Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde nano ösferritik yapının üretimi ve karakterizasyonu
Development and characterization of nano ausferritic structure in austempered ductile irons
Yazar: BURAK NALÇACI
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERDOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada küresel grafitli dökme demirlerde (KGDD) geleneksel (tek basamaklı) ve kademeli (iki basamaklı) östemperleme ısıl işlemleriyle nano ösferritik yapının üretimi, karakterizasyonu ve işlem-yapı-özellik ilişkisi araştırılmıştır. İlk olarak uygun alaşım bileşimi literatür ışığında tasarlanmış ve hesaplamalı malzeme bilimi programları ile irdelenmiştir. Belirlenen kimyasal bileşimdeki alaşım, Y blok kum kalıplara dökülerek üretilmiş ve ısıl işlem uygulanacak numuneler bu Y bloklardan işlenmiştir. Nano ösferritik yapının elde edilebileceği ve optimum özellikleri sağlayacak ısıl işlem parametrelerini belirlemek amacıyla, numunelere farklı östenitleme (900-950  ℃) ve östemperleme sıcaklıklarında (260-375 ℃) ve sürelerinde ısıl işlemler uygulanmıştır. Karakterizasyon çalışmalarında dilatometre, X-ışını difraksiyon (XRD) analizi, atomik kuvvet mikroskobu (AFM), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), elektron geri saçılım difraksiyon (EBSD) analizi ve görüntü analiz programı kullanılmıştır. Mekanik özellikleri belirlemek amacıyla numunelere çekme ve sertlik testleri uygulanmıştır. Çalışma sonuçları, nano ösferritik yapının düşük östemperleme sıcaklıklarında hem geleneksel, hem kademeli östemperleme prosesleriyle üretilebildiğini göstermiştir. Azalan östemperleme sıcaklığı ile birlikte yüksek karbonlu östenitin faz hacim oranı azalırken beynitik ferritin faz hacim oranının arttığı ve her ikisinin de daha ince taneli hale geldiği belirlenmiştir. Mekanik özellikler üzerinde ösferritik yapının inceliğinin yanı sıra östenitin içerdiği karbon miktarının etkili olduğu gözlemlenmiştir. Nano ösferritik yapıya sahip numuneler arasında en yüksek çekme dayanımı 1543 MPa, akma dayanımı 1285 MPa ve %2,2 toplam uzama 900 ℃'de 1 saat östenitleme ve ardından 260-300 ℃'de 2 saat kademeli östemperlemeye tabi tutulan numunede elde edilmiştir. Mevcut çalışmada, uygulan işlem sayısı ve östemperleme süresi, daha önceki çalışmalarda ÖKGDD'lerde nano ösferritik yapı üretimi için uygulanan işlem sayıları ve östemperleme sürelerine kıyasla daha aza indirgenerek endüstriyel boyutta üretime uygun hale getirilmiştir.

Abstract:
In this study, the production of nano ausferritic structure in ductile iron (DI) via conventional (single step) and stepped (two steps) austempering heat treatments, their characterization and the relationship of treatment-structure-property were investigated. Initially, the suitable alloy composition was designed based on the existing literature, and assessed with computational materials softwares. The alloy, possessing the specified chemical composition, was fabricated through casting into Y block sand molds and the test samples were subsequently machined from these castings. With the purpose of determining the heat treatment parameters required for achieving the nano ausferritic structure and optimal properties, various heat treatments were applied to the samples at different austenitization temperatures (900-950 ℃) and austempering temperatures (260-375 ℃), along with varying durations. Characterization works were undertaken by using, dilatometer, X-ray diffraction (XRD) analysis, atomic force microscope (AFM), scanning and field emission transmission electron microscope (FE-SEM), electron backscatter diffraction (EBSD) analysis, and image analysis program. Mechanical properties were determined via tensile and hardness tests. The results of our study showed that the production of a nano-ausferritic structure was attainable through both conventional and two-step austempering heat treatment processes at low austempering temperatures. With reducing austempering temperature, it was found that the volume fraction of high carbon austenite decreased while the volume fraction of bainitic ferrite increased, and that both attained smaller grain size. It was revealed that the carbon content of austenite, in addition to the structure refinement, became effective on the mechanical properties. Among the samples that had nano ausferritic structure, the highest tensile strength of 1543 MPa, the yield strength of 1285 MPa and a total elongation of 2.2% were achieved in the sample austenitized at 900 ℃ for 1 hour, followed by a stepped-austempering process at 260-300 ℃ for 2 hours. In this study, the number of treatments and duration of austempering were reduced as compared to the number of the treatments and duration of austempering employed in previous studies on austempered ductile iron (ADI) to obtain nano ausferritic structure, thus predisposing better industrial applicability.