MALZEME BİLİMİMALZEME BİLİMİ

Malzemelerin Mekanik ÖzellikleriMalzemelerin Mekanik Özellikleri

Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİRYrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

MARMARA ÜNİVERSİTESİ MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİTEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜMAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Uçaklarda bolca, alüminyum alaşım ve karbonlagüçlendirilmiş kompozit kullanılmaktadır.

Spor malzemeleri düşük ağırlıklı, tok ve darbedirenci yüksek malzemelerdir.Tokluk (Toughness): Malzemenin kopana dek absorbeettiği toplam enerjiyi ifade eder. Gerilme-şekil değiştirmeeğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerintokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir.

Mukavemet: Birim kesit alanına uygulananyüktür.Gerinim/Deformasyon: Birim uzunlukta oluşanuzamadır.Young modulu: Gerilim-deformasyon eğrisinindoğrusal bölümünün eğimidir.Kayma modülü (G): Gerilim-kayma eğrisinindoğrusal parçasının eğimidir.Viskozite: Akmaya karşı dirençtir. Kaymageriliminin kayma deformasyon hızına oranıdır.(birimler Poise veya Pa-s).Tiksotropik davranış: Kayma incelmesi, kaymahızının zamanla azalması.

Elastik malzemelerde Young modülünün tanımlanması

Newtonian ve Newtonianolmayan kayma gerilimdeformasyon oranı

Malzemelerin Mekanik Özellikleri

Mekanik tasarım ve imalat sırasında malzemelerinmekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir.Başlıca mekanik özellikler: Çekme/basma (tensile/compression) Sertlik (hardness) Darbe (impact) Kırılma (fracture) Yorulma (fatigue) Sürünme (creep)

Çekme DeneyiÇekme Testi: Gerilim-Gerinim/Deformasyon DiyagramıYük: Test esnasında malzemeye uygulanan yüktür.Deformasyon ölçer veya ekstansometre: Boydakideğişimi ve deformasyonu ölçen cihaz.Cam geçiş sıcaklığı (Tg): Sünek malzemenin gevrekdavranmaya başladığı andaki sıcaklığıdır.Mühendislik gerilimi: Uygulanan yükün malzemeninorijinal kesitine bölümüdür.Mühendislik deformasyonu/gerinimi: Çekme testiesnasında birim uzunlukta malzemede oluşandeformasyondur.

Çekme Deneyi

Çekme deneyi

Malzemenin statik kuvvetler altında dayanımı vs. mekanik özelliklerinintest edilmesinde kullanılır. Çekme testinde malzemeye hareketli bir kafa ileuygulanan tek yönlü yük uygulanır. Kafanın hareketi vida veya hidroliksistemler ile sağlanır.

Çekme Deneyi

Malzeme seçimi, parçalar için gerekli kullanım şartlarıylamalzemenin özellikleri karşılaştırılarak yapılır.Malzeme seçiminin ilk aşaması, malzemenin kullanımşartlarının analizini yapmaktır.Gerilme-Gerinim DiyagramıMalzemenin statik veya yavaş uygulanan bir kuvvete karşıdirencini ölçmek için yapılır.Çekme testinde hareket edebilen başlıklar aracılığı ilenumuneye tek yönlü kuvvetler uygulanır.

Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi

Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi

Yük-ölçü boyu verilerinin gerilim ve şekil değiştirme verilerineçevrimiMühendislik Gerilmesi ve Gerinimi

Aluminyum alaşımı için gerilim-şekil değiştirme eğrisiMühendislik Gerilmesi ve Gerinimi

Elastik-Plastik Şekil Değiştirme

• Büyük kuvvetler uygulandığında malzeme plastikdavranış gösterir.• Gerilme arttığında dislokasyonlar hareket etmeye başlar.Kayma olur ve malzeme plastik olarak şekil değiştirir.• Kuvvet kaldırıldığında elastik şekil değişikliği ortadankalkar fakat kaymanın neden olduğu değiştirme kalıcıdır.

Elastik Bölge

a = 0.2

Ç

0.002

Plastik Bölge

x

xÇekme dayanımı

(boyun verme başlangıcı)

Kırılma-kopma

Homojen PŞD Heterojen PŞD

a

Akma noktası(akma dayanımı)

xElastik sınır

Boyun verme

(necking)

elastikplastik dayan. akma gerilmeuygulanan elastik dayan. akma gerilmeuygulanan

a

Çekme deneyinden eldeedilen F-L (kuvvet uzama)eğrisiF-L’deki verilerinden eldeedilen - (Gerilme-Birimuzama) eğrisi

oAF

o

o

o lll

ll

: Gerilme : Birim şekil değiştirme

1. Belirgin akma gösteren malzemelerin - diyagramları2. Belirgin akma göstermeyen malzemeler - diyagramları

Belirgin akma

noktası

Akma Dayanımı• Kaymanın fark edilir ve etkili olduğu durumdaki gerilmedir.• Şekillendirme veya şekil değiştirme işlemi gerektirenparçaların üretiminde, gerilme, malzemenin şeklinde kalıcıbir değişiklik oluşturması için, akma dayanımının üzerindeolmalıdır.

Belirgin akma göstermeyen malzemeler Belirgin akma gösteren malzemeler

Belirgin akma noktası

p =0.002 = %0.2 e

0.2 a

Malzemenin plastik şekil değiştirmeye başladığı gerilmedeğerine “akma dayanımı” adı verilir.

Belirgin olmaması, durumunda,akma dayanımı %0,2 kalıcı PŞDoluşturan gerilme değerine eşittir. .

Belirgin akma gösteren malzemeler

Düşük karbonlu çelik belirgin akma noktası gösterir. Ayrıca 2 adet akma noktası tanımlanmıştır: (a) Üst akma noktası, (b) Alt akma noktası.

Çekme dayanımı Boyun verme

Büzülme

Kırılma-kopma

Pekleşme

Luders bantlarının

oluşumu

Az karbonlu çeliklerde görülür. Malzemenin σ1 gerilmesindeplastik şekil değiştirmesibeklenir ancak küçük arayeratomlarının dislokasyonlaretrafında kümeleşmesikaymaya engel olur ve akmanoktasını σ2’ye yükseltir.

Çift Akma Noktası

Akma uzaması

Alt akma noktası

Üst akma noktası

Lüders bantlar

Akmamış bölge

• Üst akma noktası mekanik olarak bu kilitlerin kırılmasını ifade eder. İlkakmanın meydana geldiği kayma bandının pekleşme ile kilitlenmesindensonra diğer düzlemlerde akma meydana gelir.• Bu olayın kesit boyunca devamı ile luders bantları oluşur.• Bu olay tamamlanınca homojen şekil değişimi başlar.

Çift Akma Noktası

Normal malzemenin davranışı.A. Eğer deney x’te durdurulup, beklenmeden devam ettirilirse, eğri kaldığıyerden devam eder.B. Eğer deney y’de durdurulup 100-200 oC civarında ısıl aktivasyonuygulanırsa ve soğutulan malzemeye yeniden çekme uygulanırsa, belirginakma noktası tekrar görülür.

Deformasyon Yaşlanması

Deneme (Proof veya Offset) Akma DayanımıMalzemelerde elastik davranıştan plastik davranışa geçişgerilmesi kolaylıkla tespit edilemediğinde, akma gerilmesi:

Orijinden 0,002 deneme gerinimiile gerilme-gerinim eğrisininbaşlangıç kısmına paralel birçizgi çizilebilir.%0,2 deneme akma gerilmesi,gerilme-gerinim eğrisinde çizilenkesikli 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 alandabüyük bir bölgesel daralma olduğu için, şekil değiştirmeuniform olmaz.

Gerçek Gerilme Gerçek Gerinim

Çekme için gerekli yükünazalmasına karşın,yükün uygulandığı alanındaha fazlaküçülmesinden dolayıboyun verme başladıktansonra gerçek gerilmeyükselir.

Gevrek Davran Davranış

Sünek malzemeler çekmedayanımında, maksimumagiden gerilme-gerinimeğrisi sergilerler.Çok gevrek malzemelerin,kopma noktalarında çekmeve kopma dayanımı aynıolur.

A; Akma dayanımı

Ç; Çekme dayanımı

Elastiklik modülü

k; Kopma gerilmesi

Kopma uzaması

Elastik Sınır

Plastik deformasyon

Elastik deformasyon

A noktası

T (= E + P)E

P

Süneklik / Gevreklik / Tokluk / Rezilyans

• Süneklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetini ifade eder. Bu değerinbüyümesi, malzeme kopana kadar daha büyük plastik şekil değiştirmegöstermesi anlamına gelir. Kopma uzaması ve alan daralmasıparametreleri ile ifade edilebilir.

• Gevreklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetinin olmaması durumunuifade eder. Eğri bazen elastik sınırda bazen de elastik sınıra çok yakınbir noktada son bulur.

• Tokluk: Malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifadeeder. - eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerintokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir.

• Rezilyans: Malzemenin elastik şekil değişimi sırasında depoladığıenerjidir. - eğrisinde elastik bölgenin altında kalan alana eşittir.

34

Ao = İlk kesit alanıAk = Kopmadan sonra

ölçülen kesit alanıo

ko

AAA

• Kesit daralması: Ak, Eğriden bulunamaz.

lk = Kopma anında ölçü boyulo = ilk ölçü boyu

• Kopma uzaması; lk, eğriden de bulunabilir.

o

ok

lll

Süneklik

Statik Tokluk

dTokluk

Tokluk malzeme kırılıncaya kadar harcadığı enerjiyi ifade eder. - eğrisinin altında kalan alandır.

Statik Tokluk

dTokluk

Malzemenin kırılana kadar ne kadar enerji yutacağının göstergesidir.

Orta süneklik

Gevrek

Yüksek süneklik

Basit karbonlu çelik

Yay çelik

RezilyansRezilyans, - eğrisinde, elastik bölge altında kalan alandır. Elastikdavranış sırasında depoladığı enerjiyi ifade eder.

2..

:Rezilyans

0

eep

e

dU

39

Gevrek Malzemelerde Eğme Testi

Eğme testi: Malzemenin statik veya yavaş uygulanan yüke gösterdiğidirenci ölçer. Malzeme iki ucundan desteklenerek yük malzemenin ortasınauygulanır.Flexural mukavemet veya kırılma modülü: Eğme testinde numuneninkırılması için gerekli gerilim.Flexural modul: Eğme testi sonuçlarından hesaplanan elastisite modülüdür.Bu gerilim-defleksiyon eğrisinin eğimidir.

Gevrek malzemelerin gerilim-gerinimeğrilerinin sünek malzemelerlekarşılaştırması.

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 testindenelde edilen gerilimdefleksiyon eğrisi

Elastik Şekil Değişimi

0.2

Ç

K

0.002

Plastik Bölge

Elastik Şekil Değişimi

a

Elastik şekil değişiminde atomsal bağlardaki uzamalar.

E, Elastiklik modülü

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 (malzemedenmalzemeye değişir)

– E büyüdükçe malzeme daha rijit hale gelir yanigerilme ile daha az şekil değişimi gösterir.Küçüldükçe daha elastik davranır.

E = Normal gerilme = Birim şekil değişimiE = Elastiklik modülü

G = Kayma gerilmesi = Kayma birim şekil değişimiG = kayma modülü

Hook Kanunu

Kayma gerilmesiNormal gerilme

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).

E, bir malzeme özelliğidir. E, kimyasal kompozisyondan etkilenir. ÇelikAlüminyuma göre daha rijittir.

Kimyasal kompozisyonun etkisi

Sıcaklık arttıkça E, azalır.

Sıcaklığın Etkisi

Poisson Oranı

de)malzemeler (izotropik

z

y

z

x

• Malzemelerin elastik özelliklerini belirleyen diğer birparametredir.

• Elastik şekil değişimi sırasında malzeme hacmindedeğişiklik olur (plastik deformasyonda hacim sabit kalır).

• Çekme yönünde malzeme uzarken buna dik yönde kısalmagerçekleşir. 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 elastikdavranışlarının karşılaştırılması.Belirli bir gerilim için alüminyumçelikten üç kez fazla elastikolarak deforme olur

Değişik mühendislik malzemelerinin elastik modülleri

55

Plastik Şekil Değişimi

• Malzemelerin dayanımını ifade eden Akmadayanımının üzerinde gerilmeler uygulanmasıdurumunda plastik şekil değişimleri (kalıcı-geridönüşsüz) (PŞD) başlar.

• Bu noktada PŞD, dislokasyonlar kaymayabaşlamasıyla meydana gelir.

a

56

Plastik Şekil Değişimi

57

• PŞD’de sıcaklık seviyelerine bağlı olarak farklı şekildeğiştirme mekanizmaları mevcuttur.

• Bunlar;1. Soğuk plastik şekil değiştirme,2. Sıcak plastik şekil değiştirme3. Ilık plastik şekil değiştirme

• Bu sıcaklık seviyeleri benzeş sıcaklık ile belirlenir.

Plastik Şekil Değişimi

Benzeş Sıcaklık (Homologous Temperature)

TE = Malzemenin erime sıcaklığıTÇ = Çalışma sıcaklığı

KTKT

T oE

oÇ

B

58

0 < TB < 0.25 Soğuk Şekil Değişimi0.25 < TB < 0.5 Ilık Şekil değişimi0.5 < TB < 1 Sıcak Şekil değişimi

Sıcak şekil değiştirmeŞekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyonmekanizmaları aktif hale gelir.

• Pekleşme olamaz:– Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb)– Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip)

Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularakkaymaya devam ederler.

• Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenardislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyonyoğunluğunu azalır.

• Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir aradatutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile tanelerbirbirleri 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

HMK’de ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının düşük sıcaklıklarda, dislokasyonhareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklardadislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisiniarttığı varsayılmaktadır.

SDH

Sünek-gevrek Geçiş Sıcaklığı

2minmax@ EETgT

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.

65

Oda sıcaklığı;

• Fe, Cu, Al gibi bir çok metal için soğuk şekildeğişim bölgesi iken

• Pb, Sn gibi düşük erime sıcaklığına sahipmalzemeler için sıcak şekil değişim bölgesiolur.

66

Soğuk Şekil DeğiştirmeSoğuk şekil değişiminde iki tür şekil değiştirme mekanizması etkin olabilir.1. Kayma2. İkizleme

PŞD, kayma ile yani dislokasyonlarınkayarak hareket etmeleri ile gerçekleşir.

Kaymanın zor olduğu durumlarda plastikşekil değişimi ikizleme (twinning) ilegerçekleşir.

0.2

Ç

K

0.002

Soğuk Şekil Değiştirme

Normal çekme deneyi Soğuk ŞekilDeğiştirme alanında gerçekleştiğiiçin aynı eğri elde edilir.

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 (boyunverme) arasında kalan kısmıdır.Açıklama:

• PŞD’de parça uzunluğu sürekli artar. Hacim sabit kalır veuzunluktaki artış kesit alanında daralma ile dengelenir.

• Akma noktasından sonra tepe noktasına kadar malzemepekleşir ve daha çok gerilme gerekir fakat PŞD oldukçakesit küçülür böylece gerilme artar bu iki durum birbirinidengeler.

• - eğrisinin tepe noktası (boyun verme) ile kopmanoktası arasında kalan kısmıdır.Açıklama:

• Tepe noktasından (çekme dayanımı) sonra plastikkararsızlık başlar. Kesit bir bölgede hızla daralmayabaşlar ve malzeme boyun (neck) verir.

• Şekil değişimi için gereken kuvvet azalır. Bu nedenle eğriaşağı doğru döner. Belli bir noktada kopma gerçekleşir.

Homojen PŞD Bölgesi

0.2

Ç

0.002

Akma noktasından sonra homojen PŞD (pekleşme / kesit daralması dengesi)

Boyun verme başlangıcı

Max noktadan sonra heterojenPŞD (dengenin bozulması)

Kırılma (kopma)a

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 geometrikveriler 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

76

oAF

ldld g

1 oll

)1(

oog lA

lFAF

1oo

o

o ll

lll

ll

o

l

lg l

lldl

o

ln

)1ln( g

Mühendislik birim uzama.Gerçek birim uzama.

llAA lAlA o

ooo PŞD de Hacim sabit kalır.

Gerçek gerilme.Mühendislik Gerilme.

77

Şekil : Gerçek ve mühendislik - (Gerilme-Gerinme) eğrileri.

Gerçek değerlere göre çizilen gerçekgerilme-birim uzama eğrisine “Akmaeğrisi” (Flow curve) de denir.

• Elastik bölgede fark yoktur.• Boyun vermeden sonra homojen

olmayan şekil değişiminden dolayıuzama hesaplanamaz.

1’

4’

2’3’

xxx

x

1

4

23 xxx

Sıcak Şekil DeğiştirmeŞekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyonmekanizmaları aktif hale gelir.

• Pekleşme olamaz:– Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb)– Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip)

Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularakkaymaya devam ederler.

• Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenardislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyonyoğunluğu azalır.

• Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir aradatutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile tanelerbirbirleri üzerinde kayarlar.

79

(a) Dislokasyon tırmanması: Artan atom arayerveya boşluklara yerleşebilir

(b) Fazla atomların eklenmesi ile dislokasyonaşağı inebilir.

Sıcaklığın artması ile;• Elastiklik modülü azalır,• Pekleşme etkisi azalır veya

ortadan kalkar.

Darbe DeneyiDarbe testi: Malzemenin ani yük altında kırılmadan absorbe etmeyeteneğini ölçer.Darbe Enerjisi: Yük aniden uygulandığında numunenin kırılması içingerekli enerjidir.Darbe tokluğu: Malzemenin (genelde çentiklenmiş numunenin) kırılmaesnasında çarpma testinde absorbe edilen enerjidir.Kırılma Tokluğu: Malzemede hatanın varlığında malzemenin kırılmayagösterdiği dirençtir.

Darbe DeneyiÇentik darbe deneyi, malzemeyi gevrek davranmaya iten şartlar altındamalzemenin 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 davranışgösterirler.Bu şartlardan biri veya bir kaçı gerçekleşmişse malzeme gevrekdavranabilir.Bu amaç için Charpy (üç noktadan eğme) veya Izod (ankastre eğme)deneyleri mevcuttur.

Darbe DeneyiDarbe Deneyinin Yap YapısıAni darbelere karşı direnci iyi olan malzeme seçmek için malzemeninkopmaya karşı direnci darbe testiyle ölçülür.

Charpy Darbe Deneyi

• Belli bir potansiyel enerjiyesahip kütle V-çentik açılmışnumuneye çarptırılır.

• Numunenin kırılması içingereken enerji “Darbe Enerjisi -Ek” saptanır.

)'( hhmgEk

Çarpma Testlerinden Elde Edilen ÖzelliklerSünek gevrek geçiş sıcaklığı: Çarpma testindemalzemenin gevrek davranış sergilediği sıcaklıkdeğeridir.Çentik duyarlılığı: Çentik, çizik veya diğer hatalarınmalzemenin özellikleri üzerine etkisini ölçer. Örnek:Tokluk, yorulma ömrü.

Darbe enerjisine etki eden faktörlera) Dayanımb) Kristal yapı,c) Sıcaklık,d) 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 düşüşünsebebinin arayer atomalarınındüşük sıcaklıklarda,dislokasyon hareketleriniengellemesi olarak düşünülür.Nispeten yüksek sıcaklıklardadislokasyonlar engellerdenkurtulabildiği düşünülmekte vebu yüzden darbe enerjisininarttığı varsayılmaktadır.

SDH

Darbe Deneyinde SıcaklıkKullanım sırasında ani darbeye maruz kalabilecek malzeme, malzemeyikuşatan sıcaklığın altında bir geçiş sıcaklığına sahip olmalıdır.Yüksek sıcaklıklarda malzeme sünektir ve kopmadan önce gerilir.Düşük sıcaklıklarda malzeme gevrektir ve kopma noktasında çok az şekildeğişimi gözlenir.

Sünek-gevrek Geçiş Sıcaklığı

2minmax@ EETgT

HMK metaller belirgin geçiş sıcaklığınasahipken, YMK metaller belirgin geçişsıcaklığına sahip değildir.

Darbe Deneyinde Sıcaklık

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 malzemenintokluğunu azaltır.Malzemenin çentik hassasiyeti, çentikli ve çentiksiznumunelerin absorbe ettikleri enerjiler karşılaştırılarakaçıklanabilir.

Çentik Hassasiyeti

• Sünek dökme demirin yapısı çentik davranışıgöstermeyen küresel grafit yumrularına sahiptir.

• Gri dökme demirin yapısı çentik gibi davranan pul lamelşeklinde keskin uçlu grafitlere sahiptir ve kırılma içindüşük enerji gereklidir.

Darbe Gerilmesinin Gerçek Gerilme - GerçekGerinim İlişkisi

Darbe enerjisi gerçek gerilme-gerinim diyagramının içerdiğialana karşılık gelir.Dayanım ve sünekliği yüksekolan malzemenin tokluğu da iyidir.

Süper-tok naylon termoplastikpolimerin Izod test sonuçları.

Gerçek gerilim-gerinim eğrisialtındaki alan tokluğu verir.Bmalzemesi düşük akmagerilmesine sahip olmasınarağmen daha yüksek enerjiabsorbe eder.

HMK karbon çeliği ve YMK paslanmaz çelikCharpy V-çentik sonuçları. YMK kristal yapıabsorbe olan enerjisi yüksek ve herhangi birgeçiş sıcaklığı sergilemez.

Kırılma Mekaniği: Hata var olduğundamalzemenin kırılmaya karşı gösterdiği direnciinceler.Kırılma Tokluğu: Hata var olduğundamalzemenin kırılmaya karşı gösterdiğidirençtir.

Kırılma Mekaniği

Kırılma Tokluğu numunelerinin çizimi(a) kenar ve (b) iç hatalar

Kırılma Mekaniği

30.000.000 psi olan kırılmatokluğu artan kalınlık iledüşmekte ve düzlemseldeformasyon kırılma tokluğundabelirli bir seviyede kalmaktadır.

Kırılma Mekaniği

Kırılma Mekaniği

Gevrek malzemelerin kırılmatokluğunun belirlenmesinde ikincilçatlaklar kullanılabilir.

PZT seramiklerde çatlak ilerlemesinigösteren elektron mikroskobuörneği (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 çekildiğindeönce boyun verme başlar veboşluklar tane sınırları veyasafsızlık yakınlarında oluşur.Deformasyon devam ettiğinde45°’de kayma dudakları (lip)oluşur ve huni şeklindekikırılma ile malzeme kopar.

Sünek kırılma esnasında oluşanoyuklar. Eş eksenli oyuklar mikrooyukların büyüdüğü merkezde oluşur.Uzamış oyuklar kırılmanın başlangıcınıişaret ederler ve kayma dudaklarındaoluşurlar.

Tavlanmış1018 çeliğinin sünek kırılmayı işaret eden elektron mikroskobugörüntüleri.(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 ÖzellikleriYorulma Kırılması: Kırılma yüzeyi başlangıca yakın pürüzsüz ayna zonu ilekalan 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 kompozitlerdeğişik mekanizmalar ile hasargörürler. (a) Matris ve fiberlerarasındaki zayıf bağlanma ilearalarında boşluklar oluşur vehasara uğrarlar.(b) Bazı katmanların zayıfbağlanması ile matris boşluklaroluşturarak ayrılır.

YorulmaYorulma, akma mukavemetinin altında veya üstünde tekrar eden gerilim nedeniylemalzemenin hasar görmesi veya mukavemetinin azalmasıdır.Sürünme: Zamana bağlı, yüksek sıcaklıkta kalıcı deformasyondur. Sabit yük ve gerilimdeoluşur.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 mukavemetigösteren grafiktir.

Bir malzemenin akma dayanımının altında tekrarlanan gerilmeye (dönme, eğilme, titreşimsonucu olabilir) maruz kalması sonucu kopmasına yorulma denir.

L: Çubuğun boyuF: Yükd: Çap

Destekli Kiriş Testi

Yorulma testi bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceğini veyakopma 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 olduğuyüzeyde başlar.

• Yüzeydeki herhangi bir tasarım veya üretimhatası gerilmeleri yoğunlaştırır ve yorulmaçatlaklarının 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 yönünügösterir. (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 hasarauğramadığı gerilim değeridir.Yorulma ömrü: Belirli bir gerilim değerinde yorulma ile malzemehasara uğramadan önce izin verilen devir sayısıdır.Yorulma dayanımı: Verilen devir adedinde yorulma ile hasarauğramak için gerekli gerilim miktarıdır.Çentik hassasiyeti: Tokluk veya yorulma ömrüdeğerlendirmesinde çatlak, çentik ve diğer kusurların malzemeözellikleri üzerine etkisidir.Bilyalama: Metal kürelerin/bilyaların bir parçaya fırlatılmasıprosesidir.

Yorulma Testinin Uygulaması

Gerilim-Çevrim eğrilerineörnekler.(a) Eşit çekme ve basma gerilimi.(b) basma geriliminden yüksek

çekme gerilimi(c) Tümü çekme gerilimi

Yorulma Testinin Uygulaması

Yüksek mukavemetli çelik içinçatlak ilerleme hızına karşılıkgerilim yoğunluk faktörü., C = 1.62×10^12 ve n = 3.2

Sürünme, Gerilim Çatlaması ve Gerilim Korozyonu

Gerilim-çatlama (rupture) eğrisi: Uygulanan gerilime karşılık çatlamazamanını vererek sürünme testlerinin sonuçlarını rapor eden metottur.

Gerilim-Korozyon: Malzemelerin korozif kimyasallarla reaksiyonagirerek çatlak oluşumuna ve mukavemet düşmesine sebep olmasıdır.

Sürünme

• Malzemeler yüksek sıcaklıkta yükaltında (hatta kendi ağırlıkları bile)zamanla kalıcı deformasyonaneden olur.

Neden yüksek sıcaklıklardamukavemet elde etmek istiyoruz?

Nikel ve nikel alaşımları kullanımı(Gaz türbini)

Nikel ve nikel alaşımları kullanımı(Gaz türbini)

• Sürünme deneyi, malzemenin statik bir yük altındaki karakteristiğinibelirlemek 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 sınırlarınınkaymasından 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 eldeedilen 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.

SertlikSertlik Testi: Malzemenin yüzeyinin keskin bir obje ile delinmeye olandirencini 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 yüklerkullanılarak (~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 batırılansert bir cisme karşı gösterdiği dirençtir.

• Sertlik değerleri direk olarak malzemelerindayanımları ile ilgili olduğu için büyük önemtaşır.

• Sertlik deneyi; malzemelerin dayanımları ileilgili bağıl değerler veren tahribatsız bir testyöntemidir.

• Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucungeometrisine ve uygulanan kuvvetbüyüklüğüne göre: Brinell sertlik ölçme metodu Vickers sertlik ölçme metodu Rockwell sertlik ölçme metodu

144

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

Brinell Yöntemi

BSD = Brinell sertlik değeriD = Bilye çapıF = Uygulanan kuvvetd = izin çapı.

][ 2

22 dDDDFBSD • Standart test: 10 mm çaplı sert bilye ve

3000 kgf yük ile yüzeye bastırılır.• Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: İzin

çapı ölçülür.

Malzeme A

Demir / Çelik 30

Cu / Pirinç / Bronz 10

Al / Pb vb. 5

• 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.

iz

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.

103

)/()(3

)/()/(22

2 mmkgfBSDMPammkgfBSDmmkgf çç

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.

272.1

ortdFVSD

VSD = Vickers sertlik değeriF = Uygulanan kuvvetdort = izin köşegen ortalaması.

221 dddort

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 ölçümleryapılmamalı, en az 3 ölçüm yapılmalıdır.