Relations on The AISI 4140 Steel Hardness and Fatigue Strength

Transkript

1 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 AISI 4140 Çeliğinde Sertlik, Yorulma Dayanımı İlişkisi Mehmet SUBAŞI *, Çetin KARATAŞ Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Ankara/Türkiye Geliş Tarihi: 24/05/2010 Kabul Tarihi: 16/06/2010 ÖZET: Bu çalışmada, metal malzemelerin farklı sertlik değerlerinin yorulma ömrü üzerindeki etkisini göstermek amacı ile otomotiv, makine ve kalıp teknolojilerinde yaygın kullanımı olan AISI 4140 çelik malzemesi incelenmiştir. AISI 4140 çelik malzemesi, CNC tezgâhında tornalanarak standart yorulma deney numuneleri elde edilmiştir. Bu numunelerin 45 tanesi sertleştirilme işlemine tabi tutulmamış, kalan numuneler ise 40, 45, 50 HRC farklı sertlik değerlerinde olacak şekilde 45 erli üç numune grubuna ayrıştırılarak dört farklı numune grubu oluşturulmuştur. Oluşturulan bu numune gruplarının yorulma dayanımı seviyeleri yapılan deneyler sonucunda tespit edilmiş ve sertleştirilmemiş numunelerin yorulma dayanımı 463 MPa olarak bulunurken; 40, 45, 50 HRC sertlikteki numunelerin yorulma dayanımları sırası ile 783, 792, 739 MPa olarak bulunmuştur. En iyi yorulma dayanımı 45 HRC sertlikte elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Sertleştirme, Yorulma Dayanımı, AISI 4140 Çeliği Relations on The AISI 4140 Steel Hardness and Fatigue Strength ABSTRACT: AISI 4140 steel used commonly in automotive, machine and moulding technologies has been investigated in order to show the influence of the various hardness values of a metal material on fatigue life. Standard fatigue samples are turned at CNC machine by using AISI 4140 steel material. These samples have been divided into four groups as 45 of them are unquenched and the remaining is quenched to a hardness of 40, 45 and 50 Rockwell C (HRC) with 45 samples in three different groups. Fatigue strength levels of these samples have been evaluated after a set of experiments and fatigue strengths of quenched to a hardness of 40, 45 and 50 Rockwell C (HRC) have been found as 783, 792, and 739 MPa respectively while unquenched sample has been found as 463 MPa. The best fatigue strength has been obtained at 45 HRC. Key Words: Quenching, Fatigue Strength, AISI 4140 Steel 1. GİRİŞ Klasik elastisite teorisine göre, akma gerilmesi altındaki yüklemeye maruz malzemelerde sadece elastik deformasyonun meydana geleceği kabul edilir. Yükleme hızının tesirli olmadığı, gerilmenin değeri maksimum çekme gerilmesini aşmadığı müddetçe malzemede tahribat beklenmez. Buna rağmen, maksimum çekme gerilmesinin, hatta akma gerilmesinin altında dinamik yükler altında çalışılan malzemelerin bir süre sonra tahrip olduğu mühendislik uygulamalarında çok sık bir şekilde rastlanmaktadır. Bu şekilde değişen yükler altında malzemenin tahribine yorulma denir [1]. Metal malzemelerde yorulma dayanımı çok büyük bir öneme sahiptir. Günlük hayatımızda çok önemli bir yere sahip olan metal esaslı malzemelerin yorulma dayanımlarının arttırılması için çeşitli işlemler yapılmaktadır. Bunlardan ısıl işlem, malzemenin önemli bazı mekanik özelliklerini iyileştirdiği gibi, metalik malzemenin yorulma dayanımını da arttırmaktadır. Dinamik olarak zorlanmaya maruz makine parçalarının tasarımı sırasında kullanılan klasik mukavemet hesapları yerini, yorulma dayanımını dikkate alan hesaplama yöntemine bırakmaktadır [2]. Makine parçalarının sabit yüklerden başka, tekrarlanan yüklere maruz kaldığı bilinmektedir. Çevrimsel yüklerin, toplam yükün önemli bir oranını teşkil etmesi halinde, yapılara değişken kuvvetler *Sorumlu Yazar: Subaşı, M., msubasi@gazi.edu.tr etkilemekte ve bunun sonucunda makine parçalarında değişik gerilmeler meydana gelmektedir [3]. Metal malzemeler testlerine göre günümüzde düşük yorulma çevirimi ( N = 5 x x 10 5 çevrim ), yüksek yorulma çevirimi ( N = çevrim ) ve çok yüksek yorulma çevirimi testi ( N = çevrim ) olmak üzere üç kategoriye ayrılmıştır [4]. Yorulma eğrisinin (S-N) oluşturulması ile ilgili yapılan çalışmalar düşük çevirimde kırılma [yüzeyde çatlak oluşumu], yüksek çevirimde yüzey altı çatlak oluşumu ( balık gözü ), çok yüksek çevirimde ise kırılma olmadığını göstermiştir [5]. Alaşım elementleri, çeliklerin aşınma direnci ve yorulma davranışı gibi özelliklerinde bir takım iyileşmelere sebep olmaktadır [6]. Özellikle uygun su verme ve temperleme işlemleri ile statik çekme dayanımı artmaktadır. Birçok çelik türünde yorulma dayanımı yaklaşık olarak maksimum çekme dayanımının yarısı kadardır [7]. Isıl işlem uygulanacak çelik parçalarda alaşım elementlerinin en önemli rolü çeliklerin su alma derinliğini arttırarak, sertliğin yüzeyden itibaren daha derin kısımlara kadar artmasını sağlamak ve dolayısıyla yorulma dayanımını artırmaktır [3]. Yorulma dayanımını arttırıcı çeşitli yöntemler ile işlem görmemiş numuneler arasındaki ilişkiyi inceleyen literatürde çok farklı çalışmalar yer almaktadır. Bu çalışmalarda iyon nitrürlenmiş [8]

2 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 indüksiyon sertleştirilmiş [9] bilyalı dövülmüş çeliklerin [10] çeşitli ortamlardaki yorulma dayanımları incelenmiştir. Sertleştirme işlemi, malzeme özelliklerini iyileştirmek ve parçanın ağırlığını arttırmadan yüksek dayanım elde edebilmek için kullanılan yaygın yöntemlerden biridir. Yorulma dayanımını arttırmak amacı ile de kullanılan sertleştirme işlemi AISI 4140 çelik malzemesinde farklı sertlik derecelerinde numuneler elde etmede kullanılmıştır. Bu çalışmada, AISI 4140 çelik malzemesinde sertlik ve yorulma dayanımının karşılaştırılması amacı ile numunelerin 45 tanesi sertleştirilme işlemine tabi tutulmamış, kalan numuneler ise 40, 45, 50 HRC farklı sertlik değerlerinde olacak şekilde 45 erli üç numune grubuna ayrıştırılarak dört farklı numune grubu oluşturulmuştur. Bu numunelerin yorulma dayanımı seviyeleri yapılan deneyler sonucunda tespit edilmiş ve sonuçlar irdelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOT 2.1. Deney Numunesinin Hazırlanması Deney malzemesi olarak AISI 4140 çeliği kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan numuneler ASTM E-466 ve 468 e[11-12] göre 16 mm çaplı malzemeden tornalanarak hazırlanmıştır (Şekil 1). Deneylerde kullanılan çeliğin kimyasal bileşimi Çizelge 1 de verilmiştir Şekil 1. Deney numunesi, mm Çizelge 1. AISI 4140 çeliğinin kimyasal bileşimi Element C Mn Si Cr S P Mo % 0,41 0,83 0,21 0,9 0,027 0,027 0,18 Deney numunelerinin tümü CNC torna tezgahında işlenip, TSE 1143 e göre 0,025 mikron yüzey kalitesine ulaşabilmek için 180, 220, 400, 600, 800 ve 1200 numara zımpara ile eksenel olarak zımparalanarak 45 erli dört gruba ayrılmıştır (Çizelge 2). Bu gruplar aynı numunenin üç farklı noktasından alınan ölçümlerin ortalaması yolu ile elde edilmiştir. Tornalanmış ve parlatma işlemi yapılmış numunelerin ısıl işlem şartları Çizelge 3 de verilmiştir. 12 HRC Tornalanmış 45 adet numune Çizelge 2. Deneylerde kullanılan numune grupları Deney numuneleri 40 HRC sertleştirilmiş 45 HRC sertleştirilmiş 45 adet numune 45 adet numune 50 HRC sertleştirilmiş 45 adet numune Sertlik değeri (HRC) Çizelge 3. Isıl işlem parametreleri Sertleştirme ortamı Sertleştirme sıcaklığı ( o C) Temperleme sıcaklığı ( o C) Temperleme süresi (dak) C Yağ C 40 dak C Yağ C 40 dak C Yağ C 40 dak

3 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), Deney Cihazı Yorulma deneyleri şaft hızı 2800 d/d olan Masa üstü dönen eğmeli (Wöhler) yorulma makinesi kullanılarak yapılmıştır. Uygulanan gerilme sonrasında numunenin kaç devir sonra kırıldığı yine makine üzerinde bulunan bir sayaç yardımı ile tespit edilmiştir Deneyin Yapılışı Yorulma deneyi için numuneler test cihazına 7 mm lik pensler ile bağlanmıştır. Pensler arasındaki mesafe TSE 1143 e uygun olarak numunenin en dar kesitinde oluşacak maksimum gerilme hesaplanarak bulunmuştur. Çalışmada yorulma grafikleri ASTM E 739 a göre yapılmıştır. Wöhler (S-N) diyagramında numunelerin kullanım dağılımı ise, sonlu ömür dayanım bölgesinde az, sürekli dayanım bölgesinde mümkün olduğunca çok sayıda olmuştur. Yorulma grafikleri logaritmik ölçek ile çizilmiştir. Grafiklerin çizimi esnasında öncelikle literatür araştırılması ile numunelerin akma dayanımları tespit edilmiştir. Daha sonra akma sınırından aşağıya doğru belirlenen aralıklar ile inilerek o numune grubunun yorulma dayanım sınırı tespit edilmiştir. Yorulma deneyleri sırasında bir gerilme seviyesinde kopmayan numuneler diğer bir gerilme seviyesinde kullanılmamıştır. Uygulanan gerilme değerinde numune kırılmamış ise deney 10 7 çevrim sayısını geçince kesilmiştir. Deneyler, Wöhler yorulma test cihazında periyodik olarak basma ve çekme yüklemesi yapılarak uygulandığı için R= -1 alınmıştır. Bütün yorulma deneyleri laboratuar şartlarında yapılmıştır. Şekil 2. Yorulma deney cihazı Yorulma dayanımı değeri bulunur iken eşitlik (1) [13] kullanılmıştır. LF σ = d =(10.18*50.8*F/3.81) Burada; σ : Numune üzerine etkiyen maksimum gerilme (MPa) L : Çubuğun boyu (mm) F : Yük (N) d : Çap (mm) dır. 3. SONUÇ VE TARTIŞMA Yorulma dayanımı grafiklerinin oluşturulmasında ilk uygulanan yükler numune gruplarının akma dayanımlarına bağlı olarak belirlenmiştir. Bu başlangıç değerleri tornalanmışsertleştirilmemiş 40, 45, 50 HRC sertleştirilmiş numuneler için sırası ile 656, 877, 877, 971 MPa dır. Daha sonra numunelere uygulanan gerilmeler 10, 20, 30 MPa azaltılarak deneylere devam edilmiştir. Bu işlemler sonucunda tornalanmış-sertleştirilmemiş 40, 45, 50 HRC sertleştirilmiş numunelerin yorulma dayanımları sırası ile 463, 783, 792, 739 MPa olarak bulunmuştur ( Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5, Şekil 6 ).

4 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 Şekil 3. AISI 4140 tornalanmış-sertleştirilmemiş numunenin S-N grafiği Şekil 4. AISI HRC sertlikteki numunenin S-N grafiği

5 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 Şekil 5. AISI HRC sertlikteki numunenin S-N grafiği Şekil 6. AISI HRC sertlikteki numunenin S-N grafiği

6 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 Tornalanmış-sertleştirilmemiş numunede bulunan yorulma dayanımı değeri 40 HRC sertlikteki numunenin yorulma dayanımı ile karşılaştırıldığında 40 HRC sertlikteki numunenin yorulma dayanımında yaklaşık % 69 luk bir artış ortaya çıkmıştır. 40 ve 45 HRC sertlikteki numunelerin yorulma dayanımı değerlerinin birbirine yakın olduğu görülmüştür. Fakat HRC sertlikteki numunenin yorulma sınırı 50 HRC sertlikteki numunenin yorulma sınırı ile karşılaştırıldığında yorulma sınırında yaklaşık % 0,7 oranında azalma olmuştur (Çizelge 4, Şekil 7). Sertlik Değeri (HRC) Çizelge 4. AISI 4140 Yorulma dayanımı değerleri Yorulma Dayanımı (MPa) Tornalanmış-sertleştirilmemiş numuneye göre artış (%) Tornalanmış-sertleştirilmemiş Şekil 7 ve Çizelge 4 de görüleceği gibi AISI 4140 çeliğinde sertleştirme yorulma dayanımını arttırmıştır. Ancak en iyi yorulma dayanımı 45 HRC sertleştirilmiş numunede olduğu görülmüştür. Şekil 7. AISI 4140 çeliğinin farklı sertliklerdeki yorulma dayanımları Choo, [9], Menig R.[14] ve arkadaşlarının yaptıkları araştırmalardaki deney gruplarından işlem görmemiş AISI 4140 çelik numunelerin yorulma dayanımlarını sırası ile 418 ve 440 MPa bulmuşlardır. Elde edilen sonuçlar yaptığımız çalışma ile karşılaştığında sırası ile 40 ve 23 MPa fark olduğu görülmüştür. 40 MPa lık farkın bu çalışmada kullanılan malzemede Si 0,21, Cr 0,9 iken Choo, ve arkadaşlarının, çalışmasındaki Si 0,23 ve Cr 1,03 olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. 23 MPa lık farkın da deneyin yapılış koşullarından kaynaklandığı düşünülerek bulunan sonucun tutarlı olduğu kanısına varılmıştır. Lee ve arkadaşlarının [15], sertlikten dolayı yorulma ömrü gerilmesi için tahmini metotlar isimli çalışmalarında geliştirerek kullandıkları ampirik formülleri çalışmamızdaki sertlik değerlerine uyguladığımızda 40 HRC sertleştirilmiş numunelerin yorulma dayanımı 756 MPa çıkmaktadır. Deneyler sonucunda 40 HRC sertleştirilmiş numunenin yorulma dayanımı 783 MPa bulunmuştur. Aradaki fark görüldüğü gibi 27 MPa olmaktadır. 40 HRC sertlikteki fark gibi çalışmamızdaki diğer 45, 50 HRC sertliğindeki malzemelerimizde elde edilen yorulma değerleri literatürdeki denklemlerle elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığında 24, 35 MPa farklar olduğu gözlenmiştir. Bununda deneyin yapılışı ve sertleştirme koşullarının farklı oluşu olabileceği düşünülerek elde edilen sonuçların tutarlı olduğu kanısına varılmıştır. Aken, D. V., [16], çeliğin yorulma dayanımı sınırı isimli çalışmalarında Rockwell C sertlik değeri ile yorulma sınırı arasındaki bağlantıyı incelemiştir. Aken,

7 KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), KSU Journal of Engineering Sciences, 13(1), 2010 D., V. nin, yüzeydeki sertliğe göre yorulma grafiği tahmin tablosunda, AISI 4140 çeliği 45 HRC sertlikte maksimum yorulma dayanımına ulaşmaktadır. 45 HRC den sonra yorulma dayanımında azalma görülmektedir. Her malzeme için optimum bir sertlik değerinin olduğu bu sertliğin altında ve üstünde yorulma değerinin düştüğü Aken, D., V. nin çalışmalarında belirtilmektedir. Yaptığımız çalışmada 45 HRC sertlikten sonra yorulma dayanımı azalma göstermiştir. Bunun sonucunda yaptığımız çalışma ile uyumlu olduğu görülmüştür. Evins Lee J.[17] dayanıma bağlı korozyonyorulma direnci isimli çalışmalarında orta karbonlu düşük alaşımlı çelik (AISI ) grubuna giren AISI 4130 çeliği kullanmıştır. Çalışmada numuneler 24 ila 48 HRC arasında gruplara ayrılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda 48 HRC sertlikteki numunede en yüksek yorulma dayanımı elde edilememiştir. Çeliğin yapısında oluşan aşırı kırılgan yapının bunun sebebi olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada da 50 HRC sertlikteki numunelerde elde edilen kırılgan yapıdan dolayı en yüksek yorulma dayanımına ulaşılamamıştır. 45 HRC en yüksek yorulma dayanımı vermiştir. Düşük alaşımlı çeliklerde mikro yapının mekanik özelliklere etkisi çok fazladır. Örneğin çeliğin martenzit yapısı en önemli etkiye sahiptir. Çeliğin martenzit hacim oranı arttıkça yorulma dayanımı değeri artmaktadır [18]. Artan bu değerin optimum bir değeri olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada AISI 4140 numuneler çeşitli sertlik değerlerine getirilmiş ve yorulma dayanımları karşılaştırılmıştır. Deneyler sonucunda 12, 40, 45, 50 HRC sertlikteki numunelerin yorulma dayanımları sırası ile 463, 783, 792, 739 MPa dır. Bu sonuçlara göre de optimum yorulma değeri 45 HRC sertlikte elde edilmiştir. 4. SONUÇ AISI 4140 malzemesi ile yapılan sertlik ve yorulma deneyi incelemelerimizden aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır. 1. AISI 4140 malzemesi için en yüksek yorulma dayanımı 45 HRC sertleştirilmiş numunede 792 MPa olarak bulunmuştur. 2. Her malzemenin yorulma dayanımı açısından optimum bir sertlik değerinin olduğu görülmüştür. 3. Sertleştirme işlemi görmüş bir malzemenin görmemişe göre daha yüksek yorulma dayanımı verdiği görülmüştür. 4. Malzemenin kimyasal bileşiminin yorulma dayanımını etkilediği görülmüştür. 5. KAYNAKLAR 1. Anonim, Malzeme teknolojisinde deneysel verilerin değerlendirilmesi seminer notları, Boğaziçi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Bölüm 5, 19 (1984). 2. İmrak, E. C. ve Fetvacı, C., Makine Parçalarının Yorulma Dayanımını Artık Gerilmeler Yardımıyla Arttırma, Mühendis ve Makine, 34 (403): (1993). 3. Çarboğa, C., Ç1010 Yapı Çeliğinde Soğuk Çekme İle Sağlanan Deformasyonun Malzemenin Yorulma Davranışına Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2002). 4. V., F., Terent ev, On the problem of the fatigue limit of metallic materials, Metal Science and Heat Treatment, 46, (2004). 5. Yukitaka, M., Masayuki, T., Toshiyuki, T., Superlong life tension-compression fatigue properties of quenched and tempered 0.46 % carbon steel, International Journal of Fatigue, 16, (1998). 6. Kristoffersen, H., Vomacka, P., Influence of process parameters for induction hardening on residual stresses, Materials & Desing, 22: (2001). 7. Dowling, N.E., Mechanical behavior of materials, (2nd ed.). New York: Prentice Hall International, Inc., (1999). 8. Genel, K., İyon nitrürlenmiş AISI 4140 çeliğinin yorulma ve korozyonlu yorulma davranışı, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 50-80, (2000). 9. Choo, S-H., Lee, S., Golkovski, M., G., Effect of accelerated electron beam irradiationon surface hardening and fatigue properties in an AISI 4140 steel used for automotive crankshaft, Materials Science & Engineering, 293: (2000). 10. Ochi, Y., Masaki, K., Matsumura, T., Sekino, T., Effect of shot-peening treatment on high cycle fatigue property of ductile cast iron, International Journal of Fatigue, 23, (2001). 11. ASTM, Contuctıon Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials, Philadelphia, ASTM E (1982). 12. ASTM, Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Result For Metallic Materials, Philadelphia, ASTM E (1982). 13. Askeland, D.R., The Scine and Engineering of Materials, PWS Pub. Co., London, (1994). 14. Menig, R., Schulze, V., Vöhringer, O.,, Optimized warm peening of the quenched and tempered steel AISI 4140, Materials Science & Engineering, 335, (2002). 15. Lee, Kwang-Soo, Song, Ji-Ho, Estimation method for strain-life fatigue properties from hardness, İnternational Journal of Fatigue, 27: 1-15 (2005). 16. Aken, V. D., Fatigue endurance limit of steel, Industrial heating, 68 (12): 14 (2001). 17. Evins, J.L., Dependence of strength on corrosionfatigue resistance of AISI 4130 steel Master of Thesis, Georgia Institute of Technology, Georgia, 1-57 (2004). 18. Boyer, H. E. (Ed.)., Atlas of fatigue curves Metals Park: American Society for Metals, 1-12 (1986).