Isıl İşlem Sonrası Çelik Mikroyapıları

Bir Çelik Mikroyapısının Isıl İşlemden Sonra Kaydettikleri

Mikroyapı, termal geçmişin bir kaydı olarak

Isıl işlem, çeliğin özelliklerini öncelikle sertliği ayrı bir kalite unsuru olarak ekleyerek değil, mikroyapısını değiştirerek etkiler. NPTEL, çeliğin ısıl işlemini ele aldığı 2024 tarihli çalışmasında bu süreç–özellik ilişkisini doğrudan ortaya koymaktadır. Isıtma, bekletme ve soğutma; hangi fazların oluşacağını, karbonun ne ölçüde hareket edebileceğini ve alaşım elementlerinin nerelerde yoğunlaşacağını değiştirir. Bu nedenle son yapı, bir termal geçmişi kaydeder: çeliğin ısıtma öncesindeki durumu, östenitleme işlemi, difüzyon için mevcut süre, soğuma yolu ve daha sonra uygulanan menevişleme veya tavlama.

Östenit, bu kayıttaki temel ana durumdur. Isıtma sırasında ferrit ve sementit, ferrite kıyasla önemli ölçüde daha fazla karbon çözebilen bir demir fazı olan östenite dönüşebilir. Ancak bu, her atomun anında eşit bir dağılıma ulaştığı anlamına gelmez. Karbonun difüze olması, sementitin gereken ölçüde çözünmesi ve alaşım elementlerinin bu süreçleri yavaşlatması veya farklı bir yöne yönlendirmesi gerekir. Oluşan östenit daha sonra birden fazla yoldan ayrışabilir.

Soğuma geçmişi, hangi yolun baskın olacağını belirler. Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu’nun 2011 yılında belirttiğine göre, ötektoidaltı çelikte sürekli soğuma genellikle allotriyomorfik ferrit ile perlit oluşturur. Soğuma yolunun değiştirilmesi veya sertleşebilirliğin artırılmasıyla yapı; daha ince perlite, beynite, martensite ve kalıntı östenite doğru ilerleyebilir. Bunlar yalnızca bir soğuma hızı ölçeğindeki konumlar değildir. Bileşim, önceki östenit tane yapısı, karbon aktivitesi, kesit boyutu ve alaşım elementlerinin etkileri de dönüşümleri etkiler.

Yavaş bir dönüşüm, karbonun demir bakımından zengin ferrit ile demir karbür arasında bölüşülmesi için zaman sağlar. Hızlı bir yol, bu difüzyonun büyük bölümünü baskılayabilir ve martensite doğru yer değiştirmeli bir dönüşümü zorlayabilir. Orta düzeydeki yollar, ferritik dönüşüm ile karbonun yeniden dağılımını ve karbür oluşumunu birleştiren beynit oluşturabilir. Bu nedenle su verme, sert bir çeliğin tam açıklaması değildir. Su verme, östenitin martensite, beynite, perlite, ferrite veya kalıntı östenit içeren bir karışıma dönüşüp dönüşmeyeceğini belirleyen dizinin yalnızca bir parçasıdır.

Fazlar, bileşenler, morfoloji ve dağılım

Faz, belirli bir kristal yapıya ve kimyasal duruma sahip bir bölgedir; bileşen ise birden fazla faz içerebilen, tanınabilir bir yapısal kombinasyondur. Ferrit ve sementit fazdır. Perlit, genellikle dönüşümlü lameller hâlinde düzenlenmiş ferrit ve sementitten oluşan bir bileşendir. Beynit de bir bileşendir: ScienceDirect onu lamelsiz bir ferrit–Fe3C yapısı olarak tanımlar. Martensit, karbon içeriği ve morfolojisi kendisini oluşturan östeniti yansıtan, aşırı doymuş ve dönüşümle oluşmuş bir demir fazıdır. Kalıntı östenit ise soğuma sonrasında dönüşmek yerine kalan östenittir.

Tek başına bu adlar, gözle görülen düzenlenmeyi açıklamaz. Ferrit, önceki östenit tane sınırları boyunca allotriyomorfik taneler hâlinde veya östenitin içine doğru uzanan Widmanstätten plakaları şeklinde bulunabilir. Perlit, sementit lamelleri arasındaki mesafenin geniş olduğu kaba veya bu mesafenin çok daha dar olduğu ince bir yapıda olabilir. ScienceDirect, daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan kaba perlitin görece yumuşak, daha ince perlitin ise daha dayanıklı olduğunu belirtir. Bu ayrım, bileşimsel olduğu kadar morfolojiktir de.

Beynitin de birden fazla görünümü vardır. Üst beynit, beynitik aralığın daha yüksek bölümündeki dönüşümle ilişkili bir düzen içinde ferrit ve karbür içerir; alt beynit ise ferrit içinde veya ferritle yakından ilişkili daha ince bir karbür dağılımıyla oluşur. ScienceDirect, alt beynitin üst beynitten daha sert olduğunu belirtir. Bu fark yalnızca “beynit” sözcüğünden anlaşılamaz.

Isıl işlem, her fazı değiştirmeden de morfolojiyi değiştirebilir. Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu’nun 2008 yılında bildirdiğine göre küreselleştirme sırasında perlitik sementit lamelleri parçacıklara dönüşür. Çelik hâlâ ferrit ve sementit içerir; ancak parçacıkların düzenlenmesi deformasyona karşı direnci, talaş kaldırma davranışını ve sonraki dönüşümler için mevcut yolu değiştirir. Dağılım önemlidir: bir tane sınırındaki karbürün yapısal etkisi, ferrit içinde ince biçimde dağılmış bir karbürünkiyle aynı değildir.

ASM International’ın 2024 tarihli kaynakları; östenit, ferrit, karbon difüzyonu, beynit, sementit, martensit, perlit ve faz dönüşümlerini bu yapıların yorumlanması için gerekli temel konular olarak tanımlar. Kurumun 2024 tarihli açıklaması, ısıl işlem görmüş çelik mikroyapılarını ferrit, beynit, sementit, martensit ve perlit oluşturan demir, karbon ve diğer alaşım elementlerinin birliktelikleri olarak tanımlar. Bu nedenle kullanışlı açıklama şudur: “Hangi fazlar ve bileşenler mevcut, bunların oranları nedir ve morfolojileri ile dağılımları nasıldır?”

Sertlik neden tek başına eksik bir açıklamadır?

Farklı faz birleşimlerine ve morfolojilere sahip çeliklerde benzer sertlik değerleri görülebilir; bu nedenle yalnızca sertlik dönüşüm ürünlerini belirleyemez. Limited evidence

Sertlik, karmaşık bir yapıyı tek bir ölçülmüş tepkiye indirger. Girintiye karşı direnci gösterebilir; ancak bu tepkiyi oluşturan dönüşüm ürünlerini tanımlamaz. İki çelik, ince perlit, beynit, martensit ve kalıntı östenitten oluşan farklı kombinasyonlar içermelerine rağmen benzer sertlik gösterebilir. Toklukları, süneklikleri, boyutsal kararlılıkları, yorulma davranışları ve menevişlemeye verdikleri tepki yine de farklı olabilir.

Martensit, karbon gerinimli bir kristal yapıda hapsolduğu için çoğu zaman sertliği artırır; ancak sonuç karbon içeriğine, alaşım elementlerine, dönüşüm miktarına ve sonraki menevişlemeye bağlıdır. Menevişlenmemiş martensit, menevişlenmiş martensitle aynı mikroyapı değildir. Dönüşüm yolu homojen değilse veya bileşim dönüşümü geciktirmişse su verilmiş bir çelik, beynit ya da kalıntı östenit de içerebilir.

Aynı dikkat daha yumuşak yapılar için de geçerlidir. Kaba perlit ve küreselleştirilmiş sementit, bazı koşullarda karşılaştırılabilir sertlik değerleri üretebilir; ancak karbür şekilleri ve farklı deformasyon mekanizmaları sergiler. Sertlik, sementitin lamelli mi, parçacık hâlinde mi, tane sınırlarıyla ilişkili mi veya ince biçimde dağılmış mı olduğunu ortaya çıkaramaz. Kaydı yeniden oluşturmak için mikroskopi, kırınım, kimyasal analiz ve uygulanan işlem programına ilişkin bilgi gerekir.

Isıl işlemden sonra sorulması gereken doğru soru yalnızca “Çelik ne kadar sert?” değildir. Sorulması gereken şudur: Hangi östenit mevcuttu, karbon ve alaşım elementleri nasıl hareket etti, hangi dönüşümler gerçekleşti ve geriye nasıl bir düzenlenme kaldı? Sertlik kanıttır. Mikroyapı ise açıklamadır.

Östenit, Ferrit ve Sementit: Temel Bileşenler

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

Çelik mikroyapıları, basit bir yumuşaktan serte ölçeğindeki noktalar olarak değil, fazların ve bileşenlerin düzenlenişi olarak okunur. ASM International, ısıl işlem görmüş çelik mikroyapılarının ferrit, bainit, sementit, martensit ve perlit dâhil olmak üzere demir, karbon ve diğer alaşım elementlerinin oluşturduğu faz birlikteliklerinden meydana geldiğini belirtir (ASM International, 2024). Çelik ısıl işlemlerine ilişkin yaklaşımında da östenit, ferrit, karbon difüzyonu, sementit, perlit, bainit, martensit ve faz dönüşümlerini aynı temel çerçeve içinde ele alır. Bu sıralama önemlidir: İşlem sonrasında mevcut olan yapı, östenitten neyin oluştuğuna, karbonun nasıl hareket ettiğine ve hangi dönüşümlerin ilerlemesine izin verildiğine bağlıdır.

Yüksek sıcaklıktaki ana faz olarak östenit

Östenit, ferrite kıyasla önemli ölçüde daha fazla karbon çözebilen, demirin yüzey merkezli kübik biçimidir. Olağan ısıl işlem yaklaşımında, daha sonra oluşan çeşitli yapıların geliştiği ana fazdır. Uygun bir çeliğin östenitik aralığına ısıtılması, doğrudan martensit, perlit veya bainit oluşturmaz. Kimyasal ve yapısal açıdan farklı bir başlangıç koşulu hazırlar. Bu aşamada karbon ve alaşım elementleri yeniden dağılabilir; mevcut ferrit ve sementit ise bileşimin, sürenin, sıcaklığın ve önceki durumun belirlediği ölçülerde çözünür.

“Ana faz” ifadesi, her bileşen parçasının özdeş östenite ulaştığını garanti eden bir durumu değil, bir dönüşüm ilişkisini tanımlar. Çözünmemiş karbürler, kimyasal segregasyon, tane boyutu ve ısıtma uygulaması yerel farklılıklara yol açabilir. Bu nedenle, kesin işlem koşulları belirlenmeden önce belirli bir bileşim için ilgili faz diyagramı ve dönüşüm sıcaklıkları tanımlanmalıdır. Östenitin genel bir açıklaması, belirli bir kaliteye ilişkin sıcaklık iddiası olarak anlaşılmamalıdır.

Soğuma sırasında östenit farklı yollar izleyebilir. Karbon yeterli süre boyunca difüze olur ve atomlar yeniden düzenlenirse ferrit ve sementit oluşabilir; bu da çoğunlukla ikisinin düzenli bir karışımı olan perlitin meydana gelmesiyle sonuçlanır. Diğer ısıl yollarda bainit gelişebilir. Difüzyona bağlı tepkimeler atlanırsa östenit kafesi, yer değiştirmeli bir mekanizmayla martensite dönüşebilir; östenitin bir bölümü ise kalıntı östenit olarak kalabilir. Cambridge Phase Transformations Group; allotriyomorfik ferrit, Widmanstätten ferriti, perlit, üst bainit, alt bainit, martensit ve sementiti ayrı yapısal tanımlar olarak birbirinden ayırır. Dolayısıyla ana östenit başlangıç alanını belirler; ancak soğuma geçmişi hangi ürünlerin ortaya çıkacağını ve hangi morfolojide bulunacağını belirler.

Ferrit ve karbon çözünürlüğünün rolü

Ferrit, gövde merkezli kübik kristal yapıya sahip, demir bakımından zengin bir fazdır. Çelik dönüşümleri açısından en önemli özelliği, östenite kıyasla karbon için düşük denge çözünürlüğüne sahip olmasıdır. Ferrit östenitten oluştuğunda karbon, aynı konsantrasyonda eşit biçimde çözünmüş olarak kalamaz. İlerleyen ferritten uzağa difüze olması veya daha fazla karbon barındırabilen yakın bölgelerde toplanması gerekir; bu süreç çoğunlukla sementit oluşumuna katkıda bulunur.

Karbon difüzyonuKarbon difüzyonu Demir kafesindeki arayer bölgeleri boyunca karbon atomlarının hareketi; bileşim değişikliklerini ve ferrit, sementit ve perlit oluşumu gibi difüzyonlu dönüşümleri mümkün kılar.

Karbon difüzyonu, bu difüzyon kontrollü dönüşümlerin gerçekleşmesini sağlayan mekanizmadır. Karbon atomları demir kafesindeki arayer bölgeleri boyunca hareket ederken, demir bakımından zengin matris kristal yapısını ve bileşimini değiştirir. Bu hareket sıcaklığa ve zamana bağlıdır; ancak kesin hızlar ve dönüşüm sıcaklıkları bileşime göre değişir ve ilgili faz diyagramından veya kinetik verilerden alınmalıdır. Alaşım elementleri difüzyonu, arayüz hareketini, karbür kararlılığını ve sertleşebilirliği değiştirebilir. Sonuç olarak, görünüşte benzer bir soğuma programına tabi tutulan iki çelik, farklı oranlarda veya morfolojilerde ferrit, perlit, bainit, martensit ve kalıntı östenit oluşturabilir.

Ferritin morfolojisi, nasıl oluştuğuna ilişkin bilgi taşır. Allotriyomorfik ferrit genellikle önceki östenit tane sınırları boyunca gelişirken, Widmanstätten ferriti östenit tanelerinin içine doğru plakalar veya çıtalar hâlinde büyür. Sürekli soğutulan hipoötektoid çelikte Cambridge, geleneksel sonucu allotriyomorfik ferrit artı perlit olarak tanımlar. Soğuma hızlandıkça veya sertleşebilirlik arttıkça dönüşüm dizisi daha ince perlite, bainite, martensite ve kalıntı östenite doğru ilerleyebilir. Bunlar ferritin yalnızca giderek daha sert hâle gelen biçimleri değildir. Farklı karbon dağılımlarını, arayüzleri, kristal düzenlerini ve dönüşüm mekanizmalarını temsil ederler.

Ferritik bir matris, önceki ısıl ve kimyasal geçmişin oluşturduğu parçacıkları, bantları veya bölgeleri de içerebilir. Bu nedenle bir mikrografın okunması, yalnızca açık renkli görünen ferritin tanımlanmasından ibaret değildir. Analist, ferritin nerede oluştuğunu, açığa çıkan karbonun ne yaptığını ve çevredeki bileşenin perlit, bainit veya karbür içeren bir bölge olup olmadığını sorgulamalıdır.

Dönüşmüş yapılarda sementit ve Fe₃C

Sementit, demir karbürü Fe₃C’dir: farklı bir bileşik yapısında, üç demir atomunun bir karbon atomuyla stokiyometrik olarak birleştiği yapıdır. Yalnızca ferrit içinde çözünmüş karbon değildir. Sementit, çeliğin karbonu düşük çözünürlüklü ferritik matriste kalamadığında ve yerel kimyasal ve ısıl koşullar karbür çökelmesine veya büyümesine izin verdiğinde oluşur.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

Perlit, genellikle ferrit ve sementitten oluşan, birlikte oluşmuş katmanlı bir bileşen olarak tanımlanır. Ardışık lameller, iki faz arasında geniş bir arayüz alanı sağlar. Dönüşüm sıcaklığı aralığı etkiler: ScienceDirect, daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan kaba perliti nispeten yumuşak olarak tanımlarken, daha ince perlitin daha yüksek dayanımlı olduğunu belirtir. Bu ayrım yalnızca sementitin varlığına değil, morfolojiye ve ölçeğe dayanır.

Sementit perlit olmayan yapılarda da bulunur. ScienceDirect, bainiti lamelsiz ferrit–Fe₃C yapısı olarak tanımlar ve alt bainitin üst bainitten daha sert olduğunu belirtir. Üst bainitte karbür düzenlenişi, çökelmenin ferritik plakaların içinde veya onlarla yakından ilişkili olarak gerçekleştiği alt bainitten farklıdır. Kesin görünüm bileşime ve dönüşüm koşullarına bağlıdır.

Isıl işlem, kimyasal kimliğini değiştirmeden sementitin şeklini değiştirebilir. Cambridge, küreselleşmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü kaydeder (University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). Bu işlem, perlitin sürekli katmanlı geometrisini azaltır ve ferritik matrisin karbür tarafından nasıl bölümlendirildiğini değiştirir. Dolayısıyla tavlama, menevişleme ve diğer işlemler parçacık boyutunu, aralıklarını ve dağılımını değiştirerek özellikleri etkileyebilir. NPTEL, ısıl işlemlerin mekanik özellikleri esas olarak mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtir (NPTEL, 2024). Sementitin miktarı, sürekliliği ve morfolojisi bu açıklamanın bir parçasıdır; tek başına su verme değildir.

Perlit: Lamelli Yapı ve Soğumaya Bağlı Ölçek

Perlit tek bir faz değildir. Östenitin difüzyon kontrollü bir dönüşüm yoluyla ayrışması sonucunda oluşan, ferrit ve sementitten meydana gelen iki fazlı bir birlikteliktir; genellikle ferrit–Fe₃C şeklinde ifade edilir. Ferrit, karbon bakımından görece fakir, hacim merkezli kübik demir fazıdır; sementit ise büyüyen ferritten dışlanan karbonu bünyesinde barındıran demir karbür fazıdır. Bunun sonucunda homojen bir katı çözelti değil, kompozit bir mikroyapı oluşur.

Bu ayrım önemlidir; çünkü su verilmiş bir çelik yalnızca hızlı soğumaya maruz kaldığı için sert değildir. Sertlik ve dayanım; hangi dönüşümlerin gerçekleştiğine, ne kadar karbonun difüze olabildiğine, mevcut alaşım elementlerine ve oluşan ürünlerin morfolojisine bağlıdır. ASM International, ısıl işlem görmüş çeliklerin mikroyapılarının ferrit, beynit, sementit, martenzit ve perlit dâhil olmak üzere demir, karbon ve diğer alaşım elementlerinin oluşturduğu faz birlikteliklerinden meydana geldiğini belirtmektedir (2024). Dolayısıyla perlit; beynit, martenzit ve tutulmuş östeniti de içeren bir dönüşüm ürünleri dizisinin parçasıdır; yalnızca su verme şiddetiyle belirlenen basit bir yumuşaktan serte sıralamasının parçası değildir.

Ferrit ve sementit lamellerinin oluşumu

Östenit perlitte dönüşürken karbon difüzyonu, ferrit ve sementitin birlikte oluşmasını sağlar. Ferrit, östenitle karşılaştırıldığında çok az karbon içerir; bu nedenle karbon, ilerleyen ferritten uzaklaşmalı ve komşu sementitte toplanmalıdır. Bu iki bileşen eşgüdümlü biçimde büyür: ferrit plakaları veya tabakaları, sementit plakalarının veya tabakalarının yanında ilerleyerek tekrarlanan lamelli bir düzen oluşturur.

Bir perlit kolonisi genellikle ortak bir yönlenmeye sahip lameller içerirken farklı koloniler farklı yönlenmelere sahip olabilir. Mikroskop altında görünen aralık, kesit alma yönüne bağlı olarak değişebilir; bu nedenle ölçülen mesafe her zaman gerçek üç boyutlu aralık değildir. Bununla birlikte lamellerin ölçeği, dönüşüm geçmişi hakkında yararlı bilgiler sağlar. Birbirine yakın lameller, karbonun yeniden dağılımı için birim mesafe başına daha fazla ferrit–sementit ara yüzeyi sunar; geniş aralıklı lameller ise daha uzun bir difüzyon mesafesine izin veren koşullar altında büyümeye işaret eder.

Sürekli soğutma, ötektoidaltı çelikte yaygın olarak allotriyomorfik ferrit ile birlikte perlit oluşturur. Strong evidence

Hipoötektoid çelikte perlit normal olarak tek başına oluşmaz. Sürekli soğuma sırasında allotriyomorfik ferrit, önceki östenit tane sınırları boyunca ilk olarak oluşabilir; bunu, geriye kalan östenit içindeki perlit oluşumu izler. University of Cambridge Phase Transformations Group, hipoötektoid çelikte sürekli soğumanın yaygın ürününü “allotriyomorfik ferrit artı perlit” olarak tanımlamaktadır (2011). Soğuma hızlandıkça veya bileşim nedeniyle sertleşebilirlik arttıkça dönüşüm dizisi daha ince perlitte, beynitte, martenzitte ve tutulmuş östenitte yoğunlaşabilir. Bu nedenle nihai yapı tamamen perlitik bir bölge yerine, ötektoid öncesi ferritin yanında perlit de içerebilir.

Dönüşüm sıcaklığı, çekirdeklenme, büyüme ve karbon difüzyonu arasındaki dengeyi belirlediği için ölçeği kontrol eder. Görece yüksek bir dönüşüm sıcaklığında difüzyon karşılaştırmalı olarak daha kolaydır. Daha az sayıda perlit kolonisi çekirdeklenebilir; ancak her koloni daha geniş lamel aralığıyla büyüyebilir. Daha düşük bir dönüşüm sıcaklığında difüzyon daha sınırlıdır ve dönüşüm için itici güç daha büyüktür; çok sayıda koloni oluşabilir ve bunların ferrit ile sementit tabakaları birbirine daha yakın hâle gelir. Soğuma hızı, dönüşüm sıcaklığını değiştirmek için pratik bir yoldur; ancak tek başına tam bir açıklama değildir. Alaşım elementleri dönüşümü geciktirebilir, karbon aktivitesini değiştirebilir ve perlitin oluştuğu sıcaklıkları ve zaman aralıklarını değiştirebilir.

İri perlit ve ince perlit

İri perlit, görece geniş ferrit–sementit aralığına sahiptir. Karbonun büyüme sırasında daha uzun mesafeler boyunca difüze olabildiği yüksek sıcaklıklarda östenitin dönüşmesiyle oluşur. ScienceDirect’in çelik ısıl işlemlerine ilişkin kaynağında belirtildiği üzere bu yapı, daha ince perlitle karşılaştırıldığında görece daha yumuşaktır (2024). Bu karşılaştırma ilişkisel niteliktedir ve evrensel bir sertlik değeri ifade etmez: bileşim, koloni boyutu, önceki östenit tane yapısı, kesit boyutu ve sonraki işlemlerin tümü ölçülen sonucu etkiler.

İnce perlit, daha dar bir lamel aralığına sahiptir. Genellikle karbon difüzyonunun daha sınırlı olduğu ve dönüşümün daha ince bir ferrit ve sementit düzeni oluşturduğu daha düşük bir dönüşüm sıcaklığında meydana gelir. ScienceDirect, ince perlitin iri perlite göre daha dayanıklı olduğunu belirtmektedir. Bunun nedeni morfolojiktir. Birbirine yakın sementit lamelleri, ferritin sürekliliğini daha kısa mesafelerde kesintiye uğratır ve dislokasyon hareketine daha fazla ara yüzey sunar. Bu nedenle yapı, plastik deformasyona daha etkili biçimde direnebilir; ancak davranış yine de karbon içeriğine ve alaşım ilavelerine bağlıdır.

“İnce” ve “iri” ifadeleri ölçeği tanımlar; ayrı kimyasal fazları değil. Her iki yapı da ferrit ve sementit içerir ve her ikisi de gerçek bir ısıl işlem görmüş bileşende diğer ürünlerle birlikte bulunabilir. Birden fazla dönüşüm aralığından geçen bir soğuma eğrisi, bir bölgede ferrit ve perlit, başka bir bölgede beynit veya östenitin martenzit başlangıç aralığına kadar korunabildiği yerlerde martenzit oluşturabilir. NPTEL, ısıl işlemlerin mekanik özellikleri esas olarak mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtmektedir (2024). Perlit bu ilkeyi açıkça gösterir: dönüşüm yolunun değiştirilmesi, temel ferrit artı sementit kimliğini değiştirmeden aralığı ve morfolojiyi değiştirebilir.

Uzun süreli işlem sonrasında küreselleşmiş sementit[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

Perlit, lamelli biçimini de kaybedebilir. Ötektoid dönüşüm aralığının altında uzun süreli ısıtma sırasında veya uygun tavlama çevrimleri boyunca sementit lamelleri yavaş yavaş parçalanır ve ferritik bir matris içinde dağılmış yuvarlak parçacıklara dönüşür. University of Cambridge Phase Transformations Group, “küreselleşmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü” doğrudan belirtmektedir (2008).

Bu değişim, perlite özgü keskin ve sürekli sementit ara yüzeylerini azaltır. Ara yüzey alanının azaltılması sistemin ara yüzey enerjisini düşürdüğü için parçacıklar, işlem sürdükçe genellikle irileşme eğilimi gösterir. Parçacık boyutu ve aralığı; başlangıçtaki perlite, sıcaklığa, süreye ve alaşım elementlerine bağlıdır. Uzun süreli işlem, her çelikte tek ve sabit bir morfoloji oluşturmaz.

Küreselleşmiş sementit hâlâ sementittir ve çevresindeki matris hâlâ ferrittir; ancak geometri, dönüşümlü plakalardan dağılmış parçacıklara değişmiştir. Bu geometri, özellikle şekillendirme veya talaşlı imalat sırasında, deformasyonu genellikle lamelli perlitte olduğundan daha kolay hâle getirir; ancak “küreselleşmiş” sözcüğünden tek bir sertlik değeri çıkarılamaz. Doğru yorumlama için mikroyapının tamamı gerekir: ferritin bileşimi, sementitin hacim oranı, parçacık boyutu, aralık, kalıntı perlit ve önceki işlemlerden geriye kalan martenzit ya da tutulmuş östenit.

Sürekli Soğutma Sırasında Ötektoid Altı Çelik

Ötektoid altı çelik, ötektoid bileşimden daha az karbon içerir; bu nedenle östenit bir anda tamamen perl ite dönüşmez. Soğuma sırasında ilk oluşan ürün normal olarak ferrittir; bunu, kalan östenitin perl ite veya daha yüksek soğuma hızlarında başka ürünlere dönüşmesi izler. Bu nedenle nihai yapı bir diziyi kaydeder: karbon, büyüyen ferritten ayrılır; artık östenit karbon bakımından zenginleşir ve değişime uğramış bu östenit daha sonra mevcut sıcaklık ve süreye göre dönüşür.

Bu dizi, sertliğin doğrudan su verme işlemine atfedilemeyeceğini açıklar. NPTEL, ısıl işlemlerin mekanik özellikleri öncelikle mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtirken, ASM International ısıl işlem görmüş çeliği yorumlamak için östenit, ferrit, karbon difüzyonu, sementit, perlit, beynit, martenzit ve faz dönüşümlerini bilinmesi gereken temel konular olarak tanımlar. Soğuma yolu, bu bileşenlerden hangilerinin, hangi oranlarda ve hangi morfolojiyle oluşacağını belirler.

Perlit Öncesinde Allotriyomorfik Ferrit

Östenitik bölgeden soğuma sırasında, ötektoid altı çelikte allotriyomorfik ferrit genellikle önceki östenit tane sınırlarında oluşmaya başlar. “Allotriyomorfik” terimi, dış şekli kendi kristalografik biçiminden ziyade çevresindeki östenit tarafından belirlenen ferriti tanımlar. Bu ferrit çoğunlukla eski östenit sınırları boyunca filmler, tabakalar veya düzensiz taneler şeklinde görülür.

Ferrit, östenitle karşılaştırıldığında çok az karbon içerir. Büyüdükçe karbonu bitişiğindeki östenite iter. Bu difüzyon, dönüşümün merkezinde yer alır: ferrit oluşumu, dönüşmemiş östenitin giderek karbon bakımından zenginleşmesine ve bileşiminin ötektoid bileşime yaklaşmasına neden olur. Dolayısıyla ferrit, yapının geri kalanından bağımsız olarak ortaya çıkan yalnızca düşük karbonlu bir bölge değildir. Ferritin büyümesi, geride kalan östenitin kimyasını değiştirir.

Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, bu süreci sürekli soğutulan ötektoid altı çelik için en açık geleneksel dizi olarak sunar. Allotriyomorfik ferrit önce oluşur ve kalan östenit daha sonra perl ite dönüşür. Dönüşüm yeterince yavaş ilerlediğinde ferrit, neredeyse sürekli bir sınır ağı oluşturabilir; ancak kesin görünüm bileşime, önceki östenit tane boyutuna ve soğutma programına bağlıdır.

Allotriyomorfik ferrit ile Widmanstätten ferriti arasındaki ayrım da önemlidir. Daha hızlı dönüşüm koşulları, allotriyomorfik ferritle ilişkili sınır kontrollü morfoloji yerine, östenitin içine doğru büyüyen ferrit plakalarının veya yan plakalarının oluşmasına yol açabilir. Bu nedenle ferrit gösteren bir mikrograf, soğuma geçmişini belirlemek için tek başına yeterli değildir; ferritin şekli ve konumu da incelenmelidir.

Ferrit-Perlit Mikroyapıları

Ötektoid öncesi ferrit oluştuktan sonra, karbon bakımından zenginleşmiş kalan östenit genellikle perl ite dönüşür. Perlit, dönüşümlü bölgeler veya lameller halinde düzenlenmiş, ferrit ve sementitten (Fe₃C) oluşan ortaklaşa bir karışımdır. Sonuç, ferrit-perlit mikroyapısıdır: nispeten düşük karbonlu ferrit ötektoid öncesi kısmı oluştururken perlit, artık östenitte yoğunlaşmış olan karbonu içerir.

Bu, tek ve değişmez bir görünüm değildir. Nispeten yüksek bir dönüşüm sıcaklığında oluşan perlit daha geniş ferrit-sementit aralığına sahiptir ve ScienceDirect tarafından kaba perlit olarak tanımlanır; daha ince perlite kıyasla nispeten daha yumuşaktır. Daha düşük bir dönüşüm sıcaklığında difüzyon mesafeleri kısalır ve lamel aralığı incelir. İnce perlit daha dayanıklıdır; çünkü birbirine daha yakın sementit bariyerleri dislokasyon hareketini daha etkili biçimde kısıtlar. Bununla birlikte özellikleri yine de toplam bileşime ve morfolojiye bağlıdır.

Cambridge kaynağı, allotriyomorfik ferrit ile perlitin, ötektoid altı çeliğin sürekli soğutulmasında yaygın bir sonuç olduğunu belirtir. Bu ifade bir dönüşüm yolunu tanımlar; her kalite veya soğutma işlemi için evrensel bir mikroyapıyı ifade etmez. Karbon içeriği, manganez ve diğer alaşım elementleri, östenit tane boyutu, kesit kalınlığı ve gerçek sıcaklık-zaman geçmişi, her dönüşümün başlangıcını ve tamamlanmasını etkiler.

Perlit ayrıca küreselleştirilmiş sementitten ayırt edilmelidir. Küreselleştirme sırasında Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, perlitik sementit lamellerinin parçacıklara dönüştüğünü belirtir. Bu nedenle yuvarlak sementit parçacıkları içeren bir ferrit matrisi, sıradan lamelli perlitin yalnızca kaba bir biçimi değildir; farklı bir işlemi ve farklı bir sementit morfolojisini kaydeder.

Daha Hızlı Soğumanın ve Sertleşebilirliğin Etkisi

Soğuma hızlandıkça çelik, karbonun difüze olabildiği ve ferrit ile perlitin büyüyebildiği sıcaklık aralığında daha az zaman geçirir. Dönüşüm yine ferrit ve perlit oluşturabilir; ancak perlit incelir ve sınır ferritinin oranı değişebilir. Soğuma yolu yeterince değiştiğinde östenit, ferrit-perlit aralığının bir bölümünü veya tamamını atlayabilir.

Cambridge’in sürekli soğutma örneği, bu ilerleme boyunca ince perlit, beynit, martenzit ve kalıntı östeniti konumlandırır. Beynit, perlitin dönüşümlü lamelleri şeklinde değil, lamelsiz bir ferrit ve Fe₃C karışımı olarak oluşur. Üst beynit ve alt beynit, ferrit ve sementitin farklı düzenlenişlerine sahiptir; ScienceDirect, daha ince ölçeğini ve farklı karbür dağılımını yansıtacak şekilde alt beynitin üst beynitten daha sert olduğunu belirtir.

Soğuma, difüzyonlu dönüşümü martenzitik aralığa ulaşılana kadar engellerse östenit, difüzyonsuz bir kayma mekanizmasıyla martenzite dönüşebilir. Büyüme sırasında karbon ferrit ve sementit arasında bölüşülmek yerine, bozulmuş demir kafesi içinde hapsolur. Martenzite dönüşmeyen östenitin bir bölümü kalıntı östenit olarak kalabilir. Bunun miktarı yalnızca su vermeye değil, bileşime ve soğuma yoluna bağlıdır.

SertleşebilirlikSertleşebilirlik Belirli bir soğutma koşulu altında, bir kesit boyunca daha sert dönüşüm ürünleri oluşturabilen çeliğin yeteneğidir; tek bir konumda ölçülen sertlikten farklıdır.

Sertleşebilirlik, gerçek bir bileşen içinde çeliğin bu daha hızlı soğuma yolunu ne ölçüde izleyebileceğini değiştirir. Alaşım elementleri ferrit, perlit veya beynit dönüşümlerini geciktirebilir ve böylece daha düşük sertleşebilirliğe sahip bir çelikte ferrit ve perlite dönüşecek konumlarda martenzit oluşmasına olanak tanıyabilir. Bu nedenle kalın bir kesit, parçanın tamamı aynı işleme tabi tutulsa bile yüzeyinden merkezine kadar farklı yapılar içerebilir.

Pratik sonuç doğrudandır: ötektoid altı çelik “yumuşak” durumdan “sert” duruma tek bir anahtar gibi geçmez. Sürekli soğutma; allotriyomorfik ferrit ve perlit, ince perlit, beynit, martenzit, kalıntı östenit veya bu ürünlerin karışımlarını oluşturabilir. Belirleyici kanıt, dönüşüm dizisi ve bunun sonucunda ortaya çıkan morfolojidir.

Beynit: Üst, Alt ve Lamelsiz Dönüşüm Ürünleri

Ferrit–Fe₃C yapısı olarak beynit

Beynit tek bir faz değildir ve basit bir sertlik ölçeği üzerinde tek bir nokta olarak ele alınmamalıdır. Esas olarak ferrit ve demir karbürü Fe₃C’den oluşan bir dönüşüm ürünüdür; özellikleri, bu bileşenlerin düzenlenmesi, boyutu ve dağılımı tarafından belirlenir. ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemleri genel değerlendirmesinde beynit, “lamelsiz ferrit–Fe₃C yapısı” olarak tanımlanır. Bu tanım, morfolojik düzeyde beyniti perlitten ayırır: Her ikisi de ferrit ve sementit içerir, ancak ferrit–sementit düzenlenmeleri farklıdır.

Beynit içindeki ferrit östenitten oluşurken, büyüyen ferritten dışlanan karbon, çevredeki östenitte karbür oluşumuna veya karbonun yeniden dağılımına katkıda bulunur. Dolayısıyla dönüşüm, hem ferritik bölgelerin oluşumunu hem de karbonun hareketini kapsar. Alaşım elementleri karbon aktivitesini, karbür çökelmesini, ferrit büyümesini ve beynitin oluştuğu sıcaklık aralığını değiştirebilir. Bu nedenle nihai yapı, çeliğin su verilmiş veya hızlı soğutulmuş olmasından ziyade dönüşüm yolu tarafından belirlenir.

Bu ayrım, ASM International’ın 2024 tarihli, ısıl işlem görmüş çelik mikroyapılarını ferrit, beynit, sementit, martenzit ve perlit oluşturan demir, karbon ve diğer alaşım elementlerinin birliktelikleri olarak tanımlayan açıklamasıyla uyumludur. Östenit, bu ürünlerin birçoğunun geliştiği ana yapıdır. Soğuma, karbon difüzyonu ve faz dönüşümü koşullarını değiştirir; dönüşüm belirli bir sıcaklık aralığında gerçekleşirse ortaya çıkan ürün birden fazla bileşen içerebilir.

“Lamelsiz” terimi, beynitin tekrarlanan bir iç düzenlenmeden yoksun olduğu anlamına gelmez. Beynitik ferrit genellikle levhalar, çıtalar veya demetler şeklinde görülür; karbürler ise dönüşüm ürününe bağlı olarak ferrit birimleri arasında ya da bu birimlerin içinde bulunur. Ferrit ile önceki östenit arasındaki arayüzler ve kristalografik ilişkiler; dayanımı, tokluğu ve çatlak ilerlemesini etkiler. Bu nedenle bir mikrograf, perlit ile ilişkilendirilen düzenli ve ardışık levhaları göstermeden de organize bir yapı sergileyebilir.

Dönüşüm mekanizması, tamamen uzun mesafeli difüzyon tarafından kontrol edilen bir yeniden düzenlenmeden de farklıdır. Ferrit, östenit kafesiyle ilişkili bir şekil değişimiyle oluşur; ardından karbon difüzyon yoluyla yeniden dağılır. Karbür çökelmesi, yerel karbon derişimini ve dönüşüm koşullarını izler. Ferrit oluşumu, kafes yer değiştirmesi, karbonun bölüşümü ve karbür çökelmesinin bu birleşimi, beynitin perlitik ve martenzitik ürünler arasında kendine özgü bir konuma sahip olmasını açıklar. Beynit, ne yalnızca daha ince taneli perlit ne de farklı adlandırılmış martenzittir.

Üst beynit ve alt beynit

Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, “üst beynit” ve “alt beynit”i ayrı çelik mikroyapıları olarak ayırt eder. Bu ayrım esas olarak karbürlerin konumu ve morfolojisiyle ilgilidir. Üst beynitte ferrit genellikle çıta veya levha şeklinde oluşur ve sementit tercihen bitişik ferrit birimleri arasında yer alır. Karbür bakımından zengin bölgeler, ferrit agregasının bazı kısımlarının sınırlarını belirler. Alt beynitte ise karbür parçacıkları veya ince karbür çökeltileri, ilişkili bölgelerin yanı sıra ferrit levhalarının içinde de oluşur. İç çökelme deseni daha incedir ve ferritin kendisiyle daha yakından ilişkilidir.

Bu açıklamalar morfolojik nitelikte olmakla birlikte ferrit oluşumu ile karbon difüzyonu arasındaki farklı dengeleri yansıtır. Üst beynitle ilişkili koşullarda karbon, karbürün büyük ölçüde ferrit çıtaları arasında oluşmasına yetecek ölçüde yeniden dağılabilir. Alt beynit koşullarında ise ferrit oluşurken ferrit içinde karbon aşırı doygunluğu önemli düzeyde kalır ve bu durum karbürün ferritik birimlerin içinde çökelmesine olanak tanır. Kesin görünüm; çeliğin bileşimine, önceki östenit tane yapısına, dönüşüm geçmişine ve alaşım elementlerinin etkilerine bağlıdır.

ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemleri genel değerlendirmesine göre alt beynit, üst beynitten daha serttir. Bu fark, “daha fazla su verme”nin gizemli bir sonucu olarak sunulmamalıdır. Daha ince ferrit birimleri, iç karbür çökelmesi ve bunun dislokasyon hareketine oluşturduğu engeller, alt beynitle ilişkili daha yüksek sertliğe katkıda bulunur. Üst beynit farklı bir karbür düzenlenmesine sahiptir ve genellikle dayanım ile tokluk arasında farklı bir denge sunar. Karışık ürünler ve ölçek farklılıkları yaygın olduğundan, tek başına hiçbir adlandırma mekanik özellikler hakkında eksiksiz bir öngörü sağlamaz.

Sürekli soğutulan hipoötektoid bir çelik tek tip bir bileşene dönüşmeyebilir. Cambridge’in 2011 tarihli, karışık mikroyapıları ele alan çalışmasına göre sürekli soğutma, yaygın olarak allotriyomorfik ferrit ile birlikte perlit oluşturur; soğutma hızının kademeli olarak artırılması veya sertleşebilirliğin yükselmesi ise daha ince perlit, beynit, martenzit ve kalıntı östenit oluşumuna yol açabilir. Bu nedenle tek bir numune, farklı bölgelerinde proötektoid ferrit, perlit, üst beynit, alt beynit, martenzit veya kalıntı östenit içerebilir. Dönüşüm dizisi, nominal ısıl işlem adı kadar önemlidir.

Beynit neden ince perlit olarak tanımlanmamalıdır?

Beyniti “ince perlit” olarak adlandırmak yanlıştır; çünkü bileşim ile yapı birbirine karıştırılır. Her iki ürün de ferrit ve Fe₃C içerebilir, ancak perlit ötektoid dönüşüm sırasında oluşan, ferrit ve sementit levhalarının ardışık düzenlenmesinden oluşan lamelli yapısıyla tanımlanır. Beynit ise ferrit ve sementitin lamelsiz düzenlenmesiyle tanımlanır. Perlitin inceltilmesi lamel aralığını azaltır; bu işlem, söz konusu lamelleri beynitik ferrit levhalarına ve farklı karbür dağılımlarına dönüştürmez.

ScienceDirect’in 2024 tarihli genel değerlendirmesi bu karşıtlığı doğrudan ortaya koyar: Daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan kaba perlit görece yumuşaktır, daha ince perlit daha dayanımlıdır, beynit lamelsiz bir ferrit–Fe₃C yapısıdır ve alt beynit üst beynitten daha serttir. İlk iki ifade tek bir morfoloji içindeki ölçeği açıklar. Sonraki ifadeler ise farklı bir morfolojiyi tanımlar ve ardından beynitin iki biçimini birbirinden ayırır. Her iki durumda da sertlik değişir, ancak yapısal neden aynı değildir.

Bu ayrım sonraki ısıl işlemlerden sonra da geçerliliğini korur. Cambridge, 2008 yılında sferoidizasyonun perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü bildirmiştir. Bu işlem perlitin karbür morfolojisini değiştirir, ancak ortaya çıkan ürün yine beynit değil, sferoidleşmiş perlitik bir yapı olarak kalır. Buna karşılık martenzitik bir yapının menevişlenmesi, ferritik bir matris içinde karbür çökelmesine yol açar; ancak bu durum yapıyı geçmişe dönük olarak beynite dönüştürmez. Adlandırmalar yalnızca mevcut elementleri değil, dönüşüm geçmişini ve morfolojiyi tanımlar.

NPTEL, 2024 yılında ısıl işlemlerin mekanik özellikleri esas olarak mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtmiştir. Beynit, bu ilkenin neden önemli olduğunu gösterir. Sertliği; ürünün üst veya alt beynit olmasına, ferrit birimlerinin boyutuna, karbürlerin konumuna ve ölçeğine, alaşım elementlerine ve komşu martenzit, perlit, ferrit veya kalıntı östenitin varlığına bağlıdır. Su verme, dönüşüm geçmişinin yalnızca bir bölümüdür. Belirleyici kanıt, faz dönüşümü ve karbonun yeniden dağılımı sonucunda geride kalan yapıdır.

Hızlı Soğutma Sonrası Martenzit ve Kalıntı Östenit

Hızlı soğutma ürünü olarak martenzit

Martenzit, östenit; ferrit, sementit, perlit veya beynit oluşturan difüzyonlu reaksiyonlar östenitin tamamını önceden tüketemeyecek kadar hızlı soğutulduğunda oluşur. Bu nedenle karbon, tamamen sementite ayrışmak veya difüze olarak uzaklaşmak yerine dönüşen demir kafesiyle ilişkili kalır. Bunun sonucunda, yapısı ve morfolojisi karbon içeriğine, alaşım elementlerine, önceki östenit tane yapısına ve termal yola bağlı olan aşırı doymuş bir dönüşüm ürünü meydana gelir.

Bu durum, “su verme sertlik oluşturur” ifadesinin doğrudan fiziksel bir etkiyi tanımladığı anlamına gelmez. Su verme, atomların hareket etmesi ve rakip fazların oluşması için mevcut zamanı değiştirir. Ortaya çıkan martenzit, karbon içeren yapısı plastik deformasyona direnç gösterdiği için sertliği artırabilir; ancak nihai özellik, ne kadar martenzit oluştuğuna, hangi diğer bileşenlerin kaldığına ve çeliğin daha sonra menevişlenip menevişlenmediğine bağlıdır. Su verilmiş bir bileşen; beynit, perlit, ferrit veya kalıntı östenit ile birlikte martenzit içerebilir.

Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, martenziti sürekli soğutulan hipoötektoid çelikten elde edilen ürünler dizisi içinde ele alır. Nispeten yavaş soğuma veya düşük sertleşebilirlik durumunda yapı genellikle allotriyomorfik ferrit ve perlit ile başlar. Daha hızlı soğuma veya daha yüksek sertleşebilirlik ile ürünler daha ince perlite, beynite, martenzite ve kalıntı östenite doğru ilerler. Bu ilerleme, birbirleriyle rekabet eden dönüşüm yollarını tanımlar; bir kesitin her bölümünü otomatik olarak tek bir bileşene dönüştüren bir anahtar değildir.

Alaşım elementleri, difüzyonlu dönüşümlerin kinetiğini değiştirerek ve çeliğin sertleşebilirliğini etkileyerek bu rekabeti etkiler. Kesit kalınlığı da aynı nedenle önemlidir: yüzey ve çekirdek farklı soğuma yolları izleyebilir. Yüzey martenzitik bir koşula ulaşırken iç kısım, ferrit, perlit veya beynit oluşum aralığında yeterince uzun süre kalabilir. Hatta tek bir önceki östenit tanesi içinde bile yerel bileşim ve termal geçmiş dönüşüm sırasını etkileyebilir.

NPTEL ısıl işlem çerçevesi bu diziyi mühendislik özellikleriyle ilişkilendirir: “Isıl işlemler, mekanik özellikleri öncelikle mikroyapıyı değiştirerek değiştirir” (NPTEL, 2024). Su verme, martenzit içeren bir yapıyı desteklediği için bir sertleştirme işlemi olarak ele alınır; ardından menevişleme bu yapıyı ve karbon dağılımını değiştirir. Bu nedenle işlem tanımı, ortaya çıkan fazlar belirtilmeden eksik kalır. “Su verilmiş” ifadesi bir termal işlemi tanımlar; mikroyapıya ilişkin kesin bir teşhis sunmaz.

Sürekli soğutulan çelikte kalıntı östenit

Kalıntı östenit, soğuma sonrasında martenzite veya başka bir ürüne dönüşmek yerine kalan östenit bölümüdür. Bu, yalnızca su verme işleminin tamamlanmasını bekleyen dönüşmemiş malzeme değildir. Kalıcılığı; çeliğin bileşimini, önceki östenitin durumunu, soğuma yolunu ve diğer dönüşümlerin östeniti ne ölçüde tüketmiş veya değiştirmiş olduğunu yansıtır.

Karbon zenginleşmesi, kalıntı östenitin kararlılığını sağlayan önemli yollardan biridir. Ferrit, beynit veya diğer ürünler oluştuğunda karbon, geride kalan östenite itilebilir. Alaşım elementleri de dönüşüm kinetiğini ve östenitin kararlılığını değiştirebilir. Sonuç olarak sürekli soğutulan bir çelik, östenitin bir bölümünden oluşan martenziti içerirken başka bir bölüm kalıntı östenit olarak varlığını sürdürebilir.

Cambridge kaynağı, daha hızlı soğutulan veya daha yüksek sertleşebilirliğe sahip hipoötektoid çelikte olası ürünler arasında kalıntı östeniti özellikle içerir. Bu nokta önemlidir; çünkü bir çelik, tamamen martenzitik hale gelmeden de hızlı soğumadan güçlü biçimde etkilenebilir. Bir mikrograf, küçük miktarlarda kalıntı östenit içeren ağırlıklı olarak martenzitik bir matris gösterebilir. Alternatif olarak, ferrit, beynit ve martenzitten oluşan bir karışım görülebilir; bu durumda kalıntı östenit, dönüşmüş bölgeler arasında yoğunlaşmış olabilir.

Kalıntı östenit, “sertlik” sözcüğünü yapının yetersiz bir özeti haline de getirir. Östenit genel olarak martenzitten daha kolay deforme olur; ancak östenitin varlığı, bileşim ve morfolojiden bağımsız tek bir sabit sertlik değeri oluşturmaz. Östenit, daha sonraki mekanik yükleme, soğuma veya menevişleme sırasında dönüşerek boyutları ve iç gerilmeleri değiştirebilir. Miktarı ve dağılımı, adı kadar önemlidir. Beynitik veya martenzitik bölgeler arasındaki ince filmler, daha büyük adacıklarla aynı yapısal etkiye sahip değildir.

Bu nedenle doğru yorumlama faz temelli olmalıdır. Östenitin ne kadarının dönüştüğünü, hangi ürünlerin önce oluştuğunu, karbonun nereye hareket ettiğini ve soğuma sonrasında hangi bileşenlerin kaldığını belirleyin. ASM International’ın 2024 tarihli çalışması, ısıl işlem görmüş çelik mikroyapılarını ferrit, beynit, sementit, martenzit ve perlit oluşturan demir, karbon ve diğer alaşım elementlerinin birliktelikleri olarak tanımlar. Östenit, karbon difüzyonu ve faz dönüşümleri, kalıntı östenitin neden ortaya çıktığını anlamak için bir çerçeve sağlar.

Su verme neden tek fazlı bir sonucu garanti etmez?

Su verme, belirli bir şiddete ve termal geçmişe sahip bir soğutma işlemidir; tek bir fazın oluşacağına dair bir güvence değildir. Gerekli soğuma yolu, çeliğin bileşimine ve kesit geometrisine bağlıdır. Herhangi bir bölge, martenzit gelişmeden önce ferrit, perlit veya beynit oluşmasına izin verecek kadar yavaş soğursa bu ürünler su verme sonrasında kalır. Mevcut soğuma yolu boyunca östenitin bir bölümü dönüşmezse kalıntı östenit de varlığını sürdürür.

Bu nedenle su verilmiş bir hipoötektoid çelik; allotriyomorfik ferrit ile martenzit, beynit ile martenzit veya martenzit ile kalıntı östenit içerebilir. Başka bir bölgede, özellikle daha yavaş soğuyan çekirdeğe doğru, perlit beynit ve ferrit ile birlikte bulunabilir. Nihai yapı, fırın işleminin adından ziyade dönüşüm alanları boyunca izlenen yolu kaydeder.

Soğuma hızı tek başına her sonucu açıklamaz. Karbon ve alaşım elementleri difüzyonu, faz kararlılığını ve sertleşebilirliği değiştirir. Önceki östenit tane boyutu, östenitleme uygulaması, yüzey koşulu ve kesit kalınlığı, mevcut dönüşüm yollarını etkiler. Bir su verme işlemi bazı difüzyonlu reaksiyonları bastırabilir; ancak bunların tamamını bastırmayabilir. Sonuç çoğu zaman karışık bir bileşen yapısıdır.

ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemi genel değerlendirmesi, bu ayrımların neden önemli olduğunu gösterir: daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan kaba perlit nispeten yumuşaktır, daha ince perlit daha dayanımlıdır, beynit lamelsiz bir ferrit–Fe3C yapısıdır ve alt beynit, üst beynitten daha serttir. Martenzit bu ailenin yalnızca bir üyesidir. Nihai mekanik tepki, yalnızca soğutma etiketine değil, ürünlerin birlikteliğine, ölçeğine ve dağılımına bağlıdır.

Bu nedenle sağlam bir mikroyapı tanımı, gerçekte mevcut olan bileşenleri belirtmelidir. “Su verilmiş çelik” yararlı bir işlem geçmişi tanımı olabilir; ancak bir faz tanımı olarak yeterli değildir. Martenzitten söz edilirken kalıntı östenitin ve diğer dönüşüm ürünlerinin olası varlığı da belirtilmelidir. Bu ayrım, hızlı soğumayı garantili tek fazlı bir sertleştirme mekanizması olarak ele alma yönündeki yaygın hatayı önler.

Isıl İşlem Rotaları Mikroyapıyı Nasıl Yeniden Düzenler?

NPTEL, temel çelik ısıl işlem rotalarını amaçlanan etkilerine göre sınıflandırır: su verme ve karbürleme sertleştirme işlemleriyken menevişleme, tavlama ve gerilim giderme yumuşatma işlemleridir. Bu ayrım yararlıdır; ancak “sertleştirme” ve “yumuşatma” yalnızca sonucu dolaylı olarak tanımlar. Belirleyici olay, fazların ve karbonun yeniden düzenlenmesidir. NPTEL, 2024 yılında ısıl işlemlerin mekanik özellikleri esas olarak mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtmiştir. ASM International da aynı çerçeveyi daha ayrıntılı biçimde ortaya koyar: ısıl işlem görmüş çelik; ferrit, beynit, sementit, martenzit ve perlit dâhil olmak üzere demir, karbon ve alaşım elementlerinin oluşturduğu birlikteliklerden meydana gelen fazları içerir.

Dolayısıyla bir işlem, sertliği başlı başına ayrı bir özellik olarak yaratmaz. Östeniti, seçilmiş bir dönüşüm ürünleri karışımına dönüştürür veya hâlihazırda mevcut fazların şeklini, aralıklarını ve dağılımını değiştirir. Soğuma hızı, karbon içeriği, alaşım ilaveleri ve kesit boyutu; çelik daha düşük sıcaklıktaki bir duruma ulaşmadan önce hangi dönüşümlerin ilerleyebileceğini belirler.

Sertleştirme işlemleri olarak su verme ve karbürleme

Su verme, östenit soğurken difüzyonlu dönüşümleri baskılamayı amaçlar. Daha yavaş soğuma sırasında karbon, demir kafesi içinde hareket edebilir; böylece ferrit ve sementit perlit olarak oluşabilir veya beynitik ferrit ile sementit gelişebilir. Yeterince hızlı bir su verme, bu yeniden dağılımın büyük bölümünü kesintiye uğratır. Bunun ardından östenit, karbon bakımından aşırı doymuş ve yüksek gerinim içeren kafesi nedeniyle, difüzyonsuz bir kayma mekanizmasıyla martenzite dönüşür.

Bu nedenle su verme, “çeliği sertleştirmek için soğutmak” şeklinde doğru biçimde tanımlanamaz. Ortaya çıkan yapı martenzit içerebilir; ancak dönüşmemiş kalıntı östenit de içerebilir ve soğutmanın veya sertleşebilirliğin yetersiz olduğu durumlarda beynit ya da perlit de oluşabilir. Alaşım elementleri, dönüşüm kinetiğini değiştirerek sertleşebilirliği etkiler; tek başlarına, yalıtılmış biçimde sertlik kazandırmazlar. Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubunun 2011 yılında bildirdiği üzere, sürekli soğuyan ötektoid altı bir çelik, allotriyomorfik ferrit ile birlikte perlit oluşturabilir. Daha hızlı soğuma veya daha yüksek sertleşebilirlik ile dizi; daha ince perlite, beynite, martenzite ve kalıntı östenite doğru kayar.

Karbürleme, son sertleştirme adımından önce karbon dağılımını değiştirir. Karbon, düşük karbonlu çeliğin yüzeyine difüze olarak karbon bakımından zenginleştirilmiş bir tabaka ve daha düşük karbonlu bir iç kısım oluşturur. Sonraki su verme işlemi, yüzey tabakasını yüksek karbonlu martenzite doğru dönüştürürken çekirdek, başlangıç bileşiminin ve uygulanan soğuma yolunun izin verdiği dönüşüm davranışını izler. Buradaki önemli mikroyapısal özellik karbon gradyanıdır: yüzey tabakası ve çekirdek aynı östenit kimyasıyla başlamadığından, aynı ürünleri oluşturmak zorunda değildir.

Bu nedenle karbürleme, hızlı dönüşüm baskılamasının izlediği, difüzyonla etkinleştirilmiş bir hazırlık işlemidir. Zenginleştirme sırasında karbon difüzyonu merkezi öneme sahipken su verme sırasında sınırlıdır. Bu işlem, karbon bakımından homojen biçimde zengin bir malzemeye su vermekle eşdeğer değildir ve nihai yapı, yüzey sertliği değerinden çıkarım yapmak yerine kesit boyunca incelenmelidir.

Sertleştirilmiş bir yapı sonrasında menevişleme

Menevişleme, su verilmiş martenzitle ilişkili aşırı gerinimi ve gevrekliği azalttığı için NPTEL’in yumuşatma işlemleri grubunda yer alır. Sertleştirilmiş yapıyı basitçe ortadan kaldırmaz. Bunun yerine karbon, aşırı doymuş martenzitik kafesten yeniden dağılır ve yapı menevişlenmiş martenzite doğru ilerlerken karbür fazları oluşur veya daha kararlı hâle gelir.

Nihai ürünler çeliğin karbon ve alaşım içeriğine ve menevişleme koşullarına bağlıdır; bu nedenle tek ve evrensel bir menevişleme mikroyapısı yoktur. Genel olarak işlem, kafes distorsiyonunu azaltır, karbürlerin morfolojisini ve dağılımını değiştirir ve bazı çeliklerde kalıntı östenitin ayrışmasına veya dönüşmesine izin verir. Sonuç, genellikle doğrudan su verme ile üretilen karbon bakımından aşırı doymuş martenzit yerine, ince dağılmış karbürler içeren ferritik bir matristir.

Bu değişim, menevişlemenin su verilmiş durumdaki sertliği azaltırken çatlamaya ve darbe hasarına karşı direnci neden artırabildiğini açıklar. Buradaki temel karşıtlık, hapsolmuş karbon ile yeniden dağılmış karbon arasındadır. Su verme, karbonu gerinimli bir martenzitik düzen içinde bırakır; menevişleme ise karbür oluşumuna ve kimyasal bölüşüme doğru ilerleyebilmesi için karbona bir yol sağlar. Bu nedenle su verilmiş ve menevişlenmiş bir çelik, “daha düşük sertliğe sahip su verilmiş çelik” değil, matris ve karbür fazlarının farklı bir birlikteliğidir.

Kalıntı östenit de önem taşır. Su verme sonrasında kalırsa, sonraki menevişleme işlemi kararlılığını değiştirebilir ve dönüşümü boyutsal tutarlılığı ve nihai faz karışımını etkileyebilir. Bu nedenle sonuç yalnızca menevişleme işleminden değil, tüm diziden—östenitleme, su verme, kalıntı östenit ve menevişleme—hareketle yorumlanmalıdır.

Tavlama ve gerilim giderme

Tavlama, çeliği daha düşük enerjili ve kimyasal olarak daha fazla yeniden dağılmış bir yapıya yönlendirmek için difüzyondan ve kontrollü soğumadan yararlanır. Su vermeyle karşılaştırıldığında karbonun ferrit ile sementit arasında bölüşülmesi için daha fazla fırsat sağlar. Bileşime ve önceki duruma bağlı olarak ürünler arasında iri perlitli ferrit, daha ince perlit veya ferritik bir matris içinde küreselleşmiş sementit parçacıkları bulunabilir.

Dönüşüm sıcaklığı morfolojiyi etkiler. ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemleri genel bakışı, daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan görece yumuşak iri perlit ile daha dayanımlı ince perlit arasında ayrım yapar. Ayrıca beyniti lamelsiz bir ferrit–Fe3C yapısı, alt beyniti ise üst beynitten daha sert olarak tanımlar. Bu ayrımlar, “tavlanmış” ifadesinin tam bir mikroyapısal tanım olmadığını gösterir: sementitin aralığı, ferrit tane yapısı ve geriye kalan herhangi bir beynit veya martenzit de önemini korur.

Küreselleşme, difüzyon kontrollü bir değişimin özellikle açık bir örneğidir. Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, 2008 yılında küreselleşmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü belirtmiştir. Sürekli sementit plakaları yuvarlak parçacıklara dönüşerek ferrit ile sementit arasındaki arayüz geometrisini azaltır. Bunun sonucunda çelik daha kolay şekillendirilebilir hâle gelebilir; ancak temel olay açıklanmamış bir sertlik kaybı değil, morfolojik irileşme ve yeniden dağılımdır.

Gerilim giderme daha sınırlı bir konuma sahiptir. Temel amacı, ana faz bileşimini kasıtlı olarak değiştirmeden kaynak, talaşlı imalat, şekillendirme veya düzensiz soğumadan kaynaklanan artık gerilmeleri azaltmaktır. Atomik difüzyon yerel gerilmelerin gevşemesini sağlarken işlem, büyük bir dönüşümün amaçlandığı aralığın altında tutulur. Bununla birlikte koşullar aşırı olursa toparlanma, menevişleme, çökelme veya faz dönüşümü meydana gelebilir. Bu nedenle gerilim giderme, faz bakımından nötr olacağı garanti edilen bir işlem değildir; mikroyapısal etkisi çeliğe ve maruz kalınan ısıl etkiye bağlıdır.

Her üç rota boyunca temel karşıtlık açıktır: su verme, difüzyonu kısıtlar ve gerinimli bir dönüşüm ürününü korurken menevişleme, tavlama ve gerilim giderme; karbonun yeniden dağılımı, karbürlerin yeniden düzenlenmesi, toparlanma veya irileşme için farklı derecelerde zaman sağlar.

Metalografide Karışık Mikroyapıların Okunması

Isıl işlem görmüş bir çelik kesiti nadiren tamamen tekdüze bir bileşen içerir. Östenitten sürekli soğutulan hipoötektoid bir çelikte, önceki östenit tane sınırlarında allotriyomorfik ferrit, kalan bölgelerde perlit ve yerel soğuma koşullarının farklı olduğu yerlerde daha küçük beynit veya martenzit alanları görülebilir. Doğru yorumlama, bir sertlik etiketinden değil, dönüşüm geçmişinden başlar. NPTEL, ısıl işlemlerin mekanik özellikleri esas olarak mikroyapıyı değiştirerek değiştirdiğini belirtir; dolayısıyla sertlik, görsel bir faz adından ziyade yapı, bileşim ve morfolojinin bir sonucudur.

Ferrit, perlit, beynit ve martenziti birlikte tanımak

Düşük büyütmeyle başlayın. Tek tek bileşenleri tanımlamadan önce bölgelerin dağılımını kaydedin. Sürekli bir matris, sınır süslenmesi, koloniler, paketler, iğneler, lameller ve izole parçacıklar arayın. Ardından büyütmeyi artırın ve her bölgenin iç yapısını inceleyin.

Ferrit, geleneksel olarak hazırlanmış bir karbon çeliği numunesinde genellikle en az belirgin şekilde dağlanan bileşendir. Allotriyomorfik ferrit, hipoötektoid çelikte çoğunlukla önceki östenit tane sınırları boyunca oluşur ve nispeten düzgün, çokgen biçimli veya düzensiz sınır filmleri meydana getirir. Daha büyük eşeksenli bölgeler şeklinde de bulunabilir. Widmanstätten ferriti farklı bir görünüme sahiptir: Östenit tane sınırlarından östenit tanelerinin içine doğru plakalar veya yan plakalar şeklinde büyür. Ancak tek başına plaka benzeri görünüm, bileşenin Widmanstätten ferriti olduğunu kanıtlamaz.

Perlit, dönüşümlü ferrit ve sementit içeren kolonilerle tanınır. Düşük büyütmede bir koloni koyu bir ada gibi görünebilir; daha yüksek büyütmede uygun yönde bulunan lameller ayırt edilebilir. Diğer koloniler, lamelleri gözlem doğrultusuna neredeyse paralel olduğu veya dağlama kontrastı zayıf olduğu için koyu görünmeye devam edebilir. Kaba perlit, genellikle ince perlittekinden daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleşen dönüşümü gösterir. ScienceDirect, kaba perliti nispeten yumuşak, ince perliti ise daha dayanıklı olarak tanımlar; ancak gözlenen kontrast yine de parlatma, dağlama, kesit yönü ve alaşım kimyasına bağlıdır.

Beynit, ferrit–sementit düzenlenişinin perlitik anlamda lamelli olmaması nedeniyle yorumlamada ara bir konuma sahiptir. Üst beynit genellikle aralarında sementit bulunan ferrit lamelleri veya plakalarından oluşan gruplar şeklinde görülürken, alt beynit ferrit plakalarının içinde veya yakınında daha ince karbür düzenlenişleri içerir. ScienceDirect çelik-ısıl işlem kaynağına göre alt beynit, üst beynitten daha serttir. Her koyu iğnemsi bölgeyi beynit olarak adlandırmayın: temperlenmemiş martenzit, alt beynit ve aşırı dağlanmış perlit görünüş bakımından birbirine benzeyebilir.

Martenzit, birçok düşük ve orta karbonlu çelikte genellikle lamel biçiminde, bazı yüksek karbonlu veya alaşımlı çeliklerde ise plaka biçiminde bulunur. Lamel paketleri ve bloklu bölgeler görülebilir; ancak optik mikroskopi çoğu zaman bu ayrımı güvenilir biçimde ortaya koyamaz. Özellikle sertleşebilirlik, kesit boyutu veya soğuma homojen olmadığında martenzit; ferrit, beynit, karbürler ve kalıntı östenit ile karışık hâlde de bulunabilir. Önceki östenit tane sınırındaki koyu bir bileşen otomatik olarak martenzit değildir; sınır ferriti ve karbür filmleri benzer bir kontrast oluşturabilir.

Cambridge Phase Transformations Group’un açıkladığı üzere, hipoötektoid çelikte sürekli soğuma çoğunlukla allotriyomorfik ferrit ile perlit oluşturur; soğuma hızlandıkça veya sertleşebilirlik arttıkça daha ince perlit, beynit, martenzit ve kalıntı östenit içeren giderek farklı karışımlar ortaya çıkar. Bu sıra yararlı bir çerçevedir, ancak incelemenin yerini tutmaz.

Morfoloji ile faz tanımlaması arasındaki fark

Morfoloji, şekli ve düzenlenişi tanımlar. Faz tanımlaması ise bölgenin ne olduğunu belirler. Bu iki görev birbiriyle örtüşür, ancak birbirinin yerine geçmez.

Bir hipotez oluşturmak için morfolojiyi kullanın. Bir sınır filmi allotriyomorfik ferriti; paralel plakalar Widmanstätten ferritini; koloniler perliti; lamel grupları ise beyniti veya martenziti düşündürür. Ardından bu hipotezi kimya ve kristalografiyle sınayın. Seçici dağlama, uygun durumlarda polarize ışık, taramalı elektron mikroskopisi, elektron geri saçılım kırınımı, geçirimli elektron mikroskopisi veya X-ışını kırınımı, optik görünümün sağlayamayacağı kanıtları sunabilir.

Numune hazırlama, görünen sonucu değiştirebilir. Aşırı dağlama sınırları genişletir ve ince bileşenleri koyulaştırır. Yetersiz parlatma sementitin koparak çıkmasına yol açabilir veya martenzite benzeyen deformasyonlar bırakabilir. Kesit yönü perlit lamellerini gizleyebilir; üç boyutlu bir lamel yapının iki boyutlu kesiti ise beynitin granüler görünmesine neden olabilir. Büyütme de önemlidir: 200× büyütmede homojen görünen bir bölge, 5.000× büyütmede ferrit ve sementit olarak ayrışabilir.

Bu nedenle disiplinli bir rapor, gözlemi yorumdan ayırmalıdır: “kısmen çözümlenmiş lamellere sahip koyu koloniler” bir gözlemdir; “perlit” ise bu gözlemle ve gerektiğinde daha yüksek çözünürlüklü veya analitik kanıtlarla desteklenen bir yorumdur. ASM International’ın 2024 tarihli çalışması, östenit, ferrit, karbon difüzyonu, beynit, sementit, martenzit, perlit ve faz dönüşümlerini aynı yorumlama çerçevesine yerleştirir. Bu, tek bir görsel özelliğin tanının tamamını sağlayamayacağını hatırlatır.

Kalıntı östenit ve sementit morfolojisi

Kalıntı östenit, soğuma sonrasında tamamen dönüşmeyerek kalan östenittir. Martenzitik bir yapıda lameller arasında ince filmler, paketler arasında bloklu adacıklar veya karbonca zenginleşmiş bölgelerin yakınında düzensiz bölgeler şeklinde görülebilir. Kontrast, dağlayıcıya ve görüntüleme yöntemine bağlı olarak büyük ölçüde değişir; bu nedenle martenzit lamelleri arasındaki açık renkli bir bölge, yalnızca görünümüne dayanılarak kalıntı östenit olarak tanımlanmamalıdır. X-ışını kırınımı, EBSD veya dikkatle doğrulanmış metalografik yöntemler gerekebilir.

Fe₃C olan sementit de aynı derecede önemlidir; çünkü şekli, karbonun nasıl yeniden dağıldığını gösterir. Perlit içinde ferritle birlikte lameller oluşturur. Beynitte, ferrit plakalarıyla ilişkili ayrı parçacıklar veya filmler hâlinde bulunur; ancak düzenleniş üst ve alt beynit arasında farklılık gösterir. Küreselleştirilmiş çelikte perlitin sementit lamelleri yuvarlak parçacıklara dönüşmüştür. Cambridge Phase Transformations Group, 2008 yılında küreselleşmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü açıkça belirtmiştir.

Son olarak, gözlenen her bileşeni ısıl yolla ilişkilendirin: östenitleme koşulu, karbon difüzyonu, soğumanın sürekliliği, dönüşümün kesintiye uğraması ve daha sonraki temperleme veya tavlama işlemleri. Karışık bir görüntü, tanımı gereği başarısız bir ısıl işlemin göstergesi değildir. Bu görüntü, dönüşümlerin nerede başladığının, durduğunun veya farklı hızlarda ilerlediğinin kaydıdır.

Mikroyapıdan Mekanik Özelliklere

Dayanım, sertlik ve dönüşüm morfolojisi

Mekanik özellikler yalnızca su verme sözcüğünden değil, dönüşüm sırasında oluşan yapıdan gelişir. NPTEL, 2024 yılında “ısıl işlemler mekanik özellikleri öncelikle mikroyapıyı değiştirerek değiştirir” ifadesini kullanmıştır. Su verme, östenitten başlayan ısıl yolu değiştirir; ancak ortaya çıkan sertlik, hangi dönüşümlerin gerçekleştiğine, her bir bileşenin ne kadar oluştuğuna ve bu bileşenlerin nasıl düzenlendiğine bağlıdır.

ASM International, ısıl işlem görmüş çelik mikroyapılarını ferrit, beynit, sementit, martensit ve perlit oluşturan demir, karbon ve alaşım elementlerinin birliktelikleri olarak tanımlar. Östenit, birçok işlem için ana fazdır; karbon difüzyonu ve dönüşüm mekanizmaları arasındaki rekabet, onun yerini alan ürünleri belirler. Yavaş veya orta hızda soğutulan bir hipoötektoid çelik, allotriomorfik ferrit ve perlit içerebilir; daha hızlı bir ısıl yol ise bileşime ve sertleşebilirliğe bağlı olarak daha ince perlit, beynit, martensit veya kalıntı östenit oluşturabilir. University of Cambridge Phase Transformations Group, sürekli soğutulan hipoötektoid çelik için bu ilerlemeyi 2011 yılında açıklamıştır.

Morfoloji, faz adı kadar önemlidir. Ferrit taneleri, sementit parçacıkları, perlit kolonileri, beynitik ferrit plakaları, martensit paketleri ve kalıntı östenit bölgeleri deformasyona aynı şekilde direnmez veya gerilmeyi aynı şekilde dağıtmaz. Ferritik bir matris içinde az miktarda martensit içeren bir çelik, izole ferrit içeren ve çoğunlukla martensitten oluşan bir çelikle mekanik açıdan eşdeğer değildir. Her ikisi de “martensitik çelik” olarak tanımlanabilir; ancak dayanımları, sertlikleri, süneklikleri ve kırılma tepkileri önemli ölçüde farklı olabilir.

Martensit, difüzyonsuz östenit–martensit dönüşümü sırasında karbonun aşırı doymuş ve bozulmuş bir demir kafesinde hapsolması nedeniyle genellikle sertliği artırır. Ancak bu açıklama yine de evrensel bir sertlik değeri sağlamaz. Karbon içeriği, önceki östenit tane boyutu, alaşım elementleri, su verme şiddeti, kesit boyutu, temperleme ve kalıntı östenit, sonucu etkiler. Temperleme, karbonun yeniden dağılmasına ve karbür oluşumuna izin vererek martensitik yapıyı değiştirir; bu işlem genellikle su verme sonrası sertliği azaltırken boyutsal kararlılığı ve tokluğu iyileştirir.

Kalıntı östenit de basit bir sertlik sıralamasını karmaşıklaştırır. Sertleştirilmiş birçok çelikte temperlenmemiş martensitten daha yumuşaktır; ancak kullanım veya deney sırasında dönüşüme uğrayarak boyutları ve yerel gerilmeyi değiştirebilir. Sementitin morfolojisi de önemlidir. Cambridge’in 2008 tarihli başvuru kaynağı, küreselleşmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü belirtir. Ortaya çıkan ferrit–sementit düzeni, genel olarak lamelli perlittekinden farklı biçimde deformasyona uğrar; bu nedenle yalnızca “perlit” ifadesi mekanik durumun yeterli bir açıklaması değildir.

Perlit ölçeğinin ve beynit türünün rolü

Perlit, birlikte oluşan ferrit ve sementitten meydana gelir ve genellikle dönüşümlü lameller hâlindedir. Dayanımı, perlit ölçeğinden; yani bu lamellerin aralıklarından ve inceliğinden ve ayrıca perlit kolonilerinin boyutundan güçlü biçimde etkilenir. ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemi genel bakışı, daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında oluşan kaba perliti görece yumuşak, daha ince perliti ise daha dayanımlı olarak tanımlar. Birbirine yakın sementit lamelleri, dislokasyon hareketini geniş aralıklı lamellere göre daha etkili biçimde engeller; ince koloniler de deformasyonun yoğunlaşabileceği mesafeyi azaltır.

Bu, her ince perlitik çeliğin aynı dayanıma sahip olduğu anlamına gelmez. Ferritin kimyasal bileşimi, karbon içeriği, koloni boyutu, perlit oranı ve eşlik eden proötektoid ferrit hâlâ önemini korur. Bol miktarda ferrit ve ince perlit içeren hipoötektoid bir yapı, her ikisi de “ince perlit” içerse bile, daha yüksek karbonlu ve daha büyük perlit oranına sahip bir yapıdan daha zayıf olabilir. Belirleyici olan dağılımdır: sürekli ferrit bölgeleri, bantlı bileşenler ve izole koloniler farklı deformasyon yolları oluşturur.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

Beynit için de aynı özen gösterilmelidir. ScienceDirect, beyniti lamelli olmayan bir ferrit–Fe3C yapısı olarak tanımlar ve alt beynitin üst beynitten daha sert olduğunu belirtir. Üst beynit genel olarak, ferritin demet benzeri bir düzen içinde oluştuğu ve ferrit bölgeleri arasında sementit bulunduğu bir yapı içerirken, alt beynit daha düşük bir dönüşüm aralığında oluşur ve ince karbürü ferrit plakalarının içinde veya onlarla yakından ilişkili biçimde barındırır. Daha ince karbür dağılımı, alt beyniti dislokasyon hareketine karşı daha dirençli hâle getirir.

Bu nedenle “beynitik” gibi bir tanımlama kritik bilgileri açıkta bırakır. Üst ve alt beynit ayrımı, karbür boyutu ve konumu, ferrit morfolojisi, bileşen oranı ve martensit veya kalıntı östenit varlığı, ölçülen özelliklerin tümünü etkiler. Özellikle bir kesitin farklı bölümleri farklı ısıl geçmişler izlediğinde, sürekli soğutma sonrasında karma yapılar yaygındır. Bir yüzey martensit içerirken iç kısım beynit, perlit veya ferrit içerebilir. Bu durumda sertlik, tüm bileşen için tek bir değer almak yerine derinliğe göre değişir.

Bileşimin ve sertleşebilirliğin neden hâlâ temel önemde olduğu

Bileşim, hem mevcut dönüşüm ürünlerini hem de bunların oluştuğu sıcaklık ve süreleri kontrol eder. Karbon, östenitin kararlılığını, oluşabilecek sementit miktarını ve martensitin sertlik potansiyelini etkiler. Alaşım elementleri, dönüşüm kinetiğini, karbür oluşumunu, difüzyonu ve sertleşebilirliği değiştirir. Sertleşebilirlik sertlikle aynı şey değildir: belirli bir soğutma koşulu altında, bir çeliğin kesiti boyunca daha sert dönüşüm ürünleri oluşturabilme yeteneğini ifade eder.

Kesit boyutu bu ayrımı pratik hâle getirir. Küçük bir kesit tümüyle hızlı soğuyabilirken büyük bir kesitte iç kısım daha yavaş bir soğuma yolu izler. Bu nedenle aynı bileşim ve fırın programı, yüzeye yakın bölgede martensit, merkezde ise perlit veya beynit oluşturabilir. Su verme ortamı, karıştırma, östenitleme işlemi, aktarma süresi ve temperleme programı da ek değişkenlik yaratır.

Bu nedenle bileşim, kesit boyutu, işlem programı ve deney yöntemi belirtilmeden ferrit, perlit, beynit, martensit veya adı verilmiş bir ısıl işlem için evrensel bir özellik değeri atanamaz. Vickers, Brinell veya Rockwell ile ölçülen sertlik, gerekli dikkat gösterilmeden birbirinin yerine kullanılamaz; ayrıca bir sertlik sonucu tokluğu, sünekliği, yorulma performansını veya kırılma davranışını tam olarak öngörmez. Savunulabilir yorum, bileşen oranlarını, morfolojiyi, ölçeği, dağılımı ve dönüşüm geçmişini içeren eksiksiz mikroyapıyla başlar. Su verme, bu dizideki olaylardan yalnızca biridir.

Çelik Isıl İşlemi Analizi İçin Uygulamalı Bir Başvuru Sıralaması

Çelik bileşimi ve başlangıç koşuluyla başlayın

Ölçülen sertlikten değil, Malzeme Kimliğinden başlayın. Kalite tanımını, verildiği şekliyle aynen; geçerli Standardı ve biliniyorsa ısıl işlem partisini veya ürün biçimini kaydedin. “AISI/SAE 1045, normalize edilmiş” ifadesi, “orta sertlikte çelik” ifadesinden daha fazla bilgi verir; “ASTM A36” gibi bir ifade ise bir Spesifikasyonu tanımlar, ancak tek başına önceki ısıl geçmişi veya nihai mikroyapıyı belirlemez. Kimyasal analiz; karbon, manganez, silisyum, krom, molibden, nikel, vanadyum ve diğer amaçlı ilavelerin yanı sıra, dönüşümü etkileyebilecek artık elementleri de içermelidir.

Karbon içeriği, ötektoid bileşime göre bir sade karbonlu çeliğin ötektoid altı, ötektoid veya ötektoid üstü olup olmadığını belirler. Ötektoid altı bir çelikte, östenitten soğuma sırasında kalan östenit perlite dönüşmeden önce genellikle proötektoid ferritin oluşmasına izin verilir. Bu ayrım önemlidir: ferrit ile perlitten oluşan yapı, her iki numune de benzer sertlik değerleri verse bile yalnızca perlitten oluşan yapıyla aynı değildir.

Başlangıç koşulu da kaydedilmelidir. Teslim alındığı hâliyle, sıcak haddelenmiş, normalize edilmiş, tavlanmış, su verilmiş ve temperlenmiş, sementasyon uygulanmış ve soğuk şekillendirilmiş koşullar; farklı tane boyutları, karbür dağılımları, artık gerilmeler ve önceki östenit geçmişleri taşır. Küreselleştirilmiş çelik özellikle önemli bir örnektir. Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, 2008 yılında küreselleştirmenin perlitik sementit lamellerini parçacıklara dönüştürdüğünü belirtmiştir. Nominal bileşenler ferrit ve sementit olarak kalır, ancak geometrileri sonraki ısıtma, deformasyon ve sertleştirme işlemlerine verilen yanıtı değiştirir.

Tane boyutu ve segregasyon da kayıtlarda yer almalıdır. İri bir önceki östenit tane yapısı, ince bir yapıya kıyasla farklı dönüşüm morfolojilerini teşvik edebilir; bantlaşma ise ferrit, perlit veya martenzit dağılımlarının yöne bağlı olmasına yol açabilir. Bu nedenle “ferrit” ifadesi, konumu ve şekli de açıklanmadıkça eksik bir gözlemdir.

Isıtma ve soğutma yolunu yeniden oluşturun

Daha sonra ısıl yolu bir işlem adı atamak yerine bir dizi olarak yeniden oluşturun. Başlangıç sıcaklığını, mevcutsa ısıtma hızını, östenitleme sıcaklığını ve bekletme süresini, fırın veya atmosfer koşullarını, transfer süresini, su verme ortamını, karıştırmayı, soğutma kesintilerini ve yeniden ısıtma veya temperleme adımlarını kaydedin. “Su verilmiş” ifadesi bir işlemi tanımlar; kesitin tamamının martenzitik hâle geldiğini kanıtlamaz.

Öncelikle ısıtma sırasında hangi fazların mevcut olduğunu sorun. Tavlama veya normalizasyon, sementitin bir bölümünü çözerek östenit oluşturabilir; buna karşılık interkritik bir işlem çözünmemiş ferrit bırakabilir. Sementasyon karbon profilini değiştirdiğinden, soğuma sırasında yüzey ve çekirdek farklı dönüşüm yolları izler. Dekarbürizasyon bunun tersi bir gradyan oluşturabilir. Tek bir sertlik değeri her iki koşulu da gizleyebilir.

Ardından olası dönüşüm aralığını belirleyin. Karbon difüzyonu, difüzyon kontrollü dönüşümler sırasında ferrit ve sementitin yeniden dağılmasına olanak tanır. Daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında perlit genel olarak daha iri lamel aralığına sahiptir; ScienceDirect’in 2024 tarihli çelik ısıl işlemi genel bakışı, iri perliti görece yumuşak ve daha ince perliti daha dayanımlı olarak tanımlar. Aynı kaynak, beyniti lamelsiz bir ferrit–Fe3C yapısı olarak tanımlar ve alt beynitin üst beynitten daha sert olduğunu belirtir. Bunlar yalnızca sertlik ölçeğindeki noktalar değil, morfolojik ve dönüşümsel ayrımlardır.

Soğuma hızı, kesit kalınlığı, alaşım elementleri ve önceki östenit tane boyutu, çelik daha düşük sıcaklıklara ulaşmadan önce hangi dönüşümlerin gerçekleşebileceğini kontrol eder. Krom, molibden, manganez ve nikel; difüzyonu, dönüşüm zamanlamasını ve sertleşebilirliği değiştirebilir. Daha hızlı soğuma, difüzyon kontrollü ferrit ve perlit oluşumunu bastırarak beynit veya martenzit oluşumuna izin verebilir; ancak bir bileşen boyunca soğuma nadiren aynı olduğundan sonuç karma hâlde kalabilir. Dönüşüm tamamlanmadığında kalıntı östenit mevcut olabilir.

Cambridge Üniversitesi Faz Dönüşümleri Grubu, 2011 yılında sürekli soğumanın ötektoid altı çelikte genellikle allotriomorfik ferrit ile birlikte perlit oluşturduğunu bildirmiştir. Daha hızlı soğuma veya daha yüksek sertleşebilirlik ile sıra; daha ince perlite, beynite, martenzite ve kalıntı östenite doğru kayabilir. Bu sıra, gerçek ısıl kaydın veya mikroskobik incelemenin yerine geçmeyen, ancak yorumlama açısından yararlı bir çerçevedir.

Bileşenleri ve morfolojiyi kesin biçimde raporlayın

Bileşen adını morfolojisinden ayırın. Kanıt bu tanımları destekliyorsa “proötektoid allotriomorfik ferrit”, “ince lameller arası aralığa sahip perlit kolonileri”, “üst beynit”, “alt beynit”, “çıta martenziti”, “plaka martenziti”, “kalıntı östenit” veya “küreselleşmiş sementit parçacıkları” ifadelerini kullanın. Dağlayıcıda koyu görünen tüm bölgeleri “perlit” olarak özetlemeyin ve iğnemsi görünen her bölgeyi “martenzit” olarak adlandırmayın.

Soruyla uyumlu mikroskopi yöntemlerini kullanın. Optik mikroskopi, bileşen dağılımını ve perlit koloni yapısını ortaya çıkarabilir; taramalı elektron mikroskopisi daha ince karbür düzenlenişlerini çözümleyebilir; sertlik testi ve kırınım yöntemleri destekleyici olabilir, ancak metalografik tanımlamanın yerini tutmaz. Kalıntı östenitten şüpheleniliyorsa bunun nasıl değerlendirildiğini belirtin. Görüntü bir dönüşüm karışımı gösteriyorsa tek bir faz bulunduğunu ileri sürmekten kaçının.

Tekrarlanabilir bir iş akışı şu sırayı izler: bileşimi ve ilgili durumlarda çeliğin ötektoid altı olup olmadığını belirleyin; başlangıç koşulunu belgeleyin; ısıtma, östenitleme, soğutma, su verme ve temperlemeyi yeniden oluşturun; difüzyonu, alaşım etkilerini, kesit boyutunu ve soğuma hızını dikkate alın; oluşan bileşenleri belirleyin; ardından morfolojiyi nominal faz adlarından ayrı olarak raporlayın. ASM International’ın 2024 tarihli açıklaması, sertlikten önce düşünme yaklaşımının doğru düzeltmesidir: ısıl işlem görmüş çelik mikroyapıları; ferrit, beynit, sementit, martenzit ve perlit oluşturan demir, karbon ve alaşım elementlerinin birliktelikleridir. İşlem görmüş çelik genellikle tek bir sertlik kategorisi değil, karma bir mikroyapıya kaydedilmiş bir dönüşüm geçmişidir.

Kaynaklar

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment