Modeling the severe plastic and cyclic deformations of structural and biomedical alloys by incorporating microstructure – mechanical property relationship

Burada sunulan tezde amaç kombilerde kullanılan çelik bazlı ısı değiştiricili plakalarda kalınlık azalmasını araştırmaktır. Ağır plastik deformasyona bağlı oluşan çatlak başlangıç bölgeleri ve kalınlık azalmasını tahmin etmek için çok ölçekli modelleme yaklaşımı kullanıldı. Özellikle, sonlu elemanlar analizi ve kristal plastisitenin uygun bir şekilde birlikteliği ile doku ve mikroyapısal etkiler ele alındı. Metale form verilme işlemleri sırasında malzeme gerinim sertleşmesini tanımlamak için uygun çok eksenli sertleşme kuralı, kristal plastisite simülasyonları yardımıyla bulundu. Sertleşme kuralı bulguları, metale form verme sonlu elemanlar simülasyonlarına başarıyla ilave edildi. Analiz, sadece çok ölçekli modelleme yaklaşımının başarısını göstermekle kalmayıp, aynı zamanda ısı değiştiricili plakaların çatlak başlangıç bölgelerinin tahmin edilebilmesiyle arızalarının tasarım aşamasında önlenmesini ortaya çıkarmıştır. Bununla birlikte, çatlak başlangıç analizi, karmaşık yükleme şartları için ray malzemelerine genişletilmiştir. Çok ölçekli modelleme yaklaşımı, aynı zamanda, farklı malzemelerde ve farklı koşullar altında bu yaklaşımı doğrulamak için biyomedikal ve yapısal malzemelere de uygulandı. İlk olarak, ray malzemelerinde (beynitik ve perlitik çelikler) çatlak başlangıcı haddeleme değme yüklemesi altında analiz edildi. Özellikle, yorulma bozunumu ve çok eksenli yorulma hasarının tahmini için analitik Jiang - Şehitoğlu modeli kullanıldı. Beynitik ray çeliğinin, perlitik eşleniğine göre düşük kayma kuvvetlerinde daha yüksek yüklemelere dayandığı gözlemlenmiştir. Kayma kuvvetleri arttığında ise ray çeliklerinin performansı benzer hale geldi. Bununla birlikte, yorulma bozunumu ve yorulma hasarı yüzeyde kesiştiği zaman, her iki çelikte de ani çatlak başlangıcı kaynaklı maksimum hasar görüldü. Bu analizden çıkan sonuç, haddeleme değme yükleri altında çatlak başlangıcının gerçekçi tahmini için bir metodolojiyi göstermektedir. Ayrıca, haddeleme değme yüklemeleri simülasyonlarında mekanik özellikleri belirlemede kilit role sahip mikroyapının dikkate alınmadığı not edilmelidir. Mikroyapı-mekanik özellik ilişkisinin incelenmesi için, yazar mikro ve makro boyutu birleştiren bir model geliştirdi. Bu amaç için, çok ölçekli modelleme yaklaşımı kullanılarak geometrik ve mikroyapısal yönlerin ilave edilmesiyle biyomedikal Niyobyum-zirkonyum alaşımının darbe tepkisi araştırıldı. Özellikle, kristal plastisite simülasyonlarından elde edilen çok eksenli sertleşme kuralının sonlu eleman analizine ilave edilmesiyle, geometriyle bağlantılı olarak doku ve gerilim-gerinim dağılımlarının rolü hesaba katıldı. Çok ölçekli modelleme yaklaşımı ile elde edilen sonuçların, klasik sonlu eleman yaklaşımı ile elde edilen bulgulara göre daha güvenilir olduğu gözlemlendi. Bu analiz, diş ve ortopedik implantların darbe yüklemeleri altındayken tasarım aşaması için önemli ölçüde rehberlik gösterdi. Mikroyapının darbe tepkisine etkilerini daha fazla incelemek için, yüksek oranda mangan içeren östenitik çeliğin darbe davranışı, çok ölçekli modelleme yaklaşımına gerinim hızı etkileri ilave edilerek incelendi. Bu özel çelik çok karmaşık bir mikroyapıya sahip olduğu için analiz edildi. Bu çeliğin darbe tepkisini tahmin etmek için benzer bir modelleme prosedürü uygulandı. Bulgular, güvenilir darbe tahminleri için çok ölçekli modelleme yaklaşımının ihtiyacını vurguladı. Sonuçta, bu tezde belirtilen sonuçlar, ısı değiştiricili plakaların hasarlarının güvenli bir şekilde değerlendirilmesi için, çok ölçekli modelleme yaklaşımına mikroyapının ilavesinin önemine ışık tutmaktadır. Bu analiz, ısı değiştiricili plakaların düşük masraflar ve geliştirilmiş servis performanslarıyla üretilebilir olmasını ortaya çıkarmaktadır. Bununla birlikte, bu çalışma, aynı zamanda kazanılan bilginin biyomedikal ve yapısal malzemelere ilave edilmesinin yeni uygulamaların tasarım prosedürü için çok önemli olduğunu göstermiştir. Bu amaçla, biyomedikal ve yapısal malzemelerin uzun dönem kullanılabilirliği sağlanır. Özellikle bu durum, biyomedikal malzemelerin kullanımında ağır sakatlanmaları ve kemik kırılmalarını önleyerek hasta güvenliğini sağlar. Ayrıca, yapısal malzemelerin balistik ve rulman uygulamalarındaki dayanımı önemli ölçüde artabilir.