olmaktadır. Ancak kırılma mekaniği alanındaki ilerlemeler artan gibi çok daha complex ve çok daha fazla kişiyi ilgilendirir

Transkript

1 KIRILMA MEK. ne GİRİS -1- Geçmise bakıs Düzenleyen : Nusret MEYDANLIK-09 Kaynakça : INTERNET 1 GEÇMİ İ E E BAKI Kırılma ilk çağlardan beri bilinen bir hasar tipidir ve insan yapımı yapıların olduğu devirlerden beri bir problem olarak bilinmektedir. Problem bugün için önceki yüzyıllardan çok daha kötü sonuçlara neden olabilir çünkü bugünkü tasarımlar uçak teknolojisinde olduğu gibi çok daha complex ve çok daha fazla kişiyi ilgilendirir olmaktadır. Ancak kırılma mekaniği alanındaki ilerlemeler artan teknolojik karmaşıklıkla ortaya çıkabilecek potansiyel tehlikeli durumları önlemiştir. Malzemelerin nasıl hasarlanacağını ve bu gibi hasarlara karşı nasıl tasarım yapılması gerektiğini özellikle II dünya savaşından sonra öğrendik. Kırılma mekaniği hakkındaki bilgiler ilk zamanlarda pek kullanılmadı ta ki büyük ekonomik ve insan kaybı ile olan kazalar meydana gelene kadar.

2 1894 te tamamlandı 3 Leonardo da Vinci Leonardo da Vinci ( ) 15th century- DaVinci conducted experiments on iron wire, longer wires failed at lower loads than shorter wires, any ideas why? The notes of Leonardo da Vinci ( ) are the earliest records indicating a concept for evaluating the strength of materials. Mechanics is paradise of mathematical science because here we come to the fruits of mathematics 4

3 The science and early evolution of the strength of materials concepts can be attributed to Galileo. In the early 17th century, Galileo introduced the concept of tensile strength in simple tension. Mukavemet kesit alanı ile alakalıdır uzunluğun etkisi yoktur Gerilme fikri ilk kez Robert Hooke ( ) 1702) tarafından ortaya atıld ldı ft uzunluğunda unda tellere farklı ağırlıklar astı ve En önemli gözlemini g şöyle özetledi ; ut tensio sic vis (Latin) Hooke s law advanced two very important principles: 1. Recovery from elastic deformation. 2. Linear relationship between applied load and elastic deformation. In 1807, Thomas Young published[4] the definition of modulus of elasticity, which is also known as Young Modulus. Young related stress (σ) and strain (ε) by using the modulus of elasticity (E) with a very simple equation By the end of the 19th century, the influence of crack on the structural strength was widely appreciated, but its nature and influence was still unknown. In 1913, Inglis published the first significant work in the development of fracture 6 mechanics

4 1843- Rankine first discussed fatigue in relation to railroad axles A. A. Griffith was the first to make quantitative connection between strength and crack size 1950 s- G. Irwin set the stage to make fracture mechanics an engineering discipline, focused mainly on linear elastic fracture mechanics (LEFM) J. Rice introduced the J integral-beginning of elastic plastic fracture mechanics Currently - very active research area, particularly fracture of composites and ceramics, dynamic fracture, molecular and atomistic simulations of the fracture process, fracture of: thin films, interfaces, and microelectronic devices 7 Why Study Fracture Mechanics? The presence of cracks or crack-like engineering structures cannot be precluded defects in Current energy and material conservation considerations require that structures be designed with less safety margin, and hence greater tolerance to defects Requirement to determine residual strength and life of cracked structure 8

5 2.) Geçmi mişte kırılma k ile oluşmu muş bazı büyük k hasarlar : 1944 Cleveland LNG storage tank totally destroyed ; 79 homes, 2 factories, 217 cars, and 7 trailers. Nearly 700 people were left homeless and over 130 were injured. The death toll reached 225, but could have been higher if the accident had occurred later in the day, after students and workers had returned home. Property damage estimates ranged between $7 million to $15 million. 2.) Geçmi mişte kırılma k ile oluşmu muş bazı büyük k hasarlar : World War II Liberty ships (EC-2)- hulls literally broke in half, 145/2500 totally destroyed, 700/2500 damaged, cracking due to poor welding and brittle steel in cold weather 9 The cause of failure was due to crack initiated from defects in the welded area and subjected to subzero temperature. Daha önceki perçinli konstrüksiyon yerine hem daha kolay hemde daha ucuz olan kaynaklı birleştirme tercihi. Bugünkü durum? 10

6 Brittle fracture: The S.S. Schenectady, after failing at the pier in calm weather in DeHavilland Comet commercial airplane- first jet powered pressurized passenger plane, 3 aircraft suffered in-flight breakup due to fatigue cracks near stress-risers at window openings 12

7 COMET Hawaii, Aloha Airlines B-737, in-flight partial fuselage breakup, fatigue cracking along a lap joint. Perçinli bağlantı elemanlarında yorulma çatlak ilerlemesi Aloha Airlines Flight Sünek yırtılma Uçak kabininde, metalik saçta sünek yırtılma ve yorulma ile istenmeyen ve umulmayan hasar 14

8 Aloha Airlines, 4/28/1988. The aircraft lost 1/3 of its roof due to a stress fracture while cruising at 24,000 feet. Uçak kabininde, metalik saçta sünek yırtılma ve yorulma ile istenmeyen ve umulmayan hasar 16

9 Phoenix Bridge Company s Quebec Bridge failure, Mukavemet biliminin amacı yük altında hasarlanmadan işlevini görebilecek bir elemanın tasarımını yapmayı öğretmektir. hasar nedir? tasarımında ondan beklenen işlevi göremez hale gelme haline veya şartına HASAR denir. O zaman ; Bu hal ve şartlar ne olabilir? Ne zaman? veya nasıl? hasarlandığına karar veririz. - aşırı elastik deformasyon - akma (kalıcı-plastik deformasyon) - yorulma veya kırılma (kopma) - burkulma. vs. Ancak; bu hasarları ortaya çıkaran tasarımda hesaplanan taşınması gereken yük işletme esnasında, daha önce mukavemet dersinde bahsedilen, değişik nedenlerden ötürü hesaplarda alınan yükten farklı olabilir. Bu da emniyet katsayısı ile göz önüne alınır demiştik. (Muk.-I den hatırlayacaksınız) 18

10 O halde; - yük ve - bu yükü taşıması gereken kesit ve - hasarlanıp hasarlanmadığına karar vereceğimiz bir kantitatif büyüklük ki bu da gerilme ve deformasyon önemli parametrelerdir. -YÜK : statik ve dinamik derslerinden biliyorsunuz ki cisimlere etki eden değişik yükler var, bu yükler etkisinde ortaya çıkan değişik gerilme ve deformasyonlardan birçoğunun (hepsini olmasa da) nasıl hesaplanacağını mukavemet dersinde gördük (not not öğrendik!) - yine mukavemet dersinde gördük ki yük etkisi altında malzemelerin nasıl davranacağını belirleyen şey malzemenin mekanik özelikleri dir. Nedir bu mekanik özellikler? Elastisite (Young) modülü E, kayma modülü G, akma dayanımıσ ak., çekme dayanımı σ ç, yorulma dayanımı σ yo., tokluk, rezilyans. bunlar standart deneyler ile saptanır TEMEL KAVRAMLAR : Bir çok malzeme belirli bir sınıra kadar elastik davranış gösterir. Sünek davranış akma dayanımı (σ Y ) aşıldıktan sonra ortaya çıkan plastik şekil değiştirme ile tanımlanır. Bu durumda kopma (kırılma) yeterince büyük plastik deformasyonlardan sonra bir en büyük çekme gerilmesi (σ F ) değerinde ortaya çıkar. Buna karşın gevrek malzeme davranışı kopmadan önce çok az plastik şekil değiştirme ile meydana gelir. Kopma (yada( kırılma) Kopma (yada( kırılma) Malzeme davranışı : a) Sünek, b) Gevrek

11 Eldeki probleme bağlı olarak malzemenin mukavemeti bazen akma gerilmesi bazen de kopma anındaki en büyük çekme gerilmesi ile tanımlanır (malzemenin sünek/gevrek oluşuna göre). Bunların ikiside malzemenin mekanik özelliğidir ve bu sınırlarda malzeme davranışı dramatik olarak değişir. Burda vurgulamak gerekir ki sünek ve gevrek malzeme davranışı saf malzeme özelliği değildir. Örneğin gerilme durumu malzeme davranışını etkiler. Bunu açıklamak için çoğu zaman hidrostatik gerilme hali örnek verilir. Hidrostatik gerilme halinde plastik olarak şekil değiştirme olmaz (?) malzeme tamamen gevrek davranış gösterir. normal stress dominated fracture shear dominated fracture ekil.2. Hasar yüzeyleri 21 Gerilme (σ ) σ F σ Y C Kırılma Enerjisi Gevrek Bölge Geçiş Bölgesi Sünek Bölge T t Sıcaklık (T) ekil değiştirme Hızında artıs Üç eksenli Gerilme H. artışı Sıcaklık artışı Kopma dayanımı σ F sıcaklık ile hemen hemen değişmez, sıcaklık artışı ile küçük bir düşme gösterir. Ancak akma dayanımı sıcaklık artışı ile önemli miktarda düşer. Mukavemet eğrilerinin kesişim noktası C kritik noktayı veya geçiş sıcaklığını T t tanımlar. T t sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta, akmaya karşı direnç kopmaya karşı dirençten daha az olduğu için, gerilme yavaş yavaş arttırılırsa hasar daima akma ile olur, kopma eğrisi ile karşılaşılmaz. Ancak, T t nin altındaki bir sıcaklıkta ise hasar kırılma (kopma) ile ortaya çıkar, akma eğrisi ile karşılaşılmaz (yani plastik şekil değişimi olmaz). T t ye yakın sıcaklıklarda ise kırılmadan önce çok az bir akma görülür. 22

12 THE END Haftaya devam.. 23 YAPILAR NİÇİN N N HASARLANIR? Birçok yapı genellikle şu u iki nedenden ötürü hasarlanır; 1. Yapının n tasarımı,, konstrüksiyonu ksiyonu veya işletmesi i esnasındaki ndaki ihmalkarlık yada özensizlik, 2. Umulmayan bir sonucu yaratacak yeni bir tasarım m yada yeni bir malzeme uygulaması. Birinci durumda hasardan kaçınmak için prosedür mevcut olmasına rağmen kasıtlı kötü işletme, ihmal gibi insan hataları nedeniyle hasar ortaya çıkar. Yetersiz usta, uygun olamayan yada standart dışı malzeme kullanımı, gerilme analizinde hatalar, operatör hataları bunlara örnektir. Đkinci tip hasarları önlemek çok daha zordur. Yeni bir tasarım yapıldığında, tasarımcının öngöremediği değiştirilemez faktörler vardır. Yeni bir malzeme çok büyük avantajlarla sunulabilir ancak aynı zamanda potansiyel problemlere de sahiptir.

13 Sonuç olarak yeni bir tasarım ve malzemenin çok fazla test ve analiz yapıldıktan sonra işletmeye alınması gerekir. Böyle bir yaklaşım hasarın sıklığını düşürecektir fakat elimine etmeyecektir, deneyler ve analiz esnasında gözden kaçan önemli faktörler olabilir. Đkinci tip hasarların en önemlisi II. Dünya savaşındaki gemilerin gevrek kırılma hasarlarıdır. Endüstri devrimi ile birlikte yüksek mukavemetli çelik malzeme keşfedildi ve bir çok tasarımda tam olarak özellikleri bilinmeyen bu yüksek mukavemetli demir, çelik malzeme kullanılmaya başlandı. Bu da örnekleri verilen hasarların oluşmasına neden oldu.