A comparative study on the severe plastic deformation of metals by constrained groove pressing

Abstract

The main purpose of the present thesis is to reveal the microstructural refinement and mechanical behavior improvement of metallic materials, some of which are difficult to work, through severe plastic deformation. Constrained Groove Pressing is implemented in this study as a Severe Plastic Deformation method. Five different routes of Constrained Groove Pressing are planned to analyze the route effect on the materials. In this research, three different materials, namely AISI 304 stainless steel, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al and commercially pure zinc, are studied at room temperature. After microstructure and mechanical behavior of the samples are examined through optical microscopy, tension and erichsen tests and microhardness measurements, the underlying mechanisms are analyzed. CGP process of AISI 304 and Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al results in a slight grain refinement while a comparatively high refinement has been observed for commercially pure zinc. Also, CGP routes have been significantly effective for only pure zinc samples in dictating grain sizes. After deformation, mechanical twinning activation has taken place for stainless steel and pure zinc samples. Twins recorded in AISI 304 with FCC lattice structure are thinner and sharper than that of commercially pure zinc with HCP lattice structure. Strain path is not considerably effective for AISI 304 samples. For pure zinc samples, twins are thinner for the routes A, C and D, compared to the other routes after the final pass. They are also rather thick and few in number after the first pass. Moreover, intensity of twins is relatively low for route E. It has been observed that CGP causes comparatively high strength increase in AISI 304 which has an FCC crystal structure, but lower increase in both Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al and commercially pure zinc having BCC and HCP crystal structures, respectively. For AISI 304, the best strength improvement is nearly 41% occuring in TD for route C. For Ti alloy, the highest strength increase is about 16%, occurring in LD for routes D and E. For pure zinc, the best strength improvement is nearly 28% in TD belonging to route D. This study mainly aims to demonstrate the effect of several novel CGP routes on the metals having different crystal structures by analyzing the relationship between resulting microstructures and mechanical properties.Bu tez çalışmasının temel amacı, aşırı plastik deformasyon yoluyla, bazılarının işlenmesi zor olan metalik malzemelerin mikro yapısal inceltimi ve mekanik davranış gelişimini ortaya koymaktır. Sınırlı Kanallı Presleme (SKP), bu çalışmada bir Aşırı Plastik Deformasyon (APD) yöntemi olarak uygulanmaktadır. Malzemeler üzerindeki rota etkisinin analiz edilmesi için beş farklı Sınırlı Kanallı Presleme rotası planlanmıştır. Bu araştırmada, AISI 304 paslanmaz çelik, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al ve saf çinko olmak üzere üç farklı malzeme oda sıcaklığında çalışılmıştır. Numunelerin mikro yapı ve mekanik davranışları optik mikroskopi, gerilim ve eriksen testleri ve mikro sertlik ölçümleri ile incelendikten sonra altta yatan mekanizmalar incelenmiştir. AISI 304 ve Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al'nin SKP prosesi, zayıf bir inceltme ile sonuçlanırken, saf çinko için nispeten yüksek bir inceltme gözlemlenmiştir. Ayrıca, SKP rotaları, tane boyutlarının belirlenmesinde sadece saf çinko numuneleri için önemli ölçüde etkili olmuştur. Deformasyondan sonra, paslanmaz çelik ve saf çinko numuneleri için mekanik ikizlenme aktivasyonu gerçekleşmiştir. YMK kafes yapısına sahip olan AISI 304'te kaydedilen ikizler, HCP kafes yapısına sahip saf çinkodan daha ince ve daha keskindir. Gerinim rotası, AISI 304 numuneleri için fazla etkili değildir. Saf çinko numuneleri için, son pasodan sonra ikizler A, C ve D rotaları için diğer rotalara kıyasla daha incedir. İlk pasodan sonra da oldukça kalın ve az sayıdadır. Ayrıca, ikizlerin yoğunluğu, rota E için nispeten düşüktür. SKP'nin, YMK kristal yapısına sahip olan AISI 304'te nispeten yüksek mukavemet artışına neden olmasına karşın hem HMK kristal yapısına sahip olan Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al'de hem de ASD kristal yapısına sahip olan saf çinkoda daha düşük bir artışa neden olduğu gözlenmiştir. AISI 304 için, TD'de en iyi mukavemet iyileştirmesi % 41'dir. Ti alaşımı için, en yüksek mukavemet artışı, D ve E rotaları için LD'de meydana gelmiştir ve yaklaşık %16'dır. Saf çinko için, en iyi mukavemet iyileştirmesi D rotasına ait TD'de yaklaşık %28'dir. Bu çalışmanın amacı, birçok yeni SKP rotasının, ortaya çıkan mikroyapılar ve mekanik özellikler arasındaki ilişkiyi analiz ederek farklı kristal yapılarına sahip metaller üzerindeki etkisini ortaya koymaktır.