Fiziksel Metalurji II Hafta Sunum

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ ve MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

FİZİKSEL METALURJİ Toparlanma ve Rekristalizasyon (25.09.2013)

Yrd. Doç. Dr. Dr. Ş. Hakan ATAPEK ATAPEK

Toparl Top arlanm anma a ve ve Rekris Rekristal taliza izasy syon on - Gir Giriş iş Yen enid iden en kri ris sta tall lle eşm şme e (Rekristalizasyon), alaşımların yapısını kontrol etmemizi sağl sağlay ayan an bir bir ka katı tı-k -kat atıı fa fazz dö dönü nüşü şümü müdü dür r . ı s a n o m y a s z a u n m r i r o e f l e e d n a k t i t s u a c l u P n o s

Soğuk şekil değiştirmiş taneler içinde yeni tanelerin çekirdeklenmesi (t1)

Yeni tanelerin hızla büyüyerek tüm matriksi kaplaması (t1-t2) Tm/2 derecesinde bir sıcaklıkta ısıtma ve tutma

Yeni tanelerin daha düşük hızda büyüyerek nihai tane boyutunun eldesi (t2-t3)

Şekil 1.1. Toparlanma-yeniden kristalleşme-tane büyümesi sıralanmasıyla gerçekleşen gerçekleşen olaylarının şematik gösterimi. NOT : t1 zamanına kadar ışık mikroskobunda hiçbir değişim gözlenmez, ancak atomsal boyutta birçok olay gerçekleşir. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.

2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Fiziksel Metalurji Metalurji Ders Sunumu Sunumu

Toparl Top arlanm anma a ve ve Rekris Rekristal taliza izasy syon on - Gir Giriş iş Yen enid iden en kri ris sta tall lle eşm şme e (Rekristalizasyon), alaşımların yapısını kontrol etmemizi sağl sağlay ayan an bir bir ka katı tı-k -kat atıı fa fazz dö dönü nüşü şümü müdü dür r . ı s a n o m y a s z a u n m r i r o e f l e e d n a k t i t s u a c l u P n o s

Soğuk şekil değiştirmiş taneler içinde yeni tanelerin çekirdeklenmesi (t1)

Yeni tanelerin hızla büyüyerek tüm matriksi kaplaması (t1-t2) Tm/2 derecesinde bir sıcaklıkta ısıtma ve tutma

Yeni tanelerin daha düşük hızda büyüyerek nihai tane boyutunun eldesi (t2-t3)

Şekil 1.1. Toparlanma-yeniden kristalleşme-tane büyümesi sıralanmasıyla gerçekleşen gerçekleşen olaylarının şematik gösterimi. NOT : t1 zamanına kadar ışık mikroskobunda hiçbir değişim gözlenmez, ancak atomsal boyutta birçok olay gerçekleşir. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanm Topa rlanma a ve Rekristaliz Rekristalizasy asyon on - Giriş Toparlanma

Rekristalizasyon

Yeni gerinmesiz tanelerin ortaya çıkmasından önce oluşan tüm tavlama olaylarıdır. / a n e m o n e h p n o i t a z i l l a t s y r c e r / m o c . s e i m m u d r o f y g r u l l a t e m / / : p t t h

Yeni gerinmesiz tanelerin çekirdeklenmesi ve bu tanelerin büyümesi ile soğuk şekil değiştirmiş matriksin sürekli olarak tüketilmesidir. Soğuk şekil değiştirmiş bir metalin tavlanması sonucu oluşan prosesler 3 alt bölüme ayrılır; Toparlanma

Rekristalizasyon

Tane büyümesi Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş İtici güç?

Toparlanma ve yeniden kristalleşme (soğuk şekil değiştirmiş matriksin depoladığı enerji)

Tane büyümesi (tane sınırlarının bükümü)

Bir metal plastik olarak deforme edildiğinde önemli miktarda enerji harcanır. Bu enerjinin çoğu ısıya gider, ancak küçük bir miktarı metalde depolanmış enerji olarak kalır. Bu enerji toparlanma ve rekristalizasyon aşamasına kaynak oluşturur. Artan deformasyon ile toplam depolanan enerji artar, ancak depolanan enerji oranı giderek azalır.

Şekil 1.2. Cu‘ın deformasyonu sırasında depolanmış enerji miktarı. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.

2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş itici güç

atom başına Gibbs serbest enerjisi (kimyasal potansiyel*)

depolanmış enerji G = H-TS G = E + PV –TS ∆G

= ∆E + P∆V – T∆S

(P, T) sabit

∆E’e göre küçük terimler

∆G

= ∆E = Es = Depolanmış enerji

*) Kimyasal potansiyel; bir element ya da bileşiğin atom veya molekül (veya mol) başına düşen Gibbs serbest enerjisidir, yani büyüklüğe bağlı olmayan (yoğunluk, sıcaklık gibi) bir özelliktir. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Enerji depolama mekanizmaları Elastik gerinme (şekil değişimi)

Kafes hataları

Eğer bir kafes ε miktarında şekil değiştirirse, birim hacimde ε2E/2 kadar gerinme enerjisine sahip olur. Bu enerji depolanmış enerjinin sadece %5-10’u kadardır.

Plastik deformasyon hatalar üretir.

kristal

kafesinde

Herbir hata tarafından üretilen depolanmış enerji hata yoğunluğuna bağlıdır (oda sıcaklığında üretilen başlıca hatalar dislokasyonlar ve boşyerlerdir). Depolanmış enerjinin %80-90’ı dislokasyon üretiminden kaynaklanır.

http://softimage.wiki.softimage.com/xsidocs/deforms_Lattices.htm


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Eğer dislokasyonlar deformasyon sıcaklığında düşük hareketliliğe sahip ise gelişigüzel bir dizin halinde yer alırlar. Ancak eğer dislokasyonlar çapraz kayabilirlerse düğümlerde yoğunlaşmaya başlar ve alt taneler oluşur ve ilave tavlama ile sınırlar belirginleşir.

Dislokasyon yoğunluğu düşük alt tane veya hücre

Şekil 1.3. Aluminyumda tane yapısı ve alt tane yapısının şematik gösterimi (OM: Optik Mikroskop, TEM: Transmisyon Elektron Mikroskobu) Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş

Bestmann & Prior, 2003.

Schematic model to show the development of new grains within the porphyroclast with increasing strain. (a) Gradual lattice bending around a specific rotation axis. (b) Recovery of dislocations into subgrain walls during ongoing deformation. (c) Subgrain rotation. (d) With increasing input of dislocations into the existing subgrain walls, the nature of the boundary changes. Ongoing strain may involve diffusion accommodated grain boundary sliding of the newly developed grains. As a result, the new grain loses its geometrical relationship to the host grain. Thick grey lines in the lower row show lattice orientations (schematically). 2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Depolanmış enerjinin (Es) miktarına etki eden değişkenler

Saflık

Empürite atomları dislokasyon hareketini engeller ve dislokasyon yoğunluğu artar.

Saflık azalırsa Es artar.

Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.



Deformasyon

Dislokasyon kesişmeleri sıklaşır, dislokasyon yoğunluğu artar.

Kompleks deformasyon prosesleri Es’i artırır.




Sıcaklık

Hatalar arasındaki etkileşimi azaltmak için daha az termal enerji vardır.

Düşük sıcaklıkta deformasyon Es’i artırır.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Depolanmış enerjinin (Es) miktarına etki eden değişkenler Tane Boyutu

Tane sınırı ve tane sınırıdislokasyon etkileşimi artar.

Küçülen tane boyutu ile Es artar.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Tavlama sırasında depolanmış enerjinin serbest kalması Soğuk deforme metal Kıyaslama Teknik

ısıtma

Es serbestleşmesi

soğuk deforme metal

tavlanmış metal

Eşit hızlarda her iki numunenin sıcaklığını arttırmak için gerekli olan güç farkı, ∆P’yi ölçmek!

Şekil 1.4. Üç tip enerji serbestleşme eğrisi.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Tavlama sırasında depolanmış enerjinin serbest kalması Her bir durumda yeniden kristallenmiş taneler birincil olarak büyük güç piklerinin ilk çıkışında görülür. Toparlanma sırasında verilen depolanmış enerjinin bir kısmı A tipi için küçük ve C tipi için büyüktür. A tipi eğriler saf metaller için, B ve C tipi eğriler ise katışkılı metaller için elde edilir. Empürite atomları yeniden kristallenmiş tanelerin çekirdeklenmesini engeller, bu nedenle toparlanma sürecinde daha fazla Es açığa çıkar (B ve C eğrileri).



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Tavlama sırasında özelliklerin değişimi

Şekil 1.5. Toparlanma ve yeniden kristalleşme sırasında çeşitli fiziksel özeliklerin değişimi Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.



Callister, «Fundamentals of Materials Science and Engineering», W iley, 2000.



Sertlik

Toparlanma sırasında değişim az! Sertlik azalan dislokasyon yoğunluğu ile azaldığı için rekristalizasyon sırasında düşer.

Elektriksel direnç

Noktasal hatalar elektron akışını azaltır ve elektriksel direnci artırır. Toparlanma sırasında noktasal hatalar azalır, direnç düşer.

Yoğunluk

Boşyerlerin üretimi ile kafes genişler, yoğunluk düşer. Toparlanma sırasında noktasal hatalar azalır, yoğunluk artmaya başlar.



Alt tane boyutu

Alt taneler dislokasyon yoğunluğunun düşük olduğu bölgelerdir. Rekristalizasyon ile boyutları artar.

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları

Sıcaklık

Devreye giren mekanizmalar Noktasal hataların sinklere (tane sınırları,dislokasyonlar vs) göçü Düşük Noktasal hataların kombinasyonu Etkin mekanizma : Boşyer hareketi Dislokasyonların düğümler içinde yeniden düzenlenmesi Dislokasyonların yok olması Orta Alt tane büyümesi Etkin mekanizma : Dislokasyon hareketi (tırmanma hariç!) Dislokasyon tırmanması Alt tanelerin birleşmesi Yüksek Poligonizasyon Etkin mekanizma : Dislokasyon hareketi (tırmanmalı!) Tablo 1.1. Toparlanma mekanizmaları.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – alt tane büyümesi Deformasyon sonrası, dislokasyon düğümlerinin oluşması ile düşük dislokasyon yoğunluğu olan bölgeler izole olur. Bu hücreler birbirine göre birkaç derecelik oryantasyon sapması gösterir ve 0.1-1 mm arası bir boyut dağılımına sahiptir. Tavlama ile sınırlar keskinleşir, dislokasyon yoğunluğu hücre içinde azalır. Toparlanma sonlarına doğru bu tanelerin boyutları artmaya başlar

Dislokasyon yoğunluğu düşük alt tane veya hücre

Şekil 1.3. Aluminyumda tane yapısı ve alt tane yapısının şematik gösterimi (OM: Optik Mikroskop, TEM: Transmisyon Elektron Mikroskobu) Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – alt tane büyümesi Bazı durumlarda alt taneler arasındaki sınırlar toparlanma sırasında yok olur. Açık olmayan bir proses ile iki komşu tane arasındaki oryantasyon uyumsuzluğu ortadan kalkar. Bu durum tırmanma dahil arayüzey dislokasyonlarının hareketi ile başarılmaktadır.

Şekil 1.6. Alt tanenin dönmesi ile alt tane birleşiminin şematik gösterimi. 2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – Poligonizasyon X-ışın analizi kullanılarak bir tek kristal biraz eğildiğinde ve sonra tavlandığında küçük tek kristal blokcuklara ayrıldığı bulunmuştur. Bu poligonize olmuş bir yapıya işaret eder.

Şekil 1.7. (a) Bir eğilmiş tekkristal ve Laue spot paterni ile bağıntısı (b) Poligonize olmuş kristal ve Laue spot paterni ile bağıntısı.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – Poligonizasyon Tek kristalin eğilmesi ile birlikte aşırı pozitif kenar dislokasyonu üretilmiştir. Tavlama sonucu bu kenar dislokasyonları küçük açılı tilt (eğim) sınırlarında üst üste dizilir (bu hem kayma hem tırmanma gerektirir!)

Şekil 1.8. (a) Eğme ile üretilen aşırı kenar dislokasyonu, (b) poligonizasyon sonrası kenar dislokasyonlarının çizgisel olarak sıralanması Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – Poligonizasyon Poligonizasyon aşırı miktarda kenar dislokasyonu gerektirir.

Poligonizasyon

Dislokasyonların düğümlenerek hücresel yoğunlaşması ile üretilen alt taneden kabaca on kat daha büyük alttane üretir. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Sadece daha yüksek toparlanma sıcaklıklarında üretilirler; (dislokasyon tırmanması)

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – Poligonizasyon / Örnekleme Zhang et al., 2000.

TEM micrographs showing (a) new recrystallized gamma grains and (b) recovered grains observed in the BD areas and (c) polygonized subgrains formed in the remnant gamma laths after heat treatment at 1100°C for 10 min followed by air cooling. The angles marked in (c) are the misorientations between the subgrains with respect to subgrain A. (d) BSE micrograph showing fine equiaxed grains developed in prior BD areas and coarse lamellae formed in prior RL areas after heat treatment at 1100°C for 2 h followed by air cooling. TiAl alloy 2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma mekanizmaları – Poligonizasyon / Örnekleme Barber et al., 2010.

Etch-pits marking the emergence sites of dislocations in halite: (a) Slip bands in a bent single crystal with glide polygonization in the bands (i.e., alignment perpendicular to the slip direction). The crystal was etched before and after bending; the larger etch-pits define where grown-in dislocations emerged at the surface. (b) Mostly tilt sub-boundaries formed by the annealing of a bent single crystal. The apices of the “vees” are aligned along the neutral axis of the bar (Barber, unpublished data). 2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma kinetiği Toparlanma kinetiğinin analizinden toparlanma mekanizması ile ilişkili bilgi edinmek mümkündür. P : toparlanma aşaması sırasında bazı fiziksel özeliklerdeki değişim olsun! Bir fiziksel özelliği (direnç gibi) ele alalım ; P = Po + Pd Po = Özelliğin deformasyon öncesi değeri Pd = Deformasyon sonrası üretilen hatalar sonucu oluşan artış P = Po + sabit.Cd

(1)

Cd = Hacımsal hata konsantrasyonu Fiziksel özelliğin zamana göre değişim hızı (toparlanma sırasında) önemlidir. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma kinetiği

d ( P − Po) dt

dCd

=

sabit .

K (C d ) n e

= −

dt d ( P − Po) ( P − Po)

n

Ae

= −

dC d

−

−

Hataların azalma hızı (2)

dt Q / kT

Q / kT

(3)

dt (4)

Problemi kimyasal reaksiyon hız teorisi olarak ele aldığımızda bu eşitlik yazılabilir (1), (2) ve (3) no’lu eşitlikler birleştirilir

(5) (4) ve (5) no’lu eşitlikler toparlanma sırasında fiziksel özelliklerin değişiminin zamana bağımlılığını tanımlar. Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma kinetiği

Şekil 1.9. a) Zn tek kristaller için kayma gerilmesi-şekil değişimi bağıntısı, b) Toparlanma sırasında akma mukavemetinin zaman-sıcaklık değişimi

Zn tek kristali saf kayma sonucu şekil değiştirmiştir. Bu durum akma mukavemetini τo değerinden τmax’a artırır (Şekil 1.9 a). Toparlanma akma mukavemetinin tekrar τmax’dan τo’a düşmesine neden olur. Bu düşüşün hızı Şekil 1.9 b’de görüldüğü gibi zamanın ve sıcaklığın fonksiyonudur. 2013-2014 Güz Yarıyılı Fiziksel Metalurji Ders Sunumu

ln t = sabit +

Q kT

Sabit bir t değeri için geçerli eşitlik, buradan Q hesaplanabilir Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Toparlanma kinetiği – genel sonuçlar

1 Toparlanma genellikle zaman ile eksponansiyel olarak oluşur.

2 Kinetik datanın doğru analizi ile bazı durumlarda Q belirlenebilir.

kısa sürelerde boşyer göçü uzun sürelerde dislokasyon tırmanması Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


3 Genellikle birden fazla toparlanma mekanizması devreye girer; böylece Q sabit değildir.

Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Rekristalizasyon için çekirdeklenme mekanizmaları Rekristalizasyon için çekirdeklenme mekanizması klasik çekirdeklenme mekanizmasına uymaz. Çünkü burada kabul edilen kritik boyutlu cluster yapıçapı deneylerde belirlenenden çok daha büyüktür. Metalin cinsine ve deformasyon derecesine bağlı olarak rekristalizasyon için 2 çekirdekleşme mekanizması gözlenmektedir. Deforme olmuş metal deformasyon sonucu 2 tip arayüzey içerir : 1) Önceden var olan tane sınırları 2) Deformasyon sonucu oluşan alt tane sınırları

Çekirdekleşme bu iki sınırdan birinin ani büyümesi ile oluşur.



Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Rekristalizasyon için çekirdeklenme mekanizmaları (Önceden var olan tane sınırlarının ani büyümesi )

Şekil 1.10. (a) Bir arayüzeyin yüksek dislokasyon yoğunluklu tane içine ani büyümesi, (b) Bu çekirdekleşme olayını açıklayan model. Yüksek dislokasyon yoğunluklu orijinal tane ile düşük dislokasyon yoğunluklu orijinal tane arasındaki sınır, Şekil 1.10 a’da gösterildiği gibi aniden dışa doğru (yüksek dislokasyon yoğunluklu taneye doğru) büyür. Buradaki çekirdekleşme olayı aslında bir büyüme olayıdır. Modele göre bir arayüzeyin büyümesi için Es > (2γ/a) olmalıdır ve mobilitesi (B) yüksek arayüzeyler gereklidir (yüksek açılı tane sınırları, çakışma sınırları vb.). Ş. Karagöz, «Fiziksel Metalurji Ders Notları», KOÜ, 2004.


Toparlanma ve Rekristalizasyon - Giriş Rekristalizasyon için çekirdeklenme mekanizmaları (Alt tane sınırının ani büyümesi) Genelde 2 mekanizma bu tip büyümeyi oluşturur!

2

1 İlk olarak alt taneler büyür (birleşme ya da alt tane sınırı göçü ile). Sonuç olarak B’si yüksek hareketli arayüzey oluşur (yüksek açılı tane sınırı) ve bu arayüzey Es > (2γ/a) olduğu durumda büyür.

Daha karışıktır. Yüksek derecede deforme olmuş metallerde gerçekleşir. Yüksek açılı alt tane sınırları deformasyon sonucu oluşur. Alt tane sınırında atomik konumda düzenleme oluşur, varolan yüksek hareketli sınır modifiye olur ve büyüme gerçekleşir.



Fiziksel Metalurji II Hafta Sunum

Recommend Documents