TEORİK BİLGİ
Darbe deneyi gevrek kırılmaya neden olabilecek şartlar altında çalışan malzemelerin mekanik özelliklerinin saptanmasında kullanılır. Darbe deneyinin genel olarak amacı, metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünek-gevrek geçiş sıcaklığını tespit etmektir.
Genelde malzemelerin mekanik özellikleri hakkında fikir edinebilmek için çekme deneyi sonuçları kullanılır. Elde edilen sonuçlar YMK ve HSP sistemlerde sorun olmazken bazı HMK kafes yapısına sahip metallerde çentik darbe testinde farklı sonuçlar elde edilir (Şekil 1). Çekme testinde uzama miktarı yüksek olan malzemelerin sünek davranacağı düşünülür. Bu kabul YMK ve HSP kristallerde büyük oranda doğru iken HMK kristalli malzemelerde (örn. ferritik çelik) her zaman doğru sonuç vermez.
Çekme deneyinde sünek davranış gösteren malzeme darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilir. Özellikle oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu olaya daha çok rastlanır.
Darbe deneyinden elde edilen sonuçlar, çekme deneyi sonuçları gibi mühendislik hesaplarında kullanılmazlar.
DENEYİN ADI DARBE VE BURMA TESTLERİ DENEYİN
AMACI
Metal malzemelerde darbe deneyiyle süneklik-gevreklik tespitinin yapılabilmesi
41
Deneyde numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gereken enerji belirlenir. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır.
Şekil 8 Çentik darbe deneyinin şematik gösterimi
Deney cihazı Şekil 2’deki gibidir. G ağrılına sahip sarkaç h yüksekliğine çıkarılır bu konumda G.h enerjisine sahiptir. Serbest bırakılan sarkaç numuneye çarparak kırar ve h1 yüksekliğine çıkar. Bu konumda enerjisi G.h1 haline gelir. Başlangıçtaki ve sondaki iki potansiyel enerji değeri arasındaki fark numunenin kırılması için gerekli olan enerjidir. Darbe direnci olarak da adlandırılan bu değer şöyle hesaplanır:
(1) G: Sarkacın ağırlığı (kg)
L: Sarkacın ağırlık merkezinin sarkacın salınım merkezine uzaklığı (m) h: Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m)
h1:Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) α: Düşme açısı (derece)
β: Yükseliş açısı (derece)
Darbe direnci genellikle Joule (J) olarak verilir. Ancak, bazı durumlarda J/m2, Nm yada Nm/m2 cinsinden de verilebilir. Kırılma enerjileri yüksek olan malzemelerin kırılma toklukları da yüksek olur.
Darbe deneylerinde numune içerisindeki gerilimlerin çentik tabanında toplanması ve malzemenin dinamik yük altında davranışının belirlenmesi amaçlanır.
Lamel grafitli dökme demirlerde lameller çentik etkisi yapacağından ayrıca çentik
42
açmadan da test yapılabilir. Numune yükleme sonucu zorlandığı zaman çentik tabanına dik bir gerilim oluşur bu gerilim kırılmaya neden olur. Numunenin kırılması için oluşan bu dik gerilimin kristalleri bir arada tutan (kohezif kuvvet) ya da kaymasını engelleyen kuvvetten fazla olması gerekir. Eğer numune plastik olarak şekil değiştirmeye fırsat bulmadan kırılırsa buna gevrek kırılma denir. Kırılan yüzey düz bir ayrılma yüzeyidir.
Çoğu durumda numune kırılmadan plastik deformasyona uğrar. Oluşan dik gerilimin yanında bu gerilimle 45° açı yapan kayma gerilmesi oluşur. Bu gerilme kritik kayma gerilimini aştığı anda malzemede plastik deformasyon oluşur. Bu durumda önce plastik deformasyon ardından kırılma oluşur. Sünek kırılma adı verilen bu kırılmada yüzey girintili çıkıntılı bir görünüme sahiptir. Çentikli darbe deneyleri genellikle 2 türde yapılmaktadır (Şekil 3) :
Charpy Darbe Deneyi:
Yatay ve basit kiriş halinde 2 mesnede yaslanan numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler etkisi ile numunenin kırılması için harcanan enerjiyi tayin işlemidir.
İzod Darbe Deneyi:
Dikey ve konsol halinde bir kavrama çenesine tutturulan numunenin yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikte, bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler ile numunenin kırılması için sarf edilen enerjiyi tayin işlemidir.
Şekil 9 y ve İzod darbe deneyinin uygulanışı
43
Çeşitli ülkelerin standartlarında saptanan en önemli numune çeşitlerinin boyutları ve şekilleri Şekil 4’te verilmiştir. Numunelerin çentik açılma çeşitleri; 1- U çentikli, 2-V çentikli, 3- Anahtar deliği çentikli’dir.
Malzemelerin darbe dayanımı sıcaklıkla değişir. Testler esnasında numune sıcaklığı belirtilen sıcaklık değeri arasında -+2 °C’ den fazla fark olmamalıdır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda yapılacak testler için buzdolabı gibi soğutucular ya da sıvı azotla soğutma kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda (200 °C ve üstünde) yağ banyosu, tuz banyosu ya da fırında ısıtma kullanılır. Isıtılan ya da soğutulan numune 5 sn içinde kırılmalıdır.
Şekil 10 Çentik darbe deneyi numuneleri
Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı
Belirli bir malzeme için farklı sıcaklıklarda yapılan darbe deneyleri malzemenin darbe direnci hakkında önemli bilgiler verir. Sıcaklığın azalmasıyla malzemelerin darbe direnci düşer. Bu düşüş aniden olabildiği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir.
Darbe direncinin aniden düştüğü sıcaklığa gevrek-sünek geçiş sıcaklığı denir. Düşüş aniden olmadığında bir geçiş sıcaklığı belirlemek zordur. Bu gibi durumlarda geçiş sıcaklık aralığı belirlenir ve bu gevrek-sünek geçiş aralığı olarak adlandırılır. Bu aralıkta düşük sıcaklığın altında malzeme gevrek yüksek sıcaklığın üstünde sünek davranır. İki sıcaklık değeri arasında ise iki davranışı birden gösterir (Şekil 5).
44
Şekil 11 Gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği
Gevrek kırılmada, kırılma klivaj düzlemleri boyunca olup kırılma yüzeyi kristalin bir (graniler, ince taneli) görünüştedir. Bu durumda darbe etkisiyle çatlak kolayca ilerleyip malzeme içinde hızla yayılır.
Sünek kırılmada ise önce bir plastik şekil değiştirme ve daha sonra kopma meydana gelir. Sünek davranışta malzemenin içinde çatlak oluşumu ve ilerlemesi güçleşir. Bu durumda kopma yırtılma şeklinde olup kırılma yüzeyi lifli bir görünüştedir.
Geçiş aralığında ise her iki davranış birden görülür. Deney sıcaklığı düşük sıcaklığa yaklaştıkça gevrek davranış artar. Mühendislik uygulamalarında aralığın alt sıcaklığı daha önemlidir. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıkta kullanılmaz. Bu nedenle geçiş sıcaklığı olarak düşük sıcaklık alınır.
Darbe Dayanımına Etki Eden Faktörler Çentik Etkisi:
Çentikli bir parça zorlandığı zaman çentiğin tabanına dik bir gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmelerin etkisiyle olur. Deney parçasının kırılabilmesi için bu normal gerilmenin, kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan yüksek olması gerekir. Çentik daha keskin yapılırsa çentiğin tabanındaki normal gerilme kayma gerilmesine oranla artırılacak ve deney parçası daha çok gevrek kırılma yeteneği gösterecek demektir. Çentik ve deformasyon hızı aynı kalmak şartıyla, sıcaklığın yükselmesiyle kayma dayanımı düşecek ve sünek bir kırılma gözlenir.
45
Sıcaklık Etkisi:
Genel olarak sıcaklık düştükçe malzemenin darbe direnci de düşmektedir.
Malzemelerin sıcaklığa bağlı olarak, darbe direncindeki düşme aniden olabileceği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir (Şekil 6).
Şekil 12 Farklı sıcaklıklarda malzemede meydana gelen kırılma çeşitleri
Mühendislik uygulamalarında T5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T5 sıcaklığı alınır ve bu sıcaklık, sıfır süneklik sıcaklığıdır. Bazen geçiş sıcaklığının yaklaşık olarak belirlenmesinde şu üç kriterden de faydalanılır.
Ø Kırılma Enerjisi (∼20-30 J’ lük kırılma enerjisine karşılık gelen sıcaklık) Ø Kırılma yüzeyinin görünüşü (kesitte % 50 ince taneli kristalin görünüşü veren
sıcaklık)
Ø Kırılmadan sonra çentik tabanında meydana gelen enlemesine büzülme miktarı (%1 enine büzülme)
46
Bileşimin Etkisi:
Sadece HMK yapıya sahip malzemeler gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptir.
Bunun nedeni de HMK yapının düşük sıcaklıklarda sınırlı sayıda aktif kayma sistemine sahip olmasıdır ki buda plastik deformasyonu sınırlar. Sıcaklığın artması aktif kayma sistemi sayısını arttırır bu akma dayanımının düşmesine neden olarak plastik deformasyonu kolaylaştırır. YMK ve HSP yapıya sahip metallerde gevrek-sünek geçiş sıcaklığına rastlanmaz, herhangi bir sıcaklık değişikliğinde yaklaşık olarak aynı enerji absorbsiyonuna sahiptirler. Çelikte karbon ve manganez miktarı gevrek-sünek geçiş sıcaklığı üzerinde önemli etkiye sahiptir (Şekil 7). Karbon miktarının artması daha düz bir değişim eğrisi ve daha yüksek gevrek-sünek geçiş sıcaklığına neden olur, bu da yüksek sıcaklıkta sünekliği getirir. Çeliklerde C/Mn oranı 3/1 den büyük olduğu müddetçe tokluk artar. Ni çentikli darbe tokluğu arttırıyorken, P, Si, Mo, O geçiş sıcaklığını yükseltir.
Şekil 13 Çelikteki C içeriğinin darbe enerjisine etkisi.
(C içeriğinin düşmesi alt ve üst sınır arasındaki bölgeyi arttırıyor. Karbon içeriğinin artması hem mukavemeti yükseltir hem de geçiş sıcaklığını yükseltir.)
Haddeleme Yönünün Etkisi:
Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik yönlerinde farklı değerlerde olur (Şekil 8). Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır.
47
Şekil 14 Haddeleme yönünün çentik darbe direncine etkisi
Üretim Yöntemi:
Örneğin; söndürülmemiş çeliğin (deoksidasyon yapılmamış) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin geçiş sıcaklığından daha yüksektir.
Isıl İşlem:
Isıl işlem görmüş bir çelik normalize edildiğinde çentikli darbe tokluğu artmaktadır. Temperleme sıcaklığı arttıkça çeliğin enerji absorbe etme kabiliyeti de artar. Temperlenmiş martensitik yapı çelikleri hem mukavemet açısından hem de darbe mukavemeti açısından iyidir (Şekil 9).
48
Şekil 15 Isıl işlem uygulamalarının malzemenin çentik darbe tokluğuna etkisi
Yüzey Durumu:
Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır.
Tane Büyüklüğü:
Genel olarak ince taneli malzemeler kaba taneli malzemelerden daha düşük geçiş sıcaklığına sahiptirler. Tane boyutunun küçültülmesi geçiş eğrisini sola doğru kaydırır.
Sıcak şekil verme esnasındaki rekristalizasyon ve havada soğutma gibi tane küçültücü işlemler geçiş sıcaklığını düşürür (Şekil 10).
49
Şekil 16 Tane büyüklüğünün gevrek-sünek geçiş sıcaklığına etkisi
Mikroyapı:
Mikroyapı çeliğin çentikli darbe tokluğunu bileşim ve mekanik özelliklerinden bağımsız olarak etkileyebilir. Temperlenmiş martensit diğer mikroyapılara oranla en yüksek enerji ve en düşük geçiş sıcaklığı sağlar. Mikroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe dirençlerini etkiler. Bu sert kırılgan fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini azaltır. Örneğin Küresel grafitli dökme demir, Gri dökme demirden daha fazla darbe dayanımına sahiptir. Gri dökme demirde sert kırılgan grafitler sivri, keskin köşeli ve birbirleri ile bağlantılı olduğundan bu yapılar çentik etkisi yapmaktadır.
Burma Deneyi
Burma deneyi, her iki ucundan sıkıştırılan deney numunesi, bir ucu sabit kalacak şekilde diğer ucundan döndürülerek numune üzerine burma momenti uygulanması esasına dayanır. Burma deneyi, çekme deneyi gibi çok geniş kullanım alanına sahip olmayıp, tamamen standartlaştırılmamıştır. Bununla beraber plastik deformasyonla ilgili teorik çalışmalarda ve metallerin dövülebilme özelliklerinin belirlenmesi gibi birçok mühendislik uygulamalarında ihtiyaç duyulan bir deneydir. Burma deneyi, özellikle takım çelikleri gibi gevrek malzemelerin dövülebilme özelliğinin belirlenebilmesi için yüksek sıcaklıklarda da yapılır. Aynı zamanda kullanım yerlerinde burma momentinin önemli olduğu şaft, dingil, matkap ucu gibi parçalara direkt olarak uygulanabilen bir deneydir. Burma deney numuneleri, yuvarlak kesitli numunelerden oluşmaktadır. Malzemenin burulması sırasında uygulanan burma momenti etkisiyle numunede numunenin merkezinden yüzeyine doğru doğrusal olarak artan kayma
50
gerilmeleri oluşur. Kayma gerilmeleri numunenin merkezinde sıfır, yüzeyinde ise maksimum değerdedir. Bu nedenle yuvarlak kesitli numunelerde gerilim dağılımı homojen değildir. Deneylerde ince et kalınlığında ve boru seklindeki numuneler kullanılarak numune kesitinde daha uniform bir gerilim dağılımı sağlanabilir. Boru seklindeki numunelerde ise et kalınlığının az olması istenir, fakat numunenin et kalınlığının çok az olması durumunda da erken sünemeden dolayı sekil bozuklukları meydana gelebilir. Kayma akma gerilmesi ile kayma modülünün (G) belirlenmesinde kullanılan boru seklindeki numunelerde, ölçü uzunluğunun (L), numunenin dış çapına (D) oranı (L/D) ~10 olmalıdır. Kırılma modülünün belirlenmesinde kullanılan boru seklindeki numunelerde ise ölçü uzunluğu daha kısa olup L/D~0,5 olmalıdır. Aynı zamanda numune çapı (D) ile et kalınlığı (t) arasındaki oran ise, D/t~10-12 olmalıdır.26 Sekil 1’de burma deneyinin şematik gösterimi verilmektedir. Burma momenti etkisiyle numunede kayma gerilmeleri oluşur. Deney sırasında uygulanan burulma momenti (T) burma açısı (f) diyagramı elde edilir (Sekil 11).
Şekil 17 a) Burma deneyinin sematik görünüşü, b) burma momenti (T) – burma açısı (φ) diyagramı.
Silindirik bir numunede c yarıçapından küçük herhangi bir r yarıçapında meydana gelen kayma gerilmesi (τ) su şekilde ifade edilir:
(1) T: Burulma momenti (N.mm)
r: Kayma gerilmesinin istendiği yarıçap (mm) J: Polar atalet momenti (mm4)
İçi dolu millerde polar atalet momenti: J=!" πC4 (c mil kesitinin yarıçapıdır) İçi boş millerde ise J=!" π (C24 – C14) (C2 milin dış yarıçapı C1 ise iç yarıçapıdır)
51
Maksimum kayma gerilmesi numunenin yüzeyinde oluşacağı için c olarak verilen değer numune yüzeyinde meydana gelen kayma gerilmesi (τ) aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
(2)
Burma deneyi ile elde edilen kayma akma gerilmesi, bu deneyden elde edilen burulma momenti (T) – burma açısı (φ) diyagramından elde edilir. Belirgin akma gösteren malzemelerde diyagramın lineer kısmından, Sekil 2’de görüldüğü gibi belirgin akma göstermeyen malzemelerde ise Ø = 0,002 derece / mm burma açısı değerinden diyagramın lineer kısmına çizilecek paralelin diyagramı kestiği noktadaki burulma momentinden (TA) hesaplanabilir.
Kayma gerilmeleri etkisi ile numunede meydana gelen deformasyon, kayma birim sekil değişimi (γ) olarak ifade edilir (Sekil 11).
Buna göre kayma birim sekil değişimi γ:
(3) φ: Burma açısı (Radyan)
c: Numunenin yarıçapı (mm) L: Numunenin boyu (mm)
Kayma modülü (G), burma diyagramının lineer kısmından (elastik bölgesinden) hesaplanır. Burma diyagramının elastik bölgesinde kayma gerilmesi, kayma birim sekil değişimiyle orantılı olarak artar. Elastik bölgede, kayma gerilmesinin (τ), kayma birim sekil değişimine (γ) oranı kayma modülünü (G) verir.
(4) G: Kayma modülü (MPa)
t : Elastik bölgede herhangi bir noktadaki kayma gerilmesi (MPa) g: Elastik bölgede aynı noktadaki kayma birim sekil değişimi
52
Burma deneyinde çeşitli malzemelerin kırılma şekilleri Sekil 13'te gösterilmiştir.
Burma deneyinde sünek bir malzemenin kırılması, maksimum kayma gerilmeleri yönünde, genellikle numunenin düşey ekseni boyunca olur (Sekil 13a). Gevrek bir malzemenin kırılması ise, maksimum çekme gerilmesi doğrultusuna dik bir düzlem boyunca yani numune boyuna 45° lik açılı düzlemde olur (Sekil 13b). Boru seklindeki sünek bir malzemenin kırılması ise, numunenin boyu uzun ise numunenin bükülmesi sonucunda seklinin bozulmasıyla (Sekil 3c), eger numunenin boyu kısa ise yine maksimum kayma gerilmesi yönünde (Sekil 3d) olur.
Şekil 18 Burmada kırılma şekilleri a)Yuvarlak numunenin sünek kırılma şekli b)Yuvarlak numunenin gevrek kırılma sekli, c) Sünek bir malzemenin boru seklindeki uzun numunesinin burulması d) Sünek bir malzemenin boru şeklindeki kısa numunesinin kopma şekli.