Sünek alüminyum plakalarda çatlak ilerleme mekanizmalarının nümerik ve deneysel metotlarla incelenmesi
Investigation of crack propagation mechanisms in ductile aluminum plates by numerical and experimental methods
Yazar: ŞAHİN ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN TEKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sünek metal plakaların yırtılması esnasında çatlaklar dört farklı şekilde ilerler: i-) eğik (slanted) çatlak, ii-) bardak-kapaksı (cup-cone) çatlak, iii-) bardak-bardaksı (cup-cup) çatlak ve iv-) bu üçünün karışımı. Çatlak ilerleme mekanizması, plakanın geometrisine, malzeme özelliklerine ve yükleme koşullarına göre değişmektedir. Literatürdeki birçok deneysel çalışma, plaka malzemesinin pekleşme kapasitesinin çatlak ilerleme mekanizmasında etkili olduğunu ortaya konmuştur. Yüksek pekleşme kapasitesine sahip metallerde çatlak ilerlemesinden önce oldukça yoğun çatlak ucu boyun vermesi gerçekleşmektedir. Boyun verme bölgesinin merkezindeki gerilme üç eksenliliği, plakanın yan yüzeylerindekine kıyasla oldukça yüksek değerlere ulaşmakta, dolayısıyla çatlak plakanın merkezinde oluşup, bardak-bardaksı olarak ilerlemektedir. Düşük pekleşme kapasitesine sahip metallerde ise, çatlak ucundaki boyun verme düşük düzeylerde kalmakta, plastik deformasyon kesme kuşaklarında yoğunlaşmakta ve çatlak eğik veya bardak-kapaksı olarak ilerlemektedir. Deney sonuçları ayrıca, düşük yükleme hızlarında (sanki-statik) bardak-bardaksı ilerlemenin, yüksek hızlarda ise eğik veya bardak-kapaksı ilerlemenin daha etkin bir mekanizma olduğunu ortaya koymuştur. Mevcut literatür, daha ziyade plakaların mekanik/geometrik özellikleri üzerine yoğunlaşmıştır; mikroyapı ile çatlak morfolojisi ilişkisi henüz net bir şekilde ortaya konamamıştır. 

Bu tezin temel amacı, mikroyapının çatlak ilerleme mekanizmasına etkilerini ayrıntılı olarak araştırmaktır. Sünek metal ve metal alaşımlarında çatlaklar, temel olarak, büyüklükleri µm mertebesinde olan ikinci faz parçacıklar tarafından peydahlanan boşlukların büyümesi ve birleşmesiyle ilerler. Tezin ana hipotezi, bu parçacıkların/boşlukların alan oranlarının, ortalama büyüklüğünün, en-boy oranının ve uzaysal dağılımlarının çatlak ilerleme mekanizmasını etkileyeceğidir. Bu hipotezi test etmek amacıyla, hem nümerik hem deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar hipotezi doğrulamış, elde edilen sonuçlar, ufak, dairesele yakın ve birbirine uzak parçacıkların bardak-bardaksı, büyük, ince uzun ve birbirine yakın parçacıkların ise eğik veya bardak-kapaksı çatlak ilerlemesine yol açtığını göstermiştir. Ayrıca yapılan nümerik çalışmalar, parçacıkları temsil eden eliptik boşluk peydahlanma bölgelerinin oryantasyonunun, aralarındaki etkileşimi ve kırılma oluşum bölgesi içerisindeki plastik deformasyonun gelişmini etkilediğini göstermiştir. Kalınlık boyunca parçacıklar arasındaki dik mesafenin azalmasına ve/veya parçacıkların bir kesme bandı üzerinde hizalanmasına izin veren oryantasyon açıları plastik deformasyonun ince bir bant üzerinde erken lokalizasyonunu desteklemektedir. Bu durum düşük plaka yırtılma enerjisi ve eğik/bardak-kapaksı kırılma tipi ile sonuçlanmaktadır. Parçacıklar arasındaki etkileşimleri zorlaştıran bir oryantasyon açısı ise plastik lokalizasyon geciktirerek yüksek plaka yırtılma enerjisine ve bardak-bardaksı kırılma tipine yol açmaktadır.

Abstract:
In ductile metal plate tearing, cracks propagate in four different ways: i-) slanted, ii-) cup-cone, iii-) cup-cup, and iv-) a combination of these three. The crack propagation mechanism depends on the geometry and the material properties of the plate, as well as on the loading conditions. Several experimental studies in the literature reveal that strain hardening capacity affects the crack propagation mechanism. In high strain hardening capacity metals, a severe necking occurs at the crack tip before crack starts to propagate. The stress triaxiality reaches to considerably larger values in the center of the necking zone in comparison to that on the side faces of the plate, and therefore the crack initiates in the center and propagates in a cup-cup morphology. For low strain hardening capacity metals, on the other hand, the necking at the crack tip remains at low levels, plastic deformation localizes at shear bands and the crack propagates in either slanted or cup-cone morphology. Experimental results also show that the dominant crack propagation mechanism is cup-cup at low (quasi-static) loading rates, while it is slanted or cup-cone at high loading rates. The current literature focuses mainly on the mechanical/geometric properties of the plates; microstructure–crack morphology relationship is not yet fully clarified.

This thesis aims to investigate the effects of microstructure on the crack propagation mechanism in detail. In ductile metals and metal alloys, cracks propagate predominantly by the growth and coalescence of voids nucleated by second phase particles whose size is in the order of micrometer. The fundamental hypothesis of this thesis is that, the volume fraction, the average size, the aspect ratio and spatial distribution of these particles/voids would affect crack propagation. In order to test this hypothesis, both numerical and experimental studies are performed. These studies verified the hypothesis, and the results showed that small, low aspect ratio and remotely distributed particles lead to cup-cup crack propagation, while large, elongated, and closely spaced particles favor slanted or cup-cone crack propagation. In addition, numerical calculations reveal that the orientation of elliptical nucleation sites, acting as particles, affects interactions between them and, therefore, the plastic deformation evolution in the fracture process zone. An orientation angle that allows smaller perpendicular distances between particles through the plate thickness or/and aligns particles on a shear band, promotes early localization of plastic deformation on a thin band. Consequently, this leads to a low level of plate tearing energy and, slanted or cup-cone crack propagation. In the case of an orientation angle that demotes interactions between particles, plastic localization is delayed leading to cup-cup crack propagation and a high level of plate tearing energy.