Mechanical performance of layered metallic composites processed by accumulative roll bonding

Çok katmanlı metal kompozitler üstün mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle oldukça önem kazanmıştır. Bu tez çalışmasının amacı, benzer ve farklı kompozitlerin ultra-ince taneli kombinasyonunun birikmeli hadde yapıştırması (BHY) işlemi kullanılarak aşırı plastik deformasyon (APD) tekniği ile üretilmesidir. Deneysel çalışma iki bölüm halinde düzenlenmiştir. İlk bölüm benzer ve farklı aluminyum kompozitlerde Al2024 ve Al6061 kombinasyonunu tarif ederken, ikinci bölüm farklı istifleme düzeni ile Al6061, Al2024 ve arayer atomu içermeyen (IF) çelikler de dahil olmak üzere farklı Al/IF çelik kompozitlerini konu almaktadır. İşlenik malzemelerin yüzeysel ve bütünsel mekanik özelliklerini analiz etmek için sırasıyla mikro sertlik ve tek eksenli çekme testi uygulanmıştır. Bu çalışma sadece çok katmanlı metal kompozitlerin monotonik mekanik davranışlarını incelemekle kalmamakta, aynı zamanda yorulma testi vasıtası ile dinamik davranışlarını da incelemektedir. Katmanlı metalik kompozitlerin yüksek çevrimli yorulma özellikleri gerilme kontrollü pozitif ortalama gerilmeli testler ile incelenmiştir. İlk bölümde, dört kez BHY ile işlemik hale gelen yapı Al2024 ve Al6061'in çeşitli katman kombinasyonlarını içermektedir. Artan BHY paso sayısı ile malzemelerin mikro sertlik değerlerinde kayda değer artış gözlemlenmiştir. Buna göre, sırasıyla Al2024 ve Al6061 katmanları için 1.5 ve 2 kata varan iyileşme seviyeleri kaydedilmiştir. Değişmeli katman mimarisine sahip kompozitin çekme dayanımı, iki geçişten sonra orijinal Al6061'in iki katından fazlasına denk gelen 320MPa, seviyesi üzerine ulaştı. Özellikle yüksek gerilme genliğinde, malzemenin yorulma ömrü de iyileşmiştir. Mikroyapısal incelemeler, BHY işleminde ortaya çıkan tane incelmesinin yanısıra çekme gerilmesi altındaki muhtemel kırılma mekanizmaları nı sergilemiştir. Ayrıca işlenik malzemelerin mekanik özellikleri kesme zımba testi vasıtası ile değerlendirilmiştir. Çekme ve kesme zımba deneyleri sonuçları arasındaki ilişki hesaplandı. Deneyler sonucu artan BHY paso sayısının kesme dayanımını arttırdığı fakat kesme uzamasını azalttığı gözlemlendi. Çekme ve kesme testi sonuçları dayanım ve süneklik açısından benzer eğilim ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle, kesme zımba testinin BHY numunelerinin mekanik analizinde kullanışlı ve tamamlayıcı olduğu ileri sürülebilir. SEM mikrograflarına göre, çok pasolu BHY işleminde, önceki pasoda oluşan arayüz atomik difüzyon ve yüksek basınç sayesinde sonraki döngüde daha güçlü bir şekilde bağlanmaktadır. İlk BHY pasosu numunelere orta seviyede gerinim uygulamış ve mikro boşluklar ve çukurlar nedeni ile sünek kırılma sergilenmiştir. Geçiş sayısının arttırılmasıyla kırılma şekli kayma kopması ve çukurların varlığıyla sünek karakterde kalmıştır. Bununla birlikte, bu çukurların özellikle Al6061'de gözlenenlere kıyasla Al2024 katmanları için sığ ve uzamış olduğu gözlemlendi. İkinci kısımda üç BHY pasosunun ardından yapılan makro yapısal gözlemlerde IF çelik katmanlarında boyun verme ve kırılma tespit edildi. Ayrıca, beş BHY pasosu sonrasında, tüm IF/Al6061 istiflemeleri için alüminyum matris içinde homojen olarak dağılmış IF çelik öbeklere sahip çok katmanlı IF çelik /Al kompozit elde edilmiştir. Ancak, Al2024 ve IF çeliği sertliklerinin birbirine yakın olması, Al2024/IF çelik kompozitlerinde de benzer yapı oluşumunu engelledi. Böylece, üçüncü ve dördüncü pasolardan sonra katmanların sürekliliği, tüm IF/Al2024 istiflemeleri için kalmıştır. Dördüncü katman mimarisinin mikroyapı ve mekanik özellikleri, bir dizi ARB geçişi içinde analiz edildi.. Sonuçlar, farklı tüm kompozitlerin monotonik ve dinamik davranışlarının, ana alüminyum alaşımına kıyasla dikkate değer derecede arttığını ortaya çıkarttı. Ayrıca yüzeyinde alüminyum katmanlara sahip olan kompozitlerde, yorulma çatlaklarının yumuşaktan sert katmana doğru yayılırken ara bölgede dallanmasından dolayı en yüksek yorulma dayanımı gözlemlenmiştir. Numunelerin yorulma sonrası kırılma yüzeyleri ve çatlak ilerleme yolları taramalı elektron mikroskobu ile incelendi. Ayrıca, kırılma morfolojisi analizi, numunelerin dış katmanlardaki yüzey çatlakları nedeni ile değil, aslen ara yüz katmanlarında meydana gelen yorulma çatlakları nedeni ile kırıldığını göstermiştir. BHY işlemi sonlu elemanlar analizi kullanılarak simüle edildi. BHY katmanları boyunca gerilme ve eşdeğer gerinim dağılımları belirlenmiştir.Sonuçlar, sayısal benzetimler ile deneysel bulgular arasında dikkate değer bir örtüşme olduğunu göstermiştir. Son olarak, yüksek çevrimli yorulma analizleri yapılmış ve benzetim sonuçların ın, yorulma ömrü açısından ampirik verilerle iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, beklendiği gibi, tüm koşullar için deneysel yorulma ömrü, değerlerinin benzetimelere göre daha düşük olması numunelerdeki mikro çatlaklara ve yüzey çiziklerine bağlanmıştır.