Soğuk deformasyonun AISI 304 ve AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin mikro yapılarına, mekanik özelliklerine ve korozyon davranışlarına etkisi
The effect of cold deformation onmicrostructure, mechanical properties and corrosion behaviour of AISI 304 and AISI 204Cu grades austenitic stainless steel
Yazar: OZAN PALABIYIK
Danışman: PROF. DR. M.KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Korozyon = Corrosion ; Mekanik davranış = Mechanical behavior ; Mikroyapı = Microstructure ; Paslanmaz çelik = Stainless steel ; Östenit = Austenite

Özet:
Östenitik paslanmaz çelikler krom, nikel, manganez, molibden gibi alaşım elementleri içeren yüksek alaşımlı bir çelik türüdür. Östenitik paslanmaz çelikler bileşimlerinde bulunan nikel veya manganez alaşım elementleri ile oda sıcaklığında kararlı östenit yapıda bulunmaktadır ve manyetik özellik göstermemektedir. Östenitik paslanmaz çelikler krom elementinin yüzeyde oluşturduğu krom oksit (Cr2O3) tabakası ile atmosferik koşullarda ve asidik ortamlarda yüksek oksitlenme direnci göstermektedir. Şeffaf ve yenilenebilir özellikteki pasif krom oksit (Cr2O3) tabakası östenitik paslanmaz çeliklere parlak metalik görünüm kazandırır. Östenitik paslanmaz çelikler dekoratif görünümleri ile dış cephe kaplamalarında, mutfak araç gereçlerinde, evye imalatında, ameliyat malzemelerinde, kesici aletlerde, kimyasal depolama tanklarında ve gıda depolama tanklarında olmak üzere geniş bir kullanım alanına sahiptir.Nikel ve manganez alaşım elementleri, östenitik paslanmaz çeliklerin bileşiminde bulunan başlıca östenit yapıcı alaşım elementleridir. Östenitik paslanmaz çelikler bileşimlerinde %6-20 arası nikel, %2-10 arası manganez alaşım elementi bulundurmaktadır. Nikel ve manganez alaşım elementleri Schaeffler diyagramında nikel eşdeğerini arttırarak östenit alanını genişletmekte ve oda sıcaklığında östenit yapının kararlılığını arttırmaktadır. Manganez alaşım elementi ile üretilen östenitik paslanmaz çeliklerde östenit kararlılığının arttırılması ve mekanik özelliklerin geliştirilmesi için bakır ve azot gibi östenit yapıcı alaşım elementleri kullanılmaktadır.Bu çalışmada bileşiminde nikel alaşım elementi bulunan AISI 304 kalite ve bileşiminde manganez ve bakır alaşım elementi bulunan AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin çeşitli özellikleri karşılıklı olarak incelenmiştir. İlk olarak ticari halleri ve normalleştirme ısıl işlemi uygulanmış hallerinin mikro yapıları incelenmiş, çekme testi ile mekanik özellikleri belirlenmiş ve sertlik ölçümleri yapılmıştır. Daha sonra AISI 304 kalite ve AISI 204Cu kalite östenitik paslanmaz çeliklerin normalleştirme ısıl işlemi uygulanmış halleri ile ısıl işlem sonrasında çeşitli oranlarda deforme edilmiş hallerinin, mikro yapı incelemeleri yapılmış, çekme testi ile mekanik özellikleri belirlenmiş, sertlik değerleri ölçülmüş ve klorürlü ortamdaki korozyon davranışları incelenmiştir.Deneysel çalışmalar kapsamında AISI 304 kalite ve AISI 204Cu kalite paslanmaz çelikler 1100ºC'ye ısıtılan fırında 1 saat bekletilerek, suda soğutulmuştur. Ticari haldeki ve normalleştirme ısıl işlemi uygulanmış haldeki paslanmaz çeliklerin mikro yapıları, mekanik özellikleri ve sertlik değerleri incelenmiştir. Normalleştirme ısıl işlemi yapılmış çeliklere, çekme testi cihazında homojen şekil değiştirme bölgesinde, çeşitli oranlarda soğuk deformasyon işlemi uygulanmıştır. Çeşitli oranlarda soğuk deforme edilmiş haldeki ve normalleştirme ısıl işlemi uygulanmış haldeki AISI 304 ve AISI 204Cu kalite östenitik paslanmaz çeliklerin mikro yapı incelemesi yapılmış, çekme testi ile mekanik özellikleri belirlenmiş, deformasyon ile sertlik değişimleri ölçülmüş ve son olarak klorürlü ortamda daldırma korozyonu uygulanarak korozyon davranışları incelenmiştir.Deneysel çalışmalar sonucunda AISI 304 kalite ve AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin ticari hali, normalleştirme ısıl işlemli hali ve çeşitli oranlarda deforme edilmiş hallerinin mikro yapı incelemeleri, mekanik özellikleri ve sertlikleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. AISI 304 kalite ve AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin deformasyon oranına bağlı klorürlü ortamdaki korozyon davranışları incelenmiş ve ASTM G48 standardına göre ağırlık kayıpları belirlenmiştir.Mikro yapı incelemesinde, normalleştirme ısıl işlemi sonrasında yapının östenit tanelerden oluştuğu görülmüş, %34 ve %76 oranında deforme edilmiş paslanmaz çeliklerde, soğuk deformasyon ile, yapıda martenzit fazlarının arttığı ve anizotropik tane yapısının oluştuğu görülmüştür. Çekme testlerinde AISI 204Cu kalite ve AISI 304 kalite paslanmaz çeliklerde artan deformasyon oranı ile akma mukavemeti ve çekme mukavemetinin arttığı, sünekliğin azaldığı belirlenmiştir. AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin soğuk deformasyon ile mekanik özelliklerindeki artış, AISI 304 kalite östenitik paslanmaz çeliklerden yüksektir. Mikro yapı incelemesinde gözlenen, soğuk deformasyon ile oluşan martenzit fazları, AISI 204Cu kalite ve AISI 304 kalite paslanmaz çeliklerin sertliğini 2 kat arttırmıştır. %10'luk FeCl3.6H2O+%1 HCl çözeltisinde 72 saat boyunca daldırma korozyonu uygulanmıştır. AISI 304 kalite ve AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerin, normalleştirme ısıl işlemi görmüş hali ve çeşitli oranlarda deforme edilmiş hallerinde oyuk oluşmuş ve buna bağlı olarak ağırlık kayıpları gerçekleşmiştir. AISI 304 kalite paslanmaz çelikler, klorürlü ortamda AISI 204Cu kalite paslanmaz çeliklerden daha az ağırlık kaybetmiştir.

Abstract:
Austenitic stainless steel is a type of high alloy steel including such as chromium, nickel, manganese, nitrogen and molybdenum alloy elements.The austenitic stainless steels are known promising materials for a wide range of applications. Austenitic stainless steels have important mechanical and corrosion resistant properties.It is well known that, austenitic stainless steels are obtained their corrosion resistance by forming the passive film. Passive film occurred from chromium content.Austenitic stainless steel including nickel or manganese alloy element has a stable austenitic and nonmagnetic structure at room temperature. The presence of manganese contributes to improve tensile strength, yield strength and hardness. As an alloying element, nitrogen dissolves in the steel matrix and improves the resistance of the austenitic stainless steel to pitting, stress corrosion cracking and intergranular corrosion. Similarly, copper stabilizes austenite forming, making it possible to reduce the expensive nickel content in alloy. Moreover, copper is a good austenite stabilizer and improves alloy conformability. Therefore, the alloying elements of stainless steels are playing very important role in controlling corrosion resistance and mechanical strength.Austenitic stainless steel has a passive chromium oxide layer, caused by chromium elements, on the surface, which its show high oxidation resistance at atmospheric and acidic condition. The austenitic stainless steels usually have excellent corrosion resistance and good formability. Passive, renewable and transparent layer on the austenitic stainless steel surface gives metallic glossy appearance to stainless steel.Nickel and manganese alloying elements in the composition of austenitic stainless steel are the main of austenite forming elements. Austenitic stainless steels include in 6%-20% nickel and 2%-10% manganese alloying element their compositions. Nickel and manganese alloying elements, which effects to increasing of nickel equivalent in the chart of Schaeffler to expand austenitic area and increase stability of austenitic structure at the room temperature. Austenitic stainless steel within manganese alloy, also, include in copper and nitrogen alloy elements for increase austenitic stability and improve mechanical properties.At room temperature, the deformation behavior of austenitic stainless steel is complicated. The complication is attributed to the degree of austenite stability with respect to martensitic transformation. When austenite is unstable, it transforms partially to martensitic. Austenite-martensitic transformation is increased by mechanical strength. Also, induced martensitic in unstable austenitic structure at room temperature, directly impairs the corrosion resistance of stainless steels in acidic solution.Austenitic stainless steels have found a wide usage area due to their decorative appearance such as kitchen appliances, sink manufacturing, surgical materials, cutting tool, chemical tanks and food storage tanks.Austenitic stainless steels (200 and 300 series) contain chromium and nickel or manganese (7% or more) as major alloying elements. The steels from this group (200 and 300 series) have the highest corrosion resistance, weldability and ductility. Austenitic stainless steels retain their properties at elevated temperatures. These steel are not heat treatable because of the presence of chromium alloying element is good carbide forming element its compound with carbon easily at elevated temperatures. Austenitic stainless steel may be hardened only by cold work. Cold working on austenitic stainless steel is forming austenite grains to martensitic plate and increase hardness of stainless steel.In this study, two types of austenitic stainless steels were chosen AISI 204Cu and AISI 304. Commercial state and annealed state AISI 304, include in nickel alloy, and AISI 204Cu, include in manganese alloy, grades stainless steel were etched by electrolytic etching method in 10% oxalic acid solution. After etching, AISI 304 and AISI 204Cu grade stainless steels microstructures investigated by light microscopy.AISI 304 and AISI 204Cu grades stainless steel?s mechanical properties examined by tensile test device according to DIN EN 10002 part1 standard. Their yield strength, tensile strength and elongation found by tensile test. Then their hardness was measured with Vickers Hardness Value by micro hardness device. Etched stainless steel samples were used to micro hardness test.Then, annealed state and various proportion deformed state AISI 304 and AISI 204Cu grades stainless steel were etched by 10% oxalic acid solution in electrolytic etching method. Electrolytic etching method in stainless steel was increased visibility of microstructure. Their microstructures investigated by light microscope.After microstructure investigation, AISI 304 and AISI 204Cu grade stainless steel mechanical properties investigated by tensile test device, and their hardness measured by micro hardness device. Finally pitting corrosion behavior of AISI 204Cu grade stainless steel observed with immersed pitting corrosion test in chlorinated media.AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels were hold on preheated furnace for 1 hour, at 1100ºC and cooled in water. Commercial state and annealed state stainless steel microstructure, mechanical properties and hardness values investigated.Annealed state stainless steels cold deformed in homogenous deformation area, in various proportions by tensile test device. In various proportions, deformed state stainless steel and annealed state stainless steels were investigated microstructure. Their mechanical properties were examined by tensile test and their hardness measured by micro hardness device. After that, corrosion behavior of AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels observed by immersed pitting corrosion test in chlorinated media.Because of experimental studies, commercial state, annealed state and deformed state of AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels are comparative analysis in microstructure, mechanical properties, hardness and corrosion behavior. Corrosion behavior of stainless steel observed according to ASTM G48 pitting corrosion standard.In microstructure analysis, annealed state AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels have an austenitic structure and austenite grains clearly seen by light microscope. 34% and 76% cold deformed stainless steels have anisotropic structure, because of cold deformation some of austenitic structure transforms to martensitic structure in austenitic grade. Transformation of austenitic grain to martensitic grain increased with the ratio of cold deformation.In tensile test, yield strength and tensile strength of AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels raised by increasing rate of deformation. However, ductility of AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steels decreased by increasing rate of deformation. Mechanical strength of AISI 204Cu grade stainless steels is higher than AISI 304 grade stainless steel in the same deformation rate. Influence of austenitic-martensitic phase transformation makes hardness of stainless steel twice higher than annealed stainless steel hardness.In addition to microstructure, mechanical test and hardness value investigation, immersion test carried out in 10%FeCl3.6H2O at 22°C for a period of 72h, according to standard ASTM G48 test. Gravimetric measurements performed for 24, 48 and 72 h to AISI 304 grade and AISI 204Cu grade stainless steel. Pitting corrosion resistance of AISI 304 grade stainless steel is higher than AISI 204Cu grade stainless steel.