Çeliğin İç Yapısında Bulunan Fazlar Nelerdir?

Çelik, karbonun demirle birleşmesi sonucu oluşan bir malzemedir ve iç yapısında temel olarak ferrit, sementit, östentit, beynit, perlit, ledeburitik, ve martensit gibi fazlar bulunur.

• Ferrit, düşük karbonlu çeliklerde bulunan yumuşak bir fazdır.
• Sementit, yüksek karbonlu çeliklerdeki sertlik artışını temsil eder.
• Östentit, demirin bir başka kararlı yapısıdır ve dönüşüm sıcaklığına bağlı olarak farklı özellikler gösterir.
• Beynit, özellikle paslanmaz çeliklerde bulunur ve korozyona karşı dayanıklılığı artırır.
• Perlit, belirli soğutma işlemleri sonucu oluşan bir karbon demir karışımıdır ve orta sertliği temsil eder.
• Ledeberitik yapı, yüksek hızlı çeliklerde bulunan bir fazdır.
• Martensit ise hızlı soğutma sonucu elde edilen çok sert bir yapıdır ve çeliklerin sertliğini arttırır.

Bütün bu farklı yapılar, çeliklerin çeşitli mekanik ve kimyasal özelliklerini belirler. Bunların mekanik ve kimyasal özelliklerinin nasıl belirlendiğini ise bu yazımızda detaylı bir şekilde değineceğiz.

Ferrit Oluşumu

Ferrit fazı, çelik fazları demir kristalinin Hacim Merkezli Kübik yani (HMK) kafes yapısında bulunan karbonun katı çözeltisini oluşturan bir bileşendir. Karbon çözünürlüğü düşük olduğundan, bu faz içinde bulunan karbon miktarı oldukça sınırlıdır. Ferrit fazı ise oda sıcaklığında neredeyse saf demir gibi davranır, çeliğin içyapısında bulunan fazlar manyetiktir ve 723 °C’de % 0,022 oranında karbon çözebilirken oda sıcaklığında bu oran % 0,006’ya düşer. Ferritin çekme dayanımı 270 MPa’dır ve sertlik yaklaşık olarak 150 HB’dir. Atomik dolgu faktörü 0,68’dir ve kafes parametresi 2,86 Å’dir. Sonuç olarak ferrit fazı az miktarda karbon içerdiği için sertlik ve mukavemeti düşüktür, ancak süneklik ve işlenebilirlik özellikleri yüksektir.

δ-Ferrit Oluşumu

δ-ferrit, çelik fazları HMK (hacim merkezli kübik) kafes yapısına sahip bir fazdır ve a-ferrit ile benzer bir yapıya sahiptir, ancak kafes parametresi a-ferrit fazından daha büyüktür. 1495°C’de δ-ferritin karbon çözünürlüğü %0,09’dur. Bu faz, özellikle paslanmaz çeliklerde ve paslanmaz özellikli plastik kalıp çeliklerinde sıkça bulunur. Bu özellikleri nedeniyle δ-ferrit, endüstriyel çelik üretiminde ve malzeme mühendisliğinde önemli bir role sahiptir.

Sementit Oluşumu

Sementit, metaller arası bir faz olan intermetalik bir bileşiktir ve demir karbürüdür. Bu çeliğin içyapısında bulunan fazlar ortorombik bir kristal yapıya sahiptir ve bu yapı 3 demir atomu ile 1 karbon atomunun birleşmesiyle oluşur. Sert ve kırılgan bir yapıya sahip olan bu bileşiğin karbon çözünürlüğü %6,67’dir ve 215°C’nin altında ferromanyetik özellik gösterir. Sementit fazı, çekme dayanımı düşük (35 MPa) ancak basma dayanımı oldukça yüksek bir ara yer bileşiğidir. Bu nedenle birçok ticari çeliğin sertleştirilmesinde önemli bir rol oynar.

Östentit Oluşumu

Östenit çelik fazları çeliklerin içyapısındaki bir fazdır ve Ferrit ile δ-Ferrit’in aksine yüzey merkezli kübik (YMK) bir kristal yapısına sahiptir. Bu, çeliğin içyapısında bulunan fazlar çelikler ısıtıldığında belirli bir sıcaklık aralığında oluşur ve genellikle demir ve karbonun karışımından kaynaklanır. Östenit, çeliklerin mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler ve birçok uygulamada önemli bir rol oynar.

Östenit oluşumu ise çeliklerin belirli bir sıcaklık aralığında ısıtılması ile başlar. Bu sıcaklık aralığı, çeliklerin kimyasal bileşimine ve istenilen özelliklere bağlı olarak değişebilir. Genellikle ısıtma işlemi, östenitin karbon atomlarını demir matriksi içinde çözebilmesi için gerekli olan bir aşama olarak kabul edilir. Bu durum ise çelikteki karbon miktarına bağlı olarak farklı sıcaklıklarda gerçekleşir. Östenit, çelik soğutulduğunda çelikteki karbon miktarına ve soğutma hızına bağlı olarak farklı fazlara dönüşebilir. Hızlı soğutma işlemi ise östenitin korunmasına ve daha sonra martenzit gibi farklı fazlara dönüşmesine neden olabilir.

Beynit Oluşumu

Beynit çelik fazları östenit fazından izotermal dönüşüm sonucunda oluşan bir yapıdır ve iki farklı oluşum teorisi ile açıklanır. İlk teoriye göre, östenit fazından çekirdeklenen ferrit ve sementit, beynit yapısını meydana getirir. Bu teoriye göre, lamel yapılı olmayan fazda, sementitler ferrit taneleri arasında bulunur ve yapı, C difüzyonu ile büyür. Diğer teoriye göre ise, aşırı doygun ferrit kristalleri, ikizlenme ve kayma mekanizmaları ile beynit yapısını oluşturur.

Beynit oluşumu sırasında, her iki teorinin etkileri bir arada bulunabilir. Perlit oluşum sıcaklığının hemen altındaki sıcaklıklarda, ilk teori daha baskındır ve bu nedenle ferrit ve küresel sementit yapıları beynit mikroyapısını oluşturur ve bu yapı üst beynit olarak adlandırılır. Ancak, martenzit başlama sıcaklığının hemen üzerindeki sıcaklıklarda ikinci teori daha baskındır ve aşırı doygun ferrit kristalleri ile sementit fazı, alt beynit yapısını oluşturur.

Perlit Oluşumu

Perlit çelik fazları östenitin ötektoid dönüşümü sonucu ferrit ve sementite parçalanmasıyla ortaya çıkan bir dönüşüm ürünüdür. Bu, çeliğin içyapısında bulunan fazlar ötektoid bileşimdeki çeliğin östenit bölgesinden yavaş soğutulması ile 723°C sıcaklığında gerçekleşir. Perlit oluşumu, ötektoid dönüşümünün bir sonucu olarak sabit bir sıcaklıkta gerçekleşir.

Perlit, ferrit ana matrisi üzerine sementit lamellerinin düzenli bir şekilde yerleştiği bir lamelli mikroyapıdır ve genellikle %12 sementit ve %88 ferrit içerir. Bu süreçte, östenit fazındaki karbon atomları tane sınırlarına diffüzlenir ve kafeden ayrılır. Bu, östenit fazının yapısının değişmesine yol açar, HMK merkezli ferrit yapısına dönüşür. Kafeyi terk eden karbon atomları, tane sınırlarında demir ile birleşerek sementit (Fe, C) yapısını oluşturur. Oluşan sementit, östenit tane sınırlarında çekirdeklenir ve tane içine doğru büyür. Bu sürecin sonucunda lameller halinde düzenlenmiş ferrit ve sementit fazları perlit yapısını oluşturur.

Ledeburitik Oluşumu

 Ledeburit çelik fazları çeliklerin içyapısındaki bir fazdır ve genellikle çeliklerin karbürleşme süreci sırasında oluşur. Bu, çeliğin içyapısında bulunan fazlar karbonun demirle birleşerek Fe₃C bileşiğini oluşturduğu bir yapıdır. Ledeburit ise tipik olarak çeliklerin ısıtılması ve soğutulması sırasında karbonun yoğunlaşması sonucu oluşur. Bu fazın özel bir özelliği, hem ferrit (α-Fe) hem de sementit (Fe₃C) fazlarını içermesidir.

Leburitik fazın oluşumu, genellikle çeliklerin karbürleştirilmesi sırasında gerçekleşir. Karbürleştirme işlemi ise çeliğin yüzeyini sertleştirmek için kullanılır. Bu işlem sırasında, çelik yüksek sıcaklıklara ısıtılır ve ardından karbon ile zenginleştirilir. Bu ise sıcaklık ve karbon ortamı, ledeburitik fazın oluşumuna neden olur.

Leburitik fazın oluşumu, yüzey sertliğini artıran karbonun yoğunlaşmasını sağlar. Bu, çelik yüzeyinin aşınmaya ve çizilmelere karşı daha dayanıklı hale gelmesini sağlar. Bu nedenle, ledeburitik fazın oluşumu, kesici aletlerden otomobil dişlilerine kadar birçok farklı uygulamada önemlidir.

Martenzit Oluşumu

Fe-C alaşımları, ısıtıldığında ostenitik yapıya dönüşmeden önce çok hızlı bir şekilde düşük sıcaklıklara su verildiğinde, iğnemsi martenzit fazı olarak bilinen tek fazlı ve denge dışı bir yapı oluşur. Bu yüzden çeliğin içyapısında bulunan fazlar atomların kafes yapısındaki yer değişimleri nedeniyle HMT (hacim merkezli tetragonal) yapıya dönüşerek oluşur. Yüksek soğuma hızlarında, karbon atomları martenzit kristal kafesinde yayınlanma fırsatı bulamaz ve bu nedenle aşırı doymuş kararsız bir katı çözelti meydana gelir.

Daha yavaş soğuma veya izotermal ısıl işlemler uygulandığında ise dönüşüm ürünü ferrit ve sementit olur. Martenzit dönüşümü, pratikte zamandan bağımsız olarak kabul edilir. Soğuma hızının çok hızlı olduğu durumlarda, martenzit fazı dönüşememiş ostenit fazı içinde dağılmış iğnemsi tanecikler halinde ortaya çıkar.