Metalik Köpük Malzemelerin Mekanik Özelliklerini Belirlemede Kullanılan Matematiksel Modeller

Transkript

1 Maine Tenolojileri letroni Dergii Cilt: 8, No: 1, 011 (69-78) lectronic Journal of Machine Technologie Vol: 8, No: 1, 011 (69-78) TKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Teni Not (Technical Note) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede Kullanılan Matematiel Modeller M. Serhat BAŞPINAR, Şaban YURTCU Afyon Kocatepe Üniveritei, Te. Fa. Met. ğt. Böl., Afyonarahiar/TÜRKĐY Afyon Kocatepe Üniveritei, mirdağ Mele Yüeoulu, Afyonarahiar/TÜRKĐY Özet Metali öpüler, öpü görünümlü, gözeneli yapıya ahip metal malzemeden imal edilmiş endütriyel ürünlerdir. Diğer metal malzemelere göre ço daha hafif olmaına arşın dayanımının yüe olmaı, darbe ve arıntıları aborbe edebilmei, ııl izolayon ağlamaı ve imyaal üzme gibi özellilere ahip olmaı ebebiyle önem azanmış ve haında yapılan araştırmalar arttırılara pratite ullanılabilir hale getirilmeye çalışılmatadır. Bu çalışmada, metali öpü malzemelerin ana hatlarıyla fiziel yapıı, ullanım alanları ve avantajları anlatıldıtan onra, metali öpü malzemelerin meani özellilerini belirlemede ullanılan matematiel modeller incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Metali Köpüler, Gözeneli Yapı, Meani Özelliler. 1. GĐRĐŞ Metali öpüler meani özellileri nedeniyle günümüzde önemi gitgide artan malzemelerdendir. Bunun ebepleri araında metali öpülerin hafifli ve rijitlileri nedeniyle iyi ıı ve e izolayonu ağlamaı, müemmel meani enerji emebilme apaiteinden dolayı ara taşıtlarında tampon olara ullanılmaı [1], Sertli-ağırlı oranı, titreşimi öndürme apaitei ve ateşe dayanılılı özelliği nedeni ile gemi, apı ve ambar apaları yapımında ullanılmaı ayılabilir. Özellile alüminyum ealı metali öpüler, çeşitli mühendili uygulamalarında ullanım alanı bulabilen malzemeler olara on yıllarda olduça ilgi çemetedir. Alüminyum öpüler, darbe enerjiini plati enerjiye dönüştürebilirler ve birço metalden daha fazla enerji aborbe edebilirler []. Metali hücreli malzemelerin yapıal ullanım alanları araında otomotiv, demiryolu ve inşaat endütrileri, uzay araçları, gemi ve por malzemeleri yapımı ve biyomedial uygulamalar; işlevel ullanım alanları araında ie filtreleme ve ayırma, ıı dönüştürücü, oğutma itemleri, eletroimyaal uygulamalar, u arıtma, ıvı muhafaza ve iletimi gibi uygulamalar ayılabilir [3]. Metal öpü yapılarla diğer malzemelerin öpü yapıları araında meani özelliler açıından farlar vardır. Polimer malzemeler yeterli derecede rijit değildir ve erami malzemeler de ço ırılgan bir yapıya ahiptirler. Bu nedenle metali öpü yapıları ullanma doğru bir eçim olara görülmetedir [4]. Bu çalışmada metali öpülerin meani özellilerini belirleyen parametreler tanımlandıtan onra metali öpülerin meani özellilerinin belirlenmeinde ullanılan matematiel modeller haında bir literatür çalışmaı yapılmıştır. Bu maaleye atıf yapma için Başpınar M, S., Yurtcu Ş., Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede Kullanılan Matematiel Modeller Maine Tenolojileri letroni Dergii 011, (8) 69-78

2 Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede. MTALĐK KÖPÜK MALZMLRĐN MKANĐK ÖZLLĐKLRĐ.1. Gerilim-Birim Şeil Değişim Mitarı Şeil 1 de metali öpülerin tipi deformayon grafiği göterilmetedir. Metali öpüler düşü gerinim değerlerinde doğrual elati davranış göterirler. Bu bölgedei eğim elati modülünü () verir. Artan gerinimle gerilme-gerinim grafiğinde uzun bir yıılma platou gözlenir ve bu bölgeyi abit gerinimde gerilmenin olduça di şeilde arttığı yoğunlaşma bölgei izler. Bama uvvetine maruz alan öpüğün plato bölgei gözenelerin yıılmaı ile ilişilidir. Gözene yıılmaı elati-plati öpülerde (metal v.) gözene duvarlarının birbirine çarpara dağılmaı ile meydana gelir. Gözeneler neredeye tamamen yııldığında gözene duvarları birbirine değer ve uygulanan gerinim atı malzemenin endiini ııştırmaya başlar. Bu durum gerilme-gerinim grafiğinin on bölgeinde gerilmenin hızla artmaını ağlar [5]. Şeil 1. lati-plati öpülerin tipi bama gerilme-gerinim grafiği. Şeil. Đncelendiğinde metali öpüler lineer elati bölgede elati deformayona uğrarlar. Bu bölge gözene duvarlarının büülmei ve yırtılmaı ile ona erer ve çöme bölgei başlar. Çöme, deformayonun ço iyi ınırlandırıldığı elati bölgeden deformayonun diğer deforme olmamış ıımlara ıçramaıyla ilerler. Kriti bir genleşmede gözene duvarları birbirine değmeye başlar ve bunun onucunda yoğunlaşma meydana gelir. 70

3 Başpınar M, S., Yurtcu Ş. Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Şeil. Metali Köpülerin Gerilim-Birim Şeil Değişim Mitarı.. Metali Köpülerin nerji mebilme Özelliği Metali öpüler çeme gerilmei altında ırılgan davrandığından bu malzemelerden meani olara yararlanma alanları bama uvvetlerinin baın olduğu alanlardır. Bama uvvetlerine maruz aldığında hücre duvarlarının plati büülmeye uğramaı nedeniyle metali öpülerin enerji emebilme özelliği yüetir. Uygulanan uvvetin iletim mitarı gözene özellileri ile ontrol edilebildiğinden geniş plati gerinim potaniyeli metali öpüleri enerji emilimi geretiren uygulamalar için ideal malzeme haline getirmetedir [6]. 3. MTALĐK KÖPÜKLRĐN MKANĐK ÖZLLĐKLRĐNĐ BLĐRLYN PARAMTRLR 3.1. Göreceli Yoğunlu Gözeneli malzemelerin özellilerini belirleyen en önemli parametre göreceli yoğunlutur. Göreceli yoğunlu (/) öpü malzemenin yoğunluğunun () hücre duvarını oluşturan malzemenin yoğunluğuna () oranı ile ifade edilir. Genel olara gözeneli malzemeler 0.3 ten az göreceli yoğunluğa ahiptirler. 3.. Gözene Boyutu Gözene boyutu da önemli bir parametre olmala birlite birço meani ve ııl özelliği nipeten az mitarda etiler. Gözenelerin ii veya üç boyutlu olmaı da malzeme özellilerinde olduğu gibi bu özellilerin modellenmeinde de olduça etindir. Đi boyutlu gözene yapıına (bal peteği yapıı) ahip malzemelerin modellenmei nipeten olayen düzeniz yapıda gözeneğe ahip malzemeler (öpüler) için modelleme olduça güçtür. Üç boyutlu gözene yapıına ahip malzemelerin, diğer bir deyişle öpülerin, meani özellileri açı veya apalı gözene yapıına ahip olmalarına bağlıdır. 71

4 Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede Gözeneler birbirlerinden izole halde, bir başa deyişle, her bir gözene hücre duvarı ile birbirinden ayrılmış ie bu tip öpüler apalı hücreli öpüler olara adlandırılır. Açı hücreli öpü ie gözeneleri araında bağlantı olan öpülere denir. lbette i her öpü tamamen açı ya da tamamen apalı gözene yapıına ahip değildir. Birço gözeneli malzeme her ii türden de gözeneği barındırır [5]. Şeil 3. Aidi AN aplanmış %8 gözeneli numunenin miroobi görüntüü.( aplama alitei gözene oranı arttıça düşmetedir) 3.3. Gözene Şeli Gözene şeli ie malzeme özellileri üzerinde olduça etilidir. şeenli gözene yapıına ahip malzeme izotropi özelli göteriren az mitarda uzamış veya düzleşmiş gözeneğe ahip malzemede dahi yöne bağlı özelli değişimi gözlemlenir [7]. 7

5 Başpınar M, S., Yurtcu Ş. Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Şeil 4. ğme deneyi onraı elde edilen SM görüntülerinde gözene şeilleri [8]. (a) (b) Şeil 5. (a) Yuvarla ve Birbirinden Ayrılmış Gözeneli Metal. (b) Açı Gözeneli Boşluları Birbirine Bağlı Metal Süngerler [3]. 73

6 Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede Şeil 6. rgiyi metal içeriine gaz enjete ile üretilen metali öpüğün gözene yapıı [9]. 4. MTALĐK KÖPÜKLRĐN MKANĐK ÖZLLĐKLRĐNĐN BLĐRLNMSĐND KULLANILAN MATMATĐKSL MODLLR 4.1. Açı ve Kapalı Gözeneli Köpülerde Kübi Hücre Modeli Bir öpüğün doğrual elati özellileri hücrelerinin açı ya da apalı oluşuna bağlıdır. Literatürdei deneyel çalışmalar açı ve apalı hücreli öpülerin birbirinden olduça farlı özelliler göterdiğini ortaya çıarmıştır. Açı gözeneli öpüler temel olara hücre duvarı eğilmei ile şeil değişimine uğraren apalı gözeneli öpülerde şeil değişimi ıraında gözene duvarları hem eğilir hem de genişler veya büzülür. Gibon ve Ahby nin (1997) geliştirdiği übi hücre modeline göre gözeneli malzemelerin elati modülleri ve plato gerilmeleri ile göreceli yoğunluları aşağıdai denlilerle ilişilendirilmiştir. Açı Hücreli Köpüler: σ σ pl y = C1 0,3 3 / (1) () Kapalı Hücreli Köpüler: σ σ pl y =φ 0,3 φ + ( 1+φ) 3 / + 0,4 1 ( φ) p + 0( 1 ν ) ( 1 / ) (3) (4) = Gözeneli malzemenin elati modülü 74

7 Başpınar M, S., Yurtcu Ş. Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) = Gözeneli malzemenin hücre duvarlarını oluşturan malzemenin elati modülü = Gözeneli malzemenin yoğunluğu = Gözeneli malzemenin hücre duvarlarını oluşturan malzemenin yoğunluğu σ = Plato gerilmei pl σ y = Gözeneli malzemenin hücre duvarlarını oluşturan malzemenin ama gerilmei φ = Kapalı gözeneli malzemelerde gözene duvarlarındai atı oranı P 0 = Atmoferi baınç Burada C1 abiti ie bütün geometri orantı abitlerini apar ve literatürde yapılan çalışmalar bu abitin yalaşı 1 olara alınmaı geretiğini götermetedir Kapalı hücreli öpüler açı hücreli olanlara nipetle daha yüe muavemet, rijitli ve darbe dayanımına ahiptir [10]. Açı gözene yapıı ie öpü rijitliğini düşürmeine arşın yüe ıı taşınımını mümün ılan özelliği ebebi ile yüe güç üreten cihazlarda etili bir oğutucu meanizma olara ullanım alanı bulmatadır [11]. 4.. Gözene Mitarının (Göreceli Yoğunluğun) Archimede Prenibi Đle Heaplanmaı Gibon ve Ahby nin übi hücre modeline göre göreceli yoğunlula bama muavemeti ve elati modülü araında açı bir ilişi bulunmatadır. Göreceli yoğunlu Archimede in uya daldırma prenibi ile ölçülebilmetedir. Gözeneler analiz ıraında uyun giremeyeceği şeilde apatıldığı tadirde Archimede uya daldırma yöntemi gözeneli malzemelerde toplam gözene mitarının heaplanmaı için uygun bir yöntemdir. Archimede prenibi ıvı içine daldırılmış bir atının ıvı içinde aıdai uvvetinin daldırma ıraında yer değiştirmeine ebep olduğu ıvı ağırlığına eşit olduğunu abul eder. Buna göre havadai (uru) ağırlığı bilinen bir atı, af u gibi yoğunluğu bilinen (ıcalığın fonyonu olara) bir ıvıya daldırıldığında yoğunluğu, bir başa deyişle gözeneliliği belirlenebilir [1]. Gözenelerin apatılmaı için vaum yağı veya ilion yağı ullanılabilir. Kuru olara tartılan numune (W1) gözeneleri yağ ile tamamen apatıldıtan onra terar tartılır (W). Son olara yağ ile mühürlenmiş şeilde u içinde aıda tartıldıtan onra yoğunlu aşağıdai formüle göre heaplanır [13]. W 1. W = [W W ] 3 (5) ölçüm ıcalığında uyun yoğunluğu (gr/cm3) olup aşağıdai eşitlile heaplanır. Burada T uyun ıcalığını ifade etmetedir. W = 1,0017 0,000315T (6) Gözene boyut dağılımı ie maro boyuttai ( µm) gözeneler için cıvalı porozimetre, daha üçü boyutlardai gözeneler için helyum pinometre ullanılara ölçülebilmetedir [1] Gözeneliliğin Iıl Đletenli Üzerindei tii Pe ço malzemenin fiziel özellilerinin ıı iletim atayıı, eletriel direnç gibi özelliler üzerindei etii deneyel ve teori çalışmalarla birço defa ortaya onmuştur. Bu çalışmalardan bazılarını ıralara; Aivazov ve Domahnev 1968, ıca şeillendirilmiş titanyumnitritte gözeneliliğin, ııl iletenli üzerindei etiini incelemişlerdir [14]. Oda ıcalığındai, çeşitli gözenelilitei, ıca şeillendirilmiş titanyumnitrit parçalarının eletriel ve ııl iletenlilerini belirleme için deneyler yapmışlardır. Deneylerden teori onuçlarla uyum içinde onuçlar elde edilmiştir. Çeşitli toz şeillerini içeren gözeneli malzemelerin ııl iletenlileri için ço ayıda analiti ifade olmaına rağmen, ııl 75

8 Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede iletenliği gözeneliliğin bir foniyonu olara veren deneyel olara belirlenmiş bağıntılar da vardır. Aivazov ve Domahnev, toz geometriinden bağımız olan deneyel bir ifade önermişlerdir: 1 ε = 1+ nε (7) Bu bağıntıda; : Gözeneli atının ıı iletim atayıı, W/mK : Katının ıı iletim atayıı, W/mK ε : Gözenelili, (%) n : deneyel olara belirlenmiş bir abittir ve Koh ve Fortini 1973, itatitiel analiz ullanara n değerini 11 olara belirlemişlerdir. Dolayııyla eşitli; 1 ε = ε Şelinde yazılabilir [15]. (8) Odelevi 1951, ııl iletenliğin, matri itemindei merezleri übi afete bulunan gözenelerin bir foniyonu olduğuna dair ifadeler önermiştir. ε = 1+ 1 ε (9) Uzun prizma veya ilindir formda gözeneliliğe ahip malzemelerin analiti olara ıı iletim atayıı ifadeleri u şeildedir [16]. ε = 1+ 1 ε + 1 (10) Veinberg 1966, üreel gözeneler içeren malzemeler için ııl iletimini u ifade ile belirtmiştir [17]. (1 ε) 1 / 3 = 1 1 (11) P. Grootenhui ve aradaşları 195, % 89 baır % 11 alay içeren interlenmiş gözeneli bronz malzeme parçacılarının 0 C den 00 C ye adari, ııl iletim ve eletriel dirençlerinin ölçümlerini yapmışlardır [18]. Tozlar üreel geometride olup boyutları cm ile cm araında, yoğunlularının ie 5.7 g/cm3 ile 7.01 g/cm3 aralığında değiştiğini aptamışlardır. Geliştirilmiş Lorenz bağıntıını ullanara; ııl iletimi K, eletriel direnci ve ortalama ıcalığı T olara ifade edere deneyel onuçları aşağıdai denlem ile ifade etmişlerdir. K = 0,58x10 8 T + 0,005 (1) 76

9 Başpınar M, S., Yurtcu Ş. Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) SONUÇ Bu çalışmada metali öpü malzemelerin meani özellilerinden; Gerilme birim şeil değişim mitarı ve enerji emebilme özelliği üzerinde durulmuştur. Göreceli yoğunluğun, gözene boyutunun ve gözene şelinin meani özellilere etii araştırılmıştır. Son olara metali öpülerin meani özellilerinin belirlenmeinde ullanılan matematiel modeller; Açı ve apalı gözeneli öpülerde übi hücre modeli, gözene mitarının Archimede prenibi ile heaplanmaı, gözeneliliğin ıı iletenli üzerindei etii incelenmiştir. 6. KAYNAKLAR 1. Kadar, CS., Keneeı, P., Lendvaı, J. ve Rajovit, ZS., 005, nergy aborption propertie of metal foam, VI. évfolyam 1. zám, 6, January.. Hanen, A.G., Langeth, M., Happertad, O.S., 000, Static and dynamic cruhing of circular aluminium extruion with aluminium foam filler, J. Of Impact ng., 4 (5): Banhart, J., 001, Manufacture, characteriation and application of cellular metal and metal foam, Progre in Material Science, 46, Yi, F., Haiwu, Z., Zhengang, Z., Fangqiou, Z., 00, "The Microtructure and lectrical Conductivity of Aluminum Alloy Foam", Material Chemitry and Phyic, 78, Gibon, L. J. ve Ahby, M.F., 1997, Cellular Solid, Second dition, Cambridge Solid State Science Serie, ISBN Marai, A.. ve Clyne, T.W., 000, Characteriation of impact repone of metallic foam/ceramic laminate, Material Science and Technology, July-Augut, 16, Degicher, H.P. ve Krit, B., 00, Handboo of Cellular Metal, Production, Proceing and Application, Wiley-VCH, ISBN Yalçın, B., Varol, R., 009, Sinterlenmiş Titanyum Alaşımlarının Aşınma Performanı ve Bazı Merani Özellilerinin Belirlenmei, Gazi Ünv. Müh.Mim.Fa.Dergii., Cilt 4, No 1, Praah, G.O., Sang, H., mbury, J. D., 1995, Structure and propertie of Al-Si foam, Mater.Sci. ng., A 199: Queheillalt, D.T., Katumura, Y., Wadley, H.N.G., 004, Synthei of tochatic open cell Ni-baed foam, Synthei of tochatic open cell Ni-baed foam, Scripta Materialia 50, van, A. G., Hutchinon, J. W. Ahby, M. F., 1998, Cellular metal, Current Opinion in Solid State and Material Science, 3, Davi, N. G., 00, nhancement of olid-tate foaming of titanium by tranformation uperplaticity, Dotora Tezi, Northwetern Univerity, Illinoi, ABD, Aralı. 13. German, R.M., 1984, Powder Metallurgy Science, The Pennylvania State Univerity Second dition,

10 Tenoloji Araştırmalar: MTD 011 (8) Metali Köpü Malzemelerin Meani Özellilerini Belirlemede 14. Aivazov, M.I., Domahhev, I.A., 1968, Influence of Poroity on the Conductivity of the Hot Preed Titanium Nitride Specimen, Porohovaya Metallurgiya (Soviet P/M and Metal Ceramic), 8(9): Koh, J.C., F., 1973, Prediction of Thermal Conductivity and lectrical Reitivity of Porou Metallic Material, Int. J. Heat and Ma Tranfer, 16: Odelevi, V. I., 1951, Zh, Teh, fiz., Int. J. Powder Metallurgy,6, Veinberg, A.K., 1966, Nau, Dol. Aad, Powder Technology, 3, 543, (1966). 18. Grootenhui, P., Powell, W. R., Tye P. R., 195, Thermal and lectrical Conductivity of Porou Metal Made by Powder Metallurgy Method, Proceeding of Phyical Society, 65B :