Bakır elementinin ve bakır eşdeğerinin yapı çeliklerinde yorulma performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of copper and copper equivalent effect on fatigue performance in structural steels
Yazar: ALPER BAYRAK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bir mühendislik ve teknoloji malzemesi olan çelik en yaygın kullanılan metalik malzemedir. Dünyada üretilen ve tüketilen tüm metallerin yaklaşık %95'i çeliktir. Kişi başına yıllık tüketilen çelik miktarı ülkelerin gelişmişlik ölçeklerinden biridir. Genel olarak, endüstrileşmiş ülkelerde üretilen ve tüketilen çelik miktarları yüksektir. Farklı ve üstün özelliklere sahip binlerce kalite çelik malzeme üretilmektedir ve her gün yeni bir çelik türü geliştirilerek bir çok alanda kullanılmaktadır. Yapı Malzemelerinden, makine Elemanlarına, beyaz Eşyadan otomotiv sektörüne, elektrik iletim hatlarından sağlık sektörüne kadar birçok alanda kulllanılan çelik malzemeler yaşamımız içerisinde bir çok noktada karşımıza çkmaktadır. 
Dünyada yaklaşık olarak 1.8 milyar ton çelik üretimi gerçekleştirilmektedir. Türkiye ise yaklaşık 38 milyon ton sıvı çelik üretimi ile 2018 yılı itibariyle dünyadaki 65 çelik üreten ülke arasında 8. sırada, Avrupa'daki çelik üreticileri arasında ise Almanya'dan sonra 2. sırada yer almaktadır.
Uzun mamül üretiminde iç tüketimi karşılayabilen türkiye üretim fazlası miktarı dünyaya ihraç etmektedir. Özellikle inşaat çeliği ihraç eden ülke pozisyonunda bulunan Türkiye her yıl yaklaşık olarak 7 milyon ton inşaat çeliğini dünyanın bir çok ülkesine satmaktadır. Bu durum ülke ihracatına katkı sağlarken diğer bir taraftanda her ülkenin kendine ait inşaat çeliği ürün standardı entegrasyonunu beraberinde getirmektedir.
3 entegre ve 31 elektrik ark fırınlı ve indüksiyon ocaklı tesislerle üretim gerçekleştiren ülkemizde entegre tesislerden sadece Kardemir'de inşaat çeliği üretimi gerçekleştirilmektedir. Üretimin geri kalan kısmı hurda geri dönüşümü ile gerçekleşmektedir. Hurdanın niteliğinin ürüne etkisi son derece önemlidir ve özellikle empürite elementlerin hurda içindeki miktarı ürün çeşitliliğini etkileyen en önemli faktörlerdendir. Özellikle bakır elementi üretimde ve malzeme performansında çeliğe ciddi etkileri olan ve çelik üretim prosesleriyle giderilemediği için proses dizaynını da etkileyebilmektedir.
Çelik ürünlerin her alanda kullanılıyor olması bir takım özelliklerinin kontrol altında tutulmasını gerektirir. Kullanım yerine göre yüksek mukavemet, yüksek süneklik, yüksek tokluk, korozyon direnci, termal stabilite gibi bir çok aranan özelliklere ek olarak çelik malzemeler servis şartlarında gerek kullanım kriterleri açısından gerekse diğer etkenler nedeniyle belirli bir kullanım sonrasında yorulmaya maruz kalmaktadırlar.
Özellikle dünyada ve özellikle ülkemizde son derece yaygın üretilmesi ve en kolay üretilebilen çelik türlerinden biri olmasına rağman inşaat çelikleri, beton ile kompozit çalışması ve bu ikili sistemde statik veya dinamik çekme yönündeki kuvvetleri taşıması sebebiyle yaşam alanlarımız içerisinde binalarda kullanımı bu malzemeyi emniyet parçası haline dönüştürmektedir.
Bu tez kapsamında çalışmasını yapmış olduğumuz yapı/inşaat çeliklerinde yorulma ömrünün incelemesi sırasında bakır elementinin mevcut mikroyapı içerisinde dağılımı ve yorulma ömürlerine etkisi incelenerek malzeme performansları değerlendirilmiştir.
Çalışma sırasında farklı tesislerde üretilmiş (yüksek fırın veya ark fırınlı tesisler) 500 (akma dayanımı minimum 500 Mpa) kalite nervürlü inşaat çeliği malzemelerde yapılan yüksek çevrimli yorulma deneylerini müteakip kırılan yüzeylerde ve deney sonrası sağlam kalan malzemelerde; 
Çekme deneyleri, Kimyasal analiz ölçümleri ve Metalografik incelemeler sonucunda bakırın etkisinin sonuçlara yansıması ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri yapılmıştır.
Metalografik incelemelerde ve sem incelemelerinde herhangi bir segregasyona düşük bakır konsantrasyonu nedeniyle rastlanmamıştır. Ancak eds analizlerinde bakırın tufal metal arayüzeyinde zenginleştiği tespit edilmiştir. Bunun sonucu olarak yorulmada çatlak başlangıcının yaygın pratik ve teoriye uygun olarak tufal metal arayüzeyinde bakırın zenginleşmesi ile meydana gelen yüzeydeki kusurlu noktalardan başladığı ve yorulma performansını düşürdüğü değerlendirilmektedir.

Abstract:
Steel, which is an engineering and technology material, is the most widely used metallic material. About 95% of all metals produced and consumed in the world is steel. The annual consumption of steel per capita is one of the development scales of the countries. In general, the amount of steel produced and consumed in industrialized countries is high. Thousands of quality steel materials with different and superior properties are produced and every day a new type of steel is developed and used in many areas. Steel materials are used widely in many areas such as; Construction materials, machinery and equipments, white goods to the automotive sector, electrical transmission lines and health sector. 
Approximately 1.8 billion tons of steel is produced in the world. Turkey is producing about 38 million tons of liquid steel and ranked 8th out of 65 steel producing country in the world by the year 2018 and ranked 2nd between the European steel producer countires after Germany. 
Turkish steel sector prouction on long products is 26 millon tonnes and domestic consumption is 17 to 19 millon tonnes per year. Flat production is 10 to 12 million tonnes per year and domestic consumption is 2 million above the production.
Turkey can meet domestic consumption of long products and the amount of excess production is exported to the world.Turkey is in exporter country position particularly on rebar and sells approximately 7 million tons of construction steel each year to many countries around the world. This contributes to the export of the country and on the other hand brings the integration of each country's own construction steel product standard.
In Turkey, there are 3 integrated and 31 electric arc furnace and induction furnace plants, only construction steel production is carried out in Kardemir from the integrated facilities. The rest of the production is carried out by scrap recycling. Turkey is the biggest scrap importer in the world. The impact of the quality of the scrap on the product is extremely important and especially the amount of impurities in the scrap is one of the most important factors affecting the product diversity. In particular, copper element can have a serious impact on steel in production and material performance and cannot be removed by steel production processes, thus affecting the process design.
The fact that steel products are used in every field requires the control of certain properties. In addition to the many required properties such as high strength, high ductility, high toughness, corrosion resistance, thermal stability and so on,Steel materials are subject to fatigue after a certain usage in terms of usage criteria and other factors in service conditions. 
Fatigue phenomena results from the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading or cyclic deformation and results in failure at stress levels which are less than the ultimate yield stress or tensile stress limit. Fatigue analysis of steel parts are important because the consequent failure is generally sudden and at a stress level much lower than the yield strength values determined by the normal tensile tests.
Throughout the world there are many accidents which shows the importance of understanding and managing the fatigue properties of metalic materials. As an example an accident occured in railway reasoned from the fatigue phenomena concluded by the death of 101 people and 88 injurance in Germany, in 199. Another example to fatigue accident belongs to Japanese Airlines in 1985. The craft has fallen by the loss of vertical stabilizer which lead to the death of 522 people and 4 injuries. This accident is reported as the second biggest disaster in aviation.
Construction steel is one of the most easily produced steel types in the world and especially in our country, being a part of  composite work with concrete and carrying the forces in the tensile direction of static or dynamic loads in this dual system make this material a safety part in our living spaces.
There are numerous types of standards on rebar production throughout the world and many of these standars require fatigue performance which is very important for the future health of the buildings. Standard requirements for chemical composition  is very large and maksimum allowed copper content is very high for construction steel products and there is no limitation also for other impurity level elements. Failure of a reinforcing steel bar should be investigated in the name of copper content where there are also other parameters such as mechanical properties, rib geometry, steel cleanliness. Impurity elements such as copper may reason segregation above a certaion concentration and lead to a performance decrease.
In this thesis, the distribution of copper element in the existing microstructure and its effect on fatigue life were evaluated during the fatigue life analysis of the structural / construction steels such as reinforcing steel bars. Standard testing methods have been used to understand the fatigue behaviour and failure mechanisms.
Thesis covers the high cycle fatigue tests applied on grade 500 (yield strength min. 500 MPa) reinforcing construction steel materials produced in different facilities (blast furnace or electric arc furnace) during the work and on the fractured surfaces and the materials remaining intact after the test;
Tensile tests, chemical analysis measurements and metallographic examinations such as hardness scanning, micro and macro structure analysis, inclusion determination  which details the effect of copper reflection on the performance results and scanning electron microscopy (SEM) analyzes were made with the aid of the Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS).
Results of characterization is evaluated by comparing the fatigue test results. Each test against fatigue performance evaluation is very considerable to understand the effect of copper on the fatigue performance of rebar samples.  
No segregation was observed in metallographic and sem investigations due to low copper concentration. However, it was found that copper is enriched at the scale-metal interface. As a result of this, it is considered that the beginning of crack in fatigue starts from the defective points that occur with the enrichment of copper at the scale-metal interface in accordance with the common practice and theory and decreases the fatigue performance.