Investigation of the effect of heat treatments on the formability of the 6061 Al alloy

Abstract

Dünya çapındaki rekabet ve çevreyle ilgili standartların titizlikle uygulanmaya başlanması sonucunda hareketli yapıların hafifletilmesi ile enerji tasarrufu sağlanarak çevreye daha az zarar vermek aranan en önemli tasarım beklentilerinden biri olmuştur. Dolayısıyla hafifliklerinden dolayı uzun yıllardır uçak-uzay sanayinde kullanılmakta olan alüminyum alaşımları, son yıllarda, ülkemizde de hızla gelişmekte olan, otomotiv sanayi tarafından da yüksek özgül dayanım, korozyon direnci ve alışılmış imalat tekniklerine uygunluk avantajlarından dolayı, gittikçe artan oranda tercih edilir olmaktadır. Bu alaşımlar arasında 5xxx ve 6xxx serisi Al alaşımları korozyon direnci ile dikkat çekmektedir. Şekil verme sonrası gündeme gelen yaşlanma süreci şekillendirme sonrasında alüminyum mamul geometrilerinde; tasarım geometrisinden farklılaşmalara yol açmaktadır. Tasarım mühendisleri malzeme için yüksek mukavemet isterken, imalat mühendisleri için öncelik şekillendirilebilirlik dolayısıyla süneklik olmaktadır. Yapay yaşlandırılabilir alüminyum alaşımları için süneklik ve dayanım çökelme ile kontrol edilmektedir. Bu tez çalışması çerçevesinde farklı sıcaklık-zaman koşulları altında yaşlandırılmış 6061 Al alaşımının şekillendirme performansı incelenmiştir. Öncelikle malzemenin mekanik özelliklerinin ısıl işlemlerden nasıl etkilendiğinin tespiti için 5 farklı ısıl işlem tasarlanmıştır. Bu ısıl işlemler T4 doğal yaşlandırma ve 160 0C'de 4, 8, 12 ve 16 saat (T6 en yüksek dayanım veren temper) yaşlandırma sürelerini de içermektedir. Farklı ısıl işlemler altındaki mekanik özelliklerinin belirlenmesi için sertlik ve çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen çekme deneylerinde malzemenin düzenli ve düzensiz uzama bölgelerindeki davranışı incelenmiştir. Malzemenin farklı ısıl işlem koşuları altındaki akma mukavemeti, çekme mukavemeti, kopma mukavemeti, dayanım sabiti, pekleşme üsteli, boyun verme öncesindeki ve sonrasındaki sertlik değerleri de deneysel olarak elde edilmiştir. Malzeme için eşdeğer birim şekil değişimi, eşdeğer gerilme ve sertlik değerleri arasındaki ilişki incelenmiş ve sonuçta düzenli ve düzensiz (Boyun verme bölgesinde) uzama bölgesi ve tüm ısıl işlem koşulları için σ=2.98×HV denkleminin geçerli olduğu görülmüştür. Malzemenin deformasyon davranışının düzgün uzama bölgesi içinde Holloman pekleşme modeli denklemine uygun olduğu görülmüştür. Ancak, boyun verme anındaki birim şekil değişimi değerinin pekleşme üsteline sayısal olarak eşit olmadığı ve kopma anındaki gerçek gerilme değerinin Holloman modeline uymayıp daha düşük olduğu tespit edilmiştir. İyi bilindiği üzere, bunun nedeni artan birim şekil değişiminden kaynaklanan, malzeme içerisindeki boşluk oluşumudur. Şekil değişimiyle gelişen boşluk oranını belirlemek amacıyla, düzgün uzamış ve boyun vermiş çekme deneyi numunesi kesitlerinde yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Boşluk hacim oranları küçük olduğundan, elde edilen boşluk oranları kullanılarak, boşluklu yapıya sahip metal matristeki gerilme değeri ortalama olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan gerilme değerlerinin Holloman modelindeki gerilme değeriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Bu uyum tanıklığı, Al 6061 alaşımının çekme yükü altındaki şekil değiştirmesinde, şekil değişimi miktarına karşılık gelen Holloman denklemiyle hesaplanan çekme gerilmesiyle deneysel çekme gerilmesi arasındaki farkın matriste deformasyına bağlı olarak oluşan boşluk oranının tahmininde kullanılabileceğini ortaya konmuştur. Gurson-Tveergaard-Needleman (GTN) hasar modeli sünek malzemelerin kırılma mekaniği çalışmalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Literatürde GTN hasar modeli parametreleri çoğunlukla deneylerle ölçülmeden deneme yanılma yaklaşımına dayanan sayısal yöntemlerle tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada literatürden farklı olarak GTN hasar modeli paramtrelerinin deneysel olarak elde edilmesi amaçlanmıştır. GTN hasar modeli için dokuz farklı malzeme parametresinin bilinmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için beş farklı ısıl işlem koşullarındaki 6061 Al alaşımı malzeme çekme testlerine tabi tutulmuştur. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla başlangıç ve çekirdeklenen boşluk/hacim oranı tespit edilmiştir. SEM ve enerji saçılımlı X-ışını tayfölçüm analizleri ile ikincil fazların malzemede çekirdeklenen boşlukların kaynağı olduğu görülmüştür. Kırılma yüzeyleri incelendiğinde malzeme birincil ve ikincil boşlukların etkisinde tipik sünek kırılma örneği göstermektedir. Dolayısıyla, son kırılma bölgesindeki birim şekil değişimi değerinin kritik çekirdeklenme seviyesine ait birim şekil değişimi olduğu kabul edilmiştir. Malzeme içerisindeki boşluklar kritik bir değere ulaştığında birleşmeye başlamaktadır. Yoğunluk ölçümleri kullanılarak, çekirdeklenen boşluk/hacim oranındaki standart sapma da hesaplanmıştır. Yine yoğunluk ölçümleri ile, çekirdeklenen boşluk/hacim oranının standart sapması hesaplanmıştır. Ayrıca deneylerde boşluk/hacim oranının artan eşdeğer birim şekil değişimi ile birlikte eksponansiyel olarak arttığı gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, dokuz adet GTN hasar modeli parametresinden literatürden verilen üçü dışında, kalan altı adet katsayı deneysel olarak elde edilmiştir. Bu parametrelerin doğruluğunu kontrol edebilmek için çekme deneyini simüle edecek bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Bu modelde malzemenin elastik bölgedeki özellikleri literatürden alınmıştır. Plastik bölgedeki özellikleri ise gerçekleştirilen çekme deneylerinden elde edilmiştir. Son olarak deneysel olarak elde edilen GTN hasar modeli parametreleri sonlu elemanlar yazılımına veri olarak girilmiştir. Çekme deneylerinin sonuçları ve sonlu elemanlar modelinin gerilme-birim şekil değişimi grafikleri çıkartılmıştır. Tüm ısıl işlem durumları için, elde edilen GTN model parametreleriyle oluşturulan sonlu elemanlar modeli sonuçlarının, deneysel olarak elde edilen eğrilerle uyum içinde kaldığı tespit edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen GTN model parametreleri, sonlu elemanlar simülasyonlarıyla doğrulanmıştır. Sac malzemelerin şekil verilebilirlik sınırlarının belirlenmesinde şekillendirme sınırı diyagramları kullanılmaktadır. Şekillendirme sınır diyagramları genellikle Marciniak Deneyi ve Nakazima Deneyi olarak adlandırılan derin çekme şartlarında çalışan deney sistemlerinden elde edilmektedir. Bu deneylerin, malzeme üreticileri ve araştırmacılar tarafından aynı şekilde uygulanabilmesi amacıyla ASTM E2218-02 ve ISO 12004 standartları oluşturulmuştur. Tez çalışmasını gerçekleştirebilmek için öncelikle deney sistemi kurulmuştur. Derin çekme deneyinin (Nakajima deneyi) yapılabilmesi için İTÜ Makine Fakültesinde mevcut 150 ton kapasiteli hidrolik pres kullanılmıştır. Numunelerin hazırlanabilmesi için sac kesme kalıpları ve giyotinden yararlanılmıştır. Malzemenin şekillendirilebilirliğinin incelenmesi için öncelikle uygun ölçülere getirilen numunelerin yüzeyine benek işlenmesi gereklidir. Benek kalitesi şekilllendirilebilirlik için önemli bir adımdır. Tez çalışması kapsamında dört farklı benek işleme yöntemi (Serigrafi, elektro-kimyasal dağlama, foto-kimyasal dağlama ve lazer markalama) beneklerin test esnasındaki dayanıklılığı ve ölçüm doğruluğu açısından incelenmiştir. Gerçekleştirilen ön deneyler neticesinde yaygın olarak kullanılan tüm markalama yöntemleri denenmiş ve alüminyum malzeme için en uygun yöntemin lazer markalama olduğu görülmüştür. Lazer markalama ile işlenmiş beneklerin ölçüm amaçlı kullanılabilirliliğini değerlendirmek için doğrulama amaçlı çekme deneyleri yapılmıştır. Deneylerde önce lazer markalama ile benekler numune yüzeyine işlenmiştir. Deney sonrasında şekil değiştiren beneklerdeki birim şekil değişimi ölçmek için şekil değiştirmiş beneklerin tek tek fotoğrafları çekilmiştir. Çekilen fotoğraflar Matlab kodu yardımıyla dijital olarak işlenmiş ve major/minor birim şekil değişimleri hesaplanmıştır. Ek olarak, ölçüm yönteminin doğruluğunu değerlendirmek için çekme deneyleri farklı uzama seviyelerinde durdurulmuştur. Bu deneylerde ölçülen hata miktarının, beklendiği üzere toplam uzama ile ters orantılı olduğu görülmüştür. Çekme deneyinde %9 üniform uzama gerçekleştiğinde, uygulanan yöntemin hatasının %1'den az olduğu görülmüştür. Bunlara ilaveten ölçüm yöntemini değerlendirmek için 2 mm sac kalınlığına sahip T6 temperi kullanılarak bir adet şekillendirme sınır diyagramı oluşturulmuştur. Bu sınır diyagramına göre, sadece düşük birim şekil değişimi değerleri için hata oranı anlamlı seviyelere ulaşabilmektedir. Ancak ölçülen beneklerin diyagram üzerindeki normal dağılımına bağlı olarak bu hata oranı önemsenmeyecek bir seviyede kalmaktadır. Beş farklı ısıl işlem koşulu altında (T4 doğal yaşlandırma ve 160 0C'de dört farklı sürede) yaşlandırılmış 6061 Al alaşımının şekillendirme sınır diyagramları oluşturulmuştur. Ayrıca kalınlığın 6061 Al alaşımının şekillendirilebilirliği üzerindeki etkisini incelemek için dört farklı kalınlıkta (1 mm, 1.6 mm, 2 mm ve 2.5 mm) sac levhanın şekillendirilebilirliği karşılaştırılmıştır. Temin edilen levhaların mekanik anizotropi gösterip göstermediğini tespit etmek için ASTM E517 standart testi yapılarak normal anizotropi ve düzlemsel anizotropi katsayıları belirlenmiştir. Ayrıca malzemenin mikroskopik incelemesinde tane boyutunun her üç düzlemde de benzer olduğu bulgusuna ulaşılmıştır. Levhanın haddeleme doğrultusuna göre 00, 450 ve 900 için gerçekleştirilen çekme testi sonuçları incelendiğinde eğrilerin birbirine çok yakın olduğu gözlemlenmiştir. Dolayısıyla malzemenin mekanik özelliklerinin yöne bağımlı olmadığının kabul edilebileceği belirlenmiştir. Isıl işlem koşullarına ve sac metal kalınlığına bağlı olarak şekillendirme sınır diyagramları hazırlanmıştır. Bu diyagramlar incelendiğinde sac metal kalınlığı arttıkça minor birim şekil değişimi değerleri sabit kalmasına karşın, major birim şekil değişimi değeri doğrusal olarak arttığı tespit edilmiştir. Öte yandan yapay yaşlandırma süresi arttıkça hem minor hem de major birim şekil değişimi değerleri eksponansiyel olarak artmaktadır. Deneysel olarak elde edilen GTN model parametreleri kullanılarak Nakajima deney sisteminin sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Sonlu elemanlar modelinde sürtünme katsayısının çözüme ciddi biçimde etki ettiği bilinmektedir. Farklı sürtünme katsayıları kullanılarak sürtünme katsayısının şekillendirme sınır diyagramı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kalıplar ile alüminyum levha arasındaki uygun sürtünme katsayısının 0.52 olduğu tespit edilmiştir. Oluşturulan sonlu elemanlar modeli sonuçlarıyla, deney numunelerindeki kırılma bölgesinin konumu, kubbe yüksekliği ve deneysel şekillendirme sınırı diyagramları karşılaştırılarak GTN hasar modeli parametreleri doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar çözümü, deneysel sonuçlarla karşılaştırıldığında tüm ısıl işlem durumları ve sac metal kalınlıkları için en fazla %5 oranında farklılık olduğu görülmüştür. Sac metal kalınlığı arttıkça hasara kadar olan eşdeğer birim şekil değişiminin artmış olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca yapay yaşlandırma süresi ile de sünekliğin azaldığı ve dolayısıyla hasara kadar olan eşdeğer birim şekil değişiminin azaldığı gözlemlenmiştir. Gerilme hali boşluk çekirdeklenmesi ve büyümesini etkilediği için sonlu elemanlar modeline ait sonuçlardan karakteristik üç farklı duruma ait sonuçlar dikkate alınarak incelenmiştir: Tek eksenli gerilme (Düzlem gerilme), düzlem genleme ve iki eksenli eşit gerilmeli germe durumları. İki eksenli eşit gerilmeli germe durumundaki sınırın, hidrostatik gerilme değerinin düşük olmasının boşluk çekirdeklenmesini ve büyümesini geciktirmesi dolayısıyla, diyagramın düzlem genleme haline ait olan en düşük şekilledirme sınırının üzerinde kalabildiği tespit edilmiştir. Bilindiği üzere Al 6061 alaşımlarından yapılan mamüller en sünek oldukları, ısıl işlem görmemiş haliyle şekillendirilirler ve sonrasında yaşlandırılarak mukavemetli hale getirilirler. Şekil verme imalatı sonrası doğal ya da yapay yaşladırma sürecinde mamül geometrisinde yaşlanmaya bağlı olarak çarpıklaşma meydana gelmesi tekniğin bilinen bir problemidir. Değişik seviyelerde yaşlandırılarak çökelti oluşumunu kısmen tamamlamış içyapıların deformasyon işleminden sonra çarpıklaşmasının, yaşlandırma işlemi uygulanmamış durumuyla şekillendirilmesinden sonraki çarpıklaşmasından daha az olacağı açıktır. Bu yararlı durumun bedeli, metalin yaşlandırılmamış halindeki başlangıç sünekliğinden yani, şekil verilebilirlikten taviz verilmesidir. Sunulan tez çalışması kapsamında, ısıl işlem koşulları ile şekil verilebilirlik arasındaki ilişki şekillendirme sınırı diyagramları aracılığıyla incelenmiş ve şekillendirilebilirlik sınırındaki değişimin kuramsal mekanizmaları deneylerle ve simülasyon analizleriyle elde dilen bulugularla açığa çıkartılmıştır. Tez çalışmasıyla, bir yandan bilimsel ve teknik literatürdeki igili boşlukları dolduracak bulgular, diğer yandan da sanayide bu yöntemin verimli kullanılmasını sağlayacak ısıl işlem parametrelerinin belirlenmesine yönelik çıktılar elde edilmiştir. Çalışma sonuçlarının, ülkemizde ve dünyada hızla gelişen otomotiv, havacılık/uzay sanayine ve alüminyum alaşımı levhaların (soğuk şekil verilerek) yoğun olarak kullanıldığı tüm imalat dünyasına katkı sağlaması beklenmektedir.

This thesis examines the tensile deformation behavior and formability of Al–Mg–Si alloy (6061 Al alloy) subjected to various aging conditions. Five peculiar heat treatments were designed, including natural aging temper (T4) and peak-strength (T6) temper, to investigate the effect of heat treatments on the formability of 6061 Al alloy sheets. The temper conditions, were designed to investigate the effect of artificial aging on the mechanical behavior of the alloy. Tensile tests were performed to determine the stress–strain behavior of the material. Thus, mechanical properties including yield, ultimate and rapture strengths, uniform and total strains, hardness, strength coefficient, and strain-hardening exponent were obtained experimentally. The relationship between equivalent strain, equivalent stress, and hardness is also examined. The results of the hardness tests show that σ=2.98×HV for both the uniformly deformed region and the necked region is valid for all heat treatment conditions. The rapture strength of specimens were determined to be less than the Holloman model predictions for the corresponding rapture strains of specimens. Void development, which is dependent on the amount of plastic strain, is determined to be the main reason for this discrepancy between the Holloman model and rapture stress. The calculated average stress in the metal matrix shows good agreement with the Holloman equation predictions. Thus, it is concluded that the void development explains the interrupted strain hardening after necking. Moreover, this research experimentally determines the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) damage mechanics model parameters for 6061 Al alloy. The GTN parameters considering different heat treatment conditions of the alloy were obtained by in-situ tensile tests. Scanning electron microscope (SEM) micrographs were used as inputs to determine initial and nucleated volume fractions. SEM and energy dispersive X-ray spectrography (EDX) analyses also revealed that the second-phase precipitates are the origin of the incipient voids. SEM analyses enabled the fractographic investigations where the primary and secondary voids were exhibited and thus showing nucleation strain. Density measurements were used to clarify the critical and final void volume fractions and the standard deviation of the nucleated void volume fraction distribution. The results show that the void volume fraction increases exponentially along with increasing effective tensile plastic strain. Hence, all of six different GTN parameters have been identified experimentally. Finite element method simulations based on GTN damage model were performed to verify the GTN model parameters. The results show that the experimentally obtained GTN model parameters could be used when performing tensile deformation simulations of 6061 Al alloys fabricated with different heat treatment conditions. In addition, the formability performance of Al alloys fabricated with different heat treatment condiditions was also investigated. Grid marking, which is applied before mechanical tests, is a crucial step in formability tests. In this study, four different grid marking methods, serigraphy, electro-chemical etching, photo-chemical etching and laser marking techniques, were investigated for the stability of grids and their measurement accuracy. After examining the performance of the grid marking methods, laser marking has been selected to obtain grids on the surface of aluminum alloy parts. To evaluate the efficiency of the strains calculation using grids, tensile tests were conducted that considered different levels of elongation. A forming limit diagram of the 6061-T6 Al alloy was constructed to demonstrate the influence of possible measurement errors. Verification of grid strain evaluation revealed that the error in size measurements is dependent on overall strain values and reduced with increasing overall strain as expected. The maximum error of the implemented method does not exceed 1% when 9% of overall uniform elongation is reached. The approach used in the study provides sufficient accuracy for evaluating strains in principal axis of deformed circular grids with minimalized costs. The forming limit curves (FLCs) of the 6061 Al alloy subjected to heat treatments with various (1 mm, 1.6 mm, 2 mm, 2.5 mm) sheet metal thicknesses were obtained experimentally and computationally. Tensile tests were executed to determine the anisotropic behavior of the sheet, and the plastic strain ratio 'r' for sheet metal was determined. Laser- marked FLC specimens were waisted and deep drawn with the proposed spring-attached Nakajima deep drawing test setup. The degree of planar anisotropy based on the results indicates that the sheet was isotropic. Experimental FLC results revealed that the minor strain values remained stable with increased sheet metal thickness, while the major strain increased linearly. Moreover, increased artificial aging time exponentially decreased minor and major strain values. A finite element model (FEM) of the deep drawing test was constructed to investigate the effect of nucleation and growth mechanisms of the voids by using experimentally obtained GTN model parameters. The friction coefficients for the simulations were determined numerically with a trial and error method. The developed model was verified by comparing experimental FLC, fracture locations, and dome height. The effects of heat treatment conditions and the effects of sheet thicknesses on the FEM results differed simulations results from the experimental FLCs results by less than 5%. The results of the FEM were identified in regions of three different characteristic loading cases: uniaxial tension (Plane stress), plane strain, and equbiaxial stress (Two dimensional equal tensional stress state). The results indicate that sheet metal thickness has a positive effect on the effective strain up to failure. In contrast, increased artificial aging time reduced effective strain to failure, which is controlled by the nucleation and growth of voids.