14.01.2020 MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ MAK221-Malzeme Bilgisi I Doç.Dr. Mevlüt GÜRBÜZ Faz Diyagramlarının Temelleri MAK221-Malzeme Bilgisi I Hafta-11 FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR GİRİŞ • Malzemelerin mekanik özellikleri ve fiziksel özellikleri o malzemenin mikro yapısına bağlı olarak değişim gösterir. Dolayısıyla bir malzemenin endüstriyle amaçlı kullanılabilirliği için mikro yapının tanımlanması oldukça önemlidir. 1 14.01.2020 FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR GİRİŞ • Saf malzemelerin (metal gibi) özellikleri aynı olup tek fazlı yapıya sahiptir. Birden fazla elementin bir araya gelmesiyle oluşan alaşımlarda ise çok fazlı yapı mevcuttur. Alaşım Saf Malzeme Birden çok element içeren malzemelerin (alaşım gibi) mikro yapısı ilave edilen elementin kimyasal içeriğine, sıcaklığa ve soğutma hızına bağlı olarak değişim göstermektedir. Bu nedenle malzemelerin herhangi bir sıcaklık değerinde mikro yapısının analizi uygulamada oldukça önemlidir. Bunun için faz diyagramlarının anlaşılması oldukça önemlidir. FAZ: 1. Yapı veya bileşim bakımından bir diğer bölgeden farklı bir bölgedir. 2. Bir sistemin homojen ve fiziksel özellikler gösteren parçasıdır. (Saf malzme, katı, sıvı ve gaz çözeltide fazdır) 3. Kristal yapılı malzemelerin iç yapılarında homojen ve belirli özellikler gösteren bölgelere faz adı verilir. • FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR GİRİŞ FAZ DİYAGRAMLARI (FAZ ÇİZGELERİ) • Malzeme sistemlerinde farklı sıcaklık, basınç ve bileşimlerde hangi fazların bulunduğunu çizgilerle gösteren şekillerdir ve denge koşullarına göre çizilirler. • Denge hali: Serbest enerji adı verilen termodinamik büyüklük ile tanımlanır. Sebest enerji bir sistemin iç enerjisi ile atom veya moleküllerinin düzensizliğinin (entropi) bir fonksiyonudur. Bir sitemin serbest enerjisi tanımlanan sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşim için en düşük durumda ise sistem dengededir. • Sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşimdeki değişiklikler serbest enerjide artışa neden olur buda malzemenin başka bir hale dönüşmesine neden olmaktadır. Böylece serbest enerji azalır. • Faz dengesi ise bir sisteme ait faz özelliklerinin zamanla değişmediğini ifade etmektedir. Bunun için Şeker-Su şerbeti ile katı şeker örneği verilebilir. FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR • 20oC ‘de denge durmunda Şeker-Su karşımı ağırlıkça 65%Şeker-35% su’dur (Zamanla değişmez). Sıcaklık 100oC olduğunda denge hali geçici olarak bozulur şekerin çözünebilirlik sınırı 80%’e yükselir. Böylece bir miktar daha katı şeker şerbet çözeltinin içine girer ve yükseltilmiş sıcaklıkta yeni bir denge oluşana kadar devam eder. • Serbest enerji yaklaşımı denge özellikleri hakında bilgi vermekte olup , yeniden denge haline gelmesi gereken süre hakkında fikir vermemektedir. Katı sistemlerde denge haline ulaşma hızı çok yavaş olduğundan tam denge haline ulaşılmaz ve dengesiz veya yarı kararlı (meta stable) halde bulunur. Bu uygulamada bazı malzemelere üstünlük sağlamaktadır. (Örn, Al alaşımları ve bazı çelikler üstün mukavemet özelliklerine sahiptir) 2 14.01.2020 FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR FAZ DİYAGRAMLARINDAN 1. Yavaş soğuma koşullarında (denge halinde) değişik sıcaklıklarda ve bileşimlerde hangi fazların mevcut ve stabil olduğu 2. Bir elementin veya bileşiğin bir diğerinin içindeki denge durumundaki katı çözünürlüğü 3. Denge koşullarında soğumakta olan bir alaşımın katılaşmaya başladığı sıcaklık ile katılaşmanın devam ettiği sıcaklık aralığı 4. Farklı fazların hangi sıcaklıklarda erimeye başladığı ELDE EDİLEBİLİR FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR Katı çözelti • Sıvı çözeltide olduğu gibi, katı durumda da bir elementin atomları diğer bir elementin kafes yapısı içerisinde uygun bir yer bulup yerleşmesi (arayer yada yeralan) ile katı çözelti meydana gelir. • Çözeltinin tanımı:İki farklı atomun veya molekülün atomsal veya moleküler düzeyde karışımına ÇÖZELTİ adı verilir. Bu karışım sıvı haldeyse sıvı çözelti, katı haldeyse katı çözelti adını alır. • Bir elemente diğer bir element karıştırılacak olursa, daima toplam iç enerji mimimum olacak şekilde yeni atom düzenleri meydana gelir. FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR 3 14.01.2020 FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR FAZ DİYAGRAMLARI-TEMEL KAVRAMLAR • • • • • Faz kavramı sadece fiziksel durum (maddenin sıvı, katı veya gaz hali) ile ilişkili değildir. Örneğin metal alaşımlarında aynı anda birden fazla katı faz yan yana bulunur. Bileşenin tanımı: Bir alaşımı oluşturan kimyasal elementlere o alaşımın bileşenleri adı verilir. Bir faz içindeki elementleri derişikliği genellikle ağırlık yüzdesi olarak verilir. Saf metaller tek fazlıdır, iç yapıları çok taneli olsa bile, taneler farklı olmadığından ayrı faz sayılmaz. Çeliklerde karakteristik bir yapı olan perlit ise ferrit ve sementit adı verilen iki ayrı fazın lamelli (levhalı) bir şekilde dizilmesiyle oluşur. Saf Mn, Çok kristal, Tane yapıları farklı Çelik yapısı: Ferrit (beyaz alanlar), Sementit (parmak izi görünümlü, levha şeklinde) GİBBS FAZ KURALI • J.W. Gibbs termodinamik incelemeler için seçilen bir sistemde denge halinde bulunabilecek fazların sayısını hesaplayan bir eşitlik ortaya çıkarmıştır. Gibbs faz kuralı: • Bir sistemde bileşen ve faz sayısının belirli olması durumunda serbest değişken olup olmadığını belirlemede kullanılan bir kuraldır. P+F=C+2 4 14.01.2020 GİBBS FAZ KURALI Element, bileşik yada çözelti olabilir Denge halindeki fazların sayısını değiştirmeden diğerlerinden bağımsız olarak değiştirilebilecek değişken sayısıdır. (Basınç, sıcaklık, bileşim) GİBBS FAZ KURALI F+S=B+2 3+S=1+2 S=0 Değişkenlerin (T-P) hiçbiri değiştirilemeyeceği ve üç fazın bir arada bulunmaya devam edeceği anlamına gelir F+S=B+2 1+S=1+2 S=2 İki değişkenin (P-T) birbirinden bağımsız değişebileceğini ve sistemin faz içinde kalacağını göstermektedir. NOT: İkili Faz diyagramlarında basınç genellikle 1atm ‘de tutulduğu için faz çizgesi basitleştirilerek F+S=B+1 halini alır F+S=B+2 2+S=1+2 S=1 Bir değişkenin ( T veya P ) diğerinden bağımsız olarak değiştirilebileceğini ve sistemde iki fazın bir arada kalmaya devam edeceğini göstermektedir. Yani basınç belirlendiğinde katı ve sıvının bir arada olabileceği bir sıcaklık olacaktır. BİR BİLEŞENLİ FAZ DİYAGRAMLARI 5 14.01.2020 BİR BİLEŞENLİ FAZ DİYAGRAMLARI Donma Çizgisi Buharlaşma Çizgisi 1Atm, 760 torr Üçlü nokta (değişmez nokta) 273,16K/6.04x10-3 atm Tek bileşenli sistemlerde kimyasal bileşim sabit olup , T ve P diyagramın değişkenlerini oluşturmaktadır. Bu diyagram basın-sıcaklık diyagramı olarak (P-T) adlandırılmaktadır. T yatay P düşey eksende konumlandırılır. P logaritmik olarak ölçeklendirilir. BİR BİLEŞENLİ FAZ DİYAGRAMLARI Allotropi(Polimorfizm): Bileşimi aynı kalan bir malzemenin kafes yapısının sıcaklıkla değişmesine “Allotropi” adı verilir. 6
