Demirin en önemli alaşım elementi karbondur. Demir Karbon Denge Diyagramında %2.06 C içeriğe kadar olan demir esaslı alaşımlar çelik olarak adlandırılmaktadır. %0,35 miktarına kadar çelikler sertleştirilemez iken, bu değerin üzerinde karbon içeren çelikler sertleştirilebilmektedirler.
%2.06’dan daha fazla karbon içeren demir esaslı alaşımlar gevrek davranış gösterdiklerinden normalde şekillendirilememektedirler. Bu nedenle döküm şeklinde kullanılırlar. Bunlara da Dökme Demir denir.
Karbon, demir içinde ya elementel karbon ( grafit ) ya da demir ile kimyasal bileşik yapmış Fe3C ( sementit ) olarak iki şekilde bulunmaktadır. Bu nedenle demir-karbon alaşımlarında kristalizasyon ilişkileri, birbirinden farkı çok az olan iki denge diyagramı ile gösterilmektedir; demir karbür ve demir-grafit sistemi. ( Fe-C ). Fe-Fe3C yarı kararlı ( metastabil ) ve Fe-C ise kararlı ( stabil ) sistem oluşturmaktadır. Fe-Fec3C için Demir-Karbon denge diyagramında sol taraf % 100 Fe, sağ taraf ise %100 Fe3C ( %6.67C sınırını oluşturmaktadır.)
%6.67’den fazla karbon içeren alaşımlar teknik açıdan önem taşımamaktadır. Sementitin rombik birim kafeste 4 molekül Fe3C, yani 12 demir ve 4 karbon atomu bulunmaktadır. Yapısı oldukça sert ( 800 HV ) ve yoğunluğu demirden düşüktür.
Oda sıcaklığında manyetik ve 215°C ‘nin üzerinde ise manyetik değildir. Daha yüksek sıcaklıklarda Fe3C, Fe ve C’ye ayrıştığı için, gerçek ergime noktası tam olarak bilinmemektedir.
Ferrit ve sementit içeren ötektoid bileşim perlit olarak adlandırılmaktadır. Perlit, tam ötektoid bileşimde ( 0.8 C ), östenit ergiyiğinin soğuma sürecinde ayrışması ile oluşmaktadır. Dönüşmemiş ledeburit, östenit socaklığında katılaşması sonucu oluşmaktadır.
Dönüşmüş ledeburit ise %51.4 östenit içeren dönüşmemiş ledeburitin soğuma sürecinde 723°C perlite ayrışması sonucu oluşmaktadır. Sementit bağımsız bir mikroyapı bileşeni olarak 3 farklı şekilde, ancak aynı kimyasal bileşimde ortaya çıkmaktadır.
Demir Karbon Denge Diyagramı ve Sementit Çökelmesi
Demir Karbon denge diyagramında CD eğrisi boyunca birincil sementit, ES Eğrisi boyunca ikincil sementit ve PQ eğrisi boyunca da üçüncül sementit çökelmektedir. Birincil sementit ergiyikten birincil faz olarak, ikincil sementit östenit kristallerinin tane sınıflarında segregasyon olarak ve üçüncül sementit ise ferrit kristallerinin sınırlarında segregasyon olarak oluşmaktadır.
Bu diyagramda çelik köşesinde yavaş soğuma sürecinde ötektoid reaksiyon sonucu ortaya çıkan ürünlerden biri ferrit, diğeri ise sementittir. İnce taneli ve heterojen karakteristik karışıma sahip olan bu yapı perlit olarak adlandırılmaktadır.
Demir-Karbon alaşımlarının östenit ergiyiği, ani soğtma şartlarında bile tamamen dönüşüm sağlanamamakta ve oda sıcaklığında kararlı olarak artık östenit görülmektedir. Östenitin büyük bir kısmı ise ani soğutma sırasında yarı kararlı bir ara durum olan martenzite dönüşmektedir.
Denge diyagramının çelik kısmı tam ötektoid ( perlitik ) çelik, ötektoidaltı ve ötektoid üstü çelik olarak gruplandırılmaktadır. Ötektoid altı çelikler karbon oranı % 0.8’in altında, ötektoid üstü çeliklerde ise % 0.8 – 2.06 aralığındadır.
Tam ötektoid çelikler % 0.8 C içermektedirler. Karbon, östenit alanını genişletirken, ferrit alanını daraltmaktadır. Karbon içeren demirin soğuma veya ısıtma eğrilerinde PSK üzerinde östenit perlit dönüşümünü veya ES eğrisi boyunca östenit ergiyik kristallerin çözünürlük değişimini gösteren başka belirgin noktalar da ortaya çıkmaktadır.
Östenit ve Ferrit Sahalarını Etkileyen Elementler
Demire katılan alaşım elementlerinin etkisinin tipik göstergesi, ferrit veya östenit yapıcılığıdır. Ferrit yapısı elementler östenit yapıcı elementlere göre ferritte daha iyi çözünen elementlerdir. Tersi durum östenit yapısı elementler için de geçerlidir.
Östenik içinde çözünme ısısı ile ferrit içinde çözünme ısısı arasındaki fark pozitif olursa X elementinin ferrit içinde çözünürlüğü östenit içindeki çözünürlüğünden daha fazladır. Bu durum denge diyagramında, artan X elementi ile ferritin en kararlı olduğu sıcaklık aralığının genişlemesi ve östenit alanının da daralması ile kendini gösterir. Aşağıda ferrit ve östenit sahalarını etkileme türleri verilmiştir;
• Östenit Alanını Tam Açık Yapan Elementler : Ni, Mn, Co, Pt
• Östenit Alanını Kısmen Açık Yapan Elementler : C, N, Cu, Zn, Au
• Ferrit Alanını Tam Açık Yapan Elementler : Cr, Al, Si, P, Ti, V, Mo, W
• Ferrit Alanını Kısmen Açık Yapan Elementler : Nb, Ta, Zr, Hf, Ce