Salınımlı şekillendirmede malzeme davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of material behaviour in pulsating forming
Yazar: HABİP GÖKAY KORKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MEVLÜT TÜRKÖZ ; PROF. DR. SERKAN TOROS
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora tezinde sınırlı şekillenme kabiliyetine sahip olan Ti 6Al 4V titanyum alaşımının oda sıcaklığında şekillendirilebilirliğini artırmak için salınımlı şekillendirme prosesi üzerine deneysel ve sayısal araştırmalar yapılmıştır. Salınımlı şekillendirme işlemleri, sistem alt yapısında değişiklik yapmaya ihtiyaç duyulmadan, malzemelerin gerilme seviyesinin azaltılıp tekrar artırılmasını sağlayacak şekilde yükleme yapılmasıyla uygulanmaktadır. Bu yönüyle uygulaması düşük maliyetli bir çözüm olan salınımlı şekillendirme işlemleriyle farklı malzemelerin şekillendirilme kabiliyetindeki artışın incelendiği çalışmalar literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada literatürden farklı olarak havacılık ve uzay sanayinde yaygın olarak kullanılan Ti-6Al-4V titanyum alaşımının farklı salınımlı yükleme şartlarında plastik deformasyon davranışı çekme deneyleri ile incelenmiştir.  Salınımlı çekme deneyleri yük boşaltma ve gerilme gevşemesi olmak üzere iki farklı yöntem ve 0,5 mm ve 2,65 mm olmak üzere iki farklı kalınlıktaki malzeme için gerçekleştirilmiştir. Sonuçta malzemenin yüzde uzamasında %50'ye varan oranda artışın mümkün olduğu bulunmuştur. 
Salınımlı şekillendirme yönteminin malzemenin şekillendirilebilme kabiliyetini artırmasının arkasında yatan mikroyapısal sebeplerin belirlenmesi için XRD analizleri ile dislokasyon yoğunlukları hesaplanmış ve SEM analizleri ile de malzemelerin kırılma yüzeyleri incelenmiştir.  Salınımlı şekillendirme proseslerinin genelleştirilebilmesi için öncelikle Yoshida Uemori pekleşme modeli ile Sonlu Elemanlar Analizleri (SEA) gerçekleştirilmiştir. Ancak bu modelin gerilme gevşemesini ve buna bağlı olarak şekillendirilebilirlik artışını tahmin etme yeteneği olmadığı için tezin bir diğer özgün yönünü oluşturan, malzemenin salınımlı şekillendirme davranışını ve şekillendirilebilirlik artışını tahmin edebilen yeni bir SEA modeli geliştirilmiştir. Bu kapsamda dislokasyon tabanlı Bergström pekleşme modelinde ve hasar noktasını tahmin eden Gurson Tvergaard Needleman hasar kriterinde modifikasyonlar yapılmıştır. Önerilen model kullanılarak yapılan SEA sonuçları salınımlı hidro şekillendirme deneylerinin sonuçları ile kıyaslanarak simülasyonların tahmin başarısı yaklaşık %92 olarak belirlenmiştir. 
Salınımlı şekillenme sırasında Ti-6Al-4V malzemenin içyapısında meydana gelen değişiklikler iki boyutlu gerçek mikroyapı ve üç boyutlu sentetik mikroyapı sonlu elemanlar analizleri yapılarak da tespit edilmiştir. Buna göre mikroyapıda meydana gelen deformasyonla birlikte her bir faz ve taneler için ortaya çıkan deformasyon oranları, gerilme dağılımları ve dislokasyon yoğunluğu dağılımları tespit edilebilmiştir.

Abstract:
In this dissertation, experimental and numerical investigations were performed on the pulsating forming process to increase the formability of Ti-6Al-4V titanium alloy, which has limited formability at room temperature. Pulsating forming processes are applied by loading the materials so that the stress level of the materials is reduced and increased again without the need to change the system infrastructure. In this respect, studies in the literature investigate the increase in the forming ability of different materials with pulsating forming processes, which is a low-cost solution. In this study, unlike the literature, the plastic deformation behavior of Ti-6Al-4V titanium alloy, which is widely used in the aerospace industry, under different pulsating loading conditions was investigated by tensile tests.  Pulsating tensile tests were carried out for two different methods, loading-unloading and stress relaxation, and for two different thicknesses of 0.5 mm and 2.65 mm. As a result, it was found that an increase of up to 50% in the maximum elongation of the material was possible. 
To determine the microstructural reasons behind the pulsating forming process increasing the material's formability, the dislocation densities were calculated by XRD analysis, and the fracture surfaces of the materials were examined by SEM analysis. To generalize the pulsating forming processes, Finite Element Analysis (FEA) was first performed with the Yoshida Uemori material model. However, since this model cannot predict stress relaxation and consequently formability increase, an FEA model that can predict the pulsating forming behavior and formability increase of the material, which constitutes another unique aspect of the thesis, has been developed. In this context, modifications were made to the dislocation-based Bergström material model and the Gurson Tvergaard Needleman damage criterion that predicts the damage point. The FEA results using the proposed model were compared with the results of pulsating hydroforming experiments and the prediction success of the simulations was determined to be approximately 92%. 
The changes in the microstructure of Ti-6Al-4V material during pulsating forming were also determined by finite element analysis of two-dimensional real microstructure and three-dimensional synthetic microstructure. Accordingly, the deformation ratios, stress distributions and dislocation density distributions for each phase and grain along with the deformation occurring in the microstructure could be determined.