Katı çözelti güçlendirme

1. Tanım

Alaşım elementlerinin ana metalde çözünerek belirli bir derecede kafes bozulmasına neden olduğu ve böylece alaşımın mukavemetini artırdığı bir olgu.

2. İlke

Katı çözeltide çözünen çözünen atomlar, kafes yapısında bozulmaya neden olarak dislokasyon hareketine karşı direnci artırır, kaymayı zorlaştırır ve alaşım katı çözeltisinin mukavemetini ve sertliğini artırır. Belirli bir çözünen elementin çözünerek katı çözelti oluşturması yoluyla metalin güçlendirilmesi olgusuna katı çözelti güçlendirmesi denir. Çözünen atomların konsantrasyonu uygun olduğunda, malzemenin mukavemeti ve sertliği artırılabilir, ancak tokluğu ve plastisitesi azalır.

3. Etkileyen faktörler

Çözünen atomların atomik oranı ne kadar yüksek olursa, güçlendirme etkisi de o kadar büyük olur; özellikle atomik oran çok düşük olduğunda, güçlendirme etkisi daha belirgin hale gelir.

Çözünen atomlar ile ana metalin atom boyutu arasındaki fark ne kadar büyükse, güçlendirme etkisi de o kadar büyük olur.

Ara boşluktaki çözünen atomlar, yer değiştiren atomlara göre daha büyük bir katı çözelti güçlendirme etkisine sahiptir ve gövde merkezli kübik kristallerde ara boşluktaki atomların kafes bozulması asimetrik olduğundan, güçlendirme etkileri yüz merkezli kübik kristallerinkinden daha büyüktür; ancak ara boşluktaki atomların katı çözünürlüğü çok sınırlı olduğundan, gerçek güçlendirme etkisi de sınırlıdır.

Çözünen atomlar ile ana metal arasındaki değerlik elektron sayısı farkı ne kadar büyük olursa, katı çözelti güçlendirme etkisi o kadar belirgin olur; yani, katı çözeltinin akma dayanımı, değerlik elektron konsantrasyonunun artmasıyla birlikte artar.

4. Katı çözelti güçlendirmesinin derecesi esas olarak aşağıdaki faktörlere bağlıdır.

Matris atomları ile çözünen atomlar arasındaki boyut farkı. Boyut farkı ne kadar büyükse, orijinal kristal yapısına müdahale o kadar büyük olur ve dislokasyon kayması o kadar zorlaşır.

Alaşım elementlerinin miktarı. Eklenen alaşım elementlerinin sayısı arttıkça, güçlendirme etkisi de artar. Çok fazla atom çok büyük veya çok küçükse, çözünürlük sınırı aşılır. Bu da dağılmış faz güçlendirmesi adı verilen başka bir güçlendirme mekanizmasını içerir.

Ara boşluktaki çözünen atomlar, yer değiştiren atomlara göre daha büyük bir katı çözelti güçlendirme etkisine sahiptir.

Çözünen atomlar ile ana metal arasındaki değerlik elektron sayısındaki fark ne kadar büyükse, katı çözelti güçlendirme etkisi de o kadar belirgin olur.

5. Etki

Akma dayanımı, çekme dayanımı ve sertliği saf metallere göre daha yüksektir;

Çoğu durumda, süneklik saf metalinkinden daha düşüktür;

İletkenliği saf metalden çok daha düşüktür;

Yüksek sıcaklıklarda meydana gelen sürünme direnci veya mukavemet kaybı, katı çözelti ile güçlendirme yöntemiyle iyileştirilebilir.

İş gücü sertleştirme

1. Tanım

Soğuk deformasyon derecesi arttıkça, metal malzemelerin mukavemeti ve sertliği artar, ancak plastisitesi ve tokluğu azalır.

2. Giriş

Metal malzemelerin yeniden kristalleşme sıcaklığının altında plastik deformasyona uğradığında mukavemet ve sertliğinin artması, buna karşılık plastisite ve tokluğunun azalması olgusuna soğuk işleme sertleşmesi denir. Bunun nedeni, metal plastik deformasyona uğradığında kristal tanelerinin kayması ve dislokasyonların birbirine dolanmasıdır; bu da kristal tanelerinin uzamasına, kırılmasına ve liflenmesine neden olur ve metalde artık gerilimler oluşur. İşleme sertleşmesinin derecesi genellikle, işlemden sonraki yüzey tabakasının mikro sertliğinin işlemden önceki mikro sertliğe oranı ve sertleşmiş tabakanın derinliği ile ifade edilir.

3. Yer değiştirme teorisi perspektifinden yorumlama

(1) Dislokasyonlar arasında kesişme meydana gelir ve oluşan kesikler dislokasyonların hareketini engeller;

(2) Dislokasyonlar arasında bir reaksiyon meydana gelir ve oluşan sabit dislokasyon, dislokasyonun hareketini engeller;

(3) Dislokasyonların çoğalması meydana gelir ve dislokasyon yoğunluğundaki artış, dislokasyon hareketine karşı direnci daha da artırır.

4. Zarar

İş sertleşmesi, metal parçaların daha sonraki işlenmesinde zorluklara yol açar. Örneğin, çelik levhanın soğuk haddeleme işleminde, haddeleme giderek zorlaşır; bu nedenle, işleme sürecinde ısıtma yoluyla oluşan iş sertleşmesini ortadan kaldırmak için ara tavlama yapılması gerekir. Bir diğer örnek ise, kesme işleminde iş parçasının yüzeyinin kırılgan ve sert hale gelmesi, böylece takım aşınmasının hızlanması ve kesme kuvvetinin artmasıdır.

5. Faydalar

Özellikle ısıl işlemle iyileştirilemeyen saf metaller ve bazı alaşımlar için, metallerin mukavemetini, sertliğini ve aşınma direncini artırabilir. Örneğin, soğuk çekme yöntemiyle üretilen yüksek mukavemetli çelik tel ve soğuk sarma yay gibi ürünlerde, mukavemet ve elastikiyet sınırı soğuk işleme yöntemiyle iyileştirilir. Bir diğer örnek ise, tankların, traktör paletlerinin, kırıcı çenelerinin ve demiryolu makaslarının sertliğini ve aşınma direncini artırmak için iş sertleştirme yönteminin kullanılmasıdır.

6. Makine mühendisliğindeki rolü

Soğuk çekme, haddeleme ve bilye püskürtme (bkz. yüzey güçlendirme) ve diğer işlemlerden sonra, metal malzemelerin, parçaların ve bileşenlerin yüzey dayanımı önemli ölçüde artırılabilir;

Parçalar gerilime maruz kaldıktan sonra, belirli parçaların yerel gerilimi genellikle malzemenin akma sınırını aşarak plastik deformasyona neden olur. İş sertleşmesi nedeniyle, plastik deformasyonun devam eden gelişimi kısıtlanır, bu da parçaların ve bileşenlerin güvenliğini artırabilir;

Bir metal parça veya bileşen preslendiğinde, plastik deformasyona sertleşme eşlik eder, böylece deformasyon çevresindeki işlenmemiş sertleşmiş kısma aktarılır. Bu tür tekrarlanan alternatif işlemlerden sonra, düzgün kesit deformasyonuna sahip soğuk preslenmiş parçalar elde edilebilir;

Düşük karbonlu çeliğin kesme performansını artırabilir ve talaşların kolayca ayrılmasını sağlayabilir. Ancak iş sertleşmesi, metal parçaların daha sonraki işlenmesinde de zorluklar yaratır. Örneğin, soğuk çekilmiş çelik tel, iş sertleşmesi nedeniyle daha fazla çekme işlemi için çok fazla enerji tüketir ve hatta kırılabilir. Bu nedenle, çekme işleminden önce iş sertleşmesini gidermek için tavlama işlemi yapılmalıdır. Bir diğer örnek ise, kesme sırasında iş parçasının yüzeyini kırılgan ve sert hale getirmek için, yeniden kesme sırasında kesme kuvvetinin artırılması ve takım aşınmasının hızlanmasıdır.

İnce taneli güçlendirme

1. Tanım

Kristal tanelerinin inceltilmesi yoluyla metal malzemelerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi yöntemine kristal inceltme ile güçlendirme denir. Sanayide, kristal tanelerinin inceltilmesiyle malzemenin mukavemeti artırılır.

2. İlke

Metaller genellikle birçok kristal taneciğinden oluşan polikristallerdir. Kristal taneciklerinin boyutu, birim hacim başına düşen kristal taneciği sayısı ile ifade edilebilir. Sayı ne kadar fazla olursa, kristal tanecikleri o kadar ince olur. Deneyler, oda sıcaklığında ince taneli metallerin, kaba taneli metallere göre daha yüksek mukavemet, sertlik, plastisite ve tokluğa sahip olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni, ince taneciklerin dış kuvvet altında plastik deformasyona uğraması ve daha fazla tanecik halinde dağılabilmesi, plastik deformasyonun daha homojen olması ve gerilim yoğunlaşmasının daha az olmasıdır; ayrıca, tanecikler ne kadar ince olursa, tanecik sınır alanı o kadar büyük ve tanecik sınırları o kadar kıvrımlı olur. Bu da çatlakların yayılması için o kadar elverişsizdir. Bu nedenle, kristal taneciklerini incelterek malzemenin mukavemetini artırma yöntemine endüstride tanecik inceltme ile güçlendirme denir.

3. Etki

Tane boyutu ne kadar küçükse, dislokasyon kümesindeki dislokasyon sayısı (n) da o kadar azdır. τ=nτ0'a göre, gerilim yoğunlaşması ne kadar azsa, malzemenin dayanımı o kadar yüksek olur;

İnce taneli malzemenin güçlendirme yasası, tane sınırlarının sayısı arttıkça tanelerin daha ince hale gelmesidir. Hall-Peiqi ilişkisine göre, tanelerin ortalama değeri (d) ne kadar küçükse, malzemenin akma dayanımı o kadar yüksek olur.

4. Tane inceltme yöntemi

Aşırı soğutma derecesini artırın;

Bozulma tedavisi;

Titreşim ve karıştırma;

Soğuk şekillendirme yöntemiyle üretilen metallerde, kristal tanelerinin inceltilmesi, deformasyon derecesinin ve tavlama sıcaklığının kontrol edilmesiyle sağlanabilir.

İkinci aşama güçlendirme

1. Tanım

Tek fazlı alaşımlarla karşılaştırıldığında, çok fazlı alaşımlar ana faza ek olarak ikinci bir faza sahiptir. İkinci faz, ince dağılmış parçacıklarla ana faz içinde homojen bir şekilde dağıldığında, önemli bir güçlendirme etkisi gösterir. Bu güçlendirme etkisine ikinci faz güçlendirmesi denir.

2. Sınıflandırma

Alaşımda bulunan ikinci fazda, dislokasyonların hareketi için aşağıdaki iki durum söz konusudur:

(1) Deforme olmayan parçacıkların güçlendirilmesi (bypass mekanizması).

(2) Deforme olabilen parçacıkların güçlendirilmesi (kesme mekanizması).

Dağılım güçlendirmesi ve çökelme güçlendirmesi, ikinci faz güçlendirmesinin özel durumlarıdır.

3. Etki

İkinci fazın güçlenmesinin temel nedeni, aralarındaki etkileşim ve dislokasyonun hareketini engellemesi ve alaşımın deformasyon direncini artırmasıdır.

Özetle

Mukavemeti etkileyen en önemli faktörler, malzemenin bileşimi, yapısı ve yüzey durumudur; ikincisi ise kuvvetin hızı, yükleme yöntemi, basit germe veya tekrarlanan kuvvet gibi kuvvetin uygulanma şeklidir ve bu da farklı mukavemet değerleri gösterecektir; ayrıca, numunenin geometrisi ve boyutu ile test ortamı da büyük, hatta bazen belirleyici bir etkiye sahiptir. Örneğin, hidrojen atmosferinde ultra yüksek mukavemetli çeliğin çekme mukavemeti katlanarak düşebilir.

Metal malzemeleri güçlendirmenin sadece iki yolu vardır. Birincisi, alaşımın atomlar arası bağ kuvvetini artırmak, teorik mukavemetini yükseltmek ve bıyık benzeri kusurlar içermeyen tam bir kristal hazırlamaktır. Demir bıyıklarının mukavemetinin teorik değere yakın olduğu bilinmektedir. Bunun nedeni, bıyıklarda dislokasyon olmaması veya deformasyon sürecinde çoğalamayan az miktarda dislokasyon bulunması olarak düşünülebilir. Ne yazık ki, bıyığın çapı büyüdükçe mukavemet keskin bir şekilde düşer. Diğer bir güçlendirme yaklaşımı ise, kristale dislokasyonlar, nokta kusurları, heterojen atomlar, tane sınırları, yüksek oranda dağılmış parçacıklar veya homojen olmama (örneğin segregasyon) gibi çok sayıda kristal kusuru eklemektir. Bu kusurlar dislokasyonların hareketini engeller ve metalin mukavemetini önemli ölçüde artırır. Gerçekler, bunun metallerin mukavemetini artırmanın en etkili yolu olduğunu kanıtlamıştır. Mühendislik malzemeleri için, genellikle daha iyi bir genel performans elde etmek için kapsamlı güçlendirme etkileri kullanılır.