Faz Dönüşümü – Katı Faz Dönüşümü

Faz Dönüşümü Nedir ?

Faz dönüşümleri, metallerin katı faz özellikleri üretim sürecinde eritme ve döküm aşamasındaki etmenlerden etkilenir. İç yapı çoğunlukla dökümü izleyen ısıl işlemlerin etkisiyle kısmen veya tamamen değişir. Ancak; değişim sırasındaki dönüşme ve çökelme olayları da başlangıç yapısına bağlıdır.

Sıvı / katı geçişine birincil kristalleşme ve bu sırada oluşan iç yapı Birincil İç Yapı olarak adlandırılır. Isıl ve termo mekanik işlemlerle malzeme katı durumdayken tekrar kristalleşebilir. Bu yapıya İkincil Yapı denir.
Eriyik içinde atomlar kafes noktalarında bulunmayıp düzensiz haldedirler. Soğuma sırasında ısının uzaklaştırılmasıyla birlikte eriyiğin enerjisi giderek azalır, böylece belirli bir sıcaklığa gelindiğinde kristalleşme merkezi veya çekirdek denen bir takım düzenli atom grupları oluşmaya başlar.

Faz dönüşümleri işlemi veya soğuma esnasındaki katılaşma çekirdeklenme ve çekirdeğin büyümesi işleminden oluşur. Eğer çekirdeklenme, kafesin her yerinde gerçekleşebiliyorsa homojen çekirdeklenme ismini alır. En çok ve özellikle kaynak esnasında meydana gelen heterojen çekirdeklenme de kafesteki hatalı yerlerde ( örneğin tane sınırları, dislokasyon ve bu gibi hatalı yerlerde ) oluşur.

Katılaşma sırasında atomik diziliş, en düzenli kısa mesafeli düzenden uzun mesafeli düzene veya kristal yapıya kadar değişir. Çekirdeklenme. Küçük katı parçacıkların sıvıdan embriyolaşması ile olur. Çekirdek kararlı olmadan önce minimum kritik çapa gelmelidir. Katının büyümesi atomların sıvıdan oluşan çekirdeklere geçmeleri ile olur ve bu şekildeki büyüme sıvı bitene kadar devam eder.

Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğu zaman bir malzemenin katılaşması beklenir. Çünkü katının kristal yapısı ile ilgili enerjisi; sıvının enerjisinden daha azdır. Sıcaklık katılaşma noktasından daha da aşağıya düştüğünde giderek büyüyen enerji farkı katıyı daha dengeli hale getirir. Katı ve sıvının arasındaki bu enerji farkı serbest hacim enerjisidir.

Sıvı, katılaşma noktasına soğutulduğunda, sıvı içerisindeki atomlar kümeleşerek katı malzemeye benzeyen küçük bir bölge oluştururlar. Bu küçük katı parçacıkları “ embriyo “ olarak adlandırılır. Embriyo ( çekirdek ) oluştuğunda toplam serbest enerji değişimi, hacim serbest enerjisinde azalma ve yüzey serbest enerjisinde ise bir artış gösterir.

Kübik olarak katılaşan metallerde kristal tercihli yönlerde çok hızlı, diğer yönlerde ise daha yavaş büyür. Bu şekilde oluşan kristallerin hacimsel düzeni dentrit olarak adlandırılır. Kristalleşme biçimleri daha çok soğuma şartlarına bağlıdır.

İçinde daha önceden oluşmuş çekirdek ( karbür, nitrür, oksit, ve diğer katı bileşikler ) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi eriyiğin enerji içeriğinden karşılanır. Bu nedenle homojen çekirdek oluşumu için aşırı bir soğuma gereklidir. Artan aşırı soğuma ile kritik çekirdek büyüklüğü ve aktivasyon enerjisi azaldığından birim zamanda oluşan çekirdek sayısı önce yükselir ancak sıcaklığın çok düşmesiyle atomların difüzyonu güçleştiği için çekirdek sayısı azalır.

Birincil iç yapının tane büyüklüğü çekirdek sayısı ve kristallerin büyüme hızına bağlıdır. Çekirdekler ne kadar büyük ve kristallerin büyüme hızı ne kadar küçük olursa birincil taneler o kadar ince olarak oluşur.
Kontrollü çekirdeklenme aşağıdaki şekillerde oluşur ;

Tane boyutunun küçülmesi :

Kontrollü bir şekilde heterojen çekirdeklerin sıvıya eklenmesi sayesinde, sıvı – katı dönüşümü sayesinde oluşan tanelerin sayısı artmış olur. Böylece ortalama tane boyutu küçülmüş olur ki bu özellikle mekanik özellikler açısında avantajlı bir durumdur.


Dispersiyon Sertleşmesi :

Disperse halde fazların dışarıdan eklenmesi ile mekanik dayanımı oldukça yüksek malzemeler elde edilebilir.

Katı Hal Faz Dönüşümleri :

Katı halde oluşan faz dönüşümlerinin kontrol edilmesi elde edilen malzemenin özelliklerini oldukça büyük oranda etkiler.


Hızlı soğutma :

Çekirdeklenmenin engellenmesi sayesinde cazip özelliklere sahip amorf malzemeler elde edilebilir.

Katı Durumdaki faz değişimleri 2 farklı şekilde olur;

1- Dönüşümler : Kararsız bir kafes türü daha kararlı bir diğer kafes türüne dönüşür. Bu dönüşüm denge sıcaklığının altında olur.

2- Çökelmeler: Sıcaklığın azalması ile çözünebilirliğin de azalması halinde bir katı eriyikten bir veya birkaç faz çökelir. Ayrılan fazın bileşimi ve kafes yapısı başlangıç fazından farklıdır. Çökelme olayı yayınma ( difüzyon ) yolu ile kütle taşınmasını gerektirir. Yani zaman ve sıcaklığı bağlıdır.

Katı durumdaki değişimler derişikliğin aynı kalıp kalmamasına göre de sınıflandırılabilir. Derişikliğin değişimi görülmeyen olaylarda ( yeniden kristalleşme, tane büyümesi ,martenzit oluşumu 9 ısıl aktivasyon önemli rol oynar.

Derişiklik değişimlerinin görüldüğü olaylarda ( çökelme, kümelenme, katı eriyik dönüşümleri, yayınma yani kütle taşınması söz konusudur. )

Yeni fazlar da çoğunlukla çekirdek oluşumu ve çekirdek büyümesi ile meydana gelir. Artan aşırı soğuma ile çekirdeklenme kolaylaştığından dönüşüm hızı artar, ancak bir maksimuma ulaştıktan sonra azalır. Çünkü sıcaklık düşüşü bir yandan difüzyonu yavaşlatarak çekirdek oluşumunu ve dolayısıyla ile dönüşümü zorlaştırır.
Bir faz değişimini başlatmak yani iç yapı ve kafes yapısının yeni düzenini oluşturmak için gerekli aktivasyon enerjisi boş yerler dislokasyonlar ve tane sınırları gibi yerlerde bu hataların enerjileri kadar azalır. Dolayısıyla çekirdeklenme buralarda başlar.

Kafes hatalarının arttırılması ( plastik şekil verme, hızlı soğutma ) ile dönüşümlerin erken başlaması veya daha kolay gerçekleşmesi olayı bu nedene dayanır.

Çökelme Sertleşmesi ile ilgili yazımıza aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz…

https://www.metalurjimalzeme.net/cokelme-sertlesmesi/