Bölüm 6 Tahribatlı Malzeme Muayenesi
Çekme Deneyi Çekme makinası Çekme numunesi (örneği) Gerilme-birim uzama eğrisi Hooke yasası σ = E ε 2
3
l o A o A k l k Kopma uzaması (%) Kopma büzülmesi (%) % KU % KB = = l A k - l o o - A l o o A k x 100 x 100 Rezilyans Tokluk U r Ut 1 2 ε σ el ε el = k σdε 0
Koni-çanak Kpi kırılma Gevrek kırılma Gevrek ve sünek malzemelerin gerilme-birim uzama eğrilerinin karşılaşqrılması σ = F g A i ε g = ln l i ( l o ) ( ) ( ) σ g = σ 1+ e ε g = ln 1+ e σ g : Gerçek gerilme ε g = Gerçek birim uzama e = Mühendislik birim uzama σ : Mühendislik gerilmesi Mühendislik ve gerçek gerilme-birim uzama eğrileri
Basma Deneyi Basma deneyi, çekme deneyinin tersi olarak kabul edilebilir ve genelde çekme-basma cihazlarında basma kuvvek uygulamak surekyle yapılır. Basma kuvveknin etkin olduğu uygulamarda kullanılan gevrek malzemelerin mukavemet değerleri genelde basma deneyi ile belirlenir. Bu nedenle, basma deneyinden elde edilen sonuçlar gevrek malzemelerden üreklen parçaların tasarımında doğrudan kullanılabilir. Genelde yatak malzemeleri, dökme demir, beton, tuğla, seramik ve odun gibi malzemeler basma deneyinre tabi tutulur. Basma deneyinde genellikle silindirik yani daire kesitli numuneler kullanılır. Basma numunelerinde fıçı oluşumu Basmaya zorlanan sünek malzemelerde %50 oranında kısılmaya, gevrek malzemelerde ise kırılmaya neden olan gerilme değeri basma dayanımı olarak kabul edilir. Gevrek malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile değil, basma deneyi ile ölçülür.
Çekme deneyinde kullanılan eşitlikler, basma içinde kullanılır. Kural olarak basma kuvvek negakf alındığından gerilme negakf işaretlidir. Ayrıca l o l i den daha büyük olduğu için birim uzamada negakf işaretli olur. Basma deneyi sonucunda, malzemelerin basma eğrisi (gerilme-birim kısalma eğrisi) elde edilir. Çekme ve basma gerilme-birim şekil değiştirme diyagramı Basma deneyiine tabii tutulan malzemelerin kırılma şeklide önemlidir. Gevrek malzemeler kayma düzlemlerine etkiyen kayma gerilmesinin büyüklüğüne göre genelde üç şekilde kırılır. Gevrek malzemelerde basma etkisiyle oluşan kırılma şekilleri
Sertlik Sertlik, malzemenin yerel (bölgesel) plaskk deformasyona ( batma, sürtünme, çizilme ) karşı gösterdiği direncin bir ölçüsüdür. Başka bir ifade ile sertlik; bir malzemenin yüzeyine baqrılan sert bir cisme karşı gösterdiği dirençkr. Sertlik izafi bir ölçü kavramıdır. Sertliği ölçülecek malzemeden daha sert olan uç, belirli bir yük alqnda malzemeye baqrılırsa malzeme yüzeyinde bir iz meydana gelir. Malzeme sertliği bu izin büyüklüğü ile ters oranqlıdır. Yani iz büyük ise malzemenin sertliği düşük, iz küçük ise malzemenin sertliği yüksekkr. BaQcı uçlar genellikle bilye, pramit veya koni biçiminde olup, genellikle sertleşkrilmiş çelik, sinterlenmiş tungsten karbür veya elmas gibi malzemelerden oluşur. 9
Sertlik ölçme yöntemleri: BaQcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre: i) Brinell sertlik ölçme metodu, ii) Vickers sertlik ölçme metodu, iii) Rockwell sertlik ölçme metodu, iv) Knoop serlik ölçme metodu Bu yöntemlerin hepsinde malzemenin yüzeyine stakk bir yük uygulanarak sertlik ölçüm işlemi yapılır. Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi SertleşKrilmiş çelik ve tungsten karbürden imal edilmiş bilye belirli bir yük ile malzeme yüzeyine basqrılır ve malzeme yüzeyinde meydana gelen izin çapı ölçülür.
Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi Bu yöntemde de piramit geometrisine sahip tabanı kare olan bir elmas uç kullanılır. Elmas ucun tepe açısı 136 o dir. Elmas uç malzeme yüzeyine belli bir süre basqrılır ve oluşan izin köşegenlerinin uzunlukları ölçülür. 11
Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi Basit olmasından dolayı en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Yine bu yöntemde sertliği ölçülecek maddenin yüzeyine sert bir uçun baqrılması prensibine dayanır. Bu yöntemde iz yüzeyi değil iz derinliği ölçülür. Bu sebeple baqrılan ucun kalıcı batma derinliği hassas olarak ölçülerek sertlik değeri doğrudan belirlenir. Bu metotla elmas konik uç (ucu küresel olan) veya sertleşkrilmiş çelik bilye olmak üzere iki farklı baqcı uç kullanılır. 12
Knopp Sertlik Ölçme Yöntemi Daha çok mikrosertlik ölçümü için tercih edilen bu deney 10-1000 gr arasında yük uygulanarak yapılır. Sertlik ile mukavemet arasındaki ilişki Çelik malzemeler için; σ ç 0,35 σ 3,5 ç BSD ( kgf RSD C ( kgf 2 / mm ) / 2 mm )
Darbe Deneyi Bazı makina parçaları veya yapı elemanları darbeli yüklere maruz kalırlar. Darbe deneyleri malzemelerin çarpma dayanımlarını veya kırılma enerjilerini ölçmek için yapılır. Darbe deneyinde, standard çenkk içeren bir numunenin darbe etkisi ile kırılması için gereken enerji ölçülür. Bu enerji değeri malzemelerin darbe direnci yada darbe dayanımı olarak tanımlanır. Uygulamada yaygın olan iki çeşit darbe deneyi mevcucur. - Charpy darbe deneyi - Izod darbe deneyi
Charpy ve izod deneylerinin her ikisinde numuneler V-çenKk işlenmiş kare kesitli çubuk şeklindedir. Kırılma enerjisi =m.g (h1-h2) Darbe deneyinin şemakk gösterimi
Darbe deneyleri farklı sıcaklıklarda yapılarak malzemenin kırılma enerjisini Çeşitli metallerin kırılma enerjisi-sıcaklık eğrileri
Yorulma Deneyi: - Pek çok uygulamada, bir malzeme akma dayanımın altında tekrarlanan gerlime maruz kalır. Bu tekrarlı gerilim dönme,eğilme veya titreşim bir sonucu olabilir. Gerilim akma dayanımının altında olmasına rağmen çok sayıda tekrarlanan gerilim sonucunda metal kopabilir. -Yorulma uygulamalarda en çok rastlanan hasar mekanizmalarıdır. Dinamik veya değişken gerilmelere maruz kalan köprü uçak makina parçaları, miller, civatalar, yaylar, dişliler, türbin kanatları tekrarlı gerilmeler altında çalışır. -Tekrarlı yüklere maruz kalan malzemelerde zamanla meydana gelen hasara yorulma denir. -Tekrarlı gerilmelere maruz kalan parçalarda çatlama ve kırılma şeklinde hasarlar meyana gelir. - Yorulma deneyleri için kullanılan cihazların başında Wöhler makinalar gelir. Temel yorulma deney makinelerinin prensip şemaları. (a) Tek uçtan yüklemeli dönel eğmeli, (b) iki uçtan yüklemeli dönel eğmeli ve (c) eksenel gerilmeli (çeki-bası)
Çevrim (gerilme periyodu): Gerime-zaman eğrisinin periyodik olarak tekrarlanan en küçük parçasına bir çevrim denir. Maksimum gerilme (σ maks ): Uygulanan gerilmeler arasında en büyük cebirsel değeri olan gerilmedir. Minimum gerilme (σ min ): Uygulanan gerilmeler arasında en küçük cebirsel değeri olan gerilmedir. Ortalama gerilme (σ 0 ): Maksimum ve minimum gerilmelerin cebirsel ortalamasıdır. σ 0 σ = maks + σ 2 min Gerilme aralığı (Δσ): Maksimum ve minimum gerilmeler arasındaki cebirsel farktır. Δσ = σ maks σ min Gerilme genliği (σ a ): Gerilme aralığının yarısına eşittir. σ a σ = maks 2 σ min Gerilme oranı (R)=σ min /σ max (a) Yorulma deneyi ile ilgili tipik bir gerilme-zaman eğrisi ve (b) basma gerilmelerinin değişimi
Yorulma eğrilerinden iki önemli büyüklük elde edilir. Yorulma ömrü: belirli büyüklükte tekrarlı gerilme etkiyen bir malzemenin kırılmasına kadar geçen çevrim sayısıdır. Yorulma dayanımı: bir malzemenin belirli bir çevrim sayısı sonunda kırılmasına neden olan gerilme değeridir. Demir- çelik grubuna giren malzemelerde yorulma sınırı ( σ ys ) ile çekme dayanımı ve Brinell sertliği arasında Demir esaslı ve demir dışı malzemelerin tipik yorulma ( S-N Wöhler) eğrileri Demir dışı metallerde ise yorulma dayanımı sınırı
Yorulma kırılması işaretleri. (a) Dönen çelik şaftın yorulma kırılması. (b) Alüminyum malzemenin yorulma kırılmasında oluşan deniz kabuğu görünümü (oklar yorulma çatlağının ilerleme yönünü göstermektedir), (c) Yorulma sonucunda oluşan yorulma ilerleme izleri ve (d) bu izlerin dalga izlerine (beach marks) benzetilmesi. Yorulma sonucu hasara uğramış çelik bir şaftın görünümü
Çatlaksız malzemelerde yorulma ömrünün belirlenmesinde kullanılan bağıntılar Uzun ömürlü yorulma ΔσN f a = c 1 Kısa ömürlü yorulma Δε pl N f b =c 2 Basquin kanunu olarak isimlendirilen bu bağıntıda; Δσ gerilme aralığı, N f kırılmaya kadar olan çevrim sayısı (yorulma ömrü), a (çoğu malzemeler için 1/8-1/15) ve c 1 birer sabittir. Coffin-Manson kanunu olarak bilinen bu bağıntıda b (çoğu malzeme için 0.5-0.6 arasında) ve c 2 birer sabifr. Çatlaklı malzemelerin yorulma ömrünün belirlenmesinde kullanılan bağıntılar Kararlı durumda çatlak ilerleme hızı (da/dn); da/dn = A ΔK m Burada A ve m malzeme sabitleridir. Bu durumda ilk çatlak uzunluğu (a 0 ) ve çatlağın kararsız hale gelip hızla ilerleyeceği son çatlak uzunluğu (a f ) biliniyorsa veya hesaplanabiliyorsa, yukarıdaki denklemin entegrali alınarak emniyetli çevrim sayısı bulanabilir. N f = N f a dn = A( Δ 0 a0 f da K) m ' Gerilme şiddet faktörü (ΔK) ΔK = Δσ πa
SÜRÜNME Jet motor nozulları, buhar jeneratörleri, yüksek basınçlı buhar taşıyan boru hatları gibi uygulamalarda malzemeler yüksek sıcaklıkta mekanik gerilmelere maruz kalırlar. Yüksek sıcaklık ve statik gerilmenin söz konusu olduğu bu çalışma şartlarında oluşan deformasyona sürünme denir. Başka bir deyişle Sabit sıcaklıkta, sabit yük veya gerilme altında tutulan malzemelerin zamanla kalıcı şekil değişimine uğraması olayına sürünme denir. Sürünme, metallerde mutlak ergime sıcaklığının yaklaşık %30 unun, seramiklerde ise mutlak ergime sıcaklığının %40 nın üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir. Sürünme deney sistemi
Tipik bir sürünme eğrisi : Bu eğride yükün ilk uygulandığı anda tamamen elastik olan anlık bir deformasyon meydana gelir. Daha sonra sırayla birincil veya geçiş sürünmesi, ikincil veya kararlı sürünme ve son olarak üçüncü sürünme bölgesi oluşur. Sürünmede deformasyon sertleşmesi ve toparlanma iki önemli mekanizmadır. Sürünme hızının toplam deformasyon miktarı ile değişimi: Birinci evrede pekleşme hızı toparlanma hızından daha yüksek olduğu için sürünme hızı azalır ve malzeme bu bölgede pekleşir. İkinci evrede pekleşme ve toparlanma hızları yaklaşık birbirine eşittir bu yüzden bu evrede sürünme hızı sabittir. Üçüncü evrede numunede boyun verme başlar ve yük taşıyan gerçek kesit alanı azalır, bu nedenle yumuşama hızı pekleşme hızın geçer ve numune kopuncaya kadar sürünme hızı artar. Gerilme ve sıcaklığın sürünme eğrisine etkisi: Gerilme ve Sıcaklık artıkça şekil değişimi ve kararlı sürünme hızı artar sürünme ömrü veya kopma ömrü azalır. Düşük sıcaklıklarda (T < 0.4 Terg) ilk şekil değişiminden sonra şekil değişimi zamandan bağımsızdır.
Tahribatlı Malzeme Muayenesi konusu ile ilgili çalışma soruları 1.Düşük karbonlu bir çeliğin gerilme ve birim uzama eğrisini çizerek, bu eğri üzerinde akma ve çekme dayanımlarını gösteriniz ve bunların formüllerini yazınız. 2. Çekme deneyine tabi tutulan 130 mm2 kesitli pirinç bir malzemede (E=103 GPa) 345 MPa lık bir gerilme değerinin hemen üzerinde kalıcı şekil değişiminin (plaskk deformasyon) başladığı belirlenmişkr. a) Bu malzemenin kalıcı şekil değişime uğramadan taşıyabileceği en yüksek kuvvek bulunuz. b) İlk boyu 76 mm olan bu malzemede söz konusu kuvvet etkisiyle meydana gelen uzamayı bulunuz. (c) Malzemeye etkiyen bu kuvvet kaldırıldığında malzemenin son boyunu belirleyiniz. 3. İlk ölçü uzunluğu 152 mm olan bir çubuğun çekme deneyi sonrasında boyu 203 mm olarak belirlenmişkr. Bu çubuğun çekme doğrultusundaki birim şekil değişkrme ve gerçek şekil değişkrme değerlerini hesaplayınız. 4. 13 mm çapında bir çekme numunesinin ilk ölçü boyu 50 mm dir. %0.2 lik uzamaya ait yük 6800 kg, maksimum yük 8400 kg ve kopma anındaki yük ise 7300 kg dır. Kopmadan sonraki çap 8 mm ve ölçü boyu 65 mm dir. Malzemenin çekme deneyinden elde edilen standart özelliklerini hesaplayınız.
5.Bir gerilme birim uzama eğrisi çizerek bu eğri üzerinde rezilyans ve tokluğu gösteriniz. Bunların hesaplanmasında kullanılan formülleri yazınız. 6. 6 mm yarıçapındaki çelik çubuğa 400N luk çekme kuvvek uygulandığında, çubuktaki gerilme miktarı ne kadar olur. 7. Metalik bir alaşımdan imal edilmiş 8 mm çapındaki silindirik bir numune çekme yükünün etkisinde elaskk olarak şekil değişkrmektedir. KuvveKn 15700 N olduğu durumda numune çapında 5x10-3 mm daralma oluşmaktadır. Malzemenin elaskk modülü 140 GPa olduğuna göre, bu malzemenin poisson oranını bulunuz. 8. Elmastan yapılmış ve tepe açısı 120º olan koni biçimindeki bir baqcı uç 150 kg lık bir kuvvet (yük) ile bir malzemenin yüzeyine basqrıldığında 0,11 mm lik derinliğe kadar batmaktadır. Bu malzemenin sertliğini bulunuz. 9. Çapı 2,5 mm olan tungsten karbür bir bilya 187,5 kgf lik bir kuvvetle çelik bir malzeme yüzeyine basqrılıyor. Kuvvet kaldırıldıktan sonra malzeme yüzeyinde 0,58 mm çapında bir iz ölçülüyor. Söz konusu bu malzemenin sertliğini ve yaklaşık olarak çekme dayanımını bulunuz. 10. Vickers sertlik ölçme yönteminde kullanılan formülü yazarak, bu formüldeki büyüklüklerin anlamını belirkniz. 11. Sertliği 60 RSD-C olan bir çelik parçanın çekme dayanımının ve yorulma sınırının yaklaşık değerlerini bulunuz. 12. Çekme dayanımı 170 MPa olan pirinç bir malzemenin yorulma dayanım sınırını bulunuz.
13. ortalama gerilmenin 50 MPa, gerilme genliğinin 225 MPa olduğu bir yorulma deneyi için; maksimum ve minimum gerilmeleri, gerilme oranını ve gerilme aralığını hesaplayınız. 14. Çatlaksız malzemelerin uzun ömürlü ve kısa ömürlü yorulmasında yorulma ömrünü veren bağınqları yazarak bu bağınqlarda yer alan büyüklüklerin anlamlarını yazınız. 15. Çatlaklı malzemelerde yorulma ömrünün belirlenmesinde kullanılan bağınqyı yazarak bu bağınqdaki büyüklüklerin anlamlarını belirkniz. 16. Çelik ve demir dışı metaller için Kpik yorulma eğrilerini çiziniz. 17. Sünek-gevrek geçiş sıcaklığını tanımlayarak bu sıcaklığın nasıl belirlendiğini şekil çizerek gösteriniz. 18.Sürünmeyi tanımlayınız ve sıcaklığın ve gerilmenin malzemenin sürünme davranışına etkilerini gösteren eğrileri çiziniz.