Geri Dön

Ultra yüksek sertlikteki zırh çeliklerinin ark kaynak kabiliyetinin araştırılması

Investigation of the arc welding performance of ultra-high hardness armor steels

PDF İndir

  1. Tez No: 916863
  2. Yazar: ÖMER FARUK ÖZCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MURAT VURAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Zırh çeliklerinin yapısal olarak askeri araçlarda geniş bir kullanım alanı bulunmaktadır. Seramik ve kompozit zırhlarla rekabet edebilmek ve askeri araçlarda ağırlık azaltma ihtiyacına cevap verebilmek için yeni zırh çeliği sınıfları üzerine çalışılmaktadır. Bu eforun bir sonucu olarak ortaya çıkan kütlesel ve hacimsel yüksek verime sahip Ultra-Yüksek Sertlikte Zırh (USZ) Çeliklerinin yüksek sertliğin yanı sıra sunmuş olduğu makul tokluk seviyesi zırhlı askeri araçlarda kullanımını günden güne yaygınlaştırmaktadır. Termomekanik Kontrollü İşlem olarak isimlendirilen karmaşık bir üretim metoduyla üretilen USZ çelikleri sahip oldukları üstün mekanik özelikleri bu işlemlerle oluşturulan martenzitik mikroyapı sayesinde elde etmektedirler. Balistik performansı doğrudan etkileyen bu mekanik özelliklerin bozulmaması için USZ üreticileri bu çeliklere yüksek sıcaklıklara maruz kalacağı ikincil işlemlerin uygulanmaması gerektiğini belirtmektedirler. Bu durum kaynak prosesinde aşırı ısıl girdilerden malzemenin balistik performansını olumsuz etkileyeceğini göstermektedir. Zırh çeliklerinin kaynak bağlantılarından beklenen mekanik özellikler çeşitli ülkelerin askeri kuvvetleri tarafından standartlarca belirtilmiştir. Hem standartlarca belirlenen kaynak özelliklerini sağlamak hem de kaynak operasyonlarında meydana gelebilecek kaynak kusurlarının ortadan kaldırılabilmesi için geleneksel zırh çeliklerinde kaynak parametreleri üzerine geniş bir literatür oluşturulmuştur. Ancak USZ çelikleri üzerine oluşturulmuş literatür henüz çok kısıtlıdır. Bu sebeple bu çalışmada geçtiğimiz yıllarda Manisa/Türkiye'de üretimine başlanan Protection 600T USZ çeliğinin kendisiyle ve askeri araçlarda sıklıkla kullanılan Hardox 450 aşınma çeliğiyle kaynaklanabilirliği çalışılmıştır. Çalışmanın ilk safhalarında zırh çeliği kaynağı üzerine literatür taraması yapılmış ve balistik performans ile malzemenin mekanik değerleri arasındaki ilişki ortaya konmuştur. Daha sonrasında zırh çeliklerinde kaynak parametrelerine bağlı olarak mekanik davranış değişimi ve kaynak hataları irdelenmiştir. Kaynak parametreleri üzerinden yapılan bu çalışma sonucunda 120 °C ön ısıtma yapılan 4 mm kalınlığındaki plakalar, düşük ısıl girdiyle oda sıcaklığında soğuyacak şekilde üç farklı dolgu malzemesi kullanılarak gaz altı metal kaynağı yöntemiyle kaynatılmıştır. Çalışmada kullanılan dolgu malzemeleri endüstride zırh çeliği kaynağında sıklıkla kullanılan östenitik ER307 kaynak teli, yüksek dayanıma sahip ferritik ER110S-G ve ER70S-6 karbon kaynak telidir. Kaynak işlemi sonrasında plakalardan çıkartılan numuneler üzerinde çekme, Charpy V çentik testleri gerçekleştirilmiş, kaynak yönüne dik olarak sertlik ölçümleri yapılarak kaynağın standartlarca uygunluğu denetlenmiştir. Yapılan testler sonucunda üç dolgu malzemesinin de Protection 600T çeliğinin kendisiyle ve Hardox 450 çeliğiyle kaynaklanması için kullanılabileceği gösterilmiştir. Çekme testi sonucunda ER307 dolgu teliyle gerçekleştirilen Protection 600T-Protection 600T, Protection 600T-Hardox 450 ve Hardox 450-Hardox 450 bağlantılarının maksimum çekme dayanımları sırasıyla 765.84±24.77 MPa, 635.93±15.07 MPa, 706.89±7.16 MPA olarak ölçülmüştür. ER110S-G ile yapılan denemelerde ise maksimum çekme dayanımı sırasıyla 1181±29.23 MPa, 688.91±5.11MPa, 715.09±3.83 MPa olarak ölçülmüştür. ER70S-6 dolgu malzemesi kullanılan kaynaklı bağlantının maksimum çekme dayanımı sırasıyla 938.75±66.56 MPa, 665.04±4.75 MPa, 712.31±2.64 MPa çıkmıştır. Charpy V çentik darbe testi sonucunda ise ER307 dolgu teliyle yapılan kaynak sonucunda sırasıyla 38.67±2.31 J, 68.67±6.66 J, 52 J tokluk değerleri elde edilmiştir. ER110S-G ile yapılan kaynaklı bağlantıdan alınan numuneler test edildiğinde ise sırasıyla 30±2 J, 67.67±6.81 J, 110±2 J değerleri elde edilmiştir. ER70S-6 dolgu teliyle yapılan çalışma sonucunda tokluk değerleri sırasıyla 36±2 J, 46 J, 110 J çıkmıştır. Zırh çeliğiyle yapılan bağlantılarda gerçekleştirilen sertlik ölçümü sonucunda ER110S-G ile kaynatılan Protection 600T-Protection 600T bağlantısı dışında tüm bağlantılarda sertlik dağılımı standartlara uygun şekilde kaynak merkezinden 16 mm uzaklık içerisinde ana metal sertliğini yakalamıştır. ER110S-G ile kaynatılan Protection 600T-Protection 600T bağlantısında ise ana metal sertliğine kaynak metaline 19 mm uzakta ancak ulaşılabilmiştir.

Özet (Çeviri)

Armor steels are widely used structurally in military vehicles. New classes of armor steel are being developed to compete with ceramic and composite armors and to address the need for weight reduction in military vehicles. As a result of this effort, Ultra-High Hardness Armor (UHA) steels, which offer both high mass and volumetric efficiency along with reasonable toughness, are increasingly being used in armored military vehicles. UHA steels, produced using a complex manufacturing method known as Thermomechanical Controlled Processing, achieve their superior mechanical properties through the martensitic microstructure formed during these processes. Manufacturers of UHA steels emphasize that secondary processes involving high temperatures should not be applied to these steels to maintain their ballistic performance. This indicates that excessive heat input during welding can negatively affect the ballistic performance of the material. The mechanical properties expected from the welded joints of armor steels are specified by the military standards of various countries. To meet the welding properties defined by these standards and to eliminate welding defects that may occur during operations, an extensive body of literature on the welding parameters of conventional armor steels has been developed. However, the literature on UHA steels remains very limited. Therefore, this study investigates the weldability of Protection 600T UHA steel, which began production in Manisa, Turkey, in recent years, and its weldability with Hardox 450, a commonly used wear-resistant steel in military vehicles. In the initial stages of the study, a literature review on armor steel welding was conducted, and the relationship between ballistic performance and the mechanical properties of the material was established. Armor steels exhibit different ballistic performance depending on the type of projectile and its interaction with the steel. In cases where the armor is penetrated, the penetration can result in plastic deformation, dissipating high energy, or it can occur in a hazardous manner with low energy dissipation, such as through cone cracking, radial cracking, or shearing. Additionally, armor can stop the projectile by abrasion, fragmenting it into smaller pieces, or forcing it to undergo plastic deformation. All these interactions depend on the mechanical properties of the armor. The literature review revealed that hardness, toughness, and tensile-compressive strength are the three most critical properties influencing the ballistic performance of the material. As these properties improve, ballistic performance also tends to improve. However, there is one notable exception: ballistic tests on steel armors have shown that while increasing hardness generally enhances ballistic performance, a hardness range of 400-500 HB is considered problematic as it leads to adiabatic shear failure upon impact with projectiles. Predicting the mechanical properties of welded joints is challenging due to several factors. One such factor is the microstructural changes caused by the heat treatment during welding. Additionally, the mixing of multiple metals with different chemical compositions can introduce defects in the microstructure. Unwanted oxygen and hydrogen molecules from the surrounding environment during welding also affect the mechanical properties of the welded joint. The localized application of heat treatment during welding causes uneven cooling, leading to grain orientation and crack formation, which reduce strength. Considering all these factors, it is crucial to perform welding operations in a manner that minimizes their impact on the mechanical properties of armor steels. Therefore, in the subsequent stages of this study, the changes in mechanical behavior and welding defects based on welding parameters in armor steels were examined. Four critical defects affecting mechanical properties were identified due to the nature of welding and incorrect selection of welding parameters. The first of these is Heat-Affected Zone (HAZ) embrittlement. During welding, excessive temperatures in regions near the weld metal due to improper heat input and uncontrolled cooling rates cause grain growth, resulting in brittle microstructures that are prone to cracking. The second major defect is the expansion of the HAZ and the dramatic drop in hardness observed beyond the brittle region. These hardness drops not only reduce the mechanical strength of the region but also make the armor steel prone to adiabatic shear failure. This drop in hardness and expansion of the HAZ are attributed to annealing temperatures being reached in areas farther from the weld center due to high heat input and the subsequent slow cooling rates. Another critical defect observed in armor steel welding is hydrogen cracking. This occurs when hydrogen molecules penetrate the material during welding, either from the atmosphere or from the filler material. During welding, the molten weld metal transitions into the austenite phase, which has a higher solubility for hydrogen, capturing it from the environment. However, as the weld metal cools, hydrogen migrates into the base metal due to differences in carbon content, becoming trapped and eventually causing cold cracks that reduce the joint's strength. To prevent this, preheating the material, using hydrogen-free filler wires, and selecting austenitic filler wires are considered effective measures. The final critical defect in armor steel welding is hot cracking. Hot cracks occur between grains as a result of the expansion and contraction movements of the base metal and weld metal. To reduce the risk of hot cracking, increasing the manganese content or reducing elements like sulfur, phosphorus, and boron is effective. Additionally, avoiding parameters that cause slow cooling rates, such as high current and slow welding speeds, can prevent hot cracking. Based on the literature on welding parameters, 4 mm thick plates preheated to 120 °C were welded using the Gas Metal Arc Welding (GMAW) method with three different filler materials under low heat input conditions and welded parts cooling made at room temperature. The filler materials used were austenitic ER307 welding wire, which is commonly used in armor steel welding, high-strength ferritic ER110S-G wire, and carbon-based ER70S-6 wire. After welding, tensile and Charpy V-notch impact tests were performed on samples extracted from the plates, and hardness measurements were conducted perpendicular to the weld direction to verify compliance with standards. The test results showed that all three filler materials could be used for welding Protection 600T steel with itself and with Hardox 450 steel. Tensile tests revealed that the tensile strengths of Protection 600T-Protection 600T, Protection 600T-Hardox 450, and Hardox 450-Hardox 450 joints welded with ER307 filler wire were 765.84±24.77 MPa, 635.93±15.07 MPa, and 706.89±7.16 MPa, respectively. For ER110S-G filler wire, the tensile strengths were measured as 1181±29.23 MPa, 688.91±5.11 MPa, and 715.09±3.83 MPa, respectively. For ER70S-6 filler wire, the tensile strengths were 938.75±66.56 MPa, 665.04±4.75 MPa, and 712.31±2.64 MPa, respectively. The Charpy V-notch impact test results for joints welded with ER307 filler wire were 38.67±2.31 J, 68.67±6.66 J, and 52 J, respectively. For joints welded with ER110S-G filler wire, the values were 30±2 J, 67.67±6.81 J, and 110±2 J, respectively. For joints welded with ER70S-6 filler wire, the impact energy values were 36±2 J, 46 J, and 110 J, respectively. Hardness measurements on welded joints showed that the hardness profile within 16 mm of the weld center met the standards in all joints except for the Protection 600T-Protection 600T joint welded with ER110S-G filler wire. In this joint, the base metal hardness was achieved only at a distance of 19 mm from the weld center.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    885333

    MAG kaynak yöntemi ile birleştirilen bir zırh sacının mekanik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the mechanical properties of an armor sheet welded by MAG technique

    SELMA KASAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

  2. Tez No

    876854

    Savunma sanayiinde kullanılan zırh çeliklerinin işlenebilirliklerinin deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of the machinability of armour steels used in the defense industry

    CANER ASMAFİLİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAHYA IŞIK

  3. Tez No

    953378

    Processing and characterization of square-shaped B4C-ZRB2 composites reinforced with gnp via spark plasma sintering

    Gnp takiyeli kare şeklinde B4C-ZRB2 kompozitınin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretımi ve karakterizasyonu

    BEHRAD MOKHTARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN

  4. Tez No

    618908

    UHMWPE/selüloz polimer kompozitlerin hazırlanması ve uyumlaştırıcı etkisinin incelenmesi

    Preparation of UHMWPE/cellulose polymer compositesand investigation of compatibilizer effect

    SONAY ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MERVE DANDAN DOĞANCI

  5. Tez No

    598603

    Ultra yüksek mukavemetli beynitik-östenitik çelik alaşımlarının geliştirilmesi

    The development of ultra high strength bainitic-austenitic steel alloys

    ALİ TEMİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERSOY ERİŞİR

Geri Dön