Orta manganlı ileri yüksek mukavemetli çeliklerde krom ilavesinin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi
The effect of chromium addition on microstructure and mechanical properties of medium manganese advanced high strength steels
Yazar: FATİH DEMİR
Danışman: PROF. DR. MEHMET EROĞLU
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Krom = Chromium ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Mikroyapı = Microstructure ; Çelik = Steel

Özet:
Yirminci yüzyılın sonlarından itibaren otomotiv sektörünün öncelikleri değişmiş, yakıt tüketimi ve yolcu güvenliği gibi etkenler otomobillerin tasarımında belirleyici rol oynamıştır. Bu faktörler, yeni çelik türlerinin geliştirilmesini mecbur kılmış ve yüksek mukavemet ve gelişmiş uzama kabiliyeti gösteren ileri yüksek mukavemetli çelikler geliştirilmiştir. Sektörün artan talepleri ve katı güvenlik kuralları, zaman içerisinde yeni AHSS türlerine olan gereksinimi arttırmış ve çelik endüstrisini yeni nesil AHSS türlerini üretmenin yollarını bulmaya itmiştir. Geliştirilen bazı çelik türleri, sektörün taleplerine karşılık vermiştir. Yeni nesil AHSS olabilecek bu çelik türlerinden biri de, orta manganlı çeliklerdir.
Bu çalışma orta manganlı çeliklerde krom (Cr) ilavesinin mikroyapı ve mekanik özellikler üzerindeki etkisini belirlemek amacı ile gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, farklı oranlarda Cr içeren (ağırlıkça % 0, 0.4, 0.8, 1.2) dört ayrı orta manganlı çelik plaka dökülmüş, bu plakalar sıcak dövme yöntemi ile sac formuna getirilmiştir. Bu saclardan alınan numunelere farklı ısıl işlem prosesleri uygulanmış, kritik tavlama sıcaklığı (650, 675, 700 ve 800 °C), kritik tavlama süresi (30, 60 dakika), soğutma ortamı (su ve hava), temperleme sıcaklığı (200, 250, 300 °C) ve temperleme süresi (20, 40, 60 dakika) gibi ısıl işlem parametreleri ile bu prosesler geniş bir şekilde ele alınmıştır. Optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ile numunelerdeki mikroyapısal farklılıklar incelenmiş, X-ışını spektroskopisi (EDS) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) analizlerinden elde edilen veriler kullanılarak kalıntı östenit fazının bileşimi ve hacimsel oranları hesaplanmıştır. Çekme ve sertlik testleri ile belirlenen mekanik özellikler, numunelerin mikroyapıları ile ilişkilendirilerek yorumlanmıştır. Son olarak çekme numunelerinin kırılma yüzeylerinden alınan SEM mikrografları ve makro görüntüler ile kırılma davranışları incelenmiştir.
Elde edilen bulgular, düşük oranlardaki Cr ilavelerinin orta manganlı çeliklerde kalıntı östenit fazının termal kararlılığını arttırdığını ve mukavemet-uzama kombinasyonunu geliştirdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca, kritik tavlama işleminin gelişmiş özellik kombinasyonu için oldukça belirleyici olduğu görülmüş, en iyi mekanik özellik kombinasyonları 650 °C'de tavlanan %1.2 Cr ilaveli numunelerde elde edilmiştir (⁓ 32 GPa.%). Kırılma yüzeylerinden alınan görüntülerde ise soğutma ortamının kırılma davranışı üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Bu kapsamda, hava ortamında soğutulan numunelerde kırılmanın karma formda gerçekleştiği gözlemlenmiş ve suda soğutulan numunelerde gevrek kırılma mekanizmasının daha etkin olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Since the end of the twentieth century, the priorities of the automotive industry have changed, and factors such as fuel consumption and passenger safety have played a decisive role in the design of automobiles. These factors compelled the development of new types of steels, and advanced high-strength steels were developed that showed high strength and improved elongation. Increasing demands of the industry and strict safety rules have increased the need for new types of AHSS over time and have pushed the steel industry to find ways to produce the next generation of AHSS types. Some types of steel developed have responded to the demands of the industry. One of these steel types, which can be the new generation AHSS, is medium manganese steels.
This study was carried out to determine the effect of chromium (Cr) addition on microstructure and mechanical properties in medium manganese steels. For this purpose, four different medium manganese steel plates containing different amounts of Cr (0, 0.4, 0.8, 1.2 wt.%) were cast, and these plates were formed into sheet metal by the hot forging method. Different heat treatment processes have been applied to the samples taken from these sheets, and these processes have been extensively discussed with heat treatment parameters such as intercritical annealing temperature (650, 675, 700 and 800 °C), intercritical annealing time (30, 60 min.), quenching medium (water and air), tempering temperature (200, 250, 300 °C) and tempering time (20, 40, 60 min.). Microstructural differences in the samples were examined with optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) micrographs, and the composition and volume fractions of the retained austenite phase were calculated using the data obtained from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) analyzes. The mechanical properties determined by tensile and hardness tests were interpreted in relation to the microstructures of the samples. Finally, the fracture behavior of the tensile specimens was investigated with SEM micrographs and macro images taken from the fracture surfaces.
The results revealed that low Cr additions increased the thermal stability of the retained austenite phase and improved the strength-elongation combination in medium manganese steels. In addition, it was seen that the intercritical annealing process was quite decisive for the advanced property combination, and the best mechanical property combinations were obtained in the 1.2% Cr added samples annealed at 650 °C (⁓ 32 GPa.%). In the images taken from the fracture surfaces, it was seen that the quenching medium was effective on the fracture behavior. In this respect, it was observed that the fracture occurred as the mixed-type in air-cooled samples, and it was determined that the brittle fracture mechanism was more effective at the water quenched samples.