Malzeme Seçimi ÖRNEKLER

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Malzeme Seçimi ÖRNEKLER"

Kudret Dalman
5 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Malzeme Seçimi BÖLÜM-7 ÖRNEKLER Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ Malzeme Seçimi*7/ Y. Özçatalbaş/2014 1

2 Malzeme Seçimi Malzeme Seçimi*7/ Y. Özçatalbaş/2014 2

3 ÖRNEK - 1. BOT KÜREĞİ İÇİN MALZEMESİ SEÇİMİ Bot küreğini eğilmeye çalışan bir kiriş gibi düşünebiliriz. Bu kürekçi açısından mümkün olduğunca hafif olmalı,aynı zamanda da kürekçi küreğe asıldığında doğan eğilme momentine de dayanıklı (sert) olması gerekir. 3

4 Kürekte mukavemet kısıtlamasını karşılamak kolaydır. Kürek yük altında belirli bir elastik esnemeye uygun olmalıdır. Kürek resmine bakıllırsa küreğin uç kısmı kaşık görünümündedir. Alt kısımda elastik esneme gösterilmiştir. Alt mesnet bağlantısından 2,05 m uzakta kaşık kısmına 10 kg lık bir yük uygulandığında yumuşak bir kürekte bu esneme 50 mm, sert olan kürekte ise 30 mm ölçülür. Kürek siparişi verecek kişi elastik esneme payını vermek zorundadır. Kürek hafif olmak zorundadır, zira bot un kendi ağırlığı+küreklerin ağırlığı su içindeki alanı artırır. Öyle ise; 1. kürek hafif olmalı 2. dayanıklı (sert) olmalı 3. kiriş görünümlü kabul edebiliriz. O zaman hafif ve sert kirişte MALZEME İNDİSİ; M= E 1/2 / ρ Malzeme Seçimi-7/ Y. Özçatalbaş/2014 4

5 Başka bir kısıtlama da, kürekler düşer, uçları çarpar bu nedenle tok malzeme olmalıdırlar. Kürek için tasarım şartları Fonksiyon : Kürek hafif fakat sert olmalı Sınırlama : Uzunluğu belli, Eğilme muk. belli, Tokluk G 1C > 1 kj/m 2 Amaç : Min.Kütle olacak Serbest değişkenler : Kürek çapı Malzeme seçimi 5

6 Mühendislik Malzemelerinin Kırılma Enerjileri Tokluk G 1C > 1 kj/m 2 olan malzemeler Malzeme Seçimi*7/ Y. Özçatalbaş/2014 6

7 E- diyagramına bakılırsa, arama bölgesin de çok az bir grup malzeme mevcuttur. 7

Diyagramdan çok açık şekilde seramik, ağaç ve kompozit malzemeler seçilebilir olarak gözükmektedir. Kürek malzeme seçimi Malzeme Malzeme index (E / ) Yorum 1.

8 Diyagramdan çok açık şekilde seramik, ağaç ve kompozit malzemeler seçilebilir olarak gözükmektedir. Kürek malzeme seçimi Malzeme Malzeme index (E / ) Yorum 1. Ağaç (3,4-6,3 ) Ucuz ama, doğal değişkenliği fazla 2. CFRP (5,3 7,9) Ağaç kadar iyi ve kontrol edilebilir 3. Seramik ( 4.0 8,9) Tokluk düşük maliyet yüksek 8

9 Malzeme seçimi sonuçlarının yorumu Bu sonuçlara göre kürekler ya Ağaç tan ya da CFRP kompozitten yapılacaktır. Ağaçlar 100 yıl önceki gibi elle imal edilmekte, yapışkanla birleştirilmekte ve cilalanmaktadır yılındaki fiyatları 250 dolar idi. Ağırlıkları da 4-4,3 kg civarındadır. CFRP kompozit ise ağaca göre daha hafif, aynı sertlikte karbon ve cam fiberle epoksi reçinesi katılarak daha yüksek fiyata mal olmaktadır. Ama 3,9 kg ağırlığındadır. Özellikle karbon fiber çok güçlüdür. 9

10 ÖRNEK 2. HASSAS CİHAZLARDAKİ ISIL DİSTORSYONU EN AZA İNDİREN MALZEME SEÇİMİ Bir ölçüm cihazının hassasiyeti ( örn. dış çap mikrometreleri gibi ) ısıl dağılımlar sebebiyle oluşan boyutsal değişimler ve rijitliği ile sınırlıdır. Elastik sınırlar içindeki boyutsal ve geometrik sapmaları dengelenecek şekilde düzenlemeler yapılabilir ve ısıl genleşme etkisini nötürleyecek düzeltme faktörü, üniform sıcaklıkta bulunan cihazla yapılan doğrulama ile sağlanabilir. Isıl dağılımlar gerçek bir problemdir. Cihazın çarpılması ile biçim değişimine sebep olurlar ve ölçüm hatasının telafisi mümkün değildir. Titreşim hassasiyeti başka bir problemdir. Ses oluşturan doğal etkiler hatalı ölçüme sebep olur. Bu durum, hassas bir cihaz tasarımında genleşmeye izin veren, distorsyonsuz tasarım yapılmasını sağlamıştır. İzin verilen elastik sapma, yüksek frekanslı doğal titreşimlerden meydana gelir. Bu durumda hassas cihazlar için uygun malzeme nedir? 10

11 Hassas cihazlar için uygun malzemeler nelerdir? Aşağıda liste şeklinde gösterilmiştir. Hassas cihazlar için tasarım gereksinimleri: Fonksiyon : Hassas cihazlar için gövde (frame) Sınırlamalar : Isı akışı tolere edilmeli Titreşim tolere edilmeli Amaç : Maksimum konum hassasiyeti (Minimum çarpılma/distorsyon) Serbest değişkenler : Malzeme seçimi 11

Kararlı durumda Fourier kanunu; Isı iletim kanunu, Fourier kanunu olarak da bilinir, birim zamanda bir tabaka boyunca olan ısı akısı miktarının, sıcaklık farkının gradyanına oranıdır.

12 Kararlı durumda Fourier kanunu; Isı iletim kanunu, Fourier kanunu olarak da bilinir, birim zamanda bir tabaka boyunca olan ısı akısı miktarının, sıcaklık farkının gradyanına oranıdır. q birim ısı giriş alanında, ısı iletkenlik ve dt / dx değeri oluşur. Buradan gerinmenin sıcaklıkla ilişkili olduğu görülür. = (T 0 - T) Burada T o ortam sıcaklığı ve ısıl genleşme katsayısıdır. Distorsiyon ve gerinme değeri doğru orantılıdır. 12

13 M 1 Böylece belirli bir ısı akısı ve geometri için, büyük indeks değerli malzemeler seçilerek distorsiyon dε /dx minimize edilir. Diğer bir problem vibrasyondur. Dış etkenlerle oluşturulan titreşim, cihazın mümkün olduğunca yüksek doğal frekansları ile sönümlenir. Eğilmeli titreşimler, en düşük frekanslara sahiptir ve yüksek değerlikli M 2 indeksi bu problemi minimize eder; M 2 A high value of this index will minimise the problem. Finally, of course, the device must not cost too much. 13

14 M 1 14

15 M 1 15

16 M 2 16

17 17

18 MALZEME SEÇİMİ : Arama bölgesi hattı λ/α=10 7 W/m değeri ile izole edilmiş olup tablo da kısa bir liste olarak gösterilmiştir. M 2 = E 1/2 /q değerleri ise sonraki tablodan okunabilir. Metaller arasından ;bakır, tungsten ve özel nikel alaşımı olan İnvar malzemeleri en iyi M 1 değere sahip olmalarına rağmen, zayıf M 2 değerlerine sahip olmaları sebebiyle dezavantajları da vardır. En iyi seçim yüksek saflıktaki silikon ile yapılır. Silisyum karbürde diğer bir alternatif olabilir. 18

19 ÖRNEK 3. GEMİ DÜMENİ İÇİN NAYLON YATAK MALZEMESİ SEÇİMİ Gemilerin dümen yatakları ( şekil den ve tablo dan görüleceği gibi) en olumsuz şartlarda faaliyet gösterir. Kayma hızı düşüktür, ancak yataklama basıncı yüksektir ve yeterli yağlama bakımını sağlamak genellikle zordur. Dümen şiddetli titreşim üreten ve aşındırma yapan pervanenin arkasında uzanır. Kum ve aşınma ile oluşan parçacıklar yatak yüzeyi için tehlike oluşturur. 19

20 20

Gemi dümen yatakları genellikle bronzdan yapılır. Bronzun aşınma direnci iyidir ve taşıyabileceği maksimum yataklama basıncı yüksektir. (önemli)!

21 Gemi dümen yatakları genellikle bronzdan yapılır. Bronzun aşınma direnci iyidir ve taşıyabileceği maksimum yataklama basıncı yüksektir. (önemli)!!! Fakat deniz suyundaki galvanik hücre sistemi, bronz ve herhangi diğer metaller arasında iletken bir yolla kurulur. Bir gemide bu tür bağlantılar muhtemeldir. Bu yüzden kumla abrasif aşınma gibi galvanik korozyon da bir problemdir. Bu durumda bronzdan daha iyi bir seçenek var mı? MALZEME MODELİ; Yatak kuvvetinin (F), geminin dizaynı ile birlikte ayarlandığını kabul ediyoruz. Yatak basıncı (P), yatak yüzeyinin alanını (A) değiştirerek kontrol edilebilir. P = F / A Bu şu manaya gelir, dengelemek için daha düşük yatak basıncına sahip, daha uzun bir yatak boylu ve yüzey alanlı bir malzeme seçmede özgürüz. Bundan dolayı tuzlu suda aşınmayacak ve tam yağlama ihtiyacı gerektirmeden çalışabilecek bir yatak malzemesi araştırıyoruz. 21

22 SEÇİM; Diyagram, aşınma hızı sabiti (k a ) ve sertlik (H) ilişkisini gösterilir. Yatak yüzeyindeki aşınma hızı ( ) aşağıdaki eşitlikle verilir ve bu noktada C bir sabit, P yatak basıncı, P max malzeme için verilen maksimum yatak basıncı ve H ise o malzemenin sertliğidir. Eğer yeni bir malzeme kullanıldığında yatak tekrar boyutlandırılmazsa, yataklama basıncı P değişmez ve en düşük aşınma hızına sahip olan malzeme, miktar olarak en küçük değere sahip malzeme (M 1 ) olacaktır. 22

23 Bronz iyi performans gösterir, fakat takviyeli termoplastikler neredeyse bronz kadar iyidir ve tuzlu suda üstün korozyon direncine sahiptirler. Diğer taraftan eğer yatak P max x 0.5 katı yükle çalışacak şekilde yeniden boyutlandırılsa, en düşük aşınma hızına sahip malzeme (M 2 ), miktar olarak en küçük değere sahip olacaktır. Malzeme seçim tablosundan da görüleceği gibi burada polimerler açıkça üstündür. 23

İmalatçılar bizim bu çalışmadan umduğumuz avantajları şu şekilde sıralıyorlar : a-) Su yağlamasıyla abrasif aşınma ve genel aşınma direnci artırılır.

24 Teflon, politetrafloroetilen (PTFE) polimerin ticârî adıdır. (C 2 F 4 )n DİPNOT. Son zamanlarda en azından bir gemi dümen yatağı üreticisi, geniş gemi dümenleri için dökme naylon-6 (polyamit-pa) yataklarını üretmeye başladı. İmalatçılar bizim bu çalışmadan umduğumuz avantajları şu şekilde sıralıyorlar : a-) Su yağlamasıyla abrasif aşınma ve genel aşınma direnci artırılır. b-) Planlı yağlama gereksizdir. c-) Korozyon direnci mükemmeldir. d-) Naylon-6 nın elastik ve sönümlenme özellikleri dümeni darbelerden korur. (bakınız: sönümleme modülü grafiği) e-) Titreşimle aşınma yoktur. f-)malzemeyi işlemek ve monte etmek kolaydır ve makinada işlemek pahalı değildir. 24

Diyagram, takviyeli polimer veya kompozitin daha iyi olabileceğini önermektedir. Takviyeli karbon-fiber naylon malzemenin aşınma direnci, takviyesiz naylondan daha iyidir.

25 Diyagram, takviyeli polimer veya kompozitin daha iyi olabileceğini önermektedir. Takviyeli karbon-fiber naylon malzemenin aşınma direnci, takviyesiz naylondan daha iyidir. Fakat daha az tok ve daha az esnek-elastik tir. Titreşimleri yeterince sönümleyemez. Bu tip problemlerde olduğu gibi, en iyi malzeme, sadece tasarım kriterine uyan değildir (burada tasarım kriteri aşınma direnci dir) üründen istenen en yakın talepleri karşılayan malzemedir. Malzeme diyagramının önerisine göre denenmeye değer faydalı tektir. Kabul edildiğini söyleyebilmek için deniz testleri elimizde olmalıdır. 25

26 Yararlanılan Kaynaklar: 1) TALAT Lecture 1502, Criteria in Material Selection 2) Tasarımda Malzeme Seçimi Ders Notları Doç. Dr. Şükrü TAKTAK 3) 4) Materials Selection in Mechanical Design, Michael Ashby, Third Edition, Elsevier 5) Endüstride Malzeme Seçimi, Prof. Dr. İrfan Ay, Arş. Gör. Kerem Demircioğlu 6) Materials Selection and Design, Hulya Cebeci, ) Malzeme Seçimi ve Tasarımı, Yard.Doç.Dr. Derya Dışpınar, İst. Üniv. Malzeme ve Metalurji Müh. 26

Benzer belgeler

MMM291 MALZEME BİLİMİ

MMM291 MALZEME BİLİMİ Ofis Saatleri: Perşembe 14:00 16:00 ayse.kalemtas@btu.edu.tr, akalemtas@gmail.com Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme