1
MMM309 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI I
D ENEY F ÖYLERİ
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2020 – 2021
Laboratuvar Eğitmenleri:
Arş. Gör. Seyit ÇAĞLAR Arş. Gör. Semih ENGÜN Arş. Gör. Engin KOCAMAN Arş. Gör. İlker Emin DAĞ Ders Sorumlusu:
Dr. Öğr. Üyesi Nazım KUNDURACI
2
MMM309 Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Bülent Ecevit Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü lisans programının ilk bölüm laboratuvar dersi olan MMM309 Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I dersi, öğrencilerin metalurji ve malzeme mühendisliğinde yapılan temel işlemler hakkında bilgi edinmesini amaçlamaktadır. Gösterilmesi planlanan deneyler endüstride sıklıkla kullanılan yöntemlerin laboratuvar ölçekli halleridir. Bu ders ile birlikte teorik olarak işlenen konular da görselleştirilmiş olacaktır.
Dersi alan öğrencilerimize başarılar dileriz.
ZBEÜ-MET
NOT SİSTEMİ
Önemli !!! Laboratuvar kapsamında gerçekleştirilecek deneylere gelmeden önce ilgili modüllerin okunması ve gelirken deney föyünün getirilmesi gerekmektedir.
Sınav Türü Katkı Yüzdesi
Kısa Sınavlar (8) %20
Raporlar (8) %20
Final %60
3
DENEY ADI İLGİLİ MODÜLLER SAYFA NO
Normalizasyon, su verme ve menevişleme ısıl işlemi
Normalizasyon, su verme ve menevişleme ısıl
işlemi 5
Jominy deneyi Jominy deneyi 10
Temel metalografik operasyonlar ve demir esaslı alaşımlarda mikroyapı
tanımlama
Temel Metalografik Operasyonlar ve demir
esaslı alaşımlarda mikroyapı tanımlama 16
Çekme, sertlik, darbe ve burma testleri Çekme ve Sertlik Testleri 28
Darbe ve Burma Testleri 40
Kum ve metal kalıba döküm Kum ve metal kalıba döküm 54
Difüzyonla yüzey sertleştirme Difüzyonla yüzey sertleştirme 64
Korozyon Testi Korozyon Testi ve 73
Seramik hammaddelerin karakterizasyonu ve toz metalürjisi
Seramik hammaddelerin karakterizasyonu ve
toz metalürjisi 79
Tarih Deney Adı Sorumlu Eğitmen
08.10.2020 Laboratuvar Güvenliği ve Çalışma Kuralları
15.10.2020 Laboratuvar Güvenlik Sınavı – Ders Tanıtımı
22.10.2020 Normalizasyon, su verme ve menevişleme ısıl işlemi İlker Emin DAĞ
29.10.2020 Cumhuriyet Bayramı
05.11.2020 Temel metalografik operasyonlar ve demir esaslı alaşımlarda mikro-yapı tanımlama Semih ENGÜN
12.11.2020 Çekme, sertlik, darbe ve burma testleri Seyit ÇAĞLAR
19.11.2020 Ara Sınav Haftası
26.11.2020 Kum ve metal kalıba döküm simülasyonu Engin KOCAMAN
03.12.2020 Korozyon Testi İlker Emin DAĞ
10.12.2020 Jominy Deneyi Seyit ÇAĞLAR
17.12.2020 Seramik hammaddelerin karakterizasyonu ve toz metalürjisi Semih ENGÜN
24.12.2020 Difüzyonla yüzey sertleştirme Engin KOCAMAN
31.12.2020 Telafi Haftası
07.01.2021 Telafi Haftası
4
DERSE DAİR GENEL KURALLAR
1. Laboratuvarın başlama saati Perşembe günü saat 08:30’ dur. Öğrencilerin laboratuvara zamanında gelmeleri gerekmektedir. Zamanında gelmeyen öğrenci o hafta ilgili deneyden telafiye kalır.
2. Bütün deneylere laboratuvar önlüğü getirilmesi zorunludur. Laboratuvar önlüğü olmayan öğrenciler, deneylere alınmayacaklardır.
3. Laboratuvar öncesi föylerin ilgili kısımlarının okunarak laboratuvara hazırlıklı gelinmesi yüksek önem taşımaktadır. Laboratuvar eğitmenleri deney başlamadan önce deneyle ilgili kısa sınav yapacaklardır. Bu sınavdan 50’nin altında not alan öğrenciler telafiye bırakılır.
4. Deney sırasında öğrenciler sözlü sınava da tabi tutulabilirler. Yetersiz görülen öğrenciler deney öncesi yapılan küçük sınavda başarılı olsalar dahi telafiye bırakılabilirler.
5. Her öğrenci listede belirtilmiş olan grubuyla deneye girmek zorundadır.
6. Öğrenciler 9 deneyden yalnızca 2 defa telafiye kalabilirler. Öğrenciler telafiye kaldıkları deneyi telafi haftasında yapmak, bütün deneyleri tamamlamak ve tüm raporlarını teslim etmek zorundadır. (Telafi deneyinin telafisi yoktur).
7. Deney raporları; en geç deneyin yapıldığı günden sonraki Perşembe, 17.00’ye kadar ilgili laboratuvar eğitmenlerinden birine teslim edilmelidir. Bu zaman diliminde raporlarını teslim etmeyen öğrencilerin rapor notları 0 (sıfır) olarak değerlendirilecek ve telafi için ek süre verilmeyecektir.
8. Deneyler grup halinde yapılacaktır. Grup çalışmasının doğası gereği, grup üyeleri ve laboratuvar eğitmeni arasında işbirliği, fikir alışverişi ve tartışmalar gerçekleşebilir.
Ancak raporların hazırlanması, bireysel yapılmalıdır. Herhangi bir kopya unsurunun tespitinde kopya olan rapor otomatik olarak sıfır ile notlandırılacaktır.
Aynı durumun tekrarlanması durumunda ders notu otomatik olarak FF ile notlandırılacaktır.
9. İlk yarım saat içinde deneye girmeyen öğrenciler, deneye alınmayacaklardır.
10. Deney esnasında cep telefonları kapatılacaktır.
11. Laboratuvarda sorumlu kişi izin vermedikçe hiçbir deney düzeneğine, kimyasala ve diğer malzemelere dokunulmamalıdır.
5
TEORİK BİLGİ
Isıl İşlem
Katı haldeki metal ve alaşımlara, belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleridir.
Bütün özellik değişmeleri çeliğin katı haldeki dönüşümleri neticesinde mümkün olmaktadır. Çeliklerin ısıl işlem sıcaklıklarını saptamak için Fe-Fe3C faz diyagramından yararlanılabilir. Ancak bu yolla bulunan sıcaklıklar yalnız alaşımsız çelikler için yeter yaklaşıktadır. Alaşım çeliklerinde ise çelik üreticisinin verdiği değerlerin dikkate alınması gerekir. Isıl işlem, parçanın belli bir sıcaklığa ısıtılması ve o sıcaklıkta belli bir süre tutulması ve daha sonra soğutulması işlemi olarak özetlenebilir. Parçanın fırında tutma süresi eşitliği ile hesaplanabilir.(t=20+s/2) Eşitlikte, Tutma süresi (dakika ) s parça levha ise et kalınlığı, boru ise çaptır ve birimi mm’dir.
Isıl işlemler tavlama, sertleştirme ve ıslah etme olmak üzere üç ana gruba ayrılabilir.
Şekil 1. Genel ısıl işlem grafiği
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI NORMALİZASYON, SU VERME VE MENEVİŞLEME ISIL İŞLEMİ DENEYİN
AMACI
Alaşımsız çelikte ısıl etkilerin ve,soğutma hızının çelik sertliğine ve iç yapısına olan etkisinin incelenmesi
6
Normalizasyon Tavlaması
Tavlama çeşitleri; yumuşatma tavlaması, normalleştirme tavlaması, kaba tane tavlaması, difüzyon tavlaması, gerilme giderme tavlaması, yeniden kristalleştirme tavlaması olarak gruplanabilir.
Normalizasyon tavlaması, çeliğin bileşimine göre A3 veya Acm sıcaklıklarının 30- 50 °C üstüne ısıtıp sonra fırın dışında sakin havada soğutulmasıdır. Böylece özellikle ötektoid altı çeliklerde, küçük taneli ve dolayısıyla mekanik özellikleri iyileştirilmiş, düzgün dağılımlı ferritik-perlitik bir yapı elde edilir.
Ötektoid üstü çeliklerde ise normalleştirme, daha ziyade sürekli sementit ağını kısmen parçalayarak, sonraki yumuşatma tavını kolaylaştırıcı bir ön işlem olarak uygulanır. Normalleştirme tavlaması sonunda küçük ve eş eksenli tanelerden oluşan perlitik-ferritik içyapı elde edilir. Başlangıçtaki iri taneli yapı, ısıtma sırasında 723oC ın üstünde her bir perlit bölgesinden çok sayıda küçük γ tanesi meydana gelir,A3 sıcaklığının üzerinde yapı sadece ince taneli ostenitten meydana gelir, taneler zamanla irileşmeye başlar, ince taneli ostenit soğutma sonucu yine ince taneli ferrit+perlit haline dönüşür.
Şekil 2. Ötektoid altı çeliğin normalizasyon tavlaması süresince içyapı değişimini gösteren grafik
Normalizasyon Tavlaması şu amaçlarla yapılır:
• Soğuk şekil verme sonrasında uzamış taneleri başlangıç yapısına döndürmek,
• Döküm içyapısı olan Widmanstatten yapısını iyileştirmek, Widmanstatten yapısında yumuşak ferrit levhaları ile sert perlit kolonileri birbiri içine girdiğinden
7
malzeme olduğundan daha çok perlit içeriyormuş gibi davranır. Diğer bir deyişle, malzeme aynı kimyasal bileşimde ve içinde perlit odacıkları bulunan ferritik içyapıya sahip çelikten daha sert ve gevrektir.
• Sıcak haddeleme sonucunda oluşan bantlı içyapının giderilmesi,
• Kaynaklı parçalarda, ( tane büyüklüğü farklı olan hadde yapısı ve döküm içyapısının bir arada olduğu durumlarda )
•Difüzyon tavlaması sonucunda irileşmiş tanelerin inceltilmesi, Tavlama işlemi sonucunda, malzemenin mekanik özelliklerinde, özellikle de toklukta artış sağlanır. Tav süresi, et kalınlığına göre 30-60 dakika arasındadır. Basınçlı kaplara mutlaka bu tavlama işlemi uygulanmalıdır.
Sertleştirme
Ötektoid altı çelikler A3, ötektoid üstü çelikler ise A1sıcaklığının üzerine ısıtılıp(A3+50 veya A1+50), hızla soğutulursa atomlar yavaş soğuma sonucu meydana getirdikleri kristal şekillerini oluşturacak zaman bulamazlar, böylece perlit oluşumu engellenmiş olur ve östenit bütünü ile Martenzit yapıya dönüşür.
8
• Sertleştirme ile metastabil (yarı kararlı) bir içyapı elde edilir.
• Östenit, çeliğin bileşimine bağlı olarak, minimum bir hızın altına inilmeyecek şekilde soğutulur ve yarı kararlı tetragonal hacim merkezli martenzit yapısı oluşur.
• Diğer bir deyişle, çeliklerin mümkün olan en yüksek sertlik ve aşınma dayanımına sahip olması istendiğinde sertleştirme işlemi yapılır.
• Sertleştirme sonucunda soğuk şekil değiştirme kabiliyeti azalır, süneklik düşer.
Bu işlem daha çok dönüşüm sertleşmesinde geçerlidir.
Şekil 4. Östenitin soğuma hızına bağlı olarak yaptığı dönüşümler
Menevişleme
Çeliklerde su verme sonrası oluşan martensit yapısı oldukça sert ve gevrektir.
Dolayısıyla çalışma koşullarında kolayca çatlayabilir ve hasara yol açar. Bu yüzden çeliklere su verme sonrası menevişleme adı verilen bir ısıl işlemle çeliğin tokluğu ve sünekliği arttırılabilir, bununla birlikte iç gerilmesi azaltılabilir. Bu sırada sertlikte de bir miktar düşme meydana gelir. Menevişleme, martenzitik çeliğin 723 °C’nin altında (sade karbonlu çelikler için) yaklaşık 2 saat ısıtılması ve sonrasında oda sıcaklığına soğutulması işlemidir. Menevişleme sırasında kristal kafes içerisine hapsedilmiş karbonun bir bölümü kafes içinden ayrılarak serbest karbür tanecikleri oluştururken martensit yapı da ferrite dönüşür.
9
Menevişleme sıcaklığı çeliğin türü ve parçanın kullanılacağı yere bağlı olarak 150 -650 °C arasında değişir. Tutma süresi parça kalınlığına bağlı olarak 1 –2,5 saat arasında değişir. Genellikle 1 inç kalınlığında bir parça için 1 saatlik bir menevişleme süresi uygulanır. Bu sürenin sonunda parça fırından çıkarılarak havada soğumaya bırakılır.
menevişleme bir difüzyon olayıdır, dolayısıyla menevişleme sıcaklığı ve tutma süresi menevişleme sonucunu etkiler. Menevişleme işlem sıcaklığına bağlı olarak, 4 kategoriye ayrılabilir.
Kademe 1: 100-200 °C, 2 saat Kademe 2: 200-300 °C, 2 saat;
Kademe 3: 300-700 °C, 2 saat.
Kademe 4: 300-700 °C, 24 saat ve fazlası DENEYİN YAPILIŞI
1-Deneyde 3 tane ASTM 1040 Çeliğinden numune kullanılır.
2- 870 C’ye ısıtılan kül fırınında 45 dakika ısıtılan numunelerden 1. Numune havada soğumaya bırakılır. 2. Numuneye ise sertleştirme yöntemlerin suda soğutma uygulanarak martenzit yapısı elde edilir. 3. Numune ise 300 C’de 45 dakika menevişlenir.
3-Metalografik olarak hazırlanan numuneler optik mikroskopta incelenir ve yapıları tespit edilir.
4-Daha sonra her numunenin Rockwell test cihazıyla sertlik analizleri yapılır.
DENEY RAPORUNDA İSTENENLER
1-150 mm et kalınlığına sahip bir parça için ideal tavlama süresini hesaplayınız.
2-Deneyde ısıl işlem uyguladığımız üç numunenin de optik mikroskopta gördüğünüz şekliyle çiziniz. Ayrıca bu yapıların nasıl oluştuğunu da açıklamalarıyla birlikte her numune için belirtiniz.
3-Her numune için deney sırasında bulduğumuz sertlik değerlerini yazarak bu sertlik değerlerinin oluşum sebeplerini yazınız.
KAYNAKLAR
[1] Ayşegül Akdoğan Malzeme ders notları [2] Rahmi Ünal Isıl İşlem Notları
[3] Sakarya Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Isıl İşlem Deney Föyü (Cuma Bindal)
10
TEORİK BİLGİ
Sertleşebilirlik
Aşırı yüksek ve dinamik yükler altında ve/veya soğukta çalışan çelik makine elemanlarının bu koşullarda başarıyla çalışabilmesi için kübik martenzit (ıslah) yapısında olması gerekir. Çeliğin bu yapıya ulaşabilmesi önce martenzitik bir yapıya kavuşturulması ardından da ıslah edilmesi ile mümkündür.
Çelik malzemenin martenzite dönüştürülebilmesi için malzemenin östenit sahasından belirli bir kritik hızın üzerinde soğutulması gerekir ki bu işlem su verme olarak adlandırılır. İnce kesitli parçalarda alaşımsız çelikler suda soğutularak bu hız değerleri yakalanabilmektedir. Ancak kalın kesitli parçalarda parça suya dahi atılsa iç kesimlerin soğuması yavaş olmakta ve kritik soğutma hızını yakalamak zorlaşmaktadır.
Bu durum özellikle büyük boyutlu makine parçalarının tüm kesitine su verme işleminin zorlaşmasına hatta imkânsızlaşmasına yol açmaktadır.
Kritik soğuma hızı, TTT diyagramlarında burun noktasını kesmeden sağlanan en düşük soğuma hızıdır. Su verme işleminde uygulanan soğuma hızı, kritik soğuma hızından daha yüksek ise, perlit ve beynit dönüşümü tamamen engellenerek martenzit yapısı oluşur. Eğer soğuma hızı kritik soğuma hızından daha düşük ise en son yapıdaki martenzitin miktarı ve buna bağlı olarak da sertlik azalır. Bu yolla sağlanan sertlik değeri çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Ostenitleme işleminden sonra karbür olarak kalan karbon, martenzit reaksiyonunda yer almadığı için sertliğe etki etmez. Şekil 1. martenzit miktarı, sertlik ve karbon miktarı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI JOMINY DENEYİ DENEYİN
AMACI İncelenen çelik alaşımının su verme davranışının belirlenmesi.
11
Şekil 1. Martenzit miktarı, sertlik ve karbon miktarı ilişkisi.
Çeliklerin yüzeyden derinlere kadar martenzite dönüştürülebilmeye yatkınlığı malzemenin sertleşebilirliği olarak adlandırılır. Sertleşebilirlik deneyleri su verme ile elde edilen sertlik derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Bu derinlik, martenzit miktarının yüzeyden itibaren yarıya indiği ya da % 50 martenzit ve beynitin var olduğu mesafe olarak ifade edilmektedir. Yüksek sertleşebilirliğe sahip bir çeliğin karakteristik özelliği, yüksek sertleşme derinliği göstermesi veya büyük parçalar halindeyken bile tam olarak sertleşebilmesidir. Sertleşebilirlik ile sertlik farklı kavramlardır. Maksimum sertlik çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Sertleşebilirlik ise çeliğin kimyasal bileşimine ( karbon ve alaşım elementleri) ve su verme sırasında ostenit tane boyutuna bağlıdır.
Çelik parçanın boyutları arttığı zaman soğuma hızı düşer ve çekirdek sertliği, ferrit ve perlit gibi fazların oluşumuna bağlı olarak azalır (Şekil 2).
12
Şekil 2. AISI 8630 çeliği için Jominy deneyinden elde edilen verilerle sürekli soğuma eğrileri ve sürekli zaman dönüşüm diyagramı arasındaki ilişkilerinin gösterimi
Sertleşebilirliğe Etki Eden Faktörler
Alaşım elementlerinden sertleşebilirliği en fazla C, B, Cr, Mn, Mo, Si ve Ni etkiler.
Karbon, martenzitin sertliğini kontrol eder. Çelikte % 0,6’ya kadar C içeriği arttığında çeliğin sertliği artar. Daha yüksek seviyelerdeki karbon içeriği olduğu durumda, ostenitten martenzite dönüşüm tamamlanamaz. Bu da yapıda kalıntı ostenit bulunmasına sebep olur. Bu durumda yapıda martenzitin yanında ostenit bulunacağından sertlik daha düşük seviyelerde kalır. Karbon miktarının yüksek olması malzemenin daha gevrek bir davranış göstermesine neden olur ve daha sonra yapılacak olan işlemlerde sorunlar yaratabilir. Bu yüzden % 0,4 C’a kadar olan çeliklerde sertleşebilirlik kontrolü daha kolaydır. Çeliğin martenzitinin sertliğine karbonun etkisi
13
su verme sonrası karbon atomunun yapı içerisine zoraki olarak sıkışması ile izah edilebilir. Diğer alaşım elementleri ise kafes yapısında zoraki kalmadıklarından karbonun etkisini yapmazlar. Bor, % 0,002 - 0,003 oranında çeliğe ilave edildiğinde % 0,5 Mo ilavesindeki etkiyi gösterir. Bor düşük karbonlu çeliklere ilave edildiğinde sertleşebilirlikte en büyük etkiyi gösterir. Cr, Mo, Mn, Si, Ni ilaveleri çelikte ostenitten ferrit ve perlite dönüşümü geciktirir. Bu elementler ara yüzeyde tane büyümesini engelleyerek sertleşebilirliği arttırırlar. Ostenit tane boyutunun artması ile sertleşebilirlik artar. Ferrit ve perlitin çekirdekleşmesi ostenit tane sınırında heterojen çekirdekleşme ile gerçekleşir. Ostenit tane boyutunun artması çekirdekleşme için gereken bölgenin daha az olmasını sağlar ve faz dönüşümü gecikir. Bu yüzden ostenitleme sıcaklığı yüksek seçilerek tane boyutunun büyük olması sağlanabilir.
DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR
ü Deney numunesi ve boyutları: Jominy deneyi için 25,4 mm çapında ve 101,6 mm uzunluğunda silindirik bir çelik çubuk kullanılır (Şekil 3).
Şekil 3. Jominy uçtan su verme deney numunesi şekil ve boyutları
ü Makro Vickers (30 kgf) ya da Rockwell C sertlik testi ü Fırın
ü Jominy deney düzeneği
14
Şekil 4. Jominy deney düzeneği
DENEYİN YAPILIŞI
Sertleşebilirliğin belirlenmesi amacıyla en yaygın kullanılan deney Jominy deneyidir. Bu deneyde 25 mm çapındaki 100 mm boyundaki silindirik bir numune Şekil 4’te gösterilen düzenekle alın kısmından su ile soğutulur. Parça boyunca farklı soğuma hızları elde edilir. Numune su hortumundan 12,5 mm mesafede olacak şekilde yatay bir yüzey üzerine oturtulur. Su sıcaklığı 24-28 °C dir. Deney numunesi önce normalize edilir, verilen boyutlarda işlendikten sonra bileşimine göre uygun su verme sıcaklığına (ostenitleme sıcaklığı) kadar ısıtılır ve bu sıcaklıkta en az 30 dakika tutulur. Bu sürenin sonunda fırından çıkarılan numune süratli bir şekilde deney düzeneğine yerleştirilir ve bir ucundan su püskürtmek suretiyle soğutulur. Soğuma hızı, çelik çubuk boyunca su verilmiş uçtan itibaren kademeli olarak azalır. Çubuk soğutulduktan sonra eksenine paralel ve yüzeyden itibaren 0,4-0,5 mm derinliğinde talaş kaldırma işlemi yapılarak düzgün bir yüzey elde edilir. Daha sonra bu yüzey kullanılarak, su verilmiş uçtan itibaren belli aralıklarla çubuğun sertliği ölçülür. Sertlik ölçümleri su vermenin yapıldığı alından başlanarak 1,5-1,5-2-2-2-2-22 mm olan mesafelerde yapılır. Toplam 15 mm’yi bulan bu noktalardan sonra 5’er mm aralıklarla ölçümler yapılır. Elde edilen sertlik değerleri mesafeye bağlı olarak bir grafik üzerinde belirtilerek, Jominy eğrileri elde edilir.
SONUÇLAR VE YORUMLAMA
Çeliğin sertleşebilirlik özelliklerinin tarifi için, aşağıdaki metotlardan birisi kullanılır:
15
a) Sertlik-su verme ucundan uzaklık değişim eğrisinin çizilmesi veya eğriye ait verilerin tablo halinde sunulması.
b) Çeliğin alaşım miktarına bağlı olarak, su verme ucundan ve belirtilen bir mesafedeki sertlik değerleri üzerinden sertleşmenin sayısal olarak tanımı yapılabilir. Su verme ucundan artan uzaklıkla sertliğin azalması yapıda dönüşüme uğrayan martenzitin miktarıyla ilişkili olarak değişmektedir (Şekil 5).
Şekil 5. Jominy deneyi sonucu elde edilen, sertliğin su verilen uçtan uzaklığa göre değişimini veren sertleşebilirlik eğrisi
DENEY RAPORUNDA İSTENENLER
1- Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz.
2- 1040 ve 4140 çeliğinin elde edilen mesafe-sertlik verilerine göre sertleşebilirlik eğrisini çiziniz ve eğriler arasındaki farkı açıklayınız.
3- Her bir mesafede oluşabilecek mikro yapıları çiziniz.
4- Yüksek alaşımlı çeliklere neden Jominy deneyi uygulanmamaktadır?
Açıklayınız.
KAYNAKLAR
[1] Dokuz Eylül Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Jominy Sertleşebilirlik Testi Deney Föyü
[2] Ondokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Malzeme Üretim Laboratuarı I Deney Föyü
[3] Yıldız Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Deney Föyü [4] Malzeme Bilgisine Giriş, Mehmet Yüksel, Cemal Meran
16
GİRİŞ
Metallerin iç yapısını inceleyen bilim dalına metalografi denir. Metalografik numune hazırlamanın amacı malzemelerin iç yapısını ortaya çıkararak özelliklerini belirlemek, yapılacak ısıl ya da mekanik işlemi belirlemektir. Metalografik numunelerin uygun bir şekilde hazırlanması için aşağıda belirtilen adımlar dikkatli bir şekilde izlenmelidir. Bu adımlar sırasıyla kesme, kalıba alma, zımparalama, parlatma, dağlama ve mikroyapı incelemesi şeklindedir. Mikroyapı incelemesinin hatasız olarak yapılması için numunelerin temiz bir şekilde ve dikkatlice hazırlanması gerekmektedir. Bu deneyde, öğrenciler farklı demir esaslı numunelerin metalografik olarak hazırlanmasını inceleyecektirler.
TEORİK BİLGİ
Metallerin iç yapısını inceleyen bir bilim dalına metalografi denir. İç yapı hakkında bilgi elde etmek amacıyla mikroskoplar kullanılmaktadır. Optik mikroskoplar genel amaçlı incelemeler için yeterli bir araçken, daha ileri incelemeler için elektron mikroskoplarına ihtiyaç duyulmaktadır.
Mikroskoplarda inceleme yapabilmek için öncelikle malzeme yüzeyinin bir takım
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI TEMEL METALOGRAFİK OPERASYONLAR VE DEMİRLİ ALAŞIMLAMALARDA MİKROYAPI TANIMLAMA
DENEYİN AMACI
1. Metalografik numune hazırlama ile ilgili temel bilgileri öğrenmek ve tecrübe kazanmak.
2. Numune hazırlama ekipmanlarının verimli kullanımını sağlamak.
3. Demir esaslı malzemelerin mikroyapı analizlerinin gerçekleştirilmesi.
17
işlemlerden geçerek hazırlanması gerekmektedir. Bu işlemler sırasıyla kesme, kalıba alma, zımparalama, parlatma ve dağlama adımlarından oluşmaktadır.
1 Metalografik Numune Hazırlama Adımları
Kesme: Numunenin incelemeye uygun hale getirilebilmesi amacıyla uygun yerinden kesilmesi gerekmektedir. Kesme işleminde aşağıdaki hususlara dikkat edilmesi gerekmektedir:
Ø Alınan numune incelenecek malzemenin tamamını temsil etmelidir.
Ø Numunenin kesim yönü yapılacak incelemeye göre belirlenmelidir. Örneğin haddelenmiş çelik bir malzemede uzamış inklüzyonlar incelenmek isteniyorsa numunenin hadde yönüne paralel olan kesitten incelenmesi gerekmektedir. Aksi takdirde hadde yönüne dik alınan numunede inklüzyonlar yuvarlak olarak görüleceğinden dolayı hatalı inceleme yapılmış olacaktır.
Ø Numune hazırlama sonrası en az deformasyona uğramış ve düzgün bir yüzey elde etmek amacıyla her numune için farklı olan kesme tekniği belirlenmelidir.
Örneğin Al gibi yumuşak bir malzemeyi kesmek istiyorsak demir testeresi kullanılabilirken, seramik gibi sert bir malzemeyi kesmek için soğutmayı sağlayan sıvı bir ortamda, alümina, elmas vb. gibi sert kesme diskleri kullanılmalıdır. Öte yandan, kırık yüzey incelemesi yapılacak numunelerin bir çekiç yardımıyla kırılması yeterli olacaktır.
Kalıba Alma: Elle tutulamayacak kadar küçük ya da yatay zeminde duramayacak kadar karmaşık şekilli malzemeleri incelemek ve numune kenarlarının yuvarlaklaşmasını önlemek amacıyla numuneler genellikle plastik kalıp içerisine alınırlar.
18
Ø Kalıplama malzemesi olarak genellikle sert polimer malzemeler kullanılmaktadır.
Ø Kalıplama işlemi sıcak ve soğuk olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Her iki yöntemde kullanılan plastik türleri farklıdır.
Sıcak Kalıplama: Sıcak kalıplama işlemi özel bir cihaz yardımıyla gerçekleşmektedir. Numuneye bir yandan 150 °C sıcaklık uygulanırken diğer yandan da 30 MPa civarında basınç uygulanmaktadır.
Soğuk Kalıplama: Soğuk kalıplama işlemi genellikle yüksek sıcaklıktan etkilenen seramik, metal, elektronik vb. malzemelerin kalıplanması amacıyla kullanılmaktadır. Soğuk kalıplama işlemi reçine, sertleştirici ve hızlandırıcının belirli oranda karıştırılması sonrası oluşacak kimyasal reaksiyon sonucu polimerleşmesi ile gerçekleşir.
Zımparalama: Kesme sırasında numune yüzeyinde oluşan hasarları en aza indirgemek ve parlatma işlemini kolaylaştıracak düzgün yüzeyler elde etmek amacıyla aşındırıcı parçacıklar yardımıyla numune yüzeyinden malzeme kaldırma işlemine zımparalama denir. Zımparalama işlemi sırasıyla 240, 400, 800, 1200 ve 4000 grit SiC kağıt zımparalar ile zımparalanarak her zımparalama işleminde bir öncekinin etkisi yok edilmektedir. Zımpara kağıdındaki grit sayısı arttıkça numune yüzeyindeki değişim aşağıda gösterilmiştir:
19
Ø Zımparalama esnasında sürtünme kaynaklı yüksek sıcaklıktan dolayı malzeme mikroyapısında değişiklik meydana gelmemesi için zımparalama esnasında numune su ile soğutulmalıdır.
Ø Bir zımparadan diğerine geçilirken numune ve zımpara tablası yıkanmalı ve numune, yüzeyindeki çiziklere dik olarak çevrilmelidir.
Parlatma: Metalografik inceleme sırasında numune yüzeyinin çok iyi parlatılmış olması gerekmektedir. Zımparalama işlemi sonrası numune yüzeyinde halen küçük boyutlarda çizgiler ve pürüzler bulunmaktadır. Bu nedenle bu çizgilerin yok edilerek düz, mümkün olduğu kadar çizik bulunmayan, ayna parlaklığında bir yüzey elde edilmesi gerekmektedir.
20
Ø Parlatma işlemi, zımparalanmış yüzeyin bir döner disk üzerindeki kumaş üzerine uygulanan sırasıyla 6 µm ve 1 µm’luk elmas partiküller vasıtası ile aşındırılarak yapılır.
Ø Sürtünmeyi azaltmak için yağlayıcı da kullanılır.
Ø Başarılı parlatma işleminden sonra numunenin yüzeyi ayna gibi görünür.
Ø Parlatma işlemi sonunda yüzey deterjanlı su ile yıkanır, alkolle temizlenir ve hava püskürtülerek kurutulur.
Dağlama: Parlatılmış numunelere mikroskopta bakıldığında elde edilen görüntü bir anlam ifade etmez. Tane sınırları, ve fazların görülebilmesi için dağlama işleminin yapılması gerekmektedir. Dağlama işleminde numune yüzeyine uygulanan kimyasalın meydana getirdiği “seçici kimyasal atak” sayesinde numune yüzeyinde kontrast farkı oluşarak malzeme iç yapısı ortaya çıkarılır. Kontrast oluşumu aşağıda verilen şekilde açıklanmıştır.
21
Dağlama işlemi sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar ise şunlardır:
Ø Dağlama işlemindeki en önemli husus dağlama reaktifi seçimidir. Dağlama reaktifinin kullanım talimatlarına bağlı kalmak, istenilen dağlama sonucuna daha kolay ulaşılmasını sağlayacaktır. Bu talimatlarda, numunenin nasıl dağlanacağı (daldırma, pamukla silme, elektrolitik vb), dağlama sıcaklığı ve dağlama süresi açık olarak belirtilir.
Ø Dağlama süresi uzun tutulduğu takdirde tercihli olarak çözünmesi istenen malzemenin tamamı çözünecektir. Bu duruma aşırı dağlama denir. Aşırı dağlanmış numune mikroskopta incelendiğinde kararmış bir yüzey görüntüsü elde edilir. Böyle bir durumda parlatma işlemi tekrarlanarak aşırı dağlamanın yüzeyde meydana getirdiği etki giderilmeli ve tekrar dağlama yapılmalıdır.
22
Bazı metalik alaşımlarda kullanılan dağlama reaktifleri aşağıdaki çizelgede belirtilmiştir:
Malzeme Dağlama Çözeltisi Uygulama Talimatı
Demir ve Çelik % 1-5 Nital çözeltisi Daldırma / Pamuk
Bakır ve Pirinç
1 birim amonyum hidroksit, 1 birim % 3’ lük
hidrojen peroksit, 1 birim saf su Pamuk 5 g Ferric Chloride, 10 ml HCl, 100 ml saf su Daldırma
Alüminyum 5-10 g amonyum persülfat, 1 ml HF, 99 ml saf
su Daldırma
10 g NaOH, 100 ml saf su Daldırma
Paslanmaz Çelik
10 g oksalik asit, 100 ml saf su Elektrolitik 5 ml H2SO4, 100 ml saf su Elektrolitik
Uyarı: Dağlama işlemi yaparken her zaman maske ve aside dayanıklı eldiven kullanınız!
2 Işık Mikroskobuna Giriş
Işık Mikroskobu: Bir malzemede mikroyapı incelemesi yaparak o malzeme hakkındaki detayları ortaya çıkarmak için yaygın olarak kullanılan yöntemlerden birisidir. Işık mikroskobu kullanarak, numunedeki fazların özellikleri, dağılımları, tane sınırları, porozite, kalıntı ve çatlak gibi çeşitli yapılar incelenir.
Işık kaynağı: Düşük voltajlı tungsten filamandan oluşmaktadır.
Condenser Lens: Işığı istenilen noktada odaklamak için kullanılan ayarlanabilir lens.
Işık filtresi: İncelemeyi daha kolay kılmak, iyileştirmek ve kontrastı değiştirmek için kullanılır.
Objektif Lens: Mikroyapının birincil görüntüsünü oluşturan ve mikroskobun en önemli parçasıdır. Objektif lens numune yüzeyinden yansıyan ışığı en fazla şekilde toplayarak görüntü oluşumunu sağlamaktadır.
23
Oküler: Objektiflerle oluşturulan birincil görüntüyü büyüterek, objektifin çözünürlük yeteneğinin göz tarafından tam olrak kullanılmasını sağlar.
Numune Tablası: Numunenin üzerine konulduğu hareket edebilen platform.
3 Demir Esaslı Metallerde Genel Olarak Karşılaşılan Mikroyapı Görüntüleri
Çelik Mikroyapıları
Ötektoid Öncesi
24
Ötektoid:
Ötektoid Sonrası:
25
Hızlı Soğuma Ürünleri (Martenzit):
Dökme Demir Mikroyapıları
gri dökme demir kürsel grafitli (sfero) dökme d.
İnklüzyonlar (Kalıntılar): İnklüzyonlar dış ve iç kökenli olmak üzere ikiye ayrılırlar. Dış inklüzyonlar sıvı metal içerisine cüruf, fırın ya da potadan girmektedir.
Boyutları 50-200 µm arasında değişmektedir. İç kökenli inklüzyonlar ise metalürjik reaksiyonlar sonucu oluşmaktadırlar ve boyutları genel olarak 50 µm altındadır.
26
DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLARI
Ø Kesme, bakalite alma, zımpara ve parlatma cihazı Ø Dağlama esnasında kullanılan kimyasallar
Ø Işık mikroskobu
Ø Metalografik olarak hazırlanmış numuneler DENEYİN YAPILIŞI
Numune Hazırlama
Ø I}ncelenmek istenen demir esaslı malzemeden numune kesilir.
Ø Zımpara ile çapaklar alınır,
Ø Bakalite alma yöntemiyle kalıplanır,
Ø Taşlama ile bakalitin kenarları yuvarlatılıp ve numune markalanır,
Ø Sıra ile 80–120-240-400-600-800-1000-1200 numaralı zımpara kağıtlarıyla zımparalama yapılır (numunenin durumuna göre daha yüksek gritten başlanabilir)
Ø Zımparalama kademesinden sonra tabla ve numune bol su ile yıkanır.
Ø Parlatma kademesinde numune parlatma diskine tutulup ve parlatma süspansiyonu kullanılır,
Ø Parlatma sonunda tabla ve numune bol su ile yıkanır, Ø Numune alkolle yıkanıp kurutulur,
Ø Numuneye mikroskopta 100x büyütmede bakılarak parlatmanın yeterli olup olmadığına karar verilir (parlatma yeterli değilse, parlatma işlemine devam edilmelidir),
Ø Dağlayıcı reaktifi daldırma/pamuk/damlatma yöntemlerinden biriyle numune yüzeyine uygulanır. Parlak yüzeyin matlaştığı görülene kadar bu işlem devam eder (Aşırı dağlamamaya dikkat!).
Ø Dağlama görülünce numune derhal bol su ile yıkanır, ardından alkolle yıkanıp kurutulur.
Metalografik İnceleme
Ø Optik mikroskopta incelenmek üzere daha önceden hazırlanmış olan numuneler mikroskopta çeşitli büyütmelerde incelenecektir.
27
ÖDEV
1- Sıcak ve soğuk kalıplama arasındaki farkları yazınız.
2- Dağlayıcının önemini açıklayınız.
3- Zımparalama ve parlatma işlemlerinde bir aşamadan diğer aşamaya geçerken her seferinde numunelerin yıkanması ve dikkatlice kurulanması neden
önemlidir ?
4- Ferrit, perlit ve sementit yapılarını açıklayınız.
KAYNAKLAR
[1] Prof. Dr. Fazlı Arslan, Metalografi Laboratuvarı Deney Föyü
[2] Prof. Dr. Sakin ZEYTİN-Doç. Dr. Akın AKINCI-Yrd. Doç. Dr. Mediha İPEK, Metalografik İnceleme
[3] Metals Handbook, ASM
[4] Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü, Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013.
28
TEORİK BİLGİ Çekme Testi
Çekme deneyi, standartlara göre hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Çekme testinin amacı, malzemelerin statik yük altındaki elastik ve plastik davranışlarını belirlemektir.
Bunun için boyutları standartlara uygun daire veya dikdörtgen kesitli deney parçası, (Şekil’1-b) çekme cihazına (Şekil’1-a) bağlanarak, eksenel ve değişken kuvvetler uygulanır. Genellikle metalik malzemelere uygulanan çekme testi sayesinde malzemelerin ; elastik sınırı, elastiste modülü, akma gerilmesi, çekme dayanımı, tokluk, uzama, % kesit daralması, rezilyans gibi bir çok mekanik özelliklerinin belirlenmesi sağlanır.
Şekil 1 a) Çekme test cihazı b) Standartlara göre hazırlanmış çeşitli çekme testi numuneleri.
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI ÇEKME VE SERTLİK TESTLERİ DENEYİN
AMACI
Çekme ve sertlik testi deney düzeneklerinin incelenmesi, testler sırasında dikkat edilecek hususlar, gerekli hesaplamalar ve malzeme karşılaştırmalarının yapılması.
29
Çekme deneyine tabi tutulacak numuneler silindirik veya düz olabilir. Çeşitli tipteki malzemelerin çekme deneyi için kullanılabilecek numune boyutları standartlaştırılmıştır. Çekme deneyi numuneleri ile mekanik özelliklerin sağlıklı bir şekilde tespit edilebilmesi için, numunelerin alındığı malzemeyi tam olarak temsil etmesi gerekmektedir. Numunelerin hazırlanması sırasında çentik etkisi yapacak yüzey hatalarından kaçınmak gerekir.
Numunenin baş kısımları: Yük uygulanması için tutulan kısımlardır ve diğer bölgeye göre daha büyük boyutludur.
Şekil 2 Yuvarlak kesitli çekme numunesi.
Ø d0 = Örneğin çapı
Ø d1 = Baş kısmının çapı = (yaklaşık 1.02d0 ) Ø LV = İnceltilmiş kısmın uzunluğu = l0+d0 Ø L0 = Ölçü uzunluğu (yaklaşık 5d0 ) Ø Lt = Toplam uzunluk
Ø h = Baş kısmının uzunluğu anlamındadır.
Nnumunenin orta kısmı: Yük uygulandığında deformasyonun oluşması beklenen daha küçük boyutlu bölgedir. Deney sonuçları bu kısımda yapılan ölçmelerle belirlenir.
Numunenin bu kısmında kesit alanı ile uzunluk arasında bir ilişki vardır. Numunenin orta kısmındaki kesit alanı ilk kesit alanı (Ao) olarak alınır. Ao Eşitlik 1’de gösterildiği gibi formülüze edilmiştir. Çapı (d0)= 12 mm ve ölçü uzunluğu (lo)= 60 mm olan çekme örneği; 12x60 TS 138 A şeklinde gösterilebilir.
(1)
30
Deney cihazı biri sabit diğeri hareketli olan çenelere sıkıştırılmış numune üzerine belirli bir hızda yük uygulanması ve uygulanan yüke karsı numune boyundaki uzamayı ölçme esasına göre çalışan bir cihazdır. Cihaz, deney sırasında uygulanan yük ve uzama miktarını grafik olarak çizer. Uzama miktarı apsiste, yük miktarı ise ordinatta olacak şekilde ayarlanmıştır. Deney sonunda Sekil 2 'deki gibi bir yük uzama diyagramı elde edilir.
Şekil 1 Düşük karbonlu yumuşak bir çeliğin gerilme birim şekil değişimi grafiği
Gerilme (σ): Birim alana etkiyen yük anlamına gelir ve aşağıdaki formülle hesaplanır.
(2)
Birim Şekil Değiştirme (ε): Malzemeye kuvvet uygulandığı zaman oluşan boy değişiminin kuvvet uygulanmadan önceki ilk boya oranı.
(3)
31
Elastisite Modülü (E): Malzemenin dayanımının (mukavemetinin) ölçüsüdür.
Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişkinin bir sonucu olup birim uzama başına gerilme olarak tanımlanır. Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişki şöyle tanımlanabilir:
(4)
Malzemeye kuvvet uygulandığında, malzemede meydana gelen uzamalar elastik sınırlar içinde gerilmelerle orantılıdır. Buna “Hooke Kanunu” adı verilmektedir.
Elastisite modülü malzemeye ait karakteristik bir özelliktir.
Akma dayanımı (σa): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilme değeridir, Şekil 1.
(5)
Çekme dayanımı (σç): Bir malzemenin kopuncaya veya kırılıncaya kadar dayanabileceği en yüksek çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme değeri olup, aşağıdaki formül ile bulunur.
(6)
Kopma Gerilmesi (σk): Numunenin koptuğu andaki gerilme değeridir.
(7)
Yüzde Kopma uzaması (KU): Çekme numunesinin boyunda meydana gelen en yüksek yüzde plastik uzama oranı olarak tanımlanır. Çekme deneyine tabi tutulan numunenin kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile son boy ölçülür ve boyda meydana gelen uzama
32
(8)
bağıntısı ile bulunur. Burada Lo numunenin ilk ölçü uzunluğunu, Lk ise numunenin kırılma anındaki boyunu gösterir. Kopma uzaması ise aşağıda ki bağıntı yardımıyla belirlenir. Bu değer malzemenin sünekliğini gösterir.
(9)
Yüzde Kesit Daralması (KD): Çekme numunesinin kesit alanında meydana gelen en büyük yüzde daralma veya büzülme oranı olup;
(10)
bağıntısı ile hesaplanır. Burada A0 deney numunesinin ilk kesit alanını, Ak ise kırılma anındaki kesit alanını veya kırılma yüzeyinin alanını gösterir. Ak nın hesaplanması isçin hacmin sabit kalacağı ifadesi kullanılır.
(11)
Kesit daralması, kopma uzaması gibi sünekliğin bir göstergesidir. Sünek malzemelerde belirgin bir büzülme veya boyun verme meydana gelirken, gevrek malzemeler büzülme göstermezler. Şekil 4’de gevrek ve sünek malzemelerin kırılma davranışları şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 2 a) Gevrek malzemenin kırılma şekli b) sünek malzemenin kırılma şekli c) sünek gevrek ve normal süneklikteki malzemeye ait eğriler
Tokluk: Malzemenin birim hacmi başına düşen plastik şekil değiştirme enerjisi olarak tanımlanır ve malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama veya soğurma
33
yeteneğini gösterir. Tokluk, genellikle eğrisinin altında kalan alanın hesaplanması ile bulunur.
(12)
Bu formüldeki malzemede kırılıncaya kadar meydana gelen en yüksek veya toplam birim şekil değiştirme miktarıdır. Tokluğun gerilme–birim uzama eğrisi yardımıyla belirlenişi Şekil 5’te gösterilmiştir.
Şekil 3 Gerilme-birim uzama eğrisi yardımıyla şekil değiştirme enerjilerinin rezilyans ve tokluğun belirlenmesi
Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik olarak şekil değiştirdiğinde absorbe ettiği enerjiyi‚ şekil değişimini yapan kuvvetin kaldırılması ile geri vermesi özelliğine rezilyans denir.
veya (13) Sertlik Testi
Sertlik, malzemelerin plastik deformasyona karsı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Sertlik deneyleri malzeme ve imal edilmiş parçaların çabuk ve tahribatsız
34
olarak kontrolünü sağlayan çok önemli mekanik deneylerden biridir. Teknolojide yaygın olarak kullanılan sertlik ölçme yöntemleri, numune üzerinde elde edilen kalıcı iz büyüklüğünün ölçülmesi esasına dayanan yöntemlerdir. Sertlik deneyinde ilk işlem olarak sertliği ölçülecek malzemenin yüzeyini ölçüm yapmaya elverişli hale getirmek gerekmektedir. Sertliği ölçülecek malzeme yüzeyinin oksitlerinden, girinti ve çıkıntılardan arındırılmış olması gerekmektedir. En önemlisi yüzeyin pürüzsüz ve parlak olması istenir.
Şekil 4 Sertlik ölçme yöntemlerinin şematik gösterimi.
Dinamik Yöntemler
Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi
Testlerin uygulama kolaylığı, diğer metotlara nazaran daha seri sonuçlar alınabilme özelliği, bu metotla test yapan sertlik ölçme cihazlarının optik ölçüm gerektiren (Brinell, Vickers) metotlarına nazaran daha ucuz olması yüzünden pratikte en çok kullanılan sertlik ölçme metodu olan Rockwell metodunu, ilk olarak 1922’de Rockwell uygulamaya sokmuştur. Rockwell sertliği, batma derinliğine karşı gelen birimsiz bir sayıdır. Batıcı uç, konik uçlu veya bilye şeklindedir (Şekil 1). Yumuşak malzemeler 1/18, 1/8, 1/4 ve 1/2 inch çaplarında küresel, sert çelik toplar ile ölçülürken çok sert malzemeler 120° elmas koni uç ile ölçülür. Rockwell cihazının şematik gösterimi Şekil 7'de verilmiştir.
35
Şekil 5 Konik ve bilye uçlu batıcı uçlar
Rockwell sertlik ölçümünde batıcı uç, malzeme üzerine 10 kg (100 N) ön bir yükleme ile batırılır. Sonra batıcı uca ana yük uygulanarak elde edilen derinlik ölçülür.
Ana yük Rockwell B (RB) için 100 kg, Rockwell C (RC) için 150 kg’dır. Bu yöntemde batma derinliği ölçüleceği için yüzey pürüzlülüğü sonuçları etkileyebilir. Bu sakıncayı gidermek için önce batıcı uç küçük bir yükle (P0=ön yük) malzemeye daldırılarak alet sıfır düzeyine ayarlanır. Daha sonra toplam yüke tamamlanacak şekilde ana yük (P1) uygulanır. Son olarak ana yük (P1) kaldırılır (Şekil 3). Meydana gelen kalıcı izdeki derinlik artışı bulunarak mevcut göstergeden Rockwell sertlik değeri okunur. Ucun malzeme içine her 0.002 mm batışı bir sertlik değerinin düşmesi olarak alınır.
Rockwell sertlik değeri boyutsuzdur. Ucun malzeme içine her 0,002 mm batışı bir sertlik değerinin 1 sayı düşmesi olarak alınır (Şekil 5). Ön yük uygulandıktan sonra ucun konumu ile ana yük kaldırıldıktan sonra ucun konumu arasındaki batma derinliği tb olmak üzere Rockwell Sertlik Değeri-C (RSD-C) aşağıdaki formülle hesaplanabilir.
(14) (HR=Hardness C=Konik , B=Bilya)
Sertlik ölçümünde kullanılan batıcı ucun tipi ile uygulanan yükün değeri bir sembolle gösterilir. Bu nedenle, farklı skalalara göre yani değişik deney koşullarında ölçülen farklı düzeydeki sertlik değerleri RSD-A, RSD-B, RSD-C, RSD-D gibi simgelerle birlikte verilir (Tablo 2). Çok sert malzemelerin Rockwell sertliği koni biçimindeki elmas uç kullanarak 150 kg' lık yük altında ölçülür ve sonuçlar RSD-C simgesi ile belirtilir.
36
Yumuşak malzemelerin sertliğinin ölçümünde ise batıcı uç olarak çelik bilye kullanılır ve 100 kg' lık yük altında elde edilen ölçüm sonuçları RSD-B simgesi ile gösterilir. Bir malzemenin Rockwell cinsinden ölçülen sertlik değeri 100 rakamını aşarsa batıcı uç olarak bilye kullanılması tavsiye edilmez. Çünkü çok sert malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde batıcı uç olarak bilye kullanılması, hem bilyenin deforme olmasına hem de ölçüm hassasiyetinin azalmasına neden olur. Diğer taraftan herhangi bir skalaya göre Rockwell sertliği 20 sayısından daha düşük olan malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde koni biçimindeki elmas uç kullanılması tavsiye edilmez.
Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi
Çeşitli çaptaki bilyaların (1; 2,5; 5; 10mm), belirli bir yükle ve zamanda malzemeye baskı metodudur (Şekil 8). İsveçli Dr. J. A. Brinell tarafından 1900 yılında bulunan bu metot günümüzde yaygın olarak kullanılan statik sertlik ölçme metotlarının ilkidir. D çapında sert, küre şeklinde bir bilya düşey doğrultuda sertlik değeri ölçülecek parçanın yüzeyine dik olarak belirli bir P kuvveti ile bastırılır. Yük belirli bir süre uygulanır. Bilyanın kaldırılmasından sonra malzemede oluşan plastik şekil değişimi sonucunda yüzeyde küresel bir iz kalır. Bu kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir.
Şekil 6 Şematik Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi
Brinell sertlik değeri aşağıdaki formülasyon ile hesaplanır:
(14)
37
Bu formülde, P kg, D ve d mm cinsinden yerine konulmalıdır. Bu bağıntıda yer alan P uygulanan yükü (kg), D bilya çapını (mm) ve d ise iz çapını (mm) gösterir. Standart deney koşullarında çapı 10 mm olan bilye kullanılır. Yük, malzemenin cinsine göre seçilir ve uygulama süresi 10-15 saniye arasında değişir. Ancak bazı durumlarda çapları 10 mm'den daha küçük olan (örneğin 1,25, 2,5 ve 5,0 mm) bilye biçimindeki uçlarda kullanılır. Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilya çapına göre seçilmektedir. d/D = 0,20 - 0,70 oranı sağlandığı durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir. Deney yükünün saptanmasında P=CD2 bağıntısı kullanılır. Burada P deney yükü, C malzeme cinsine göre değişen yükleme derecesidir. Demir esaslı malzeme (Çelik, DD) (C=30) - Cu ve Al alaşımlı malzeme (C=10) - Yumuşak malzeme (C=5) Malzeme kalınlığına göre de kullanılması gereken bilya çapları farklılık gösterir. Tablo 3'de malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları verilmiştir. Tablo 4'de de malzeme cinsine göre bilya çapı ve uygulanan yük değerleri verilmiştir.
Tablo 1 Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları
Malzeme Kalınlığı (mm) Bilye Çapı (mm)
6 ve yukarısı 2.5-5-10
3-6 2.5-5
1.5-3 1.5
0.6-1.5 1
Brinell sertlik ölçme deneyinde kullanılan bilyeler
Ø Brinell sertliği 450’den küçük olan malzemeler için sertliği en az 850 BSD olan çelik bilye.
Ø Sertliği 450<BSD630 ise sertliklerin Brinell yöntemiyle ölçülmesi tavsiye edilmez.
Ø Standart bilye çapı 10 mm,
Ø Standart yükler 500 kgf ile 3000 kgf arasında (500 kgf artışla) dır.
Ø 10 mm standart ölçü bilyesinin dışındaki bilye çapları 5 ve 2.5 mm’dir.
Brinell sertlik ölçümünde dikkat edilecek noktalar:
38
Ø Kontrolü yapılan parçanın yüzeyi tertemiz ve kalınlığı da en az 4 ile 8 kat çukur derinliğinde olmalıdır.
Ø Kontrol kuvveti darbesiz olarak 2 ile 8 saniye arasında değerini bulmalıdır.
Ø Kuvvet değerini bulduktan sonra 10 saniye etkili tutulmalıdır.
Ø Yumuşak ve kolay akan malzemelerde (örneğin; kurşun) en az 30 saniye ve bazen daha fazla tutulmalıdır.
Ø Bütün bu şartların yanı sıra çukur çapının bilye çapına göre 0,24 D < d < 0,6 D arasında olması da ana şarttır. Pratikte her ölçüde değerler bu formülle hesaplanmaz. Sertlik daha önceden standart çaplı bilyeler ve kuvvetler için hazırlanmış tablolardan okunur.
Brinell sertliği gösteriminde hesaplanan BSD yanında “bilya çapı, yük, yükleme süresi” (mm/kgf/s) sırasıyla bilgi olarak eklenir. Örnek : 99 BSD 5/500/30. Metalik malzemelerde sertlik arttıkça çekme dayanımı da artar. Çeliklerin Brinell sertlik değeri ile çekme dayanımları arasındaki ilişki;
(15)
bağıntısı ile bulunabilir. Bu bağıntı yardımıyla çeliklerin çekme dayanımını yaklaşık olarak belirlemek mümkündür.
DENEYİN YAPILIŞI Çekme Deneyi
Ø AISI 1040 çeliği standartlara uygun hazırlanır.
Ø Çekme cihazına bağlanan numuneye test yükü uygulanır.
Ø Sonuçlar teorik bilgilerin ışığında değerlendirilir.
Sertlik Deneyi
Ø AISI 1020 VE AISI 1040 çeliklerine gerekli yüzey işlemleri uygulanır.
Ø Numuneler Rockwell-Brinell sertlik ölçüm cihazına yerleştirilir ve numunelerden belli aralıklarla sertlik değeri alınır.
Ø Bu değerler her iki malzeme için karıştırılır.
39
RAPORDA İSTENENLER
1- Çekme deneyi grafiğini kullanarak akma mukavemeti, çekme mukavemeti, kopma mukavemeti, elastik modül, %uzama, tokluk, rezilyans değerlerini bulunuz.
2- Bulduğunuz bu verileri aynı malzemenin standartlarda yer alan değerleri ile karşılaştırarak bir tablo hazırlayınız.
3- Çekme deneyi numune hazırlama standartları nelerdir ? Araştırınız.
4- Sertlik testi deney verilerini aynı standartlardaki malzeme ile karşılaştırınız.
5- Sertlik deneyi sonucu bulduğunuz BSD değerlerini çekme gerilmesi değerine çevirip bir önceki deneyde bulduğunuz sonuçlar ile kıyaslayınız.
KAYNAKLAR:
[1] Yrd.Doç.Dr. Kemal YILDIZLI, On Dokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Çekme/Eğme Deney Föyü.
[2] Doç. Dr. Ramazan KAYIKÇI, Araş. Gör. Gülşah AKTAŞ, Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Müh. Bölümü, Çekme Deneyi Föyü.
[3] Sakarya Üniversitesi deney föyleri [4] Kırıkkale Üniversitesi deney föyleri
40
TEORİK BİLGİ
Darbe deneyi gevrek kırılmaya neden olabilecek şartlar altında çalışan malzemelerin mekanik özelliklerinin saptanmasında kullanılır. Darbe deneyinin genel olarak amacı, metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünek-gevrek geçiş sıcaklığını tespit etmektir.
Genelde malzemelerin mekanik özellikleri hakkında fikir edinebilmek için çekme deneyi sonuçları kullanılır. Elde edilen sonuçlar YMK ve HSP sistemlerde sorun olmazken bazı HMK kafes yapısına sahip metallerde çentik darbe testinde farklı sonuçlar elde edilir (Şekil 1). Çekme testinde uzama miktarı yüksek olan malzemelerin sünek davranacağı düşünülür. Bu kabul YMK ve HSP kristallerde büyük oranda doğru iken HMK kristalli malzemelerde (örn. ferritik çelik) her zaman doğru sonuç vermez.
Çekme deneyinde sünek davranış gösteren malzeme darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilir. Özellikle oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu olaya daha çok rastlanır.
Darbe deneyinden elde edilen sonuçlar, çekme deneyi sonuçları gibi mühendislik hesaplarında kullanılmazlar.
Şekil 7 Farklı kafes yapılarındaki metaller için gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği
ZONGULDAK BÜLENT ECEVİT ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM309 Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Laboratuvarı I
Deney Föyü
DENEYİN ADI DARBE VE BURMA TESTLERİ DENEYİN
AMACI
Metal malzemelerde darbe deneyiyle süneklik-gevreklik tespitinin yapılabilmesi
41
Deneyde numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gereken enerji belirlenir. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır.
Şekil 8 Çentik darbe deneyinin şematik gösterimi
Deney cihazı Şekil 2’deki gibidir. G ağrılına sahip sarkaç h yüksekliğine çıkarılır bu konumda G.h enerjisine sahiptir. Serbest bırakılan sarkaç numuneye çarparak kırar ve h1 yüksekliğine çıkar. Bu konumda enerjisi G.h1 haline gelir. Başlangıçtaki ve sondaki iki potansiyel enerji değeri arasındaki fark numunenin kırılması için gerekli olan enerjidir. Darbe direnci olarak da adlandırılan bu değer şöyle hesaplanır:
(1) G: Sarkacın ağırlığı (kg)
L: Sarkacın ağırlık merkezinin sarkacın salınım merkezine uzaklığı (m) h: Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m)
h1:Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) α: Düşme açısı (derece)
β: Yükseliş açısı (derece)
Darbe direnci genellikle Joule (J) olarak verilir. Ancak, bazı durumlarda J/m2, Nm yada Nm/m2 cinsinden de verilebilir. Kırılma enerjileri yüksek olan malzemelerin kırılma toklukları da yüksek olur.
Darbe deneylerinde numune içerisindeki gerilimlerin çentik tabanında toplanması ve malzemenin dinamik yük altında davranışının belirlenmesi amaçlanır.
Lamel grafitli dökme demirlerde lameller çentik etkisi yapacağından ayrıca çentik
42
açmadan da test yapılabilir. Numune yükleme sonucu zorlandığı zaman çentik tabanına dik bir gerilim oluşur bu gerilim kırılmaya neden olur. Numunenin kırılması için oluşan bu dik gerilimin kristalleri bir arada tutan (kohezif kuvvet) ya da kaymasını engelleyen kuvvetten fazla olması gerekir. Eğer numune plastik olarak şekil değiştirmeye fırsat bulmadan kırılırsa buna gevrek kırılma denir. Kırılan yüzey düz bir ayrılma yüzeyidir.
Çoğu durumda numune kırılmadan plastik deformasyona uğrar. Oluşan dik gerilimin yanında bu gerilimle 45° açı yapan kayma gerilmesi oluşur. Bu gerilme kritik kayma gerilimini aştığı anda malzemede plastik deformasyon oluşur. Bu durumda önce plastik deformasyon ardından kırılma oluşur. Sünek kırılma adı verilen bu kırılmada yüzey girintili çıkıntılı bir görünüme sahiptir. Çentikli darbe deneyleri genellikle 2 türde yapılmaktadır (Şekil 3) :
Charpy Darbe Deneyi:
Yatay ve basit kiriş halinde 2 mesnede yaslanan numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler etkisi ile numunenin kırılması için harcanan enerjiyi tayin işlemidir.
İzod Darbe Deneyi:
Dikey ve konsol halinde bir kavrama çenesine tutturulan numunenin yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikte, bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler ile numunenin kırılması için sarf edilen enerjiyi tayin işlemidir.
Şekil 9 y ve İzod darbe deneyinin uygulanışı
43
Çeşitli ülkelerin standartlarında saptanan en önemli numune çeşitlerinin boyutları ve şekilleri Şekil 4’te verilmiştir. Numunelerin çentik açılma çeşitleri; 1- U çentikli, 2-V çentikli, 3- Anahtar deliği çentikli’dir.
Malzemelerin darbe dayanımı sıcaklıkla değişir. Testler esnasında numune sıcaklığı belirtilen sıcaklık değeri arasında -+2 °C’ den fazla fark olmamalıdır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda yapılacak testler için buzdolabı gibi soğutucular ya da sıvı azotla soğutma kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda (200 °C ve üstünde) yağ banyosu, tuz banyosu ya da fırında ısıtma kullanılır. Isıtılan ya da soğutulan numune 5 sn içinde kırılmalıdır.
Şekil 10 Çentik darbe deneyi numuneleri
Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı
Belirli bir malzeme için farklı sıcaklıklarda yapılan darbe deneyleri malzemenin darbe direnci hakkında önemli bilgiler verir. Sıcaklığın azalmasıyla malzemelerin darbe direnci düşer. Bu düşüş aniden olabildiği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir.
Darbe direncinin aniden düştüğü sıcaklığa gevrek-sünek geçiş sıcaklığı denir. Düşüş aniden olmadığında bir geçiş sıcaklığı belirlemek zordur. Bu gibi durumlarda geçiş sıcaklık aralığı belirlenir ve bu gevrek-sünek geçiş aralığı olarak adlandırılır. Bu aralıkta düşük sıcaklığın altında malzeme gevrek yüksek sıcaklığın üstünde sünek davranır. İki sıcaklık değeri arasında ise iki davranışı birden gösterir (Şekil 5).
44
Şekil 11 Gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği
Gevrek kırılmada, kırılma klivaj düzlemleri boyunca olup kırılma yüzeyi kristalin bir (graniler, ince taneli) görünüştedir. Bu durumda darbe etkisiyle çatlak kolayca ilerleyip malzeme içinde hızla yayılır.
Sünek kırılmada ise önce bir plastik şekil değiştirme ve daha sonra kopma meydana gelir. Sünek davranışta malzemenin içinde çatlak oluşumu ve ilerlemesi güçleşir. Bu durumda kopma yırtılma şeklinde olup kırılma yüzeyi lifli bir görünüştedir.
Geçiş aralığında ise her iki davranış birden görülür. Deney sıcaklığı düşük sıcaklığa yaklaştıkça gevrek davranış artar. Mühendislik uygulamalarında aralığın alt sıcaklığı daha önemlidir. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıkta kullanılmaz. Bu nedenle geçiş sıcaklığı olarak düşük sıcaklık alınır.
Darbe Dayanımına Etki Eden Faktörler Çentik Etkisi:
Çentikli bir parça zorlandığı zaman çentiğin tabanına dik bir gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmelerin etkisiyle olur. Deney parçasının kırılabilmesi için bu normal gerilmenin, kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan yüksek olması gerekir. Çentik daha keskin yapılırsa çentiğin tabanındaki normal gerilme kayma gerilmesine oranla artırılacak ve deney parçası daha çok gevrek kırılma yeteneği gösterecek demektir. Çentik ve deformasyon hızı aynı kalmak şartıyla, sıcaklığın yükselmesiyle kayma dayanımı düşecek ve sünek bir kırılma gözlenir.
45
Sıcaklık Etkisi:
Genel olarak sıcaklık düştükçe malzemenin darbe direnci de düşmektedir.
Malzemelerin sıcaklığa bağlı olarak, darbe direncindeki düşme aniden olabileceği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir (Şekil 6).
Şekil 12 Farklı sıcaklıklarda malzemede meydana gelen kırılma çeşitleri
Mühendislik uygulamalarında T5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T5 sıcaklığı alınır ve bu sıcaklık, sıfır süneklik sıcaklığıdır. Bazen geçiş sıcaklığının yaklaşık olarak belirlenmesinde şu üç kriterden de faydalanılır.
Ø Kırılma Enerjisi (∼20-30 J’ lük kırılma enerjisine karşılık gelen sıcaklık) Ø Kırılma yüzeyinin görünüşü (kesitte % 50 ince taneli kristalin görünüşü veren
sıcaklık)
Ø Kırılmadan sonra çentik tabanında meydana gelen enlemesine büzülme miktarı (%1 enine büzülme)
46
Bileşimin Etkisi:
Sadece HMK yapıya sahip malzemeler gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptir.
Bunun nedeni de HMK yapının düşük sıcaklıklarda sınırlı sayıda aktif kayma sistemine sahip olmasıdır ki buda plastik deformasyonu sınırlar. Sıcaklığın artması aktif kayma sistemi sayısını arttırır bu akma dayanımının düşmesine neden olarak plastik deformasyonu kolaylaştırır. YMK ve HSP yapıya sahip metallerde gevrek-sünek geçiş sıcaklığına rastlanmaz, herhangi bir sıcaklık değişikliğinde yaklaşık olarak aynı enerji absorbsiyonuna sahiptirler. Çelikte karbon ve manganez miktarı gevrek-sünek geçiş sıcaklığı üzerinde önemli etkiye sahiptir (Şekil 7). Karbon miktarının artması daha düz bir değişim eğrisi ve daha yüksek gevrek-sünek geçiş sıcaklığına neden olur, bu da yüksek sıcaklıkta sünekliği getirir. Çeliklerde C/Mn oranı 3/1 den büyük olduğu müddetçe tokluk artar. Ni çentikli darbe tokluğu arttırıyorken, P, Si, Mo, O geçiş sıcaklığını yükseltir.
Şekil 13 Çelikteki C içeriğinin darbe enerjisine etkisi.
(C içeriğinin düşmesi alt ve üst sınır arasındaki bölgeyi arttırıyor. Karbon içeriğinin artması hem mukavemeti yükseltir hem de geçiş sıcaklığını yükseltir.)
Haddeleme Yönünün Etkisi:
Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik yönlerinde farklı değerlerde olur (Şekil 8). Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır.
47
Şekil 14 Haddeleme yönünün çentik darbe direncine etkisi
Üretim Yöntemi:
Örneğin; söndürülmemiş çeliğin (deoksidasyon yapılmamış) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin geçiş sıcaklığından daha yüksektir.
Isıl İşlem:
Isıl işlem görmüş bir çelik normalize edildiğinde çentikli darbe tokluğu artmaktadır. Temperleme sıcaklığı arttıkça çeliğin enerji absorbe etme kabiliyeti de artar. Temperlenmiş martensitik yapı çelikleri hem mukavemet açısından hem de darbe mukavemeti açısından iyidir (Şekil 9).
48
Şekil 15 Isıl işlem uygulamalarının malzemenin çentik darbe tokluğuna etkisi
Yüzey Durumu:
Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır.
Tane Büyüklüğü:
Genel olarak ince taneli malzemeler kaba taneli malzemelerden daha düşük geçiş sıcaklığına sahiptirler. Tane boyutunun küçültülmesi geçiş eğrisini sola doğru kaydırır.
Sıcak şekil verme esnasındaki rekristalizasyon ve havada soğutma gibi tane küçültücü işlemler geçiş sıcaklığını düşürür (Şekil 10).
