Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin özelliklerinin üretim parametreleri ile ilişkisi
Relationship between properties of low carbon high strength steels and production parameters
Yazar: SERKAN OKTAY
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Mikroskopi-elektron taramalı = Microscopy-electron scanning ; Sıcak haddeleme = Hot rolling ; Çelik döküm = steel casting

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı; düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çeliklerde kimyasal bileşim, haddeleme pratikleri ve tavlama ısıl işleminin mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisini incelemektir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çelikler, günümüzde otomotivden savunma sanayisine kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu çeliklerin en belirgin avantajları; geleneksel çeliklere göre daha hafif olmaları, bileşimindeki karbon miktarının geleneksel çeliklere göre daha az olması sebebiyle kaynak edilebilirliğinin daha yüksek olması, karbon çeliklerine göre daha sünek ve tok olmaları, mukavemet değerlerinin uygun alaşımlama ile çok yüksek değerlere çıkabilmesi olarak sıralanabilir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin kullanımda sağladığı performans avantajlarına ilaveten, son dönemde çok önem verilen bir diğer konu da bu çeliklerin karbon salınımının azaltmasına katkısıdır. Türkiye'de cevherden veya hurdadan üretim yapan Demir-Çelik fabrikalarının neredeyse tamamında geleneksel ticari kalite (S235, S355, SAE 1010 vb.) çelikler, üretim tonajının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin üretilebilmesi için, gereken AR-GE yatırımları, üretim prosesi hat yatırımları, üretim denemeleri, uygun pazar-müşteri ve rekabetçi fiyat gibi birçok parametre bulunmaktadır. Tüm bu gereksinimler, ilgili çelik kalitelerinin ülkemizde üretimi için birer engel olabilmektedir. Bu tez çalışmasıyla, düşük karbonlu- mikro alaşımlı çelikler endüstriyel ölçekte üretilmiş ve literatüre sunulmuştur.
Tez çalışmasında; Başlangıç kimyasal bileşimi, başlangıca göre daha yüksek alaşımlı kimyasal bileşim, bor'lu kimyasal bileşim ve daha yüksek Ni'li kimyasal bileşim olmak üzere 4 farklı hedef kimyasal bileşimde çelik, farklı bobin sarım sıcaklığı ve kalınlıklarda üretilmiştir. Çeliğin üretiminde ark ocağı prosesi temelli üretim yöntemi kullanılmıştır. Bu kapsamda; hurda malzeme AC tip Elektrik Ark Ocağı ile eritilmiş, buradan elde edilen sıvı metal pota fırınına gönderilerek Al ile deokside edilmiş ve hedef kimyasal bileşimi ayarlanmış, vakum tankına gönderilerek vakum gaz giderme işlemi yapılmış, Ca ile inklüzyon modifikasyonu işlemi yapılmış ve slab sürekli döküm makinasına gönderilmiştir. Üretilen çelik slablar sıcak sac haddehanesinde farklı hedef haddeleme parametreleriyle farklı kalınlıklara haddelenerek duşlu masada soğutulmuş ve çelik bobin olarak sarılmıştır. Bu bobinlerden numune alınarak; çekme, darbe, eğme ve sertlik gibi mekanik testler, ısıl işlem ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. 
Yapılan çalışmalar neticesinde; başlangıç kimyasal kompozisyonu ile üretilen düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çelikte, bobin sarılma sıcaklığı görece arttıkça (450 ºC, 500 ºC, 550 ºC, 600 ºC); çekme mukavemeti, uzama oranı ve sertliğin arttığı belirlenmiştir. Üretilen bobinlere 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi yapıldığında; malzemenin akma-çekme mukavemetlerinin, uzama ve sertliğinin arttığı, darbe enerjisinin düştüğü belirlenmiştir. 600 °C 'de tavlama ısıl işlemi sonrasında akma ve çekme mukavemetlerindeki artış ve darbe enerjisindeki düşüşün; (Nb,Ti)C çökelmesi, beynitik ferrit mikroyapıda aşırı doymuş karbonun epsilon karbon olarak çökelmesi ve yaşlanma mekanizmasının etkili olduğu değerlendirilmiştir.
Başlangıç kimyasal bileşimine göre daha yüksek alaşımlı olarak üretilen çelikte, bobin kalınlığı 6 mm 'den 10 mm 'ye yükseldiğinde, akma ve çekme mukavemetinin düştüğü, darbe enerjisinin arttığı belirlenmiştir. Çelikte bobin sarım sıcaklığı 450 ºC 'den 600 ºC 'ye çıkarıldığında; akma mukavemeti bir miktar düşerken, çekme mukavemeti büyük oranda artmaktadır. Öyle ki, 6 mm kalınlıklı çelikte çekme mukavemetindeki artış 170 MPa seviyelerine ulaşmaktadır. 600 ºC 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle; düşük ve yüksek sarım sıcaklıklı bobinlerde akma mukavemeti artarken, çekme mukavemeti yalnızca düşük bobin sarım sıcaklıklı bobinde artmıştır. Yüksek bobin sarım sıcaklıklı ve 6 mm kalınlıklı çelikte tavlama ısıl işlemi ile çekme mukavemeti 80 MPa kadar düşmüştür. Darbe testi enerjilerindeki düşüş, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte daha yüksektir. Yüksek sarım sıcaklıklı çelikte çekme mukavemetindeki artışın, darbe enerjisindeki düşüşün ve 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası darbe enerjisinin bariz düşmemesinin nedeninin tamamlanmamış dönüşüm kaynaklı oluşan ferrit+marzenzit mikro yapısı ve çözeltide kalan Nb' çökeltileri kaynaklı olduğu, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte görülen yüksek akma mukavemeti ve darbe enerjisi beynitik mikro yapı kaynaklı olduğu değerlendirilmiştir. Düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası beynitik mikro yapı bozulmuş ve darbe enerjisinin büyük oranda düşmüştür.  
Kimyasal bileşimine yaklaşık 20 ppm bor ilave edilerek üretilen çelikte, akma ve çekme mukavemetlerinin 200 MPa 'a kadar arttığı görülmüştür. En yüksek sertlik değerleri bu çelikte görülmüştür. Buna karşın, bor ilavesiyle, darbe enerjisi ve uzama oranları büyük oranda düşmüştür. Bor ilavesiyle, mikro yapı diğer borsuz çeliklere göre daha ince taneli, beynitik, iğnemsi, kaotik ve bantlı olmuştur. 600 ºC'de 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle akma mukavemeti büyük oranda artarken, çekme mukavemeti sınırlı oranda düşmüştür.  Isıl işlem etkisiyle, sertlik ve darbe enerjisinde bariz artış- azalışlar olmamıştır. Çeliğin kimyasal bileşimine 30 ppm i geçmeyecek miktarda bor ilavesiyle akma ve çekme mukavemetlerinin büyük oranda artması literatür ile de uyumludur. Literatürde, kimyasal bileşimde bor miktarının fazla olmasının tokluğu düşürdüğü not edilmiştir. JMatPro ile çizilen CCT grafikerinde ferrit burnunun 10℃/s de sonlandığı görülmüştür. Bu değer, çeliğin duşlu masadaki soğuma hızının çok altındadır. Bu sayede ince taneli, iğnemsi ve kaotik bir mikro yapı elde edilebilmiştir. 300 HB üzeri sertlik elde edilmesi, mikro yapıda bir miktar martenzitik fazların da olduğuna işaret etmektedir. Isıl işlemle akma mukavemetlerinin artması, çekme mukavemetlerinin ise belirgin bir artış göstermemesinin martenzitin temperlenmesi ile ilgili olduğu değerlendirilmiştir.
Kimyasal bileşiminde Ni oranı bir miktar arttırılarak üretilen çelikte, tokluk artışı sınırlı kalmıştır. İlaveten, akma mukavemeti de bir miktar düşmüştür. Üretilen yüksek Ni katkılı çelikte tokluk, literatürle uyumlu olarak, diğer daha düşük Ni katkılı çeliklere göre bir miktar daha yüksek çıkmıştır. Üretilen bobinin düşük sarım sıcaklıklı bölgesinden hazırlanan numunede beynitik mikro yapı ve daha ince karbür-nitrür partikülleri sayesinde darbe enerjisi yüksek sarım sıcaklıklı bölgeden hazırlanan ferritik ve daha iri karbür-nitrür partiküllü numuneye göre daha yüksek çıkmıştır. Bu durum, beynitik mikro yapının yüksek tane sınırı açısı sayesinde enerji absorblayabilme özelliğinin ferritik mikro yapıdan daha üstün olması bilgisiyle ile uyumludur.

Abstract:
The aim of this thesis study was to examine the effects of chemical composition, rolling practices and isothermal heat treatment on microstructure and mechanical properties of low carbon and high strength micro alloyed steels. 
Low-carbon high-strength steels are used in a wide range of areas, from automotive to defense industry. The most obvious advantages of these steels are; they are lighter than conventional steels, their weldability is higher due to the less carbon content in their chemical composition compared to conventional steels, they are more ductile and tougher than carbon steels, and their strength values can reach very high values with appropriate alloying concept. 
In addition to the performance advantages of low-carbon high-strength steels in use, they also contributes to reducing carbon emissions, which has been given a great importance recently. Commercial plain carbon (S235, S355, SAE 1010 etc.) steels make up a significant part of the total production in almost all of the Iron and Steel Plants producing from ore or scrap in Turkey. In order to produce low carbon high strength steels, there are many requirements such as R&D investments, production process line investments, production trials, suitable market-customer and competitive price. All these requirements can be an obstacle for the production of this steel grades in our country. By this thesis, low carbon-micro alloy steels were produced on an industrial scale and presented to the literature.
In this thesis study, steels with four different target chemical composition have been produced by various target coling temperatures and final thicknessess. The steels were named as initial, more alloyed than initial, with boron and with more Ni than the others, respectively. 
The arc furnace based production method was used in the production of the steels. The production steps; melting of scrap mixture at AC type EAF, Al deoxidation and chemical composition adjustment at laddle furnace, vacuum degassing and Ca inclusion modification at vacuum tank and lastly, slab casting at continuous slab caster. The steel slabs were then sent to the hot rolling mill and rolled into their final product thiknesess by using different hot rolling parameters. The research samples were taken from these products.
As a result of the studies; In low-carbon and high-strength micro-alloy steel produced with the initial chemical composition, as the coiling temperature increased (450 ºC, 500 ºC, 550 ºC, 600 ºC), the tensile strength, elongation and hardness increased, too. When the produced coils are heat treated at 600 ºC for 1 hour; It was determined that the yield-tensile strength, elongation and hardness of the material increased and the impact energy decreased. The increase in yield and tensile strengths and the decrease in impact energy after heat treatment at 600 °C was evaluated as a result of (Nb,Ti)C precipitation, precipitation of supersaturated carbon as epsilon carbon in bainitic ferrite microstructure and aging mechanism.
Some thermodynamic and kinetic calculations, performed by the JMatPro commercial software, are here reported to characterize the behavior of the produced steels with respect to phase transformations and precipitation of Nb and Ti carbonitrides. Titanium is used to control the austenite grain size during slab reheating in order to avoid abnormal grain growth and inhomogeneous starting microstructures in the slab that might impair the product quality. The first aspect considered is the precipitation in austenite of carbonitrides of the microalloying elements Nb and Ti as a function of temperature, with particular reference to the interval from 1300 to 850°C where the hot rolling is carried out. Although carbonitrides are crystallographically isomorphous and mutually miscible, two distinct phases have been considered. They have been schematically denoted as (Ti,Nb)(C,N) and (Ti,Nb)C to mean the high- and low-temperature stable phases, the former being rich in Ti and N, the latter in Nb and C. Typically, the first one is representative of the coarse precipitation (about 1 μm average size) produced from casting down to slab reheating. Its calculated composition is (Ti0.95,Nb0.05)(C0.7,N0.3). The second one, finer, is typical of the hot deformation hand its calculated composition is (Ti0.55,Nb0.45)C. (Ti,Nb)(C,N) starts forming at about 1500°C whereas the precipitation start of the Nb-rich phase occurs at a temperature close to the roughing of the slab (about 1100°C) and increases as temperature decreases.
For the steel with higher alloy addiditon than the initial chemical composition, It was determined that when the coil thickness increased from 6 mm to 10 mm, the yield and tensile strength were decreased and the impact energy was increased. 
For this steel, when the coiling temperature is increased from 450 ºC to 600 ºC; ferritic – bainitic microstructure disappeared and a ferritic – martensitic microstructure formed. 
The bainitic microstructure of the low coiling temperature steels came from the high cooling rates at run out table. The low coiling temperature steels had a superior impact toughness as a result of the bainitic micro structure.
The presence of martensite in the final microstructure of the strips coiled with higher coiling temperature was because of incomplete reaction. As an the effect of the ferritic-martensitic microstructure, the tensile strength increased dramatically, although there was no an obvious change in the yield strength. 
The increase in tensile strength in 6 mm thick steel reaches 170 MPa. On the other hand, in high coiling temperature steel, the impact energy decreased. The lower impact toughness of the higher coiling temperature steels are due to the lack of bainite which has a better cracking resistance than ferrite.
While the impact energies did not decrease after annealing heat treatment at 600 ºC for 1 hour in ferritic-martensitic steel with high coiling temperature, the impact energies decreased in bainitic microstructure steel with low coiling temperature steel. The increase in tensile strength and limited decrease in impact energy after annealing heat treatment at 600 ºC for 1 hour are due to ferrite+marzensite microstructure and Nb precipitates remaining in solution for the high coiling temperature steel.  The higher yield strength and impact energies of the low coiling temperature steel is related with the its bainitic micro structure.
For the steel with boron, it has been observed that the yield and tensile strengths were increased up to 200 MPa in comparison with the steels without boron. The highest hardness values were observed in this steel. On the other hand, the impact energy and elongation values decreased with the boron addition to the chemical composition of the steel. 
With the addition of boron, the microstructure became more fine-grained, bainitic, niddle like, chaotic and banded. Boron shifts the ferrite nose to the right on continuous cooling diagrams and it gives enough time to steel to form this type of phases.
With the effect of annealing heat treatment at 600 ºC for 1 hour, the yield strength increased, while the decrease in tensile strength was limited. There was no an obvious increase or decrease in hardness and impact energy. The increase in yield and tensile strengths with the addition of boron in an amount not exceeding 30 ppm to the chemical composition of the steel is also compatible with the literature. It has also been noted in the literature that the high amount of boron in the chemical composition reduces the toughness. 
In the CCT graphs- JMatPro, it was seen that the ferrite nose finish at 10℃/s. This value is well below the cooling rate of the steel in the run out table. By the help of this cooling rate, a fine-grained, needle-like and chaotic microstructure was obtained. 
The hardness of 300 HB indicates that there are some martensitic phases in the Boron added steel's microstructure. It has been evaluated that the increase in yield strengths with heat treatment and the absence of a significant increase in tensile strengths are related to the tempering of martensite.
The increase in toughness remained limited in the steel produced with slightly increased Ni content in its chemical composition. In addition, the yield strength has also decreased somewhat. The toughness of the produced high Ni added steel was slightly higher than the other lower Ni added steels, in line with the literature. Thanks to the bainitic microstructure and finer carbide-nitride particles, the impact energy of the samples prepared from the low coiling temperature region of the produced coil was higher than the ferritic and larger carbide-nitride particle including sample prepared from the high coiling temperature region of the produced coil. This is compatible with the fact that the bainitic microstructure has superior ability to absorb energy due to its high grain boundary angle than the ferritic microstructure.