metal ve alaşımların katılaşması

METAL VE ALAŞIMLARIN KATILAŞMASI

Metal ve alaşım malzemelerin kullanım özellikleri büyük ölçüde katılaşma sırasında oluşan iç yapı
ile belirlenir. Dolayısıyla, özellikle döküm malzemelerin özelliklerinin kontrol edilebilmesi için
katılaşma olayının iyi bilinmesi gerekir.

Sıvı metal kalıba girer girmez dışarıya ısı verir. Bu ısı, aşırı ısınma ısısı olup katılaşmanın
başlamasından önce dışarıya iletilir. Bu ısıdan başka, katılaşmanın tamamlanmasından önce,
metalden kalıba transfer olan ergime gizli ısısı da açığa çıkar.

Katılaşmamın daha doğrusu soğumanın başlıca üç aşaması vardır ki bunlar; “sıvı, sıvı+katı, ve
katı” aşamalarıdır.
KATıLAŞMA 2 AŞAMADA OLUŞUR:


1-ÇEKİRDEKLENME
2-ÇEKİRDEKLERİN BÜYÜMESİ İLE “kristal” daha
sonra da “tanelerin” oluşumu…
Bir kristalin büyüme hızı sıvıdaki atomların büyüyen arayüzeye katılma ve ayrılma hızları
arasındaki net farka bağlıdır. Atomların katılma hızı sıvıdaki yayınma hızına bağlıdır.
Atomların ayrılma hızı ise atomu yüzeye bağlayan en yakın komşu atomların sayısına
(koordinasyon sayısına) bağlıdır.
Arayüzey büyümesi üçe ayrılır.
 Normal büyüme
 Yüzey çekirdeklenmesi ile büyüme
 Hata yoluyla büyüme
Normal büyüme : Katı-sıvı arayüzeyindeki göç tercihli yüksek açılı tane sınırlarının
göçüne benzerdir. Bir atomun katı-sıvı arayüzeyinde serbest enerji değişimi, atomların
sıvıdan katıya nakledilmeleri için gerekli aktivasyon enerjisini verir.
Aktivasyon enerjisi engeli sıvı fazdaki yayınmaya benzer ve o zaman katılaşma için itici
L
güç:
G  m . T
Tm
olarak verilir. Burada Lm ergime gizli ısısı, T arayüzeydeki aşırı soğumadır. O hale
büyüme hızı;

R  k.T
olarak gösterilebilir. Burada k sınır hareketliliği özelliğidir ve sabittir. Normal büyüme
için, büyüme hızı oldukça yüksek olabilir. k sabiti çoğu metaller için  1 cm.(snK)-1
olarak hesaplanmıştır.

Yana doğru büyüme : Bu büyüme modelinde kristal arayüzeyi düz yani düzlemseldir ve
büyüme homojen çekirdekleşme ile ilerler. Disk şeklinde çekirdeklerden oluşan yani
tabakalar tam bir tabaka oluşturana değin yan yana büyür.
Şekil Bir Kristal yüzeyinde disk şeklinde çekirdeklenmenin oluşumunun şematik gösterimi
a) yüzeye paralel b) yüzeye dik
Yana doğru büyümede büyüme hızı;

R  k.exp( 
b
)
T
olarak verilir. Burada k ve b sabitlerdir. Teoriye göre düşük aşırı soğumalarda büyüme hızı
düşüktür.

Hata yoluyla büyüme: Burada büyüme hızı aşırı soğuma ilişkisi formülde verilmiştir.
Özellikle dislokasyon ve ikiz hataları üzerinde büyüme görülür. Seramiklerde bu tür
büyüme fazlaca gözlenmiştir.

R  k.T 2

Büyüme büyük ölçüde metal – ametal veya seramik malzemenin dönüşüm entropisine
bağlıdır. Eğer dönüşüm entropisi (sıvı – katı ) 2’den azsa büyüme kolaydır. Eğer 2’den
yüksekse büyüme zordur. Hata yardımı gerekir.

Metallerde α (büyüme entropisi) 2’den azdır ve normal büyüme görülür. Seramiklerde α
> 2’dir. Hatalar yardımıyla ve tekrarlı çekirdeklenme yardımıyla büyüme görülür.
Şekil. Üst yüzeyi normal bir vida
dislokasyon izlerini içeren bir kristalin
şematik görünüşü. Bu yüzey spiral bir
rampadır ve görüldüğü gibi atomların
ilavesiyle elimine edilemez.

Dendritik katılaşma:Tek fazlı alaşımların yapısı yapısal aşırı soğuma önlenemediği
müddetçe dendritiktir. Kristal dallanmış şekilde büyür. Dallardaki açısal ilişkiler
genellikle 90° dir.

Yapısal aşırı soğuma normal ingot ve dökümlerde önlenemediğinden hemen hemen
bütün alaşımlar bu yapıda oluşur. Dendritik katılaşmayı anlamak neredeyse malzeme
yapı ve özelliğini anlamakla aynıdır.

Bir saf metalin katılaşma şartlarını belirleyebilmek için kalıba dökülmüş, Tm ergime
sıcaklığına sahip bir metalin soğumasını göz önüne alalım. Hücresel yapının büyüme hızı
arttırılırsa kristalografik etki ağır basmakta ve hücre büyüme yönü tercihli kristalografik
büyüme yönüne (örneği kübik metallerde <100> yönü) doğru sapar. Aynı zamanda hücre
yapısı bozularak dendritik yapı oluşumu başlar.

Isı akışı yönünde büyüyen yapının merkezi bölgesi birincil dendrit kolu ve birincil
dendrit koluna dik çubuk şeklindeki çıkıntılar ise ikincil dendrit kollarıdır. İkincil dendrit
kollarının oluşumuna sebep, arayüzeyi hemen hemen parabolik olan hücre uçlarının
kararsız hale geçmiş olmalarıdır. Kararsızlık için itici kuvvet dendrit uçlarının hemen
gerisinde sıvı içindeki yapısal aşırı soğumadır.
Katılaştırılan alaşımlarda katılaşma şartlarına bağlı olarak iki türlü dendritik yapı oluşur;
 serbest büyümüş dendritler
 eş eksenli dendritler
iki grup arasındaki en önemli fark, ilkinde ilginç bir yönlü büyüme ve sıkı bağlılığın olması,
ikincisinde ise, dendritlerin birbiriyle ilişkisiz ve bağımsız olmasıdır. Her iki grup dendrit
şekil de verilmektedir. İster serbest ister eş yönlenmiş olsun, her iki grup dendritte yapı ve
elemanlarıyla aynı katılaşma şekli görülür ve genellikle ayırım yapılmadan sadece dendrit
diye anılırlar.
a) kolonsal dendritik (b) eşeksenli dendritik (c) eşeksenli dendritik olmayan yapılar
Eş yönlenmiş dendritler normal G/R oranı sağlandığında oluşurken, düşük G/R seviyesinde
serbest büyüme dendritleri oluşur.
Serbest büyümüş dendritler G/R düşük olduğunda çokça görülür. Her tane (kristal) bir
dendritten oluşur. Katılaşma sırasında dendrit iskeletinden kaynaklanan 2. ve 3. derecede
kollar nedeniyle bir tane içinde binlerce dendrit kolu bulunabilir. Tanelerin çok sayıda ve
küçük boyutta olmaları veya az sayıda büyük boyutta olmaları katılaşma şartlarına bağlıdır.
Örneğin eğer eşdeğer heterojen çekirdeklenme yüksekse küçük taneli bir yapı elde edilir.
Heterojen çekirdeklenmenin gerçekleşmesi için şartlar;
1.
Çekirdekleyici ilavesi
2.
Titreşim
3.
G/R nin ayarlanması dır.
Çubuksal dendrit yapıları katılaşma ilerledikçe yavaş yavaş levhasal yapıya dönüşebilir. Eş
eksenli dendritler paralel büyüme sonucu bir hat boyunca dağılım gösterir. Eğer yönlenmiş
katılaşma varsa (tek cepheden ısı akışı) eş eksenli dendritler görünür.
Katılaşmanın ilk kademesinde çekirdekten büyüyen dendritler çok küçük ve dendrit
kolları çok incedir. Katılaşma sırasında kollardan bazıları büyür ve irileşirken diğerleri
erir veya dağılırlar. Böylece doğal denge sağlanmış olur. Kopan veya dağılan dendrit
kolları başka bir dendritin çekirdekleyicisi olabilir. Katı dendrit büyüdüğü zaman ergime
gizli ısısı aşırı soğumuş sıvıya yansır ve sıvının sıcaklığını donma noktasına yükseltir.
İkinci ve üçüncü dendrit kolları gizli ısının etkisi ile birinci kol üzerinde gerçekleşebilir.
Dendritik büyüme aşırı soğumuş sıvının donma noktasına ulaşmasına kadar devam eder.
Geri kalan sıvı varsa o da düzlemsel büyümeyle devam eder. Düzlemsel ve dendritik
büyüme arasındaki fark ergime gizli ısısının farklı farklı alınması sebebiyle yükselir. Kap
veya kalıp düzlemsel büyümede ısıyı absorbe eder, fakat dendritik büyümede aşırı
soğumuş sıvı ısıyı absorbe eder.

Saf metallerde, dendritik büyüme normalde toplam büyümenin sadece küçük bir
fraksiyonunu içerir.
Burada Lm sıvının gizli ısısıdır. Aşırı soğumuş sıvının absorbe ettiği ısı, ve katılaşma
sürecinde açığa çıkan toplam gizli ısı söz konusu enerjilerdir. Aşırı soğuma T ne kadar
artarsa, dendritik büyüme o denli fazlalaşır.