TRAKYA ÜNĐVERSĐTESĐ MÜHENDĐSLĐK-MĐMARLIK FAKÜLTESĐ MAKĐNA MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ LABORATUAR RAPORU DENEYĐN ADI : DARBE DE EYĐ (CHARPY) AD SOYAD :.................................... ÖĞRENCĐ NO :.................................... BAHAR DÖNEMĐ 2012/13
TEORĐK BĐLGĐ METAL MALZEMELERĐN MEKANĐK DENEYLERĐ Her türlü konstrüksiyonda ve makine alet yapımında en önemli konu malzeme seçimidir. Malzeme seçimi ise söz konusu makine yada konstrüksiyonun kullanma yerinin koşullarına göre yapılır. Seçilecek malzemenin özellikleri bu koşullara uygun olmalıdır. Metal malzemelerin değişik özellikleri aşağıda kısaca tanıtılmaktadır. Fiziksel Özellikler; Boyut, şekil, yoğunluk, metalurjik yapı gibi, Kimyasal ve elektro kimyasal özellikler : kimyasal bileşim, korozyon direnci. Mekanik Özellikler: çeşitli sıcaklık ve kuvvet uygulandığında malzemenin mukavemeti (çekme, basma, kesme, darbe mukavemeti gibi), rijitliği, elastikliği, sünekliği, kırılganlığı, sertliği, aşınma direnci gibi. Isısal özellikler: özgül ısı ve ısı ile genleşme değerleri, ısı iletkenliği gibi, Elektriki ve magnetik özellikleri : elektrik iletkenliği, magnetikliği, Akustik özellikler: sesi geçirmesi, sesi yutması ve sesi yansıtması, Optik özellikler ; renk, ışığı yansıtması, ışığı geçirmesi veya ışığı yutması, Yukarda sıralanan özellikler arasından mekanik özellikler mühendislik uygulamalarında daha yaygın olarak kullanılırlar. Hemen hemen bütün mühendislik dalları, özellikle de malzeme ile yakından ilgilenenler, malzemeyi tanımak, mekanik özelliklerini tespit etmek, deney yapmak ve sonuçlarını yorumlamak zorundadır. Aynı zamanda, metal malzemelerden yapılan her türlü alet ve eşyanın kalite kontrolü ve verimli bir şekilde sürekli üretimi, ancak mekanik deneylerden faydalanarak gerçekleştirilebilir. Örneğin ; malzemenin mukavemeti, makine ve konstrüksiyonların ömrü ve verimliliği ile ilgili çok önemli bir özelliktir. Mekanik deneyler yardımıyla tespit edilebilen bu özellikler, tasarımda malzeme seçimini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Mekanik deneylerin bir avantajı, yapılışlarının nispeten kolay olması ve diğer özelliklerin uygunluğu hakkında da fikir verebilmesidir. Örneğin, mekanik özellikler direkt olarak fiziksel ve kimyasal özelliklere bağlı olduğundan, kimyasal bileşimi öngörülen bileşimden farklı olan bir malzemenin mekanik özelliklerini de beklenen den farklı olacaktır. Yukarda bahsedilen mekanik özelliklerin saptanabilmesi için yapılacak olan bazı mekanik deneyler ; - çekme deneyi - sertlik deneyleri - basma deneyi - darbe deneyi - yorulma deneyi - sürünme deneyi - eğme ve katlama deneyi - kırılma tokluğunun saptanması deneyleri deneyler ile ilgili olarak da uluslararası kabul gören standartlar vardır. Saptanmış mekanik özelliklerin geçerli olabilmesi ancak bu standartlarda tanımlanmış olan numune hazırlama teknikleri ve deneylerin yapılış tanımlarına uyulduğu müddetçe mümkün olmaktadır.
METAL MALZEMELERĐN DARBE DENEYĐ (TS 269/75 Metalik Malzemede Vurma Deneyi (Charpy ve Izod) BS E 10 045-1:1990, Charpy Impact Test on Metallic Materials) GĐRĐŞ Darbe deneyi özellikle gevrek kırılmaya müsait şartlarda malzemenin mekanik davranışı hakkında fikir sahibi olmamızı sağlar. Çoğu kez mekanik özellikler hakkında bilgi sahibi olmak için çekme deneyinden faydalanırız ve çekme deneyine göre gerilme-genleme diyagramında iyi bir uzama gösteren malzemenin sünek olacağı yani statik ve dinamik yüklere karşı plastik şekil değiştirme ile karşılık vereceğini tahmin ederiz. Bu tahmin YMK ve hekzagonal sıkı paket yapıya sahip metaller (demir dışı metallerin çoğu (Cu,Ni), östenitik çelikler, düşük mukavemetli çelikler) için genellikle doğrudur. Ancak, HMK yapıya sahip metallerde (ferritik çeliklerde) bu tahmin doğru olmayabilir. Bu tip malzemeler çekme deneyinde sünek bir davranış göstermesine rağmen çentikli darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilirler. Bu tür olaylar, özellikle, oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda daha çok görülmektedir. Bunlar da darbe deneyinin önemini ortaya koymaktadır. DENEYĐN AMACI Metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünekgevrek geçiş sıcaklığını tespit etmek. DENEYĐN YAPILIŞI: Darbe Deneylerinde sarkaç tipi cihazlardan faydalanılır. Deney öncesinde ağırlığı G olan sarkaç daha önce tespit edilen potansiyel enerjiye sahip olabileceği h yüksekliğine çıkartılır. Daha sonra numune çekicin salınım düzlemi ile çentiğin simetri düzlemi birbiriyle çakışacak şekilde yerleştirilir. Numune uygun şekilde yerleştirildikten sonra kadranın göstergesi başlangıç konumuna getirilir ve sarkaç düzgün bir şekilde serbest bırakılır ve sonuç deneyden sonra kadrandan doğrudan okunur. Izod tipi numune Çentik detayı Charpy Tipi numune boyutları Izod Tipi numune boyutları Şematik Charpy Darbe Deney Düzeneği
Bu tip deneylerin amacı malzeme bünyesinde bulunabilecek olası bir gerilme konsantrasyonunu çentik tabanında olmak üzere yapay alarak oluşturup, malzemenin bünyesindeki böyle bir gerilme konsantrasyonuna karşı göstereceği davranışı belirlemektedir. Çentikli numune zorlandığı zaman çentik tabanına dik düzlemde gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmenin etkisi ile olur. numunenin kırılabilmesi için bu gerilmenin atomları birarada tutan kohezif dayanımdan ve kayma mukavemetinden büyük olması gerekir. Numune, plastik şekil değiştirme olmadan kırılma meydana geliyorsa, buna gevrek kırılma denir. Kırılma yüzeyi düz, parıltılı ve ince tanelidir. Deney esnasında, numune kırılmadan önce çoğu zaman plastik şekil değiştirme meydana gelir. Uygulana kuvvetin etkisi ile normal gerilmeye ilaveten 45 açılı düzlemlerde en büyük kayma gerilmeleri meydana gelir. Bu kayma gerilmesi malzemenin kritik kayma dayanımını aştığı andan itibaren elastik şekil değiştirme sona erer ve plastik şekil değiştirme başlar. Bu durumda önce plastik şekil değiştirme sonra kırılma meydana gelir. Buna sünek kırılma denir. Kırılma yüzeyi girintili, çıkıntılı ve liflidir. Uygulamada çentikli darbe deneyleri genellikle iki türde yapılmaktadır. 1. Charpy Darbe Deneyi: Charpy darbe deneyi yatay ve basit kiriş halinde iki mesnete yaslanan bir numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilmeler etkisi ile numunenin kırılması için gerekli enerjiyi belirleme işlemidir. 2. Izod Darbe Deneyi: Izod Darbe deneyi, dikey ve konsol giriş halinde bir kavrama çenesine tespit edilen numunenin yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikteki bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilmeler etkisi ile numunenin kırılması için gerekli enerjiyi belirleme işlemidir. Sarkacın numune ile temas haline geldiği andaki potansiyel enerji ile numune kırıldıktan sonra sarkaçta kalan potansiyel enerji farkı, o numunenin kırılması için gereken enerjiyi başka bir deyimle, darbe direncini verir. Bu enerji aşağıdaki formülle de gösterilebilir: Kırılma enerjisi=mg(h 0 h)=g.l (cosβ - cosα) G:Sarkacın Ağırlığı (kg) l:sarkacın ağırlık merkezinin Sarkacın salınım merkezine Uzaklığı (m) h 0 :Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m) h:sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) α: Düşme açısı (derece) β: Yükseliş açısı (derece) h 0 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. h Darbe deneyi cıhazının çalışma prensibi
Darbe dayanımına etki eden faktörler: 1. 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. 2. 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. sünek Üst sınır gevrek Geçiş Bölgesi Metalik malzemelerin gevrek-sünek geçiş sıcaklıkları ve darbe dirençleri mikroyapılarına göre de değişir. Çoğunlukla YMK yapıya sahip düşük mukavemetli malzemelerin (bazı Al. ve Cu alaşımları) kırılma dirençleri daha fazladır. Yüksek mukavemetli (yüksek mukavemetli çelikler ve titanyum alaşımları) malzemelerin darbe dayanımları düşüktür ve sıcaklıkla değişime çok hassas değildirler (relatif olarak gevrektirler). Ancak HMK yapıya sahip düşük mukavemetli çeliklerin darbe mukavemetleri sıcaklık ile önemli oranda değişir. Bu çeliklerin geçiş sıcaklığı büyük oranda kimyasal bileşime ve mikro yapıya bağlıdır. Malzemenin sertlik ve dayanımının yüksek olması o malzemenin kırılma direncinin daha az olabileceğine işaret eder. Kırılma enerjisi (direncini) artırılması için o malzemenin yüksek süneklik göstermesi gerekir. Alt sınır T 1 ; % 100 lifli yüzey sünek kırılma T 2 ; % 50 gevrek-%50 sünek kırılma yüzeyi T 3 ; Alt ve üst sınırın ortalamasına karşılık gelen T 4 ; 20 J le tanımlı sıcaklık T 5 ; % 100 gevrek (klivaj) kırılmaya karşılık gelen
Mühendislik uygulamalarında T 5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T 5 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) Geçiş sıcaklığı aralığında kırılma yüzeylerinin değişik şematik görünümleri A36 çeliğinin değişik sıcaklıklarda kırılma yüzey görüntüleri
3. 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. 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. 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. 4. Haddeleme Yönünün Etkisi Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik yönlerinde farklı değerlerde olur. Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır.
5. Üretim Yöntemi Örneğin ; söndürülmemiş çeliğin ( deoksidasyon yapılmamış ) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin geçiş sıcaklığından daha yüksektir. 6. Isıl Đşlem 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. 7. Yüzey Durumu Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır. 8. 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.
9. 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. MĐkroyapıdaki 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. VERĐLECEK DENEY RAPORU ; 1. YUKARIDA VERĐLEN TEORĐK BĐLGĐLER, LABORATUARDAKĐ GÖZLEMLER VE ELDE EDĐLEN SONUÇLAR YARDIMIYLA SON ĐKĐ SAYFADAKĐ BOŞLUKLARIN DOLDURULMASI VE ĐLK SAYFADAKĐ KAPAKTAN OLUŞACAKTIR. 2. RAPOR DENEYĐN YAPILDIĞI HAFTADAN SONRA EN GEÇ 1 HAFTA ĐÇĐNDE ĐLGĐLĐ ARŞ. GÖR.............................. NE TESLĐM EDĐLMELĐ. 3. TESLĐM EDĐLEN RAPORLAR 2 HAFTA SONRA GERĐYE ALINABĐLĐR. Dr. N. MEYDANLIK
Deneyin amacı: Kullanılan malzeme : Kullanılan cihaz tipi, numune tipi ve boyutları : Deneyin yapılışı:
DE EY SO UÇLARI : umune Sıcaklık o: ( C) Sürtünme Kaybı (J) umune kesit alanı (mm 2 ) Kırılma enerjisi (J) Darbe dayanımı (J/m 2 ) KIRILMA E ERJĐSĐ (J) SICAKLIK ( C) SO UÇLARI YORUMU :