Derin Okuma — Isıl İşlem TTT ve CCT

Gölcük’te kırılan flanşın söylediği

17 Ağustos 1999 sabaha karşı, Gölcük’te bir viyadük çöktüğünde, mühendisler önce betona baktı. Sonra çelik takviye flanşlarına. Kırılma yüzeyi pürüzlü ve gridi, olması gereken ipeksi koyu griden çok uzaktı. Mikroskop altında yapılan inceleme, flanşın atomik düzeyde yanlış bir dokuya sahip olduğunu gösterdi. Parça su verme sırasında, insan gözünün takip edemeyeceği bir hızla soğurken, içyapısı saniyenin onda biri kadar bir zaman diliminde bambaşka bir faza geçmişti. Isıl işlem fırınından çıkan her parça bir kumardır aslında.

TTT ve CCT diyagramları, o kumarhanede oynanan oyunun kurallarını yazan fizik kitabıdır. Doğru okumayan, Gölcük’teki flanş gibi, sessiz sedasız göçer.

Çikolata temperleme ve atomların sabırsızlığı

Konuyu bir çelik fabrikasından mutfağa taşıyalım. Eritilmiş çikolatayı tezgaha döküp 27 dereceye soğutur, sonra tekrar 31 dereceye ısıtırsanız, parlak ve kırılgan bir tablet elde edersiniz. Eritip doğrudan buzdolabına koyarsanız, yüzeyi mat ve dokusu hamur gibi olur. Farkı yaratan şey, kakao yağı kristallerinin hangi sıcaklıkta hangi hızla oluştuğudur. Çelikte de aynı mantık işler, yalnızca sıcaklıklar 500 dereceye, kristallerin adı martensite ve perlite dönüşür. Oda sıcaklığında duran bir çelik parçasının içindeki atomlar, geçmişte yaşadıkları sıcaklık yolculuğunun izlerini taşır.

Harita olmadan yola çıkılırsa, varılan yer sertlik değil, hurda olur. Peki bu haritalar tam olarak neyi gösterir ve nasıl okunur?

Zamanın ve sıcaklığın dokuduğu iki ayrı harita

İki harita vardır. Biri belirli bir sıcaklıkta beklemeyi, diğeri kesintisiz soğumayı anlatır. Aralarındaki fark, fotoğraf ile film arasındaki fark gibidir.

Her ikisi de aynı fiziksel dönüşümü tarif eder, ancak zaman eksenini farklı işler. TTT, zamanı sabit sıcaklıkta tutarak dönüşümün ilerleyişini kaydeder. CCT ise sıcaklığın sürekli düştüğü gerçek dünya koşullarında, dönüşümün hangi sıcaklıkta başlayıp hangi sıcaklıkta bittiğini izler. İkisi arasındaki geçiş, laboratuvar ile fabrika zemini arasındaki mesafeyi temsil eder.

### Bir sıcaklıkta tutmanın anatomisi

İzotermal dönüşüm diyagramı, namıdiğer TTT (Sıcaklık-Zaman-Dönüşüm), çeliği sertlik kazanacağı bir sıcaklığa aniden indirip orada tuttuğunuzda ne olacağını gösterir. Diyagramın kendine has “C” şeklindeki eğrisi, 723 derecenin altındaki ostenit bölgesinde başlar. Ostenit, çeliğin yüksek sıcaklıktaki yüzey merkezli kübik kristal yapısıdır ve içinde karbon atomları rahatça dolaşır. Sıcaklık düştüğünde, bu karbon atomları demir atomları arasından dışarı atılmak ister. En kritik bölge, “burun” denilen ve dönüşümün en hızlı gerçekleştiği sıcaklık kuşağıdır. Karbon çeliklerinde bu burun genelde 550 derece civarında konumlanır ve parça bu sıcaklıkta sadece birkaç saniye tutulursa perlit oluşumu başlar.

Perlit, ferrit ve sementit katmanlarının birbiri üzerine dizildiği, soğana benzer bir yapıdır. Katmanlar arası mesafe, dönüşüm sıcaklığı düştükçe incelir. 1 mikrometrenin altına iner. İnce perlit, kaba perlite göre daha sert ve daha tok bir yapı sunar. Otomotiv şaselerinde aranan tok tokurtulu darbeyi emme yeteneği, işte bu ince perlit sayesinde gelir. Burun bölgesini hızlı geçip 200 derecenin altına inmeyi başarırsanız, atomlar ferrit ve sementit katmanlarını oluşturacak zamanı bulamaz. Bunun yerine, kristal kafes çarpılarak iğne yapraklı bir orman gibi büyüyen martensite dönüşür.

Martensit, çeliği cam kadar sert ama kırılgan yapar. Dönüşüm, difüzyonla değil, kayma mekanizmasıyla gerçekleşir. Karbon atomları yer değiştirecek zaman bulamaz, oldukları yerde sıkışıp kalır. Sonuç, hacim merkezli tetragonal bir kristal yapıdır ve bu yapı, karbon miktarına bağlı olarak inanılmaz bir sertlik sıçraması yaratır. 8 karbonlu bir çelikte 65 HRC’ye kadar çıkabilir. Operasyonel olarak, TTT diyagramı özellikle östemperleme adı verilen işlemde kullanılır.

Parça, tuz banyosunda 300 ila 400 derece arasında, diyagramın öngördüğü süre boyunca bekletilir. Süre, parça kalınlığına ve alaşıma bağlı olarak 10 dakikadan 4 saate kadar uzayabilir. Bekleyiş, tamamen beynit adı verilen, sertlik ve tokluğu aynı anda sunan bir yapı elde etmek içindir.

Beynit, perlit ve martensit arasında bir uzlaşma bölgesidir. Üst beynit, 400 derece civarında oluşur ve tüy benzeri bir görünüm sergiler. Alt beynit ise 300 derece civarında oluşur, martensite benzer iğnemsi bir yapıdadır ama içinde ince sementit plakaları barındırır. Alt beynitin sertliği 50-55 HRC aralığında gezinirken, çentik darbe tokluğu aynı sertlikteki temperlenmiş martensitten yüzde 30 daha yüksektir. Östemperleme işleminin püf noktası, parçayı beynit dönüşümü tamamlanana kadar tuz banyosunda tutmak ve sonra havada soğutmaktır. Dönüşüm yarım kalırsa, kalan ostenit havada soğurken martensite dönüşür ve parça iç gerilmelerle çatlar. TTT diyagramı, işte bu kritik süreyi tam olarak söyleyen tek kaynaktır.

### Sürekli soğumanın gözden kaçan matematiği

Gerçek dünyada hiçbir parça bir saniyede 800 dereceden 300 dereceye inip orada sabitlenmez. Su, yağ veya basınçlı hava ile soğutulan bir parçanın sıcaklığı sürekli düşer. CCT (Sürekli Soğuma Dönüşümü) diyagramı tam da bu gerçekliği haritalandırır. Diyagram üzerinde, fırından çıkan parçanın başlangıç noktasından aşağıya doğru inen eğriler soğuma hızlarını temsil eder. Her eğri, parçanın yüzeyinden ortasına, köşesinden göbeğine farklılaşır. En can alıcı eşik, kritik soğuma hızıdır. Martensit oluşturmak için gereken minimum soğuma hızıdır ve düşük alaşımlı bir 4140 çeliğinde bu değer kabaca saniyede 8 derece civarındadır.

Kritik soğuma hızı, alaşım elementlerinin sihirli dokunuşuyla değişir. Krom, molibden, nikel ve manganez gibi elementler, CCT diyagramındaki perlit ve beynit burunlarını sağa, yani daha uzun sürelere öteler. Yüzde 1 krom ve yüzde 0.2 molibden içeren 4140 çeliğinde kritik soğuma hızı saniyede 8 derece iken, sade karbonlu 1040 çeliğinde bu değer saniyede 200 derecenin üzerine çıkar. Aradaki fark, 4140 çeliğinin yağda soğutularak sertleştirilebilmesini, 1040 çeliğinin ise ancak suda şok soğutmayla martensitik olabilmesini açıklar. Su verme şiddeti arttıkça, parçada çatlama ve çarpılma riski de katlanarak büyür.

İşin zorluğu şuradadır. Çapı 100 milimetre olan bir milin yüzeyi yağa girdiğinde saniyede 15 derece soğurken, tam merkezi saniyede ancak 2 derece soğuyabilir. Yüzey cam gibi sert martensit, merkez ise esnek ferrit-perlit karışımı olur. CCT diyagramı, işte bu soğuma eğrilerinin hangi sertlik ve mikroyapı adalarından geçtiğini göstererek, yüzey sertliği 58 HRC istenirken merkezin neden 35 HRC’de kalacağının sırrını açıklar. Soğuma eğrisi, perlit burun bölgesini keserse, parça perlit oluşturmaya başlar. Beynit bölgesini keserse, beynit oluşur.

Martensit başlangıç sıcaklığının (Ms) altına inildiğinde ise martensit dönüşümü tetiklenir. 4140 çeliğinde Ms sıcaklığı kabaca 320 derecedir ve bu sıcaklığın altına inildiğinde, her 10 derecelik düşüşte dönüşen martensit miktarı yüzde 3 ila 5 arasında artar.

CCT diyagramının bir diğer kritik kullanım alanı, kaynak sonrası soğumanın modellenmesidir. Kaynak dikişi ve ısıdan etkilenen bölge, ergime sıcaklığından oda sıcaklığına kontrolsüz bir hızla soğur. Mühendis, CCT diyagramına bakarak, kaynak metalinin hangi soğuma hızında martensit oluşturacağını ve çatlama riskini öngörür. Kritik soğuma hızının altında kalmak için ön ısıtma sıcaklığı hesaplanır. 4140 çeliğinde, 200 derece ön ısıtma, soğuma hızını saniyede 15 dereceden saniyede 5 dereceye düşürerek martensit oluşumunu engeller ve hidrojen çatlaması riskini ortadan kaldırır.

### Diyagram okuma pratiğinde üç tuzak

Bir ısıl işlem mühendisi için diyagram okumak, bir haritacının pusulayla araziyi okumasına benzer. İlk tuzak, parça geometrisinin diyagrama dahil olmamasıdır. Laboratuvarda çizilen bir CCT eğrisi, çapı 10 milimetre olan bir deney numunesinden gelir. Aynı eğriyi çapı 500 milimetre olan bir vals merdanesine uyarlamak, yüzeyden merkeze olan ısı transferini hesaplamayı gerekirir. Isı transferi, Fourier denklemiyle modellenir ve parçanın Biot sayısına bağlıdır. 1’in altındaysa, parça içinde sıcaklık dağılımı neredeyse üniformdur ve laboratuvar eğrisi doğrudan kullanılabilir. Biot sayısı 1’in üzerine çıktığında, yüzey ile merkez arasındaki sıcaklık farkı 100 dereceyi aşabilir ve CCT eğrisi artık tek bir eğri değil, bir eğri ailesi olarak okunmak zorundadır.

İkinci tuzak, alaşım elementlerinin eğrileri ötelemesidir. Krom, molibden veya vanadyum gibi elementler, C eğrisinin burnunu sağa kaydırarak kritik soğuma hızını düşürür. Yani alaşımlı bir çelik, karbon çeliğine göre daha yavaş soğutulsa da martensit oluşturabilir. Durum, düşük alaşımlı boru çeliklerinde su verme yerine basınçlı hava ile sertleştirme imkanı doğurur.

Ancak alaşım elementlerinin bir de karanlık yüzü vardır. Krom ve molibden, martensit başlangıç sıcaklığını (Ms) düşürür. Ms sıcaklığı 200 derecenin altına indiğinde, oda sıcaklığında dönüşüm tamamlanmaz ve içeride kalıntı ostenit cepleri kalır. 4 karbonlu ve yüzde 5 kromlu sıcak iş takım çeliğinde, su verme sonrası kalıntı ostenit miktarı yüzde 20’ye kadar çıkabilir.

Son tuzak ise kalıntı ostenit hayaletidir. Martensit dönüşümü, belirli bir sıcaklıkta (Ms sıcaklığı) başlar ve daha düşük bir sıcaklıkta (Mf sıcaklığı) biter. Mf sıcaklığı, birçok alaşımlı çelikte oda sıcaklığının altındadır. Eğer parça Mf sıcaklığının altına kadar soğutulmazsa, içeride dönüşmemiş, yumuşak ostenit cepleri kalır. Cepler, parça kullanıldıkça zamanla ve ısıyla genleşerek çatlamalara yol açar. Kalıntı ostenit, aynı zamanda boyutsal kararsızlık yaratır.

Ostenit, martensite dönüştüğünde hacmi yüzde 4 artar. Bir bilyalı rulman yuvası, çalışma sıcaklığında bu dönüşümü yaşarsa, toleranslar bozulur ve rulman sıkışır. Gölcük’teki flanşın kırılma yüzeyinde görülen o gri pus, işte bu kontrolden kaçmış kalıntı ostenitin izidir. Flanş, servis yükü altında, dönüşmemiş ostenitin tetiklediği mikro çatlaklarla ansızın ayrılmıştı.

Piyasa Hafızası - 1973 Petrol Krizi ve Sürekli Soğutma Teknolojisinin Doğuşu

1973 yılında OPEC’in petrol ambargosu, doğalgaz fiyatlarını katladığında, Japon çelik devleri Nippon Steel ve JFE, ısıl işlem fırınlarının tükettiği enerjiyi azaltmak için çılgınca bir yarışa girdi. Geleneksel yöntem, kütükleri tek tek fırınlayıp sonra yine tek tek su vermekti. 1975’te Kashima tesisinde, mühendis Masao Ohtani, sıcak haddeleme çıkışında, haddeleme ısısını kullanan bir sürekli soğutma hattı kurmayı önerdi. Fikir, çeliği ayrıca ısıtmadan, 800 derecenin üzerindeki haddeleme sıcaklığındayken kontrollü bir şekilde soğutmaktı. 1978’de devreye alınan bu hat, saniyede 20 milimetre ilerleyen bir çelik şeridin üzerine, bilgisayar kontrollü nozzle’lardan su püskürterek CCT diyagramını gerçek zamanlı olarak işletti. Sonuç, ton başına doğalgaz tüketiminde yüzde 30 düşüş ve akma dayanımı 350 MPa’dan 500 MPa’a çıkan, kaynaklanabilir yüksek mukavemetli bir çelik oldu. Ders şuydu, fiziği simüle eden bir diyagram, sadece kaliteyi değil, bir endüstrinin enerji faturasını da dönüştürebilirdi.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. 4140 ıslah çeliğinden mamül, çapı 50 milimetre, boyu 300 milimetre olan bir transmisyon mili için hesaplayalım.

Tablo sadece bir kareyi gösteriyor. Şimdi duyarlılık twisti ekleyelim. Soğuma hızındaki yüzde 5’lik bir sapma, kritik eşiğin altına düşülmesine neden olursa, parti içindeki millerin yaklaşık yüzde 15’i sertlik çıkmaz. Parti bazında 1000 adetlik bir siparişte, 150 adet mil hurda ayrılır. Hata, tek bir partide 1800 dolarlık ilave kayıp yaratırken, toplam partiden elde edilmesi beklenen net gelir olan 8700 doların yüzde 20’sini buharlaştırır. Isıl işlem fırınının kapısını açma anındaki bir operatör tereddütü, küçük bir hesapta dev bir delik açar.

Bir origami olarak ısıl işlem

Mikroskobik dünyada, saniyeler ve dereceler, görünmez bir el gibi atomları katlar ve kıvırır. İlk bakışta, TTT bir mutfak tarifi, CCT ise bir hava durumu tahmini sanılır. Oysa ikisi de, malzemenin zamanla kurduğu ilişkinin termodinamik kaydıdır. Okumasını bilen için, bu diyagramlar sadece eğriler değil, aynı zamanda maliyet, enerji ve güvenlik marjlarının kesişim noktalarıdır. Bir TTT diyagramındaki burun sıcaklığının 550 dereceden 500 dereceye kayması, östemperleme banyosunun sıcaklık kontrol toleransını 10 dereceden 5 dereceye çeker ve tuz banyosunun ısıtıcı hassasiyetini iki katına çıkarmayı zorunlu kılar.

İkinci okumada, bir TTT eğrisinin burnunun ne kadar sağda olduğu, bir fabrikanın elektrik faturasını belirler. Üçüncü okumada ise, 1978’de Kashima’da olduğu gibi, bir ülkenin çelik ihracatını şekillendirir. Dördüncü okumada, Gölcük’teki flanşın neden kırıldığını, Ms sıcaklığının altına inemeyen bir soğuma eğrisinin kalıntı ostenit cepleri bıraktığını ve bu ceplerin yıllar sonra bir deprem sabahı nasıl sessizce ayrıldığını görürsünüz. Sertlik, bir noktada donmuş zamandır. Zamanı okuyamayan, sertliği anlayamaz.