Sertleştirme ve menevişleme ısıl işlem parametrelerinin P91 çeliğinin mekanik özellikleri üzerine etkileri
Effect of quencing and tempering heat treatment parameters on the mechanical properties of P91 steel
- Tez No: 856885
- Danışmanlar: PROF. DR. CEVAT BORA DERİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Sürünmeye dayanıklı martenzitik çelikler termik ve nükleer enerji santrallerinde buhar boruları, kazan tüpleri ve başlıklar gibi yüksek sıcaklıkta çalışan parçalarda geniş kullanım alanı bulmaktadırlar. Bu çelik tipleri yüksek termal iletkenlik, düşük termal genleşme katsayısı, iyi korozyon ve oksidasyon direnci özelliklerine sahiptirler. Günümüzde enerji santrallerinde en çok kullanım alanı bulan çeliklerden bir tanesi P91 çeliğidir. Bu çeliklerin içeriğinde matrisi kuvvetlendirmek için krom (%8,5-9,5), molibden(%1), vanadyum ve niyobyum gibi alaşım elementleri bulunur. Literatürde belirtilen ısıl işlem çalışmalarının genel olarak düşük kesit kalınlığına sahip boru ve plakalar üzerinde yapıldığı, enerji santrallerinde kullanılan döküm parçaları gibi yüksek kesit kalınlığına sahip parçalar üzerine ise detaylı çalışmaların henüz tam olarak gerçekleştirilmediği görülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında P91 çeliğinin farklı ısıl işlem şartlarındaki mekanik özellikleri incelenmiştir. 9Cr çelikleri olarak da adlandırılan bu çeliklerde mukavemet sağlayan en önemli mekanizma çökelti sertleşmesidir. Alaşıma yüksek sıcaklıkta çözeltiye alma ve ardından su verme işlemi uygulanarak aşırı doymuş katı çözelti elde edilir. Daha sonra uygulanan menevişleme işlemi ile ikincil fazların çökelmesi sağlanır. İnce ve yoğun bir şekilde dağılmış M23C6 ve MX tipi karbür ve karbonitrür çökeltileri çeliğe mukavemet verir. Bu çeliklerin yüksek sıcaklıktaki özellikleri oluşan çökeltilerin şekil, boyut ve dağılımlarına göre belirlenir. Bu çalışma kapsamında üretilen numune takozları 2 gruba ayrılarak ilk grup numuneler östenizasyon sonrası polimerde soğutulmuş, ikinci grup numuneler ise fanda soğutulmuştur. Daha sonra her iki gruba ait numuneler 760, 780 ve 800 °C olmak üzere 3 farklı sıcaklıkta menevişleme işlemine tabi tutulmuştur. Isıl işlem şartlarının malzeme özelliklerine etkilerini incelemek amacıyla herbir numune takozuna sertlik testi, çekme testi ve darbe çentik testleri uygulanmış ayrıca mikroyapı incelemeleri yapılmıştır. Sertlik dağılımını görebilmek için numune takozunun tam ortasından yüzeyden içeri doğru 30 mm aralıklarla sertlik ölçümleri yapılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda sertliğin yüzeyden içeri doğru gidildikçe düştüğü görülmüştür. Elde edilen en yüksek sertlik değeri fanda soğutulup 800 °C'de menevişlenen numunede, en düşük sertlik ise polimerde soğutulup 760 °C'de menevişlenen numunede ölçülmüştür. Ayrıca fanda sertleşen numunelerin polimerde sertleşenlere göre daha yüksek sertlik değerlerine sahip oldukları tespit edilmiştir. Mekanik özelliklerin tespiti için bütün numune takozlarından 4'er adet çekme testi yapılmıştır. Yapılan çekme testi sonuçlarına göre akma ve çekme mukavemetinin menevişleme sıcaklığı artıkça arttığı, uzamanın ise düştüğü görülmüştür. Ayrıca östenizasyon sonrası fanda sertleşen numunelerin polimerde sertleşenlere göre daha yüksek mukavemet değerine sahip olduğu görülmüştür. Östenizasyon sonrası soğuma ortamının uzama değerlerinde dikkate değer bir fark yaratmadığı anlaşılmıştır. En yüksek akma ve çekme mukavemeti fanda sertleşip 800 °C'de menevişlenen numunede, en yüksek uzama değeri ise polimerde sertleşip 760 °C'de menevişlenen numunede elde edilmiştir. Isıl işlem şartlarının malzeme tokluğuna olan etkisini görmek için bütün numunelerden 4'er adet darbe çentik testi yapılmıştır. Yapılan test sonuçlarına göre darbe mukavemetinin menevişleme sıcaklığı arttıkça düştüğü görülmüştür. Ayrıca polimerde sertleşen numunelerin fanda sertleşenlere göre daha yüksek tokluk değerlerine sahip oldukları tespit edilmiştir. En yüksek tokluk değeri polimerde sertleşip 760 °C'de menevişlenen numunede elde edilmiştir. Yapılan mikroyapı incelemelerinde döküm sonrası yapının martenzit ve kaba karbürlerden oluştuğu görülmüştür. Hem polimerde hemde fanda yapılan serleştirme işlemleri sonrası yapıdaki bütün karbürlerin matris içersinde çözündüğü, tamamen martenzitik matris elde edildiği görülmüştür. Menevişleme sonrası tane sınırları ve lata sınırlarında ince karbür çökeltileri elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Creep resistant martensitic 9Cr steels find wide use in thermal and nuclear power plants in high temperature parts such as steam pipes, boiler tubes and headers. These steel types have high thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, good corrosion and oxidation resistance. P91 steel is one of the most widely used steels in power plants. These steels contain alloying elements such as chromium (8.5-9.5%), molybdenum (1%), vanadium and niobium to strengthen the matrix. Studies in the literature are mainly focused on the parts which have low section thickness such as pipes and plates, and there is no detailed study on pieces with high section thickness. Since the cast parts used in power plants generally have high section thickness, it was necessary to carry out such a study. In this study high section thickness sampling blocks were subjected to various quenching and tempering operations and effect of these heat treatments on mechanical properties were investigated. Chemical composition of P91 steel must be optimized to obtain 100% martensitic structure and free from δ-ferrite. The elements present in the composition play an important role in microstructural stabilization during creep exposure. Carbon increases creep strength by forming carbides and carbonitrides. Since high amounts of carbon cause a decrease in toughness values, it is usually added in small amounts. Chromium is one of the main alloying elements in P91 steel. It combines with carbon and creates M23C6 carbide precipitates. The addition of 9-10% of chromium provides good hardenability, high creep strength and good corrosion resistance. Molybdenum is a ferrite stabilising element and improves the mechanical properties of P91 steel by solid solution hardening effect. The addition of molybdenum more than 1% contributes to the formation of laves phase and δ-ferrite, which impairs the high temperature properties of P91 steels. Vanadium and niobium are strong carbide, nitride and carbonitride forming elements of type MX (M: V, Nb; X: C, N). MX precipitates resist the degradation of the microstructure at high temperature by inhibiting dislocation motion and decreasing the rate of dislocation recovery. Nitrogen, like carbon atoms, is present as an interstitial element in the Fe lattice and stabilises austenite. It also contributes to the increase of creep strength by stabilising MX carbonitride precipitates. In the presence of aluminium in steel, nitrogen combines with aluminium instead of vanadium and niobium to form aluminium nitride. Since aluminium nitride is a coarser phase than vanadium and niobium nitrides, it is detrimental to the creep properties of steel. Nickel stabilises austenite in steel and promotes coarsening of the laves phase and carbide phases, resulting in a decrease in creep strength. Therefore, the amount of nickel in steel should be less than 0.4%. The most important mechanism that provides strength in these steels is precipitation hardening. A supersaturated solid solution is obtained by applying the alloy to solution at high temperature and then quenching. Subsequently, the secondary phases are precipitated by the tempering process. Fine and densely dispersed carbide and carbonitride precipitates of type M23C6 and MX give strength to steel. The high temperature properties of these steels are determined by the shape, size and distribution of the precipitates formed. M23C6 particles play a very important role in inhibiting grain boundary movements at high temperature. Coarse M23C6 precipitates are formed at the prior austenite grain boundaries and slat boundaries, while fine M23C6 is formed within the laths. Coarse M23C6 precipitates have a detrimental effect on long-term creep properties and should be avoided. The coarsening rate of chromium carbides at high temperature is much higher than that of V and Nb. For this reason, it is crucial to reduce the carbon content in 9Cr steels. This promotes the formation of very fine V, Nb nitrides which are stable at high temperature for a long time. MX type carbonitrides are formed in the presence of strong carbide and nitride forming elements. V, Nb, C and N elements support the formation of fine MX type precipitates. These precipitates are in the size range of 25-50 nm and have a face-centred cubic structure. These precipitates improve creep strength of the steel by resisting the movement of dislocations, delaying the plastic deformation by inhibiting grain boundary sliding, retaining finer grains during austenitization, and delaying the onset of tertiary creep stage. Therefore, the formation of fine MX-type precipitates is vital for achieving high creep strengths in 9Cr steels. δ-ferrite is the first solid phase that forms during solidification. This phase is softer than the martensitic matrix structure and has a negative effect on mechanical properties. The formation of δ-ferrite during solidification or solution heat treatment causes a decrease in the strength, ductility and toughness properties of heat resistant 9Cr steels. Therefore, δ-ferrite formation should be avoided. Chromium equivalent is an important parameter used to assess the risk of δ-ferrite formation in high chromium steels. Creq should be
Benzer Tezler
- Isıl işlem parametrelerinin kesici takım özelliklerine etkileri
The effects of heat treatment parameters on cutting tool properties
EMİN ALİ EPCİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA
- Effect of GTAW parameters on mechanical and microstructural properties of weld joints of low alloy AISI 4130 steel
Gaz tungsten ark kaynak (GTAW) parametrelerinin kaynaklı düşük alaşımlı AISI 4130 çeliğinin mekanik ve mikroyapı özelliklerine etkileri
ERKAN ATAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPAY ANKARA
- Gaz nitrürlenerek sertleştirilmiş 31CrMoV9 çeliğinde indentasyon yöntemiyle kalıntı gerilme ve sertlik değişimlerinin incelenmesi
Determination of residual stress and hardness profile of gas nitrided 31CrMoV9 steel by indentation method
RIDVAN GECÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Surface treatment of heat treatable steels via nitriding and thin crn coating
Isıl işlem yapılabilir çeliklerde nitrürleme ve ince CrN kaplama yoluyla yüzey işlemleri
ÖZGÜR ALPASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Astaloy CrA alaşımlarında sinterleme ile sertleştirme
Sinter hardening of astaloy CrA alloys
HAKAN HAFIZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİ DURLU