Bu tezde, son yıllarda otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılan yapısal çelik levhalar olan DP 600 ve TRIP 780'e sürtünme karıştırma işlemi (SKP) uygulanmıştır. Yorulma testleri sonucunda DP 600 çeliğinin işlem öncesinde 350 MPa olan yorulma sınırının, uygulanan SKP işlemleri sonrasında 480 MPa'ya ulaştığı belirlenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda FSP işleminin DP 600 ve TRIP 780 çeliklerine makro hasara, çatlamaya veya deformasyonda süreksizliklere neden olmadan uygulanabileceği ortaya çıkmıştır.
DP 600 and TRIP 780 steels are one of the members of a steel category that is designed primarily to balance the qualities of high hardness and good formability.
GİRİŞ
Tezin Amacı
Bu tezin amacı, otomobil gövde parçaları üretiminde yaygın olarak kullanılan DP 600 ve TRIP 780 çeliklerine uygulanan CAP işlemlerinin, bunların statik ve çevrimsel yükler altındaki yapısal özelliklerine ve mekanik davranışlarına etkilerini araştırmaktır. Dikkate alınan çelikler, iç yapısal özellikleri ve plastik deformasyon mekanizmaları arasındaki farklılıklara göre seçilmiştir. TRIP çeliği için kullanılan CAP işlemine göre, artık ostenit-martensit dönüşümü ve gerinim bazlı tane incelmesi statik ve döngüseldir.
Elde edilen verilerle daha hafif ve daha güvenli otomobil üretimi konusunda yürütülen çalışmalara hem endüstriyel hem de bilimsel açıdan ciddi bir katma değer kazandırılması amaçlanıyor.
Literatür Araştırması
- Sürtünme karıştırma prosesinin işlem parametreleri
- Takım geometrisi
- Takım hareketi
- Takım malzemesi
- SKP’nin malzemelerin içyapısal özelliklerine etkileri
- SKP’nin malzemelerin mekanik özelliklerine etkileri
- Sertlik, mukavemet ve süneklik üzerindeki etkiler
- Yorulma davranışı üzerindeki etkiler
- Aşınma davranışı üzerindeki etkiler
- Şekillendirilebilirlik üzerindeki etkiler
İşlem sırasında elde edilen iç yapısal incelme, sertlik ve mukavemet değerlerinin neredeyse 2 kat artmasına neden olur. SKP işleminin uygulandığı malzemelerin mekanik özelliklerini etkileyen iç yapısal değişiklikler dikkate alındığında, karıştırma bölgesinde elde edilen tane incelmesinin mukavemet ve sertlik değerlerinde artışa neden olduğu bilinmektedir. Uygulanan SKP işlemi sonrasında elde edilen yorulma davranışı, işlem parametrelerine ve işlem öncesi uygulanan ısıl işlem şartlarına bağlı olarak değişmektedir.
Elde edilen sertlik artışıyla birlikte kavitasyonun neden olduğu aşınmaya karşı direncin yaklaşık olarak arttığı gözlendi. 3 kez [73].
MALZEME VE YÖNTEM
SKP Uygulamasında Kullanılacak Donanımların Tasarımı ve İmalatı
Bu rulman sisteminde mikser ekibinin dikey ve yatay doğrusal hareketleri sırasında oluşacak yanal yükleri karşılayabilecek pivot rulmanlar kullanılmaktadır. Ayrıca iş mili gövdesi, çalışma sırasında oluşan çok eksenli dinamik kuvvetlerden kaynaklanan titreşimleri bir miktar sönümlemek için sfero dökümden yapılmıştır. Bu modül, karıştırma ucunun işlenecek malzeme içerisine nüfuz etmesi için gerekli olan hareket ve SCP için gerekli pozisyonda konumlandırma/tutma fonksiyonlarını gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır.
Sert saclarda SKP prosesinin gerçekleştirilebilmesi için malzeme içerisinde yüksek hassasiyette takım hareketinin sağlanması önemli ve vazgeçilmez bir gerekliliktir. Kullanılan motorlu bilyalı vida çifti sayesinde, kırılma yükünü 50 kN'ye kadar sürekli olarak ayarlamak mümkündür. Proses modülünün hareketi asenkron AA elektrik motoru ve sonsuz vida mekanizmasına bağlı redüksiyon sistemi ile sağlanmaktadır.
Bu nedenle ilgili hareket modülünün yatağında kullanılacak elemanların bu güce cevap verebilmesi gerekmektedir.
Deneysel Çalışmalar
- Deney malzemeleri
- SKP deneyleri
- Yapısal özelliklerin incelenmesi
- Mekanik özelliklerin incelenmesi
- Mikrosertlik ölçümleri
- Çekme deneyleri
- Yorulma davranışının incelenmesi
Ön denemeler sonrasında elde edilen sonuçlar sistematik olarak değerlendirilerek söz konusu proses parametreleri en uygun parametreler olarak belirlendi. SKP deney sisteminin fotoğrafı ve bu kameranın SKP bölgesine göre konumlandırılması sırasıyla Şekil 2.4 ve Şekil 2.5'te gösterilmektedir. Böylece deformasyon bölgelerinin ortalama sertlik değerleri ve söz konusu bölgelerin dayanım seviyelerindeki değişimler belirlenmeye çalışılmıştır.
Çekme testleri için numune, Şekil 2.6(a)'da gösterildiği gibi tel erozyon yöntemi kullanılarak SKP uygulanan alandan çıkarıldı. Söz konusu numunelerin boyutları, ASTM E8 standardında belirtilen küçük numune boyutlarının %50 oranında azaltılmasıyla elde edilmiştir [89]. Şekil 2.6(b)'de boyutları verilen numuneler SHIMADZU marka elektromekanik üniversal çekme/basma cihazı kullanılarak test edilmiştir.
Söz konusu denklemlerde; çekme mukavemetinde numune boyutu genişliği, ; Çekme testinden önce numunenin ölçülen genişliğini, çekme testinden önce numunenin ölçülen uzunluğunu ve numunenin çekme mukavemetinde ölçülen uzunluğunu gösterir. Yorulma testleri için Şekil 2.7'de konumu ve boyutları verilen yorulma numuneleri tel erozyon yöntemi kullanılarak SKP prosesi ile levhalardan uzaklaştırılmıştır. Söz konusu numunelerin boyutlarının ASTM E606 standardında sac numuneleri için verilen sınırlar dahilinde kalacağı belirlenmiştir [90].
Söz konusu boyutlar dikkate alınarak yorulma numunelerinin ölçü genişliğinin karışım bölgesi içerisinde kalacağı hesaplandı. Temel boyutları ve fotoğrafı şekil 2.8'de verilen bu aparat sayesinde numunelerin bağlanması sırasında ortaya çıkabilecek paralellik sorunları ortadan kaldırılmakta ve farklı deneyler arasında ortaya çıkabilecek tekrarlanabilirlik sorunları en aza indirilmektedir.
BULGULAR VE TARTIŞMA
SKP Uygulanmış Sacların Makro İncelemesi
Hatta farklı çeliklere benzer proses şartlarında uygulanan SKP proseslerinin pik sıcaklıkları karşılaştırıldığında, en yüksek pik sıcaklık değerinin TRIP 780 çeliğine uygulanan SKP işlemi sırasında meydana geldiği, bunu DP 600 çeliğinin takip ettiği anlaşılmaktadır ( Tablo 3.1 ) . Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde çelik yapıdaki karbon miktarının arttığı ve SKP prosesi sırasında karşılaşılan sıcaklık değerlerinin de arttığı görülmektedir. Diğer bir yaklaşıma göre ise çelik yapıdaki fazların karmaşıklığı SKP prosesinin üst sıcaklık değerlerini yakından etkilemektedir.
Bu durumda her malzemenin aynı derecede plastik deformasyon altında sergilediği direncin, sertleşme davranışı ve mukavemet değerleri ile orantılı olarak artması beklenir. Bu artış temel olarak deformasyon sırasında oluşan sürtünme gerilmelerini ve dolayısıyla sürtünme işini artıracağından tepe sıcaklık değerinde bir artış görülmesi normaldir.
Mikroyapı İncelemerinden Elde Edilen Bulgular
- DP 600 çeliği
- TRIP 780 çeliği
DP 600 çeliğine uygulanan SKP işlemleri sonrasında oluşan iç yapının optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu ile çekilmiş mikroyapı fotoğrafları sırasıyla Şekil 3.4(a)-(g) ve Şekil 3.5(a)-(g)'de verilmektedir. Uygulanan SKP işlemleri sonrasında oluşan deformasyon bölgeleri ve bunların birbirlerinden ayrıldığı sınırlar Şekil 3.4(a) ve 3.5(a)'da gösterilmektedir. Uygulanan SKP prosedürlerinden sonra bu yapısal organizasyonun önemli ölçüde değiştiğini belirtmekte fayda var (Şekil 3.4 ve Şekil 3.5).
SKP'nin kuzeybatısındaki iç yapı incelendiğinde martenzit faz bölgelerinin masif hale geldiği söylenebilir (Şekil 3.4(f)-(g) ve 3.5(b)-(c)). Aslında Şekil 3.4(b)-(c) ve 3.5(b)-(c)'de verilen HAZ/TMB geçiş bölgesi incelendiğinde, kademeli artıştan sonra tane yapısının kabalaşmaya yöneldiği ve HAZ bölgesine geçin. TRIP 780 çeliğinin SKP işlemi öncesi iç yapısını gösteren optik mikroskop ve SEM görüntüleri Şekil 3.6'da verilmiştir.
SKP işleminin TRIP 780 çeliğinin iç yapısal özellikleri üzerindeki etkileri, Şekil 3.7(a)-(g) ve Şekil 3.8(a)-(g)'de gösterilen optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu fotoğraflarında gösterilmektedir. Söz konusu dönüşüm açıkça SKP kapsamında numuneye uygulanan plastik deformasyonun en yüksek oranlarda gerçekleştiği KB'de gerçekleşmektedir (Şekil 3.7(f)-(g) ve 3.8(f)-(g)). TMB'de özellikle geriye kalan ostenit-martenzit dönüşümünün yapıda süreksiz olarak gerçekleştiği söylenebilir (Şekil 3.7(d)-(e) ve 3.8(d)-(e)).
Aslında söz konusu bölgenin iç yapısında büyük martenzit tanelerinin bulunduğu ancak söz konusu fazın yaygın olmadığı anlaşılmaktadır (Şekil 3.7(d)-(e) ve 3.8(d)-(e)) . Söz konusu bölgede işlem öncesi aşamaların belli oranda pürüzlenmeye uğradığı ve bu pürüzleşmenin ferrit fazında daha belirgin olduğu söylenebilir (Şekil 3.7(b)-(c) ve 3.8(b)-( C) )).
Mekanik Özelliklerin İncelemelenmesinden Elde Edilen Bulgular
- Mikrosertlik
- DP 600 çeliği
- TRIP 780 çeliği
- Statik yükler altında deformasyon davranışı ve mekanik özellikler
- DP 600 çeliği
- TRIP 780 çeliği
Bu durum iç yapısal özellik çalışmalarından elde edilen sonuçlarla paralellik göstermektedir (Şekil 3.4(b)-(c) ve Şekil 3.5(b)-(c)). TRIP 780 çeliğine 16 mm çaplı takımla 1000 rpm'de ve 1,3 mm/s ilerleme hızında uygulanan SKP işlemleri sonrasında oluşan deformasyon bölgesinin sertliğe etkisi Şekil 3.10'da verilmiştir. İlgili şekilde yatay ve dikey cephede görünen sertlik profilleri incelendiğinde SKP işlemi sonrasında sertlik değerlerinde önemli değişikliklerin meydana geldiği anlaşılmaktadır (Şekil 3.10(a)).
CB'deki bu yaklaşık 2 kata yakın sertlik artışı, uygulanan SKP işlemleri sonrasında martenzit fazının hakim olduğu bir duruma dönüşmesine bağlanabilir (Şekil 3.7 ve Şekil 3.8). DP 600 çeliğinin SKP öncesi ve uygulanan SKP işlemleri sonrasında SKP yönüne paralel mühendislik eğrileri ve gerçek gerinim yüzdeleri Şekil 3.11(a)-(b)'de verilmiştir. DP 600 çeliğinin temel yapısal özellikleri dikkate alındığında, SKP işlemleri sonrasında elde edilen mukavemet artışının temel sebebinin, yapıdaki martenzit fazının işlem sonrasında masif hale gelerek KB'ye morfolojik bir dönüşüm sergilemesi ile ilgili olduğu düşünülmektedir. (Şekil 3.4(f) -(g) ve Şekil 3.5(f)-(g)).
TRIP 780 çeliğinin SKP proseslerinden önceki ve sonraki mühendislik ve gerçek gerilim-%gerinim eğrileri Şekil 3.12(a)-(b)'de gösterilmektedir. TRIP çeliğinin ön işlenmiş durumdaki deformasyon davranışı (Şekil 3.12), sertleşme davranışının baskın karakteriyle ortaya çıkar. Uygulanan SKP işlemleri TRIP 780 çeliğinin hem deformasyon davranışında hem de mukavemet ve süneklik özelliklerinde önemli değişikliklere neden olur (Şekil 3.12(a)-(b)).
SKP işlemleri sonrasında elde edilen çekme eğrileri genel olarak değerlendirildiğinde sertleşme etkisinin etkin bir şekilde gözlemlenebildiği bir deformasyon davranışının oluştuğu söylenebilir (Şekil 3.12). Ancak söz konusu çeliğin sertleşme davranışının ön işleme durumuna göre önemli ölçüde düştüğü de anlaşılmaktadır (Şekil 3.12(a)-(b)).
Çevrimli Yükler Altında Deformasyon Davranışı
- DP 600 çeliği
- Yorulma deneyi sonuçları
- Deney numunelerinin kırılma yüzeylerinin mikro incelemesi
- TRIP 780 çeliği
- Yorulma deneyi sonuçları
- Deney numunelerinin kırılma yüzeylerinin mikro incelemesi
DP 600 çeliğine ön işlenmiş durumda farklı gerilme seviyelerinde uygulanan yorulma testlerinden elde edilen kırılma yüzeylerinin SEM fotoğrafları Şekil 3.14-Şekil 3.18'de verilmektedir. 600 MPa'da ön işlenmiş durumdaki çeliğe uygulanan yorulma testlerinden elde edilen tipik bir kırılma yüzeyinde çatlak başlangıcı, çatlak ilerlemesi ve ani kırılma aşamalarında oluşan karakteristik morfolojik özellikler Şekil 3.14(a)-(e)'de verilmiştir. . Ancak çatlak ilerlemesinin gözlendiği bölgelerde kırılma yüzeyindeki çukurların daha sığ ve daha yönelimli olduğu unutulmamalıdır (Şekil 3.14(b)-(c)).
Bu durum, tekrarlı gerilmelerin bu seviyelerinde kırılmanın esas olarak plastik deformasyon bölgesinde meydana geldiğini ve sünek karakterde olduğunu göstermektedir (Şekil 3.15(a)-(d)). TRIP 780 çeliğinin uygulanan SKP işlemleri öncesi ve sonrası gerilim çevrim sayısı (S-N) eğrileri şekil 3.24'te verilmiştir. TRIP 780 çeliğine uygulanan SKP işlemleri, hem yorulma davranışı hem de yorulma performansı üzerinde önemli etkilere neden olur (Şekil 3.24).
TRIP 780 çeliğine kaba işleme koşullarında ve farklı gerilme seviyelerinde uygulanan yorulma testlerinden elde edilen kırılma yüzeylerinin SEM fotoğrafları Şekil 3.25-Şekil 3.27'de gösterilmektedir. Hazır durumdaki çeliğe 750 MPa'da uygulanan yorulma testlerinden elde edilen, kırılma yüzeyindeki çatlak başlangıcı, çatlak ilerlemesi ve ani kırılma aşamaları sırasında oluşan karakteristik morfolojik özellikler Şekil 3.25(a)-(e)'de verilmiştir. . Ani kırılma bölgesinde kırılma yüzeyinin büyük bölümünde eş eksenli ve derin çukurların oluştuğu görülmektedir (Şekil 3.25(d)-(e)).
Hatta uygulanan çevrimsel gerilme değeri 600 MPa olduğunda yüzeyden bir yorulma çatlağının başladığı dikkat çekmektedir (Şekil 3.26(a)). İşlenmiş TRIP 780 çeliğine farklı gerilme seviyelerinde uygulanan yorulma testlerinden elde edilen kırılma yüzeylerinin SEM fotoğrafları Şekil 3.28-Şekil 3.34'te gösterilmektedir. İlgili çelik üzerinde 1000 MPa'da gerçekleştirilen yorulma testlerinden elde edilen karakteristik kırılma yüzeyinde çatlak başlangıcı, çatlak ilerlemesi ve ani kırılma aşamalarında meydana gelen karakteristik morfolojik özellikler Şekil 3.28(a)-(e)'de verilmektedir.
Martensit fazının çatlak ilerlemesine etkisinin çatlağın hızlı ilerlediği bölgelerde de görüldüğünü belirtmekte fayda var (Şekil 3.33(d)-(e)-Şekil 3.34(d)-(e)).
SONUÇ VE ÖNERİLER
4] Cho, H.-H., et al., (2013) Three-dimensional numerical and experimental investigation of friction stir welding processes of ferritic stainless steel. Ni, (2014) Analysis of process parameters effects on friction stir welding of dissimilar aluminum alloy to advanced high strength steel. 37] Hong, S.H., et al., (2013) Failure Mode and Fatigue Behavior of Friction Stir Spot Welds in Lap Shear Specimens of Dissimilar Advanced High Strength Steel.
38] Sarkar, R., et al., (2015) Microstructure and mechanical properties of friction stir spot welded IF/DP dissimilar steel joints. 42] Nakata, K., et al., (2006) Improvement of mechanical properties of aluminum die-casting alloy by multi-pass friction and stir processing. 46] Rezaei-Nejad, S.S., et al., (2015) Nanostructure formation in AISI 316L austenitic stainless steel by friction stir treatment.
60] Khodir, S.A., et al., (2012) Microstructures and mechanical properties evolution during friction stir welding of SK4 high carbon steel alloy. 67] Yasavol, N., et al., (2014) Microstructure evolution and texture development in a friction stir processed AISI D2 tool steel. 69] Sekban, D.M., et al., (2016) Impact toughness of friction stir processed low carbon steel used in shipbuilding.
70] Xue, P., et al., (2013) Achieving ultrafine biphasic structure with superior mechanical properties in low carbon friction stirred steel. 80] Svensson, L.E., et al., (2000) Microstructure and mechanical properties of friction stir welded aluminum alloys with special reference to AA 5083 and AA 6082.
