Demir Dışı Metaller Bakır Esaslı Şekil Hafızalı Alaşımlar SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 28 BAKIR ESASLI ŞEK İL BELLEKL İ ALA ŞIMLARIN ÜRET İM İ VE ÇEKME DENEY İ İLE KARAKTER İZASYONU Bedri BAKSAN, Remzi GÜRLER Eski şehir Osmangazi Üniv., Metalurji Enstitüsü Eski şehir, baksan@ogu.edu.tr, ÖZET Bu çalı şmada Şekil Bellekli Ala şımlar ( ŞBA), tarihi geli şimi, uygulama şekilleri ve karakteristik özellikleri ile hakkında kısa bilgiler giri ş k ısmında bahsedilmekte. Daha sonraki kısımlarda ŞBA’ların genel üretim yöntemleri. ŞBA’ların karakterizasyonunda kullanılan metotlar hakkında bilgiler verilmekte. Son bölümde ise konuya esas olan Cu esaslı ŞBA’ların üretimi, çekme deneyi ile ilgili çalı şmalar ve elde edilen sonuçlar verilmektedir. Anahtar Kelimeler: Şekil Bellekli Ala şımlar, Akıllı Malzemeler, Üretim, Karakterizasyon, Çekme Deneyi THE PRODUCTION OF COPPER BASED SHAPE MEMORY ALLOYS AND CHARACTERIZATION BY MEANS OF TENSILE TESTING ABSTRACT In this study, a brief historical development, application types, characteristic properties of Shape Memory Alloys (SMA) was given in introduction section. Information about the general production techniques and the characterization methods of the SMA’s are given in the latter sections. In the final section, information about the recent studies which was the main subject of this study; the production and characterization of SMA’s by tensile tests were given. Keywords: Shape Memory Alloys, Smart Materials, Production, Characterization, Tensile Testing 1. G İR İŞ Şekil bellekli ala şımlar ( ŞBA) aslında günlük hayatta oldukça fazla kullandı ğımız, fakat şekil belle ği yönüyle pek bilinmeyen malzemeler grubunu olu şturmaktadır. Günlük hayatta sıkça kullandı ğımız bu malzeme grubuna örnekler olarak, kolay deforme olmayan gözlük çerçeveleri, çay-kahve otomatları, bazı otomobil parçaları, tıp alanında özellikle kalp ve damar hastalıklarında çok yaygın kullanılan tıp gereçleri ve ayrıca sismik uygulamalarda kullanılan darbe sönümleyici malzemeler sayılabilir. ŞBA’ların üretim yöntemleri hakkında genel bilgiler ilk bölümlerde verilmi ş, daha sonraki bölümlerde ŞBA’ların karakterizasyon yöntemleri ve son olarak bu amaçla yapılan çalı şmalar ve yönelimlerden bahsedilmi ştir. 1.1. Şekil Bellekli Ala şımlar Şekil Bellekli Ala şım ( ŞBA) terimi, uygun ısıl i şlemle, önceden belirlenmi ş şekline geri dönebilme kabiliyeti olan metalik malzemeler için kullanılır. Genel olarak bu malzemeler, oldukça dü şük sıcaklıklarda plastik olarak deforme edildikten sonra, daha yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında, deformasyondan önceki şekillerine geri dönerler [1]. Malzemenin sadece ısıtma ile şeklini hatırlayabilmesi “tek yönlü şekil belle ği” olarak isimlendirilir. Şekil 1. bu özelli ği şematik olarak göstermektedir. Bazı malzemeler, ısıtmayı takiben tekrar so ğutulduklarında de ği şim gösteriyorsa bu malzemelerin “iki yönlü şekil belle ği” oldu ğu söylenebilir [2]. Ticari amaçlı, şekil bellek özelli ği gösteren ala şım sayısı çok olmasına ra ğmen, bunlardan bazıları şekil SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 29 de ği şiminin geri dönü şü sırasında oldukça büyük gerilmeler olu ştururlar. Bu grup ala şımlar içinde en önde gelenleri nikel-titanyum ala şımları ve CuZnAl ve CuAlNi gibi bakır esaslı ala şımlardır. Şekil bellekli ala şımların ( ŞBA) ilk ke şfi Chang ve Read’in 1932’de buldu ğu Au-Cd ala şımı ile ba şlar, daha sonraları 1938 de bu özellik Cu-Zn ala şımlarında gözlenir. En son bilinen ve yaygın kullanılan ala şım ise 1963’de bir tesadüf sonucu bulunan Ni-Ti ala şımıdır [3]. ŞBA’lar, termoelastik martenzit olarak da tanımlanabilir. Bu durum, ala şımda dönü şüm sıcaklı ğının altında deformasyon etkisiyle ikizlenme mekanizmasındaki de ği şim sonucu görülen martenzitik dönü şüm olarak açıklanabilir. Meydana gelen dönü şüm birinci mertebeden dönü şüm olmasına ra ğmen tek bir sıcaklıkta görülmez, ala şımın tipine ba ğlı olarak farklı s ıcaklık aralıklarında görülebilir. Isıtma ve so ğutma sırasında dönü şüm belli bir sıcaklıkta gerçekle şmedi ği için bir sıcaklık histerisizi görülür. Bu histerisiz de ğeri her bir ala şım için farklılık gösterir [1, 2, 4]. ŞBA’ların bir di ğer ilginç özelli ği, dü şük sıcaklıklarda adeta bir lastik gibi davranabilmeleridir. Çok az bir kuvvet uygulanması ile kolaylıkla deforme Şekil 1. Tek Yönlü Şekil Bellek Etkisi [5]. edilebilirler, uygulanan yük kaldırıldı ğında tekrar eski şekillerine geri dönebilirler. Fakat yüksek sıcaklıklarda di ğer metaller gibi davranırlar, bu sıcaklıklarda uygulanan deformasyon kalıcıdır, malzeme tekrar eski haline geri dönemez [1, 4, 5]. ŞBA’ların gösterdi ği bir di ğer özellik ise, süper elastisite (veya pseudo-elastisite) dir. Bu durumda, küçük bir kuvvet ile oldukça fazla deformasyon olu şabilir, buna ra ğmen yük malzeme üzerinden kaldırılırsa, malzeme ısıtmaya gerek kalmaksızın orijinal şekline geri döner. ŞBA’ların uygulamalarına bakıldı ğında ŞBA’ların kullanıldı ğı cihazlar için bir çok patentli bulu ş vardır. Cihazların ve kullanılan yerlerin özelliklerine göre ŞBA’ların ticari olarak uygulamaları belli gruplar halinde toplanabilir. Serbest geri dönü şümlü a la şımlar: Martenzitik yapıda iken deforme edilir, tek fonksiyonel özellik, ısıtma etkisi ile önceki forma geri dönü ş şeklindedir. Bunun en bilinen uygulaması, kan pıhtılarını tutmaya yarayan filtrelerdir [2]. NiTi telden yapılmı ş filtre kanca şekline gelerek kan pıhtılarını tutar. Bu parça üretildikten sonra so ğuk etkisi ile büzülür ve şırınga ile damar içine girmesi sa ğlanır, nihayetinde ise vücut ısısına gelindi ğinde fonksiyonunu yerine getirecek şekilde açılır. Kısıtlı geri dönü şüm: Bu uygulamaya en güzel örnek, hidrolik boru birle ştirmede kullanılan ba ğlantı elemanlarıdır (fittings). Bu parçalar silindirik gömlek şeklinde, birle ştirilecek boruların çapından çok az küçük olacak şekilde imal edilir. Martenzitik durumda iken çap büyür, ostenitik faza gelindi ğinde, yani ısıtıldı ğında çapı küçülerek boruların uçlarını sıkıca kavrar. Hareket vericiler: Bunlar, genellikle elektrik tesisatlarında ba ğlantı elemanlarının ısıtılması ile bir elektrik konta ğı olu şturarak bir cihazın açılması veya kapanması şeklinde görev yaparlar, hareket verici güç kayna ğı elektrik, ısı vs. gibi herhangi bir enerji olabilir. Oransal kontrol: Bu özellik ŞBA’dan yapılmı ş mekanizmanın sadece belli bir bölgesinin ŞB etkisi ile çok hassas miktarda hareket edebildi ği vana gibi cihazlardır. Buradaki hareket miktarı 0,25 mm kadar olabilir. Super elastik uygulamalar: Bu şekilde uygulamalar ile çok sık kar şıla şmak mümkündür. En iyi bilinen örnekler NiTi’dan yapılmı ş gözlük çerçeveleridir. Bu uygulamalarda büyük miktardaki darbeler herhangi kalıcı hasar olmaksızın absorplanabilmektedir. Şekil bellekli ala şımlarda bazı özellikler de görülmektedir. Bunlar; Süperelastisite: Ala şım, di ğer metallere oranla daha fazla olmak üzere belli bir sınıra kadar tekrar eski haline gelebilecek şekilde bükülebilir. Tek yönlü bellek etkisi: Ala şımın bir mekanik veya termik etki ile ilk şekline geri dönebilmesidir. SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 30 İki yönlü bellek etkisi: ŞBA ala şımın e ğitilme (training) i şleminden sonra biri kritik de ğerin üzerinde di ğeri ise altında olan iki sıcaklık de ğeri arasında şekillerini koruyabilmesidir. Lasti ğimsi davranı ş: Ala şım bükülüp bırakıldı ğında belli bir miktar kalıntı deformasyonu bünyesinde tutar, malzeme tekrar çalı ştırıldı ğında bu kalıntı deformasyonun artmasına neden olur. Darbe emme özelli ği: Ala şım mekanik darbe ve şokları absorplayabilmektedir. Bu özellikler, katı faz dönü şüm mekanizması olan ostenit olarak isimlendirilen yüksek sıcaklık fazının kristalografik olarak tersinir bir şekilde martenzit olarak isimlendirilen dü şük sıcaklık fazı olan di ğer bir faza dönü şmesi esasına dayanan ve martenzitik dönü şüm olarak isimlendirilen dönü şümler ile sa ğlanır [6]. ŞBA’ların, potansiyel kullanım alanlarından dolayı “Akıllı Malzemeler” olarak gelecekteki uygulamalarının oldukça önem kazanaca ğı kolaylıkla söylenebilir. Bu malzemelerin en önemli özelliklerinden biri enerji tasarrufu açısından di ğer makineler ile kıyaslandı ğında çok daha fazla önem kazanabilir, çünkü hareket vericiler olarak kullanımda birçok yerde elektrik enerjisi kullanmadan sadece ortam sıcaklı ğından istifade ederek mekanizmaları hareket ettirmek mümkündür. Akıllı malzemeleri kompozit yapılar şeklinde yaparak, örne ğin beton bir köprü içine hissedici veya hareket verici olarak kullanarak, bu köprülerin bünyesinde olu şacak çatlakların veya korozyonun erkenden tespit edilmesi mümkün olabilir [5]. 2. ŞEK İL BELLEKL İ ALA ŞIMLARIN ÜRET İM TEKN İKLER İ Şekil bellekli ala şımların üretim teknikleri ala şımın tipine göre ve üretim kolaylı ğı açısından farklılık göstermektedir. Ba şlıca üretim teknikleri a şa ğıdaki gibi sınıflanabilir [7]. • Döküm ve tel çekme • Toz metalurjisi • Hızlı so ğutma(melt spinning, rapid quenching) tekni ği 2.1. Döküm Ala şımın tipine göre döküm i şlemi ve döküm sonrası i şlemler farklılık göstermektedir. Şekil 2. de Ti-Ni ve Cu- Zn-Al ala şımları için döküm ve sonrasında uygulanan i şlem a şamaları gösterilmektedir. Bu iki malzeme arasındaki üretim farklılı ğı malzemelerin döküm ve imalat sırasındaki göstermi ş oldukları davranı şlardan kaynaklanır. Örne ğin, Ti ala şımlarının dökümü, oksijene kar şı büyük ilgisinden dolayı kesinlikle oksijen olmayan asal gaz atmosferinde veya vakumda gerçekle ştirilirken, Cu-Zn-Al ala şımlarının bir curufla ştırıcı kullanarak dökümü mümkündür. Fakat Cu ala şımında ise Zn’nun buharla şması veya Al’un yo ğunluk farkı nedeniyle yüzeyde birikmesi söz konusu olmaktadır, bu ala şımların ergitme i şlemi curufla ştırıcı ilavesi ve karı ştırmanın daha etkin olabilmesi için çekirdeksiz tip indüksiyon ocaklarında gerçekle ştirilir. Şekil 2. Ti-Ni ve Cu-Zn-Al ala şımlarının üretim prosesleri [7]. Di ğer i şlem kademelerinin gerekçeleri bilindi ği üzere, sıcak i şlem ile malzemeye büyük oranda şekil de ği şimi yaptırabilmek mümkündür. Sıcak i şlem ile büyüyen tanelerin küçültülebilmesi için en uygun yollardan biri so ğuk deformasyondur. Bu nedenle sıcak i şlemi (haddeleme, dövme gibi) takiben so ğuk i şlem uygulanır. Cu-Zn-Al ala şımları gerilmeli korozyona kar şı çok hassas oldu ğu için Ti-Ni ala şımlarından farklı olarak yüzeyin korunması için ince bir kalay tabakası ile kaplama i şlemi yapılır [7]. 2.2. Toz Metalurjisi Toz metalurjisi ile üretimde malzemelerin tozlarından faydalanılmaktadır. Bu yöntemde de malzemelerin özelliklerinden dolayı s ınırlamalar vardır, örne ğin Cu- Zn-Al ala şımlarının tozları su atomizasyonu ile üretilebilirken, Ti-Ni ala şımları sadece gaz atomizasyonu veya döner elektrod yöntemi ile üretilebilmektedir. Bundan sonraki i şlem kademeleri bilinen HIP (sıcak izostatik presleme), CIP (so ğuk izostatik presleme), sinterleme gibi di ğer toz metalurjisi üretim i şlem Ti-Ni Ala şımları Dövme ve Sıcak Haddeleme Ergitme ve Döküm So ğuk Çekme Şekil Verme Şekil Bellek İşlemi Cu-Zn-Al Al l Sıcak Ekstrüzyon So ğuk İşlem için Isıl İşlem So ğuk Çekme Şekil Verme Şekil Bellek İşlemi Kararlı Hale GetirmeSAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 31 kademelerinden olu şmaktadır. Bu üretim tekni ği ile istenilen son ölçülerde ŞBA parça üretimi mümkündür [7]. 2.3. Hızlı So ğutma Bu i şlem indüksiyon akımları veya rezistans teli yardımıyla ergitilmi ş metal veya ala şımın, itici bir gaz vasıtasıyla küçük bir deli ği (0,5-1,5 mm çapında) olan kuartz tüp içinden hızla dönen bakır yüzeyli bir tambur üzerine dü şürülerek metal şerit elde edilmesi esasına dayanır. So ğuma hızını daha da artırabilmek için dönen tambur karbon dioksit veya sıvı azot gibi, çe şitli ortamlar kullanarak so ğutulabilir. Böylece çok büyük so ğuma hızı elde edilebilir. Bu so ğuma hızı 10 4 - 10 10 K/s mertebelerindedir. Şekil.3’te [8] hızlı so ğutma düzene ği şematik olarak gösterilmektedir. Bu teknikle üretilen malzemelerin taneleri küçüktür ve yarı kararlı fazlar bünyede bulunmaktadır. ŞBA’ larda önemli olan bilindi ği üzere kararlı ostenit fazından, yarı kararlı martenzit fazına geçi ştir. Bu yöntemle malzemenin ostenit fazına çıkartılması doğrudan ergimi ş metal ile sa ğlanmakta, yarı kararlı martenzit fazına geçi ş ise herhangi ilave bir ısıl i şleme gerek kalmaksızın tek bir i şlem kademesiyle, hızlı so ğutma tekni ği ile sa ğlanabilmektedir. Bu teknikle üretimin di ğer bir avantajı, bilinen haddeleme teknikleri ile haddelenmesinde problem olan gevrek malzemelerin çok ince şeritler halinde üretiminin kolaylıkla yapılabilmesidir. Örne ğin Ti-Ni-Cu ala şımında bakır miktarı % 10 dan fazla olursa, sıcak haddeleme yapılamayacak kadar gevrektir. Bu üretim tekni ği ile üretilen şeritlerin ŞBA’ların bir özelli ği olan tersinirli ğe kar şı alı şılagelmi ş tekniklerle üretilmi ş malzemelere göre daha iyi cevap vermesi, Şekil 3. Hızlı So ğutma Cihazı , (a) Bakır Tekerlek, (b) Yüksek Frekans İndüksiyon Bobini veya Rezistans Teli, (c) Ergimi ş Metal, (d) Kuartz Cam Ergitme Kabı, (e) Ergimi ş Metal Birikintisi, (f) Katıla şmı ş Şerit [8] önemli bir özelliktir. Bunun da nedeni malzeme yapısı ve hızlı so ğutma sırasında olu şan yakla şık 10 12 dislokasyon/cm 2 gibi çok fazla dislokasyon yo ğunlu ğudur [9]. So ğuma hızının çok yüksek olmasından dolayı katının kimyasal bile şimi, sıvı fazdaki bile şim ile aynı kalır, ba şka bir deyi şle homojen mikroyapı s ıvı fazdan do ğrudan elde edilmi ş olur. Bakır esaslı ŞBA’lar 5 m/s çevresel hızda, hızlı so ğutma yapılabilmektedir. Bu üretim tekni ği ile bütün Ti, Fe ve Cu esaslı ŞBA’lar ba şarıyla üretilebilmektedir [9]. Hızlı so ğutma i şleminin di ğer bir faydası da termomekanik i şlem, mekanik ala şımlama, toz metalurjisi gibi ilave bir i şleme gerek kalmaksızın tane inceltme i şleminin yapılabilmesidir. Bu yöntemin bir di ğer avantajı da ŞBA’ların en büyük problemi olan yorulma ve bunun sonucu kırılma problemine kar şılık olarak mikroyapının iyile ştirilmesinin sa ğlanmasıdır. Çünkü tanelerin bu yöntemle küçültülmesi ile kırılma ve yorulma ömrü belirgin bir ölçüde iyile şmektedir [10, 11]. 3. ŞEK İL BELLEKL İ ALA ŞIMLARIN KARAKTER İZASYONU ŞBA’ların dönü şümlerinin karakterizasyonunda ba şlıca dört temel metod kullanılmaktadır [2]. Burada en fazla kullanılan bu dört metod hakkında bilgi verilecektir. En temel ve do ğrudan karakterizasyon tekni ği diferansiyel taramalı kalorimetre veya en genel bilinen ismi ile DSC’dir. Bu teknik, çok küçük miktarda numune kullanılarak dönü şümün gerçekle şmesi beklenen sıcaklık aralı ğında ısıtma ve so ğutma sırasında, , numunenin absorbe etti ği veya verdi ği ısının ölçülmesi esasına dayanır. Numune miktarının birkaç miligram olması ölçüm için yeterlidir. Numuneler herhangi bir gerilme altında olmadı ğı için ölçüm sonuçları olumsuz etkilenmez. Numune ısı alırken ve verirken olu şan endotermik ve ekzotermik pikler, çok belirgin bir şekilde reaksiyon ba şlangıç ve biti şini gösterir [2]. Şekil 4’te DSC yardımı ile elde edilmi ş karakteristik bir DSC taraması görülmektedir. Alttaki tarama çizgisi so ğutma sırasındaki, üstteki tarama çizgisi ise ısıtma sırasında olu şan pikleri göstermektedir. Dönü şüm sıcaklıklarının belirlenmesi taban çizgisi ile en büyük gradyandan uzatılan do ğrunun kesi şti ği noktalar birle ştirilerek yapılır. M s , M f , A s ve A f sıcaklıkları sırasıyla so ğutma ve ısıtma sırasında olu şan martenzit dönü şüm ba şlangıç ve biti ş s ıcaklıklarını, M s ’ ve M f ’ ise Ti-Ni ala şımlarında görülen R fazı dönü şümünü göstermektedir [7]. SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 32 İkinci metot ise, ısıtma ve so ğutma sırasında malzemenin elektrik direncinin ölçülmesidir. Dönü şüm esnasında numunenin elektrik direncinde ilginç de ği şimler ve pikler görülür. Bu ölçüm de ğerleri, faz de ği şimleri ve mekanik özellikler ile ba ğda ştırılmaya çalı şıldı ğında her zaman çok ba şarılıdır demek güçtür. E ğer, malzeme dönü şüm sıcaklıkları arasında tekrarlı şekilde ısıtılıp so ğutulursa elektrik direnç e ğrilerinde büyük de ği şimler sıklıkla görülmektedir. Şekil 4. ŞBA’larda görülen karakteristik DSC taraması [7] Ala şımların mekanik özellik karakterizasyonunda en do ğrudan ölçüm metodu, numuneyi sabit bir yük altında iken ısıtmak ve so ğutmak suretiyle her iki yönde olu şan gerilmelerin kaydedilmesi şeklinde yapılır. Bu deneyle elde edilen M s ve A f gibi noktalara bakıldı ğında, bu de ğerlerin DSC taraması ile elde edilen de ğerlerden biraz daha yüksek oldu ğu görülür. Bunun nedeni, DSC taraması, gerilme uygulanmamı ş numunelerle yapılır, böylece gerilme altında martenzit olu şmamı ş olur. Bilindi ği üzere gerilme uygulanması ile dönü şüm sıcaklı ğı artmaktadır. Bu deney, şekil belle ği kullanarak mekanik çalı şan cihaz yapımında tasarım a şamasında faydalı olabilecek kriterlerin belirlenmesini sa ğlar. Bu deneyin dezavantajı ise numunelerin yapımının zor olması ve sonuçların deney şartlarına oldukça duyarlı olmasıdır [2]. En son genel kullanılan karakterizasyon yöntemi ise, malzemeye çekme deneyi uygulamak suretiyle gerilme- uzama özelliklerinin belirlenmesidir. Saburi [9] tarafından Ti-Ni ala şımlarında yapılan çalı şmaya göre, e ş atomlu Ti-Ni ala şımlarının çekme deneyi süreksiz akma ve büyük Lüders uzamaları ile karakterize edilmektedir. Şekil.5 Ti-at.% 50 Ni içeren ala şımın gerilme-uzama e ğrisini göstermektedir. İncelenen numune, 303 K’de so ğuk deformasyon i şlemini takiben 673 K sıcaklıkta 3,6 ks süreyle tavlanmı ştır. Bu sıcaklık R f (316 K) sıcaklı ğının altında M s (246 K) sıcaklı ğının da üzerinde bir sıcaklıktır, bu nedenle yapı deneyler sırasında tamamen R fazındadır. Malzemeye gerilme uygulandı ğında ilk akma, R fazı varyantlarının düzenlenmesi için gerekli deformasyonun ba şlangıcı olan Y R noktasında görülür. Y R noktasına kadar martenzitin tamamı ikizlerden olu şmaktadır. Şekil. 5. Ti-at %50 Ni ala şımlı telin gerilme-uzama diyagramı [9]. Varyantların düzenlenmesinin sa ğlandı ğı bu ilk adımda % 0,8 lik bir uzama görülür. Bu akma noktasından itibaren ikizlenme bozulmaya ba şlar, son yıllarda yapılan çalı şmalara göre ikizlenmenin bozulması iki farklı isimle tanımlanmaktadır [12]. Bunlar, domino ve tetiklenmi ş ikizlenme bozulmasıdır. Domino tipinde, ikizlenmedeki bozulma sabit yük altında kendi kendine olu şur. Tetiklenmi ş ikizlenme bozulmasında ise dı şarıdan yük uygulanması ile ikizlenmede bozulma meydana gelir. İkinci akma ise, Y M noktasında görülür, bu noktada gerilmeye ba ğlı olarak R fazından B19’ martenziti olu şmaya ba şlar. Bu a şamada malzemedeki uzama miktarı % 5 i bulmaktadır. Bundan sonra yük artırıldı ğında gerilme hızla artar ve kayma deformasyonu olu şur. Kayma ile ikizlenmedeki bozulma miktarı artmaya ba şlar, bozulma tamamen gerçekle ştikten sonraki adımda ise dislokasyonlar olu şur. Son adımda, malzeme yakla şık % 15 lik uzamaya eri şti ğinde kopma meydana gelir. E ğer, deney sıcaklı ğı M f s ıcaklı ğının altında ise ilk adımdaki akma görülmez, çünkü sistemde R fazı yoktur. Bu durumda B19’ martenzitleri varyantlarının düzenlenmesine ba ğlı olarak büyük bir adım görülür. E ğer, deney sıcaklı ğı R s’nin üzerinde ise kayma ba şlamadan önce gerilmeye ba ğlı olarak B19’ martenzitleri görülür. SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 33 4. DENEYSEL ÇALI ŞMALAR VE SONUÇLAR 4.1. Döküm ve Hızlı So ğutma İşlemi Bu çalı şmaya esas olan Bakır-Aluminyum ala şımları şekil bellekli ala şımlarda istenen tek fazlı yapı olan ß yapısını verecek olan a ğırlıkça %10 dan % 14 e kadar olan bölgeden seçilmi ştir. Döküm işlemi Leybold IS 1/III – DS marka vakum indüksiyon oca ğında argon gazı basıncı altında gerçekle ştirilmi ştir. Döküm i şlemini takiben istenen bile şimde elde edilen ala şımlar hızlı so ğutma ile katıla ştırılarak ince şeritler elde edilmi ştir. Hızlı so ğutma i şlemi ile elde edilen şeritlerin şekil bellek etkisi gösterip göstermediklerini anlamanın en basit yolu Cu-Al ala şımları için hızlı so ğutma i şlemini takiben şeritlerin deforme edilip hemen arkadan ısıtılmasıdır. Bu yöntemle yapılan ilk kontrollerde en iyi şekil bellek özelli ği gösteren ala şımın a ğırlıkça % 12,2 Al, daha sonra % 12,5 Al içeren ala şımlar oldu ğu tesbit edilmi ştir. Di ğer ala şımlarda hızlı so ğutma i şlemi sonucunda şeritler deforme edilebilmelerine kar şın iyi bir şekil belle ği gözlenememi ştir. % 14 Al içeren ala şım kırılgan karakterde oldu ğundan, fazla deformasyon yapılamamı ş, bu nedenle ŞBE gösterip göstermedi ği gözlenememi ştir. Bu çalı şmada en iyi ŞBE özelli ği gösteren Cu-% 12,2 Al içeren şeridin Şekil.6 da ısıtma ile şekil de ği ştirmesi görülmektedir. Şekil.6 da önceden düz olarak şekil verilerek ısıl i şlemi yapılmı ş (training i şlemi) ala şımın so ğuk şekillendirme ile bükülmesi ve daha sonra ısıtmak suretiyle bükülmü ş olan şeridin düzelmesi foto ğraflarla gösterilmektedir. Hızlı so ğutma i şleminden sonra elde edilen şeritlerin mikroyapıları taramalı elektron mikroskobunda alınmı ştır. Burada en iyi şekil bellek özelli ği gösteren a ğ.% 12,2 Al içeren ala şımın ikincil elektron görüntüsü Şekil 7 de verilmektedir. Mikroyapıların incelenmesinde % 12,2 ve 12,5 Al içeren ala şımların tek fazlı yapıda oldu ğu % 11,8 ve 14 Al içeren ala şımların ise iki fazlı yapıda oldu ğu görülmü ştür. A ğırlıkça % 12,2 ve 12,5 Al içeren ala şımlar daha önce bahsedildi ği üzere hızlı soğutmadan hemen sonra en iyi ŞBE gösteren ala şımlardır. Cu-Al faz diyagramı incelendi ğinde bu bile şimdeki ala şımların katıla şma sırasında, katıla şma aralı ğının çok dar oldu ğu noktalardan katıla ştıkları görülmektedir. Faz diyagramında di ğer ala şımların bile şim çizgilerine bakıldı ğında ise katıla şma aralı ğı nispeten daha geni ş olan noktalardan geçtikleri görülmektedir. Bu durumda hızlı katıla ştırma sonucunda iki fazlı yapıya benzer yapılar elde edilmi ştir. 4.2. Çekme Deneyleri Çekme deneylerine ait Gerilme-% Uzama diyagramları, hızlı so ğutulmu ş ve 660 o C de ısıl i şlem yapılmı ş numunelerden olu şan ikili gruplar halinde % 11,8 Al, %12,2 Al, %12,5 Al içeren ala şımlar yapılmı ş, bunlardan en iyi özelli ği gösteren a ğ. % 12,2 Al içeren ala şımın hızlı so ğutulmu ş ve ısıl i şlem yapılmı ş şeritlerinin çekme deney sonuçları grafik olarak Şekil 8 ve Şekil 9.da verilmi ştir. Şekil 7. Cu-a ğ.% 12,2 Al Ala şımının 660 o C da ısıl i şlem yapıldıktan sonra elde edilmi ş SEM İkincil Elektron Görüntüsü [8] SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 34 Şekil 6. Bu çalı şmada üretilmi ş olan ŞBA’ın, düz şekil verilerek ısıl i şlem yapılmı ş ve daha sonra so ğuk şekillendirme ile bükülmü ş şeridin ısıtma etkisiyle ilk haline dönü şü görülmektedir. [8] Şekil 8. Cu-%12,2 Al içeren hızlı so ğutulmu ş şeridin çekme deneyi e ğrisi [8] Şekil 9. Cu-%12,2 Al içeren 660 o C de ısıl i şlem yapılmı ş şeridin çekme deneyi e ğrisi [8] Elde edilen sonuçlardan çıkarak, ala şımların aluminyum içeriklerine ba ğlı olarak mukavemet de ği şim e ğrisi çizildi ğinde % 12,2 Al içeren Cu-Al ala şımının mukavemetinin di ğer ala şımlara göre daha yüksek oldu ğu, bu özelli ğin ısıl i şlem yapıldıktan sonra artarak devam etti ği gözlenmektedir. Bu ili şki Şekil 10.da görülmektedir En yüksek mukavemete ve uzama de ğerlerine sahip % 12,2 Al içeren şeridin uzama miktarı, 0 100 200 300 400 500 11,8 12,2 12,5 Aluminyum Miktarı (%) Çekme Mukavemeti (MPa) Hızlı So ğutma 660 C Şekil 10. H ızlı so ğutulmu ş ve 660 o C da ısıl i şlem yapılmı ş şeritlerin aluminyum miktarına ba ğlı olarak çekme mukavemeti de ği şimi [8]. hızlı so ğutulmu ş şeridin uzama miktarına göre % 45 ‘lik artı ş gösterirken, mukavemetteki artı ş oranı ise % 60‘ı geçmi ştir. Buradan görülece ği üzere özelliklerdeki iyile şme % 12,2 Al içeren ala şımda çok iyidir. Di ğer ala şımlarda mukavemet de ğerlerinde artı ş çok düşük olmasına ra ğmen uzama de ğerlerinde % 30‘a varan iyile şmeler görülmü ştür. 5. TARTI ŞMA Bu çalı şmanın temel amacı, üzerinde birçok ara ştırma yapılmı ş, çok bile şenli Cu-Al-Ni esaslı ŞBA’ların temelini olu şturan ve üzerinde yayınlanmı ş detaylı çalı şma bulamadı ğımız CuAl ikili ala şımlarından iki bile şenli bir ŞBA üretebilmekti. Üretim yöntemi olarak da daha yeni bir teknik olan hızlı so ğutma tekni ğini kullanarak ba şka ilave bir i şleme gerek kalmaksızın sıvı fazdan do ğrudan martenzitik dönü şüm gösteren Cu 3 Al fazını elde edebilmekti. Bu çalı şma sonucunda bu amaçlar gerçekle ştirilmi ştir. ŞBA’larda ala şımın ne kadar iyi ŞB özelli ği gösterdi ğinin ölçütleri; o ala şımın elastik deformasyon [13] olarak isimlendirilen, martenzit fazında ne oranda deforme edilebildi ği, bu deformasyondan sonra ilk haline geri dönü ş oranı ve ayrıca bu çevrimlerin tekrar sayısıdır [6, 14, 15, 16]. Bu çalı şma ile elde edilen şeritlerin martenzit fazında iken deformasyonundan sonra ilk haline geri dönü ş miktarı Şekil 6. da görüldü ğü gibi rahatlıkla % 100 SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 35 denebilir. Çünkü martenzit fazında iki kere sarılmı ş olan şerit ısıtma etkisi ile ostenit fazına çıkarıldıktan sonra tamamen düz hale gelebilmektedir. Ghosh ve arkada şları [15] tarafından yapılan çalı şmada numuneler en fazla L şeklinde 90 o bükülmü ş halde deneye tabi tutulmu ş, bunların sonucunda bazı CuAlNi ala şımlarında bile şime ba ğlı olarak şeklin geri dönü şü gerçekle şmez iken, bazı ala şımlarda kısmen, bazılarında tamamen şeklin geri dönü şü gerçekle şmi ştir. Yapılan incelemelerde hızlı so ğutulmu ş halde ve ısıl i şlem yapıldıktan sonra a ğ. % 12,2 Al içeren ala şımın en iyi ŞB özelli ği gösterdi ği daha sonra ise % 12,5 Al içeren ala şımın ŞB özelli ği gösterdi ği görülmü ştür .% 11,8 Al ve % 14 Al içeren hızlı so ğutulmu ş ve 660 o C de ısıl i şlem görmü ş şeritlerde zayıf şekil belle ği gözlenmi ştir. Bunun nedeni % 11,8 Al ala şımının Al içeri ğinin dü şük olması, % 14 Al içeren ala şımın ise ŞB özelli ğine sahip Cu 3 Al fazının yanı sıra kırılgan Cu 9 Al 4 fazını içermesidir. Mekanik testlerden çıkartılan sonuçlara göre, üretilen şeritlerin hepsi Suzuki Y. ve Liu Y. ‘un [7, 12] çalı şmalarındaki karakteristik çekme deneyi e ğrileri olarak tanımlanan çekme deneyi e ğrileri ile kar şıla ştırıldı ğında, benzer karakteristik özellikleri sergilemi ştir. Bu karakteristik özelliklere bakıldı ğında süreksiz akma ve büyük Lüders uzamaları oldu ğu görülmektedir. Şekil 5.te Ti-Ni ŞBA’na ait tipik bir gerilme-% uzama diyagramı verilmektedir, bu diyagrama göre ilk akma Y R noktasında ba şlar, bu akma noktasına kadar martenzit içindeki ikiz varyantları düzenlenir, bu arada uzama artarken gerilme de artmaktadır. Bu akma noktasından sonra ikizlenme bozulmaya ba şlar. İkinci akma noktası Y M de görülür, burada malzemedeki ikizlenmenin bozulma miktarı hızla artar ve artık kayma deformasyonu olu şmaya ba şlar. Kayma etkisi ile ikizlenmenin tamamen bozulmasından sonra dislokasyonlar olu şur ve nihai uzamaya ula şıldı ğında kopma meydana gelir. Şekil 8 ve Şekil 9.da bu çalı şma çerçevesinde üretilen a ğ. % 12,2 Al içeren ala şımın hızlı so ğutulmu ş ve 660 o C da ısıl i şlem yapılmı ş şeritlerinin çekme deneyi sonucu elde edilen Gerilme-% uzama diyagramlarını görmekteyiz. Bu diyagramlarda Y R noktasına kar şılık gelen akma bölgesinde DO 3 yapısındaki ß 1 , 18R 1 yapısındaki ß 1 ’ ne dönü şmekte, Y M akma noktasına kar şılık gelen bölgede ise ß 1 ’- 6R yapısındaki ? 1 ’ e dönü şmekte [6, 16], bu arada olu şan akma bariz olarak görülmektedir. Bu akmalar, Şekil.8 ve 9 da verilen şekillerde uzamanın oldu ğu, fakat gerilmenin de ği şmedi ği iki plato şeklinde görülmektedir. %12,2 Al içeren Cu-Al ala şımı mekanik özellikler bakımından di ğer ala şımlara nazaran daha iyi bulunmu ştur, ısıl i şlem yapıldıktan sonra ise özelliklerde örne ğin uzama miktarında hızlı so ğutulmu ş şeritlere oranla % 45 lik artı ş elde edilirken, mukavemette % 60 lık bir artı ş gözlenmi ştir. Di ğer ala şımlarda ise mukavemet de ğerleri hızlı so ğutulmu ş şeritlere nazaran farklılık göstermezken, uzama miktarlarında iyile şmeler görülmü ştür. Bu çalı şma ile elde edilen % 12,2 Al içeren ala şımın hızlı so ğutulmu ş halde 260 MPa civarında olan çekme mukavemetinin ısıl i şlem yapıldıktan sonra 427 MPa seviyelerine yükseldi ği gözlenmi ştir. CuZnAl ala şımlarında 400–700 MPa, CuAlNi ala şımlarında 500– 800 MPa civarında [17] olan çekme mukavemet de ğerleri ile kar şıla ştırıldı ğında ikili ala şım için bu de ğer hiç de azımsanmayacak bir mertebede sayılabilir. CuZnAl ala şımlarında % 10–15, CuAlNi ala şımlarında % 4–12 gibi bir aralık içinde olan uzama de ğerleri açısından bakıldı ğında ise bu çalı şmada elde edilen % 12,2 Al içeren ala şımdaki % 5-7,5 arasındaki uzama miktarı için iyi bir de ğer denebilir. Yukarıda sözü edilen bu çalı şma sadece ikili Cu-Al ala şımı üzerinde yapılmı ş, dönü şüm sıcaklıklarının istenildi ği gibi kontrol edilebilmesi, kararlılık problemlerinin en aza indirilmesi, dönü şüm sıcaklı ğının belli bir aralıkta tutulabilmesi için Ti, Zr, Hf ve Be gibi elementlerin ilavesi ile konu üzerinde çalı şmalar devam etmektedir. Ayrıca çevrim sayısının tespiti için mekanik deneyler de ileride yapılacak çalı şmalar kapsamındadır. KAYNAKLAR [1]. Aydogdu A., Aydogdu Y., Adiguzel O., “Long- term ageing behaviour of martensite in shape memory Cu–Al–Ni alloys”, Journal of Materials Processing Technology 153–154 (2004) 164–169 [2]. Hodgson D.E., Wu M.H. ve Biermann R.J., Metals Handbook, Vol.2, 10th Edition, Nov.1990 [3]. Srinivasan A.V., McFarland D.M., Smart Structures “Analysis and Design”, Cambridge University Press, 2001, Ch 3, pp 26-34 [4]. R. Gastien a,, C.E. Corbellani a, M. Sade b, F.C. Lovey, “Thermal and pseudoelastic cycling in Cu– 14.1Al–4.2Ni (wt%) single crystals”, Acta Materialia 53 (2005) 1685–1691 [5]. Barnes Clive, Copper Development Association, New York, A.B.D., CDA yayınları websitesi, www.copper.org/technology/1997/07/shape.html [6]. Otsuka K. ve Wayman C.M. “Mechanism of Shape Memory Effect and Superelasticity” Shape Memory Materials, Cambridge University Pres, 1999, Ch.2, pp 27-48 [7]. Suzuki Y. “Fabrication of Shape Memory Alloys”, Shape Memory Materials, Cambridge University Pres, 1999, Ch.6, pp 133-148 SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10.Cilt, 1.Sayı 2006 Bakır Esaslı Şekil Bellekli Ala şımların Üretimi ve Çekme Deneyi ile Karakterizasyonu, B. Baksan 36 [8]. Baksan B., “Bakır Aluminyum Ala şımlarından Hızlı So ğutma Yöntemi ile Şekil Bellekli Malzeme Üretimi”, Osmangazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Mart 2004 [9]. Saburi T. “Ti-Ni Shape Memory Alloys” Shape Memory Materials, Cambridge University Pres, 1999, Ch.3, pp 49-96 [10]. Tadaki T. “Cu-based Shape Memory Alloys” Shape Memory Materials, Cambridge University Pres, 1999, Ch.4, pp 97-116 [11]. Larochette P. Arneodo, Ahlers M., “Grain-size dependence of the two-way shape memory effect obtained by stabilisation in Cu–Zn–Al crystals”, Materials Science and Engineering A361 (2003) 249–257 [12]. Liu Yong, “Detwinning process and its anisotropy in shape memory alloys”, Smart Materials, Proceedings of SPIE, Vol. 4234, pp 82-93, 2001 [13]. Otsuka K. ve Shimizu K., “Memory Effect and Thermoelastic Martensite Transformation in Cu- Al-Ni Alloy”, Scripta Metallurgica, Vol.4, pp.469- 472, 1970 [14]. Sugimoto K., “Recent Development in Copper- Based Shape Memory Alloys”, Proc. 1st. Japan International SAMPE Symposium, Nov.28-Dec-1, 1989, pp.219-224. [15]. Ghosh B., Banerjee M.K., Seal A.K., “Shape Memory in Some Copper Alloys”, Materials Science and Technology, May 1986, Vol.2, pp 496-499 [16]. Perkins J., “Shape Memory Behavior and Thermoelastic Martensitic Transformations”, Materials Science and Engineering, 51 (1981), pp 181-192 [17]. Humbeeck J.Van, Stalmans R. “Characteristics of Shape Memory Alloys”, Shape Memory Materials, Cambridge University Pres, 1999, Ch.7, pp 149- 183