DÜŞÜK KARBONLU BİR ÇELİKTE KAYNAK ENERJİ GİRİŞİ VE BAŞLANGIÇ TANE BOYUTUNUN KAYNAK BÖLGESİNİN İÇ YAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE OLAN ETKİSİ

Abstract

DOKTORA TEZİ DÜŞÜK KARBONLU BİR ÇELİKTE KAYNAK ENERJİ GİRİŞİ VE BAŞLANGIÇ TANE BOYUTUNUN KAYNAK BÖLGESİNİN İÇ YAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE OLAN ETKİSİ Mehmet EROĞLU Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Metalürji Eğitimi Anabilim Dalı 1997, Sayfa: 103 Düşük karbonlu bir çelikte kaynak enerji girişi ve başlangıç tane boyutunun kaynak bölgesinin mikro yapısına ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Çalışmanın birinci bölümü, konuya genel bir girişle beraber bu konuyla ilgili yapılan çalışmalar hakkında kısa bir literatür incelemesini, ikinci bölümü çok kristalli malzemelerin tane yapılarını, üçüncü bölümü ark kaynağı ve ark kaynağında ısı akışını, dördüncü bölümü kaynak bölgesini, beşinci bölümü deney çalışmalarını, altıncı bölümü deney sonuçları ve tartışmayı ve yedinci bölümü genel sonuçlar ve önerileri kapsamaktadır. Deney çalışmalarında, kaynak deney numuneleri için SAE 1020 çeliği kullanılmıştır. Bu çelikteki ferrit ve perlitin ASTM tane boyut numaraları ASTM E - 112' ye göre doğrusal kesişim metoduyla bulunmuştur. Kaynak yapılacakII numunelerin dört farklı tane boyutuna sahip olmaları planlandığı için, orijinal malzemeden hazırlanan numunelere 880 °C'de tane küçültme, 1000 °C ve 1 100 °C'de tane büyültme ısıl işlemleri uygulanmıştır. Gerekli ısıl işlemlerden sonra, ısıl işlem görmüş numunelerin tane boyut numaraları da doğrusal kesişim yöntemiyle bulunmuştur. 1 numara olarak isimlendirilen tane küçültmesine tabi tutulmuş numunelerdeki ferrit tane boyut numarası 9.8 ve perlit tane boyut numarası 11.3, 2 numara olarak isimlendirilen ısıl işlem görmemiş orijinal numunelerde ferrit tane boyut numarası 8.12 ve perlit tane boyut numarası 9.9, 3 numara olarak isimlendirilen iri taneli numunelerde ferrit tane boyut numarası 6.2 ve perlit tane boyut numarası 7 ve biraz daha iri tanelere sahip 4 numara olarak isimlendirilen numunelerde ferrit tane boyut numarası 4.5 ve perlit tane boyut numarası 5.1 olarak bulunmuştur. Bundan sonra, orijinal ve ısıl işlem ile tane boyutları değiştirilen numunelerin ısıl iletkenlik katsayıları ve ısı kapasiteleri belirlenmiştir. Yapılan bu ölçümler neticesinde; tane boyutu artışıyla beraber, ısıl iletkenliğin azaldığı ve ısı kapasitesinin arttığı görülmüştür. Dört farklı tane boyutuna sahip 150 mm x 200 mm x 12.5 mm ebatlanndaki numunelere toz altı kaynak makinesinde kaynak çekilmiştir. Kaynak, kaynak ağzı açmadan yüzeye bir paso şeklinde gerçekleştirilmiştir. Kaynak işleminde 0.5, 1 ve 1.8 kJ / mm olmak üzere, üç farklı enerji girişi kullanılmıştır. Kaynak işleminden sonra, kaynak bölgesinden mikro yapı, sertlik ve tokluk numuneleri çıkartılmıştır, mikro yapı incelemeleri hem optik mikroskopta hem de taramalı elektron mikroskobunda gerçekleştirilmiştir. Sertlik ölçümleri için Vickers sertlik ölçüm yöntemi ve yük olarak beş kilogram yük seçilmiştir. Kaynak metalinde ve ITAB' da tokluk numuneleri BS : 131 : 2 : 1972' ye göre çıkartılıp, oda sıcaklığında kırılmıştır. Mikro yapı incelemeleri sonucunda; aynı enerji girişi için, bütün numunelerin kaynak metalinde oluşan mikro fazların yaklaşık olarak aynı oldukları gözlenmiştir. Bu nedenle, bunlarda ölçülen sertlik ve tokluk değerlerinin de birbirlerine çok yakın çıktığı görülmüştür. Enerji girişine bağlı olarak kaynak metallerinde oluşan mikro yapılar ; martenzit + beynit' ten kaba tane sınırı ferritIII + kaba asiküler ferriî + kaba widmanstatten ferrit + perlit' e doğru değişmektedir. Bütün numunelerin kaynak metallerinde en yüksek tokluk 1kJ / mm enerji girişinde elde edilmiştir. Çünkü, bu enerji girişinde tokluğunun çok iyi olduğu bilinen asiküler ferrit mikro yapıya hakim olmuştur. Aynı enerji girişinde 1 ve 2 no' lu numunelerin ITAB' lan yaklaşık olarak aynı mikro yapıya sahip olurken, 3 ve 4 no' lu numunelerin İTAB'ları da kendi aralarında oldukça benzerlik göstermişlerdir. Enerji girişine bağlı olarak 1 ve 2 no' lu numunelerin ITAB' larında oluşan mikro yapılar; martenzit + beynit' ten kaba tane sınırı ferrit + kaba widmanstatten ferrit + perlit' e doğru değişirken, 3 ve 4 no" lu numunelerde ferrit + martenzit + beynit' ten kaba tane sınırı ferrit + kaba widmansttaten ferrit + perlit'e doğru değişmiştir. 0.5 ve 1 kJ / mm enerji girişlerinden 3 ve 4 no' lu numunelerin ITAB' larıında iri ferrit + iri perlit tanelerinden oluşmuş östenitler arasındaki karbon difüzyonunun tam anlamıyla gerçekleşmediği görülmüştür. Buna ise, tane sınırlarının az oluşu ve ısı kapasitesinin yüksek olması neden olmaktadır. 1 ve 2 no' lu numunelerin ITAB' larında en yüksek tokluk 1 kJ / mm enerji girişinde elde edilirken, 3 ve 4 nolu numunelerin ITAB' larında 1.8 kJ / mm enerji girişinde elde edilmiştir. Bunun nedeni ise, 1 ve 1.8 kJ / mm enerji girişlerindeki ITAB'ların bütünü göz önünde bulundurulduğunda, fazla iri olmayan ferrit + perlit yapısının elde edilmesidir. Gerekli mikro yapı, sertlik ve tokluk incelemeleri neticesinde; küçük tane boyutuna sahip düşük karbonlu çeliklerin kaynağından orta seviyedeki enerji girişinin kaynağın mukavemeti açısından en iyi sonuç verdiği görülürken, iri taneli düşük karbonlu çeliklerde orta seviyenin üstündeki enerji girişi en iyi sonucu vermiştir.IV ABSTRACT PhD. THESIS EFFECTS OF WELDING ENERGY INPUT AND INITIAL GRAIN SIZE ON THE MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE WELDING ZONE OF A LOW CARBON STEEL Mehmet ERO?LU University of Fırat Faculty of Technical Education Department of Metallurgy 1997, Page: 103 In this study effects of heat input and initial grain size on the microstructure and mechanical properties in the welding zone of a plain - low carbon steel were investigated. In the first chapter of the study, a comprehensive literature research on the subject is given. In the second chapter, the grain size of poiycrystalline materials, in the third chapter, arc welding and heat flow, in the fourth chapter, the welding zone, in the fifth chapter, experimental studies, in the sixth chapter, the results of experiments and discussion, and in the seventh chapter, the general results and recommendations are presented respectively. In the experiments SAE 1020 steel was used as plates. It was aimed to produce plates having four different grain sizes. With this aim the ASTM grain size numbers of ferrite and pearlite of SAE 1020 steel were determined by using lineal intercept method according to the ASTM E - 1 12 and then, the plates were heat treated at different temperatures, such as 800 °C, 1000 °C and 1100 °CV respectively. Former for grain refinement and latters for grain coarsening. Following this, the ASTM grain size numbers of heat treated plates were determined with the same method. In the first plates - grain refined ferrite grain size number was 9.8 and pearlite grain size number was 1 1.3. In the second (non- heat treated), third (heat treated at 1000 °C) and fourth (heat treated at 1100 °C) plates the ferrite and pearlite grain size numbers were determined as 8.12 : 9.9 ; 6.2 : 7 ; 4.5 : 5.1 respectively. After heat treatments heat conductivity and heat capacity of original (non- heat treated) and heat treated plates were determined. As a result, it was seen that heat conductivity decreased and heat capacity increased with the increase in grain size number. Bead - on - plate welds were applied to original and heat treated plates in 150 mm x 200 mm x 12.5 mm dimensions using submerged arc welding machine. Three heat inputs : 0.5, 1 and 1.8 kJ / mm were used in the experiments. After welding, the specimens were cut from welding zone for microstructure, hardness and toughness examinations. Microstructures were examined by both optical and scanning electron microscopies. The hardness values were measured with Vickers hardness scale applying a load of 5 kg. Specimens for toughness were prepared from both weld metal and HAZ according to BS : 131 : 2 : 1972 and broken at room temperature. From the microstructure examinations, it was observed that microstructures of all the weld metals were nearly the same for the same heat inputs. Consequently the hardness and toughness values were found similar to each other. Depending on the heat input, the microstructures of weld metals changed from martensite + bainite to coarse grain boundary ferrite + coarse acicular ferrite + coarse widmanstatten ferrite + pearlite. The highest toughness values of the weld metals were obtained at the heat input of 1 kJ / mm. Because acicular ferrite as known very tough phase was formed with this heat input. The microstructures in HAZ of the plates 1 and 2 were nearly the same while of the plates 3 and 4 were very similar at the same heat input. DependingVI on the heat input, the microstructures of HAZs changed from martensite + bainite to coarse grain boundary ferrite + coarse widmanstatten ferrite + pearlite in the plates 1 and 2, from martensite + bainite + ferrite to coarse grain boundary ferrite + coarse widmanstatten ferrite + pearlite in the plates 3 and 4. With the heat inputs of 0.5 and 1 kJ / mm, in the HAZs of plates 3 and 4, it was seen that diffusion of carbon did not occurre completely among the austenite grains formed from coarse pearlite and coarse ferrite grains. This is because of the insufficient grain boundaries and high heat capacity. The highest toughness values were obtained with a heat input of 1 kJ / mm in HAZs of plates 1 and 2 whereas with a heat input of 1.8 kJ / mm in the plates 3 and 4. This is because of formation of ferrite + pearlite being not so coarse when it is considered all HAZs for both heat inputs. From microstructure, toughness and hardness observations, it was understood that a medium heat input for the welding of plain - low carbon steels having small grains gave the best results with respect to strength of the weldment while the higher heat inputs resulted in better data with the welding of plain - low carbon steels having coarse grains.