Geri Dön

Yüksek manganlı çeliklerde alaşım elementlerinin mekanik özelliklere etkisi

Effect of alloying elements on the mechani̇cal properties of high-manganese steels

  1. Tez No: 965551
  2. Yazar: İSMAİL KANKAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET UYSAL, DOÇ. DR. UĞUR GÜROL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Kimyasal kompozisyonu genellikle %11–14 mangan ve %1,1–1,4 karbon içeren alaşımlar yüksek manganlı çelikler şeklinde tanımlanır. Yüksek manganlı çelikler, ilk olarak 1882 senesinde Sir Robert Hadfield tarafından geliştirilmiş ve patenti alınmıştır. Yüksek mukavemet, süneklik, aşınma direnci ve darbe dayanımı gibi üstün mekanik özellikleri sayesinde, günümüzde birçok sanayi dalında geniş kullanım alanına sahiptirler. Bu çeliklerin östenitik içyapıları, özellikle darbe ve basınç gibi dış etkilere maruz kaldığında, soğuk şekil değiştirme sertleşmesi yoluyla yüzeyde sert, aşınmaya dayanıklı yapı(tabaka) oluşmasını sağlar. Mangan, çeliğin mukavemetini artıran temel alaşım elementi olarak öne çıkar. Sahip oldukları bu nitelikler nedeniyle yüksek manganlı çelikler; madencilik ve çimento sanayii başta olmak üzere, çeşitli ağır hizmet koşullarında çalışan makine parçalarının üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle yürüyüş takımları, kırma ve ezme makineleri, değirmenlerin aşınmaya maruz kalan parçaları, iş makinelerinin kepçe ve kazı aksamları, taş ocakları, çimento değirmenleri, yüksek fırın zırhları ile demiryolu makas ve ek yerleri gibi zorlu uygulamalarda tercih edilmektedir. Eşsiz mekanik özelliklere (yüksek tokluk sertlik ve yüzeyde gerçekleşen çalışma sertleşmesi) sahip olan bu çelikler, uygun ısıl işlem uygulamalarıyla hafriyat, demiryolu, petrokimya ve özellikle madencilik gibi sektörlerde daha verimli hale getirilebilir. Madencilik sanayinde, öğütme makinalarında astar plakalar, kırıcı çeneler, darbe çekiç parçaları, konik şekildeki kırıcılarda manto elemanları ve iş makinelerinin yürüyüş takımlarında Hadfield çeliklerinin farklı kompozisyonları yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, döküm sırasında mikroyapılarda tane sınırlarını çevreleyen karbür çökeltileri oluştuğunda malzemenin kırılganlığı artmakta ve bu durum, yüksek süneklik ve darbe direnci gerektiren endüstriyel uygulamalarında döküm çeliklerin doğrudan kullanımını kısıtlanmaktadır. Bu nedenle, üretim sürecinde Fe-Mn-C faz diyagramı dikkate alınarak, döküm sonrası yapı, Acm çizgisinin üzerindeki sıcaklıklarda yeterli süre bekletilmeli ve ardından karbür çökelmesini engelleyecek şekilde hızlı su verme işlemi uygulanmalıdır. Bu işlem sayesinde, yüksek sıcaklıkta elde edilen tamamen östenitik yapı, oda sıcaklığında da korunmuş olur. Bu ısıl işlem süreci çözelti tavlaması olarak tanımlanmaktadır. Çözeltiye alma sıcaklığında, kalın karbürlerin matriks fazı içerisinde tamamen çözünmesi için yeterli süreye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sürenin uygun şekilde belirlenmemesi durumunda, karbür fazlarının tam olarak çözünmesi mümkün olmayacak ve mikroyapı içerisinde çözünmemiş karbürler kalacaktır. Ayrıca, karbürlerin çözünmesini takiben tane sınırları boyunca yeniden karbür çökelmesini engellemek amacıyla, ısıl işlem sonrası hızlı bir soğutma uygulanması gerekmektedir. Manganlı çeliklerin kullanım açısından öne çıkan başlıca özellikleri; yüksek aşınma direnci, yüksek tokluk, darbeye ve soğuk deformasyona bağlı olarak yüzeyde gerçekleşen sertleşme, bu sertleşme sırasında çekirdek kısmın sünekliğini koruması, ani şok ve darbelere karşı direnç ile belirli manyetik özellikler göstermesidir. Özellikle östenitik manganlı çelikler, mekanik zorlamalar altında soğuk deformasyon ile östenit fazının martensite dönüşmesiyle sertleşir. Bu sayede, darbeli aşınma veya metal–metal sürtünme gibi zorlu çalışma koşullarında kırılgan beyaz dökme demirlere alternatif olarak tercih edilmektedir. Yüksek manganlı çeliklerde sertleşen yüzeyin kalınlığı, maruz kaldığı darbenin şiddetine bağlı olarak değişmekte olup, yüzey sertliği 500 Brinell'e kadar ulaşabilmektedir. Yüksek manganlı östenitik çeliklerde genellikle Mn:C oranı 10:1 olacak şekilde tasarlanır. Bu çeliklerin dokusu östenit olup, östenit kristalleri içerisinde ikizlenme yapıları gözlemlenir. Alaşım bileşiminin doğru şekilde belirlenmesi kadar, uygulanan ısıl işlemler de nihai performans açısından kritik öneme sahiptir. Isıl işlem uygulamaları, özellikle çeliğin tokluğu üzerinde doğrudan etkili olup, bu işlemlerde yapılacak hatalı seçimler, malzemenin beklenen çalışma performansını ciddi ölçüde düşürebilmektedir. Manganlı çelikler maruz kaldıkları mekanik yükler altında çalışma sertleşmesi (work-hardening) özelliği göstererek yüzeysel sertlik artışı sağlar ve bu sayede aşınmaya karşı üstün direnç kazanır. Bu çelikler TWIP (Twinning Induced Plasticity) olarak bilinen ikizlenme ve deformasyon sertleşmesini sağlayan TRIP (Transformation Induced Plasticity) ismiyle bilinen gerilim kaynaklı martenzitik dönüşüm, dislokasyon kayması ve dinamik deformasyon yaşlanması meydana gelebilmektedir. Yüksek Manganlı çeliklerdeki farklı deformasyon mekanizmaları İstiflenme hata enerjisi (SFE) değerine bağlıdır. Deformasyon mekanizmasının türünü belirleyen en büyük parametre SFE'dir. Bundan dolayı, yığın kırılma enerjisi değerinin ve martenzit başlangıç sıcaklığının hesaplanması, östenitik manganlı çeliklerinin doğru üretim öncesi tasarımı için gereklidir. Kırıcı ve öğütücü olarak kullanılan yüksek manganlı çeliğin alaşım içeriğinde %1,1~1,3 karbon ve %12~21 aralığında mangan bulunur. Yüksek karbon ve yüksek mangan ihtiva eden bu çelikler, yüksek süneklik ve yüksek çalışma sertleşmesi özelliği ile aşınmaya ve darbeye dayanıklı çelikler olarak kullanılmaktadırlar. Aşınma davranışlarının geliştirilmesine yönelik çok sayıda çalışma yapılan bu çeliklere krom (Cr), molibden (Mo), titanyum (Ti), nikel (Ni) ve bizmut (Bi) gibi elementler ilave edilerek aşınma davranışlarında gelişim sağlanması hedeflenmiş fakat bu çalışmaların çok azında önemli sayılabilecek iyileştirmeler ortaya konabilmiştir. Manyetik geçirgenliği düşürerek düşük sıcaklıktaki tokluk ve mukavemet değerlerini yükseltmek amacıyla yüksek mangan (%19~21) içeren çelik türleri de geliştirilmiştir. Yapılan iyileştirme çalışmalarında akma mukavemetindeki kayıpları önlemek amacıyla Cr, Mo, Ti gibi elementlerin yanı sıra vanadyum (V) ve azot (N) gibi elementlerle alaşımlandırma işlemleri yapılmıştır. Saha çalışmaları göstermiştir ki özellikle karbür yapıcı element katkıları, dökümhanelerin sınırlı ısıl işlem olanakları nedeniyle çalışma koşullarında büyük malzeme ve makine hasarlarına neden olmaktadır. Bu nedenle yüksek manganlı çeliğin üretim şartları da dikkate alınarak alaşım tasarımlarının yapılması büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, yüksek mangan içeriğine sahip ve farklı oranlarda molibden (Mo) ve krom (Cr) elementleri ilave edilerek alaşımlandırılmış toplam altı farklı yüksek manganlı çelik kompozisyonu (12–14Mn, 12–14Mn+1Mo, 12–14Mn+2Cr, 18Mn, 18Mn+1Mo, 18Mn+2Cr) incelenmiştir. Numuneler, hazırlanan kum kalıplara dökülerek elde edilmiştir. Bu numunelerden bazıları döküm haliyle değerlendirilirken, diğerlerine 1080°C sıcaklıkta 5 saat süren çözelti tavlaması ısıl işlemi uygulanmış ve ardından su verme işlemi gerçekleştirilerek hızlı soğuma sağlanmıştır. Elde edilen numuneler mikroyapı, mekanik ve özellikleri bakımından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Mikro yapı analizleri sonucunda, döküm sonrası yavaş soğuma etkisiyle tane sınırları ve tane içlerinde düzensiz olarak dağılan karbür fazlarının (Fe,MnCr)₃C, (Fe,Mn)₃C, (Fe,Mn,Cr)₂₃C₆ ve MoC olduğu SEM ve EDS analizleriyle tespit edilmiştir. Bu karbürlerin östenitik matris içerisinde dağılımı, süneklik ve tokluk gibi mekanik özellikleri düşürdüğü görülmüştür. Ayrıca, mangan içeriği arttıkça tane boyutunun büyüdüğü (81–130 µm aralığında) belirlenmiştir. Çözelti tavlaması ısıl işlemi uygulanan numunelerde karbürlerin tamamının matris içinde çözüldüğü ve tam östenitik yapı elde edildiği görülmüştür. Mekanik testler, Cr ve Mo gibi alaşım elementlerinin mangan oranından bağımsız olarak akma mukavemetini belirgin şekilde artırdığını ortaya koymuştur. 12–14Mn içeriğine sahip çelikte, Mo ilavesiyle akma dayanımı %10 artarak 399 MPa'a, Cr ilavesiyle ise %19 artarak 432 MPa'a yükselmiştir. 18Mn içeriğindeki çelikte ise bu artışlar Mo için %12 (414 MPa), Cr için %19 (440 MPa) olarak gerçekleşmiştir. Bununla birlikte, çekme mukavemetindeki artışlar daha sınırlı olmuş ve mangan oranındaki değişim bu özelliği anlamlı ölçüde etkilememiştir. Örneğin, 12–14Mn içeriğine sahip çelikte 844 MPa olan çekme mukavemeti 18Mn içeriğinde yalnızca %3 artarak 869 MPa seviyesine çıkmıştır. Darbe çentik testleri sonucunda, Cr ve Mo ilavelerinin tokluğu azalttığı gözlemlenmiştir. Özellikle 12–14Mn çelikte başlangıç değeri olan 218 J, Mo ilavesiyle %24 azalarak 166 J'ye, Cr ilavesiyle ise %17 azalarak 181 J'ye düşmüştür. 18Mn içeriğindeki numunelerde bu düşüşler daha sınırlı olmuş; Mo için %8, Cr için yalnızca %1 azalma gerçekleşmiştir. Bu durum Cr ve Mo'nun karbür oluşumunu artırarak mikroyapıda gevrekleşmeye yol açtığını, dolayısıyla tokluğu düşürdüğünü açıkça göstermektedir. Uzama oranı bakımından ise Mo ilavesinin sünekliği desteklediği, Cr ilavesinin ise azalttığı görülmüştür. 12–14Mn içeriğinde %59,6 olan uzama değeri, Mo ilavesiyle %62,7'ye yükselmiş, Cr ilavesiyle %57,4'e düşmüştür. 18Mn çelikte ise bu oran Mo ile %64,3'e çıkarken, Cr ile %52,9'a düşmüştür. Bu bulgular, MoC oluşumu ve katı çökelti sertleşmesi mekanizmasının, manganlı çeliklerdeki çalışma sertleşmesiyle uyumlu biçimde sünekliği artırdığını göstermektedir. Sertlik testlerinde, Cr ilavesiyle belirgin artışlar gözlemlenmiştir. 12–14Mn çelikte 203 HB olan sertlik değeri Mo ile %4 artarak 212 HB'ye, Cr ile %18 artarak 240 HB'ye yükselmiştir. 18Mn çelikte ise sertlik 197 HB'den Mo ile 209 HB'ye, Cr ile 227 HB'ye çıkmıştır. Mangan oranındaki artış ise sertliği düşürmüş ancak anlamlı ölçüde etkilememiştir. Sonuç olarak, mangan içeriği belirli bir seviyeden sonra mekanik özellikler üzerinde sınırlı bir etkiye sahiptir. Asıl belirleyici faktörler alaşım elementleridir. Cr, yüksek sertlik sağlarken sünekliği ve tokluğu düşürmektedir. Mo ise sünekliği artırmakta, dayanımı sınırlı düzeyde artırmaktadır. Bu veriler, farklı endüstriyel kullanım senaryolarına göre uygun alaşım elementlerinin seçilmesini mümkün hale getirmektedir. Ayrıca, yüksek manganlı çeliklerin daha kapsamlı anlaşılması için çalışma sertleşmesi davranışlarının da incelenmesi önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

High-manganese steels are defined as alloys with a chemical composition usually containing 11–14% manganese and 1.1–1.4% carbon. High-manganese steels were first developed and patented by Sir Robert Hadfield in 1882. Thanks to their superior mechanical properties, such as high strength, ductility, wear resistance, and impact resistance, they are widely used in many industries today. The austenitic microstructure of these steels ensures the formation of a hard, wear-resistant structure (layer) on the surface through cold work hardening, especially when exposed to external influences such as impact and pressure. Manganese stands out as the primary alloying element that enhances the strength of steel. Due to these properties, high-manganese steels are widely used in the production of machine parts operating under various heavy-duty conditions, particularly in the mining and cement industries. They are particularly preferred in demanding applications such as walking mechanisms, crushing and grinding machines, wear-prone parts of mills, buckets and digging components of construction machinery, quarries, cement mills, high-temperature furnace linings, and railway switches and joints. These steels, which possess unique mechanical properties (high toughness, hardness, and surface work hardening), can be made more efficient in sectors such as construction, railways, petrochemicals, and especially mining through appropriate heat treatment applications. In the mining industry, different compositions of Hadfield steels are widely used in grinding machines as liner plates, crusher jaws, impact hammer parts, mantle elements in conical crushers, and in the running gear of construction machinery. However, during casting, carbide precipitates forming around grain boundaries in the microstructure increase the material's brittleness, limiting the direct use of cast steels in industrial applications requiring high ductility and impact resistance. Therefore, during the production process, the Fe-Mn-C phase diagram must be considered, and the post-casting structure should be held at temperatures above the Acm line for an adequate period, followed by rapid quenching to prevent carbide precipitation. This process ensures that the fully austenitic structure obtained at high temperatures is retained at room temperature. This thermal treatment process is referred to as solution annealing. At the solution treatment temperature, sufficient time is required for the thick carbides to completely dissolve into the matrix phase. If this time is not properly determined, the carbide phases will not dissolve completely, and undissolved carbides will remain in the microstructure. Additionally, to prevent the re-precipitation of carbides along grain boundaries following dissolution, rapid cooling must be applied after the heat treatment process. The main properties of manganese steels that make them stand out in terms of use are high wear resistance, high toughness, surface hardening due to impact and cold deformation, maintaining ductility in the core during hardening, resistance to sudden shocks and impacts, and certain magnetic properties. Especially austenitic manganese steels harden through cold deformation under mechanical stress, causing the austenite phase to transform into martensite. This makes them a preferred alternative to brittle white cast irons in harsh working conditions such as impact wear or metal-to-metal friction. The thickness of the hardened surface in high-manganese steels varies depending on the intensity of the impact it is exposed to, with surface hardness reaching up to 500 Brinell. High-manganese austenitic steels are typically designed with a Mn:C ratio of 10:1. The microstructure of these steels is austenitic, with twinning structures observed within the austenite crystals. The proper determination of the alloy composition is as critical as the heat treatment processes applied for achieving the desired performance. Heat treatment processes directly affect the toughness of the steel, and incorrect selections in these processes can significantly reduce the material's expected performance. Manganese steels show work-hardening properties under mechanical loads, resulting in increased surface hardness and superior wear resistance. These steels can undergo TWIP (Twinning Induced Plasticity), which enables twinning and deformation hardening, and TRIP (Transformation Induced Plasticity), which is a stress-induced martensitic transformation, dislocation slip, and dynamic deformation aging. The different deformation mechanisms in high-manganese steels depend on the stacking fault energy (SFE) value. The SFE is the most significant parameter determining the type of deformation mechanism. Therefore, calculating the stacking fault energy value and the martensite start temperature is essential for the proper pre-production design of austenitic manganese steels. High-manganese steel used as a crusher and grinder contains 1.1–1.3% carbon and 12–21% manganese in its alloy composition. These steels, which contain high levels of carbon and manganese, are used as wear-resistant and impact-resistant steels due to their high ductility and high work hardening properties. Numerous studies have been conducted to improve the wear behavior of these steels by adding elements such as chromium (Cr), molybdenum (Mo), titanium (Ti), nickel (Ni), and bismuth (Bi), with the aim of enhancing wear performance. However, only a few of these studies have yielded significant improvements. Steel types containing high manganese (19–21%) have also been developed to reduce magnetic permeability and increase toughness and strength at low temperatures. In improvement studies, alloying processes involving elements such as Cr, Mo, Ti, as well as vanadium (V) and nitrogen (N), were carried out to prevent losses in yield strength. Field studies have shown that, particularly due to the limited heat treatment capabilities of foundries, carbide-forming element additions can cause significant material and machine damage under operating conditions. Therefore, alloy designs must be developed with consideration of the production conditions of high-manganese steel. In this study, six different high-manganese steel compositions (12–14Mn, 12–14Mn+1Mo, 12–14Mn+2Cr, 18Mn, 18Mn+1Mo, 18Mn+2Cr) were investigated. The samples were obtained by casting into prepared sand molds. Some of these samples were evaluated in their as-cast condition, while others were subjected to a solution annealing heat treatment at 1080°C for 5 hours, followed by quenching to achieve rapid cooling. The obtained samples were comparatively evaluated in terms of microstructure, mechanical, and wear properties. As a result of microstructure analyses, it was determined by SEM and EDS analyses that the carbide phases (Fe,MnCr)₃C, (Fe,Mn)₃C, (Fe,Mn,Cr)₂₃C₆, and MoC were irregularly distributed at grain boundaries and within grains due to the slow cooling effect after casting. The distribution of these carbides within the austenitic matrix was found to reduce mechanical properties such as ductility and toughness. Additionally, it was determined that grain size increased with increasing manganese content (within the range of 81–130 µm). In samples subjected to solution annealing heat treatment, it was observed that all carbides dissolved into the matrix, resulting in a fully austenitic structure. Mechanical tests revealed that alloying elements such as Cr and Mo significantly increase yield strength independently of the manganese content. In steel with 12–14% Mn content, the addition of Mo increased yield strength by 10% to 399 MPa, while the addition of Cr increased it by 19% to 432 MPa. In steel with 18Mn content, these increases were 12% (414 MPa) for Mo and 19% (440 MPa) for Cr. However, the increases in tensile strength were more limited, and changes in manganese content did not significantly affect this property. For example, the tensile strength of steel with 12–14% Mn content, which was 844 MPa, increased by only 3% to 869 MPa in steel with 18% Mn content. Impact charpy tests revealed that the addition of Cr and Mo reduced toughness. Specifically, in 12–14Mn steel, the initial value of 218 J decreased by 24% to 166 J with Mo addition and by 17% to 181 J with Cr addition. In samples with 18Mn content, these decreases were more limited; Mo decreased by 8%, and Cr decreased by only 1%. This clearly indicates that Cr and Mo increase carbide formation, leading to brittleness in the microstructure and consequently reducing toughness. When examining the elongation ratio, it was observed that Mo addition supports ductility, while Cr addition reduces it. The elongation value of 59.6% in the 12–14Mn content increased to 62.7% with Mo addition and decreased to 57.4% with Cr addition. In 18Mn steel, this ratio increased to 64.3% with Mo and decreased to 52.9% with Cr. These findings indicate that the MoC formation and solid solution hardening mechanism enhances ductility in manganese steels in a manner consistent with work hardening. In hardness tests, significant increases were observed with the addition of Cr. The hardness value of 12–14Mn steel, which was 203 HB, increased by 4% with Mo to 212 HB and by 18% with Cr to 240 HB. In 18Mn steel, hardness increased from 197 HB to 209 HB with Mo and to 227 HB with Cr. An increase in manganese content reduced hardness but did not have a significant effect. In conclusion, manganese content has a limited effect on mechanical properties beyond a certain level. The primary determining factors are alloying elements. Cr provides high hardness while reducing ductility and toughness. Mo increases ductility and slightly improves strength. These data enable the selection of appropriate alloying elements based on different industrial application scenarios. Additionally, further investigation of work hardening behavior is recommended for a more comprehensive understanding of high-manganese steels.

Benzer Tezler

  1. Yüksek manganlı çeliklerde kaynak sonrası uygulanan ısıl işlem rejiminin kaynak özelliklerine olan etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of post-weld heat treatment regime on weld properties of high manganese steels

    SELİM TOPCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET UYSAL

    DOÇ. DR. UĞUR GÜROL

  2. Effects of strain rates on the mechanical properties of high manganese austenitic steels

    Deformasyon hızının yüksek manganlı östenitik çeliklerin mekanik özellikleri üzerine etkisi

    BANU BERME

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU

  3. Effects of heat treatment and chemical composition on microstructure and mechanical properties of hadfield steels

    Isıl işlem ve kompozisyonun hadfield çeliklerin mikroyapısına ve mekanik özelliklerine olan etkileri

    SERHAT ALYAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. HAKAN GÜR

  4. Döküm proses parametrelerinin yüksek manganlı östenitik çeliklerin özelliklerine etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of casting process parameters on the properties of titanium alloyed hi̇gh manganese steel

    UĞUR GÜROL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜLEYMAN CAN KURNAZ

  5. Ostenitik manganlı çeliğin aşınma direnci üzerine karbür yapıcı alaşım elementlerinin etkisi

    The effects of hard carbide made alloy elements on austenitic manganese steels wear resistance

    BEDRİ YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Eğitim ve ÖğretimFırat Üniversitesi

    Metalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA AKSOY