GS25CrMn4 ÇELİĞİNDE DUEL FAZ ÖZELLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

GS25CrMn4 ÇELİĞİNDE DUEL FAZ ÖZELLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

Osman YILMAZ

Yakup SAY

(1,2)Fırat Üniversitesi, Müh. Fak., Met. ve Malz. Müh. Böl., 23119, Elazığ

Tel: (424) 237 0000 (5278) E-posta:oyilmaz@firat.edu.tr

Özet: GS25CrMn4 çeliği döküm işleminden sonra 1,1x1,4 mm ebatlarında 7 adet hazırlanmış ve bütün numuneler önce A3

sıcaklığının üzerinde 890 °C’ de normalize ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Normalize ısıl işleminden sonra farklı sıcaklıkta östenitleme ısıl işlemi yapılmıştır. Numunelerin mikro yapı incelemeleri ve sertlik ile çekme testi deneyleri yapılmıştır. Bu malzemenin akma mukavemetinin maksimum 1400 N/mm² ve uzama miktarının %7 nispetinde gerçekleştiği görülmüştür.

Malzemenin mekanik özellikleri üzerinde martensit miktarının etkili olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Sözcükler:Düel faz çelikleri, GS25CrMn4 çeliği

Abstract: After casting of GS25CrMn4 steel, seven samples of this steel was prepared in the size of 1,1x1,4 mm. First of all the samples were homogenized above the temperature of 890 °C, and then at different temperatures austempering heat treatments were applied. The microstructure, micro hardness and tensile test were performed. It was seen that for this steel it is possible to form duplex microstructure and this structure shows 7% elongation and 1400 N/mm² yield strength. The mechanical properties were changed depending on the concentration of martensite.

Keywords: Duel phase steels, GS25CrMn4 steels

1. GİRİŞ

Üretim safhasında mühendisin dikkat ettiği en büyük özellik maliyettir. Daha az malzeme kullanarak büyük kesitteki malzemelerle aynı dayanımı verebilecek düşük maliyetli çelik üretebilmek için, düşük alaşımlı yüksek dayanımlı (HSLA) çelikler üretilmiştir.[1] Bu çeliklerin kaporta malzemesi olarak kullanılması sırasında tavlama sıcaklığına mekanik özelliklerin duyarlılığı, bu özelliklerin yöne göre değişmeleri ve süneklik özelliğinin düşüklüğü gibi dezavantajların ortaya çıkmasıyla düşük alaşımlı yüksek dayanımlı çeliklerin özelliklerinin geliştirilmesi için araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bu nedenle yüksek dayanımlı, sünek, kolay şekillendirilen çelik türleri geliştirilmeye başlanmıştır.[1,6] Bu özelliği taşıyan çeliklerin en tipik örneği duel faz çelikleridir. Duel faz çelikleri, mikro yapılarında ferrit ve martenzit fazlarını içeren yüksek mukavemetli çelik türleridir. Bu çelikler esas olarak, az alaşımlı veya alaşımsız az karbonlu çeliklerin Fe-C denge diyagramındaki A1-A3 sıcaklık aralığından, yani ferrit + östenit bölgesinden, istenen ferrit + martenzit mikro yapısını oluşturacak uygun bir hızda soğutulmasıyla üretilirler.[8] Ancak, soğuma hızı ve çeliğin bileşimi gibi faktörlere bağlı olarak, mikro yapıda ferrit ve martenzitin yanı sıra beynit, perlit ve kalıntı östenit de oluşabilir. Duel faz çeliklerinin mekanik özelliklerini kontrol eden en önemli faz martenzit olup, martenzit miktarının artmasıyla, mukavemet artarken süneklikte azalma meydana gelir. Bu

nedenle, mikro yapıda genellikle, %20’ den daha az martenzit bulunması istenir. Ayrıca, ferritin küçük taneli olması ve içinde karbürlerin bulunmaması da, duel faz çeliklerinde optimum süneklik - mukavemet kombinasyonunun elde edilmesini sağlayan diğer faktörlerdir.[5,6] Aynı süneklikteki ferritik – perlitik çeliklerden daha yüksek mukavemete sahip olan duel faz çeliklerinin akma mukavemeti/çekme mukavemeti oranı düşük olup, biçimlenebilme kabiliyetleri oldukça yüksektir.

2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR

Deneysel çalışmalarda, yaklaşık 10 mm çapında olan GS25CrMn4 grubu düşük karbonlu alaşımlı çelik kullanılmıştır. Bu çeliğin kimyasal analizi aşağıdaki tabloda verilmektedir.

Tablo 1 Deneysel çalışmada kullanılan çelik malzemenin kimyasal analizi

Alaşım elamanı

C Mn Cr Mo Si

% Ağırlık

0,22 - 0,24

0,5 - 0,8

0,9 - 1,2

0,15 - 0,30

0,35 - 0,4 Kimyasal bileşimleri Tablo 1’ de verilen malzeme döküm işleminden sonra 1.1x1.4 mm ebatlarında 7 adet olarak hazırlanmış ve bütün numuneler önce A3 sıcaklığının

üstünde 890ºC’ de normalize ısıl işlemine tabi tutulmuştur.

Normalize ısıl işleminden sonra farklı boyutlarda iki numune alınarak 7 grup oluşturulmuş ve 7 farklı sıcaklıkta östenitleme ısıl işlemi yapılmıştır. Yapılan ısıl işlemlerden sonra numunelere mikro yapı incelemeleri ve sertlik ile çekme deneyi yapılmıştır.

Tablo 2 Numuneler ve yapılan ısıl işlemler

Numune No Isıl işlem türü

1. İşlem 2. İşlem 3. İşlem 4. İşlem

N₁ Döküm sonrası ısıl işlemsiz

N₂ 890^oC

30 dk

720 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N₃ 890^oC

30 dk

700 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N₄ 890^oC

30 dk

680 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N₅ 890^oC

30 dk

Suya çekildi

720 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N6 890^oC

30 dk

Suya çekildi

700 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N₇ 890^oC

30 dk

Suya çekildi

680 ^oC 30 dk

Suya çekildi

N₈ 890^oC

30 dk

720 ^oC 180 dk

Suya çekildi

Numuneler 60-1200 mesh’ lik SiC’ lu zımparalardan geçirildikten sonra standart parlatma metotları ile 9 μm’ lik elmas pasta kullanılarak parlatıldılar. Dağlayıcı olarak 2 ml HNO3, 98 ml etanol içeren Nital (%2) kullanıldı. Mikro yapı incelemelerinde optik mikroskop ile yüzey fotoğrafları çekildi. Deneysel çalışma sıcaklığı olarak seçilen 720, 700, 680 ºC östenitleme sıcaklıklarından hızla soğutulan malzemelerin sertlikleri yüzey sertlikleri ve mikro sertlikleri alındı. Yüzey sertlikleri Brinell olarak tespit edildi. Isıl işlem görmüş numunelerin çekme dayanımı, akma dayanımı, toplam uzama değerlerinin bulunması için çekme deneyleri yapılmıştır. Çekme hızı 4 mm/dk olarak alınmıştır.

3. SONUÇLAR

3.1. Metalografik Sonuçlar

Bu çalışmada kullanılan numunenin “ Ferrit + Ostenit”

bölgesindeki su verme sıcaklığına göre, Şekil 1 - 7’ de de görüldüğü gibi, ikinci faz açısından farklı mikro yapılara sahip olduğu tespit edilmiştir.

Şekil 1 2. numuneye ait mikro yapı fotoğrafı (X200)

Şekil 1 de 890ºC’ de 30 dk bekleyen numunenin 720 ºC’ de 30 dk bekletildikten sonra suya çekme ısıl işlemi sonrası yapının genel mikroyapı görüntüsünü verirken, içyapıda üç farklı fazın dağılımı görülmektedir. Bu ısıl işlem türü ADP olarak adlandırılmaktadır. N2 numunesinin içyapısında ferrit fazı içinde martenzit fazı görülmektedir. Ayrıca, yapıda bu iki fazdan farklı olarak kalıntı ostenit yapısı da bulunmaktadır. Farklı mikro görüntüye sahip ferritlerin mikro sertlikleri 470 HV, martenzit fazının mikro sertliği 727 HV ve kalıntı ostenitin mikro sertliği 336 HV olarak ölçülmüştür. Numunede, matrisin ortalama yüzey sertliği 219 HB olarak belirlenmiştir.

Şekil 2 3. numunenin mikroyapı görüntüsü (X200)

Aynı ostenitleme işlemlerine tabi tutulan 3. numune, ikinci işlem olarak temper sıcaklığı 700 ºC olarak seçilmiş ve süre 30 dk. olarak belirlenip numuneler işlem sonrası suya çekilerek 2. numunenin mikroyapısından farklı olan ferrit + perlit faz yapısı tespit edilmiştir. Şekil 2’de mikro yapı dağılımı görülen 3. numunede ferritin fazının mikro sertliği 295 HV, perlitin mikro sertliği ise 383 HV olarak belirlenmiştir. Numunenin matris ortalama sertliği ise 173 HB olarak ölçülmüştür. Temper sıcaklığının 700 ⁰C’ ye düşürülmesi sonrası yapıda martenzit fazı tespit edilememiştir.

Şekil 3 4. numunenin mikroyapı görüntüsü (X200)

Şekil 3’ de mikro yapısı görülen 4. numune, 2 ve 3.

numunelere uygulanan aynı ostenitleme ısıl işleminden sonra 680ºC de 30 dk. bekletilip suya çekilmiştir. 3.

numuneyle aynı faz yapısına sahip olmasına rağmen faz yapılarının daha homojen dağıldığı görülmüş ve fazların sertliklerinin 3. numuneye göre daha düşük olduğu (140 HB) yapılan sertlik deneyleri sonucunda bulunmuştur. 3.

numune gibi 4. numunede de martenzit fazı tespit edilememiştir. Bu sonuç temper sıcaklığının 720 ^oC’ nin üzerinde olması gerektiğini göstermiştir.

Şekil 4 5. numunenin mikroyapı görüntüsü (X200)

Şekil 4’ de mikro yapısı görülen 5. numune 890 ^oC’de 30 dakika bekletildikten sonra suya çekilmiş akabinde numune 720 ^oC sıcaklığa çıkartılıp suya çekilmiştir. Bu ısıl işlem türü IDP olarak adlandırılmaktadır. Bu numune 2.

numuneye uygulanan ısıl işleme muadil olarak uygulanmıştır. 2. ve 5. numunelerin mikroyapı görüntüleri karşılaştırıldığında; 5. numunede tanelerin ebatlarının düştüğü ve homojen biçimde martenzit fazı içinde ferrit fazı teşekkül ettiği görülür. 5. numunenin yüzey sertliği 2.

numuneye göre daha yüksek ancak 4. numuneye göre daha düşük değer vermiştir. Bu işlem ile istenen tipte bir duel-faz çeliği mikroyapısı tespit edilebilmiştir.

Şekil 5 6. numune mikroyapı görüntüsü (X200)

Şekil 5’ de 6. numunenin ısıl işlemler sonrası sahip olduğu mikroyapı görüntüsü verilmiştir. 5. ve 6. numuneler karşılaştırıldıklarında, ferrit tanelerinin 6. numunede çok küçüldükleri homojen dağılımlarının kısmen bozulduğu ve ferrit fazı oranının azaldığı görülecektir. Yüzey sertliği değerleri incelendiğinde sertliğin 190 HB yi aşması bu sonucu doğrulamaktadır. Ayrıca maretenzit fazının tespit edilememesinin nedeni IDP prosesinde de temper sıcaklığının bu çelik için 720 ^oC’ nin altına inilmesidir.

Şekil 6 7. numune mikroyapı görüntüsü (X200)

Şekil 6’ daki 7. numuneye, 5. ve 6. numunelerin bulunduğu guruba uygulanan ısıl işlemelerin aynısı uygulanmış ancak ikinci işlemde uygulanan sıcaklık 680 ^oC’ ye düşürülmüştür. Bu uygulama ile yapıdaki ferrit oranının çok düştüğü, yapıdaki ferrit fazlarının tane ebatlarının çok küçüldüğü belirlenmiştir.

IDP prosesi ile temper sıcaklığı 680 ^oC ye indirilmiş ve bu işlem ile duel faz yapısının 680 ^oC de görülemeyeceği belirlenmiştir. Şekil 7’de iç yapısı görülen 8. numune, yapılan ostenitleme ısıl işleminden sonra temper süresi değiştirilmiş ve 8. numune 720ºC’ de 180 dk bekletilmiştir.

Bu numunede farklı olarak ferrit oluşumu için uygulanan ısıl işlem süresi artırılmış ve bu uygulamanın etkisinin son derece homojen ferrit fazı dağılımı olduğu görülürken, perlit fazının teşekkül ettiği ve bu faz etrafında da ferrit fazının teşekkül ettiği görülmüştür. Elde edilen ferrit +

perlit faz yapısının yanında diğer 7 numuneden farklı olarak en düşük sertlik değeri 8. numuneden elde edilmiştir.

Sürenin artışı martenzit fazının teşekkülünü olumsuz etkilemiştir. GS25CrMn4 çeliği için duel faz yapısının teşekkülünde ADP veya IDP işlemlerinin uygulanması ile duelfaz yapısını tespit edilebileceği ancak temper süresinin önemli olduğu ve bu sürenin artırılması ile yapıda perlit taneleri etrafında ferrit dokusunun oluştuğu görülmüştür.

Bu sonucu oluşturan parametrelerin başında Cr konsantrasyonunun normalde duelfaz çeliklerine göre yüksek oluşu ve kromun ferrit oluşturucu özelliğinden kaynaklanması olarak düşünülmüştür.

Şekil 7 8. numune mikroyapı görüntüsü (X200)

3.2. Sertlik Sonuçları

Bütün numunelere ait yüzey sertlik değerleri Tablo 3’ de verilmiştir.

Numunelerin yüzey sertlikleri incelendiğinde uygulanan ısıl işlemlerin numunelerin iç yapılarını değiştirdiği ve buna binaen numunelerin yüzey sertliklerinin de değiştiği görülmüştür. GS25CrMn4 düşük karbonlu alaşımlı çeliklere ticari olarak uygulana ısıl işlem döküm sonrası numuneye uygulandığında numunenin yüzey sertliğinin arttığı görülmüştür. En yüksek sertlik 1. numunede görülürken, 7. numunede en düşük sertlik görülmüştür.

Farklı ısıl işlem görmüş numunelerin mikro sertlikleri ile ısıl işlemlerin yapı üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla mikro yapıdaki fazların mikro sertlikleri alınmıştır. Mikro sertlikler Vickers olarak tespit edilmiştir.

Fazların mikro sertlik değerlerinin bulunması için su verilmiş, temperlenmemiş numunelerin ferrit, martenzit, perlit ve kalıntı östenitin mikro sertlikleri ölçülmüştür.

Sertliği en yüksek olan martenzit ve ferrit fazı 1.

numuneden, sertliği en düşük olan martenzit fazı 4.

numuneden, ferrit fazı ise 7. numuneden elde edilmiştir.

Elde edilen sertlik değerlerinden 6. numunenin perlit fazı en yüksek değerde olup 5. numunenin perlit fazının sertlik değeri ise en düşük olarak bulunmuştur.

GS25CrMo4 çeliğine yapılan ısıl işlemler sonucu sadece 720 ºC’ de yapılan ısıl işlemlerden duel faz çeliği (martenzit + ferrit) yapısı elde edilmektedir. Buna bağlı

hacim oranı) ölçülerek martenzit miktarlarının yüzey sertliğini nasıl etkilediği Şekil 8’ de görülmektedir.

195 200 205 210 215 220 225

0 20 40 60 80

%MHO

Yüzey Sertliği, HB

Şekil 8 N2. ve N5. numunelerden elde edilen martenzit fazının hacim oranının yüzey sertliğine etkisi.

Yukarıdaki şekilden de anlaşılacağı gibi MHO malzemenin yüzey sertliği ile doğru orantılı olup MHO arttıkça yapının yüzey sertliği artmaktadır. Buna bağlı olarak 2. numune

%30,6 oranında martenzit içererek 219,3 HB yüzey sertliğine sahiptir, 5. numune ise %23,5 oranında martenzit içererek 198,25 HB yüzey sertliği içermektedir.

3.3 Çekme Deneyi Sonuçları

Tablo 3 Numunelerin akma, çekme mukavemetleri, uzama miktarları ve faz oranları

2. numune 25,42 Kg/mm² gerilme altında % 7 uzama göstererek gevrek kırılmıştır. Tablo 3’ de faz miktarları gösterilen 3. numune 11,6 Kg/mm² de % 2,5 uzama göstererek gevrek kırılmıştır. 4. numune 3. numuneye göre aynı % uzama değerine rağmen daha yüksek gerilme altında gevrek kırılmıştır. 15,8 Kg/mm² gerilme altında % 2,5 uzama göstermiştir. 5. numune 1. numune gibi ferrit+

martenzit faz yapısına sahip olmasına rağmen daha düşük bir gerilme altında ve yine daha düşük bir % uzama göstermiştir. 7. numune 15,6 Kg/mm² gerilme altında % 2,5 uzama göstererek gevrek kırılmıştır. 8. numune diğer 5

numuneden faklı olarak en düşük sertlik değerlerine sahip olmasının yanında en düşük gerilme ve % uzama değerine sahip olmaktadır. 8. numune 7,6 Kg/mm² gerilme altında

% 0,5 uzama göstererek gevrek kırılmıştır. Çekme numunelerinin hazırlanması esnasında numunelerdeki döküm hatalarının tespit edilmesi sonrası elde edilen mukavemet değerlerinin standartların altında oluşuna sebep olacağı kanaatine varılmıştır. Aşağıdaki grafiklerde 7 faklı ısıl işlem uygulanmış numunelerden sadece ikisinde elde edilen martenzit fazının hacim oranının malzemenin çekme mukavemetini (σç) , akma mukavemetini (σa) , % uzama (%e) değerini nasıl etkilediği görülmektedir.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

23,5 30,6

MHO

Çekme Gerilmesi, Kg/mm²

Şekil 9 İki numuneye de 720 º C de uygulanan ısıl işlem sonucu MHO’nın artması sonucu oluşturduğu çekme mukavemeti değerleri.

8,8 9 9,2 9,4 9,6 9,8 10

23,5 30,6

MHO

Akma Gerilmesi,Kg/mm²

Şekil 10 720ºC’ de uygulanan ısıl işlem sonucu oluşan MHO’nın akma gerilmesine etkisi.

Yukarıdaki grafiklerden 5. ve 2. numunenin MHO’ larının çekme mukavemetini, akma mukavemetini ve % uzama değerlerini nasıl etkilediği görülmektedir. MHO % 23,5 olan 5. numunenin çekme mukavemeti 14 Kg/mm², akma mukavemeti 9,2 Kg/mm² ve % uzama değeri 1,5’ dur.

MHO % 30,6 olan 2. numunenin çekme mukavemeti 6,42 Kg/mm², akma mukavemeti 9,8 Kg/mm² ve % uzama değeri % 7‘ dir. Artan MHO ile çekme mukavemeti

düşmekte, akma mukavemeti ve % uzama değeri artmaktadır.

0 1 2 3 4 5 6 7

23,5 30,6

MHO

%uzama

Şekil 11 Aynı ısıl işlem uygulanan iki numunenin % uzama değerinin MHO’nın fonksiyonu olarak değişimi.

4. GENEL SONUÇLAR

Düşük karbonlu alaşımlı çeliğe uygulanan östenitleme ısıl işleminden sonra A1-A3 sıcaklıkları arasında su verilerek üretilen çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerinin incelenmesi amacıyla oda sıcaklığında yapılan sertlik, çekme deneylerinden elde edilen sonuçlar aşağıda sıralanmıştır.

1. Çift fazlı çeliklerin mikro yapısında bulunan martenzit fazı artan su verme sıcaklığı ile oluşmakta ve yapının sertlik ve mukavemetini arttırırken, sünekliğinin azalmasına neden olmaktadır.

2. Duel faz çelikleri, ferrit + martenzit dönüşümü esnasında hacim büyümesi sonucunda ferrit tanelerinde ortaya çıkan iç uzama enerjileri ve oluşan serbest dislokasyonların varlığından dolayı akma bölgesi göstermezler ve akma dayanımı düşük değerlerde olur.

3. Östenit fazının sertleşme derinliği karbon miktarına bağlı olduğundan dolayı ve A3 sıcaklığına yaklaştıkça, östenit fazındaki karbon miktarı azaldığı için ve katılan Mn alaşım elementinden dolayı martenzit dışı östenit ürünleri oluşmaktadır. Bu da çekme dayanımında azalmalara neden olmaktadır.

4. Elde edilen ferrit + martenzit ve ferrit + perlit yapılarında martenzit fazı perlit fazından daha iyi süneklik özelliğine sahip olmasından dolayı daha yüksek bir çekme dayanımı göstermektedir.

5. Çift fazlı çeliklerin mikro yapısını etkileyen soğuma hızı mekanik özellikleri de etkilemektedir. Soğuma hızının artması mukavemeti arttırırken sünekliği azaltır.

6. Martenzit fazı mikro sertliği, östenitleme sıcaklığının artması ile östenit fazındaki karbon oranının azalmasından dolayı azalmaktadır.

7. Yapıdaki martenzit hacim oranı arttıkça çeliğin sertliği artmakta fakat sünekliği azalmaktadır. Ayrıca yapıda kalıntı östenitin bulunması sertliğin azalmasına sebep olmaktadır.

8. Ferrit - perlit yapısına sahip çelikte perlit faz oranı arttıkça sertlik artmaktadır.

9. GS25CrMo4 çeliğine yapılan ısıl işlemlerde, östenitleme sıcaklığına çıkılmasına rağmen 720 ^oC sıcaklıkta fazla bekletildiği için yapı ferrit – perlit olduktan sonra suya çekilmesi sonucu martenzit fazı elde edilememektedir.

KAYNAKÇA

[1] Çimenoğlu, H., Alaşimsiz Duel Fazli Çeliklerde Mikroyapi Mekanik Özellik Ilişkileri, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Şubat 1984

[2] JEONG,W.C., KIM,C.H., Deformation Characteristics of Retained Ferrite and Transformed Ferrite in a Duel Phase Steel, Met. Trans, Vol. 18, 629-635, 1987

[3] Marder, A. R., Deformation characteristics of dual phase steels, Met. Trans. , Vol. 13, 85-92, 1982

[4] MARIN,J., Mechanical Behaviour of Engineering Materials, Prentice-Hall Inc., India, 1962

[5] NAGORKA,M.S., KRAUSS,G., MATLOCK,D.K., The Effect of Microstructure and Strain Rate on the Stage III Strain Hardening and Ductility of Duel Phase Steels, Met. Sci. Eng., Vol.

94, 183-193, 1987

[6] PIPLANI,R.K., RAGHAVAN,G., Microstructure and Its Correlation With Properties in Duel Phase Steels, Steel India, Vol.

4, 1-21, 1981

[7] RAMOS,L.F., MATLOCK,R.K., KRAUSS,G., On the Deformation Behaviour Of Duel Phase Steels, Met. Trans.

Vol. 10, 2559-261, 1979

[8] SHEN,H.P., LEI, T.C,LUI, J.C., Microscopic Deformation Behaviour of Martensitic Ferritic Dual-Phase Steels, Met.Sci.Tech.; Vol. 12, 28-33, 1986

[9] Yükler,A.İ., Alaşımsız Dual Fazlı Çeliklerin Mekanik ve Nokta Kaynağı Özellikleri, Doktora Tezi, ITÜ Sakarya