Search

The effects of particle size (2-6 nm) and temperature (300-2700 K) on the stability and local structural evolutions of amorphous equiatomic FePt bulk/nanoalloys have been investigated by combining Embedded Atom Model (EAM) with classical molecular dynamics (MD) simulation method. The three dimensional (3D) atomic configuration of amorphous FePt NPs by means of Voronoi analysis reveals that, deformed bcc (d-bcc) and icosahedron (d-ico) type structures are most probable local atomic configurations for 2-6 nm sized Fe50Pt50 NPs both in liquid (1700 K) and glassy (300 K) states. It was shown that nano-scale phase separation takes place around 300 K for 2 nm sized FePt NPs that leads to formation of spherical core-shell segregated structure having Pt-Fe-rich core and Fe-rich surface. Compared to core region, more ordered and high dense configuration of atoms at the surface gives rise to decrease in surface entropy of NPs and hence bringing about surface energy anomaly with positive temperature coefficient above the glass transition temperatures. Below glass transition temperatures of the FePt nanoalloy particles, the thermodynamically stable amorphous phase (TSA) would appear. Glass transition temperature of amorphous Fe50Pt50 NPs increases with increasing particle size and eventually approaches to the glass temperature of bulk system for NPs diameters >= similar to 16 nm. Results of current predictions are in good qualitative and semi-quantitative agreement with other theoretical and experimental findings reported in the literature.

Magnetic core/shell nanostructures have been recently received much interest owing to their utmost potential in permanent magnetic applications. In the present work, AlNiCo permanent magnet powders were synthesized by ball milling and a core/shell nanostructure was obtained using RF induced plasma. The effects of particle size and nanoshell structure on the magnetic properties were investigated in details. The coercivity of AlNiCo powders was found to increase with decreasing particle size, exclusively nanopowders encapsulated with Fe3O4 shell showed the highest coercivity values. The shell structure produced during plasma reaction was found to form a resistant layer against oxidation of metallic nanoparticles.

The microstructural evolution and room-temperature mechanical properties of Fe50Al50-nNbn alloys (n=1, 3, 5, 7, and 9 at%) were investigated after solidification and subsequent heat treatment. For all the compositions, the (Fe, Al)(2)Nb Laves phase formed because of the incomplete solid solubility of Nb in the Fe-Al-based phases and tended to develop an eutectic mixture with the Fe-Al-based phase. According to the results of EDS analysis and microstructural investigations, the Nb concentration of the eutectic composition was 9 at%, and the solid solubility of Nb in the B2-type Fe-Al-based phase was 3 at%. In addition, the eutectic phase transition temperature was approximately 1265 degrees C. Compared with the as cast state, all the heat-treated alloys exhibited ultrahigh compressive strength and considerably increased compressive fracture strains. The heat-treated hypoeutectic Fe50Al42Nb3 alloy exhibited the highest compressive strength and fracture strain of 3.02 GPa and 33.1%, respectively, and the eutectic Fe(50)oAl(41)Nb(9) alloy exhibited the lowest compressive strength and fracture strain of 2.66 GPa and 21.8%, respectively, because of the absence of the comparably softer Fe-Al-based primary dendrites. The superior mechanical properties of the heat-treated alloys were attributed to the bimodal distribution of the microstructure, structural incoherency between the crystalline phases, and elimination of solidification artifacts and lattice defects.

Site selection and pseudo-clustering behaviors of the various M alloying elements in Al-lean Ti50Al50-X M (X) (X = 1, 2, 3, 4, and 5 at. pct) intermetallics have been investigated by means of the ordering energy-dependent and long-range-order forced fast Monte Carlo simulation method. The ordering energies have been calculated via pseudopotential approximation in the electronic theory of alloys up to the third coordination sphere (CS) taking the anisotropic nature of tetragonal L1(0)-type structure of gamma-TiAl into account. It was shown that the site occupation characteristics of the M alloying element atoms in gamma-TiAl intermetallics are governed by the relative magnitude of partial ordering energies between Ti-M and Al-M atomic pairs. However, the sign of partial ordering energies of these atomic pairs at the first CS becomes important in determining the clustering behavior and controls the dissolution modes of alloying element atoms in the gamma-TiAl matrix. The pseudo-clustering behavior of alloying elements reveals three dissolution modes, namely, random dissolution (mode I), planar clustering in two dimensions (mode II), and three-dimensional (3-D) clustering (mode III) of the M occupant atoms.

The effects of substitutional ternary additions of Me = Zn, Ti, Si, Cr, Mn, Mo, W, Nb, Ta, V, Hf, or Zr on the energetical and structural characteristics of atomic short-range ordering (SRO) of Ni-3(Al(1-x)Me(x)) intermetallics with L1(2) type ordered structure have been analysed by combining the statistical theory of ordering with the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation. The partial ordering energies and pairwise SRO parameters were calculated by taking into account the influence of the first three coordination spheres. The results of calculation show that the atoms of Zn, Ti, Si, Mo or V elements substitute mainly for Al sublattice sites, whereas W, Nb, Ta, Hf, or Zr clement atoms substitute preferentially for the Ni sublattice sites and Cr or Mn element atoms tend to substitute for both Ni and Al sublattice sites. These theoretical results are in a good qualitative agreement with experimental observations for most of the third component Me elements. Copyright (C) 1997 Acta Metallurgica Inc.

Son yıllarda keşfedilen bir titanyum alaşım türü olan sakız metal (Ti-23Nb-07Ta-2Zr-O) sahip olduğu olağanüstü düşük elastik modülü (50 GPa), yüksek akma dayanımı (2000 MPa'ya kadar), ve biyouyumluluk gibi özellikleri sayesinde spor malzemeleri, havacılık, endüstriyel ve özellikle biyomedikal alanlarda kullanılabilecek benzersiz bir alaşım türü olarak düşünülebilir. Ayrıca, bütün bu ayırt edici özellikleri şiddetli deformasyon halinde dahi koruyabilmesi ve Elinvar-Invar özelliklerine sahip olması sakız metali eşsiz bir malzeme haline getirmektedir. Sakız metalin sahip olduğu üstün mekanik ve fiziksel özellikler olağandışı deformasyon mekanizması ile ilişkilidir. Fakat, sakız metalin çalışılması zor olan ve oldukça kolay oksitlenme eğilimi gösteren hammaddelerden oluşması, yapının homojen bir şekilde üretilmesini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, üretimi için oldukça hassas, zahmetli ve sorunlu bir yöntem olan toz metalurjisi yöntemi kullanılmaktadır. Toz metalurjisi seri üretime uygun bir yöntem olmadığı için yeni bir üretim methodu geliştirmek önemlidir.Bu tez üç ana konuya odaklanmaktadır: (i) teorik hesaplamalar yardımıyla sakız metal özellikleri sergileyen farklı alaşımları geliştirmek, (ii) seri üretime uygun, toz metalurjisinden daha kolay ve geleneksel bir yöntem olan ark ergitme fırınını kullanarak alaşımları başarılı bir şekilde üretmek ve (iii) alaşım elementlerinin Ti71.8+nNb25-nZr2O1.2 temel alaşımının deformasyon mekanizması, yapısal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak, ve tek fazlı sakız metal alaşımı için önerilen teorik tahminlerin geçerliliğinin onaylamak.Teorik hesaplamalara göre, üç farklı yapı, (S1) Ti-23.8Nb-2Zr-1.2O (at%), (S2) Ti-23Nb-0.93V-2Zr-1.2O (at%) ve (S3) Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr-2Al-1.2O (at%) belirlenmiş ve atmosfer kontrollü ark eritme fırınına başarıyla dökülmüştür.Bu alaşımların kimyasal karakterizasyonu SEM, EDS, termal kararlılığı DSC, mineralojik analizleri XRD ve mekanik özellikleri ise mikro sertlik ve basma testi metodları kullanılarak araştırılmıştır.Hazırlanan üç alaşımın, tek fazlı, homojen morfolojiye ve elementel kompozisyona sahip olduğu gözlenmiştir. Temel alaşıma çeşitli elementlerin dahil edilmesi ile alfa fazından beta fazına geçiş sıcaklığı 100 °C' ye kadar düşürülmüş ve mekanik özelliklerin önemli ölçüde iyileştirildiği gözlemlenmiştir. Basma testlerinde numune kalınlığı %85 oranında azaltılmasına rağmen, görünür bir çatlak oluşmamaktadır. Ayrıca, bu deformasyon sonucunda dahi sertlikte belirgin bir artış ortaya çıkmamıştır. Sonuç olarak, elde edilen mekanik ve yapısal bulgular, bu çalışma kapsamında hazırlanan tüm bileşimlerin sakız metal ailesinde olabileceğini düşündürmektedir. Gum metal (Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O at%), a newly discovered titanium alloy, is considered as a suitable unique alloy for structural applications in aerospace, sports equipment, industrial, and especially in biomedical areas because of their outstanding properties such as high yield strength (up to 2000 MPa) with low elastic modulus (50 GPa), and biocompatibility. Furthermore, in the heavily deformed state, it still possesses an ultra-low elastic modulus, ultra-high-strength, large elasticity (up to 2.5%), Elinvar, and Invar properties. These exclusive mechanical and physical properties are mainly attributed to their extraordinary deformation mechanism. However, alloy design and production of gum metal are quite difficult since it consists of raw materials that are difficult to work with and tend to oxidize quite easily. In addition, these raw materials are quite challenging to forge an alloy with a homogeneous structure. Therefore, it is generally produced by powder metallurgy, a very laborious, sensitive, and troubled production. It is important to develop a new production process since this method is not suitable for mass production.This thesis focuses on three main subjects: (i) to develop the candidate alloys exhibit gum metal properties with the help of the theoretical calculations, (ii) to be able to produce alloys successfully by using the arc melting furnace which is suitable for mass production, easier and conventional production method rather than powder metallurgy, and (iii) to investigate the effects of alloying elements on deformation mechanism, structural and mechanical properties of Ti71.8+nNb25-nZr2O1.2 base alloy and approval of the validity of theoretical estimations proposed for single-phase gum metal alloy.According to theoretical calculations, three different forms, (S1) Ti-23.8Nb-2Zr-1.2O (at%), (S2) Ti-23Nb-0.93V-2Zr-1.2O (at%) and (S3) Ti-25Nb-0.7Ta-2Zr-2Al-1.2O (at%), were determined and casted successfully in an atmosphere-controlled arc melting furnace. The chemical characterization, mineralogical analyses, and mechanical properties of these alloys were investigated by using XRD, DSC, SEM, EDS, microhardness, and compression test instruments.It has been observed that these three alloys were prepared composing of only a single phase with homogeneous morphology and elemental composition. On account of the incorporation of various elements to the base composition, from alpha to beta phase transition temperature were reduced as much as 100 degrees C and mechanical properties were improved significantly. Around 85% reduction in thickness with the compression tests were obtained with no apparent crack formation. Also, no noticeable increase in hardness emerged with this deformation. In the end, these mechanical and structural investigations suggest that all the prepared compositions within the scope of this work could be in the gum metal family. 100

Radyasyon çevreleri için uygun malzeme seçimi görevlerin sürdürülebilirliği için kritiktir. Aday malzemeler için radyasyon testlerinin bu çevrelerde kullanılmadan önce yapılması gereklidir. Nükleer reaktörler için sıklıkla nötron ve ağır iyon testleri yapılırken, uzay uygulamalarında baskın radyasyon türü olduğu için proton testleri gereklidir. Radyasyon çevrelerinde genellikle kristal malzemeler kullanılmakta ancak yeni malzeme arayışı sürmektedir. Yeni jenerasyon malzemelerden biri de iri hacimli metalik camlardır. Bu malzemeler üstün fiziksel, kimyasal, mekanik ve manyetik özelliklerinden dolayı kristal benzerlerine göre oldukça ilgi çekmiştir. Özellikle demir bazlı metalik camlar, yüksek dayanım, sertlik ve iyi korozyon dayanımlarından dolayı bu çevreler için yüksek potensiyele sahiptirler. Literatürde çoğunlukla bu malzemeler için nötron ve ağır iyon testleri bulunmaktadır. Bu çalışmada demir bazlı iri hacimli metalik camlar için proton testleri yapıldı ve proton radyasyonunun bu malzemeler üzerindeki etkileri çalışıldı. Bu malzemeler ark eritme ve bakır kalıp dökmede silindir formunda üretilmiştir ve 3 mm çapında yaklaşık 10 mm uzunluğundadırlar. Ek olarak, paslanmaz çelik 304 ve 316'da ticari olarak sağlanmış ve 30 MeV protonlarla test edilmiştir. Radyasyonun malzemeler üzerindeki etkilerini inceleyebilmek için, yapısal, termal, mekanik ve manyetik karakterizasyon teknikleri uygulanmıştır. Türkiye'de ilk kez yapılan bu testler, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu (TAEK) SANAEM Proton Hızlandırıcı Tesisi'nde (PHT) kurulan ODTÜ- Saçılmalı Demet Hattı'nda (SDH) yürütülmüştür. Bu tesis, 15-30 MeV enerjiye sahip ve 10^5 - 10^11 p/cm^2/s akı aralığındaki protonları kullanarak elektronikleri test etmektedir. Ayrıca, radyoizotop üretimi ve ODTÜ-SDH'nin hassas elektronik bileşenleri için radyasyondan koruma çalışmaları burada sunulmuştur. Işınlanan malzemeler için yapılan karakterizasyon çalışmalarında, hem iri hacimli metalik camlarda hem de paslanmaz çeliklerde noktasal kusurların oluştuğu görülmektedir. Numunelerde herhangi bir yüzey hasarı veya yeni bir faz oluşumu gözlenmedi. Işınlamadan sonra numunelerde noktasal kusurlar gözlemlendi. Suitable material selection is critical for the sustainability of missions in radiation environments. Radiation tests are required for candidate materials before being used in these environments. While neutron and heavy ion tests are often performed on materials intended for the nuclear reactors, proton tests are necessary for space applications due to them being the dominant radiation. Generally, crystalline materials are used in radiation environments but, new material search is ongoing. One of such new generation is bulk metallic glasses (BMGs). They have received much attention due to their superior physical, chemical, mechanical and magnetic properties compared to their crystalline counterparts. Especially, new generations of Fe-based BMGs have great potential for these environments due to high strength and hardness as well as good corrosion resistance. Mostly neutron and heavy ions tests exist in literature. Here, proton tests for these materials were performed and the effects of proton irradiation on Fe-based BMGs for space radiation were studied. Fe-based BMG was produced by arc melting and then suction casting into copper mold in the form of a 10 cm long cylindrical rod with a diameter of 3 mm. In addition, commercially available 304 and 316 SS were tested with 30 MeV protons. Structural, thermal, mechanical and magnetic characterization techniques were employed to examine the effects of proton radiation on these materials. These tests which are the first time such a study has been performed in Turkey, were conducted at the new METU-Defocusing BeamLine (DBL) facility located inside the Turkish Atomic Energy Authority (TAEA) SANAEM Proton Accelerator Facility (PAF). This facility uses 15-30 MeV protons with a flux between 10^5 - 10^11 p/cm^2/s to test electronics. Also, studies for radioisotope production and radiation protection of sensitive electronic devices of METU-DBL are also presented here. Characterization studies of irradiated materials showed that the point defects were formed on the both BMGs and stainless steels after the irradiation. Any surface damage or new phase occurrence were not observed on these samples. After the irradiation, point defects were observed on the samples. 179

Hacimli metalik camlar düzensiz atomik yapıları sayesinde yüksek akma dayanımı, gelişmiş elastik davranış, yüksek korozyon dayanımı ve üstün aşınma direnci gibi birçok benzersiz özelliğe sahip nispeten yeni bir metalik alaşım türüdür. Günümüzde enerji tüketiminin azaltılmasının önemi nedeniyle hafif element esaslı hacimli metalik camlara özel ilgi gösterilmektedir. Bunların arasında, yalnızca Ti esaslı alaşım sistemleri şu anda yapısal mühendislik uygulamalarında kullanılacak gerekli tokluğu göstermektedir. Bu nedenle, Ti esaslı hacimli metalik camlar; tıbbi uygulamalar, savunma, otomotiv ve havacılık endüstrilerinde kullanılmak üzere yeni hafif malzemeler sınıfı olarak umut vermektedir. Fakat bununla birlikte, Ti esaslı metalik camların çoğu, potansiyel uygulama alanlarını kısıtlayan zayıf hacimli metalik cam oluşturma kabiliyetine sahiptir ve bu konuda yapılacak çalışmalar bu alaşımların cam oluşturma kabiliyetlerinin geliştirilmesinde önemli katkılar sunacaktır.Literatürde çok bileşenli alaşım sistemlerinin hacimli metalik cam oluşturma kabiliyetini değerlendirmek için bir takım yarı-ampirik ve teorik kriterler önerilmiştir. Fakat bu kriterler bazı sistemler için olumlu sonuçlar verirken bazı sistemlerde işe yaramamaktadır. Bu nedenle hacimli metalik cam alaşım sistemlerinin geliştirilebilmesi için teorik hesaplamalardan yola çıkarak sistematik bir şekilde alaşım elementlerinin etkisinin incelenmesi şarttır.Bu tez çalışması kapsamında yarı ampirik kriterlerin yanı sıra, daha önce yapılmış çalışmada yer alan, elektronik alaşım teorisinin psödopoterik yaklaşımda birleştirilmesiyle teorik olarak hesaplanmış kritik soğuma hızı ve karışım entalpisi verilerine dayanan hesaplamalar kullanılmıştır. Bu hesaplamalara göre cam yapma kabiliyetini arttırabileceği düşünülen aday alaşım elementlerinden Ni, Al, V ve Si'nin etkisinin incelenmesine karar verilmiştir. Bu kapsamda Ti-Cu ikili sistemine dayanan üç komposizyon Ti48Cu30Ni10Al7V5, Ti47Cu30Ni10Al7V5Si1 ve (Ti48Cu30Ni10Al7V5)97Si3 olarak belirlemiştirAlaşımlar kontrollü atmosfer altında emme döküm ünitesi ile donatılmış ark eritme ile üretilmiştir. Hacimli metalik cam oluşturma kabiliyeti üzerindeki potansiyel alaşım elementlerinin etkisi ve Ti-Cu ikili sistemi esas alınarak yapısal ve termal karakterizasyon teknikleri ile sunulmuştur. Atomik %1 Si ilavesi yaklaşık 40µm kalınlığında amorf fazın oluşmasını sağlamıştır. Artan Si ilavesi cam oluşturma kabiliyeti üzerinde olumsuz sonuçlar verdi. The bulk metallic glasses (BMGs) are quite new type of metallic alloys exhibiting many superior features like high yield strength, improved elastic behavior, high corrosion resistance and superior abrasion resistance by virtue of its irregular atomic structures. Due to the importance of today's reduced energy consumption, special attention is given to the light element-based bulk metallic glasses. Among these, Ti-based amorphous alloys have promising mechanical properties for use in engineering applications. Therefore, Ti-based bulk metallic glasses provides a hope as an advanced set of lightweight materials for use in medical applications, defense, automotive and aerospace industries. However, generally Ti-based bulk metallic glasses show poor bulk glass formation that restricts their potential application areas. Studies on this subject will provide an important involvement for the development of glass formation of the Ti based BMGs. In the literature, there are many studies on theoretical and semi-empirical criteria for evaluation of glass forming ability (GFA) of the alloy systems. However, these criteria do not work on every alloy system while providing positive results for some system. Therefore, it is essential to systematically examine the effects of alloying elements for the development of cast metallic glass alloy systems.In this thesis study, besides semi-empirical criteria, with the aim of improvement of the GFA, alloys were synthesized by alloying Ti-Cu binary system with potential candidate alloying elements derived from theoretical predictions by combining the electronic theory of alloys in the pseudopotential approximation which are the part of previous thesis study. As a starting point, Ni, Al and V were selected as alloying elements and correspondingly Ti48Cu30Ni10Al7V5 alloy was produced. After that gradual Si addition was provided on this alloy and Ti47Cu30Ni10Al7V5Si1 and (Ti48Cu30Ni10Al7V5)97Si3 alloys were fabricated to investigate effect of Si as a minor alloying element.Samples of alloys were fabricated by arc melting device equipped with suction casting unit under controlled atmosphere. The effect of the potential alloying elements on the ability to create Ti based BMG was presented by structural and thermal characterization techniques. Atomic 1% of Si addition favored the formation of approximately 40 µm in thickness amorphous structure at the outer zone of the alloy composition Ti47Cu30Ni10Al7V5Si1. Further addition of Si has detrimental effects on glass formation ability. Even at non-equilibrium cooling condition amorphous structure was not observed and the crystallization could not be prevented by copper mold suction casting. 103

Nanoalaşımlar, aynı alaşımların hacimli formundan farklı olan özellikler gösterebilirler. Ni-B manyetik nanoalaşımlar biyotıp, katalizör, nano-elektronik, hedeflenen ilaç taşıyıcı, hafıza depolama, manyetik ayırma, manyetik kayıt ortamı gibi birçok uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Ayrıca gösterilmektedir ki, nikel-boron esaslı alaşımlarda aşınma dayanımı ve sertliği önemli ölçüde etkiler ve artırır. Mikro yapı içindeki borür dağılması sebebiyle, boron içeren nikel esaslı alaşımlar aşınma ve sürtünme yapışmasına karşı iyi bir direnç gösterirler.Bu çalışma, Ni60B40 alaşımlarını hacimli ve nano-kristal/amorf formlarında sırasıyla kontrollü atmosfer altındaki ark fırını, emme döküm metotları ve mekanik alaşımlama tekniği aracılığıyla sentezlemeyi ve onların mukayese edilebilir yapısal karakterizasyoununu sağlamayı amaçlar. İlk olarak hacimli Ni60B40 alaşımları denge ve denge dışı döküm koşullarında üretilmiştir ve Ni4B3, Ni2B kristalin fazlarının varlığı X-ray kırınım, SEM-EDS ve DSC analizleriyle tespit edilmiştir. DSC analizinden yola çıkarak, Ni4B3 ve Ni2B fazlarının erime sıcaklıkları sırasıyla daha önceki yapılan çalışmalarla örtüşen 1025°C and 1142°C olarak belirlenmiştir.Ni60B40 hacimli alaşımın yapısal karakterizasyonunun tamamlanmasından sonra öğütme işlemi nikel ve boron tozlarıyla 80 saat öğütme süresine kadar gerçekleştirilmiştir. Öğütme esnasında, oksitlenmeyi önlemek için, öğütme başlamadan önce hazneler Argon asal gazıyla doldurulmuştur. Başlangıç mikron altı boyutlu parçacıklar bilyalı öğütme işlemi sonunda 50-100 nm aralığındaki boyutlara düşürülmüştür. Bununla birlikte Ni60B40 nanoalaşımının mikro yapısı önemli ölçüde öğütme zamanına bağlıdır. Alaşımın amorfizasyonu 40 saat öğütme süresinde başlamıştır ve Ni3B kristalin fazı 60 saat öğütme sonunda oluşmaya başlamıştır ve daha ileri öğütme süreleriyle artmıştır. 80 saat öğütme süresinde yapılan nanoalaşım tozlarının DSC analizi Ni60B40 nanoalaşımlarının amorf davranış gösterdiğini ortaya koymuştur ve camsı geçiş kristalizasyon sıcaklıkları sırasıyla 388 °C ve 502 °C olarak belirlenmiştir.Ayrıca parçacık boyutu yönünden görülmektedir ki, nanoboyutlu parçacıkların miktarı daha ileri öğütme süreleriyle artmıştır. Ni60B40 hacimli ve nanoalaşımlarının manyetik özellikleri titreşimli örnek manyetometresi kullanarak ölçülmüştür. Manyetik ölçümler Ni60B40 nanoalaşımı için artan öğütme süreleriyle doygunluk manyetikliğinde genel bir azalış ve koersivitide ise bir artış olduğunu göstermiştir. Nanoalloys can exhibit features which are distinct than bulk form of the same alloys. Novel properties of Ni-B magnetic nanoalloys have been used in many application areas such as; biomedicine, catalysis, nano-electronics, targeted drug delivery, data storage, magnetic separation, magnetic recording media, etc. It has been also shown that boron notably affects and increases wear resistance and hardness in nickel based alloys. Nickel based alloys having boron content show a good resistance to abrasion and galling due to boride dispersion in the structure.This study aims to synthesize Ni60B40 alloys in the bulk and nanocrystalline-amorphous forms by means of arc melting and suction casting methods under controlled atmosphere and mechanical alloying technique, respectively and to provide comparable structural characterization of them. Initially, bulk Ni60B40 alloys were produced in equilibrium and nonequilibrium casting conditions and presence of Ni4B3 and Ni2B intermetallic phases have been detected by X-ray diffractometer, SEM-EDS and DSC analysis. On the basis of DSC analysis, the melting temperatures of the Ni4B3 and Ni2B crystalline phases have been founded as 1025 °C and 1142 °C, respectively, which coincide well with data published in the literature.After the completion of structural characterization of Ni60B40 bulk alloy, milling process was performed with Nickel and Boron powders up to 80 hours of milling time. The vials were filled with Argon inert gas before milling in order to prevent oxidation. Initial sub-micron sized particles have been reduced down to a size ranged in between 50-100 nm at the end of ball milling procedure. However, microstructure of Ni60B40 nanoalloy significantly depend on milling time; amorphization of alloy starts at 40 h milling time and Ni3B intermetallic phase starts to form at 60 h and grow with further increasing of milling time. DSC analysis of nanoalloy powders milled for 80 h milling time reveals that the Ni60B40 nanoalloy shows an amorphization behavior and glass transition and crystallization temperatures have been determined as 388 °C and 502 °C, respectively.Also, on the basis of the particle size, it has been shown that the amount of nano-sized particles increases with further milling times. Magnetic properties of Ni60B40 bulk and nanoalloy powders have been measured by using vibrating-sample magnetometer. Magnetic measurements of Ni60B40 nanoalloys exhibit a general decrease in saturation magnetization and increase in coercivity with increasing milling time. 77

Nanoalaşımların simülasyon ve üretimine giderek artan bir ilgi bulunmaktadır; çünkü nanoalaşımların benzersiz kimyasal ve fiziksel özellikleri, bileşenlerinin çeşidi ve kompozisyonu, nanoparçacıkların atomik düzeni, boyutu ve şekli değiştirilerek ayarlanabilir ve tamamen yeni yapısal motifler oluşturulabilir. Önemli bir manyetik malzeme olarak Fe-Ni bazlı nanoalaşımlar, kimyasal endüstride, havacılık ve savunma sanayide, manyetik biyomedikal uygulamalarda ve bilgisayar donanımı endüstrisinde ümit verici uygulama alanlarına sahiptir. Bu çalışmanın amacı; manyetik nanoalaşımların yapısal özelliklerini atomistik düzeyde incelemek ve teorik ile deneysel çalışmalar arasında köprü kurmaktır.Teorik bölümde, Fe-Ni bazlı nanoalaşımların yapısal dönüşümleri Büyük ölçekli Atomik/Moleküler Masif Paralel Simülatörde (LAMMPS) moleküler dinamik (MD) yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu bağlamda, bimetalik FeNi$_3$ kristal ve amorf nanoalaşımların yapısal evrimi; sıcaklığın (300-1700 K), parçacık büyüklüğünün (2 nm-6nm) ve parçacık şeklinin (küresel ve kübik) radyal dağılım fonksiyonları, atomlar arası mesafeler, koordinasyon numaraları, çekirdek-yüzey konsantrasyon profilleri, yüzey enerjileri ve Voronoi analizi üzerinde etkisi dikkate alınarak, gömülü atom modeli (EAM) ile kombine edilmiş MD simülasyonu ile incelenmiştir. Moleküler dinamik simülasyonlarda parçacıkların yapısal dönüşümünün, erime sıcaklığının ve atomların konfigürasyonun güçlü bir şekilde boyuta ve şekle bağlı davranış sergilediği açıkça gözlenmiştir. Simüle edilmiş parçacıkların boyutu arttıkça, parçacıklar ısıya daha dayanıklı olmuş ve kararlı kristal yapılarını, şekillerini ve atomik paternlerini yüksek sıcaklıklarda korumuşlardır. Ayrıca, 6 nm nanoparçacıkların, oda sıcaklığında, FCC örgü yapısına sahip olduğu, bunun da, mekanik alaşımlama yolu ile sentezlenen ve yumuşak manyetik özelliklere sahip FeNi3 nanoparçacıklarının L12-tipi düzenli yapısına uygun olduğu gözlenmiştir.Çalışmanın deneysel bölümünde, FeNi3 bimetalik nanoalaşımlar, gezegen tipli yüksek enerjili bilyeli değirmende mekanik alaşımlama yoluyla sentezlenmiştir. Deneysel çalışmalar üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, FeNi3 tozları; kuru atmosperde, 250 devir/dk öğütme hızına sahip mekanik alaşımlama ile sentezlenmiştir. İkinci olarak; öğütme hızının, nanotozların yapısal ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisini incelemek için, hız 400 devir/dk'ya yükseltilmiştir. Ayrıca, yüzey aktif maddelerin ve çözücünün etkisini gözlemlemek için iki aşamalı mekanik alaşımlama uygulanmıştır; bu yöntemde, mekanik alaşımlama tamamlanır tamamlanmaz yüzey aktif madde ve çözücü sisteme eklenmiştir. Alaşımlı nanopartiküllerin yapısal ve manyetik özellikler açısından karakterizasyonu X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskobu, enerji dağıtma spektroskopisi ve titreşimli manyetometre ile yapılmıştır. Artan öğütme süresi ve öğütme hızı ile nano boyutlu parçacıkların miktarı artmış ve buna bağlı olarak manyetik özellikleri değişim göstermiştir. Ancak surfaktanların parçacık boyutu üzesinde belirgin bir etkisi gözlenmemiştir. Yumuşak manyetik özellik gösteren, 5.815 nm kristal boyutlu, -0.46% gerinim değerli ve 3.543 Å kafes parametreli en küçük, L12-tipi düzenli yapıya sahip FeNi3 nanotozlar; kuru ortamda, 400 devir/dk öğütme hızında mekanik alaşımlama yöntemi ile 80 saat öğütme süresinden sonra sentezlenmiştir. There is a growing interest in the simulation and production of nanoalloys because the unique chemical and physical properties of nanoalloys can be tuned, and completely new structural motifs can be created by varying the type and composition of constituent elements, the atomic ordering, size, and shape of the nanoparticles. As an important magnetic material, Fe-Ni based nanoalloys have promising applications in the chemical industry, aerospace and stealth industry, magnetic biomedical applications and computer hardware industry. The purpose of this study is to analyze the structural properties of the magnetic nanoalloys at atomistic level and to establish a bridge between theoretical and experimental studies. In the theoretical part, structural evolutions of Fe-Ni based nanoalloys have been studied by using molecular dynamics (MD) method in Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). In this regard, structural evolution of the bimetallic FeNi3 crystalline and amorphous nanoalloys has been investigated by means of MD simulation combined with embedded atom model (EAM) with taking into account the effect of temperature (300-1700 K), particle size (2 nm-6 nm) and particle shape (spherical and cubic) on radial distribution functions, inter-atomic distances, coordination numbers, core-to-surface concentration profiles, surface energies and Voronoi analysis. From the molecular dynamics simulations, it has been clearly observed that the structural evolution, melting point and atomic arrangements of the nanoparticles exhibited strongly size and shape dependent behavior. As the particle size of the simulated nanoparticles increased, the particles became more heat-resistant and mostly preserved their stable crystalline structure, shape and mixing pattern at high temperatures. Also, it has been observed that the 6 nm nanoparticles owned the FCC lattice structure at room temperature which is consistent with the L12-type ordered structure of the synthesized FeNi3 nanoparticles with soft magnetic properties via mechanical alloying.In the experimental part of the study, FeNi3 bimetallic nanoalloys were synthesized by mechanical alloying in a planetary high energy ball milling. The experimental studies were carried out in three parts. Firstly, Fe-Ni powders were synthesized by mechanical alloying with 250 rpm under dry atmosphere. Secondly, in order to investigate the effect of the milling speed on the structural and magnetic properties of the nanopowders, the speed was increased to 400 rpm. Also, to observe the surfactant effect, two-step mechanical alloying was applied in which surfactants and solvent were inserted into the system, once mechanical alloying was completed. The characterization of the alloyed nanoparticles in terms of the structural and magnetic properties was done by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, and vibrating-sample magnetometer. It was found that the amount of nano-sized particles raised with increasing milling time and milling speed, and consequently the magnetic properties of the particles varied. However, no significant effect of surfactants on the particle size was observed. The smallest, L12-type ordered FeNi3 nanopowders with 5.815 nm crystallite size, -0.46% strain value, and 3.543 Å lattice parameter, showing soft magnetic properties, were synthesized by mechanical alloying with 400 rpm under dry condition after 80 h milling time. 134

Manyetik soğutma, daha yüksek soğutma verimi ve çevre dostu olması sebebiyle malzeme araştırma komunitelerince giderek artan bir ilgi çekmektedir. Teorik ve deneysel olmak üzere iki bölümden oluşan bu tez çalışmasında manyetik soğutma sistemlerinde kullanılmak üzere Ni-tabanlı Heusler alaşımlarının geliştirilmesi amaçlanmıştır.Bu tezin teorik kısmında, A2BC tipi tam Heusler alaşımlarında düzen-düzen (L21↔B2) ve düzen-düzensizlik (B2↔A2) faz dönüşümlerini karakterize etmek için, istatiksel-termodinamik teorinin Bragg-Williams-Gorsky (BWG) metodu ile elektronik teorinin psödopotensiyel yaklaşımı kullanılmıştır. Psödopotensiyel yaklaşım içinde alaşımların elektronik teorisini kullanarak kısmi düzenleme enerjileri hesaplanmış, Ni-Mn-C (C=Ga, In, Sb, Sn) Heusler alaşımlarındaki düzen karakteristiklerine göre üçlü alaşım elementi incelenmiş ve L21 ↔ B2 ve B2 ↔ A2 kritik dönüşüm sıcaklıkları etkileri belirlenmiştir. Hesaplama sonuçları Ni-Mn-C manyetokalorik malzemelerin geliştirilmesi için en uygun potansiyel alaşım elementini (C) ve kompozisyonunu belirlemek için kullanılmıştır.Bu tezin deneysel bölümünde, teorik çalışmalardan elde edilen sonuçlar kullanılarak, Ni-Mn-In alaşım sistemi seçilmiş ve Ni51Mn34In15 alaşımının yapısal ve manyetik analizleri yapılmıştır. Bu kapsamda, ısıl işlem süreçlerinin Ni-zengin Ni51Mn34In15 Heusler alaşımının yapısal ve manyetik özelliklerine etkisi XRD, SEM, EDS ve VSM teknikleri ile analiz edilmiştir. L21 tipi düzenli kristal yapı ham döküm alaşımında tespit edilemese de uygun bir ısıl işlem prosesi uygulandıktan sonra Ni51Mn34In15 Heusler alaşımında kararlı L21 tipi düzenli yapının oluşumu başarılmıştır, ki bu da manyetokalorik uygulamalar için en çok istenen yapıdır. Manyetokalorik etkiyi (MCE) belirlemek için, manyetik alan bağımlı mıknatıslanma ölçümlerinden manyetik entropi değişimleri (ΔSM) hesaplanmıştır. Maksimum ΔSM değerlerinin ΔH=18 kOe manyetik alan değişiminde ham döküm, 24 saat yaşlandırılmış ve 48 saat yaşlandırılmış Ni51Mn34In15 alaşımı için sırasıyla, 4.8 J/kg·K, 5.6 J/kg·K ve 12.8 J/kg·K 271 K, 294 K ve 305 K'de ulaştığı gözlenmiştir. Sonuç olarak, geniş sıcaklık aralıklarında pozitif işaretli büyük manyetik entropi değişimleri gözlemlenmiştir ve bu pozitif ΔSM değerleri, bu alaşımın martensitik dönüşüm sıcaklığı (TM) etrafında ters MCE sergilediğini göstermektedir. Buna ek olarak, manyetokalorik malzemenin bağıl soğutma gücü (RCP) manyetik entropi değişimine göre hesaplanmıştır. Hesaplamaların sonuçları, ısıl işlem proseslerinin uygulanmasının Ni51Mn34In15 Heusler alaşımının RCP parametresinin büyüklüğünü artırdığını göstermektedir. Magnetic refrigeration has attracted increasing interest in the materials research communities because of its higher cooling efficiency and environmentally friendliness. In this thesis study, it is aimed to develop Ni-based Heusler alloys for use in magnetic refrigeration systems, which consists of two parts; the theoretical and experimental part.In the theoretical part of this thesis, in order to characterize the order-order (L21↔B2) and order-disorder (B2↔A2) phase transitions in A2BC type full Heusler alloys, statisco-thermodynamical theory of ordering by means of Bragg-Williams-Gorsky (BWG) method combined with electronic theory in the pseudopotential approximation were employed. The effect on ternary alloy element addition on ordering characteristics in Ni-Mn-C (C=Ga, In, Sb, Sn) Heusler alloys were studied and the L21↔B2 and B2↔A2 critical transformation temperatures were determined by calculating the partial ordering energies using the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation. The results of these calculations were utilized to predict the most suitable potential alloying element (C) and its composition for the development of Ni-Mn-C magnetocaloric materials.In the experimental part of this thesis, by using the results obtained from the theoretical predictions, Ni-Mn-In alloy system was chosen and structural and magnetic analyses of Ni51Mn34In15 alloy were performed. Within this context, the effect of heat treatment processes on structural and magnetic properties of Ni-rich Ni51Mn34In15 Heusler alloy have been analysed by means of XRD, SEM, EDS and VSM techniques. While L21-type ordered crystal structure could not be detected in the as-cast alloy, however, after applying a proper heat treatment processes, formation of stable L21-type ordered structure in Ni51Mn34In15 alloy was succeeded, which is most desirable structure for magnetocaloric applications. To determine the magnetocaloric effect (MCE), the magnetic entropy changes (ΔSM) of the samples were calculated from the magnetic field dependent magnetization measurements. It was shown that the maximum of ΔSM reaches the magnitudes of 4.8 J/kg·K, 5.6 J/kg·K and 12.8 J/kg·K at 271 K, 294 K and 305 K temperatures at magnetic field change of ΔH=18 kOe for the as-cast, 24 hours-aged and 48 hours-aged Ni51Mn34In15 alloy, respectively. Consequently, large magnetic entropy changes with positive sign were observed in wide temperature ranges and these positive ΔSM values indicate that this alloy exhibits inverse MCE around the martensitic transformation temperature (TM). In addition to that, the relative cooling power (RCP) of the magnetocaloric material was calculated according to the magnetic entropy change. Results of the calculations reveal that application of heat treatment processes tends to increase magnitude of RCP parameter of Ni51Mn34In15 Heusler alloy. 123

Endüstriyel uygulamalarda kullanılan yüzey modifikasyon teknikleri, aşınma problemi ile karşılaşan bileşenlerin daha iyi servis ömrüne erişmeleri için tercih edilmektedir. Pratikte, aşınmış bileşenlerin ya reddedilmesi ya da sadece yüzeyin aşınmaya karşı dayanıklılığını geliştirmekle kalmayıp, aynı zamanda daha yüksek sıcaklıkta korozyon ve oksidasyon problemlerine karşı korunmasına yardımcı olan çeşitli yüzey işleme uygulamaları kullanılarak yeniden yapılması gerekmektedir. Bu endüstriyel kaplama ve yüzey işleme uygulamaları arasında, sert kaplama, baz/esas metallerinin yüzey özelliklerini sınıflandırmak için kaynak ile uygulanan daha geleneksel bir yüzey işleme tekniğidir. Bu kaplama uygulamasında, yeni bir yüzey tabakasının üretimi, bir alaşımın, nispeten ucuz bir konvansiyonel baz/esas metalin yüzeyi üzerine homojen olarak kaynak yöntemi ile biriktirilmesiyle, darbe ve aşınma direnci yeteneği, erozyon ve korozyon direnci veya bu faktörlerin herhangi bir entegrasyonu gibi özelliklere sahip kalıcı bir yüzey tabakasının elde edilmesi ile gerçekleştirilecektir. Bu nedenle, kaplama alaşımları, yüksek sertlik, talep edilen aşınma direnci/tribolojik özellikler, çok özel korozyon ve ısı direnci gibi uygun özelliklere sahip olmalıdır. Bunun yanı sıra, İri Hacimli Camsı Çelikler (İHCÇ'ler), kristal yapıları ile karşılaştırıldığında üstün mekanik ve fiziksel özelliklerinden ötürü umut verici bir gelecek vaat etmektedirler. İHCÇ'ler, amorf doğaları nedeniyle çok yüksek sertlik, Young modülü, aşınma ve korozyon direnci gösterirler. İHCÇ'ler, tane sınırları ve dislokasyon gibi herhangi bir kristalografik kusurdan yoksun oldukları için daha iyi korozyon direnci ve mekanik özellikler sağlarlar. Bu benzersiz özellikler İHCÇ'leri kaplama uygulamaları için potansiyel bir aday haline getirmektedir. Bu açıdan tezin amacı, endüstriyel kaplama ve yüzey işleme uygulamalarında kullanılacak olan geleneksel kaplama malzemelerinin yerine İHCÇ'e dayalı yeni bir alternatif kaplama malzemesinin geliştirilmesi ve kullanılmasıdır. Bu uygulama için İHCÇ'ler, NOVALAB'ın teorik yaklaşımından türetilen demir esaslı metalik camların cam şekillendirme kabiliyetini arttırmak için kontrollü atmosfer altında eritilmesiyle, dökme demir parçaları kullanılarak yeniden sentezlenmiştir. Emme döküm tekniği, 3 mm çapında İHCÇ çubuğunun doğrudan üretimi için kullanılmış, daha sonra bu çubuk TIG kaynak işleminde dolgu malzemesi olarak kullanılmıştır. Sert kaplama uygulaması, nispeten ucuz düşük / orta karbonlu çelik (S275) ve paslanmaz (304) çelik yüzeylere uygulanmıştır. Kaplama kalitesi, tutarlılığı ve uygunluğu iki farklı soğutma ortamında incelenmiştir. Yüksek cam şekillendirme kabiliyeti sayesinde, İHCÇ kaplama malzemesi amorf yapısını koruduğu için aşırı yüksek sertlik sonuçları (esas metalden 3-4 kat daha yüksek) ve çeşitli aşırı aşındırıcı ortamlarda iyi bir aşınma ve korozyon direnci gösterdiği gözlenmiştir. In the industrial applications, surface modification/treatment techniques give preference to reach the better service life for components which encounter the problem of wear. In practice, worn components either have to be rejected or rebuilt by employing various surface treatment applications which actually do not only improve the wear resistant of the surface, but also it helps preserve against corrosion and oxidation problems at higher temperature. Among these industrial coating & surface treatment applications, hardfacing is a more conventional surface treatment technique, which is implemented by welding, to grade up the surface specialty of the base/substrate metals. In this coating application, the production of a new surface layer will be accomplished by homogeneous deposition of an alloy onto the surface of a relatively cheap conventional base/substrate metal by welding so as to obtain an enduring surface layer which has impact and wear resistance ability, erosion and corrosion resistance or any integration of these factors. Hence, the coating alloys should have some desired properties correspondingly, such as high hardness, demanded abrasion resistance/tribological properties, specific corrosion and heat resistance. On the other hand, bulk amorphous steels (BASs) have promising future due to their superior mechanical and physical properties compared with their crystalline states. BASs display very high hardness, Young's modulus, wear and corrosion resistance due to their amorphous nature. This nature of the BAS is lack of any crystallographic defects such as grain boundaries and dislocations which provides better corrosion resistance and mechanical properties. These unique characteristics make the BASs a potential candidate for coating applications. In this respect, the purpose of the thesis is to develop and make use of a new alternative coating material based on BAS in place of traditional coating materials which will be utilized in industrial coating and surface treatment implementations by hardfacing. For this application, the BASs were re-synthesized from cast iron scraps, which was derived from NOVALAB's theoretical approach in order to improve the glass forming ability of iron-based metallic glasses, by arc melting under controlled atmosphere. Suction casting technique has been employed for the direct production of 3 mm in diameter BAS rod, subsequently utilized as a filler material in TIG welding process. Hardfacing application was applied on relatively cheap low/medium carbon steel (S275) and stainless (304) steel substrates. Coating quality, its coherency and conformity were examined in two different cooling environments. It was observed that owing to high bulk glass forming ability (BGFA), BAS coating material preserved their amorphous structure with extreme high hardness, 3-4 times higher than the substrate metal and displayed good wear/abrasion and corrosion resistance in various extreme environments. 123

Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan nikel esaslı süper alaşımların dikkat çekici mekanik özellikleri, alaşım elementlerinin mikroyapı içinde yer alan L12-tipi düzenli γ'-Ni3Al intermetaliklerinde yerleştiği kafes-altı pozisyonlar ile ilişkilidir. Dolayısıyla, bu tezde, X alaşım elementlerinin (X = Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Pt, Re, Ru, Ta ve W) Ni75Al21.875X3.125 alaşım sistemlerindeki kafes-altı pozisyonlara yerleşim tercihleri, istatistik-termodinamik teori ve alaşımların elektronik teorisinin pseudopotansiyel yaklaşımı ile birleştirilmesiyle incelenmiştir. Mevcut simülasyonlara göre, X alaşım element atomlarının tümü (Pt hariç) Ni3Al intermetaliklerinin Al pozisyonlarına yerleşme eğilimi gösterirken, Pt atomları Ni pozisyonlarını doldurmayı tercih etmektedir. Ancak, diğer elementlerden farklı olarak, Re atomlarının kafes-altı pozisyonlara yerleşme eğilimi hem alaşım kompozisyonuna hem de sıcaklığa bağlı görünmektedir. Re atomlarının kritik sıcaklıkların üzerinde hem Al'a hem de Ni'e yönelmesi Ni3Al fazının lokalize bir şekilde doygunluğa ulaşmasına ve topolojik açıdan yakın paketlenmiş (TCP) fazların çökmesine neden olabilir. Bu sonuçları doğrulamak için, yukarıda bahsedilen X alaşım elementlerinin Ni3Al fazı içindeki kafes-altı pozisyonlara yerleşme eğilimleri `first-principles ab initio` hesaplamaları ile 0 Kelvin'de araştırılmış ve sonuçların çoğunlukla tutarlılık gösterdiği görülmüştür. Ayrıca, `charge density difference (CDD)`, `electron localization function (ELF)` ve `density of states (DOS)` gibi bazı metodlar kullanılarak, X alaşım elementlerinin Ni3Al-X fazlarındaki bağ yapma özellikleri simüle edilmiştir.Nikel esaslı süper alaşımların gelişmiş mekanik özellikleri, bu malzemelerin mikroyapısal özelliklerine (γ' çökeltilerinin hacimce fraksiyonuna, boyut & boyut dağılımına, oryantasyonuna ve şekline) bağlıdır. Bu amaçla, Ni80Al15X5 alaşım sistemleri (X = Al, Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti ve W) üretilmiş ve çeşitli tekniklerle karakterize edilmiştir. Tüm teorik ve deneysel verilerin ışığında, nikel esaslı süper alaşımlar için daha iyi mikro-sertlik değerlerinin yüksek örgü parametre sabiti ve yüksek hacim fraksiyonuna sahip, düşük boyuttaki Ni3Al çökeltilerine ve dolayısıyla optimum δ parametresine neden olan uygun alaşım elementi ilaveleri ve ısıl işlem prosedürleri ile elde edilebileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Sözcükler: Nikel Alüminidler, Pozisyon Tercihi, Kısa Mesafeli Atomik Düzen Özellikleri, `First-principles Ab Initio` Hesaplamaları, Mikroyapı Gelişimi Remarkable high temperature mechanical properties of nickel-based superalloys are related with the arrangement of ternary alloying elements in L12-type ordered γ'-Ni3Al intermetallics. Therefore, in this thesis, high temperature site occupancy preference and energetic-structural characteristics of atomic short range ordering of ternary alloying X elements (X = Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Pt, Re, Ru, Ta and W, respectively) in Ni75Al21.875X3.125 alloy systems have been studied by combining the statistico-thermodynamical theory of ordering and electronic theory of alloys in the pseudopotential approximation. Simulations have shown that, all ternary alloying element atoms (except Pt) tend to occupy Al sublattice sites of Ni3Al intermetallics, whereas Pt atoms prefer to substitute for Ni sublattice sites. However, in contrast to other X elements, sublattice site occupancy characteristics of Re atoms seem to be both composition and temperature dependent. Distribution of Re atoms at both Al and Ni sublattice sites above critical temperatures, Tc, may lead to localized supersaturation of the parent Ni3Al phase and makes possible formation of topologically close-packed (TCP) phases. In order to validate these results, site occupancy tendencies of afore mentioned alloying X elements have also been determined by performing first-principles ab initio calculations at 0 Kelvin and similar results have been obtained. Furthermore, by making use of charge density difference (CDD), electron localization function (ELF) and density of states (DOS) methods, the effects of alloying X elements on the bonding nature of Ni3Al-X phases have been simulated. Superior mechanical properties of nickel-based superalloys strongly depend on microstructural characteristics of these materials (i.e. γ' volume fraction, size & size distribution, orientation and shape). For this purpose, Ni80Al15X5 alloy systems (X = Al, Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti and W, respectively) have been produced and characterized by various techniques. In the light of all theoretical and experimental data, it has been concluded that better micro-hardness properties of nickel-based superalloys can be obtained by appropriate alloying element additions and heat treatment procedures which lead to γ' precipitates having higher lattice parameter, higher volume fraction, smaller size and correspondingly optimum δ parameter.Keywords: Ni3Al Intermetallics, Site Preference, Atomic Short Range Ordering Characteristics, First-principles Ab Initio Calculations, Microstructural Evolution 331

Manyetik malzemeler enerjinin korunması, aktarılması ve dönüşümünde kullanılan cihazlarda önemli bir yol oynamaktadır. Koersifliği yüksek kalıcı mıknatıslara gereksinimin artması ile birlikte nadir toprak elementi içeren NdFeB mıknatısları önem kazanmıştır. Yaklaşık 30 senedir çalışmaların odak noktası bu mıknatıs olmuştur. Nadir toprak elementlerine talep arttıkça, kritik önemdeki malzemelerde nadir toprak elementlerinin kullanımının kısıtlanması ya da bitirilmesi söz konusu olmuştur.Bu çalışmada, daha önceden üzerinde çalışılmış ve ticarileşmiş bir alaşım olan AlNiCo ile henüz ticarileşmemiş, diğerine kıyasla yeni sayılabilecek bir alaşım olan MnAl alaşımı kullanılmıştır. AlNiCo mıknatısları gelişmiş analiz teknikleri ile yeniden araştırılmak için iyi bir adaydır. Nano boyutlardaki davranışı henüz kesinleşmemiştir. Bu çalışmada bilyalı değirmen ve plazma ünitesinde parçacık boyutunu azaltmak için deneyler yapılmıştır. Plazma deneylerinin sonunda bilyalı değirmenle öğütülmüş numunelere göre daha yüksek koersifliğe ulaşılmıştır. Çekirdek yapının aynı zamanda oksitlenme için bir koruyucu tabaka oluşturduğu gözlemlenmiştir.Manganez alüminyum alaşımlarının mıknatıslığı ferromanyetik τ-fazının oluşmasından kaynaklanmaktadır. -τ faz dönüşümünün anlaşılmasıyla manyetik özellikleri iyileştirmek mümkün olacaktır. Bunun için faz dönüşümünün mikroyapısı, termal ve kristallografi analizin yanı sıra sinkrotron deneyleri ile kompozisyon optimizasyonu da yapılmıştır. Ferromanyetik τ-fazının oluşması için alaşımda belli bir Manganez miktarının olması gerektiği gözlemlenmiştir. →τ dönüşümü -fazının düzenine bağlı olduğu ve düzenli '-fazı olmadan τ-fazının oluşmadığı fark edilmiştir. Mn miktarı arttıkça ' ve τ-fazları oluşmamakta, kararlı fazlar oluşmaktadır.Çalışmanın üçüncü bölümünde, 3B yazıcılar kompozit yapıdaki kalıcı mıknatısların üretimi için yeni bir üretim metodu olarak öne sürülmüştür. Üretilip, karakterize edilen nadir toprak elementi içermeyen MnAl tozları polimer ekstrüsyon yöntemi ile bir filament haline getirilmiştir. Manyetik özelliklerinin içerisindeki toz miktarına ve tozların mıknatıslanma miktarına bağlı olduğu gözlemlenmiştir. Magnetic materials play a critical role in devices for the conversion, transmission and energy storage. There is a growing demand for NdFeB permanent magnets with high coercivity and magnetic flux. These magnets have been the focus of research for almost 30 years. While magnets are increasingly dependent upon rare-earths, there has been an effort to minimize or substitute their use.In this study, two permanent magnet alloys without any rare-earth elements have been investigated in details. AlNiCo magnets are good candidates to be produced with novel methods and investigated with the latest analysis techniques. Magnetic materials exhibit unique properties at nanoscales and the behavior of AlNiCo magnets in nanoscale is uncertain. Ball milling and hydrogen plasma experiments have been carried out for nanopowder synthesis. Nanoparticles of AlNiCo 5-7 alloy produced by plasma technique showed higher coercivity relative to ball-milled powders. Core/shell structure contributes to the increase in coercivity due to effective exchange coupling and the shell serves as a protective layer against room temperature oxidation.Magnetism of MnAl alloys derives from a ferromagnetic metastable τ-phase. In order to improve the magnetic properties, ε-to-τ transformation should be well established. Microstructural, thermal and crystallographic analysis are carried out with synchrotron analysis. It is observed that there is a compositional limit to ferromagnetic τ-phase formation. ε→τ transformation is found to be dependent on ordering of the ε-phase and can only proceed with ε'-phase. As Mn content increases compositional ordering do not take place and stable phases form.In the third part of the study, 3D printing is presented as a novel manufacturing method for permanent magnets in composite structure. A filament of magnetic MnAl powders embedded in a polymer binding material is produced through extrusion. Operating parameters are optimized and several prototypes are printed. It is observed that magnetic properties of bonded magnets are affected by the weight ratio and magnetic properties of the magnetic filler. 169

Bu çalışmanın amacı, denge olmayan soğuma şartlarına ulaşmak ve iyi bir yumuşak manyetik özelliğe ve yüksek elektriksel dirence sahip iri hacimli (Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4)99.25Cu0.75 camsı çubuk üretmek ve bu çubuğun kristalleşme kinetiğini incelemektir.İri hacimli metalik cam oluşumu ark eritme ve emme döküm ile başarılmış, taramalı elektron mikroskobu, x ışınları kırınımı ve termal analiz teknikleri ile camsı yapının varlığı kanıtlanmıştır. Bu karakterizasyonlardan sonra, alaşımın kristalleşme kinetiği eş zamanlı ve eş ısılı diferansiyel taramalı kalorimetre analizleri ile incelenmiştir.Bu eş zamanlı termal analizlerden, Kissinger ve Ozawa gibi farklı analitik metotlar kullanılarak camsı geçiş ve kristalleşme aktivasyon enerjileri belirlenmiştir. Kritik soğuma hızı Barandiaran-Colmenero ve Liu et al. denilen iki yaklaşımla hesaplanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Trg, ΔTx, and γ gibi çok sayıda cam oluşturma kabiliyeti parametresi hesaplanmıştır. Bu parametrelerin büyük bir kısmı alaşımın iyi bir hacimli cam oluşturduğunu göstermiştir.Alaşımın eş ısılı kristalleşme kinetiği ilk kristalleşme sıcaklığının üstünde seçilen sıcaklıklarda çalışılmıştır. 585 ºC de 5 dakika bekletme dışında yapılan tüm eş ısılı termal analizlerde kristalleşme piki gözlemlenmemiştir. Taramalı elektron mikroskobu özelliği olmayan bir matriks gösterse de, x ışınları kırınımında α-(FeCo) kristalleri fark edilip Scherrer formülü ile kristallerin boyutları hesaplanmıştır.Alaşımın ilk döküldüğü hâli ve ısıtılmış hâlinin manyetik ve mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Alınan sonuçlara göre, ısıtılmış alaşımlar α-(FeCo) nanokristal yapılarından dolayı ilk döküldüğü hâlindeki alaşımlardan daha yüksek doyum manyetizasyonuna, daha düşük koersif kuvvete ve daha yüksek mikro sertlik değerlerine sahiptir. The aim of the study is to reach non-equilibrium cooling conditions and produce bulk glassy (Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4)99.25Cu0.75 rod which has a good soft magnetic property and high electrical resistivity and to investigate its crystallization kinetics.The bulk metallic glass formation was achieved by arc melting and suction casting and it was confirmed by scanning electron microscopy (SEM), x-ray diffraction (XRD) and thermal analysis techniques. After characterizations, by isochronal and isothermal differential scanning calorimeter (DSC) analyses, crystallization kinetics of the alloy was investigated.From isochronal DSC analyses, activation energies for glass transition and crystallization events were determined by using different analytical methods such as Kissinger and Ozawa. The critical cooling rate was calculated from two approaches called Barandiaran and Colmenero and Liu et al. and results were compared. Numerous glass forming ability parameters such as Trg, ΔTx, and γ were estimated for the samples. High majority of parameters showed that the alloy is a good bulk glass former.The isothermal crystallization kinetics of the alloy was studied at temperatures chosen in above the first crystallization temperature. There were no crystallization signals detected in the isothermal DSC scans except for 585 ºC at 5 min holding. Although SEM showed featureless matrix, α-(FeCo) crystallites were distinguished in the XRD pattern and size of these crystallites was estimated by Scherrer equation.The magnetic and mechanical properties of the as cast and annealed alloys were compared. According to the obtained results, annealed alloys have higher saturation magnetization, lower coercive force and higher microhardness values than as cast alloys due to the presence of α-(FeCo) nanocrystalline structures within amorphous matrix. 158

Kristal yapıya sahip geleneksel çelikler endüstride yaygın olarak kullanılmasına rağmen, iri hacimli camsı çelikler (İHCÇ), sahip oldukları özellikler sayesinde, kritik değere sahip parçalarda geleneksel çeliklerin yerini alma potansiyeline sahip malzemelerdir. Bu sıra dışı özellikler, yüksek mukavemet ve sertlik, daha iyi aşınma ve korozyon direncidir. Bunlara ek olarak, Zr ve Pd esaslı iri hacimli camsı metallerle karşılaştırıldığında da, bu malzemelere karşı bir çok avantaj sergilemiştir: düşük maliyet, yüksek mukavemet, yüksek korozyon direnci ve daha yüksek ısı istikrarı. Ancak, diğer camsı metal türlerinde de olduğu gibi, yüksek saflıkta element ve ileri üretim yöntemlerinin kullanılması, İHCÇlerin ticari alanda kullanılmasına engel oluşturmaktadırlar. Aynı zamanda, bu ileri malzemelerin geleneksel yöntemler ile üretilebilmeleri için cam oluşturma eğilimlerinin (COE) de geliştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, İHCÇ tasarımı ve üretimi ana malzeme olarak hurda dökme demir ve geleneksel santrifüj döküm yöntemi kullanılarak başarıyla üretilmiştir. İHCÇ üretimi ilk kez hurda malzeme kullanımı ile başarıya ulaşmıştır. Üretilen baz alaşımın çok geniş aşırı soğumuş eriyik bölgesi bulunmasına rağmen, görece düşük cama geçiş sıcaklığına sahip olması, termal olarak kararlılığının geliştirmesi gerekliliğini göstermektedir. Baz alaşımda gözlenen karbit fazlarının kararsız hale getirilmesi ve termal kararlılığının arttırılması amacıyla değişik alaşım element ilaveleri yapılmıştır. Bu element ilavelerinin sonuçlarına göre, aralarında en iyisinin Mn olduğu gözlemlenmiştir.Çalışmanın ikinci kısmında ise, alaşımlarda bulunan Mn miktarı mikroalaşımlama yöntemi kullanılarak optimize edilmeye çalışılmıştır. Numunelerdeki Mn miktarı 7%at. seviyesine çıkarıldığında COE de bu limite kadar artış gözlemlenmiş, fakat, bu seviyeden sonra tekrar düşüş gözlemlenmiştir. 7% at Mn içeren numunelerde yüksek cama geçiş sıcaklığı, görece dar aşırı soğumuş eriyik bölgesi, gelişmiş COE ile çekirdeklenmenin engellenmesi için düşük kritik soğuma hızı, aşırı sertlik ve çok yüksek korozyon direnci gözlemlenmiştir. Although conventional steels with crystalline structures have been extensively utilized by industries, bulk amorphous steels (BASs) show great potential to supersede these crystalline steels for some critical structural and functional applications because of their unusual combinations of engineering properties: these include higher strength and hardness, better wear and corrosion resistance. Moreover, compared with most other bulk amorphous alloy systems such as Zr- and Pd-based bulk metallic glasses, BASs offer some important advantages: much lower material cost, higher strength, better corrosion resistance, and higher thermal stability (the glass transition temperatures are close to or above 800 K). However, like all metallic glasses, usage of high purity constituent elements and advanced production methods, made commercial usage of BASs difficult due to production cost. Moreover, it is necessary to improve the glass forming abilities (GFA) of Fe-based alloys in order to enhance their ability to form bulk glassy steels under conventional industrial conditions. In this study, BASs design and production was successfully achieved from commercially available scrap cast irons by conventional centrifugal casting machine. For the first time, BAS production was succeeded from scrap precursors. Although the glassy phases of the initially produced base alloy had extremely wide supercooled liquid region (~120K), Tg (816K) needed to be improved for higher thermal stability. To destabilize the carbides formed in base alloy and to enhance the thermal properties of the BAS samples, different alloying additions with same amount of Mo substitutions were applied and Mn was determined as the best among the others. In the second part of the study, the Mn was content tried to be optimized by microalloying technique. As Mn content increased up to 7at.% in composition, improved GFA was obtained from samples; however, after that point samples showed a decrease in GFA. The samples with 7at.% Mn showed high Tg (863K) with relatively low ΔTx (25K), high glass forming ability with necessity of low critical cooling rate to suppress nucleation, extreme hardness near 1200HV and superior corrosion resistance in extreme environments. 135

Bu çalışmanın amacı kristal/camsı nanokompozit Fe-B tozlarının üretilmesi ve yapısal özelliklerinin belirlenmesidir. Çalışmanın teorik kısmında, Fe80B20 ve Fe85B15 metalik camlarının nanoölçekteki yapılarının ayrıntıları Moleküler Dinamik (MD) yöntemi ve çeşitli yapısal analiz araçları kullanılarak incelenmiştir. Çalışmanın deneysel kısmında, kristal/camsı Fe80B20 ve Fe85B15 nanokompozit tozlar yüzey etken madde yardımıyla yüksek enerjili bilye öğütümü yöntemi ile üretilmiştir. Daha sonra bu tozlar X-ışını Kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Titreşimli Örnek Manyetometresi (VSM) kullanılarak incelenmiştir. Denge katılaşması, dengedışı katılaşma ve öğütme sırasındaki katı hal faz dönüşümleri ile ortaya çıkan mikroyapılar arasındaki farklılıklar karşılaştırılmıştır. Yapısal analizler ilk başta gözlemlenen Fe2B and Fe3B intermetalik fazların daha 1 saatlik öğütmenin ardından yokolma eğiliminde olduğunu ve öğütme işleminin sonunda α-Fe nanoparçacıklarının kararlı hale gelmesine ve muhtemelen camsı faz oluşumuna yol açtığını ortaya çıkarmıştır. Ortaya çıkan bu yapı Fe80B20 and Fe85B15 nanoalaşımlarının manyetik davranışını etkilemektedir. The purpose of this study was production and structural characterization of Fe-B crystalline /amorphous nanocomposite powders. In the theoretical part of the study, detailed nanoscale structures of Fe80B20 and Fe85B15 metallic glasses were investigated using Molecular Dynamics (MD) method as well as several structural analysis tools.In the experimental part of the study, Fe80B20 and Fe85B15 crystalline /amorphous nanocomposite powders have been synthesized by using surfactant-assisted high-energy ball milling. Then these powders have been examined using X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Comparisons have been made for the differences between evolved microstructures via equilibrium solidification, non-equilibrium solidification and solid-state phase transformations during milling operations. Structural analysis revealed that initially observed Fe2B and Fe3B intermetallic phases tend to disappear even at 1-hour milling time and eventually lead to the stabilization of α-Fe nanoparticles and possible formation of amorphous phase by increasing milling time. This resultant structure governs the magnetic behavior of the Fe80B20 and Fe85B15 nanoalloys. 141

Fe-Al esaslı metallerarası bileşikler sahip oldukları mükemmel oksitlenme ve korozyon dirençleri, orta sıcaklık mukavemetleri, düşük yoğunlukları, düşük maliyetleri ve nispeten yüksek erime noktalarından dolayı yüksek sıcaklıktaki yapısal uygulamalar için aday malzemeler olarak düşünülmektedir. Bu tip malzemelerin üstün fiziksel ve mekanik özellikleri çoğunlukla sahip oldukları uzun mesafe düzenine sahip süper-kafeslerine, stokiyometriden sapmalarına ve üçüncül alaşım elementi ilavesine bağlıdır. Ancak oda sıcaklığında sahip oldukları düşük süneklik üretilebilirliklerini ve olası uygulama alanlarını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Bu sebeple ileri alaşışm tasarımına ve geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada iki temel amaç hedeflenmiştir: (i) üçüncül alaşım elementi ilavesinin Fe50Al50-nXn metallerarası bileşiklerinin B2↔A2 düzen-düzensizlik faz dönüşüm sıcaklığı ve birim kafes pozisyonları gibi düzenlenme karakteristiklerine etkisinin incelenmesi ve tek fazlı yapıya sahip Fe50Al50-nXn metallerarası bileşikleri için önerilen teorik tahminlerin doğruluğunun ispatlanması, (ii) Fe50Al50-nXn metallerarası bileşiklerinin oda sıcaklığındaki mekanik özellikleri ve yüksek sıcaklık oksitlenme davranışlarının alaşım elementi ilavesi ve/veya uygun ısıl işlem yöntemleri ile geliştirilmesi.Üçüncül alaşım elementi ilavesinin B2 tip düzenli yapıya sahip FeAl metallerarası bileşiklerinin yapısal özelliklerine, mikroyapısına, oda sıcaklığındaki mekanik özelliklerine ve oksitlenme davranışına etkisi hem dökülmüş haldeki hem de ısıl işlem görmüş numunelerde incelenmiş, üçüncül alaşım elementinin cinsi ve mikatrının uygun tavlama koşulları ile birlikte incelenen özelliklere önemli etkisinin olduğu saptanmıştır. Ayrıca üçüncül alaşım elementinin cinsinin düzen-düzensizlik faz dönüşüm sıcaklığı ve birim kafes pozisyonları gibi düzenlenme karakteristiklerine önemli etkisinin olduğu gözlenmiş, elde edilen sonucların var olan teorik verilerle mükemmel uymluluk gösterdiği saptanmıştır. Düzen-düzensizlik faz dönüşümlerini daha iyi analiz etmek için deneysel olarak ölçülen dönüşüm sıcaklıkları teorik tahminler ile kıyaslanmış ve mükemmel uyumluluk gösterdiği saptanmıştır. Bu bağlamda, relatif kısmi düzenlenme enerjisi parametresi, β, literatürde ilk defa tanımlanmıştır. Bu parametre hem alaşım elementlerinin birim kafeste hangi pozisyona yerleşeceklerini hem de düzen-düzensizlik faz dönüşüm sıcaklığındaki değişiklikleri hesaba katmaktadır. Bu parametrenin işareti alaşım elemetinin Fe ya da Al alt-kafeslerinden hangisine yerleşeceğini, büyüklüğü ise Al-X ve Fe-X çiftlerinin relatif bağ kuvvetlerini Fe-Al çiftinin bağ kuvvetti ile kıyaslayarak düzen-düzensizlik faz dönüşüm sıcaklığı hakkında önemli bilgi vermektedir. Bu parametre temelinde yapılan hesaplamalar teorik tahminler ile iyi bir uyum göstermektedir. Alaşımların mekenik karakterizasyonu oda sıcaklığındaki mekanik özelliklerin düzenlenme ve yapı içerisinde bulunan fazların sayısı, miktarı, büyüklüğü, morfolojisi ve dağılımı gibi mikroyapısal parametreler ve alaşımların katılaşma davranışına çok fazla bağlı olduğunu göstermiştir. Bu mikroyapısal parametreler üçüncül alaşım elementi ve yapıdaki Al miktarı ile kontrol edilmektedir. Yapıdaki Al miktarı düzenlenmeyi kontrol ederken, üçüncül alaşım elementinin çeşidi ve miktarı ise var olan fazların miktarlarını alaşım elementinin FeAl metallerarası bileşiğindeki çözünürlüğüne bağlı olarak kontrol etmektedir. Çevrimsel oksitlenme testleri ve test sonrası oluşan oksit tabakasının yapısal karakterizasyonu koruyucu, sürekli ve kararlı α-Al2O3 tabakasının uygun türde ve miktarda üçüncül alaşım elementi seçilerek kolaylıkla oluşabileceğini göstermiştir. α-Al2O3 oksit tabakasının ilk birkaç çevrimde oluşması düzenli, kararlı ve sürekli tabakanın herhangi bir boşluk ya da çatlak oluşmadan hızlıca büyüdüğünü göstermektedir. Fe-Al based intermetallic compounds are considered as suitable candidates for structural applications at high temperatures due to their outstanding oxidation and corrosion resistance, good intermediate temperature strength, low density, low cost and relatively high melting point. These outstanding physical and mechanical properties are mainly attributed to their long-range ordered superlattices, deviation from stochiometry and ternary alloying additions. However, poor ductility at ambient temperatures significantly restricts the fabricability and potential applications. Thus, further alloy design and development is needed in order to improve insufficient properties.This study focuses on two main topics: (i) investigation of the effect of ternary alloying additions on ordering characteristics especially B2↔A2 order-disorder transformation temperature and site occupancy characteristics of Fe50Al50-nXn intermetallics and confirmation of the validity of theoretical predictions proposed for single phase Fe50Al50-nXn intermetallics, (ii) improvement of room temperature mechanical properties and high temperature oxidation behavior of Fe50Al50-nXn intermetallics via alloying additions and/or proper heat-treatment.The effect of ternary alloying element additions on the ordering characteristics, room temperature mechanical properties and oxidation behavior of B2-type ordered FeAl intermetallic compounds were studied for as-cast and heat-treated states. It is shown that type and content of ternary alloying element together with heat-treatment have strong influences on these properties. It is also shown that type of ternary alloying element has also important effect on ordering characteristics such as order-disorder transition temperature and site occupancy behavior.In order to have better analyzing of order-disorder transition, experimentally measured transition temperatures were compared with theoretical predictions where excellent agreement was obtained. In this manner, the relative partial ordering energy parameter (RPOE), β, has been defined for the first time. The RPOE parameter takes into account both site occupancy behavior of alloying elements and variation of order-disorder transition temperature. The sign of this parameter implies the distribution of alloying elements over Fe or Al sublattices, while its magnitude provides useful information about order-disorder transition temperatures featuring the bond strengths of Al-X or Fe-X pairs relative to Fe-Al pair. Current predictions based on the RPOE parameter are consistent with the theoretical predictions. Mechanical characterization of the alloys reveals that room temperature mechanical properties strongly depend on ordering and microstructural features such as volume fraction, size, morphology and distribution of existent phases and solidification route, i.e, eutectic or liquidus + solidus. These microstructural parameters can be controlled by controlling the Al content and content of ternary alloying element. Al content dominates the order, whereas content of ternary alloying element dominates the volume fraction of present phases with regard to solid solubility of alloying element in FeAl intermetallic.The cyclic oxidation tests and structural characterization of oxide scale after oxidation demonstrated that protective, continuous and stable α-Al2O3 scale can easily be formed by proper selection of the type and content of alloying elements. Analyzing the results, formation of α-Al2O3 scale takes place in the first few cycles of oxidation indicating the fast growing of even, continuous and uniform scale without formation of any voids or cracks. 201

Bakır bazlı iri ve hacimli metalik camlar; kendilerine özgü mekanik özellikleri, yüksek camoluşturma kabiliyetleri ve düşük maliyetleri nedeniyle gelecek vaadeden gelişmişmalzemelerden biridir. Bu tezde amaç, Cu-Hf bazlı iri ve hacimli metalik camlarısentezlemek ve bu alaşımların kristallenme davranışını araştırmaktır. Ayrıca; aktivasyonenerjileri, kritik soğutma hızı, nanokristallenme ve Avrami üslerinin incelenmesi vasıtasıyla kristallenme kinetiği çalışılmıştır.Cu70Hf30 ve Cu50Hf50 ikili alaşımları emme döküm ünitesi olan ark eritme sistemiyleüretilmiştir. Buna rağmen, amorf yapı elde edilememiştir. Bunun nedeni; yüksek entropidendolayı oluşan düşük serbest enerji gerekliliğidir. Bu yüzden dolayı, eriyiği stabilize edip cam oluşturma kabiliyetini arttırmak amacıyla Cu-Hf sistemine Aluminyum eklenmiştir. Böylece, amorf numuneler üretilebilmiştir. Bu numuneler üzerine yapılan termal analiz çalışmaları, Trg ve ?Tx gibi cam oluşturma kabiliyeti parametrelerinin literatürde bildirilen sonuçlarla iyi bir uyum içerisinde olduğunu göstermiştir.Cu49Hf42Al9 üçlü alaşımının, dengeye yakın soğutma koşulları altında 910 °C de ötektikkatılaştığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte denge dışı soğutma koşulları altında bu ötektik reaksiyonun bastırılmasının amorf bir faz oluşumuna yol açtığı gösterilmiştir. Ötektik reaksiyon bastırılması için gerekli olan kritik soğutma hızı eş zaman kristallenme kinetiği ile 1.25 K/s olarak belirlenmiştir. Amorf numunelerin kristallenme sıcaklığı etrafındaki sıcaklıklarda tavlanmaları, ortalama 20 nm boyutunda tek aşamada kristallenen CuHf2 fazının oluşmasını sağlamıştır. Ortalama Avrami üs değeri 2,3 olan bu kristallenme prosesi, çekirdeklenme hızı azalan difüzyon kontröllü üç boyutlu büyüme ile gerçekleşmiştir Copper based bulk metallic glasses (BMG?s) are one of the promising advanced materialsdue to their unique mechanical properties, high glass forming ability (GFA) and low cost. In this thesis, the aim is to synthesize Cu-Hf based BMG?s and to investigate the crystallization behavior. Moreover, the crystallization kinetics by means of activation energies, critical cooling rate, nanocrystallization and Avrami exponents have been studied. Cu70Hf30 and Cu50Hf50 binary alloys were produced via arc melting with suction casting unit. However, amorphous structure could not be achieved because of the necessity of lower free energy arose from higher entropy. Therefore, aluminum was added to Cu-Hf system to stabilize the melt and to increase GFA which allowed producing amorphous samples.Thermal analysis studies showed that GFA parameters such as Trg, ?Tx are in good agreement with the results reported in the literature.It was observed that Cu49Hf42Al9 ternary alloy solidifies through eutectic reaction at 910 ºC under near equilibrium conditions. However, it was shown that suppression of this eutectic reaction under non-equilibrium cooling conditions lead to the formation of an amorphous phase. The critical cooling rate required for the suppression of the eutectic reaction was determined as 1.25 K/s by isochronal crystallization kinetics. Annealing of these amorphous samples at temperatures around Tx lead to single stage crystallization of CuHf2 nanocrystals with an average size of about 20 nm. The average Avrami exponent value was estimated to be 2.3 implying the crystallization process was governed by diffusion controlled three dimensional growth with decreasing nucleation rate. 73

Katı halde gerçekleşen faz dönüşümleri ve bu dönüşümlerin kinetiği, metalik malzemelerde mikro-/nano-yapı oluşumu ve dolayısıyla fiziksel ve mekanik özelliklerde belirleyici rol oynaması nedeniyle malzeme bilimi açışından büyük önem arz etmektedir. Dönüşüm kinetiğinin belirlenmesinde, termal analizler, elektron mikroskopisi ve elektriksel direnç, hacim veya kırınım şiddeti ölçümleri gibi birçok deneysel yöntem kullanılabilmektedir. Sıralanan tüm geleneksel yaklaşımların ötesinde, bu tez çalışmasında çok bileşenli alaşım sistemlerinin faz dönüşüm kinetiği, dönüşüm sürecinde malzemenin toplam manyetik momentindeki değişimlerin izlenmesi prensibine dayanan bir manyetik ölçüm yaklaşımı sayesinde belirlenmiştir. Bu çalışmada, nikel alüminitler ve demir-tabanlı iri-hacimli amorf alaşımların mikroyapısı, makro- ve mikro-alaşımlama özellikleri, manyetik özellikleri, ısıl karakteristikleri, mekanik özellikleri ve nano-boyutta faz çökelmesi ve nanokristalleşme gibi katı faz dönüşüm olgularının kinetiği incelenmiştir. Alaşımların mikroyapısı X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskopisi ve geçirimli elektron mikroskopisi teknikleriyle karakterize edilmiş, manyetik özellikleri titreşimli örnek manyetometresi ile belirlenmiş, ısıl karakteristikleri diferansiyel taramalı kalorimetre ile analiz edilmiş, mekanik özellikleri ise mikro-sertlik ölçümleri ve basma testleriyle incelenmiştir. Ni-Al tabanlı alaşımların Fe ile makro-alaşımlanması ve 3d geçiş metalleriyle mikro-alaşımlanmasının mikroyapı ve özelliklere olan etkisi incelenmiş, istenilen mikroyapı ve dolayısıyla malzeme özelliklerinin uygun alaşımlama ve tavlama koşullarının belirlenmesiyle mümkün olduğu saptanmıştır. İncelenen Ni-Al-Fe alaşımlarının ısıl-manyetik karakterizasyonu, uygun tavlama sıcaklığında ferromanyetik özelliğe sahip nano-boyutta ikinci faz çökeldiği göstermiştir. Doyum manyetizasyonunun tavlama sıcaklığına bağımlılığı ile paralel olarak, çökelme sertleşmesi etkisinin de en yüksek olduğu optimum bir tavlama sıcaklığı elde edilmiştir. Nano-boyutta çökelen ferromanyetik ikinci fazın eş-sıcaklık faz dönüşüm kinetiği incelendiğinde, Avrami indeksinin alaşım kompozisyonu ve tavlama sıcaklığı gibi parametrelerden bağımsız olarak yaklaşık 1 olduğu anlaşılmıştır. Dolayısıyla, ikinci faz çökelmesinin, sürekli çökelme kinetiğine işaret eden bir azalan büyüme hızına sahip difüzyon-kontrollü büyüme ile gerçekleştiği belirlenmiştir. Hızlı soğutma ile elde edilen iri-hacimli Fe-tabanlı amorf alaşımın, uygun bir tavlama süreci sayesinde amorf matris içerisinde eşit ve yoğun biçimde dağılmış nanokristal bölgelerden oluşan mikroyapılar oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu nanokristalleşme olgusunun daha net anlaşılabilmesi amacıyla manyetik ölçümler ve diferansiyel taramalı kalorimetre ölçümlerinden faydalanılarak kinetik analizler yapılmıştır. Kinetik analizlerde kullanılan bu iki farklı yöntem ile belirlenen Avrami indeksi ve aktivasyon enerjilerinin büyük oranda örtüşmekte olduğu saptanmıştır. Nanokristalleşmenin lokal kinetiği incelendiğindeyse, nanokristal fazın tavlama esnasında farklı oluşum süreçlerinden geçtiği gözlemlenmiş, bu süreçler dönüşüm kinetiği teorileri ve mikroskobik incelemelerle açıklanmıştır. It is of great importance for a materials scientist both from fundamental and applicability aspects to have better understanding of solid-state phase transformations and its kinetics responsible for micro-/nano-structure development in alloys and corresponding physical and mechanical properties. Transformation kinetics can be analyzed by various experimental techniques such as thermal analysis, laborious electron microscopy combined with extensive image analysis or by measuring changes in electrical resistivity, specimen volume and relative intensities of diffraction lines caused by the phase transformation. Beyond these conventional techniques, this dissertation provides a novel magnetic monitoring approach to study the isothermal kinetics of phase transformations in multicomponent alloy systems involving measurable changes in overall magnetic moment as the transformation proceeds. This dissertation focuses on understanding the microstructural evolution, macro- and micro-alloying behavior, magnetic properties, thermal characteristics, mechanical properties and kinetics of solid-state transformations, i.e. nanoscale precipitation and nanocrystallization, in nickel aluminides and Fe-based bulk amorphous alloys. Microstructural characterization of alloys was done by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microcopy techniques. Magnetic properties were analyzed by vibrating sample magnetometry whereas thermal characteristics were evaluated by differential scanning calorimetry. Mechanical properties of alloys were determined by microhardness measurements and compression tests. The influence of Fe macroalloying and 3d transition metal microalloying on the microstructure and properties of Ni-Al-Fe alloys were studied for as-cast and annealed states and it is shown that desired microstructure and related properties can be obtained by proper selection of the type and concentration of macro- or micro-alloying elements together with an appropriate annealing procedure. Thermomagnetic characterization reveals the nanoscale precipitation of a ferromagnetic second phase with annealing. In conjunction with saturation magnetization dependence on annealing, an optimum temperature is identified where nanoscale precipitates impart the highest extent of precipitation strengthening. The isothermal kinetics of ferromagnetic second phase precipitation reveals invariant Avrami exponents close to unity, indicating that nanoscale precipitation is governed by a diffusion-controlled growth process with decreasing growth rate, which closely resembles continuous precipitation kinetics. Appropriate annealing of the Fe-based bulk amorphous alloy precursor produced by suction casting demonstrated extremely fine microstructures containing uniformly distributed and densely dispersed nanocrystals inside a residual amorphous matrix. In order to have better understanding of nanocrystallization mechanisms, kinetic parameters were determined via isothermal magnetic monitoring and non-isothermal differential scanning calorimetry where excellent agreement was obtained in Avrami exponent and activation energy. Analyzing the local kinetics, the nanocrystalline phase was found to evolve through distinct transformation regimes during annealing which were discussed on the basis of transformation kinetics theory and microscopical investigations on each characteristic transformation regime. 247

İki ana kısımda yürütülmüş olan bu çalışmanın amacı çeşitli Heusler alaşım sistemlerindeki atomik ve manyetik düzenlenmeyi incelemektir. Tezin teorik kısımında, istatistiksel-termodinamik teorinin Bragg-Williams-Gorsky (BWG) metodu ile elektronik teorinin psödopotansiyel yaklaşımı kullanılarak Ni- Mn-C (C=Ga, In, Sb) ve A2BGa (A=Fe, Ni, Co; B=Ni, Mn, Co, Fe) Heusler alaşımlarındaki düzen-düzen (L21?B2) ve düzen-düzensizlik (B2?A2) faz dönüşümleri modellenmiştir. Elektronik teorinin psödopotansiyel yaklaşımına göre ilk iki kordinasyon yarıçapı için hesaplanan kısmi düzenlenme enerjileri, BWG yaklaşımını temel alan teorik süper-örgü oluşum modellerine girdi verisi olarak kullanılmıştır. Buna ilaveten, L21?B2 dönüşüm sıcaklıklarının A, B ve C atomik konumlarındaki elektron konsantrasyonu ile değişimi belirlenmiştir.Tezin deneysel kısmında, Ni-Mn-Ga ve Ni-Mn-Al Heusler alaşım sistemlerinin yapısal ve manyetik özellikleri incelenmiştir. Ni-Mn-Ga Heulser alaşım sisteminde kompozisyon ayarlanarak martenzitik (TM) ve Curie (TC) dönüşüm sıcaklıkları Ni54Mn20Ga26 ve Ni56Mn18Ga26 alaşımları için birleştirilmiştir. Ni-Mn-Al Heusler alaşım sisteminde, düşük sıcaklık yaşlandırma ile L21 fazının miktarı arttırılarak ferromanyetik özellik kazandırılmıştır. Bunlara ek olarak, manyetokalorik etki, Ni'ce zengin Ni-Mn-Ga alaşımları için birinci derece yapısal-manyetik dönüşümcivarında, stokiyometrik Ni2MnAl alaşımı için ise ikinici derece manyetik dönüşüm yakınıda belirlenmiştir. The aim of the study, which was carried out in two main parts, was to investigate the atomic and magnetic ordering in various full Heusler alloy systems. In the theoretical part of the thesis, investigations based on the statiscothermodynamical theory of ordering by means of Bragg-Williams-Gorsky (BWG) method combined with electronic theory in the pseudopotential approximation have been conducted to model order-order (L21?B2) and order-disorder (B2?A2) phase transformations in Ni-Mn-C (C=Ga, In, Sb) and A2BGa (A=Fe, Ni, Co; B=Ni, Mn, Co, Fe) Heusler alloys. The partial ordering energies, calculated according to the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation for the first two coordination spheres were utilized as input data for the theoretical superlattice formation models based on BWG approximation. Furthermore, the trends of L21?B2 transition temperatures with electron concentration at A, B and C atomic sites were determined. In the experimental part of the thesis, structural and magnetic properties of Ni-Mn- Ga and Ni-Mn-Al Heusler alloys were investigated. For the Ni-Mn-Ga Heusleralloy system, it was found that the martensitic (TM) and Curie temperatures (TC) merge for Ni54Mn20Ga26 and Ni56Mn18Ga26 alloys by compositional tuning. For the Ni-Mn-Al Heusler alloy system, it was found that ferromagnetism was introducedinto these alloys by low temperature aging, as a result of the stabilization of the L21 phase. In addition to that, magnetocaloric effect (MCE) was determined in the vicinity of the first order magneto-structural transition for Ni-rich Ni-Mn-Ga alloysand near the second order magnetic transition for the Ni2MnAl alloy. 182

Bu çalışmanın amacı Ti-bazlı alaşım sistemlerinin iri ve hacimli cam oluşturma eğilimini incelemektir. Bu incelemeler teorik ve deneysel olacak şekilde birbirini tamamlayan iki kısımdan oluşmaktadır.Alaşımların psödopotansiyel yaklaşımdaki elektronik teorisine dayanan teorik çalışmalar esnasında Ti-Zr, Ti-Co ve Ti-Cu ikili alaşım sistemleri incelenmiştir. Çok bileşenli Ti-bazlı alaşımların iri ve hacimli cam oluşturma eğilimini inceleyebilmek için her ikili sisteme çeşitli alaşım elementleri eklenmiştir. Çalışılmış olan sistemler arasında, Ti-Cu sisteminin en iyi iri ve hacimli cam oluşturma eğilimini sergilediği gözlemlenmiş ve bu sistemin cam oluşturma eğilimini arttırabilmek için Mn, Al ve Ni elementlerinin kullanılabileceği gösterilmiştir.Ti-Cu ikili ve Ti-Cu-(Mn, Al, Ni) çoklu alaşımların iri ve hacimli cam oluşturma eğilimi, ark ile ergitme ve savurmalı döküm yöntemleriyle deneysel olarak incelenmiştir. Bu alaşımların karakterizasyonu ise taramalı elektron mikroskopisi, X-ışınları kırınımı ve termal analiz yöntemleriyle gerçekleştirilmiştir. Ti60Cu35Mn5, Ti60Cu35Al5 ve Ti60Cu35Ni5 alaşımları üçlü alaşımlara örnek olarak üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Bu üç sistemin arasında Ti60Cu35Mn5 alaşımının daha iyi iri ve hacimli cam oluşturma eğilimi gösterdiği belirlenmiştir. Bu sebeple bu üçlü sistem ana kompozisyon olarak seçilmiş ve Ti59Cu35Mn5Al1, Ti59Cu35Mn5Ni1 ve Ti58Cu35Mn5Al1Ni1 çoklu alaşımları üretilmiş ve incelenmiştir. The aim of this study is to investigate the bulk glass forming ability (BGFA) of Ti-based alloy systems. These investigations were carried out in two main parts that are complementary to each other: theoretical and experimental.For theoretical studies, which are based on electronic theory of alloys in pseudopotential approximation, Ti-Zr, Ti-Co and Ti-Cu alloys were chosen as the binary systems. Alloying element additions were performed to each binary for the investigation of the BGFA of multicomponent Ti-based alloys. Among the three studied binary systems, Ti-Cu was found to exhibit better BGFA, and Mn, Al and Ni elements were found to be suitable for improving the BGFA of Ti-Cu binary alloy system.BGFA of Ti-Cu binary and Ti-Cu-(Mn, Al, Ni) multicomponent alloys were investigated with the experimental studies that were carried out with performing arc melting and centrifugal casting operations. The characterizations of these alloys were done with scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis and differential scanning calorimetry. Ti60Cu35Mn5, Ti60Cu35Al5 and Ti60Cu35Ni5 alloys were produced and characterized as examples for ternary systems. Among them, Ti60Cu35Mn5 system was found to have better indications regarding to BGFA. Therefore, it was chosen as the main composition and multicomponent alloys of Ti59Cu35Mn5Al1, Ti59Cu35Mn5Ni1 and Ti58Cu35Mn5Al1Ni1 were synthesized and characterized. 169

Bu çalışma, bilgisayar destekli simülasyon çalışmaları ile incelenen uzaysal atomik düzenlenmeleri ve yüksek cam oluşturma yeteneği (COY) sahibi iri hacimli metalik camlar üzerine yapılan deneyleri bir araya getirerek, Fe-B tabanlı metalik camlarda COY ve topoloji arasında bir bağlantı kurmayı amaçlamaktadır. Teorik bir altyapı oluşturmak için, metalik camlarda karşılaşılan nano-düzeyde faz ayrışması, Fe80B20 ve Fe83B17 amorf alaşımlarında, Monte Carlo benzetimi ve tersine Monte Carlo yöntemi ile incelenmiştir. Bahsedilen olgu üç topolojik gözlem ile açıklanmıştır: 1) ~0.9 nm boyutlarına varabilen saf Fe kümelerin ve ~0.72 nm kalınlığında Fe kontürlerin, 2) Ağırlıklı olarak Fe içeren oldukça deforme olmuş hacim merkezli kübik yapıda bölgelerin, 3) Az ve çok koordinasyonlu olarak ayrışmış, politetrahedral düzen sahibi B-merkezli prizmatik birim bölgelerinin varlığı bulunmuştur. Bütün yapısal bulgular değerlendirilerek İki-Boyutlu İzdüşüm Modeli olarak adlandırılan, kısa ve orta mesafeli düzenlenmeleri (OMD) ve ilgili mesafe ilişkilerini öngören yeni bir model geliştirilmiştir. Model geometriksel bağlamda altın oran sabitine yaklaşan oranlar ihtiva etmektedir. Fe-Co-Nb-B-Si tabanlı iri hacimli metalik cam ve nanokristal alaşımların konvansiyonel yöntemlerle başarıyla üretilmesinin ardından, alaşım elementlerinin yapısal birimlere ve kristalizsyon modlarına olası etkileri mevcut model ve radyal dağılımlar vasıtasıyla tartışılmıştır. Co atomları Fe atomları ile benzer davranırken, Nb ve Si atomları trigonal prizmatik birimleri deforme ederek, OMD'nin başlangıç bölgesinde lokal bir sıkıştırma etkisi göstermektedirler. Cu atomları kristal eşlenikleri andıran OMD tipini ve ilişkili nanokristal çökeltileri değiştirmektedir. OMD sıkışmaları ile COY'da yaşanan artış, ? olarak adlandırılan yeni bir parametre ile nitelendirilebilmektedir. This study is pertinent to setting a connection between glass forming ability (GFA) and topology of Fe-B based metallic glasses by combining intimate investigations on spatial atomic arrangements conducted via solid computer simulations with experimentations on high GFA bulk metallic glasses. In order to construct a theoretical framework, the nano-scale phase separation encountered in metallic glasses is investigated for amorphous Fe80B20 and Fe83B17 alloys via Monte Carlo equilibration and reverse Monte Carlo simulation. The phenomenon is identified regarding three topological aspects: 1) Pure Fe-clusters as large as ~0.9 nm and Fe-contours with ~0.72 nm thickness, 2) Fe-rich highly deformed body centered cubic regions, 3) B-centered prismatic units with polytetrahedral order forming distinct regions of high and low coordinations are found. All topological aspects are compiled into a new model called Two-Dimensional Projection Model for predicting contributions to short and medium range order (MRO) and corresponding spacing relations. The outcome geometrically involves proportions approximating golden ratio. After successfully producing soft magnetic Fe-Co-Nb-B-Si based bulk metallic glass and bulk nanocrystalline alloys with a totally conventional route, influences of alloying elements on structural units and crystallization modes are identified by the developed model and radial distributions. While Co atoms substitute for Fe atoms, Nb and Si atoms deform trigonal prismatic units to provide local compactions at the outset of MRO. Cu atoms alter the type of MRO which resembles crystalline counterparts and accompanying nanocrystals that precipitate. The GFA can be described by a new parameter quantifying the MRO compaction, cited as ?. 187

Bu çalışmanın amacı, iri hacimli Fe60Co8Mo5Zr10W2B15 alaşımının katılaşmadavranışı ve kristalleşme kinetiğinin incelenmesidir. Katılaşma davranışı, dengeyeyakın ve denge olmayan soğutma koşullarında çalışılmıştır. Alaşımın katılaşmasürecinde ötektik ve peritektik reaksiyonların olduğu tespit edilmiştir. İri hacimlimetalik cam oluşumu iki yöntemle elde edilmiştir: alaşıma sıvı halden su verme veyarı katı halden su verme. Taramalı elektron mikroskobu, x ışınları kırınımı vetermal analiz teknikleri, çalışma boyunca üretilen numunelerin tanımlanmasındakullanılmıştır. Hammadde türü seçiminin ve alaşım hazırlama metodunun amorffazın görüldüğü kritik kalınlığı etkilediği ortaya çıkmıştır.Alaşımın, Barandiaran-Colmenero metodu uygulanarak 5.35 K/s olarak tayin edilenkritik soğuma hızının bilinen en iyi cam oluşturma yeteneğine sahip alaşımınkiylekıyaslanabilir olduğu görülmüştür.Alaşımın izotermal kristalleşme kinetiği; fazla soğutulmuş sıvı bölgesinde vekristalleşme sıcaklığının üstünde seçilen sıcaklıklarda çalışılmıştır. Cam dönüşümüve kristalleşme aktivasyon enerjileri, Kissinger, Ozawa metotları gibi farklı analitikmetotlar kullanılarak belirlenmiştir.Alaşımın manyetik özellikleri, tavlanmış, amorf ve ilk döküldüğü haliyle titreşimlinumune magnetometresi kullanarak tanımlanmıştır. Alaşımın bütün hallerde softmanyetik özelliklere sahip olduğu ancak tavlanan numunenin diğerlerine göre dahaaz manyetik enerji kaybının olduğu tespit edilmiştir.Anahtar Kelimeler: İri Hacimli Metalik Camlar, Termal Analiz, Fazla SoğutulmuşSıvı Bölgesi, Aktivasyon enerjisi, Kritik Soğuma Hızı. The aim of the study was to investigate the crystallization kinetics and solidificationbehaviour of Fe60Co8Mo5Zr10W2B15 bulk glass forming alloy. The solidificationbehaviour in near-equilibrium and non-equilibrium cooling conditions was studied.The eutectic and peritectic reactions were found to exist in the solidificationsequence of the alloy. The bulk metallic glass formation was achieved by using twomethods: quenching from the liquid state and quenching from the semi-state.Scanning electron microscopy, x-ray diffraction and thermal analysis techniqueswere utilized in the characterization of the samples produced throughout the study.The choice of the starting material and the alloy preparation method was found to beeffective in the amorphous phase formation.The critical cooling rate was calculated as 5.35 K/s by using the so-calledBarandiaran and Colmenero method which was found to be comparable to the bestglass former known to date.The isothermal crystallization kinetics of the alloy was studied at temperatureschosen in the supercooled liquid region and above the first crystallizationtemperature. The activation energies for glass transition and crystallization eventswere determined by using different analytical methods such as Kissinger and Ozawamethods.The magnetic properties of the alloy in the annealed, amorphous and as-cast stateswere characterized by using a vibrating sample magnetometer. The alloy was foundto have soft magnetic properties in all states, however the annealed specimen wasfound to have less magnetic energy loss as compared to the others.Keywords: Bulk Glass Forming Alloy, Thermal Analysis, Supercooled LiquidRegion, Activation Energy, Critical Cooling Rate. 140

ÖZ İRİ HACİMLİ METALİK CAMLARDA CAM OLUŞTURMA YETENEĞİNİN TEORİK VE DENEYSEL YÖNTEMLERLE İNCELENMESİ Ayaş, Can Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Amdulla Mekhrabov Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Vedat Akdeniz Ocak 2005, 154 sayfa Bu çalışmada Zn-Mg be Fe-B metalik alaşımlarında bu sistemlerin cam oluşturma yeteneğini incelemek için NVT bileşiminde Velocity Verlet integraii kullanılarak moleküler dinamik simulasyonu programı yazılmıştır. Zn-Mg alaşımı metal-metal olarak üretilmiş ilk amorf alaşımlardan biri olduğu için çalışmaya dahil edilirken, Fe-B sistemi ise değişik alaşım elementleri eklenmesiyle birçok iri ve hacimli metalik cam alaşımı oluşturması nedeniyle incelenmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca atomistik yaklaşım kullanılarak atomsal düzenlenme Zn-Mg ve Fe-B sistemleri için incelenmiştir. Atomlar arası düzenlenme enerjileri alaşımların elektronik teorisinin pseudopotansiyel yaklaşımında kullanılmasıyla hesaplanmıştır. Belirtilen sistemlerde atomlar arası düzenlenme enerjisini en çok arttıran elementler, iri hacimli amorf alaşımlar tasarlamak için aday elementler olarak tayin edilmiştir. vıÇalışmanın deneysel kısmında atomistik hesaplamalarının geçerliliğini saptama amacıyla santrifüjlü döküm deneyleri yapılmıştır. Alaşım hazırlama safhasında endüstriyel ferrobor ve saf elementler kullanılarak seçilen kompozisyonlar oluşturulmuştur. Fee2B2iMo5W2Zr6 alaşımı konvansiyonel benzereri döküm yöntemiyle iri ve hacimli olarak amorf yapıda başarıyla üretilmiştir. Üretilen alaşımlar, taramalı elektron mikroskobu, x-ışınları kırınımı ve thermal analiz yöntemleriyle karakterize edilmiş ve amorf faz oluşumu tespit edilmiştir. Ayrıca alaşımların daha yavaş soğuma hızlarında oluşturdukları! kristal yapılarda incelenmiştir. Ardışık peritektik ve ötektik reaksiyonların iri ve hacimli cam oluşturma kabiliyeti açısından önemli olduğu saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: Fe bazlı alaşımlar, Zn bazlı alaşımlar, Metalik Cam, Cam Oluşturma Yeteneği, Moleküler Dinamik, Atomlar arası düzenlenme, Satrifüjlü Döküm. vıı ABSTRACT THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF BULK GLASS FORMING ABILITY IN BULK AMORPHOUS ALLOY SYSTEMS Ayas, Can M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Prof. Dr. Amdulla Mekhrabov Co-Supervisor: Prof. Dr. Vedat Akdeniz January 2005, 154 pages In this study molecular dynamics simulation program in NVT ensemble using Velocity Verlet integration was written in order to investigate the glass forming ability of two metallic systems. The Zn-Mg system, one of the frontiers of simple metal-metal metallic glasses and Fe-B, inquiring attention due to presence of many bulk glass forming alloy systems evolved from this binary with different alloying element additions. In addition to this, atomistic calculations on the basis of ordering were carried out for both Zn-Mg and Fe-B systems. Ordering energy values are calculated using electronic theory of alloys in pseudopotential approximation and elements which increase the ordering energy between atoms were determined. The elements which increase the ordering energy most were selected as candidate elements in order to design bulk amorphous alloy systems. IVIn the experimental branch of the study centrifugal casting experiments were done in order to see the validity of atomistic calculations. Industrial low grade ferroboron was used as the master alloy and pure element additions were performed in order to constitute selected compositions. Fe6iB2iMo5W2Zr6 alloy was successfully vitrified in bulk form using nearly conventional centrifugal casting processing. Specimens produced were characterized using SEM, XRD, and DSC in order to detect the amorphous structure and also the crystalline counterpart of the structure when the cooling rate is lower. Sequential peritectic and eutectic reaction pattern was found to be important for metallic glasses which can be vitrified in bulk forms with nearly conventional solidification methods. Keywords: Fe based alloys, Zn based alloys, Glass Forming Ability, Metallic Glasses, Molecular Dynamics, Ordering, Centrifugal Casting 175

oz DEMIR-BORON BAZLI IRI VE HACİMLİ METALİK CAMLARIN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU Gürbüz, Selen Nimet Y. Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Vedat Akdeniz Ortak Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Amdulla Mekhrabov Haziran 2004, 207 sayfa İki ana kısımdan oluşan bu çalışmanın amacı Fe-bazlı sistemlerin cam oluşturabilme eğilimlerini incelemektir, ilk kısım, atomistik ve termodinamik yaklaşımlar çerçevesinde, yüksek cam oluşturma eğilimi gösteren Fe-bazlı alaşım sistemlerinin belirlenmesi için ihtiyaç duyulan teorik modelleme çalışmasını içermektedir. İkinci kısım yapılan teorik modelleme çalışmalarının sonuçlarını değerlendirmek ve desteklemek amacıyla yapılan deneysel araştırmaları kapsamaktadır. Bu amaçla, ilk kısımda, psüdopotansiyel yaklaşımı içerisinde alaşımların elekronik teorisi bazında, belirlenmiş demir bazlı aday sistemlerin, Fe- (B, Zr, Nb, C, W), cam oluşturma eğilimini arttıran üçüncü alaşım elementlerini saptamak için teorik çalışmalar yapılmıştır. vıDeneysel kısımda, teorik çalışma sonuçlan çerçevesinde, teorik modellemesi yapılan ikili sistemlerden bir tanesi ve bu ikili sistemin cam oluşturma eğiliminde artış sağlayan üçüncü alaşım elementleri belirlenmiştir. İlk olarak, belirlenen kompozisyonlar düşük saflığa sahip konvansiyonel Fe-B alaşımı ile hazırlanmış, bu kompozisyonlar savurmalı döküm yöntemi ve bakır kalıp kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen sonuçların karşılaştırılması için aynı kompozisyonlar saf elementlerden hazırlanarak, aynı döküm tekniği ve kalıp kullanılarak üretilmiştir. Döküm numunelerinin incelenmesinde DSC, XRD, SEM, EDS ve mikroyapı inceleme teknikleri kullanılmıştır. Fe-B-Nb ve Fe-B-W üçlü alaşım sistemlerinde, bakır kalıba balta ağzı biçiminde dökülen alaşımların ince kısımlarında camsı faz elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Demir bazlı alaşımlar, İri ve hacimli metalik camlar, Cam oluşturma eğilimi, Konvansiyonel Fe-B alaşımı, Savurmalı döküm yöntemi vıı ABSTRACT SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF BULK GLASS-FORMING IRON-BORON BASED ALLOY SYSTEMS Gürbüz, Selen Nimet M.Sc. Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Prof.Dr. Vedat Akdeniz Co-Supervisor: Prof.Dr. Amdulla Mekhrabov June 2004, 207 The aim of this study, which was carried out in two main parts, is to investigate the glass forming ability of Fe-based systems. The first part involves the theoretical modeling to cover the requirement of a predictive model to identify the Fe-based alloy families that have high glass forming ability in the frame of atomistic and thermodynamic approach. The second part involves the experimental investigations to prove the results of the conducted theoretical modeling studies. For this purpose, in the first part, theoretical investigations were performed to identify the third alloying elements that will lead to an increase in the glass forming ability on the base of electronic theory of alloys in pseudopotential approximation for selected Fe- based systems, Fe - (B, Zr, Nb, C, W). IVIn the experimental part, in the frame of the theoretical investigation results, one of the theoretically modeled binary system, and the third alloying elements that were predicted to lead an increase in the glass forming ability of the selected binary system, were determined. As a first step, designated compositions were synthesized by using low grade conventional Fe-B alloy as a raw material by using centrifugal casting technique and copper mold casting method. To compare the results, same compositions were also cast from the high purity elements by using the same technique and method. For the characterization of these cast specimens, DSC, XRD, SEM, EDS and metallographic examination techniques were used. Amorphous structure was successfully obtained in the thin sections of the wedge- cast samples for Fe-B-Nb and Fe-B-W ternary systems. Keywords: Fe-based alloys, Bulk metallic glasses, Glass forming ability, Commercial Fe-B alloy, Centrifugal casting method 223

oz MÜHENDİSLİK UYGULAMALARI İÇİN TI-ESASLI IRI VE HACİMLİ/NANOKRİSTAL MALZEMELERİN ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU ABDELAL, Ali Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Vedat AKDENİZ Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Amdullah O. MEKHRABOV Ocak 2004, 145 sayfa Amorf ve iri ve hacimli amorf metal alaşımlar teorik mukavemetleri, yüksek sertlikleri, düşük sönümleme karakteristikleri, mükemmel aşınma özellikleri, yüksek korozyon dirençleri, soğurken düşük çekme özellikleri ve nerdeyese mükemmel dökülmüş halde yüzeyleri ve şekil verme potansiyelleri de dahil olmak üzere, çok geniş bir özellik aralığına sahip ilgi çekici yapısal malzemelerdir. Bu tez çalışmasında, Ti-esaslı iri ve hacimli amorf alaşımların modellenmesi ve üretilmesi amaçlanmıştır.Bu amaç için, iri ve hacimli cam oluşturma kabiliyetinin altında yatan teorinin anlaşılmasında pseudopotansiyel yaklaşımında alaşımların elektronik teorisi bir araç olarak kullanılmıştır. Bu yaklaşımdan çıkan sonuçlar, hem münferit olarak hem de bu konuda çalışan meslektaşlarımız tarafından öne sürülen diğer yaklaşımlarla birlikte değerlendirilmiştir. Çeşitli Ti-esaslı ikili ve üçlü sistmeler için düzenlenme enerjisi, AHM, viskozite, yanlış eşleştirme entropisi ve Rc gibi cam oluşturma parametreleri hesaplanmış, ve her durumdaki değerler karşılaştırılıp değerlendirilmiştir. Teorik hesaplamalardan çıkan sonuçların literatürdeki verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Mo, Hf, Zr, B, Fe, Sn ve Be gibi Ti2Ni ikili sisteminin cam oluşturma kabiliyetini artıracağı tahmin edilen alaşım elementlerinin birçoğu, daha önce literatürdeki çalışmalarda Ti-esaslı iri ve hacimli amorf alaşımların üretilmesi için kullanılmıştır. Tezin ikinci kısmında, teorik sonuçlardan yararlanarak yüksek cam oluşturma kapasitesine sahip yeni Ti-esaslı alaşımlar üretilmeye çalışılmış ve cesaretlendirici sonuçlara varılmıştır. Bu alaşımların üretimi bu konuda nispeten yeni bir teknik olarak görülen savurma döküm tekniği ile yapılmış ve elde edilen örnekler metalografik, X- ray ve termal analiz vasıtasıyla karakterize edilmiştir. Anahtar kelimeler: İri ve hacimli amorf alaşımlar, Ti-esaslı alaşımlar, cam oluşturma kapasitesi, alaşım sistemlerinin atomistik açıdan modellenmesi vı ABSTRACT SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF TI-BASED BULK AMORPHOUS/NANO-CRYSTALLINE ALLOYS FOR ENGINEERING APPLICATIONS ABDELAL, Ali M.Sc. Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Prof. Dr. Vedat AKDENİZ Co-supervisor: Prof. Dr. Amdulla O. MEKHRABOV January 2004, 145 pages Amorphous and bulk amorphous metallic alloys are an intriguing class of structural materials and possess a range of interesting properties, including near theoretical strength, high hardness, extremely low damping characteristics, excellent wear properties, high corrosion resistance, low shrinkage during cooling and almost perfect as-cast surfaces with good potential for forming and shaping. In this study, new Ti-based bulk amorphous alloys are tried to be modeled and synthesized. mFor that purpose, electronic theory of alloys in the pseudo potential approximation was used as a tool for understanding the theory lying beneath the bulk glass forming ability (BGFA). The results from this approach were evaluated both separately and together with the other theories supposed by our colleagues. Glass forming parameters of ordering energy, AHm, viscosity, mismatch entropy, Rc was calculated for various Ti-based binary and ternary and the change in these parameters in both cases was evaluated. The results of the theoretical calculations of glass forming parameters has shown good relation with the literature data that the predicted alloying elements, i.e. Mo, Hf, Zr, B, Fe, Sn, and Be, to increase GFA for Ti2Ni binary system were generally used in the production of Ti-based bulk amorphous alloys. In the second part of this thesis, new Ti-based compositions with high GFA were tried to be synthesized with light of these results and encouraging conclusions were drawn. The production of these alloys were made with centrifugal casting method which is relatively a new technique for producing such alloys and the characterization of these alloys were made with metallographic, X-ray and thermal means. Keywords: Bulk amorphous alloys, Ti-based alloys, glass forming ability, atomistic modeling of alloys systems IV 145

oz NİKEL BAZLI İRİ VE HACİMLİ METALİK CAMLARIN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU Arslan, Hülya Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Amdulla O. MEKHRABOV Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. M. Vedat AKDENİZ Haziran 2004, 173 sayfa Bu çalışmanın amacı yeni, Ni-bazlı iri ve hacimli camsı alaşımların elde edilmesi ve karakterize edilmesidir. Ni-bazlı çok bileşenli alaşım sistemlerinin cam oluştuma yeteneklerini artıran doğru elementlerin saptanması için yarı- deneysel kurallar ve pseudopotansiyel yaklaşım göz önünde bulundurularak teorik çalışmalar yapılmıştır. Bu amaçla, Ni-Nb, Ni-Fe, Ni-B, Ni-Hf ve Ni-Cr alaşım sistemlerinden on değişik kompozisyon pseudo-potansiyel yaklaşımı ile çalışan FORTRAN programlarıyla simule edilmiştir. İkili sistemlere ek olarak, bu sistemlere 1 at% üçüncü bir element ekleyerek üçlü sistemler oluşturulmuş ve aynı yaklaşımla simule edilmiştir. Hesaplanan düzenlenme enerjisi cam oluşturma yeteneğinin bir göstergesi olduğundan, çeşitli üçüncü vıelementlerin amorf faz oluşumuna olan etkisi belirlenebilmiştir. Buna ek olarak, düzenlenme enerjileri cam oluşturma yeteneğinin diğer önemli göstergeleri olan diğer parametrelerin de hesaplanmasına olanak tanımıştır. Çalışmaların ikinci kısmında, teorik çalışmaları da göz önünde bulundurarak, döküm çalışmaları yapılmıştır. Ni-Nb, Ni-Nb-Sn ve Ni-Nb-Al alaşım sistemlerine ait değişik kompozisyonlarda alaşımlar savurmalı döküm makinasında dökülmüştür. Alaşımların erimesi alumina potalarda yapılmış ve bakır kalıplara dökülmüştür. Dökülen alaşımların karaterizasyonları Metallografi, Tramalı Elektron Mikroskobu, X~Işını Kırınımı ve Termal Analiz Cihazı kullanılarak yapılmıştır. Nİ52Nb4iAİ7 alaşımı iri ve hacimli cam olarak, 0.8 mm kalınlığında üretilmiştir. Anahtar kelimeler: îri ve Hacimli Cam Alaşımlar, Nikel Bazlı Alaşım Sistemleri, Cam Oluşturma Yeteneği, Düzenlenme Enerjisi, Karışma Isısı, Kritik Soğuma Hızı, Savurmalı Döküm vıı ABSTRACT SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF NICKEL BASED BULK AMORPHOUS ALLOYS Arslan, Hülya M.Sc, Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Prof. Dr. Amdulla O. MEKHRABOV Co-Supervisor: Prof. Dr. M. Vedat AKDENİZ June 2004, 173 pages The aim of this study is to synthesize and characterize new bulk amorphous alloys in the Ni- based systems. Theoretical studies on the basis of semi- empirical rules and the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation has been provided in order to predict the impurity elements that will lead to an increase in the glass forming ability of Ni-based alloy systems. Glass forming ability of ten different compositions of alloys of Ni-Nb, Ni-Fe, Ni-B, Ni-Hf and Ni-Cr was simulated by using FORTRAN programs based on pseudopotential theory. In addition to the binary alloys, ternary alloys, which were formed by addition of 1 at% of third element to these systems, were also simulated. Since ordering energy is an indicator of glass forming ability, IVtheoretical studies allowed to predict the effect of various third elements on the formation of amorphous phase. Furthermore, ordering energies were also used to calculate other parameters important for glass forming ability. In the second part of the study, on the basis of theoretical results, a series of casting experiments were done. Different compositions of Ni-Nb, Ni-Nb-Sn and Ni- Nb-Al alloys were cast in the centrifugal casting machine. Alloys were melted in alumina crucibles and cast into the copper moulds. Characterizations of cast alloys were done by the use of Metallography, SEM, XRD and DSC. Fully amorphous Nİ52Nb4iAİ7 alloy was synthesized in bulk form with 0.8 mm thickness. Keywords: Bulk Amorphous Alloys, Ni Based Alloy Systems, Glass Forming Ability, Ordering Energy, Heat of Mixing, Critical Cooling Rate, Centrifugal Cu-Mould Casting. 173

Bu çalışmanın amacı, iri ve hacimli demir bazlı metalik cam alaşımların cam oluşturma yeteneklerinin simulasyonunu sağlayacak, teorik bir model oluşturmak, teorik çalışmanın sonuçlan doğrultusunda demir bazlı çok bileşenli amorf alaşımlar üretmek ve kristalleşme ve katılaşma kinetiğinin, üretilen demir bazlı amorf alaşımların iç yapı oluşumu üzerindeki etkisini analiz etmektir. Bu amaçla, öncelikle Fe - (Mo, B, Cr, Nb, C) - X (X = periyodik tablodan seçilmiş çeşitli alaşım elementleri) alaşım sistemlerinin cam oluşturma yeteneği, psedo-potensiyel yaklaşımındaki, alaşımların elektronik teorisi ve düzenli çözeltiler teorisi kullanılarak, yirmi farklı alaşım kompozisyonu için simule edilmiştir. Bunu takiben, teorik çalışmalarınsonuçları göz önüne alınarak, savurmak döküm yöntemiyle, sistematik döküm deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, alaşım elementleri, argon atmosferi altında, alumina potalarda, indiksiyon yöntemiyle eritilmiş ve farklı şekillerdeki balar kalıplar içerisine dökülmüştür. Dökülen numuneler diferansiyel taramalı kalorimetri, X-ışınları kınımı, taramalı elektron mikroskobu ve optik mikroskop kullanılarak karakterize edilmiştir. Ayrıca, amorf faz oluşumunu doğrulamak amacıyla, dökülen numunelerin denge katılaşma ve denge-dışı katılaşma yapılan karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmaların sonuçları ile, teorik çalışmalardan elde edilen sonuçlar ve ilgili literatür arasında uyum gözlenmiştir. Anahtar kelimeler: İri ve Hacimli Cam Alaşımlar, Demir Bazlı Alaşım Sistemleri, Cam Oluşturma Yeteneği, Düzenlenme Enerjisi, Karışma Isısı, Kritik Soğuma Hızı vı The aim of this study is to form a theoretical model for simulation of glass forming ability of Fe - Based bulk amorphous alloys, to synthesize Fe - based multicomponent glassy alloys by using the predictions of the theoretical study, and to analyze the influence of crystallization and solidification kinetics on the microstructural features of this amorphous alloys. For this purpose, first, glass forming ability of Fe - (Mo, B, Cr, Nb, C) - X ( X = various alloying elements, selected from the periodic table) ternary alloy systems were simulated for twenty different alloy compositions by using the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation and regular solution theory. inThen, by using the results of the theoretical study, systematic casting experiments were performed by using centrifugal casting method. The alloying elements were melted with induction under argon atmosphere in alumina crucibles and casted into copper molds of different shapes. Characterization of the cast specimens were performed by using DSC, XRD, SEM, and optical microscopy. Comparison of equilibrium and non- equilibrium sohdification structures of cast specimens were also performed so as to verify the existence of the amorphous phase. Good agreement of the results of experimental work, with the predictions of the theoretical study, and the related literature was obtained. Keywords: Bulk Amorphous Alloys, Ferrous Based Alloy Systems, Glass Forming Ability, Ordering Energy, Heat of Mixing, Critical Cooling Rate for Glass Formation IV 209

Bu çalışmada, ilk olarak, savurmalı döküm yönteminin hacimli metalik cam malzemelerin üretiminde kullanılıp kullanılamayacağı araştırılmıştır. Yöntemin kullanışlılığı Fe-Zr-B ve Fe-C-B bazlı alaşım sistemlerinde bu tip alaşımlar üretilerek kanıtlanmıştır. İkinci sisteme ait alaşımlar ilk kez bu çalışmada üretilmiştir. Üretilen hacimli metalik cam alaşımların maksimum kalınlığı Fe-Zr-B bazlı alaşım sisteminde 1.9 mm'ye, Fe-C-B bazlı alaşım sisteminde ise 0.7 mm'ye kadar ulaşmıştır. Yeterince etkin kontrol edildiği sürece üretim koşullarının bahsi geçen alaşım sistemlerinde gözlenen camlaşma yeteneğini fazlaca etkilemediği bulunmuştur. Özellikle Fe-Zr-B bazlı alaşım sisteminde gözlenen yüksek camlaşma yeteneğinin sebepleri, ana olarak kompozisyon değişkenlerinin etkileri baz alınarak, detaylarıyla incelenmiştir. Bu çalışmalara ek olarak, Fe-Nb-B ve Cu-Si-Mg bazlı alaşım sistemlerinde deneme niteliğinde bir araştırma yapılmış ve bu sistemlerde görece olarak kolay cam oluşturabilecek kompozisyonlar bulunmaya çalışılmıştır. Çalışmada kullanılan alaşım numuneleri genellikle kontrollü atmosfer koşullarında, balta ağzı şeklindeki bakır kalıplara dökülerek hazırlanmıştır. Numunelerin yapısal karakterizasyonu aşağıda belirtilen teknikler kullanılarak yapılmıştır: Diferansiyel taramalı kalorimetri, X-ışınları kırınımı, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak yapılan mikroyapısal inceleme ve geçirimli elekton mikroskopi tekniği. Fe-Zr-B ve Fe-C-B alaşım sistemlerindeki araştırmalar bu sistemlerde camlaşma yeteneğiyle a) cam geçiş sıcaklığının (Tg) erime sıcaklığına (Ti) oram olarak tanımlanan indirgenmiş cam geçiş sıcaklığı (Trg) ve b) katılaşma davranışının doğası arasında güçlü bir ilişkinin var olduğunu ortaya koymuştur. Fe-Zr-B bazlı alaşım sisteminde yürütülen detaylı çalışmalar, bu sistemde yüksek camlaşma yeteneğinin, sadece çok yüksek Trg ve özel bir katılaşma davranışım bir arada sergileyen alaşımlara has olduğunu göstermiştir. Bu özel katılaşma davranışı, a) ötektik ve peritektik benzeri bir dönüşümler serisini ve b) had safhada büyüme sorunları yaşayan intermetalik fazların erken kristallenmesini içermektedir. Bu alaşımların çok yüksek camlaşma yeteneği göstermelerinin olası nedenleri detaylı olarak tartışılmıştır. Fe-Nb-B ve Cu-Si-Mg bazlı alaşım sistemlerinde yürütülen deneme niteliğindeki araştırmalar bu sistemlerin yeni hacimli metalik cam alaşımların üretimi için uygun aday sistemler olabileceğini göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Camlaşma Yeteneği, Hacimli Metalik Cam Alaşımlar, Demir ve Demir-Dışı Bazlı Alaşım Sistemleri, Savurmalı Döküm Yöntemi, Diferansiyel Taramalı Kalorimetri, Ötektik Dönüşüm, Peritektik Dönüşüm In this study, the applicability of the centrifugal casting technique to bulk metallic glass alloy production was confirmed in Fe-Zr-B and Fe-C-B based alloy systems. The latter system was developed originally in this study. The maximum thickness of the bulk metallic glass alloy samples have reached -1.9 mm and ~ 0.7 mm in the Fe-Zr-B and Fe-C-B based alloy systems, respectively. It was found that processing conditions did not affect the glass forming ability significantly in these systems, provided that they were optimized to the highest degree. The reasons of the high glass forming ability exhibited by the Fe-Zr-B based alloy system were investigated in more detail, mainly in terms of the effects of compositional parameters. In addition, Fe-Nb-B and Cu-Si-Mg based alloy systems were studied tentatively to find out readily glass forming compositions. The alloy samples used in the study were generally prepared by casting into wedge shaped copper moulds under controlled atmospheres. Structural characterization of the samples was performed by differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), microstructural examination by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Studies in the Fe-Zr-B and Fe-C-B based alloy systems have shown that there was a strong correlation between glass forming ability and a) reduced glass transition temperature (Trg), which is defined as the ratio of glass transition temperature (Tg) to melting (liquidus) temperature (Ti), and b) the nature of the solidification behavior, in these alloy systems. Detailed studies in the Fe-Zr-B based alloy system have revealed that significantly high glass forming ability was only associated with those alloys which have simultaneously exhibited a rather high Trg and a particular, sequential solidification behavior. This particular solidification behavior has involved: a) A sequence of eutectic and peritectic like reactions and b) Earlier crystallization of intermetallic compound phases having extreme growth problems. The probable reasons why these alloys have shown rather high glass forming ability were discussed in detail. Tentative studies carried out in Fe-Nb-B and Cu-Si-Mg based alloy systems have shown that these systems might be good candidates for synthesizing novel bulk metallic glass alloys. Keywords: Glass Forming Ability, Bulk Metallic Glass Alloys, Ferrous and Non- Ferrous Based Alloy Systems, Centrifugal Casting Technique, Differential Scanning Calorimetry, Eutectic Reaction, Peritectic Reaction 199

oz TM-BAZLI ALAŞIMLARDA CAMSI YAPI OLUŞTURMA EĞİLİMİNİN TAHMİNİ Altınoluk, H. Burcu Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. M. Kadri Aydınol Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Ağustos 2001, 124 Sayfa Alaşım elementlerinin TM-bazlı alaşımlarda camsı yapı oluşturma eğilimine olan etkileri incelendi. Psödopotansiyel yaklaşımından ve Monte Carlo simulasyonlarından elde edilen sonuçlar, karışım entalpisi, ağdalılık ve indirgenmiş cam geçiş sıcaklığı kavramlarıyla ilgilendirilerek yorumlandı. Bu çalışmada Fe7oSİ3o, FegıZrg, C076Sİ24, Co91Zrg, Nİ80Sİ20 ve Ni91Zrg alaşım sistemleri incelendi. Her sistem için camsı yapı oluşturma eğilimini arttıran alaşım elementleri bulundu. Etkili alaşım elementleri, TM-Zr alaşımları için Tc, Re, W, Mo, V, Ta, Nb, Bi ve TM- Si alaşımları için, yukarıdaki elementlerle birlikte, Y ve La olarak bulundu. B ve C gibi metalloid elementlerinin camsı yapı oluşumunda çok etkili oldukları bulundu. Anahtar Kelimeler: Camsı yapı oluşturma eğilimi, Monte Carlo simulasyonu, düzen enerjisi, psedopotansiyel teorisi, karışım entalpisi, ağdalılık, indirgenmiş cam sıcaklığı. iv ABSTRACT PREDICTION OF GLASS FORMING ABILITY IN TM-BASED BINARY ALLOYS Altınoluk, H. Burcu M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. M. Kadri Aydınol Co-Supervisor: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz August 2001, 124 Pages The effects of impurity elements on the glass forming tendency of TM-based alloy systems have been investigated. The results obtained from the pseudopotential approximation and the Monte Carlo simulations were analyzed concerning the mixing enthalpy, viscosity and reduced glass transition temperature concepts. In this study, Fe7oSİ3o, FegıZrg, C076Sİ24, CogıZrg, Nİ80Sİ20 and NigiZrg alloy systems have been investigated. Ternary alloying elements that increase the glass forming tendency for each system are found out. The effective impurity elements for the TM-Zr alloys are found as Tc, Re, W, Mo, V, Ta, Nb, Bi and for TM-Si alloys, as well as the above, Y and La are more effective. Metalloid elements like B and C for all alloys are found to be very effective glass formers. Keywords: Glass forming ability, Monte Carlo simulation, ordering energy, pseudopotential theory, mixing enthalpy, viscosity, reduced glass transition temperature. 111 124

oz DEMİR-DIŞI BAZLI HACİMLİ CAMSI METALİK ALAŞIMLARIN ÜRETİMİ VE NİTELENDİRİLMESİ Türkeş, Halil Melih Master, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov Eylül 2001, 98 sayfa Konvansiyonal kristal ve hızlı katılaştırma yöntemi ile üretilmiş metalik cam malzemelere kıyasla, sahip oldukları üstün malzeme özellikleri ve karakteristikleri nedeni ile iri ve hacimli amorf/camsı ve nanokristal alaşımlar, son 10 yıldır üzerinde en çok çalışılan konuların başmda gelmektedir. Bu araştırmada, çalışmalar teorik ve deneysel olmak üzere demirdışı iri ve hacimli cam yapma eğilimi gösteren sistemler üzerine odaklanarak özellikle Zr esaslı alaşımların doğrudan amorf ve/veya nanokristal yapıda katılaştırma yöntemi ile elde edilmesi üzerinde durulmuştur. Yapılan teorik çalışmalar özellikle bakırın alaşım elementi olarak Mg-Zn ikili sisteminde camsı yapı oluşturma eğilimini arttırdığım göstermiştir. Bu çalışmada geliştirilen ve ilk defa kullanılan santrifüj döküm yöntemi, iri ve hacimli amorf/nanokristal malzemelerin doğrudan üretilebilmesine olanak sağlayarak, özellikle karmaşık geometriye sahip parçaların üretilmesinde ticari ve standard bir yöntem olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu kapsamda üretilen malzemelerüzerine yapılan mikroyapısal çalışmalar sonucu, amorf/camsı faz oluşumunu açıklayan bir katılaşma modeli önerilmektedir. Bu modelde, amorf/camsı fazın, ötektik katılaşma için gerekli kritik büyüme hızının üretim sırasında ulaşılan soğuma hızlarına bağlı olarak aşılması ve ötektik reaksiyonun bastırılması sonucu oluştuğu kanıtlanmıştır. Doğrudan katılaştırma yöntemi ile elde edilen amorf/camsı faz miktarı ise sistemde kaçınılmaz bir şekilde bulunan oksijen ile alaşım elementi olarak kullanılan titanyum miktarı ile düştüğü gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Demir-dışı bazlı, üretim ve nitelendirme, hacimli camsı metalik alaşımlar. vı ABSTRACT SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF NON-FERROUS BASED BULK AMORPHOUS METALLIC ALLOYS Türkeş, Halil Melih Department of Metallurgical and Materials Engineering Middle East Technical University Supervisor: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Co-Supervisor: Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov September 2001, 98 pages Bulk amorphous and nanocrystalline alloys are the main research interests of scientists for the last 10 years because of their unique material properties and characteristics in comparison with their crystalline and rapidly quenched metallic glasses counterparts. Therefore, in this present investigation, both theoretical and experimental studies have been made to understand the glass forming ability (GFA) of bulk amorphous alloy systems and to produce and synthesize the Zr-based alloys in the bulk amorphous and/or nanocrystalline form directly from the melt by conventional centrifugal casting method. Based on the theoretical analysis of Mg7oZn3o-xMx intermetallics, it has been predicted that copper, as an alloying element, would be a good candidate to improve the GFA of binary Mg-Zn system. The direct production technique developed in this study, for the first time, enables us to manufacture Zr-based bulk amorphous and Ti containing Zr-based bulk mnanocrystalline alloys, contrary to annealing-induced partial crystallization in the super cooled liquid region. A solidification model is also proposed for the amorphous phase formation in Zr-based alloys and it has been established mat the transition from eutectic solidification to an amorphous phase inevitably occurs if the growth rate exceeds the limiting value for eutectic solidification. It is observed that the increasing oxygen content results in a reduction of the undercooled liquid region which implies a deterioration of the glass forming ability of the Zr- based alloy. The volume fraction of amorphous phase is markedly reduced by the presence of oxygen and titanium alloying elements which strongly affects behaviour of alloy components during solidification and the crystallization kinetics from the amorphous precursor. Keywords: non-ferrous based, production and characterization, bulk amorphous metallic alloys. IV 98

oz ZR BAZLI ALAŞIMLARDA CAMSI YAPI OLUŞTURMA EĞİLİMİNİN TAHMİNİ Dilsizoğlu, Beril Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. M. Kadri Aydınol Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Ağustos 2001, 109 Sayfa Alaşım elementlerinin Zr-TM bazlı alaşımlarda camsı yapı oluşturma eğilimine olan etkileri incelendi Psödopotansiyel teoriden ve Monte Carlo simulasyonlarından elde edilen sonuçlar, karışım entalpisi, ağdalılık ve indirgenmiş cam sıcaklığı kavramlarıyla ilgilendrilerek yorumlandı. Bu çalışmada Zr7oAİ28X2, Zr80Coı8X2, Zr75Fe23X2, Zr75Nİ23X2, Zr9oSİ8X2 ve Zr4oCu58X2 alaşım sistemleri incelendi. Camsı yapı oluşturma eğilimini arttıran alaşım elementleri V, Nb, Mo, Tc, Ta, W, Re, B, C ve Bi olarak bulundu. Bu davranış, bu elementlerin yüksek oksidasyon değerlerine ve sisteme sağladıktan elektronik perdeleme miktarına bağlanabilir. Anahtar Kelimeler: Camsı yapı oluşturma eğilimi, psödopotansiyel teorisi, karışım entalpisi, ağdalılık, indirgenmiş cam sıcaklığı. iv ABSTRACT PREDICTION OF GLASS FORMING ABILITY IN ZR BASED BINARY ALLOYS Dilsizoğlu, Beril M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. M. Kadri Aydınol Co-Supervisor: Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz August 2001, 109 Pages The effects of a wide range of impurity elements on glass forming ability of Zr-TM based alloy systems have been investigated. The results obtained from the pseudopotential theory and Monte Carlo simulations were analyzed concerning the mixing enthalpy, viscosity and reduced glass temperature concepts. In this study, Zr7oAİ28X2, Zr8oCoı8X2, Zr7sFe23X2, Zr75Ni23X2, Zr90SigX2 and Zr4oCu58X2 alloy systems have been investigated. The impurity elements that increase the glass forming ability were found as Tc, Re, W, Mo, V, Ta, Nb, B, C and Bi. This behaviour may be attributed to their high stable oxidation states and the amount of electronic screening they introduce to the system. Keywords: Glass forming ability, pseudopotential theory, mixing enthalpy, viscosity, reduced glass temperature. in 109

oz KAYNAK EDİLEN YAPILAR İÇİN ÇELİK DÖKÜMLERİN TEMPER KIRILGANLIĞI Ertan, Aydın Yüksek Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Assoc. Prof.Dr. Vedat Akdeniz. Ortak Tez Yöneticisi: Assoc. Prof. Dr. Rıza Gürbüz Ocak 1999, 63 sayfa Bu çalışmada Japon Standartlarına göre SC46W olarak adlandırılan kaynak edilen yapılar için çelik dökümlerin temper kırılganlığı davranışı araştırılmıştır. Kırılma kavramının geliştirilmesinde tavlama ya da temperleme sıcaklığının, temperleme zamanının ve sonrasındaki soğutma koşullarının rolünü anlamak için değişik ısıl işlem prosedürleri uygulandı. Temper kırılganlığını açıklamak ve geçiş sıcaklığını belirlemek için Charpy çentikli darbe deneyi yapıldı. Kırılma türünü belirlemek için darbe deneyinden sonra kırılmış yüzeyler tarama elektron mikroskobuile incelendi. Genel olarak, farklı ön işlemlerden sonra uygulanan temperleme işleminin geçiş sıcaklığına olan etkisi araştırıldı. Bu amaçla ilk yapılan döküm ve tavlanmış durumda olan iki set deney numunesi ele alındı. Bu deney numuneleri ayrı ayrı incelendi ve böylece kırılma davranışı üzerine östenitleştirme sıcaklığının ve ilk yapının rolü araştırıldı. İlk tavlanan yapının, sonraki yağda yapılan su verme ile en yüksek tokluğa ulaştığı görüldü. Fakat döküm halindeki numunelerde 300 °C civarında tokluğun düştüğü tesbit edildi. 860 °C de yapılan östenitleme ve suda su verme işlemi sonunda ferritik-martensitik çift fazlı yapının geliştiği ve bu yapının düşük geçiş sıcaklığı sergilediği gözlemlendi. Anahtar Kelimeler: Geçiş sıcaklığı, Temper kırılganlığı, Temperlenmiş martensit kırılganlığı, darbe dayanımı. vı ABSTRACT TEMPER EMBRITTLEMENT BEHAVIOUR OF STEEL CASTING FOR WELDED STRUCTURES Ertan, Aydın M.S., Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Vedat AKDENİZ Co-Supervisor: Assoc.Prof. Dr. Rıza GÜRBÜZ January 1999, 63 pages In this study, the temper embrittlement behaviour of steel casting for welded structures, designated as SC46W according to the Japanese Standarts, have been investigated. Various heat treatment procedures have been employed to understand the role of the annealing and/or tempering temperatures, tempering time and subsequent cooling conditions on the development of the embrittlement phenomenon. Charpy V-notch impact testing has also been performed to reveal temper embrittlement and to determine the transition temperature. Fracture surfaces mof the specimens were examined by Scanning Electron Microscopy after the impact testing to characterize the fracture modes. To this end, we have examined the influence of an tempering treatment on the transition temperature after different preliminary treatment. For this purpose, two sets of specimens, whose initial conditions were as-cast and annealed, have been studied seperately in such a way that these specimens allow study of the role of austenitizing temperature and the initial conditions on the behaviour of the embrittlement phenomenon. It has been observed that initially annealed samples has highest impact toughness by subsequent oil quenching. However, low toughness has been determined around 300 °C tempering in as-cast specimens. Austenitization at 860 °C followed by water quenching results in the development of ferritic-martensitic dual phase structure which exhibits very low transition temperature. Key Words: Transition temperature, temper embrittlement, tempered martensite embrittlement, impact toughness. IV 63

oz ALÜMİNYUM MATRİSLİ KOMPOZİTLER İÇİN Fe-Al BAZLI TAKVİYE FAZ GELİŞTİRİLMESİ Ağdaş, Fatma Y. Lisans, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç.Dr. M. Vedat Akdeniz Ortak Tez Yöneticisi: Prof.Dr.Amdulla O. Mekhrabov Ocak 1997, 83 sayfa Bu çalışma, alüminyum matristi kompozit malzemeler üzerine yönlendirilen araştırmaların bir parçası olarak, sıkı bağlanmış metal-arametal katmanlı kompozit üretiminde kullanılmak amacıyla intermetalik oluşturulmadan önce istenen son şekli verilmiş Fe-Al bazlı takviye malzemelerinin geliştirilmesini hedeflemektedir. Şerit numuneler, hızlı katılaşmış, küçük taneli mikroyapı elde ederek mekanik özellikleri geliştirmek üzere, sıvı emme metoduyla üretilmiştir. Alaşım elementleri ilavesinin ve ısıl işlem uygulamasının nizamlılık davranışı ve katılaşma yapılarına; özellikle de karbürlerin yapı ve dağılımına etkisi araştırılmıştır. Cr içeren alaşımlarda karbür oluşumunun hızlı soğuma ve takip eden ısıl işlem şartlarında bile kaçınılmaz olduğu gözlenmiştir. Düşük ve orta miktarlarda Cr ve C içeren alaşımlarda Fe3AlC tipli karbür, yüksek miktarlarda alaşım elementi içerenlerde ise Cr7C3 tipli karbür oluşumu saptanmıştır.Mn içeren alaşımlarda yapılan mikroyapı gözlemleri ve yapısal analizler, hızlı soğuma işlemi sırasında düzensiz östenit matris içinde k karbürlerinin oluşmasına yol açan faz ayrışmasının meydana geldiğini göstermektedir, östenitik Fe-Al-Mn alaşımlarında kafes sabiti kompozisyona bağlı bir fonksiyondur. Artan alaşım miktarıyla birlikte östenit fazı kafes sabiti de artmaktadır. Arayüzeyde oluşan reaksiyon karakterini belirlemek için iki farklı sıcaklıkta katı hal difuzyon bağlanması ön deneyleri yapılmıştır. Arayüzeyde bağlanma görülmekle birlikte, süreksiz bir difuzyon tabakasının oluştuğu gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Demir Alüminitler, Metallerarası Bileşikler, Nizamlarıma, Lamine Kompozitler, Hızlı Katılaşma, Isıl İşlem, Yüksek Manganlı Alaşımlar, Katı Hal Difuzyon VI ABSTRACT DEVELOPMENT OF Fe-AI BASED ALLOYS AS REINFORCEMENT IN AI-MATRIX COMPOSITES Ağdaş, Fatma M.Sc.Department of Metallurgical and Materials Engineering Supervisor: Assoc.Prof.Dr. M. Vedat Akdeniz Co-Supervisor: Pro£Dr.Amdulla O. Mekhrabov January 1997, 83 pages As part of an investigation into potential Al matrix laminated composite materials, studies have been made on the development of Fe-AI based reinforcement materials that could be preformed into the desired final shape prior to forming the intermetallic phase for the production of tightly bonded metal-intermetallic layered composite. laminates were produced by melt suction process, which allows rapid solidification against a chill wall while minimizing convection, to ensure the refined, rapidly solidified microstructure in order to improve their mechanical properties. The effects of ternary alloying additions and heat treatment on the ordering characteristics and solidification structures, particularly distribution and morphology of carbides in rapidly solidified Fe-AI based alloys were examined. It was observed that the formation of carbides in alloys containing Cr is inevitable even in rapid solidification and subsequent heat treatment condition. For alloys containing low and medium values of Cr and C content Fe3AlC type carbide is formed whereas Cr7C3 type carbide is iiiobserved at high values of the alloying additions. The microstructural observation and structural analysis performed on the specimens alloyed with Mn suggested that phase decomposition occurs during rapid solidification processing which leads to the formation of k phase carbides distributed within disordered austenite matrix. Lattice parameter of austenitic Fe- Al-Mn alloys is a function of the composition and lattice parameter of the austenite phase increases with increasing amount of alloying addition. Preliminary experiments directed towards the characteristics of interfacial reactions were performed by the solid state diffusion bonding at two different temperatures. It was observed that bonding takes place, however, a discontinuous diffusion layer is formed at the interface. Keywords: Iron Aluminides, Intermetallics, Ordering, Laminated Composites, Rapid Sohdification, Heat Treatment, High Manganese Alloys, Solid State Diffusion IV 83

oz Fe3Al BAZLI METALLERARASI BİLEŞİKLERİN MONTE-CARLO ÇALIŞMASI Arer, Mehmet Murat Y. Lisans, Metalürji Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi : Doç. Dr. M. Vedat Akdeniz Ortak Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov Eylül 1996, 204 sayfa Düzen-düzensizlik faz dönüşümünün raslantı davranımı göz önünde bulundurularak gerçekleştirilen, Monte Carlo çalışmasında, düzenli yapıya sahip, yüksek sıcaklıktaki FesAl metallerarası bileşiklerinin düzenlenme özelliklerine, sıcaklık ve Al derişiminin etkileri irdelendi. FesAl alaşımlarının düzenlenme süreçlerini karakterize edebilmek için, Monte Carlo benzetim yöntemiyle, önceden belirlenmiş sıcaklık ve Al derişim koşullarında elde edilen denge nizamlarının genel ve yerel düzenlenme parametreleri hesaplandı. Düzenlenme süreçlerini inceleyebilmek için kanonik ensemble (genel görünüm) Monte Carlo algoritması kullanıldı. Monte Carlo algoritmasının tatbik edildiği, kafes modelinde, alaşım sistemleri yalnızca konfîgürasyon yönüyle tanımlandı. Psedopotensiyal yaklaşımıyla alaşımların elektronik teorisi yararlanarak, Fe3Al bazlı alaşımların kristal kafes yapısının ilkaltı koordinasyon çeperi için hesaplanan düzenlenme enerjileri, alaşım sisteminin dahili enerjisini Ising modeliyle ifade edebilmek için kullanıldı. önceden belirlenmiş sıcaklık ve Al derişim seviyelerindeki benzetim çalışmaları deneysel tasarım yaklaşımıyla planlandı. Sonuçların varyans analizi yöntemiyle yapılan istatiksel irdelemesinde, sıcaklık ve Al derişiminin, Fe3Al metallerarası bileşiklerinin düzenlenme davranımlanna önemli etkilerinin olduğu görüldü. Çeşitli sıcaklık ve Al derişim seviyelerinde hesaplanan düzenlenme parametreleri, aynı koşullarda Fe3Al metallerarası bileşikleri üzerine yapılan deneysel gözlem ve teorik çalışmaların sonuçlarına göre beklenilen superkafes yapılarını karakterize eden değerlere ulaştı. Bu parametrelerin sıcaklıkla değişirtüerinin, sırasıyla 540 ve 950 santigrat derecedeki, DQ3 superkafes yapısından B2 superkafes yapışma ve B2 superkafes yapısından düzensiz katı çözeltisine olan faz dönüşümlerini, deneysel sonuçlarla tam uyum gösterecek şekilde, tanımladıkları sonucuna varıldı. Aynı zamanda, yüzde 25 ve 26 atomik Al derişimine sahip Fe3Al alaşımlarının, yüzde 24 atomik Al derişimine sahip Fe3Al alaşımına göre, D03 düzenli yapışım daha yüksek sıcaklıklara kadar koruyabildiği bulundu. Anahtar Kelimeler: Fe^Al metallerarası bileşikler, Monte Carlo benzetim yöntemi, Düzen-düzensizlik faz dönüşümleri. vı ABSTRACT MONTE CARLO STUDY OF Fe3Aî BASED INTERMETALLICS Arer, Mehmet Murat M.Sc., Department of Metallurgical Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Co-Supervisor: Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov September 1996, 204 pages Regarding the stochastic nature of the order-disorder phase transformation, a Monte Carlo study has been performed for the analysis of the effects of temperature and Al concentration on the ordering characteristics of the high temperature FesAl ordered intermetallics. To characterize the ordering process in the Fe3Al based alloys, long- and short-range order parameters have been calculated from the equilibrium configurations attained at predefined temperature and Al concentration conditions by Monte Carlo simulation. Canonical ensemble Monte Carlo algorithm has been used to study the ordering processes. The constracted lattice model in which the Monte Carlo algorithm has been executed, have taken only confıgurational problem into account, so that the states of the alloy system have been described in terms of local occupation probabilities. The ordering energies have been iiiused as an input data to designate the internal energy of the system in an Ising type model. They have been calculated for the fırst six coordination spheres of the crystal lattice of Fe3Al based alloys by using electronic theory of alloys in pseudopotential approximation. The simulation rans executed at preset temperature and Al concentration levels, have been designed by experimental design approach. The statistical analysis of the output data by analysis of variance method have shown that temperature and Al concentration have signifıcant effects on the ordering behaviours of Fe3Al intermetallics. The calculated order parameters, at various temperature and Al concentration levels, have approached to the values that characterize the appropriate superlattices expected to occur according to experimental observations and theoretical studies on Fe3Al intermetallics. The variation of order parameters with temperature have identified the transition temperatures from DO3 type superlattice to B2 type superlattice, and from B2 type superlattice to disordered solid solution at about 540°C and 950°C, respectively, showing füll agreement with experimental results. it is also found that Fe3Al alloys having 26 at. % Al and 25 at. % Al concentration retain DO3 ordered structure at higher temperatures witiı respect to Fe3Al alloy having 24 at. % Al concentration. Keywords: FeaAl intermetallics, Monte Carlo Simulation, Order-disorder phase transformation. 220

oz DEMİR- ALÜMİNYUM İNTERMETALİKLERİNİN DO?RUDAN DÖKÜMÜ ÖZBAYRAMO?LU, Y. Murat Y. Lisans, Metalürji Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi : Y.Doç.Dr. Vedat Akdeniz Ortak Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov Eylül 1995, 68 sayfa Bu çalışmada demir alüminitlerin sıvı emme metoduyla doğrudan ince levhalar halinde dökümü incelenmektedir. Soğuma hızının ve alaşım elementi ilavesinin Fe3Al intermetalik alaşımlarının katılaşma yapılarına, nizamlılık davranışlarına, sertlik ve kırılma özelliklerine olan etkileri araştırıldı ve geleneksel kalıba döküm metoduyla karşılaştırıldı. Emme metodu esnasında ~ 1000-3000 K/sn düzeylerinde soğuma hızına erişildi ve soğumanın Newton türü şartlar altında iki ayrı rejimde olduğu gözlendi. Bunlar, temas yüzeyindeki hızlı soğuma safhası ve katılaşma levhanın merkezine doğru ilerledikçe başlayan sabit sıcaklıkta katılaşma sürecidir. Alaşım miktarına ve/veya bölgesel katılaşma hızına bağlı olarak nizamlılık davranışında değişimler ve yapısal olarak da düzlemsel büyümeden, hücresel, hücresel-dallantılı ve dallantılı katılaşmayapılarına dönüşüm gözlendi. D03 nizamlı yapısı ikili alaşımlarda çok hızlı oluşmasına rağmen diğer Fe3Al alaşımlarında D03 yapısının oluşumu özellikle levhaların yüzeyine yakın bölgelerde tamamen bastırıldı ve B2 nizamlı yapısı elde edildi. Düşük ve orta miktarlarda Cr ve C içeren alaşımlarda Fe3AlC tipli karbür, fakat yüksek miktarlarda alaşım elementi içerenlerde Cr7C3 tipli karbür oluşumu gözlendi. Boron ilavesi karbür yapısı ve dağılımını etkilemektedir. Boron ilvesi daha ince küresel tane sının ve matris parçacıklarının gözlenmesine sebep olmaktadır. Alaşım ilaveleri emme metoduyla üretilen alaşımlarda sertliğin önemli ölçüde artmasına neden olduğu gözlendi. İkili Fe3Al alaşımında kırılma tamamen tane içinden ayrılma şeklinde iken düşük miktarlardaki C ilavesi tane sınırlarında düzensiz şekilli karbür oluşumu nedeniyle kırılmanın hem tane içinden ve hem de tane sınırlarından gerçekleşmesine neden olduğu belirlendi. Boron ilavesinin özellikle orta miktarda Cr ve C içeren levha malzemelerde sertliği bir miktar düşürdüğü ve kırılma şeklini düşük C içeren alaşımlarda karbür yapısını incelterek ve küreselleştirerek büyük ölçüde tane içinden ayrılma şekline dönüştürdüğü belirlendi. Anahtar Kelimeler: İntermetalikler, Demir Alüminitler, Nizamlı Malzemeler, Katılaşma Yapıları, Yüksek Sıcaklık Malzemeleri vı ABSTRACT DIRECT CASTING OF IRON-ALUMINUM INTERMETALLICS ÖZBAYRAMOGLU, Y. Murat M. Sc., Department of Metallurgical Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. M. Vedat Akdeniz Co-supervisor: Prof. Dr. Amdulla O. Mekhrabov September 1995, 68 pages Direct casting of iron aluminides in the form of a thin sheet by melt suction processing has been investigated. The effects of cooling rate and alloying additions on the solidification structures, ordering behaviours, hardness and fracture properties of Fe3Al intermetallic alloys were examined and comparision was made with conventional ingot casting. The cooling rate of -1000-3000 K/sec was achieved during melt suction processing where solidification occurs under Newtonian conditions with two distinct regimes. These are the initial rapid growth stage at the contact surface and the isothermal solidification period as the growth progress towards the mid-section of the sheet. The changing of ordering behaviour and structural transition from planar growth to cellular, cellular-dendritic and dendritic solidification is observed depending on iiialloying content and/or local solidification rate. Although D03 ordering occurs too rapidly in binary alloys, B2 ordering becomes dominant and D03 ordering completely suppressed in alloys other than binary Fe3Al especially at regions close to the surface of the sheets. For alloys containing low and medium values of Cr and C content, Fe3AlC type carbide is formed whereas Cr7C3 type carbide is observed at high values of alloying additions. Carbides morphology and distribution have been affected by boron doping. Boron addition leads to the appearance of finer spherical grain boundary and matrix particles. The alloying additions result with a significant increase in the hardness values of melt sucked alloys. Binary Fe3Al failed in a completely transgranular cleavage mode, while small amount of C addition caused a mixed mode of cleavage and intcrgrnnular failure due to the formation of irregularly shaped carbide particles along the grain boundaries. However, boron addition slightly reduces hardness values in sheet materials, especially at medium content of Cr and C and changes the fracture mode from mixed lo mainly transgranular cleavage in alloys with low C content by refining and changing carbide morphology into a more spherical shape. Keywords: Intermetallics, Iron Aluminides, Ordered Materials, Solidification Structures, High Temperature Materials IV 68

öz ÇELİKLERİN ALÜMİNYUM İLE KAPLANMASI YILMAZ, Turgay Yüksek Lisans Tezi, Metalürji Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Y DoçDr.M.Vedat AKDENİZ Eylül, 1994, 55 sayfa Bu çalışmada, düşük karbonlu çelik levhalar sıcak daldırma yöntemiyle alüminyum ile kaplanarak, ara yüzeyde oluşan difüzyon katmanının özelliklerini etkileyen işlem parametreleri ve alüminyum banyo kompozisyonunun etkileri araştırılmaktadır. Ticari saflıkta alüminyum kaplama malzemesi olarak kullanıldığı zaman, difüzyon katmanının yapısı çeliğe doğru kolon seklinde gelişen intermetalik fazdan oluşur. Ara yüzeyde, difüzyon katmanının büyümesi çok ince bir FeA% tabakasının oluşmasıyla başlar, bunu çeliğin içerisine doğru hızlı gelişen Fe2Al«j intermetalik tabakası takip eder. FeAl5 intermetalik fazın kalınlığının FegAl5 intermetalik fazın kalınlığına oranı l:20'dir. Öteyandan, kaplama banyosuna Si eklendiği zaman, difüzyon katmanının oluşumu ve gelişimi demir atomlarının Al-Si alaşımına doğru tercihli difüzyonu ile kontrol edildiği görülmektedir. Kompleks FexSiyAlz üçlü bileşikleri sırasıyla oluşmakta, bu da bundan sonraki difüzyon için bir engel olarak davranmaktadır. Oluşan kompleks FexSiyAlz katmanlarının kalınlığı sıcaktan etkilenmemekte ve büyüme hızı ikili Fe-Al intermetalik fazlarının büyüme hızından yaklaşık dört. kat daha az olmaktadır.Kaplama banyosuna Zn ve Mg eklenmesi sonucunda oluşan difüzyon katmanının oluşması ve gelişmesi, saf alimunyumunkinden farklıdır. Ara yüzeyde çok ince Fe2Al5 intermetalik faz oluşmakta ve bunu ince bir FeAİ3 tabakası takip etmekte, son olarakta çeliğe doğru hızlı bir şekilde büyüyen Fe2Al5 fazı oluşmaktadır. Bu fazların yaklaşık kalınlık oram Fe2Âl7:FeAİ3:Fe2Aİ5, 1:5:2 O'dir. Kaplama banyosuna çinko eklendiği zaman, difüzyon tabakasının büyümesi çeliğe doğru blok şeklindedir. Magnezyum eklendiği zaman ise saf alüminyumda olduğu gibi kolon şeklindedir. Anahtar Kelimeler: Difüzyon Katmam, İntermetalik Fazın Gelişimi, Çelik-Aluminyum Ara Yüzeyi. Bilim Dalı Sayısal Kodu: 604.02.01 ABSTRACT Al COATING OF STEELS YILMAZ, Turgay M.S. in Metallurgical Engineering Supervisor: Ass Prof.DrMVedat AKDENİZ September, 1994, 55 pages Al coating of steel plates produced by the method of hot dipping has been investigated. The emphasis has been placed on the effects of processing conditions and melt compositions on the structure and the properties of the aluminized diffusion layer. The structure of diffusion layer is characterized by columnar growth of intermetallic phase in the direction of the steel substrate for pure Al coating. The growth of diffusion layer begins with the formation of thin layer FeA^j intermetallic compound at the interface, followed by subsequent formation of FegAlş intermetallic that rapidly penetrates deep into steel. The relative ratio of thicknesses of FeAl^ to the Fe2Âİ5 intermetallic is 1:20. On the contrary, when Si is added to coating bath, the formation and development of diffusion layer appears to be controlled by preferred diffusion of iron atoms into the Al-Si alloy leading to the sequential formation of complex. Fe^SiyAls ternary compounds which act as a barrier to further diffusion. The thickness of such layer is not affected by the temperature, and its growth rate are approximately four times lower than that of binary Fe-Al intermetallics. The effects of Zn and Mg additions on the formation and development of diffusion layer differ from than that of pure aluminum. At the aluminum-intermetallic interface, a thin layer mF«2Aİ7 intermetallic compound forms, which is then followed by subsequent formation of FeAtj intermetallic. Finally after that, these two intermetallic layers, Fe2Aİ5 penetrates rapidly through the steel. The relative ratio of thicknesses of Fe2Al? to the FeAl-j and Fe2Alş intermetallic is 1:5:20 respectively. The structure of diffusion layer when Zn added is represented as block growth of intermetallic phase in the direction of steel substrate but for Mg additions again is columnar growth. Keywords: Aluminized Diffusion Layer, Al Coated Steel, Growth of Intermetallic Phase. Science Code: 604.02.01 IV 55