Dynamics of eutectic growth in a three-phase system
Üç fazlı sistemde ötektik büyüme dinamikleri
- Tez No: 492511
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MELİS ŞEREFOĞLU KAYA, DR. MEHMET SOMER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 241
Özet
Katılaşma, döküm, kaynak, lehim ve katmanlı imalat gibi çeşitli üretim metotlarında yer alır. Katılaşma mikroyapıları, ilerleyen katı/sıvı arayüzeyinin geride bıraktığı izlerdir. Bu yapılar, malzemenin içsel özellikleri ve proses parametrelerine bağlı olarak evrilir. Malzeme özellikleri önemli ölçüde mikroyapıya bağlıdır ve bu nedenle malzeme özelliklerinin kontrol ve optimize edilmesi için fazların dizilim oluşum prensiplerinin anlaşılması gerekir. Endüstride kullanılan malzemelerin çoğu çok fazlı olduğundan, son yıllarda, çok fazlı mikroyapının katılaşma esnasında nasıl oluştuğunu anlamaya yönelik birçok kapsamlı bilimsel araştırmalar yapılmıştır. Fakat fazların ve fazlar arası yüzeylerin çeşitliliğinden dolayı oldukça karmaşık mikroyapılar oluştuğundan, mikroyapının oluşum dinamikleri hayli karmaşık bir problemdir. Terner ötektik bir sistemde, ötektik kompozisyondaki homojen bir sıvıdan aynı anda üç kristal fazın büyüdüğü üç fazlı ötektik sistemler çok fazlı malzemelere bir örnektir. Ötektik sistemler, düzenli dizilime, düşük erime sıcaklığına, döküm sırasında mükemmel akışkanlığa sahip oldukları ve ayrıca katı ve sıvının beraber bulunduğu bir sıcaklık aralığı bulunmadığı için endüstride yaygın olarak kullanılırlar. Bu tezin amacı, In-Bi-Sn üçlü sistemi ile sistematik deneyler yaparak, üç fazlı ötektik büyümenin temel ve kritik ama henüz bilinmeyen özelliklerini anlamaktır. Katılaşma sırasında kısmı olarak 2B olan numunelerin katı/sıvı arayüzeyleri her iki taraftan gerçek zamanlı olarak incelenebilmesi için en gelişkin teknolojiler kullanılarak bu araştırmalar için üretilmiş tek yönlü katılaştırma ve dönen tek yönlü katılaştırma üniteleri kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde, ara yüzey enerjisinin izotropik olduğu durumlarda numune kalınlığının, 2B ve üç fazlı ötektik sistemlerde temel yapı olan ABAC diziliminin kararlılığı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Numune kalınlığı arttıkça ABAC diziliminin kararlılık bölgesinin daraldığı ve bunun nedeninin kararsızlık mekanizmaları olan lamel eliminasyonu ve dallanması ile ilgili olduğu anlaşılmıştır. Bu kararsızlıkların dinamikleri ve özellikleri, mikroyapının alttan ve üstten aynı anda gözlemlenmesini sağlayan çift taraflı mikroskop sayesinde karakterize edilmiştir. Faz değişimi ve faz akını şeklinde adlandırdığımız ve dizilimde bir hata olduğunda ABAC yapısının tekrar elde edilmesini sağlayan iki kilit mekanizma olduğu belirlenmiştir. İkinci bölümde, üç fazlı ötektik tanecikler, fazlar arası yüzey enerjisinin anizotropi fonksiyonundaki farklılıklara göre sınıflandırılmıştır. Ötektik tanecikler, fazlar arasındaki sınırların Wulff grafiklerine göre izotropik, kısmen kilitli, tamamen kilitli ve ayrıymış tanecikler olarak dört gruba ayrılmışlardır. İzotropik ötektik taneciklerde, fazlar arası yüzey enerjisi yönden bağımsızken, bu enerjinin belirli açı aralıklarında tekil ve tekil olmayan minimumlar olması, sırasıyla tamamen kilitli ve kısmen kilitli ötektik taneciklerinin oluşmasına sebep olmuştur. Bu taneciklerde lamel yapı, fazlar arası yüzey enerjisinin az olduğu yöne doğru eğilmiştir. Son grup olan ayrışmış taneciklerde ise mikroyapı düzenli ABAC dizilimini oluşturmadığı gibi fazların morfolojisi de fazlar arası anizotropiden dolayı tamamen değişmiştir. İki farklı ayrışmış mikroyapı tanımlanmış ve her birinin muhtemel kaynağı belirlenmiştir. Son olarak, bu çalışma kapsamında gözlemlenen diğer mikroyapı tipleri numune kalınlığına bağlı ve anizotropi kaynaklı mikroyapılar olarak sınıflandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Solidification is involved in a variety of manufacturing processes such as casting, welding, soldering, and additive manufacturing. Solidification microstructures, which are the traces left in the solid by the propagating solid/liquid interface, evolve depending on the inherent characteristics of the materials as well as the process parameters. The properties of materials are significantly dependent on the microstructure and therefore, understanding the pattern formation phenomena is necessary to control and optimize the material properties. Because many industrially used materials are multi-phase, in recent years, an extensive research effort is dedicated to understanding how different microstructures form during solidification. However, this is a challenging task due to the fact that the multiplicity of phases and interphase boundaries lead to formation of highly complex microstructures. One of the examples of multi-phase materials is three-phase eutectic systems in which three crystalline phases are spontaneously growing from a homogenous liquid at the non-variant eutectic composition. Due to not having a mushy-zone and having well-ordered patterns, low melting temperatures, and excellent fluidity during casting, eutectic systems are used extensively in the industry. The research effort explained in this thesis aims to understand the fundamental and crucial, but currently unknown, aspects of three-phase eutectic growth by performing systematic experiments on In-Bi-Sn ternary system. The employed methodology is based on real-time investigation of solidification front dynamics from both sides of the quasi-2D samples using a novel optical microscopy system along with directional solidification techniques, namely directional solidification and rotating directional solidification setups. In the first part of the thesis, the effect of sample thicknesses on the stability of the ABAC-type growth pattern, which is the basic state of the three-phase eutectic system in absence of interphase energy anisotropy, is investigated. It is found that by increasing sample thickness, the stability region of the ABAC pattern shrinks and this effect is correlated with the mechanisms of the instabilities, namely lamellae elimination and branching. The dynamics and features of these instabilities are characterized thanks to the double-sided microscope by observing the phenomena simultaneously from top and bottom of the samples. Two key pattern recovery mechanisms are identified, namely phase invasion and phase exchange, which assist the system to spontaneously recover the isotropic ABAC pattern if the stacking faults are formed in the arrangement. In the second part, different three-phase eutectic grains are identified as a function of interphase anisotropy. Depending on the 2D-Wulff plots of the interphase boundaries, four distinct eutectic grain types are established in three-phase systems, namely isotropic, nearly-locked, fully-locked, and separated eutectic grains. While the isotropic eutectic grains have orientation-independent interphase boundary energies, non-singular and singular minima in certain angular ranges of the interphases' energies lead to formation of the nearly-locked and fully-locked eutectic grains, respectively. In these grains, the lamellar structures are inclined into the low-energy direction of the interphase boundary energies. In the last type of the three-phase eutectic grains called separated eutectic grain, not only the microstructure is deviated from regular ABAC pattern, but also the morphologies of the phases are totally altered due to the interphase anisotropy. Two distinguishable separated microstructures are identified and possible origins of each are proposed. Finally, other types of microstructures that are observed within this study are classified in terms of sample thickness dependent and anisotropy-driven microstructures.
Benzer Tezler
- Solidification dynamics of three-phased eutectic patterns in 2D
2B lu üç fazlı ötektik dizilimlerin katılaştırma dinamikleri
SİNAN YÜCETÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİS ŞEREFOĞLU KAYA
- Microstructural characterization of Al-Ag-Cu eutectic system
Al-Ag-Cu ötektik sisteminin mikroyapısal karakterizasyonu
MEHMET EMRE ÇETİNKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Metalurji MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİS ŞEREFOĞLU KAYA
- Ion transfer dynamics of polyaniline and its derivatives in energy storage and water purification
Başlık çevirisi yok
ABDULCABBAR YAVUZ
- Ötektik sıvı kristal nanotel karışımlarının faz geçişlerinin termo-optik yöntemlerle incelenmesi
Thermo-optical methodology of phase transitions of eutectic liquid crystal mixtures
TOLGA YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve TeknolojiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE DURAN DURMUŞ
- Dissecting the effect of viscosity of deep eutectic solvents on the structure and dynamics of thermostable lipases
Derin ötektik çözücülerin viskozitesinin termostabil lipazlarin yapisi ve dinamiği üzerindeki etkisinin i̇ncelenmesi
ZEYNEP KAVALCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyoistatistikAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar ÜniversitesiBiyoistatistik ve Biyoinformatik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMEL TİMUÇİN