Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Tahribatlı ve tahribatsız muayene Malzeme Muayenesi

Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN

Tahribatlı ve tahribatsız muayene

Malzeme Muayenesi

2

İçerik

Giriş

Tahribatsız muayene

Tahribatlı muayene

Giriş

Malzeme yapı ve özelliklerini incelemek amacıyla malzeme muayeneleri tahribatlı ve tahribatsız (TMM) olmaz üzere ikiye ayrılır.

Malzeme Muayenesi Tahribatsız Muayene

Ultrasonik Muayene Penetrent Manyetik Patiküller

Radyografi Eddy akımları

Tahribatlı Muayene Çekme Testi

Yorulma Sertlik Çentik Darbe

Burulma Eriksen Çökertme

4

Tahribatsız muayene niçin kullanılır?



Hata belirleme ve değerlendirme



Sızıntı tespiti



Hata yeri belirleme



Boyut ölçümleri



Yapı ve mikroyapı karakterizasyonu



Mekanik ve fiziksel özellik belirleme



Gerilme belirleme



Malzeme türü ve kimyasal kompozisyon belirleme

http://www.ndt-ed.org/Careers/NDTvideo/NDTMovie.htm

Tahribatsız muayene niçin kullanılır?

• Ürün geliştirmeye yardımcı olmak

• Malzeme türünü belirlemek

• Üretimi gözlemek, geliştirme yada kontrol etmek için

• Isıl işlem gibi uygulanan işlemlerin sonucu gözlemlemek

• Hata tespitinde

• Çalışma esnasında hasarları tespit etmek

6

Ultrasonik muayene

Özel muayene başlıkları vasıtasıyla, ultrases dalgaları üreterek malzemelerin iç kısımlarında görünmeyen hataları tespit etme işlemidir. Ayrıca kalınlık tespiti, elastisite modülü ve tane yapısını belirlemek içinde Ultrason kullanılabilir. Ultrason veya ultrases, ses ötesi anlamına gelir. Titreşim frekansı 20 kHz’den büyük olan seslere denir. Bu sesler insan kulağı tarafından duyulamaz. Ultrases titreşim frekansı ile doğar, titreşim hareketi olarak yayılır ve algılanır. Quartz kritali gibi özel malzemelere elektriki gerilim uygulandığında boylarında uzama ve kısalma görülür. Böylelikle ultrases üretilerek malzeme içerisine gönderilir. Ultrasonik dalgalar malzeme içerisinde doğrusal olarak yayılırlar, ancak malzeme içinde farklı özelliklere sahip bölgeler var ise (boşluk, çatlak gibi) bu bölgelerin sınır yüzeylerinden yansıma ilerleyen dalga şiddetinde azalma meydana gelir. Bu bilgiler alınarak osiloskop ekranında değerlendirilir.

levha

çatlak

0 2 4 6 8 10

Başlangıç sinyali

Çatlak ekosu

Yüzey bitiş ekosu

Osiloskop

prob

Ultrasonik muayene

8

Penentrent ile muayene

Yüzeyde oluşan çatlaklara penentrent sıvının uygulanması ve sıvı yüzeyden uzaklaştırıldığında hata içerisinde kalan sıvının dışarı çıkarılması sonucunda çatlakların tespit edildiği yöntemdir. Penentrentle muayene daha çok sızıntı ve çatlak tespitinde kullanılır. Bu işlem basit, ucuz ve her türlü malzemeye uygulanabilirliği ile kullanışlı bir yöntemdir.

Penentrent tatbiki

Developer tatbiki

İnceleme

Manyetik partiküller ile muayene

Herhangi bir mıknatısın bir noktasına çentik açılırsa manyetik kuvvet çizgileri bu çentiğin etrafını dolaşarak yoluna devam edecektir. Çünkü elektrik kendine en az direnç gösteren yolu tercih eder. Eğer çentiğin açıldığı bölgeye demir tozu dökülecek olursa, çentiğin olduğu bölgede mıknatıslanma söz konusudur.

Burada demir tozları elektrik akımının geçmesine bir köprü vazifesi görmektedir. Deney sonucu malzeme üzerinde demir tozu kalan kısımlar hatalı bölgelerdir.

10

Radyografi ile muayene

Radyografi testinde kullanılan radyasyon düşük dalga boylu-yüksek enerjili elektromanyetik dalgadır. Radyasyon X-ray tüpü vasıtasıyla sağlanır.

Yüksek elektrik potansiyeli

Elektronlar + -

Exposure Recording Device

Radiation Penetrate the Sample

X-Ray tüpü

Radyografi ile muayene

Film Radyografi

= az yansıma

Filmin karanlık görüntüsü test parçasından geçerek filme ulaşan radyasyon miktarı ile değişir.

X-ray film

Parça radyasyon kaynağı ve film parçası arasına

yerleştirilir. Daha kalın ve daha yoğun olanlar daha fazla

radyasyon engelleyecektir.

12

Radyografi ile muayene

Eddy akımları ile muayene

Eddy akım testi bir test bobini tarafından oluşturulan değişken manyetik alanın iletken malzemeler üzerinde Eddy akamı denen küçük dairesel akımlar oluşturması temel ilkesine dayanır. Malzemenin özellikleri oluşan bu akımı etkiler. Eddy akımları bir manyetik alan oluşturur ve test bobini tarafından oluşturulan manyetik alanı etkiler. Amaç malzemenin iletkenliğinde etkin işlemleri belirlemek.

İletken metal Bobin

Eddy

akımları

Eddy akımlarını oluşturduğu manyetik alan

Bobinin manyetik alanı

14

Tahribatsız muayene örnekleri

Tahribatsız muayene örnekleri

16

Tahribatsız muayene örnekleri

Tahribatlı muayene niçin kullanılır?



Mekanik özellikleri belirlemek



İç yapı tespiti



Gevreklikten sünekliğe geçiş sıcaklığı



Süneklik, tokluk gibi özellikler



Sertlik



Sıcaklıkla mukavemette değişim



Dinamik şartlarda dayanım



Şekil verilebilirlik…………

18

Deformasyon

Elastik……. Geri dönebilir

Elastik Deformasyon

1. Başlangıç 2. Küçük yük 3. Yüksüz

F d

bağlar gerilir

İlk hale dönüş

F

d

Lineer elastik

Non-Lineer-

elastik

Plastik Deformasyon (Metal)

1. Başlangıç 2. Küçük yükler 3. Yüksüz

düzlemler halen

kesilmiş

F

d elastik + plastik bağlar gerilir

& düzlemler kesilir

d plastik

F

lineer lineer

Deformasyon

20

 Gerilme birimi:

N/m ² Mühendislik Gerilmesi

• Kayma gerilmesi, t:

Alan, A

F t F t

F s F

F F s t = F _s

A _o

• Çekme gerilmesi, s:

Yüklemeden önceki alan Alan, A

F t F t

s = F _t

A _o

f

m

or N in

= lb

Deformasyon

• Basit çekme: kablo

A o = kesit alanı (yüksüz)

F F

o

s = F A

o

t = F s A s

s

M

M F s A _o A _c

• Burulma : Mil

Deformasyon

22

o

s = F A

• Basit basma:

Not: s < 0

A _o

Deformasyon

Deformasyon

• Bi-eksenel çekme: • Hidrostatik basma:

s < 0 _h

s _z > 0

s _q > 0

24

Deformasyon

• Çekme uzaması: • Yanal şekli değiştirme:

• Kayma modülü:

Şekil değiştirme daima boyutsu

Mühendislik Şekil Değiştirme

q

90º

90º - q

y

x g = Dx/y = tan q e = d

L _o

e _L = - d ^L w _o

d /2

d _L /2

L _o

w _o

Çekme testi

numune extensometre

Yük hücresi

Hareketli karşı çene

• Çekme numunesi

ölçü uzunluğu

• Çekme test makinesi

26

Çekme testi

Lineer elastik özellikler

• Elastisite modulü, E:

• Hooke kanunu:

s = E e s

Lineer- elastik

E

e

F

basit F

çekme

testi

Çekme testi

Poisson oranı, n

• Poisson oranı, n:

Birimler:

E: [GPa]

e _L

e - n

n = - e e ^L

metaller: n ~ 0.33

seramikler: n ~ 0.25

polimerler: n ~ 0.40

28

Çekme testi

• Elastik kayma modülü, G:

t G t = G g g

Basit burulma testi

M

• Elasti hacim M

modülü, K:

Basınç testi

P

P P

P = - K  V V o

P

 V

K V _o

Çekme testi

(düşük sıcaklıklarda, T < Terg/3)

Plastik (kalıcı) deformasyon

• Basit çekme testi:

engineering stress, s

Mühendislik şekil değiş., e Elastik+Plastik

kalıcı (plastik)

(Yük kaldırıldıktan sonra)

e _p

Elastik

başlar

30

Çekme testi

• Plastik deformasyon oluşturan gerilme.

e _p = 0.002

Akma mukavemeti, s _y

s _y = akma mukavemeti

Çekme gerilmesi, s

e

s _y

e p = 0.002

Çekme testi

Çekme mukaveti

s

strain

Typical response of a metal

F = kırılma gerilmesi

Boyun vererek kopma

mühendis lik

s _ç

g er ilmesi

Mühendislik şekil değiş.

• Mühendislik gerilme-şekil değiştirme diyagramında max. gerilme

32

Çekme testi

Orantı sınırı (σo): Gerilme uzama diyagramında Hooke kanunun geçerli olduğu kısımdır. Yani, σ

= E.ε ifadesinin geçerli olduğu bölgedir.

Elastik sınır (σe): Malzemeye uygulanan kuvvet kaldırıldığı zaman plastik uzamanın görülmediği veya yalnız elastik uzamanın meydana geldiği en yüksek gerilmeye denir.

Genellikle aralarında çok az fark olduğu için elastik sınır ile orantı sınır birbirine eşit kabul

edilir.

Çekme testi

Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme dayanımın düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilmedir. Akmanın başladığı gerilme değerine üst akma, devam ettiği ortalama gerilmeye de alt akma denir. Gevrek ve Al gibi malzemeler belirgin akma özelliği göstermezler. Bu tür malzemelerin akma gerilmesini bulmak için %0.2 lik şekil değiştirmenin olduğu bölgeden elastik kısmın eğrisine paralel çizilir ve eğrinin kesildiği noktaya akma gerilmesi denir.

Çekme gerilmesi (σç): Eğrideki maksimum gerilmedir. σç = Fç/Ao formülü ile hesaplanır. Ao ilk kesit alanına göre malzemenin alanıdır. Bu gerilme değerini aşınca malzeme homojenliğini kaybeder, yani boyun verir.

Kopma gerilmesi (σK): Malzemenin kopma anındaki gerilme değeridir. σK = Fç/Ao formülü ile hesaplanır.

Uzama: Uygulana gerilmeye göre malzemenin boyunda meydana gelen değişimdir. Yani Δl = lson-lilk dir.

Şekil değiştirme ise ε = Δl/lilk

Büzülme: Çekme numunesini kesitinde meydana gelen daralmadır. %Büzülme=(Ailk-Ason)/Ailk

Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerjidir. Eğrinin elastik kısmının

34

Çekme testi

Çekme diyagramı çizilirken şekil değiştirme hızı sabit tutulduğu için malzemede homojenlik kaybolduktan sonra gerilme değeri azalmaktadır. Oysa bu olay gerçekte böyle gelişmez. Bu nedenle mühendislik ve gerçek olmak üzere iki farklı eğri vardır. Dolayısıyla gerçek gerilme ve şekil değiştirme değerlerinin hesaplanması gerekir. Gerçek değerler hesaplanırken hacim eşitliğinden faydalanılır.



 ^l

l o

g

o l

l l

dl ln

e

   1



o o

o

l l l

l e l

lo

 l

1) (

e

lo

ln l ) 1 ln(

e

) 1 ln( 

 e e

o o

g

l A

l

 F.

s A

F

g



l s

A l

A

.

 .

Gerçek

Mühendislik

Şekil değiştirme

Gerilme

Çekme testi

Pekleşme (sertleşme)

s _T  K ( e _T ) ⁿ Sertleşme üsteli:

n = 0.15 (bazı çelikler) - n = 0.5 (bazı bakırlar)

• Plastik deformasyon nedeniyle s

de artış

s

e

Büyük sertleşme Küçük sertleşme

s _{y 0}

s _{y 1}

36

Metalografi

Faz , tane , tane sınırı, iç yapı kusurları, çatlaklar, segregasyonlar, kalıntılar gibi malzemenin içi yapısı ile ilgili bilgi edinmek için kullanılan test yöntemidir. Metalografi testinde incelenecek numune aşağıdaki adımlardan geçmek zorundadır:

•Kalıplama

•Taşlama

•Parlatma

•Dağlama

•Mikroskobik inceleme

Metalografi testi üzerine dökülen asitle malzemenin korozyona uğraması sonucu gerçekleştirilir.

Bakır üzerine yerleşmiş demir atomları Platin üzerine yerleşmiş

karbonmonoksit atomları

Metalografi

Optik mikroskop

•2000 büyütmeye kadardır

•Yüzeydeki çizikler parlatma ile giderilir

•Dağlama ile yönlenmeler ortaya çıkar.

0.75mm

Mikroskop

Parlatılmış ve dağlanmış yüzey

Tane sınırı

Yüzey ayrışması parlatılmış yüzey

(a)

Mikroskop

ASTM tane numarası

N = 2 n -1

Tane sayısı/in

100x büyütmede

38

Sertlik testi

• Malzemenin çizilmeye, plastik deformasyona gösterdiği dirençtir.

• Büyük sertlik;

• plastik deformasyona yada basınç altında çatlamaya dirençlidir

• aşınma özellikleri daha iyidir manasına gelir.

örneğin 10 mm küre

Kuvvet uygulanır Yük kalktıktan sonra İz büyüklüğü ölçülür

d

D

Küçük boyutlu İz büyüklüğü

Setlik yüksek manasına gelir

sertlik artar

Çoğu plastik

pirinç Al alaşımları

Kolay işlenebilen

çelikler Yüksek C’lu çelik

Kesici takımlar

nitrürlenmiş çelikler elmas

Sertlik testi

Brinell sertlik ölçme yöntemi: Sertleştirilmiş çelik ve tungsten karbürden imal edilmiş bilye belirli bir yük ile malzeme yüzeyine bastırılır ve malzeme yüzeyinde meydana gelen izin çapı ölçülür. Aşağıdaki bağıntı ile brinell sertlik değeri hesaplanır. Çeliklerde brinell sertlik değerinin 0.35 katı çekme mukavemetini verir.

Vickers sertlik ölçme yöntemi: Piramit biçiminde ve tabanı kare olan batıcı uç kullanılır.

Elmastan yapılan piramidin tepe açısı 136° dir. Vickers sertlik değeri, yükün belirli bir süre

malzemeye bastırılmasıyla oluşan izin köşegen uzunluklarının ölçülmesinden ibarettir.

40

Sertlik testi

Rockwell sertlik ölçme yöntemi: Standart batıcı uç yardımıyla önce sabit belirli bir küçük yükle (10 kg) bastırıldığında meydana gelen izin dip kısmı başlangıç noktası alınarak yük daha yüksek bir belirli bir değere artırılıp daha sonra tekrar önceki yüke dönülmek suretiyle, başlangıçtaki ize nazaran meydana gelen iz derinliğindeki net artışla ters orantılı bir değerdir. Kullanılan elmas konik ucun koniklik açısı 120°

dir. Elde edilen sertlik değerine göre Rockwell A, B, C, D gibi çeşitlere ayrılır.

Knoop sertlik ölçme yöntemi: Daha çok mikrosertlik ölçümü için yapılır ve genelde kullanılan yük 10-1000 g arasındadır. Kullanılan uç elmastan yapılmış piramit şeklinde olup uzun köşenin uzunluğunun kısa köşeye oranı 7 dir. Piramitin tepe açışı 172° dir. Daha çok ince filmlerin sertliğinin ölçümünde kullanılır.

Çentik darbe testi

•Malzemelerin kullanıma hazır hale getirildiğinde gevrek olup olmadığını

•Malzemelerin çentik etkisinden dolayı gevrek kırılıp kırılmadığını

•Malzemelerin, özellikle çeliklerin, yaşlanma meyillerinin olup olmadığını

•Malzemelerin geçiş sıcaklıklarının ne olduğunu anlamak amacıyla çentik darbe deneyi yapılır.

(Charpy)

Ölçek

Gösterge Başlangıç

pozisyonu

Çekiç

Numune

Örs

42

Çentik darbe testi

• Gevreklikten sünekliğe geçiş sıcaklığı

HMK metaller (Fe - T < 914°C’de)

Çen tik darbe en erji si

Sıcaklık

Yüksek mukavemetli çelikler

( σ y > E/150) polimerler

Sünek Gevrek

Gevreklikten sünekliğe Geçiş sıcaklığı

YMK metaller (Cu, Ni)

Çentik darbe testi

Değişken gerilmelere maruz makine elemanlarında hasar statik mukavemet sınırların çok altında gerçekleşir ve hasara yorulma hasarı denir. Mekanik hasarların %90’ının sebebi yorulmadır.

Altta çeki Üstte bası

sayıcı motor

kaplin numune

yük yük

Çatlak başlangıcı

44

Yorulma testi

Yorulma; tekrarlı yükleme neticesinde oluşan hasar olduğundan; pek çok yorulma testlerinde

minimum ve maksimum gerilme arasında tekrarlı yüklemelerle malzemelerin yorulmaya karşı

davranışı belirlenir. Tekrarlı yüklemelerle ilgili büyüklükler aşağıdaki şekilde verilmiştir:

Yorulma testi

wöhler diyagramı (yorulma diyagramı)

Yorulma eğrisi; sabit bir ortalama gerilme değeri için değişik gerilme genliğinde numunenin kopuncaya kadar yüklenmesi ve bir seri Gerilme-Ömür değerlerinin elde edilmesiyle çizilir.

YORULMA EĞRİSİNİN ÖZELLİKLERİ

İki kısımdan oluşur ve eğik olarak inen kısmına ait mukavemet değerlerine zaman mukavemeti denir.

Eğrinin yatay kısmındaki değerler ise sürekli mukavemet sınırı olarak adlandırılır.

: Yorulma limit değeri

s s 0 :

N Sonsuz (sürekli) ömür

46

Yorulma testi

YORULMA DENEYİ TÜRLERİ

Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Ancak yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlamalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyodlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek teknik yorumlar yapılabilmektedir.

Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyine de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri şunlardır :

•Eksenel gerilmeli yorulma deneyi,

•Eğme gerilmeli yorulma deneyi,

•Burma gerilmeli yorulma deneyi,

•Bileşik yerilmeli yorulma deneyi.

Yorulma testi

Malzemede Yorulma Olayına Etki Eden Faktörler:

• Malzeme Cinsinin, Bileşiminin Ve Yapısının Etkisi,

• Yüzey Özelliklerinin Etkisi,

• Çentik Etkisi,

• Gerilmelerin Etkisi,

• Korozyonun Etkisi,

• Sıcaklığın Etkisi,

• Frekansın (Deney Hızının) Etkisi.

48

Yorulma testi

Yorulma Ömrünü artırma

1. Yüzeyde bası gerilmeleri oluşturma

N = Cycles to failure

moderate tensile s m Larger tensile s m S = stress amplitude

near zero or compressive s m Increasing

s_m

--Method 1: bilye püskürtme

yüsyde bası gerilmesi

bilye

--Method 2: karbürleme

C-ca zengin gaz

2. Gerilme yoğunlaşmasını

azaltmak kötü

kötü

iyi

iyi

Basma testi

Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir.

Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler.

Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir.

Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile

50

Sürünme testi

Malzemenin akma gerilmesinin altında sürekli olarak uygulanan sabit gerilme

nedeniyle oluşan yavaş deformasyona sürünme denir.

Sürünme testi

s

s

s

s

s

s

e

Zaman

e .



n = 1

difüzyonal sürünme



n = 3-5

dislokasyonal sürünme



n ~20













e

Zaman

e .