MalzemelerinMekanik Özellikleri II

MalzemelerinMekanik Özellikleri II Doç.Dr. Derya Dışpınar deryad@istanbul.edu.tr 2014

malzemeler

mekanikvefizikseltestler fiziksel testler: mekanik testler: yoğunluk manyetik özellik termal iletkenlik elektrik iletkenliği spesifik ısı termal genleşme sertlik çekme basma yorulma darbe aşınma

standartlar

kristal yapılar

en tipik örnekler HMK YMK HSP Fe Ni Mo W Al Cu Pb Mg Ti Zn

kristal latis homojen - sürekli - izotropik

hatalar? 1 boyutlu 2 boyutlu 3 boyutlu

hatalar 1 boyutlu 2 boyutlu 3 boyutlu Metalurji vematerials Malzeme Mühendisliği and Chemistry

mikroyapı östenitik paslanmaz çelik Al-Si perlit + ferrit perlit

Saf? Alaşım? Bazı uygulamalarda belirli bazı fiziksel özelliklerinden dolayı saf metaller tercih edilir

Al matriks

sıvı α + sıvı α α + β Sadece A atomları A B

sıvı α + sıvı α α + β A B α

sıvı α + sıvı α α + β A B β A yanında B (çözünmüş) (A) veya α α

sıvı α + sıvı α α + β A B

Al matriks

Fe Si Mn Cu Ti Mg

dislokasyon 1934 de birbirlerinden bağımsız olarak Orowan, Taylor ve Polanyi: birkristalideformeetmekiçinharcananenerji, teorik ve hatasız olan kristalden daha daha az! malzemelere plastik deformasyon uygulandığında, deforme edebilmek için daha daha fazla yük uygulanması gerekiyor! 1947 de ilk kez deneysel olarak kanıtlanmış 1957 de ilk kez Elektron mikroskobu ile görüntülenmiş

dislokasyon

TEM: X 21.000

video1: çekme-basma gerilmesi altında deformasyon video2: kayma gerilmesi altında deformasyon

dislokasyon hareketi ile kayma Peach-Koehler denklemi: Orowan bağıntısı: =.. =.. dislokasyon üzerindeki kuvvet dislokasyon hızı

BASMA ÇEKME

İkinci fazlar arası mesafe 1.28 mm 15 MPa 0.4 mm 50 MPa

İkinci faz boyutu akma mukavemetindeki artış (MPa) Niobiyum (ağ. %)

kırılma

Hall-Petch bağıntısı sabit akma gerilmesi tane boyutu

akma mukavemeti, ksi akma mukavemeti, MPa d -1/2, mm -1/2

Çekme testi = =

ELASTİK PLASTİK

HOMOJEN HETEROJEN

Malzeme Akma Mukavemeti Elastik Modül Polimer 10-100 0-5 Metaller 8-1250 10-1000 Çelik 250-1200 100-200 Al alaşımları 24-530 65-80

Ashby Diagramları

10 N 40 N = = 10 1 =10 =40 4 =10

4 8

Galileo Galilei, Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno à due nuoue scienze Attenenti alla Mecanica & i Movimenti Locali(1638), p.170

karınca

Onthophagus Taurus Kadim Mısır'ın tılsımsal böceği 10 cm boyunda ve ağırlığının 1141 kat fazla yükü taşıyabiliyor = 70 kg Bu değer, karıncadan 10 kat daha fazla!

=1200 d = = 4500 kg = = 45000 1200 =3,4 ç =6.8

? mm d

L A. =. =. = ( ) =... y = =... =.. = 1200.10 ( ) 7850( ).10( ) =. =15.3

tokluk gerilim altındaki malzemenin deforme olup şekil değiştirebilmesi için gerekli yük ile ifade edilebilir. malzemelerin kırılmaya karşı direnci olarak da bilinir. Hooke Kanunu: =.δ δ= δ= =

Hooke Kanunu =.δ =.δ = =. =. =..

L=4,5m d? =.. = Max 2,5 cm 4500 kg 45000( ).4500( ) = 3,14.25 210.000 =. =3,5

=.. δ y =.. =.. =..... =.. 2

Spesifik modül =.. 2. = = 2 = 2 =7850.10.15 2.210 =42

Spesifik modül = 2 =7850.10.15 2.210000 =42 çelik = 2 =2700.10.15 2.70000 = 2 =1000.10.15 2.55 =42 =20,000 alüminyum polietilen = 2 =3700.10.15 2.300000 =13 Alumina

Spesifik modül Malzeme Elastik modül (GPa) Yoğunluk (g/cm3) Spesifik modül Spesifik tokluk Plastik 0.055 1 180 0.0055 Cu 117 8.94 0.76 1.3 W 400 19.25 0.48 2.0 Çelik 200 7.85 0.39 2.5 Mg 45 1.75 0.38 2.5 Al 69 2.7 0.39 2.5

Spesifik modül Spesifik tokluk (mukavemet) yüksek olanlar tipik olarak uçak sanayisinde tercih edilir Örneğin: Çeliğin mukavemeti yüksek olduğu için uçak malzemesi olarak tercih edilebilir. Fakat yoğunluğu yüksek olduğu için en ince saç şeklinde kullanılarak ağırlıktan kazanmaya çalışılabilinir. Ancak bu durumda tokluktan feragat edilmiş olunur

KIRILMA Gözlem boyutu Gevrek Sünek Mühendis gözüyle Akmadan önce kırılma Akmayı aşıp oluşan kırılmalar Göz ile Boyun verme yok, parlak yüzey, kristalin ve tanesel Boyun verme, mat yüzey Makro boyut (< 50x) Kesit alanındaki azalma hemen hemen yok (sünek davranış yok) Orta ile çok arası kesit alanında daralma Mikro boyut (100-10,000x) TEM (> 10,000x) Gevrek mikroporlar, taneiçi Yüksek oranda bölgesel plastiklik Sünek mikroporlar, boşluk birleşmesi Genel olarak yüksek plastiklik

Sertlik testi Malzemelerin çizilmeye karşı gösterdiği direnç Çok farklı uçların numuneye belirli bir yük altında iz bırakması ve bu izin ya derinliğinin veya çapının ölçülmesi ile sertlik değeri elde edilir Malzemelerin basma direnci

Sertlik Kırılma Mekanikçi: ne kadar sert, o kadar kırılgan (gevrek) Aşınmacı: ne kadar sert, o kadar dayanıklı Haddeci: ne kadar yumuşak, o kadar kolayşekil alır Üretimci: ne kadar yumuşak, o kadar hızlı ve seri üretim

Scleroskop 1907 de Shore

Leeb sertlik yöntemi

Durometer sertlik yöntemi

Ultrasonik sertlik ölçme yöntemi

Brinell sertlik yöntemi

örnekler çelikler: 200 500 alüminyum: 80 140 bakır: 50-90

Brinell sertlik yöntemi = 2 1 1 ( ) = 4 =

Meyer bağıntısı = = = = = = =

Meyer bağıntısı = Örneğin: 3000 kg yük ve 10 mm çapında uç ile yapılan test; 750 kg yük ve? mm çapındaki uç ile aynı olacaktır? 3000 10 =30 750 =30 =25 =5

Rockwell sertlik testi

Batma derinliği ğ = 100 ğ 0.002 ELMAS UÇ ğ = 130 ğ 0.002 BİLYA UÇ Örneğin: HRC = 60 ise ğ = 100 60 0.002 ğ =0.08

Yöntem Uç Yük (kgf) Uygulama alanı A Elmas 60 Semetit karbür, ince saç, çelik B 1.588 mm 100 Bakır alaşımları, yumuşak çelik, alüminyum C Elmas 150 Çelik, dökme demir, titanyum, HRB >100 D Elmas 100 Ince saç, orta sertlikte çelik E 3.175 mm 100 Dökme demir, alüminyum ve magnezyum alaşımları F 1.58 mm 60 Isıl işlem görmüş bakır alaşımları, yumuşak çelik G 1.588 mm 150 Bronz, berilyum bakır ve HRG < 92 H 3.175 mm 60 Alüminyum, çinko, kurşun K 3.175 mm 150 Çok yumuşak ve ince malzemeler L 6.350 mm 60 Çok yumuşak ve ince malzemeler M 6.350 mm 100 Çok yumuşak ve ince malzemeler P 6.350 mm 150 Çok yumuşak ve ince malzemeler R 12.7 mm 60 Çok yumuşak ve ince malzemeler S 12.7 mm 100 Çok yumuşak ve ince malzemeler V 12.7 mm 150 Çok yumuşak ve ince malzemeler

Vickers sertlik yöntemi 1 ile 120 kgf yük aralığında

HV = 2 (136/2) = 1.8544 örneğin: 1 kgf ve d = 0.0753 mm ise = 1.8544 1 (0.0753) =327

Knoop-Vickers sertlik yöntemi

Yöntemler arası dönüşüm

Genel faktörler Sertlik değeri(skala) Numune kalınlığı Numuneboyutuveşekli Yüzey karakteri Uçkonumu Üretim hızı Malzeme tipi

silindirler için -Brinell

silindirler için -Rockwell

Kırılma Gerilim altında katı gövdenin iki veya daha fazla parçalara ayrılmasıdır Kırılma prosesi iki adımdır: Çatlak oluşumu Çatlak ilerlemesi Kırıklar iki tipte incelenir Gevrek kırılma Sünek kırılma 115

Gözlem boyutu Gevrek Sünek Mühendis gözüyle Akmadan önce kırılma Akmayı aşıp oluşan kırılmalar Göz ile Makro boyut (< 50x) Boyun verme yok, parlak yüzey, kristalin ve tanesel Kesit alanındaki azalma hemen hemen yok (sünek davranış yok) Boyun verme var, mat yüzey Orta ile çok arası kesit alanında daralma Mikro boyut (100-10,000x) TEM (> 10,000x) Gevrek mikroporlar, taneiçi Yüksek oranda bölgesel plastiklik Sünek mikroporlar, boşluk birleşmesi Genel olarak yüksek plastiklik Yapı HMK, HSP YMK* * Tane sınırı gevrekleşmesi hariç 116

kırılma 117

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 118

gevrek sünek 119

Kırılma 1983 de, Ulusal Standartlar Bürosu(ABD), kırılma sonucu oluşan hasarlardan kaynaklanan zararının yaklaşık: $119.000.000.000 Maddiyatın ve ekonomik götürüsünün yanısıra yaralanma ve insan hayatı ile ilişkili olması önem arz ediyordu

Kırılma sebepleri uygunolmayanyüklervedağılımları çevreselfaktörler tasarımvemalzemeseçimi malzemelerdekihatalar üretimveyabakımsırasındakieksiklikler

Dislokasyonlar mukavemetini arttırmak: mikroyapıda değişiklikler yaparak dislokasyon hareketini engelleyebilmektir. mukavemet artışı olurken, gevrek (kırılgan) bir malzeme elde edilmiş olunur.

Hatalar

Kırılma Malzeme türüne Sıcaklığa Yüke Yüklenme hızına Kırıklar iki tipte incelenir Gevrek kırılma Sünek kırılma

Kırılma karakteristiği Davranış Kullanılan terim Kristallografik Kayma Klivaj Kırık görüntüsü Fiberli Tanesel Deformasyon Sünek Gevrek

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 126

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 127

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 128

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 129

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 130

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 131

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 132

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 133

Materials and Chemistry Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 134

Atomlar arası bağ Bağ kuvveti: ELASTİK MODÜL = 2

= 2 = = 2 =2 = 2 = 2

Inglis & Griffith

Griffith teorisi Çatlak ucundaki gerilime konsantre olmak yerine, bir enerji dengesiyaklaşımındabulunduvemalzemebilimindekien önemliveen meşhurçalışmayıortayaçıkartmıştır. Bir malzemenin birim hacmindeki deformasyon enerjisi: = 1 = = Lineer durumda, yani elastik bölgede(σ=ee): = 2 = 2

Çatlak oluşturabilmek için bağlarınkırılmasılazım; ve açığa çıkan bağ enerjisi malzeme tarafından absorblanmalıdır. = 2.

«a» uzunluğundaki bir çatlak ile ilişkili yüzey enerjisi«s»olursa; 2 tane(alttaveüste) yüzey olduğu için; ve γ arayüzey enerjisi ise: =2

toplam enerji =2 = 2.

( + ) =2 =0 = 2 = 2

= 2 Çelik = 210000.2 3 / =118000 1100 MPa Alüminyum = 70000.2 3 / =21600 150 MPa

Lennard-Jones potansiyeli =4 ε bağ enerjisi potansiyeli β potansiyelin sıfıra ulaştığı mesafe

çatlakların önemi test

1,5 cm çentik 90 = 450 9 = 300