ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERDE İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNE ETKİSİ.

Transkript

1 ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERDE İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNE ETKİSİ Erkun OKTAY YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 2011 ANKARA

2 Erkun OKTAY tarafından hazırlanan ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERDE İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNE ETKİSİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Mehmet ERDOĞAN Tez Danışmanı, Metal Eğitimi Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Metal Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Yusuf ŞAHİN (Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi) Prof. Dr. Mehmet ERDOĞAN (Metal Eğitimi, Gazi Üniversitesi) Doç. Dr. Kadir KOCATEPE (Metal Eğitimi, Gazi Üniversitesi)... Tarih: 27 / 06 / 2011 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Erkun OKTAY

4 iv ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERDE İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNE ETKİSİ (Yüksek Lisans Tezi) Erkun OKTAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 2011 ÖZET Bu çalışmada, indüksiyonla yüzey sertleştirme ısıl işleminin östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin mikroyapı ve yorulma dayanımı üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, GGG70 sınıfı alaşımlı küresel grafitli dökme demir numuneler; 900 C de 90 dk östenitleme yapılarak, 375 C sıcaklıktaki tuz banyosunda 120 dk süre ile östemperlenmiştir. Daha sonra östemperlenmiş yorulma numuneleri yüksek frekanslı indüksiyonla yüzey sertleştirme ısıl işlemi yapılmıştır. Karşılaştırma amacıyla döküm koşullarındaki numunelerinde yüzeyi indüksiyonla yüzey sertleştirme yapılmıştır. Numunelerin yorulma dayanımları dönmeli-eğmeli yorulma yöntemi ile belirlenmiştir. Deneysel sonuçlar, östemperlenmiş+yüzeyi indüksiyonla sertleştirilmiş numunelerin yorulma dayanımlarının yüzeyi indüksiyonla sertleştirilmiş dökülmüş haldeki numunelerden daha iyi olduğunu göstermiştir. Ayrıca indüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi, östemperlenmiş koşullara göre yorulma dayanımını %25 arttırmıştır.

5 v Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Küresel grafitli dökme demir, Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir (ÖKGDD), İndüksiyonla yüzey sertleştirme, Yorulma. Sayfa Adedi : 95 Tez Yöneticileri : Prof. Dr. Mehmet ERDOĞAN

6 vi THE EFFECT OF INDUCTION SURFACE HARDENING PROCESS ON MECHANICAL PROPERTIES OF THE AUSTEMPERED DUCTILE IRON (M.Sc. Thesis) Erkun OKTAY GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2011 ABSTRACT In this study, the effect of induction surface hardening heat treatment on the microstructure and fatigue strength of austempered ductile iron has been investigated. For this purpose, GGG70 grade alloyed ductile iron, specimens was austenitized at 900 C for 90 min and then transformed into salt bath held 375 C for austempering for a period of 120 min. Then austempered fatigue test specimens were subjected to high frequency induction surface hardening heat treatment. For a comparison reason, as-cast specimens were also subjected to Induction surface hardening treatment. The fatigue strength of the specimens was determined by rotary-bending fatigue test. The experimental results showed that, the fatigue strength of austempered specimens are higher than those as cast specimens. In addition, induction surface hardening process of austempered specimens increased fatigue strength approximately 25 % compared those austempered specimens. Science Code : Keywords : Ductile iron, Austempered ductile iron (ADI), Induction surface hardening, Fatigue. Page Number : 95 Adviser : Prof. Dr. Mehmet ERDOĞAN

7 vii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli fikirleri, tecrübeleri, yardımı ve katkılarıyla beni yönlendiren ve desteğini her zaman hissetiğim saygıdeğer Hocam Prof. Dr. Mehmet ERDOĞAN a teşekkür ederim. Bütün çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen Arş.Gör. Dr. Volkan KILIÇLI ve Arş.Gör. Dr. Melika ÖZER e teşekkürleri bir borç bilirim. Yorulma cihazının yapımında büyük katkısı bulunan ağabeyim Alkan OKTAY a katkılarından dolayı teşekkür ederim. Yorulma cihazının kalibrasyonunun yapılmasında katkıda bulunan Tüzün Kardeşler Mak. ve San. Tic. A.Ş. çalışanları ve Abdullah TÜZÜN e teşekkür ederim. Deney malzemem küresel grafitli dökme demirin dökülmesinde titizlik gösteren ALFA DÖKÜM ün çalışanları ve Doç. Dr. Şemsettin ÖZDEMİR e teşekkür ederim. Deney numunelerimin indüksiyonla yüzeyinin sertleştirilmesindeki katkılarından dolayı Termo İndüksiyon Isıl İşlem ve Makine Sanayi Ticaret Limited Şirketi ne teşekkür ederim. 07/ nolu proje ile bu çalışmayı destekleyen Gazi Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkürü bir borç bilirim. Bu güne kadar maddi ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli aileme en içten duygularımla teşekkür ederim.

8 viii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... vii İÇİNDEKİLER... viii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xii RESİMLERİN LİSTESİ....xv SİMGELER VE KISALTMALAR... xvii 1. GİRİŞ ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER (ÖKGDD) Östemperleme ısıl işlemi Östenitleme Östemperleme Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin mikroyapısı Östemperleme ısıl işlemini etkileyen faktörler Kimyasal kompozisyon Östenitleme sıcaklık ve süresinin etkisi Östemperleme sıcaklığı ve süresinin etkisi İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME ISIL İŞLEMİ İndüksiyon ısıtma mekanizması Nüfuz derinliği... 16

9 ix Sayfa 3.3. İndüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi İndüksiyonla sertleştirme işleminin avantajları ve dezavantajları YORULMA Yorulmaya Etki Eden Faktörler Malzemenin cinsi ve bileşim etkisi Gerilme etkisi Yüzey etkisi Çevresel etki Sıcaklığın etkisi Frekans etkisi Korozitif ortamın etkisi Parça geometrisi Mikroyapını etkisi Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Yorulma Özellikleri DENEYSEL ÇALIŞMALAR Döküm işlemi Isıl işlemler Isıl işlemlerde kullanılan cihazlar ve deney sistemi Östemperleme İndüksiyonla yüzey sertleştirme (İYS) Metalografik çalışmalar Yorulma deneyleri Sertlik deneyleri... 65

10 x Sayfa 6. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Mikroyapılar Dökülmüş haldeki numunelerin mikroyapısı Dökülmüş + indüksiyonla yüzey sertleştirilmiş numunelerin mikroyapısı Östemperlenmiş numunelerin mikroyapısı Östemperlenmiş + indüksiyonla yüzey sertleştirilmiş numunelerin mikroyapısı İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme Isıl İşleminin Sertlik Üzerine Etkisi Sertliğin Yorulma Üzerine Etkisi Östemperleme Isıl İşleminin Yorulma Dayanımı Üzerine Etkisi İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme İşleminin Yorulma Dayanımı Üzerine Etkisi Östemperleme + İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme Isıl işleminin Yorulma Dayanımı üzerine Etkisi Yorulma Numuneleri Kırık Yüzeylerinin SEM Analizleri Dökülmüş koşullardaki numunelerin SEM görüntüleri Dökülmüş ve İYS numunelerin SEM görüntüleri ÖKGDD in numunelerin SEM görüntüleri Ö+İYS KGDD numunelerin SEM görüntüleri SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 95

11 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. ÖKGDD için ASTM ve M standartları Çizelge 3.1 Frekansın damla derinliğine etkisi Çizelge 4.1. ÖKGDD in düşük devirlerde yorulmaya etki eden parametreler Çizelge Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin mikroyapısındaki faz oranları Çizelge ÖKGDD lerin yorulma dayanımı ve yorulma eşiği Çizelge 4.4. Alaşımlı ve alaşımsız Östemperlenmiş (320 C-360 C) KGDD numunelerinin ortalama yorulma dayanımları Çizelge Östemperleme sıcaklığının ÖKGDD lerin yorulma dayanımına etkisi Çizelge ÖKGDD lerin östemperleme sıcaklığına ve zamana göre yorulma dayanımları Çizelge 4. 7 FKGDD lerin İYS işleminin analizi Çizelge 5.1. Dökülen malzemenin kimyasal bileşimi Çizelge 5.2. Yorulma testlerinde kullanılan numunelerin kısaltmaları ve adetleri Çizelge 6.1. Numunelerin yüzey sertlik değerleri Çizelge 6.2. Deneye tabi tutulan numunelerin metalografik ölçüm sonuçları... 78

12 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Östemperleme ısıl işleminin şematik gösterimi... 4 Şekil 2.2 Östemperleme reaksiyonu... 6 Şekil ,5 cm çapında CuNi alaşımlı KGDD çubuğun 360 C östemperleme sıcaklığında, östemperleme süresine bağlı olarak oluşan martensit miktarı... 7 Şekil 2.4 Östenitleme sıcaklığı ve süresinin kalıntı östenit miktarına etkisi... 9 Şekil 2.5 ÖKGDD lerde östemperleme sıcaklık ve süresinin, çekme mukavemeti ve akma gerilmesinin üzerine etkisi Şekil 2.6 ÖKGDD lerde östemperleme sıcaklık ve süresinin, sertlik ve birim uzama üzerine etkisi Şekil 2.7 Östemperleme süresinin mekanik özellikler üzerine etkisi Şekil 2.8 Östenitleme sıcaklığı ve östemperleme süresine bağlı olarak; a) dönüşmemiş östenit(martensit), b) östenit karbon içeriği, c) yüksek karbonlu östenit(kararlı östenit) miktarlarının değişimi Şekil 3.1. İş parçası çevresindeki akım taşıyan bir bobinin oluşturduğu manyetik alan ile ısı oluşumu Şekil 3.2. Dalma derinliğinin üstel olarak azalması Şekil 3.3 İndüksiyonla yüzey sertleştirme işleminin şematik gösterimi Şekil 4.1 Wöhler yorulma testi Şekil 4.2 Bir malzemenin yorulma eğrileri Şekil 4.3 Bir malzemedeki çatlağın başlangıç noktası, kayma düzlemi ve kırılma yüzeyi Şekil 4.4 Yüzeyde oluşan çatlağın ilerleme düzlemindeki hareketi Şekil 4.5 Yorulmayı etkileyen faktörler Şekil 4.6. Çekme dayanımının yorulma dayanımı arasındaki ilişki... 25

13 xiii Şekil Sayfa Şekil 4.7 Gerilimdeki değişimini gösteren diyagram Şekil 4.8 Çekme basma gerilmelerinin gösterimi Şekil 4.9 Alternatif gerilme diyagramı Şekil 4.10 Ortama bağlı malzemelerdeki gerilim ve devir sayıları arasındaki ilişki Şekil 4.11 Sıcaklığın yorulma dayanımına etkisi Şekil 4.12 Sıcaklığın gerilme genliği ve yorulma dayanımı üzerine etkisi Şekil 4.13 Frekansın yorulma üzerine etkisi Şekil 4.14 Korozyonun Yorulma dayanımına etkisi Şekil Parçada geometrisine bağlı gerilme oranındaki (R) değişim Şekil Kıvrılan numunedeki gerilim dağılımı Şekil ÖKGDD ler ile dövme çeliklerinin yorulma dayanımlarının kıyaslanması Şekil ÖKGDD ler ile KGDD lerin kırılma dayanımının karşılaştırılması Şekil ÖKGDD ler ile KGDD lerim yorulma dayanımının karşılaştırılması. 39 Şekil Çekme direncinin ÖKGDD lerin yorulma dayanımlarına etkisi Şekil AÖKGDD ve Alaşımsız KGDD lerin yorulma dayanımlarının karşılaştırılması Şekil AÖKGDD lerin östemperleme sıcaklılarının yorulma dayanımına etkisi Şekil ÖKGDD lerin korozitif ortamlardaki yorulma dayanımları Şekil ÖKGDD lerin yorulma dayanımına karbür oranının etkisi Şekil Y Bloktaki numunelerin pozisyonu Şekil Numune pozisyonuna göre ÖKGDD lerin yorulma dayanımları Şekil Yüzey sertlik ilişkisi... 53

14 xiv Şekil Sayfa Şekil İYS işleminin yorulma dayanımına etkisi Şekil.5.1. Çalışmalarda kullanılan Y Blok ve Ölçüleri (mm) Şekil 5.2. Tundish tipi küreselleştirme potasının şematik gösterimi Şekil 5.3. Aşılama işleminin yapıldığı işlem potasının şematik gösterimi Şekil 5.4. Y-blokların döküleceği kum kalıbın şematik olarak üç boyutlu görünümü Şekil 5.5. Isıl işlem deney setinin ve sıcaklık kontrol sisteminin şematik gösterimi. a) tavlama ünitesi b) östemperleme ünitesi Şekil 5.6. ISO 1143 göre tasarlanmış yorulma numunesi Şekil 5.7. Numunelere uygulanan ısıl işlemlerin özeti Şekil 5.8 İndüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi Şekil 5.9. Dönmeli-eğmeli yorulma deneyi cihazı Şekil 6.1.İndüksiyonla İYS KGDD ve Ö+ İYS KGDD in mikrosertlik profilleri Şekil 6.2. Sertlik ile yorulma dayanımı arasındaki ilişki Şekil 6.3. Östemperlenmiş (ÖKGDD) ve dökülmüş koşullardaki (KGDD) numunelerin S-N eğrileri Şekil 6.4. Dökülmüş koşullardaki (KGDD) numuneler ve İYS KGDD numunelerin S-N eğrileri Şekil 6.5. İYS ve Ö+İYS KGDD numunelerinin S-N Şekil 6.6. Numunelerin tamamına ait yorulma dayanımları Şekil 6.7. Numunelerin tamamına ait S-N eğrileri... 79

15 xv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim Alaşımlı ÖKGDD in (AKGDD), (320 C/2saat) 15 dakika ultrasonik işlem sonrasındaki mikroyapısı Resim ÖKGDD in sülfürik asitli (H SO ) ortamda kırılan numunenin SEM görüntüsü Resim 4. 3.ÖKGDD in mikroyapısı Resim Ötektik karbürün çatlak etkisi Resim 4. 5 Yüzeyi sertleştirilmemiş numunenin kırık yüzeyi Resim 4. 6 Yüzeyi sertleştirilmiş numunenin kırık yüzeyi Resim Yorulma numunesinin işleme sonrası parlatma öncesi yüzey görüntüsü Resim Yorulma numunesinin parlatma işlemi sonrası yüzey görüntüsü Resim Dökülmüş koşullardaki numunenin mikroyapısı Resim 6.2. İndüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş küresel grafitli dökme demirin (İYS KGDD) mikroyapısı (kenar bölge) Resim 6.3. İYS KGDD in mikroyapısı (geçiş bölgesi) Resim 6.4. İYS KGDD in mikroyapısı (merkez bölgesi) Resim 6.5. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin (ÖKGDD) mikroyapısı, a) X200 büyütme ve b) X500 büyütme Resim 6.6. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (kenar bölgesi) Resim 6.7. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (geçiş bölgesi) Resim 6.8. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (merkez bölgesi) Resim 6.9. Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüsü X50 büyütme Resim Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüleri a) X500 büyütme b) X1000 büyütme... 80

16 xvi Resim Sayfa Resim Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüleri a) X500 büyütme b) X1000 büyütme Resim Dökülmüş ve indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunenin SEM görüntüleri a) X10 büyütme b) X50 büyütme Resim Dökülmüş ve indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunenin SEM görüntüsü X1000 büyütme Resim Dökülmüş halde indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunenin SEM görüntüleri a) X1000 büyütme b) X2000 büyütme Resim ÖKGDD in numunesinin SEM görüntüsü X50 büyütme Resim ÖKGDD in numunesinin SEM görüntüleri a) X50 büyütme b) X500 büyütme Resim 6.17 Ö+İYS işlemi uygulanmış numunesinin SEM görüntüsü X50 büyütme Resim Ö + İYS işlemi uygulanmış numunesinin SEM görüntüsü a) X2000 büyütme b) X1000 büyütme Resim Ö+İYS işlemi uygulanmış numunesinin SEM görüntüsü X1000 büyütme... 86

17 xvii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur Simgeler Açıklamalar C Dk g Hz Kw MPa N P S α α b γ γ yk γ o Karbon Dakika Gram Herz Kilowatt Megapaskal Kırılma çevrim sayısı Perlit Gerilim Ferrit Beynitik ferrit Östenit Yüksek karbonlu östenit Tavlama sıcaklığındaki östenit

18 xviii Kısaltmalar Açıklama AÖKGDD Bs EFCO FKGDD İYS G Hv HRC KGDD M MHO ÖHO Ö ÖF ÖKGDD SEM TM Alaşımsız östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir Beynit başlama Electric Furnace Company Ferritik küresel grafitli dökme demir İndüksiyonla yüzey sertleştirme Grafit Vickers sertlik değeri Rockwell sertlik değeri Küesel grafitli dökme demir Martensit Martensit hacim oranı Ösferrit hacim oranı Ösferrit (Beynitik ferrit +yüksek karbonlu östenit) Ötektoid ferrit Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir Scanning Electron Microscope Toz metal

19 1 1. GİRİŞ Sanayinin gelişmesiyle birlikte; dökümcülük sektörünü de kapsayan pek çok alanda yeni teknolojik gelişmeler olmuştur. Özellikleri çok iyi olmayan normal dökme demire küreleştirme işlemi uygulanarak çok daha iyi mekanik özelliklere sahip olan küresel grafitli dökme demirler (sfero) üretilmiştir [1]. Yine bu malzemelere üzerinde yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları sonucunda 1970 lerin başında küresel grafitli dökme demirlere (KGDD) uygulanan ısıl işlem ile östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler (ÖKGDD) üretilmiştir [2]. KGDD lerde östemperleme işlemiyle aynı işlemle çelik malzemelerde oluşan beynitik yapıdan farklı olarak ösferritik (östenit+ferrit) matris yapı oluşturmaktır. [3]. Bu yapıya sahip malzemeler yüksek tokluk yorulma dayanımı, süneklik ve işlenebilirlik özellikleri sergilemektedir. Bu üstün özellikler nedeniyle ÖKGDD ler endüstriyel uygulamaların için cazip bir malzeme haline gelmiştir [2]. ÖKGDD malzemeler çeliklerle karşılaştırıldığında; düşük malzeme ve üretim maliyetine, düşük yoğunluğa, iyi işlenebilirliğe ve yüksek titreşim sönümleme kabiliyetine sahiptir. Bu üstün özelliklerin yanı sıra, bu malzemelerin talaşlı imalat yöntemine uygunluğu, kısa sureli ısıl işlemleri, çeliklere göre %10 daha hafif olmaları montaj kolaylıklarıdır. Bu avantajları sayesinde KGDD cazip hale getirmiştir. Bu üstün özelliklerin bir sonucu olarak da pek çok alanda kullanılmaya başlanmış ve pek çok araştırmanın da konusu olmuştur. ÖKGDD ler otomotiv, demiryolu gibi ulaşım sektöründe, dişli, krank mili, kanat, lokomotif tekerleği, tarımsal ekipmanlar gibi aşınma direncinin iyi olması gereken yapısal elemanlarda sıkça kullanılmaktadır [3]. ÖKGDD lerin dövme çelikleriyle kıyaslandığı zaman darbe ve % uzaman oranlarının aynı olmasına karşın ÖKGDD lerin akma ve çekme dayanımları daha yüksektir. Ayrıca % 10 oranında daha hafiftirler. Bu nedenle geniş kullanım alanlarına sahiptir. Özellikle ÖKGDD lerin tokluğunun yüksek olması yorulma ömrünün uzun olmasında etkilidir [4,11,12].

20 2 ÖKGDD lerin yorulma özellikleri üzerine pek çok araştırma yapılmıştır. Bu araştırmalar daha çok alaşım elementleri ve sıcaklığın ÖKGDD lerin yorulma özellikleri etkilerini kapsamaktadır [11,12]. Bu çalışmada, indüksiyonla yüzey sertleştirme işleminin, ÖKGDD lerin ve KGDD lerin mikroyapı ve yorulma özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır.

21 3 2. ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir (ÖKGDD), küresel grafitli dökme demire (KGDD) östemperleme ısıl işlemi uygulanarak elde edilen dökme demir ailesinin bir sınıfıdır [4]. ÖKGDD ler, dökme demirler içerisinde en yaygın olarak kullanılanıdır. ÖKGDD ler içerisine katılan alaşım elementleriyle mekanik özellikleri artırılır [6]. ÖKGDD lerin mikro yapısı, küresel grafit ve ösferritik olarak adlandırılan ferrit ve yüksek karbonlu östenit ( γ yk ) karışımından oluşmaktadır. Ösferrit fazı yanı sıra arzu edilmese bile, düşük miktarda martensit veya karbürlerde bulunmaktadır. Ösferritik yapı, östemperleme ısıl işlemi olarak adlandırılan beynit başlangıç sıcaklığının altındaki sıcaklık aralığında, östenitin izotermal dönüşümü ile elde edilen yapıdır [6]. Çizelge 2.1. ÖKGDD için ASTM ve M standartları [25] 2.1. Östemperleme Isıl İşlemi Östemperleme ısıl işlemi üç aşamadan meydana gelmektedir (Şekil 2.1). İlk olarak malzemeler C sıcaklık aralığında 1-2 saat östenitlenir. Daha sonra tuz banyosunda martensit oluşma sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklık aralığına ( C), perlitik yapının oluşumunu önleyecek hızda soğutulur ve ardından bu sıcaklıkta ösferritik yapının oluşumu için 1-4 saat bekletilir. Son olarak havada soğutma işlemi gerçekleştirilir [7,8].

22 4 Şekil 2.1. Östemperleme ısıl işleminin şematik gösterimi [9] Östenitleme Östenitleme işlemi genellikle C sıcaklıklarında 1-2 saat tavlama ile yapılmaktadır. Östenitleme sıcaklığı ve süresindeki değişim, içerisindeki alaşım elementlerine bağlıdır. Östenitleme sıcaklığı ve süresi malzemenin mikroyapısı oluşumunda etkilidir. Östenitleme sıcaklığı yüksek ve uzun süreli olursa östenitin içerdiği karbon oranı artmakta tersi durumda ise martenzit oranını artmaktadır [9,10] Östemperleme Östenitlenen numuneler martensit oluşma sıcaklığının üzerindeki C sıcaklık aralığında tutulan tuz banyolarına perlitik yapının oluşumunu önleyecek hızda soğutulur ve ardından bu sıcaklıkta ösferritik yapının oluşumu için 1-4 saat bekletilir. Son olarak havada soğutma işlemi gerçekleştirilir [7,8]. Östemperleme sonrası oluşan mikroyapı oluşumu üzerine östemperleme süresi ve sıcaklığı etkili olmaktadır. Yapılan araştırmalarda ~350 C nin altındaki sıcaklıklarda

23 5 oluşan yapının ince ösferritik (alt beynit) yapı, üzerindeki sıcaklıklarda ise kaba ösferritik (üst beynit) yapının oluştuğu tespit edilmiştir [12]. Östemperleme iki aşamalı bir reaksiyonu kapsamaktadır. Birinci aşamada östenitik yapı beynitik ferrite ve karbonca yüksek östenite dönüşmektedir. İkinci aşamada ise yüksek karbonlu östenitin, ferrit ve karbüre dönüşmektedir. I.Aşama: γ(östenit) α b (Beynitik ferrit)+ γ y.k (Yüksek karbonlu östenit ) II. Aşama: γ y.k (Yüksek karbonlu östenit ) α ( ferrit) + Karbür [13]. I. Aşamada dökme demirlerde yüksek Si içeriğinden dolayı izotermal bekleme esnasında östenit çeliklerin tersine direk beynitik ferrit + karbüre dönüşmez, bunun yerine beynitik ferrit + yüksek karbonlu östenite (kararlı östenite) dönüşür [4]. II. Aşamada γyk α + C birinci aşamada oluşan yüksek karbonlu östenit, bu reaksiyon sonucu ferrit ve karbüre dönüşür. İkinci aşamada oluşan karbürler malzemenin sünekliğini ve tokluğunu önemli ölçüde düşürür. Buna bağlı olarak da malzemenin sertliği ve dayanımı artar [15]. Birinci basamağın tamamlanmış olduğu ikinci basamağın ise henüz başlamamış olduğu aralığa işlem penceresi adı verilir (Şekil 2.2). İşlem penceresinin genişliği (gri bölge) üzerine alaşım elementlerinin tür ve miktarları etkili olmaktadır. İşlem penceresinin daralmasıyla karbür oluşunu hızlandırır ve tepkime sürelerini azaltır [14,3]. En iyi mekanik özellikler bu işlem penceresi aralığında elde edilir [3].

24 6 Şekil 2.2 Östemperleme reaksiyonu [16] Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Mikroyapısı Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin mikroyapısı karmaşık beynitik ferrit ve östenitten oluşmaktadır. Beynitik ferrit ve yüksek karbonlu östenit, Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin sünekliliğini optimize eder [13,17]. Bunlarla birlikte yapı içerisinde az miktarlarda karbür ve martenzit bulunabilir. Bunlar ise Östemperlenmiş KGDD lerin sünekliliğinin azalmasına sebep olur [13] Östemperleme Isıl İşlemini Etkileyen Faktörler Kimyasal kompozisyon KGDD malzemeler içerdiği alaşım elementlerine bağlı farklı mekanik özellikler sergiler. Alaşım elementleri östemperleme operasyonunu ve yapısını önemli ölçüde etkilemektedir [18]. Beynitik dönüşümün ikinci reaksiyonunda meydana gelen istenmeyen yapılardan kaçınmak için işlem penceresini genişleten alaşım elementleri seçilmelidir. İşlem penceresini genişleten ve ikinci reaksiyonu geciktiren elementler Ni ve Mo dir. Şekil 2.3 de alaşım elementlerinin etkileri gösterilmiştir [19].

25 7 Şekil ,5 cm çapında CuNi alaşımlı KGDD çubuğun 360 C östemperleme sıcaklığında, östemperleme süresine bağlı olarak oluşan martensit miktarı [20]. Tipik bir küresel grafitli dökme demir de Karbon (C), Silisyum (Si), Mangan (Mn), Bakır (Cu), Nikel (Ni), Molibden gibi elementler bulunmaktadır. Bu elementlerin etkileri ise; Karbon: KGDD lerde C oranı % 2 4 arasında değişmektedir. Karbon miktarı grafitin morfolojisini ve boyutunu etkilemektedir. Karbon oranı arttıkça grafit küre sayısı ve küresellik artmaktadır. Karbon miktarının yüksek olması durumunda, grafitin küresellikten sapmasına ve kalın kesitlerde karbonun yüzmesine sebep olur [21]. Silisyum: KGDD lerde Si oranı % 1,8 2,8 arasında değişmektedir. Silisyum miktarındaki artış küreselliği artırmaktadır. Ni ile beraber kullanıldığında grafitin şeklinin bozulmasına yol açar. Ferrit oluşumunu teşvik edip küresel oluşumunu engellemektedir [21]. Mangan: Mn karbür oluşumunu teşvik edici ve perlit oluşturucu bir özelliğe sahiptir. İlave edilecek Mn miktarı Si ve kesit kalınlığına bağlıdır. Kesit kalınlığı arttıkça artan Si miktarıyla birlikte Mn miktarı da artabilir. Yüksek Mn miktarı segregasyona sebep olabilmektedir [21].

26 8 Bakır: Cu yüksek kalitede perlitik yapı sağlamaktadır. Küre sayısını ve küreselliği arttırmaktadır. Ni ve Mo kombinasyonları ile istenilen matris yapısına sahip (perlitik, martensitik) malzeme elde edilebilmektedir. Al, lamelli grafit oluşumunu teşvik etmektedir. Sn, tane sınırlarında lamelli grafit oluşumuna neden olmaktadır. Cu ile birlikte kullanıldığında matrisin perlitik olmasını sağlamaktadır. Pb, Bi, As den birinin % miktarında olması kalın kesitlerde grafit oluşumunu engellemektedir. Cr, Va, B ve Te, Mn dan daha kuvvetli karbür yapıcı elementlerdir. Ti, lamel tipi grafit oluşumunu teşvik etmektedir. Ce ile beraber kullanılırsa (% 0.01 Ce, % 0.07 Ti) küresel grafit oluşumunu sağlamaktadır. % Va ve Ti grafitleştirici bir etkileşime sahiptir [21]. Nikel: %1 in altındaki Ni miktarının çekme dayanımı, sertlik ve süneklik üzerine C sıcaklıklar arasında yapılan östemperleme işlemlerinde belirgin bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Fakat Ni içeriğinin % 1-4 aralığında ve östemperleme sıcaklığının 350 C ın altında olduğu östemperleme işlemlerinde, çekme dayanımının belirgin olarak düştüğü görülmektedir. Alt beynitik yapılarda Ni, Cu a benzer olarak karbür oluşumunu engeller. %2 nin üzerindeki Ni miktarlarında, havada soğutma sonucu martensit oluşumu artar, bu da sünekliğin düşmesine neden olur [22]. Molibden: Mo miktarı arttıkça, çekme dayanımı, sertlik ve süneklik azalır. % 0,2 nin üzerindeki Mo içeriklerinde Mo tane sınırlarında ayrımlaşır ve bu bölgelerde karbür oluşumunu teşvik eder. Mo, Mn ile benzer etkiler gösterir. Buna ek olarak Mo sertleşebilme kabiliyetini artırır ve beynitik dönüşüm sıcaklığını (Bs) yükseltir. Mo alaşımlı küresel grafitli dökme demirlerde, östemperleme ısıl işlemi sonucu mekanik özelliklerin en elverişli değerleri, kalıntı östenitin en yüksek olduğu bölgelerde elde edilmektedir [22].

27 Östenitleme sıcaklık ve süresinin etkisi Östenitleme sıcaklığı ve süresi karbonun konsantrasyonunu belirlediği için malzemenin mekanik özellikleri üzerinde önemli rol oynar. Şekil 2.4 de görüldüğü gibi östenitleme sıcaklığı ve süresinin uygun kombinasyonlarda tercih edildiğinde istenilen mekanik özellikler elde edilebilir [22]. Şekil 2.4 Östenitleme sıcaklığı ve süresinin kalıntı östenit miktarına etkisi [23]. Optimum mekanik özelliklerin C arasında 1-3 saat östenitleme şartlarında gerçekleştiği tespit edilmiştir. Östenitleme işlemi düşük sıcaklıklarda yapılırsa; kararlı östenit oluşur. Karbon miktarında azalma görülür. Böylece malzemenin sünekliliği artar. Buna bağlı olarakta malzemenin dayanımı düşmektedir. Kalıntı östenit miktarında azalma olur. Östenitleme işleminin sıcaklığı yüksek olursa yüksek karbonlu östenit oluşur ve kalıntı östenit hacminde artış olur. Östemperlenmiş yapı kabalaşır. Östenitin tane boyutu artmasına sebep olur. Yapıdaki karbon oranı arttığı için dayanım artmaktadır. KGDD ler için 900 C de 60 dakikalık östenitleme yeterli olmaktadır. Ancak östenitleme sıcaklığı düşürüldüğünde alaşım elementlerinin segregasyonunu azaltmak için östenitleme süresi artırılmalıdır. Östenitleme süresi KGDD lerin içerdiği Si miktarı ile ters orantılıdır. Başlangıç malzemesinin içerdiği perlit hacim oranı artarsa süre azalmaktadır [6,14,16,23,24,26].

28 Östemperleme sıcaklığı ve süresinin etkisi Östemperleme sıcaklığı ve süresi malzemenin mekanik özellikleri ve aşınma direncini etkilemektedir. KGDD lerde östemperleme sıcaklık ve süresinin mekanik özelliklere etkisi Şekil 2.5 ve Şekil 2.6 da gösterilmiştir. Östemperleme sıcaklığı C sıcaklıklar arsında olursa alt beynit oluşur. Alt beynitin sünekliliği yüksektir. Östemperleme sıcaklığı C sıcaklıklar arasında olursa üst beynitik yapı oluşur. Üst beynit yapılarda çekme mukavemeti yüksek iken süneklilik düşüktür. Üst beynitik yapılarda en iyi süneklilik işlem penceresi aralığında elde edilir. Östemperleme C sıcaklıklarda olursa iki tür beynitten farklı bir beynitik yapı oluşur. En iyi çekme dayanımı C sıcaklık aralıklarında östemperleme sonucu elde edilmektedir [6,7,16,24,26]. Şekil 2.5 ÖKGDD lerde östemperleme sıcaklık ve süresinin, çekme mukavemeti ve akma gerilmesinin üzerine etkisi [7].

29 11 Şekil 2.6 ÖKGDD lerde östemperleme sıcaklık ve süresinin, sertlik ve birim uzama üzerine etkisi [7]. Östemperleme süresine bağlı olarak mekanik özelliklerdeki değişim Şekil 2.7 de gösterilmiştir. Östemperleme süresinin artmasıyla süneklik, dayanım ve darbe direnci artmaktadır. Östemperleme süresinin daha da artırılmasıyla süneklik ve tokluk düşerken dayanım bir miktar artmaktadır. Bunun nedeni östemperleme süresinin artması ile birlikte beynitik ferrit + yüksek karbonlu östenit (kararlı östenit) miktarının da artmasıdır (Şekil 2.8). Östemperleme süresi artarken karbür çökelmesi de artar. Buda süneklik ve tokluğu düşürmesine karşın sertlik ve dayanımını bir miktar artırır. Östemperleme süresi azaldıkça malzemede sertlik artarken süneklik ve darbe direnci düşmektedir. Buda karbonun difüze olması için yeterli zaman olmadığından yapıda martenzitin oluşmasından kaynaklanmaktadır [7,14,26,27].

30 Şekil 2.7 Östemperleme süresinin mekanik özellikler üzerine etkisi [14]. 12

31 Şekil 2.8 Östenitleme sıcaklığı ve östemperleme süresine bağlı olarak; a) dönüşmemiş östenit(martensit), b) östenit karbon içeriği, c) yüksek karbonlu östenit(kararlı östenit) miktarlarının değişimi [14]. 13

32 14 3. İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME ISIL İŞLEMİ İdüksiyonla ısıtma, elektriksel kondüktörlerin oluşturduğu manyetik alan içerisine yerleştirilmiş metalik malzemelerde indüklenen akım ile ısı oluşturulmasıdır. Kondüktör ile malzeme arasında fiziksel temas bulunmamaktadır. Malzemede akımın indüklenmesi Faraday prensibine dayanmaktadır. Elektromanyetik indüksiyon prensibi Michael Faraday ın 1800 lü yıllardaki keşfiyle başladı [28]. Daha sonra endüksiyon ocakları ile ilgili ilk patent 1897 de İngiltere de Ferranti tarafından alındı. Ticari anlamda ilk uygulamalar 1900 yılında İsveç de ve 1906 yılında Almanya da kurulan çelik ergitme ocakları yapımıyla gerçekleştirilmiştir. 20.yy ın başlarında İsviçre de, İtalya da ve Fransa da orta frekans bölgesinde eritme işlemleri için indüksiyon fırınları önerilmiştir ve bununla beraber reaktif gücün meydana getirdiği kompanzasyon sorununu giderebilmek için kondansatörlerin kullanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır yılında Dr.Northrup endüstri kullanımı için orta frekansta çalışan fırınları geliştirmiştir. Fakat şebeke frekansından daha yüksek bir frekans ile çalışmada en büyük sorun uygun boyutta kompanzasyon kondansatörlerinin bulunamayışının yarattığı sorunlar olmuştur. Kağıt kondansatör üretimi ile bu sorun da çözümlenmiş ve şebeke frekansının üzerinde çalışma imkanları sağlanmıştır. İlk orta frekans ergitme ocağı 1927 yılında Sheffielde da Electric Furnace Company (EFCO) tarafından gerçeklenmiş ve bundan sonra bu fırınların sayısı artmaya başlamıştır. Bu tarihten sonra paslanmaz çelik üretimi, metallerin işlenmesi ve özel alaşım hazırlanmasında kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. İkinci dünya savaşından sonra otomotiv endüstrisinin gelişimi elektromanyetik endüksiyon ile ısıl işlemin önemini arttırmış, daha değişik uygulamaları için çalışmalar hızlandırılmış ve yüzey sertleştirme işlemleri için radyo frekansında ısıtıcılar geliştirilmiştir. Bu yöntemde nufuziyet derinliği kontrol edilebilirliği, kayıpların diğer sistemlere göre az oluşu, seri üretim için uygulama kolaylıkları, yüzey sertleştirme işlemlerinde elektromanyetik indüksiyon ile ısıtma yönteminin kullanımını yaygınlaştırmıştır [30-31].

33 15 İndüksiyon ısıtıcılarının ilk kullanılmaya başlandığı dönemlerde ilk yatırım maliyetlerinin diğer sistemlere göre yüksek olduğu bir gerçektir. Özellikle orta frekans ısıtıcılar ( motor-alternatör grupları) hem ilk yatırım, hem de periyodik bakım giderleri açısından pahalı bir sistem oluşturmaktadır yılından itibaren yarıiletken güç sistemlerinin geliştirilmesi ile endüksiyon ergitmede yeni bir devir başladı. Bu devrede son zamanlarda kaydedilen en önemli gelişme değişen frekanslı endüksiyon ocakları olmuştur. Yarıiletken teknolojisin gelişimi ile bu ekonomi sorunu önemini kaybetmiş ve bu alandaki çalışmaları günümüzde oldukça yaygınlaşmasını sağlamıştır [30-32] İndüksiyonla Isıtma Mekanizması İndüksiyonla ısıtma, parçanın yüzeyinde oluşan alternatif manyetik alanın eddy akımlarını ve histerezis kayıplarını parçada indüklemesiyle ısı oluşturan bir yöntemdir. Alternatif manyetik alan, iş parçası etrafını çevreleyen veya iş parçasına paralel olarak tutulan, üzerinden alternatif akım geçen indüksiyon bobini tarafından oluşturulur [28]. Şekil 3.1 de gösterildiği gibi manyetik alan içerisine yerleştirilmiş iş parçasındaki ısı oluşumu. Şekil 3.1. İş parçası çevresindeki akım taşıyan bir bobinin oluşturduğu manyetik alan ile ısı oluşumu [33].

34 16 Bobinlerin yüksek frekanslı alternatif akım geçirilerek, yüksek frekanslı bir manyetik alan oluşturulur. Manyetik alan, iş parçası içinde eddy akımları ile histerezis akımları oluşturur. Oluşan yüksek frekanslı akımlar, iş parçası yüzeyinde hareket ederler. İş parçası bu akımlara karşı gösterdiği direnç nedeniyle ısınma sağlanır ve böylece iş parçasının iç kısmı ısıtılmadan yüzeyi ısıtılır [34] Nüfuz Derinliği İş parçası üzerinde oluşturulan eddy akımlarının iş parçasının yüzeyinden itibaren ulaşabileceği derinliğe kadar olan kısma dalma etkisi denir. İş parçasının merkezine doğru gidildikçe eddy akımının etkisi azalmaktadır. İndüksiyonla ısıtmada önemli bir büyüklük olarak malzemenin cinsine, kalınlığına ve amaca göre uygun frekansın belirlenmesini sağlayan nüfuz derinliği, akım yoğunluğu ( ) değerine bağlı olarak değişen manyetik alanın büyüklüğüdür ve aşağıdaki formülle ifade edilir [35]. δ = (3.1) Burada; δ : Nüfuz derinliği (mm) ρ : Özgül direnç (Ω.mm²/m) : Frekans (Hz) : Bağıl manyetik geçirgenlik (A/m) Eşitlikten görüleceği gibi frekansın artması deri kalınlığını azaltır. Dolayısıyla akım parçanın en dış yüzeyinde dağılır [36]. Dalma derinliğinin malzemenin ρ ve katsayılarına bağlıdır. Bu sabit katsayılar sıcaklığı değiştirir. Buna bağlı olarakta iş parçasında istenilen derinliği elde etmek için bu değerler göz önünde bulundurulması gereken en önemli etkenlerdendir [37].

35 17 Şekil 3.2. Dalma derinliğinin üstel olarak azalması Şekil 3.2 de görüleceği üzere k iş parçasının kalınlığıdır. Dolayısıyla iş parçasının dışında akım yoğunluğu maksimumdur. İş parçasının merkezine doğru inildikçe etkisi azaldığı görülmektedir [37]. Formül 1 de görüldüğü gibi damla derinliğine frekansın etkisi büyüktür. Genelde seçilen frekans; Hz değerleri arasında değişir. Çizelge 3.1 de frekansın damla derinliğine etkisi verilmiştir [34]. Çizelge 3.1 Frekansın damla derinliğine etkisi [34].

36 İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme İndüksiyon yüzey sertleştirme parçanın tamamında sertlik istenmediği durumlarda kullanılan alternatif bir ısıl işlem türüdür. İndüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi, Şekil 3.3 te görüleceği gibi iş parçasının yüzeyini hızlı bir şekilde östenitik şartlara ısıtma ve sert martensitik katman dönüşmesi için ani soğutma yapılan bir işlemidir. Şekil 3.3 İndüksiyonla yüzey sertleştirme işleminin şematik gösterimi Soğutma ortamı olarak su veya yoğunluğu ayarlanmış yağ kullanılır. Bu sayede parçaların istenen bölgeleri sertleştirilirken diğer bölgeler ise yumuşak kalır. Suda sertleştirme ısıtılmış çelik parçanın soğutulmasında en yüksek soğuma hızı parça ve su arasındaki sıcaklık farkının en yüksek olduğu durumda değil, bu aradaki farkın 350 ila 400 C olduğunda görülür. Suda görülen bu durum yağ gibi diğer sıvılarda da 400 C geçerlidir. Su ile sertleştirme yağ ile sertleştirmeye göre üç kat daha fazla iyi sertleştirir. Suda sertleştirme endüstride kullanılan en etkili ve en yaygın sistemdir, çünkü ekonomik ve kolaydır. Yağda sertleştirme yağın soğutma gücü suyun 1/3 ü kadardır. Suda ve yağda soğutmanın yanı sıra nadiren de olsa havada da soğutma yapılır [38]. İndüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi genellikle otomotiv sektöründe, dişli çark, krank mili, şaft gibi malzemelerin yüzeyinin sertleştirilmesinde kullanılır. Ayrıca düşük karbonlu çeliklerin ve dökme demirlerin mekanik özelliklerini istenilen duruma getirdiği için bu yöntem terci edilmektedir [39].

37 İndüksiyonla Sertleştirme İşleminin Avantajları Ve Dezavantajları Avantaları İndüksiyonla yüzey sertleştirmede, malzemenin ısınma süresi çok düşük olduğundan çevrenin ısınması çok azdır. Bu yöntem ile parça kısa sürede ısındığından etrafa gaz yayılmaz ve daha temiz çevre sağlanır. Küçük tesislerde bile kullanılabilir, Sürekli bir üretim (seri üretim) için kullanılmaya çok uygundur, Alevle sertleştirmeye oranla daha yüksek ısıl girdisi sağlanır, Elektrik ortamında otomatik kontrol sayesinde ısıtma daha iyi ayarlanır, Parçaların seri imalatında zaman ayarı, elektriksel olarak yüzeye tatbik edilen sıcaklığın ve nüfuz derinliğinin otomatik olarak ayarlanması oldukça kolaydır [34,39]. Dezavantajları En önemli dezavantajı elektrik üretim ve ayarlama aletleri olan tesis oldukça masraflıdır. Sargıların imal edilmesi ve geliştirilmesi oldukça pahalıdır, Komplike sargıların gerektiği durumlarda ve bunun yanında parça sayısı da çok az ise sertleştirme maliyeti çok artar, Bu yöntem malzeme seçimine sınırlama getirmesi de iyi olmayan yönlerindendir, Düşük karbon miktarlı parçalarda diğer yöntemle ulaşabilen sertlik değerlerine ulaşılamaz, yüksek karbonlu çeliklerde ise çatlama tehlikesi meydana çıkar, Keskin kenar ve köşeli parçaların bu bölgelerinde aşırı ısınmalar meydana geleceği için güçlükler oluşur [34,39].

38 20 4. YORULMA Makine parçaları ve yapı elemanları kullanılma sırasında tekrarlanan yüklere maruz kalırlar. Bu da malzemede değişen gerilmelere sebep olur. Bu değişen gerilme altında çalışan metalik parçalarda, gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmasına rağmen belirli bir tekrarlama sayısı sonunda metal yüzeyinde bir çatlama ve bu çatlama sonucunda metalde kopma meydana gelir. Bu olaya yorulma adı verilir [40]. Yorulma üzerine yıllarca birçok araştırma yapılmıştır. İlk olarak Alman August Wöhler 1850 lerde demiryolunun sistematik yorulma araştırmasını yapmış ve geliştirmiştir. Wöhler demir yolu aksları üzerinde ve küçük oranlarda eğilme, burulma ve radyal olarak yinelenen yükler üzerinde çalışmış ve buradan elde ettiği verilerle S-N diyagramlarıyla yorumlamıştır [40,41]. Şekil 4.1 Wöhler yorulma testi Şekil 4.1 de görüldüğü gibi numune bağlandıktan sonra numune üzerine uygulanan yük ile numune üzerinde çekme ve basma gerilmeleri oluşur. Numunenin dönmesiyle birlikte bu gerilmelerin yeri de değişecektir. Böylece numunenin orta noktasında çekme-basma kuvvetleri oluşacaktır. Buradaki gerilme malzemeye uygulanan kuvvete göre değişecektir. Uygulanan yükün miktarına bağlı olarak etki eden gerilim;

39 21 σ = 10,18. x bağıntısı ile hesaplanır. (4.1) Burada ; F : Numuneye uygulanan kuvvet (N/mm²) L: Moment kolu (mm) d: Numunenin çapı (mm) göstermektedir. Bir dizi yapılan deneyler sonunda elde edilen veriler Şekil 4.2 deki gibi devir sayıları ile uygulanan kuvvet arasındaki ilişki gösterilir. Şekil 4.2 Bir malzemenin yorulma eğrileri [41]. Burada A malzemesinin yorulma dayanımının 445MPa olduğu görülmektedir. Bu malzeme 445MPa yük altında uzun süre çalışabilir. B malzemesi ise 405MPa civarlarındaki yüklere dayanmaktadır. Bu yüklerin üzerine çıkıldığı zaman malzemelerde kırılma meydana gelmektedir [41].

40 22 Özellikle metalik malzemeli yapıların çökmesinde en önemli faktör yorulma olayıdır. Bu tür hasarlar polimer ve seramik malzemelerde de meydana gelebilir. Bir yorulma olayı üç aşamada değerlendirilir. 1. Çatlak oluşumu: Genellikle yüksek gerilme yığılmalarının oluştuğu bölgelerde veya kristal yapıdaki hatalı noktalardan çatlak başlar. Şekil 4.3 Bir malzemedeki çatlağın başlangıç noktası, kayma düzlemi ve kırılma yüzeyi[41] 2. Çatlak ilerlemesi: Çatlak genellikle yüzeyden başlayıp, kayma hatları ile orta kısımlara iletilir. Ayrıca, malzeme içinde mikro çatlaklar var ise ve çatlak ucunda oluşan gerilme yığılması çatlağı ilerletebilecek seviyede ise çatlak ilerler. Uygulanan gerilme çatlağın ilerlemesi için yeterli değilse malzeme yorulmaz. Gerilme çatlağın ilerlemesini sağlayacak kadar büyük ise çatlak gevşek yerlerden ilerler. Böylece yıpranma yavaş yavaş tüm kesite yayılır [42]. Şekil 4.4 te görüldüğü gibi çatlak yüzeler kırılma ile birlikte ve yüzeyde yeni çatlaklar oluşturarak çatlak düzleminden içeri doğru ilerleyerek keskin olan köşelerde birikerek bu bölgelerde gerilimin artmasına neden olurlar [42,43].

41 23 Şekil 4.4 Yüzeyde oluşan çatlağın ilerleme düzlemindeki hareketi [43] 3. Kırılma: Yıpranma nedeniyle ayrışma yeter derecede ilerledikten sonra kesitin geri kalan kısmı yükü taşıyamaz hale gelir ve malzeme aniden kopar. Yorulma olayı malzemede önemli bir plastik şekil değişimi yapmadığından ve uyarı vermeden elastik limitin altındaki gerilmelerde malzemenin ani olarak göçmesi nedeniyle tehlikelidir. Bu tip gevrek kırılma olaylarına çelik köprülerde, kötü yolda giden arabalarda, uçak kanatlarında rastlanabilir [42,43]

42 Yorulmaya Etki Eden Faktörler Yorulma dayanımına etki eden birçok parametre vardır. Yorulmayı etkileyen faktörler Şekil 4.5 te özetlendiği gibidir. Şekil 4.5 Yorulmayı etkileyen faktörler [45] Malzemenin cinsi ve bileşim etkisi Genellikle malzemenin statik çekme dayanımı arttıkça, malzemenin yorulma dayanımı sınırı da yükselir. Alaşım elementleri ve ısıl işlemler çeliklerin statik çekme mukavemetlerini artırırken yorulma mukavemetlerini de arttırmaktadır. Şekil 4.6 da çeşitli Toz Metal (TM) çelikler için, yorulma mukavemeti çekme mukavemeti ile karşılaştırılmıştır. Değerler oldukça geniş dağılım göstermektedirler. Yorulma oranı, yorulma mukavemeti / çekme mukavemeti, 0.16 ile 0.47 arasında

43 25 değişmektedir. Döküm-hadde yüksek mukavemetli çelikler için (> 1000 MPa) yorulma oranı 0.50 olarak kullanılmaktadır [46-47]. Geniş dağılımın ana sebebi çekme mukavemeti gözenek morfolojisinden fazla etkilenmez iken yorulma özelliğinin oldukça etkilenmesidir. TM çelikler için yorulma oranının 0.38 olarak alınabileceği belirtilmesine rağmen fikir fazla destekçi bulmamaktadır [46,47]. Şekil 4.6. Çekme dayanımının yorulma dayanımı arasındaki ilişki [47] Alaşım elementlerinin (karbon hariç) çeliklerin yorulma dayanımını arttırması aynı zamanda çeliklerin mikroyapısın da değiştirmelerine bağlıdır. Özellikle uygun su verme ve menevişleme işlemleri ile statik çekme dayanımı ve sertliği arttırılan çeliklerin yorulma dayanımı da artmaktadır. Isıl işlem uygulanacak çelik parçalarda

44 26 alaşım elementlerinin en önemli rolü çeliklerin su alma derinliğini artırarak, sertliğin yüzeyden itibaren daha derin kısımlara kadar artmasını sağlamak ve dolayısıyla yorulma dayanımını arttırmaktır. Sünek malzemelere uygulanan son mekanik işlemlerin de yorulma dayanımına etkisi vardır. Soğuk işlem ile sertliği ve yüzey düzgünlüğü arttırılan malzemenin yorulma dayanımı, sıcak işlem görmüş aynı malzemeye oranla daha yüksektir. Malzeme yapısındaki inklüzyon ve segregasyonlar yorulma dayanımı ve yorulma ömrünü azaltmaktadırlar [48] Gerilme etkisi Bazı uygulamalarda ve çoğu yorulmaya maruz kalan malzemelerde gerilim maksimum ve minimum değerler arasında sabit düzeyde olması gerekir. Şekil 4.7 te sabit genlik gerilimi gösterilmiştir. Bu gerilim oranı Δσ = σ(u)max σ(a)min, maksimum gerilme ve minimum değerler arasındaki farktır [40]. Şekil 4.7 Gerilimdeki değişimini gösteren diyagram [40]. σu: Üst gerilme sınırı σa: Alt gerilme sınırı σo: Ortalama gerilme σg: Genlik gerilmesi şeklinde ifade edilir.

45 27 Bu gerilme değerleri dinamik bir yükleme için önemli sınırlardır ve aralarında; σ0 = σ σ 2 σ0 + σg = σ(u)max bağıntıları vardır. σg = σ σ 2 σ0 - σg = σ(a)min Periyodik yüklemede σu ve σa sınırlarının farklı işaretlerde olması cismin yorulmasını kolaylaştırır. Diğer bir ifadeyle cisim burada devirli olarak basma ve çekme gerilmelerine maruz kalmaktadır [40]. Şekil 4.8 Çekme basma gerilmelerinin gösterimi [40]. Şekil 4.9 da görüldüğü gibi ortalama gerilmesi sıfır olan σu = - σa haline tam harmonik titreşim (alternatif gerilme) denir. Şekil 4.9 Alternatif gerilme diyagramı

46 28 Ayrıca herhangi bir sabit σ0 yüklemesi ile harmonik σ = σ(t) fonksiyonu birleşince, σt = σ0 + σg Sinwt şeklinde bir yükleme durumu ortaya çıkar [40]. Ayrıca malzemeye uygulanan ısıl işlem sonucun da malzemenin mikroyapısında bazı gerilmelere yol açmaktadır. Buda malzemenin yorulma dayanımını azaltmaktadır. Bu iç gerilmeler yorulma sırasında malzemenin yüzeyinde başlayan çatlakla birleştiği zaman malzemenin kırılmasını daha da hızlandıracaktır. Bu iç gerilmelerin etkisini azaltmak veya tamamen kaldırmak için gerilim giderme ısıl işlemi yapılması gerekmektedir Yüzey etkisi Yorulma ömrünü etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Çünkü yorulmada meydana gelen kopmaların çoğu yüzeylerden başlar. Yüzeyin kalitesi üretim yöntemi, malzemenin tasarımı ve yüzeye yapılan ısıl işlem gibi faktörlerden etkilemektedir. Böylece malzemelerin yüzeyinde çekme ve basma gerilmeleri oluşmaktadır. Buda yorulma dayanımını azaltmaktadır. Dövme, haddeleme ve ekstrüzyon gibi üretim yöntemleri tane yönlenmesine sebep olur. Böylece malzemede, yöne bağlı olarak malzemenin mikroyapısı değişmektedir. Gerilmenin, yönlenmiş mikroyapıya dik geldiği durumlarda malzemenin yorulma dayanımını azaltmaktadır [49,50]. Yüzey sertleştirme işlemlerinin çatlak oluşumuna karşı olan direncini artırır. Buna bağlı olarakta malzemenin yorulma dayanımını artırmaktadır. Malzemelerin yüzey pürüzlülüğü dayanımı büyük ölçüde etkiler. Yüzeyi tornalanmış bir malzeme ile yüzeyi parlatılmış bir malzeme arasında büyük fark vardır. Yüzeyi tornalanmış malzemenin yüzeyindeki pürüzlükler çentik etkisi yaparak malzemenin yorulma dayanımını azaltırlar [51,52].

47 Çevresel etki Korozitif ortamın yorulma ömrüne etkisi açık bir şekilde ortadır. Yorulma çatlakları, korozitif olmayan bir ortama göre daha az sayıda oluşur. Özellikle asma köprülerde çelik kablo ile bağlantı kelepçelerinin temas yüzeylerinde bu tür korozyon oluşur, bu da köprü ömrünü etkileyen en önemli olaydır. Vakumda yapılan deneylerde, numuneler normal yorulma deneyine göre daha fazla yük tekrarına dayanırlar. Korozyon etkisi yaratan gazların çok küçük miktarları bile sonucu kuvvetli bir şekilde etkiler. Sulu çözeltilerde yapılan yorulma deneylerinde Wöhler eğrisinin daha aşağıda yer aldığı ve 10 yük tekrarından sonra bile düşmeye devem ettiği görülmüştür [53]. Şekil 4.10 da görüldüğü gibi hava, vakum ve sodyum ortamlarında yapılan deney sonucunda vakumlu ortam ile sodyumlu ortamın havaya göre daha yüksek yorulma dayanımına sahip olduğu görülmektedir. Buda saldırgan ortamların malzemenin yorulma direncini azatlığını göstermektedir [54]. Şekil Ortama bağlı malzemelerdeki gerilim ve devir sayıları arasındaki ilişki [54].

48 Sıcaklığın etkisi Yorulma dayanımı sıcaklık düştükçe artar. Oda sıcaklığından düşük sıcaklıklarda yapılan deneyler sonucu yorulma dayanımını arttığı gözlenmiştir. Bu sıcaklık -5 C ye kadar artırıcı etkisi yapmaktadır. Bu sıcaklıkların altındaki sıcaklıklarda ise çentik etkisi meydana gelmektedir. Oda sıcaklığının üzerindeki yaklaşık 200 C sıcaklılarda malzemelerin yorulma dayanımı değişmemektedir. Bu sıcaklıklarının üzerine çıkıldığında malzemenin yorulma dayanımı düşmektedir. Sıcaklığın 200 C üzerinde olduğu zaman malzemede sürünme devreye girmektedir. Şekil 4.11 de görüleceği üzere paslanmaz çeliğin sıcaklığa bağlı olarak yorulma dayanımına etkisi görülmektedir. Burada sıcaklığın düşmesiyle tane küçülmesi meydana gelir. Buna bağlı olarakta malzemenin yorulma dayanımını artırmaktadır. Artan sıcaklıkla birlikte tane büyümesi meydana gelir ve buda yorulma dayanımını düşürmektedir [44,45,55]. Şekil 4.11 Sıcaklığın yorulma dayanımına etkisi [55]

49 31 Şekil 4.12 da paslanmaz çeliğin sıcaklığa bağlı olarak yorulma dayanımı ile gerilme genliği arasındaki ilişki gösterilmiştir. Sıcaklık azaldıkça gerilme genliğinde artmakta ve buna bağlı olarakta yorulma dayanımı da artmaktadır. Sıcaklık arttıkça malzemede gerilme genliği düşer süneklilik artar ve yorulma dayanımı düşer [55]. Şekil 4.12 Sıcaklığın gerilme genliği ve yorulma dayanımı üzerine etkisi [55] Frekans etkisi Normalde frekansın yorulma dayanımına etkisi önemsizdir. Frekansın çok yüksek olması malzemenin plastik şekil değişikliği için yeterli zaman olmadığından malzemenin yorulma dayanımında % 10 oranında bir artış gözlenir. Şekil 4.13 de görüleceği gibi malzemelere tekrarlı yüklemelerde 10 devir/dakika olduğunda malzemede ısınma meydana gelmez. Bu değerin üzerine çıkıldığında malzemede ısınmadan dolayı yorulma mukavemetini düşürür [44,45,56].

50 32 Frekansın çok düşük olması da malzemede korozyon meydana gelmesine ve yorulmayı olumsuz yönde etkilemesine sebep olmaktadır. Bu nedenle malzemelere uygulanan frekans aralığı 200 ila devir/dakika lık frekans seçimlerinde en iyi sonuçlar elde edildiği tespit edilmiştir [ ]. Şekil Frekansın yorulma üzerine etkisi [56] Korozitif ortamın etkisi Malzemeler korozyonlu ortama maruz kaldıklarında yorulma dayanımları etkilemektedir. Korozyona uğrayan malzemelerin yüzeyinde önce pürüzlenme meydana gelir. Buda yorulma dayanımını düşürür. Korozyona uğrayan malzemelerin kesitlerinde incelme meydana gelmektedir. Korozyon çatlakların oluşumunu hızlandırır.

51 33 Korozyonda frekans hızı önemlidir. Frekans hızı düşük olursa süre uzar buda korozyonun oluşmasına sebep olur. Bu yüzden yüksek frekans tercih edilmelidir. Şekil 4.14 de görüleceği üzere ASTM A 710 malzemeye dört farklı çentik konsantrasyonu gerilimi verilerek korozitif ortamlardaki yorulma dayanımları incelenmiştir. Burada çentiklerin oranına bağlı olarak tuzlu su ortamında malzemenin yorulma dayanımını azalttığı görünmektedir [44,45,57]. Şekil 4.14 Korozyonun Yorulma dayanımına etkisi [57] Parça geometrisi Genellikle malzemelerin parça büyüklüğü arttıkça yorulma dayanımı azalır. Çünkü malzemelerin yüzey alanı arttığından yüzey kusurlarının bulunma olasılığı artmaktadır. Malzemelerde delik, çentik, eğilme ve burulma gibi işlemlerin olması da kesit üzerinde üniform olmayan bir gerilim dağılımı olmasına sebep olur. Buda

52 34 yorulma dayanımı azaltır. Şekil 4.15 te görüldüğü gibi düz bir levha ile ortasında delik açılmış levhanın iç gerilmelerindeki değişim ve buna bağlı olarakta malzemenin yorulma ömrünü düşürmektedir [40,44,58] Parçada geometrisine bağlı gerilme oranındaki (R) değişim [58]. Numune yüzeyine açılan delikler veya çentikler sonucu delik çevresinde gerilmeler meydana gelir. Bu gerilmelerde çatlak oluşumunu sebep olur malzemenin yorulma ömrünü azaltır [40,44]. Malzemelere uygulanan kıvrımlar sonucu kesin köşelerde gerilim artmasına sebep olmaktadır. Şekil 4.16 de görüleceği üzere bükme sonucu gerilimin köşelerde yoğun bir şekilde artmış olduğu gözlenmektedir. Bu gerilmelerde yorulma dayanımını etkiler [59].

53 35 Şekil Kıvrılan numunedeki gerilim dağılımı [59] Mikroyapını etkisi Genellikle malzemelerin çekme dayanımlarını etkileyen parametreler yorulma dayanımlarını da etkiler. Örneğin, tavlanmış çeliklerde, tane büyüklüğü azaldıkça nasıl çekme dayanımı artarsa, benzer biçimde, yorulma dayanımı da artar. Ötektoid bileşimli sade karbon çeliğinde mikroyapı değişmeleri yorulma özelliklerinde en belirgin farkı yaratır. Kaba perlitli mikroyapı, küreleştirilmiş perlitli mikroyapıya oranla daha düşük yorulma dayanımı gösterir. Bunun temel nedeni perlit içindeki sementit katmanlarının yarattığı çentik etkisidir. Isıl işlem uygulanmış düşük alaşımlı çeliklerin arasında, su verilip menevişlenmiş çeliklerin yorulma özellikleri, ferrit + perlit karışımı içerenlere oranla daha iyidir. Beynit yapılı ve özellikle de östenit çeliklerin yorulma özellikleri üstündür. Genellikle, 40 HRC değerinin üzerinde mikroyapılarında beynit içeren çelikler menevişlenmiş çeliklerden üstündür [60] Çeliğin oluşturan mikroyapılar arasında yorulma özelliğini en etkin olarak değiştiren yapı martenzittir. Yapıdaki martenzit oranı arttıkça sertlik ve yorulma direnci artar.

54 36 Fakat sertlik, belirli bir sertlik değerine kadar yorulma dayanımını artırır. Çeliklerde HRC sertlik değerleri arasında yorulma dayanımı düşmeye başlar. Mikroyapı ile ilgili diğer önemli bir husus da haddelenmiş ya da dövülmüş çeliklerin yönsel yorulma özellikleridir. Şekillendirme işlemleri sonucu gerek tanelerin aldığı yönlülük gerekse kalıntı ve dislikasyonlar, sıcak işlem yönüne ona göre dikey yönde yorulma özelliklerinin daha düşük olmasına yol açar. Genellikle, haddeleme ya da dövme yönüne dikey yöndeki yorulma dayanımı, boyuna yönündekine oranla %60-70 düzeyinde kalır [60,61].

55 Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Yorulma Özellikleri Östemperleme ısıl işlemi ilk olarak 1933 yılında çeliklere, daha sonra 1937 yılında ise gri dökme demirlere uygulanmaya başlanmıştır ye kadar östemperleme ısıl işlemi laboratuar ortamlarında yapılmıştır. Daha sonra ilk ticari olarak ABD de kompresör krank mili üreten bir firma tarafından uygulanmıştır. Ancak tam olarak endüstriyel malzemelere 1984 yılında uygulanmaya başlanmıştır. Küresel grafitli dökme demirlere uygulanan östemperleme ısıl işlemi ile mükemmel mukavemet, tokluk ve yorulma dayanımı sağlamıştır [62,63]. Buna bağlı olarakta KGDD lerin yorulma dayanımlarında % 70 oranında artış olduğu gözlenmiştir [64]. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler Şekil 4.17 de görüleceği gibi dövülmüş çeliklerin yorulma dayanımlarıyla aynı veya daha üstün özelliklere sahip olduğunu göstermektedir [65]. Şekil ÖKGDD ler ile dövme çeliklerinin yorulma dayanımlarının kıyaslanması [65]. ÖKGDD lerin mekanik özelliklerini gerek alaşım elementleri gerekse ısıl işlemlerle önemli derecede değiştirilebilmesi, bu etkiler ve buları etkileyen parametreler üzerinde araştırmaları teşvik etmiştir [62,63].

56 38 Zanardi, ÖKGDD lerin yorulma özellikleri ve işlenebilirlikleri üzerine yaptığı araştırmada; ÖKGDD ler ile KGDD lerin çekme mukavemetlerinin aynı olmasına rağmen, Şekil 4.18 de görüldüğü gibi ÖKGDD in kırılma dayanımı KGDD in kırılma dayanımından daha yüksektir. Buda malzemenin mikroyapısındaki perlitle doğru orantılıdır. Perlit malzemenin sünekliliğini artırır. Böylece malzemenin kırılma dayanımını düşürür [70]. Şekil ÖKGDD ler ile KGDD lerin kırılma dayanımının karşılaştırılması [70]. Östemperleme ısıl işlemi KGDD lerin sertliğini ve tokluğunu artırmaktadır. Buna bağlı olarakta yorulma dayanımı da artmaktadır. Şekil 4.19 da görüldüğü gibi çekme direncine göre ÖKGDD lerin yorulma dayanımlarıyla KGDD lerin yorulma dayanımınlar kıyaslanmıştır. Çekme direnci sertlikle doğru orantılı olarak artmıştır. Fakat ÖKGDD in çekme direnci 1200 minmpa ı geçtiğinde yorulma dayanımı düşmektedir. Çünkü aşırı sertlik tokluğu düşürmüştür [70].

57 39 Şekil ÖKGDD ler ile KGDD lerim yorulma dayanımının karşılaştırılması [70]. Çekme direncinin ÖKGDD lerin yorulma dayanımlarının üzerine etkisini daha iyi anlamak için Şekil 4.20 e incelersek çekme direnci 900 minmpa da iken en düşük yorulma dayanımına sahiptir. Fakat 1200 minmpa da ise en büyük değere sahiptir. Bunu da yukarıda değindiğimiz gibi sertliğin bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır [9]. Şekil Çekme direncinin ÖKGDD lerin yorulma dayanımlarına etkisi [70].

58 40 Hwang ve arkadaşları düşük devirin, ÖKGDD lerin yorulma dayanımları üzerine etkisini araştırmışlardır. KGDD lere 850, 900 ve 950 C lerde 1 saat östenitlenme, daha sonra sırasıyla C lerde 9 dakika ile 10 saat arasında östemperleme uygulamışlardır. Östemperlenmiş numunelere 1Hz frekans ve arasında doğrusal olmayan bir dalga ile deneye tabi tutulmuştur. Çizelge 4.1 de görüleceği gibi en iyi yorulma dayanımı, 950 C de ve östemperleme şartları ne olursa olsun düşük gerilim genliklerinde olduğunu tespit etmişlerdir. 950 C de malzemenin mikroyapısındaki karbon difüzyonu daha hızlı olduğundan süneklik fazladır. Sünekliğin fazla olması tokluğu artırdığı için yorulma dayanımı artmaktadır. [66]. Çizelge 4.1. ÖKGDD in düşük devirlerde yorulmaya etki eden parametreler ( : gerilim katsayısı, : yorulma süneklik katsayısı : yorulma süneklik üssü, /E : yorulma gerilim katsayısı, : yorulma gerilim üssü, : çevrimsel pekleşme üssü) [66]. Bartosiewicz ve arkadaşları ise yüksek devirin ÖKGDD ler üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Bu çalışmada ÖKGDD in yorulma dayanımını iki farklı yaklaşım ile incelemişlerdir. Birinci yaklaşım geleneksel yorulma sınırı (S-N) eğrilerini oluşturmak için yorulma dayanımları tespit edilmiştir. İkinci yaklaşım ise yorulma eşiğinin belirlenmesi için kırılma mekaniği incelenmiştir. Numunelere yapılan ısıl işlemler sonucu Çizelge 4.2 de verilen mikroyapılar elde edilmişlerdir [67].

59 41 Çizelge 4.2. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin mikroyapısındaki faz oranları [67]. ÖKGDD lerin yorulma dayanımları ve yorulma eşiği ile ilgili elde edilen deneysel sonuçlar Çizelge 4.3 te verilmiştir. Araştırmacılar en yüksek yorulma eşiğini D numunesinde elde etmişlerdir. Östenit tane boyutunun küçülmesiyle sertlik artışı gözlenmiştir. Artan sertlikle birlikte malzemenin çatlak büyüme hızı da artmıştır [6]. En yüksek yorulma dayanımı ise B numunesinde tespit etmişlerdir. Östenit hacim oranı ve tane boyutunun artması malzemenin tokluğunun artmasına ve böylece yorulma dayanımında artış sağlamıştır [67]. Çizelge 4.3. ÖKGDD lerin yorulma dayanımı ve yorulma eşiği [67].

60 42 Dommarco ve arkadaşları, ÖKGDD lerde haddelemenin yorulma dayanımının üzerine etkisini incelemişlerdir. Bu araştırmada ÖKGDD ler ile AISI 440C ve SAE çelik malzemelerin yorulma dayanımları kıyaslanmıştır. ÖKGDD lere uygulanan haddeleme işlemi sonucu, AISI 440C ve SAE malzemeler gibi aynı sertlik değerlerine sahip olsalar da yorulma dayanımları daha düşük olmuştur. Haddeleme sonucu ÖKGDD li numunelerin mikroyapısındaki iç gerilmeleri artırmıştır. Bu iç gerilmelerde kısa sürede küçük çatlamalara sebep olmuş ve malzemenin yorulma dayanımını düşürmüştür [68]. Zihn ve Shih, alaşımlı ve alaşımsız ÖKGDD lerde faz dönüşümleri ve yorulma özelliklerini incelemişlerdir. KGDD i Cu-Ni li elementlerle alaşımlandırmışlardır. Numuneleri 900 C de 1,5 saat östenitleme işleminin ardından bir kısmını 320 C de bir kısmını ise 360 C de östemperlemişlerdir. Daha sonra bütün numunelere düzenli aralıklarla 46 KHz ultrasonik ses dalgaları uygulayarak sırasıyla bir pozitif basınç ve bir negatif basınç etkisi oluşturulmuştur. Bu ses dalgaları malzemenin içindeki kabarcıklara şok etkisi yapar. Daha sonra bu kabarcıklar çökerek mikro-püskürme etkisi meydana getirmişlerdir [69]. Mikro-püskürtme etkisi ve şok dalga etkileri ile kalıntı östenit, Resim 4.1 deki kiriş şeklini alır. Mikro püskürtme etkisi ve şok dalga etkisiyle bölgesel olarak matrisin (ösferritin) ısısını yükselterek ve II aşama (γ hc α+karbür) dönüşümünü gerçekleştirmek için karbonu difüzyona teşvik edilmiştir. Böylece kiriş şeklindeki östenit, yavaş yavaş ferrit ve karbüre dönüşür [69].

61 43 Resim 4.1. Alaşımlı ÖKGDD in (AKGDD), (320 C/2saat) 15 dakika ultrasonik işlem sonrasındaki mikroyapısı [69]. Yorulma deneyleri sonunda Şekil 4.21 de ve Şekil 4.22 de görüleceği üzere en iyi yorulma dayanımını östemperleme sıcaklığının yüksek olması durumunda elde edilmiştir. Buna ek olarak, alaşımlı numuneler alaşımsız numunelere göre daha yüksek yorulma dayanımı elde edilmiştir [69]. ÖKGDD lerin yorulma özelliklerini etkileyen büyük ölçüde mikroyapıdaki kalıntı östenitten kaynaklanmaktadır. Daha düşük östemperleme sıcaklıklarında matris yapı, ince iğnemsi ferrite ve daha düşük orandaki kalıntı östenitten oluşur. Buna karşın yüksek östemperleme sıcaklığı kaba ferrite ve daha fazla kalıntı östenitin oluşmasına neden olmaktadır [69].

62 44 Şekil AÖKGDD ve Alaşımsız KGDD lerin yorulma dayanımlarının karşılaştırılması [69]. Çizelge 4.4 de verilen değerlere göre Cu ve Ni gibi alaşım elementleri ise malzemelerin yorulma dayanımını artırmaktadır. Alaşım elementleri kalıntı östeniti bloke ederek kalıntı östenit miktarını artırırlar buda yorulma dayanımını artırmaktadır. Şekil AÖKGDD lerin östemperleme sıcaklılarının yorulma dayanımına etkisi [69].

63 45 Çizelge 4.4. Alaşımlı ve alaşımsız Östemperlenmiş (320 C-360 C) KGDD numunelerinin ortalama yorulma dayanımları [69]. Lin ve arkadaşları korozitif ortamların ÖKGDD lerin yorulma dayanımları üzerine etkisi araştırmışlardır. Geleneksel östemperleme yöntemiyle üretilen numuneler daha sonra 20Hz frekansta oda sıcaklığında sırasıyla su, hava, yağ (SAE 10W40), tuzlu su (3,5%NaCl) ve sülfürik asit (H SO ) gibi korozitif ortamlarda yorulma dayanımları incelemişlerdir. Bu korozitif ortamlar numunelerin yüzeylerinde aşınma mekanizması harekete geçirerek numune yüzeylerinde çukur ve gözeneklerin oluşmasına sebep olmuşlardır. Şekil 4.23 de görüleceği üzere özellikle sülfürik asitli (H SO ) ortamda malzemenin yüzeyinde çatlak oluşumu daha kısa sürede olmuştur. Asitli ortam çatlak oluşumunun I. safhasını hızlandırmaktadır. Böylece çatlak sayısındaki artış II. safhadaki çatlak ilerleme hızını artırdığından yorulma dayanımını düşürmüştür. Diğer ortamların reaksiyon hızı düşük olduğu için malzemenin yorulma dayanımlarını daha az oranlarda düşürmüştür [71].

64 46 Şekil ÖKGDD lerin korozitif ortamlardaki yorulma dayanımları [71]. Yorulma çatlaklarının oluşum bölgeleri genellikle grafitlerin etrafından (buralarda atomların bağları zayıf olduğundan) veya döküm hataların bulunduğu bölgelerde (buralarda gerilmelerin birikmesinden) meydana gelirken Resim 4.2 de görüldüğü gibi çatlak oluşumu yüzeydeki korozyonun aşındırması sonucu oluşan çukur ve gözeneklerden başladığı tespit edilmiştir [71].

65 47 Resim 4.2. ÖKGDD in sülfürik asitli (H SO ) ortamda kırılan numunenin SEM görüntüsü [71]. Stokes ve arkadaşları karbürlerin ÖKGDD lerin yorulma dayanımları üzerine etkisini araştırmışlardır. Numunelere 800 C de 1 saat östenitlemenin ardından 260 C de östemperleme ısıl işlemi yapılarak Resim 4.3 deki mikroyapı elde edilmiştir. Numuneler yeterince östenitlenmediğinden mikroyapıda beyaz ötektik karbürler oluşmuştur [72].

66 48 Resim 4.3.ÖKGDD in mikroyapısı [72]. Numuneler üzerine sırasıyla 300, 400, 500, 600, 700, ve 800 MPa oranında yük uygulanmışlardır. Şekil 4.24 de görüleceği gibi ortalama yükün 275MPa ve daha fazla olduğunda numunelerde çatlama mekanizmaları için kritik olduğu belirlenmiştir [72]. Şekil ÖKGDD lerin yorulma dayanımına karbür oranının etkisi [72].

67 49 Resim 4.4 de görüldüğü gibi ötektik karbürün düşük olduğu kısımlarda çatlağın yayılma mekanizması etkin iken ötektik karbür oranının yüksek olduğu kısımlarda ise çatlak başlama mekanizması etkindir. Buda büyük veya uzun ve ince ötektik karbürlerin tamamı kırılmaya elverişli olduğunu göstermektedir [72]. Resim 4.4. Ötektik karbürün çatlak etkisi [72]. Salman ve arkadaşları östemperleme sıcaklığının yorulma dayanımı üzerine etkisini araştırmışlardır. KGDD i 900 C de östenitledikten sonra sırasıyla 235,300 ve 370 C de 2 saat östemperleme işlemi yapmışlardır. Yorulma deneyinde MPa yükleri kullanılmıştır. Çizelge 4.5 te verilen bilgilere göre östemperleme sıcaklığı arttıkça malzemenin sünekliliği de arttığını böylece sertliğin düştüğünü tespit etmişlerdir. Sertliğin düşmesi tokluğu ve yorulma dayanımını artırmıştır [73]. Çizelge 4.5. Östemperleme sıcaklığının ÖKGDD lerin yorulma dayanımına etkisi [73].

68 50 Yorulma dayanımının artması beynitin yapısına dayandırılmıştır. Östemperleme 235 C de ince beynit, 300 C de karışık beynit ve 370 C de ise kaba beynit olduğunu tespit etmişlerdir. Östemperleme sıcaklığıyla birlikte kabalaşan beynit sünekliliği, tokluğu ve yorulma dayanımını arttırdığı tespit etmişlerdir [73]. Tayanç ve arkadaşları ÖKGDD in matris yapısının yorulma davranışı üzerinde etkisini araştırmışlardır. Bunun içinde farklı östemperleme sıcaklıkları ve sürelerini değiştirerek farklı mikroyapılar elde ederek yorulma dayanımlarını incelemişlerdir. Bütün numuneleri 900 C de 110 dakika östenitledikten sonra sırasıyla bir grup numuneye 230, 330 ve 430 C de 60 dakika, başka bir gruba ise 330 C de 30, 60 ve 120 dakika östemperleme işlemi uygulamışlardır. Isıl işlem şartlarının sırasıyla birinci grubunu A1, A2, A3, ikinci gruba ise A4, A2 ve A5 şeklinde adlandırmışlardır [74]. Çizelge 4.6 da görüldüğü gibi en yüksek yorulma değeri A2 şartlarında elde edilmiştir. Çünkü karbonun difüzyonu için gerekli olan zaman ve sıcaklık bu şartlarda sağlanmıştır. Böylece malzemenin sertliği düşmüş, süneklilik ve tokluktaki artış yorulma dayanımını da artırmıştır [74]. Çizelge 4.6. ÖKGDD lerin östemperleme sıcaklığına ve zamana göre yorulma dayanımları [74]. Wohlfahart, ve arkadaşları numunelerin dökülmüş şartlardaki malzemede alındıkları pozisyonlarının ÖKGDD lerin yorulma dayanımının üzerine etkileri incelemişlerdir. Şekil 4.25 deki alt ve üst pozisyonlardan numuneler alınarak bir kısmını dökülmüş,

69 51 bir kısmını ise geleneksel östemperleme ısıl işlemi yapılmış ve yorulma dayanımlarını araştırmışlardır [75]. Şekil Y Bloktaki numunelerin pozisyonu [75]. ÖKGDD in yorulma dayanımı, dökülmüş haldeki KGDD in yorulma dayanımının iki katı olmuştur (Şekil 4.26). Yorulma deneyleri sonucunda alt ve üst pozisyonlardan alınan numunelerin arasında çok az bir fark olduğu tespit edilmiştir. Bu fark ise malzemelerin katılaşması sırasında meydana gelen ince ve kaba mikroyapıdan kaynaklanmaktadır. Y bloğun alt kısmı, üst kısmına göre daha hızlı soğuduğundan alt kısımdan alınan numunelerin mikroyapısı ince, üst kısımdaki numunelerin mikroyapısı kaba olarak oluşmuştur. Bu nedenle üst taraftan alınan numunelerin yorulma dayanımları daha iyi olduğu tespit edilmiştir [75].

70 52 Şekil Numune pozisyonuna göre ÖKGDD lerin yorulma dayanımları [75]. Smoljan ve arkadaşları FKGDD in indüksiyon sertleştirme analizini yapmışlardır. Yapılan deneyler ve deney hazırlama koşulları Çizelge 4.7 de verilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda FKGDD lere içerisinde bulunan küçük karbürlerden dolayı indüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi uygun olmadığını tespit etmişlerdir [76]. Çizelge 4.7 FKGDD lerin İYS işleminin analizi [76]. Şekil 4.27 de görüleceği üzere en yüksek sertlik değerlerine dökülmüş haldeki numunelerden elde edilmiştir. Bu numuneler ısıl işlem görmediği için karbon difüzyonu daha çabuk olmuştur. Bu yüzden en yüksek sertlik değerine ulaşmıştır [76]

71 53 Şekil Yüzey sertlik ilişkisi [76]. Misaka ve arkadaşları indüksiyonla yüzeyi sertleştirmenin FKGDD in yorulma dayanımı üzerine etkisini incelemişlerdir. İYS sonucunda mikroyapıda grafitin etrafında halka şeklinde martensitik mikroyapı elde etmişlerdir. Bu martensitik halka bir basınç yaparak kalıntı gerilme alanı oluşturmuştur. İki tip kalıntı gerilme üreten mekanizma tespit etmişlerdir. Biri martensitik halkanın oluşması sırasında mikroskobik gerilmeler üreten mekanizma diğeri ise sertleştirilmiş yüzeyin genleşmesinden dolayı makroskobik gerilmeler üreten mekanizmadır. Deneyler sonucunda indüksiyonla yüzeyi setleştirilen numunelerin yorulma dayanımları FKGDD lerin yorulma dayanımlarından daha yüksek olduğu görülmüştür. Çünkü martensit halkası çatlak oluşumunu başlatan bu gerilmeleri önlediği tespit etmişlerdir [77]. Kim ve Ji FCD500 KGDD in indüksiyonla yüzey sertleştirme işleminin yorulma dayanımı üzerine etkisini araştırmışlardır. Deneysel çalışmalar sonucu Şekil 4.28 de görüldüğü gibi indüksiyonla yüzeyi sertleştirilen numunelerin yorulma dayanımları indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmemiş numunelerin yorulma dayanımlarından %40 oranında artmış olduğunu tespit etmişlerdir. Böylece sertleştirme işlemi yorulma

72 54 dayanımını artırmakta ve yorulma sınırı altındaki oluşabilecek çatlakları öneyebilmektedir. Ayrıca grafit nodülünün çevresinde ince bir martensit yapısı oluşturmanın yorulma çatlaklarının ilerlemesini engellediğini ve yorulma dayanımını artırdığını gözlemişlerdir [78]. Şekil İYS işleminin yorulma dayanımına etkisi [78]. Resim 4.5 ve Resim 4.6 da görüleceği üzere sertleşmenin % 60 ı matris yapıda olduğunu tespit etmişler. Sertleşen yapı ise grafit nodulünün etrafında bir tabaka oluşturmuştur. Böylece bu tabakalar çatlak ilerlemesini yavaşlatmıştır. Böylece malzemenin yorulma dayanımını artırmıştır. Sonuç olarak indüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi yaklaşık olarak %40 oranında artırmıştır [78].

73 55 Resim 4.5 Yüzeyi sertleştirilmemiş numunenin kırık yüzeyi [78]. Resim 4.6 Yüzeyi sertleştirilmiş numunenin kırık yüzeyi [78].

74 56 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 5.1. Döküm işlemi Dökümün yapıldığı kum kalıp tasarımı TS 526 da belirtilen Y bloklardan Y-II tipine göre hazırlanmış (Şekil 5.1) ve ergitme işlemi orta frekanslı ergitme tipi 1000 kg kapasiteli indüksiyon ocağı kullanılarak yapılmıştır. Şekil.5.1. Çalışmalarda kullanılan Y Blok ve Ölçüleri(mm) Ergitilmiş olan metal, döküm sıcaklığına (1490 C) ulaştıktan sonra küreselleştirme ve aşılama işlemleri yapılmıştır. Küreselleştirme işlemi Tundish tipi işlem potasında (Şekil 5.2), aşılama işlemi döküm potasında (Şekil 5.3) gerçekleştirilmiştir. Sıvı metal daha sonra, yaş kum kalıplara (Şekil 5.4) küreselleştiricinin etkinliğinin geçmeyeceği bir süre (3-4 dk) içersinde dökülerek soğumaya bırakılmıştır. Elde edilen dökme demirin kimyasal bileşimi Çizelge 5.1 de verilmiştir. Çizelge 5.1. Dökülen malzemenin kimyasal bileşimi (Ağırlıkça %) C Si Mn P S Mg Cr Ni Mo 3,80 2,60 0,30 0,035 0,012 0,045 0,02 0,02 <0,001 Cu Al Ti V Nb W Co Sn Fe 0,065 0,005 0,01 0,004 <0,001 <0,005 0,003 0,002 Kalan

75 57 Şekil 5.2. Tundish tipi küreselleştirme potasının şematik gösterimi Şekil 5.3. Aşılama işleminin yapıldığı işlem potasının şematik gösterimi

76 58 Şekil 5.4. Y-blokların döküleceği kum kalıbın şematik olarak üç boyutlu görünümü 5.2. Isıl İşlemler Isıl işlemelerde kullanılan cihazlar ve deney sistemi Tavlama işleminde kullanılan tav fırını Heraeus marka olup elektrik direnci ile çalışan ±5 C duyarlıkta ve C ler arasında tavlamanın yapılabildiği atmosfer kontrolü olmayan bir fırındır. Deneylerde K tipi Mineral İzoleli (Cr-CrAl) termokupul (ısıl çift) telleri kullanılmıştır.. Sıcaklık kontrol sistemi Şekil 5.5 de gösterilmektedir. Isıl işlemlerde temokupullar önce numunelere punta kaynağı ile kaynatılmış ve termokopul sabitleme çubuğuna çeşitli aparatlar ile bağlanmıştır ve ısıl işlemler süresince fırında belirlenen sabit bir bölge kullanılmıştır. Böylece tavlama sıcaklığındaki değişim ± 2 C ye düşürülmüştür.

77 59 Termokopul (Isıl Çift) Dijital Sıcaklık Göstergesi Numune Termokopul Rezistans Numune Tuz Banyosu Kabı a Numune Tutma Çubuğu b Sehpa Şekil 5.5. Isıl işlem deney setinin ve sıcaklık kontrol sisteminin şematik gösterimi. a) tavlama ünitesi b) östemperleme ünitesi Östemperleme ısıl işlemi Numuneler sıcaklığı 900 ºC de 90 dakika tavlamanın ardından hızlı bir şekilde 375ºC sıcaklığındaki %50 KNO 3 + %50 NaNO 3 içeren tuz banyosuna aktarılarak 120 dakika bekletilmiş sonra havada soğutmaya bırakılmıştır. Östemperleme işlemi için 2,5 Kw Gücünde ve 220V ve 13A, PID kontrol sistemli ± 2 C hassasiyetle çalışan Protherm Marka tuz banyosu ünitesi kullanılmıştır (Şekil 5.5). Mikroyapısal çalışmaların ardından yorulma numuneleri Şekil 5.1 deki Y-blok üzerinde gösterilen bölgelerden alınmış ve CNC torna tezgahında işlenerek Şekil 5.6 daki ISO 1143 standardına göre hazırlanmıştır. Daha sonra dökülmüş ve östemperlenmiş şartlardaki numunelerin bir kısmına indüksiyonla yüzeyi sertleştirme işlemi uygulanarak. yüzeyden 1mm derinliğe kadar martenzitik yapı oluşturulmuştur.

78 60 Şekil 5.6. ISO 1143 göre tasarlanmış yorulma numunesi Uygulanan ısıl işlemlerin özeti Şekil 5.7 de verilmiştir. Bütün ısıl işlemler boyunca her numunenin sıcaklığı numune yüzeyine nokta kaynağı ile kaynatılmış termokupul kullanılarak gözlenmiştir. Şekil 5.7. Numunelere uygulanan ısıl işlemlerin özeti

79 İndüksiyonla yüzey sertleştirme (İYS) Dökülmüş ve östemperlenmiş haldeki Şekil 5.6 da verilen numuneler, indüksiyon bobinleri içerisine yerleştirilerek (Şekil 5.8) yüzeyden merkeze doğru homojen olarak hızlı bir şekilde 1 mm nüfuz derinliğe kadar östenitleme yapılmış ve akabinde ani olarakta su püskürtülerek parça yüzeyinden 1mm derinliğinde martensitik yapı oluşturulmuştur. Bu operasyonla, hedeflenen yüzeyden 1 mm derinliğe kadar martensitik yapının oluşumu sağlanmıştır. (soğutma sıvı olarak su kullanılmıştır) Şekil 5.8 İndüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi 5.3. Metalografik Çalışmalar Isıl işlem ve yüzey sertleştirme işlemlerinden sonra bütün numuneler, standart metalografik yöntemlerle (Zımparalama+ Polisaj) metalografik incelemeler için hazırlanmıştır. Isıl işlem sırasında numune yüzeyinde oluşabilecek dekarbürize bölgesinin en az 0,5 mm lik kalınlıktaki bir kısmı metalografik inceleme sonuçlarını etkilememesi için yüzeyden taşlanarak uzaklaştırılmıştır.

80 62 Dağlayıcı olarak % 2 nital (%2 HNO3 + %98 CH3OH) kullanılmıştır. Nital ile dağlama sonrası optik mikroskop incelemelerinde; martensit kahverengi, ötektoid öncesi ferrit beyaz, ösferrit bölge içindeki beynitik ferrit siyah ve yüksek karbonlu östenit beyaz renkte açığa çıkmış ve ferrit-ferrit tane sınarları belirginleşmiştir. Faz hacim oranlarının hesaplanmasında Eşitlik 5.1 de verilen çizgisel kesişme metodu kullanılmıştır. 100 büyütmede 10 ayrı bölgeden ölçüm alınmıştır. Birim alana (mm 2 ) ye düşen grafit küre sayısı dağlanmamış numune yüzeyinde 100 büyütmede numunenin 10 ayrı bölgesinden resim alınarak hesaplanmıştır. (5.1) Bu mikroyapılar üzerindeki ortalama tane boyutunu hesaplamak için Eş. 5.2 ve Eş. 5.3 kullanılmıştır [79-80]. (5.2) (5.3) Mikro yapıların görüntülenmesinde Lecia Marka optik Mikroskop kullanılmıştır.

81 Yorulma Deneyleri Yorulma deneyi öncesinde yorulma numuneleri olası bir çatlak başlama riskine karşılık dikey yönde (boyuna) zımparalanarak ve parlatılarak yüzey pürüzlülüğü minimum seviyeye indirilmiştir. Parlatma işlemi sırasıyla, #220, #400, #800 ve #1200 grid zımparalar ile zımparalamanın ardından 3 μm luk yağlayıcılı polikristal elmas pasta süspansiyonu ile boyuna parlatılmıştır. Resim Yorulma numunesinin işleme sonrası parlatma öncesi yüzey görüntüsü Resim Yorulma numunesinin parlatma işlemi sonrası yüzey görüntüsü

82 64 Yorulma deneylerinde dönmeli eğmeli yorulma cihazları kullanılmıştır. Dönmeli eğmeli yorulama cihazı ve elemanlarının şematik şekli Şekil 5.9 da gösterilmektedir. S-N (Wöhler) eğrilerinin belirlenmesinde her grup için 20 numune kullanılmıştır. Bu gruplar Çizelge 5.2 de gösterilmektedir. Çizelge 5.2. Yorulma testlerinde kullanılan numunelerin kısaltmaları ve adetleri Numune Kısaltması Numune Adı Adeti KGDD Küresel Grafitli Dökme Demir (dökülmüş koşullarda) 20 İYS+KGDD İndüskiyonla Yüzey Sertleştirme Yapılmış Küresel Grafitli Dökme Demir 20 ÖKGDD Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir 20 İYS+ÖKGDD İndüskiyonla Yüzey Sertleştirme Yapılmış Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir 20 Dengeleme Skala Yükleme Ağırlığı Numune Destek Elemanı Gövde Kontrol Butonları Devir Sayacı Şekil 5.9. Dönmeli-Eğmeli yorulma deneyi cihazı

83 Sertlik Deneyleri Numunelerin yüzey sertliklerini belirlemek için Vickers sertlik ölçme yöntemi kullanılmıştır. Sertlik ölçümleri Instron-Wolpert marka Diatestor 7551 model sertlik ölçüm cihazında 30 kgf yükte 136 elmas piramit uç kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sertlik ölçümlerinde cihaz kalibrasyon bloğu ile kalibre edildikten sonra numunelerin sertlikleri ölçülmüştür. İndüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunelerin sertlik profillerini belirlemek amacıyla mikrosertlik ölçme yöntemi kullanılmıştır. Mikrosertlikler Emco DuraScan 30 model mikrosertlik ölçme cihazında 1 kgf yük kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Mikrosertlikler kenardan merkeze doğru 0,2 mm aralıklarla 13 noktadan ölçüm alınarak gerçekleştirilmiştir.

84 66 6. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA 6.1. Mikroyapılar Dökülmüş koşullardaki numunelerin mikroyapısı Resim 6.1. Dökülmüş koşullardaki numunenin mikroyapısı. Resim 6.1 de GGG 70 sınıfı KGDD in dökülmüş koşullardaki mikroyapısı görülmektedir. Mikroyapı perlitik olup küreselleşme oranı % 92 olarak tespit edilmiştir. Dökülmüş koşullardaki KGDD de grafitin hacim oranı % 11,5, perlitin % 81 perlit ve ferritin % 7,5 olarak ölçülmüştür. 100 büyütmede mm 2 deki küre sayısı ise 160 adet/mm 2 belirlenmiştir [6,7].

85 Dökülmüş + indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunelerin mikroyapısı Resim 6.2 de indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş KGDD in (İYS+KGDD) mikroyapısı görülmektedir. Sertleştirme işlemi sonucunda yüzeyden 1,26 mm lik derinliğe kadar martensitik yapı oluşturulmuştur. Bu yapı sayesinde sertlikle birlikte yorulma direncini de artırmıştır. Resim 6.3 te kenardan uzaklaştıkça martensitik bölgeden perlitik mikroyapıya geçiş görülmektedir. Numunenin merkez bölgesi ise tamamen perlitik olup indüksiyonla yüzey sertleştirmenin herhangi bir etkisi gözlenmemektedir(resim 6.4). Böylece malzemenin dışı sert içi ise sünek olan bir yapı üretilmiştir. Buda yapılan deneyler de gösteriyor ki malzemenin yorulma direncini önemli derecede artırmıştır [34,35,37,39]. Resim 6.2. İndüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş KGDD in (İYS+ KGDD) mikroyapısı (kenar bölge).

86 68 Resim 6.3. İYS KGDD in mikroyapısı (geçiş bölgesi) Resim 6.4. İYS KGDD in mikroyapısı (merkez bölgesi)

87 Östemperlenmiş numunelerin mikroyapısı 900 C de numuneler östenitlenip sonra 375 C de 120 dakika östemperlenen numunelerin mikroyapısı Resim 6.5 de verilmiştir. Östemperleme sonrası mikroyapının ösferitten [(beynitik ferrit (α b ) + yüksek karbonlu östenitten (γ yk )] oluştuğu belirlenmiştir [9]. Mikroyapıda koyu faz beynitik ferrit (α b ) ve açık renkli faz yüksek karbonlu östeniti göstermektedir. 120 dakika östemperleme süresinde numunelerin mikroyapısında dönüşmemiş östenite (martensit) rastlanmamıştır [13,15,17] Resim 6.5. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin (ÖKGDD) mikroyapısı, a) X200 büyütme ve b) X500 büyütme Östemperlenmiş (Ö) + indüksiyonla yüzey sertleştirilmiş (İYS) numunelerin mikroyapısı Resim 6.6 da Ö+İYS KGDD in mikroyapısı görülmektedir. Sertleştirme işlemi sonucunda yüzeyden 1,02 mm lik derinliğe kadar martensitik yapı elde edilmiştir [34]. Resim 6.7 de kenardan uzaklaştıkça martensitik bölgeden ösferritik mikroyapıya geçiş görülmektedir. Bu bölgede çıta martensit yapı görülmektedir. Numunenin merkez bölgesi ise tamamen ösferritik yapı olup İYS işleminin herhangi bir etkisi gözlenmemektedir (Resim 6.8) [7,39]. Böylece numunenin dışı sert merkezi sünek bir yapıya sahip olmuştur.

88 70 Resim 6.6. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (kenar bölgesi) Resim 6.7. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (geçiş bölgesi)

89 71 Resim 6.8. Ö+ İYS+ KGDD in mikroyapısı (merkez bölgesi) 6.2. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme Isıl İşleminin Sertlik Üzerine Etkisi Şekil 6.1 indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunelere ait mikrosertlik profillerini göstermektedir. Sertlik ölçümleri yüzeyden merkeze doğru yapılmış ve 550 HV nin elde edildiği mesafe sert doku derinliği (case depth) olarak esas alınmıştır. İYS KGDD numunesinin sert doku derinliği 1,35 mm ve Ö+İYS KGDD numunesinin sert doku derinliği 0,95 mm olarak ölçülmüştür. Sert doku derinliğinde görülen fark ise İYS işleminden önce numuneye uygulanan östemperleme işleminden kaynaklanmaktadır. Numunelerin yüzey sertlik değerleri Çizelge 6.1 de verilmiştir. İYS ısıl işlemiyle yüzey sertlik değerleri belirgin bir biçimde artmıştır. Ancak Ö+İYS KGDD numunesinin yüzey sertlik değeri (740 HV), İYS KGDD in numunesinin yüzey sertlik değerinden (639 HV) daha fazla çıkmıştır.

90 72 Şekil 6.1. İYS KGDD ve Ö+ İYS KGDD in numunelerin mikrosertlik profilleri Çizelge 6.1. Numunelerin yüzey sertlik değerleri Numune Kodu Sertlik (HV 30 kgf) KGDD 247 İYS KGDD 639 ÖKGDD 339 Ö+ İYS KGDD Sertliğin Yorulma Üzerine Etkisi Yorulma dayanımı ve sertlik arasındaki ilişki Şekil 6.2 de verilmiştir. Artan sertlikle birlikte malzemenin yorulma dayanımı da artmıştır. Sertlikteki bu artış östemperleme ısıl işlemi sonucu yapıda oluşan beynitik ferrit (α b ) ve yüksek karbonlu östenitten (γ yk ) ve İYS işlemi ile yüzeyde oluşturulan martensitik tabakadan kaynaklanmaktadır. Buradaki sertlik artışı kısmi olduğu için dayanımı artırmıştır. Sertlikteki artış tüm kesit boyunca gerçekleştiğinde malzeme aşırı kırılganlık özelliği göstermekte ve malzemenin yorulma dayanımı düşürmektedir [13,39,74,76].

91 73 Şekil 6.2. Sertlik ile yorulma dayanımı arasındaki ilişki 6.4. Östemperleme Isıl İşleminin Yorulma Dayanımı Üzerine Etkisi Östemperlenmiş (ÖKGDD) ve dökülmüş koşullardaki (KGDD) numunelerin gerilme-çevrim sayısı diyagramları Şekil 6.3 de verilmiştir. Bu diyagramdan görülebileceği gibi östemperleme işlemi yorulma dayanımında artış sağlamıştır. Bu sonuç literatürle aynı doğrultudadır [75]. Dökülmüş haldeki numunelerin mikroyapısı perlit ve ferritten oluştuğu için malzeme sünek ve yorulma dayanımı düşüktür. Östemperleme ısıl işlemi ile yapıda ösferrit oluşmuş buda yorulma dayanımını artırmıştır. Çatlak ilerlemesine karşı direnç ve yorulma dayanımı ösferrit yapının miktarına, yapıdaki homojen dağılımına ve inceliğine bağımlıdır. Ösferritin ince olması tane sınırlarının artmasına buda yorulma dayanımının artmasında etkili olmuştur [13]. Çünkü artan tane sınırları iç gerilmelerin hareketini engelleyerek bu gerilmelerin birleşmesini geciktirmiş buda çatlak oluşumunu yavaşlatmıştır [75]. Östemperleme sıcaklığının yüksek olması I.aşama reaksiyonunu yavaşlatırken II. aşama reaksiyonunu hızlandırır ve östemperleme sırasında oluşan mikro yapı daha kaba ve düzensiz olmasına neden olur. Geleneksel olarak östemperlenmiş matrisin

92 74 tamamı ösferritik yapıdan oluşan numunelerin (ÖKGDD) yorulma dayanımları dökülmüş haldeki (KGDD) numunelerden daha yüksektir [15] KGDD ÖKGDD Gerilme (MPa) Çevrim Sayısı (N) Şekil 6.3. Östemperlenmiş (ÖKGDD) ve dökülmüş koşullardaki (KGDD) numunelerin S-N eğrileri 6.5. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme İşleminin Yorulma Dayanımı Üzerine Etkisi Şekil 6.4 de dökülmüş koşullardaki ve İYS KGDD numunelerin gerilme-çevrim sayısı diyagramları verilmiştir. Dökülmüş koşullardaki numunenin mikroyapısı da perlit+ferritten oluştuğu için sünektir. Bu yapı malzemenin yorulma dayanımını düşürmektedir. Dökülmüş koşullardaki numuneye uygulanan İYS işlemi ile yüzeyden 1,2mm lik derinliğe ulaşan martensitik yapı elde edilmiştir [77]. Martensitik yapı çatlak ilerleme hızını yavaşlattığı için malzemenin yorulma dayanımının önemli derecede artış olduğu gözlenmiştir. Malzemenin dışı sert içi sünek olduğu için toklukla birlikte yorulma dayanımı artmıştır. Dökülmüş koşullardaki numunelerin yorulma dayanımı 250 MPa iken İYS KGDD numunelerin yorulma dayanımı ise 550 MPa olduğu tespit edilmiştir.

93 75 Şekil 6.4. Dökülmüş koşullardaki (KGDD) numuneler ve İYS KGDD numunelerin S-N eğrileri Östemperleme + İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme Isıl işleminin Yorulma Dayanımı üzerine Etkisi Şekil 6.5 de İYS KGDD ve Ö+İYS KGDD numunelerin gerilme-çevrim sayısı diyagramları verilmiştir. İYS işlemi ÖKGDD in mikroyapısında 1mm derinliğe ulaşan martensit tabaka meydana getirerek yorulma dayanımında önemli ölçüde artış sağlamıştır [78]. Yorulma dayanımındaki bu artış yüzeydeki sert martensitik kabuktaki çatlak ilerleme hızının daha düşük olmasına bağlanmaktadır. İYS işlemiyle mikroyapıdaki grafit nodülünün etrafında halka şeklinde martensitik tabaka oluşturarak mikroyapıyı güçlendirmiş ve çatlakların ilerlemesini engelleyici bir etki yapmıştır. Bu halka tabakalar aynı zamanda iç gerilmeler ve kalıntı gerilmelerinin hareketlerini yavaşlatmıştır [77,78]. Ayrıca İYS işlemi ile dışı sert içi sünek olan tok malzeme elde edilmesini sağlayarak yorulma dayanımını artırmıştır. Ö+İYS KGDD numunelerin yorulma dayanımı 565 MPa iken İYS işlemi uygulanmış KGDD in yorulma dayanımı 550 MPa olarak elde edilmiştir (Şekil 6.5). Ö+İYS KGDD numunesinin yorulma dayanımının İYS KGDD numunesinden daha fazla olması

94 76 Ö+İYS KGDD numunelerin içeriği ince ösferritik mikroyapıya bağlanmaktadır[13]. İnce ösferritik yapıdaki çatlak ilerleme hızının perlitik yapıdan daha yavaş olduğu düşünülmektedir. Şekil 6.5. İYS ve Ö+İYS KGDD numunelerin S-N eğrileri Şekil 6.6. Numunelerin tamamına ait yorulma dayanımları

95 77 Şekil 6.7 te bütün numunelere ait gerilme-çevrim sayısı diyagramı verilmiştir. Diyagramdan görülebileceği üzere ÖKGDD in yorulma dayanımı (450 MPa) dökülmüş koşullara (250 MPa) göre daha yüksek elde edilmiştir. Östemperleme ile yorulma dayanımındaki bu artış, ince ösferritik yapının perlitik yapıya göre daha fazla tane sınırı olması ve bu yapının yorulma çatlaklarının ilerlemesine karşı direncini artırdığına bağlanmaktadır [44,45,55]. İndüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunelerin (İYS KGDD ve Ö+İYS KGDD) yorulma dayanımındaki dramatik artış ise yüzeydeki sert martensitik kabuğa bağlanmaktadır [78]. Sert ince martensitik kabuktaki yorulma çatlağı ilerlemesinin daha yavaş olması İYS KGDD ve Ö+İYSKGDD numunelerin yorulma dayanımını önemli ölçüde arttırmıştır (Çizelge 6.2). Ayrıca İYS işlemi sonrası yapı içindeki grafit nodülünün etrafında martensit tabakasının oluşması, iç gerilmelerin hareketlerini engelleyerek çatlak oluşumunu geciktirerek yorulma dayanımını artırmıştır. İYS işlemi sonrası KGDD in yüzey sertliği 639 HV iken İYS işlemi sonrası ÖKGDD in yüzey sertliği 740 HV elde edilmiştir. Sertlikteki artış, yorulma dayanımı ile paralellik göstermiştir. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin yüzey serliğinin daha fazla olması, ösferritik yapıdan indüksiyonla hızlı ısıtma sonucu östenitleme ve su verme sonrası daha ince martensitik yapının oluşmasına bağlanmaktadır.

96 78 Şekil 6.7. Numunelerin tamamına ait S-N eğrileri Çizelge 6.2. Numunelerin metalografik ölçüm sonuçları ve mekanik özelikleri Numune Kodu Ösferrit Hacim Oranı (%) Yüzey Sertliği (HV 30 kgf) Yorulma Dayanımı (MPa) KGDD 81* İYS KGDD 81* ÖKGDD 88, Ö+İYS KGDD 88, * Perlit Hacim Oranı

97 Yorulma Numuneleri Kırık Yüzeylerinin SEM Analizleri Dökülmüş koşullardaki numunelerin SEM görüntüleri Resim 6.9 ve Resim 6.10 da görüleceği gibi dökülmüş haldeki yorulma numunesinin kırık yüzeyleri girintili çıkıntılı ve çukurcuklar şeklinde görülmesi numunede sünek kırılma meydana geldiğini göstermektedir. Yapı içerisindeki grafitler ise boşluk görevi gördüğü için kesitin kritik çapa düşürerek ve yapılan deneysel çalışmalarda gösterdiği gibi yorulma dayanımını azaltmaktadır. Resim 6.9. Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüsü X50 büyütme

98 80 Resim Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüleri a) X500 büyütme b) X1000 büyütme. Resim 6.11 de görüldüğü gibi çatlak ilerlemesi grafitlerin etrafından devam etmektedir. Buna bağlı olarakta numunenin yorulma dayanımını artırmıştır. Çünkü çatlağın ilerlemesini engelleyerek yavaşlatmış böylece yorulma dayanımını artırmıştır. Resim Dökülmüş koşullardaki numunenin SEM görüntüleri a) X500 büyütme b) X1000 büyütme.

99 Dökülmüş ve İYS numunelerin SEM görüntüleri Resim Dökülmüş ve indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunenin SEM görüntüleri a) X10 büyütme b) X50 büyütme İYS işlemi uygulanmış numunelerin yorulma testi sonucunda kırık yüzeylerin iki farklı kırılma yüzeyine sahip olduğu görülmektedir. Kenarlarda İYS sonucu oluşan 1,2mm lik martensitik tabakadan dolayı kırılan yüzey daha düz bir şekilde meydana gelirken merkeze doğru gidildikçe martensit tabakanın etkisi azalmış ve buna paralel olarakta kırılma sünek olduğunu gösteren çukurcuklar oluştuğu gözlenmiştir [77,78].

100 82 Resim Dökülmüş ve indüksiyonla yüzeyi sertleştirilmiş numunenin SEM görüntüsü X1000 büyütme Resim 6.13 te görüleceği üzere geçiş bölgesinin kırılan yüzeyi görülmektedir. Sertleştirilmiş bölgedeki kırık yüzeylerin daha düz ve keskin yapıda iken merkez kısmı yumuşak olduğundan girintili ve çıkıntılı bir şekilde kırılma meydana gelmiştir. Resim Dökülmüş koşullarda ve İYS numunenin SEM görüntüleri a) X1000 büyütme b) X2000 büyütme

101 83 Resim 6.14 de görüleceği üzere çatlaklar tane sınırlarında hareket ederek grafite dayanmış ve daha sonra devam ettiği görülmektedir. Grafit çatlağın ilerleme hızını yavaşlatarak yorulma dayanımını artırmıştır [78] ÖKGDD in numunelerin SEM görüntüleri Resim ÖKGDD in numunesinin SEM görüntüsü X50 büyütme Resim 6.15 de görüldüğü gibi dökülmüş haldeki numunenin yüzeyine göre daha düzgün bir kırılma meydana geldiği görülmektedir. Östemperleme işlemi ile elde edilen ince ösferrit sertliği artırmış kırık yüzeylerin daha düzgün ve küçük çukurcuklar şeklinde kırılmasına sebep olduğu gözlenmiştir.

102 84 Resim ÖKGDD in numunesinin SEM görüntüleri a) X50 büyütme b) X500 büyütme Resim 6.16 da görüldüğü gibi döküm hatalarından kaynaklı çatlak oluşum mekanizmaları tespit edilmiştir. Ayrıca numunelerin yüzeyinden merkezine doğru hareket ettiği görülmektedir. Kırık yüzeyin düz olması gevrek kırılma meydana geldiği göstermektedir [78] Ö+İYS KGDD numunelerin SEM görüntüleri Resim Ö+İYS işlemi uygulanmış numunenin SEM görüntüsü X50 büyütme Resim 6.17 de görüleceği üzere ÖKGDD e uygulanan İYS işlemi ile numunenin kırılma yüzeyi düz ve keskin köşeler halinde meydana geldiği görülmektedir. Bunu

103 85 da östemperleme işlemi ile oluşturulan ösferrite ve İYS işlemi yüzeyden sonucu oluşturulan 1,02mm derinliğindeki martensit tabakasına bağlanmaktadır. Kenardan merkeze doğru gidildikçe küçük çukurcuklar meydana geldiği görülmektedir. Böylece numunenin kenarlarında gevrek kırılma, içinde ise sünek kırılma meydana geldiğini göstermektedir. Resim Ö+İYS işlemi uygulanmış numunesinin SEM görüntüsü a) X2000 büyütme b) X1000 büyütme Resim 6.18 de görüldüğü gibi çatlağın kırılma şekline bakıldığında martensit yapıdan dolayı keskin köşeler şeklinde meydana geldiği gözlenmiştir. Bu kırılma modu numunenin gevrek kırıldığını göstermektedir. Ayrıca yüzeydeki parçacıkların kopması da gevrek kırılma olduğunu göstermektedir.

104 86 Resim 6.19 Ö + İYS işlemi uygulanmış numunesinin SEM görüntüsü X1000 büyütme Resim 6.19 da görüleceği üzere İYS işlemi ile grafit nodülünün çevresinde ince bir martensit yapı oluştuğu ve yorulma çatlaklarının ilerlemesini yavaşlattığı görülmektedir [78].