1. Metalik Malzemelerin Darbe Deneyi Darbe deneyi gevrek kırılmaya neden olabilecek şartlar altında çalışan malzemelerin mekanik özelliklerinin saptanmasında kullanılır. Darbe deneyinin genel olarak amacı, metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünek-gevrek geçiş sıcaklığını tespit etmektir. Genelde malzemelerin mekanik özellikleri hakkında fikir edinebilmek için çekme deneyi sonuçları kullanılır. Elde edilen sonuçlar YMK ve HSP sistemlerde sorun olmazken bazı HMK kafes yapısına sahip metallerde çentik darbe testinde farklı sonuçlar elde edilir (Şekil 1). Çekme testinde uzama miktarı yüksek olan malzemelerin sünek davranacağı düşünülür. Bu kabul YMK ve HSP kristallerde büyük oranda doğru iken HMK kristalli malzemelerde (örn. ferritik çelik) her zaman doğru sonuç vermez. Çekme deneyinde sünek davranış gösteren malzeme darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilir. Özellikle oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu olaya daha çok rastlanır. Darbe deneyinden elde edilen sonuçlar, çekme deneyi sonuçları gibi mühendislik hesaplarında kullanılmazlar. Şekil 1. Farklı kafes yapılarındaki metaller için gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği 2. Deneyin Prensibi Deneyde numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gereken enerji belirlenir. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır. 1
Şekil 2. Çentik darbe deneyinin şematik gösterimi Deney cihazı Şekil 2 deki gibidir. G ağırlına sahip sarkaç h yüksekliğine çıkarılır bu konumda G.h enerjisine sahiptir. Serbest bırakılan sarkaç numuneye çarparak kırar ve h 1 yüksekliğine çıkar. Bu konumda enerjisi G.h 1 haline gelir. Başlangıçtaki ve sondaki iki potansiyel enerji değeri arasındaki fark numunenin kırılması için gerekli olan enerjidir. Darbe direnci olarak da adlandırılan bu değer şöyle hesaplanır: G: Sarkacın ağırlığı (kg) L: Sarkacın ağırlık merkezinin sarkacın salınım merkezine uzaklığı (m) h: Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m) h 1 :Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) α: Düşme açısı (derece) β: Yükseliş açısı (derece) Darbe direnci genellikle Joule (J) olarak verilir. Ancak, bazı durumlarda J/m 2, Nm yada Nm/m 2 cinsinden de verilebilir. Kırılma enerjileri yüksek olan malzemelerin kırılma toklukları da yüksek olur. 2
Darbe deneylerinde numune içerisindeki gerilimlerin çentik tabanında toplanması ve malzemenin dinamik yük altında davranışının belirlenmesi amaçlanır. Lamel grafitli dökme demirlerde lameller çentik etkisi yapacağından ayrıca çentik açmadan da test yapılabilir. Numune yükleme sonucu zorlandığı zaman çentik tabanına dik bir gerilim oluşur bu gerilim kırılmaya neden olur. Numunenin kırılması için oluşan bu dik gerilimin kristalleri bir arada tutan (kohezif kuvvet) ya da kaymasını engelleyen kuvvetten fazla olması gerekir. Eğer numune plastik olarak şekil değiştirmeye fırsat bulmadan kırılırsa buna gevrek kırılma denir. Kırılan yüzey düz bir ayrılma yüzeyidir. Çoğu durumda numune kırılmadan plastik deformasyona uğrar. Oluşan dik gerilimin yanında bu gerilimle 45 açı yapan kayma gerilmesi oluşur. Bu gerilme kritik kayma gerilimini aştığı anda malzemede plastik deformasyon oluşur. Bu durumda önce plastik deformasyon ardından kırılma oluşur. Sünek kırılma adı verilen bu kırılmada yüzey girintili çıkıntılı bir görünüme sahiptir. Çentikli darbe deneyleri genellikle 2 türde yapılmaktadır (Şekil 3) : Charpy Darbe Deneyi: Yatay ve basit kiriş halinde 2 mesnede yaslanan numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler etkisi ile numunenin kırılması için harcanan enerjiyi tayin işlemidir. İzod Darbe Deneyi: Dikey ve konsol halinde bir kavrama çenesine tutturulan numunenin yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikte, bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler ile numunenin kırılması için sarf edilen enerjiyi tayin işlemidir. 3 Şekil 3. Charpy ve İzod darbe deneyinin uygulanışı
3. Çentikli Darbe Deneyi Numuneleri Çeşitli ülkelerin standartlarında saptanan en önemli numune çeşitlerinin boyutları ve şekilleri Şekil 4 te verilmiştir. Numunelerin çentik açılma çeşitleri; 1- U çentikli, 2-V çentikli, 3- Anahtar deliği çentikli dir. Malzemelerin darbe dayanımı sıcaklıkla değişir. Testler esnasında numune sıcaklığı belirtilen sıcaklık değeri arasında -+2 C den fazla fark olmamalıdır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda yapılacak testler için buzdolabı gibi soğutucular ya da sıvı azotla soğutma kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda (200 C ve üstünde) yağ banyosu, tuz banyosu ya da fırında ısıtma kullanılır. Isıtılan ya da soğutulan numune 5 sn içinde kırılmalıdır. Şekil 4. Çentik darbe deneyi numuneleri 4
4. Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı Belirli bir malzeme için farklı sıcaklıklarda yapılan darbe deneyleri malzemenin darbe direnci hakkında önemli bilgiler verir. Sıcaklığın azalmasıyla malzemelerin darbe direnci düşer. Bu düşüş aniden olabildiği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir. Darbe direncinin aniden düştüğü sıcaklığa gevrek-sünek geçiş sıcaklığı denir. Düşüş aniden olmadığında bir geçiş sıcaklığı belirlemek zordur. Bu gibi durumlarda geçiş sıcaklık aralığı belirlenir ve bu gevrek-sünek geçiş aralığı olarak adlandırılır. Bu aralıkta düşük sıcaklığın altında malzeme gevrek yüksek sıcaklığın üstünde sünek davranır. İki sıcaklık değeri arasında ise iki davranışı birden gösterir (Şekil 5). Şekil 5. Gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği Gevrek kırılmada, kırılma klivaj düzlemleri boyunca olup kırılma yüzeyi kristalin bir (graniler, ince taneli) görünüştedir. Bu durumda darbe etkisiyle çatlak kolayca ilerleyip malzeme içinde hızla yayılır. Sünek kırılmada ise önce bir plastik şekil değiştirme ve daha sonra kopma meydana gelir. Sünek davranışta malzemenin içinde çatlak oluşumu ve ilerlemesi güçleşir. Bu durumda kopma yırtılma şeklinde olup kırılma yüzeyi lifli bir görünüştedir. Geçiş aralığında ise her iki davranış birden görülür. Deney sıcaklığı düşük sıcaklığa yaklaştıkça gevrek davranış artar. Mühendislik uygulamalarında aralığın alt sıcaklığı daha önemlidir. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıkta kullanılmaz. Bu nedenle geçiş sıcaklığı olarak düşük sıcaklık alınır. 5
5. Darbe Dayanımına Etki Eden Faktörler a-çentik Etkisi Çentikli bir parça zorlandığı zaman çentiğin tabanına dik bir gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmelerin etkisiyle olur. Deney parçasının kırılabilmesi için bu normal gerilmenin, kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan yüksek olması gerekir. Çentik daha keskin yapılırsa çentiğin tabanındaki normal gerilme kayma gerilmesine oranla artırılacak ve deney parçası daha çok gevrek kırılma yeteneği gösterecek demektir. Çentik ve deformasyon hızı aynı kalmak şartıyla, sıcaklığın yükselmesiyle kayma dayanımı düşecek ve sünek bir kırılma gözlenir. b-sıcaklık Etkisi Genel olarak sıcaklık düştükçe malzemenin darbe direnci de düşmektedir. Malzemelerin sıcaklığa bağlı olarak, darbe direncindeki düşme aniden olabileceği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir (Şekil 6). Şekil 6. Farklı sıcaklıklarda malzemede meydana gelen kırılma çeşitleri Mühendislik uygulamalarında T5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir 6
davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T5 sıcaklığı alınır ve bu sıcaklık, sıfır süneklik sıcaklığıdır. Bazen geçiş sıcaklığının yaklaşık olarak belirlenmesinde şu üç kriterden de faydalanılır. - Kırılma Enerjisi ( 20-30 J lük kırılma enerjisine karşılık gelen sıcaklık) - Kırılma yüzeyinin görünüşü (kesitte % 50 ince taneli kristalin görünüşü veren sıcaklık) - Kırılmadan sonra çentik tabanında meydana gelen enlemesine büzülme miktarı (%1 enine büzülme) c-bileşimin Etkisi Sadece HMK yapıya sahip malzemeler gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptir. Bunun nedeni de HMK yapının düşük sıcaklıklarda sınırlı sayıda aktif kayma sistemine sahip olmasıdır ki buda plastik deformasyonu sınırlar. Sıcaklığın artması aktif kayma sistemi sayısını arttırır bu akma dayanımının düşmesine neden olarak plastik deformasyonu kolaylaştırır. YMK ve HSP yapıya sahip metallerde gevrek-sünek geçiş sıcaklığına rastlanmaz, herhangi bir sıcaklık değişikliğinde yaklaşık olarak aynı enerji absorbsiyonuna sahiptirler. Çelikte karbon ve manganez miktarı gevrek-sünek geçiş sıcaklığı üzerinde önemli etkiye sahiptir (Şekil 7). Karbon miktarının artması daha düz bir değişim eğrisi ve daha yüksek gevrek-sünek geçiş sıcaklığına neden olur, bu da yüksek sıcaklıkta sünekliği getirir. Çeliklerde C/Mn oranı 3/1 den büyük olduğu müddetçe tokluk artar. Ni çentikli darbe tokluğu arttırıyorken, P, Si, Mo, O geçiş sıcaklığını yükseltir. 7
Şekil 7. Çelikteki C içeriğinin darbe enerjisine etkisi. (C içeriğinin düşmesi alt ve üst sınır arasındaki bölgeyi arttırıyor. Karbon içeriğinin artması hem mukavemeti yükseltir hem de geçiş sıcaklığını yükseltir.) d-haddeleme Yönünün Etkisi Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik yönlerinde farklı değerlerde olur (Şekil 8). Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır. Şekil 8. Haddeleme yönünün çentik darbe direncine etkisi e-üretim Yöntemi Örneğin; söndürülmemiş çeliğin (deoksidasyon yapılmamış) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin geçiş sıcaklığından daha yüksektir. 8
f-isıl İşlem Isıl işlem görmüş bir çelik normalize edildiğinde çentikli darbe tokluğu artmaktadır. Temperleme sıcaklığı arttıkça çeliğin enerji absorbe etme kabiliyeti de artar. Temperlenmiş martensitik yapı çelikleri hem mukavemet açısından hem de darbe mukavemeti açısından iyidir (Şekil 9). Şekil 9. Isıl işlem uygulamalarının malzemenin çentik darbe tokluğuna etkisi g-yüzey Durumu Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır. h-tane Büyüklüğü Genel olarak ince taneli malzemeler kaba taneli malzemelerden daha düşük geçiş sıcaklığına sahiptirler. Tane boyutunun küçültülmesi geçiş eğrisini sola doğru kaydırır. Sıcak şekil verme esnasındaki rekristalizasyon ve havada soğutma gibi tane küçültücü işlemler geçiş sıcaklığını düşürür (Şekil 10). 9
Şekil 10. Tane büyüklüğünün gevrek-sünek geçiş sıcaklığına etkisi i-mikroyapı Mikroyapı çeliğin çentikli darbe tokluğunu bileşim ve mekanik özelliklerinden bağımsız olarak etkileyebilir. Temperlenmiş martensit diğer mikroyapılara oranla en yüksek enerji ve en düşük geçiş sıcaklığı sağlar. Mikroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe dirençlerini etkiler. Bu sert kırılgan fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini azaltır. Örneğin Küresel grafitli dökme demir, Gri dökme demirden daha fazla darbe dayanımına sahiptir. Gri dökme demirde sert kırılgan grafitler sivri, keskin köşeli ve birbirleri ile bağlantılı olduğundan bu yapılar çentik etkisi yapmaktadır. 6. Kaynaklar - Arş. Gör. Emre ALP, Bartın Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Metalik Malzemelerin Darbe Deney Föyü. - Trakya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Darbe Deneyi Lab. Föyü. 10