Zirkonyum esaslı kalın camsı metalin frezelenmesinin sonlu elemanlar analizi
Finite element analysis of milling zirconium based bulk metallic glass
Yazar: UMUT KARAGÜZEL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Camsı metaller = Glass metals ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Talaşlı üretim = Machining

Özet:
Metaller genellikle kristal yapıdadırlar yani atomları uzayda belirli bir düzene göre dizilmişlerdir. Belirli koşullar sağlanırsa atomlar arası bu düzen oluşmayabilir ve böylelikle metalin iç yapısındaki atom dizilişi düzensiz yani metal amorf olabiliir. Bu şekilde elde edilen metallere amorf ya da camsı metal denmektedir. İlk camsı metal Au-Si alaşımının camlaştırılması(camsı metal veya amorf metal) ile 1960 yılında Clement ve arkadaşları tarafından elde edilmiştir. Bu camlaştırma işlemi çok yüksek soğuma hızları (105-106 Ks-1) ile elde edilmiştir. Fakat bu teknik kullanılarak ancak birkaç mikron boyutlarında parça elde edilebilmekteydi ve bu camsı metallerin uygulama alanını kısıtlamaktaydı. Bu kısıtlar ancak Kalın Camsı Metaller (KCM)'in düşük soğuma hızları(<100 Ks-1) ile elde edilmeleri ile aşılmıştır. Bunu başarmak için Peker ve Johnson yüksek camlaşma kabiliyetine sahip Zr-Ti-Cu-Ni-Be alaşımlarını kullanmışlardır. Bunun sonucunda 1 K/s soğuma hızlarında dahi amorf içyapısını koruyabilen ve bu sayede 50 mm-100 mm kalınlığa sahip olacak şekilde geleneksel anlamda dökümle üretilebilen Kalın Camsı Metaller elde edilmiştir. Ticari anlamda bu şekilde üretilen ilk Zr esaslı KCM Vitreloy adını almıştır.Kalın Camsı Metallerin elde edilmesiyle camsı metallerin çok çeşitli yükleme koşullarında (çekme, basma, eğme) mekanik özelliklerinin tespit edilmesi mümkün olmuştur. Bunun sonucunda camsı metallerin eşsiz mekanik özellikleri saptanabilmiştir. Bu özellikler; yüksek akma dayanımı, geniş elastik sınır ve kristalin metallerle karşılaştırılabilecek düzeyde kırılma tokluğu olarak özetlenebilirler.İlk olarak Bruck tarafından gerçekleştirilen quasi-statik deneylerin sonucunda Vitreloy 1(Zr41.2Ti12.8Cu12.5Ni10Be22.5) olarak adlandırılan ticari KCM'nin akma dayanımı 1.9 GPa ve buna karşılık gelen elastik sınırı ise oda sıcaklığında % 2 olarak elde edilmiştir. KCM'lerin deformasyon davranışları ile ilgili en geniş çalışma ise Lu tarafından gerçekleştirilmiştir. Lu çalışmalarında KCM'lerin çok geniş yükleme koşullarındaki deformasyon davranışlarını araştırmış ve sonuçta KCM'lerin değişik birim şekil değişim hızları ve sıcaklıklarda gerilme birim şekil değişimi eğrilerini elde etmiştir.KCM'lerin değişik yükleme koşullarındaki statik ve dinamik davranışlarının bilinmesi, oldukça yüksek birim şekil değişim hızlarının ve sıcaklıkların görüldüğü talaşlı imalat proseslerinin anlaşılması açısından çok önemlidir.Yukarıda bahsedildiği gibi talaşlı imalat proseslerinde oldukça yüksek sıcaklıklara rastlanmaktadır, KCM'lerin talaşlı imalatı sırasında bu sıcaklıkların Zr esaslı KCM için kristalleşme sıcaklığı olan 445 ? C'nin üzerine çıkması sonucunda KCM amorf yapısını kaybedecektir. KCM'nin amorf yapısını kaybetmesi yukarıda bahsedilen eşsiz mekanik özelliklerin de kaybı anlamına gelmektedir. Bu nedenle KCM'nin talaşlı imalatı sırasında amorf yapısını ne kadar sürdürebilirliğinin yanında optimum kesme parametrelerinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Fakat bu parametrelerin belirlenmesi amacıyla yapılacak olan deneysel çalışmalar oldukça pahalı ve zahmetlidir. Bu nedenle bu deneysel çalışmaların yerine fizik-tabanlı sayısal modellerin geliştirilmesi bu sürecin optimizasyonu ve maliyet açısından oldukça önemlidir.Bu amaçla bu çalışmada Zr esaslı KCM'nin talaşlı imalat süreçlerinin önemli bir adımını oluşturan frezeleme işlemi ile üretilme sürecinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi üzerine araştırma yapılmıştır.Seçilen alaşım Vitreloy 105 ticari ismine sahip ve Zr52,5Ti5Cu17,9Ni14,6Al10 bileşimindeki Zr-esaslı KCM'dir.Çalışmanın ilk zamanlarında sonlu elemanlar modeli deneysel olarak elde edilen freze talaşının incelenmesi üzerine olmuştur. Hızlı bir plastik deformasyon süreci olan talaşlı imalatta talaşlar bu plastik deformasyon sürecinin bir sonucu olarak oluşmaktadırlar. Bu düşünce ile freze talaşları toplanmış, gömülmüş ve mikroskop altında incelenerek bir CAD yazılımında modellenmişlerdir. Daha sonra seçilen bir talaşı ticari bir sonlu elemanlar programı olan ANSYS programına aktarılarak talaşın, kesildiği bölgeye geri sıvanması esasına dayalı bir tersine mühendislik süreci takip edilmiştir. Fakat yüksek birim şekil değişim miktarları ve bunun sonucunda ortaya çıkan yeniden ağ oluşturma problemleri aşılamadığından bu yöntemden vazgeçilmiştir.Daha sonra alaşımın frezelenmesinin modellenebilmesi için öncelikle deformasyon davranışının belirlenmesine çalışılmıştır. Bu amaçla Lu'nun çalışmalarından faydalanılmıştır. Sonuçta sonlu elemanlar analizinde kullanılabilecek gerilme-birim şekil değişimi verileri elde edilmiş ve sayısal yöntemler kullanılarak bu verilerden bir bünye denklemi oluşturulmuştur. Malzeme modeli bu şekilde elde edildikten sonra deneylerde kullanılan kesici takım SolidWorks ticari yazılımı kullanılarak 3 boyutlu olarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar analizi, üretim süreçlerinin modellenmesinde sıkça tercih edilen, DEFORM yazılımında gerçekleştirilmiştir. 6.35 mm çapa sahip dairesel kesitli Zr-esaslı KCM çubukların daha önce frezelenmesi ile elde edilen kuvvetler, kurulan model tarafından elde edilen tahminlerle karşılaştırılmıştır.Sonuçta model tarafından tahmin edilen kesme kuvvetlerinin deneysel verilerle oldukça uyum içinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
Metals are in crystal structure, it means their atoms are arranged in an order in space. If particular conditions are provided, this arrangement of atoms can be prevented and thus, metal atoms come together randomly. As a result structure of metal is not crystal anymore, it is called amorphous. The metals, which are produced in this way, called amorphous metal or metallic glass. The first metallic glass, Au-Si alloy, was obtained by Klement and his friends in 1960. This vitrification process was achieved by high cooling rates, 105-106 Ks-1 . But in these years metallic glasses could be produced in dimensions of only a few microns by using high cooling rates therefore the application field of metallic glasses were limited. These limitations were overcome by obtaining Bulk Metallic Glasses (BMG) in very low cooling rates which were less than 100K/s. In order to achieve these low cooling rates Peker and Johnson used Zr-Ti-Cu-Ni-Be alloys due to their great glass formation ability. As a result of this, bulk metallic glasses were produced by traditional casting processes in 50-100mm dimensions by using very low cooling rates,1 K/s,. The first commercial BMG produced by this technique took the name of Vitreloy.With the production of BMGs it became possible to investigate the mechanical properties of BMGs in very different loading conditions. Thus the unique mechanical properties of BMGs were determined. These properties can be summarized as; high yield strength, wide elastic limit and fracture toughness which can be comparable to crystalline metals.The first quasi-static experiments were carried out by Bruck, and the yield strength of Vitreloy 1(Zr41.2Ti12.8Cu12.5Ni10Be22.5) was determined as 1.9 GPa, and the elastic limit was %2 at room temperature. In addition the widest research about the deformation behavior of bulk metallic glasses were carried out by Lu. Lu investigated the deformation behavior of BMGs in very wide loading conditions and obtained the stress-strain relations at different strain rates and temperatures.In machining processes, in which high strain rates and high temperature occur, it is important to have the knowledge about the static and dynamic behaviors of BMGs at different loading conditions in order to understand the nature of machining processes.As mentioned above in machining processes high temperatures come across, in course of BMG machining if the temperatures are above the crystallization temperature of BMG (445oC), the amorphous structure of BMG will collapse. Losing the amorphous structure means losing the unique mechanical properties mentioned above. Therefore, it is important to determine the optimum cutting parameters and in which parameters that BMG sustain its amorphous structure. On the other hand the experiments, which are used to determine these parameters, are expensive and time consuming. Therefore the ultimate goal is to replace these experimental methods with physics-based models in order to optimize the process parameters and cost.For this purpose, the finite element analysis of slot milling, which is one of the most important step of machining processes, of BMGs are investigated at this work.The alloy used at this work is commercially called Vitreloy 105 and has the chemical composition of Zr52,5Ti5Cu17,9Ni14,6Al10.In the early steps of the study the milling chip of BMG was investigated by finite element method. In machining, that includes fast plastic deformation actually, chips occur due to plastic deformation. In the light of this knowledge, milling chips were collected, mounted, investigated by an optic microscope and modeled by a commercial CAD software. Then the modeled milling chip exported to ANSYS, which is a finite element software, in order to perform an inverse engineering application which is based on plastering of milling chip back to work piece. But due to high strains and remeshing problems this application was resigned.After that it was understood that in order to model the milling of the alloy, the deformation behavior of BMG should be determined to do this Lu?s research was taken as a reference. In conclusion stress-strain data which was used in finite element analysis, was obtained and a constitutive equation for BMG was formed by using numerical methods. After forming the material model, the cutting tool was modeled in 3D by using SolidWorks. Finite element analysis was performed by DEFORM which is used commonly to analyze the manufacturing processes. Consequently the cutting forces obtained from milling experiments of 6.35 diameter Zr based BMG and the cutting forces obtained from finite element analysis were compared to each other.As a result it is seen that the estimated cutting forces by finite element model are so much accordance with experimental results.