Yüksek performanslı nano taneli bakır ve bakır alaşımlarının yüksek basınç altında burma prosesiyle geliştirilmesi
Improvement of high performance nano-grained copper and copper alloys under high pressure torsion
Yazar: HASAN KÖKLÜ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yüksek performanslı bakır malzemelerin günümüzde en yaygın kullanım yerlerinden birisi otomobillerde güç iletiminde kullanılan dişi ve erkek kondüktör terminallerdir. İyi bir uzun ömürlülük ve iletkenlik ilişkisi dolayısıyla yüksek mekanik mukavemet ve iyi iletkenlik aranır. Son yıllarda "Aşırı Plastik Deformasyon (APD)" yöntemleri, bulk malzemelerde olağan dışı mekanik, fiziksel ve elektrokimyasal özelliklerin geliştirebilme kabiliyetinin olmasından dolayı araştırmacıların ilgisini çekmektedir. APD yöntemleriyle "ultra ince taneli (UİT) (<500 nm)" ve/veya "nano taneli (NT) (<100 nm)" malzemeler elde edilebilmektedir. Yüksek Basınç altında Burma (YBB) prosesi en yaygın kullanılan APD proseslerinden birisidir. 
Bu çalışmada çeşitli rotasyon sayılarında YBB işlemi uygulanmış bazı Cu-Sn ve Cu-Mg alaşımları sistematik olarak çalışılmıştır. Bu çalışmada yüksek performansta mekanik davranış (sertlik, çekme mukavemeti), iyileştirilmiş tribolojik özellikler (yüksek aşınma direnci) ve istenen seviyede elektriksel iletkenliğe sahip UİT/NT Cu-Sn ve Cu-Mg alaşımlarının üretilmesi, mikroyapı, mekanik, tribolojik ve elektriksel özelliklerinin karakterizasyonu yapılmıştır. 
Cu-Sn ve Cu-Mg numunelerinde mikroyapı testleri olarak SEM-EBSD, XRD ve XLPA analizleri yapılmıştır. YBB prosesi sonucu Cu-Sn ve Cu-Mg numunesinin KYM olan kafes yapısında herhangi bir değişim meydana gelmez iken numune mikroyapısında tane incelmesi meydana gelmiştir. YBB prosesinin uygulanmasıyla tane boyutu düşmüştür. YBB prosesinin uygulanması ile 55 nm tanecik boyutuna sahip NT mikroyapılar elde edilmiştir. Cu-MgHPTN10 numunesinde tane kabaşlaması meydana gelmiştir. 
Cu-Sn ve Cu-Mg numunelerine mekanik özellik testi olarak Vickers Mikro-sertlik, Çekme, Elektriksel Özellik ve Aşınma testleri uygulanmıştır. YBB prosesi sonucunda Cu-Sn ve Cu-Mg numunelerinin sertlik değerleri yaklaşık 3 katına çıkmıştır. Aynı zamanda rotasyon sayısı arttıkça numunelerin sertlik değerleri artmıştır ve daha homojen sertlik dağılımı elde edilmiştir. Numunelerin merkezinden kenarlara doğru gidildikçe de sertlik değerleri artmıştır. 
Çekme testleri 1*10-3 mm/s test hızında oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. YBB prosesi sonucunda Cu-Sn ve Cu-Mg numunelerinin çekme dayanımları ve akma dayanımları artarken, %uzama değerleri azalmıştır. Ayrıca çekme testleri sonucunda sünek gerilme-gerinim grafikleri ve sünek karakterde kırılma yüzeyleri elde edilmiştir.  
Elektriksel özellik testleri için Standart 4 Probe Yöntemi ve Empedans Analiz Tekniği uygulanmıştır. YBB prosesi sonucu numunelerin elektriksel direnci artarken, elektriksel iletkenlik değerlerinin azaldığı görülmüştür. Buna karşın yüksek frekans değerlerinde başlangıç numunelerine yakın değerlerde elektriksel iletkenlik değerleri elde edilmiştir. 
Son olarak YBB uygulanmış Cu-Sn ve Cu-Mg numunelerine aşınma testi olarak Kuru Kayma Aşınması oda sıcaklığında alümina top yardımıyla yapılmıştır. Aşınma deneyleri sonucu oluşan Aşınma İzleri SEM yardımıyla incelenmiştir. Aşınma deneyleri sonucu olarak numunelerin aşınma dayanımları YBB prosesi ile birlikte artmıştır. Buna karşın sürtünme katsayısı değerlerinde YBB prosesi ile birlikte herhangi bir değişim meydana gelmemiştir. Elde edilen aşınma yüzeylerinin boyutu YBB prosesi ile birlikte azalmıştır ve abrazif karakterde aşınma yüzeyleri elde edilmiştir. 
Bu çalışma YBB prosesi ile olağanüstü mekanik özelliklere sahip ve aynı zamanda uygulamada kullanabilecek seviyede iyi elektrik özellikler sergileyen Cu-Sn ve Cu-Mg alaşımlarının üretimi ve karakterizasyonu için yapılmıştır.

Abstract:
High-performance copper usage in one of the most widely used in power transmission in automobiles female and male terminals are conductor. A good longevity-conductivity relation and consequently high mechanical strength and good conductivity are being sought.  In recent years, "Severe Plastic Deformation (SPD)" methods, because of the lack of ability to improve the unusual mechanical, physical and electrochemical properties in bulk material, has attracted the attention of researchers. Ultra-fine grained (UFG) (<500 nm) and nano-grained (NG) (<100 nm) material is obtained by SPD methods. High-pressure torsion (HPT) is one of the common used SPD methods. 
In this study, some seyreltik Cu-Sn and Cu-Mg alloys subjected to high pressure torsion (HPT) processing at various rotation numbers have been studied systematically.  In this study, the production, microstructure, mechanical, tribological and electrical properties of the UFG / NG Cu-Sn and Cu-Mg alloys that have high performance mechanical behavior (hardness, tensile strength), improved tribological properties (high abrasion resistance) and the desired level of electrical conductivity have been characterized. 
SEM-EBSD, XRD and XLPA analyzes were performed as microstructure tests for Cu-Sn and Cu-Mg samples. As a result of the HPT process, there was no change in the lattice structure of the Cu-Sn and Cu-Mg samples, whereas in the microstructure of the sample there was a grain refinement. The particle size decreased with the implementation of the YBB process. By applying the YBB process, NG microstructures with a particle size of 55 nm were obtained. In the Cu-MgHPTN10 sample, grain coarsening occurred.
Cu-Sn and Cu-Mg samples were subjected to Vickers Micro-hardness, Tensile, Electrical Properties and Abrasion tests as mechanical tests. As a result of the HPT process, the hardness values of Cu-Sn and Cu-Mg samples increased approximately three times. At the same time, as the number of rotations increased, the hardness values of the samples increased, and a more homogeneous hardness distribution was obtained. The hardness values of the samples were increased from the center to the edges of samples.
Tensile tests were carried out at a test speed of 1 * 10-3 mm / s at room temperature. The tensile strengths and yield strengths of Cu-Sn and Cu-Mg samples increased as a result of the HPT process, while the% elongation values decreased. In addition, as a result of tensile tests, ductile stress-strain graphs and ductile character fracture surfaces were obtained.
Standard Four Probe Method and Impedance Analysis Technique were applied for electrical properties tests. The electrical resistance of the samples increased while the electrical conductivity values decreased. In contrast, electrical conductivity values were obtained at values close to the initial samples at high frequency values.
Finally, Dry Sliding Tests were carried out with the help of alumina balls at room temperature as abrasion test for Cu-Sn and Cu-Mg samples. Wear tracks formed as a result of wear tests were examined with the help of SEM. Wear strengths of the samples increased as a result of the wear tests. On the other hand, there was no change in friction coefficient values with the HPT process. The size of the wear surfaces obtained decreased with the YBB process and abrasive surfaces were obtained.
This study was carried out for the production and characterization of Cu-Sn and Cu-Mg alloys having good exceptional mechanical properties and desired level of electrical properties.