The effect of different addition ratio of rare earth element erbium and europium on microstructure and mechanical properties of A356 (Al-7Si-0.3Mg) alloy
Nadir toprak elementi erbium ve europyum'un farklı ilave oranlarının A356 (Al-7Si-0.3Mg) alaşımının mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
- Tez No: 775897
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
A356 (Al-7Si-0.3Mg) alaşımı, iyi özgül mukavemet, dökülebilirlik, korozyon direnci, kaynaklanabilme özellikleri sayesinde otomotiv, havacılık ve savunma sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ötektik altı Al-Si alaşımlarının başlıca mikroyapısal özellikleri birincil α-Al dendritleri, ikincil denrit kol aralığı (SDAS), ötektik Si ve intermetalik fazlarıdır. Birincil α-Al'nin boyutu ve morfolojisi, ötektik Si'nin iğnemsi ve kaba plaka benzeri yapısı, zayıf mekanik özelliklere sebep olur. Bu yapıların kontrol edilerek istenilen forma getirilmesiyle istenen mekanik özelliklere sahip döküm ürünleri elde etmek mümkündür. Alaşımın mekanik özelliklerini iyileştirmek için α-Al tane inceltmesi ve ötektik Si modifikasyon teknikleri kullanılır. Alaşımlama, basit kullanım ve düşük maliyet avantajları nedeniyle, endüstride tane inceltme ve modifikasyon için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ti, B ve kombinasyonları tane inceltici olarak yaygın olarak kullanılırken, Na ve Sr ötektik Si'yi modifiye etmek için kullanılmaktadır. Nadir toprak elementlerinin çok az miktarda ilaveleriyle daha etkili tane inceltme ve/veya modifikasyon etkilerinin olduğu görülmektedir. Kum kalıba döküm, en geleneksel döküm yöntemlerinden biridir. Daha yavaş katılaşması ve karmaşık parçaların kalıplanabilmesi gibi avantajları söz konusudur. Bu çalışmada çekme test kalıbı olarak kullanılan ASTM B108/B 108M kalıbının tek dökümden sadece 2 adet numune üretmektedir. İstatistiksel çalışmalarda birden fazla kalıbın dökümüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bu durumunda operatör etkisini ve döküm şartlarında (sıcaklık vb.) değişiklik olması muhtemeldir. Aynı zamanda ASTM B108/B 108M kalıbının Anycasting simülasyonuyla dolum analizi incelenmiş bu analiz sırasında kalıp tasarımında sıvı metalin birçok noktada türbülansa uğradığı görülmüştür. İyi bir nihai döküm ürünü elde etmek için iyi sıvı kalitesine sahip metalle başlamak kadar kalıp tasarımının döküm sırasında türbülans yaratmadan kalıbı türbülanssız ve yeni oksit oluşturmadan doldurması gerekmektedir. Bu nüanslar göz önünde bulundurularak farklı kalıp tasarımları ve farklı döküm yöntemleri uygulanmıştır. Kalıp tasarımlarında aynı dökümde, döküm şartları değişmeden 10 adet test silindirik test numunesi üretmek amaçlanmıştır. Simülasyon ve yapılan dökümlerle en iyi tasarımın eğerek dökme (tilt casting) yöntemiyle elde edilmiştir. Alaşımlama ilaveleri elde edilen en iyi kalıp tasarımı ve döküm yönteminde uygulanmıştır. A356 alaşımına farklı oranlarda Er ve Eu ilavelerinin etkisi araştırılmıştır: •0.0 •0.1 Er wt% •0.1 Er + 0.1 Eu wt% •0.3 Er wt% •0.3 Er + 0.1 Eu wt% Aynı ilave oranlarının ısıl işlem etkisini incelemek için T6 ısıl işlemi uygulanmıştır. Elde edilen ısıl işlem görmüş ve görmemiş numunelere; OES, XRF, RPT, mikroyapı, sertlik, çekme testi, mikroyapı ve kırık yüzeylere SEM testleri uygulanmıştır. Optical Emission Spectroscopy (OES) test sonucuyla A356 alaşımının kimyasal kompozisyonun Fe dışında standartlar içindedir. Kullanılan A356 külçeleri ikincil üretim olduğu için Fe değerleri sınır aralığından yüksektir. XRF sonucuyla, Er ve Eu alaşım elementlerinin istenen oranlarda eklendiği görülmüştür. Sıvı metal temizliği için uygulanan gaz giderme işlemlerinden önce bifilm değeri 71 mm'dir. Gaz giderme işleminden sonra alınan Reduced Presure Test (RPT) numunelerinin kesit yüzeyleri incelenerek döküm için uygun bifilm index değerlerin olan 10 mm'den az değerlere sahip oldukları elde edilmiştir. Mikroyapı incelemeleri için dağlandıktan sonra numunelere polarize ışık altında tane boyutları ölçümleri yapılmıştır. Isıl işlem görmemiş numunelerde ilavesiz tane boyutu 789 µm'dir. Er ilavesi tane boyutunda küçülmeye sebep olmazken Eu ilavesiyle tane kabalaşması görülmektedir En kaba tane boyutu 0.1 Er + 0.1 Eu wt% ilavesinde 1033 µm'dir. Isıl işlem görmüş numunelerde ilavesiz A356 alaşımının tane boyut ortalaması 950 µm'dir. Er ilavesiyle tane incelmesi gözlemlenirken, Eu ilavesiyle tane kabalaşması olmuştur. En ince tane değeri 0.3 Er ilavesiyle 643 µm, en kaba tane 0.1 Er + 0.1 Eu ilavesiyle 1022 µm'dir. Ötektik Si morfolojisi incelendiğinde alaşım element ilavesi olmadan 12 µm'dir. Er ilavesiyle ötektik Si boyunda bir değişiklik olmazken Er miktarı arttıkça boyunda kısalma görülmektedir. Ama en iyi ötektik Si boyundaki etkiyi 0.1 Er + 0.1 Eu ilavesiyle 2.4 µm elde edilmiştir. Alaşımlama ilavesi olmadan 9.6 olan ötektik Si en-boy oranı alaşımlama elementlerinin ilavesiyle küçülerek daha küresel bir hale gelmiştir. Ama en iyi ötektik Si 0.1 Er + 0.1 Eu ilavesiyle 2.4 olarak bulunmuştur. T6 ısıl işlemi etkisiyle ötektik Si fazlarının boyutları ve en-boy oranı azalmıştır. Alaşım element ilavesinden önce sırasıyla 5.8 µm ve 1.9'dur. Alaşım elementlerinin ilavesiyle modifikasyon etkisi artmıştır. En iyi modifikasyon 0.1 Er + 0.1 Eu ilavesiyle elde edilmiştir (2.8 µm ve 1.2). A356 alaşımında yapılan alaşımlama sonrasında ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz numunelere çekme testleri uygulanmıştır. Isıl işlemsiz numunelerde alaşım element ilavesi olmadan çekme dayanımı değeri 138 MPa ve % uzaman 1.1'dir. Alaşım element ilavesiyle mekanik özellikler iyileştirilmiştir. En iyi çekme dayanımı değeri 0.1 Er ilavesiyle 177 MPa olarak elde edilirken en iyi uzama değeri 3.7 ile 0.3 Er + 0.1 Eu ilavesinde elde edilmiştir. Isıl işlem sonrası alaşımlama elementi ilavesi olmayan A356 alaşımı 228 MPa çekme dayanımı ve 0.8 % uzama değerine sahiptir. Alaşımlama elementi ilavesiyle mekanik özelliklerde iyileşmeler olmasına rağmen en iyi çekme dayanımı 0.1 Er ilavesiyle elde edilirken en iyi uzama değeri 2.4 ile 0.3 Er + 0.1 Eu ilavesinde elde edilmiştir. Isıl işlem uygulanmış ve uygulanmamış A356 alaşımına sertlik testi yapılmıştır. Alaşımlama ilavesi olmayan ısıl işlem görmemiş numunenin sertlik değeri 11.5 HRB10'dur. Alaşım elementi ilavesiyle sertlik değerleri değişmektedir. En iyi sertlik değeri 19.5 HRB10 olarak 0.1 Er ilavesinde elde edilmiştir. Isıl işlemle alaşımsız numunenin sertliği 58.5 HRB10 olmasına rağmen alaşımlama elementinin ilavesiyle sertlik değeri sürekli azalmaktadır ve en düşük değer 0.3 Er ilavesiyle 48.5 HRB10 olarak elde edilmiştir. SEM incelemelerinde alaşım elementi olamayan yapıda iğnemsi Fe intermetalik fazları gözlemlenmiştir. Alaşım elementinin ilavesiyle alaşım elementine uygun olarak Er veya Er, Eu elementlerini birlikte içeren iğnemsi intermetalik fazları bulunmaktadır. Alaşım elementinin ilavesiyle yapıdaki intermetalik fazlarının sıklığında artmıştır. Isıl işlem sonrası bu intermetaliklerin boyu kısalmış olmasına rağmen tam olarak küreselleştirilememiştir.
Özet (Çeviri)
A356 (Al-7Si-0.3Mg) alloy is widely used in automotive, aerospace and defense industries due to its good specific strength, castability, corrosion resistance and weldability. The main microstructural features of Al-Si alloys are primary α-Al dendrites, secondary denrite arm space (SDAS), eutectic Si and intermetallic phases. The size and morphology of primary α-Al, the acicular and coarse plate-like structure of eutectic Si cause poor mechanical properties. α -Al grain refinement and eutectic Si modification techniques are used to improve the mechanical properties of the alloy. Alloying is widely used in industry for grain refinement and modification because of its simple handling and low cost advantages. Ti, B, and their combinations are commonly used as grain refiners, while Na and Sr are used to modify the eutectic Si. It is seen that there are more effective grain refinement and/or modification effects with the addition of rare earth elements in trace amounts. The present work investigates the optimum addition amount of Er and Eu to achieve the best mechanical properties on sand mold casting. Sand casting is one of the most traditional casting methods. It has advantages such as slower solidification and ability to mold complex parts. Defect free casting begins with starting melt cleanliness, casting speed and well-designed runner systems. Failure of one of these three main components has a significant negative impact on the quality of part. The ASTM B108/B 108M mold is the most common mold used to obtain a tensile specimen. New mold designs were proposed in this work that would provide statistically reproducible results. Filling analyzes of the designs were made in the Anycast software. In order to evaluate the tensile test results of the samples cast with A356 alloy. T6 heat treatment was carried out, and the quality index values were calculated. The reliability of the results was evaluated using survivability plots. Considering these results, V3 mold was casted by tilt casting method in subsequent alloying castings. Alloying additions were applied in the best mold design and casting method. The effect of adding different amounts of Er and Eu to the A356 alloy was investigated: •0.0 •0.1 Er wt% •0.1 Er + 0.1 Eu wt% •0.3 Er wt% •0.3 Er + 0.1 Eu wt% T6 heat treatment was applied to examine the heat treatment effect of the same addition rates. To the heat-treated and non-heat-treated samples; OES, XRF, RPT, microstructure, hardness, tensile test, microstructure and SEM tests were employed to the fractured surfaces. Grain refinement was observed with the addition of Er, while grain coarsening was observed with the addition of Eu. However, while there is no change in the eutectic Si length with the addition of Er, a shortening is observed as the amount of Er increases. Eutectic Si is modified by the addition of Eu. The best eutectic Si aspect ratio was obtained with the addition of Eu with the heat treatment. The mechanical properties were improved with the addition of alloying elements. The best mechanical properties were obtained by heat treatment and the addition of alloying elements. The hardness value decreased with the addition of alloying elements, although the heat treatments increased. In SEM examinations, acicular Fe intermetallic phases in unalloyed structure were observed. With the addition of the alloying element, there wer acicular intermetallic phases containing Er or Er, Eu elements together in accordance with the alloying element. The frequency of intermetallic phases in the structure increased with the addition of alloying element. Although these intermetallic phases shortened after heat treatment, they could not be fully spheroidized.
Benzer Tezler
- Investigation of infrared phosphorescence properties of chromium doped lanthanum gallogermanate phosphors sythesized by sol-gel method
Sol-gel yöntemi ile sentezlenen krom katkılı lantan galogermanat fosforlarının kızılötesi fosforesans özelliklerinin incelenmesi
BURCU CAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Niyobyum elementi ilavesinin A206 alaşımına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of adding niobium to alloy A206
NURİ PALAMUTÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Konya İnlice epitermal altın cevherlerinin zenginleştirilmesi
Enrichment of Konya Inlice epitermal gold ores
AYŞE NUR DÖĞME
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ GÜNEY
- Tuz Gölü ve yakın çevresindeki çökellerin mineralojik ve jeokimyasal özellikleri
Mineralogical and geochemical characteristics of the sediments in Salt Lake and the close vicinity
MEHMET YAVUZ HÜSEYİNCA
Doktora
Türkçe
2015
Jeoloji MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞUAYIP KÜPELİ
PROF. DR. HÜKMÜ ORHAN