The effect of successive quenching and austempering heat treatments on the microstructure of a high silicon steel
Ardışık su verme ve östemperleme ısıl işlemlerinin yüksek silisyumlu bir çeliğin mikroyapısına etkisi
- Tez No: 907899
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 67
Özet
Su verme ve temperleme, yüksek dayanım elde etmek için yeterli karbona sahip düşük ve yüksek alaşımlı çelikler için çok yaygın bir ısıl işlem yöntemidir. Östemperleme, iyi tokluk, yüksek aşınma direnci ve daha az distorsiyon elde etmek amacıyla mikroyapıda farklı morfolojilere sahip beynit oluşturmak için uygulanan izotermal bir ısıl işlemdir. Ancak bu ısıl işlemden maksimum faydanın alınabilmesi için iki önemli hususun dikkate alınması gerekmektedir. Bunlardan ilki, yüksek Si içeren çelik kullanarak mikroyapıda karbür oluşumunun engellenmesidir. Diğeri ise beynit dönüşümünün tamamlanmasının çok uzun zaman alabileceği, beynit dönüşümünden önce mikroyapıda martensit oluşturularak bu sürecin hızlandırılması gerektiğidir. Bu açıdan bakıldığında martensitik-beynitik dubleks mikroyapılar, tamamen martensitik veya tamamen alt beynitik ya da tamamen martensitten oluşan mikroyapıların aksine üstün bir dayanım-tokluk kombinasyonu sunma potansiyeline sahiptir. Beynitik dönüşümden önce yapıda martensit oluşturulmasının mikroyapıdaki etkilerine bakıldığında da martensitin tercihen östenit-östenit (γ-γ) arayüzeyinde veya öncül östenit tane sınırlarında (prior austenite grain boundaries) çekirdeklendiği yaygın olarak kabul edilmektedir. Su vermenin ardından yapılan izotermal bir işlem, dönüşüm tamamlanmadan atermal martensit üretimini durdurur. Bu, çekirdeklenme için olası yerler olarak hizmet edebilecek martensit-östenit (α′-γ) arayüzlerini içeren bir mikroyapının oluşmasını sağlar. İlk oluşan atermal martensitin hacim oranının ve dolayısıyla α'-γ arayüz yoğunluğunun artması, Ms'nin ötesinde izotermal dönüşümü hızlandıracaktır. Pek çok çalışmada yapıda önceden oluşan martensitin kinetik olarak beynitik dönüşümünü hızlandırmasının yanı sıra mekanik özellikleri de geliştirdiği belirtilmiştir. Mekanik özelliklere etkisi analiz edildiğinde; beynit yapısı iğnesel tanelerden oluşmaktadır ve bu iğnesel tanelerin boyutları değiştikçe tokluk ve dayanım özellikleri değişmektedir. Dolayısıyla optimum dayanım-tokluk kombinasyonu oluşturmak için mikroyapıda beyniti oluşturan iğnesel tanelerin boyutlarının kontrol altına alınması önemli bir araştırma konusu olmuştur. Bu çalışmalarda özellikle iğnesel tanelerin incelmesinin sağlanması ve bu sayede ultra-ince alt beynitik bir mikroyapı oluşturulmasıdır. Oluşturulan bu ultra-ince beynitik yapı ise dayanım özelliklerinin gelişmesine katkı sağlamaktadır. Bu yapının elde edilmesi de birkaç parametrenin değiştirilmesine bağlıdır. Etkili olduğu düşünülen yöntemlerden biri yapıda önceden oluşturulan martensitin beynit iğnesel tanelerinin incelmesine katkı sağlayarak ultra ince beynitik yapının oluşumunu ve dayanım özelliklerinde iyileşme sağlamasıdır. Optimum dayanım-tokluk kombinasyonunu sağlamak için de yapıda martensit oluşturulmasının yanı sıra martensit hacim oranı da önemli bir faktördür. Bu nedenle bu çalışma farklı martensit hacim oranları oluşturularak elde edilen farklı mikroyapıların analiz edilmesi ve bu yapıların mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada yüksek Si içeren 60SiMn5 çeliğine su verme ve östemperleme ısıl işlemleri ardışık olarak uygulanmıştır. Farklı martensit hacim oranları elde etmek için Ms sıcaklığı tespit edildikten sonra Ms'nin altındaki farklı su verme sıcaklıklarında çeliğe su verilmiş, hemen ardından beynitik yapı oluşturmak için Ms üzerindeki bir sıcaklıkta izotermal işlem yapılmıştır. Ms sıcaklığının tespiti için dilatometrik analiz, ampirik formüller ve JmatPro yazılımı kullanılabilmekle beraber bu çalışmada hesaplamalar JmatPro yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Hesaplamaların sonunda Ms sıcaklığı 250 °C olarak belirlenmiştir. Belirlenen sıcaklıklara bağlı olarak ısıl işlem proses tasarımı şu şekilde yapılmıştır: Numuneler 900 °C'de 30 dakika östenitleme işlemine tabi tutulduktan sonra 180, 200, 220 ve 240 °C'de (Ms sıcaklığının sırasıyla 70, 50, 30 ve 10 °C altında) su verme işlemleri yapılmıştır. Bu işlem tuz banyosunda 60 s'de gerçekleştirilmiş ve sonucunda farklı martensit hacim oranlarının elde edilmesi sağlanmıştır. Bu işlemin hemen ardından numuneler 280 °C'de 2 saat boyunca izotermal işleme tabi tutularak martensite ek olarak beynitik yapı da oluşturulmuştur. Elde edilen bu martensitik-beynitik hibrit mikroyapıyı tamamen beynitten oluşturulan mikroyapı ile karşılaştırmak için 900 °C'de 30 dakika yapılan östenitleme işlemini takiben 280 °C'de 2 saat beynitik dönüşüm gerçekleştirilmiştir. Bu işlem de tuz banyosunda gerçekleştirilmiştir. Yüksek Si içeren çeliğe ardışık olarak uygulanan bu su verme ve östemperleme ısıl işlemlerinin ardından karakterizasyon çalışmaları için mikroyapı incelemeleri, sertlik analizi ve faz hacim oranı analizi yapılmıştır. Mikroyapı incelemeleri optik mikroskop ve SEM ile yapılmış olup, analiz öncesinde uygun şekilde zımparalama, parlatma ve dağlama çalışmaları yapılmıştır. Mikroyapı incelemeleri için ilk etapta herhangi bir ısıl işlem görmemiş parçaya dağlama çalışmaları yapılarak öncül östenit tane boyutu hesaplamaları yapılmış ve öncül östenit tane boyutu ortalama 60 µm olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda optik mikroskoba ek olarak Image J programından da faydalanılmıştır. Bu analizlerinin ardından ısıl işlem uygulanmış numunelere dağlama çalışmaları yapılarak yapıdaki beynitik ve martensitik yapılar incelenmiştir. Martensit ve beynit yapılarına ek olarak yapıda az miktarda tespit edilen kalıntı östenit hacim oranı da belirlenmiştir. Mikroyapı incelemelerinin ardından numunelere sertlik analizi yapılmıştır. Bu analiz Vickers metoduyla 30 kgf yük altında yapılmıştır. Yapılan analizin sonucunda su verme sıcaklığı 180 °C'den 240 °C'ye arttıkça martensit hacim oranının azalmasına bağlı olarak sertlikte azalma meydana gelmiştir. Yapıdaki hacim oranının tespiti için X-ışını difraksiyon (XRD) analizi yapılarak kalıntı östenit hacim oranı belirlenmiştir. Yapılan bu analize göre su verme sıcaklığı 180 °C'den 240 °C'ye arttıkça yapıdaki kalıntı östenit hacim oranında doğrusal olmamakla beraber bir artış sağlanmıştır. Kalıntı östenitin hacim oranının tespitinin ardından martensit hacim oranının saptanması için Koistunen Marburger denklemi kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda su verme sıcaklığının 180 °C'den 240 °C'ye arttırılmasıyla martensit hacim oranında %53'den %10'a bir azalma meydana gelmiştir. Kalıntı östenit ve martensit hacim oranı hesaplamalarından sonra yapıda kalan diğer yapının beynit olduğunu göz önüne alındığında, su verme sıcaklığı 180 °C'den 240 °C'ye arttırıldığında yapıdaki beynit oranında %42,8'den % 81.7'ye artış sağlandığı belirlenmiştir. Farklı hacim oranlarında oluşturulan martensit ve beynitik yapılar karşılaştırıldığında tamamen beynitik yapıda martensit oluşmamasına bağlı olarak sertlik daha azdır. Sertliğe ek olarak çekme , darbe ve yorulma özellikleri de incelenmiş olup; martensitik ve beynitik dubleks mikroyapılı çeliğin akma ve çekme dayanımı tamamen beynitten oluşan mikroyapıya göre daha yüksektir. Bu değerler sırasıyla 1920 MPa, 2050 MPa, 1825 MPa ve 1910 MPa olarak belirlenmiştir. Darbe özelliklerinde ise tamamen beynitten oluşan mikroyapı 33 J darbe direncine sahipken martensit ve beynitik dubleks yapı 10 J darbe direncine sahiptir. Dolayısıyla yapıda beynit oranı arttıkça ve martensit oranı azaldıkça darbe direncinin arttığı tespit edilmiştir. Yorulma özelliklerinde ise diğer mekanik özelliklerde olduğu gibi önemli bir fark tespit edilememiştir.
Özet (Çeviri)
Quenching and tempering are very common heat treatment methods for low- and high alloy steels that have sufficient carbon to achieve high strength. Austempering is an isothermal heat treatment utilized to produce bainite with various morphologies in the microstructure in order to obtain good toughness, high wear resistance, and less distortion. However, to obtain maximum benefit from this heat treatment, two important issues should be considered. The first one is the formation of carbides in microstructures, which can be suppressed using high-Si steels. The other is that the bainite transformation may take a very long time to complete, which needs to be accelerated by forming martensite in the microstructure before the bainite transformation. In this point of view, martensitic-bainitic duplex microstructures have the potential to offer a superior strength-toughness combination, as opposed to fully martensitic or fully lower bainitic microstructures. By increasing the nucleation sites at the martensite-austenite interface, the ensuing bainite transition may be sped up and improved mechanical characteristics can be achieved. This study was therefore undertaken to investigate the effect of different quenching temperatures below Ms, which form different volume fractions of martensite, on the bainite morphology developed during the subsequent austempering heat treatment and on hardness as a measure of the mechanical properties of the successively quenched and austempered steel. Quenching and austempering heat treatments were successively applied to high-Si steel in this study. For the quenching heat treatments, the Ms temperature was first determined to be 250 °C by using JMatPro software. Then the specimens were austenitized at 900 °C for 30 min and quenched in a salt bath at 180, 200, 220, and 240 °C (70, 50, 30, and 10 °C below the Ms temperature, respectively) to form different volume fractions of martensite in the microstructure. The quenched samples were then austempered at 280 °C for 2 hours. After the quenching and austempering heat treatments, it was seen that the microstructure was mainly composed of martensite and bainite. The volume fraction of martensite decreases and the volume fraction of bainite increases, which is accompanied by a decrease in hardness, with the increase in the quenching temperature. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that a small amount of retained austenite exists in the microstructure. Variation of the bainite morphology was also evaluated depending on the quenching temperature. In addition to hardness, tensile, impact and fatigue properties were also examined; The yield and tensile strength of martensitic and bainitic duplex microstructured steels are higher than the microstructure consisting fully of bainite. These values are 1920 MPa, 2050 MPa, 1825 MPa, 1910 MPa, respectively. In terms of impact properties, the microstructure consisting fully of bainite has an impact energy of 33 J, while the impact energy of the martensite and bainitic duplex structure is 10 J. Therefore, it is determined that as the bainite ratio increases and the martensite ratio decreases in the structure, the impact resistance increases. No significant difference could be detected in fatigue properties, as in other mechanical properties.
Benzer Tezler
- Yüksek karbonlu bir çeliğin mikroyapı ve mekanik özelliklerine izotermal tavlamanın etkisi
Effect of isothermal annealing on microstructure and mechanical properties of a high carbon steel
MUSTAFA SERDAR KUZYAKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. MURAT BAYDOĞAN
- Yüksek azot içeren çökeltme ile sertleştirilebilir ostenitik paslanmaz çelikler
Precipitation hardening austenitic stainless steels
GÜLHAN TÜYSÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET DEMİRKOL
- Refrakter malzemelerin termal şok dayanımının kırılma mekaniği açısından incelenmesi
The investigation of thermal shock resistance in refractory materials for fracture mechanics
NURULLAH SİNAN KÖKSAL
Doktora
Türkçe
2004
Makine MühendisliğiCelal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. TEVFİK AKSOY
- Çift fazlı çeliklerin deformasyon davranışı
Deformation behavior of dual-phase steels
HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Finite element modelling and measurement of stress evoluation in quenching processes
Su verme işlemlerinde oluşan gerilmelerin sonlu eleman yöntemiyle modellenmesi ve ölçülmesi
CEMİL HAKAN GÜR
Doktora
İngilizce
1995
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPROF.DR. A. ERMAN TEKKAYA
PROF.DR. TAYFUR ÖZTÜRK
PROF.DR. ŞAKİR BOR