Farklı tanecik boyutu ve takviye oranlarına sahip B4C takviyeli alüminyum kompozit çubukların titreşimlerinin incelenmesi
Investigation of vibrations of B4C reinforced aluminum composite bars with different grain sizes and reinforcement ratios
Yazar: MUHAMMET EMİN TECİMEN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN ARSLAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Brinell sertliği = Brinell hardness ; Doğal titreşim = Natural vibration ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Serbest titreşim analizi = Free vibration analysis ; Yüzey aşınması = Surface wear

Özet:
Alüminyum kompozit malzemeleri, alüminyumun hafiflik, sağlamlık, işlenebilme yeteneği ve yüksek korozyon direnci gibi özellikleri nedeniyle günümüzde yaygın olarak havacılık ve savunma sanayi gibi birçok endüstride kullanılmaktadır. Bu çalışmada takviye malzemesi olarak büyük çoğunluğunun ülkemizde bulunması ve üstün özellikleri sayesinde birçok alanda kullanımı olan bor karbür malzeme kullanılmıştır. Bu kapsamda, Al 7075/B4C kompozitlerde B4C tanecik boyutu ve takviye oranının malzemenin sertlik, iç yapı, aşınma ve doğal frekansa olan etkisini incelemek amacıyla karıştırmalı döküm yöntemi kullanılarak 10 farklı silindirik ve çubuk kompozit numuneler üretilmiştir. Döküm işlemi sürecinde, alüminyum matris malzemesi pota içerisinde 750-800 °C'de eritilmiş ve sonrasında tavlanan B4C partikülleri pota içerisine alınarak homojen hale gelene kadar karıştırılıp, hazırlanan toplam 10 adet silindirik ve 10 adet prizmatik (çubuk) numune kalıplara dökülmüştür. Sertlik aşınma ve iç yapı incelemesi için hazırlanan silindirik numuneler torna tezgahında yüzey düzeltme işlemlerinden, serbest titreşim incelemesi için hazırlanan prizmatik çubuk numuneler ise freze tezgahında yüzey düzeltme işlemlerinden geçirilmiştir. B4C partiküllerinin homojen dağılımını incelemek için Hitachi SU500 Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskopu, Brinell sertlik değerlerini bulmak için Prüftechnik KB 750 marka sertlik ölçüm cihazı ve aşınma değerleri için aşınma test sistemi kullanılmıştır. Çubuk numunelerin doğal frekansları ve sönüm oranlarını bulmak için ise titreşim ölçüm sistemi kullanılmıştır.
Yapılan sertlik deneyleri sonucunda en yüksek sertlik değerinin 100 µm tanecik boyutlu ve %4 bor karbür takviyeli alüminyum kompozit olduğu gözlemlenirken abrasif aşınma deneylerinde ise en düşük aşınma değerleri yine %2 B4C takviyeli numunelerden elde edilmiştir. Üretilen kompozit numunelerin aşınmasında en önemli faktörlerin ilk sırada B4C takviye miktarı, daha sonra da partikül boyutu olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan titreşim testlerinde, önce sönüm oranları incelenmiş olup, bor karbür yüzdesel oranının artmasıyla sönüm oranının azaldığı gözlemlenmiştir. Aynı zamanda bor karbür tanecik boyutunun değişmesinin de sönüm oranı üzerinde etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Titreşim değerlerine bakıldığında, en az sönüm oranı %4 150 µm tanecik boyutlu Alüminyum kompozit malzemede görülürken, en yüksek sönüm oranının beklenildiği üzere Al7075 malzemesinde olduğu gözlemlenmiştir. Doğal frekanslara bakıldığında, bor karbür yüzdelik oranı arttıkça doğal frekansın arttığı görülmüş ve aynı zamanda bor karbür tanecik boyutunun doğal frekansı etkilediği de gözlemlenmiştir. En yüksek doğal frekansın, en yüksek sertliğe sahip olan %4 100 µm tanecik boyutlu Al7075 kompozit malzemesinde görüldüğü ve en düşük doğal frekansında Al7075 malzemesinde olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Due to their properties such as light weight, strength, machinability, and high corrosion resistance, aluminum composite materials are widely used in various industries today, including aerospace and defense. In this study, boron carbide material, which is mostly available in our country and used in many areas due to its superior properties, was used as reinforcement material. In this context, 10 different cylindrical and rod composite samples were produced using the stirred casting method to examine the effect of B4C grain size and reinforcement ratio on the hardness, internal structure, wear, and natural frequency of the material in Al 7075/B4C composites. The aluminum matrix material was melted in a crucible at 750-800 °C during the casting process. Then, the annealed B4C particles were mixed into the crucible until they became homogeneous, and 10 cylindrical and 10 prismatic (rod) samples were poured into molds. The cylindrical samples prepared for hardness, wear, and internal structure examination were subjected to surface correction processes on the lathe, and the prismatic rod samples prepared for free vibration examination were subjected to surface correction processes on the milling machine. Hitachi SU500 Field Emission Scanning Electron Microscope was used to examine the homogeneous distribution of B4C particles, and Prüftechnik KB 750 brand hardness measuring device was used to find Brinell hardness values, and abrasion test system was used for abrasion values. A vibration measurement system was used to find natural frequencies and damping ratios of bar samples.
As a result of the hardness tests, it was observed that the highest hardness value was 100 µm grain size and 4% boron carbide reinforced aluminum composite, while the lowest wear values in abrasive wear tests were obtained from 2% B4C reinforced samples. It was concluded that the most important factors in the wear of the produced composite samples was the amount of B4C reinforcement first, followed by the particle size. In the vibration tests, the damping rates were examined, and it was observed that the damping rate decreased with the increase in the boron carbide percentage rate. It was also observed that the change in the boron carbide grain size also had an effect on the damping rate. When the vibration values were examined, the lowest damping rate was seen in the 4% 150 µm grain size aluminum composite material, while the highest damping rate was observed in the Al7075 material as expected. When the natural frequencies were examined, it was seen that the natural frequency increased as the boron carbide percentage rate increased. It was also observed that the boron carbide grain size affected the natural frequency. It was observed that the highest natural frequency was seen in the 4% 100 µm grain size Al7075 composite material, which has the highest hardness, and the lowest natural frequency was seen in the Al7075 material.