Bir çeliğin mukavemetini ve sertliğini değiştirmeye başladığımızda, birkaç şeyi aklınızda bulundurun. İlk olarak, sertliği sertleşebilirlikle karıştırmayın. Bir çeliğin maksimum sertliği, karbon içeriğinin bir fonksiyonudur: Daha fazla karbon, daha fazla sertlik. Sertleşebilirlik ise soğuma sırasında mikroyapıda oluşan martenzit miktarını ifade eder.
İkincisi, düşük sertleşebilirlikteki çelikler, martenziti dönüştürmek için hızlı soğutma gerektirirken, yüksek sertleşebilirlikteki çelikler, havayla soğutulduklarında martenzit oluşturur. Bu sertleşebilirlik özellikleri önemlidir. Çünkü bir çeliğin kaynak sırasında ne kadar sertleşeceğini belirlemeye yardımcı olurlar.
Temperleme Martensit
“Söndürülmüş” durumdaki martensit genellikle son derece kırılgandır ve bu nedenle kimse için pek iyi değildir. Ancak bir tavlama ısıl işlemi, mukavemette yalnızca hafif ila orta dereceli bir azalma ile sünekliği ve tokluğu etkili bir şekilde artırabilir.
Genel olarak tavlama, sertleştirilmiş çeliğin belirli bir sıcaklığa kadar yeniden ısıtılmasını ve soğumadan önce kısa bir süre orada tutulmasını içerir. Bu, tokluğu (şok veya darbe yüklemesine karşı direnç) artırır ve karbonun küçük karbür parçacıklarına çökelmesine izin vererek kırılganlığı azaltır. Ortaya çıkan mikro yapı, temperlenmiş martensit olarak adlandırılır.
Ortaya çıkan sertlik ve tokluk arasındaki ilişki aslında belirli bir tavlama süresi ve sıcaklığı kullanılarak kontrol edilen bir uzlaşmadır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, çelik o kadar yumuşak ve sert olur. Bu makalenin ilerleyen kısımlarında bu konuda daha fazla ayrıntıya gireceğim. Su verme ve temperleme, yapısal çeliklerin, basınçlı kapların ve hatta makinelerin kalitelerini iyileştirir. Düşük alaşımlı çelikler su verildiğinde ve temperlendiğinde, sonuç, özellikle sıcak haddelenmiş, normalize edilmiş veya tavlanmış çelikle karşılaştırıldığında, yüksek çekme ve akma dayanımı ve iyileştirilmiş çentik tokluğudur.
Metallerin Güçlendirilmesi
Bir metalin gücünü artırmanın dört yolu vardır:
- Soğuk şekillendirme
- Katı çözelti sertleşmesi
- Dönüşüm sertleştirme
- Çökelterek sertleştirme
Çökeltme sertleştirme, bazı çeliklerde yüksek mukavemet ve sertlik geliştirmenin etkili bir yolu olsa da, çoğunlukla alüminyum alaşımlı bir uygulamadır ve diğerlerinden biraz daha karmaşıktır, bu yüzden onu bir sonraki sütunda ele alacağım.
Bir metalin soğuk işlenmesi, kristal yapılarını deforme eder ve zorlar, bu da metalin sertleşmesine neden olur. Çelik, soğuk iş çeliğini, plastik halinin altındaki bir sıcaklıkta çelikle silindirler arasında ileri geri çalıştırarak öğütür. Bu, çeliğin sünekliğini azaltırken sertliğini ve çekme mukavemetini artıran tane yapısını bozar. Sac levha imalatçıları ve çekiç şekillendiriciler de bununla ilgilenir. Temperlenmiş sac veya alüminyum bir parça çekiçle bir süre işlendikten sonra sertleşmeye ve kırılganlaşmaya başlar, bu nedenle çatlamadan veya parçalanmadan çalışmaya devam edebilmek için tekrar temperlemeniz gerekebilir.
Katı çözelti sertleştirmesi, ana metalin kristal kafesine kolayca sığmayan alaşım metalleri ekleyerek bir metalin kristal yapısını zorlar. Bu eklenen stres, çekme mukavemetini arttırır ve sünekliği azaltır.
Dönüşüm sertleştirme, bu makalenin başlarında ele alınan ısıyla söndürme-tavlama ısıl işlem döngüsüdür. Özel uygulama gereksinimlerini karşılamak için mukavemeti ve sünekliği ayarlamak için kullanılır. Dönüşüm sağlamlaştırmanın üç adımı vardır:
- Çeliği A3-Acm dönüşüm sıcaklığının (o çeliğin demir-karbon diyagramından) 50 ila 100 derece F üzerinde ısıtarak tamamen östenitik hale gelmesini sağlayın. Buna östenitleme denir.
- Çeliği söndürün; yani perlit ve ferritin (veya perlit ve sementitin) denge malzemeleri oluşamayacak kadar hızlı soğutun ve geriye kalan tek şey geçiş yapısı martensittir. Buradaki fikir yüzde 100 martensit oluşturmaktır.
- Isıtılması gereken martensitik çeliği temperleyerek kırılganlığı azaltın, ancak sıcaklıkları A1’in altında tutun. Tipik olarak, bu, martensitin bir kısmının perlit ve sementite dönüşmesine izin veren sıcaklıkların 400 ila 1.300 derece F arasında olduğu anlamına gelir. Ardından parçanın yavaşça hava ile soğumasına izin verin.
Uygun ısıl işlemi kullanarak ve tam olarak doğru miktarda karbon içeren bir çelik seçerek, belirli bir gereksinimi karşılamak için hemen hemen her türlü sertlik ve süneklik kombinasyonunu elde edebilirsiniz. Unutmayın, ne kadar çok perlit ve sementit oluşursa çelik o kadar sünek ve daha az kırılgan olacaktır. Tersine, daha fazla martensit, daha az süneklik ancak daha fazla sertlik anlamına gelir.
Bu noktaya kadar göz ardı ettiğim bir konu, çökelme sertleşmesi sırasında tane yapısı değişiklikleridir. Bir çeliğin tane boyutu östenitleme sıcaklığına bağlıdır. Dönüşecek bir çelik, A3 sıcaklığının biraz üzerine ısıtıldığında ve ardından oda sıcaklığına soğutulduğunda, tane inceltme gerçekleşir. İnce tane boyutu daha iyi tokluk ve süneklik sunar.
1.800 derece F’den yüksek östenitleme sıcaklıkları genellikle kaba östenitik tane yapısına neden olur ve bu iri taneli çelikler genellikle mukavemet, süneklik ve tokluk açısından ince taneli çeliklerden daha düşüktür. Çelik dövmeler ve dökümler genellikle tane yapılarını iyileştirmek için özel olarak normalleştirilir.
Kaynak Sertleşmeyi Nasıl Etkiler?
Bir metali doğru bir şekilde güçlendirmek için bazen çok şey gerektiği açık olmalıdır. Peki, iki parça sertleştirilmiş çeliği birbirine kaynak yaptığınızda tüm bu işi ne kadar etkilersiniz? Duruma göre değişir.
İlk olarak, sadece kaynaklı bağlantının değil, tüm ısıdan etkilenen bölgenin [heat-affected zone (HAZ)] kaynak ısısından etkilendiğini kabul edin. Ana metalin mekanik özellikleri veya mikro yapısı kaynak, lehimleme veya termal kesme ısısıyla değiştirilmiş kısmı olarak tanımlanan HAZ bazen oldukça büyük olabilir.
İkincisi, hangi güçlendirme biçiminin kullanıldığına bağlıdır. Örneğin, işlemle sertleştirilmiş metaller, HAZ’da önemli ölçüde yeniden kristalleşir ve yumuşar. Katı solüsyonla sertleştirilmiş metaller, füzyon hattının yanında küçük bir tane büyümesine sahip olacaktır, ancak bu genellikle sadece birkaç tane genişliğindedir ve metalin özellikleri üzerinde çok az etkisi vardır.
Martenzit oluşturmak için yeterli sertleşebilirliğe sahip dönüşümle sertleştirilmiş alaşımlar veya önceki ısıl işlem sırasında martensit oluşturmuş olanlar, katı çözeltiyle sertleştirilmiş metal gibi reaksiyona girerler: Füzyon hattındaki küçük tanecik büyümesi dışında, diğer sertleştirme teknikleriyle karşılaştırıldığında HAZ’da çok az değişiklik vardır. Çökeltme ile sertleştirilmiş metaller bazı karmaşık değişikliklerden geçer, ancak sonuç işlenerek sertleştirilmiş metallere benzer: HAZ’daki baz metal bir tavlama döngüsünden geçer ve yumuşar.
Bu, metal güçlendirme tekniklerinin temellerini ve bu tekniklerin bir metalin mikro yapısını nasıl etkilediğini kapsar.
