıcaklığını yaklaşık 150 °C ‘ye düşürür. Bu aşamada akma gerilmesi 690 N/mm23Mo ve Ni3Ti veya Ni3(Mo,Ti) intermetalik fazların ince dağılımları oluşurlar.Alaşım elementlerinin diffuzyonuna yüksek dislokasyon yoğunluğunun etkisi ile çökelme artar. Martensitin yaşlandırılmış (maraged) koşulundaki final sertliği 52 Rc civarındadır.

Şekil 9 %0,01C, %18,9 Ni, %8,3 Co,%4,6 Mo, %0,41 Ti, %0,15 Al  (Tavlanmış)

Fe19,5Ni5Mn Çeliğine Ait Mikroyapı Resimleri:


Şekil 10. Tavlanmış(yaşlandırmadan önce).


Şekil 11. 300 °C ‘de 1000 saat  Yaşlandırılmış.


Şekil 12. 500 °C ‘de 10 saat  Yaşlandırılmış.

Yukarıda açıklanan ısıl işlem prosesinde önemli yaşlandırma sertleştiricisi molibden ve titanyumdur. Molibden, tokluğu düşüren zararlı tane sınırı çökelmesini önleme eğilimindeki, ortorombik Ni3Mo oluşturur. Titanyum Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), veya Ni3(Mo,Ti) oluşturur ve ilave sertleşme sağlar. Titanyum ayrıca Ti(C,N) çökelti partikülleri oluşturarak kalıntı karbon ve azotun giderilmesine yardım eder. İntermetalik çökelti partiküllerinin boyut aralığı 100-500 A’dır ve uniform biçimdedir. Nikel; yaşlandırma sertleşmesi sırasında intermetalik biçimde karbonsuz martensit matriksi oluşturur.


Şekil 13. %18.5-20.1 Ni içeren Maraging çeliklerinin maksimum sertliklerine Mo ve Mo + %7Co ‘ın etkisi.

18 Ni içeren  maraging çeliğinin yaşlandırılmasında hızlı sertleşme 482 °C’de olur. Bu koşulda, hem çökelme için çok sayıda çekirdeklenme yeri ve hem de hızlı difüzyon kinetiği sağlanması ile çok yüksek hatalı martensit matriks oluşur. Artan yaşlanma süresi ve/veya çok yüksek sıcaklık ile sertlik doruk noktasına ulaştıktan sonra düşer. Bu sertlik düşüşü genellikle çökelti partiküllerinin irileşmesi ve ostenit oluşumu ile ilişkilidir.

6.3. Alüminyum Alaşımları

Alüminyum – Bakır Alaşımları:

Dur alüminyum olarak adlandırılan alaşımlar bu grup içerisinde değerlendirilir. %2-6 oranında bakır içeren bu alaşım en yaygın kullanılan alüminyum alaşımıdır. Korozyona karşı direnci, diğer alaşım gruplarına göre düşüktür. Kaynak kabiliyeti ise sınırlıdır.

Alüminyum – Silisyum Alaşımları

Silisyum ihtiva eden alaşımlar, yüksek akışkanlıkları sebebiyle, iyi döküm özelliklerine sahiptirler ve bu sebepten ötürü dizayn bakımından karışık olan parçaların dökümünde kullanılabilirler. Bu alaşımların mukavemetleri atmosfer etkilerine karşı da yüksek olduğundan, mimari ve dekoratif dökümler imalinde büyük değer taşırlar. % 5 silisyum alaşımlar daha ziyade dekoratif gayeler için kullanılır. Bu alaşımların çekme mukavemeti ve emniyet gerilmesi, alüminyum – bakır alaşımlarına kıyasla daha düşük olduğu halde süneklik ve darbeye karşı mukavemetleri daha yüksektir. % 10 ila 13 nispetinde silisyum ihtiva eden alaşımlarında geniş ölçüde kullanılma sahası mevcuttur Alaşım, özel bir döküm tekniği uygulanmadan döküldüğü takdirde gevrek ( kırılgan ) ve iri kristalli bir yapıya sahip olur. Fakat küçük miktarlarda (%0,05 mertebesinde) metalik sodyum veya kalsiyum ilavesiyle yüksek mukavemet, süneklik ve ince kristalli yapıya sahip dökümler elde edilebilir. Bu işlem “ modification ” olarak adlandırılır. Yüksek silisyumlu dökümler içten yanmalı motorlarda, vites kutularında, silindir ve karterlerde ve nikel gibi metallerin ilavesiyle de piston imalinde kullanılır.

Alüminyum – Magnezyum Alaşımları

Bu guruptaki alaşımların deniz suyu etkilerine karşı yüksek direnç gösterirler, çekme mukavemetleri yüksektir, süneklik ve işlenebilme özellikleri çok iyidir. Bununla beraber bu alaşımlar bu alaşımlar nispeten güç dökülürler ve döküm esnasında oksidasyonu önlemek için özel bir işlemin tatbikini gerektirirler. % 10 nispetinde magnezyum ihtiva bir alaşımı, ısıl işlemin tatbikinden sonra, bütün alüminyum döküm alaşımları içinde çekme mukavemeti, uzama ve darbeye karşı mukavemet bakımından en yüksek özelliğe sahiptir.

Alüminyum-Silisyum-Magnezyum Alaşımları:

İç yapısında %1.3’e kadar silisyum ve magnezyum eşit olarak bulunur. Az miktarda bakır, krom ya da kurşun yaşlandırma durumunda korozyon direncini ve dayanımını arttırmak amacıyla ilave edilir. Vida, makine parçaları, mobilya ve köprü taşıma elemanları üretiminde kullanılır.

Alüminyum – Çinko – Bakır – Silisyum Alaşımları

İkili Al – Zn alaşımları sıcak gevreklik özelliğinden dolayı pek kullanılmazlar. Ancak Cu ile birlikte kullanılırlar. Sıcak gevreklik ve yüksek katılaşma çekmesinden dolayı, pres dökümler için uygun değildir. Orta derecede dayanç ve esnemezlik özelliği gerektiren üretimlerde kullanılır. Yeni gelişmiş alaşımların bileşiminde Si’ de vardır. Bunlar elektrik aygıtları, taşıt parçaları ve aygıt kutularında kullanılır.

2xxx Serisi Alaşımlar:

Bu seri alaşımlarının birçoğuna bakırın yanında magnezyum ve düşük miktarlarda diğer elementler eklenir. 2xxx serisi alaşımları birim ağırlık dayanımının yüksek olması gereken uçak sanayi gibi alanlarda kullanılır. Bu alaşımlar katı eriyik mukavetlenmesi ve çökelti sertleşmesiyle dayanım kazanırlar. Endüstriyel uygulama alanı bulabilmiş en önemli alaşım 2024 alaşımıdır. 2024-T6 alaşımı %4,5 bakır, %1,5 magnezyum ve %0,6 mangan bulundurur ve çekme dayanımı 442 MPa‘dır.

6xxx Serisi Alaşımları:

Mg2Si intermetalik bileşikleri, çökelti sertleştirilmesi ile dayanım artışı sağlar. En yaygın kullanılan alaşım 6061 alaşımıdır ve bu alaşım %1,0 magnezyum, %0,6 silisyum, %0,3 bakır içerir. 6061-T6 alaşımının çekme mukavemeti 290 MPa’dır. Bu seri, otomotiv sektöründe genel amaçlı yapı elemanı olarak kullanılır.

7xxx Serisi Alaşımlar:

Temel çökeltiler MgZn2 intermetalik bileşiğinden oluşur. Çinkonun ve magnezyumun

alüminyum içersinde yüksek çözünebilirliği yüksek yoğunluklu çökeltilerin oluşmasını, bu da dayanımın oldukça yükselmesini sağlar. Bu serinin en önemli alaşımı 7075’tir ve bu alaşım %5,6 çinko, %2,5 magnezyum, &1,6 bakır ve %0,25 krom ihtiva eder. 7075-T6 alaşımının çekme dayanımı 504 MPa’dır. Bu seri yüksek dayanımın gerekli olduğu yerlerde kullanılır.

6.4 Bakır Alaşımları:

Bakır Berilyum Alaşımları

Bakır Berilyum (Cu-Be) alaşımları yüksek dayanım, iyi elektriksel ve ısıl iletkenlik özellikleri nedeniyle yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu alaşımlar iki ana grupta değerlendirilmektedir. Bu gruplar; % 1.6-2.0 arasında berilyum ve % 0.3 kobalt içeren grup olan yüksek dayanım grubuyla, % 0.2-0.7 berilyum ile yüksek oranda nikel ve kobalt içeren yüksek iletim grubudur. Bunlar, iyi yorulma dayanımları nedeniyle tekrarlı yüklemeye maruz bırakılarak açma-kapama işleminin gerçekleştirildiği elektronik parçalarda kullanılırlar. Manyetik olmayışları ve kıvılcım çıkarmamaları nedeniyle sensör elemanı ve takım malzemesi olarak kullanışlıdır. Elastik özellikleri yay davranışı açısından iyidir. Korozyon ve oksidasyona dirençleri, bu alaşımların diğer avantajlı yönleridir. Bu alaşımlarda, yaşlandırma veya çökelme sertleştirmesi mekanizmasıyla yüksek dayanımlar elde edilmektedir.

6.5 Nikel Alaşımları

Bu alaşımlar Ni3(Al,Ti) γ’ fazı çökeltilmek için Al ve Ti un çökelmesi ile sertleştirilen bir Ni-Cr katı çözeltileridirler.γ’ fazı= YMK dır Ni matriksi ile (γ fazı) uyumludur. Uyumlu sınır enerjisi sadece 13-14 erg/cm2dırKabalaşmaya karşı direnç gösterirler, motorların sıcak bölgelerinde kullanılırlar. Uyumlu çökelti-matriks sınrı çok düşük γ değerine sahip ve bu kabalaşma hızını düşürür.

6.6 . Diğer Alaşımlar

Diğer mekanizmalardan dolayı ısıl işlem ile ana mukavemet kazanımı karakterine sahip alaşımlarda bile bir miktar da olsa çökelme sertleşmesi mekanizması olmaktadır. Örneğin, temperlenmiş çeliklerde, ana mukavemet artışı martensit oluşumuna ilave olarak ek olarak karbürlerin çökelmesinden dolayı bir mukavemet artışı vardır. Aynı zamanda, akma mukavemeti 300-552 MPa olan bazı spesifik sıcak haddelenmiş düşük alaşımlı çeliklerde karbür çökelmesinden dolayı mukavemet artışı söz konusudur. Ancak birçok ısıl işlem uygulanabilir alaşımda, ısıl işlem katkısı ile beraber ana mukavemet artışı çökelme sertleşmesi prensibine dayanmaktadır. Üç temel metalin (Al. Ti ve Cu) önemli ticari alaşımlarının bir kısmının örnekleri Tablo da verilmektedir. Tabloda ayni zamanda mukavemet artış mekanizmasının akma mukavemeti ve çekme mukavemetine faydalı etkisi ve sünekliği azaltıcı etkisi de gösterilmektedir. Ni esaslı süper alaşımlara örnek olarak Inkonel 718 alaşımı da Tabloda verilmiştir..Bu sınıf alaşımlarda optimum özellikleri yakalamak için ikili veya üçlü yaşlandırma prosesleri gerçekleştirilir. Yaşlanma işlemlerinin herhangi birinden sonra sıcak işlem ile ilave mukavemet artışı da sağlanabilmektedir. Tabloda ilave olarak iki türlü çelikteki yaşlanmada ortaya çıkan özellikler de sergilenmiştir. Bu çelikler, geleneksel ısıl işlemlerle arttırılan özellikleri yanında çok önemli bir mukavemet artışını da çökelme sertleşmesinden sağlarlar. Her iki çelikle de çökelme martensit faz dönüşümünden sonra meydana gelmektedir.

Tablo: Yaşlanma işleminin etkisini de gösteren birtakım yaşlanma ile sertleştirilebilen alaşımlarda mekanik özellikler.

7. Çökelme Sertleşmesi Görmüş Malzemelerin Sanayideki Uygulama Alanları

  1. Çökelme reaksiyonuna ilgi, mukavemet artışı mekanizmasından dolayı malzemeciler için yararlı olmasından ileri gelmektedir.

  2. Havacılık sektöründe hafif ve yüksek mukavemet / ağırlık oranına sahip alüminyum alaşımlarının kullanımını mümkün kılan, önemli bir yöntem haline gelmiştir.

  3. Sanayide çok kullanılan dur alüminyum da bu yöntemle üretilmektedir.

  4. Çok yüksek mukavemetli çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Ayrıca yüksek mukavemet istenen pek çok alaşım ısıl-işlem uygulanarak bu yöntemle sertleştirilebilir. Çökelme sertleşmesi düşük ve nispeten yüksek sıcaklıklar için malzeme üretir.

  5. Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bölgeleri için süper alaşımların çökelme ile sertleştirilen türleri kullanılır.


Kaynaklar:

  1. William D. Callister, “Materials Science and Engineering”, Utah University Pres 1990

  2. ONARAN, K., “Malzeme Bilimi”, Bilim Teknik Yayınevi, 1995

  3. Higgins, R.A. ,”Engineering MetaLlurgy 1. Applied Physical Metallurgy”

  4. YILMAZ, F., ŞEN, U., Alaşımların Yapı ve Özellikleri, Sakarya Üniversitesi, 1996

  5. AKBULUT,H., “Faz Dönüşümleri” Ders Notları 2009

  6. KOÇAK,H., Takım Çelikleri El Kitabı Eylül 2006

  7. www.erhanozkan.com/faydalı%20şeyler/paslanmaz-maraging.ppt

  8. http://www.teknolojik.tc/nikel-maraging-celikleri/

  9. http://www.itusozluk.com/goster.php/%E7%F6kelme+sertle%FEmesi

  10. http://sozluk.sourtimes.org/show.asp?t=kati%20eriyik

  11. http://www.tezproje.8m.com/erdinc_tekci1/Aluminyum%20Alasimlarinin%20Genel%20Ozellikleri.htm

Eyüp YAYLACI