Demirin Kristal Yapıları

Demirin Kristal Yapıları
1535˚C
SIVI
FERRİT (delta)
1390˚C
OSTENİT (gamma)
OSTENİT
Kübik Yüzey Merkezli (KYM)
910˚C
FERRİT (alpha)
FERRİT
Kübik Hacim Merkezli (KHM)
Kübik hacim merkezli (KHM), Kübik yüzey
merkezli (KYM) ve Hacim merkezli
tetragonal (HMT) kristal yapıları
(Fe-Fe3C) Faz Diyagramı
Sementit (Fe3C) bileşiği, ağırlık olarak %
6.67 oranında karbon içerir.
Bu bileşiğin meydana gelmesi durumunda
demir-karbon sisteminde Fe-Fe3C diyagramı
geçerli olur.
Diyagram: Peritektik, Ötektik, Ötektoid
noktalarını içermektedir.
Karbon oranı % 0.8’den az olan çeliklere
ötektoid altı çelikler, % 0.8 olan çeliklere
ötektoid çelikler, % 0.8 den fazla olanlara da
ötektoid üstü çelikler denir.
Demir-Sementit Sistemindeki Faz Dönüşümleri
a ) Peritektik dönüşüm : ( S + δ
γ ) : Bu
dönüşüm % 0.18 C içeren alaşımsız çelikte 1492 °C
sıcaklıkta meydana gelir.
b ) Ötektik dönüşüm : ( S
γ + FeзC ) : Bu
dönüşüm % 4.3 C içeren Fe-C alaşımında 1130 °C
sıcaklıkta meydana gelir.
c ) Ötektoid dönüşüm ( γ
α + FeзC ) : % 0.80
C içeren çelikte 723 °C sıcaklıkta meydana gelir.
Fe- Fe3C Faz Diyagramındaki Fazlar:
Ferrit(a): HMK yapılı demir içerisinde çok
az orandaki karbonun çözünmesiyle oluşan
bir arayer katı çözeltisidir.
Bu faz içerisinde, 723 °C sıcaklıkta % 0.025
oranında karbon çözünürken, bu oran oda
sıcaklığında % 0.008 değerine düşmektedir.
Ferrit, Fe-C sistemindeki en yumuşak fazdır
ve sertliği 90 RB civarındadır.
Çekme mukavemeti 270 MPa, kopma
uzaması % 40 civarındadır.
Ostenit (g) : Karbonun YMK yapılı g-demiri
içerisinde çözünmesiyle oluşan bir arayer
katı çözeltisidir.
Bu faz, 1147°C sıcaklıkta, % 2 oranında
karbon çözündürür.
Çekme mukavemeti 1030 MPa, kopma
uzaması % 10 ve sertliği 40 RC civarında
olan ostenitin tokluğu oldukça yüksektir.
Normal olarak oda sıcaklığında kararsız
bir faz olmasına karşın, bazı özel
durumlarda oda sıcaklığında da ostenit
elde edilebilir.
Sementit (Fe3C) : Sert ve gevrek bir arayer
bileşiği olan Sementit (demir karbür), %
6.67 ağırlık oranında karbon içerir.
Düşük çekme mukavemetine (35 MPa) ve
nispeten yüksek basma mukavemetine sahiptir.
Fe-C diyagramındaki en sert faz olup, ortorombik
kristal yapıya sahiptir.
Perlit (α + FeзC) : % 0.8 C içeren çeliğin,
ostenit bölgesinden yavaş soğutulması
sırasında 723 °C sıcaklıkta meydana gelen
ötektoid dönüşüm sonucunda oluşan bir
yapıdır.
Perlit, ferrit ve sementit lamellerinden
oluşur. Yapıda, beyaz renkli kısım ferrit
matrisi, koyu renkli lameller ise sementit
fazını gösterir.
Ledeburit : Sementit (Fe3C) ve ostenit (g)
tanelerinden oluşan ve % 4.3 oranında
karbon içeren ötektik karışımdır.
Dönüşmüş Ledeburit : Ötektoid sıcaklığın
(723 °C) altındaki ledeburit demektir.
Bu durumda yapıdaki ostenit taneleri perlite
dönüşmüş durumda bulunur.
Çeliklerde Soğuma Sırasında Oluşan İç
Yapılar
Yukarıdaki şekilden görüldüğü gibi, % 0.3 C içeren
çelik A noktasında % 0.3 C oranına sahip ostenit
(γ) tanelerinden oluşur.
B noktasında karbon atomları yayınarak
uzaklaşmaya başlar ve demir atomlarının YMK
yapıdan HMK yapıya geçmeleri sonucunda,
çoğunlukla ostenit tanelerinin sınırlarında karbon
oranı düşük olan ferrit (α) taneleri oluşmaya başlar.
C noktasında ferrit taneleri çoğalır ve yapıdaki
ostenit fazının karbon oranı artarak % 0.8 değerine
ulaşır.
D noktasında, ostenit taneleri tamamen perlite
dönüşmüş durumda bulunur.
E noktasına kadar soğutulan çelikte önemli bir faz
dönüşümü meydana gelmediğinden, iç yapı D
noktasındaki yapının aynısı olur.
% 0.8 C içeren çeliğin F noktasındaki yapısı, % 0.8
C içeren ostenit tanelerinden oluşur.
Bu yapı da, G noktasında perlitik yapıya dönüşür.
Bu dönüşümde, karbon atomları tane sınırlarından
başlayıp, içeri doğru büyüyen sementit lamellerini
oluşturacak şekilde biraraya gelir.
Lamellerin aralarında karbonca fakir ferrit bölgeleri
kalır.
H noktasındaki yapı G noktasındaki yapının aynısı
olur.
% 1.20 C içeren çelik İ noktasında ostenit
tanelerinden oluşur.
J noktasında C atomlarının tane sınırlarına yayınması
ile bu noktalarda sementit çökelmeye başlar.
K noktasında, soğuma sırasında sürekli artan
sementit bütün tane sınırlarını kaplar ve ayrıca
ostenit içinde çözünen C oranı da sürekli azalarak bu
noktada % 0,8 değerine düşer.
L noktasında ise, arta kalan ostenit fazı tamamen
perlitik yapıya dönüşmüş durumdadır.
M noktasındaki yapı, L noktasındaki yapının aynısı
olur. Bu yapıda bulunan ötektoid dışı sementitin
oranı perlitin oranından çok düşüktür, ancak bu
fazın sürekli bir ağ oluşturması çeliği sert ve gevrek
yapmaktadır.
Çeliklerle ilgili faz analizleri:
Fe, karbonla metallerarası bileşik (sementit) yapar.
Karbonun atom ağırlığı 12
Demirin atom ağırlığı 56 olduğuna göre;
Ağırlık olarak sementit içerisinde,
12
 100  % 6 . 67
3  56  12
C
bulunur.
Çok yavaş soğuma şartlarında Fe ’in C ’la bileşik yapması
önlenerek Fe-C (grafit) denge diyagramı elde edilir.
Aksi takdirde, Fe-Fe
Fe3C (yarı dengeli) faz diyagramı elde
edilir.
a) % 0.5 C içeren alaşımsız çeliğin, oda sıcaklığında
iç yapısında bulunan fazların oranlarının bulunması
A
B
C
0
0.5
0.8
Ferrit (α
(α)
Kaldıraç kuralına göre;
Ferrit oranı= % 0.3 / 0.8 * 100 = % 37.5
Perlit oranı= % 0.5 / 0.8 * 100 =% 62.5
Perlit (α
(α+Fe3C)
b) % 1.2 C içeren çeliğin oda sıcaklığında, iç
yapısında bulunan fazların oranlarının belirlenmesi
C
0,8
D
1,2
Perlit
Perlit oranı = % 5.5 / 5.9 * 100 =
% 93.2
Sementit oranı = % 0.4/ 5.9* 100
= % 6.8
E
6,7
Sementit
c) % 0.4C, % 0.8 C ve % 1.2 C içeren çelikler
ile % 3.0 C ve % 4.3 C içeren Fe-C
alaşımlarının soğuma eğrileri
Pr. 1. Oda sıcaklığında ötektoit çeliğin yapısındaki
ferrit ve sementit fazlarının oranlarını bulunuz.
a .______.____________.S
0
0.8
6.67
Buradaki ferrit ve sementit, ötektoit dönüşümde oluşan
fazlardır (birincil ferrit ve birincil sementit).
% ferrit 
6.7  0.8
6 .7
% sementit 
0 .8
6.7
 100  %88
ferrit
 100  %12 sementit
veya
100  88  %12
sementit
bulunur.
% perlitmiktarı ?
%100 perlit
var dıı .
Ötektoitaltı (Hypoeutectoid) çeliğin
mikroyapısı
A1 - A 3 Sıcaklık aralığında
Ferrite
+
Ostenit
(beyaz)
(sarı)
A1sıcaklığının altında
Ferrite
+
perlit
(beyaz)
(lacivert)
Pr. 2. %0.3 C içeren Fe-C alaşımının yapısında
bulunan fazları ve oranlarını bulunuz.
F._____.____________.P
0
0.3
0.8
%0.8’den daha az karbon içerdiğinden ötektoit altı bir
çeliktir. Yapısında ferrit ve perlit fazları bulunur.
Buradaki ferrit ötektoit öncesi veya perlit dışı ferrittir.
0.8  0.3
% ferrit 
100  %62.5
ferrit,
0 .8
%100  %62.5  %37.5
perlit bulunur.
(% perlit 
0 .3
100  %37.5
0 .8
perlit )
Pr. 3. Oda sıcaklığında yapısında %80 ferrit bulunan
ötektoitaltı çeliğin karbon bileşimini bulunuz.
F.____.___________.P
0
χ
0.8
Yapı %80 ferrit ve %20 perlitten oluşmaktadır.
Buradaki ferrit, ötektoit dışı (ötektoit öncesi) ferrittir.
0.8 
% ferrit %80
100 0.16 C' lu çelik
0.8
Pr. 4. Oda sıcaklığında, yapısında toplam %80
ferrit bulunan çeliğin karbon bileşimini bulunuz.
F.____.__________.S
0
χ
6.7
%80 ferrit ise, kalan %20 sementittir.
Buradaki toplam ferritten, perlitin içindeki ve
dışındaki ferritlerin toplamı anlaşılmalıdır.

0.20 
   %1.34 karbon bulunan
6.7
ötektoitüstü birçeliktir
Ötektoit Üstü Çeliğin Mikroyapısı
Perlit
Tane
sınırlarında
birinci
sementit
( Fe3C )
%1.4 C’lu
Ötektoit üstü
Çelik
Pr. 5. %0.16 C içeren çeliğin yapısında bulunan ferrit,
perlit, sementit ve toplam ferrit miktarları ile perlit içinde
bulunan ferrit (ötektoit dönüşüm) miktarını bulunuz.
F.____._______.P
F.____.________.S
a) 0
0.16
0.8 b) 0
0.16
6.7
0 . 8  0 . 16
 100  % 80 ferrit ( ö .ö .)
0 .8
Geriye kalan % 20 perlittir .
% ferrit 
0 . 16
% sementit 
 100  % 2 . 4 sementit
6 .7
% 100  % 2 . 4  % 97 . 6 toplam ferrit
Toplam ferrit  ferrit ( ö .ö .)  97 . 6  80  % 17 . 6
perlit içindeki ferrit ( ö .d .)
Pr. 6. %1.34 C içeren çeliğin, oda sıcaklığında mikro yapısındaki
perlit, sementit, ferrit ve toplam sementit ile Ö.Ö. oluşan sementit
(1.sem., pro-ötektoit sem.) fazlarının oranlarını bulunuz.
a) P.____.______.S
0.8
1.34
6.7
b) F.____.________.S
0
1.34
6.7
6 .7  1 .34
% perlit 
 100  % 91 perlit
6 .7  0 .8
% 100  % 91  % 9 sementit ötektoit öncesi 
6 .7  1 .34
Toplam ferrit 
 100  % 80 ferrit
6 .7
Bu ferrit ayn ı zamanda perlit içindeki ferrittir .
% 100  % 80  % 20 toplam sem . ( perlit içi ve dıış )
% 20  % 9  % 11 perlit içi ( ö.d .) sementitti r .
Ötektoit Üstü Çeliklerdeki Dönüşümler
Yavaş
soğumada,
tane sınırlarında
birincil veya
ötektoit
öncesi Fe3C,
daha sonra da
A1’in altında
perlit oluşur.
ÇELİKLERİN SINIFLANDIRILMASI
İçerdiği alaşım elementlerine göre;
1. Alaşımsız (karbon) çelikler,
2. Alaşımlı çelikler,
2.1. Düşük (alçak) alaşımlı çelikler (%5’den az),
2.2. Yüksek alaşımlı çelikler (%5’den fazla).
İçerdiği karbon miktarına göre;
1. Düşük (az) karbonlu çelikler (%0.2’ye kadar C),
2. Orta karbonlu çelikler (%0.35 - %0.55 C),
3. Yüksek karbonlu çelikler (%0.55’den fazla C).
Mikro yapısına göre;
1. Ötektoit altı çelikler (%0.8’den az C),
2. Ötektoit çelikler (%0.8 C),
3. Ötektoit üstü çelikler (%0.8’den fazla C)
ÇELİK TÜRLERİ
(Kullanım alanlarına göre çelikler)
1.
Genel Yapım çelikleri
Minimum çekme mukavemetlerine göre adlandırılırlar. Genellikle
ısıl işlem için öngörülmezler, karbon içerikleri %0.25’den az olan
çeliklerdir. Kaynak için uygundurlar, örneğin, derin çekme ve
karasori yapımında kullanılırlar.
2. Makine Yapım Çelikleri
Mukavemet değerleri ile birlikte, tokluğun da yüksek olması
istenen durumlarda kullanılan ıslah edilmiş çeliklerdir. Karbon
miktarı %0.35 va daha az olan alaşımsız ve az alaşımlı çelikler
suda, diğerleri yağda sertleştirilir.
3.
Sementasyon Çelikleri
Alaşımlı veya alaşımsız olabilirler. Genellikle %0.2 veya daha
az karbon içerirler.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam)
4. Nitrürasyon Çelikleri
Nitrür oluşturucu alaşım elementlerini içeren çeliklerdir.
5. Otomat Çelikleri
Kısa ve kırılgan talaş vererek, yüksek kesme hızlarıyla
işlenebilen ve bu sırada yüzeyi düzgün kalan çeliklerdir.
6. Civata ve somun çelikleri
Civata ve somun imalatında kullanılan çeliklerdir.
7. Kazan Çelikleri
Sıcaklığa dayanıklı ve kaynak kabiliyeti iyi olan
çeliklerdir. En çok 500 oC’ a kadar yeterli sürünme,
yaşlanma ve tufal dayanıklılığı gösterirler.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam)
8. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Çelikler
Genellikle 500 oC’ in üzerindeki işletme şartlarında, örneğin buhar
ve gaz türbinleri, tepkili motorlar, fırınlar vb. yerlerde kullanılan
çeliklerdir.
9. Paslanmaz Çelikler
Yüksek krom içeriklerinden dolayı (%12’den fazla), özellikle
oksitleyici ortamların korozyon etkisine dayanıklı çeliklerdir.
Ferritik, ostenitik ve martenzitik olan türleri vardır.
10. Süpap Çelikleri
İçten yanmalı motorların emme süpapları için C45, 37MnSi5 vb.
gibi makine yapım çelikleri genellikle yeterlidir. Egzost süpapları
için yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklı çelikler gerekir.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam)
11. Rulmanlı Yatak Çelikleri
Yüksek yüzey basıncına ve aşınmaya dayanıklı, ötektoit üstü
kromlu çeliklerdir.
12. Yay Çelikleri
Yüksek elastiklik veya akma sınırına ve aynı zamanda sarılabilecek
kadar plastik şekil değiştirme kabiliyetine sahip çeliklerdir.
13. Takım çelikleri
Talaşlı imalatta (eğeleme, tornalama, frezeleme vb.) ya da talaşsız
şekillendirmede (soğuk veya sıcak çekme, haddeleme, zımbalama,
dövme, derin çekme vb.) kullanılan takımların yapıldığı çeliklerdir.
ÇELİK TÜRLERİ (Devam)
14. Elektrik Makinaları İçin Çelikler
Elektrik makinaları yapımında kullanılan manyetik çeliklerde yüksek
geçirgenlik ve mümkün olduğu kadar az histerisiz kayıbı istenir. Bu
özellikler, karbon miktarının azaltılıp, silisyum miktarını artırmakla
elde edilir (dinamo ve transformator sacları-silisli saclar).
15. Dökme Çelikler
Herhangi bir çelik, ergitilip bir kalıba dökülerek son şeklini aldığı
takdirde dökme veya döküm çelik adını alır.
DÖKME DEMİRLER
Yüksek karbon miktarı (%2 - 4) dolayısıyla, sıvı
durumda akıcılıkları yüksek olduğu için döküme
çok elverişli demir alaşımlarıdır. Ayrıca ergime
sıcaklıkları da çeliğe göre daha düşüktür.
Dökme demirler, ham demirin tekrar ergitilip,
gerekli katkılar yapılarak istenilen bileşime
getirilmesiyle elde edilir.
Ergitme için çoğunlukla kupol ocağı, bileşim ve
sıcaklığın hassas olarak kontrol edilmesi
istendiğinde ise alevli döner ocak veya elektrikli
ark fırını vb. kullanılır.
Ham demire, dökme demir ve çelik hurdası ile
ferro-silisyum ve ferro-manganez katılarak,
özellikle C, Si ve Mn miktarları ayarlanır.
DÖKME DEMİRLER (Devam)
Titreşim söndürme kabiliyeti
a) çelik b) gri dökme demir
Gri dökme demirlerin talaşlı işlenebilirliği ve titreşim
söndürme kabiliyetleri çok iyidir.
Dökme demirin mekanik özellikleri büyük ölçüde
mikro yapısına bağlıdır.
DÖKME DEMİRLER (Devam)
Mevcut karbonun tümü, demire bağlı yani
sementit (Fe3C) halinde bulunuyorsa beyaz
dökme demir,
karbon, kısmen de olsa grafit şeklinde serbest
duruma geçmişse, grafitli dökme demir (veya gri
dökme demir, kır dökme demir) sözkonusudur.
Grafitler, lamel (yaprak) şeklinde ise lamel grafitli
dökme demir, küresel biçimli ise küresel grafitli
(nodüler) dökme demir adını alır.
Ayrıca, temper dökme demirlerde de yıldız veya
rozet türü grafitler bulunur.
DEMİR – KARBON DENGE DİYAGRAMI
Fe3C  3Fe( )  C ( graphite)
DÖKME
DEMİRLER
>2.14wt% Carbon
DÖKME DEMİRLER (Devam)
Dökme demirlerde grafit oluşumu, bileşim ve
soğuma hızına bağlıdır. %1’den fazla Si ve daha
yavaş soğuma grafit oluşumunu hızlandırır. Çoğu
dökme demirde karbon grafit olarak bulunur ve
mikroyapı ile mekanik özellikler, bileşim ve
ısıl işleme bağlı olarak gelişir.
Dökme demir türleri:
1. Gri (kır) Dökme Demirler
2. Küresel (nodüler, sfero) Dökme Demirler
3. Beyaz Dökme Demirler
4. Temper Dökme Demirler
Gri (kır) dökme demir
Si (%1-3)
Küresel Grafitli
(sünek) Dökme demir
a- Ferritik ana
yapıda lamel
grafitler
a-Ferritik
ana yapıda
küresel
grafitler
Beyaz dökme demir
Basmada
İyi mukavemet
ve süneklik
Perlit
Beyaz sementit
Temper dökme demir
Si (%1’den
az) az)
Si (%1’den
α-Ferritik
ana yapıda
temper (rozet)
grafitler
Ticari Dökme
Demirlerin
Üretimi
Karbonun Şeklini
(biçimini)
Kontrol Etmek
İçin Isıl İşlem
GRİ DÖKME DEMİRLER
%2.5-4.0 C ile %1-3 Si içerirler.Grafitler lamel
veya yaprak şeklindedir ve bunlar ferritik veya
perlitik ana yapıyla sarılmış (çevrelenmiş)
yapıdadır. Kırık yapıda grafitler gri renkte
görüldüklerinden bunlara gri dökme demir denir.
Grafitlerin gerilme artırıcı özellikleri nedeniyle gri
dökme demirlerin çekme dayanımları düşüktür ve
gevrektirler. Basmada dayanımları ve süneklikleri
ise iyidir. Titreşim söndürme kabiliyeti iyidir.
Aşınmaya dirençlidirler, döküm kabiliyeti çok
iyidir.
KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER
Dökümden önce gri dökme demire az miktarda ~%
0.5 Mg (mağnezyum) veya Ce (seryum) katılırsa,
küresel veya nodül (sfero) şekilli grafitler oluşur.
Bunlar, ısıl işleme bağlı olarak ferritik veya perlitik
ana yapıda bulunur.
Küresel grafitli dökme demirlerin mukavemetleri ve
süneklikleri, gri dökme demirlerle kıyaslandığında
oldukça yüksektir.
Valfler, pompa gövdeleri, krank milleri dişliler ve
diğer otomobil ve makine parçalarının üretiminde
kullanılırlar.
BEYAZ DÖKME DEMİRLER
Düşük Si (%1’den az) miktarı ve hızlı soğuma
şartlarında karbonun önemli bir kısmı grafit
yerine, sementit olarak bulunur.
Bu dökme demirin kırık yüzeyi beyaz
göründüğünden, beyaz dökme demir denir.
Beyaz dökme demir,yapısında bulunan fazla
miktardaki sementit nedeniyle çok sert ve
kırılgandırlar. Taşlama dışında işlenemezler.
Temper dökme demirlerin üretiminde
kullanılırlar.
TEMPER DÖKME DEMİRLER
Beyaz dökme demirden dolaylı olarak elde edilirler.
Yıldız şekilli grafitler nedeniyle, gri dökme demire
göre daha mukavemetli ve sünektirler.
Siyah Temper Dökme Demirler: Beyaz dökme
demir parçalar nötr bir ortamda (ör. kuvars kumu)
900-950 oC’ a ısıtılması ve bu sıcaklıkta uzun süre
(~20 saat) beklettikten sonra yavaş soğumayla
elde edilirler. İşlem esnasında sementit ayrışarak,
rozet şekilli temper grafitler oluşur. Soğuma hızına
bağlı olarak ana yapı ferritik veya perlitik olabilir.
BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİRLER
Beyaz dökme demir parçalar, oksitleyici bir ortamda
(ör. Tufal-Fe2O3) ~1000 oC sıcaklıkta yaklaşık 80
saat süreyle tavlanır.
Bu durumda yüzeydeki C, O2 ile birleşerek karbon
yanması olur. Yüzeyde, karbon tamamen yanarak
yapı ferrite dönüşür.
İç kısma doğru gittikçe, azalan ferrite karşılık,
gittikçe artan oranlarda perlit ve temper grafiti
meydana gelir.
Bu tür parçalar, gerektiğinde kolayca kaynak edilir.