Determination of effect of hydrogen on aluminium and its alloys by experimental studies and molecular dynamic simulations
Hidrojenin alüminyum ve alaşımları üzerindeki etkisinin deneysel çalışmalar ve moleküler dinamik simülasyonlar ile belirlenmesi
- Tez No: 858106
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 162
Özet
Alüminyum ve alaşımları, iyi korozyon direnci, yüksek mukavemet/ağırlık oranı, kaynaklanabilirlik ve dökülebilirlik gibi üstün özelliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımlara, A206 (Al-4Cu) ve A356 (Al-7Si-0.3Mg) örnek verilebilir. Bu iki alaşım, yüksek mukavemet-ağırlık oranı, korozyon direnci ve iyi dökülebilirliği nedeniyle havacılık, savunma ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Aluminyum alaşımlarının mekanik özellikleri tane sınırı, mikro-gözeneklilik, ikincil fazlar veya safsızlıklar (impürite) gibi kusurlardan etkilenir. Bu kusurların karakteristiğini, oluşum mekanizmalarını, olası etkileşimlerini anlamak önemlidir. Böylece bu kusurların yük, sıcaklık veya kimyasak değişimlere nasıl tepki vereceği tahmin edilebilir. Bu bilgileri kullanarak, aluminyum ve alaşımlarının mekanik ve kimyasal özelliklerini ve hizmet ömrünü iyileştirmek mümkün olabilir. Alüminyum ve alaşımlarının en önemli imalat yöntemlerinden biri dökümdür. Döküm parça kalitesi yolluk, besleyici, kalıp tasarımı, sıvı metal, dökümün yapıldığı kalıp sıcaklığı, döküm hızı gibi birçok faktörden etkilenir. Döküm parça kalitesini etkileyen bir diğer önemli faktör sıvı metal kalitesidir. aluminyum sıvı metal kalitesi sıvı metal içindeki serbest hidrojen ve alüminyum oksit gibi inklüzyonlar tarafından etkilenir. Düşük kaliteli (kirli) sıvı metalle yapılan alüminyum dökümler, temiz sıvı metallerin kullanıldığı dökümlere kıyasla daha düşük mekanik özellikler sergileyebilir. Alüminyum dökümde gözeneklilik ve bifilmler (çift katlı oksit film takabaları), döküm parçasının yorulma, UTS ve süneklik gibi mekanik özelliklerini olduğu kadar fiziksel ve elektriksel özelliklerini de etkileyen önemli faktörlerdir. Alüminyum dökümde gözenek oluşumunun ana mekanizması üzerinde çelişki vardır; İlk hipotez, alüminyumun katılaşması sırasında serbest kalan hidrojen gazının homojen çekirdeklenerek gözenek oluşturmasıdır. İkinci hipotez, serbest hidrojenin bifilm oksit tabakalarının arasına difuze eder ve bifilmler balon gibi şişerek gözenek oluşturabilir. Bu çalışmada gözeneklilik, serbest hidrojen gazı ve bifilm arasındaki olası ilişki ortaya konulmaya çalışılacaktır. Bu çalışma için otomotiv sanayinde sıklıkla kullanılan Al-7Si-0.3Mg (A356) alaşımı ile savunma ve havacılık sanayisinde kritik öneme sahip Al-Cu (A206) alaşımlarının kullanılmıştır. A356 ve A206 alüminyum alaşımları ergitildiği gibi dökülmek, gaz giderme ve gazlılığın artırılması olmak üzere üç farklı döküm koşuluyla dökülecektir. (1) Gaz gidermede, hidrojen içeriğini azaltmak için erimiş alüminyumdan nitrojen gazı grafit lance kullanılarak 10 dak boyunca geçirilir. (2) Gazlılık arttırma dökümünde: Erimiş alüminyumun yüzeyine 10 dak boyunca su buharı ile muamele edilmiştir. Bu nedenle, erimiş alüminyum içindeki çözünmüş hidrojen miktarı artacaktır. (3) Döküm halinde alüminyum, ortam koşullarında eritilir ve başka bir işleme tabi tutulmadan döküm sıcaklığına getirilir ve kalıba dökümü gerçekleştirilir. Bu döküm isleri gerçekleştirildiğinde, alüminyum numunelerinin gazlılık seviyesi düşük (gaz giderme), orta (ergitildiği gibi döküm) ve yüksek (yüzeyine buhar uygulanan dökümler) olmak üzere üç farklı hidrojen seviyesinde hazırlanır. Dökümler sırasında çekme testi, basamak (merdiven) ve vakum altında katılaşma (RPT) numunelerinin kalıpları olmak üzere 3 farklı metal kalıp kullandı. Üç farklı gazlılık seviyesinin (koşuluna) ek olarak, döküm sıcaklığının (sıvı metale uygulanan işlemler sırasında sıvı metal sıcaklığı) mekanik özellikler, mikro yapı ve bifilm indeksi üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Sıvı metaldeki çözünmüş hidrojen miktarının düşük, orta ve yüksek olarak ayarlanması amaçlanmaktadır. Katı alüminyumun çözebileceği hidrojen miktarı sabit ve sıvı aluminyumdan çok daha düşüktür. Bundan dolayı katılaşma işlemi sırasında düşük, orta ve yüksek seviyede hidrojen serbest kalacaktır. Bu serbest hidrojenin (düşük, orta ve yüksek miktarlarda) alüminyum alaşımlarında (A206 ve A356) gözeneklilik oluşturup oluşturmadığı ve hidrojen miktarı ile gözenek oluşumu arasında bir ilişki olup olmadığı incelenecektir. Döküm sırasında vakum altında katılaşma (RPT) testi numuneleri alınacaktır. RPT işlemi sırasında bifilmler açılacak ve gözenekler görünür hale gelecektir. Bu nedenle, bu çalışmada RPT yöntemi kullanılarak bifilm boyutuna ve sayısına göre gözenek oluşum mekanizmasının incelenmesi ve araştırılması hedeflenmiştir. Böylece alüminyum dökümde gözenek oluşumu mekanizmasında serbest hidrojen gazının mı yoksa bifilmlerin mi daha etkili olduğu araştırılmıştır. Gaz giderme uygulanmayan A356 RPT numuneleri 80 ile 90 mm arasında bifilm indeks (BI) sergilermiştir. Fakat gaz giderme işlemi uygulandığında bu değerler 19.9 ile 8.5 mm arasına kadar düşmüştür. döküm sıcaklığı arttıkça BI azalma eğilimi göstermektedir. Gaz giderme işlemi uygulanmamış RPT Numuneririn yoğunluğu 2.46 ile 2.58 g/cm3 arasında değişirken, uygulanan numunelerin yoğunluğu 2.59 ile 2.65 g/cm3 arasında değişmektedir. Gaz giderme işlemi A356 RPT numunelerin yoğunluğunda artışa sebep BI değerlerinde düşmeye neden olmaktadır. Aynı şekilde gaz giderme işlemi uygulanan A206inın BI değerleri 6 ile 1.3 mm arasında iken uygulanmayan numunelerin BI değerleri 6 ile 72 mm arasında değişmektedir. Benzer sonuçlar RPT numunelerinin yoğunluk değişimlerinde de gözlenmektedir. Gaz giderme işlemi uygulanmış A206 RPT numunelerinin yoğunluğu 2.73 ile 2.78 g/cm3 arasında değişmektedir. Gaz giderme yapılmayan numunelerde ise bu değerler 2.62 g/cm3 değerine kadar düşmektedir. Hem A206 hem de A356 alaşımlarının mekanik özelliklerini belirlemek için T6 ısıl işlemi uygunan aluminyum cubuklara çekme testleri yapıldı. Bu testler sonucunda UTS ve yüzde kopma uzaması değerleri elde edildi. Çekme test sonuclarına Weibull istatiksel analizleri döküm sıcaklığı ve koşullarına göre yapıldı. Buna ek olarak cekme cubuklarının kırık yüzeylerinin SEM incelemeri yapılmış ve SEM görüntüleri alındı. A356 çekme testi sonuçları 178 ile 275 MPa arasında akma dayanımı ve 247 ile 324 MPa arasında çekme dayanımı sergilemiştir. Gaz giderme uygulanan numulerde bu değerlerdeki salınım azdır ve sırası ile 200 ve 270 MPa akma ve çekme dayanı çevresinde toplanmıştır. Su buharı ile işlem gören A356 numunesinde bu değerler 275 ve 325 MPa akma ve çekme dayanımından 240 ve 297 MPa kadar artan döküm sıcaklığın etkisi ile düşmüştür. En iyi yüzde uzama değerleri ergitildiği gibi dökülen numunelerde rastlanmıştır (%6). Aynı şekilde A206 alaşımının çekme ve akma değerlerine incelendi. A206 alaşımı 191 ve 212 MPa akma ve çekme değeri ile 299 ve 366 MPa arasında değerler göstermiştir. Gaz giderme işlemi ile beraber akma ve çekme değerlerinde düşme gözlendi. Fakat tekrarlanan çekme tesleri gaz giderme uygulanan numunelerin sonuçların daha stabil olduğu ve tekrarlanabilir olduğunu gösterdi. Çekme testine ek olarak, ısıl işlem gören ve görmeyen numunelerin Mikro-Vikers sertlik değerleri ölçüldü. T6 ısıl işlemi uygulanmayan A356 numunelerin Vikers sertlik değerşeri 70-75 HV arasında toplanmıltır. Isıl işlem gören numunerin serlik değerleri 82 ile 96 HV arasına odaklanmıştır. T6 ısıl işlemi gaz giderme işlemi uygulanmayan numunelerin serliğinde gaz giderme uygulanan numunelerinkinin olduüundan daha fazla artışa sebep olmuştur. A206 alaşımının sertlik değeride ölçüldü. T6 ısıl işlem görmeyen ve gören A206 numunelerin sertlik değerleri sırası ile 85 ve 120 HV etrafında toplandığı gözlemlendi. Katılaşma sırasında soğuma hızının etkisini incelemek için basamak numuneleri döküldü. Metalografik işlemlerden sonra bu numunelerin mikroyapıları optik mikroskop yardımıyla incelendi. Elde edilern fotoğraflardan ikincil dentrite kollar arası mesafe (SDAS) ve ikincil dentrite kol uzunlugu (SDAL) ölçümleri gerçekleştirildi. Böylelikle katılaşma hızının, döküm sıcaklığının, ve döküm koşullarının mikroyapıya olan etkisi incelendi. Döküm sıcaklığının ve döküm gazlılık seviyesinin SDAS ve SDAL üzerinde kayda değer bir etki gözlemlenemedi. Fakat soğuma hızı (basamak kalınlığının) etkisi bütün koşullarda gözlemlendi. Basamak kalınlığının 5 mm den 20 mm giderken, A356 nın SDAS ve SDAL değerlerinde sırası ile 15 ve 45 µm den 25 ve 75 µm kadar artış olduğu gözlemlendi. Aynı şekilde A206 numunelerin SDAS ve SDAL değerlerinde sırası ile 15 ve 45 µm den 27 ve 85 µm kadar artmıştır. Deneysel çalışmalara ek olarak, alüminyumun mekanik özellikleri üzerindeki hidrojen etkisini araştırmak için bir moleküler dinamik (MD) araştırması yapıldı. MD simülasyonları üç farklı sıcaklıkta (300, 500 ve 700 K) ve hidrojen seviyelerinde (% 0, 1 ve 2 atomik oranda) gerçekleştirildi. Hidrojen atomları, alüminyum blokların içine rastgele dağıtıldı. MD simülasyonlarında iki tip alüminyum blok kullanıldı. Birinci tip alüminyum blok, mono-kristal olarak da adlandırılan tek*kristal bir alüminyum bloktur. İkinci tip alüminyum blok, çok taneli (4 nm tane yapıları nedeniyle nano-kristal olarak da adlandırıldı) olarak üretildi. Çekme testi tüm bu bloklara 10-9 s-1 deformasyon hızı ile 0,2 gerinime kadar uygulandı. Bu nedenle, alüminyumun mekanik özellikleri üzerinde hidrojen, sıcaklık ve tane sınırı (tek ve çok kristal) etkisi araştırıldı. 300 K yapılan tek ve poli kristal simülasyon sırası ile 7 ve 1.4 GPa çekme dayanımı sergilemiştir. Artan sıcaklık ile beraber, bu değerler 5.5 ve 4 (tek kristal) ve 1.1 ve 0.7 GPa (poli-kristal) değerlere kadar düşmüştür. Artan deformasyon oranı ile beraber, dislokasyon yoğunluğununda arttığı gözlenmiştir. Çekme testi simülasyonlarına ek olarak, tek kristalli alüminyum içindeki hidrojen difüzyonu MD simülasyonu kullanılarak araştırıldı. Difüzyon simülasyonları, 300, 500, 700 ve 900 K gerçekleştirildi. Difüzyon simülasyonunu gerçekleştirmek için bir dikdörtgen prizma Al blok oluşturuldu. Bu bloğun yarısı % at 1, 2 hidrojen atomu ileve edildi, diğer yarısına hidrojen ilavesi olmadan bırakıldı. Hidrojen atomlarının 3 boyutta serbestçe hareket etmesine izin verildi. Böylelikle hidrojen miktarının, ve sistem sıcaklığının hidrojen atomlarının aluminum içindeki difüzyona etkisi araştırıldı. Aluminyum içindeki hidrojen atomları hidrojensiz tarafa doğru difüze etti gözlendi. Difüze eden hidrojen atom sayısı ve diffüzyon mesafesinin arttan sıcaklık ile beraber arttığı kaydedildi. Hidrojen difüzyonundaki diğer önemli parametrenin ise simülasyon zamanı olduğu görüldü. Bu, katılaşma sürecinden kaynaklanan serbest hidrojen ile alüminyumdaki gözenek oluşumu arasındaki ilişkiyi anlamak için yararlı olabilir. Yukarıda bahsedilen MD simülasyonları ek olarak, Al ve su arasındaki reaksiyonları sıcaklığa baglı inceleyen Reaktif-MD simülasyonları yapıldı. Bu simulasyonlarda 1000 kadar su molekülü tek krıstal olarak tasarlanmış 2 adet aluminyum blok arasına yerleştirildi. Bu sistem 300, 500, 700, 900 ve 1100 K de ReaxFF potansiyeli kullanarak koşturuldu. Sonuç olarak suyun atomlarına ayrıldığı, aluminyum bloklarının üzerinde oksit tabasının oluştuğu ve hidrojen atomlarının hem mono atom şeklinde hemde H2 şeklinde serbest kaldığı gözlendi. bu serbest kalan hidrojen bir kısmı oluşan oksit tabakalarinin arasında boslukta kaldı diğer bir kısmı ise alumıninum blok içinde kaldığı gözlendi.
Özet (Çeviri)
Aluminum and its alloys are widely used due to their superior properties such as good corrosion resistance, high strength/weight ratio, weldability, and castability. Two of the most commonly used alloys are A206 and A356. These two alloys are widely used in aerospace, defense, and automotive industries due to their properties. However, the properties are affected by defects such as microporosity, secondary phases, or impurities. It can be improved the properties, and the service life, by understanding the characteristic of these defects, their formation mechanisms, and possible interactions. One of the most significant manufacturing methods for Al and its alloys is casting. The quality of casted part is influenced by several factors such as mold design, pouring, mold temperature, and pouring speed. Furthermore, the quality of the liquid metal (including H content and inclusions like oxides) also plays a crucial role in determining casting part quality. Aluminum castings with low-quality liquid metals can exhibit lower mechanical properties compared with castings using clean liquid metals. In aluminum casting, porosity and bifilms play critical roles in influencing crucial mechanical properties, including fatigue strength, UTS, and ductility. This study aims to investigate potential correlations between porosity, the presence of free H gas, and bifilm occurrences. A356 and A206 aluminum alloys will be cast using three different casting conditions: (1) In degassing: nitrogen gas is introduced through molten aluminum for 10 minutes using a graphite lance to lower the hydrogen content. (2) In upgassing: The surface of the molten aluminum was treated with steam for 10 minutes. Therefore, the amount of dissolved H in molten aluminum will increase. (3) In as-cast: aluminum is melted and heated up to the pouring temperature without any additional treatment, and casting is then performed. In the process of these casting experiments, aluminum samples are readied at three H levels: low (degassing), medium (as-cast), and high (upgassing). Throughout casting, three metal molds are employed: designed for tensile testing, step testing, and Reduced Pressure Test (RPT) samples. Furthermore, besides the three different gassing conditions, the study investigated how casting temperature (725, 750, and 775 °C) affects mechanical properties, microstructure, and the bifilm index (BI). The study highlights that A356 RPT samples showed a BI of 90 mm in upgassed samples, decreasing by 8.5 mm in degassed samples. Notably, the BI tends to decrease with higher casting temperatures. The density of upgassed, and degassed RPT samples are 2.46, and 2.65 g/cm³, respectively . The degassing process enhances the density of A356 RPT samples and reduces BI values. Similarly, in the case of A206, degassed, and upgassed samples BIs are 1.3, and 72 mm, respectively. Similarly, A206 RPT sample density ranges from 2.62 to 2.78 g/cm³ due to the degassing process. The mechanical properties of T6 heat-treated (T6-HT) A206 and A356 alloys was analyzed using Weibull distribution. The tensile strength of A356 fluctuates between 243 and 324 MPa, while that of A206 samples ranges from 212 to 363 MPa. Notably, degassed samples exhibit min scattering, whereas upgassed samples display higher scattering. The as-cast samples showed the highest percentage of elongation (6%). When the degassing process was applied, there was a decrease in the tensile strength. However, conducting multiple tensile tests revealed that the results from the degassed samples were more consistent and could be reproduced reliably. The Micro-Vickers hardness values were also measured in both T6-HT and untreated (no-HT) samples. For A356 samples, the hardness values ranged from 82 (no-HT) to 96 (T6-HT) HV. For A206 samples, the hardness values were 85 HV for no-HT and 120 HV for T6-HT samples. The T6-HT increased the hardness of the upgassed and as-cast A356 samples more than the degassed ones. SDAS and SDAL were measured from the microstructures of step samples. The casting temperature and gassing level didn't show a significant impact on SDAS and SDAL, but the step thickness did have an effect in all conditions. As the step thickness increased from 5 mm to 20 mm, the SDAS and SDAL values for A356 samples went from 15 and 45 µm to 25 and 75 µm, respectively. Similarly, for A206 samples, the SDAS and SDAL values increased from 15 and 45 µm to 27 and 85 µm, respectively. Apart from experimental investigations, a molecular dynamics (MD) study was conducted to explore how H effect the mechanical properties of Al. MD simulations were conducted at three temperatures (300, 500, and 700 K) and with varying hydrogen levels (0, 1, and 2 atomic percent). H atoms were randomly placed within single and poly crystalline Al blocks. This comprehensive approach enabled the investigation of how H, temperature, and grain boundary influence on mechanical properties of Al. The tensile strengths of single and polycrystals are 7 GPa and 1.4 GPa at 300 K, respectively. As the temperature increased, these values decreased to 5.5 GPa and 4 GPa (single crystal) and 1.1 GPa and 0.7 GPa (polycrystalline). In addition to simulating tensile tests, MD simulations were used to study how hydrogen diffuses within single-crystal aluminum. The results showed that the hydrogen atoms moved towards the side without hydrogen. Notably, both the number of diffusing hydrogen atoms and the distance of diffusion increased with higher temperatures. The simulations also highlighted the significance of simulation time in hydrogen diffusion. This understanding contributes to clarifying the relationship between freely moving hydrogen from the solidification process and the formation of pores in aluminum. Reactive-MD simulations were employed to investigate the interactions between aluminum and water at various temperatures. The results indicated the decomposition of water into oxygen and hydrogen atoms due to the reaction between aluminum and water molecules. Subsequent to this, oxide layers were formed on the aluminum blocks' surfaces. Hydrogen atoms were liberated in two forms: as monatomic and diatomic (H2). Some of the released hydrogen atoms accumulated between the oxide layers while others diffused within the aluminum block.
Benzer Tezler
- Ni/ZnO nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz tekniğiyle üretimi
Production of Ni/ZnO nanocomposite particles via ultrasonic spray pyrolysis (USP) method
İLAYDA KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Sıvı metal kalitesinin K-mold tekniği ile tayini ve çekinti üzerine etkisi
Determination of liquid metal quality with K-mold and its effect on shrinkage
MEHMET TOKATLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇAĞLAR YÜKSEL
DOÇ. DR. MURAT ÇOLAK
- İletkenlik dedektörlü iyon kromatografi ile çeşitli örneklerde siyanür, siyanat, tiyosiyanat, krom (VI) ve metal-siyanür kompleksleri tayini
Determination of cyanide, cyanate, thiocyanate, chromium (VI) and metal-cyanide complexes in various samples by ion chromatography with conductivity detector
ORHAN DESTANOĞLU
- NiO/ZnO ve NiO/ZnO/Al2O3 nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemiyle üretimi
Production of NiO/ZnO and NiO/ZnO/Al2O3 nanocomposite particles by ultrasonic spray pyrolysis (USP) technique
DUYGU YEŞİLTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Nikelalüminat (NiO/Al2O3) nanopartiküllerinin üretimi
Production of NiO/Al2O3 nanocomposite particles
TUNÇAĞ CİHANGİR ŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN