Soğuma eğrilerini yanlış yorumluyor olabilir misiniz?
Bu yazıda, soğuma eğrisi analizine dair yanlış bilinen bir durum üzerinde duracağız. Hatırlarsanız, daha önce yayımladığımız bu yazıda ötektik katılaşma sırasında görülen aşırı soğuma üzerinde durmuş ve bu değerin çok artması durumunda beyaz katılaşmanın gerçekleşebileceğini ve yapıda çil oluşabileceğini söylemiştik.
Bu anlattıklarımızın yanlış bir tarafı yok. Fakat bu durumun soğuma eğrileri yardımıyla yorumlanış biçiminde, zaman zaman bazı yanılgılara düşüldüğünü görebiliyoruz. Ne demek istediğimizi anlatmak için öncelikle aşağıdaki soğuma eğrisine bakalım.
Bu soğuma eğrisini kullanarak çil oluşumunun anlatıldığını muhtemelen siz de bazı kaynaklarda görmüşsünüzdür. Bu gösterimde soğuma eğrisi üzerinde hem beyaz katılaşma (çil), hem de gri katılaşma olduğunu görüyoruz. Gerçekleşmesi mümkün olmayan ve kökeni 1950’li yıllara dayanan bu hatalı gösterim, bugün hala bazı kaynaklarda kullanıldığı için, termal analizle aşina olmak isteyen birçok genç mühendisin kafasını karıştırabiliyor. Gelin bu eğrideki temel hata nedir, birlikte bakalım.
Yukarıdaki eğride yanlış olan ne?
Soğuma eğrilerine dair anlamamız gereken bir şey var: Bu eğriler, katılaşmakta olan bir sıvı içinde, tek bir noktadan yapılan sıcaklık ölçümüne dayanıyorlar. Dolayısıyla sadece ölçümün yapıldığı nokta ve o noktanın civarında gerçekleşen ısıl olayları temsil edebiliyorlar.
Bir dökme demir katılaşırken, hem beyaz, hem de gri yapı ortaya çıkacak şekilde katılaşabilir. Bunu tüm dökme demir dökümcüleri biliyordur: Bir parça gri ya da sfero olarak dökülmesine rağmen, ince kesitlerde çil yapısı, yani beyaz dökme demir ortaya çıkmış olabilir. Buraya kadar bir problem yok. Fakat parça içindeki tek bir noktaya baktığımız zaman, bu noktanın hem beyaz, hem de gri olarak katılaşması gibi bir durum söz konusu olamaz.
O nedenle sıcaklık ölçümünün yapıldığı noktanın, parçanın genelinde ortaya çıkacak kısmi çil yapısını temsil edecek şekilde bir ısıl davranış sergilemesini bekleyemeyiz. Bu şekilde baktığımız zaman, yukarıda gösterdiğimiz eğrinin ardındaki temel mantık hatasını yavaş yavaş anlamaya başlıyoruz.
Doğru olan nedir?
Eğer termokupl ucunun temas ettiği noktada gri katılaşma varsa, yani lamel, sfero ya da vermiküler yapıda grafit ayrışması sağlanmışsa, o zaman bir aşırı soğuma (ΔT) göreceğiz demektir. Bu aşırı soğumanın indiği değer, yani minimum ötektik sıcaklık da, beyaz ötektik sıcaklığının üzerinde olacak demektir.
Eğer bu noktadaki sıcaklık beyaz ötektik sıcaklığının altına bir kere inmişse, o zaman artık iş işten geçti demektir: Bu noktada grafit ayrışması sağlanamadığı için artık beyaz katılaşma gerçekleşecek ve beyaz dökme demir soğuma eğrisinin ortaya çıktığı göreceğiz. Yani yukarıda olduğu gibi kısmen çil oluştuktan sonra soğuma eğrisindeki sıcaklığın tekrar yukarı çıkması gibi bir durum söz konusu olamaz.
Yukarıdaki grafik üzerinde, benzer kompozisyona sahip iki ötektik altı dökme demirin beyaz ve gri katılaşması durumunda göreceğimiz soğuma eğrileri temsili olarak gösteriliyor. Dikkat ederseniz, gri dökme demirin soğuma eğrisinde aşırı soğuma miktarı (ΔT ile gösteriliyor) beyaz ötektik sıcaklığının altına inmiyor. Bu değerin altına inen beyaz dökme demir soğuma eğrisinde ise, tekrar bir ısınma (recalescence) olmadığını ve sıcaklığın dönüşüm boyunca denge koşullarındaki beyaz ötektik dönüşüm sıcaklığın altında kaldığını görüyoruz.
İki eğri arasında neden böyle bir fark var?
Merak eden okuyucularımız için açıklayalım: Ötektik sıcaklık sırasında gördüğümüz aşırı soğuma ve sonrasında gerçekleşen ısınma (recalescence), birkaç farklı değişkene ek olarak, ötektik dönüşümün ne kadar hızlı gerçekleştiğiyle de ilgili parametreler. Dökümhanesinde soğuma eğrilerini kullanan okuyucularımız biliyordur: Sferoda görülen aşırı soğuma miktarı (ΔT), daima gri, yani lamel grafitli dökme demire göre daha yüksek bir değerde ortaya çıkar. Bu fark, sferoda gördüğümüz ayrık büyüme sürecinin doğal bir sonucu olarak, ötektik dönüşümün gri dökme demire kıyasla daha yavaş gerçeklemesi nedeniyle ortaya çıkıyor. Sonrasında görülen yeniden ısınma değeri de, yine büyüme hızı yavaş olduğu için, gri dökme demire kıyasla daha düşük oluyor. (Farklı nedenlerle, bu değerler arasında daima bu tür bir ilişki olmayacağını parantez içinde belirtelim.)
Şimdi gelelim beyaz dökme demirin soğuma eğrisine: Beyaz dökme demirin ötektik katılaşması sırasında oluşan ledebürit fazı, çok daha düşük bir büyüme hızına sahip. Yavaş büyüme, katılaşma ısısının da yavaş salınacağı anlamına geliyor. O nedenle ledebürit fazının, soğuma eğrisi üzerinde bir yeniden ısınma ortaya çıkartması mümkün olmuyor. Bunun sonucu olarak, beyaz dökme demirin soğuma eğrisi bir defa solidus değerine indiği zaman, tekrar yukarı çıkması gibi bir durumu gerçekte asla gözlemlemiyoruz.
O nedenle en üstte gösterdiğimiz soğuma eğrisini siz de eğer bir yerde görürseniz, bu eğrinin ardında böyle bir mantık hatası olduğunu aklınızda tutmanızda fayda var.
Kaynaklar ve ek bilgiler
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.)
