Başlıca mekanik özellikler: Çekme/basma (tensile /compression) Sertlik (hardness) Darbe (impact) Kırılma (fracture) Yorulma (fatigue) Sürünme (creep)

MEKANİK ÖZELLİKLER

Tasarım ve imalat sırasında, malzemelerin mekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir.

Başlıca mekanik özellikler:

– Çekme/basma (tensile /compression) – Sertlik (hardness)

– Darbe (impact)

– Kırılma (fracture)

– Yorulma (fatigue)

– Sürünme (creep)

Malzemelerin mekanik yükler altındaki davranışlarına

“mekanik özellikler” adı verilir.

Mekanik özellikler, esas olarak atomlararası bağ kuvvetlerinden kaynaklanır.

Ancak bunun yanında malzemenin içyapısının (mikroyapı) da etkisi vardır.

Bu sayede içyapıyı değiştirerek aynı malzemede farklı mekanik özellikler elde etmek mümkün hale gelir.

Metallerin mekanik özellikleri çeşitli yükleme şartlarında,

çeşitli deney parçaları ile incelenir.

Malzemeleri mekanik özellikleri çeşitli deneylerle belirlenir:

• Çekme deneyi

• Sertlik ölçümü

• Darbe deneyi

• Yorulma deneyi

• Sürünme Deneyi

• Burulma Deneyi

ÇEKME DENEYİ

Tasarımda en çok önemsenen özellikler, malzemelerin ne kadar dayanıklı oldukları ve

ne ölçüde şekil değiştirebilme kabiliyetine sahip olduklarıdır.

Malzemelerin dayanım ve şekil değiştirme özelliklerini belirlemede kullanılan en yaygın test; çekme deneyidir.

Bu deney,

malzemelerin tasarım bilgilerini belirlemek ve

malzemelerin özelliklerine göre sınıflandırılmasını

sağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır.

Çekme deneyi standartlara göre (TS138 EN10002-1) hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, sabit kabul edilebilecek bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir.

Dairesel kesitli standart bir çekme çubuğu

Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak

artan çekme kuvveti uygulandığında, aynı zamanda

da numunenin uzaması kaydedilir.

Bu verilerin, mühendislik olarak daha anlamlı olabilmesi için geometrinin etkisinin giderilmesi gerekir.

Bu nedenle “kuvvet-uzama (F - Δl)” diyagramının

“gerilme - birim şekil değiştirme (σ - ε)” diyagramına dönüştürmek gerekir.

Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki özellikler bulunabilir.

a. Elastisite Modülü b. Elastik Sınırı

c. Elastikiyet

d. Akma Dayanımı e. Çekme Dayanımı f. Tokluk

g. % Uzama

h. Kesit Daralması

Çekme deneyi sırasında parça,

önce “ELASTİK” şekil değişimine daha sonrada

“PLASTİK” şekil değişimine maruz kalır.

Daha sonra parça kırılarak kopar.

(a) Elastik Şekil Değişimi:

Elastik şekil değişimi, σ - ε diyagramının doğrusal olarak değiştiği ilk bölümünde gerçekleşmektedir (σ ≤ σ_a).

Burada uygulanan gerilme ve bu gerilmenin meydana getirdiği elastik birim şekil değişimi arasında Hooke kanunu (σ = E.ε) geçerlidir.

Elastik şekil değişiminde etkin olan malzeme özelliği (parametresi), ELASTİKLİK MODÜLÜ, E, dir.

Bir malzeme özelliği olan, malzemeden malzemeye farklı değer alan Elastiklik modülü, atomlararası bağların kuvvet altında esnemelerinden

kaynaklanır.

Bağ kuvveti – atomlar arası mesafe diyagramında F=0 civarında teğetin eğimi elastiklik modülünü (E) belirlemektedir.

Dolayısıyla, dik eğime sahip malzemelerin elastiklik modül değerleri büyük olacaktır.

Bu malzemeler, kuvvet altında daha az elastik şekil

değiştirecek ve daha rijit davranacaklardır.

Malzemelerin elastiklik modülü, iki parametreden çok etkilenir:

1-Kimyasal bileşim 2-Ortam sıcaklığı.

Aynı malzeme için, malzeme dayanımı gibi durumlar elastiklik modülünü etkilemez.

Örneğin, sertleştirilmiş aynı bileşime sahip çeliğin sert ve yumuşak halleri

aynı elastiklik modülü değerini gösterir.

Çizilen doğrunun gerilme-birim şekil değişimi eğrisini kestiği noktaya karşılık gelen gerilme, akma dayanımı, σAk olarak tanımlanır.

Doğal olarak akma dayanımı MPa cinsinden ifade

edilir.

Süneklik

Süneklik, bir diğer önemli mekanik özellik olup, kırılmaya kadar malzemede oluşabilecek plastik deformasyonun miktarının bir ölçüsüdür.

• Kırılmaya kadar çok az veya hiç plastik

deformasyon göstermeyen malzemeler gevrek

olarak adlandırılır.

TOKLUK

Tokluk bir malzemenin kırılmadan önce sönümlediği enerjinin bir ölçüsüdür.

Bir malzemenin kırılmadan bir darbeye dayanması yeteneği söz konusu olduğunda önem kazanan bir mühendislik özelliğidir.

Tokluğun en basit ölçme yöntemlerinden birisi darbe deneyidir.

Cisimlerin darbeye dayanıklılığı malzemenin atom

bağları (kohezyon dayanımı) ile yakından ilişkilidir.

Kırılma Tokluğu - Malzeme Kalınlığı İlişkisi

Darbe (Ani yükleme)

• Bir yapıya veya elemana uygulanan dış yük,

tabii titreşim periyodunun üçte birinden daha kısa zamanda uygulanırsa, bu yüklemeye

darbe denir.

CHARPY (ÇENTİK) DARBE

DENEYİ

Çentik Darbe Deneyi

Numuneyi kırmak için harcanan enerji potansiyel enerji farkına eşittir.

E_k=Ep₁-Ep₂ Darbe deneyi,

ortam şartlarında numuneyi kırmak için gerekli enerji miktarını ölçmeye yarar.

Sıcaklığa bağlı olarak değişir.

Darbe deneyinin yapılış şekline göre:

• Charpy

• Izod

olarak uygulanır.

Numunenin silindirik veya prizmatik olması da

uygulanan yöntemi

belirlemede etkilidir.

Çentik darbe deneyi için İzod ve Charpy deney yöntemleri vardır

Çarpma nedeni ile sarf edilen enerji kural olarak cihaz üzerinde bulunan sürüklenen bir gösterge yardımı ile doğrudan doğruya okunabilir.

Darbe sırasında sarf edilen işin, kırılan yerin kesit alanına oranı

“Çentik Darbe Mukavemeti”

(a_K)’yı verir.

cm2

= j

= Kırılan yerinkesit alanı iş edilen sırasında sarf

Darbe a_K

Gevrek kırılmayı kolaylaştıran etkenler;

Düşük sıcaklık

Çok eksenli gerilme durumu (çentikler, ani kesit değişimleri, büyük et kalınlıkları)

Darbeli zorlama

Heterojen içyapı (hatalı ısıl işlem, kaynak dikişi bölgeleri)

Yüksek dayanımlı malzemelerin şekil değiştirme kabiliyetlerinin düşük oluşu

Kırılma enerjisi sıcaklığa bağlı değişir. Malzeme sıcaklığa bağlı farklı kırılma şekli gösterebilir. Bu nedenle çalışma ortam

sıcaklığının bilinmesi önemlidir.

Çeliklerin çentik darbe mukavemetleri deney sıcaklığına bağlı olup, değişik üç bölge göstermektedir.

Geçiş sıcaklığı nedir ve neden önemlidir?

Hacim merkezli kübik ve bazı sıkı düzenli hegzagonal kristal yapıya sahip metallerde çentik vurma tokluğu sıcaklığa kuvvetle bağlı olup dar bir sıcaklık aralığında (geçiş sıcaklığı) büyük

değerlerden (sünek kırılma) çok küçük değerlere (gevrek kırılma) düşer.

Bu durum nikel, bakır, alüminyum, ostenitik çelik gibi yüzey merkezli kübik metal ve alaşımlarda görülmez.

Sünek durumdan gevrek duruma geçiş sıcaklığı alt geçiş sıcaklığı, gevrek durumdan sünek duruma geçiş sıcaklığı ise üst geçiş

sıcaklığı olarak adlandırılır.

Alt veya üst nitelendirmeleri belirtilmediği takdirde geçiş sıcaklığı için ortalama değer alınır.

Geçiş sıcaklığı

• Bileşim,

• Mikroyapı,

• Tane büyüklüğü,

• Yüzey durumu

• Parçanın geometrisi gibi faktörlere bağlıdır.

Şekil değiştirme hızı da geçiş sıcaklığını etkiler.

Yüksek şekil değiştirme hızları, şekildeki keskin değişiklikler ve yüzey çentikleri geçiş sıcaklığını yükseltir.

55

Kristal Yapı

• YMK; sünek ve tok ,

• SDH; gevrek,

• HMK; bazı şartlarda gevrek bazılarında tok davranmaktadır.

Belirli bir sıcaklık altında HMK tokluğunu yitirerek gevrek davranış göstermeye başlar.

Bu sıcaklığa “Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı” adı verilir

(ductile-brittle transition temperature).

56

Kristal Yapı /Sıcaklık

HMK da ki bu düşüşün

sebebinin arayer atomalarının (cottrel atmosferi) düşük

sıcaklıklarda, dislokasyon

hareketlerini engellemesi olarak düşünülür.

Nispeten yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar engellerden

kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisini arttığı varsayılmaktadır.

SDH

57

Sünek-gevrek geçiş Sıcaklığı

2

min

@ ^E

^E

g T

T = ⁺

Malzemenin tokluğunu kaybederek gevrek kırılmaya başladığı sıcaklığa geçiş sıcaklığı denir.

Malzemelerin 27 J ve daha düşük çentik darbe işi olması durumunda gevrek kırılma kabul edilir.

Karbon Oranının Çarpma Tokluğuna Etkisi

% Karbon oranının etkisi: Çeliğin karbon miktarı arttırılırsa geçiş sıcaklığı da artma göstermektedir.

60

HMK da geçiş sıcaklığı, kimyasal bileşimden çok etkilenir.

Örneğin, C artarsa Tg artar. Mn (ve Ni) artarsa, Tg azalır.

Düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk için ideal alaşım elementleridir.

k_t = Çentik faktörü σ_max = Max gerilme

(Çentikten dolayı Gerilme yığılması ile oluşan gerilme)

σ_n = Nominal gerilme (ortalama gerilme)

Çentik faktörü

n

k

σ σ

=

• Çentik: Bir parçada bulunan ani kesit değişimidir.

• Çentikten dolayı çentik dibinde gerilme yığılması oluşmakta ve hesaplanandan daha büyük gerilmelere ulaşmakta.

• Çentik faktörü, çentik dibinde oluşan gerilmenin çentik olmama durumundaki gerilme haline oranıdır.

• k_t, geometriye bağlı (kt α R^-1 (çentik dibi radyusu ile ters orantılı)

• Literatürde tablolardan değerler bulunabilir.

a  ⇒ σ

 R  ⇒ σ



• b/r oranı ve r/h oranı azalması ile kt artar.

• kt, 2.5-3 ve daha büyük değerlere ulaşabilir.

• Çok keskin çentikler (çatlaklar) bulunma durumunda gereken tasarımın yapılması için “kırılma mekaniği ” kullanılır.

• Kırılma mekaniğinde gerilme şiddet faktörü ve malzemenin kırılma tokluğu kavramları kullanılır.

Kırılma mekaniği

• Kırılma mekaniğinde “Gerilme şiddet faktörü” kullanılır.

– K₁: Çekme zorlaması

– K₁₁: Kesme (kayma) zorlaması

– K₁₁₁: Burulma zorlaması olma durumları.

• En tehlikeli durum K₁: çekme durumudur.

a Y

K ₁ = ⋅ σ ⋅ π

Şekil Faktörü Gerilme şiddet

faktörü

Çatlak boyu Çekme gerilmesi

• Malzemenin ani zorlamalara karşı dayanımını ifade eden büyüklük “ kırılma tokluğu ” dur.

• Bu değer K

ile ifade edilir

• K

azaldıkça malzemenin gevrek kırılma eğilimi artar.

• Parçanın tasarımda herhangi bir zorlama altında ani ve gevrek kırılmaması için aşağıdaki şart sağlanmalıdır.

K C

K ₁ ≤ ₁

Ani kırılma olmaması için

• Çatlak boyunun kritik değerden küçük olması

• Gerilmenin kritik gerilmeden (kritik çatlak boyunda gevrek kırılmaya sebep olan gerilme) değerden daha küçük olması gerekir.

kr k

C Y a

K ₁ = ⋅ σ ⋅ π

Kritik Çatlak boyu

Ani kırılma Çekme gerilmesi Şekil Faktörü

Malzemenin kırılma tokluğu

Çatlak boyu arttıkça hasara sebep olan gerilme azalmakta

II. Dünya savaşında, 2500 gemiden

150’ ye yakını ortadan ikiye bölünerek,

700 tanesi de ciddi

oranda hasara uğramıştır.

Bu hasarlar genellikle

düşük gerilme altında ve gemiler limanda demirli iken olmuştur.

Sıcaklık - Elastiklik modülü (E) İlişkisi

Şekil. Sıcaklığın elastiklik modülüne (E) etkisi

SICAKLIĞIN MALZEME ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Genellikle sıcaklığın yükselmesi süneklik ile tokluğu arttırır, elastiklik modülü, akma sınırı ve çekme dayanımını düşürür.

Sıcaklığın malzeme özelliklerine etkileri aşağıdaki şekillerde görülebilir.

Şekil. Sıcaklığın mühendislik çekme diyagramına etkisi

SERTLİK ÖLÇÜMÜ

Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney, sertlik ölçme deneyidir.

Bunun başlıca nedeni,

deneyin basit oluşu ve diğerlerine oranla numuneyi daha az tahrip etmesidir.

Bir diğer nedeni ise, sertlik ile diğer mekanik özellikler arasına paralel bir ilişkinin bulunmasıdır.

Batıcı uç (çelik bilye)

Oluşturulan izler

Sertlik, izafi bir ölçü olup sürtünmeye, çizmeye, kesmeğe ve plastik deformasyona karşı direnç olarak tarif edilir.

Sertlik ölçme genellikle, konik veya küresel standart bir ucun malzemeye batırılmasına karşı malzemenin

gösterdiği direnci ölçmekten ibarettir.

Uygun olarak seçilen sert uç, uygulanan yük altında malzemeye batırıldığında malzeme üzerinde bir iz

bırakacaktır. Malzemenin sertliği, bu izin büyüklüğüyle ters orantılıdır.

Vickers Sertlik Ölçüm Cihazı Hv 5 Portatif Sertlik Ölçüm Cihazı

Sertlik ölçüm yöntemleri iki grupta incelenebilir:

• Statik Sertlik Ölçüm Yöntemleri (laboratuarda yapılan sertlik ölçüm yöntemleri)-(Brinell, Vickers, Rockwell ve Mikro Sertlik Ölçüm Yöntemleri)

• Dinamik Sertlik Ölçüm Yöntemleri (Endüstriyel sertlik ölçüm yöntemleri)-(Poldi çekici, Shore Skoleroskobu vb.)

Sertlik ölçme yapılırken kullanılan yöntem ne olursa olsun,

numunelerin üzerinde birkaç (en az üç) ölçme yapılıp ortalaması alınmalıdır.

Çok farklı değerler ortalamaya dahil edilmeyip, raporda ayrıca belirtilmelidir.

Ölçülen izler arasında, en az 2,5-3,0 iz çapı kadar mesafe olmalıdır.

Ayrıca izler kenarlardan da 4,0 iz çapı kadar içeride olmalıdır.

Sertlik ölçülecek yüzeyler düzgün olmalıdır.

Brinell Sertlik Cihazı

Brinell Sertlik Ölçümü

• 10mm çaplı bilyaya yük uygulanır.

• Bir mikroskop yardımıyla, oluşturulan izin çapı 0,02 mm hassasiyette ölçülür.

• Brinell Sertlik Değeri (Bhn) hesaplanır.

– D = batıcı ucun (bilya) çapı (mm) D = 10mm – d = oluşan izin çapı (mm)

– P = uygulanan yük (kg)

(

)

2 area

indented

mass Load

d D

D D Bhn P

−

−

=

= π

ROCKWELL SERTLİK ÖLÇÜM YÖNTEMİ

Sertlik ölçüm prensibi

Küçük yük Uygulandığında Batma derinliği

Büyük yük Uygulandığında Batma derinliği (ilave yük

kaldırıldlktan

Sonraki durumda) Sertliği oluşturan iz derinliği

Batıcı uç

Numunenin Yüzeyi

a) Skala seçimi: skalaya uygun yük ve batıcı uç seçimi b) Malzeme üzerinde bir noktaya yük uygulanır .

- Elmas uç (120⁰ tepe açılı konik uç) - 1/16" çaplı bilya (küre)

- 1/8“ çaplı bilya (küre) - 1/4” çaplı bilya (küre)

İz derinlikleri arasındaki farktan sertlik değeri belirlenir.

VICKERS SERTLİK ÖLÇÜM YÖNTEMİ

Vickers yönteminde, uç açısı 136⁰ açılı kare tabanlı piramit ile iz oluşturulur.

Uygulanan kuvvet, 120-5 kg (gr) mertebesindedir.

Uygulanan kuvvetin, iz alanına oranı sertlik değerini verir (farklı kuvvetlerle, geometrik olarak benzer izler elde edilir).

Vickers sertlik ölçümü

• Vickers Deneyi

– Diamond Pramid

– Uygulanan kuvvet : P

Yandan görünüş Üstten görünüş 2

1

854 .

1 d HV = P

Sertlik, yaklaşık olarak kuvvet/iz alanı ile orantılıdır.

YORULMA

Tekrarlı yükler ve titreşimler altında çalışan makine elemanlarının maruz kaldığı gerilmeler statik mukavemetten küçük olması durumunda bile, belirli çevrim sayıları sonrası yüzeyde çatlamalar ve devamında malzeme yüzeyinden parça ayrılması şeklinde parçayı hasara uğratır.

Bu olaya "yorulma" adı verilir.

Yorulma bir hasar çeşidi olup, dinamik ve

salınan gerilmelere maruz kalan yapılarda oluşur (köprüler, uçak ve makine bileşenlerinde).

Bu durumda statik yük için belirlenen çekme

veya akma mukavemetinin oldukça altındaki bir gerilme seviyesinde hasar oluşabilir.

Yorulma tekrarlanan gerilme ve gerinim

çevriminin uzun bir periyodundan sonra oluşur.

Yorulma anidir ve uyarı yapmadan gerçekleşir.

Yorulma,

çatlağın oluşumu ve ilerlemesi

sonucu meydana gelir.

Makine sanayinde meydana gelen

hasarların %90’ı

yorulma sonucudur.

Fatigue (Rodin)

Yorulma Hasarı

Malzemelerin çekme ve akma dayanımlarından (statik koşullarda) daha düşük değerlerdeki

tekrarlı gerilmelerin etkisinde, belirli bir çevrim sonrasında kırılması ile oluşan hasardır.

Yorulma hasarının safhaları:

1. Çatlak çekirdeklenmesi, 2. Çatlak ilerlemesi,

3. Zoraki kırılma

Yorulma çatlak başlangıcı

Ani kırılmanın olduğu bölge Kararlı çatlak

ilerleme bölgesi

Durak Çizgileri Striasyonlar:

Gözle görülemez

Tipik bir yorulma hasar yüzeyi:

• Çatlak orijini: çatlağın başlangıç noktası.

• Durak çizgileri (beach marks):

Zorlanma şartlarının değiştiğinde meydana gelirler.

• Striasyon çizgileri: Durak çizgileri arasında meydana gelen ve her bir çevrim sırasında çatlağın

ilerlemesini gösteren çizgilerdir.

• Ani kırılma bölgesi: Kalan kesitin zorlanmayı taşıyamadığı anda,

yorulma çatlağının çentik etkisiyle ani gevrek kırılmanın olduğu

bölge.

Yorulma çatlak başlangıcı

Ani kırılmanın olduğu bölge Kararlı çatlak

ilerleme bölgesi

Durak Çizgileri

Yorulma Deneyi

• Uygulanan gerilmenin

şiddetine bağlı olarak olarak hasar oluşuncaya kadarki çevrim sayısı belirlenir.

• Bu genellikle, dönen eğme gerilmeli cihazlarda yapılır.

Dönen eğme gerilmeli yorulma cihazı

Süre

Gerilme

Yorulma deneyinde S-N (gerilme-çevrim sayısı) eğrisi elde edilir (Wöhler eğrisi).

Sonlu veya sonsuz bir yorulma sınırı (yorulma dayanımı) belirlenir.

Demir ve demirdışı malzemelere ait tipik S-N Diyagramı

Yorulma deneyinde elde edilen mekanik özellikler:

1. Malzemenin yorulma dayanımı 2. Yorulma ömrü

3. Yorulma (dayanımı) sınırı

Yaklaşık olarak,

demir esaslı malzemelerde, çekme dayanımının yarısı,

yorulma dayanımı sınırı olarak kabul edilebilir.

Sürünme testi,

bir numuneye sabit bir yük uygulanmasıyla,

oluşan uzama veya gerinme miktarının zamana göre değişiminin incelenmesiyle yapılır.

Ölçülen uzama veya birim uzamanın zamana göre değişimini gösteren eğriler çizilir.

Sürünme Deneyi

Sabit bir yük veya gerilme altında malzemede zamanla meydana gelen plastik deformasyona sürünme denir.

Sürünme;

metallerde T > (0,3- 0,4) Tm seramiklerde T > (0,4- 0,5) Tm şartlarında oluşur.

Sürünmeye uygulanan yük veya gerilme ile sıcaklık önemli derecede etki eder.

Sürünme deformasyonu (Creep deformation):

Yüksek sıcaklıkta sabit gerilme durumunda oluşan deformasyona denir.

Nükleer istasyonlar, türbinlerde önemlidir.

Malzemenin yeniden kristalleşme sıcaklığına bağlıdır.

Bu sıcaklıkta iç gerilmeler boşalır.

Kalay (Sn) için oda sıcaklığında bile sürünme oluşur.

(Ergime noktası: 231 °C)

SÜRÜNME DENEYİ

Sürünme Deneyi

Sürünme Eğrisi

Eğri üzerinde üç bölge görülür:

a) Birinci sürünme bölgesi b) İkinci sürünme bölgesi c) Üçüncü sürünme bölgesi

Sürünme olayında iki mekanizmanın etkin olduğu düşünülür.

Bunlardan biri pekleşme,

diğeri ise toparlanmadır .

Sürünme özellikleri

Sürünme şekil değişimi (Creep): Yeterince yüksek

sıcaklıkta (Tb>0.5) sabit yük

altında, gerilme ve sıcaklık

seviyelerine bağlı olarak,

malzeme boyunun sürekli

olarak uzamasıdır

ε_o = İlk şekil Değişimi (elastik)

∂ε / ∂t = şekil değiştirme hızı Kararlı Bölge

Sürünme Eğrisi

Sabit sıcaklık Sabit gerilme Sürünme

Hızı

(Eğrinin eğimi)

Sürünme Eğrisi

Birinci sürünme bölgesinde, pekleşme hızı toparlanma hızından yüksektir. Sürünme hızı gittikçe azalır.

İkinci sürünme bölgesinde, pekleşme ve toparlanma hızları yaklaşık olarak birbirine eşittir.

Üçüncü sürünme bölgesinde, boyun verme başlar ve gerçek kesit alanı azalır. Yumuşama hızı pekleşme hızını geçer.

Şekil değiştirme hızı numune kırılıncaya kadar sürekli artış gösterir.

Tane sınırlarındaki mikro çatlaklar, boşluklar ve

birçok metalürjik etkiler de

bu süreci hızlandıran faktörlerdendir.

Sürünme Eğrisi