NONDESTRUCTIVE CHARACTERIZATION OF BEARING STEELS BY MAGNETIC BARKHAUSEN NOISE TECHNIQUE
Date
2017-06-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
One of the most popular type of bearing steels is 100Cr6. The strength, toughness,
hardness, fatigue life, wear resistance of it can be improved by heat treatment
applications which also changes the microstructure. For controlling the microstructure,
traditional metallographic and XRD- based methods, that involve taking representative
specimens from lots, are used. Magnetic Barkhausen noise (MBN) technique may
provide an alternative nondestructive, fast and practical measurement method to those
traditional techniques. This study aims at investigating the possibility of
nondestructive characterization of microstructure of heat treated 100Cr6 bearing steels
by using the MBN technique. For that purpose, 100Cr6 steel specimens were heat
treated in a quenching dilatometer under different austenitization conditions and then
quenched to room temperature and to -130°C, in order to generate variations in their
microstructures. After heat treatment applications, microstructural properties of the
specimens including the fraction and distribution of carbides, amount of retained
austenite and also hardness were determined by metallographic and XRD analysis.
Moreover, MBN measurements were performed and then the results were correlated
to the microstructural parameters. MBN signals correlate with the microstructure
variations in the 100Cr6 steel samples via simple linear relations; however, the
prediction bands were quite wide and the MBN technique was not sufficiently
sensitive, for direct characterization of hardness, retained austenite and carbide
fraction of the specimens that were quenched to room temperature. In order to
characterize these interdependent microstructural parameters via MBN technique,
non-linear relations based on carbide dissolution kinetics are needed. On the other
hand, the MBN measurement results of the sub-zero treated specimens showed that;
elimination of retained austenite significantly improved the goodness of fit of on those
linear relations. Although coefficient of determinations of both carbide fractions and
hardness were acceptable, it can be improved by developing a newer non-linear model.
Nevertheless, all of the results were promising for the future applications of MBN
technique on nondestructive characterization of microstructure variations in 100Cr6
steels.
Description
RULMAN ÇELİKLERİNİN MANYETİK BARKHAUSEN GÜRÜLTÜSÜ
YÖNTEMİ İLE TAHRİBATSIZ KARAKTERİZASYONU
ÖZ: 100Cr6 çelikleri rulman yapımında yaygın olarak kullanılırlar. Isıl işlem uygulamaları ile değişen iç yapısal özelliklerine bağlı olarak; yüksek gerilimlere karşı dayanımı, yorulma ömrü, tokluğu, sertliği, aşınma direnci gibi özellikleri geliştirilebililir. Bu iç yapısal özelliklerin muayenesi, geleneksel metalografik ve XRD tekniklerinin bir arada kullanılmasıyla yapılabilir. Ancak bu yöntemler numune hazırlama gereksinimi bulunan yöntemlerdir. Bu sebepten; tahribatsız ve hızlı ölçüm alınmasını sağlayan Manyetik Barkhausen gürültüsü (MBN) tekniği, bu geleneksel karakterizasyon yöntemlerine alternatif olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın amacı 100Cr6 çeliklerinin MBN yöntemiyle tahribatsız muayene edilebilirliğinin araştırılmasıdır. Bu bağlamda, 100Cr6 çelik numuneler, içerisinde farklı içyapısal özelliklerin oluşturulabilmesi adına farklı sıcaklıklarda östenitlenip oda sıcaklığına ve -130°C’ye hızlı soğutulmuştur. Bu işlemlerin ardından numunelerin sertliği, karbür miktarları, dağılımları, kalıntı östenit miktarları, metalografik ve XRD ölçüm yöntemleriyle belirlenmiştir. Ayrıca, her bir numune MBN yöntemi ile de muayene edilmiştir. Son olarak, elde edilen içyapı sonuçlarıyla MBN sonuçları arasındaki bağlantılar incelenmiştir. MBN tekniğinin, kurulan lineer korelasyonlar kapsamında oda sıcaklığına hızlı soğutulan 100Cr6 çelik numunelerin iç yapısal özellikleriyle korele edilebilir olduğu gözlenmiştir; ancak tahmin aralıklarının oldukça geniş olması sebebiyle, bu numunelerin iç yapısında oluşan sertlik, kalıntı östenit ve karbür miktarıların doğrudan belirlenebilmesi için yeterince hassas olmadığı sonucuna varılmıştır. Birbirlerine bağlı olarak değişen bu özelliklerin MBN ile karakterize edilebilmesi; karbür çözünme kinetiğine bağlı olarak, tüm bu değişkenlerin hem kendi aralarında hem de MBN sinyalleri üzerindeki eş zamanlı etkileri arasında lineer olmayan bir ilişki kurulması ile mümkün olabileceği düşünülmektedir. Bunun haricinde, sıfır altı ısıl işlemine tabi tutulan numunelerde, kalıntı östenitin tamamen yok edilmesi, MBN sinyalleri üzerindeki kalıntı östenit etkisini tamamen ortadan kaldırılmıştır. Bu sebepten hem sertlik ve hem de kardür oranları için kurulan lineer korelasyonlarda belirgin bir iyileşme görülmüştür. Bu korelastonların R² değerleri kabul edilebilir düzeyde olmasına rağmen tüm iç yapısal değişkenlerin MBN sinyalleri üzerindeki eş zamanlı etkisi göz önünde bulundurularak lineer olmayan modeller kurulmasıyla iyileştirilebilinir. Bu doğrultuda, MBN tekniğininin, 100Cr6 çeliğinin iç yapısal karakterizasyonu konusunda, gelecekte yapılacak daha detaylı ve kapsamlı çalışmalar ile geliştirilebilir olduğu düşünülmektedir.
ÖZ: 100Cr6 çelikleri rulman yapımında yaygın olarak kullanılırlar. Isıl işlem uygulamaları ile değişen iç yapısal özelliklerine bağlı olarak; yüksek gerilimlere karşı dayanımı, yorulma ömrü, tokluğu, sertliği, aşınma direnci gibi özellikleri geliştirilebililir. Bu iç yapısal özelliklerin muayenesi, geleneksel metalografik ve XRD tekniklerinin bir arada kullanılmasıyla yapılabilir. Ancak bu yöntemler numune hazırlama gereksinimi bulunan yöntemlerdir. Bu sebepten; tahribatsız ve hızlı ölçüm alınmasını sağlayan Manyetik Barkhausen gürültüsü (MBN) tekniği, bu geleneksel karakterizasyon yöntemlerine alternatif olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın amacı 100Cr6 çeliklerinin MBN yöntemiyle tahribatsız muayene edilebilirliğinin araştırılmasıdır. Bu bağlamda, 100Cr6 çelik numuneler, içerisinde farklı içyapısal özelliklerin oluşturulabilmesi adına farklı sıcaklıklarda östenitlenip oda sıcaklığına ve -130°C’ye hızlı soğutulmuştur. Bu işlemlerin ardından numunelerin sertliği, karbür miktarları, dağılımları, kalıntı östenit miktarları, metalografik ve XRD ölçüm yöntemleriyle belirlenmiştir. Ayrıca, her bir numune MBN yöntemi ile de muayene edilmiştir. Son olarak, elde edilen içyapı sonuçlarıyla MBN sonuçları arasındaki bağlantılar incelenmiştir. MBN tekniğinin, kurulan lineer korelasyonlar kapsamında oda sıcaklığına hızlı soğutulan 100Cr6 çelik numunelerin iç yapısal özellikleriyle korele edilebilir olduğu gözlenmiştir; ancak tahmin aralıklarının oldukça geniş olması sebebiyle, bu numunelerin iç yapısında oluşan sertlik, kalıntı östenit ve karbür miktarıların doğrudan belirlenebilmesi için yeterince hassas olmadığı sonucuna varılmıştır. Birbirlerine bağlı olarak değişen bu özelliklerin MBN ile karakterize edilebilmesi; karbür çözünme kinetiğine bağlı olarak, tüm bu değişkenlerin hem kendi aralarında hem de MBN sinyalleri üzerindeki eş zamanlı etkileri arasında lineer olmayan bir ilişki kurulması ile mümkün olabileceği düşünülmektedir. Bunun haricinde, sıfır altı ısıl işlemine tabi tutulan numunelerde, kalıntı östenitin tamamen yok edilmesi, MBN sinyalleri üzerindeki kalıntı östenit etkisini tamamen ortadan kaldırılmıştır. Bu sebepten hem sertlik ve hem de kardür oranları için kurulan lineer korelasyonlarda belirgin bir iyileşme görülmüştür. Bu korelastonların R² değerleri kabul edilebilir düzeyde olmasına rağmen tüm iç yapısal değişkenlerin MBN sinyalleri üzerindeki eş zamanlı etkisi göz önünde bulundurularak lineer olmayan modeller kurulmasıyla iyileştirilebilinir. Bu doğrultuda, MBN tekniğininin, 100Cr6 çeliğinin iç yapısal karakterizasyonu konusunda, gelecekte yapılacak daha detaylı ve kapsamlı çalışmalar ile geliştirilebilir olduğu düşünülmektedir.
Keywords
metallurgical and materials engineering