Çift Fazlı Çelikler

Malzeme kullanan bütün endüstri alanlarında üreticiler, üstün özelliklere sahip hafif, dayanımlı, şekillendirme kabiliyeti ve şekillendirme sonrası dayanımı iyi olan malzeme kullanmayı arzu ederler. Bu arzu, kullanıcılar açısından da geçerlidir. Özellikle otomotiv endüstrisinde taşıt ağırlığının azaltılması yakıt ve maliyet tasarrufu sağladığı için en büyük hedeflerden biridir. Enerji krizlerinin yaşandığı zamanlarda bu konu daha da ön plana çıkmaktadır. Yine bir enerji krizinin yaşandığı yetmişli yıllarda yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (YMDA, HSLA) çeliklerin yerine kullanılabilecek ve bu çeliklerden üretilen çift fazlı çelikler geliştirilmiştir. Çift fazlı çelikler üzerine yapılan çalışmaları otomotiv üreticileri de desteklemiş ve bu doğrultuda çelik üreticileri yogun araştırmalar yapmışlardır.

Aslında, ellili yıllarda, sade karbonlu çeliklerin yerine YMDA çeliklerinin kullanılması taşıt ağırlığının azaltılması açısından çok önemli bir avantaj sağlamıştır. Bununla birlikte şekillendirilme kabiliyetlerinin iyi olmaması bir dezavantaj oluşturmuştur. Bu çeliklerden üretilen çift-fazlı çelikler süper dayanım-süneklik kombinasyonları ve dolayısıyla iyi şekillendirilme kabiliyetleri ile özellikle otomotiv endüstrisinde YMDA çeliklerinin yerine kullanılmıştır.

Çift-fazlı çelikler kimyasal içerik olarak YMDA çeliklerinin bir çeşididir. Kritik tavlama su verme ısıl işlemi ile üretilmektedirler. Mikroyapıları yumuşak ferrit anayapı içerisinde dağılmış martenzit fazlarından oluşmaktadır. Mikroyapılarında çok az miktarda kalıntı östenit, beynit veya perlit içerebilmelerine karşın çift-faz terimi esas fazları oluşturan ferrit ana yapı ve ikinci faz martenzitten ileri gelmektedir. Bu çelikler üretildikleri YMDA çelikleri ile kıyaslandığında pek çok şartlar için ideal olarak ifade edilebilecek özelliklere sahiptirler. Bunlar sürekli akma davranışı, düşük akma dayanımı, yüksek pekleşme hızı, düzgün ve toplam uzama ve düşük akma oranı gibi özelliklerdir.

Çift-fazlı çelikler üzerine çalışmaların 1970’li yıllarda başlamasına karşın, 1975’te Hayami, Furukava ve Rashid (1975)’in çalısmaları ile tanınmıştır. Bugüne kadar da pek çok çalışma yapılmıştır. Çift-fazlı çelikler halen Amerika, Japonya ve Avrupa’da değişik otomobil parçalarının (kaporta sacı, jant vb.) imalatında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Çift-fazlı çeliklerin dayanımları büyük oranda martenzit fazı hacim oranı (MHO) ve %C içeriğine bağlıdır. Martenzitin olabildiğince sert olması gereklidir. Bunun yanında süneklik ise ferrit fazı hacim oranı ve özelliklerine bağlıdır. Ferritin en önemli aranan özelliği ise saf (katı eriyik atomları ve çökelekler gibi etkenlerden arınmış) olmasıdır. Terazi kuralı gereğince faz hacim oranlarının ayarlanarak istenilen mekanik özelliklerin elde edilebilmesi çift-fazlı çelikler için önemli bir avantajdır.

İdeal çift-fazlı çelik özellikleri için, ticari çift-fazlı çeliklerde en fazla %0.3 C ve %15-25 MHO arzu edilir. Soğutma sonrasında ikinci fazı oluşturan martenzit haricinde beynit, perlit veya kalıntı östenit gibi fazların oluşması ideal çift-fazlı çelik özelliklerinin elde edilememesine sebep olur. Dolayısıyla ideal çift fazlı-çelik özelliklerini sağlamak için kimyasal kompozisyonun yanında üretim şartları ve ısıl işlem rotalarının optimum bir şekilde belirlenmesi zorunludur.

Çift-fazlı çelik üretim ısıl işleminin esasını kritik sıcaklıklarda tavlama + su verme oluşturmaktadır. Farklı ısıl işlem rotaları izlenerek üretilen farklı baslangıç mikro yapılarından farklı faz morfolojilerine ve farklı sıcaklıklarda kritik tavlama yapılarak da farklı MHO’na sahip çift-fazlı çelikler üretilebilir. Buda mikroyapı-mekanik özelliklerin ayarlanması açısından çok önemli bir avantajdır.

Ticari çift-fazlı çelikler genellikle üç şekilde üretilirler:

Sıcak hadde sırasında (genellikle çubuk malzemeler için)

Sürekli tavlama (genellikle sac malzemeler için)

Kutu (batch) tavlama (genellikle sac malzemeler için)

Her üretim şeklinin diğerine göre avantaj ve dezavantajı olmakla birlikte sıcak hadde şartlarında çift-fazlı çelik üretimi diğer üretim şekillerine göre önemli bir oranda para tasarrufu sağlamaktadır. Ayrıca sıcak haddeleme sonrası yapılması gereken pek çok işlemi ortadan kaldırmaktadır. Bu üretim şeklinde fabrika üretim şartlarının, çeliğin kimyasal kompozisyonunun ve proses değişkenlerinin ideal çift fazlı-çelik özelliklerinin elde edilebilmesi için ayarlanması gerekmektedir. Bununla birlikte ticari çelik sacların arzu edilen özellikleri (yüzey temizliği, üniform özellikler vb.) için sürekli tavlama hatlarında üretim tercih edilir. Sürekli tavlama hatları 30-40 yıldır saçak daldırma ile galvanizlenmiş çelikler, ince levhalar, yönlendirilmiş elektrik çelikleri ve paslanmaz çelik saclar ve yaklaşık 20 yıldır da çift-fazlı çelik sac üretiminde kullanılmaktadır.

Su verilmiş çift fazlı çelik sacların temperlenmesi sıcak daldırma ile galvanizleme sırasında veya boya pişirme sırasında yapılabilir. Boya pişirme sırasında, sac önceden deforme edilmiş olduğundan, deformasyon yaşlanması oluşabilir. Üretim hattında temperleme aşırı temperlenmeyi önlemek için uygulanabilir. Bu tür bir temperleme işleminde, her iki faz da farklı davranışlar gösterir. Yüksek karbon içeren martenzit fazında hatalı yapının toparlanması, karbürlerin çökelmesi ve kalıntı ostenitin dönüşümü beklenir. Ferrit fazında ise, dislokasyonlarda karbonun segrege olması ve karbürlerin çökelmesi beklenir. İki fazın bir arada bulunması nedeniyle kalıntı gerilmeler ve ferritte yüksek dislokasyon yoğunluğu mevcuttur. Bu nedenle dislokasyonlarda karbonun segrege olması ve ferritin hacimsel büzülmesi nedeniyle kalıntı gerilmelerin giderilmesi temperleme işleminde önemlidir. 200 ºC civarında yapılan temperlemede, karbonun dislokasyonlarda segrege olması ve kalıntı gerilmelerin yok olması nedeniyle akma mukavemetinde bir artış olur ve eğer çeliğin martenzit içeriği %30’un altında ise süreksiz akmaya geçis olur. Genel olarak, çift fazlı çelikler oda sıcaklığında yaşlanmazlar ve 270 ºC’ye kadar olan sıcaklıklarda yavaş bir yaslanma davranışı gösterirler. Ancak soğuk işlem veya çekme nedeniyle oluşan deformasyon yaşlanma işlemini hızlandırır.