Aşırı plastik deformasyonun metalik malzemelerde difüzyon karakteristiklerine etkisi
The effect of severe plastic deformation on diffusion characteristics of metallic materials
Yazar: OKAN ÜNAL
Danışman: PROF. DR. REMZİ VAROL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Metalik yüzey = Metallic surface ; İleri imalat teknolojisi =

Özet:
Bu tez çalışmasında aşırı plastik deformasyonun AISI 4340 düşük alaşımlı çelik, AISI 304 ostenitik paslanmaz çelik ve Ti-6Al-4V titanyum alaşımının plazma nitrürleme esnasında difüzyon karakteristiğine ve sonrasında mekanik özelliklerine olan etkileri incelenmiştir. Aşırı plastik deformasyon yöntemi olarak, son yıllarda işlem parametreleri arttırılıp malzemenin yüzeyinde yüksek oranda plastik deformasyon oluşturan aşırı bilyalı dövme işlemi uygulanmıştır. Aşırı bilyalı dövme ile metalik malzemelerin yüzeyinde ultra ince taneli ve dislokasyon yoğunluklu tabaka oluşturulup bu tabaka optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını kırınım deseni çalışmaları ile karakterize edilmiştir. AISI 4340 düşük alaşımlı çelik yüzeyinde ultra ince taneli tabaka ile deforme olmuş ve yönlenmiş tanelerin bulunduğu tabaka olmak üzere iki farklı tabaka oluşmuştur. AISI 304 ostenitik paslanmaz çelikte mekanik ikizlenmenin ana deformasyon mekanizması olduğu gözlemlenmiş, deformasyon miktarıyla mekanik ikiz tabaka kalınlıklarının arttığı tespit edilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında deformasyon etkileri ince bir deformasyon tabakasıyla dikkat çekmiştir. Aşırı bilyalı dövülmüş numuneler sonrasında belirli sıcaklık ve sürelerde darbeli plazma nitrürleme işlemine tabi tutulmuş sadece plazma nitrürleme işlemi uygulanmış numunelerle karşılaştırılmışlardır. Mikroyapı analizlerinde ön işlem olarak uygulanan aşırı bilyalı dövme işleminin metalik malzemelerin yüzeyinde oluşan bileşik tabaka kalınlıklarını arttırdığı gözlemlenmiştir. Mikrosertlik çalışmalarında ise aşırı bilyalı dövme işleminin malzemelerin nitrürleme işlemi sonrası sertlik derinliğini ve difüzyon tabaka kalınlığını arttırdığı belirlenmiştir. Mikroyapı ve X-ışını kırınım deseni analizlerinde nitrürleme için yeterli olmayan ve yüzeyde nitrür bileşikleri ve tabakasının oluşmadığı koşullarda bile ön işlem olarak aşırı bilyalı dövmenin uygulanması aynı sıcaklık ve süre koşullarında nitrür bileşiklerinin ve bileşik tabakanın oluşumunu gerçekleştirmiştir Metalik malzemelerin belirtilen iki yüzey işlemi uygulaması sonrası dönel eğmeli yorulma testleri gerçekleştirilmiş ve S-N eğrileri çizilmiştir. Plazma nitrürleme öncesi aşırı bilyalı dövme işleminin uygulanması AISI 4340 ve AISI 304 malzemelerin yorulma ömrünü arttırmıştır. AISI 304 malzemeye 4750C' de ve 4 saat süreyle uygulanan nitrürleme işleminde istenilen yorulma limiti aşırı bilyalı dövme uygulaması ile nitrürleme süresi %50 azaltılarak elde edilmiştir. Ancak aşırı bilyalı dövme işlemi uygulaması farketmeksizin plazma nitrürleme uygulaması Ti-6Al-4V alaşımının yorulma özelliklerini kötüleştirmiştir.

Abstract:
In this thesis study, the effect of severe plastic deformation on the diffusion characterictics during plasma nitriding and mechanical properties subjected to plasma nitriding of AISI 4340 low alloy steel, AISI 304 austenitic stainless steel and Ti-6Al-4V titanium based alloy has been investigated. Severe shot peening which is commenced as severe plastic deformation method creating high plastic deformation on the materials surface has been applied recently by means of increasing process parameters of conventional shot peening. Severe shot peening leads to the formation of dislocation densed ultra fine grain layer of these metallic materials surface and the layer has been characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Ultra fine grain layer and highly deformed and oriented grain layer have been formed via severe shot peening on AISI 4340 low alloy steel surface. Mechanical twinning is observed as main deformation mechanism of AISI 304 austenitic stainless steel and mechanically twinned layer thickness raise has been detected via the plastic deformation rate increase. Deformation effect on the Ti-6Al-4V alloy is noted with a thin layer of deformation. The materials have been subjected to pulsed plasma nitriding process at specific temperatures and durations subsequent to severe shot peening and they have been compared with only plasma nitrided ones. In microstructure investigations, the application of severe shot peening as pre-treatment leads to increase the compound layer thickness of the metallic materials. According to microhardness measurements diffusion layer thickness and hardness depth has been raised by the application of severe shot peening. Microstructure and X-ray diffraction analysis show even in conditions that are not sufficient for creating the nitrided compounds and the compound layer, severe shot peening application as a pre-treatment is able to form nitrided compounds and nitrided layer. After the application of the two surface treatments, rotating bending fatigue tests have been performed and S-N curves have been constructed. The application of severe shot peening before plasma nitriding improves the fatigue resistance of the AISI 4340 and AISI 304. Obtained fatigue limit of AISI 304 via plasma nitriding at 4750C-4h has been provided with pre-treatment of severe shot peening by reducing 50% of duration under the same temperature. However regardless of severe shot peening application, plasma nitriding has been reduced the fatigue resistance of Ti-6Al-4V.