Mühendislik Malzemelerinin Yüksek Birim Şekil Değiştirme Hızında Karakterizasyonu

Abstract

Malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi makine mühendisliğinin en eski araştırma alanlarından birisidir. Özellikle otomotiv, havacılık ve askeri endüstrileri malzemelerin daha hafif ve dayanıklı olmasını istemektedir. Malzemelerin gerilme–birim şekil değiştirme eğrileri deneysel yöntemlerle elde edilir. Deneysel yöntemlerin pahalı olması sebebiyle son yıllarda bilgisayarların da gelişmesiyle birlikte malzeme testleri yerine bilgisayar ortamında modelleme tercih edilmektedir. Malzemelerin yüksek birim şekil değiştirme hızı ve sıcaklıklardaki davranışını modelleyebilmek için mukavemet modellerine ihtiyaç duyulmaktadır. Mukavemet modelleri birim şekil değiştirme miktarı, birim şekil değiştirme hızı ve sıcaklığa bağlı olarak gerilme değerinin hesaplanmasında kullanılmaktadır. Malzemenin elastik ve plastik bölgedeki davranışı malzemeye özgü çeşitli parametrelerle ifade edilir. Her malzeme için farklı olan bu değerler bilgisayar ortamına girilerek yapıların istenilen koşullar altında nasıl bir performans göstereceği belirlenebilir. Mukavemet modellerinden en popular olanı Johnson-Cook mukavemet modelidir. Bu model malzemenin akma mukavemeti ve pekleşme özelliklerini, yüksek şekil değiştime sırasındaki davranışını ve yüksek sıcaklıktaki davranışını ifade eden beş parametreden oluşmaktadır. Bu tez kapsamında, 1040, 1045 ve 4140 çelikleri olmak üzere üç adet malzemenin Johnson – Cook mukavemet model parametrelerinin belirlenmiştir. İlk olarak standart çekme testi malzemenin akma mukavemeti ve pekleşme üstelini belirlemek için gerçekleştirildi. Malzemenin yüksek sıcaklıkta ısıl yumuşama katsayısını bulabilmek için standart çekme testleri 80 C ve 260 C sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Son olarak, malzemelerin yüksek birim şekil değiştirme hızlarında davranışını belirten katsayıyı bulabilmek için yüksek hızda çarpışma testleri SHPB kullanılarak gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçlarda 1040 çeliği için literatürle uyumlu parametreler elde edilmiştir. 1045 ve 4140 çelikleri için elde edilen paramtreler ise bu çelikler için normalizasyon işlemi uygulanmadığından literatürle uyumlu değildir. Bu sonuç malzeme üzerindeki soğuk işlemin malzeme davranışı üzerinde önemli etkisi olduğunu göstermektedir.

Determining of mechanical properties of materials is one of the oldest research area of engineering.There has been a significant demand for materials that are stronger, lighter and durable for various industries. Identification of mechanical properties requires experimental tests. Due to the cost of experiments, computer simulations are popular in engineering industry for identification of material behavior. For simulating material behavior, constitutive models which link the flow stress to incremental strain, strain rate and temperature are used. One of the most popular constitutive models is Johnson-Cook model. This model includes five material constants to describe stress as a function of strain, strain rate and temperature.In this thesis, five Johnson–Cook constitutive model parametersare determined for material characterization. For this purpose, three test types were performed for AISI 1040, AISI 1045 and AISI 4140 steels. Quasi-static tensile tests are performed for determining yield strength and strain hardening parameters of Johnson – Cook Model. Quasi–static temperature tests at 80 C and 260 C were performed to find thermal softening parameter. Finally, high strain rate tests were performed to characterize material behavior at different strain rates by using SHPB which is used to obtain stress-strain behavior of materials at impact loading conditions. The determined parameters for AISI 1040 were found to be well agreed with literature study. For AISI 1045 and AISI 4140 steels, the test results were not seen to be compatible with literature based on “normalized” material. Thus, it has seen that materials tested had an unknown “strain history”, and this effects the material behavior considerably.