The mechanism of brittle fracture in CN3MN grade superaustenitic stainless steel
CN3MN süperöstenitli paslanmaz çeliklerde gevrek kırılma mekanizmaları
- Tez No: 380994
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Çelik çok büyük yapılardan evlerdeki küçük mutfak malzemelerine kadar hayatın her alanında en yaygın olarak kullanılan malzeme ürünlerinden biridir Bununla birlikte, bilinen eski malzemelerden biri olmakla beraber, metalurji ve malzeme bilimindeki gelişmelere bağlı olarak yüzyıllardır kendi özelliklerini geliştirmektedir. Çelik her zaman için üstün özellikler gösteren malzeme keşiflerinin merkezinde bulunmuştur. Çelik ailesi kompozisyon, ısıl-işlem ve üretim özelliklerin gelişmesi ile her geçen gün daha da büyümektedir. CN3MN, süperöstenitli paslanmaz çelikler, üstün korozyon dirençleri ile östenitik paslanmaz çelik ailesinin bir alt grubunu oluşturmaktadır. Uygulama alanları genel olarak, diğer paslanmaz çelik alaşımlarının korozyona uğrayacağı deniz ve deniz altı yapıları ve petrol kuyuları gibi hem mekanik özelliklerin hem de korozyon dayancının çok iyi olması gereken uygulamaları kapsamaktadır. Ancak, öncesinde bu alaşımda çözülmesi gereken ciddi bir sorun vardır. Bu alaşımlar, 15 dakika gibi kısa süreli ısıl işlemlere maruz kaldığı zaman tokluk dayancını yarı yarıya kaybetmekte ve gevrek kırılma karakteristiği göstermektedir. Dövme çelik alaşımlar genelikle küçük boyutlarda oldukları için bu tür kırılma davranışı göstermemektedirler. Buna karşın dökümle üretilen süperöstenitik paslanmaz çeliklerde, soğuma hızı çok yavaş ve homojen olmadığı için bazı bölgelerde bu kırılma türüne rastlanılmaktadır. Bu sebeple, kırılma mekanizmaları çok iyi anlaşılarak bu şekilde kırılmayı önleyecek tedbirler alınmalıdır. Bu çalışmanın amacı, 927°C de 30 saniye ile 16 dakika arasındaki kısa süreli, uygulanan ısıl işlemlerden sonra gözlemlenen gevrekleşme mekanizmalarının belirlenmesidir. Bunun için, öncelikle, ısıl işlem gören numuneler sadece homojenize edilen numuneler ile mikroyapısal olarak taramalı elektron mikroskobu ile karşılaştırılmışlardır. Bu kıyaslamalardan çıkan sonuçlardan, kırılmanın tane sınırları boyunca oluşan çökeltiler olabileceği düşünülmüştür. Bu çökeltiler daha önce literatürde sıklıkla incelenen ikincil fazlardan (Laves, sigma, chi) farklı oldukları tespit edilmiştir. Metallerarası bileşikler genel olarak gevrek davranış gösterdiklerinden dolayı, tane sınırlarında çekirdeklenip büyüdükleri zaman malzemenin dayancını düşürürler. Gerçekleştirilen analizlere göre, 30 saniye ısıl işlem görmüş numunedeki çökelti büyüklüğü ortalama 400 nm ve birim alandaki çökelti sayısı çok yüksektir. Önceki çalışmalarda bu çökeltilerin oluşma kinetiklerinin çok yavaş olduğunun belirlenmesine rağmen, bu çalışmada tespit edilen çökeltilerin hızlı kinetiklere sahip olmasının sebebi numunenin alaşım elementleri açısından homojen olmamasıdır. Özellikle molibdenum numune boyunca homojen olarak dağılmamış ve bu elementce zengin olan bölgeler çökeltiler için tetikleyici olarak davranmıştır. Gözlemlenen ikinci mekanizma kristalografik hatalar sonucu oluşan tane içi gevrekleşmedir. Isıl işlem görmüş numunelerde zigzag şeklinde çatlaklar belirlenmiştir. Bu çatlakların HRTEM ile incelenmeleri sonucunda o bölgelerde nano boyutlarda dizilim hatalarına rastlanılmıştır. Bu hataların oluşma sebebinin alaşımın sahip olduğu düşük dizilim hatası enerjisi olduğu tespit edilmiştir. CN3MN için dizilim hatası enerjisi 12-30 mJ/m2 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, birbiriyle iç içe geçmiş dislokasyon dağılımı da bu malzemedeki dizilim hatası enerjisinin düşük olduğunu desteklemektedir. Dizilim hata enerjisinin düşük olması FCC yapı içerisinde kayma sistem sayısı sınırlı kırılgan HCP dizilimlerin oluşmasına yol açmaktadır. Bu sebeple kırılmanın büyük bir bölümü, HCP dizilim boyunca tane içinde gerçekleşmektedir.
Özet (Çeviri)
Steel is one of the most widely used materials in almost every major engineering application. Their uses extend from the large constructions in the capitals to the small kitchenware products in houses. Steel has been known since the ancient times, and the properties of steel have been enhanced for hundreds of years by the help of the improvements in metallurgy and material science. Steel has been almost at the center to the discovery-based development of new alloys with notable properties. The steel family has been still growing with the innovations in compositions, heat-treatments and production techniques. Attributed primarily to its remarkable deteriorative properties, CN3MN, is one of the significant Super Austenitic Stainless Steel (SSS), which is a subclass of austenitic stainless steels. Main application areas of CN3MN are marine constructions and oil wells due to their excellent corrosion resistance and superior toughness. However, according to the results of recent time temperature transformation (TTT) diagrams, incorrect heat-treatments for as short as 15 minutes causes fracture toughness of the alloy to decrease by 50% as embrittlement occurs. Wrought steel pieces are typically smaller in size and can be heat-treated and cooled rapidly in order to avoid embrittlement. However, in the case of cast superaustenitic stainless steel, cooling rate is much slower so the regions suffered from such embrittlement is extended. The focus of this study is to understand the mechanisms of the embrittlement problem after annealing heat-treatments for very short times i.e. 30 seconds to 16 minutes at 927°C. The fracture surfaces were investigated by using scanning electron microscope (SEM). Failure analysis results showed a ductile to brittle failure transition for relatively short annealing times. The first reason for embrittlement was defined as the precipitates formed at the grain boundaries. Since the intermetallic precipitates are very brittle, they deteriorate the mechanical properties when the brittle network is formed on the grain boundaries. Average precipitate size in 30-second annealed specimen was found to be about 400 nm with a high number density. The crystal structure of the precipitates formed in short-term annealing could not be matched with previously determined secondary phases in austenitic stainless steel. The kinetics of the nucleation and growth was determined to be very sluggish in the previous studies. In this study, it is shown that the newly determined precipitates have relatively high nucleation rates. This is related to inhomogenous distribution of Mo after the homogenization. These Mo-rich regions are thought to trigger a rapid precipitation. Second mechanism observed in CN3MN is transgranular embrittlement. The heat-treated specimens contained some cracks with zigzag pattern. Close observation of such defects revealed stacking-fault type imperfections, which lead to step-like cracking observed in micron-length scales. The reason of having such faulted regions was connected to having low stacking fault energy. Stacking fault energy of austenite phase in CN3MN was calculated to be between 12-30 mJ/m2 which is quite low for a metallic alloy. Another implication for low SFE was the dislocation distribution. Low SFE promotes entangled dislocation structure instead of subgrain formation, which limits the dislocation motion. The low SFE suppress the crosslinking and climb processes, which are the most active phenomena to maintain dislocation motion. The stacking-fault observed in austenitic matrix changes the FCC by HCP sequence within the defected nano-metric regions. Therefore, the vast majority of transgranular cracks were formed within the brittle HCP-sites resulting into catastrophic transgranular fracture.
Benzer Tezler
- Farklı bileşimli betonlarda tekrarlı yükün betonun elastiklik modülüne etkisi
Başlık çevirisi yok
VOLKAN CAN TİRYAKİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN YILDIRIM
- Static and cyclic laboratory testing of brisbane rocks
Brisbane kayaçlarının statik ve tekrarlı yüklerle laboratuvar testleri
NAZİFE ERARSLAN
Doktora
İngilizce
2011
Mühendislik BilimleriUniversity of Queenslandİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVID JOHN WILLIAMS
- Investigating the effects of micro arc oxidation (MAO) process on thermal and elevated temperature mechanical properties of AZ91 MG alloy
AZ91 MG alaşımlarının termal ve yüksek sıcaklık mekanik özelliklerine mikro ark oksidasyon (MAO) prosesinin etkilerinin incelenmesi
EKİN SELVİ
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- The effect of post weld heat treatment on the mechanical properties of TIG welded inconel 718 alloy
Kaynak sonrası ısıl işlemin TIG ile kaynak yapılmış inconel 718 alaşımının mekanik özelliklerine etkisi
ECE CANAN KOŞMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU