SERTLĐKLE MUKAVEMET ARASINDAKĐ ĐLĐŞKĐ 1
Hem sertlik hem de çekme dayanımı metallerin plastik deformasyona karşı direncini gösterir. Sonuç olarak bu iki değer kabaca orantılıdır. 2
Dökme demir, çelik ve pirincin çekme dayanımı Brinell sertliğinin bir fonksiyonudur. Aynı oransal ilişki tüm metaller için kurulamaz. Çoğu çelik için pratik olarak, Brinell sertliği ve çekme dayanımı arasındaki ilişki şu şekildedir. 3
AŞINMAYA DAYANIKLILIK Aşınma sürtünen yüzeylerden malzeme kaybı olarak tanımlanır. Aşınma miktarı malzemenin türüne, sürtünen yüzeylerin biçimine, sürtünme koşullarına ve çevrenin kimyasal etkilerine bağlıdır. Sürtünen hareketli parçaların bulunduğu aletler, üzerinden hareketli cisimlerin geçtiği yol, döşeme vb. malzemeler zamanla aşınma etkisine girerler. 4
Adezif Aşınma Cisimlerin yüzeylerine mikroskopla bakıldığı zaman, gözle çok düzgün görünen yerlerin aslında girintili çıkıntılı olduğu anlaşılır. Böylece iki cismin sürtünmesi ile cismin yüzeyindeki belirli tepe noktalarda gerilme yığılmaları oluşur. Şekil değişimlerinin ve sıcaklığın artımı ile sürtünen iki cisimden kesme dayanımı küçük olandan bazı parçalar kopar. Bu tip aşınmaya adezif aşınma denir. 5
Abrazif Aşınma Sürtünen cisimlerden biri yumuşak diğeri sert ise, sert cisim yumuşak olanı çizerek ve kazıyarak aşınmaya neden olabilir. Bu tip aşınmaya abrazif aşınma denir. Endüstride üretim teknolojisinde taşlama ve parlatma işlemleri bu aşınma türüne dayanır. Çok iyi parlatılmış ve sertleştirilmiş yüzeylerde abrazif aşınma en düşük düzeydedir. Sertlik yanında malzemenin aşınmasını etkileyen diğer faktörler, malzemeye uygulanan basınç ve aşındırma süresidir. 6
Korozif Aşınma iki cisim arasında suyun veya başka bir sıvının bulunması, bunlarla katı cisimler arasında bazı kimyasal reaksiyonların oluşmasına neden olur. Bu reaksiyonlar sonunda oluşan maddelerin cisimlerden ayrılması ile cisim aşınır. Bu tip aşınmaya Korozif aşınma denir. 7
Metallerde aşınma olayı ve deneyi Đnşaat Mühendisliğinde metallerde aşınma olayına, demiryolu raylarında rastlanır. Metalik malzemelerin aşınmaya dayanıklılık deneyi zor bir deneydir. Genellikle deney belirli bir basınç ile malzeme yüzeyine temas ettirilen ve bir eksen etrafında dönen millerle yapılır. Malzeme örneği, deney öncesi ve sonrası tartılıp, ağırlıktaki azalma deney süresine bölünerek, aşınmaya dayanıklılık g/dak g/dak cinsinden tanımlanır. 8
Taş yapılı cisimlerde aşınma olayı ve deneyi Yapı mühendisliğinde özellikle taş bünyeli elemanlar aşınma olayının etkisinde kalırlar. Bu nedenle beton yol, hava meydanı, merdiven basamakları, döşemeler gibi yerlerde kullanılan malzeme aşınmaya dayanıklı olmalıdır. 9
Bu tür malzemenin deneyi, bir düşey eksen etrafında ve yatay düzlem içinde dönen 60 cm çaplı madensel bir tabladan oluşan Dorry aygıtı ile yapılır. Tablanın üzerine dönüş sırasında belirli özelliklere sahip aşındırıcı toz akıtılmaktadır. Bu şekilde pürüzlü yüzeyde, malzeme dönen ağırlıkların altında aşınır. 10
Tabla dakikada 2828-30 devirlik hızla döner. 500 devir sonra malzeme tartılarak veya hacmi ölçülerek aşınma miktarı saptanır. Bu deneyin ıslak yapıldığı cihazlarda vardır. Bu tip deneyler daha çok karo plak gibi yüzeysel elemanlar üzerinde yapılır. 11
Ahşap, linolyum, plastik gibi döşeme kaplamalarının aşınma miktarı Taber aleti ile bulunur. Bu deneyde, dönen yatay bir tabla üzerine tespit edilen deney numunesi üzerine malzeme türüne göre seçilen bir çift aşındırıcı disk belirli bir yükle bastırılır. Yatay tabla döndürülerek belirli bir süre sonunda ağırlık kaybı ölçülür. Birim mesafede aşınan miktar aşınma direnci olarak tanımlanır. 12
Yollarda kullanılan beton veya asfalt gibi kaplama malzemelerinin iskeletini oluşturan çakıl veya kırmataşların aşınma deneyleri için ise Los Angeles deneyi uygulanır. uygulanır. Đçerisinde bir raf bulunan standart boyutlardaki bir silindirik tamburun içine belirli ağırlıkta (P) ve tane dağılımında deney örneği konulur. Tamburun içine ayrıca deney örneği tipine bağlı olarak belirli sayıda çelik küre yerleştirilip, silindir kapatılır. 13
Tambur dakikada 3030-33 devirlik hızla 500 devir döndürülür. Kürelerin ağırlığı ve dinamik etkisi ile parçalanan malzeme 12 no lu elekten elenir. Bu eleğin üstünde kalan malzeme Pu ağırlığında ise, aşınma yüzdesi U şöyle bulunur: 14
Hesaplanan aşınma yüzdesi (U) ne kadar küçük ise, agreganın aşınma dayanımı o kadar yüksektir. ASTM standartlarına göre bu kayıp yüzdesinin beton agregasında 100 devir için % 10 u, 500 devir için % 50 yi, yol agregası için 500 devirde % 30 u geçmemesi istenir. 15
ĐŞLENEBĐLĐRLĐK 16
Metalik Malzemelerde Đşlenebilirlik Bazı malzemeler yapıda kullanılmadan önce bazı mekanik işlemlere tabi tutulabilir. Örneğin, betonarmede kullanılan donatının, betona yapışmasının (aderansın (aderansın) aderansın) sağlanması amacıyla uçlarına kanca yapılır. 17
Eğer deney örneği bu işlemler sırasında, çatlıyorsa veya düktilite, düktilite, dayanım gibi özelliklerini kaybediyorsa, o malzemeyi yapıda kullanmak sakıncalı olabilir. Mekanik işlemler sonucunda, malzemenin özelliklerinde önemli bir değişiklik olmaması haline işlenebilme özelliği denir. Metalik malzemenin bu özelliği pilyaj deneyi sonucunda belirlenir 18
TOKLUK ve DARBEYE DAYANIKLILIK 19
Tokluk Ve Darbeye Dayanıklılık 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. 20
Bir yapı veya yapı elemanı statik denge konumundan uzaklaştırılarak bırakıldığında bir titreşim hareketi yapar. Dış bir zorlama olmadığı takdirde bu hareket doğal titreşim hareketi olarak tanımlanır. Bu harekette hareketin kendini bir kere tekrarı için geçen zaman doğal titreşim periyodu olarak tanımlanır. Bir yapıya veya elemana uygulanan dış yük, doğal titreşim periyodunun üçte birinden daha kısa zamanda uygulanır ise bu yüklemeye darbe denilir. 21
Yapı malzemeleri bazı koşullarda, örneğin ağır bir cismin düşmesi ile darbe etkisinde kalırlar. Çok yüksek hızla uygulanan kuvvet malzemede ani büyük gerilmelere yol açmaktadır. Cisimlerin darbeye dayanıklılığı malzemenin atom bağları (kohezyon dayanımı) ile yakından ilişkilidir. Malzemelerin darbeye dayanıklılıkları, karmaşık bir olgu olup, ancak özel deneylerle saptanabilir. 22
Darbe etkisinde malzeme dış kuvvetlerin yapmış olduğu bir iş etkisinde kalmaktadır. Bu işi dengelemek için, malzeme şekil değiştirerek iç iş oluşturur. Eğer bu şekil değişim işi belirli bir kritik değeri aşarsa malzeme darbe tesiriyle göçer. Bu tip göçmelere daha çok köprü, yol ve havaalanlarında kullanılan malzemelerde rastlanır. 23
Malzemenin darbeye dayanıklılığına örneğin şekli ve boyutu, kuvvetin uygulama hızı, gerilme yığılmasının şiddeti (çentik derinliği ve keskinliği) ve sıcaklık etki eder. 24
Çentik darbe deneyi (Charpy (Charpy Deneyi) Süneklikten gevrekliğe geçiş sıcaklığı en kolay ve en güvenilir şekilde çarpma deneyi ile saptanabilir. Malzemelerin darbeye dayanımını belirlemek için çentik darbe deneyi olarak da adlandırılan deneyler kullanılmaktadır. Deneylerde kullanılacak örnekler üzerinde gerilme yığılmasını sağlamak üzere çentik açılır. 52
Uygulamada metaller için en çok kullanılan darbeye dayanıklılık deneyi Charpy deneyidir. Charpy darbe deneyi, büyük ani bir darbe nedeniyle malzemenin absorbe ettiği enerjinin miktarını ölçer ve malzemenin gevrekliğini değerlendirmede kullanılır. 53
Hatalı ısıl işlem veya başka nedenlerden doğan kırılganlığı çekme deneyi ile tespit etmek mümkün olamayabilir. Çentik darbe deneyi ile bu kırılganlık rahatlıkla gözlenebilir. 54
Deneyde belirli ağırlıktaki tokmaklı bir pandül belirli bir h2, yüksekliğinden serbest olarak daha aşağıda mesnet üzerine konmuş, malzeme örneği üzerine düşürülür. Tokmak yörüngesi üzerindeki örneği zayıflatılmış kesitinden kırarak yoluna devam eder ve çarpma nedeniyle potansiyel enerjinin bir kısmını kaybettiğinden h2 den küçük bir h1 yüksekliğine çıkar. 55
Zayıflatılmış kesitin (çentik) derinliği, açısı deney sonuçlarını etkilemektedir. Genellikle çentik 2 mm derinlikli ve 45º açılıdır. Çentik dibi eğrilik yarıçapı 0.25 mm dir. mm dir. Tokmağın çıktığı yükseklik yutulan enerji arttıkça azalacaktır. Deney sırasında yutulan enerji birim alana düşen enerji ile ifade edilir. 56
Sünek malzemeler gevrek malzemelere kıyasla çok daha fazla enerji yutarlar. P ile pandülün ağırlığı, W ile malzemenin kırılması için harcanan iş gösterilirse ve sürtünme gibi diğer etkiler ihmal edilirse; Deney aletindeki özel bir düzenek ile W doğrudan doğruya ölçülür. 57
Hazırlanan örnek darbe etkisi ile kırılırken ; Bazen tamamen kopabilir. Bazen de tamamen iki parça haline gelmez 58
Đzod deneyi - Charpy Deneyi Benzer bir darbeye dayanıklılık deneyi de Đzod deneyidir. Đzod ve Charpy deneyleri arasındaki fark, deney örneğinin boyutu, örneğin mesnetleniş ve yükleniş şeklidir. 59
60
Çentik darbe tokluğunun sıcaklıkla değişimi Malzemelerin (özellikle hacim merkezli kübik kristal yapılı cisimler) çentik darbe toklukları sıcaklıkla değişir. Malzeme yüksek sıcaklıklarda tok iken, düşük sıcaklıklarda gevrek hale gelir. Normal yumuşak (hacim merkezli kübik kristal yapılı) çelik yapıların çentik darbe dayanımı genellikle atmosfer sıcaklığının altında aniden azalır. Örneğin tipik bir çeliğin sünekliği sıcaklık 27ºC den - 40ºC düştüğünde çentik darbe dayanımı 95 Nm den 14 Nm e düşebilir. 61
Malzemenin tokluğunu kaybederek gevrekleştiği sıcaklığa çentik darbe tokluğu geçiş sıcaklığı denir. Düşük sıcaklıklarda çalışacak malzemeler için bu özellik önem kazanmaktadır. 62
Örneğin, sıcak iklim şartlarında kullanılacak şekilde tasarlanmış bir petrol tankeri Kuzey Buz Denizinde dalgaların veya rüzgarın oluşturduğu darbe etkisiyle hasar görebilir 63
Malzemelerin davranışı, kesitlerinde ani bir değişiklik olması durumunda farklıdır. Çentik hassasiyeti olarak bilinen bu davranışın incelenmesinde çentik darbe deneyi iyi bir metottur. Bazı malzemeler bu etkiye karşı daha duyarlıdır. Böylece farklı malzemelerin çentik hassasiyeti de bu deney ile kıyaslanabilir. 64
Kırılma sonuçları çıplak gözle de incelenmelidir. Genellikle iki farklı bölge gözlenmektedir. Düz ipeksi bölgede düktil kırılma başlamıştır. Kaba taneli bölgede ise gevrek kırılma oluşmuştur 65
KIRILMA 25
Malzemelerin dış kuvvetler etkisinde parçalara ayrılmasına kırılma denir. Kırılma oluşum biçimine göre gevrek ve sünek olmak üzere iki türe ayrılır. Gevrek kırılma plastik şekil değiştirme olmaksızın aniden meydana gelir ve çok az enerji yutar. Bu tür kırılmanın nereden ve ne zaman oluşacağı önceden kestirilemediği için çok tehlikelidir. tehlikelidir Geçmişte önemli kazalara ve büyük kayıplara yol açtığından üzerinde yoğun araştırmalar yapılmış ve halen de yapılmaktadır. 26
Sünek malzemelerin yorulma kırılması da bir gevrek tür kırılmadır. Gevrek kırılma çok çeşitli etkenlerin rol oynadığı karmaşık bir olaydır. Bu nedenle henüz tam olarak anlaşılamamış ve kesin kurallar geliştirilememiştir. Sünek kırılma belirgin ölçüde plastik şekil değiştirme ve büzülmeden sonra oluşur ve oldukça büyük enerji yutar, nereden oluşabileceği önceden görülebildiği için gerekli önlemler alınarak herhangi bir zarar vermesi önlenir. 27
Gevrek malzeme elastik sınırın sonunda kırılır ve elastik sınırla çekme mukavemeti aynıdır. Bütün gevrek malzemelerde mukavemet hesaplarında kritik gerilme olarak çekme mukavemeti alınır. 28
29
Sünek kırılmada ise yukarıda da belirtildiği gibi kritik gerilme olarak akma sınırı seçilir. Kırılmanın türü malzemeden malzemeye değiştiği gibi çoğunlukla uygulanan gerilme halinde, parçanın geometrik biçimine, sıcaklığa ve şekil değiştirme hızına bağlıdır. 30
Genellikle bütün kırılma olayları önce çatlak oluşumu ve sonra çatlak yayılması sonucu oluşur. Malzemelerde genellikle çentik, çatlak, boşluk, sert parçacıklar gibi çeşitli kusurlar içerirler. Hatta başlangıçta yapısında bu tür kusur içermeyen kristal yapılı cisimlerde de şekil değiştirme sırasında dislokasyon yığılması sonucu çatlak oluşabilir. 31
Sünek ve gevrek malzemelerde kırılma türlerinin değişimi mevcut koşullara bağlı olarak çatlak oluşması ve çatlak yayılmasındaki farklardan doğar. Düşük sıcaklık, tekrarlı gerilmeler, kaymayı kısıtlayan çok eksenli gerilmeler, yüksek hızlı şekil değiştirmeler gevrek kırılma eğilimini arttırır. 32
Gevrek Kırılma Gevrek kırılmada malzemeler dış kuvvetler etkisinde plastik şekil değiştirme oluşmaksızın iki veya daha fazla parçalara ayrılır. Yüksek mukavemetli metaller, seramikler ve bazı polimerler genellikle gevrek davranış gösterirler. 33
Kusursuz bir malzemenin çekme etkininde kırılması atomlar arası bağ kuvvetlerinin kopması sonucu oluşur. Şekil ' de görüldüğü gibi ayrılma biçiminde olan bu tür kırılma için gerekli gerilme o cismin kohezif mukavemetine (σc) eşittir. Atomlar arası bağ kuvvetlerine göre hesaplanan bu mukavemet yaklaşık olarak σc = 0.1xE dür. 34
Burada E cismin elastisite modülüdür. Ancak bu kohezif veya teorik mukavemet gerçekte gözlenen mukavemetlerden bir kaç mertebe daha büyüktür. Aradaki bu büyük farkın malzemelerde mevcut kusurlardan ileri geldiği saptanmıştır. Özel koşullar altında üretilen kusursuz numunelerin mukavemetleri teorik olarak tahmin edilen değerlere yakın olduğu görülmüştür. 35
Gevrek malzemeler (cam ve seramikler gibi) çekmeye karşı zayıf olup basmaya karşı daha mukavemetlidirler. mukavemetli Çünkü çekme kuvvetleri etkisinde mevcut çatlak ve boşluklar, yüzey hataları açılma veya büyüme etkisi göstererek malzemenin çekme mukavemetini azaltırken basma etkisi altında basma kuvvetleri çatlak ve boşlukları kapatmaya çalıştıklarından dolayı hem basma mukavemeti çekmeye göre yüksek olur hem de çekme gerilmesinde olduğu gibi gerilme yığılması oluşmayacağından kuvvetler çatlağın bir yüzünden diğer yüzüne iletilir. 36
Gevrek Kırılma Türleri Genellikle gevrek malzemelerde ortalama olarak basınç mukavemeti çekme mukavemetinin 8 katıdır. Gevrek malzemelerin çekme mukavemeti kayma mukavemetinden daha küçüktür. Bu nedenle Şekil (c)' de görüldüğü gibi basit burma uygulanan silindir biçimindeki gevrek malzeme çekme gerilmelerinin maksimum olduğu 45 lik düzlem boyunca kırılır. 37
Sünek cisimlerde ise kayma mukavemeti en düşüktür, dolayısıyla basit burmada kırılma, kayma gerilmelerinin maksimum olduğu eksene dik düzlem boyunca makaslanarak kırılır. 38
Gevrek Malzemelerde Basınç Mukavemetine Etkiyen Etkenler Basınç makinesinin tablası ile deney numunesi arasındaki sürtünme kuvvetleri nedeni ile basit basınç gerilmeleri uygulamak mümkün değildir. Küp veya silindir biçiminde olan numunenin ortası basınç etkisinde yanal doğrultuda serbest genişlerken başlıklardaki sürtünme kuvvetleri genişlemeyi kısıtlar ve bu bölgede çok eksenli gerilme hali doğar. 39
Bu şekilde kısıtlanmış basınç deneyi basit basınç haline göre daha yüksek mukavemet verir. Tabla ile numune arasına yağ sürülür veya sürtünmesi düşük bir levha (teflon) konursa sürtünme etkileri azaltılır. Bazı hallerde sert uzun tel fırça şeklinde yükleme başlıkları da kullanılır. Basınç mukavemetine numunenin biçimi, biçimi büyüklüğü, büyüklüğü yükleme hızı ve sıcaklık etki eder. 40
Beton gibi oda sıcaklığında sünme gösteren malzemelerde hızlı yüklemede yüksek, yavaş yüklemede düşük basınç mukavemeti elde edilir. Bu nedenle standartlar betonun basınç deneyinde gerilme hızının 7-10 kgf/cm kgf/cm2 arasında kalacak şekilde uygulanmasını önerirler. Gevrek malzemelerde deney numunesini boyutu arttıkça basınç mukavemeti azalır. Bu fark büyük numunelerde kritik kusurların bulunma olasılığının artması ile açıklanabilir. 41
Sünek Kırılma Sünek malzemelerde kırılma önemli ölçüde plastik şekil değiştirme ve büzülmeden sonra oluşur. Bütün kırılma olaylarında olduğu sünek kırılmada da önce çatlak doğar, sonra bu çatlak yayılarak ani kırılma ile son bulur. Ancak % 100 büzülmenin oluştuğu çok özel halde çatlak oluşumu görülmez. 42
Sünek malzemelerde çatlaklar genellikle iç yapıda bulunan oksit parçacıkları, parçacıkları boşluklar veya sert fazlar çevresinde oluşmaya başlar. Hiç boşluk bulunmayan ve sert faz içermeyen sürekli yapıya sahip olan kristallerde dislokasyon yığılması sonucu çatlak doğabilir. Üniform kesitli bir çubukta büzülme başladıktan sonra Şekil de görüldüğü gibi büzülme bölgesinde eksenel σa gerilmesine ek olarak σy yanal çekme gerilmeleri meydana gelir. 43
Bu çekme gerilmeleri sert parçacıklar çevresinde boşluk oluşturur. Bu boşluklar da birleşerek çatlağa dönüşür. Bazen de sert fazın kendi içinde de çatlak doğabilir. Bu şekilde oluşan çatlaklar birleşerek dışarıya doğru yayılır, yüzeye gelince 45 45 açı yapan düzlemler boyunca kayma kırılması şeklinde son bulur. Karşılıklı kırılma yüzeyleri konikoni-çanak biçimini alır. Kırılma yüzeyinin ortası taneli, çevresi parlak koni şeklindedir. 44
Çatlak başlangıcına neden olan sert ve gevrek fazların miktarı çoğaldıkça gevrek kırılmaya doğru eğilimin artması doğaldır. Ayrıca pekleşme ve plastik şekil değiştirmeyi kısıtlayan çok eksenli gerilme halleri de sünekliği azaltır. 45
Sünek malzemelerde çentik ve ani kesit daralması olan yerlerde meydana gelen gerilme yığılması gevrek malzemelerde olduğu gibi ani kırılma oluşturmaz. Keskin çentik ucundaki yerel yüksek gerilme akma sınırına erişince plastik şekil değiştirme başlar, keskin uç yuvarlaşarak kütleşir. Bütün kesit plastik bölgeye girinceye kadar gerilmede önemli bir artış olmaz. Böylece gerilme yığılması önemini kaybeder, gevrek malzemelerde olduğu gibi aniden kırılarak tehlike doğurmaz. 46
Süneklikten Gevrekliğe Geçiş Normal koşullarda sünek davranış gösteren bir malzeme özel koşullar altında gevrek kırılma eğilimi gösterebilir. Bu sonucu doğuran ana etkenler sıcaklık, şekil değiştirme hızı ve gerilme halidir. Sünek ve gevrek kırılma oluşumu esas itibariyle cismin kayma mukavemetine ve ayrılma mukavemetine bağlıdır.* 47
Ayrılma mukavemeti kayma mukavemetinden küçük ise kırılma, kırılma atomların en az olduğu kristal düzlemeleri boyunca atomlar arası bağların kopması sonucu ayrılma şeklinde oluşur ve gevrek türdedir. Ayrılma mukavemetine bazen kohezif mukavemet de denir. Bunun tersi halde kayma mukavemeti kohezif mukavemetten küçük olunca önemli ölçüde plastik şekil değiştirmeden sonra sünek kırılma meydana gelir. 48
Genellikle kayma mukavemeti sıcaklığa önemli ölçüde bağlıdır. Kohezif mukavemetin ise sıcaklıkla değişimi önemsizdir. T1 sıcaklığında sünek kırılma gösteren malzeme düşük T2 sıcaklığında kayma direnci arttığı için az bir plastik şekil değiştirmeden yerel aşırı gerilmeler kohezif mukavemete erişir ve gevrek tür kırılma oluşur. 49
Malzemelerde kaymayı kısıtlayan çok eksenli gerilme halleri gevrek kırılma eğilimini arttırır. Uniform kesitli bir çubukta eksenel çekme gerilmesi σa akma sınırına erişince akma başlar. Maksimum kayma gerilmesi teorisine göre en büyük ve en küçük asal gerilmeler arasındaki fark basit çekmedeki akma sınırına eşit olunca akma başlar. 50
Şekil değiştirme hızı az olursa atomlar veya moleküller hareketleri için yeterli zaman bulabilirler, bu nedenle sünek davranış görülür. Yüksek hızlı yüklemelerde ise gevrek kırılma eğilimi artar. Buna tipik bir örnek olarak asfaltın davranışı gösterilebilir. Bir çekiç darbesi ile gevrek biçimde parçalanan asfalt uzun sürede kendi ağırlığı ile dahi akar. 51