Çelik Sertleştirmede Hızlı Soğumanın Etkisi

 

Çeliklerde içyapı ve dönüşüm sıcaklıklarının Fe-Fe3C diyagramına tam uyması ancak yavaş soğuma halinde mümkündür. Uygulamada ise çoğunlukla yüksek soğuma hızı ve kuvvetli soğuma nedeniyle y-α dönüşümü daha alçak sıcaklıklarda gerçekleşir. Dolayısıyla elde edilen içyapı büyük ölçüde dönüşüm sıcaklığına yani karbonun (ve diğer alaşım elementlerinin) yayınma koşullarına bağlı olur. Söz konusu sıcaklık düştükçe karbon atomlarının hareketliliği azalır; öncelikle karbürlerin biçim, büyüklük ve dağılımları değişir. Alaşım elementleri de karbonun yayınması yanında ferrit oluşumu için gerekli olan demirin özyayınmasını, ayrıca dönüşüm süresini ve dolayısıyla dönüşüm içyapısını etkilerler. 

Hızlı soğumada bütün Fe-C alaşımlarının dönüşüm sıcaklıklarında benzer değişim olur. Çok düşük soğuma hızlarında dahi (1 C/s) perlit noktası S açılır (S' ve S"); yani %100 perlit elde edilen bölge genişler. Aynı şekilde hızlı soğumada ötektoid öncesi sementit ayrışması (150C/s'den sonra) tümüyle, ötektoid öncesi ferrit ayrışması ise karbon oranı %0,25'den fazla olan alaşımlarda ortadan kalkar. Bu değerler açıklanan biçimde sadece saf (iki elementli) Fe-C alaşımları için geçerlidir. 

Aşırı soğumuş ostenit üç temel sıcaklık kademesinde dönüşüme uğrar: 
 

Bunların her birinde yayınma koşullarının çok farklı olması değişik içyapılara yol açar. 
 

Ostenitin bu tür dönüşünü ile ferrit ve sementit lamellerinden oluşan bir içyapı elde edilir. Her iki faz için de gerek çekirdeklenme gerek tane büyümesi, karbon ve demirin (ve diğer alaşım elementlerinin) yayınması ile gerçekleşir. Soğuma hızının artması yayınına süresini sınırlar; yani atomların gidebilecekleri yol kısalır. Lamel genişliği azalarak ince veya çok ince lamelli perlitik bir içyapı (sorbit, trostit) ortaya çıkar. Lameller arası uzaklık ne kadar küçükse, içyapıda karbonun (daha doğrusu Eşinin) dağılımı o kadar homojen olur. Bu nedenle sertlik ve dayanım değerleri de artar: ötektoid öncesi fazIarın (Ferrit ve sementit) ayrışması normal olarak tane sınırlarında, yani yüzey enerjisinin yüksek olduğu "kusurlu" bölgelerde başlar. Ancak aşağıdaki özel durumlarda ötektoid öncesi ferrit ostenit tanesi içinde de belirli atom düzlemleri boyunca levha şeklinde oluşur. 

- İri taneli çelikler (çekirdek görevi yapan tane sınırlarının toplamı azdır) 

- Yüksek ostenitleme sıcaklıklarından hızlı soğuma (iri taneli ostenitin oluşumu kolaylaşır) 

Söz konusu WIDMANNSTAETTEN içyapısı 

- Dökme çelikler ve 
- Kaynak bağlantılarının bazı bölgeleri için karakteristiktir. 

Böyle bir içyapıda yumuşak ferrit levhaları ile sert perlit kolonileri iyice birbiri içine girdiğinden, malzeme var olandan daha çok perlit içeriyormuş gibi davranır; yani aynı kimyasal bileşime ve içinde perlit adacıkları bulunan ferritik içyapıya sahip bir çelikten daha sert ve gevrek olur.
 

Perlit ve martenzit kademeleri arasındaki sıcaklık alanında demir yayınamaz; karbon yayınması ise oldukça güçleşir. Bu koşullar altında oluşan ve ayrıntıları çoğunlukla elektron mikroskobuyla seçilebilen beynit başlıca iki gruba ayrılır; 
 

Genelde ferrit içine gömülmüş karbür parçacıkları diye tanımlanabilecek bu içyapılardan birincisi sürekli soğuma veya sabit sıcaklıkta dönüşüm ile, ikincisi ise sadece sürekli soğuma sonucu elde edilebilir. Martenzite benzer bir mekanizmayla oluşan ferrit levhaları metalografik kesitte iğne biçiminde görünür. Karbür büyüklüğü ostenitin dönüşüm sıcaklığına göre kabadan çok inceye kadar değişir. Böylece iğneli beynitin ince (alt) ve kaba (üst) türleri ortaya çıkar. 

İnce beynit, söz konusu kademenin alt kısmında, yani Mg sıcaklığının hemen üstünde oluşur. Ostenit tane sınırlarından içeriye doğru olmak üzere, karbonca aşırı doymuş ferrit levhaları büyümeye başlar. Düşük sıcaklıktaki ostenitte hemen hemen tümüyle durmuş olan karbon yayınması, hmk α-kafesine dönüşümden sonra tekrar başlayabilir. Zorunlu çözünmüş durumdaki karbon atomlarının α-afesinden ayrılmasıyla meydana gelen çok ince karbürler, iğnelerin ekseni ile karakteristik bir açı (500 ila 600 ) yaparlar. 0ptik mikroskobun verdiği görüntüde seçilemeyen bu ayrıntılar ancak elektron mikroskobisi yardımıyla görülebilir. Karbürlerin ince dağılımı üstün dayanım ve tokluk özelliklerine erişilmesini sağlar. 

Kaba beynit dönüşüm kademesinin üst kısmında oluşur. Yayınma bir ölçüde kolaylaştığı için, ayrışan karbür parçacıkları genellikle iğne doğrultusunda büyür ve kesikli olarak dizilir.

Taneli beynit koşullara bağlı olarak sadece sürekli soğuma sonucu ortaya çıkabilir. Ferrit ve karbür bileşenlerinin düzeni belirli bir kurala uymaz. 

Beynitik içyapı alaşımlı çelikler için karakteristiktir. Alaşımsız çeliklerde ise önemli oranda elde edilebilmesi sabit sıcaklık dönüşümünü gerektirir; sürekli soğuma sonucu ancak az miktarda oluşabilir ve tanınması güçtür. 
 

Kritik soğuma hızı aşılırsa, ostenit Ms-sıcaklığının altında martenzite dönüşür, soğuma hızının, alt kritik soğuma hızına erişmesiyle martenzit oluşumu başlar. 

Soğuma hızı üst kritik soğuma hızından daha büyükse içyapıda sadece martenzit vardır. Yayınmasız ve çok hızlı olan martenzit oluşumunda, ostenitte çözünmüş olan karbon miktarının artmasıyla, kritik soğuma hızı azalır, dönüşüm başlangıç ve sonu ötelenir, böylece artık ostenit oranı daha düşük sıcaklıklara yükselebilir. 

Küçük C oranlarında V kritik soğuma hızına ulaşmak, pratik açıdan olanaksız denebilecek kadar güçtür. Bu nedenle martenzitik dönüşüm sonucu sertleşebilir alaşımsız çeliklerde karbon en az %0,2-0,25 olmalıdır. %0,5 ila 0,6 C' dan sonra Mf < 0 C sıcaklıklarının altına inilmediği sürece artık ostenit giderek fazlalaşır. Karbon oranıyla artması gereken sertlik, yumuşak ostenitten ötürü gösterdiği düşmeyi sürdürür veya yaklaşık olarak sabit kalır.

Karbon ve alaşım elementleri martenzitin mikro yapısını da belirler. C < % 0,5 ve alaşım elementlerinin az olması halinde martenzit, C %1'in üzerinde ise iğneli martenzit oluşur.

Özetle, soğuma hızına göre çeşitli içyapıların ortaya çıkışı, anılan dönüşüm kademelerinde yayınmanın farklı olmasından kaynaklanmaktadır: 
 

Karbon ve demirin yayınmaları mümkün değildir, karbür oluşmaz. Karbon martenzit kafesinin ara yerlerinde zorunlu çözünmüş olarak kalır.