Metalik malzemeye bir kuvvet uygulamakla malzemenin plastik şekil değiştirmesi sağlanır. Bu metalik malzemelerin önemli bir özelliğidir.

Transkript

1 1. GİRİŞ Tasarımlarda, konstrüktör ve imalatçının tercihlerinin isabetli olabilmesi için, gerek imal edilecek parçadan beklenen özellikler ve gerekse imalatta uygulanacak teknolojinin ayrıntılarının iyi bir şekilde belirlenmesi gerekir. Karbonlu ve alaşımlı çelikler (paslanmaz ve ısıya dayanıklı çelikler dâhil), alüminyum, çinko, bakır ve bunların alaşımları gibi demirdışı malzemeler plastik şekil verme yöntemleri ile üretilmektedir. Ayrıca uzay ve reaktör teknolojilerindeki gelişmeler sonucunda titanyum ve alaşımları, nikel esaslı ısıya dayanıklı malzemeler, tungsten, molibden, zirkonyum ve bunların alaşımları ile benzeri malzemelere de plastik şekil verme işlemleri uygulanmaya başlanmıştır. Burada, uygulanan teknikler ile kullanılan araç ve donatımların özelliklerini inceleyen İmal Usulleri (Mekanik Teknoloji) genel olarak ısı ve kuvvet etkilerine dayanmaktadır. Seçilen yöntemlere göre bu etkiler, ayrı ayrı uygulanabildiği gibi, birlikte de değerlendirilebilmektedir. Metalik malzemeye bir kuvvet uygulamakla malzemenin plastik şekil değiştirmesi sağlanır. Bu metalik malzemelerin önemli bir özelliğidir. Modern teknolojide metalik malzemeler istenilen şekil kolaylıkla verilebilmesi nedeniyle tercih edilirler. Bir katı cismin şeklini başka bir şekle dönüştürmek amacıyla uygulanan işleme plastik şekil verme denir. Bu işlem sırasında cismin malzemesinde kütle ve bileşim değişikliği olmayan üretim yöntemleridir. Malzemenin özellikleri yönle değişmiyorsa bu tür malzemelere izotropik malzeme denir. Malzemenin tüm özellikleri bölgeden bölgeye değişiklik göstermiyorsa buna homojen malzeme denir. Plastik şekil verme uygulamalarında, malzemelerin hem izotropik hem de homojen olduğu kabul edilmektedir. Tüm plastik şekil verme işlemlerinde malzeme çekme, basma ve kayma gibi üç temel şekil değişiminden birinin veya birkaçının etkisinde kalır.

2 Basma (-) ve çekmede (+) birim şekil değiştirme: l l e l 0 0 Kaymada ise şekil değiştirme: a tg b Metalik bir cisme belirli bir kuvvet uygulandığında cisimde meydana gelecek şekil değiştirmenin veya belirli bir şekil değiştirme meydana getirmek için uygulanması gereken kuvvetin hesaplanması mühendislikte önemlidir. Bir plastik şekil değiştirme kuvvetinin bilinmesi örneğin kalıp ve takım malzemelerinin seçimi ile işlemin yapılacağı tezgâhın kapasitesinin tayini bakımından gereklidir önemlidir. Bu nedenle şekil değiştirme ile bu şekil değiştirmeyi veren kuvvet arasındaki bağıntı plastik şekil vermenin temel parametrelerinden biridir. GERİLME Gerilme bir cismin birim alanına etki eden kuvvet olarak tanımlanır. Gerilme, cismin kesiti boyunca uniform olarak dağıldığı mühendislik hesaplamalarında kabul edilir. Gerilmeyi etkidiği düzleme belirli açıda olacak şekilde kullanmak uygun değildir. Toplam gerilme iki bileşene ayrılabilir: Düzleme dik olana bileşene normal gerilme (σ), paralel olan bileşene kayma gerilmesi (T) denir. Birim Şekil Değiştirme Kavramı ve Birim Şekil Değiştirme Türleri Tek eksende ortalama birim şekil değiştirme, boyuttaki şekil değiştirme miktarının ilk boyuta oranı olarak tanımlanmaktadır. l l e l 0 0 l l 0

3 e=birim şekil değiştirme ΔL= Şekil değiştirme miktarı lo= İlk boy li= Şekil değişimi sonundaki boy Birim şekil değiştirmeyi boyuttaki değişmenin ilk boyuta oranı yerine tek eksendeki boyut değişiminin o andaki boyuta oranı olarak tanımlamak daha doğru olup; dl / l= ln ( li / lo ) bağıntısı ile gerçek birim şekil değiştirme belirlenebilir. Plastisite ve metal biçimlendirme konularında gerçek birim şekil değiştirmeyi kullanmak daha faydalı olmaktadır. Elastisite denklemlerinin geçerli olduğu çok küçük şekil değiştirmeler için her iki tanıma göre hesaplanan birim şekil değiştirme aynı değerleri vermektedir. Bir dik açıdaki açı değişimine kayma birim şekil değiştirmesi denir. Plastik şekil verme yöntemlerinde en önemli problem malzemenin plastik deformasyona karşı gösterdiği direnç olup, bu türdeki şekillendirmelerde bu direncin üzerinde kuvvet uygulanması gerekmektedir. İşlem sırasında uygulanan kuvvet, malzemenin deformasyonunu sağlamalı fakat çatlama, yırtılma ve kırılmasına neden olmamalıdır. Mekanik işlemlere uygulanan kuvvete (P), 1. Malzemenin deformasyon şartlarındaki mukavemeti (σ), 2. Malzeme ile takım arasındaki sürtünme katsayısı (μ), 3. Şekillendirilecek malzemelerin şekli ile ilgili geometrik faktör (C) etki eder. Bu faktörleri etkileyen faktörler, dolaylı olarak uygulanan mekanik işlemi de etkilerler. 1. Şekillendirilen malzemenin mukavemetine (σ) etki eden faktörler: Deformasyon sıcaklığı (T), Deformasyon miktarı (ε), Deformasyon hızı (έ) Malzemenin metalürjik yapısıdır (S). 2. Malzeme ile takım arasındaki sürtünme katsayısına ( μ) etki eden başlıca faktörler: Yüzeylerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, Yüzeylerdeki pas veya oksit tabakası, Yüzeylerin pürüzlülüğü, Sürtünmeyi azaltmak için kullanılan yağın cinsi, Malzeme ile takım arasındaki sürtünme durumu yani sürtünme katsayısı, özellikle soğuk işlemlerle şekillendirilmiş malzemenin yüzey özelliklerini parlaklık ve düzgünlüğünü etkiler.

4 3. Şekillendirilecek malzemenin şekli ile ilgili geometrik faktörü (C) etkileyen faktörler: Şekillenecek metalin mekanik işlem öncesi şekli, Kalıbın şekli, Metalin bu şekli alması için gereken akma durumdur. Geometrik faktör (C) ise, malzemenin şekillendirilmesi sırasında oluşan hatalara neden olan en önemli faktördür. Örnek; bir metalde belirli bir miktarda kesit küçülmesi ekstrüzyonla veya haddeleme ile yapıldığında farklı kuvvetlerin uygulanması gerekmektedir. Bunun sebebi, geometrik faktörün bu işlemlerde farklı atıl kuvvetler oluşturmasıdır. Ekstrüzyon kalıbının şekli, haddelemede kullanılan merdanelerin çapı, farklı derecede şekillendirmeyi etkileyen geometrik faktörler olacaktır. 2. TALAŞSIZ ŞEKİL VERME Talaşsız şekillendirmeyle sağlanan yüksek dayanım özelliklerine diğer imal usulleri ile ulaşabilmek, bugüne kadar mümkün olamamıştır. İşlemlerdeki hız, seri imalata uyum, malzeme kaybının hemen hemen hiç olmaması çok önemli özelliklerdendir. Talaşsız şekillendirmenin bazı özel uygulamalarının (ovalama ile vidalar, yuvarlanma ile dişliler, dönel parçalar, düz ve parlak yüzeyler hazırlama v.b.), verimlilik ve ekonomi yönünden talaşlı şekillendirmeye tercih edildiğini; böylelikle aynı zamanda bir tür mekanik sementasyon avantajı sağlandığını görmekteyiz. 3. TALAŞSIZ (PLASTİK) BİÇİMLENDİRMENİN ESASLARI 3.1. İç Yapı ve Biçimlendirme Mekanizmaları Metalik malzemeler, katı fazda iken belirli bir düzen gösteren kristal yapısına sahiptir. Metalin sıvı durumdan katı faza geçişi esnasında atomlar malzemenin içyapı özelliğine göre sıralanmaktadır. Burada, en küçük yapı elemanı olan birim kafes tekrarlanmak suretiyle kristal yapısı oluşmaktadır. (Üç boyutlu bir düzene göre dizilen ve denge konumunda bulunan atomların merkezlerinin birleştirilmesiyle ortaya çıkan görünüme kristal kafesi denir. Kristal kafesi yanyana gelerek kendisini oluşturan ve birim hücre olarak adlandırılan basit geometrik cisimler yardımıyla tanımlanabilir). Kuvvet etkisi altında kalan cisimlerde öncelikle elastik (geriye dönüşlü); daha sonra da plastik (kalıcı) deformasyonlar görülmektedir. Hatta, plastik biçimlendirme olarak ele almış olduğumuz deformasyon olayı aslında bir elastoplastik (kısmî geriye dönüşlü) şekillendirmedir (Şekil 3 a,b,c).

5 Bu bakımdan plastik deformasyonun başlayabilmesi için uygulanan gerilme değerinin, akma sınırına ulaşması; bu sınıra gelmeden önce elastik alanın aşılması gerekmektedir (Şekil 4) Çekme deneyi uygulamasında bir yandan uygulanan yük ve diğer yandan standart deney çubuğunun uzaması belirlenip, Şekil 5a'da görüldüğü gibi bir yük-uzama eğrisi çıkarılır. Bu eğriden daha belirgin olarak kullanılan gerilim-gerinim eğrisi de çizilebilir (Şekil 5b).

6 Şekil 5. a) Yük-Uzama Eğrisi (b) Gerilim -Gerinim Eğrisi Gerilim, birim alana düşen yüktür: σ=f/a (N/mm 2 ). Gerinim, birim boya düşen uzama veya uzama oranıdır. Elastik bölge, çeliğin uygulanan yük kalktıktan sonra tümüyle ilk boyutlarına dönebildiği elastik davranım bölgesidir. Plastik bölge, çeliğin plastik deformasyona uğrayıp kalıcı uzama ya da daha başka bir deyişle, biçim değişikliği gösterdiği bölgedir. Akma gerilimi; düşük karbonlu çelikler esnek davranımdan plastik davranıma geçerken gerilimin artmamasına karşın gerinimin arttığı çok belirgin ve farklı bir davranım gösterirler. Bu olaya akma, akmayı sağlayan gerilime de akma gerilimi denir. Belirgin bir akma geriliminin olmadığı durumlarda akma dayancından söz edilir. Şekil Düşük ve Orta Karbonlu Çeliklerde Akma Davranımı

7 Çekme deneyinde, standart çekme çubuğu kopuncaya dek deney sürdürülür. Kopmuş parça üzerindeki ya da kopma anındaki uzama oranı ya da belverme olarak beliren kesit alanı küçülmesinin oranı çeliğin süneklik özelliğinin ölçüsü olarak alınır: % uzama = (ΔL/Lo )x100 L = uzama farkı; Lo = ilk boy (genellikle 50 mm ya da 100 mm) % alan küçülmesi=(δs/so ) x100 s = kesit alanı farkı, S0 = ilk kesit alanı. Genellikle, % uzama ve % alan küçülmesi ne denli yüksek olursa, çelik o kadar sünektir, kopmaksızın biçimlenebilir. Tek rakamlı değerlerde kalacak olurlarsa, çeliğin biçimlenebilirlik özelliği çok düşük olur; soğuk bükme ve derin çekme (veya sıvama) işlemlerinde kullanılamazlar. Bu işlemler için %30 50 arasında süneklik değerleri gereklidir. Binalarda, köprülerde, direklerde, borularda, taşıtlarda ve benzeri birçok statik yük uygulamalarında yalnızca esnek bozunum söz konusudur; bu nedenle yalnızca akma gerilimini bilmek tasarım için yeterlidir. Haddeleme, dövme, tel çekme, presleme v.b. işlemler ise çeliğin çatlama ve kırılmaya varmadan biçim değişimine, daha doğrusu, plastik bozunumuna bağlıdır. Burada çeliğin hem süneklik özelliği ye hem de çalışma sertleşmesi hızı ya da diğer adıyla pekleşme hızı önemlidir. Birçok metallerde pekleşme, yani soğuk plastik bozunum ile yapının sertliğinin ve dayanımının artması olgusu, kabaca şu eksponensiyel eşitliğe uygun olarak gerçekleşir: T =K. n Burada, K =Deformasyon katsayısı (Sabit), n= pekleşme katsayısı (< 1), = gerilim, = gerinimdir.

8 İki çelik için n ve K değerleri örnek olarak verilirse şöyledir: K, N/m 2 n Tavlanmış x Menevişlenmiş x Bu denklemle tanımlanan davranımı gösteren metallerde gerçek gerinim=0 olduğunda, bel verme başlar. Gerçek gerilim gerçek gerinim eğrisinin altında kalan alan hesaplanabilir. Tokluk özelliğinin bir ölçüsü olarak alınabilir: Bu alan ne denli büyükse tokluk o denli yüksektir. Rezilyans ise, kuvvet uygulandığında absorbe ettiği enerjiyi kuvvet kaldırıldığında geri verme özelliğidir. Akma noktasına kadar olan alana eşittir. Bir hacim elemanı üzerinde ortaya çıkabilecek zorlanma durumlarına göre oluşan elastik deformasyonlar Şekil 5'te gösterilmiştir. Burada, zorlama ortadan kaldırılacak olursa deformasyonlarda geriye dönüş görülür. Eğer uygulanan zorlamalar arttırılarak sürdürülecek olursa, belirli bir sınırdan sonra bu geriye dönüş artık gerçekleşemeyip kalıcı (plastik) deformasyonlar ortaya çıkar.

9 Plastik biçimlendirmeyi oluşturan iki hareket mekanizması bulunmaktadır. a) Belirli kristalografik düzlemler boyunca öteleme hareketleri ile kayma olayı b) Belirli kristalografik düzlemlere göre dönme hareketleri ile ikiz oluşumu Kayma ile şekillendirme hemen tüm metallerde ortaya çıkabildiği halde, ikiz oluşumu daha ziyade kayma olasılığı düşük olan belirli malzemelerde görülmektedir (Şekil 6). Malzemenin kristal yapısındaki kayma düzlemi ile kayma doğrultularının meydana getirdiği kayma sistemi sayısı ne kadar fazla ise, malzemenin kaymaya olan eğilimi de o ölçüde artış göstermektedir. Örneğin, yüzey merkezli kübik kafes yapısına sahip olan Pb, Sn, Cu, Al, Ag, v.b. kayma gösteren malzemelerdir. Bunları, hacim merkezli kübik ve hegzagonal kafes sistemine sahip malzemeler izler. Kayma sistemi sayısının artışı ile, kristalin kayma düzlemleri ve 45 lik max. kayma doğrultularının çakışma olasılığı da artmaktadır. Bu çakışma durumu içinde, aşılması gereken direnç (çekme dayanımı) minimum olmaktadır. Böylelikle kristalin kayması için gerekli olan; her bir metal kafesi türüne özgü kritik kayma gerilmesi değerine kolayca ulaşılabilmektedir. Şekil 7. İkiz oluşumu 1-ilk 2- ara 3-son konumlar

10 Bir ikiz kristalinin oluşumu sırasında, kristalin bazı bölümleri, diğer kısımlara göre bağıl bir dönüş yapmakta ve son konum, ilk konuma göre bir ayna görüntüsü izlenimi veren simetri durumunu yaratmaktadır (Şekil 7). Bu iki kısmı birbirinden ayıran düzleme ikiz düzlemi denmektedir. Kayma olayında ise, kayan ve kaymamış kısımların yine aynı yönlenmede kaldıkları görülmektedir. **Kayma sistemi sayısının küçük olması ve kritik kayma gerilmesi değerini yükseltecek herhangi bir etkinin bulunması, ikiz oluşumuna sebep olabilmektedir. Ayrıca, yüzey merkezli kübik, hacım merkezli kübik ve hegzagonal kafes sistemine sahip olan malzemelerde, genellikle düşük sıcaklıklarda, ve yüksek şekil değiştirme hızlarında ve asal kayma yönleri ile uygun düşmeyen yönlenmelerde ikiz oluşumu ortaya çıkmaktadır. Bazı hallerde, ikiz ile birlikte kaymalar da oluşabilmektedir (Şekil 7). İkiz için gerekli gerilme değeri kaymadan daha yüksektir. Tek Billur Çubuğundaki Kayma Olayı Metal ergiyik içinde, özel koşullar altında bir tek çekirdek oluşturulup, çok yavaş ve homojen bir soğutma ile tek kristalli yapı elde edilebilmektedir. Ancak, bazı özel uygulamalar dışında, Üretimde kullanılan malzemelerin tümü çok kristalli yapıdadır. Bununla birlikte, biçimlendirme olayını öncelikle tek kristalli yapı üzerinde ele alıp, daha sonra çok kristalli yapıya uyarlamak ve farklılıkları belirtmek incelemelerde kolaylıklar sağlamaktadır. Tek bir kristalden (tane) oluşan bir çubuk üzerinde max. kayma gerilmesinin bulunduğu düzlemi araştıralım: olacağı görülmektedir (Şekil 8).

11 4.2. Çok Kristalli Yapıdaki Kayma Olayı Metalik malzemelerin pratikteki yapısal oluşumu çok kristalli olduğundan, burada çeşitli yönlenmeler gösteren taneler ile birlikte, bunları çevreleyip birbirine bağlayan amorf tane sınırı yapısının davranışları söz konusudur. Taneler, atomların belirli doğrultudaki birim kafes dizilişleri; tane sınırları ise fazla ve yabancı atomlar ile bünyede kalabilen yabancı maddelerimi kuralsız dizilişlerinden oluşmaktadır. Bu karmaşık yapı şeklinin, temel şekil olan tek kristalli yapıya göre birtakım farklılıklar göstermesi doğaldır. Çünkü bu durumdaki tane ve tane sınırı yapısı farklı dayanım değerleri göstermektedir. Dolayısıyla, çok kristalli metallerin şekil değiştirmeleri kristalize yapıdaki şu olaylar dizisi ile açıklanabilmektedir: 1. Tane sınırlarındaki dengenin bozulması 2. Tane içi dengenin bozulması 3. Tanelerin parçalanması Tane sınırları zayıf olan metallerdeki biçim değiştirme, komşu tanelerin kayması şeklinde görülürken; kuvvetli tane sınırlarına sahip, metallerdeki biçim değiştirmeler, kristal içindeki kaymalar ile oluşmaktadır. Bu arada, kristal yapısı kuvvetli olan metallerdeki biçim değiştirme, bu kafes sisteminin parçalanması ile oluşmaktadır. Çeşitli deneyler, tane sınırlarındaki dengenin yüksek sıcaklık ve düşük şekil değiştirme hızlarında; tane içi dengenin ise düşük sıcaklık ve yüksek şekil değiştirme hızlarında bozulduğunu göstermektedir. Tek kristalli yapının kaymasına benzer tarzda, tane sınırlarının max. kayma doğrultuları ile uygun düşmesi durumunda en fazla kayma oluşabilmekte ve özellikle yüksek sıcaklıklarda şekil değiştirmeye önemli oranda katkısı olan sürünme veya sünme etkisi doğmaktadır. Çok kristalli yapıda, öncelikle kaymaya en elverişli olan 45 lik doğrultular boyunca kaymalar meydana gelmekte; daha sonra henüz kaymamış olan taneler bu doğrultulara girerek kayma olayını sürdürmektedir. Şekillendirme ilerledikçe, kayan taneler bu doğrultudan ayrılmakta ve deformasyona uğrayan tane sayısı artış göstermektedir. Deformasyona uğrayan taneler, komşuları üzerine basınç yaparak onları da plastik deformasyona zorlamaktadırlar (Şekil 9).

12 Plastik deformasyon tüm hacmi kapladığında, kristal gruplarının deplasmanları ile, taneler yönlenmiş, kaymış ve parçalanmış bir görünüm arzeder. Ancak, farklı yönlenmeler dolayısıyla, uygulanan zorlamanın her bir tane üzerindeki etkisi farklı olduğundan öncelikle bir gerilme birikimi ortaya çıkmakta ve taneler farklı şekil değiştirmeler göstermektedir. İleri deformasyon dereceleri, tanelerin dış kuvvetlerin yönüne doğru uzayıp yönlenmelerine neden olmaktadır. Böylelikle, lifli bir doku oluşarak anizotropi durumu ortaya çıkmakta ve metalin özellikleri her üç boyut yönünde de farklılıklar göstermektedir. Şekil 10. Deformasyonun, yumuşak çelikten parça kesitindeki ilerleyişi ( ). Plastik biçim değiştirme, parçanın herhangi bir bölgesindeki tanelerin, diğer bir bölgesine göre yer değiştirmelerine neden olmaktadır. Dolayısıyla pratikteki bir biçimlendirme işleminin sonuçlandırılmasında, parça kesitinin tamamı deformasyona uğratılmadan, kısmî bağıl deplasmanlar yeterli olabilmektedir (Şekil 10). Bu durum, yumuşak çelikten bir deney parçasının parlatılmış yüzeyi üzerinde Lüders eğrileri ile izlenebilir. O halde, malzemenin yeter derecede sünek olması gerekmektedir. Örneğin, hafif redüksiyonlu haddeleme ve çekme işlemlerindeki yüzeysel deformasyonlarda, kısmî deplasmanlar ile son biçime ulaşmak mümkündür.