Nanoçentme Testi

Nanoçentme testlerinin en önemli amacı yük yerdeğiĢtirme ölçümlerinden malzemelerin sertlik ve elastik modülünü hesaplamaktır. Bilinen çentme sertlik testleri çentici yükünün bir fonksiyonu olarak malzemedeki kalıcı plastik iz boyutunun ölçülmesiyle ilgilidir. Bu verilen bir çentici yükü için kontak alanının bulunmasını sağlar. Bir Nanoçentme testinde kalıcı izin boyutu sadece birkaç mikron mertebesindedir. Bu nedenle optik teknikler kullanılarak ölçüm almak çok zordur. Nanoçentme testinde, malzeme yüzeyi altındaki girme derinliği çenticiye uygulanan yük ile değiĢir. Daha sonra çenticinin geometrisinin bilinmesi durumunda kontak alanının boyutu belirlenebilir. Bu iĢlem aynı zamanda malzemenin elastik modülünün kontak katılığından yani yük ve derinlik değiĢim hızından hesaplanmasını sağlar. Nano çentme testlerinde çıkan sonuçların etkili bir Ģekilde yorumlanması için gerçek çentme test mekanizmasının ve bu tip çentmede kullanılan çenticilerin doğasının bilinmesi gerekmektedir. (Fischer-Cripps, 2004)

2.6.5. Çentici Tipleri

Nanoçentme sertlik testleri genellikle küresel veya pramitsel çenticilerle yapılır. Piramitsel bir çentici olan Vickers çenticide karĢıt yüzeyler asındaki açı 68o dir. Bundan dolayı numunenin düz yüzeyi ile =22o bir açı oluĢturur. Belirli bir kontak yarıçapı a için küresel bir çenticinin yarıçapı R, arasında sin=a/R gibi bir iliĢki vardır. Burada =22o için a/R oranı 0,75 dir. Bu küresel çentici, kullanan brinell sertlik testlerindeki çentme gerilimi verir ve bu sebepten dolayı seçilen vickers çentici için =68o dir. BaĢka bir piramitsel çentici olan berkoviç çentici genellikle küçük skalalı çentme iĢlemlerinde kullanılır ve Vickers çenticinin 3 yüzlü hali gibidir. Ayrıca keskinlik derecesi son derece yüksektir. Nanoçentme testinde kullanılan Berkoviç çenticinin yüzey açısı 65,27o _{dir. Bu durum vickers çenticide}

olduğu gibi izdüĢüm alanın derinliğe oranını verir. Berkoviç çentici 65,03o

bir yüzey açısına sahiptir. Bu durum vickers çenticide olduğu gibi gerçek yüzey alanının derinliğe oranı ile bulunur. Tipik yeni berkoviç çentici için uç yarıçapı 50-100 nm aralığındadır. Bu genellikle kullanımına göre 200 nm ye kadar çıkar. Bir diğer pramit çentici olan knoop

çentiçi iki farklı yüz açısına sahip 4 yüzlü piramit bir çenticidir. Kalıcı izin eĢit olmayan köĢegen uzunluklarının ölçümü malzeme yüzeyinin yöne bağlı olmayıĢını araĢtırmak için çok kullanıĢlıdır. Bu çentici türü aslında çok sert malzemeleri test etmek için geliĢtirilmiĢtir. Bu durumda daha uzun köĢegen çizgisi kalıcı izin daha sığ derinliklerini daha kolay ölçülebilir. Küp köĢeli çentici nanoçentme testindeki artan popilariteye sahiptir. Bu berkoviç çenticiye benzerdir fakat yüzeyler arasındaki yarı açı 35.16o

dir. Konik çenticiler eksenel bir simetriye sahiptirler. Konik ve piramit çenticiler arasındaki eĢit izdüĢüm kontak alanı ;

2 2

tan

p

Ah  (2.31)

elde edilir. hp kontak alanı veya kürenin kenarlarından ölçülen girme derinliğidir. Vickers

veya berkoviç çentici için iz düĢüm kontak alanı A= 24,5 h2 _{bu sebeple eĢit bir konik}

çentici için yarı açı 70,3o

dir. Tepe açısının EĢitlik 2.31’ dan hesaplanabildiği eksenal simetrik konik çenticiler ile yapılan çentme iĢleminin data analizleri, piramidal çenticilerle yapıldığında daha uygundur.

Elastik durumdan elastik plastik kontağa geçiĢi sağlayan bu tip çentici gibi Küresel çenticiler artan bir kullanım alanına sahiptir. Bu durum özellikle yumuĢak malzemelerin ölçümü için ve servis durumlarında tekrarlanan kontak hasarı için uygundur. ġekil 2-3 te gösterildiği gibi çentici tipik olarak küremsi bir koni Ģeklinde görülür. Çentme iĢleminde numune yüzeyine girmek için çok kullanıĢlıdır. 1 mikrondan daha küçük yarıçapa sahip elmas uçlu küresel çenticiler düzenli olarak biçimlendirilebilir. Çenticiler genellikle keskin uçlu veya kör uçlu olmak üzere iki katagoride sınıflandırılır. Fakat sınıflandırılan çentici kriteri düĢünce konusudur. Örneğin bazı yazarlar keskin uçlu çenticileri yükün kaldırılması ile malzemede meydana gelen kalıcı deformasyondaki sonuçlar olarak sınıflandırır. Elmas uçlu vickers bir piramit bu duruma bir örnektir. Bununla birlikte diğerleri kör uçlu çenticilerde olduğu gibi >70o lik bir koni yarı açısı ile piramit veya konik bir çenticiyi sınıflandırmak için tercih edilir.

ġekil 2.16. Farklı gometrilere sahp çentme uçları; (a) Brinell çentici, (b) Küresel Çentici, (c) Vickers çentici, (d) Berkoviç Çentici

Bu nedenle elmas uçlu vickers bir piramit (=68o) bu durumda kör uçlu çentici olarak düĢünülebilir. Küresel bir çentici kontak noktasındaki eğim açısına göre uygulanan yüke bağlı olarak keskin veya kör uçlu çentici olarak sınıflandırılabilir. Daha sonraki sınıflandırma keskin uçlu çenticiler için oluĢan kayma çizgisi teorisine göre plastik akmanın gözlendiği malzeme davranıĢına bağlıdır ve malzeme rijit bir plastik katı gibi davranır. Kör çenticiler için malzemenin davranıĢı yükün büyüklüğü ve malzemenin çeĢidine bağlı olan elastik sınırlama modeli veya geniĢleyen kavite modeli tarafından tahmin edileni takip eder. Genellikle küresel çenticilerin kör, konik ve piramitsel ise keskin uçlu çenticiler olduğu söylenir. (Fischer-Cripps, 2004)

2.6.5.1. Küresel Çenticiler

Küresel bir çentici ile oluĢturulan bir iz için ortalama kontak basıncı (çentme sertliği) aĢağıdaki denklemle verilir.

2 4 m P P P H A d    (2.32)

Burada d tüm yükteki kontak küresinin yarıçapıdır.(malzeme yüzeyindeki kalıcı izin yaıçapına eĢit olduğu varsayılır.) nanoçentme testinde kalıcı izin boyutu bilinen teknikler ile doğru Ģekilde ölçebilmek için çok küçüktür bunun yerine kontak küresini derinliği ölçülür (hp; plastik derinlik) ve kontak alanı çenticinin geometrisinin bilinmesi ile

hesaplanır. Küresel bir çentici için kontak alanı aĢağıdaki formüller verilir.





2 i p p 2 i p

A R h h  R h (2.33)

Burada çentme derinliği çenticinin yarıçapı ile karıĢtırıldığında küçük olduğu zaman yukarıdaki yaklaĢıklık geçerli olur. EĢitik 2.32 örneğinden belirlenen ortalama kontak basıncı izdüĢüm kontak alanının ölçümlerine dayanmaktadır ve bu durum Meyer sertiği olarak bilinir. Aksine brinel sertlik numarası (BHN) izin eğrilik yüzeyinin gerçek alanını kullanır ve aĢağıdaki formülden bulunur.

2 2 2 ( ) P BHN D D D d     (2.34)

Burada D çenticinin yarıçapıdır. Brinel sertliği genellikle a/R nin 0,4 olduğu değerde uygulanır. Bir Vickers çentici açısı (bölüm2-3-2 de görüleceği gibi). Bir vickers çentici açısı çentme zorlanması değerinin aslında 0,4 olabilmesi için seçildi. Brinel testindeki kalıcı izin gerçek eğrilik yüzey alanının kullanılması test süresince malzemenin zorlanma sertleĢmesine karĢılık geldiği düĢünüldü. Fakat Meyer sertliğinin fiziksel olarak daha anlamlı bir içeriğe sahip olduğunun farkına varıldı. Meyer, kalıcı izin yarıçapı ve uygulanan yük arasındaki iliĢkinin ampirik bir boyutta olduğunu buldu. Bu durum Meyer yasası olarak bilinir;

n

Pkd (2.35)

Burada, k ve n malzemeyi ilgilendiren sabitlerdir. n değeri çentici yarıçapına bağlıdır ve 2

n x ye göre malzemenin zorlanma ĢertleĢmesi üssü ile iliĢkilidir. n değerlerinin 2 – 2,5 olduğu bulundu. (Fischer-Cripps, 2004)

2.6.5.2. Vickers Çenticiler

Vickers elmas piramit bir çentici için (karĢıt yüzeyler ile kare piramit 136o

lik açıda kenarlar 148o ve yüz açısı 168o dir). Vickers elmas sertliği (VDH) izin gerçek yüzey alanı ve çentici yükünün kullanılması ile hesaplanır. VDH, ortalama kontak basıncından yaklaĢık %7 daha küçüktür. Vickers elmas sertliği;

2 2 2 136 1,8544 2 P P VDH Sin d d   (2.36)

Denkleminden bulunur. Burada d numune yüzeyinde oluĢan kalıcı iz üzerindeki bir kenardan diğer kenara ölçülen köĢegen uzunluğudur. Geleneksel olarak vickers sertliği EĢitlik 2.35 kullanılarak hesaplanır (d, mm ve P kgf cinsinden). Sonuçta oluĢan değer vickers serliği olarak bilinir ve HV ile gösterilir. Ortalama kontak basıncı veya Meyer sertliği izdüĢüm kontak alanı kullanılarak bulunur. Bu durumda;

2 2 m P P H d   (2.37)

Ģeklinde yazabiliriz. HV ile meyer sertliği olan H arasındaki iliĢki ise ; HV=94,5H olarak yazılır. Nanoçentme testinde , kontak alanı plastik derinlikten (hp) bulunur. ĠzdüĢüm

kontak alanı;

2 2 2

4 _ptan 68 24,504 _p

A h  A h (2.38)

2.6.5.3. Berkovich Çenticiler

Berkovich çentici, dört yüzlü vickers geometrisinden daha Ģekilli keskin bir uç yapısına sahip olduğundan dolayı rutin olarak nanoçentme testi için kullanılır. Bu yüzden çentme iĢleminde daha keskin bir kontrol sağlar. Ortalama kontak basıncı genellikle plastik girme derinliği hp hesaplanır, izdüĢüm alanı;

2 2

3 3 _ptan

A h  (2.39)

ile hesaplanır. =65,27o olarak yerne yazılırsa;

2

24,5 _p

A h (2.40)

Bu sebeple ortalama kontak basıncı veya sertlik;

2 24,5 _p P H h  (2.41)

Olarak verilir. Orijinal Berkovich çentici, Vickers çenticide olduğu gibi, gerçek yüzey alanının çentme derinliğine oranının aynı olması için dizayn edildi ve bu 65,0333o

lik bir yüz açısına sahipti. Nanoçentme testinde, sertliğin bir tanımı olarak ortalama kontak basıncını kullanmak alıĢılmıĢ olduğundan dolayı nanoçentme iĢleminde kullanılan berkovich çenticiler 65,270

lik yüz açısına sahip vickers çenticilerde olduğu gibi izdüĢüm alanının çentme derinliğine oranının aynı olması için dizayn edildi. Hem Vickers hem de Berkovich çenticiler için malzeme içindeki temsili zorlanma yaklaĢık olarak %8 dir. (Fischer-Cripps, 2004)

2.6.5.4. Küp Çenticiler

Berkovich ve Vickers çenticiler nispeten slip-line (kayma çizgisi) teorisinden daha ziyade , geniĢleyen oyuk modeli ile tanımlanacak olan deformasyonu sağlayan ,daha büyük yüz açılarına sahiptirler. Çenticinin çok yüksek yük altında oluĢan zorlara karĢılık gelmektedir.Bazı örneklerde ,bu durum özellikle çentme, radyal ve medial çatlakların kırılma tokluğunu ölçmek için gerekli olduğunda , bir kesme hareketi ile malzemeyi

çentmek için istenilir. Bir küp kenarlı çentici bu koĢullar altında faydalı olabilen bir dar yüz açısına sahiptir. Çenticinin keskinliğine rağmen alıĢılagelen davranıĢda nanoçentme testini yapabilmek hala mümkündür ve izdüĢüm kontak alanı ifadesi, yüz açısı =35,26o olduğunda aĢağıdaki gibi olur (Fischer-Cripps, 2004) ;

2 2 2

3 3 _ptan 2, 60 _p

A h  A h (2.42)

2.6.5.4. Knoop Çenticiler

Knoop çentici, yaklaĢık 7 kat daha kısa köĢegen uzunluğu içeren bir ize ait eĢit olmayan kenar uzunuklarına sahip elmas pramit dıĢında vickesr çenticiye benzemektedir. Knoop çenticinin karĢıt yüzlerinin sahip olduğu açılar 172,5o

ve 130o derecedir. Knoop çentici özellikle çok sert malzemeler hakkında araĢtırma yapmak için kullanılır. Çünki kalıcı izin oluĢturduğu uzun köĢegen uzunluğu, Vickers veya küresel çenticilerle oluĢturulan izin boyutları ile karĢılaĢtırıldığında daha kolay ölçülür.

Çünkü uzun köĢegen, uzunlukları oluĢturulan izin izdüĢüm alanını belirlemek için kullanılır. Knoop sertlik değeri izdüĢüm kontak alanına dayanmaktadır ve aĢağıdaki denklemden hesaplanabilir (Fischer-Cripps, 2004) ;

2 2 172,5 130 tan 2 2 P KHN a cot        (2.43)