AISI 430 kalite paslanmaz çeliklerin mikroyapı ve mekanik özelliklerinin perçinleme prosesinde çatlak oluşumuna etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of the microstructure and mechanical properties of AISI 430 stainless steel on the crack formation during the riveting process
Yazar: ASUDE BALAKAN
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle paslanmaz çelik kullanımı oldukça geniş bir alan kaplamaktadır. Paslanmaz çelikler; kimyasal özellikleri, fiziksel dayanımları ve yüzey kaliteleri dikkate alınarak farklı sanayi ve endüstri kollarında kendilerine kullanım alanları bulmaktadır. Paslanmaz saclar genellikle şekil alabilme özellikleri ile bilinirler ve bu özellikleriyle birçok sektörde kullanım alanları mevcuttur. Isıya ve korozyona karşı oldukça dayanıklıdırlar ve bu sebeple su ile temas edecek noktalarda kullanılırlar. Şekil alabilme özelliği sayesinde mutfak ürünlerinde ve dekorasyon ürünlerinde tercih edilirler. Paslanmaz saclar değişken özelliklerine ve kullanım alanlarına bağlı olarak çeşitlilik gösterirler ve sınıflara ayrılırlar. Paslanmaz sac derin çekme özelliğinin iyi olması ve korozyon dayanımı sayesinde çamaşır makinesi tamburu üretiminde tercih edilen bir malzemedir.
Çamaşır makinesinin en önemli parçalarının başında tambur gelmektedir. Yıkama işleminin gerçekleştirildiği bölüm olan tamburun, makinenin çalıştığı zaman boyunca mekanik anlamda problem oluşturmaması gerekmektedir.
Bu tez kapsamında çamaşır makinesi tambur üretiminde paslanmaz sacın perçinleme işlemi sırasında meydana gelen çatlak hasarının mikroyapı ve mekanik özellikler ile ilişkisi incelenmiştir. Literatür araştırmalarının ilk bölümünde paslanmaz sacların geçmişten bu güne olan tarihsel gelişiminden bahsedilmiştir. Paslanmaz çeliklerin sınıflandırılması ve içerdikleri alaşım elementlerinin malzemenin özelliklerine etkisi de literatür çalışmalarında yer almaktadır. Tambur üretiminde ferritik paslanmaz çelik grubuna ait, soğuk haddelenmiş, 2B yüzey özelliklerine sahip AISI 430 kalite paslanmaz çelik ile çalışılmıştır. Farklı tedarikçilere ait saclar çatlama davranışı gösteren ve çatlama davranışı göstermeyen saclar olarak iki grupta incelenmiştir. İlk olarak çatlayan malzeme grubuna ait on farklı rulodan ve çatlama davranışı göstermeyen gruba ait on bir farklı rulodan alınan numunelerle çekme testleri yapılıp malzemelerin akma dayanımı, çekme dayanımı ve kopma uzaması değerleri elde edilmiştir. 
Elde edilen değerler Minitab programı kullanılarak regresyon metodu ile istatistik bir model üzerine oturtularak mekanik değerlerin çatlama davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Analiz sonucunda ilk olarak çatlayan tambur sacı üretme olasılığı akma dayanımı, çekme dayanımı ve kalıp farklılığı ile ilişkilendirilmiştir. Farklı tedarikçiler için çatlayan ve çatlamayan sacların akma dayanımı, çekme dayanımı ve kopma uzaması değerlerinin dağılımı hesaplanmış ve ortalama değerleri elde edilmiştir.  Bu etkileşimler Minitab programında girdi olarak kullanılarak kontur grafikleri elde edilmiştir. Her tedarikçi için oluşturulan kontur grafikleri ile çatlama hasarı gözlemlenen ve gözlemlenmeyen sacların akma ve çekme dayanımları arasında ilişki kurularak limit değerleri belirlenmiştir. Elde edilen limit değerlerinin her tedarikçi için farklı olduğu ve B tedarikçisinde bu aralığın daha geniş olduğu gözlemlenmiştir. Proses denemeleri ile üretilen çevre saclarının perçin bölgelerinde çatlak sayıları hesaplanıp Minitab analizinde girdi olarak kullanılarak ortalama çatlak perçin bölgesi sayısı akma dayanımı, çekme dayanımı, kopma uzaması, sertlik ve kalıp farklılığı parametreleri ile ilişkilendirilmiştir ve çatlak oluşmayan değer aralıkları elde edilmiştir. 
Mekanik özelliklerin yanı sıra üretim prosesinden de gelen kalıp farklılığı da analiz edilmiş ve çatlama davranışı üzerindeki etkisi görülmüştür. Mekanik analizlerin devamında deformasyon özelliklerinin belirlenmesi için 0o, 45o ve 90o hadde yönü açılarına sahip numunelere kademeli çekme testi yapılarak dikey anizotropi katsayısı, düzlemsel anizotropi katsayısı ve deformasyon sertleşmesi üssü değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen bu değerler iki grup arasında karşılaştırılarak farklılıkları tespit edilmiştir.
Çalışmanın devamında çatlayan ve çatlamayan sacların mikroyapıları optik mikroskop ile farklı büyütmelerde incelenmiştir. Çatlayan ve çatlamayan sacların tane yapıları kıyaslanarak çatlama davranışı göstermeyen saclara ait tanelerin eş eksenli olduğu ve mikroyapıda daha homojen bir dağılıma sahip olduğu görülmüştür. Çatlama davranışı gösteren sacların mikroyapılarında deformasyon izleri ve çökelti fazları tespit edilmiştir. Tespit edilen bu çökelti fazları EDS analizi ile incelenerek bileşenleri belirlenmiş. Literatür çalışmaları ile kıyaslanarak çökelti fazlarının mekanik özellikleri olumsuz etkilediği ve çatlama davranışına sebep olabileceği öngörülmüştür.
Tane boyutunun çatlama hasarına etkisinin incelenmesi amacı ile tane boyutu analizi yapılmıştır ve iki grup karşılaştırılarak tane boyutunun da çatlama davranışı üzerinde etkili bir değişken olduğu tespit edilmiştir. Tane boyutu küçüldükçe malzemenin şekillendirilebilirliğinin arttığı tespit edilmiştir.
Çatlama davranışı gösteren ve göstermeyen sacların kırılma ve kayma yüzeyleri kesme yüzey analizi yapılarak incelenmiştir. Bu analizde malzemelerin 0o, 45o ve 90o hadde yönlerinde kesilip yüzeyleri mikroskop altında incelenmiştir. Farklı hadde yönü açılarına sahip çatlayan ve çatlamayan numunelerin ortalama kırılma yüzey oranları hesaplanmıştır. Numunelerin kendi içinde hadde yönleri arasında kırılma yüzey oranlarında belirgin bir farklılık gözlenmezken, iki grup kıyaslandığında ortalama kırılma yüzey oranının çatlayan saclarda daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Kırılma ve kayma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu ile farklı büyütmelerde incelenmiştir.
Çatlama özelliği gösteren ve göstermeyen sacların şekillendirilebilirliklerini kıyaslamak amacı ile Erichsen çökertme deneyi yapılmış ve Erichsen derinlikleri ölçülmüştür. Çatlama davranışı gösteren sacların Erichsen derinliklerinin çatlama davranışı göstermeyen göstermeyen saclara kıyasla daha az olduğu tespit edilmiştir. 
Malzemenin sertliğinin şekillendirilebilirliğine etkisini incelemek için sertlik analizi yapılmıştır. İki grup kıyaslandığında çatlama davranışı gösteren sacların sertliğinin çatlama davranışı göstermeyenlere kıyasla daha düşük olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Today, the stainless steel applications have covered a vast variety of the industries with the development of the technology. Stainless steels have been videly used in many industries and industry branches due to their chemical properties, physical strength and surface quality. Stainless steel sheets are generally known by their good formability properties. They have high resistance to heat and corrosion and therefore they are used in points that will come into contact with water. Satinless steel is preferred in kitchen products and decoration products due to its shape feature. There are many types of stainless steel sheets which could also be divided into many classes. Stainless steel sheets are also a preferred material in washing machine drum production due to their good deep drawing and corrosion resistance.
The drum is the most important part of the washing machine. The drum which is the part where the washing process takes place should not cause mechanical problems during the operation of the machine.
In this study, the effect of microstructure and mechanical properties on the crack formation that occurs during the riveting process of the stainless steel drum shell sheet was investigated in detail. In the first part of the literature studies, the historical development of stainless sheets from past to present is mentioned. The classification of stainless steels and the effects of the alloy elements they contain on the properties of the material are also included in the literature studies. Cold rolled, 2B surface properties of AISI 430 grade belonging to ferritic stainless steel group have been worked in drum production. Sheets which were produced by different suppliers examined in two groups: Sheets with cracking behavior and sheets without cracking behavior.
At first, tensile tests were performed with the samples taken from ten different coils of cracking behavior material group and eleven different coils of not showing cracking behavior group. Yield strength, tensile strength and elongation at fracture values of the materials were obtained. The obtained values were used as inputs of statistical model with the regression method using the Minitab program and the effect of mechanical values on the cracking behavior was examined. As a result of the analysis, the possibility of producing cracked drum sheet was first associated with yield strength, tensile strength and mold difference. For different suppliers, the yield strength, tensile strength and elongation at fracture values of the cracked and non-cracked sheets were calculated and their average values were obtained. Contour plot graphics are obtained by using these interactions as input in Minitab program. It has been observed that the limit values obtained are different for each supplier and this range is wider at supplier B. The number of cracks in the rivet regions of the drum sheel produced by the process trial was calculated and used as input in the Minitab analysis. The average number of the cracked rivet area is associated with the yield strength, tensile strength, elongation at fracture parameters, and non-cracked value ranges are obtained. In addition to mechanical properties, mold difference was also analyzed and mold effect on cracking behavior was observed. Many studies have been conducted to improve the formability of ferritic stainless steel through the application of several different methods. Accordingly, controlling possible crystallographic orientations enhances the formability. In order to determine the deformation properties in the continuation of the mechanical analysis, normal anisotropy coefficient, planar anisotropy coefficient and deformation hardening exponent values were calculated by performing tensile testing on samples with 0o, 45o and 90o to the rolling direction angles. These values were compared between two groups and their differences were determined. Lower values were obtained in the sheets that did not show cracking behavior in the normal anisotropy coefficient values. Higher value was obtained for the sheets showing cracking behavior. No significant difference was found in the cracking and non-cracking sheets in the planar anisotropy coefficient value. A linear relationship could not be established between cracking behavior and deformation hardening exponent values.
The microstructures of the cracked and non-cracked sheets were examined with optical microscopes at different magnifications. By comparing the grain structures of the cracked and non-cracked sheets, the grains of the sheets that do not show cracking behavior were found to be isotropic and have a more homogeneous distribution in the microstructure. The recrystallized grain size and uniformity of the microstructure can be linked to the stored energy after cold rolling. The grain size depends on the nucleation and growth rate. The literature demonstrates that high stored energy increases the nucleation rate more than the growth rate. Deformation marks and precipitate phases were detected in the microstructures of the sheets showing cracking behavior. These precipitates were analyzed by EDS analysis and their components were determined. In the light of the literature studies, it is predicted that the precipitate phases negatively affect the mechanical properties and may cause the cracking behavior. Deformation marks and precipitates were detected in the microstructures of the sheets showing cracking behavior. These precipitates were analyzed by EDS and their composition was determined. By taking into account of the previous literature studies, it is predicted that,  precipitates negatively affect the mechanical properties and may cause cracking behavior.
Mechanical and chemical features of sheet metal materials such as yield strength, tensile strength, or microstructure are not alone sufficient to account for their formability. In order to analyze the effect of the grain size on the cracking damage, grain size analysis was performed. By comparing the two groups, it was determined that the grain size was also an effective variable on cracking behavior. It was determined that the formability of the material increases with the decrease of the grain size. 
The fracture surface and shear surface of the sheets with and without cracking behavior were analyzed by cutting surface analysis. In this analysis, the materials are cut in 0o, 45o and 90o to the rolling directions and their surfaces are examined under a stereo microscope. Average fracture surface ratios of cracked and non-cracked samples with different rolling direction were calculated. No significant difference was observed in the fracture surface ratios while appliying different rolling directions. When the two groups were compared, it was determined that the average fracture surface ratio was higher in cracked sheets. Fracture and shear surfaces were examined at different magnifications with scanning electron microscope.
In order to compare the formability of sheets with and without cracking feature, Erichsen cupping test was performed and Erichsen depths were measured. It was determined that Erichsen depths of the sheets showing cracking behavior were less than those that did not show cracking behavior.
Hardness analysis was conducted to examine the effect of the hardness of the material on the formability. When the two groups were compared, it was seen that the hardness of the sheets which showed cracking behavior was lower than those that did not show cracking behavior.