Tungsten ağır alaşımlarının yüksek gerinme hızlarında deformasyonunun deneysel ve sayısal yöntemler ile araştırılması
Investigation of high strain rate deformation of tungsten heavy alloys with experimental and numerical methods
Yazar: HAKAN HAFIZOĞLU
Danışman: PROF. DR. NURİ DURLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Tungsten ağır alaşımları üstün mekanik özelliklerinden dolayı balistik uygulamalarda kinetik delici malzemesi olarak geniş kullanıma  sahiptir. Bu nedenle bu alaşımların yüksek gerinme hızlarındaki davranışlarının, deformasyon biçimlerinin ve hedef ile etkileşimlerinin belirlenmesi tasarım açısından önem taşımaktadır. Bu tezde, tungsten ağır alaşımlarının yüksek gerinme hızlarındaki deformasyon davranışı ve balistik performansı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada, 93W-3.5Ni-3.5Fe, 93W-4.67Ni-2.33Fe ve 93W-5.6Ni-1.4Fe alaşımları 300 MPa altında soğuk izostatik preslenmiş ve 1460, 1480 ve 1500 ºC'deki sıcaklıklarda 30 dk. süre ile indirgeyici ve koruyucu atmosferde sinterlenmiştir. Alaşımların mekanik özellikleri 0.0003, 0.003, 0.03/s gerinme hızlarında basma testleri ve mikrosertlik ölçümleri ile belirlenmiştir. Alaşımların mikroyapı özellikleri ise tungsten tane boyutu ölçümü, bağlayıcı faz miktarı ve bitişiklik hesaplamaları ile elde edilmiştir. 
Numunelerin yüksek gerinme hızlarındaki deformasyon biçimleri ve bu numunelerin hedef ile etkileşimleri Taylor çarpma testleri ve balistik testler ile belirlenmiştir. Bu testler tek kademeli gaz silahı ile gerçekleştirilmiştir. Taylor çarpma testlerinde silindirik numuneler (8 mm çap ve 24 mm boy) rijit çelik hedefe 200, 225 ve 250 m/s olmak üzere üç farklı hızda çarptırılmıştır. Balistik testlerde ise silindirik (8 mm çap ve 8 mm boy) tungsten ağır alaşımı parçacıklar 25 mm kalınlığında Al 6061-T6 hedefe yaklaşık 900 m/s hızla çarptırılmış ve hedef ile parçacığın etkileşimi incelenmiştir. 
Taylor çarpma testleri ve balistik testler sayısal olarak modellenmiş ve elde edilen sonuçlar test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sayısal modelleme çalışmaları Ls-Dyna yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Taylor çarpma testleri sonlu elemanlar yöntemi ve SPH ağsız yöntem ile modellenmiştir. Balistik testler sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiştir.
Sinterleme sıcaklığının artışı alaşımların mikroyapılarında bağlayıcı faz miktarının artışına, tungsten tanelerinin büyümesine ve bitişikliğin azalmasına neden olmuştur. Tane büyümesi alaşımların akma dayanımlarını düşürmüştür. Alaşımlardaki Ni/Fe oranının artışı mikroyapıdaki bağlayıcı faz miktarını arttırmıştır. Bu artış bağlayıcı faz içerisindeki tungsten çözünürlüğünü ve alaşımların akma dayanımı değerlerini yükseltmiştir. 
Taylor çarpma testlerinde, sinterleme sıcaklığının artışıyla süneklik değerlerinin arttığı ve parçacıkların kırılma davranışlarının çekme ayrışmasından, çekme ayrışması ve kesme kırılmasına değiştiği görülmüştür. Balistik testlerde çok bileşenli hedefler için en iyi balistik performans 1480 ºC'de sinterlenen 93W-4.67Ni-2.33Fe alaşımından elde edilmiştir. Sinterleme sıcaklığının ve parçacıklardaki plastik deformasyonun artışıyla tek bileşenli hedef üzerinde oluşan delik çapı ve sonucunda elde edilen hasar miktarı artmıştır.
Taylor çarpma testlerinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi çalışmalarında eleman boyunun küçülmesi ile numunelerde elde edilen kırılma davranışının daha gerçekçi modellendiği görülmüştür. SPH yöntemi ile çarpma sonrası elde edilen numune ölçülerinin sonlu elemanlar yöntemi ile elde edilene göre test sonuçlarına daha yakın olduğu sonucuna varılmıştır. Balistik testlerin modellenmesinde eleman boyunun hedefte ve parçacıkta oluşan deformasyonun modellenmesinde etkisi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Tungsten heavy alloys are widely used as kinetic penetrator material in ballistic applications due to their superior mechanical properties. Therefore, investigating the high strain rate behaviors, deformation types and the interaction with the target have importance in terms of design. In this thesis, deformation behavior and ballistic performance of tungsten heavy alloys at high strain rates were experimentally and numerically investigated. In the study, 93W-3.5Ni-3.5Fe, 93W-4.67Ni-2.33Fe and 93W-5.6Ni-1.4Fe alloys were pressed cold isostatically under 300 MPa and were sintered at 1460, 1480 and 1500ºC for 30 min. under  reducing and protective atmosphere. The mechanical properties of the alloys were determined with compression tests at 0.0003, 0.003, 0.03/s strain rates and with microhardness measurements. Microstructural parameters were obtained with the measurements of tungsten grain size, amount of binder phase and contiguity.
The deformation types of the samples and the interaction of these samples with the target were determined via Taylor impact and ballistic tests. These tests were performed by single stage gas gun. In Taylor impact tests, cylindirical (8 mm diameter, 24 mm length) tungsten heavy alloy samples were impacted to rigid steel target with velocities of 200, 225 and 250 m/s. In ballistic tests, cylindirical (8 mm diameter, 8 mm length) tungsten heavy alloy fragments were impacted to the 25 mm thick Al 6061-T6 target with appoximately 900 m/s and the interaction between the fragment and the target was investigated.
Taylor impact and ballistic tests were numerically modelled and the results were compared with the test results. Numerical studies were performed using Ls-Dyna software. Taylor impact tests were modelled with finite element method and SPH meshfree method. Ballistic tests were modelled with finite element method.
The increase in sintering temperature led to increase in the volume fraction of binder phase, tungsten grain coarsening and reduction in contiguity in the microstructures of the alloys. Grain coarsening decreased the yield strengths of the alloys. The increase in Ni/Fe ratio in the alloys enhanced the volume fraction of binder phase in the microstructure. This increase enhanced the solubility of tungsten in the binder phase and the yield strengths of the alloys.
In Taylor impact test, the increase in ductility with sintering temperature led to a change of the fracture behavior of fragments from tensile splitting to tensile splitting and shear fracture. The best perforation performance for multiple-component targets was obtained with 93W-4.67Ni-2.33Fe alloy sintered at 1480 °C. The increase in the sintering temperature and plastic deformation of the fragments enhanced the hole diameter and the damage on the single-component target.
In the numerical modeling of Taylor impact tests with finite element method, the fracture behaviors were simulated more realistically as the element size was decreased. The modelling of the final dimensions of the test samples with SPH meshfree method was more similar to the  test results than the finite element method. The element sizes in the ballistic test modelling have influence on simulating the damage at the fragment and the target.