Nanokristal Al-Si-Sb alaşımlarının enerji yaklaşımı ile mikromekanik karakterizasyonu
Micromechanical characterization of nanocrystalline Al-Si-Sb alloys by work of indentation approach
Yazar: FİKRET YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN UZUN
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Hızlı katılaştırma = Rapid solidification ; Mekanik özellikler = Mechanical properties

Özet:
Bu çalışmada, Al?ağ.%12Si?ağ.%XSb (X= 0,5 ve 1,0) alaşımlarını hazırlamak için, Al (%99,9), Si (%99,999) ve Sb (%99,999) saflıklı elementler kullanıldı. Alaşımlar üç farklı yöntemle üretildi; geleneksel kuma döküm, geleneksel metale döküm ve düzlemsel akışla döküm (DAD). Sb katkısı ve soğuma hızının mikroyapı, ısıl ve mekanik özellikler üzerine etkisi SEM, EDAX, XRD, DSC, OM, AFM ve DDÇ analizleri ile incelendi. Mikroyapı incelemeleri, hızlı katılaştırılmış şeritlerin geleneksel dökümle üretilen alaşımlarla karşılaştırıldığında, daha ince bir mikroyapıya sahip olduğunu ve birincil Si kristallerinin gözlenmediğini ortaya çıkardı. Ayrıca soğuma hızı arttıkça mikroyapının inceldiği ve mikroyapıdaki homojenliğin arttığı görüldü. %1,0 Sb katkılı numunelerde gözlenen kaba taneli mikroyapı, Sb'nin aşırı modifikasyon özelliğiyle açıklandı. EDAX ve XRD analizlerinde herhangi bir metaller arası bileşiğe rastlanmadı. Ayrıca XRD analizlerinde, soğuma hızı arttıkça Si'nin ?-Al ana fazı içerisindeki çözünürlüğünün büyük oranda arttığı görüldü. Hızlı katılaştırılmış alaşımların DSC eğrilerinde iki ekzotermik pik gözlendi. Birinci ve ikinci ekzotermik reaksiyonlar, sırasıyla silisyumun aşırı doymuş ?-Al fazdan çökelmesi ve silisyumun kümeleşmesi (kabalaşması) olarak açıklandı. Numunelerin mekanik özellikleri DDÇ cihazıyla incelendi. Çentik sertliği (H) ve indirgenmiş elastik modülü (Er) değerlerini hesaplamak için Oliver-Pharr metodu (OP) ve Enerji yaklaşımı kullanıldı. OP metodu kullanılarak hesaplanan H ve Er değerlerinin Enerji metoduyla hesaplanan değerlerden büyük olduğu görüldü. İki metot arasındaki bu fark, AFM analizlerinde çentik etrafında gözlenen yığılmalar ile açıklandı. Hesaplamalarda yığılma etkisinden kaynaklanan hataları azaltması bakımından, enerji yaklaşımın daha uygun bir yaklaşım olduğu önerildi. Diğer taraftan geleneksel döküm alaşımlarda H değerleri artan yükle değişmezken, hızlı katılaştırılmış alaşımlarda sertliğin artan yükle birlikte azaldığı gözlendi. Hızlı katılaştırılmış alaşımlarda gözlenen bu davranış, gerçek sertlik değerlerinin hesaplanması için Nix-Gao ve Korsunsky modeli kullanılarak analiz edildi. Sonuçlar Korsunsky modelinin bu davranışı açıklamada daha geçerli olduğu ve gözlenen bu davranışın çentik boyutu etkisinden kaynaklanmayıp, altlık etkisinden kaynaklandığını gösterdi. Buradan hesaplanan gerçek sertlik değerleri karşılaştırıldığında, numunelerin sertliğinin soğuma hızıyla birlikte arttığı görüldü. Bu artış katı çözelti sertleşmesi ve tane boyutu sertleşmesiyle açıklandı.

Abstract:
In this study, elemental Al (99.9% purity), Si (99.999% purity) and Sb (99.999 wt% purity) were used to prepare the alloys with nominal composition Al?12wt.%Si?Xwt.%Sb (X= 0.5 and 1.0). The alloys were solidified from the liquid state by using three methods: the conventional sand casting, conventional chill casting, and planar flow casting (PFC) process. The effect of antimony and cooling rate on the microstructural, termal and mechanical properties of the alloys were characterized by SEM, EDAX, XRD, DSC, OM, AFM, and DSI analysis. Microstructural observations revealed that the obtained structure of the melt-spun ribbons were quite fine compared to their convantional casting counterparts and any primary Si crystal was not observed. It was also observed that microstructural refinement and homogeneity increased with increasing cooling rate. In addition, rather coarser microstructure observed in %1.0 Sb added alloy can be clarified by over modification effect of Sb. Any intermetallic compound was not observed in the EDAX and XRD analysis. The XRD analysis also indicated that the solubility of Si in the ?-Al matrix was greatly increased with increasing cooling rate. Two exothermic peaks were observed in each DSC curves of as-rapidly solidified alloys. First and second exothermic reactions were explained as precipitation of the Si phase from the supersaturated ?-Al phase and coarsening of the Si phase, respectively. Mechanical properties of the samples were examined by DSI test equipment. For determining indentation hardness (H) and reduced elastic modulus (Er), the load-displacement (P-h) curves were analysed by two methods: Oliver-Pharr (OP) and Work of Indentation Approach (WIA). H and Er values calculated by using OP were quite higher than those of WIA due to the pile-up effect. AFM observation also confirmed the pile-up event at the edges of the imprints. It was found that for H and Er calculation WIA is more convenient method than the OP due to reduce the pile-up effect. The results showed that unlike conventional castings, the H values exhibited peak load dependency for melt-spun ribbons. This behavior were analysed to obtain true hardness by using Nix-Gao and Korsunsky model. The results indicated that Korsunsky model can explain this behavior successfully. True hardness values indicated that hardness of the samples increases with increasing cooling rate due to solid solution strengthening and grain size strengthening.