Al/AlB2 kompozit malzemelerin sürtünme ve aşınma davranışlarının incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, yerinde reaksiyonla üretilen Al/AlB2 kompozit malzeme, ikincil olarak sıkıştırma döküm işlemine tabi tutularak % 5, 10, 20 ve 30 takviye fazı oranlarında kompozit numuneler üretilmiştir. Matriks malzeme olarak ETİAL 8 alüminyum kullanılmıştır. Taramalı Elektron Mikroskobu (TEM) ile yapılan mikro yapı incelemesinde, AlB2 takviye fazının alüminyum matriks içerisinde homojen bir dağılım sergilediği tespit edilmiştir. Üretilen kompozit malzemelere sertlik ve yoğunluk testlerinin yanı sıra aşınma testleri uygulanmıştır. Aşınma testleri pim-disk aşınma cihazında ASTM G99-95 standardına göre kuru kaymalı şartlarda gerçekleştirilmiştir. Deneyler esnasında sıcaklık ve nem miktarı sürekli olarak kontrol edilmiştir. Matriks malzeme ve kompozit malzemelerin aşınma davranışı 1.83, 3.40, 4.71 m/s kayma hızlarında, 10, 20, 40 N yükleri altında ve 500, 1000, 2000 m kayma mesafesi şartlarında incelenmiştir. Deneylerde kayma mesafesi ve yükün artışıyla birlikte tüm numunelerin aşınma oranlarında artış meydana geldiği kaydedilmiştir. Kayma hızının artışıyla, aşınma yüzeylerinde farklı oksit tabakalarının oluştuğu ve buna bağlı olarak sürtünme katsayısı ve aşınma oranında azalma olduğu gözlenmiştir. AlB2 takviye fazı oranındaki artışın, numunelerin aşınma direncini önemli oranda artırdığı tespit edilmiştir. Numuneler üzerindeki aşınma mekanizmalarının ve yüzey altı bölgede meydana gelen deformasyonların belirlenmesi amacıyla TEM, optik mikroskop ve XRD analizleri yapılmıştır. Analizler sonucunda aşınmış yüzeylerde abrasif, adhesif, delaminasyon ve oksidatif aşınma mekanizmalarının etkin olduğu gözlenmiştir. Düşük kayma hızı ve yük şartlarında daha çok abrasif aşınmanın baskın olduğu, yüksek kayma hızı ve yük şartlarında ise adhesif ve oksidatif aşınmanın etkin olduğu gözlenmiştir. Ayrıca yüksek uygulama yüklerinde aşınma yüzeyinde bir mekanik karışım katmanının oluştuğu gözlenmiştir. Aşınmış yüzeyin alt bölgesinde yük ve hızdaki artışa paralel olarak plastik deformasyon ve çatlak oluşumu tespit edilmiştir. Son olarak in-situ Al/AlB2 kompozit malzemelerin aşınma miktarı sonlu elemanlar metoduna dayalı ABAQUS paket programı kullanılarak modellenmiştir. Modelde Archard ve Sarkar’ın lineer aşınma denklemleri kullanılmıştır. Aşınma modeli, FORTRAN programlama dili kullanılarak tanımlanmıştır. Bu model bir alt program (subroutine) formatında ABAQUS altındaki UMESHMOTION modülünde çalıştırılarak çözümleme yapılmıştır. Sonlu elemanlar modeli ile elde edilen sonuçların deneysel sonuçlara göre % 70 ile % 97 arasında değişen doğruluk oranlarına sahip olduğu belirlenmiştir.

In this study, in-situ AlB2/Al bulk composite material was subjected to squeeze casting process, as a secondary operation, to produce composite samples with 5, 10, 20 and 30 % reinforcement ratios. ETIAL8 aluminium was used as the matrix. Scanning electron microscopy analysis showed that the AlB2 reinforcement phase was uniformly distributed within the matrix of the composites. Having performed hardness and density measurements, the samples were subjected to wear tests. Dry sliding wear tests were performed on a pin-on-disk rig in accordance with ASTM G99-95 standard. The amount of humidity and temperature were controlled during the tests. Sliding speeds of 1.83, 3.40, 4.71 m/s, normal loads of 10, 20, 40 N and sliding distance of 500, 1000, 2000 m were the test parameters. It has been observed that the wear rates of the samples were increasing with sliding distance and load. With increasing sliding speed, oxidation took place on the worn surfaces of the samples which resulted in a reduction in the amount of wear rate and coefficient of friction. It has been observed that the increase in the amount of the AlB2 reinforcement phase increased the wear resistance of composite samples. In order to identify the wear mechanisms of the worn surfaces and subsurface deformation, scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy and x-ray diffraction (XRD) analysis were carried out. The analysis show that abrasion, adhesion, oxidation, delamination mechanisms were operating on the worn surfaces. At lower sliding speeds and loads, abrasion mechanism was dominant whereas at higher sliding speeds and loads, adhesion and oxidation mechanisms. In addition, at higher loads a mechanically mixed layer was formed on the worn surfaces. Subsurface plastic deformation and cracks were found on the samples tested at high speeds and loads. Finally the wear rate was predicted by using a commercial computer programme, ABAQUS operating based on finite element method. In the computer model, Archard’s and Sarkar’s linear wear equations were adopted. A computer programme was prepared in FORTRAN that was uploaded as a subroutine into the UMESMOTION module of the ABAQUS package. It has been determined that the computer model predicted the wear rate within 70 to 97 % accuracy when compared to the experimental results.