Martenzit Nedir ?

Martenzit Nedir ?

Martenzit kavramı özellikle metalurji ve malzeme mühendisliği bölümü ve makine mühendisliği bölümü öğrencileri arasında yoğun kullanılan bir tabirdir. Martenzit yapı en basit tanımı ile şu şekilde açıklanır ;

Östenit fazına kadar ısıtılan çelik, çok yüksek bir hızla oda sıcaklığına soğutulduğunda KYM – Kübik Yüzey Merkezli kafes yapısı, KHM – Kübik Hacim Merkezli ya da HMT – Hacim Merkezli Tetragonal sisteme dönüşür. Yapı içerisinde bulunan karbon, çok hızlı soğuma olduğu için difüzyon ile dışarı çıkmaya vakit bulamayarak kafesi sıkıştırır ve ortaya martenzit denilen çok sert ve kırılgan bir yapı oluşur.

Bu yapıyı ilk olarak Alman bilim insanı Adolf Martens bulmuştur. Yeterli karbon seviyesine sahip bir çelik, su verildiğinde ya da hızlı soğutulduğunda bu yapı meydana gelmektedir. Ancak; martenzit kavramı sadece çelikteki bir faz olarak düşünülmemelidir. Aynı zamanda difüzyon olmayan bir katı hal faz dönüşümüne de martenzit denilebilmektedir.

Martenzit Özellikleri Nelerdir ?

İlk paragrafta bahsettiğimiz gibi, martenzit yapısı, çeliğin hızlı soğuması ile, kristal yapı içerisinde bulunan karbon atomlarının Fe3C – Sementit oluşturamadan yapı içerisinde kalmaları neticesi ile oluşturduğu kararsız sert ve kırılgan bir yapıdır. Bu yapı Hacim Merkezli Tetragonal – HMT olarak adlandırılmaktadır. HMT oluşabilmesi için çelik içerisindeki karbon miktarının minimum % 0.6 olması gerekmektedir. Östenit fazı martenzite dönüşürken geçen süre 1 saniyenin binde biri kadardır.

Martenzit yapısının kararsız bir yapı olduğundan bahsetmiştik. Bu yapı stabil olmayan bir yapıdır ve düşük sıcaklıkta temperleme işlemi neticesinde sementit ve ferrit yapısına ayrışabilir. Bu yapıya ayrıştığında doğal olarak sertliği azalacaktır ve tokluğu artacaktır. Ancak bu işlem yapılmaz ise, sertlik 700 HB ( Brinell ) sertliğe kadar ulaşacaktır. Bu sertlikteki çelikler pratik olarak kullanılamaz. Çünkü kırılgan yapıları kullanıma uygun değildir.

Demir Karbon Denge Diyagramı

Demir Karbon Denge Diyagramı

Yukarıda ” Demir Karbon Denge Diyagramı ” nı görebilirsiniz. Bir çoğunuzun çok iyi bildiği bu diyagramda martenzit yapısının olmamasının temel nedeni, bu diyagramın bir ” Denge “ diyagramı olmasıdır. Martenzitik yapı bir denge yapısı değildir. Kararsız bir yapıdır. Bu nedenle bu diyagramda gösterilmez. Bu diyagramda gösterilen yapılar, yavaş soğuma ile elde edilen dengeli-kararlı yapılardır.

Aşırı sert yapılar istenildiğinde bu dönüşüm sağlanır. Ancak pratik uygulamalarda kullanılabilmesi için temperleme işleminden geçmesi gerekmektedir. Bu işlemden geçmeyen çeliklerin mühendislik malzemelerinde kullanılması çok zordur. Martenzit yapısının istenildiği durumlar genellikle aşınma dayanımının fazla olması gereken yerlerdir. Çünkü sert yapı, aşınmaya karşı direnç gösterecektir.

Paslanmaz Çelikler ve Martenzitik Yapı


Paslanmaz çelikler ile ilgili yazımızda da bahsettiğimiz üzere, martenzit oluşumu paslanmaz çeliklerde de kullanılmaktadır. Paslanmaz çeliklerin geneline bakıldığında genellikle düşük karbon içeriği mevcut olmasına rağmen bu tiplerde nispeten daha yüksek karbon içeriğine rastlanır. Mikroyapısı martenzitiktir. Yapısından dolayı çekme, akma dayanımları ve sertlik değerleri diğer paslanmazlara göre yüksektir. Yüksek sertlik değerlerine ulaşıldığı için, hem korozyon dayanımı hem de aşınma dayanımının yüksek olması gereken yerlerde martenzitik paslanmaz çelikler kullanılmaktadır.

Ancak; korozyon dayanımları östenitik ya da ferritik olan tiplerine göre daha düşüktür. Ayrıca, bu yapıda manyetik özellik mevcuttur. Yani paslanmaz çelik olmasına rağmen mıknatıs tutar. Standart gösterimleri 400 serisinin türevleridir. 403, 410 vb.


Martenzit Oluşum Mekanizması Nasıldır ?

Çeliğe su verme işlemi sırasında martenzitik dönüşümün başladığı ve dönüşümün tamamlandığı sıcaklıklar vardır. Ms, bu fazın oluşmaya başladığı sıcaklık, Mf ise bu dönüşümün tamamlandığı sıcaklık olarak tanımlanır. Aşağıdaki şekli dikkatle inceleyelim.

Martenzit Dönüşümleri

Martenzit Dönüşüm Sıcaklıkları

Çelik östenit fazından soğutulmaya başladığında Ms ( Martenzitik Dönüşüm Başlangıç Sıcaklığı ) na ulaşır ulaşmaz dönüşüm başlar. Yani östenit fazı sementit oluşturmaya fırsat olmadan martenzitik yapıyı meydana getirir. Bu dönüşüm soğuma devam ettikçe sürer ve Mf ( Dönüşüm Bitiş Sıcaklığı ) ‘ye ulaşıldığında sona erer.

Yukarıdaki ” Martenzit Dönüşüm Sıcaklıkları ” şekli incelendiğinde, % Karbon miktarı arttıkça Ms – Dönüşüm Başlama Sıcaklığı düştüğü görülmektedir. Bu da şu anlama gelir. Karbon miktarı ne kadar fazla ise, dönüşüm o kadar düşük sıcaklıkta meydana gelebilir. Yani kolaylaşır. Aynı etkiyi yine yukarıdaki -b grafiğinde görebileceğiniz gibi ” Nikel “ elementi de karbon gibi dönüşüme etki eder. Yani nikel ne kadar fazla ise, dönüşüm sıcaklığı da o kadar düşecektir. Bu etkiyi Karbon Eşdeğeri makalemizde detaylı bir şekilde inceleyebilirsiniz.

Örnek vermek gerekirse, % 0.2 karbon içeren bir standard bir çelik, 400 Santigrat derece üzerinde dönüşüme başlarken, %0.6 karbon içeren aynı çelik 300 Santigrat derecenin biraz altında dönüşüme başlar. Yani çeliğin içerdiği karbon miktarı martenzit oluşturabilme kapasitesi ile doğrudan ilgilidir. Ne kadar fazla karbon var ise, o kadar kolay martenzitik yapı meydana gelmektedir.

Mikroyapı

Mikroyapı

Martenzit Mikroyapısı

Yukarıdaki mikroyapı görüntüsünden göreceğiniz üzere, martenzitik yapı keskin köşeler içermektedir. Uç kısımları sivridir. Bir metalurjist bu yapıyı gördüğünde yapının sertliğinin çok yüksek olduğunu anlamalıdır. Görünen bu yapılar, östenit fazı içerisinde çok hızlı bir şekilde büyümüş olan yapılardır. Martenzit yapısı, östenit fazı içerisinde plakalar halinde büyüyebileceği gibi, iğne halinde de büyüyebilir. Plaka yapısı genellikle orta ve yüksek karbonlu çeliklerde mümkün olur iken, iğne şeklinde oluşumu genellikle daha düşük karbonlu çeliklerde meydana gelmektedir.

Hızlı soğuma sırasında oluşan martenzit yapısı aşırı fazla ve iğne yapıda olabilir. Bu istenmez. Uygulama sırasında malzemenin sert olması aynı zamanda da aşırı miktarda kırılgan olmaması istendiği takdirde, martenzitik dönüşüm sonrası ısıl işlem uygulaması Ta ki istenilen sertlik – tokluk dengesi yakalanana kadar.

Martenzit Yapı Oluşumunda Martemperleme Uygulanması

Martemperleme işlemi aslında kontrollü bir sertleştirme işlemidir. Yapıdaki % Karbon miktarına bağlı olarak, hızlı soğutma işlemi sırasında çelikte çatlak oluşumu meydana gelebilir. İşte bu noktada martemperleme işlemi yapılarak çatlak oluşumu olmadan sert bir yapı elde edilebilir. Teknik şu şekildedir ;

  • Östenit sıcaklığına çıkarılan çelik, Ms sıcaklığının hemen üstüne kadar hızla soğutulur ve Ms ‘nin biraz üzerinde bekletilir. Bu bekletmenin amacı, malzemenin iç yüzeyi ile dış yüzeyi arasındaki gerilim farkını azaltmak ve sıcaklıklığı eşitlemektir. Beynit oluşturmayacak kadar bekletildikten sonra, tekrar çeliğe su verilerek soğutma işlemi gerçekleştirilir. Bekleme işlemi ile gerilimler giderildiği için martenzitik yapı oluşumu sırasında çatlama oluşmaz.

TTT Diyagramının Okunması

TTT Diyagramı adını ingilizce baş harflerinden almaktadır. Yani Time – Temperature – Transformation. ( Zaman – Sıcaklık – Dönüşüm ). Aşağıda bu grafiği görebilirsiniz.

TTT - Martenzit Diyagramı

TTT Diyagramı ve Martenzit Oluşumu

Grafik dikkatli bir şekilde incelendiğinde, yukarıdan aşağıya inen oku görebilirsiniz. Bu ok Ms ve Mf çizgilerini neredeyse dik bir açı ile kesmektedir. Ms, martenzitik dönüşümün başladığı sıcaklık, Mf ise dönüşümün tamamlandığı sıcaklıktır. Grafikte “γ” olarak gösterilen kısım östenit fazı temsil etmektedir. Grafiğin sol kısmı ” Sıcaklık “ , alt kısmı ” Süre “yi göstermektedir. Süre soldan sağa doğru gidildikçe artmaktadır. Yani grafikte gözüken ok ne kadar kısa süre içerisinde ( sol tarafa yakın ) aşağıya iner ise, martenzit oluşma ihtimali de o kadar artmaktadır. Eğer soğuma hızı yavaşlar ise, grafiğin sağ tarafına doğru gidilmiş olur.

Örnek olarak 900 santigrat dereceden oda sıcaklığına ( 20 ) inilir iken 10 saniye gibi bir süre beklenir ise, yapıda östenit, ferrit ve perlit oluşmaktadır. Martenzit oluşmaz. Çünkü KYM – Kübik Yüzey Merkezli Östenit yapı içerisindeki karbon atomları, kristal kafesten dışarı kaçmaya fırsat bulurlar ve daha yumuşak ve kararlı fazları oluştururlar. Süre daha da uzatılır ise yapı ” Beynit ” olur.

Özetle, sıcaklık düşüşü ne kadar hızlı ve keskin olur ise, oluşacak martenzitik yapı da o oranda fazla olacaktır.

Grafikte görülen A1 ve A3 hatları, Demir – Karbon Denge Diyagramı makalemizde de açıklanmaktadır.

Konu ile ilgili detaylı bilgi için bu makaleyi inceleyebilirsiniz.

Yorum Yaz