Metal matrisli kompozitlerin batma altında mekanik davranışlarına mikroyapının etkisi
The effect of microstructure on the mechanical behavior of metal matrix composites under indentation
Yazar: RECEP EKİCİ
Danışman: PROF. DR. M. KEMAL APALAK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Bu çalışmada, Al 1080/SiC partikül takviyeli metal matrisli kompozitlerin (PTMMK) farklı sonlu elemanlar modelleri (SEM) kullanılarak batma yüklemesi altında batma davranışları ve deformasyon mekanizmaları üzerine takviye partiküllerin boyutu, hacim oranı ve rasgele dağılımının yanı sıra iki farklı batıcı uç tipinin (küresel ve konik) etkileri incelenmiştir. Bu amaçla, ilk olarak Python programlama dilinde yazılan bir algoritma vasıtasıyla rasgele yerleşim düzenine göre bulundukları konumlara atanan kare şekilli takviye partiküllerden meydana gelen bir PTMMK SEM modeli oluşturulmuştur. Bu modelde, SiC seramik takviye partikülleri gerçek PTMMK yapısına benzer bir yapı elde etmek amacıyla, Al 1080 matris içerisine rasgele dağıtılmıştır. Bu modelin batma analizleri gerçekleştirildikten sonra, oluşturulan temel algoritmadan faydalanarak diğer iki model; batıcı uç altında içerisinde PTMMK dörtgen bir hücre gömülü olan kare geometrili PTMMK modelleri ve fonksiyonel olarak kademelendirilmiş PTMMK SEM modelleri oluşturulmuş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak, doğrudan mikroyapı esaslı PTMMK SEM modelleri oluşturularak analiz edilmiştir. Ayrıca, SEM analizleri ile karşılaştırma amacıyla deneysel çalışmalar da yapılmıştır. Deneysel ve nümerik batma derinliği sonuçlarının, eğilimler açısından uyum içerisinde olduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte, kare şekilli takviye partiküllerden oluşan PTMMK SEM modellerine kıyasla, mikroyapı esaslı PTMMK SEM modelleri ile deneysel batma derinliği sonuçlarına daha yakın değerler elde edilmiştir. Bütün PTMMK SEM modelleri ile gerçekleştirilen analizlerde, batma derinliğinin partikül boyutu artışı ile artmasına karşın, hacim oranı artışı ile düştüğü sonucu elde edilmiştir. Özellikle küçük partikül boyutlarına ve büyük hacim oranlarına sahip kompozit yapılarda deforme olmuş batma yüzey profilleri ve ortalama batma derinlikleri, rasgele partikül dağılımından etkilenmiştir.Anahtar Kelimeler: Partikül takviyeli metal-matrisli kompozitler; Batma davranışı; Sonlu elemanlar metodu; Rasgele partikül dağılımı; Toz metalurjisi.

Abstract:
In this study, the effects of size, volume fraction and random dispersion of reinforcement particles and two different indenter types (spherical and conical) on the indentation responses and deformation mechanisms of Al 1080/SiC particle reinforced metal matrix composites (PRMMCs) under the indentation loading were investigated using different finite element method (FEM) models. For this purpose, firstly, the FEM models of a PRMMC consisting of randomly distributed square-shape reinforcing particles were constituted by an algorithm written in Python programming language. In this model, the SiC ceramic particles were dispersed randomly through Al 1080 matrix in order to obtain a similar structure to a real particle reinforced composite structure. After carrying out indentation analyses of the model, using the same modeling algorithm, the other two FEM models; an embedded PRMMC quadrilateral cell into a PRMMC structure containing square-shape particles and functionally graded PRMMC SEM models were analysed, respectively. Lastly, the PRMMC FEM models, based on real PRMMC microstructures, were created and analyzed. Experimental studies were carried out on Al 1080/SiC PRMMC specimens and the results were also compared with FEM analyses. It was observed that experimental and numerical indentation depth results were in good agreement in respect to tendencies. However, the actual microstructure-based PRMMC FEM models predicted a closer indentation depths to experimental ones than the PRMMC FEM models consisting of square-shape reinforcing particles. According to the analysis results based on all PRMMC FEM models, it was observed that the indentation depth was decreased with increasing particle volume fraction, whereas the indentation depth increased with increasing the particle size. In the composite structures with small particle sizes and large volume fractions, the deformed indentation surface profiles and the indentation depths were affected by the random particle distribution.Keywords: Particle reinforced metal-matrix composites; Indentation behavior; Finite element method; Random particle dispersion; Powder metallurgy.