Deney No 3 MEKANİK I DENEYİ Prof.Dr.S. Can KURNAZ, Yrd.Doç.Dr. Yıldız YARALI ÖZBEK, Yrd.Doç.Dr. Aysun AYDAY, Arş. Gör. Aydın KARABULUT Deney Aşamaları 1-) Kısa Sınav (Ön Bilgi) 2-) Çekme, Darbe, Sertlik ve Burma Deneyleri hakkında Teorik Bilgi 3-) Çekme Deneyi Hazırlık Ve Uygulama Süresi 4-) Sertlik Deneyi 5-) Öğrenci uygulamaları 6-) Darbe Deneyi 7-) Burma Deneyi Tahmini Süre (dak.) 20 60 20 40 40 30 30 Toplam 240 Deney 1) Çekme Deneyinin Amacı Çekme deneyi malzemelerin tek eksenli ve kesit üzerinde homojen bir çekme gerilmesi altındaki davranışını incelemek ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve malzemelerin davranışlarına göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile yapılmaktadır. Çekme deneyi yaygın olarak kullanılan mekanik malzeme muayenesi yöntemlerinden biridir. Ayrıca malzemelerin mukavemetleri hakkında gerçek dizayn bilgilerini saptamak amacı ile de geniş çapta kullanılmaktadır. Teorik Bilgi Çekme deneyi, standartlara göre hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekme kuvveti uygulandığında, aynı zamanda numunenin uzaması da kaydedilir. Çekme deneyi bizlere numunenin birçok temel mekanik özelliği hakkında bilgiler vermektedir. Bunlardan bazıları; Elastiklik Modülü Elastik sınırı Akma Gerilmesi Çekme Dayanımı Tokluk % uzama % kesit daralması Relizyans tır. Çekme testinde uygulanan kuvvet ilk kesit alanına bölündüğünde normal gerilme ( ), boyca uzama farkı ilk boya bölündüğünde ise birim şekil değiştirme( ) elde edilir. Çekme gerilmesi =F/A 0 N/mm 2 Birim şekil değiştirme = l/l 0 Yüzde uzama % =100*( l/l 0)
Yukarıdaki formüllerde; F= Çekme Kuvveti A0(S0)=Kesit alanı =Çekme gerilmesi l 0=ilk boy l=boyca uzama miktarı dır. Şekil 1. Düşük Karbonlu yumuşak bir çeliğin çekme Diyagramı Şekil 2. Daire kesitli silindirik başlı çekme numunesi Bu şekilde d0 numunenin çapını, dı baş kısmının çapını (1,2d0), lv inceltilmiş kısmın uzunluğunu (l 0 + d 0), l 0 ölçü uzunluğunu (5d 0), h baş kısmının uzunluğunu ve l t numunenin toplam uzunluğunu göstermektedir. Yukarıdaki gibi hazırlanmış bir numuneye çekme testi uygulandığında yukarıdaki formüller yardımıyla bulunan Çekme gerilmesi ve Birim şekil değiştirme değerleri kullanılarak bir grafik çizilir. Bu grafiğe gerilim-gerinim grafiği denilir.
Şekil 3. Alüminyum alaşımı için Gerilim-Gerinim Eğrisi Yukarıdaki grafiklerde ismi geçen bazı terimleri açıklamak gerekirse; Elastik Modül: Kuvvet ile zamanın orantılı olduğu bölgedeki doğrunun eğimine elastik modülü denir. Akma Sınırı: Akma gerilmesi, kullanılan metal veya alaşıma bağlı olarak plastik deformasyonun önemli derecede arttığı ve çekme grafiğinin düzensizlik gösterdiği gerilmedir. Akma sınırı belirgin olmadığında bunun yerine % 0.2 plastik uzama değeri alınır. Buna da % 0.2 sınırı denir. Öncelikle gerilme ve çekme genliği grafiğinde Hooke doğrusuna paralel bir çizgi çizilir. Bu çizginin daha önce çizilmiş olan çizgiyle kesiştiği yerde gerilme eksenine göre bir yay çizilir. Gerilme ekseniyle yayın kesiştiği yer % 0,2 lik akma sınırını ifade eder Çekme Dayanımı: Çekme grafiğindeki maksimum gerilmedir. Bu gerilmeye kadar deneyde kullanılan numunenin kesiti her tarafta aynı oranda azaldığı halde, bundan sonra numune belli bir bölgede büzülür ve küçük bir gerilmeyle kopar. Bir metal ne kadar sünek ise, kopma gerçekleşmeden önce numune o kadar boyun vermektedir. Kopma Uzaması: Test sırasında numunenin toplam uzamasına, metalin süneklik değeri denir. Daha genel olarak, malzeme ne kadar sünek ise, deformasyon da o kadar fazla gerçekleşir. Başka bir deyişle daha fazla kopma uzaması oluşur. Buna şöyle bir örnek verebiliriz. İnce bir alüminyum uygun koşullarında, yüksek bir kopma uzama değerine sahiptir. Bu değer %35 tir. Yine aynı kalınlıkta fakat yüksek dayanımlı ve uygun koşullarda olmayan alüminyum alaşımına baktığımızda ise kopma uzaması değerinin azaldığını ve %11 olduğunu görürüz Kopma uzaması, malzemenin sünekliğinin ölçümünün yanı sıra, kalitesi hakkında bize bilgi verdiği için de önemli bir kavramdır. Kopma Büzülmesi: Metal ve alaşımların süneklikleri büzülmenin meydana geldiği alanda tespit edilir. Bu, genellikle testte kullanılan 0.50 mm. çapındaki numuneyle ilgilidir. Test sonucunda kopma anındaki büzülme ölçülür. Kopma yüzdesi ilk ve son yarıçaplar göz önüne alınarak aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanır. Gerinim-Gerilme eğrisinin altında kalan alan bize malzemenin tokluk değerini vermektedir. Tokluk: Plastik deformasyon karşısında absorbe edilen enerji miktarıdır. Tokluk, genellikle σ ℇ eğrisinin altında kalan alanın ( ℇk 0 σ. dℇ ) hesaplanması ile bulunur. Bu formüldeki ℇk malzemede
kırılıncaya kadar meydana gelen en yüksek veya toplam birim şekil değiştirme miktarıdır. Tokluğun gerilme birim uzama eğrisi yardımıyla belirlenişi Şekil 4 te gösterilmiştir. Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik şekil değiştirme sırasında malzemenin depoladığı enerji demektir. Bu enerji, gerilme ( )-birim uzama ( ) eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ( σel. ℇel 2 ) ile belirlenir ve numune kırılınca geri verilir, Şekil 4. Şekil 4. Gerilme birim uzama eğrisi yardımıyla şekil değiştirme enerjilerinin (rezilyans ve tokluk) belirlenmesi Gerilim-Gerilme grafiği üzerinde gerilme ve gerinimin doğru orantılı olduğu bölgelere elastik bölge denilir. Elastiklik modülü bu bölgeden yararlanılarak hesaplanır. Elastiklik bölgede numune üzerinden yük kaldırıldığında numune ilk boyutlarına geri dönmektedir. Gerilim-gerinme grafiğinde orantı sınırının değiştiği bölge plastik deformasyonun başladığı bölgedir. Bu bölgeye girildiğinde malzeme üzerinde kalıcı deformasyon gerçekleşir ve yük kaldırıldığında numune eski boyutlarına dönemez. Düşük karbonlu çeliklerde bu bölgeye girildiğinde bariz bir zigzaglı akma görülmektedir. Diğer metallerde bu zigzaglı bariz akma bölgesi görülemez ve akma değerlerinin bulunabilmesi için daha önce bahsi geçen R 0,2 kullanılır. Gerilim-gerinim eğrisinde F max ın F kopma dan daha büyük çıkmasının sebebi zamanla azalan kesit alanıdır. Sürekli azalan kesit alanından dolayı numune dayanabileceğinden daha düşük bir yükle kopar. Gerçek Gerilme Gerinme Değeri: Gerilme; numuneye uygulanan F kuvvetinin kesit alanına bölünmesiyle ortaya çıkan değerdir. Çekme deneyi sırasında kesit alanı sürekli olarak değişim gösteriyorsa, gerilme tam olarak ölçülemez. Deney sırasında numune boyun vermeye başlayınca gerilmede bir azalma, genleme de ise bir artma söz konusudur. Bu esnada gerilme değeri grafik üzerinde de maksimum değerine ulaşmıştır. Numune ilk olarak boyun verdiği anda gerilme değeri, gerçek gerilme değerinin altında kalır.
Çekme Deneyinde Dikkat Edilmesi Gerekenler: Yükleme hızı belli sınırlar arasında kontrollü olarak yapılmalıdır. Numune 10d 0 olarak ölçtüğümüz uzunluğun ortasından kopmadığı taktirde kopma bölgesini numunenin orta noktası şekline getirmek için gerekli düzenlemeler yapılmalıdır. Numuneler standartlara uygun seçilmelidir. Numune yüzeyi pürüzsüz ve temizlenmiş olmalıdır. Numune Hazırlanması Çekme deneyinde genellikle 2 tip numune kullanılmaktadır. Bunlar Dikdörtgen kesitli yassı ve yuvarlak kesitli numunelerdir. Bu numunelerin kalın taraflarına kafa ismi verilir ve bunlar sadece çeneleri tutma görevi üstlenir. Deney içinde kafaların deney verilerine hiçbir katkısı yoktur. Bizi ilgilendiren kısım 2 kafa arasında kalan kısımdır. Deney sonuçlarının karşılaştırılabilir olması amacıyla deney numuneleri DIN 50125, 50109, 50114 te standartlaştırılmıştır. Bu standartlarda belirtilen numunelere kısa veya uzun olarak hazırlanabilir. Dairesel kesitli numunelerde L o/d o kısa çubuklar için 5, uzun çubuklar için 10 alınır. Genel olarak, deney parçası işlenmeli ve gövde, deney cihazının kavrama çenelerine uygun herhangi bir şekle sahip kavrama uçlarına bir kavisle bağlanmalıdır. Kavrama uçlarıyla gövde arasındaki geçiş bölgesi kavisinin asgari yarıçapı aşağıdaki gibi olmalıdır: a) 0,75 do, burada do silindirik deney parçaları için gövde çapıdır; b) Diğer deney parçalan için 12 mm. Gerekirse, profiller, çubuklar, vb işlenmeden kullanılabilir. Deney parçasının kesiti daire, kare, dikdörtgen veya özel durumlarda başka bir şekilde olabilir. Dikdörtgen kesitli deney parçalarında, genişliğin kalınlığa oranı 8:1'i geçmemelidir. Genel olarak, işlenmiş silindirik deney parçasının gövde çapı 3 mm'den küçük olmamalıdır Örneğin numune nervürlü ise kesit alanı olarak eş değer kesit alanı bulunur ve o değer numunenin kesit alanı olarak kabul edilir. Sonuç...Öğrenciler tarafından doldurulacaktır.
Deney 2) Sertlik Deneyinin Amacı Herhangi bir malzemeye kendisinden daha sert bir cisim etki ettiğinde; malzemenin, batmaya karşı gösterdiği direnç, sertlik olarak tanımlanır. Sertlik; sürtünmeye, çizmeye, kesmeye ve plastik deformasyona karşı direnç olarak da tarif edilebilir. Laboratuvarlarda özel cihazlarla yapılan setlik ölçümlerindeki değer, malzemenin plastik deformasyona karşı gösterdiği dirençtir. Teorik Bilgi Bir malzemenin sertliği hakkında bilgi sahibi olunursa, Malzemenin kökeni hakkında bilgi edinilir. Malzemenin sertliğinin bilinmesi ile mekanik özellikleri hakkında yorumda bulunabiliriz. Malzemenin işlenme kabiliyeti hakkında oldukça açık bilgiler verebilir. Genellikle sertlik ile işlenebilme özelliği arasında ters bağıntı vardır. Diğer bir deyişle, sert malzemeleri işlemek zordur. Cisimlerin sertliği ölçme yöntemleri üç gruba ayrılabilir: Malzeme yüzeyini sert bir cisim ile çizerek yapılan sertlik deneyleri. Malzemeye sert bir cismi kuvvet altında batırmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. Sert bir bilyayı malzeme üzerine düşürmek ve sıçratmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. Çizerek Karşılaştırmalı Yapılan Sertlik Deneyleri Sertlik ile kırılganlık doğru orantılıdır. Dolayısıyla, sert maddeler herhangi bir basınç kuvveti etkisi ile kırılabilir. Sertlik, bir mineralin çizilme ve sürtünmeye karşı gösterdiği dirençtir. Minerallerin sertlikleri daha çok çizme sertliği cinsinden belirtilir. Çizme sertliği bir mineralin keskin bir köşesinin başka bir mineralin düzgün yüzünü çizme kapasitesidir ve Mohs sertlik skalasına göre belirlenir. Bu skala sertliklerin artış sırasına göre dizilmiş olan on mineralden oluşur (Tablo 1). Malzemelerin bağ enerjileri ne kadar yüksekse sertlikleri de o kadar yüksektir. Doğadaki en sert malzeme %100 kovalent bağa sahip olan elmas olup Mohs sertliği 10'dur. Diğer yandan zayıf Vanderwaals bağlarına sahip Talk mineralinin sertliği 1'dir. Tablo 1. Mohs sertlik skalası Sertlik Madde Formül Kırılan Bağ Bağ tipi 1 Talk Mg 3Si 4O 10(OH) 2 O-O Van der Waals 2 Jips CaSO 4.2H 20 OH-O Hidrojen 3 Kalsit CaCO 3 Ca-O İyonik 4 Florit CaF 2 Ca-F İyonik 5 Apatit Ca 5(PO 4) 3F Ca-O, Ca-F İyonik 6 Ortoklas KAlSi 3O 8 Al-O, Al-Si, K-O %50 İyonik 7 Kuartz SiO 2 Si-O %50 İyonik 8 Topaz Al 2SiO 4F 2 Al-O, Al-F %50 İyonik 9 Korundum Al 20 3 A1-0 %50 Kovalent %50 İyonik 10 Elmas C C-C Kovalent
Batırılarak Yapılan Sertlik Deneyleri Geçmişten günümüze, malzemelerin sertliğini ölçmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler sırasıyla aşağıda belirtilmiştir. Statik sertlik ölçme yöntemleri Brinell Rockwell Vickers Knoop Dinamik sertlik ölçme yöntemleri Shore Poldi Çekici Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi Testlerin uygulama kolaylığı, diğer metodlara nazaran daha seri sonuçlar alınabilme özelliği, bu metodla test yapan sertlik ölçme cihazlarının optik ölçüm gerektiren (Brinell, Vickers) metodlarına nazaran daha ucuz olması yüzünden pratikte en çok kullanılan sertlik ölçme metodu olan Rockwell metodunu, ilk olarak 1922 de Rockwell uygulamaya sokmuştur. Rockwell sertliği, batma derinliğine karşı gelen birimsiz bir sayıdır. Batıcı uç, konik uçlu veya bilye şeklindedir (Şekil 1). Yumuşak malzemeler 1/18, 1/8, 1/4 ve 1/2 inch çaplarında küresel, sert çelik toplar ile ölçülürken çok sert malzemeler 120 elmas koni uç ile ölçülür. Rockwell cihazının şematik gösterimi Şekil 2'de verilmiştir. Şekil 1. Konik ve bilye uçlu batıcı uç Şekil 2. Rockwell Sertlik Ölçme Cihazı Rockwell sertlik ölçümünde batıcı uç, malzeme üzerine 10 kg (100 N) ön bir yükleme ile batırılır. Sonra batıcı uca ana yük uygulanarak elde edilen derinlik ölçülür. Ana yük Rockwell B (RB) için 100 kg, Rockwell C (RC) için 150 kg dır. Bu yöntemde batma derinliği ölçüleceği için yüzey pürüzlülüğü sonuçları etkileyebilir. Bu sakıncayı gidermek için önce batıcı uç küçük bir yükle (P0=ön yük) malzemeye daldırılarak alet sıfır düzeyine ayarlanır. Daha sonra toplam yüke tamamlanacak şekilde ana yük (P1)
uygulanır. Son olarak ana yük (P1) kaldırılır (Şekil 3). Meydana gelen kalıcı izdeki derinlik artışı bulunarak mevcut göstergeden Rockwell sertlik değeri okunur. Ucun malzeme içine her 0.002 mm batışı bir sertlik değerinin düşmesi olarak alınır. Şekil 3. Rockwell sertlik deneyinin şematik gösterimi Rockwell sertlik değeri boyutsuzdur. Ucun malzeme içine her 0,002 mm batışı bir sertlik değerinin 1 sayı düşmesi olarak alınır (Şekil 5). Ön yük uygulandıktan sonra ucun konumu ile ana yük kaldırıldıktan sonra ucun konumu arasındaki batma derinliği tb olmak üzere Rockwell Sertlik Değeri-C (RSD-C) aşağıdaki formülle hesaplanabilir. (HR=Hardness C=Konik, B=Bilya) Sertlik ölçümünde kullanılan batıcı ucun tipi ile uygulanan yükün değeri bir sembolle gösterilir. Bu nedenle, farklı skalalara göre yani değişik deney koşullarında ölçülen farklı düzeydeki sertlik değerleri RSD-A, RSD-B, RSD-C, RSD-D gibi simgelerle birlikte verilir (Tablo 2). Çok sert malzemelerin Rockwell sertliği koni biçimindeki elmas uç kullanarak 150 kg' lık yük altında ölçülür ve sonuçlar RSD-C simgesi ile belirtilir. Yumuşak malzemelerin sertliğinin ölçümünde ise batıcı uç olarak çelik bilye kullanılır ve 100 kg' lık yük altında elde edilen ölçüm sonuçları RSD-B simgesi ile gösterilir. Bir malzemenin Rockwell cinsinden ölçülen sertlik değeri 100 rakamını aşarsa batıcı uç olarak bilye kullanılması tavsiye edilmez. Çünkü çok sert malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde batıcı uç olarak bilye kullanılması, hem bilyenin deforme olmasına hem de ölçüm hassasiyetinin azalmasına neden olur. Diğer taraftan herhangi bir skalaya göre Rockwell sertliği 20 sayısından daha düşük olan malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde koni biçimindeki elmas uç kullanılması tavsiye edilmez. Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi Çeşitli çaptaki bilyaların (1; 2,5; 5; 10mm), belirli bir yükle ve zamanda malzemeye baskı metodudur (Şekil 4). İsveçli Dr. J. A. Brinell tarafından 1900 yılında bulunan bu metot günümüzde yaygın olarak kullanılan statik sertlik ölçme metotlarının ilkidir. D çapında sert, küre şeklinde bir bilya düşey doğrultuda sertlik değeri ölçülecek parçanın yüzeyine dik olarak belirli bir P kuvveti ile bastırılır. Yük
belirli bir süre uygulanır. Bilyanın kaldırılmasından sonra malzemede oluşan plastik şekil değişimi sonucunda yüzeyde küresel bir iz kalır. Bu kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir. Şekil 4. Şematik Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi Brinell sertlik değeri aşağıdaki formülasyon ile hesaplanır Bu formülde, P kg, D ve d mm cinsinden yerine konulmalıdır. Bu bağıntıda yer alan P uygulanan yükü (kg), D bilya çapını (mm) ve d ise iz çapını (mm) gösterir. Standart deney koşullarında çapı 10 mm olan bilye kullanılır. Yük, malzemenin cinsine göre seçilir ve uygulama süresi 10-15 saniye arasında değişir. Ancak bazı durumlarda çapları 10 mm'den daha küçük olan (örneğin 1,25, 2,5 ve 5,0 mm) bilye biçimindeki uçlarda kullanılır. Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilya çapına göre seçilmektedir. d/d = 0,20-0,70 oranı sağlandığı durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir. Deney yükünün saptanmasında P=CD2 bağıntısı kullanılır. Burada P deney yükü, C malzeme cinsine göre değişen yükleme derecesidir. - Demir esaslı malzeme (Çelik, DD) (C=30) - Cu ve Al alaşımlı malzeme (C=10) - Yumuşak malzeme (C=5) Malzeme kalınlığına göre de kullanılması gereken bilya çapları farklılık gösterir. Tablo 3'de malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları verilmiştir. Tablo 4'de de malzeme cinsine göre bilya çapı ve uygulanan yük değerleri verilmiştir. Tablo 3. Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları Malzeme kalınlığı (mm) Bilye Çapı (mm) 6 ve yukarısı 2.5-5-10 3-6 2.5-5 1.5-3 1.5 0.6-1.5 1
Brinell sertlik ölçme deneyinde kullanılan bilyeler Brinell sertliği 450 den küçük olan malzemeler için sertliği en az 850 BSD olan çelik bilye. Sertliği 450<BSD630 ise sertliklerin Brinell yöntemiyle ölçülmesi tavsiye edilmez. Standart bilye çapı 10 mm, Standart yükler 500 kgf ile 3000 kgf arasında (500 kgf artışla) dır. 10 mm standart ölçü bilyesinin dışındaki bilye çapları 5 ve 2.5 mm dir. Brinell sertlik ölçümünde dikkat edilecek noktalar: Kontrolü yapılan parçanın yüzeyi tertemiz ve kalınlığı da en az 4 ile 8 kat çukur derinliğinde olmalıdır. Kontrol kuvveti darbesiz olarak 2 ile 8 saniye arasında değerini bulmalıdır. Kuvvet değerini bulduktan sonra 10 saniye etkili tutulmalıdır. Yumuşak ve kolay akan malzemelerde (örneğin; kurşun) en az 30 saniye ve bazen daha fazla tutulmalıdır. Bütün bu şartların yanı sıra çukur çapının bilye çapına göre 0,24 D < d < 0,6 D arasında olması da ana şarttır. Pratikte her ölçüde değerler bu formülle hesaplanmaz. Sertlik daha önceden standart çaplı bilyeler ve kuvvetler için hazırlanmış tablolardan okunur. Brinell sertliği gösteriminde hesaplanan BSD yanında bilya çapı, yük, yükleme süresi (mm/kgf/s) sırasıyla bilgi olarak eklenir. Örnek : 99 BSD 5/500/30. Metalik malzemelerde sertlik arttıkça çekme dayanımı da artar. Çeliklerin Brinell sertlik değeri ile çekme dayanımları arasındaki ilişki; bağıntısı ile bulunabilir. Bu bağıntı yardımıyla çeliklerin çekme dayanımını yaklaşık olarak belirlemek mümkündür. Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi İngiliz araştırmacı Vickers tarafından geliştirilen bir sertlik ölçme metodudur. Sistem, 1360 elmas piramit ucun, malzeme cinsi ve kalınlığına bağlı olarak seçilen belirli yükler sayesinde, malzeme üzerinde yaptığı izin optik olarak ölçülmesine dayanır (Şekil 5). Piramidin bıraktığı izin köşegeni (d), her iki köşegen uzunluğunun milimetrenin 1/1000 i duyarlılıkta mikroskopla ölçülmesi ve ortalamasının alınması ile tespit edilir.
Şekil 8. Mikro Vickers Sertlik Ölçme Cihazı Şekil 5. Şematik Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi Vickers metodu kullanılan düşük yükler sayesinde Brinell ve Rockwell metodlarınca tatminkar sonuç alınamıyan, ince sert tabakalı sertleştirilmiş parçalarda (nitrasyon, sementasyon) ve ince saçların sertliklerinin ölçümünde çokça kullanılır. Vickers sertliği (VSD) aşağıda verilen bağıntı ile hesaplanır : Burada P; uygulanan deney yükünü, d; iz köşegenlerinin ortalamasını ve α ise piramidin tepe açısını temsil etmektedir. Piramidin tepe açısı=136 olarak alınırsa denklem şu şekilde yazılabilir; Vickers deneyi mikrosertlik ve makrosertlik ölçümünde de kullanılır. Deney yükü 0.025-120 kgf arasında olabilir. Uygulama süresi 10-15 saniyedir.bbu yöntemle en yumuşak malzemeden en sert malzemeye kadar geniş bir aralıkta sertlik ölçümü yapılabilir. 600 e kadar Brinell sertliği yaklaşık olarak Vickers sertliğine eşittir. Vickers sertliğinin avantajı, oldukça doğru okumalar yapması ve tüm metal ve işlem görmüş yüzeyler için sadece bir tip batıcı ucun kullanılmasıdır. Vickers sertliği metal ve seramik malzemelerin sertliğinin ölçümünde güvenilir bir sertlik ölçüm metodudur. Vickers sertliği ölçme yöntemi daha uzun zaman almakla beraber en duyarlı sertlik ölçüm yöntemidir. Malzeme sertliğini temsil edecek ortalama bir d değeri için çok sayıda (en az 5) izin ölçülmesi gerekir.
Vickers sertliği şu şekilde gösterilir: 610 HV 10 / 15 Burada 610 : Malzemenin sertlik değerini gösterir HV : (Hardness=Härte=Sertlik) Vickers yöntemiyle sertlik 10 : Kontrol kuvveti 10 kp (kilopond) 15 : Kuvvet 15 saniye tutulduğunu göstermektedir. Knoop Sertlik Ölçme Yöntemi Bir malzemenin göreceli mikrosertliği Knoop batma deneyi ile belirlenebilmektedir. Bu deneyde tepe açısı 130 ve 173 olan piramit şekilli elmas bir uç malzeme üzerine bastırılır. Bir boyutu diğerinin yaklaşık olarak 7 katı olan bir iz oluşur (Şekil 6). Malzemenin sertliği izin derinliği ölçülerek bulunur. Vickers sertlik ölçme deneyine göre daha düşük kuvvetler uygulanır. Knoop deneyi, cam ve seramik gibi gevrek malzemelerin sertliğinin test edilmesini sağlar. Malzeme üzerine uygulanan yük genellikle 1 kgf den daha azdır. Batıcı uç yaklaşık olarak 0,01 ile 0,1 mm arasında dört yanlı bir iz bırakır. Knoop sertlik değeri, deneyden elde edilen izin uzun köşegen uzunluğunun ölçülerek uygulanan yükün iz alanına bölünmesiyle elde edilir. Shore Sertlik Ölçme Yöntemi Şekil 6. Knoop Sertlik Ölçme Deneyi. Sabit stant üzerinde belli kuvvet ile plastik numuneye batırılan iğnenin derinliği ölçülerek plastiğin göreceli sertlik derecesinin tayini yapılır. Ucun gerisinde bulunan yay plastiğin sertliğine göre gerilir ve yayın gerilmesine bağlı olarak plastiğin sertliği belirlenir (Şekil 7).
Şekil 7. Shore Sertlik Ölçme Deneyi. Sertlikle Mukavemet Arasındaki İlişki Hem sertlik hem de çekme dayanımı metallerin plastik deformasyona karşı direncini gösterir. Sonuç olarak bu iki değer kabaca orantılıdır. Pahalı çekme deneyi ile malzemenin kopma mukavemetini bulma yerine, gayet ucuz sertlik deneyi ile bu değeri bulma amacıyla Brinell sertlik ile kopma mukavemeti arasında bağlantı faktörü bulur. Max Çekme mukavemet değeri Rm 1400 N/mm² kadar çelikler için şu formül kullanılır: Rm 3.5HB Max Çekme mukavemet değeri Rm 1400 ile 2100 N/mm² arası çelikler için şu formül kullanılır: Rm 4HB Burada Rm = N/mm² = Malzemenin maksimum çekme mukavemet değerini, HB = Malzemenin Brinell sertlik değerini göstermektedir. Ayrıca Vickers sertliği ve malzemenin akma gerilmesi arasında şu şekilde bir ilişki vardır; Sertlik Ölçmede Yüzey Kalitesinin Önemi Sertlik deneyinde ilk işlem olarak sertliği ölçülecek malzemenin yüzeyini ölçüm yapmaya elverişli hale getirmek gerekmektedir. Sertliği ölçülecek malzeme yüzeyinin oksitlerinden, girinti ve çıkıntılardan arındırılmış olması gerekmektedir. En önemlisi yüzeyin pürüzsüz ve parlak olması istenir. DARBE DENEYİ Metalik Malzemelerin Darbe Deneyinin Amacı Numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gereken enerji belirlenir. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır. Teorik Bilgi 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 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.
Şekil 3. Charpy ve İzod darbe deneyinin uygulanışı 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.
Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı Şekil 4. Çentik darbe deneyi numuneleri 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. 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 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.
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. 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). 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). i-mikroyapı Şekil 10. Tane büyüklüğünün gevrek-sünek geçiş sıcaklığına etkisi 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. Burma Deneyi Burma Deneyinin Amacı Bu deney, burulma momentine maruz bırakılan içi dolu metalik bir çubuk malzemede, burulma açısı ile ilişkili kayma gerilmelerini ve kayma şekil değişimlerini deneysel olarak belirlemeye imkan verir. Ayrıca deneyde, test edilecek malzemeye ait kayma modülünün hesaplanmasını ve burulma momentinin ölçümünü öğretmek amaçlanmaktadır. Teorik Bilgi
Burulma deneyini değerlendirebilmek için, burulma momenti ve etkileri, içi dolu bir çubuk malzeme üzerinde Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1.a da görülen, bir ucu ankastre L uzunluğunda r yarıçaplı bir çubukta, burulma momenti (Mb) etkisi ile, başlangıçta çubuk üzerindeki A noktası, B konumuna; A-A lifi ise, A noktası sabit olduğu için A B şeklini alır. Bu durumda, A noktasının B noktasına hareketi sonucu, bu noktaların, çubuğun O merkezine göre konumları arasında taranan açı, burulma açısı (θ); A-A lifi ve A B lifi arasında oluşan açı, kayma açısı (γ) olarak ifade edilir. (a) Şekil 1. Burulma momentine maruz bir çubuk (b) Şekil 1.b de görüldüğü gibi, çubuğun deformasyonu sırasında yüzeydeki liflerde eşit ve zıt yönde maksimum kayma gerilmeleri (τmaks) oluşur. Kayma gerilmeleri, çubuk merkezine doğru gidildikçe azalır ve çubuk merkezinde sıfır değerini alır. Kayma Gerilmesinin Hesabı Kayma gerilmesi (τ), burulma momenti (Mb) ve burulma mukavemet momentinden (Wb) aşağıdaki formül ile hesaplanılır. İçi dolu dairesel kesitlerde;
Maksimum kayma gerilmesi (τmaks), maksimum burulma momentinden (Mmaks) hesaplanır: Kayma Açısı ve Kayma Modülünün Hesabı Kayma açısı (γ); numune uzunluğu(l) ve numune yarıçapı(r=d/2) bilindiğinde, burulma açısı (θ) radyan cinsinden aşağıdaki formüle yazılarak hesaplanılır. Kayma modülü (G), elastik deformasyon bölgesinin lineer kısımda, kayma gerilmesi ve kayma açısından belirlenebilir. veya deney çubuğunun değerlerinden, Burada Mel, lineer elastik deformasyon aralığında tespit edilen burulma moment değerlerinden herhangi biri ve θel ise, buna karşılık gelen burulma açısı değeridir. DENEY NUMUNESİ Burulma deneyi için kullanılacak test numuneleri (13), 17 mm lik altıgen geometriye sahip metalik malzemeden talaşlı imalatla Şekil 5 de verilen ölçülerde işlenerek hazırlanır. Ayrıca, aynı kesit çapında ancak daha uzun (tutucu içinde kalacak kısımları ile birlikte L=750 mm ye kadar) olan metalik malzemeleri de test etmek mümkündür(şekil 6). Şekil 5. Kısa numune
Şekil 6. Uzun numune ve tutucuları (L: tutucular arası mesafe; kıvrılmış uç merkezleri arası mesafe [mm]) Yükleme (Burma) İşlemi Numuneye yük uygulamak için, el çarkı (8) saat ibresi yönünde döndürülür. El çarkı, her bir yük kademesi için tanımlanmış bir açıyla döndürülmelidir. Yükleme işlemine düşük burulma açıları oluşturacak şekilde başlanmalı, sonra, burulma açıları gittikçe yükseltilmelidir. Her bir yük kademesi için aşağıdaki açılar önerilmektedir. El çarkının ilk dönüşü: 90 numune üzerinde 1,42 lik açıya karşılık gelir. İkinci ve üçüncü dönüşler: 180 numune üzerinde 2,85 lik açıya karşılık gelir. Dördüncü dönüş: 360 numune üzerinde 5,71 lik açıya karşılık gelir. Uzun ve ince kesitli numunelerde, kırılmadan önce birkaç yüz dönüş yaptıkları görülebilir. Bu durumda, burulma açısı değeri, devir sayacı, burulma açısının bulunmasında pratiklik sağlar. El çarkının dönüş açısını, numunenin burulma açısına çevirmek için giriş açısı 63 e bölünür.