TEORİK BİLGİ Çekme Testi
Çekme deneyi, standartlara göre hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Çekme testinin amacı, malzemelerin statik yük altındaki elastik ve plastik davranışlarını belirlemektir.
Bunun için boyutları standartlara uygun daire veya dikdörtgen kesitli deney parçası, (Şekil’1-b) çekme cihazına (Şekil’1-a) bağlanarak, eksenel ve değişken kuvvetler uygulanır. Genellikle metalik malzemelere uygulanan çekme testi sayesinde malzemelerin ; elastik sınırı, elastiste modülü, akma gerilmesi, çekme dayanımı, tokluk, uzama, % kesit daralması, rezilyans gibi bir çok mekanik özelliklerinin belirlenmesi sağlanır.
Şekil 1 a) Çekme test cihazı b) Standartlara göre hazırlanmış çeşitli çekme testi numuneleri.
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI ÇEKME VE SERTLİK TESTLERİ DENEYİN
AMACI
Çekme ve sertlik testi deney düzeneklerinin incelenmesi, testler sırasında dikkat edilecek hususlar, gerekli hesaplamalar ve malzeme karşılaştırmalarının yapılması.
29
Çekme deneyine tabi tutulacak numuneler silindirik veya düz olabilir. Çeşitli tipteki malzemelerin çekme deneyi için kullanılabilecek numune boyutları standartlaştırılmıştır. Çekme deneyi numuneleri ile mekanik özelliklerin sağlıklı bir şekilde tespit edilebilmesi için, numunelerin alındığı malzemeyi tam olarak temsil etmesi gerekmektedir. Numunelerin hazırlanması sırasında çentik etkisi yapacak yüzey hatalarından kaçınmak gerekir.
Numunenin baş kısımları: Yük uygulanması için tutulan kısımlardır ve diğer bölgeye göre daha büyük boyutludur.
Şekil 2 Yuvarlak kesitli çekme numunesi.
Ø d0 = Örneğin çapı
Ø d1 = Baş kısmının çapı = (yaklaşık 1.02d0 ) Ø LV = İnceltilmiş kısmın uzunluğu = l0+d0 Ø L0 = Ölçü uzunluğu (yaklaşık 5d0 ) Ø Lt = Toplam uzunluk
Ø h = Baş kısmının uzunluğu anlamındadır.
Nnumunenin orta kısmı: Yük uygulandığında deformasyonun oluşması beklenen daha küçük boyutlu bölgedir. Deney sonuçları bu kısımda yapılan ölçmelerle belirlenir.
Numunenin bu kısmında kesit alanı ile uzunluk arasında bir ilişki vardır. Numunenin orta kısmındaki kesit alanı ilk kesit alanı (Ao) olarak alınır. Ao Eşitlik 1’de gösterildiği gibi formülüze edilmiştir. Çapı (d0)= 12 mm ve ölçü uzunluğu (lo)= 60 mm olan çekme örneği; 12x60 TS 138 A şeklinde gösterilebilir.
(1)
30
Deney cihazı biri sabit diğeri hareketli olan çenelere sıkıştırılmış numune üzerine belirli bir hızda yük uygulanması ve uygulanan yüke karsı numune boyundaki uzamayı ölçme esasına göre çalışan bir cihazdır. Cihaz, deney sırasında uygulanan yük ve uzama miktarını grafik olarak çizer. Uzama miktarı apsiste, yük miktarı ise ordinatta olacak şekilde ayarlanmıştır. Deney sonunda Sekil 2 'deki gibi bir yük uzama diyagramı elde edilir.
Şekil 1 Düşük karbonlu yumuşak bir çeliğin gerilme birim şekil değişimi grafiği
Gerilme (σ): Birim alana etkiyen yük anlamına gelir ve aşağıdaki formülle hesaplanır.
(2)
Birim Şekil Değiştirme (ε): Malzemeye kuvvet uygulandığı zaman oluşan boy değişiminin kuvvet uygulanmadan önceki ilk boya oranı.
(3)
31
Elastisite Modülü (E): Malzemenin dayanımının (mukavemetinin) ölçüsüdür.
Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişkinin bir sonucu olup birim uzama başına gerilme olarak tanımlanır. Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişki şöyle tanımlanabilir:
(4)
Malzemeye kuvvet uygulandığında, malzemede meydana gelen uzamalar elastik sınırlar içinde gerilmelerle orantılıdır. Buna “Hooke Kanunu” adı verilmektedir.
Elastisite modülü malzemeye ait karakteristik bir özelliktir.
Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilme değeridir, Şekil 1.
(5)
Çekme dayanımı (σç): Bir malzemenin kopuncaya veya kırılıncaya kadar dayanabileceği en yüksek çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme değeri olup, aşağıdaki formül ile bulunur.
(6)
Kopma Gerilmesi (σk): Numunenin koptuğu andaki gerilme değeridir.
(7)
Yüzde Kopma uzaması (KU): Çekme numunesinin boyunda meydana gelen en yüksek yüzde plastik uzama oranı olarak tanımlanır. Çekme deneyine tabi tutulan numunenin kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile son boy ölçülür ve boyda meydana gelen uzama
32
(8)
bağıntısı ile bulunur. Burada Lo numunenin ilk ölçü uzunluğunu, Lk ise numunenin kırılma anındaki boyunu gösterir. Kopma uzaması ise aşağıda ki bağıntı yardımıyla belirlenir. Bu değer malzemenin sünekliğini gösterir.
(9)
Yüzde Kesit Daralması (KD): Çekme numunesinin kesit alanında meydana gelen en büyük yüzde daralma veya büzülme oranı olup;
(10)
bağıntısı ile hesaplanır. Burada A0 deney numunesinin ilk kesit alanını, Ak ise kırılma anındaki kesit alanını veya kırılma yüzeyinin alanını gösterir. Ak nın hesaplanması isçin hacmin sabit kalacağı ifadesi kullanılır.
(11)
Kesit daralması, kopma uzaması gibi sünekliğin bir göstergesidir. Sünek malzemelerde belirgin bir büzülme veya boyun verme meydana gelirken, gevrek malzemeler büzülme göstermezler. Şekil 4’de gevrek ve sünek malzemelerin kırılma davranışları şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 2 a) Gevrek malzemenin kırılma şekli b) sünek malzemenin kırılma şekli c) sünek gevrek ve normal süneklikteki malzemeye ait eğriler
Tokluk: Malzemenin birim hacmi başına düşen plastik şekil değiştirme enerjisi olarak tanımlanır ve malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama veya soğurma
33
yeteneğini gösterir. Tokluk, genellikle eğrisinin altında kalan alanın hesaplanması ile bulunur.
(12)
Bu formüldeki malzemede kırılıncaya kadar meydana gelen en yüksek veya toplam birim şekil değiştirme miktarıdır. Tokluğun gerilme–birim uzama eğrisi yardımıyla belirlenişi Şekil 5’te gösterilmiştir.
Şekil 3 Gerilme-birim uzama eğrisi yardımıyla şekil değiştirme enerjilerinin rezilyans ve tokluğun belirlenmesi
Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik olarak şekil değiştirdiğinde absorbe ettiği enerjiyi‚ şekil değişimini yapan kuvvetin kaldırılması ile geri vermesi özelliğine rezilyans denir.
veya (13) Sertlik Testi
Sertlik, malzemelerin plastik deformasyona karsı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Sertlik deneyleri malzeme ve imal edilmiş parçaların çabuk ve tahribatsız
34
olarak kontrolünü sağlayan çok önemli mekanik deneylerden biridir. Teknolojide yaygın olarak kullanılan sertlik ölçme yöntemleri, numune üzerinde elde edilen kalıcı iz büyüklüğünün ölçülmesi esasına dayanan yöntemlerdir. Sertlik deneyinde ilk işlem olarak sertliği ölçülecek malzemenin yüzeyini ölçüm yapmaya elverişli hale getirmek gerekmektedir. Sertliği ölçülecek malzeme yüzeyinin oksitlerinden, girinti ve çıkıntılardan arındırılmış olması gerekmektedir. En önemlisi yüzeyin pürüzsüz ve parlak olması istenir.
Şekil 4 Sertlik ölçme yöntemlerinin şematik gösterimi.
Dinamik Yöntemler
Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi
Testlerin uygulama kolaylığı, diğer metotlara nazaran daha seri sonuçlar alınabilme özelliği, bu metotla test yapan sertlik ölçme cihazlarının optik ölçüm gerektiren (Brinell, Vickers) metotlarına nazaran daha ucuz olması yüzünden pratikte en çok kullanılan sertlik ölçme metodu olan Rockwell metodunu, ilk olarak 1922’de Rockwell uygulamaya sokmuştur. Rockwell sertliği, batma derinliğine karşı gelen birimsiz bir sayıdır. Batıcı uç, konik uçlu veya bilye şeklindedir (Şekil 1). Yumuşak malzemeler 1/18, 1/8, 1/4 ve 1/2 inch çaplarında küresel, sert çelik toplar ile ölçülürken çok sert malzemeler 120° elmas koni uç ile ölçülür. Rockwell cihazının şematik gösterimi Şekil 7'de verilmiştir.
35
Şekil 5 Konik ve bilye uçlu batıcı uçlar
Rockwell sertlik ölçümünde batıcı uç, malzeme üzerine 10 kg (100 N) ön bir yükleme ile batırılır. Sonra batıcı uca ana yük uygulanarak elde edilen derinlik ölçülür.
Ana yük Rockwell B (RB) için 100 kg, Rockwell C (RC) için 150 kg’dır. Bu yöntemde batma derinliği ölçüleceği için yüzey pürüzlülüğü sonuçları etkileyebilir. Bu sakıncayı gidermek için önce batıcı uç küçük bir yükle (P0=ön yük) malzemeye daldırılarak alet sıfır düzeyine ayarlanır. Daha sonra toplam yüke tamamlanacak şekilde ana yük (P1) uygulanır. Son olarak ana yük (P1) kaldırılır (Şekil 3). Meydana gelen kalıcı izdeki derinlik artışı bulunarak mevcut göstergeden Rockwell sertlik değeri okunur. Ucun malzeme içine her 0.002 mm batışı bir sertlik değerinin düşmesi olarak alınır.
Rockwell sertlik değeri boyutsuzdur. Ucun malzeme içine her 0,002 mm batışı bir sertlik değerinin 1 sayı düşmesi olarak alınır (Şekil 5). Ön yük uygulandıktan sonra ucun konumu ile ana yük kaldırıldıktan sonra ucun konumu arasındaki batma derinliği tb olmak üzere Rockwell Sertlik Değeri-C (RSD-C) aşağıdaki formülle hesaplanabilir.
(14) (HR=Hardness C=Konik , B=Bilya)
Sertlik ölçümünde kullanılan batıcı ucun tipi ile uygulanan yükün değeri bir sembolle gösterilir. Bu nedenle, farklı skalalara göre yani değişik deney koşullarında ölçülen farklı düzeydeki sertlik değerleri RSD-A, RSD-B, RSD-C, RSD-D gibi simgelerle birlikte verilir (Tablo 2). Çok sert malzemelerin Rockwell sertliği koni biçimindeki elmas uç kullanarak 150 kg' lık yük altında ölçülür ve sonuçlar RSD-C simgesi ile belirtilir.
36
Yumuşak malzemelerin sertliğinin ölçümünde ise batıcı uç olarak çelik bilye kullanılır ve 100 kg' lık yük altında elde edilen ölçüm sonuçları RSD-B simgesi ile gösterilir. Bir malzemenin Rockwell cinsinden ölçülen sertlik değeri 100 rakamını aşarsa batıcı uç olarak bilye kullanılması tavsiye edilmez. Çünkü çok sert malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde batıcı uç olarak bilye kullanılması, hem bilyenin deforme olmasına hem de ölçüm hassasiyetinin azalmasına neden olur. Diğer taraftan herhangi bir skalaya göre Rockwell sertliği 20 sayısından daha düşük olan malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde koni biçimindeki elmas uç kullanılması tavsiye edilmez.
Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi
Çeşitli çaptaki bilyaların (1; 2,5; 5; 10mm), belirli bir yükle ve zamanda malzemeye baskı metodudur (Şekil 8). İsveçli Dr. J. A. Brinell tarafından 1900 yılında bulunan bu metot günümüzde yaygın olarak kullanılan statik sertlik ölçme metotlarının ilkidir. D çapında sert, küre şeklinde bir bilya düşey doğrultuda sertlik değeri ölçülecek parçanın yüzeyine dik olarak belirli bir P kuvveti ile bastırılır. Yük belirli bir süre uygulanır. Bilyanın kaldırılmasından sonra malzemede oluşan plastik şekil değişimi sonucunda yüzeyde küresel bir iz kalır. Bu kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir.
Şekil 6 Şematik Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi
Brinell sertlik değeri aşağıdaki formülasyon ile hesaplanır:
(14)
37
Bu formülde, P kg, D ve d mm cinsinden yerine konulmalıdır. Bu bağıntıda yer alan P uygulanan yükü (kg), D bilya çapını (mm) ve d ise iz çapını (mm) gösterir. Standart deney koşullarında çapı 10 mm olan bilye kullanılır. Yük, malzemenin cinsine göre seçilir ve uygulama süresi 10-15 saniye arasında değişir. Ancak bazı durumlarda çapları 10 mm'den daha küçük olan (örneğin 1,25, 2,5 ve 5,0 mm) bilye biçimindeki uçlarda kullanılır. Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilya çapına göre seçilmektedir. d/D = 0,20 - 0,70 oranı sağlandığı durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir. Deney yükünün saptanmasında P=CD2 bağıntısı kullanılır. Burada P deney yükü, C malzeme cinsine göre değişen yükleme derecesidir. Demir esaslı malzeme (Çelik, DD) (C=30) - Cu ve Al alaşımlı malzeme (C=10) - Yumuşak malzeme (C=5) Malzeme kalınlığına göre de kullanılması gereken bilya çapları farklılık gösterir. Tablo 3'de malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları verilmiştir. Tablo 4'de de malzeme cinsine göre bilya çapı ve uygulanan yük değerleri verilmiştir.
Tablo 1 Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları
Malzeme Kalınlığı (mm) Bilye Çapı (mm)
6 ve yukarısı 2.5-5-10
3-6 2.5-5
1.5-3 1.5
0.6-1.5 1
Brinell sertlik ölçme deneyinde kullanılan bilyeler
Ø Brinell sertliği 450’den küçük olan malzemeler için sertliği en az 850 BSD olan çelik bilye.
Ø Sertliği 450<BSD630 ise sertliklerin Brinell yöntemiyle ölçülmesi tavsiye edilmez.
Ø Standart bilye çapı 10 mm,
Ø Standart yükler 500 kgf ile 3000 kgf arasında (500 kgf artışla) dır.
Ø 10 mm standart ölçü bilyesinin dışındaki bilye çapları 5 ve 2.5 mm’dir.
Brinell sertlik ölçümünde dikkat edilecek noktalar:
38
Ø Kontrolü yapılan parçanın yüzeyi tertemiz ve kalınlığı da en az 4 ile 8 kat çukur derinliğinde olmalıdır.
Ø Kontrol kuvveti darbesiz olarak 2 ile 8 saniye arasında değerini bulmalıdır.
Ø Kuvvet değerini bulduktan sonra 10 saniye etkili tutulmalıdır.
Ø Yumuşak ve kolay akan malzemelerde (örneğin; kurşun) en az 30 saniye ve bazen daha fazla tutulmalıdır.
Ø Bütün bu şartların yanı sıra çukur çapının bilye çapına göre 0,24 D < d < 0,6 D arasında olması da ana şarttır. Pratikte her ölçüde değerler bu formülle hesaplanmaz. Sertlik daha önceden standart çaplı bilyeler ve kuvvetler için hazırlanmış tablolardan okunur.
Brinell sertliği gösteriminde hesaplanan BSD yanında “bilya çapı, yük, yükleme süresi” (mm/kgf/s) sırasıyla bilgi olarak eklenir. Örnek : 99 BSD 5/500/30. Metalik malzemelerde sertlik arttıkça çekme dayanımı da artar. Çeliklerin Brinell sertlik değeri ile çekme dayanımları arasındaki ilişki;
(15)
bağıntısı ile bulunabilir. Bu bağıntı yardımıyla çeliklerin çekme dayanımını yaklaşık olarak belirlemek mümkündür.
DENEYİN YAPILIŞI