Microstructural Examinations on the Perforation Mode of a Tempered Bainitic Steel
Abstract—In this study, the perforation mode of an tempered bainitic steel was investigated after the shot with 7.62 mm armor piercing projectile having a 840 m/s velocity. In the first step, original matrix and perforated zone of the steel were evaluated with both light microscope (LM) and scanning electron microscope (SEM) after standard metallographical preparations like grinding, polishing and etching with %3 nital. In the second step, a fractographic analysis was carried out on perforated zone to understand fracture behaviour of the steel. It is concluded that the matrix, inclusions, primary rough carbides and also adiabatic shear bands, formed due to dynamic loading with high strain rate, affect the deformation and failure of the steel. The perforation of the steel exhibits a typical petalling mode that is commonly observed in tempered steel matrix.
Keywords—Tempered bainitic steel, Dynamic loading, Perforation, Fracture, Characterization.
I. GIRIŞ
oruyucu malzeme olarak sertleştirilmiş çeliklerin, çökelti sertleştirilmiş demir dışı alaşımların, seramiklerin, kompozitlerin oldukça yaygın bir kullanımı vardır. Tüm bu malzemelerin mekanik özellikleri zırh çeliğinin balistik performansını doğrudan belirlemektedir. Bir zırh malzemesinin çalışma prensibi, yüksek hızla gelen çelik veya diğer ağır metal esaslı zırh delici malzemelerin sivri uçlarının yüksek sertliklerinden dolayı zırh malzemesi tarafından durdurulması esasına dayanır [1-3].
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 [4-6].
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 [7-10]. Zırh çeliğinin zırh delici ile olan etkileşiminin anlaşılması için penetrasyon (içeri girme) ve perforasyon (delinme) süreçlerinde şok, deformasyon ve kırılma olgularının bilinmesi gerekir. Bu da devreye giren perforasyon mekanizmalarının etüdünü gerektirmektedir [11].
Bu çalışmada, temper beynitik bir çeliğin yüksek kinetik enerjili bir zırh delici ile olan etkileşimi sonrası delinme yöresine ait makro ve mikro incelemeleri yapılmıştır.
Deformasyon ve hasar oluşumuna matriksin, kalıntıların, birincil kaba karbürlerin ve dinamik yüklenme koşullarında yüksek gerinme hızının bir fonksiyonu olarak oluşan adyabatik kayma bantlarının etkileri irdelenmiştir.
II. DENEYSEL ÇALIŞMA
Deneysel çalışmada, Tablo 1’de kimyasal kompozisyonu verilen çelik plaka üzerine 1000 °C’de 60 dakikalık östenitleştirme sonrasında su verme ve nihai olarak 600 °C’de 60 dakika temperleme işlemi uygulanmıştır. Isıl işlemler sonrasında 32 HRC sertliğe sahip çelik, Tablo 2’de detayı verilen atış koşullarında dinamik yüklenmeye maruz kalmıştır.
Isıl işlem uygulanmış orijinal çelikten alınan numune ile delinme kesit yüzeyi, standart metalografik işlemler (zımparalama, parlatma ve dağlama) sonrasında ışık mikroskobu ile incelenmiştir. Merminin malzeme ile olan etkileşimi sonucu oluşan ön yüzeyde ve perforasyon doğrultusunda taramalı elektron mikroskobu kullanılarak kırılma analizi yapılmıştır.
Tablo 1. Deneysel çeliğin kimyasal kompozisyonu (ağ.-%).
C Mn Si Ni Co Cr Mo
0.23 0.19 0.19 0.04 2.35 1.4 0.5
Nb Ti V B P S Fe
0.08 0.08 0.01 0.01 0.01 0.01 balan s
Temper Beynitik Bir Çeliğin Delinme Modu Üzerine Mikroyapısal İncelemeler
Ş. H. Atapek1
1Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli/Türkiye, hatapek@kocaeli.edu.tr
K
Tablo 2. Deneysel çelik üzerine atış koşulları.
Atış mesafesi 30 m Atış açısı 0°
Mermi tipi API 55, 7.62-51 zırh delici Ortam sıcaklığı 18.7 °C
Bağıl nem % 42
III. BULGULAR VE TARTIŞMA
Şekil 1’de deneysel çeliğin dağlanmış konumda mikroyapısı verilmiştir. Mikroyapı, tipik temper beynitik bir matriksi göstermektedir. Östenitleştirme ile birlikte tek faz östenit yapısının eldesi hedeflenmiştir. Su verme ile birlikte östenit tane sınırlarından beynitik dönüşüm gerçekleşmiştir.
Çeliğin tokluğunun arttırılması amacı ile uygulanan temperleme işlemi sonrasında beyniti oluşturan ferrit lataları orijinal morfolojisini kaybederek genişlemiş ferritik bir matriks oluşmuştur. Diğer taraftan temper etkisi ile birlikte sementit lataları da morfolojik değişime uğrayarak koyu kontrastlı iç çökeltiler halinde bir dağılım göstermektedir.
Şekil 1. Deneysel çeliğe ait temper beynitik matriksi gösteren ışık mikroskop görüntüsü.
Çelik içerisinde çeşiti kalıntılar döküm nedenli olarak yer alabilir. Bu kalıntılar oksit ve sülfür esaslı olabilmektedir.
Oksit esaslı olan kalıntıların deformasyon kabiliyeti oldukça düşük iken mangan sülfür gibi kalıntılar deformasyon yükleri altında şekil değişimine uğrayabilmektedir. Bu tür kalıntılar, çatlak çekirdeklenme yöreleri olarak davranarak tokluğu önemli ölçüde azaltabilmektedir. Şekil 2’de deneysel çelik matriksi içerisinde var olan bir kalıntı örneği verilmiştir. Gri kontraslı ve deformasyon doğrultusunda uzama göstermiş olan kalıntı tipik bir mangan sülfürdür. Bu tür bir kalıntının matriks ile olan arayüzeyinde mikroyapı üzerinde de gösterildiği gibi mikro boşluklar yer almaktadır (Şekil 3).
Şekil 2. Temper beynitik matriks içerisinde gri kontrast ile gözlenen tipik MnS kalıntısı.
Şekil 3. Kalıntı-matriks arayüzeyinde var olan mikro boşluklar.
Çeliğin kompozisyonunda yer alan bazı alaşım elementleri katılaşma koşullarında doğrudan sıvı fazdan yüksek difüzyon hızlarında kristallenerek, matriks içerisinde birincil kaba karbürlerin oluşumuna neden olabilmektedir. Şekil 4 ve 5’de gösterildiği üzere, östenitleştirme ile çözünmemiş MC türü birincil karbür yapısı matriks ile arayüzeyinde mikro boşluk içermesinden dolayı kalıntıların neden olduğu etkiye benzer olarak tokluğu olumsuz yönde etkileyecektir.
Şekil 4. Temper beynitik matrikste MC birincil karbür yapıları.
Şekil 5. Birincil karbür-matriks arayüzeyinde var olan mikro boşluk.
Şekil 6’da temper beynitik çeliğin zırh delici ile olan etkileşimi sonrası perforasyon kesitine ait makro görüntü verilmiştir. Yüksek hızlı merminin çelik ile olan ilk etkileşiminde belirli bir derinlik ve uzunlukta krater oluşumu kaçınılmazdır. Çelik sertliğinin, merminin uç geometrisinin bozulmasına ek olarak ilk etkileşim ile birlikte oluşan krater uzunluk veya derinliği üzerine de önemli bir etkisi olacaktır.
Şekil 6. Temper beynitik çeliğin 7.62 mm kalibrelik zırh delici olan etkileşimi sonrası perforasyon kesitine ait makro
görüntüsü.
Yüksek kinetik enerjili merminin çelik ile olan etkileşiminde yüksek gerinme hızları nedeni ile lokal deformasyon gerçekleşebilmektedir. Literatürde de beyaz bantsı görünümleri ile adyabatik kayma bant yapıları olarak adlandırılan bu lokalize deformasyon yapıları çeliğin yüklenme altında hasara uğramasına neden olmaktadır [11].
Termo-mekanik süreksizlikler ile deformasyon ve dönüşüm nedenli oluşabilen bu adyabatik kayma bant yapıları, kalıntı veya kaba birincil karbür etkisi gibi çatlakların çekirdeklenmesine ve ilerlemesine katkı sağlamıştır. Şekil 7’de penetrasyona yakın bölgede ve dağlanmış konumda çelik matriksi içerisindeki deformasyon ve dönüşüm nedenli adyabatik kayma bant yapıları gösterilmiştir. Şekil 8 ise dönüşüm nedenli adyabatik kayma bantının uzantısında var olan bir çatlağı göstermektedir.
Şekil 7. Penetrasyona yakın bölgede ve dağlanmış konumda çelik matriksi içerisindeki deformasyon ve dönüşüm nedenli
adyabatik kayma bant yapıları
Şekil 8. Dönüşüm nedenli adyabatik kayma bantının uzantısında oluşan bir çatlak.
Perforasyon doğrultusunda, mermi giriş ve çıkış yöreleri üzerine yapılan fraktografik incelemeler yapılmış ve krater yöresinde yüksek plastik şekil değişimi olmaksızın gevrek ayrışmaların oluştuğu gözlenmiştir (Şekil 9). Merminin hedef malzeme içerisinde hareketi, yüksek sürtünmelerin oluşmasına neden olmakta ve böylece abrasif aşınmalar gerçekleşmektedir. Penetrasyon çıkış hattında, dışarıya doğru olan malzeme taşınımı belirli bir seviye plastik şekil değişimin gerçekleştiğini göstermektedir (Şekil 10). 600°C’de 1 saat temperlenmiş temper beynitik matriksin bu tür bir plastik akışı göstermesi kaçınılmazdır. Bu durumda, çelik tipik taç yaprağı şekilli bir açılma göstermiştir. Bu tür bir delinme modunda adyabatik kayma bant yapılarının önemli bir etkisi vardır.
Şekil 9. Penetrasyon giriş hattına ait SEM görüntüsü.
Şekil 10. Penetrasyon çıkış hattına ait SEM görüntüsü.
Şekil 11’de penetrasyona yakın doğrultuda adyabatik kayma bandı ve neden olduğu yöresel ayrışma örneklenmiştir.
Matriks orijinal tane sınırlarını kaybetmekle birlikte penetrasyon doğrultusunda yüksek bir gerinme hızı etkisiyle şekil değişimine uğramıştır. Lokal olarak yüksek şekil değişimine uğrayan bu yörelerde dislokasyon yoğunluğunda meydana gelen önemli bir artış matriksin pekleşerek kırılgan bir hale gelmesine de katkı sağlayabilir. Diğer taraftan, daha önceden de örneklendiği üzere matriks içerisinde var olan kalıntılar dinamik yüklenme altında ideal çatlak çekirdeklenme veya ilerleme yöresi olarak bir davranış gösterebilmektedir. Şekil 12’de bu tür bir etki örneklenmiştir.
Şekil 11. Penetrasyona yakın doğrultuda adyabatik kayma bandı ve neden olduğu yöresel ayrışma.
Şekil 12. Matriks içerisinde var olan kalıntının dinamik yüklenme altında ideal çatlak çekirdeklenme veya ilerleme
yöresi olarak davranışı.
IV. SONUÇLAR
Bu çalışmada, temper beynitik bir çeliğin ısıl işlem sonrası matriksine ek olarak 840 m/s hıza sahip 7.62 mm kalibrelik zırh delici ile olan etkileşimi sonrasında makro ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Çelikte hasar oluşumu mikroyapısal karakterizasyon ile irdelenmiştir. Çalışma kapsamında aşağıda verilen sonuçlar elde edilmiştir.
(i) Uygulanan östenitleştirme, su verme ve temperleme işlemi sonrası çelik tipik temper beynitik bir matrikse sahiptir.
Östenitleştirme ile tek faz yapısına getirilen çeliğin su verme sonrasında östenit tane sınırlarından başlayarak lata tipi beynitik dönüşüme uğradığı ve temper etkisi altında orijinal lata morfolojisini kaybederek masif sementit içerikli genişlemiş ferrit yapısına sahip olduğu belirlenmiştir.
(ii) Matriks içerisinde yapılan mikroyapısal karakterizasyon sonrası gri kontrastlı ve hadde doğrultusunda uzamış MnS esaslı kalıntı ile östenitleştirme ile çözündürelememiş MC türü karbür yapıları gözlenmiştir. Bu tür matriks içi ikincil fazların arayüzeyleri boyunca sahip oldukları mikro boşluklar örneklendirilmiştir.
(iii) 7.62 mm kalibrelik mermi ile çeliğin etkileşimi makro ve mikro incelemeler ile irdelenmiştir. Merminin çelik ile olan ilk etkileşiminde belirli bir derinlik ve uzunluğa sahip krater belirlenmiştir. Krater bölgesinde yüksek büyütmeli incelemelerde, gevrek kırılmanın yanında abrasif aşınma izleri belirlenmiştir. Penetrasyon ile birlikte yüksek gerinme hızları nedeni ile oluşabilen ve dağlanmış matrikste beyaz bantlar olarak gözlenen deformasyon ile dönüşüm nedenli adyabatik kayma bantları mevcuttur. Bu bantlar gerek kalıntılar gerekse de çözünmemiş birincil kaba karbürler gibi çatlak çekirdeklenmesi ve ilerlemesine katkı sağlayıp çeliğin hasar oluşumuna doğrudan etkisi söz konusudur.
(iv) Çeliğin penetrasyon çıkış hattında yapılan incelemeler ise tipik taç yaprağı şekilli delinme modunu göstermiştir. Böyle bir delinme modunda temper çeliğin plastik şekil değişim kabiliyeti ile penetrasyon ile birlikte oluşan adyabatik kayma bant yapılarının çatlak oluşturma ve ilerlertme kabiliyetleri de katkı sunmaktadır.
KAYNAKLAR
[1] R. Lane, B. Craig, W. Babcock, “Materials for blast and penetration resistance”, The AMPTIAC Quartely, 6(4), pp.39-45, 2002.
[2] M. M. Sohkrieh, G. H. Javadpour, “Penetration analysis of a projectile in ceramic composite armor”, Composite Structures, 82(2), pp.269-276, 2008..
[3] Ş. H. Atapek, Ş. Karagöz, “Ballistic impact behaviour of a tempered bainitic steel”, Defence Science Journal, 61(1), pp.80-86, 2010.
[4] L. Sangoy, Y. meunier, G. Pont, “Steels for ballistic protection”, Israel Journal of Technology, 24, pp.319-326, 1988.
[5] “MIL-A-12560H(MR)-Armor plate, steel, wrought, homogenous (for use in combat-vehicles and for ammunition testing)”, US Military Specification, 1990.
[6] “MIL-A-46100D(MR)-Armor plate, steel, wrought, high-hardness”, US Military Specification, 1988.
[7] Ş. Karagöz, Ş. H. Atapek, A. Yılmaz, “Microstructural and fractographical studies on quenched and tempered armor steel”, MP Materials Testing, 52(5), pp.316-322, 2010.
[8] Ş. H. Atapek, “Zırh çeliklerinin fiziksel metalurjik esaslar doğrultusunda geliştirilmesi ve karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, 2006.
[9] Ş. H. Atapek, “Bor katkılı zırh çeliklerinin fiizksel metalurjik esaslar doğrultusunda geliştirilmesi ve balistik performansının değerlendirilmesi”, Doktora Tezi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, 2011.
[10] Ş. Karagöz, A. Yılmaz, Ş. H. Atapek, “Zırh çelikleri ve geliştirilmesi”, III. Savunma Teknolojileri Kongresi, Bildiriler Kitabı, Cilt :I, s.501-511, Ankara-Türkiye, 29-30 Haziran, 2006.
[11] M. N. Bassim, A. G. Odeshi, “Shear strain localisation and fracture in high strength structural materials”, Archives of Materials Science and Engineering, 31(2), pp.69-74, 2008.
