Çift Fazlı Çelik Nedir

 

Çift fazlı çelikler, mikroyapılarında ferrit matriks içinde, adacıklar şeklinde %15-20 oranında martensit fazı içeren düşük karbonlu, az alaşımlı veya alaşımsız yüksek mukavemetli çelik türü olup, "çift faz" terimi bu çeliklerin mikroyapıları nedeniyle kullanılmaktadır. Çift fazlı çeliklerin mekanik özellikleri ferritik-perlitik mikroyapıya sahip Yüksek Mukavemetli Az Alaşımlı (YMAA) ve az karbonlu alaşımsız çeliklerden oldukça farklıdır.

Genel olarak, eşit çekme mukavemetindeki ferritik perlitik çeliklerden (YMAA ve az karbonlu çelikler) daha yüksek süneklige sahip olan çift fazlı çeliklerin gerilme-birim şekil değiştirme eğrilerinde elastik deformasyondan plastik deformasyona geçerken süreksiz akma olayının meydana gelmemesi ve düşük deformasyon oranlarında deformasyon sertleşmesi hızının yüksek olması, bu çeliklerin özellikleri arasındadır. Akma mukavemeti/çekme mukairemeti oranı düşük ve biçimlenebilme kabiliyeti yüksek olan çift fazlı çelikler, yüksek (mukavemet/ağırlık) parametresine de sahip olduklarından, taşıt ağırlığını ve dolayısıyla yakıt tüketimini azaltmak amacıyla 1975 yılı sonlarına doğru otomotiv endüstrisinde kullanılmaya başlanmıştır.

Biçimlendirilen otomobil parçalarından beklenen özelliklerden birisi de, bunların ani ve aşırı dış kuvvetlere karşı direnç göstermeleridir. Çift fazlı çeliklerde bu direnç, soğuk biçimlendirme sırasında oluşan deformasyon sertleşmesine ilaveten, biçimlendirilmiş parçaların boyanmasından sonra, 170°C sıcaklıktaki fırınlarda 20-30 dakikalık sürede yapılan boya kurutma işlemi sırasında daha da artmaktadır. Boya kurutma işlemi sırasında meydana gelen bu olay “fırınlama sertleşmesi”  olarak adlandırılmakta olup, çift fazlı çeliklerin önemli özelliklerinden biridir.

Tekerlek jantı, koltuk çerçevesi, tampon, kapı panelleri gibi, presle biçimlendirilen otomobil parçaları yapımında kullanılan çift fazlı çelikler, 1980 yılından itibaren ticari olarak büyük tonajlarda üretilmeye başlanmıştır. Günümüzde ticari olarak çift fazlı çelik üreten ülkeler (A.B.D., Japonya, İngiltere, İtalya, Fransa, Almanya ve Lüksemburg) üretimlerini genellikle sürekli tavlama (continuous annealing) ve haddeleme (hot strip mill rolling) metotlarıyla yapmaktadırlar. Diğer bir üretim metodu olan ve soğuk haddelenmiş saçlara uygulanan kutu tavı (batch annealing) metodu ise, henüz gelişme aşamasında olduğundan çok dar bir kullanım alanına sahiptir.

Önerilen Makale: Çelik mil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik transmisyon mili fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Çift fazlı çeliklerin üretimindeki en önemli aşama, az karbonlu çeliklerin FeC denge diyagramındaki A₁-A₃ sıcaklık aralığında tutulması olup, çift faz mikroyapısı, bu sıcaklıkta ferrit ile birlikte bulunan ostenit tanelerinin martensite dönüşmesiyle elde edilir. Ancak, ısıl işlemin uygulanma yöntemine bağlı olarak farklı nihai mikroyapılar elde etmek mümkündür. Bu tür mikroyapıların mekanik özellikler açısından, birbirlerine göre bir takım üstünlükleri mevcuttur.
 
Çift faz mikroyapısında sert ve deformasyona dirençli ikinci fazın oluşmasına sebep olan martensitik dönüşüm esnasında meydana gelen %2-4 mertebesindeki hacim genişlemesi ferrit fazını plastik deformasyona zorladığından, ferrit tanelerinin ferrit/martensit ara yüzeyine yakın bölgelerinde serbest dislokasyonlar ve kalıntı gerilmeler oluşmaktadır. SOROSIEK ve OWEN %26 martensit fazı içeren çift fazlı çelik için, dislokasyon yoğunluğunu kantitatif olarak, martensite yakın bölgelerde 10¹¹cm^-2, ferrit tanelerinin merkezine yakın bölgelerde ise 10⁸ cm^-2 mertebelerinde olduğunu belirlemişlerdir. Bu araştırıcılara göre, martensit hacim oranının artması halinde martensit civarındaki dislokasyon yoğunluğu yine 10¹¹ - 10¹² cm^-2 olmasına rağmen, ferrit taneleri içinde dislokasyon dağılımı daha homojenleşmekte yani, düşük dislokasyon yoğunluğuna sahip bölgeler azalmaktadır.

Çeliğin mikroyapısında A1-A3 sıcaklık aralığında ferrit ile birlikte bulunan ostenitin dönüşümü, soğuma hızına bağlıdır.  Yavaş soğuma (2°C/s) ile mikroyapıda daha fazla ferrit oluşur. Ayırt edebilmek için, yavaş soğuma esnasında ostenit tane sınırlarında oluşan bu eş eksenli ferrite "yeni ferrit", mikroyapıda daha önceden (yani 790°C'de) mevcut ferrite ise, "eski ferrit" adı verilmiştir. Eğer soğuma hızı çok düşük ise, geri kalan ostenit perlite dönüşür. Ancak soğuma hızının biraz artması (5°C/s) ostenitin bir kısmının beynite dönüşmesine neden olur.

Soğuma hızı, çift fazlı çeliklerin mikroyapısının yanı sıra, mekanik özelliklerini de etkilemektedirler. Soğuma hızının artması, mukavemeti artırırken sünekliğin azalmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, hızlı soğutulmuş çift fazlı çelikler (genellikle alaşımsız olanlar) sünekliklerinin artırılması amacıyla temperlenirler. Temperleme işleminden mikroyapıda bulunan fazlar birbirlerinden farklı olarak etkilenirler. Temperleme ile karbürlerin çökelmesi sonucu ferritte çözünmüş olan karbon atomlarının azalması, bu fazın yumuşamasına sebep olmaktadır. Ayrıca ferrit fazında karbür çökelmesinin yanı sıra, su verme sırasında oluşmuş olan dislokasyonlar düzene girmekte ve kalıntı gerilmeler azalmaktadır. Martensitte ise önce küçük karbürler çökelmekte ve temperleme sıcaklığı arttıkça, bu fazın sertliği azalmaktadır. Kalıntı ostenit ise, 200-400°C de beynite dönüşmektedir.
 

Çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerini kontrol eden en önemli mikroyapı bileşeni martensit fazıdır. Martensit hacim oranının (Vm) artması mukavemeti artırırken sünekliğin azalmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, optimum mekanik özellikler, mikroyapısında %15-20 martensit fazı içeren çift fazlı çeliklerden elde edilmektedir. 

Çift fazlı çeliklerin mikroyapısında bulunan martensit fazının miktarı, A₁-A₃ sıcaklık aralığında oluşan ostenit tanelerinin sertleşme kabiliyetine bağlı olup, artan soğuma hızı ile artmaktadır. Bunun yanı sıra, çeliğin karbon miktarı ve/veya A₁-A₃ arasındaki su verme sıcaklığı arttıkça da martensit hacim oranı artmaktadır. Ancak, su verme sıcaklığının artması, martensit fazının karbon içeriğinin azalmasına sebep olmaktadır. Martensitin karbon içeriği bu fazın alt yapısını kontrol eden bir faktör olup, martensitteki karbon miktarı arttıkça, alt yapı dilim martensitten ikiz martensite dönüşmekte ve martensitin sertliği artmaktadır. Bu da mukavemeti artırırken sünekligi azalttığından, çift fazlı çeliklerde arzu edilen martensit alt yapısı dilim martensittir. DAVIES ile BORTSOV ve FONSHTEYN ise, çift fazlı çeliklerde, mukavemetin, martensit hacim oranına bağlı olduğunu, fakat martensitin karbon içeriğinden etkilenmediğini ileri sürmektedirler.

Çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerini etkileyen diğer bir faktör ise, martensit adalarının çapıdır. Martensit adalarının çapı çekme mukavemetini belirgin olarak etkilememesine rağmen, optimum süneklik-mukavemet kombinasyonu, martensit adalarının çapının mümkün olduğu kadar küçük tutulmasıyla sağlanabilir.
 
A1-A3 sıcaklık aralığında oluşan ostenitin martensite dönüşmesi sırasında meydana gelen %2-4 mertebesindeki hacim genişlemesi, ferrit fazının plastik deformasyonuna sebep olduğundan, ferrit tanelerinin ferrit/martensit ara yüzeyine yakın bölgelerinde serbest dislokasyonlar ve kalıntı gerilmeler oluşmaktadır. Bu serbest dislokasyonlar, kalıntı gerilmelerin tesiri ile de dislokasyon yoğunluğu düşük olan ferrit tanelerinin iç bölgelerine kolayca ilerleyebildiklerinden, çift fazlı çeliklerin hem süreksiz akma olayı giderilmekte ve hem de akma mukavemeti düşük olmaktadır. Ancak, martensit hacim oranının çok düşük olması ve/veya mikroyapıda martensitin yanı sıra önemli miktarda perlitin bulunması halinde, çift fazlı çeliğin gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinde süreksiz akma görülmektedir. Ayrıca, martensit partiküllerinin yapıda homojen dağılmaması da süreksiz akmaya sebep olan diğer bir faktördür.
 
Belirli bir martensit hacim oranındaki çift fazlı çeliğin gerek akma ve gerekse çekme mukavemetine ferrit tane boyutunun etkisi Hall-Petch bağıntısıyla ifade edilebilmektedir. YANG, SUN ve LIE 'ye göre, martensit hacim oranı arttıkça ferritin sertliği de artmaktadır. Ferrit içinde karbür ve/veya karbonitrür çökeltilerinin bulunması veya bu fazın karbon içeriğinin yüksek olması, dislokasyon hareketlerini güçleştirdiğinden ferritin ve dolayısıyla, çift fazlı çeliklerin akma mukavemetini artırmakta fakat sünekliğini azaltmaktadır. Özellikle az alaşımlı çift fazlı çeliklerde ferrit fazında çözünen karbon miktarı yavaş soğuma ile azaltılabilir. Ancak yavaş soğuma ile oluşan ve mikroyapıda genellikle martensit ile eski ferrit arasında bulunan yeni ferrit, ince çökeltiler içermesi ve/ veya karbon içeriğinin yüksek olması nedeniyle, eski ferrite nazaran daha düşük deformasyon kabiliyetine sahiptir. BANGARU ve SACHDEV ise, mikroyapıda bulunan yeni ferritin mekanik özellikleri olumlu yönde etkileyebileceğini ileri sürmüşlerdir. Yüksek soğuma hızlarında oluşan ignesel ferrit ise, çift fazlı çeliklerin mukavemetini artırırken sünekliğini azaltmaktadır. Bu bilgilerin ışığında, belirli bir martensit hacim oranındaki çift fazlı çelik için optimum mekanik özelliklerin, ferrit tanelerinin mümkün olduğu kadar küçük, temiz ve eşeksenli tutulması ile sağlanacağı söylenebilir. 

Çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerini kontrol eden diğer bir faz ise, kalıntı ostenittir. Bu faz, çift faz mikroyapısında bileşim ve soğuma hızı gibi faktörlere bağlı olarak %2-9 mertebesinde bulunabilir. Çift fazlı çeliklerin mikroyapısında bulunan kalıntı ostenit, deformasyonla martensite dönüşmekte ve bu da sünekliğin artmasına neden olmaktadır. Bu fazın kararlılığının artması, süneklik artışını daha da belirginleştirmektedir. Ancak, kalıntı ostenit miktarı düşük ise, süneklikte görülen söz konusu artış, ihmal edilebilecek düzeyde kalır.