Yıl 2019, Cilt 11 , Sayı 2, Sayfalar 451 - 463 2019-06-30

Effects of Solidification Rate on Microstructure and Mechanical Properties with Sb at Different Ratio of AZ91 Quality Mg Alloy
AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi

Levent Elen [1] , Yunus Türen [2] , Erkan Koç [3]


The increasing use of Mg alloys in today's applications has necessitated further improvement in mechanical properties in order to adapt to technological developments. The physical and mechanical properties of Mg and its alloys, which are now being used in the field of health as soluble biomaterials, determine the useful life of the material. Therefore, in this study, it was aimed to improve the mechanical properties of AZ91 series Mg alloy at different ratios (0.2% - 0.5% and 1.0%) by the addition of Sb element and the effect of solidification rate. When the results of the study are examined, it has been found that the AZ91 alloy generally consists of α-Mg grain structure and β-Mg17Al12 phase extending along grain boundaries. It has been found that the intermetallic phase of Mg17Al12 in the grain boundaries has been thinned and disintegrated because of rapid cooling causing the grain structure to shrink. As a result of these detected effects, it was observed that the tensile strength of the alloy, the yield strength and the unit (percent) elongation ratios were increased. However, Mg3Sb2 phase was formed with Sb added to AZ91 alloy. The mechanical properties of the alloy increased with the changes in the structure of this intermetallic phase. The tensile strength of the AZ91 alloy improved with the addition of Sb from 163 MPa to 217 MPa and with the increasing amount of Sb, the hardness values of the AZ91 alloy increased from about 57 HV to 81 HV.

Mevcut kullanım alanları gün geçtikçe artış gösteren Mg alaşımlarının, teknolojik gelişmelere uyum sağlayabilmesi için mekanik özellikler bakımından daha fazla geliştirilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır. Günümüzde çözünebilir biyo-malzeme olarak sağlık alanında da kullanılmaya başlayan Mg ve alaşımlarına kazandırılan fiziksel ve mekanik özellikler malzemenin kullanım ömrünü tayin etmektedir. Dolayısıyla bu çalışmada, AZ91 serisi Mg alaşımına farklı oranlarda (%0.2 - %0.5 ve %1.0) Sb elementi ilavesi ve katılaşma hızının da etkisiyle mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışmanın neticesinde sonuçlar incelendiğinde; AZ91 alaşımının genel olarak tane yapısının α-Mg ve tane sınırları boyunca yayılan β-Mg17Al12 fazından oluştuğu saptanmıştır. Hızlı soğumanın tane yapısında küçülmelere sebep olduğu bununla birlikte tane sınırlarında bulunan Mg17Al12 intermetalik fazının incelip parçalandığı tespit edilmiştir. Tespit edilen bu etkilerin neticesinde de alaşımın çekme, akma ve uzama değerlerinde artışın olduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte AZ91 alaşımına ilave edilen Sb ile yapıda Mg3Sb2 fazı oluşmuştur. Bu intermetalik fazın yapıda meydana getirdiği değişiklikler ile alaşımın mekanik özelliklerinde artış izlenmiştir. AZ91 alaşımının çekme dayanımı Sb ilavesi ile 163 MPa seviyelerinden 217 MPa seviyelerine kadar iyileşmiştir. Sb ilavesiyle AZ91 alaşımında sertlik değerleri yaklaşık 57 HV değerlerinden 81 HV değerlerine yükselmiştir.

  • Agarwal, S., Curtin, J., Duffy, B., & Jaiswal, S. (2016). Biodegradable magnesium alloys for orthopaedic applications: A review on corrosion, biocompatibility and surface modifications. Materials Science and Engineering: C, 68, 948-963. doi:10.1016/j.msec.2016.06.020
  • Ali, Y., Qiu, D., Jiang, B., Pan, F., & Zhang, M.-X. (2015). Current research progress in grain refinement of cast magnesium alloys: a review article. Journal of Alloys and Compounds, 619, 639-651. doi:10.1016/j.jallcom.2014.09.061
  • Balasubramani, N., Srinivasan, A., Pillai, U., & Pai, B. (2007). Effect of Pb and Sb additions on the precipitation kinetics of AZ91 magnesium alloy. Materials Science and Engineering: A, 457(1-2), 275-281. doi:10.1016/j.msea.2006.12.132
  • Bamberger, M. (2013). Structural refinement of cast magnesium alloys. Materials Science and Technology, 17(1), 15-24. doi:10.1179/026708301101509061
  • Barber, L. P. (2004). Characterization of the solidification behavior and resultant microstructures of magnesium-aluminum alloys. (MS), Worcester Polytechnic Institute, (etd-12234-112022)
  • Boby, A., Srinivasan, A., Pillai, U. T. S., & Pai, B. C. (2015). Effect of Sb, Sn and Pb additions on the microstructure and mechanical properties of AZ91 alloy. Paper presented at the Materials Science Forum.
  • Carbonneau, Y., Couture, A., Van Neste, A., & Tremblay, R. (1998). On the observation of a new ternary MgSiCa phase in Mg-Si alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 29(6), 1759-1763.
  • Čížek, L., Greger, M., Dobrzański, L., Juřička, I., Kocich, R., Pawlica, L., & Tański, T. (2006). Mechanical properties of magnesium alloy AZ91 at elevated temperatures. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 18(1-2), 203-206.
  • Çiçek, B., Ahlatçı, H., & Sun, Y. (2013). Wear behaviours of Pb added Mg–Al–Si composites reinforced with in situ Mg2Si particles. Materials & Design, 50, 929-935. doi:10.1016/j.matdes.2013.03.097
  • Çiçek, B., & Sun, Y. (2012). A study on the mechanical and corrosion properties of lead added magnesium alloys. Materials & Design, 37, 369-372. doi:10.1016/j.matdes.2012.01.029
  • Ding, Y., & Ju, D. (2018). Finite Element Analysis of Residual Stress in the Diffusion Zone of Mg/Al Alloys. Advances in Materials Science and Engineering, 2018.
  • Falcon, L., Bedolla, B., Lemus, J., Leon, C., Rosales, I., & Gonzalez-Rodriguez, J. (2011). Corrosion behavior of Mg-Al/TiC composites in NaCl solution. International Journal of Corrosion. doi:10.1155/2011/896845
  • Gaines, L., Cuenca, R., Wu, S., & Stodolsky, F. (1996). Potential automotive uses of wrought magnesium alloys. Paper presented at the Conference: 2. Argonne National Laboratory technical women`s symposium, Argonne, IL (United States), 29-30 Apr 1996; Other Information: PBD: [1996].
  • Gray, J., & Luan, B. (2002). Protective coatings on magnesium and its alloys—a critical review. Journal of Alloys and Compounds, 336(1-2), 88-113.
  • Guangyin, Y., Yangshan, S., & Wenjiang, D. (2000). Effects of Sb addition on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy. Scripta Materialia, 43(11), 1009-1013.
  • Guangyin, Y., Yangshan, S., & Wenjiang, D. (2001). Effects of bismuth and antimony additions on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy. Materials Science and Engineering: A, 308(1-2), 38-44.
  • Hu, L., Chen, D., Shi, F., Chen, S., & Meng, Q. (2016). Effect of die-casting cooling rate on the chemical conversion treatments of AZ91D magnesium alloy. International Journal of Cast Metals Research, 29(6), 355-361.
  • Jiang, J., Wang, Y., Qu, J., Du, Z., Sun, Y., & Luo, S. (2010). Microstructure evolution of AM60 magnesium alloy semisolid slurry prepared by new SIMA. Journal of Alloys and Compounds, 497(1-2), 62-67.
  • Kazdal, H. (1999). Magnezyum Alaşımları: Otomotiv Endüstrisinde Uygulaması ve Geleceği. Tubitak, Marmara Araştırma Merkezi, Kocaeli, 3-39.
  • Laukli, H., Lohne, O., Sannes, S., Gjestland, H., & Arnberg, L. (2003). Grain size distribution in a complex AM60 magnesium alloy die casting. International Journal of Cast Metals Research, 16(6), 515-521.
  • Lee, S., Lee, S. H., & Kim, D. H. (1998). Effect of Y, Sr, and Nd additions on the microstructure and microfracture mechanism of squeeze-cast AZ91-X magnesium alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 29(4), 1221-1235.
  • Lee, Y., Dahle, A., & StJohn, D. (2000). The role of solute in grain refinement of magnesium. Metallurgical and Materials Transactions A, 31A(11), 2895-2906. doi:10.1007/BF02830349
  • Mordike, B., & Ebert, T. (2001). Magnesium: properties—applications—potential. Materials Science and Engineering: A, 302(1), 37-45. doi:10.1016/S0921-5093(00)01351-4
  • MÖ, P. (1992). Magnesium alloying, some potentials for alloy development. Journal of Japan Institute of Light Metals, 42(12), 679-686.
  • Nave, M., Dahle, A., & StJohn, D. (2000). The effect of solidification rate on the structure of magnesium-aluminium eutectic grains. International Journal of Cast Metals Research, 13(1), 1-7.
  • Park, W., Park, H., Kim, D., & Kim, N. J. (1994). Structure and decomposition behaviour of rapidly solidified Mg Nd X (X, Al, Si) Alloys. Materials Science and Engineering: A, 179, 637-640.
  • Pekguleryuz, M. O., & Kaya, A. A. (2003). Creep resistant magnesium alloys for powertrain applications. Advanced engineering materials, 5(12), 866-878. doi:10.1002/adem.200300403
  • Polmear, I. (1989). Light alloys- Metallurgy of the light metals.
  • Polmear, I. (1996). Recent developments in light alloys. Materials transactions, JIM, 37(1), 12-31.
  • Song, G., & Song, S. (2007). A possible biodegradable magnesium implant material. Advanced engineering materials, 9(4), 298-302. doi:10.1002/adem.200600252
  • Srinivasan, A., Pillai, U., & Pai, B. (2005). Microstructure and mechanical properties of Si and Sb added AZ91 magnesium alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, 36(8), 2235-2243.
  • Srinivasan, A., Swaminathan, J., Gunjan, M., Pillai, U., & Pai, B. (2010). Effect of intermetallic phases on the creep behavior of AZ91 magnesium alloy. Materials Science and Engineering: A, 527(6), 1395-1403.
  • Staiger, M. P., Pietak, A. M., Huadmai, J., & Dias, G. (2006). Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: a review. Biomaterials, 27(9), 1728-1734. doi:10.1016/j.biomaterials.2005.10.003
  • Suh, J., Victoria-Hernandez, J., Letzig, D., Golle, R., Yi, S., Bohlen, J., & Volk, W. (2015). Improvement in cold formability of AZ31 magnesium alloy sheets processed by equal channel angular pressing. Journal of Materials Processing Technology, 217, 286-293. doi:10.1016/j.jmatprotec.2014.11.029
  • Unal, M. (2008). An investigation of casting properties of magnesium alloys. (Ph. D. Thesis), Gazi University, Ankara, Turkey. (212936)
  • Unal, M. (2014). Effects of solidification rate and Sb additions on microstructure and mechanical properties of as cast AM60 magnesium alloys. International Journal of Cast Metals Research, 27(2), 80-86. doi:10.1179/1743133613Y.0000000082
  • Wang, Q., Chen, W., Ding, W., Zhu, Y., & Mabuchi, M. (2001). Effect of Sb on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, 32(13), 787-794.
  • Westengen, H., & Rashed, H. (2016). Magnesium Alloys: Alloy and Temper Designation System: Elsevier.
  • Witte, F., Ulrich, H., Rudert, M., & Willbold, E. (2007). Biodegradable magnesium scaffolds: Part 1: appropriate inflammatory response. Journal of biomedical materials research Part A, 81(3), 748-756. doi:10.1002/jbm.a.31170
  • Wolff, M., Schaper, J., Dahms, M., Ebel, T., Kainer, K., & Klassen, T. (2014). Magnesium powder injection moulding for biomedical application. Powder Metallurgy, 57(5), 331-340. doi:10.1179/1743290114Y.0000000111
  • Zhang, Z. (2000). Development of magnesium-based alloys for elevated temperature applications. (Doctoral Thesis), Genie Universities, Quebec-Canada.
Birincil Dil tr
Konular Mühendislik, Ortak Disiplinler
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Orcid: 0000-0001-8740-7900
Yazar: Levent Elen (Sorumlu Yazar)
Kurum: KARABÜK ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Orcid: 0000-0001-8755-1865
Yazar: Yunus Türen
Kurum: KARABÜK ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Orcid: 0000-0002-9287-1756
Yazar: Erkan Koç
Kurum: KARABÜK ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Tarihler

Yayımlanma Tarihi : 30 Haziran 2019

Bibtex @araştırma makalesi { umagd507264, journal = {International Journal of Engineering Research and Development}, issn = {}, eissn = {1308-5514}, address = {Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dekanlığı Kampüs 71450 Yahşihan/KIRIKKALE}, publisher = {Kırıkkale Üniversitesi}, year = {2019}, volume = {11}, pages = {451 - 463}, doi = {10.29137/umagd.507264}, title = {AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi}, key = {cite}, author = {Elen, Levent and Türen, Yunus and Koç, Erkan} }
APA Elen, L , Türen, Y , Koç, E . (2019). AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi. International Journal of Engineering Research and Development , 11 (2) , 451-463 . DOI: 10.29137/umagd.507264
MLA Elen, L , Türen, Y , Koç, E . "AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi". International Journal of Engineering Research and Development 11 (2019 ): 451-463 <https://dergipark.org.tr/tr/pub/umagd/issue/43865/507264>
Chicago Elen, L , Türen, Y , Koç, E . "AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi". International Journal of Engineering Research and Development 11 (2019 ): 451-463
RIS TY - JOUR T1 - AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi AU - Levent Elen , Yunus Türen , Erkan Koç Y1 - 2019 PY - 2019 N1 - doi: 10.29137/umagd.507264 DO - 10.29137/umagd.507264 T2 - International Journal of Engineering Research and Development JF - Journal JO - JOR SP - 451 EP - 463 VL - 11 IS - 2 SN - -1308-5514 M3 - doi: 10.29137/umagd.507264 UR - https://doi.org/10.29137/umagd.507264 Y2 - 2019 ER -
EndNote %0 Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi %A Levent Elen , Yunus Türen , Erkan Koç %T AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi %D 2019 %J International Journal of Engineering Research and Development %P -1308-5514 %V 11 %N 2 %R doi: 10.29137/umagd.507264 %U 10.29137/umagd.507264
ISNAD Elen, Levent , Türen, Yunus , Koç, Erkan . "AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi". International Journal of Engineering Research and Development 11 / 2 (Haziran 2019): 451-463 . https://doi.org/10.29137/umagd.507264
AMA Elen L , Türen Y , Koç E . AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi. IJERAD. 2019; 11(2): 451-463.
Vancouver Elen L , Türen Y , Koç E . AZ91 Mg Alaşımına Farklı Oranlarda Sb İlavesi İle Katılaşma Hızının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi. International Journal of Engineering Research and Development. 2019; 11(2): 463-451.