www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (2) 1-9 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale 4 Farklı Çeliğin Bazı Mekanik Özelliklerine Fe-Fe 3 c Faz Diyagramında A 1 -A 3 Arasında Yapılan Isıl İşlemlerin Etkisi Sinan ULU, Halil AYTEKİN, Galip SAİD Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, AFYONKARAHİSAR ÖZET Son zamanlarda metalik malzemelerin içyapısı, temel mekanik özellikleri ve kırılma tavırları arasındaki ilişkiler üzerine yapılan çalışmaların sayısı artmaktadır. Bu alanda esasen kabul edilmiş bir korelasyonu elde etmede karşılaşılan zorluklar, çelik malzeme içerisinde istenilen bir içyapıyı elde etmedeki zorlukla neredeyse paraleldir. Bu çalışmada, Fe - Fe 3 C faz diyagramının A 1 ve A 3 sıcaklık aralığında kalan Ferrit - Ostenit bölgesinde ve A 3 sınırının 30 C-50 C üstünde yapılan toplam altı farklı ısıl işlemin, karbon oranları farklı, düşük alaşımlı dört çeşit çeliğin temel mekanik özelliklerine ve iç yapılarına etkisi araştırılmaya çalışılmıştır. Mekanik deneylerden (tek eksenli çekme, darbe) elde edilen verilerdeki (akma gerilimi, çekme gerilimi, yüzde daralma, yüzde uzama, darbe tokluğu) değişiklikler incelenmiştir. Ayrıca optik mikroskoptan alınan içyapılarla mekanik deney verileri arasındaki ilişkiler üzerinde de açıklamalar yapılmıştır. Anahtar kelimeler: Isıl İşlemler, Mekanik Özellikler, İçyapı. 1. GİRİŞ Otektoidaltı bir çeliğe olumlu yönde etki edecek bir takım mekanik özellikleri kazandırmak için genellikle Fe-Fe 3 C faz diyagramında östenitleştirme bölgesi olarak ifade edilen aralıkta ısıl işlemler uygulanmaktadır. Fakat artan östenitleştirme sıcaklığıyla çelik malzeme içerisindeki tane boyutunun artması veya su verme esnasında dönüşmeyen kalıntı östenitlerin oranının yüksek olması, bazı içyapı ve mekanik özelliklerin sağlanamaması demektir. Arzu edilen içyapıyı değiştirmeden, sadece istenmeyen bir yapıyı malzemeden uzaklaştırmak ise neredeyse imkânsız sayılabilecek zorluktadır. Duruce yaptığı bir çalışmada, yüksek saflıktaki bir Mn Mo Ni (0.24 C, 1.37 Mn, 0.51 Mo, 0.54 Ni, 0.26 Si) çeliğine, östenitleştirme sıcaklığının, kırılma açısından etkisini araştırmış ve sonucunda artan östenitleştirme sıcaklığıyla, sünek gevrek geçiş sıcaklığının arttığını belirlemiştir [1]. Aydın yaptığı bir çalışmada, düşük alaşımlı Cr V çeliğinin ısıl işlemler sonucu kırılma tokluğunun değişimini incelemiştir. 850 C de östenitleştirilmiş, yağda soğutulmuş ve daha sonra değişik sıcaklıklarda temperlenmiş çeliklerin, özellikle 400 C üzerindeki temperleme sıcaklıklarında, tokluk ve darbe enerjilerinde önemli bir artış olduğunu ifade etmiştir [2]. Hertzbeg ise bir çalışmasında, Ni-Cr-Mo çeliğinin 150 C den 550 C ye kadar artan temperleme sıcaklıklarıyla darbe enerjisinin 3-4 kat arttığını saptamış, karbürlerin küreselleştiğini ve bunun yanında martensit içeren yapının mukavemetinin azaldığını belirlemiştir [3].
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 1-9 4 Farklı Çeliğin Bazı Mekanik Özelliklerine Fe-Fe 3 c Faz Klepaczko ve Solecky, 5140 çeliği üzerine (0.44 C, 0.61 Mn, 0.9 Cr, 0.27 Si, 0.1 Ni, 0.065 Mo, 0.0145 S, 0.025 P) yaptıkları bir çalışmada nispeten yüksek temperleme sıcaklığıyla kırılma tokluğunun arttığını tespit etmişler ancak kalıntı östenitin söz konusu çeliğin kırılma tokluğuna etkisini tartışmaya açık bırakmışlardır [4]. Son yıllarda, su verilmiş ve temperlenmiş, düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin kırılma tokluğu, artan östenitleştirme sıcaklığıyla, çekme geriliminde herhangi bir kayıp olmaksızın arttırılabilmektedir. Fakat bu durumu gerçekleştirmek çeliğin kimyasal kompozisyonuna oldukça bağlıdır. Ancak, süneklik ve darbe enerjisi gibi tokluğun diğer unsurları, östenitleştirme sıcaklığının artmasıyla azalmaktadır [5-8]. Literatürden de görüldüğü gibi yapılan çalışmalarda seçilen sıcaklık aralıkları genellikle östenit bölgesinde gerçekleşmektedir. Bu çalışmada ise daha önce yapılan çalışmalara nispeten, Fe-Fe 3 C faz diyagramının, A 1 A 3 aralığından yani ferrit östenit bölgesinden ısıl işlem rejimleri seçilmiş ve bu ısıl işlemlerin çalışmada kullanılan çeliklerin bazı mekanik özelliklerine, içyapılarına etkisi etraflı bir şekilde ele alınmaya çalışılmıştır. 2. MATERYAL VE METOD Çalışmada, farklı ısıl işlem rejimlerinin, çeliklerin temel mekanik özelliklerine ve özellikle akma gerilimine etkisi orta karbonlu çelikler üzerinde incelenmiştir. SAE 1040 çeliği, transmisyon millerinin, rayların ve dişlilerin yapımında kullanılmaktadır. SAE 1050 çeliği, yüksek mukavemet gerektiren parçaların, dişlilerin, toprak ve kömür sektöründe kırıcı ve kazıcı parçaların yapımında, cer kancaları, dişliler, kazmalar, cıvatalar, miller ve şaftların yapımında kullanılmaktadır. Sertliği yağda 58 HRC, suda 61 HRC ye kadar çıkabilir. Sertleştirilmiş ve temperlenmiş durumda, yaklaşık olarak 660 800 MPa çekme mukavemetine, 400 MPa kadar da akma mukavemetine sahip olmaktadır [9]. AISI 8620 Çeliğinin kullanım alanları; zorlamalı parçalar, miller, ekstrüzyon yoluyla şekillendirilen piston pimleri, zincir baklaları ve dişlileri, çeşitli oto dişlileri ve traktör dişlileri, otomobil vites kutusu, şaftlar, bazı otomobillerin direksiyon mekanizmaları, diferansiyel yüzük dişlileri, uçak motorları, kam mili, kamalı mil v.s. yapımında kullanılmaktadır. SAE 4140 inşaat ve ziraat makineleri, takım tezgahları, uçak parçaları, akslar, krank kolları, krank milleri, dişliler, bandajlar, 12K şartlarına uygun cıvata, somun, saplama v.b. parçaların imalinde kullanılmaktadır. Bu çelik aynı zamanda alev veya endüksiyonla yüzeyden serleştirilebilirler [10]. 2.1 Çeliklerin Kimyasal Kompozisyonları Kullanılan çeliklerin, Eskişehir YUMRUKÇAL Demir Çelik Ticaret A.Ş. fabrikasında yapılan spektrum analiz sonuçları tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Çalışmada Kullanılan Çeliklerin Kimyasal Kompozisyonları. Çelik Türü C Si Mn Cu P S Al Ni Cr Mo Fe % SAE1040 0,421 0,205 0,532 0,153 0,00873 0,0278 0,0228 - - - 98,6 SAE1050 0,491 0,255 0,581 0,177 0,00814 0,0154 0,0217 - - - 98,3 AISI8620 0,217 0,230 0,694-0,0118 0,0149-1,03 0,524 0,347 96,8 SAE4140 0,398 0,033 0,793-0,019 0,0276-0,16 0,77 0,16 98,7 2.2. Çeliklere Uygulanan Isıl İşlemler İncelenen çeliklerin karbon oranlarının farklı olması seçilen ısıl işlem sıcaklıklarının da birbirinden farklı olmasına neden olmuştur. Numunelere uygulanan tam tavlama ısıl işleminde bekletme süresi 20 2
Ulu, S., Aytekin, H., Said, G. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 1-9 dakikadır. Su verme sıcaklıklarında belirlenen bekletme süresi de 20 dakikadır. Soğutma ortamı olarak saf su kullanılmıştır. Temperleme sıcaklıklarında ise tüm numuneler için bekletme süresi 30 dakika ve fırın içerisinde soğutma işlemi uygulanmıştır. SAE 1040 ve 1050 çeliğine uygulanan ısıl işlemlerin bölgeleri şekil 1 de AISI 8620 ve SAE 4140 şekil 2 de verilmiştir. Şekil 1. SAE 1040 ve 1050 Çeliği İçin Seçilen Isıl İşlem Bölgeleri. Şekil 2. AISI 8620 ve SAE 4140 Çeliği İçin Seçilen Isıl İşlem Bölgeleri. SAE 1040 ve 1050 çelikleri için seçilen ısıl işlem rejimlerinin sayısal değerleri tablo 2 de AISI 8620 ve SAE 4140 çelikleri için ise bu değerler tablo 3 de gösterilmiştir. 3
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 1-9 4 Farklı Çeliğin Bazı Mekanik Özelliklerine Fe-Fe 3 c Faz Tablo 2. a) SAE 1040, b) SAE 1050, c) AISI 8620, d) SAE 4140 Çelikleri için Seçilen Isıl İşlem Rejimlerinin Sıcaklık Değerleri. Çelik Türü SAE 1040 Isıl İşlem Türü ve Sıcaklıkları ( C) Su Verme Temperleme Sıcaklığı Sıcaklığı 810 650 765 650 765 500 735 650 735 500 810 Tam tavlama Çelik Türü SAE 1050 Isıl İşlem Türü ve Sıcaklıkları ( C) Su Verme Temperleme Sıcaklığı Sıcaklığı 800 650 750 650 750 500 735 650 735 500 800 Tam tavlama (a) (b) Çelik Türü Isıl İşlem Türü ve Sıcaklıkları ( C) Su Verme Temperleme Sıcaklığı Sıcaklığı 870 650 Çelik Türü Isıl İşlem Türü ve Sıcaklıkları ( C) Su Verme Temperleme Sıcaklığı Sıcaklığı 810 650 AISI 8620 800 650 800 500 735 650 735 500 870 Tam tavlama SAE 4140 765 650 765 500 735 650 735 500 810 Tam tavlama (c) (d) 2.3. Deney Numuneleri ve Metalografi İncelemeleri Mekanik deneylerin tümü Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Tek Eksenli Çekme Deneylerinde Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi projesiyle üretilmiş olan 5 tonluk çekme kapasitesine sahip test cihazı kullanılmıştır. Bilgisayar destekli olan bu cihaz elde edilen grafikleri kuvvet - uzama koordinatlarında vermektedir. Alınan değerler gerilim birimine daha sonra çevrilmektedir. Çekme deneyinde kullanılan numunenin ebatları ve örnek bir kuvvet- uzama grafiği şekil 3 de gösterilmiştir. Darbe Deneyi, Çentikli ve çentiksiz numuneleri test edebilen, yaklaşık 30 kg vurucu başlık ağırlığıyla serbest salınım yaparak numuneleri kıran PSd 300/150-1 markalı cihazla yapılmıştır. Sonuçlar cihaz üzerindeki elektronik gösterge kumandasından Joule olarak alınıp bu değerler darbe tokluk birimine çevrilmektedir. Darbe deneyi için gerekli olan numune standartları ise şekil 4 de belirtilmiştir. Şekil 3. Tek Eksenli Çekme Deneyi Numune Ölçüleri ve Örnek Grafiği. 4
Ulu, S., Aytekin, H., Said, G. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 1-9 Şekil 4. Darbe Deneyi Numunesi. a = 2 mm b = 10 mm c = 10 mm d = 55 mm e = 45 Yapılan deney numunelerinin içyapıları Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metalografi Laboratuarında bulunan Olympus marka Bx60 Model alttan ve üstten aydınlatmalı otomatik fotoğraf sistemli optik mikroskopla incelenmiştir. 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Deneylerin sağlıklı fikirler vermesini sağlamak için her ısıl işlem rejimlerinde, her bir çelik için üçer adet çekme ve darbe numuneleri hazırlanmıştır. Şekil 5. a) SAE 1040, b) SAE 1050, c) AISI 8620, d) SAE 4140, Çelikleri için Darbe Tokluk Değerlerinin Isıl İşlem Rejimleriyle İlişkisi. Yapılan Isıl işlemler sonucunda çekme ve darbe deney numunelerinin, test makinelerinde deneyleri yapılmıştır. Şekil 5 de çalışmada kullanılan çeliklerin ısıl işlemler öncesi ve sonrası darbe tokluk değerleri verilmektedir. Şekil 6 da ısıl işlem rejimleriyle tek eksenli çekme deneyinden elde edilen gerilme değerlerinin ilişkileri verilmektedir. Şekil 7 de ısıl işlem rejimleriyle çeliklerin plastiklik değerlerinin ilişkileri verilmektedir. 5
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 1-9 4 Farklı Çeliğin Bazı Mekanik Özelliklerine Fe-Fe 3 c Faz Şekil 6. a) SAE 1040, b) SAE 1050, c) AISI 8620, d) SAE 4140, Çelikleri için Akma, Çekme ve Kopma Gerilmelerinin Isıl İşlem Rejimleriyle İlişkisi. Şekil 7. a) SAE 1040, b) SAE 1050, c) AISI 8620, d) SAE 4140, Çelikleri için % Uzama ve Daralma Değerlerinin Isıl İşlem Rejimleriyle İlişkisi. 6
Ulu, S., Aytekin, H., Said, G. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 1-9 Şekil 8, 9, 10 ve 11 de ısıl işlem rejimleriyle çeliklerde oluşan içyapılar görülmektedir. Şekil 8. SAE 1040 Çeliği için a) Tam Tav. X200 b)*810-**650ºc X200 c) *765-**650ºC X500 d) *765- **500ºC X500 e) *735-**650ºC X200 Isıl İşlem Rejimleri Sonucu Oluşan İçyapılar. Şekil 9. SAE 1050 Çeliği için a) Tam Tav. X200 b)*800-**650ºc X500 c) *750-**650ºC X500 d) *750- **500ºC X500 e) *735-**650ºC X500 Isıl İşlem Rejimleri Sonucu Oluşan İçyapılar. Şekil 10. AISI 8620 Çeliği için a) Tam Tav. X200 b)*870-**650ºc X500 c) *800-**650ºC X500 d) *800-**500ºC X500 e) *735-**650ºC X500 Isıl İşlem Rejimleri Sonucu Oluşan İçyapılar. Şekil 11. SAE 4140 Çeliği için a) Tam Tav. X200 b)*810-**650ºc X1000 c) *765-**650ºC X500 d) *765-**500ºC X500 e) *735-**650ºC X500 Isıl İşlem Rejimleri Sonucu Oluşan İçyapılar. 4. DEĞERLENDİRME SAE 1040 çeliği için; Yapılan ısıl işlemler sonucu gerilimler, 765 C su verme, 500 C temperleme ısıl işleminde en üst seviyededir. Ancak bu ısıl işlem rejiminde darbe tokluğu düşüktür. Darbe tokluğu *810-**650ºC ve *765-**650ºC ısıl işlem rejimlerinde en yüksek değerdedir. Akma gerilmesi *765-**500ºC ısıl işlem rejiminde en yüksektir. Yüzde daralma tam tavlamadan sonra, yüzde uzama ise *810-**650ºC ve *765- **650ºC de yüksektir. Fakat *765-**650ºC rejimi optimum özelliklerin elde edildiği ısıl işlem rejimi 7
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (2) 1-9 4 Farklı Çeliğin Bazı Mekanik Özelliklerine Fe-Fe 3 c Faz olarak göze çarpmaktadır. Tam tavlama ve *810-**650ºC ısıl işlemlerinden sonra içyapı oldukça ince taneli, *735-**650ºC ve *735-**500ºC de ise kaba taneli bir görünüme sahip olmuştur. *765-**650ºC de üst beynit (sorbit) ve *765-**500ºC de alt beynit (troostit) yapı fark edilmektedir. SAE 1050 çeliği için; Darbe tokluğu *800-**650ºC ve *750-**650ºC de en yüksek değerdedir. En düşük darbe tokluğu değeri ise satıldığı durumda görülmektedir. Bu ısıl işlem rejimlerinde darbe tokluk değeri yaklaşık 5,5-6 kat artmıştır. Akma, çekme ve kopma gerilmesi değerleri *750-**500ºC de en yüksek değerindedir. Fakat akma gerilmesi satıldığı duruma göre tam tavlama hariç diğer ısıl işlem rejimlerinde 1,5-2 kat artmıştır. Yüzde daralma tam tavlamadan sonra, yüzde uzama ise *800-**650ºC ve *750-**650ºC de en yüksek değerindedir. Oluşan içyapılar ise SAE 1040 çeliğinde oluşan içyapılarla paralellik göstermektedir. AISI 8620 çeliği için; SAE 1040 ve 1050 den farklı olarak darbe tokluk değerleri dört ısıl işlem rejiminde (*870-**650ºC, *800-**650ºC, *735-**650ºC, *735-**500ºC) en yüksek değerlere ulaşmış ve satıldığı duruma göre yaklaşık 4 kat artmıştır. Çekme deneyinden elde edilen gerilme değerleri *800-**500ºC ısıl işlem rejiminde en yüksek, tam tavlamadan sonra en düşük değerdedir. Akma gerilmesi işlem görmemiş numuneye göre şekil 6.c de görüldüğü gibi üç ısıl işlem rejiminde artmış, diğerlerinde düşüş göstermiştir. Yüzde daralma, satıldığı duruma göre tüm ısıl işlem rejimlerinde artmış ve birbirine yakın değerler sergilemiştir. İçyapı *870-**650ºC ve *800-**650ºC de ince taneli yapı *800-**500ºC ve *735- **650ºC de kaba bir görünümdedir. Bunda ise su verme ve temperleme sıcaklıklarının diğer ısıl işlem rejimlerine göre düşük olmasının etkili olabileceği düşünülmüştür. SAE 4140 çeliği için; Darbe tokluğu ostenit bölgesinden yapılan ısıl işlemle, *765-**500ºC ısıl işlem rejiminde düşmüştür. Diğer rejimlerde artış gözlenmektedir. *765-**500ºC ısıl işlem rejiminde numunelerin diğerlerine göre gevrek bir tavır sergilediğini gerilme ve plastiklik değerlerinden görmek mümkündür. *810 -**650ºC rejimi gerilme ve plastiklik açıdan optimum ısıl işlem rejimidir. SAE 4140 çeliği için oluşan içyapılar, işlem görmemiş ve tam tavlama ısıl işlemine göre diğer rejimlerde ince taneli bir görünüm sergilemektedir. Sonuç olarak dört farklı çelik için Fe- Fe 3 C diyagramının A 1 -A 3 arasından yapılan ısıl işlemlerin akma, çekme ve kopma gerilmelerini ve özellikle darbe tokluğunu belirgin bir şekilde arttırdığı yapılan çalışmada görülmüştür. İçyapılarda ise ince taneli bir yapının ve alt ve üst beynit fazlarının meydana geldiği görülmektedir. 5. KAYNAKLAR 1. Duruca, S. G., 1986, Effects of Austenitisation Heat Treatment on the Fracture Resistance and Temper Embrittlement of MnMoNi Steels, Acta Metallugia, Vol.24, No.2, pp. 219 232. 2. Aydın, R., 1992, Fracture Behaviour Of A Low Alloy Cr-V Steel, Thesis of Sc. İstanbul Technical University, İnstitute Of Science And Technology, İstanbul. 3. Hertzberg, R. W., 1976, Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Material, John Wiley-Sons, Second Edition, Inc. New York, USA. 4. Klepaczko, J. R. and Solecky, A., 1984, Effect of Tempering on Quasi-Static and Impact Fracture Toughness and Mechanical Properties for 5140 Steel, Metallurgical Transaction A., V. 15A, No.5, pp. 901-910. 8
Ulu, S., Aytekin, H., Said, G. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (2) 1-9 5. Lee, S., Manjo, L. and Asard, R. J., 1995, Correlation of Microstructure and Fracture Toughness in Two 4340 Steels, Metallurgical Transaction A., V.6A, No. 9, pp. 1633-1648. 6. Lou, B. and Averbach, B. L., 1983, The Effects of Heat Treatment on Fracture Toughness and Fatigue Crack Growth Rates in 440C and BG 42 Steels, Metallurgical Transaction A., Vol 14A, No. 9, pp. 1899-1905. 7. Ritchie, R. O., and Horn, R. M., 1978, Further consideration on theinconsistency in Toughness Evaluation of AISI 4340 Steel Austenized at Increasing Temperatures, Metallurgical Transaction A., V. 9A, No. 3, pp. 332-341. 8. Ritchie, R. O., Francis, B. and Server, W. L., 1976, Evaluation of toughness in AISI 4340 Alloy Steel Austenized at Low and High Temperatures, Metallurgical Transaction A., V. 7A, No. 6, pp. 831-838. 9. Yumrukçal Demir Çelik Ticaret A.Ş., Ürünler Kataloğu., 2000 Hakan Ofset, Eskişehir, s. 3-20. 10. www.osmanlicelik.com 9