1 1. GİRİŞ 1.1. Giriş Bu çalışmada, aşırı plastik deformasyon metotlarının alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Katı cisimlerde şekil değiştirme genel olarak üç şekilde meydana gelir. Bunlar elastik, plastik ve elasto plastik şekil değiştirme diye adlandırılırlar. a. Elastik şekil değiştirme: Herhangi bir zorlama etkisi altında malzemede şekil değiştirme meydana gelir. Fakat kuvvetin kalkması ile şekil değiştirme ortadan kalkar. Bütün malzemeler herhangi bir zorlama sonunda az veya çok malzeme özelliklerine ve zorlamanın büyüklüğüne bağlı olarak şekil değiştirir. Bu bakımdan bütün malzemelerde bir elastiklik sınırı olur, buna tekabül eden yük veya gerilme elastiklik sınırı yükü veya gerilmesi olarak adlandırılır. b. Plastik şekil değiştirme: Yapılan zorlama sonunda malzemede kalan şekil değişimine plastik şekil değiştirme denir. c. Elasto plastik şekil değiştirme: Zorlanan malzemede bir miktar şekil değiştirme meydana gelir. Zorlama kaldırıldığında şekil değiştirmenin bir kısmı ortadan kalkar, fakat bir kısmı kalır. Ortadan kalkan kısım elastik şekil değiştirme, kalan kısım ise plastik şekil değiştirmedir. Bir katı cismin şeklini başka bir şekle dönüştürmek amacıyla uygulanan ve bu işlem sırasında cismin malzemesinde kütle ve bileşim değişikliğine yol açmayan üretim yöntemlerine plastik şekil verme yöntemleri denir. Tüm plastik şekil verme yöntemlerinde malzeme, çekme, basma ve kayma gibi temel şekil değişimlerinden birinin veya birkaçının etkisinde kalır. Plastik şekil vermede hacim sabitliği ( V 0 = V 1 = V 2 =.. = V n ) ilkesi esastır. Malzeme, takımın uyguladığı zorlamanın etkisi ile kalıcı (plastik) deformasyonlar göstererek istenilen biçime ve boyutlara ulaşır.
2 Metalsel malzemeler katı fazda iken belirli, bir düzen gösteren kristal yapısına sahiptir. Metalin sıvı durumdan katı faza geçişi esnasında atomlar malzemenin iç yapı özelliğine göre sıralanmaktadır. Burada, en küçük yapı elemanı olan birim kafes tekrarlanmak suretiyle kristal yapısı oluşmaktadır. Geleneksel olarak metallere plastik şekil verme yöntemleri; 1. yığma, 2. dövme, 3. haddeleme, 4. ekstrüzyon, 5. soğuk çekme, 6. boru imali, 7. sac işleme şeklinde sınıflandırılabilir. Aşırı plastik deformasyon işleminde nano yapılı (nano structured) diye adlandırılan çok ince yapılı metal malzemeler elde edilebilmektedir. Nano yapılı malzemeler, yüksek mukavemet, düşük elastisite modülü, yüksek tokluk, yüksek difüzyon aktivasyonu düşük sıcaklıklarda yüksek süper plastiklik özellikleri gibi beklenmeyen ancak istenen özellikler sunar. Elde edilen bu özelliklerinden dolayı şiddetli plastik deformasyon araştırmacıların artan bir hızla ilgisini çekmektedir. Metalik malzemelerde yukarıda bahsedilen özellikleri sağlamak için çok ince boyutlu tane (ultra fine grain) yapısına ulaşmanın bilinen metodları arasında en kullanışlı iki yolu bulunmaktadır;
3 Bunlar, düşük sıcaklıkta (yeniden kristalleşme sıcaklığının altında) şiddetli plastik deformasyon ve toz metalurjisi yöntemleridir. Aşırı plastik deformasyon bir diğer adıyla şiddetli plastik deformasyon, bir metalik malzemenin düşük sıcaklıklarda(erime sıcaklığının 0.3 katının altında) yüksek miktarlarda plastik genlemeye maruz bırakılarak plastik deformasyona uğraması olarak bilinir. Şiddetli plastik deformasyon, kaba taneli mikroyapıların, hücre blokları ve dislokasyon hücrelerinin hiyerarşik bir sistem haline ayrılmasına öncelik eder. Malzemenin zorlanmasının artması ile birlikte, mikroyapısal boyutları aynı miktarda azalır. Malzeme işlemlerinin geleneksel yöntemleri, malzemenin yüksek genlemelerde hasarsız şekilde şekil değiştirmesine olanak sağlamaz. Aşırı plastik deformasyonun tüm çeşitlerinin en belirleyici özelliği, aşırı plastik deformasyon işleminden sonra malzemenin kesit alanının sabit kalmasıdır. Bu nedenle kesit değişimi olmaksızın yüksek miktarlarda plastik deformasyon mümkündür çünkü bir numune, plastik genlemenin toplam miktarında çoğalması için birçok defa aşırı deformasyona maruz bırakılabilir. Birçok farklı çeşidinin bilinmesiyle beraber sadece birkaç tanesi endüstriyel potansiyele sahiptir. Bir metalik malzemenin mukavemeti o malzemenin tane büyüklüğü ile ilişkilidir. Bu ilişki malzeme biliminde, Hall Petch denklemi ile σ = σ o + şeklinde ifade edilir. (Hall 1951), (Petch 1953) k d σ : malzemenin akma gerilmesi σ o ve k : malzeme parametresi d : tane çapı Hall Petch denkleminden görüldüğü gibi küçük tane çaplı malzeme beraberinde yüksek mukavemeti getirir. Yapılan deneyler Hall Petch denkleminin çok küçük boyutlu (1 100 nano mertebede) taneler (ultra fine grain UFG) için de geçerli olduğunu göstermiştir.
4 1.2. Yaklaşım Aşırı plastik deformasyon yöntemleri, 1. Eşit kanal açısal basma ( Equal Channel Angular Pressing ECAP), ( diğer adıyla eşit dik kesitli yanal ekstrüzyon (Equal Cross Section Lateral Extrusion ECSLE) ) 2. Çevrimsel ekstrüzyon ve basma ( Cyclic Extrusion Compression CEC ) şeklinde sınıflandırılabilir ve çok ince yapılı malzemeler elde edilebilir. Bu yöntemlerde, deformasyona uğrayan ürünün giriş ve çıkış kesitlerinin ölçüleri değişmemektedir. Eşit kanal açısal basma yönteminde aşağıda Şekil 1.1. de görüldüğü gibi birbirini 90 o açı ile kesen iki eşit boyutlu kanal vardır. Burada hammadde istenen kanalın bir tarafından bir ıstampa ile basınç uygulanarak bastırılıp boyutları değişmeden diğer ucundan çıkartılır. Bu sırada malzeme kayma deformasyonuna uğramaktadır. Genleme miktarını dolayısı ile plastik deformasyonu artırmak için proses birkaç kez tekrarlanabilir. giriş yönü Istampa kalıp çıkış yönü Hammadde Şekil 1.1. Eşit kanal açısal basma yönteminin şematik görünümü
5 Eşit dik kesitli yanal ekstrüzyon ise eşit kanal açısal basmanın özel bir halidir. Aşağıda Şekil 1.2. de de gösterildiği gibi burada birbirini 90 o açıdan daha büyük açıda kesen iki kanal vardır. Bu kanalın bir S harfi şeklinde olup θ açısının kanalın her iki ucunda aynı olması hali ise S tipi eşit dik kesitli yana ekstrüzyon olarak adlandırılır. Burada da malzeme kanalın bir ucundan ıstampa vasıtası ile bastırılıp diğer ucundan deforme edilmiş ancak boyutları değişmemiş olarak çıkartılır. Toplam genleme miktarını artırmak için proses birkaç kez tekrarlanabilir. Çevrimsel ekstrüzyon ve basma yönteminde ise Şekil 1.3. deki gibi bir kalıptan malzeme birkaç kez geçirilerek hem ekstrüze edilir hem de basılır. Böylece plastik şekil verme miktarı artırılır. Hammadde Kalıp Hammadde Kalıp (a) (b) Şekil 1.2. Eşit dik kesitli yanal ekstrüzyon yönteminin şematik görünümü (a) klasik yöntem, (b) S tipi Ekstrüzyon Basma Şekil 1.3. Çevrimsel ekstrüzyon ve basma
6 Bu çalışmada; alüminyum alaşımlarına bilinen Eşit kanal açısal basma yöntemiyle şiddetli plastik deformasyon uygulanarak mekanik özellikleri değiştirilecektir. 1.3. Literatür Araştırması Malzemelerin dayanımının tane inceliği ile açıklanabilmesi ve Hall Petch bağıntısı ile tanımlanabilmesi 1950 lerin başlarında Hall, E.O. ve Petch, N.J. tarafından bulunmuştur. (Hall 1951), (Petch 1953) Eşit kanal açısal basma işlemi, 1980 lerin başında Segal ve arkadaşları (Segal vd. 1981) tarafından bulunmuş ve son yıllardaki yoğun çalışmaların konusu olmuştur. Bu işlemde malzemenin dış kesit alanı değişmeden büyük plastik deformasyonlar meydana gelmektedir. Liu, Z., ve Wang, Z., tarafından 1999 yılında yapılmış olan çalışmada eşit dik kesitli yana ekstrüzyon (ECSLE) yükünün sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. ECSLE işlemi esnasındaki yük-deplasman eğrileri ölçülmüş ve ayrıca sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplanan değerlerin, ölçülen değerlerle iyi bir uyum içinde olduğu saptanmıştır. Ayrıca yük üzerindeki birçok etkileyici faktörün etkisi FEM yöntemi kullanılarak ayrıntılı biçimde analiz edilmiştir. Deneyler ve benzeşimde seçilmiş iş parçaları sırasıyla H62 (Cu-38% Zn) ve LY12 (2024) alaşımlarından imal edilmiştir. (Liu ve Wang 1999) Lee, D.N., 2000 yılında kanal açısal şekil değişiminin bir üst sınır çözümü üzerine bir çalışma yapmıştır. Çalışmada iki kanalın kesit alanları birbirine eşit değildir. Eşit kanal açısal basma [ECAP], kanal açısal şekil değişiminin özel bir biçimidir. Basma basıncı ile çekme dayanımı ve genleme bu çalışmada incelenmiş olup kanal açısal şekil değişimi için gerilme ve genleme, kalıp ve malzeme arasındaki sürtünme göz önüne alınarak analiz edilmiş olup analizle eşit kanal açısal basma için basınç elde edilmiştir. Basma basıncı, çekme dayanımı ile aynıdır. Çekme dayanımı çekilen malzemenin akma dayanımından düşük olduğu durumda çekme ile kanal açısal şekil
7 değişimi veya kanal açısal çekme mümkündür. Aşağıdaki şekilde (Şekil 1.4.) ilgili çalışmadaki kanal açısal basmanın ve ilgili hodografın prensibi verilmiştir. (Lee 2000) Horita, Z., Fujinami, T., Nemoto, M., Langdon, T.G., 2001 yılında alüminyum alaşımları için eşit kanal açısal basma yönteminin kullanılarak mekanik özelliklerinin geliştirilmesi hakkında yaptıkları çalışmada, farklı alüminyum alaşımları olan 1100, 2024, 3004, 5083, 6061 ve 7075 i incelemişlerdir. Al alaşımları oda sıcaklığında tane boyutlarının arılaştırılması için bekletilmiştir. Oda sıcaklığındaki çekme deneyleri, dayanımın basma sayısının artması ile arttığını fakat hasara göre uzamanın, ilk basmadan sonra büyük bir azalma miktarını takiben az miktarda değiştiğini göstermiştir. Statik tavlama deneyleri 1100, 3004, 5083 ve 6061 için kapsamlı tane büyümesinin 200 C nin üzerinde gerçekleştiğini göstermiş fakat 2024 ve 7075 için 300 C civarında dahi mikro-yapılar sabit kalmıştır. Hall Petch bağıntısı, eşit kanal açısal basılmış alaşımlar için doğrulanmıştır. Tane boyutunun etkisi ayrıca incelenmiştir. (Horita vd. 2001) Şekil 1.4. (a) kanal açısal basmanın prensibi (b) ilgili hodograf (Lee 2000)
8 Valiev, R.Z., Alexandrov, I.V., Zhu, Y.T., Lowe, T.C., 2002 yılında aşırı plastik deformasyon ile işlenmiş malzemelerde dayanım ve sünekliğin paradoksu üzerine bir çalışma yapmışlardır. Çalışmada şundan bahsedilmiştir; bilindiği gibi haddeleme, çekme veya ekstrüzyon gibi geleneksel şekil verme metotlarının bir sonucu olan plastik deformasyon metallerin dayanımını arttırır. Bununla beraber bu artış genellikle bir miktar sünekliğin azalmasına neden olur. Örneğin Şekil 1.5. plastik deformasyonun artmasıyla birlikte Bakır ve Alüminyumun akma dayanımının hasara (süneklik) karşı uzamalarının azalması esnasında monoton olarak arttığını göstermektedir. Aynı eğilim diğer metaller ve alaşımlar için de doğrudur. Ayrıca bu çalışmada aşırı plastik deformasyona konu olan metallerde oluşan yüksek dayanım ve yüksek sünekliğin alışılagelmemiş bir kombinasyonu sunulmuştur. Bu olağan olmayan mekanik davranış, aşırı plastik deformasyon işlemi ile oluşturulan az bulunan nano yapılar tarafından meydana gelmektedir. Mükemmel tane boyutu ve yüksek yoğunluklu dislokasyonların kombinasyonu, yeni mekanizmalar tarafından deformasyona imkan tanır izlenimi vermektedir. Bu çalışmada, hem yüksek dayanım hem de yüksek süneklik elde etmek için aşırı plastik deformasyon ile metaller ve alaşımlarının mikro yapılarına yeni bir biçim verilmesi olanağı örneklerle gösterilmiştir. Böyle istenilir mekanik özelliklere sahip malzemelerin ileri yapısal uygulamaları için çok ilginç görülmüştür. (Valiev vd. 2002)
9 Akma dayanımı [MPa] Hasara bağlı uzama [%] Şekil 1.5. Hasara bağlı uzama akma dayanımı dağılımı (Valiev vd. 2002) Moon, B.S., Kim, H.S., Hong, S.I., 2002 yılında eşit kanal açısal basma esnasında 6061 alüminyumun plastik akışı ve şekil değişimi homojenliğini incelemişlerdir. Eşit kanal açısal basma esnasında az ve aşırı yaşlandırılmış 6061 alüminyum alaşımları arasındaki plastik akışı ve şekil değişimi homojenliği farkları araştırılmıştır. Plastik akışının iç homojenliği az ve aşırı yaşlandırılmış 6061 Al alaşımlarının sertleşme davranışı ile fark edilir biçimde etkilidir. Daha fazla homojen şekil değişimi, hem mikroskobik hem de makroskobik olarak, aşırı yaşlandırılmış 6061 Al da kuvvetli çökeltilerin varlığında gözlemlenmiştir. Aşağıdaki şekillerde ilgili çalışmada elde edilen bazı grafik ve fotoğraflar verilmiştir. (Moon vd. 2002)
10 Gerçek gerilme [MPa] - - - - - - az yaşlandırılmış aşırı yaşlandırılmış Gerçek genleme Şekil 1.6. az ve aşırı yaşlandırılmış 6061 Al alaşımlarının gerilme genleme diyagramı (Moon vd. 2002) Şekil 1.7. (a) az (b) aşırı yaşlandırılmış Al alaşımı örneklerinin köşe boşlukları geometrisinin görünümü (Moon vd. 2002) Şekil 1.8. (a) az (b) aşırı yaşlandırılmış 6061 Al alaşımları için FEM benzeşimi ile elde edilen köşe boşlukları geometrisi (Moon vd. 2002)
11 Ivanisenko, Y., Wunderlich, R.K., Valiev, R.Z., Fecht, H.-J., 2003 yılında aşırı plastik deformasyonla üretilen nano yapılı karbon çeliğinin tavlama davranışını araştırmışlardır. Yapının tavlama nedeniyle etkilenmesi, faz kompozisyonu ve yüksek basınç burulması ile üretilmiş nano yapılı karbon çeliğinin mikro sertliği incelenmiştir. Termodinamik dengeden uzak olan bu malzeme, kapsamlı termal denge ve seçilmiş sıcaklıklardan soğutularak elde edilen geleneksel martenzitten daha uygun bir mekanik yumuşaklık sergiler. (Ivanisenko vd. 2003) Alkorta, J., Sevillano, J.G., 2003 yılında eşit kanal açısal basmanın sonlu elemanlar metodu ve üst sınır tipi analizinin bir karşılaştırmasını incelemişlerdir. Plastik veya zorlanma sertleşmeli malzemelerin sürtünmesiz eşit kanal açısal basma için gerekli basınçlar analitik yaklaşımlar (üst sınır metodu) ve sayısal (sonlu elemanlar) yöntemleri kullanılarak analiz edilmiştir. Farklı ECAP kanal açıları ve malzemeler için yaklaşık çözümler, FEM sonuçları ile uyumlu bulunmuştur. Şekil değiştirmiş zorlanma sertleşmeli malzemelerin zorlanma numune homojenliğinin iyileştirilmesi için geri basıncın kullanımının elverişliliği dikkati çekmektedir. (Alkorta ve Sevillano 2003) Chapetti, M.D., Miyata, H., Tagawa, T., Miyata, T., Fujioka, M., 2004 yılında mükemmel taneli çeliklerin yorulma dayanımı incelemişlerdir. Çalışmada, iki mükemmel taneli çeliğin (tane boyutları 0.8 ve 1 µm) yorulma dayanımı araştırılmıştır. Benzer kimyasal bileşimli bir kaba taneli (tane boyutu 12.5 µm) SM490 çeliği ayrıca karşılaştırmak amacıyla analiz edilmiştir. Düz yorulma dayanımındaki önemli bir artış mükemmel taneli çeliklerde gözlemlenmiştir ve kurallar genellikle düz yorulma sınırı ve tane boyutu arasında gözlemlenen Hall Petch bağıntısına uymaktadır. Yüksek yorulma çentik duyarlılığı gözlemlenmiş ve keskin çentiklerin yorulma sınırında hiçbir artış beklenmemiştir. (Chapetti 2004)
12 2. YAPILAN ÇALIŞMALAR 2.1. Materyal ve Metod Bu çalışmada eşit kanal açısal basma için kalıp hazırlanacaktır. Bu tip işlem bir düzlem genleme işlemi olduğu için deforme edilen malzemenin kesitinin daire, kare veya her hangi bir şekil olması önemli değildir. Bu amaçla talaşlı işlenmesi kolay olması için kare kalıp işlenecek ve piyasadan alınan alüminyum alaşımları deforme edilecektir. Alüminyum alaşımlarının tane boyutunu, termo mekanik işlemlerden sonra yeniden kristalleştirerek ortalama 10 µm mertebesinden daha aşağıya düşürmek çok zordur. Bu zorluğa rağmen şiddetli plastik deformasyon ile tane boyutunu 1 µm altına düşürmek mümkündür. (Horita vd. 2001) Deformasyon sırasında kuvvet ve mesafe kayıt edilecektir. Daha sonra deforme edilen ürünlere çekme, sertlik ve yorulma deneyleri yapılacaktır. 2.2. Malzeme Seçimi Bu çalışmada alüminyum alaşımlarına şiddetli plastik deformasyon uygulanarak mekanik özelliklerin değiştirileceği daha önceden belirtilmişti. Alüminyum alaşımları şiddetli plastik deformasyona uygun olduğundan, fiziksel özelliklerinden ve piyasada kolay bulunabildiğinden dolayı bu çalışma için seçilmiştir. Bu nedenle aşağıda alüminyum alaşımları hakkında genel bilgi verilerek bu işleme uygun olan alaşımlar seçilecektir. Saf alüminyum, oksijen elementine karşı olan yüksek hassasiyeti nedeniyle, yüzeyde hava ile teması sonucunda ince fakat yoğun olan bir oksit tabakası (Al 2 O 3 ) oluşturur. Oluşan bu tabaka alüminyumu diğer etkilerden korur. Fakat bazlar ve bazı asitlerle tuzlar tabakayı çözerler. Alüminyum bu maddelere karşı dayanıklı değildir. Aşağıda saf alüminyumun özellikleri verilmiştir. (Weissavach çev. 1996)
13 Tablo 2.1. Saf alüminyumun özellikleri (Weissavach çev. 1996) İyi Özellikler Düşük yoğunluk İklime dayanıklılık İyi ısı ve elektrik iletkenliği Soğuk şekillendirme kabiliyeti Kötü Özellikler Düşük mukavemet ve akma sınırı Bazik karakterli maddelere karşı dayanıksızlık Kaynak ve lehimleme kabiliyeti düşük Alaşımlarında da daha belirgin olan dayanım/yoğunluk oranının yüksekliği, hafifleştirilmelerine öncelik verilen konstrüksiyonların çoğu için alüminyumun uygun bir malzeme olmasını sağlar. (Bargel ve Schulze çev. 1995)
14 2.2.1. Alüminyum alaşımları hakkında genel bilgi Alüminyum alaşımları, işlenmiş ve döküm olmak üzere ikiye ayrılırlar. Aşağıda her iki gruba dahil malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. (ASM 1985) Tablo 2.2. İşlenmiş alaşımlar ve malzeme içerikleri (ASM 1985) İŞLENMİŞ ALAŞIMLAR Malzeme İsmi Malzeme İçeriği [%] EC Alaşımı (99.45 + % Al) 1060 (99.60 + % Al) 1100 (99.0 + % Al) 2011 (5.5 % Cu, 0.5 % Pb, 0.5 % Bi) 2014 (4.4 % Cu, 0.8 % Si, 0.8 % Mn, 0.4 % Mg) 2024 (4.5 % Cu, 1.5 % Mg, 0.6 % Mn) 2218 (4 % Cu, 2 % Ni, 1.5 % Mg) 3003 (1.2 % Mn) 4032 (12.5 % Si, 1.0 % Mg, 0.9 % Cu, 0.9 % Ni) 5005 (0.8 % Mg) 5050 (1.2 % Mg) 5052 (2.5 % Mg, 0.25 % Cr) 5056 (5.2 % Mg, 0.1 % Mn, 0.1 %Cr) 5083 (4.5 % Mg, 0.7 % Mn) 5086 (4.0 % Mg, 0.7 % Mn) 5154 (3.5 % Mg, 0.25 % Cr) 5357 (1.0 % Mg, 0.25 % Cr) 5456 (5.0 % Mg, 0.7 % Mn, 0.15 % Cu, 0.15 % Cr) 6061 (1.0 % Mg, 0.6 % Si, 0.25 % Cu, 0.25 % Cr) 6063 (0.7 % Mg, 0.4 % Si) 6101 (0.5 % Mg, 0.5 % Si) 6151 (1.0 % Si, 0.6 % Mg, 0.25 % Cr) 7075 (5.5 % Zn, 2.5 % Mg, 1.5 % Cu, 0.3 % Cr) 7079 (4.3 % Zn, 3.3 % Mg, 0.6 % Cu, 0.2 % Mn, 0.2 % Cr) 7178 (6.8 % Zn, 2.7 % Mg, 2.0 % Cu, 0.3 % Cr)
15 Tablo 2.3. Döküm alaşımlar ve malzeme içerikleri (ASM 1985) DÖKÜM ALAŞIMLAR Malzeme İsmi Malzeme İçeriği [%] A13 Alaşımı (12 % Si) 43 Alaşımı (5 % Si) 108 (4 % Cu, 3 % Si) A108 (5.5 % Si, 4.5 % Cu) A132 (12 % Si, 2.5 % Ni, 1.2 % Mg, 0.8 % Cu) D132 (9 % Si, 3.5 % Cu, 0.8 % Mg, 0.8 % Ni) F132 (9.5 % Si, 3.0 % Cu, 1.0 % Mg) 138 (10.0 % Cu, 4.0 % Si, 0.3 % Mg) 142 (4 % Cu, 2 % Ni, 1.5 % Mg) 195 (4.5 % Cu) B195 (4.5 % Cu, 2.5 % Si) 214 (3.8 % Mg) 220 (10 % Mg) 319 (6.3 % Si, 3.5 % Cu) 355 (5 % Si, 1.3 % Cu, 0.5 % Mg) 356 (7 % Si, 0.3 % Mg) 360 (9.5 % Si, 0.5 % Mg) 380 (8.5 % Si, 3.5 % Cu) 750 (6.5 % Sn, 1 % Cu, 1 % Ni) 40E (5.5 % Zn, 0.6 % Mg, 0.5 % Cr, 0.2 % Ti) 2.2.2. Alüminyum alaşımlarının seçimi Alüminyumun düşük yoğunluk, yüksek korozyon direnci gibi üstünlüklerinden makine, taşıt ve yapı endüstrisinde geniş oranda yararlanılması, ancak dayanım özelliklerinin alaşımlama yoluyla iyileştirilmesinden sonra gerçekleştirilebilmiştir. Dayanımın çökelme sertleşmesiyle artırılabileceğinin bulunması da alüminyum alaşımlarının geliştirilmesinde önemli rol oynamıştır. Alüminyumun en önemli alaşım elementleri bakır, magnezyum ve silisyumdur. Alaşım elementlerinin ilk görevi, yüksek uzama kabiliyeti ve korozyona dayanıklılık gibi faydalı özellikleri kötü yönde etkilemeden saf alüminyumun düşük akma sınırını yükseltmektir. Bu özelliği kazandıran elementler; manganez, magnezyum, silisyum, bakır ve çinko olup, düşük miktarlarda bile istenen amaca ulaştırırlar. Kübik
16 yüzey merkezli alüminyum kristal kafesi yapısına, ancak çok küçük oranlarda bu elementlerden alabilir ve karışım kristali teşkil edebilir. Yabancı atomlar kristal kafesi içerisinde kaymaya karşı direnci arttırırlar; yani akma sınırını yükseltirler; şekil değiştirme kabiliyeti ise etkilenmez. Bu elementlerin oranlarının daha yüksek olması halinde alüminyum atomlarından ve alaşım elementlerinin çözünmeyen kısımlarından sert, kırılgan kristal çeşitleri oluşur. (metaller arası = intermetalik bileşikler). Böylelikle mukavemet daha da yükselir ancak şekil değiştirme kabiliyeti kaybolur. Bu nedenlerle dövme alaşımları, az alaşım elementi ihtiva ederler (toplam 3...8 %). Alüminyum Silisyum (Al Si) alaşımı istisnai bir durum teşkil eder. 13 % silisyumda bir ötektik noktaya sahip olan bu alaşım en çok tanınan alüminyum döküm alaşımıdır. Alüminyum karışım kristalleri yüksek sıcaklıklarda oda sıcaklığına göre daha fazla element çözündürürler. Bu nedenle soğuma sırasında sekonder ayrışmalar meydana gelir (demir karbon diyagramındaki sekonder sementitin ayrışmasına benzer). Böylelikle birçok alüminyum alaşımı sertleşme kabiliyetine sahip olur ve alaşımsız çeliklerin sertliğine erişecek hafif inşaat konstrüksiyonlarında kullanılabilirler. Saf alüminyumun korozyona karşı olan yüksek dayanıklılığı daha soy olan bakır elementi tarafından azaltılır. Bu etkiyi sağlamak için 0.1 % Cu bile yeterlidir. Hurdaların tekrardan metal halinde ergitilmesi sırasında bakır uzaklaştırılamaz. Şayet bu sıvı metalden dökme alaşımları üretiliyorsa, 1 % oranında bakır yapıda kalır. Bu dökme alaşımları korozyona karşı dayanıklı değildir ve tanınmaları için arkalarına (Cu) işareti eklenir. Genellikle alaşımlar yeni metalden (izabik alüminyum: H) üretilir. Bu metallerde bakır oranı çok düşüktür. Bütün alaşımlarda alüminyumun tabii oksit tabakası kuvvetlendirilebilir. Bu bölümde belirtilen açıklamalara bağlı olarak söz konusu olan malzeme işlenmiş alaşımlar arasından seçilmelidir. Bunun nedeni işlenmiş alaşımların plastik şekil değiştirme kabiliyetine uygun olmalarıdır. Ayrıca Alüminyum alaşımlarındaki çok alaşım elementinden çok düşük akma sınırını yükselten alaşım elementleri gereklidir. Bu özelliği sağlayan elementler Magnezyum ve Manganez olduğundan işlenmiş Alüminyum alaşımlarından 50XX serisi seçilecektir. Literatür araştırmasına göre de 50XX serisinin uygun olduğu görülmüştür. 5083 ve 5086 Alüminyum alaşımlarındaki Magnezyum ve Manganez miktarı fazla olduğundan bu iki alaşımdan biri seçilmelidir.
17 Magnezyum miktarı fazla olduğundan dolayı bu çalışmada kullanılacak malzeme 5083 olarak belirlenmiştir. 2.3. Eşit Kanal Açısal Basma İçin Kalıp Tasarımı Bu çalışmada eşit kanal açısal basma için kalıp hazırlanacağı bir önceki bölümde belirtilmişti. Talaşlı işlenmesi kolay olduğundan dolayı kare kalıp işlenmiştir ve piyasadan alınan alüminyum alaşımları deforme edilecek ve çeşitli deformasyon kademeleri sonrası deforme edilen ürünlere çekme, sertlik ve yorulma deneyleri uygulanacaktır. Aşağıda kullanılan kalıp ile ilgili detaylı resimler ve çizimler verilmiştir. Şekil 2.1. Ana kalıp (ana kovan)
18 = Şekil 2.2. İç (alt) plaka = Şekil 2.3. İç (orta) plaka
19 = Şekil 2.4. İç (üst) plaka Şekil 2.5. Aşırı plastik deformasyon kalıbı fotoğrafı (açık durum)
20 Şekil 2.6. Aşırı plastik deformasyon kalıbı fotoğrafı (kapalı durum) 2.4. Yapılan Deneyler Hakkında Genel Bilgi Öncelikle bu çalışmada eşit kanal açısal basma için kalıp hazırlanmıştır. Kare kalıp işlenmiş ve piyasadan alınan 5083 Alüminyum alaşımı deforme edilmiştir. Daha sonra deforme edilen ürünlere çekme, sertlik ve yorulma deneyleri yapılacaktır.
21 Piyasadan alınan 5083 Alüminyum malzeme, freze yardımı ile yapılacak deneyler için yeterli sayıda, kesiti içi dolu kare profil olacak şekilde işlenmiştir. Freze ile işlenmiş numunenin teknik resmi Şekil 2.7. de verilmiştir. Şekil 2.7. Aşırı plastik deformasyona uğramamış malzeme Şekil 2.8. Aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin fotoğrafı
22 Bu işlemden sonra hazırlanan kare kesitli numuneler, aşırı plastik deformasyon uygulanacak olanlar ve uygulanmayacak olanlar olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Daha sonra yapılan işlemler şu şekildedir; 1. Freze ile işlenmiş 4 adet numunenin sertlik değerleri elde edilmiştir. 2. Freze ile işlenmiş 2 adet numune tornada aşağıda Şekil 2.9. da teknik resminde gösterildiği gibi çekme deneyi numunesi haline getirilmiştir. Bu numuneler ile aşırı plastik deformasyona uğramamış olan malzemenin çekme dayanımı genleme grafiği elde edilmiştir. 3. Freze ile işlenmiş 10 adet numune tornada aşağıda Şekil 2.11. de teknik resminde gösterildiği gibi yorulma deneyi numunesi haline getirilmiştir. Bu numuneler ile aşırı plastik deformasyona uğramamış olan malzemenin Wöhler eğrisi grafiği elde edilmiştir. 4. Geri kalan 20 adet freze ile işlenmiş numune ile aşırı plastik deformasyona uğramış malzemenin sırası ile her aşırı plastik deformasyon kademesinde sertlik, daha sonra yorulma ve çekme dayanımı özellikleri elde edilmiştir. Çekme ve yorulma deneylerinde Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Laboratuarları nda bulunan INSTRON 8501 markalı dinamik test makinası kullanılmıştır. Şekil 2.9. Çekme deneyi numunesi
23 Şekil 2.10. Çekme deneyi numunesi fotoğrafı Şekil 2.11. Yorulma deneyi numunesi
24 Şekil 2.12. Yorulma deneyi numunesi fotoğrafı 2.5. Deneylerde Elde Edilen Bulgular Bir önceki bölümde de belirtildiği gibi aşırı plastik deformasyon uygulanmış veya uygulanmamış 5083 Alüminyum alaşımı deney numunelerine sırasıyla sertlik, çekme ve yorulma deneyleri uygulanmıştır. Aşırı plastik deformasyon işlemi esnasında öncelikle işlem kademesi sayısı (basma sayısı) belirlenmiştir. Bu çalışmada eşit kanal açısal basma işlemi şu şekilde gerçekleşmiştir; 1. Toplam 20 adet numune ilk kademeden geçirilmiştir. 2. 5 adet numune ilk kademeden sonra ayrılmış ve bu numuneler çekme ve yorulma deneyi numunesi haline getirilmiştir, geri kalan 15 adet numune 2. kademeden geçirilmiştir. 3. Tekrar 5 adet numune ayrılarak geri kalan 10 adet numune 3. kademeden geçirilmiştir.
25 4. 5 adet numune ayrılarak geri kalan 5 adet numune 4. kademeye ayrılmıştır. 5. 4. kademe esnasında hasar meydana geldiğinden dolayı açısal basma işlemi 3. kademede (basmada) bırakılmıştır. Meydana gelen hasarın görüntüsü aşağıda Şekil 2.13 ve Şekil 2.14 de verilmiştir. Şekil 2.13. 4.kademede meydana gelen hasar görüntüsü (tam kalıp)
26 Şekil 2.14. 4.kademede meydana gelen hasar görüntüsü (yakın çekim) yapmaktadır. Fotoğraftan da görüldüğü gibi hasar, ilerleme ekseni ile yaklaşık 45 açı Eşit kanal açısal basma işlemi deneylerinin sonuçları işlenmemiş, 1., 2. ve 3. (son) kademe olarak aşağıda verilmiştir. Öncelikle tüm kademelerden çıkan parçaların sertlik deneyleri yapılmıştır, daha sonra çekme deneyleri son olarak da yorulma deneyleri yapılmıştır. Sertlik deneylerinde TS 140 a uygun olarak Rockwell sertlik muayenesi yöntemi uygulanmıştır. Alüminyum alaşımına uygun olarak Rockwell E [HRE] usulü kullanılmıştır. (T.S.E. 2000)
27 Sertlik deneylerinde elde edilen sonuçlarla ilgili tablo aşağıda verilmiştir; Tablo 2.4. Sertlik deneyleri sonuçları İşlem Kademesi [Aşırı Plastik Deformasyon Kademesi] Ölçülen Ortalama Değer [Rockwell E (HRE)] İşlenmemiş 68 1 KADEME 94 2 KADEME 96 3 KADEME 98 Yukarıdaki tablodaki sertlik deneylerinde elde edilen sonuçlar ile aşağıda deney alaşımı olan 5083 malzemesine ait aşırı plastik deformasyon kademesi sertlik dağılımı grafiği verilmiştir. 5083 işlem kademesi - sertlik [HRE] 120 100 Sertlik [Rockwell E] 80 60 40 20 0 0 1 2 3 işlem kademesi Şekil 2.15. 5083 Alüminyum alaşımı sertlik dağılımı
28 Çekme deneylerinde kullanılan parametreler ve elde edilen sonuçlarla ilgili tablo aşağıda verilmiştir; Tablo 2.5. Aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzemenin çekme deneyi parametreleri İşlem Durumu Parça d 0 (φ) No [mm] L 0 [mm] İşlenmemiş 0 5 25 1 KADEME 1 5 25 2 KADEME 2 5 25 3 KADEME 3 5 25 Tablo 2.6. Aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzemenin çekme deneyi sonuçları İşlem Parça Durumu No F maksimum A 0 σ ÇEKME L k L Kopma (L k -L 0 ) Uzaması [N] [mm 2 ] [Mpa] [mm] [mm] [% ε] İşlenmemiş 0 5898 19.635 300.4 30.5 5.5 22 1 KADEME 1 8641 19.635 440.1 26.6 1.6 6.4 2 KADEME 2 9756 19.635 496.9 26.2 1.2 4.8 3 KADEME 3 9842 19.635 501.2 26.1 1.1 4.4
29 Yukarıdaki tabloda çekme deneylerinde elde edilen sonuçlar ile aşağıda deney alaşımı olan 5083 malzemesine ait aşırı plastik deformasyon kademesi çekme dayanımı grafiği ve aşırı plastik deformasyon kademesi - kopma uzaması grafiği verilmiştir. 5083 işlem kademesi - çekme dayanımı grafiği 600 Çekme Dayanımı [Mpa] 500 400 300 200 0 1 2 3 işlem kademesi Şekil 2.16. 5083 Alüminyum alaşımı işlem kademesi çekme dayanımı grafiği
30 5083 işlem kademesi - kopma uzaması grafiği 25 20 Kopma Uzaması 15 10 5 0 0 1 2 3 işlem kademesi Şekil 2.17. 5083 Alüminyum alaşımı işlem kademesi kopma uzaması grafiği Aşağıdaki tabloda aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin yorulma deneyi sonuçları verilmiştir. Tablo 2.7. Aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin yorulma deneyi sonuçları İşlem Parça Durumu No σ max F ön F genlik [Mpa] [N] [N] [Çevrim Sayısı] İşlenmemiş 1 175 1660 1640 18831 İşlenmemiş 2 175 1730 1710 26530 İşlenmemiş 3 175 1941 1919 28827 İşlenmemiş 4 150 1603 1582 75488 İşlenmemiş 5 150 1482 1462 79475 İşlenmemiş 6 125 1287 1267 140721 İşlenmemiş 7 125 1359 1338 157571 İşlenmemiş 8 120 1207 1187 213260 İşlenmemiş 9 115 1140 1120 KOPMADI İşlenmemiş 10 110 1109 1089 KOPMADI N
31 Yukarıdaki tabloda, yorulma deneylerinde elde edilen sonuçlar ile aşağıda deney alaşımı olan 5083 malzemesine ait aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin Wöhler eğrisi grafiği verilmiştir. 180 aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin Wöhler Eğrisi 170 160 Maksimum gerilme [Mpa] 150 140 130 120 110 100 10000 100000 1000000 N [çevrim sayısı] Şekil 2.18. Aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin Wöhler eğrisi
32 Aşağıdaki tabloda aşırı plastik deformasyona uğramış malzemenin yorulma deneyi sonuçları verilmiştir. Tablo 2.8. Aşırı plastik deformasyona uğramış malzemenin yorulma deneyi sonuçları İşlem Parça Durumu No σ max F ön F genlik [Mpa] [N] [N] [Çevrim Sayısı] 1 kademe 1 210 2170 2149 83129 1 kademe 2 210 2280 2258 86584 1 kademe 3 210 2301 2280 89516 2 kademe 1 210 2176 2155 92370 2 kademe 2 210 2262 2240 93814 2 kademe 3 210 2298 2275 94619 3 kademe 1 210 2120 2100 129084 3 kademe 2 210 2302 2283 170400 3 kademe 3 210 2320 2298 123312 N
33 Aşağıda deney alaşımı olan 5083 malzemesine ait aşırı plastik deformasyona uğramamış ve uğramış malzemenin Wöhler eğrisi grafiği verilmiştir. Aşırı Plastik Deformasyona Uğramış Malzemenin Wöhler Eğrisi 220 200 Maksimum Gerilme [Mpa] 180 160 140 İŞLENMEMİŞ 1.KADEME 2.KADEME 3.KADEME 120 100 10000 100000 1000000 N [Çevrim Sayısı] Şekil 2.19. Aşırı plastik deformasyona uğramamış ve uğramış malzemenin Wöhler eğrisi
34 3. SONUÇLAR 3.1. Deneylerde Elde Edilen Sonuçlar Bu çalışmada, aşırı plastik deformasyon metotlarının, Alüminyum alaşımlarından biri olan 5083 malzemesinin mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Öncelikle bu çalışmada eşit kanal açısal basma için kare kalıp işlenmiş ve piyasadan alınan 5083 Alüminyum alaşımı deforme edilmiştir. Daha sonra deforme edilen ürünlere sertlik, çekme ve yorulma deneyleri yapılmıştır. Deforme edilmiş ve edilmemiş ürünlere ait sertlik, çekme ve yorulma deneyi sonuçları Bölüm 2.5. de verilmiştir. Bölüm 2.5. de 3 çeşit deney sonuçları farklı grafikler halinde verilmiştir. Öncelikle sertlik deneyi sonuçları, aşırı plastik deformasyon kademesi sertlik dağılımı grafiği halinde verilmiştir. Buradan her bir deformasyon kademesi için sertliğin nasıl değiştiği incelenebilir. Daha sonra çekme deneyi sonuçları, aşırı plastik deformasyon kademesi çekme dayanımı grafiği ve aşırı plastik deformasyon kademesi - kopma uzaması grafiği şeklinde verilmiştir. Bu grafik ile çeşitli deformasyon kademelerinde çekme dayanımının ve kopma uzamasının değişimi incelenebilmektedir. Son olarak, 5083 malzemesine ait yorulma deneyleri sonuçları, 2 ayrı grafik halinde verilmiş olup 1. grafikte sadece aşırı plastik deformasyona uğramamış malzemenin Wöhler eğrisi grafiği ve 2. grafikte ise hem aşırı plastik deformasyona uğramış hem de aşırı plastik deformasyona uğramamış 5083 Alüminyum alaşımının aşırı plastik deformasyona uğramamış ve uğramış malzemenin Wöhler eğrisi grafiği şeklinde verilmiştir. Bu grafik ile 5083 malzemesine, her bir deformasyon kademesinin yorulma dayanımını nasıl değiştirdiği incelenebilir. Aşağıda Bölüm 3.2. de bu tez kapsamında yapılan sertlik, çekme ve yorulma deneyler ile ilgili sonuçlar, özet halinde bir inceleme şeklinde verilmiştir. Daha sonra bu inceleme, detaylı olarak Bölüm 4. de daha önce yapılan çalışmalar ile karşılaştırılarak açıklanmıştır.
35 3.2. Deneylerde Elde Edilen Sonuçların İncelenmesi Bu bölümde deneylerde elde edilen sonuçlar incelenmiştir. 3.2.1. Sertlik deneyi sonuçlarının incelenmesi Öncelikle 5083 Alüminyum alaşımına ait sertlik deneyleri sonuçları, sayısal olarak belirtilip daha sonra bu sonuçların mekanik özelliklerin değişimi hakkında ne ifade ettiği açıklanmıştır. Bilimsel anlamda sertlik, malzemenin plastik deformasyona veya diğer bir deyişle dislokasyon hareketine karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik deneyleri sonuçları, bir önceki bölümde Tablo 2.4. de verilmiştir. Tüm ölçümler, numuneler hazırlandıktan sonra Alüminyum alaşımlarına uygun olan Rockwell [HRE] usulüne uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Tablo 2.4. den de anlaşılacağı üzere sertlik her bir aşırı plastik deformasyon kademesinde artış göstermiştir. İşlenmemiş malzemenin yüzeyi için sertlik değeri ortalama 68 HRE olarak ölçülmüştür. Daha sonra bu değer, ilk plastik deformasyon ile malzemede ortalama 94 HRE değerine kadar yükselmiştir. Buradaki artış yaklaşık 38% civarında olup bu değer, sertlikte iyi miktarlarda artışı ifade etmektedir. 2. işlem kademesinden (2 defa aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzeme) geçirilen malzeme 96 HRE değerine çıkabilmiştir. İlk işlenmemiş malzemeyle kıyaslandığında sertlikteki artış, yaklaşık 41% civarındadır. Aynı şekilde 3 defa aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzemedeki artış, ilk malzeme ile kıyaslandığında 44% olmuştur. Malzemenin sertliği 98 HRE değerine yükselmiştir.
36 Malzeme artan deformasyon miktarı ile birlikte ortalama 68 HRE değerinden 98 HRE değerine çıkabilmektedir. Bu 5083 ve benzeri Alüminyum alaşımları için önemli bir artış anlamına gelmektedir. 5083 Alüminyum alaşımı için artan deformasyon kademesi ile sertliğin değişimi, grafik halinde Şekil 2.15. de 5083 Alüminyum alaşımı sertlik dağılımı şeklinde ifade edilmiştir. Grafikten de anlaşılacağı üzere ilk deformasyon kademesinde artış hızlı bir şekilde olmakta daha sonra artış miktarı azalmaktadır. Bulunan bu sertlik değerleri, 4.Bölüm de önceden yapılmış çalışmalar ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. 3.2.2. Çekme deneyi sonuçlarının incelenmesi Bilindiği gibi çekme deneyi, malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve mekanik davranışlarına göre sınıflandırılması için yapılmaktadır. Çekme deneylerinde 5083 Alüminyum alaşımına ait kullanılan parametreler ve elde edilen sonuçlarla ilgili tablolar, sayısal olarak bir önceki bölümde Bölüm 2.5 başlığı altında verilmiştir. Çekme deneyi, 4 farklı kademedeki malzemeye uygulanmıştır. Bir önceki bölümde Tablo 2.6. incelendiğinde her bir işlem durumuna ait Maksimum Çekme Dayanımı (σ ÇEKME ) ve Kopma Uzaması [%ε] değerleri görülebilmektedir. İşlenmemiş malzeme için maksimum çekme dayanımı, maksimum çekme kuvvetine bağlı olarak 300.4 Mpa hesaplanmıştır. Aynı şekilde Kopma Uzaması [%ε] da 22% olarak hesaplanmıştır. Bu durumdaki malzemeye, sünek malzeme diyebiliriz. Çünkü kopma uzaması normalde de Alüminyum alaşımlarından beklenildiği gibi yüksek olarak bulunmuştur. Daha sonra bu değer ilk plastik deformasyon kademesi ile 440.1 Mpa olarak bulunmuştur. Yaklaşık olarak dayanımdaki artış 46.5 % civarındadır. Bu artış, çekme dayanımında çok önemli miktarlarda artışı ifade etmektedir. Bir diğer ifadeyle çekme dayanımındaki artış, o malzemenin çekme gerilmesine karşı direncinin ilk duruma göre
37 çok daha iyi olduğunu göstermektedir. Kopma uzaması değeri, 6.4% şeklinde hesaplanmıştır. Bu durumda malzemedeki süneklik azalmış olup yavaş yavaş malzeme her bir deformasyon kademesi ile gevrekleşmeye başlamaktadır. Gevreklik bazı durumlarda malzemede istenmeyen bir özelliktir. 2 defa aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzemede Maksimum Çekme Dayanımı 496.9 Mpa şeklinde hesaplanmıştır. Yaklaşık olarak bu durumda ilk işlenmemiş malzemeyle kıyaslandığında çekme dayanımındaki artış, yaklaşık 56.4% civarındadır. Kopma uzaması değeri 4.8% olarak hesaplanmıştır. Aynı şekilde 3 defa aşırı plastik deformasyon uygulanmış malzemede çekme dayanımı, 501.2 Mpa olarak bulunmuştur. Artış, ilk malzeme ile kıyaslandığında artış yaklaşık 66.8% olmuştur. Malzemenin kopma uzaması, 4.4% değerine düşmüştür. Özet olarak 5083 Alüminyum alaşımının Maksimum Çekme Dayanımı, artan deformasyon miktarı ile birlikte 300.4 Mpa değerinden 501.2 Mpa değerine çıkabilmektedir. Bu 5083 ve benzeri Alüminyum alaşımları için çekme dayanımında önemli bir artış ifade etmektedir. Kopma uzaması değeri artan her bir deformasyon kademesi ile önemli miktarlarda azalma göstermektedir. Bu azalma bize 5083 malzemesinin sünekliğinin azalıp, gevrekliğinin arttığını göstermektedir. 5083 Alüminyum alaşımı için artan deformasyon kademesi ile çekme dayanımı ve kopma uzamasının değişimi, grafik halinde Şekil 2.16. ve Şekil 2.17 de 5083 5083 Alüminyum alaşımı işlem kademesi çekme dayanımı grafiği ve 5083 Alüminyum alaşımı işlem kademesi kopma uzaması grafiği şeklinde ifade edilmiştir. Şekil 2.16 dan de anlaşılacağı üzere çekme dayanımında ilk deformasyon kademesinde artış hızlı bir şekilde olmakta daha sonra artış miktarı azalmaktadır. Şekil 2.17 incelendiğinde kopma uzaması ilk deformasyon kademesi ile birlikte hızlı bir şekilde azalmıştır. Bu azalma, diğer kademelerde de yakın sonuçlar vermiştir. Malzemenin işlenmemiş halinden sonra herhangi bir deformasyon kademesindeki kopma uzaması miktarları birbirine çok yakındır. Bu olay, herhangi bir durumdaki plastik deformasyon işleminin malzemeyi önemli miktarlarda gevrekleştirebileceğini göstermektedir. Bulunan çekme deneyi değerleri, 4.Bölüm de önceden yapılmış çalışmalar ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır.
38 3.2.3. Yorulma deneyi sonuçlarının incelenmesi Yorulma, makina elemanları uygulamalarında çok sık karşılaşılan bir hasar mekanizmasıdır. Makina elemanlarında karşılaşılan hasarın yaklaşık % 75 80 i yorulmadan kaynaklanmaktadır. Yorulma deneylerinde 5083 Alüminyum alaşımına ait kullanılan parametreler ve elde edilen sonuçlarla ilgili tablolar, Tablo 2.7. Aşırı Plastik deformasyona uğramamış malzemenin yorulma deneyi sonuçları ve Tablo 2.8. Aşırı Plastik deformasyona uğramış malzemenin yorulma deneyi sonuçları halinde bir önceki bölümde Bölüm 2.5 başlığı altında verilmiştir. Yorulma deneyi, öncelikle işlenmemiş kademedeki malzemeye uygulanmıştır. Şekil 2.18. de Aşırı Plastik deformasyona uğramamış malzemenin Wöhler eğrisi grafiği Tablo 2.7. de bulunan değerler ile çizilmiştir. Toplam 10 adet numune için büyükten küçüğe doğru, hesaplanan kuvvet değerleri uygulanmış ve Maksimum Gerilme 175 Mpa olan en yüksek gerilme değerinden 115 110 Mpa en düşük gerilme değerine düşülmüştür. 115 110 Mpa gerilme değerlerinde parçanın kopmadığı gözlenmiştir. Hesaplanan kuvvet değerleri bize, işlenmemiş (aşırı plastik deformasyona uğramamış durumdaki malzemenin maksimum gerilmesinin 175 180 Mpa gibi değerlere kadar çıkabileceğini göstermektedir. Yorulma deneylerinin 2. aşamasında, aşırı plastik deformasyona uğramış malzemelerden her 3 kademe için 3 er tane olacak şekilde Tablo 2.8. de ( Aşırı Plastik deformasyona uğramış malzemenin yorulma deneyi sonuçları ) gösterildiği üzere sabit bir Maksimum Gerilme değerinde yorulma deneyleri yapılmıştır. Her bir kademe için 3 er adet Çevrim Sayısı belirlenmiştir. Daha sonra elde edilen bu değerler ile Şekil 2.19. Aşırı Plastik deformasyona uğramamış ve uğramış malzemenin Wöhler eğrisi çizilmiştir. 2. aşamada uygulanan Maksimum gerilme değeri, 210 Mpa değerindedir. Tahmini olarak uygulanan 200 Mpa değerinde dahi malzeme kopmamıştır. Her iki aşama sonunda uygulanan parametreler ile elde edilen maksimum gerilme değerleri incelendiğinde, aşırı plastik deformasyonun her bir kademesi ile
39 maksimum gerilmenin önemli ölçüde arttığı gözlenmiştir. Bu olay, malzemenin yorulmaya karşı direncinin arttığını göstermektedir. Bulunan yorulma deneyi değerleri, 4.Bölüm de önceden yapılmış çalışmalar ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır.
40 4. TARTIŞMA 4.1. Sonuçların İncelenmesi Bu çalışmanın esas konusu olan aşırı plastik deformasyon işleminde, bilindiği gibi işlemden sonra kesit alanı sabit kalmaktadır. Kesit alanı sabit kalmasına rağmen çok yüksek miktarlarda plastik deformasyon elde edilebilir. Bu çalışmada da kullanılan kalıp ve yöntemin etkisi altında 2. Bölümde de belirtildiği gibi yüksek miktarda (toplam 3 kademe) plastik deformasyon elde edilmiştir. 1950 lerin başlarında Hall, E.O. ve Petch, N.J. tarafından bulunan ve Hall Petch Bağıntısı ile tanımlanan malzemenin dayanımının tane inceliği ile açıklanması bu çalışmada deneysel olarak açıklanmaya çalışılmıştır. Çünkü her bir deformasyon kademesinde tane büyüklüğü azalmaktadır. Bu azalma ile birlikte 3. Bölümde açıklandığı gibi malzemenin dayanımı önemli miktarlarda artmaktadır. Çalışmanın esas yöntemi ile ilgili kalıbın tasarlanmasında ve hazırlanmasında istenen eşit kanal açısal basma işlemi ilk olarak Segal ve arkadaşları tarafından 1980 lerin başında bulunmuştur. Bu çalışmada deney malzemesi olarak, tezin 2. Bölümünde de belirtildiği gibi 5083 Alüminyum alaşımı seçilmiştir. Çalışma diğer araştırmalarla karşılaştırılırken öncelikle 5083 ve buna benzer araştırmalar ele alınacaktır. 4.2. Sonuçların Önceki Çalışmalarla Karşılaştırılması Tez çalışması ile ilgili kaynak araştırmasının önemli bir kısmı tezin 1. Bölümünde, Bölüm 1.3. başlığı altında verilmiştir. Lee, D.N., tarafından 2000 yılında yapılan çalışmada (Lee 2000), çalışmanın giriş ve çıkış kesit alanları birbirine eşit değildir. Oysa tez çalışmasında kesit alanları
41 Şekil 2.3. de gösterildiği gibi eşit olduğundan dolayı farklılık vardır. Bu çalışmada tez çalışması ile ilgili bir takım benzerlikler olmasına rağmen daha çok sayısal çalışma yapıldığı ve deney yapılmadığı için karşılaştırma olanağı azdır. Horita, Z., Fujinami, T., Nemoto, M., Langdon, T.G., 2001 yılında yapmış oldukları çalışmada (Horita vd. 2001) farklı Alüminyum alaşımlarını incelemişlerdir. Kullanılan alaşımlar, 1100, 2024, 3004, 5083, 6061 ve 7075 alaşımlarıdır. Çalışmada farklı Alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerinin geliştirilebilmesi incelenmiştir. Kullanılan malzeme ve yöntem tez çalışması ile benzer olup elde edilen sonuçlar, 2. Bölüm de elde edilen deney sonuçları ile benzer bulunmuştur. Tez çalışmasında kullanılmış olan 5083 alaşımı da çalışmada kullanılmış olduğundan dolayı çalışmanın 5083 malzemesi ile ilgili kısımları tezin 2.5. Bölümü nde elde edilen bulgular ile karşılaştırılmalıdır. Çalışmada oda sıcaklığındaki çekme deneylerinde, dayanımın basma sayısının artması ile arttığı fakat hasara göre uzamanın diğer adıyla kopma uzamasının, ilk basmadan sonra büyük bir azalma miktarını takiben az miktarda değiştiğinden bahsedilmiştir. Bu durum tez çalışması ile tamamen benzerdir. Benzerlik, Şekil 2.16. ve 2.17. incelendiğinde fark edilebilmektedir. Şekil 2.16. incelendiğinde çekme dayanımı her bir kademede bir miktar artmış ve son 3. kademe basmada maksimum değer olan 501.2 Mpa Maksimum çekme dayanımına ulaşmıştır. Çekme dayanımı daha önceden de belirtildiği gibi artmıştır. Şekil 2.17. incelendiğinde ise hasara göre uzamanın (kopma uzamasının) aynen çalışmasında (Horita vd. 2001) bahsedildiği üzere basma sayısına bağlı olarak sırasıyla önce hızla azaldığı (1 kademe basmada) daha sonra az miktarda değişim olduğu gözlenebilir. Şöyle ki, aşırı plastik deformasyon görmemiş malzemedeki kopma uzaması 22% iken ilk deformasyon kademesinde kopma uzaması 6.4% değerine hızlı bir şekilde azalmış, daha sonra yine azalma olmuş fakat ilk kademedeki kadar hızlı azalma olmayıp 4.4% değerine düşmüştür. Özet olarak toplamda 4.4% kopma uzaması meydana gelebilmektedir. Benzer azalma aşağıda söz konusu çalışmanın 5. Şekli nin (b) şıkkında da verilmiştir. (Horita vd. 2001) Şekil 4.1. incelendiğinde farklı Alüminyum alaşımlarının hasara bağlı uzaması verilmiştir. 5083 alaşımı incelendiğinde uzama değeri 24% değerinden ilk kademede yaklaşık 6% değerine düşmüştür. Bu değerler tez çalışması deneyleri ile karşılaştırıldığında şartların benzer ve bulunan değerlerin birbirine çok yakın olduğu
42 gözlenebilir. Bu değerler, tezin 2.5. bölümünde elde edilen deney bulgularının daha önce yapılan çalışma (Horita vd. 2001) ile benzerliğini göstermektedir. Hasara bağlı uzama Eşdeğer genleme Şekil 4.1. Eşdeğer genleme Hasara bağlı uzama grafiği (Horita vd. 2001) Valiev, R.Z., Alexandrov, I.V., Zhu, Y.T., Lowe, T.C., tarafından 2002 yılında yapılan çalışmada (Valiev vd. 2002) dayanım ve sünekliğin paradoksu üzerine inceleme yapmışlardır. Tez çalışmasında Bölüm 3.2.2. de dayanımın aşırı plastik deformasyon kademesinin artışı ile arttığını, aynı şekilde kopma uzamasının aşırı plastik deformasyon kademesinin artması ile birlikte azaldığını göstermektedir. Valiev, R.Z., ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada da aynı şekilde plastik deformasyonun artması ile birlikte Şekil 1.5. de de verildiği gibi Bakır ve Alüminyumun akma dayanımının hasara karşı uzamaların azalması ile arttığı verilmektedir. Tez çalışmasında sadece 5083 Alüminyum alaşımı kullanıldığı için Şekil 1.5. de (Valiev vd. 2002) Alüminyum kısmına bakılmıştır. Şekilden de anlaşılacağı üzere dayanım arttığı zaman uzama azalmakta veya dayanım azaldığı zaman uzama artmaktadır denilebilir. Bahsedilen durumun haricinde ayrıca aşırı plastik deformasyon uygulanabilen metallerde olağan olmayan bir mekanik davranışa rastlanmıştır. Tez konusunun haricinde bir durum olan yüksek dayanım ve
43 yüksek sünekliğin alışılagelmemiş bir kombinasyonundan bahsedilmiştir. Tezde sadece Alüminyum alaşımı kullanıldığından dolayı çalışmada, tez çalışmasından biraz farklı bir durumdan bahsedilmiştir. Yüksek dayanım ve yüksek sünekliğin bir arada olduğu bu durum, tez konusu olan Alüminyum harici bazı metallerde gözlenmiştir. Araştırma çalışmasında da bahsedildiği gibi bu olağan olmayan mekanik davranışlar, aşırı plastik deformasyon işlemi ile oluşturulan az bulunan bazı nano yapılar tarafından meydana gelmektedir. İlgili makalede hem yüksek dayanım hem de yüksek sünekliğin bir arada olduğu durumlardan bahsedilmiştir. Moon, B.S., Kim, H.S., Hong, S.I., 2002 yılında yapmış oldukları çalışmada tez çalışmasında kullanılan 5083 Alüminyum alaşımından farklı bir Alüminyum alaşımı olan 6061 alaşımını kullanmışlardır. Çalışmada az ve aşırı yaşlandırılmış 6061 alaşımının eşit kanal açısal basma esnasında plastik akışı ve şekil değişimi incelenmiştir. Tez çalışmasında 5083 alaşımı piyasadan satın alındığı gibi kullanıldığından ve herhangi bir yaşlandırma işlemi uygulanmadığından dolayı araştırma çalışması ve tez çalışması karşılaştırılmayacaktır. İleriye dönük çalışmalarda 5083 alaşımına da aynı şekilde yaşlandırma işlemi uygulanarak az ve aşırı yaşlandırılmış 5083 alaşımının özellikleri karşılaştırılabilir. (Moon vd. 2002) Perez, C.J.L., Gonzales, P., Garces, Y., tarafından 2003 yılında yapılmış olan ticari Al Mn alaşımında eşit kanal açısal ekstrüzyon üzerine yapılan çalışmada (Perez vd. 2003) 90 ve 120 açısal ekstrüzyonun sonlu elemanlar çözümü yapılmıştır. Çalışmada sonuçlar bölümünde Tablo 2. de (Perez vd. 2003) 3103 ve 5083 için elde edilen sertlik değerleri verilmiştir. Tablo 2. (Perez vd. 2003) aşağıda Tablo 4.1. olarak belirtilmiştir. Tablo 4.1. Geçiş sayısı ile elde edilen Vickers sertlik değerleri (Perez vd. 2003) Tablo 4.1. incelendiğinde, 5083 Alüminyum alaşımında sertlik satın alınmış durumda 84.9 HV, 1 kademe geçişte 104.4 HV, 2 kademe geçişte 107.2 HV olarak bulunduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada sertlik değerleri Vickers [HV] sertlik değeri cinsinden
44 bulunmuştur. Tez çalışmasında ise Tablo 2.4. Sertlik deneyleri sonuçları nda belirtildiği üzere sonuçlar Rockwell E [HRE] sertlik değeri cinsinden bulunmuştur. Bu nedenle ASTM standartlarına göre yaklaşık olarak çevrim yapılmış (http://mesteel.com) ve bulunan değerler Tablo 4.2. olarak aşağıda verilmiştir. Tablo 4.2. 5083 alaşımı için Vickers [HV] Rockwell E [HRE] çevrimi İşlem Kademesi ( Aşırı Plastik Deformasyon Kademesi ) Ölçülen Ortalama Değer ( Rockwell E [HRE] ) Ölçülen Değerin Yaklaşık Vickers [HV] Karşılığı İşlenmemiş 68 76 1 KADEME 94 121 2 KADEME 96 126 3 KADEME 98 135 Tablo 4.1. ve Tablo 4.2. karşılaştırıldığında, işlenmemiş 5083 alaşımı için 84.9 HV ve 76 HV değerleri bulunmaktadır. Değerler birbirine yakın bulunmuştur. İlk plastik deformasyondan sonra tez çalışması için 121 HV, diğer çalışma için 104.4 HV, iki kez plastik deformasyondan sonra tez çalışması için 126 HV, diğer çalışma için 107.2 HV bulunmaktadır. Her iki tablo ele alınırsa ikisinde de sertlik satın alındığı durumdan itibaren ilk kademe hızlı bir şekilde daha sonra yavaş yavaş sürekli olarak maksimum bir değere kadar artmaktadır. Değerler birbirine yakın olmakla beraber bir takım farklar göze çarpmaktadır. Bu durumun muhtemel nedenleri, aşırı plastik deformasyon işleminde kullanılan kalıpların tasarımının ve kullanım şartlarının birbirinden farklı olması, sürtünme koşullarının birbirinden farklı olması sertlik ölçümü yapılan kısımların farklılığı olabilir. Kim, H.K., Lee, Y.I., Chung, C.S., 2004 yılında yapmış oldukları çalışmada (Kim vd. 2004) tez çalışması malzemesi olan 5083 Alüminyum alaşımında önemli miktarda bulunan Magnezyumun alaşımını incelemişlerdir. Araştırma çalışması, eşit kanal açısal basma yoluyla üretilen ince taneli Magnezyum alaşımının yorulma özellikleri üzerinedir. Çalışmada kullanılan malzeme tez çalışması malzemesi olan
45 Alüminyum olmamasına rağmen birtakım fikirler verebilir. İlgili çalışmanın 3. şeklinde (aşağıda Şekil 4.2. olarak verilmiştir.) AZ31 alaşımının deformasyona uğramış ve uğramamış şekli için yorulma diyagramı eğrisi verilmiştir. Dayanım genliği [Mpa] ο eşit kanal açısal basılmış AZ31 alaşımı ekstrüze edildiği gibi AZ31 alaşımı Çevrim Sayısı [N] Şekil 4.2. AZ31 alaşımları için Eşit kanal açısal basılmış ve basılmamış S-N eğrileri (Kim vd. 2004) Şekil 4.2. incelendiğinde dayanımın azaltıldığı zaman çevrim sayısının giderek arttığı gözlemlenebilir. Aynı durum, tez çalışmasında da bulunmaktadır. Şekil 2.19. da benzer şekilde 5083 alaşımı için dayanım azaltıldığı zaman çevrim sayısı artmıştır. Çevrim sayısı değerlerine bakıldığında yaklaşık 4.5% oranında Magnezyum içeren 5083 Alüminyum alaşımının da AZ31 Magnezyum alaşımına benzer değerlerde yorulma karakteristiği içeriyor diyebiliriz. Vinogradov, A., Nagasaki, S., Patlan, V., Kitagawa, K., Kawazoe, M., tarafından 1999 yılında yapılan tez çalışması malzemesi olan 5083 (50XX) serisinden olan 5056 malzemesine ait çalışmada yorulma özellikleri incelenmiştir (Vinogradov vd. 1999) Çalışma, eşit kanal açısal basma ile üretilen 5056 Al Mg alaşımının yorulma özellikleri üzerinedir. Makalenin 3.Şeklinde (Vinogradov vd. 1999) (Aşağıda Şekil 4.3. olarak verilmiştir) eşit kanal açısal basma öncesi ve sonrası 5056 alaşımı için dayanım çevrim eğrisi verilmiştir. Hem tez çalışması hem de bu çalışma 50XX serisi olduğu için yorulma dayanımı eğrileri karşılaştırılabilir.