MEKANİK-2 DENEY FÖYÜ

Transkript

1 T.C. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME BİLİMİ LABORATUARI II MEKANİK-2 DENEY FÖYÜ Öğretim Üyeleri: Prof.Dr. S.Can KURNAZ Yrd.Doç.Dr.Yıldız Yaralı ÖZBEK Yrd.Doç.Dr. Aysun AYDAY Öğretim Elemanları Arş.Gör.Aydın KARABULUT Arş.Gör. Mahmut TOKUR 1

2 DENEY-1-BASMA DENEYİ GİRİŞ : Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler (Şekil l). Şekil.l. Gri dökme demirin çekme ve basma deneyleri ile elde edilen mühendislik (gerilme - % uzama) diyagramları. Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. Basma deneyinin diğer bir avantajı da çok küçük numunelerin bile kullanılabilmesidir. Bu avantaj, bilhassa çok pahalı malzemelerle çalışıldığında veya çok az miktarda malzeme bulunduğu durumlarda çok faydalıdır. 2

3 BASMA NUMUNELERİ : Basma numunelerinde, üniform bir gerilme durumu elde edilmesi gayesiyle yuvarlak kesitli numuneler tercih edilir. Fakat kare veya dikdörtgen kesitli numuneler de kullanılabilir. Basma numunelerinde önemli olan bir özellik, numunenin çapı (do) ile yüksekliği (ho) arasındaki orandır. Bu oranın (ho /do) çok büyük olması, numunenin deney sırasında bükülmesine ve gerilmelerin numune üzerinde homojen olarak dağılmamasına sebep olur, dolayısıyla yanlış sonuçlar elde edilir. Bu sebeple pratikte üst limit olarak (ho/do) 10 oranı tavsiye edilir. Basma numunesinin yüksekliğinin çapa göre çok kısa olması da istenmez, ait limit olarak ta (ho/do) 1,5 oranı tavsiye edilir. Numune boyutlarının (ho/do)<l,5 olması durumunda, numune ile numunenin basıldığı plakalar arasındaki sürtünme, deney sonuçlarını etkileyecek değerlere yükselir. Genel olarak, basma numunelerinde (ho/do) 2 oranı en fazla kullanılan orandır. Metalik malzemeler için basma numunelerinde genellikle ho/do = 2 oranı kullanılır. Bununla beraber, farklı malzemeler için farklı (ho/do) oranı kullanılmaktadır. Şekilde farklı D/h oranlarına bağlı olarak yük-uzamandaki değişim gösterilmiştir. BASMA DİYAGRAMI : Basma deneyi, uygulanan yükün aksi yönde olması sebebiyle çekme deneyinin tamamen tersidir (Şekil 2.). Metalik malzemelerin basma diyagramlarının şekli, genel olarak çekme diyagramlarına benzer. Basma diyagramında da önce, basma gerilmesinin % şekil değişimi ile orantılı olarak arttığı (OA') 3

4 elastik bölge görülür. A' noktası elastik sınır olarak tanımlanır. Hook kanununa göre gerilme ile % şekil değişimi arasındaki orantıya sahip olan metalik malzemelerde, basma diyagramının ilk parçası olan elastik bölge, çekme diyagramının birinci kısmının (OA) uzatılmasına tekabül eder. Elastik sınırdan sonra basma diyagramında da plastik deformasyon bölgesi (A'C ) görülür. Basma diyagramının plastik deformasyon bölgesinin ilk kısmı (A'B') çekme diyagramının plastik deformasyon eğrisinin ilk kısmına (AB) benzer bir eğimle devam eder, fakat daha sonra basma eğrisinin eğimi (B'C) artar. Bunun sebebi, basma deneyi sırasında numunenin kesitinde devamlı olarak artmasıdır. Bilhassa plastik deformasyonun sonuna doğru numunenin kesiti çok arttığından basma gerilmelerinde de ani yükselmeler olur. Şekil.2. Çekme ve basma diyagramlarının şematik gösterilişi. ( Mühendislik (Teknolojik) Diyagramı ---Gerçek Diyagram) Basma deneyinde, numune kesitinin deformasyon sırasında devamlı arttığı göz önüne alınarak hesaplanan gerçek basma diyagramında, gerçek gerilme değerleri mühendislik gerilme değerlerinden daha düşüktür, dolayısıyle de gerçek basma diyagramı mühendislik (teknolojik) basma diyagramından daha az eğimli bir eğridir. Buna karşılık gerçek çekme diyagramı, mühendislik (teknolojik) çekme diyagramından daha fazla eğimli bir eğridir. 4

5 BASMA GERİLMESİ : Basma deneyinde de, basma yükünün orijinal kesit alanına bölünmesiyle mühendislik (teknolojik) basma gerilmeleri hesaplanır. Burada da, akma yükünün numunenin orijinal kesit alanına bölünmesiyle akma gerilmesi hesaplanır. Pakma Akma Gerilmesi ( m. a )= Ao Çekme deneyinde de olduğu gibi, bariz şekilde akma göstermeyen malzemelerin akma gerilmesi, teknolojik (mühendislik) basma diyagramı üzerinden % 0,01 den % 0,2 ye kadar kalıcı bir deformasyona tekabül eden bir gerilim olarak tayin edilir. Metalik malzemelerin çekme ve basma deneyleri ile elde edilen akma gerilmeleri değerleri birbirine eşittir. Basma deneyinde de gerçek gerilmeler, çekme deneyindeki gibi hesaplanır, yani herhangi bir andaki basma yükünün, o andaki numune kesitine bölünmesiyle bulunur. Basmada gerçek gerilme ( b,g )= Pi Ai Burada; Pi = Herhangi bir i noktasındaki basma yükü, Ai= Pi yükünün tatbik edildiği herhangi bir i noktasındaki numune kesiti. Basmada da gerçek gerilme değerleri ( b, g ) mühendislik gerilme değerlerinden ( b, m ) aşağıdaki bağıntı ile 'hesaplanabilir. ( b, g )=( b, m ) (1+e b ) Burada; b, g = Gerçek basma gerilmesi, b, m = Mühendislik basma gerilmesi, e b = Basmada mühendislik şekil değiştirme oranı. Yukarıdaki bağıntıda basmada mühendislik şekil değiştirme oranının (eb) negatif değerde olduğu 5

6 göz önüne alınmalıdır. eb'nin mutlak değeri alındığında, gerçek gerilme, ( b,g )=( b,m ) (1+e b ) formülü ile hesaplanır. Metalik malzemelerin gerçek çekme ve basma diyagramlarında gerçek gerilme değerleri birbirine eşittir. Halbuki mühendislik çekme ve basma diyagramlarında, plastik bölgedeki mühendislik basma gerilmeleri değerleri mühendislik çekme gerilmeleri değerlerinden daha fazladır (Şekil 3.). Şekil.3.Metalik bir malzemenin mühendislik ve gerçek çekme ve basma diyagramlarının şematik gösterilişi. % ŞEKİL DEĞİŞİMİ : Basma deneyinde % şekil değişimi (%eb), numunenin yüksekliğindeki azalma miktarının orijinal yüksekliğe oranının yüzde olarak ifadesidir. Basma deneyinde numunenin yüksekliği azaldığından, % şekil değişimi negatif değerdedir. % şekil değişimi (% eb)= h1 ho ho X 100 = ( h1 ho -1)x100 Burada; hı = Numunenin deney sonrası yüksekliği, ho = Numunenin orijinal yüksekliği. Basma deneyinde gerçek şekil değiştirme oranı da çekmedeki gerçek uzama oranı formülü ile hesaplanır. Basmada gerçek şekil değiştirme oranı (eb) ile gösterilirse, b =Ln ho hı ho = -Ln h1 h 0 >h 1 Basmada gerçek şekil değiştirme oranı da negatif değerdedir. 6

7 Basmada gerçek şekil değiştirme oranı ( bağıntı ise aşağıdaki gibidir b ) ile mühendislik şekil değiştirme oranı (eb) arasındaki b = Ln (l+eb) Basmada malzemenin deformasyon kabiliyeti veya sünekliği, % şekil değişimi ile tayin edilir. Basmada malzemenin sünekliği, genel olarak numune yüzeyinde ilk görülebilir çatlağın teşekkül ettiği deformasyon miktarı olarak tariflenir. Basma deneyi ile metalik malzemelerin sünekliğinin tayinindeki zorluk, uygulanan gerilmenin numune üzerinde genellikle üniform olmamasından ileri gelir. Deney cihazındaki basma plakaları ile numune arasındaki sürtünme kuvvetlerinin tesiri ile numunede şişme olur (Şekil.4.). Şişme olduğunda numunedeki deformasyon homojen değildir. Şişme, numune ile basma plakaları arasındaki sürtünmeyi azaltmak için seçilecek uygun yağlayıcılarla minimuma indirilebilir. Oda sıcaklığındaki basma deneylerinde teflon, yüksek sıcaklıklardaki basma deneylerinde cam uygun yağlayıcılar olarak kullanılabilir. Şekil.4. Numune ile basma plakaları arasındaki sürtünme kuvvetleri sebebiyle metalik sünek bir malzemenin basma deneyinde şişmesi. % KESİT DEĞİŞİMİ : Çekme deneyinde hesaplanan % kesit daralması yerine, basma deneyinde % kesit değişimi hesaplanabilir. A A1 %Kesit değişimi = x100= x100 Ao AoAo Burada; Ao= Numunenin orijinal kesit alanı; 7

8 A 1 = Numunenin deney sonrası kesit alanıdır. DÜZLEMSEL ŞEKİL DEĞİŞİMLİ BASMA DENEYİ : Kalınlığı çok az olan metalik malzemelerden silindir şeklinde basma numunesi hazırlamak imkansızdır. Bu sebeple ince levha veya sac gibi malzemelerin basma deneyi, düzlem şekil değişimli basma deneyi ile yapılır. Bu deneyde, örneğin saçtan kesilen bir şerit, genişliği boyunca iki basma plakası arasında basılır (Şekil.5.). Basma plakalarının basma yüzeylerinin genişliği dar olup, boyu ise basılan şerit şeklindeki malzemenin genişliğinden daha fazladır. Şekil.5. Düzlem şekil değişimli basma deneyi. Basma plakaları arasında basılan malzemenin eninde bir genişleme olmadan kalınlığı azaltılır (Şekil.6). Basma işlemi genellikle kademeli yapılır. Her basma kademesinde uygulanan yük ve malzemenin deformasyon sonrası kalınlığı ölçülür. Sonra basma plakalarının basma yüzeyleri daha sonraki kademede uygulanacak daha yüksek yük için tekrar yağlanır. Düzlem şekil değişimli basma deneyinde, uygulanan yükün basma yüzeyine bölünmesiyle hesaplanan basma gerilmeleri, basma yüzeyinin alanı sabit olduğundan gerçek basma gerilmeleridir. Yani; db, g p = wb dir Burada; db, g == Düzlem şekil değişimli basma deneyinde gerçek gerilme, P = Uygulanan yük, 8

9 w = Basılan malzemenin genişliği, b = Basma plakalarının genişliği. Şekil.6. Düzlem şekil değişimli basma deneyinde deney numunesinin deformasyonu. Düzlem şekil değişimli basma deneyinde de % şekil değişimi, kalınlık değişiminden hesaplanır. Mühendislik % şekil değişimi (e % e t1 db = to to x100=( t1 to -1)x100 db ) ile gösterilirse; Burada; ti = malzemenin deney sonrası kalınlığı, to = malzemenin orijinal kalınlığıdır. Gerçek şekil değiştirme oranı (e db ) aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir. e db =Ln t1 to Normal basma deneyi ile elde edilen gerçek basma diyagramı, düzlem şekil değişimli basma =-Ln deneyinden aşağıdaki bağıntılar yardımıyla elde edilebilir. to t1 Burada; bıı = Basma deneyindeki gerçek gerilme; 9

10 dbıb = Düzlem şekil değişimli basma deneyindeki gerçek gerilme; b db = Basmada gerçek şekil değiştirme oranı; = Düzlem şekil değişimli basmadaki gerçek şekil değiştirme oranı. Düzlem şekil değişimli basma deneyi, haddeleme işlemindeki deformasyon şekline benzer bir deformasyonla yapıldığından, haddeleme sırasında malzemede meydana gelen gerilme durumu hakkında en iyi bilgiyi veren deneydir. Ayrıca düzlem şekil değişimli basma deneyinde, normal j basma deneyinde görülen şişme problemi yoktur. Aynı zamanda basma 1 plakaları arasında basılan yüzeyde bütün deney boyunca sabit olduğundan, normal basma deneyinde basma yüzeyinin devamlı artması sebebiyle deformasyon için gerekli kuvvette meydana gelen ani yükselme, düzlem şekil değişimli basma deneyinde olmaz. BASMADA KIRILMA ŞEKİLLERİ : Basma deneyinde parçaların deformasyonu ve kırılması çeşitli şekiller de olabilir (Şekil 7.). Sünek malzemeler (örneğin; düşük karbonlu çelik) genellikle deney sırasında kırılmadan deforme olurlar ve şişme göstererek yığılırlar (Şekil7.a). Gri dökme demir gibi gevrek malzemelerde kırılma, genellikle kayma ile numunenin iki parçaya ayrılması şeklinde olur (Şekil7.b). Pirinç gibi yarı - gevrek malzemelerin kırılması ise Şekil 7.c de görüldüğü gibi koni şeklinde olur. Şekil.7. Çeşitli malzemelerin basmada deformasyon ve kırılma şekilleri. a) Sünek bir malzemenin (düşük karbonlu, çelik gibi) deformasyonu; b) Gevrek bir malzemenin (gri dökme demir gibi) kırılma şekli; c) Yarı gevrek bir malzemenin (pirinç gibi) kırılma şekli. REFERANSLAR: [1] KAYALI E. S., ENSARİ C., DİKEÇ F., Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri İTÜ, [2] ASM Metals Handbook, Vol.8, pp

11 [3] SAVAŞKAN T., Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, KTÜ, DENEY DENEYİN ADI: Eğme Katlama Deneyi DENEYİN AMACI: Malzemelerin eğme dayanımlarının hesaplanması ve şekil değiştirme özelliklerinin incelenmesi. Metalik malzemelerin katlama deneyi malzemelerin şekil değiştirmesi hakkında genellikle kalitatif bir bilgi edinmek gayesiyle yapılır. Eğme deneyindeki amaç ise kalitatif sonucun yanında, eğme momenti (Me), eğilme dayanımı (e), esneklik modülü (Ee) ve eğilme miktarı (Y) gibi kantitatif değerleri hesaplamaktır. TEORİK BİLGİ: Eğme, iki desteğe serbest olarak oturtulan genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir deney parçasının, yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığına oluşan biçim değişmesidir. Katlama ise, eğmenin özel bir durumu olup, daire veya dikdörtgen kesitli deney parçasının iki kolunun birbirine paralel duruma getirilmesi(180 o eğme) işlemidir. İmalat sırasında eğerek veya katlayarak form verilen malzemelerin şekil değiştirme kapasitesinin tayininde çoğu kez bu deneyden faydalanılır. Katlama deneyi malzemenin kendisi için uygulandığı gibi, bu malzemelerden kaynak yoluyla birleştirilmiş parçalar için de kullanılabilir. Böylece kaynak dikişinin şekil değiştirme kapasitesi, hatta kaynak dikişi ile esas malzeme arasında iyi bir bağlantı olup olmadığı tespit edilebilir. Birçok değişik eğme yöntemi mevcuttur. Bunların hepsinde (ileri-geri eğme hariç) esas amaç malzemeyi çatlayıncaya kadar tek yönde eğmektir. Sünekliği iyi olan malzemeler 180 katlamaya rağmen çatlamazlar. Yani eğme deneyinde kriter olarak eğme açısı() kullanılır. Eğilme açısı ise eğme tamamlandıktan sonra numunenin 2 kolu arasındaki dış açı olarak tanımlanır Bazen eğme sonunda bükülmüş kısmının eğrilik yarıçapı (r) da kriter olarak alınabilir. Eğme deneylerinde, eğme momenti veya eğilme dayanımının hesabı için, numunenin kırıldığı andaki maksimum yükü (Pmax) ölçmek gerekir. Bundan sonra gerekli formüller kullanılarak istenilen değerler hesap edilir. Eğilme Momenti Mukavemet momenti Eğme dayanımı NUMUNE TANIMI: Dökme Demir Parçasının Standarda göre numune boyları aşağıdaki tabloda verilmiştir. Numunenin Çapı/ Kalınlığı Numunenin Uzunluğu Desteklerin Çapı Eğme Mandrelinin Çapı Desteklerin Açıklığı Deney Başlangıcında uyg. Kuvvet 11

12 DIN standardına göre numune boyları asağıdaki tabloda verilmistir: Numune Şekli Uzunluk/(mm) Genişlik b (mm) Kalınlık h (mm) Standart Çubuk Standart küçük çubuk Plastiklerin Eğilmesi Standardı : TS 985 Eğme Katlama Standardı : TS 205 Formüller: DENEYİN YAPILIŞI: Deney numunesi Cihaz tablasına yerleştirilir. Deney numunesinin boyu önemli değildir. Çünkü cihazda mesnetler arası mesafe sabittir ve deney sonuçlarını sadece bu mesnetler arası mesafe etkiler. Deney numunesi cihaza yerleştirildikten sonra yüzler birbirine bakacak şekle gelene kadar orta kısımdan yük uygulandı ve numune V şekline getirildi. Daha sonra numune alınarak alt kısmındaki bölgeye bakılarak olası çatlamalar gözlemlendi. Kaynaklar Şekil 1. Eğme deneyinin şematik gösterilişi 1. Malzeme teknolojisinde deneysel verilerin değerlendirilmesi seminer notları Boğaziçi Üniversitesi İstanbul. 12

13 2. Metalurji ve malzeme mühendisliği deney föyü YTÜ, istanbul 3. Metalurji ve malzeme mühendisliği malzeme laboratuvarı deney föyü, KTÜ DENEY-3 AŞINMA DENEYİ Sürtünme, birbirine relatif çalışan iki madde arasındaki kinetik enerjinin sürekli olarak düşüşünü ifade eder. Genel anlamda, temas halindeki ya da birbiri üzerinde hareket eden veya hareket ihtimali bulunan yüzeylerin hareketlerine karşı gösterilen direnç olarak tanımlanır. 1. Sürtünme Birbiri üzerinde hareket eden yüzeyler arasına yağlayıcı madde konulup konulmaması bakımından temas yüzeylerinin durumuna göre, kuru, yarı sıvı ve sıvı sürtünme olarak üç halde de incelenebilir. Malzeme mühendisliği açısından önemli olan katı hal sürtünmesidir. Düşük sürtünme istenen alanlar : Yataklar, dişliler, malzeme üretim işlemleri Yüksek sürtünme istenen alanlar: Fren diskleri, debriyaj kavrayıcısı, tornavida uçları, yol yüzeyleri Temasta bulunan iki malzemeden biri diğerinin üzerinde kayarken diğer malzemenin karşı yüzeyin hareketine gösterdiği direnç Sürtünme Kuvveti olarak adlandırılır. μ: Sürtünme katsayısı F: Sürtünme kuvveti N: Uygulanan yük μ= F/N Örnek sürtünme katsayı değerleri Çok iyi bir yağlama durumunda μ = 0.03 Kuru ortamda μ = Vakumda çok temiz metal yüzeylerinde μ 5 olabilir Rahat bir insan yürüyüşünde μ= Buz üstünde yürümede μ= 0.05 Frenlemede μ= Sürtünme kuvveti ve normal yük arasındaki orantılılık, kinetik ve statik sürtünme katsayıları ile tanımlanmaktadır. 13

14 Şekil 1. Statik ve kinetik sürtünmenin şematik anlatımı. μs = statik sürtünme katsayısı (hareketi başlatmak için aşılması gereken kritik değer) μk = kinetik sürtünme katsayısı (sistemin hareket hızının sabit kalabilmesi için aşılması gereken kritik değer) μk<μs Sürtünme Katsayısını etkileyen faktörler: Malzeme kompozisyonu Yüzey düzgünlüğü Kayma hızı Sıcaklık Yüzey kirlenmesi Yağlama Nem Oksit filmleri Birbirine karşı çalışan iki katı yüzey arasındaki sürtünme ve aşınma günlük yaşantıda sürekli karşılaşılan bir durumdur ve Şekil 2. de gösterildiği üzere, bazı durumlarda en düşük sürtünme ve en yüksek aşınma değerleri ya da en az aşınma ile birlikte en yüksek sürtünme değerleri ya da her ikisinin de en yüksek değerlerinin istendiği çalışma alanları bulunmaktadır. Örneğin otomobillerde fren ile yavaşlama-durma esnasında aşınma oranının düşük, buna karşın sürtünme değerlerinin yüksek olması istenmektedir ya da ayakkabılarımızın tabanlarındaki sürtünmeden dolayı kaymanın engellenmesi yüksek sürtünmenin avantajlı olduğu durumlardır. Diğer yandan motor silindiri içinde piston hareketi esnasında düşük sürtünme ve aşınma beklenmektedir. Kullandığımız kalemlerde sürtünmenin en az, aşınmanın ise yüksek değerlerde olması beklenir. Silgilerde ise hem sürtünme hem de aşınma yüksek olmalıdır. 14

15 Şekli 2. Sürtünme ve aşınmanın istenen ya da istenmeyen özellikler olduğu ya da olmadığı bazı kullanım alanları 1.1 Yağlayıcılar ve Yağlama Gazların, sıvı ya da katıların düşük kayma mukavemetli ince tabakaları, karşılıklı çalışan yüzeylerin birbiri üzerindeki kayma hareketlerinin düzgünlüğünü arttırmak ve oluşabilecek hasarı engellemek amacıyla iki yüzey arasına ilave edilmektedir. Malzemelerin bu tabakaları, katı yüzeyleri birbirinden ayırmakta ve genellikle oldukça ince olmaktadırlar. Genel olarak bu filmlerin kalınlıkları [μm] arasında olmakla birlikte daha ince ve daha kalın yağlayıcı film tabakaları bulunabilir. Bu filmlerin katıların teması esnasında oluşabilecek hasarı önlemelerinde, etkinlikleri genellikle yağlama olarak adlandırılır. Yağlayıcı filme ihtiyaç duyan malzeme tipleri için herhangi bir kısıtlama olmamasına karşın, yağlayıcının uygulanacağı malzemenin türü bu yağlayıcının etkinlik ya da verimlilik limitlerini etkilemektedir. Örneğin gaz filmler düşük temas gerilimi için uygun iken katı yağlayıcı filmler genellikle düşük kayma hızlarındaki temaslarda kullanılmaktadır. Birbiri üzerinde kayan malzemelerden biri sert, diğeri yumuşak (örneğin, kalay, kurşun, indiyum ve bunların alaşımları) olduğu taktirde, yumuşak malzeme diğer malzemeyi kendi parçacıklarından oluşan ince bir tabaka ile derhal kaplar ve bu şekilde iki yumuşak malzeme birbiri üzerinde kaymış gibi olur. Yani yumuşak malzeme, bir yağlayıcı madde gibi rol oynar. Bunun sonucunda sürtünme katsayısı azalır ve bu yüzeyler arasında yenme olayı meydana gelmez. Pratikte kalay alaşımlarının çok iyi yatak malzemeleri olmalarının nedeni bu olaya bağlıdır. 2. Aşınma Aşınma; birbirine temas eden ve birbirine göre izafi hareket yapan cisimlerde sürtünme etkisiyle oluşan malzeme ve kütle kaybıdır. 15

16 Aşınma sonucu makine elemanlarının şekillerinde, yüzey kalitelerinde ve boyutlarında değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler sonucu makine parçaları fonksiyonlarını icra edemez hale gelirler. Malzemelerin aşınma sebeplerini ve mekanizmalarını doğru bir şekilde anlayabilmek için aşınma olayına etkiyen ana faktörleri, yani aşınan malzemeyi, aşındırıcı malzemeyi, yağlama durumunu, izafi hareketi ve yük durumunu bilmek gerekir Aşınma, malzemenin özelliği değil, bir sistem cevabıdır. Aşınma tribo sistemdeki dinamik parametreler, çevresel parametreler ve malzeme parametrelerindeki ufak bir değişim ile oldukça şiddetli değişebilir Aşınma türleri Aşınma mekanizmaları genel olarak dört başlıkta incelenmektedir (Şekil 4): 1. Adhesiv aşınma 2. Abrazif aşınma 3. Yorulma aşınması 4. Korozyon aşınması Şekil 4. Dört başlıkta incelenen aşınma mekanizmalarının şematik gösterimi Önemli Diğer Aşınma Türleri Abrazif Aşınma Kaymalı ve Adhesif Aşınma Yorulmalı Aşınma Korozif Aşınma Parlatma Aşınması Katı Partikül Erozyonu Kavitasyon Erozyonu Sıvı Vurmalı Erozyon Çamurumsu Erozyon Dönel Temas Aşınması Çarpma Aşınması Oksidatif Aşınma Adhesiv aşınma Plastik temastaki iki yüzey arasındaki temas arayüzeyi relatif kaymaya direnç gösterecek kadar adhesiv bağ mukavemetine sahiptir. Dislokasyonlardan meydana gelen plastik deformasyon, basma ve kayma gerilmeleri altında temas bölgesinde çıkar. Temas alanındaki böyle deformasyonların 16

17 sonucu olarak birleştirilmiş gerilme ve kayma hasar modlarında çatlak başlangıcı ve ilerlemesi teşvik edilir. Çatlak temas arayüzeyine ulaştığı zaman aşınma partikülleri meydana gelir ve adhesiv transfer tamamlanır. Temas arayüzeyindeki adhesiv bağlanmanın oluşturduğu bu tür aşınma, adhesiv aşınma olarak adlandırılır. Adhezyon temastaki iki malzemenin sertliğinin artması ile düşmektedir. Şekil 6. Ahdesif aşınmaya örnek SEM görüntüleri Abrazif aşınma Abrazif aşınma ASTM de de tanımlandığı üzere, katı yüzey boyunca, katı yüzeye karşı hareket eden sert partikül ya da sert yükseltilerin oluşturduğu aşınma türüdür. Aşınma genellikle temas eden yüzeyler arasındaki sert partiküllerin ya da diğerine göre sert yüzeylerin relatif hareketlerinden dolayı meydana gelen malzeme kaybını içeren katı yüzeyin hasarı olarak tanımlanır. Abrazyon boyunca yüzeyden malzemenin nasıl uzaklaştığının açıklanması amacıyla birçok mekanizmanın olduğu ileri sürülmektedir. Bunlar genel olarak kırılma, yorulma ve ergimedir. Abrazif aşınmanın meydana gelmesindeki karışıklıktan dolayı sadece bir tane mekanizma tüm malzeme kaybından sorumlu tutulamaz. Şekil 7 de tek bir abrazif ucun malzeme yüzeyinden geçerken oluşturduğu bazı abrazif aşınma tipleri gösterilmektedir. Bu tipler Kızaklama (Ploughing), Pulluklama (Wedge), ve Kesme (Cutting) olarak adlandırılır. 17

18 Şekil 7. Abrazif aşınma mekanizmasının üç tipi olan a) Kesme, b) Pulluklama, c) Kızaklama aşınmalarının SEM görüntüleri Abrazyon aşınmasının maliyeti yüksek olup bir endüstri bölgesindeki toplam üretimin %1-4 ü arasında değişmektedir. Abrazyonun etkisi özellikle tarımın endüstriyel alanlarında ortaya çıkmaktadır. Madencilik v.b gibi. Abrazyon tipik olarak temas ortamına göre olduğu gibi temas tipine göre de karakterize edilir. Temas tipleri iki-yüzeyli ve üç-yüzeyli aşınmayı kapsamaktadır. İki-yüzeyli temas, abrazif malzemenin tek yüzey üzerindeki hareketinde, üç-yüzeyli temas ise abrazifin iki yüzey arasındaki hareketinde meydana gelmektedir. Şekil 8 de iki-yüzeyli ve üç-yüzeyli temas tipleri gösterilmektedir Yorulma aşınması Adhesiv ve abrazif aşınma mekanizmalarında aşınma partikülü oluşması için tekrarlı temasın olmasına gerek yoktur. Tekrarlı temasın olduğu yerlerde aşınma ürünlerinin oluşması için farklı bir aşınma mekanizması mevcuttur. Böyle tekrarlı temas halinde meydana gelen aşınma yorulma aşınması olarak adlandırılır. Tribolojik zorlamalar genel olarak yüzeyde görülen, büyüklüğü zamana ve konuma göre değişen mekanik gerilmeler sonucu meydana geldiklerinden yorulma aşınması birçok aşınma prosesinde görülür. Neticede malzeme yüzeyinde çatlaklar oluşur ve bu da yüzeyden parçacıkların ayrılması, çukur ve oyukların meydana gelmesine sebep olur. Yuvarlanma teması söz konusu olduğunda ise hasarda yorulma mekanizması daha fazla önem taşır. Bilyeli bir yatakta yorulma periyodu basitçe yatağın dönme sayısı ile ilgilidir. Bir küre veya silindirde temas noktasındaki maksimum gerilme, yüzeyin biraz altında bir yerde meydana geldiğinden yorulma hasarı gerilmenin en yüksek olduğu yerde başlar. Yüzeyin altında yorulma çatlakları oluşur ve bunlar yuvarlanma temasıyla ilgili karakteristik karıncalanma (pitting) hasarı oluşturarak yüzeyden nispeten büyük metal parçacıkları ayrılmasına neden olur. 18

19 Şekil 10. Yorulma aşınmasına uğramış malzemenin SEM görüntüsü Korozif aşınma Korozif aşınmada yüzeyden malzeme uzaklaşması, aşınma yüzeyinde kimyasal reaksiyon filminin oluşumu ile gerçekleşir. Reaksiyon ürünlerinin yüzeye kuvvetli bir şekilde yapışması ve bulk malzeme gibi davranması durumunda, aşınma mekanizmasının da neredeyse bulk malzeme ile aynı olacağı öngörülmektedir. Yine de birçok durumda böyle reaksiyon ürünleri bulk malzemeden farklı davranmaktadır ki bu durumda katı yüzeyin korozif ortam ile etkileşimleri ile reaksiyon ürünlerinin oluşumu korozif aşınmayı meydana getirir. Korozif aşınmada oluşan reaksiyon ürünleri sürtünme ile yüzeyden kalkar. Bu durumda reaksiyon tabakalarının aşınma hızı, yüzeyde oluşan ve yüzeyden kalkan reaksiyon ürünlerinin hızı ile alakalıdır. 3. Sürtünme ve Aşınma Testleri Sürtünme katsayısının hesaplanmasında ve malzemelerin aşınma davranışlarının belirlenmesinde en çok kullanılan iki yöntem pin-on-disk ve ball-on-disk yöntemleridir. 19

20 Şekil 11. Pin-on disk aşınma sisteminde sürtünme kuvvetinin ölçümünü şematik olarak gösteren sistem. Sistem aşınmasının sürtünme kuvvetine etkisi a) Sistem aşınmıyor veya aşınma hızı ve davranışında bir değişiklik yok, b) artan aşınma miktarı ve aşınma zamanı ile kararlı hal aşınması-sürtünme kuvveti ilişkisi, c) Zamanla aşınmanın ve buna paralel olarak sürtünme kuvvetinin değişimi. Çeşitli aşınma yüzeylerinin SEM görüntüleri. (ödev) 20

21 DENEY-4 Deney Adı: Malzemelerde Yorulma Deneyi Deneyin Amacı: Tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin yorulma davranışının incelenmesi, hasar oluşumunun deneysel olarak belirlenmesi ve malzemelerin yük-çevrim sayısı verilerinin elde edilmesi. Teorik Bilgi: Mühendislik malzemelerinin birçoğu, kullanım esnasında tekrarlanan gerilmeler ve titreşimler altında çalışmaktadırlar. Klasik elastisite teorisine göre akma gerilmesinin altında yüklemeye maruz kalan parçalarda sadece elastik deformasyon meydana geleceği kabul edilmektedir. Bu bölgede bilindiği gibi malzemede herhangi bir tahribat meydana gelmez. Buna karşın dinamik yükler altında akma gerilmesinin altında çalıştırılan malzemelerde bir süre sonra tahribat meydana geldiği saptanmıştır. Bu şekilde değişen yükler altında malzemenin yüzeyinde çatlağın oluşması ve bunu takiben kopma olayı, Yorulma olarak adlandırılır. ASTM standartları yorulmayı Bir malzemede bazı bölge veya bölgelerdeki değişken gerilme ve şekil değişiminin meydana getirdiği ve belli sayıda yüklemeden sonra çatlak veya kırılma ile sonuçlanan işlem olarak tanımlamaktadır. Mühendislik malzemelerini % 80 bu nedenle kırılmaktadır. Yorulma olayında çatlama, genellikle yüzeydeki bir pürüzde bir çentikte, bir çizikte, bir kılcal çatlakta veya ani kesit değişimlerinin olduğu yerde başlar. Çatlak oluşumu için genellikle şu üç ana etken gereklidir: Yeterli derecede yüksek bir maksimum çekme gerilmesi, Uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi veya dalgalanması, Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı. Bu ana faktörlerin yanında çok sayıda yan faktörlerde sayılabilir. Örneğin yüzey kalitesi, korozyon, sıcaklık, aşırı yükleme, kalıcı iç gerilmeler, bileşik gerilmeler, gerilim konsantrasyonu, frekans, mikroyapı (tane boyutu, fazların dağılımı, inklüzyon gibi) Çatlak teşekkülü ve büyümesi ile ilk defa uğraşan EWING ve HUMFREY e göre muayyen tekkerrür sayısından sonra meydana gelen Lüders (kayma) bandları, çatlak teşekkülüne yol açar. Yüzeyde görülen bu Lüders(kayma) bandları, zamanla numune yüzeyinden içeriye doğru nüfuz etmektedirler. Tekrarlı yüklemenin başlangıcında meydana gelen kayma bandları, yükleme süresince artmaktadır. Malzeme ömrünün yaklaşık %5 inden sonra görülen, kalıcı kayma bandlarında çatlak meydana gelmektedir. YORULMA ÖMRÜNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER Metalurjik faktörlerin yorulma ömrüne etkisi Metalürjik faktörler; -Döküm şekli -Katı hal reaksiyonları -Sıcak ve soğuk şekil verme yöntemleri -Fazların dağılımı 21

22 Gerek ısıl gerekse mekanik işlemler, malzemedeki iç gerilmelerin dağılımı, kristal yapısı, dislokasyonların hareketi üzerine hareket ederek mekanik özelliklerde değişmelere sebep olmaktadır. Diğer mekanik özellikler gibi, bir malzemenin yorulma mukavemeti de, inklüzyonlar, kristal boyutu, anizotropi, mikrogerilmeler gibi nedenlere bağlı olarak değişmektedir. Isıl işlemler, haddeleme ve ekstrüzyon işlemleri sonucunda tane boyutu ve şekli değişmektedir. Tane boyutunun küçülmesi yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Sıcaklığın yorulma ömrüne etkisi Yorulma kırılması, katılaşma sıcaklığının altındaki bütün sıcaklıklarda meydana gelebilir. Sıcaklığın düşmesi yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Buna bağlı olarak yüksek sıcaklıkta yorulma mukavemeti azalmakta ve S-N eğrisindeki dönüm noktası görülmemektedir. Sıcaklığın etkisi ile değişen malzeme metalografik yapısı yorulma kırığında kendisini göstermektedir. Yüzey şartlarının yorulma ömrüne etkisi Yorulma kırılmaları genellikle serbest bir yüzeyden başlıyarak ilerler. Bu sebeple yüzey şartları, yorulma mukavemetine büyük ölçüde etki etmektedir. Malzeme yüzeyi, yorulmada; Malzeme yüzeyine tatbik edilen işlemlerle yüzey özelliğinin değişmesi, Yüzeydeki kalıcı gerilmeler ve Yüzeydeki pürüzlülük sebebiyle etkisini gösterir. Malzeme yüzeyine ısıl işlemler, mekanik işlemler ve kaplama işlemleri tatbik edilmiş olabilir. Çeliklerde dekarbürizasyon, sementasyon, nitrasyon, alevle ve indüksiyonla sertleştirme yorulma özelliğini değiştirmektedir. Kalıcı gerilmeler, soğuk işlem, ısıl işlem veya yüzey kaplama ile meydana gelir. Kalıcı gerilmelerin etkisi, dış gerilmelerin etkisine benzerdir. Yüzeydeki kalıcı basma gerilmeleri, yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Malzeme yüzeyindeki pürüzlülük, yorulma mukavemetine bariz bir şekilde etki eder. Pürüzlülüğün artışı yorulma mukavemetini azaltırken, mekanik ve elektrolitik parlatma yorulma ömrünü arttırmaktadır. Korozyonun yorulma ömrüne etkisi Korozyon periyodik yüklemenin ortak etkilerinin malzemede meydana getirdiği hasara korozyonlu yorulma denir. Normal yorulma kırılmasına benzeyen korozyonlu yorulma kırılmasında, malzeme yüzeyi, malzeme cinsi ve korozif ortama bağlı olarak, rengini değiştirir; çatlaklar girintili, çıkıntılı veya kademeli bir görünüş alır. Korozyon yorulma ömrünü düşürerek, malzemenin daha kısa sürede tahribatına sebep olur. YORULMA DENEYİ TÜRLERİ Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Ancak yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlamalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyodlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek teknik yorumlar yapılabilmektedir. Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyine de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri şunlardır : 22

23 Eksenel gerilmeli yorulma deneyi, Eğme gerilmeli yorulma deneyi, Burma gerilmeli yorulma deneyi, Bileşik gerilmeli yorulma deneyi. S - N DİYAGRAMI (Wöhler Diyagramı) : Bu diyagram, farklı sabit gerilmeler altında malzemenin kaç çevrim sonunda çatlayacağını veya kırılacağını gösteren bağıntıyı verir. S - N eğrisinin çizilmesi için genellikle 8 ila 12 benzer numune kullanılır. Ortalama gerilme (Sm) tüm deneylerde sabit kalmak üzere numunelerin herbirine farklı periyodik gerilmeler uygulanarak numunenin çatlamasına (veya kırılmasına,) kadar geçen çevrim sayısı (N) tesbit edilir. Küçük gerilmeler için çatlamanın görüleceği çevrim sayısı çok büyük olacağından, önceden belirlenen çevrim sayısına kadar deney devam ettirilerek malzemenin davranışı izlenir. Deneylerin tümünde gerilme genliği (Sa) deney süresince sabit tutulur. Gerilme ekseni olan ordinatta genellikle doğrusal, bazı hallerde ise logaritmik skala kullanılır ve bu eksende ya max. gerilme (Smax), ya min. gerilme (S min) veya gerilme genliğinden (Sa) biri kaydedilir. Çevrim sayısı ekseni olan apsiste ise genellikle logaritmik skala kullanılır. S - N eğrileri 10 6 çevrimden sonra genellikle apsis eksenine asimptotik bir durum gösterirler. Şekil 1. Demir ve Demir - Dışı Malzemelere Ait Tipik S N Diyagramı YORULMA DENEYİ CİHAZLARI Yorulma deneyinde kullanılan cihazlar çok çeşitli olmalarına rağmen, bu cihazları numuneye uyguladıkları gerilme türü açısından 4 ana grupta toplamak mümkündür ; 1.Eksenel çekme - basma gerilmeleri uygulayan cihazlar 2. Eğme gerilmeleri uygulayan cihazlar Düzlemsel eğme gerilmesi uygulayanlar Dönen eğme gerilmesi uygulayanlar 3.Burma gerilmesi uygulayan cihazlar 4. Bileşik gerilme uygulayan cihazlar 23

24 Yukarıda belirtilen her bir grup için değişik firma ve araştırma merkezlerince farklı cihazlar geliştirilmiştir. Bu cihaz grupları içinde en çok kullanılanı, çalışma prensibi en basit olan eğme gerilmesi uygulayan cihazlardır. Bunlar içinde düzlemsel eğme gerilmesi uygulayanlar genellikle yassı ürünler için kullanılmaktadır. Malzemesi deneye tabi tutulacak parça çalışma esnasında ne tür gerilmelere uğrayacaksa, o tür gerilmelerin uygulandığı deney cihazının seçilmesi gerekir. Aksi takdirde elde edilen sonuçlar güvenli olamaz. Yorulma deneyi cihazları, çalışma prensiplerine göre de mekanik, elektromekanik, manyetik, hidrolik ve elektrohidrolik cihazlar diye sınıflandırılabilirler. Yorulma deneyi cihazlarının tümünde en önemli özellik deney süresince istenen türde ve istenen mertebede gerilmenin sağlanabilmesidir. Deney süresince, uygulanan yükte meydana gelecek değişim, cihazın çalışma kapasitesinin % 2 sini aşmamalıdır. Cihazlarda uygulanan kuvvetleri gösterebilecek ve kontrolünü sağlayabilecek düzen bulunmalıdır. Deney cihazlarında çevrim sayısını kaydeden sayaç bulunmalıdır. Sayaç, numune kırıldığı anda otomatikman durabilecek özelliğe sahip olmalıdır. Kullanılacak numune tipi ve boyutu genellikle cihazın tipine, kapasitesine ve boyutuna bağlıdır. Son yıllara kadar değişik araştırmacılar kullandıkları cihaza uygun farklı numune tipleri geliştirmişlerdir. Son yıllarda hazırlanan standartlarla numune tipleri için bazı genel kurallar geliştirilmiştir. Numune boyutları için aşağıdaki genel kurallar ön koşulmaktadır. 1. Numune öylesine dizayn edilmelidir ki çatlama numunenin daraltılmış kesitinde olsun. 2. Numunenin daraltılmış kesiti öylesine seçilmelidir ki max. gerilmenin mutlak değeri deney cihazının çalışma kapasitesinin en az % 25'inde, min. gerilmenin mutlak değeri ise cihazın çalışma kapasitesinin en az % 2,5'inde oluşsun. 3. Numune boyutları öylesine seçilmelidir ki numunenin doğal frekansı, cihazın frekansının en az iki misli olsun. Numunenin alındığı parçanın dikdörtgen veya dairesel kesitli olmasına göre ASTM standardındaki numune şekilleri değişmektedir. Malzemede Yorulma Olayına Etki Eden Faktörler: Malzeme Cinsinin, Bileşiminin Ve Yapısının Etkisi, Yüzey Özelliklerinin Etkisi, 24

25 Çentik Etkisi, Gerilmelerin Etkisi, Korozyonun Etkisi, Sıcaklığın Etkisi, Frekansın (Deney Hızının) Etkisi. Tehlikesi Yorulma olayı dışarıdan gözlemlenebilecek bir şekilde önemli bir şekil değişimi yapmadığından ve uyarı vermeden elastik limitin altındaki gerilmelerde malzemenin ani olarak göçmesi nedeniyle tehlikelidir. Bu tip gevrek kırılma olaylarına çelik köprülerde, kötü yolda giden arabalarda, uçak kanatlarında rastlanabilir. Bu nedenle çok sıkı önlem alınmalıdır. DENEYİN YAPILIŞI: 1. Aşama:Plastik, lastik vb malzemelere uygulanan çekme basma tarzı yorulmadır.çenelere yerleştirilen lastik her çekme-basma=1 tur olmak üzere kopana kadar işlem uygulanır.koptuğu andaki çevrim sayısı cihazdan okunur 2. Aşama:Dönerek eğme vardır.bir ucu sabit olacak şekilde bağlanan numunenin diğer ucuna hem yükleme yapılır hem de dönme hareketi verilir.koptuğu andaki çevrim sayısı cihazdan okunur.deney süresini kısaltmak için numuneye çentik açılır 3.Aşama: Metalik malzemelere uygulanan çekme basma tarzı yorulmadır. Numunenin bir ucu sabit olacak şekilde cihaza bağlanır.hareketli kısım aşağı yukarı malzemeyi hareket ettirir.çentik açılarak deney süresi kısaltılabilir.yük şiddetinden çok yük yönünün değişimi önemlidir. KAYNAKLAR 1. Boğaziçi Üniversitesi Malzeme teknolojisinde deneysel verilerin değerlendirilmesi seminer notları 2. Yıldız Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Deney Föyü