MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE

MARMARA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MALZEME BİLİMİ
Malzemelerin Mekanik Özellikleri
Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
Uçaklarda bolca, alüminyum alaşım
güçlendirilmiş kompozit kullanılmaktadır.
ve
karbonla
Spor malzemeleri düşük ağırlıklı, tok ve darbe
direnci yüksek malzemelerdir.
Tokluk (Toughness): Malzemenin kopana dek absorbe
ettiği toplam enerjiyi ifade eder. Gerilme-şekil değiştirme
eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerin
tokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir.
Mukavemet: Birim kesit alanına uygulanan
yüktür.
Gerinim/Deformasyon: Birim uzunlukta oluşan
uzamadır.
Young modulu: Gerilim-deformasyon eğrisinin
doğrusal bölümünün eğimidir.
Kayma modülü (G): Gerilim-kayma eğrisinin
doğrusal parçasının eğimidir.
Viskozite: Akmaya karşı dirençtir. Kayma
geriliminin kayma deformasyon hızına oranıdır.
(birimler Poise veya Pa-s).
Tiksotropik davranış: Kayma incelmesi, kayma
hızının zamanla azalması.
Elastik malzemelerde Young modülünün tanımlanması
Newtonian ve Newtonian
olmayan kayma gerilim
deformasyon oranı
Malzemelerin Mekanik Özellikleri
Mekanik tasarım ve imalat sırasında malzemelerin
mekanik davranışlarının bilinmesi çok önemlidir.
Başlıca mekanik özellikler:
 Çekme/basma (tensile/compression)
 Sertlik (hardness)
 Darbe (impact)
 Kırılma (fracture)
 Yorulma (fatigue)
 Sürünme (creep)
Çekme Deneyi
Çekme Testi: Gerilim-Gerinim/Deformasyon Diyagramı
Yük: Test esnasında malzemeye uygulanan yüktür.
Deformasyon ölçer veya ekstansometre: Boydaki
değişimi ve deformasyonu ölçen cihaz.
Cam geçiş sıcaklığı (Tg): Sünek malzemenin gevrek
davranmaya başladığı andaki sıcaklığıdır.
Mühendislik gerilimi: Uygulanan yükün malzemenin
orijinal kesitine bölümüdür.
Mühendislik deformasyonu/gerinimi: Çekme testi
esnasında
birim
uzunlukta
malzemede
oluşan
deformasyondur.
Çekme Deneyi
Malzemenin statik kuvvetler altında dayanımı vs. mekanik özelliklerinin
test edilmesinde kullanılır. Çekme testinde malzemeye hareketli bir kafa ile
uygulanan tek yönlü yük uygulanır. Kafanın hareketi vida veya hidrolik
sistemler ile sağlanır.
Çekme deneyi
Çekme Deneyi
Malzeme seçimi, parçalar için gerekli kullanım şartlarıyla
malzemenin özellikleri karşılaştırılarak yapılır.
Malzeme seçiminin ilk aşaması, malzemenin kullanım
şartlarının analizini yapmaktır.
Gerilme-Gerinim Diyagramı
Malzemenin statik veya yavaş uygulanan bir kuvvete karşı
direncini ölçmek için yapılır.
Çekme testinde hareket edebilen başlıklar aracılığı ile
numuneye tek yönlü kuvvetler uygulanır.
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Yük-ölçü boyu verilerinin gerilim ve şekil değiştirme verilerine
çevrimi
Mühendislik Gerilmesi ve Gerinimi
Aluminyum alaşımı için gerilim-şekil değiştirme eğrisi
Elastik-Plastik Şekil Değiştirme
•
•
•
Büyük kuvvetler uygulandığında malzeme plastik
davranış gösterir.
Gerilme arttığında dislokasyonlar hareket etmeye başlar.
Kayma olur ve malzeme plastik olarak şekil değiştirir.
Kuvvet kaldırıldığında elastik şekil değişikliği ortadan
kalkar fakat kaymanın neden olduğu değiştirme kalıcıdır.
Elastik
Bölge
Boyun
verme
(necking)
Plastik Bölge
 a
 a

Heterojen PŞD
Homojen PŞD
Ç
x
Akma noktası
(akma dayanımı)
a = 0.2
x
x
Elastik
sınır
Çekme dayanımı
(boyun verme
başlangıcı)
Kırılma-kopma
uygulanan gerilme  akma dayan.  elastik
uygulanan gerilme  akma dayan.  plastik  elastik

0.002
 : Gerilme
 : Birim şekil değiştirme
F

Ao

l l  lo


lo
lo
Çekme
deneyinden
elde
edilen F-L (kuvvet uzama)
eğrisi
F-L’deki verilerinden elde
edilen - (Gerilme-Birim
uzama) eğrisi
1. Belirgin akma gösteren malzemelerin  -  diyagramları
2. Belirgin akma göstermeyen malzemeler  -  diyagramları
Belirgin
akma
noktası
•
•
Akma Dayanımı
Kaymanın fark edilir ve etkili olduğu durumdaki gerilmedir.
Şekillendirme veya şekil değiştirme işlemi gerektiren
parçaların üretiminde, gerilme, malzemenin şeklinde kalıcı
bir değişiklik oluşturması için, akma dayanımının üzerinde
olmalıdır.
Malzemenin plastik şekil değiştirmeye
değerine “akma dayanımı” adı verilir.
başladığı gerilme
 Belirgin akma göstermeyen malzemeler
 Belirgin akma gösteren malzemeler
0.2
Belirgin
akma
noktası
a
Belirgin olmaması, durumunda,
akma dayanımı %0,2 kalıcı PŞD
oluşturan gerilme değerine eşittir.
p =0.002 = %0.2
.
e
Belirgin akma gösteren malzemeler
Çekme dayanımı
Pekleşme
Luders
bantlarının
oluşumu
Boyun verme
Büzülme
Kırılma-kopma
Düşük karbonlu çelik belirgin akma noktası gösterir. Ayrıca 2 adet akma
noktası tanımlanmıştır: (a) Üst akma noktası, (b) Alt akma noktası.
Çift Akma Noktası
 Az karbonlu çeliklerde görülür.
 Malzemenin σ1 gerilmesinde
plastik
şekil
değiştirmesi
beklenir ancak küçük arayer
atomlarının
dislokasyonlar
etrafında
kümeleşmesi
kaymaya engel olur ve akma
noktasını σ2’ye yükseltir.
Çift Akma Noktası
• Üst akma noktası mekanik olarak bu kilitlerin kırılmasını ifade eder. İlk
akmanın meydana geldiği kayma bandının pekleşme ile kilitlenmesinden
sonra diğer düzlemlerde akma meydana gelir.
• Bu olayın kesit boyunca devamı ile luders bantları oluşur.
• Bu olay tamamlanınca homojen şekil değişimi başlar.

Üst akma noktası
Akma uzaması
Alt akma noktası
Lüders bantlar
Akmamış bölge

Deformasyon Yaşlanması
Normal malzemenin davranışı.
A. Eğer deney x’te durdurulup, beklenmeden devam ettirilirse, eğri kaldığı
yerden devam eder.
B. Eğer deney y’de durdurulup 100-200 oC civarında ısıl aktivasyon
uygulanırsa ve soğutulan malzemeye yeniden çekme uygulanırsa, belirgin
akma noktası tekrar görülür.
Deneme (Proof veya Offset) Akma Dayanımı
Malzemelerde elastik davranıştan plastik davranışa geçiş
gerilmesi kolaylıkla tespit edilemediğinde, akma gerilmesi:
Orijinden 0,002 deneme gerinimi
ile gerilme-gerinim eğrisinin
başlangıç kısmına paralel bir
çizgi çizilebilir.
%0,2 deneme akma gerilmesi,
gerilme-gerinim eğrisinde çizilen
kesikli çizgiyi kesen gerilmedir.
Düşük ve Yüksek Akma Değerleri
Değişik mühendislik malzemeleri için tipik akma mukavemetleri.
•
•
•
Çekme Dayanımı
Uygulanan en yüksek kuvvetle elde edilen gerilmedir.
Mühendislik gerilme-gerinim eğrisi üzerindeki maksimum
gerilmedir.
Pek çok sünek malzemede, bazı noktalarda bir bölge diğer
bölgelerden daha fazla şekil değiştirdiği ve kesit alanda
büyük bir bölgesel daralma olduğu için, şekil değiştirme
uniform olmaz.
Gerçek Gerilme Gerçek Gerinim
Çekme için gerekli yükün
azalmasına
karşın,
yükün uygulandığı alanın
daha
fazla
küçülmesinden
dolayı
boyun verme başladıktan
sonra gerçek gerilme
yükselir.
Gevrek Davran Davranış
Sünek malzemeler çekme
dayanımında, maksimuma
giden
gerilme-gerinim
eğrisi sergilerler.
Çok gevrek malzemelerin,
kopma noktalarında çekme
ve kopma dayanımı aynı
olur.
Plastik deformasyon
Elastik Sınır
Elastik
deformasyon
Ç; Çekme dayanımı
A noktası
k ;
Kopma
gerilmesi
A; Akma dayanımı
Elastiklik modülü
Kopma
uzaması
P

E
T (= E + P)
Süneklik / Gevreklik / Tokluk / Rezilyans
• Süneklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetini ifade eder. Bu değerin
büyümesi, malzeme kopana kadar daha büyük plastik şekil değiştirme
göstermesi anlamına gelir. Kopma uzaması ve alan daralması
parametreleri ile ifade edilebilir.
• Gevreklik: Plastik şekil değiştirme kabiliyetinin olmaması durumunu
ifade eder. Eğri bazen elastik sınırda bazen de elastik sınıra çok yakın
bir noktada son bulur.
• Tokluk: Malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade
eder.  -  eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerin
tokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir.
• Rezilyans: Malzemenin elastik şekil değişimi sırasında depoladığı
enerjidir.  -  eğrisinde elastik bölgenin altında kalan alana eşittir.
34
Süneklik
• Kopma uzaması; lk, eğriden de bulunabilir.
lk  lo
 
lo
lk = Kopma anında ölçü
lo = ilk ölçü boyu
boyu
• Kesit daralması: Ak, Eğriden bulunamaz.
Ao  Ak

Ao
Ao = İlk kesit alanı
Ak = Kopmadan sonra
ölçülen kesit alanı
Statik Tokluk
Tokluk malzeme kırılıncaya kadar harcadığı enerjiyi ifade eder.  - 
eğrisinin altında kalan alandır.

Tokluk     d

Statik Tokluk
Gevrek
Orta süneklik
Malzemenin kırılana kadar ne kadar
enerji yutacağının göstergesidir.
Yüksek süneklik
Tokluk     d
Rezilyans
Rezilyans,  -  eğrisinde, elastik bölge altında kalan alandır. Elastik
davranış sırasında depoladığı enerjiyi ifade eder.
Yay çelik
Rezilyans :
e
Up 
Basit karbonlu çelik

0
 e . e
 .d  
2
39
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi
Eğme testi: Malzemenin statik veya yavaş uygulanan yüke gösterdiği
direnci ölçer. Malzeme iki ucundan desteklenerek yük malzemenin ortasına
uygulanır.
Flexural mukavemet veya kırılma modülü: Eğme testinde numunenin
kırılması için gerekli gerilim.
Flexural modul: Eğme testi sonuçlarından hesaplanan elastisite modülüdür.
Bu gerilim-defleksiyon eğrisinin eğimidir.
Gevrek malzemelerin gerilim-gerinim
eğrilerinin
sünek
malzemelerle
karşılaştırması.
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi
(a) Gevrek malzemelerin gerilimini ölçmede kullanılan eğme testi
(b) eğme testi ile bulunan defleksiyon δ.
Gevrek Malzemelerde Eğme Testi
MgO’nun eğme testinden
elde
edilen
gerilim
defleksiyon eğrisi
Elastik Şekil Değişimi

Ç
K
0.2
Plastik Bölge

0.002
Elastik Şekil Değişimi
 a
E, Elastiklik
modülü
Elastik şekil değişiminde atomsal bağlardaki uzamalar.
Elastik şekil değişimi
•
•
•
•
Elastik bölgede Hook Kanunu geçerlidir.
Gerilme ile birim uzama lineer olarak değişir.
Kuvvet kalkınca, elastik uzama ortadan kalkar.
E, Elastiklik Modülü, lineer kısmın eğimine eşittir.
– Malzemenin karakteristik özelliğidir (malzemeden
malzemeye değişir)
– E büyüdükçe malzeme daha rijit hale gelir yani
gerilme ile daha az şekil değişimi gösterir.
Küçüldükçe daha elastik davranır.
Hook Kanunu
Normal gerilme
  E 
 = Normal gerilme
 = Birim şekil değişimi
E = Elastiklik modülü
Kayma gerilmesi
  G 
 = Kayma gerilmesi
 = Kayma birim şekil değişimi
G = kayma modülü
E’ye (Elastiklik modülüne) etki eden parametreler:
• Kimyasal bileşim (Al ve çelikte farklı)
• Ortam sıcaklığından etkilenir.
• Isıl işlemden etkilenmez (Aynı çeliğin yumuşak hali
ile sertleştirilmiş hali aynı E’ye sahiptir).
Kimyasal kompozisyonun etkisi
E, bir malzeme özelliğidir. E, kimyasal kompozisyondan etkilenir. Çelik
Alüminyuma göre daha rijittir.
Sıcaklığın Etkisi
Sıcaklık arttıkça E, azalır.
Poisson Oranı
y

x 
      (izotropik malzemelerde) 
z 
z

• Malzemelerin elastik özelliklerini belirleyen diğer bir
parametredir.
• Elastik şekil değişimi sırasında malzeme hacminde
değişiklik olur (plastik deformasyonda hacim sabit kalır).
• Çekme yönünde malzeme uzarken buna dik yönde kısalma
gerçekleşir. Aradaki oran poisson oranı ile belirlenir.
•
•
Metaller için 0,28 ile 0,32 arasında değişir. Genelde 0,3 tür (elastik
Ş.D.).
Plastik şekil değişiminde hacim sabit kalır ve poisson oranı 0,5
değeri alır.
Çelik ve alüminyumun elastik
davranışlarının karşılaştırılması.
Belirli bir gerilim için alüminyum
çelikten üç kez fazla elastik
olarak deforme olur
Değişik mühendislik malzemelerinin elastik modülleri
Plastik Şekil Değişimi
55
Plastik Şekil Değişimi
• Malzemelerin dayanımını ifade eden Akma
dayanımının üzerinde gerilmeler uygulanması
durumunda plastik şekil değişimleri (kalıcı-geri
dönüşsüz) (PŞD) başlar.
 a
• Bu noktada PŞD, dislokasyonlar
başlamasıyla meydana gelir.
56
kaymaya
Plastik Şekil Değişimi
•
•
•
PŞD’de sıcaklık seviyelerine bağlı olarak farklı şekil
değiştirme mekanizmaları mevcuttur.
Bunlar;
1. Soğuk plastik şekil değiştirme,
2. Sıcak plastik şekil değiştirme
3. Ilık plastik şekil değiştirme
Bu sıcaklık seviyeleri benzeş sıcaklık ile belirlenir.
57
Benzeş Sıcaklık (Homologous Temperature)
 
 K
o
TB 
TÇ K
TE
o
0
< TB < 0.25
0.25 < TB < 0.5
0.5 < TB < 1
TE = Malzemenin erime sıcaklığı
TÇ = Çalışma sıcaklığı
Soğuk Şekil Değişimi
Ilık Şekil değişimi
Sıcak Şekil değişimi
58
Sıcak şekil değiştirme
•
•
•
Şekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyon
mekanizmaları aktif hale gelir.
Pekleşme olamaz:
– Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb)
– Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip)
Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularak
kaymaya devam ederler.
Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenar
dislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyon
yoğunluğunu azalır.
Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir arada
tutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile taneler
birbirleri üzerinde kayarlar.





(a) Dislokasyon tırmanması: artan atom arayer
veya boşluklara yerleşebilir
(b) Fazla atomların eklenmesi dislokasyon aşağı
inebilir.
Sıcaklığın artması ile;
• Elastiklik modülü azalır,
• Pekleşme etkisi azalır veya
ortandan kalkar.
Kristal Yapı
•
•
•
•
YMK; sünek ve tok,
SDH; gevrek,
HMK; bazı şartlarda gevrek bazılarında tok davranmaktadır.
Belirli bir sıcaklık altında HMK tokluğunu yitirerek gevrek davranış
göstermeye başlar. Bu sıcaklığa “Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı”
adı verilir (ductile-brittle transition temperature).
Kristal
Yapı/Sıcaklık
SDH
HMK’de ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının düşük sıcaklıklarda, dislokasyon
hareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklarda
dislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisini
arttığı varsayılmaktadır.
Sünek-gevrek
Geçiş Sıcaklığı
Tg  T @
E max  E min
2
Kompozisyon
•
•
HMK’de geçiş sıcaklığı, kimyasal bileşimden çok etkilenir.
Örneğin, C artarsa Tg artar. Mn (ve Ni) artarsa Tg azalır. Düşük
sıcaklıklarda yüksek tokluk için ideal alaşım elementleridir.
Oda sıcaklığı;
• Fe, Cu, Al gibi bir çok metal için soğuk şekil
değişim bölgesi iken
• Pb, Sn gibi düşük erime sıcaklığına sahip
malzemeler için sıcak şekil değişim bölgesi
olur.
65
Soğuk Şekil Değiştirme
Soğuk şekil değişiminde iki tür şekil değiştirme mekanizması etkin olabilir.
1. Kayma
2. İkizleme
Kaymanın zor olduğu durumlarda plastik
şekil değişimi ikizleme (twinning) ile
PŞD, kayma ile yani dislokasyonların gerçekleşir.
kayarak hareket etmeleri ile gerçekleşir.
66
Soğuk Şekil Değiştirme

Ç
K
0.2
Normal çekme deneyi Soğuk Şekil
Değiştirme alanında gerçekleştiği
için aynı eğri elde edilir.
0.002

Kayma: Pekleşme Kavramı
• Plastik deformasyon sırasında, dislokasyonlar kayma
düzlemlerinde kayarak hareket ederler.
• Fakat bu sırada yeni dislokasyonlar meydana gelir ve
yoğunlukları artar.
• Sayılarının
artması
ile
birbirlerinin
hareketini
engellemeye veya başka engellere (boşluk, yer alan,
ara yer, tane sınırı, çökelti, vs.) takılmaya başlarlar.
• Böylece hareketleri için daha yüksek gerilmeler gerekir.
• Bu durum deformasyon sertleşmesi veya Pekleşme
(strain hardening-work hardening) olarak adlandırılır.
Homojen PŞD Bölgesi
•  -  eğrisinin akma noktası ile tepe noktası (boyun
verme) arasında kalan kısmıdır.
Açıklama:
• PŞD’de parça uzunluğu sürekli artar. Hacim sabit kalır ve
uzunluktaki artış kesit alanında daralma ile dengelenir.
• Akma noktasından sonra tepe noktasına kadar malzeme
pekleşir ve daha çok gerilme gerekir fakat PŞD oldukça
kesit küçülür böylece gerilme artar bu iki durum birbirini
dengeler.
Homojen PŞD Bölgesi
•  -  eğrisinin tepe noktası (boyun verme) ile kopma
noktası arasında kalan kısmıdır.
Açıklama:
• Tepe noktasından (çekme dayanımı) sonra plastik
kararsızlık başlar. Kesit bir bölgede hızla daralmaya
başlar ve malzeme boyun (neck) verir.
• Şekil değişimi için gereken kuvvet azalır. Bu nedenle eğri
aşağı doğru döner. Belli bir noktada kopma gerçekleşir.
Akma noktasından
sonra homojen PŞD
(pekleşme / kesit
daralması dengesi)
Boyun verme
başlangıcı
Max noktadan
sonra heterojen
PŞD (dengenin
bozulması)
Ç
0.2
 a
0.002
Kırılma
(kopma)

Homojen PŞD Bölgesi
Çekme Dayanım Değerleri
Çekme diyagramından elde edilen veriler
•
•
•
•
•
•
•
•
•
E, Elastiklik modülü
a, Akma dayanımı
ç, Çekme dayanımı
k, Kopma gerilmesi
, Kopma uzaması
, Kesit daralması
ün, Üniform uzama
Statik tokluk
Rezilyans
Ayrıca her hangi bir noktada
• Elastik şekil değişim miktarı
• Plastik şekil değişim miktarı,
vs bulunabilir
Gerçek Gerilme-birim şekil değiştirme
• Şu ana kadar hesaplamalarda başlangıçta geometrik
veriler kullanıldı. Bu şekilde hesaplanan veriler
“Mühendislik” değerlerdir.
• Gerçekte plastik şekil değiştirme ile birlikte kesit alanı
(hacmin sabit kalması ile) sürekli azalır.
• Bu şekilde elde edilen veriler “Gerçek” değerdir.
• Özellikle metal şekillendirme uygulamalarında gerçek
değerler kullanılır.
75
Gerçek birim uzama.
Mühendislik birim uzama.
l l  lo l


 1
lo
lo
lo

l
  1
lo
dl
d g 
l
l
dl
l
 g    ln
l
lo
lo
 g  ln(  1)
PŞD de Hacim
sabit kalır.
lo
Ao  lo  A  l  A  Ao 
l
Gerçek gerilme.
Mühendislik
Gerilme.
F

Ao

F
F l
g  
   (1   )
A Ao  lo
76
4’
x
3’ x x x 4
2’ xx 3
1’ x 2
1
Gerçek değerlere göre çizilen gerçek
gerilme-birim uzama eğrisine “Akma
eğrisi” (Flow curve) de denir.
• Elastik bölgede fark yoktur.
• Boyun vermeden sonra homojen
olmayan şekil değişiminden dolayı
uzama hesaplanamaz.
Şekil : Gerçek ve mühendislik - (GerilmeGerinme) eğrileri.
77
Sıcak Şekil Değiştirme
•
•
•
Şekil değişiminin sıcakta gerçekleşmesi ile ısıl aktivasyon
mekanizmaları aktif hale gelir.
Pekleşme olamaz:
– Kenar dislokasyonlarda tırmanma (climb)
– Vida dislokasyonlarında çapraz kayma (cross slip)
Mekanizmaları aktif hale gelir ve dislokasyonlar engellerden kurtularak
kaymaya devam ederler.
Dislokasyon yoğunluk artışı olmaz. Pozitif ve negatif kenar
dislokasyonları üst üste dizilip tam düzlem haline gelir ve dislokasyon
yoğunluğu azalır.
Tane sınırı kayması olur: Artan sıcaklıkla birlikte taneleri bir arada
tutan kuvvet azalır. Difüzyon mekanizmasının etkinleşmesi ile taneler
birbirleri üzerinde kayarlar.

(a) Dislokasyon tırmanması: Artan atom arayer
veya boşluklara yerleşebilir
(b) Fazla atomların eklenmesi ile dislokasyon
aşağı inebilir.




Sıcaklığın artması ile;
• Elastiklik modülü azalır,
• Pekleşme etkisi azalır veya
ortadan kalkar.
79
Darbe Deneyi
Darbe testi: Malzemenin ani yük altında kırılmadan absorbe etme
yeteneğini ölçer.
Darbe Enerjisi: Yük aniden uygulandığında numunenin kırılması için
gerekli enerjidir.
Darbe tokluğu: Malzemenin (genelde çentiklenmiş numunenin) kırılma
esnasında çarpma testinde absorbe edilen enerjidir.
Kırılma Tokluğu: Malzemede hatanın varlığında malzemenin kırılmaya
gösterdiği dirençtir.
Darbe Deneyi
Çentik darbe deneyi, malzemeyi gevrek davranmaya iten şartlar altında
malzemenin dinamik tokluğunu ölçmek için yapılır.
Normal şartlarda sünek malzeme
 Üç eksenli yükleme hali
 Düşük sıcaklıkta zorlama
 Kuvvetin ani uygulanması (darbe)
durumlarında plastik şekil değişimine imkan bulamaz ve gevrek davranış
gösterirler.
Bu şartlardan biri veya bir kaçı gerçekleşmişse malzeme gevrek
davranabilir.
Bu amaç için Charpy (üç noktadan eğme) veya Izod (ankastre eğme)
deneyleri mevcuttur.
Darbe Deneyi
Darbe Deneyinin Yap Yapısı
Ani darbelere karşı direnci iyi olan malzeme seçmek için malzemenin
kopmaya karşı direnci darbe testiyle ölçülür.
Charpy Darbe Deneyi
• Belli bir potansiyel enerjiye
sahip kütle V-çentik açılmış
numuneye çarptırılır.
• Numunenin
kırılması
için
gereken enerji “Darbe Enerjisi Ek” saptanır.
Ek  mg  (h  h' )
Çarpma Testlerinden Elde Edilen Özellikler
Sünek gevrek geçiş sıcaklığı: Çarpma testinde
malzemenin gevrek davranış sergilediği sıcaklık
değeridir.
Çentik duyarlılığı: Çentik, çizik veya diğer hataların
malzemenin özellikleri üzerine etkisini ölçer. Örnek:
Tokluk, yorulma ömrü.
Darbe enerjisine etki eden faktörler
a)
b)
c)
d)
Dayanım
Kristal yapı,
Sıcaklık,
Kimyasal bileşim
a) Dayanım:
• Darbe deneylerin dinamik tokluğu belirlemektedir.
• Fakat statik toklukla (- grafiğinin altındaki alan) arasında ilişki
vardır.
• Dayanımı yüksek malzemeler darbeye karşı direnci zayıf olurken
düşük dayanımlı malzemelerin darbe dirençleri yüksek olabilir.
Dayanım Enerjisi
Kristal Yapı
•
YMK; sünek ve tok,
•
SDH; gevrek,
•
HMK; bazı şartlarda gevrek bazılarında tok davranmaktadır.
•
Belirli bir sıcaklık altında HMK tokluğunu yitirerek gevrek davranış
göstermeye başlar. Bu sıcaklığa “Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı”
(ductile-brittle transition temperature) adı verilir.
Kristal Yapı/Sıcaklık
HMK’de
ki
bu
düşüşün
sebebinin arayer atomalarının
düşük
sıcaklıklarda,
dislokasyon
hareketlerini
engellemesi olarak düşünülür.
Nispeten yüksek sıcaklıklarda
dislokasyonlar
engellerden
kurtulabildiği düşünülmekte ve
bu yüzden darbe enerjisinin
arttığı varsayılmaktadır.
SDH
Darbe Deneyinde Sıcaklık
Kullanım sırasında ani darbeye maruz kalabilecek malzeme, malzemeyi
kuşatan sıcaklığın altında bir geçiş sıcaklığına sahip olmalıdır.
Yüksek sıcaklıklarda malzeme sünektir ve kopmadan önce gerilir.
Düşük sıcaklıklarda malzeme gevrektir ve kopma noktasında çok az şekil
değişimi gözlenir.
Sünek-gevrek Geçiş Sıcaklığı
Tg  T @
E
max
 E
2
min
Darbe Deneyinde Sıcaklık
HMK metaller belirgin geçiş sıcaklığına
sahipken, YMK metaller belirgin geçiş
sıcaklığına sahip değildir.
Kompozisyon
•
•
HMK’de geçiş sıcaklığı, kimyasal bileşimden çok etkilenir.
Örneğin, C artarsa Tg artar. Mn (ve Ni) artarsa Tg azalır. Düşük
sıcaklıklarda yüksek tokluk için ideal alaşım elementleridir.
Çentik Hassasiyeti
Kötü işçilik, imalat ve tasarımın neden olduğu çentikler,
gerilimlerin yoğunlaşmasına neden olur ve malzemenin
tokluğunu azaltır.
Malzemenin çentik hassasiyeti, çentikli ve çentiksiz
numunelerin absorbe ettikleri enerjiler karşılaştırılarak
açıklanabilir.
Çentik Hassasiyeti
•
•
Sünek dökme demirin yapısı çentik davranışı
göstermeyen küresel grafit yumrularına sahiptir.
Gri dökme demirin yapısı çentik gibi davranan pul lamel
şeklinde keskin uçlu grafitlere sahiptir ve kırılma için
düşük enerji gereklidir.
Darbe Gerilmesinin Gerçek Gerilme - Gerçek
Gerinim İlişkisi
Darbe enerjisi gerçek gerilmegerinim diyagramının içerdiği
alana karşılık gelir.
Dayanım ve sünekliği yüksek
olan malzemenin tokluğu da iyidir.
Süper-tok naylon termoplastik
polimerin Izod test sonuçları.
Gerçek gerilim-gerinim eğrisi
altındaki alan tokluğu verir.B
malzemesi
düşük
akma
gerilmesine sahip olmasına
rağmen daha yüksek enerji
absorbe eder.
HMK karbon çeliği ve YMK paslanmaz çelik
Charpy V-çentik sonuçları. YMK kristal yapı
absorbe olan enerjisi yüksek ve herhangi bir
geçiş sıcaklığı sergilemez.
Kırılma Mekaniği
Kırılma Mekaniği: Hata var olduğunda
malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği direnci
inceler.
Kırılma Tokluğu: Hata var olduğunda
malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği
dirençtir.
Kırılma Tokluğu numunelerinin çizimi
(a) kenar ve (b) iç hatalar
Kırılma Mekaniği
30.000.000 psi olan kırılma
tokluğu artan kalınlık ile
düşmekte
ve
düzlemsel
deformasyon kırılma tokluğunda
belirli bir seviyede kalmaktadır.
Kırılma Mekaniği
Kırılma Mekaniği
Gevrek malzemelerin kırılma
tokluğunun belirlenmesinde ikincil
çatlaklar kullanılabilir.
PZT seramiklerde çatlak ilerlemesini
gösteren elektron mikroskobu
örneği (Courtesy of Wang and Raj N. Singh, Ferroelectrics,
207, 555–575 (1998).)
Kırılma Mekaniği
Değişik mühendislik malzemelerin mukavemetine karşılık kırılma toklukları. (Source:
Adapted fromMechanical Behavior of Materials, by T.H. Courtney, 2000, p. 434, Fig. 9-18. Copyright ©2000 The McGraw-Hill Companies.
Adapted with permission.)
Metalik Malzemelerde Kırılmanın
Mikroyapısal Özellikleri
Tane içi (Transgranular): Tane boyunca oluşan kırılmalar.
Mikroboşluk: Malzemede küçük boşlukların oluşması.
Tanelerarası: Tanelerarası veya tane sınırları boyunca oluşan
kırılmalar.
Chevron paterni: Ayrı çatlakların malzemelerde değişik seviyelerde
ilerlemesi.
Metalik Malzemelerde Kırılmanın
Mikroyapısal Özellikleri
Sünek malzeme çekildiğinde
önce boyun verme başlar ve
boşluklar tane sınırları veya
safsızlık yakınlarında oluşur.
Deformasyon devam ettiğinde
45°’de kayma dudakları (lip)
oluşur ve huni şeklindeki
kırılma ile malzeme kopar.
Sünek kırılma esnasında oluşan
oyuklar. Eş eksenli oyuklar mikro
oyukların büyüdüğü merkezde oluşur.
Uzamış oyuklar kırılmanın başlangıcını
işaret ederler ve kayma dudaklarında
oluşurlar.
Tavlanmış1018 çeliğinin sünek kırılmayı işaret eden elektron mikroskobu
görüntüleri.(a) Eş eksenli oyuklar kopan yüzeyin ortasında görüntülenmiş ve (b)
kayma dudaklarındaki uzamış oyuklar (x 1250)
Chevron paterni çatlak ilerlemesinin tek başlangıçtan değişik seviyelerde olduğu paterndir.
Seramik, Cam ve Kompozitlerde Kırılmanın Mikroyapısal Özellikleri
Yorulma Kırılması: Kırılma yüzeyi başlangıca yakın pürüzsüz ayna zonu ile
kalan yüzeylerde çizgilerden oluşur.
Ayrılma (Delamination): Kompozit malzemelerde tabakanın ayrılmasıdır.
Seramiklerde kırılma yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobu görüntüleri.
(a) Al203(x 1250) ve (b) cam yüzeyi yorulma kırılması görüntüleri (x 300)
Fiber ile güçlendirilmiş kompozitler
değişik mekanizmalar ile hasar
görürler. (a) Matris ve fiberler
arasındaki zayıf bağlanma ile
aralarında boşluklar oluşur ve
hasara uğrarlar.
(b) Bazı katmanların zayıf
bağlanması ile matris boşluklar
oluşturarak ayrılır.
Yorulma
Yorulma, akma mukavemetinin altında veya üstünde tekrar eden gerilim nedeniyle
malzemenin hasar görmesi veya mukavemetinin azalmasıdır.
Sürünme: Zamana bağlı, yüksek sıcaklıkta kalıcı deformasyondur. Sabit yük ve gerilimde
oluşur.
Midye kabuğu işaretleri: Yorulmaya maruz kalan bileşenlerde görülen paternlerdir.
Dönen kriş testi: Eski yorulma testidir.
S-N eğrisi (Wöhler curve): Yorulma devir sayılarının fonksiyonu olarak mukavemeti
gösteren grafiktir.
Bir malzemenin akma dayanımının altında tekrarlanan gerilmeye (dönme, eğilme, titreşim
sonucu olabilir) maruz kalması sonucu kopmasına yorulma denir.
L: Çubuğun boyu
F: Yük
d: Çap
Destekli Kiriş Testi
Yorulma testi bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceğini veya
kopma olmaksızın uygulanabilecek maksimum yüklemeleri belirler.
• Yorulma ömrü
• Yorulma sınırı
• Yorulma dayanımı
Yorulma Özelliklerini Etkileyen Faktörler
Çentik Hassasiyeti:
• Gerilmeye maruz malzemede yorulma
çatlakları, gerilmenin en yüksek olduğu
yüzeyde başlar.
• Yüzeydeki herhangi bir tasarım veya üretim
hatası gerilmeleri yoğunlaştırır ve yorulma
çatlaklarının oluşmasını kolaylaştırır.
Yorulma Özelliklerini Etkileyen Faktörler
Yorulma Oran Oranı:
Malzemenin yüzeyinde çekme dayanımı artarsa yorulmaya
karşı direnci de artar.
Sıcaklık Etkisi:
Yorulma kırık yüzeyi (a) düşük büyütme. Oklar çatlakların büyüme yönünü
gösterir. (Image (a) is from C.C. Cottell, ‘‘Fatigue Failures with Special Reference to Fracture Characteristics,’’Failure
Analysis: The British Engine Technical Reports, American Society for Metals, 1981, p. 318.) (b) Yüksek büyütme
(x 1000)
Dönen kriş örneğinin şematik gösterimi
Takım çeliği ve alüminyum alaşımları için gerilim-devir eğrisi (S-N).
Yorulma Test sonuçları
Yorulma dayanım sınırı: Yorulma testinde malzemenin hasara
uğramadığı gerilim değeridir.
Yorulma ömrü: Belirli bir gerilim değerinde yorulma ile malzeme
hasara uğramadan önce izin verilen devir sayısıdır.
Yorulma dayanımı: Verilen devir adedinde yorulma ile hasara
uğramak için gerekli gerilim miktarıdır.
Çentik
hassasiyeti:
Tokluk
veya
yorulma
ömrü
değerlendirmesinde çatlak, çentik ve diğer kusurların malzeme
özellikleri üzerine etkisidir.
Bilyalama: Metal kürelerin/bilyaların bir parçaya fırlatılması
prosesidir.
Yorulma Testinin Uygulaması
Gerilim-Çevrim
eğrilerine
örnekler.
(a) Eşit çekme ve basma gerilimi.
(b) basma geriliminden yüksek
çekme gerilimi
(c) Tümü çekme gerilimi
Yorulma Testinin Uygulaması
Yüksek mukavemetli çelik için
çatlak ilerleme hızına karşılık
gerilim yoğunluk faktörü., C = 1.62
×10^12 ve n = 3.2
Sürünme, Gerilim Çatlaması ve Gerilim Korozyonu
Gerilim-çatlama (rupture) eğrisi: Uygulanan gerilime karşılık çatlama
zamanını vererek sürünme testlerinin sonuçlarını rapor eden metottur.
Gerilim-Korozyon: Malzemelerin korozif kimyasallarla reaksiyona
girerek çatlak oluşumuna ve mukavemet düşmesine sebep olmasıdır.
Sürünme
• Malzemeler yüksek sıcaklıkta yük
altında (hatta kendi ağırlıkları bile)
zamanla kalıcı deformasyona
neden olur.
Neden yüksek sıcaklıklarda
mukavemet elde etmek istiyoruz?
Nikel ve nikel alaşımları kullanımı
(Gaz türbini)
Nikel ve nikel alaşımları kullanımı
(Gaz türbini)
• Sürünme deneyi, malzemenin statik bir yük altındaki karakteristiğini
belirlemek için kullanılır.
• Sürünme deneyi metalik malzemelerde ergime sıcaklığının ~1/3’inde,
seramik malzemelerde ~2/5’inde gerçekleşir
Etkileyen Faktörler
•
•
•
•
•
Malzeme Cinsi
Sıcaklık
Yükleme Cinsi
Yükleme Miktarı
Çevre Şartları
Sürünme Eğrisi
Sürünme Eğrisi
Sabit gerilim ve sıcaklıkta zamanın fonksiyonu olarak oluşan deformasyonu
gösteren tipik sürünme grafiğidir.
Birincil Aşama
• Yükün etkisiyle numune uzar, burada dislakosyon hareketleri
hakimdir.
• Numunede deformasyon sertleşmesi olur.
• Diğer taraftan yüksek sıcaklık nedeniyle iç gerilmeler giderilir.
• Kendine gelme toparlama oluşur.
• Deformasyon sertleşmesi hakim olduğundan sürünme hızı gittikçe
düşer.
İkincil Aşama
• Bu bölgede deformasyon sertleşmesi ile kendine gelme hızı birbirine
eşittir.
• Bu bölgeye Kararlı Sürünme Bölgesi de denir.
• Bu bölge sürünmeye karşı direnmede en yüksek değere sahiptir.
Uygulama da çok önemlidir.
• Mühendislik hesaplarında saatteki belli sıcaklıktaki sürünme hızı
sürünme mukavemeti olarak adlandırılır.
Üçüncül Aşama
• Bu bölgede sürünme hızı tekrar artar.
• Numune boyun vermeye başlar.
• Hızdaki bu değişim malzemenin iç yapısındaki değişiminden, boşluk
oluşumundan, boşlukların birleşmesinden ve tane sınırlarının
kaymasından dolayı hızlı bir plastik deformasyon oluşur.
• Sonunda kopma meydana gelir.
Sürünme Eğrisi
Sürünme Eğrisi
Sürünme eğrisine uygulanan gerilim ve sıcaklığın etkisi.
Uygulamalar
Sürünme sırasında oluşan bölgesel
deformasyon
Sürünme kopması deneyi ile elde
edilen sürünme eğrisi
Sürünme Eğrileri
Sürünme Davranışının Değerlendirilmesi
Sürünme
Testi:
Yüksek
sıcaklıkta
akma
gerilmesi
altında
malzemenin statik yüklere maruz tutularak direncini ölçen testtir.
Tırmanma: Atomların difüzyonu ile veya dislokasyon çizgisi
oluşturmak için dislokasyonların kayma düzlemine dik olarak hareket
etmesidir.
Sürünme hızı: Yüksek sıcaklıkta gerilim uygulandığında malzemenin
deforme olduğu hızdır.
Kopma zamanı: Numunenin belirli sıcaklık ve gerilimde sürünme ile
hasar görmesi için geçen zamandır.
Sertlik
Sertlik Testi: Malzemenin yüzeyinin keskin bir obje ile delinmeye olan
direncini ölçer.
Makro sertlik: Malzemelerin genel sertlikleridir. >2N büyük yük kullanılır.
Mikrosertlik: 2N’un altında yük uygulanarak yapılan sertlik testidir.
Ör:Knoop (HK).
Nano-sertlik:1–10 nm uzunluk skalasındaki malzemelerin çok düşük yükler
kullanılarak (~100 μN) sertliklerinin alınmasıdır.
Sertlik Deneyleri:
Sertlik testinde sert bir nesne malzeme yüzeyine batırılmak istendiğinde,
malzemenin gösterdiği direnç ölçülür.
En çok kullanılan sertlik testleri Rockwell ve Brinell sertlik testleridir.
Sertlik
•
•
•
•
Sertlik: Bir malzemenin yüzeyine batırılan
sert bir cisme karşı gösterdiği dirençtir.
Sertlik değerleri direk olarak malzemelerin
dayanımları ile ilgili olduğu için büyük önem
taşır.
Sertlik deneyi; malzemelerin dayanımları ile
ilgili bağıl değerler veren tahribatsız bir test
yöntemidir.
Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucun
geometrisine
ve
uygulanan
kuvvet
büyüklüğüne göre:
 Brinell sertlik ölçme metodu
 Vickers sertlik ölçme metodu
 Rockwell sertlik ölçme metodu



Sertlik ölçme yöntemleri: Batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne
göre:(a) Brinell, (b) Vickers, (c) Rockwell sertlik ölçüm metotları.
144
Brinell Yöntemi
•
•
•
•
•
•
Standart test: 10 mm çaplı sert bilye ve
3000 kgf yük ile yüzeye bastırılır.
Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: İzin
çapı ölçülür.
Pratikte daha küçük yük/çap
kombinasyonları mevcut.
Yük: F(kgf) = A.D2(mm2)
A malzemenin türüne bağlıdır.
2.5 mm bilye ile çelik ölçülüyorsa, 187.5
kgf, Al ölçülüyorsa 31.25 kgf yük
gerekir.
BSD 
iz
2F
 D [ D  D2  d 2 ]
BSD =
D
=
F
=
d
=
Brinell sertlik değeri
Bilye çapı
Uygulanan kuvvet
izin çapı.
Malzeme
A
Demir / Çelik
30
Cu / Pirinç / Bronz
10
Al / Pb vb.
5
Brinell
•
•
•
•
•
Yüzeyin düzgün hazırlanması gerekir.
Malzemeye göre değişen yük/çap oranları
Sertleştirilmiş çelik bilye ile 400 BSD’ne kadar, sinterlenmiş karbür
bilye ile 550 BSD’ne kadar ölçüm yapılabilir.
Bu metot daha büyük sertliklere uygun değildir.
Eğer bilye ezilmeye başlarsa yanlış ölçümler yapılır.
BSD(kgf / mm 2 )
BSD(kgf / mm 2 )
 ç (kgf / mm ) 
  ç ( MPa) 
10
3
3
2
Vickers
•
•
•
•
•
Batıcı uç tepe açısı 136o olan elmas piramit yüzeye bastırılır.
Yüzeyde bıraktığı iz dikkate alınır: Kare şeklindeki izin
köşegenleri mikroskopla ölçülür.
Sert veya yumuşak tüm malzemelere uygulanabilir.
Kuvvet seçiminde malzeme kriteri yoktur.
BSD değeri gibi çekme dayanımının tespitinde kullanılabilir.
VSD =
F
=
dort =
Vickers sertlik değeri
Uygulanan kuvvet
izin köşegen ortalaması.
d1 d2
dort 
2
1.72 F
VSD 
2
d ort
Rockwell metodu
•
•
•
•
Batıcı uç olarak sertleştirilmiş çelik bilye veya elmas koni kullanılır.
Ucun yüzeye battığı derinlik dikkate alınır.
Malzemeye göre uç/yük kombinasyonu seçilmelidir.
Plastik malzemelerin ölçümü de yapılabilir. Bir çok skalası mevcuttur.
•
C skalası; sert metaller için
kullanılır: 150 kgf yük ve
tepe açısı 120o olan elmas
koni uç kullanılır.
B; 100 kgf yük ve 1/16”
çapında sert bilye kullanılır.
•
Notlar:
Yumuşak malzemeler için küçük çaplı çelik küreler sert malzemeler için ise elmas koni kullanılır.
Kürenin iz derinliği cihaz tarafından ölçülür ve Rockwell sayısına çevrilir.
Sertlik Testleri
• Ölçüm yüzeyleri temiz olmalıdır.
• Deney parçası yeterli kalınlıkta olmalı, kenara yakın
ölçümler yapılmamalı, birbirine yakın ölçümler
yapılmamalı, en az 3 ölçüm yapılmalıdır.