Toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiş mikroalaşımlı çeliklere uygulanan termomekanik işlemlerin araştırılması
Investigation of thermomechanical processing applied to microalloyed steels produced by powder metallurgy method
Yazar: DEMET TAŞTEMÜR
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN GÜNDÜZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Mikroalaşımlı çeliklerin en önemli özelliklerinden biri, termomekanik işlem parametreleri ve çelik bileşimi değiştirilerek elde edilen farklı mikroyapılardır. Tane boyutu, çökeltiler, dislokasyon yapısı ve inklüzyonlar gibi mikroyapının kontrolü, mikroalaşımlı çeliklerin mekanik özelliklerini belirlemede oldukça etkilidir. Bu çelikler özellikle termomekanik işlem kullanılarak ince taneli bir mikroyapıya sahip parçaların üretimi için kullanışlıdırlar. Mikroalaşımlamanın çelikte oluşturduğu etki, uygulanan plastik deformasyonun şartlarına bağlıdır. Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi, östenit tane sınırı ve deformasyon bandı yoğunluğunu arttırarak çekirdeklenme bölgelerinin arttırılması nedeniyle termomekanik işlemlerle yapılabilir. Günümüzde mikroalaşımlı çeliklerin üretimi boru ve yassı mamul olarak üretilmekle birlikte dövme amaçlı mikroalaşımlı çeliklerin üretimi de yaygındır. Ayrıca günümüzde az düzeyde toz metalürjisi yöntemiyle de mikroalaşımlı çelik 
üretimi gerçekleştirilmektedir. Toz metalürjisinin en büyük avantajlarından birtanesi istenilen kimyasal bileşimde toz metal çelik üretiminin kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmesidir. Fakat bunun yanında toz metalürjisinin en büyük dezavantajı gözenekli yapının tamamen yok edilememesi ve yoğunluğun geleneksel döküm yöntemiyle üretilen malzemelere göre düşük olmasıdır. 

Bu çalışmada, alaşımsız ve mikroalaşım elemet oranı % 0,2 olacak şekilde titanyum, niyobyum ve vanadyum içeren tekli ve ikili alaşım kompozisyonu üretilerek 1150 °C'de sinterlenmiştir. Sinterlenen ve sinterleme sonrası 1150 °C'de homojenleştirilen ve homojenleştirme ısıl işlemi sonrası % 20, % 40 ve % 60 oranlarında deforme edilen numunelerinin mikroyapı ve mekanik özelikleri incelenmiştir. Numuneler üzerinde optik, SEM incelemeleri ve EDS analizleri gerçekleştirilerek mikroyapı ve çökelti oluşum analizleri yapılmıştır. Ayrıca tüm koşullar altında tane boyutu, % ferrit, % perlit, % yoğunluk ve % gözeneklilik oranları tespit edilmiştir. Tane boyutu analizleri sonucu tüm koşullar altında % 0,2 Nb içeren mikroalaşımlı çeliğin daha ince taneli olduğu görülmüştür. % ferrit oranı uygulanan deformasyon oranıyla tüm alaşım kompozisyonlarında artarak deformasyonun çekirdekleşme bölgelerini arttırdığı görülmüştür. Ayrıca artan deformasyon oranıyla birlikte tüm koşullar altında ve tüm alaşım sistemlerinde % yoğunluk artarak buna bağlı % gözeneklilik oranları azalmıştır. Oda sıcaklığında ve 1mm/dk çene hızında gerçekleştirilen basma testleri sonrası artan deformasyon oranının alaşım kompozisyonlarının akma dayanım değerlerini arttırdığı görülmüştür. % 0,2 V içeren mikroalaşımlı çeliğin mekanik özelliklerindeki artışın diğer alaşım kompoziyonlarına göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ayrıca dayanım değerlerindeki artışa paralel olarak sertlik değerlerinin de arttığı tespit edilmiştir. 

1050 °C'de ve 2,8x10-1 s-1 gerinim hızında Gleeble 3800 termomekanik test cihazında gerçekleştirilen sıcak basma testleriyle tüm alaşım kompozisyonlarının % 20 ve % 60 deformasyon oranında yüksek sıcaklık davranışları incelenmiştir. Sonuçlar tüm alaşım kompozisyonlarında yüksek sıcaklık basma testlerinden elde edilen gerilme-gerinim eğrilerinde testere dişi davranışın belirgin olduğu ve dinamik deformasyon yaşlanmasının oluştuğunu göstermiştir. 1050 °C'de ve 2,8x10-1 s-1 gerinim hızında çalışma sertleşmesinin dinamik yeniden kristalleşme mekanizmasına 
baskın gelerek dayanım değerlerinde artışa sebebiyet vermiştir. Ayrıca oda sıcaklığında gerçekleştirilen basma testi sonrası elde edilen sonuçlara paralel olarak % 0,2 V mikroalaşımlı çeliğin sıcak basma dayanımı ve sertlik değerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Genel olarak artan deformasyon oranıyla tüm alaşım kompozisyonlarının mekanik özelliklerinin ve yoğunluğunun yüksek seviyelere ulaştığı tespit edilmiştir.

Abstract:
One of the most important properties of microalloyed steels is the different microstructures which are obtained by changing the thermomechanical processing parameters and steel composition. The control of microstructure such as grain size, precipitates, dislocation structure and inclusions are highly effective to determine the mechanical properties of microalloyed steels. These steels are particularly useful for the manufacture of parts with a fine-grained microstructure using the thermomechanical process. The effect of microalloying on steel depends on the conditions of the applied plastic deformation. The improvement of mechanical properties can be done by thermomechanical processesing due to increase of nucleation sides via maximizing the austenite boundary and density of the deformation band. Today, although the production of microalloyed steels is produced as pipes and flat products, the production of microalloyed steels for forging is also 
common. In addition, microalloyed steel is produced with a low level of powder metallurgy method today. One of the biggest advantages of powder metallurgy is the easy production of powder metal steel with the desired chemical composition. However, the biggest disadvantage of powder metallurgy is that the porous structure cannot be completely destroyed and the density is lower than the materials produced by the traditional casting method. 

In this study, unalloyed steel and single and binary alloyed steel containing titanium, niobium, and vanadium with microalloying element in the ratio of 0.2% were produced and sintered at 1150 °C. The microstructure and mechanical properties of the samples, which were sintered and homogenized at 1150 °C after sintering and deformed at 20%, 40% and 60% after homogenization, were investigated. Microstructure and precipitates formation of samples were investigated by optical, SEM and EDS analyses. In addition, grain size, ferrite %, pearlite %, density % and  porosity % were determined for all conditions. As a result, it was observed that the microalloyed steel containing 0.2% Nb was finer-grained under all conditions. In all alloy compositions, the ferrite % ratio increased with the applied deformation rate, and it was observed that the deformation increased the nucleation sites. In addition, with increasing deformation rate, the density % increased under all conditions and in all alloy systems, and accordingly the % porosity decreased. It was observed that the yield strength of alloy with different compositions increased with the increment of deformation rate after compression tests performed at room temperature and 1mm/min test speed. It was determined that the increase in the mechanical properties of the microalloyed steel containing 0.2% V was higher than the other alloy compositions. In addition, hardness increased depending on the improvement in strength. 

High temperature behavior of all alloy compositions at 20% and 60% deformation rates was investigated by hot compression tests performed using a Gleeble 3800 thermomechanical simulator at 1050 °C and a strain rate of 2.8x10-1 s-1. The results showed that the serrated flow behavior was observed in the stress-strain curves obtained at the high temperature compression tests and dynamic strain aging occurred in all alloy compositions. Work hardening at test conditions dominated the 
dynamic recrystallization mechanism, resulting in an increase in strength values. In addition, in compatible with the results obtained after the compression test performed at room temperature, it was observed that the hot compression strength and hardness value of 0.2% V microalloy steel was higher. In general, it was determined that the mechanical properties and density of all alloy compositions reached high levels with increasing deformation rate.