Hadfield çeliklerine uygulanan farklı çökelme sertleşmesi sıcaklıklarının mikro yapı ve mekanik özelliklere olan etkisinin incelenmesi
Effect of different precipication hardening temperature on microstructural and mechanical properties of Hadfield steels
Yazar: FARUK ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET UYSAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞUR GÜROL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
1882 yılında İngiltere'de Sir Robert Hadfield tarafından bulunmuş ve 1883 yılında 
patenti alındığından beri Hadfield çeliği olarak da adlandırılan yüksek manganlı 
çelikler yüksek mukavemet, yüksek tokluk ve yüksek çalışma sertleşmesi gibi 
benzersiz özellikleri sebebi ile hafriyat, petrokimya, demiryolu, çimento ve madencilik 
gibi sektörlerde sıklıkla kullanılmaktadır. 
Yüksek manganlı çeliklere olan ve her geçen gün artan ilgi ile beraber bu malzemelerin 
kullanım yerleri daha da çeşitlenmiş ve buna bağlı olarak performans iyileştirme 
kapsamında ısıl işlem ya da alaşımlama çalışmalarında da ciddi artışlar söz konusu 
olmuştur. Genellikle 1:10 oranında karbon ve mangan oranı ile üretilen yüksek 
manganlı çelikler bugüne kadar molibden, krom, vanadyum, niyobyum, alüminyum 
ve seryum ilaveleri ile alaşımlandırılmış ve bu alaşımlandırmalar ile malzemelerin 
mekanik özelliklerinde iyileşme sağlanması hedeflenmiştir.
Yüksek manganlı veya Hadfield çeliklerinde alaşımlama çalışmalarının yanı sıra 
birçok araştırmanın konusu olan bir diğer önemli faktör ise uygulanan veya tasarlanan 
ısıl işlem prosesidir. Yüksek manganlı çelikler katılaşmaları için gerekli olan sürenin 
bir sonucu olarak ideal soğuma şartlarında östenit yapıda kararlı hale gelir ve aynı 
zamanda yapılarında östenit ana yapısı içerisinde karbür ve perlit kolonileri içerirler. 
Oluşan bu karbürler özellikle çeliğin tane sınırlarına yerleşerek mekanik özelliklerini 
düşürüp, ciddi bir kırılganlığa sebep olurlar. Bu sebeple yüksek tokluk istenen 
manganlı çelik uygulamalarında bu malzemeler döküm halleri ile kullanılamazlar. Bu 
durum yüksek manganlı çeliklerin yüksek tokluk değerlerine ulaşabilmek için, döküm 
sonrası bir ısıl işleme tabii tutulmalarını zorunlu kılar. Tasarlanan ısıl işlemde amaç, 
manganlı çeliğin ısıtma sonrası ani soğutulmasını sağlamak ve karbür oluşumunu 
engelleyerek karbürden arındırılmış östenitik yapıyı elde edebilmektdir. Bu sebeple 
manganlı çeliklere kesit kalınlığına bağlı olarak genellikle 1050°C ila 1150°C arasında 
bir sıcaklığa ısıttıktan sonra ani soğutma ile çözelti tavlaması ısıl işlemi uygulanır. 
Hadfield çelikleri olarak adlandırılan yüksek manganlı çelikler için en büyük dezavataj 
ise düşük akma mukavemetine sahip olmalarıdır. Düşük akma mukavemeti bu 
parçaların henüz çalışma sertleşmesi mekanizması oluşmadan kırılmalarına veya 
kullanılamaz hale gelmelerine sebep olabilmektedir. 
Bu çeliklerden düşük, orta ve yüksek yükler altında çalışma göstermeleri durumunda 
farklı mikro yapı ve mekanik özellik beklentileri oluşmaktadır. Örneğin yüksek yükler 
altında yüksek tokluk özellikleri beklenirken, düşük yükler altında gerçekleşen 
çalışmalarda yüksek aşınma direnci, yüksek sertlik veya bu iki özellik ile tokluk değeri 
arasında güçlü bir kombinasyon beklenmektedir. 
Bu tez çalışması kapsamında özellikle düşük yükler altında çalışan yüksek manganlı 
çeliklerin, çözelti tavlaması ısıl işlemi sonrasında çökelme sertleşmesi ısıl işlemine 
tabii tutulması ve oluşacak karbür fazları ile mekanik özelliklerindeki değişimin 
incelenmesi amaçlanmıştır.
Bu tez çalışması kapsamında kullanılan yüksek manganlı çelik, içeriğinde 1,16 karbon, 
13,21 mangan ve ilave olarak %2,13 oranında krom içermektedir. Yapılan araştırmalar 
doğrultusunda özellikle %2'ye kadar olan krom ilavesinin manganlı çeliklerin akma 
mukavemetini ve sertlik değerlerini attırdığını bilinmektedir. Çalışma kapsamında 
elde edilen sonuçların tayini ve yorumlanabilmesi için mikro yapısal ve mekanik 
testler uygulanmıştır. Mikro yapısal durumun anlaşılabilmesi için öncelikle iki farklı 
büyütme kademesinde optik mikroskop incelemeleri yapılmıştır. Optik mikroskop 
incelemesinin yüksek manganlı çeliklerde ayrıca bir önem arz etmesinin sebebi, 
yapıda oluşan karbürlerin ince veya kalın olarak tanımlanması ve mekanik özellikleri 
düşürücü etkiye sahip olan kalın karbürlerin optik mikroskop altında rahatça 
gözlemlenebilmesidir. Mikro yapısal incelemenin devamında ince karbürlerin 
gözlemlenebilmesi, tane sınırları ve tane içlerinden EDS analizlerinin alınabilmesi için 
taramalı elektron mikrokobisi kullanılmıştır. Yapısal incelemede son olarak teste tabii 
tutulan malzemenin bileşimini anlamak için X-ışınları difraksiyonu test metodu 
kullanılmıştır. Mekanik özelliklerin tayini için ise numunelere sertlik ve çentik darbe 
testleri uygulanmıştır. Böylece malzemelerin sertlik değişimi ile tokluk değerleri 
arasında bir ilişki kurulması amaçlanmıştır.
Bu çalışma kapsamında dökümü gerçekleştirilen yüksek manganlı çelikler öncelikle 
1080°C'de çözelti tavlaması ısıl işlemine tabii tutulmuşlardır. Böylece yapıda oluşan 
ve döküm sonrası yavaş soğumadan kaynaklanan karbürlerin çözünmesi sağlanmıştır. 
Bu aşamada tasarlanan çözelti tavlaması ısıl işlemi sıcaklık ve süresinin doğru seçilip 
seçilmediğinin anlaşılabilmesi için, numunelerin döküm sonrası ve çözelti tavlaması 
sonrası durumları mikro yapısal ve mekanik testlere tabii tutulnuştur. Numunelerin 
döküm hali mikro yapısal gözleminde beklenildiği gibi tane sınırlarında ve tane 
içlerinde rastgele dağılmış karbürler ve perlit kolonileri tespit edilmiştir. Bunun bir 
sonucu olarak numuneden elde edilen çentik darbe enerjisi 4,5 J bulunmuş, sertlik 
sonucu ise 263 HV olarak bulunmuştur. Çözelti tavlaması sonrası yapılan mikro yapı 
testlerinde ise, numunede bulunan karbürlerin çözündüğü tespit edilmiştir. Mekanik 
testlerde ise döküm haline göre çentik darbe sonucu %4577 artarak 206 J olarak 
bulunmuş, sertlik değeri ise 263 HV'den %13 azalarak 228 HV'ye gerilemiştir. Elde 
edilen tokluk ve sertlik değerlerine göre yapılan çözelti tavlaması ısıl işleminin başarılı 
olduğu ve malzemenin tokluk özelliğinde ciddi bir artış olduğu gözlemlenmiş olup, 
elde edilen bulgular literatür bilgisi ile örtüşmektedir.
Daha sonrasıda çözelti tavlaması ısıl işlemine tabii tutulan numuneler ayrı ayrı 450°C, 
550°C ve 650°C'de çökelme sertleşmesi ısıl işlemine tabii tutulmuşlardır. İlk olarak 
450°C'de çökelme sertleşmesi ısıl işlemi uygulanan numune incelenmiştir. Mikro 
yapısal incelemeler sonucunda bu sıcaklıkta yapılan çökelme sertleşmesi ısıl işleminin 
ancak ince tane sınırı karbürlerinin oluşumuna yeterli geldiği tespit edilmiştir. Bu ince 
karbürlerin düşük enerjileri ve iyi östenit matris kafes uyumları sebebi ile gevreklik 
oluşturmayarak mekanik özellikleri ciddi anlamda etkilememesi beklenmiş; yapılan 
mekanik testlere göre de çentik darbe sonucunun 206 J'den yalnızca 194 J'e, sertliğin 
ise 228 HV'den 211 HV'ye gerilediği tespit edilmiştir. Daha sonrasında 550°C'de 
yapılan çökelme sertleşmesinin sonuçları incelendiğinde; mikro yapısal olarak artan çökelme sertleşmesi sıcaklığı ile karbür oluşum mekanizmasının kuvvetlendiği ve tane 
sınırına çökelen karbürlerin bu sıcaklık ile beraber optik mikroskop altında dahi 
görülebilecek kadar büyüdüğü tespit edilmiştir. Buna paralel olarak 550°C'lik 
çökelme sertleşmesi sıcaklığında artık mekanik özellikler düşüş göstermeye 
başlamıştır. Çentik darbe sonucu 206 J'den %82 azalarak 37 J'e düşmüş, bununla 
beraber sertlik %2 artarak 233 HV'ye yükselmiştir. Son olarak 650°C'de yapılan 
çökelme sertleşmesinde ise yapıda artık ciddi oranda karbür çökelmesi tespit edilmiş, 
ısıl işlem sonrası östenit matris kararlılığını tamamen kaybetmiştir. Buna bağlı olarak 
çentik darbe sonucu %98 azalarak 4 J'e gerilemiş ve çelik artık tamamen gevreklik 
kazanmıştır. Sertlik sonucu ise %32 artarak 300 HV'ye çıkmıştır.
Bu çalışma kapsamında seçilen çökelme sertleşmesi sıcaklıklarının manganlı çeliğin 
mikro yapı ve mekanik özelliklerine olan etkisi incelenmiş; farklı sıcaklıklarda yapılan 
ısıl işlemler neticesinde manganlı çelikte karbür çökelme miktarına bağlı olarak tokluk 
değerinin düştüğü, sertlik değerinin ise artış gösterdiği tespit edilmiştir.

Abstract:
High manganese steels, which were founded by Sir Robert Hadfield in England in 
1882 and named as Hadfield steel since its patent was taken in 1883, are frequently 
used in industries such as excavation, petrochemical, railway, cement and mining due 
to their unique properties such as high strength, high toughness and high work 
hardening. Especially, when these steels work under load or impact, their hardness 
which is around 220 HB can increase to 500-600 HB, and this unique situation is seen 
as one of the biggest advantages of manganese steels. This is especially important for 
the production of impact and jaw crushers in mining applications where toughness and 
a certain amount of hardness and wear resistance are expected. In general, high 
manganese steels are preferred in engineering applications, whose content is soft and 
whose surface gains a certain hardness and wear resistance properties when impacted.
With the increasing interest in high manganese steels, the usage areas of these 
materials have become more diverse, and accordingly there have been serious 
increases in heat treatment or alloying studies within the scope of performance 
improvement.
Manganese steels are generally produced with carbon and manganese contents 
designed in accordance with the ratio of 1:10. In high manganese steels, carbon is 
usually kept at 1%-1.4% content, and the amount of carbide in the steel increases with 
increasing carbon. In addition to this, carbon content up to 1.2% increases the strength 
and toughness values and wear resistance of these steels due to solid precipitation 
hardening mechanisms. Another important alloying element is manganese, which 
prevents the ferrite transformation of the steel and causes it to remain stable at 100% 
austenite under suitable cooling conditions. In manganese steels, the tensile strength 
and elongation amount of the steel increases with manganese additions between 12% 
and 14%, while the yield strength remains almost the same. In cases where high 
manganese steels operate under low loads or when better wear resistance is expected, 
chromium can be added to these steels between 1% and 2.5%. This addition increases 
the yield strength, wear resistance and hardness of manganese steel and decreases its 
toughness. Generally, in Hadfield steels with thick sections where rapid cooling cannot 
be fully achieved, molybdenum can be added up to a maximum of 2% to keep carbide 
precipitation under control. Apart from these mentioned alloying elements, the 
phosphorus content in manganese steels is also has great importance in terms of their 
damage. Phosphorus causes the formation of phosphorous eutectic forms at the grain 
boundaries of manganese steels which significantly reducing the mechanical 
properties of these steels. For this reason, the phosphorus ratio in manganese steels 
should not exceed 0.04%. High manganese steels called Hadfield steels have been alloyed with additions of molybdenum, chromium, vanadium, niobium, aluminum and 
cerium, and it is aimed to improve the mechanical properties of the materials with 
these alloys.
In addition to alloying studies in high manganese or Hadfield steels, another important 
factor which is the subject of many researchers is applied or designed heat treatment 
process. High manganese steels become stable in the austenite structure under ideal 
cooling conditions as a result of the time required for their solidification, and also 
contain carbide and pearlite colonies within the austenite main structure. These formed 
carbides placed in the grain boundaries of the steel causes a serious brittleness by
reducing the mechanical properties. For this reason, these materials cannot be used in 
their casting form in the applications where high toughness is required. This situation 
requires that high manganese steels must be heat treatmented after casting in order to 
achieve high toughness values. The purpose of the designed heat treatment is to 
provide instant cooling of the manganese steel after heating and to obtain a carbidefree austenitic structure by preventing carbide formation. For this reason, solution
annealing heat treatment is applied to manganese steels after heating to a temperature 
between 1050°C and 1150°C, depending on the section thickness.
The biggest disadvantage for high manganese steels called Hadfield steels is their low 
yield strength. Low yield strength can cause the parts to be broken or become unusable 
before the work-hardening mechanism is formed.
Due to the sectors in which Hadfield steels are used and the size of the machines in 
these sectors, the costs of part replacement or renewal are high. For this reason, it has 
become important to extend the service life of Hadfield steels with welding 
application. However, there are important points that need to be considered during the 
welding processes of these steels. First of all, in a welding application, the temperature 
should be kept below 300°C in order to eliminate the risk of carbide precipitation. 
Otherwise, carbide precipitation will occur in the region heated by welding and this 
will cause the part to gain brittleness from this region. In order to prevent overheating 
during welding, it is recommended to weld at short intervals. Welding applications of 
high manganese steels are generally made by electric arc welding method.
The machinability of high manganese steels, called Hadfield steels, has many 
difficulties and these materials are characterized as difficult to machine due to their 
high work-hardening capabilities. The most used method in the machining of these 
materials is turning. However, disadvantages such as microhardness increase of the 
steel during turning, rapid tool wear, excessive chip accumulation on the cutting edge, 
hardening of the steel at high machining speeds occur, all of which create serious 
problems for the machining process of manganese steels. In order to avoid such 
problems, it is recommended that the machining processes of manganese steels be 
carried out using the hot machining method with the installation of appropriate fixtures 
and machining systems. In the hot machininh method, the manganese steel to be 
machiend will be superficially heated with a heat source and the machining process 
will be significantly facilitated as the work hardening ability of the steel will decrease 
with this heating.
If these steels operate under low, medium and high loads, different microstructure and 
mechanical properties are expected. For example, while high toughness properties are 
expected under high loads, high wear resistance, high hardness or a strong combination between these two mechanical properties and toughness value are expected under low 
loads.
In this thesis, it is aimed to subject the high manganese steels operating under low 
loads to a precipitation hardening heat treatment after solution annealing heat 
treatment and to examine the changes in their mechanical properties with the carbide 
phases to be formed. The aim of the precipitation hardening heat treatment of 
manganese steels is to improve the hardness and wear properties of the materials to a 
certain ratio and to increase their service life under appropriate conditions.
The high manganese steel used in this thesis contains 1,16% carbon, 13,21% 
manganese and 2,13% chromium. In line with the researches, the addition of 
chromium, especially up to 2%, increases the yield strength and hardness values of 
manganese steels. Microstructural and mechanical tests were applied to determine and 
cpmmnet the results obtained within the scope of the study. In order to understand the 
microstructural situation, first of all, optical microscope examinations were carried out 
at two different magnification levels. The reason why optical microscope examination 
is also important in high manganese steels is that the carbides formed in the structure 
are defined as thin or thick and the thick carbides, which have a reducing effect on the 
mechanical properties, can be easily observed under the optical microscope. 
Afterwards of the microstructural analysis, scanning electron microscopy was used to 
observe the fine carbides and to take EDS analyzes from grain boundaries and grain 
boundaries. In the structural examination, the X-ray diffraction test method was used 
to finally understand the composition of the material under test. For the determination 
of mechanical properties, hardness and charpy impact tests were applied to the 
samples. Thus, it is aimed to establish a relationship between the hardness change of 
the materials and the toughness values.
The high manganese steels casted within the scope of this study were first subjected to 
solution annealing heat treatment at 1080°C. Thus, the carbides formed in the structure 
and caused by the slow cooling after casting were dissolved. To understand whether 
the designed solution annealing heat treatment temperature and time were chosen 
correctly at this stage, the conditions of the samples after casting and after solution 
annealing were subjected to microstructural and mechanical tests. Randomly dispersed 
carbides were detected at the grain boundaries and in the grain as expected in the 
microstructural observation of the cast samples. As a result of this, the charpy impact 
energy obtained from the sample was 4.5 J, and the hardness result was 263 HV. In 
the microstructure tests performed after solution annealing, it was determined that the 
carbides in the sample were dissolved. In the mechanical tests, it was found to be 206 
J with an increase of 4577% as a result of chapy impact test compared to the casting 
state, and the hardness value decreased from 263 HV to 228 HV with a decrease of 
13%. It was observed that the solution annealing heat treatment performed according 
to the obtained toughness and hardness values was successful and a significant increase 
in the toughness property of the material was observed, and the obtained findings 
corresponds to the literature.
Afterwards, the samples, which were subjected to solution annealing heat treatment, 
were subjected to precipitation hardening heat treatment at 450°C, 550°C and 650°C 
separately. First, the sample which was subjected to precipitation hardening heat 
treatment at 450°C was examined. As a result of microstructural investigations, it was 
determined that the precipitation hardening heat treatment performed at this temperature was sufficient for the formation of fine grain boundary carbides. Due to 
the low energies and good austenite matrix lattice compatibility of these fine carbides, 
it was expected not to cause embrittlement and not seriously affect the mechanical 
properties. According to the mechanical tests performed, it was determined that the 
charpy impact test result decreased from 206 J to 194 J, and the hardness decreased 
from 228 HV to 211 HV. After examining the results of precipitation hardening at 
550°C; it was determined that the carbide formation mechanism was strengthened with 
the increasing precipitation hardening temperature and the carbides deposited on the 
grain boundary became large enough to be seen even under an optical microscope with 
this temperature. In parallel with this, the mechanical properties started to decrease at 
the precipitation hardening temperature of 550°C. As a result of the charpy impact test, 
it decreased from 206 J to 37 J with a decrease of 82%, however, the hardness 
increased by 2% to 233 HV. Finally, in precipitation hardening at 650°C, a significant 
amount of carbide precipitation was detected in the structure, and the austenite matrix 
lost its stability. Accordingly, the charpy impact test result decreased by 98% to 4 J, 
and the steel became completely brittle. The hardness result increased by 32% to 300 HV.
In this study, the effect of selected precipitation hardening temperatures on the 
microstructure and mechanical properties of manganese steel was investigated. As a 
result of the heat treatments at different temperatures, it was determined that the 
toughness value decreased, while the hardness value increased depending on the 
amount of carbide precipitation in manganese steel.