Çelik, en yaygın kullanılan metaldir. Genel olarak Fe ve C alaşımı olmakla beraber, yapısında belirli oranlarda P, S, Si, Al gibi elementler ile çeliğin özelliklerini geliştirmek amacıyla katılmış Mo, Mn, V, Cr, W gibi elementler de bulunabilmektedir. Saf demir, oda sıcaklığında KHM (kübik hacim merkez) yapısına sahip olan α-Fe fazındadır. Yapının ısıtılmasıyla birlikte 911°C’de α-Fe, KYM (kübik yüzey merkez) yapılı γ-Fe yapısına dönüşür. 1392°C’de ise γ-Fe, KHM yapılı δ-Fe fazına dönüşür. Katı haldeki demir, 1536°C’de ergiyerek sıvı faza dönüşür. Saf demirinin allotropik özelliğinden dolayı, çelik malzemeler de katı halde üç farklı faz yapısına sahip olur.
Çelik malzemeler sahip oldukları C miktarına, bulundukları sıcaklıklara ve uygulanan çeşitli işlemlere bağlı olarak ferrit, östenit, sementit, perlit, δ-ferrit, beynit ya da martenzit gibi fazların birini ya da birkaçını içerebilmektedirler.
Ferrit Nedir
Ferrit fazı, kübik hacim merkezli (KHM) kafes yapısına sahiptir. Ferritin oda sıcaklığındaki karbon çözünürlüğü %0,006, 723°C’deki karbon çözünürlüğü ise %0,02’dir.
Östenit Nedir
Östenit fazı, kübik yüzey merkezli (KYM) kafes yapısına sahiptir. 723°C’deki karbon çözünürlüğü ise % 0,8’dir. Maksimum karbon çözünürlüğü ise %2,06’dır.
Çeliklerin sertleştirilmesi işleminde, östenitleştirme aşamasında elde edilen östenit fazının tane büyüklüğü, ısıl işlem sonrası elde edilecek olan malzeme özellikleri üzerinde belirleyici rol oynar. Östenit tane büyüklüğünü etkileyen faktörler aşağıdaki gibi sıralanabilir.
• Malzemenin kimyasal bileşimi
• Östenitleştirme sıcaklığı
• Yapı içerisinde yer alan safsızlıkların miktarı
• Isıtma, bekleme ve soğutma süreleri
Önerilen Makale: Çelik çubuk malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
altıgen çelik çubuk nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Sementit Nedir
Sementit, ortorombik kafes yapısına sahip olan intermetalik (metaller arası) bir fazdır. İntermetalik faz yapısında 3 Fe atomu 1 C atomu ile birleşerek sementit yapısını oluşturur. Sert ve kırılgan bir yapıdır. Sementitin karbon çözünürlüğü %6,67’dir.
δ-Ferrit Nedir
δ-ferrit, α-ferrit yapısı gibi kübik hacim merkezli küp (KHM) kafesine sahiptir. Fakat kafes parametresi, α-ferritin kafes parametresine göre daha büyüktür. 1495°C’de karbonun, δ-ferritindeki çözünürlüğü %0,09’dur.
Perlit Nedir
Perlit, östenitin ötektoid dönüşüm mekanizması ile ferrit ve sementite parçalanması ile oluşan ötektoid dönüşüm ürünüdür. Parçalanma, 723°C’de, %0,8C içeren bileşimde gerçekleşir. Ötektoid dönüşüm ile meydana geldiği için, perlit oluşumu sırasında sıcaklık sabittir. Perlit oluşumu sırasında, östenit kafesinin içerdiği karbon atomları tane sınırlarına doğru hareket eder. Tane sınırlarında demir atomları ile birleşen karbon atomları sementit yapısını oluştururken, karbonca fakirleşen KYM yapısındaki östenit, KHM yapısında ferrite dönüşür. Bu dönüşüm sonucunda lameller şeklinde dizilmiş olan ferrit ve sementit fazları perlit yapısını oluşturmuş olur.
Beynit Nedir
Beynit, östenit fazından izotermal dönüşüm sonucunda oluşan yapıdır. Beynit oluşumu iki ayrı oluşum teorisi ile açıklanmaktadır. İlk oluşum teorisine göre, östenit fazından çekirdeklenen ferrit ve sementit, beynit yapısını oluşturur. Lamel yapılı olmayan fazda, ferrit taneleri arasında yer alan sementitler bulunur. Yapının oluşumu ve büyümesi karbon difüzyonu ile gerçekleşir. Diğer oluşum teorisine göre ise, ikizlenme ve kayma mekanizmaları ile aşırı doygun ferrit kristallerine sahip beynit yapısı oluşur.
Beynit oluşumunda, anlatılan oluşum teorilerinin her ikisi birlikte yürümektedir. Perlit oluşum sıcaklığının hemen altındaki sıcaklıklarda oluşan beynit yapısında, ilk oluşum teorisi baskındır. Bu nedenle, östenit tanelerinden çekirdeklenmiş ferrit ve küresel sementit yapıları, beynit mikroyapısını oluşturur. Bu yapı üst beynit olarak adlandırılır. Martenzit başlama sıcaklığının (Ms) hemen üzerindeki sıcaklıklarda oluşan beynit yapısında ise ikinci oluşum teorisi baskındır. Bu nedenle, oluşan beynit yapısını ikizlenme ve kayma teorisine göre oluşmuş aşırı doygun ferrit kristalleri ve bu kristaller arasında yer alan sementit fazı oluşturur ve yapı alt beynit olarak adlandırılır
Martenzit Nedir
Martenzit yapısı, östenit fazından kayma ve ikizlenme yapısı ile oluşmuş aşırı doygun bir fazdır. Martenzit oluşumu, hızlı soğuma ile elde edilen denge dışı soğuma ile oluşturulur. Martenzit başlama sıcaklığında (Ms) başlayan martenzit dönüşümü, martenzit bitiş sıcaklığı (Mf) ile sonlanır.
Martenzit oluşumuna dair iki teori bulunmaktadır. İlk teori atermal (ısıl olmayan) teoridir. Bu teoriye göre martenzit oluşumu zamandan bağımsızdır ve oluşum için gerekli aşırı soğuma (∆T) şartının sağlanması yeterlidir. Diğer teori ise izotermal dönüşüm teorisidir. Ms sıcaklığının, oda sıcaklığının altına düştüğü durumlarda izotermal dönüşüm teorisine göre dönüşüm meydana gelir.
Malzemenin sahip olduğu karbon oranına göre, oluşan martenzitin başlama ve bitiş sıcaklıkları değişmektedir. Artan karbon miktarıyla birlikte Ms ve Mf sıcaklıkları düşer. Yaklaşık %0,6’dan fazla karbon içeren çeliklerin Mf sıcaklıkları 0°C’nin altına düşer. Bu nedenle, %0,6’dan fazla karbon içeren çeliklerin hızlı soğutulmasında martenzit ile birlikte artık östenit oluşur.
Hızlı soğuma sonucunda oluşan martenzit yapısı, malzemenin içerdiği karbon miktarına bağlıdır. Düşük karbonlu çeliklerde, karbon miktarı yüksek gerilme alanlarının oluşumu için yeterli değildir. Bu nedenle, çıta martenzit adı verilen yapı oluşur. Çıta martenzit, %0,6 karbon oranına kadar varlığını korur. %0,6 ile %1 karbon arasında karbon içeren çeliklerde ise çıta martenzit ve tabakalı martenzit bir arada bulunur. %1’den daha fazla karbon içeren çeliklerde ise çıta martenzit yapısı görülmez ve oluşan martenzit yapısı, tabakalı martenzittir
