52CrMoV4 çeliğinden üretilen yaprak yaylarda Nb ilavesi ve ön tavlamanın mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of Nb content and pre-annealing on mechanical properties in 52CrMoV4 steel alloy used in leaf springs
Yazar: ARZU CANBAZ
Danışman: PROF. DR. ZAFER BARLAS
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada otomotiv sektöründe, en önemli parçalardan biri olan yaprak yaylarda kullanılan 52CrMoV4 malzeme özelliklerine alaşım elementi olarak niyobyum (Nb) ilavesinin ve ön tavlamanın etkisini araştırmak amacıyla hem lama malzemelerin hem de sıcak haddeleme ve ısıl işlem kullanılarak üretimi yapılan yaprak yayların mikroyapısı, mekanik özellikleri ve yorulma dayanımı incelenmiştir.
Bu kapsamda ağ. %0,0042 ve %0,0376 Nb içeriğine sahip 52CrMoV4 çelik hammadde tedarik edilmiştir. Bu iki farklı Nb içeriğine sahip malzeme ön tavlı ve ön tavsız olarak üretilmiştir. İki farklı Nb oranına sahip malzeme ön tavlama işlemi için fırında 900°C'de 90 dakika bekletilmiştir. İki farklı Nb oranına sahip ön tavlı ve ön tavsız malzemelere parabolik yaprak yay üretimi için sıcak haddeleme, tavlama ve temperleme ısıl işlemleri yapılmıştır. Yüzey temizleme ve kumlama işlemleri sonrası boya ve ön yükleme işlemleri de yapılarak yaprak yay üretimi tamamlanmıştır. Dört farklı lama malzeme ve yaprak yay numunelere tane boyutu analizi, yüzey, dekarbürizasyon derinliği ölçümleri, çekme testleri, mikro ve makro sertlik testleri ve Charpy V-çentikli darbe testleri yapılmıştır. Lama malzemelere mikro temizlik ölçümü, yaprak yaylara ise yüzey üst üste binme incelemesi yapılmıştır. Yaprak yay malzemelere ayrıca parabolik kalınlık form ölçümü yapılarak CAD datası hazırlanmış sonlu elemanlar analiziyle bilgisayarda gerilme analizi yapılmıştır. Daha sonra fiziki şartlarda yorulma testine tabi tutulan numunelerden test sırasında alınan verilerle yorulma eğrisi çıkarılmış ve yorulma hasar analizi yapılmıştır. Çekme ve darbe testi sonrası kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla incelenmiştir. Lama malzemelerde; %0,0042 Nb içeriğine sahip ön tavlı numune ile %0,0376 Nb içeriğine sahip ön tavlı numune kıyaslandığında %0,0376 Nb içeriğine sahip ön tavlı numunenin akma ve çekme mukavemeti değerlerinin yaklaşık %4, tane boyutlarının yaklaşık %10, mikro ve makro sertlik değerlerinin yaklaşık %4 ve Charpy V-çentikli darbe testi sonuçlarının yaklaşık %20 daha yüksek olduğu görülmüştür. Yaprak yaylarda; %0,0042 Nb içeriğine sahip ön tavlı numune ile %0,0376 Nb içeriğine sahip ön tavlı numune kıyaslandığında %0,0376 Nb içeriğine sahip ön tavlı numunenin akma ve çekme mukavemeti değerlerinin yaklaşık %4, ASTM tane boyutlarının yaklaşık %13 mikro ve makro sertlik değerlerinin yaklaşık %4, Charpy V-çentikli darbe testi sonuçlarının yaklaşık %15 ve yorulma ömrünün yaklaşık %27 daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde Nb alaşım elementi içeriğinin artması ve ön tavlama yapılması sonucunda mekanik özelliklerin ve yorulma dayanımının arttığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study the microstructure, mechanical characteristics, and fatigue strength of both the flat material and the leaf springs produced using hot rolling and heat treatment were investigated in order to look into the impact of the niobium alloy element and pre-annealing on the 52CrMoV4 material properties used in leaf springs, which are one of the most significant parts in the automotive industry. 52CrMoV4 steel raw material with 0.0042% and 0.0376% Nb content was supplied. These two materials with different Nb content were produced with and without pre-annealing. The material with different Nb ratios was kept in the oven at 900°C for 90 minutes for pre-annealing. Hot rolling, annealing and tempering heat treatments were applied to pre-annealed and non-pre-annealed materials with two different Nb ratios for the production of parabolic leaf springs. After surface cleaning and shot-peening, painting and pre-loading operations were carried out and leaf spring production was completed. Grain size analysis, surface and decarburization depth measurements, tensile tests, micro and macro hardness tests and Charpy notched impact tests were performed on four different flat material and leaf spring samples. Micro cleanliness measurement was made on the flat materials, and surface overlap examination was made on the leaf springs. Additionally, parabolic thickness form measurements were made for the leaf spring materials, CAD data was prepared and stress analysis was performed on the computer using finite element analysis. Then, from the samples subjected to fatigue testing under physical conditions, a fatigue curve was calculated with the data obtained during the test and a fatigue damage analysis was performed. After the tensile and impact tests, the fracture surfaces were examined with the help of scanning electron microscope (SEM). In flat materials; the pre-annealed sample with 0.0376% Nb content the yield and tensile strength values  were approximately 4% higher, grain sizes were approximately 10% higher, micro and macro hardness values were approximately 4% higher and the Charpy notched impact test results were approximately 20% higher than pre-annealed sample with 0.0042% Nb content. In leaf springs; the pre-annealed sample with 0.0376% Nb content, the yield and tensile strength values were approximately 4% higher, ASTM grain sizes were approximately 13% higher, micro and macro hardness values were approximately 4% higher, the Charpy notched impact test results were approximately 15% higher and the fatigue life was approximately 27% higher than pre-annealed sample with 0.0042% Nb. It was concluded that mechanical properties and fatigue strength increased as a result of increasing the Nb alloying element content and pre-annealing.