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