ÖZEL ÇELİKLER. Çelik, demir ve karbon elementlerinin oluşturduğu en önemli alaşım grubudur.

Transkript

1 ÖZEL ÇELİKLER Çelik, demir ve karbon elementlerinin oluşturduğu en önemli alaşım grubudur. Çelikler, farklı gereksinimleri karşılamak için gösterdikleri özellikleri nedeniyle gelişmiş malzeme olarak kabul edilmiştir. Çelikler 650 C ye kadar yüksek mukavemete ve -196 C gibi düşük kriyojenik sıcaklığa, 100 MPa dan 5000 MPa a kadar uygulanan gerilmelere dayanıklıdır, atmosfer, asit, alkali, tuz, vb. ortamların korozyonuna maruz koşullar için uygulanabilir olmuşlardır. Bol ve ucuz hammadde kaynakları, bilinen ve yaygın üretim teknolojileri ile düşük malzeme maliyeti, diğer metal ve alaşımlarına göre çok büyük avantaj sağlar. Çelik aynı zamanda geri dönüşebilirlik ve süper kaynak kabiliyeti ile çok büyük fiyat avantajına sahiptir. Çelik dünya üzerinde en fazla geri dönüşümü olan malzemedir. Hatta diğer tüm malzemelerin bileşiminden daha çok çelik, geri dönüşüm ile üretilmiştir yılında 1,24 milyar ton üretilen çeliğin %40 ı geri dönüşüm ile üretilmiştir. Böylece çelik endüstrisi hem gaz emisyonu hem de enerji tüketimi gibi sorunları minimize etmeyi başarmıştır. Çeliğin kullanım alanları oldukça geniş ve çeşitlidir.

2 OTOMOTİV ÇELİKLERİ Otomobillerle ilgili enerji tüketimi ve ortama salınan kirlilikler, her zaman ciddi problemler olmuştur. 21. yy da arabaların, insan ve doğa ile uyumlu dizayn edilmesi ve yönetilmesi planlanmaktadır. Malzeme teknolojilerindeki gelişmelerin katılımlarla, CO 2 emisyonlarının azalması ve yakıt ekonomisinin gelişmesi, çarpışmaya dayanıklılık ile birlikte arttırılabilir. Demir-çelik sektöründe gelişen teknoloji ile birlikte yeni nesil çelikler geliştirilmiş, mukavemet ve hafiflik gibi önemli kazanımlar sağlanmıştır. Bu kazanımların en büyük etkilerinin gözlemlendiği sektörlerden birisi de otomotiv endüstrisidir. Son yıllarda otomotiv endüstrisi, yakıt sarfiyatını ve egzos gazı emisyonunu azaltmak amacıyla otomobillerin mevcut özelliklerini koruyacak ve hatta daha da geliştirecek araç hafifletme projelerine yönelmişlerdir. Genel olarak, otomobil gövdesi metal sac parçalardan oluşmakta olup yaklaşık olarak toplam araç kütlesinin %25 ini meydana getirmektedir. Bu parçaların yeni nesil çelikler ile üretilmesi son zamanlarda büyük önem arz etmekte olup, bu çelikler birim ağırlık için daha yüksek mukavemet değerlerine sahip olmakta ve sac metal endüstrisindeki kullanımlarında çok hızlı bir artış görülmektedir.

3 Otomotiv çelikleri literatürde birçok farklı şekilde tanımlanmıştır. Metalurjik açıdan ele alırsak yapılan genel sınıflandırma, Düşük mukavemetli çelikler (IF ve Yumuşak çelikler); Konvansiyonel yüksek mukavemetli çelikler (C- Mn, fırınlama sertleştirilmesi yapılmış), Yüksek mukavemetli IF ve Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler İleri teknoloji ürünü yüksek mukavemetli çelikler (çift fazlı, TRIP, kompleks fazlı ve martenzitik çelikler).

4 YÜKSEK MUKAVEMETLİ DÜŞÜK ALAŞIMLI ÇELİKLER (HSLA ÇELİKLERİ) (MİKROALAŞIMLI ÇELİKLER) Mikroalaşımlı çelikler, geliştirildikleri yapı çeliklerine oranla çok daha yüksek dayanım ve tokluk gösterirler. Mikro alaşımlı çelikler, piyasada veya literatürde farklı isimlerle anılırlar. -Mikro alaşımlı çelikler -Perlitçe fakir çelikler -İnce taneli çelikler -Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler -Z StE-çelikleri veya ZE çelikleri Geliştirilme amaçları; -Ana üretim tekniği olan kaynaklanabilirliğin geliştirilmesi -Aynı zamanda dayanç ve tokluk özelliğinin arttırılması -Ağırlığın azaltılması -Maliyetin düşürülmesi Önemli üretim yöntemi olan kaynak ile birleştirilen yüksek karbonlu çeliklerde görülen ciddi çatlama problemleri, daha düşük karbonlu çeliklerin kullanımı ile

5 ilimine edilmiştir. Çeliklerde bu eksiklikleri giderebilmek amacıyla, düşük karbonlu, ince ferrit boyutlu çeliklerin üretimine ağırlık verilmiştir. İnce ferrit tane boyutları, Nb, Ti ve V, ve de Al gibi tane inceltici elementlerin az miktarda (<% 0.1) ilavesi ile büyük ölçüde kolaylaşabileceği bulunmuştur. % C ve %1.5 a kadar Mn lı çeliğe bu elementlerin ilavesi, MN/m 2 civarında akma mukavemetine sahip ince taneli malzeme üretimini mümkün kılmıştır. Uygulama yoğun olarak yassı mamullerde (gaz ve petrol boru hatları, off-shore konstrüksiyonlar vb.) gerçekleşir. Son yıllarda dövme ürünlerde de (öncelikle otomotiv endüstrisine yönelik parçalarda) uygulama giderek yaygınlaşmıştır. Bu alanda mikroalaşımlı çelikler ıslah çeliklerinin yerini almışlardır. Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliklerin üstün özellikler göstermesi, düşük karbon içerikleri, çok az miktarda alaşım elementlerine sahip olmaları ve üretimleri sırasında termomekanik işlemlerin uygulanması sebebiyledir. Termomekanik işlem, alaşıma, ısı ile birlikte deformasyon prosesinin birlikte uygulanmasını kapsar. Termomekanik işlem, mikroyapının şeklini değiştirmek ve tane boyunu küçültmek için uygulanır. Metallerin sıcak haddelenmesi, özellikle çok büyük miktarda üretilen birçok çeliğin işlenmesinde önemli rol oynayan termomekanik bir işlemdir.

6 Sıcak haddeleme prosesinde, haddeleme parametreleri (sıcaklık, gerinim, hadde paso sayısı, son sıcaklık gibi) önceden belirlendiği ve hassas bir şekilde tariflendiği için proses, kontrollü haddeleme olarak isimlendirilir. Kontrollü haddelemede temel tane rafinasyon mekanizması (dinamik yeniden kristalleşme olarak da bilinir), sıcak deformasyon sırasında ostenitin yeniden kristalleşmesidir. HSLA çelikler, esas olarak düşük-karbonlu çeliklerdir (% C), yaklaşık %1.5 Mn ve %0.1 den az Nb, Ti ve/veya V içerirler. HSLA çelikleri alaşım elementlerini içerirler, ancak alaşım miktarı, sadece %0.1 civarındadır, bunun için mikroalaşım olarak da isimlendirilir µm dan daha az boyutlu ultraince ferrit tane boyutunu üretmek için kontrollü koşullar altında sıcak haddelenmiştir. HSLA çelikleri, MPa akma mukavemeti ve MPa çekme mukavemeti, yaklaşık -75 C de gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptirler.

7 Konvansiyonel çelikler ile HSLA çeliğinin tane boyutlarının karşılaştırılması şekilde verilmiştir. HSLA çeliğinin çok daha ince tane boyutuna sahip olduğu açıkça görülmektedir. HSLA çeliklerinde çok ince tane boyutları, ostenit tane boyutunun, sıcak haddeleme sırasında çeliğin sıcaklığı düştüğü zaman, karbürlerin, karbonitrürlerin, nitrürlerin oluşumu ile kontrolünü gerektirir. Bu ince çökeltiler, ostenit tane sınırlarını sabitleyerek, tane büyümesini engeller. Daha düşük haddeleme sıcaklıklarında bile, çökeltiler, çok fazla deforme olmuş ostenit tanelerinin yeniden kristalleşmesini frenler. Kontrollü haddelemede dinamik yeniden kristalleşme olarak bilinen temel tane rafinasyon mekanizması, sıcak deformasyon sırasında ostenitin yeniden kristalleşmesidir. İnce çökeltiler, soğuma sırasında, ferrit çekirdeklerini oluşturmak için ilave yerler de temin ederler. Bu da daha ince ferrit tane boyutuna neden olur. İlave olarak, şekilde gösterildiği gibi, çekirdeklenme bölgeleri, deforme olmuş kayma bantlarında ostenit taneleri içinde de oluşur.

8 En iyi tane rafinasyon elementleri, çok kuvvetli karbür ve nitrür oluşturuculardır, bunlar Nb, Ti ve V olabilir, Al da sadece nitrür oluşturur. Çeliğe çok az miktarda niobyum (Nb), titanyum (Ti) ve vanadyum (V) gibi karbür, nitrür veya karbonitrür oluşturan elementler ilave edilerek mikroalaşımlandırma gerçekleştirilir. Mikro alaşımlı çeliklerde alaşım elementi toplamı genellikle %2 değerini aşmaz. Çoğunda ise, mangan katılımları dışında, bu değer % arasındadır. Tane büyümesini geciktiren elementler niobyum, titanyum, vanadyum ve alüminyumdur. Bu elementlerden en etkilisi niobyumdur. Niobyumkarbürün çözünürlüğünün düşük olması nedeniyle, ön haddeleme sırasında tane sınırı hareketini engeller. Vanadyum ise östenit içindeki çözünürlüğü çok yüksek olduğundan tane boyutuna etkisi yok denecek kadar azdır. Bu elementlerin bileşikleri, boyutları ve hacimsel miktarları üzerinden östenit tane boyutuna etki ederler. Mikroalaşımlı Çeliklerde Sertleştirme Mekanizmaları HSLA çeliklerinde kullanılan sertleşme mekanizmaları; katı eriyik sertleşmesi, dislokasyon sertleşmesi, çökelme sertleşmesi ve tane küçültmedir. Katı eriyik sertleşmesi, dislokasyon sertleşmesi ve çökelme sertleşmesi sadece dayanımı arttırırken, tane küçültme hem dayanımı hem de tokluğu arttırmaktadır. Küçük tane elde edebilmek için yapılması gereken işlemler; 1- Östenitleştirme sıcaklığında tane büyümesini geciktirmek 2- Yeniden kristalleşmenin geciktirilmesi

9 3- Ferrit çekirdeklenme bölgesinde artma 4- Ferrit tane büyümesinin geciktirilmesi Mikroalaşımlı Çeliklerin Genel Uygulama Alanları -Büyük çaplı borular -Otomotiv endüstrisi -Kaynaklı çelik konstrüksiyonlar (Çelik köprüler, çelik binalar) -Kaynak edilebilir hareketli konstrüksiyonlar ve makine elemanları (ör; Vinç, konstrüksiyon, kamyon, tren, vagon, sürekli taşıyıcılar, tarım ve zirai makinalar) -Basınçlı kaplar ve depo tankları -Off-Shore konstrüksiyonları -Korozyona dayanıklı mikroalaşımlı çelikler;su kontrol elemanları ve baraj bileşimlerinde yapı elemanı olarak, ayrıca atmosferik platformlarda (kuvvetli rüzgara, yağmura, fırtınaya, güneşe maruz kalabilecek yapılarda, petrol arama platformları, deniz ortasında ve deniz kıyısından geçen çelik borular) ve kanallarda, çimento karıştırıcılarında, sondaj, delme-matkap teçhizatlarında, havalandırma borularında kullanılır.

10 IF çelikleri (Arayersiz Çelikler) (interstitial-free steel) Modern üretim teknolojisi kullanılarak düşük karbonlu çeliğin C ve N gibi arayer elementleri, üretim sırasında, Ti ve/veya Nb elementleri ile stabilize edilmekte ve özellikle karbon oranları un altına düşebilmektedir. Bu sayede mükemmel şekillendirilebilirlik özelliği kazanan IF çelikleri, özellikle otomobil ve beyaz eşya üreticilerinin gözdesi haline gelmiştir. IF çeliği, karmaşık yapıya sahip sac parçaların derin çekilmesinde, gererek veya dövülerek şekillendirilmesinde geleneksel yapıdaki çeliklere göre çok daha üstün özellikler sergilemektedir.bu çelik sınıfı son derece kompleks parçaların üretiminde yüksek derin çekilebilme özellikleri için geliştirilmiştir. IF çeliği günümüzde sadece sıcak ve soğuk sac hadde ürünü değil, aynı zamanda çinko ve başka elementlerle de kaplanarak özellikle gelişmiş ülkelerde otomotiv endüstrilerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bunun sonucu olarak özellikle sanayileşmiş ülkelerde IF çeliğinin üretimi ve kullanımı her geçen yıl katlanarak artmaktadır. IF çeliklerinde mukavemet, katı eriyik sertleştiricisi mangan, silisyum ve fosforla sağlanır. IF çeliklerinde karbon ve azot tamamen giderildiği için tüm kaynak işlemleri için uygundurlar ve yaşlanma göstermezler.bu çelikler otomobil iç kapı panellerinde, döşeme panellerinde, tünel kesitlerde ve güçlendirmelerde kullanılır. IF çeliklerinin kimyası ve işlenmesi, düşük mukavemetlerde de olsa çok yüksek süneklik ve şekil alabilme özellikleri oluşturur.

11 IF çelikleri düşük karbon ve azot (< 0,0030 % C ve 0,0040 % N) içerdiklerinden biçimlendirilmeye uygun olup ayrıca düşük akma dayanımı ve incelmeye karşı yüksek direnç gösterir. IF çeliğinin mikroyapısı tamamen ferrit fazından oluşmaktadır. Bu çeliklerin öne çıkan genel özellikleri; Kaplamalı ve kaplamasız ürünlerde mükemmel homojenlik Mükemmel kaynaklanabilirlik Yüksek yorulma performansı Yüksek ezilme direnci

12 IF çeliklerine Ti ve Nb ilaveleriyle TiC, TiN veya NbCN gibi kararlı bileşikler oluşur. C ve N arayer atomlarının ferritik çözeltiden ayrılması çeliğe yaşlanma özelliği göstermeyen, preste iyi şekillendirilebilirlik özelliği kazandırmaktadır. IF çeliklerinin akma mukavemetleri 150 MPa, çekme mukavemeti ise 300 MPa civarındadır. Geleneksel mukavemet arttırma yöntemleri, IF çeliklerinden istenen özellikleri sağlayamamaktadır. Geleneksel yöntemler, mukavemet artışıyla beraber büyük oranda süneklik düşüşüne neden olduklarından şekillendirilme sırasında problemler çıkmaktadır. Bu nedenle IF çeliği günümüzde daha çok yük taşımayan koruyucu sac malzemesi olarak kullanılmaktadır. IF çeliklerinin mukavemet kazanmasında iki yöntem kullanılmıştır:katı-eriyik mukavemetlenmesi ve fırında (bake) sertleşmedir. IF çeliğinin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için geleneksel olmayan yöntemlerin (aşırı plastik deformasyon ile ultrakristalin veya nanoyapılı malzemelerin üretilmesi) denenmesi de zorunlu hale gelmiştir. Fırında Sertleşme Yapılmayan Yüksek Mukavemetli IF Çelikleri (HSIF) ABD de çok yaygın olarak kullanılan HSIF çeliği 340 MPa min. çekme mukavemeti ile tamamen stabilize çeliklerdir. Bu çelikler, şimdiye kadar dış gövde panel uygulamalarında kullanılmıştır ve ezilme performansını geliştirmede çok başarılı olmuşlardır.bütün HSIF ürünleri esas olarak Ti+Nb stabilize (bazı durumlarda Ti) IF çelikleridir, P ve Mn ile mukavemetlendirilmişlerdir. Ferritin katı eriyik mukavemetlenmesinde az miktardaki fosforun çok etkili olduğu bulunmuştur. IF çeliklerine %0.08 seviyesinde P ilavesi, IF çeliklerin mukavemetini arttırmada etkili olarak kullanılmıştır. Ancak fosforun yüksek katı-eriyik mukavetlendirmesi ile birleştirilen elektronik faktörleri ve atomik boyutu, ferritik mikroyapılarda tane sınırlarında fosforun segrege olmasına neden olur. Tane sınırlarında karbonun olmadığı IF çeliklerinde P segregasyonu özellikle önemlidir. Bunun sonucu olarak, ikincil işlem kırılganlığı (SWE) veya soğuk işlem kırılganlığı (CWE) denen olay meydana gelir. Bu durumda çelik, gevrekleşir ve ferrit tane sınırları boyunca tanelerarası modda kırılır.

13 Çeliğe az miktarda B ilavesi, soğuk işlem kırılganlığına duyarlılığı önemli ölçüde azaltır. B atomları ferrit tane sınırlarına segrege olur ve fosfor atomları için mevcut yerleri azaltır. Ancak B ilavesi, mekanik özellikleri, tekstür ve fırında sertleşebilirliği etkiler. SWE, HSIF çeliklerinde önemli bir olaydır, bu çelikleri seçerken dikkatli olunmalıdır. Effect of B addition on SWE Fırında Sertleşen Yüksek Mukavemetli IF Çelikleri (HSIF-BH) Fırında sertleşen çelikler, yapıda C gerektirdiği için bu çelikler tam IF çeliği değildir. Bu çelikler 5-20 ppm karbona ihtiyaç duyarlar. Daha az miktarlar, yetersiz fırında sertleşmeye neden olur. Daha yüksek karbon miktarları oda sıcaklığında kabul edilemeyen yaşlanmalara neden olur. Son yıllarda sanayileşmiş ülkelerde yüksek dayanımlı IF çeliği üretimi konusunda yoğun araştırma çalışmaları başlatılmıştır. Yüksek dayanımlı IF çeliğinin üretilmesiyle beraber mevcut uygulamalar için daha hafif yapıların oluşturulması, özellikle otomotiv endüstrisinde bir avantaj olacaktır.

14 İleri Teknoloji Ürünü Yüksek Mukavemetli Çelikler (Advanced High Strength Steels (AHSS)) AHSS çelikleri yüksek dayanım ve şekillendirilme kabiliyetleri nedeniyle tamamen otomotiv gövde, panel ve kaporta parçaları için üretilmektedir. Geliştirilen bu çelik kalitesi yerine geleneksel yüksek mukavemetli ya da yumuşak çeliklerin herhangi bir kalitesi kullanıldığında ortaya çıkan en büyük problem dayanım ve şekillendirilebilirlik özelliklerinin uyuşmamasıdır. Aslında aşırı mukavim ya da aşırı sünek malzemeler parça optimizasyonunda üretimde önemli sorunlar yaratırlar. Bu amaçla geliştirilen AHSS çelikleri daha ince kesitli malzeme kullanarak azalan ağırlığa karşın, artan mekanik özellikleri ile son derece önemli bir malzeme konumuna gelmiştir. Genel olarak AHSS çelik ailesinin kaliteleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir: 1. Çift Fazlı Çelikler 2. Trip Çelikleri 3. Kompleks Fazlı Çelikler 4. Martenzitik Çelikler 5. Mangan Bor Çelikleri Yüksek mukavemetli çelikler (HSS) akma mukavemeti MPa arasında değişen soğuk şekillendirilmiş yüksek mukavemetli çeliklerdir. Eğer >550 MPa dan büyük akma mukavemetine sahipse o zaman HSS yerine ileri teknoloji ürünü yüksek mukavemetli çelikler terimi kullanılır. ÇİFT FAZLI ÇELİKLER (DUAL-PHASE STEELS) Çift fazlı çelikler, yumuşak ferrit matris içinde adacıklar şeklinde dağılmış %10-30 civarında martenzit fazı içeren çeliklerdir. Çift faz terimi bu çeliklerin sahip oldukları ferrit ve martenzit fazlarından dolayı kullanılmaktadır. Çift fazlı çelikler üretildikleri yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliklere (HSLA) göre daha iyi dayanım-süneklik özellikleri göstermektedir. Bu özelliklerinden

15 dolayı otomotiv endüstrisinde önemli bir konuma sahiptirler. Otomobil parçalarında çok iyi şekil alabilirliğe sahip çift fazlı çelikler kullanılarak araçların ağırlığı azaltılır ve yakıt tüketiminde önemli oranda tasarruf sağlanır. Yapıdaki ferrit yumuşak bir fazdır ve çift fazlı çeliğin şekillendirilme kabiliyetini artırmaktadır. Sünekliği yüksek bir çift fazlı çeliğin elde edilmesi için yüksek süneklik ve düşük dayanıma sahip ferrit fazının mikroyapıda bulunması gerekmektedir. Çift fazlı çeliklerde ferrit tanelerinin eşeksenli olması istenir. Martenzit fazı ise sert yapısı sayesinde malzemeye mukavemet kazandırmaktadır. Çift fazlı çeliklerin dayanım özellikleri büyük oranda martenzit fazı özelliklerine bağlıdır. Martenzit fazını karakterize eden en önemli özellikler, martenzitin hacim oranı ve morfolojisidir. Martenzit özellikleri çift fazlı çeliklerin süneklik değerlerini de etkilemektedir. Martenzitin mukavemeti ve hacim oranı aşağıdaki unsurlara bağlı olarak değişmektedir; Çeliğin karbon içeriği Tavlama sıcaklığı Ostenitin sertleşebilirliği Çift fazlı çelik mikroyapısı Çift fazlı çelikler genellikle düşük karbonlu, az alaşımlı veya alaşımsız olarak üretilirler. Özellikle karbon oranı çok düşüktür. Yaklaşık %0,06-0,20 olan karbon

16 içeriğinde meydana gelen küçük bir değişim özellikler üzerinde büyük farklılıklara neden olur. Karbonun yanı sıra çeşitli alaşım elementleri de belirli sınırlar içerisinde istenilen özellikleri sağlamak amacı ile ilave edilir. Çift fazlı çeliklerin temel alaşım elemanları C, Si ve Mn dır. Bu elementlerin yapıdaki oranlarına bağlı olarak dayanç artarken uzama değerlerinde düşme gözlenir. % 1-1,5 oranındaki Mn, hızlı soğutma sırasında martenzit dönüşümüne yardımcı olur. Cr ve Mo ise max. % 0,6 oranındadır. Krom ve molibden interkritik tavlama sıcaklığını ve martenzit dönüşüm sıcaklığını çok etkiler. Krom ve molibden bu çeliklerin çok düşük soğutma hızlarında bile martenzitik dönüşümüne yardım ederler. Si ise burada katı eriyik sertleştiricisi olarak bulunur. Bunların dışında çok küçük oranlarda ilave edilen V, Nb ve Ti ise çökelti sertleşmesini sağlar ve/veya tane boyutunu kontrol eder. N ise V un oluşturduğu çökelti sertleşmesi etkisini yoğunlaştırmak için eklenebilir. Çift fazlı çeliklerin mekanik özellikleri, mikroyapısındaki farklılıklara bağlı olarak değişim göstermektedir. Çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerini etkileyen pek çok faktör vardır. Bunların en önemlileri sırasıyla: 1- Ferrit ve martenzitin morfolojisi ( tane boyutu biçimi dağılımı ) 2- Ferrit ve martenzitin özellikleri 3- Martenzitin hacimsal oranı ( var olan fazların hacimsal oranları ) 4- Martenzitteki karbon değişikliğinin etkisi 5-Çeliğin bileşimi, tavlama sıcaklığı, soğutma hızı ve alaşım elementlerinin etkisi. Çift fazlı çeliklerin üretimi Ticari olarak çift fazlı çelik üretimi Japonya, ABD, ve bazı Avrupa ülkelerinde (Almanya, İtalya, İngiltere ve Fransa) yapılmaktadır. Ancak üretilen çift fazlı çeliklerin özellikleri ülkelerin ekonomik ve teknolojik durumlarına göre birbirinden farklılıklar göstermektedir. Çift fazlı çelik üretim ısıl işlemi, ötektoid altı çeliklere uygulanmaktadır. Çift fazlı mikroyapı esas olarak söz konusu çeliklerin Fe-Fe3C faz diyagramında A1-A3

17 sıcaklık aralığında (ferrit-ostenit bölgesinde) herhangi bir sıcaklığa kadar ısıtılıp, bir süre tutup ostenitin martenzite dönüşebileceği hızlarda soğutulmasıyla üretilir. Çift fazlı çelikler interkritik bölgede (östenit+ferrit faz bölgesi) tavlama sonrasında uygun hızda soğutma sonucunda yeterli miktarda östenitin martenzite dönüşümüyle elde edilir. Kritik soğutma hızında var olan östenitin tamamı martenzite dönüşür ve oluşan yapı ferrit-martenzit karışımı olur. Çift faz elde etmek için uygulanan başlıca ısıl işlemler; Ara su verme (Intermediate Quenching) Kritik sıcaklıklar arası bölgede tavlama (Intercritical Annealing) Kademeli (basamaklı) su verme (Step Quenching) olmak üzere üç grupta incelenmektedir.

18 Çift fazlı çeliklerin mekanik özellikleri Çift fazlı çelikler genel olarak düşük akma, yüksek çekme mukavemeti, yüksek pekleşme hızı, yüksek orantılı deformasyon ve toplam uzama gibi çekme özellikleri ile tanımlanmaktadır. HSLA (yüksek mukavemetli düşük alaşımlı) çelikler ile karşılaştırıldıklarında aynı çekme mukavemeti değerlerinde orantılı ve toplam uzama değerleri daha fazla olmaktadır. Çift Fazlı Çeliklerin Avantajları Çift fazlı çelikler sürekli akma gösterdikleri için şekillendirilen parçaların yüzeyleri çok düzgün olmaktadır. Akma mukavemetinin düşük olması plastik deformasyonda az bir kuvvetle şekillendirilebilirliği sağlamaktadır.

19 Şekillendirilen parçaların tekrar şekillendirilmesinde aşırı kuvvetler gerekmemektedir. Çekme dayanımlarının yüksek olması ise parçaların hasara uğramasını geciktirmektedir. Akma mukavemeti / Çekme mukavemeti oranının düşük olması çift fazlı çeliklerin derin çekme ile üretilen parçalarda kullanılabilirliğini arttırmaktadır. Derin çekme esnasında iş parçasının kesiti azalacağından şekil verme işleminin diğer kademelerindeki kuvvetleri karşılayabilmesi için parçanın mukavemet değerlerinin iyi olması gerekmektedir. Mukavemet özelliklerinin yanı sıra süneklik özellikleri de iyi olan çift fazlı çeliklerin optimum pekleşme katsayısına sahip olması bu bakımdan bir avantajdır. Çift Fazlı Çeliklerin Eksiklikleri Kalın kesitli sac parçalarda, bazı makine parçalarında ısıl işlemle dahi çift faz yapısı üretmek zordur. Seri üretim yapmak isteyen tesislerin kurulması maliyeti yükseltir fakat işlem maliyetini düşük tutmaktadır. Dolayısıyla çift fazlı sac parçalar üretmek isteyen işletmelerin kurulması maliyet açısından işletmeciyi her zaman düşündürmüştür. Gerek sürekli tavlama hatları ile gerekse ısıl işlem ile üretilen çift fazlı çeliklerde mikroyapıyı kontrol etmek kolay değildir. Bu olumsuzluğu alaşım elementleriyle gidermeye çalışan araştırmacılar için bu kez de alaşım elementlerinin çift fazlı bir çelikteki davranışları problem olarak ortaya çıkmıştır. Alaşım elementlerinin, çift fazlı bir çelik üretirken mikroyapıdaki tavırları, ostenit+ferrit bölgesine olan etkileri, martensit ve ferrit fazına olan etkileri henüz standart verilere dayanmamaktadır.

20 TRIP ve TWIP ÇELİKLERİ TRIP terimi, TRansformation Induced Plasticity (dönüşüm kaynaklı plastisite). TWIP terimi, Twinning Induced Plasticity (ikizlenme kaynaklı plastisite). Ostenitin martenzite dönüşümü plastik deformasyon sırasında meydana geldiği zaman elde edilen özellikleri kullanmak için geliştirilen çelikler, dönüşüm kaynaklı plastisite (TRIP) çelikleri olarak isimlendirilmiştir. TRIP çelikleri, yüksek mukavemet ve uzama kombinasyonuna sahiptir. Bu da yüksek absorpsiyon enerjisi seviyesinin belirtisidir. TRIP çelikleri, hasar öncesi önemli ölçüde üniform uzama gösterirler. TRIP çeliklerinin iki türü vardır: Osteniti stabilize eden elementleri fazla miktarda kullanarak tamamiyle ostenitik yapıda olanlar, gerildiği zaman martenzite dönüşür, TRIP (dönüşüm kaynaklı plastisite) çelikleri olarak bilinir. Ostenit bütün yapıda az miktarda olduğunda gerinim sırasında martenzitik dönüşüme uğrar, bu çelikler de TRIP destekli olarak isimlendirilir.genelde düşük alaşımlı çeliklerdir. TRIP çeliklerinin genel mikroyapısı, yumuşak ferrit matrisi içinde bulunan beynit ve kalıntı östenit tanelerinden oluşmaktadır. Çelik mikroyapısının %50-60 ı allotropik ferrit, geri kalanı beynit ve karbonca zengin artık östenitten ibarettir. Bu kalıntı östenitler deformasyon sırasında martenzite dönüşebilmektedirler. TRIP çeliklerinin genel bileşimi, %0.25 C, %2 Mn, %2 Si, %10 Cr, %9 Ni ve %5 Mo şeklindedir. Yüksek miktarda artık östenit (%10-15) içerirler.

21 Yüksek Si lu çeliklerde sıcak haddeleme sırasında, Si kolay oksitlenir ve yüzey temizliğinde pickling ile uzaklaştırılması zor olan kararlı oksitler (Fe 2 SiO 4 ) oluşturur. Bu da galvanizleme sırasında kaplanabilirliği azaltır. Bunu önlemek için Si yerine Al alaşım elementi düşünülmüştür. Al da Si gibi sementit içinde çözünmez. Ancak, ferriti kararlı yapma eğilimi nedeniyle yüksek Al içeren çelikler, tamamiyle östenitik hale getirilemez ve böylece Al, sıcak işlenebilirliği etkilemiş olur. Mikroyapıları ve özellikleri optimize etmek için alaşım geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu çelikler çok yüksek uzama değerlerinde mükemmel şekillenebilirlik özellikleri göstermekte ve yüksek darbe enerjisi absorblama ve uzun yorulma ömrü sayesinde otomotiv endüstrisinde yerini almaktadır. Otomotivde TRIP çelikleri galvanizlenmiş olarak kullanılır. TWIP ÇELİKLERİ Çeliklerin ortam sıcaklığında difüzyona başvurmadan kalıcı olarak deforme olabileceği üç esas mod vardır: Kafes vektörlerine uyan bireysel dislokasyonlar kayabilir, kristal yapıyı veya hacmini değiştirmeksizin şeklinde değişime neden olur. Yerdeğiştirme dönüşümü (örn. martenzit veya beynit), sadece plastik gerinime neden olmaz, aynı zamanda kristal yapı ve yoğunluğun değişimine de neden olur, bu, TRIP çeliklerinde kullanılan durumdur. Üçüncü mod deformasyon, mekanik ikizlenmedir.burada çeliğin kristal yapısı korunur, fakat kaymış bölge, proseste yeniden yönlenir. Mekanik ikizlenme çok büyük kayma gerilmesine neden olur. TWIP çelikleri yüksek mangan içeren östenitik çeliklerdir. TWIP çelikleri, mükemmel çekme mukavemeti-süneklik uyumu nedeniyle otomotiv

22 endüstrisinde yapı parçaları için büyük bir uygulama potansiyeline sahiptir. Özellikle karmaşık şekilli parçaların üretiminde kullanılmaktadır. Otomotiv uygulamaları için, yüksek Mn lı TWIP çelikleri, yüksek enerji absorplama (konvansiyonel yüksek mukavemetli çeliklerinkinden iki kat fazla) ve yüksek tokluk (araç güvenliğini geliştiren) özellikleri ile de cazip olmaktadır. Östenitik yüksek-mn lı TWIP çeliklerinde, martenzit, gerinim kaynaklı olarak plastik deformasyonda oluşabilir. γ-(kym) östenit ε-(sph) martenzite dönüşür veya reaksiyon iki adımda meydana gelir, γ-(kym) östenit ε-(sph) martenzite α -(khm) martenzit. TWIP çelikleri, kym yapıdaki östenit mikroyapısına sahiptir. Bu yapı, ABCABCABC ile şematik olarak gösterilir. Kym kristalinde yığılma hatası, bölgesel ABA tipli yığılmaya uyar. Böylece kym yapı içinde, bölgesel olarak hekzagonal yapı (ABABAB) oluşur. Bu durum, bölgesel boyutta bile eneji olarak uygun olmaz. TWIP çelikleri, diğer yüksek mukavemetli çeliklerden farklı olarak plastik deformasyonda ikizlenme gösterirler. Östenit çeliklerinin içerisindeki Mn oranı arttıkça TRIP etkisi yerine TWIP etkisi baskın bir şekilde görülmektedir. TWIP çelikleri genelde Fe-%15-30Mn-%1-3 Si-%1-3 Al içerirler. TWIP çeliklerinde Mn ın esas etkisi, yığılma hatası enerjisini(sfe) ve böylece deformasyon şeklini kontrol etmektir. Al, östeniti stabilize etmek için ilave edilir ve mikroyapıyı katı eriyik mukavemetlenmesi ile de güçlendirir. Al, korozyon direncini de geliştirir. Si, SFE yi düşürdüğü ve martenzitin çekirdeklendiği yerler olan yığılma hatalarının sayısını arttırdığı için östenitin martenzite dönüşümünü destekler. Aynı zamanda östeniti katı eriyik sertleştirmesi ile östenitin mukavemetini arttırır. Karbon osteniti kararlı yapan ve katı eriyik ile matrisi güçlendiren elementtir.

23 MARAGİNG ÇELİKLERİ Maraging çelikleri, karbonla sertleştirilemeyen çeliklerden farklı olan ultrayüksek mukavemetli çeliklerin özel bir sınıfıdır. Maraging deyimi, martensite+aging yani martenzit+çökelme sertleşmesi kelimelerinin kombinasyonudur. Maraging çelikleri, yüksek alaşımlı, düşük karbonlu çelikler olup, Fe-Ni levhalı (lath) martenzit yapısındadır. Maraging çeliklerinde çok düşük soğuma hızlarında dahi elde edilebilen martenzitik yapı, karbonlu çeliklerde olduğu gibi tetragonal kristal yapısında değil, kübik hacim merkezli (khm) kristal yapısındadır. Düşük karbonlu Massive Martenzit adı verilen bu yapı yüksek dislokasyon yoğunluğuna sahip olup bazen küme martenzit şeklinde de tanımlanabilir ve son derece sünek (yumuşak ) ve kolaylıkla şekil alabilen bir özelliktedir. Düşük soğuma hızlarında bile maraging çeliklerinin elde edilebilmeleri, yüksek nikel içerikleriyle mümkündür. Bu çeliklerde karbon empürite elementidir ve pratikte mümkün olduğu kadar düşük oranlarda (%0.030 max.) tutulur. Maraging çelikleri çökelme sertleşmesi yerine intermetalik bileşiklerin çökelmesi ile sertleştirilirler. Maraging çelikleri yüksek miktarda Ni, Co ve Mo içerirler(%18 Ni, %7-9 Co, %3-5 Mo).

24 Normal soğuma hızlarında meydana gelen tek dönüşüm, martenzit oluşumudur. Karbonsuz martenzit, gayet yumuşaktır, fakat çok fazla bozulmuştur. Tavlama veya sıcak işlem sıcaklığından havada soğutma sırasında maraging çelikleri, nispeten yumuşak martenzite dönüşür (30-35 HRC), bu da kolayca işlenir veya şekillendirilir. Bu çelikler daha sonra 3 saatten 9 saate kadar sürelerde C da yüksek mukavemet kazanmak için yaşlandırılırlar. Maraging çeliklerinde yaşlanma sırasında oluşan intermetalik fazlar, özel özelliklere sahiptir. Bunlar, karbürlerden farklı olup, intermetalik çökeltiler ile mukavemet kazanan alaşımlara özel uygulama alanları sağlamıştır. İntermetalik fazlar, ötektik dönüşüm olmaksızın, kristalleşme sırasında oluşurlar ve yapıda eşit olarak dağılırlar. Böyle bir malzeme, deforme olduğu zaman, dağılım homojen kalmaya devam eder. Mikroyapıda farklı çökelti fazları belirlenmiştir. γ-ni3mo, η-ni3ti, Laves-Fe2Mo, σ-femo, μ-fe7mo6, FeTi, Fe2Ti, dağılmış ostenit, tekli veya çoklu olarak oluşmuştur. Oldukça düşük karbon içerikleri nedeniyle, maraging çeliklerinin kırılma tokluğu, konvansiyonel yüksek-mukavemetli çeliklerden önemli ölçüde daha yüksektir.

25 Maraging çelikleri, 400 C ye kadar sıcaklıklarda uzun sürelerde kullanılabilir. Maraging çelikleri, orta karbonlu-düşük alaşımlı çeliklere göre hidrojen kırılganlığına daha çok dirençlidir. SCC ye duyarlı olmalarına rağmen, orta-karbonlu düşük alaşımlı çeliklerden daha dirençlidir. Maraging çeliklerinin uygulama alanları: Maraging çeliklerinin yüksek dayanım / ağırlık oranı ve yüksek tokluk özelliğine sahip olması nedeniyle, yeni türleri havacılık uygulamaları bakımından dikkat çekici olmuştur. Günümüzde özellikle katı yakıtlı roketlerde, ince cidarlı motor gövdesi olarak kullanılmaktadır. Roketlerden başka, jet motor milleri, helikopter esnek tahrik milleri, oynar kanatlı uçakların kanat bağlantı parçaları, uçak iniş takımları ve durdurma çengelleri gibi elemanların üretiminde geniş bir kullanım alanı bulunmaktadır. Ayrıca extrüzyon çubukları ve kalıplarında, pres döküm kalıplarında, vites ve şaftlarda kullanılmaktadır. WEATHERING (COR-TEN) ÇELİKLERİ Weathering çelikleri, atmosferdeki yumuşak çelik ve düşük karbonlu çeliklere göre yüksek korozyon direnci gösteren çeliklerdir. Konvansiyonel çeliklerin mekanik özelliklerinin %30 daha fazlasını gösteren bu çelikler sayesinde yapı çeliklerinde kalınlığın azalmasına, dolayısı ile çelik ağırlığının azalmasına neden olmuşlardır. Weathering çelikleri, düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerdir. Bu çelikler %0.2 den daha az karbon ve toplamda %3-5 i geçmeyecek şekilde Cu, Cr, Ni, P, Si, Mn gibi alaşım elementlerini içerirler. Cor-Ten çeliklerinin A ve B spesifikasyonlarındaki ana farklılık, bileşimlerindeki P miktarından kaynaklanır. Cor-Ten A, en yüksek (% ) ve Cor-Ten B ise en düşük P miktarını (%0.04) gösterir.