MEKANİK ÖZELLİKLER
Tasarım ve imalat sırasında, malzemelerin mekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir. Başlıca mekanik özellikler: Çekme/basma (tensile /compression) Sertlik (hardness) Darbe (impact) Kırılma (fracture) Yorulma (fatigue) Sürünme (creep)
Malzemelerin mekanik yükler altındaki davranışlarına mekanik özellikler adı verilir. Mekanik özellikler, esas olarak atomlararası bağ kuvvetlerinden kaynaklanır. Ancak bunun yanında malzemenin içyapısının (mikroyapı) da etkisi vardır. Bu sayede içyapıyı değiştirerek aynı malzemede farklı mekanik özellikler elde etmek mümkün hale gelir. Metallerin mekanik özellikleri çeşitli yükleme şartlarında, çeşitli deney parçaları ile incelenir.
Malzemeleri mekanik özellikleri çeşitli deneylerle belirlenir: Çekme deneyi Sertlik ölçümü Darbe deneyi Yorulma deneyi Sürünme Deneyi Burulma Deneyi
ÇEKME DENEYİ Tasarımda en çok önemsenen özellikler, malzemelerin ne kadar dayanıklı oldukları ve ne ölçüde şekil değiştirebilme kabiliyetine sahip olduklarıdır. Malzemelerin dayanım ve şekil değiştirme özelliklerini belirlemede kullanılan en yaygın test; çekme deneyidir. Bu deney, malzemelerin tasarım bilgilerini belirlemek ve malzemelerin özelliklerine göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır.
Çekme deneyi standartlara göre (TS138 EN10002-1) hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, sabit kabul edilebilecek bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Dairesel kesitli standart bir çekme çubuğu
Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan çekme kuvveti uygulandığında, aynı zamanda da numunenin uzaması kaydedilir.
Bu verilerin, mühendislik olarak daha anlamlı olabilmesi için geometrinin etkisinin giderilmesi gerekir. Bu nedenle kuvvet-uzama (F - Δl) diyagramının gerilme - birim şekil değiştirme (σ - ε) diyagramına dönüştürmek gerekir.
Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki özellikler bulunabilir. a. Elastisite Modülü b. Elastik Sınırı c. Elastikiyet d. Akma Dayanımı e. Çekme Dayanımı f. Tokluk g. % Uzama h. Kesit Daralması
Çekme deneyi sırasında parça, önce ELASTİK şekil değişimine daha sonrada PLASTİK şekil değişimine maruz kalır. Daha sonra parça kırılarak kopar.
(a) Elastik Şekil Değişimi: Elastik şekil değişimi, σ - ε diyagramının doğrusal olarak değiştiği ilk bölümünde gerçekleşmektedir (σ σ a ). Burada uygulanan gerilme ve bu gerilmenin meydana getirdiği elastik birim şekil değişimi arasında Hooke kanunu (σ = E.ε) geçerlidir. Elastik şekil değişiminde etkin olan malzeme özelliği (parametresi), ELASTİKLİK MODÜLÜ, E, dir.
Bir malzeme özelliği olan, malzemeden malzemeye farklı değer alan Elastiklik modülü, atomlararası bağların kuvvet altında esnemelerinden kaynaklanır.
Bağ kuvveti atomlar arası mesafe diyagramında F=0 civarında teğetin eğimi elastiklik modülünü (E) belirlemektedir. Dolayısıyla, dik eğime sahip malzemelerin elastiklik modül değerleri büyük olacaktır. Bu malzemeler, kuvvet altında daha az elastik şekil değiştirecek ve daha rijit davranacaklardır.
Malzemelerin elastiklik modülü, iki parametreden çok etkilenir: 1-Kimyasal bileşim 2-Ortam sıcaklığı.
Aynı malzeme için, malzeme dayanımı gibi durumlar elastiklik modülünü etkilemez. Örneğin, sertleştirilmiş aynı bileşime sahip çeliğin sert ve yumuşak halleri aynı elastiklik modülü değerini gösterir.
Çizilen doğrunun gerilme-birim şekil değişimi eğrisini kestiği noktaya karşılık gelen gerilme, akma dayanımı, σak olarak tanımlanır. Doğal olarak akma dayanımı MPa cinsinden ifade edilir.
Süneklik Süneklik, bir diğer önemli mekanik özellik olup, kırılmaya kadar malzemede oluşabilecek plastik deformasyonun miktarının bir ölçüsüdür. Kırılmaya kadar çok az veya hiç plastik deformasyon göstermeyen malzemeler gevrek olarak adlandırılır.
TOKLUK Tokluk bir malzemenin kırılmadan önce sönümlediği enerjinin bir ölçüsüdür. Bir malzemenin kırılmadan bir darbeye dayanması yeteneği söz konusu olduğunda önem kazanan bir mühendislik özelliğidir. Tokluğun en basit ölçme yöntemlerinden birisi darbe deneyidir. Cisimlerin darbeye dayanıklılığı malzemenin atom bağları (kohezyon dayanımı) ile yakından ilişkilidir.
Kırılma Tokluğu - Malzeme Kalınlığı İlişkisi
Darbe (Ani yükleme) Bir yapıya veya elemana uygulanan dış yük, tabii titreşim periyodunun üçte birinden daha kısa zamanda uygulanırsa, bu yüklemeye darbe denir.
CHARPY (ÇENTİK) DARBE DENEYİ
Çentik Darbe Deneyi Numuneyi kırmak için harcanan enerji potansiyel enerji farkına eşittir. E k =Ep 1 -Ep 2 Darbe deneyi, ortam şartlarında numuneyi kırmak için gerekli enerji miktarını ölçmeye yarar. Sıcaklığa bağlı olarak değişir.
Darbe deneyinin yapılış şekline göre: Charpy Izod olarak uygulanır. Numunenin silindirik veya prizmatik olması da uygulanan yöntemi belirlemede etkilidir.
Çentik darbe deneyi için İzod ve Charpy deney yöntemleri vardır
Çarpma nedeni ile sarf edilen enerji kural olarak cihaz üzerinde bulunan sürüklenen bir gösterge yardımı ile doğrudan doğruya okunabilir. Darbe sırasında sarf edilen işin, kırılan yerin kesit alanına oranı Çentik Darbe Mukavemeti (a K ) yı verir. a K = Darbe sırasında sarf Kırılan yerin kesit edilen iş alanı = j 2 cm
Gevrek kırılmayı kolaylaştıran etkenler; Düşük sıcaklık Çok eksenli gerilme durumu (çentikler, ani kesit değişimleri, büyük et kalınlıkları) Darbeli zorlama Heterojen içyapı (hatalı ısıl işlem, kaynak dikişi bölgeleri) Yüksek dayanımlı malzemelerin şekil değiştirme kabiliyetlerinin düşük oluşu
Geçiş sıcaklığı nedir ve neden önemlidir? Kırılma enerjisi sıcaklığa bağlı değişir. Malzeme sıcaklığa bağlı farklı kırılma şekli gösterebilir. Bu nedenle çalışma ortam sıcaklığının bilinmesi önemlidir. Çeliklerin çentik darbe mukavemetleri deney sıcaklığına bağlı olup, değişik üç bölge göstermektedir.
Hacim merkezli kübik ve bazı sıkı düzenli hegzagonal kristal yapıya sahip metallerde çentik vurma tokluğu sıcaklığa kuvvetle bağlı olup dar bir sıcaklık aralığında (geçiş sıcaklığı) büyük değerlerden (sünek kırılma) çok küçük değerlere (gevrek kırılma) düşer. Bu durum nikel, bakır, alüminyum, ostenitik çelik gibi yüzey merkezli kübik metal ve alaşımlarda görülmez. Sünek durumdan gevrek duruma geçiş sıcaklığı alt geçiş sıcaklığı, gevrek durumdan sünek duruma geçiş sıcaklığı ise üst geçiş sıcaklığı olarak adlandırılır. Alt veya üst nitelendirmeleri belirtilmediği takdirde geçiş sıcaklığı için ortalama değer alınır.
Geçiş sıcaklığı Bileşim, Mikroyapı, Tane büyüklüğü, Yüzey durumu Parçanın geometrisi gibi faktörlere bağlıdır. Şekil değiştirme hızı da geçiş sıcaklığını etkiler. Yüksek şekil değiştirme hızları, şekildeki keskin değişiklikler ve yüzey çentikleri geçiş sıcaklığını yükseltir.
Kristal Yapı YMK; sünek ve tok, SDH; gevrek, HMK; bazı şartlarda gevrek bazılarında tok davranmaktadır. Belirli bir sıcaklık altında HMK tokluğunu yitirerek gevrek davranış göstermeye başlar. Bu sıcaklığa Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı adı verilir (ductile-brittle transition temperature). 55
Kristal Yapı /Sıcaklık SDH HMK da ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının (cottrel atmosferi) düşük sıcaklıklarda, dislokasyon hareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisini arttığı varsayılmaktadır. 56
Sünek-gevrek geçiş Sıcaklığı Tg = T @ E max + 2 E min 57
Malzemenin tokluğunu kaybederek gevrek kırılmaya başladığı sıcaklığa geçiş sıcaklığı denir. Malzemelerin 27 J ve daha düşük çentik darbe işi olması durumunda gevrek kırılma kabul edilir.
Karbon Oranının Çarpma Tokluğuna Etkisi % Karbon oranının etkisi: Çeliğin karbon miktarı arttırılırsa geçiş sıcaklığı da artma göstermektedir.
HMK da geçiş sıcaklığı, kimyasal bileşimden çok etkilenir. Örneğin, C artarsa Tg artar. Mn (ve Ni) artarsa, Tg azalır. Düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk için ideal alaşım elementleridir. 60
Çentik faktörü Çentik: Bir parçada bulunan ani kesit değişimidir. Çentikten dolayı çentik dibinde gerilme yığılması oluşmakta ve hesaplanandan daha büyük gerilmelere ulaşmakta. Çentik faktörü, çentik dibinde oluşan gerilmenin çentik olmama durumundaki gerilme haline oranıdır. k t = σ max σ k t = Çentik faktörü σ max = Max gerilme (Çentikten dolayı Gerilme yığılması ile oluşan gerilme) σ n = Nominal gerilme (ortalama gerilme) n
k t, geometriye bağlı (kt α R -1 (çentik dibi radyusu ile ters orantılı) Literatürde tablolardan değerler bulunabilir. a σ max R σ max b/r oranı ve r/h oranı azalması ile kt artar. kt, 2.5-3 ve daha büyük değerlere ulaşabilir.
Kırılma mekaniği Çok keskin çentikler (çatlaklar) bulunma durumunda gereken tasarımın yapılması için kırılma mekaniği kullanılır. Kırılma mekaniğinde gerilme şiddet faktörü ve malzemenin kırılma tokluğu kavramları kullanılır.
Kırılma mekaniğinde Gerilme şiddet faktörü kullanılır. K 1 : Çekme zorlaması K 11 : Kesme (kayma) zorlaması K 111 : Burulma zorlaması olma durumları. En tehlikeli durum K 1 : çekme durumudur. Gerilme şiddet faktörü Çekme gerilmesi K 1 = Y σ π a Şekil Faktörü Çatlak boyu
Malzemenin ani zorlamalara karşı dayanımını ifade eden büyüklük kırılma tokluğu dur. Bu değer K 1C ile ifade edilir K 1C azaldıkça malzemenin gevrek kırılma eğilimi artar. Parçanın tasarımda herhangi bir zorlama altında ani ve gevrek kırılmaması için aşağıdaki şart sağlanmalıdır. K K 1 1 C
Malzemenin kırılma tokluğu Şekil Faktörü Kritik Çatlak boyu K 1C = Y σ k π a kr Ani kırılma Çekme gerilmesi Ani kırılma olmaması için Çatlak boyunun kritik değerden küçük olması Gerilmenin kritik gerilmeden (kritik çatlak boyunda gevrek kırılmaya sebep olan gerilme) değerden daha küçük olması gerekir.
Çatlak boyu arttıkça hasara sebep olan gerilme azalmakta
II. Dünya savaşında, 2500 gemiden 150 ye yakını ortadan ikiye bölünerek, 700 tanesi de ciddi oranda hasara uğramıştır. Bu hasarlar genellikle düşük gerilme altında ve gemiler limanda demirli iken olmuştur.
Sıcaklık - Elastiklik modülü (E) İlişkisi Şekil. Sıcaklığın elastiklik modülüne (E) etkisi
SICAKLIĞIN MALZEME ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Genellikle sıcaklığın yükselmesi süneklik ile tokluğu arttırır, elastiklik modülü, akma sınırı ve çekme dayanımını düşürür. Sıcaklığın malzeme özelliklerine etkileri aşağıdaki şekillerde görülebilir. Şekil. Sıcaklığın mühendislik çekme diyagramına etkisi
SERTLİK ÖLÇÜMÜ
Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney, sertlik ölçme deneyidir. Bunun başlıca nedeni, deneyin basit oluşu ve diğerlerine oranla numuneyi daha az tahrip etmesidir. Bir diğer nedeni ise, sertlik ile diğer mekanik özellikler arasına paralel bir ilişkinin bulunmasıdır. Batıcı uç (çelik bilye) Oluşturulan izler
Sertlik, izafi bir ölçü olup sürtünmeye, çizmeye, kesmeğe ve plastik deformasyona karşı direnç olarak tarif edilir. Sertlik ölçme genellikle, konik veya küresel standart bir ucun malzemeye batırılmasına karşı malzemenin gösterdiği direnci ölçmekten ibarettir. Uygun olarak seçilen sert uç, uygulanan yük altında malzemeye batırıldığında malzeme üzerinde bir iz bırakacaktır. Malzemenin sertliği, bu izin büyüklüğüyle ters orantılıdır.
Portatif Sertlik Ölçüm Cihazı Vickers Sertlik Ölçüm Cihazı Hv 5
Sertlik ölçüm yöntemleri iki grupta incelenebilir: Statik Sertlik Ölçüm Yöntemleri (laboratuarda yapılan sertlik ölçüm yöntemleri)-(brinell, Vickers, Rockwell ve Mikro Sertlik Ölçüm Yöntemleri) Dinamik Sertlik Ölçüm Yöntemleri (Endüstriyel sertlik ölçüm yöntemleri)-(poldi çekici, Shore Skoleroskobu vb.)
Sertlik ölçme yapılırken kullanılan yöntem ne olursa olsun, numunelerin üzerinde birkaç (en az üç) ölçme yapılıp ortalaması alınmalıdır. Çok farklı değerler ortalamaya dahil edilmeyip, raporda ayrıca belirtilmelidir. Ölçülen izler arasında, en az 2,5-3,0 iz çapı kadar mesafe olmalıdır. Ayrıca izler kenarlardan da 4,0 iz çapı kadar içeride olmalıdır. Sertlik ölçülecek yüzeyler düzgün olmalıdır.
Brinell Sertlik Cihazı
Brinell Sertlik Ölçümü 10mm çaplı bilyaya yük uygulanır. Bir mikroskop yardımıyla, oluşturulan izin çapı 0,02 mm hassasiyette ölçülür. Brinell Sertlik Değeri (Bhn) hesaplanır. D = batıcı ucun (bilya) çapı (mm) D = 10mm d = oluşan izin çapı (mm) P = uygulanan yük (kg) Bhn = Load mass indented area = πd 2 P ( D D d ) 2 2
ROCKWELL SERTLİK ÖLÇÜM YÖNTEMİ
Sertlik ölçüm prensibi Batıcı uç Küçük yük Uygulandığında Batma derinliği Sertliği oluşturan iz derinliği Büyük yük Uygulandığında Batma derinliği (ilave yük kaldırıldlktan Sonraki durumda) Numunenin Yüzeyi
a) Skala seçimi: skalaya uygun yük ve batıcı uç seçimi b) Malzeme üzerinde bir noktaya yük uygulanır. - Elmas uç (120 0 tepe açılı konik uç) - 1/16" çaplı bilya (küre) - 1/8 çaplı bilya (küre) - 1/4 çaplı bilya (küre) İz derinlikleri arasındaki farktan sertlik değeri belirlenir.
VICKERS SERTLİK ÖLÇÜM YÖNTEMİ Vickers yönteminde, uç açısı 136 0 açılı kare tabanlı piramit ile iz oluşturulur. Uygulanan kuvvet, 120-5 kg (gr) mertebesindedir. Uygulanan kuvvetin, iz alanına oranı sertlik değerini verir (farklı kuvvetlerle, geometrik olarak benzer izler elde edilir).
Vickers sertlik ölçümü Vickers Deneyi Diamond Pramid Uygulanan kuvvet : P HV = 1.854P d 2 1 Yandan görünüş Üstten görünüş Sertlik, yaklaşık olarak kuvvet/iz alanı ile orantılıdır.
YORULMA
Tekrarlı yükler ve titreşimler altında çalışan makine elemanlarının maruz kaldığı gerilmeler statik mukavemetten küçük olması durumunda bile, belirli çevrim sayıları sonrası yüzeyde çatlamalar ve devamında malzeme yüzeyinden parça ayrılması şeklinde parçayı hasara uğratır. Bu olaya "yorulma" adı verilir.
Yorulma bir hasar çeşidi olup, dinamik ve salınan gerilmelere maruz kalan yapılarda oluşur (köprüler, uçak ve makine bileşenlerinde). Bu durumda statik yük için belirlenen çekme veya akma mukavemetinin oldukça altındaki bir gerilme seviyesinde hasar oluşabilir. Yorulma tekrarlanan gerilme ve gerinim çevriminin uzun bir periyodundan sonra oluşur. Yorulma anidir ve uyarı yapmadan gerçekleşir.
Yorulma, çatlağın oluşumu ve ilerlemesi sonucu meydana gelir. Makine sanayinde meydana gelen hasarların %90 ı yorulma sonucudur. Fatigue (Rodin)
Yorulma Hasarı Malzemelerin çekme ve akma dayanımlarından (statik koşullarda) daha düşük değerlerdeki tekrarlı gerilmelerin etkisinde, belirli bir çevrim sonrasında kırılması ile oluşan hasardır. Yorulma hasarının safhaları: 1. Çatlak çekirdeklenmesi, 2. Çatlak ilerlemesi, 3. Zoraki kırılma
Tipik bir yorulma hasar yüzeyi: Kararlı çatlak ilerleme bölgesi Ani kırılmanın olduğu bölge Yorulma çatlak başlangıcı Striasyonlar: Gözle görülemez Durak Çizgileri
Yorulma çatlak başlangıcı Kararlı çatlak ilerleme bölgesi Durak Çizgileri Ani kırılmanın olduğu bölge Çatlak orijini: çatlağın başlangıç noktası. Durak çizgileri (beach marks): Zorlanma şartlarının değiştiğinde meydana gelirler. Striasyon çizgileri: Durak çizgileri arasında meydana gelen ve her bir çevrim sırasında çatlağın ilerlemesini gösteren çizgilerdir. Ani kırılma bölgesi: Kalan kesitin zorlanmayı taşıyamadığı anda, yorulma çatlağının çentik etkisiyle ani gevrek kırılmanın olduğu bölge.
Yorulma Deneyi Uygulanan gerilmenin şiddetine bağlı olarak olarak hasar oluşuncaya kadarki çevrim sayısı belirlenir. Bu genellikle, dönen eğme gerilmeli cihazlarda yapılır. Gerilme Dönen eğme gerilmeli yorulma cihazı Süre
Yorulma deneyinde S-N (gerilme-çevrim sayısı) eğrisi elde edilir (Wöhler eğrisi). Sonlu veya sonsuz bir yorulma sınırı (yorulma dayanımı) belirlenir. Demir ve demirdışı malzemelere ait tipik S-N Diyagramı
Yorulma deneyinde elde edilen mekanik özellikler: 1. Malzemenin yorulma dayanımı 2. Yorulma ömrü 3. Yorulma (dayanımı) sınırı Yaklaşık olarak, demir esaslı malzemelerde, çekme dayanımının yarısı, yorulma dayanımı sınırı olarak kabul edilebilir.
Sürünme Deneyi Sürünme testi, bir numuneye sabit bir yük uygulanmasıyla, oluşan uzama veya gerinme miktarının zamana göre değişiminin incelenmesiyle yapılır. Ölçülen uzama veya birim uzamanın zamana göre değişimini gösteren eğriler çizilir.
Sabit bir yük veya gerilme altında malzemede zamanla meydana gelen plastik deformasyona sürünme denir. Sürünme; metallerde seramiklerde T > (0,3-0,4) Tm T > (0,4-0,5) Tm şartlarında oluşur. Sürünmeye uygulanan yük veya gerilme ile sıcaklık önemli derecede etki eder.
Sürünme deformasyonu (Creep deformation): Yüksek sıcaklıkta sabit gerilme durumunda oluşan deformasyona denir. Nükleer istasyonlar, türbinlerde önemlidir. Malzemenin yeniden kristalleşme sıcaklığına bağlıdır. Bu sıcaklıkta iç gerilmeler boşalır. Kalay (Sn) için oda sıcaklığında bile sürünme oluşur. (Ergime noktası: 231 C)
SÜRÜNME DENEYİ
Sürünme Deneyi
Sürünme Eğrisi
Eğri üzerinde üç bölge görülür: a) Birinci sürünme bölgesi b) İkinci sürünme bölgesi c) Üçüncü sürünme bölgesi Sürünme olayında iki mekanizmanın etkin olduğu düşünülür. Bunlardan biri pekleşme, diğeri ise toparlanmadır.
Sürünme özellikleri Sürünme şekil değişimi (Creep): Yeterince yüksek sıcaklıkta (Tb>0.5) sabit yük altında, gerilme ve sıcaklık seviyelerine bağlı olarak, malzeme boyunun sürekli olarak uzamasıdır
Sürünme Eğrisi Sürünme Hızı (Eğrinin eğimi) Kararlı Bölge Sabit sıcaklık Sabit gerilme ε o = İlk şekil Değişimi (elastik) ε / t = şekil değiştirme hızı
Sürünme Eğrisi
Birinci sürünme bölgesinde, pekleşme hızı toparlanma hızından yüksektir. Sürünme hızı gittikçe azalır. İkinci sürünme bölgesinde, pekleşme ve toparlanma hızları yaklaşık olarak birbirine eşittir. Üçüncü sürünme bölgesinde, boyun verme başlar ve gerçek kesit alanı azalır. Yumuşama hızı pekleşme hızını geçer. Şekil değiştirme hızı numune kırılıncaya kadar sürekli artış gösterir. Tane sınırlarındaki mikro çatlaklar, boşluklar ve birçok metalürjik etkiler de bu süreci hızlandıran faktörlerdendir.
Sürünme Eğrisi