Transcript R m
MALZEMELERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI İÇİNDEKİLER 1. Giriş 2. Kırılma Mekanizmaları 2.1. Mikro Kırılma Mekanizmaları 2.1.1. Gevrek Kırılma 2.1.2. Sünek Kırılma 3. Mekanik Test Uygulamaları 3.1. Çekme Testi 3.1.1. Çekme Sistemi 3.1.2. Çekme Makinaları 3.1.3. Çekme Numunesi 3.1.4. Test Koşulları 3.1.5. Testin Uygulanması 3.1.6. Mühendislik Çekme Diyagramı 3.1.6.1. Akma Mukavemetinin Ölçümü 3.1.6.2. Şekil Değiştirme Ölçümleri 3.1.6.3. Gerçek Gerilme Şekil değiştirme Diyagramı 3.1.6.3.1. Gerçek Gerilmenin Belirlenmesi 3.1.6.3.2. Gerçek Şekil Değiştirmenin Hesaplanması 3.1.6.3.3. Gerçek Gerilme Şekil Değiştirme Diyagramının Matematiksel Tanımı 3.1.6.3.4. Boyun Verme Başlangıcının Matematiksel Belirlenmesi 3.1.7.Dik Anizotropi 3.2. Basma Testi 3.3. Sertlik Testi 3.3.1.Statik Sertlik Ölçüm Yöntemleri 3.3.1.1. Brinell Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 10003-1) 3.3.1.2. VICKERS Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 50133) 3.3.1.3. ROCKWELL Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 10109) 3.4. Malzemelerin Tokluk Özelliklerinin Belirlenmesi ve Tokluk Testleri 3.4.1.Kırılma 3.4.2.Kırılma Mekanizmaları ve Kırılma Çeşitleri 3.4.3.Geçiş Sıcaklıkları ile Kırılma Tiplerinin Belirlenmesi 3.4.4. Çentikli Darbe Tokluk Testi 3.4.4.1. Çentikli Darbe Numunesinin Hazırlanması ve Testin Uygulanması 3.4.4.2. Testin Uygulanması 3.4.4.3. Test Sonuçları 3.4.4.4. Test Sonuçlarının Kullanılması 3.4.5. Enstrümantal Darbe Tokluk Testi 3.4.5.1. Numune Hazırlama ve Testin Uygulanması 3.4.5.2. Test Sonuçlarının Kullanımı 3.4.6. Tokluk Özelliklerine Etki Eden Parametreler 3.4.6.1. Dış Etki Parametreleri 3.4.6.1.1. Sıcaklık 3.4.6.1.2. Şekil Değiştirme Hızı 3.4.6.1.3. Gerilme Durumu 3.4.6.2. İç Etki Parametreleri 3.4.6.2.1. Kristal Hataları 3.4.6.2.2. Üretim ve Kullanım Parametreleri 3.4.7. Kırılma Mekaniği 3.4.7.1. Genel MALZEME ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ MEKANİK ÖZELLİKLER DAYANIM (MUKAVEMET) SERTLİK KIRILMA DİRENCİ YORULMA AŞINMA DİRENCİ TOKLUK YÜK TAŞIMA ÇEVRİMLİ YÜK ALTINDA ÇALIŞMA DİRENCİ SÜRÜNME YÜKSEK SICAKLIKTA ÖMÜR FİZİKSEL ÖZELLİKLER İLETKENLİK (r) DİRENÇ (W) PROSES KONTROL MANYETİK ÖZELLİKLER (m) HAFİF ALAŞIMLAR ERGİME VE KATILAŞMA SICAKLIĞI (Tliq, T sol) ISITICILAR YOĞUNLUK (d) TERMAL DEĞİŞİMLER BİLGİSAYAR TEKNOLOJİSİ YÜZEY ÖZELLİKLERİ (e) KAPLAMALAR KİMYASAL ÖZELLİKLER KOROZYON KORUMA KAPLAMA MALZEME GELİŞTİRME TERMODİNAMİK ÖZELLİKLER ÜRETİM VE PROSES KOMPOZİT MALZEMELER MALZEME ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ İÇİN KULLANILAN TEST YÖNTEMLERİ HASARLI YARI HASARLI HASARSIZ TEST SONUÇLARI DOĞRU MALZEME SEÇİMİ İMALAT PROSESİ KULLANIM KOŞULLARI YENİ MALZEME GRUPLARI VE DİZAYNI MALZEME TASARRUFU İLGİLİ STANDARTLARA UYGUNLUK TEST YÖNTEMLERİ SONUÇLAR NÜMERİK KARŞILAŞTIRILABİLİR KESİN (HER YERDE AYNI) HASSAS KULLANIM AMACINA UYGUN YENİ MALZEME ÖZELLİKLERİ İÇİN ESNEK UYGULANABİLİRLİK BASİT EKONOMİK HIZLI KESİN SONUÇ VEREN KARŞILAŞTIRILABİLİRLİK ÇEVRİM HESAPLARINA UYGUNLUK KULLANIM KOŞULLARINA UYGUNLUK BOYUTA UYGUNLUK MEKANİK TEST YÖNTEMLERİ GENELLİKLE HASARLI TEST YÖNTEMLERİ TERCİH EDİLİYOR NÜMERİK SONUÇ (Dayanım, Sertlik v.b.) HASSAS SONUÇ (Standart uygulamalar) KARŞILAŞTIRILABİLİRLİK (Standart uygulamalar) HASAR HASAR = KIRILMA KIRILMA TANIMLI OLMALI ÖLÇÜLEBİLİR OLMALI KARŞILAŞTIRILABİLİR OLMALI KOŞULLARDAN BAĞIMSIZ OLMALI (MÜMKÜNSE) SICAKLIK, BOYUT, KOROZYON V.B KIRILMA MEKANİZMALARI Gerilme > Bağ kuvvetleri KIRILMA Çatlak, Oluşma, Büyüme, İlerleme Çatlak ve kırılma kavramları, farklı kırılma tipleri Sünek Kırılma Kırılma Mekanizmaları (Atomik Boyutta) Gevrek Kırılma Difüzyon Kontrollü Kırılma Çatlak Oluşturucu Kırılma Korozyon ile Zorlanmalı Kırılma Zamana göre Yüklenme Yorulma Kırılması Düşük Gerilmeli Kırılma En Yüksek Yüklenme Şekil Değiştirme ile Kırılma Çekme Kırılması Mekanik Basma Kırılması Eğme Kırılması Yüklenme Tipi Kayma Kırılması Yüklenme Şekli Torsiyon Kırılması Kaynak Çatlağı Katman Çatlağı Sıcak Kırılma İşlemeye Bağlı Kırılma Katılaşma Kırılması Termik Ergime Kırılması Sıcak Çatlak Oluşumu Üretim Koşullarına Kırılma Bağlı Sürünme Kırılması Termik Şok Kırılması Şekil Değiştirme Oranı Kırılma Yüzeyinin Yönlenmesi Gevrek Kırılma Sünek Kırılma Normal Gerilme Kırılması Kayma Gerilmesi Kırılması Konik Kırılma Frezeli Kırılma Makroskobik Topografi Lifli Kırılma Basamaklı Kırılma Kristalin Kırılma Mat Kırılma Refleksiyon Kırılmaların Gözlem Şekli Kısmi Kristalin (Karışık) Kırılma Siyah (Donuk) Kırılma Düz Yüzeyler Düz Çizgiler Transkristalin Kırılma (Tane İçi) Bal Peteği Kırılması Şekil Değiştirme İzleri Titreşim Kırılması İzleri Mikroskobik Titreşim İzleri Tane Sınırı Kırılması İnterkristalin Kırılma (Tane Sınırı) Saç İzleri Şeklinde Merkezden Çıkan Çatlaklar İnterkristalin Kırılma Konik MİKRO KIRILMA MEKANİZMALARI SICAKLIK ETKİSİ GEVREK KIRILMA HMK HSP (Mg, Ti –ideal c/a oranı) SÜNEK KIRILMA YMK Gevrek ve sünek kırılma mekanizmaları Gevrek Kırılma Sünek Kırılma Kristal yapısı ve çekme hızı etkisi Düşük sıcaklıkta khm Yüksek çekme hızı kym yüksek sıcaklıkta khm Düşük çekme hızı Kırılma yüzeyi görünüşü Düzgün yüzeyli Metalik parlaklık Çukurlu Mat s1 1.Boşluk oluşumu 2.Boşluk Büyümesi 3.Boşlukların Koagulasyonu Mikro kırılma mekanizmaları >s f* mikroyapıda Xc bölgesinde Gevrek kırılma KHM VEYA HSP METALLERDE GERİLME (s1) > KRİTİK GERİLME (sf*) MİKROSKOBİK GEVREK KIRILMA GERİLİMİ DÜŞÜK ATOM YOĞUNLUĞUNA SAHİP DÜZLEMLERDE KIRILMANIN İKİ AŞAMASI VAR Bir tane içerisinde mikro çatlağın oluşumu (dislokasyon hareketlerine bağlı) Oluşan bu çatlağın ilerlemesi. COTRELL HİPOTEZİ İki kayma bandı birbirlerini keser Kesim yerinde enerji kazanımı için yeni bir kenar dislokasyonu meydana gelir Bu genişler ve khm kristallerinde gevrek kırılmanın meydana geldiği (001) düzleminde çatlak oluşumu başlar ÇATLAK İLERLEMESİ KOLAYLAŞIR İKİNCİL YAPI BİLEŞENLERİ (KARBÜR, İNTERMETALİK V.B.) İRİ TANE YÖNLENMİŞ (ANİZOTROP YAPI) SEGREGE YAPI İNSTABİL KIRILMA NORMAL GERİLME ETKİSİ ALTINDA MİKRO ÇATLAK= KRİTİK UZUNLUK FAZLA ENERJİYE GEREK OLMADAN ÇATLAK İLERLEMESİ SONUÇ = İNSTABİL KIRILMA İNSTABİL KIRILMA ÇATLAK İLERLEME HIZLARI 1800 m/s ATOM BAĞLARI KOPAR. GEVREK KIRILMA DÜŞÜK KOHEZYON KUVVETLERİNE BAĞLIDIR. GEVREK KIRILMA YÜZEYİ (SEM) GEVREK KIRILMA YÜZEYLERİ TANIMA MAX NORMAL GERİLME YÖNÜNE DİK IŞIĞI KIRILMANIN OLUŞTUĞU DÜZLEMLERDEN YANSITTIĞI İÇİN PARLAK GÖRÜNÜMDE ELEKTRON MİKROSKOBUNDA İSE DÜZGÜN, PÜRÜZSÜZ AYRILMA YÜZEYLERİ GEVREK KIRILMA İNTERKRİSTALİN TANE SINIRI KRİSTALDEN DAHA ZAYIF ÇÖKELTİLER SEGREGASYON KOROZYON (KULLANIM SIRASINDA) TRANSKRİSTALİN EN DÜŞÜK BAĞ KUVVETLERİ ETKİ (SICAKLIK, DEF. HIZI) İNTERKRİSTALİN İNTERKRİSTALİN-TRANSKRİSTALİN SÜNEK KIRILMA KIRILMA İÇİN ŞEKİL DEĞİŞTİRME GEREKLİ KIRILMA KRİTERİ NORMAL GERİLME YERİNE KAYMA GERİLMELERİ KAYMA GERİLMESİ KRİTİK DEĞERİN ÜZERİNDE ŞEKİL DEĞİŞTİRMEYİ SAĞLIYOR, ALTINDA DEĞİŞİM YOK Sünek kırılma üç aşamada meydana gelir Boşluk oluşumu (çoğunlukla kalıntılar etrafında) Oluşan boşlukların büyümesi Boşlukların koagulasyonu (birleşmesi) ve çatlak oluşumu. Son aşama çatlak ilerlemesidir Boşluklar oluştuktan sonra kritik bir büyüklüğe kadar gelişir boşluk hızı çok eksenli gerilmelere bağlıdır Negatif çok eksenli gerilme (yani basma gerilmeleri) boşluk oluşumunu yavaşlatır veya durdurabilir –haddeleme veya dövmede sünek kırılma olamaz- BOŞLUK OLUŞUMU VE BÜYÜMESİ SÜNEK KIRILMA son aşaması boşluk koagulasyonu (birleşmesi) kalıntılar etrafında oluşan boşluklar nedeniyle birleşmesidir. kayma bantlarının oluşması ve kayma bantları arasında oluşan çatlakların büyük boşlukları birleştirmesidir. boşluklar birbirlerine yaklaşana kadar büyüyerek birleşirler. Boşluk birleşme mekanizmaları a. ikincil boşluklar b. kayma bantları c. boşlukların birbirine yaklaşarak büyümesi SÜNEK KIRILMA YÜZEYİ SÜNEK KIRILMA YÜZEYİ (SEM) MEKANİK TEST UYGULAMALARI ÇEKME TESTİ Numune statik ve tek eksenli yüklenme ile kopmaya kadar çekilir. Malzemenin mekanik özelliklerini belirlemeyi amaçlayan bir test yöntemidir. Numune, her iki ucundan çekme çenelerine bağlanır ve kopmaya kadar kuvvet arttırılarak çekilir. Çekme testi sırasında yüklenme için kuvvet ve şekil değiştirme (uzama) ölçümleri yapılır. Çekme Testinin Avantajları Test koşulları standartlarda tanımlıdır Mukavemet hassas olarak ölçülebilir Deney standart bir prosedürdür Test basit, hızlı ve ekonomiktir. Çekme test sonuçları ile başka mekanik özellikler hesaplanabilir ÇEKME TEST AMAÇLARI Malzeme mekanik özelliklerinin onayı kalite özelliklerinin belirlenmesi diğer malzemeler ile karşılaştırma üretim teknik ve yöntemlerin kontrolü yeni malzemelerin geliştirilmesi ÇEKME TEST SONUÇLARI mühendislik dizaynı ve dizayn seçimi mekanik özelliklerinin değerlendirilmesi yapı dizaynı için malzemenin kullanım koşullarındaki davranışları ÇEKME SİSTEMİ saf mekanik sistemler elektromekanik sistemler mikroprosesör destekli sistemler (yeni teknoloji) hızlı ve hassas ölçüm Çekme hızları 0.05 – 500 mm/dak. % 0.1’lik hassasiyet Kuvvet ölçüm hassasiyeti % 0.5 45000 kg ve üzeri kuvvetlerin ölçümü ÇEKME MAKİNALARI tek eksenli yüklenme homojen yüklenme tüm malzeme gruplarını kapsamalı çok amaçlı testler özel testler ile spesifik malzeme özellikleri çekme kuvvetinin kontrolü ve hassas ölçümü kuvvet gr-ton seviyesine kadar değişebilmektedir. yüklenme ve kapasite Yük iletimi için numune bağlantıları (vidalı veya sıkıştırmalı) kolay olmalı ve değişmemeli çekme kuvveti çoklu dişli aracılığı ile dişli sistemi çeneye bağlıdır diğer çene sabittir Dişlilerin farklı hızlar ile hareketi farklı yatay kolon ve çene hızları meydana getirir. TEST ÖLÇÜMLERİ Test sonucu gerilme-şekil değiştirme ölçümleri Bunun için kuvvet ve uzama ölçümleri zamana bağlı olarak kuvvet ölçümleri kuvvet ve şekil değiştirme sensörleri ölçüm sensörleri kuvvet veya şekil değiştirmeye bağlı olarak değişen bir gerilim gerilim ölçülür ve kalibre edilir Test sonuçları zamana bağlı olarak kaydedilir ÇEKME KUVVETİ yatay kolonun iki dikey yataklı vida üzerinde hareketi yüksek moment gücüne sahip motorlar motorların ilk devinimi olabildiğince hızlı yatay kolona Bunun için DC-motor servo hidrolik sistem ile yatay kolon sabit hızla hareket edebilir ve pozisyonlanabilinir En yüksek hareket hızları dişli sistemlerde 1250 mm/dak Servohidrolik sistemlerde ise hareket hızları çok yüksek olabilir (250x103 mm/dak) Yataklamalarda düşük sürtünme kuvvetleri (çekme kuvvetleri çok yüksek) Ekstansiyometre ile sabit şekil değiştirme hızı Bu şekilde yüksek hassasiyet Burada çekme testi sırasında kuvvet değişse bile yatay kolon hızı sabit kalacak şekilde kontrol edilir. Bu şekilde çekme hızı sabit kalır Bu durum polimer malzemelerde önemlidir (çekme hızı ile akma ve çekme değerleri değişir) Teknik açıdan zorlu ve pahalı bir kontrol sistemine ihtiyaç bulunduğu için genellikle sabit yatay kolon hareket hızı tercih edilmektedir. kuvvet ölçümleri kuvvet aktarım sistemleri şekil değiştirme sensörleri ve kuvvet ölçüm hücreleri elektrik direnç değişimlerini mekanik şekil değiştirme (kuvvet ölçüm hücresi köprü devresi ile direnç değişimlerini ölçer) kuvvet dönüştürücüler ile yapılır ÇEKME NUMUNESİ çekme deneyinde kullanılan parça uzun ve dar numune geometrileri tek eksenli gerilme koşullarının sağlanması için yuvarlak kesitli numuneler sac ürünlerde dikdörtgen kesitli numuneler (özellikle derin şekillendirme özelliklerinin saptanması için ) kırılma şekil değiştirmesi numune geometrisine bağlı standartlara uygun olarak numune hazırlanmalı ve kullanılmalıdır. Çekme testi ile ilgili standartlar DIN EN 10 002 numaralı Avrupa normunda verilmiştir. orantılı numune geometrileri seçilir Buna göre numune çapı (d0) ve ölçüm uzunluğu (l0) birbirlerine lineer bağlıdır TEST KOŞULLARI En önemli test parametreleri şekil değiştirme hızı ile sıcaklıktır Şekil değiştirme hızı kuvvetin artış hızı veya çekme cihazının yatay kolonunun hareket hızı ile ayarlanabilir. elastik ve plastik şekil değiştirme hızları birbirinden ayrılabilir. plastik bölgedeki şekil değiştirme hızlarını numune, numunenin bağlandığı çeneler, çekme cihazının gövdesi, kuvvet ölçüm sistemi v.b. bir çok detay da etkiler. Sabit çekme yatay kolon hızı ile plastik şekil değiştirme hızı değişebilir. Çoğunlukla istendiği gibi sabit bir şekil değiştirme hızı tüm çekme testi boyunca isteniyorsa buna göre makinanın çekme hızının tüm test süresince ayarlanması gerekir. Standartlara göre elastik bölgede çekme hızları 0.00025-0.0025 arasında , plastik bölgede ise 0.008 den küçük olmalıdır. Eğer oda sıcaklığından farklı bir sıcaklıkta çekme testi yapılıyorsa numunenin ölçüm bölgesi istenilen sıcaklıkta tutulmalıdır. Bunun için soğutma veya ısıtma kabinleri çekme sitemine dahil edilmelidir. Sıcaklığın doğru bir şekilde ölçülmesi için ölçüm uzunluğu boyunca bir çok termo elemanın numuneye olabildiğince yakın pozisyonlara yerleştirilmesi gereklidir. TESTİN UYGULANMASI sabit bir çekme hızı (çekme cihazının yatay kolon hızı veya çene hızı) seçilir kuvvet ölçülür. Uzama değerleri ölçülür Uzama değerlerinin daha hassas ölçümleri için numuneye bağlı (veya yapıştırılmış) şekil değiştirme ölçerleri gerekebilir Bir çok test zamana bağlı kuvvet ölçümleri ile sınırlıdır. Kullanılan çekme hızları numune geometrisine ve malzemeye bağlıdır. Çoğunlukla kullanılan çelik için çekme hızları 1-4 arasındadır. Gerçek gerilme-şekil değiştirme diyagramlarının ölçümü ve hesaplanması için plastik bölgede ve boyun verme sırasında ve kopmaya kadar numune konturunun da optik veya mekanik yöntem ile ölçülmesi gerekir. MÜHENDİSLİK ÇEKME DİYAGRAMI Mühendislik Çekme Testi malzeme dayanımı malzeme kabulü tek eksenli ve statik olarak arttırılan yüklenme Yük (kuvvet) şekil değiştirme (uzama) ölçülmektedir. Sıcaklık çekme hızı önemli etki parametrelerindendir. Karşılaştırılabilirlik eşdeğer test koşullarında. Sonuç Kuvvet-Uzama diyagramı Hesap ile Mühendislik Gerilim-Şekil Değiştirme Diyagramı Mühendislik Gerilmesi N s MPa : 1 MPa 1 2 mm s Mühendislik Şekil Değiştirmesi F A0 uzama l l l0 e [birimsiz,%] ölçüboyu l0 l0 Kuvvet-Uzama veya Kuvvet-Zaman diyagramı kuvvet-uzama diyagramı mühendislik gerilme-şekil değiştirme diyagramı aynı şekil ve görünüşe sahiptir. Mühendislik Gerilme-Şekil Değiştirme diyagramı Gerilme-Şekil değiştirme diyagramı Bileşim Isıl işlem Plastik şekil değiştirme Şekil değiştirme hızı Sıcaklığa bağlıdır Tanımlı temel sonuçlar Çekme Gerilmesi Akma gerilmesi (Akma Noktası olarak da ifade edilir) Uzama Şekil Değiştirmesi (%) Kopma Kesit Daralması (%). • Sürekli akma ve önemli deney sonuçları • Süreksiz akma ve önemli deney sonuçları elastik bölgede Gerilme Şekil Değiştirme ile lineer değişir Gerilme akma gerilmesini aşarsa Plastik şekil değiştirirme bölgesine girer bundan sonra şekil değiştirmeler kalıcı olur Deney sırasında kuvvet sıfıra kadar indirilirse kalıcı şekil değiştirme ölçülür şekil değiştirmenin devamı için gerilmenin arttırılması gerekir Buna malzemenin şekil değiştirmeye karşı direnci veya pekleşme (sertleşme) adı verilir. Hacim Sabitliği Şekil değiştiren malzeme hacmi sabittir A l A0 l0 Hacim sabitliğin geçerli olduğu plastik şekil değiştirme bölgesinde ölçüm bölgesi homojen bir şekilde uzar Ve ölçüm bölgesinin her yerinde kesit alanı homojen azalır. sertleşme (pekleşme) kesit daralmasından daha hızlı artar Homojen bölgede herhangi bir bölgede kesit daralması artışı pekleşme artışından yüksek olur Bundan sonra tüm plastik şekil değiştirme bu bölge üzerinde yoğunlaşır Sonuç boyun verme deney sonunda kopma veya kırılma da bu bölgede meydana gelir şekil değiştirmesini sağlayan kuvvet düşmeye başlar kopmaya kadar mühendislik gerilmesindeki azalma devam eder. Çekme Gerilmesi Çekme Gerilmesi (Dayanımı) veya Rm Maksimum Çekme Gerilmesi maksimum kuvvetin (Fmax) deney öncesi ölçülen kesit alanına oranı (A0) ile ifade edilir ve yandaki eşitlikle hesaplanır: Fmax Rm A0 Çekme gerilmesi test sonucu olarak kullanılır malzeme dayanımı için önemi düşüktür Örneğin plastik şekil değiştirme kabiliyeti çok yüksek metallerde tek eksenli gerilme önemsizdir zira bu malzemelerin plastik şekil değiştirme durumu ve gerilmeler çekme testi ile ifade edilemeyecek kadar kompleks olabilir Konstrüksiyon hesaplarında Rm ve emniyet faktörü kullanıldı. Günümüzde ReL veya ReH kullanılıyor Rm ile edinilen tecrübe de önemli. Rm ile malzeme bileşiminin dayanım üzerindeki etkileri araştırıldı. Rm karşılaştırılabilir ve kolay ölçülebilir Rm günümüzde malzeme özelliklerinin irdelenmesi ve kalite kontrol amacıyla kullanılmaktadır. Ayrıca Rm sertlik ve yorulma dayanımı arasında empirik ilişkiler vardır Rm gevrek malzemeler için önemli bir malzeme özelliğidir Akma Mukavemeti Malzemeye yük uygulandığında Önce elastik Plastik şekil değiştirmeler oluşur Elastik şekil değiştirmeler tersinirdir Elastik bölgede Hook kuralı geçerlidir E-modül malzemenin elastik şekil değiştirmeye direncini belirler. s E e N E 2 m Saf demirde E-Modül yöne bağlıdır Elastik bölgede kesit daralmasına paralel olarak şekil değiştirme d/do ile kesitte l/lo ile boyda şekil değiştirme belirlenir kesit kontraksiyonu (v) metaller 0.3 civarındadır d e d0 d l0 v d 0 l Elastik şekil değiştirme homojendir ölçüm bölgesinde sabittir. Akma gerilmesinin ölçüm hassasiyeti şekil değiştirme ölçümünün hassasiyetine bağlıdır. elastik ile plastik geçiş ölçümü zordur Tek eksenli yüklenme durumunda akma başlangıcı için üç kriter var Elastik sınır Proporsiyonal sınır kalıcı şekil değiştirme göstermeden dayanabileceği en yüksek gerilme şekil değiştirmede uygulanan hassasiyet 10-4 mm/mm proporsiyonal sınırın üzerindedir Lineer olan en yüksek gerilme olarak tanımlanır. Lineerlikten saptığı değer Akma gerilmesi Akma gerilmesi ise çok düşük miktarda plastik şekil değiştirmenin meydana geldiği gerilme değeri olarak tanımlanır. ötelenerek yeni bir lineer eğri şekil değiştirme % 0.2 veya 0.1’dir (e= 0.002 veya 0.001). % 0.2 Proporsiyonel Sınır % 0.1 Proporsiyonel Sınır R p02 Fe 0.002 A0 R p01 Fe 0.001 A0 e= %0.1 veya 0.5 ise rijit (proff) gerilme Proof Rp indisi ile gösterilir elastik sınır veya proporsiyonal sınırın belirlenmesi güçtür öteleme günümüzde en çok kullanılan yöntemdir. Bazı malzemelerde örneğin saf bakır veya gri dökme demir gibi genel olarak gerilme ve şekil değiştirme arasında herhangi bir lineer geçiş bulunmaz ve bu durumda öteleme yöntemi de kullanılamaz, genel olarak bu tür malzemeler için geçiş şekil değiştirmesi örneğin e=0.005 olarak tanımlanmıştır. Bazı metaller ve bunların içersinde özellikle düşük karbon içerikli çelik malzemeler elastik-plastik geçişte heterojen bir davranış gösterirler. Burada sıkça elastik-plastik geçişte dalgalanmalar gözlenir. Burada kuvvet ani bir şekilde artar ve yine ani olarak düşer. Kuvvetin aniden düşmeye başladığı gerilmeye üst akma gerilmesi Sabit gerilme ile uzama başlangıcı da alt akma gerilmesi Üst ve alt akma arası şekil değiştirme heterojendir. Üst akma gerilmesinde deformasyon bandı 45° ve metal yüzeyinde Bandın oluşumu ile birlikte aniden gerilme düşer Lüders bantları ötelenerek hareket eder. Lüders bantları veya Hartmann çizgileri veya gerilme çizgileri (stretcher lines) veya Piobert etkisi olarak da tanımlanır. Birkaç Lüders bandı aynı anda gerilme-şekil değiştirme eğrisi kararsız Çekme numunesinin tüm ölçüm bölgesi Lüders bantları ile doldurulduktan sonra plastik şekil değiştirme kararlı olarak devam edebilir. Bir Lüders bandın oluşumu ve ilerlemesi (şematik) Şekil Değiştirme Ölçümleri Şekil değiştirme uygulamalarında (haddeleme veya ekstrüzyon) malzemenin homojen olarak ne kadar şekil değiştiriebileceğinin belirlenmesi (bir defada kaç mm kalınlık azaltılıabilir –paso deformasyon oranı-) şekillendirme prosesinin seçiminde. plastik şekil değiştirme oranlarının saptanmasında. Yüksek şekil değiştirme yeteneği dövme malzemeler v.b. Malzeme safsızlıklarının tespitinde Üretim hatalarının saptanmasında Şekil değiştirme oranlarının ani düşüşleri Kırılma (Kopma) Kopma uzaması Kırılma (kopma) kesit daralması ef Z l f l0 l0 A0 A f A0 En yüksek oranda plastik deformasyon boyun verme bölgesinde ef=f(lo) l0 uzunluğu düştükçe boyun verme bölgesi toplam şekil değiştirmeyi etkiler gerçekten daha büyük şekil değiştirme oranları ef ölçülür Kırılma şekil değiştirmesi ile birlikte ölçü uzunluğunun (l0) da verilmesi gerekir. Kırılma kesit daralması ile bir sorun yoktur. Z tüm ölçü uzunluğu için geçerli bir e oranına (zero-gage-legth elongation) çevrilebilir. Hacim sabitliğinden A l A0 l0 l A0 1 l0 A 1 Z e0 l l0 A0 1 Z 1 1 l0 A 1 Z 1 Z I: Al, Cu, Ni gibi saf metaller, östenitik çelik; II: Cu ve Al-bazlı alaşımlar; III: Düşük C içeren alaşımsız çelikler; IV: Yüksek ön deformasyon veya yüksek sıcaklık deformasyonu; V: Dökme demirler veya martenzitik çelikler; VI: Dinamik çökelti sertleşmeli yaşlanma Gerçek Gerilme-Gerçek Şekil Değiştirme Diyagramı Gerçek Gerilmenin Belirlenmesi Hacim sabitliği homojen bölgede Boyun verme sonrası numune silindirik formunu koruyamaz Hacim sabitliği kuralı geçersiz Gerçek Gerilme= anlık kuvvet / anlık kesit alanı Fi sg Ai Gerçek Gerilme Hesabı A0 l0 A1 l1 A0 l0 A1 l1 l l l0 F1 F1 l1 sg s s g s 1 s 1 e A1 A0 l0 l0 l0 Boyun verme aşamasından sonra F 1 sg Amin K m Km çok eksenli gerilme koşulları için düzeltme, gerçek gerilmeyi doğrular, Siebel faktörü (KmS)kullanılır (D=çap, r=eğrilik yarıçapı) D K mS 1 8 r Mühendislik Gerilme-Şekil Değiştirme diyagramı ile Gerçek Gerilme-Gerçek Şekil Değiştirme diyagramlarının karşılaştırılması; 1: Mühendislik; 2: Gerçek; 3: SIEBEL’e göre hesaplanmış Gerçek Şekil Değiştirmenin Hesaplanması ilk ölçüm boyu yerine anlık boy Bu boy sürekli değiştiği için diferansiyel eşitlik yardımı ile hesaplanabilir dl de g l l1 dl e g ln l1 ln l0 l l0 l1 e g ln l0 l l0 l1 ln1 e e g ln ln l0 l0 Ayrıca aşağıdaki gibi de hesaplanabilir A0 e g ln A1 A1 2 Dmin 4 düşük şekil değiştirme oranlarında eg ≈ e 1 2 1 e g ln1 e e 1 e e 3 2 Gerçek Gerilme Şekil Değiştirme Diyagramının Matematiksel Tanımı Holloman Eşitliği s g k n Ludwik bağıntısı s g s 0 kL nL n=sertleşme katsayısı, s0=akma mukavemeti lns g ln k L n ln 1 s g kL Boyun Verme Başlangıcının Matematiksel Belirlenmesi İki zaman aralığı alalım : t ve t` F s g At F s A t ' ' g ' ' t t t ' A A A A 0 ' F s g s g A A ' F s g A s g A s g A s g A ' olur, son terim ihmal edilirse ve F F ' F F s g A s g A s g A s g A ' s g A s g A s g sg A A Maksimum kuvvette s g A A sg Diferansiyel yolla çözümü daha kolaydır: F s g A dF s g dA A ds g 0 ds g sg dA A Ayrıca A0 A A0 dA ln d 2 dA A A0 A A Buna göre ds g sg d ds g d sg CONSIDERE KRİTERİ Considere ile Holloman bağıntısı beraber yazılır ds g sg d s g kH nH Ve türevi alınırsa ds g nH k H nH 1 k H nH nH k H nH 1 d k H nH 1 nH k H nH 1 nH Buna göre maksimum kuvvette gerçek şekil değiştirme ve sertleşme katsayısı: e g ln1 Ag nH ln1 Ag Dik Anizotropi Hadde malzemeler Taneler rasgele yönlenmeden saptığı durum belirgin bir yönlenme (tekstür) Anizotropi tek eksenli çekme testi ile ölçülebilir Ölçüm sonucu r-değeri r- değeri hacim sabitesindeki azalmayı ifade eder r-değeri (e:enine, k:kalınlığına, 0 deney öncesi, 1:deney sonrası) e1 ln e e0 r k ln k1 k0 r=1→izotrop r>1 → ene doğru şekil değiştirme daha yüksek Çekme numunelerinde dik anizotropi ölçümleri Haddelenme yönüne göre alınan numunelerde de r-değeri değişir. Buna göre ortalama r-değerinin haddeleme yönünde (0°), haddeleme yönüne 45° açıda (diyagonal) ve hadde yönüne dik açıda (90°) alınan numunelerde ayrı ayrı hesaplanması gerekir: r0 2 r45 r90 rort 4 Ayrıca düzlemsel anizotropi değeri de kullanılır r0 r90 2 r45 r 2 Düzlemsel anizotropi ile derin şekillendirilen bir sac malzemede kulaklanma (earing) olup olmadığı da belirlenebilir r = 0 kulaklanma oluşmaz, r < 0 kulaklanma diyagonal yönde r > 0 kulaklanma hadde yönünde ve haddeye dik yönde oluşur. Basma Testi DIN EN 50106 standardına göre tek eksenli basma gerilmesi beton, tuğla veya doğal kaya gibi yapı malzemeleri döküm malzemeler çekme ve basma gerilmesi altında farklı özellikler paralel veya hafif konik basma plakaları basma kuvveti uygular Numunede fıçılaşma meydana gelir Nedeni numune ile baskı plakaları arasındaki sürtünme kuvvetleridir Numune basma kuvvetine dik yönde şekil değiştiremez tek eksenli gerilme çok eksenli gerilmeye dönüşür. Basma numunesi ve etkiyen kuvvetler şekil değiştirmenin büyük bir kısmı taralı bölge dışında konik bölgeler birbirlerine yaklaştıkları zaman kuvvet çok hızlı artar şekil değiştirme giderek azalır. Basma testinde basma konisinin pozisyonu sürtünme kuvvetlerinin düşük olması gerekli basma plakalarının ve numune yüzeylerinin pürüzsüz sürtünme kuvvetlerini azaltıcı ilaveler Numune silindir, çap serbest seçilebilir çoğunlukla 10-30 mm Numune yüksekliği (h0) ile çapı (d0) arasında h0 1 2 d0 h0 büyüdükçe bükülme tehlikesi var ölçülen kuvvet ve şekil değiştirme değerleri Sonuç mühendislik veya gerçek gerilme ve şekil değiştirme diyagramları y ekseninde basma gerilimleri x ekseninde de basma şekil değiştirmeleri Çekme ve basma Gerilim-Şekil Değiştirme Eğrileri ve karşılaştırılması Mühendislik Basma s F b Gerilmesi S0 Mühendislik Basma h Şekil Değiştirmesi e b h 0 Gerçek basma gerilmesi hacim b, g sabitliği kuralı ile kolayca hesaplanabilir: s s b (1 e b ) gerçek gerilme < mühendislik gerilmesi nedeni şekil değiştirme < 0 Basma Gerilmesi (Kırılma Kuvveti ile) Gevrek malzemelerde görülür FB sb S0 e bB lbB 100 L0 Kırılma Şekil Değiştirmesi Basma testinde genellikle kırılma olmaz kırılma veya çatlak oluşumu yoksa toplam şekil değiştirme %50’de test biter Ezme sınırı ≈ çekme testindeki akma sınırı elastik şekil değiştirmeden plastik şekil değiştirmeye geçiş: F0.2 s b 0.2 S0 Farklı malzemelerin basma gerilmesi-şekil değiştirme diyagramları Maksimum e yüksek çekme gerilmeleri sürtünme kuvvetleri nedeniyle e sınırlı Basma numunesinde tipik deformasyon bölgeleri I: düşük , II: orta ve III: yüksek deformasyon bölgesi Basma numunesinde tipik deformasyon bölgelerinin makro dağlanmış basma numunesinde görünüşü (akma izleri inhomojen deformasyon) %72 şekillendirilen alüminyum alaşımında 45°’lik çatlak oluşumları Sertlik Testi Sertlik, daha sert bir uca karşı malzeme direnci, Martens 1912. kalıcı şekil değiştirmeye karşı metal malzemenin gösterdiği direnç batma ile yüzeyde şekil değiştirme Şekil değiştirme sert ucun şekline, boyutuna ve uygulanan kuvvete bağlı kullanılan yöntem de farklı Hızlı, ekonomik ve basit yarı hasarlı test gurubu test sonuçları ile malzemenin dayanımı empirik bağıntı ile çekme dayanımı hesaplanır N Rm 3.4 HB 2 mm Rm=çekme dayanımı ve HB= Brinell sertliği sertlik değeri ve dayanım sadece ölçüm bölgesine ait Sertlik testi ve sonuçları aşağıda verilen testler ile uygulanabilir: Yüzeyin çizilmesi Statik yüklenme ile sert ucun malzeme yüzeyine batırılması Dinamik yüklenme ile sert ucun malzeme yüzeyine batırılması Sertlik ölçüm sonucu nümerik Bunun için batma ile sertlik ölçüm yöntemleri Yüklenme statik (sabit yük) sert uçların şekil ve malzemesi farklıdır Böylece malzeme yüzeyinde bölgesel şekil değiştirme meydana gelir. Şekil değiştirme bölgesinde iz oluşur. Sertlik değeri bu izin Yüzey alanı Derinliği üzerinden hesaplanır. Statik sertlik ölçüm yöntemlerinde sadece plastik şekil değiştirme dikkate alınır. Farklı sertlik ölçüm yöntemlerinin karşılaştırılması Sertlik Ölçüm Yöntemi İsmi Brinell Vickers Vickers (Düşük yük) Sertlik Ucu Simgesi HB30 HV HV Knoop HK Rockwell A HRA Rockwell C HRC Rockwell B HRB Şekli Çelik Küre Çapı (mm)/Açısı 10 5 29430 7358 2,5 1839 Düzgün Yüzlü Elmas Piramit 136° Rombik elmas piramit 172° ve 130° Elmas piramit 120°, Uç eğrilik çapı 0,2 mm Çelik küre Toplam Test Kuvveti (N) 98-589 2-49 1/16 1-10 Ölçüm Şekli Yüklenme sonrası sertlik izinin çapı Yüklenme sonrası iz diyagonalleri Ön Yük (N) - Açıklamalar F 30 2 D 98, 294, 589 N standart yükler - Yüklenme sonrası iz diyagonalleri - Yüklenme sonrası iz derinliği 98,07 Standart yük yok, sertlik yüke bağlı İnce katman sertlik ölçümleri için, Standart yük yok, sertlik yüke bağlı 588 1471 981 HRA 100 t 0,002mm t=ölçüm skalası Günümüzde kullanılan sertlik ölçüm yöntemleri kuvvete göre sertlik ölçüm yöntemleri makro sertlik F>49N düşük yük makro sertlik F=2-49N mikro sertlik F<2N Brinell Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 10003-1) günümüzde çok sık kullanılan, en eski Sert uç malzeme yüzeyine bastırılır sertleştirilmiş çelik küre (HBS) sert metal küre (HBW) oluşan izin çapı Brinell sertlik değeri (HB) HB= f(iz çapı (d, mm), sert küre çapı (D, mm), kuvvet (F, N)) Brinel sertliği HB: HB 0,102 2 F D D D d 2 2 0,102 faktörü N ile Kp birimlerini bağlıyor 1 Kp=9.80665 N yüklenme derecesi c, D ve yüklenme süresi (t) ile değiştirilebilir. 0,102 F c 2 D Malzeme HB Çelik Gri Dökme Demir Bakır ve Alaşımları Hafif Metaller ve Alaşımları Kurşun ve Kalay <140 ≥140 <35 35-200 >200 <55 55-130 >130 - N c( ) 2 mm 1 1 1 1 11 Seçilen malzemelerin Brinell sertlikleri ve kullanılan yüklenme dereceleri (1-30 arasında) Örneğin Çelik için c= 30 olması gerekir. 10 mm çapında bir küre için F=29240 N olur. Kuvveti uygulama zamanı 2-8 s arasında 10-15 s kuvvetin sabit tutulmalı Brinell yönteminde sertlik ölçümü Brinell sertlik değerleri (ölçülebilir 3-450 HB) Önce sertlik değeri verilir Sonra sert uç (HBS veya HBW) Sonra test koşulları Küre çapı (mm), Kuvvet (N), Uygulama Süresi (s) Örnek : 350 HBS 5/750 Brinell sertliği 350 5 mm çapında çelik küre uç 750 Kp (7,355 KN) test kuvveti. Malzeme yüzeyi Temiz, düzgün ve alt yüzeye paralel olmalı numune altında şekil değiştirme olmamalı Numune yeterince kalın Numunede seçilecek kalınlık (smin) malzeme sertliğine test koşullarına bağlı 450 HB sertliğe kadar aşağıda verilen eşitlik geçerli, i: kürenin batma derinliği (mm) smin 8 i iz çapı 0,24-0,6D arasında olması gerekir. d<0,24D iz kenarları net değil d>0,6D iz kenarlarında kuvvetli şekil değiştirme Malzeme Çelik Kurşun Alaşımları Alüminyum Alaşımları Bakır ve Alaşımları Çinko S235JR 100Cr6 43CrMo4 Akü Alaşımları Yatak Alaşımları AlMgSi1 AlZnMgCu1,5 Bronz Pirinç Alman Gümüşü Döküm Preslenmiş Haddelenmiş HB 110 200 255 4-18 18-28 100 160 160 150 140 40-45 35-40 32-34 Seçilen malzemelerin Brinell sertlikleri VICKERS Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 50133) günümüzde en çok kullanılan yöntem ölçülebilir sertlik çok düşük çok yüksek değerler arasında 3HV (örneğin kurşun) 1500 HV (örneğin sert metal) özellikle çok sert malzemelerde tercih edilir çok küçük numuneler ve yüzey kaplamalarının sertlik ölçümü için uygundur. Vickers sertlik ölçüm yöntemine göre sertlik ölçüm prensibi üç kuvvet bölgesi mikro sertlik ölçümlerinde <1,96 N düşük yüklenmelerde 1.96-49 N normal yüklenmelerde 49-980 N sert uç kare tabanlı basit elmas piramit tepe açısı 136° Brinell ile karşılaştırılabilir olması için F>49N ve Brinell sertliğinde c=30 ve 470 HV için HB 0,95 HV Indenter seçilen kuvvet ile numune yüzeyine basar İz oluşur İzin her iki çapraz köşe mesafeleri (diyagonalleri) ölçülür ortalamaları alınır sertlik hesaplanır. Vickers HV birimi ile arkasına kuvvet eklenir Vickers sertlik değeri: F F HV 0,102 0,189 2 A d ↓ kuvvetler ile numune kalınlığı ↓ En az numune kalınlığı (z: köşe diyag.) s min z1 z 2 1,5 1,5 z 2 Numune kalınlığı ile sertlik değişimi diğer avantaj da Karşılaştırılabilirlik HV 10 –HV 100 arasında Kuvvet sertlik değerlerine etki etmiyor aynı ölçüm koşullarında mümkün diyagonal mesafeler hassas ölçülebilir hassas ölçüm için yüzey deformasyonu ↓ ROCKWELL Sertlik Ölçüm Yöntemi (DIN EN 10109) Rockwell A, B ve C gibi çeşitler Rockwell C ve A sık kullanılıyor Rockwell C sertleştirilmiş çelik ve sert alaşımlar için ölçüm bölgesi 20-70 HRC arasında çok sert malzemeler için HRA ile Örneğin Tungsten karbür sertlik aralığı 60-88 HRA Rockwell ile Brinell arasında HB HRC 10 hassas çevrim tabloları da vardır sivri uçlu elmas piramit (indenter) iki aşamalı olarak malzemeye batırılır. iz derinliği (tb) ölçülür bu derinlik ile sertlik hesaplanır: HRA 100 t 0,002mm Rockwell sertlik ölçüm testinde kullanılan elmas sert uç ve yüke göre sertlik derinlik değişimleri. ön kuvvet (F0) =98 N sonra ölçüm kuvveti (F1) uygulanır HRA için 490N HRC için ise 1373N sonra ölçme için uygulanan kuvvet (F1) kaldırılır ön kuvvet altında iz derinliği (tb) ölçülür. Hassas ölçüm için yüzeyin hassas olarak hazırlanması Yüzey pürüzlülüğünün artışı sonuçları etkilemekte her iki yüzeyin paralel Sertlik ölçüm süresi plastik şekil değiştirme yeteneğine bağlı Zamana bağlı olarak şekil değiştirme yoksa ön kuvvette 2 toplam süre de 5-8 saniye Sertlik izleri arası mesafe kısıtlama yoksa diğer sertlik izlerinden ve kenardan 3 mm diğer yöntemlere göre çok hızlı tam otomatik ölçüm hassasiyeti sert ucun eğrilik yarıçapı nedeniyle daha düşüktür. Rockwell sertlik ölçüm sistemi (şematik) Malzemelerin Tokluk Özelliklerinin Belirlenmesi ve Tokluk Testleri