Bölüm 6: Mekanik Özellikler Gerilme ve birim şekil değişimi: Nelerdir? Ve neden yük ve uzama terimler kullanılmaz? Elastik davranış: Yükler az ise, ne kadar deformasyon yaratır? Hangi malzemeler en az deformasyona uğrar? Plastik davranış: Hangi noktada malzeme kalıcı bozulur? Hangi malzemeler en fazla kalıcı deformasyona dayanır? Süneklik ve tokluk: Nelerdir ve nasıl ölçülebilirler? Chapter 6-1
Elastic Deformasyon 1. Başta 2. Az yük 3. Yüksüz bağlar gerilir başlangıca dönüş F Elastik demek geridönüşür! F Lineerelastik Lineer olmayanelastik Chapter 6-2
Plastik Deformasyon (Metaller) 1. Başta 2. Az yük 3. yüksüz bağlar gerilir düzlemler & düzlemler hala kayar kaymıştır elastik + plastik plastik F Plastik demek kalıcı! F linear elastic plastic linear elastic Chapter 6-3
Çekme gerilmesi, : Mühendislik Gerilmesi F t Kayma gerilmesi, : F t F Alan, A o Alan, A o F s lb f = 2 A o in = F t yükten önceki orjinal alan F t or N 2 m = F s A o F s F Gerilimin birimi: N/m 2 yada lb f /in 2 F t Chapter 6-4
Basit çekme: Kablo F F A o = kesit alan (yükten önce) F A o Bazı Gerilim Türleri Burkma (kaymanın bir çeşiti): çevirme mili A c M 2R M F s A o F s A o Not: = M/A c R Kayak çekici (photo courtesy P.M. Anderson) Chapter 6-5
Basit basma: Diğer Gerilim Durumları(i) A o Canyon Köprüsü, Los Alamos, NM (photo courtesy P.M. Anderson) Denge taşı, Arches National Park (photo courtesy P.M. Anderson) F A o Not: basma yapı elemanı ( < 0 ). Chapter 6-6
Diğer Gerilim Durumları(ii) İki eksenli (biaksiyal) çekme: Hidrostatik basma: Basıçlı tank (photo courtesy P.M. Anderson) > 0 Suyun içindeki balık (photo courtesy P.M. Anderson) z > 0 < 0 h Chapter 6-7
Mühendislik Birim Şekil Değişimi Çekme şekil değişimi: L o w o /2 L o Lateral (Yanal) şekil değişimi: L L w o Kayma şekil değişimi: L /2 : x = x/y = tan y 90º 90º - şekil değişimi her zaman birimsizdir Adapted from Fig. 6.1(a) and (c), Callister & Rethwisch 8e. Chapter 6-8
Gerilme-Şekil Değiştirme Testi Tipik çekme testi makinası Tipik çekme testi numunesi Adapted from Fig. 6.2, Callister & Rethwisch 8e. Adapted from Fig. 6.3, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 6.3 is taken from H.W. Hayden, W.G. Moffatt, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, p. 2, John Wiley and Sons, New York, 1965.) Chapter 6-9
Lineer Elastik Özellikler Elastiklik Modülü, E: (Young modülü olarakta bilinir) Hooke Kanunu: = E F E Lineerelastik F basit çekme testi Chapter 6-10
Poisson oranı, Poisson oranı, : z y metaller: ~ 0.33 seramikler: ~ 0.25 polimerler: ~ 0.40 Birimleri: E: [GPa] veya [psi] : boyutsuz > 0.50 yoğunluk artar < 0.50 yoğunluk azalır - Chapter 6-11
Mekanik Özellikler Metallerde elastik modülün büyüklüğü, atomlar arası uzaklığın r0 olduğu denge konumunda eğrinin eğimiyle orantılıdır. Adapted from Fig. 6.7, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 6-12
Elastik Kayma modülü, G: = G Diğer Elastik özellikler G M Basit burkma testi Elastik Hacim modülü, K: P = - K V V o İzotropik malzemede : P K V V o P M P P Basınç testi İlk hacim=v o. Hacim değişimi = V G E 2(1 ) K E 3(1 2 ) Chapter 6-13
Young Modülü: Karşılaştırma E(GPa) 10 9 Pa 1200 1000 800 600 400 2 00 100 8 60 40 2 0 10 8 6 4 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Metaller Alaşımlar Tungsten Mol Çelik, Ni Tantalum Pl Cu alaşım Zn, Ti Gümüş, altınd Al Mg, Sn Grafit Seramikler Polimerler Kompositler /lifler Yarıiletk. Elmas Si karbid Al oksit Si nitrit <111> Si kristall <100> Cam beton G rafit Polyester PET PS PC PP HDP E PTF E LDPE Karbon lifler C FRE( fibers)* A ramid fibers only A FRE( fibers)* Glass fibers only G FRE( fibers)* GFRE* CFRE * G FRE( fibers)* C FRE( fibers) * AFRE( fibers) * Epoxy only Tahta Based on data in Table B.2, Callister & Rethwisch 8e. Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers. Chapter 6-14
Plastik (Kalıcı) Deformasyon (düşük sıcaklıklarda, ör. T < T erime /3) Basit çekme testi: mühendislik gerilimi, Elastik+Plastik büyük gerilimde Elastik başlangıçta kalıcı (plastik) yük kalktıktan sonra p plastik şekil değiştirme mühendislik birim şekil değiştirme, Adapted from Fig. 6.10(a), Callister & Rethwisch 8e. Chapter 6-15
Akma Dayanımı, y Plastik deformasyonun belirgin başladığı gerilim. ak çekme gerilimi, p = 0.002 ak = akma dayanımı Not: 2 inçlik örnek için = 0.002 = z/z p = 0.002 mühendislik birim şekil değiştirme, Adapted from Fig. 6.10(a), Callister & Rethwisch 8e. z = 0.004 in Chapter 6-16
Akma Dayanımı: Karşılaştırma Metaller/ Alaşımlar Grafit/ Seramikler/ Yarı il. Polimerler Kompositler/ Lifler PC Naylon 6,6 PET nemli PVC Oda sıcaklığı değerleri Based on data in Table B.4, Callister & Rethwisch 8e. t = tavlanmış sh = sıcak haddelenmiş y = yaşlanmış sç = soğuk çekilmiş si= soğuk işlem st = su verilmiş & temperlenmiş Akma Dayanımı, ak (MPa) gerilimde, kırılma genelde akmadan önce gerçekleşir.. Ölçümü zor seramik matriks ve epoksi matrks kompositlerde, gerilimde, kırılma genelde akmadan önce gerçekleşir. 2000 Çelik (4140) st 1000 700 600 500 400 300 200 100 70 60 50 40 30 Ti (5Al-2.5Sn) W (pure) t Cu (71500) Mo (pure) si Çelik (4140) t Çelik (1020) sç Al (6061) ag Çelik Ti l (pure) t Ta (pure) Cu (71500) sh Al (6061) t (1020) sh Ölçümü zor, PP H DPE kuru 20 10 Sn (saf) LDPE Chapter 6-17
Gerilme Çekme Dayanımı, ÇD Mühendislik gerilim ve şekil değiştirme eğrisinde maksimum nokta. ÇS y Adapted from Fig. 6.11, Callister & Rethwisch 8e. F = kopma veya son gerilim Typical response of a metal Boyun gerilim konsantrasyonu oluşur. strain Birim şekil değişimi Metaller: Farkedilir daralma (boyun) gözlenir. Polymerler: kırılacakları sıra daralma gözlenir. Chapter 6-18
Tensile strength, ÇS (MPa) 5000 3000 2000 1000 300 200 100 40 30 20 10 Çekme Gerilimi: Karşılaştırma Metaller/ Alaşımlar Çelik (4140) st W (saf) Ti (5Al-2.5Sn) Çelik (4140) a a Cu (71500) Cu (71500) sç si Çelik (1020) Al (6061) Ti (saf) sh t Ta (saf) Al (6061) t Grafit/ Seramikler/ Yarı iletk. Elmas Si nitrit Al oksit Si kristall <100> Cam-soda Beton Grafit Polimerler Naylon 6,6 PC PET PVC PP L DPE H DPE Koompositler/ lifler C lifleri Aramid lif E-glass lif A FRE ( lif GFRE ( lif) C FRE ( lif) tahta( lif) GFRE ( lif) C FRE ( lif) A FRE( lif) Oda sıcaklığı değerleri Based on data in Table B.4, Callister & Rethwisch 8e. t = tavlanmış sh = sıcak haddelenmiş y = yaşlanmış sç = soğuk çekilmiş si= soğuk işlem st = su verilmiş & temperlenmiş 1 tahta ( lif) AFRE, GFRE, & CFRE = aramid, cam, & karbon lifler-takviyeli epoksi kompositler, %60 (hacimce) lifler. Chapter 6-19
Gerilme Süneklik Kopma anında plastik birim şekil değişimi: % UZ L f L o L o x 100 küçük %UZ büyük %UZ L o A o A f L f Adapted from Fig. 6.13, Callister & Rethwisch 8e. Birim şekil değişimi, Başka bir süneklik ölçütü: A A % KD = f x 100 A o - o Chapter 6-20
Gerilme Tokluk Malzemenin kırılmadan enerji absorbe etme kabiliyeti. Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin altında kalan alan. Düşük tokluk(seramikler) gevrek Yüksek tokluk (metaller) sünek Çok düşük tokluk (takviyesiz polimer) Adapted from Fig. 6.13, Callister & Rethwisch 8e. Birim şekil değişimi, Gevrek kırılma: elastik enerji Sünek kırılma: elastik + plastik enerji Chapter 6-21
Rezilyans, U r Elastik şekil değişimi sırasında enerji absorbe etme özelliği. Enerji en iyi elastik bölgede toplanır. U r 0 y d Lineer gerilim-şekil değişimi düşünüldüğünde; U r 1 2 y y Adapted from Fig. 6.15, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 6-22
Gerilme Elastik Geri Gelme ak i ak o D 2. Yükün kaldırılması 1. Yük 3. Tekrar yükleme Adapted from Fig. 6.17, Callister & Rethwisch 8e. Elastik olarak geri gelen şekil değişimi Birim şekil değişimi Chapter 6-23
Sertlik Malzemenin yerel plastik deformasyona gösterdiği direncin ölçütü. Büyük sertlik: -- plastik deformasyona veya baskıda kırılmaya olan dayanıklılık ve -- aşınma özelliklerinin daha iyi olmasıdır. e.g., 10 mm küre Belli bir kuvvet Yük kalktıktan sonra izin boyutları ölçülür D d İz derin değilse sertlik büyüktür çoğu plastikler pirinçler Al alaşımlar kolay işlenir çelikler eğe sertliği kesici aletler nitrürlenmiş çelikler elmas increasing hardness Chapter 6-24
Rockwell Sertliği Sertlik: Ölçümü Baskıcı uçta kolay bozulma olmaz. Her skalada en yüksek değer 130 olsada okunan aralık 20-100 dür. Ön yük 10 kg Ana yük 60 (A), 100 (B) & 150 (C) kg A = elmas, B = 1/16 inç bilya, C = elmas HB = Brinell Sertliği ÇD (psia) = 500 x HB ÇD (MPa) = 3.45 x HB Chapter 6-25
Sertlik: Ölçümü Table 6.5 Chapter 6-26
Gerçek Gerilme & Şekil Değiştirme Not: K.A. örnek çekildikçe değişir. Gerçek gerilme Gerçek şekil değ. G G F A i ln ln 1 i o G G 1 Adapted from Fig. 6.16, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 6-27
y Pekleştirme nin plastik deformasyon sonucu artması. y 1 y 0 büyük pekleştirme küçük pekleştirme gerilme şekil değiştirme eğrisinin boyun vermeye başladığı noktaya kadar ki değişim : Pekleşme üsteli: n n = 0.15 (bazı çelikler) T K T to n = 0.5 (bazı bakırlar) gerçek gerilme (F/A) gerçek şekil değ.: ln(l/l o ) Chapter 6-28
Malzeme Özelliklerinin Değişimi Elastik modülü malzemenin bir özelliğidir. Kritik özellikler malzemede var olan hatalardan (kusurlar, homojen olamama, v.b.). Örnekten örneğe değişim görülür. İstatistik: Ortalama x n x n n 1 Standart Sapma s n x i x 2 n 1 2 n ver noktası sayısıdır. Chapter 6-29
Tasarım belirsizliği sınırları zorlamamaktır. Emniyet katsayısı, S em Ak S S genelde 1.2 ve 4 arasındadır. Örnek: Aşağıda görülen 1045 karbon çeliği akma gerilimi oluşturmayacak uygun çapını hesaplayınız. Emniyet katsayısını 5 alınız. Tasarım ve Emniyet Faktörleri 220,000N d 2 / 4 em 5 Ak S d = 0.067 m = 6.7 cm 1045 karbon çelik: y = 310 MPa TS = 565 MPa F = 220,000N d Chapter 6-30 L o
Özet Gerilme ve birim şekil değiştirme: Yükün ve yerdeğiştirmenin, boyuttan bağımsız ölçümleridir. Elastik davranış: Bu geri dönüşebilen davranış genel olarak gerilme ve birim şekil değiştirmede lineer ilişki gösterir. Deformasyonu minumuma indirgemek için, büyük elastik modülü (E veya G) olan malzeme seçilir. Plastik davranış: Bu kalıcı deformasyon çekme (veya basma) tek eksenli gerilimi Ak ulaştığında gerçekleşir. Tokluk: Malzemenin kırılmadan enerji absorbe etme kabiliyeti Süneklik: Kopma anında plastik birim şekil değişimi. Chapter 6-31