LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19390

Gözat

Yazar "Derin, Cevat Bora" ile LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    AlFe2B2 MAB fazında krom (Cr) ve vanadyum (V) ikamelerinin malzeme özellikleri üzerindeki etkileri: Deneysel destekli modelleme çalışması
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-10-16) Atalay, Ahmet Sefa ; Derin, Cevat Bora ; 506172421 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Geçiş metallerinin borürleri, yüksek sertlik, kimyasal dayanıklılık ve yüksek ergime sıcaklıkları gibi belirgin özellikleri sayesinde mühendislik ve teknolojik uygulamalarda önemli bir malzeme sınıfı olarak öne çıkmaktadır. MAB (M: geçiş metali, A: genellikle IIIA veya IVA grup elementi, B ise bor) fazları olarak adlandırılan nano ölçekli tabakalı yapıya sahip geçiş metal borürleri, son yıllarda benzersiz özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu bağlamda, kapsamlı araştırmalara konu olan AlFe2B2 MAB fazı, oda sıcaklığına yakın bir manyetokalorik etki göstermekte olup, manyetik soğutma ve manyetokalorik enerji dönüşümü uygulamaları için potansiyel bir aday olarak değerlendirilmektedir. Manyetokalorik etki, malzemenin dış bir manyetik alan altında iken sıcaklığındaki değişimle ilişkilidir; bu etki, manyetik alan uygulandığında ısınma, kaldırıldığında ise soğuma şeklinde gözlemlenmektedir. AlFe2B2, manyetokalorik etkisi ile ön plana çıkmakla birlikte, bir üçlü geçiş metal borürü olarak yüksek sertlik ve rijitlik gibi üstün mekanik özellikler de sergileme potansiyeline sahiptir. Bu sebeple, AlFe2B2'nin hem manyetokalorik etkisi hem de mekanik özellikleri üzerine hesaplamalı (modelleme) ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak, hesaplama ve deneylerin birlikte ele alındığı çalışmaların sayısı fazla değildir. Bu iki yaklaşımın birleşimi, malzemenin davranışını daha kapsamlı bir şekilde anlamak ve uygulama potansiyelini daha doğru bir şekilde değerlendirmek için kritik bir yöntem sunmaktadır. Bu çalışma, hesaplamalı ve deneysel olarak iki kısıma ayrılmaktadır. Hesaplamalı kısımda, AlFe2B2 MAB faz bileşiğindeki Fe elementi, bileşikten belli oranlarda (at%12.5, at%25, at%50) eksiltilmiş ve yerine dördüncü alaşım elementi olarak Cr veya V eklenmiştir. Bu şekilde AlFe2B2 esaslı yeni borürler elde edilmiştir. Borürlerin elektronik yapı (bant yapısı, toplam durum yoğunluğu, kısmi durum yoğunluğu, alfa ve beta durum yoğunluğu, yük yoğunluğu dağılım haritaları ve Mulliken bağ popülasyonu), kimyasal bağlanma ve mekanik özellikleri (elastik sabitler, elastik modüller, teorik Vickers sertliği, Poisson oranı, Cauchy basıncı, Pugh oranı ve elastik anizotropi) yoğunluk fonksiyonel teorisi (Density Functional Theory, DFT) hesaplamalarıyla analiz edilmiştir. Ayrıca, mekanik özellikler kapsamında elastik Debye sıcaklığı da incelenmiştir. Hesaplamalı çalışmalar, Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) formundaki genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (Generalized Gradient Approximation, GGA) ile CASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package) kodu ve pseudopotansiyeller kullanılarak gerçekleştirilmiştir. AlFe2B2, AlFe1.5Cr0.5B2 ve AlFe1.5V0.5B2 borürleri metalik ve iletken özellikler göstermiştir. Ayrıca, AlFe2B2 ve AlFe1.5Cr0.5B2 borürleri manyetik özellik sergilerken, AlFe1.5V0.5B2'de manyetik özellik tespit edilmemiştir. Borürlerin bağlanmasında metalik, iyonik ve kovalent olmak üzere üç temel kimyasal bağın önemli katkılar sağladığı görülmüştür. Özellikle, B-B arasında kuvvetli kovalent bağlar, geçiş metali (Transition Metal, TM)-B arasında iyonik-kovalent bağlar ve TM-TM arasında metalik bağlar, kovalent etkileşimlerle birlikte gözlemlenmiştir. Tüm borürlerde C11 elastik sabitinin C22 ve C33 elastik sabitlerinden büyük olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, borürlerin a-ekseni boyunca uygulanan basınca karşı b ve c eksenlerine göre daha yüksek bir dayanım sergileyeceğini göstermektedir. Ayrıca, C11 elastik sabitinin büyüklüğü, tüm kristallerde a-ekseni boyunca kuvvetli B-B bağlarının varlığını ortaya koymaktadır. AlFe(2-x)TMxB2 (x= 0–1; TM= Cr, V) sisteminde, x değerleri 0.25 ve 0.5 olduğunda, vanadyumun, kroma kıyasla rijitlikte (daha yüksek Young modülü ile sonuçlanan) daha büyük bir artışa neden olduğu tespit edilmiştir. Ancak, x=1 olduğunda artan krom miktarına bağlı olarak rijitlikteki artış devam ederken, vanadyumda ters bir eğilim gözlemlenmiştir. Ayrıca, dördüncü alaşım elementinin artan varlığı ile izotropinin arttığı görülmüştür. Dahası, izotropideki artışta kromun vanadyumdan daha etkili olduğu fark edilmiştir. AlFeCrB2'nin en yüksek elastik modüllere (bulk, kayma ve Young modülü), teorik Vickers sertliğine, elastik Debye sıcaklığına ve en düşük elastik anizotropiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Deneysel kısım, AlFe2B2 MAB faz bileşiğinin üretim ve karakterizasyonunu kapsamaktadır. AlFe2B2 MAB faz bileşiği kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) ve vakum ark ergitme teknikleri birleştirilerek üretilmiştir. Üretiminin ilk aşamasında, genellikle tercih edilen yöntemlerden farklı, enerji açısından verimli ve hammadde olarak metal oksit tozlarının kullanılmasına imkan sağlayan, dolayısıyla maliyet açısından da etkin bir yöntem olan SHS tekniği kullanılmıştır. SHS tekniği ile AlFe2B2 ve FeB (ferrobor) üretilmiştir. SHS öncesinde kullanılacak hammaddelerin molar oranlarını belirlemek ve adyabatik sıcaklığı tayin edip reaksiyonun kendiliğinden ilerleyip ilerlemeyeceğini öngörmek için FactSageTM 7.1 termokimyasal modelleme yazılımından yararlanılmıştır. SHS ürünündeki AlFe2B2 konsantrasyonunu arttırmak amacıyla, AlFe2B2 fazının oluşumu için gerekli alüminyum (Al) miktarından sırasıyla %50 ve %100 daha fazla Al eklenerek vakum ark ergitme tekniğiyle iki farklı numune elde edilmiştir. Üretilen numuneler, x-ışını floresansı (XRF), x-ışını kırınımı (XRD), optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), enerji dağılımlı x-ışını spektrometresi (EDS) ve nanoindentasyon testi ile karakterize edilmiştir. Üretilen iki numunede de AlFe2B2 oluşumu gerçekleşmiştir. Fazladan eklenen Al miktarındaki artışın, AlFe2B2 fazının oluşumunu desteklediği gözlemlenmiştir. AlFe2B2 fazının mekanik özellikleri, nanoindentasyon testi ile incelenmiştir. Fazladan %100 Al eklenen numunedeki AlFe2B2 fazına ait bölgeden yapılan beş ölçümde, sertlik değerlerinin ortalaması 1248.784 Vickers (12.25 GPa) ve Young modülü ortalaması ise 284.130 GPa olarak bulunmuştur. Bu ölçümlerde, sertlik ve Young modülü değerlerinin, her iki özellik için de ölçüm noktaları arasında oldukça tutarlı olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, malzemenin test edilen AlFe2B2 faz bölgesindeki homojenliğini göstermektedir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçların, hesaplamalı çalışmalardan elde edilen bulgularla uyum gösterdiği tespit edilmiştir. Simüle edilmiş AlFe2B2 pikleri ile deneysel çalışmalara ait AlFe2B2 pikleri arasında yakın bir uyum görülmüştür. Ayrıca, DFT hesaplamaları ile elde edilen Young modülü ve sertlik değerleri, deneysel bulgularla karşılaştırılmış ve sertlikte %74.7, Young modülünde ise %81.3 oranında bir uyum tespit edilmiştir. Bu yüksek uyum, DFT hesaplamaları ile deneysel sonuçlar arasında dikkat çekici bir paralellik olduğunu göstermekte ve bu malzemenin mekanik özelliklerine yönelik gelecekteki çalışmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
  • Öge
    Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) ile şekil hafızalı Ni-Ti-X (X= Cu, Nb, Fe vb.) alaşımların üretimi ve karakterizasyonu
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-08-04) Keskin, Berk ; Derin, Cevat Bora ; 506132402 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Şekil hafızalı alaşımlar, deformasyona uğratıldığında, uygulanan sıcaklık ve gerilmelere bağlı olarak daha önceki şekil veya boyutuna geri dönebilme özelliği gösteren bir grup metalik malzemedir. Şekil hafıza özelliği ve süperelastik özellik, şekil hafızalı alaşımların en önemli iki termomekanik özelliğidir. Şekil hafızalı alaşımların temel karakteristiği, alaşıma giren elementlerin oranlarıyla belirlenebilen bir dönüşüm sıcaklığının üzerinde ve altında farklı iki şekil ve kristal yapısına sahip olabilmeleridir. Bu belirlenebilen sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda östenitik yapı (ana faz), altındaki sıcaklıklarda ise martenzitik yapı oluşmaktadır. İlgili çalışmada şekil hafızalı alaşım özelliklerine sahip Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Nb ve Ni-Ti-Fe sistemlerinin çok hızlı, düşük maliyetli ve yüksek katma değere sahip bir üretim yöntemi olan kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (Self-Propagating High-Temperature Synthesis - SHS) ile üretimi ve bu ürünlerin morfolojik ve termal özelliklerin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda öncelikle referans oluşturulacak şekilde Ni-Ti alaşımlarının üretimi ve üçüncü bir element (Cu, Nb ve Fe) ilavesinin (Cu için at. %25'a kadar, Fe ve Nb için at. %10 a kadar) SHS sentezine ve nihai ürüne olan etkilerinin sistematik şekilde araştırılması hedeflenmiştir. İlk defa SHS senteziyle üretilmesi ve bakırın nikel yerine yüksek miktarlarda kullanımının (at.% 25 e kadar) ürün üzerindeki etkilerinin araştırılmıştır. Çalışmada mikroanaliz, faz değişimi ve diğer kimyasal kompozisyon belirleme işlemleri XRD, DSC, SEM/EDS ve TEM cihazlarında gerçekleşmiştir.