Malzemelerin özellikleri içerdikleri fazların cinsine ,sayısına , oranına ve biçimine bağlıdır.Bu nedenle faz diyagramları malzeme konusuyla uğrasan herkes için oldukça önemlidir.İlk olarak faz nedir ?Faz termodinamikte heterojen bir karışımdan mekanik yolla ayrılabilen, kimyasal ve fiziksel bakımdan homojen maddedir. Faz diyagramları fazların oranı ,sıcaklık ve basınç gibi değişkenlerin şematik olarak gösterimidir.Faz diyagramları denge koşullarına göre çizilmiş olup çok yavaş soğumalar sonucu elde edilmişlerdir.Gelelim asıl konumuz olan Fe-C diğer adıyla Demir -Karbon denge diyagramına kendileri aşağıdaki sekil gibi olup her metalurji ve malzeme mühendisiliği öğrencisine zorla ezberletilmiş hatta yetinilmeyip her seferinde adımızdan daha iyi bilmemiz gerektiği vurgulanmıştır:D
.
Karışık gibi görünmesi gözünüzü korkutmasın aslında o kadarda karışık olmadığını yazımın sonunda anlayacaksınız.Öncelikle fazlarımızı tanıyarak başlayalım
Ferrit (α-demir): Saf demirin oda sıcaklığında ki HMK yapısına verilen isimdir .Bu faz içerisinde çok az miktarda C çözündürür 723 °C (A1) sıcaklıkta %0,025 çözündürürken oda sıcaklığında %0,008 değerine düşmektedir içerisinde çok az C olduğundan nerdeyse saf demir gibidir ve manyetiktir.Ferritin çekme dayanımı 270 MPA dır kopma uzaması %40 sertliği ise 150 BHN civarındadır .Atomik dolgu faktörü (ADF) 0,68 kafes parametresi ise 2,86 Å dur.Az miktarda C içerdiği için sertliği ve mukavemeti düşüktür fakat sünekliliği ve işlenebilirliği yüksektir
Ostenit (γ- demir): Yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahiptir.910-1401°C arasında kararlı yapıya sahiptir.Atomik dolgu faktörü(ADF) 0,74 kafes parametresi 3,57 Å dur.Ostenit yüksek sertliğe(HRC 40) ve tokluğa sahiptir.Oda sıcaklığında kararlı halde değildir fakat bazı alaşım elementleri ilavesi ile kararlı hale getirilebilir.
Perlit (α+Fe3C): Ötektoid bileşime sahip çeliğin ostenit bölgesinden yavaş soğutulmasıyla 723°C sıcaklıkta meydana gelen ötektoid dönüşüm sonucu elde edilir .Perlit ferrit ana matrisi üzerine sementit lamellerinin dizilmesiyle oluşan mikro yapıdır .%12 sementit %88 ferritten oluşur .Perlit demir ve çelik teknolojisinde çok onemli bir yere sahiptir uygun ısıl işlem ile bütün çeliklerde oluşturulabilir.%0,8 C içeren çeliğin oda sıcaklığındaki mikro yapısı %100 perlittir.Sertliği 20 HRC ,90-100HRB veya 250-300 HB civarındadır
Sementit (Fe3C): İntermetalik bir bileşiktir. Ortorombik kristal yapıya sahip demir karbürüdür. Sert ve kırılgan bir yapıya sahiptir.215°C altında ferromagnetiktir. Sementit fazı düşük çekme dayanımı (35 MPa) olan bir arayer bileşiğidir fakat basma dayanımı oldukça yüksektir.Bir çok ticari çeliğin sertleştirilmesinde önemli rol oynar .
Ledeburit : Ostenit ve sementit fazlarının oluşturduğu bir ötektik bileşimdir. Sıcaklık A1 çizgisinin altına düştüğünde yapıdaki ostenit perlite dönüşür yapı perlit +sementitten oluşur. %4.3 C içeren dökme demirlerin yapısında bulunur.1130°C oluşur. Ledeburit fazı oldukça sert ve mukavemetlidir.
Faz diyagramları çok yavaş soğuma koşullarında çizilmiştir.Soğuma hızı arttırıldığında faz diyagramında görünmeyen Martensit ve Beynit gibi kararsız fazlar ortaya çıkar
Martenzit: Ostenitin hızlı soğutulmasıyla elde edilir.Kristal yapısı hacim merkezli tetragonaldir. Karbonca aşırı doymuştur.%0,6 C daha fazla C içeriyorsa hacim merkezli kübik yapıda bulunur .Martenzit fazı oldukça sert ve kırılgan bir fazdır.Mukavemet değeri oldukça yüksektir.
Beynit: Demir ve sementit fazlarının oluşturduğu iki fazlı bir yapıdır.İzotermal bir ısıl işlemde ostenitin dönüşümü ile oluşur.Beynit iki farklı morfolojik yapıya sahiptir bunlar üst beynit ve alt beynittir.
Fazlardan özelliklerinden sonra faz diyagramı üzerinde önemli noktaları tanıyalım . Yukarıdaki resimde 1, 2 ve 3 noktaları dönüşümlerin olduğu önemli noktalardır . Bunlar sırasıyla aşağıdaki gibi sıralanmıştır.
1)Ötektoid nokta: Bu nokta faz diyagramında 723°C (A1) ve %0.8C nun kesiştiği noktadır. Ostenit bölgesinden soğumaya başlayan çelik bu noktaya geldiğinde tek fazlı( γ)yapıdan çift fazlı(α+Fe3C) dönüşür.Bu noktadan itibaren ostenit ,ferrit ve yüksek miktarda C içeren sementit fazına dönüşür.Bu dönüşüm esnasında ferrit ve sementit lamelli bir yapı oluşturur bu yapı perlit olarak adlandırılır. Dönüşüm izotermal olarak gerçekleşir.Katı fazdan katı faza dönüşüm söz konusudur. Ötektoid nokta yukarıda ki resimde 1 numaralı noktadır .
2)Ötektik nokta: 1130 °C ve %4.3 C içeren dökme demirin kesiştiği noktada bulunur.Bu noktada sıvı faz katılaşarak iki ayrı katı fazdan( γ+ Fe3C )oluşan ledeburite dönüşür. Dönüşüm izotermal olarak gerçekleşir. Sıvı fazdan katı faza dönüşüm söz konusudur. Ötektik nokta yukarıdaki diyagramda 2 numaralı noktadır.
3)Peritektik nokta:1492°C ve %0.25 C içeren çeliğin kesiştiği noktada bulunur. Bu noktada üç faz( δ+γ+sıvı )dengede bulunur Sıvı faz önceden meydana gelen bir katı fazla reaksiyona girerek yeni bir katı faz oluştururlar yani sıvı faz + δ demir, ostenite dönüşür . İzotermal bir dönüşüm söz konusudur.Peritektik nokta yukarıdaki diyagramda 3 numaralı noktadır.
A1 sıcaklığı: 723°C derce boyunca uzanan çizgidir bu sıcaklık birçok faz dönüşümü için önemli bir sıcaklıktır diğer adıyla ötektoid sıcaklık olarakta anlandırılabilir.Bu sıcaklığın altında demir hacim merkezli kübik(HMK) yapıda bulunurken bu sıcaklığın üstünde yüzey merkezli kübik(YMK) yapıda bulunur.(düz bir çizgidir)
A2 sıcaklığı: 760°C de bulunur bu sıcaklığın altında demir manyetikken bu sıcaklığın üzerinde paramanyetiktir.(düz bir cizgidir)
A3 sıcaklığı: 910°C den ötektoid noktasına inen eğridir.Ostenit bölgesini sınırlandırır.Bu eğrinin altında ostenit , ostenit +ferrite dönüşür.
Fe-C faz diyagramında %2den az C içeren bileşimler çelik %2 den daha fazla C içeren bileşimler dökme demir olarak adlandırılır.
Çelikler ve dökme demirlerde kendi aralarında ayrılır . %0,8 C altında C içeren çelikler otektoid altı çelikle %0,8 C üzerinde C içeren çelikler ise ötektoid üstü çelikler olarak adlandırılır.
Furkan Özkan 