Geri Dön

Assessment of properties and mechanical behavior of novel Al/Mg cast alloys

Yeni nesil Al/Mg dökme alaşımlarının özelliklerinin ve mekanik davranışının değerlendirilmesi

  1. Tez No: 856544
  2. Yazar: KAMİL ARMAĞAN GÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI, PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 140

Özet

Alüminyum alaşımlarının döküm yöntemi, hataların oluşumunda kritik bir rol oynar ve bu da üretilen parçaların genel kalitesini etkiler. Sürdürülebilir özelliklere sahip parçalar üretmek için ergimiş kalitenin kontrolü ve kabul edilebilir kalite sınırlarına ulaşmak için alaşım oluşturma ve döküm sürecinde birkaç temel adım bulunmaktadır. Alaşım elementleri ve hammaddelerin içsel kalitesi, kusur kontrolünün temelidir. Eritme ekipmanı tipleri ve gaz giderme yöntemleri, tablet kullanımı gibi metal eriyik işleme yöntemleri sıvı metal kirliliğini temizlemek için hayati öneme sahiptir. Kalıp tasarımları ve dökme koşulları, ergimiş akışının hidrodinamiğini ve sonraki özellikleri etkiler. Özelliklerin ve ergimiş kalitesinin değerlendirme aşamasında, bu değerlendirmeler, özellik gelişiminin anlaşılması için daha bütünsel bir yaklaşım sağlamak amacıyla mekanik test sonuçlarıyla ilişkilendirilmelidir. Bu çalışmanın temel amacı, üretim sürecinin her aşamasında çeşitli parametrelerin önemini belirlemektir. Ayrıca, bu parametrelerin üretim sürecine olan etkilerini detaylı bir şekilde incelemeyi hedeflemektedir. Araştırma, özellikle ergitme işlemi ve döküm aşamalarında gaz giderme kabarcık boyutunun ve döküm tekniklerinin (dikey dökme ve eğimli dökme) etkisini araştırmaya odaklanmıştır. Bu kapsamda, T6 ısıl işlem görmüş özel AlMg7Cu2 ve özel AlMg7Cu1.2 alaşımları kullanılarak mekanik özelliklerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Araştırma kapsamında, bilgisayarlı tomografi (CT) taramaları, tarama elektron mikroskobu (SEM) ve optik mikroskopi analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sayesinde hata yüzeylerinin temizliği değerlendirilmiş ve mekanik dayanıklılık ile ilgili karşılaştırma Bilgisayarlı Tomografi ile kurulmuştur. Elde edilen bulgular, açılı döküm yönteminin daha düşük hidro-sıçrama oluşturduğunu ve eriyik metal akışında daha az türbülans yaratarak özellikleri etkilediğini vurgulamaktadır. Ayrıca, gaz giderme sırasında kabarcık boyutunun azaltılmasının, tutarlı mekanik özelliklerin elde edilmesine katkı sağladığı gözlemlenmiştir. Mevcut ergimiş kalite değerlendirme yöntemleri, vakum altında katılaşma testlerine ve katılaşmadan sonra numunelerin hasarlı muayene ile değerlendirilmesine dayanmaktadır. Bu metodolojiler, değerli öngörüler sağlamasına rağmen, referans geometri ve vakum koşulları için geçerli olduğundan, dökümün gerçek durumu hakkında detaylı bilgi sağlayamaz. Öte yandan, BT (Bilgisayarlı Tomografi) yöntemleri, parçanın tarandığı herhangi bir geometri ve döküm koşullarında değerlendirme sağlayabilir. Bu çalışmada tane rafinatör olarak bakır ve magnezyum bazlı alaşımlar ile Ti-V-Nb ana alaşımları tercih edilmiştir. Döküm deneyleri gerçekleştirilmiş ve sahte aşama diyagramları kullanılarak faz oluşumları araştırılmıştır. Kompozisyon ve alaşımlama, spektral analiz ve XRF ölçümleriyle doğrulanmıştır. Mikroyapı analizi için dijital mikroskopi ve taramalı elektron mikroskopi kullanılmış, alaşım elementlerinin dağılımını incelemek için EDS haritalamaları yapılmıştır. Bilgisayarlı tomografi taramaları, iç hata dağılımını ve yapısını değerlendirmek için kullanılmıştır. Mekanik davranışlarını karakterize etmek için hem döküm halindeki hem de ısıl işlem görmüş numuneler üzerinde gerilme ve sertlik testleri yapılmıştır. Hata metrikleri, CT taramaları ve mekanik özelliklerle ilişkilendirilmiş, yapısal hatalar ile mekanik performans arasındaki ilişki hakkında bilgi sağlamıştır. Alüminyum alaşımlarının dökümünde istenen son özelliklere ulaşmak için eritme temizliğini korumak ve hataları, özellikle bifilm adı verilen çift oksitli metal filmleri en aza indirmek gerekmektedir. Bu çalışma, yüksek magnezyum içeriğine sahip alüminyum alaşımlarının iç yapısını ve hatalarını değerlendirmeye odaklanmaktadır. Azaltılmış basınç testleri ve bilgisayarlı tomografi taramaları, eritme kalitesini ve iç hataları değerlendirmek için kullanılmıştır. CT taramaları ile gerilme testleri arasında ilişkiler kurulmuş, gerilme testi numunesi yüzeylerinin optik görüntülemesi bifilm etkilerini ortaya koymuştur. Çalışma, alaşım kalitesi, CT değerlendirmeleri ve gerilme testleri arasındaki ilişkileri belirlemektedir. Hafif alaşımların geliştirilmesi ve CO2 emisyonlarının azaltılması endüstride kritik hedefler haline gelmiştir. Bu çalışma, yüksek magnezyum içeriğine sahip alüminyum alaşımlarının yerçekimi döküm yöntemiyle kum kalıp dökümü kullanılarak üretilmesini amaçlamaktadır ve mekanik ve fiziksel özellikleri etkileyen süreç parametrelerine odaklanmaktadır. Farklı alaşım elementi setlerinin etkileri araştırılmış ve X-ışını ve CT görüntüleme yoluyla kalite kontrol önlemleri alınmıştır. Mekanik gerilme ve sertlik testleri, alaşımların mekanik davranışını karakterize etmek için yapılmış ve sonlu eleman analizi için J2 plastisite yaklaşımı kullanılmıştır. Malzeme model parametreleri, regresyonlar yoluyla belirlenmiş ve FE kodlarında yapılan simülasyonlarla doğrulanmış, alaşımların davranışını modellemek için uygun malzeme parametreleri önerilmiştir. Alüminyum alaşımları, alaşım veya metal erimesinin kalıp içindeki akışı nedeniyle döküm hatalarına yatkındır. Azaltılmış basınç testleri gibi geleneksel tespit yöntemleri, metal kalitesinin yıkıcı bir değerlendirmesini sağlar ve kalite değerlendirmeleri ile gerilme testi arasında bir boşluk oluşur. Bilgisayarlı Tomografi Taramaları (CT taramaları), iç döküm kalitesinin yıkıcı olmayan bir değerlendirmesini sunar ve sayısal yöntemlerle, örneğin Sonlu Eleman Analizi ile mekanik performansı tahmin etmek için mekanik testlerle birleştirilebilir. Bu çalışma, CT taramaları kullanarak dökme alüminyum alaşımlarının iç kalitesini değerlendirir ve CT taramalarından elde edilen hata metriklerini mekanik test sonuçlarıyla ilişkilendirir. Çalışma, hasar modellerini CT taramaları ve mekanik testlerle birleştirerek metallerin davranışını tahmin etmek için bütünsel bir yaklaşım önermektedir. Yukarıda bahsedilen incelemelere ek olarak, döküm alüminyum alaşımlarının mekanik davranışını daha iyi anlamak için sonlu elemanlar analizi (FE Analysis) kullanılmıştır. Geleneksel FE modelleri, malzeme davranışında iç kusurları dikkate almaz. Malzeme içindeki kusurların etkisini doğru bir şekilde temsil etmek için matematiksel denklem düzeyinde kusurları yakalayabilen bir model gereklidir. Buradan hareketledir ki BT sonuçları, mekanik dayanıklılık ile tomografi sonuçlarını ilişkilendirme açısından anlamlı hale gelir. Bu modeller, Gurson, Gurson-Tvergaard-Needleman, Rousselier, Taheri, Gologanu, Lemaitre gibi modeller olarak sıralanabilir. Her modelin malzeme türü ve yükleme koşulları açısından kendi uygunluk özellikleri bulunmaktadır. Bu çalışmada, üstte bahsedilen kapsamda hataların malzeme özellikleri üzerindeki etkisini yakalama yeteneğiyle bilinen Gurson tipi malzeme modeli, FEA simülasyonlarında kullanılmıştır. CT taramalarından elde edilen hata metriklerini Gurson modeline dahil ederek, CT değerlendirmeleri ile gerilme testi sonuçları arasında ilişkiler kurulabilmiştir. FEA simülasyonları, CT taramalarıyla belirlenen iç hatalar ile alaşımların mekanik performansı arasındaki ilişki hakkında değerli bilgiler sunmuştur. Ayrıca, CT taramalarından elde edilen hata metrikleri (hata hacmi, toplam hata yüzeyi, en büyük hata yüzeyi ve hata projeksiyon alanı) ayrıntılı bir şekilde analiz edilerek FEA simülasyonları için girdi üretilmiştir. Dökümler içindeki hataların boyutu ve dağılımı dikkate alınarak, FEA sonuçları farklı yükleme koşullarında alaşımların mekanik performansını doğru bir şekilde tahmin edebilmiştir. Çalışmada, CT taramalarından elde edilen hata metriklerinin, malzeme model parametrelerine dahil edilmesiyle, simülasyonlar dökme alüminyum alaşımlarının yapısal hatalarını ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde anlaşılabilmektedir. Sonuç olarak, CT taramaları, gerilme testleri ve FEA analizi, döküm yoluyla üretilen Alüminyum alaşımlarının kalitesini daha bütüncül bir yaklaşımla değerlendirmeyi sağlamıştır. CT taramalarından elde edilen hata metrikleri, mekanik test sonuçları ve FEA simülasyonları arasında kurulan ilişkiler, alaşımların davranışı hakkında değerli bilgiler sunmuş ve döküm endüstrisinde modelleme tekniklerinin ve hata tahmini yöntemlerinin geliştirilmesine yönelik bir yol açmıştır.

Özet (Çeviri)

The casting method of aluminum alloys plays a crucial role in the formation of defects, thereby affecting the overall quality of the produced parts. There are several key steps in alloying and casting process to control the melt quality and achieve acceptable quality limits to manufacture parts with sustainable properties. Alloying elements and feedstock inherent quality is the root of the defect controls. Melting equipment types and melt treatment operations such as degassing, tablet usage is crucial to sweep the impurities from the metal. Mold designs and pouring conditions affect the hydrodynamic of the melt flow and subsequent properties. In the assessment step of properties and melt quality, those assessments must be correlated with mechanical test results to provide a more holistic approach to establish an understanding of property evolution. The purpose of this thesis is to provide this approach by recognizing the significance of multiple parameters at each step of production and their impact. The study focuses on investigating the impact of degassing bubble size and pouring techniques (vertical pouring and tilt pouring) during melt treatment and casting stages. T6 heat-treated custom AlMg7Cu2 and custom AlMg7Cu1.2 alloys were used to compare their mechanical characteristics. Computed tomography (CT) scans, SEM, and optical microscopy analyses were performed to evaluate the cleanliness of failure's surfaces, and a basic comparison of mechanical strength with Computed Tomography was provided. The findings highlight the significance of tilt pouring with lower hydraulic jump and less turbulence in melt flow, as well as reducing bubble size during degassing to achieve consistent mechanical characteristics. State of the art melt quality assessment methods are based on reduced pressure tests under vacuum solidification and destructive evaluation of specimens after solidification. This methodology, although it gives valuable insights, cannot provide detailed information about real condition of casting as it is valid for reference geometry and in vacuum conditions. On the other hand, CT methods can provide assessment in any geometry and any casting conditions whence the part is scanned. In alloying and casting studies, Copper and Magnesium-based alloys, along with Ti-V-Nb master alloys, were chosen in this study as grain refiners. Casting experiments were conducted, and phase formations were investigated using simulated phase diagrams. Composition and alloying were validated through spectral analysis and XRF measurements. Microstructural analysis was performed using digital microscopy and scanning electron microscopy, while EDS mappings were carried out to examine the distribution of alloying elements. Internal defect distribution and shape was evaluated through CT evaluations. Tensile and hardness tests were conducted on both as cast and heat-treated specimens to characterize their mechanical behaviors. Defects parameters were correlated between CT evaluations and mechanical strength, which provides insight into the relationship between structural flaws and mechanical performance. Achieving desirable final properties in the cast aluminum parts requires maintaining melt cleanliness and minimizing defects, particularly the double oxide metal films known as bifilms. This study focuses on evaluating the internal structure and defect quantities of aluminum alloys with high magnesium content and different alloying elements. Reduced pressure tests and computed tomography scans were employed to assess melt quality and internal defects. Correlations between CT and mechanical tests were established, while optical imaging of tested specimen's surfaces revealed the effects of bifilms. The study establishes correlations between alloy quality, CT evaluations, and tensile tests. The development of lightweight alloys and the reduction of CO2 emissions have become critical objectives in the industry. This study aims to produce aluminum alloys with high magnesium content using sand mold casting by gravity casting method, with a focus on process parameters that influence the mechanical and physical properties. The study investigates the effects of different sets of alloying elements and adopts quality control measures through X-ray and CT imaging. Mechanical tensile and hardness tests are performed to characterize the alloys' mechanical behavior, and J2 plasticity approach is used for finite element analysis. Material model parameters are identified through regressions and validated through simulations in FE codes, proposing suitable material parameters for modeling the alloys' behavior. As they are prone to defect formation in casting, traditional detection methods, such as Reduced Pressure Tests, provide destructive assessments of metal quality, resulting in a gap between quality evaluations and tensile test correlations. Computed Tomography Scans (CT scans) offer non-destructive evaluation of internal casting quality, allowing for the coupling of mechanical tests with numerical methods like Finite Element Analysis for predicting mechanical performance. In this study, alloy qualities have been evaluated using CT scans and correlation of defect metrics has been obtained. The study proposes a holistic approach that combines damage models with CT scans and mechanical tests to predict the behavior of metals. In addition to the before-mentioned investigations, finite element analysis (FEA) was employed to further understand the mechanical behavior of the cast aluminum alloys. Traditional FE models do not take the inherent defects into consideration in material behavior. A model that can capture the defects in the mathematical equation level is required to accurately represent the impact of defects within the material so that the CT results would become meaningful in correlation of mechanical strength with tomography results. Those models can be listed as Gurson, Gurson-Tvergaard-Needleman, Rousselier, Taheri, Gologanu, Lemaitre. Each model has its own specification in terms of material type and loading conditions. The Gurson-type material model, known for its ability to capture the influence of defects on material properties for cast Aluminum material, was utilized in the FEA simulations. By incorporating the defect metrics obtained from CT scans into the Gurson model, it was possible to establish correlations between CT evaluations and tensile test results. The FEA simulations provided valuable insights into the relationship between the internal defects identified by CT scans and their impact on the mechanical performance of the alloys. Moreover, the defect metrics obtained from CT scans, such as defect volume, total defect surface, biggest defect surface, and projected area of defects, were analyzed in detail to generate input for the FEA simulations. By considering the size and distribution of defects within the castings, the FEA results were able to accurately predict the mechanical performance of the alloys under different loading conditions. The study also proposed a concept of adjusted representative material parameter so that a correlation of CT – Tensile strength to be established for the cast parts. By incorporating the CT defect metrics into the material model parameters, the simulations were able to provide a comprehensive understanding of the structural defects and their influence on the mechanical properties of the cast aluminum alloys. Overall, the combination of CT scans, tensile tests, and FEA analysis allowed for a more holistic approach in assessing the quality of cast aluminum alloys. The correlations established between defect metrics obtained from CT scans, mechanical test results, and FEA simulations provided valuable insights into the behavior of the alloys and paved the way for improved modeling techniques and defect prediction methods in the casting industry.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    389491

    Designed-in molecular interactions and cross-linking interface for superior nanocomposites: A multi-scale insight

    Moleküler etkileşimlerin ve çapraz bağlanmış arayüzün üstün nanokompozit malzemeler için tasarımı:Bir çok-boyutlu anlayış

    ELİF ÖZDEN YENİGÜN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MELİH PAPİLA

  2. Tez No

    772003

    A lattice modelling framework with applications on reinforced concrete and autoclaved aerated concrete masonry infill walls

    Betonarme ve gaz beton dolgulanmış betonarme çerçevelerin üzerinde uygulamalar ile bir kafes modeli sistemi

    BEYAZIT BESTAMİ AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BARIŞ BİNİCİ

    PROF. DR. KAĞAN TUNCAY

  3. Tez No

    847594

    3D printed concrete: Multiscale mechanical characterization and computational modeling

    3B baskılı beton: Çok ölçekli mekanik karakterizasyon ve hesaplamalı modelleme

    ALPER TUNGA BAYRAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFŞİN SARITAŞ

    DOÇ. DR. ÇAĞLA AKGÜL

  4. Tez No

    818341

    Properties of limestone-calcined clay incorporated cement-based materials (LC3)

    Kalsine edilmiş kil ve kalker tozu içeren çimento esaslı bağlayıcı malzemelerin geliştirilmesi (LC3)

    MUHAMMAD RAFI AZIMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN

  5. Tez No

    634545

    A novel risk assessment approach for data center structures

    Veri merkezi binaları için yeni bir risk değerlendirme yöntemi

    KUBİLAY ÇİÇEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ SARI

Geri Dön