Düşük yoğunluklu Fe-Mn-Al-C çeliklerinin termodinamik ve üretilebilirlik açısından simülasyonu
Simulation of low-density Fe-Mn-Al-C steels in terms of thermodynamic aspect and producibility
Yazar: MEMDUH KAĞAN KELER
Danışman: PROF. DR. SİBEL DAĞLILAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alaşımlar = Alloys ; Demir çelik sektörü = Iron steel sector ; Faz diyagramı = Phase diagram ; Faz dönüşümleri = Phase transformations ; Hafif metal malzemeler = Light metal materials ; Yoğunluk ölçümü = Density measurement ; Çelik döküm = steel casting ; Çelik malzemeler = Steel materials ; Çelik-metal = Steel-metal

Özet:
Bu tezin amacı düşük yoğunluklu çelikleri metalürjik olarak tasarlamak, üretmek, haddelemek ve karakterizasyon çalışmalarını gerçekleştirmektir. Düşük yoğunluklu çelikler günümüzün güncel araştırma konuları arasında yer almakla beraber, gelecek dönemde birim hacimde daha fazla ağırlık azaltma talebine bağlı olarak yenilikçi malzemelerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulacaktır. Teknikte kullanılan çelik malzemelerinin yoğunluğu genel olarak 7,8-8,2 g/cm3 aralığında yer almaktadır. Tez çalışmasıyla alaşım tasarımı gerçekleştirilen yeni nesil düşük yoğunluklu çeliklerin yoğunluğu 6,6-7,2 g/cm3 mertebelerine düşürülmüştür.
Düşük yoğunluklu çeliklerin geliştirilmesinde hesaplamalı termodinamik simülasyon araçları kullanılmış ve alaşım tasarımı çalışmaya özgün olan yeni çelik kaliteleri geliştirilmiştir. Alaşım tasarımı gerçekleştirilen farklı alaşımların dökümleri açık indüksiyon ve vakum indüksiyon fırınlarında daha önceden belirlenen parametrelerle beraber gerçekleştirilmiştir. İngot olarak adlandırılan yarı ürünlerin homojen katılaşma yapısında elde edilmesi sağlanmıştır.
Döküm çalışmalarının tamamlanmasının ardından üretilen alaşımlar sıcak haddeleme simülatöründe 3 mm kalınlığa haddelenmiştir. Yüksek alaşımlı düşük yoğunluklu çeliklerin haddeleme pratikleri, malzemelerin sıcaklığa bağlı faz dönüşümleri analiz edilerek belirlenmiştir. Haddeleme sonrasında sac malzemelere mekanik testler uygulanmış, malzemelerin mekanik davranışları hakkında metalürjik kazanım elde edilmiştir. Üretilen alaşımların iç yapısı metalografi incelemeleriyle birlikte karakterize edilmiş, genel faz yapısı değerlendirilmiştir. Ardından çelik temizliği incelemeleri gerçekleştirilerek malzemelerde inklüzyon morfolojisi hakkında gözlemler yapılmıştır. Soğuk haddelemeye uygun olan alaşımlar soğuk haddelenmiş ve çalışmalar tamamlanmıştır.
Tez çalışmasıyla birlikte düşük yoğunluklu çeliklerin alaşım tasarımından nihai haddelenmiş formuna kadar olan süreçlerde bilgi birikimi elde edilmiş; farklı metalürjik pratiklerin uygulanmasıyla elde edilebilecek potansiyel kazanımlar belirlenmiştir. Metalürjik açıdan en ideal alaşım yapıları belirlenerek, malzemeye özgü üretim rotaları oluşturulmuştur.

Abstract:
The aim of this thesis is developing a new concept for low-density steels including alloy design, casting, hot rolling and characterization. Although low-density steels are among the current research topics, there will be more need for the development of these innovative materials due to the demand for more weight reduction per unit volume in the future. The density of the steel materials used in engineering applications are generally in the range of 7,8-8,2 g/cm3. The density of the new generation low-density steels, whose alloy design was carried out with the thesis study, was reduced to the range of 6,6-7,2 g/cm3.
Computational thermodynamic simulation tools have been used in the development of low-density steels and new steel grades have been developed whose alloy design is unique to the study. Casting of different alloys was carried out in open induction and vacuum induction furnaces with predetermined parameters. It is ensured that semi-products called ingot are obtained in homogeneous solidification structure.
After the casting studies were completed, the produced alloys were rolled to a thickness of 3 mm in the hot rolling simulator. The rolling practices of high-alloyed low-density steels were determined by analyzing temperature dependent phase structure transformations. After rolling, mechanical tests were applied to the sheet materials, and metallurgical know-how were obtained about the mechanical behavior of the materials. Microstructure of the produced alloys was characterized by metallography examinations, and the general phase structure was evaluated. Afterwards, steel cleanliness investigations were carried out and observations were made about the inclusion morphology of the materials. Alloys suitable for cold rolling were cold rolled and the research was completed.
With the thesis work, advanced metallurgical know-how was gained in the processes from alloy design of low-density steels to the final rolled form; The potential outputs that can be obtained by applying different metallurgical practices have been concluded. By determining the most ideal alloy designs in terms of metallurgy, production routes specific to the material were created.