Dual Faz Yapının Elde Edilmesi

 

A₁-A₃ kritik sıcaklıkları arasında yapılan tavlama sırasında meydana gelen α+P → α+y dönüşümü üç kademede tamamlar.

a) Perlit içinde ostenit tanelerinin büyümesi,
b) Ferrit içinde ostenit tanelerinin büyümesi,
c) Son dengenin kurulması.

İlk kademede ferrit-perlit ara yüzeyinde ostenit çekirdekleri oluşur ve hızla büyümeye başlar. Bu büyüme sonunda perlit taneleri eriyerek karbonca zengin ostenit tanelerine dönüşürler.
 
Perlit tanelerinin ostenite dönüşümü karbon difüzyonu ile kontrol edilmektedir. Difüzyon mesafesi oldukça dar olduğundan ostenit çekirdeklerinin oluşması için gereken zaman oldukça kısadır ve çok geçmeden ostenit taneleri görülmeye başlar.

İkinci kademede, yüksek sıcaklıklarda ostenit içinde karbon difüzyonu ve düşük sıcaklıklarda ferrit içinde mangan difüzyonu sonucu ostenit ferrite doğru büyüyerek ferrit ostenit dengesi sağlanır. Böylece y taneleri perlit taneleri içinde büyümüş olur.

Üçüncü kademede ise ostenit içindeki mangan difüzyonu, ferrit ve ostenitin çok yavaş olan nihai dengelenme hızını kontrol eder.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için yuvarlak çelik çubuk sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

A₁-A₃ dönüşüm sıcaklıkları arasında elde edilen ferrit ve ostenitten ibaret yapı hızla soğutulduğunda ferrit ve martenzite dönüşür. Bu dönüşüm soğuma hızına bağlı olarak sürekli soğuma dönüşüm diyagramlarından takip edilebilir. % 0,12C, % 1,2 Mn, % 0,51 Si ve % 0,13 Mo içeren, 790°C de 90 saniye ostenitlenmiş çeliğe ait sıcaklık soğuma diyagramı görülmektedir. 

Tavlama sıcaklığından mikroyapı %50 ferrit %50 ostenitten oluşmaktadır. Soğuma hızı çok düşük ise ostenitin büyük bir kısmı perlite dönüşür. Soğuma hızının biraz artması, ostenitin bir kısmının beynite dönüşmesine sebep olur. Dönüşümün olabilmesi için minimum 8 °C/sn'lik bir soğuma hızına gerek vardır. Bunun üzerindeki soğuma hızında iğnesel ferritlerin oluştuğu görülür. Ostenit tanelerinin büyüklüğü ve ostenit içindeki karbon miktarının artışına bağlı olarak kritik soğuma hızı azalmaktadır.

Deneysel çalışmalar sonucu kritik soğuma hızı ile ilgili ampirik bir formül mevcuttur.

Log CR (°C /sn) = -1.7 Mn_e+3.95

CR = Kritik soğuma hızı (°C/sn), 
Mn_e = Mangan eşdeğeri (%) 

Mangan eşdeğerine krom ve molibdenin de etkisi dikkate alınarak 

Mn_e (%) = %Mn + 2.67 (% Mo) + 1.3 (%Cr) 

ampirik formülünden bulunur. 

Dual fazlı çeliklerinde y-M dönüşümü düşük sıcaklıklarda olur ve dönüşüm sırasında %2-4 oranında hacimde meydana gelen genişleme ferrit fazında plastik deformasyona sebep olur. Dolayısıyla martenzit partikülleri etrafında dislokasyon yoğunluğu ve kalıntı gerilmeler artar. TEM ile yapılan incelemeler, dislokasyon yoğunluğunun ferrit-martenzit arayüzeyine yakın bölgelerde yüksek, ferrit taneleri içinde düşük olduğunu göstermiştir.
 
Yüksek soğuma hızlarında bile yapıda %2 kadar kalıntı ostenit dönüşmemiş olarak kaldığı görülmüştür. Soğuma hızı yeterli değilse α+y → α+M dönüşümü yerine α+y → α+α_A+M dönüşümü meydana gelir.

Hızlı soğutmada karbonun y'dan difiizyonu için yeterli zaman olmadığından, bileşimi ostenitin bileşimi ile aynı olan ferritin karbon miktarı da değişmeden aynı kalacaktır. Alaşımsız çeliklerde alaşımlı çeliklere göre soğuma hızının karbon difüzyonuna etkisi daha büyüktür.
 

Dual-fazlı çeliklerinin yapısı büyük ölçüde ferrit ve martenzitten ibaret olup ayrıca iğnesel ferrit, sementit ve kalıntı ostenit de bulunabilir. 

Ferrit 

Dual-fazlı çeliklerin özelliklerine; ferritin yapıdaki dağılımı, tane boyutu, ferrit matris içindeki çökeltiler ve matris içinde arayer ve yer alan elementlerinin bulunması gibi faktörler etki eder. Dual-fazlı çeliklerde ferritin eş eksenli olması tercih edilir. Çünkü iğnesel ferrit mukavemeti artırırken sünekliği düşürür. Ferritin akma mukavemeti tane boyutuna bağlıdır ve Hall-Petch bağıntısı ile hesaplanabilir. Optimum özellikler için dual-faz çeliklerde ferritin tane boyutu mümkün mertebe küçük (< 5pm) tutulmalıdır. 

Ferrit matris içinde çok ince dağılmış karbür ve karbonitrür partiküllerinin bulunması, çeliğin sünekliğini azaltır. Ferritte 100-200 A boyutundaki çökeltilerin, çeliğin mukavemetini arturdığını ve sünekliğini düşürdüğünü gözlemiştir. Ferrit içinde 20A boyutunda ince karbür veya karbonitriirler bulunabilir. (α-y) bölgesinde tavlanarak hızla soğutulan düşük alaşımlı çeliklerde hatta 1010 çeliğinde bile ferrit içinde ince karbür çökeltileri oluşabilir. Çeliğin bileşiminde karbür yapıcı elementlerin bulunması, çökelme hızını artırır. (α+y) bölgesinde tavlamadan sonra soğuma hızının düşük olması ferrit fazında sementit partiküllerinin çökelmesine sebep olmaktadır. Bu nedenle sünekliğin yüksek olması için ferritin temiz olması istenir.

Özellikle sünekliği iyi bir dual faz yapımı için dayanım ve süneklik değerleri yüksek fenite gerek vardır. Bundan dolayı ferrit fazının dayanımının arttırılması lazımdır. HSLA çeliklerinde olduğu gibi ferrit taneleri içinde çökelen karbür ve nitrokarbürler, ferrit tanelerinin dayanımını artırırlar, fakat sünekliği düşürürler. 

TiC çökeltileri ferrit tanelerinin çekme dayanımını 500 MPa civarına çıkarırken üniform uzama değerinin %10'da kalmasına sebep olurlar. Bundan dolayı ferrit fazının çökeltilerden arındırılarak mukavemetinin arttırılması gerekir. Si ve P gibi yeralan alaşım elementleri katılarak ferrit tanelerinin boyutunu küçültmek ve böylece mukavemetini artırmak mümkündür. 

Martenzit 

Çeliğin yüksek sıcaklıklardan hızla soğutulması ile yüzey merkezli kubik (YMK) yapıdaki ostenit, hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıdaki yeni bir faza dönüşmesine martenzitik dönüşüm adı verilir ve meydana gelen faza da martenzit denir. 

Martenzit mukavemetinin veya sertliğinin yüksek olması yapısında dislokasyon hareketlerine karşı büyük engellerin olduğunu gösterir. Yapılan detaylı incelemeler sonucu martenzitin mukavemetinin yüksek olmasında martenzit yapısının rolü olduğu saptanmıştır. 

Transmisyon elektron mikroskobu ile yapılan çalışmalar martenzitin masif (dilim) ve iğnesel olmak üzere iki tür olduğunu göstermiştir. Masif martenzite %0,6'ya kadar karbon içeren sade karbonlu ve az alaşımlı şekillerde rastlanır. 

Aralarında küçük açılı sınırlar bulunan dilimlerin bir araya gelmesi paketleri oluşturur. Yüksek karbonlu çeliklerin su verilmiş yapıları, içlerinde büyük miktarda ikizlerin bulunduğu yüksek dislokasyon yoğunluğuna sahip (10¹¹ - 10¹² cm ^-2) gelişi güzel sıralanmış dilimlerden oluşur. Yüksek karbonlu çeliklerde görülen bu tip martenzit iğnesel martenzit olarak isimlendirilir. İğnesel martenzite az karbonlu fakat yüksek alaşımlı çeliklerde de rastlanabilir.
 
İğnesel martenzitteki yüksek dislokasyon yoğunluğu büyük miktarda plastik deformasyona uğramış bir metalin dislokasyon yoğunluğu mertebesindedir. Bu sebeplerle martenzitin yüksek mukavemeti ince ikiz yapısının veya dislokasyonun, dislokasyon hareketine mani olan etkin engeller olarak rol oynamasından ileri gelmektedir. 

Martenzitin mukavemetine katkısı olan ikinci önemli faktör ise karbondur ve martenzitin sertliği artan karbon miktarı ile artmaktadır. Karbon %0,2'nin altında olduğunda, martenzitin sertliği karbon miktarına bağlı olarak daha hızlı artmaktadır. Çeliğe ostenit fazından su verildiğinde, karbonun ferrit içinde erime sınırı ostenit fazına göre çok sınırlı olduğundan, karbon atomlarının ferritin yapısında tekrar dağılımı ile kafes distorsiyonu azalır. Bu durumda karbon atomları genellikle dislokasyonlar civarına yayındıklarından, dislokasyonlar ile karbon atomları arasında kuvvetli bir bağ kurulmuş olur. Bu durum, çelikteki süreksiz akma olayından da bilindiği gibi, dislokasyonların hareketlerini engeller. Karbon atomlarının yayınması, aynı zamanda (100) düzlemlerinde karbon atomu kümeleşmesine sebep olur. Dislokasyonların hareketini engelleyen martenzit yapısının mukavemet artışına katkısı, aslında martenzit yapısının oluştuğu çeliğin karbon miktarından bağımsızdır. Karbon kümeleri ve dislokasyonlar karbon atomlarının etkileşmesinden ileri gelen mukavemet artışı ise yaklaşık olarak karbon miktarı ile doğrusaldır.
 

 
Dual-fazlı çeliklerinde mukavemeti ve aynı zamanda sünekliği kontrol eden en önemli faktör martenzit hacim oranıdır. Martenzit hacim oranındaki artış mukavemette artış ve süneklikte azalma demektir.
Dual-faz çeliklerinde martenzit hacim oranı şu faktörlere bağlıdır. 

a) Çelikteki karbon miktarı 
b) Tavlama sıcaklığı 
c) Ostenit tanelerinin sertleşme kabiliyeti 

Optimum mekanik özellikler, mikroyapısında %15-20 martenzit fazı içeren dual fazlı çeliklerde elde edilmiştir. Artan tavlama sıcaklığı ve artan karbon miktarı ile martenzit hacim oramda artmaktadır. Ancak tavlama sıcaklığının artması martenzit fazının karbon içeriğinin azalmasına sebep olmaktadır. Dual-fazlı çeliklerde istenen martenzitik yapı düşük karbonlu dilim martenzitik yapıdır. Martenzitik fazının özelliği, morfolojisine ve alt yapıya bağlıdır. Martenzitik çeliklerde dönüşüm altyapısı dilim martenzitten ikizli plaka martenzite değiştikçe karbon miktarının artması nedeniyle sertlik artar ve tokluk düşürür. Bu sebepten dolayı dilim martenzitik yapı tercih edilen yapıdır.
 
Martenzit hacim oranı sabit iken, martenzit fazının karbonca zenginleşmesi çeliğin akma ve çekme mukavemetlerini arttırır, fakat akma mukavemetindeki artış çekme mukavemetine kıyasla daha azdır. Dual fazlı çeliklerin mukavemetinin martenzit hacim oranına bağlı olduğunu, fakat martenzitin karbon içeriğine bağlı olmadığını ileri sürülmektedir. 

Dual fazlı çeliklerin yapısında bulunan martenzit partikülleri, 1 ile 3 µm boyutunda olup, bir miktar kalıntı ostenit içerebilirler ve ferrit matriks içinde bulundukları için, %100 martenzitik yapıda bulunan martenzit fazına kıyasla daha düşük mukavemete sahiptirler. Optimum süneklik-mukavemet kombinasyonu için martenzit adalarının mümkün olduğu kadar küçük tutulmasıyla sağlanır. Dual fazlı çeliklerin yapısında bulunan, martenzit partikülleri özelliklerinin %0,3-0,4 C içeren martenzitten oluşan %100 martenzitik yapının özelliklerine eşdeğer olduğu tespit edilmiştir. 

Martenzit fazının içerdiği karbon miktarı arttıkça martenzit tanelerinin sertliği, dolayısıyla da mukavemet artar. Martenzit fazı dual-faz çeliğinin mukavemetini arttırdığı gibi süneklik üzerine de etkisi vardır. Çünkü dual-faz ısıl işlemlerinden sonra perlitin yerine perlitten daha sünek olan martenzit fazı geçmiş durumdadır. Martenzit fazının miktarını etkileyen diğer bir parametre olan, (α+y) bölgesinde tavlama ile oluşan ostenit tanelerinin sertleşme kabiliyeti, soğuma hızı ile kontrol edilebilir. Yüksek soğuma hızlarında ostenit martenzite dönüşmekte, artan soğuma hızı ile martenzit miktarı da artmaktadır. Düşük soğuma hızlarında ise ostenit ferrit-karbür karışımına dönüşür. 

Martenzit tane sınırlarında bağlantısız şekilde oluşurken, kademeli su verme numunelerinde martenzit bağlantılı bir şekilde oluşmuştur. Martenzit fazı morfolojisine bağlı olarak ferrit fazı deformasyon davranışı değişmektedir. Ferrit fazı kayma karakteri incelendiğinde kademeli su verme numunelerinde yalnız {110} ve {111} düzlem ailelerinde kayma yoğunlaşırken, kritik sıcaklılar arası tavlanmış numunelerde çok yönlü kayma oluştuğu görülmüştür. Çok yönlü kayma deformasyonun diğer tanelere iletilmesini sağlar. Bu şekilde kopma geciktirilmiş olur. Deformasyonun devamında yüksek süneklik değerleri elde edilmiştir. 

Dual fazlı çeliklerin mekanik özelliklerini kontrol eden en önemli mikroyapı bileşeni martenzit fazıdır. Çelik mikroyapısında martenzitin perlitin yerini almasıyla akma olayındaki değişikliğin yanı sıra çekme mukavemeti de artar. Perlitten çok daha sert olan martenzitin mikroyapıda bulunmasıyla kompozit sertleşme teorisine uygun olarak çeliğin çekme mukavemetinin yükselmesi doğal bir sonuçtur.
 

Dual-faz çeliklerin ısıl işlemleri sırasında su verme ile ostenitin tamamının martenzite dönüşememesi sonucu yapıda %2-9 oranında kalıntı ostenit kalabilir. Eğer ostenit çok kararlı ise çeliğe sıvı helyumda su verilirse bile martenzite dönüşüm tam olarak sağlanamaz. Bir miktar kalıntı ostenit bulunur. 

Ostenitin kararlılığı, içerdiği karbon ve mangana bağlıdır ve karbon ve mangan yönünden ne kadar zenginse o kadar kararlı olur. Ostenitin kararlı olması Ms sıcaklığını daha düşük sıcaklıklara kaydırır. Dual-faz çeliklerde kalıntı ostenit üç değişik şekilde yapıda bulunmaktadır. 

a) Kalıntı ostenit martenzit dilimleri arasında ince bir tabaka halinde bulunabilir. Bu oran %1 civarındadır. Tespiti için difraksiyon paternine ihtiyaç vardır. 
b) Kalıntı ostenit martenzit ile birlikte yapıda bulunabilir. X-ışınlan metodu ile tespit etmek mümkündür. Dual-faz yapıda da kalıntı ostenitin büyük bir kısmı bu şekilde bulunmaktadır.
c) Kalıntı ostenit fen-it taneleri etrafında küçük adacıklar şeklinde veya ferrit taneleri içinde bulunabilir. 

Oda sıcaklığında yapıda kalıntı ostentin bulunmasına sadece bu fazın kimyasal kararlılığı sebep olmaz. Bilindiği gibi, martenzitik çeliklerde, ostenitin M_S ve M_F: sıcaklıkları arasında tutulması, bu fazların termal kararlılığına sebep olur. Ostenitin termal kararlılığı yavaş soğuma hızlarında da sağlanabilir. Su verme ile küçük ostenit adacıklarının dönüşmediği ve kalıntı ostenit olarak yapıda kaldıkları gözlenmiştir. Küçük boyutta olmaları bu ostenit partiküllerinin kararlılığına sebep olmaktadır. 

Yapılan araştırmalar kalıntı ostenitin, ikinci fazın (martenzitin) %30-40'ını işgal edebileceğini göstermiştir. Dual faz çeliklerindeki kalıntı ostenitin bir kısmı deformasyon esnasında tekrar martenzite dönüşmekte ve bu da sünekliğin artmasına neden olmaktadır. Bu fazın kararlılığının artması, süneklik artışını daha da belirginleştirmektedir. Ancak, kalıntı ostenit miktarı düşük ise, süneklikte görülen söz konusu artış, ihmal edilebilecek düzeyde kalır. Kalıntı ostenitin dual fazlı çeliklerin akma olayına doğrudan etkimediğini, fakat deformasyonla oluşan martenzitik dönüşümün deformasyon sertleşmesi hızını arttırdığını ileri sürülmüş. Çok düşük sıcaklıklarda kalıntı ostenitin martenzite dönüşümü akma noktası civarında meydana gelmekte ve gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinin akma bölgesinde küçük bir süreksizlik görülmektedir, ancak söz konusu süreksiz akma, nispeten yüksek sıcaklıklarda gözlenmemektedir. 

Belli bir martenzit hacim oranına kadar kalıntı ostenit miktarının artmasıyla deformasyon sertleşme üssü artmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucu, en yüksek deformasyon sertleşme üssü değerinin kalıntı ostenit partikülleri arasındaki mesafenin çok küçük olduğu zaman meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu sonuç, kalıntı ostenitin deformasyon sertleşmesi üzerine etki eden en önemli faktörden biri olduğunu göstermektedir.