Söndürmenin tanımı ve amacı
Çelik, kritik nokta Ac3 (hipoötektik çelik) veya Ac1 (hiperötektik çelik) üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılır, tamamen veya kısmen östenitleşmesi için belirli bir süre bu sıcaklıkta tutulur ve ardından kritik su verme hızından daha yüksek bir hızda soğutulur. Aşırı soğutulmuş östeniti martensit veya alt beynite dönüştüren ısıl işlem sürecine su verme denir.
Su verme işleminin amacı, aşırı soğutulmuş östeniti martensit veya beynite dönüştürerek martensit veya alt beynit yapısı elde etmektir; bu yapı daha sonra farklı sıcaklıklarda temperleme ile birleştirilerek çeliğin mukavemeti, sertliği ve aşınmaya dayanıklılığı, yorulma dayanımı ve tokluğu gibi özellikleri önemli ölçüde artırılır ve çeşitli mekanik parçaların ve aletlerin farklı kullanım gereksinimlerini karşılar. Su verme işlemi ayrıca, ferromanyetizma ve korozyon direnci gibi bazı özel çeliklerin özel fiziksel ve kimyasal özelliklerini karşılamak için de kullanılabilir.
Çelik parçalar, fiziksel hallerinde değişiklikler meydana gelen bir soğutma ortamında soğutulduğunda, soğutma işlemi genellikle şu üç aşamaya ayrılır: buhar filmi aşaması, kaynama aşaması ve konveksiyon aşaması.
Çeliğin sertleşebilirliği
Sertleşebilirlik ve sertleşme direnci, çeliğin su verme işlemine dayanma yeteneğini karakterize eden iki performans göstergesidir. Ayrıca malzeme seçimi ve kullanımı için de önemli bir temel oluştururlar.
1. Sertleşebilirlik ve sertleşmezlik kavramları
Sertleşebilirlik, çeliğin ideal koşullar altında su verilerek sertleştirildiğinde ulaşabileceği en yüksek sertliğe ulaşma yeteneğidir. Çeliğin sertleşebilirliğini belirleyen ana faktör, çeliğin karbon içeriğidir. Daha açık olmak gerekirse, su verme ve ısıtma sırasında östenitte çözünen karbon içeriğidir. Karbon içeriği ne kadar yüksekse, çeliğin sertleşebilirliği de o kadar yüksek olur. Çelikteki alaşım elementlerinin sertleşebilirlik üzerinde az etkisi vardır, ancak çeliğin sertleşebilirliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptirler.
Sertleşebilirlik, belirli koşullar altında çeliğin sertleşme derinliğini ve sertlik dağılımını belirleyen özellikleri ifade eder. Yani, çelik su verildiğinde elde edilen sertleşmiş tabaka derinliğidir. Çeliğin doğal bir özelliğidir. Sertleşebilirlik aslında, çelik su verildiğinde östenitin martensit'e dönüşme kolaylığını yansıtır. Esas olarak çeliğin aşırı soğutulmuş östenitinin kararlılığı veya çeliğin kritik su verme soğutma hızı ile ilgilidir.
Çeliğin sertleşebilirliğinin, belirli su verme koşulları altında çelik parçaların etkili sertleşme derinliğinden ayırt edilmesi gerektiğine de dikkat çekilmelidir. Çeliğin sertleşebilirliği, çeliğin kendi içsel bir özelliğidir. Sadece kendi iç faktörlerine bağlıdır ve dış faktörlerle hiçbir ilgisi yoktur. Çeliğin etkili sertleşme derinliği ise sadece çeliğin sertleşebilirliğine değil, aynı zamanda kullanılan malzemeye de bağlıdır. Soğutma ortamı ve iş parçası boyutu gibi dış faktörlerle ilgilidir. Örneğin, aynı östenitleme koşulları altında, aynı çeliğin sertleşebilirliği aynıdır, ancak suyla soğutmanın etkili sertleşme derinliği yağla soğutmaya göre daha büyüktür ve küçük parçaların etkili sertleşme derinliği yağla soğutmaya göre daha küçüktür. Büyük parçaların etkili sertleşme derinliği ise daha büyüktür. Bu, suyla soğutmanın yağla soğutmaya göre daha yüksek sertleşebilirliğe sahip olduğu veya küçük parçaların büyük parçalara göre daha yüksek sertleşebilirliğe sahip olduğu anlamına gelmez. Çeliğin sertleşebilirliğini değerlendirmek için, iş parçasının şekli, boyutu, soğutma ortamı gibi dış faktörlerin etkisinin ortadan kaldırılması gerektiği görülmektedir.
Ayrıca, sertleşebilirlik ve sertleşme yeteneği iki farklı kavram olduğundan, su verme işleminden sonra yüksek sertliğe sahip çeliğin mutlaka yüksek sertleşebilirliğe sahip olması gerekmez; ve düşük sertliğe sahip çelik de yüksek sertleşebilirliğe sahip olabilir.
2. Sertleşebilirliği etkileyen faktörler
Çeliğin sertleşebilirliği, östenitin kararlılığına bağlıdır. Süper soğutulmuş östenitin kararlılığını artırabilen, C eğrisini sağa kaydırabilen ve böylece kritik soğutma hızını azaltabilen her faktör, yüksek mukavemetli çeliğin sertleşebilirliğini artırabilir. Östenitin kararlılığı esas olarak kimyasal bileşimine, tane boyutuna ve bileşim homojenliğine bağlıdır; bunlar da çeliğin kimyasal bileşimi ve ısıtma koşullarıyla ilgilidir.
3. Sertleşebilirliğin ölçüm yöntemi
Çeliğin sertleşebilirliğini ölçmek için birçok yöntem vardır; en yaygın kullanılanlar kritik çap ölçme yöntemi ve uç sertleşebilirlik testi yöntemidir.
(1) Kritik çap ölçüm yöntemi
Çelik belirli bir ortamda sertleştirildikten sonra, çekirdeğin tamamen martensit veya %50 martensit yapısına ulaştığı maksimum çapa kritik çap denir ve Dc ile gösterilir. Kritik çap ölçüm yöntemi, farklı çaplarda bir dizi yuvarlak çubuk yapmak ve sertleştirme işleminden sonra, her bir numune kesitinde çap boyunca dağılmış sertlik U eğrisini ölçmek ve merkezde yarı martensit yapısına sahip çubuğu bulmaktır. Bu yuvarlak çubuğun çapı, kritik çaptır. Kritik çap ne kadar büyükse, çeliğin sertleşme kabiliyeti o kadar yüksektir.
(2) Uç söndürme test yöntemi
Uçtan sertleştirme test yöntemi, standart boyutlu (Ф25mm×100mm) uçtan sertleştirilmiş bir numune kullanır. Östenitleştirme işleminden sonra, özel bir ekipman üzerinde numunenin bir ucuna su püskürtülerek soğutulur. Soğuduktan sonra, sertlik eksen yönünde – suyla soğutulmuş uçtan – ölçülür. Mesafe ilişkisi eğrisi için test yöntemi. Uçtan sertleştirme test yöntemi, çeliğin sertleşebilirliğini belirlemek için kullanılan yöntemlerden biridir. Avantajları, basit işlem ve geniş uygulama alanıdır.
4. Su verme gerilimi, deformasyon ve çatlama
(1) Su verme işlemi sırasında iş parçasının iç gerilimi
İş parçası, sertleştirme ortamında hızla soğutulduğunda, iş parçasının belirli bir boyutu ve ısı iletkenlik katsayısının da belirli bir değeri olduğundan, soğutma işlemi sırasında iş parçasının iç kesiti boyunca belirli bir sıcaklık gradyanı oluşacaktır. Yüzey sıcaklığı düşük, çekirdek sıcaklığı yüksek ve yüzey ile çekirdek sıcaklıkları arasında bir sıcaklık farkı vardır. İş parçasının soğutma işlemi sırasında iki fiziksel olay da meydana gelir: biri termal genleşmedir; sıcaklık düştükçe iş parçasının kesit uzunluğu kısalır; diğeri ise sıcaklık martensit dönüşüm noktasına düştüğünde östenitin martensit'e dönüşmesidir, bu da özgül hacmi artıracaktır. Soğutma işlemi sırasındaki sıcaklık farkı nedeniyle, iş parçasının kesitinin farklı kısımlarında termal genleşme miktarı farklı olacak ve iş parçasının farklı kısımlarında iç gerilim oluşacaktır. İş parçası içindeki sıcaklık farklarının varlığı nedeniyle, sıcaklığın martensit oluşum noktasından daha hızlı düştüğü kısımlar da olabilir. Dönüşüm sırasında hacim genişler ve yüksek sıcaklığa sahip kısımlar hala başlangıç noktasının üzerindedir ve östenit halindedir. Bu farklı kısımlar, özgül hacim değişikliklerindeki farklılıklar nedeniyle iç gerilim de oluşturacaktır. Bu nedenle, su verme ve soğutma işlemi sırasında iki tür iç gerilim oluşabilir: biri termal gerilim, diğeri ise doku gerilimidir.
İç gerilmenin var olma süresi özelliklerine göre, anlık gerilme ve kalıcı gerilme olarak da ikiye ayrılabilir. Soğutma işlemi sırasında belirli bir anda iş parçası tarafından oluşturulan iç gerilmeye anlık gerilme; iş parçası soğuduktan sonra iş parçasının içinde kalan gerilmeye ise kalıcı gerilme denir.
Termal gerilim, iş parçasının ısıtılması (veya soğutulması) sırasında farklı bölgelerindeki sıcaklık farklılıklarından kaynaklanan tutarsız termal genleşme (veya soğuk büzülme) nedeniyle oluşan gerilimi ifade eder.
Şimdi, soğutma işlemi sırasında iç gerilmenin oluşum ve değişim kurallarını göstermek için katı bir silindiri örnek olarak alalım. Burada sadece eksenel gerilme ele alınmaktadır. Soğutmanın başlangıcında, yüzey hızla soğuduğu için sıcaklık düşüktür ve çok fazla büzülürken, çekirdek soğuduğu için sıcaklık yüksektir ve büzülme azdır. Sonuç olarak, yüzey ve iç kısım birbirini kısıtlar, bu da yüzeyde çekme gerilmesine, çekirdekte ise basınç gerilmesine neden olur. Soğutma ilerledikçe, iç ve dış arasındaki sıcaklık farkı artar ve buna bağlı olarak iç gerilme de artar. Gerilme, bu sıcaklıktaki akma dayanımını aştığında, plastik deformasyon meydana gelir. Çekirdeğin kalınlığı yüzeyden daha fazla olduğu için, çekirdek her zaman önce eksenel olarak büzülür. Plastik deformasyonun sonucu olarak, iç gerilme artık artmaz. Belirli bir süre soğuduktan sonra, yüzey sıcaklığındaki düşüş yavaş yavaşlar ve büzülme de yavaş yavaş azalır. Bu aşamada, çekirdek hala büzülmektedir, bu nedenle yüzeydeki çekme gerilimi ve çekirdekteki sıkıştırma gerilimi kademeli olarak azalacak ve sonunda ortadan kalkacaktır. Ancak, soğuma devam ettikçe, yüzey nemi giderek azalır ve büzülme miktarı giderek azalır, hatta büzülme durur. Çekirdekteki sıcaklık hala yüksek olduğundan, büzülme devam edecek ve sonunda iş parçasının yüzeyinde sıkıştırma gerilimi oluşurken, çekirdekte çekme gerilimi oluşacaktır. Bununla birlikte, sıcaklık düşük olduğundan, plastik deformasyon kolayca meydana gelmez, bu nedenle bu gerilim soğuma ilerledikçe artacaktır. Artmaya devam eder ve sonunda iş parçasının içinde artık gerilim olarak kalır.
Soğutma işlemi sırasında oluşan termal gerilimin başlangıçta yüzey tabakasının gerilmesine ve çekirdeğin sıkışmasına neden olduğu, kalan artık gerilimin ise yüzey tabakasının sıkışmasına ve çekirdeğin gerilmesine yol açtığı görülebilir.
Özetle, su verme soğutması sırasında oluşan termal gerilim, soğutma işlemi sırasında kesit sıcaklık farkından kaynaklanır. Soğutma hızı ne kadar yüksek ve kesit sıcaklık farkı ne kadar büyükse, oluşan termal gerilim de o kadar büyük olur. Aynı soğutma ortamı koşullarında, iş parçasının ısıtma sıcaklığı ne kadar yüksek, boyutu ne kadar büyük, çeliğin ısı iletkenliği ne kadar düşük, iş parçası içindeki sıcaklık farkı ne kadar büyük ve termal gerilim o kadar büyük olur. İş parçası yüksek sıcaklıkta düzensiz soğutulursa, bozulmaya ve deformasyona uğrar. İş parçasının soğutma işlemi sırasında oluşan anlık çekme gerilimi, malzemenin çekme dayanımından daha büyükse, su verme çatlakları oluşur.
Faz dönüşümü gerilimi, ısıl işlem sürecinde iş parçasının çeşitli kısımlarındaki faz dönüşümünün farklı zamanlamasından kaynaklanan gerilimi ifade eder ve doku gerilimi olarak da bilinir.
Su verme ve hızlı soğutma sırasında, yüzey tabakası Ms noktasına soğutulduğunda martensitik dönüşüm meydana gelir ve hacim genişlemesine neden olur. Bununla birlikte, henüz dönüşüme uğramamış çekirdeğin engellemesi nedeniyle, yüzey tabakası sıkıştırma gerilimi oluştururken, çekirdek çekme gerilimine sahiptir. Gerilim yeterince büyük olduğunda, deformasyona neden olur. Çekirdek Ms noktasına soğutulduğunda, o da martensitik dönüşüme uğrar ve hacim olarak genişler. Ancak, düşük plastisiteye ve yüksek mukavemete sahip dönüşmüş yüzey tabakasının kısıtlamaları nedeniyle, nihai artık gerilimi yüzey gerilimi şeklinde olur ve çekirdek basınç altında kalır. Görüldüğü gibi, faz dönüşüm geriliminin değişimi ve nihai durumu, termal gerilimin tam tersidir. Dahası, faz değişim gerilimi düşük sıcaklıklarda ve düşük plastisitede meydana geldiğinden, bu sırada deformasyon zordur, bu nedenle faz değişim gerilimi iş parçasının çatlamasına daha yatkındır.
Faz dönüşüm geriliminin büyüklüğünü etkileyen birçok faktör vardır. Çeliğin martensit dönüşüm sıcaklık aralığında soğutma hızı ne kadar hızlı olursa, çelik parçasının boyutu o kadar büyük olur, çeliğin ısı iletkenliği o kadar kötüleşir, martensit özgül hacmi o kadar büyük olur ve faz dönüşüm gerilimi de o kadar artar. Ayrıca, faz dönüşüm gerilimi çeliğin bileşimi ve sertleşebilirliği ile de ilişkilidir. Örneğin, yüksek karbonlu yüksek alaşımlı çelik, yüksek karbon içeriği nedeniyle martensit özgül hacmini artırır, bu da çeliğin faz dönüşüm gerilimini artırmalıdır. Bununla birlikte, karbon içeriği arttıkça Ms noktası düşer ve su verme işleminden sonra büyük miktarda kalıcı östenit bulunur. Hacim genişlemesi azalır ve artık gerilim düşüktür.
(2) Sertleştirme sırasında iş parçasının deformasyonu
Sertleştirme işlemi sırasında, iş parçasında iki ana deformasyon türü meydana gelir: bunlardan biri, sertleştirme gerilimi nedeniyle oluşan ve genellikle çarpılma deformasyonu olarak adlandırılan, iş parçasının geometrik şeklindeki değişimdir; diğeri ise, faz değişimi sırasında özgül hacimdeki değişimden kaynaklanan ve iş parçasının hacminin orantılı olarak genişlemesi veya daralması şeklinde kendini gösteren hacim deformasyonudur.
Çarpılma deformasyonu, şekil deformasyonu ve burulma deformasyonunu da içerir. Burulma deformasyonu esas olarak, ısıtma sırasında iş parçasının fırına yanlış yerleştirilmesinden, su verme işleminden önce deformasyon düzeltmesinden sonra şekillendirme işleminin yapılmamasından veya iş parçası soğutulurken iş parçasının çeşitli kısımlarının eşit olmayan şekilde soğutulmasından kaynaklanır. Bu deformasyon, belirli durumlar için analiz edilebilir ve çözülebilir. Aşağıda esas olarak hacim deformasyonu ve şekil deformasyonu ele alınacaktır.
1) Sertleştirme deformasyonunun nedenleri ve değişen kuralları
Yapısal dönüşümden kaynaklanan hacim deformasyonu: Su verme işleminden önce iş parçasının yapısal durumu genellikle perlit, yani ferrit ve sementitin karışık bir yapısıdır; su verme işleminden sonra ise martensitik bir yapıya dönüşür. Bu dokuların farklı özgül hacimleri, su verme işleminden önce ve sonra hacim değişikliklerine neden olarak deformasyona yol açar. Ancak bu deformasyon, iş parçasının sadece orantılı olarak genleşmesine ve büzülmesine neden olur, dolayısıyla iş parçasının şeklini değiştirmez.
Ek olarak, ısıl işlemden sonra yapıda ne kadar çok martensit bulunursa veya martensit içindeki karbon içeriği ne kadar yüksekse, hacim genişlemesi o kadar büyük olur; kalan östenit miktarı ne kadar fazla olursa, hacim genişlemesi o kadar az olur. Bu nedenle, hacim değişimi, ısıl işlem sırasında martensit ve artık martensit içeriğinin nispi oranı kontrol edilerek kontrol edilebilir. Doğru şekilde kontrol edilirse, hacim ne genişler ne de küçülür.
Termal gerilmenin neden olduğu şekil bozukluğu, çelik parçaların akma dayanımının düşük, plastisitesinin yüksek, yüzeyin hızlı soğuduğu ve iş parçasının iç ve dışı arasındaki sıcaklık farkının en büyük olduğu yüksek sıcaklık bölgelerinde meydana gelir. Bu sırada, anlık termal gerilme yüzey çekme gerilimi ve çekirdek basma gerilimidir. Bu sırada çekirdek sıcaklığı yüksek olduğundan, akma dayanımı yüzeyden çok daha düşüktür, bu nedenle çok yönlü basma geriliminin etkisi altında deformasyon olarak kendini gösterir, yani küpün küresel yönde bir varyasyonu olur. Sonuç olarak, daha büyük olan büzülürken, daha küçük olan genişler. Örneğin, uzun bir silindir uzunluk yönünde kısalır ve çap yönünde genişler.
Doku Gerilmesinden Kaynaklanan Şekil Deformasyonu Doku gerilmesinden kaynaklanan deformasyon, doku gerilmesinin maksimum olduğu erken anlarda da meydana gelir. Bu sırada, kesit sıcaklık farkı büyüktür, çekirdek sıcaklığı daha yüksektir, hala östenit halindedir, plastisite iyidir ve akma dayanımı düşüktür. Anlık doku gerilmesi, yüzeyde basma gerilmesi ve çekirdekte çekme gerilmesidir. Bu nedenle, deformasyon, çok yönlü çekme gerilmesinin etkisi altında çekirdeğin uzaması şeklinde kendini gösterir. Sonuç olarak, doku gerilmesinin etkisi altında, iş parçasının daha büyük tarafı uzar, daha küçük tarafı ise kısalır. Örneğin, uzun bir silindirde doku gerilmesinden kaynaklanan deformasyon, uzunlukta uzama ve çapta daralmadır.
Tablo 5.3, çeşitli tipik çelik parçaların sertleştirme deformasyon kurallarını göstermektedir.
2) Sertleştirme deformasyonunu etkileyen faktörler
Sertleştirme deformasyonunu etkileyen faktörler başlıca çeliğin kimyasal bileşimi, orijinal yapısı, parçaların geometrisi ve ısıl işlem sürecidir.
3) Sönme çatlakları
Parçalardaki çatlaklar esas olarak sertleştirme ve soğutmanın geç aşamasında, yani martensitik dönüşüm temel olarak tamamlandıktan sonra veya tamamen soğuduktan sonra meydana gelir; bu durumda parçalardaki çekme gerilimi çeliğin kırılma dayanımını aştığı için gevrek kırılma meydana gelir. Çatlaklar genellikle maksimum çekme deformasyonu yönüne diktir, bu nedenle parçalardaki farklı çatlak biçimleri esas olarak gerilim dağılım durumuna bağlıdır.
Sertleştirme çatlaklarının yaygın türleri: Boyuna (eksenel) çatlaklar, esas olarak teğetsel çekme gerilimi malzemenin kırılma dayanımını aştığında oluşur; enine çatlaklar, parçanın iç yüzeyinde oluşan büyük eksenel çekme gerilimi malzemenin kırılma dayanımını aştığında oluşur; ağsı çatlaklar, yüzeyde iki boyutlu çekme geriliminin etkisi altında oluşur; soyulma çatlakları, gerilimin keskin bir şekilde değiştiği ve aşırı çekme geriliminin radyal yönde etki ettiği durumlarda ortaya çıkabilen çok ince sertleştirilmiş bir tabakada meydana gelir.
Boyuna çatlaklar, eksenel çatlaklar olarak da adlandırılır. Çatlaklar, parçanın yüzeyine yakın maksimum çekme gerilmesinde oluşur ve merkeze doğru belirli bir derinliğe sahiptir. Çatlakların yönü genellikle eksene paraleldir, ancak parçada gerilme yoğunlaşması olduğunda veya iç yapısal kusurlar olduğunda yön değişebilir.
İş parçası tamamen sertleştirildikten sonra, boyuna çatlaklar oluşma eğilimi artar. Bu durum, sertleştirilmiş iş parçasının yüzeyindeki büyük teğetsel çekme gerilimiyle ilgilidir. Çeliğin karbon içeriği arttıkça, boyuna çatlak oluşma eğilimi de artar. Düşük karbonlu çelik, küçük bir martensit özgül hacmine ve güçlü termal gerilime sahiptir. Yüzeyde büyük bir artık basınç gerilimi bulunur, bu nedenle sertleştirilmesi kolay değildir. Karbon içeriği arttıkça, yüzey basınç gerilimi azalır ve yapısal gerilim artar. Aynı zamanda, tepe çekme gerilimi yüzey tabakasına doğru hareket eder. Bu nedenle, yüksek karbonlu çelik aşırı ısıtıldığında boyuna sertleştirme çatlaklarına eğilimlidir.
Parçaların boyutu, artık gerilmenin boyutunu ve dağılımını doğrudan etkiler ve su verme çatlama eğilimi de farklıdır. Tehlikeli kesit boyut aralığında su verme işlemiyle boyuna çatlaklar da kolayca oluşur. Ayrıca, çelik hammaddelerinin tıkanması da sıklıkla boyuna çatlaklara neden olur. Çoğu çelik parça haddeleme ile üretildiğinden, çelikteki altın dışı kalıntılar, karbürler vb. deformasyon yönü boyunca dağılır ve çeliğin anizotropik olmasına neden olur. Örneğin, takım çeliği bant benzeri bir yapıya sahipse, su verme işleminden sonraki enine kırılma dayanımı, boyuna kırılma dayanımından %30 ila %50 daha küçüktür. Çelikte gerilme yoğunlaşmasına neden olan altın dışı kalıntılar gibi faktörler varsa, teğetsel gerilme eksenel gerilmeden daha büyük olsa bile, düşük gerilme koşullarında boyuna çatlaklar kolayca oluşur. Bu nedenle, çelikteki metalik olmayan kalıntıların ve şekerin seviyesinin sıkı kontrolü, su verme çatlaklarını önlemede önemli bir faktördür.
Enine çatlakların ve yay çatlaklarının iç gerilim dağılımı özellikleri şöyledir: Yüzeyde basınç gerilimi oluşur. Yüzeyden belirli bir mesafe ayrıldıktan sonra, basınç gerilimi büyük bir çekme gerilimine dönüşür. Çatlak, çekme gerilimi bölgesinde oluşur ve iç gerilim yeniden dağıldığında veya çeliğin kırılganlığı daha da arttığında parçanın yüzeyine yayılır.
Enine çatlaklar genellikle silindirler, türbin rotorları veya diğer şaft parçaları gibi büyük şaft parçalarında meydana gelir. Çatlakların özellikleri, eksen yönüne dik olmaları ve içten dışa doğru kırılmalarıdır. Genellikle sertleştirilmeden önce oluşurlar ve termal gerilmeden kaynaklanırlar. Büyük dövme parçalarda genellikle gözenekler, inklüzyonlar, dövme çatlakları ve beyaz lekeler gibi metalurjik kusurlar bulunur. Bu kusurlar kırılmanın başlangıç noktası görevi görür ve eksenel çekme gerilimi etkisi altında kırılırlar. Yay çatlakları termal gerilmeden kaynaklanır ve genellikle parçanın şeklinin değiştiği yerlerde yay şeklinde dağılır. Esas olarak iş parçasının içinde veya keskin kenarların, olukların ve deliklerin yakınında meydana gelir ve yay şeklinde dağılır. Çapı veya kalınlığı 80 ila 100 mm veya daha fazla olan yüksek karbonlu çelik parçalar sertleştirilmediğinde, yüzeyde basınç gerilimi, merkezde ise çekme gerilimi oluşur. Gerilme, özellikle sertleştirilmiş tabakadan sertleştirilmemiş tabakaya geçiş bölgesinde maksimum çekme gerilimine neden olur ve bu bölgelerde ark çatlakları oluşur. Ayrıca, keskin kenarlar ve köşelerde soğuma hızı hızlıdır ve tüm parçalar sertleştirilir. Daha yumuşak kısımlara, yani sertleştirilmemiş bölgeye geçişte, maksimum çekme gerilimi bölgesi burada ortaya çıkar, bu nedenle ark çatlakları oluşma olasılığı yüksektir. İş parçasının pim deliği, oluk veya merkez deliği yakınındaki soğuma hızı yavaştır, ilgili sertleştirilmiş tabaka incedir ve sertleştirilmiş geçiş bölgesine yakın çekme gerilimi kolayca ark çatlaklarına neden olabilir.
Yüzey çatlakları olarak da bilinen ağsı çatlaklar, yüzey çatlaklarıdır. Çatlağın derinliği sığdır, genellikle 0,01~1,5 mm civarındadır. Bu tür çatlakların ana özelliği, çatlağın rastgele yönünün parçanın şekliyle hiçbir ilgisinin olmamasıdır. Birçok çatlak birbirine bağlanarak bir ağ oluşturur ve geniş bir alana yayılır. Çatlak derinliği 1 mm'den fazla olduğunda, ağsı özellikler kaybolur ve rastgele yönlendirilmiş veya uzunlamasına dağılmış çatlaklar haline gelir. Ağsı çatlaklar, yüzeydeki iki boyutlu çekme gerilimi durumuyla ilişkilidir.
Yüzeyinde dekarbürize tabaka bulunan yüksek karbonlu veya karbürlenmiş çelik parçalar, su verme işlemi sırasında ağsı çatlaklar oluşturmaya eğilimlidir. Bunun nedeni, yüzey tabakasının martensit iç tabakasına göre daha düşük karbon içeriğine ve daha küçük özgül hacme sahip olmasıdır. Su verme işlemi sırasında, karbürün yüzey tabakası çekme gerilimine maruz kalır. Mekanik işlem sırasında defosforizasyon tabakası tamamen çıkarılmamış parçalar da yüksek frekanslı veya alevle yüzey su verme işlemi sırasında ağsı çatlaklar oluşturacaktır. Bu tür çatlakları önlemek için, parçaların yüzey kalitesi sıkı bir şekilde kontrol edilmeli ve ısıl işlem sırasında oksidasyon kaynağı önlenmelidir. Ayrıca, dövme kalıbı belirli bir süre kullanıldıktan sonra, boşlukta şeritler veya ağlar halinde ortaya çıkan termal yorulma çatlakları ve su verilmiş parçaların taşlama işleminde oluşan çatlaklar da bu forma aittir.
Yüzey tabakasının çok dar bir alanında soyulma çatlakları oluşur. Eksenel ve teğetsel yönlerde basınç gerilimi, radyal yönde ise çekme gerilimi oluşur. Çatlaklar parçanın yüzeyine paraleldir. Yüzey sertleştirme ve karbürleme işleminden sonra sertleştirilmiş tabakanın soyulması bu tür çatlaklara aittir. Oluşumu, sertleştirilmiş tabakadaki düzensiz yapıyla ilgilidir. Örneğin, alaşımlı karbürlenmiş çelik belirli bir hızda soğutulduktan sonra, karbürlenmiş tabakadaki yapı şöyledir: dış tabaka son derece ince perlit + karbür, alt tabaka martensit + artık östenit, iç tabaka ise ince perlit veya son derece ince perlit yapısıdır. Alt tabaka martensitinin oluşum özgül hacmi en büyük olduğundan, hacim genişlemesinin sonucu olarak yüzey tabakasına eksenel ve teğetsel yönlerde sıkıştırma gerilimi, radyal yönde ise çekme gerilimi etki eder ve iç kısma doğru bir gerilim mutasyonu meydana gelir, sıkıştırma gerilimi durumuna geçiş olur ve gerilimin keskin bir şekilde değiştiği son derece ince alanlarda soyulma çatlakları oluşur. Genellikle çatlaklar yüzeye paralel olarak iç kısımda gizlenir ve şiddetli durumlarda yüzey soyulmasına neden olabilir. Karbürlenmiş parçaların soğutma hızı hızlandırılır veya azaltılırsa, karbürlenmiş tabakada düzgün bir martensit yapısı veya ultra ince perlit yapısı elde edilebilir ve bu da bu tür çatlakların oluşmasını önleyebilir. Ayrıca, yüksek frekanslı veya alevle yüzey sertleştirme sırasında, yüzey genellikle aşırı ısınır ve sertleştirilmiş tabaka boyunca yapısal homojen olmama durumu bu tür yüzey çatlaklarının oluşmasına kolayca neden olabilir.
Mikro çatlaklar, yukarıda bahsedilen dört çatlaktan farklı olarak mikro gerilmeden kaynaklanır. Yüksek karbonlu takım çeliğinin veya karbürlenmiş iş parçalarının su verme, aşırı ısıtma ve taşlama işlemlerinden sonra ortaya çıkan taneler arası çatlaklar ile su verilmiş parçaların zamanında temperlenmemesinden kaynaklanan çatlaklar, çelikteki mikro çatlakların varlığı ve ardından genişlemesiyle ilgilidir.
Mikro çatlaklar mikroskop altında incelenmelidir. Genellikle orijinal östenit tane sınırlarında veya martensit tabakalarının birleşim yerinde oluşurlar. Bazı çatlaklar martensit tabakalarına nüfuz eder. Araştırmalar, mikro çatlakların pul pul ikizlenmiş martensitlerde daha yaygın olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni, pul pul martensitlerin yüksek hızda büyürken birbirleriyle çarpışması ve yüksek gerilim oluşturmasıdır. Bununla birlikte, ikizlenmiş martensit kendi başına kırılgandır ve plastik deformasyon üretemez. Plastik deformasyon gerilimi azaltır, bu da kolayca mikro çatlaklara neden olur. Östenit taneleri iridir ve mikro çatlaklara karşı duyarlılık artar. Çelikte mikro çatlakların varlığı, sertleştirilmiş parçaların mukavemetini ve plastisitesini önemli ölçüde azaltarak parçaların erken hasar görmesine (kırılmasına) yol açacaktır.
Yüksek karbonlu çelik parçalarda mikro çatlakları önlemek için, daha düşük sertleştirme ısıtma sıcaklığı, ince martensit yapısı elde etme ve martensit içindeki karbon içeriğini azaltma gibi önlemler alınabilir. Ayrıca, sertleştirmeden sonra zamanında temperleme, iç gerilimi azaltmak için etkili bir yöntemdir. Testler, 200°C'nin üzerinde yeterli temperlemeden sonra, çatlaklarda çökelen karbürlerin çatlakları "kaynaklama" etkisi gösterdiğini ve bunun da mikro çatlak riskini önemli ölçüde azaltabileceğini kanıtlamıştır.
Yukarıda, çatlak dağılım modeline dayalı olarak çatlakların nedenleri ve önleme yöntemleri tartışılmıştır. Gerçek üretimde, çelik kalitesi, parça şekli ve sıcak ve soğuk işleme teknolojisi gibi faktörler nedeniyle çatlakların dağılımı değişir. Bazen çatlaklar ısıl işlemden önce zaten mevcuttur ve sertleştirme işlemi sırasında daha da genişler; bazen aynı parçada aynı anda birkaç farklı çatlak türü ortaya çıkabilir. Bu durumda, çatlağın morfolojik özelliklerine, kırılma yüzeyinin makroskopik analizine, metalografik incelemeye ve gerektiğinde kimyasal analiz ve diğer yöntemlere dayanarak, malzeme kalitesinden, organizasyonel yapıdan ısıl işlem gerilmesinin nedenlerine kadar kapsamlı bir analiz yapılmalı, çatlağın ana nedenleri bulunmalı ve ardından etkili önleyici tedbirler belirlenmelidir.
Çatlakların kırılma analizi, çatlakların nedenlerini analiz etmek için önemli bir yöntemdir. Her kırılmanın bir başlangıç noktası vardır. Su verme çatlakları genellikle radyal çatlakların birleşme noktasından başlar.
Çatlağın kaynağı parçanın yüzeyindeyse, bu çatlağın yüzeydeki aşırı çekme gerilimi nedeniyle oluştuğu anlamına gelir. Yüzeyde inklüzyon gibi yapısal kusurlar yoksa ancak bıçak izleri, oksit tabakası, çelik parçaların keskin köşeleri veya yapısal mutasyona uğramış parçalar gibi gerilim yoğunlaşma faktörleri varsa, çatlaklar oluşabilir.
Çatlağın kaynağı parçanın içindeyse, bu malzeme kusurlarıyla veya aşırı iç artık çekme gerilimiyle ilgilidir. Normal sertleştirme işleminde kırılma yüzeyi gri ve ince porselendir. Kırılma yüzeyi koyu gri ve pürüzlü ise, aşırı ısınmadan veya orijinal dokunun kalın olmasından kaynaklanır.
Genel olarak, sertleştirme çatlağının cam bölümünde oksidasyon rengi olmamalı ve çatlak çevresinde dekarbürizasyon olmamalıdır. Çatlak çevresinde dekarbürizasyon veya çatlak bölümünde oksitlenmiş renk varsa, bu, parçanın sertleştirmeden önce zaten çatlaklara sahip olduğunu ve orijinal çatlakların ısıl işlem stresi etkisi altında genişleyeceğini gösterir. Parçanın çatlaklarının yakınında ayrışmış karbürler ve inklüzyonlar görülüyorsa, bu, çatlakların ham maddede karbürlerin şiddetli ayrışması veya inklüzyonların varlığıyla ilgili olduğu anlamına gelir. Yukarıdaki olgular olmadan çatlaklar yalnızca parçanın keskin köşelerinde veya şekil değişikliği olan kısımlarında ortaya çıkarsa, bu, çatlağın parçanın mantıksız yapısal tasarımından veya çatlakları önlemek için uygunsuz önlemlerden veya aşırı ısıl işlem stresinden kaynaklandığı anlamına gelir.
Ayrıca, kimyasal ısıl işlem ve yüzey sertleştirme uygulanan parçalarda çatlaklar çoğunlukla sertleştirilmiş tabakanın yakınında ortaya çıkar. Sertleştirilmiş tabakanın yapısını iyileştirmek ve ısıl işlem stresini azaltmak, yüzey çatlaklarını önlemenin önemli yollarıdır.
Yayın tarihi: 22 Mayıs 2024