Metallerde Pekleşme Üstelini Etkileyen Faktörler

Bu çalışma metal malzemelerin şekillen-dirilebilirliğini belirleyen ve pekleşme meka-nizmasının önemli bir parametresi olan pekleşme üstelinin hangi koşullarda nasıl değiştiği hakkında bir derlemedir. Bu konuda araştırmacıların yapmış oldukları çalışmalar özetlenerek elde ettikleri bulgular pekleşme üsteli bakımından değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Pekleşme,Pekleşme üsteli

1. Giriş
Metal malzemelerin şekillen-dirilebilirliği pekleşme davranış-larıyla ilişkilidir[1]. Her hangi bir alaşım için pekleşme üsteli, plastik şekil değişimi esnasında pekleşme kapasitesini belirlemesi nedeniyle önemli bir parametredir. Örnek olarak pekleşme üsteli şekillen-dirme kuvvetiyle, şekillendirme işinin hesaplanmasında kullanılır. Böylece gerekli motor kapasitesi elde edilerek makine seçimi yapılabilir. Ayrıca pekleşme üsteli, takım malzemesinin seçiminde ve şekillendirme toleranslarında da yarar sağlar. Talaşlı şekillen-dirmede pekleşme üsteliyle malzemenin talaşlı şekillendirme kabiliyeti hesaplanır. Büyük pekleşme üsteli talaşlı şekillen-dirmede problem yaratır, çünkü takım malzeme üzerine bastığında malzeme sertleşir[2].

Pekleşme ve toparlanma (ingilizce “recovery” karşılığı kullanılmıştır.) metallerde plastik şekil değişimini yöneten önemli bir mekanizmadır. Dislokasyon etkileşimi, plastik şekil değişimi esnasında kristalin dayanımını arttırarak şekil değişimi direncini yükseltir.

Diğer yandan, toparlanma ve yüksek sıcaklıkta tane sınırı kayması fiziksel özelliklerin, şekil değişiminden önceki değerleri almasını sağlar. Böylece pekleşme etkisi dengelenir. Pekleşme ve toparlanma arasındaki bu denge kararlı plastik deformasyon sonucuyla oluşur [3,4].

1.1 Pekleşme Üstelinin Matematiksel İfadesi
Bir alaşımın basit çekme deneyi ile elde edilen, gerçek gerilme gerçek şekil değiştirme eğrisi logaritmik koordinatlarda çizildiği takdirde özellikle çekme başlan-gıcından büzülmeye kadar olan bölgede eğrinin doğruya dönüş-tüğü görülür (Şekil 1.1 ve 1.2).

Buradan yola çıkarak Ludwig P., 1909 yılında deneysel olarak elde edilen gerçek gerilme - gerçek şekil değiştirme eğrilerine uyan bir ampirik denklem geliştirmiştir.

Ludwig'e göre gerçek gerilme ile gerçek şekil değiştirme arasındaki ifade şu şekildedir:
s=s0+Ken (1.1)

Bu ifadede s0 akma gerilmesi, K birimi gerilme ile aynı olan mukavemet katsayısı, n ise birimsiz bir sayı olan pekleşme üstelidir. Pekleşme üsteli (n) 0 ile 1 arasında değer alan bir malzeme özelliğidir. Rijit, tam plastik, ideal bir malzeme için n=0 dır (elastiklik modülü sonsuz). Pekleşme üstelinin “1” olması halinde ise malzeme tamamen elastik davranış gösterir.

Ludwig'ten başka birçok araş-tırmacı tarafından da gerçek gerilme - gerçek şekil değiştirme eğrilerine uyan ampirik denklemler geliştirilmiştir
.
Hollomon H. J.(1945): s=Ken

Voce E. (1948):
s=ss - K exp(ne)

Swift H. W. (1952):e=e0 + Ksn

Ludwigson O.C. (1971):
s=Ken + exp (K1 + n1e)

Bu ifadelerden en sık kullanılanı Hollomon ifadesidir. Hollomon bağıntısına göre n pekleşme üsteli değeri, Dieter [5] ve Marin' e [6] göre




bağıntısıyla açıklanır. Pekleşme üsteli (n) logaritmik koordinatlarda çizilen gerçek gerilme gerçek şekil değiştirme diyagramının eğimidir (Şekil 1.3).

Ayrıca deneyde ölçülen maksi-mum kuvvette elde edilen gerçek şekil değiştirme e, pekleşme üsteli n' e eşittir[3,7,8,9].

e=n
Böylece maksimum yükteki gerçek şekil değiştirme bulunarak pekleşme üsteli olan n değeri hesaplanabilir.
2. Literatür Taraması
H.K. Kim ve W.J. Kim 2004 yılında yaptıkları çalışmayla 2024 alüminyum ve AZ31 magnezyum alaşımlarının pekleşme özelliklerini incelemek amacıyla silindirik deney örneklerine 693 K 'de 2 saat süreyle katı çözelti tavlaması yapmışlardır.

Araştırmacılar daha sonra numuneleri kalıp içinde, Şekil 2.1 deki gibi şekillendirmişler ve bu şekillendirme sonrasında tane büyüklüklerinin azaldığını gözle-mişlerdir. Araştırmacılar numu-neleri ayrıca çekme deneyine tabi tutmuşlar ve şekillendirme sonrasında kopma uzamasının AZ31 numunelerde artarken, 2024 alüminyum numunelerde azaldığını saptamışlardır (Şekil 2.2)


Çalışmada pekleşme üsteli artarken kopma uzamasının da arttığı görülmüştür. Sonuçta pek-leşme üsteli ve kopma uzaması arasında doğru orantı olduğu kanaati oluşmuştur (Şekil 2.3) [10].
N. Selvakumar ve R. Narayanasamy 2003 yılında yaptıkları çalışmada gözenekli malzemede pekleşme etkisini incelemek amacıyla % 99,68 saflıkta alüminyum tozlarını 280 MPa basınçta ve 520 C'de sinterleyerek hazırladıkları disk şeklindeki numunelerle pekleşme üsteli ile şekil değiştirme arasındaki ilişkiyi araştırmışlardır. Çalışmalar sonucunda pekleşme üstellerinin bir maksimum değerden geçerek artan şekil değişimi ile azaldığı görül-müştür(Şekil 2.4).

Aynı şekilde mukavemet katsayıları da bir maksimumdan geçerek, artan şekil değiştirme ile belirli bir değere kadar azalıp daha sonra sabit kalmıştır [11].

E. Martin, A. Forn ve R. Nogué 2003 yılında yaptıkları çalışmada 2124 alüminyum alaşımına SiC partikül takviyelerin ilavesiyle pekleşme özelliklerinin nasıl değiştiğini incelemek amacıyla %17 SiC içeren silindirik numuneleri önce 505 C'de sinterlemişler daha sonra su verip doğal yaşlandırmaya tabi tutmuşlardır. Numunelere uygu-lanan çekme deneyi sonucunda takviyeli numunelerin çekme dayanımı takviyesiz numunelere göre yüksek, pekleşme üsteli değerleri ise düşük çıkmıştır. Ayrıca hem takviyeli hem de takviyesiz numunelerin pekleşme üsteli değerleri sıcaklıktaki artışla azalmıştır (Şekil 2.5).
Gerçek gerilme ile gerçek birim şekil değiştirme arasında loga-ritmik koordinatlarda çizilen eğride belirgin bir şekilde iki farklı bölge görülmüştür (Şekil 2.6).
Bu bölgeler farklı pekleşme üsteli değerlerine karşılık gelmektedir. Büyük ve küçük şekil değiştirmeler için farklı iki pekleşme üstelinin mevcut olduğu görülmüştür [12].

Praveen, Sastry ve Singh 2004 yılında yaptıkları çalışmada Nikel Demir alaşımında pekleşme davranışlarını incelemişlerdir. Araştırmacılar sıcak haddelemiş silindirik numunelerle yaptıkları çekme deneylerinden elde ettikleri verileri, pekleşme karakteristiklerini belirlemek amacıyla geliştirilen Ludwig, Hollomon, Ludwigson, Voce ve Swift denklemleriyle değerlendirmişler ve bu denklemlerden farklı ısıl işlemler için hangisinin daha doğru sonuç verdiğini araştırmışlardır.

Sonuçta Ludwigson denklemi çözelti tavlaması ve 1 saat bekleme süreli aşırı yaşlandırma ısıl işlemine tabi tutulan numunelerde, Ludwig denklemi ise tepe yaşlanması ve 100 saat bekleme süreli aşırı yaşlanma ısıl işlemi uygulanan numunelerde doğru sonuç vermiştir (Şekil 2.7). Pekleşme hızı-şekil değiştirme diyagramlarından, pekleşme hızının artmasıyla şekil değiş-tirmede bir azalma görülmüştür.

Pekleşme hızı-logaritmik şekil değiştirme diyagramlarında belir-gin olarak üç bölge gözükmektedir (Şekil 2.8). İkinci bölgede çözelti tavlaması ve aşırı yaşlandırma için pekleşme hızı artmış, tepe yaşlandırmasında azalmış ve 100 saatlik aşırı yaşlandırmada sabit kalmıştır [1] .
R. Narayansany, T. Ramesh ve K. S. Pandey 2004 yılında yaptıkları çalışmada farklı oranda demir içeren alüminyum ve demir tozu karışımlarını 225 MPa basınçta ve 500 C ' de sinterleyerek elde ettikleri disk şeklindeki nu-munelere 0,01 MN 'luk adımlarla basma deneyi yapmışlar, eksenel gerilme ile mukavemet katsayısı ve pekleşme üstelini hesaplamışlardır. Tek eksenli gerilme halinde %0, %2 ve %4 Fe ilaveli numunelerde pekleşme üsteli değeri bağıl yoğunlukla kararlı bir şekilde artmıştır (Şekil 2.9).

Numunelerin en/boy oranındaki artış, numune bünyesindeki poro-zitenin de miktarını arttırdığı için, n değerini düşürmektedir [13].

J. Yang ve S. K. Putatunda, 2004 yılında yaptıkları çalışmalarında dökme demirde ostemperlemenin pekleşme üsteline etkisini incelemek anacıyla 25,4 mm çapında ve 370 mm boyunda silindirik numunelere tek ve iki adımlı olmak üzere iki farklı ostem-perleme yapmışlardır. Numuneler tek adımlı ostemperlemede 927 C sıcaklıkta 2 saat ostenitlemeden sonra 2 saat süreyle farklı sıcaklıklarda (260, 288, 302, 316, 330, 343, 357, 371, 385 ve 400C) ostemperlenerek havada soğu-tulmuş, iki adımlı ostemperlemede ise 927C sıcaklıkta 2 saat ostenitlemeden sonra tuz banyosunda 260C ye hızlı soğutma sonra 2 saat farklı sıcaklıklarda (288, 302, 316, 371, 385 ve 400C) ostemperlenerek havada soğutulmuştur. Ostemperlemesi bi-ten numunelere çekme deneyi uygulanmıştır. Her iki proseste de artan ostemperleme sıcaklığı pekleşme üstelini azaltmış, tek adımlı proseste 343 C de, iki adımlı proseste ise 385 C civarında minimum pekleşme üsteli elde edilmiştir. Genellikle tek adımlıda daha büyük pekleşme üsteli değerleri elde edilmiştir. Pekleşme davranışını da ilgilendiren kritik bir ostemperleme sıcaklığı vardır. Tek adımlı proseste, kritik sıcaklığa kadar artan sıcaklıkla pekleşme üsteli azalır (Şekil 2.10). Kritik sıcaklığın üzerinde artan sıcaklık pekleşme üstelini de arttırır. İki adımlı proseste kritik sıcaklığın üzerinde pekleşme üstelinin değişimi ihmal edilebilecek seviyededir. Bunun sebebi karbürün ara yüzeye çökelmesidir. Pekleşme üsteli 0,1 ile 0,19 arasında ostemperleme sıcaklığına bağlıdır. Kritik sıcaklığın altında ferritin hacim yüzdesi pekleşme üzerinde baskın etki yapar. Kritik sıcaklığın üzerinde ise ostenitin hacim yüzdesi baskın hale gelir.
Ostenitin martenzite dönüşmesi esnasında şekil değişimi az olur. Ostenitleme sıcaklığı arttıkça malzeme daha fazla sünekleşir, böylece pekleşme üsteli artar [2].

T.J. Douthit ve C.J. Van Tyne 2003 yılında yaptıkları çalışmada çelik içerisindeki nitrojen miktarının etkilerini incelemek amacıyla sıcak haddelenmiş ve farklı sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulmuş levhadan, silindirik çekme numuneleri hazırlayarak farklı sıcaklıklarda çekme deneyine tabi tutmuşlardır. Sonuçta artan sıcaklıkla genelde pekleşme üsteli ve mukavemet katsayısı azalmaktadır (Şekil 2.11). Düşük sıcaklıklarda az nitrojen içeren çelikte, yüksek sıcaklıkta ise çok nitrojen içeren çelikte pekleşme üsteli büyüktür. 180 ppm nitrojen içeren çelikte 260C de en büyük pekleşme üsteli ölçülmüştür. Mukavemet katsayısı da aynı davranışı göstererek benzer sıcaklıklarda maksimum değer almıştır.

Sonuçta nitrojen ilavesiyle çekme dayanımı artarken süneklik azal-maktadır. Sıcaklık arttıkça çekme dayanım azalmakta ve süneklik artmaktadır [14].

R. Narayanasamy, T. Ramesh ve K.S. Pandey 2005 yılında yaptıkları çalışmada alüminyum demir alaşımında farklı bileşim ve en / boy oranındaki pekleşme özelliklerini belirlemek amacıyla farklı oranlarda hazırlanan alüminyum, demir tozu karışımlarını silindirik disk şeklinde sinterleyerek basma deneyine tabi tutmuşlardır. Sonuçta demir içermeyen kompozitte yoğunluk artıkça, tek eksenli, 3 eksenli ve düzlem gerilme durumları için pekleşme üsteli azalmakta ve bu azalma miktarı aynı aralıkta gerçekleşmektedir (Şekil 2.12). %2 demir içeren kompozitte aynı davranış görülmektedir. Mukavemet katsayısı ise % 0 demir içeren kompozitte farklı gerilme durumları için aynı davranışı göstererek bir maksimumdan geçerek azalma eğiliminde iken, %2 demir içermesi halinde bir minimum değerden geçerek artma eğilimindedir.

Gerek pekleşme üsteli gerek mukavemet katsayısı, farklı tane büyüklükleri için benzer davranış göstermiştir [15].

Ola Kristensson 2005 yılında yaptığı çalışmada şekillendirme sınır diyagramlarını sayısal olarak ifade etmiş, pekleşme üstelinin bu diyagramlara nasıl etkidiğini araştırmıştır.

Sonuçta pekleşme üsteli artışıyla şekillendirme sınır diyagramındaki şekillendirilebilirlik sınırının azaldığını fakat diyagramın şekil olarak değişmediğini gözlemiştir (Şekil 2.13) [16].

M.B. Toloczko, M.L. Hamilton ve G.E. Lucas 2000 yılında yaptıkları çalışmada çekme deneyi ile ıstampayla delme arasındaki sünekliği karşılaştırmışlardır. Bu çalışma için 0,25 mm kalınlığında farklı alüminyum alaşımlardaki levha 1 mm çapındaki ıstampa ile delinirken, aynı malzemelerden hazırlanan çekme numunelerine de çekme deneyi uygulanmıştır.

Deney verileriyle pekleşme üsteli hesaplanmış ve sonuçta pekleşme üsteli ile şekil değiştirme arasında doğru orantı olduğu görülmüştür (Şekil 2.14).
Ayrıca delme esnasında kayma gerilmesiyle hesaplanan pekleşme üsteli de şekil değiştirme ile doğru orantılıdır [17].

3. Sonuçlar
Yukarıda özetlenmiş olan araş-tırmaların ışığında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.

•Pekleşme üsteli (n) değeri artan süneklikle doğru orantılıdır.
•Porozite miktarı arttığında pekleşme üsteli değeri azalır.
•Artan ostemperleme sıcaklığı sünekliği arttırdığı için pekleşme üsteli de artar.
•Kritik sıcaklığa kadar, artan sıcaklıkla pekleşme üsteli azalır. Kritik sıcaklığın üzerinde, artan sıcaklık pekleşme üstelini de arttırır.
•Dayanım arttıkça pekleşme üsteli de artar
•Artan pekleşme üsteli şekil-lendirme sınır diyag-ramlarının konumunu değişti-rirken genel şekline etki etmez

4.Kaynaklar
1.Praveen K.V.U., Sastry G.V.S., Singh V. Work Hardening Behaviour of The Ni-Fe BasedD Superalloy IN 718 International Symposium of Research Students on Material Science and Engineering December 20-22, 2004, Chennai, India

2.Yang J., Putatunda S. K., Influence of a novel two-step austempering process on the strain-hardening behavior of austempered ductile cast iron (ADI), Materials Science and Engineering A 382 (2004) 265279

3.Çapan L., Metallere Plastik Şekil Verme, Çağlayan Kitabevi,İstanbul, 2003

4.Yang B., Riester L., Nieh T.G., Strain hardening and recovery in a bulk metallic glass under nanoindentation , Scripta Materialia 54 (2006) 12771280

5.Dieter G E (Jr), Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill 1961
6.Marin J, Mechanical Behaviour of Engineering Materials, Prentice-Hall, 1962

7.Bowen A W, Partridge P G, Limitations of the Hollomon strain-hardening equationt, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 7, 1974

8.Low JR 1949, Properties of Engineering Materials, ASM pp 17-59

9.Güven E. A, Metallerde Pekleşme Üstelinin Sünekliğe Etkisi, Y. Lisans Tezi, KOÜ FBE, 2006

10.Kim H.K., Kim W.J., Microstructural instability and strength of an AZ31 Mg alloy after severe plastic deformation, Materials Science and Engineering A 385 (2004) 300308

11.Selvakumar N. , Narayanasamy R. ,Phenomenon of strain hardening behaviour of sintered aluminium preforms during cold axial forming Journal of Materials Processing Technology 142 (2003) 347354

12.Martin E., Forn A., Nogué R. ,Strain hardening behaviour and temperature effect on Al-2124/SiCp Journal of Materials Processing Technology 143144 (2003) 4
13.Narayanasamy R., Ramesh T., Pandey K.S. An investigation on instantaneous strain hardening behaviour in three dimensions of aluminiumiron composites during cold upsetting, Materials Science and Engineering A 394 (2005) 149160

14.Douthit T.J., Van Tyne C.J., The effect of nitrogen on the cold forging properties of 1020 steel, Journal of Materials Processing Technology 160 (2005) 335347

15.Narayanasamy R., Ramesh T., Pandey K.S. ,Some aspects on strain hardening behaviour in three dimensions of aluminiumiron powder metallurgy composite during cold upsetting, Materials and Design, 2005

16.Kristensson Ola, Numerically produced forming limit diagrams for metal sheets with voids considering micromechanical effects, European Journal of Mechanics A/Solids

17.Toloczko M.B., Hamilton M.L., Lucas G.E., Ductility correlations between shear punch and uniaxial tensile test data, Journal of Nuclear Materials 283-287 (2000) 987-991

E. Asım GÜVEN* Levon ÇAPAN *Ar. Gör. Mak. Yük. Müh.