Alüminyum alaşımlarında soğuma hızı dayanımı nasıl etkiliyor?

Alüminyum alaşımlarının mikroyapısal ve doğal olarak mekanik özelliklerini etkileyen birçok etken sayabiliriz: Örneğin alaşımın kompozisyonu, uygulanan döküm yöntemi ve ısıl işlem gibi. Fakat bu değişkenlerin hepsini sabitlesek ve aynı kompozisyona sahip iki alaşımı, aynı döküm yöntemiyle üretip ardından aynı ısıl işlemi uygulasak bile, elde ettiğimiz özellikler birbirinden farklı olabiliyor. Evet, tahmin edebileceğiniz gibi bu tür bir örnekte bu farkı yaratan temel etken soğuma hızı oluyor. Aynı döküm yöntemiyle üretilen ve yavaş katılaşan bir parçanın (ya da kesitin) mekanik ve mikroyapısal özellikleri, hızlı soğuyan bir parçaya (ya da kesite) kıyasla farklılık gösteriyor.

Soğuma hızının nasıl böyle bir fark ortaya çıkardığını anlamak için, öncelikle alüminyum alaşımlarının katılaşma sırasını tekrar bir hatırlamamız gerekiyor. Konunun kapsamını fazla dağıtmamak adına, isterseniz tipik bir 3XX serisi (Al-Si-Mg/Cu) alaşım üzerinden bu sırayı bir hatırlayalım. Alaşımda her ne kadar farklı elementler bulunsa da, daha kolay anlaşılmasını sağlamak için bu sırayı ana alaşım elementlerini gösteren, aşağıdaki Al-Si denge faz diyagramı üzerinde takip edelim.

Ötektik altı kompozisyona sahip bir alaşımda katılaşma ilk olarak alüminyum dendritleriyle başlıyor. Alaşımın içerdiği silisyum miktarına bağlı olarak, bu dendritlerin ilk ortaya çıktığı sıcaklık 580-620°C arasında değişebiliyor. Dendritik katılaşma sırasında diğer alaşım elementleri dendritlerden dışarı kusulduğu için, bu süreçte sıvının bu elementler açısından zenginleştiğini görüyoruz.
Bir 3XX alaşımında dışarı kusulan bu elementlerden en önemlisi, temel alaşım elemeni olan silisyum. Silisyum, dendritik katılaşma süresince kusularak sıvıda biriktiği için, yaklaşık 555-570°C aralığında, bu elementin sıvıdaki miktarı ötektik kompozisyona geliyor ve ötektik katılaşma başlıyor.
Demir (Fe) içeren bazı intermetalik fazlar da, ötektik tepkimenin gerçekleştiği bu sıcaklık aralığında katılaşıyorlar.
Sıcaklık biraz daha düşüp 540°C değerine geldiğinde, Mg2Si ve Al8Mg3FeSi6 fazlarının çökelmeye başladıklarını görüyoruz.
Sıcaklık biraz daha azalıp 470-500°C aralığına geldiğinde ise, bu sefer sıra bakır içeren fazlara geliyor ve Al2Cu ve Al15Mg8Cu2Si6 intermetalikleri çökeliyor.

Soğuma hızı bu fazların katılaşma sırasını değiştirmiyor elbette, fakat fazların boyutlarını ve dağılımını etkiliyor. Tane incelticilerin etkisini biliyoruz: İnce taneler malzemenin dayanımının artmasına yol açıyor. Benzer şekilde, yüksek soğuma hızı da yapıları incelterek malzemenin dayanımının artmasına yol açıyor.

Bu katılaşma sırası içinde, soğuma hızına bağlı olarak incelen ilk faz alüminyum dendritleri. Ağacı andıran bu dendritlerin kolları arasındaki mesafe, soğuma hızı arttığı zaman azalıyor. Yani malzemenin yapısı, dendrit kolları arasındaki mesafe açısından incelmiş oluyor. Bu dendrit ağı birbirine ne kadar kenetlenmiş bir şekilde oluşursa, malzemenin dayanımı o oranda arttığı için, sonuç olarak malzemenin güçlendiğini görüyoruz.

Dayanımdaki artışı sadece dendritlere mâl etmek doğru mu?

Çeşitli makale ve kitaplarda, dendritlerin kol aralığı ve çekme dayanımı arasında bir ilişki kurulduğunu ve bazı matematiksel eşitliklerin verildiğini görebilirsiniz. Aslında bu eşitliklere ve genel olarak bu yaklaşıma biraz kuşkuyla bakmamız lazım. Çünkü soğuma hızından tek etkilenen şey alüminyum dendritleri değil. Dolayısıyla farklı soğuma hızında katılaşmış alaşımların dendrit boylarına bakıp, bunu direkt çekme dayanımıyla ilişkilendirecek şekilde denklemler kurmak da, bu sebeple pek doğru değil. O yüzden biz burada bu tür bir denklem vermekten kaçınacağız. Çünkü bu açıdan baktığımız zaman, teknik literatürde sunulan bu verilerin, aslında çok da sağlıklı bir çerçevede değerlendirilmediklerini anlayabiliyoruz. Bir örnek vermek adına ötektik silisyuma bakalım.

Ötektik silisyum yapısının dayanıma etkisi

Alüminyum alaşımlarında gördüğümüz ötektik silisyum, köşeli yapısı ve sivri kenarları nedeniyle mekanik özellikler açısından olumsuz bir etki yaratıyor. Zaten bu etki nedeniyle Sr ile ötektik modifikasyon yaparak, bu silisyum parçacıklarını sivri köşelerinden arındırıyor ve elyafımsı bir yapıya dönüştürüyoruz.

Bu silisyum paracıkları da, tıpkı alüminyum dendritleri gibi, soğuma hızı arttığı zaman incelmeye başlıyorlar. Bu inceleme etkisinin de alaşımın dayanımını arttıracağı çok açık. Diğer bir deyişle, soğuma hızının artması dendritleri hiç etkilememiş olsa bile, ötektik silisyumun incelmesi nedeniyle malzemenin güçlendiğini zaten görecektik. Dolayısıyla soğuma hızının dayanım üzerindeki etkisini sadece dendritlere mal ederek açıklamak, gerçekten de pek doğru bir yaklaşım gibi görünmüyor.

Diğer fazlar nasıl etkileniyor?

Dökümhane Akademi’de yayımlanan diğer yazılarda, soğuma hızına bağlı olarak bazı intermetaliklerin biçimsel özelliklerinde bir incelme gerçekleştiğini, fakat bazı intermetaliklerin ise soğuma hızındaki değişimlerden fazla etkilenmediklerini göstermiştik. Soğuma hızı arttığı zaman, normalde keskin köşelere sahip bir intermetalik fazın küreselleşme eğilimi göstermesi, malzemenin dayanımında yine bir artış bekleyebileceğimizi gösteriyor. Yani hızlı soğuma durumunda meydana gelen dayanım artışı genellikle sadece dendrit kol aralığıyla ilişkilendirilse de, silisyuma ek olarak, bu tür intermetalliklerin biçimsel özelliklerindeki değişim de aslında bu artışta rol oynuyor.

Üstelik dayanım artışına intermetaliklerin yaptığı katkı sadece biçimsel özelliklerle sınırlı da değil: Bu ufak parçacıkların genellikle dendritler arası bölgelerde kümelendiklerini biliyoruz. Yüksek soğuma hızı altında katılaşan bir parçada dendrit kol aralığının inceliyor olması, bu intermetaliklerin toplu şekilde kümelenebilecekleri alanların da daraldığı anlamına geliyor. Bunun doğal sonucu olarak, bu ikincil fazların yüksek soğuma hızı altında kümelenmek yerine, toplam hacim içinde daha düzenli bir dağılım gösterdiklerini gözlemliyoruz. Bu parçacıkların yüksek oranda kümelenmesi, gerinimin bu kümeler civarında yoğunlaşmasına ve çatlak oluşumuna yol açacağı için, yüksek soğuma hızı sayesinde bu kümelerin oluşmasını engelleyerek de malzemenin dayanımını arttırmış oluyoruz.

Sonuç

Sonuç olarak yüksek soğuma hızına bağlı olarak dayanımda meydana gelen artış her ne kadar çoğu zaman sadece dendritik yapının incelmesine mâl edilse de, büyük resme baktığımız zaman aslında bu artışa katkıda bulunan birçok farklı değişken olduğunu görüyoruz. Bu değişkenlerin teker teker etkilerini tanımlayabilen bir eşitliği burada verebilmemiz oldukça zor. Zaten literatürde de henüz böyle bir eşitliğin verildiğini göremiyoruz. Fakat bu tür konularda bu büyük resme bakma alışkanlığımızı geliştirebilirsek, hem döküm hatalarının giderilmesi için, hem de ürettiğimiz malzemelerin özelliklerini daha da geliştirebilmemiz için doğru bakış açılarını geliştirme fırsatı da yakalayabiliriz. The effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of AC AlSi9Cu alloy. L.A. Dobrzanski, R. Maniara, J.H. Sokolowski. Archieves of Materials Science and Engineering. Vol. 28 (2007) 105.
Effect of cooling rate on solidification parameters and microstructure of Al-7Si-0.3Mg-0.15Fe alloy. R. Chen, Y.F. Shi, Q.Y.Xu, B.C. Liu. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. Vol. 24 (2014) 1645.

Kaynaklar ve ek bilgiler

The effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of AC AlSi9Cu alloy. L.A. Dobrzanski, R. Maniara, J.H. Sokolowski. Archieves of Materials Science and Engineering. Vol. 28 (2007) 105.
Effect of cooling rate on solidification parameters and microstructure of Al-7Si-0.3Mg-0.15Fe alloy. R. Chen, Y.F. Shi, Q.Y.Xu, B.C. Liu. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. Vol. 24 (2014) 1645.

İçerik hazırlığında kullanılan tüm kaynakların listesi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.

Yazan: Dr. Arda Çetin. (Dökümhane Akademi ekibi hakkında ayrıntılı bilgi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.)