Microstructural and mechanical characterization of shape/fraction controlled Fe2B ceramic phase reinforced Fe matrix monofilament composite wires and bulk wire-reinforced composites manufactured by a novel processing approach

Abstract

Borlama, demir esaslı malzemelerin yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla kullanılan geleneksel bir termo-kimyasal yöntemdir. Borlama işleminden sonra malzemelerin yüzeyinde Fe2B ve FeB fazlar oluşmaktadır. Genellikle, mühendisler çeşitli çeliklerin yüzey özelliklerini geliştirmek için demir borür fazlarının korozyona dayanaklılık ve yüksek sertlik özelliğini kullanırlar. Ancak yüzey sertleştirme dışında demir borür fazların yerinde (in situ) takviye fazı olarak kullanılabilme potansiyeli henüz kapsamlı bir şekilde araştırılmamıştır. Daha spesifik olarak, tıpkı fiberlerin veya filamentlerin metal matrisli kompozitleri takviye ettiği gibi, demir borür fazlarının dağılımı, yapısı veya oranının demirin üzerindeki etkisi detaylı olarak araştırılmamıştır. Bu çalışmanın ilk kısmında, toz metalürjisi, soğuk deformasyon ve dikkatlice optimize edilmiş borlama parametreleri kullanılarak, monofilament demir matris demir borür takviyeli kompozit teller üretilmiştir. Soğuk deformasyonun ve toz karışımındaki B4C takviye oranlarının, öz ve kılıf mikro yapısına, tellerin mekanik özelliklerine ve oluşan Fe2B fazların yapısına olan etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında ise çeşitli takviye oranları (Fe-0%, %10-20 B4C) içeren ve artan öz çapları (4-6 mm) olan teller üretilerek, tel-takviyeli kompozitler üretilmiştir. Basınç, sıcaklık değerleri ile işlem süreleri dikkatlice optimize edilmiştir. Üretilen bulk, kompozit teller ile takviye edilirken, tellerin özleri ise yapısı, dağılımı ve miktarı kontrol edilebilen Fe2B fazıyla takviye edilmiştir ve hiyerarşik bir yapı elde edilmiştir.Kompozit tellerin mikro yapısı incelendiğinde, soğuk deformasyonun seviyesinin ve B4C takviye oranının hem demir borür fazlarının geometrisini hem de borlanmış alanı etkilediği görüldü. Diğer taraftan, tel-takviyeli kompozitlerinde öz-kılıf ve teller arası ara-yüzeyde C miktarı düşük olan ferrit fazların oluşumu tespit edildi.Çekme testlerin sonucuna göre, soğuk haddeleme ile elde edilen kompozit tellerde ~1GPa kadar yüksek bir mukavemet ortaya çıktı. Fakat borlama işleminden sonra, tellerin mukavemeti ~250 MPa ila ~400 MPa olurken, yüksek sertlikler (1000 ila 2000 HV0,01 arası) elde edildi. Ayrıca, öz çapı, tellerin nihai çekme mukavemetinde en etkili faktör olarak belirlendi.Tel takviyeli kompozitlerin eğme testlerine göre, kayma mukavemetlerinin büyük ölçüde öz çaplarına bağlı olduğu ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, takviye tellerinin özünde demir borür fazlarının oluşması nedeniyle, kesme mukavemetinde ~%17'lik bir iyileşme kaydedildi. Fraktografi analizinde, yükleme esnasında tellerin özünde tercihen (tel boyuna) çapraz çatlakların geliştiği fark edilirken, kılıf-öz ara yüzeyinde ise (tel boyuna) paralel çatlaklar oluştu. Kılıf-öz ara yüzeyinde oluşan çatlakların sebebi ise mikro yapı incelendiğinde görülen düşük karbonlu ferrit fazların bulunması olarak belirlendi. Aynı zamanda, takviye olarak kullanılan tellerin öz çaplarının büyümesi ve bunun sonucunda oluşan çapraz çatlakların çoğalması, kompozitlerin daha düşük yüklerde çatlamasına yol açmıştır.

Boriding is a traditional thermochemical treatment which intends to form Fe2B and FeB type phases on the surface of host materials. Typically, engineers use the high hardness and corrosion resistant nature of borides for improving the surface properties of steels. The potential of borides has not been well explored for strengthening the ferrous materials other than the surface enhancement. More specifically, the strengthening potential of iron borides in a fashion as dispersed fibers or filaments strengthen the metal matrix, still needs attention. In the first part of the study, powder metallurgy, cold working and carefully optimized boriding treatment parameters are used to manufacture monofilament iron borides reinforced iron matrix wires. Influence of cold deformation and B4C reinforcement ratio on the microstructure of core and sheath, mechanical properties of the wires and morphology of the Fe2B phases is reported. In the second part of the study, wires of various inner core diameters (4-6 mm) filled with various reinforcement ratios (Fe-0, 10-20 vol.%B4C) were fabricated. Later, wire-reinforced composites were manufactured by in situ boriding in the cores of wires and diffusion bonding at the inter-wire boundaries. The values of pressure, temperature and treatment duration were carefully optimized. Resultant material was reinforced with the monofilament wires in which cores were subsequently reinforced with the shape/fraction controlled iron boride phases, in a hierarchal manner.The microstructural analysis of the wires revealed that cold deformation and reinforcement ratios B4C influence the morphology of iron borides and fraction of borided regions, respectively. On the other hand, formation of carbon deficient regions in the wire-reinforced bulks at inter-wire boundaries and sheath-core interfaces was witnessed.Tensile testing of the cold deformed wires revealed an overwhelming high strength of ~1GPa as a result of cold rolling. However, in situ boriding treatment resulted in acquisition of high hardness (1000 to 2000 HV0.01) on the expense of lower tensile strength in the wires (~250 MPa to ~400 MPa). While core diameters majorly influenced the tensile strength of the wires, reinforcement ratios minimally affected the tensile behavior.Short beam shear tests of the wire-reinforced bulks also showed heavy dependence of the shear strength on the core diameters. However, an improvement of ~17% in the shear strength was seen owing to formation of iron boride phases in the cores of reinforcement wires. Fractography analysis revealed that cores of the wires preferably develop transverse cracks (normal to wires) during loading. For larger cores, these cracks are dominated and bending specimens fail at lower loads. Moreover, longitudinal (parallel to wires) cracks are preferably formed at sheath-core interfaces and inter-wire boundaries due to presence of carbon deficient regions.