18 Eyl 2021

Malzemeci Amca

Tüm Mühendislik Ders Notları

Faz Dönüşümlerinde Mikroyapı Oluşumu

Faz sayısını ve fazların kimyasal bileşimini değiştirmeyen basit ve yayınma esaslı ölçümler. Örneğin, saf bir metalin katılaşması, allotropik dönüşüm ile yeniden kristalleşme ve tane büyümesi ile gerçekleşen dönüşümlerdir.

Basit ve yayınma esaslı dönüşümler:

Faz sayısını ve fazların kimyasal bileşimini değiştirmeyen basit ve yayınma esaslı ölçümler. Örneğin, saf bir metalin katılaşması, allotropik dönüşüm ile yeniden kristalleşme ve tane büyümesi ile gerçekleşen dönüşümlerdir.

Yayınma esaslı dönüşümler:

Faz bileşiminde ve sıklıkla sayısında değişikliklere neden olan ve genellikle son mikroyapının 2 fazdan oluştuğu dönüşümlerdir. Örneğin, Fe-C faz diyagramındaki ötektoid reaksiyon.

Yayınmasız dönüşümler:

Yayınmasız koşullarda gerçekleşen ve sonucunda yarı kararlı fazın oluştuğu dönüşümlerdir. Örneğin, martenzitik dönüşümler bu tür dönüşümlere örnek olarak verilebilir. Ayrıca, çeliklere uygulanan bazı ısıl işlemler sırasında gerçekleşen faz dönüşümleri de bu grup içerisinde yer almaktadır.

Faz dönüşümlerinin kinetiği

Faz dönüşümlerinin gerçekleşmesi; çekirdeklenme ve büyüme olarak adlandırılan iki safhadan meydana gelir.

Çekirdeklenme safhası: yaklaşık olarak birkaç yüz atomdan oluşan ve büyüyebilme yeteneği bulunan yeni faza ait çekirdekler veya parçacıklar meydana gelir.

Büyüme safhası: Bu çekirdeklenen yeni faz parçacıkları büyüyerek önceki fazın bir kısmı veya tamamının zamanla yok olmasına neden olurlar.

Çekirdeklenme aşaması

Sıvı içerisinde bir küresel katı parçacığın çekirdeklenmesini gösteren diyagram.

  • Homojen Çekirdeklenme
  • Heterojen Çekirdeklenme

Homojen çekirdeklenme

Katılaşan bir metalde küre şeklinde bir çekirdeğin oluşumu için toplam serbest enerji değişimi( ΔG):

ΔGv metalin birim hacminde sıvı ve katı arasındaki serbest enerji değişimi r, yarıçap ɣ, spesifik serbest yüzey enerjisi (J/m2)

(a) Hacim serbest enerjisi ve yüzey serbest enerjisi etkilerinin toplam serbest enerjisi değişimine olan katkısının katılaşma sırasında küresel bir parçacık oluşumu için şematik gösterimi.
(b) Serbest enerjinin embriyo/ çekirdek yarıçapına bağlı olarak değişimi ile kritik çekirdek çapı r* ile buna karşılık gelen kritik serbest enerji değişimi ΔG* değerlerinin şematik olarak gösterimi. Kritik bir r* değerine tekabül eden ΔG* enerjisi kararlı bir çekirdeğin oluşması için gerekli olan aktivasyon serbest enerji değeridir.

Homojen çekirdeklenme

Homojen çekirdeklenmede kararlı katı parçacık çekirdeğinin kritik yarıçapı

Homojen çekirdeklenmede kararlı çekirdek oluşumu için gerekli aktivasyon serbest enerjisi:

Kritik yarıçap ile yüzey serbest enerjisi, ergime gizli ısısı, ergime sıcaklığı ve dönüşüm sıcaklığı ilişkisi

Aktivasyon serbest enerjisi

İki farklı sıcaklık için serbest enerji-çekirdek yarıçapı eğrilerinin şematik olarak gösterimi. Kritik serbest enerji değişimi ΔG* ve buna karşılık gelen kritik çekirdek yarıçapı r* değerleri her sıcaklık için ayrı ayrı gösterilmektedir.

Kararlı çekirdeklerin ( yani kritik yarıçap üzerinde yarıçapa sahip ) sayısı n değerinin sıcaklığın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki şekilde ifade edilirler:

Katılaşmada kararlı çekirdek sayısının sıcaklıkla değişimi

Atomların katı çekirdeğe tutunma frekansının (atomların kümelenmesi) yayınma aktivasyon enerjisi ve sıcaklığa bağlı olarak değişimi:

Katılaşmada atomların birbirine olan bağlılık frekansının sıcaklıkla değişimi.

Çekirdeklenme hızı Ń, saniyede ve birim hacimde gerçekleşen çekirdeklenme sayısıdır ve şu şekilde ifade edilir:

Çeşitli metallerin homojen çekirdeklenmedeki (ΔT) süper soğuma sıcaklığı değerleri

Heterojen çekirdeklenme

Heterojen çekirdeklenmede katılaşma kararlı çekirdek oluşumunu sağlamak için gerekli kritik serbest enerjiyi (ΔG*) düşürür. Endüstriyel döküm operasyonlarında büyük miktarda aşırı soğuma ( birkaç yüz santigrad derece) genellikle 0.1 ile 10 derece arasındadır. Yüzey ve ara yüzeylerde kolaylıkla oluşan çekirdekler, yüzey serbest enerji değerinin de azalmasına neden olmaktadır.

ϒIL = sıvı katı arayüzey enerjisi
ϒSI = katı yüzey enerjisi
ϒSL = katı-sıvı yüzey enerjisi

Homojen ve heterojen çekirdeklenme de serbest
enerji-çekirdek/embriyo, yarıçapı diyagramlarının
şematik olarak gösterilişi

Heterojen çekirdeklenmede kritik yarıçap (r*) ve kritik aktivasyon serbest enerji değişimi (ΔG*)

S(ϴ) terimi sadece ıslatma açısı ϴ ‘nın bir fonksiyonudur ve sayısal olarak 0 ile 1 arasında değerler alır.

Heterojen çekirdeklenme ile homojen çekirdeklenme arasındaki ilişki:

Heterojen çekirdeklenmenin homojen çekirdeklenmeye göre daha kolay ve çabuk gerçekleştiği bu denkleme göre söylenebilir.

Büyüme

Büyüme hızı Ǵ, sıcaklıkla değişimi:

Q ve C sıcaklıktan bağımsız aktivasyon enerjisi ile malzeme katsayısıdır.

Çekirdeklenme hızı (Ń) ile büyüme hızı (Ǵ) ve toplam dönüşüm hızının sıcaklıkla değişimi.

(a) Dönüşüm hızı –sıcaklık, (b) belirli bir orandaki ( örneğin 0.5 oranında) dönüşümün tamamlandığını gösteren logaritmik ölçekteki dönüşüm süresi.

Belirli bir orandaki ( örneğin 0.5 yani %50) dönüşümü sağlayan, dönüşüm hızı ile bu orandaki dönüşüm için gereken süre t0.5 birbirleriyle ters orantılıdır.