Geri Dön

Çoklu kaynak ıslahı uygulanmış çeliklerin yapısal ve mekanik karakterizasyonu

Structural and mechanical characterization of repair welded steel

PDF İndir

  1. Tez No: 978065
  2. Yazar: BERK ÇAKIR
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ FAİZ MUHAFFEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (HSLA) çeliklerin kullanımı, günümüzdeki teknolojik ilerlemeler ve endüstriyel ihtiyaçların artması ile yükselmiştir. Bu alaşımlar yüksek mukavemet özelliklerinin yanı sıra yaygın çeliklerden farklı olarak yüksek tokluk özellikleri de sağlarlar. Bunun yanı sıra düşük alaşım içeriklerinden dolayı kaynaklanabilirlik özellikleri de ön plandadır. Tüm bu üstün özellikleri ile uçak, uzay ve savunma sektörlerinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadırlar. AISI 4130 çelik alaşımı yüksek kaynaklanabilirlik ve düşük sertleşebilirlik özellikleri ile plaka halinde üretimleri yaygındır. Yüksek mukavemet ve tokluk dayanımı gerektiren kaynaklı yapıların kullanımında AISI 4130 çelik alaşımı tercih edilmektedir. Yüksek mukavemetli su verilmiş ve menevişlenmiş (Q&T) çelikler, geleneksel termo-mekanik yöntemlerle elde edilmesi zor olan özel mekanik özellikleri sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Bu çelikler, esas olarak menevişlenmiş martenzitik bir mikro yapıya sahiptir. Buna karşılık, geleneksel üretim ve şekillendirme yöntemleriyle elde edilen çeliklerde genellikle bainitik veya ferrit-perlitik mikro yapılar tercih edilir. Bu nedenle Q&T çeliklerin kaynaklanabilirliği, termo-mekanik işlem görmüş çeliklere göre farklı kısıtlar ve zorluklar içermektedir. Her ne kadar yüksek kaynaklanabilirlik özellikleri gösterse de metal yapıların kaynak bölgeleri genellikle zayıf bölgeler olarak adlandırılırlar. Özellikle dolgu metali ve proses sırasında ısıdan etkilenen bölge (HAZ) mekanik olarak en düşük mukavemetlere sahip bölgelerdir. Bundan dolayı yüksek basınçlı kaplarda gerçekleştirilen kaynak prosesinin oldukça dikkatli bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Özel ürünlerin kaynak bölgelerinde müşterinin talebine yönelik standart dışı kalite isterleri bulunabilir. Üretim sırasında meydana gelen kaynak hatalarını tespit etmek için tahribatsız muayene yöntemleri (NDT) kullanılabilir. Bu sayede üretilen parçalar tahrip edilmeden kaynak hataları saptanabilir. Eğer saptanan hatalar parçanın yapısal bütünlüğünü zayıflatacak kadar büyük olursa zaten ana metale göre zayıf olan kaynak bölgesi daha da düşük özellikler gösterir ve basınçlı kap çalışma koşulunu sağlayamaz. Parçanın hurda edilmesi ve yeniden üretilmesi ciddi maliyet kaybı getirmektedir. Bundan dolayı kaynak hatasının giderilmesi gerekmektedir. Kaynak bölgesinde hata görülen kısmın kaldırılarak yeniden kaynak yapılmasına kaynak ıslahı ya da kaynak tamiri denmektedir. Kaynak ıslahı, kaynak dolgu metalinin taşlanarak kaldırılması ve ilgili bölgeye yeniden kaynak yapılması esasına dayanır. Bu sayede parçada zayıflığa neden olacak kaynak hatası kaldırılarak parçanın yapısal bütünlüğü sağlanır. Fakat kaynak ıslahı hatanın giderilmesini sağlasa bile birtakım dezavantajlar getirmektedir. Kaynak hatasının olduğu gibi bırakılması ile kaynak ıslahı yapılmasının getireceği dezavantajlar arasında bir çelişki bulunmaktadır. Yeniden kaynak prosesi yürütülmesi sırasında tekrar ısı girdisi olacağı için malzeme mekanik olarak tekrar etkilenecektir. Bu durum da zaten parçanın en zayıf bölgesi olan kaynak bölgesinin tekrar değişimine sebep olacaktır. Ayrıca ısı girdisi nedeniyle (ön/son ışıtıma uygulansa bile) parçada yaşanacak hızlı soğumalar kalıntı gerilmelerin ciddi oranda artmasına ve malzemenin plastik deformasyonuna sebep olabilir. Kaynak işlemi sırasında yaşanacak faz değişimleri ve plastik deformasyon nedeniyle malzemenin lokal mukavemet/sertlik değerlerinde değişimler yaşanacaktır. Her bir parça özelinde kaynak ıslahının etkisi dikkatlice araştırılmalı ve detaylıca çalışılmalıdır. Bazı durumlarda kaynak ıslahı yapılan bölgelerde de kaynak hataları yaşanmaktadır. Bundan dolayı aynı bölgelere tekrar tekrar kaynak ıslahı uygulanması gerekebilir. Uluslararası standartlarda ve literatürde kabul görmüş bir kaynak ıslahı sınırı bulunmamaktadır. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiği zaman kaynak sonrası su verilmiş ve menevişlenmiş (Q+T) HSLA çeliklerine dair tekrarlı kaynak ıslahının mekanik ve yapısal karakterizasyonunu paylaşan çalışmalar bulunmamaktadır. Bu çalışma kapsamında AISI 4130 alaşımlı çelik plakalar kullanılarak tekrarlı kaynak ıslahının mekanik ve yapısal karakterizasyonu incelenmiştir. Tungsten asal gaz (TIG) kaynağı kullanarak kaynaklanan plakalar 5 tekrarlı kaynak ıslahına kadar üretilmiştir. Dolgu metali olarak 4130VM kalite kaynak teli kullanılmıştır. Kaynak proses parametreleri ve kaynak sonrası ısıl işlemler sabit tutularak kaynak ıslahının etkisi görülmek istenmiştir. Kaynak ıslahı öncesi dolgu metali kaldırma işlemi mekanik taşlama yöntemi ile uygulanmıştır. Numunelerin üretimi sırasında parçalar üretim koşullarını yansıtması adına seri üretime benzer adımlar izlenmiştir. Tezin ilk bölümünde mekanik karakterizasyon; çekme testi, sertlik ölçümleri ve Charpy darbe testleri ile gerçekleştirilmiştir. Parçaların nihai mekanik performansını yansıtabilmek amacıyla, tüm mekanik testler kaynak onarımlarının ardından su verme ve menevişleme (Q+T) ısıl işlemine tabi tutulmuş numuneler üzerinde yapılmıştır. Mikroyapısal karakterizasyon kapsamında ise SEM/EDS analizleri, optik mikroskop incelemeleri ve kalıntı gerilme ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Kaynak sonrası mikroyapı, tekrarlı onarımların iç yapıyı nasıl etkilediğini anlamak amacıyla incelenmiş; ayrıca numuneler Q+T işlemi sonrasında da değerlendirilerek ısıl işlemin neden olduğu yapısal değişimler analiz edilmiştir. Isıl işlem öncesindeki mekanik özelliklerin etkisini incelemek amacıyla sertlik testleri ve mikroyapı incelemeleri ısıl işlem öncesi kaynaklanmış durumda da yürütülmüştür.Kalıntı gerilme ölçümleri portatif XRD cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Kaynak etkisini tespit etmek amacıyla ölçümler Q+T ısıl işlemi uygulanmamış numuneler üzerinden gerçekleştirilmiştir. Mekanik test sonuçları incelendiğinde kaynak ıslahları sonrası çekme testi verilerinde (çekme mukavemeti, akma mukavemeti ve uzama) ciddi bir fark gözlemlenmemiştir. Kaynak ıslahı sayısı arttıkça mukavemet değerlerinde çok az artış gözlemlenmiştir. Tam ters olarak uzama değerlerinde de azalma gözlemlenmiştir. Charpy darbe testi sonuçları, çentiğin kaynak metaline açıldığı numunelerde ıslah sayısının artmasıyla birlikte toklukta (J/cm³ cinsinden ölçülen) belirgin bir artış meydana geldiğini göstermiştir. Buna karşılık, çentiğin ısıdan etkilenen bölgeye (HAZ) denk geldiği numunelerde ise kaynak ıslah sayısı arttıkça tokluk değerlerinde ciddi bir azalma gözlemlenmiştir. Sertlik taraması ısıl işlemli numunelere yapıldığında ise kesit boyunca benzer sertlik değerleri ölçülmüştür. Fakat ısıl işlem uygulanmamış numuneler üzerinde gerçekleştirilen sertlik tarama testleri, kaynak ıslahı tekrarı sayısının artmasıyla birlikte pik sertlik değerinin yükseldiğini ve sertlikten etkilenen bölgenin genişlediğini göstermiştir. Yapısal karakterizasyon incelemesinde ısıl işlemli numunelerde uygulanan Q+T işlemi ile HAZ bölgesinin giderildiği yapının tamamen temperlenmiş martenzit içyapısına sahip olduğu görülmüştür. Isıl işlem uygulanmamış numuneler mikroskop altında incelendiğinde, kaba taneli ısıdan etkilenen bölgenin (CGHAZ) kaynak onarımı sayısının artmasıyla birlikte daha da irileştiği gözlemlenmiştir. Bu durum, sonraki östenitleme ısıl işlemi sırasında daha büyük ön östenit tanelerinin oluşmasına neden olmaktadır. Özet olarak Q+T işleminin ardından tekrarlı kaynak ıslahının mekanik özellikler üzerindeki negatif etkisinin ve ısı girdisi etkisinin giderildiği gözlemlenmiştir. Ancak kalıntı gerilme ölçümlerinde özellikle 3. kaynak ıslahı sonrasında ölçülen kalıntı gerilme değerlerinin kaynak sırasında kullanılan tavlanmış AISI 4130 alaşımlı çeliğin akma mukavemetinin üzerinde olduğu ölçülmüştür. Bu durum ısı girdisi nedeniyle yaşanan faz dönüşümleri ve deformasyon sertleşmesi nedeniyle kaynak ıslahı arttıkça ham malzemenin mukavemetinin arttığını göstermektedir. Ayrıca gerçekleştirilen EDS analizleri, seyreltme (dilution) etkisi nedeniyle kaynak onarım sayısının artmasıyla birlikte kaynak metalindeki silisyum (Si) içeriğinde belirgin bir azalma meydana geldiğini göstermiştir. Özet olarak mekanik anlamda kaynak ıslahı sırasında oluşan zafiyetler Q+T ısıl işlemi ile normalize edilmektedir. Fakat proses sırasında oluşan lokal sertleşmeler ve deformasyonlar kaynak ıslahı tekrar sayısı arttıkça yapısal bütünlüğün bozulması adına tehlikeli olabilir.

Özet (Çeviri)

The use of high-strength low-alloy (HSLA) steels has significantly increased in recent years due to advances in technology and the growing demands of modern industries. These alloys not only offer high strength but also exhibit superior toughness compared to conventional steels. Additionally, their low alloy content enhances their weldability. Owing to this combination of superior properties, HSLA steels are widely used in the aerospace, aviation, and defense industries. The AISI 4130 steel alloy, known for its good weldability and low hardenability, is commonly produced in plate form. It is particularly preferred in welded structures requiring high strength and toughness. High-strength quenched and tempered (Q&T) steels were developed to achieve specific mechanical properties that are difficult to obtain through conventional thermo-mechanical processes. Their microstructure predominantly consists of tempered martensite. In contrast, steels produced and formed by traditional methods typically exhibit bainitic or ferrite–pearlite microstructures. Consequently, the weldability of Q&T steels presents distinct challenges and limitations compared to thermo-mechanically processed steels. Despite their favorable weldability, the welded regions of metallic structures are typically considered to be the weakest zones. In particular, the filler metal and the heat-affected zone (HAZ) developed during welding are mechanically less robust. Therefore, welding processes applied to high-pressure vessels must be conducted with great care. In certain critical applications, customers may impose non-standard quality requirements for weld zones. Non-destructive testing (NDT) methods can be employed during manufacturing to detect welding defects without damaging the component. If such defects are large enough to compromise the structural integrity of the part, the already weaker weld region may experience a further reduction in performance, rendering it unsuitable for service in pressure vessel applications. Scrapping and re-manufacturing such parts would result in significant financial losses. Hence, welding defects must be repaired. The process of removing defective weld zones and reapplying welds is referred to as weld repair or weld reclamation. This involves grinding away the defective weld metal and re-welding the affected area. In doing so, the structural integrity of the component is restored by eliminating defects that could compromise its performance. However, weld repair can introduce its own set of challenges. A dilemma often arises between leaving the defect as-is and performing a weld repair. The re-welding process subjects the material to repeated thermal cycles, which may further affect the mechanical properties of the already sensitive weld area. Additionally, despite preheating or post-heating procedures, the heat input during welding may cause rapid cooling, leading to significant residual stress accumulation and plastic deformation. Phase transformations and plastic deformations occurring during welding may also alter the local mechanical properties, such as strength and hardness. Therefore, the effects of weld repair must be carefully investigated and understood on a case-by-case basis. In some cases, weld defects may still be observed even after repair, necessitating repeated weld repairs in the same location. Currently, there are no internationally standardized or widely accepted limits for the number of allowable weld repairs. Moreover, the literature lacks comprehensive studies on the mechanical and microstructural characterization of repeatedly repaired and subsequently quenched and tempered (Q+T) HSLA steels. This study investigates the mechanical and microstructural effects of repeated weld repair on AISI 4130 steel plates. The plates were welded using the Tungsten Inert Gas (TIG) welding method and subjected to up to five successive weld repairs. A 4130VM-grade filler wire was used during welding. To isolate the effects of repeated repairs, all welding parameters and post-weld heat treatments were kept constant. Prior to each repair, the filler metal was removed by mechanical grinding. To closely reflect industrial production conditions, a series of standardized manufacturing steps was followed during sample preparation. In the first part of the thesis, mechanical characterization was conducted through tensile testing, hardness measurements, and Charpy impact tests. To represent the final mechanical performance of the components, all mechanical tests were performed on specimens subjected to quenching and tempering (Q+T) heat treatment after weld repairs. Microstructural characterization included SEM/EDS analyses, optical microscopy, and residual stress measurements. The post-weld microstructure was examined to understand how repeated repairs influenced the internal structure, and additional analyses were carried out after the Q+T treatment to evaluate the structural changes induced by heat treatment. To investigate the effect of mechanical properties prior to heat treatment, hardness testing and microstructural examinations were also performed in the as-welded condition. Residual stress measurements were performed using a portable X-ray diffraction (XRD) device. To assess the direct influence of welding, these measurements were carried out on as-welded specimens without Q+T treatment. Tensile test results indicated that repeated weld repairs did not significantly affect the mechanical properties such as ultimate tensile strength, yield strength, and elongation. A slight increase in strength values was observed with an increasing number of repairs, while elongation tended to decrease. According to the Charpy impact test results, specimens with notches located in the weld metal exhibited a noticeable increase in toughness (measured in J/cm³) with the number of repairs. In contrast, specimens with notches positioned in the heat-affected zone (HAZ) showed a significant decrease in toughness as the number of weld repairs increased. Hardness mapping showed relatively consistent hardness values across the cross-section on heat treated specimens. Hardness mapping tests conducted on specimens without heat treatment revealed that as the number of weld repairs increased, both the peak hardness value and the width of the hardness-affected zone increased. Microstructural analysis of Q+T-treated specimens showed that the HAZ was eliminated and the structure had fully tempered martensitic morphology. Microscopic examinations of specimens without heat treatment revealed that the coarse-grained heat-affected zone (CGHAZ) became increasingly coarser with a higher number of weld repairs. This phenomenon leads to the formation of larger prior austenite grains during the subsequent austenitizing heat treatment. In summary, the adverse effects of repeated weld repairs and thermal cycles on mechanical properties were effectively mitigated by the Q+T treatment. However, residual stress measurements indicated that, particularly after the third weld repair, the residual stress levels exceeded the yield strength of the annealed AISI 4130 base material used during welding. Furthermore, these observations suggest that repeated heat input and the associated phase transformations and strain hardening increased the strength of the base material. Furthermore, EDS analyses revealed that due to the dilution effect, the silicon (Si) content in the weld metal decreased noticeably with an increasing number of weld repairs. In conclusion, while the Q+T heat treatment effectively normalizes the mechanical weaknesses introduced by weld repair, localized hardening and deformation during the repair process may pose risks to structural integrity as the number of repairs increases.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    855037

    A fair division approach to understanding distribution principles in Islamic law of inheritance

    Adil paylaşım perspektifinden İslam miras hukuku paylaşım prensipleri

    BURAK DOĞAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Ekonomiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İktisat Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ERTEMEL

  2. Tez No

    650265

    Mera alanlarında bulunan bitki türleri ve etkileri: Düzce merkez örneği

    The plant species and their impacts in pasture areas: A case study from Düzce central district

    UFUK AKGÜN AKSAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    ZiraatDüzce Üniversitesi

    Bitki Koruma Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE YAZLIK

  3. Tez No

    468696

    Sağlıklı beslenmede kullanılan bazı tohumların sabit yağlarının mukayeseli fitokimyasal analizi

    Comparative phytochemical oil analysis of some seeds used in healty nutrition

    ZUHAL GÜLER ÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Eczacılık ve FarmakolojiBezm-İ Alem Vakıf Üniversitesi

    Farmakognozi ve Doğal Ürünler Kimyası Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLAÇTI TOPÇU

    YRD. DOÇ. DR. ECE SEVGİ

  4. Tez No

    353535

    Jet Grout yönteminin zemin iyileştirmesine katkısının ve bu yöntemde kullanılan parametrelerin etkilerinin irdelenmesi

    Investigation of the contribution of Jet Grouting to soil improvement and the effects of the parameters used in this method

    RECEP AKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SIDDIKA NİLAY KESKİN

  5. Tez No

    541858

    Bazı pamuk (Gossypium hirsutum L.) genotiplerinin çoklu dizi (line X tester) melezlerinde tarımsal ve teknolojik özelliklerin kalıtımı

    The inheritance of agricultural and technological properties of some cotton genotypes (Gossypium hirsutum L.) in line X tester hybrids

    NAZİFE ÖZKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    ZiraatHarran Üniversitesi

    Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OSMAN ÇOPUR

Geri Dön