SiC PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ALAŞIM MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERDE YAŞLANDIRMA İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ.

Transkript

1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) SiC PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ALAŞIM MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERDE YAŞLANDIRMA İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ Serdar ACUN Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: Sunuş Tarihi : 22/01/2007 Tez Danışmanı: Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL Bornova - İZMİR

2

3 III Sayın Mak. Müh. Serdar ACUN tarafından YÜKSEK LİSANS tezi olarak sunulan SiC Partikül Takviyeli Alüminyum Alaşım Matrisli Kompozit Malzemelerde Yaşlandırma İşleminin Mekanik Özelliklere Etkisi başlıklı bu çalışma E.Ü Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve 22/01/2007 tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri: İmza Jüri Başkanı : Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL... Raportör Üye : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ÖZDEN... Üye : Yrd. Doç. Dr. Çınar YENİ...

4 IV

5 V ÖZET SiC PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ALAŞIM MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERDE YAŞLANDIRMA İŞLEMİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ ACUN, Serdar Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi : Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL Ocak 2007 Deneysel olarak yürütülen bu tezin amacı, SiC partikül takviyeli Al-Mg- Si alaşımlı metal matrisli kompozitlerde, yaşlandırma işlemi sonucunda, mekanik özelliklerin değişiminin incelenmesidir. Bu çalışmada, yarı katı yarı sıvı fazda karıştırmalı döküm yöntemiyle üretilmiş, silindirik ingotlar, çeşitli imalat yöntemleriyle işlenerek uygun formda numuneler haline getirilmiştir. Yaşlandırma işlemi öncesi ve sonrası sertlik değerleri ölçülmüş, çekme deneyleri ile yaşlandırma sonrası mekanik özelliklerdeki değişim incelenmiştir. Anahtar Sözcükler: yaşlandırma işlemi. Al-Mg-Si alaşımlı matris, SiC partikül,

6 VI

7 VII ABSTRACT EFFECT OF AGING HARDENING ON MECHANICAL PROPERTIES OF SiCp REINFORCED ALUMINUM ALLOY MATRIX COMPOSITES ACUN, Serdar MSc, Thesis in Mechanical Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. K. Turgut GÜRSEL January 2007 The aim of this thesis is to study effect of aging hardening on mechanical properties of SiC particle reinforced Al-Mg-Si alloyed matrix composites experimentally. In this study, cylindrical ingots that were manufactured by as-cast method were cut as a specimens by using wire-cutting machine. Hardness of matrix and composite were measured and compared to hardness after aging process. Specimens were tested at tensile device and changing of tensile properties were examined. Key words: Al-Mg-Si alloy matrix, particle of SiC, aging hardening.

8 VIII

9 IX TEŞEKKÜR Bu çalışmanın başlangıcından bitimine kadar her aşamada çalışmayı yönlendiren, özverili yardımlarını esirgemeyen hocam Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL e, tezin biçimlendirilmesinde değerli katkılarını aldığım Arş. Gör. Çağrı TEKMEN e ve Biomekanik Laboratuvarı personeline teşekkür etmeyi bir borç bilirim. Tezin hazırlanmasında ve özellikle üniversite döneminde, her zaman maddi ve manevi destekleriyle yanımda olan aileme teşekkürlerimi ve sonsuz sevgilerimi sunarım. Serdar ACUN İZMİR 2007

10 X

11 XI İÇİNDEKİLER Bölüm Sayfa ÖZET...V ABSTRACT...VII TEŞEKKÜR...IX İÇİNDEKİLER...XI ŞEKİL DİZİNİ...XI TABLO DİZİNİ...XIII 1. GİRİŞ Giriş Literatür Araştırması KOMPOZİT MALZEMELER KOMPOZİT MALZEME KOMPOZİT MALZEMENİN ÜRETİM AMAÇLARI TEKNOLOJİK GELİŞİM VE KULLANIM ALANLARI Uzay ve Havacılık Sanayi Otomotiv Sanayi İş Makineleri Elektrik ve Elektronik Sanayi İnşaat Sektörü KOMPOZİT MALZEME TÜRLERİ...9

12 XII Takviye Malzemesine Göre Sınıflandırma Fiber Takviyeli Kompozit Malzemeler Partikül Takviyeli Kompozit Malzemeler Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma Polimer Matrisli Kompozit (PMK) Malzemeler Seramik Matrisli Kompozit (SMK) Malzemeler Metal Matrisli Kompozit (MMK) Malzemeler METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER METAL MATRİSLİ KOMPOZİT SİSTEMLER MATRİS MALZEMESİNİN ROLÜ METAL MATRİS TÜRLERİ ALÜMİNYUM, ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI VE ALÜMİNYUMUN YAŞLANMA KARAKTESİTİĞİ ALÜMİNYUMUN ÖZELLİKLERİ ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI VE ALAŞIM ELEMANLARININ ALÜMİNYUMA ETKİLERİ ALÜMİNYUM TÜRLERİ Döküm Alüminyum Alaşımları Dövme Alüminyum Alaşımları ALÜMİNYUMUN YAŞLANMA KARAKTERİSTİĞİ Yaşlandırma (Çökelme Sertleşmesi) Al, Mg, Si Alaşımının (Al 6061) Çökelme Sertleşmesi DENEYSEL ÇALIŞMA...30

13 XIII 5.1 MALZEME YAŞLANDIRMA İŞLEMİ MİKROYAPISAL İNCELEME ÇEKME DENEYİ DENEY SONUÇLARI YOĞUNLUK MİKROYAPI YAŞLANMA ÖZELLİKLERİ ÇEKME ÖZELLİKLERİ KARŞILAŞTIRMA VE DEĞERLENDİRME ÇÖKELME SERTLEŞMESİ ÇÖKELMEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ POROZİTENİN ETKİSİ SONUÇ...60 KAYNAK DİZİNİ...62 ÖZGEÇMİŞ...66

14 XIV ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa Şekil 2.1 Mirage savaş uçağı...7 Şekil 2.2 Citröen BX...8 Şekil 2.3 Kompozitlerin takviye malzemesine göre sınıflandırılması...9 Şekil 4.1 Çökelme sertleşmesinde faz bölgesindeki sıcaklık-zaman ilişkisi...27 Şekil 4.2 Al6061 çökelme sertleşmesi faz diyagramı...29 Şekil 5.1 Nüve MF 120 seramik fırın...33 Şekil 5.2 Mikrosertlik için parlatılan ve çekme deneyi uygulanan numune...34 Şekil 5.3 SHIMADZU marka mikrosertlik ölçüm cihazı...35 Şekil 5.4 Çekme numuneleri...36 Şekil 5.5 SHIMADZU çekme cihazı...37 Şekil 6.1 Matris malzemesinin mikroyapısı...39 Şekil %10SiC p takviyeli kompozit malzemenin mikroyapısı...39 Şekil %10SiC p takviyeli kompozit malzemedeki gaz boşluğu...40 Şekil 6.4 Yaşlanma sonrası mikrosertlik değerleri...41 Şekil 7.1 Mg, Si konsantrasyonu...46 Şekil 7.2 Yaşlanma işleminde malzeme yapısının değişimi...47 Şekil 7.3 Yaşlanma işlemi sonrası akma dayanımının zamanla değişimi...51

15 XV Şekil 7.4 Yaşlanma işlemi sonrası çekme dayanımının zamanla değişimi...51 Şekil 7.5 (%) Porozite partikül oranı...54 Şekil 7.6 Porozite (%) SiC p oranı...55 Şekil 7.7 Partikül kümelenmesine bağlı porozite oluşumu...56 Şekil 7.8 Çekme gerilmesi porozite (%)...57 Şekil 7.9 Matris malzemesinin kırılma yüzeyi...58 Şekil 7.10 %10SiC p takviyeli kompozit malzemenin kırılma yüzeyi ve yüzeydeki porozite...58

16 XVI TABLOLAR DİZİNİ Tablo Sayfa Tablo 3.1 Bazı MMK lerin özellikleri...19 Tablo 4.1 Alüminyum türleri...25 Tablo 4.2 Yaşlandırılabilirlik...26 Tablo 5.1 Matris alaşımının ve kompozitin kimyasal bileşimi (%)...31 Tablo 6.1 Porozite değerleri (%)...38 Tablo 6.2 Yaşlanma sonrası çekme deneyi sonuçları...41 Tablo 6.3 Yaşlandırma sonrası çekme deneyi sonuçları...42 Tablo 7.1 Diğer araştırmacıların yaşlandırma sonrası sertlik değerleri...49 Tablo 7.2 Diğer araştırmacıların yaptığı çekme deneyi sonuçları...53 Tablo 7.3 (Tekmen, 2003 ; Bilgici, 2004) ve bu çalışmada bulunan sonuçların karşılaştırılması...59

17 BÖLÜM I GİRİŞ 1.1 GİRİŞ Kompozit malzemeler mühendislik uygulamalarında XX. Yüzyılın ikinci yarısından beri kullanılmaktadır. Ancak matris malzemesi olarak çeşitli metallerin alaşımlarıyla birlikte kullanılması son yirmi yılda hızla artış göstermiştir. Bu artış, metal matrisli kompozit malzemeler üzerinde yapılan araştırmaların yoğunlaşmasını da beraberinde getirmiştir. Kompozit malzemelerde matrisin türü yanında takviye olarak kullanılan katkı malzemeleri de belirleyici rol oynar. Bunlar sürekli veya süreksiz fiberler ile partikül takviyeleridir. Ancak farklı boyutlardaki partikül takviyesi, üretim yöntemi olarak döküm tekniklerinin uygulanabilmesi nedeniyle üretim maliyetlerini düşürmekte ve işleme kolaylığı açısından, fiber takviyeli kompozitlere oranla daha çok tercih edilmektedir. Partikül takviyesi olarak da sıklıkla Al2O3 ve SiC kullanılarak sertlik, mukavemet, yorulma dayanımı, aşınma direnci gibi mekanik özellikleri ile ısıl direnç ve iletkenlik gibi termal özellikleri iyileştirilmiş malzemeler elde edilir. Bu üstün özellikli malzemeler de özellikle havacılık ve otomotiv sanayinde yaygın olarak kullanılır. Matris malzeme seçiminde en önde gelen metal, hafif ve sünek yapısıyla alüminyum ve alaşımlarıdır. Alüminyumun alaşımlandırılmasının ve partikül takviyesinin, kompozitin çökelme sertleşmesinde, çökelmeyi hızlandırıcı ve sertliği arttırıcı etkisi bilinmektedir. Literatürde çökelme sıcaklığı, partikül 1

18 boyutu, cinsi gibi birçok parametreye ve döküm yöntemlerine ilişkin çalışma olduğu halde, yapılan ısıl işlemlerin ve üretim şeklinin her birinin, mekanik özellikleri etkilemesi nedeniyle bu iki parametrenin de daha ayrıntılı olarak araştırılması gerekmektedir. Yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmada, yarı katı yarı sıvı fazda karıştırmalı döküm yöntemiyle üretilen Al, Mg, Si alaşımına, %10 SiC partikül takviyesinin, herhangi bir soğuk deformasyon veya ekstrüzyon işlemi uygulanmaksızın, malzemenin yaşlanma davranışına ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlar, farklı çalışmalarda aynı malzemeye, soğuk deformasyon ve ekstrüzyon işlemleri uygulanmasıyla elde edilmiş mekanik özellikler ve yaşlanma değerleri ile de karşılaştırılmıştır. 1.2 LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Literatürde, alüminyum metal matrisli kompozit malzemelere ilişkin olarak yapılmış birçok araştırma bulunmaktadır. Kompozit malzemenin üretim yönteminden, bileşimindeki değişimlere ve yapılan ısıl işlemlere kadar birçok parametre değiştirilerek, deneyler yapılmış ve sonuçlar araştırmacılar tarafından incelenmiştir. Bu konu üzerindeki çalışmaların fazla olmasının nedeni, alüminyum matrisli kompozitlerin üretiminde, çoğunlukla değişik döküm yöntemlerinin kullanılabilmesidir. Bu döküm yöntemleri partikül ve kırpıntı (whiskers) takviyeli metal matrisli kompozitlerde, maliyet düşüşü ve işleme kolaylığı sağlamaktadır. Bu çalışmada da yararlanılan bazı araştırmalar şöyle özetlenebilir: 2

19 Dong ve arkadaşları (2001), Al-Li-Cu-Mg-Zr matris alaşımlı SiC whiskers takviyeli kompozit malzemelerin 160 C, 190 C ve 220 C deki çökelme sertleşmesi davranışlarını incelemişlerdir. Yapılan sertlik ölçümleri ve çeşitli mikroyapı incelemeleriyle; maksimum sertliğe ulaşma süresinin SiC w katkısının varlığıyla ve yaşlanma sıcaklığının artışı ile azaldığı sonucuna varmışlardır. Fan ve arkadaşları (2006), AA7150 alüminyum alaşımının, yaşlanma sonrası mikroyapı özelliklerini incelemişlerdir. 120 C, 140 C, 160 C ve 180 C sıcaklıklarda gerçekleştirilen yaşlandırma işlemi sonrası, farklı Guiner - Preston bölgelerinin oluşumunun ve buna bağlı olarak, kompozit malzemedeki sertlik artışını, ayrıca yaşlandırma işleminin, çökelme, sertlik ve malzemenin elektrik iletkenliğini önemli ölçüde etkilediğini görmüşlerdir. Tekmen ve arkadaşları (2003), Mg ve Si un Al-SiC p kompozitlerde yaşlanma davranışına etkisini incelemiştir. 150 C ve 175 C de yapılan yaşlandırma işlemlerinde, sıcaklık artışının sertliği ve maksimum sertliğe ulaşma süresini azalttığını, ayrıca SiC p takviyesinin kompozitin çekme dayanımını arttırdığını gözlemlemişlerdir. Tekmen ve arkadaşları (2003), bir diğer çalışmalarında Al-Si-Mg matrisli, SiC p takviyeli kompozit malzemelerde, porozitenin mekanik özelliklere etkisini incelemişlerdir. Karıştırmalı döküm yöntemiyle üretilmiş kompozitlerde yüksek oranda porozite oluşumunu saptamışlar ve bunların ekstrüzyon ile belirgin bir şekilde azaltılabildiğini, ancak partikül kümelenmeleri arasındaki boşlukların ekstrüzyon yönünde şekil aldığını ve kaybolmadığını gözlemlemişlerdir. 3

20 Bilgici (2004), sıkıştırmalı döküm yöntemi ile kompozit malzeme üretimi konusunda yaptığı çalışmada, karıştırmalı döküm, karıştırmalı döküm sonrası ekstrüzyon ve sıkıştırmalı döküm yöntemiyle üretilen malzemelerin mekanik özelliklerini karşılaştırmış, porozitenin etkisini araştırmıştır. Sıkıştırmalı döküm yönteminin poroziteyi en aza indirerek mekanik özellikleri iyileştirdiği sonucuna varılmıştır. Chen ve arkadaşları (2002), A383 alüminyum alaşımına, saf Al ve 6061 alaşımlı alüminyum tozları katarak yaşlanma davranışını gözlemlemişlerdir. Buna göre; toz metalurjisi yöntemiyle takviye edilen partiküller, malzemenin çekme özelliklerini belirgin bir şekilde iyileştirmiştir. SiC p partiküllerinin toz halinde alüminyum alaşımları ile karıştırılması sonucu, matris içinde partikül dağılımının homojen olduğu ve porozitenin oluşmadığı gözlenmiştir. 4

21 BÖLÜM II KOMPOZİT MALZEMELER 2.1 KOMPOZİT MALZEME Tanım olarak kompozit malzemeler, metal, plastik ve seramik gruplarından iki ya da daha fazla malzemenin veya değişik fazlardan meydana gelmiş malzeme sistemlerinin, birbirlerinin zayıf yönlerini düzelterek üstün özellikler elde etmek veya yeni bir özellik ortaya çıkarmak ve bunları tek malzemede toplamak amacıyla makro ya da mikro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan malzemelerdir. 2.2 KOMPOZİT MALZEMENİN ÜRETİM AMAÇLARI Kompozitler çok fazlı yapı kabul edilirler. Yapılarında sürekli bir ana faz ile onun içinde dağılmış bir pekiştirici faz bulunur. Üretilmelerindeki ana amaçlar, aşağıdaki gibi farklı endüstriyel uygulamalarda kullanılan ve aranılan üstün mekanik özellikleri elde etmektir. Rijitliği yükseltmek Kırılma tokluğunu yükseltmek Yüksek sıcaklık özelliklerini iyileştirmek Elektrik iletkenliğini arttırmak Hafiflik sağlamak Çekme dayanımını yükseltmek Aşınma dayanımını yükseltmek 5

22 Yorulma dayanımını yükseltmek Korozyon dayanımını yükseltmek Isıl iletkenliği yükseltmek Akustik iletkenliği azaltmak Ekonomik üretim sağlamak Estetik görünümü iyileştirmek Bu amaçlara yönelik olarak kompozit malzeme üretiminde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Hangi yöntem kullanılırsa kullanılsın, temel ilke matris olarak kabul edilen sürekli bir faz ile onun içinde dağılan değişik özelliklerdeki donatı fazının meydana getirilmesidir (Aran, 2006) 2.3 TEKNOLOJİK GELİŞİM VE KULLANIM ALANLARI Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik uygulaması olarak ele alınması 1940 lı yılların başında gerçekleşse de, bu çok bileşenli malzemelerin ilk örnekleri aynı zamanda en geniş kullanım alanlarından biri olan inşaat sektöründe asırlardır kullanılmaktadır. Saman ile liflendirilmiş çamurdan yapılan duvarlar, ilk kompozit malzeme örneklerindendir. En yaygın kullanılanlardan güncel bir örnek olarak selüloz ve reçineden oluşan kağıt verilebilir. Bu malzemelerin mühendislik uygulamalarındaki kullanım amacı ise genelde ağırlığın azaltılması, mukavemetin arttırılması, termal özelliklerin iyileştirilmesi, farklı malzemelerin farklı özelliklerinin biraraya getirilerek yeni ve özel kullanım alanlarının yaratılması olarak sıralanabilir. Bu malzemelerin kullanım alanlarına aşağıda kısaca değinilmiştir. 6

23 2.3.1 Uzay ve Havacılık Sanayi: Özellikle uzay araçlarında ve hatta yolcu uçaklarında gövdenin %80 e varan oranlarda kompozit malzemelerden imali söz konusudur. İç dekorasyon ve elektronik aksamlarda da kullanımı çok yaygındır. Ayrıca, kompozit malzemeler, yüksek özgül mukavemete sahip olduklarından havacılık sanayinin ihtiyaç duyduğu, daha hafif malzemeyle ağır atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır. Şekil 2.1 de Mirage savaş uçağında kullanılan kompozit malzemeler gösterilmektedir. Şekil 2.1 Mirage savaş uçağı (Gay, 2003) Otomotiv Sanayi: Teknolojinin gelişimiyle kompozitlerin otomotiv sanayindeki kullanımı daha da artmıştır. Kompozit malzemeler çoğunlukla, otomobil kaportası, iç donanımı, bazı motor parçaları, tamponlar gibi parçaların yanısıra özellikle diesel motorlarda motor bloğu, pistonlar, süspansiyon ekipmanları ve çeşitli aksesuarlarda daha fazla kullanım alanı bulmaktadır. Şekil 2.2 de bir araçta kullanılan kompozit malzemeler gösterilmektedir. 7

24 Şekil 2.2 Citröen BX (Gay, 2003) İş Makinaları: Kompozit malzemelerin iş makinalarının koruma kapakları ve çalışma kabinlerinde kullanılmaları, üretimde kullanılan parça sayısını azaltarak, üretim maliyetlerinde tasarruf sağlar Elektrik ve Elektronik Sanayi: Kompozitler, elektronik, elektroteknik ve elektrik sanayinde amaca uygun özellikleri ve taşıdığı üstün nitelikler nedeniyle (izolasyon gibi) her türlü malzemenin yapımında, üretim malzemesi olarak kullanılırlar İnşaat Sektörü: Daha önce belirtildiği gibi inşaat sektörü, kompozit malzemelerin en eski kullanım alanıdır. Cephe koruma elemanları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Özellikle izolasyon ürünlerinde bu malzemeler tercih edilir. 8

25 2.4 KOMPOZİT MALZEME TÜRLERİ Kompozit malzemeler, takviye ya da katkı malzemesinin türüne göre veya matris malzemesine bağlı olarak aşağıdaki gibi sınıflandırılırlar Takviye Malzemesine Göre Sınıflandırma Kullanılan takviye malzemesinin türüne göre kompozitler; fiber (elyaf), kısa fiberli ya da kırpıntı (whiskers) kompozitler ve partikül takviyeli kompozitler olarak Şekil 2.3 deki gibi sınıflandırılabilir. Fiber Kırpıntı (whiskers) Partikül Şekil 2.3 Kompozitlerin takviye malzemesine göre sınıflandırılması (Kainer, 2006) 9

26 Fiber ve Kırpıntı Takviyeli Kompozit Malzemeler Eğer takviye malzemesi olarak fiber kullanılıyorsa malzeme fiber takviyeli kompozit olarak adlandırılır. Fiberler sürekli ve süreksiz formda olmak üzere kendi içlerinde ikiye ayrılırlar. İstenilen açılarda yönelendirilerek veya kırpıntı (whiskers) şeklinde matris içine yerleştirilirler. Fiberlerin matris içindeki dağılım yönleri, parçaların belirli yönlerde anizotrop veya izotrop olmasına neden olur. Malzeme üreticileri fiberlerin matris içinde örülmesi sırasında; Bileşimin yapısını Bileşimin oranını Fiberlerin yönlerini, değiştirerek istenilen özelliklere göre malzemelerin mekanik ve fiziksel davranışlarını da değiştirebilirler. Fiber takviyeli kompozit malzemeler üst üste konarak tabakalar halinde de üretilebilirler. Farklı yönlerdeki fiberler sayesinde gelişmiş fiziksel ve mekanik özelliklere sahip tabakalı kompozit malzemeler elde etmek mümkündür Partikül Takviyeli Kompozit Malzemeler Takviye malzemesi olarak mikro partiküllerin kullanılması durumda ise, malzeme partikül takviyeli kompozit malzeme adını alır. 10

27 Fiber takviyeli kompozitlerin aksine, partikül takviyeli kompozitlerde mekanik ve fiziksel özellikler yöne bağlı olarak değişmez. Bu küçük partiküller, genelde malzemenin veya matrisin; Sertlik Sıcaklık davranışı, Aşınmaya karşı dayanım, Korozyona karşı direnç, gibi özelliklerini iyileştimek için kullanılır. Ayrıca bu partiküller, ana malzemenin mevcut özellikleri değiştirmeden, sadece üretim maliyetini düşürmesi amacıyla da kullanılabilmektedirler. Matris - partikül seçimi istenilen özelliklere göre belirlenmektedir. Örneğin, bakır alaşımlarında kurşun partikül takviyesiyle işlenebilirliği artırmak hedeflenmiştir. Başka bir örnek olarak tungsten, krom ve molibden gibi gevrek metallerin partikül mertebesinde sünek metallerle takviye edilmesiyle, oda sıcaklığındaki süneklikten ödün vermeden yüksek sıcaklık özellikleri geliştirilmiştir. Seramikler de yüksek sıcaklıkta çalışan yerlerde, metal matrise, partiküller halinde ilave edilerek kullanılırlar. Örnek olarak oksit bazlı seramikler, hızlı kesme takımları ve yüksek sıcaklık koruyucu malzemeler olarak kullanılırlar. Yine elastomer partiküllerinin polimer matrisli kompozitlere takviye edilmesi, malzeme içi çatlak oluşumunu düşürerek darbe ve kırılmalara karşı dayanıklı bir malzeme oluşmasını sağlar. 11

28 Bu tezin konusu olarak ele alınacak, alüminyum matrisli magnezyum ve silisyum alaşımlı malzemeye SiC p partikülleri takviye edilerek, malzemenin korozyona karşı direncinin iyileştirilmesi ve sünek yapısının yanında sert SiC partiküllerinin etkisiyle mukavemetinin arttırılması örnek olarak verilebilir Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma Matris malzemesinin yapısına göre kompozit malzemeler; polimer, seramik ve metal matrisli kompozitler olmak üzere üçe ayrılırlar. Herbir matris malzemesi için farklı takviye malzemeleri kullanılabilmektedir. Bunlardan endüstriyel olarak en yaygın olanları örneklendirilecektir. Özel imal kompozit malzemeler, özel araştırma laboratuvarlarında üretilebilmektedir (Callister, 2001) Polimer Matrisli Kompozit (PMK) Malzemeler Polimer matrisli kompozitlerde matris malzemesi olarak farklı tipte reçine kullanılır. PMK ler oda sıcaklığındaki özellikleri, kolay üretilebilmeleri ve üretim maliyetlerinin düşük olması sebebiyle çok çeşitli kullanım alanlarına sahip en yaygın kompozit malzemelerdir. Takviye malzemesinin tipine ve özelliklerine göre aşağıdaki gibi dört ana grupta toplanırlar. 12

29 i. Cam Fiber Takviyeli Polimer Matrisli Kompozitler Ülkemizde de fiberglass adıyla sıkça duyduğumuz, birçok çalışmada E-glass olarak adlandırılan, sürekli ve süreksiz halde olabilen cam fiberlerle takviye edilmiş PMK türüdür. Aşağıdaki sebeplerden dolayı bu tip PMK ler yaygın olarak fiber takviyeli olarak kullanılır; Yüksek mukavemetli fiberler sıvı haldeki reçineye çok uygun bir şekilde yerleşir. Birçok imalat yöntemine uygundur ve üretime hazır olarak piyasada bulunması kolay ve maliyetleri düşüktür. Fiber malzemesi olarak nispeten güçlü olmakla beraber, matrisle birleştiklerinde çok yüksek dayanım değerlerine sahip kompozit malzemeler haline gelirler. Çeşitli plastik malzemelerle kaplandıklarında kimyasal olarak reaksiyona girmeyen ve korozif ortamdan etkilenmeyen kompozitler halini alırlar. Cam fiber takviyeli PMK lerde en önemli ve dikkat edilmesi gereken husus yüzey özelliklerinin iyi korunmasıdır. Özellikle imalat sırasında oluşabilecek küçük bir yüzey kusuru bile malzemenin mekanik özelliklerinde değişime yol açmaktadır. Bu nedenle malzeme üretiminde fiberlerin üstü ince, darbelere karşı koruyucu ve dış çevre etkilerini engelleyici bir tabakayla kaplanır. Bazı uygulamalarda, çok dayanıklı olmalarına karşın, gevrek değillerdir. Yine bazı uygulamalarda (uçak gövdelerinde ve köprülerde) istenen rijitliği sağlayamazlar. Bunun yanısıra ortam sıcaklığı 200 C nin üstünde olan 13

30 yerlerde kullanılmamalıdır. Polimer matris türünün iyileştirilmesiyle (polyenit reçine gibi) bu değer 300 C mertebelerine çıkartılabilmektedir. ii. Karbon Fiber Takviyeli Polimer Matrisli Kompozitler Karbon, yüksek performanslı bir materyal olduğundan takviye malzemesi olarak ileri PMK uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Bunların başlıca sebeplerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz: Karbon fiberler, tüm fiber takviye elemanları arasında en yüksek dayanım değerlerine sahip fiberlerdir. Yüksek çekme genliklerini ve dayanımlarını, yüksek sıcaklıkta oluşan oksidasyon haricinde, artan sıcaklıklarda da korurlar. Oda sıcaklıklarında karbon fiberler, nem, çeşitli solventler, asit ve bazlardan etkilenmezler. Bu fiberler birçok özel mühendislik uygulamasına yönelik olan karakteristik, fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptirler. Fiber ve kompozit üretimi makul maliyetlerle yapılmakta ve her geçen gün gelişmektedir. Karbon fiber imal yöntemleri göreceli olarak komplekstir. Üç ana materyalden elde edilir: Yapay ipek, polikraylonitril ve zift. İmal usulleri kullanılan malzemeden malzemeye değişmektedir ve fiber karakteristiğini etkilemektedir. Karbon fiberler, çekme dayanımlarına göre standart, orta, yüksek ve çok yüksek olmak üzere dört şekilde gruplandırılabilir. Bunlar, sürekli fiberler veya kırpıntı şeklinde üretilebilirler. Ayrıca karbon fiberler üretilirken 14

31 koruyucu bir epoxy polimer ile kaplanırlar ki, bu PMK in aşınmaya karşı direncini arttırır. iii. Aramid Fiber Takviyeli Polimer Kompozit Malzemeler Aramid fiber takviyeli PMK ler 1970 li yılların başında kullanılmaya başlanmış, yüksek dayanım özelliklerine sahip kompozitlerdir. Bu malzemeler özellikle dayanım-ağırlık oranında, diğer kompozitlerden belirgin bir şekilde hafiftir. Piyasada bilinen en yaygın aramid fiberler, kevlar ve nomax tir. Bu fiberlerde kendi aralarında karakteristik özelliklerine göre türlere ayrılmışlardır. Matris malzemesi ve fiberlerin birleşimi sırasında rijit moleküller, fiber doğrultusunda sıvı kristal alanlar oluşturarak, malzemeye diğer PMK lere oranla daha yüksek bir çekme dayanımı katarlar. Fakat basmaya karşı malzeme aynı dayanımı gösteremez, basma dayanımı zayıflar. Aramid fiberli PMK ler tokluk, darbe dayanımı, sürünme ve yorulmaya karşı iyi direnç özellikleriyle bilinir. Yalnız bu özelliklerini korudukları çalışma sıcaklıkları C arasındadır. Asit ve bazlardan etkilendikleri gibi diğer solventler ve kimyasal maddelerden etkilenmezler Seramik Matrisli Kompozit (SMK) Malzemeler Seramik matrisli kompozit malzemeler temel özellikleri gereği yüksek sıcaklığa karşı dayanıklıdır. Ayrıca artan sıcaklıkla, oksidasyona ve dış ortamın olumsuz etkilerine karşı değişim gösterirler. Fakat kırılma toklukları 15

32 düşüktür. Özellikle metal malzemelerle karşılaştırıldığında gevrek yapıları dolayısıyla çok düşük kırılma tokluk değerlerine (1 5 MPa) sahiptirler. Bu malzemeler ısıya dayanıklı olduklarından, özellikle otomobil motorlarında ve uçakların gaz türbinlerinde sıkça kullanılır. Kırılma tokluklarının düşük olması, kompozitin matris malzemesinden kırılmasına yol açabilir. Günümüzde yeni nesil SMK uygulamalarıyla bu değerler 5 20 MPa düzeylerine çıkarılabilmiştir ve çatlamayı önleyici çeşitli işlemler ile ZrO 2 (zirkonyum oksit) gibi takviyeler yapılmaktadır Metal Matrisli Kompozit (MMK) Malzemeler Üçüncü bölümde daha ayrıntılı bir şekilde incelenecek metal matrisli kompozit malzemelerde, matris malzemesi olarak çoğunlukla Al, Mg, Cu, Ti vb. gibi metal ve alaşımları tercih edilir. SiC, Al2O3 gibi çeşitli fiber ve partiküller ise başlıca takviye elemanlarıdır. MMK lerin kullanımı, günümüzde artarak devam etmektedir. 16

33 BÖLÜM III METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER 3.1 METAL MATRİSLİ KOMPOZİT SİSTEMLER Yukarıda da bahsedildiği gibi metal matrisli kompozit sistemler (MMK) basitçe metal alaşımlı bir matris malzemesi ile çoğunlukla seramik takviye malzemesinden oluşur. Örnek olarak 6061 Al/%30 SiC p verilebilir. Bu örnekte, alüminyum alaşımı, SiC partikülleri ile takviye edildiği gibi sürekli fiberler (SiC f ) ile de takviye edilebilir. Bu örnekler MMK ları tam olarak açıklamak için yeterli değildir. MMK ların üretim yöntemlerini, uygulanan ısıl işlemleri veya fiber takviyeli kompozitlerde fiberlerin yönlerini incelemek gerekir. Bu noktada MMK lerin diğer metal malzemelerden ya da diğer kompozitlerden farkları aşağıdaki gibi sıralanabilir: Matris malzemesi polimer ve seramik kompozitlerden farklı olarak saf veya alaşımlı metaldir. Takviye edilmemiş matris alaşımlarının sünekliği ve tokluğu, takviye edilenden düşük olduğu halde SMK lerden yüksektir. MMK lerde takviye malzemesinin rolü polimer matrislilerde olduğu gibi çekme dayanımını arttırmaktır. SMK lerde ise amaç, darbe dayanımını iyileştirmektir. MMK lerin termal dayanımları PMK lerden yüksek fakat SMK lerden düşüktür. Nispeten takviye miktarı düşük olan MMK ler takviye edilmemiş metal hallerindeki gibi kolay işlenebilirliğe sahiptir. 17

34 3.2 MATRİS MALZEMESİNİN ÖNEMİ Matris alaşımının seçiminde bazı hususlara dikkat edilmelidir. Bunların başında matrisin sürekli veya süreksiz olarak takviye edilmesine karar verilmesi gelir. Takviye tipi olarak sürekli fiber takviyesinin seçilmesi halinde, malzemede oluşacak yük, çoğunlukla fiberler tarafından taşınır ve dolayısıyla malzemenin mukavemet özelliklerinde fiberler birinci derecede rol oynar. Matris malzemesinin temel işlevi fiberlerde meydana gelebilecek herhangi bir çatlama ve kırılma gibi hataları önlemek ve fiberleri korumaktır. Bu sebeple sürekli fiber takviyeli MMK lerde, matris malzemesi olarak, düşük mukavemetli fakat daha sünek ve tok malzemelerden yararlanılmaktadır. Süreksiz fiber takviyeli MMK lerde ise, kompozit mukavemetini matris malzemesi üstlenmiştir. Bu nedenle matris malzemesinin mukavemet özellikleri kompozit malzemeden istenen mukavemet değerlerini önemli ölçüde etkilemektedir ve yüksek mukavemete sahip matris alaşımları seçilmelidir. MMK lerde matris malzemesinin takviye malzemesiyle uyumu çok önemlidir. Matris malzemesiyle takviye malzemesinin bilhassa termal özellikleri uyumlu seçilmelidir. Matris ile takviye arasında oluşacak bir uyumsuzluk sonucunda, ortaya çıkan termal gerilmeler ve genleşmeler malzemenin periyodik yüklemeler sonrası yorulma mukavemetini azaltır. 18

35 Bir diğer önemli unsur ise, matris ve takviye malzemelerinin ergime sıcaklıklarının arasında büyük bir fark olmaması, bunların mümkün mertebe birbirine yakın olmasıdır. Aksi taktirde, takviye malzemesinin elastik sınırlar içinde kalmasına karşın, matris malzemesinde sürünme ortaya çıkar. Bu nedenle matris ve takviye malzemelerinin ergime sıcaklıkları birbirine yakın tutulmalı ve birlikte sürünme gerçekleşmelidir. 3.3 METAL MATRİS TÜRLERİ MMK lerde en çok kullanılan matris malzemeleri Al, Mg, Cu ve Ti dur. Bunlar, seçilen metal alaşımın özelliklerine göre farklı uygulamalarda kullanılır. Çoğunlukla alaşımlandırılarak fiziksel ve mekanik özellikleri daha iyi hale getirilerek kullanılırlar. MMK leri kullanılan takviye malzemesine göre de kendi içinde fiber takviyeli ve partikül takviyeli olmak üzere ikiye ayırabiliriz. Bunlar içinde en çok kullanılan sürekli fiberler; karbon, alumina, silicon, karpit ve borondur. Süreksiz ve partikül takviyeli olanlar genelde ucuz maliyet ve çeşitlilik açısından tercih edilir. Bunlara da en çok kullanılan SiC ve Al2O3 i örnek verebiliriz. Tablo 3.1 de bazı MMK lerin çekme dayanımları verilmiştir. Matris Tablo 3.1 Bazı MMK lerin özellikleri (Callister, 2001) Fiber Fiber Yüzdesi (%) Yoğunluk Fiber Yönünde Çekme Dayanımı (GPa) Ti Borsik 45 3, AZ31 Mg Karbon 38 1, Al 6061 SiC 50 2, Al 380 Alumina

36 BÖLÜM IV ALÜMİNYUM, ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI VE ALÜMİNYUMUN YAŞLANMA KARAKTERİSTİĞİ 4.1 ALÜMİNYUMUN ÖZELLİKLERİ Alüminyum doğada farklı bileşikler halinde bulunmaktadır. Alüminyum üretiminde kullanılan cevher boksit'tir. Boksit %65 Al 2 O 3, %28 Fe 2, O 2, %7 SiO 2 ve %12-13 H 2 O'dan oluşur. Daha düşük miktarda Al 2 O 3 içeren boksit, refrakter malzeme yapımında kullanılır ( Alüminyum üretiminde iki safha vardır: Doğada bulunan cevherden alüminanın eldesi (Al 2 O 3 ) ve alüminadan alüminyum metalinin elde edilmesi. Alüminyumun en önemli özelliği hafif olmasıdır. Yoğunluğu 2,7 g/cm³ olup demirin üçte biri kadardır. Ergime sıcaklığı 660 o C dir ve parlak gümüş rengine sahiptir. Alaşımsız halde alüminyumun çekme mukavemeti 90 N/mm² olmasına karşın, alaşımlandırılarak bu değer 220 N/mm² mertebelerine çıkartılabilir. Yaşlandırma, yani çökelme sertleştirmesi işlemiyle ise çekme mukavemeti değeri 440 N/mm² ye yükseltilebilir (Onaran, 1999). 20

37 Alüminyumun diğer bir üstün özelliği korozyona olan dayanımıdır. Yüzeyinde oluşan oksit filmi sayesinde korozyona karşı direnç gösterir. Ancak bakır ile teması halinde elektro-kimyasal korozyona uğrayabilir. Bakırdan sonra elektriği en iyi ileten metaldir. Elektrik iletkenliği bakırın üçte ikisi mertebesindedir. Çelikten beş kere daha iyi ısı iletir. Çok yumuşak ve sünek olduğu için soğuk şekil alma kabiliyeti iyidir. Young modülü çeliğin değerlerinden üç kat düşüktür. Ancak talaş kaldırılarak işlenmesi zordur. Talaşlı imalatta, talaşı kırılgan hale getirmek, talaşın uzayıp gitmesini engellemek ve işleme kolaylığı sağlamak amacıyla, alaşımın içine Pb ilave edilir. Alaşımsız alüminyumun çekme dayanımı oldukça düşük, kendini çekmesi ise oldukça yüksektir (%6,6). Bu nedenle alüminyumun dökümünde ve konstrüksiyonlarda daha çok alaşımlandırılarak kullanılır. 4.2 ALÜMİNYUM ALAŞIMLARI VE ALAŞIM ELEMANLARININ ALÜMİNYUMA ETKİLERİ Alaşım elemanlarından beklenen, alaşım ilavesinin metalin sünekliğini ve korozyon direncini bozmadan düşük olan akma ve çekme mukavemetlerinin yükseltilmesini sağlamaktır. Yüksek oranlarda bulunan alaşım elemanlarıyla alüminyum, metaller arası bileşikler oluşturur. Bu bileşikler sert ve kırılgandır. Böylece sertlik ve mukavemet değerleri artarken, şekillendirilebilirlik kabiliyeti düşer. Genel olarak kullanılan alaşım elemanlarının başlıcaları silisyum, magnezyum, bakır, çinko, demir, mangan, krom, fosfor, titanyum ve nikeldir. Bunların alüminyuma etkileri aşağıdaki gibi özetlenebilir. 21

38 i. Silisyum (Si) Akışkanlığı arttırır, sıcak çatlama eğilimini azaltır. % 13 den fazla silisyum içeren alaşımların işlenmesi çok zordur. Ayrıca Si ile alaşımlandırma malzemenin presle döküm kabiliyetini arttırır. ii. Magnezyum (Mg) Mg katı çözelti sertleşmesi meydana getirir. %6 dan fazla Mg içeren alaşımlarda çökelme sertleşmesi olur, dökümleri zordur. Mg 2 Si alaşımını oluşturup Al Si alaşımlarının dayanımını arttırır. iii. Bakır (Cu) Bakır, alüminyuma % 12 oranına kadar katıldığında mukavemeti arttırır, daha fazlası gevreklik yaratır. Genellikle yüksek sıcaklık özellikleriyle işlenebilirliği arttırır. % 4 6 arasında katıldığında yaşlandırılabilir alaşımlar oluşturur. Dökümü zorlaştırır ve gerilme gidermesi kabiliyetini azaltır. iv. Çinko (Zn) Yüksek çinkolu alaşımlar sıcak çatlama ve soğuma çekmesi gösterir. Çinko diğer alaşım elementleriyle birlikte dayanımı çok arttırır, buna karşın dökülebilirliği düşürür. % 3 çinkodan daha az çinko içeren ikili alüminyum alaşımlarında belirgin bir etkisi görülmez. 22

39 v. Demir (Fe) Düşük oranlarda bazı alaşımların sertliği ve mukavemetini arttırır, dökümlerin sıcak çatlama eğilimlerini azaltır. Fakat meydana getirdiği gevreklik sebebiyle alüminyum alaşımlarında kullanımı tercih edilmez. vi. Mangan (Mn) Dökülebilirliği arttırmak için demir ile birlikte kullanılır. Metaller arası bileşiklerin özelliğini değiştirir, soğuma sırasındaki çekmeyi azaltır, alaşımların süneklik ve tokluk özelliklerini arttırır. vi. Krom (Cr) vardır. CrAl 7 tipinde metaller arası bileşik oluşturur. Tane küçültücü etkisi viii. Fosfor (P) Ötektik altı Al Si alaşımlarında ötektik silisyum parçacıklarını irileştirir, ötektik üstü alaşımlarda ise küçültür. ix. Titanyum (Ti) Bor ile birlikte tane küçültücü etkisi vardır, çekme dayanımını arttırır. 23

40 x. Nikel (Ni) Yüksek sıcaklıklarda sürünme dayanımını arttırır. 4.3 ALÜMİNYUM TÜRLERİ Alüminyum alaşımları, üretim metodları esas alınarak plastik şekil verme işlemi ve döküm olmak üzere iki ana alt gruba ayrılır. Plastik deformasyonla şekillendirilen dövme alüminyum alaşımları, döküm alaşımlardan oldukça farklı mikro yapı ve kompozisyona sahiptir. Her ana grup içindeki alaşımlar, ısıl işlem yapılabilir ve yapılamaz alaşımlar olmak üzere, iki alt gruba daha ayrılabilir. Isıl işlem yapılabilir alaşımlarda, yaşlandırma ile dayanım artışı sağlanabilirken, ısıl işlem yapılamayan alaşımlarda, katı eriyik sertleşmesi ve pekleşme ile dayanım artışı sağlanır (Onaran, 1999) Döküm Alüminyum Alaşımları Döküm alüminyum alaşımlarının çoğu ötektik reaksiyona neden olan, iyi akıcılık ve dökülebilirlik sağlayan, yeterince silisyum içerir. (%5-12 Si). Alüminyum alaşımlarına Si ile birlikte Mg ilavesi mukavemeti arttırır. Cu ise elektrik iletkenliğini ve çökelme sertleşmesi kabiliyetini arttırmak için ilave edilir. Al-Si-Mg alaşımları kokil metal kalıpta dökülerek üretilir. Belirli alaşımlarda mikro yapıyı ve bu nedenle de dağılım mukavemetlenmesi düzeyini iyileştirmek amacıyla Br ve Ti ilaveleri ile tane inceltilir. Ötektik yapıyı değiştirmek için Na veya Sr kullanarak modifikasyon veya birincil silisyumu incelterek mukavemetlenme sağlamak için P ilavesi yapılır. 24

41 Döküm Al alaşımlarında %0,3-1,0 Mg ilavesi çökelti sertleşmesine bağlı dayanım artışı sağlar. Cu, bazı döküm Al alaşımlarında %1-4 oranında bulunur. Bu katkı, özellikle yüksek sıcaklıklarda dayanım artışı sağlar Dövme (Hadde Ürünü) Alüminyum Alaşımları Dövme alüminyum ve alaşımları da kendi içinde ısıl işlem uygulanabilenler ya da uygulanamayanlar olmak üzere ikiye ayrılır. Alüminyumun simgelendirilmesinde dünyada en yaygın olarak kullanılan ve Amerikan Standartlar Birliği tarafından belirlenen dizge kullanılır. Dört rakamlı sayısal simgenin ilk rakamı, hangi temel alaşım elementini içeren alüminyum alaşımı olduğunu belirtmektedir. Diğer basamaklardaki rakamlar malzemede bulunan alaşımların yüzde oranlarını ifade eder. Her iki alüminyum türü için de simgelendirmelerinin nasıl yapıldığı Tablo 4.1 de verilmiştir. Tablo 4.1 Alüminyum türleri (USA Department of Defence, 1999) İmal Yöntemi İşlem Döküm Ana Alaşım Elementi 1XXX 1XX XXX 2XX Cu 3XXX Mn 3XX Si + Mg; Si + Cu; Si + Mg + Cu 4XXX 4XX Si 5XXX 5XX Mg 6XXX Mg + Si 7XXX 7XX Zn 8XXX Diğer 8XX Sn 25

42 4.4 ALÜMİNYUMUN YAŞLANMA KARAKTERİSTİĞİ Yukarıda açıklanan ve sınıflandırılan alüminyum türleri kendi içlerinde de yaşlandırılabilen ve yaşlandırılamayanlar olmak üzere Tablo 4.2 deki gibi ayrılmaktadır. Tablo 4.2 Yaşlandırılabilirlik Yaşlandırılabilir Yaşlandırılamaz İşlem 2XXX 4XXX 6XXX 7XXX 1XXX 3XXX 5XXX Döküm 2XX 3XX 7XX 8XX 1XX 4XX 5XX Yaşlandırma ( Çökelme Sertleşmesi ) Faz denge diyagramları, bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak oluşan kararlı fazları ve faz dönüşüm sıcaklıklarını gösterir. Bu durumda soğutma işlemi süresince faz dönüşümleri zorlayıcı etki olmaksızın kendiliğinden tamamlanır. Ancak kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri ile sağlanan denge hali faz dönüşümleri, su verme işlemi gibi aşırı şartlar altında kısmen veya tamamen önlenebilir. Bu gibi durumlarda elde edilecek denge dışı yarı kararlı fazlar üstün özelliklere sahip olabilirler (Onaran, 1999). 26

43 Bu prensipten yola çıkarak çeliklerde su verme işleminde olduğu gibi, bazı alüminyum ve alaşımlarında da çökelme sertleşmesi yani yaşlandırma gibi ısıl işlemler yapılabilir. Bir ana faz içinde çok küçük parçacıklar halinde çökelmeyi sağlayan ve dolayısıyla sertlik ve mukavemet özelliklerini arttıran bu yöntem, en çok Al-Cu ve Al-Mg-Si alaşımlarına uygulanır. Şekil 4.1 de çökelme sertleşmesi işleminde sıcaklık değişiminin, malzeme yapısındaki değişime etkisi şematik olarak görülmektedir. Şekil 4.1 Çökelme sertleşmesinde faz bölgesindeki sıcaklık-zaman ilişkisi ( Al, Mg, Si Alaşımının (Al 6061) Çökelme Sertleşmesi Daha önce de verildiği gibi, baştaki 6 rakamı alaşımın Mg ve Si içerdiğini, üçüncü basamaktaki 6 rakamı alaşımın %0,6 Si, sondaki 1 27

44 rakamı ise %1,0 Mg içerdiğini ifade etmektedir. İkinci basamaktaki 0 ise başka alaşım elementinin olmadığı anlamına gelmektedir. Bu üç element birlikte, Al ve Mg 2 Si (magnezyum silikat) olmak üzere iki fazı oluşturmaktadır. Mg ve Si toplamda %1,6 Mg 2 Si oranında ikinci fazı oluşturmaktadır. Şekil 4.2 de görüldüğü üzere %1,6 bileşimindeki Al alaşımı 600 C sıcaklığa yakın bir sıcaklıkta α-al eriyiği halindedir. Eğer alaşım dengeli bir şekilde soğutulacak olursa yaklaşık 550 C de α-al fazı Mg ve Si miktarınca doymuş hale gelerek difüzyonla oda sıcaklığına doğru α-al ana fazında, Mg 2 Si çökelmeye başlar. Oda sıcaklığına gelindiğinde iki fazlı yapı elde edilmiş olur. Mg 2 Si ın α-al içinde çözünmesi bir katı hal reaksiyonudur. Dolayısıyla atomların yayınması belli bir süreyi gerektirir. Eğer α-al fazı 600 C sıcaklığa yakın sıcaklıktan hızla oda sıcaklığına soğutulacak olursa aşırı doymuş Al-Mg-Si fazı elde edilir. Bu noktadan sonra alaşım içinde oda sıcaklığında zamanla Mg 2 Si molekülleri yeniden çökelmeye başlar. Bu işlem oda sıcaklığında ve alaşımın kendi haline bırakılması suretiyle gerçekleşiyorsa doğal yaşlanma söz konusudur. 28

45 Şekil 4.2 Al 6061 çökelme sertleşmesi faz diyagramı ( Oda sıcaklığı yerine, parçanın C arasında belli bir süre tavlanması ve daha sonra su verilmesi işlemiyle Mg2Si molekülleri çökelir. Burada sıcaklığın difüzyon hızıyla, dolayısıyla çökelme işleminin hızlandırılmasıyla doğrudan ilişkisi vardır. Şekil 4.2 de Al 6061 alaşımının çökelme sertleşmesi faz diyagramı görülmektedir. Bu işlemlerin ardından belli bir süre sonra malzemede maksimum çökelme gerçekleşir. Bu aynı zamanda malzemenin maksimum sertliğe ulaştığı süredir. Daha sonra Mg 2 Si molekülleri daha fazla çökelemeyeceği için birleşmeye başlar ve aşırı yaşlanmış iki fazlı yapı meydana gelir. Bu safhada malzemenin sertlik ve mukavemet değerleri yeniden düşmeye başlar. 29

46 BÖLÜM V DENEYSEL ÇALIŞMA 5.1 MALZEME Deneyde kullanılacak olan matris malzemesi, alüminyumun ana alaşım elementleri olarak sırasıyla %0,7 ve %7 oranlarında Mg ve Si ile alaşımlandırılmasından oluşmaktadır. Kısaca Al-%7Si-%0,7Mg şeklinde ifade edilir. Matris alaşımı, hacimce %10 oranında Silisyum Karbür (SiC) partikülleriyle takviye edilerek kompozit malzeme elde edilmiştir. Takviye malzemesi olan, SiC p partiküllerinin tane boyutu, ortalama 12 µm dur. Malzeme, Dokuz Eylül Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Döküm Laboratuarında üretilmiştir. Kompozit malzemenin üretiminde yarı-katı yarı-sıvı fazda karıştırmalı döküm yöntemi uygulanmıştır. Tablo 5.1 de görüldüğü oranlarda alaşımlandırılan matris malzemesi, indüksiyon fırınında grafit bir pota içerisinde eritilmiştir. Sıvı haldeki alaşımın sıcaklığı, 600 C ye düşürüldükten sonra SiC partiküllerinin ilavesi yapılmış, SiC p takviye edilmeden önce, 900 C de 2 saat süreyle oksitlenmiştir. Takviye işlemi, bu sırada, yarı-katı fazda olan matris alaşımına, 5-10 dakika içerisinde yapılmıştır. Takviye işlemi sırasında, karışımın homojen bir yapıya sahip olması amacıyla, grafit kaplı karıştırıcı ile 5 dakika daha karıştırma işlemine devam edilmiştir. Kompozit malzemede 30

47 oluşabilecek oksitlenmeyi önlemek amacıyla, eriyik üzerinde argon atmosferi oluşturulmuştur. Karıştırma işleminden sonra eriyik hızla, liküdüs eğrisi üzerinde bir sıcaklığa, yaklaşık 750 C ye 5 dakika süreyle ısıtılmıştır. Bu sıcaklıkta karıştırma işlemine devam edilmiştir. Döküm işlemi, önceden 150 C ye kadar ısıtılmış demir döküm kalıba yapılarak 35 mm çapında ve 70 mm yüksekliğinde ingotlar elde edilmiştir. Tablo 5.1 Matris alaşım ve kompozitlerin kimyasal bileşimleri (%) Bileşim (%) Al-%10 SiCp Matris Al 81, ,0705 Mg 0,562 0,677 Si 16,8495 6,627 Fe 0,2951 0,2988 Cu 0,06 0,0134 Mn 0,0232 0,0277 Ni 0,0329 0,0087 Zn 0,0508 0,08 Ti 0,0901 0,0798 Cr 0,0475 0,0097 Pb 0,0102 0,0418 Sn 0,015 0,05 V 0,0044 0,

48 5.2 YAŞLANDIRMA İŞLEMİ Yaşlandırma işlemi, matris alaşımının ve SiC p takviyeli kompozit malzemenin yaşlanma davranışlarını ve bu işlemin mekanik özelliklere etkisini belirlemek amacıyla yapılmıştır. Çekme deneyi için uygun formda hazırlanan numunelerin bir kısmı, yaşlandırma işlemi için kullanılmıştır. Bu numuneler metalografik olarak parlatılarak, 530 C de, Şekil 5.1 deki fırında çözeltiye alınmış, 2 saat bekletildikten sonra oda sıcaklığında su verilerek hızla soğutulmuştur. Yaşlandırma sıcaklığı 150 C de sabit tutulmuştur. Belli aralıklarla fırından alınan parçalara, bekletilmeden oda sıcaklığında su verilmiştir. Yaşlandırma işlemi, 1 32 saat aralığında yapılmıştır. Oda sıcaklığında yaşlanma olabileceğinden, numuneler çözeltiye alındıktan ve yaşlandırma işleminden sonra, derin dondurucuda muhafaza edilmiştir. Yaşlandırma işlemi sonrası parçalar, malzeme yapısını bozmayacak şekilde tekrar parlatılmıştır. Daha sonra oda sıcaklığında ve her numuneden en az 3 ölçüm alınacak şekilde mikrosertlik değerleri ölçülmüştür. Mikrosertlik ölçümlerinde batıcı uç partiküllere temas ettirilmemiş, ölçümler 100g yük altında ve Vickers elmas piramit uç kullanılarak yapılmıştır. 32

49 Şekil 5.1 Nüve MF 120 seramik fırın 33

50 5.3 MİKROYAPISAL İNCELEME Mikroyapısal inceleme, yaşlandırılmış SiC p takviyeli kompozit malzeme ve matris malzemesi üzerinde; SiC partiküllerinin dağılımını gözlemlemek için yapılmıştır. Ayrıca, porozite miktarlarını bulmak amacıyla Archimedean prensibininden yararlanılarak, yoğunluk ölçümü yapılmıştır. SiC p tanelerinin ortalama tane boyutu ve kompozitlerin hacimsel SiC p oranları, optik bir mikroskoba bağlı LUCIA görüntü analiz cihazı ile her bir malzeme için 3 farklı numune alınarak yapılmıştır. Her numunede 3 ayrı bölgede ölçüm yapılmıştır. Mikrosertlik ölçümleri Ege Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü, Biomekanik Laboratuvarında SHIMADZU marka (Şekil 5.3) Vikers mikrosertlik ölçüm cihazıyla yapılmıştır. Metalogrif yöntemlerle yüzeyi parlatılan, mikrosertlik ölçümü yapılan ve çekme deneyi ile çekme deneyi uygulanan numune Şekil 5.2 deki gibidir. Şekil 5.2 Mikrosertlik deneyi için parlatılan ve çekme deneyi uygulanan numune 34

51 Şekil 5.3 SHIMADZU marka mikrosertlik ölçüm cihazı 35

52 5.4 ÇEKME DENEYİ Çekme deneyleri için ölçüm uzunluğu 26 mm, eni 6 mm ve kalınlığı 3 mm olan numuneler hazırlanmıştır. 35 mm kalınlığında, 70 mm yüksekliğindeki ingotlar önce frezede dikdörtgen prizma şekline getirilmiş, daha sonra havuzlu tip tel erozyon makinasında, istenilen form verilip 3 mm kalınlığına, Şekil 5.4 deki gibi çekme numuneleri haline gelmiştir. Deneyde, %10 oranında SiC p katkılı kompozit malzemenin ve matris alaşımının 4, 16, 20 ve 24 saat süreyle 150 C de yaşlandırılmış numuneleriyle ısıl işlem görmemiş halleri kullanılmıstır. Malzemelerin gerilme-uzama davranışları, 0,5 mm/dk çekme hızına sahip Şekil 5.5 deki bilgisayar destekli SHIMADZU test cihazında belirlenmiştir. Şekil 5.4 Çekme numuneleri 36

53 Şekil 5.5 SHIMADZU çekme cihazı 37

54 BÖLÜM VI DENEY SONUÇLARI 6.1 YOĞUNLUK Matris alaşımı ile SiC p katkılı kompozit malzeme üzerinde yapılan yoğunluk ölçümlerinin sonuçları Tablo 6.1 de verilmiştir. Daha önce de bahsedildiği gibi, Archimedean prensibinden yararlanılarak, porozite miktarı tespit edilmiştir. Porozite, kompozit malzemenin kimyasal bileşiminden hesaplanan teorik yoğunluk (Dc) ile deneysel yöntemlerle elde edilen yoğunluk değeri (De) arasındaki farkın oranlanmasıyla bulunmuştur. Tablo 6.1 Porozite değerleri (% ) Malzeme Teorik Yoğunluk (Dc) Deneysel Yoğunluk (De) Porozite Matris 2,6917 2,6558 1,33 %10 SiC 2,7427 2,6162 4, MİKROYAPI Bu çalışmada üretilen, matris alaşımı ve %10 SiC p katkılı kompozit malzemenin genel mikroyapıları Şekil 6.1 ve Şekil 6.2 deki gibi verilmektedir. 38

55 Şekil 6.1 Matris alaşımının mikroyapısı Şekil 6.2 %10 SiC p takviyeli kompozit malzemenin mikroyapısı 39

56 Şekil 6.3 %10 SiC p takviyeli kompozit malzedeki gaz boşluğu Şekil 6.3 te de görüldüğü üzere %10 SiC partikül takviyeli kompozit malzemede yüksek oranda porozite mevcuttur. Dökümden kaynaklanan gaz boşlukları ve tane aralarındaki yığılmalar, sıkıştırmalı döküm ve ekstrüzyon gibi işlemlerin malzemenin mekanik özelliklerine etkileri Karşılaştırma ve Değerlendirme bölümünde incelenecektir. 6.3 YAŞLANMA ÖZELLİKLERİ Matris alaşımı ve kompozit malzemenin 150 C de gerçekleştirilen yaşlandırma işlemi sonrasında mikro sertlik değerlerinin zamana bağlı değişimi Şekil 6.4 teki grafikte görülmektedir. 40

57 Sertlik (Vickers Matris %10 SiC Süre (Dakika) Şekil 6.4 Yaşlanma sonrası mikro sertlik değişimi 6.4 ÇEKME ÖZELLİKLERİ Isıl işlem uygulanmamış ve 150 C de yaşlandırılmış matris alaşımı ile kompozit malzemenin çekme deneyi sonuçları; akma mukavemeti (σakma), çekme mukavemeti (σçekme) ve kopma uzaması (ε)(%) değerleri sırayla Tablo 6.2 ve Tablo 6.3 te verilmiştir. Tablo 6.2 Yaşlanma öncesi çekme deneyi sonuçları Malzeme σakma (MPa) σçekme (MPa) ε (%) Matris Alaşımı 64,53 154,33 3,9 Al-%10SiCp 72,23 96,87 2,1 41

58 Tablo 6.3 Yaşlanma sonrası çekme deneyi sonuçları Malzeme Yaşlanma Süresi (saat) σakma (MPa) σçekme (MPa) ε (%) 4 121,34 296,65 4 Matris Alaşımı ,11 307,26 3, ,56 303,42 2,9 4 72,67 196,32 1,8 Al-%10SiCp 16 87,45 215,43 2, ,39 205,34 1,1 Tablo 6.2 incelendiğinde, malzemenin herhangi bir ısıl işlem uygulanmadan önceki, akma ve çekme dayanımı değerlerinin değişimi görülmektedir. Buradan SiC p takviyesinin malzemenin akma gerilmesinde %11 lik bir artış sağladığı anlaşılmaktadır. Fakat çekme mukavemetinde ise %39 luk bir düşüş göze çarpmaktadır. Yapılan birçok çalışmada takviye malzemesinin malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirdiği açık olarak ifade edilmiştir. Ancak bu çalışmada elde edilen deney sonuçlarına göre, takviyeli kompozit malzemenin çekme dayanımının, matris alaşımının çekme dayanımı değerlerine oranla düşük olduğu gözlenmiştir. Bunun sebebi takviyeli kompozit malzemedeki yüksek porozitedir. Yaşlandırma işlemi sonrasında da, mekanik özellikler incelendiğinde, matris alaşımının çekme dayanımının, takviyeli kompozit malzemenin çekme dayanım değerlerinden yüksek olduğu gözlenmektedir. Buradan yaşlandırma işleminin porozite oranına bir etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır. 42

59 Akma mukavemet değerleri incelendiğinde, beklendiği gibi matris alaşımının akma mukavemetinin yaşlandırma süresiyle düştüğü, takviyeli kompozit malzemede ise arttığı gözlenmektedir. Hem matris alaşımı hem de takviyeli kompozit malzeme için, en yüksek çekme dayanımı değerleri, matris alaşımının, en yüksek sertlik değerine ulaştığı 20 nci ve takviyeli kompozit malzemenin en yüksek sertlik değerine ulaştığı 16 ncı saatlerde saptanmıştır. Malzemenin çekme dayanımında düşüşe neden olan porozitenin etkisi Karşılaştırma ve Değerlendirme bölümünde daha ayrıntılı olarak incelenecektir. 43

60 BÖLÜM VII KARŞILAŞTIRMA VE DEĞERLENDİRME 7.1 ÇÖKELME SERTLEŞMESİ Daha önce alüminyum ve alaşımlarının çökelme kabiliyeti ve alaşımların çökelme kabiliyetine etkisinden söz edilmişti. Deney sonuçları göstermektedir ki çökelme ile sertleşebilen alaşıma SiC gibi kırılgan katkı ilavesi, matristeki çökelmenin kinetiğini, katkısız alaşıma oranla arttırmıştır. Çökelme işlemi sırasında, bazı ara yüzey reaksiyonları oluşmuştur. Bu reaksiyonlar sonucunda meydana gelen ürünler, malzemenin çökelme kinetiğini etkilemektedir. Diğer araştırmacılar, SiC partikül takviyeli kompozit malzemeler üzerinde yaptıkları çeşitli deneyler sonrasında, alüminyuma silisyumun ilavesinin, alüminyumun reaksiyona girme eğilimini azalttığını gözlemlemiştir. Katkı malzemesi olarak SiC p takviye edilecek kompozitlerde matris malzemesi olarak, silisyumca zengin 3XX serisi alüminyumların tercih edilmesi uygun görülmüştür. Bunun sebebi ara yüzeyde gerçekleşebilecek şu reaksiyonla açıklanabilir (USA Department of Defence, 1999). 4Al + 3SiC Al4C3 + 3Si (1) Reaksiyondan anlaşıldığı üzere, matris alaşımına SiC p eklenmesi Al 4 C 3 bileşiğinin oluşumuna yol açar. Al 4 C 3 bileşiği, malzemenin korozyona karşı 44

61 direncini düşürdüğü için istenmez. Bu nedenle matris silisyumca zenginleştirilerek, alüminyumun SiC bileşiğindeki silisyumu çözerek deforme etmesi engellenmiştir. Al 4 C 3 oluşumunu engellemek için geliştirilmiş farklı mekanizmalar bulunmaktadır. SiC partiküllerini oksitleyerek, yüzeyde bir SiO 2 tabakası oluşturmak veya partikülleri, toz metalürjisi yöntemiyle takviye etmek bunlardan sadece birkaçıdır. SiC ün oksitlenmesi, Mg ile SiO 2 arasında şu reaksiyonların gerçekleşmesini sağlar (Vaucher, 2001). SiO 2 + 2Mg 2MgO + Si (2) 2SiO 2 + 2Al + Mg MgAl 2 O 4 + 2Si (3) Bu çalışmada üretilen matris malzemesinde, %6,6 oranında Si ve %0,67 oranında Mg bulunmaktadır. %1,1 değerinin altında kalan Mg oranı matris- SiC arayüzeyinde (3) numaralı reaksiyonun gerçekleşmesini sağlar ve reaksiyon ürünü olarak sadece MgAl 2 O 4 oluşması kuvvetle muhtemel hale gelir. Yapılan deneyler sonucunda kompozit malzemede yaşlanma işlemi gerçekleşmiş, hem matris alaşımının hem de kompozit malzemenin sertliğinin arttığı gözlenmiştir. Bu sertlik artışı büyük oranda Mg alaşımının varlığı yani (4) numaralı denklenmeki, Si + 2Mg Mg 2 Si (4) 45

62 reaksiyonun sonucu Mg 2 Si çökeltilerinin oluşmasıyla gerçekleşmiştir (Vaucher, 2001). Şekil 7.1 Mg, Si konsantrasyonu (Orgis, 2002) Orgis, yaptığı araştırmalarda malzemedeki Si ve Mg alaşımlarının, malzemenin çökelme mekanizmasındaki rolünü ve α-alüminyum çözeltisi içindeki oranını Şekil 7.1 deki gibi ifade etmiştir. Buna göre artan Mg oranının α-alüminyum çözeltisi içindeki Mg konsantrasyonunu da belirgin bir şekilde arttırdığı ortaya çıkmıştır (Orgis, 2002). Mg 2 Si çökeltilerinin oluşumuyla Al-Mg-Si alaşımlarında çökelme sertleşmesi gerçekleşir. Yaşlanma işlemi boyunca malzemenin yapısındaki değişim şematik olarak Şekil 7.2 deki gibi gerçekleşmektedir. 46

63 Şekil 7.2 Yaşlanma işleminde malzeme yapısının değişimi Şekil 7.2 (a) daki yapı malzemenin 530 C de 2 saat çözeltiye alındıktan sonra, oda sıcaklığında yavaş soğutulması halinde ortaya çıkan, kararlı, iki fazlı ve yumuşak bir yapıdır. Bu durumda faz dönüşümü herhangi bir zorlayıcı etki olmadan gerçekleşir. Ancak çözeltiye alma sonrasında parça su vermek suretiyle hızla soğutulursa (b) deki gibi aşırı doymuş katı çözelti elde edilir. Daha sonra 150 C de yapılan yapay yaşlandırma işlemiyle malzemede çökelme başlar. (c) de çökelmenin maksimum olduğu değerde malzeme en yüksek sertlik ve mukavemet değerlerine ulaşır. İşleme devam edildiğinde çökeltiler büyüyerek birleşirler ve (d) deki yapıyı oluştururlar. Alüminyum ve alaşımlarının çökelme sertleşmesi üzerine çalışan birçok araştırmacı Guiner-Preston bölgelerinin varlığından bahsetmektedir. Buna göre faz dönüşümü aşağıdaki gibi gerçekleşmektedir (Mageto 2003), (Orgis, 2002), (Tekmen 2003), (Huang 2003). Aşırı doymuş katı çözelti GP bölgeleri veya yarı kararlı iğnemsi β yarı kararlı çubuksu β kararsız β diskleri (Mg2Si) 47

64 Tekmen (2003), Al-Mg-Si alaşım sisteminde yaşlanma işlemininin sırayla şöyle gerçekleştiğini açıklamıştır. Yaşlandırmanın başlangıç evresinde, GP bölgeleri oluşur ve alaşımın sertlik ve mukavemetini arttırır. Plastik deformasyon sürecinde, dislokasyonların kararlı bölgeleri kesmek için ek gerilmelere ihtiyaç duyması ve dislokasyonların bu bölgeleri kesmesinin gittikçe zorlaşması nedeniyle, zamanla GP bölgelerinin boyutu ve buna bağlı olarak malzemenin sertliği ve mukavemeti artar. Yaşlandırmanın devamında çökelti boyutunda ve taneler arası mesafede artış meydana gelir. Yaşlandırma süresinin artmasıyla, dislokasyonların partiküller etrafında kıvrılması kolaylaşır, dayanım ve sertlik azalır. (Tekmen, 2003) Bu çalışmada da 150 C de hem matris malzemesi hem de %10 SiC p takviyeli kompozitte çökelme sertleşmesi gerçekleşerek; Tablo 7.1 de de görüleceği gibi, matris malzemesi 20 saat, %10 SiC takviyeli kompozit de 16 saat sonra maksimum sertlik değerine ulaşmıştır. Yaşlanma eğrisi Şekil 6.4 de verilmiştir. Diğer araştırmacıların benzer ve farklı malzemelerle yaptıkları çökelme sertleşmesi sonucunda elde ettikleri değerler Tablo 7.1 deki gibidir. 48

65 Tablo 7.1 Diğer araştırmacıların yaşlandırma sonrası sertlik değerleri Malzeme (Merle, 2000;Tekmen, 2003;Bilgici, 2004;Chen, 2001) İşlem Karıştırmalı Döküm Çözeltiye Alma Süresi ve Sıcaklığı Yaşlanma Sıcaklığı ( C) Yaşlanma Süresi (saat) Maksimum Sertlik Değeri 150 C HV Al-%7Si- %0,7Mg 530 C de 2 Ekstrüzyon 150 C HV saat Ekstrüzyon 175 C HV Karıştırmalı Döküm 150 C HV Al-%7Si- %0,7Mg + %10 SiC p 530 C de 2 Ekstrüzyon 150 C HV saat Ekstrüzyon 175 C HV AA %20 Al203 AA %23 B4C AA %20 SiC p Düşük Basınçta Döküm Toz Metalürjisi ve Ekstrüzyon Toz Metalürjisi ve Ekstrüzyon 510 C de 2 saat 550 C de 2 saat 525 C de 1 saat 180 C T HV 177 C T HRF 125 C T HRF %20SiC/60 61/A383 Al Sıkıştırmalı Döküm 500 C de 6 saat 160 C HV Al-4Cu + %10 SiC w C de 2 saat 160 C HV Al-Cu + %30 SiC Toz Metalurjisi 530 C de 24 saat 180 C HRF 49

66 7.2 ÇÖKELMEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER Yaşlanma işleminde dayanımı arttırıcı çökeltilerin, oda sıcaklığında da oluşması doğal yaşlanma olarak tanımlanır. Aşırı doymuş çözelti yeterli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında, atomsal yayınım (difüzyon) ile mikroskopaltı büyüklükte çökelme başlar. Çökelme en çok alaşım içindeki arayüzeylerde, tane sınırlarında ve dislokasyonlar boyunca çekirdeklenir. Buradan yapılacak bir çıkarımla malzemedeki dislokasyonların ve inhomojenitenin artışının, yaşlanmayı hızlandırıcı bir etken olduğu söylenebilir. Tekmen (2003), bu çalışmada kullanılan aynı malzemeye soğuk deformasyon ve ekstrüzyon işlemleri uyguladıktan sonra Tablo 7.1 de görüldüğü gibi; daha yüksek sertlik değerlerine, daha erken ulaşmıştır. Bunun en büyük nedeni, ekstrüzyon ve soğuk deformasyon gibi işlemler sonucu malzeme içindeki dislokasyon hareketlerinin ve kusurlarının çökelmeyi hızlandırması olarak açıklanabilir. ayırmıştır: Ek olarak Tekmen (2003), çökelme çeşitlerini aşağıdaki gibi üçe Dislokasyonlarda çekirdeklenme ile çökelme, Boşluk bağlantılı çökelme, Ara yüzey çökelmesi ve çökeltiden arınmış bölgeler. 50

67 7.3 MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Herhangi bir alaşımın çekme dayanımını, GP bölgeleri ve β fazının sayısı, yoğunluğu ve büyüklüğü ile malzemenin üretimi sırasında geçirdiği termal işlemler belirler (Mageto 2003). Yaşlanma sırasında çökelen, dayanımı arttırıcı ikinci faz, bunun oluşumunu arttıran partikül takviyesi ve arayüzey reaksiyon ürünlerinin her birinin, malzemenin dayanımını arttırdığı genel olarak kabul edilmiştir. Bu çalışmada gerçekleştirilen ısıl işlemsiz numunelerin çekme deneyi sonuçları Tablo 6.2 de görüldüğü gibidir. 150 C de yaşlandırılmış numuneler üzerinde yapılan çekme deneyi sonuçları ise Tablo 6.3 te verilmiştir. Buna göre; ilk bakışta ısıl işlemsiz malzemelerde, %10 SiC partikül takviyesine karşın, kompozit malzemenin, matris malzemesine göre düşük çekme dayanımı verdiği gözlenmiştir. Akma dayanımı ise matris malzemesine oranla %11 daha yüksektir. Kompozit malzemede, çekme dayanımının matris malzemesine oranla düşük çıkmasının en büyük nedeni, partikül takviyesinin porozite oranını %1,33 ten %4,61 e çıkarmasıdır. Bu eğilim yaşlandırma sonrası çekme dayanımı değerlerinde de aynı şekilde devam etmektedir. Yaşladırma sonrası akma ve çekme dayanımı değerlerinin zamana bağlı değişimleri Şekil 7.3 ve Şekil 7.4 te verilmiştir. 51

68 Akma Dayanım Saat Matris %10 SiC Şekil 7.3 Yaşlanma işlemi sonrası akma dayanımının zamanla değişimi Çekme Dayanım Saat Matris %10 SiC Şekil 7.4 Yaşlanma işlemi sonrası çekme dayanımının zamanla değişimi 52

69 Diğer araştırmacıların benzer ve farklı malzemelerle yaptıkları çökelme sertleşmesi sonucunda elde ettikleri değerler Tablo 7.2 deki gibidir. Tablo 7.2 Diğer araştırmacıların yaptığı çekme deneyi sonuçları (Tekmen, 2003;Bilgici, 2004) Malzeme İşlem σakma (MPa) σçekme (MPa) ε (%) Al-%7Si- %0,7Mg Al-%7Si- %0,7Mg + %10 SiC p Karıştırmalı Döküm ,9 Ekstrüzyon ,7 Sıkıştırmalı Döküm 12 saat, 150 C de yaşlandırılmış Karıştırmalı Döküm ,1 Ekstrüzyon ,4 12 saat, 150 C de yaşlandırılmış Alaşım ,4 Al-4,5 Cu + %12 SiC p Al-10Si-0,6Mg Alaşımı %12,2 SiC p A356 A356 + %10 SiC p 3,5 saat, 350 C de yaşlandırılmış 12 saat, 155 C de yaşlandırılmış 4 saat, 177 C de yaşlandırılmış 12 saat, 177 C de yaşlandırılmış 11 saat, 155 C de yaşlandırılmış 5 saat, 155 C de yaşlandırılmış 133,1 141,1 3, ,5 5, , , , , , ,7 53

70 7.4 POROZİTENİN ETKİSİ Metal matrisli kompozit malzemelerde, takviye malzemesi olarak partikül kullanılması ve üretim yöntemi olarak dökümün seçilmesi, yapıda porozite sorununu ortaya çıkarır. Bu konuda yapılan çeşitli çalışmalarda, partikül miktarının poroziteye olan etkisi incelenmiştir. Özdin ve arkadaşları (2006), vortex yöntemiyle üretilen kompozit malzemelerde, partikül oranının poroziteye (%) olan etkisini Şekil 7.5 deki gibi göstermişlerdir. Şekil 7.5 (%) Porozite partikül oranı (Özdin, 2006) Özdemir in (2002), Al-Mg-Si alaşımlı aynı parçalara, %10 ve %20 oranında SiC partikülleri takviye ederek yaptığı çalışmada ise, partikül miktarının poroziteye etkisi Şekil 7.6 daki gibi verilmiştir. 54

71 Şekil 7.6 Porozite (%) SiC oranı, (Özdemir, 2002) Kompozit malzemelerdeki porozite oluşumunun, mekanik özelliklerde önemli azalmalara yol açtığı birçok araştırmacı tarafından kabul edilmekte ve kompozit malzemelerde bu durum, bir malzeme hatası olarak karşımıza çıkmaktadır. Temelde kompozit malzemelerdeki porozite oluşumu şu şekillerde gerçekleşmektedir: Karıştırmalı döküm yöntemiyle üretim sırasında, matriste görülen katılaşma ile oluşan büzüşme bölgelerinde, Partiküllerin, matris alaşımına ilavesi sırasında sıvı metalde, 55

72 Takviyelerin yoğunlaştığı belli bölgelerde, partikül kümelenmesiyle beraber, porozitenin bu bölgelerde artarak, kompozit malzemede gözeneklerin oluşumu açıklanmıştır (Bilgici, 2004). (Şekil 7.7). Bu çalışmada kullanılan %10 SiC takviyeli kompozit malzemenin, optik mikroskopla çekilmiş, partikül kümelenmelerinin olduğu bölgelerdeki porozite Şekil 7.7 deki gibidir. Şekil 7.7 Partikül kümelenmesine bağlı porozite oluşumu 56

73 Tekmen ve arkadaşlarının (2003), Al-Mg-Si matrisli, SiC partikül takviyeli kompozitler üzerine yaptığı bir diğer çalışmada; matris-takviye fazı sınırına yerleşen gözeneklerin, düşük yükler altında bile, partiküllerin matris ile bağının kopmasına neden olduğunu saptamışlardır. Matris partikül arasındaki yük iletiminin zayıf olması ile kompozitin dayanımını azaltır. Porozite artışının, kompozit malzemenin çekme dayanımına olan etkisi Şekil 7.8 deki gibi verilmektedir. Ayrıca porozite, takviye malzemelerinin yakınında yer almasa da, yüke karşı dayanımı sağlayan etkin alanın azalması nedeniyle, kompozit malzemenin dayanımını düşürmektedir (Tekmen, 2003). Şekil 7.8 Çekme gerilmesi porozite (%) (Tekmen, 2003) Bu çalışmada kullanılan kompozit malzeme, yapılan çekme deneyleri sonucunda, boşluklu yapının da etkisiyle gevrek kırılmaya maruz kalmıştır. Genel olarak matris malzemesinin, %10 SiC takviyeli kompozite göre daha fazla uzamasına karşın arada büyük farklar yoktur. Matris ve kompozit malzemenin kırılma yapısı ve kırılma bölgesindeki porozite sırasıyla, Şekil 7.9 ve Şekil 7.10 daki gibi verilmektedir. 57

74 Şekil 7.9 Matris malzemesinin 10 kat büyütülmüş kırılma yüzeyi Şekil 7.10 %10 SiC takviyeli kompozit malzemenin 10 kat büyütülmüş kırılma yüzeyi ve yüzeydeki porozite 58