ÖRNEKTİR METALİK KÖPÜKLERİN YÜKSEK SICAKLIKTA ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ. Ahmet ERSOY

Transkript

1 ÖRNEKTİR METALİK KÖPÜKLERİN YÜKSEK SICAKLIKTA ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Ahmet ERSOY LİSANS BİTİRME PROJESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Ocak 2014 ANKARA

2

3 METALİK KÖPÜKLERİN YÜKSEK SICAKLIKTA ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Ahmet ERSOY LİSANS BİTİRME PROJESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Ocak 2014 ANKARA

4 Ahmet ERSOY tarafından hazırlanan METALİK KÖPÜKLERİN YÜKSEK SICAKLIKTA ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ adlı bu tezin Lisans Biitirme Projesi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ... Tez Danışmanı, Metalurji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünde Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir.... Metalurji ve Malzeme Müh.... Metalurji ve Malzeme Müh Mühendisliği Proje Savunma Tarihi:.

5 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Emrah ERSOY

6 iv METALİK KÖPÜKLERİN YÜKSEK SICAKLIKTA ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ (Lisans Bitirme Projesi) Ahmet ERSOY GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Ocak 2014 ÖZET Bu çalışmada, Al esaslı kapalı hücreli metalik köpüklerin yüksek sıcaklıkta şekillendirilebilirliği incelenmiştir. AlMg1Si0,6TiH 2 0,8 alaşımlı preform malzemeden sabit deney şartlarında dikdörtgen kesitli köpük numuneler üretilmiştir. Köpürtme fırınına yerleştirilen bir düzenek sayesinde, köpük numunelere eğme ve yerçekimi etkisiyle serbest eğme testleri uygulanmıştır. 600, 625 ve 640 C' de katı faz bölgesinde farklı deformasyon hızlarında uygulanan eğme testi sonucunda, yaklaşık 11 lik açısal deformasyondan sonra numuneler kopmuştur C sıcaklık aralıklarında katı ve katı + sıvı faz bölgesinde 75 dakikaya kadar süren serbest eğme testlerinde yüksek deformasyon oranları sağlanabilmiştir. Bu test sürecinde sıcaklığa bağlı süreaçısal deformasyon ilişkileri belirlenmiştir. Serbest eğme yöntemi ile 656 C sıcaklıkta 82 açısal deformasyon miktarına makro hatasız ulaşılmıştır. Deformasyonun sürdürülmesinde kritik bir sıcaklığın ve deformasyon hızının önemi vurgulanmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler :Metalik köpük, Kapalı hücre, Al alaşım, Sıcak deformasyon Sayfa Adedi :100 Proje Yöneticisi :Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ

7 v INVESTIGATION OF FORMABILITY OF METALIC FOAMS AT HIGH TEMPERATURE Bachelor of Engineering (B.Eng) Ahmet ERSOY GAZİ UNIVERSITY TECHNOLOGY FACULTY January 2014 ABSTRACT The purpose of this study is to investigate formability of Al based closed cell metallic foams at high temperature. Rectangular section foam specimens were produced from AlMg1Si0.6TiH alloy preform material under stationary experimental conditions. By means of a mechanism placed in foaming furnace, free bending test with the effect of gravity and force bending test were performed to foam specimens. As a result of force bending test applied in different deformation rates in 600, 625 and 640 C, in the solid phase zone, specimens ruptured after angular deformation of nearly 11. In free bending tests which lasted up to 75 minutes in C temperature intervals, in the solid and solid + liquid phase zone, high deformation rates could be achieved. During this test, the time-angular deformation relationships based on temperature were determined. Angular deformation of 82 was achieved without macro defect at 656 C temperature via free bending method. The importance of a critical temperature and deformation rate was emphasized in maintaining the deformation. Science code : Keywords :Metallic foam, Closed cell, Al alloy, Hot deformation Page Number :100 Supervisor :Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ

8 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla, bilgi ve tecrübeleriyle beni yönlendiren tez danışmanım sayın Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ'a teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmalarım boyunca desteğini hiçbir zamana esirgemeyen sayın Yrd. Doç. Dr. Ersin BAHÇECİ' ye teşekkürü bir borç bilirim. Deneysel çalışmalarım boyunca yardımlarını esirgemeyen sayın Yrd. Doç. Dr. Volkan KILIÇLI, sayın Öncü ALPER, sayın Selçuk PALA, Sayın İrem Burcu ALGAN, Sayın Yasemin DÜNDAR ve çeşitli vesilelerle yardımcı olan Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü öğretim elemanlarına teşekkür ederim.

9 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... x ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xi RESİMLERİN LİSTESİ... xiv SİMGELER VE KISALTMALAR... xvii 1. GİRİŞ METALİK KÖPÜKLER Metalik Köpük Üretim Yöntemleri Sıvı durumdaki metal içerisine gaz enjektesi ile metalik köpük üretimi Sıvı durumdaki metal içerisine köpürtücü madde ilavesi ile metalik köpük üretimi Sıvı metal yolu ile köpük üretimi (FORMGRIP) Toz metalurjisi ile metalik köpük üretimi METALİK KÖPÜK UYGULAMALARI Metalik Köpüklerin Yapısal Uygulamaları Otomotiv endüstrisi Uzay Endüstrisi Makine Endüstrisi Biomedikal endüstrisi PLASTİK DEFORMASYON MEKANİZMALARI Kayma... 31

10 viii Sayfa 4.2. İkizlenme Tane Sınırı Kayması ve Yayınma Sürünmesi Metalik malzemelerin sürünme davranışı Sürünme deformasyon mekanizmaları Kapalı hücreli metalik köpüklerin sürünme davranışı KAPALI HÜCRELİ METALİK KÖPÜKLERİN ŞEKİLLENDİRİLMESİ Yüksek-Sıcaklıkta Şekillendirme Köpük şekillendirmede özel problemler Alüminyum köpük çekirdek ile sandviç köpük üretimi Katı halde malzeme davranışı Yüksek sıcaklıkta hücresel metallerin şekillendirilmesi DENEYSEL ÇALIŞMALAR Malzeme Köpürtme İşlemi Metalografik Çalışmalar Preform ve köpük malzeme mikroyapı karakterizasyonu Köpük malzeme makroyapı karakterizasyonu Yoğunluk ölçümü Lineer genleşme oranı ve gözeneklilik miktarının belirlenmesi Eğme Testi Serbest Eğme Deneyi DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Preform Malzeme Mikroyapı Karekterizasyonu Köpük Malzemenin Karekterizasyonu... 59

11 ix Sayfa Mikroyapı karekterizasyonu Metalik köpüklerin makroyapı karekterizasyonu Metalik Köpüklerin Yüksek Sıcaklıkta Şekillendirilmesi Metalik köpüklerin eğme test sonuçları Metalik köpüklerin serbest eğme deney sonuçları SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 99

12 x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Toz metalurjisi yöntemiyle köpük üretiminin avantaj ve dezavantajları...22 Çizelge 6.1. Preform malzeme kimyasal kompozisyonu Çizelge 7.1. Üretilen köpük numunenin fiziksel ve geometrik özellikleri Çizelge 7.2. Eğme testi uygulanan numunelerin özellikleri Çizelge 7.3. Serbest eğme testi uygulanmış numunelerin fiziksel ve geometrik özellikleri... 63

13 xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Farklı gözenek morfolojisine sahip metalik köpükler a) Açık gözenekli köpük, b) Kapalı gözenekli köpük... 5 Şekil 2.2. Metalik köpüklerin soyağacı... 6 Şekil 2.3. Sıvı durumdaki metal içerisine gaz enjekte edilerek köpürtme işlemi... 8 Şekil 2.4. Partikül boyutu ve parçacık hacimsel oranlarının tercih edilebilir seçimi... 9 Şekil 2.5. Sıvı durumdaki metal içerisine köpürtücü madde ilavesi ile köpürtme Şekil 2.6. İlave edilen kalsiyum (Ca) miktarına bağlı olarak karıştırma süresinin viskoziteye etkisi Şekil 2.7. FORMGRIP yöntemi [Degischer ve Kriszt, 2002] Şekil 2.8. Toz metalurjisi yönteminin şematik gösterimi [Stöbener ve ark., 2003] Şekil 2.9. Argon gazı altında TiH2 tozlarının Termo-gravimetrik eğrileri Şekil a) 800 C'de ön ısıtmalı fırın içerisinde köpürtülen %0,6 TiH2 içeren AA 6061 Alüminyum alaşımın zamana bağlı genişleme eğrisi; b) AA 6061 köpüğünün farklı köpürme durumlarındaki köpük morfolojisi Şekil Preformun köpürtme işlemi boyunca radyoskopik görüntüleri Şekil Alüminyum köpükteki TiH 2 ilavesinin gözenekliliğe etkisi Şekil Köpürtücü madde miktarının ve köpürtme sıcaklığının yoğunluğa etkisi Şekil %0,6 TiH2 içeren 6061 ve AlSi7 alaşımlarının farklı fırın sıcaklıklarında zaman göre köpürme ve genişleme eğrileri Şekil 3.1. Alüminyum köpüklerin uygulama alanları Şekil 3.2. Gözeneklilik oranına göre metalik köpüklerin fonksiyonel ve yapısal kullanım alanları Şekil 3.3. Metalik köpük uygulamalarının endüstriyel sektör gereksinimlerindeki dağılımı Şekil 3.4. Otomobillere önden gelen darbeler için tasarlanan tampon prototipi Şekil 3.5. Kalibrasyon kalıbı içerisinde köpürtülmüş koni parçası... 29

14 xii Şekil Sayfa Şekil 4.1. Sürünme eğrisi Şekil 4.2. Sıcaklığın ve gerilmenin sürünme davranışı üzerindeki etkileri Şekil 4.3. Dislokasyon sürünmesi a) atom dislokasyon çizgisini arayer oluşturmak veya boşlukları doldurmak için ayrıldığında, b) atom boşluk oluşturarak veya ara yerleri elimine ederek dislokasyon çizgisine eklenirler ve tırmanma gerçekleşir Şekil 4.4. Difüzyon (yayınma sürünmesi) Şekil 4.5. Tane sınırlarının kayması ile oluşan plastik deformasyon Şekil 4.6. Tanelerin 3'lü kesişme noktalarındaki çatlak oluşumu Şekil 4.7. Bal peteği yapısı: a) deforme olmamış, b) X1 yönünde yük uygulanmış, c) X2 yönünde yük uygulanmış ve d) kayma doğrultusunda yük uygulanmış. Yüksek sıcaklıkta yük uygulandığı zaman, eğik hücre duvarlarında sürünme-eğilmesine uğraması Şekil 4.8. Alporas köpüğünün tipik sürünme eğrileri; a) çekme b) basma Şekil 5.1. İşlem sırası Şekil 5.2. a) Al-Si faz diyagramında şekillendirme bölgeleri, b) Çelik kalıpta şekillendirilmiş iş parçası Şekil 5.3. Sıcaklık ve köpürtücü ajanın hücre yapısı üzerindeki etkisi, a) TiH2' ün etkisi, b) Gaz enjeksiyonu ile köpürtülmüş köpükler Şekil 6.1. Hücre boyutlarının ve morfolojisinin belirlenmesinde kullanılan AutoCAD programı ve MLI yöntemi Şekil 6.2. Deforme edilmiş numunede hücre deformasyonunun belirlenmesi Şekil 7.1. Preform malzemenin DTA grafiği Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi Şekil 7.3. Açısal deformasyon ve eğilme momenti arasındaki ilişki Şekil C zaman-açısal deformasyon ilişkisi Şekil C zaman-açısal deformasyon ilişkisi Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi... 79

15 xiii Şekil Sayfa Şekil C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin deformasyon bölgesi gözenek boyutları Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi Şekil C de serbest eğme numunesinin zamana ve sıcaklığa göre açısal deformasyonun değişimi Şekil C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin deformasyon bölgesi ve hücre deformasyonları Şekil Serbest eğme yapılan numunelerin zaman-açısal deformasyon grafiği... 89

16 xiv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 2.1. Ergiyik metalin içerisine gaz enjektesi ile üretilen metalik köpüğün gözenek yapısı...10 Resim 2.2. Ergiyik metalin içerisine gaz enjektesiyle üretilen metalik köpük...11 Resim 2.3. ALPORAS yöntemiyle üretilmiş köpüğün gözenek yapısı Resim 2.4. Farklı koşullarda hazırlanan alüminyum alaşımlı Formgrip köpüklerin enine kesitleri. Gözeneklilik G, hücre boyutu B dir. a) G=%69, B= 1,1 mm b) G = %79, B = 1,9 mm c) G = %88, B= 3,1 mm Resim 2.5. FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş Al-9Si alaşımlı köpükte SiC parçacıklarının hücre duvarındaki dağılımı a) hücre duvarları, b) plato sınırları Resim 2.6. Köpürtme kalıbı kullanılarak üretilmiş şekilli alüminyum parçalar Resim 3.1. Alüminyum ön panel Resim 3.2. Alüminyum köpük ile doldurulmuş çarpışma kutu prototipleri Resim 3.3. Alüminyum köpük ile doldurulmuş otomobil şase parçası Resim 3.4. Alüminyum sandviç köpükten (AFS) yapılmış roket adaptör prototipi.. 29 Resim 3.5. Makine bağlantı kirişinin çelik-alüminyum sandviç tasarımı Resim 4.1. Sürünme sonundaki test numuneleri; a) Çekme yükü altında, b) basma yükü altında Resim 5.1. Yüksek sıcaklıkta şekillendirilmiş Alüminyum köpük numuneleri a) Solidüs sıcaklığının 5 C üstünde, b) Solidüs sıcaklığının 10 C üstünde, c) Solidüs sıcaklığının 15 C üstünde Resim 6.1. Köpürtme fırını ve köpürtme kalıbı yerleşimi Resim 6.2. Preform malzeme Resim 6.3. Köpürtme kalıbı Resim 6.4. Üretilen metalik köpük numune Resim 6.5. Eğme test düzeneği Resim 6.6. Serbest eğme deney düzeneği... 57

17 xv Resim Sayfa Resim 7.1. Preform malzeme mikroyapısı Resim 7.2. Köpük numune mikroyapısı (Tucker's dağlamada) Resim 7.3. Köpük numune mikroyapısı (%0,5 HF dağlamada) Resim 7.4. Köpük numunenin boyuna kesiti ve hücre yapısı Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=6 mm/sn yükleme hızındaki numunenin makro görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=3,53 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin makro görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin boyuna kesit makro görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığındaki numunenin çatlak bölgesinin SEM görünüşü; a) Genel görünüm, b) Çatlak ve deformasyon görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=4 mm/sn deformasyon hızındaki numunenin makro görünüşü Resim C sıcaklıkta deforme edilen numune Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) kesit görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) kesit görünüşü... 76

18 xvi Resim Sayfa Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) kesit görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) kesit görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) üstten görünüşü, c) kesit görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) genel görünüşü, b) kesit görünüşü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin çekme bölgesindeki SEM görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin basma bölgesindeki SEM görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numune Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Numunenin boyuna kesiti, b) Numunenin basma bölgesindeki SEM görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin çekme bölgesindeki SEM görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin basma bölgesindeki SEM görüntüsü... 92

19 xvii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama p v m p l p ɛ v Gözeneklilik Köpük hacmi Köpük ağırlığını Preform malzeme yoğunluğu Köpük malzeme yoğunluğu Gözenek boyutu Toplam test uzunluğu Gözenek sayısı Numune ağırlığı Gerinme İtme yoğunluğu Kafes öz yayınım katsayısı Kesme modülüsü Burgers vektörü Gerilme Boltzman sabiti Sıcaklık Köpük numunenin lineer genleşme oranı Köpüğün hacmi Preform malzeme hacmi Gözeneklilik oranı Preform malzeme hacmi Köpük numune hacmi Yükleme hızı

20 xviii Simgeler Açıklama a n t Vida adımı Tur sayısını Zaman Kısaltmalar Açıklama IFAM MLI SEM TM Tm Fraunhofer malzeme araştırma enstitüsü Mean Linear Intercept Taramalı Elektron Mikroskobu Toz metalurjisi Malzeme ergime derecesi

21 1 1. GİRİŞ Teknolojinin gelişimine bağlı olarak hafif ve dayanımı yüksek olan malzemelere ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. İnsanoğlu bu özellikleri bir arada bulunduran malzemeleri elde edebilmek için çeşitli arayışlar içerisine girmiş ve tabiatı örnek almıştır. Dolayısıyla tabiat tarafından da hücresel malzemeler yapısal ve işlevsel amaçlarla sıklıkla kullanılmaktadır (odun ve kemik gibi doğal malzemeler) [Banhart, 2001; Uzun, 2009]. Gözenekli malzemelerin yalıtım, paketleme ve filtreleme gibi uygulamalar için çok uygun olduğu bilinmektedir. Ancak bu malzemelerin yapısal uygulamalarda etkili bir şekilde kullanılabileceğine inanılamıyordu. Bilim adamları yıllardır dökümle üretilen malzemelerde, toz metalurjisi (TM) ürünlerinde, kaynak dikişlerinde veya kaplamalarda meydana gelen gözenekleri minimize edebilmek için binlerce bilimsel araştırma yapmışlardır [Degischer ve Kriszt, 2002]. Son zamanlarda çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanım alanı bulabilen gözenekli malzemelerin başında metalik köpükler gelmektedir. Metalik köpükler, iyi enerji absorbe özelliği, yüksek basma dayanımı, düşük özgül ağırlık ve yüksek rijitlik gibi mekanik ve fiziksel özelliklerin bir arada bulundurması ile bilinirler [Yang ve Nakae, 2000]. Ekolojik ve ekonomik nedenlerden dolayı otomotiv endüstrisinde hafif parça imalatının önemi artmaktadır. Bu da modern taşıma konsepti içinde uygun malzeme ve imalat yöntemlerine ihtiyacı arttırmaktadır. Modern taşıma konseptinde hafif üretim ve hafif malzemeler kullanılarak üretim iç içedir. Al esaslı metalik köpükler uygulamada büyük bir potansiyele sahiptir [Merklein ve Geiger, 2002]. Köpük yapısında sıklıkla rastlanan hasarlar nedeniyle, köpük malzemenin şekillendirilmesi son zamanlara kadar pek tercih edilen durum değildi. Bu soruna bir çözüm yüksek sıcaklık altında köpük malzemenin şekillendirilmesidir. Bu yüzden sıcaklık altında kayma gerilmeleri azalırken şekillendirme limitleri artar. Sac metal

22 2 parçalar şekillendirme aracı olarak kullanılabilir ki bu takdirde şekillendirmeden sonra köpükle kaynaklaşır ya da difüzyon bağı kurar. Bu tür parçaların kaplama plakaları olarak kullanılmaktadır [Merklein ve Geiger, 2002]. Ortam sıcaklığında köpüklerin şekillendirilmesi deforme olan bölgedeki çatlakların artmasına ya da gözenek yapısının çökmesine neden olmaktadır. Lokal gerilme gerinim (Şekil değiştirme) konsantrasyonları hücresel yapının en zayıf parçalarında hataya neden olmaktadır. Yüksek sıcaklıklardaki şekillendirmeler metalik köpüklerin hatasız ve gözenekli yapıyla şekillendirilmelerine olanak sağlamaktadır [Degischer ve Kriszt, 2002]. Bu çalışmada toz metalurjisi yöntemiyle üretilen kimyasal kompozisyonu AlMg1Si0,6TiH 2 0,8 olan preform malzeme kullanılmıştır. Preform malzemeden sınırlandırılmış kalıp içerisinde 17x22x200 mm boyutlarında kapalı hücreli metalik köpük malzeme üretilmiştir. Üretilen köpük malzemelerin eğme ve yerçekimi etkisiyle serbest eğme testleri uygulanarak yüksek sıcaklıklarda şekillendirilebilirliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır.

23 3 2. METALİK KÖPÜKLER İlk metalik köpük 1943 yılında San Francisco California da Benjamin Sosnick tarafından üretilmiştir. Araştırmacı, bu çalışmasında ergimiş alüminyum içine köpürtücü ajan olarak civa kullanarak sünger metal oluşturmayı başarmıştır [O Neill, 2004] lerde ilk açık hücreli metalik köpükler üretilmiştir. Eriyik alüminyum sıkıştırılmış kaya tuzu tanecikleri içine dökülmüş sonra tuzlar çözünerek yapıdan ayrılmış ve açık gözenekler oluşmuştur [Özer, 2005; Pelit, 2012] yılında Alman fizikçi Joachim Baumeister, 1950 li yıllarda Benjamin Allen in geliştirdiği sıkıştırılmış toz köpükleştirme yöntemini yeniden incelemeye başlamıştır. Önce sıkıştırılan tozlar ergitilerek köpükleştirilen toz karışımlarının kullanıldığı bu yöntem, Almanya daki Frounhofer Enstitüsü nde (IFAM) daha da geliştirilmiştir [Çinici, 2004; Çağlar, 2009]. Metalik köpükler günümüz teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak özellikle gelişmiş ülkelerde yapılan yoğun araştırmalar neticesinde farklı imalat yöntemleri ile üretimleri gerçekleştirilmiş, mekanik, termal özellikleri belirlenmiş ve endüstriye kısmen girmiş malzemelerdir [Uzun ve ark., 2009]. Metalik köpük üretiminde alüminyum, çinko, demir, bakır, nikel, magnezyum ve titanyum gibi metaller ve alaşımlar kullanılabilir. Özellikle alüminyum esaslı metalik köpükler, çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanım alanı bulabilen malzemeler olarak oldukça ilgi çekmektedir [Çinici, 2004; Pelit, 2012]. Tipik olarak metalik köpükler %80 ile %90 oranında gözenekli yapıya sahip, gaz ve katı halde bulunan maddelerin bileşimidir. Gözenekli yapı şeklini alabilmesi için değişik fonksiyonel malzemeler kullanmak gerekmektedir. Özellikle üretimde homojen gözenek dağılımının ve dolayısıyla yeteri kadar gaz kabarcığının oluşturulması amaçlanır [Gökmen, 2009].

24 4 Metalik köpükler mekaniksel, fiziksel ve akustik özellikleri son derece iyi olan ve üretim yöntemleri hızla geliştirilen yeni bir malzeme grubudur. Dolayısıyla bu malzemelere karşı olan ilgide gün geçtikçe artmaktadır [Uzun, 2009]. Son yıllarda metalik köpük üretiminde çok farklı metal ve alaşımları kullanılmıştır. Örneğin; Al, Al-Si, Pb, Ti, Fe, Ni ve süper alaşımlar. Diğer taraftan üretilen bu malzemeler (sandviç paneller, enerji sönümleme cihazları, ses yalıtım panelleri vb.) otomotiv, demir yolu taşımacılığı, gemi yapımı, ağırlıkça hafif konstrüksiyonlar, uçak ve uzay sanayi gibi farklı alanlarda potansiyel uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu alanda özellikle alüminyum ayrı bir öneme sahiptir [Uzun, 2009]. Günümüzde ergiyik içerisine gaz enjekte edilmesi (Cymat), ergiyik içerisine köpürtücü madde ilavesi (Alporas) ve toz metalurjisi (Alulight) yöntemleri başta olmak üzere birçok üretim yöntemi bulunmaktadır [Wadley, 2002]. Metalik köpükler yapısal olarak sahip oldukları gözeneğin; şekline, boyutuna, yoğunluğuna, anizotropik özelliklerine, açıklık ve kapalılık özelliklerine göre karakterize edilirler. Bu bağlamda sahip oldukları gözeneğin yapısına bağlı olarak sınıflandırıldıklarında açık ve kapalı olmak üzere ikiye ayrılır (Şekil 2.1).

25 5 a) b) Şekil 2.1. Farklı gözenek morfolojisine sahip metalik köpükler a) Açık gözenekli köpük, b) Kapalı gözenekli köpük [Azzi, 2004; Pawlicki, ve ark., 2003]. Metalik köpük üretiminde köpürtücü madde olarak genellikle TiH 2, ZrH 2 gibi metal hidrürler ve CaCO 3 gibi bileşikler kullanılır. Kalsiyum hidrür, kalsiyum-magnezyum karbonat, kalsiyum sülfat, demir sülfat, kurşun karbonat, kurşun oksit ve sodyum nitrit gibi diğer alaşımlar ise bazı sıcaklık ve basınç şartları altında kullanılabilir [Çinici, 2004; Bahçeci, 2012].

26 Metalik Köpük Üretim Yöntemleri Metalik köpüklerin üretim yöntemleri bazı araştırmacılar tarafından köpüğün gözenek yapısına göre tanımlansa da genel olarak imalatçı tarafından belirlenen bazı adlar ile bilinirler. Toz metalurjisi, çökeltme (ayrıştırma) ve eritme gibi bazı yollarla metalik köpükler elde edilebilir. Bu işlemlerden bazıları erimiş kütle içine gaz enjekte etme ya da köpürtücü madde kullanarak ayrıştırma esasına dayanır. Genelde köpürtücü madde olarak titanyum hidrür tozları (TiH 2 ) kullanılmaktadır. Son zamanlarda ise metalik köpük elde edilmesinde kalsiyum karbonatın çökelmesi sonucu elde edilen karbonat köpükler adı verilen yeni yapılar üzerinde çalışmalar yapılmaktadır [Gökmen, 2009]. Metalik köpüklerin geçmişten günümüze kadar üretim yöntemleri ve bazı ticari isimleri ile ilgili şekil aşağıda Şekil 2.2 de verilmiştir. Metal köpükler Ön madde Ergiyik Toz Stabilizasyon Ergiyikte oksidasyon Seramik ilavesi Doğal viskozite Yerleşik oksitler Gaz kaynağı Köpükleştirici ajan Harici gaz kaynağı Köpükleştirici ajan Çözünmüş gaz Köpükleştirici ajan Köpürme Anlık Anlık Gecikmiş Anlık Gecikmiş Adı Alporas Hydro/Alkan Formgrip Foamcast Gasar Foaminal Alulight Şekil 2.2. Metalik köpüklerin soyağacı [Banhart, 2000].

27 Sıvı durumdaki metal içerisine gaz enjektesi ile metalik köpük üretimi Bu yöntem yılları arasında Hydro Aluminium (Norveç) ve Alcan firmaları tarafından ilk defa alüminyum ve alaşımlarının köpürtülmesinde kullanılmıştır [Degischer ve Kriszt, 2002]. Üretimin ilk aşamasında matrisi oluşturan malzeme bir pota içerisinde ergiyik hale getirilir. Daha sonra silisyum karbür, alüminyum oksit veya magnezyum oksit gibi seramik parçacıkları ergiyik metal içerisinde ilave edilir. Böylece ergiyik metalin viskozitesi arttırılmış olur. Çünkü viskozitenin düşük olması durumunda sıvı içerisinde oluşan gaz baloncukları rahatlıkla hareket edebilmektedir. Bu durumda gözeneklerin birbirleriyle birleşmesi kaçınılmaz hale gelmektedir [Banhart, 2000; Banhart, 2006; Srivastana ve Sahoo, 2007]. Üretim ergiyik hazırlandıktan sonra ergiyik içerisine özel bir pervane veya titreşimli nozul yardımıyla gaz (hava, azot, argon) enjekte edilmesidir [Jin ve ark., 1990; Banhart, 2001]. Böylece ergiyik içerisinde homojen olarak dağılmış çok ince gaz baloncukları oluşur. Balonların ve İlave gaz ile oluşan gözenekler yukarıya doğru yükselirken bir yandan azalan basınçla büyür bir yandan da soğumadan dolayı artan viskozite sebebi ile kararlı faza geçer. Son olarak kısmen katılaşan metalik köpük taşıma bantları ile taşınırken tamamen katılaşır ve istenen boyutlarda kesilir [Banhart, 2001; Li ve ark., 2009]. Şekil 2.3 de sıvı durumdaki metal içerisine gaz enjekte edilerek köpürtme işlemi gösterilmiştir.

28 8 Ergiyik Alüminyum+SiC parçacık ilavesi Köpük yüzeye çekilerek alınır Gaz gönderme Köpük dikkatlice çekilir ve su ile soğutulur Dönen pervane gaz kabarcıklarını dağıtır Şekil 2.3. Sıvı durumdaki metal içerisine gaz enjekte edilerek köpürtme işlemi [Akseli, 2005]. Ortalama parçacık boyutu 5 20 μm olan takviye parçacıkları genellikle hacimce % arası çeşitli oranlarda katılır [Banhart, 2000]. Parçacık boyutunun 1 µm' den küçük olması durumunda karışım zorlaşırken, 20 µm' den büyük olması durumunda ise parçacıkların ergiyik içerisinde çökmesi söz konusudur. Hacimsel olarak parçacık dağılımının %20'den fazla olması ergiyik metal içerisine gaz enjektesini zorlaştırırken, %10'dan az olması durumunda ise köpük yapının kararlılığı düşmektedir [Srivastana ve Sahoo, 2007]. Şekil 2.4 de partikül boyutu ve parçacık hacimsel oranlarının tercih edilebilir seçimi gösterilmiştir.

29 9 Partikül boyutu (µm) Şekil 2.4. Partikül boyutu ve parçacık hacimsel oranlarının tercih edilebilir seçimi [Banhart, 2000]. Üretilen alüminyum köpüğün yoğunluğu 0,069 g/cm³ ile 0,54 g/cm³ arasında değişmekte, ortalama gözenek boyutları 3-25 mm ve gözenek duvar kalınlığı µm arasında olmaktadır. Üretim aşamasında gaz baloncuklarının boyutu, gaz akış hızı, pervane tasarımı (nozul sayısı, boyutu) ve pervanenin dönüş hızıyla ayarlanabilmektedir [Banhart, 2000]. Resim 2.1' de ergiyik içerisine gaz enjektesiyle üretilen metalik köpüğün gözenek yapısı gösterilmektedir.

30 10 Resim 2.1. Ergiyik metalin içerisine gaz enjektesi ile üretilen metalik köpüğün gözenek yapısı [Çinici, 2004]. Cymat firması tarafından 1,5 m genişliğinde, mm kalınlığında köpük parçalar bu yöntemle üretilmektedir (Resim 2.2). Fakat parçalarda üretim esnasında çekimsel drenaj etkisi görülmektedir. Büyük boyutlarda köpüklerin üretilmesi yöntemin en büyük avantajı olarak göze çarpmaktadır. Bunun dışında diğer üretim yöntemlerine oranla daha ekonomiktir. Seramik parçacıkların köpük yapıyı gevrek hale getirmesi ise en önemli dezavantajı olarak görülmektedir [Uzun, 2009].

31 11 Resim 2.2. Ergiyik metalin içerisine gaz enjektesiyle üretilen metalik köpük [Banhart, 2001] Sıvı durumdaki metal içerisine köpürtücü madde ilavesi ile metalik köpük üretimi Bu yöntemle ergiyik içerisine gaz enjekte etmek yerine direkt olarak TiH 2, ZrH 2 ve CaCO 3 gibi köpürtücü madde ilave edilerek köpürtme yapılır [Vladimir, 2010]. Köpürtücü madde ısı etkisi altında ayrışır ve köpürme işlemini devam ettirecek olan gazı salıverir. Bu yöntemin modern bir versiyonu Şekil 2.5 de gösterilmiştir [Miyoshi ve ark., 2000]. % 1,5 Ca % 1,6 TiH C Yoğunlaştırma 680 C Köpürtme Soğutma Köpük blok Kesme Şekil 2.5. Sıvı durumdaki metal içerisine köpürtücü madde ilavesi ile köpürtme [Banhart, 2000].

32 Viskozite (10-3 Pa.s.) 12 Bu teknikle alüminyum ergiyiği içine 680 ºC' de kalsiyum metali eklenir ve bir süre (yaklaşık 6 dakika) karıştırılarak viskozitesi sürekli olarak beş kata kadar arttırılır. Şekil 2.6 'da ilave edilen kalsiyum (Ca) miktarına bağlı olarak karıştırma süresinin viskoziteye etkisi gösterilmektedir. CaO ve CaAl 2 O 4 oluşumu veya bazen Al 4 Ca oluşumundan dolayı sıvı metal kıvamlı bir hal alır. Tam bir köpük üretiminde eklenen kalsiyum (Ca) oranı genellikle ağırlıkça %1,5 3 civarındadır. İstenilen viskozite değerine ulaştıktan sonra sıcak koyulaştırılmış sıvı içine hidrojen gazı salacak köpürtücü madde görevini gören TiH 2 eklenir. Eklenen TiH 2 miktarı genel olarak ağırlıkça %1,6 dır [Miyoshi ve ark., 2000]. İlave edilen TiH 2 ve CaCO 3 ayrışarak H 2 ve CO 2 gazı açığa çıkarır. Açığa çıkan gaz sıvı durumdaki malzemenin içerisinde baloncuklar oluşturarak köpürmeye neden olur ve daha sonra soğutulur [Babcsan ve ark., 2005]. Ergiyik kısa süre içinde genişlemeye başlar ve kademeli olarak yavaş yavaş tankı köpük ile doldurur [Miyoshi ve ark., 2000]. Karıştırma süresi (dak) Şekil 2.6. İlave edilen kalsiyum (Ca) miktarına bağlı olarak karıştırma süresinin viskoziteye etkisi [Banhart, 2000]. Üretilen köpük bloğu 450 mm genişliğinde, 2050 mm uzunluğunda, 650 mm yüksekliğinde ve yaklaşık 160 kg ağırlığındadır. Blok genellikle mm kalınlık aralığında ihtiyaç duyulan kalınlıklarda (standart kalınlık 10 mm) tabakalar şeklinde dilimlenir. Bu yöntem, ALPORAS firması tarafından güncel bir şekilde kullanılan

33 13 yöntemdir. Aynı zamanda yöntem firmanın adıyla özleşmiştir. Resim 2.3'de ALPORAS yöntemiyle üretilmiş köpüğün gözenek yapısı gösterilmiştir. Japonya da Shinko Wire Company şirketi 1986 yılından beri bu yöntemi kullanmakta ve günde 1000 kg üzerinde üretim yapmaktadır [Banhart, 2000]. Resim 2.3. ALPORAS yöntemiyle üretilmiş köpüğün gözenek yapısı [Banhart, 2000] Sıvı metal yolu ile köpük üretimi (FORMGRIP) Bu yöntem toz metalurjisi ve ergitme yöntemlerinden esinlenerek ortaya çıkmıştır. İşlemin ilk aşamasında TiH 2 (~30 µm) tozları atmosfer ortamında (400 ºC'de 24 saat +500 ºC'de 1 saat) ısıl işleme tutulmaktadır. Böylece yüzeyde titanyum oksit bir film tabakası oluşumu sağlanır. Bu tabaka çözünmeyi geciktirici bir bariyer rolü oynar. Daha sonra ısıl işleme tabii tutulmuş TiH 2 tozları Al%12Si (~150 µm) tozları ile ağırlıkça 1/4 oranında karıştırılır. Ardından karışım tozları yaklaşık 620 ºC de eriyik hale getirilmiş ve yavaş yavaş soğutulmuş Al%9Si/SiC p kompozit içerisine ilave edilir. Bu işlem sırasında parçacıkların ergiyik içerisinde homojen dağılımını sağlamak için 1200 rpm hızla dönen bir mekanik karıştırıcı kullanılır. İşlemin ikinci aşamasında ise köpürmeye hazır malzemeler grafit bir kalıp içerisine yerleştirilerek solidüs sıcaklığının üstünde fırınlama işlemine tabi tutulur. Böylelikle titanyum

34 14 hidrürün hidrojen gazı salıp çözünmesi ile yapıda gaz baloncukları oluşumu sağlanır. Daha sonra soğuma işlemi ile köpük yapı elde edilir [Degischer ve Kriszt, 2002]. Şekil 2.7' de Formgrip yöntemi gösterilmiştir. Oluşan köpüğün farklı boyutta gözeneklere sahip görüntüleri Resim 2.4' de gösterilmiştir. Resimlerde köpüğün hücre boyutu arttıkça gözenek boyutlarının da arttığı gözükmektedir. TiH 2 ve Al-%12Si Karıştırılmış toz alaşımı Al-%9Si/%20SiC p Hidrür çözünmesi Döküm Fırın Soğuma Ürün Kompozit ergiyik Öncü kompozit Genleşerek doldurma Katılaşma 3D köpük Şekil 2.7. FORMGRIP yöntemi [Degischer ve Kriszt, 2002]. Resim 2.4. Farklı koşullarda hazırlanan alüminyum alaşımlı Formgrip köpüklerin enine kesitleri. Gözeneklilik G, hücre boyutu B dir. a) G=%69, B= 1,1 mm b) G = %79, B = 1,9 mm c) G = %88, B= 3,1 mm [Degischer ve Kriszt, 2002]. Formgrip yönteminin geometrik şekillerde üretime ve aynı zamanda mikro yapı kontrolüne imkân verdiğini göz önüne alındığında Shinko Wire yönteminden üstün gözükmektedir. Ayrıca birbirinden bağımsız olan işlem basamakları üretim maliyetine olumlu katkılar sağlamaktadır [Degischer ve Kriszt, 2002]. Resim 2.5'de

35 15 FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş Al-9Si alaşımlı köpükte SiC parçacıklarının hücre duvarındaki dağılımı gösterilmiştir. Resim 2.5. FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş Al-9Si alaşımlı köpükte SiC parçacıklarının hücre duvarındaki dağılımı a) hücre duvarları, b) plato sınırları [Degischer ve Kriszt, 2002] Toz metalurjisi ile metalik köpük üretimi Toz metalurjisi (T/M) köpük üretimi metalik köpüklerin en iyi bilinen üretim yöntemlerinden bir tanesidir [Francisco ve Banhart, 2007]. Bu yöntem Almanya da Frounhofer Malzeme Araştırma Enstitüsü (IFAM) tarafından geliştirilmiştir. Üretime ilk olarak metal tozları (alaşım tozları, takviye elemanları) ile köpürtücü madde tozlarının karıştırılması ile başlanır (Şekil 2.8). Daha sonra karışım tozlar, yarı mamul ürün elde etmek için sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi ekstrüzyon, presleme veya haddeleme gibi farklı teknikler kullanılarak yapılabilir. Bu işlemler sırasında çok dikkatli olunması gerekmektedir. Çünkü yapıdaki herhangi bir hata, daha sonra yapılacak olan işlemleri olumsuz yönde etkilemektedir. Daha sonraki basamak ise matris malzemenin erime noktasına yakın sıcaklıkta yapılan ısıtma işlemidir. Isıtma sonrası matris malzeme içerisine dağılmış köpürtücü madde tozları daha yoğun bir hal alır. Bir sonraki aşamada ise öncü materyal matris malzemenin ergime sıcaklığının üstünde veya yakın bir sıcaklıkta ısıtılarak matris malzeme içinde homojen bir şekilde dağılmış köpürtücü madde tozlarının ayrışması sağlanır. Salınan gaz sıkışmış öncü malzemeye bir kuvvet uygulamakta ve onu genişletmektedir [Banhart, 2001]. Böylece yüksek gözenekli yapıya sahip malzeme elde edilmektedir.

36 16 Şekil 2.8. Toz metalurjisi yönteminin şematik gösterimi [Stöbener ve ark., 2003]. Alüminyum ve alüminyum alaşımları için köpürtme işleminde kullanılabilecek en iyi köpürtücü ajan titanyum hidrür (TiH 2 ) dir. Alüminyum için TiH 2 tozu genellikle %0,6-1 arasında kullanılır [Kennedy, 2002]. Diğer hidrürler (ZrH 2 ve HfH 2 ) pratikte kullanılabilmekle beraber daha pahalı olduklarında tercih edilmezler [Banhart, 2004]. Bu yöntem ile sadece Al ve Al alaşımlarının kullanımı ile sınırlı olmayıp, kalay, çinko, pirinç, kurşun, altın ve diğer bazı metal alaşımları da uygun köpük yapıcı madde ve işlem parametrelerinin seçilmesi suretiyle köpükleştirilebilir [Güden ve ark., 2001]. Şekil 2.9' da TiH 2 tozlarının argon gazı altında 15 K/min ısıtma hızı ile 3 farklı grup numunenin TG eğrisi verilmiştir. TiH 2 'nin hangi sıcaklıklarda hidrojen gazı çıkışını başlatacağını belirlemek zordur. Düşük ergime derecesine sahip alaşımlarda çinko alaşımları gibi yaklaşık 400 C veya onun altında sıcaklıklarda ayrışma meydana geleceğinden TiH 2 kullanarak köpürtülebilir C'de toz durumuna bağlı olarak TiH 2 tozlarında reaksiyonlar oluşur [Baumgärtner ve ark., 2000].

37 Kütle kaybı (%) 17 Şekil 2.9. Argon gazı altında TiH2 tozlarının Termo-gravimetrik eğrileri [Baumgärtner ve ark., 2000]. Tam manasıyla genişleme zamana, sıcaklığa ve preform malzemenin boyutuna bağlıdır ve bu zaman birkaç saniye ile birkaç dakika arasında değişmektedir. Duarte ve Banhart, (2000), yaptıkları bir çalışmada köpürme süresi ve genleşme miktarını incelemişlerdir. AA 6061 alaşım tozu içerisine % 0,6 TiH 2 tozu ekleyerek 30 mm çapında bir preform malzeme üretmişlerdir. Preform malzeme 800 C' deki fırın içerisinde köpürtmüşlerdir. Şekil 2.10 a' da köpürmenin zamana göre genleşmesi eğrisi verilmiştir. Köpürmenin ilk 7 dakikasında gözenekler çekirdeklenmiş, genleşmede değişiklik olmamıştır. 7. dakikadan sonra gözenekler oluşmaya başlamış ve 10. dakikada maksimum genleşme elde etmişlerdir. Maksimum genleşmeden sonra köpük gözeneklerinin birleşmesi ve çökmeler meydana gelmiştir (Şekil 2.10 b). Ayrıca Şekil 2.11'de köpürme oluşumunun zamana göre radyoskopik görüntüleri verilmiştir. Sıcaklık ( C)

38 Genişleme (mm) 18 Zaman (hh:mm) Birleşme etkileri Köpürme yönü Drenaj etkileri Gözenek çekirdeklenmesi Gözenek büyümesi Köpükte çökme Şekil a) 800 C'de ön ısıtmalı fırın içerisinde köpürtülen %0,6 TiH2 içeren AA 6061 Alüminyum alaşımın zamana bağlı genişleme eğrisi; b) AA 6061 köpüğünün farklı köpürme durumlarındaki köpük morfolojisi [Duarte ve Oliveira, 2012]. Gözenek çekirdeklenmesi Gözenek büyümesi Şekil Preformun köpürtme işlemi boyunca radyoskopik görüntüleri [Duarte ve Oliveira, 2012].

39 Gözeneklilik (%) Köpük verimi (%) 19 Yang ve Nakae (2000), yaptıkları çalışmada, A356 alaşımını (Al-%7Si-%0,45Mg alaşımı) Al 2 O 3 kaplı çelik bir pota içerisinde 913 K sıcaklığında atmosfer basıncında ergitmişler. Ağırlıkça %0,5-2,5 arasında değişen oranlarda TiH 2 ekleyerek gözeneklilik ve köpük verimini incelemişlerdir (Şekil 2.12). Gözeneklilik (%) Köpük verimi (%) TiH 2 (% ağırlıkça) Şekil Alüminyum köpükteki TiH 2 ilavesinin gözenekliliğe etkisi [Yang ve Nakae, 2000]. Türker, (2009), yaptığı çalışmada, içerisinde %5 oranında Al 2 O 3 ihtiva eden Alumix 231 numunelerde köpürtme sıcaklığı ve köpürtücü madde miktarına bağlı olarak yoğunluk değişimini incelemiştir. Bu malzemede homojen dağılım ve ideal gözenek duvar kalınlıklarında için %1 TiH 2 ve 690 C köpürtme sıcaklığının uygun olduğu tespit etmiştir. Ayrıca köpürtme sıcaklığındaki ve köpürtücü madde miktarındaki artışa bağlı olarak gözenek duvarlarında incelme olduğu, gözeneklerde kısmi birleşme ve çökme olduğu gözlenmiştir (Şekil 2.13).

40 Yoğunluk, (g/cm 3 ) 20 Köpürtücü madde miktarı, (TiH 2 ) Şekil Köpürtücü madde miktarının ve köpürtme sıcaklığının yoğunluğa etkisi [Türker, 2009]. Duarte, ve ark., (1999), yaptıkları çalışmada %0,6 TiH 2 içeren Al6061 ve AlSi7 alüminyum alaşımının farklı fırın sıcaklıklarında numunelerin köpürme davranışlarını incelemişlerdir. Bu çalışmalarında, silindirik olarak ürettikleri preform numuneleri 600 ve 800 C'de önceden ısıtılmış fırın içerisinde köpürtmüşlerdir. Şekil 2.14'de iki alüminyum alaşımının farklı sıcaklılarda köpürme davranışlarına etkileri gösterilmiştir. Görünüşte ergime noktasının üzerindeki sıcaklığı biraz geçince ful genişleme sağlanmış. AlSi7 içeren 750 C, 6061 içeren 800 C fırın sıcaklığında numune 725 C ve 770 C sıcaklığında kalmış. Bu sıcaklık alaşımların solidüs sıcaklığının 150 C üstüne karşılık geliyor. Bu davranış sebebiyle çok düşük sıcaklıklarda yavaş bir şekilde ısıtılmış numunede hidrojen kayıpları olmuştur. TiH 2 ayrışması 380 C sıcaklıkta başlamış, ergime noktasının üzerindeki sıcaklık değerine oldukça hızlı bir artış etkili gözenek oluşumu ve büyümesini neden olmuştur. AlSi7 numunesinde 6061 numunesine göre daha fazla bir genleşme sağlanmıştır.

41 Numune sıcaklığı ( C) Genişleme (mm) Numune sıcaklığı ( C) Genişleme (mm) 21 Zaman (ss:dd) Zaman (ss:dd) Şekil %0,6 TiH2 içeren 6061 ve AlSi7 alaşımlarının farklı fırın sıcaklıklarında zaman göre köpürme ve genişleme eğrileri [Duarte ve ark., 1999]. Ancak üretimde işlem parametrelerinin yeterince kontrollü olmaması, köpüğün gözenek yapısında önemli ölçüde hasara neden olmaktadır. Bu yöntem Alman firmaları Schunk, ALM ve Avusturya firması Alulight ticari amaçla kullanılmaktadır. Yöntemin ticari ismi Foam-in-Al veya Alulight olarak

42 22 bilinmektedir. Resim 2.6 da köpürtme kalıbı kullanarak üretilmiş parçalar gösterilmiştir. Yöntemin bazı avantaj ve dezavantajları Çizelge 2.1 de verilmiştir. Çizelge 2.1. Toz metalurjisi yöntemiyle köpük üretiminin avantaj ve dezavantajları [Baumgärtner ve ark., 2000]. Avantaj Problem Dezavantaj Son şekle yakın köpürtme olanağı. Gözenek yapısının üniformluğu hala tatmin edici değil. Tozların maliyeti yüksek. Kompozitler üretilebilir. Alaşım seçiminde esneklik. Kararlaştırıcı ek parçalara ihtiyaç yok. Seramikler ve fiberler eklenebilir. Proses kontrolü geliştirilmeli. Çok büyük hacimli parçaların üretilmesi zordur. Çelik kalıp Köpük parça Resim 2.6. Köpürtme kalıbı kullanılarak üretilmiş şekilli Alüminyum parçalar [Stöbener ve ark., 2003; Banhart ve Weigand, 1998].

43 23 3. METALİK KÖPÜK UYGULAMALARI Metalik köpükler, son zamanlarda çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanım alanı bulan ve oldukça ilgi çeken malzemelerdir. Metalik köpükler içerisinde Al köpükler oldukça büyük bir öneme sahiptir. Al köpükler; ısı değişimi, ses yalıtımı, ses ve enerji emilimi gibi özellikleri ile bilinir. Profiller içerisine dolgu malzemesi olarak enerji absorbsiyonu için kullanılabilirler. Kullanım alanları arasında, özellikle hafifliğin arandığı otomotiv ve uzay sanayi alanları başta gelmektedir. Şekil 3.1'de alüminyum köpüklerin uygulama alanları gösterilmiştir. Yoğunluk Dayanım Hafif yapı Enerji sönümleme İkili fonksiyonel uygulama Sönümleme Mekanik sönümleme termal iletkenlik akustik özellikler İdeal çok fonksiyonlu uygulamalar Şekil 3.1. Alüminyum köpüklerin uygulama alanları [Banhart, 2003]. Şekil 3.2'de metalik köpüklerin gözenek türüne göre kullanıldığı alanları gösterilmiştir. Açık hücreli köpükler daha çok ısı değiştirici olarak kullanılırken, gözenek türü kapalı olanlar daha çok mukavemet gerektiren yapısal alanlarda kullanılmaktadırlar.

44 24 Şekil 3.2. Gözeneklilik oranına göre metalik köpüklerin fonksiyonel ve yapısal kullanım alanları [Banhart, 2001]. Son dönemde, İngiltere de endüstri ve akademik kurumların her ikisinde de ulusal fizik laboratuarı tarafından yapılan bir ankette metalik köpüklerin potansiyel uygulamalar için uygun olduğu görüşü çıkmıştır. Ankette göre metal köpüklerin yakın bir zamanda otomobil ve uzay endüstrisi için %32, imalat endüstrisi için (malzeme, makine, parça) %26, eğitim ve araştırma sektörlerinde ise %16 lık paya sahip olacağı belirtilmiştir [Srivastava ve Sahoo, 2007]. Şekil 3.3 de metalik köpük uygulamalarının endüstriyel sektör gereksinimlerindeki dağılımı gösterilmiştir.

45 25 Diğer endüstriler %18 Uzay %6 Araştırma/ eğitim %16 Proses endüstrisi %3 Elektrik mühendisliği %5 Malzeme imalatı %10 Parça imalatı %11 Transport %26 Mühendislik imalat %5 Şekil 3.3. Metalik köpük uygulamalarının endüstriyel sektör gereksinimlerindeki dağılımı [Srivastava ve Sahoo, 2007] Metalik Köpüklerin Yapısal Uygulamaları Otomotiv endüstrisi Son zamanlarda otomotiv endüstrisinde yolcu güvenliği ve yüksek yakıt verimliliği sağlamak için araştırmacılar daha hafif ve daha güvenilir yapılara yönelmişlerdir. Bu malzemeler arasında metalik köpükler hafiflikleri ile oldukça ilgi çekmektedir. Otomobillerin güvenliği konusunda artan talepler, birçok durumda daha ağır araç üretilmesiyle sonuçlanmıştır. Bu da daha az yakıt tüketme talepleriyle çakışmakta ve ağırlığın düşürülmesi için ek hesaplar yapılma gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Özellikle Avrupa ve Japonya da kısa araçlar tercih edilmektedir, fakat bu kısaltma yolcunun hareket alanını etkilememelidir. Bunun için daha küçük motorlar denenmiş fakat, bu sefer de parçaların birbirine çok yakın olmasından dolayı ısınma problemi, ve çarpışma alanının azaltılması problemi ortaya çıkmıştır. Metal köpükler bu problemlerin bazılarına çözüm olabilir. Hafif panel, çarpışmada enerji soğurması, ses ya da ısı soğurması için kullanılabilir. Ancak metalik köpüklerin bu sektörde uygulanabilirliği, üretim maliyetine ve özelliklerine bağlıdır [Banhart, 2001].

46 26 Hafif yapılar Alüminyum metalik köpükler yüksek özellikli yapısal parçalarda, otomobil ara paneli veya ön paneli gibi uygulamalara elverişlidir. Resim 3.1'de toz sıkıştırma yöntemiyle, dökme demir kalıp içerisinde köpürtülmüş, 140x50cm boyutlarında otomobil ön paneli gösterilmiştir [Degischer ve Kriszt, 2002]. Resim 3.1. Alüminyum ön panel [Degischer ve Kriszt, 2002]. Çarpışma enerjisi emilimi Metal köpükler, oldukça yüksek dayanımlarından dolayı, polimer köpükler gibi geleneksel köpüklerden daha iyi bir performans sergilerler [Banhart, 2001]. Ön darbeleri, yandan gelen darbeler, dolaylı darbeler ve takla atmaktan kaynaklanan darbeler azaltılabilir [Banhart ve ark., 1997]. Enerji emilimi karakteristikleri olabildiğince idealdir. Birim hacimde, uzunlukta ve kütlede yüksek enerji emme kapasitesi vardır. Enerji emme izotropisi, geniş bir yelpazedeki darbe yönlerinde iyi enerji soğurma karakteristikleri mevcuttur. Homojen alüminyum köpükler ya da sentetik hücresel metaller oldukça iyi enerji emilimi özellikleri gösterirler. Gerilmegerinim eğrisinde istenmeyen fazla bir eğrilik gözlenmesine rağmen, oldukça uzun bir plato sahası sergilerler [Banhart ve ark., 1999]. Daha da fazlası, üretim

47 27 yönteminin yarattığı anizotropiler dışında enerji emilimi oldukça izotropiktir [Banhart, 1998]. Şekil 3.4'de otomobillere ön kısımdan gelen darbelerin emilmesi için tasarlanan tampon prototipi gösterilmiştir. Burada Alüminyum metalik köpüklerin iki özelliğinden enerji emilimi ve hafiflik özelliklerinden yararlanılmıştır. Ayrıca prototipin Patent-OS DE patent numarasıyla patenti alınmıştır. Darbe tamponu Şekil 3.4. Otomobillere önden gelen darbeler için tasarlanan tampon prototipi [Baron, 2000]. Çarpışma kutuları, Alüminyum ekstrüzyon veya çelik malzemenin içerisine doldurulmasıyla oluşur (Resim 3.2). İçerisinde alüminyum köpük bulunan bu kutular, içi boş çarpışma kutularına nazaran çok daha fazla enerji emebilirler [Banhart, 2003]. Çarpışma kutusu Resim 3.2. Alüminyum köpük ile doldurulmuş çarpışma kutu prototipleri [Banhart, 2003].

48 28 FIAT ve Norwegian Bilim ve Teknoloji Üniversitesi tarafından metal köpük dolu tüp ile ilgili yapılan çalışmalar, eksen boyunca ve özellikle eksen dışı çarpışmalarda enerji absorbsiyonunun arttığını göstermiştir. Eksenel çarpışmalarda içerisi köpük ile doldurulmuş profiller, boş profillere oranla %25-32 daha fazla enerji sönümlemektedirler. Resim 3.3'de Alüminyum köpük ile doldurulmuş otomobil şasi parçası gösterilmiştir [Türker, 2012]. Resim 3.3. Alüminyum köpük ile doldurulmuş otomobil şase parçası [Türker, 2012]. Gürültü kontrolü Köpüğe gelen ses dalgalarının bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı da yapıya girer. Giren dalgaların bir kısmı soğurulur ve bir kısmı da iletilir. Metal köpükler bazı frekanslarda %99 soğurma (genellikle 1-5kHz) yapabilir. Ses izolasyonu ve soğurulması otomotiv endüstrisinde önemli bir konudur [Çağlar, 2009] Uzay Endüstrisi Hafif yapıların köpürtülmüş metallerin uzay endüstrisindeki kullanımı otomotiv endüstrisindeki ile benzerlik göstermektedir. Uzay endüstrisinde kullanılan petek şeklindeki yapıların maliyeti, alüminyum köpük levhalara veya metal köpük sandviç panellere oranla daha yüksektir [Banhart, 2001]. Şekil 3.5'de uzay endüstrisinde kullanılan koni şeklindeki adaptörün kalibrasyon kalıbı içerisindeki köpürtülmüş şekli verilmiştir. Adaptör konisi 12 parçadan oluşmuştur, her bir parça sandviç köpükten (AFS) kalıp içerisinde köpürtülerek üretilmiştir. Parçalar TİG kaynağı ile kaynatılarak birleştirilmiştir. Koni adaptör prototipi üst çapı 2,6m, alt çapı 3,9m, yüksekliği 0,8m ve yaklaşık ağırlığı kg' dır [Dirk ve ark., 2007].

49 29 Şekil 3.5. Kalibrasyon kalıbı içerisinde köpürtülmüş koni parçası [Dirk ve ark., 2007]. Resim 3.4. Alüminyum sandviç köpükten (AFS) yapılmış roket adaptör prototipi [Dirk ve ark., 2007] Makine Endüstrisi Metalik köpüklerin makine endüstrisinde kullanımına iyi bir örnek Resim 3.5'de gösterilen Alüminyum-çelik sandviç malzemeden yapılan makine bağlantı kirişidir. Bu makine takımının iki ana parçası kaynaklı parçalar gibi 1,200 mm x 1,200 mm ve 35 mm kalınlıkta çelik-alüminyum sandviç köpük olarak tasarlanmış.

50 30 Sandviç yapı Çelik / Al köpük / Çelik Resim 3.5. Makine bağlantı kirişinin çelik-alüminyum sandviç tasarımı [Neugebauer ve Hipke, 2006] Biomedikal endüstrisi Titanyum ya da kobalt-kromuyum alaşımları, bio uyumlu oldukları için protez ve diş protezlerinde kullanılır. Metal köpük kullanılarak yoğunluk dağılımı istenen şekilde biçimlendirilebilir [Banhart, 2001].

51 31 4. PLASTİK DEFORMASYON MEKANİZMALARI Metalik malzemelerin plastik deformasyonu en genel olarak belirli düzlemlerde ve doğrultularda atomların kayması ile gerçekleşir. Kaymanın kolaylıkla olamadığı durumlarda ise deformasyona ikizlenme (twinning) katkıda bulunabilir. Yüksek sıcaklıklarda ve düşük deformasyon hızlarında çok kristalli metalik malzemelerin deformasyonu ise, tane sınırlarının kayması (grain boundary sliding) veya atomların yayınma ile yer değiştirmesi yani yayınma sürünmesi (diffusional creep) mekanizmaları ile olur. Sonuç olarak, metalik malzemelerin deformasyon mekanizmaları, a) Kayma b) İkizlenme c) Tane sınırlarının kayması d) Yayınma sürünmesi şeklinde sıralanabilir. Metalik malzemelerin elastik veya plastik deformasyona karşı direnci atomlar arasındaki bağ kuvvetlerinden ileri gelmektedir. plastik deformasyonu gerçekleştiren işlemler, metalik malzemelerin yapısındaki nokta, çizgi ve yüzey hataları gibi yapı hataları ile de ilgilidir [Kayalı ve Ensari, 1986] Kayma Kristal yapıdaki malzemelerde en önemli deformasyon mekanizması olan kayma atom düzlemlerinden birinin komşu atom düzlemi üzerinde kayması ile gerçekleşir. Kayma, belirli kristallografik düzlemlerde ve belirli kristallografik doğrultularda dislokasyonların hareketi ile olur. diğer bir değişle, kayma atom yoğunluğu en fazla olan düzlemlerde (kayma düzlemi) ve kayma düzlemi üzerinde atomların en sık bulundukları doğrultularda (kayma doğrultusu) dislokasyonların hareketi ile meydana gelmektedir.

52 İkizlenme Kaymanın kolaylıkla olamadığı durumlarda plastik deformasyona ikizleme katkıda bulunur. İkizlemenin oluşturduğu kristal yapısı, başlangıçtaki yapının, ikiz düzlemi olarak adlandırılan bir düzleme göre simetriği durumundadır. Diğer bir değişle ikiz oluşumuyla ötelenmiş ve ötelenmemiş atomlar ikiz düzlemine göre birbirinin simetriğidir Tane Sınırı Kayması ve Yayınma Sürünmesi Çok kristalli metalik malzemelerin yüksek sıcaklıklarda ve düşük deformasyon hızlarında plastik deformasyonu, tane sınırlarının kayması ve atomların yayınması ile yer değiştirmesi, yani yayınma sürünmesi mekanizması ile olur [Kayalı ve Ensari, 1986] Metalik malzemelerin sürünme davranışı Metalik malzemeler, oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda akma mukavemetlerinin altında bir gerilmeye maruz bırakılırsa bir miktar elastik uzama gösterir. Gerilme kaldırıldığında da malzeme tekrar eski haline döner. Ancak daha yüksek sıcaklıklara çıkıldığında, malzeme akma mukavemetinin altındaki gerilmelerde de plastik uzama davranışı gösterir. Bu türden kalıcı deformasyona, sürünme adı verilir. Genel bir kural olarak; metalik malzemelerde ergime sıcaklığının 0,3-0,4Tm katında sürünme olayı görülmeye başlanır [Coşar, 2000]. İlk kez bir Fransız mühendis tarafından yapılan çalışmalarda köprü süspansiyonlarındaki bağlantı tel halatlarının zamana bağlı uzamalarının önceden tahmin edilen elastikliği aştığını fark ederek sürünme hasarı üzerine çalışılmıştır. Sürünme hasarları üzerine çalışmalar ancak Birinci Dünya Savaşı ndan sonra tasarımlarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Sürünme hasarının önemli olduğu bir çok uygulama alanı vardır. Örneğin termik santrallerde, rafinelerde, kimyasal işletim alanlarında, 540 C ile 870 C arasında üzerinde yük olan parçalar çalışmaktadır.

53 33 Fırın parçaları, 870 C ile 1200 C arasındaki sıcaklılara düzenli olarak maruz kalırlar. Yine gaz türbinlerinin rotor kanatları 650 C ile 1200 C arasındaki sıcaklıklarda, yüksek merkezkaç kuvvetlerinde çalışmaktadırlar. Bunlardan başka roket nozulları ve uzay araçlarının koniksel burunları kısa süreli zaman periyotlarında çok daha yüksek sıcaklıklara tabi olmaktadır. Mach 7 adlı bir uzay aracının yüzey sıcaklığı yaklaşık olarak 2760 C ölçülmüştür. Bu da aerodinamik ve yapısal bakımdan sürünme deformasyonun ve gerilme kopmasının ne kadar önemli olduğunu göstermektedir [Sönmez, 2010]. Sürünme deneylerinde, malzemelerin sürünme davranışının anlaşılması amacıyla uzama veya birim uzamanın zamana göre değişimini gösteren eğriler çizilir ve bu eğrilere sürünme eğrileri adı verilir (Şekil 4.1). A; yüklemeyi izleyen ani uzama, B; birincil sürünme veya geçiş sürünmesi, C; ikincil veya kararlı sürünme ve D; üçüncül sürünme olmak üzere dört aşamadan oluşur. Gerinme σ ve/veya T artışı ile ε veya ε o artışı Kopma Artış (σ veya T) (Sürünme σ=sabit T=Sabit (Ani deformasyon) Zaman (t) Birincil sürünme İkincil sürünme kararlı Üçüncül veya hızlı sürünme Şekil 4.1. Sürünme eğrisi [Brnic ve ark., 2009]. Tam olarak sürünme işlemi içerisinde görünmemekle birlikte önemi ihmal edilemeyen 0`dan A`ya olan ilk uzama test edilecek yük parça üzerine uygulanır

54 34 uygulanmaz gerçekleşir. Bu bölüm dışında kalan eğri üç bölümde incelenebilir [Kurt, 2008]. A`dan B`ye olan birinci bölgeye ait sürünmede dislokasyon hareketliliği çok hızlı olmaktadır. Bu bölümde çalışma sertleşmesine bağlı dislokasyon hareketliliğini engelleyen veya zorlaştıran faktörler malzeme içerisinde sürünme hızına azalan şiddette etki edecek şekilde absorbe edebilir. Dolayısıyla birinci bölgede sürünme gerinim artış hızı ilk etapta yüksektir ve daha sonrasında hızla yavaşlayarak kararlı sürünme bölgesi olan ikinci aşamaya geçiş yapar. İkinci bölgede (B`den C`ye olan bölge) sürünme gerinim hızının zamana bağlı olarak artış oranı sabit kalmaktadır. İkinci bölgede çalışma sertleşmesi nedeni ile artan dislokasyon hareketliliği neticesi olarak dislokasyon ağları ve yığılmaları rahatlama mekanizmaları olarak adlandırılabilecek dislokasyon tırmanması ve dislokasyon kayması ile dengelenir ve bu nedenle gerinim artış oranı sabit kalır. Birinci ve üçüncü bölge sürünme gerinmesi artış oranlarının hızlı olması nedeni ile mühendislik tasarımlarında daha çok ikinci bölge dikkate alınmaktadır. C`den D`ye olan üçüncü bölgede iç boşluk oluşumları vuku bulur. Bu ise boyun oluşumu ve buna bağlı olarak gerilme (stres) artışına neden olur ve malzeme son olarak aniden kopabilir. Sürünme eğrisinin şekli kullanılan malzemenin türüne, ortamın sıcaklığına ve basınç değerine göre farklılıklar gösterebilir [Kurt, 2008]. Sıcaklığın ve gerilmenin sürünme davranışı üzerindeki etkileri değişik gerilme (sabit sıcaklıkta) ve sıcaklık (sabit gerilmede) değerlerinde Şekil 4.2.a ve Şekil 4.2.b de gösterilmiştir. Sıcaklığın ve gerilmenin artmasıyla kararlı sürünme oranı da büyür ve ikincil sürünme bölgesi azalır sonunda da ani ve erken kırılma oluşur.

55 35 Şekil 4.2. Sıcaklığın ve gerilmenin sürünme davranışı üzerindeki etkileri [Sönmez, 2010] Sürünme deformasyon mekanizmaları Sürünme üzerine yapılan araştırmaların büyük kısmı sürünme deformasyon mekanizmasının geliştirilmesi üzerinedir. Önemli deformasyon mekanizmaları aşağıdaki gibi gruplandırılabilir: Dislokasyon kayması Termal aktivasyon sayesinde dislokasyon hareketine karşı olan direncin aşılması ve kayma düzlemleri boyunca hareketin sağlanması üzerine kuruludur. Mekanizma büyük gerilmelerde oluşur, σ/g > 10-2 [Dieter, 1988]. Dislokasyon sürünmesi Çatlakların veya boşlukların difüzyonu ile ısıl olarak desteklenmiş mekanizmaların etkisiyle dislokasyon sürünmesine karşı olan direncin aşılması, dislokasyon hareketlerinin sebebidir < σ/g < 10-2 Dislokasyon sürünmesi boşluk difüzyonu yardımı ile dislokasyon kayması tarafından oluşur. Buna göre kararlı sürünme oranı, gerinme zorlanmanın oranın h= ve termal dönüşüm ile yeniden dönüşüm ve dislokasyonların yok edilmesi r=

56 36 arasındaki karşılaştırmanın bir dengesi olarak açıklanır. Bir kararlı sürünme durumunun oluşması dönüşümün oranının yeterince hızlı olması ve gerinme zorlanmasının bu iki faktör arasında bir denge oluşacak kadar yavaş olması ile meydana gelir. Eş.4.1'de gösterilmiştir. (4.1) Gittus a ait model deneysel uygulamalarla aynı değerleri verir. Buna göre bir gerilme modeli ve üç yöndeki bir ağdaki dislokasyonun difüzyon yardımlı hareketi üzerine temellendirilmiştir. Eş.4.2.'de gösterilmiştir. (4.2) itme yoğunluğu kafes öz yayınım katsayısı kesme modülüsü burgers vektörü uygulanan gerilme boltzman sabiti sıcaklık Şekil 4.3'de sürünme deformasyonunda tırmanma ve kayma hareketlerinin nasıl bir sıra ile yapıldığı şematik olarak gösterilmiştir. Daire dislokasyonun kayma düzlemindeki engelleri (çözünmüş atomlar, diğer dislokasyonlar, çökeltiler) gösterir. Kristal kafes sistemi bir dislokasyon hareketine karşı temel direnci oluşturur. Kayma şekil değişiminin neredeyse tamamını üretirken tırmanma ise hızı kontrol eder [Dieter, 1988].

57 37 (a) (b) Şekil 4.3. Dislokasyon sürünmesi a) atom dislokasyon çizgisini arayer oluşturmak veya boşlukları doldurmak için ayrıldığında, b) atom boşluk oluşturarak veya ara yerleri elimine ederek dislokasyon çizgisine eklenirler ve tırmanma gerçekleşir [Eker, 2010]. Difüzyon sürünmesi Uygulanan gerilmenin etkisi altında bir kristal boyunca çatlakların ve boşlukların akışını ifade eder. Difüzyon (yayınma) sürünmesi, göreceli olarak düşük gerilmelerde σ/g < 10-4 ve çok yüksek sıcaklıklarda mekanizmayı yönlendirir hale gelir. Nabarro ve Herring gerilme güdümlü atomik difüzyonun sürünme uygulamasını kontrol ettiğini ileri sürmüşlerdir. Burada boşlukların bir akışı vardır ve bu akış çekme gerilmelerine maruz kalmış tane sınırlarından basma gerilmelerine maruz kalmış tane sınırlarına doğrudur (Şekil 4.4). Bu şekilde gerilmeler, bir çoklu kristaldeki tanelerin yüzeylerinin üzerindeki atomların kimyasal potansiyelini değiştiriler. Aynı anda buna eş bir zıt yönde atomlar akışı meydana gelir ve buda tanenin uzamasına sebep olur. Nabarro-Herring sürünme denklemi Eş.4.3'de gösterilmiştir. (4.3) Burada; d tane çapı, Dv kafes difüzyon katsayısı. Şunu da not etmeliyiz ki tane boyutu arttıkça sürünme oranı da azalır.

58 38 Düşük sıcaklıklarda tane sınırı difüzyonu üstün hale gelir. Coble tipi sürünme Eş. 4.4'de gösterilmiştir. (4.4) d tane çapı, Dgb tane sınırı difüzyon katsayısı. Nabarro- Herring sürünmesi Dv/d2 ile, Coble sürünmesi ise Dgb /d3 ile orantılıdır [Dieter, 1988]. Atom boşluklarının yayınması Atom yayınması Atom boşluklarının yayınması Şekil 4.4. Difüzyon (yayınma sürünmesi) [Sönmez, 2010]. Tane sınırı kayması Tanelerin sınırları boyunca kayarak birbirleriyle yerlerinin değişmesini ifade eder. Genellikle aynı anda farklı sürünme mekanizmaları oluşabilir. Bunların birbirine bağımlı olarak uygulanmasıyla, kararlı sürünme oranı Eş.4.5'deki denklem ile verilir [Dieter, 1988]. (4.5) Tane sınırı kayması düşük gerinme hızı ve yüksek sıcaklıkta meydana gelir. Tane sınırı kayması kararlı sürünmeye önemli bir katkı sunmazken taneler arası kopmanın başlatılmasında önemli bir rol oynar [Sönmez, 2010]. Tane sınırlarının kayması ile

59 39 taneler birbirlerine göre yer değiştirirler (Şekil 4.5). Bu olay, taneler yer değiştirirken tane sınırlarının birbirileri ile uyum sağlayabilmesi mümkün olduğu deformasyon şartlarında, yani yüksek sıcaklıklarda ve düşük deformasyon hızlarında olabilir. Tane sınırı çekme ekseni ile 45 'lik açı yaptığı zaman en fazla kayma olur. Saf metaller üzerinde düşük gerilmeler altında yapılan sürünme deneylerinde toplam deformasyonun yaklaşık %30'unun tane sınırlarının kayması ile oluştuğu ve bu oranın uygulanan gerilme arttırıldığında azaldığı saptanmıştır [Kayalı ve Ensari, 1986]. Şekil 4.5. Tane sınırlarının kayması ile oluşan plastik deformasyon [Sönmez, 2010]. Metalik malzemelerde oda sıcaklığında ya da düşük sıcaklıklarda kırılma, tane içinden (transgranüler) şeklinde meydana gelirken, yüksek sıcaklıklarda ise taneler arasından (intergranüler) kırılma olarak ortaya çıkar. Yüksek sıcaklıklarda taneler hareket etme eğiliminde olduğundan sınırlarda kayma meydana gelir. Bu şekilde tane sınırları arasındaki boşluklar büyüyerek birbirleriyle birleşir ve sonuçta çatlak oluşumu ortaya çıkar (Şekil 4.6). Hasar öncelikle sürünme eğrisinin üçüncü bölgesinde başlar ve artan bir hızla ilerler. Tane sınırlarındaki çatlakların çekirdeklenmesi ve büyümesi, komşu tanelerin sınırlar boyunca kayması ile meydana gelir [Coşar, 2000].

60 40 Şekil 4.6. Tanelerin 3'lü kesişme noktalarındaki çatlak oluşumu [Dieter, 1988] Kapalı hücreli metalik köpüklerin sürünme davranışı Bal petekleri ve köpükler sıklıkla yapısal uygulamalarda kullanılırlar: sandviç yapılardaki çekirdekler gibi, yüke dayanımlı yalıtım malzemeleri gibi ve kritik parçalarda kullanılırlar. Düşük sıcaklıklarda yüklendiklerinde (T < 0,3 Tm) bu malzemeler elastik deformasyon, elastik burkulma ve hücre duvarlarında plastik çökme deformasyonları oluşur. Daha yüksek sıcaklıklarda, zamana bağımlı sürünme katkılı deformasyonlar oluşur. Şekil 4.7'de yüksek sıcaklıklarda sürünme deformasyonuna maruz kalmış bal peteği yapısı gösterilmiştir [Andrews ve ark., 1999].

61 41 X2 X1 Şekil 4.7. Bal peteği yapısı: a) deforme olmamış, b) X1 yönünde yük uygulanmış, c) X2 yönünde yük uygulanmış ve d) kayma doğrultusunda yük uygulanmış. Yüksek sıcaklıkta yük uygulandığı zaman, eğik hücre duvarlarında sürünme-eğilmesine uğraması [Andrews ve ark., 1999]. Andrews ve ark., (1999), yaptıkları çalışmada kapalı hücreli köpüğün basma ve çekme yükleri altında sürünme testlerini incelemişler. Yoğunluğu 235,2 kg/m 3 (ticari ismi Alporas, Shinko Wire) olan kapalı hücreli ticarileşmiş bir Alüminyum köpüğü sürünme testi malzemesi olarak kullanmışlar. 325 C sıcaklıkta, 0,42 MPa basınçta deneylerini yapmışlar. Çekme durumunda tipik sürünme davranışı izleyen çok iyi bilinen birincil, ikincil ve üçüncül grup sürünme; üçüncü grupta kopmayla son bulmuştur. Çekme sürünme numuneleri tipik bir şekilde yükleme doğrultusunda 45 'lik bir açıyla kopmuştur (Şekil 4.8.a). Basma durumunda oldukça farklı durum

62 Gerinim Gerinim 42 sergilemiş. İkincil grupta, zamanın bazı periyotlarında sürünme oranı artmış ve ondan sonra ikinci bölgede yavaş bir oranda azalmış ve ikincil grupta bitmiş (Şekil 4.8.b). Resim 4.1 de sürünme sonunda test numuneleri gösterilmiştir. Çekme σ*=0,42 MPa T=325 C t hata (kopma) Zaman (s) Basma σ*=0,42 MPa T=325 C t hata ( =5 ) Zaman (s) Şekil 4.8. Alporas köpüğünün tipik sürünme eğrileri; a) çekme b) basma

63 Resim 4.1. Sürünme sonundaki test numuneleri; a) Çekme yükü altında, b) basma yükü altında [Andrews ve ark., 1999]. 43

64 44 5. KAPALI HÜCRELİ METALİK KÖPÜKLERİN ŞEKİLLENDİRİLMESİ 5.1. Yüksek-Sıcaklıkta Şekillendirme Halen hücresel metallerin ergiyikten çökelme ve katı hal işlemleri ile üretilmeleri mevcuttur. Bu malzemeler, yoğunluk, rijitlik, ve enerji absorpsiyonu açısından çok iyi özelliklere sahiptir. Fakat kullanım oranları, şekillendirmenin veya bitmiş parça imalatının zorluğu ile sınırlıdır [Degischer ve Kriszt, 2002] Köpük şekillendirmede özel problemler Günümüzde haddelenmiş köpürebilir yarı mamul ürünlerden hücresel alüminyum çekirdekler ile üç boyutlu kompozitler yapmak mümkündür. Bu yöntem toz metalurjisi köpürtme tekniği üzerine temellendirilmiştir ve oldukça maliyetlidir. Ergiyik yöntemle üretilen köpükler toz metalurjisi köpürtme tekniği ile üretilenlerden çok daha ucuzdurlar. Fakat köpürtülmüş hücresel metallerin şekillendirme özellikleri ile ilgili problemler vardır. Ortam sıcaklığında köpüklerin şekillendirilmesi deforme olan bölgedeki çatlakların artmasına ya da gözenek yapısının çökmesine neden olmaktadır. Lokal gerilme-gerinim konsantrasyonları hücresel yapının en zayıf kısımlarında hataya neden olmaktadır [Hahn ve Otto, 2000]. Yüksek sıcaklıklardaki şekillendirmeler metalik köpüklerin hatasız ve gözenekli yapıyla şekillendirilmelerine olanak sağlamaktadır. Yüksek sıcaklıklarda akma gerilmesi ve deformasyon sınırları kayda değer biçimde azalmaktadır, böylece akma gerçekleşmektedir, lokal gerilme konsantrasyonları sürünme gevşemesi ile azaltılmaktadır [Degischer ve Kriszt, 2002] Alüminyum köpük çekirdek ile sandviç köpük üretimi Alüminyum köpük çekirdek ile sandviç köpük üretiminin işlem sırası Şekil 5.1 de gösterilmektedir. Sandviç panelin kaplama levhaları ilk işlem basamağında şekillendirilerek hücresel çekirdek malzemenin üzerine entegre edilmiştir. Sonuç son şekle yakın kompozit bir parçadır [Hahn ve Otto, 2000].

65 45 Şekil 5.1 de gösterilen iş parçası fırında çelik kalıp kullanılarak katı sıcaklığı aralığında şekillendirilmiştir. Bu durumdaki şekillendirme kuvveti yer çekimidir. Dezavantaj olarak sıcaklık kontrolündeki problemler ve başlangıçtaki yüksek lokal gerilmeler kenarlardaki temas bölgelerinde çökmeye neden olmuştur [Hahn ve Otto, 2000]. Metalik köpük Şekil 5.1. İşlem sırası [Hahn ve Otto, 2000]. Alüminyum köpük solidüs sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta şekillendirilir. Örnek olarak Al-Si faz diyagramındaki çalışma alanı ve AlSi12 alaşımından yapılan bir iş parçası Şekil 5.2 de gösterilmiştir [Hahn ve Otto, 2000]. Şekillendirme bölgesi (a) Şekil 5.2. a) Al-Si faz diyagramında şekillendirme bölgeleri, b) Çelik kalıpta şekillendirilmiş iş parçası [Hahn ve Otto, 2000]. (b)

66 Katı halde malzeme davranışı Solidüs sıcaklığındaki malzeme davranışı farklı köpük malzemelerinin şekillendirilmelerinde önemli bir yer tutmaktadır. Alaşım elementlerinin yanı sıra üretim işlemleri ayrıca termal davranışı da etkilemektedir. Malzemeler sıkıştırılmış tozların köpürtülme yöntemiyle üretilirler ve bir dış katman yüzeye sahiptirler. Bu yüzey, atmosferden köpük içerisine ısı alışverişine engel olmaktadır. Sonuç olarak çalışılan bölgede şekillendirme yüksek sıcaklıkta daha erken elde edilmektedir [Degischer ve Kriszt, 2002]. Diğer önemli bir faktör ise köpürtücü ajandır. Solidüs sıcaklığının üstünde metalik köpüklerin hücre yapısında kalıcı şekil değişiklikleri göstermezler. Fakat solidüs sıcaklığına ulaşıldığında hücre duvarlarındaki kalıntı TiH 2 parçacıkları sebebiyle yeni gözenekçikler oluştururlar. Üretim sürecinde TiH 2 nin çözünme sıcaklığına ulaşıldığında hidrojen salınımı gerçekleşir ve bu noktada alaşım ergimeye başlar. Hücre yapısı sıcaklık yükseldikçe değişir ve solidüs sıcaklığında farklı gözenek kombinasyonunun gerçekleşmesi mümkündür (Şekil 5.3.a) [Degischer ve Kriszt, 2002]. a) b) Şekil 5.3. Sıcaklık ve köpürtücü ajanın hücre yapısı üzerindeki etkisi, a) TiH2' ün etkisi, b) Gaz enjeksiyonu ile köpürtülmüş köpükler [Degischer ve Kriszt, 2002].

67 Yüksek sıcaklıkta hücresel metallerin şekillendirilmesi Sıcaklık, şekillendirme işleminde önemli bir yer tutmaktadır. TiH 2 'lü alüminyum köpüklerinin şekillendirilmesi için solidüs sıcaklığın altında çalışmak gerekir ki hücre yapısı çökmeden korunabilsin, çünkü bu işlemde ana faktör şekillendirme kuvvetidir. Eşik değerin kontrol altında tutulduğu şekillendirme işleminde bu sıcaklığın üstünde malzemenin şekillendirilmeleri mümkün değildir. Çünkü çok küçük şekillendirme kuvvetleri bile hücresel yapıya zarar vermektedir. Öte yandan yüksek deformasyon oranlarına ulaşmak için akma gerilmesi azaltılarak sıcaklığa ulaşılmalı ancak solidüs sıcaklığı aşılmamalıdır [Ashby ve ark., 2000]. Gaz enjeksiyonu yöntemiyle üretilen köpüklerin ihtiva ettiği farklı fazlar veya metalik partiküller yüksek sıcaklıklarda da kararlı hale getirilebilirler, ancak solidüs sıcaklığı üzerinde çok daha farklı davranışlar gösterirler. Örneğin silisyum karbür gibi partiküller üretim aşamasında viskoziteyi artırarak yapıyı bu sıcaklık aralığında kararlı halde tutmak için kullanılırlar [Ashby ve ark., 2000]. Zira, partiküller alüminyum matris ve hücresel yapıyı kararlı hale getirir. Solidüs sıcaklığının üzerindeki bölgede sıcaklık ana faktördür, çünkü malzeme yarı katı halden ergimeye geçer. Köpük alaşımının katı hal sıcaklığına bağlı olarak artan sıcaklıkla akma kuvveti azaltılabilir. Sıcaklığın yanı sıra şekillendirme işleminde süre de önemli bir faktördür. Şekillendirme işlemi difüzyon kontrolü ile gerçekleşir bu ise zamana bağlı bir mekanizmadır. Daha uzun şekillendirme süreci daha geniş bükme açılarıyla sonuçlanır. Ancak deformasyon miktarı giderek azalır [Degischer ve Kriszt, 2002]. Hücresel metallerin yüksek sıcaklıklarda şekillendirilmesine ilişkin bazı örnekler Resim 5.1'de gösterilmiştir. Yaklaşık %15 SiC partiküllü gaz enjeksiyonu ergiyiğinden yapılan köpükler solidüs sıcaklığın 5 C, 10 C, 15 C (Şekil 5.1.a,b,c). solidüs sıcaklığın üstünde sabit şekillendirme kuvvetleriyle bükülmüştür [Degischer ve Kriszt, 2002].

68 48 a) b) c) Resim 5.1. Yüksek sıcaklıkta şekillendirilmiş Alüminyum köpük numuneleri a) Solidüs sıcaklığının 5 C üstünde, b) Solidüs sıcaklığının 10 C üstünde, c) Solidüs sıcaklığının 15 C üstünde [Merklein ve Geiger, 2002].

69 49 6. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 6.1. Malzeme Bu çalışmada, kapalı hücreli Al metalik köpük üretimi için, kimyasal kompozisyonu Çizelge 6.1'de verilen alaşım preform (köpürtülebilir öncü malzeme) kullanılmıştır. Preform malzemeler şerit halinde 5x20x1000 mm boyutlarında temin edilmiştir. Çizelge 6.1. Preform malzeme kimyasal kompozisyonu Malzeme Al Mg Si TiH 2 % (ağırlıkça) 97,6 1,0 0,6 0, Köpürtme İşlemi Üretilen köpük numunelerin yoğunluğu ve gözenekliliği arasında Eş. 6.1'de gösterildiği gibi bir ilişki bulunmaktadır. = 1- (6.1) P: Gözeneklilik, V: Köpük hacmi, m: Köpük ağırlığı, p: Preform malzeme yoğunluğu, : Köpük malzeme yoğunluğu. Köpürtme işlemleri köpük üretimi için özel tasarlanan mufel tipi 600x600x300 mm 3 kamara hacminde, alt tablası hareketli 13 kw gücündeki fırında yapılmıştır. Resim 6.1 de köpürtme fırını ve köpürtme kalıbının fırın içerisindeki yerleşimi gösterilmiştir.

70 50 Fırın Köpürtme kalıbı Resim 6.1. Köpürtme fırını ve köpürtme kalıbı yerleşimi Resim 6.2'de 5x20x200 mm boyutlarında köpürtme kalıbında kullanılan preform malzeme gösterilmiştir. Resim 6.2. Preform malzeme Resim 6.3'de St 37 malzemeden imal edilen köpürtme kalıbı resmi gösterilmiştir.

71 51 Köpük tahliye delikleri Kilit Kapak Kalıp Alt plaka Resim 6.3. Köpürtme kalıbı Yaklaşık 400 C'de ön ısıtma uygulanmış olan köpürtme kalıbına preform malzeme yerleştirildikten sonra 730 C fırın sıcaklığında ~7 dakika içerisinde köpürtme işlemi gerçekleştirilmiştir. Köpürtme kalıbındaki tahliye deliklerinden köpük çıkışı takip edilmiş ve köpürtme kalıbı fırından çıkarılarak sirkülasyonlu havada soğumaya bırakılmış ve bu sayede 17x22x200 mm boyutlarında şekillendirilen köpük numune kalıptan çıkartılmıştır (Resim 6.4). Resim 6.4. Üretilen metalik köpük numune 6.3. Metalografik Çalışmalar Preform ve köpük malzeme mikroyapı karakterizasyonu Preform ve köpük malzeme mikroyapısı optik mikroskop, SEM, EDS ve XRD aracılığıyla karakterize edilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde Leica DFC 320 dijital kamera bağlantılı Leica DM 4000 M marka optik mikroskop ve Jeol 6060 LV model tarama elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır.

72 Köpük malzeme makroyapı karakterizasyonu Metalik köpük yapısındaki hücre şeklinin ve boyutlarının belirlenmesi için köpük numuneler tel erezyon yöntemiyle boyuna doğrultuda kesilmiş ve numunelerin 1:1 ölçeğinde tarama fotoğrafları alınarak görüntü analizi yapılmıştır (Şekil 6.1). AutoCAD programında hücrelerin boyuna ve enine doğrultudaki uzunluklarının ölçülmesiyle ve Eş. 6.2'de verilen MLI (Mean Linear Intercept) yöntemiyle hücre boyutları hesaplanmıştır. Şekil 6.1. Hücre boyutlarının ve morfolojisinin belirlenmesinde kullanılan AutoCAD programı ve MLI yöntemi (6.2) L: gözenek boyutu, : Toplam test uzunluğu, p: Gözenek sayısı [Das, 1999]. Deforme edilmiş köpük numunelerde basma ve çekme bölgelerinde oluşan hücre yönlenmelerin analizinde AutoCAD programı kullanılarak tarama görüntüsü üzerinden basma, çekme ve orta eksende MLI yöntemiyle hücre boyutları hesaplanmıştır (Şekil 6.2).

73 53 1) Çekme ekseni Orta eksen 2) Basma ekseni Şekil 6.2. Deforme edilmiş numunede hücre deformasyonunun belirlenmesi Yoğunluk ölçümü Preform (köpürtülebilir öncü) malzeme ve üretilen köpük numunelerin yoğunlukları ölçülmüştür. Preform malzemelerin yoğunluk ölçümleri Sartorius marka 0,1 mg hassasiyete ölçüm yapabilen dijital terazide Arşimet prensibine göre suda yüzdürme yöntemi ile oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Yoğunluk hesaplamalarında Eş. 6.3 de verilen formül kullanılmıştır. =g (6.3) : Numunenin yoğunluğu (g/cm 3 ), : Oda sıcaklığındaki suyun yoğunluğu (g/cm 3 ), : Numunenin havadaki ağırlığı (g), :Numunenin su içerisindeki ağırlığı (g). Üretilen köpük numunelerin yoğunluğu ise numune boyutlarının büyük olmasından dolayı Eş. 6.4'deki formüle göre hesaplanmıştır.

74 54 (6.4) : Köpük numunenin yoğunluğu (g/cm 3 ), m: Köpük numunenin ağırlığı (g), V: Köpük numunenin hacmi (cm 3 ) Lineer genleşme oranı ve gözeneklilik miktarının belirlenmesi Üretilen metalik köpük numunelerin lineer genleşme oranları Eş. 6.5'deki formüle göre hesaplanmıştır. (6.5) : Köpük numunenin lineer genleşme oranı (%), : Köpüğün hacmi (cm 3 ), : Preform malzeme hacmi (cm 3 ). Köpük numunelerin gözeneklilik oranı ise Eş. 6.6'daki formüle göre hesaplanmıştır. (6.6) : Gözeneklilik oranı (%), : Preform malzeme hacmi (cm 3 ), : Köpük numune hacmi (cm 3 ) Eğme Testi Eğme testi dışarıdan uygulanan yük etkisiyle yapılan eğme işlemidir. Üretilen köpük numunelerin yüksek sıcaklıklarda eğme testleri için fırına monte edilen eğme test düzeneği tasarlanıp imal edilmiştir. Resim 6.5'de eğme test düzeneği gösterilmiştir.

75 55 Yük kolu Hareketli mil Bükme rulosu P Fırın R=25 95 Sıkma kolu Büküm silidiri Eğme aparatı Köpük numune Açısal skala Termokupol Resim 6.5. Eğme test düzeneği Deformasyon sıcaklıkları solidüs altı katı halde deformasyonlar için 600, 625 ve 640 C sıcaklıklar seçilmiştir. Fırın içerisine yerleştirilen eğme aparatında, numune merkezi ile büküm silindiri merkezi çakışacak şekilde köpük numune yerleştirilmiştir. Eğme testlerinde 50 mm çapında büküm silindiri kullanılmıştır. Eğme test düzeneğinin hareketli tüm parçaları oksitlenme direnci yüksek olan paslanmaz çelik (AISI 316) malzemeden yapılmıştır. Sıkma kolu vasıtasıyla numune sabitlenmiştir. Aparat istenilen büküm uzunluğunda çalışabilecek şekilde dizayn edilmiştir. Eğme testlerinde 95 mm büküm uzunluğu kullanılmıştır. Eğme için gerekli olan kuvvet, fırın üzerine yerleştirilen yük kolu ile sağlanmıştır. Yük kolu hareketli mili vasıtasıyla numuneye kuvvet uygulamıştır. Bükme rulosu sayesinde,

76 56 deformasyon sırasında numune bükme rulosu arasında oluşacak sürtünme kuvveti minimize edilmiştir. Numune sıcaklığı numuneyle temas halinde olan termokupol sayesinde kontrol altında tutulmuştur. Fırın sıcaklığı ve numune sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı ~1-2 C aralıklarında belirlenmiştir. Yükleme hızı ise yük kolunun birim zamanda aldığı yola göre Eş. 6.7'deki formüle göre hesaplanmıştır. (mm/sn) (6.7) V: Yükleme hızı (mm/sn), a: Vida adımı (a=4mm), n: Tur sayısını, t: Zaman (sn) Serbest Eğme Deneyi Serbest eğme deneyi, dışarıdan yük uygulamaksızın yerçekimi etkisinde yapılan eğme işlemidir. Deformasyon sıcaklıkları solidüs altı katı halde deformasyonlar için 635 ve 640 C sıcaklıklar ve solidüs üstü katı + sıvı aralığındaki deformasyonlar için ise 645, 650 ve 656 C sıcaklıklar seçilmiştir. Serbest eğme deneyleri fırın içerisine yerleştirilen eğme deney düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Serbest eğme deneyleri yüksek sıcaklıklardaki numunenin yerçekimi etkisiyle eğilerek deformasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Resim 6.6'da serbest eğme düzeneği gösterilmiştir.

77 57 Termokupol Büküm silindiri Numune Açısal skala Resim 6.6. Serbest eğme deney düzeneği Eğilen numunelerin büküm iç çaplarının aynı olması için numune merkezi ϕ50 mm'lik büküm silindirinin merkezi ile çakışacak şekilde yerleştirilmiştir. Bu sayede eğilen numunelerin büküm yarıçapları aynı kalmıştır. Açısal deformasyonu (eğilme) belirleyen bir açısal skala numunelerin farklı açılardaki deformasyonuna bakılarak oluşturulmuştur. Bu skala fiber lazer markalama yöntemiyle paslanmaz çelik (AISI 304) malzeme üzerine markalanmıştır. Açısal skala numunenin arkasına yerleştirilmiştir. Bu sayede numunelerin zamana göre açısal deformasyonu belirlenebilmiştir. Deformasyon 620 C numune sıcaklığında süre tutularak ve maksimum deformasyon sıcaklığına kadar geçen sürede (maksimum 75 dakikada) gerçekleştirilmiştir. Deformasyon süresince zamana bağlı olarak numune sıcaklığı ve açısal deformasyon miktarları kayıt edilmiştir. Ayrıca testler, video kaydına alınarak deformasyon süreci izlenmiştir.

78 58 7. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 7.1. Preform Malzeme Mikroyapı Karekterizasyonu Preform malzeme mikroyapısı ve parçacık dağılımı Resim 7.1'de gösterilmiştir. Preform numunelerin teorik yoğunluğu 2,67 g/cm 3 olarak hesaplanmıştır. Preform numunelerin Arşimet yöntemiyle ölçülen yoğunluğu, 2,67 g/cm 3 olarak ölçülmüştür. Preform malzemede % 100 yoğunluk belirlenmiştir. Preform malzeme mikroyapısında matris içerisinde TiH 2 parçacıkları koyu gri renkle görülmüştür. Matris içerisinde açık gri tonlamalı köşeli şekilli parçacıklar ise Si parçacıklarıdır [Duarte ve Banhart, 1999]. TiH 2 Si Ekstrüzyon Doğrultusu Resim 7.1. Preform malzeme mikroyapısı (Dağlamasız) Şekil 7.1'de preform malzemenin DTA grafiği verilmiştir. 218 ve 342 C'de pik veren ekzotermik reaksiyonun TiH 2 köpürtücü ajan partiküllerinin bu sıcaklıklardaki reaksiyonla çözünmesi sonucu oluştuğu düşünülmektedir. 641 C'de endotermik reaksiyon başlangıcında ise alaşımda sıvı faz oluşumunun başladığı sıcaklığı (solidüs sıcaklığını) ifade etmektedir. 668 C'de ise sıvı faz oluşumunun tamamlandığı belirlenmiştir.

79 59 Şekil 7.1. Preform malzemenin DTA grafiği Degischer ve Kriszt, (2002) yaptıkları çalışmada, kapalı hücreli metalik köpüğü solidüs sıcaklığının 5 C, 10 C ve 15 C üzerindeki sıcaklıklarda yerçekimi etkisiyle bükülebilir olduğunu belirlemişlerdir. Deneysel çalışmada, serbest eğme işlemleri solidüs sıcaklığının 6 C ve 1 C altında ve solidüs sıcaklığının 4 C, 9 C, ve 15 C üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir Köpük Malzemenin Karekterizasyonu Mikroyapı karekterizasyonu Resim 7.2'de, üretilen köpük numunenin mikroyapısı verilmiştir. Eş eksenli tanelerden oluşan yapı görülmektedir. Mikroyapı resmi köpük numunenin gözenek duvarlarına göre nispeten kalın olan yan duvarlarından alınabilmiştir. Resim 7.3'de çözünmeden kalan TiH 2 partikülleri görülmektedir.

80 60 Resim 7.2. Köpük numune mikroyapısı (Tucker's dağlamada) TiH 2 Resim 7.3. Köpük numune mikroyapısı (%0,5 HF dağlamada)

81 Metalik köpüklerin makroyapı karekterizasyonu Çizelge 7.1'de üretilen metalik köpük numunenin fiziksel özellikleri ve hücre morfolojisi verilmiştir. Resim 7.4'de ise köpük numunenin boyuna kesiti ve hücre yapısı gösterilmiştir. Çizelge 7.1. Üretilen köpük numunenin fiziksel ve geometrik özellikleri. Yoğunlu k (g/cm 3 ) Lineer genleşme oranı (%) Gözeneklilik Miktarı (%) Boyuna doğrultuda hücre boyutu (mm) Enine doğrultuda hücre boyutu (mm) Hücre Boy/En oranı 0, ,71 4,31 1,09 Resim 7.4. Köpük numunenin boyuna kesiti ve hücre yapısı Köpük numunenin iki boyutlu tarama görüntüsünden hücre boyut dağılımı incelendiğinde, hücre boy/en oranının yaklaşık olarak birbirine eşit olduğu görülmektedir. Hücre boy/en oranının eşit olması gözeneklerin küresele yakın olduğu ve ideal geometride olduğunu ifade etmektedir. Ayrıca hücre boyut dağılımının mekanik özellikler için homojen olması istenir [Degischer ve Kriszt, 2002]. Ortalama hücre boyutu ise 4,5 mm (d) olarak hesaplanmıştır. Çizelge 7.2'de eğme testi uygulanan numunelerin, deformasyon sıcaklıkları, deformasyon hızları, deformasyon miktarları ve yoğunlukları verilmiştir.

82 62 Çizelge 7.2. Eğme testi uygulanan numunelerin özellikleri Deformasyon sıcaklığı ( C) Yükleme hızı (mm/sn) Açısal deformasyon miktarı ( ) , , ,53 Numunede kopma 625 0, , Numunede kopma 640 0, ,01 17 Eğme testlerinde deformasyon hızının yüksek veya düşük olması deformasyon sürecini etkilemiştir. Tüm sıcaklıklarda deformasyon hızının artmasıyla erken çatlak oluşumu sebebiyle açısal deformasyon miktarı azalmıştır. 0,01 mm/sn yükleme hızından büyük hızlarda yaklaşık aynı açısal deformasyon değerleri elde edilmiştir. Bu deformasyon miktarından sonra uygulanan yük sebebiyle numunelerin üst yüzeylerinden maksimum momentin olduğu yerlerde önce çatlak ve ardından kopma meydana gelmiştir. 640 C numune sıcaklığında numunenin yerçekimi etkisiyle deformasyon hızı, yükleme hızından daha yüksek olduğu için en fazla açısal deformasyon miktarı bu numunede gözlenmiştir. Çizelge 7.3'de Serbest eğme testi uygulanmış numunelerin fiziksel ve geometrik özellikleri verilmiştir.

83 63 63 Çizelge 7.3. Serbest eğme testi uygulanmış numunelerin fiziksel ve geometrik özellikleri Deformasyon sıcaklığı ( C) Bekleme süresi (dk) Açısal deformasyon miktarı ( ) Çekme bölgesinde gözenek boy/en oranı Orta eksende gözenek boy/en oranı Basma bölgesinde gözenek boy/en oranı Deformasyon bölgesi köpük resmi ,01 1,01 0, ,04 1,02 1, ,47 1,24 0, ,49 1,32 0, ,82 1,66 0,90

84 Metalik Köpüklerin Yüksek Sıcaklıkta Şekillendirilmesi Metalik köpüklerin eğme test sonuçları 17x22x200 mm boyutlarındaki köpük numunelere, 600 C, 625 C ve 640 C'de olmak üzere, solidüs sıcaklığı altındaki 3 farklı numune sıcaklığında ve farklı yükleme hızlarında eğme testi uygulanmıştır. 600 C deformasyon sıcaklığında, V=6 mm/sn yükleme hızındaki eğme testi uygulanan numunede çatlak başladığı anda deformasyon işlemi sonlandırılmış ve 11 açısal deformasyon miktarı gözlenmiştir. Resim 7.5.a'da numunenin ön görünüşü verilmiştir. Moment etkisiyle en yüksek gerilmenin oluştuğu, numunenin üst yüzeyindeki çekme bölgesinde çatlak oluşmuştur (Resim 7.5.b). 11 a) Çatlak başlangıcı b) Çatlak ilerlemesi Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=6 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 600 C deformasyon sıcaklığında, V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki eğme testi uygulanan numunede çatlak oluştuğu andan itibaren deformasyon işlemi sonlandırılmıştır. Numunede 15 açısal deformasyon gözlenmiştir. Resim 7.6'da numune görüntüleri verilmiştir. Çatlak maksimum gerilmenin olduğu yerde başlamış ve ilerlemiştir.

85 65 15 a) Çatlak başlangıcı b) Çatlak ilerlemesi Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 600 C deformasyon sıcaklığında, V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki eğme testi uygulanan numunede 13 'lik açısal deformasyon sonunda makro boyutta çatlak oluşumu başlamıştır. Resim 7.7'de numunen görüntüleri verilmiştir. Çatlak, numunede maksimum momentin etki ettiği kesitte ve çekme yüzeyinde meydana gelmiştir. 13 a) Çatlak başlangıcı b) Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 625 C deformasyon sıcaklığında, V=3,53 mm/sn yükleme hızındaki numunenin deformasyon hızının yüksek olması sebebiyle çatlak hızla ilerleyip numuneyi koparmıştır. Çatlak, maksimum momentin oluşturduğu en büyük çekme gerilmesi bölgelerinde başlamış ve enine kesit boyunca devam etmiştir. Kopan numune

86 66 birleştirilip ölçüldüğünde ~5 'lik açısal deformasyon görülmüştür. Resim 7.8'de numunenin makro görünüşü verilmiştir. 5 Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=3,53 mm/sn yükleme hızındaki numunenin makro görünüşü 625 C deformasyon sıcaklığında, V=0,1 mm/sn yükleme hızında eğme testi uygulanan numunede deformasyonun ilerleyen aşamalarında numune üst yüzeyinde kılcal çatlaklar meydana geldiği görülmektedir (Resim 7.9) Çatlak oluşumunun gözlenebilir boyuta ulaştığında açısal deformasyon miktarı 11 'dir. Numune üst yüzeyinde birden fazla sayıda çatlak oluşması numune üst duvar kalınlığının bölgesel olarak değişim göstermiş ve numunenin en zayıf bölgelerinde çatlaklar olmuştur. Deformasyonun hücre duvarında çatlak, düşük yoğunluklu bölgeler ve köpük malzeme üretim kusurlarının olduğu bölgelerde başladığı bilinmektedir [Bahçeci, 2012].

87 67 a) Çatlak 11 Kılcal çatlaklar b) Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 625 C deformasyon sıcaklığında, V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki eğme testi uygulanan numunede, maksimum gerilmenin olduğu yerde çatlak oluşmuştur. Numunede 16 açısal deformasyon gözlenmiştir (Resim 7.10). 600 C deformasyon sıcaklığında, V=0,01 mm/sn deformasyon hızındaki numuneye göre daha fazla açısal deformasyon miktarı gözlenmiştir. Yükleme hızı azaldıkça açısal deformasyon miktarında artma gözlemiştir.

88 68 16 a) Çatlak başlangıcı b) Çatlak ilerlemesi Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 640 C deformasyon sıcaklığında, V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numune sıcaklığının deformasyonun gerçekleştirileceği 640 C sıcaklığa ulaştığında, yerçekimi etkisiyle deformasyon etkisi görülmüştür (Resim 7.11). Deformasyon sıcaklığında olan numuneye V=0,1 mm/sn deformasyon hızı ile eğme testi uygulanmış ve numunede bir miktar daha açısal deformasyon oluştuktan sonra çatlak gözlenerek deformasyon sona erdirilmiştir. Bu numunede ise toplamda 12 açısal deformasyon gözlenmiştir. Resim 7.12'de, boyuna kesitte dilimlenen köpük numunenin çekme gerilmesi bölgesinde oluşan çatlak ve hücre duvarları arasında yayılışı gösterilmiştir.

89 69 a) Çatlak başlangıcı b) Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü makro Çatlak başlangıcı Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=0,1 mm/sn yükleme hızındaki numunenin boyuna kesit makro görünüşü. Resim 7.13'de deformasyon sırasında oluşan çatlak bölgesinin SEM görüntüsü verilmiştir. Resim 7.13.a' da köpük malzemenin çekme gerilmesine maruz üst

90 Çekme etkisi 70 yüzeyinde 0,5 mm genişlikte çatlak görülmektedir. Çatlak detaylı incelendiğinde hücre içerisine doğru duvar kalınlığında artış, çatlak bölgelerine doğru ise incelme mevcuttur. Şekil 7.13.b' de bu bölge detaylıca gösterilmiştir. Çatlağa sebep olan incelmiş duvar içerisinde eğme sürecinde oluşan çekme deformasyonu etkisiyle çekme yönüne paralel oluşmuş çatlaklar ve taneler açıkça görülmektedir. Oluşan bu çatlakların difüzyon sürünmesi sırasında yetersiz yayınım sebebiyle taneler arasında oluşan çatlaklar olduğu düşünülmektedir. a) Çekme doğrultusunda taneler arası çatlak Hücre iç duvar yüzeyi Köpük dış yüzeyi b) Resim C deformasyon sıcaklığındaki numunenin çatlak bölgesinin SEM görünüşü; a) Genel görünüm, b) Çatlak ve deformasyon görüntüsü

91 C deformasyon sıcaklığında, V=4 mm/sn yükleme hızındaki numune 640 C deformasyon sıcaklığına ulaştığında, numunenin kendi ağırlığıyla ve yerçekimi etkisiyle birlikte numunede ~2 açısal deformasyon gözlenmiştir. Devamında yük uygulanarak V=4 mm/sn deformasyon hızında gerçekleştirilen deformasyonda numune ~3 deforme olduktan sonra ani çatlak oluşumu ve ardından numunede kopma meydana gelmiştir. Kopma maksimum eğme gerilmesinin olduğu bölgede gerçekleşmiştir (Resim 7.14). a) b) Resim C deformasyon sıcaklığında ve V=4 mm/sn deformasyon hızındaki numunenin; a) Ön görünüşü, b) Üst görünüşü 640 C deformasyon sıcaklığında, V=0,01 mm/sn yükleme hızındaki numune sıcaklığı 635 C ulaştığında kendi ağırlığıyla açısal deformasyonun başladığı görülmüştür. 640 C deformasyon sıcaklığına ulaştığında ise 3 açısal deformasyon görülmüştür. V=0,01 mm/sn deformasyon hızında deformasyon işlemine başlandığında, numunenin kendi ağırlığıyla oluşan deformasyon hızı, V=0,01 mm/sn yükleme hızından daha fazla olduğundan numune eğme testine tabi tutulamamıştır. Yaklaşık 15 dakika 640 C deformasyon sıcaklığında tutulan numunede kendi ağırlığıyla 17 açısal deformasyona makro hatasız ulaşmıştır. Bu testle birlikte, 635 C numune sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklara belirli süre maruz bırakılan numunede kendi ağırlığıyla deformasyonun oluşabileceği belirlenmiştir. Resim 7.15'de 640 C deformasyon sıcaklığında numune görüntüsü verilmiştir.

92 72 17 Resim C sıcaklıkta deforme edilen numune Metalik köpüklerin serbest eğme deney sonuçları Serbest halde eğme testinde numuneler oda sıcaklığında düzeneğe yerleştirilmiş ve 635, 640, 645, 650 ve 656 C maksimum deformasyon sıcaklıklarında ve maksimum 75 dakikalık sürede eğme işlemine tabi tutulmuştur. Her bir deformasyon sıcaklığı için 3 numuneye serbest eğme deneyi uygulanmıştır. 635 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin serbest eğme deney sonuçları 635 C deformasyon sıcaklığında katı faz bölgesinde yerçekimi etkisiyle serbest halde deformasyon işlemi uygulanmıştır. Şekil 7.2'de numunenin zaman-açısal deformasyon ilişkisi gösterilmiştir. Numune oda sıcaklığında serbest eğme deney düzeneğine yerleştirilmiş ve numune sıcaklığı 635 C deformasyon sıcaklığına ulaştığında ise deformasyonun başladığı gözlenmiştir. 7 dakika içerisinde numunede 5 ' lik açısal deformasyon gözlenmiştir. Numune açısal deformasyonla şekil değiştirirken sıcaklığında 1 C düşüş gözlenmiştir. Numunenin eğilme noktasına uyguladığı yüksek eğilme momenti etkisiyle 14 dakika sonunda 10 ' lik açısal deformasyon meydana gelmiştir. Artan açısal deformasyonla birlikte azalan eğilme momenti etkisi sebebiyle 36 dakika sonunda ise ancak 14 ' lik açısal deformasyon gözlenmiştir. 36 dakikadan 60 dakikaya kadar açısal deformasyonda sadece 1 ' lik artış gözlenmiştir. Zamana bağlı açısal deformasyon miktarındaki parabolik değişimin sebebi olarak artan deformasyonla azalan eğilme momenti yani moment kolundaki kısalma olduğu söylenebilir. Şekil 7.3'de açısal deformasyon ve eğilme

93 Eğilme Momenti (Nmm) Açısal deformasyon ( ) 73 momenti arasındaki ilişki gösterilmiştir. 635 C' lik sıcaklıkta 1 saatlik süre sonunda toplam açısal deformasyon miktarı 15 'de kalmıştır Süre (dak) Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi Açısal Deformasyon ( ) Şekil 7.3. Açısal deformasyon ve eğilme momenti arasındaki ilişki

94 74 Resim 7.16' da 635 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin genel ve kesit görünüşü verilmiştir. Buradan görüldüğü gibi deforme olan numunenin dış yüzeylerinde herhangi bir makro hataya rastlanmadan deformasyon gerçekleşmiştir. (a) (b) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Kesit görünüşü 640 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin serbest eğme deney sonuçları 640 C'de serbest halde deformasyon için numune sıcaklığı 620 C sıcaklığa ulaştığında bekleme süresi başlatılmıştır. Şekil 7.4' de zaman-açısal deformasyon

95 Açısal deformasyon ( ) 75 ilişkisi gösterilmiştir. Numune sıcaklığı 620 C' den 635 C sıcaklığa 5 dakika da ulaşmıştır. 635 C sıcaklıkta deformasyona başlayan numune yaklaşık 7 dakikada 5 ' lik açısal deformasyona ve 640 C numune sıcaklığına ulaşmış ve bu sıcaklıkta sabit tutulmuştur. Başlangıçta deformasyon hızı yüksek olan numunede 12 dakika içerisinde 10 'lik açısal deformasyon belirlenmiştir. 17 dakika içerisinde 15 'lik deformasyon miktarına ve 32 dakikada ise 20 lik açısal deformasyona ulaşmıştır. Bu süre sonunda ulaşılan açısal deformasyon etkisiyle azalan moment etkisiyle deformasyon için uygulanan kayma gerilmesindeki azalma sebebiyle deformasyon hızı azalmıştır. 55 dakikada 25 'lik açısal deformasyona, yaklaşık 10 dakika sonra ise 1 artışla 26 'ye ulaşmıştır. Numunede deformasyon işlemi makro hatasız olarak gerçekleşmiştir. Resim 7.17' de numune görüntüsü verilmiştir Süre (dak) Şekil C zaman-açısal deformasyon ilişkisi

96 76 (a) (b) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Kesit görünüşü 645 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin serbest eğme deney sonuçları 645 C' lik deney sürecinde numune 635 C sıcaklıkta deformasyona başlamıştır. Şekil 7.5'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi gösterilmiştir. Numune 10 dakika içerisinde 640 C sıcaklığa ve 5 'lik açısal deformasyon miktarına ulaşmıştır. Numune eğilme merkezine uyguladığı yüksek moment nedeniyle 14 dakika içerisinde 10 'lik açısal deformasyona, 17 dakika içerisinde 15 'lik açısal

97 Açısal deformasyon ( ) 77 deformasyona ulaşmıştır. Numunenin deformasyon hızı arttıkça numune sıcaklığı artışında az da olsa yavaşlama gözlenmiştir. 18 dakikada numune bekleme sıcaklığı olan 645 C' ye ulaşmıştır. Numune 32 dakika içerisinde 35 açısal deformasyon belirlenmiştir. Deformasyonun bu denli hızlı bir şekilde olması malzemenin yüksek sıcaklık nedeniyle akma gerilmesinin azalması, deformasyon için gerekli kayma gerilmesini sağlaması şeklinde açıklanabilir. Deformasyon hızı yavaşlayarak 40 dakika içerisinde 40 açısal deformasyona ulaşmıştır. Numune 65 dakikalık süre sonunda toplamda 47 açısal deformasyona makro hatasız ulaşmıştır. Resim 7.18'de numune görüntüsü verilmiştir Süre (dak) Şekil C zaman-açısal deformasyon ilişkisi

98 78 47 (a) (b) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Kesit görünüşü 650 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin serbest eğme deney sonuçları 650 C' lik deney sürecinde numune 635 C sıcaklığa yaklaşık 5 dakikada ulaşmıştır. Şekil 7.6' da zaman-açısal deformasyon ilişkisi gösterilmiştir. 8 dakika içerisinde

99 Açısal deformasyon ( ) 79 5 'lik açısal deformasyon ve 640 C numune sıcaklığına ulaşmıştır. Numune 644 C sıcaklığa kadar yaklaşık doğrusal bir artış göstermiştir. Bu sıcaklıktan sonra numune sıcaklık artışı yavaşlamıştır. Numune 15 dakika içerisinde 15 açısal deformasyona ve 645 C sıcaklığa çıkmıştır. Numune sıcaklığında gözlenen dalgalanmalar numunenin deformasyon sırasında enerji alarak numune sıcaklığını düşürmesi şeklinde açıklanabilir. Numunede 15 dakikadan 30 dakikaya kadar geçen sürede (toplamda 15 dakika) açısal deformasyon miktarında 35 'lik artış gözlenmiştir. Numune maksimum bekleme sıcaklığı olan 650 C sıcaklığına 45 dakikada ulaşmıştır. 47 dakika içerisinde numunede 65 açısal deformasyon miktarı gözlenmiştir. 64 dakikalık süre sonunda 650 C numune sıcaklığında ve toplamda 69 açısal deformasyon miktarı makro hatasız gözlenmiştir. Resim 7.19'da numunenin genel görüntüsü verilmiştir Süre (dak) Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi

100 80 69 (a) Çekme uzaması etkisi Basma daralması etkisi Orta eksen (b) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Kesit görünüşü.

101 Hücre Deformasyon oranı (Boy/En) 81 Deformasyon sırasında malzemenin üst kısmında çekme etkisiyle deformasyon gerçekleşirken orta eksenin alt kısmında basma deformasyonu meydana gelmiştir. Deformasyon sıcaklığı artırıldıkça hücrelerin birbirine uyumlu bir şekilde ve çatlama olmaksızın çekme ve basma yönünde deformasyona uğrayarak uzama ve daralma etkisiyle deforme olduğu açıkça görülmektedir. Çekme bölgesinde çekme eksenine paralel hücre uzaması, basma bölgesinde ise hücre basma yönünde hücreler kapanmış ve daralmıştır. Şekil 7.7'de numunenin deformasyon bölgesindeki gözenek boyutları verilmiştir. Çekme bölgesinde hücrelerin deformasyon oranı (boy/en) 1,45 boyda uzama, en uzunluğunda daralma gözlenirken, orta eksende yaklaşık küresele yakın gözenek oranı ve basma bölgesinde ise 0,9 deformasyon oranı, boyda daralma ve ende uzama gözlenmiştir. 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Çekme bölgesi Orta eksen Basma bölgesi Deformasyon Bölgesi Şekil C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin deformasyon bölgesi gözenek boyutları 650 C deformasyon sıcaklığında eğme mesafesi 110 mm numunenin serbest eğme deney sonuçları Eğme mesafesi, 100 mm'den 110 mm uzunluğa çıkarılan numunede maksimum 650 C deformasyon sıcaklığına çıkılarak eğme deneyi yapılmıştır. 650 C deformasyon sıcaklığında 35 dakikalık süre içerisinde deformasyon işlemi tamamlanmış ve 69 'lik

102 82 açısal deformasyona ulaşmıştır (Resim 7.20). Numune eğme mesafesi, diğer numunelere göre daha uzun olduğunda dolayı eğme eksenine daha fazla moment etkisi yaparak deformasyon hızı ve deformasyon miktarı yüksek olmuştur. Numunenin bükme eksenine fazla moment uygulaması kısa sürede aşırı eğilme deformasyonu sağlarken, numunenin eğilme çekme bölgelerindeki dış yüzeyde makro düzeyde çatlaklar meydana gelmiştir. Ancak bu çatlaklar hücre duvarlarının dış yüzeyinde kalmış ve hücre içerisine ilerlememiştir. Bu deneyde oluşturulan yüksek deformasyon hızı sebebiyle, çekme bölgelerinde köpük dış duvar yüzeyinde oluşan deformasyon için yeterli yayınma, hızının oluşmaması sebebiyle yüzeysel çukurluklar ve çatlakların oluştuğu düşünülmektedir.

103 83 (a) Yüzeysel çatlak veya çukurluklar (b) (c) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Üstten görünüşü, c) Kesit görünüşü

104 Açısal deformasyon ( ) C deformasyon sıcaklığındaki numunenin serbest eğme deney sonuçları 75 dakikalık bekleme süresinde serbest eğme işlemi yapılan numunede 82 ile maksimum açısal deformasyon miktarı belirlenmiştir. Şekil 7.8'de numunenin 656 C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi verilmiştir. Numune sıcaklığı 652 C sıcaklığa 32 dakika içerisinde doğrusal bir şekilde artmış, bu sıcaklıktan sonra 656 C sıcaklığa 75. dakikada ulaşmıştır Süre (dak) Şekil C'de zaman-açısal deformasyon ilişkisi Şekil 7.9'da ise numunenin zamana ve sıcaklığa göre açısal deformasyon değişimi yüzey eğrisi gösterilmiştir. 656 o C de serbest eğme uygulanan numunenin açısal deformasyon miktarına süre ve sıcaklığın etkisi gösterilmiştir. Buradan, sabit bir sıcaklık için zamana bağlı deformasyon miktarındaki artış görülmektedir. Bununla birlikte artan sıcaklıkla birlikte birim zamandaki deformasyon hızının da arttığı belirlenmiştir.

105 Açısal deformasyon ( ) Numune sıcaklığı ( C) Süre (dak) Şekil C de serbest eğme numunesinin zamana ve sıcaklığa göre açısal deformasyonun değişimi Resim 7.21.a'da numunenin genel görünüşü verilmiştir. Yüksek sıcaklıkta uygulanan deformasyon sonunda numune uzunluğunda da artış gözlenmiştir. Bununla birlikte deformasyon bölgesinde kalınlık azalması, çekme ve basma deformasyonu yönünde hücre yönlenmesi görülmüştür (Resim 7.21.b). 650 o C deki numunede görülen hücre deformasyonu etkisi bu numunede de görülmüş ve çekme gerilmesi bölgesinde hücrelerin uzama ve basma gerilmesi bölgesinde ise hücre boyutlarının daralması ile şekil değiştirdiği görülmektedir. Aynı zamanda, numunenin özellikle üst yüzeyindeki duvar kalınlaşması da dikkat çekicidir. Bu bölgeden alınan SEM fotoğraflarında üst yüzeye yakın hücrelerin uzayarak daralması ve hatta kapanarak duvar kalınlığını arttırmış olduğu görülmektedir (Resim 7.22). Basma deformasyonu etkisi altında kalan bölgelerdeki hücrelerde basma etkisi ile hücrelerde kapanma ve hücre duvarlarındaki deformasyon görülmektedir (Resim 7.23).

106 86 (a) Daralma (b) Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Genel görünüşü, b) Kesit görünüşü

107 87 Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin çekme bölgesindeki SEM görüntüsü Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin basma bölgesindeki SEM görüntüsü Şekil 7.10'da 656 C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin deformasyon bölgesi ve hücre deformasyon miktarları verilmiştir. Çekme bölgesinde deformasyonla birlikte hücre deformasyon oranı (boy/en) 1,8 ile hücrelerde maksimum uzama ve daralma belirlenmiştir. Basma bölgesinde ise hücre deformasyon oranı 0,9 ve orta eksende ise deformasyon oranı 1,65 olarak belirlenmiştir. Hücre deformasyon oranlarının 650 C'de serbest eğme uygulanmış numuneden fazla olması, numunede maksimum uzama ve daralmanın olmasından kaynaklanmaktadır.

108 Hücre Deformasyon oranı (Boy/En) 88 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Çekme bölgesi Orta eksen Basma bölgesi Deformasyon Bölgesi Şekil C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin deformasyon bölgesi ve hücre deformasyonları Yüksek sıcaklıkta yapılan bu serbest eğme deneylerinde meydana gelen ve çatlama olmaksızın meydana gelen şekil değişikliği difüzyon sürünmesi mekanizmasıyla açıklanabilir. Metalik köpüklerde de, bulk malzemelerde gerçekleşen tipik difüzyon sürünmesi davranışı ile deformasyon gerçekleşir [Andrews ve ark., 1999]. Merklein ve Geiger, (2002), yaptıkları çalışmada T= 570 ºC deformasyon sıcaklığında SiC ile stabilize edilmiş Al köpükler solidüs sıcaklığı civarında bükülebilir olduğunu, bükme açısı, deformasyon sıcaklığı ve köpüğü bu sıcaklıkta kalma süresinin bir fonksiyonu olduğunu söylemişlerdir. Yaptıkları deneylerde numunenin deformasyon sıcaklığında 2 dakika kadar kaldığı takdirde bükülme açısı 25º, eğer 8 dakika kadar bekleme süresi uzatıldığı takdirde bükülme açısı 25º den fazla olduğunu, ancak bükülme açısındaki artış bekleme süresiyle doğru orantılı olarak artmadığını ve en yüksek bükülme açısının artış miktarı ilk 2 dakikada elde edildiğini belirtmişlerdir. Şekil 7.11 de serbest eğme işlemi uygulanan numunelerin zaman-açısal deformasyon grafiği verilmiştir. Genel olarak 60 dakikalık süre içerisinde açısal deformasyon, deformasyon sıcaklığı arttıkça artmaktadır. Deformasyon sıcaklığının artması ile

109 Açısal deformasyon ( ) 89 artan katı + sıvı fazlı malzemedeki sıvı faz oranı açısal deformasyon miktarını arttırmıştır. 635 C 640 C 645 C 650 C 656 C Süre (dak) Şekil Serbest eğme yapılan numunelerin zaman-açısal deformasyon grafiği 656 C deformasyon sıcaklığındaki numunenin büküm silindiri üzerinde serbest eğme deney sonuçları Numune, ağırlık merkezinde ϕ64 mm'lik silindir üzerinde duracak şekilde tasarlanan aparat sayesinde eğme testine tabi tutulmuştur. Büküm çapı ϕ64 mm olan silindir şeklindeki aparata yerleştirilen numunede maksimum 656 C numune sıcaklığına çıkılarak eğme işlemi gerçekleştirilmiştir. Toplam 1 saatte deformasyon işlemi tamamlanmıştır. Resim 7.24' de 656 C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin iki boyutlu görüntüsü verilmiştir. Numune yüksek sıcaklıkta uzun süre bekletildiğinden dolayı maksimum gerilmenin olduğu yerde numune kesitinde daralmalar meydana gelmiştir (Resim 7.25.a). Resim 7.25.b' de

110 90 deformasyon sonucunda basma bölgesindeki gözenek duvarında meydana gelen deformasyon yönlenmeleri gösterilmiştir. Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numune

111 91 (b) Kayma izleri Kayma izleri (a) Daralma Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin; a) Numunenin boyuna kesiti, b) Numunenin basma bölgesindeki mikroyapı görüntüsü (%0,5 HF dağlamada) Resim 7.26'da deformasyona uğramış numunenin çekme bölgesindeki hücre deformasyonu ve gözeneklerin deformasyon yönünde uzaması gösterilmiştir. Deformasyon sırasında yüksek sıcaklık ve uzun bekleme süresi boyunca çözünmeden kalan TiH 2 parçacıkları çözünerek yeni küçük gözenekler oluşturduğu düşünülmektedir. Degischer ve Kriszt, (2002) yaptıkları çalışmada, solidüs sıcaklığına ulaşıldığında hücre duvarlarındaki kalıntı TiH 2 parçacıkları sebebiyle yeni gözenekler oluşturduğunu belirtmişlerdir [Degischer ve Kriszt, 2002]. Oluşan yeni gözenekler deformasyon sırasında deformasyon yönünde uzamış ve kapanarak duvar kalınlaşmasına sebep olmuştur.

112 92 Kapanan gözenekler Hücre duvarlarında çekme yönünde deformasyon izleri Çekme Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin çekme bölgesindeki SEM görüntüsü Resim 7.27'de deformasyona uğramış numunenin basma bölgesindeki deformasyon görüntüsü ve deformasyon izleri gösterilmiştir. Basma bölgesindeki gözeneklerde daralma meydana gelmiş, kalıntı TiH 2 'ün çözünmesiyle meydana geldiği küçük gözeneklerde genişleme görülmüştür. Genişleyen gözenekler Hücre duvarlarında basma yönünde deformasyon izleri Resim C deformasyon sıcaklığında serbest eğme uygulanmış numunenin basma bölgesindeki SEM görüntüsü