metalik malzemeler 9.10.2014

1. metalik malzemeler 9.10.2014

2. Neden alaşımlı çelikler? • maliyet artar fakat daha üstün özellikler! • korozyon direnci artar; Cr ile paslanmaz çelikler elde edildiği gibi.. • sertleştirilebilirlik artar. Takım çeliklerinde olduğu gibi.. • ferrit fazının (katı eriyik) sertliği artar.. • gevrek Fe3C bileşiği yerine alaşım karbürleri (WC, TiC vb) oluşur ve çeliğin kırılganlığı azalır.

3. Neden alaşımlı çelikler? • Süneklik + mukavemet + işlenebilirlik bir arada! • Mukavemet + Kaynaklanabilirlik bir arada (Martensit yerine katı eriyik ve çökelme sertleşmesi)! • Kesitte homojenlik (Daha düşük soğuma hızlarında martensit oluşturma kapasitesi; böylece iri, büyük kesitli parçaların yüzeyinde olduğu gibi merkezinde de sertleşme) • Düşük sıcaklıklarda ostenitik yapı kararlı; oda sıcaklığında manyetik olmayan çelik gerektiğinde..

4. Alaşım elementlerinin etkileri • Al İnce tane; deoksidan! • Cr0.5-2% - sertleşebilirlik4-18% - korozyon direnci • Cu 0.1-0.4% korozyon direnci • Mn0.25-0.4% - S ile birleşerek gevrekliği önler. mukavemet ve şok darbe direnci • Mo 0.2-5% - kararlı karbürler, sertleşebilme • Ni 2-5% - mukavemet, yorulma direnci, tokluk;12-20% - korozyon direnci • Si 0.2-0.7% - mukavemet, 2% - yay, >2% - manyetik özellikler, İnce taneli yapı, sertleşme kabiliyeti

5. Alaşım elementlerinin etkileri • S 0.08-0.15% - işlenebilirlik • Ti – C’u asal karbürlerde bağlar, Cr’lu çeliklerde martensit sertliğini azaltır. • Biişlenebilirlik • Pbişlenebilirlik • B 0.001-0.003% - etkili sertleştirici • W yüksek sıcaklık sertliği, aşınma direnci • V kararlı karbür; süneklik ile birlikte mukavemet, yorulma direnci, ince tane yapısı; darbe direnci

6. Önemli not! • Martensit ve beynit yapılarının sertliği karbon miktarı tarafından belirlenir, alaşım elementlerinin değil! • Alaşım elementlerinin rolü, su verme sırasında martensit ve beynitin oluşmasına hizmet etmektir. • Miktarını arttırmak, oluşma şartlarını kolaylaştırmak vb.

7. az alaşımlı çelikler Tasarım: Karbonu düşük tut; kaynaklanabilirliğe ve şekil alma kabiliyetine zarar veren martensit oluşumunu önle; mukavemeti alaşımlama ile arttır. Martensit oluşumu yerine, alaşımlama ile Katı eriyik sertleşmesi Çökelme sertleşmesi: Tane boyutu sertleşmesi

8. az alaşımlı çelikler Katı eriyik sertleşmesi arayerlere yerleşen karbon ve azot dışındaki bütün elementler yer alan katı eriyiği oluşturur. C ve N akma dayanımı üzerinde en etkilidir! P da etkili fakat tane Sınırlarında toplanırsa tehlikeli! Katı eriyik sertliği: Mn, Ti, kısmen Ni ve V

9. az alaşımlı çelikler Çökelme sertleşmesi için yöntem: Yapıda alaşım elementlerinin sert ve küçük karbürlerini oluşturmak, sementitin yassı iri plakalar yerine küçük partiküller şeklinde oluşmasını sağlamak,

10. az alaşımlı çelikler alaşım elementlerinin metallerarası bileşiklerini, boritlerini oluşturmak katı eriyik sertleşmesinden daha etkili! Katı eriyik<çökelme sertleşmesi %0.005 kadar B, veya %0.1 kadar Nb veya V mukavemeti belirgin şekilde arttırır. %0.1 kadar Nb ilavesi ile oluşan 1 nm boyutta NbC partikülleri: akma dayanımını 20 MPa200 MPa,

11. az alaşımlı çelikler • Mikro alaşımlı çelikler titizlikle tasarlandığında düşük karbonlu çeliklerden çok daha yüksek mukavemetlere sahip olabilirler. • Ancak maliyet artar! • Mikroalaşımlı çelikler otomobil gövdelerinde alüminyum rekabetine karşı geliştirilmiş! • İmalat kolaylığı sağlarken yüksek mukavemet sayesinde kesitte incelme ve dolayısı ile hafifleme sağlarlar.

12. az alaşımlı çelikler Tane boyutu sertleşmesi Tane yapısını küçültmek çeliklerde mukavemet ile birlikte sünekliği de arttırmanın yegane yoludur. Ancak, çeliklerde kimyasal tane küçültme (Nb, Al, Ti etkisi) çok belirgin değil! Termomekanik yöntemler daha ön planda! Tane çapı m Akma mukavemeti MPa Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı C Tane çapı d-1/2mm-1/2

13. az alaşımlı çelikler Çeliklerde mukavemet arttırmanın 4 yolu vardır: Katı eriyik sertleşmesi Çökelme sertleşmesi Deformasyon sertleşmesi Tane küçültme (Hall-Petch) İlk üç seçenekte sertlik/mukavemet artarken süneklik, tokluk düşer. Tane küçültme ile hem mukavemet hem de süneklik, şekil verilebilirlik ve tokluk artar.

14. az alaşımlı çelikler the yield stress is increased by about 350 MPadue to grain refinement from 20μm to 1μm. This increase means that the yield stress can be almost doubled in a plain carbon steel.

15. HSLA çelikleri • kimyasal bileşimden ziyade, mukavemet, tokluk, şekil verilebilirlik, kaynaklanabilirlik ve korozyon dayanıklılığı için tasarlanmış! • az miktarda alaşım katkısıile birlikte kontrollü haddeleme ve hızlandırılmış soğutma gibi kontrollü üretim prosesleri ile 345-620 MPa seviyelerine kadar (sade karbon çeliklerine göre yüksek) mukavemet! • HSLA çeliklerinin geleneksel düşük karbon çeliklerine göre üstünlüğü yüksek mukavemet- ağırlık oranıdır.

16. HSLA çelikleri • HSLA çelikleri karbon çeliklerine göre daha iyi mekanik özellikler ve korozyon direnci sağlar. • Şekil verilebilirlik ve kaynaklanabilirlik için C 0.05–0.25% aralığında tutulmuştur. • %2’ye kadar Mn ve az miktarda Cu, Ni, Nb, N, V, Cr, Mo, Ti ve Zr bulunur. • Cu, Ti, V ve Nb sertleştirme için ilave edilir. • Bu elementler ferrit-perlitten oluşan matris yerine ferrit içinde dağılmış ince karbürlerden oluşan bir yapı elde etmek için kullanılır.

17. HSLA çelikleri • Böyle bir yapı perlitin tokluk düşürücü etkisini azaltırken tane yapısını küçülterek mukavemeti arttırır. • İnce dağılımlı karbürlerle çökelme sertleşmesi de sağlanır. • Cu, Si, Ni, Cr ve P korozyon direncini arttırır. • Zr, Ca ve nadir toprak elementleri ile sülfit kalıntılarının morfolojileri iyileştirilir ve şekil alma kabiliyeti arttırılır. • Yüksek gerilmelere maruz kalan yapısal uygulamalar için uygundur.

18. HSLA çelikleri • Açık hava çelikleri • Mikroalaşımlıferrit-perlit çelikleri • Haddelenmiş perlitik çelikler • İğnesel ferrit (düşük karbonlu beynitik) çeliler • Dual faz çelikleri • Kalıntı şekil kontrollü çelikler

19. Açık hava çelikleri korozif atmosferlerde çelik uygulaması için 2 seçenek var: Sıradan çelik + yüzey kaplama (boyama, elektro kaplama veya anti-korozyon tabakası ile kaplama) Paslanmaz çelik veya açık hava çeliği kullanmak Çeliğe atmosferik korozyon önleyici alaşım elementleri (Cu, Cr, P, Ni)ilave edilir! İlk aşamada atmosfer çeliği de normal karbon çeliği gibi paslanacaktır; ancak 1 yıl kadar sonra paslanmış yüzey daha fazla paslanmaya izin vermeyen bir koruyucu görevi görecektir.

20. Açık hava çelikleri Açıkta boyanmadan iklim koşullarına direnç gösterebilen yapı çeliklerine “weatheringsteels” denir.  Çelik konstrüksiyon binalarda korozyona karşı boyanmadan direnç gösteren bu çelikler ASTM spesifikasyonlarında A 242, A588 olarak sınıflandırılırlar.

21. Açık hava çelikleri

22. Mikroalaşımlı çelikler (HSLA) • Sertleşme mekanizmaları: Çökelme sertleşmesi + Tane boyutu kontrolü • sıcak hadde çeliğinde C ve Mn’ı arttırmadan yüksek mukavemet için Nb, V ve/veya Ti gibi karbür veya karbo-nitrür yapıcı elementlerden çok az seviyelerde (0.10%) ilave edilir. • Yapı: ferrit+perlit • Akma: ısıl işlemsiz 500-750 MPa • Kaynaklanabilirlik iyi

23. mikro alaşımlı çelikler: • Vanadium-mikro alaşımlı çelikler • Niobium-mikro alaşımlı çelikler • Niobium-molybdenum çelikler • Vanadium-niobium mikro alaşımlı çelikler • Vanadium-nitrogen mikro alaşımlı çelikler • Titanium-mikro alaşımlı çelikler • Niobium-titanium mikro alaşımlı çelikler • Vanadium-titanium mikro alaşımlı çelikler

24. haddelenmiş perlitik çelikler Karbon-mangan çelikleri: Mukavemeti, tokluğu, şekil verilebilirliği ve kaynaklanabilirliği arttırmak için az miktarda diğer alaşım elementleri içerebilirler.

25. iğneselferrit çelikleri %0.05’den az karbon içeren çelikler Az karbonlu beynitik çelikler de denir. Akma mukavemeti 690 MPa’a kadar çıkar. Birbirini kitleyen (interlocking) kaotik ferrit iğneleri çatlamayı yavaşlatır ve tokluğu arttırır. Oksit ve sülfit kalıntılarının ferritiçekirdeklendirmede rolü olduğu bilinir. Mukavemet , kaynaklanabilirlik, tokluk ve şekil verilebilirlik üst düzeydedir.

26. Dual faz çelikleri • Tipik bileşim: 0.12 %C, 1.7 %Mn, 0.58 %Si, 0.04 %V • Mikroyapı: ferritik matriste gömülü martensit adacıkları • ~800 oC’de,-faz bölgesinde (A3-A1 arasında) ısıtıldıktan sonra su verilerek oluşturuluyor. • Ferritbu ısıl işlemden etkilenmezken ostenittaneleri martensite dönüşüyor. • Daha sonra düşük sıcaklıkta temperleme ile süneklik arttırılıyor. • 415-900 MPa aralığında akma dayanımı ve mükemmel deformasyon sertleşmesi kapasitesi ile preslenerek üretilen otomobil gövde panelleri için ideal!

27. Dual faz çelikleri-mikroyapı

28. Dual faz çelikleri B sütunu 1.35mm kalınlıkta sactan imal edilen tampon

29. Kalıntı şekil kontrollü çelikler Ca, Zr, Mg, Ti ve nadir toprak elementleri ilave edilerek sülfit kalıntılarının uzun zincirlerden küçük dağınık küresel taneciklerine dönüştüğü, yüksek süneklik ve kesit boyunca yüksek tokluk sunan çelikler. Sıcak haddelenmiş çeliklerde Mekanik özelliklerin yöne bağlılığını etkileyen faktörlerin başında Mn sülfit kalıntılarının hadde yönünde uzaması gelir. Mn sülfitler yerine daha kararlı ve ergime noktası daha yüksek ve orijinal küresel şekillerini koruyan sülfitler oluşturmak için, örneğin %0.03-0.04 Ce ilavesi etkili!

30. mikroyapılar HSLA –– Dupleks tane yapısı Nb ile sertleştirilmiş HSLA çeliği: dupleks tane boyut dağılımı. Mikroyapı: ferrit ve perlit. Dağlama önce 4% picralsonra 2% nital. 200X ve 500X.

31. mikroyapılar A533 B kalite HSLA çelik Su verme ile ferritinyanısıra bir miktar beynit oluşması ve sertleşme kapasitesi için az miktarda Ni ve Mo içerir. Temperleme ile tokluk arttırılırken sıcak işlenmiş karbonlu çeliklere denk sertlik elde edilir. 900 C’den su verilmiş ve 620 C’de temperlenmişmikroyapı

32. HSLA çelikleri Akma: 400-800 MPa Çekme: 600-900 MPa Uzama: %25 Nükleer taşıtlar, tesisler Kimya sektörü ve rafinerilerde yapısal Basınçlı kaplar Buhar jeneratörleri Krojenik tanklar

33. HSLA çelikleri köprü ve bina inşaatı Atmosferik korozyona dayanıklıdır ve bu sayede uzun ömürlüdür.

34. HSLA çelikleri Kaynaklı konstrüksiyonlar Gemi gövdesi Deniz platformları

35. HSLA uygulamalar Zırh çeliği Petrol ve doğal gaz boru hatları Madencilik ekipmanları İnşaat ve tarım makinaları

36. HSLA çelik örnekleri

37. düşük karbonlu ve az alaşımlı yüksek mukavemet çelik kompozisyonları

38. düşük karbonlu ve az alaşımlı yüksek mukavemet çeliklerinin özellikleri

39. Karbon ve az alaşımlı çelik örnekleri

40. Karbon ve az alaşımlı çelik örneklerin mekanik özellikleri- Yağda su verilmiş ve temperlenmiş

41. TRIP çelikleri TRIP: "Transformation induced plasticity." C: 0.12 – 0.55 wt.%; Mn: 0.20 – 2.5 wt.%; Si: 0.40 – 1.8 ağ%. Otomotiv sektöründe yaygın kullanımı olan yüksek mukavemet çeliği! Mukavemet ve sünekliğin mükemmel bir kombinasyonuna sahip! Yüksek deformasyon sertleşmesi kapasitesi ve yüksek mukavemet ile enerji sönümleme uygulamaları için ideal! deformasyon sonrasında boya-fırınlama sertleşmesi!

42. TRIP çelikleri Mikroyapı: ferritik bir matriste kalıntı ostenit Plastik deformasyon sırasında kalıntı ostenitmartensitedönüşür! Kalıntı ostenit + beynit ve martensit fazları 20m

43. TRIP çelikleri Otomobil B-sütunu Güvenlik kirişleri Uzay kafes profilleri Tampon parçaları Enerji sönümleme elemanları

44. TWIP çelikleri kayma ve/veya mekanik ikizlenme ile deformasyona uğrayan ostenitik çeliklerdir. Ostenitik çelikler mükemmel mukavemet ve süneklik ile birlikte aşınma ve korozyon dirençleri sayesinde bir çok uygulama için cazip bir malzeme seçeneğidir. Yüksek Mn’lı TWIP çelikleri geleneksel yüksek mukavemet çeliklerine kıyasla en az 2 kat daha yüksek enerji sönümleme kapasiteleri ve çarpışma güvenliği sağlama kabiliyetleri ile otomotiv uygulamaları için idealdir.

45. TRIP/TWIP çelikleri Çekme gerilmesi (MPa) Şekil değişimi (%)

46. fırınlama sertleşmesi Oto panellerinde kullanılan düşük karbonlu çeliklere uygulanan teknolojik bir işlemdir. Preste şekillendirme aşamasında kullanılan çelik düşük karbonlu olması sayesinde kolayca şekil verilebilir. Pres işleminde saca kazandırılan dislokasyonların hareketi boya fırınlama aşamasında dislokasyonlara çökelen karbon atomlarının kilitleyici rolü yüzünden zorlaşır. Boya fırınlama aşamasında akma dayanımı en az 27-55 MPa kadar daha artar. Bu şekilde gövde panellerinin vuruk-darbe dayanımı da artmış olur. Çelik düşük karbonlu olduğu için kaynak kabiliyeti de yüksektir.

47. fırınlama ile sertleşen çelikler Parça şekillendirme sırasında deformasyonla ve daha sonraki fırınlama gibi bir düşük sıcaklık operasyonu sırasında yaşlanma ile bir ciddi miktarda sertleşme tecrübe eden çelikler. Çözeltide yeterince yaşlanma sertleşmesi sağlayacak kadar C ve N bulunduran çeliklere fırınlama ile sertleşebilir çelikler denir. Alüminyumla söndürülmüş ve azotla birleşerek yeterli miktarda AlN yapacak kadar Al’u olan çelikler.

48. Az alaşımlı otomotiv çelikleri Bake hardenable steel Dual faz çeliği

49. Bor çelikleri Bor çelikleri abrasif aşınmaya karşı mükemmel direnç gösterirler. Düşük-Orta karbonlu çelikler + bor  ısıl işlemde sertleşme kapasitesi  Çok daha yüksek karbon içeren çeliklere ve nispeten daha pahalı olan düşük alaşımlı çeliklere kıyasla daha yüksek sertleşme gösterirler. Tipik bileşim: C Si Mn P S Al Cr B 0.250 0.200 1.100 0.020 0.005 0.025 0.400 0.001 0.300 0.350 1.300 max. max. 0.065 0.600 0.004

50. Bor çelikleri Kürek, Pulluk, saban gibi tarım aletleri Çim biçme makinesi bıçakları Tarım makine parçaları Maden makineleri Otomotivde güvenlik kirişleri Beton karıştırıcıları gövdeleri