Geri Dön

Thermoelastic stability analysis of solidification of pure metals on a coated planar mold of finite thickness: Effects of the coating layer

Katılaşma sürecinde gözlemlenen kararsızlık mekanizmasının analizi: Kalıp yüzeyi kaplama tabakasının etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 432185
  2. Yazar: MEHMET HAKAN DEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FARUK YİĞİT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 162

Özet

Katılaşma prosesi sırasında başlangıçta sıvı halde bulunan malzeme kendisini çevreleyen kalıp ile temas halindeki yüzeylerden gerçekleşen ısı transferi ile sıcaklığının erime sıcaklığının altına düşmesiyle katı hale geçmeye başlar. Bu sebepten katılaşma süreci kalıp yüzeylerinde oluşan katı oluşumu ile başlar ve tüm sıvı kütlesine yayılarak devam eder. Sıvıdan kalıba olan ısı transferi tüm sıvı katılaşıncaya kadar devam eder. Eğer katılaşma prosesi katılaşma devam ederken kesilip, katılaşmayan sıvı prosesten uzaklaştırılırsa katılaşmış malzemenin kalınlığında periyodik değişimler gözlemlenir. Bu dalgalı yapı üniform olmayan soğumanın kaçınılmaz sonucu olarak birçok metalin katılaşması sırasında görülür. Katılaşmış kabuğun bu tip düzensiz büyümesi üretimde, bununla ilişkili olan katılaşmış kabuktaki termal bozunumların katılaşan parçada ciddi çatlaklar oluşturması nedeniyle istemeyen bir durumdur. Bu çatlaklar katılaşan malzemenin mukavemetini, mikroskobik yapısını ve buna bağlı olarak katılaşma sonucu oluşan parçanın kalitesini önemli ölçüde etkilemektedir. Katılaşma kesilmeyip bitmesi sağlandığında ise katı/sıvı fazları arasındaki periyodik değişimler, katılaşan malzeme kalınlığının artmasıyla katı/sıvı ara yüzeyindeki koşulların kalıp ile katılaşmış malzeme arasındaki koşullara olan ilişkisinin azalması nedeniyle zaman ilerledikçe kaybolacaklardır. Katı ve sıvı fazları arasındaki bu üniform olmayan dalgalanmalar kalıp ile katı malzeme arasındaki yüzeyden olan ısı çıkışının düzensiz yapısı sebebiyle ortaya çıkmaktadır. Bu yüzeyde genelde yüzey pürüzlüğü ve kirletici filmlere bağlı olarak termal temas dirençleri mevcuttur. Bu termal temas direnci temas basıncına ters orantılı olarak değişir ve basınç artarsa azalma eğilimi gösterir. Prosesten düzensiz ısı çıkışına bağlı olarak hem katılaşan malzeme hem de kalıp içerisinde üniform olmayan sıcaklık ve gerilme alanlarının oluşur. Bu düzensiz termal ve gerilme alanları kalıp ve katılaşan malzemede termal bozunumların meydan gelmesine neden olur ve bu bozunumların kalıp ile katılaşan malzeme arasındaki yüzeydeki temas basıncı üzerinde büyük etkisi vardır. Temas basıncının değişimi termal temas direncini etkiler ve buna bağlı olarak ısı akısı değişir. Anlaşılacağı gibi bu problemde termal ve mekanik olaylar birbirine bağlı olarak gerçekleşmektedir. Dolayısıyla problemin komple bir sistem olarak incelenmesi gerekmektedir. Bu birbirine bağlı sistem bir pozitif geri besleme mekanizmasına sahiptir ve bu sebepten dolayı kararsız olma potansiyeli bulunmaktadır. Sistem faz değişimli ısı transferi, gerilme alanlarının belirlenmesi ve termoelastik kararlılık analizi olarak üç kısımda incelenir. Yapılan tezin amacı saf metallerin katılaşması prosesindeki karasızlık mekanizmasını araştırmak ve bu termoelastik kararsızlık hakkındaki bilgileri arttırmak, birbiriyle bağıntılı termo-mekanik olaylar sonucunda döküm parçasının iç yapısı ve dış yüzeylerinde oluşan çatlaklar gibi profil hatalarını elimine ya da minimize edecek koşulları belirlemek ve kalıp üzerine eklenen kaplama tabakasının ve diğer sistem parametrelerinin katılaşma prosesi üzerindeki etkisini incelemek ve son ürünün kalitesini arttırmak için koşulları belirlemektir. Katı-sıvı ara yüzeyindeki oluşan bu dalgalanmaya, temas basıncının yanında eriyik metal içindeki sıvı akışı, metalin donma aralığının ayarlanması, sürekli döküm prosesleri için katılaşma hızı ve erimiş metalin süper ısıtma derecesi gibi faktörler de etki etmektedir. Yapılan çalışmalar bu dalgalanmanın önemli ölçüde kalıp ile katılaşan malzeme arasındaki ara yüzeyin geometrisine bağlı olduğunu göstermiştir. Farklı kalıp topografileriyle yapılan deneyler sonucunda bu kalıp/katılaşmış katman arasında oluşan hava boşluklarının oluşma zamanlarının ve yerlerinin seçilerek ya da ayarlanarak daha düzgün bir yapıya sahip katılaşma elde edilebileceği kanıtlanmıştır. Kalıp kaplaması prosesten olan ısı çıkışını kontrol etmek için en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yüzden katılaşma derecesin ve mikro yapının oluşması üzerinde önemli bir rol oynamaktadır. Kalıp kaplaması tekniği sanayide üretimde sık kullanılan bir tekniktir. Kalıp kaplaması ısı çıkışını kontrolünü sağlayıp daha üniform bir büyüme sağlar ve kalitesi yüksek ürünlerin döküm sürecinden çıkmasına yardımcı olur. Bu da üreticinin oluşan ürünün atılması ya da başka bir amaca yönelik kullanmak için herhangi bir ek işleme gerek kalmamasına yardımcı olur. Böylece zaman, enerji, iş gücü ve malzeme sarfiyatı azaltılmış olur. Ayrıca kalıp üretim teknolojisinin pahalı bir teknoloji olması nedeniyle kaplama katmanın kalıbı koruyucu bir faydası da vardır. Bu çalışmada termal ve mekanik problemler basınca bağlı termal temas direnci aracığıyla bağıntılı (birleşik) olarak ele alınmıştır. Kalıp, kaplama katlamanı ve katılaşmış malzemenin termal difüsiviteleri sonsuz büyük kabul edilmiştir. Bu kabulün fiziksel olarak kalıp, kaplama ve katılaşmış kabuk malzemelerinin termal kapasitelerinin sıfır olduğu anlamına gelir. Bu kabul prosesin başlangıcında kısa bir evre için malzeme özelliklerinin proses üzerindeki etkisinin çok az olması nedeniyle doğru bir kabuldür ve kalıp, kaplama katmanı ve katılaşmış kabuk içerisindeki sıcaklık dağılımlarının değişimi uzay koordinat sisteminde doğrusal bir hale gelir. Böylece ısı transferi probleminin analitik olarak çözülmesi mümkün olmaktadır. Oluşturulan matematiksel model saf metallerin katılaşması ile sınırlandırılmıştır ve böylece katılaşmanın belirli bir sıcaklık değerinde meydana geldiği ve katı/sıvı arasındaki hareketli ara yüzeyin keskin ve belirgin bir yapıda olduğu varsayılmıştır. Başlangıçta sıvının sıcaklığı erime sıcaklığına eşittir ve sıvı fazın sabit hidrostatik basınca sahip olduğu kabul edilmiştir. Malzemelerin fiziksel özellikleri sıcaklığa bağlı olarak değişmemektedir. Faz değişimli ısı transferi problemi analitik olarak çözülür. Katılaşmış metal içerisindeki gerilme alanlarının belirlenmesi katı deforme olmuş durumda iken katılaşmanın devam etmesi nedeniyle karmaşık bir işlemdir. Katılaşma sona erdikten sonra final ürünü kalıcı durum sıcaklığına ulaştığında içerisinde artık gerilmeler içerir. Bu gerilmelerin modellenmesi sırasında katılaşma sırasında katılaşan malzemenin elastik davrandığı varsayılan doğrusal yapısal model kullanılmıştır. Katmanlardaki gerilme alanları homojen ve özel çözüm olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Özel çözümü bulmak için Termoelastik yerdeğiştirme potansiyeli, homojen çözüm için ise Airy gerilme fonksiyonu kullanılmıştır. Sonlu kalınlığa sahip kaplanmış kalıp üzerinde saf metallerin katılaşma probleminin modellenmesi için doğrusal pertürbasyon metodu kullanılmıştır. İki boyutlu model bu metot aracılığıyla sıfırıncı ve birinci dereceden problem olmak üzere iki adet tek boyutlu probleme indirgenmiş ve bu problemlerin çözümü iki boyutlu problemin çözümünden daha verimli ve hızlı bir çözüm getirmektedir. Termal ve mekanik problemler sınır koşullarına bağlı olarak modellendikten sonra, birleşik katılaşma modeli için iki adet değişken katsayılı iki dereceden adi diferansiyel denklem elde edilir. Bu denklemler hareketli arayüzeydeki pertürbasyonların genliği ve bu genliğin zamana göre türevi ile katılaşmış kabukta oluşan artık gerilmeleri ve bu gerilmelerin uzay değişkenine göre birinci ve ikinci dereceden türevlerini içermektedir. Problem çözümün genelleştirilmesi için boyutsuz olarak çözülmüştür. Elde edilen boyutsuz denklemler durum uzayı formunda yazılarak, belirlenen başlangıç koşulları doğrultusunda eş zamanlı olarak çözülür. Bu rijit katılaşma problemin nümerik çözümü için değişken adımlı değişken dereceli tahmin ve doğrulama algoritması kullanılmıştır. Çözüm elde edildikten sonra kaplama katmanının ve kalıbın kalınlığı, katılaşan malzeme ile kaplama katmanı malzemesinin termal kondüktivitelerinin oranı, kaplama malzemesi ile kalıp malzemesinin termal kondüktivitelerinin oranı, katmanlar arasındaki yüzeylerdeki termal ve mekanik problemlerin birleşme (coupling) derecesi gibi sistem parametrelerinin katılaşmış malzeme kalınlığının büyümesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar daha genelleştirilmiş model olan malzeme termal difüsivitelerinin hesaba katıldığı problemin nümerik çözümünde başlangıç koşulu olarak ve bu nümerik çözümün doğruluğunun kontrolünü yapmak amacıyla kullanılacaktır.

Özet (Çeviri)

During the solidification process, initially liquid material is started to solidify when its temperature reduce below its melting temperature by heat transfer from its surfaces which are in contact with a surrounding mold. Therefore the solidification process starts with the formation of the solid at the surfaces of the mold and spreads all of the liquid mass as the time progressed. The heat transfer from liquid to mold continues until all liquid mass solidify. If the process is interrupted and remaining liquid is drawn away from the process, some periodic variations are observed on the thickness of the solidified shell. This undulatory structure is seen in the solidification of many metals as inevitable result of cooling. Such uneven undulations are not desirable in the manufacturing because the associated thermal distortions in the solidified shell cause severe cracks in the solidified ingot. Undesirable cracks have significant effects on the strength and microscopic structure of the ingot and according to this the final product has poor quality. If the solidification is not interrupt, at the end of the process the periodic variations at the freezing front tends to die out since the conditions at the liquid/solid interface becomes less dependent upon the conditions at the mold/shell interface due to the increasing of the solidified shell thickness. These non-uniform undulations are occurred as a consequence of the non-uniform heat extraction along the mold/shell interface. There is some thermal resistance at this interface due to the surface roughness and contaminants films. Thermal contact resistance is changed as a function of contact pressure. There is an inverse proportion between the contact pressure and thermal resistance. The non-uniform temperature and stress fields in the solidified material and mold associated with non-uniform heat extraction cause thermal distortions in the casting and mold. Thermal distortions have a great influence on the contact pressure at the shell/mold interface. As it seen the thermal and mechanical problems must be investigated together and the system behaves like a positive feedback system, therefore it may have potential to being unstable. The purposes of this thesis are that investigating the instability mechanism in the solidification process during casting of pure metals and improving our knowledge about this thermos-elastic instability mechanism, determining the conditions which eliminate or minimize the profile defects such as cracks in the surface and internal structure of casting product associated with the coupled thermo-mechanic events, analyzing the effects of coating layer and other system parameters on the solidification process and specify the conditions which improve the quality of product. The fluid flow in the melt metal, adjusting the freezing range of the metal, solidification rate of the continuous casting process and superheat of the melted metal affect the non-uniform structure at the moving interface. But researches about the solidification process show that undulations depend considerably the geometry of the mold/shell interface. Mold coating at the mold-shell interface is one of the most important factors controlling the heat transfer and, hence, it has very important role on the solidification rate and development of microstructure. Other advantages of coating layer protecting the mold during the casting process because of expensiveness of the mold manufacturing technology and the additional manufacturing requirements are prevented before the using of final product by controlling the unstable growth of the solidified shell. At the end coating layer affects the quality of casting and provides energy, time and workforce savings. In this study thermal and mechanical problems are coupled through the contact pressure dependent thermal contact resistance at the coating/shell interface. The thermal diffusivities of the mold, coating and solidified shell materials are assumed infinitely large. The physical meaning of this assumption is that the thermal capacities of the materials of the mold, coating and shell are zero. This assumption is correct at the beginning of the solidification since the materials properties have no significant effects on the process and it allows us to solve the heat conduction problem analytically because the temperature distributions in the each layer changes linearly in space coordinate. The model is restricted to the solidification of pure metals and the solidification occurs at a distinct temperature. Therefore, there is a sharp interface between solid and liquid phases, no mushy zone occurs. For modeling the changes in the heat flux drawn from the lower surface of the mold, small spatial perturbations are added and amplitude of this perturbation are much small than its wavelength. The liquid initially at its melting temperature and the liquid phase is assumed to be at constant hydrostatic pressure. The determination of the stress distribution in the solidified layer is very complex, because the material is continually being solidified while the solid is in a deformed state, and therefore the final cast product exhibits residual stress, even after the temperature has been reduced to zero. Linear constitutive model has been employed which assumes the behavior of the solidified material to be elastic during solidification. Thermo-elastic displacement potential and Airy stress function are used to obtain particular solution and homogeneous solutions of the stress fields in each layer, respectively. Linear perturbation method is used to obtain the governing equations of solidification problem on coated planar mold of finite thickness. Two-dimensional problem is modelled with two one dimensional problem called as zeroth and first order problem. Zeroth order solution is the nonlinear unperturbed solution of the problem. As long as the perturbation is small compared with the zeroth order values, the perturbation will be linear. The zeroth and first order problems involve fields varying in only one spatial dimension and time, they are considerably easier to implement and more efficient computationally than a full two-dimensional numerical solution of the solidification problem. After the modeling of thermal and mechanical problems with respect to thermal and mechanical boundary conditions, two second-order differential equations with variable coefficients which involving amplitude of perturbation at the moving interface, its time derivative, residual stress and its derivative with respect to mean shell thickness. The problem solve in dimensionless form for generality of the solution. These equations are written in state-space form and solving simultaneously with the given initial conditions. A variable step variable-order predictor-corrector algorithm is used to solve this stiff problem. The effects of the system parameters such as thickness of the coating layer and mold, thermal conductivity ratio between the solidified shell material and coating material, thermal conductivity ratio between the coating material and mold material, coupling between thermal and mechanical problems at the interfaces between solidified shell, coating and mold on the growth of the solidified shell thickness are investigated. The results of this study use in the development of the numerical solution of general problem with adding thermal diffusivities, as well as in providing an initial conditions for the general case and use to control validity of the numerical solution.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    496427

    Termoelastik temas probleminde pertürbasyon yöntemiyle kararlılık analizi

    Stability analysis by perturbation methods in thermolastic contact problem

    ÖMER YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  2. Tez No

    784181

    Ortodontide kullanılan şeffaf plakların renk stabilitelerinin in-vitro olarak değerlendirilmesi

    In-vitro evaluation of the color stability of CLEAR aligners used in orthodontics

    ZEYNEP MUTLU

    Diş Hekimliği Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Diş HekimliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Ortodonti Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BUKET PALA MUTLU

  3. Tez No

    363920

    Metal üzerine çok katmanlı takviyeli plastik kaplamanın termomekanik incelenmesi

    Thermomechanical analysis of a multi-layered reinforced plastic coating on a metal

    SUAT TUNA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M.HÜSNÜ DİRİKOLU

  4. Tez No

    774724

    Otomotiv sektöründe kullanılan poliamid 6.6/cam elyaf kompozitlerinin mekaniksel geri dönüştürülebilirliğinin araştırılması ve geri dönüştürülmüş kompozitlerin özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of recyclability of polyamide 6.6/glass fiber composites used in automotive industry and analysis of recyled composite properties

    CANSU GÜLTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALE BERBER

  5. Tez No

    676749

    Synthesis of poly(methyl methacrylate) reinforced by graphene nanoplates

    Grafen nano plakalar ile güçlendirilmiş poli(metil metakrilat) sentezi

    ELİF KOCAÇINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

Geri Dön