Fonksiyonel derecelendirilmiş  Fe/B4C kompozit yapıların üretimi ve termo-mekanik davranışlarının incelenmesi
Fabrication of functionally graded  Fe/B4C composite materials and investigation of thermo-mechanical behaviours
Yazar: MUSTAFA HAMAMCI
Danışman: DOÇ. DR. FEHMİ NAİR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Termomekanik işlem = Thermomechanical treatment ; Termomekanik özellikler = Thermomechanical properties

Özet:
Bu çalışmada, fonksiyonel derecelendirilmiş bor karbür (B4C) takviyeli demir (Fe) matriksli kompozit yapıların toz metalürjisi ile üretilmesi, metalografik özelliklerinin incelenmesi ve ani sıcaklık değişimleri karşısında sergiledikleri termo-mekanik davranışlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. 
Bu doğrultuda, öncelikle seramik takviyeli Fe/B4C ile Fe/B kompozitler, sonrasında bir yüzeyde seramik yoğunlukta katmanın bulunduğu, iç yapıda seramik oranının kademeli olarak azaltılıp metal yoğunluk arttırılarak diğer yüzeyde metal yoğunlukta bir katmanın oluştuğu Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler (FDM) üretilmiştir. Takviye elemanı B4C ve B'nin Fe matriks ile in-situ reaksiyon sonucu oluşan FeB-Fe2B fazlarının oluşumu ve mekanik etkileri incelenmiştir. 
Dört farklı takviye oranında (hacimsel %5-10-20-30) B4C-B içeren derecelendirilmemiş numuneler, farklı sıcaklık değerinde farklı sürelerde sinterlenerek sinterleme parametrelerinin etkileri detaylı şekilde araştırılmıştır. Faz dağılımı, sertlik, yoğunluk ve porozite değişimleri incelenmiştir. Standart geometride üretilen derecelendirilmemiş Fe/B4C, Fe/B numunelerinin düşük hızlı darbe davranışları üzerinde sinterleme parametreleri ve partikül cinsinin etkileri de araştırılmıştır. Partikül cinsinin belirgin bir etkisi gözlenmemiş bu nedenle sonraki üretimlerde farklı partikül boyutlarında (12-40 µm, 1-7 µm) B4C tozu kullanılarak partikül boyutunun etkileri araştırılmıştır.
Sinterleme parametrelerinin optimizasyonu yapıldıktan sonra FDM üretimlerine geçilmiştir. Dairesel ve kare FDM üretimlerinde oluşan tabaka ayrılma problemi önce üst katmandaki Vcmax takviye oranı (%90,%70,%50,%20) ve katman sayısı (10, 20) değiştirilerek optimize edilmiş, n:1 gradyantında Vcmax:%20 B4C ile üretilen numunelerde dağılma görülmemiştir. Basınçsız sinterlenen FDM numunelerinde tabakalar arasında çatlak ve boyutsal çarpılmalar gözlenmiştir. Bu nedenle sıcak preste kompaktlanan FDM numuneler atmosfer kontrollü fırın içerisinde basınç destekli sinterlenmiş, nihayetinde dağılma ve çarpılma problemleri giderilmiştir.
Üç farklı gradyant değerinde (n:0,1-n:1-n:5) üretilen FDM numuneler ile takviyelendirilmemiş %100 Fe, %5-10-20 B4C takviyeli kare numuneler tel erozyonda hassas şekilde kesilmiş ve yüzeyleri parlatılmıştır. FDM katmanlarının termal şok esnasındaki davranışlarını anlamak amacıyla derecelendirilmemiş B4C takviyeli numunelerin termal genleşme katsayıları belirlenmiştir. Üretilen derecelendirilmemiş numuneler ile FDM numuneler özgün olarak tasarlanan ve imalatı yapılan, yazılım ile kontrol edilebilen termal şok test cihazında farklı termal şok parametreleri ile test edilmiştir. Deneylerde farklı termal genlik (ΔT:150-300-600-900°C) ve termal çevrim sayıları (N:0-1-5-10-25-50) tatbik edilmiş sonrasında detaylı makro ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Düşük hızlı darbe-Charpy deneyi ve üç nokta eğme deneyleri ile mekanik davranışlar üzerinde termal şok tatbikinin etkileri araştırılmıştır.
Artan çevrim sayısıyla birlikte derecelendirilmemiş B4C takviyeli numunelerde termal çatlak oluşumu artmış, kendiliğinden kırılma hasarları görülmüştür. Aynı şartlarda termal şoka maruz kalan FDM numunelerinde hasar oluşumu daha az gözlenmiş, kendiliğinden kırılma problemi giderilerek derecelendirilmemiş numunelere göre yüksek termal şok direnci elde edilmiştir. FDM numuneleri içerisinde gradyant değerinin artması termal çatlak oluşumunu hızlandırmış, kırılma kuvveti ve kırılma enerji değerlerini düşürmüştür.

Abstract:
In this study, it is aimed to determining the suitable material composition of functionally graded iron (Fe) composites reinforced with boron carbide (B4C) resistant to thermal and mechanical loadings for different working condition and investigation of mechanical properties in different cycles value with thermal shock behaviors exhibit in sudden changing temperatures. 
In this context, firstly non-graded Fe/B4C and Fe/B composites were produced, functionally graded (FDM) samples were produced in which a ceramic-rich layer was present on one surface, the ceramic constituent in the inner structure was gradually decreased and the metal constituent increased and a metal-rich layer was formed on the other surface. The formation and mechanical effects of Fe-Fe2B phases formed by in-situ reaction with the reinforcement element B4C-B were investigated.
Samples with B4C-B in four different reinforcement ratios (5-10-20-30%) were sintered at different temperature values produced by powder metallurgy in different time and the effects of sintering parameters were investigated in detail. Hardness change, density and porosity changes were investigated. The effects of sintering parameters and particle type on the non-graded Fe/B4C, Fe/B samples produced in standard geometry were also investigated. The effect of the particle type was observed slightly, therefore the effects of particle size on B4C powder of different particle sizes (12-40 µm, 1-7 µm) were investigated in subsequent productions.
After optimization of the sintering parameters, FDM production was started. The layer separation problem in circular and square FDM productions was firstly optimized by changing the Vcmax reinforcement ratio and the number of layers (10, 20) in different upper layer (90%, 70%, 50%). The problem has been fixed with Vcmax: 20%, n:1 gradient FGM samples. Unpressurized sintered FDM samples were warped and cracks were observed between the layers. For this reason, FDM samples, which are compacted in hot press, are sintered in a pressure-assisted atmosphere-controlled furnace and finally delamination and warping problems are eliminated.
With the FDM samples produced in three different gradiand (n:0,1-n:1-n:5), unreinforced 100%Fe and 5-10-20% B4C reinforced non-graded square samples have been precisely cut in wire erosion according to ASTM standards. Thermal expansion coefficients of non-graded samples were determined to reflect FDM layers. The produced FGM and non-graded samples were tested with different thermal shock parameters in the designed thermal shock test machine which was specially designed and manufactured. The different thermal amplitudes (ΔT: 150°C-300°C-600°C-900°C) and the number of thermal cycles (N:0-1-5-10-25-50) were determined in the experiments. Detailed macro and microstructure investigations were conducted, and the effects of thermal shock application on mechanical behaviors were investigated by low-speed impact-Charpy and three-point bending tests.
With the increasing number of cycles, the formation of thermal cracks in non-graded samples increased and spontaneous fracture damages were observed. Under the same conditions, thermal shock-induced FDM samples were less damaged. The increase in gradient value in FDM samples accelerated the formation of thermal cracks and reduced fracture force and fracture energy values.