Maden ve alaşımlarının sıcaklıkları ısı verilerek yükseltilir. Belli bir sıcaklığa yükselen maden veya alaşım, ergime ısısını alarak katı halden sıvı hale geçer. Sıvılaşan maden veya alaşımın sıcaklığı döküm derecesine yükseltilir. Buna maden alaşımlarının ergitilmesi veya kısaca ERGİTME denir. Hemen hemen tüm metal ve alaşımları bazı seramik ve polimer malzemelerinin üretimlerinin bir aşamasında sıvıdır. Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğunda katılaşır. Katılaşma süreci içerisinde ortaya çıkan yapı mekanik özellikleri etkiler ve istenilen özellikleri elde etmek için başka işlemlere de ihtiyaç duyulabilir. Özellikle tane boyutu ve şekli katılaşma ile kontrol edilebilir.

Çekirdeklenme

Katılaşma sırasında atomik diziliş, en düzenli kısa mesafeli düzenden uzun mesafeli düzene veya kristal yapıya kadar değişir. Katılaşma iki aşamadan meydana gelir. Bunlar; çekirdeklenme ve büyümedir. Çekirdeklenme, küçük katı parçacıklarının 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 (kararlı) hale getirir. Katı ve sıvının arasındaki bu enerji farkı serbest hacim enerjisidir.

 

  Saf bir metal için, sıcaklığa göre hacim serbest enerji değişimi görülmektedir. Katılaşma sıcaklığının altındaki katı, daha düşük bir serbest enerjiye sahiptir ve dengelidir (kararlıdır). (Bu enerji farkı, hacim serbest enerjisidir).

Buna karşın, katının oluşması için katı ile sıvıyı ayıran bir ara yüzeyin oluşturulması gerekmektedir. Yüzey serbest enerjisi, ara yüzey enerjisi o ile birleşmiştir. Geniş yüzeyler, yüzey serbest enerjisini arttırır; büyük bir yüzey alanı daha büyük yüzey enerjisi demektir.   Sıvıdan katı parçacıkları oluştuğunda bir ara yüzey meydana gelir.

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

Burada , yarıçapı r olan küresel embriyonun hacmidir. küresel embriyonun yüzey alanıdır. serbest yüzey enerjisi ve Fv negatif değişen hacim serbest enerjisidir. 

Sıvı-katı sisteminin toplam serbest enerjisi, katının boyutu ile değişir. Katı, kritik yarı çaptan (r*) küçükse embriyo, büyükse çekirdektir.

Serbest enerjideki değişiklik, embriyonun boyutuna bağlıdır. Embriyo çok küçükse, embriyonun daha fazla büyümesi serbest enerjinin yükselmesine neden olabilecektir.

Büyüme yerine embriyo tekrar erir ve serbest enerjinin azalmasına neden olur. Bu yüzden metal sıvı kalır. Sıvı, denge katılaşma sıcaklığının altında bulunduğu için alt soğumuş olacaktır. Gerçek sıvı sıcaklığı ile denge katılaşma sıcaklığı arasındaki fark alt soğumadır. Sıcaklık, denge katılaşma sıcaklığının altında olduğu halde çekirdeklenme henüz oluşmamıştır ve büyümle başlayamaz. Eğer, embriyo kritik çekirdek yarı çapından (r*) büyükse, embriyonun boyutu arttığında toplam enerji azalır. Oluşan katı kararlıdır ve çekirdeklenme oluşmuştur. Artık çekirdek olarak adlandırılan katı parçasının büyümesi başlar. Çekirdeklenme, ancak yeterli sayıdaki atom kendiliğinden katı üretmek için kümeleştiğinde ve bu katının çapı kritik çaptan büyük olduğunda oluşur. Bu durumda, kritik yarıçap, toplam serbest enerji değişim eğrisi üzerinde maksimum noktaya karşılık gelir.

Homojen Çekirdeklenme

Sıvının sıcaklığı denge katılaşma sıcaklığının daha da altına soğutulduğunda, büyük bir ihtimalle atomlar kümeleşerek, kritik yarıçaptan (r*) daha büyük bir embriyo oluşacaktır. Buna ilaveten büyük alt soğuma, embriyonun kritik boyutunu geçmesini sağlayacak kadar büyük olduğunda homojen çekirdeklenme olur.

Toplam serbest enerji eşitliğinin diferansiyeli alınırsa, kritik çekirdeklenme boyutu tahmin edilebilir. r = r* olduğunda serbest enerji eğrisinin maksimumda olmasından dolayı r’ye göre diferansiyeli sıfırdır.

Heterojen Çekirdeklenme

Alışılmamış laboratuar deneyleri dışında, sıvı metal içinde homojen çekirdeklenme asla olmaz. Sıvı ile temas halinde bulunan kalıp duvarları, yabancı maddeler (impuriteler) veya katı parçacıkları, çekirdeklenme için uygun yüzey sağlayabilirler.

 

İmpurite üzerinde, çekirdeğin yüzey enerjisinde küçük bir artış olabileceği sanılmaktadır. Bu heterojen çekirdeklenmenin, nispeten daha az bir alt soğuma ile oluşabileceğini ortaya koymaktadır.

Sıvı-katı arasındaki çok küçük toplam yüzey alanı artışı ile kritik yarıçaptan daha büyük olan kavis yarı çapına ulaşılmaktadır. Bir katı parçası üretmek için sadece birkaç atom birlikte kümeleşmek zorundadır ki, bu istenilen kavisin yarıçapıdır. Kritik boyuta ulaşmak için, istenilen alt soğuma daha azdır ve böylece çekirdeklenme daha kolay oluşur. İmpuriteler üzerindeki çekirdeklenme, heterojen çekirdeklenme olarak bilinir. Bütün mühendislik metalleri ve alaşımlar, katılaşma esnasında heterojen olarak çekirdeklenir.

Büyüme

Önce katı çekirdek oluşur. Sıvı içerisindeki atomların katı çekirdek yüzeyine difüz ederek tutunmasıyla büyüme meydana gelir. Saf metallerde, katılaşma sırasında büyüme, ısının sıvı-katı sisteminden nasıl uzaklaştırıldığına bağlıdır. İki tip ısı uzaklaştırma vardır. Bunlar, sıvının özgül (spesifik) ısısı ve ergime veya gizli ısısıdır. Özgül ısı malzeme birim ağırlığının sıcaklığını 1oC değiştirmek için gerekli olan ısıdır. İlk önce özgül ısı, sıvı katılaşma sıcaklığına soğuyana kadar çevredeki atmosfere radyasyonla veya kuşatan kalıba iletilmekle uzaklaştırılmalıdır. Ergime veya gizli ısısı, düzensiz sıvı yapının daha kararlı kristal yapıya dönüşüm enerjisidir. Bu ısı, katılaşma tamamlanmadan önce sıvı-katı ara yüzeyinden uzaklaştırılmalıdır. Bu yolla uzaklaştırılan gizli ergime ısısı büyüme mekanizmasını ve son yapıyı belirler.

Düzlemsel Büyüme

İyi aşılanmış sıvının denge (kararlı) durumunda, yavaşça soğuduğu kabul edilsin. Sıvı metalin sıcaklığı, katılaşma sıcaklığından daha yüksektir. Diğer bir deyişle katının sıcaklığı katılaşma sıcaklığında veya altındadır. Katılaşmanın devam etmesi için gizli ergime ısısının sıvı-katı ara yüzeyinden kondüksiyonla çevreye doğru uzaklaştırılmasını gerektirmektedir. Herhangi küçük bir şişkinlik, katılaşma sıcaklığının üzerindeki sıvı metal tarafından çevrilen arayüzeyde büyümeye başlar. Bu şişkinliğin büyümesi, geride kalan arayüzeyle, aynı hizaya gelinceye kadar durur. “Düzlemsel büyüme” olarak bilinen bu büyüme mekanizması, düzgün katı-sıvı arayüzeyinin sıvıya doğru ilerlemesiyle olur. 

  Sıvının sıcaklığı katılaşma sıcaklığının üzerinde olduğunda katı-sıvı arayüzeyindeki şişkinlik tekrar eriyerek düzlemsel arayüzeyin korunmasına neden olur. Ergime ısısı katıya doğru olan arayüzeyden uzaklaştırılır.

Dentrik Büyüme

Çekirdeklenme zayıf olduğunda, katı oluşmadan önce, sıvı katılaşma sıcaklığının altında bir sıcaklığa soğur. Bu şartlar altında, dentrit olarak bilinen ve arayüzeyde oluşan küçük katı şişkinlik, büyümeye devam ederken, ergime ısısı alt soğuyan sıvıya iletilir. Sıvının sıcaklığı katılaşma sıcaklığına doğru yükselir. Gizli ergime ısısının dağılım hızına bağlı olarak, birincil dal üzerinde ikincil ve üçüncül dentrit kolları oluşabilir. Dentritik büyüme, alt soğuyan sıvının katılaşma sıcaklığına ulaşmasına (veya ısınmasına) kadar devam eder. Geriye kalan sıvı düzlemsel büyüme ile katılaşır. Düzlemsel ve dentritik büyüme arasındaki farklılık, farklı gizli ısılara sahip sıvı gölcükleri nedeniyle ortaya çıkar. Düzlemsel büyümede sıvının içinde bulunduğu kap veya kalıp ısıyı emer (absorbe eder). Dentritik büyümede ise alt soğutulmuş sıvı rabsorbe eder.

Saf metallerde dentritik büyüme, normal olarak toplam büyümenin yalnız küçük bir kısmını temsil eder.

 

  Sıvı alt soğutulduğunda sıvı-katı arayüzeyindeki şişkinlik  dentrit olarak hızla büyüyebilir. Ergime ısısı, sıvının sıcaklığı tekrar katılaşma sıcaklığına yükseltilerek uzaklaştırılır.

Kısmi dentritik büyüme

Burada; C sıvının özgül ısısıdır. Pay, alt soğutulmuş sıvının emebileceği ısıyı ve paydadaki ergime ısısı katılaşma sırasında bırakılmak zorunda olan toplam ısıyı temsil eder. alt soğuma miktarı artarken daha fazla dentritik büyüme meydana gelir.

 Katılaşma Zamanı

Katılaşma sırasında oluşan “katı büyüme hızı” soğuma veya ısı atma hızına bağlıdır. Yüksek soğuma hızı, hızlı katılaşma veya kısa katılaşma zamanına neden olur. Basit bir dökümün tamamen katılaşması için gerekli olan zaman Chvorinov kuralı uygulanarak hesaplanabilir.

Burada ts dökümün katılaşması için gerekli olan zaman, V dökümün hacim A kalıp ile temas eden dökümün yüzey alanı ve B kalıp sabitidir. Kalıp sabiti, metal ve kalıbın başlangıç sıcaklıklarına ve özelliklerine bağlıdır. Kısa bir katılaşma zamanı, hemen hemen her zaman küçük bir tane boyutu ve daha dayanıklı bir döküm oluşturur.

 

Katılaşma zamanının bakır, çinko ve aluminyumun ikincil dentrit kol aralıkları üzerine etkisi.   

  İkincil dentrit kol aralığının aluminyum döküm alaşımının özellikleri üzerine etkisi.

Katılaşma zamanı büyüyen dentritlerin boyutlarını da etkiler. Normal olarak dentrit büyüklüğü, ikincil dentrit kolları arasındaki aralık ölçülerek tanımlanır. İkincil dentritler arasındaki aralık veya İDKA (İkincil Dentrit Kol Aralığı) döküm hızlı katılaştığında, azalır. Çünkü ısı transferi için daha az zaman bulunduğundan, ergime ısısının atılması ile ilave dentrit kolları ortaya çıkar ve büyür. Daha ince ve yoğun dentritik şebeke, ergime gizli ısısının altsoğuyan sıvıya daha fazla iletilmesini sağlar. İDKA katılaşma zamanı;

İDKA = ktsn

Şeklinde bir ilişkisi bulunmaktadır.

Burada n ve k metal bileşimine bağlı sabitlerdir. Bu ilişki pek çok alaşım için Şekil 7-9’da gösterilmiştir. Küçük ikincil dentrit kol aralığı yüksek dayanım ve iyileştirilmiş süneklik sağlar.

 Soğuma Eğrileri

Buraya kadar olan inceleme bir boğuma eğrisinin veya metal sıcaklığının zamanla nasıl değiştiğini incelemek şeklinde özetlenebilir. Sıvı metal, döküm sıcaklığında bir kalıp içerisine dökülür. Döküm sıcaklığı ve katılaşma sıcaklığı arasındaki fark süper ısıdır. Sıvının sıcaklığı, katılaşma sıcaklığına ulaşıncaya kadar sıvının özgül ısısı kalıp vasıtasıyla dışarı atılırken sıvı metal soğur. Katılaşma başlamadan önceki soğuma eğrisinin eğimi soğuma hızıdır .

Sıvı metal içinde yeterli heterojen çekirdek mevcutsa, katılaşma şekil 7-11 a’da gösterildiği gibi, katılaşma sıcaklığında başlar. Isıl duraklama veya sabit sıcaklık, ergime gizli ısısının açığa çıkması sonucu meydana gelir. Ergime gizli ısısı bütün katılaşana ve daha fazla ısı çıkışı mümkün olmayan kadar, sıvıyı katılaşma sıcaklığında tutar. Bu şartlar altında büyüme düzlemseldir. Dökümün toplam katılaşma zamanı, aşırı ısıtılmış sıvının özgül ısısı ve ergime gizli ısılarının her ikisini de atılması için gerekli toplam zamandır. Bu süre, döküm anından katılaşma tamamlanıncaya kadar geçen zamandır ve Chvorinov kuralı ile verilir. Bölgesel katılama zamanı, dökümde, özellikle bir bölgede, yalnız ergime gizli ısısının atılması için gerekli zamandır ve katılaşma başlangıcından katılaşma sonuna kadar ölçülür.  

  (a) Alt soğumasız çekirdeklenmiş ve (b) çekirdeklenme için büyük alt soğutma gerektiren sıvılar için soğuma eğrileri.

 

 

Katılaşma sırasında döküm makro yapısının oluşumu a) Çekirdeklenme başlar, b) Çil bölgesi oluşur, c) Tercihli büyüme ile sütunsal oluşum, d) İlave çekirdeklenme eşeksenli bölge oluşturur.

Zayıf çekirdeklenme nedeniyle alt soğuma meydana gelmişse, soğuma eğrisi de gösterildiği gibi katılaşma sıcaklığının altına iner. Sonuçta, katı çekirdeklendikten sonra büyüme meydana gelir. Buna karşın, ergime gizli ısısı alt soğutulmuş sıvı tarafından absorbe edilir ve sıvının sıcaklığını katılaşma sıcaklığına yükseltir. Bu olay “sıcaklığın tekrar yükselmesi (Recalescence)” olarak bilinir. Geri kalan sıvının sıcaklığı, katılaşma sıcaklığına yükseldikten sonra, düzlemsel büyüme ile katılaşma tamamlanana kadar sıcaklık sabit kalır.

Katılaşma Hataları

Katılaşma sırasında, çok sayıda potansiyel hatalar meydana gelmekle beraber bunlardan özellikle değinilmesi gerekenler şunlardır:

Çekme: Hemen hemen bütün malzemeler, katı durumda iken sıvı durumdan daha yoğundur. Katılaşma sırasında malzeme en fazla % 7 kadar çeker.

Tablo 7-2 Bazı malzemeler için katılaşma sırasında çekme.
Malzeme Çekme (%)
AlCu

Mg

Zn

Fe

Pb

Ga

H2O

7.05.1

4.0

3.7

3.4

2.7

+3.2 (Genleşme)

+8.3 (Genleşme)

Çekme her yönde aynı ise, katı dökümün boyutu, kalıbın boyutundan küçük olabilir. O zaman kalıp, uygun bir miktar büyük yapılarak çekme telafi edilebilir.

Buna karşın, pek çok durumda katılaşma dökümün bütün yüzeylerinde başlarsa, iç çekme boşluğu şeklinde, büyük çekme olur. Bir yüzeydeki katılaşma diğerlerinden yavaş ise, boru şeklinde iç çekme boşluğu ortaya çıkar. Her iki durumda da döküm hatalıdır ve çekmeyi kontrol edebilmek için kalıp içerisine döküme bağlantılı besleyici (sıvı deposu) konur. Döküm parça soğuduğunda ve çektiğinde, çekmeden kaynaklanan boşluğu doldurmak için sıvı metalle besleyiciden takviye yapılır.

Çekme boşluklarının beslenmesi için kullanılan besleyicideki sıvı en son katılaşmalıdır. Besleyicideki sıvı ve dökümde katılaşan son sıvıyı bağlayan bir sıvı iç kanal vardır. Chvorinov kuralı, besleyicinin büyüklüğünü tasarlamak için kullanılabilir. 

 Bazı malzemelerin yoğunluğu ile sıcaklık arasındaki ilişki. Çoğu metaller akatı halde sıvı durumdan daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Bu nedenle, yoğunluğun artması, katılaşma sırasındaki çekmeden kaynaklanır. Galyumun tam ters bir davranış gösterdiğine dikkat ediniz.

 

   (a) Tek yönlü, (b) boşluk, (c) çöküntüyü de içeren pek çok çeşit makro çekme olabilir. (d) Besleyiciler, çekmenin giderilmesi için kullanılır.

Dentritler Arası Çekme

Dentritler arası çekme yoğun dentritik büyüme olduğunda oluşur. Sıvı metal, sıvının katılaşması için besleyiciden ince dentritik şebekeye doğru akmayabilir. Sonuç olarak; dökümün her tarafından küçük çekme gözenekleri oluşur. Bu hata mikroçekme veya çekme boşluğu (gözenek) olarak da adlandırılır. Besleyici kullanarak bunu önlemek zordur. Yüksek soğuma hızları, iç dentritik çekme problemlerini azaltabilir. Böylece, dentritler kısa olabilir ve bu yapı katının iç yüzeyindeki sıvının, katılaşması için, dentrit şebekesine doğru akmasını sağlayabilir. Buna ilaveten, mevcut herhangi bir çekme, daha ince, daha üniform dağıtılmış olacaktır.

Gaz Gözenekliliği

Metalar sıvı durumda iken büyük miktarda gaz eritirler: örneğin; Al, H’i eritir. Bun karşın, Al katılaştığında katı metal içinde sadece H’in küçük bir kısmı kalır. Fazla H, küçük boşluklar oluşturur. Gözeneklik, üniform olarak dökümün her tarafına dağılabilir. Dentrit kolları arasına hapsolabilir.

 

  

Al’da hidrojenin çözünürlüğü. Katı Al çok az hidrojen içermekle beraber sıvı Al içerisinde çözünen hidrojen miktarı, sıcaklıkla birlikte, hızla yükselir.

Buradaki Pgaz metalle temas halindeki gazın kısmi basıncıdır ve K ise belirli bir gaz sistemi için gaz sabitesidir. Bu sabite yükselen sıcaklıkla birlikte artar. Dökümdeki gaz gözenekliliği; sıcaklık düşürülerek sıvı ve gazın birbiriyle birleşip katı oluşturması için malzemeler katarak veya gaz kısmi basıncının düşük tutulması sağlanarak azaltılabilir. Kısmi gaz basıncının düşük tutulması, eriyik metal vakum ortamına alınarak ve metal içinden bir asal gaz geçirilerek yapılabilir. Asal gaz veya vakumda, gaz basıncının düşük olması nedeniyle, gaz metalden ayrılır, vakum veya asal gaz içerisine girer ve böylece metalden uzaklaştırılır.

Malzemelerin  mekanik özellikleri özellikle arayer ve yeralan atomlarının oluşturduğu nokta hatalarının ilavesi ile kontrol edilebilir. Nokta hataları, kafes içerisindeki atom diziliş düzenini bozar, dislokasyonların hareketleri veya kayma ile kesişir. Nokta hataları malzemelerin katı eriyik mukavemetlenmesine neden olur.

Buna ilaveten, nokta hatalarının katılması, malzemenin kimyasal bileşimini değiştirir ve katılaşma davranışını etkiler. Bu etki, denge faz diyagramlarının tanıtımıyla incelenecektir. Bir malzemenin dengeli ve dengesiz şartlar altında nasıl katılaşacağı, faz diyagramlarından belirlenecektir.

 Fazlar, Erime ve Eriyebilirlik

Saf metaller birçok mühendislik uygulamalarında kullanılır, fakat çoğu kez özellikle iyileştirilmiş mekanik özellikler istendiğinde alaşımlar ve malzemelerin karışımları kullanılır. İki çeşit alaşım vardır. Bunlar tek ve çok fazlı alaşımlardır. Bu bölümde tak fazlı alaşımların davranışı incelenecektir. Buna karşın ilk olarak faz ve katı eriyik kavramları tanımlanacaktır. Bunu yapmanın en iyi yolu fazın özelliklerini listelemek ve bazı örnekler göstermektir.

Faz: Bir faz da bulanan özellikler: (a) Bir fazın her yerinde yapı ve atomik diziliş aynıdır. (b) Bir faz kabaca her yerinde aynı kimyasal bileşim ve özelliklere sahiptir. (c) Bitişik veya civar fazlar arasında kesin bir arayüzey vardır. Örneğin buz bloku vakum çemberi içerisine alındığında buz ergimeye başlayacak ve buna ilaveten suyun bir kısmı buharlaşabilecektir. Bu şartlar altında katı H2O sıvı H2O ve gaz H2O olmak üzere üç faz olabilecektir. H2O’nun bu yapılarını her biri farklı fazlardır. Her faz kendine özgü atomik dizilişe, özelliklere ve her yapı arasında kesin bir sınıra sahiptir. Bu durumda fazların kompozisyonları aynı olmasına rağmen bütün sistem tek faz olarak adlandırılabilinecek etkinlikte değildir.

Sınırsız Eriyebilirlik: Sınırsız eriyebilirliğe (çözünebilirlik) örnek olarak, bir bardak su ve bir bardak alkolle başlanabilir. Su bir faz, alkol de ikinci bir fazdır. Su, alkolün içine boşaltılır ve karıştırılırsa sadece bir faz oluşur. Bardak, su ve alkol eriyiğini içerir. Bu eriyik kendine özgü yapıya, özelliklere ve kompozisyona sahiptir. Su ve alkol birbiri içerisinde eriyebilir. Dahası bunlar oranlarına bakılmaksızın sınırsız eriyebilirlik sergiler ve bunların birlikte karışımıyla bir faz oluşur.

Benzer bir şekilde bir kap sıvı bakır ve bir kap sıvı nikel karıştırılırsa, sadece bir sıvı faz oluşturulabilir. Her yerde sıvı alaşımın kompozisyonu ve yapısı aynıdır. Sıvı nikel ve bakır, oranlarına bakılmaksızın, sınırsız eriyebilirliğe sahiptir ve sadece bir faz oluşur.

Sıvı bakır-nikel alaşımı katılaşır ve oda sıcaklığına soğursa, sadece bir katı faz oluşur. Katılaşmadan sonra bakır ve nikel atomları ayrılmaz bunun yerine yüzey merkezli kübik kafes noktalarında rasgele yerleşir. Katı faz içerisinde yapı ve özellikler üniformdur ve bakır ve nikel atomları arasında arayüzey yoktur.

Bakır ve nikel de sınırsız eriyebilirliğe sahiptir. Katı faz katı eriyik olarak adlandırılabilir.

Sınırlı Eriyebilirlik: Küçük bir miktar tuz (bir faz) suya (ikinci faz) katılıp, karıştırıldığında tuz tamamen su içerisinde erir. Suya daha fazla tuz katıldığında tuz bardağın dibine çöker. Şimdi, tuzla doymuş su ve artı fazla tuz olmak üzere iki faz vardır. Böylece tuzun, su içerisinde sınırlı eriyebilirlik sergilediği görülür.

Küçük bir miktar sıvı çinko sıvı bakıra katılırsa bir tek sıvı eriyik elde edilir. Bakır-çinko eriyiği soğuyup katılaştığında YMK yapıya sahip normal kafesi noktalarında bakır ve çinko atomlarının rasgele yerleştiği yapı ortaya çıkar. Buna karşın sıvı eriyik % 40’dan fazla çinko içerirse fazla çinko atomları bir kısım bakır atomlarıyla birleşerek CuZn bileşiğini oluşturur. Bu durumda % 40 Zn ile doymuş bir katı bakır eriyiği ve ek olarak CuZn bileşiği olmak üzere iki çeşit faz vardır. Böylece çinkonun bakır içerisinde eriyebilirliği sınırlanır.

Olağanüstü bir durumda bir malzemenin diğer bir malzeme içerisinde eriyebilirliği olmayabilir. Örneğin yağ ile su ve bakır ile kurşun alaşımları gibi.

Metallerde Sınırsız Katı Eriyebilirlik Şartlar

Bir alaşım sisteminde bakır ve nikel gibi sınırsız katı eriyebilirliğe sahip olmak için kesin şartlar yerine getirilmelidir. Bu şartlar Hume-Rothery şartları olarak bilinir. Bunlar;

1- Metal atomlarının yarıçap farkları % 15’den büyük olmayacak şekilde benzer olmalıdır.

2- Metaller aynı kristal yapıya sahip olmak zorundadır. Eğer böyle değilse belli bir noktada bir fazdan değişik yapıda ikinci bir faza geçiş vardır.

3- Metal atomları aynı valansa sahip olmak zorundadır, yoksa değişik valans elektronları katı eriyik yerine daha çok bileşik oluşturmayı teşvik ederler.

4- Metal atomları yaklaşık aynı elektro negatifliğe sahip olmak zorundadır. Eğer elektro negatiflikleri önemli ölçüde farklı olursa, sodyum ve klor’un birleşerek soydum klorür oluşturduğu gibi, bileşik oluşumuna olan eğilim yine artar.

İki metalin sınırsız katı eriyebilirliğe sahip olması için Hume-Rothery şartlarının çok etkili olmasa da mutlaka yerine getirilmesi gerekir.

8-6 Faz Diyagramı ve Mukavemet Arasındaki ilişki

Katı eriyik mukavetlenmesinden dolayı, bakır-nikel alaşımının, saf bakır ve saf nikelden daha sağlam olabileceğinden daha önce bahsedildi. Bakır-nikel alaşım serisinin mekanik özelliklerindeki değişim Şekil 8-9’da faz diyagramı ile bağlantılı olarak gösterilmiştir.

Bakıra yaklaşık % 60 Ni ilave edilene kadar bakırın dayanımı katı eriyik mukavetlenmesi ile artar. Diğer taraftan saf nikel’e % 40’a kadar bakır ilavesi ile katı eriyik mukavemetlenmesi sağlanır. Monel olarak bilinen Cu-% 60 Ni alaşımı ile maksimum dayanım elde edilir. Maksimum dayanım faz diyagramının saf nikel kısmına yakındır. Çünkü saf nikel saf bakırdan daha dayanıklıdır.

 Katı Eriyik Alaşımlarının Katılaşması

Cu-% 40 Ni gibi bir alaşım ergitildiğinde ve soğutulduğunda, katılaşma, çekirdeklenme ve büyümenin oluşumunu gerektirir. Heterojen çekirdeklenme hiç veya çok az, alt soğumaya fırsat verir. Bu nedenle sıvı, likidüs sıcaklığına eriştiğinde katılaşma başlar. Likidüs sıcaklığındaki bağ çizgisi, ilk katılaşacak sıvının Cu-% 52 Ni kompozisyonuna sahip olduğunu gösterir. Katının büyümesi, sıvı katılaşırken ortaya çıkan gizli ergime ısısının, katı-sıvı arayüzeyinden uzaklaştırılmasını gerektirir. Ek olarak, soğuma sırasında katı ve sıvı fazların kompozisyonlarının solidüs ve likidüs eğrilerini takip etmesi için difüzyon olması gerekir. Gizli ergime ısısı çok geniş bir sıcaklık aralığında uzaklaştırılır. Böylece soğuma eğrisi, düz bir çizgiden ziyade Şekil 8-11’de görüldüğü gibi eğiminde değişme göstermektedir.

 

 

Bakır-nikel alaşımlarının mekanik özellikleri. Bakıra % 60’da kadar nikelin ilavesi ve Nikel’e % 40’a kadar bakır ilavesi mukavemetlenmeyi arttırır.

Katılaşma başlangıcında sıvı Cu-% 40 Ni ve ilk katı Cu-% 52 Ni içerir. Nikel atomları oluşan ilk katıda yoğunlaşmak ve difüz etmek zorundadırlar. Fakat 1250 oC’ye soğuduktan sonra katılaşma ilerlemiştir ve faz diyagramı bütün sıvının % 32 Ni ve katının % 45 Ni içermek zorunda olduğunu gösterir. Likidüsten 1250 oC’ye soğuma sonucunda, ilk katıdaki nikeli azaltacak şekilde bazı nikel atomları ilk katıdan yeni katıya difüz etmek zorundadır. İlaveten nikel atomları katılaşan sıvıdan yeni katıya difüz ederler. Bu arada bakır atomları, geri kalan sıvıda, difüzyonla yoğunlaşır. Bu işlem % 28 Ni içeren son sıvı katılaşana kadar devam etmek zorundadır ve % 40 Cu içeren bir katı oluşur. Solidüsün hemen altında katının tamamının uniform bir % 40 Ni bileşimine sahip olması gerekir.

 

 

 

 Dengeli katılaşma sırasında Cu-% 40 Ni alaşımının yapısındaki değişme. Üniform dengeli yapıyı oluşturmak, faz diyagramı şartlarını sağlamak için soğuma sırasında bakır ve nikel atomlarının difüz etmesi gerekmektedir.

Bu son denge yapısını elde etmek için soğuma hızı aşırı derecede yavaş olmalıdır. Bakır ve nikel atomlarının difüzyonu ve faz diyagramı tarafından verilen kompozisyonun sağlanması için yeterli süre verilmelidir. Uygulamadaki döküm şartlarının çoğunda, soğuma hızı çok yüksek olduğu için dengeli katılaşma oluşmaz.

 

Katılaşma sırasında izomorfuz alaşım için soğuma eğrisi Cu-% 40 Ni almaşımı durumunda soğuma eğrisinin eğiminde değişikliklerinden meydana geldiği noktalar likidüs ve solidüs sıcaklıklarını gösterir.

Alaşımları iki şekilde meydana gelirler;

1. Tek fazlı alaşımlar

2. Çift fazlı alaşımlar

1. TEK FAZLI ALAŞIMLAR: Katı eriyikler adını da alan bu tip alaşımlarda alaşım elemanlarının kafes sistemlerinde bir değişim olur ve alaşım elemanlarından birisinin kristal kafesinde her iki elemanın da atomları yerleşirler. Bir tek FAZ (Yapı) meydana getirirler. Bu tip alaşımlarda yeni kafeste farklı özelliklere sahip atomların bulunmasından dolayı bir gerginlik oluşur ve netice olarak yepyeni özelliklerde bir malzeme (Alaşım) meydana getirilmiş olur.

2. ÇİFT FAZLI ALAŞIMLAR: Ötektik alaşımlar olarak da adlandırılan bu tip alaşımlarda, alaşımı meydana getiren elemanların kafes sistemlerinde herhangi bir değişim olmaz. Elemanlar alaşımda kendi kafes sistemlerini aynen muhafaza ederler. Yapılan incelemeler bu tip alaşımlarda alaşım oranına bağlı olarak homojen bir yapıda her iki fazın da özelliğini gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu nedenle bu tip alaşımlar üstün özellikler vermezler ve sınırlı özellik değişim sağlayabilirler. Alaşımdaki elemanların oranlarına bağlı olarak her iki elemanın ortak özelliklerini veya alaşımda oranı fazla olan elemanın özelliğinin hakim olduğu özellikler gösterirler.

ISIL EĞRİLER:

Alaşımlar hakkında bilgi edinmek için denge diyagramlarının bilinmesi gereklidir. Denge diyagramları ise alaşımı meydana getiren elemanların ve alaşımın ısıl eğrilerin çizmek suretiyle elde edebilirler. Bir denge diyagramı bir dizi ısıl eğrisi ile çizilebilir. Isıl eğri, herhangi bir metalin ergiyik halden katılaşıncaya veya katı halden ergiyinceye kadar çizilen SICAK – ZAMAN eğrisinden ibarettir. Isıl eğrinin çizilebilmesi için bir pota, bir termometre, metal veya alaşım ve zaman tesbiti için bir kronometre gereklidir.

a. Ergiyik pota içerisindedir. Potadaki ergiyiğin sıcaklık düşüşün görebilmek için termometre konuşmuştur. (Yüksek sıcaklıkta ergiyen metal ve alaşımlar için termoeleman kullanılır).

b. Potadaki ergiyikten ilk katılaşma çekirdekleri oluşmaya başlamıştır.

c. Katılaşma devam etmektedir. Sıcaklık değişimi kronometre ile tesbit edilerek sıcaklık düşmeler işaretlenmektedir.

d. Katılaşma tamamlanmıştır.

Katılaşma veya ergime esnasında çizilen ısı eğriler de Şekil 63 de görülmektedir.

 

 a. Kalayın katılaşma eğrisi

b. Kalayın ergime eğrisi

a. Katılaşma eğrisi: Ergimiş metalin katılaşma esnasında çizilen bir eğridir. Ergiyik katılaşma esnasında dış çevre ile olan sıcaklık farkından dolayı dış çevreye ısı enerjisi verir ve sonuç olarak ergiyiğin sıcaklığı düşmeye başlar. Katılaşma başlangıcında sıcaklık düşmesi durur. Çünkü katılaşma esnasında ergiyikteki atomlar bir araya gelerek metalin kristal kafeslerini oluşturmaktadırlar. Atomların bir araya gelerek kristal kafesi oluşturması esnasında açığa çıkan ısı enerjisi sıcaklığın düşmesine engel olur. Bu nedenle ergiyik tamamen katılaşıp bütün kütle katı oluncaya kadar sıcaklık düşmesi görülmez. Katılaşma tamamlandıktan sonra dış çevreye verilen ısı metal kütlesinden sarfedileceği için sıcaklık düşmeye başlar ve bu olay oda sıcaklığına dara devam eder. Isıl eğrideki eğim, dış çevre ile erygiyiğin sıcaklığına bağlıdır. Sıcaklıklar arası fark ne kadar fazla ise eğim o kadar fazla olur. Aksi taktirde eğim dike yakın olur.

b. Ergime eğrisi: Bir parça metal alınır, potaya konulur ve pota ısıtılmaya başlanır. Burada potaya verilen ısının birinin zamanda değişmemesine dikkat etmelidir. Verilen ısı ile potadaki metalin sıcaklığı yükselmeye başlar ve her zaman biriminde termometreden sıcaklık değişimi okunurken kronometreye bakılarak elde edilen değerler çizim kağıdına işaretlenir. Sıcaklık yükselmesi ergime başlangıcına kadar devam eder. Verilen ısı kinetik enerjiye dönüşmesinden ve atomik kareketlerden dolayı görülen sıcaklık yükselmesi ergime başlangıcından ergime tamamlanıncaya kadar durur. Çünkü bu andan itibaren verilen ısı atomların birbirlerine bağlanmalarını sağlayan bağın (Enerjinin) çözülmesine sarfedileceğinden sıcaklık sabit kalır. Ergime tamamlandıktan sonra sıcaklık tekrar yükselmeye devam eder. Gerek katılaşma ve gerekse ergime esnasında çizilen eğrilere ısıl eğriler (Termal eğri) adı verilmektedir.