Çift Fazlı Çeliklerde Martensit Morfolojisinin Statik Deformasyon Yaşlanmasına Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Çift Fazlı Çeliklerde Martensit Morfolojisinin Statik Deformasyon Yaşlanmasına Etkisi M. Türkmen 1, S. Gündüz 2 1 Kocaeli Üniversitesi, Gebze M.Y.O, Metalürji Programı, KOCAELİ, mustafa.turkmen@kocaeli.edu.tr 2 Karabük Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İmalat Mühendisliği Bölümü, KARABÜK, sgunduz@karabuk.edu.tr The Effect of the Martensite Morphology on Static Strain Ageing Behaviour of Dual Phase Steels Abstract In this work strain ageing behaviour of a dual phase steel with different martensite morphology were investigated. Ageing experiments after 4 % prestrain were carried out at 180 o C for different times ranging from 10 to 160 min. It was found that the martensite morphology has no effect on the trend of ΔY (an increase in strength due to strain ageing), YS and UTS at different ageing times for 180 o C. However, at a given ageing time for 180 o C ΔY, YS and UTS values of fibrous martensite is higher than network or bulky martensite. Steel samples with bulky martensite showed the lowest ΔY, YS and UTS. Keywords Dual phase steel; Martensitic transformation; Mechanical properties; Microstructure. I. GİRİŞ Endüstrinin bütün alanlarında üreticiler, üstün özelliklere sahip hafif, dayanıklı, şekillendirme kabiliyeti ve şekillendirme sonrası dayanımı iyi olan malzeme kullanmayı arzu ederler. Bu arzu kullanıcılar açısından da geçerlidir. Özellikle otomotiv endüstrisinde taşıt ağırlığının azaltılması yakıt ve maliyet tasarrufu sağladığı için en büyük hedeflerden biridir. Enerji krizlerinin yaşandığı zamanlarda bu konu daha da ön plana çıkmaktadır. Yine bir enerji krizinin yaşandığı yetmişli yıllarda yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (YMDA) (HSLA) çeliklerin yerine kullanılabilecek ve bu çeliklerden üretilen çift-fazlı çelikler geliştirilmiştir. Çift fazlı çelikler üzerine yapılan çalışmaları otomotiv üreticileri de desteklemiş ve bu doğrultuda çelik üreticileri yoğun araştırmalar yapmışlardır (1). Çift-fazlı çelik üretim ısıl işleminin esasını kritik sıcaklıklarda tavlama+su verme oluşturmaktadır. Farklı ısıl işlem rotaları izlenerek üretilen farklı başlangıç mikro yapılarından farklı faz morfolojilerine ve farklı sıcaklıklarda kritik tavlama yapılarak da farklı martensit hacim oranına sahip çift-fazlı çelikler üretilebilir. Buda mikroyapı-mekanik özelliklerin ayarlanması açısından çok önemli bir avantajdır. Mikroyapıları yumuşak ferrit anayapı içerisinde dağılmış martensit fazlarından oluşmaktadır. Mikroyapılarında çok az miktarda kalıntı östenit, beynit veya perlit içerebilmelerine karşın çift-faz terimi esas fazları oluşturan ferrit ana yapı ve ikinci faz martensitten ileri gelmektedir. Bu çelikler üretildikleri YMDA çelikler ile kıyaslandığında pek çok şartlar için ideal olarak ifade edilebilecek özelliklere sahiptirler. Bunlar sürekli akma davranışı, düşük akma dayanımı, yüksek pekleşme hızı, düzgün ve toplam uzama ve düşük akma oranı gibi özelliklerdir [2]. Otomotiv endüstrisinde kullanılan çift fazlı çelikler soğuk deforme edildikten sonra boyanarak kurutulmaktadırlar. Teknolojik olarak şekillendirilmiş ve boyanmış sacın boya pişirme işlemi sırasında akma mukavemetinde görülen artış (fırınlama sertleşmesi) deformasyon yaşlanması mekanizması ile açıklanmaktadır [3,4]. Bu çalışmada farklı martensit morfolojisine sahip % 4 öndeformasyon uygulanmış çift fazlı çeliklerin 180 o C de farklı sürelerdeki statik yaşlanma davranışları araştırılmıştır. Yapılan çalışmada farklı martensit morfolojisine sahip çift fazlı çeliğin yaşlanma nedeniyle mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimin derecesi belirlenmeye çalışılmıştır. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada kullanılan çelik, sıcak haddelenmiş yapı çeliği olup 4 mm kalınlığında sac malzemedir. Çeliğin kimyasal bileşimi % ağırlık olarak 0.17 C, 1.4 Mn, 0.4 Si, S ve P den meydana gelmektedir. Bütün deney numuneleri ilk olarak düzenli bir başlangıç yapısı elde etmek için 1100 o C de 1 saat tavlandıktan sonra fırında soğutulmuştur. Ardından normalizasyon tavlaması, numunelerin 980 o C de 30 dakika tavlanıp havada soğutulması ile gerçekleştirilmiştir. Normalizasyon işleminden sonra numunelere 730 o C de 30 dakika süre ile üç farklı ısıl işlem uygulanmıştır. Numunelere uygulanan üç farklı ısıl işlem türü Şekil 1 de gösterilmiştir. A B C Şekil 1. Uygulanan çift faz ısıl işlem türleri 159

2 M. Türkmen, S. Gündüz A grubu numuneler 730 o C de 30 dakika tavlandıktan sonra suda soğutulmuşlardır. B grubu numuneler 980 o C de 30 dakika tavlandıktan sonra suda soğutulup, ardından 730 o C de tekrar 30 dakika tavlandıktan sonra suda soğutularak çifte su verme işlemi uygulanmıştır. C grubu numuneler ise 980 o C de 30 dakika tavlandıktan sonra 730 o C ye havada soğutulup ardından 730 o C de 30 dakika tavlandıktan sonra suda soğutulmuşlardır. Numunelerin yüzeyleri taşlanarak ısıl işlem sonucu oluşan oksitler ve dekarbürizasyon bölgeleri ortadan kaldırılmıştır. TS EN ISO 6982 standardına göre çekme numuneleri hazırlanmıştır. (5) Hazırlanan çekme numuneleri % 4 lük bir ön deformasyona tabi tutulduktan sonra 180 o C de 10, 20, 40, 80 ve 160 dakika bekletilerek yaşlandırılmıştır. Yaşlandırılan numuneler daha sonra çekme test cihazında kopuncaya kadar çekilmiştir. Statik deformasyon yaşlanması için çekme testleri Schimadzu marka çekme test cihazı kullanılarak 2 mm/dak çekme hızında gerçekleştirilmiştir. Numuneler sırasıyla 200, 400, 600, 800, 1000, 1200 meshlik su zımparasıyla yüzeydeki pürüzler yok edilinceye kadar zımparalanmıştır. Bu yüzeyler sırayla 6 m, 3 m ve 1 m elmas pastalar ile parlatılarak dağlamaya hazır hale getirilmiştir. Dağlama işlemi için % 2 lik Nital solüsyonu kullanılmıştır. Mikro yapı incelemeleri Nikon ECLIPSE L150 marka optik mikroskop kullanılarak yapılmıştır. Her numunenin değişik bölgelerinden farklı büyüklüklerde görüntüler alınarak bu görüntülerin bütün mikro yapıyı temsil edebilir nitelikte olmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca çelik numunelerin tane ebadı, ferrit ve martensit fazlarının % oranları uygun büyütmede Clemex Vision Lite marka mikroyapı analiz sistemi kullanılarak ölçülmüştür. III. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada kullanılan çeliğin başlangıç mikro yapısı ferrit ve perlit fazlarından oluşmaktadır. Fakat, uygulanan ısıl işlemler neticesinde Şekil 2 de görülen üç farklı çift faz morfolojisi elde edilmiştir. A grubu numuneler uygulanan kritik çift faz işlemi sonrası tane sınırlarında network (ağ) şeklinde dağılmış martensit morfolojisi (Şekil 2.a) göstermişlerdir. B grubu numuneler, ara ısıl işlem sonrası ferrit matris içerisinde üniform dağılan ince fiber martensit morfolojisinden meydana gelmiştir (Şekil 2.b). Kademeli su verilen C grubu numuneler ise kaba ferrit ve kütlesel martensit yapısı göstermişlerdir (Şekil 2.c). Das ve Chattopadhyay yaptıkları çalışmada kritik çift faz ısıl işlemi öncesi numunelerin mikroyapısal durumundaki farklılığın martensit morfolojisini etkilediğini göstermişlerdir. [6] Kritik tavlama ile mikroyapıda ağ, fiber ve kütlesel martensit hacim oranları % 16 olarak bulunmuştur (Şekil 2). Buda aynı sıcaklıkta yapılan farklı ısıl işlem türlerinin martensit hacim oranını etkilemediğini göstermektedir. Yapılan tane ebadı ölçümleri sonucunda ağ martensit morfolojisi gösteren A grubu numunelerindeki ferrit ve martensit fazlarının tane ebatları yaklaşık olarak sırasıyla 20 μm ve 5 μm olduğu görülmüştür. Fiber martensit morfolojisi sergileyen B grubu numuneleri ise 11 μm ve 3 μm ebatlarında sırasıyla ferrit ve martensit fazlarına sahip olmuşlardır. Ancak, kütlesel martensit morfolojisi sergileyen C grubu numunelerde ise ferrit ve martensit tane ebatları 22 μm ve 7 μm olarak ölçülmüştür. Tane ebatlarında meydana gelen bu değişim uygulanan farklı ısıl işlemlerin bir sonucudur. (a) (b) (c) Şekil 2. Çift fazlı çelik mikroyapıları (a) ağ martensit (b) fiber martensit (c) kütlesel martensit. Öndeformasyon uygulanmamış ve ardından 180 o C de dakika arasında yaşlandırılmış ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisine sahip numunelerin gerilme uzama diyagramları Şekil 3 te görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi yaşlandırma işlemi uygulanmamış farklı morfolojiye sahip çift fazlı çelik numuneler sürekli yani belirgin olmayan akma davranışı göstermiştir. Bu durum östenit-martensit dönüşümü sırasında oluşan dislokasyonların serbest olarak hareket etmesinin sonucunda ortaya çıkmaktadır [7]. Ön deformasyon uygulandıktan sonra 180 o C de 10, 20, 40, 80 ve 160 dakika yaşlandırılan numunelerin gerilme-uzama diyagramları belirgin akma noktası ve akma noktası uzaması göstermiştir. Gündüz [8] yapmış olduğu çalışmada belirgin akma noktasının ve akma noktası uzamasının tekrar ortaya çıkmasını arayer atomlarıyla deformasyon sırasında oluşan veya ısıl işlem sonrası gerilmeden dolayı meydana gelen dislokasyonların etkileşiminden dolayı meydana geldiğini belirtmiştir. 160

3 Çift Fazlı Çeliklerde Martensit Morfolojisinin Statik Deformasyon Yaşlanmasına Etkisi (a) Tablo 1. farklı morfolojiye sahip çift fazlı çeliklerin deformasyon yaşlanma davranışını belirlemek için, yaşlanma sonrası akma dayanımı (YS), deformasyon yaşlanmasından dolayı gerilmedeki artış (ΔY), maksimum çekme dayanımı (UTS) ve % uzama değerlerini göstermektedir. Tablo 1 incelendiğinde 180 o C de yaşlanma zamanı arttıkça yaşlanmadan dolayı akma dayanımının arttığı ve % uzamada düşüş olduğu görülmüştür. Ağ, fiber ve kütlesel martenzit morfolojisine sahip numuneler 180 o C de dk. arasında yaşlandırıldığında en yüksek akma ve çekme dayanımı göstermişlerdir. Yaşlanma süresinin 40 dakikadan 80 yada 160 dakikaya çıkması numunelerin akma ve çekme dayanımlarını düşürüp % uzamayı artırmıştır. Bu durum martensit fazının temperlenmesi neticesinde aşırı yaşlanmanın bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Rocha ve arkadaşları [9], aşırı yaşlanma süresince martensit içerisindeki karbürlerin kabalaşarak dayanımdaki azalmaya katkıda bulunduğunu rapor etmişlerdir. Tablo 1, 180 o C de farklı sürelerde yapılan yaşlandırma işleminin ΔY değerlerini de belirgin bir şekilde etkilediğini göstermektedir. Y değeri, yaşlanmadan dolayı oluşan akma dayanımı ile % 4 öndeformasyon uygulandıktan sonra elde edilen dayanım arasındaki farktır. Örneğin ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisine sahip numunelerin ΔY değerlerindeki en büyük artış 180 o C de 10 ila 40 dakika yaşlandırılan numunelerde görülmüştür. Bu durum dislokasyonların etrafında oluşan Cotrell atmosferi sonucunda dislokasyonların hareket edemediğini göstermektedir [10]. (b) IV. SONUÇLAR (c) Şekil 3. Öndeformasyon uygulanmayan ve öndeformasyon sonrası 180 o C de farklı sürelerde yaşlandırılan (a) ağ, (b) fiber ve (c) kütlesel martensit morfolojisine sahip numunelerin gerilme-uzama diyagramları Fiber martensit yapıya sahip 180 o C de 20 dakika yaşlandırılan B grubu numuneler en yüksek ΔY (62 MPa) değerine sahip olmuştur. Yaşlanma süresi 160 dakikaya çıktığında ΔY değeri 8 MPa a düşmüştür. ΔY değeri ağ ve kütlesel martensit numunelerde 180 o C de 160 dakika yaşlanma sonrası eksi değerlere inmiştir. Bu sonuçlar aşırı yaşlanmanın fiber martensit gösteren numunelerde, ağ ve kütlesel martensit gösteren numunelere göre daha yavaş olduğunu göstermektedir. Bu martensitin farklı morfolojileri ile ilgilidir. Tablo 1 ve Şekil 3 ten görüldüğü gibi martensit morfolojisinin 180 o C de farklı yaşlanma sürelerinde ΔY, YS ve UTS in genel davranışı üzerine etkisinin olmadığı görülmüştür. Örneğin, ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisi gösteren numunelerin hepsi 180 o C de 10 yada 40 dakika yaşlandırıldığında ΔY, YS ve UTS değerleri yükselmiştir. Yaşlanma sürelerinin 80 yada 160 dakikaya çıkması durumunda ise dayanımda düşme görülmüştür. Fakat verilen test sıcaklığında fiber martensit morfolojisine sahip numunelerin ΔY, YS ve UTS değerleri ağ ve kütlesel martensit morfolojilerine göre daha yüksek bulunmuştur. 161

4 M. Türkmen, S. Gündüz Tablo 1. Farklı morfolojiye sahip çift fazlı çeliklerin yaşlanma sonrası YS, ΔY, UTS ve % uzama değerlerini göstermektedir. Martensit Morfolojisi Ağ Fiber Kütlesel Yaşlanma Süresi (dak.) Yaşlanma Sonrası Akma Dayanımı ΔY UTS Uzama (%) Orjinal Orjinal Orjinal Kütlesel martensit numunelerinin 180 o C de 20 dakika yaşlanma sonrası ΔY (21 MPa) değeri ağ ve fiber martensitte sırasıyla 46 MPa ve 62 MPa a çıkmıştır. Fiber martensit morfolojisine sahip çift fazlı çelikteki yüksek dislokasyon yoğunluğu, yaşlanma süresince dislokasyon kilitlenmesine neden olarak dayanımı arttırmıştır. Ayrıca fiber martensit morfolojisine sahip numunelerin % uzama değerleri bütün yaşlanma süreleri için en yüksek değeri gösterirken ağ martensit morfolojisine sahip numunelerde en düşük değerlere ulaşmıştır (Tablo 1). Fiber martensit morfolojisi gösteren numunelerin en yüksek % uzama değerlerine sahip olması çok küçük ve boşluk büyümesini engelleyen birbiriyle bağlantılı martensit fazının varlığından kaynaklanmaktadır. Benzer sonuçlar Bayram ve arkadaşları [11] tarafından da rapor edilmiştir. Böylece, numunelerin ince fiber martensit morfolojisine sahip olması sünekliğin artmasına sebep olmuştur. Koo ve Thomas [12] çift fazlı çelikleri sert martensit fazı ile güçlendirilmiş metalik kompozitler olarak değerlendirmişlerdir. Çift fazlı çeliklerde fiber martensitin daha iyi dağılımından dolayı, bu çelikler ağ martensit ve kütlesel martensit çift fazlı çeliklerinden daha üstün mekanik özelliklere sahiptir. Fiber martensit morfolojisine sahip çeliklerde, ferrit yapı süreklidir ve bu ağ martensit morfolojisine sahip çeliklere göre daha yüksek uzamaya sebep olur. Bu çalışmada elde edilen deney numuneleri arasında fiber martensit morfolojisine sahip deney numuneleri ağ ve kütlesel martensit morfolojisine sahip numuneler ile kıyaslandığında açıkça daha çekici dayanım süneklik kombinasyonu sergilemiştir. (bkz Tablo 1 ve Şekil 2) Ağ martensit morfolojisine sahip numunelerin akma ve çekme dayanımları fiber martensitten düşük fakat kütlesel martensitten yüksektir. Bu sonuçlar Ekrami nin [13] elde ettiği sonuçlar ile tutarlıdır. Yaşlanma sertleşmesi çift fazlı çeliğin şekillenebilme özelliğini olumsuz yönde etkilemesine rağmen, eğer kontrol altında tutulursa dayanım artırma açısından çok ekonomik ve yararlı bir mekanizma olduğu söylenebilir. Fiber martensit yapılı 180 o C de 20 dakika yaşlandırılan çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerinde optimum sonuçlar elde edilmiştir. Bundan dolayı, bu çalışma fiber martensit yapılı numunelerin en iyi dayanım süneklik kombinasyonunu elde edebilmek için tercih edilebileceğini göstermektedir. Kontrollü bir şekilde, deformasyon yaşlanması bu tür çift fazlı çelikler için sertleştirme mekanizması olarak kullanılabilir. V. SONUÇLAR % 4 ön deformasyon uygulanan ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisine sahip çift fazlı çeliğe 180 o C de farklı sürelerde uygulanan statik deformasyon yaşlanma işlemi sonrası aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 1.Öndeformasyon ve yaşlandırma işlemi uygulanmamış ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisine sahip çift fazlı çeliğin gerilme-uzama diyagramları sürekli akma davranışı göstermiştir. Bu durum östenit-martensit dönüşümü sırasında oluşan dislokasyonların serbest halde hareket etmesiyle gerçekleşmektedir o C de 10 ila 40 dakika yaşlandırılan ağ, fiber ve kütlesel martensit morfolojisine sahip numunelerin akma ve çekme dayanımlarında artma görülürken, % uzama değerlerinde azalma olmuştur. Bu durum dislokasyonların etrafında oluşan Cotrell atmosferinin dislokasyonlar ile etkileşiminden kaynaklanmaktadır. 3-% 4 ön deformasyon uygulanan fiber martensit morfolojisine sahip çift fazlı çelik 180 o C de 20 dakika yaşlandırıldığında ΔY değeri en yüksek değere ulaşmıştır. Bu fiber martensitte yüksek yoğunluklu dislokasyonların yaşlanma süresince kilitlenmesi ile oluşmaktadır. Bununla beraber fiber martensit morfolojisine sahip çift fazlı çelik numuneler en iyi dayanım ve şekillenebilirlik davranışı göstermişlerdir. 4- Yaşlanma süresinin artması sonucu akma dayanımında azalma ve % uzamada bir artış görülmüştür. Bu durum aşırı yaşlanmanın bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Aşırı yaşlanmanın fiber martensit morfolojisine sahip numunelerde ağ ve kütlesel martensit morfolojisine sahip numunelere göre daha yavaş olduğu tespit edilmiştir. Fiber martensit morfolojisine sahip numunelerde dislokasyon yoğunluğunun yüksek olmasından dolayı daha fazla dislokasyon kilitlenmesi meydana gelerek aşırı yaşlanmanın hızını düşürmüştür. KAYNAKLAR [1] ASM Metals Handbook, Properties and Selection: Irons, Steels and High- Performance Alloys, 10th Edition, Vol [2] E. Tekin, Modern Yapı Çelikleri Eğitim Semineri, Metalurji Mühendisliği Bölümü, ODTÜ-Sem, s.92. Ankara,

5 Çift Fazlı Çeliklerde Martensit Morfolojisinin Statik Deformasyon Yaşlanmasına Etkisi [3] S. Turkoglu Ozdogru, E. S. Kayalı, H. Çimenoğlu Çelik saclarda deformasyon yaşlanma davranışının incelenmesi, IV. Demir-Çelik Sempozyumu, 2007 [4] A.K. De, K. De Blauwe, S. Vandeputte, B.C. De Cooman,. Effect of dislocation density on the low temperature aging behavior of an ultra low carbon bake hardening, Journal of Alloys and Compounds, , [5] TSE, Metalik malzemeler için çekme deneyleri, TS EN ISO 6892 Ocak/2010. [6] D. Das, P.P. Chattopadhyay,, Influence of martensite morphology on the work-hardening behaviourof highstrength ferrite-martensite dual-phase steel, J Mater Sci. 44, [7] S. Gündüz, B. Demir, R. Kaçar, Effect of aging temperature and martensite by volume on strain aging behaviour of dual phase steel, Ironmaking and Steel Making Vol [8] S. Gündüz. Static strain ageing behaviour of dual phase steels, Materials Science and Engineering A : 486/1-2: 63-71, [9] R.O. Rocha, T.M.F. Melo, E.V. Pereloma, D.B. Santos Microstructural evolution at the initial stages of continuous annealing of cold rolled dualphase steel. Materials Science and Engineering A; 391: [10] R. Mohan, C. Marshall, Acta Mater.,, 46, s [11] A. Bayram, A. Uğuz,, M. Ula., Effects of Microstructure and Notches on the Mechanical Properties of Dual-Phase Steels. Mater. Charact. 43, [12] J.Y. Koo, G. Thomas, Formable HSLA and dual phase steels. In: Davenport, A.T. (Eds.), TMS-AIME, Chicago, Illinois, pp [13] A. Ekrami, High temperature mechanical properties of dual phase steels, Materials Letters. 59, ,