Geri Dön

SC ilavesinin Al-Cu alaşımlarının mikroyapısı ve mekaniközelliklerine etkisi

The effect of sc addition on the microstructure andmechanical properties of Al-Cu alloys

PDF İndir

  1. Tez No: 807394
  2. Yazar: KADİR GÖK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVAT FAHİR ARISOY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 155

Özet

Alüminyum ve alüminyum alaşımları, hafiflikleri ve üstün korozyon dirençleri sayesinde başta otomotiv, havacılık ve savunma sanayii olmak üzere birçok sektörde kullanılmaktadır. Avrupadaki emisyon kurallarının sıkılaşmasıyla beraber özellikle yolcu ve mal taşımacılığında kullanılan araçların (uçak, otomobil, vb.) istenilen emisyon değerlerine ulaşabilmesi için hafiflik kilit bir rol üstlenmiştir. Alüminyum alaşımları bu taleplerden dolayı kullanımı artan ve üzerindeki araştırmaların yoğunlaştığı bir alaşım grubudur. Alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerindeki iyileştirmeler sayesinde gerekli parçaların hafifletilmesi mümkündür, bu durum ile talep edilen hafiflik sağlanarak araçların emisyon kurallarına uyumuna gayret edilmektedir. Bu nedenle mevcut malzemelerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Günümüzde endüstride motor parçaları, tekerlekler ve otomobillerdeki bazı yapısal parçalar başta olmak üzere yüksek yük, stres ve yorulma altındaki parçalarda alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının daha fazla yerde kullanılabilmesi için mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi şarttır. Mikroyapısal değişiklikler, herhangi bir alaşımın mekanik özelliklerini doğrudan etkileyebilir. Bir döküm alaşımının mikroyapısı genellikle tane incelticiler gibi diğer elementlerin eklenmesiyle değiştirilir. Tane incelticiler, çoğunlukla endüstride alüminyum döküm alaşımlarının mekanik özelliklerini iyileştirmek için kullanılır. Son yıllarda La, Ce, Er, Eu gibi alüminyum döküm alaşımlarında tane inceltici olarak nadir toprak (RE) elementleri kullanılmakta ve test edilmektedir. Skandiyum, alüminyum alaşımlarında nadiren kullanılan ve görülen RE elementlerinden biridir. Bu çalışmada, Al-Cu alaşımları arasında yer alan A206 alaşımına ağrılıkça %0,03, %0,06 ve %0,09 Sc ilavesi ile elde edilen mikroyapısal değişiklikler ve mekanik özellikler endüstride sıklıkla kullanılan Ti tane inceltici ilavesi ile üç farklı ısıl işlem prosedürü altında (döküm hali, T6 ısıl işlemi, T7 ısıl işlemi) incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Tane inceltici ilavesi ile Al-Cu alaşımlarında akma ve çekme mukavemeti hem mikroyapısal değişim sayesinde artar hem de bu alaşımda gözlemlenen ötektik Al2Cu fazının ısıl işlem sonrasında tane içine daha homojen şekilde yayılmasıyla bu mukavemet değerleri maksimum seviyeye çıkmış olur. Bu çalışmadaki amaç ise Sc ilavesinin denemesiyle Ti tane incelticilerine bir alternatif sunmaktır. Yapılan literatür taramasına göre, Sc ilavesinin Al-Cu alaşımlarında tane inceltici etki gösterdiği ortaya konmuştur. Sc ilavesi ile sağlanan tane inceltme etkisi, döküm sıcaklığında halen katı halde bulunan ve alaşımın katılaşması sırasında heterojen katılaşma için uygun çekirdeklenme yüzeyi sağlayan Al3Sc intermetaliği ile elde edilmektedir. Ancak bu intermetalik belirli bir oranın üzerindeki Sc ilavesiyle ortaya çıkar. Ayrıca yine yapılan çalışmalara göre Al-Cu alaşımlarına belirli bir orandan fazla Sc ilave edilmesiye W fazı olarak adlandırılan Al-Cu-Sc bileşiği de gözlemlenebilmektedir. W fazının herhangi bir tane inceltme etkisine sahip olmadığı ortaya konmuştur. Çalışmada mekanik özelliklerin belirlenmesi için çekme testi yapılmıştır. Mikroyapısal değişimi anlamak için de tüm numuneler optik mikroskop ve SEM/EDS ile analiz edilmiştir. Yapılan çalışmaların sonuçlarına göre hem Sc hem de Ti elementlerinin eklenmesiyle A206'nın akma ve çekme mukavemeti arttırılmıştır. Bununla birlikte, Sc ilavesi içeren alaşımlar önemli ölçüde daha fazla uzamaya sahiptir. Metalografik inceleme sonucuna göre çalışmada kullanılan Sc oranlarıya Al3Sc intermetaliği oluşmamıştır, dolayısıyla A206 alaşımında tane inceltme gerçekleşememiştir. Şaşırtıcı bir şekilde hem Sc hem de Ti ilaveli alaşımlarda tane boyutu büyürken, dendritik kol aralıkları 0,03 ve 0,06 Sc ilavesiyle azaltılmıştır. Ayrıca alaşımların soğuma eğrileri çıkarılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre soğuma hızı-tane boyutu ilişkisinde tam bir korelasyon ortaya çıkmıştır. Soğuma eğrilerine göre Sc ilavesiyle A206 alaşımının likidüs, solidüs ve solvüs sıcaklıklarında azalma gözlemlenmiştir. T6 ve T7 ısıl işlemine tabii tutulmuş Sc ilaveli alaşımlarda W fazı gözlemlenmiştir. Gözlemlenen W fazı küresel yapıdadır. Dolayısıyla çok düşük oranlarda eklenen Sc ile ısıl işlem uygulandığı takdirde W fazı ortaya çıkabilir. Sc ilavesinin Al-Cu alaşımlarının mekanik özelliklerine ve mikroyapısal değişimine etkisi halen tam olarak ortaya konulabilmiş değildir. Bu bağlamda yapılan çalışmalar bilim dünyasını aydınlatabilmek için çok önemlidir. Her geçen gün büyüyen alüminyum endüstrisinin gelişimine katkı sağlamak için alüminyum alaşımları üzerine çalışmaların devam etmesi gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

Aluminum casting has increased considerably over time in line with advancing technology and needs. Today, aluminum and aluminum alloys are used in many industries with a wide range of products. Aluminum and aluminum alloys are used in many sectors, especially in the automotive, aerospace and defense industries for their lightness and superior corrosion resistance. With the limitations of emission rules in Europe, lightness has played a key role in reaching the desired emission values, especially for vehicles used in passenger and goods transportation (airplane, automobile, etc.). Aluminum alloys are a group of alloys that the researches and the use are increasing due to these demands. With the improvements in the mechanical properties of aluminum alloys, it is possible to lighten the necessary parts, and the demanded lightness can be provided and efforts are made to comply with the emission rules of the vehicles. Therefore, existing materials need to be improved. Today, aluminum alloys are used in the industry in parts under high load, stress and fatigue, especially engine parts, wheels and some structural parts in automobiles. In order for aluminum and aluminum alloys to be used in more places, it is necessary to improve their mechanical properties. Microstructural changes can directly affect the mechanical properties of any alloy. The microstructure of a casting alloy is often changed by the addition of other elements such as grain refiners. Grain refiners are mostly used in industry to improve the mechanical properties of aluminum casting alloys. Grain refining, which is usually applied by adding master alloys, deliberately suppresses the longitudinal growth of grains, resulting in the formation of fine and coaxial microstructures. Longitudinally grown or coarse-grained castings have poor mechanical properties compared to finegrained and coaxial castings. When an alloy with a finer grain structure is under stress, dislocation movements are difficult and restricted. Therefore, an increase in yield and tensile strength can be observed. In recent years, rare earth (RE) elements have been used and tested as grain refiners in aluminum casting alloys such as La, Ce, Er, Eu. Scandium is one of the RE elements rarely used and seen in aluminum alloys. With Sc addition, a mechanism similar to Al- Ti-B addition, Al3Sc creates a suitable surface for heterogeneous nucleation and helps to initiate the solidification of α-Al from different points at the same time, so grain refinement is possible with the addition of Sc. The aim of this study is to bring alternative solutions to Ti-B grain refiners used in industrial casting of A206 alloy. The effect of the element Sc as a grain refiner on the mechanical properties and microstructure of the A206 alloy has been investigated. In this study, microstructural changes and mechanical properties obtained by the addition of 0.03, 0.06 and 0.09 wt.% Sc to A206 alloy, which is among the Al-Cu alloys, were examined in three different heat treatment procedures (as-cast, T6 heat treatment, T7 heat treatment) were examined and compared with the addition of Ti grain refiner, which is frequently used in the industry. With the addition of grain refiner, yield and tensile strength in Al-Cu alloys both increase due to microstructural change and these strength values are maximized by the homogeneous distribution of the eutectic Al2Cu phase into the grain after solution treatment. In the literature review, although there are extensive studies on the addition of Sc to Al-Cu alloy alone or together with other rare earth elements and transition metals, it has not focused on its comparison with Ti, which is added to Al-Cu alloys as grain refiner in the industry. In addition, Al-Cu alloys are used because of their high strength values, so these strength values cannot be obtained without heat treatment. In some studies, heat treatment was applied, while in others, examinations were made on the as-cast state. Applying heat treatment to the A206 alloy is a must for the desired strength values. According to the literature review, it has been revealed that the addition of Sc has a grain refiner effect in Al-Cu alloys. The grain refinement effect provided by the addition of Sc is achieved by the Al3Sc intermetallic, which is still solid at the casting temperature and provides a suitable nucleation surface for heterogeneous solidification during the solidification of the alloy. However, this intermetallic occurs with the addition of Sc above a certain ratio. In addition, according to studies, Al-Cu-Sc compound, which is called W phase, can be observed after adding more than a certain amount of Sc to Al-Cu alloys. It has been shown that the W phase does not have any grain refinement effect. In the experimental procedure, computer modeling was done to obtain a tensile test sample. Then, wooden mold models suitable for this model were made. Sand molds were prepared with this model. After the alloy was melted in the electric arc furnace, it was alloyed with Al-2Sc master alloy and then poured into sand molds at approximately 780 °C. After cooling at room temperature, the samples were separated for T6 and T7 heat treatments. In both heat treatments, the solution treatment took 22 hours at 540 °C. After quenching, the samples to be treated with T6 heat treatment were directly exposed to artificial aging at 160 °C for 13 hours. The samples to be treated with T7 heat treatment were first left to natural aging at room temperature for 24 hours and then artificially aged at 160 °C for 13 hours. In the study, tensile tests and hardness tests were performed to determine the mechanical properties. All samples were analyzed by optical microscope and SEM/EDS to understand the microstructural change. Primary and secondary dendrite arm spacings were measured. In addition, in order to observe the change in the cooling characteristic of the alloy, the cooling curves depending on the temperature-time variables are obtained from the casting temperature of all alloys until they are completely solidified. According to the results of the studies, the yield and tensile strength of the as-cast A206 was increased with the addition of both Sc and Ti elements. Although the yield and tensile strength of the heat-treated alloys increased in the alloy containing 0.03wt.% Sc, these strength values were decreased with increasing Sc ratio. However, the heat-treated alloys with the addition of Sc have significantly greater elongation. With T6 heat treatment, the hardness values of Sc and Ti added alloys increased compared to the base alloy. The hardness value of the alloy containing 0.09% Sc addition with T7 heat treatment decreased. This alloy is also the alloy with the highest elongation value among the T7 heat treated samples. According to the results of the metallographic examination, Al3Sc intermetallic did not observed in the Sc ratios used in the study, so grain refinement could not occur in the A206 alloy. Surprisingly, the grain size increased in both Sc and Ti addition alloys, while the dendritic arm spacing was reduced by the addition of 0.03 and 0.06wt.% Sc. According to the cooling curves, a complete correlation emerged in the cooling rategrain size relationship. The finest grain structure belongs to the base A206 alloy. The coarsest grain structure belongs to A206-0.09Sc alloy. If we sort by grain size the order from coarsest to the finest is as follows; A206-0.09Sc, A206-0.06Sc, A206-Ti, A206- 0.03Sc, A206. According to the cooling curves, the cooling rates are as follows, from largest to smallest: A206, A206-0.03Sc, A206-Ti, A206-0.06Sc, A206-0.09Sc. Also, a decrease was observed in the liquidus, solidus and solvus temperatures of the A206 alloy with the addition of Sc. The cooling rate of the A206 alloy decreased with the addition of Sc. The decrease in the cooling rate can be seen as the reason behind the coarsening of the grain size. However, surprisingly, a decrease in DAS/SDAS values was observed. In general, there is a direct correlation between the DAS/SDAS values and the grain size. So, DAS/SDAS values can be used to have an idea about the grain size. However, in this study while the grain size increased with Sc addition, a decrease in DAS/SDAS values was observed. This showed that there was no correlation between grain size- DAS/SDAS values. W phase was observed in T6 and T7 heat treated alloys with Sc addition. We can clearly say that if heat treatment is applied with the addition of Sc even at very low rates, the W phase may occur. Diffusion of Sc and Cu elements is necessary for the formation of the W phase. Therefore, this diffusion energy is provided in heat-treated alloys with holding them long time at high temperature. Although some researchers in the literature have concluded that the W phase has sharp edges and corners, the W phase observed in this study is spherical and did not cause any early crack initiation. It is thought that the W phase needs heat treatment for complete diffusion to reach the spherical form. By forming the W phase, the matrix became depleted in Cu and Sc and therefore the alloy became more ductile. As a result, the yield strength of heat-treated alloys decreased with increasing Sc ratio and the elongation was greatly increased. According to the experimental results obtained and the theories in the literature; when Sc was added to the as-cast A206 alloy, the yield and tensile strength increased relatively, but when the heat treatment was applied, Sc and Cu diffused into the Al2Cu phase and formed the W phase. Therefore, the matrix is depleted in terms of Cu and Al2Cu and becomes ductile. So, T6 and T7 heat-treated alloys with Sc addition can be used in applications requiring high toughness. The mechanism of formation of the W phase is not fully understood. Although Sc and Cu diffusion into Al2Cu intermetallics is the most correct hypothesis so far, there is no definitive conclusion. The temperature of the liquidus, solidus and solvus curves in the Al-Cu phase diagram decreased with increasing Sc ratio in A206 alloy. When the curves were drawn according to the addition of 0.09wt.% Sc, the eutectic temperature decreased by about 6 °C. Due to this decrease, it is thought that the Al2Cu intermetallics diffuse better into the grain due to the fact that the solution treatment at 540 °C is closer to the eutectic temperature. This may have contributed to the improvement of yield and tensile strength. The effect of Sc addition on the mechanical properties and microstructural changes of Al-Cu alloys has not been fully revealed yet. Studies in this context are very important to enlighten the scientific world. Studies on aluminum alloys should continue in order to contribute to the development of the growing aluminum industry.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    700173

    Processing and characterization of scandium added A356 cast alloy

    Skandium katkılı A356 döküm alaşım prosesi ve karakterizasyonu

    CEZMİ ÖNER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SİNAN KANDEMİR

  2. Tez No

    461022

    Geleneksel döküm ve hızlı katılaştırılmış Al-2Sc alaşımlarının mikroyapı ve elektriksel özellikleri

    Microstructure and electrical properties of conventional cast and rapidly solidifed Al-2Sc alloys

    AMAL MUSTAFA M. ALGEROU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji MühendisliğiKastamonu Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMED FATİH KILIÇASLAN

  3. Tez No

    168549

    Basınçlı infiltrasyon yöntemiyle üretilmiş Al-SiCp kompozitlerinin korozyon davranışlarına Mg ilavesinin etkisi

    Effect of Mg addition to Al matrix on corrosion behavior of pressure infiltrated Al-SiCp composites environment

    SÜLEYMAN KURTOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Metalurji MühendisliğiZonguldak Karaelmas Üniversitesi

    Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. ŞENNUR CANDAN

  4. Tez No

    411347

    Hızlı katılaştırılmış Al-Sc alaşımlarının mekanik ve triboloji özelliklerinin incelenmesi

    Invenstigation of mechanical and tribology properties of rapidly solidified Al-Sc alloys

    YELİZ YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGaziosmanpaşa Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR KÖLEMEN

  5. Tez No

    68716

    Development of Fe-Al based alloys as reinforcement in Al-matrix composites

    Alüminyum matrisli kompozitler için Fe-Al bazlı takviye faz geliştirilmesi

    FATMA AĞDAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. M. VEDAT AKDENİZ

Geri Dön