konu başlığı - kocaeli Üniversitesimetalurji.kocaeli.edu.tr/files/dersnotlari/mmt209-10.pdf ·...
TRANSCRIPT
MMT209Çeliklerde Malzeme Bilimi ve Son Gelişmeler
10 Yüksek mukavemetli yapı çelikleri
Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir2011-2012 Güz Yarıyılı
Genel yapı çelikleri
2
Genel yapı çelikleri esasta düşük ve/veya orta karbonlu çelik olup Mn ve Si gibi eşlik elementlerine ve P ve S
gibi katışkı elementlerine sahiptir. Katışkı elementlerinin miktarı çeliğin kalite grubunu belirler.
Çekme Dayanımına Göre Tanımlanan Genel Yapı Çelikleri
• Çekme dayanımına göre genel yapı çelikleri TS 2162 (Nisan 1990) ve DIN 17100’ de. verilmektedir. DIN
17100 standardı 7 temel genel yapı çeliği türünü içermektedir. Bunlar St 33, St 37, St 44, St 50, St 52, St 60
ve St 70 türleridir.
• Eskiden 24 olan genel yapı çelikleri, şimdi nitelik gruplarıyla beraber 11’e indirgenmiştir.
• Bu çelik simgelerinin önüne gelen (U) harfi çeliğin kaynar çelik olduğunu göstermekte, DIN standartlarında
yarıdurgun deyimi geçmemekle beraber durgun ve yarı-durgun deyimleri kullanılmakta ve bunlar içinde (R) ve
(RR) simgeleri kullanılmaktadır.
• Birinci planda çekme dayanımları ve akma sınırı değerleri göz önünde tutularak, örneğin çelik konstrüksiyon,
köprü yapımı, basınçlı kap ve donanımları, taşıt yapımı ve makine konstrüksiyonlarında kullanılırlar.
• Bu çelikler daha çok haddelenmiş halde, fakat kısmen de normal tavlı olarak kullanılırlar. Bu nedenle,
haddeleme ısısından yapılan ısıl işlem bu çeliklerde daha fazla önem taşımaktadır. İyi kontrol edilen
haddeleme sıcaklığından yararlanılarak yapılan normal tavlamada oldukça iyi dayanım özelliklerine
ulaşılabilir.
• Kontrollü haddeleme tarzında uygulanacak termomekanik işlemle ise iyileştirilmiş mekanik özelliklere,
özellikle çentik darbe dayanımına ulaşmak olanaklıdır.
Genellikle alaşımsız çelik olarak tanımlandıklarından, mekanik özellikler büyük ölçüde karbon miktarına
bağlıdır. Fakat başta azot ve fosfor olmak üzere, üretim hammaddelerinden ve yöntemden kaynaklanan
mangan, silisyum, bakır ve kükürt elementleri de oldukça etkilidir. Fosfor ve azot dayanımı artırmasına karşın
sünekliği düşürdüklerinden bu çeliklerde azaltılmaya çalışılır.
Alaşımsız çeliklerin haddelenmiş halde mekanik özellikleri
3
Kaynaklanabilirliğe Etki Eden Faktörler
4
Kaynaklanabilirlik,
a) karbon miktarı,
b) demir eşlik elementleri,
c) silisyum, mangan, aluminyum ilavesi (dökümde) ve
d) alaşım elementlerine bağlıdır.
Karbon miktarının artması:
• kaynak dikişi bölgesinde kırılganlık artışı, martenzit dönüşümünün sertliğe katkısı ve ayrıca
kritik soğuma hızının azalması nedeniyle kaynaklanabilirlikte azalma.
• Bundan dolayı elektrik ark kaynağında % 0,2 C’lu alaşımsız çelikler ITAB’da (ısı tesiri
altındaki bölge) martenzit miktarı % 30-50’ye, sertlik ise 300-350 HV’ye çıkabilir => çatlak ve
gevrek kırılma güvenliği bakımından üst sınırlara ulaşma.
• Daha yüksek karbon miktarlarında ise aşırı sertleşme tehlikesini önlemek için ön-ısıtma
uygulaması.
Alaşım elementlerinin bulunması:
• Kritik soğutma hızında daha da fazla düşme. Böylece yaklaşık % 0,1 C içeriğinden itibaren bir
ön-ısıtma gerekli.
• Kaynak geçiş bölgesindeki çatlak tehlikesini önlemek için karbon miktarının 2,5 katı kadar
manganın bileşimde bulunması faydalı.
• Daha yüksek karbon miktarları kaynar çeliklerde atmosferden, koruyucu gazdan veya
cüruftan oksijen yakalanması olasılığını ve böylece ergiyikte CO oluşumunun tetiklenmesi.
• Böyle bir durumda da kaynak bölgesinde gözenek ve sıçratma oluşumu. Karşı önlem olarak
dezoksidasyon etkisi olan bazik elektrotlar kullanmak yararlı.
DIN EN 10 025’e göre Çeliklerin Kaynaklanabilirliği
5
• Bir çeliğin kaynak esnasında ve sonrasındaki davranışı sadece malzemeye değil, aynı zamanda boyut ve
şekline, ayrıca parçanın üretim koşullarına da bağlı => çeşitli kaynak yöntemleri açısından çeliklerin sınırsız
kaynaklanabilirliği söz konusu değil.
• S 185, E 295, E 335, E 360 çelikleri için, kimyasal bileşim olarak belirli bir gereksinim olmadığından bu
çeliklerin kaynaklanabilirliğine ilişkin bir tanımlama yok.
• J R, J 2 G 3, J 2 G 4, K2 G3 ve K 2 G 4 kalite gruplarındaki çelikler genel olarak tüm yöntemler açısından
kaynağa uygun.
• Kaynaklanabilirlik J R ve J 0’dan K 2 G 3 ve 4’e kadar olan kalite gruplarının her türünde artar.
• S 235 J R çelik türlerinde durgun çelikler –özellikle kaynak sırasında segregasyon bölgesi kısmen
ergitilebiliyorsa– kaynar çeliklere oranla daha çok tercih edilir.
• Çeliklerin kalite grubu çeliklerin kaynaklanabilirliği ve gevrek kırılganlık davranışı hakkında fikir verir.
• Kaynaklanabilirlik açısından karbon miktarını sınırlandırmak güvenilir bir yöntemdir, keza çelikler gevrek
kırılma güvenliğine göre gruplandırılabilir.
• Aynı mukavemet değerlerindeki çeliklerde kalite gruplarının çelik türleri sadece kimyasal bileşim değil, aynı
zamanda gevrek kırılma hassasiyeti açısından da farklılık gösterir.
• S 355 çelik türleri için (S 355 J R hariç) kaynaklanabilirlik açısından kimyasal bileşime yönelik olarak özel
bir tanımlama (mevcut Nb, Ti veya V’a bağlanan maksimum C miktarı) ve/veya karbon eşdeğeri için bir üst
değer getirilebilir.
Karbon eşdeğeri: CE = C+ 6
Mn +
5
V Mo Cr +
15
Ni Cu (Kütle-%)
Değişik standartlarda çekme dayanımına göre verilen genel yapı çelikleri ve bileşimleri
6
TS 2162Malz. No. Sermbol
DIN 17100Eski Yeni
EURONORM ISODökümtarzı*DIN17100
Isılişlem**ISO
Kimyasal Bileşim (% Ağırlık)C Pmaks Smaks Nmaks
Almax
1.00351.00371.00361.00381.00161.00441.01441.05701.00501.00601.0070
Fe33Fe 37-2
KFe 37-2SFe 37-2Fe 37-3Fe 44-2Fe 44-3Fe 52-3Fe 50-2Fe 60-2Fe 70-2
St 33St37-2
USt37-2RSt37-2St 37-3St 44-2St44-2St 52-3St 50-2St 60-2St 70-2
St310St360-2
USt360-2RSt 360-2St 360-3St 430-2St430-3St510-3St490-2St590-2St690-2
Fe 310-0-
Fe 360-BFUFe 360-BFN
Fe 360-CFe 360-DFe 430-BFe 430-CFe 430-DFe 510-CFe 510-DFe 490-2Fe 590-2Fe 690-2
ISO 630Fe 310-0Fe 360-BFe 360-BFe 360-BFe 360-CFe 360-DFe 430-BFe 430-CFe 430-DFe 510-CFe 510-DISO 1052Fe 490-2Fe 590-2Fe 690-2
--UR
RRRRR
RRRRRRRRRRR
U,NU,NU,NU,NUN
U,NUNUN
U,NU,NU,N
-0.17max0.17max0.17max0.17max0.17max0.21max0.20max0.20max0.20max0.20max0.30max0.40max0.50max
-0.0500.0500.0500.0400.0400.0500.0400.0400.0400.0400.0500.0500.050
-0.0500.0500.0500.0400.0400.0500.0400.0400.0400.0400.0500.0500.050
-0.0070.0070.007
--
0.007----
0.0070.0070.007
-0.0200.020
-0.0200.0200.0200.020
---
*) U-Kaynar Döküm, R-Durgun Döküm, RR- Özel Durgun Döküm
**) U-Sıcak haddelenmiş, başka işlem görmemiş, N- Normal tavlanmış
TS 2162’ ye göre, genel yapı çeliklerininmekanik özellikleri
7
ÇELİK SEMBOLÜ Çekme Mukavemeti,
Rm
Akma Mukavemeti, Re
Kopma UzamasıA
Çentik darbe dayanımıV çentikli örnek (boyuna)
TS 2162 DIN 17100 < 3mm ≥ 3mm≤100mm
≤16mm
≥16≤40mm
≥40≤63mm
≥63≤80mm
≥80≤100mm
≤ 3≤ 40mm
≥40≤63mm
≥63≤100mm
ISOIsılişlem
≥16≤63mm
≥16≤63mm
≥63≤100mm
Eski Yeni MPa ≥ MPa Yön* ≥ % ** °C ≥ J
Fe 33Fe 37-2
K Fe 37-2S Fe 37-2Fe 37-3Fe 44-2Fe 44-3Fe 52-3Fe 50-2Fe 60-2Fe 70-2
St 33St 37-2
Ust 37-2RSt 37-2St 37-3St 44-2St 44-2St 52-3St 50-3St 60-2St 70-2
St 310St 360-2USt 360-
2RSt 360-2St 360-3St 430-2St 430-2St 510-3St 490-2St 590-2St 690-2
310-540360-510360-510360-510360-510430-580430-580510-680590-660590-770590-900
290-510340-470340-470340-470340-470410-540410-540590-630470-610570-710670-830
185235235235235275275355295335365
175225225225225265265345285325355
-215215215215255255335275315345
-205215215215245245325265305335
-195195215215235235315255295325
→↑→↑→↑→↑→↑→↑→↑→↑→↑→↑→↑
18162624262426242624222022202220201816141110
--
252325232523252321192119211919171513109
--
24222422242224222018201820181816141298
U,NU,NU,NU,NUN
U,NUNUN
U,NU,NU,N
-+20+20+20+0-20+20+0-20+0-20
---
-27272727272727272727---
----
27272727272727---
----
2323-
23232323---
*) → :Şekillendirme yönünde, ↑: Şekillendirmeye dik doğrultuda
**) U: Sıcak haddelenmiş, başka işlem görmemiş, N: Normal tavlanmış
C-Mn çeliklerinin mukavemetine katkıdabulunan faktörler
8
Isı tesiri altındaki bölgede (ITAB) izin verilen maksimumkarbon eşdeğeri, plaka kalınlığı ve sertlik arasındaki ilişki
9
DIN EN 10 025’e göre yapı çeliklerininkaynaklanabilirliği
10
Kaynaklanabilirlik% Cmax daima var genellikle var sınırlı olarak var yok ön ısıtma- S 1850,17 S 235 J0/J2 S 235 JR1)
0,20 S 275 J0/J2 S 275 JR1)
0,30 E 295 150°C0,20 S 355 J0/J2/K22)
0,40 E 335 250°C0,50 E 360 250°C
1) segregasyon bölgesinin kesilip alınması mümkün
2) kalın kesitlerde (> 25 mm) ön ısıtma gerekli
Yüksek mukavemetli tipik çeliklerin ergiyik analizine göre kimyasal bileşimleri
11
Çelik türü C (%) Si (%) Mn (max%) P (%) S (%) Al (min%) Nb (max%) Ti (%)StE 340 0,10 0,50 1,00 0,030 0,030 0,015 0,09 0,22StE 260 P 0,07 0,50 0,70 0,080 0,030 0,020 – –StE 220 BH 0,06 0,50 0,70 0,080 0,030 0,020 – –
Mikroalaşımlama
12
çok düşük - orta karbon içeriği + Nb, Ti, V gibi elementler (maksimum % 0.25;
ayrıca Al, Mo ve B da kullanılır) ikili ve üçlü kombinasyonlar halinde
mikroyapı içerisinde karbür/karbonitrür çökeltilerinin oluşumu:
1. ile tane boyutunu incelterek tokluk ve mukavemetin beraberce artırma,
2. çökelti sertleşmesi mekanizmasıyla mukavemetin artırılması.
Yassı ürünlerde mikroalaşımlamayla birlikte uygun bir termomekanik işlem yapılır:
Kontrollü haddeleme ile gerçekleştirilen bu işlemde, genelde 1000-1200 °C’de
yapılan ön deformasyon + düşük sıcaklıklarda (700-800 °C) nihai bir deformasyon.
Haddeleme sonrası değişik soğuma hızları kullanılarak mikroyapının ince taneli
ferrit ve beynitten oluşmasının sağlanması
Yassı ürünlerdeki gelişme:
Standart yumuşak çelikler => C-Mn tipi HSLA çelikleri => mikroalaşımlama ile C-
Mn-(V/Ti/Nb) tipi HSLA çelikleri (temel kompozisyon: % 0.05-0.15 C, % 0.3 Si ve %
1.5 Mn).
Dövme ürünlerindeki gelişme:
Orta karbonlu ıslah çelikleri => mikroalaşımlı çelikler (sadece kontrollü soğutma
mekanizmasıyla çalıştığından % 0.25’ lik karbon miktarı alt sınır olarak görülür.
Mikroalaşımlı çeliklerde uygulanan sertleştirmemekanizmalarının mekanik özelliklere etkisi
13
MAE (MikroAlaşım Elementi) niobyumun tüm mikroyapısal etkisi
14
Ti, Nb ve V elementlerinin oluşturdukları karbürve nitrür bileşiklerinin serbest enerjileri
15
Nb, V ve Ti bileşiklerinin östenit içiçözünürlükleri
16
Nb miktarı ve Nb (CN) çökelti boyutununmukavemet değerleri
17
d ve fv parametrelerininöstenit tane boyutuna etkisi
18
MAE’ninöstenit rekristalizasyon sıcaklığına etkisi
19
Önötektod çökelti ile çökelti-dislokasyon etkileşimi
20
MAE çökeltilerinin boyut ve hacimsel miktarlarıüzerindeki çökelti sertleşmesi etkisi
21
Dayanç artırımı ile elde edilen kütle tasarrufununmikroalaşımlı boru malzemelerde örneklenmesi
22
Dayanç artırımı ile elde edilen kütle tasarrufununmikroalaşımlı boru malzemelerde örneklenmesi
23
Mikroalaşımlı çeliklerde tokluk-dayançdiyagramı
24
Kaynaklanabilir, ince taneli yapı çeliklerikompozisyonları (DIN 17102)
25
ÇELİK TİPİ KÜTLESEL MİKTAR, %KISA
İŞARETİMALZEME NUMARASI
C≤
Si Mn P≤
S≤
N≤
Al≤
Cr≤
Cl≤
Mo≤
Ni≤
Nb≤
Ti≤
V≤
Nb+Ti+V≤
StE 255WstE 255TStW 255ESTe 255
1.04611.04621.04631.1103
0.180.180.160.16
≤ 0.40 0.501.30
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
0.020 0.020 0.302)
0.302)
0.202) 0.082) 0.30 0.03 0.05
StE 285WstE 285TStW 285ESTe 285
1.04881.04871.04881.1104
0.180.180.160.16
0.601.40
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
StE 315WstE 315TStW 315ESTe 315
1.05051.05061.05081.1105
0.180.180.160.16
≤ 0.450.701.50
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
StE 355WstE 355TStW 355ESTe 355
1.05621.05651.05661.1106
0.200.200.180.18
0.100.50
0.901.65
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
0.304) 0.05 0.10 0.12
StE 380WstE 380TStW 380ESTe 380
1.89001.89301.89101.8911
0.20 0.100.60
1.031.70
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
0.30 1.00 -5) 0.20 0.22
StE 420WstE 420TStW 420ESTe 420
1.89021.89321.89121.8913
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
0.203) 0.10
StE 460WstE 460TStW 460ESTe 460
1.89051.89351.89151.8918
0.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
StE 500WstE 500TStW 500ESTe 500
1.89071.89371.89171.8919
0.210.0350.0350.0300.025
0.0300.0300.0250.015
0.22
Kükürt miktarı ve kalsiyum uygulamasınıntokluk etkisi
26
a. X50 tipi mikroalaşımlı
çelikte Z ekseninde ölçülen
deformasyon derecesi
b. Kükürt miktarının –enine
ölçülen- darbe geçiş
sıcaklığına etkisi
Yüksek mukavemetli yapı çeliklerinde tane boyutunun tokluk ve mukavemet etkisi
27
Kaynaklanabilir mikroalaşımlı çeliklerin ısı etkibölgesinde çatlak oluşuma duyarlılığı
28
Mikroalaşımlı dövme çelikler
29
Çökelti sertleşen
ferritik perlitik çelikler
Otomobil üreticileri
Dövme fabrikaları
Demir Çelik üreticileri
Yüksek mukavemetli
Kaynaklanabilir (düşük karbonlu)
Çökelti sertleşmesine uygun (mikroalaşımlı)
• Ck45 ve Ck53 çelikleri + Mikroalaşım elementleri 49MnVS3 yaklaşık 150 N/mm2
akma sınırı artışı
• Mikroalaşımlama ile karbon miktarı düşürülmeye çalışılmış
Isıl işlemden geçen bir dişli parçada üretim maliyetlerinin dağılımı
30
Eckstein, 1987
Mikroalaşımlı dövme çeliklerde ıslah çeliklerininüretim (a) ve maliyet (b) açısından karşılaştırılması
31
Mikroalaşımlı dövme çeliklerin mikroyapısı (30MnVS6)
32
Çökelti sertleşen ferritik-perlitik çeliklerde nihai mikroyapı ve mekanik özellikleri etkileyen
metalurjik mekanizmalar
33
Erişir, 2009
Çökelti sertleşen ferritik-perlitik çelikler, TS EN 10267
34
Çelik tipi
Kimyasal bileşimi Mekanik özellikleri
C Si Mn P
max
S V YS
N/mm2
TS
N/mm2
El.
%
R of A
%
19MnVS60.15
0.22
0.15
0.80
1.20
1.600.25
0.020
0.060
0.08
0.20420
650
85016 32
30MnVS60.26
0.33
0.15
0.80
1.20
1.600.25
0.020
0.060
0.08
0.20470
750
95014 30
38MnVS60.34
0.41
0.15
0.80
1.20
1.600.25
0.020
0.060
0.08
0.20520
800
100012 25
46MnVS60.42
0.49
0.15
0.80
1.20
1.600.25
0.020
0.060
0.08
0.20570
900
11008 20
46MnVS30.42
0.49
0.15
0.80
0.60
1.000.25
0.020
0.060
0.08
0.20470
750
95010 20
Yalnız Nbve yalnız V alaşımlanmış dövme çeliklerinde östenitleştirme sıcaklığına bağlı olarak mikroyapı ve dayanç etkilerinin karşılaştırılması
35
Saf Nb ile Nb-V ve Ti-V kombinasyonlarının östenitleştirme sıcaklığına bağlı olarak dayanç ve tokluk karşılaştırması
36
Çökelti sertleşen ferritik perlitik çeliklerin geçmişteki ve bugünkü durumu
37
Kaspar, 1996
800–500°C arasında soğutma süresinin sertlikve geçiş sıcaklığına bağımlılığı (SEW 088-93)
38
Bir S 690 Q çeliğinin zaman-sıcaklık-dönüşümdiyagramı
39