Çelik Alaşım Elementleri ve Metalurjik Etkileri

1. Çelikte Alaşım Elementi Olarak Ne Kabul Edilir?

Çelik, demir-karbon alaşımı olarak

World Steel Association, çeliği %2’den daha az karbon içeren bir demir-karbon alaşımı olarak tanımlar. Bu sınır yararlıdır; ancak karbonun çeliğin davranışını belirleyen tek element olduğu anlamına gelmez. Ticari çelik genellikle mangan, silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen de içerir. Ayrıca çelik üretimi sırasında kasıtlı olarak eklenen veya hammaddelerden, hurdadan, refrakterlerden ve işleme süreçlerinden kalan başka elementler de bulunabilir.

Karbon, demirin kristal kafesindeki arayerleri işgal eder. Karbon atomları demir atomlarından çok daha küçük olduğundan, demir atomlarının yerini almak yerine onların arasındaki boşluklara yerleşir. Nispeten düşük bir karbon derişimi bile çeliğin faz yapısını ve sertliğini değiştirebilir; çünkü karbon östeniti stabilize eder, demir ve diğer elementlerle birleşerek karbürler oluşturur ve soğuma sırasında oluşan perlit, beynit, martenzit ve ferrit miktarını ve dağılımını kontrol eder.

Buna karşılık, metalik alaşım elementlerinin çoğu demire yer substitutional olarak girer: kafesteki bir demir atomunun yerini mangan, nikel, krom veya başka bir elementin atomu alır. Bu yer değiştirme kafesi bozar ve dislokasyon hareketini engelleyerek substitutional katı çözelti sertleşmesi oluşturur. Steeluniversity, bu etkinin büyüklüğünün yalnızca elementin kütlece yüzdesine değil; atomik boyuta, sıkıştırılabilirliğe, kimyasal değerliğe ve elektronegatifliğe de bağlı olduğunu açıklar. Bu nedenle aynı derişim, farklı matris fazlarında farklı sertleşme veya dönüşüm etkileri yaratabilir.

Bu ayrım mutlak değildir. Azot, bor ve hidrojen küçük arayer atomlarıdır; titanyum, niyobyum ve vanadyum gibi elementler ise bir aşamada substitutional olarak çözünmüş olabilir ve daha sonra karbür, nitrür veya karbonitrürler oluşturarak çözeltiden ayrılabilir. Dolayısıyla bir alaşım elementi önce katı çözelti yoluyla, ardından çökelme yoluyla ve son olarak faz dönüşümünü etkileyerek çeliği değiştirebilir.

Steeluniversity’nin karbon çeliklerindeki kimyasal elementler modülü; silisyum, mangan, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni özellikleri veya işlenmeyi etkileyen elementler olarak tanımlar. Bu elementlerin bulunması, her çelikte aynı sonucu doğurmaz. Mangan, katı çözelti sertleşmesine ve sertleşebilirliğe katkıda bulunurken kükürdü mangan sülfür olarak bağlayabilir. Silisyum ferriti sertleştirebilir ve deoksidan olarak görev yapabilir; ancak aşırı silisyum sünekliği ve faz dönüşümünü etkileyebilir. Kükürt, sülfür oluşumu yoluyla işlenebilirliği artırabilir; ancak uzamış mangan sülfür inklüzyonları enine tokluğu ve yorulma direncini azaltabilir.

Krom, nikel ve vanadyum, bir elemente tek ve evrensel bir işlev atanamayacağını gösterir. Krom genel olarak sertleşebilirliği artırır ve yüksek sıcaklıktaki saldırıya, oksidasyona ve korozyona karşı direnci iyileştirebilir. Nikel, ferritik çeliği sertleştirir ve sıfırın altındaki sıcaklıklarda tokluğun korunmasına yardımcı olur. Vanadyum, ince vanadyum karbür veya karbonitrür parçacıkları oluşturabilir; böylece dayanımı artırır ve tane boyutunu etkiler. Sonuç, elementin çözeltide kalıp kalmamasına, ikinci bir faz oluşturmasına, dönüşüm sıcaklıklarını değiştirmesine veya karbon ve azotla etkileşime girmesine bağlıdır.

Kasıtlı eklemeler, artık elementler ve safsızlıklar

Bir alaşım elementi genellikle yalnızca tespit edilmesine göre değil, metalurjik amacı doğrultusunda tanımlanır. Çelik üreticileri, kükürdün davranışını ve sertleşebilirliği ayarlamak için mangan; çözünmüş oksijeni gidermek ve tane boyutunu kontrol etmek için alüminyum; sertleşebilirliği ve temperleme kaynaklı yumuşamaya direnci değiştirmek için ise molibden ekler. Mikroalaşımlı bir kalite çelikte, çok küçük miktarlardaki niyobyum, titanyum veya vanadyum, yeniden kristalleşmeyi kontrol edebilir ya da çökelme sertleşmesi oluşturabilir. Bunlar, bileşimin ve prosesin söz konusu etkiler esas alınarak seçilmesi nedeniyle kasıtlı eklemelerdir.

Artık elementler farklıdır. Bakır, nikel, krom, kalay ve molibden; ürünün temel tasarım amacı doğrultusunda eklenmemiş olsa bile geri dönüştürülmüş çelikten veya diğer şarj malzemelerinden ergitmeye girebilir. Bir artık element mutlaka zararsız değildir. Bakır ve kalay, sıcak şekillendirme sırasında yüzey çatlamasına katkıda bulunabilir; krom ve nikel ise başlıca alaşım ilaveleri olarak belirtilmemiş olsalar bile sertleşebilirliği ve dönüşüm davranışını değiştirebilir. Bir artığın safsızlık olarak kabul edilip edilmemesi; kaliteye, izin verilen sınırına ve üretim veya kullanım sırasındaki etkisine bağlıdır.

Bu nedenle “safsızlık” bağlama bağlı bir terimdir. Fosfor, özellikle uygun olmayan soğutma veya temperleme koşullarıyla birlikte segregasyona uğrayabildiği ve tokluğu azaltabildiği için çoğunlukla sınırlandırılır. Kükürt, basınçlı kap levhasında istenmeyebilir; buna karşılık otomat çeliğinde miktarı kasıtlı olarak daha yüksek bir düzeyde kontrol edilebilir. Oksijen, çelik üretim reaksiyonlarını açıklamak için gereklidir; ancak fazla çözünmüş oksijen oksit inklüzyonlarının oluşumunu teşvik eder. İlgili soru yalnızca bir elementin mevcut olup olmadığı değildir; elementin nerede bulunduğu, hangi kimyasal biçimde olduğu ve bu biçimin amaçlanan işleme yoluna yardımcı mı yoksa zarar verici mi olduğudur.

Alaşımlama elementi derişimindeki %1’lik fark, faz dönüşümü davranışını önemli ölçüde değiştirebilir. Limited evidence

Elementler katılaşma sırasında segregasyona uğrayabilir. Dendrit sınırlarındaki, tane sınırlarındaki veya ara yüzeylerdeki derişimleri, ergitme için bildirilen kütlesel kimyasal analizden farklı olabilir. Tane sınırı segregasyonu, çekirdeklenme bölgelerini, gevrekleşme duyarlılığını ve dönüşüm mekanizmalarını değiştirebilir. Nippon Steel, çeliğin faz dönüşümü davranışının alaşım elementi derişimindeki yalnızca %1’lik bir farkla bile önemli ölçüde değişebileceğini; sınırlar ve ara yüzeylerdeki dağılımların ise ilave değişikliklere yol açabileceğini bildirmektedir. Nominal bileşim bir ortalamadır; malzemenin haritası değildir.

Bu durum HSLA çeliğinde özellikle belirgindir. Niyobyum, sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskılayarak nihai ferrit yapısının deformasyon yoluyla inceltilmesini sağlayabilir. Titanyum, yeniden ısıtma sırasında östenit tane boyutunu kontrol eden kararlı TiN çökeltileri oluşturur. Vanadyum, uygun termomekanik işlem sonrasında akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri oluşturur. Yeniden ısıtma çok fazla TiN’i çözerse, haddeleme amaçlanan sıcaklık aralığının dışında gerçekleşirse veya karbon ve azot düzeyleri farklı olursa, aynı nominal ilave aynı mikroyapıyı oluşturmaz.

Paslanmaz çelik başka bir örnek sunar. Krom, ince ve yüzeye yapışık bir krom oksit pasif filmi oluşturmak için gereklidir; yalnızca genel bir “korozyona karşı koruma” bileşeni değildir. Nikel, molibden, azot, karbon ve titanyum veya niyobyum gibi stabilize edici ilaveler; östenit kararlılığını, dayanımı, deformasyonla sertleşmeyi, bölgesel korozyon direncini, hassaslaşmayı ve ikincil faz oluşumunu etkiler. Uygun olmayan ısıl maruziyet sırasında karbonun kromla birleşmesi, tane sınırlarında krom karbürleri oluşturabilir ve komşu bölgelerdeki kromu tüketebilir. Titanyum veya niyobyum karbonu bağlayarak bu riski azaltabilir; ancak kendilerine özgü çökelme ve imalatla ilgili hususları da beraberinde getirebilir.

Derişim ve spesifikasyon neden önemlidir?

Bir çelik spesifikasyonu, elementlerin listesinden daha fazlasını tanımlar. Bileşim aralıklarını, artık element sınırlarını, mekanik özellikleri, teslimat koşulunu, ısıl işlemi ve bazen tane boyutu veya inklüzyon gerekliliklerini belirler. Örneğin EN 10025-2 S355J2 ile ASTM A709/A709M Grade 50 yalnızca karbon içeriklerine göre değerlendirilemez; belirtilen kimyaları ve işleme yolları, belirli dayanım ve tokluk gerekliliklerini karşılar. Kalite tanımları, izin verilen aralık içindeki değişkenliği ortadan kaldırmaz.

Derişim, faz kararlılığını ve dönüşüm kinetiğini değiştirir. Krom, nikel, mangan, karbon ve molibden; ferrit, perlit, beynit veya martenzitin oluştuğu sıcaklıkları değiştirebilir. Bir bileşimde ferrit-perlit oluşturan soğuma hızı, başka bir bileşimde beynit veya martenzit oluşturabilir. Isıl geçmiş de aynı ölçüde önemlidir: döküm, sıcak haddeleme, normalleştirme, su verme, temperleme ve kaynak; çözünmeyi, yeniden kristalleşmeyi, çökelmeyi, tane boyutunu ve segregasyonu değiştirir.

Bu nedenle “vanadyum içeriyor” ifadesi “çökelme yoluyla sertleştirilmiştir” anlamına gelmez; “krom içeriyor” ifadesi de “paslanmazdır” anlamına gelmez. Elementin uygun bir derişimde, doğru fazda veya bileşikte bulunması ve amaçlanan reaksiyona izin veren bir proses geçmişinden geçmiş olması gerekir. Kimyasal olarak mevcut olmak analizi başlatır. Metalurjik amaç ise ancak bileşim, dağılım, faz yapısı ve işlemenin birlikte değerlendirilmesiyle ortaya konabilir.

2. Elementlerin Çeliği Değiştirdiği Başlıca Mekanizmalar

Bir alaşım elementinin etkisi, periyodik tablodaki sembolüne bağlı sabit bir özellik değildir. Etki; elementin ne kadar bulunduğuna, atomlarının nerede konumlandığına, hangi fazların kararlı olduğuna, elementlerin çözünüp çözünmediğine veya çökelip çökelmediğine ve çeliğin maruz kaldığı ısıl ve mekanik geçmişe bağlıdır. Küçük bir ilave dönüşüm sıcaklıklarını değiştirebilirken, aynı element daha yüksek bir konsantrasyonda ikinci bir faz oluşturabilir, korozyon davranışını değiştirebilir veya sünekliği azaltabilir.

World Steel Association, çeliği %2’den daha az karbon içeren bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar. Çelikte genellikle mangan bulunur; bunun yanı sıra daha küçük miktarlarda silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen de yer alır. Steeluniversity ayrıca silisyum, mangan, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni; dayanımı, sünekliği, tokluğu, işlenebilirliği, sertleşebilirliği, tane boyutunu ve ısıl işleme tepkisini etkileyen elementler olarak tanımlar. Bu etkiler birbiriyle bağlantılı üç mekanizma üzerinden ortaya çıkar: Atomlar mevcut kristal kafesi güçlendirebilir, yeni parçacıklar dislokasyon hareketini engelleyebilir ve elementler taneleri, arayüzleri, segregasyonu ve faz dönüşümlerini değiştirebilir.

Katı çözeltiyle güçlendirme

Katı çözelti pekişmesiKatı çözelti pekişmesi Çözünen atomların demir kafesini çarpıtması ve dislokasyon hareketini engellemesiyle oluşan pekişme.

Katı çözeltiyle güçlendirme, alaşım atomlarının ayrı bir bileşik oluşturmak yerine metalik bir faz içinde dağılmış olarak kalmasıyla gerçekleşir. Karbon ve azot, demir atomları arasındaki arayer konumlarını işgal eder. Mevcut boşluklara kıyasla küçük boyutları, büyük yerel gerinimler oluşturur; bu nedenle arayer karbonu ferritte güçlü bir dayanım artırıcıdır. Yer değiştirmeli atomlar, normal kafes konumlarında demir atomlarının yerini alır. Mangan, silisyum, nikel, krom ve molibden genellikle bu şekilde davranır; ancak nihai dağılımları sıcaklığa, bileşime ve faz yapısına bağlıdır.

Steeluniversity, yer değiştirmeli güçlendirmeyi kristal kafesindeki çarpılmanın bir sonucu olarak açıklar. Demirden daha büyük veya daha küçük bir atom, komşu atomları iter ya da çeker ve çevresinde bir gerilme alanı oluşturur. Dislokasyonlar da gerilme alanları taşır. Bir dislokasyon çarpılmış bölgeyle karşılaştığında hareketi için daha yüksek bir uygulanan gerilme gerekir; dolayısıyla akma dayanımı artar. Etki yalnızca atom yarıçapı tarafından belirlenmez. Steeluniversity bunu atom boyutu, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikle ilişkilendirir. Sıkıştırılabilirlik, çevredeki kafesin bir empüriteyi ne ölçüde kolayca barındırabileceğini etkilerken, değerlik ve elektronegatiflik çözünen atom ile demir arasındaki bağın niteliğini ve dayanımını etkiler.

Bu ayrım, görünüşte benzer çelikler karşılaştırılırken önem taşır. Silisyum ferriti önemli ölçüde güçlendirebilir; aynı zamanda karbon çözünürlüğünü azaltır ve deoksidasyon davranışını değiştirir. Mangan ferriti güçlendirir ve bazı dönüşüm reaksiyonlarını geciktirir; ancak aynı zamanda kükürtle birleşerek mangan sülfür oluşturur ve gevrek demir sülfür ağlarının gelişmesini önler. Nikel, ferritik çeliği güçlendirir ve sıfırın altındaki sıcaklıklarda tokluğu koruyabilir; krom ise sertleşebilirliği artırır ve yüksek sıcaklık, korozyon ve oksidasyon direncine katkıda bulunur. Bu ifadeler eğilimleri tanımlar, garanti edilmiş sonuçları değil. Ferrit içinde çözünmüş kromun etkisi, karbürler içinde bağlanmış kromun etkisiyle aynı değildir. Benzer şekilde, östenitik paslanmaz çelik kalitesindeki nikelin yapısal sonucu, düşük alaşımlı ferritik çelikteki nikelinkinden farklıdır.

Katı çözeltiyle güçlendirme, karbon miktarını basitçe artırmaktan da farklıdır. Daha fazla çözünmüş karbon dayanımı keskin biçimde artırabilir; ancak fazla karbon kaynaklanabilirliği azaltabilir, sementit veya başka karbürlerin oluşumunu teşvik edebilir ve martenzit oluşumunu değiştirebilir. Bu nedenle bir elementin yararlı miktarı, faz kararlılığı ve işleme koşulları tarafından sınırlandırılır.

Çökelme ve karbür oluşumu

Çökelme yoluyla güçlendirme, bir matris içinde dağılmış küçük parçacıklar aracılığıyla gerçekleşir. Bu parçacıklar, dislokasyonları ya çökeltiyi kesmeye ya da onun çevresinden dolanmaya zorlayarak engeller. Dayanım; parçacıkların hacim oranına, boyutuna, aralıklarına, koherensine ve dağılımına bağlıdır. İnce ve birbirine yakın parçacıklardan oluşan bir topluluk akma dayanımını önemli ölçüde artırabilir; iri parçacıklar ise daha az engelleme sağlar ve çatlak başlatma bölgelerine dönüşebilir.

Karbür oluşumu, çökelmenin önemli bir biçimidir. Krom, molibden, vanadyum, niyobyum ve titanyum karbonla birleşebilir; titanyum, niyobyum ve vanadyum ayrıca karbonitrürler de oluşturabilir. AZoM’a göre vanadyum karbür, VC ve vanadyum karbonitrür, V(C,N), HSLA çeliklerinde akma dayanımını artıran ince çökeltilerdir. Bunların güçlendirmeye katkısı ne zaman oluştuklarına bağlıdır. Haddeleme sırasında veya sonrasında çökelmiş parçacıklar dislokasyonları engelleyebilir; ancak uzun süreli ısıtma sırasında kabalaşan parçacıklar etkinliklerini kaybeder.

Isıl program bu mekanizmayı kontrol eder. HSLA çeliğinin sıcak haddelemesi sırasında niyobyum, östenitin yeniden kristalleşmesini baskılar; böylece deformasyon birikir ve daha ince bir dönüşüm yapısı oluşur. Titanyum, yeniden ısıtma sırasında östenit tane boyutunu kontrol eden kararlı titanyum nitrür, TiN, çökeltileri oluşturur. Bu işlevler, daha sonra oluşan ince VC veya V(C,N) çökelmesinden farklıdır. Üç elementi birden içeren bir çelik, birbirinden bağımsız üç ilave almamıştır; bu elementlerin her biri, diğerlerinin maruz kaldığı sıcaklık ve bileşim koşullarını değiştirir.

Karbürler, yararlı alaşım elementlerini katı çözeltiden de uzaklaştırabilir. Östenit tane sınırlarında oluşan krom karbürleri, sınırın hemen yanındaki bölgede kromu yerel olarak azaltabilir; bu durum duyarlanmaya yol açar ve duyarlı paslanmaz çeliklerde taneler arası korozyona karşı direnci düşürür. Titanyum veya niyobyum gibi stabilize edici ilaveler, karbonu tercihen bağlayarak krom karbürü oluşumunu azaltabilir. Molibden, uygun paslanmaz çelik bileşimlerinde yerel korozyona karşı direnci artırabilir. Azot ise östeniti güçlendirebilir ve çukurcuklanma direncini etkileyebilir; ancak çözünürlük aşıldığında nitrürlerin veya diğer ikincil fazların oluşumunu da teşvik edebilir.

Çökelme yoluyla güçlendirme, katı çözeltiyle güçlendirmeden ve tane boyutu kontrolünden ayrı değerlendirilmelidir. Çözünmüş bir atom ana kafesi çarpıtır. Bir çökelti ise bu kafesin içinde fiziksel bir engel oluşturur. Tane inceltme, tane sınırlarının dislokasyon hareketini engellemesi nedeniyle dayanımı artırır; bu durum genellikle Hall–Petch bağıntısıyla ifade edilir. Bu katkılar birlikte ortaya çıkabilir, ancak birbirlerinin yerine kullanılamaz. Parçacık boyutunu artıran bir ısıl işlem, toplam kimyasal analiz değişmeden kalırken çökelme yoluyla güçlendirmeyi azaltabilir.

Tane inceltme, segregasyon ve arayüzler

Tane sınırları, mikrograf üzerindeki pasif çizgiler değildir. Bunlar; atomik dizilim, kimyasal bileşim, difüzyon hızları ve faz dönüşümü davranışı bakımından farklı özelliklere sahip bölgelerdir. İnce taneler genellikle dayanımı artırır ve kırılmanın ya da diğer yerel deformasyon biçimlerinin yayılabileceği mesafeyi sınırlayarak çoğu zaman tokluğu da iyileştirir. Tane boyutu; katılaşma, yeniden ısıtma, deformasyon, yeniden kristalleşme ve dönüşüm süreçleriyle belirlenir. Bu nedenle titanyum nitrürle iğneleme, niyobyum kontrollü yeniden kristalleşme ve vanadyum çökelmesi, özellikleri hem parçacıklar hem de tane yapısı üzerinden etkileyebilir.

Segregasyon, yalnızca haddehane sertifikasında listelenen ortalama bileşime dayalı her türlü yorumu karmaşıklaştırır. Katılaşma sırasında elementler sıvı ve katı fazlar arasında bölüşülür. Mangan, kükürt, fosfor, karbon ve alaşım ilaveleri dendritler arası bölgelerde veya tane sınırlarında yoğunlaşabilir. Sonraki haddeleme ve ısıl işlem bu farklılıkları azaltabilir, yeniden dağıtabilir veya koruyabilir. Empürite bakımından zenginleşmiş bir sınır, tane iç kısmından farklı bir hızda dönüşebilir; krom bakımından fakirleşmiş bir sınır ise toplam krom içeriği nominal kaliteyi karşılasa bile korozyona duyarlı bir bölge hâline gelebilir.

Nippon Steel, alaşım elementi konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir farkla bile faz dönüşümü davranışının önemli ölçüde değişebileceğini bildirmektedir. Bu gözlem, bileşim aralıklarının kimyasal açıdan eşdeğer kabul edilmemesi gerektiği konusunda bir uyarıdır. Yüzde bir puanlık değişim; dönüşüm sıcaklıklarını kaydırabilir, sertleşebilirliği değiştirebilir, ferrit, perlit, beynit veya martenzit oranını etkileyebilir ve çökelme için itici gücü değiştirebilir. Bir segregasyon elementin arayüzde yoğunlaşmasına neden olduğunda, yerel farklılıklar ortalama bileşimden daha önemli hâle gelebilir.

Krom, nikel ve vanadyum, faz yapısı ile işleme koşullarının neden birlikte değerlendirilmesi gerektiğini gösterir. Krom çözünmüş hâlde kalabilir, krom bakımından zengin karbürler oluşturabilir veya paslanmaz çelik yüzeyinde krom oksit pasif filminin oluşumuna katkıda bulunabilir. Nikel östeniti kararlı hâle getirebilir, ferriti güçlendirebilir ve düşük sıcaklık tokluğunu koruyabilir. Vanadyum yeniden ısıtma sırasında çözeltide kalıp daha sonra VC veya V(C,N) oluşturabilir ya da dayanımla çok az katkı sağlayan daha iri parçacıklar meydana getirebilir. Nihai sonuç; soğuma hızına, deformasyon programına, yeniden ısıtma sıcaklığına, bekletme süresine ve sonraki ısıl işleme bağlıdır.

Dolayısıyla çelik kimyası, tam bir açıklama değil, başlangıç koşuludur. Performans; bileşim, kafes gerinimi, çökelti topluluğu, tane yapısı, segregasyon, arayüzler ve işleme geçmişi arasındaki etkileşimden ortaya çıkar. Bu nedenle nominal analizleri benzer olan iki çelik, farklı dönüşüm eğreleri, mikroyapılar ve mekanik özellikler gösterebilir.

3. Karbon: Başlıca Arayer Alaşım Elementi

Karbon, çelikteki başlıca arayer alaşım elementidir. World Steel Association, çeliği %2’den daha az karbon içeren ve mangan ile daha küçük miktarlarda silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen içeren bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar. Bu tanım, karbonun merkezi rolünü ortaya koyar; ancak onu yalıtılmış bir bileşen olarak göstermez: krom, nikel, mangan, molibden veya ısıl geçmiş değiştiğinde, aynı karbon içeriği farklı yapılar ve özellikler oluşturabilir.

Karbon atomları demir atomlarından çok daha küçük olduğundan, metalik kafeste demir atomlarının yerini almak yerine demir atomları arasındaki boşluklara yerleşir. Bu durum, mangan veya nikel gibi bir elementin demir atomunun yerini alarak kafesi bozduğu substitüsyonel alaşımlamadan farklıdır. Steeluniversity, substitüsyonel pekiştirmenin atomik boyuta, sıkıştırılabilirliğe, kimyasal değerliğe ve elektronegatifliğe bağlı olduğunu açıklar. Arayer karbonu, demir kafesindeki sıkışık konumları işgal ettiği için özellikle güçlü bir yerel deformasyon oluşturur; dislokasyon hareketini engeller ve çevresindeki fazların kararlılığını değiştirir.

Karbon içeriği ve faz dönüşümü

Karbon, hangi demir fazlarının var olabileceğini ve ne kadar hızlı oluştuklarını değiştirir. Ferrit, hacim merkezli kübik bir kafese sahiptir ve yalnızca az miktarda karbon çözer. Östenit, yüzey merkezli kübik bir kafese sahiptir ve arayer konumları daha elverişli olduğundan önemli ölçüde daha fazla karbon barındırabilir. Bu nedenle çeliğin östenit bölgesine ısıtılması, karbonun yeniden dağılmasına olanak tanırken soğutma, bu östenitin ferrit, perlit, beynit veya martenzite dönüşüp dönüşmeyeceğini belirler.

Sementit veya demir karbür Fe₃C, perlit içinde ferritle birlikte ve karbür içeren diğer yapılarda yaygın olarak ortaya çıkan, karbon bakımından zengin bir bileşiktir. Varlığı kadar dağılımı da önemlidir. İnce sementit parçacıkları dislokasyon hareketini engelleyerek dayanımı artırır; iri parçacıklar ve sürekli karbür ağları ise tokluğu azaltabilir veya çatlamanın tercih ettiği yollar oluşturabilir.

Martenzit, östenit difüzyon kontrollü dönüşümleri baskılayacak kadar hızlı soğuduğunda oluşur. Karbon demir kafesinde hapsolur ve deforme olmuş hacim merkezli tetragonal bir yapı meydana getirir. Karbonun aşırı doygunluğu arttıkça kafes deformasyonu ve potansiyel sertlik artar; ancak nihai sonucu kalıntı östenit, önceki östenit tane boyutu, temperleme ve diğer alaşım elementleri belirler. Martenzit yalnızca “karbonla sertleştirilmiş demir” değildir. Belirli bir dönüşüm yolunun ürünüdür.

Nippon Steel raporu, alaşım elementi konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir farkın bile çeliğin faz dönüşümü davranışında önemli değişikliklere yol açabileceği konusunda uyarır. Bileşim ayrıca segregasyon ve arayüz zenginleşmesi nedeniyle yerel olarak değişir; bu nedenle nominal analiz, dökülmüş, haddelenmiş, kaynaklanmış veya ısıl işlem görmüş bir bileşenin her bölgesini tanımlamaz. Mangan, krom, nikel ve molibden dönüşüm sıcaklıklarını değiştirebilir ve ferrit, perlit veya beynit oluşumunu geciktirebilir. Bu nedenle karbon sabit kalsa bile martenzit elde etmek için gereken soğuma hızını değiştirirler.

Dayanım, süneklik, kaynaklanabilirlik ve sertleşebilirlik

Karbonun artırılması, perlit veya karbür içeriğini artırarak ve bu bileşenler arasındaki ferriti pekiştirerek ferrit–perlit çeliklerinde genellikle ulaşılabilir sertlik ve dayanımı yükseltir. Ayrıca martenzit oluşumu için mevcut karbon miktarını da artırır. Bunun bedeli ise genellikle daha düşük süneklik, daha düşük darbe tokluğu ve mikroyapı sert ve gevrek hâle geldiğinde çatlamaya karşı daha yüksek hassasiyettir.

Karbon içeriği ile sertleşebilirlik ilişkili olsa da aynı şey değildir. Karbon, martenzitin ulaşabileceği sertliği kontrol eder; mangan, krom, nikel ve molibden ise su verilmiş yüzeyin daha derinlerinde difüzyonel dönüşümleri geciktirerek sertleşebilirliğe katkıda bulunur. Orta düzeyde karbon ve yeterli miktarda alaşım elementi içeren bir çelik, az alaşım desteğine sahip daha yüksek karbonlu bir çeliğe kıyasla daha kalın bir kesit boyunca sertleşebilir; ancak yine de farklı bir maksimum martenzit sertliğine ulaşabilir. Su verme şiddeti, kesit boyutu, östenitleme sıcaklığı, tane boyutu ve temperleme de dikkate alınmalıdır.

Temperleme, karbonun tek ve kalıcı bir etkiye indirgenemeyeceğini gösterir. Su verilmiş martenzit, karbonun aşırı doygun bir kafeste hapsolması nedeniyle serttir. Temperleme sırasında karbon difüze olur ve geçiş karbürleri veya sementit oluşturur; bu süreç iç gerilmeyi ve sertliği azaltırken tokluğu ve boyutsal kararlılığı iyileştirir. Molibden, karbür tepkimelerini ve temperleme direncini değiştirebilir; krom ise alaşım karbürlerinin oluşumuna katkıda bulunabilir. Vanadyum, niyobyum ve titanyum, tüm karbonun sementit için kullanılabilir durumda kalması yerine, çok kararlı karbürler veya karbonitrürler oluşturabilir.

Karbon ve sertleşebilirlik arttıkça kaynaklanabilirlik genellikle azalır. Isıdan etkilenen bölge sert martenzite dönüşecek şekilde soğuyabilir ve ardından difüze olabilir hidrojen soğuk çatlamayı teşvik edebilir. Mangan, krom, molibden ve nikel bu dönüşüm tepkisine katkıda bulunur; bu nedenle kaynak uygulamalarında yalnızca karbon yerine çoğu zaman karbon eşdeğeri değerlendirmesi kullanılır. Çelik kalitesine ve kalınlığına bağlı olarak ön ısıtma, kontrollü ısı girdisi, düşük hidrojenli prosedürler ve kaynak sonrası ısıl işlem gerekebilir.

Karbon, HSLA çeliklerinde mikroalaşımlama uygulamasıyla da etkileşir. AZoM tarafından açıklandığı üzere niyobyum, sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskılar; titanyum, yeniden ısıtma tane boyutunu kontrol eden kararlı TiN çökeltileri oluşturur; vanadyum ise akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri oluşturur. Karbon miktarı, bu çökeltilerin bileşimini, hacim oranını ve kararlılığını etkiler. Bu nedenle bileşimdeki küçük bir değişiklik, hem dönüşüm davranışını hem de çökelme pekişmesini değiştirebilir.

Paslanmaz ve alaşımlı çelik sınıflandırmalarında karbon

Paslanmaz çelik kaliteleri, karbonun alaşım sisteminin geri kalanıyla birlikte değerlendirilmesi gerektiğini özellikle açık biçimde gösterir. Krom, koruyucu bir krom oksit pasif filmi destekler; ancak karbon, duyarlanma sıcaklık aralığındaki maruziyet sırasında kromla tepkimeye girerek tane sınırlarında krom bakımından zengin M₂₃C₆, yaygın gösterimiyle Cr₂₃C₆, oluşturabilir. Komşu metal krom bakımından fakirleşebilir ve taneler arası korozyona karşı daha hassas hâle gelebilir. ASTM A240 Type 304L ve Type 316L gibi düşük karbonlu kaliteler, imalat ve kullanım koşullarının da kontrol edilmesi şartıyla, standart karbonlu karşılıklarına kıyasla bu riski azaltır.

“L” tanımı düşük karbon anlamına gelir; karbonun metalurjik bir rolü olmadığı anlamına gelmez. ASTM ve UNS kullanımında Type 304L, UNS S30403’e; Type 316L ise UNS S31603’e karşılık gelir. Type 304 ve Type 316 gibi yaygın sınıflandırmalar yine de ilgili ürün standardı, ısıl işlem ve gerçek ergitme analizinin yanında değerlendirilmelidir. Nikel, bu kalitelerde östeniti kararlı hâle getirir; molibden, Type 316 bileşimlerinde yerel korozyona karşı direnci iyileştirir; azot ise faz kararlılığını da etkilerken östenitik paslanmaz çeliği pekiştirebilir.

Stabilize edici elementler başka bir yol sağlar. Titanyum veya niyobyum tercihen karbonla birleşerek TiC veya NbC oluşturabilir ve krom karbürleri oluşturmak üzere kullanılabilecek karbon miktarını azaltabilir. Type 321 ve Type 347 gibi kaliteler bu ilkeden yararlanır; ancak stabilizasyon, uygun ısıl işlem gerekliliğini ortadan kaldırmaz. Ferritik ve dubleks paslanmaz çeliklerin sınırları farklıdır: karbon, karbür oluşumunu teşvik edebilir, ferrit–östenit dengesini değiştirebilir ve korozyon direncini veya tokluğu olumsuz etkileyen ikincil fazların oluşumuna katkıda bulunabilir.

Alaşımlı çelik sınıflandırmalarında karbon, SAE 1045 gibi sayısal sistemlerle ifade edilebilir; ancak bu sınıflandırma performansın eksiksiz bir öngörüsü değildir. Krom, nikel, mangan, molibden ve işlem koşulları, söz konusu karbonun perlit, beynit, martenzit, alaşım karbürleri veya kalıntı östenit oluşturup oluşturmayacağını belirler. Karbon, başlıca arayer elementidir; tek başına işleyen bir kontrol düğmesi değildir.

4. Sade Karbonlu ve Düşük Alaşımlı Çeliklerde Manganez ve Silisyum

World Steel Association, çeliği %2’den daha az karbon içeren ve genellikle manganezin yanı sıra daha küçük miktarlarda silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen bulunduran bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar. Bu tanım, sabit bir reçeteden ziyade bir malzeme ailesini ifade eder. Steeluniversity’nin sade karbonlu çelik modülü; manganez ve silisyumun yanı sıra kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni; dayanımı, sünekliği, tokluğu, işlenebilirliği, sertleşebilirliği, tane boyutunu ve ısıl işleme tepkisini etkileyebilen elementler olarak tanımlar. Bu etkiler koşula bağlıdır. Düşük karbonlu bir yapı çeliğine yapılan manganez ilavesi, aynı ilavenin orta karbonlu, su verilmiş ve temperlenmiş bir çelikte oluşturduğu mikroyapının aynısını oluşturmaz.

Dayanım ve sertleşebilirliğe katkı sağlayan manganez

Manganez, sıradan karbonlu çeliklerde genellikle hem alaşım elementi hem de kükürt kontrolü amacıyla kullanılan bir katkı olarak bulunur. Ferrit içinde yer alan manganez, ikame katı çözelti sertleşmesi sağlar: manganez atomları kafesteki demir atomlarının yerini alarak dislokasyon hareketini engelleyen yerel gerinim oluşturur. Steeluniversity, bu sınıftaki sertleşmeyi kristal kafesindeki bozulmanın bir sonucu olarak açıklar; etkinin büyüklüğü atomik boyut, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikten etkilenir. Ortaya çıkan dayanım artışı karbon, tane boyutu veya işlemden bağımsız değildir. Bu nedenle normalize edilmiş, su verilmiş veya yoğun soğuk işlenmiş manganez içeren bir çelik, kimyasal analizi değişmemiş olsa bile farklı dayanım ve süneklik gösterebilir.

Manganez ayrıca sertleşebilirliği artırır. Östenitin ferrit ve perlite difüzyon kontrollü dönüşümlerini geciktirerek soğuma sırasında östenitin daha büyük bir bölümünün beynit veya martenzite dönüşmesine olanak tanır. Bu nedenle manganez, su verme ve temperleme amacıyla tasarlanan orta karbonlu kalitelerde ve kesit kalınlığının tüm kesitte sertleşmeyi zorlaştırdığı düşük alaşımlı yapı çeliklerinde önemlidir. Bununla birlikte bu yararın sınırları vardır. Aşırı manganez, özellikle büyük döküm kesitlerinde katılaşma sırasında segregasyonu teşvik edebilir ve haddeleme sonrasında bantlı ferrit–perlit yapılarının oluşumuna katkıda bulunabilir. Bu tür kimyasal bantlaşma; tokluk, uzama ve kırılma davranışında yönsel farklılıklara yol açabilir.

Manganez aynı zamanda östenit dengeleyici bir elementtir. Dönüşüm sıcaklıklarını düşürebilir ve martenzit başlangıç sıcaklığını değiştirebilir; bu nedenle seçilecek su verme hızı ve temperleme programı yalnızca karbon içeriğine bakılarak belirlenemez. ASTM A572 Grade 50 gibi bir kalitede manganez, dayanım ve işleme tepkisine katkıda bulunur; ancak belirtilen mekanik özellikler yine de haddeleme uygulamasına, levha kalınlığına, soğutmaya ve bileşimin tamamına bağlıdır. Benzer şekilde ASTM A36, manganez içeriği sanki kaynaklanabilirliği veya tokluğu tek başına belirliyormuş gibi yorumlanamaz.

Tane davranışı da başka bir nitelendirme gerektirir. Manganez, östenit tane büyümesini ve dönüşüm kinetiğini etkileyebilir; ancak kontrollü haddeleme, normalizasyon veya mikroalaşım çökelmesi uygulamalarının yerini tutmaz. Tane incelmesi, Hall–Petch ilişkisi yoluyla genellikle akma dayanımını ve kırılma tokluğunu iyileştirirken iri taneler çoğunlukla düşük sıcaklık tokluğunu azaltır. Nihai tane yapısı; yeniden ısıtma sıcaklığına, deformasyona, soğuma hızına ve karbon, azot, alüminyum, niyobyum veya titanyumla etkileşimlere bağlıdır.

Oksit giderme ve ferritik sertleşmede silisyum

Silisyumun özellikle önemli iki işlevi vardır. İlk olarak çelik üretimi sırasında oksit giderici olarak kullanılır. Çözünmüş oksijen, katılaşma sırasında karbonla reaksiyona girerek karbon monoksit oluşturabilir; bu da gaz gözenekliliğine ve diğer kusurlara yol açar. Silisyum, oksijenle reaksiyona girerek silika içeren oksitler oluşturur ve bu reaksiyon için kullanılabilir durumdaki çözünmüş oksijenin azaltılmasına yardımcı olur. Bu uygulamanın etkinliği, oksit giderme sisteminin tamamına bağlıdır: alüminyum, manganez, oksijen potansiyeli, cüruf uygulaması ve inklüzyonların uzaklaştırılması önem taşır. Bu nedenle “silisyumla sakinleştirilmiş” çelik, belirli bir işlem ve oksit giderme koşulunu ifade eder; garanti edilmiş bir mikroyapıyı ifade etmez.

İkinci olarak silisyum, ikame katı çözelti yoluyla ferriti sertleştirir. Demir kafesini bozarak dislokasyon hareketine karşı direnci artırır ve çoğu zaman karbon ilave etmeden akma dayanımını yükseltir. Bu, dayanımın gerekli olduğu ancak karbonun büyük ölçüde artırılmasıyla ortaya çıkacak kaynaklanabilirlik ve süneklik kaybının istenmediği durumlarda yararlı olabilir. Silisyum ayrıca faz dönüşümlerini ve karbür oluşumunu da etkiler. Çeşitli ısıl işlem sistemlerinde sementit çökelmesini geciktirir ve ferrit, perlit, beynit ve kalıntı östenit arasındaki dengeyi değiştirir. Sonuç olarak aynı silisyum seviyesi, istenen bir yapıyı desteklerken başka bir yapının elde edilmesini zorlaştırabilir.

Silisyum tokluk açısından kendiliğinden yararlı değildir. Daha yüksek dayanım uniform uzamayı azaltabilir ve oksit giderme sırasında oluşan iri metalik olmayan inklüzyonlar kontrol edilmezse çatlak başlatma bölgelerine dönüşebilir. Silisyum ayrıca temperleme tepkisini ve yeniden ısıtma sırasında yüzey oksidasyonunu etkileyebilir. Önemli olan soru, silisyumun “dayanımı artırıp artırmadığı” değil; sertleştirici etkisinin, inklüzyon dağılımının ve dönüşüm davranışının çeliğin karbon düzeyine ve ısıl geçmişine uygun olup olmadığıdır.

Kükürt, karbon ve ısıl işlemle etkileşimler

Manganezin en belirgin etkileşimi kükürtle gerçekleşir. Kükürt, demir sülfürün tane sınırlarında yoğunlaşmasına izin vermek yerine tercihen manganezle birleşerek manganez sülfür, MnS, oluşturur. Demir sülfür, düşük ergime sıcaklıklı filmler sınırları zayıflattığı için haddeleme sırasında sıcak gevreklik oluşturabilir. MnS bu tehlikeyi azaltır; ancak inklüzyonlar zararsız değildir: haddeleme sırasında oluşan uzamış sülfürler enine sünekliği ve darbe tokluğunu azaltabilir, ayrıca yorulma veya hidrojen destekli çatlaklar için başlatma bölgeleri olarak işlev görebilir. Kalsiyum işlemi, inklüzyon şeklinin kontrolü ve haddeleme redüksiyonu, toplam kükürt analizini değiştirmeden bu etkiyi değiştirebilir.

Karbon, her iki elementin sonuçlarının ölçeğini belirler. Düşük karbon içeriğinde manganez ve silisyum esas olarak ferrit dayanımını, perlit oranını, kaynaklanabilirliği ve dönüşüm sıcaklıklarını değiştirir. Orta veya daha yüksek karbon içeriğinde manganez sertleşebilirliği artırırken silisyum karbür çökelmesini ve temperleme davranışını değiştirebilir. Bu durumda su verme, aksi takdirde perlit oluşturacak bir kesit boyunca martenzit oluşmasına yol açabilir; ancak artan sertlik, temperleme ve soğutma kontrol edilmediğinde su verme çatlağı riskini artırır.

İşlem geçmişi, basit bir bileşim kuralından daha belirleyici olabilir. Normalizasyon yapıyı inceltir ve yeniden düzenler; tavlama sertliği azaltır; su verme difüzyon kontrollü ürünleri baskılar; temperleme ise sertliğin bir bölümünden, tokluk ve boyutsal kararlılık lehine vazgeçer. Haddeleme sıcaklığı ve soğuma hızı, manganez segregasyonunun bantlar hâlinde görünür olup olmayacağını ve silisyum içeren çeliklerin amaçlanan ferrit–perlit veya beynitik yapıyı oluşturup oluşturmayacağını belirler. Nippon Steel raporu, alaşım elementi konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir farkla faz dönüşümü davranışının önemli ölçüde değişebileceği konusunda uyarır; tane sınırları ve arayüzlerdeki segregasyon ise dönüşüm mekanizmalarını değiştirebilir.

Bu duyarlılık, bileşim tablolarının standartlar, çelik üretim uygulaması ve ısıl işlemle birlikte okunması gerektiğini açıklar. Steeluniversity’nin belirttiği gibi manganez ve silisyum etkili elementlerdir; ancak her özellik için her zaman aynı yönde ve kesin bir etkiye sahip değildirler. Oksijen kontrolü, kükürt morfolojisi, karbon içeriği, segregasyon, tane boyutu ve ısıl yol, bu elementlerin nihai çelikte gerçekte ne yapacağını belirler.

5. Kükürt, Fosfor, Alüminyum, Bakır ve Kalay: Yararlı Etkiler ve Metalurjik Riskler

World Steel Association, çeliği %2’den daha az karbon içeren bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar; manganez ile daha küçük miktarlarda silikon, fosfor, kükürt ve oksijen de genellikle bulunur. Bu “küçük” ilaveler dahi işleme davranışını ve kullanım performansını değiştirebilir. steeluniversity; silikon, manganez, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni sade karbonlu çeliklerde dayanımı, sünekliği, tokluğu, işlenebilirliği, sertleşebilirliği, tane boyutunu ve ısıl işlem tepkisini etkileyen elementler arasında sıralar.

Buradaki önemli husus, bileşimin birbirinden bağımsız anahtarlardan oluşan bir küme olmadığıdır. Bir element ferrit içinde çözünmüş olabilir, bir bileşik içinde bağlanmış olabilir, tane sınırlarında yoğunlaşabilir veya döküm ve haddeleme sırasında yeniden dağılabilir. Nippon Steel’in teknik bir raporuna göre, alaşım elementinin konsantrasyonunda yalnızca %1’lik bir değişim, faz dönüşümü davranışını önemli ölçüde değiştirebilir. İnklüzyonları, çökelmeyi veya segregasyonu etkileyen daha küçük değişimler de önem taşıyabilir.

Kükürt ve işlenebilirlik

Kükürt, talaş kaldırmayı iyileştirebildiği ve kesme kuvvetlerini azaltabildiği için otomat çeliklerine sıklıkla eklenir. Bunun başlıca metalurjik taşıyıcısı mangan sülfür, MnS’dir. Manganez, kükürtle tercihen birleşerek demir sülfür oluşumunu sınırlar ve sıcak işlem sırasında deformasyona uğrayan sülfür inklüzyonları oluşturur. Talaşlı imalatta bu inklüzyonlar, talaşın uzun ve sürekli bir şerit hâlinde oluşmak yerine kırılmasına yardımcı olabilir. Bunun sonucunda daha iyi yüzey kalitesi, daha düşük takım yüklenmesi ve otomatik kesmede daha tutarlı bir işlem elde edilebilir.

Ancak bu yararın bir bedeli vardır. MnS inklüzyonları çelik matrisi içindeki süreksizliklerdir ve bunların şekli, boyutu, sayısı ve yönlenmesi mekanik davranışı etkiler. Sıcak haddeleme, sülfürleri genellikle haddeleme yönünde uzatır ve böylece yönlenmiş özellikler oluşturur. Bu nedenle haddeleme yönüne enine ölçülen çekme sünekliği ve darbe tokluğu, boyuna ölçülen değerlerden daha düşük olabilir. Büyük veya kümelenmiş inklüzyonlar, ince ve dağınık bir inklüzyon dağılımına kıyasla daha fazla zarar verir.

Çelikte manganez ve kükürt arasında elverişsiz bir denge bulunduğunda, kükürt kaynaklanabilirliği de azaltabilir ve tokluğu düşürebilir. Kükürdü MnS biçiminde bağlamak için manganez gereklidir; mevcut manganez yetersizse demir sülfür, yüksek sıcaklıkta deformasyon sırasında sıcak gevrekliğe katkıda bulunabilir. Kesin davranış; kükürt konsantrasyonuna, manganez konsantrasyonuna, inklüzyon morfolojisine, haddeleme redüksiyonuna ve nihai kullanım yönüne bağlıdır.

Kükürt işlenebilirliği iyileştirebilir, ancak enine sünekliği, darbe tokluğunu, yorulma direncini veya kaynak performansını azaltabilir. Limited evidence

Bu nedenle “kükürt işlenebilirliği artırır” ifadesi eksiktir. Otomat çeliği için tasarlanmış bir kesme işleminde bu ifade doğrudur; ancak aynı kükürt ilavesi, yüksek enine tokluk, yorulma direnci veya güvenilir kaynak performansı gerektiren bir bileşen için istenmeyebilir. Bir işlenebilirlik sınıfı, kendiliğinden daha iyi bir yapı çeliği anlamına gelmez. Yararlı etki, prosese özgüdür.

Fosfor, tokluk ve segregasyon

Fosfor, demir içinde yer alan bir ikame elementidir ve katı çözelti pekişmesine katkıda bulunabilir. steeluniversity, ikame yoluyla pekişmenin kristal kafesin bozulmasından kaynaklandığını ve bunun büyüklüğünün atomik boyut, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikle ilişkili olduğunu açıklar. Dolayısıyla fosfor dayanımı artırabilir; ancak artan dayanım, performansın iyileşmesini garanti etmez. Özellikle fosforun hassas bölgelerde yoğunlaşması hâlinde süneklik ve tokluk azalabilir.

Başlıca sorun segregasyondur. Katılaşma sırasında fosfor, büyüyen katı faz ile geriye kalan sıvı arasında eşit olmayan biçimde dağılabilir. Donan son sıvı, fosfor bakımından zenginleşebilir ve daha yüksek fosfor içeriğine sahip bantlar veya yerel bölgeler bırakabilir. Sonraki haddeleme, bu bileşim farklılıklarını bantlı yapılara dönüştürecek şekilde uzatabilir. Tane sınırı zenginleşmesi de önemlidir; çünkü kırılma direnci yalnızca bütün ergitme için ölçülen ortalama bileşime değil, tane sınırlarının kimyasına ve kohezyonuna da bağlıdır.

Yüksek fosfor içeriği, özellikle iri taneler, düşük sıcaklık, yüksek kısıtlama veya diğer gevrekleşme koşullarıyla birlikte bulunduğunda, daha düşük süneklik ve daha yüksek gevrek kırılma riskiyle ilişkilidir. Bu etki, her konsantrasyonda sabit bir olumsuzluk değildir. Nispeten homojen biçimde çözünmüş düşük miktarda fosforun sonucu, aynı nominal ilavenin dendritler arası bölgelerde veya tane sınırlarında yoğunlaşması durumundaki sonuçtan farklı olabilir.

İşleme geçmişi, riskin ne kadarının devam edeceğini belirler. Yeniden ısıtma ve haddeleme segregasyon desenlerini parçalayabilir, tane boyutunu değiştirebilir ve ikincil fazların dağılımını etkileyebilir; ancak bileşimi önemsiz hâle getirmez. Sıcak işlem sonrasındaki soğuma hızı ve daha sonraki ısıl işlem de nihai mikroyapıyı etkiler. Nippon Steel’in, bileşimdeki %1’lik bir farkın dönüşüm davranışında büyük değişikliklere yol açabileceğine ilişkin uyarısı, nominal kimyasal bileşimin tek başına tokluğu neden öngöremeyeceğini gösterir.

Bu nedenle fosfor çelişkin bir konuma sahiptir: dayanım sağlayabilir ve belirli imalat yöntemlerine yardımcı olabilir; ancak aşırı veya homojen olmayan fosfor, sünekliği ve darbe tokluğunu azaltabilir. Doğru değerlendirme için çelik kalitesi, ürün kalınlığı, ısıl çevrim, test yönü ve amaçlanan kullanım sıcaklığı dikkate alınmalıdır.

İşlem veya artık elementleri olarak alüminyum, bakır ve kalay

Alüminyum, çelikte deoksidasyonla yaygın biçimde ilişkilendirilir. Çelik üretimi sırasında çözünmüş oksijen, alüminyumla tepkimeye girerek alüminyum oksit, Al₂O₃, oluşturabilir. Oksijenin giderilmesi, ergiyiğin temizliğini ve katılaşma davranışını değiştirirken, kalan alüminyum içeriği tane kontrolünü de etkileyebilir. Alüminyum, azotla birleşerek alüminyum nitrür, AlN, oluşturabilir; bu parçacıkların boyutu, dağılımı ve çözünme durumu, yeniden ısıtma sırasında östenit tane gelişimini etkiler. Bu bir proses etkisidir; her ısıl programda daha ince taneler oluşacağına ilişkin evrensel bir güvence değildir.

Aşırı miktarda veya yetersiz kontrollü alüminyum, oksit inklüzyonları oluşturabilir ya da döküm davranışını değiştirebilir. Sonuç; oksijen aktivitesine, azot içeriğine, işlem sıcaklığına, katılaşma koşullarına ve yeniden ısıtma uygulamasına bağlıdır. Bu nedenle çelik üretim yöntemi ve parçacık popülasyonu belirtilmedikçe, “alüminyum taneleri inceltir” ifadesi fazla geneldir.

Bakır ve kalay, steeluniversity tarafından sade karbonlu çeliklerin özelliklerini etkileyen elementler arasında tanımlanır; ancak bunlar çoğu zaman kasıtlı başlıca ilavelerden ziyade artık elementler olarak ele alınır. Bakır, geri dönüştürülmüş hammaddeden kalabilir ve konsantrasyonu önemli düzeye ulaştığında dönüşümü, dayanımı, oksidasyon davranışını ve sıcak işlem tepkisini etkileyebilir. Kalay aynı hammaddeye eşlik edebilir; düşük konsantrasyonlarda çeliğin davranışını değiştirebilir veya birikmesiyle daha zararlı hâle gelebilir. Bu elementlerin etkileri yalnızca elementin adına bakılarak belirlenemez.

Bakır ve kalay, dağılımları ergitme, katılaşma, yeniden ısıtma ve deformasyon sırasında değiştiği için konsantrasyona ve işleme geçmişine özellikle duyarlıdır. Bir üründe önemli bir değişikliğe yol açmayan artık düzeyi, farklı karbon içeriğine, soğuma hızına, yüzey durumuna veya sıcak işlem programına sahip başka bir üründe önem taşıyabilir. Yeniden ısıtma sırasında yüzeye yakın bakırca zengin davranış, sıcak gevreklik riski açısından özellikle önemli olabilir; ancak riskin şiddeti yalnızca bakıra değil, tüm kimyasal bileşime ve fırın uygulamasına bağlıdır.

Pratik sonuç, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır veya kalayın her zaman en aza indirilmesi ya da her zaman eklenmesi gerektiği değildir. Bu elementlerin her biri, nerede bulunduğuna, hangi bileşikleri oluşturduğuna ve çeliğin maruz kaldığı ısıl ve mekanik geçmişe bağlı olarak kontrollü bir amaca hizmet edebilir veya bir kusur oluşturabilir. Dolayısıyla steeluniversity’nin element listesi, garanti edilmiş etkilerin bir kataloğu değil, değişkenlerin bir haritasıdır. Bileşim; faz yapısı, segregasyon, inklüzyon morfolojisi, tane boyutu ve işleme geçmişiyle birlikte değerlendirilmelidir.

6. Krom: Sertleşebilirlik, Oksidasyon Direnci ve Pasivasyon

Krom çoğu zaman çeliği basitçe “paslanmaz hâle getiriyormuş” gibi tanımlanır. Bu tanım, iki farklı etkiyi birbirine karıştırır. Çelik içinde çözünmüş krom; faz dönüşümlerini, sertleşebilirliği, karbür oluşumunu ve yüksek sıcaklık dayanımını değiştirebilir. Temiz ve açıkta bulunan bir yüzeydeki krom ise oksijenle tepkimeye girerek daha ileri saldırıyı yavaşlatan ince bir krom oksit filmi oluşturabilir. İlk etki hacimsel bir metalurjik etkidir; ikincisi ise yüzey pasivasyonudur. Bu etkiler birbiriyle ilişkilidir, ancak birbirlerinin yerine kullanılamaz.

Dünya Çelik Birliği, çeliği %2’den daha az karbon içeren bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar. Krom daha sonra, mühendislik çeliklerindeki küçük alaşım ilavelerinden paslanmaz çelik kalitelerinde yaklaşık %10,5 veya daha yüksek oranlara kadar değişen miktarlarda eklenebilir. Sonucu yalnızca bileşim belirlemez. Soğuma hızı, östenitleme sıcaklığı, başlangıç tane boyutu, karbon aktivitesi, segregasyon, kaynak ısıl çevrimleri ve nikel, molibden, azot, mangan ile stabilizasyon sağlayan elementlerin varlığı, kromun pratik etkisini değiştirir. Nippon Steel, alaşım elementi konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir farkla bile çeliğin faz dönüşümü davranışının önemli ölçüde değişebileceğini bildirmektedir. Bu, bir alaşım sınıfını mikroyapının eksiksiz bir açıklaması olarak ele almamak gerektiğine dair yararlı bir uyarıdır.

Düşük alaşımlı ve ısıya dayanıklı çeliklerde krom

Düşük alaşımlı çelikte krom, soğuma sırasında östenitten ferrit, perlit ve beynite dönüşümleri geciktirerek sertleşebilirliği artırır. Bu nedenle daha kalın bir kesit, alaşımsız bir karbon çeliğini kısmen perlitik bırakacak bir soğuma hızında martenzit veya daha yüksek oranda beynit oluşturabilir. Krom, bir parçanın her bölgesini eşit derecede sert hâle getirmez. Sonuç yine karbon içeriğine, kesit boyutuna, östenit tane boyutuna, su verme şiddetine ve temperleme işlemine bağlıdır.

Krom, ferrit ve östenitte esas olarak yer alan atomun yerini alan bir çözünen element olarak davranır. Steeluniversity, ikame tipi alaşımlamanın kafes yapısında distorsiyon oluşturarak dayanımı artırdığını; etkinin büyüklüğünün atom boyutundan, sıkıştırılabilirlikten, kimyasal değerlikten ve elektronegatiflikten etkilendiğini açıklar. Dolayısıyla krom, katı çözelti pekleşmesine katkıda bulunabilir; ancak ısıl işlem görmüş birçok kalitede en önemli etkileri yalnızca kafes geriniminden değil, dönüşüm kinetiğinden ve karbür kimyasından kaynaklanır.

Karbon bu dengeyi değiştirir. Kromun karbona güçlü bir ilgisi vardır ve M${}_{23}$C${}_6$ ailesi dâhil olmak üzere kromca zengin karbürler oluşturabilir; burada M esas olarak krom olabilir, ancak demir ve diğer metalik elementler de katkıda bulunabilir. Uygun şekilde tasarlanmış ısıya dayanıklı çeliklerde karbür parçacıkları sürünmeye ve tane sınırı kaymasına karşı dirence yardımcı olur. Aşırı veya yeterince kontrol edilmeyen karbür oluşumu, çevredeki matriksten kromu uzaklaştırabilir, yerel korozyon direncini düşürebilir ve gevrek ya da kaynaklanması zor mikroyapılar oluşturabilir.

Krom, yüksek sıcaklıkta oksidasyona karşı direnci de artırır. Krom içeren bir yüzey, görece yapışkan bir oksit tufalı oluşturabilir ve demirin oksitlenmeye devam etme hızını azaltabilir. Bu, krom içeren herhangi bir düşük alaşımlı çeliğin havada, buharda veya yanma gazlarında paslanmaz çelik gibi davranacağı anlamına gelmez. Oksidin kararlılığı; krom konsantrasyonuna, sıcaklığa, gaz kimyasına, yüzey durumuna, ısıl çevrimlere ve tufalın sürekliliğini koruyup korumadığına bağlıdır. Silisyum ve alüminyum da yüksek sıcaklıktaki tufal oluşumunu değiştirebilir; nikel ise faz kararlılığını ve ısıl genleşmeyi etkiler.

Isıya dayanıklı ferritik kaliteler ile martenzitik krom çelikleri, bu ödünleşimleri ortaya koyar. Daha yüksek krom oranı oksidasyon direncini artırabilir; ancak ferritin kararlılığını destekleyebilir ve ısıl işlem sırasında mevcut olan östenit miktarını değiştirebilir. Daha sonra karbon, molibden, vanadyum, niobyum ve tungsten, karbür veya karbonitr çökelmesini ve sürünme dayanımını kontrol edebilir. Nominal bir krom artışı; normalleştirme, su verme, temperleme, kaynak veya uzun süreli hizmet maruziyetinden sonra farklı bir sonuç oluşturabilir.

Aynı bileşim–işleme bağlantısı, kromun başlıca dayanım artırıcı ilave olmadığı durumlarda bile HSLA çelikte görülür. AZoM, niobyumun sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskıladığını, titanyumun yeniden ısıtma tane boyutunu kontrol eden kararlı TiN çökeltileri oluşturduğunu ve vanadyumun akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri meydana getirdiğini açıklar. Krom, östenit kararlılığını, çökelme koşullarını ve dönüşüm sıcaklıklarını değiştirerek bu ilavelerle etkileşir. Krom, yalıtılmış bir sertleşebilirlik anahtarı değildir.

Paslanmaz çelikte krom oksidi pasivasyonu

Paslanmaz çeliğin koruyucu bir pasif yüzeyi sürdürebilmesi için matriksinde yeterli miktarda krom bulunması gerekir. Yaygın olarak kabul edilen eşik, kütlece yaklaşık %10,5 kromdur; ancak bu değer, aynı hizmet davranışını garanti eden bir sınır değil, bir sınıflandırma sınırıdır. Kalite, yüzey durumu, ortam, kalıntılar, kaynak geçmişi ve kirlenme gibi unsurların tümü önem taşır.

Krom, açıkta kalan yüzeyde ince ve yüzeye sıkıca tutunan bir krom oksit filmi oluşturarak paslanmaz çeliğin pasifleşmesini destekler. Strong evidence

thyssenkrupp Materials tarafından açıklanan mekanizma doğrudandır: krom, oksijenle tepkimeye girerek koruyucu bir krom oksit tabakası oluşturur. Bu film son derece incedir, yüzeye iyi tutunur ve küçük mekanik hasarlardan sonra oksijen mevcut olduğunda yeniden oluşabilir. Altta bulunan demirce zengin alaşımı ortamdan ayırır ve sürekli çözünme hızını büyük ölçüde azaltır. Bu nedenle pasivasyon, yüzeyde gerçekleşen bir tepkimedir; hacimsel sertlik artışı değildir.

Bir çelik önemli miktarda krom içerse bile pasif film hasar görür veya kimyasal olarak kararsız hâle gelirse yerel korozyona uğrayabilir. Klorür iyonları, aralıklar, birikintiler, asidik koşullar, demir kirlenmesi, pürüzlü yüzeyler ve kaynak ısısının etkileri çukurcuk veya aralık korozyonunu başlatabilir. Molibden, klorür kaynaklı çukurcuk korozyonuna karşı direnci artırır. Bu nedenle EN 1.4401 / X5CrNiMo17-12-2 ve AISI 316, bu tür ortamlara genellikle EN 1.4301 / X5CrNi18-10 ve AISI 304’ten daha iyi direnç gösterir. Bu tanımlamalar bileşim aralıklarını belirtir; imalat veya maruziyetin yol açtığı farklılıkları ortadan kaldırmaz.

Nikel, östeniti kararlı hâle getirir ve yüzey merkezli kübik yapının oda sıcaklığında korunmasına yardımcı olur. Ayrıca tokluğu, pekleşmeyi, ısıl genleşmeyi ve kaynak sırasında ferrit ile östenit arasındaki dengeyi etkiler. Azot, östenitik paslanmaz çeliği güçlendirebilir ve yerel korozyon direncini artırabilir; molibden ise çukurcuk korozyonu direncini destekler. Bu elementlerin etkileri konsantrasyonlarına ve birbirleriyle etkileşimlerine bağlıdır. Esas pasifleştirici kimyayı krom sağlar; ancak paslanmaz çeliğin performansı, alaşımın ve bulunduğu durumun sistemik bir özelliğidir.

Krom, karbon ve duy sensitizasyonu

Östenitik paslanmaz çelikte kromla ilgili en önemli uyarı, tane sınırlarındaki karbonla ilgilidir. Yaklaşık 500–850 °C aralığında ısıtma sırasında, karbon bu bölgelere difüze olabiliyorsa östenit tane sınırlarında kromca zengin M${}_{23}$C${}_6$ karbürleri çökelebilir. Bunun sonucunda bitişik matriksteki krom tükenir. Hacimsel bileşim paslanmaz çelik olarak sınıflandırılmaya yetecek kadar krom içerse bile, kromca tükenmiş dar bölgeler pasifliğini kaybedebilir ve taneler arası korozyona karşı hassas hâle gelebilir.

HassaslaşmaHassaslaşma Tane sınırlarında krom bakımından zengin karbürlerin oluştuğu ve bitişik bölgelerde kromun tükendiği paslanmaz çelik durumu.

Bu durum sensitizasyon olarak adlandırılır. Özellikle kaynak sonrasında önem taşır; çünkü ısının etkilediği bölge, karbür çökelmesinin gerçekleşmesi için sensitizasyon aralığında yeterince uzun süre kalabilir. Hızlı soğuma maruziyeti azaltabilir; ancak gerçek sonucu kaynak prosedürü, levha kalınlığı, ısı girdisi, kısıtlama ve önceki ısıl geçmiş belirler.

EN 1.4307 / X2CrNi18-9 ve EN 1.4404 / X2CrNiMo17-12-2 gibi düşük karbonlu kaliteler, mevcut karbon miktarını azaltır ve dolayısıyla krom karbürleri oluşturma eğilimini düşürür. Stabilize edilmiş kalitelere, karbonu tercihen TiC veya NbC olarak bağlayan titanyum ya da niobyum eklenir. Böylece krom, pasivasyon için matrikste daha fazla bulunabilir durumda kalır. Stabilizasyon evrensel bir çözüm değildir: aşırı çökeltiler, hatalı ısıl işlem veya sonraki ısıl maruziyet başka mikroyapısal sorunlara yol açabilir.

Karbon yine de yararlıdır. Östeniti güçlendirir ve aşınma direncine katkıda bulunabilir; karbon ve azot ise istiflenme hatası enerjisini ve pekleşmeyi etkiler. Güçlük, karbonun nereye gittiğini ve hangi bileşiklerin oluştuğunu kontrol etmektir. Krom, nikel, molibden, azot, titanyum ve niobyumun tümü mevcut olabilir; ancak bunların etkileri faz kararlılığına, çökelmeye, segregasyona ve işleme geçmişine bağlıdır. Krom pasivasyon için gereklidir; ancak tek başına hareket etmez ve bir paslanmaz çelik tanımı, işlemenin oluşturduğu mikroyapı bilinmeden performansı öngöremez.

7. Nikel ve Östenitik ve Ferritik Davranışın Kontrolü

Nikel genellikle bir mukavemetlendirici element olarak tanımlanır, ancak bu tanım eksiktir. Etkisi; ferrit içinde çözünmüş hâlde kalmasına, östeniti kararlı hâle getirmesine, karma fazlı bir yapı oluşumunu teşvik etmesine veya soğuma ve imalat sırasında dönüşüm yolunu değiştirmesine bağlıdır. Ferritik bir basınçlı kap çeliğinde düşük sıcaklık tokluğunu iyileştiren aynı ilave, paslanmaz çelikte östeniti kararlı tutarak deformasyon sırasında pekleşmeyi, kaynak metalinin katılaşmasını ve oluşan martenzit miktarını da değiştirebilir.

Bu ayrım önemlidir; çünkü çelik tek bir kristal yapısından oluşmaz. World Steel Association’ın tanımına göre çelik, %2’den daha az karbon içeren ve diğer elementlerin daha küçük veya daha büyük miktarlarda ilave edildiği bir demir–karbon alaşımıdır. Nikel, demir kafesinde ikame konumlarını işgal eder. Steeluniversity, ikame katı çözelti mukavemetlenmesinin kafes distorsiyonundan kaynaklandığını ve bu etkinin atomik boyut, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikten etkilendiğini açıklar. Bu nedenle nikel, hem dislokasyon hareketine karşı direnci hem de bu dislokasyonların hareket ettiği fazların kararlılığını değiştirir.

Mukavemetlendirici ve toklaştırıcı bir element olarak nikel

Ferritik çelikte nikel, ikame tipi katı çözelti mukavemetlenmesine katkıda bulunur. Nikel atomları boyut ve bağlanma davranışı bakımından demirden farklıdır; bu nedenle varlıkları yerel elastik gerinim alanları oluşturur. Hareket eden bir dislokasyon bu alanlarla etkileşir ve hareketini sürdürmek için daha yüksek bir uygulanan gerilme gerektirir. Akma dayanımındaki artış, çökelme sertleşmesi veya martenzitik dönüşümle karşılaştırıldığında genellikle orta düzeydedir; ancak nikel, aşırı karbon veya sert ikinci fazlarla ilişkili ciddi süneklik kaybına yol açmadan ferriti mukavemetlendirebildiği için yararlıdır.

Daha önemli katkı çoğu zaman tokluktur. AZoM’nin alaşımlı çelik elementlerine ilişkin değerlendirmesi, nikeli ferritik çeliği mukavemetlendiren ve toklaştıran bir element olarak tanımlar; bu yarar özellikle sıfırın altındaki sıcaklıklarda belirgin hâle gelir. Bu durum, “daha fazla nikel, daha fazla mukavemet” şeklinde evrensel bir kural değildir. Nikel, ferritten östenite dönüşümü, tane ölçeğindeki deformasyonu ve gevrek kırılmanın sünek kırılmayla başarılı biçimde rekabet ettiği sıcaklığı etkiler. Uygun bileşim ve ısıl işlemlerde nikel, sünek–gevrek geçiş sıcaklığını düşürür ve ferritik çeliğin soğuk servis koşullarında darbe enerjisi absorbe etmesine yardımcı olur.

Sonuç, yararlı bir birleşimdir: gevrek kırılmaya karşı direncin iyileşmesiyle birlikte artan mukavemet. Bu birleşim, ASTM A553/A553M kapsamında yer alan %9 nikel içeren basınçlı kap çelikleri gibi nikel alaşımlı düşük sıcaklık çeliklerinin kullanımını açıklar. Bu çeliklerin performansı yalnızca nikeldan kaynaklanmaz. Karbon seviyesi, manganez, ısıl işlem, kalıntı östenit, martenzit morfolojisi, tane boyutu ve kaynak ısıl çevrimlerinin tümü nihai tokluğu etkiler. Nikel, kontrollü bir faz ve mikroyapı tasarımının parçalarından biridir.

Bileşim ayrıca sabit bir reçeteden ziyade dar aralıkta kontrol edilmesi gereken bir değişken olarak ele alınmalıdır. Nippon Steel, alaşım elementlerinin konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir farkın bile çeliğin faz dönüşümü davranışında önemli değişikliklere yol açabileceğini bildirmektedir. Bunun pratik sonucu önemlidir: Nominal nikel içeriği, tam bileşim ve ısıl geçmiş bilinmeden özellikleri öngörmez. Katılaşma sırasında segregasyon, nikel konsantrasyonunun yerel olarak değişmesine neden olabilir; kaynak işlemi ise ana levhadan farklı soğuma hızlarına ve faz oranlarına sahip bölgeler oluşturabilir.

Ferritik çelikte sıfırın altındaki sıcaklıklarda tokluk

Ferritik çelikler hacim merkezli kübik bir yapıya sahiptir ve birçok BCC çelikte kırılma davranışı sıcaklığa belirgin biçimde bağlıdır. Daha yüksek sıcaklıklarda çatlak ucundaki plastik akış çatlağın körelmesini ve sünek kırılmayı destekleyebilir. Sıcaklık düştükçe dislokasyon hareketi zorlaşır, klivaj kırılması daha rekabetçi hâle gelir ve darbe tokluğu keskin biçimde azalabilir. Nikel değerlidir; çünkü bu geçişi daha düşük sıcaklıklara kaydırabilir.

Bu yarar, düşük sıcaklık risklerinin tamamen ortadan kaldırılmasıyla karıştırılmamalıdır. İri taneli bir ferritik yapı, fosfor segregasyonu, temperlenmemiş martenzit, kaynak kusurları veya sürekli gevrek bir ikinci faz yine de erken kırılmaya neden olabilir. Nikel matrisin davranışını iyileştirirken, başka bir mikroyapısal özellik hasarı kontrol edebilir. Tane inceltme özellikle önemlidir; çünkü daha küçük ferrit taneleri genel olarak klivaj kırılması gerilmesini yükseltir ve etkin geçiş sıcaklığını düşürür.

Bu nedenle nikel içeren ferritik çeliklerde proses kontrolü gerekir. Normalizasyon, su verme ve temperleme, interkritik işlem ve kaynak işlemlerinin her biri farklı ferrit, beynit, martenzit ve kalıntı östenit dağılımları oluşturur. Nikel içeriği dönüşüm sıcaklıklarını ve sertleşebilirliği etkiler, ancak nihai yapıyı tek başına belirlemez. Bir levha kalınlığında tok beynit oluşturan soğuma hızı, başka bir kalınlıkta daha sert ve daha az toleranslı bir yapı oluşturabilir.

Kriyojenik sıcaklıklarda mukavemet ile tokluk arasındaki ayrım özellikle belirginleşir. Sıcaklık düştükçe mukavemet artabilirken kırılma direnci azalabilir. Nikel, uygun şekilde tasarlanmış ferritik çeliklerde yalnızca akma için gereken gerilmeyi artırmakla kalmayıp bu dengenin her iki yönünü de iyileştirebildiği için değerlidir.

Paslanmaz çelikte nikel ve östenit kararlılığı

Östenitik paslanmaz çelikte nikel farklı ve temel bir işlev üstlenir: yüzey merkezli kübik östenit fazını kararlı hâle getirir. Krom, paslanmaz pasifleşmeden sorumlu kromca zengin oksit filmi sağlarken nikel, sıcak şekillendirme, çözelti tavlaması ve soğuma sonrasında östenitin oda sıcaklığında korunmasına yardımcı olur. ASTM A240 kapsamında Tip 304 olarak belirtilen UNS S30400 ve ASTM A240 kapsamında yaygın olarak Tip 316L olarak belirtilen UNS S31603 gibi yaygın kaliteler, önemli miktarlarda kromu nikel ile birleştirir; Tip 316L ayrıca lokalize korozyona karşı direnci iyileştirmek için molibden içerir.

Östenit kararlılığı imalat davranışını kontrol eder. Östenitik paslanmaz çelikler genellikle geleneksel su verme sertleşmesiyle mukavemetlendirilemez; çünkü soğuma, matrisi sıradan karbon martenzitine dönüştürmez. Bunun yerine mukavemetlerini katı çözelti, tane boyutu kontrolü ve soğuk işlem yoluyla kazanırlar. Kararlı östenit şekillendirme sırasında sünekliğini korur; ancak yetersiz kararlılık, deformasyon kaynaklı martenzit oluşumuna izin verebilir. Bu dönüşüm mukavemeti ve pekleşmeyi artırırken boyutsal öngörülebilirliği ve bazı durumlarda korozyon performansını azaltır.

Steeluniversity’nin imalat kılavuzları, nikeli tek başına bir kontrol unsuru olarak değil, bileşimsel bir dengenin parçası olarak ele alır. Krom, nikel, karbon, azot, molibden, manganez ve titanyum veya niyobyum gibi stabilizatör ilaveleri, faz dengesini ve proses yanıtını birlikte etkiler. Östenit kararlılığı daha düşük olan 304 tipi bir alaşım, şiddetli soğuk şekillendirme sırasında yüksek nikel içeren bir bileşime kıyasla daha fazla gerinim kaynaklı martenzit oluşturabilir. Buna karşılık, aşırı östenit kararlılığı kaynak metalinin katılaşma davranışını değiştirebilir ve katılaşma çatlağı hassasiyetini azaltmak amacıyla östenitik kaynak metallerinde çoğu zaman korunan ferrit miktarını düşürebilir.

İmalat yöntemi, nominal kalite kadar önemlidir. Sıcak şekillendirme sıcaklığı, çözelti tavı uygulaması, soğuma hızı, deformasyon ve kaynak ısı girdisi; ferrit içeriğini, sigma fazı riskini, karbür çökelmesini ve artık gerilmeyi değiştirebilir. Uygun olmayan ısıl maruziyet sırasında karbon tane sınırlarında krom karbürleri oluşturabilir ve duyarlılaşmaya yol açabilir; 316L gibi düşük karbonlu kaliteler bu riski azaltır, ancak ısıl geçmişi önemsiz hâle getirmez. Azot, östeniti mukavemetlendirebilir ve oyuklanma korozyonu direncini etkileyebilir; molibden ise nikeline basit bir ikame oluşturmadan korozyon davranışını değiştirir.

Bu nedenle nikele tek bir garantili sonuç atfedilemez. Ferritik çelikte nikel, katı çözelti mukavemetlenmesi ve en önemlisi sıfırın altındaki sıcaklıklarda daha iyi tokluk sağlayabilir. Östenitik paslanmaz çelikte ise FCC fazını kararlı hâle getirir ve şekillendirme, pekleşme, kaynak ve dönüşüm davranışını değiştirir. Etki, elementin tek başına varlığına değil, faz bileşimine ve proses geçmişine bağlıdır.

8. Molibden, Azot ve Paslanmaz Mikroyapıların Kararlılığı

Molibden ve azot, krom ve nikel ile birlikte ele alınır; çünkü paslanmaz çeliğin davranışı yalnızca krom içeriğiyle değil, birbirine bağlı bir kimyasal ve faz sistemiyle kontrol edilir. Krom, koruyucu ve kromca zengin bir oksit filminin oluşması için gerekli koşulu sağlar; nikel, ferrit ile östenit arasındaki dengeyi etkiler; molibden lokalize korozyon davranışını ve faz kararlılığını değiştirir; azot ise hem östenit kararlılığını hem de dayanımı etkiler. Karbon, mangan, silisyum ve imalat geçmişi de nihai sonucu değiştirir.

Bu ayrım, aynı kalite ailesi içinde bile önem taşır. Östenitik bir paslanmaz çeliğin nominal bileşimi, haddeleme, kaynak, şekillendirme veya ısıl işlem sonrasında kullanım koşullarındaki davranışını tek başına ve kesin olarak belirlemez. Nippon Steel raporu, alaşım elementi konsantrasyonunda yalnızca %1’lik bir farkın bile faz dönüşümü davranışını önemli ölçüde değiştirebileceği konusunda uyarıda bulunur. Tane sınırları ve arayüzlerdeki segregasyon da yerel bileşimin, kütlesel kimyasal analizden farklı olmasına yol açabilir.

Molibden ve korozyonla ilişkili alaşım tasarımı

Molibden, substitüsyonel bir alaşım elementidir. Steeluniversity’nin açıkladığı üzere, substitüsyonel mukavemetlendirme kısmen kristal kafesindeki çarpılmadan kaynaklanır; bu etkinin büyüklüğü atom boyutu, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikten etkilenir. Bununla birlikte paslanmaz çelikte molibden nadiren yalnızca çekme dayanımını artırmak amacıyla eklenir. Daha önemli tasarım işlevi, özellikle klorür içeren ortamlarda çukurcuklanma ve aralık korozyonu gibi lokalize saldırılara karşı direnci artırmaktır.

PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N), çukurcuklanma direnci eğilimlerini karşılaştırabilir, ancak tek başına hizmet ömrünü öngöremez. Preliminary evidence

Pasif krom oksit filmi, yerel bir kusurda veya birikinti altında bozulabilir. Molibden, metalin kimyasını ve bu tür bölgelerin çevresindeki yeniden pasifleşme sürecini değiştirerek küçük bir çukurcuğun kararlı ve büyüyen bir boşluğa dönüşme eğilimini azaltır. Bu nedenle alaşım karşılaştırmalarında genellikle PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) gibi bir çukurcuklanma direnci eşdeğerliği ilişkisi kullanılır. Bu ifade bir tarama indeksidir; kullanım ömrü denklemi değildir. Yüzey durumu, klorür konsantrasyonu, sıcaklık, asitlik, inklüzyonlar, kaynak oksidasyonu ve aralık geometrisi, bileşimdeki mütevazı bir farkın etkisini aşabilir.

Yaygın östenitik kalite tanımları arasındaki karşılaştırma, molibdeni tek başına bir güvence olarak görmeden bu noktayı ortaya koyar. ASTM A240 Tip 304 ve Tip 316, her ikisi de krom-nikel östenitik paslanmaz çeliklerdir; ancak Tip 316’nın belirtilen kimyasal bileşiminde molibden bulunurken Tip 304’te bulunmaz. Bu bileşimlerle yaygın olarak ilişkilendirilen UNS tanımları UNS S30400 ve UNS S31600’dür; düşük karbonlu varyantlar ise UNS S30403 ve UNS S31603’tür. Klorür içeren ortamlardaki farklı davranışları tek bir “molibden etkisinden” değil; krom, nikel, molibden, azot, karbon, inklüzyonlar ve işleme süreçlerinin birlikte yarattığı etkilerden kaynaklanır.

Molibden faz kararlılığını da değiştirir. Nikele kıyasla genellikle ferrit oluşumunu teşvik eder; dolayısıyla molibden miktarının artırılması östenit payını azaltabilir veya kaynak katılaşma yapısında ferrit oluşumunu teşvik edebilir. Bu ödünleşim, bileşimin bütünü ve ısıl çevrim aracılığıyla yönetilir. Bir kaynak, bir miktar delta ferrit içerecek şekilde katılaşabilirken, haddelenmiş ana malzeme ağırlıklı olarak östenitik olabilir. Aşırı ferrit veya ferritin daha sonra gevrek intermetalik bileşenlere dönüşmesi, tokluğu ve korozyon direncini olumsuz etkileyebilir.

Azot, östenit kararlılığı ve dayanım

Azot, demir kafesindeki arayer konumlarını işgal eder; bu nedenle mukavemetlendirme mekanizması molibdeninkinden farklıdır. Kafes gerinimi oluşturur ve dislokasyonlarla güçlü biçimde etkileşir. Krom-nikel paslanmaz çeliklerde azot aynı zamanda güçlü bir östenit kararlaştırıcıdır. Bu nedenle östeniti korumak için gereken nikelin bir bölümünün yerini alabilir; ancak denge krom, nikel, mangan, molibden, karbon, sıcaklık ve soğuma hızına bağlıdır.

Bu denge kaliteye özgüdür. Çözelti tavlamasından sonra tamamen östenitik kalan bir bileşim kaynak sırasında ferrit oluşturabilirken, soğuk işlem görmüş bir bölgede östenit kararlılığı yetersizse gerinim kaynaklı martenzit gelişebilir. Azot, birçok östenitik bileşimde bu tür dönüşümlere karşı direnci artırır; ancak düşük sıcaklık, deformasyon veya elverişsiz kimyanın etkilerini ortadan kaldırmaz.

Azot, önemli ölçüde katı çözelti mukavemetlendirmesine katkıda bulunur ve fazla karbonla ilişkili karbür kaynaklı hassaslaşma mekanizmasının aynısını oluşturmadan akma dayanımını artırabilir. Genellikle deformasyonla pekleşme kapasitesini de yükseltir. Şekillendirme sırasında bu durum, plastik gerinim biriktikçe metalin hızla pekleşmeye devam edebileceği anlamına gelir; dayanımdaki artışa daha yüksek şekillendirme yükleri ve deformasyonun homojenliğini kontrol etme gereksinimi eşlik edebilir. Kullanım sırasında yüksek deformasyonla pekleşme tepkisi, lokalize plastik deformasyona karşı direnci artırabilir; ancak sonuç yine tane boyutuna, tekstüre, inklüzyonlara ve önceki soğuk işlem durumuna bağlıdır.

Azot, imalat açısından sınırsız bir element değildir. Sıvı ve katı çelikteki çözünürlüğü sıcaklığa ve bileşime bağlıdır; aşırı azot gaz gözenekliliğini, nitrür oluşumunu veya istenmeyen katılaşma yapılarını teşvik edebilir. Molibden ve krom, kimyasal aktiviteyi ve faz kararlılığını değiştirdikleri için belirli nitrürlerin oluşma eğilimini artırır. Böylece azot matriste östeniti desteklerken, çökelme yoluyla yerel olarak matristen uzaklaştırılabilir.

İkincil fazlar ve imalat tepkisi

En bilinen hassaslaşma mekanizması, elverişsiz bir ısıl maruziyet sırasında östenit tane sınırlarında yaygın olarak Cr23C6 şeklinde ifade edilen krom karbürün oluşmasını içerir. Sınırın bitişiğindeki bölgede krom yerel olarak tüketilir ve taneler arası korozyonun kolaylaştığı kromca fakir bir bölge oluşur. UNS S31603 gibi düşük karbonlu kaliteler mevcut karbon miktarını sınırlar; stabilize edilmiş kalitelerde ise karbonu tercihen bağlamak için titanyum veya niyobyum gibi elementler kullanılır. Bu yaklaşımların hiçbiri kaynağı önemsiz hâle getirmez: ısı girdisi, soğuma hızı, bağlantının kısıtlanma durumu, kalınlık ve sonraki ısıl maruziyet yine mikroyapıyı belirler.

Molibden ve krom içeren östenitik paslanmaz çeliklerde, orta sıcaklık aralıklarında uzun süreli maruziyet veya tekrarlanan kaynak çevrimleri sırasında sigma fazı, chi fazı, Laves fazı ya da çeşitli karbür ve nitrürler de oluşabilir. Bu fazlar kromu, molibdeni veya azotu östenitik matristen uzaklaştırabilir ve malzemeyi gevrekleştirebilir. Bu nedenle çözelti tavlanmış durumda klorür direncini artıran bir bileşim, uygun olmayan bir imalat çevriminden sonra daha düşük direnç gösterebilir.

Kaynak, bu etkileşimi görünür hâle getirir. Katılaşma segregasyonu, ferrit oluşturan elementleri dendritler arası bölgelerde yoğunlaştırabilir; azot ve nikel ise kaynak metalinin östenit, ferrit veya karma bir yapı olarak katılaşıp katılaşmayacağını etkiler. Aşırı delta ferrit, sünekliği azaltabilir veya kullanım sırasında ikincil faz oluşumunu teşvik edebilir; bazı kaynak metali bileşimlerinde ferritin çok az olması ise sıcak çatlama duyarlılığını artırabilir. Kaynak sonrası temizlik de önemlidir; çünkü ısı renklenmesi, alttaki kütlesel bileşim değişmemiş olsa bile kromca fakirleşmiş veya oksitle kaplanmış bir yüzey bırakabilir.

Aynı ilke sıcak ve soğuk imalat için de geçerlidir. Çözelti tavlaması, istenmeyen çökeltilerin çoğunu çözer ve daha homojen bir dağılımı yeniden sağlar; ancak gerekli sıcaklık ve su verme işlemi kaliteye ve kesit kalınlığına bağlıdır. Soğuk işlem, dislokasyon birikimi yoluyla dayanımı artırabilir ve manyetik tepkiyi değiştirebilir veya metastabil östenitte martenzitik dönüşümü tetikleyebilir. Hiçbir alaşım elementi sabit bir sonucu garanti etmez. Molibden, azot, krom ve nikel; karbon düzeyi, faz yapısı, segregasyon, çökelti geçmişi ve uygulanan gerçek imalat yöntemiyle birlikte değerlendirilmelidir.

9. HSLA Çeliğinde Vanadyum, Niobyum ve Titanyum

Yüksek dayanımlı düşük alaşımlı (HSLA) çelik, prosese duyarlı alaşımlandırmanın en açık örneğini sunar. Vanadyum, niobyum veya titanyumun küçük miktarlarda ilave edilmesi, yalnızca tek ve sabit bir özellik üreten bileşenlerin eklenmesi anlamına gelmez. Bu elementlerin etkileri; derişime, karbon ve azotun kullanılabilirliğine, yeniden ısıtma sıcaklığına, haddeleme programına, soğuma hızına ve katılaşma sonrasında atomların konumuna bağlıdır. Bir çelik üreticisi, iki ayrı ergitmeye aynı elementi eklese bile ısıl ve deformasyon geçmişleri farklıysa farklı mikroyapılar elde edebilir.

Bu ayrım önemlidir; çünkü üç element farklı mekanizmalar üzerinden etki gösterir. Vanadyum, esas olarak ferrit içinde çökelme yoluyla dayanımı artırır. Niobyum, sıcak haddeleme sırasında östenitte meydana gelenleri değiştirerek yeniden kristalleşmeyi geciktirir ve deformasyonla oluşturulan tane incelmesinin korunmasına yardımcı olur. Titanyum ise son derece kararlı titanyum nitrür, TiN, oluşturur; bu bileşik yeniden ısıtma sırasında östenit tane sınırlarını sabitler. Bu mekanizmalar aynı çelikte birlikte işleyebilir; ancak aynı aşamada gerçekleşmez ve aynı mikroyapısal sonucu doğurmaz.

HSLA kalite sınıfları, bileşimin neden bir garanti olarak yorumlanamayacağını gösterir. ASTM A572/A572M Grade 50 ve ASTM A588/A588M, mekanik ve kimyasal gerekliliklerle tanımlanır; bununla birlikte nihai özellikleri haddeleme ve soğutma uygulamalarına da bağlıdır. World Steel Association, çeliği %2’den az karbon içeren bir demir-karbon alaşımı olarak tanımlar; demir ve karbonun ötesindeki küçük ilaveler, dönüşüm davranışını orantısız ölçüde değiştirebilir. Nippon Steel, alaşım elementlerinin derişiminde yalnızca %1’lik bir farkın bile çeliğin faz dönüşümü davranışında önemli değişikliklere yol açabileceğini bildirmektedir. HSLA ilave düzeylerinde, çökelme durumu veya ısıl geçmişteki çok daha küçük değişiklikler de önem taşıyabilir.

Vanadyum karbür ve karbonitrür çökelmesi

Vanadyum, HSLA çeliğini başlıca ince vanadyum karbür, VC, veya vanadyum karbonitrür, V(C,N), olarak çökelti oluşturduğunda güçlendirir. Sıcak işlem sırasında vanadyumun büyük bölümü östenit içinde çözünmüş halde kalabilir. Çelik soğudukça ve ferrit oluşurken vanadyum ile karbon veya azotun çözünürlüğü değişir. Bunun sonucunda ince parçacıklar ferrit içinde veya ara yüzlerin yakınında çekirdeklenebilir. Bu parçacıklar dislokasyon hareketini engeller; dolayısıyla plastik akmanın gerçekleşmesi için daha yüksek bir uygulanan gerilme gerekir.

Bu, yalnızca katı çözeltiyle dayanımlandırma değil, çökelme yoluyla dayanımlandırmadır. Steeluniversity’nin ikame alaşım elementleri için açıkladığı üzere, demir kafesi içinde çözünmüş bir vanadyum atomu bu kafesi bozar ve katı çözeltiyle dayanımlandırmaya katkıda bulunabilir. Bu etkinin büyüklüğü atomik boyuta, sıkıştırılabilirliğe, kimyasal değerliliğe ve elektronegatifliğe bağlıdır. Bir VC veya V(C,N) parçacığı ise farklı biçimde etki gösterir: Dislokasyonların çevresinden dolanarak veya içinden geçerek hareket etme etkinliğini; parçacığın boyutu, sayı yoğunluğu, koherensi ve parçacıklar arası mesafe belirleyen dağılmış bir engel oluşturur.

Yararlı çökeltilerin ince ve çok sayıda olması gerekir. İri vanadyum karbürler, aynı engel yoğunluğunu sağlamadan alaşım elementlerini tüketir; aşırı yüksek sıcaklıklı bir aşamada oluşan parçacıklar ise nihai ferritik yapı gelişmeden önce kabalaşabilir. Azot, V(C,N) miktarını artırabilir; ancak etkisi karbon-azot dengesine ve özellikle titanyum ile alüminyum gibi rekabet eden nitrür oluşturuculara bağlıdır. Bu nedenle, çökelme sıcaklığı ve soğuma geçmişi bilinmeden nominal vanadyum yüzdesi akma dayanımı hakkında çok az bilgi verir.

Vanadyum, çökelme ve dönüşüm birbiriyle uyumlu hale getirildiğinde etkin ferrit yapısını da inceltebilir. Daha ince ferrit genellikle dayanımı artırır ve çoğu zaman daha küçük klivaj birimi boyutu sayesinde tokluğu iyileştirir; ancak dayanım, süneklik ve darbe performansı yine de bileşimin tamamına ve işlem yoluna bağlıdır. AZoM’nin HSLA metalurjisine ilişkin açıklaması, ince VC veya V(C,N) çökeltilerini artan akma dayanımının kaynaklarından biri olarak tanımlar. Bu ifade doğrudur; ancak yalnızca “vanadyum ilavesi” ile “istenen biçimde çökelme gerçekleşmesi” birbirine karıştırılmadığında geçerlidir.

Niobyum ve kontrollü haddeleme

Niobyumun temel görevi farklıdır. Kontrollü haddelenmiş HSLA çeliğinde çözünmüş niobyum ve niobyum karbonitrür parçacıkları, haddeleme paso­ları arasında östenitin yeniden kristalleşmesini geciktirir. AZoM, niobyumun sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskıladığını belirtir. Bunun önemli bir sonucu vardır: Tekrarlanan deformasyon, hızlı yeniden kristalleşmeyle ortadan kaldırılmak yerine östenit içinde birikebilir.

Yeniden kristalleşmenin geciktirildiği sıcaklıklarda haddeleme sürdürüldükçe, östenit taneleri uzar ve yüksek yoğunlukta deformasyon kusurları içerir. Soğuma sırasında ferrit, bu deforme olmuş östenit yapısıyla ilişkili çok sayıda bölgede çekirdeklenir. Ortaya çıkan ferrit, olağan haddeleme sonrasında oluşacağından çok daha ince olabilir; bu durum tane incelmesi yoluyla dayanımı artırır ve tokluğun korunmasına yardımcı olur. Hall–Petch ilişkisi genel eğilimi açıklar: Ferrit tane boyutunun küçülmesi, tane sınırları dislokasyon hareketini engellediği için akmaya karşı direnci artırır.

Niobyum çözeltide, ince niobyum karbonitrür biçiminde veya bu iki durumun birleşimi halinde bulunabilir. Hangi durumun baskın olacağını sıcaklık belirler. Yeterince yüksek sıcaklıklarda niobyum karbonitrür çözünebilir; böylece niobyum, çözeltide yeniden kristalleşmeyi geciktirmek veya daha sonra çökelmek üzere kullanılabilir durumda kalır. Daha düşük sıcaklıklarda ise parçacıklar oluşabilir ve sabitleme ile sürükleme etkileri gösterebilir. Paso başına haddeleme redüksiyonu, pasolar arası süre, son haddeleme sıcaklığı ve şekil değiştirme birikimi, bu etkilerin amaçlanan östenit yapısını oluşturup oluşturmayacağını belirler.

Bu, ferritik VC’deki anlamıyla çökelme yoluyla dayanımlandırma değil, yeniden kristalleşmenin kontrolüdür. Niobyum karbonitrür parçacıkları, özellikle dönüşümden sonra, çökelme yoluyla dayanımlandırmaya katkıda bulunabilir; ancak kontrollü haddelemenin temel etkisi, östenit içindeki deformasyonun korunmasıdır. Niobyum içeren, ancak ilgili yeniden kristalleşme aralığının üzerinde haddelenen bir çelik, aynı niobyum içeriğine sahip olup kontrollü koşullarda haddelenen bir çelikle aynı tane incelmesini geliştirmeyebilir.

Titanyum nitrür ve yeniden ısıtma sırasındaki tane boyutu

Titanyum daha erken bir ısıl aşamada etki gösterir. Titanyumun azota güçlü bir ilgisi vardır ve kararlı TiN çökeltileri oluşturur. AZoM’ye göre bu parçacıklar HSLA çeliğinde yeniden ısıtma sırasındaki tane boyutunu kontrol eder. Slab veya kütük yeniden ısıtılırken ince ve homojen dağılmış TiN parçacıkları östenit tane sınırlarını sabitler. Sınırların hareketi zorlaşır; dolayısıyla östenit taneleri, etkili sabitleme parçacıkları bulunmayan bir çelikteki kadar hızlı büyümez.

Tane sınırı sabitlemesi parçacık boyutuna ve dağılımına bağlıdır. Çok ince ve çok sayıdaki TiN parçacığı, toplam ara yüz alanını artırır ve tane sınırı hareketine karşı önemli bir direnç oluşturabilir. İri TiN parçacıkları birim hacim başına daha az etkilidir ve bazı yükleme koşullarında gevrek kalıntılar veya çatlak başlatma bölgeleri olarak davranabilir. Fazla titanyum, aşırı azot, yavaş katılaşma veya uygun olmayan yeniden ısıtma, parçacık topluluğunu iri parçacıklar yönünde değiştirebilir. Kimyasal ilavenin kendisi, yararlı parçacık topluluğunu tanımlamaz.

Dolayısıyla titanyum yeniden ısıtma sırasındaki tane boyutunu, niobyum deformasyon sırasında yeniden kristalleşmeyi ve vanadyum ise çoğunlukla dönüşmüş ferriti çökelme yoluyla güçlendirerek kontrol eder. Aşamalar birbiriyle örtüşebilir; ancak analizde mekanizmalar ayrı tutulmalıdır. TiN sabitlemesi, yeniden ısıtmadan önce veya yeniden ısıtma sırasında tane büyümesini sınırlar; niobyum haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini geciktirir; VC veya V(C,N) çökelmesi ise dönüşümden sonra dislokasyon hareketini engeller. Her üç etkiyi de “tane incelmesi” olarak adlandırmak, HSLA işlemesini mümkün kılan diziyi görünmez hale getirir.

Etkileşimler bu diziyi daha da karmaşıklaştırır. Titanyum, azotu TiN biçiminde çözeltiden uzaklaştırabilir ve böylece vanadyum karbonitrürü oluşumu için kullanılabilir azotu azaltabilir. Niobyum ve vanadyum, sıcaklığa bağlı çözünürlük ilişkilerine göre karbon ve azotla rekabet eder. Manganez, silisyum, alüminyum ve diğer elementler dönüşüm sıcaklıklarını ve faz kararlılığını değiştirirken, döküm sırasındaki segregasyon nominal ergitme analizinden farklı yerel bileşimler oluşturabilir. Steeluniversity modülü; silisyum, manganez, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibden dâhil olmak üzere bu elementleri dayanımı, sünekliği, tokluğu, tane boyutunu, sertleşebilirliği ve ısıl işlem tepkisini etkileyen faktörler arasında sıralar.

Pratik sonuç doğrudandır: Vanadyum, niobyum ve titanyum, alaşım ilaveleri oldukları kadar proses araçlarıdır. Derişimleri olasılıkları belirler; yeniden ısıtma, deformasyon, çökelme ve soğuma ise bu olasılıkların hangilerinin mikroyapıya dönüşeceğine karar verir. HSLA spesifikasyonlarının kontrollü üretim uygulamalarını zorunlu kılmasının ve elementleri tek tek ele alan yalıtılmış bir açıklamanın çeliğin performansını eksik biçimde açıklamasının nedeni budur.

10. Alaşım Elementleri ve Faz Dönüşümü

Çelik, sabit bir reçeteyle tanımlanmaz. World Steel Association, çeliği %2’den az karbon içeren; mangan ve daha küçük miktarlarda silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen içeren bir demir–karbon alaşımı olarak tanımlar. Bu tanım, mikroyapının nasıl olacağını öngörmekten ziyade bir bileşim sınırı belirler. Bu sınır içindeki iki çelik, alaşım elementleri faz kararlılığını, difüzyon hızlarını, çekirdeklenme bölgelerini, çökelmeyi ve dönüşümlerin başladığı sıcaklıkları değiştirdiği için aynı fırın çevrimine çok farklı tepkiler verebilir.

Bu ayrım sade karbonlu çelikte önemlidir ve alaşımlı çelik kalitelerinde daha da önem kazanır. Steeluniversity; silisyum, mangan, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni dayanımı, sünekliği, tokluğu, işlenebilirliği, sertleşebilirliği, tane boyutunu ve ısıl işlem tepkisini etkileyen elementler olarak tanımlar. Bu etkiler birbiriyle bağlantılıdır. Mangan, krom, nikel ve molibden difüzyon kontrollü dönüşümleri geciktirebilirken karbon, yeterince hızlı soğutmanın ardından oluşan martenzitin sertliğini kontrol eder. Vanadyum, niyobyum ve titanyum da karbür, karbonitrür ve nitrür çökelmesi yoluyla dönüşüm davranışını değiştirir.

Sertleşebilirlik ve sertlik arasındaki fark

Sertlik, belirli bir işlemden sonra belirli bir konumda ölçülen direnci ifade eder. Sertlik; karbon içeriğine, oluşan martenzit veya diğer sert fazların oranına, temperleme sıcaklığına ve yerel soğutma koşullarına güçlü biçimde bağlıdır. Örneğin hızlı su verilen yüksek karbonlu bir çelik, yüzeye yakın bölgede çok sert martenzit oluşturabilir; ancak bu tek başına martenzitik yapının kalın bir kesit boyunca ne kadar derine uzandığı hakkında fazla bilgi vermez.

SertleşebilirlikSertleşebilirlik Soğutma sırasında çelik kesiti boyunca martenzit oluşturma kapasitesi; çeliğin ulaşabileceği azami sertlikten farklıdır.

Sertleşebilirlik, bir çeliğin su verme sırasında belirli bir derinliğe kadar martenzit oluşturabilme yeteneğini ifade eder. Bu, maksimum sertliğin doğrudan bir ölçüsü değil, kinetik bir özelliktir. Mangan, krom, nikel ve molibden; zaman–sıcaklık–dönüşüm diyagramında perlit ve beynit dönüşümlerini genellikle daha uzun sürelere kaydırarak sertleşebilirliği artırır. Böylece iç bölgedeki daha yavaş soğuma hızı, martenzit oluşması için yeterince uzun süre kritik dönüşüm aralığının altında kalabilir. Karbon da katkıda bulunur; ancak karbon içeriğinin artırılması, ulaşılabilir martenzit sertliğini daha doğrudan yükseltir ve yüksek konsantrasyonlarda kullanıldığında tokluğu azaltabilir veya kalıntı östenit miktarını artırabilir.

Jominy uçtan su verme testi bu farkı gösterir. Su verilen uç hızla soğur ve genellikle martenzit oluşturur; uçtan uzaklaştıkça soğuma hızı düşer ve daha yumuşak perlit, beynit veya karma yapılar gelişebilir. Sertlik profili, hem çeliğin dönüşüm tepkisini hem de oluşan fazların karbona bağlı sertliğini kaydeder. Düşük karbonlu bir çelik önemli ölçüde sertleşebilirliğe, ancak sınırlı maksimum martenzit sertliğine sahip olabilir. Buna karşılık daha yüksek karbonlu bir çelik yüzeyde çok sert olabilir; fakat sertleşebilirliği düşükse büyük bir kesit boyunca sertlikte keskin bir düşüş gösterebilir.

Alaşım elementi tek başına etki göstermez. Krom, sertleşebilirliği artırırken krom bakımından zengin karbürlerin oluşumunu destekleyebilir ve oksidasyon ile korozyon direncini iyileştirebilir. Nikel, östeniti kararlı hâle getirir ve sıfırın altındaki sıcaklıklarda dahi ferritik çeliği dayanıklı kılar; ancak dönüşüm üzerindeki etkisi karbon, mangan, krom ve önceki östenit tane boyutuna bağlıdır. Vanadyum, ince VC veya V(C,N) çökeltileri aracılığıyla dayanımı artırabilir; aynı zamanda kullanılabilir karbon ve azot miktarını değiştirerek östenit–ferrit tepkisini etkileyebilir. Bu elementlerden herhangi birini kesin olarak “sertleştirici” olarak nitelendirmek, gerçek mekanizmayı gizler.

Dönüşüm kinetiği ve ısıl geçmiş

Bir faz diyagramı, hangi fazların denge koşullarında kararlı olduğunu gösterir; gerçek bir çelik parçanın dengeye ne kadar hızlı ulaştığını belirtmez. Dönüşüm kinetiği bu boşluğu doldurur. Östenit, yavaş soğuma sırasında ferrit ve perlitte; orta düzeydeki soğuma hızlarında beynitte; difüzyon bastırıldığında ise martenzitte dönüşebilir. Sonuç yalnızca nihai kimyasal analize değil, sıcaklık yoluna da bağlıdır.

Nippon Steel raporu bu sınırlamayı özellikle açık biçimde ortaya koyar: Alaşım elementi konsantrasyonundaki yalnızca %1’lik bir fark bile faz dönüşümü davranışını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu fark, dönüşüm başlangıç eğrilerinin konumlarını, martenzit oluşum sıcaklığını, kalıntı östenit miktarını veya beynitin oluştuğu aralığı değiştirebilir. %1, birçok alaşım sistemi için önem taşıyacak kadar büyük bir farktır; ancak daha genel nokta şudur: Bir dönüşüm sınırına yaklaşıldığında, bileşimdeki küçük değişiklikler orantısız ölçüde büyük etkiler yaratabilir.

Bu nedenle bileşimle ilgili her iddiaya soğuma hızı da eşlik etmelidir. Fırında soğutulan bir kesit, havada soğutulan bir levha, yağda su verilen bir çubuk ve suda su verilen bir kenar, aynı ergitmeden kesilmiş olsalar bile farklı ısıl gradyanlara maruz kalır ve farklı yapılar oluşturur. Isının yüzeyden çekirdekten önce uzaklaşması nedeniyle kesit kalınlığı sonucu değiştirir. Su verme sırasında karıştırma, aktarma süresi ve yüzey koşulu da ilave değişkenlik yaratır.

Yeniden ısıtma ve haddeleme, nihai ısıl işlem başlamadan önce başka bir ısıl geçmiş oluşturur. AZoM’nin bildirdiğine göre HSLA çeliğinde niyobyum, sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskılar. Deforme olmuş östenit, yassılaşmış taneleri koruyabilir ve sonraki soğuma sırasında ferrit çekirdeklenme bölgelerinin sayısını artırabilir. Titanyum, yeniden ısıtma sırasında östenit tane büyümesini sınırlayan kararlı TiN çökeltileri oluşturur; bu çökeltilerin etkinliği parçacık boyutuna, çözünme sıcaklığına ve azot ile titanyum içeriklerine bağlıdır. Vanadyum, özellikle çökelme dönüşüm sırasında veya dönüşümden sonra gerçekleştiğinde, akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri oluşturur. Aşırı yeniden ısıtma, tane boyutunu kontrol etmek amacıyla tasarlanmış parçacıkları çözebilir; uygun olmayan soğuma ise istenen çökelme tepkisinin gerçekleşmesini engelleyebilir.

Temperleme, yorumu bir kez daha değiştirir. Su verilmiş martenzit aşırı doymuş ve gerilimlidir; temperleme, karbonun yeniden dağılmasına, karbür çökelmesine ve toparlanmaya olanak tanır. Aynı su verme sertliğine sahip bir çelik, 200 °C, 500 °C veya 650 °C’de temperlendikten sonra farklı dayanım, tokluk ve boyutsal kararlılık kazanabilir. Krom, molibden veya vanadyum içeren alaşım karbürleri, daha yüksek sıcaklıkta temperleme sırasında çökelebilir; bu nedenle nihai durum yalnızca su verme sırasındaki kimyadan öngörülemez.

Tane sınırı segregasyonu ve arayüzler

Kütlesel bileşim bir ortalamadır. Atomlar mikroyapı boyunca her zaman düzgün dağılmaz. Fosfor, kükürt, kalay, antimon ve diğer çözünen elementler katılaşma, yeniden ısıtma veya dönüşüm sırasında östenit tane sınırlarında segregasyona uğrayabilir. Tane sınırlarının atomik dizilimi ve enerjisi, tane içlerinden farklıdır; bu durum onları çözünen elementlerin birikmesi ve yeni fazların çekirdeklenmesi için tercih edilen bölgeler hâline getirir. Segregasyon, sınır kohezyonunu azaltabilir, ferrit çekirdeklenmesini değiştirebilir veya yerel dönüşüm sıcaklığını etkileyebilir.

Ferrit, östenit, beynit, martenzit ve çökeltiler arasındaki arayüzlerde de nominal alaşım bileşiminden farklı kimyasal alanlar bulunur. Karbon, dönüşüm geçiren bir fazdan östenite paylaştırılabilir; mangan ve krom ise yer değiştirmeli elementler oldukları için daha yavaş yeniden dağılabilir. Bir element bakımından zenginleşmiş ve başka bir element bakımından fakirleşmiş bir sınır, dönüşümün yerel olarak ilerlemesini hızlandırabilir veya geciktirebilir. Bu nedenle aynı çelik, özellikle inklüzyonların yakınında, önceki östenit sınırlarında, kaynak ısınınca etkilenen bölgelerde ve dökümden kaynaklanan segregasyon bantlarında farklı dönüşüm dizilerine sahip bölgeler içerebilir.

Arayüzler, faz oluşumundan daha fazlasını kontrol eder. İnce TiN parçacıkları östenit sınırlarını sabitler; çözeltide bulunan veya çökelti hâlindeki niyobyum yeniden kristalleşmeyi sınırlar; VC ve V(C,N) parçacıkları dislokasyon hareketini engelleyerek akma dayanımını artırır. Sülfür inklüzyonları çekirdeklenme bölgeleri sağlayabilir; ancak morfoloji ve yönlenmeye bağlı olarak tokluğu da azaltabilir. Paslanmaz çelikte, krom oksit pasifleşmesinin sürdürülebilmesi için yüzeye yakın bölgede yeterli miktarda krom bulunmalıdır; nikel, molibden, azot, karbon ve kararlılaştırıcı elementler ise östenit kararlılığını, pekleşmeyi, duyarlılığı ve ikincil faz oluşumunu etkiler.

Sonuç olarak kimyasal analiz yalnızca başlangıç noktasıdır. Bir element hakkında anlamlı bir ifade; konsantrasyon aralığını, faz içindeki konumunu, segregasyon durumunu, çökelti popülasyonunu, tane boyutunu, soğuma hızını, yeniden ısıtma ve haddeleme programını ve temperleme koşulunu belirtmelidir. Bu değişkenler olmadan “krom sertliği artırır” veya “nikel tokluğu iyileştirir” ifadesi bir sonuç değil, eksik bir hipotezdir.

11. Çelik Kaliteleri ve Standartlar Üzerinden Alaşım Kimyasını Okumak

Bir çelik tanımı, malzemeye ilişkin sıkıştırılmış bir bilgi parçasıdır; malzemenin eksiksiz bir açıklaması değildir. Tanım; bir kimyasal aileyi, bir dayanım sınıfını, bir paslanmaz çelik sınıflandırmasını, bir ürün biçimini veya bir spesifikasyon kategorisini belirtebilir. Yetkili standart, izin verilen bileşimi, çekme ve akma dayanımı gerekliliklerini, uzamayı, darbe deneyini, ısıl işlem durumunu, boyutsal kuralları, numune alma yöntemini ve deney sıcaklığını tanımlayarak eksik koşulları tamamlar. Bu nedenle yalnızca ismi okumak, kimyasal açıdan makul fakat teknik olarak yanlış bir tanımlamaya yol açabilir.

World Steel Association, çeliği %2’den az karbon içeren ve ayrıca manganez ile daha küçük miktarlarda silisyum, fosfor, kükürt ve oksijen bulunduran bir demir-karbon alaşımı olarak tanımlar. Steeluniversity; silisyum, manganez, kükürt, fosfor, alüminyum, bakır, kalay, krom, nikel ve molibdeni, karbon çeliğinin davranışını etkileyen elementler arasında sayar. Bu elementlerin etkileri birbirinden bağımsız değildir. Karbondaki küçük bir değişiklik, kroma verilen tepkiyi değiştirebilir; nikel, östenitin kararlı olduğu sıcaklık aralığını değiştirebilir; molibden, karbür çökelmesini ve menevişleme tepkisini değiştirebilir; ayrıca işlem koşulları, aynı nominal kimyasal bileşimin ferrit, perlit, beynit, martenzit veya bunların bir karışımı hâline gelip gelmeyeceğini belirleyebilir.

Bileşim sınırları ve tanımlama mantığı

Eksiksiz tanımla ve bu tanımı yöneten belgeyle başlayın. Dört soru sorun: Hangi standart geçerlidir, hangi ürün biçimi kapsam dâhilindedir, hangi teslimat veya ısıl işlem koşulu belirtilmiştir ve standardın hangi baskısı sözleşme açısından geçerlidir? Bir çizimde basılı olan tanım, bir malzeme ailesini belirleyebilir; ancak gerekli koşulu ayrı bir satın alma veya mühendislik maddesine bırakabilir. Levha, çubuk, dövme ürün, tel, boru ve döküm ürünler, genel alaşım aileleri benzer görünse bile farklı sınır değerlere ve deneylere tabi olabilir.

Bileşim normal olarak bir reçete şeklinde değil, bir aralık veya üst sınır olarak ifade edilir. Karbon bir üst sınır değeriyle kısıtlanabilirken manganez, krom, nikel veya molibden için alt ve üst sınırlar belirlenebilir. “Maksimum” ifadesi önemlidir. Bu ifade, her ergitmenin bu miktarı içerdiği anlamına gelmez; orta değer de spesifikasyonu temsil etmez. Fosfor, kükürt, bakır, kalay ve azot gibi artık elementler; tokluğu, kaynaklanabilirliği, sıcak gevrekliği, korozyon davranışını veya faz kararlılığını etkiledikleri için sınırlandırılabilir.

Bir tanım, kesin bir kimyasal bileşim yerine bir özellik sınıfını da kodlayabilir. Yüksek dayanımlı düşük alaşımlı veya HSLA çelik spesifikasyonu, gerekli akma dayanımını ve tokluğu sağlamak için çeşitli alaşımlama stratejilerine izin verebilir. Bir üretici niyobyum ve kontrollü haddelemeye daha fazla dayanabilir; izin verilen başka bir kimyasal bileşim ise dayanımı vanadyum çökelmesi veya farklı bir manganez-silisyum dengesi üzerinden sağlayabilir. Tanım, haddeleme programını, soğuma hızını, tane boyutunu veya çökelti dağılımını tek başına ortaya koymaz.

Bu ayrım, faz sınırlarına yakın bölgelerde özellikle önemlidir. Nippon Steel, dönüşüm davranışının alaşım elementi derişimindeki yalnızca %1’lik bir farkla önemli ölçüde değişebileceğini bildirmektedir. Bu değişiklik, dönüşüm başlangıç sıcaklıklarını, sertleşebilirliği, kalıntı östeniti veya beynit ve martenzit oranını değiştirebilir. Kütlesel analiz de tek başına yeterli değildir: tane sınırlarında ve arayüzlerdeki segregasyon, dönüşümlerin nerede başlayacağını ve hangi mekanizmanın baskın olacağını değiştirebilir. Aynı kimyasal sınırları karşılayan bir ergitme, farklı yeniden ısıtma, haddeleme, soğutma veya menevişleme geçmişlerinden sonra yine de farklı mikroyapılar gösterebilir.

Yer substitutional elementler normal kafes noktalarını işgal eder ve kristal kafesi bozarak dayanımı artırır. Steeluniversity bu etkiyi atomik boyut, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikle ilişkilendirir. Karbon ve azot ise esas olarak arayer çözelti elementleri gibi davranır; güçlü yerel gerinim oluşturur ve dislokasyonlar, boşluklar ve alaşım karbürleri veya nitrürleriyle etkileşir. Tanım, derişimi kaydeder; ancak nihai özelliği belirleyen uzaysal dağılımı nadiren belirtir.

Karbon, krom, nikel ve molibden aileleri

Karbon çeliği, görece sınırlı bir alaşımlama kavramıyla tanımlanır; ancak “sade” olması kimyasal açıdan boş olduğu anlamına gelmez. Manganez, katı çözelti dayanımına katkıda bulunur ve kükürtle birleşirken silisyum, deoksidasyonu ve dayanımı etkiler. Kükürt, kontrollü bileşimlerde işlenebilirliği iyileştirebilir; ancak enine sünekliği azaltabilir. Fosfor dayanımı artırabilir, fakat tokluğu olumsuz etkileyebilir. Bakır, kalay, krom, nikel ve molibden artık elementler veya bilinçli olarak eklenen alaşım elementleri olarak bulunabilir; bunların önemi derişime ve işlem koşullarına bağlıdır.

Düşük alaşımlı çelik; sertleşebilirliği, dayanımı, tokluğu, menevişleme direncini, aşınma davranışını veya korozyon davranışını değiştirmek amacıyla kontrollü miktarlarda elementler içerir. Krom sertleşebilirliği artırabilir ve yüksek sıcaklık, oksidasyon ve korozyon direncini iyileştirebilir; ancak etkisi karbon aktivitesine, rekabet eden karbür oluşturuculara ve ısıl çevrime bağlıdır. Nikel, ferritik çeliğin dayanımını ve tokluğunu artırır; özellikle sıfırın altındaki sıcaklıklarda darbe tokluğuna önemli katkı sağlar. Molibden sertleşebilirliği ve menevişleme direncini artırabilir, karbür çökelmesini değiştirebilir; ayrıca çeşitli paslanmaz çelik korozyon sistemlerinde önem taşır.

Ferritik paslanmaz çelik ile östenitik paslanmaz çelik, element adlarının kesin sonuçlar olarak okunamayacağını gösterir. Krom, koruyucu bir krom oksit filmi için temel oluşturur; ancak korozyon direnci, yüzeydeki krom aktivitesine, çevre kimyasına, imalata, inklüzyonlara ve pasif filmin hasar görmesine bağlıdır. Nikel östeniti kararlı hâle getirirken azot, östenitik paslanmaz çeliği güçlendirebilir ve faz dengesini etkileyebilir. Karbon dayanımı artırabilir; ancak uygun olmayan ısıl maruziyet sırasında kromla birleşerek tane sınırlarının yakınındaki kromu azaltabilir ve sensitizasyona neden olabilir. Titanyum veya niyobyum ilaveleri karbonu bağlayarak bu riski azaltabilir; ancak stabilizasyon ilaveleri kaynaklanma davranışını, çökeltileri ve ikincil fazları da etkiler.

Dolayısıyla aynı alaşım elementi mühendislik açısından birbirine zıt sonuçlara yol açabilir. Ferritik bir alaşımda krom, ferrit ve karbür oluşumunu teşvik edebilirken nikel ferriti baskılayıp östeniti destekleyebilir. Molibden, östenitik paslanmaz çelikte lokalize korozyon direncini iyileştirebilir; ancak krom, nikel, azot ve ısıl geçmişle etkileşimi sigma fazının veya diğer ikincil fazların oluşumunu etkiler. Bir aile adı, beklenen faz yapısını tanımlar; ancak her imalat yöntemi sonrasında tek bir mikroyapıyı garanti etmez.

HSLA çelikler, işlem bağımlılığını açıkça ortaya koyar. Sıcak haddeleme sırasında niyobyum, östenitin yeniden kristalleşmesini baskılayarak sonraki ferritik yapının incelmesini sağlayabilir. Titanyum, yeniden ısıtma sırasında tane boyutunun kontrolüne yardımcı olan kararlı TiN çökeltileri oluşturur. Vanadyum, akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri oluşturur. Bu mekanizmalar uygun çözünme, haddeleme, soğutma ve çökelme koşullarını gerektirir. İri parçacıklar hâlinde kalan bir ilave, ince ve iyi dağılmış bir çökelti topluluğuyla aynı dayanım artışını sağlayamaz.

Kalite adları neden malzeme gerekliliklerinin yerini tutmaz?

Bir kalite adı, malzeme gerekliliklerinin yerine geçen bir ifade olarak değil, bir spesifikasyona yönlendiren bir dizin olarak değerlendirilmelidir. Geçerli belge; belirtilen bir kalınlık aralığında minimum akma dayanımı, çekme dayanımı aralığı, minimum uzama ve belirli bir sıcaklıkta Charpy darbe enerjisi gerektirebilir. Ayrıca normalleştirilmiş, su verilmiş ve menevişlenmiş, termomekanik olarak kontrollü, tavlanmış veya çözeltiye alınmış teslimat koşullarını da öngörebilir. Bu maddeler olmadan “aynı kalite”, farklı dayanım, tokluk, kaynaklanabilirlik ve artık gerilime sahip malzemeleri tanımlayabilir.

Deney koşulları, malzeme gerekliliğinin bir parçasıdır. Akma dayanımı; numune yönüne, kalınlığa, gerinim hızına ve deney yöntemine göre değişebilir. Darbe enerjisi, sıcaklığa ve çentik yönüne güçlü biçimde bağlıdır. Kimyasal analiz, farklı kabul kuralları uygulanarak kepçe numunesinden veya ürün numunesinden bildirilebilir. Isıl işlem kayıtları, yüzey durumu, ultrasonik deney, tane boyutu gereklilikleri ve ilave darbe deneyleri, hizmet performansı açısından malzemenin yanında basılı kısa bir tanımdan daha önemli olabilir.

Bu nedenle sağlıklı bir yorumlama, tanımdan standarda, standarttan kimyasal ve mekanik sınırlara, bu sınırlardan da işlem geçmişine ve amaçlanan hizmet koşullarına ilerler. Ergitme analizini izin verilen aralıkla karşılaştırın, ürün biçimini ve koşulunu doğrulayın, gerekli deneyleri kontrol edin; ardından bu koşulların hangi mikroyapıyı oluşturmasının beklendiğini değerlendirin. Bu yaklaşım, bir aile etiketinin garanti olarak yanlış anlaşılmasını önler. Kimya olasılıkları belirler; faz kararlılığı, segregasyon, çökelme ve imalat geçmişi ise bu olasılıklardan hangisinin eldeki çeliğe dönüşeceğine karar verir.

12. Bir Elementin Metalürjik Etkisini Öngörmek İçin Pratik Bir Yöntem

Bir alaşım elementi, beraberinde sabit bir özellik taşımaz. Krom yalnızca bir “korozyon elementi”, vanadyum sadece bir “dayanım elementi” değildir ve kükürt de her zaman zararlı olmaz. Sonuç; atomların nerede konumlandığına, hangi fazların mevcut olduğuna, çeliğin nasıl işlendiğine ve parçanın hangi sıcaklık ve çevre koşullarına maruz kalacağına bağlıdır.

Bu nedenle yararlı bir öngörü, birbirinden yalıtılmış etkilerin listesinden ziyade bir dizi soruyla başlar. Önce elementi konumlandırın. Ardından etkinleştirebileceği veya baskılayabileceği mekanizmayı belirleyin. Son olarak bu açıklamayı bileşim, ısıl geçmiş, deformasyon geçmişi ve kullanım koşullarıyla sınayın.

Elementin nerede bulunduğunu sorun

İlk soru fizikseldir: Katılaşma ve işlemden sonra element nerededir?

Bir element, ikame yer alan çözünen atom olarak ferrit veya östenit içinde kalabilir, ara yerleri işgal edebilir, bir karbür veya karbonitrür içinde karbon ya da azotla birleşebilir, tane sınırlarına segregasyon gösterebilir, bir oksit filminde yoğunlaşabilir veya ayrı bir ikincil faz oluşturabilir. Aynı nominal ilave, bu farklı konumlar aracılığıyla farklı sonuçlar doğurabilir.

İkame atomları kristal örgüdeki demir atomlarının yerini alır. Steeluniversity, bunların pekiştirici etkisini kristal örgü çarpılması olarak açıklar; etkinin büyüklüğü atomik boyut, sıkıştırılabilirlik, kimyasal değerlik ve elektronegatiflikle ilişkilidir. Bu nedenle mangan, silisyum, nikel ve krom, katı çözelti içinde geniş ölçüde dağılmış halde kalırken ferriti pekiştirebilir. Etkileri yalnızca atomik boyutla belirlenmez: matris fazı, derişim ve karbon ile diğer çözünen elementlerle etkileşimler de önem taşır.

Karbon ve azot, ara yerleri işgal ettikleri ve güçlü yerel gerinim alanları oluşturdukları için farklı davranır. Çözünmüş halde kalırlarsa dayanımı artırabilir ve dönüşüm davranışını değiştirebilirler. Krom, niyobyum, titanyum veya vanadyumla birleşirlerse ilgili etki çökelme veya faz kontrolü haline gelir. Bu ayrım belirleyicidir. Çözelti içindeki vanadyum, sertleşebilirliği ve dönüşüm kinetiğini etkileyebilirken, ince VC veya V(C,N) parçacıkları dislokasyon hareketini engeller ve akma dayanımını artırır.

Parçacığın kendisi de önemlidir. AZoM, kararlı TiN çökeltilerini HSLA çeliğinde yeniden ısıtma sırasında tane boyutunu kontrol etmenin bir yolu olarak tanımlar. Katılaşma sırasında oluşan iri TiN, ince ve iyi dağılmış bir çökeltiyle eşdeğer değildir. İlki sınırlı bir pekişme sağlayabilir ve çatlak başlatma bölgesi olarak işlev görebilir; ikincisi ise östenit tane sınırlarını sabitleyebilir. Konum, boyut, sayı yoğunluğu ve kararlılık birlikte değerlendirilmelidir.

Tane sınırlarında bulunma, başka olasılıkları da beraberinde getirir. Fosfor, kükürt, kalay ve antimon, soğuma veya ısıl işlem sırasında segregasyon gösterebilir. Bu tür bir segregasyon, toplam bileşim ılımlı görünse bile sınırları zayıflatabilir, çekirdeklenmeyi değiştirebilir veya kırılma davranışını etkileyebilir. Homojen bir matriste zararsız olan bir element, bir ara yüzeyde yoğunlaştığında zararlı olabilir.

Krom, ilgili fazı veya filmi belirleme gereğini gösterir. Paslanmaz çelikte yüzey bölgesinde yeterli miktarda krom bulunması, daha ileri oksidasyonu ve çözünmeyi yavaşlatan ince, krom bakımından zengin bir oksit filmini destekler. Nikel, molibden ve azot faz dengesini değiştirebilir ve östeniti pekiştirebilir veya kararlı hale getirebilir; titanyum ya da niyobyum gibi karbon ve stabilize edici ilaveler ise karbür oluşumunu ve duyarlanmayı etkiler. Yüzey filmi hasar görmüşse, alaşım tane sınırlarının yakınında tükenmişse veya bir ikincil faz kromu tüketiyorsa, tek başına krom içeriği korozyon performansını öngörmez.

Rekabet halindeki mekanizmaları belirleyin

Elementin konumu bilindikten sonra, özelliği gerçekte hangi mekanizmanın kontrol ettiğini sorun. Başlıca adaylar örgü çarpılması, çökelme, tane incelmesi, dönüşümün gecikmesi, pasifleşme ve östenit kararlılığındaki değişimdir. Aynı anda birden fazla mekanizma işleyebilir ve bu mekanizmalar birbirine zıt yönde etkiler oluşturabilir.

Çözünmüş bir ikame element, dislokasyon hareketini zorlaştırarak dayanımı artırabilir. Aynı çarpılma sünekliği azaltabilir; ancak bu değişim kesin değildir: tane incelmesi veya elverişli bir faz dengesi çözünen elementin olumsuz etkisini telafi ederse, küçük bir ilave uzamada çok az kayıpla dayanımı artırabilir. Örneğin silisyum ve mangan ferriti pekiştirebilir; mangan aynı zamanda östenit kararlılığını ve dönüşüm sıcaklıklarını değiştirir.

Çökelme farklı bir tepki oluşturur. İnce parçacıklar dislokasyonları engeller ve hareketli tane sınırlarını sabitler. Niyobyum, HSLA çeliğinde sıcak haddeleme sırasında östenitin yeniden kristalleşmesini baskılar; böylece deformasyonun birikmesine ve inceltilmiş bir dönüşüm yapısının oluşmasına yardımcı olur. Titanyum nitrür, yeniden ısıtma sırasında östenit tane boyutunu kontrol eder. Vanadyum, akma dayanımını artıran ince VC veya V(C,N) çökeltileri oluşturur. Bu mekanizmalar çökelme sıcaklığına, parçacık boyutuna, yeniden ısıtma sırasında çözünmeye ve soğuma hızına bağlıdır. Karbon ve azot dengesi, haddeleme programı veya temperleme işlemi uygun değilse, nominal bir vanadyum ilavesi yararlı bir çökelme pekişmesi sağlamayı garanti etmez.

Dönüşümün gecikmesi, ferrit, perlit veya beynit oluşumunu daha düşük sıcaklıklara kadar geciktirerek sertleşebilirliği artırabilir. Krom ve molibden bu şekilde genellikle katkı sağlar; ancak etkileri, alaşımın bütünüyle bileşimine ve östenit tane boyutuna bağlıdır. Bir kesit kalınlığında derinlemesine sertleşen bir çelik, başka bir kesit kalınlığında aynı davranışı göstermeyebilir; çünkü soğuma hızı, hangi dönüşümlerin gerçekleşmesi için yeterli zaman bulunduğunu belirler.

Östenit kararlılığı, özelliklerde değişim oluşturmanın ayrı bir yoludur. Nikel, östeniti kararlı hale getirir ve özellikle sıfırın altındaki sıcaklıklarda ferritik çeliğin dayanımını ve tokluğunu artırır; ancak paslanmaz çelik kalitelerinde krom, karbon, azot ve manganla olan dengesi, yapının tamamen östenitik, ferritik veya dubleks olup olmadığını belirlemeye yardımcı olur. Aşırı veya yeterince kontrol edilmeyen ilaveler, istenmeyen ikincil fazların oluşumunu teşvik edebilir. Buna karşılık pasifleşme, olağan hacimsel pekişmeden ziyade bir yüzey işlemidir. Krom bakımından zengin bir oksit filmi, çekme dayanımı üzerinde doğrudan çok az etkiye sahip olurken korozyon direncini iyileştirebilir.

Mekanizmalar çatışabilir. Bir karbür sertliği artırabilir; ancak kromu matristen uzaklaştırarak bölgesel korozyon direncini düşürebilir. Tane incelmesi dayanımı ve tokluğu iyileştirebilirken iri çökeltiler bunun tersini yapabilir. Kükürt, mangan sülfür inklüzyonları oluşturarak işlenebilirliği iyileştirebilir; ancak bu inklüzyonlar enine sünekliği ve korozyon yorulması direncini azaltabilir.

Bileşimi, işlemi ve servis sıcaklığını kontrol edin

Bir sonraki sınama nicel olmalıdır. Bir elementin mevcut olup olmadığını sormayın; ne miktarda bulunduğunu, hangi denge içinde yer aldığını ve hangi fazda bulunduğunu sorun. Nippon Steel raporu, çelikte faz dönüşümü davranışının alaşım elementi derişimindeki yalnızca %1’lik bir farkla bile önemli ölçüde değişebileceği konusunda uyarır. Bu fark; kritik sıcaklıkları, faz oranlarını, segregasyonu, çökelti kararlılığını veya dönüşüm için mevcut süreyi değiştirebilir.

İşlem, nominal kimyasal bileşime baskın gelebilir. Katılaşma, segregasyonu ve inklüzyon oluşumunu kontrol eder. Sıcak haddeleme, yeniden kristalleşmeyi ve tekstürü kontrol eder. Yeniden ısıtma, TiN, NbC veya VC’yi çözebilir ya da bunları olduğu gibi bırakabilir. Soğuma hızı, östenitin ferrit, perlit, beynit veya martenzite dönüşüp dönüşmeyeceğini belirler. Su verme ve temperleme, karbonu yeniden dağıtır ve gerilmeleri giderirken kaynak işlemi iri taneler, sert bölgeler veya duyarlanmış bölgeler oluşturabilecek yerel ısıl çevrimler meydana getirir.

Servis sıcaklığı ayrıca kontrol edilmelidir. Üretim sırasında kararlı olan bir çökelti, yüksek sıcaklıkta uzun süre maruz kalma sırasında irileşebilir. Oda sıcaklığında kararlı olan östenit, deformasyon veya sıfırın altındaki soğuma sırasında dönüşebilir. Nikelin düşük sıcaklık tokluğuna katkısı, oda sıcaklığındaki çekme dayanımından çıkarılamaz. Korozyon direnci de çevreye bağlıdır: klorür maruziyeti, asitlik, potansiyel, çatlaklar ve sıcaklık, pasifleşmenin devam edip etmeyeceğini belirleyebilir.

Bu nedenle nihai tanısal çerçeve şöyledir: elementi katı çözelti içinde, bir karbür veya karbonitrürde, bir tane sınırında, bir oksit filminde ya da bir ikincil fazda konumlandırın; etkin mekanizmanın örgü çarpılması, çökelme, tane incelmesi, dönüşümün gecikmesi, pasifleşme veya östenit kararlılığındaki bir değişim olup olmadığını belirleyin; ardından derişimi, ısıl işlemi, mekanik işlemi ve servis sıcaklığını kontrol edin. Dayanım, süneklik, tokluk, korozyon direnci, işlenebilirlik, sertleşebilirlik veya ısıl işlem tepkisi ancak bu kontrollerden sonra öngörülmelidir.