ısıl işlemler

ISIL İŞLEMLER
• Isıl işlem, katı haldeki metal ve alaşımlarına
belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir
veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri
peşine uygulanan ısıtma ve soğutma
işlemleridir.
• İşlem esnasında ortamın etkisiyle, çeliğin
kimyasal bileşimi değişebilir. Örneğin,
sementasyon, nitrürasyon, oksitlenme ve
dekarbürizasyon işlemlerinde olduğu gibi.
• Bunu sağlamak için, ısıl işlem özel
ortamlarda gerçekleştirilebilir. Örneğin, tuz
banyoları, koruyucu gaz veya vakum
ortamlarında ısıl işlem yapılabilir.
Isıl işlemlerin uygulanma amaçları
• Talaşlı işlenebilme özelliği iyileştirilir
(yumuşatma, tane irileştirme),
• Dayanım (mukavemet) arttırılıp azaltılabilir
(sertleştirme, normalleştirme, yumuşatma),
• Soğuk şekil vermenin etkisi yok edilebilir
(yeniden kristalleştirme, normalleştirme),
Isıl işlemin uygulanma amaçları (devam)
• Mikro segragasyon ortadan kaldırılabilir
(homojenleştirme),
• Tane büyüklüğü değiştirilebilir (yeniden
kristalleştirme, tane irileştirme,
normalleştirme),
• İç gerilmeler azaltılabilir (gerilim giderme),
• Belirli iç yapılar elde edilebilir
(normalleştirme, yumuşatma, sertleştirme).
Isıl işlemler genel olarak iki grupta
toplanabilir:
- Tavlama,
- Sertleştirme.
Tavlama ile iç yapının kararlı, denge
durumuna yaklaşması sağlanır (soğuma
yavaş yapılır).
Sertleştirmede ise, ostenit hızlı
soğutularak yarı kararlı bir içyapı
(martenzit) oluşturulur.
Tutma
Soğutma
S
Isıtma
Süre
Tavlama işleminin şematik gösterimi
Her ısıl işlem en az;
- Belirli bir sıcaklığa ısıtma,
- Bu sıcaklıkta tutma (bekletme) ve
- Bu sıcaklıktan soğutma
aşamalarından oluşur.
Tavlama ısıl işlemi türleri
Tavlama:
Malzemeyi belirli bir süre tavlama sıcaklığına
ısıttıktan sonra, yavaş soğutmaktır
İşlem tavı (yeniden kristalleşme
tavı) deformasyonun etkisini kendine gelme/
Soğuk
Normalleştirme:
Yeniden kristalleşme ile ortadan kaldırmak
Tane yapısı bozulmuş iri
taneli çeliği,küçük taneli
yapmak için ostenit
bölgesine ısıttıktan sonra
havada soğutmaktır
Gerilme giderme tavı:
Plastik deformasyonun,
üniform olmayan
soğutmanın, faz
dönüşümlerinin neden
olduğu gerilmeleri
gidermektir
Tavlama
işlemi
çeşitleri
Küreleştirme tavı:
İyi işlenebilirlik için çeliği ötektoit
sıcaklığın hemen altında 15-25 saat
bekleterek iyice yumuşatmaktır.
Tam tavlama
(yumuşatma tavı)
Şekillendirilebilme özelliğini
İyileştirmekde, kaba perlit
yapısı elde etmek için çeliği
ostenit bölgesine ısıtıp
fırında soğutmaktır
Metal alaşımlarının ısıl işlemleri
Normalleştirme: Tane inceltme ve üniform boyut dağılımı
Tam tavlama:Fırında
soğutma,kaba perlit,
daha iyi süneklik
Normalleştirme
Yavaş soğuma
Küreleştirme: Fe3C’in birleşerek küresel parçacıkları oluşturması
Kaba, ince ve küreleşmiş
perlit mikroyapıları
Kaba perlit
İnce perlit
Küreleşmiş perlit
Tam tavlama
A3 & Acm
üst kritik sıcaklıklar
A1 alt kritik sıcaklık
• Tam tavlama: Plastik deformasyona uğrayacak veya talaşlı
imalatla işlenecek düşük ve orta karbonlu çeliklere uygulanır.
Çeliği yumuşatır, sünekliği ve talaşlı işlenebilirliğ artırır. Küçük
ve üniform tane yapılı kaba perlit elde edilir.
• A1 or A3 sıcaklığının 15 ile 40 oC üzerine ısıtılır
• Ostenit bölgesinde bekletilir
• Ötektoit öncesi faza ek olarak kaba perlit elde etmek için
fırında soğutulur
Normalleştirme
Tam tavlama
Sıcaklık
oC
Sıcaklık
oF
Küreleştirme
Bileşim (% ağırlık)
Çeliklerde yumuşatma tavının
(tam tavlamanın) yapıldığı ısıl işlem bölgesi
(siyah renkli bölge)
Küreleştirme
A3 & Acm
üst kritik sıcaklıklar
A1 alt kritik sıcaklık
• Küreleştirme: Plastik deformasyon veya talaşlı imalatla
şekillendirme için çok sert olan orta veya yüksek karbonlu
çeliklerde uygulanır. Sert çelik, küreleşmiş perlitik yapıyla
yumuşatılır.
• A1 sıcaklığının biraz altına ısıtılır
• Küreleşmiş mikroyapı (Fe3C küreleri) elde edilinceye
kadar bekletilir (~15 ile 25 saat)
• Havada soğutulur
Normalleştirme (normalizasyon)
A3 & Acm üst kritik
sıcaklıklar
A1 alt kritik sıcaklık
• Normalleştirme: Plastik şekil değiştirmiş çeliklerde ve tane
dağılımı üniform olmayan çeliklerde uygulanır. Isıl işlem, tane
boyutu dağılımını azaltmak ve küçük taneli ve mekanik
özellikleri iyileştirilmiş yapılar elde etmek için uygulanı.
• Üst kritik sıcaklığın 55 ile 85 oC üzerine ısıtılır
• Ostenit bölgesinde bekletilir
• Havada soğutma yapılır
Yeniden kristalleşme ısıl işlemi
• Plastik şekil değiştirme sonucu kristal ve tane
yapısı bozulmuş, iç gerilmeler oluşmuş bir
metal malzemede, yeni tanelerin oluşmasını
ve bu arada gerilme giderilmesini de
sağlayan ısıl işlemdir.
• Bu şekilde parça hem, şekil değişimi öncesi
özelliklerini kazanırken, hem de ince taneli
bir yapı elde edilir.
• Çelikler için bu sıcaklık, 450-700 oC arasıdır.
• Yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde yapılan
şekillendirme işlemleri sıcak, altında yapılan
işlemler soğuk şekil verme olarak adlandırılır.
Yeniden kristalleşme ısıl işlemi
mekanik özelliklerözellikler-mikroyapı ilişkileri
Çekme mukavemeti
T
Ç
S
Süneklik
Kendine
gelme
Yeniden kristalleşme
Tane büyümesi
Soğuk deforme olmuş
Ve toparlanmış taneler
Yeni taneler
Tavlama sıcaklığı
oC
Gerilim giderme ısıl işlemi
• Bir iş parçasında kaynak, döküm, tel çekme,
haddeleme, sertleştirme vb işlemler sonucu
iç gerilmeler oluşur.
• Oluşan bu iç gerilmeler parçada, elastik şekil
değiştirmeye neden olurlar.
• İç gerilmeleri gidermek, bunları plastik şekil
değişimine dönüştürmekle olur. Bunun için,
sıcaklığın artışı ile akma dayanımının
düşmesinden yararlanılır.
• Bu işlem 550-650 oC sıcaklığa çelik parçaları
ısıtıp, yavaş soğutarak yapılır.
Gerilim giderme
550-650 oC
Yeniden kristalleşme
450-700 oC
Çelikler için yeniden kristalleşme ve gerilim
giderme ısıl işlem sıcaklık bölgeleri
Homojenleştirme ısıl işlemi (difüzyon):
Katılaşma sırasında tanelerin içerisinde oluşan kimyasal
bileşim farklılıklarını
difüzyon (yayınma)
yoluyla gidermek için,
katılaşma sıcaklığının
altında yapılan
uzun süreli tavlamadır.
Çeliklerde 1050-1300
oC sıcaklıklar arasında
uygulanır. Arkasından
normalleştirme ısıl
işleminin yapılması
gerekir.
Sertleştirme (su verme)
Sertleştirme: Ötektoit altı çelikler A3, ötektoit
üstü çelikler A1 sıcaklığının 30-50 oC üzerine
ısıtıldıktan sonra hızla soğutularak, yapıda
bulunan ostenitin, perlit yerine martenzite
dönüştürülmesiyle su verme gerçekleştirilir.
Amaç, su vermeyle martenzitik yapı elde
etmektir.Martenzit iğneli bir yapıya sahip
olup, çok sert ve kırılgandır. Pratik olarak %
0.2’den az C içeren çeliklere su verilemez.
Martenzit oluşumu üç faktöre bağlıdır:
1. Alaşımın bileşimi, 2. Su verme ortamının
türü, 3. Numunenin şekli ve boyutu.
Sertleştirme
Temperleme (menevişleme) 100-650 oC
Sertleştirme (su verme) ve temperleme ısıl işlem sıcaklık bölgeleri
Temperleme: Parçaya su verdikten hemen sonra,
100-650 oC sıcaklıklar arasında yapılmalıdır. İşlem
100şartlarına bağlı olarak, temperleme sonucunda sertlik
ve mukavemet azalırken, süneklik ve tokluk
artmaktadır.
Sertleştirme ve Temperleme Isıl İşlemleri
Sıcaklık
Merkez
A1
Yüzey
Temperleme sıcaklığı
Dönüşüm
Temperlenmiş martenzit
Martenzit
Süre (log)
Martenzitik çelikte,
hacim merkezli tetragonal
(HMT) kafes yapısı,
Levha martenzit;
iğne şekilli taneler
martenzit fazıdır.
Beyaz bölgeler
kalıntı ostenittir.
Temperlenmiş
martenzitin
mikro-yapısı
ve
özellikleri
594 oC sıcaklıkta
temperlenmiş
martenzitin
elektron
mikro-fotografı.
Küçük parçacıklar
sementit fazıdır,
anayapı ferrittir.
Yağda su verilmiş
4340 çeliğinin temperleme
sıcaklığına göre mekanik
özelliklerinin değişimi
Karbon bileşimine göre,
sade karbonlu martenzitik
temperlenmiş martenzitik
ve perlitik çeliklerin
sertlikleri
Ötektoit çeliğin mikroyapı ve mekanik özellikleri
Ön işlem
Sertlik Dayanım Süneklik
Hv
(MPa) (%uzama)
_________________________________
1. Yavaş soğuma
(normalize)
250
930
15
2. 1030 K ’den
sertleştirme
(suda)
800
0
3. 1030 K ’den
sertleştirme,
temperleme
820 K
350
1160
25
4. 1030 K ‘den
sertleştirme,
temperleme
970 K
170
570
40
Matls. Princ. & Practice, fig. 5.2