Karşıt ekstrüzyon işleminin Al esaslı seramik takviyeli kompozitlerin içyapı ve mekanik özelliklerine etkilerinin araştırılması
An investigation of the effects of reciprocating exturision process on microstructure, mechanical and tribological properties of Al based composites reinforced by ceramic particles
Yazar: VEYSEL ERTURUN
Danışman: PROF. DR. M. BAKİ KARAMIŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Ekstrüzyon = Extrusion ; Ekstrüzyon presi = Extrusion press ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Tane inceltme = Grain refining ; Triboloji = Tribology

Özet:
Bu çalışmanın amacı yeni ve etkili bir aşırı deformasyon yöntemi ile Al esaslı kompozit malzemelerde tane küçülmesi sağlamaktır. Bu çerçevede işlem parametrelerinin tane küçülmesine ve mekanik özelliklere etkileri de araştırılmıştır.Bu çalışmada ekstruze edilecek Al esaslı seramik takviyeli billetler karıştırmalı döküm ve toz metalürjisi yöntemleriyle elde edilmişlerdir. Matris malzemesi olarak 2xxx ile 6xxx serisi Al alaşımı ve takviye elemanı olarak değişik yüzdelerde ve boyutlarda SiCp, B4C ve Al2O3 tozları kullanılmıştır. Üretilen kompozit billetler bu proje kapsamında tasarlanan karşıt ekstrüzyon sistemi ile 200 ºC işlem sıcaklıkları ve 0-5 geçiş sayılarında tekrarlı olarak ekstrüze edilmiştir. Belirtilen geçiş sayıları ile aşırı deformasyona uğratılan farklı kompozit billetlerden elde edilen çubuk şeklindeki ürünler üzerinde mikro yapı, SEM, TEM ve optik mikroskop çalışmaları ile karakterizasyon, tane boyutu, sertlik ve yoğunluk değişimleri ile çekme, çentik darbe, yorulma ve aşınma gibi mekanik özellikler üzerine geçiş sayısı ve tane boyutunun etkileri araştırılmıştır.Elde edilen sonuçlara göre ekstrüzyon sıcaklığı ürünün tane boyutu ve mekanik özelliklerini etkileyen en önemli faktördür. Ekstrüzyon geçiş sayısıyla 200 ºC işlem sıcaklığında tane incelmesi sağlanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile yapılan incelemede, geçiş sayısının artması ile seramik partiküller matris içinde homojen olarak dağılmakta ve kırılarak daha küçük boyutlara indiği tespit edilmiştir. Buna paralel olarak geçiş sayısı arttıkça ürün sertliği başlangıçta (0-1 geçişe kadar) artmış daha sonra yeniden azalmıştır. Geçiş sayısı yani deformasyon oranı arttıkça yoğunluğu teorik yoğunluğa yaklaşan ürünlerde sertliğin azalması ve tane boyutunun artmasına rağmen dislokasyon yoğunluğu, darbe tokluğu, yorulma mukavemeti ve çekme enerjilerinde artış tespit edilmiştir. 200 ºC'lik işlem sıcaklığı ve 4:1 ekstruzyon oranı ile yapılan testler sonucu, geçiş sayısı arttıkça tane boyutları ve sertlik azalıp, kopma uzaması hafif bir şekilde arterken, mukavemet önemli oranda etkilenmediği görülmüştür.Tribolojik açıdan, deforme edilen ürünlerde 200 ºC'lik işlem sıcaklığı sonrası oluşan tane incelmesi ve sertlik değişimiyle aşınma miktarı ve aşınma direnci arasında bir ilişki olduğu tespit edilmiştir. Geçiş sayısı ve yük arttıkça malzeme kaybı da artmıştır. Bunun dışında, aşınma testine tabi tutulan takviyesiz ve MMK'ler üzerinde SEM ile yapılan incelemelerde düşük yükleme şartlarında abrasyonun etkin olduğu ve ağır yükleme şartlarında adhezyon ve oksitlenmenin hakim olduğu görülmüştür.

Abstract:
The purpose of this study is to obtain the refined grains in Metal Matrix Composites (MMCs) by application of a new severe deformation method. The effects of the process parameters on the grain refining and on mechanical properties of the processed composites material were investigated.In this study, the Al matrix billets are obtained by two methods as stir casting and powder metallurgy using of 2xxx and 6xxx Al series. The particulate ceramics such as SiCp, B4C and Al2O3 (1-114 ?m in size) were used by mixing with matrix material in different volume fractions. The produced billets were subjected to the reciprocating extrusion process with the passes of (0-5) at process temperature of 200 ºC on the system designed by project team. The characterization, SEM, TEM and optical microscopy analyses, the variations of hardness, density and grain size, mechanical tests such as ultimate strength, charpy, fatigue and wear of the rods extruded from different composite billets under different process conditions were investigated.It is indicated that the process temperature was the main factor for the grain size and mechanical properties of the extruded samples. The grain refining was obtained by the extrusion on cycle at the process temperature of 200 ºC. It was determined by SEM examination that ceramic particles were distributed homogenly in the matrix by pass number. They were also breakdown in the pieces of small particles. Parallel to this, the micro hardnesses of the samples increased initially (between 0-1 pass) and then decreased by the pass number. The dislocation density, the toughnesses, fatigue strength and elongations of the samples which increased densities increased by deformation degree (pass number), although the hardnesses and grain sizes of the samples decreased and increased by pass number respectively. The hardnesses and grain size were decreased, the strain was increased slightly and strength was not affected considerable by pass number under the test condition carried out at the process temperature of 200 ºC and extrusion ratio of 4:1.As for the case of tribological part of wear, the weight losses or wear resistances of the samples were found systematically relation between the grain size and hardness of the samples tested at the process temperature of 200 ºC. It was founded that the weight losses was increased with pass number and load. Moreover, SEM investigation showed that abrasion and adhesion mechanisms were dominant for the unreinforced and reinforced samples respectively under low and high testing condition.