Aynı kanallarda açısal ekstrüzyon probleminin sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Investigation of equal channel angular extrusion problem using finite element method
Yazar: SEZGİN BİLGİLİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Endüstri ve teknolojinin gelişmesiyle insanların, mekanik özellikleri daha yüksek olan malzemelere ihtiyacı artımıştır. Malzemelerin akma dirençlerinin, malzemenin tane boyutuyla ilişkisinin ortaya konulmasından sonra, ince taneli malzeme eldesiyle ilgili araştırmalar artmıştır. Konuyla ilgili pek çok araştırma yapılmıştır. İlk olarak V. Segal tarafından geliştirilmiş olan Eş Kanallı Açısal Ekstrüzyon yöntemi, ince taneli, mekanik özellikleri daha iyi malzeme eldesinde etkin rol oynayan bir yöntem olmuştur. Eş kanallı açısal ekstrüzyon yönteminde, dikdörtgenler prizmesi şeklindeki iş parçası, L şeklindeki bir kanal içerine itilmektedir. İş parçası L şeklindeki bölgeye eriştiğinde, büyük kesme Birim şekil değişimine maruz kalmaktadır. Bu kesme birim şekil değiştirmesi de malzemenin iç yapısında değişikliklere sebep olmaktadır. Eş kanallı açısal ekstrüzyon yönteminin malzemenin çekme dayanımına, sürünme dayanımına, aşınma dayanımına olumlu yönde büyük etkisi bulunmaktadır. Çinko alaşımları, hafiflikleri, ucuz olmaları, iyi işlenebilirlikleri, yüksek korozyon dirençleri nedeniyle endüstride kullanılmaktadır. Endüstride kullanımları genellikle ZAMAK olarak karşımıza çıkmaktadır. Zamak alaşımları Al ve Cu malzemelerini de içermektedir. Zamak alaşımlarının Cu içerimesi sürünme ve aşınma direncini arttırmakta önemli rol oynamaktadır. Bunun yanısıra, yüksek sıcaklıklarda faz değişimi nedeniyle, malzemede ölçüsel sabitlik sağlanamamaktadır. Zn alaşımları, yüksek sönüm kapasiteleri nedeniyle, pek çok farklı mekanik sistemde, titreşim ve gürültü azaltmakta kullanılmaktadır. İyi sönüm malzemeleri olmasına rağmen düşük düşük tokluk ve düşük sürünme dayanımı kullanım oranlarının düşük olmasına sebep olmaktadır. Süperplastik malzemenin sürünme direncine, çekme direncine olan olumlu etkileri, eş kanallı açısal ekstrüzyon yönteminin, çinko alaşımları üzerine etkilerinin araştırılmasına neden olmuştur. Patil ve diğerleri, eş kanallı açısal esktrüzyon yöntemini, bir çinko alaşımı olan ZCA9 malzemesi üzerine uygulamıştır. Çalışma neticesinde, eş ekselik, küçük tane yapısına sahip, dayanım ve tokluk değerleri iyileştirilmiş malzeme elde edilmiştir. Bu çalışmada Patil ve diğerlerinin ZCA-9 malzemesi üzerine yaptığı çalışma referans alınarak, matematiksel bir model oluşturulmaya çalışılmış ve literatürde eş kanallı açısal ekstrüzyon yöntemine etki ettiği belirtilen faktörlerin, ZCA-9 malzemesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. İlk olarak, sürtünmenin ZCA-9 malzemesi üzerine olan etkileri araştırılmıştır. Matematiksel modelleme aracı olarak Abaqus programı kullanılmıştır. Farklı 

 
xviii 
 
 
sürtünme katsayıları altında malzemenin nasıl davrandığı incelenmiştir. Netice olarak sürtünme katsayısının artmasıyla birlikte, ürün üzerinde oluşan reaksiyon kuvvetlerinin ve gerilimin çok yüksek değerlere ulaştığı, sürtünmenin süreç üzerine çok baskın bir etmen olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçların, deneyde elde edilen sonuçlardan çok yüksek olarak elde edilmesi, kalıbın modellenmesinin süreç üzerinde etkisinin araştırılmasını gerekliliğini ortaya çıkartmıştır. Kalıp rijit olarak ve şekilde değiştirebilir olarak, aynı sınır şartları ve aynı sürtünme katsayıları altında, modellenmiştir. Rijit kalıp kullanıldığı durumda, iş parçası üzerinde oluşan reaksiyon kuvvetinin ve gerilimin, şekilde değiştirebilir kalıp kullanıldığı duruma göre, iki kat fazla olduğu görülmüştür.  Yüksek temas basınıcında ötürü, sürtünmenin etkinliğinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır. Sonuç modelde kalıbın şekil değiştirebilir olarak modellenmesinin çok önemli bir etken olduğunu ortaya koymuştur.  Sonrasında, sıcaklığın proses üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Sıcaklığın tanımlanmadığı modelle, kalıp sıcaklık değerlerinin 65 C°, 100 C° olduğu sabit kalıp sıcaklıklarında olduğu durumlarda modellemeler yapılmıştır. Sıcaklığın proses üzerine çok büyük etkilerinin olmadığı gözlenmiştir. Proses etki eden faktörlerden biri olan kanal açısı araştırılmıştır. Kanal açış olarak 90°, 100° ve 110° seçilmiştir. 90° Kalıp açısının kullanıldığı durumda, itmenin olduğu noktada daha fazla reaksiyon kuvveti oluştuğu ve uç kısımda oluşan ölü bölgede sivrileşme olduğu gözlenmiştir. Buna ek olarak, iş parçası tüm açı değerlerinde aynı noktadan çalışmaya başlatılmıştır.  Yapılan çalışmalarda, malzemenin deformasyon bölgesini dönmesi esnasında, alt yüzeyin hızlı giderken, üst yüzeyin yavaş kaldığı bu nedenle de köşe kısımda yuvarlak şeklinde boşluk oluşturuğu gözlenmiştir.  Kalıp açısının 90°,100° ve 110°olduğu durumlarda malzemeninin elastik bölgede farklı davranış gösterdiği, kalıp açısının 90° olduğu durumda, malzeme daha sert davranış sergilerken, diğer açı değerlerinde daha yumuşak davranış göstermiştir. Bu durumun nedeni ise, kalıp açısının 90° olduğu durumda, iş parçasının direkt kalıp ile temasa geçerek, deformasyona başlarken, kalıp açısının 100° ve 110° olduğu durumlarda, uç kısmın bir miktar daha hareket ettikten sonra kalıp ile temasa başlaması ve daha geç deformasyona uğraması olarak açıklanmıştır.

Abstract:
With the advance of industry and technology, people's need for materials with higher mechanical properties is increasing. Especially after the second world war, material the has igher mechanical properties, necessity arrised. During these period many researches are made in order to gain material which has higer mechanical properties. After Hollomon's researches which proves the yield resistances of the materials have been related to the particle size of the materials, studies about the fine-grained material have increased. There have been many studies on the subject. Equal channel angular extrusions method developed first by V. Segal, has been a method that plays an active role in obtaining better fine-grained materials with better mechanical properties.
	In the equal channel angular extrusions method, the workpiece in the form of a rectangle prism is pushed into a channel of L shape. When the workpiece reaches the L-shaped region, it is subjected to large shear stress. This shear stress causes changes in the internal structure of the material. The equal channel angular extrusions method has a great positive effect on the tensile strength, creep resistance and wear resistance of the material.
Due to their lightness, low cost, good machinability and high corrosion resistance, zinc alloys are used industrially. In industry, they are often used as Zamak. Zamak alloys also contain Al and Cu materials. The Cu content of zamak alloys plays an important role in increasing its resistance to creep and wear. Due to their high damping capacities, Zn alloys are used in many different mechanical systems to reduce vibration and noise. On the other hand, due to phase variation at high temperatures, no dimensional stability can be provided in the material. Although they are good damping materials, they are not widely used due to low toughness and low creep resistance. The positive effects of superplastic material on creep resistance and tensile strength have led to the investigation of the effects of the equal angle extrusions method on zinc alloys.
Patil et al. applied the equal channel angular extrusion method on ZCA-9 material which is a zinc alloy. As a result of the study, materials with small grain structure and improved strength and toughness values were obtained.
In this study, a mathematical model was tried to be formed with reference to the work of Patil et al. on ZCA-9 material and the effects of the factors stated in the   
literature to have effects on the equal channel angular extrusions method on the ZCA-9 material were investigated.
Study was started modeling the experimental conditions. One L shaped chanelled, one rectangular prism workpiece and one rectangular ram were modeled. Workpiece part was pushed in to the L shaped channel with 10 mm/min of ram speed. L shaped channel modeled as ancastre during the analysis. Firstly, Tetragonal elements are used during the analysis. Less integration points results with convergence problem. Because of this problem, during the analyses, C3D8R elements used. Mesh convergence control applied for C3D8R elements. As a result of this control, 0.4 mm minimum element length determined. Using this minimum element length, critical time step value was calculated for dynamic/ exlicit analysis. Under this conditions using Abaqus software as solver, dynamic/ explicit analiyses are applied. 
First of all, the effects of friction on ZCA-9 material were investigated. How the material reacted under different friction coefficients was studied. As a result, it was observed that, with the increase of the friction coefficient, the reaction forces and the pressures on the product reached very high values and that the friction was a dominant factor in the process. Since these results are higher than the results obtained in the experiment, it is necessary to investigate the effect of modeling die as deformable.
The mold was modeled under the same boundary conditions and same friction coefficients as rigid and deformable. It was observed that in the case of using a rigid mold, the reaction force and strain generated on the workpiece were twice as large as in the case of using a deformable mold.  It was concluded that the effectiveness of the friction was increased due to the high contact pressure. In the result model, it was revealed that modeling the mold as deformable was a very important factor. 
During the investigation of the friction effects, very small friction coefficients are applied on materials. These results show that, in order to make more efficient analysis, we have to firstly make experiments in order to measure the surface pressure during ECAE process. Application of  experimental surface pressure data on finite element analysis will release more realistic result.
Afterwards, the effect of temperature on the process was investigated. Modeling was performed in the model where the temperature was not defined, in the constant mold temperatures where mold temperature values are 65°C, 100°C. It was observed that the temperature does not have great effects on the process. Studies shows that, main reason of this minimal effect is the thermal expansion of mold. With under the higher tempreature conditions, mold will expand more than the lower temperature condition. Because of this situation, surface pressure will go down and reaction force also goes down. 
In fact, the effect of the temperature is expected to be more than what is found. These results show that, in order to make a realistic analys, we have to firstly make experiments in order to measure temperature effect the during ECAE process. Application of  experimental temperature based datas on finite element analysis will release more realistic result.
The channel angle, one of the factors affecting the process, was investigated. 90°, 100° and 110° were selected as the channel angles. It was observed that in the case of the 90 ° mold angle, more reaction force occurred at the point where the repulsion took place and a sharpening in the dead zone at the tip. In addition, the workpiece was set to start work at the same point in all angle values. 
The studies revealed that during the rotation of the deformation zone of the material, while the bottom surface was running fast, the top surface was slow; thus creating a rounded gap in the corner section.  Where the mold angle was 90°, 100° and 110°, it was observed that the material behaved differently in the elastic region; where the mold angle was 90°, the material behaved more stiff, while at other angles it showed a smoother behavior. The cause of this condition is that the workpiece contacted the mold directly in the case where the mold angle was 90°, starting deformation right away; whereas where the mold angle was 100° and 110°,the tip started to contact with the mold after some more movement and started deformation later.