Understanding the unusual passive behaviour of high strength hybrid steel in corrosive environments
Yüksek mukavemetli hibrit çeliğin korozif ortamlarda olağandışı pasif davranışının anlaşılması
- Tez No: 789763
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM ÖRNEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Yüksek mukavemetli çeliklerin, otomotiv, uçak ve açık deniz uygulamaları gibi çeşitli teknolojik uygulamalarda sıklıkla kullanılmaları, bu çeliklere karşı duyulan ilgiyi yıllar içerisinde giderek arttırmıştır. Yüksek mukavemet/ağırlık oranı sunduklarından, bu çelikler mühendislik uygulamalarında dayanıklılık, ağırlık ve maliyet kazancı sağlamaktadır. Mukavemet seviyesinin kesin bir değeri olmamakla birlikte, düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çelik tipik olarak 500 MPa'dan yüksek akma ve 1000 MPa'dan yüksek çekme mukavemetine sahiptir. Yüksek mukavemetli paslanmaz çeliklerin minimum ağırlıkça %10,5 – 13 krom içermeleri beklenmektedir. Bu değer, yüzeyde oluşacak ince, homojen, koruyucu pasif filmin oluşabilmesi için bilinen sınır krom değeridir. Hibrit çelik, yeni nesil bir yüksek mukavemetli çeliktir. Hibrit çelik, mühendislik çelikleri, takım çelikleri ve paslanmaz çeliklerin özelliklerinin birleştirildiği bir platform yaratmaktadır ve bu nedenle Hibrit çelik olarak adlandırılır. Bu yeni mühendislik çeliği, yalnızca yüksek mukavemete sahip olmakla kalmayıp, yüksek sıcaklıkta oksidasyon direnci, maliyet, çevresel sürdürülebilirlik anlamlarında da üstün özellikler sergilemektedir. Korozyon ve beraberinde getirdiği etkiler, ülkelerin gayrisafi milli hasılasının büyük bir kısmının kaybına yol açtığından, korozyon kayıplarının incelenmesi ve bunun önüne geçilebilmesi, maliyet ve kaynakların sürdürülebilirliği açısından yüksek önem arz etmektedir. Korozyona karşı gösterdiği dirence ek olarak, alaşım elementlerinin az kullanıldığı bu yeni nesil Hibrit çelik ile çevresel sürdürülebilirlik de desteklenmektedir. Dünya endüstrisinde meydana gelen bu yeni dönüşüm, yeşil üretim rotalarını ve sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmayı zorunlu kılmıştır. Hibrit çeliğin korozyona karşı gösterdiği direnç, düşük alaşım oranı ile gelen düşük maliyeti ve bütün bunlara ek olarak yeşil üretimi ile, bu yeni dönüşüm hedeflerine başarılı bir şekilde uyum sağlayacağı öngörülmektedir. Hibrit çeliğin sunduğu üstün mukavemet, endüstride sıklıkla kullanılan iki mikroyapı sertleştirme mekanizmasının martenzitik matris içerisinde başarılı bir şekilde birleştirilmesi ile elde edilmiştir. Bu mekanizmalardan ilki genellikle takım çeliklerinin sertleştirilmesinde kullanılan karbür oluşumudur. Kullanılan diğer mekanizma ise intermetalik nikel alüminitlerin çökelmesidir. Temperleme ısıl işlemi, bahsi geçen mikroyapının elde edilmesini sağlamaktadır. Buna ek olarak temperleme ısıl işlemi ile daha yüksek mukavemet ve sertlik değerleri elde edilmektedir. Temperleme uygulanmamış Hibrit çeliği, 450 Vickers sertlik değerine sahipken, temperlenmiş Hibrit çelik 600 Vickers sertlik değerine sahiptir. Hibrit çelik (ağırlık olarak) %5 krom, %6 nikel ve %2 alüminyum içerir ve düşük maliyetli, düşük alaşımlı, yüksek mukavemetli ve yeşil bir çelik olarak kabul edilmektedir. Bu yüksek lisans tezi, Hibrit çeliğin korozyon direncini nötr sodyum klorür ve klorür içermeyen, oksijensiz sülfürik asit çözeltilerinde elektrokimyasal polarizasyon ve sinkrotron x-ışını fotoelektron spektrumu (XFS) ölçüm teknikleri kullanarak araştırmaktadır. Hibrit çeliğin korozyon davranışı, endüstride sıklıkla kullanılan AISI 304 (östenitik), 420 (martenzitik) ve konvansiyonel karbon çelikleriyle kıyaslanmıştır. Bu çalışmadaki motivasyon, çeliği paslanmaz yapan etkenleri, çelik ürünlerin doğru kullanımı amacıyla incelemek, buna ek olarak daha gelişmiş malzemeler tasarlamanın yolunu açmaktır. Çeliği paslanmaz hale getiren veya daha doğu bir tabirle bulunduğu ortamlarda pasif davranma özelliklerine sebep olan etkenlerin anlaşılması oldukça önemli hale gelmiştir. Paslanmaz yani pasif olma halinin anlaşılması yüksek mukavemetli çelikler için uzun ömürlü ve verimli kullanımını sağlayacaktır. Bu sayede maliyetten tasarruf sağlanıp ayrıca çevreci ve sürdürebilirlik elde edilecektir. Bu çalışmanın maksadı alışılagelmiş konvansiyonel yüksek mukavemetli çelik türlerinden tamamen farklı ve yenilikçi olan Hibrit çeliğin klorürsüz asidik ve klorür içeren nötr çözeltilerde korozyon davranışlarını anlamaktır. Elde edilen çıktılar, test edilen koşullarda Hibrit çeliğin, muadili ve %13 krom içeren yüksek mukavemetli çeliğe kıyasla korozyona karşı üstün direnç sunduğunu göstermiştir. Farklı konsantrasyonlarda klorür içeren ortamlarda Hibrit çelikte, %13 krom içeren çeliğe benzer bir şekilde, çukur korozyonu gözlemlenmiştir. Optik ve elektron mikroskoplarıyla gözlemlenen çukur korozyonu, yüzeyde pasif bir filmin varlığına işaret etmiştir. Hibrit çeliğin pasivasyon davranışı pH 3 ve 0,5 sülfürik asit çözeltilerinde bir dizi potansiyodinamik polarizasyon deneyi yoluyla araştırılmış ve bu ortamlarda pasif davranışın nasıl değiştiği incelenmiştir. Elde edilen eğrilerde, Hibrit çeliğin konvansiyonel paslanmaz çeliğe benzer şekilde pasif davrandığı ve yüksek anodik redoks potansiyellerinde martenzitik 420 ve östenitik 304 tipi paslanmaz çeliklerine kıyasla üstün davranış sergilediği anlaşılmıştır. Sıklıkla kullanılan karbon ve arayer-atomsuz (interstitial-free) çelik ile yapılan kıyaslamalarda ise, aynı ortamlarda bu malzemelerin pasifleşmesi gözlemlenmemiştir. Klorürlü ortamlarda elde edilen polarizasyon eğrilerinde, korozyon potansiyeli bölgesinde görülen mikroamper mertebelerindeki korozyon akımları ve klorürsüz asidik çözeltilerde gözlemlenen aktiften pasife geçiş davranışı Hibrit çeliğin paslanmazlık tanımlamasına uygun olarak davrandığını kanıtlar niteliktedir. Pasif oksit filmin, krom, nikel, molibden ve alüminyum oksitlerinden meydana geldiği XFS analizleri ile gösterilmiştir. Hibrit çelik aktif potansiyellere polarize edildiğinde meydana gelen anodik çözünmeler nedeniyle yüksek miktarda katyon üretimi meydana gelmiş, bu katyonlar yüzeyde kalın demir, krom, alüminyum ve molibden oksitleri oluşmuştur. Bilimsel çalışmalar, çeliğe paslanmaz karakter kazandırmak için minimum %10,5 ile %13 kroma ihtiyaç olduğu kabul etmektedir. Tipik olarak, çelik endüstrisinde, krom karbür oluşumundan dolayı meydana gelen krom hassaslaşmasının önüne geçmek için, matristeki krom içeriğini yedeklemek adına yaklaşık %13 krom alaşımı yapılır. Ancak Hibrit çelik sadece %5 krom içermektedir; bu nedenle pasif davranışı sadece krom oksit ile açıklanamaz. XFS sonuçları, diğer alaşım elementlerinin de yüzey oksitlerine katıldığını ve korozyon direnci anlamında pasif krom oksidi desteklediğine dair bilgi vermiştir. Pasif oksit oluşumunda alüminyumun aktif rol oynadığı da XFS analizleri ile saptanmıştır. Alüminyum oksit, elektron transfer reaksiyonlarına karşı dirençli, yoğun bir oksit tabakası oluşturur. Temperlenmiş ve temperlenmemiş her iki koşulda da Hibrit çelik, asit ve klorür çözeltilerindeki polarizasyon davranışından da anlaşılacağı gibi kendiliğinden pasiftir. Yüksek anodik potansiyellerde meydana gelen pasif filmin kırılması, açıkça paslanmaz karakter göstermektedir. Bu bağlamda, yapılan çalışmalar ile yeni bir pasiflik tanımı ortaya konulmuştur. Geleneksel teknikte olduğu gibi minimum %13 krom içerme zorunluluğu olmadan, mikroyapı ve alaşım tasarımı sayesinde yüksek korozyon direncine sahip ve düşük maliyetli bir paslanmaz çelik alaşımı varlığı, bu tez kapsamında yapılan elektrokimyasal testler ve yüzey analizleri ile ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Due to their critical importance in numerous technical applications, such as automotive, aerospace, or offshore, high-strength steels have undergone extensive research over the past few decades. High-strength steels enable the manufacturing of lightweight compo-nents indispensable in modern engineering applications. Although the term“high strength”is not well defined, low-alloyed strong steel typically has yield strengths of over 500 MPa and tensile strengths of over 1000 MPa. High-strength stainless steel often has a minimum chromium content of roughly 13 % necessary to achieve a protec-tive surface chromium oxide layer. Hybrid steel is novel high-strength steel that meets the requirements regarding strength, high-temperature degradation, costs and environmental sustainability. It is immensely important to investigate and prevent corrosion by means of cost and resource sustaina-bility, since it causes a large potion of losses of the gross domestic product. Besides its high corrosion resistance, this recently developed, low alloyed Hybrid steel supports environmental sustainability. Recent transformation in the world industry has obligated the green production routes and sustainability approaches. It is foreseen that Hybrid steel will harmonize these new transformation goals, since it is highly corrosion re-sistant, low cost with low alloying and furthermore, its green production. Its outstand-ing strength originates from a double precipitation hardening mechanism in which car-bides and aluminides strengthen the martensitic matrix. The tempering (or ageing) treatment promotes the precipitation of secondary carbides and nickel aluminides, which are homogeneously dispersed within the steel matrix. Hybrid steel contains (in weights) 5 % chromium, 6 % nickel, and 2 % aluminium and is considered a cheap low-alloy high-strength steel. The mechanical properties of Hybrid steel are well under-stood, but the corrosion behaviour remained non-investigated. This thesis investigates Hybrid steel's corrosion resistance to neutral chloride and chlo-ride-free acidic aqueous solutions using electrochemical polarisation and synchrotron-radiation x-ray photoelectron measurement techniques. The motivation of the research is to understand Hybrid steel's corrosion behaviour in de-aerated sulfuric acid and so-dium chloride aqueous solutions at room temperature. The further aim was to discuss what makes steel stainless with the goal to use steel products properly and, moreover, design more advanced materials. The results have shown that Hybrid steel offers supe-rior resistance to corrosion when compared to 13 weight per cent chromium-bearing high-strength steel and therefore declares Hybrid steel as stainless. The electrochemical polarisation curves showed that Hybrid steel could passivate in de-aerated sulfuric acid and neutral sodium chloride solutions. Optical and electron microscopy analyses re-vealed that the corrosion form is pitting, indicating a passive nature of Hybrid steel. Synchrotron hard x-ray photoelectron spectroscopy analyses revealed that the native oxide of Hybrid steel is a mixed oxide layer composed of Fe, Ni, Cr and Al oxides, explaining its passive nature in the tested corrosive solutions, thus stainless behaviour. The work has shown that steel can be made stainless without needing 10.5 – 13 weight per cent alloyed chromium. Aluminium and nickel support the chromium in passivating the steel matrix, forming a dense, potent oxide that is sluggish to electron transfer reac-tions. The work has also shown that diligent alloy composition and microstructural design can optimize the corrosion resistance of low-cost steel. In both heat-treated con-ditions, Hybrid steel is spontaneously passive, as apparent from the polarisation behav-iour in acidic and chloride solutions, showing passive currents on the order of micro-amps per square centimetre.
Benzer Tezler
- Structural formation and chemical enrichment patterns in isolated galaxies: A case study of Mrk1216 and insights into red nugget evolution
İzole gökadalarda yapısal oluşum ve kimyasal zenginleşme örüntüleri: Mrk1216'nın incelenmesi ve kırmızı yığın evrimine dair bulgular
MUHAMMED KIYAMİ ERDİM
Doktora
İngilizce
2024
Astronomi ve Uzay BilimleriYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT HÜDAVERDİ
- Structural evolution of the central galaxies in galaxy clusters
Galaktik kümedeki merkezi galaksilerin yapısal evrimi
EMAN ALY SHAABAN ABDELMOTALEB
Doktora
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BEKTAŞOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ALİŞ
- Online alışverişlerde kişilik özelliklerinin impulsif ve kompulsif satın alma davranışlarına etkisi
The effects of personality traits on impulsive and compulsive buying behavior in online shopping
DİLARA ALTINKAN
Doktora
Türkçe
2023
İşletmeAydın Adnan Menderes Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ECE ARMAĞAN