Seramiklerin pyroplastik davranışının modellenmesi
Modeling of the pyroplastic behavior of ceramics
Yazar: ULUĞ KERİM YÜCEL
Danışman: PROF. DR. HASAN YILDIZ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Plastik deformasyon = Plastic deformation ; Seramikler = Ceramics ; Sinterleme = Sintering ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sürünme = Creep

Özet:
Bu tez çalışması, sinterleme sırasında seramiklerin deformasyonunun modellenmesi için bir metodoloji önermeyi amaçlamaktadır. Bu metodoloji, seramiklerin yoğunlaşma esnasındaki phyroplastik davranışının deneysel analizini, fenomenolojik bir bünye modeli geliştirilmesini ve malzeme parametrelerinin tanımlamasını içerir.
İleri seramik ve kopozitlerin üretiminde sinterleşme esnasında ortaya çıkan yoğunlaşmanın kontrol edilmesi gerekir. Pratik deneyime dayalı tasarım yönelimli sinterleme modeli önemli zorluklar içerir. Bu tür modellemede sinterleşme sonrası oluşacak deformasyonun önceden tahmin edilip buna göre modelleme yapılması gerekir. Sinterlemeden sonra istenen formu elde etmek, genellikle deneme yanılma ile gerçekleştirilir. Mevcutta uygulanan bu yöntem masraflı, zaman alan bir deneme yanılma sürecidir. Yeni bir yaklaşım olarak problemin çözümünde bilgisayar modelleri kullanmak, tasarım ve üretim süreçlerini bu modellerin sonuçlarına göre tasarlamak, zaman ve maliyet açısından avantaj sağlar.   
Sinterlemeyi simüle eden en uygun bünye modeli Skorohod - Olevsky vizkoz sinterleme modelidir. Skorohod - Olevsky modeli Skorohod'un reolojik tabanlı sinterleme modelinin Olevsky tarafından geliştirilmesi ile ortaya çıkmıştır. Model, sinterleşme etkisi altında olan viskoz gözenekli yapıların, "power-law" sürünme veya plastik akışa maruz yapılarının incelenmesi için uygundur. Skorohod - Olevsky modeli, sürekli ortamlar mekaniğini, sinterleşme esnasında ortaya çıkan plastik deformasyonların tespiti için kullanır. Bir başka değişle, Laplace basıncı ile yaklaşık olarak ortaya çıkan sinterleme stresine karşılık oluşan birim şekil değiştirmeleri öngörür. Skorohod - Olevsky modelinde gözenekli yapı, gözenek (pore) ve gözenekleri bir arada tutan iskelet (solid) olmak üzere iki fazlı bir yapıdan oluşur ve gözeneklerin izotropik olarak dağıldığı varsayılır. Bu konsept aynı zamanda hacim veya tane sınırı difüzyonu etkisi altındaki sinterleşmelerin açıklanmasında da kullanılabilir. Sinterleşmenin sonucunda, döküm sürecinde yapıda oluşan gözenekler (pore) kapanarak bünyede boyutsal ve hacimsel küçülmelere neden olur. Bünyelerindeki sıvı fazın artması ve viskozitenin düşmesi sonucu da yapılar kendi ağırlıkları altında kalıcı sürünme deformasyonlarına uğrarlar. Çalışmanın amacı seramiklerin üretimleri esnasında geçirdikleri sinterleşme sürecinde uğradıkları hacimsel küçülme ve kendi ağırlıkları altında uğradıkları kalıcı sürünme deformasyon davranışını sayısal yöntemler kullanarak simüle etmektir.   
Yapılan çalışmada, sürekli ortamlar mekaniği temeline dayalı Skorohod - Olevsky viskoz sinterleme modeli sonlu elemanlar yöntemine uyarlanmış ve [3〖Al〗_2 O_3.2SiO_2 ] müllit seramik yapının sinterlenmesi modellenmiştir. FEM kullanılarak yapılan simülasyon sonucunda elde edilen, yoğunluk, bulk viscosity, küçülme değerleri ve yer değiştirmeler deneysel çalışmanın sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Elde elden sonuçlar; seramik yapıların üretimleri esnasında uğradıkları hacimsel küçülme ve kalıcı deformasyonların sayısal yöntemler kullanılarak simüle edilmesinin mümkün olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to propose a methodology for modeling the deformation of ceramics during sintering. This methodology includes the experimental analysis of the phyroplastic behavior of ceramics during densification, the development of a phenomenological body model, and the description of material parameters.
In the production of advanced ceramics and composites, the densification that occurs during sintering must be controlled. The design-oriented sintering model based on practical experience presents significant challenges. In this type of modeling, the deformation that will occur after sintering should be predicted and modeled accordingly. Obtaining the desired form after sintering is usually accomplished by trial and error. This currently applied method is a costly, time-consuming trial and error process. As a new approach, using computer models to solve the problem and designing the design and production processes according to the results of these models provides advantages in terms of time and cost.
The most suitable body model simulating sintering is the Skorohod-Olevsky viscous sintering model. The Skorohod-Olevsky model emerged with the development of Skorohod's rheologically based sintering model by Olevsky. The model is suitable for examining viscous porous structures under the effect of sintering, structures subject to power-law creep or plastic flow. The Skorohod-Olevsky model uses continuum mechanics to detect plastic deformations that occur during sintering. In other words, it predicts the unit strains that occur in response to the sintering stress that occurs approximately with the Laplace pressure. In the Skorohod-Olevsky model, the porous structure consists of a two-phase structure, a pore and a solid that holds the pores together, and the pores are assumed to be isotropically distributed. This concept can also be used to explain sintering under the influence of volume or grain boundary diffusion. As a result of sintering, the pores formed in the structure during the casting process are closed, causing dimensional and volumetric reductions in the body. As a result of the increase in the liquid phase and the decrease in viscosity, the structures undergo permanent creep deformations under their own weight. The aim of the study is to simulate the volumetric shrinkage that ceramics undergo during the sintering process during their production and the permanent creep deformation behavior that they undergo under their own weight by using numerical methods.   
In the study, the Skorohod-Olevsky viscous sintering model based on continuum mechanics was adapted to the finite element method and the sintering of [3〖Al〗_2 O_3.2SiO_2 ] mullite ceramic structure was modeled. Density, bulk viscosity, shrinkage values and displacements obtained as a result of simulation using FEM were compared with the results of the experimental study. Hands-on results; showed that it is possible to simulate the volumetric shrinkage and permanent deformations that ceramic structures undergo during their production by using numerical methods.