- ÖZET / ABSTRACT
Enine yönde alınan numunelerde akma mukavemeti (YS) ve çekme mukavemeti (UTS) değerlerinin boyuna numuneye kıyasla sistematik olarak yüksek çıktığı tespit edilmiştir; 200 bobinlik istatistiksel veri seti bu eğilimi doğrulamaktadır. Buna karşın Charpy tokluğu boyuna numunelerde belirgin biçimde üstündür (L: 252 J, T: 197 J, 0°C). DWTT ve sertlik ölçümleri yön bağımlılığı göstermemiştir. Mikroyapısal analizde ferrit–perlit bantlaşması ve merkez segregasyon bölgesindeki boyuna uzamış MnS inklüzyonları (10–50 µm) tespit edilmiştir; bu inklüzyonların boyuna yöndeki akma ve çekme mukavemetini düşüren baş etken olduğu değerlendirilmektedir.
This study investigates the anisotropic mechanical behavior of API 5L / EN ISO 3183 Grade X65 pipeline steel in longitudinal (L) and transverse (T) orientations relative to the rolling direction. Hot-rolled coil specimens of 14 mm thickness produced via thermomechanically controlled processing (TMCP) were characterized by tensile testing (EN ISO 6892-1), Charpy V-notch impact testing (EN ISO 148-1), and Drop-Weight Tear Testing (DWTT / API RP 2Z). Microstructural analysis was performed by optical microscopy and SEM-EDS. Transverse specimens consistently exhibited higher yield and tensile strength, while longitudinal specimens showed superior Charpy toughness. Elongated MnS inclusions at mid-thickness segregation bands are identified as the primary microstructural driver of the observed strength anisotropy.
- GİRİŞ
Mekanik özelliklerdeki yön bağımlılığı — anizotropi — çelik üretim sürecinin kaçınılmaz bir sonucudur ve kökeni birden fazla eş zamanlı mekanizmaya dayanmaktadır: (i) TMCP sırasında haddeleme gerilimlerinin oluşturduğu kristalografik doku (tekstür), (ii) sürekli döküm katılaşmasından kaynaklanan kimyasal segregasyon kaynaklı bantlaşma, (iii) haddeleme ile mekanik deformasyona uğrayan MnS ve silikat tipi inklüzyonların uzama yönüne paralel biçimde şekillenmesi. Bu faktörlerin birleşimi, L ve T yönlerinde farklı çekme, tokluk ve kırılma davranışı doğurmaktadır.
Literatürde Joo ve ark. [4], API X80 çeliğinde Charpy tokluğunun boyuna numunelerde enine numuneye kıyasla anlamlı ölçüde yüksek olduğunu raporlamış; bu davranışı oksit ve sülfür inklüzyonlarının uzama yönündeki etkisine ve {001}〈110〉 tipindeki deformasyon dokusu bileşenlerine bağlamıştır. Hutchinson [2], metalik malzemelerde anizotropinin kristalografik doku ile inklüzyon morfolojisinin süperpozisyonundan kaynaklandığını kapsamlı biçimde ele almıştır.
Bu çalışmada ticari ölçekte üretilmiş X65 bobinleri üzerinde sistematik bir mekanik karakterizasyon protokolü uygulanmış; L ve T yönlerindeki çekme, Charpy ve DWTT sonuçları optik mikroskop ve SEM-EDS ile elde edilen mikroyapısal bulgularla birlikte yorumlanmıştır. Çalışma, 200 bobin verisini kapsayan istatistiksel boyutu ile tek bobin üzerindeki gözlemsel çalışmalardan ayrışmakta ve endüstriyel ölçekte anizotropi değerlendirmesine katkı sunmaktadır.
- MALZEME VE DENEYSEL YÖNTEM
Çalışmada kullanılan malzeme, API 5L / EN ISO 3183 X65 standardına uygun olarak TMCP yöntemiyle üretilmiş sıcak haddelenmiş bobinlerdir. Bobin kalınlığı 14 mm olup kimyasal bileşim API 5L X65 için tanımlanan sınır değerlere uygundur (Tablo 1). Karbon eşdeğeri (Pcm veya IIW bazında) kaynak kabiliyeti açısından kabul edilebilir seviyede tutulmuştur. Mikro-alaşımlama elemanları olarak Nb, V ve Ti içeren bileşim, tanecik inceltme ve presipitasyon sertleşmesini hedeflemektedir.
C (maks.) Mn (maks.) Si (maks.) S (maks.) P (maks.) Ti+V+Nb (maks.)
0,12 1,60 0,45 0,015 0,025 0,15
Tablo 1. X65 kimyasal bileşim sınır değerleri (kütlece %, API 5L)
Standart mekanik özellik gereksinimleri aşağıda verilmiştir:
Akma Mukavemeti (min.) Çekme Mukavemeti (min.) % Uzama (min.)
448 MPa (45,9 kg/mm²) 535 MPa (54,6 kg/mm²) %24
Tablo 2. X65 standart mekanik özellik gereksinimleri (API 5L)
3.2. Numune Yönlendirmesi ve Test Protokolü
Her bobin numunesinden haddeleme yönüne dik (enine — T) ve haddeleme yönüne paralel (boyuna — L) olmak üzere iki yön için ayrı ayrı çekme, Charpy V-çentik darbe ve DWTT numuneleri çıkartılmıştır. Bu yöntem, yön bağımlılığının birbiriyle tutarlı bir veri zeminine oturtulmasını sağlamıştır.
Çekme deneyleri 600 kN kapasiteli servo-hidrolik çekme cihazında, EN ISO 6892-1 standardı doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Numune genişliği 38 mm, başlangıç ölçüm uzunluğu 400 mm olarak alınmıştır. Charpy V-çentik darbe deneyleri RKP450 tipi pendül çekiç cihazında, 0°C'de uygulanmış ve ENERJİ (J) cinsinden raporlanmıştır; standart yön kuralı uyarınca numune T yönünde kesilmişken çentik L yönünde konumlandırılmıştır. DWTT deneyleri API RP 2Z kapsamında ilgili numune geometrisiyle uygulanmıştır. Sertlik ölçümleri Vickers yöntemi ile (HV10) gerçekleştirilmiştir.
Anizotropik eğilimin tek bir bobinle sınırlı kalmaması için çekme deneyi kapsamında 200 farklı bobinden ek numuneler temin edilmiş ve L/T yönleri karşılaştırılmıştır.
3.3. Metalografik ve Mikro Yapısal İnceleme
Metalografik numune hazırlığı standart sıralı zımpara ve elmas pastası polisaj prosedürü ile tamamlanmış; mikro yapı %2 Nital ile açığa çıkarılmıştır. Optik mikroskopi (OM) x500 ve x1000 büyütmelerde uygulanmıştır. Tane boyutu ölçümü, lineer kesişim yöntemi temelinde ASTM E112-13 standardına göre yapılmıştır. İnklüzyon tipi, dağılımı ve boyutu SEM (taramalı elektron mikroskobu) ve EDS (enerji dispersif spektroskopi) ile karakterize edilmiştir.
- BULGULAR
Tek bobin numunesinden elde edilen çekme testi sonuçları Tablo 3'te özetlenmiştir. Enine numunede akma mukavemeti (YS) 515 MPa (52,5 kg/mm²), boyuna numunede ise 481 MPa (49,1 kg/mm²) olarak ölçülmüştür; bu fark yaklaşık 34 MPa'ya karşılık gelmektedir. Çekme mukavemeti (UTS) değerleri de benzer eğilim sergilemiş; enine numunede 628 MPa (64,1 kg/mm²) ve boyuna numunede 608 MPa (62,1 kg/mm²) olarak gerçekleşmiştir.
Numune Yönü YS (MPa) UTS (MPa) % Uzama
Enine (T) 515 628 28,2
Boyuna (L) 481 608 30,1
API 5L X65 (min.) 448 535 24
Tablo 3. Tek bobin numunesinde L ve T yönleri çekme testi sonuçları
200 farklı bobin üzerinde gerçekleştirilen doğrulama çalışmasında enine akma mukavemeti ortalama 510 MPa, boyuna akma mukavemeti ise ortalama 481 MPa olarak ölçülmüştür. Bu veri seti, gözlemlenen anizotropinin tek bir bobinle sınırlı kalmayan, üretim prosesi kaynaklı sistematik bir davranış olduğuna işaret etmektedir. Boyuna numunelerde % uzama değerlerinin enine numuneye kıyasla hafif daha yüksek çıkması, L yönündeki deformasyon mekanizmasının farklılığıyla tutarlıdır.
4.2. Charpy V-Çentik Darbe Tokluğu
0°C'de uygulanan Charpy V-çentik testi sonuçları, mekanik anizotropinin yalnızca statik yükleme koşullarıyla sınırlı olmadığını açıkça ortaya koymaktadır. Boyuna numuneler 252 J tokluk değeri sergilerken enine numunelerde bu değer 197 J olarak ölçülmüştür; iki yön arasındaki fark yaklaşık 55 J'dür (Tablo 4).
Numune Yönü Charpy 0°C (J) DWTT (SA%) Sertlik (HV10)
Enine (T) 197 Benzer Benzer
Boyuna (L) 252 Benzer Benzer
Tablo 4. Charpy, DWTT ve sertlik karşılaştırması (0°C)
DWTT'de kırılma yüzey alanı oranı (Shear Area %) ve Vickers sertlik değerleri her iki yönde anlamlı bir farklılık sergilememiştir. Bu bulgu, makro ölçekli sertlik ve yırtılma tokluğunun statik çekme ve dinamik darbe enerjisine kıyasla daha az yön bağımlı olduğuna işaret etmektedir.
4.3. Mikroyapısal Bulgular
TMCP ile üretilen X65 çeliğinin tipik mikroyapısı ferrit matris içinde ince lamel perlit kolonlerinden oluşmakta olup bantlı bir dağılım sergilemektedir. ASTM E112-13'e göre enine numunede ortalama ASTM tane boyutu 11,7 (yaklaşık 6–7 µm), boyuna numunede ise 11,4 olarak ölçülmüştür; bu değerler arasındaki fark metalurjik açıdan ihmal edilebilir düzeydedir.
Bantlaşma, sürekli döküm prosesindeki katılaşma aşamasında oluşan Mn ve C segregasyonunun haddeleme deformasyonu ile katmanlara yayılmasından kaynaklanmaktadır. Mn açısından zengin bölgeler, daha düşük Ar3 sıcaklığına sahip olduğundan soğuma sırasında önce perlit/bainit fazına dönüşmekte ve band morfolojisini belirlemektedir.
Boyuna yönde hazırlanan metallografik numunelerin merkez kalınlık bölgesinde, 10–50 µm uzunluk aralığında uzamış MnS inklüzyonları ve birlikte bazı silikat esaslı kompleks inklüzyonlar tespit edilmiştir. Bu inklüzyonlar haddeleme sürecinde plastik deformasyona uğrayarak haddeleme yönünde uzamış morfoloji kazanmıştır. Aynı bölgenin enine kesitinde bu morfolojide inklüzyon görülmemiştir; bu durum, MnS'nin inklüzyon deformasyonunun son derece yön bağımlı olduğunu doğrulamaktadır.
SEM-EDS analizi, tespit edilen inklüzyonları Mn–S çiftli sülfür fazlar olarak doğrulamıştır. Enerji dispersif spektrumlarda Mn Kα (~5,9 keV) ve S Kα (~2,3 keV) pikleri belirgindir; bazı inklüzyonlarda Al–Si veya Ca eklentileri kompozit morfolojiye işaret etmektedir. Bu tip ikincil faz inklüzyonları, yüksek gerilme konsantrasyonu alanları oluşturduğundan deformasyon sürecinde çentik etkisi yaratmakta ve klivaj çatlak başlatıcısı olarak davranmaktadır.
- TARTIŞMA
Enine numunelerde gözlemlenen sistematik yüksek YS ve UTS değerleri birbirine eş zamanlı katkı yapan üç temel mekanizmayla açıklanabilir:
Birincisi, tekstür katkısı: TMCP haddelemesi {110}〈001〉 Goss ve {100}〈011〉 rotated cube gibi deformasyon dokusu bileşenlerini etkinleştirir. Bu doku bileşenlerinde enine yönde aktif kayma sistemi çözünmüş kesme gerilmesi (τ) daha yüksek Schmidt faktörüne sahip olduğundan elastik-plastik geçiş — akma — daha yüksek gerilme düzeyinde gerçekleşir.
İkincisi, inklüzyon engeli etkisi: Boyuna yönde deformasyon uygulanan numunelerde uzamış MnS inklüzyonları yük doğrultusuna paralel konumlandığından inklüzyon–matris ara yüzey kırılmaları (dekohezyon) görece düşük gerilmelerde başlayabilmektedir. Bu mekanizma boyuna YS'yi düşüren etken olarak değerlendirilmektedir.
Üçüncüsü, Bauschinger tipi artık gerilme: Haddeleme sonrası soğuma sırasında ferrit ve perlit fazları arasındaki termal genleşme katsayısı ve akma dayanımı farklılığından oluşan iç gerilmeler, yük uygulama yönüne bağlı olarak ZERiN veya GÜÇLENDİRİCİ rol üstlenebilmektedir. Bu etki enine yönde gerilme eşiğini artırırken boyuna yönde azaltabilmektedir.
5.2. Tokluk Anizotropisinin Mekanizması
Boyuna numunelerin Charpy tokluğunun enine numuneye kıyasla ~55 J daha yüksek olması, inklüzyon morfolojisi ve bantlı mikro yapı etkileşimiyle tutarlıdır. Standart Charpy yönlendirmesinde (numune T yönünde, çentik L yönünde), çatlak T yönüne dik ilerlemekte; dolayısıyla çatlak cephesi uzamış MnS inklüzyonları ile paralel konuma düşmekte ve inklüzyon uçlarındaki gerilme yoğunlaşması çatlak ilerleme direncini düşürmektedir. Boyuna Charpy yönlendirmesinde ise çatlak L yönüne dik ilerler ve inklüzyon–matris ara yüzeyleri yerine kırılma tokluğu daha yüksek olan ferrit matrisini kesmek zorunda kalır; bu durum daha yüksek absorbe edilen enerjiyle sonuçlanır.
Bantlı ferrit–perlit mikro yapısı da kırılma davranışına katkı sağlar: Perlit bantları çatlak yayılımı için tercihli kırılma yolları oluştururken ferrit bantları kırılmayı deflekte ederek yavaşlatabilir. Bu mekanizmanın net etkisi, yükleme yönüne ve dolayısıyla bantların konumuna göre farklılaşmaktadır.
DWTT sonuçlarının yön bağımlılığı göstermemesi beklentiyle uyumludur: Büyük ölçekli yırtılma testimde plastik akma alanı inklüzyon boyutlarına kıyasla çok geniştir ve lokal inklüzyon etkisi makro kırılma morfolojisi üzerindeki ağırlığını kaybetmektedir.
5.3. Üretim Perspektifinden Değerlendirme
MnS inklüzyon morfolojisinin kontrol altına alınması, anizotropik davranışın azaltılmasının en etkin yoludur. Bu bağlamda ikincil metalurji prosesinde Ca-Si veya Ca-Fe tel enjeksiyonu ile MnS modifikasyonu uygulanarak küresel veya küresel-elips arası inklüzyon morfolojisi hedeflenmektedir. Ca enjeksiyonu sonrasında oluşan CaS veya CaO·Al₂O₃ tipi inklüzyonlar, MnS'ye kıyasla haddeleme ile deformasyona çok daha az eğilimlidir ve yön bağımlı kırılma tokluğunu anlamlı ölçüde iyileştirir.
Sürekli döküm prosesinde segregasyonun minimize edilmesi — sıvı çelik üstün karıştırma (EMS), dinamik yumuşak presleme (DSR) ve ortam soğutma optimizasyonu yoluyla — bantlaşma yoğunluğunu azaltır ve enine/boyuna yön farklılığını daraltır. Kristalografik doku üzerindeki kontrolü ise son geçiş bitiş sıcaklığı (FRT) ve hızlandırılmış soğutma hızı belirlemektedir; bu parametreler hem tekstür hem de mikro yapısal bileşen dengesini etkiler.
EBSD (elektron geri saçılım difraksiyonu) analizi, krist alografik doku bileşenlerinin mikro ölçekte haritalanmasını sağlayarak burada optik mikroskop ve SEM ile tespit edilemeyen tekstür kaynaklı anizotropi katkısının ayrıştırılmasına imkân tanıyacaktır. Bu teknik, ilerideki çalışmalarda mekanizma ayrıştırması için kritik öneme sahiptir.
- SONUÇLAR
1. API 5L X65 sınıfı TMCP çeliği, enine (T) ve boyuna (L) yönler arasında sistematik mekanik anizotropi sergilemektedir. Enine yönde akma mukavemeti boyuna yöne kıyasla yaklaşık 34 MPa daha yüksek olup bu eğilim 200 bobinlik istatistiksel veri setiyle doğrulanmıştır.
2. Charpy tokluğu tersine anizotropi göstermekte; boyuna numuneler (252 J, 0°C), enine numunelere (197 J, 0°C) kıyasla ~28% daha yüksek darbe enerjisi absorbe etmektedir. Bu davranış, uzamış MnS inklüzyonlarının T yönündeki çatlak ilerleme direnci üzerindeki olumsuz etkisiyle tutarlıdır.
3. DWTT ve Vickers sertlik değerleri her iki yönde istatistiksel olarak anlamlı farklılık göstermemiştir; bu bulgular makro ölçekli yırtılma ve sertlik parametrelerinin inklüzyon morfolojisine duyarlılığının sınırlı olduğuna işaret etmektedir.
4. Metalografik incelemede tespit edilen merkez segregasyon kaynaklı, boyuna uzamış MnS inklüzyonları (10–50 µm) hem mukavemet hem de tokluk anizotropisinin birincil mikroyapısal taşıyıcısı olarak tanımlanmıştır. SEM-EDS analizi inklüzyon kimliğini Mn–S sülfür fazı olarak doğrulamıştır.
5. İkincil metalurjide Ca modifikasyonu yoluyla MnS morfolojisinin küreselleştirilmesi ve sürekli döküm parametrelerinin segregasyon minimizasyonuna yönelik optimize edilmesi, anizotropi azaltımı için en etkin yaklaşım olarak önerilmektedir.
6. İlerideki çalışmalarda EBSD tekstür analizi, mekanistik katkıların ayrıştırılması için kritik bir araç olarak önerilmektedir.
