1045 çeliğinin mekanik özelliklerine bağlı olarak ortogonal kesme mekaniğinin deneysel olarak incelenmesi
Orthogonal cutting experimental examination of 1045 steel due to mechanical properties
Yazar: VEHBİ ÖZTEKİN
Danışman: PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Metal kesme = Metal cutting ; İki boyutlu kesme = Two dimensional cutting

Özet:
Bu tez kapsamında 1045 çeliğinin çekme davranışları ve kesme sırasındaki ve sonrasındaki davranışları inceleniştir. Malzeme tedarik edildiği halde (3 mm kalınlığında levha) ve normalizasyon ısıl işlemi uygulanmış haliyle çekme deneylerine ve tasarlanan ortagonal kesme modeline uygun düzenekle kesme deneylerine tabi tutulmuştur. Çekme deneyleriyle malzemenin her iki durumu için gerilme – genleme davranışları ortaya çıkarılmıştır. Gerilme – genleme davranışının yanısıra, akma, çekme ve kopma gerilmeleri, düzgün ve düzgün olmayan uzama miktarları ve Holloman denklemi katsayıları deneysel olarak tayin edilmitir. Malzemenin tedarik edildiği hali daha sünek olmakla beraber, normalize edilmiş halinin ise daha yüksek dayanıma sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, eşdeğer genleme, eşdeğer gerilme ve sertlik arasındaki ilişki ortaya çıkarılmıştır. Bu ilişki düzgün uzama bölgesi için σ=2,98×HV olarak tayin edilmiştir. Malzemenin deneysel olarak bulunan kopma dayanımının, Holloman denklemiyle tahmin edilen kopma dayanımından düşük olduğu görülmüştür. Plastik deformasyonla beraber oluşan boşluk oluşumu bu farkın birincil sebebi olarak gösterilebilir. Metal matristeki ortalama gerilme miktarıyla Holloman denklemiyle beklenen ortalama gerilme miktarları yakınlık göstermektedir. Sonuç olarak, boyun verme durumundan sonraki boşluk oluşumu pekleşme mekanizmasının etkisini azaltmaktadır.
Tezin kapsamında daha sonra Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) malzeme modeli parametreleri, malzemenin her iki durumu için de tayin edilmiştir. Malzemenin deforme olmamış ilk hali yüzeyleri ve çekme deneylerindeki kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Bu incelemelerle malzemenin öncelikle deforme olmamış halindeki boşluk hacim oranı tayin edilmiştir. Daha sonra kırılma yüzeylerinin incelenmesiyle beraber malzemenin birincil ve ikincil boşluk oluşumları incelenerek çekirdeklenen boşluk oranı tayin edilmiştir. Bu inceleme sırasında, kırılma yüzeyinde ikincil gamzeler olarak belirtilen en küçük boyuttaki boşlukların, malzemenin deforme olmamış halindeki boşluklarla çok yakın alanlara sahip oldukları gözlemlenmiştir. Yoğunluk ölçümleriyle beraber kritik boşluk hacim oranı ve kırılma boşluk hacim oranı deneysel olarak bulunmuştur. Ayrıca oluşan boşlukların normal dağılımı hesaplanmıştır. Sonuç olarak GTN modelinin 6 parametresi deneysel olarak belirlenmiştir. GTN modelinin tanıtılıp, sonlu elemanlar yöntemiyle (FEM) yapılan çekme deneyi simülasyonlarıyla bulunan parametreler doğrulanmıştır. Beklenildiği üzere daha sünek durumdaki malzeme halinin, daha çok boşluk oluşumuna sahip olduğu, normalize edilmiş halininse daha az boşluk oluşumuna sahip olduğu görülmüştür.
Sonuçlara göre, malzemenin her iki durumu için deneysel olarak elde edilen GTN modeli parametreleri, çekme deneylerinin modellenmesinde doğru sonuçlar elde etmek için kullanılabilmektedir.
Tez kapsamında daha sonra 1045 çeliğinin ısıl işlemlere bağlı olarak talaşlı kesme deneylerine tabi tutulmuştur. Talaşlı kesme deneyleri için ortagonal kesme modeline
xx
uygun olacak şekilde, kesme işleminin 2 boyutta olacağı deney düzeneği tasarlanmıştır. Deneyler elektrik sinyali modüle ediciyle, düşük birim genleme hızı elde etmek için kesme hızı düşürülen planya tezgahında yapılmıştır. Isı oluşumunu engellemek amacıyla da düşük kesme hızları amaçlanmış olup, yapılan sıcaklık ölçümlerinde bu durumun elde edildiği görülmüştür. Dinamometre ile kesme kuvvetleri ölçülmüş olunup, elde edilebilen düzgün şekildeki talaşlar muhafaza edilmiştir. Deney sonuçlarından analitik olarak, kayma genlemesi, sürtünme katsayısı, kesme ve sürtünme işi hesaplamaları yapılmıştır.
Hidrostatik gerilmelerin boşluk oluşumunu baskıladığı mekaniğin bilinen bir gerçeği olmakla beraber, kesme sırasında takım tarafından oluşturulan hidrostatik gerilmelerin bunun için yeterli olup olmadığının tayini için muhafaza edilen talaşların yoğunlukları ölçülmüştür. Ölçülen yoğunlukların değeri, kullanılan deney düzeneğinin hassasiyetinin yetmediğinden ötürü yüksek kesinlikte olmadığı söylenebilir. Bunun yanısıra, malzemenin her iki durumu için de talaşların boşluk hacim oranının kesme açısından etkilendiği ve kesme açısına bağımlı olduğu görülmüştür. Dahası, malzemenin tedarik edildiği halinin boşluk hacim oranının kesme açısına daha çok bağlı olduğu görülmüştür.
Ortagonal kesme deneyleri de sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiştir. Modellerde deneyslerdeki sürtünme katsayıları, takım hızları ve takımlar kullanılmıştır. Modellemeler GTN modeliyle yapılamayıp, yüksek genleme hızları içeren durumlara daha uygun olan Johnson-Cook malzeme ve kırılma modelleri kullanılmıştır. Model çıktılşarından olan kesme ve normal kuvvetleri, kayma bölgesi genlemeleri deneysel ve analitik sonuçlarla kıyaslanmış olup yakın değerlerde olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Machining is one of the most used operations in the manufacturing industry due to superior and unique properties. Almost all machine manufacturing process requires machining operations. Researchers study machining modeling for the purpose of reducing costs and increasing quality by increasing industrial competitiveness. Researches study machining with economic goals besides scientific curiosity. Machining shows differences like high strain rates, inhomogeneous temperature distributions to traditional solid mechanics problems. 1045 steel is examined in this study. The steel offers high strength and toughness properties at a low cost. The steel was examined in two conditions: as received (3 mm plate) and normalized. Mechanical properties are determined as the first step of examinations by tensile tests. Then, machining experiments is applied. After that, density measurements are done to determine void volume fractions. Finite elements models (FEM) are designed for both tensile tests and machining experiments. Then, FEM results are compared to experimental and analytical results. Finally, mechanical properties and machining behavior of 1045 steel in 2 conditions are studies based on void based fracture mechanics.
As a start, 1045 steel is examined in two conditions, as received and normalized form. Mechanical tests are applied for both conditions of the material. Tensile tests and hardness measurements are performed for mechanical properties determinations. Material behavior is examined in both homogeneous and inhomogeneous elongation zones for both material conditions. Yield strength, tensile strength, rupture strength is determined experimentally. Strength coefficients, the strain-hardening exponent, is determined due to experimental data. The relationship between strength, strain, and hardness is examined both before and after the necking. The relationship between strength and hardness is determined σ=2,98×HV, which is close to theoretical ratio value 3. Also, it is shown that the assumption is valid for the homogenous elongation part.
Moreover, there are disperancies seen between experimental results and Holloman equation like; necking strain is not equal to strain hardening coefficient; the strain is smaller than the coefficient. The difference can be explained by void comprising inside the material as a result of increasing strain. Density measurements are performed for sections of tensile test specimens to detect void occurrence inside the material due to increasing strain. Average metal matrix stress is calculated by using void volume fractions. The average stress conforms Holloman equation values. The result, the difference between experimental rupture stress and calculated rupture stress can be used to estimate void volume fraction.
Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) material model is frequently used fracture mechanics of ductile materials. Generally, GTN model parameters could be determined methods based on trial and error, numerical methods in the literature
xxii
review. In this thesis, the GTN model parameters is determined by experimental methods. GTN material model consists of 9 parameters. Three of the parameters could be found in literature, and the parameters valid for general. 6 parameter variance due to material which is determined experimentally. The first, tensile tests are performed to 1045 steel in both conditions. Then, tensile test specimens are cut in sections. Non-deformed and fracture zones of tensile specimens are examined in scanning electron microscopy (SEM). Initial void volume fractions and final void volume fractions are determined due to SEM images by image processing. Also, the nucleated void volume fraction is calculated due to SEM images. The average of smallest voids areas at fracture surface is calculated, then the value using nucleated void volume fraction. The voids is acknowledged as the root of primary voids. The smallest voids in fracture images have close areas initial voids. This fact indicates validation of the assumption. 1045 steel shows ductile fracture under primary and secondary void effects. Ductile fracture consists of 4 steps. The first step, existence void growth, and new void nucleation. The next step, void growth. Void coalesce occurs at a critical strain. Voids coalesce results necking. The final step, rupture occurs as a result of voids.
Density measurements show that void volume fraction exponentially increases due to equivalent strain, but void increasing rate shows differences due to material conditions. 6 of 9 GTN model parameters is determined experimentally for both material conditions. A finite element model (FEM) is designed for tensile test simulation to the validation of the parameters. Elastic properties like Young modulus and Poisson ratio is taken from literature. Plastic behavior of the material is taken from tensile test results. GTN material model parameters are added to model data. Experimentally stress-strain curves are compared with FEM based stress-strain curves. In addition, experimentally- measured void volume fractions of necked sections are compared to FEM based void volume fractions of the sections. All comparisons have similarities. At the final, GTN model parameters are verified by FEM simulations.
Machining experiments are designed for this thesis. Orthogonal cutting model-based experiment setup is designed. Two goals are desired for the experiment setup. The first goal is for the experimental setup to be suitable for 2D cutting; the other goal is low tool velocities, which is the reason for low strain rates. A planning machine is used for cutting experiments. An A/C signal modulator is connected to the machine motor to reduce tool velocity for low strain rates. Specimens have 0.8 thicknesses in the width direction, which is low than 10 mm tool width. In the end, the setup provides its goals. Before the cutting force measurements, temperature measurements are done for one experiment condition with the most heat occurrence theoretically. There is no significant temperature increasing at the experiment. Then cutting experiments are performed for both material conditions with three different cutting angles and three different depth of cut. Depth of cut values are same for both material conditions. On the other hand, tool angle values are not same because of the manufacturing process. Cutting forces and normal forces are measured by a 4-axis dynamometer.
Fine chips are stored for density and thickness measurements. Shear strain, friction coefficient, cutting work, and friction work are calculated for both cutting conditions, analytically. Then, the experiments are modeled in commercial FEM software. Friction coefficient, tool velocities, and tools are modeled due to experimental data and setup. The firstly, a cutting model is designed with the GTN model, but the models can not be solved. Then, Johnson-Cook, which is more suitable for high strain rate operations, material, and damage models, are used in the FEM model. Model data are taken from literature. Experimentally cutting and normal forces, shear strains compared to FEM based ones. The results are close to each other.
xxiii
Hydrostatic pressure increases ductility as suppress void growth. Chips densities are measured to investigate this assumption. Chips density values do not have high accuracy because of the experimental setup. On the other hand, there are relationship exists between volume void fraction and tool angle. Ductile form of material (as received) shows a higher tendency to tool angle for void volume fracture.
1045 steel is a highly used material in different areas of industries. In this study, unknown material model parameters are brought to literature. The parameters provide researchers/engineers more accuracy in modeling. Also, the nucleated volume fraction value determination method can be used for different steel types. Moreover, tools angles and void volume fractions relationship is shown. To shortly, this thesis shows GTN model determination for structural steel and relationship in machining as outcomes. The outcomes will be used by researchers or engineers in research.