Tek kristalli bakır, silisyum ve Al-Si, Cu-Ni alaşım malzemelerinde nanoindentasyon uygulamaları ve etkilerinin incelenmesi

Günümüzde teknolojinin hızla gelişmesi, cihazların mikro ve nano ölçeklerde tasarlanıp üretilmesini mümkün kılmıştır. Bu nedenle, malzemelerin mikro ve nano düzeyde karakterizasyonu büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, döküm yöntemiyle üretilen Cu-Ni ve Al-Si alaşımları ile Cu[100] ve Si[100] tek kristallerinin sertlik, elastisite modülü ve yüzey deformasyonu gibi mekanik özelliklerini incelemek amacıyla nanoindentasyon testleri ve moleküler dinamik (MD) simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Nanoindentasyon deneyleri, Berkovich tipi uçlar kullanılarak 5000 µN ve 10000 µN yükler altında nano test cihazlarıyla uygulanmıştır. MD simülasyonlarında ise girinti hızı 500 m/s olarak belirlenmiştir. Döküm yöntemiyle elde edilen Cu-Ni alaşımlarına yönelik nanoindentasyon testleri, elastisite modülünün 101,89 GPa ile 139,27 GPa arasında değiştiğini ortaya koymuştur. Buna karşılık, MD simülasyonlarında bu değerlerin 126,30 GPa ile 186,34 GPa aralığında olduğu gözlemlenmiştir. Girinti izinin en derin olduğu örnek tek kristalli Cu[100] metali iken, en sığ girinti Cu-%10Ni alaşımında kaydedilmiştir. Al-Si alaşımlarında ise silisyum içeriğinin artmasıyla girinti yer değiştirmelerinin arttığı, uygulanan kuvvetlerin azaldığı ve dislokasyon yoğunluğunun düştüğü belirlenmiştir. Ayrıca, daha büyük tane boyutlarına sahip Cu-%10Ni alaşımının 2,40 GPa sertlik değerine sahip olduğu, buna karşın daha küçük taneli Cu-%20Ni alaşımında bu değerin 3,90 GPa'ya yükseldiği hesaplanmıştır. Al-Si alaşımlarında silisyumun heterojen dağılımı ile Mg, Fe ve Ag gibi elementlerin varlığı, pop-in ve pop-out davranışlarını etkileyerek mekanik özelliklerde farklılıklara neden olmuştur. Ancak Al-%20Si alaşımında kalıcı dislokasyon oluşumu gözlemlenmemiştir. Elde edilen deneysel bulgular ile MD simülasyon sonuçları birbiriyle uyumlu bulunmuş; MD simülasyonlarının gerçek zamanlı atomik ölçekli deformasyonları analiz etmede uygulanabilir ve güvenilir olduğu doğrulanmıştır. Bu bağlamda, MD simülasyonlarının metal alaşımlarında elastisite modülü ve sertlik gibi mekanik özelliklerin belirlenmesinde hızlı ve düşük maliyetli bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır.