Mechanical properties of nonferrous alloys processed by twisted variable channel angular pressing (TV-CAP) - Özbeyaz, Kerim (My University, 2021)
Malzemeleri kullanmadan önce özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla farklı yöntemlerle işlenmesi, özellikle bu yüzyılda hızla büyüyen teknolojinin bir gerekliliği olmuştur. Malzeme alanında bir taraftan alaşımlar ile malzemelere istenilen özellikler kazandırılmaya çalışılırken, diğer taraftan kompozit ve plastik malzemeler üzerinde yoğun çalışmalar devam etmektedir. Ancak özellikle ağır sanayi göz önüne alındığında, uzay, havacılık, savunma gibi alanlarda yüksek mukavemet-ağırlık oranına ihtiyaç duyulan alanlar için metal malzemelerin özelliklerinin iyileşmesine yönelik çalışmalar da büyük bir öneme sahiptir. Bu kapsamda göz ardı edilmeyecek özel yöntemlerden birisi de Aşırı Plastik Deformasyon (APD) yöntemidir. Bu yöntemin ana prensibi, malzemeye uygulanan aşırı yüklemeler sayesinde malzemelerin tane boyutlarında mikron ve altı mertebelerinde küçülmelerin ve yönlenmelerin elde edilebilmesine dayanmaktadır. Böylelikle, malzemenin mekanik özelliklerinde iyileşmeler sağlanırken, bilinen yöntemlerin aksine malzeme kırılgan yapıya geçmemektedir. APD yönteminin bu özellikleri araştırmacıların ilgisini çekmiş ve farklı versiyonları üzerinde çalışmalar yapılarak birçok APD yöntemi geliştirilmiştir. Eş Kanallı Açısal Presleme (EKAP) yöntemi, kolay uygulanabilir olması, artık gerilme oluşmaması, özellikle geri presleme uygulanarak diğer mekanik işlemlere daha uygun olması gibi özellikleri nedeniyle sıklıkla çalışılan APD yöntemlerinden birisi olmuştur. Ancak bu yöntemde istenilen kazanımların elde edilebilmesi amacıyla tekrarlı presleme işlemine ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte elde edilen kazanımlarda lokalize olarak homojen deformasyon elde edilebilmektedir. Bükümlü Ekstrüzyon (BE) yöntemi, bir diğer önemli APD yöntemlerinden birisidir. En büyük avantajı ise uygulanan deformasyon işlemi sonrasında, mekanik özelliklerinde ki elde dilen sertlik benzeri kazanımların daha homojen olarak dağılabilmesidir. Bunun yanında, EKAP yönteminin aksine, daha uzun boyutlardaki malzemeler için de uygun bir yöntemdir. Bu yöntemin eksiği ise elde edilen kazanımlar diğer yöntemlere göre biraz daha azdır.Alüminyum alaşımları özellikle de AA5083 ve AA6082 alaşımları, özellikle kolay şekillendirilebilir özellikleri, hafif ve yumuşak olmaları, yüksek korozyon dayanımları, kolay ve uygun maliyetler ile elde edilebilir olmaları nedeniyle APD yöntemlerinde öncelikli olarak çalışılan malzemelerden birisidir. Bu özellikleri sayesinde taşıma, savunma ve uzay sanayisi çalışmalarında sıklıkla tercih edilmektedirler. Bu tez çalışması kapsamında, malzeme özeliklerini iyileştirme alanında yapılan APD çalışmalarına, Bükümlü Değişken Kanallı Açısal Presleme (TV-CAP) isminde yeni bir APD metodu sunulmuştur. Bilinen üç APD yöntemlerinin (EKAP, BE ve DE) avantajlarını tek aşamada sağlaması hedeflenmiş bu tek kalıp, içerisinde üç aşamayı barındırmaktadır. İlk aşama, basit kesme/ kayma deformasyon sürecinin bir şekli olan BE'dir. Özellikle, BE'nin ana özelliği, malzemelerin tanelerin bir birine karışmasına ve homojenleşmesine yol açan girdap akışıdır (vortex flow). BE'nin bir TV-CAP aşaması olarak, girdap akışı ve geri basınç yardımıyla aşırı tane incelmelerine yol açacağı tahmin edilmektedir. Böylelikle elde edilen malzemenin mekanik özelliklerinde artış olacaktır. TV-CAP sürecinin ikinci aşaması, yeni bir tekniğe öncülük etmesi sebebi ile dikkat çeken en önemli ve dikkat çekici aşamadır. Bu ikinci aşamada, BE ve EKAP yöntemleri eş zamanlı olarak uygulanmaktadır. Böylece malzeme homojen bir şekilde dağılırken, mekanik özellik kazanımının ve tane boyutu küçülmelerinin ilk aşamaya göre çok daha fazla olması beklenmektedir. Son aşama ise herhangi bir ekipmana ihtiyaç duyulmadan geri basınç (back pressure) uygulamayı sağlayan geleneksel direkt ekstrüzyon (DE) yönteminin uygulandığı bölümdür. Hasar birikimi, stres durumuna bağlıdır. Geri basınç, plastik gerinim miktarı ile orantılı olarak hasar birikimine neden olmaktadır. Geri basınç uygulanmadığı takdirde, hasar birikimleri engellenemez ciddi plastik deformasyon nedeniyle malzemede oluşabilecek bu hasarlar ilerleyecektir. O nedenle APD yöntemlerinde özellikle çına numunelerin bir sonraki üretim veya işleme aşamasına daha uygun olabilmesi için geri basınç uygulaması önem arz etmektedir. Ayrıca malzeme bu DE aşamasında, hedeflenen kullanım alanına daha uygun olan silindir şeklini alır. TV-CAP kalıbından çıkan numunelerin küçük ölçekli olması nedeniyle özellikle uçak veya havacılık endüstrisinde veya otomotiv endüstrisinde bağlantı elemanı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir.Söz konusu bu hedeflerin gerçekleştirilebilmesi amacıyla ilk olarak sonlu elemanlar analizleri (SEA) yapılarak, malzemenin kalıp kanalı içerisinde ki hız vektörleri, etkin gerinim miktarı ve gerekli presleme yükü değerleri incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda malzemenin hem geleneksel EKAP yönteminden hem de BE yönteminden daha yüksek etkin gerinim değerine sahip olduğu görülmüştür. Bu etkin gerinim ile malzemenin mukavemeti özellikle de sertlik değeri ile korelasyon gösterdiği bilinmektedir. Dolayısıyla yapılan bu çalışma sonucunda söz konusu TV-CAP yöntemi ile elde edilecek olan numunelerin EKAP ve BE yöntemlerinden daha fazla kazanım sağlayacağı görülmüştür. Yine hız vektörleri her aşama için incelendiğinde geri presleme sayesinde numunelerin kalıp kanal geometrisini tam olarak alabildiği ve numunelerde hasar oluşumlarının olmadığı görülmüştür. Son olarak yapılan simülasyon sonucunda presleme için gerekli yük değeri tahmin edilerek TV-CAP kalıbının tasarım parametreleri belirlenmiştir. Elde edilen bu parametreler ile gerçek kalıp üretilmeden önce üç boyutlu yazıcı ile kalıp prototipi üretilmiş ve mum basılarak kalıbın çalışma prensibi ve numunelerin kalıp kanal şeklini alıp almadığı fiziksel olarak da gözlemlenmiştir. Bu aşamanın başarılı sonuç vermesi ile sıradaki aşama olan kalıp üretimine geçilmiş ve yapılacak olan mekanik testler ve mikro yapı incelemeleri için yeterli sayıda numunenin TV-CAP kalıbından presleme işlemi yapılmıştır.Yapılan mekanik testler sonucunda söz konusu işlemin, deneyde kullanılan her iki malzeme türü (AA5083 ve AA6082) üzerindeki kazanımlarının hem EKAP’tan hem de BE yönteminden çok daha fazla olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan testler sonucunda tavlanmış malzeme ile kıyaslandığında sertlik değeri AA5083 için yaklaşık iki katına çıkarken, AA6082 için yaklaşık üç katına çıktığı görülmüştür. Yine çekme deney sonuçları incelendiğinde, her iki numune için maksimum çekme dayanımının (Sut) tavlanmış malzeme ile karşılaştırıldığında yaklaşık bir buçuk kat arttığı görülmüştür. Son olarak malzemelerin dinamik yükler altındaki mukavemetlerini inceleyebilmek amacıyla dönel eğilme yorulma testleri yapılmıştır. Bu testler sonucunda da TV-CAP yapılan numunelerin tavlanmış malzemeye göre aynı yük altında en az bir buçuk kat daha uzun çevrimler sonrasında kırıldığı görülmüştür.Mekanik testler sonrasında mikroyapı incelemeri yapılmıştır. Bu kapsamda elde edilen Optik mikroskop (OM), Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) görüntüleri incelenmiş ve tanelerde meydana gelen küçülmeler ve yönlenmeler görülebilmiştir. Elde edilen görüntüler ile hesaplanan ortalama tane boyutları incelendiğinde, TV-CAP işlemi sonucunda tavlanmış malzemeye göre AA5083 ve AA6082 alaşımları için yaklaşık 28 kat küçülme olduğu görülmüştür. Ayrıca XRD, EDS, EBSD ve TEM analizleri yapılarak, numunelerin TV-CAP işlemi sonrasında kristal boyutları, kimyasal bileşenleri ve oluşan çökelmeleri, kristal yapıları ve yönlenmeleri ve dislokasyon yoğunlukları incelenmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda TV-CAP işlemi sonrasında tavlanmış malzemeye göre kristal boyutları AA5083 için 1.6 kat küçülürken AA6082 için ise 1.2 kat küçülmüştür. Dislokasyon yoğunluları ise benzer şekilde TV-CAP işlemi sonrasında tavlanmış malzemeye göre AA5083 için 2.8 kat artarken, AA6082 için 1.5 kar attığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, mekanik testler soncunda yeni bir teknik olarak sunulan TV-CAP işlemi ile elde edilen kazanımlar yapılan deneysel çalışmalar ve SEA ile ispatlanarak anlaşılmıştır.

Processing materials with different methods in order to improve their properties before using them has been a necessity of rapidly growing technology, especially in this century. In case of material science, on the one hand, researchers have tried to achieve the desired properties with alloying elements. On the other hand, intensive studies on composite and plastic materials still continue. However, especially considering heavy industry where a high strength-to-weight ratio is needed such as space, aerospace, and defence industry, studies to improve the properties of metallic materials have great importance. In this context, one of the special methods that cannot be ignored is the Severe Plastic Deformation (SPD) method. The main principle of this method is based on obtaining smaller grain size of materials in micron and below grade, and also make grains orient by applying ultra large stresses to the material. Thus, while the mechanical properties of the material are improved, the material does not become brittle, unlike the conventional methods. These features of the SPD method have attracted the attention of researchers and many SPD methods have been developed by studying different versions of SPD. Equal Channel Angular Pressing (ECAP) method is one of the most frequently studied SPD methods due to its favourable features such as being easy to apply, having no residual stress, and being more suitable for other mechanical processes, especially by applying back pressure. However, in this method, repeated pressing called number of pass is needed in order to obtain the desired enhancements. Additionally, localized homogeneous deformation can be obtained after this process. Twisted Extrusion (TE) method is another important SPD method. The biggest advantage of TE is that the achievements obtained can be distributed more homogeneously in the material. In addition, unlike the ECAP method, it is suitable for materials with larger geometries. The weakness of this method is that the improvements obtained are slightly less than other SPD methods. Aluminium alloys, especially AA5083 and AA6082 alloys, are one of the primary materials studied in SPD methods owing to their easy formability, lightness, softness, high corrosion resistance, and their easy as well as cheap availability. Due to these features, they are frequently preferred in transportation, defence, and space industry studies.Within the scope of this thesis study, a novel SPD method called Twisted Variable Channel Angular Pressing (TV-CAP) has been introduced to SPD studies in the field of improving material properties. This method consists of three stages using a single die and aims to provide the advantages of the three well known SPD methods (ECAP, TE and DE) simultaneously. The first stage is TE which is a form of simple shear deformation process. In particular, the main feature of TE is providing vortex flow resulting the materials to mix and homogenizes the grains. Thus, the mechanical properties of the obtained material will increase. The second stage of the TV-CAP process is the main and remarkable stage leading to a novel technique. In this second stage, TE and ECAP methods are applied to the workpiece simultaneously. Thus, while the material is dispersed homogeneously, it is expected that the mechanical property enhancement and grain size reduction will be much higher than the first stage. The last stage is where the traditional direct extrusion (DE) method is applied that enables back pressure application without the need for any equipment. The accumulation of damage depends on the stress state. Back pressure causes damage accumulation in proportion to the amount of plastic strain. If back pressure is not applied, damage accumulations cannot be prevented and the damages that may occur in the material due to SPD will progress. For this reason, back pressure application is important in SPD methods, especially for the samples coming out of the die to be more suitable for the next production or processing stage. Besides, in this DE stage, the material takes the shape of a cylinder which is more suitable for the targeted area of use. Due to the small scale of the samples coming out of the TV-CAP die, it is thought that they can be used as fasteners especially in the aircraft or aviation industry or in the automotive industry.In order to achieve these goals, first of all, finite element analyses (FEA) were carried out and the velocity vectors of the material in the channel, the amount of effective strain obtained, and the required pressing load values were examined. As a result of the analysis, it was seen that the material has a higher effective strain value than both the traditional ECAP and TE methods. It is known that effective strain correlates with the strength of the material, especially with its hardness value. Therefore, as a result of this study, it was seen that the samples to be obtained with the TV-CAP method will provide more enhancements than the ECAP and TE methods. Additionally, when the velocity vectors were examined for each stage, it was seen that the samples were able to exactly take the TV-CAP die channel geometry and there was no damage on the samples thanks to the back pressing effect. Finally, as a result of the simulation, the required pressing load value was estimated and the design parameters of the TV-CAP die were determined. After obtaining these parameters, a TV-CAP die prototype was produced with a 3D printer before the actual TV-CAP die was produced. In this way, the working principle of the TV-CAP die and whether the samples would take the shape of the TV-CAP die channel were also observed physically by pressing wax as a workpiece. With the successful outcome of this stage, TV-CAP die was manufactured accordingly and sufficient number of samples were pressed from the TV-CAP die for the mechanical tests and microstructure examinations. As a result of the mechanical tests, it was concluded that the improvements of the process on both material types (AA5083 and AA6082) used in the experiment were much higher than both ECAP and TE methods. It was observed that while the hardness value doubled for AA5083, it increased almost two and half times for AA6082 when compared to annealed workpieces. When the tensile test results were examined, it was seen that the maximum tensile strength (Sut) for both samples increased approximately one and a half times when compared to the annealed workpieces. Finally, rotational bending fatigue tests were carried out in order to examine the strength of the materials under dynamic loads. It was observed that the samples pressed by TV-CAP die were broken after at least one and a half times longer cycles under the same load compared to the annealed material.Microstructure studies were also carried out. In this context, Optical microscope (OM) and Scanning Electron Microscope (SEM) images were obtained and grain size reduction and grain orientation was observed. When the average grain sizes were calculated with the obtained images, it was observed that as a result of the TV-CAP process, there was approximately 28 times reduction in grain sizes for the AA5083 and AA6082 alloys compared to the annealed material. In addition, XRD, EDS, and EBSD analyses were carried out for TV-CAP processed workpieces and crystal sizes, chemical components of the materials and precipitations, crystal structures, orientations, and dislocation densities of the workpieces were investigated. As a result of the calculations, after the TV-CAP process the crystal sizes decreased 1.6 times for the AA5083 alloy and 1.2 times for the AA6082 alloy compared to the annealed material. Similarly, the dislocation densities were compared with the annealed material after TV-CAP process, and it was observed that while it increased 2.8 times for the AA5083 alloy, it increased 1.5 times for the AA6082 alloy. Finally, TEM images were also investigated for more detailed microstructural analysis. The results obtained have been helpful for understanding and proving the improvements obtained with the TV-CAP process as a result of mechanical tests.
Keywords: AA5083; AA6082; Aşırı Plastik Deformasyon (APD); Bükümlü Eksrüzyon (BE); ECAP; Eş Kanallı Açısal Presleme (EKAP); Fatigue Strength; Finite Element Analysis (FEA); Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Mechanical Properties; Mekanik Özellikler; Microstructural Analysis; Mikro Yapı Analizleri Severe Plastic Deformation (SPD); Sonlu Elemanalar Analizi (SEA); TV-CAP; Twist Extrusion (TE); Yorulma Dayanımı