MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Transkript

1 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

2 Prof. Dr. Yücel BİROL Metalürji & Malzeme Mühendisliği 3. kat / oda # 324 Tel: e-posta: yucel.birol@deu.edu.tr

3 Dersin amacı Yapı elemanlarında oluşan hasarları ve oluş nedenleri hakkında bilgi vermek, korozyon ve korozyondan korunma konularında ön bilgi vermek, malzemelerin elektronik, manyetik, ısıl ve optik özelliklerini tanıtmak.

4 Dersin öğrenme kazanımları Malzemelerin gevrek kırılmasına yol açan faktörleri ve kırılma tiplerini tanımlamak. Çeşitli yüklemeler altında malzemelerin davranışlarını karakterize eden büyüklükleri tanımak. Kimyasal ve elektrokimyasal etkiler altında malzemelerin davranışlarını tanımak ve yorumlamak. Malzemelerin iletkenlik, yalıtkanlık ve yarıiletkenlik özelliklerini tanımlamak ve aralarındaki farkları belirtmek.

5 Dersin öğrenme kazanımları Malzemelerin manyetik ve süper iletkenlik özelliklerini tanımak. Malzemelerin ısıl davranışlarını belirleyen mekanizmaları tanımlamak. Malzemelerin termal şok davranışlarını tanımlamak ve yorumlamak. Malzemelerin optik özellikleri ve bu özellikleri belirleyen mekanizmaları tanımak.

6 plan hafta # içerik 1 / 12.2 Giriş; kırılma 2 / 19.2 Kırılma mekaniği & prensipleri 3 / 26.2 Yorulma; sürünme 4 / 5.3 Sürünme; metallerde korozyon 5 / 12.3 Metallerde korozyon 6 / 19.3 Elektriksel özellikler/yarı iletkenler 7 / 26.3 ara sınav

7 plan hafta # içerik 8 / 2.4 Yarı-iletkenler 9 / 9.4 Isıl özellikler 10/ 16.4 Manyetik özellikler 11/ 23.4 tatil 12/ 30.4 Ara sınav 13/ 7.5 Süper iletkenlik / optik özellikler 14/ 14.5 Optik özellikler

8 değerlendirme Quiz (x2) %10 Ara sınav #1 %20 Ara sınav #2 %20 Final %50 BNS VZ1 * VZ2 * QZ * FN * 050 BBN VZ1 * VZ2 * QZ * BUT * 050

9 başlıyoruz!

10 kırılma İncelenecek konular malzemelerdeki hatalar kırılmaya nasıl yol açıyor? kırılmaya direnç nasıl ölçülüyor? farklı malzeme gruplarının kırılma dayanımları ne seviyelerde? kırılmaya neden olan gerilmeyi nasıl belirliyoruz? yükleme hızı, yükleme geçmişi, sıcaklık kırılmayı nasıl etkiliyor?

11 Yükleme altında malzemeler, Ya deformasyona uğrarlar- şekil değiştirirler! Ya da kırılıp koparlar!

12 gerilme Gerilme-şekil değişimi TS Maksimum gerilme F = kırılma mukavemeti homojen deformasyon Boyun verme gerilme konsantrasyonu- Plastik deformasyon bölgesel Şekil değişimi

13 Malzemede Hasar Yük taşıyan yapılarda hasar, akma ve kırılma ile oluşur. Akma Hasarı: kristal kafesi düzlemlerinin sürekliliğini bozan ve dislokasyon hareketini engelleyen hatalar: tane sınırları, dislokasyon ağları, çökeltiler.. Kırılma Hasarı: makroskopik boyutta; bölgesel gerilme-şekil değiştirme, kaynak hataları, malzeme yapısındaki boşluklar, yorulma çatlakları..

14 kırılma Dalgaların etkisine maruz kalan gemi gövdesi tekrarlı yüklere maruz kalan kalça protezi ısıl gerilmelerin etkilediği kompüter çipi

15 kırılma Bir malzemenin gerilme uygulandığında ergime noktası altındaki bir sıcaklıkta birden fazla parçaya ayrılması olayına KIRILMA denir. Kırılma süreci Çatlak oluşması-başlaması (crack initiation) ve Çatlak ilerlemesi-büyümesi (crack propagation) aşamalarını içerir.

16 Kırılmaların nedenleri? Tasarım hatası Üretim hatası Bakım hatası Uygulama hatası

17 kırılma Çekiç kırığı Kırılmadan önce akma olmamış! Çatlak ilerleme bölgesi; çatlak durak noktaları

18 kırılma VW krank mili çevrimsel eğme ve buna bağlı burulma gerilmeleri soncunda yaşanan kırılma Çatlak ilerleme bölgesiyorulma çizgileri Çatlak başlama noktası Kırılma bölgesi

19 kırılma 928 Porsche zamanlama makarası Çatlak kenarda başlamış!

20 Bisiklet krank örümcek ayağı kırılma yorulma çatlaması neticesinde meydana gelmiş! Çatlağın oluşması çok uzun sürmüş, oluştuktan sonra hızla ilerlemiş ve kırılma yüzeyinde görülen izlerden (beach mark) de anlaşılabileceği gibi hızlanarak devam etmiş!

21 Krank mili kırığı Dişli dibinde çatlak oluşumu

22 basınç gerilmeleri altında kırılma

23 Burulma yükleri altında kırılma F-18 motor şaft burulma kırığı UH-1N türbinhelezonik mil kırığı

24 Eğme kırılmaları

25 kırılma Makroskopik gevrek kırılma Philadelphia Özgürlük Çanı 1752 Çatlak ilerleme bölgesi; çatlak durak noktaları

26 Antik dönem malzeme uygulamaları Antik dönem yapılarının bir çoğu günümüzde hala hasarsız! kullanılan malzemelerin bir çoğu gevrek malzemeler: Tuğla, taş, harç, çekme yüklerini taşımaya elverişli değil! Kırılma olasılıkları tasarım uygulamaları ile en düşük seviyeye indirilmiş! Parçaların çekme değil basma yükleri altında çalışması sağlanmış!

27 Antik dönem malzeme uygulamaları Eski Roma köprü tasarımının şematik gösterimi

28 Günümüzde Metallerin keşfi yapı tasarımlarında değişikliklere yol açtı. metallerin çekme yükleri altında çalışması mümkün. Ancak bu gerilme şartlarında kırılmalar için olasılıklar da yok değil! Mukavemete dayalı tasarımlarda koruyucu önlemler: güvenlik faktörleri 2-10 arasında! Buna karşın ani gevrek kırılmalar yaşanabiliyor.

29 Günümüzde 1919 da Boston da bir pekmez tankerinin batması ile 2 milyon galon pekmez denize dökülmüş!

30 Günümüzde 1938 de Belçika da Hasselt Köprüsü çoklu kırılmalara bağlı denize çökmüş!

31 Günümüzde Liberty gemilerinin kırılma hadisesi perçinleme yerine kaynakla imalat yapının devamlılığı-kesintisiz kalıntı gerilmeler mikro çatlaklar soğuk sular çelikte yüksek kükürt

32 kırılma GEVREK KIRILMA ile ortadan ikiye parçalanmış bir petrol tankeri çatlak önceleri küçük bir çentik veya keskin bir yüzey kusurundan başlamış küçük bir çatlak iken, tanker denizde seyrederken ucunda oluşan gerilme konsantrasyonu ile zaman içinde büyümüş ve kırılmaya yol açmış.

33 Liberty kargo gemileri vakası-1943 Liberty gemileri vukuatları: kırılmalar hem gevrek hem de yorulma kırılmaları: Suya indirilen 2700 gemiden 400 adedinde gövde kırığı; 90 tanesi ciddi hasara yol açmış, 10 tanesi ise gemilerin ortadan ikiye ayrılması ile sonuçlanmış.

34 Liberty kargo gemileri vakası Dünya savaşından önce bu gemiler çelik saclar perçinleme tekniği ile birleştirilerek üretiliyordu. Savaş sırasında İngiltere bu gemilerin imalatı konusunda ABD den yardım istedi. ABD deki gemi tersaneleri, çok yavaş olan perçinleme tekniği yerine gemi saclarını kaynakla birleştirerek imal ettiler.

35 Liberty kargo gemileri vakası-1943 Geminin şekli ve ölçüleri aynı idi fakat her bir gemi tersaneden çelik bir zarf şeklinde çıktı. Bu gemiler Atlanik ve Arktik te seyir halinde iken gemilerden bazıları birden bire iki parçaya ayrıldı. İmal edilen 2700 gemiden 400 tanesi bu şekilde hasara uğradı.

36 Liberty kargo gemileri vakası-1943 Kargo ve mühimmatın dengesiz dağılımı eğme momentlerine yol açıyordu. Dalgaların gemi gövdesini dövmesi de güvertede çekme yüklemelerine neden oldu. Kaynak işleri aceleye geldiğinden işin ehli olmayan ustalar tarafından acele ile yapılmıştı ve çatlak benzeri hataları içeriyordu.

37 Liberty kargo gemileri vakası Gözden kaçabilecek basit hatalar bazen bu şekilde vahim sonuçlara yol açabilir. Hogging Bending Moment

38 Liberty kargo gemileri vakası-1943 kusur

39 Liberty kargo gemileri vakası-1943 Kullanılan yüksek mukavemetli çelik tok bir malzeme değil. Kaynak işleminden sonra ısıdan etkilenen bölge sertleştirilmiş malzemeden farklı değil. Kaynak sonrasında soğuma hızlı olduğu için kalıntı gerilmeler oluyor. Bunlar da tıpkı bir çatlak gibi davranıyor. Perçinli bağlantı çatlağın büyümesine engel olurken kaynak hatları çatlak oluşması ve boylu boyunca büyümesine yol açıyor

40 Liberty kargo gemileri vakası-1943 Gövde malzemesi: HMK kristal yapıda çelik Kırılma ya plastik deformasyondan sonra ya da klivaj düzlemlerinde gerçekleşebilir. Düşük sıcaklıklarda klivaj kırılması daha yaygındır. Düşük sıcaklıklarda akma mukavemeti kopma mukavemetinden daha yüksektir. Düşük süneklikteki çelik malzeme, donmaya yakın düşük sıcaklıklar, çatlak benzeri hatalar (kalıntı çekme gerilmeleri) kaynak bölgelerinde ani kırılmalara yol açmış ve gemilerin ikiye bölünmesi ile sonuçlanmıştır.

41 kırılma 1988 yılında Aloha Hava yollarına ait Uçuş nolu Boeing model ticari uçak gövdesinde ciddi birkırılma hasarı meydana gelmiştir. Kazanın incelenmesi bu hasarın yarık korozyonu ile ağırlaşmış bir yorulma çatlağı hadidesi olduğunu ortaya koymuştur. Uçağın rutubetli ve tuzlu bir deniz atmosferinde seyahat etmesi durumu ağırlaştırmıştır. Uçak gövdesinin kısa mesafeli ve sık uçuşlarda tecrübe ettiği yüklemeler yorulmaya yol açmıştır.

42 kırılma Hawaii Aloha Flight 243 Boeing

43 Tipik kırılma koşulları çekme, basma, kayma, burulma, eğme distorsiyon; kalıntı gerilmeler düşük sıcaklıklar sürünme (sıcaklık ve gerilme kaynaklı) ısıl şok korozyon (+ gerilmeli korozyon) yaşlanma aşınma, sürtünme yorulma Var olan çatlaklar hidrojen / temper gevrekliği

44 Malzemede Kırılma Türleri Malzemelerde 2 tür kırılma yaşanır: Sünek Gevrek Sünek kırılma gösteren malzemelere sünek malzemeler, gevrek şekilde kırılan malzemelere gevrek malzemeler denir.

45 gerilme Kırılma türleri Sünek malzemeler: kırılmadan önce yüksek miktarda plastik deformasyona uğrar ve önemli miktarda enerji depolarlar. Tokturlar. Gevrek malzemeler: Kırılma öncesinde çok az plastik deformasyona uğrarlar ve enerji absorpsiyonları da sınırlıdır. şekil değişimi

46 Yükleme hızının kırılmaya etkisi yükleme hızı (. ) arttıkça y ve TS artar-%el düşer! y TS büyük TS küçük neden? Artan def hızı dislokasyonların engelleri aşması için daha az zaman tanır. y

47 Kırılma türleri Çok sünek orta derecede sünek gevrek Sünek kırılma tercih edilen kırılma türüdür! sünek: kırılma gerçekleşmeden önce uyarı verir. Kesit daralması/ %uzama: yüksek orta düşük

48 Kırılma türleri Alüminyumda cupcone kırılması Yumuşak çelikte gevrek kırılma

49 Kırılma türleri Cıvata örneklerinde kırılma Sünek gevrek

50 Örnek: boru kırılması Sünek kırılma: tek parça kırılmadan önce yüksek deformasyon Gevrek kırılma: çok sayıda parça kırılma öncesi deformasyon yok denecek kadar az.

51 Kırılma yüzeyleri-mikro

52 Sünek kırılma (ductile fracture) Sünek kırılma, gözle görülür plastik deformasyondan sonra, kırılmanın kaçınılmaz olduğunu haber vererek ve önlem alınmasına fırsat tanıyarak gerçekleşir. Sünek kırılmanın gerçekleşmesi için enerji gerekir. Malzeme ne kadar sünek ise gerekli enerji o kadar fazladır. Gerilmeler altında metallerin çoğu sünektir. Seramikler ise gevrektir. Polimerler ise değişik davranışlar sergilerler.

53 Sünek kırılma Tipik olarak metallerde (çok soğuk olmadıkça) rastladığımız kırılma türüdür. Çatlağın büyümesi ile gerçekleşir. Çatlağın ucunda plastik deformasyon görülür. Çatlak kararlıdır. Uygulanan gerilme arttırılmadıkça kendiliğinden büyümeye meğilli değildir. Kırılma öncesinde ciddi miktarda enerji tüketir.

54 Sünek kırılma türleri Intragranular Tane içlerinden- taneler Intergranular arasından boyun verme kayma ile (Transgranular) Transgranüler intergranüler ile kopma kopma

55 kayma kırılması tek kristalli sünek malzemelerin kayma kırılması Çok kristalli malzemelerde görülmez! Kayma düzlemi

56 Kopma-rupture Çok kristalli malzemelerin tamamen sünek kırılması: rupture Saf altın gibi çok yumuşak metaller, oda sıcaklığında kurşun ve yüksek sıcaklıklarda diğer metaller, polimerler, inorganik camlar sünek kırılma gösterirler. Bu çok sünek malzemeler kırılma hattında kesitleri tek bir noktaya azalıncaya kadar neredeyse %100 kesit daralması göstererek kırılırlar.

57 «cup-cone» kırılması Çok kristalli malzemelerde tipik kırılma Boyun verme sonrasında üç eksenli gerilme durumu oluşur. Çatlaklar kırılgan partiküllerde başlar. Partikülmatris ara yüzeyinde boşluklar oluşur.

58 Sünek kırılma önce ciddi miktarda plastik deformasyon olur. Boşlukların oluşması ve birleşmesi ile (mesela kalıntılar etrafında) gerçekleşir. Kırılma yavaş ve genellikle tane içlerinden ilerler. Kalıntılar tane sınırlarında ise, çatlak tane sınırlarını takip eder. Bu durumda kırılma yüzeyi ipliksi veya sünek taneler arası kırılma karakterini alır.

59 Sünek kırılma Eğer kalıntılar yoksa, boşluklar aşırı deformasyona uğrayan bölgelerde oluşur ve bölgesel kayma bantlarına yol açar. En sonunda boyun verme veya kayma kırılması şeklinde kırılmaya neden olur. Plastik deformasyon kapasitesi çatlak büyümesini geciktirir ve aşırı yüklemelere ve tasarım hatalarına karşı bir güven payı yaratır.

60 Sünek kırılma mekanizması Yapıda dağılmış Boşlukların başladığı partiküller Gerilmenin artması ile partiküllerin çevresinde boşlukların oluşması Oluşan boşlukların birleşmesi ile çatlakların oluşması

61 Sünek kırılma Plastik deformasyon ve sünek kırılmalarda partiküller etrafında oluşan boşluklar.

62 Sünek kırılma

63 Sünek kırılma Yaygın boşluk oluşumu malzemenin direncini azaltıyor, kayma yoğunlaşmasını teşvik ediyor ve kararsız kayma kırılmasına yol açıyor.

64 Sünek kırılma (a) Küresel kraterler / Çekme yüklemesi (b) Parabolik kraterler / kayma yüklemesi

65 Sünek kırılma Plastik deformasyon ve sünek kırılmalarda yapıda kalıntılar bulunmadığında aşırı plastik deformasyon bölgelerinde oluşan boşluklar.

66 Sünek kırılmada kırılma yüzeyi SEM görüntüsü Kırılma öncesinde yüksek miktarda enerji tüketimi Kırılma yüzeyinde kraterler dimple

67 Sünek kırılma Orta seviyede sünek / «cup-and-cone» kırılması Kırılma hadisesi birkaç aşamada gerçekleşir: önce sınırlı miktarda boyun verme yaşanır. boyun verme başladığında kesit içinde küçük boşluklar, mikro gözenekler oluşur. Deformasyon devam ederken bu boşluklar büyür, bir araya gelerek uzun ekseni yükleme eksenine dik eliptik bir çatlağa yol açarlar. Bu çatlak boşlukların birleşmesi ile yükleme eksenine dik yönde büyümeye devam eder. Nihayet, çatlağın yükleme eksenine 45 derecede kayma deformasyonu altında süratle büyümesi ile kırılma yaşanır.

68 Sünek kırılma Orta seviyede sünek 90 de Boyun verme boşluk oluşumu ve birleşmesi Maks kayma gerilmesi 45 de Boyun verme boşluk oluşumu ve birleşmesi

69 Orta derecede sünek kırılma Kırılma yüzeyi (çelik) 50 mm 100 mm Partiküller boşluk çekirdeklenmesi için tercihli noktalardır.

70 Fraktografi Ayırt ediciliği ve ışık mikroskobuna göre alan derinliği çok daha yüksek olduğu için kırılma yüzeylerinin incelenmesinde taramalı elektron mikroskopları tercih edilir. Cup-cone kırılmanın merkezindeki ipliksi doku taramalı elektron mikroskobunda yüksek büyütmede incelendiğinde çok yüksek sayıda yuvarlak çukurdan (dimple) oluştuğu görülür. Bu özellikteki bir kırılma yüzey yapısı tipik bir tek eksenli çekme kırılmasına işaret eder. Her bir küresel çukur kırılma sırasında oluşan mikro boşlukların yarısına denk gelir.

71 Metallerde kırılma mekanizmaları Tanelerin içinden (genel) Sünek kırılma klivaj Tanelerin içinden (transgranular) Tane sınırlarından/intergranular

72 Sünek kırılma Sünek matriste inklüzyonlar Gözenek oluşumu Gözeneklerin büyümesi Gözeneklerin arasında deformasyon yoğunlaşması Gözeneklerin arasında boyun verme Gözeneklerin birleşmesi ve kırılma

73 Sünek kırılma Katı malzemede küresel bir boşluk; üç eksenli gerilme altında Boşluklar arasındaki net kesit alanının tecrübe ettiği gerilme kritik bir değerin üzerine çıktığında kırılma gerçekleşir

74 Sünek çatlak büyüme mekanizması Sünek matriste inklüzyonlar Çatlak uç bölgesindeki yüksek gerilme altında boşlukların büyümesi Çatlak ucuna en yakın ve en büyük olan boşluğun çatlak ucu ile birleşmesi ve çatlağın büyümesi bölgesindeki yüksek gerilme altında boşlukların büyümesi

75 Sünek çatlak büyüme mekanizması 45 de zig-zag patern izleyerek sünek çatlak büyümesi yüksek mukavemetli az alaşımlı çelikte zig-zag çatlak ilerlemesi

76 Sünek çatlak büyüme mekanizması Kayma dudakları(shear lips) Çatlak tüneli Deformasyon bantları Bir kenar çatlağının sünek büyümesi: kayma dudakları tek eksenli çekme yüklemesinde cup-cone yüzeylerini oluşturan mekanizma ile büyür!

77 Gevrek kırılma (brittle fracture) Gevrek kırılma fazla bir plastik deformasyon yaşanmadan ve süratli çatlak ilerlemesi ile gerçekleşir. Çatlak ilerleme yönü tecrübe edilen çekme gerilmesinin yönüne hemen hemen diktir ve bu nedenle kırılma yüzeyi neredeyse dümdüzdür. Gevrek kırılma hiçbir uyarıda bulunmadan aniden ve tamamen gerçekleşir. (çatlak ilerlemesinin seri ve kendiliğinden gerçekleşmesi yüzünden!)

78 Gevrek kırılma Çok az plastik deformasyon kırık parçalar birleşir. Kırılma istisnasız olarak bir hata veya gerilme konsantrasyon noktasından başlar. Çatlak dengesizdir. Uygulanan gerilmede bir artış olmadan da süratle büyümeye meğillidir. Gevrek kırılma eğilimi: düşen sıcaklık artan deformasyon hızı üç eksenli gerilme (çentik etkisi) ile artar.

79 Gevrek kırılma Çatlak ilerlemesi hızlı (1/3 ses hızı; çelik için 1 km/s) Düşük enerji absorpsiyonu Kırılma gerilmesi akma mukavemetinden daha düşük olur. Yorulma sonucunda oluşan mikro çatlaklar gevrek kırılma ile sonuçlanabilir. Kaynaklanmış parçalarda ısıdan etkilenen bölgede kalıntı çekme gerilmeleri oluşur. Bu bölgede süneklik de düşüktür. Kaynak bölgesinde çekintiler de gevrek kırılmaya yol açar.

80 Gevrek kırılma Çatlak büyümesi klivaj mekanizması ile-belirli kristallografik düzlemlerde tane içlerinde atom bağlarının kopması [100] [010] HCP kristal yapılı ve [001] HMK metallerde, çok düşük sıcaklıklarda ve yüksek deformasyon hızlarında görülür. YMK metallerde ise sadece düşük sıcaklıklarda klivaj mümkündür.

81 YMK metallerde klivaj düzlemleri

82 klivaj kırılma

83 Quasi-klivaj kırılma

84 Gevrek kırılma Klivaj quasi-klivaj

85 Gevrek kırılma Gevrek kırılma yaşanan malzemeler Düşük sıcaklıklarda yumuşak çelik Yüksek mukavemet çelikleri, Cam / seramikler / beton

86 Gevrek kırılma Az deformasyon veya deformasyonsuz Çatlak ilerlemesi süratli Uygulanan gerilmeye dik yönde Çatlak klivaj mekanizması (belirli düzlemlerde atomlar arası bağların kopması) ile tane içinden (klivaj) veya tane sınırlarında ilerleyebilir. Tek ve çok kristalli malzemelerde HMK ve HCP metallerde; YMK metallerde nadir! Seramiklerde tipik!

87 Gevrek kırılma Makroskopik Düz kırılma profili Yok denecek kadar az boyun verme «kristalize» kırılma yüzeyi

88 Gevrek kırılma Tane Cleavage içlerinden fracture Klivaj kırılması Intergranular taneler arası brittle fracture gevrek kırılma

89 Gevrek kırılma tane içinden tane sınırından Gevrek kırılma Tane içinden kırılma Yorulma çatlakları tane içlerinden ilerler. Kırılma yüzeyi tane içlerindeki klivaj düzlemlerini temsil eden bir tekstürdedir. Tane arasından kırılma Yorulma çatlağı tane sınırlarını takip eder. Tane sınırları empürite segregasyonu ile gevrekleşmiştir.

90 Gevrek kırılma-tane içinden Çatlaklar klivaj dediğimiz gevrek bir mekanizma ile de büyürler. Gevrek kırılma yüzeyi-çelik

91 Tane içi kırılması tanelerin içinden geçen ve kırılmaya yol açan çatlak Sfero dökme demirde taneler içi kırılma

92 Taneler arası kırılma tane sınırlarını takip eden çatlak hattı.

93 Gevrek kırılma Gevrek kırılmalar malzemede var olan hata ve gerilme konsantrasyon noktalarından başlar. Önceden var olan çatlaklar İmalata hataları Çentik ve diğer gerilme konsantrasyon noktaları

94 Gevrek kırılma Kırılma yüzeyinde bizi kırılmanın başladığı noktaya yönlendiren izlere rastlayabiliriz (fraktografi incelemeleri!)

95 Gevrek kırılma Gevrek kırılma yüzeyleri kimi zaman tıpkı sünek kırılmalarda rastladığımız mekanizmalarla oluşur ve kraterli bir görünüme sahip olur. Yırtılma şeklindeki kopmalarda bu karakterde kırılma yüzeylerine rastlanabilir.

96 fraktografi Kırılma yüzeylerinin tipik bir özelliği olan V-şeklindeki çevron izleri. Oklar çatlağın başladığı yeri göstermektedir. Radyal yarıkları olan bir gevrek kırılma yüzeyi. Ok çatlağın başladığı noktayı göstermektedir.

97 Gevrek kırılma-makro Chevron izleri Chevron izleri çatlağın başlama noktasını işaret eder çeliğinden dövme parça: Çatlak okla gösterilen noktada başlamış. Bu bölgedeki oyuğun köşesi «0» radyüslü ve çok sivri!

98 Gevrek kırılma-mikro nehir patern izleri Çatlak aşağı doğru ilerlemiş!

99 Gevrek kırılma Akırılmanın başladığı bölgeler

100 Gevrek kırılma yüzeyleri taneler arasından 304 paslanmaz çelik (metal) tane içlerinden 4 mm Polypropylene (polimer) 316 paslanmaz çelik (metal) 160 mm Al Oxide (ceramic) 1 mm 3 mm

101 Klivaj kırılması A 508 çeliğinde gevrek klivaj kırılması- SEM kırılma yüzey görüntüsü

102 Klivaj kırılması Klivaj çatlağının taneler arasında bir «twist» sınırını kesmesi ile oluşan nehir patern izleri A508 çeliğinde nehir patern izleri: Paralel klivaj düzlemleri arasında Açık renkli yırtılma hatlarına dikkat edin

103 Klivaj kırılması (cleavage fracture)

104 Kırılma yüzeyleri Klivaj kırılma yüzeyi Sünek kırılma yüzeyi Quasi-Klivaj kırılma yüzeyi

105 Tane sınırlarından kırılma Sünek metaller genellikle inklüzyon ve ikinci faz partiküllerinde oluşan boşlukların birleşmesi sonucunda kopar-kırılırlar. Gevrek metaller tipik olarak tane içlerinden geçen çatlama ile kırılırlar. Özel durumlarda çatlaklar tane sınırlarında da oluşabilir ve tane sınırlarını takip ederek tane sınırlarından kopma ile sonuçlanabilir.

106 Tane sınırlarından kırılma Tane sınırlarında çatlamaya neden olabilecek durumlar: Tane sınırlarında gevrek bir fazın çökelmesi Hidrojen ve sıvı metal gevrekliği Atmosfer destekli çatlama Tane sınırı korozyonu Tane sınırı kavitasyonu ve yüksek sıcaklıklarda çatlama

107 Tane sınırlarından kırılma Çeliklerde tane sınırlarında hatalı temper işlemine bağlı olarak gevrek fazlar tane sınırlarında çökelebilir. Temperlenmiş martensit gevrekliği (350 C) P ve S gibi empüritelerin önceki ostenit tane sınırlarına segrege olmasından kaynaklanır. Hidrojen atomları metal atomları ile birleşerek tane sınırlarındaki kohezif bağı zayıflatır. H 2 veya H 2 S gazı buna neden olabilir. Bu, çeliklerin kaynak işlemlerinde önemlidir. Çelik amonya tankında tane sınırılarından kırılma

108 Gevrek kırılma strength % elongation Sequential tearing of bonds f < 1%

109 Klivaj kırılması mesafe Mikro çatlak Çeliklerde klivaj kırılma modeli: ana çatlağın önündeki bir ikinci faz partikülünde kırılma ile klivaj kırılmasının başlaması

110 İdeal ve gerçek malzemeler oda sıcaklığında gerilme-gerinim davranışı: E/10 ideal malzemehiç yapısal kusuru yok! Titizlikle hazırlanmış cam fiber TS << TS Mühendislik malzemeleri İdeal malzemeler E/100 Tipik seramik 0.1 Tipik mukavemet kazandırılmış metal Tipik polimer DaVinci nin (500 yıl önce!) gözlemi tel uzadıkça, daha düşük yükte kopuyor! nedenler: -- hatalar erken kırılmaya yol açıyor -- büyük parçalarda daha fazla kusur var!

111 Teorik-gerçek kırılma mukavemeti Gevrek bir malzemenin kırılma mukavemeti atomlar arasındaki çekim kuvvetleri ile ilişkilidir. teorik E/10 >> Deneysel E/10000 malzemede var olan mikroskopik yapısal hatalarda gerilme konsantrasyonu! Uygulanan gerilme mikro çatlak, boşluk, çentik, yüzey çizikleri, köşeler vb ögelerde kat be kat artar. Bu artışın şiddeti hataların yönlerine ve ölçülerine bağlıdır.

112 Teorik koezif mukavemet Yük eksenine dik bir düzlemdeki tüm atomlar arası bağların koparıldığını düşünelim: Varsayımlar: Malzeme hiçbir yapısal hata ve/veya çatlak içermiyor! Bu düzlemdeki atomların bağları birbirlerinden kritik bir uzaklığa geldiklerinde topluca kopuyor.

113 Teorik koezif mukavemet Yük uygulanmadan önce: F, = 0 2 atom düzlemini ayırmak için gerekli gerilme düzlemler arasındaki uzaklığa bağlı olarak değişimi! Orowan bu değişimi basitleştirmek için sinüzoidal bir eğri seçmiştir. Bu eğrinin altında kalan alan kopmayı gerçekleştirmek için harcanan enerjiyi temsil etmektedir. Yükleme: F, > 0 Kopma: F, = 0

114 Teorik koezif mukavemet Atom düzlemlerinin uzaklığı ile gerilme arasındaki ilişki K sabitini kuvvet-uzaklık eğrisinin başlangıcındaki eğimi Young Modülü ile ilişkilendirerek bulabiliriz. X, d 0 a yakın olduğunda (x-d 0 küçük olduğunda) malzeme davranışı Hooke Kanununa uyacaktır. (σ = E ). E

115 Teorik koezif mukavemet Elastik deformasyonun birbirinden ayırmaya çalıştığımız 2 düzlemle sınırlı ve malzemenin izotropik olduğunu varsayalım; Yükleme ile oluşturduğumuz şekil değişimi (dε): Bu ifadeyi Hooke Kanununa yerleştirirsek,

116 Teorik koezif mukavemet Klivaj kırılması için gerilme Ve şekil değişimi Yüzey enerjisi

117 Uygulanan kuvvet (F) Teorik mukavemet Atomlar arasında çekim kuvveti d 0 cohesive E r

118 Teorik klivaj mukavemetleri metal yön E (GPa) (mjm -2 ) max (GPa) gümüş <111> gümüş <100> altın <111> nikel <100> tungsten <100> demir <100> elmas <111> Al2O3 <0001>

119 Kayma ile kırılma Birbirinden d uzaklığında ve atomlar arası mesafesi b olan bir kristal yapılı malzeme düşünelim: Atom düzlemlerinin kayma gerilmesi uygulandığında distorsiyona uğramadığını varsayalım.

120 Kayma ile kırılma Gerilme uygulandığında, atomlar sırası ile denge konumlarından (A,B,C..) geçecektir. Her denge konumunda potansiyel enerji,, minimum ve =0. Denge konumları arasında atom hareketi ile potansiyel enerji artar ve ½ b de maksimum değerini alır. Uygulanan kayma gerilmesi potansiyel enerji bariyerini aşacak kadar arttığında plastik deformasyon gerçekleşir. Tam o sırada atomlar bir denge konumundan diğerine yer değiştirirler.= KAYMA

121 Teorik kayma mukavemeti Denge konumları arasında çevrimsel olarak değişir. Bu değişimin sinüs dalgası şeklinde olduğunu varsayarak, Küçük değişimler için

122 Teorik kayma mukavemetleri Malzeme G(GPa) max/g max (GPa) Teorik çekme mukavemeti teorik kayma mukavemetinden en az 2-3 kat daha büyük. Bu durumda malzemenin kayma ile deformasyona uğraması klivaj ile kopmasından daha kolay.

123 Teorik kayma mukavemetleri Bir çok kübik kristal yapılı malzemede b d Malzemelerde ölçülen mukavemet değerleri çok daha düşük. Bu farkın nedeni, Mikro çatlaklar : deneysel << max-teorik Dislokasyonlar : deneysel << max-teorik kırılma olaylarında çatlakların rolü // deformasyonda dislokasyonların rolü!

124

125 problem Silika fiberinin kohezif mukavemetini hesaplayın. E= 95 GPa, s = 1Jm -2, a 0 = 0.16nm Bu mukavemet mühendislik malzemelerinin kırılma mukavemetinden çok daha yüksek! Bu farkın nedeni, mühendislik malzemelerinde kırılma mukavemetini düşüren hataların bulunmasıdır. Griffith bu farkı açıklamak için enerji dengesi yaklaşımını kullanmıştır.

126 Teorik koezif mukavemet Kopma sonrasında 2 yeni yüzey elde edilir. Bu yüzeyleri oluşturmak için bir iş yapılır. bu yüzeylerle ilgili bir yüzey enerjisi olmalıdır: = yüzey enerjisi/alan Oluşan 2 yüzey için toplam yüzey enerjisi = 2 A Düzlemler arası kopmayı sağlamak için harcanan enerji oluşan yeni yüzeylere ait yüzey enerjisinden büyük olmalıdır. A

127 Griffith gevrek kırılma teorisi Çatlak büyüme kriteri Çatlak, elastik deformasyon enerjisi yeni yüzeyler oluşturmak için gerekli enerjiye eşit olduğunda, ilerler. Yeni çatlak yüzeyi yaratmak için gerekli gerilme Plane strain koşullarında bu ifade,

128 Kırılma şeklini etkileyen faktörler Metalurjik unsur gevrek Tane sınırlarında partiküller olan iri taneli malzemeler sünek Tane sınırlarında partikül bulunmayan ince taneli malzemeler sıcaklık Düşük sıcaklık Yüksek sıcaklık Gerilme durumu Çentik var-üç eksenli gerilme Çentik yok! Deformasyon hızı yüksek düşük Yükleme durumu Hidrostatik basınç (çatlağı geciktirir)

129 Kırılmayı etkileyen faktörler Sıcaklık deformasyon hızı gerilme durumu Kırılma karakteri Kullanılan tanımlar Kristallografik mod kayma klivaj Kırılma yüzeyinin görünüşü Kırılmaya kadar şekil değişimi Kırılma hattı ipliksi sünek Granülerparlak gevrek Tane içlerinden Tane arasından

130 özet düşük sıcaklıktaki bir çekme deneyinde kırılma sünek veya gevrek olarak gerçekleşir. Süreçte yaşanan plastik deformasyon kırılmanın kaçınılmaz olduğunu haber verdiğinden ve önlemler alınabileceği için Sünek kırılma tercih edilir. sünek kırılma için daha fazla enerji gerekir. Sünek malzemelerde çatlaklar kararlıdır: gerilme seviyesinde bir artış olmadan daha fazla büyümez! Gevrek malzemelerde ise çatlaklar dengesizdir: Çatlak bir kez oluştuktan sonra gerilme seviyesinde artış olmadığında bile çatlak büyümeye devam eder.

131 özet düşük sıcaklıklardaki bir çekme deneyinde kırılma sünek veya gevrek olarak gerçekleşir. Süreçte yaşanan plastik deformasyon kırılmanın kaçınılmaz olduğunu haber verdiğinden ve önlemler alınabileceği için Sünek kırılma tercih edilir: sünek kırılma için daha fazla enerji gerekir. Sünek malzemelerde çatlaklar kararlıdır: gerilme seviyesinde bir artış olmadan daha fazla büyümez! Gevrek malzemelerde çatlaklar dengesizdir. Çatlak bir kez oluştuktan sonra gerilme seviyesinde belirgin bir artış olmadığında bile çatlak büyümeye devam eder.

132 özet Sünek kırılma Sünek metaller için 2 tür kırılma yüzey profiline rastlanır: Kesit bir noktaya daralıncaya kadar boyun vermeden sonra gerçekleşen kırılma: sünek davranış Sınırlı boyun verme ile cup-and-cone profili; sınırlı süneklik. Gevrek kırılma Kırılma yüzeyi oldukça düzdür ve gerilme eksenine dik yöndedir. Çok kristalli gevrek malzemeler için çatlak hem tane içlerinden (transgranular) hem de tane sınırlarını takip ederek (intergranular) ilerleyebilir.