41Cr4 çeliğinde ön ısıl işlem sonrası değişen başlangıç mikroyapısının mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of the changed initial microstructue on the mechanical properties of 41Cr4 steel by pre-heat treatment
Yazar: CANSU ÇELTİK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP YÜREKTÜRK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada 41Cr4 çeliğinde geleneksel su verme ve temperleme işlemi öncesinde uygulanan ön ısıl işlemler ile başlangıç mikroyapıda meydana gelen değişimlerin nihai mikroyapı ve mekanik özelliklere etkileri incelenmiştir. 
Çift östenitleme ısıl işlemi temperleme işleminden önce iki defa östenitleme ve su verme işlemi gerektirmektedir. Birinci östenitleme adımında yüksek sıcaklıklarda östenitleme ve ön su verme uygulanması dolayısıyla ikinci östenitleme adımına incelmiş karbürler barındıran martenzitik bir mikroyapıdan başlanması nedeniyle öncel östenit tane boyutları küçülmekte ve nihai mikroyapıdaki karbür boyutları incelmektedir. Ön tavlama ısıl işleminde ise geleneksel su verme ve temperleme işlemine fırında soğuma şartlarında tavlanmış ferrit/perlit mikroyapıdan başlanmaktadır. Ön tavlanmış kararlı ferrit/perlit fazları içeren mikroyapıdan başlanan ıslah işleminde öncel östenit tane boyutları küçülmekte ve nihai mikroyapıda kaba ve küresel karbürler bulunmaktadır.
Çalışmada ön su verme ve ön tavlama işlemleri sonrası benzer parametrelerde ıslah işlemleri uygulanmıştır. Ferritik-perlitik mikroyapıdan başlanan ıslah işleminin referans kabul edildiği çalışmada uygulanan ön ısıl işlemlerin öncel östenit tane boyutlarına ve nihai mikroyapıdaki karbür boyutlarına etkileri araştırılmıştır. Ayrıca çift östenitleme ısıl işleminde temperleme sıcaklığı parametresinin etkileri incelenmiştir. Nihai mikroyapıda meydana gelen gelişmelere bağlı olarak değişen mekanik özellikler; sertlik, mukavemet, tokluk, aşınma direnci ve sertleşebilirlik özellikleri bakımından incelenmiştir. 
Ön su verme ve ön tavlama ısıl işlemlerinin öncel östenit tane boyutlarında benzer oranda düşüş sağladığı belirlenmiştir. Geleneksel ıslah işlemine kıyasla, çift östenitleme ısıl işlemi ile mikroyapıda ince boyutlu karbürlerin daha yüksek sıklıkta dağılım gösterdiği, ön tavlama ısıl işlemi sonrasında ise küresel ve kaba boyutlu karbür dağlımının daha yüksek sıklıkta meydana geldiği gözlemlenmiştir. Benzer temperleme sıcaklığı koşullarında uygulanan ön ısıl işlemler sonrası ıslah işleminin Vickers sertlik değerlerinde önemli bir değişim meydana getirmediği, çift östenitleme işleminde yüksek temperleme sıcaklığının sertliği düşürücü yönde etkilediği belirlenmiştir. Çift östenitleme ve ön tavlama ısıl işlemleri 41Cr4 çeliğinde çekme ve akma dayanımlarını önemli oranda arttırmış fakat süneklik özelliğinde düşük oranda azalma meydana getirmiştir. Öncel östenit tane boyutları ve karbür boyutlarında görülen değişimlerin 41Cr4 çeliğinde Charpy darbe enerjinini etkileyecek düzeyde meydana gelmediği görülmüştür. Fakat yüksek temperleme sıcaklığı koşullarında uygulanan çift östenitleme ısıl işleminin Charpy darbe enerjisini büyük oranda arttırdığı belirlenmiştir. Aşınan bilya hacmi ve sürtünme katsayıları ele alındığında benzer etkiler gözlemlenmekle birlikte en gelişkin tribolojik özellikler düşük temperleme sıcaklığında uygulanan çift östenitleme ısıl işlemi sonrasında görülmüştür. Uygulanan tüm ısıl işlem koşullarında benzer sertleşebilirlik karakterleri gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, the effects of the pre-heat treatments which applied before the conventional quenching and tempering process on  changes in the initial microstructure and on the final microstructure and mechanical properties of 41Cr4 steel were investigated.
Double austenitisation heat treatment requires twice austenitizing and quenching before tempering. Due to the application of pre-quenching from high temperature austenitization in first step, second austenitization step is started from a martensitic microstructure which containing refined carbides lead to reduced the prior austenite grain size carbide size in the final microstructure. In the pre-spheroidizing heat treatment, the conventional quenching and tempering process is started from the spheroidized ferrite/perlite microstructure. In the quench and tempering process starting from the spheroidized ferrite/perlite microstructure, the prior austenite grain sizes are reduced and there are coarse and spherical carbides in the final microstructure.
Conventional quench and tempering treatment with similar parameters conducted after the pre-quenching and pre-spheroidizing processes. In the study, quench and tempering treatment starting from the ferritic-pearlitic microstructure was accepted as a reference. The effects of the pre-heat treatments on the prior grain size and the carbide size in the final microstructure were investigated. In addition, the effects of the tempering temperature parameter in the double austenitizing heat treatment were examined. Evolution in mechanical properties depending on the developments in the final microstructure investigated in terms of hardness, strength, toughness, wear resistance and hardenability properties.
It was determined that the pre-quenching and pre-spheroidization heat treatments provided a similar reduction in the prior austenite grain size. It has been observed that small sized carbides in the microstructure are dispersed at a higher frequency with the double austenitization heat treatment compared to the conventional quench and tempering process. Spherical and large sized carbides dispersion observed at a higher frequency in the microstructure after pre-spheroidization heat treatment. It was found that the quench and tempering treatment after the pre-heat treatments which applied under similar tempering temperature conditions did not cause a significant change in the Vickers hardness values, while the high tempering temperature in the double austenitizing process affected the hardness in a decreasing way. Double austenitization and pre-spheroidization heat treatments significantly increased the tensile and yield strengths of 41Cr4 steel, but caused a slight decrease in ductility. It was observed that the changes observed in the prior austenite grain sizes and carbide sizes did not occur at the extend that would affect the Charpy impact energy in 41Cr4 steel. However, it was determined that the double austenitizing heat treatment applied under high tempering temperature conditions greatly increased the Charpy impact energy. When the wear ball volume and friction coefficients are considered, similar effects are observed, but the most advanced tribological properties are seen after the double austenitization heat treatment applied at low tempering temperature. Similar hardenability characteristics were observed in all applied heat treatment conditions.