Soğuk çekilmiş C55 ve C83 çeliklerin mekanik özellikleri ve yeniden kristallenme davranışının incelenmesi

Bu tez çalışmasında, C55 ve C83 çelik tellerin soğuk çekme işleminin tellerin mekanik özelliklerine ve yeniden kristallenme kinetiğine etkileri incelenmiştir. Çelik numuneler İzmit-Kocaeli'nde bulunan ÇELİK HALAT ve TEL SANAYİ A.Ş.'den temin edilmiştir. Bu şirket çelik halatlar, yay telleri, galvanizli yay telleri ve öngerilmeli beton halatları üretmektedir. Plastik şekil verme yöntemlerinden biri soğuk çekmedir ve bir çekme kuvveti altında, tek ya da bir seri çekme kalıpları içerisinden malzemenin kesidini azaltmak için kullanılmaktadır. Soğuk çekme işlemi elektrik tellerinin, kabloların, yayların, kağıt mandallarının, gerilim yüklü yapı bileşenlerinin ve yaylı müzik aletlerinin eldesinde kullanılmaktadır. C55 çeliği orta karbonlu bir çeliktir ve %0.52 – 0.60 karbon içermektedir. Ayrıca %0.06 – 0.90 Mn, maks. %0.045 P, maks. %0.045 S, maks. %0.4 Si ve maks. %0.63 Cr+Mo+Ni içermektedir. C55 çeliği nispeten yüksek karbon içeriği nedeniyle yüksek sertlik ve yüksek mukavemete sahiptir. C55 çeliği dingil, debriyaj parçaları, şaft, sıkıştırılmış ve delikli parçalar, piston çubukları ve dişli çubuğu gibi otomotiv ve mühendislik malzemeleri için uygundur. C83 çeliği yüksek karbonlu çelik olup %0.30 – 0.90 aralığında mangan içermektedir. Bu çelik yay malzemeleri ve yüksek mukavemetli teller için kullanılmaktadır. C55 çelik telin deneysel çalışmalarında 5 mm'lik çap 3 mm'ye getirilmiştir. Soğuk deformasyon miktarı %121.2 olarak hesaplanmıştır. C83 çelik telin deneysel çalışmalarında 5 mm'lik çap 3.2 mm'ye getirilmiştir ve soğuk deformasyon miktarı %108.3 olarak tespit edilmiştir. C55 ve C83 çelik telin soğuk çekme işlemleri Çelik Halat firmasında gerçekleştirilmiştir. C55 ve C83 çelik tellerin soğuk çekme işlemleri sonrasında yapılan metalografik incelemelerde, tane yapısının çekme ekseni yönünde uzadığı gözlenmiştir. Çatlak oluşumu bulunmamıştır. C55 ve C83 çelik tellerin çekme test sonuçları incelendiği zaman, C55 çelik telin çekme mukavemeti 859.2 MPa iken, bu değer %121.2 oranında soğuk deformasyon sonrasında 1358.2 MPa değerine artmıştır. C55 çelik telin sünekliği %121.2 oranında deformasyon için %65.8'den %24.7'e düşmüştür. C83 çelik telin çekme mukavemeti 1216.7 MPa iken, bu değer %108.3 oranında soğuk deformasyon sonrasında 1717.5 MPa değerine artmıştır. C83 çelik telin sünekliği %108.3 oranında deformasyon için %32.4'den %16.8'e düşmüştür. Çeliğin mukavemeti ve sünekliği karbon içeriğine bağlı olduğu bilindiğine göre, C83 çelik telin mukavemetinin C55 çelik telin mukavemetinden daha büyük olduğu ve sünekliğinin daha düşük olduğu gözlenmiştir. C55 ve C83 çelik tellerin soğuk deformasyonla mukavemetindeki artış ve sünekliğindeki azalma, soğuk deformasyon esnasında dislokasyon yoğunluğundaki artış nedeniyledir. Malzemenin şekli, mikroyapısı ve mekanik özellikleri soğuk çekme esnasında değişmektedir. Dislokasyon artışına bağlı olarak mukavemet ve sertlik artar, süneklik azalır. Malzemenin şekil verilebilirliği azalır. Malzemeye yeniden işlenebilirlik özelliğini vermek için yeniden kristallenme ısıl işlemi yapılmalıdır. Bu ısıl işlem, bir tavlama işlemidir ve soğuk işlenmiş metal ve alaşımlara, yeni ve gerilim içermeyen taneler elde etmek için uygulanmaktadır. Çünkü metalik malzemelerin hücre yapıları soğuk deformasyondan sonra termodinamik olarak kararlı değillerdir. Yeniden kristallenme ısıl işlemi tanelerdeki gerilimleri azaltarak ya da gidererek geri kazanımı sağlar ve uzamış tanelerden kaynaklanan eşeksenli ferrit tanelerini artırır, mukavemet ve sertliği düşürür, sünekliği artırır. Yeniden kristallenme ısıl işleminde geri kazanım, yeniden kristallenme ve tane büyümesi kademeleri vardır ve metalin ergime sıcaklığının %30 -60 sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Yeniden kristallenme sıcaklığı başlangıç tane boyutundan, kompozisyondan, zamandan ve soğuk deformasyon derecesinden etkilenmektedir. Soğuk deforme olmuş metallerde yeniden kristallenme için itici güç, soğuk deformasyon esnasında oluşan depolanmış enerjidir. Geri kazanım kademesi düşük sıcaklıklarda gerçekleşir ve mikroyapıda herhangi bir değişim olmaz. Bu kademede dislokasyonlar hareket eder ve yeniden düzene girerler, kalıntı gerilimler azalır. Yeniden kristallenme kademesi yapıdaki dislokasyonların poligonlaşması ve ortadan kaybolması işlemidir. Bu kademede dislokasyon yoğunluğu azalır, bu nedenle mukavemet azalır ve süneklik artar. Yeniden kristallenme ısıl işleminin son kademesinde, sıcaklık ve süreye bağlı olarak tane büyümesi gerçekleşmektedir. İzotermal kinetik analiz, metallerin yeniden kristallenmesi gibi katı hal dönüşümlerinin kinetiğini araştırmak için kullanılmaktadır ve endüstriyel skalada proses modellemesi için gerekli kinetik bilgiler elde edilmektedir. Bu analiz, zamanla reaksiyon hızını değerlendirmek için kinetik fonksiyonlara ihtiyaç duymakta ve eksponensiyel faktör ve aktivasyon enerjisi gibi kinetik değişkenler elde edilebilir. İzotermal olmayan kinetik analiz, izokonversiyonel yönteme dayalı alternatif bir modelsiz yöntemlerdir. İzotermal olmayan kinetik, diferansiyel termal analiz (DTA), termogravimetric analiz (TG) ve diferansiyel tarama kalorimetrisine (DSC) dayalı olan termo-analitik bir yöntemdir. Bu tezde, soğuk çekilmiş C55 ve C83 çelik teller için izotermal olmayan yeniden kristallenme kinetik incelemeleri, 5-10-15-20°C/dak olmak üzere 4 farklı ısıtma hızında diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ile yapılmıştır. Kissenger, Boswell, Ozawa ve Starink yöntemleri, yeniden kristallenme aktivasyon enerjisini tespit etmek için kullanılmıştır. DSC verilerinden elde edilen yeniden kristallenme sıcaklıkları, farklı ısıtma hızlarına bağlı olarak %121.2 oranında soğuk deforme olmuş C55 çelik tel için 451.2 °C ile 481.3 °C arasında, %108.3 oranında soğuk deforme olmuş C83 çelik tel için 475.4 °C ile 504.6 °C arasındadır. Yeniden kristallenme pik sıcaklıkları kullanılarak, Kissenger metodu, (ln(β/T2) – 1/T), Boswell metodu (ln(β/T) – 1/T), Ozawa metodu (ln(β) – 1/T) ve Starink metodu (ln(β/T1.92) – 1/T) eğrileri çizilmiştir. Bu denklemlerde, R gaz sabiti (kJ/mol.K), T pik sıcaklığı (K) ve β ısıtma hızıdır (K/min). Bu eğrilerin eğimleri –E/R değerine eşittir, burada E aktivasyon enerjisidir (kJ/mol). Kissenger, Boswell, Ozawa ve Starink metotlarına göre %121.2 oranında soğuk deforme olmuş C55 çelik tel için yeniden kristallenme aktivasyon enerjileri sırasıyla 196.5 kJ/mol, 202.6 kJ/mol, 198.7 kJ/mol ve 196.8 kJ/mol'dür. Kissenger, Boswell, Ozawa ve Starink metotlarına göre %108.3 oranında soğuk deforme olmuş C83 çelik tel için aktivasyon enerjileri sırasıyla 220.5 kJ/mol, 226.8 kJ/mol, 221.8 kJ/mol ve 220.8 kJ/mol'dür. Sonuç olarak yeniden kristallenme aktivasyon enerjileri, %121.2 oranında soğuk deforme olmuş C55 çelik tel için 198.6 ±2 kJ/mol ve %108.3 oranında soğuk deforme olmuş C83 çelik tel için 222.5 ±2 kJ7mol olarak bulunmuştur. Bu çalışmadan görülmüştür ki C55 ve C83 çelik tellerin soğuk deformasyonu, soğuk çekme esnasında oluşan depolanmış enerji nedeniyle mukavemet artmış ve süneklik azalmıştır. C55 ve C83 çelik teller karşılaştırıldığında, karbon içeriğindeki artış nedeniyle yeniden kristallenme sıcaklığı ve yeniden kristallenme aktivasyon enerjisi bir miktar artmıştır.