Karışık modlu çatlak ilerleme ve kırılma tokluğu testleri için çelik ve alüminyum alaşımlı malzeme olarak iki ayrı malzeme seçimi yapılmıştır.
Alüminyum alaşımlı malzeme olarak uzay ve havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan 7075-T651 kodlu alüminyum alaşımlı malzeme ve çelik olarak ise St-1040
kodlu karbon çeliği seçilmiştir. Malzeme seçimlerinde yükleme sonucunda mümkün mertebede lineer elastik kırılma mekaniği (Linear elastic fracture mechanics- LEFM) sınırları içerisinde kalan, plastik bölgenin minimum olduğu ve aynı zamanda endüstride yaygın olarak kullanılan ve piyasadan kolay temin edilebilen malzemeler seçilmiştir. Özellikle farklı açılarda karışık modlu yüklemelerde elde edilen eşdeğer
gerilme şiddet faktörü değerinin kırılma tokluğu (KIC) değerine ulaşması için gerekli
olan yük artmakta ve oluşan bu yüklere karşı malzemenin akma dayanımının yüksek olması gerekmektedir. Malzeme seçiminde bu durumlar göz önünde bulundurularak gerekli değerlendirmeler ve sonrasında sonlu elemanlar programı ile simülasyonlar yapılarak kritik yük ve gerilme şiddet faktörü değerleri öngörülerek malzemelerin uygunluğuna karar verilmiştir.
Tez kapsamında planlanan ve sonrasında gerçekleştirilen tüm testlerin özeti Tablo 2.1.'de verilmiştir.
Tablo 2.1. Tez kapsamında gerçekleştirilen kırılma testlerinin özeti.
Yukarıdaki testlerde, malzemenin üretiminden kaynaklı olan değişkenlikler nedeniyle test sonuçlarını etkileyebilecek faktörlerin etkisini minimize etmek için, farklı kalınlıklarda, aynı üretimden çıkan plakalar toplu halde temin edilmiştir.
13
Karışık modlu çatlak ilerleme ve kırılma tokluğu testleri için temin edilen 30 mm, 70 mm ve 90 mm kalınlıktaki LT hadde yönünde haddelenmiş olan 7075-T651 alüminyum malzemeler için, malzemelerin temin edildiği firmadan kimyasal ve mekanik özellikler ile ilgili sertifika belgeleri alınmış ve ayrıca yerel bir firmaya da bazı numuneler götürülerek kimyasal içeriği teyit edilmiştir. 30 mm, 70 mm ve 90 mm kalınlıktaki malzemeler için elde edilen içerik test sonuçları Şekil 2.1, 2.2 ve 2.3.'te sırasıyla verilmiştir. Test sonuçlarından da görüldüğü gibi testlerde kullanılacak olan Al 7075-T651 alüminyum malzemelerinin alaşım miktarları, literatürde 7075-T651 malzemesi için tanımlanan aralıktadır.
(a)
(b)
Şekil 2.1. 30x1520x3020 mm boyutlarındaki plakanın (a) kimyasal, (b) mekanik özellikleri. (Devamı)
15
Şekil 2.3. 90x1520x3020 mm boyutlarındaki plakanın mekanik ve kimyasal özellikleri.
St-1040 çeliği için de yine aynı şekilde hem malzemenin temin edildiği yere hem de bağımsız yerel bir firmaya spektral analiz testi yaptırılmış ve sonuçları Şekil 2.4 ve 2.5.'te verilmiştir. Test sonuçları incelendiğinde alaşım miktarlarının St-1045 çeliğinin özelliklerine daha yakın olduğu görülmüştür.
Şekil 2.4. Temin edilen çelik malzemesinin kimyasal özellikleri.
Şekil 2.5.Temin edilen çelik malzemesinin kimyasal özellikleri.
St-1040 çeliği için sonlu elemanlar programı ile gerçekleştirilen simülasyonlarda özellikle farklı açılarda karışık modlu yüklemelerde elde edilen eşdeğer gerilme şiddet faktörü değerinin, kırılma tokluğu (KIC) değerine ulaşması için gerekli olan yük, alüminyum alaşımlı malzemeye göre oldukça yüksek değerlere ulaşmaktadır. Malzemenin oluşan bu yüklere karşı akma dayanımının yüksek olması gerekmektedir. Gerçekleştirilen analizlerin sonucunda elde edilen kritik yük ve gerilme şiddet faktörü değerleri ve akma dayanımı göz önünde bulundurularak çeliklere ısıl işlem uygulanmıştır. Kırılma tokluğu testinde plastik bölgenin oluşmaması için ASTM E399-12 standardında yer alan minimum kalınlık hesabına (B ≥ 2,5*(KIC/σY)2) göre simülasyon sonuçlarında elde edilen kritik yük değerleri
17
numunenin kalınlığı daraltılarak düşürülebilmekte ancak formülde görüldüğü gibi malzemenin akma dayanımı bunu sınırlandırmaktadır. Bu yüzden St-1040 çeliğine uygulanan ısıl işlemler ile ilgili literatürde yapılan çalışmalar incelenmiş ve Rayes'in (2006) yapmış olduğu ısıl işlem referans alınarak çelik numunelere ısıl işlem uygulanmıştır. Çelik numuneler 850°C östenitleme sıcaklığında 1 saat süreyle tutulduktan sonra hızlı bir şekilde su verilerek soğuyana kadar suda karıştırarak sıcaklığın atılması sağlanmıştır. Daha sonra numuneler fırında 450°C sıcaklığa yeniden ısıtılarak 2 saat süreyle temperlenmiştir. Son olarak havada soğutma işlemiyle ısıl işlem sonlandırılmıştır. Isıl işlem sonrası numunelerin sertleşmesi sonucu talaşlı işlenmesi zor olacağı için ısıl işlem öncesi numuneler talaşlı işlenerek son ürün haline getirilmiş ve sonrasında ısıl ve su verme işlemlerine tabi tutulmuştur. Ancak çelik numunelerde çentiğin ağız kısmında ısıl işlemden dolayı bir miktar daralma olduğu gözlenmiş ve ısıl işlemin numunelerde bir miktar bası gerilmesi oluşturabileceği düşünülerek bunun etkisini incelemek için bazı numunelere de su verme ve ısıl işlemden sonra çentik açılmıştır. Çelik numuneler kodlanırken, ısıl işlem görmemiş numuneler "Base", ısıl işlem görmüş numuneler "HT-QT" (Heat Treated-Ouenched and Tempered) ve su verme-temperleme sonrası çentik açılan numuneler "NAQT" (Notched After Ouenching and Tempering) şeklinde kodlanmıştır.
Alüminyum ve ısıl işlem görmüş ve görmemiş olan çelik malzemelerinden çekme numuneleri hazırlanarak (Şekil 2.6) Bursa Teknik Üniversitesi'nde bulunan 200 kN kapasiteli çekme cihazında çekme testi gerçekleştirilmiş ve sonuçlar tablo halinde Tablo 2.2.'de verilmiştir.
Tablo 2.2. Alüminyum ve çelik numunelerin çekme testi sonucu elde edilen akma dayanımı değerleri.
Numune ismi Akma Dayanımı (MPa)
Al 570
St-1040-Base 430
St-1040-HT 742
Çelik numunelere ayrıca sertlik testi gerçekleştirilmiş ve sonuçları Tablo 2.3.'te verilmiştir.
Tablo 2.3. Çelik numunelere uygulanan sertlik testi sonucu elde edilen sertlik değerleri.
Numune ismi Vickers Brinell Rockwell
St-1040-Base 224 215 - 203 20 St-1040-NAQT - 602 634 - 688 572 602 626 56 St-1040-HT-QT 378 378 386 - - 602 38