1 ---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 1 8. ALAŞIM DİYAGRAMLARI ---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 2 METALLERİN ALAŞIM SİSTEMLERİ Metal alaşımı, çoğunluğunu bir metalin oluşturduğu, karışımdaki diğer elementlerin mutlaka metal olması gerekmediği, belli bazı özelliklerin kazanılmasının amaçlandığı karışımlardır. Metal alaşımı denebilmesi için ana malzemenin örneğin Fe veya Cu veya Al vs. gibi metalik bir element olması gerekir. Diğer karışanlar ise yine metal olabileceği gibi yarı metal veya ametal de olabilir. Metal – Metal (Cu-Ni) Metal - Yarı Metal (Al-Si) Metal – Ametal (Fe-C)
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 1
8. ALAŞIM DİYAGRAMLARI
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 2
METALLERİN ALAŞIM SİSTEMLERİ
Metal alaşımı, çoğunluğunu bir metalin oluşturduğu, karışımdaki diğer elementlerin mutlaka metal olması gerekmediği, belli bazı özelliklerin kazanılmasının amaçlandığı karışımlardır.
Metal alaşımı denebilmesi için ana malzemenin örneğin Fe veya Cu veya Al vs. gibi metalik bir element olması gerekir. Diğer karışanlar ise yine metal olabileceği gibi yarı metal veya ametal de olabilir.
Metal – Metal (Cu-Ni)Metal - YarıMetal (Al-Si)
Metal – Ametal (Fe-C)
2
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 3
NİÇİN ALAŞIM ?
Daha saf olmaları hem daha yüksek maliyet gerektirecektir ve hem de amaçlanan özellik bakımından genelde fazla bir yarar sağlamayacaktır.
Mühendislik malzemesi olarak çeşitli konstrüksiyonlarda kullanılan metallerin saflık dereceleri nadiren dört dokuzluk metal, yani % 99,99 kadardır. Normalde ise % 99,9 veya % 99,0 gibi üç dokuzluk veya iki dokuzluk saflıkta metallerle yetinilir.
Bilhassa mekanik özelliklerin ön planda tutulduğu malzemelerde daha az saflık oranıyla yetinilir. Katışkıların sadece belli sınırların altında kalmasıyeterli olacaktır.
Alaşım elementi olarak metale katılmamış olan ve arındırılması zor olan, sadece belli oranların altında kalmaları sağlanan karışım elementlerine katışkıadı verilir.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 4
NİÇİN ALAŞIM ?
Alaşım elementi, bir metale belli mekanik, teknolojik, fiziksel veya kimyasal özellikler kazandırmak amacıyla katılan elementlere denir.
•Ekonomiklik
•Mukavemet
•Teknolojik özellik
•Kimyasal özellik
•Fiziksel özellik (Renk, Isı ve elektrik iletkenlikleri, Isıl genleşme katsayıları, Kıvılcım çıkarmaması, Akustik özellik, Titreşim söndürme özelliği)
3
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 5
ALAŞIMLAR? Bir metal alaşımını oluşturan karışımda genelde bir metal o alaşımın ana metalidir ve diğer katkılar da o alaşımın alaşım elementleri olarak görev alırlar. Örneğin Türkiye piyasasında sarı diye adlandırılan fakat standartlarca pirinç olarak bilinen bakır-çinko alaşımlarından biri CuZn28’dir.
Bu alaşımın ana metali bakırdır: % 72Cu ve alaşım elementi olarak içinde ortalama % 28 Zn bulunur.
Isıtıcıların rezistans telleri.NiCr20AlSi
Korozyondan korumada kurban anotlar.MgMn2
Uçak gövdeleri imalatı.AlCu4Mg1
Al pencere ve kapılar, kornişler, iç mimari.Al99,8MgSi
Yaklaşık 1 bar olan atmosfer basıncında iki veya üç bileşenin % 0 - 100 arası oranlarda birbirleri içinde karıştırılmasıyla elde edilen karışımların ergiyene kadar ısıtılmasıyla ortaya çıkan faz bölgelerinin deneysel olarak belirlenmesidir.
Böyle bir sistem örneğin A ile B elementlerinden oluşan bir alaşım sistemi ise, deneysel olarak çizilen diyagram bu elementlerin Karışım Oranı -Sıcaklık diyagramı, yani A ile B elementlerinin alaşım diyagramı olacaktır. Alaşım diyagramlarına faz diyagramları veya denge diyagramları adlarıda verilir.
4
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 7
ALAŞIM DİYAGRAMLARIBu diyagramlar sıcaklığın ve karışım oranlarının değişimiyle hangi fazların oluştuğunu gösterirler.
Alaşım diyagramları diğer taraftan birer denge diyagramıdır. Isıtma ve soğutma adeta sonsuz yavaşlıkta gerçekleşir.
Gerçek teknik hayatta çok daha farklı ısıtma ve soğutma hızları kullanılmak zorundadır. Bundan dolayı, alaşım diyagramlarını okurken dikkatli olunması gerekir.
Yayınlanmış diyagramdan bilinen faz bölgeleri gerçek uygulamalarda aşağıveya yukarı doğru kaymış durumdadır.
Alaşım sistemleri olarak sadece iki bileşeni olan ikili alaşım diyagramlarıen yaygın olarak kullanılanlardır.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 8
FAZ DİYAGRAMLARI
Katı
Sıvı
Gaz
Basın
ç
Sıcaklık
5
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 9
FAZ DİYAGRAMLARI
Sıca
klı k
X Yartan % Y
Sıvı
Katı
İki faz
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 10
Likudus, Solidus Nedir?
Sıca
klı k
X Yartan % Y
Likudusçizgisi
Solidusçizgisi
Katılaşma aralığı
6
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 11
Basit alaşımlar İçin Soğuma EğrileriSı
caklık
Süre
Ergiyik
İki Faz
Katı
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 12
Katı Eriyik, Katı Çözelti
Bir elemente ait atom diğer elemente ait olan kafes yapısı içinde çözünebilir.
α, β, χ, δ, γ
Yer Alan Ara Yer
Ni/Cu C/Fe
7
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 13
Katı Eriyik, Katı Çözelti
B fazıA fazı
Nikel atomuBakır atomu
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 14
Katı Eriyik, Katı Çözelti
α (koyu renkli faz)
β (açık renkli faz)
Aluminyum-Bakır alaşımı
8
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 15
Katı Eriyik, Katı Çözelti
İlk katılaşan bölge Son katılaşan
tane sınırı
Tane büyümesi çekirdekten dışa doğru olur
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 16
Katı Eriyik, Katı Çözelti
Bakır ve Nikel tamamen birbiri içinde çözünebilir.Bakır ve Çinko birbiri içinde kısmen çözünebilirBakır ve Kurşun birbiri içinde hiç çözünemez
9
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 17
Bakırın Mukavemeti Üzerinde Alaşım Elementlerinin Etkisi
İkili alaşım sistemleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
1- Sıvı ve katı durumda tam çözünürlük gösteren sistemler
2- Ötektik sistemler•Sıvı durumda tam çözünürlük, katı durumda tam çözünmezlik gösteren sistem; •Sıvı durumda tam çözünürlük, katı durumda sınırlı çözünürlük gösteren sistem,
3- Peritektik sistemler
4- Ara fazlı sistemler
11
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 21
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni
Au-Pd
Bi-Sb
Cs-K
Cs-Rb
Cu-Pd
Ni-Pd
Si-Ge
Fe2SiO4 - Mg2SiO4 , vs. bu sistemi oluştururlar.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 22
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
10 20 30 40 70 8060 90
1200
1300
1400
1500
1000
900
800
%Ni 100Ni
1083
50
Bakır - Nikel alaşım diyagramı
1453
0Cu
Ergiyik Likidüs eğrisi
Solidüs eğrisiα + Ergiyik
Katı Eriyik: α
1600
12
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 23
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
1200
1100
1000
1500
1300
%70Cu%100Ni %30Cu
Zaman, (min)
%100Cu
Bakır - Nikel alaşım diyagramının elde edilmesi%Cu
CuNi 30 70
1390
1330
1240
1170
1083 1083
1453
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 24
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
13
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 25
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
İç yapıyı 1350 oC’de oluşturan katı+ergiyik fazlarının oranlarına gelince: %30 Cu içeren alaşımın diyagramda 1350 oC’de bulunduğu noktadan o sıcaklıktaki solidus eğrisine uzaklığı (a) ve likidus sıcaklığına uzaklığı (b) ile işaretlenirse, a = 30 – 23 = 7 olarak ve b = 42 – 30 = 12 olarak bulunur.
(Katı eriyik miktarı) x a = (Ergiyik miktarı) x b
Bu kaldıraç formülünden;
[Katı eriyik x 7 = Ergiyik x 12] ve oranı bulunmaktadır. Demek ki 1350 oC’de alaşımın % 63,1’i α kristallerinin oluşturduğu katı eriyikten ve % 36,9’u da henüz kristalleşmemiş, fakat soğutma devam ettiğinde kristalleşecek ergiyikten oluşmaktadır.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 26
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
14
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 27
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
wt% Ni20
120 0
130 0
30 40 50110 0
L (liquid)
α (solid)
L + α
L + α
T(°C)
A
D
B
35Co
L: 35wt%Ni
α: 46wt%NiC
E
L: 35wt%Ni
464332
24
35
36α: 43wt%Ni
L: 32wt%Ni
L: 24wt%Ni
α: 36wt%Ni
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 28
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
15
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 29
Cu-Ni Alaşım Diyagramı
Çek
me
Day
anımı(
MP
a)
%NiCu Ni020406080100200300400 Saf Ni
saf Cu
(%U
zam
a)
%NiCu Ni0204060801002030405060 Saf NiSaf Cu
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 30
Source: Barret, Nix & Tetelman, The Principles of Engineering Materials, 1973. p 125
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Ge-Si Alaşım Diyagramı
α
α + Erg.
Ergiyik
% Si
16
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 31
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
Nb-W Alaşım Diyagramı
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
0 20 40 60 80 100
Weight % W
Tem
pera
ture
(C)
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 32
1- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
MgO-FeO Alaşım Diyagramı
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0 20 40 60 80 100
Wt% FeO
Tem
pera
ture
(C)
17
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 33
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
Ötektik sistemlerde, alaşımın likidüs ve solidüs sıcaklıklarının bir noktada çakıştığı ve bir ergime noktası oluşturduğu, ergiyikten kristalli yapıya veya tersinin, yani kristalli yapıdan ergiyik duruma geçişin bir sıcaklık noktasında gerçekleştiği en azından bir adet ötektik nokta (ötektikum: iyi yapılı) vardır.
Bu ötektik noktanın sıcaklığı, alaşımı oluşturan metallerin ergime sıcaklıklarından daha düşüktür.
Bazı alaşım sistemlerinde bu fark önemli miktarlara ulaşabilir.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 34
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
18
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 35
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
Ötektik reaksiyon: Ötektik karışımdaki bir alaşımın ısıtma esnasında veya soğutma esnasında ötektik sıcaklıkta olan iç yapıdeğişimlerini tarif eder. Ötektik reaksiyonun tanımı, ısıtma esnasında iki farklı katı fazdan bir sıvı çözeltinin oluşması, soğutma esnasında ise ergiyikten iki farklı katı fazın kristalleşmesidir.
Ötektik Reaksiyon: A + B ↔ Ergiyik
Yukarıda örnek olarak verilen sistemdeki ötektik reaksiyon:
Au + Si ↔ Ergiyik
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 36
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
19
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 37
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 38
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
900 oC’de AuSi4 iç yapısındaki primer Au kristalleri ve ergiyik
20
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 39
2- Ötektik Sistemler2.1 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
Hansen & Anderko, Constitution of Binary Alloys, 1958. p. 206
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 40
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
Ötektik Reaksiyon:
Ergiyik ↔ α + β
21
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 41
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 42
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
(α kristalleri miktarı) x alfa kolu = (β kristalleri miktarı) x beta kolu
Kaldıraç Formülü
22
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 43
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
Kaldıraç Formülü(α kristalleri miktarı) x (38,1 – 2,5) = (β kristalleri miktarı) x (80,5 – 38,1)
Ötektik iç yapıda α+β = % 100 olduğu esasına göre, orantı alınır ve αkristalleri oranı yaklaşık % 55 ve β kristalleri ise yine yaklaşık % 45 olarak bulunur.
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 44
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
23
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 45
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
Source: Askeland, The Science & Engineering Of Materials, 1984, p 246
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 46
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
Source: Askeland, The Science & Engineering Of Materials, 1984, p 249
24
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 47
Ötektik Mikro Yapı
Ergiyik ↔ α + β
Pb bakımından zengin olanlar α fazı (koyu bölgeler)
Sn bakımından zengin olanlar β fazı (açık bölgeler)
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 48
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
25
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 49
2- Ötektik Sistemler2.2 Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük
Source: Callister, Materials Science and Engineering:An Introduction, 2000. p. 256
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 50
3- Peritektik SistemlerPeritektik nokta (peritektikum: çevresel yapılı), Peritektik Sıcaklık
Alaşımı soğuturken peritektik noktada primer β kristalleri çevresindeki ergiyikle reaksiyona girer ve α kristallerinin oluşmasına neden olurlar. Alaşımı ısıtırken de tam tersi gerçekleşir. α taneleri ergimeye başladıklarında oluşan ergiyikle birlikte β taneleri oluşur.
Peritektik üstü alaşımlarda ise reaksiyon: Ergiyik + β ↔ α + β
Tam peritektik noktada ise reaksiyon aşağıdaki gibidir:Ergiyik + β ↔ α
26
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 51
3- Peritektik Sistemler
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 52
3- Peritektik Sistemler
27
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 53
3- Peritektik Sistemler
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 54
3- Peritektik Sistemler
28
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 55
3- Peritektik Sistemler
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 56
3- Peritektik Sistemler
29
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 57
3- Peritektik Sistemler
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 58
4- Ara Fazlı SistemlerAra fazlı sistemlerde, alaşımı oluşturan elementler arasında bir kimyasal bileşik mevcuttur. Bu bileşik, alaşımlara göre metal/metal bileşiği (intermetalik), metal/yarımetal, metal/ametal, yarımetal/yarımetal, yarımetal/ametal veya ametal/ametal arasında intermedier bileşikşeklinde olabilirler.
Örnekler: Mg2Sn, FeCr, Fe3C, AlN, WC, Co2Si vs. Bu ara fazlardan bir sistemde bir adet olabileceği gibi aynı sistem içinde alaşım oranlarına göre birden çok da olabilir. Örnek olarak Al–Cu alaşım sisteminde bulunan intermetalik fazlar alınabilir: Al2Cu, AlCu, Al3Cu5, AlCu2, AlCu3.
Ara fazlar alaşım sistemini, kendileri de ayrı bir elementmiş gibi bölerler. Onlar gerçekte de alaşım oluşturan birer alaşım bileşenidirler. Al – Cusisteminde gerçekte Al – Al2Cu, Al2Cu – AlCu, AlCu – Al3Cu5, vs. Sistem birden çok kısma bölünmüştür.
30
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 59
4- Ara Fazlı Sistemler
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 60
4- Ara Fazlı Sistemler
31
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 61
Al-Si Alaşım Diyagramı
Source: Hansen & Anderko,Constitution of BinaryAlloys, 1958. p. 133
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 62
Source: Hansen & Anderko,Constitution of BinaryAlloys, 1958. p. 106
Al-Mg Alaşım Diyagramı
32
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 63
Cr-Ni Alaşım Diyagramı
Source: Hansen & Anderko,Constitution of BinaryAlloys, 1958. p. 542
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 64
Cu-Zn Phase Diagram
33
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 65
Al2O3-Cr2O3 Faz Diyagramı
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 66
SiO2-Al2O3 Faz Diyagramı
34
---YRD. DOÇ. DR. CEMAL MERAN--- 67
Referanslar
1. M. Hansen & K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill, 1958
2. R.P. Elliot, Constitution of Binary Alloys, First Supplement, McGraw-Hill, 1965
3. F.A. Shunk, Constitution of Binary Alloys, Second Supplement, McGraw-Hill,1969