Nervürlü inşaat demirlerinin üretiminde kullanılan tempcore prosesinin malzemenin mekanik özelliklerine olan etkisinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Analysis of the effect of tempcore process used in the production of ribbed rebar on the mechanical properties of the material by finite element method
Yazar: AHMET ATİLLA
Danışman: PROF. DR. FEVZİ BEDİR
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Nervürlü inşaat demiri üretim prosesi, belirli kimyasal içerikteki çelik malzemelerin (kütük) haddelenerek, hedeflenen geometrik boyut ve mekanik özelliklerde üretilme sürecidir. Haddeleme esnasında mikroyapıdaki tane boyutları belirli bir düzene getirilirken, malzeme geometrisi de aynı anda hedeflenen geometriye getirilerek haddeleme sürecinin ilk kısmı tamamlanır. Haddeleme sürecinin ikinci kısmı ise üretilen malzemenin hedeflenen mekanik özelliklere sahip olması sürecidir. Üretimi yapılan nervürlü çubukların piyasada satılabilir nihai ürün olabilmeleri için belirli mekanik özelliklere sahip olmalıdır. Bu mekanik özellikler, akma gerilme değeri, süneklilik miktarı, kaynaklanabilirlik kabiliyeti gibi özellikleridir.
Malzemenin mekanik özelliklerinin ayarlanması iki farklı şekilde yapılabilir. Bu yöntemlerden birincisi, çelikhanede üretilen kütüğün kimyasal içeriğinde bulunan mangan, karbon, vanadyum gibi bazı elementlerin oranları ile oynayarak, ikinci diğer yöntem ise daha düşük element içerikli çeliklerin haddeleme sonrasına ani soğutma prosesinden (tempcore prosesi) geçirilip, malzeme kesit alanında görülebilecek kontrollü bir faz dağılımı oluşturarak. İkinci yöntem birinci yönteme göre daha basit, uygulanabilir ve uygun fiyatlı bir çözümdür. Tempcore prosesi ile kontrollü soğutma işlemi uygulayarak üretim yapmak, üretim maliyetleri açısından daha uygun bir proses olduğundan dolayı malzemenin mekanik özellikleri genelde tempcore prosesi ile kazandırılır. 
Tempcore prosesi ile üretilen nervürlü çubuk demirlerin kesit alanından bakıldığında görünen faz dağılımları, en dışta martenzit yapı, çekirdekte ferrit + perlit yapı ve bu iki faz arasında geçiş bölgesi olan beynitik yapı görünür. Esas olarak kırılgan ve sert yapı olan martenzit tabakası alanının, toplam yüzey alanına yüzdesel oranı akma gerilimini belirleyici bir faktördür.
Bu çalışma Diler Demir Çelik Endüstri ve Tic. A.Ş. Dilovası tesislerinde, S220-Mn diye tabir edilen CARES B500B kalitesine sahip, %0,23 C, %1,23 Mn ve diğer yan elementleri içeren yüksek Mangan içerikli 150x150 mm kütükler kullanılmıştır. Haddeleme ve tempcore prosesi içerisinde bilinçli ve kontrollü bir şekilde, suya maruz kalma süresi, su basıncı, su debisi gibi parametreler değiştirilerek Ø14, Ø20 ve Ø26 mm malzeme ebadı için farklı şartlarda numuneler alınmış ve deney numunelerinin çekme testleri yapılmış, çekme testlerinde meydana gelen boyca uzamaları belirlenmiş, kesit alan görsellerinin mikroyapıları gözlemlenmiş, çekirdekten yüzeye sertlik dağılımı incelenmiştir. Her numune ayrıca optik mikroskop altında incelenmiş, mikroskop görüntüleri AutoCAD LT 2024 programına atılmış ve martenzit hacim oranları belirlenmiştir. Bu şekilde deneysel veriler elde edilmiştir.
Gerçekleşen deneysel numuneler ile testler bu şekilde tamamlanıp, martenzit hacim oranlarının bulunması için, her numunedeki değişken parametreler sanal ortamda sonlu elemanlar analizi yöntemi ile ANSYS 2024/R1 simüle edilmiştir. Deneysel sonuçlar ile simülasyon sonuçları birbirleri ile örtüştürülmüş %90,88 uyum gözlemlenmiştir.

Abstract:
The ribbed rebar production process is the process of rolling steel materials (billets) with specific chemical content and producing them in targeted geometric dimensions and mechanical properties. While the grain sizes in the microstructure are brought to a certain order during rolling, the material geometry is simultaneously brought to the targeted geometry and the first part of the rolling process is completed. The second part of the rolling process is the process of ensuring that the produced material has the targeted mechanical properties. The produced ribbed bars must have certain mechanical properties in order to be a marketable product. These properties are the yield stress value, ductility amount, weldability, etc.
Adjusting the mechanical properties of the material can be done in two different ways. The first of these methods is by changing the ratios of some elements such as manganese, carbon, vanadium in the chemical content of the billet produced in the steel mill, and the second method is by passing steels with lower element content through a sudden cooling process (tempcore process) after rolling, creating a controlled phase distribution that can be seen in the material cross-sectional area. The second method is a simpler, more applicable and affordable solution compared to the first method. Since production by applying controlled cooling process with Tempcore process is a more suitable process in terms of production costs, the mechanical properties of the material are generally gained with Tempcore process.
When looking from the cross-sectional area of ribbed bar irons produced with Tempcore process, the visible phase distributions are martensite structure in the outermost, ferrite + pearlite structure in the core and bainitic structure which is the transition region between these two phases. The percentage ratio of the martensite layer area, which is essentially a brittle and hard structure, to the total surface area is a determining factor for the yield stress.
In this study, 150x150 mm billets with high manganese content containing 0.23% C, 1.23% Mn and other side elements, called S220-Mn, were used in Diler Demir Çelik Endüstri ve Tic. A.Ş. Dilovası facilities. In the rolling and tempcore process, in a conscious and controlled manner, by changing the parameters such as water exposure time, water pressure, water flow rate, samples were taken for Ø14, Ø20 and Ø26 mm material sizes under different conditions and tensile tests of the experimental samples were performed, the longitudinal elongations in the tensile tests were determined, the microstructures of the cross-sectional area images were observed, the hardness distribution from the core to the surface was examined. Each sample was also examined under an optical microscope, the microscope images were transferred to the AutoCAD LT 2024 program and the martensite volume ratios were determined. In this way, the experimental data were obtained.
The tests were completed with the realized experimental samples in this way, and in order to find the martensite volume ratios, the variable parameters in each sample were simulated in the virtual environment with the finite element analysis method ANSYS 2024/R1. The experimental results and simulation results were matched with each other and 90.88% agreement was observed.