Ötektoid dönüşüm

Tek faz bölgesine ısıtılan bir numune çift faz bölgesine hızlıca soğutulduğunda, yeni fazın çökelme adını verdiğimiz bir işleyişle anafaz içinden nasıl oluştuğunu bir önceki konu başlığında açıklamıştık. Bu konu başlığında ise, tek faz içinden iki ayrı fazın ortaya çıktığı farklı bir işleyişten bahseceğiz. Çökelmeden farklı olarak, anafazın tamamının iki yeni faza dönüştüğü bu işleyişe ötektoid dönüşüm (İngilizce: eutectoid transformation) adını veriyoruz.

Ötektoid dönüşümlerin nasıl gerçekleştiğini bir örnek üzerinden, aşağıdaki demir-karbon ikili denge diyagramı üzerinde anlatalım.

Örnek olarak %0.76 karbon içeren bir çelik numunemiz olduğunu varsayalım. Bu numunenin sıcaklığını tek fazlı östenit bölgesine çıkarıp, sonrasında ötektoid dönüşüm çizgisinin altına düşürdüğümüzde, eğer soğuma hızı denge diyagramındaki fazların oluşmasına izin verecek kadar yavaş ise, östenit fazının ferrit ve sementit fazlarına ayrıştığını gözlemliyoruz.

Ötektoid adını verdiğimiz işleyişle ortaya çıkan bu iki faz, çökelmeden farklı olarak katmanlı bir yapı sergileyerek oluşuyor. Bu katmanlı yapının nasıl oluştuğunu anlamak için, dönüşümün atom ölçeğinde nasıl gerçekleştiğine bakmamız gerekiyor.

Yukarıda bahsettiğimiz çelik numune tek fazlı östenit bölgesindeyken, numunenin mikroyapısı birçok farklı taneden meydana gelen östenit fazından oluşuyor. Diğer bir deyişle, numunedeki tek faz östenit olmasına rağmen, numune içerisinde farklı yönelime sahip birçok östenit tanesi, dolayısıyla da birçok tane sınırı bulunuyor.

Sıcaklık ötektoid dönüşüm sıcaklığı altına düştüğünde, dönüşüm tane sınırlarında ferrit (α), ya da daha yüksek miktarda karbon içeren (%6.67) sementit (Fe3C) fazlarından birinin çekirdeklenmesiyle başlıyor. Örnek olarak, aşağıda soldaki resimde (a) gösterildiği gibi, ilk olarak tane sınırında ferrit fazının çekirdeklendiğini varsayalım. Oluşan ferrit tomurcuğu, kendini çevreleyen östenit matrise kıyasla daha az miktarda karbon içerdiği için, karbon atomlarının bir kısmı ferrit tanesinden dışarıya doğru yayılmaya başlıyor. Ferrit çevresindeki karbon miktarı bu şekilde artarak belli bir seviyenin üzerine çıktığında, ferrit tabakası çevresinde bu sefer sementit katmanları çekirdekleniyor (aşağıdaki resimde: b). Bu işlemin kendisini bu şekilde tekrar etmesi sonucunda katmanlı yapı zamanla tane sınırı boyunca yayılıyor. Bu katmanların kalınlığı zaman zaman ışığın dalga boyu kadar ince olabiliyor. Bu nedenle bu yapıyı optik mikroskop altında incelediğimizde, benzer bir yapıya sahip inci tanelerinde olduğu gibi, renklerde ve ışık yoğunluğunda değişimler ve parıltılar gözlemleyebiliyoruz. Işık üzerinde inci tanelerine benzer bir etki ortaya çıkarabilmesi nedeniyle bu katmanlı yapıya İngilizce “inciye benzer” anlamına gelen perlit (İngilizce: pearlite) adını veriyoruz.

Ferritin ilk ortaya çıkışının tane sınırlarına denk geliyor olmasının nedeni, ferritin östenit tanelerinden birinin üzerinde, yani tanelerden birinin yüzeyinde çekirdekleniyor olmasından kaynaklanıyor. Dolayısıyla oluşan ferrit, üzerinde çekirdeklendiği tanenin yönelimine sadık kalarak büyümeye başlıyor. Bu nedenle, ferrit ile üzerinde çekirdeklendiği östenit tanesi arasında az çok uyumlu, yarıbağdaşık bir arayüzey oluşuyor. Fakat, tane sınırının diğer tarafındaki östenit tanesinin yönelimi farklı olduğu için, bu taneyle sementit arasındaki arayüzey bağdaşmaz bir nitelik sergiliyor. Bağdaşmaz olması nedeniyle yüksek hareket kabiliyetine (İngilizce: mobility) sahip bu arayüzey, östenite doğru daha kolay ilerleyerek, oluşan perlitin bu yönde; yani üzerinde ilk çekirdeklendiği östenit tanesi yerine diğer taneye doğru büyümesine yol açıyor (yukarıdaki resimde: c). Tane sınırlarında çekirdeklenip büyüyen perlitin zamanla bütün östeniti işgal etmesiye ötektoid dönüşüm tamamlanıyor.

Çeliğin kompozisyonu tam olarak ötektoid (%0.76) değil de, bir miktar düşük ya da yüksek olduğunda, faz diyagramı uyarınca önce bir miktar ferrit ya da sementit oluştuğunu, sıcaklığın ötektoid dönüşüm sıcaklığı altına düşmesiyle de kalan östenitin perlite dönüştüğünü gözlemliyoruz. Ötektoid öncesinde oluşan bu ferrit ve sementiti, isimlerinin başına İngilizce “önce” anlamında gelen pro– ekini getirerek proötektoid ferrit ya da proötektoid sementit olarak adlandırıyoruz. Örnek olarak aşağıdaki resimde, koyu renkli proötektoid ferrit matris içinde yer alan perlit adacıklarının elektron mikroskobuyla çekilmiş bir görüntüsü gösteriliyor. Mikroyapıda proötektoid ferrit bulunması, çeliğin karbon miktarının ötektoid kompozisyondan (%0.76 C) daha düşük olduğunu gösteriyor.

Resim: Michelshock (Kamu malına aktarılmış resim – telif hakkı bulunmuyor).

Perlitin büyüyebilmesi için ferrit fazından atılan karbon atomlarının östenit içinden yayılarak sementit fazına eklenmesi gerekiyor. Bu nedenle perlitin büyüme hızı, karbon atomlarının östenit içindeki yayılım hızı tarafından belirleniyor. Perlitin katman kalınlığı ise, soğuma hızına bağlı olarak değişim gösteriyor. Soğuma hızı arttıkça yayılımın gerçekleşebileceği süre miktarı azaldığı için, karbon atomlarının ilerleyebildiği mesafeler de kısalıyor. Hızlı soğuma durumunda ferrit fazından atılan karbon atomları bu nedenle sınırlı mesafeler içinde yayılarak, ortaya çıkan perlitin katman kalınlığının incelmesine yol açıyor. Soğuma hızına bağlı olarak perlit katmanlarının kalınlığının ~100 nm (hızlı soğuma) ile ~1 mikron (yavaş soğuma) arasında değiştiğini gözlemliyoruz.

Devamı:

• Sonraki sayfa: Yayılımsız faz dönüşümlerine genel bakış
• Önceki sayfa: Ostwald olgunlaşması
• Ana konu başlığı: Malzeme Biliminin Fiziksel Temelleri