Tabakalı metal kompozitlerin deformasyon ve şekillendirilebilme davranışlarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation on deformation and formability behavior of laminated metal composites
Yazar: DOĞAN ACAR
Danışman: PROF. DR. ÖMER NECATİ CORA
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışma kapsamında Ti ve Al metal folyoların ultrasonik eklemeli imalat yöntemiyle (UEİ) sıralı olarak birleştirilmesi ile üretilmiş Ti-Al tabakalı metal kompozit plakların (TMK) ve bu plakaların basınç etkisi altında ısıl işleme tabi tutulması sonucunda elde edilen metal intermetalik laminatların (MİL) iç yapı ve mekanik özellikleri yanı sıra şekillendirilme ve deformasyon davranışları kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Ti-Al TMK'ların akma dayanımı, çekme dayanımı ve süneklik gibi mekanik özellikler kompozit malzemelerin doğasına uygun olarak Ti ve Al alaşımlarının özelliklerinin ortalaması olarak elde edilmiştir. Al alaşımının mekanik özellikleri deformasyon hızından bağımsızlık sergilerken Ti-Al TMK'nın özelliklerinin deformasyon hızına bağlılığının Ti tabakalardan kaynaklı olduğu görülmüştür. Artan sıcaklık ile toplam uzama değerleri artarken şekillendirilme deneylerinde Ti şekillendirilebilirliği artan sıcaklık ile düşmüştür. Bu sebeple Ti-Al TMK'nın şekillendirilebilirliği Al katkısı artmış olsa da Ti etkisi artan şekillendirme sıcaklığının desteğine rağmen sınırlandırılmıştır. Basınç altındaki ısıl işlemler sonucunda Ti-Al TMK'nın tabakaları arasında TiAl3 intermetalik faz elde edilmiştir. Bu fazın sertlik değeri ısıl işlem sıcaklık ve sürelerinden bağımsız olduğu görülmüştür.  Ancak uygulanan sıcaklığın ve sürenin etkisi ile Ti ve Al tabakalar arasındaki TiAl3 fazın kalınlığı artmıştır. Ancak, gevrek doğası gereği fazın kalınlığı arttıkça MİL eğilme ve darbe direnci düşmüştür. Bu durum MİL plakaların delinme direncinin yine Ti-Al TMK'lardan düşük olması ile sonuçlanmıştır.  Ayrıca Ti-Al TMK plakaların sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak Ti-Al TMK plakaların sonlu elemanlar modellerinde kullanılmak üzere Johnson-Cook malzeme modeli katsayıları da belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the microstructure, and mechanical properties as well as the formability and deformation behavior of Ti-Al laminated metal composite plates (LMCs) produced by sequential consolidation of Ti and Al metal foils (127 µm) via ultrasonic additive manufacturing (UAM) and metal intermetallic laminates (MILs) obtained by heat treatment of these plates under compressive stress have been extensively investigated. The mechanical properties such as yield strength, tensile strength, and ductility of Ti-Al LMC plates were obtained as the average of the properties of Ti and Al alloys due to their composite nature. While the mechanical properties of Al are independent of the strain rate, the Ti layers are the reason for the strain rate dependence of the mechanical properties for Ti-Al LMCs. Although the total elongation increased with increasing temperature, the formability of Ti decreased with increasing forming temperature. Therefore, the presence of Ti layers limits the formability of Ti-AL LMCs despite the Al presence and increasing forming temperature. As a result of the heat treatment under pressure, the TiAl3 intermetallic phase was obtained between the layers of Ti-Al LMC. The hardness value of this phase was independent of the heat treatment temperature and duration. However, the thickness of the TiAl3 phase between the Ti and Al layers increased with the effect of the applied temperature and duration. Due to its brittle nature, a decrease in flexural and impact resistance is observed. This phenomenon also resulted in lower puncture resistance for MIL plates when compared to TMK ones. Finite element modelling of Ti-Al LMCs was also carried out. In addition, Johnson-Cook structural material model coefficients were determined to be used in numerical studies.