Plazma nitrürleme, DLC kaplama ve dubleks yüzey işlemlerinin AISI 4140 çeliğinin çeki ve bası aşırı yükleri altındaki yorulma çatlak ilerleme davranışı üzerindeki etkileri
Effects of plasma nitriding, DLC coating and duplex surface treatments on fatigue crack growth behavior of AISI 4140 steel under overload and underload
Yazar: HALİM KOVACI
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Tekrarlı yükler altında çalışan malzemeler, yorulma dayanımlarının yetersiz olması durumunda hasara uğramaktadır ve bu sebeple malzemelerin yorulma dayanımlarını artırmak için plazma destekli yüzey işlemleri sıklıkla kullanılmaktadır.  Bu işlemler malzemelerin sabit genlikli yükler altındaki yorulma ömürleri artırmalarına karşın, malzemelerin değişken genlikli yükler altındaki yorulma davranışları büyük farklılıklar göstermektedir. Ayrıca, malzeme herhangi bir çatlak içeriyorsa,  malzemenin yararlı çalışma ömrünü belirlemek için; yorulma ömründen ziyade, malzemenin yorulma çatlak ilerlemesi davranışının incelenmesi gerekir.
Bu sebeplerle, bu çalışmada, plazma nitrürleme, Elmas Benzeri Karbon (DLC) kaplama ve dubleks yüzey işlemlerinin (plazma nitrürleme+DLC kaplama), sabit ve değişken genlikli yorulma çatlak ilerlemesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu inceleme için, AISI 4140 düşük alaşımlı çeliğinden üretilen yorulma çatlak ilerleme numunelerine plazma nitrürleme, DLC kaplama ve dubleks yüzey işlemleri uygulanmıştır. Numunelerin yapısal, morfolojik ve mekanik özellikleri; XRD, SEM, optik mikroskop, üç boyutlu profilometre, çizme testi ve mikro sertlik cihazları ile incelenmiştir. Yorulma çatlak ilerleme özelliklerinin belirlenmesi için numuneler, sabit ve değişken genlikli yorulma yüklerine maruz bırakılmışlardır. Değişken genlikli yükleme deneylerinde numunelere çeki ve bası aşırı yükleri uygulanmıştır.  Malzemelerin yorulma çatlak ilerlemesi esnasındaki çatlak boyu değişimleri, dijital kameralar yardımıyla dijital görüntü alma/işleme yöntemi (DIC) kullanılarak belirlenmiştir. Uygulanan yüzey işlemleri, malzemenin yüzey sertliğini artırarak ve malzeme yüzeyinde bası artık gerilmelerinin oluşumunu sağlayarak malzemenin sabit genlikli yorulma çatlak ilerleme ömrünü artırmıştır. Çeki aşırı yüklemesi durumunda, yüzey işlemleri çatlak ucu plastik bölge büyüklüğünü işlemsiz numuneye göre azaltarak çatlak gecikme periyodunun azalmasına sebep olmuşlardır. Bası aşırı yüklemesi durumunda ise çatlak hızlanması olayını engelleyici yönde etki etmişlerdir. Plazma nitrürlenmiş ve dubleks işlem uygulanmış numunelerde, nitrür tabaka kalınlıklarının artışı ve yapıda kırılgan nitrür fazlarının bulunması, yükleme tipine bakılmaksızın yorulma çatlak ilerleme ömründe azalmaya sebep olmuştur. Bu sebeplerle, her bir yüzey işlemi malzemenin yorulma ömrü üzerinde farklı etkiler oluşturduğundan, uygun yüzey işlemi veya yüzey işlemi parametrelerinin, malzemenin maruz kaldığı yorulma yükünün tipine göre seçilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Materials working under cyclic loads fail if they have not necessary fatigue strength and therefore plasma assisted surface treatments are frequently used to increase fatigue strength of materials. Although these treatments increase the fatigue life of materials under constant amplitude loads, fatigue behaviors of materials under variable amplitude loading differ greatly. Also, if a material has a crack, its fatigue crack growth behavior should be investigated rather than its fatigue life to determine the useful service life.
For these reasons, effects of plasma nitriding, diamond-like carbon (DLC) coating and duplex surface treatments (plasma nitriding+DLC) on constant and variable amplitude fatigue crack growth were investigated in this study. For this investigation, plasma nitriding, DLC coating and duplex surface treatment were applied to fatigue crack growth specimens, which were made of AISI 4140 low-alloy steel. The structural, morphological and mechanical properties of specimens were studied by XRD, SEM, optical microscope, 3D profilometer, scratch and microhardness tester. In order to determine the fatigue crack growth properties, the specimens were subjected to constant and variable amplitude fatigue loads. Overload and underload were applied to the specimens in variable amplitude loading tests. Crack sizes of the specimens were determined using digital image correlation/monitoring method (DIC) via digital cameras. The applied surface treatments increased the constant amplitude fatigue crack growth life of the material by increasing the surface hardness and establishing compressive residual stresses. In the case of overload, the surface treatments led to the decrease in crack retardation period by restricting the crack tip plastic zone size in comparison to untreated material. In the case of underload, they prevented the crack acceleration.  The increasing thickness of nitride layers and brittle nitride phases decreased the fatigue crack growth life of specimens regardless of loading type. Therefore, it was concluded that the appropriate surface treatment or treatment parameters should be selected considering the type of fatigue load, which the material is subjected, since each surface treatments have different effects on the material.