30mnb5 Çelik Malzemenin Kırılma Enerjisi ve Dayanım

OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
30MnB5 ÇELİK MALZEMENİN KIRILMA ENERJİSİ VE DAYANIM
DEĞERLERİNE ISIL İŞLEM SICAKLIKLARININ ETKİSİ
Hande Güler*, Rukiye Ertan**, Hakkı Özer**
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bursa
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl., Bursa
*
**
ÖZET
Otomotiv endüstrisindeki gelişmeler, yeni üretim teknolojileri ve malzemelerin ortaya çıkması ile gün geçtikçe hızla
ilerlemektedir. Günümüzde, bahsedilen yeni ürünlerin ve üretim teknolojilerinin en dikkat çekenlerinden biri ise bor
alaşımlı çelikler ve bu malzemelere uygulanan sıcak şekillendirme işlemi olmuştur. Sıcak şekillendirme işlemi,
malzemenin belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılıp bu sıcaklıkta şekillendirilmesi ve hızlı bir şekilde soğutulması işlemidir.
Isıtılacak sıcaklık ise önemli bir parametre olup, malzemenin mekanik özelliklerini önemli miktarda etkilemektedir. Bu
çalışmada, bor alaşımlı çelik olan 30MnB5 sac malzemenin, farklı sıcaklıklardan itibaren suda soğutma işlemleri
gerçekleştirilmiştir. Uygulanan ısıl işlemler sonrası çekme ve çentik darbe deneyleri gerçekleştirilmiş ve malzemenin
mukavemeti, kırılma enerjisi ve dayanımı açısından değerlendirilmiştir.
Anahtar kelimeler: Bor alaşımlı çelik, 30MnB5, çentik darbe, çekme mukavemeti.
THE EFFECT of HEAT TRETMENT TEMPERATURE on FRACTURE ENERGY
and STRENGTH of 30MnB5 STEELS
ABSTRACT
The emergence of new manufacturing technologies and materials bring out rapid developments in automotive
industry. Nowadays, boron-alloyed steels and hot forming process are the most remarkable issues in this context. Hot
forming process is the process in which the material is heated to a certain temperature and rapidly cooled from this
temperature. The heating temperature is an important parameter which affects the mechanical properties in a significant
manner. In this study, water-cooling procedures applied from various temperatures were performed on sheet material of
30mnb5 boron-alloyed steel. After the heat treatments applied, tensile and impact tests were performed, so that the
fracture energy and the strength of materials were compared.
Keywords: Boron-alloyed steel, 30MnB5, notch impact, tensile strength.
oluşturmak için yeterli miktarda ferrit, martensit, beynit
ve/veya kalıntı östenit içerirler [1]. Bu yüksek
mukavemetli çelikler arasında bulunan bor alaşımlı
çeliklerin
(BS)
çoğu,
Mn
ve
Cr
ile
alaşımlandırılmaktadır ve bazı hallerde Ni ve Mo
içermektedir. Borlu çelikler yüksek sertlik ve yüksek
aşınma dayanımına sahip alaşımlı çeliklerdir. Kolay
işlenebilir olmaları ve uygulanan ısıl işlemler sonrasında
da çok iyi mekanik özellikler sergilemeleri bu tip
çeliklerin en önemli özelliklerindendir. Bor elementi
çeliklerde sertleşebilirliği büyük oranda arttırmaktadır.
1. GİRİŞ
Birçok araştırmacı, ağırlığı azaltılmış ve güvenliği
artırılmış araçlar üretmek için çelik teknolojisindeki ve
üretim sürecindeki aşamaları iyileştirmek amacıyla
gelişmiş yüksek mukavemetli çelikleri (Advanced High
Strength Steel - AHSS) geliştirmişlerdir. AHSS çelikleri
çift faz olarak bilinen yeni tip (DP), dönüşüm kaynaklı
plastisite (TRIP), kompleks faz (CP) ve borlu çelikleri
(BS) kapsar. Bu çelikler üstün mekanik özellikler
1
Östenit tane sınırlarındaki bor segregasyonları nedeniyle
tane sınırlarında azalan ara yüzey enerjisi ile çeliklerde
sertleşebilirliği
arttırdığı,
ferrit
ve
perlitin
çekirdeklenmesini geciktirdiği ve böylece hızlı soğuma
esnasında
martenzit
yapı
oluşmasına
imkân
sağlamaktadır. Bor hızlı soğutulduğunda (hızla su
vererek) tane içinde çökelti olarak tutulduğu zaman
sertleşebilirlik üzerine en büyük etkiyi sağlamış olur.
Ancak
yüksek
karbon
oranlarında
etkisini
kaybetmektedir. Bu yüzden genellikle karbon oranı %
0,10 ile % 0,45 arasında tutulur [2]. Bor elementi düşük
karbonlu, düşük alaşımlı çeliklere genellikle (%0,0005%0,007) civarında ilave edilir. Bor elementinin çok
düşük miktarda ilavesi önemli mukavemet artışları
sağlaması sebebiyle Cr ve Mo gibi bazı pahalı
elementlerin yerini almıştır [3]. Bor elementinin çeşitli
alaşımlar içerisinde kullanılması sonucu alaşımın
mekanik özellikleri üzerine etkisi son yıllarda büyük ilgi
kazanmıştır [4-8]. Bor alaşımlı çeliklerden Al-Si
kaplamalı 22MnB5 otomotiv sanayide geniş bir
kullanım alanına sahiptir. Bunun dışında 20MnB4,
27MnB5, 30MnB5, 38MnB5, 27MnCrB5 ve
33MnCrB5 bor alaşımlı çelikler de geniş bir kullanım
alanına sahiptir.
Bor alaşımlı çeliklerin iç yapıları ve mekanik
özellikleri uygulanan ısıl işlemlerle büyük oranda
iyileştirilebilmektedir. Yapılan çalışmalar, ferritik
perlitik mikro yapıdaki ve 700 MPa çekme
mukavemetine sahip bor alaşımlı 30MnB5 çeliğinin su
verme sonucunda çekme mukavemetinin yaklaşık 1700
MPa yükseldiği görülmüştür [9].
Tablo 1. 30MnB5 malzemenin kimyasal kompozisyonu
(%ağırlıkça)[10].
Tablo 2. 30MnB5 malzemenin mekanik özellikleri [10].
Isıl işlem görmemiş 30MnB5 malzemenin optik
mikroskopta çekilmiş mikro yapısı ferritik + perlitik
olup, optik mikroskop fotoğrafı Şekil 1’de verilmiştir.
Açık renkli tanelerin ferrit, koyu renklilerin ise perlit
olduğu görülmektedir. Tanelerin çoğunlukla haddeleme
doğrultusu yönünde uzamış oldukları görülmektedir.
Bu çalışmada da, bor alaşımlı 30MnB5
çeliğinin ısıl işlem şartlarındaki mekanik
özellikleri incelenmiştir. 30MnB5 çeliği su verilmiş,
Şekil 1. Isıl işlem görmemiş 30MnB5 malzemenin optik
mikroskop ile çekilmiş iç yapı fotoğrafı [10].
temperlenmiş bor alaşımlı (BS) çeliklerin ürün
kategorisine aittir ve ısıl işlem sonrası yüksek dayanım
özelliklerine sahiptir. Çalışmada farklı sıcaklıklarda
Bu çalışmada Şekil 1’de verilen iç yapıya sahip
30MnB5 malzemesinin ısıl işlem sıcaklıkları
değiştirilerek mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Bu
amaçla numuneler 800oC, 825oC, 850 oC, 860oC, 875oC
ve 900oC’ye kadar ısıtılıp bu sıcaklıkta 15 dakika
bekletilmiştir. Soğutma işlemi suda yapılmış ve bütün
numunelerde sabit koşullarda gerçekleştirilmiştir.
Uygulanan ısıl işlemlerin malzemenin çekme
dayanımı ve kırılma enerjisi üzerindeki etkilerini
incelemek amacıyla çekme deneyleri ve charpy darbe
deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, Şekil 2'de
verilen numuneler kullanılmıştır. Her bir ısıl işlem
grubu için 5' er adet numune, lazer kesim ile standartlara
uygun kesildikten sonra ısıl işleme tabi tutulmuşlardır.
Çekme deneyleri, Uludağ Üniversitesi Makine
Mühendisliği Bölümünde bulunan Utest marka 25 ton
luk üniversal çekme cihazı ile 10 mm/dk lık çekme hızı
kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Charpy darbe deneyleri
de yine aynı bölümde bulunan ve maksimum enerji
kapasitesi 300 Joule olan Charpy darbe cihazı
vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir.
15 dakika fırında ısıtma işlemine tabi tutulan
numuneler su verme işlemi ile sertleştirilmiştir. Isıl
işlem uygulanan bor alaşımlı 30MnB5 çeliği
üzerinde çentik darbe ve çekme deneyleri
uygulanmış ve malzeme üzerinde farklı
sıcaklıkların, kırılma enerjisi ve dayanım açısından
etkileri araştırılıp karşılaştırma yapılmıştır.
2. MALZEME ve METHOD
Çalışmada 2,5 mm kalınlığındaki sıcak haddelenmiş
30MnB5 bor alaşımlı çelik sac malzeme kullanılmıştır.
Malzemenin spektral analiz sonucunda elde edilen
kimyasal kompozisyonu (% ağırlıkça) Tablo 1’de ve ısıl
işlem görmemiş numunenin mekanik özellikleri Tablo
2’de gösterilmiştir. Malzemeye yapılan kimyasal analiz
sonucunda % 0,003 oranında Bor elementi içerdiği
belirlenmiştir.
2
mukavemeti değerlerinin değişimi ile açıklamak
mümkündür. Çünkü, sıcaklık artışıyla birlikte
malzemede meydana gelen iri taneli yapı sebebi ile
mukavemette düşüş, süneklikte ve toklukta artış
meydana gelmiştir. Çekme mukavemeti en yüksek
değerini 850oC’de işlem görmüş numunelerde
sağlamıştır. Bu numunelerde kırılma enerjisi de artan
sertlik sebebiyle çok yüksek değerlere erişememiştir.
Daha düşük sıcaklıklarda yapılan işlem sonucunda
düşük mukavemet ve kırılma enerjisi değerleri elde
edilmiştir.
Şekil 2. 30MnB5 malzemenin çekme işleminde ve
charpy darbe deneylerinde kullanılan numune boyutları
(mm)[10].
Çekme Mukavemeti [MPa]
2000
3. DENEY SONUÇLARI
Çalışmada 800oC, 825oC, 850oC, 860oC, 875oC ve
900oC’ye kadar ısıtılan ve hızlı soğutma ile soğutulan
numunelerin Charpy darbe deneyi sonucunda elde
edilen kırılma enerjileri Şekil 3' de verilmiştir. Isıl işlem
görmemiş numuneden yapılan darbe deneyi sonucunda
kırılma enerjisi 15,3 Joule olarak elde edilmiştir.
Yapılan su verme işlemi sonrasında ölçülen kırılma
enerjisi değerlerinin ısıl işlem görmemiş duruma kıyasla
yaklaşık %80-85 düştüğü gözlemlenmiştir. Bu düşüşün
sebebi su verme ile birlikte faz dönüşümünü
tamamlayamamış malzemede meydana gelen gerilme ve
yüksek martenzit oranı olduğu düşünülmektedir.
Böylece malzemenin sertliği artarken sünekliği ve
tokluğu düşmüştür. Sertliği yüksek ve tokluğu düşük
malzemeler dinamik darbeler karşısında üzerine gelen
yükü absorbe edemez ve düşük bir kırılma enerjisi ile
kırılırlar.
Kırılma Enerjisi [Joule]
3,05
3
1399
1544
1250
1102
1000
825
840
850
860
875
900
o
Sıcaklık [ C]
Şekil 4. Isıl işlem sıcaklığına bağlı olarak çekme
dayanımı değişimi.
Çentik darbe deneyi ile test edilen numunelerden
birer adet Şekil 5’te gösterilmiştir. Bu numunelerin
kırılma yüzeyleri Şekil 3 ve Şekil 4’te verilen sonuçlarla
uyumlu olup sünekliğin sıcaklık artışıyla düştüğünü
göstermektedir.
Isıl
işlemsiz
3,75
2,07
2,18
o
2
1
1407
1438
o
850 C
2,56
2,5
1,5
1447
1500
800
4
3,5
1727
1750
800 C
2,1
o
860 C
1,52
800
825
840
850
860
875
900
o
825 C
o
875 C
o
Sıcaklık [ C]
Şekil 3. Isıl işlem sıcaklığına bağlı olarak kırılma
enerjisi değişimi.
o
840 C
Su verme ile sertleştirilmiş numuneler arasından en
yüksek kırılma enerjisi 900oC’de ısıtılan numunede elde
edilmiştir. Genel olarak sıcaklık artışıyla malzemenin
tokluğunda da artış meydana gelmiştir. Bu durumu Şekil
4’de verilen çekme deneyi sonucunda elde edilen çekme
o
900 C
Şekil 5. Çentik darbe deneyi sonucunda kırılan numune
görüntüleri.
3
3, pp. 627-638.
8.
W. Chen, C.J. Boehlert, 2010, “The 455 _C
tensile and fatigue behavior of boron-modified Ti–
6Al–2Sn–4Zr–2Mo–0.1Si(wt.%)”,
International
Journal of Fatigue, vol. 32, No. 5, pp. 799-807.
9.
Güler, H., Ertan, R., Özcan, R., 2013,
“Characteristics of 30MnB5 boron steel at elevated
temperatures”, Materials Science and Engineering: A,
Vol. 578, pp. 417-421.
10.
Güler, H., 2013, “Yüksek mukavemetli çelik
sacların
yüksek
sıcaklıktaki
şekillendirme
parametrelerinin incelenmesi”, Doktora Tezi, Uludağ
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
5. SONUÇ ve TARTIŞMA
Bu çalışmada, 30MnB5 bor alaşımlı çelik
malzemenin, 15 dakika fırında bekletme süresi için
800oC, 825oC, 840, 850oC, 860oC, 875oC ve 900oC
sıcaklıklarında
suda
soğutma
işlemleri
gerçekleştirilmiştir.
Uygun
boyutlarda
kesilen
numunelerle yapılan çekme ve çentik darbe deneyleri
sonucunda 30MnB5 malzemenin mekanik özellikleri
değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen ısıl işlemler
sonucunda, ısıl işlemsiz duruma göre, malzemenin
çekme dayanımı büyük ölçüde artarken, kırılma enerjisi
değerlerinde büyük miktarda azalma gözlemlenmiştir.
Genel olarak ısıl işlem sıcaklığı ile birlikte kırılma
enerjisi artmıştır. 900oC’de su verilmesi durumunda en
yüksek darbe direnci edilmiştir. Çekme mukavemeti ise
850oC’de en yüksek değerini almıştır. Sonuç olarak
30MnB5 malzemeden üretilecek bir parçanın ısıl işlem
programının belirlenmesinde, kullanım yeri ve üzerine
gelen yükler göz önünde bulundurularak yukarıda tespit
edilen sonuçların ışığında uygun bir sıcaklık seçilerek
optimum dayanım sağlanabilir.
KAYNAKLAR
1.
I. Mejía, A. Bedolla-Jacuinde, C. Maldonado,
J.M. Cabrera, 2011, “ Hot ductility behaviour of a
low carbon advancedhigh strength steel (AHSS)
microalloyed with boron” Materials Science and
Engineering A, Vol. 528, No. 13-14, pp. 4468-4474.
2.
Cemal Çarboğa, 2012, “Türk çelik sektöründe
alaşım elementi
olarak
borun
kullanımı”
International Iron & Steel Symposium
3.
A.Terzic, M.Calcagnotto, S.Guk, T.Schulz,
R.Kawalla, 2013, “Influence of Boron on
transformation behavior during continuous cooling
of low alloyed steels” Materials Science &
Engineering A, Vol. 584, pp. 32-40.
4.
Titova, T. I., Shulgan, N. A., Malykhina, I. Yu.,
2007, “Effect of boron microalloying on the
structure and hardenability of building steel”, Metal
Science and Heat Treatment, Vol. 49, No. 1-2, pp. 3944.
5.
K. S. Chandravathia, K. Laha, Norio Shinyab,
M. D. Mathewa, 2013, “Effects of Boron and Cerium
on Creep Rupture Properties of Modified 9Cr-1Mo
Steel and its Weld Joint”, Procedia Engineering, Vol.
55, pp. 433-437.
6.
Z.P. Luo, C.Y. Sun, 1999, “Effect of the
interfacial bonding status on the tensile fracture
characteristics
of
a
boron–fiber-reinforced
aluminum composite”, Materials Characterization,
Vol. 50, No.1, pp. 51-58.
7.
W. Chen, C.J. Boehlert, E.A. Payzant, J.Y.
Howe, 2010, “The effect of processing on the 455 _C
tensile and fatigue behavior of boron-modified Ti–
6Al–4V” International Journal of Fatigue, Vol. 32, No.
4

Download Report