Mekanik Özellikler

Mekanik özellikler, dış kuvvetlerin etkisi ile çeşitli zorlamalar altında malzemede meydana gelen değişikliklerdir. Cisimler, artan zorlamalar altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılır. Bir yapının maruz kaldığı yük ve kuvvetlere emniyetle karşı koyması malzemenin mekanik özellikleri sayesinde

) 6 . 2 ( ) Pa ( ) m / N ( ² A F  

mümkündür [8]. Mukavemet özellikleri, homojen olmayan malzemelerde yükün yönüne ve oranına göre çeşitlenir.

Mekanik özelliklerin kaynağı atomlar arası bağ kuvvetleri olmakla beraber, iç yapıya ve çevre koşullarına da büyük ölçüde bağlıdır. Atomlar arası kohezif kuvvet (iki atom arasında bağı koparmak için gerekli kuvvet) büyüdükçe, bağ enerjisi artar ve mukavemet yükselir [9].

2.2.2.1 Basınç ve Çekme Dayanımı

a)basınç b)çekme

Şekil 2.8 Basınç ve çekme kuvveti etkisinde malzeme [10]

Gerilme, birim alana gelen kuvvettir. Gerilme kuvveti, basınç ya da çekme şeklinde olabilir. Malzemelerin yüzeyinden içeriye doğru etkiyen dış kuvvetler basınç gerilmeleri, dışarıya doğru etkiyenler ise çekme gerilmeleri oluşturur (Şekil 2.8). Basınç kuvveti etkisinde atom bağları arasındaki mesafe kısalır, parçanın boyu azalır, yanal doğrultuda genişler. Çekme kuvvetlerinde ise atom bağları arasındaki mesafe uzar. Başlangıçtaki şekil değiştirmeler elastiktir ve gerilmelerle orantılıdır [9].

(2.6) Metaller gibi homojen kristal iç yapıya sahip malzemelerde basınç ve çekme

gerilmeleri eş değerdedir. Ancak moleküllü iç yapıya sahip ahşap gibi malzemelerde basınç ve çekme değerleri farklıdır. Karma iç yapıya sahip taş, beton, pişmiş toprak gibi malzemelerde ise boşlukları nedeniyle çekme mukavemetleri basınç mukavemetlerinden daha küçük değerdedir [12].

2.2.2.2 Kayma Dayanımı

Kuvvet, malzeme yüzeyine paralel ise cisimde meydana gelen gerilme kayma gerilmesi adını alır [13]. Kayma gerilmesi kayma deformasyonu oluşturur, sadece

η:kayma gerilmesi G:kayma modülü γ:kayma deformasyonu (2.7) Düşük gerilmeler altında davranış lineer elastiktir. Kayma gerilmesi altındaki şekil değiştirmeler, gerilmenin bir değerine kadar, eksenel şekil değiştirmeler gibi Hooke kanununa tabidir. Yani kaymada şekil değiştirmeler kendilerini meydana getiren kayma gerilmeleri ile orantılıdır. Aradaki orantılık sabiti (G), malzemenin cinsine bağlıdır ve kayma modülü adını alır [16].

Malzemede görülen kayma gerilmeleri, genellikle bir moment etkisi meydana getirdiklerinden, basınç ve çekme gerilmelerine oranla daha fazla etkindir ve çok daha fazla zarara neden olabilecek niteliktedir [12]. Kırılma malzeme türüne göre kayma gerilmeleri etkisinde kesme veya makaslama şeklinde büzülmesiz oluşur [9]. Gevrek malzemelerde kayma düzlemi kesiti sünek malzemelerin kayma düzlemi kesitine oranla daha azdır. Sıvılar kayma gerilmesine sahip değillerdir. Çünkü kaymaya karşı koyamazlar.

a)kayma b)burulma

Şekil 2.9 Kayma ve burulma etkisinde malzeme [10]

2.2.2.3 Burulma Dayanımı

Bir çubuğun, eksenine dik düzlem içinde bir ters ikiz kuvvetin etkisine maruz olmasına basit burulma hali denir. Burulma momenti kesit düzlemini döndürerek düzlemde bir kaymaya neden olmaktadır (Şekil 2.9.b). Dönme en fazla çevrede olacağından, kayma gerilmeleri çevrede en fazla, merkezde yani çubuk ekseninde ise sıfırdır [12].

Burulma etkisinde kırılma yüzeyleri malzemenin gevrek veya sünek oluşuna bağlıdır. Gevrek malzemelerde burulma etkisinde kırılma, maksimum çekme gerilmelerinin etkilediği eğik düzlem boyuncadır. Sünek malzemelerin kayma direnci düşüktür. Basit burmada maksimum kayma gerilmeleri eksene dik düzlem üzerinde

G

  

ve en dış liftedir. Sünek malzemelerde burma etkisinde kırılma eksene dik düzlem boyunca makaslama şeklinde oluşur [9].

2.2.2.4 Sertlik ve AĢınma Dayanımı

Sertlik, malzeme yüzeyinin kalıcı şekil değiştirmeye karşı mukavemetini belirten bir özelliktir. Akma sınırı da aynı biçimde tanımlanabilir. Akma sınır yüksek, dolayısıyla mukavemeti yüksek bir malzemenin sertliğinin de yüksek olması beklenir. Malzeme türüne ve uygulanan deney yöntemine bağlı olarak Mohs, Brinell, Vickers, Rockwell gibi sertlik metodları vardır.

Sertliğin büyük olması işlenme kabiliyetinin küçük olduğunu göstermektedir. Sertlik ne kadar fazla ise malzemenin deformasyon yapma kabiliyeti o kadar azdır [8]. Kristal yapılı malzemelerde tane büyüklüğü artarsa sertlik ve mukavemet yükselir, süneklik azalır.

Bir malzemenin aşınması, o malzeme ile üzerinden geçen cisim arasında meydana gelen sürtünme sonucunda, malzeme sertliğine bağlı olarak yüzeyinde meydana gelen kopma ve parçalanmalardır. Aşınma olayında, yüzeye batma ve parça koparma, yüzeyde şekil değiştirme, yüzeyde korozyon yapma, yüzeyi ısıtma unsurları beraber etki yaparlar ve genel olarak ya çok sert ya çok yumuşak cisimler az aşınırlar [16].

Aşınma miktarı malzeme türüne, sürtünen cisme, yüzeylerin biçimine, sürtünme koşullarına ve çevrenin kimyasal etkilerine bağlıdır.

Birbirleriyle ilişkili iki malzemenin hareketi sonucu süreye bağlı olarak meydana gelen aşınmalarda, diğerine göre sert olan malzeme aşındırıcı olacaktır [12].

2.2.2.5 Deformasyon-Elastisite Modülü

Kuvvetin cisimde oluşturduğu gerilme sonucunda, cismin yaptığı şekil değişikliğine deformasyon denir. Deformasyon, cismin şekil değiştirdikten sonraki boyunun ilk boyuna olan oranıdır. Şekil değişikliği yanal ve boyuna olur [13]. Çekme halinde boy uzar, en daralır, basınç etkisinde tersi olur, kayma etkisinde ise yalnız açılar değişir (Şekil 2.10).

(2.8)

(2.9)

Şekil 2.10 Basınç, çekme ve kayma etkisinde boyut değiştirme [9]

Düşük gerilmeler altında elastik şekil değiştirme görülür. Yük kaldırılınca, elastik şekil değiştirme kaybolur, malzeme de tekrar eski boyunu alır. Gerilme belli bir sınırı aşarsa elastik davranış sona erer ve malzeme ya kırılır ya da kalıcı yani plastik şekil değiştirme oluşur. Plastik deformasyonda malzeme iç yapısında atomlar arası bağlar kopmuş, ancak komşu atomlar yeni bağlarla ilişki kurmuşlardır [12]. Elastik davranış biter bitmez kırılan malzemeye gevrek malzeme (beton, taş, tuğla), kırılmadan önce plastik şekil değiştirme yapanlara ise sünek malzeme (çelik, bakır, alüminyum) denir. (2.10)

Lineer elastik malzemelerde gerilmelerle şekil değiştirmeler orantılıdır ve şekil değiştirmeler elastiktir. 2.10 no‟lu denklemde de ifade edildiği gibi, (ζ) gerilme ve (ε) ise boy değiştirme oranıdır. Orantı katsayısı elastisite modülü (E) birimi ise boy değiştirme oranı birimsiz olduğundan, gerilmenin birimi ile ifade edilir (N/mm2

). Elastisite modülü, malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç veya rijitlik anlamına gelir.

(2.11) l l   _b n; deformasyo Boyuna e e   _e n; deformasyo Yanal    E x y     

Aynı gerilme altında oluşan yanal şekil değiştirme (εy), eksenel şekil değiştirme (εx) ile orantılı olup, bu orantı sabitine Poisson oranı denir. Malzemelerin büyük çoğunluğunda Poisson oranı 0.2-0.3 arasında değerler alır. Bu değer ≥1/2 olursa, cisme uygulanan basınç sonsuz olsa da, malzeme sıkıştırılamaz [9].

Elastisite modülü atomlar arası bağlar tarafından belirlenir ve iç yapıya duyarlı değildir. Elastik gerilme-şekil değiştirme bağıntılarında zamanın etkisi önemsizdir. Kohezif kuvvet büyüdükçe, elastisite modülü de büyür. Elastisite modülü, sıcaklıkla azalır. Kristaller homojen anizotrop olduklarından özellikleri doğrultulara bağlı olarak değişir. Atomların en çok dizili olduğu doğrultularda şekil değiştirme rijitliği dolayısıyla elastisite modülü en yüksektir. Kristal yapılı malzemelerde plastik şekil değiştirme büyük ölçüde kayma olayı sonucu oluşur [9]. İyonik bağlı bir kristalden ise plastik şekil değiştirme kabiliyeti beklenmemelidir [17].

Amorf yapılı malzemelerin şekil değiştirmeleri kristal yapılarda olduğu gibi iç yapıya ve iç yapı türüne bağlıdır. Kuvvetli bağlar sürekli bir uzay ağı oluşturursa şekil değiştirme çok kısıtlıdır, %1‟in altındadır. Lineer polimerlerde ise zincir şeklinde moleküller arası bağlar zayıftır, kuvvet etkisinde kolayca kayarlar, bunun sonucu önemli plastik şekil değiştirme olur.