KOCAELĠ ÜNĠVERSĠTESĠ * FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
BOR KATKILI BĠR ZIRH ÇELĠĞĠNĠN FĠZĠKSEL METALURJĠK
ESASLAR DOĞRULTUSUNDA GELĠġTĠRĠLMESĠ VE
BALĠSTĠK PERFORMANSININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ
DOKTORA TEZĠ
Y. MÜH. ġ. HAKAN ATAPEK
Anabilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. ġeyda POLAT
ÖNSÖZ
İnsanoğlunun geçmişten günümüze korunma ihtiyacı bu kapsamda yeni teknoloji, malzeme ve metodolojilerin gelişimine kaynak teşkil etmiştir. Tarih boyunca koruyucu amaçlı zırh malzemeleri olarak metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler kullanılmış olup bu malzemeler tehditin de seviyesine ve özelliklerine bağlı olarak tekli veya çoklu bileşen halinde tercih edilmektedirler. Doktora çalışmam kapsamında yerli bir zırh çeliğinin üretilebilirliği ve deneysel çalışmalar sonrasında elde edilen balistik koruma limitlerinin bir değer ifade etmesi üzerinde durulmuştur. Bu çalışmanın koruyucu malzeme sistemlerinin gelişimini içeren diğer çalışmalara katkı sağlamasını dilerim.
Bana tez çalışmalarım sürecinde sınırsız destek veren danışmanım sayın Yrd. Doç. Dr. Şeyda Polat‟a sonsuz teşekkür ederim. Çalışmamın başlangıç ve ilerleme aşamalarında yoğun emek ve katkısı olan Prof. Dr. Şadi Karagöz‟e şükranlarımı sunarım. Bu çalışmaya sağladıkları desteklerden dolayı Anadolu Döküm Sanayi A.Ş‟e, Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş.‟e, K.K.K. 7. Bakım Merkezi Komutanlığı‟na, Assab Çelik ve Isıl İşlem A.Ş‟e, Tarsel Haddecilik Çelik ve Makina San. ve Tic. Ltd. Şti.‟ne, FNSS Savunma Sistemleri A.Ş‟e, Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş‟e, Aachen Üniversitesi Demir-Çelik Enstitüsüne, Tübitak-MAM‟a ve Brisa Bridgestone Sabancı Lastik San. ve Tic. A.Ş‟e teşekkürü bir borç bilirim. Çoğu mikroanalitik çalışmaların yapılabilmesinde laboratuvar olanaklarının kullanılmasını sağlayan KOÜ-Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof. Dr. Muzaffer Zeren‟e teşekkür ederim. Çalışmaya teknik açıdan desteğini esirgemeyen Prof. Dr. Ahmet Karaaslan‟a, Prof. Dr. Muharrem Yılmaz‟a, Prof. Dr. Erdinç Kaluç‟a, Doç. Dr. Havva Kazdal Zeytin‟e ve çalışma arkadaşlarına, Doç. Dr. Sibel Zor‟a, Dr. Müh. Yzb. Alpay Yılmaz‟a, Dr. Özgür Duygulu‟ya, Y. Müh. Yzb. H. Kemal Şenyılmaz‟a, Y. Fizik Müh. Attila Alkan‟a, Arş. Grv. Dr. Ersoy Erişir‟e, Uzman Y. Müh. Serap Gümüş‟e, Y. Metalurji ve Malzeme Müh. Onur Birbaşar‟a, KOÜ-Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Öğretim Üye ve Elemanlarına minnet duygularımı dile getiriyorum. Çalışma sürecinde desteklerini esirgemeyen Atapek, Akın ve Ataç ailelerine sonsuz teşekkür ederim. Evliliğim ve tez çalışmalarım boyunca bir an olsun desteğini eksik etmeyen ve dünyanın en büyük ödülü olarak bana bir oğul veren eşime teşekkür ederim. Yoğun emek verilen bu çalışmayı, biricik eşime ve oğluma ithaf ediyorum.
ĠÇĠNDEKĠLER ÖNSÖZ ... i İÇİNDEKİLER ... ii ŞEKİLLER DİZİNİ ... iv TABLOLAR DİZİNİ ... xiv SİMGELER ... xvi ÖZET ... xix İNGİLİZCE ÖZET ... xx 1.GİRİŞ ... 1 2.ZIRH ÇELİKLERİ ... 2 2.1. Zırh Çeliklerinin Özellikleri ... 3
2.2. Zırh Çeliklerinin Fiziksel Metalurjisi ... 5
2.2.1. Zırh çeliklerinde alaşımlama ... 5
2.2.2. Zırh çeliklerine uygulanan ısıl işlemler ... 7
2.2.3. Zırh çeliklerinde gelişmeler ve mikroyapısal yaklaşımlar ... 10
3.ÇELİKLERİN KIRILMA DAVRANIŞI VE FRAKTOGRAFİK ETÜD ... 23
3.1. Demir ve Çeliklerde Klivaj Kırılması ... 23
3.2. Klivaj Kırılmasının Başlangıcını Belirleyen Faktörler ... 25
3.3. Sünek/Gevrek Geçiş Kriteri ... 28
3.4. Gevrek Kırılma ... 33
3.5. Sünek Kırılma ... 34
3.5.1. Genel yaklaşımlar ... 34
3.5.2. Süneklikte kalıntıların rolü ... 36
3.5.3. Süneklikte karbürlerin rolü ... 39
3.6. Fraktografik Etüd ve Önemi ... 40
4.BALİSTİK – PENETRASYON – PERFORASYON İLİŞKİSİ ... 49
4.1. Balistik Yaklaşımlar ... 49
4.2. Balistik Performans İndeksi ... 52
4.2.1. Balistik performans indeksinin belirlenmesi için modelleme... 52
4.2.2. Balistik performans indeksinin tanımlanması... 53
4.3. Penetrasyon ve Perforasyon Mekanizmaları ... 55
4.4. Zırh Çeliklerinde Perforasyon Hızı Üzerine Sertliğin Etkisi ... 58
4.5. Perforasyon Üzerine Makro ve Mikro İncelemeler ... 59
5.MALZEME VE YÖNTEM ... 67
5.1. Alaşım Tasarımı ... 67
5.2. Döküm ve Haddeleme ... 68
5.3. Katılaşmanın Modellenmesi ... 70
5.4. Termal Analiz Çalışması ... 71
5.5. Isıl İşlem Uygulamaları ... 71
5.6. Mikroyapısal Karakterizasyon ... 72
5.7. Görüntü Analizi Çalışmaları ... 73
5.10. Aşınma Çalışması ... 79
5.11. Korozyon Çalışması ... 80
5.12. Zırh Çeliğinin Balistik Performansı ... 81
5.12.1.Birincil balistik denemeler ... 81
5.12.2.Birincil balistik denemeler sonrası simülasyon çalışmaları ... 86
5.12.3.Birincil balistik denemeler sonrası metalografik ve fraktografik çalışmalar .. 87
5.12.4.İkincil balistik denemeler... 88
5.12.5.İkincil balistik denemeler sonrası metalografik ve fraktografik çalışmalar ... 89
5.12.6.İkincil balistik denemeler sonrası geçirimli elektron mikroskop çalışması .... 89
6.BULGULAR VE TARTIŞMA ... 91 6.1. Katılaşmanın Modellenmesi ... 91 6.2. Termal Analiz ... 92 6.3. Mikroyapısal Karakterizasyon ... 96 6.4. Görüntü Analizi Uygulamaları ... 110 6.5. Mekanik Özellikler ... 118 6.6. Zırh Çeliklerinin Fraktografisi ... 124
6.7. Zırh Çeliğinin Aşınma Davranışı ... 137
6.8. Zırh Çeliğinin Korozyon Davranışı ... 147
6.9. Birincil Balistik Denemeler ... 165
6.9.1. Birincil balistik denemeler sonrası simülasyon çalışmaları ... 168
6.9.2. Birincil balistik denemeler sonrası metalografik ve fraktografik çalışmalar 180 6.9.3. İkincil balistik denemeler sonrası metalografik ve fraktografik çalışmalar . 189 6.9.4. İkincil balistik denemeler sonrası geçirimli elektron mikroskop çalışması .. 201
6.9.5. İkincil balistik denemeler sonrası belirlenen parametrik ilişkiler ... 203
7.SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 205
7.1. Alaşım Tasarımı ... 205
7.2. Döküm ve Haddeleme ... 205
7.3. Katılaşmanın Modellenmesi ve Termal Analiz Uygulaması ... 206
7.4. Isıl İşlem Uygulamaları ... 207
7.5. Mikroyapısal Karakterizasyon ... 208 7.6. Görüntü Analiz Çalışmaları ... 209 7.7. Mekanik Özellikler ... 210 7.8. Fraktografik Etüdler ... 212 7.9. Aşınma Davranışı ... 212 7.10. Korozyon Davranışı ... 213 7.11. Balistik Performans... 214 KAYNAKLAR ... 217 ÖZGEÇMİŞ ... 228
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
Şekil 2.1: Balistik koruma grupları [1]. ... 2 Şekil 2.2: Karbür yapıcı elementlerin oluşturduğu karbürlerin temperleme
karakteristikleri [20]. ... 7 Şekil 2.3: Tipik ikincil sertlik karbürlerinin FIM karakterizasyonu; ikincil sertlik
karbürlerinde kabalaşma, temperleme: 600 C ; (a) 100 dak. (b) 300 dak. ve (c) 3000 dak. [26]. ... 9 Şekil 2.4: Matriks için ince karbür miktarı ile sertleştirme potansiyelinin ilişkisi.
[27]. ... 10 Şekil 2.5: Roma dönemine ait Carlisle yakınlarında yapılan kazılar sonrası
metalografik olarak incelenen koruma amaçlı zırh malzemeleri. (a) ve (b) : çelik, (c) ve (d) : demir [31]. ... 12 Şekil 2.6: Roma dönemine ait Vindolanda yakınlarında yapılan kazılar sonrası
metalografik olarak incelenen koruma amaçlı zırh malzemeleri. (a) ve (b) :uzamış eşeksenli ferrit taneleri, (c) ve (d) oryentasyon farklılığı nedenli olarak farklı kontrastlarda gözlenen eşeksenli ferrit taneleri [31]. ... 12 Şekil 2.7: Düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin balistik performası
üzerine mikroyapı etkisi örneklemeleri, (IM). (a) ve (b) iç yapı tipik temper martenzit olup ok ucu ile gösterilen yörelerde kalıntı östenitler mevcuttur [32]. ... 13 Şekil 2.8: Düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin balistik performansı
üzerine mikroyapı etkisi örneklemeleri, (SEM) [32]. ... 13 Şekil 2.9: Düşük karbonlu martenzitik zırh çelikleri üzerine yapılan TEM
incelemeleri. (a) G1A, (b) G2A ve (c) G2B çelikleri. 180 °C / 1 saat temperleme [33]. ... 16 Şekil 2.10: Düşük karbonlu martenzitik zırh çelikleri üzerine yapılan TEM
incelemeleri. (a) G1A (% 0.21 Si içerikli), (b) G1B çelikleri (% 0.80 Si içerikli). 300 °C / 1 saat temperleme [33]. ... 17 Şekil 2.11: Düşük karbonlu martenzitik zırh çelikleri üzerine yapılan TEM
incelemeleri. (a) G1A (% 0.21 Si içerikli), (b) G1B çelikleri (% 0.80 Si içerikli). 400 °C / 1 saat temperleme [33]. ... 17 Şekil 2.12: MRHA, AerMet 100, AISI 1045 ve 4130 çeliklerine ait mikroyapı
örneklemeleri. Tüm yapılar tipik temper martenzit yapısını yansıtmaktadır. (a) AISI 4130-45 HRC, (b) AerMet 100-45 HRC, (c) MRHA-40 HRC, (d) MRHA-48 HRC, (e) AISI 1045-45 HRC [42]. ... 19 Şekil 2.13: 2.5 mm kalınlıkta AISI 4130, AerMet 100, MRHA ve AISI 1045 esaslı
çeliklerde balistik test sonrası oluşan kayma bantlarına ait ışık mikroskobu görüntüleri. (a) AISI 4130-45 HRC, (b)AerMet 100-45 HRC, (c) MRHA-40 HRC, (d) MRHA-48 HRC, (e) AISI 1045-45 HRC [42]. ... 21
Şekil 2.14: 2.5 mm kalınlıkta AISI 4130, AerMet 100, MRHA esaslı çeliklerde balistik test sonrası oluşan kayma bantlarına ait tarama elektron mikroskop görüntüleri. (a) AISI 4130-45 HRC, (b)AerMet 100-45 HRC, (c) MRHA-40 HRC, (d) MRHA-48 HRC, (e) AerMet 100-45 HRC, (f) MRHA-48 HRC [41]. ... 22 Şekil 3.1: Saf demirin (% 0.04 P) –55 ºC de klivaj kırılması, 60 [59]. ... 24 Şekil 3.2: Bir saf demir-0.12C alaşımının darbe geçiş sıcaklığına ısıl işlemlerin
etkisi [59]... 25 Şekil 3.3: Çatlak çekirdeklenmesi için dislokasyon mekanizmasının şematik
diyagramı [59]. ... 26 Şekil 3.4: Düşük karbonlu çelikteki bir karbür partikülünde bir klivaj çatlağının
çekirdeklenmesi. Işık mikroskop görüntüsü, 400 [59]. ... 27 Şekil 3.5: Düşük karbonlu çelikte bir çatlağın tane içi ilerlemesi [59]. ... 27 Şekil 3.6: Yumuşak çelikte yöresel kırılma gerilmesinin (f) tane boyutuna
bağımlılığı [59]. ... 32 Şekil 3.7: Düşük alaşımlı bir çelikte sünek kırılma. Stereoscan [59]. ... 34 Şekil 3.8: Sülfür kalıntıları içeren yumuşak bir otomat çeliğinde sünek çatlağın
ilerlemesi. Işık mikroskop görüntüsü, ×600 [59]. ... 35 Şekil 3.9: Çeliklerde mangan sülfür kalıntıları: (a) I. Tür, (b) II. Tür ve (c) III Tür.
Stereoscan, ×1000 [59]. ... 37 Şekil 3.10: Çeliğin sünekliğinde ikincil faz partiküllerinin etkisi [59]. ... 40 Şekil 3.11: Boşluklu kopmaya ait örnek mikroyapı görüntüleri; (a) Dairesel testere
olarak kullanılan martemperlenmiş 234 türü takım çeliğinin kırılma yüzeyinde yer alan büyük ve küçük boyutlu peteksi çukurcuklar. (b) Çelik içerisinde boşluk çekirdeklenmesini başlatan küçük ve büyük boyutlu sülfür kalıntıları [62]. ... 43 Şekil 3.12: Çelik numune içerisinde tane sınırlarında mikroboşluk birleşmesi sonucu
oluşan tanelerarası boşluk kopması [62]. ... 44 Şekil 3.13: Mikroboşluk birleşmesi boyunca oluşan değişik türdeki boşluklu
yüzeyler;(a) Yay çeliği numunesinde oluşan konik eşeksenli boşluklar, (b) Maraging çeliğine ait bir numunede oluşan yüzeysel boşluklar [62].44 Şekil 3.14: Kırılmaya yol açan değişik yüklenme modları. Oklar yüklenme yönlerini
ve eş kırılma yüzeylerinin hareketlerini gösterir [61]. ... 45 Şekil 3.15: Yırtılma ve kayma yüklenme koşulları altında uzamış çukurcukların
oluşumu; (a) Yırtılma ile kırılma, (b) Kayma ile kırılma [62]. ... 45 Şekil 3.16: Şematik olarak klivaj kırılma oluşumu; burada alttane ve tane sınırlarının
etkisi gösterilmiştir; (a) Eğim sınırı, (b) Büküm sınırı [62]. ... 47 Şekil 3.17: Klivaj kırılma örnekleri; (a) Fe-0.01C-0.24Mn-0.02Si alaşımının darbe
altında kırılması sonucu oluşan büküm sınırı, klivaj basamakları ve nehir izleri, (b) Klivaj kırılması ile % 30 Cr içerikli kaynaklanabilir çelik metal üzerinde oluşan ve ok ucu ile gösterilen diller [61]. ... 47 Şekil 3.18: Eğim (tilt) sınırı, klivaj adımları ve nehir izleri içeren Armco demire ait
klivaj kırılma yüzeyi [62]. ... 48 Şekil 4.1: Balistik limit için değişik tanımlamalar [74]... 51 Şekil 4.2: Modelde kabullenilen penetrasyon mekanizmasının şematik gösterimi. 53 Şekil 4.3: Homojen haddelenmiş zırh çeliklerinde delinme modları [3]. ... 56 Şekil 4.4: Zırh çeliklerinde sertliğin bir fonksiyonu olarak balistik performans
Şekil 4.5: Kalsiyum işlenmiş/işlenmemiş plakalara ait 0.30 kalibrelik mermi atışları sonrası ön ve arka yüzeyde oluşan hasar oluşumları. (a ve b) kalsiyum işlemlenmiş plaka, (c ve d) kalsiyum işlemlenmemiş plaka [82] ... 61 Şekil 4.6: Kalsiyum işlenmiş/işlenmemiş plakalara ait 0.50 kalibrelik mermi atışları
sonrası ön ve arka yüzeyde oluşan hasar oluşumları. (a ve b) kalsiyum işlemlenmiş plaka, (c ve d) kalsiyum işlemlenmemiş plaka [82]. ... 62 Şekil 4.7: (a) Adyabatik kayma bant ve çatlak oluşumları, (b) adyabatik kayma
bantları ve geniş bir çatlak ucu ile gözenek arasında oluşan çatlak, (c) çatlak ucuna yakın yörelerde geniş hata bölgeleri [82]. ... 63 Şekil 4.8: Charpy darbe numunelerine ait kırık yüzey görüntüleri. (a) kalsiyum
işlemlenmiş, (b) kalsiyum işlemlenmemiş. Kalsiyum işlemlenmemiş plakanın kırık yüzeylerinde çatlak oluşumları gözlenmiştir [82]. ... 63 Şekil 4.9: Charpy numunelerinde parlatılmış konumda birincil östenit ve bir miktar
ferrite sahip dendritik yapılar. (a) kalsiyum işlemlenmiş, (b) kalsiyum işlemlenmemiş [82]. ... 64 Şekil 4.10: Haddelenmiş orta karbonlu çelik plakada balistik darbe nedenli oluşan
kayma bandı (a) ve şematik gösterimi (b) verilmiştir. Her iki konumda balistik darbe sonucu oluşan dönüşmüş zon ve gerinme bölgesi görülmektedir [62]... 65 Şekil 4.11: Roket motoru uygulamalarında kullanılan Ti-6Al-4V STA alaşımında,
adyabatik kayma bantlarının görünümü. (a) Patlama sonucu kırılarak kopmuş malzemede, çok miktarda ve birbiri üzerinde ilerlemiş kısa-kalın oklarlar ile gösterilen kayma bantları yer almaktadır. Uzun-ince oklarla gösterilen kayma bantlarına ait detaylı bir görünüm ise (b)‟ de verilmiştir [62]. ... 66 Şekil 5.1: Deneysel zırh çeliğinin Anadolu Döküm Sanayi A.Ş‟de dökümü. (a-c)
İşletim koşullarında zırh çelik dökümünü gösteren görüntüler. ... 69 Şekil 5.2: Deneysel zırh çeliğinin Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş‟de
haddelenmesi. (a ve b) İşletim koşullarında zırh çeliğinin haddelenmesini gösteren görüntüler. ... 69 Şekil 5.3: Görüntü analiz programı ana ekranı. ... 76 Şekil 5.4: Otomatik sayma işleminden önce ölçülmek istenen fazın programa
tanıtımı. Bu gösterimde mikroyapı içerisinde yer alan kalıntılar mavi renklerle işaretlenerek otomatik sayıma hazır konuma getirilmiştir. ... 76 Şekil 5.5: Boyutu belirlenecek olan östenit tane yapısının programa tanıtımı. Bu
gösterimde mikroyapı içerisinde yer alan östenit taneleri mavi renklerle işaretlenerek analize hazır konuma getirilmiştir. ... 76 Şekil 5.6: Zırh malzemesinin balistik davranışının tahmininde metodolojik
yaklaşım [89]. ... 78 Şekil 5.7: „Ball-on-disc‟ tipi aşınma deney cihazının şematik gösterimi [90]. ... 80 Şekil 5.8: Balistik test düzeneğine ait şematik gösterim [70]... 83 Şekil 5.9: (a) Birincil balistik denemelerde kullanılan test silahı, (b) Hız ölçerler,
(c) sabitlenmiş aluminyum esaslı şahit plaka ve (d) sabitleme sonrası lazer ile odalanarak atışa hazır konuma getirilmiş zırh çeliği plakası. .... 83 Şekil 5.10: (a) 7.62 AP M2 ve (b) 12.7 AP M2 mermi örnekleri [91]. ... 85 Şekil 5.11: Eleman IJK koordinat sistemi [93]... 86 Şekil 5.12: Eleman özellikleri ve ağ deformasyonu [93]. ... 87 Şekil 6.1: Deneysel zırh çeliği bileşimine en yakın konumdaki kompozisyon
Şekil 6.2: Deneysel çeliğe ait DTA eğrisi. ... 93 Şekil 6.3: Deneysel zırh çeliğine ait parlatılmış konumda mikroyapı örnekleri. Isıl
işlemler : (a ve b) HA-05, (c ve d) HA-06, (e ve f) HA-07... 97 Şekil 6.4 : Elektron mikroskop çalışmaları ile kalıntıların belirlenmesi. (a) MnS ve
(b) ilgili elementel spektrum. Isıl işlem: HA-05. ... 98 Şekil 6.5: Elektron mikroskop çalışmaları ile kalıntıların belirlenmesi. (a) Fe-Al-Ca
esaslı kompleks oksit ve (b) ilgili elementel spektrum.. ... 98 Şekil 6.6: Elektron mikroskop çalışmaları ile karbürlerin belirlenmesi. (a) Nb-ca
zengin karbür (MC) ve (b) ilgili elementel spektrum. ... 99 Şekil 6.7: Elektron mikroskop çalışmaları ile karbürlerin belirlenmesi. (a) Mo-Cr
esaslı karbür (M7C3) ve (b) ilgili elementel spektrum... 100
Şekil 6.8: XH129 ve Secure ticari marka zırh çeliklerine ait mikroyapı örnekleri. (a ve b) XH129 zırh çeliği, (c ve d) Secure zırh çeliği. ... 101 Şekil 6.9: Deneysel zırh çeliklerinde östenitleştirme ve ardından soğutma ile elde
edilen mikroyapı örnekleri. (a) su verme ile soğutma - koyu alanlar tamamen martenzit fazı, (b) yağ banyosunda soğutma – ototemper beynit yapısı. (a) HA-05 ve (b) HA-08. ... 101 Şekil 6.10: Birincil ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliğine ait mikroyapı
örnekleri. Isıl işlem : HA-04. ... 102 Şekil 6.11: İkincil ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliğine ait mikroyapı örnekleri.
Isıl işlem : HA-05. ... 103 Şekil 6.12: İkincil ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliğine ait mikroyapı örnekleri.
Isıl işlem : HA-06. ... 104 Şekil 6.13: İkincil ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliğine ait mikroyapı örnekleri.
Isıl işlem : HA-07. ... 105 Şekil 6.14: Üçüncül ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliğine ait mikroyapı
örnekleri. Isıl işlem : (a) HA-08, (b) HA-09, (c) HA-10, (d) HA-11, (e) HA-12, (f) HA-13. ... 106 Şekil 6.15: Dördüncül ısıl işlemler sonrası deneysel zırh çeliklerine ait mikroyapı
örnekleri. Isıl işlem : (a ve b) HA-14, (c ve d) HA-15, (e ve f) HA-16, (g ve h) HA-17. ... 107 Şekil 6.16: Secure ticari zırh çeliğinin içyapısına ait tarama elektron mikroskop
görüntüsü. ... 108 Şekil 6.17: İkincil ısıl işlemler sonrasında deneysel zırh çeliğinin içyapılarına ait
tarama elektron mikroskop görüntüleri. Isıl işlemler : (a ve b) HA-06, (c) HA-07. ... 109 Şekil 6.18: HA-13 ısıl işlemi sonrasında deneysel zırh çeliğinin içyapısına ait
tarama elektron mikroskop görüntüsü. ... 109 Şekil 6.19: Dördüncül ısıl işlemler sonrasında deneysel zırh çeliğinin içyapılarına ait
tarama elektron mikroskop görüntüleri. Isıl işlemler: (a) 14, (b) HA-15, (c) HA-16, (d) HA-17... 110 Şekil 6.20: Görüntü analizi sonrası HA-05, HA-06 ve HA-07 ısıl işlem kodlu
deneysel zırh çeliklerine ait %-hacimsel kalıntı ve karbür içeriği. ... 115 Şekil 6.21: 1020°C‟de yapılan östenitleştirme işleminde zamanın fonksiyonu olarak
östenit tane boyutundaki değişim. ... 117 Şekil 6.22: Östenitleştirme sıcaklığın bir fonksiyonu olarak östenit tane boyutundaki
değişim. Östenitleştirme zamanı : 60 dakika. ... 118 Şekil 6.23: Deneysel zırh çeliklerinde östenit tane boyutunun bir fonksiyonu olarak
Şekil 6.24: Deneysel zırh çeliğinde temperleme sıcaklığına bağlı olarak akma ve çekme mukavemet değişimi. ... 120 Şekil 6.25: Deneysel zırh çeliğinde temperleme sıcaklığına bağlı olarak akma/çekme
mukavemet oranının değişimi. ... 120 Şekil 6.26: Deneysel zırh çeliğinde temperleme sıcaklığına bağlı olarak sertlik ve
tokluk özelliklerinin değişimi. Darbe test sıcaklığı : -40°C. ... 121 Şekil 6.27: Deneysel zırh çeliklerinde çentikli darbe test sıcaklığına bağlı darbe
tokluk değişimi. ... 122 Şekil 6.28: Deneysel zırh çeliklerinde çentiksiz darbe test sıcaklığına bağlı darbe
tokluk değişimi. ... 122 Şekil 6.29: (a) Kaba birincil karbürler, (b) Uzamış MnS. ... 123 Şekil 6.30: Deneysel zırh çeliklerinde kalıntı miktarının bir fonksiyonu olarak darbe
tokluk değişimi. ... 123 Şekil 6.31: (a) Çekme, (b) çentikli darbe ve (c) çentiksiz darbe testleri sonrası
kırılma yüzeylerine ait makro görüntü örnekleri. Çatlak ilerleme ve darbe etki doğrultuları kırık yüzeyler üzerinde gösterilmiş olup ok ucu ile gösterilen yöreler belirgin ayrışma (yarılma) yöreleridir. ... 125 Şekil 6.32: Deneysel zırh çeliklerinin çekme testi sonrası kırılma yüzey SEM
görüntüleri. Isıl işlemler: (a) HA-05, (b) HA-06 ve (c) HA-07. ... 126 Şekil 6.33: Deneysel zırh çeliklerinin çekme testi sonrası kırılma yüzey SEM
görüntüleri. (a) Gevrek kırılma, (b) Sünek kırılma. Isıl İşlem : HA-05.126 Şekil 6.34: Ok ucu ile gösterilen yöreler kalıntı ve segragasyon satırlanmalarını
göstermektedir. (a) HA-05 ve (b) HA-06. ... 127 Şekil 6.35: (a) Şematik olarak boşluk boyutu üzerine asimetrik etki [62] ve (b) HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği çekme kırılma yüzey görüntüsü örneği. ... 127 Şekil 6.36: HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda çentikli
darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C... 129 Şekil 6.37: HA-06 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda çentikli
darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C... 129 Şekil 6.38: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda çentikli
darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C... 130 Şekil 6.39: HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin -60 °C‟de çentiksiz darbe
testi sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) sünek, (b) sünek-gevrek, (c) gevrek ve (d) gevrek kırılma. ... 130 Şekil 6.40: HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda
çentiksiz darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C. ... 131 Şekil 6.41: HA-06 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda
çentiksiz darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C. ... 131 Şekil 6.42: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin farklı sıcaklıklarda
çentiksiz darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüleri. (a) 0 °C, (b) -20 °C, (c) -40 °C ve (d) -60 °C. ... 132
Şekil 6.43: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentikli darbe test sonrası kırılma yüzey görüntüsü. Matriks içi kalıntı üzerinden çatlak ilerlemesi örneklenmiştir. Test sıcaklığı: -40 °C. ... 132 Şekil 6.44: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test
sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği ve (b) genel tarama sonrası EDS spektrum analizi. ... 133 Şekil 6.45: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test
sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Kalıntı tipik MnS türü kalıntıdır... 134 Şekil 6.46: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test
sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Kalıntı tipik Al2O3 türü kalıntıdır. ... 134
Şekil 6.47: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Kalıntı tipik ZrO2 türü kalıntıdır. ... 135
Şekil 6.48: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Kalıntı tipik MnS türü kalıntıdır... 135 Şekil 6.49: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test
sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Kompleks kalıntı örneği üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Kalıntı tipik MnS türü kalıntıdır... 136 Şekil 6.50: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çentiksiz darbe test
sonrası kırılma yüzeyinde EDS analizi. (a) Karbür üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Karbür temperleme sıcaklığı altında küreselleşmiş sementittir... 136 Şekil 6.51: HA-06 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinde çekme test sonrası kırılma
yüzeyinde EDS analizi. (a) Karbür üzerinde seçili alan ve (b) ilgili alana ait sonrası EDS spektrum analizi. Karbür Mo2C türü bir karbürdür. .... 137
Şekil 6.52: Ticari ve deneysel zırh çeliklerinde sertlik ve yüklenmenin bir fonksiyonu olarak maksimum sürtünme katsayısı değişimi. ... 139 Şekil 6.53: Aşınma testi sonrası ağırlık kayıpları. ... 139 Şekil 6.54: Test edilen aşınma numunelerine ait sürtünme katsayısı – mesafe ilişkisi.
(a) 25 N ve (b) 50 N. ... 140 Şekil 6.55: Test edilen HA-17 ısıl işlem kodlu zırh çeliğine ait aşınma yüzeyinin (a)
stereo mikroskop ve (b) SEM görüntüsü. 25 N yüklenme altında aşınma testi gerçekleştirilmiştir. ... 141
Şekil 6.56: Secure ticari zırh çeliğinin aşınma testi sonrası yüzey incelemeleri. (a ve b) 25 N, (c ve d) 50 N. ... 142
Şekil 6.57: HA-17 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin aşınma testi sonrası yüzey incelemeleri. (a ve b) 25 N, (c ve d) 50 N. ... 142 Şekil 6.58: HA-15 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliğinin aşınma testi sonrası yüzey
incelemeleri. (a ve b) 25 N, (c ve d) 50 N. ... 143 Şekil 6.59: Aşınma testi sonrası elde edilen talaşlara ait SEM görüntüleri. (a) Secure
Şekil 6.60: Aşınma yüzeylerine ait farklı büyütmelerde SEM görüntüleri. (a) Secure ticari zırh çeliği, (b) HA-17 ve (c) HA-15 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çelikleri. Uygulanan yük : 25N. ... 144 Şekil 6.61: Abrasif aşınma yüzeylerine ait farklı büyütmelerde SEM görüntüleri. (a)
Secure ticari zırh çeliği, (b) HA-17 ve (c) HA-15 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çelikleri. Uygulanan yük : 25N. ... 145 Şekil 6.62: Adhesif aşınma yüzeylerine ait farklı büyütmelerde SEM görüntüleri ve
tabakalarda meydana gelen delaminasyon örnekleri. (a) Secure ticari zırh çeliği, (b) HA-17 ve (c) HA-15 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çelikleri. Uygulanan yük : 50N. ... 145 Şekil 6.63: (a) HA-17 çeliğinin 25 N ile yüklenme sonrası aşınma yüzey örneği,
SEM görüntüsü, (b) aşınma yüzeyinde „1‟ olarak işaretlenen yöreye ait EDS analizi, (c) aşınma yüzeyinde „2‟ olarak işaretlenen yöreye ait EDS analizi. ... 146 Şekil 6.64: HA-05 kodlu deneysel çelikte zamana bağlı korozyon oluşumu ve
gelişimini gösteren örnek mikroyapılar; (a) 24 saat, (b) 48 saat, (c) 72 saat, (d) 96 saat, (e) 120 saat, (f) 144 saat ve (g) 168 saat sonrası yüzey görüntüleri. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 149 Şekil 6.65: HA-06 kodlu deneysel çelikte zamana bağlı korozyon oluşumu ve
gelişimini gösteren örnek mikroyapılar; (a) 24 saat, (b) 48 saat, (c) 72 saat, (d) 96 saat, (e) 120 saat, (f) 144 saat ve (g) 168 saat sonrası yüzey görüntüleri. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 151 Şekil 6.66: HA-07 kodlu deneysel çelikte zamana bağlı korozyon oluşumu ve
gelişimini gösteren örnek mikroyapılar; (a) 24 saat, (b) 48 saat, (c) 72 saat, (d) 96 saat, (e) 120 saat, (f) 144 saat ve (g) 168 saat sonrası yüzey görüntüleri. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 153 Şekil 6.67: Yedinci gün sonrası deneysel çeliklerin makro yüzey görünümleri. (a)
HA-05, (b) HA-06 ve (c) HA-07 çelikleri. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi... 154 Şekil 6.68: Yedinci gün sonrası deneysel çeliklerin SEM yüzey görünümleri. (a)
HA-05, (b) HA-06 ve (c) HA-07 çelikleri. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi... 154 Şekil 6.69: HA-05 çeliğinde örnek yüzey üzerinde farklı yörelerde yapılan EDS
çalışmaları. (a) örnek yüzey SEM görüntüsü, (b-d) farklı yörelere ait EDS sonuçları. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 155 Şekil 6.70: HA-06 çeliğinde örnek yüzey üzerinde farklı yörelerde yapılan EDS
çalışmaları. (a) örnek yüzey SEM görüntüsü, (b-d) farklı yörelere ait EDS sonuçları. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 156 Şekil 6.71: HA-07 çeliğinde örnek yüzey üzerinde farklı yörelerde yapılan EDS
çalışmaları. (a) örnek yüzey SEM görüntüsü, (b ve c) farklı yörelere ait EDS sonuçları. Ortam : ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi. ... 157 Şekil 6.72: Farklı sıcaklıklarda temperlenmiş çeliğin 3.5 % NaCl çözeltisindeki
potansiyodinamik polarizasyon eğrileri. ... 159 Şekil 6.73: Deneysel çeliklerde zamana bağlı meydana gelen ağırlık kayıpları. .... 161 Şekil 6.74: Sertliğin bir fonksiyonu olarak deneysel çeliklerde korozyon hızı
Şekil 6.75: HA-06 kodlu deneysel çelikte zamana bağlı korozyon oluşumu ve gelişimini gösteren örnek mikroyapılar; (a) 24 saat, (b) 48 saat, (c) 72 saat, (d) 96 saat, (e) 120 saat, (f) 144 saat ve (g) 168 saat sonrası yüzey görüntüleri. Ortam : 1 N H2SO4 . ... 163
Şekil 6.76: 1 N H2SO4 ortamında korozyona uğramış ve çoğunlukla yüzeyinde
çukurcuklar içeren HA-06 çeliğinin SEM görüntüleri. ... 164 Şekil 6.77: HA-06 çeliği için tuzlu su ve asidik ortamın fonksiyonu olarak zamana
bağlı ağırlık kaybı diyagramı. ... 164 Şekil 6.78: % 3‟lük nital ile aşırı dağlama sonrası deneysel zırh çeliklerine ait
korozyon oluşum örnekleri. Isıl işlemler: (a) HA-05, (b) HA-06 ve (c) HA-07. ... 165 Şekil 6.79: Balistik test sonrası plakaların ön ve arka perforasyon profilleri.
Malzeme ve sertlik değerleri : (a) HA-01 / 47 HRC, (b) HA-02 / 44HRC, (c) HA-03 / 41 HRC, (d) HA-04 / 38 HRC. ... 166 Şekil 6.80: Atış sonrası PP ve CP belirlenmesi amacıyla HA-01 zırh plakasında (a)
ön yüzey ve (b) arka yüzey görünüm incelemeleri. ... 167 Şekil 6.81: Atışlar sonrasında geliştirilen HA-01, HA-02 ve HA-03 zırh çeliklerinin
V50 balistik limitlerinin eşdeğer sertliklerdeki MIL-A-12560 standart zırh çeliğinin sahip olduğu balistik limitleri ile karşılaştırılması. ... 167 Şekil 6.82: Atışlar sonrasında geliştirilen HA-04 zırh çeliğinin V50 balistik limitinin
eşdeğer sertliklerdeki MIL-A-46100 standart zırh çeliğinin sahip olduğu balistik limiti ile karşılaştırılması. ... 168 Şekil 6.83: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşimine ait balistik
simülasyon örneklemeleri. ... 169 Şekil 6.83: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşimine ait balistik
simülasyon örneklemeleri. (devam) ... 170 Şekil 6.83: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşimine ait balistik
simülasyon örneklemeleri. (devam) ... 171 Şekil 6.83: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşimine ait balistik
simülasyon örneklemeleri. (devam) ... 172 Şekil 6.83: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşimine ait balistik
simülasyon örneklemeleri. (devam) ... 173 Şekil 6.84: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşiminde lokal şekil
değişimine, mermi geometrisin değişimi ve lokal gerilme-gerinme oluşumuna ait balistik simülasyon örneklemeleri. ... 174 Şekil 6.84: Zırh delici mermi ile geliştirilen zırh çeliğinin etkileşiminde lokal şekil
değişimine, mermi geometrisin değişimi ve lokal gerilme-gerinme oluşumuna ait balistik simülasyon örneklemeleri. (devam) ... 175 Şekil 6.85: Geliştirilen çeliğin ön yüzeyinde meydana gelen deformasyonun ANSYS
AUTODYN ile modellenmesi. ... 176 Şekil 6.86: Geliştirilen çeliğin arka yüzeyinde meydana gelen deformasyonun
ANSYS AUTODYN ile modellenmesi... 177 Şekil 6.87: Geliştirilen zırh çeliğinde (a) mermi ile olan etkileşim boyunca
malzemenin ve merminin şekil değişimi ve (b) hasar sonrası kopan parçacığın örneklenmesi. ... 178 Şekil 6.88: Merminin penetrasyon boyunca (a) malzemede oluşturduğu gerinme
etkisi ve (b) plastik akış etkisi. ... 179 Şekil 6.89: HA-04 ısıl işlem kodlu geliştirilen zırh çeliğinin delinme yöresine ait
Şekil 6.90: Geliştirilen zırh çeliğin delinme sonrası ön yüzeyine ait SEM görüntü örnekleri. ... 181 Şekil 6.91: Geliştirilen zırh çeliğin delinme sonrası arka yüzeyine ait SEM görüntü
örnekleri. ... 181 Şekil 6.92: Geliştirilen zırh çeliğinin balistik test sonrası delinme yöresine ait kesit
makro görüntüsü. (a) makro görüntü, (b) ön yüzeye ve (c) arka yüzeye ait SEM görüntüleri. ... 181 Şekil 6.93: (a) Mermi giriş yöresine ait genel bir makro görüntü, (b) Kratere ait SEM
görüntüsü, (c) Makro görüntüde ok ucu ile gösterilen yöreye ait mikro görüntü, (d) Bakır parçacığa ait SEM görüntüsü. ... 182 Şekil 6.94: (a) Krater kısmında bakır tabakaya ait SEM görüntüsü, (b) SEM
görüntüsü üzerinde işartelenmiş yöreye ait EDS spektrumu. ... 183 Şekil 6.95: (a) Krater kısmında açık gri kontrast gösteren yörelere ait SEM
görüntüsü, (b) SEM görüntüsü üzerinde işartelenmiş yöreye ait EDS spektrumu. ... 183 Şekil 6.96: Mermi penetrasyonunun neden olduğu ve penetrasyon doğrultusunda
meydana gelen abrasif aşınma yüzey görüntüleri. ... 184 Şekil 6.97: Balistik test sonrası HA-04 zırh çeliğinin yan kesitine ait bir makro
görüntü. ... 185 Şekil 6.98 : HA-04 zırh çeliğinin makro görüntüsünde işaretlenmiş yörelere ait
mikroyapı örnekleri.. ... 186 Şekil 6.99: HA-04 zırh çeliğinde (a) Yan yüzeyde mermi penetrasyonu ve uygulanan
yük altında kalıntı üzerinden çatlak oluşumu ve ilerlemesi, (b) ve (c) matriks içi plastik akışa aynı doğrultuda eşlik eden kalıntı satırları. .... 187 Şekil 6.100:Balistik test sonrası HA-04 zırh çeliğinin kesitinde mikroyapısal
değişimin karşılaştırılması için verilmiş bir makro görüntü. ... 188 Şekil 6.101:(a) ve (d) Geliştirilen HA-04 zırh çeliğine ait orijinal mikroyapılar, (b) ve
(c) penetrasyon doğrultusuna yakın yörelerde orijinal tane sınırı yapısının değişimini gösteren mikroyapılar. ... 188 Şekil 6.102:Geliştirilen zırh çeliğinin balistik test sonrasında kesitinde sertlik profili.
Sertlik değerleri HRC olarak verilmiştir. ... 189 Şekil 6.103:İkincil balistik denemeler sonrası geliştirilen zırh çeliklerine ait makro
görüntüler. (a) HA-13, (b) HA-14, (c) HA-15, (d) HA-16, (e) HA-17. 190 Şekil 6.104:HA-13 ısıl işlem kodlu çeliğin atış sonrası kesit makro görüntüsü. ... 191 Şekil 6.105:HA-13 zırh çeliğinin makro görüntüsü üzerinde işaretlenmiş yörelere ait
mikroyapı örnekleri. ... 191 Şekil 6.106:HA-14 ısıl işlem kodlu çeliğin atış sonrası kesit makro görüntüsü ... 192 Şekil 6.107:HA-14 zırh çeliğinin makro görüntüsü üzerinde işaretlenmiş yörelere ait
mikroyapı örnekleri. ... 192 Şekil 6.108:HA-15 ısıl işlem kodlu çeliğin atış sonrası kesit makro görüntüsü. ... 194 Şekil 6.109:HA-15 zırh çeliğinin makro görüntüsü üzerinde işaretlenmiş yörelere ait
mikroyapı örnekleri. ... 194 Şekil 6.110:HA-16 ısıl işlem kodlu çeliğin atış sonrası kesit makro görüntüsü. ... 195 Şekil 6.111:HA-16 zırh çeliğinin makro görüntüsü üzerinde işaretlenmiş yörelere ait
mikroyapı örnekleri. ... 195 Şekil 6.112:Martenzitik bir çelikte çatlak başlangıcı ve ilerlemesini örnekleyen
mikroyapısal bir model [124]. ... 196 Şekil 6.113:HA-17 ısıl işlem kodlu çeliğin atış sonrası kesit makro görüntüsü. ... 197
Şekil 6.114:HA-17 zırh çeliğinin makro görüntüsü üzerinde işaretlenmiş yörelere ait mikroyapı örnekleri. ... 197 Şekil 6.115:Deneysel çeliklerin balistik incelemelerine ait örnekler. (a, ve b) HA-13,
(c ve d) HA-14 ve (e ve f) HA-15. ... 199 Şekil 6.115:Deneysel çeliklerin balistik incelemelerine ait örnekler (devam). (g ve h)
HA-16, (ı ve i) HA-17. ... 200 Şekil 6.116 :HA-13 zırh çeliğinin penetrasyon yöresine ait geçirimli elektron
mikroskop görüntü örnekleri. (a-f) Temper beynitik matriksli çelikte tipi latalar ve lata içi yüksek dislokasyon yoğunluklu yöreler. ... 202 Şekil 6.117:Parametrik ilişkilerin kurulmasında kullanılacak olan kavramların HA-13
zırh çeliğinin balistik atış sonrası makro görüntüsü üzerinde gösterimi. ... 203 Şekil 6.118: Penetrasyon derinliği-çarpma hızı ilişkisi... 204 Şekil 6.119: Krater uzunluğu/ derinliği oranı-çarpma hızı ilişkisi. ... 204
TABLOLAR DĠZĠNĠ
Tablo 1.1: *7.62 ve **14.5 mm zırh delici (AP, Armor Piercing) mermilerine karşı
zırh malzemeleri [2]. ... 1
Tablo 2.1: Zırhlı çeliklerde imalat işlemleri doğrultusunda arzulanan özellikler [9]. 4 Tablo 2.2: Zırh çeliklerinin karşılaştırması; dikdörtgen plaka, sac kalınlığı: 25.4 mm [1]. ... 5
Tablo 2.3: Zırh çeliklerinin kimyasal bileşimleri [14-19]. ... 5
Tablo 2.4: Tablo 2.3‟ de yer alan zırh çeliklerinin mekanik özellikleri [14-19]. ... 6
Tablo 2.5: Maweja tarafından yapılan çalışmalarda kullanılan zırh çeliklerine ait kimyasal kompozisyonlar. GXX : Martenzitik deneysel çelikler [41].... 15
Tablo 2.6: Chia-Jung Hu ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmalarda kullanılan çelikler, ısıl işlem parametreleri, sertlik değişimler ve plaka kalınlıkları [42]. ... 18
Tablo 4.1: Balistik koruma seviyeleri [71]. ... 50
Tablo 5.1: Zırh çeliği alaşım tasarımı (kimyasal kompozisyon, ağırlık-%). ... 68
Tablo 5.2. Yeni geliştirilen zırh çeliği slabının kimyasal kompozisyonu. ... 68
Tablo 5.3: ThermoCalc hesaplamalarında kullanılan alaşım kompozisyonu. ... 70
Tablo 5.4: ThermoCalc hesaplamalarından elde edilen veriler. ... 71
Tablo 5.5: Deneysel zırh çeliği üzerine uygulanan ısıl işlemler. ... 73
Tablo 5.6: 38 HRC sertlikteki HA-04 plakası üzerine yapılan atış verileri ve belirlenen V50 Balistik Limit değeri. (Spesifikasyon : MIL-A-12560) .. 84
Tablo 5.7: 41 HRC sertlikteki HA-03 plakası üzerine yapılan atış verileri ve belirlenen V50 Balisitik Limit değeri. (Spesifikasyon : MIL-A-12560) 84 Tablo 5.8: 44 HRC sertlikteki HA-02 plakası üzerine yapılan atış verileri ve belirlenen V50 Balisitik Limit değeri. (Spesifikasyon : MIL-A-12560) 85 Tablo 5.9: 47 HRC sertlikteki HA-01 plakası üzerine yapılan atış verileri ve belirlenen V50 Balisitik Limit değeri. (Spesifikasyon : MIL-A-46100) 85 Tablo 5.10: İkincil balistik denemeleri yapılan çelikler, çarpma hızları ve atış koşulları. ... 89
Tablo 6.1: ThermoCalc hesaplamaları ve DTA çalışması sonrası zırh çeliğinde meydana gelen reaksiyonlar, oluşan fazlar ve olası dönüşümler. ... 95
Tablo 6.2: HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için şekilsel nicel analiz sonuçları. ... 112
Tablo 6.3: HA-05 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için alansal nicel analiz sonuçları. ... 112
Tablo 6.4: HA-06 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için şekilsel nicel analiz sonuçları. ... 113
Tablo 6.5: HA-06 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için alansal nicel analiz sonuçları. ... 113
Tablo 6.6: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için şekilsel nicel analiz sonuçları. ... 114
Tablo 6.7: HA-07 ısıl işlem kodlu deneysel zırh çeliği üzerine kalıntı (a) ve birincil karbür (b) için alansal nicel analiz sonuçları. ... 114 Tablo 6.8: (a) HA-10 ve (b) HA-13 ısıl işlem kodlu numuneler üzerine yapılmış
östenit tane boyutu ölçüm verileri. ... 116 Tablo 6.9: (a) HA-15 ve (b) HA-17 ısıl işlem kodlu numuneler üzerine yapılmış
östenit tane boyutu ölçüm verileri. ... 117 Tablo 6.10: Deneysel zırh çeliklerinin ısıl işlem sonrası sahip oldukları sertlik
değerleri. ... 118 Tablo 6.11: Aşınma testi sonrası Secure ticari ve deneysel zırh çeliklerine ait veriler. ... 138 Tablo 6.12: Farklı sıcaklıklarda temperlenmiş çeliğin % 3.5 NaCl çözeltisindeki
elektrokimyasal parametreleri. ... 159 Tablo 6.13: % 3.5 NaCl çözeltisindeki farklı sıcaklıklarda temperlenmiş çeliğin
SĠMGELER
V50 : Balistik koruma hız limiti ζy : Akma mukavemeti
ζT : Çekme mukavemeti
Tc : Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı
K : Gerilme şiddet faktörü
ζ : Gerilme
a : Çatlak boyutu d : Tane boyutu n : Dislokasyon sayısı : Kayma gerilmesi c : Yarı çatlak uzunluğu Ue : Elastik enerji
E : Elastisite modülü
: Birim alan başına yüzey enerjisi Us : Çatlak ilerlemesinde yüzey enerjisi
G : Elastik gerinme enerjisinin serbest bırakılma oranı ζf : Kırılma gerilmesi
p : Plastik iş ile elde edilen yüzey enerjisi
KC : Kritik gerilme şiddet faktörü
GC : Gerinme enerjisinin kritik serbest kalma oranı
G1C : Kritik gerinme enerjisinin serbest kalma oranı v : Poisson oranı
K1C : Kritik gerilme şiddeti
C0 : Karbür çapı
dp : Paket genişliği
v : Çatlak hızı
c0 : Çatlak kritik boyutu
: Yoğunluk
k : Sabit
vlim : Çatlak hız limiti
T : Kırılma için gerekli gerçek gerinme
Em : Seramik balistik kütle katsayısı
Pb : Penetrasyon derinliği
Pr : Kalıntı penetrasyon
ρb : Ana malzeme yoğunluğu
ρc : Seramik yoğunluğu
tc : Seramik kalınlığı
αI : Sınırlı bölgenin fraksiyonel genişliği
kj : Sabit
kb : Sabit
kp : Sabit
εr : Kesit daralması veya fraksiyonel uzama
v0 : Merminin çarpma hızı
vr : Ortalama çarpma hızı
Ф : Balistik performans indeksi T : Plaka kalınlığı
D : Mermi çapı
A1 : Kritik sıcaklık
A2 : Kritik sıcaklık
A3 : Kritik sıcaklık
: Maksimum sürtünme katsayısı Ecorr : Korozyon potansiyeli
Icorr : Korozyon hızı
βA : Tafel sabiti
βC : Tafel sabiti
Epit : Çukurcuk oluşturma potansiyeli
m : Kütle ε : Gerinim p : Basınç e : İç enerji T : Sıcaklık Xp : Penetrasyon derinliği Da : Krater uzunluğu Db : Krater derinliği Kısaltmalar
RHA : Rolled Homogeneous Armor (Haddelenmiş Homojen Zırh Çeliği) AP : Armor Piercing (Zırh Delici)
HV : Hardness of Vickers (Vickers Sertliği) HB : Hardness of Brinell (Brinell Sertliği)
HRC : Hardness of Rockwell C (Rockwell C Sertliği)
TEM : Transmission Electron Microscope (Geçirimli Elektron Mikroskobu) STEM : Scanning Transmission Electron Microscope (Taramalı Geçirimli
Elektron Mikroskobu)
EDS : Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (Enerji Dağılım X-Işını Spektrometresi)
APFIM : Atom Probe Field Ion Microscope (Atom Prob Alan İyon Mikroskobu)
IM : Işık Mikroskobu
SEM : Scanning Electron Microscope (Taramalı Elektron Mikroskobu) BPI : Ballistic Performance Index (Balistik Performans İndeksi) MRHA : Modified Rolled Homogeneous Armor (Modifiye Edilmiş
Haddelenmiş Homojen Zırh Çeliği) hmk : Hacim Merkezli Kübik
AC : Air Cooled (Havada Soğutulmuş)
HSLA : High Strength Low Alloy (Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşım) NIJ : National Institute of Justice (Amerikan Ulusal Adalet Enstitüsü) DOP : Depth of Penetration (Penetrasyon Derinliği)
PBL : Protective Ballistic Limit (Koruma Balistik Limit)
NATO : North Atlantic Treaty Organization (Kuzey Atlantik Paktı) ymk : Yüzey Merkezli Kübik
DTA : Differential Thermal Analysis (Diferansiyel Termal Analiz) ppm : Parts Per Million (Milyonda Bir)
FEG-SEM : Field Emission Gun Scanning Electron Microscope (Alan Emisyon Tarama Elektron Mikroskobu)
PP : Partial Penetration (Kısmen Penetrasyon) CP : Complete Penetration (Tamamen Penetrasyon)
HRTEM : High Resolution Transmission Electron Microscope (Yüksek Çözünürlüklü Geçirimli Elektron Mikroskobu)
BOR KATKILI BĠR ZIRH ÇELĠĞĠNĠN FĠZĠKSEL METALURJĠK ESASLAR DOĞRULTUSUNDA GELĠġTĠRĠLMESĠ VE BALĠSTĠK PERFORMANSININ
DEĞERLENDĠRĠLMESĠ
ġ. Hakan ATAPEK
Anahtar kelimeler: Zırh çelikleri, Isıl işlem, Mikroyapı, Mekanik özellikler, Balistik limit
Özet: Bu çalışmanın amacı, bor katkılı bir zırh çeliğinin fiziksel metalurjik esaslar doğrultusunda geliştirilmesi ve balistik performansının değerlendirilmesidir. Stratejik bir malzeme olan zırh çeliğinin yerli bir malzeme olarak üretilebilirliği üzerinde durulacaktır. Mevcut zırh çelikleri ailesinin sahip olduğu mekanik ve balistik performansa eşdeğer ve yüksek performanslı malzeme üretimi için yeni bir alaşım tasarımı ile farklı ısıl işlem uygulamaları seçilmiştir. Isıl işlem koşullarına bağlı olarak, geliştirilen zırh çeliğinin sertlik, mukavemet, tokluk, aşınma gibi mekanik özelliklerinin ve korozyon direncinin dışında V50 balistik limiti ve yüksek çarpma hızlarındaki performansı araştırılmıştır.
DEVELOPMENT OF A BORON ADDED ARMOR STEEL ALONG THE PRINCIPLES OF PHYSICAL METALLURGY AND EVALUATION OF ITS
BALLISTIC PERFORMANCE
ġ. Hakan ATAPEK
Key words: Armor Steels, Heat treatment, Microstructure, Mechanical properties, Ballistic limit
Abstract: The aim of this study is the development of a boron added armor steel along the principles of physical metallurgy and evaluation of its ballistic performance. The producibility of domestic armor steel, which is a strategic material, will be emphasized. A new alloy design and different heat treatment applications were selected for the production of a high performance material having equal mechanical and ballistic properties to the present family of armor steels. V50 ballistic limit and performance of the developed armor steel at high strike velocities were investigated in addition to its mechanical properties such as hardness, strength, toughness, wear and corrosion resistance depending on the conditions of heat treatment.
1. GĠRĠġ
Gelişmekte olan ülkeler bazında savunma sanayisine yönelik araştırma-geliştirme faaliyetleri ile bu çalışmalara mali kaynak getiren askeri projeler gün geçtikçe artmaktadır. Teknolojik gelişmeler modern ateşli silahların geliştirilmesini ivmelendirmekte ve buna ek olarak koruma söz konusu iken koruyucu malzemelerin üretilebilirliğini artırmaktadır [1].
Askeri ve sivil platformlarda modern silahların oluşturduğu tehditlere karşı kullanılabilen çeşitli balistik koruma amaçlı malzemeler Tablo 1.1‟de verilmiştir [2]. Ateşli silahlardan çıkan merminin, penetratörün ya da ateşli parçacığın türü, geometrisi ve penetrasyon kinetiğine göre koruyucu malzeme seçimi söz konusudur. Tüm bu malzemeler arasında homojen haddelenmiş zırh çelikleri (RHA, Rolled Homogeneous Armor) özellikle askeri platformlarda çok çeşitli personel ve mühimmat taşıyan araçlarda koruyucu malzeme olarak kullanılmaktadır [3].
Tablo 1.1: *7.62 ve **14.5 mm zırh delici (AP, Armor Piercing) mermilerine karşı zırh malzemeleri [2].
Zırh Malzemeleri Çelik *
- RHA (HB 380)
- Yüksek sertlik (HB 550)
- İki defa sertleştirilmiş (HB 440-600)
Cam Takviyeli * - E cam - S cam Aluminyum - 5083 alaşımı - 7039 alaşımı - 2519 alaşımı Seramik * - Aluminyum oksit - Aluminyum oksit + Al - Bor karbür - Bor karbür + Al - Titanyum diborür Kompozit **
(seramik yüzeyli çok katmanlı) - Al + RHA
- Çelik + RHA - E cam + RHA
2. ZIRH ÇELĠKLERĠ
Koruyucu amaçlı olarakzırh malzemeleri gerek sivil ve gerekse askeri amaçlı birçok kara, hava, deniz ve hatta uzay aracında kullanım alanı bulmuştur (Şekil 2.1) [1]. Günümüzde sivil ve askeri platformda en yoğun tehdidi modern ateşli silahlardan çıkan kinetik enerjili mermiler oluşturmaktadır. Bu mermiler geometrik, mekanik ve kinematik özellikleri açısından çeşitlilik arz etmektedir. Bunların yanı sıra tank gibi belirli bir hedefe yönelik olarak tasarlanan ve çalışma prensibi kinetik enerji mermilerinden oldukça farklı olabilen özel tipte mermilerden de bahsedilmelidir. Merminin hedefe çarpmasıyla başlayan penetrasyon sürecinin fiziksel karakteri, mermi ve hedefe ait özellikler kombinasyonuna bağlı olarak çeşitlilik gösterir [4].
Şekil 2.1: Balistik koruma grupları [1].
Sözü edilen mermilere karşı zırh malzemesi olarak çelik ve aluminyum alaşımları, seramikler, cam ve elyaf takviyeli çeşitli kompozit malzemeler kullanılır [5-7]. Günümüzde tank ve benzeri savunma amaçlı araçlarda en yaygın olarak kullanılan zırh malzemesi çeliktir. Bunun başlıca nedeni çeliklerin sahip olduğu yüksek dayanım, yeterli tokluk, iyi kaynaklanabilirlik gibi malzeme özellikleri ve çeliklerin diğer zırh malzemelerine göre daha düşük olan üretim maliyetleridir.
Zırhlı savaş araçları, kinetik penetratörler, yüksek derecede patlayıcı ve parçalayıcı savaş başlıkları gibi değişik karakterli mermilerin çoklu darbesine karşı çatlamaya, parçacıkların kopmasına ve kırılmaya direnç göstermek mecburiyetindedir. Böylesi bir ortamda iş görecek yapısal zırh çelikleri yüksek kalitede homojen bir mikroyapı içermelidir. Zırh çelikleri alaşımlı çelikler olup kimyasal kompozisyon açısından kendileri gibi östenitleştirme ve su verme kademesini içerisine alan sertleştirme ile temperleme aşamasından geçen ıslah çelikleri ile benzer bir kompozisyon gösterirler. Nihai konumda bu çelikler yüksek temperlenmiş olup çökelti sertleşen martenzitik bir mikroyapı içerirler. Burada haddeleme ile elde edilecek sac kesitinde sertleştirme ve temperleme sonrası yüksek mukavemet ve tokluk sağlanması amaçlanmıştır. Homojen zırh çelikleri olarak adlandırılan bu çeliklerin kalınlıkları boyunca aynı sertliğe sahip olması beklenmektedir [8, 9].
2.1. Zırh Çeliklerinin Özellikleri
Zırhlı araç yapımında kullanılan zırh çeliklerinin aşağıda anılan özelliklere sahip olması istenir [9]:
Balistik darbelere ve perforasyona (delinme) karşı yüksek direnç İmalat (kesme, kaynak yapma, şekillendirme vb.) işlemlerinde kolaylık
İyi bir bakım davranışı, yani uzun kullanım ömrü (örn. yüksek yorulma direnci) Genel kural olarak zırh çeliğinin delinmeye veya merminin içeri doğru girişine dirençli olması için yüksek mukavemete ve sertliğe sahip olması istenir. Ancak 600 HV üzeri yüksek sertlikler çeliği kırılgan yapacağından sac malzeme alacağı darbe karşısında gevrek kırılacaktır. Dolayısı ile zırh çeliklerinin kimyasal kompozisyonu ve östenitleştirme, su verme ve temperleme gibi ısıl işlemleri çok önemlidir. Balistik darbelere karşı direnç yüksek toklukla sağlanabilmektedir. Dolayısıyla zırh çelikleri yüksek darbe tokluğuna sahip olmalıdır [10].
Uygulamada imalat güçlüklerini minimumda tutmak için uygun metalurjik özellikler sağlanmalıdır. Tablo 2.1‟ de çeşitli üretim aşamaları için en uygun metalurjik koşullar verilmiştir [9]. Arzulanan özelliklerden mukavemet ve sertlik orta karbonlu
doğrultusunda sınırlanmıştır. Nihai olarak yapılan sertleştirme ve temperleme ısıl işlemiyle mukavemet ile tokluk dengelenir. Bu dengelemede etken rol östenitleştirmede karbon ve karbür yapıcı alaşım elementlerinin doyumu ile temperlemede sıcaklık ve zamana bağlı olarak gerçekleşen karbür çökelmesi ve ilgili Ostwald olgunlaşmasıdır.
Zırh çelikleri için önemli bir konu da, hafif veya ağır taşıtların sürekli farklı engebeli arazilerdeki hareketleri ve ağır silah darbelerine karşı kaynak bölgelerinde yorulma dirençlerinin yüksek olmasının gerekliliğidir. Sert zırh çeliklerinde (> 500 HB) gerilmeli korozyon sorunu ortaya çıkabilir. Özellikle gerinimli bölgelerde ve korozif bir ortamla karşılaştığında korozyon artar. Zırh çeliğindeki gelişmeler ile 500-600 HB sertliklere ulaşılmıştır. Artan mukavemet ve sertliğe bağlı olarak tokluk kaybını azaltmak için ikincil metalurjik işlemlerle kükürt ve fosfor çok düşük seviyelere çekilmiştir [11, 12]. Üretimde ise kontrollü haddeleme ve termomekanik işlemleme tekniklerinin uygulanmasıyla mekanik özellikler geliştirilmiştir [11, 13, 14].
Tablo 2.1: Zırhlı çeliklerde imalat işlemleri doğrultusunda arzulanan özellikler [9].
İmalat İşlemleri
Isıl kesme Kaynak Talaşlı İşlem Şekillendirme -düşük karbon -düşük karbon -yüksek -yüksek
Gerekli eşdeğeri eşdeğeri olmayan sertlik süneklik Metalurjik -sınırlı -düşük hidrojen
Özellikler segregasyon miktarı -çok düşük -düşük kalıntı hidrojen miktarı gerilmeleri -düşük kalıntı
gerilme
Tablo 2.2‟de genelde kullanılan zırh çeliklerinin alaşım kimyası ve karbon eşdeğeri doğrultusunda mekanik özellikleri ile balistik performansları karşılaştırmalı olarak verilmiştir [1]. Tabloda verilen tüm zırh malzemeleri su verilmiş ve temperlenmiş düşük alaşımlı çeliklerdir. Sınıf I tipi çelikler standart zırh çelikleridir ve çoğu araç uygulamalarında kullanılır. Sınıf II tipi çelikler benzer kimyasal kompozisyona sahiptir, ancak penetrasyondan ziyade şokun önemli olduğu uygulamalar için daha yüksek temperlenir. Yüksek sertlik türleri genelde penetrasyon direnci ile ağırlık azaltmanın önemli olduğu durumlarda uygulanır. Döküm malzemeler ise karmaşık
yüksek sertlikteki zırh çeliklerinin balistik performansı % 20 daha yüksek döküm malzemenin ise % 13 daha düşüktür [3].
Tablo 2.2: Zırh çeliklerinin karşılaştırması; dikdörtgen plaka, sac kalınlığı: 25.4 mm [1]. Zırh çeliği türü Sertlik (HRC) Tokluk* Balistik Performans** Alaşım Kimyası Karbon Eşdeğeri Sınıf I (MIL-A-12560) 34-40 21.6 1.00 Mn-Mo-B 0.64 Sınıf II (MIL-A-12560)
29-34 28 şok direnç Mn-Mo-B 0.64
Yüksek Sertlikte Plaka (MIL-A-46100) 50-53 13.5 1.20 Cr-Ni-Mo 0.85 Döküm (MIL-A-113596) 32-38 16.3 0.87 Cr-Ni-Mo 0.78 * : -40 ºC‟ de J/mm2 (enine), ** : 14.5 mm delici.
2.2. Zırh Çeliklerinin Fiziksel Metalurjisi
2.2.1. Zırh çeliklerinde alaĢımlama
Tablo 2.3‟ de birkaç zırh çeliğinin kimyasal kompozisyonu verilmiştir [14-19]. Bu çeliklerin özellikleri ise Tablo 2.4‟de sunulmuştur [14-19]. Günümüzde kullanılan MIL-A-12560 çeliği bir çok uygulamada kullanılan standart zırh çeliğidir. Yüksek sertliğe sahip MIL-A-46100 çeliği ise balistik korumanın MIL-A-12560‟a göre % 20 daha etkili olduğu (14.5 mm AP) bir zırh çeliğidir. Tablo 2.3‟de verilen temel alaşım elementlerinin yanı sıra bu tür çelikler, vanadyum, titanyum, niobyum, aluminyum, bor gibi mikroalaşım elementleri de içerebilir.
Tablo 2.3: Zırh çeliklerinin kimyasal bileşimleri [14-19]. Kimyasal Bileşim (%) MIL-A 12560 (Mars 190) MIL-A 46100 (Mars 240) MIL-A 46173 (Mars 270) Mars 300 XH 129 Armox 440 T Karbon < 0.30 < 0.30 0.37 maks. 0.45-0.55 0.26-0.32 0.21 Mangan 1.20 0.95 0.90 0.3-0.7 0.1-0.4 1.2 Kükürt 0.005 0.005 0.005 0.005 0.01 0.01 Fosfor 0.012 0.012 0.012 0.012 0.015 0.01 Silisyum 0.2-0.4 0.2-0.4 0.2-0.4 0.6-1.0 0.1-0.4 0.1-0.5
Nikel 1.80 maks. 1.85 maks. 3.00 min 4.5 maks. - 2.5
Krom 1.00 1.6 1.90 maks. 0.4 maks. 1.0-1.5 1.00
Tablo 2.4‟de verilen zırh çeliklerinin ilk üçü düşük karbonlu çeliklerdir. Bu çeliklerin kimyasal bileşiminde verilen maksimum karbon miktarı % 0.3 civarındadır ve daha düşük seviyelerdeki karbon miktarı, tokluk ile kaynaklanabilirlik açısından tercih edilir.
Tablo 2.4: Tablo 2.3‟ de yer alan zırh çeliklerinin mekanik özellikleri [14-19].
Özellik MIL A 12560 (Mars 190) MIL A 46100 (Mars 240) MIL 46173 (Mars 270) Mars 300 XH129* Armox 440 T Sertlik (HB) 277-388 477-534 477-601 578-655 400-450 480-530 420-480 ζy (MPa)** 1150 1100 1100 1300 1200 1300 1100 ζT (MPa)** 1250 1600 1700 2000 1375 1600 1300-1500 Uzama (%) 10 9 8 6 10 9 10 Tokluk*** 20-30 30 - 40 30 15 16 14 30
* : Isıl işlem konumuna göre iki özellikler grubu verilmiştir. ** : ζ
y = Akma Mukavemeti,ζT = Çekme Mukavemeti. ***
: Çentik darbe tokluk (-40 ºC, J/mm2)
Zırh çeliklerinin düşük karbonlu olması darbe dayanımı açısından son derece önemlidir. Çelik içindeki alaşım elementleri, özellikle de karbon, kaynaklanabilirliği önemli ölçüde etkiler. Karbon miktarı arttıkça kaynak bölgesinde çatlak oluşum özelliği artar. Bu tür çatlaklar çelik performansını olumsuz yönde etkilediğinden kaynak sonrası bazı işlemlerle bunların giderilmesi gerekir. Ek işlemlerin üretim maliyetlerini olumsuz yönde etkilemesi nedeniyle bu tür çeliklerin düşük karbonlu olması iyi kaynaklanabilirlik açısından da gereklidir. Dolayısıyla zırh çeliklerinin düşük karbon içermesi tokluk ve kaynaklanabilirlik özellikleri açısından son derece önemlidir. Her iki özellik de zırh çeliklerinin etkin olarak kullanımında belirleyici bir role sahiptir.
Gerek yüksek sertlik değerleri gerekse de yüksek akma dayanım değerleri nedeniyle düşük karbonlu çelik türlerinin dışında kimyasal bileşimdeki karbon miktarı daha yüksek (% 0.37-0.55) çelik türleri de, örn. MIL-A-46173 (Mars 270) ve Mars 300, zırhlı araçlarda kullanım alanı bulmaktadır [3].
2.2.2. Zırh çeliklerine uygulanan ısıl iĢlemler
Zırh çelikleri martenzitik karakterde oldukları için optimum mukavemet (sertlik) ve tokluk kombinasyonu gibi kullanım özelliklerini östenitleme ve su verme sonrası yapılan temperleme ile elde ederler. Genelde yalın karbonlu çeliklerin temperlemesinde su verme sonrası martenzit içinde bulunan karbon, demir ile birleşerek sementit (Fe3C) çökelmesine yol açar ve böylece çökelme sürecinde
martenzitin ferrite dönüşmesiyle sertlik düşer. Ancak çelik bileşiminde varolan kuvvetli karbür yapıcı elementler karbon ile çok daha yüksek temperleme sıcaklıklarında birleşerek değişik tip özel karbür (MC, M2C, M7C3 vb.) çökeltilerine
neden olurlar. Bunun sonucu olarak artan sertliğe „ikincil sertlik‟ adı verilir. Bu karakteristik sertlik artışı karmaşık bir çökelti sertleşmesi mekanizmasıyla oluşur. Şekil 2.2‟de değişik karbür yapıcı elementlerin oluşturduğu karbürlerin temperleme karakteristikleri verilmiştir [20]. Görüldüğü gibi Mo, Cr ve V içeren çeliklerde yüksek temperleme sıcaklıklarında oluşan kararlı karbürler matrikslerinin başlangıç sertliğini daha da arttırabilmektedir. Bu diyagramdan zırh çelikleri için neden öncelikle krom ve molibdenin alaşım elementi olarak seçildiği açık olarak görülmektedir.
Şekil 2.2: Karbür yapıcı elementlerin oluşturduğu karbürlerin temperleme karakteristikleri [20].
Sertleştirme işleminde ise zırh çeliklerinde 900-950 ºC seviyesinde yapılan östenitleştirme sonucu matriksin gerekli karbon ve karbür oluşturucu alaşım elementleriyle doyumu sağlanarak su verilir. İşlemde oluşan lata tipi martenzit standart bileşimlerde ortalama 600 ºC‟de temperlenir.
İkincil sertlik doğrudan sertleştirme sürecinde östenitin karbon ve alaşım elementleriyle doyum seviyesine bağlıdır. Aynı şekilde martenzitik matriksin tipi de çözünen karbon ve kısmen diğer alaşım elementlerinin miktarı ile belirlenir. Genelde zırh çeliği matriksi su verme sonrası % 0.2-0.3 karbon içerir ve yüksek miktarda dislokasyon içeren lata tipi martenzitten oluşur [21].
Çeliğin darbe direncini ve böylece balistik davranışını belirleyen temperleme mekanizmasının açıklanabilmesi için öncelikle dengeden uzak olarak çökelen ve çok ince olan ikincil sertlik çökeltilerinin tipi, boyutu, şekli, miktarı ve dağılımının bilinmesi gerekir. İkincil sertliğe ve daha yüksek sıcaklıklarda yumuşamaya neden olan reaksiyonların kimyasının anlaşılması için çökelti karakteristiği ve değişimiyle, matriks ve çökelti kompozisyonları 550-650 ºC‟lik sıcaklık aralığında bilinmelidir. Bu nedenlerle çökelti boyutu, şekli ve dağılımının belirlenmesi geçirimli elektron mikroskopisi (TEM) ile gerçekleştirilir. Karbürlerin yeterince kabalaşmasıyla karbür bileşimleri enerji dağılım spektrometresi ataçmanlı taramalı geçirimli elekton mikroskobu (STEM/EDS) ile belirlenebilir. Ancak ikincil sertlik, yani maksimum sertlik konumunda bu teçhizat yeterli değildir. Bu nedenle ilgili kompozisyonel saptamalar günümüzde kullanılan mikroanaliz yöntemleri içerisinde ayırma gücü en yüksek olan atom prob alan iyon mikroskobu (APFIM) ile gerçekleştirilir [22-27]. Bu bölümde ikincil sertlik gösteren tipik bir martenzitik çelikten değişik görüntüleme ve analitik kompozisyon belirleme örnekleri sunulmuştur. Örneklenen hız çeliğinde su verme konumunda matriks karbon miktarı % 0.6 seviyesindedir ve bu nedenle yalnızca basit yaklaşımları sunabilmek için kıyaslama amacı ile kullanılabilir. Lata tipi bir martenzitik matrikste ikincil sertlik çökeltileri öncelikle dislokasyonlarda ve lata sınırlarında oluşur. 540-560 ºC‟lik sıcaklıklarda elde edilen ikincil sertlik 1-2 nm çapında ve 5-10 nm boyunda çubuk olarak yarı-koherent çökelen M2C tipi karbür ile
3-5 nm çapında ve 1-2 nm kalınlığında disk olarak yine yarı-koherent çökelen MC tipi karbür ile elde edilir.
Öncelikle M2C tipi karbür çökeltilerinin yoğun katkısıyla oluşan ikincil sertlikte her
iki karbür (MC ve M2C) çökeltisinin kompozisyonları matris kompozisyonuyla
doğrudan ilişkidedir. Genelde krom ve molibden her iki karbür kompozisyonunda yüksek miktarlarda bulunurken vanadyum yoğun olarak MC kompozisyonunda yer alır. Büyük atom boyutunun doğrultusunda tungstenin çökelti oluşumuna katkısı düşüktür. Karbür stokiometrilerinde ise genelde karbon miktarlarının düşük olduğu gözlenir. Temperleme sonrası hacim-% 3-3.5 miktarında ikincil sertlik karbürleri çökelirken matris içi hala yüksek miktarda (ortalama hacim-% 4 çökelti miktarına eşdeğer) karbon ve karbür oluşturucu elementler katı ergiyikte bulunur. Standart zırh çeliklerinde ise Cr-ca zengin M3C tipi karbürün yanı sıra öncelikle Cr nedenli
çökelen M7C3 görülmüştür.
M2C karbür yoğunluğu, aşırı temperlemenin başlangıcında MC karbürüne oranla
yaklaşık iki katı değerde iken ve böylece matriks sertliğinin temelini oluştururken temperleme sürecinde daha düşük termodinamik kararlılığına paralel olarak daha çabuk büyür ve sayısal olarak çok azalır. Şekil 2.3‟ de alan iyon mikroskobundan alınan görüntülerle 600 ºC‟de yapılan temperlemede oluşan bu değişim gösterilmiştir [26]. Nihai olarak Şekil 2.4‟de matriks için ince karbür miktarı ile sertleştirme potansiyeli ilişkisi sunulmuştur. Görüldüğü gibi varolan doğrusal ilişki nedeniyle halen kullanılmakta olan zırh çeliklerinin potansiyeli rahatça belirlenebilir [26, 27].
Şekil 2.3: Tipik ikincil sertlik karbürlerinin FIM karakterizasyonu; ikincil sertlik karbürlerinde kabalaşma, temperleme: 600 C ; (a) 100 dak. (b) 300 dak. ve (c) 3000 dak.
Şekil 2.4: Matriks için ince karbür miktarı ile sertleştirme potansiyelinin ilişkisi. [27].
2.2.3. Zırh çeliklerinde geliĢmeler ve mikroyapısal yaklaĢımlar
Tarihsel açıdan zırh ele alınacak olursa ilk kullanımları milattan önce 1500 yıllarında eski Mısır toplumlarına ait olup bronz esaslı plakaları içeren gömlek tipindeki kıyafetlerden ibarettir. Bunun yanında milattan önce 900-600 yılları arasında ise Asurlular küçük dikdörtgen şekilli ve çok katlı birbirine göre paralel dizili bronz esaslı tabakalardan oluşan zırh kıyafetlerini kullanmıştır. Asurlular aynı zamanda bronz miğfer, kalkan ve kolluk kullanan ilk toplumdur. Milattan önce VIII. yy‟ da ise Yunanlılar ön ve arka olmak üzere iki parçalı üst zırhları ile diz ve kolları kuşatan bronz esaslı zırhları geliştirmişlerdir. Romalılar, Yunanlılardan etkilenip o dönemlerde askeri kuşanımlarını tamamen değiştirip benzer bir tarz oluşturmuştur. Bu tarz askeri kuşanım, milattan sonraki dönemlerde de devam etmiştir. Ancak bu dönemlerde bronzun yanı sıra demir esaslı zırhlar da yapılmış ve özellikle Avrupa tarihinde özel bir yeri olan şövalyelik açısından önem kazanmıştır. Tüm bu zamanlar içerisinde miğfer, kalkan gibi askeri araç-gereçlerde yeni tarz biçimlendirilmelere yönelimlere katkı olarak darbelere dayanıklı malzemelere de doğru bir arayış içerisine girilmiştir. Bu malzemeler arasında demir ve demir esaslı bir alaşım ürünü olan çelik popüler olmuştur. Günümüzde ise özellikle çelik ve çelik ailesine giren alaşımlar zırh teknolojisinde öne çıkan malzeme gruplarıdır [28-30].
Roma dönemine ait zırh amaçlı kullanılan çoğu malzemede demir ve çelik ailesi öncelikli sırayı almıştır. Çoğunlukla bu malzemeler (demir/çelik) sıcak veya soğuk deformasyon ile sertleştirilmiştir. Orta karbonlu çeliklerin yanında karbürize çelikler de koruma amaçlı olarak kullanılan çeliklerdir. Genelde bu tür çeliklerin sertlikleri 187 ve 438 HV arasında değişmektedir. Arkeolojik çalışmalar sonrasında bulunan ve Roma dönemine ait çeşitli koruma amaçlı çeliklere ait mikroyapısal örneklemeler Şekil 2.5 ve 2.6‟da verilmiştir [31]. Şekil 2.5 Avrupa‟da Carlisle yakınlarında yapılan kazılar sonrası çıkartılan yaklaşık 0.87 mm kalınlıklı muhafız malzemelerine ait metalografik iç yapı örneklerini göstermektedir. Çelik esaslı matriksin merkezinde eşeksenli lamellar perlit ve ferritin (Şekil 2.5a-b) yanında diğer malzeme olan demirde curuf halinde kalıntılar (Şekil 2.5c-d) gözlenmektedir. Yüzeyden merkeze doğru bir miktar dekarbürizayonun gerçekleştiği ise aşikardır. Şekil 2.6 ise Vindolanda yakınlarında yapılan çalışmalar sonrası açığa çıkartılan zırh başlıklara ait iç yapı örnekleri göstermektedir. Demir esaslı bu malzemelerde ise uzamış/eşeksenli ferrit yapıları mevcuttur [31].
Zırh çelikleri ve mikroyapılarının balistik performansa olan etkileri üzerine güncel birçok çalışma yapılmıştır. Çoğunda ticari düşük alaşımlı karbon çelikleri seçilmiş olup çeşitli ısıl işlemler sonrasında balistik açıdan test edilmiştir. Jena ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan bir çalışma düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin zırh çeliği (540 HV) olarak performansı üzerinedir. Yapılan çalışmada seçilen çeliğe ait kimyasal bileşim 0.37 C, 0.4 Si, 1.2 Mn, 1.5 Cr, 3.7 Ni, 0.7 Mo ve 0.01 S + 0.015 P şeklindedir. Dokuz adet zırh plakası üzerine yaklaşık 829-841 m/s‟lik bir hız aralığında deforme olabilir kurşun mermiler 0° ile atılmış olup sadece bir plakanın balistik testten geçtiği belirlenmiştir. Metalografik incelemeler sonrasında çeliğin temper martenzit halde bir miktar kalıntı östenit içerdiği ve özellikle kalıntı östenit miktarının en düşük seviye olduğu konumda çeliğin balistik testten geçtiği sonucuna varılmıştır. Tüm bunlara ek olarak tane boyutu ve lata boyutunun da performansa etkisi olduğu sonuca varılmıştır. Azalan tane boyutu ve lata boyutlarında performans yüksektir. Kalıntı östenit miktarının belirgin değişkenlik gösterdiği iki plakadan (1-A ve 5-E ile kodlanmış) ışık mikroskop (IM) görüntüleri Şekil 2.7a-b‟de verilmiştir. Benzer olarak aynı plakalara ait tarama
