BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI

Transkript

1 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY- 1 SERTLİK ÖLÇME VE DARBE TESTİ KULLANARAK MALZEME TOKLUK DEĞERİNİN BELİRLENMESİ 1

2 SERTLİK DENEYİ GİRİŞ Tasarımı yapılan bir ürünün üretiminde kullanılacak malzemenin özellikleri tasarım kriterlerini sağlaması gerekmektedir. Bu nedenle üretimde kullanılacak malzemenin mekanik özelliklerinin bilinmesi ve tasarım kriterlerini ne ölçüde sağlandığının tespit edilmesi gerekmektedir. Malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmek için tahribatlı ve tahribatsız testler olarak 2 temel kategoride deneyler yapılmaktadır. Tahribatlı testler, uygulaması kolay ve sonuçlara hızlı ulaşılmayı sağlar ancak deney sonunda malzeme bir daha kullanılamayacak şekilde yıpratan deneylerdir. En güncel kullanılan tahribatlı test yöntemleri çekme deneyi, basma deneyi, eğilme deneyi, darbe deneyi, sertlik deneyi ve yorulma deneyleridir. Bu deneylerin amacı farklı yükleme durumlarında malzemenin mekanik özelliğini tespit etmektir. Her deney tipinin kendine göre ayrı standartları mevcuttur. Sertlik deneyinde, malzemenin kendisinden daha sert ve malzemenin yüzeyinden bastırılan cisme karşılık gösterdiği deformasyon direnci ölçülür ve bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona gösterdiği direnç sertlik olarak adlandırılır. Temel olarak dört farklı sertlik test tipi bulunmaktadır. Bunlar; 1. Parça yüzeyini çizme (Mohs sertliği), 2. Parçaya bir cismi darbeli batırma (Wilk metodu, Graven-Werner metodu, Baumann- Steinrück metodu, Poldi çekici, Combi çekici, Schmit çekici), 3. Parçaya bir cismi belirli yükseklikten düşürülme (Shore sertliği) 4. Parçaya sert bir cismi statik bir yükle bastırma (Brinell yöntemi, Vikers yöntemi, Rocwell yöntemi) sertliğidir. DENEYİN AMACI Kompozisyonu bilinmeyen bir malzemenin sertlik testinin yapılarak, mekanik özelliklerinin tespit edilmesidir. SERTLİK DENEYLERİ a) Rockwell Sertlik Testi: Sabit yük altında, malzeme üzerinde oluşturulan iz derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Ölçümü yapılacak malzemenin cinsine göre, iz bırakıcı olarak ucu çok az yuvarlatılmış 120 'lik konik elmas uç veya 1/16" ve 1/8" çapında çelik bilyalar kullanılır. Yük ise 60, 100 veya 150 kg olarak uygulanır. Her yük-iz bırakıcı kombinasyonu farklı bir Rockwell skalasını oluşturur ve her skala farklı malzemelerin sertliğini ölçmek için kullanılır. Bu skalalardan en çok kullanılanlar Rockwell B ve Rockwell C skalasıdır. Rocwell A skalası 60 kg yük ve lik konik elmas uç kullanılarak uygulanır. Rockwell B skalası yumuşak ve sünek malzemelerde 100 kg yük ve 1/16" çapında çelik bilya kullanılarak uygulanır. Sertliği HRB arasında olan malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir. Rockwell C skalası serleştirilmiş çeliklere 150 kg yük ve lik konik elmas uç kullanılarak uygulanır. Sertliği HRC arasında olan malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir. 2

3 Deneyin Yapılışı Ölçüm yapılacak malzemenin yüzeyi kimyasal yollarla ve zımpara ile temizlenerek parlatılmalıdır. Deney sonuçlarının güvenilir olması için ölçümün, oda sıcaklığında ve normal atmosfer basınçlı bir ortamda gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Ölçümü yapılacak malzemenin cinsine ve kalınlığına göre, basıncın değeri ve batıcı ucun cinsi ilgili tablolar kullanılarak tespit edilir. Bu işlemden sonra deney malzemesi ve batıcı uç sağlam bir şekilde ölçüm cihazındaki yerlerine takılır ve yükleme işlemine geçilir. Sertliği ölçülecek numune tabla üzerine konulduktan sonra malzemeye ön yükleme kolu vasıtasıyla 10 kg lık ön yük uygulanır. Bu sayede baskı ucu malzeme üzerine oturur ve onu yerinde tutar. Siyah rakamlı bölüm üzerinde kadran sıfıra getirilir ve daha sonra sıra 90 kg lık ana yükün uygulamasına gelmiştir. Böylece toplam yük, 10 kg lık ön yükle beraber 100 kg olacaktır. (Batıcı uç olarak çelik bilye kullanıldığı zaman büyük yük 100 kg olarak alınır. Küresel konik elmas uç kullanıldığı zaman büyük yük, genel olarak 150 kg olur, fakat gerektiği zaman diğer yükler de kullanılır. ) En son sonuç kadrandan okunur. b) Brinell Sertlik Testi: Malzeme yüzeyine belirli bir yükün (F), belirli bir çaptaki (D) sert malzemeden yapılmış bir bilye yardımıyla belirli bir süre uygulanması sonucu yüzeyde kalıcı bir iz meydana getirme esasına dayanır. Daha sonra oluşan kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir. Deney sonrası sertlik sonucu ifade edilirken BSD işaretinin yanında diğer deney şartları bilya çapı/yük/uygulama süresi sırasına göre bir bilgi eklenir. Deneyin Yapılışı: Ölçümü yapılacak malzeme üzerinde soğuk biçimlendirme izi bulunmamalı, söz konusu izlerin olduğu malzeme kısımlarında ölçüm yapılmamalıdır. Ölçüm öncesi malzeme yüzeyi zımpara ile temizlenmeli ve parlatılmalıdır. Isıl işlem görmüş parçaların yüzeylerinden talaş kaldırıldıktan sonra ölçüm yapılmalıdır. Deney sonuçlarının güvenilir olması için ölçümün, oda sıcaklığında ve normal atmosfer basınçlı bir ortamda gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Çünkü metal malzemelerin mekanik özellikleri sıcaklık ve basınçla değişebilir. Ölçümü yapılacak malzemenin cinsine ve kalınlığına göre, uygulanacak basıncın süresi ve değeri belirlenmeli, batıcı ucun cinsi ve kalınlığı tespit edilmelidir. Bu işlemden sonra deney malzemesi ve bilye sağlam bir şekilde ölçüm cihazındaki yerlerine takılır, uygulanacak yük cihaz üzerinde ayar kolu yardımı ile ayarlanır ve yükleme işlemine geçilir. Parça üzerine yük, sarsıntı olmaksızın yüzeye yavaş yavaş ve dik olarak önceden belirlenen süre zarfında uygulanır. Sertlik ölçümüne esas alınacak değer için parça yüzeyinde üç farklı noktada ölçüm yapılır. Bu ölçümlerin aritmetik ortalaması esas ölçüm değeri olarak kabul edilir. Ölçümün güvenilir olması için, ortalama değerin bulunması esnasında malzemenin değişik yerlerinden yapılacak ölçümler arasındaki mesafe, birbirlerine çok yakın olmamalıdır. İz merkezinin malzeme kenarına olan uzaklığı iz çapının 2,5 katı, iz merkezleri arasındaki uzaklık iz çapının en az 4 katı ve sertlik ölçümü yapılacak numunenin kalınlığı iz derinliğinin en az 8 katı olmalıdır. 3

4 İnce saclar üst üste konularak ölçüm yapılmalıdır. Malzeme Cinsine Göre Uygulanan Yük, Bilye Çapı ve Uygulama Süresi Yükün uygulama süresi, yumuşak metaller dışında genellikle saniyedir. Yumuşak metaller için bu süre 30 saniye ve daha fazla olabilir. Birinel sertlik deneyinde uygulanacak yükü malzeme cinsine göre aşağıdaki şekilde belirlemek mümkündür. Şekil 1. Brinell sertlik ölçümünün şematik gösterilmesi P=CxD 2 P= Uygulanacak kuvvet(kgf) C=Numunenin malzemesine göre değişen katsayısı D=Bilye çapı(mm) Çelik, dökme demir malzemesi ve titanyum alaşımları için C=30, Hafif metal alaşımları, bakır, pirinç, bronz malzemeleri için C=10, Saf alüminyum, magnezyum, çinko, dökme pirinç malzemeleri için C= 5 Kurşun, kalay, yumuşak metal malzemeler için C= 1,25 alınır. Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri, sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilye çapına göre seçilmektedir. d/d oranı arasında olduğu durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir. (D=Bilye çapı, d= İz çapı) Sertlik Değerini Bulmak İçin Gerekli Formülü Uygulama Brinell sertliği, çelik bilyenin malzeme yüzeyindeki ortalama batma derinliğini içeren HB ile belirtilir. Bu uygulamada çelik bilyenin malzeme üzerindeki küresel batma alanı esas alınır. Birinell sertlik aşağıdaki formülle bulunur. 4

5 Şekil 2. Brinell Sertlik Testi Yukarıdaki verilere göre; HB= Birinell sertlik P= Uygulanan kuvvet A= Bilyenin parça üzerinde meydana getirdiği küresel iz alanı D= Bilye çapı, mm d= Sertliği ölçülen parça üzerindeki iz çapı, mm Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Tablo 2. Malzeme cinsine göre bilye çapı ve uygulanan yük 5

6 Tablo3: Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları Malzeme kalınlığı(mm) Bilye Çapı(mm) 6-Yukarısı 2, ,5-5 1,5-3 2,5 0,6-1,5 1 c) Vickers Sertlik Testi: Vickers sertlik deneyinin kullanım alanı çok geniştir. Çok yumuşak ve çok sert malzemeler için uygundur. Vickers sertlik deneyi, tabanı kare ve tepe açısı 136 olan standartlaştırılmış piramit şeklinde bir elmas ucun, değişken yükler altında numune yüzeyine batırılması sonucu bir iz oluşturma esasına dayanır. Deney yükü F=1 kg ile 100 kg arasında seçilebilir. Deneyden sonra Vickers sertlik değerini bulmak için kare şeklindeki izin köşegenleri mikroskop yardımı ile hassas bir şekilde ölçülür. Herhangi bir sertlik yöntemi ile bulunan sertlik değerleri, başka bir yöntemin sertlik değerine çevrilebilir, ancak her yöntemin geçerli olduğu bir sertlik aralığı vardır. Bu aralığın dışına çıkıldığında, yapılan sertlik testi geçerliliğini kaybeder ve testin farklı bir yöntem ile tekrarlanması gerekir. Bunun sebebi ise bastırma ucunun deforme olması veya küresel bastırma ucunun malzemenin fazla içerisine girmesi sonucu ölçüm hassasiyetini kaybetmesi olarak özetlenebilir. Yükü Malzemeye Doğru Olarak Uygulama Yükü malzeme uygulama esnasında aşağıdaki işlem sırası takip edilir. Çok küçük veya düzensiz şekle sahip parçalar iyi desteklenmeli veya bir yere sabitlenmelidir. Ölçüm normal oda sıcaklığında (10-350C arasında) yapılmalıdır. Deney parçası deney cihazı üzerine sağlam bir şekilde bağlanmalı, uç sıkıca yerine tutturulmalı ve deney cihazı ani titreşimlerden korunmalıdır. Deney için uygulanacak yük ve uygulama süresi belirlendikten sonra, baskı ucu mengenede bağlı olan numune üzerine getirilir. Baskı ucu yavaş yavaş belirlenen süre kadar numune yüzeyine dik bir şekilde uygulanır. Bu uygulamadan sonra yük numune üzerinden kaldırılarak deney bitirilir. Deney sonuçlarının güvenilir olması için bu uygulamanın numunenin üç farklı noktasına uygulanması gerekir. Şekil 3. Vickers sertlik ölçümünün şematik olarak gösterilmesi 6

7 Vickers sertlik değerini bulmak için; Numune yüzeyindeki yükün kaldırılmasından sonra numune üzerinde meydana getirilen izin görüntüsü metal mikroskobu yardımı ile ölçme ekranına aktarılır. Ölçme ekranındaki hareketli cetvel yardımı ile izin köşegen uzunlukları ölçülerek ortalaması alınır. d= (d1+d2)/2 İz alanının bulunmasından sonra Vickers sertliği aşağıdaki formül ile bulunur. Vikers Sertlik Değeri; F=Uygulanan deney yükü (kg), d= İz köşegenlerinin ortalaması (mm, a=tepe açısı= 136 o Deney : Brinell, Rockwell, Vickers Sertlik ölçümleri: Deney Metodu Malzeme Cinsi Sertlik Tipi Ölçüm Değeri Sertlik Değeri Resim 1. Sertlik Deney Düzeneği 7

8 SERTLİK VE MAKSİMUM ÇEKME DAYANIMI ARASINDAKİ BAĞLANTI Malzemenin eğer mukavemet değerleri hakkında hiç bir bilgi elimizde bulunmuyor ise mukavemet değerlerinden maksimum çekme dayanımının o malzemeni Brinell sertlik değerinden tahmin edebiliriz. Örneğin; düşük ve orta kabonlu ve alaşımlı çelikler için malzemenin sertliği ile malzemenin maksimum çekme dayanımı arasındaki bağlantı aşağıdaki gibi verilebilir. NOT: Aşağıdaki bağıntı malzemenin Brinell sertliğinin 175 HB'den büyük olduğu durumlar için geçerlidir. Bulunan sonuçlar malzemenin gerçek değerleri değil sadece tahmini yaklaşık değerleridir. σ u = 3.45(HB )MPA σ u = 0.50(HB )kpi HESAPLAMALAR 1. Sertlik testi tipine göre, gerekli ölçüm değerlerini veya iz boyutlarını ölçün. Uygun çizelgeyi ve formülleri kullanarak sertlik değerlerini belirtin. 2. Cihazın yanında bulunan çizelgeyi kullanarak başka hangi deneylerin yapılabileceğini, bunlarla hangi sertlik değerlerin bulunması gerektiğini tablo halinde yazın. DARBE DENEYİ GİRİŞ Metallerin özellikle gevrek kırılmaya uygun şartlardaki mekanik özellikleri hakkında bilgi edinmek ve numunenin dinamik bir zorlama altında kırılması için gerekli enerji miktarını (darbe direncini) belirlemek amacıyla malzemelere darbe testi uygulanır. Ani yüklemelere maruz kalması planlanan malzemelerin tokluklarının yüksek olması istenmektedir. Bu nedenle ani darbelere karşı dayanımı yüksek olan malzeme seçimi için, malzemenin ani darbelere olan direnci darbe testi ile ölçülüdür. Malzemenin ani darbelere karşı dayanımı tokluğu ile yakından ilişkilidir. Tokluk bir malzemeyi kırmak için gerekli enerji miktarı olarak tanımlanabilir veya gerilme gerinim diyagramının altında kalan alan olarak da ifade edilebilir. Darbe deneyi süresince malzeme tarafından soğurulan enerji, malzemenin dayanımının ve tokluğunun bir ölçüsü olarak kullanılabilir. Uygulama yerine ve kullanım amacına göre malzemenin maruz kalabileceği darbeler çok farklı şekillerde olabilir. Buna karşın darbeye karşı olan cevapta malzemenin kendisi tarafından belirlenir. Şöyle ki, metal ve metal alaşımlarının darbeye karşı cevabı; elastik uzama ve plastik şekil değiştirme şeklinde meydana gelir ve darbe hasarı, çoğunlukla, çarpma yüzeyinde başladığı anda kolay bir şekilde tespit edilebilir. Darbe hasarı, metal malzemelerde genellikle bir tehlike işareti olarak kabul edilmez, çünkü metaller plastik şekil değiştirebilme kabiliyetlerinden dolayı, büyük miktarda enerjiyi soğurabilirler. Metaller sabit bir gerilme durumunda yapı sertleşmeden önce çok büyük uzamalarda 8

9 akabilirler, bu nedenle oluşacak kopmalar ani ve beklenmedik olmaz. Kompozit malzemelerde bir darbe sonucunda oluşan hasar, çarpmanın türüne göre darbeye maruz kalmayan yüzeyde meydana gelebilir, içyapıda oluşan delaminasyonlar (tabakalar arası ayrılma) şeklinde başlayabilir. Yukarıda da bahsedildiği gibi metallerde darbe cevabı, plastik şekil değiştirme sonucunda bir kopma şeklinde olmasına rağmen, kompozitler çok değişik şekillerde hasara uğrayabilirler ve bu hasar şekillerinde parçanın yapısal bütünlüğünde ciddi bir değişiklik meydana gelmeyebilir. Genellikle gözle görülmeyen veya çok zayıf şekilde görülebilen hasarlar meydana gelir. Plastik matrisli kompozit malzemelerin hemen tamamı kırılgandır, bu nedenle enerjiyi sadece elastik deformasyon ve bazı hasar mekanizmaları (matris kırılması, delaminasyon, fiber kopması v.b) sayesinde soğurabilirler, diğer bir değişle enerjiyi soğurmada plastik deformasyonun katkısı hemen hemen hiç yoktur. Bu anlamda hasar direnç ifadesi, bir kompozit sistemde meydana gelen darbe hasarının miktarını ifade eder. Tabakalı kompozit malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit malzemenin enine hasar direnci nispeten zayıftır. Tabakalar arası gerilmeler (kesme ve normal) tabakalar arası mukavemetin düşük olmasından dolayı ilk kopmalara sebep olan gerilmelerdir. Darbe esnasında kompozit malzemeye aktarılacak enerjinin miktarı, malzemenin bu enerjiyi sönümleyebilmesi için oluşacak hasar şekillerini belirleyecektir. Darbe testleri sadece malzemenin ani yüklemeler altında soğurabildiği enerjiyi ölçmek için yapılmaz. Bunun yanı sıra, malzemenin sünek halden gevrek hale geçiş sıcaklığının belirlenmesinde de ve malzemelerin çentik etkisinde gevrek mi yoksa sünek bir şekilde kırıldığını tespit etmek için de darbe testlerine başvurulur Şekil 4: Gerilme-gerinim diyagramı yardımıyla malzemelerin tokluğunun belirlenmesi 9

10 CHARPY VE İZOD DARBE TESTLERİ Charpy ve Izod darbe test yöntemlerinde çentik açılmış bir test numunesi, standart bir yükseklikten bırakılan bir sarkaç ile darbeye maruz bırakılır. Darbeden sonra sarkacın çıktığı yükseklik tespit edilerek sarkacın ilk ve son konumdaki enerji farkı numune tarafından soğurulan darbe enerjisi olarak ölçülür. Darbeden sonraki sarkacın yüksekliği ne kadar az ise, soğurulan darbe enerjisi, dolayısıyla malzemenin darbe direnci veya tokluğu da o derece yüksektir. Charpy ve Izod test yöntemleri ufak farklılıklar dışında birbirine çok benzerler. Bu farklılıklardan en önemli olanı, numunenin desteklenme şekli ile çentiğin destek ve darbe noktalarına göre konumudur. Charpy test düzeneğinde numunenin tam ortasına bir çentik açılır. Numune; çentik yüzeyi, darbe yüzeyine ters durmak üzere basit mesnetli kiriş şeklinde düzleme sabitlenir. Izod test düzeneğinde de yine ortasına çentik açılmış numune bu sefer dikey ankastre kiriş şeklinde deney düzeneğine yerleştirilir. DENEYİN YAPILIŞI Şekil 5: Darbe deneyi cihazının çalışma prensibi ve standart numuneler Darbe deneyinde kullanılan numune boyutları ve darbe deney cihazının şematik gösterimi Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1 den de görüldüğü üzere darbe deney numunesinin ortasında V şeklinde çentik açılmaktadır. Çentik açılmasının amacı, malzeme bünyesinde bulunabilecek olası bir gerilim konsantrasyonunu çentik tabanında yapay olarak oluşturup, malzemenin bünyesindeki böyle bir gerilim konsantrasyonuna karşı göstereceği davranışı belirlemektedir. Deneyde Şekil1 de şematik olarak gösterilen sarkaç tipi cihazdan faydalanılır. Deney öncesinde sarkaç, daha önce tespit edilen potansiyel enerjiye sahip olabileceği bir yüksekliğe çıkarılır. Daha sonra numune çekicin salınım düzlemi ile çentiğin simetri düzlemi 0,5 mm içinde birbirleriyle çakışacak şekilde yerleştirilir. Numune uygun şekilde yerleştirildikten sonra okumaların yapıldığı kadranın göstergesi başlangıç konumuna getirilir ve sarkaç düzgün bir şekilde serbest bırakılır. Sonuç deneyden sonra kadrandan doğrudan okunur. Bulunan değer 10

11 malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır. Ağırlığı G olan sarkaç, h yüksekliğine çıkarılır. Bu durumda potansiyel enerjisi Gxh olur. Sarkaç bu yükseklikten serbest bırakıldığında düşey bir düzlem içinde hareketa ederek numuneyi kırar ve aksi yönde h` yüksekliğine kadar çıkar. Böylece numunenin kırılmasından sonra sarkacın potansiyel enerjisi Gxh olur. Buna göre sarkacın başlangıçtaki potansiyel enerjisi ile numune kırıldıktan sonraki potansiyel enerjilerinin farkı numuneyi kırmak için harcanmış, başka bir deyişle bu potansiyel enerji farkı kırılma anında numune tarafından absorbe edilmiştir. Numunenin kırılma anında absorbe ettiği enerji şu şekilde gösterilebilir: Kırılma Enerjisi = G.(h h` ) G = Sarkacın ağırlığı (kg) L = Sarkacın ağırlık merkezinin, sarkacın salınım merkezine olan uzaklığı (m) h = Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m) h` = Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) Buradan çentik darbe dayanımı; absorbe edilen enerjinin numune kesit alanına bölünmesiyle hesaplanır. Deney : Charpy Ve İzod Darbe Testleri Deney Metodu Malzeme Cinsi Test Tipi Kesit Alanı Tokluk Değeri 11

12 a.charpy Deney Düzeneği b. İzod Deney Düzeneği Resim 2. Darbe test düzenekleri1 12

13 13

14 14

15 BRİNELL SERTLİĞİ VİCKERS SERTLİĞİ SERTLİK DÖNÜŞÜM TABLOSU ROCKWELL C ÇEKME DAYANIMI BRİNELL SERTLİĞİ VİCKERS SERTLİĞİ ROCKWELL C ÇEKME DAYANIMI HB HV HRC N / mm 2 HB HV HRC N / mm , , , , , , , , , ,

16 , , , , ,

17 KAYNAKÇA [1] Mehmet Yüksel, Cemal Meran Malzeme Bilimine Giriş, Makine Mühendisleri Odası,Denizli [2] Sertlik Ölçme Yöntemleri, MEGEP,