ALAŞIM ELEMENTLERİNİN

ÇELİK YAPISINA ETKİSİ

ALAŞIM ELEMENTLERİNİN

ÇELİK YAPISINA ETKİSİ

• Karbonlu çeliklerden normal olarak sağlanamayan kendine has özellikleri sağlayabilmek amacıyla, bir veya birden fazla alaşım elementi katmak suretiyle yapılan çelikler alaşımlı çeliklerdir.

• Alaşım elemanlarının etkisi, diğer metallere nazaran en çok çelik yapısında etkili olmaktadır. Ayrıca alaşım elementlerinin etkileri toplanabilir olmadığından, çok sayıda alaşım elementinin birlikte bulunması halinde beklenen özellik değişmeleri ancak genel çerçevede ele alınabilir ve bu konuda kesin bir yaklaşım yapılamaz.

• Alaşımlı çelikler, alaşım elemanların ( karbon ve arıtılamayan elemanlar dışında kalan diğerleri ) toplam miktarı % 5 den az olanlar düşük alaşımlı çelikler ve alaşım elemanlarının toplamı % 5 den fazla olanlar yüksek alaşımlı çelikler olmak üzere, iki ana gruba ayrılırlar. Alaşımsız çeliklere benzer davranışa sahip olan düşük alaşımlı çeliklerin en belirgin özelliği, sertleşme kabiliyetlerinin daha yüksek olmasıdır. Ayrıca, sertlik, çekme dayanımı, akma sınırı, elastiklik modülü gibi dayanım özellikleri ile sıcağa dayanıklılık, meneviş dayanıklılığı, gibi karakteristikler yükselirken, genellikle kopma uzaması, kesit daralması, çentik darbe dayanımı gibi değerlerde azalma olur. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde istenilen özelliklerin bulunmaması veya yetersiz olması halinde yüksek alaşımlı çelikler kullanılır. Bu tür alaşımlama, normal sıcaklıklardaki mekanik dayanımın artırılması yanısıra, özellikle sıcağa, tufallaşmaya ve korozyona dayanım, sıcaklıkta sertlik ve manyetlenmeme gibi bazı istenen özelliklerin elde edilmesini amaçlar.

• KARBONÇelik için temel alaşım elementidir. Karbon miktarının artmasıyla sertlik ve dayanım önemli ölçüde artar. % 0.8 karbona kadar çekme gerilmesi ve akma sınırı değeri artar. Bu değerden sonra kırılganlık artar, ısıl işlem sonu sertlik kalıntı ostenit sebebiyle daha fazla artmaz. Çeliğin alabileceği max sertlik 67 HRC olup bu değer 0.6 karbon miktarı ile elde edilir. Karbon miktarının artması aynı zamanda sünekliği, dövülebilirliği, derin çekilebilirliği ve kaynak kabiliyetini düşürür. Yüksek karbonlu çeliklerin ısıl işleminde çatlama riski de fazladır.

• MANGAN

• Yapıya genellikle cevher halinde iken girer. Mekanik özellikleri iyileştirmesi dolayısıyla ayrıca da ilave edilir, temel alaşım elementi olarak da kendisini gösterebilir. Genel olarak sünekliği azaltmakla birlikte çeliğin dayanımını artırır özelliğe sahiptir. % 3 Mn miktarına kadar, her % 1 Mn için çekme dayanımı yaklaşık 100 Mpa kadar artar. % 3 - 8 arası artış azalır. % 8 den itibaren düşüş görülür. Çeliğin dövülebilirliği ve sertleşebilirliğini iyileştirici özelliktedir.Kaynak kabiliyetini etkilemez ve kaynaklanabilir malzemeler içinde % 1.6 oranına kadar yükseltilebilir. Manganın iyi yöndeki etkisi karbon oranının artmasıyla birlikte artar.

• SİLİSYUM

• Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak kullanılır. Döküm çeliklerde, döküme akıcılık sağlamak için ilave edilebilir. Ferrit içerisinde çözünebilme özelliğine sahip olduğu için malzemenin süneklik ve tokluğunu düşürmeden, dayanımı ve sertliği artırır. Yüksek silis içeren çeliklerin ısı dayanımı da yüksektir. Genel olarak sertleşebilirliği, aşınma dayanımını, ve elastikiyeti yükseltmesine karşın yüzey kalitesini olumsuz yönde etkiler.

• KÜKÜRT

• Demir ile birlikte FeS bileşiği oluşturarak, tane sınırlarında birikerek malzemenin gevrek olmasına yol açar.

• 800° C - 1000° C arasında şekil değiştirme esnasında "kızıl sıcaklık kırılganlığı"

• 1200° C üzerindeki sıcaklıklarda "akkor sıcaklık kırılganlığı" meydana getirir.

• Bu sebeplerle çelik için zararlı bir element olarak kabul edilerek, giderilmesi yönünde çalışılır. Ancak otomat çeliklerinde iki katı kadar Mn ilave edilerek kullanılmak suretiyle, talaşlı işlenebilirlik kabiliyetini artırmak amacıyla kullanılır. Genel olarak kaynak kabiliyeti ve sertleşebilirliği olumsuz etkiler.

• FOSFOR

• Mevcudiyeti ile malzeme tokluğunu düşüren, zararlı etkiye sahip bir elementtir. Çeliğin dayanımını ve sertliği artırıcı özelliği olmasına karşın süneklik ve darbe dayanımını düşürür. Bu etki yüksek karbonlu çeliklerde daha net görülür. Çelik içerisinde mümkün olduğunca düşük olmasına çalışılır ve kükürtle birlikte fosfor azlığı malzeme kalitesinde birinci kriterdir.

• KROM

• Çeliklere en fazla ilave edilen alaşım elementidir. Çeliğe ilave edilen krom Cr7C3 ve Cr23C6 gibi sert karbürler oluşturarak sertliği direkt olarak artırır. Dönüşüm hızlarını da yavaşlatarak sertlik derinliğini de aynı oranda artırır. Krom %25 varan değerlerde ilave edilmesi halinde malzeme yüzeyinde bir oksit tabakası oluşturarak paslanmaya karşı direnç sağlar ve malzemeye parlak bir görüntü kazandırır. Çekme dayanımını ve sıcağa dayanımı da artırır özelliğe sahiptir. Bazı alaşımlarda meneviş kırılganlığına sebep olabilir veya sünekliği düşürebilir. Bu etkileri azaltmak amacıyla daha çok Ni ve Mo ile birlikte kullanılır.

• NİKEL

• Nikel %5 e varan oranlarda, alaşımlı çeliklerde geniş bir biçimde kullanılır. Nikel malzemenin mukavemetini ve tokluğunu artırır. Özellikle paslanmaz çeliklerde daha geniş yer alır. Nikel aynı zamanda tane küçültme etkisine de sahiptir. Alaşım elemanı olarak nikelin tek başına kullanımı son yıllarda azalmış Ni-Cr alaşımı başta olmak üzere Ni - Mo yahut Ni - Cr - Mo alaşımları yaygınlaşmıştır. Sıcağa ve tufalleşmeye karşı iyileştirici özelliğe sahip olmasının yanısıra, krom ile birlikte kullanılarak sertleşmeyi, sünekliği ve yüksek yorulma direncini artırır.

• MOLİBDEN

• Molibden düşük nikel ve düşük krom içeren çeliklerde temper gevrekliği eğilimini gidermek için kullanılır. % 0.3 civarında molibden ilavesi bunu sağlar. Molibden ilavesi yapılan nikel ve krom çeliklerinin temper sonrası darbe dayanımları da önemli ölçüde yükselir. Aynı zamanda akma ve çekme dayanımını artırır.

• VANADYUM

• Nikel gibi vanadyum da çelikler için önemli bir tane küçültücüdür. % 0.1 gibi bir oranda kullanılması bile, sertleştirme prosesi esnasında tane irileşmesini önemli ölçüde engeller. Vanadyum sertlik derinliğini artırmakla beraber sıcaklık dayanımını da artırır. Özellikle kesmeye çalışan parçalarda, darbe dayanımının artmasını sağlayarak kesici kenarların formunun uzun süre muhafaza edilmesinde etkilidir.

• WOLFRAM

• Wolfram; çeliğin dayanımını artıran bir alaşım elementidir. Takım çeliklerinde, kesici kenarın sertliğinin muhafazasını, takım ömrünün uzamasını ve yüksek ısıya dayanımını sağlar. Bu sebeple özellikle yüksek hız çeliklerinde, takım çeliklerinde ve ıslah çeliklerinde, alaşım elementi olarak kullanılır. Yüksek çalışma sıcaklıklarında, çeliğin menevişlenip sertliğini kaybetmemesini sağladığından, sıcağa dayanımlı çeliklerin yapımında kullanılır.

• NİOBYUM

• Tane inceltici ve karbür yapıcı etkiye sahip olduğundan akma sınırının yükselmesine ve sertliğin artmasına sebep olur.

• TİTANYUM

• Kuvvetli karbür yapıcı özelliği vardır ve sertliği artırır. Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak da kullanılır. Tane inceltici yapıya sahiptir.

• KOBALT

• Yüksek sıcaklıklarda tane büyümesini yavaşlatır bu nedenle daha çok hız çeliklerine ve sıcağa dayanıklı çeliklere ilave edilir.

• ALÜMİNYUM

• En güçlü deoksidandır. Isıtma da tane kabalaşması ve yaşlanmayı azaltır. Tane inceltici özelliğe sahiptir.

• BOR

• Düşük ve orta karbonlu çeliklerde sertleşebilme özelliğini arttırır. Sakinleştirilen çeliklere 0.0005 - 0.003 kadar düşük oranda katılırlar.

• BAKIRSıcak şekillendirmede kırılganlık yaratan bakır için % 0.5 oranı pek aşılmaz. Sünekliği ciddi oranda düşürür. Buna rağmen korozyon dayanımını ve sertliği arttırır.

• AZOTNitrür teşekkül ettirerek sertliği artırır. Mekanik dayanım ve

korozyona karşı direnci artırır.

•

Alaşım Elementlerinin Fe-C Denge

Diyagramına Etkileri• Tip 1.Östenit Sahayı Açık Hale Getirenler)

• Ni, Mn, Co, Pt vb.

• Tip 2.Östenit Sahayı Genişletenler

• Cu, Zn, Au,C, N vb.

• Tip 3. Östenit Sahayı Daraltan-Ferrit Alanı Açık Hale Getirenler

• Si, Al, Be, P, Ti, V, Mo, Cr vb

Elementlerin Ötektoid Noktaya

Etkileri• Östenit ve ferrit stabilizatörleri ilgili faz alanlarını

genişletir. Alaşım elementlerinin Fe-Fe3C fazdiyagramı üzerindeki güçlü etkisi, alaşım ilavesiyleyükseltilen veya düşürülen ötektoid sıcaklık şeklindeyansır. Östenit stabilizatörleri ötektoid sıcaklığıdüşürür, böylece östenitin kararlı olduğu sıcaklıkaralığını genişletir. Benzer şekilde, ferritoluşturucular ötektoid sıcaklığını yükseltir, böyleceöstenit alanını sınırlar. Şekiller, alaşım ilavesininötektoid sıcaklık ve ötektoid karbon içeriği üzerindekietkisini göstermektedir.

Alaşım Elementlerinin Karbür

Yapma Etkisi

• 1) Karbür yapıcı olmayan elementler: e.g. Ni, Si, Co, Al, Cu and N

• 2) Karbür yapıcı olan elementler: e.g. Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, and Nb.

Dönüşüm Diyagramları Üzerine Etkileri

• Alaşım elementleri, östenitin perlit, bainit ve martensite dönüşümünün üç türünün kinetiği ve mekanizması üzerinde önemli etkiye sahiptir.

• Özel karbür oluşumu olmadan sadece ferrit ve sementitte çözünen alaşım elementleri, dönüşüm işlemleri üzerinde sadece nicel bir etki gösterir (Şekil). Kobalt dönüşümü hızlandırır, ancak Ni, Si, Cu, Al vb. gibi elementlerin çoğu yavaşlatır.

• Karbür oluşturucu elementler, izotermal dönüşümlerin kinetiğinde hem kantitatif hem de kalitatif değişiklikler üretir (Şekil). Bunlar (örneğin, Cr, Mo, W, V, vb.) Farklı sıcaklıklarda ostenit ayrışmasını farklı şekilde etkiler:

• i. 700-500 ° C'de (perlit oluşumu) dönüşümü yavaşlatır

• ii. 500-400 ° C'de, dönüşümü önemli ölçüde yavaşlatırlar

• iii. 400-300 ° C'de (bainit oluşumu) dönüşümü hızlandırır

• Bu nedenle, karbür oluşturucu elementler içeren alaşımlı çeliklerde östenitin izotermal ayrışma hızının iki maksimumuna sahiptir (Şekil).

Fig. 35 TTT diagram for 4130 low-alloy steel

• Sertlik arttı

• Fe3C meydana geldi©2003 B

roo

ks/

Co

le, a

div

isio

n o

f T

ho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

T

ho

mso

n L

earn

ing

™is

a t

radem

ark u

sed h

erei

n u

nder

lic

ense

.

Figure 12.8 The TTT

diagrams for (a) a 1050 and

(b) a 10110 steel

A heat treatment is needed to produce a uniform microstructure and hardness of HRC 23 in a 1050 steel axle.

Nitride-forming Elements

• All carbide formers are also nitrideformer. Nitrogen may be introduced intothe surface of the steel by nitriding. Bymeasuring the hardness of various alloysteels do treated it is possible toinvestigate the tendency of the differentalloying elements to form hard nitridesor to increase the hardness of the steelby a mechanism known as precipitationhardening. The results obtained by suchinvestigations are shown in Fig. 11, fromwhich it can be seen that very highhardnesses result from alloying a steelwith Al or Ti in amounts of about 1.5%.On nitriding the base material in Fig. 11a hardness of about 400 HV is obtainedand according to the diagram thehardness is unchanged if the steel isalloyed with Ni since this element is nota nitride former and hence does notcontribute to any hardness increase.

Fig. 11 Effect of alloying element

additions on hardness after nitriding.

Base composition is 0.25% C, 0.30%

Si, 0.70% Mn

Temperleme Etkisi • Çeliklerdeki martenzit çok güçlü ve tek başına oldukça kırılgan olabilir.

Daha sonra 150-700 ° C aralığında ısıl işlemle mekanik özelliklerini değiştirmek gerekebilmektedir. Bu işleme, mikroyapının termal aktivasyonun etkisi altında dengeye yaklaştığı temperleme işlemi denir.

• Alaşım elementlerinin bir çeliğe eklenmesi, → dönüşümün kinetiği ve ayrıca perlit reaksiyonu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Daha önce de belirtildiği gibi, en yaygın alaşım elementleri zaman-sıcaklık-dönüşüm (TTT) eğrilerini daha uzun zamanlara öteler, sonuç olarak "su verme" sırasındaki eğrinin burnunu kaydırmanın çok daha kolay olduğu ortaya çıkar. Bu esasen daha yüksek sertlik sağlar, çünkü martensit yapılar daha düşük soğutma oranlarında bile elde edilebilir ve pratik olarak daha kalın kesitler tamamen martensitik hale getirilebilir.

• Ayrıca, alaşım elementleri hem geçiş karbürlerini (örneğin -demir karbür) hem de süper doymamış martensitik yapıyı daha yüksek temperleme sıcaklığına stabilize ederek ve sementitin çökelmesini ve büyümesini önemli ölçüde geciktirerek temperleme sırasında yumuşama oranını geciktirir.

Alaşım Karbürlerin Oluşumu (İkincil Sertleştirme)

• Alaşım elementleri Cr, Mo, V, W ve Ti'nin hepsi demir karbür ile karşılaştırıldığında büyük ölçüde daha yüksek entalpilere sahip karbürler oluştururken, Ni, Co ve Cu elementleri karbür fazları oluşturmaz. Mangan, ayrı bir karbür fazı değil, sementitte katı çözeltide bulunan, zayıf bir karbür yapıcıdır.

• Belirli alaşım elementlerinin, 500-600 ° C aralığında uzun süreli temperlemeden sonra bile yapı içinde çok ince olarak kalan karbür dispersiyonları oluşturma yeteneği vardır. Aslında, 500 ° C ila 600 ° C arasında karbür oluşumu, mukavemette çoğunlukla "su verilmiş martenzitten" daha belirgin bir artış getirir. İkincil sertleşme olarak adlandırılan bu olgu, en iyi Mo, V, W, Ti içeren çeliklerde ve ayrıca yüksek alaşımlı konsantrasyonlardaki kromlu çeliklerde kendini gösterir. Bu ikincil sertleştirme işlemi, nispeten kaba bir sementit dispersiyonunun yerine yeni ve daha ince bir alaşım karbür dispersiyonu ile değiştirildiği bir çökelme sertleştirmesi reaksiyonudur. Şekil 'de, artan Mo içeriğinin etkisi, ağırlıkça% 0.1 karbon içeren bir dizi çelikte gösterilmiştir.

• The effects of C and some alloying elements on the tempering of a 10%Ni steel are illustrated in Fig. 18. Beginning with an alloy of Fe-10%Ni, successive additions of C, Co, Cr, and Mo were made. Co, although it does not enter the carbide, delays tempering. The addition of Cr provides an increase in strength during tempering, and Mo gives a sharp secondary hardening peak.

Fig. 18 Effect of carbon, cobalt, chromium, and molybdenum

on tempering of 10%Ni steels.

Fig. 19 The effect of Cr on the tempering of a 0.35 wt% C steel

Fig. 12 Variation of room-temperature hardness with tempering temperature for H11 steel. All specimens air

cooled from 1010 °C (1850 °F) and double tempered 2 h plus 2 h at temperature