ALUMiNYUM ESASLI METAL MATRİS KOMPOZiT MALZEMELERiN MEKANİK ÖZELLİKLERİ •

.�U Fen Bilirrleri Enstitüsü Dergisi

Cilt, 1 .Sayı (Mart 2004) Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliideri _{i. Uygur, H. Saruhan}

ALUMiNYUM ESASLI METAL MATRİS KOMPOZiT

MALZEMELERiN MEKANİK ÖZELLİKLERİ

•

Ilyas UYGUR, Hamit SARUHAN

ı):,et - Bu

makalede, günümüzde yaygın olarak

\ullanılmaya başlanan metal matrisli kompozit

1alzemelerin

tanımlanması,

sınıflandırılması,

:reti

m teknikleri, mekanik özellikleri ve uygulama

.lanları irdelenmiştir. Özellikle parçacık takviyeli

:lüminyum esaslı kompozit malzemelerin kimyasal

\om

pozisyonları, takviye elemanlarının boyutları ve

üzde

dağılımlarının mekaniksel özelliklere etkisi

3rtışılmıştır. Ayrıca, mühendislik uygulamalarında

.

u

llanılacak kompozitlerin hangi kriteriere göre

e

çilebileceği

üzerinde

durulmuştur.

Bu

�alzemelerin en yaygın şekilde kullanıldığı

,

,·g

ulamalar hakkında detaylı bilgiler verilmiştir.

mahtar

Kelimeler

-

Metal Matris Kompozitler,

!

akviye malzemeleri, Mekaniksel Özellikler

frıstract -

Recently, Metal Matrix Composites have

-�en used in various engineering applications. In

:�is

p a per,

definitions,

classifications, prod u

eti on

·n:hniq

u

es and mechanical properties of Metal

\iatrix Composites are reveiwed. Particularly, the

[ect of alloy com positions, the reinforcement size

Jd

the volume

fraction

of the Metal Matrix

·omposites are discussed. Some important factors

ı

the

material selection are listed for

engineering

)

p

li

cations. Detailed information about their

·?Piication areas has been given.

t��words -

Metal Matrix Composites, reinforced

�

at

erials,

MecbanicaJ properties

·�ant lzzet Baysal Üniversitesi, Teknik Egitim Fakültesi, Makine

)jlümu, 81620, Beçiyörükler, DÜZCE

167

I.

GİRİŞ

Günümüzdeki rekabet ortamında, daha kaliteli ürünlerin daha düşük maliyetlerle piyasaya arz edilmesi gerekmektedir. Bu gereklilik endüstrideki yeni nesil malzemelerinin geliştirilerek kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Endüstrideki birçok mühendislik uygulamalannda daha düşük yoğunluklu (hafif) rijit ve yüksek dayanımlı malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Birçok farklı metal alaşımının mekanik özellikleri, grafit, silikon karbür ve alUmina gibi yüksek dayanımlı seramik fazlarla iyileştirilebilmektedir. Metal Matris Kompozitler (MrvlK) olarak adlandırılan bu

malzemeler klasik alaşımlara iyi bir alternatif teşkil etmektedir[ 1].

1970'li yıllardan sonra MrvlK'ler, bu konuda çalışan birçok araştırmacının ilgi odağı haline gelmiştir. Yapılan birçok farklı mühendislik uygulamalannda bu malzemeler kullanılmıştır[2]. Özellikle iki ana faktör MMI<'leri ön plana çıkarmaktadır. Bunlardan birincisi, yeni üretim tekniklerinin, malzemelerin geliştirilmiş mekaniksel özelliklerini daha düşük maliyetlerle elde edilebilmelerine olanak tanıması, diğeri ise seramik

takviye oranlarındaki değişim ile metal malzemenin fıziksel özelliklerinde istenildiği kadar artırılıp azaltılmasına imkan tanımasıdır.

Özellikle, içerisindeki takviye malzemesi süreklilik göstermeyen MMK'ler, döküm, toz metalurjisi gibi klasik metalurjik üretim teknikleriyle kolayca üretilmekte ve basit fabrikasyon teknikleriyle şekiilendirilip işlenebilmektedir.

II.METAL MATRİS KOMPOZiTLER

Birçok malzeme kompozit malzemeler grubuna dahil edilebilir; selüloz ve ardışık liflerden meydana gelen ağaç, doğal kompozit malzerneye basit bir örnek olarak verilebilir. Mühendislik uygulamalarında kullamlmak amacıyla geliştirilen kompozit malzemelerin, yapıyı meydana getiren elemanların, bağımsız olarak sahip oldukları fiziki ve mekanik özelliklerinden daha üstün performans gösterıneleri hedeflenmektedir.

Metal içerisindeki kompozit, süreksiz, daha sert ve daha yüksek dayanım gösteren faz, takviye elemanı olarak adlandırılmaktadır[3]. Genelde takviye malzemesi olarak kullanılan seramik malzemeler; oksitler (Al203-Alümina, Si02- Silikon dioksit), nitritler (ShN4-Silika Nitrit, AlN-Alüminyum Nitrit) ve Karbürler (SiC- Silisyum Karbür, TiC- Titanyum

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, !.Sayı (Mart 2004)

Aluminyum Esash Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri İ. Uygur, H. Saruhan

Karbür)dir. Bunun yanı sıra karbon (C) ve Silisyurn (Si) gibi elementsel malzemeler de, takviye malzemesi olarak kullanılabilmektedir. Kompozit içerisinde yer alacak takviye elemanı, sürekli lif, kırık lif, kedi bıyığı (whiskers), plaka veya düzensiz şekilli olabilir. Takviye elemanın, yapı içerisindeki dağılımı� sistemin homojenliğini tayin eder. Bu homojenlik, malzemenin mekaniksel ve fıziksel özelliklerini belirlemede önemli bir faktördür.

Diğer faz ise temel malzeme olup, daha düşük rijitlik ve dayanım özellikleri gösterir ve

matris

olarak tanımlanır. Alüminyum, Titanyurn, Magnezyum, Bakır, Nikel, süper alaşımlar (Ni ve Fe esaslı) uzun zamandır metal matris kompozitler için, matris fazı olarak kullanılmaktadır. Ağırlıgın önemli bir faktör olduğu, taşıma, savunma ve uzay sanayisinde Alüminyum en çok tercih edilen matris malzeme o lmaktadır. Piyasada yaygın olarak kullanılan Metal Matris Kompozit Sistemleri Tablo I 'de veril.miştir [4].

Kompozit n1alzemelerin üretimi esnasında, kimyasal etkileşim nedeniyle, takviye ve matris malzeme

arasında,

ara faz (interface)

olarak isimlendirilen ilave bir yapı elemanı meydana gelir. Bu ara faz her ne kadar küçük boyutlarda ise de malzemenin çekme,

uzama, kırılma tokluğu ve kınlma mekanizrnasına etki eder. Bununla birlikte takviye malzemesinin şekli, boyutu, yüzdesi, yönü ve dağılımı da mekanik özellikleri belirlemede önemli bir rol oynar. MMK'ların başlıca avantajları.:

• Yüksek e lastik modül ve çekme dayanımı

• Uygun çarpma ve tokluk değerleri

• Terınal şoklara ve yüksek sıcaklıklara karşı düşük duyarlılık gösterınesi

• Yüzeysel çatlaklara karşı düşük duyarlık ve aşınınaya karşı yüksek yüzey dayanımı • Tasarım, üretim, şekillendirme,

birleştirme, talaşlı imalata uygun

olmasıdır.

Şekil 1 'de değişik takviye elemanlarıyla geliştirilmiş mekaniksel özellikler ile maliyet arasındaki ilişki verilmiştir.

Tablo: 1. Endlistride kullanılan Metal Matris Kompozit Sisten1leri.

0,7

0,6

1i

0,5

�

0,4

o

Takviye

Matrisler

Boron lifı Al) Ti

Grafit lifı _{Al, !\.1g, Cu}

Alümina lifi _{Al, Mg}

Silisyum Karbür lifı Al, Ti Silisyum Karbür kedi bıyığı Al, Lv1g Silisyüm Karbür ve Alümina

Parçacık Al, Mg, Ti

Mono filan1entli SiC veya B

SiC Kedi Bıyığı ve

iC Parçacık

50

100

Spesifik Elastıl: Modül (GPa/gmcA-3)

Yüksek modüllü

c lifli

150

Şekil I. Aluminyum esaslı MMK'lerde çekme dayanımı, �lastisite modulu ve maliyet arasındaki ilişki [5-6].

SAU Fen Bilimleri Enstittısil Dergisi

8.Cilt, !.Sayı (Mart 2004) Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri _{i. Uygur, H. Saruhan}

•

1

•

a) Karmaşık parçacık takviyeli MMK

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

1

1

1

1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

c) Kırık liftakviyeli MMK

Şekil 2. MMK'lerde kullanılan degişik

�eki l 2' de ise takviye tipine göre başlıca \1MK'ların şematik gösterimi verilmiştir. Şekilden

:le görüleceği gibi MMK'lar dört ana gurupta ·op lanabilir.

• Parçacık takviye li

• Kedi bıyığı (whisker) takviyeli • Kırık lif takviye li

• Sürekli lif takviye li

IT.l.

Parçacık Takviyeli MMK'ler (Bkz. Şekil 2.a)

-ungsten karbür gibi parçacık takviyeli kompozitler bir .ok endüstriyel uygulamalarda yıllardır ullanılmaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalarda üksek satlıktaki SiC ile Al esaslı matrisler değişik

ranlarda kombine edilebilmektedir [6]. Elmasa benzer apıya sahip olan SiC, düşük yoğunluk, yüksek . ayanım ve elastisite modülü ile birlikte oldukça iyi �ı ınal stabilite ve iletkenlik özellikleri nedeniyle tercih :iilen bir takviye malzemesidir. Bunun yanı sıra Alı03 � TiB2 'ninde son zamanlarda kullanılan diğer parçacık

1kviyeli MMK ler olduğu görülmektedir. Parçacık ·.:kviyesi malzemenin izotropikliğini bozrnadan

-ıekanik özelliklerini geliştil ınektedir. Toz metalurjisi

öntemiyle üretilen parçacıklar, maliyet, taşıma­ �epolama ve kompozit malzemelerinin üretimi

·snasında kolaylık saglamaktadır. Takviye :ıalzemelerinin kompozit içerisindeki dağılımı, ·omojenligi, yoğunlugu ve üretim esnasında meydana

�elen hatalar ( defects ), doğrudan tiretim tekniklerine

·ıağıldır. Bu parametreler MMK'lann mekanik Jzelliklerine etki etmektedir. Yapılan çalışmalarda,

�arçacık takviyeli kompozit malzemelerde, çekme

tipteki

169

b) Kedi bıyığı (Whisker) takviyeli MMK

d) Sürekli lif tak'Viyeli MMK

takviye malzetnelerin in şematik gösterimi

dayanımının, parçacık büyüklüğü, parçacıklar arası mesafe ve parçacık yüzdesinden etkilendiği görülmüştUr [7]. Tablo 2' de döküm ve toz metalurjisi yöntemiyle üretilen, değişik seri numaralı ı Alüminyum esaslı MMK' I ere ait

çekme özellikleri verilmiştir.

II. 2. Kedi Bıyığı Takviyeli MMK ler (Bkz .

Şekil 2

.b

.)

Yüksek sıcaklıklarda, gerilme dayanımı, ısıl yorulma ve sürünmenin önemli olduğu endüstriyel uygulamalarda, basınçlı döküm veya toz metalurj isi yöntemi ile üretilen SiC ve Alı03 esaslı kedi bıyığı (whisker) takviyeli MMK'ler tercih edilmektedir. Kedi bıyığı takviyeler O, 1-2 �m çap ve 10-20 �m uzunluğundadır. Kedi bıyıgı takviyeli kompozitler, parçacık takviyeli MMK'lardan daha iyi yük taşıma kapasitesine sahiptirler. Bununla birlikte şekillendirıne ve işleme esnasında, MMK içerisinde bulunan kedi

ı Uluslar arası alaşımları tanımlama sistemi

SAU _{Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi} 8.Cilt, l.Sayı (Mart 2004)

Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri İ. Uygur, H. Saruhan

bıyığı takviyelerinin kırılması, mekanik özellikleri

o lumsuz yönde etkilemektedir. Kedi bıyıgı

takviyelerindeki kırılmaların yoru]ma çatlaklarının ilerleme hızını arttırdığı, dolayısıyla yorulma ömrünü önemli ölçüde azalttığı deneysel çalışmalarla tespit

edilmiştir [8-9]. Parçacık takviyeli alaşımlarla

karşılaştırıldıklarında, kedi bıyığı takviyeli alaşımların

birtakım dezavantajları da vardır. Takviye

malzemesinin bir bölgede birikme eğilimi göstermesi topaklanmaya neden olmakta ve homojen bir dağılımın elde edilmesini zorlaştrrmaktadır. Parçacık takviye malzemeleriyle kıyaslandığında, kedi bıyığı takviye

malzemeleri pahalı ve sağlığa zararlıdır. Ancak mekanik ve yüksek sıcaklık özelliklerinin iyi olması nedeniyle tercih edilmektedir. Şekil 3 'de değişik oranlardaki kedi bıyığı takviyeli ve döküm yöntemiyle elde edilmiş çeşitli alüminyum alaşıınlarına ait çekme deneyi sonuçlan verilmiştir[9-10]. Grafıkte de görüldüğü gibi, takviye elemanın oranını artırarak çok önemli bir miktarda malzemenin Çekme dayanımı (UTS) ve Elastik modülünü de artırınak mümkün olmakta, fakat bu da gerinim miktarını azaltmaktadır.

T ablo: 2. Toz metalurjisi ve dökUn1 yöntemleriyle üretilen MMK'lerin çekme özelliklerinin karşılaştırılması

[1].

Kompozit

Elastik modül

Akma Day.

Çekme Dayanımı

U zama

(GPa)

(MPa't

(MPa)

(O/o)

o/o25SiC0-6061 (1)

122,7 434 498 3,91

0/o25 SiC0-7091 (1)

117 686 805 2

0/o25 SiC0-2124(1

t 116 420 574 5,4

o/o20 SiC0-2024(2)

108 419 497 2,5

0/o 15 SiC0-7075(2)

99 581 610 2,5

1. Toz metalurjisi yöntenliyle tiretilerek ekstr1lzyona tabi tutulmuş ve ısıl işlem görmUş 2. Döktim yöntemiyle üretilerek ekstrUzyona tabi tutulmuş ve ısıl işlem görmüş.

--- --- ---

---·---900

�---��---�

ı·-

• uis

(

M

Pa)

800

-

--- --- D

E/astik

Modul

(GPa)

•uzama(%)

'--- --

--100

-- ---- sss --- ---

--635

610

,soo -t---1

ı

503

1500

+-- --- ---

--1

400

-1- --- ---

--300

+---200

.

--

----88

97

19

09

100

-

-7

9

₂

₄

_4,8

o

-+--L

__s_ _01o_

ı

_is_ �_e_r 5. _4_56 ___ _8 Yo0_ _

�

_ı s _J<J_er_2 _1_ 24 __ ı _ 0 _01c_ o _w

�

_s k_ er 5456

20°/o

�

_{is ker 2124} 15 o/o

�

isker 2009

Şekil 3. Dök�m yöntemiyle üretilmiş kedi bıyı�ı takviye li MMK'ların çekme deneyi sonuçları[9, 1 O]

11.3.

Sürekli Lif Takviyeli MMK (Bkz. Şekil

2.d)

Alüminyum alaşımlarında kullanılan sürekli lif takviye malzemeler; Boron, SiC, Karbon ve Alümina'dır. Bu malzemeler oldukça iyi aşınma dayanımı, yüksek rijitlik ve düşük terınal genJeşm� ve ısı iletkenliğine sahiptir.

Sürekli lif takviyeli kompozitler, lif yöntinde oldukça yüksek elastiklik modulü ve çekme dayanımı değerleri verınektedir. Fakat

170

enine kesitierindeki çekme dayanımları ise oldukça düşüktür. Bu tür MMK'ların mekanik özelliklerini belirlemeye yönelik matematik modeller geliştirilmiştir. MMK'ların mekanik özelliklerini (terınal genişleme katsayısı, yoğunluk, çekme dayanımı, elastisite modülü vb. gibi) hesaplamada basit karışını modeli kullanılmaktadır.

(1)

A.U Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi

Cilt, l.Sayı (Mart 2004) Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri _{t. Uygur, H. Saruhan}

L

Burada a; hesaplanmak istenilen parametre, V; takviye elemanının yüzde oranı ve c, m, r sırasıyla kompozit, matris ve takviye malzemesini ifade etmektedir [ll].

Sürekli lif takviye li MMK' lar lif boyuna paralel yönde çok yüksek çekme dayanımı ve rijitlik özelliklerine sahip iken 1 if boyuna dik yönde, daha düşük çekme dayanımı ve elastisite modülü değerleri verı n ektedir [ 12]. Kedi bıyığı takviyeli kompozitler, sürekli lifli kompozitler ile parçacık takviyeli kompozitlerin sahip oldukları mekanik özelliklerin ara değerlerine sahiptirler. Parçacık takviyeli kompozitler, sürekli lif takviye li kompozitlerden 1 00 kat, k edi bıyığı takviyeli kompozitlerden 5 kat daha ucuza mal edilebilmektedirler. SUrekli lifli k ompozitterin en önemli dezavantaj ları, bu k ompozitterin klasik tiretim yöntemleriyle

üretimlerinin oldukça zor ve pahalı olmasıdır. Bu nedenle bu kompozitleri n kullanılına alanları oldukça sınJrlıdır. Ancak bu malzemeler, yüksek dayanım ve hafiflik gerektiren, uzay ve savunma sanayilerinde uygulama alanı bulmuştur.

lll.

MMK'LARIN ÜRETİM YÖNTEMLERİ

MMK 'ların fiziksel ve mekanik özelliklerinin optimizasyonu için değişik birçok üretim tekniği gelişirilmiştir [13,14,15]. MMK'ların üretim teknikleri uygulama sıcaklıklarına göre sınıflandırılabilir. Tekniklerin çoğunda SiC gibi seramik takviyeler matris içerisine;

• Döküm

• Toz metalurjisi

•

İki

faz (sıvı-katı), teknikleriyle dahil edilebilmektedir.

IV. METAL MATRİS KOMPOZİTLERİN

GERİLİM-GERİNİM ÖZELLİKLERİNİN

İRDELENMESİ

Malzemelerin mekanik özelliklerine ait önemli bazı veriler çekme deneyi ile elde edilmektedir. Deney numuneleri giderek artan aksiyal yükleri, kırılıncaya kadar taşıyacak şekilde imal edilir. MMK'lerde akma dayanımıru, maksimum çekme dayanımını, elastisite modülünü, süneklik veya uzamayı etkileyen birçok faktör vardır. Metal Matrislerde alaşım kompozisyonu, uygulanan ısıl işlem, uzama hızı ve sıcaklık, gerilme-uzama diyagramını belirlemede etkili olan faktörlerden bazılarıdır. Yukarıda bahsedildiği gibi matris alaşımı çekme deneyini etkiyen en önemli etkendir. McDaniels [16] ticari amaçla üretilen ve _{%20 oranına kadar SiC} içeren kedi bıyığı takviyeli Alüminyum alaşımlı

171

kompozitler le

gerçekleştitıniştir.

.

çekme deneyleri

McDaniels'in değişik kimyasal koropozisyona

sahip Alüminyum esaslı kompozit malzemeler, tUm diğer parametreler sabit tutarak yaptığı çekme deneylerine ait bulgular Şekil 4'te verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi 2000 ve 7000 serisi Al alaşımları oldukça yüksek dayanıma sahip olmakla birlikte daha düşük süneklik özelliği göstermektedir. 6000 serisi Aluminyum esaslı kompozit malzeme ise orta dayanımda ve oldukça yüksek süneklik özelliği göstermektedir. Bunların aksine 5000 serisi Alüminyum alaşımı, içerdiği Magnezyum ve Manganez nıiktarına bağlı olarak düşük süneklik ve düşük çekme dayanımı gösterınektedir.

Ayrıca, McDaniels [16] 6000 serisi Alüminyum

esaslı kompozitlerle _{yaptığı çekme} deneylerinde, takviye elenıanın1n yüzde oranının arttınlmasına bağlı olarak elastisite modülünün de arttığını belirlemiş, ancak deneylerden elde edilen elastisite modülü değerlerinin, 1 nolu formülle hesaplanan değerlerden daha düşük olduğunu tespit etnliştir. Sonuçta takviye elemanının yüzdesi elastisite modülünü belirlemede en önemli faktör olarak ortaya çıkmak fakat yukarıdaki forınül ile sadece kabaca değerler belirlenebilmekte kesin değer eldesi için bazı değişik parametrelerinde (ısıl işlem, matris malzemenin kimyasal bileşeni gibi) göz önüne alınıp, foımüle dahil edilmesi gerekmektedir. Şekil 5 'teki veriler gözönüne alındığında 6000 serisi için, takviye malzemesinin tipi, elastisite modülünün değerine önemli bir etkisi olmamıştır. Fakat, kompozit malzemeleri cazip kılan en önemli değerlerden bir olan Spesifik modUl (ağırlık/Elastik modül) bir çok malzen1e ile karşılaştırıldığında hala en iyi değerdedir. Örneğin bu oran, çelik, aluminyum, mağnezyum ve titanyum için 27 iken aluminyum esaslı MMK'larda, seramik katkı elemanın oranına bağlı o larak iki katına kadar çıkabilmektedir[1 7].

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.CiJt, l.Sayı (Mart 2004)

Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri

i. Uygur, H. Saruhan 60 �--1075 Al-Cu-Zn 2124

Al-Cu-M�-�

40 ---tt061 Al-Si 5083 Al- Mg 20 o ₂

4

₆

Uuma

('ll)

Şekil 4. % 20 oranında kedi bıyıgı SiC tak:viyeli

Alüminyum alaşımlı kompozitlerde Matris alaşımının gerilme uzama davranışına etkisi [16].

Malzemenin görn1üş olduğu ısıl işlem elastoplastik özellikleri etkilemektedir. Değişik ısıl işlemlere tabi tutulmuş Al-Si-Mg alaşımlı, SiC parçacık takviyeli kompozit numuneleri ile

yapılan çekme deneylerinde uygulanan ısıl işlemin maksimum çekme ve akma dayanımına önemli etkisi olmuştur. Ancak bu değerlerin arttırılması için yapılan işlemler, süneklik özelliğini olumsuz yönde etkileyerek kırılma ıızamasını % 1.5'ten 0.85'e düşünnektedir [18]. Ayrıca uygulanan ısıl işlemin� çalışılan

Alüminyum esaslı :MMK'larda elastisite modülüne önemli etkisi olmaınıştır [16]. Fakat,

uygulanan ısıl işlem, önemli bir oranda malzemenin mikro ve makro plastik şekillendirme özelliklerini ve iletilen yükleme dayanımını, çökeltİ fazlarının oluşumunu öne ın li oranda etkilemektedir [

19].

MMK' lerde çekme özelliklerine etki eden diğer önemli bir faktörde, kullanılan takviye malzemesinin boyutlarıdır (Tablo 3). İçerisinde 5 Jlm ve 13 Jlm boyutlarında takviye ınalzernesi bulunan 7075 seri numaralı MMK'lerle yapılan çekme deneylerinde maksimum çekme ve akma dayanımı değerleri arasında önemli farklılıkların olmadığı tespit edilmiştir.

15

'id"

�

₁₀

5

o

Formüll

/

Takviyeler

O

SiCw kedi bıyığı

D

SiC

...

n::ırc::ıc1k

10

20

Takviyeyimlesi

Şekil 5. 6000 serisi Al-esaslı kompozitlerde, takviye yUzdesinin elastisite modolone etkisi[16].

Ancak 60 Jltn takviye malzemesi içeren numunelerde daha düşük çekme ve akma değerleri elde edilmiştir. Benzer şekilde Toz

Metalurjisi yöntemiyle elde edilen saf Al esaslı, SiC parçacık takviyeli kompozitlerde parçacık

boyutu büyüdükçe akma ve maksimim çekme dayanım değerlerinin azaldığı ancak süneklikte bir değişimin oln1adığı saptanmıştır. Alürninyuın esaslı kon1pozit malzemelerin birçok fiziki ve mekanik özellikleri; alaşım kompozisyonu, takviye elemanlarının dağılımı ve ı sıl işlem lerden etkilenmektedir. Matris malzemesi ile destek malzemesi arasındaki termal genleşn1e katsayısının farklı olnıası, kompozit ınalzen1e içerisinde farklı kalıntı gerilimleri n1eydana getirınektedir [20]. Bu artık gerilmeler daha fazla dislikasyon konsantrasyonuna neden olarak alaşımın dayanımını artırınaktadır. Dislakisyon

oluşumunu etkileyen en önemli faktörler, terınal genleşn1e katsayısı, takviye n1alzeme boyutu ve oranıdır [2

1].

Tab lo 3. MMK'lerde takviye malzemesi boyutunun mekanik özelliklere etkisi [21,22].

Malzeme

Parçacık Boyutu

Ak.Day

fJ.Lm)

(MPa)

o/o

15 SiC0-707 5 15 502 % 15 SiC0-7075 13

499

0/o 15 SiCp-7075 60 431 % 20 SiCı>-1 000 3 ı lO %20 SiC0-l000 . lO 98 % 20 SiCD-ı 000 30 . ₈₄

• ''p" indisi parçacıklı takviyeyi göstermektedir.

172

Çekme Day.

U zama

(MPa)

(o/o)

609 10.5 595 6.3 453 1.3 187

1

7 176 16.8 154 16.5

SAU Fen Bilimleri EnstitUsO Dergisi

8.Cilt, ₁ .Sayı (Mart ₂₀₀₄₎ Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri _{İ. Uygur, H. Saruhan}

Daha önce değinildİğİ gibi üretim teknikleri malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemede önemli bir rol oynamaktadır. Matris malzeme ile takviye malzemesi arasında oldukça iyi bir ara faz (interface) oluşumuna olanak tanıyan Uretim yöntemleri, (örneğin TIM) geleneksel döküm t eknikleriyle karşılaştınldıklarında çok daha iyi mekaniksel özellikler sağlamaktadır. MMK'ler toz metalurjisinde kullanılan ekstrüzyon veya sıcak izostatik presleme (HIP) teknikleriyle üretilebilmektedir. Deneysel araştırmalarda HIP tekniğinin, ekstrüzyon yönteminden daha iyi mekanik özellikler sağladığı saptanmıştır. HIP yöntemiyle üretilen %30 parçacık takviyeli 6061 seri numaralı (Al-Mg-Si) kompozitinde, ekstrüzyona göre dayanım değerlerinde o/o25 'lik, elastisite modüllinde ise %7' lik bir artış tespit edilmiştir. Doğal olarak süneklikte de d ikkate değer bir düşüş meydana gelmiştir [22]. Koparılan deney numunelerinin SEM ile kırılan yüzey topoğrafyaları incelendiğinde takviye p arçacıklan arasında küçük çukurcukların olduğu görülmüştilr. Bu çukurcuklar mikro düzeyde sünek bir kırıln1a mekanizrnasının göstergesidir. Özellikle küçük parçacık destekli kompozitlerde takviye malzemesi ile matris malzemesi arasında veya takviye malzemesi içerisinde yarılma (decohesion) meydana

gelmediği, küçük boyutlu takviye parçacıklarının diğer yüzeye geçtiği gözlenmiştir. Özellikle büyük boyutlu takviye malzemelirin kullanıldığı kompozitlerde parçacıkların kırıldığı ve yarıldığı gözlenmiştir [23]. Bunun sebebi de parçacık yüzeyinde oluşan Uç boyutlu gerilimler ile aşırı plastik defonnasyondur. Her ne kadar genel kırılma mekanizması, sünek özellikler gösterse de ara faz (interface) ile parçacıkların gerilim konsantrasyonlarından etkilenmektedir. Takviye parçacıklarının kırılması, yüzde dağılımı ve ara fazdaki fıziksel bozulma, kırılma tokluğunu ve maksimum çekme gerilmesini olumsuz yönde etkilemektedir [24]. Fakat, son zamanlarda geliştirilen basınçlı sıkıştırma yöntemiyle daha homojen dağılımlı ve mekanik özellikleri yüksek kompozit malzeme üretmekte mümkün olabilmektedir [25]. Ayrıca, bir çok otomobil parçasının imalatında kullanılan 6xxx serisi aluminyum esaslı kompozit malzerneri sıcak kalıplama yöntemiyle, mekaniksel özelliklerine ve katkı elemaniarına zarar vermeden şekiilen dirilebilmektedir [26].

173

V.

METAL MA TRİS

KOMPOZİTLERİN KULLANMA

ALANLARI

Aluminyum esaslı kompozit malzemeleri; uçak, savunma, otomotiv ve elektronik sanayiinde ve

yüksek sıcaklık dayanırnma ve iyi aşınma direncine gereksinim duyulan uygulamalarda yaygın olarak kullanıldığını görmekteyiz. Örneğin MMK lerin ağırlıkifiat oranları çok uygundur. Dökme demirden yapılan fren kampanaları ve pistonların yerine Aluminyum esaslı kompozitler kullanılmakta, fazla sürtünme dayanırnma gereksinim olan uygulamalarda ise takviye elemanın boyutu artırılarak daha uygun fiatlarda parça imal edilebilmektedir[27-28].

MMK' ların en önemli a van ta j ı n1ekanik, fiziki ve tennal özelliklerinin, uygulamaların gerektirdiği değerlere uyarlanabilir olmasıdır. Bwıların başlıcaları hafiflik, yüksek elastisite modulu, yüksek çekme dayanımı, düşük tern1al iletkenlik iyi yoıuma, abrasif ve aşınma direncidir. Örneğin Al-Si matrisli-alümina kedi bıyığı takviyeli kompozitler, takviyesiz maizemeye göre yüksek sıcaklıklardaki (250 °C) çekme dayanunında o/o300 düzeyinde iyileşme sağlamaktadır. Elastisite modüllindeki aynı orandaki iyileşme sürekli lif takviyeleriyle sağlanabilmektedir. Seramik parçacıklarının yüzdesinin artırılmasıyla, terınal genleşme

katsayısıda % 400' oranında

düşürülebilmektedir[29]. Mekanik özellikleri geliştirilmiş alüminyum MMK kullanılarak üretilen araçlar da ağır

1

ı ğın ın o/o 1 O oranında düşürülmesiyle yakıt tüketiminde %5 tasarruf sağlanmıştır [30]. MMK' lerden üretilen makine elemanlarının bazıları, fren kampanaları, turbo koınpresörler, otomotiv şasisi, piston, krank­ motor gövdesi, bisiklet şasisi, askeri araçlar

(tank) vb.dir.

VI.

SONUÇ VE ÖNERiLER

Son zamanlarda MMK malzemeler üzerine yapılan bilimsel çalışmalar ve değişik uygulamalar bu malzemelerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin daha iyi anlaşılınasını sağlamıştır. Geleneksel üretim yöntemleriyle üretilebilmeleri ve işlenebilmeleri bu malzemelerin maliyetlerini makul düzeye çekmiş ve uygulama alanlarını arttırmıştır. Özelikle AI veya Mg esaslı kompozitler, oldukça hafif olmaları üstün mekaniksel özellikleri nedeniyle demir esaslı malzemelere alternatif olarak kullanılmaya başlamıştır. En belirgin örnekleri yakıt tasarrufunun önemli olduğu, savunma, uçak ve otomotiv sanayİndeki uygulamalardır. Bu uygulamalarda kompozit malzemenin kompozisyonu, takviye elemanı

SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 8.Cilt, I .Sayı (Mart 2004)

Aluminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri

1. Uygur, H. Saruhan

yüzdesi ve tipi, uygulanan ısıl işlem türü gibi parametrelerin değiştirilmesiyle, mekanik özellikler istenilen değere ayarlanabilmektedir.

Kompozit malzemelerdeki mekaniksel özelliklerin artışı, matris metalinin maruz kalacağı yükü, daha dayanıklı olan takviye elemanına iletınesine bağlıdır. Şayet ara faz zayıf ise, etkili yük takviye elemanına iletilerneden matris metalde mikro çatlaklar oluşacak ve optimum dayanım elde edilemeyecektir. Ayrıca, en uygun mekaniksel değerlerin elde edilebilmesi, şu an literatürde sıklıkla uygulanan takviye eleman boyutlarını yarı yarıya düşürülmesiyle mümkün olabilecektir. Bir başka deyişle ortalama parçacık büyüklüğü 2-3 J.tm küçük olmalıdır.

Karışım modeli ile hesaplanan mekaniksel özellik değerleri, deneylerden elde edilen sonuçlarla mukayese edildiğinde: kılcal kristal ( whisker) ve parçacık takviye li kompozitlerde daha düşük çıkmaktadır. Bunun da nedeni, eksenel yUklerin kedi bıyığı veya parçacıklar tarafından etkili bir şekiJde taşınamamasıdır. Diğer bir neden ise kompozit malzeme içerisinde bulunan daha büylik boyutlu takviye parçacıklar1nın, gerek üretim esnasında gerekse çalışma esnasında kırılarak, yüksek gerilim konsantrasyonlarına neden olmalarıdır. Bu bölgeler potansiyel çatlak oluşma ve büyüme alanlarıdır. Ancak kaliteli şekilde üretilmiş uzun lif takviyeli konıpozitlerde, söz konusu ınodel deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlara yakın değerler verebilir.

KAYNAKLAR

•

[ı]. Uygur, I. "Environmentally Assisted

Fatigue Response of Al-Cu-Mg-Mn with SiC particulate Metal Matrix Composites." Ph.D.Thesis, University of Wales, S wansea, ı 999.

[2]. Ev ert, R.K. and Arsenault, R.J. in "Metal Matrix Composites; Mechanism and Properties." Academic Press Ine., San Diego, USA (1991) p.262.

[3]. Boutman, L.J. and Krack, R.H. "Composite Materials" Vol.4. Academic Press Ine. Ltd. London (1974).

[4]. Srivatson, T.S., İbrahim, LA., Mohammed, F .A. and Lavemia, E.J ., J. Mater. S ci. 26(1991), p. 5965.

[5]. Trumper, R.L. Metals and Materials Nov. 1987' p.662.

[6]. Hull, D. and Clyne, T.N. "An Introduction to Composite Materials" 2.Edt.Cambridge University Press, Cambridge, 1996.

[7]. Shang, J.K. and Ritchie, R.O., Metall. Trans. 20 A ( 1999), p.897.

174

[8]. Masuda, C. and Tanaka, Y., J. Mater. Sci 27(1992), p.413.

[9]. Lee, S., Kim, T.H. and Kwon, D., Metal.

Trans. 25.A (1994) p. 2215

[1 0]. Papazian, J.M. and Adler, P.N., Metal.

Trans. 21 A (1990) p.40 1

[ l l ]. Ashby, M.F., Journal De Physque IV

C73 (1993) p. 1595

[12]. Matthews, F.L. and Rawlings, R.D.

"Composite Materials: Engineering and Science" Chapman and Hall print London, 1994.

[13]. İbrahim, LA., Mohammed, F.A.,

Lavemia, E.J., J. Mater Sci. 26 (1991), p.l 137

[14]. Pai, B.C., Pillai, S.G.K. and

Satyonaryan, K.G. "Solidification of MMCs (edt.P.Rohatgi) The Minerals, Metals and Materials Society (1990), P.191

[I 5]. Poza P. and. Llorca, J. Metall. Trans.

26 A (I 995) p.3131.

[ 16]. MeDane ls, D .L. Meta ll. Trans. 16 A

(1985) p.l l 05

[17]. Hooker, J.A., Doorbar, P.J., Mater.Sci

&

Tech. 16, 7/8 (2000) p. 725

[ 18]. Saınuel, F .H. and Samuel, A.M. Metall.

Trans. 25 A (1994) p. 2247

[19]. Fan, Z., Xiaocu, L., Pengfai, S.,

Guoding, Z., J. Mater. Sc i. Letters 20

(2001) p.285

(20]. Fitzpatrick,M.E., Huchings, M.T., King, J.E., Knowles, D.M. and Whiters, P.J. Metall. Trans. 26 A (1995), p.3191.

[2 I]. Aikin, R.M., JOM 49(8) (1997) p.35

(22]. Mummery, P. and Derby, B. Mater.

Sci. &Eng. A 135 (1 991) p. 221 .

[23]. Niklas, A., Froyen, L., Dealy, I. and Buekenhout, L., rv1ater.Sci.&Eng. A 135

(1991) p.225.

[24]. Suresh, S., Mortensen) A., and

Needleman, A. "Fundamentals of MMCs'' Butterworth-Heinemann, Stonehan1, USA. 1993. [25]. Koverkijan, V.M., Smalar, T., J.Advanced Materials 24, 1 (2002) p.37 [26]. Koverkijan, V.M., Advanced Materials&Process 155,5 (1998) p.25

[27]. Herling, D.r., Grant, G.J., Hunt, W., Advanced Materials&Process 159, 7 (2002) p.37

[28]. Feest, E.A. and Young, R.M.K., Metallurgia 63(3) (1996), p.l 13

[29]. Allisan , J.E. and Cole, G.S., JOM 45(1)

{1993) p.l9

[30]. Zhang, M., Wu, Z., Li, S., Yao, C., J.Mater.