Computational and experimental investigation of the critical role of twinning on the plastic deformation of highmanganese austenitic steels and pseudoelasticity of niti shape memory alloys

Yüksek manganlı östenitik çeliklerin plastik deformasyonu sırasında birlikte etkinleşen mikro mekanizmalar nedeniyle, bu özel sınıf çeliklerin pekleşme davranışları açıkça anlaşılamamaktadır. Bu tez çalışmasının ana motivasyonu, hızlandırılmış yüklemelerle tüm mekanizmalar içinden ikizlenmeyi tetikleyerek, bu malzemelerin karmaşık pekleşme davranışına bir açıklama getirmektir. Bu motivasyonla, yüksek gerinim hızları kullanılan moleküler dinamik simülasyonları ile sayısal analizler yapılmıştır. Başlangıç analizlerinde yalnızca tanecik sınırı düzensizlik açısının özellikle bakır ve demir olmak üzere saf metalik malzemelerin deformasyon tepkisine etkisi incelenmiştir. Sonuçların ortaya koyduğu üzere, bu malzemelerin plastik deformasyonu sırasında tanecik sınırı etkilerine ek olarak pek çok mekanizmanın etkimesi ve simülasyonu yapılan numunelerin çok küçük olması sebebiyle sayısal çabanın eksik kaldığı gözlenmiştir. Bu simülasyon sonuçları ile önceden rapor edilen deneysel bulgular ve makro ölçekteki sayısal sonuçlar kıyaslandığında, bu malzemelerin deformasyon tepkisinin aydınlatılması için daha fazla deneysel ve sayısal analize gerek olduğu anlaşılmıştır. Bu nedenle, çalışma bileşim ve sıcaklık etkisinin yüksek manganlı östenitik çeliklerin deformasyon tepkisine etkisinin üç farklı yükleme planı altında incelendiği daha fazla deneysel bir alana genişletilmiştir. İlk olarak, yüksek hızlı çarpma deneyleri ile etkinleşen mikro deformasyon mekanizmaları incelenmiştir. İkinci olarak, isteğe uyarlanmış bir basma deney düzeneği ile yükleme hızı artırılmıştır. Daha sonra, split-Hopkinson basınç bar yöntemiyle çok yüksek hızlı yükleme senaryosu uygulanmıştır. Alaşım bileşiminin etkisini saptamak için, bileşimleri farklı olan Hadfield, TWIP ve XIP türü çeliklerde deneyler yapılmıştır. Diğer yandan, sıcaklığın etkisini incelemek için -170 °C, oda sıcaklığı ve 200°C olmak üzere üç sıcaklık seçilmiştir. Taramalı elektron mikroskopisi, geçirimli elektron mikroskopisi, eşodaklı lazerli tarama mikroskobisi ve optik mikroskopi olmak üzere bir çok yöntemle, yüksek hızlı yüklemeler ile ikizlenmenin diğer mekanizmalara oranla tetiklenmesi kapsamlı olarak incelenmiştir. Buna ek olarak, çarpma deneyleri sırasında yerinde termografik analizler yürütülerek çekicin çarpmasına bağlı olan sıcaklık değişimleri incelenmiş, bir termal bakış açısı benimsenmiştir. Hadfield çeliğinde; sekme, birden fazla ikizlenme değişkesi, birincil ikizlenmeler içinde nano ölçekli ikizlenmeler ve boşluklar olmak üzere bir çok mekanizma etkinleşirken, daha yüksek mangan içeriği sebebiyle daha yüksek istif bozukluğu erkine sahip olan TWIP çeliğinin deformasyon tepkisinde baskın mekanizma bütün sıcaklık değerlerinde ikizlenme olarak saptanmıştır. Bununla birlikte sıfıraltı sıcaklıklarda, TWIP çeliğinde birincil ikizlenmeler içerisinde nano ölçekli ikizlenmeler oluştuğu belirlenmiştir. Diğer yandan, en yüksek istif bozukluğu erkine sahip olan XIP çeliğinin, yüksek sıcaklıklarda çoklukla sekme mekanizmasıyla deforme olurken sıcaklık oda sıcaklığına ve sonra -170 °C'ye düşürüldüğünde sırasıyla, ikizlenme ve nano ölçekli ikizlenme mekanizmalarıyla baskın olarak deforme olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçlar, yüksek manganlı çeliklerin pekleşme kapasitesinin geliştirilmesi için değiştirilebilecek; sıcaklık, yükleme hızı ve alaşım bileşim etkilerinin, yüksek manganlı çeliklerin mikroyapı yayılımı üzerindeki rolünü ortaya koymuştur. Yüksek manganlı östenitik çeliklere ek olarak, bir başka malzeme sınıfı; nikeltitanyum (NiTi) şekil hafıza alaşımları da ikizlemenin malzeme özellikleri üzerindeki önemli etkisi sebebiyle incelenmiştir. NiTi alaşımları, yük ve ya sıcaklık değişimlerine bağlı olarak gözlenen ve yayınımsız katı hal faz değişimlerinden kaynaklanan üç özelliğe sahiptir ve bunlar, tek ve çift yönlü şekil hafıza etkisi ve süperelastisitedir. Bu çalışmada bu üç özellikten süperelastisite dikkate alınmıştır. İlk olarak mikro ölçekteki süperelastik NiTi tellerin çevrimsel eğme yükü altında yorulma performansı incelenmiştir. Bulgular makro ölçekten mikro ölçeğe geçerken B19' fazı oluşumunun arttığını ve R-fazı dengelileşmesinin önemli ölçüde engellendiğini göstermiştir. İkinci olarak, daha fazla uygulama temelli bir çalışma, NiTi ortodontik ark telleri üzerinde yürütülmüştür. Ağıziçi ortamda NiTi ark tellerinin braketler ile oluşturduğu gerçek değme durumu taklit edilerek bu tellerin biyouyumlulukları incelenmiştir. Bu tel-braket değme durumu tel üzerindeki mekanik yüklerin ortamdışı simülasyonunu mümkün kılmaktadır. Bir adet deforme edilmemiş ve bir adet ağız modeline sabitlenmiş braketlere bağlanmış olmak üzere teller 31 gün boyunca yapay ağıziçi sıvısına daldırılmıştır. Daldırma sonrası teller üzerinde elektron optik analizler yürütülürken sıvılar üzerinde etkileşik çiftlenmiş plazma kütle spektroskopisi analizi yapılmıştır. Deney sonrası, hem deforme edilmemiş hem de daldırılmış tel üzerinde karbonca zengin ürün oluşumu belirlenmiştir. Bu oluşum deforme edilmemiş tel üzerinde rastgele dağılmış durumdayken, diğer tel üzerinde belli aralıklarla yoğunlaşmış olarak gözlenmiştir. Optik mikroskopi analizlerinden sonra, korozyon ürünlerinin bu yoğunlaşması, tel-braket değme noktalarındaki yüksek yüzey enerjisi ve mikro ölçekli çatlaklar sebebiyle, bu noktalardaki tercihli oluşumlara bağlanmıştır. Ek olarak, sıvılar içerisinde sınırlı miktarda Ni ve ya Ti iyon salınımı da bu mikro ölçekli çatlakların korozyon ürünlerinin oluşumuyla kapanmasına bağlanmıştır. Bu sonuçlar, NiTi ortodontik ark tellerinin biyouyumluluk araştırmalarında, ağıziçi ortamının hem kimyasal hem de mekanik koşullarının aynı anda tam olarak simülasyonunun daha güvenilir ve gerçekçi incelemeler için gerekliliğini ortaya koymuştur.