Çelik filamentlerin yalın eğmeli test metoduyla yorulma davranışlarının incelenmesi
Investigation of steel filaments fatigue behaviors with pure bending fatigue test methodology
Yazar: HÜSEYİN KOYMATCIK
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Demir çelik endüstrisi = Iron steel industry

Özet:
Otomobil lastikleri çok kompleks bir kompozit malzeme olması sebebiyle, tüm yorulma özelliğinin bilinmesi için; tek başına matris, tek başına katkı maddesi ve matris-katkı maddesi beraber olarak yorulma testleri yapılarak bir bütün olarak değerlendirilmektedir. Teker kompozitinin katkı maddesi olan çelik kord filamentlerin tek başına yorulma özelliğinin bilinmesi, tekerleğin tüm yorulma özelliklerini büyük bir kısmı kapsaması bakımından önemlidir. Çelik filamentin yorulma özellikleri tam anlamıyla bilinmesi, filament ve filamentin üretiminde yarı mamulü olan filmaşin üreticilerine ürünlerini geliştirebilmesi için fırsat verecektir. Çelik kord filamenti ilk olarak lastik teli (tire cord) elde etmek için burulur. Kord tellerinin plastik deformasyonla şekillenmesi esnasında yorulma özellikleri değişir. 
Kordlar tekerlek şeklinde kauçuk içeresinde gömülüdür. Filementin yorulma özelliklerinin, kauçuğa gömüldüğünde değiştiğini bilmek önemlidir. İlk olarak, filamentlerin yorulma özellikleri burularak kord formu alması (plastic deformasyon) ve kauçuğa gömülmesi ( kauçuğun vulkanizasyonu, 10 dk. 170 derecede ) ile yorulma özellikleri değişebilmektedir. İkinci olarak, kauçuk penatrasyonunun kötü olması sebebiyle çelik-çelik teması ile sürtünme yorulması meydana gelebilir. Diğer bir değişle, kauçuk içeresindeki kortun iyi bir yorulma dayanımı isteniyorsa filamentin tek başına yorulma özelliklerinin iyi olması gerekmektedir. Farklı çatlak ilerleme mekanizmaları ve yorulma ömrü ilişkisinin bilinmesi kesitleri aşırı daraltılmış tellerin yorulma özelliklerini iyileştirilmesine katkı sağlayacaktır. Hata boyutu, inklüzyon boyu ve koloni yüzdesi gibi parametrelerin tel çekme prosesinde yorulma özelliklerinin sağlanabilmesi için kontrol edilmelidir.

Bu çalışmanın konusu olan yalın eğmeli test metodu dünyanın en büyük lastik kord üreticileri tarafından çelik filamentlerin yorulma özelliklerinin belirlenmesinde kullanılmakta olup bu konuda kendi içlerinde şirket sırrı niteliğinde çalışma yapmaktadırlar. Yalın eğmeli test metodu kullanılarak dünya üzerinde bazı implant malzemeler dışında yapılmış çalışma yoktur ve özellikle lastik teline uygulanmış akademik anlamda çalışma olmaması sebebiyle, lastik teli filamentlerinin bu yöntem kullanılarak yorulma özelliklerinin çıkarıldığı bu çalışma dünyada yapılmış ilk akademik çalışma özelliğini taşımaktadır.

Bu çalışmada 0.25 ve 0.20 mm çapında üç farklı karbon (0.70%,0.80%,0.90%)  içeriklerine sahip çelik filamentin deneysel olarak yorulma dayanımları  yalın eğmeli test metoduyla belirlenmiştir. Tüm yorulma testleri 10 Hz frekansta oda sıcaklığında  ve  tam tersinir gerinim (R=εmin/ εmax= −1) değerinde özel imalat olan yalın eğmeli test cihazında gerçekleştirilmiştir. Yorulma testti sırasında çevrimsel deformasyon ε değeri 1.07-0.30 arasında uygulanmıştır. S-N (Strain–Cycle) eğrisi çizilirken yüksek çevrim yorulma ömrü (HFC) olan 106 çevrim ve üzeri değer temel alınmıştır. Sınır (limit) deformansyon değeri 0,25 NT-70 C çelikte %0.55 iken 0,25 UT-90 C kalite çelikte %0.30 birim şekil değiştirme sınır deformasyon değeri olarak belirlenmiştir. Yorulma deformasyon sınırına yakın ve en düşük çevrim sayısında yüksek yorulma ömrü değerlerinde kırılan numunelerin kırık yüzeyleri SEM de incelenmiştir. SEM incelemesi, çelik filamentlerin yorulma sonrası kırılan numunelerin kırılma şekli bezbol sopası kırığı'na (BSK) benzer olduğunu göstermiştir. Mikro yapıda geleneksel perlitik görünümün yerini çekme yönüne paralel lamellerin aldığı görülmüş olup artan karbonla kabalaşırken çekme gerinim kuvveti artışı ile mikroyapı incelmektedir. Ayrıca artan karbonla sertlik değeri artarken yorulma değerleri aksine azalmakadır. Aynı karbonlu malzemelerde incelen mikro yapı ile sertlik artmaktadır. Yorulma testi esnasında numune yüzeyindeki kusurlardan çatlak başlayarak nihai kırılmanın gerçekleştiği görülmüştür.

Abstract:
Since a tire is a very complex composite material, it is not possible to make a direct link between the fatigue properties of steel cord filament (the heavily drawn steel wires that were investigated in this study) and the overall performance of a tire. The steel cord filaments are first twisted together to a cord. During the formation of the cord the wires are plastically deformed which could change their fatigue properties. The cords are then embedded in rubber to form a tire. It is important to realize that the fatigue properties of rubber embedded cords can be completely different from the fatigue properties of the individual filaments since other fatigue mechanisms can be active. First of all, the fatigue properties of the filaments itself can be changed due to the cord formation (plastic deformation) and the rubber embedment (vulcanization of the rubber, typically 10 minutes at 170 °C). Secondly, when the rubber penetration between the individual filaments is not perfect, a steel-steel contact is possible which can lead to fretting fatigue.
 
the cord formation (plastic deformation) and the rubber embedment (vulcanization of the rubber, typically 10 minutes at 170 °C). Secondly, when the rubber penetration between the individual filaments is not perfect, a steel-steel contact is possible which can lead to fretting fatigue.

On the other hand one can say that, if one wants to obtain good fatigue properties of the rubber embedded cords, it is a necessary condition to have good fatigue properties of the individual filaments.

In this work we aim to investigate fatigue strengths of the steel filaments in diameter of 0.25mm with three different Carbon (0.70%C, 0.80%C, and 0.90%C) and with four different drawing strains (3.25, 3.37, 3.71 and 3.76) by the pure bending test method. All fatigue tests have been carried out at room temperature and at a frequency of 10Hz via a custom manufactured pure bending testing machine of which the fully reserved strain value, R = εmin/εmax, is −1. The applied value of cyclic deformation, ε, has been chosen from the range 0.20%-1.07% as bending strain. The plots of S-N (Strain–Cycle) curves are based on high cycle fatigue (HCF) life is greater than or equal to 104 cycles. The fatigue deformation limit values have been determined as 0.55% units and 0.20% units for the steels of the 0.25NT-70C and 0.25UT-90C quality, respectively. Fractured surfaces of the samples, which have been broken at both high fatigue life and fatigue deformation limit values, are inspected via SEM. The SEM inspection has demonstrated that the fatigue fracturing of the steel filaments are similar to that of baseball bat cracking. In the microstructure, it was seen that the traditional perlite view was replaced by the parallel lamellae. In addition, with increasing carbon hardness value increases as opposed to fatigue values. The microstructure increases the quality in the same carbon materials. During fatigue testing, the area where the defects of the surface were broken was started by breaking.