Sertleştirme (metalürji)

Sertleştirme, metallerin sertliğini arttırmak için kullanılan bir metal işlemi türüdür. Bir metalin sertliği, metalin maruz kaldığı gerinim konumundaki tek eksenli akma stresiyle doğru orantılıdır. Sert bir metalin plastik deformasyona karşı direnci daha az sert bir metale göre daha yüksek olacaktır.
İşlemler
Beş sertleştirme işlemi ve açıklamaları aşağıdaki gibidir:
Hall Petch yöntemi, veya tane sınırı güçlendirmesi, daha küçük taneler elde ederek sertliği arttırmayı hedefleyen bir yöntemdir. Daha küçük taneler, dislokasyonların tane sınırlarına daha kısa mesafede rast gelme olasılığını arttırır. Tane sınırları dislokasyonları durdurmada çok etkilidir. Genel olarak, daha küçük tane büyüklüğü malzemeyi sertleştirecektir ancak bazı malzemelerde tane büyüklüğü mikron altı boyutlara yaklaştığında, malzeme daha yumuşak hale gelebilir. Bu, daha kolay hale gelen başka bir deformasyon mekanizmasının, yani tane sınırı kaymasının bir etkisidir. Bu noktada, dislokasyon ile ilgili tüm sertleştirme mekanizmaları önemsiz hale gelir.
İşleme sertleştirmesinde (gerinim sertleştirmesi olarak da adlandırılır) malzeme akma sınırının ötesine gerilir. Düktil metal, fiziksel olarak deforme edilirken sertleşir ve güçlenir. Plastik germe yeni dislokasyonlar oluşturur. Dislokasyon yoğunluğu arttıkça, daha fazla dislokasyon hareketi zor hale gelir, çünkü dislokasyonlar birbirlerini engeller, bu da malzeme sertliğini arttırır.
Katı çözelti kuvvetlendirmesinde, güçlendirilmek istenen malzemeye çözünür bir alaşım elementi eklenir ve iki malzeme birbirleriyle bir "katı çözelti" oluştururlar. Çözünmüş alaşım elementinin iyonunun metalinkine kıyasla boyutuna bağlı olarak, ya yer değişimli (kristal içindeki bir atomun yerine geçen büyük alaşım elementi) ya da interstisyel (kristaldeki atomlar arasında yer alan küçük alaşım elementi) çözünme olur. Her iki durumda da, yabancı elemanların boyut farkı, kaymaya çalışan dislokasyonlara direnç göstermesine neden olarak malzemenin daha yüksek mukavemete sahip olmasına neden olur. Çözelti sertleştirmesinde, alaşım elementi çözeltiden çökelmez.
Çökelme sertleşmesi, (yaşlanma sertleşmesi olarak da adlandırılır) matris metaliyle katı çözeltide başlayan ikinci bir fazın, su verdikçe metal ile çözeltiden çökeltildiği ve kayma dislokasyonlarına direnç göstermesi için bu fazın parçacıklarının metal içinde dağıldığı bir işlemdir. Bu işlem ilk olarak, parçacıkları oluşturan elemanların metal içinde çözünür olduğu bir sıcaklığa ısıtılması, daha sonra katı bir çözelti içinde tutulması için su verilmesi ile başlar. Daha sonra malzemeyi yaşlandırmak için uygun bir sıcaklıkta ikinci bir ısıl işlem gereklidir. Yüksek sıcaklık, çözünmüş elemanların çok daha hızlı yayılmasına ve istenen çökeltilmiş parçacıkları oluşturmasına izin verir. Söndürmenin gerekliliği, aksi halde malzemenin yavaş soğutma sırasında çökelmeye başlamasındandır. Bu tip çökeltme, genel olarak arzu edilen küçük çökeltilerin bolluğu yerine birkaç büyük partikül ile sonuçlanır. Çökelme sertleştirmesi, metal alaşımlarının sertleştirilmesinde en yaygın kullanılan tekniklerden biridir.
Daha yaygın olarak suverme ve temperleme olarak bilinen martensitik dönüşüm, çeliğe özgü bir sertleştirme mekanizmasıdır. Çelik, demir fazının ferritten östenite dönüştüğü, yani kristal yapının HMK'den (hacim merkezli kübik) YMK'ye (yüzey merkezli kübik) değiştirildiği bir sıcaklığa ısıtılmalıdır. Östenitik formda, çelik çok daha fazla karbonu çözebilir. Karbon çözündükten sonra malzemeye suverilir. Karbonun karbür çökeltileri oluşturmak için zamana sahip olmaması için yüksek bir soğutma hızıyla söndürmek önemlidir. Sıcaklık yeterince düşük olduğunda, çelik düşük sıcaklıktaki kristal yapı HMK'ye geri dönmeye çalışır. Bu değişiklik çok hızlıdır çünkü difüzyona gerek yoktur, buna martensitik dönüşüm denir. Katı çözelti karbonunun aşırı doygunluğu nedeniyle, kristal kafes HMD (Hacim merkezli dörtgen ) haline gelir. Bu faz martensit olarak adlandırılır veher iki mekanizması da kayma çıkığına direnen çarpık kristal yapının ve katı çözelti güçlendirmesinin birleşik etkisi nedeniyle son derece serttir.
Tüm sertleştirme mekanizmaları, dislokasyon kaymalarına engel olmak için malzemenin kristal kafesinde kusurlar ortaya çıkarır.
Uygulamalar
Birçok uygulama için malzeme sertleştirmesi gereklidir:
Makine kesici takımların (matkap uçları, kılavuzlar, torna takımları) etkili olabilmeleri için üzerinde çalıştıkları malzemeden çok daha sert olmaları gerekir.
Bıçak ağzı - yüksek sertlikte bir ağız keskin bir kenar sağlar.
Rulmanlar - sürekli strese dayanacak çok sert bir yüzeye sahip olmaları gerekir.
Zırh kaplama - Yüksek mukavemet, hem kurşun geçirmez yelekler hem de madencilik ve inşaat için ağır hizmet kapları için son derece önemlidir.
Yorgunluk önleyici - Martensitik kasa sertleştirmesi, akslar ve çarklar gibi tekrarlanan yükleme/boşaltmaya mağruz kalan mekanik bileşenlerin servis ömrünü önemli ölçüde artırabilir.