Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN Tahribatlı ve tahribatsız muayene Malzeme Muayenesi
İçerik Giriş Tahribatsız muayene Tahribatlı muayene 2
Giriş Malzeme yapı ve özelliklerini incelemek amacıyla malzeme muayeneleri tahribatlı ve tahribatsız (TMM) olmaz üzere ikiye ayrılır. Malzeme Muayenesi Tahribatsız Muayene Ultrasonik Muayene Penetrent Manyetik Patiküller Radyografi Eddy akımları Tahribatlı Muayene Çekme Testi Yorulma Sertlik Çentik Darbe Burulma Eriksen Çökertme Metalografi 3
Tahribatsız muayene niçin kullanılır? Hata belirleme ve değerlendirme Sızıntı tespiti Hata yeri belirleme Boyut ölçümleri Yapı ve mikroyapı karakterizasyonu Mekanik ve fiziksel özellik belirleme Gerilme belirleme Malzeme türü ve kimyasal kompozisyon belirleme http://www.ndt-ed.org/careers/ndtvideo/ndtmovie.htm 4
Tahribatsız muayene niçin kullanılır? Ürün geliştirmeye yardımcı olmak Malzeme türünü belirlemek Üretimi gözlemek, geliştirme yada kontrol etmek için Isıl işlem gibi uygulanan işlemlerin sonucu gözlemlemek Hata tespitinde Çalışma esnasında hasarları tespit etmek 5
Ultrasonik muayene Özel muayene başlıkları vasıtasıyla, ultrases dalgaları üreterek malzemelerin iç kısımlarında görünmeyen hataları tespit etme işlemidir. Ayrıca kalınlık tespiti, elastisite modülü ve tane yapısını belirlemek içinde Ultrason kullanılabilir. Ultrason veya ultrases, ses ötesi anlamına gelir. Titreşim frekansı 20 khz den büyük olan seslere denir. Bu sesler insan kulağı tarafından duyulamaz. Ultrases titreşim frekansı ile doğar, titreşim hareketi olarak yayılır ve algılanır. Quartz kritali gibi özel malzemelere elektriki gerilim uygulandığında boylarında uzama ve kısalma görülür. Böylelikle ultrases üretilerek malzeme içerisine gönderilir. Ultrasonik dalgalar malzeme içerisinde doğrusal olarak yayılırlar, ancak malzeme içinde farklı özelliklere sahip bölgeler var ise (boşluk, çatlak gibi) bu bölgelerin sınır yüzeylerinden yansıma ilerleyen dalga şiddetinde azalma meydana gelir. Bu bilgiler alınarak osiloskop ekranında değerlendirilir. Başlangıç sinyali prob Çatlak ekosu Yüzey bitiş ekosu çatlak 0 2 4 6 8 10 levha Osiloskop 6
Ultrasonik muayene 7
Penentrent ile muayene Yüzeyde oluşan çatlaklara penentrent sıvının uygulanması ve sıvı yüzeyden uzaklaştırıldığında hata içerisinde kalan sıvının dışarı çıkarılması sonucunda çatlakların tespit edildiği yöntemdir. Penentrentle muayene daha çok sızıntı ve çatlak tespitinde kullanılır. Bu işlem basit, ucuz ve her türlü malzemeye uygulanabilirliği ile kullanışlı bir yöntemdir. Penentrent tatbiki Developer tatbiki İnceleme 8
Manyetik partiküller ile muayene Herhangi bir mıknatısın bir noktasına çentik açılırsa manyetik kuvvet çizgileri bu çentiğin etrafını dolaşarak yoluna devam edecektir. Çünkü elektrik kendine en az direnç gösteren yolu tercih eder. Eğer çentiğin açıldığı bölgeye demir tozu dökülecek olursa, çentiğin olduğu bölgede mıknatıslanma söz konusudur. Burada demir tozları elektrik akımının geçmesine bir köprü vazifesi görmektedir. Deney sonucu malzeme üzerinde demir tozu kalan kısımlar hatalı bölgelerdir. 9
Radyografi ile muayene Radyografi testinde kullanılan radyasyon düşük dalga boylu-yüksek enerjili elektromanyetik dalgadır. Radyasyon X-ray tüpü vasıtasıyla sağlanır. Yüksek elektrik potansiyeli + Elektronlar - X-Ray tüpü Radiation Penetrate the Sample Exposure Recording Device 10
Radyografi ile muayene Film Radyografi Parça radyasyon kaynağı ve film parçası arasına yerleştirilir. Daha kalın ve daha yoğun olanlar daha fazla radyasyon engelleyecektir. Filmin karanlık görüntüsü test parçasından geçerek filme ulaşan X-ray film radyasyon miktarı ile değişir. Ortaya çıkan filmin üsten görünüşü = az yansıma = çok yansıma 11
Radyografi ile muayene 12
Eddy akımları ile muayene Eddy akım testi bir test bobini tarafından oluşturulan değişken manyetik alanın iletken malzemeler üzerinde Eddy akamı denen küçük dairesel akımlar oluşturması temel ilkesine dayanır. Malzemenin özellikleri oluşan bu akımı etkiler. Eddy akımları bir manyetik alan oluşturur ve test bobini tarafından oluşturulan manyetik alanı etkiler. Amaç malzemenin iletkenliğinde etkin işlemleri belirlemek. Bobin Bobinin manyetik alanı Eddy akımlarını oluşturduğu manyetik alan Eddy akımları İletken metal 13
Tahribatsız muayene örnekleri 14
Tahribatsız muayene örnekleri 15
Tahribatsız muayene örnekleri 16
Tahribatlı muayene niçin kullanılır? Mekanik özellikleri belirlemek İç yapı tespiti Gevreklikten sünekliğe geçiş sıcaklığı Süneklik, tokluk gibi özellikler Sertlik Sıcaklıkla mukavemette değişim Dinamik şartlarda dayanım Şekil verilebilirlik 17
Deformasyon Elastik Deformasyon 1. Başlangıç 2. Küçük yük 3. Yüksüz bağlar gerilir d İlk hale dönüş F F Lineer elastik Elastik. Geri dönebilir d Non-Lineerelastik 18
Deformasyon Plastik Deformasyon (Metal) 1. Başlangıç 2. Küçük yükler 3. Yüksüz bağlar gerilir & düzlemler kesilir düzlemler halen kesilmiş d elastik + plastik F d plastik Plastik kalıcı! F lineer elastik d plastik lineer elastik d 19
Deformasyon Çekme gerilmesi, s: F t Mühendislik Gerilmesi Kayma gerilmesi, t: F t F Alan, A Alan, A F s s = F t lb = f 2 A o in F t or Yüklemeden önceki alan N 2 m t = F s A o F s F Gerilme birimi: N/m 2 F t 20
Deformasyon Basit çekme: kablo F F A o = kesit alanı (yüksüz) s = F A o s s Burulma : Mil A c M 2R M F s A o t = F s A o Not: t = M/A c R 21
Deformasyon Basit basma: A o s = F A o Not: s < 0 22
Deformasyon Bi-eksenel çekme: Hidrostatik basma: s q > 0 s z > 0 s < 0 h 23
Deformasyon Mühendislik Şekil Değiştirme Çekme uzaması: e = d L o w o d /2 L o Yanal şekli değiştirme: - d e L = L w o Kayma modülü: q x d L /2 g = Dx/y = tan q y 90º 90º - q Şekil değiştirme daima boyutsu 24
Çekme testi Çekme test makinesi Çekme numunesi Yük hücresi extensometre numune Hareketli karşı çene ölçü uzunluğu 25
Çekme testi Lineer elastik özellikler Elastisite modulü, E: Hooke kanunu: s = E e s F E Lineerelastik e F basit çekme testi 26
Çekme testi Poisson oranı, n Poisson oranı, n: e L n = - e e L e metaller: n ~ 0.33 seramikler: n ~ 0.25 polimerler: n ~ 0.40 - n Birimler: E: [GPa] n: boyutsuz 27
Çekme testi Elastik kayma modülü, G: t = G g t G g M Basit burulma testi Elasti hacim modülü, K: P = - K V V o P K V V o P M P P Basınç testi 28
Çekme testi Plastik (kalıcı) deformasyon (düşük sıcaklıklarda, T < Terg/3) Basit çekme testi: engineering stress, s Elastik+Plastik Elastik başlar kalıcı (plastik) (Yük kaldırıldıktan sonra) e p Mühendislik şekil değiş., e plastik uzama 29
Çekme testi Akma mukavemeti, s y Plastik deformasyon oluşturan gerilme. e p = 0.002 s y Çekme gerilmesi, s s y = akma mukavemeti e p = 0.002 e 30
mühendislik gerilmesi Çekme testi Çekme mukaveti Mühendislik gerilme-şekil değiştirme diyagramında max. gerilme s ç s y F = kırılma gerilmesi Typical response of a metal Boyun vererek kopma strain Mühendislik şekil değiş. Metaller: Metallerde boyum verme anında. Polimerler: Polimer zincirleri kırıldığında 31
Çekme testi Orantı sınırı (σo): Gerilme uzama diyagramında Hooke kanunun geçerli olduğu kısımdır. Yani, σ = E.ε ifadesinin geçerli olduğu bölgedir. Elastik sınır (σe): Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik uzamanın meydana geldiği en yüksek gerilmeye denir. Genellikle aralarında çok az fark olduğu için elastik sınır ile orantı sınır birbirine eşit kabul edilir. 32
Çekme testi Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme dayanımın düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilmedir. Akmanın başladığı gerilme değerine üst akma, devam ettiği ortalama gerilmeye de alt akma denir. Gevrek ve Al gibi malzemeler belirgin akma özelliği göstermezler. Bu tür malzemelerin akma gerilmesini bulmak için %0.2 lik şekil değiştirmenin olduğu bölgeden elastik kısmın eğrisine paralel çizilir ve eğrinin kesildiği noktaya akma gerilmesi denir. Çekme gerilmesi (σç): Eğrideki maksimum gerilmedir. σç = Fç/Ao formülü ile hesaplanır. Ao ilk kesit alanına göre malzemenin alanıdır. Bu gerilme değerini aşınca malzeme homojenliğini kaybeder, yani boyun verir. Kopma gerilmesi (σk): Malzemenin kopma anındaki gerilme değeridir. σk = Fç/Ao formülü ile hesaplanır. Uzama: Uygulana gerilmeye göre malzemenin boyunda meydana gelen değişimdir. Yani Δl = lson-lilk dir. Şekil değiştirme ise ε = Δl/lilk Büzülme: Çekme numunesini kesitinde meydana gelen daralmadır. %Büzülme=(Ailk-Ason)/Ailk Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerjidir. Eğrinin elastik kısmının altında kalan bölgedir. Rezilyans=σ a2 /(2E) dir. Tokluk: Malzemenin kırılıncaya kadar depoladığı enerjidir. 33
Gerilme Çekme testi Çekme diyagramı çizilirken şekil değiştirme hızı sabit tutulduğu için malzemede homojenlik kaybolduktan sonra gerilme değeri azalmaktadır. Oysa bu olay gerçekte böyle gelişmez. Bu nedenle mühendislik ve gerçek olmak üzere iki farklı eğri vardır. Dolayısıyla gerçek gerilme ve şekil değiştirme değerlerinin hesaplanması gerekir. Gerçek değerler hesaplanırken hacim eşitliğinden faydalanılır. Gerçek l dl l o e g ln e 1 l l l o o l l l o l l o (e 1) l l o ln( e 1) ln l l o Mühendislik e g ln( e 1) Şekil değiştirme A l Al o. o. s g F A s g F.l l A o o 34
Çekme testi Pekleşme (sertleşme) Plastik deformasyon nedeniyle s y de artış s s y 1 s y 0 Büyük sertleşme Küçük sertleşme e s T K ( e ) n T Sertleşme üsteli: n = 0.15 (bazı çelikler) - n = 0.5 (bazı bakırlar) gerçek gerilme (F/A) gerçek şekil değiş.: ln(l/l o ) 35
Metalografi Faz, tane, tane sınırı, iç yapı kusurları, çatlaklar, segregasyonlar, kalıntılar gibi malzemenin içi yapısı ile ilgili bilgi edinmek için kullanılan test yöntemidir. Metalografi testinde incelenecek numune aşağıdaki adımlardan geçmek zorundadır: Kalıplama Taşlama Parlatma Dağlama Mikroskobik inceleme Platin üzerine yerleşmiş karbonmonoksit atomları Bakır üzerine yerleşmiş demir atomları Metalografi testi üzerine dökülen asitle malzemenin korozyona uğraması sonucu gerçekleştirilir. 36
Metalografi Optik mikroskop 2000 büyütmeye kadardır Mikroskop Yüzeydeki çizikler parlatma ile giderilir Dağlama ile yönlenmeler ortaya çıkar. Parlatılmış ve dağlanmış yüzey Mikroskop parlatılmış yüzey (a) Yüzey ayrışması Tane sınırı ASTM tane numarası N = 2 n -1 0.75mm Fe-Cr alloy Tane sayısı/in 2 100x büyütmede (b) 37
Sertlik testi Malzemenin çizilmeye, plastik deformasyona gösterdiği dirençtir. Büyük sertlik; plastik deformasyona yada basınç altında çatlamaya dirençlidir aşınma özellikleri daha iyidir manasına gelir. örneğin 10 mm küre Kuvvet uygulanır Yük kalktıktan sonra İz büyüklüğü ölçülür D d Küçük boyutlu İz büyüklüğü Setlik yüksek manasına gelir Çoğu plastik pirinç Al alaşımları Kolay işlenebilen çelikler Yüksek C lu çelik Kesici takımlar nitrürlenmiş çelikler elmas sertlik artar 38
Sertlik testi Brinell sertlik ölçme yöntemi: Sertleştirilmiş çelik ve tungsten karbürden imal edilmiş bilye belirli bir yük ile malzeme yüzeyine bastırılır ve malzeme yüzeyinde meydana gelen izin çapı ölçülür. Aşağıdaki bağıntı ile brinell sertlik değeri hesaplanır. Çeliklerde brinell sertlik değerinin 0.35 katı çekme mukavemetini verir. Vickers sertlik ölçme yöntemi: Piramit biçiminde ve tabanı kare olan batıcı uç kullanılır. Elmastan yapılan piramidin tepe açısı 136 dir. Vickers sertlik değeri, yükün belirli bir süre malzemeye bastırılmasıyla oluşan izin köşegen uzunluklarının ölçülmesinden ibarettir. 39
Sertlik testi Rockwell sertlik ölçme yöntemi: Standart batıcı uç yardımıyla önce sabit belirli bir küçük yükle (10 kg) bastırıldığında meydana gelen izin dip kısmı başlangıç noktası alınarak yük daha yüksek bir belirli bir değere artırılıp daha sonra tekrar önceki yüke dönülmek suretiyle, başlangıçtaki ize nazaran meydana gelen iz derinliğindeki net artışla ters orantılı bir değerdir. Kullanılan elmas konik ucun koniklik açısı 120 dir. Elde edilen sertlik değerine göre Rockwell A, B, C, D gibi çeşitlere ayrılır. Knoop sertlik ölçme yöntemi: Daha çok mikrosertlik ölçümü için yapılır ve genelde kullanılan yük 10-1000 g arasındadır. Kullanılan uç elmastan yapılmış piramit şeklinde olup uzun köşenin uzunluğunun kısa köşeye oranı 7 dir. Piramitin tepe açışı 172 dir. Daha çok ince filmlerin sertliğinin ölçümünde kullanılır. 40
Çentik darbe testi Malzemelerin kullanıma hazır hale getirildiğinde gevrek olup olmadığını Malzemelerin çentik etkisinden dolayı gevrek kırılıp kırılmadığını Malzemelerin, özellikle çeliklerin, yaşlanma meyillerinin olup olmadığını Malzemelerin geçiş sıcaklıklarının ne olduğunu anlamak amacıyla çentik darbe deneyi yapılır. Ölçek Gösterge Başlangıç pozisyonu Çekiç (Charpy) Numune Son yükseklik Örs Başlangıç yükseklik 41
Çentik darbe enerjisi Çentik darbe testi Gevreklikten sünekliğe geçiş sıcaklığı YMK metaller (Cu, Ni) HMK metaller (Fe - T < 914 C de) polimerler Gevrek Sünek Yüksek mukavemetli çelikler ( σ y > E/150) Gevreklikten sünekliğe Geçiş sıcaklığı Sıcaklık 42
Çentik darbe testi Değişken gerilmelere maruz makine elemanlarında hasar statik mukavemet sınırların çok altında gerçekleşir ve hasara yorulma hasarı denir. Mekanik hasarların %90 ının sebebi yorulmadır. numune Üstte bası yük yük motor sayıcı Altta çeki kaplin Çatlak başlangıcı 43
Yorulma testi Yorulma; tekrarlı yükleme neticesinde oluşan hasar olduğundan; pek çok yorulma testlerinde minimum ve maksimum gerilme arasında tekrarlı yüklemelerle malzemelerin yorulmaya karşı davranışı belirlenir. Tekrarlı yüklemelerle ilgili büyüklükler aşağıdaki şekilde verilmiştir: 44
Yorulma testi wöhler diyagramı (yorulma diyagramı) Yorulma eğrisi; sabit bir ortalama gerilme değeri için değişik gerilme genliğinde numunenin kopuncaya kadar yüklenmesi ve bir seri Gerilme-Ömür değerlerinin elde edilmesiyle çizilir. YORULMA EĞRİSİNİN ÖZELLİKLERİ İki kısımdan oluşur ve eğik olarak inen kısmına ait mukavemet değerlerine zaman mukavemeti denir. Eğrinin yatay kısmındaki değerler ise sürekli mukavemet sınırı olarak adlandırılır. s s : Yorulma limit değeri N0 : Sonsuz (sürekli) ömür 45
Yorulma testi YORULMA DENEYİ TÜRLERİ Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Ancak yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlamalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyodlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek teknik yorumlar yapılabilmektedir. Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyine de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri şunlardır : Eksenel gerilmeli yorulma deneyi, Eğme gerilmeli yorulma deneyi, Burma gerilmeli yorulma deneyi, Bileşik yerilmeli yorulma deneyi. 46
Yorulma testi Malzemede Yorulma Olayına Etki Eden Faktörler: Malzeme Cinsinin, Bileşiminin Ve Yapısının Etkisi, Yüzey Özelliklerinin Etkisi, Çentik Etkisi, Gerilmelerin Etkisi, Korozyonun Etkisi, Sıcaklığın Etkisi, Frekansın (Deney Hızının) Etkisi. 47
Yorulma testi Yorulma Ömrünü artırma 1. Yüzeyde bası gerilmeleri oluşturma Increasing s m S = stress amplitude near zero or compressive s m moderate tensile s m Larger tensile s m N = Cycles to failure --Method 1: bilye püskürtme bilye yüsyde bası gerilmesi --Method 2: karbürleme C-ca zengin gaz 2. Gerilme yoğunlaşmasını azaltmak kötü iyi kötü iyi 48
Basma testi Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler. Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. 49
Sürünme testi Malzemenin akma gerilmesinin altında sürekli olarak uygulanan sabit gerilme nedeniyle oluşan yavaş deformasyona sürünme denir. 50
Sürünme testi e s s s s s e s. e Zaman. e Zaman n = 1 difüzyonal sürünme n = 3-5 dislokasyonal sürünme n ~20 partiküller nedeniyle eşik gerilmeler 51