BÖLÜM 8 MEKANİK TESTLER

METALLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Metaller ve metal alaşımları mekanik tasarımda en çok tercih edilen malzeme grubundandır. Metaller özellikle kuvvet taşıyan elemanlarda yaygın olarak kullanılırlar. Bu nedenle malzemelerin mekanik özelliklerini bilmek büyük önem taşır.

METALLERİN MEKANİK ÖZELLİKLER Malzemelerin mekanik yükler altındaki davranışlarına Mekanik özellikler adı verilir. Mekanik özellikler esas olarak atomlararası bağ kuvvetlerinden kaynaklanır. Ancak bunun yanında malzemenin iç yapısının (mikroyapı) da etkisi vardır. Bu sayede iç yapıyı değiştirerek aynı malzemede farklı mekanik özellikler elde etmek mümkün hale gelir. Metallerin mekanik özellikleri çeşitli yükleme şartlarında, çeşitli deney parçaları ile incelenir.

METALLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Gerilme-Birim Şekil Değiştirme Tanımları

METALLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Gerilme: Bir kuvvetin etki ettiği kesitte birim alana düşen kuvvete gerilme adı verilir. Kuvvet kesite dik ise ve boy değişimlerine (uzama veya kısalma) yol açıyorsa normal gerilme σ,adı verilir. Kuvvet kesit içinde ise ve açı değişimine neden oluyorsa, kayma gerilmesi adı verilir. Normal gerilmeler (+) işaretli ise çekme, (-) işaretli ise basma anlamına gelir. Bir parçaya etki eden kuvvet ve momentler, parçada hem normal hem de kayma gerilmesi oluşturabilir

1. ÇEKME TESTİ 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 DENEYİ dir. Çekme deneyi, bu amaç için hazırlanan bir test numunesinin (çekme numunesi) çekme makinesine bağlanarak çekme kuvvetine maruz bırakılmasıdır. Etki eden kuvvet numune koparılana kadar arttırılır. Bu esnada, etki eden kuvvet ve test numunesinde meydana gelen uzama sistem tarafında sürekli olarak kaydedilir.

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ Geometriden kaynaklanan etkileri en aza indirmek için yük ve uzama, sırasıyla mühendislik gerilmesi ve mühendislik birim şekil değişimi parametreleri elde etmek üzere normalize edilir.

1. ÇEKME TESTİ 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. Gerilme = Çekme kuvveti / Kuvvete dik kesit alanı Birim şekil değişimi = Uzama miktarı / İlk ölçü boyu Bu şekilde nokta nokta saptanan değerlerlerden gerilme birim şekil değiştirme diyagramına geçilir.

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ 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 σa). Burada uygulanan gerilme ve bu gerilmenin meydana getirdiği elastik birim şekil değişimi arasında Hooke kanunu geçerlidir (σ = E.ε). Elastik şekil değişiminde etkin olan malzeme özelliği (parametresi), ELASTİKLİK MODÜLÜ, E, dir.

1. ÇEKME TESTİ (b) Plastik Şekil Değişimi: Malzemelerin AKMA DAYANIM değerinin üzerinde gerilme uygulanması durumunda plastik yani kalıcı (geri dönüşümsüz) şekil değişimi başlamış olur. Bu durumda kayma mekanizması çalışır diğer bir değişle dislokasyonlar hareket etmeye başlar ve plastik şekil değişimi gerçekleşmeye başlar. Ortam sıcaklık değerinin, plastik şekil değişimini mekanizmaları üzerinde çok büyük etkisi vardır. Sıcaklık seviyelerine bağlı olarak plastik şekil değişimi (a) soğuk plastik şekil değişimi, (b) ılık plastik şekil değişimi, (c) sıcak plastik şekil değişimi şeklinde olur.

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ Malzemeler, akma noktasındaki davranışlarına göre iki şekilde ele alınabilir; (a) belirgin akma gösteren malzemeler, (b) belirgin akma göstermeyen malzemeler.

1. ÇEKME TESTİ Bazı metalik malzemeler elastik şekil değişiminden plastik şekil değişimine geçerken akma olayını belirgin bir şekilde gerçekleştirirler. Bu malzeme gurubuna en iyi örnek yumuşak durumdaki (herhangi bir sertleştirme işlemi uygulanmamış) basit ve çoğunlukla düşük karbonlu çeliklerdir. Demir dışı metaller ve yüksek sıcaklıklarda metallerin hiçbiri belirgin akma özelliği göstermezler.

1. ÇEKME TESTİ Bu olay arayer atomlarının mevcudiyeti ile açıklanmaktadır. Örneğin, karbon ve azot (nitrogen) tan arındırılan çeliklerde belirgin akma görülmemeye başlar. Bu arayer atomlarının dislokasyonların altındaki boşluklara yerleşerek dislokasyonları kilitledikleri düşünülmektedir. Bu atom gruplarına COTTRELL ATMOSFERİ adı verilmektedir.

1. ÇEKME TESTİ Süneklik: Bir malzemenin plastik şekil değiştirme kabiliyetini ifade eder. Bu değerin büyümesi, malzeme kopana kadar daha büyük plastik şekil değiştirme gerçekleştirebiliyor anlamına gelir. Kopma uzaması ve alan daralması parametreleri ile ifade edilebilir. Gevreklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetinin olmaması durumunu ifade eder. Eğri bazen elastik sınırda bazen de elastik sınıra çok yakın bir noktada son bulur. Tokluk: Malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade eder. Sünek malzemelerin tokluğunun daha yüksek, gevrek malzemelerin tokluğunun da düşük olduğu anlamı çıkarılabilir.

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ (a) Dislokasyon tırmanması: artan atom arayer veya boşluklara yerleşebilir (b) Fazla atomların eklenmesi dislokasyon aşağı inebilir. Sıcaklığın artması ile; Elastiklik modülü azalır, Pekleşme etkisi azalır veya ortandan kalkar. 26

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ Rezilyans

1. ÇEKME TESTİ Statik Tokluk

1. ÇEKME TESTİ

1. ÇEKME TESTİ Elastisite Modülü?? Rezilyans??

1. ÇEKME TESTİ Gerçek Gerilme-Birim Uzama Eğrisi Mühendislik gerilme ve birim şekil değiştirme değerleri, deney sırasında kaydedilen kuvvet P ve uzama miktarı Δl miktarlarının başlangıçtaki kesit Ao ve başlangıçtaki ölçü boyu lo değerlerine bölünmesiyle elde edilmiştir. Yani yükleme sırasında oluşan kesit (azalmakta) ve boy (artmakta) değişimleri hesaba katılmamıştı. Sadece küçük şekil değiştirmelerin olduğu birçok uygulamada gerçek eğri ile mühendislik eğrisi birbirine çok yakın olduğundan (çünkü küçük şekil değiştirmelerde A Ao ve l lo ) çoğu kez bu değerlerle çalışmak yeterlidir.

1. ÇEKME TESTİ Gerçek Gerilme-Birim Uzama Eğrisi Ancak, büyük plastik şekil değişimlerinin mevcut olduğu uygulamalarda(örneğin, metallere plastik şekil verme), gerilme ve birim şekil değiştirmeleri o andaki kesit ve ölçme uzunluğu esas alınarak hesaplamak gerekir. Söz konusu andaki gerçek kesit ve gerçek ölçme uzunluğu esas alınarak hesaplanmış gerilme ve birim uzama değerlerine Gerçek gerilme ve Gerçek birim uzama adı verilir. Bu şekilde elde edilmiş gerçek gerilme-gerçek birim uzama eğrisine gerçek eğri adı verilir. Gerçek eğri ile mühendislik eğrisi arasında akma noktasına kadar çok önemli bir fark yoktur. Ancak o noktadan sonra aradaki fark giderek artar.

1. ÇEKME TESTİ http://em2lab.yolasite.com/hardening.php

Sünek Kırılma Ve Gevrek Kırılma Kopma kesitinin görünümü de malzemenin şekil değişimi davranışı hakkında bilgi verir. Gevrek malzemeler fazla plastik şekil değiştirmeden çekme kuvvetine dik bir kesitten koparlar. Sünek malzemelerde ise gözle görülebilen bir kalıcı şekil değişiminden sonra kırılma meydana gelir.

Sünek Kırılma Ve Gevrek Kırılma

Bu çeliklerin hangi özelliği sabit / değişmiyor??

2. BASMA TESTİ

2. BASMA TESTİ Basma deneyi işlem olarak çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi cihazlarında yapılır. Basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir ve özellikleri basma deneyi ile belirlenir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik malzemeler ile tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğu için bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde kullanılır ve mekanik özellikleri basma deneyi ile belirlenir. Basma deneyinde homojen bir gerilim dağılımı sağlamak amacıyla yuvarlak kesitli numuneler tercih edilir. Fakat kare veya dikdörtgen kesitli numuneler de kullanılmaktadır. Basma deneyi numunelerinde, numune yüksekliği (h0) ile çapı (d0) arasındaki h0/d0 oranı oldukça önemlidir. Numunenin h0/d0 oranının çok büyük olması, deney sırasında numunenin bükülmesine ve homojen olmayan gerilim dağılımına sebep olur. Bu oran küçüldükçe numune ile basma plakaları arasında meydana gelen sürtünme deney sonuçlarını çok fazla etkilemektedir. Bu sebeple numunenin h0/d0 oranının 1.5 h0/d0 10 aralığında olması önerilir. Metalik malzemelerin basma numunelerinde ise genellikle h0/d0=2 oranı kullanılır.

2. BASMA TESTİ Uygulanan basma yüküne karşılık numune boyundaki azalma grafik olarak kaydedilir ve çekme deneyindeki benzer hesaplamalarla mühendislik basma gerilmesi-basma birim şekil değişimi diyagramı elde edilir. Basma deneyinde de, çekme deneyinde olduğu gibi gerçek ve mühendislik gerilme ve birim şekil değişimleri arasında benzer bağıntılar geçerlidir. Şekil 1 de OA bölgesi uygulanan basma gerilmesi ile % birim şekil değiştirmenin orantılı olduğu elastik bölgedir. A noktası elastik sınır olarak tanımlanır. A C bölgesi plastik deformasyon bölgesidir. Basma diyagramında plastik deformasyon bölgesinin ilk kısmı olan A B bölgesinin eğimi, çekme diyagramındaki AB bölgesinin eğimine benzerdir. Fakat daha sonra basma eğrisinin eğimi artar, çünkü bu sırada numune kesitindeki artmaya bağlı olarak eğim sürekli artmaktadır.

2. BASMA TESTİ Basma deneyi, uygulanan yükün ters yönde olması nedeniyle çekme deneyinin tamamen tersidir

2. BASMA TESTİ Metalik malzemelerin gerçek çekme ve basma diyagramlarında, gerçek gerilme değerleri birbirine eşittir. Oysa mühendislik çekme ve basma diyagramlarında, plastik bölgedeki mühendislik basma gerilmesi değeri, mühendislik çekme gerilmesi değerinden daha büyüktür.

3. SERTLİK TESTİ Sertlik: Bir malzemenin yüzeyine batırılan sert bir cisme karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik değerleri direk olarak malzemelerin dayanımları ile alakalı olduğu için büyük önem taşır. Sertlik deneyi; malzemelerin dayanımları ile ilgili bağıl değerler veren tahribatsız bir test yöntemidir. Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre: Brinell sertlik ölçme metodu Vickers sertlik ölçme metodu Rockwell sertlik ölçme metodu 45 45

3. SERTLİK TESTİ Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre:(a) Brinell, (b)vickers, (c) Rockwell sertlik ölçüm metotları. 46 46

Brinell Yöntemi iz Standart test: 10mm çaplı sert bilye ve 3000kgf yük ile yüzeye bastırılır. Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: izin çapı ölçülür. Pratikte daha küçük yük/çap kombinasyonları mevcut. Yük: F(kgf) = A.D 2 (mm 2 ) A malzemenin türüne bağlıdır. 2.5mm bilye ile çelik ölçülüyorsa, 187.5 kgf, Al ölçülüyorsa 31.25kgf yük gerekir. 2F BSD D [ D D BSD = Brinell sertlik değeri D = Bilye çapı F = Uygulanan kuvvet d = izin çapı. Malzeme 2 A Demir / Çelik 30 Cu / Pirinç / Bronz 10 Al / Pb vb. 5 d 2 ] 47 47

3. SERTLİK TESTİ Brinell Yüzeyi düzgün hazırlanması gerekir. Malzemeye göre değişen yük/çap oranları Sertleştirilmiş çelik bilye ile 400BSD ne kadar, sinterlenmiş karbür bilye ile 550BSD ne kadar ölçüm yapılabilir. Bu metot daha büyük sertliklere uygun değildir. Eğer bilye ezilmeye başlarsa yanlış ölçümler yapılır. 48 48

3. SERTLİK TESTİ Brinell Metallerde BSD ile çek arasında 400 BSD ye kadar doğrusal ilişki vardır. 2 2 BSD( kgf / mm ) ç ( kgf / mm ) 3 2 BSD( kgf / mm ) ç ( MPa) 10 3 49 49

3. SERTLİK TESTİ 2 2 BSD( kgf / mm ) ç ( kgf / mm ) ç( MPa) 3 BSD( kgf 3 / mm 2 ) 10 50 50

3. SERTLİK TESTİ Vickers Batıcı uç tepe açısı 136 o olan elmas piramit yüzeye bastırılır. Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: Kare şeklindeki izin köşegenleri mikroskopla ölçülür. Sert veya yumuşak tüm malzemelere uygulanabilir. Kuvvet seçiminde malzeme kriteri yoktur. BSD değeri gibi çekme dayanımının tespitinde kullanılabilir. d ort d 1 d 2 2 1.72F VSD 2 d ort VSD = Birinell sertlik değeri F = Uygulanan kuvvet d ort = izin köşegen ortalaması. 51 51

3. SERTLİK TESTİ Rockwell metodu Batıcı uç olarak sertleştirilmiş çelik bilye veya elmas koni kullanılır. Ucun yüzeye battığı derinlik dikkate alınır. Malzemeye göre uç/yük kombinasyonu seçilmelidir. Plastik malzemelerin ölçümü de yapılabilir: bir çok skalası mevcuttur. C skalası; sert metaller için kullanılır: 150kgf yük ve tepe açısı 120 o olan elmas koni uç kullanılır. B; 100kgf yük ve 1/16 çapında sert bilye kullanılır. 52 52

3. SERTLİK TESTİ 53 53

3. SERTLİK TESTİ Ölçüm yüzeyleri temiz olmalıdır. Deney parçası yeterli kalınlıkta olmalı, kenara yakın ölçümler yapılmamalı, birbirine yakın ölçümler yapılmamalı, en az 3 ölçüm yapılmalıdır. 54 54

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Çentik darbe deneyi, malzemeyi gevrek davranmaya iten şartlar altında malzemenin dinamik tokluğunu ölçmek için yapılır Normal şartlarda sünek malzeme Üç eksenli yükleme hali Düşük sıcaklıkta zorlama Kuvvetin ani uygulanması (darbe) durumlarında plastik şekil değişimine imkan bulamaz ve gevrek davranış gösterirler. Bu şartlardan biri veya bir kaçı gerçekleşmişse malzeme gevrek davranabilir. Bu amaç için Charpy (üç noktadan eğme) veya Izod (ankastre eğme) deneyleri mevcuttur. 55 55

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Belli bir potansiyel enerjiye sahip kütle V-çentik açılmış numuneye çarptırılır. Numunenin kırılması için gereken enerji Darbe Enerjisi - E k saptanır. Ek mg ( h h') 56 56

4. ÇENTİK DARBE TESTİ a) Dayanım: Darbe enerjisine etki eden faktörler: a) Dayanım b) Kristal yapı, c) Sıcaklık d) Kimyasal bileşim Darbe deneylerin dinamik tokluğu belirlemektedir. Fakat statik toklukla ( - grafiğinin altındaki alan) arasında ilişki vardır. Dayanımı yüksek malzemeler darbeye karşı direnci zayıf olurken düşük dayanımlı malzemelerin darbe dirençleri yüksek olabilir. 57 57

4. ÇENTİK DARBE TESTİ 58 58

4. ÇENTİK DARBE TESTİ 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 (ductilebrittle transition temperature). 59 59

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Kristal Yapı /Sıcaklık SDH HMK da ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının düşük sıcaklıklarda, dislokasyon hareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisini arttığı varsayılmaktadır. 60 60

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Sünek-Gevrek Geçiş Sıcaklığı Tg T @ E max 2 E min 61 61

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Kompozisyon 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. 62 62

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Geçiş sıcaklığı gösteren malzemelerde; Darbe özellikleri dikkate alınarak yapılan tasarımlarda, seçilen malzemenin sünek gevrek geçiş sıcaklığının kullanım sıcaklıklarına tekabül etmemesi, ve hatta mümkün olduğu kadar düşük olmasıdır. Böylece, soğuk havalarda, ani zorlamalar altında malzeme beklenmedik gevrek kırılma göstermeyecektir. Bu tasarım kriterlerine bir örnek; gemi gövdelerinde kullanılan sacın, -20oC de, en az 70J lük darbe enerjisine sahip olması gerekliliğidir. Bu değer farklı uygulamalarda değişebilir

4. ÇENTİK DARBE TESTİ Çentik faktörü; Çentik: Bir parçada bulunan ani kesit değişimidir. Bir malzemede çentiğin bulunması malzemenin içerisindeki gerilme dağılımını değiştirir. Çentik dibinde bir gerilme yığılması oluşur ve bu değer çentiğin bulunmaması dikkate alınmadan yapılan hesaplanandan daha büyük gerilme değerlerine ulaşır.

5. YORULMA Daha önce statik ve darbeli yüklemeleri gördük. Gerçekte ise zorlamalar sürekli değişkenlik göstermektedir. Yorulma hasarı: malzemelerin çekme ve akma dayanımlarından (statik koşullarda) daha düşük değerlerdeki tekrarlı gerilmelerin etkisinde, belirli bir çevrim sonrasında kırılması ile oluşan hasardır. 65 65

5. YORULMA S-N yorulma diagramları (Wohler Diagramları) Malzemelerin hangi çevrim sayısında hasara uğrayacağını gösteren diagramlardır. Başka bir açıklama yoksa ortalama gerilme sıfır olacak şekilde deneyler yapılır. Yani max ve min gerilmeler ters işaretli olmak üzere birbirine eşittir.

5. YORULMA

YORULMA HASARI ÖRNEKLERİ

TIRSAN Yeni Geliştirilen Treylerin FEM Analizleri ve Hızlandırılmış Yoruma Testleri", 2011-2012. FORD Yeni üretim bir aracın akson bağlantı parçlarının hızlandırılmış yorulma testleri",2012. "HYUNDAI in Türkiyede üretimini yaptığı MATRIX tipinin farklı yol şartlarında araç üzerinden alınan verilere göre Hızlandırılmış Yorulma Testi ", "HYUNDAI",2008. "OTOKAR ın yeni üretimini gerçekleştireceği bir araç için Danışmanlık; çeşitli yol şartlarına göre yükleme durumlarının hesaplanması ve CAD analizleri, çeşitli yol testleri için ivme, deplasman, strain vs. verilerinin toplanması, işlenmesi, değerlendirilmesi", "OTOKAR",2007-2008. "ISUZU nun yeni üreteceği CityMax Belediye Otobüsünün, Bilgisayar ortamında Gerilme analizleri, Türkiye deki farklı yol şartlarında araç üzerinden alınan verilere göre Hızlandırılmış Yorulma Testi", "ISUZU",2007-2008. "Traktörün ön aksının bağlı olduğu panelin Muhtelif Tarla Yollardan alınan verilere göre Hızlandırılmış Yorulma Testi", "Türk Traktör",2006-2007. "Ön aks, Akson ve Bağlantılarının Muhtelif Yollardan alınan verilere göre Hızlandırılmış Yorulma Testi", "PARSAN",2006. "Yakıt Tankının Hızlandırılmış ömür pistinden alınan yol datalarına göre yapılan Yorulma Testi", "OTOKAR",2005. "Ön süpansiyon sisteminin Alınan Yol datalarına göre Hızlandırılmış Yorulma Testi", "TEMSA",2005. "Yeni Geliştirilen Treylerin Bilgisayar ortamında Yorulma Simülasyonu", "TIRSAN", 2005. "Yeni geliştirilen Kargo Kabinin Hızlandırılmış Yorulma Testi", "OTOSAN", 2001.

5. SÜRÜNME 82 82

5. SÜRÜNME

ÖRNEKLER

The effect of sulfur on the fracture toughness of high-strength low-alloy steel