Aşırı plastik deformasyon uyfulanmış S500MC otomotiv çeliğinin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of severe plastic deformed S500MC automotive steel
Yazar: İBRAHİM KARADEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAHATTİN ÇELİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Araç ağırlıklarının hafifletilerek yakıt sarfiyatının düşürülmesi isteği ve emisyon miktarlarının azaltılmasına yönelik yasal düzenlemeler, geleneksel çeliklere kıyasla önemli iyileştirmeler sağlayan yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliklerin otomotiv endüstrisinde kullanımını ve geliştirilmesini desteklemektedir. Yüksek mukavemetli ve düşük alaşımlı çeliklerin otomotiv endüstrisinde kullanımı, araç ağırlıklarının hafifletilmesinin yanında çarpışma performansının geliştirilmesine de katkıda bulunmaktadır. Otomotiv endüstrisinin ihtiyaçları çerçevesinde otomotiv malzemelerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Araştırmalar çoğunlukla üstün özellikli yeni mühendislik malzemelerinin üretilmesi üzerine yoğunlaşsada, çeşitli deformasyon işlemleri uygulanarak malzeme özelliklerinin geliştirilmesini amaçlayan çalışmalar da bulunmaktadır. Malzemelerin dayanım, sertlik, aşınma, korozyon ve yorulma dayanımı gibi çeşitli özelliklerinin geliştirilmesi için aşırı plastik deformasyon işlemlerinin uygulanması önemli araştırma konularındandır.
Bu çalışmada, yüksek mukavemetli düşük alaşımlı S500MC çeliğine uygulanan yüzey ve hacim aşırı plastik deformasyon (APD) işlemlerinin, S500MC çeliğinin mikro sertlik, çekme dayanımı, yorulma dayanımı ve aşınma özelliklerine etkileri incelenmiştir. Yüzey aşırı plastik deformasyon (YAPD) işlemi olarak aşırı bilyeli dövme (ABD) ve ultrasonik nanokristal yüzey modifikasyonu (UNYM) olmak üzere iki farklı işlem uygulanmıştır. Sınırlandırılmış yivli presleme (SYP) işlemi sac malzemelere uygulanabilirliği nedeniyle hacim APD yöntemi olarak tercih edilmiştir.  APD işlemleri ile malzeme yüzeyinde ve tüm hacimde oluşturulan ultra ince taneli yapı optik mikroskop, elektron geri saçılım kırınımı (EBSD) ve X-ışını kırınım (XRD) analizi ile karakterize edilmiştir. Yüzey işlemleri sonucunda yüzey üst bölgesinde ultra ince taneli bir yapı ve bu tabakanın altında tanelerin belirginleşmeye başladığı bir geçiş tabakası içeren kademeli bir mikroyapı gözlemlenmiştir. ABD ve UNYM işlemlerinin yüzeyden itibaren 50-100 µm derinliğe kadar nanokristalizasyon tabakası oluşturabildiği görülmüştür. EBSD incelemeleri ABD ve UNYM işlemleri ile 100 nm altında ortalama tane boyutu elde edilebildiğini göstermiştir. SYP işlemi ile tüm hacimde tane incelmesi elde edilmiştir. 1 - 4 paso SYP işlemi uygulamasında dayanım artmış fakat yüzde uzama değerinde ani azalma meydana gelmiştir. UNYM işlemi sonucunda dayanım ve süneklik değerlerinin her ikisinde de gelişme görülmüştür. ABD işlemi toplam uzama değerini arttırmasının yanında dayanımın bir miktar azalmasına sebep olmuştur. ABD ve UNYM işlemleri düşük yüklerde SYP ve işlem görmemiş numunelere göre daha iyi sürtünme ve aşınma dayanımı göstermişlerdir. Bununla birlikte, daha yüksek yüklerde aşınma ve sürtünme davranışı, paso sayılarından bağımsız olarak hacim APD uygulamaları için daha iyi sonuçlar vermiştir. YAPD işlemleri yorulma dayanımının artmasını sağlarken, SYP işlemi yorulma üzerinde olumsuz etkilere göstermiştir. Bununla birlikte UNYM işleminin, S500MC yorulma özelliklerinin geliştirilmesinde oldukça etkili olduğu görülmüştür.

Abstract:
Expanding legistative pressures to reduce emissions and the desire to reduce fuel consumption by reducing vehicle weights support the use and development of high strength low alloy steels in the automotive industry, which provide significant improvements compared to conventional steels. The use of high-strength low-alloy steels in the automotive industry contributes to the improvement of crash performance as well as the reduction of vehicle weight. Researchs for the development of materials within the framework of the needs of the automotive industry is continuing intensively. Although the research mostly focuses on the production of new engineering materials with superior properties, there are also studies aiming to improve the material properties by applying various deformation processes. The application of severe plastic deformation processes to improve various properties of materials such as strength, hardness, wear, corrosion and fatigue resistance is an important research topic.
In this study, the effects of surface and bulk severe plastic deformation (SPD) processes on micro hardness, tensile strength, fatigue strength and wear properties of high strength low alloy S500MC steel were investigated. Two different processes have been applied, namely, severe shot peening (SSP) and ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) as the surface severe plastic deformation (SSPD) process. The constrained groove pressing (CGP) process has been preferred as the bulk SPD method due to its applicability to sheet materials. The ultra-fine grain structure formed in S500MC steel by SPD processes has been characterized by optical microscope, electron backscatter diffraction (EBSD) and X-ray diffraction (XRD) analysis. As a result of surface treatments, a gradual microstructure consisting of an ultra-fine-grained structure and a transition layer under which grains begin to become apparent in the upper part of the surface has been observed. It has been observed that SSP and UNSM could create a nanocrystallization layer up to a depth of 50-100 µm from the surface. EBSD investigations showed average nano-grain size obtained via SSP and UNSM was found to be below 100 nm regime. Grain refinement has been achieved via CGP in whole volume of S500MC steel. The strength was improved via 1st to 4th pass of CGP, but elongation percentage decreased abruptly. UNSM achieves both strength-ductility improvement with gradient structure. SSP improves the total elongation however a slight decrease on strength is observed. SSP and UNSM showed better wear and friction resistance particularly at lower loads compared to CGP and untreated specimens. Nevertheless, wear and friction behavior at higher loads showed better responses for Bulk-SPD applications regardless of pass numbers. While SSP and UNSM improve fatigue strength, CGP have negative effects on fatigue properties of S500MC. However, UNSM was found to be considerably effective in improving the fatigue properties of the S500MC.