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
İkizlemenin yüksek manganlı östenitik çeliklerin plastik deformasyonu ve niti şekil hafıza alaşımlarının süperelastisitesi üzerindeki krıtik rolünün sayısal ve deneysel incelemesi
- Tez No: 387527
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Several micro-deformation mechanisms are simultaneously activated during the plastic deformation of high-Mn austenitic steels, which does not allow for a clear understanding of the work hardening response of this special class of steels. The major motivation of this thesis was to provide an explanation of the complicated work hardening mechanism in these materials, specifically promoting twinning among other micro-deformation mechanisms with the aid of accelerated loading. With this motivation, numerical analyses were carried out utilizing molecular dynamic simulations with very high strain rates. The initial analyses were focused only on the effect of the grain boundary misorientation angle on the deformation response of pure metallic materials, specifically copper and iron. The results demonstrated the insufficiency of numerical effort as a result of very small samples to be simulated and much more mechanisms take role in the plastic deformation of these materials in addition to grain boundary effects. A comparison between the current simulation results, and the available experimental findings and numerical results at macroscale in the literature has demonstrated that further experimental and numerical analyses should be carried out for clarification. Therefore, the study was extended to a more experimental area where the composition and temperature dependencies of deformation response of high-manganese austenitic steels were investigated under three different loading schemes. First, high-velocity impact loading was utilized in order to examine the microdeformation mechanisms activated. Secondly, the loading velocity was increased via custom compression test setup. Then, an ultra-high velocity loading scenario was applied which was split-Hopkinson tension load. In order to detect the effect of composition, different types of steels, i.e. Hadfield, TWIP, and, XIP steels, with changed alloy contents were tested. On the other hand, for the examination of the effect of temperature, three different temperatures, namely -170 °C, room temperature, and 200 °C were selected as testing temperatures. The promotion of twinning over other mechanisms due to applied accelerated loading was investigated thoroughly with numerous methods which are scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, confocal laser scanning microscopy, and, optical microscopy. In addition, a thermal perspective was adopted for impact tests as in situ thermographical analyses were conducted to detect the temperature change related to the hit of impact hammer. Various mechanisms such as slip, formation of more than one twin variant, nano-twins inside primary twins and voids were activated in Hadfield steel, while the deformation was twin-dominated in TWIP steel at all temperatures, which stems from the increase in stacking fault energy (SFE) due to the higher Mn content. Moreover, nano-twin formation within one primary twin system was observed for TWIP steel at subzero temperatures. The XIP steel with the highest SFE, on the other hand, deformed mostly by slip at elevated temperatures, although twins and nano-twins dominated the microstructure as the temperature decreased to room temperature, and then to -170 °C, respectively. The current set of results lay out the roles of temperature, deformation velocity and alloy content on the microstructure evolution of high-Mn steels, which altogether can be tailored to improve the work hardening capacity of this class of materials. In addition to high-manganese austenitic steels, another class of materials, i.e. nickeltitanium (NiTi) shape memory alloys, was investigated due to the significant role of twinning on material properties. Specifically, NiTi alloys have three properties, namely one- and twoway shape memory effects and pseudoelasticity, which all take place by solid to solid phase diffusionless transformation via twinning and detwinning upon the application of either load or temperature change. Among these three, the pseudoelasticity was taken into consideration in the current work. First, the fatigue performance of micro-scale pseudoelastic NiTi wires was investigated under cyclic bending loading. The current findings demonstrated that the change in the scale from macroscopic to microscopic promotes the formation of the B19' phase and significantly hinders stabilization of the R-phase. Second, a rather application-based study was also conducted on NiTi orthodontic archwires. The NiTi orthodontic wires were examined in terms of their biocompatibility via mimicking the actual contact state of wires around brackets in intraoral environment. These wire-bracket contacts made the simulation of mechanical loading at the wires possible during ex situ experiments. An undeformed wire and another set which was bound to brackets on a plaster dental model were immersed into artificial saliva solution for a period of 31 days. Post-immersion electron optical analyses were carried out on the wires, while inductively-coupled plasma mass spectroscopy was conducted on the solutions. The carbon-rich product formation was detected on both undeformed and bound wires after immersion. This formation was observed to be randomly distributed on the undeformed wire, while it was localized on certain locations with equivalent intervals on the bound wires. This localization of corrosion products was then attributed to the preferential formation at the wire-bracket contact regions due to higher surface energy attained and micro-scale cracks formed at these regions after optical microscopy analyses. Furthermore, the limited amount of Ni or Ti ion release into the solutions was attributed to the suggested blocking of micro-cracks with these corrosion products. The current set of results revealed the importance of the simulation of chemical and mechanical conditions of the intraoral environment simultaneously for a more reliable and realistic investigation of the biocompatibility of NiTi orthodontic wires.
Benzer Tezler
- Bir cisim etrafındaki sualtı akış gürültüsünün teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Therotical and experimental investigation of underwater flow noise around submerged bodies
SERTAÇ BULUT
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Çukur yapıların yüzey sürtünme direncine olan etkilerinin hesaplamalı ve deneysel olarak incelenmesi
Experimental and computational investigation of the effect of dimpled surfaces on skin friction reduction
YASİN KAAN İLTER
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
- Behavioral and neural investigation on the effect of spatial attention on surround suppression
Uzamsal dikkatin çevresel baskılamaya etkisinin davranışsal ve nöral incelenmesi
MERVE KINIKLIOĞLU
Doktora
İngilizce
2023
Psikolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiNörobilim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN BOYACI
- Moleküler modelleme yöntemleri kullanılarak bazı enzim ve proteinlerin alosterik etki ile inhibisyon ve aktivasyonlarının araştırılması
Investigation of inhibition and activation of some enzymes and proteins by allosteric effect using molecular modeling methods
MEHMET MURAT YAŞAR
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI SARPÜN
PROF. DR. EROL EROĞLU
- Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi
Thermal behavior of plastics during additive manufacturing process and impact of production parameters
BÜRYAN TURAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ