Yüksek sıcaklık, yaşlandırma ve kriyojenik koşulların nikel-titanyum şekil hafızalı alaşımların mekanik özelliklerine ve faz dönüşüm sıcaklıklarına etkisi
The effect of high temperature, aging and cryogenic conditions on mechanical properties and phase transformation temperatures of nickel-titanium shape memory alloys
Yazar: SEDAT GÜVEN
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖKKAYA
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akıllı malzemeler = Intelligent materials ; Isıl işlem = Heat treatment ; Termomekanik özellikler = Thermomechanical properties ; Şekil bellekli alaşımlar = Shape memory alloys

Özet:
Bu çalışmada; yüzeyi elektro polisaj ile parlatılmış, süper elastik özellik sergileyen Nikel-Titanyum (NiTi) Şekil Hafızalı Alaşım (ŞHA) tellerin iki farklı ortam sıcaklığında uygulanan gerilmeler sonrası mekanik özelliklerinde meydana gelen deformasyonlar araştırılmıştır. Süper elastik NiTi ŞHA'ların iki farklı ortam sıcaklığında mekanik yüklemeler ile kopması sırasında oluşan element kompozisyonundaki değişimler, mikro çatlaklar, çekme ve akma dayanımındaki değişimler gibi mekanik özellikleri olumsuz etkileyen oluşumların tespit edilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada; medikal endüstrisinde yaygın olarak kullanılan süper elastik NiTi ŞHA tel numuneler kullanılmış, çekme testi ile tel numuneler mekanik yüklemelere maruz bırakılmıştır. Çekme testi deneyleri öncesinde 200 mm uzunluk ve Ø2 mm çapında 6 adet deney numunesi hazırlanmıştır. Deney numuneleri kriyojenik (-35 °C'de 3 saat) ve yaşlandırma (800 °C'de 30 dak.) ısıl işlemi uygulanma-uygulanmama durumları ile çekme testinin gerçekleştirildiği ortam sıcaklığına bağlı olarak 6 farklı grupta değerlendirilmiştir. Deneyler; sabit çekme hızı (5 mm/dak) ve iki farklı çekme testi sıcaklığında (23 ve 140 °C) gerçekleştirilmiştir. Deney numunelerine çekme testi öncesi ve sonrasında gerilme kaynaklı element kompozisyonundaki değişimlerin tespit edilebilmesi için enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) cihazı ile element analizi yapılmıştır.

Süper elastik NiTi ŞHA'ların çekme testi sonrasında kopma bölgelerinde meydana gelen element kompozisyonundaki değişimler, kırılma modelleri, çatlak oluşumları ve mekanik özelliklerdeki meydana gelen değişimler analiz edilmiştir. Meydana gelen deformasyonların analizi, elektron taramalı mikroskop (SEM) ve EDS cihazı kullanılarak yapılmıştır. En yüksek akma (409.8 MPa) ve çekme (1024.9 MPa) gerilmesi değerleri, kriyojenik ve yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmamış, çekme testi oda sıcaklığında gerçekleştirilmiş numunelerde elde edilmiştir. En düşük akma gerilmesi değeri (161.05 MPa) kriyojenik ve yaşlandırma ısıl işleminin uygulandığı, oda sıcaklığında gerçekleştirilen çekme testi sonucu, en düşük çekme gerilmesi değeri (737.3 MPa) ise yalnızca yaşlandırma ısıl işleminin uygulandığı, 140 °C sıcaklıkta gerçekleştirilen çekme testi sonucunda elde edilmiştir. Düşük akma ve çekme gerilmesinin görüldüğü numune yüzeylerinden alınan SEM ve EDS görüntülerinde, Ni ve Ti faz oranlarında düşüşlerin meydana geldiği, numune yüzeylerinde Karbon (C) ve Demir (Fe) elementleri görülmüştür. Çekme testi sonuçları ele alındığında, kriyojenik ve yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmamış, çekme testi 140 °C'de gerçekleştirilmiş numunede Ni ve Ti fazlarında gerilme kaynaklı değişimlerin en az düzeyde oluştuğu ve mekanik özelliklerin diğer çekme koşullarına oranla daha az etkilendiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study; The deformations in the mechanical properties of Nickel-Titanium (NiTi) Shape Memory Alloy (UHA) wires, whose surface has been polished by electropolishing and exhibiting super elastic properties after the stresses applied at two different ambient temperatures have been investigated. It is aimed to determine the formations that adversely affect the mechanical properties such as changes in the composition of the elements, micro-cracks, changes in tensile and yield strength that occur during the rupture of super elastic NiTi SHAs with mechanical loads at two different ambient temperatures. In the study; Super elastic NiTi SHA wire specimens, which are widely used in the medical industry, were used, and the wire specimens were subjected to mechanical loads by tensile testing. Before the tensile tests, 6 test specimens of 200 mm length and Ø2 mm diameter were prepared. The test samples were evaluated in 6 different groups depending on the conditions of cryogenic (3 hours at -35 ° C) and aging (30 minutes at 800 ° C) heat treatment applied-not applied and the ambient temperature where the tensile test was carried out. Experiments; It was performed at constant pulling speed (5 mm / min) and two different tensile test temperatures (23 and 140 ° C). Elemental analysis was performed with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) device in order to detect the changes in the composition of the elements due to stress before and after the tensile test.

The changes in the element composition, fracture patterns, crack formation and changes in mechanical properties after the tensile test of the super elastic NiTi SHAs were analyzed. Analysis of the deformations that occurred was made using a Scanning Electron Microscope (SEM) and EDS device. The highest yield (409.8 MPa) and tensile (1024.9 MPa) stress values were obtained in samples that were not applied cryogenic and aging heat treatment and whose tensile test was performed at room temperature. The lowest yield stress value (161.05 MPa) was obtained as a result of the tensile test performed at room temperature, where cryogenic and aging heat treatment was applied, and the lowest tensile stress value (737.3 MPa) was obtained as a result of the tensile test performed at 140 ° C, where only the aging heat treatment was applied. In the SEM and EDS images taken from the sample surfaces where low yield and tensile stresses were observed, carbon (C) and Iron (Fe) elements were observed on the sample surfaces, where the Ni and Ti phase ratios decreased. When the tensile test results were taken into consideration, it was concluded that the stress-induced changes in the Ni and Ti phases occurred at least in the sample, whose cryogenic and aging heat treatment was not applied, the tensile test was performed at 140 ° C, and the mechanical properties were less affected than other tensile conditions.