MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ ve MALZEME
MUAYENESİ
MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
• Bir malzemenin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki mekanik davranış olarak tanımlanır.
• Bu davranış değişik tür zorlamalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmeleri ölçerek ve gözleyerek saptanır.
• Cisimler artan dış zorlamalar altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılır.
• Düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik yani tersinirdir.
• Gerilme elastik sınırı aşarsa kalıcı yani plastik şekil değiştirme oluşur.
• Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç veya rijitlik malzemenin elastisite modülü ile belirlenir.
• Malzemelerin içyapısında, kalıcı değişimi veya kırılma oluşturan herhangi bir gerilme sınırı mukavemet olarak tanımlanır.
• Dış kuvvetlerin etkisi altında değişik zorlamalar karşısında, malzemede oluşan şekil değişiklikleri ve bu
etkiler altında malzemenin gösterdiği dayanma gücü özelliklerine mekanik özellikler adı verilir.
• Malzemelerin mekanik yükler altındaki
davranışlarına “Mekanik özellikler” adı verilir.
• Mekanik özellikler esas olarak atomlar arası bağ kuvvetlerinden kaynaklanır.
• Ancak bunun yanında malzemenin iç yapısının (Mikroyapı) da etkisi vardır.
• Bu sayede iç yapıyı değiştirerek aynı
malzemede farklı mekanik özellikler elde etmek mümkün hale gelir.
• Metallerin mekanik özellikleri çeşitli yükleme şartlarında, çeşitli deney parçaları ile incelenir.
• Bazı mekanik özelikler iç yapıya ve deney koşullarına bağlı değildir.
• Elastisite modülü bu tür bir özellik olup atomlararası bağlar tarafından belirlenir ve içyapıya duyarlı değildir.
• Diğer taraftan malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğini ve dayanımını temsil eden süneklik, mukavemet ve sertlik gibi sınır gerilmelerle ilgili özellikler içyapıya ve deney koşullarına büyük ölçüde bağlıdır.
• Örneğin bir yapı çeliğinin sünekliliği oda sıcaklığında
%35 iken -250 °C'ta %1 e düşer.
• Bu çelik oda sıcaklığında %35 lik bir şekil değiştirme sonunda kırıldığı halde uygun bir işlemle içyapısı değiştirilirse (su verme işlemi gibi) aynı koşullarda bu değer %1-2 ye düşer, sertIik ve mukavemet ise 2-3 kat artabilir.
• Mekanik özelliklerin kaynağı atomlararası bağ kuvvetleri olmakla beraber iç yapıya ve çevre koşullarına büyük ölçüde bağlı olduklarından aralarında doğrudan bir bağ kurmak olanaksızdır.
• Atomsal teoriler birçok olayları niteliksel yönden açıklamada yararlıdır, ancak nicelik yönünden yetersizdir.
• Örneğin bir çeliğin bileşimi ve bağlar aynı kaldığı halde ısıl işlemle sertlik ve mukavemeti 2-3 kat arttırılabilir.
• Aradaki bu büyük farkı, yalnız atomlararası bağ kuvvetlerine dayanan teoriler açıklayamaz, bunun için içyapıdaki değişimleri göz önüne almak gerekir
• Şekil değiştirme sürecinde atomların nasıl davrandıklarını ve içyapıda ne gibi değişikliklerin oluştuğunu bilmek gerekir.
• İçyapıyı değiştiren etkenler özellikleri de değiştirir.
• Bu etkenlerle bunların uygulama yöntemleri iyi bilinirse içyapıda gerekli değişiklikler yapılarak özellikler uygulama amacına uygun olarak ayarlanabilir. Ancak bu ayarlamalar doğal olarak sınırlıdır ve uygulayıcıların bu sınırları bilmesi gerekir.
• Cisimlerin mekanik özellikleri iki ayrı aşamada incelenebilir.
• Birinci aşamada bunların birer sürekli ortam olduğu varsayılır.
• Bu sürekli ortamların uygulanan dış kuvvetlere karşı tepkisi, uygula-gözle yöntemi ile deneysel olarak saptanır.
• Bu aşamada atomların nasıl davrandıkları ve içyapıda ne gibi değişikliklerin oluştuğu göz önüne alınmaksızın uygulanan gerilmeye karşı oluşan şekil değiştirmeler ölçülür.
• Böylece belirli koşullar altında deneylerle elde edilen gerilme şekil değiştirme bağıntılarına bünye denklemleri denir.
• Bu denklemler dış kuvvetler etkisinde oluşacak gerilme ve şekil değiştirme analizlerinde kullanılır.
• İkinci aşamada ise şekil değiştirme ve kırılma süreçlerinde atomların nasıl davrandığı, içyapıda mikro düzeyde ne tür değişikliklerin oluştuğu, içyapılarla mekanik özellikler arasında ne gibi ilişkilerin bulunduğu, diğer bir deyimle şekil değiştirme ve kırılmanın mekanizmaları ele alınır.
• Gerçekte birinci aşamada mekanik davranışlar incelenirken malzemenin iç yapısını bilmeye gerek yoktur.
• Burada mekanik davranışla ilgili' temel bilgiler ele alınır, şekil değiştirme ve gerilmenin tanımları yapılır, sertlik, mukavemet ve süneklik gibi temel kavramlar tanıtılır ve bunların deneysel olarak nasıl saptandığı açıklanır.
• Malzemelerin Mekanik Davranışı: Gerilme, şekil değiştirme, elastisite modülü, akma, süneklik, mukavemet kavramları, çekme deneyi, eğme deneyi ve sertlik deneyi.
• Malzemelerin Şekil Değiştirmesi: Elastik ve plastik şekil değiştirme mekanizmaları,
dislokasyon hareketleri, şekil değiştirmelere etkiyen etkenler, mukavemet arttırıcı
yöntemler, pekleşme ve yumuşatma tavlaması.
• Kırılma: Gevrek kırılma, Grifffith teorisi,
kırılma tokluğu, sünek kırılma, bunlara etkiyen etkenler, sünek -gevrek geçişi, çarpma deneyi.
• Yorulma: Tekrarlı yük altında kırılma, yorulma deneyleri, yorulma mukavemetine' etkiyen
etkenler.
• Malzemelerin zamana bağlı davranışları:
Sünme, Gevşeme, Viskoelastik davranışın bünye denklemleri, mekanik modeller.
MALZEME MUAYENESİNİN AMACI VE SINIFLANDIRMA
• Malzemeler üzerindeki araştırmalar, üniversitelerde, yüksek okullarda devlet enstitülerinde, endüstri kuruluşlarında ve büyük firmalara ait birçok araştırma laboratuvarlarında yapılmaktadır.
• Bu kuruluşların çalışmaları sayesinde malzemeler hakkındaki bilgilerimiz bugünkü seviyesine ulaşmıştır.
• Muayene yöntemleri ile öncelikle imalathanelerdeki malzeme laboratuvarları ilgilenir;
• daha sonra ise, teknik adamlarla temaslara girişilir.
Ayrıntılı olarak malzeme muayenesi şu ana noktalarla ele alınır:
• Malzemenin garanti edilmiş özelliklerine ait değerlerin muayenesi (numunenin alındığı parça ve kalite kontrolü);
• Malzemenin işlenme özelliklerinin muayenesi (teknolojik muayene);
• İçyapının ve kimyasal bileşenlerin muayenesi;
• Ham durumdaki parçalarla hazır parçaların iç hatalarının muayenesi.
• Böylelikle parçanın hazırlanması sırasında geçtiği kademelerde yanlış veya hatalı malzemenin kullanılması engellendiği gibi, hatalı parçaların satışa çıkması da önlenmiş olur.
• Malzeme muayenesinin diğer bir amacı da kopma, şekil değişimine uğrama veya makina parçalarının vaktinden erken aşınması halinde hasar nedenlerini açığa çıkarmaktır.
MALZEMENİN ÖZELLİKLERİNE AİT DEĞERLERİNİN MUAYENESİ
• Malzeme değerlerine çok gerek duyulur.
Konstrüktörler yapı parçalarının yeterli
boyutlarda hazırlanmasında yapacakları hesap için dayanak olarak kullanılırlar.
• İmalathanelerde bu değerler ham malzemenin ve işlem kademelerinin kontrolünde ayrıca
malzemenin hazırlanma usulü hakkında yeterli değerlerin verilmesinde kullanılır
• Bu değerlerin bulunmasında özel olarak üretilmiş bir numune parçası (kısa olarak numune) kopmaya kadar veya belirli bir şekil değişimine ulaşana kadar yüklerin tesirinde bırakılır, yükleme miktarı ölçülür.
• Muayenenin sonucu, çok az bir ihtimal ile homojen malzemeden oluşan, parçanın tümünün ortalama değerleri hakkında bir fikir verebilmelidir.
• Bu nedenle standartlarda numunelerin ana parçadan alınışı ile ilgili şartlar koşulmuştur.
• Numunenin alınması sırasında malzemenin içyapısı değişime uğramamalıdır;
• bu nedenle herhangi bir ısıtma veya soğuk şekil değiştirmeden kaçınılmalıdır.
• Yükler numune üzerine çeşitli şekillerde etki ettirilir.
• Bu esasa göre muayene usulleri iki ana gruba ayrılırlar.
STATİK MUAYENELER:
• Yükün yavaş olarak belirli bir maksimum değere kadar arttırıldığı bütün muayene
usulleri (sertlik ölçülmesi, çekme deneyi) veya
• yüklemenin aniden yapıldığı fakat ölçmelerin sonuna kadar sabit tutulduğu muayene
usulleri (sürünme deneyi) bu gruba dahildir.
DİNAMİK MUAYENELER:
• Numunenin darbe şeklinde yüklendiği veya
yüklemenin periyodik olarak uzun süre iki sınır değer arasında değiştiği muayene usulleri bu gruba girer.
• Her iki yükleme çeşidi de malzemede
kuvvetlerin yönlerine göre farklı gerilmeler
oluştururlar ve malzeme bu farklı gerilmelerin tesiri ile farklı davranışlar gösterir.
• İçyapının etkilenme çeşidine göre muayene usullerini gruplamak mümkündür.
İç yapının etkilenme çeşidi Muayene usulü, örnek.
Çekme Çekme deneyi, darbeli çekme
deneyi.
Basma Basma deneyi.
Eğme (katlanma) Eğme deneyi.
Burulma (Torsion) Burulma deneyi
Malzeme Değeri Muayene, Deney Standart Statik Usulle
Sertlik Sertlik Deneyi:
Brinell Vickers Rockwell Çekme mukavemeti.
Akma sınırı.
0,2-uzamasının.
Kopma uzaması.
Kopma büzülmesi.
Elastiklik modülü.
Çekme Deneyi.
Makaslama mukavemeti Basma mukavemeti.
Ezilme sınırı.
Eğme mukavemeti
Makaslama Deneyi.
Basma Deneyi.
Eğme Deneyi Isıl akma sınırı.
Sürünme mukavemeti.
Sürünme uzaması sınırı
Sıcak çekme deneyi Sürünme deneyi.
Dinamik Usuller Sertlik
Süneklik
Yorulma mukavemeti
Geri Sıçrama Deneyi Çentik Darbe Deneyi.
Yorulma Deneyi.
MUKAVEMETİN STATİK YÜKLEME İLE MUAYENESİ
• Mukavemet kelimesi bize, numunenin belirli
bir değişimine uğraması için,
standartlaştırılmış deneyler ile hesaplanan gerilmeyi anlatmaktadır.
• Genellikle bu mukavemet değerleri gerçekte karşılaşılan hakiki gerilmeler değil, sadece hesaplanmış gerilmelerdir (numune kesitine gelecek yük deneyden önce hesaplanır).
• Hakiki gerilmeler ancak basit yükleme durumlarında ve çok güç olarak ölçülür.
Şekil değiştirme durumu Mukavemet Az miktarda plastik şekil
değiştirme,
Uzama, basma, akma sınırı.
Kopma Çekme, basma, eğme ve yorulma
mukavemeti.
Genel kopma davranışı
• Numunenin kopuncaya kadar yüklendiği muayenelerde iki zıt davranış görülür.
Ayrılma kopması:
• Numune gözle görülebilir herhangi bir plastik şekil değiştirmeye uğramadan aniden koparsa, ayrılma kopmasından bahsedilir.
• Bu tip bir kopma gevrek malzemelerin tanıtıcı özelliğidir.
(Ayrılma kopması =gevrek kopma) Şekil değiştirerek kopma:
• Numune ilk önce kuvvetli olarak plastik şekil değiştirdikten sonra kopar.
• Bu tip bir kopma Sünek malzemelerin tanıtıcı özelliğidir.
(sünek kopma)
Karışık kopma:
• Bir çok malzemeler bu iki zıt durum arasında yer alan bir davranış gösterirler.
• Sünek bir malzemeden yapılan bir makina parçası aşırı yüklenirse şekil değiştirir.
• Artık makina içerisindeki görevini yerine
getiremez ve bu durum titreşim, ısınma veya çeşitli gürültülerin meydana gelmesi ile
kendini gösterir.
• Durumun düzeltilmesi için bu makina
parçasının yerine daha sağlamını takmak veya yüklemeyi azaltmak gerekir.
• Gevrek kopma (kırılma) tehlikelidir;
• zira uyarıcı nitelikte olan bir şekil değiştirme meydana gelmeden parça aniden kopar ve büyük zararlara neden olur.
Nedenler Tesirleri
içyapı; ince taneli, kaba taneli İnce taneli iç yapılar daha fazla kayma düzlemlerine sahiptir. Bunlar yükleme yönüne uygun durumdadırlar şekil değiştirerek kopma.
iç yapı heterojen gevrek kristal çeşidine sahip
Gevrek kristal çeşidi şekil değiştirmeye izin vermez ayrılma kopması
Şekil değiştirme hızı Yavaş şekil değiştirme sırasında «atom küreleri» komşu boşluklara gidecek zamanı bulabilirler, ani yüklemede ise, vakit yetmez gevrek kopma.
Sıcaklık Düşük sıcaklıkta-atomlar birbirine yaklaşır;
kayma direnci yükselir, gevrek kopma eğilimi.
Gerilme durumu, parçanın şekli Çentikler, parçanın iç gerilme sistemini değiştirirler. Kayma engellenir, gevrek kopma
Süneklik / Gevreklik / Tokluk
Süneklik:
• Bir malzemenin plastik şekil değiştirme kabiliyetini ifade eder.
• Bu değerin büyümesi, malzeme kopana kadar daha büyük plastik şekil değiştirme gerçekleştirebiliyor anlamına gelir.
• Kopma uzaması ve alan daralması parametreleri ile ifade edilebilir.
Gevreklik:
• Plastik şekil değiştirme kabiliyetinin olmaması durumunu ifade eder.
• Eğri bazen elastik sınırda bazen de elastik sınıra çok yakın bir noktada son bulur.
Tokluk:
• Malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade eder.
• Sünek malzemelerin tokluğunun daha yüksek, gevrek malzemelerin tokluğunun da düşük
olduğu anlamı çıkarılabilir.
• Mekanik tasarım ve imalat sırasında malzemelerinmekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir.
• Başlıca mekanik özellikler:
• Çekme/basma (tensile /compression)
• Sertlik (hardness)
• Darbe (impact)
• Kırılma (fracture)
• Yorulma (fatigue)
• Sürünme (creep)
MEKANİK DAVRANIŞ
• Malzemelerin mekanik davranışı incelenirken homojen ve sürekli ortam oldukları varsayılır.
• Dış kuvvetlerin denge halinde malzeme içinde oluşturduğu iç kuvvetlerin büyüklüğü denge kuralları yardımı ile bulunur.
• Davranışlar incelenirken parça boyutlarından soyutlamak için kuvvet yerine kuvvet şiddeti anlamına gelen gerilme, boyutlarda oluşan değişmeler yerine şekil değiştirme oranı göz önüne alınır.
• Gerilme birim alana etkiyen kuvvet,
• şekil değiştirme oranı da birim boydaki değişimdir.
• Deney sonuçları uygulanan gerilme ile onun etkisinde oluşan şekil değiştirme arasındaki bağıntıya indirgenir.
• Deneylerle elde edilen gerilme-şekil değiştirme oranı eğrileri malzemelerin
mekanik davranışları ile ilgili çok yararlı bilgiler sağlarlar.
• Metallerin çekme yükleri altındaki davranışı:
Çekme özellikleri
• Her metalin farklı bir gerilme –şekil değiştirme ilişkisi vardır.
• Bu ilişkiyi veren denkleme “Bünye denklemi”adı verilir.
• Bu ilişki bir çekme deneyi gerçekleştirilerek elde edilebilir.
• Çekme deneyi malzemenin mekanik
davranışları ve özellikleri hakkında birçok bilgi verir.
• Gerilme: Bir kuvvetin etki ettiği kesitte birim alana düşen kuvvete gerilme adı verilir.
• Kuvvet kesite dik ise ve boy değişimlerine (uzama veya kısalma) yol açıyorsa “normal gerilme” Ϭ adı verilir.
• Kuvvet kesit içinde ise ve açı değişimine neden oluyorsa, “kayma gerilmesi” τ adı verilir.
• Normal gerilmeler (+) işaretli ise çekme, (-) işaretli ise basma anlamına gelir.
• Bir parçaya etki eden kuvvet ve momentler, parçada hem normal hem de kayma gerilmesi oluşturabilir.
• Gerilmelerin boyutu MN/m2, N/mm2veya MPa dır.
Şekil Değişimleri:
• Dış kuvvetler altında malzemeler şekil değiştirir.
• Kuvvetlerin kaldırılması halinde malzeme başlangıç boyut ve şekline dönerse şekil değişimi “elastik
(tersinir)” şekline dönmezse şekil değişimi “plastik (kalıcı)” olur.
• Gerilme altındaki parçalarda boy ve açı değişimleri meydana gelir.
• Δl boy değişimi, ilk ölçü boyu lo değerine oranlanırsa
“birim uzama” ε olarak adlandırılan boyutsuz bir değer elde edilir.
𝜀 = Δ𝑙 / 𝑙𝑜
• Bu değer yüzde olarak verilirse yüzde uzama olarak ifade edilir:
%𝜀 = (Δ𝑙/𝑙𝑜)𝑥100 %
• Şekil değişiminin uzama veya kısalma olmasına göre bu değer (+) veya (-) olabilir.
• Tek eksenli çekme gerilmesi altındaki bir
parça, gerilme yönünde uzarken aynı zamanda gerilmeye dik yönde daralır.
• ν= -εdaralma/εuzama
• oranına Poisson oranı adı verilir.
• Elastik şekil değişiminde , metaller için ν değeri 0,3 civarındadır.
• Kayma gerilmeleri nedeniyle oluşan açısal şekil değişimi ise boyutsuz bir büyüklük olan ϒ açısı (radyan) ile verilir ve “birim kayma” ϒ olarak adlandırılır.
• Elastiklik Modülü E ve Kayma Modülü G Doğrusal elastik olarak davranan malzemelerde elastik
alanda normal gerilme-birim şekil değiştirme ilişkisi (Bünye denklemi) doğrusaldır:
• Ϭ= E.ε(Hooke Kanunu)
• Bu ilişkideki orantı sabiti E ye “Elastiklik Modülü”adı verilir.
• Elastiklik modülü malzemenin “yay katsayısı”
olarak düşünülebilir. Boyutu gerilme boyutundadır.
• Doğrusal elastik olarak davranan malzemelerde elastik alanda kayma gerilmesi-birim kayma şekil değiştirme ilişkisi (Bünye denklemi) doğrusaldır:
𝜏 = 𝐺. ϒ
• Bu ilişkideki orantı sabiti G ye “Kayma Modülü”adı verilir.
• Kayma modülünün boyutu gerilme boyutundadır.
• Yukarda verilen üç elastik malzeme büyüklüğü( E, G, ν)arasında bir ilişki vardır.
• Yani biri verilirse bir diğeri hesaplanabilir.
𝐸 = 2𝐺(1 + 𝜈)
