Demir-Karbon Denge Diyagramı: Çeliğin İç Yapısı ve Isıl İşlemin Temeli

Aynı çelik çubuk, ısıl işlemle cam kesecek kadar sertleştirilebilir ya da kolayca bükülecek kadar yumuşatılabilir. Malzemenin kimyasal bileşimi değişmediği halde özelliklerinin bu kadar değişebilmesinin sırrı, çeliğin iç yapısındadır. Bu iç yapının sıcaklığa ve karbon oranına göre nasıl değiştiğini gösteren haritaya demir-karbon denge diyagramı denir.

Demir-karbon diyagramı, tavlama, sertleştirme, ıslah ve sementasyon gibi bütün ısıl işlemlerin temelidir. Bu yazıda demir malzemelerin iç yapılarını, Fe-C diyagramının nasıl okunduğunu ve ısıtma sırasında kristal yapıda neler olduğunu ele alıyoruz.

Isıl İşlem Neden Yapılır?

Isıl işlem ile metalik malzemelerin özellikleri istenen yönde değiştirilebilir. Özellikle sertlik, dayanım ve işlenebilirlik iyileştirilir. Bu değişimin nedeni, malzemenin kristal yapısının değişmesidir.

Isıl işlemin çeliklere bu kadar etkili şekilde uygulanabilmesinin anahtarı ise demirin içindeki karbondur.

Demirdeki Karbonun Rolü

Demir malzemeler, üretim süreçleri nedeniyle her zaman belirli oranda karbon içerir. Karbonun iki yönlü bir etkisi vardır:

• Olumsuz yönü: Karbon oranı arttıkça demir daha gevrek hale gelir.
• Olumlu yönü: Isıl işlemle birçok özelliğin iyileştirilebilmesi için karbon şarttır. Karbonsuz demir sertleştirilemez.

Karbon, demirin iç yapısını (dokusunu) doğrudan belirler. Bu iç yapı, malzemenin kesiti parlatılıp dağlandığında mikroskop altında görülebilir.

---

Demir Malzemelerin İç Yapıları

Yavaş soğutulmuş demir malzemeler incelendiğinde, karbon oranına göre farklı iç yapılar görülür.

Ferrit (α Demiri)

Karbonsuz demir, çok köşeli tanelerden oluşan bir iç yapıya sahiptir. Bu yapıya ferrit ya da α (alfa) demiri denir.

Ferritin özellikleri: Yumuşaktır. Kolayca şekil değiştirebilir. Mıknatıslanabilir

Sementit (Demir Karbür, Fe₃C)

Demir karbon içerdiğinde, karbon demirle birleşerek demir karbür (Fe₃C) adı verilen bir kimyasal bileşik oluşturur. Bu yapıya sementit denir.

Sementitin özellikleri: Çok sert. Çok gevrek

Perlit

Karbon oranı arttıkça sementit, ferrit tanelerinin içinde ince şeritler (lameller) halinde ayrışır. Karbon oranı %0,8’e ulaştığında, bütün ferrit taneleri bu şeritli sementitle dolar. Ferrit ve sementitin ince katmanlar halinde dizildiği bu yapı, mikroskop altında sedef gibi parladığı için perlit adını alır.

Perlit, ferritin yumuşaklığı ile sementitin sertliği arasında dengeli bir yapıdır.

Karbon Oranına Göre Çeliklerin İç Yapısı

Çelikler, oda sıcaklığındaki iç yapılarına göre üç gruba ayrılır:

Çelik türü	Karbon oranı	İç yapı	Özellik
Ötektoid altı çelik	%0,8’den az	Ferrit + Perlit	Karbon arttıkça perlit oranı artar
Ötektoid çelik	Tam %0,8	Saf perlit	Tamamen perlitik yapı
Ötektoid üstü çelik	%0,8’den fazla	Perlit + tane sınırı sementiti	Fazla karbon, tane sınırlarında şeritli sementit olarak birikir

Ötektoid üstü çeliklerde iç yapıdaki sementit oranı ne kadar fazlaysa, çelik o kadar sert, ama aynı zamanda o kadar gevrek olur. Takım çelikleri genellikle bu gruptandır.

Örnekler:

• %0,5 karbonlu bir çelik (C45 gibi bir ıslah çeliği) ferrit-perlit yapısına sahiptir.
• %1,2 karbonlu bir çelik ise perlit ve tane sınırı sementiti içerir.

Dökme Demir

Karbon oranı %2,06‘dan fazla olan demir malzemelere dökme demir denir. Dökme demirde karbon iki şekilde bulunabilir:

• Sementit (Fe₃C) olarak, yani demirle bileşik halinde
• Grafit olarak, yani saf karbon halinde

Döküm parçalarda, özellikle silisyum içeren dökme demirlerde, genellikle şu yapı oluşur: Karbonun %0,8’e kadar olan kısmı perlit içinde şeritli sementit olarak kristalleşir. Fazla karbon ise grafit lamelleri halinde ayrışır. Bu yüzden dökme demirin yapısı, perlitik ya da ferritik-perlitik bir ana yapı ile taneler arasına dağılmış grafit lamellerinden oluşur. Gri dökme demirin kırık yüzeyinin gri görünmesinin nedeni de bu grafittir.

Demir-Karbon Denge Diyagramı Nedir?

Yukarıda anlatılan iç yapılar, oda sıcaklığından 723 °C’ye kadar geçerlidir. Demir malzeme bu sıcaklığın üzerine ısıtıldığında başka iç yapılar oluşur.

Demir-karbon denge diyagramı, belirli bir karbon oranına ve belirli bir sıcaklığa sahip bir demir malzemenin hangi iç yapıya sahip olduğunu gösteren bir haritadır.

• Yatay eksen: Karbon oranı (%)
• Düşey eksen: Sıcaklık (°C)
• Alanlar: Her alan farklı bir iç yapıyı temsil eder
• Çizgiler: İç yapı bölgelerini birbirinden ayıran sınırlardır

Diyagramdaki Önemli Çizgiler

Çizgi	Neyi ayırır?
P-S çizgisi (723 °C)	Alttaki ferrit-perlit bölgesini, üstteki östenit-ferrit bölgesinden ayırır
S-K çizgisi (723 °C)	Alttaki perlit-sementit bölgesini, üstteki östenit-sementit bölgesinden ayırır
G-S çizgisi	Östenit-ferrit bölgesini, tamamen östenit bölgesinden ayırır
S-E çizgisi	Östenit-sementit bölgesini, tamamen östenit bölgesinden ayırır

S noktası (%0,8 karbon, 723 °C) diyagramın en önemli noktasıdır. Bu noktada östenit doğrudan perlite dönüşür. Buna ötektoid nokta denir.

Demir-Karbon Denge Diyagramı Nasıl Okunur?

Bir çeliğin herhangi bir sıcaklıkta hangi iç yapıya sahip olduğunu bulmak için:

1. Yatay eksende çeliğin karbon oranı bulunur.
2. Bu noktadan yukarı doğru dik bir çizgi çekilir.
3. Düşey eksende istenen sıcaklık bulunur ve yatay bir çizgi çekilir.
4. İki çizginin kesiştiği alan, çeliğin o sıcaklıktaki iç yapısını gösterir.

Isıtma ya da soğutma sırasında çelik bir sınır çizgisini geçtiğinde, iç yapısı da buna uygun olarak değişir.

Örnek: %0,5 karbonlu bir çeliği ele alalım.

• Oda sıcaklığında: Ferrit + perlit
• 723 °C’nin hemen üzerinde: Östenit + ferrit
• G-S çizgisinin üzerinde (yaklaşık 770 °C): Tamamen östenit

---

Isıtma Sırasında Neler Olur? Kristal Kafes Dönüşümü

Ferritten Östenite: Kristal Kafesin Değişmesi

Karbonlu demir 723 °C’nin üzerine ısıtıldığında iç yapısı değişir. Bu değişimin nedeni kristal kafesin dönüşmesidir:

• 723 °C’nin altında demir hacim merkezli kübik (HMK) kafese sahiptir. Bu kafes ferrittir.
• 723 °C’nin üzerinde kafes yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya dönüşür. Bu yeni yapıya östenit denir.

Yüzey merkezli kübik kafeste, küpün merkezi boştur. Şeritli sementitten serbest kalan karbon atomları bu boşluklara yerleşir. Böylece karbon demirin içinde katı halde çözünmüş olur. Bu yapıya östenit ya da γ (gama) demiri denir.

Östenitin özellikleri: Kenarları sivri tanelerden oluşur. Yumuşaktır. Kolayca şekil değiştirebilir. Ferritin aksine mıknatıslanamaz

Çeliklerin sıcak dövme ve sıcak haddelemesinin östenit bölgesinde yapılması da bu yüzdendir. Bu bölgede çelik yumuşak ve kolay şekillendirilebilir haldedir.

Farklı Karbon Oranlarında Isıtma

%0,8 karbonlu çelik (ötektoid çelik):
Perlitin östenite dönüşümü tam olarak 723 °C’de, yani diyagramdaki S noktasında, bir anda tamamlanır.

%0,8’den az karbonlu çelikler (ötektoid altı):

• 723 °C’de (P-S çizgisi), yapıdaki perlit kısmı östenite dönüşür.
• Geriye kalan ferrit ise P-S çizgisi ile G-S çizgisi arasındaki sıcaklık aralığında yavaş yavaş östenite dönüşür.
• G-S çizgisinin üzerinde yapı tamamen östenittir.

%0,8’den fazla karbonlu çelikler (ötektoid üstü):

• S-K çizgisi aşıldığında, perlit östenite dönüşür.
• Tane sınırı sementiti ise S-K ile S-E çizgileri arasındaki sıcaklık aralığında, sıcaklık arttıkça mevcut östenitin içinde yavaş yavaş çözünür.
• S-E çizgisinin üzerinde yapı tamamen östenittir.

Ergime

Tamamen östenit haline gelmiş bir çelik ısıtılmaya devam edilirse ergimeye başlar. Örneğin %0,8 karbonlu bir çelikte:

• Yaklaşık 1380 °C’de demirin bir kısmı ergimeye başlar.
• Yaklaşık 1480 °C’nin üzerinde demirin tamamı ergimiş olur.

Soğutma Sırasında: Ters Yönde Dönüşüm

Yavaş soğutma sırasında bu olaylar tersine gerçekleşir. %0,8 karbonlu ergimiş çelik örneğinde:

1. 1480 °C’nin altında, eriyik içinde katı östenit kristalleri oluşmaya başlar.
2. Soğuma devam ettikçe östenit kristalleri büyür. 1380 °C’de eriyiğin tamamı katılaşır.
3. Katılaşan demir östenit yapısındadır.
4. Soğumaya devam edildiğinde, östenit 723 °C’de perlite dönüşür.

Bu dönüşümün yavaş soğutmada gerçekleştiğini unutmamak gerekir. Çelik östenit sıcaklığından hızla soğutulursa (su verilirse), karbon atomları kafesten kaçmaya zaman bulamaz. Böylece perlit yerine çok sert bir yapı oluşur. Sertleştirmenin temel prensibi budur.

Ötektik Dökme Demir ve Ledeburit

Demir malzemelerdeki iç yapı dönüşümleri, karbon oranına göre farklı sıcaklıklarda gerçekleşir. %4,3 karbonlu dökme demir, bütün demir-karbon alaşımları içinde en düşük ergime sıcaklığına sahiptir. Bu bileşimdeki dökme demire ötektik dökme demir denir.

Ötektik dökme demir, ledeburit adı verilen özel, ince taneli bir iç yapıya sahiptir. Düşük ergime sıcaklığı nedeniyle ötektik bileşime yakın dökme demirler dökümcülükte kolay ergitilir ve kalıbı iyi doldurur.

İç Yapıların Özeti

İç yapı	Tanım	Kristal kafes	Özellikler
Ferrit (α demiri)	Karbonsuz ya da çok az karbonlu demir	Hacim merkezli kübik	Yumuşak, kolay şekillenir, mıknatıslanır
Sementit (Fe₃C)	Demir karbür bileşiği	–	Çok sert ve gevrek
Perlit	Ferrit ve sementitin ince katmanlı karışımı (%0,8 C)	–	Dayanımlı, sedef görünümlü
Östenit (γ demiri)	Karbonun demirde katı halde çözündüğü yapı	Yüzey merkezli kübik	Yumuşak, kolay şekillenir, mıknatıslanmaz
Ledeburit	Ötektik dökme demirin yapısı (%4,3 C)	–	İnce taneli
Grafit	Dökme demirde saf karbon lamelleri	–	Gri dökme demire rengini verir

Önemli Sayısal Değerler

Değer	Anlamı
%0,8 C	Ötektoid bileşim. Saf perlit yapısı
723 °C	Perlit-östenit dönüşüm sıcaklığı (P-S-K çizgisi)
%2,06 C	Çelik ile dökme demir arasındaki sınır
%4,3 C	Ötektik dökme demir. En düşük ergime sıcaklığı, ledeburit

Sonuç

Demir-karbon denge diyagramı, çeliğin ve dökme demirin karbon oranına ve sıcaklığa göre hangi iç yapıya sahip olduğunu gösteren temel bir haritadır. Oda sıcaklığında karbon oranına göre ferrit, perlit ve sementit yapıları görülür.

%0,8 karbonlu çelik saf perlitten oluşur. Daha az karbonlu çelikler ferrit-perlit, daha fazla karbonlu çelikler perlit-sementit yapısındadır. %2,06’nın üzerindeki karbon oranlarında malzeme dökme demir olur.

723 °C’nin üzerinde hacim merkezli kübik ferrit kafesi, yüzey merkezli kübik östenit kafesine dönüşür ve karbon demirin içinde çözünür. Tavlama, sertleştirme ve ıslah gibi bütün ısıl işlemler, bu dönüşümün kontrollü şekilde kullanılmasına dayanır. Bu yüzden ısıl işlemi anlamanın ilk adımı Fe-C diyagramını okuyabilmektir.

Sıkça Sorulan Sorular