DEMİR–KARBON DENGE DİYAGRAMI
Çelikteki alaşım elementlerinden en önemlisi karbondur. Karbonun varlığı, çeliği günlük yaşantının en yararlı unsuru yapan, elde edilebilir çok sayıda özelliklerinden büyük ölçüde sorumludur. Oda sıcaklığında karbonun alfa demiri içerisindeki çözünürlüğü çok düşüktür. Bu nedenle karbon atomları tek tek demir atomları arasında çok seyrek olarak bulunurlar. Ferritte çözülmüş karbon miktarının düşük olması karbonun demir-karbür bileşiğini oluşturduğunu gösterir. Karbonun demir ile yaptığı karbüre sementit adı verilir. Demir-karbür ferrit ile beraber “ lamel ” (yaprak veya levha) şeklinde mevcut olabilir. Perlit adı verilen bu yapı % 0.8 karbon içerir. Bu miktardan daha fazla karbon tane sınırları karbürü olarak ayrılır. % 0.8 karbonlu bu çeliğe otektoid adı verilir.
Demir karbonla alaşımlandırıldığında, dönüşüm Fe – C denge diyagramında gösterildiği gibi, karbon miktarına bağlı olarak belli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Demir karbon denge diyagramının çeliğin ısıl işlemi için kullanılan kısmına ait çeşitli mikro yapıları göstermektedir. Bu denge diyagramını % 6 karbona kadar tamamlanmış olarak verir. Karbonun östenitteki erirliliği ferrittekinden daha fazladır.
Bir miktar saf demir ergitilir ve içerisine 1900°C sıcaklıklarda ağırlığın % 6.67 si kadar karbon atılacak olursa karbonun hepsi demir içinde erir. Sıcaklık, katılaşma sıcaklığına indiği zaman da Fe3C kimyasal bileşiğindeki “ demir karbürü ” meydana getirir.
Demir içerisinde daha az miktarda karbon atılmış olsa da demirin bir kısmı ile birleşen karbon, demir karbür meydana getirir. Fakat bu defa karbonla birleşmemiş olan demirde yapıda saf olarak bulunacaktır.
Demir ve karbonun bir arada bulunduğu zaman, bu malzemenin hepside karbon oranına bağlı olarak saf demirle sementitin oluşturduğu bir dizi alaşım meydana getirir.
Demirle sementitin yaptığı alaşımların incelenebilmesi için denge diyagramını çizmek ve incelemeyi diyagram üzerinde yapmak gerekir. Denge diyagramı incelenecek olursa, demir ve sementitin bir çok faz meydana getirdiği ve bu fazların ötektik, ötektoit ve katı eriyikler olduğu görülmektedir.
1. Karbon yüzdesine göre demir-karbon denge diyagramını üç kısıma ayırmak mümkündür.
a-Demir: ihmal edilebilecek kadar az karbon içeren veya saf demir.
b-Çelik: % 2’den az karbon içeren Fe-C alaşımlarıdır.
c-Dökme demir: % 2’den fazla karbon içeren Fe-C alaşımlarıdır.
2. Çelik bölgesi ötektoid karbon oranına (% 0.83 C) göre sınıflandırılır; % 0.83 den az karbon içeren çelikler ötektoid altı çelikler, % 0.83-2.0 arasında karbon içeren çeliklere ötektoid üstü çelikler denir.
Sol üst köşe Bu kısım delta bölgesi olarak bilinir. 1493 oC sıcaklıkta bulunan yatay çizgi peritektik reaksiyonu göstermektedir.
Peritektik reaksiyon şöyle yazılabilir.
İnceleme
- a) Delta Bölgesi: Gama kristalleri 1400°C sıcaklıkta alfa kristal kafeslerine dönüşür. Bu bölge endüstride büyük önem taşımamaktadır. Çünkü bu sıcaklıkta demirin endüstriyel kullanımı yoktur. Bölgede saf gama kristalleri, alfa+gama kristalleri ve gama+sıvı bulunmaktadır.
- b) Ötektoit Bölgesi : Bu bölge içerisinde % 0.008 karbon bulunan (pratikte sıfır karbonlu kabul edilir) sıfır ile % 1.7 karbon bulunan sınıra kadardır. Saf demir ile austenitin vermiş olduğu bir ötektik olmasına rağmen daha öncede açıklanmış olduğu gibi ötektoit adı verilmektedir.
Saf demir 910°C sıcaklıkta gama kristallerine dönüşmektedir. Demire karbon katıldığı zaman durum ötektiğe benzemekte ve dönüşme 910°C sıcaklıktan daha aşağı sıcaklıklara dönüşmektedir. Dönüşme ötektoit sıcaklık olan 723°C sıcaklıkta tamamlanır. Ötektoit oran % 0.85 karbon oranındadır. Karbon bu bölgede saf demirden yeteri kadarı ile sementit yapar ve bu sementite belirli orandaki demirle perlit adını verdiğimiz yapıyı meydana getirir.
Demirdeki karbon oranı ötektoit sınır olan % 0.85’e ulaşıncaya kadar yapıda perlit ile ferrit bulunur. Karbon miktarı % 0.85 olduğu zaman yapıda ötektoit olan perlit bulunur. Oran % 0.85’ten fazla olduğu zaman, karbonun ancak % 0.85 kadarı ötektoit (perlit) yapacağından fazla karbon yapıda sementit olarak bulunur. Karbon oranı % 0.85’ten az, % 0.85 ve % 0.85’den fazla olduğu durumlar ayrı ayrı şekil 1.1’den incelenmelidir.
Sıcaklık 723°C üzerine çıkanca ötektoit yapı hemen austenite dönüşür. Yapıda karbon oranına bağlı olarak bulunan ferrit ve sementitin austenite dönüşmesi ise şekil 1.1’de bulunan kendi eğrileri aşıldığı zaman gerçekleşir. Ferrit ve sementit daha yüksek sıcaklıklarda dönüşmelerini tamamlarlar. Dönüşme tamamlandığı zaman bütün yapı austenit olur.
İncelemeye içerisinde % 0.3 karbon bulunan austenit bölgesinden başlayalım. 900°C sıcaklıktan soğutulmaya başlayan yapı dönüşüme uğrayarak ötektoit oranından fazla olan ferrit meydana gelmeye başlar. Kalan östenitin karbon oranı (saf demirin ayrılmasından dolayı) yükselmeye başlar. Sıcaklık 0 noktasına geldiği zaman daha önce ötektiklerden yapılan inceleme uyarınca alaşımda oluşan ferrit miktarı, kalan austenit ve kalan austenitteki karbon oranının bulunması mümkündür. Austenitteki karbon oranı 0’dan inilecek dikle bulunabilir.
Çeliklerin ısınmasını (tavlanması) esnasında olaylar soğumada olduğunun tam tersi şeklinde cereyan eder. Yukarıda anlatılmaya çalışılan olaylar çeliğin yavaş soğuması ile meydana gelen olaylar (dönüşümler) olduğundan hızlı soğuma ile karıştırılmamalıdır. Hızlı soğuma ile daha farklı yapılar meydana getirilir.
- c) Perlit Oluşumu: Austenit kristallerinin dönüşümü ile perlit şöyle oluşur: Karbon atomları austenite ancak 723°C üzerinde erimiş olarak bulunabilir. Bu sıcaklığın altında bulunan karbon atomları austenitte kalmazlar ve austenitten ayrılarak serbest hale geçerler. Ancak serbest olarak kalmaları imkansız olduğundan bir kısım demir karbonları ile birleşerek sementit meydana getirirler.
Ostenitin dönüşümü ile bir taraftan sementit meydana gelirken, diğer taraftan karbon atomlarının yapıdan ayrılması ile karbonsuz kalan saf demir ferrit kristallerini meydana getirmektedir. Yalnız bu oluşum ötektik prensiplerine göre oluduğundan ferrit ile perlit plakalar halindedir. İlk önce bir sementit plakası meydana gelir ve bunun etrafını ferrit plakaları kaplar. Bu olay bütün austenit bitinceye kadar devam eder.
- d) Ötektik Bölge: Bu bölgenin incelenmesi herhagi bir ötektiğin incelenmesinden farklı değildir. En önemli fark sıcaklık değişimlerinde austenit ve ledeburitteki değişimlerdir.
Bu bölge, içerisinde % 1.7 karbon bulunan austenit ile % 6.67 karbon bulunan sementitin meydana getirdiği bir ötektiktir. Ötektik, Alman bilgini Ledebur’un ismine isabeten ledeburit ile anılmaktadır. Ötektik oran % 4.3 karbon ve % 95.7 ferritten ibarettir. Ötektik sıcaklık 1130°C’tır.
İncelememize % 2.5 karbon bulunan bölgeden başlayalım. Sıvı bölgeden soğumaya başlayacak olursak önce austenitin (içerisinde % 1.7 karbon vardır) katılaşmaya başladığını görürüz. Çünkü bu noktada austenit oranı ötektik oranından fazladır. Sıcaklık düştükçe sıvının karbon oranı yükselmeye başlar. Sıcaklık 1130°C oluncaya kadar sıvının karbon oranı % 4.3 e ulaşmış olur. Bu noktada sıvının katılaşması ile ötektik yapı yani ledeburit meydana gelir. Sıcaklık 1130°C ‘tan aşağıya düşmeye başlayınca bilindiği gibi, austenite ancak % 1.7 karbon eriyebileceğinden ve bu karbonu da ancak 1130°C sıcaklıkta eritebileceği için austenitten bir miktar karbon açığa çıkarak sementit meydana getirecektir. 1130°C altındaki sıcaklıklarda yapıdaki bu dönüşümler dikkate alındığında ledeburit + sementit + austenit bulunacağı anlaşılabilir. Sıcaklık 723°C altına inince, 1130 ile 723°C arasında austenitten ayrılan karbon atomlarından dolayı austenitteki karbon oranının % 0.85 oranına indirmiş olacağından bu orandaki austenitte dönüşerek perlit yapıyı meydana getirirler. Şimdi artık oda sıcaklığına kadar yapıda perlit + sementit + ledeburit bulunacaktır. Yalnız bu ledeburitin dönüşme sonucu meydana geldiğini hatırdan uzak tutmamak gerekir.
Ötektik orandaki inceleme çok daha kolaydır. 1130°C sıcaklığa kadar herhangi bir dönüşme yoktur. Bu sıcaklıkta bütün yapı birdenbire ledeburite dönüşür. Bundan sonra sıcaklık oda sıcaklığına ininceye kadar ledeburitteki austenitin dönüşümünden başka dönüşüm yoktur.
Ötektik oranda fazla karbon bulunan bir alaşımda önce sementit meydana gelir. Sıcaklık 1130°C olunca kalan sıvı ledeburite dönüşür. Bu sıcaklıktan sonra yine daha önce ifade edildiği gibi ledeburitteki austenitin dönüşmesinden başka bir dönüşüm yoktur.
