MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MALZEME BİLİMİ Malzemelerin Mekanik Özellikleri
Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
Uçaklarda bolca, alüminyum alaşım güçlendirilmiş kompozit kullanılmaktadır.
ve
karbonla
Spor malzemeleri düşük ağırlıklı, tok ve darbe direnci yüksek malzemelerdir.
Tokluk (Toughness): Malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade eder. Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerin tokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir.
Mukavemet: Birim kesit alanına uygulanan yüktür. Gerinim/Deformasyon: Birim uzunlukta oluşan uzamadır. Young modulu: Gerilim-deformasyon eğrisinin doğrusal bölümünün eğimidir. Kayma modülü (G): Gerilim-kayma eğrisinin doğrusal parçasının eğimidir. Viskozite: Akmaya karşı dirençtir. Kayma geriliminin kayma deformasyon hızına oranıdır. (birimler Poise veya Pa-s). Tiksotropik davranış: Kayma incelmesi, kayma hızının zamanla azalması.
Elastik malzemelerde Young modülünün tanımlanması
Newtonian ve Newtonian olmayan kayma gerilim deformasyon oranı
Malzemelerin Mekanik Özellikleri Mekanik tasarım ve imalat sırasında malzemelerin mekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir. Başlıca mekanik özellikler: Çekme/basma (tensile/compression) Sertlik (hardness) Darbe (impact) Kırılma (fracture) Yorulma (fatigue) Sürünme (creep)
Çekme Deneyi Çekme Testi: Gerilim-Gerinim/Deformasyon Diyagramı Yük: Test esnasında malzemeye uygulanan yüktür. Deformasyon ölçer veya ekstansometre: Boydaki değişimi ve deformasyonu ölçen cihaz. Cam geçiş sıcaklığı (Tg): Sünek malzemenin gevrek davranmaya başladığı andaki sıcaklığıdır. Mühendislik gerilimi: Uygulanan yükün malzemenin orijinal kesitine bölümüdür. Mühendislik deformasyonu/gerinimi: Çekme testi esnasında birim uzunlukta malzemede oluşan deformasyondur.
Çekme Deneyi Malzemenin statik kuvvetler altında dayanımı vs. mekanik özelliklerinin test edilmesinde kullanılır. Çekme testinde malzemeye hareketli bir kafa ile uygulanan tek yönlü yük uygulanır. Kafanın hareketi vida veya hidrolik sistemler ile sağlanır.
Çekme deneyi
Çekme Deneyi Malzeme seçimi, parçalar için gerekli kullanım şartlarıyla malzemenin özellikleri karşılaştırılarak yapılır. Malzeme seçiminin ilk aşaması, malzemenin kullanım şartlarının analizini yapmaktır. Gerilme-Gerinim Diyagramı Malzemenin statik veya yavaş uygulanan bir kuvvete karşı direncini ölçmek için yapılır. Çekme testinde hareket edebilen başlıklar aracılığı ile numuneye tek yönlü kuvvetler uygulanır.
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi Yük-ölçü boyu verilerinin gerilim ve şekil değiştirme verilerine çevrimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi Aluminyum alaşımı için gerilim-şekil değiştirme eğrisi
Elastik-Plastik Şekil Değiştirme • • •
Büyük kuvvetler uygulandığında malzeme plastik davranış gösterir. Gerilme arttığında dislokasyonlar hareket etmeye başlar. Kayma olur ve malzeme plastik olarak şekil değiştirir. Kuvvet kaldırıldığında elastik şekil değişikliği ortadan kalkar fakat kaymanın neden olduğu değiştirme kalıcıdır.
Elastik Bölge
Boyun verme (necking)
Plastik Bölge
a
a
Heterojen PŞD
Homojen PŞD Ç x Akma noktası (akma dayanımı) a = 0.2
x x
Elastik sınır
Çekme dayanımı (boyun verme başlangıcı) Kırılma-kopma
uygulanan gerilme akma dayan. elastik uygulanan gerilme akma dayan. plastik elastik 0.002
: Gerilme : Birim şekil değiştirme
F Ao
l l lo lo lo Çekme deneyinden elde edilen F-L (kuvvet uzama) eğrisi
F-L’deki verilerinden elde edilen - (Gerilme-Birim uzama) eğrisi
1. Belirgin akma gösteren malzemelerin - diyagramları 2. Belirgin akma göstermeyen malzemeler - diyagramları
Belirgin akma noktası
• •
Akma Dayanımı Kaymanın fark edilir ve etkili olduğu durumdaki gerilmedir. Şekillendirme veya şekil değiştirme işlemi gerektiren parçaların üretiminde, gerilme, malzemenin şeklinde kalıcı bir değişiklik oluşturması için, akma dayanımının üzerinde olmalıdır.
Malzemenin plastik şekil değiştirmeye değerine “akma dayanımı” adı verilir.
başladığı gerilme
Belirgin akma göstermeyen malzemeler Belirgin akma gösteren malzemeler
0.2
Belirgin akma noktası
a
Belirgin olmaması, durumunda, akma dayanımı %0,2 kalıcı PŞD oluşturan gerilme değerine eşittir.
p =0.002 = %0.2
. e
Belirgin akma gösteren malzemeler Çekme dayanımı Pekleşme
Luders bantlarının oluşumu
Boyun verme Büzülme
Kırılma-kopma
Düşük karbonlu çelik belirgin akma noktası gösterir. Ayrıca 2 adet akma noktası tanımlanmıştır: (a) Üst akma noktası, (b) Alt akma noktası.
Çift Akma Noktası Az karbonlu çeliklerde görülür. Malzemenin σ1 gerilmesinde plastik şekil değiştirmesi beklenir ancak küçük arayer atomlarının dislokasyonlar etrafında kümeleşmesi kaymaya engel olur ve akma noktasını σ2’ye yükseltir.
Çift Akma Noktası • Üst akma noktası mekanik olarak bu kilitlerin kırılmasını ifade eder. İlk akmanın meydana geldiği kayma bandının pekleşme ile kilitlenmesinden sonra diğer düzlemlerde akma meydana gelir. • Bu olayın kesit boyunca devamı ile luders bantları oluşur. • Bu olay tamamlanınca homojen şekil değişimi başlar.
Üst akma noktası Akma uzaması
Alt akma noktası
Lüders bantlar
Akmamış bölge
Deformasyon Yaşlanması Normal malzemenin davranışı. A. Eğer deney x’te durdurulup, beklenmeden devam ettirilirse, eğri kaldığı yerden devam eder. B. Eğer deney y’de durdurulup 100-200 oC civarında ısıl aktivasyon uygulanırsa ve soğutulan malzemeye yeniden çekme uygulanırsa, belirgin akma noktası tekrar görülür.
Deneme (Proof veya Offset) Akma Dayanımı Malzemelerde elastik davranıştan plastik davranışa geçiş gerilmesi kolaylıkla tespit edilemediğinde, akma gerilmesi:
Orijinden 0,002 deneme gerinimi ile gerilme-gerinim eğrisinin başlangıç kısmına paralel bir çizgi çizilebilir. %0,2 deneme akma gerilmesi, gerilme-gerinim eğrisinde çizilen kesikli çizgiyi kesen gerilmedir.
Düşük ve Yüksek Akma Değerleri
Değişik mühendislik malzemeleri için tipik akma mukavemetleri.
• • •
Çekme Dayanımı Uygulanan en yüksek kuvvetle elde edilen gerilmedir. Mühendislik gerilme-gerinim eğrisi üzerindeki maksimum gerilmedir. Pek çok sünek malzemede, bazı noktalarda bir bölge diğer bölgelerden daha fazla şekil değiştirdiği ve kesit alanda büyük bir bölgesel daralma olduğu için, şekil değiştirme uniform olmaz.
Gerçek Gerilme Gerçek Gerinim
Çekme için gerekli yükün azalmasına karşın, yükün uygulandığı alanın daha fazla küçülmesinden dolayı boyun verme başladıktan sonra gerçek gerilme yükselir.
Gevrek Davran Davranış Sünek malzemeler çekme dayanımında, maksimuma giden gerilme-gerinim eğrisi sergilerler. Çok gevrek malzemelerin, kopma noktalarında çekme ve kopma dayanımı aynı olur.
Plastik deformasyon
Elastik Sınır
Elastik deformasyon
Ç; Çekme dayanımı A noktası
k ; Kopma gerilmesi
A; Akma dayanımı
Elastiklik modülü
Kopma uzaması
P
E
T (= E + P)
Süneklik / Gevreklik / Tokluk / Rezilyans • Süneklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetini ifade eder. Bu değerin büyümesi, malzeme kopana kadar daha büyük plastik şekil değiştirme göstermesi 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. - eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerin tokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir. • Rezilyans: Malzemenin elastik şekil değişimi sırasında depoladığı enerjidir. - eğrisinde elastik bölgenin altında kalan alana eşittir.
34
Süneklik • Kopma uzaması; lk, eğriden de bulunabilir.
lk lo lo
lk = Kopma anında ölçü lo = ilk ölçü boyu
boyu
• Kesit daralması: Ak, Eğriden bulunamaz.
Ao Ak Ao
Ao = İlk kesit alanı Ak = Kopmadan sonra ölçülen kesit alanı
Statik Tokluk Tokluk malzeme kırılıncaya kadar harcadığı enerjiyi ifade eder. - eğrisinin altında kalan alandır.
Tokluk d
Statik Tokluk
Gevrek Orta süneklik
Malzemenin kırılana kadar ne kadar enerji yutacağının göstergesidir.
Yüksek süneklik
Tokluk d
Rezilyans Rezilyans, - eğrisinde, elastik bölge altında kalan alandır. Elastik davranış sırasında depoladığı enerjiyi ifade eder.
Yay çelik
Rezilyans : e
Up Basit karbonlu çelik
0
e . e .d 2
39
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi Eğme testi: Malzemenin statik veya yavaş uygulanan yüke gösterdiği direnci ölçer. Malzeme iki ucundan desteklenerek yük malzemenin ortasına uygulanır. Flexural mukavemet veya kırılma modülü: Eğme testinde numunenin kırılması için gerekli gerilim. Flexural modul: Eğme testi sonuçlarından hesaplanan elastisite modülüdür. Bu gerilim-defleksiyon eğrisinin eğimidir.
Gevrek malzemelerin gerilim-gerinim eğrilerinin sünek malzemelerle karşılaştırması.
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi
(a) Gevrek malzemelerin gerilimini ölçmede kullanılan eğme testi (b) eğme testi ile bulunan defleksiyon δ.
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi
MgO’nun eğme testinden elde edilen gerilim defleksiyon eğrisi
Elastik Şekil Değişimi
Ç K 0.2
Plastik Bölge
0.002
Elastik Şekil Değişimi
a E, Elastiklik modülü
Elastik şekil değişiminde atomsal bağlardaki uzamalar.
Elastik şekil değişimi • • • •
Elastik bölgede Hook Kanunu geçerlidir. Gerilme ile birim uzama lineer olarak değişir. Kuvvet kalkınca, elastik uzama ortadan kalkar. E, Elastiklik Modülü, lineer kısmın eğimine eşittir. – Malzemenin karakteristik özelliğidir (malzemeden malzemeye değişir) – E büyüdükçe malzeme daha rijit hale gelir yani gerilme ile daha az şekil değişimi gösterir. Küçüldükçe daha elastik davranır.
Hook Kanunu
Normal gerilme
E = Normal gerilme = Birim şekil değişimi E = Elastiklik modülü
Kayma gerilmesi
G = Kayma gerilmesi = Kayma birim şekil değişimi G = kayma modülü
E’ye (Elastiklik modülüne) etki eden parametreler: • Kimyasal bileşim (Al ve çelikte farklı) • Ortam sıcaklığından etkilenir. • Isıl işlemden etkilenmez (Aynı çeliğin yumuşak hali ile sertleştirilmiş hali aynı E’ye sahiptir).
Kimyasal kompozisyonun etkisi E, bir malzeme özelliğidir. E, kimyasal kompozisyondan etkilenir. Çelik Alüminyuma göre daha rijittir.
Sıcaklığın Etkisi
Sıcaklık arttıkça E, azalır.
Poisson Oranı y x (izotropik malzemelerde) z z
• Malzemelerin elastik özelliklerini belirleyen diğer bir parametredir. • Elastik şekil değişimi sırasında malzeme hacminde değişiklik olur (plastik deformasyonda hacim sabit kalır). • Çekme yönünde malzeme uzarken buna dik yönde kısalma gerçekleşir. Aradaki oran poisson oranı ile belirlenir.
• •
Metaller için 0,28 ile 0,32 arasında değişir. Genelde 0,3 tür (elastik Ş.D.). Plastik şekil değişiminde hacim sabit kalır ve poisson oranı 0,5 değeri alır.
Çelik ve alüminyumun elastik davranışlarının karşılaştırılması. Belirli bir gerilim için alüminyum çelikten üç kez fazla elastik olarak deforme olur
Değişik mühendislik malzemelerinin elastik modülleri
Plastik Şekil Değişimi
55
Plastik Şekil Değişimi • Malzemelerin dayanımını ifade eden Akma dayanımının üzerinde gerilmeler uygulanması durumunda plastik şekil değişimleri (kalıcı-geri dönüşsüz) (PŞD) başlar.
a
• Bu noktada PŞD, dislokasyonlar başlamasıyla meydana gelir.
56
kaymaya
Plastik Şekil Değişimi • •
•
PŞD’de sıcaklık seviyelerine bağlı olarak farklı şekil değiştirme mekanizmaları mevcuttur. Bunlar; 1. Soğuk plastik şekil değiştirme, 2. Sıcak plastik şekil değiştirme 3. Ilık plastik şekil değiştirme Bu sıcaklık seviyeleri benzeş sıcaklık ile belirlenir.
57
Benzeş Sıcaklık (Homologous Temperature)
K o
TB
TÇ K TE
o
0 < TB < 0.25 0.25 < TB < 0.5 0.5 < TB < 1
TE = Malzemenin erime sıcaklığı TÇ = Çalışma sıcaklığı
Soğuk Şekil Değişimi Ilık Şekil değişimi Sıcak Şekil değişimi
58
Sıcak şekil değiştirme •
•
•
Şekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyon mekanizmaları aktif hale gelir. Pekleşme olamaz: – Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb) – Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip) Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularak kaymaya devam ederler. Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenar dislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyon yoğunluğunu azalır. Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir arada tutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile taneler birbirleri üzerinde kayarlar.
(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.
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 (ductile-brittle transition temperature).
Kristal Yapı/Sıcaklık SDH
HMK’de 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.
Sünek-gevrek Geçiş Sıcaklığı
Tg T @
E max E min 2
Kompozisyon • •
HMK’de 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.
Oda sıcaklığı; • Fe, Cu, Al gibi bir çok metal için soğuk şekil değişim bölgesi iken • Pb, Sn gibi düşük erime sıcaklığına sahip malzemeler için sıcak şekil değişim bölgesi olur.
65
Soğuk Şekil Değiştirme Soğuk şekil değişiminde iki tür şekil değiştirme mekanizması etkin olabilir. 1. Kayma 2. İkizleme
Kaymanın zor olduğu durumlarda plastik şekil değişimi ikizleme (twinning) ile PŞD, kayma ile yani dislokasyonların gerçekleşir. kayarak hareket etmeleri ile gerçekleşir. 66
Soğuk Şekil Değiştirme Ç K 0.2 Normal çekme deneyi Soğuk Şekil Değiştirme alanında gerçekleştiği için aynı eğri elde edilir.
0.002
Kayma: Pekleşme Kavramı • Plastik deformasyon sırasında, dislokasyonlar kayma düzlemlerinde kayarak hareket ederler. • Fakat bu sırada yeni dislokasyonlar meydana gelir ve yoğunlukları artar. • Sayılarının artması ile birbirlerinin hareketini engellemeye veya başka engellere (boşluk, yer alan, ara yer, tane sınırı, çökelti, vs.) takılmaya başlarlar. • Böylece hareketleri için daha yüksek gerilmeler gerekir. • Bu durum deformasyon sertleşmesi veya Pekleşme (strain hardening-work hardening) olarak adlandırılır.
Homojen PŞD Bölgesi • - eğrisinin akma noktası ile tepe noktası (boyun verme) arasında kalan kısmıdır. Açıklama: • PŞD’de parça uzunluğu sürekli artar. Hacim sabit kalır ve uzunluktaki artış kesit alanında daralma ile dengelenir. • Akma noktasından sonra tepe noktasına kadar malzeme pekleşir ve daha çok gerilme gerekir fakat PŞD oldukça kesit küçülür böylece gerilme artar bu iki durum birbirini dengeler.
Homojen PŞD Bölgesi • - eğrisinin tepe noktası (boyun verme) ile kopma noktası arasında kalan kısmıdır. Açıklama: • Tepe noktasından (çekme dayanımı) sonra plastik kararsızlık başlar. Kesit bir bölgede hızla daralmaya başlar ve malzeme boyun (neck) verir. • Şekil değişimi için gereken kuvvet azalır. Bu nedenle eğri aşağı doğru döner. Belli bir noktada kopma gerçekleşir.
Akma noktasından sonra homojen PŞD (pekleşme / kesit daralması dengesi)
Boyun verme başlangıcı
Max noktadan sonra heterojen PŞD (dengenin bozulması)
Ç 0.2
a
0.002
Kırılma (kopma)
Homojen PŞD Bölgesi
Çekme Dayanım Değerleri
Çekme diyagramından elde edilen veriler • • • • • • • • •
E, Elastiklik modülü a, Akma dayanımı ç, Çekme dayanımı k, Kopma gerilmesi , Kopma uzaması , Kesit daralması ün, Üniform uzama Statik tokluk Rezilyans
Ayrıca her hangi bir noktada • Elastik şekil değişim miktarı • Plastik şekil değişim miktarı, vs bulunabilir
Gerçek Gerilme-birim şekil değiştirme • Şu ana kadar hesaplamalarda başlangıçta geometrik veriler kullanıldı. Bu şekilde hesaplanan veriler “Mühendislik” değerlerdir. • Gerçekte plastik şekil değiştirme ile birlikte kesit alanı (hacmin sabit kalması ile) sürekli azalır. • Bu şekilde elde edilen veriler “Gerçek” değerdir. • Özellikle metal şekillendirme uygulamalarında gerçek değerler kullanılır.
75
Gerçek birim uzama. Mühendislik birim uzama.
l l lo l 1 lo lo lo
l 1 lo
dl d g l l dl l g ln l lo lo
g ln( 1) PŞD de Hacim sabit kalır.
lo Ao lo A l A Ao l Gerçek gerilme.
Mühendislik Gerilme.
F Ao
F F l g (1 ) A Ao lo 76
4’ x 3’ x x x 4 2’ xx 3 1’ x 2 1
Gerçek değerlere göre çizilen gerçek gerilme-birim uzama eğrisine “Akma eğrisi” (Flow curve) de denir. • Elastik bölgede fark yoktur. • Boyun vermeden sonra homojen olmayan şekil değişiminden dolayı uzama hesaplanamaz.
Şekil : Gerçek ve mühendislik - (GerilmeGerinme) eğrileri. 77
Sıcak Şekil Değiştirme •
•
•
Şekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyon mekanizmaları aktif hale gelir. Pekleşme olamaz: – Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb) – Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip) Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularak kaymaya devam ederler. Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenar dislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyon yoğunluğu azalır. Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir arada tutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile taneler birbirleri üzerinde kayarlar.
(a) Dislokasyon tırmanması: Artan atom arayer veya boşluklara yerleşebilir (b) Fazla atomların eklenmesi ile dislokasyon aşağı inebilir.
Sıcaklığın artması ile; • Elastiklik modülü azalır, • Pekleşme etkisi azalır veya ortadan kalkar. 79
Darbe Deneyi Darbe testi: Malzemenin ani yük altında kırılmadan absorbe etme yeteneğini ölçer. Darbe Enerjisi: Yük aniden uygulandığında numunenin kırılması için gerekli enerjidir. Darbe tokluğu: Malzemenin (genelde çentiklenmiş numunenin) kırılma esnasında çarpma testinde absorbe edilen enerjidir. Kırılma Tokluğu: Malzemede hatanın varlığında malzemenin kırılmaya gösterdiği dirençtir.
Darbe Deneyi 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.
Darbe Deneyi Darbe Deneyinin Yap Yapısı Ani darbelere karşı direnci iyi olan malzeme seçmek için malzemenin kopmaya karşı direnci darbe testiyle ölçülür. Charpy Darbe Deneyi
• Belli bir potansiyel enerjiye sahip kütle V-çentik açılmış numuneye çarptırılır. • Numunenin kırılması için gereken enerji “Darbe Enerjisi Ek” saptanır.
Ek mg (h h' )
Çarpma Testlerinden Elde Edilen Özellikler Sünek gevrek geçiş sıcaklığı: Çarpma testinde malzemenin gevrek davranış sergilediği sıcaklık değeridir. Çentik duyarlılığı: Çentik, çizik veya diğer hataların malzemenin özellikleri üzerine etkisini ölçer. Örnek: Tokluk, yorulma ömrü.
Darbe enerjisine etki eden faktörler a) b) c) d)
Dayanım Kristal yapı, Sıcaklık, Kimyasal bileşim
a) Dayanım: • 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.
Dayanım Enerjisi
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” (ductile-brittle transition temperature) adı verilir.
Kristal Yapı/Sıcaklık
HMK’de ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının düşük sıcaklıklarda, dislokasyon hareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisinin arttığı varsayılmaktadır.
SDH
Darbe Deneyinde Sıcaklık Kullanım sırasında ani darbeye maruz kalabilecek malzeme, malzemeyi kuşatan sıcaklığın altında bir geçiş sıcaklığına sahip olmalıdır. Yüksek sıcaklıklarda malzeme sünektir ve kopmadan önce gerilir. Düşük sıcaklıklarda malzeme gevrektir ve kopma noktasında çok az şekil değişimi gözlenir.
Sünek-gevrek Geçiş Sıcaklığı
Tg T @
E
max
E 2
min
Darbe Deneyinde Sıcaklık HMK metaller belirgin geçiş sıcaklığına sahipken, YMK metaller belirgin geçiş sıcaklığına sahip değildir.
Kompozisyon • •
HMK’de 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.
Çentik Hassasiyeti Kötü işçilik, imalat ve tasarımın neden olduğu çentikler, gerilimlerin yoğunlaşmasına neden olur ve malzemenin tokluğunu azaltır. Malzemenin çentik hassasiyeti, çentikli ve çentiksiz numunelerin absorbe ettikleri enerjiler karşılaştırılarak açıklanabilir.
Çentik Hassasiyeti • •
Sünek dökme demirin yapısı çentik davranışı göstermeyen küresel grafit yumrularına sahiptir. Gri dökme demirin yapısı çentik gibi davranan pul lamel şeklinde keskin uçlu grafitlere sahiptir ve kırılma için düşük enerji gereklidir.
Darbe Gerilmesinin Gerçek Gerilme - Gerçek Gerinim İlişkisi
Darbe enerjisi gerçek gerilmegerinim diyagramının içerdiği alana karşılık gelir. Dayanım ve sünekliği yüksek olan malzemenin tokluğu da iyidir.
Süper-tok naylon termoplastik polimerin Izod test sonuçları.
Gerçek gerilim-gerinim eğrisi altındaki alan tokluğu verir.B malzemesi düşük akma gerilmesine sahip olmasına rağmen daha yüksek enerji absorbe eder.
HMK karbon çeliği ve YMK paslanmaz çelik Charpy V-çentik sonuçları. YMK kristal yapı absorbe olan enerjisi yüksek ve herhangi bir geçiş sıcaklığı sergilemez.
Kırılma Mekaniği Kırılma Mekaniği: Hata var olduğunda malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği direnci inceler. Kırılma Tokluğu: Hata var olduğunda malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği dirençtir.
Kırılma Tokluğu numunelerinin çizimi (a) kenar ve (b) iç hatalar
Kırılma Mekaniği 30.000.000 psi olan kırılma tokluğu artan kalınlık ile düşmekte ve düzlemsel deformasyon kırılma tokluğunda belirli bir seviyede kalmaktadır.
Kırılma Mekaniği
Kırılma Mekaniği
Gevrek malzemelerin kırılma tokluğunun belirlenmesinde ikincil çatlaklar kullanılabilir.
PZT seramiklerde çatlak ilerlemesini gösteren elektron mikroskobu örneği (Courtesy of Wang and Raj N. Singh, Ferroelectrics, 207, 555–575 (1998).)
Kırılma Mekaniği
Değişik mühendislik malzemelerin mukavemetine karşılık kırılma toklukları. (Source: Adapted fromMechanical Behavior of Materials, by T.H. Courtney, 2000, p. 434, Fig. 9-18. Copyright ©2000 The McGraw-Hill Companies. Adapted with permission.)
Metalik Malzemelerde Kırılmanın Mikroyapısal Özellikleri Tane içi (Transgranular): Tane boyunca oluşan kırılmalar. Mikroboşluk: Malzemede küçük boşlukların oluşması. Tanelerarası: Tanelerarası veya tane sınırları boyunca oluşan kırılmalar. Chevron paterni: Ayrı çatlakların malzemelerde değişik seviyelerde ilerlemesi.
Metalik Malzemelerde Kırılmanın Mikroyapısal Özellikleri
Sünek malzeme çekildiğinde önce boyun verme başlar ve boşluklar tane sınırları veya safsızlık yakınlarında oluşur. Deformasyon devam ettiğinde 45°’de kayma dudakları (lip) oluşur ve huni şeklindeki kırılma ile malzeme kopar.
Sünek kırılma esnasında oluşan oyuklar. Eş eksenli oyuklar mikro oyukların büyüdüğü merkezde oluşur. Uzamış oyuklar kırılmanın başlangıcını işaret ederler ve kayma dudaklarında oluşurlar.
Tavlanmış1018 çeliğinin sünek kırılmayı işaret eden elektron mikroskobu görüntüleri.(a) Eş eksenli oyuklar kopan yüzeyin ortasında görüntülenmiş ve (b) kayma dudaklarındaki uzamış oyuklar (x 1250)
Chevron paterni çatlak ilerlemesinin tek başlangıçtan değişik seviyelerde olduğu paterndir.
Seramik, Cam ve Kompozitlerde Kırılmanın Mikroyapısal Özellikleri Yorulma Kırılması: Kırılma yüzeyi başlangıca yakın pürüzsüz ayna zonu ile kalan yüzeylerde çizgilerden oluşur. Ayrılma (Delamination): Kompozit malzemelerde tabakanın ayrılmasıdır.
Seramiklerde kırılma yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobu görüntüleri. (a) Al203(x 1250) ve (b) cam yüzeyi yorulma kırılması görüntüleri (x 300)
Fiber ile güçlendirilmiş kompozitler değişik mekanizmalar ile hasar görürler. (a) Matris ve fiberler arasındaki zayıf bağlanma ile aralarında boşluklar oluşur ve hasara uğrarlar. (b) Bazı katmanların zayıf bağlanması ile matris boşluklar oluşturarak ayrılır.
Yorulma Yorulma, akma mukavemetinin altında veya üstünde tekrar eden gerilim nedeniyle malzemenin hasar görmesi veya mukavemetinin azalmasıdır. Sürünme: Zamana bağlı, yüksek sıcaklıkta kalıcı deformasyondur. Sabit yük ve gerilimde oluşur. Midye kabuğu işaretleri: Yorulmaya maruz kalan bileşenlerde görülen paternlerdir. Dönen kriş testi: Eski yorulma testidir. S-N eğrisi (Wöhler curve): Yorulma devir sayılarının fonksiyonu olarak mukavemeti gösteren grafiktir.
Bir malzemenin akma dayanımının altında tekrarlanan gerilmeye (dönme, eğilme, titreşim sonucu olabilir) maruz kalması sonucu kopmasına yorulma denir. L: Çubuğun boyu F: Yük d: Çap
Destekli Kiriş Testi
Yorulma testi bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceğini veya kopma olmaksızın uygulanabilecek maksimum yüklemeleri belirler. • Yorulma ömrü • Yorulma sınırı • Yorulma dayanımı
Yorulma Özelliklerini Etkileyen Faktörler Çentik Hassasiyeti: • Gerilmeye maruz malzemede yorulma çatlakları, gerilmenin en yüksek olduğu yüzeyde başlar. • Yüzeydeki herhangi bir tasarım veya üretim hatası gerilmeleri yoğunlaştırır ve yorulma çatlaklarının oluşmasını kolaylaştırır.
Yorulma Özelliklerini Etkileyen Faktörler Yorulma Oran Oranı:
Malzemenin yüzeyinde çekme dayanımı artarsa yorulmaya karşı direnci de artar. Sıcaklık Etkisi:
Yorulma kırık yüzeyi (a) düşük büyütme. Oklar çatlakların büyüme yönünü gösterir. (Image (a) is from C.C. Cottell, ‘‘Fatigue Failures with Special Reference to Fracture Characteristics,’’Failure Analysis: The British Engine Technical Reports, American Society for Metals, 1981, p. 318.) (b) Yüksek büyütme (x 1000)
Dönen kriş örneğinin şematik gösterimi
Takım çeliği ve alüminyum alaşımları için gerilim-devir eğrisi (S-N).
Yorulma Test sonuçları Yorulma dayanım sınırı: Yorulma testinde malzemenin hasara uğramadığı gerilim değeridir. Yorulma ömrü: Belirli bir gerilim değerinde yorulma ile malzeme hasara uğramadan önce izin verilen devir sayısıdır. Yorulma dayanımı: Verilen devir adedinde yorulma ile hasara uğramak için gerekli gerilim miktarıdır. Çentik hassasiyeti: Tokluk veya yorulma ömrü değerlendirmesinde çatlak, çentik ve diğer kusurların malzeme özellikleri üzerine etkisidir. Bilyalama: Metal kürelerin/bilyaların bir parçaya fırlatılması prosesidir.
Yorulma Testinin Uygulaması
Gerilim-Çevrim eğrilerine örnekler. (a) Eşit çekme ve basma gerilimi. (b) basma geriliminden yüksek çekme gerilimi (c) Tümü çekme gerilimi
Yorulma Testinin Uygulaması
Yüksek mukavemetli çelik için çatlak ilerleme hızına karşılık gerilim yoğunluk faktörü., C = 1.62 ×10^12 ve n = 3.2
Sürünme, Gerilim Çatlaması ve Gerilim Korozyonu Gerilim-çatlama (rupture) eğrisi: Uygulanan gerilime karşılık çatlama zamanını vererek sürünme testlerinin sonuçlarını rapor eden metottur. Gerilim-Korozyon: Malzemelerin korozif kimyasallarla reaksiyona girerek çatlak oluşumuna ve mukavemet düşmesine sebep olmasıdır.
Sürünme • Malzemeler yüksek sıcaklıkta yük altında (hatta kendi ağırlıkları bile) zamanla kalıcı deformasyona neden olur.
Neden yüksek sıcaklıklarda mukavemet elde etmek istiyoruz?
Nikel ve nikel alaşımları kullanımı (Gaz türbini)
Nikel ve nikel alaşımları kullanımı (Gaz türbini)
• Sürünme deneyi, malzemenin statik bir yük altındaki karakteristiğini belirlemek için kullanılır. • Sürünme deneyi metalik malzemelerde ergime sıcaklığının ~1/3’inde, seramik malzemelerde ~2/5’inde gerçekleşir
Etkileyen Faktörler • • • • •
Malzeme Cinsi Sıcaklık Yükleme Cinsi Yükleme Miktarı Çevre Şartları
Sürünme Eğrisi
Sürünme Eğrisi
Sabit gerilim ve sıcaklıkta zamanın fonksiyonu olarak oluşan deformasyonu gösteren tipik sürünme grafiğidir.
Birincil Aşama • Yükün etkisiyle numune uzar, burada dislakosyon hareketleri hakimdir. • Numunede deformasyon sertleşmesi olur. • Diğer taraftan yüksek sıcaklık nedeniyle iç gerilmeler giderilir. • Kendine gelme toparlama oluşur. • Deformasyon sertleşmesi hakim olduğundan sürünme hızı gittikçe düşer.
İkincil Aşama • Bu bölgede deformasyon sertleşmesi ile kendine gelme hızı birbirine eşittir. • Bu bölgeye Kararlı Sürünme Bölgesi de denir. • Bu bölge sürünmeye karşı direnmede en yüksek değere sahiptir. Uygulama da çok önemlidir. • Mühendislik hesaplarında saatteki belli sıcaklıktaki sürünme hızı sürünme mukavemeti olarak adlandırılır.
Üçüncül Aşama • Bu bölgede sürünme hızı tekrar artar. • Numune boyun vermeye başlar. • Hızdaki bu değişim malzemenin iç yapısındaki değişiminden, boşluk oluşumundan, boşlukların birleşmesinden ve tane sınırlarının kaymasından dolayı hızlı bir plastik deformasyon oluşur. • Sonunda kopma meydana gelir.
Sürünme Eğrisi
Sürünme Eğrisi
Sürünme eğrisine uygulanan gerilim ve sıcaklığın etkisi.
Uygulamalar
Sürünme sırasında oluşan bölgesel deformasyon
Sürünme kopması deneyi ile elde edilen sürünme eğrisi
Sürünme Eğrileri
Sürünme Davranışının Değerlendirilmesi Sürünme
Testi:
Yüksek
sıcaklıkta
akma
gerilmesi
altında
malzemenin statik yüklere maruz tutularak direncini ölçen testtir. Tırmanma: Atomların difüzyonu ile veya dislokasyon çizgisi oluşturmak için dislokasyonların kayma düzlemine dik olarak hareket etmesidir. Sürünme hızı: Yüksek sıcaklıkta gerilim uygulandığında malzemenin deforme olduğu hızdır. Kopma zamanı: Numunenin belirli sıcaklık ve gerilimde sürünme ile hasar görmesi için geçen zamandır.
Sertlik Sertlik Testi: Malzemenin yüzeyinin keskin bir obje ile delinmeye olan direncini ölçer. Makro sertlik: Malzemelerin genel sertlikleridir. >2N büyük yük kullanılır. Mikrosertlik: 2N’un altında yük uygulanarak yapılan sertlik testidir. Ör:Knoop (HK). Nano-sertlik:1–10 nm uzunluk skalasındaki malzemelerin çok düşük yükler kullanılarak (~100 μN) sertliklerinin alınmasıdır. Sertlik Deneyleri: Sertlik testinde sert bir nesne malzeme yüzeyine batırılmak istendiğinde, malzemenin gösterdiği direnç ölçülür. En çok kullanılan sertlik testleri Rockwell ve Brinell sertlik testleridir.
Sertlik • • •
•
Sertlik: Bir malzemenin yüzeyine batırılan sert bir cisme karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik değerleri direk olarak malzemelerin dayanımları ile ilgili 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
Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre:(a) Brinell, (b) Vickers, (c) Rockwell sertlik ölçüm metotları. 144
Brinell Yöntemi
• • • • • •
Standart test: 10 mm çaplı sert bilye ve 3000 kgf yük ile yüzeye bastırılır. Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: İzin çapı ölçülür. Pratikte daha küçük yük/çap kombinasyonları mevcut. Yük: F(kgf) = A.D2(mm2) A malzemenin türüne bağlıdır. 2.5 mm bilye ile çelik ölçülüyorsa, 187.5 kgf, Al ölçülüyorsa 31.25 kgf yük gerekir.
BSD
iz
2F
D [ D D2 d 2 ]
BSD = D = F = d =
Brinell sertlik değeri Bilye çapı Uygulanan kuvvet izin çapı.
Malzeme
A
Demir / Çelik
30
Cu / Pirinç / Bronz
10
Al / Pb vb.
5
Brinell • • • • •
Yüzeyin düzgün hazırlanması gerekir. Malzemeye göre değişen yük/çap oranları Sertleştirilmiş çelik bilye ile 400 BSD’ne kadar, sinterlenmiş karbür bilye ile 550 BSD’ne kadar ölçüm yapılabilir. Bu metot daha büyük sertliklere uygun değildir. Eğer bilye ezilmeye başlarsa yanlış ölçümler yapılır.
BSD(kgf / mm 2 ) BSD(kgf / mm 2 ) ç (kgf / mm ) ç ( MPa) 10 3 3 2
Vickers • • • • •
Batıcı uç tepe açısı 136o 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. VSD = F = dort =
Vickers sertlik değeri Uygulanan kuvvet izin köşegen ortalaması.
d1 d2 dort 2 1.72 F VSD 2 d ort
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: 150 kgf yük ve tepe açısı 120o olan elmas koni uç kullanılır. B; 100 kgf yük ve 1/16” çapında sert bilye kullanılır.
•
Notlar: Yumuşak malzemeler için küçük çaplı çelik küreler sert malzemeler için ise elmas koni kullanılır. Kürenin iz derinliği cihaz tarafından ölçülür ve Rockwell sayısına çevrilir.
Sertlik Testleri
• Ölçüm yüzeyleri temiz olmalıdır. • Deney parçası yeterli kalınlıkta olmalı, kenara yakın ölçümler yapılmamalı, birbirine yakın ölçümler yapılmamalı, en az 3 ölçüm yapılmalıdır.
