Malzeme Özelliklerinin Girilmesi

Günümüzün gelişmiş mühendislik uygulamalarında malzeme seçimi oldukça önemli bir aşamadır. Malzeme seçimi denilince ilk akla gelen metalürji ya da malzeme mühendisleridir, fakat yeni bir tasarım oluşturulurken ya da mevcut bir ürün geliştirilirken, bu alanlar dışında birçok daldan mühendis malzeme seçiminde görev almaktadır. Bu amaçla tasarım mühendisi ile malzeme mühendisi malzeme seçimi çalışmalarında ortak hareket etmek zorundadırlar. Bazı tasarım çalışmalarında ise, malzeme mühendisine gerek kalmadan sadece tasarım mühendisinin görüşleri doğrultusunda malzeme seçimi yapılmaktadır. Bu yüzden; tasarım mühendisinin gerekli ve yeterli malzeme bilgisine sahip olması gerekmektedir.

Malzemelerden beklenen minimum özelliklerin belirlenmesi oldukça geniş bir konudur. Fakat bu özelliklerin belirlenmesinde neye dikkat edileceğinden kısaca bahsetmek gerekirse; malzeme seçimi çalışmasını yürüten mühendis, mevcut ürünleri ya da rakip firmaların benzer ürünlerini inceleyerek malzeme seçimi çalışmasına başlamalıdır. Bu durum, mühendisin gereksiz vakit kaybetmesini ve günümüzde oldukça fazla olan malzeme çeşitliliği içerisinde zorlanmasını engellemektedir. Ayrıca, çalışmaya bu şekilde başlayan mühendis, tasarladığı ürünün gerekliliklerini ve kullanıcıdaki ömrü konusunda ön bilgiye de sahip demektir. Wöhler’in yaklaşık 100 sene öncesi tren akslarındaki yorulma kırılması problemine açıklık getirmesiyle birlikte; ürünün müşteri tarafında kullanılırken karşılaştığı şartların incelenmesinde ve bu şartların laboratuvar ortamında hızlandırılmış testler ile ürün üzerinde yansıtılması çalışmalarında oldukça önemli gelişmeler olmuş ve gelecekte de

olacaktır. Malzeme tipi seçiminde ve seçilen malzemenin üretimde kullanılabilirliğinde; ürün tasarımı, maliyet, bulunabilirlik, geri dönüşüm durumu ve performans gibi özellikleri detaylı bir şekilde incelenmeli ve seçim parametreleri, birbirinden ayrı tutulmadan hareket edilmesi gerekmektedir. Malzeme seçiminde diğer ve belki de en önemli kısım da müşterinin beklentilerini karşılayabilmektir. [35].

Analiz ortamı oluşturulurken CAD datalar sistemde açıldıktan ve gerekli kalınlık bilgileri programa girildikten sonraki ilk aşama parçaların malzeme bilgilerinin programda tanımlanmasıdır. Program tarafından başta seçili olan ‘Structural Steel’ (yapısal çelik) malzemesi ile analiz ortamı oluşturulmasına devam edilmiş ve gerçekte kullanılan malzemenin analiz sonuçlarını etkileyecek özellikleri, yapı çeliği malzemesinin mevcut program içindeki özellikleri değiştirilerek, üretimde kullanılan malzeme programa tanıtılmıştır.

Piyasada yaygın olarak kullanılan analiz ve tasarım programların büyük bir çoğunluğunda programların kendilerine has bir malzeme kütüphanesi bulunmaktadır. Bu malzeme kütüphaneleri sayesinde sanayide yaygın kullanılan malzeme tipleri bulunarak, herhangi bir ek malzeme özelliği girilmeden malzeme özellikleri direkt olarak kullanabilir, yeni malzeme özellikleri tanımlanabilir ya da mevcut malzeme özellikleri değiştirilebilmektedir. Bizim problemimizdeki analizler Lineer-Elastik malzemelerin yapısal statik ve yorulma analizleri olacağından, malzemenin termal ve elektriksel özelliklerini dikkate almaya ve değiştirmeye gerek yoktur.

İlk aşamada Statik analizler anlatılacağından ve sadece izotropik malzemeyle lineer elastik çözüm yaptırılacağı için; Young’s Modulus (elastisite modülü) ve Poisson’s Ratio (poisson oranı) bilgileri yeterli olmaktadır. Elastisite modülü; izotropik elastik bir malzemeye uygulanan kuvvet sonucu oluşacak deformasyona karşı malzemenin göstermiş olduğu dirençtir. Gerilmenin, gerinmeye bölünmesiyle hesaplanır. Gerinme birimsiz olduğundan, elastisite modülü birimi gerilme birimi ile aynıdır. Çoğu müdendislik uygulamalarındaki malzeme seçimi aşamasında dikkate alınan öncelikli özelliklerden biridir. Poisson oranı çelikler için 0,27 ile 0,30 arası değerler alınabilir [36].

İzotropik malzemede; X/Y/Z eksenlerinin doğrultusunda malzeme özelliklerinde değişkenlik olmadığı varsayılır. Bu durumda her eksen için Elastisite modülü ve

Poisson oranı aynıdır. Genellikle metal ve alaşımlarının kullanıldığı yapısal analizlerde, malzemelerin İzotropik olduğu kabulunde bulunulur. İzotropik olmayan, Non-İzotropik olarak adlandırılan malzemelerde ise en az iki eksen için farklı elastisite modülü ve Poisson oranı girilmelidir. Non-İzotropik malzeme örneği olarak; biomekanik analizlerinde kemik modellemesi yapılırken Non-İzotropik malzeme oluşturulması verilebilir.

Aşağıda verilen elastisite modülü ve Poisson oranı AW programının yapısal çelik malzemesi özelliklerine girilmiştir. İzotropik malzemelerde belirlenen malzeme özelikleri X koordinatı için girilmiş olup, diğer koordinatlar için de malzeme X koordinatında göstermiş olduğu özellikleri korumaktadır.

- Elastisite Modülü: 2,07e+011 Pa = 2,07e+011 N/m² = 207000 MPa = 207000 N/mm² = 207 GPa

- Poisson Oranı: 0,3 (birimsizdir)

Travers braketi, güçlendirme plakası ve somunlu kafes üretiminde kullanılan sac malzeme Erdemir’in 7136 kalite numarasındaki, 2 mm kalınlığındaki ısıl işlem uygulanmamış, soğuk haddelenmiş sac malzemesidir. Standart olarak DIN EN 10268-99 standardında, H360 LA kalitesindedir. Genel tanım olarak soğuk

şekillendirmeye uygun, özellikle Otomotiv sektöründe kullanılan yüksek

mukavemetli çelik malzemelerdendir. Bu malzemenin Otomotiv sektöründe ve yan sanayinde tercih edilmesinin en büyük nedeni; iyi şekillendirebilirliğinin yanında yüksek kaynaklanabilirlik özelliğinin de bulunmasıdır. Sıcak ile soğuk haddelenmiş sacların temel farkı; sıcak haddelenmiş saclar genellikle 2 mm’den daha kalın, soğuk haddelenmişler saclar ise genellikle 2 mm’den daha ince sac malzemelerdir. Aynı kalınlıktaki sıcak haddelenmiş sacların, soğuk haddelenmiş saclara göre kaynak edilebilirlik ve şekillendirilebilirlik açısından kabiliyetleri daha yüksektir. Şu anda Türkiye endüstrisinde çoğunlukla soğuk haddelenmiş sac kullanılmaktadır. Mevcut parçalarda kullanılan sac malzemenin kimyasal bileşimi Çizelge 5.1’de verilmiştir. Çizelge 5.1 : Erdemir’in 7136 nolu soğuk haddelenmiş sacının kimyasal bileşimi (%)

Erdemir Kalite No. Kimyasal Sınırlar (Max.) C Si Mn P S Al Standart 0,10 0,50 1,20 0,025 0,025 0,015 7136 Erdemir 0,10 0,10 1,20 0,025 0,015 0,020

Akma Dayanımı 360-460 MPa aralığında ve Çekme Dayanımı da en düşük 430 MPa olan 7136 kalite numaralı sac malzemenin mekanik özellikleri Erdemir’in soğuk haddelenmiş ürünler kitapçığında bulunmaktadır. Bu malzemenin uzama değeri; test çubuğunun ilk ölçüsü 80 mm olacak şekilde %20’dir [37].

Çizelge 5.2’de; AW programının yapısal çelik malzemesi için önerdiği malzeme özelliklerinin bulunduğu Çizelge A adı ile, bu malzeme özelliklerine mevcut parçalarda kullanılan malzemenin özellikleri eklenmiş hali ise Çizelge B adı ile verilmiştir. İki çizelge arasında malzemenin elastisite müdülü ile akma ve çekme dayanımları arasında farklar bulunmaktadır. B tablosunda malzemenin sadece çekme testlerinden elde edilen dayanım değerleri girilmiştir, basma dayanım değerlerine gerek duyulmamıştır. Ayrıca analizlerde malzemenin ısısal ya da elektriksel durumu ile ilgili bir çalışma olmadığından malzemenin bu özelliklerinin değerinin bir önemi yoktur.

Çizelge 5.2 : Yapısal çeliğin AW programı içindeki malzeme özellikleri (A) Mevcut parçalarda kullanılan çeliğin malzeme özellikleri (B)