Thermo-mechanical behavior of severely deformed titanium

Metalik malzemelerin termomekanik işlenmesi, malzemelerin mekanik özelliklerinin geliştirilebilmesi açısından önemli ve dikkat çekici bir alandır. Bu çalışmada, aşırı plastik deformasyon tekniği olarak eş kanallı açısal ekstrüzyon kullanılarak ultra-ince taneli ve ticari saflıkta titanyum üretilmiştir. Aşırı plastik deforme edilmiş ticari saflıktaki titanyum alaşımı üzerinde 600-900°C sıcaklık aralığında ve 0,001 ile 0,1 /s gerinme hızları arasında basma testleri gerçekleştirilmiştir. EKAE yoluyla APD'nin 600 ve 700°C'de deforme olmuş 2. derece saflıkta titanyumun akma dayanımını belirgin şekilde artırabildiği gözlenmiştir. Basma sonrası oluşan mikroyapılar, 600°C'lik deformasyon sıcaklığında ince taneli bir yapının muhafaza edilebileceğini göstermiştir. Aşırı deforme olmuş titanyumun sıcak basma işlemi sırasında gerinme hızı duyarlılığı deformasyon sıcaklığı artışıyla birlikte yükselmekte olup, bu durum sıcaklık bağının önemli olduğunu göstermektedir. Aşırı deforme olmuş 2. derece saflıktaki titanyumun yüksek sıcaklıktaki işlenebilirliği akma lokalizasyon parametresine dayalı olarak analiz edilmiştir. Akma lokalizasyon parametre değerlerine göre 700°C ve altındaki sıcaklıklarda deformasyon lokalize olma eğilimindedir. Ultra-ince taneli mikroyapının akma tepkisi, Arrhenius tipi, dislokasyon yoğunluğuna dayanan ve modifiye edilmiş Johnson-Cook modelleri kullanılarak modellenmiştir. Modelleri geçerliliği, deneysel gerilme-gerinme tepkileri ile karşılaştırılıp gösterilmiştir. Aşırı deformasyona uğramış titanyumun saflık derecesinin sıcak karakteristikleri ve dinamik yumuşama mekanizmaları üzerindeki etkisini incelemek için, aşırı plastik deformasyon sonrası basma testleri 4. Derece saflıkta titanium üzerinde yapılmıştır. Sıcaklık ve deformasyon hızının her iki saflığın alma eğrisini önemli şekilde etkilediği görülmüştür. Nispeten daha düşük deformasyon sıcaklıklarında ikinci saflıkta titanyum numunelerin sahip olduğu yüksek basma dayanımı, düşük işlem sıcaklıklarına bağlı tane sınır özellikleri ile ilişkilendirilmiştir. Bununla birlikte, aşırı deforme olmuş dördüncü kalite titanyumun yüksek deformasyon sıcaklıklarında (800°C'nin üzerinde) yüksek basma dayanımı göstermesi, oksijen ayrımı sebebiyle tane sınırı hareketini sınırlaması sonucu bastırılmış tane büyümesinden kaynaklanır. Akma davranışının modellenmesi için bünye denklemleri oluşturulmuştur. Ayrıca tahminlerin geçerliliği ortalama hata düzeyleri %5'in altında çıkmasıyla gösterilmiştir. Aşırı deformasyona uğramış 4. Derece saflıkta titanyum numunelerin kararlılıkları 600-900°C sıcaklık aralığında daha azdır. Bu nedenle, aşırı plastic deformasyon sonrası çekme gerilmesine maruz bırakılan 4. Kalite titanyumun ılık deformasyon davranışı ve mikroyapı gelişimi dinamik toparlanma ve dinamik yeniden kristalleştirmeyi gözlemlemek için 300-600°C sıcaklıklarda ve 0.001-0.1 /s gerinme hızlarında çalışılmıştır. Sonuçlar aşırı plastic deformasyonun 500oC sıcaklık değerine kadar titanyumun dayanımını arttırdığı yönündedir. Bu sıcaklık değerinin üzerinde aşırı deforme olmuş mikroyapının kapsamlı şekilde toparlandığı gözlenmiştir. Aşırı deforme olmuş titanyumun ılık gerilme sırasındaki gerinme hızı duyarlılığının, deformasyon sıcaklığındaki artışla birlikte arttığı görülerek sıcaklıkla güçlü bir ilişkisi olduğu belirlenmiştir. Sıcaklığın yükselmesiyle, yüksek deformasyon sıcaklıklarındaki daha yüksek difüzyon hızına ve yeniden kristalleşmiş tanelerin büyümesine dayandırılan boşluk birleşmesi ve çukurların büyümesi gerçekleşir. Aşırı deforme olan titanyumun tek yönlü yükleme davranışı bu çalışmanın tek amacı değildir. Bu nedenle, iri ve ufak taneli 4. Saflıkta titanyumun çevrimsel deformasyon tepkisi 600°C gibi yüksek sıcaklıklarda ve %0.2-0.6 gerinme genliğinde yapılan düşük çevrimli yorulma testleri ile incelenmiştir. Bu incelemenin sonucunda döngüsel kararlılığın tane boyutuna ve yüksek açılı tane sınırının hacimsel oranına bağlı olduğu bulunmuştur. Aşırı deforme titanyumun yorulma performansı, 400°C ve altındaki sıcaklık değerlerinde ilerleme göstermiştir. 600°C'de yeniden kristalleşme ve tane gelişiminin varlığının ortaya çıktığı elektron geri saçınımı kırınımı destekli mikroyapı bulguları döngüsel ve mekanik sonuçlarla uyum göstermektedir. 8E ve 8Bc olarak tanımlanan iki eş kanallı açısal ekstrüzyon rotasının döngüsel karakterleri karşılaştırılmıştır. Buna göre, aşırı deforme titanyumun tekrarlı deformasyona tepkisi sıcaklık ve gerinme genlik aralığı için ekstrüzyon rotalarına duyarlı değildir. Son olarak, çalışmanın verimli bir şekilde tamamlanması adına aşırı plastik deformasyonun 4. Derece saflıkta titanyumun çekme ve sönümleme özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Aşırı plastik deformasyon yoluyla tane inceltme işleminin oda sıcaklığında numunenin dayanımını arttırırken, 600°C gibi yüksek sıcaklıklarda bu etkinin kaybolduğu görülmüştür. Ultra -ince taneli titanyumun sönümleme kapasitesinde iri taneli muadiline göre iyileşme görülmüştür. Yüksek sönümleme kapasitesi, artan dislokasyon yoğunluğunun ve büyük açılı tane sınırı oranının sönümleme katkısıyla açıklanabilir. Bu araştırmanın en önemli bulgusu, monotonik ve döngüsel yük altında termal kararlılığının elde edilmesidir. Bu araştırmada özeti olarak, aşırı deforme titanyumun termo-mekanik davranışı tek yönlü çevrimsel yükleme altında ısıl kararlılığın gösterimi ile detaylı olarak incelenmiştir. Aşırı deformasyona uğramış 2. ve 4. Saflık derecesindeki titanyumun tek yönlü yük altında sırasıyla 0.45 ve 0.40 benzeşik sıcaklığa kadar kararlı olduğu gözlenmiştir. Aşırı deformasyon sonrası 4. Saflık derecesinde titanyum aynı zamanda 0.35 benzeşik sıcaklığa kadar döngüsel kararlılık göstermiştir. Bu bulgular, ultra-ince taneli titanyumun yüksek sıcaklıktaki uygulamalarda kullanımı için temel oluşturmaktadır.