Tasarımda Malzeme Seçimi

Transkript

Tasarımda
Malzeme
Seçimi
Tasarımda Malzeme Seçimi Ders Notları
Doç. Dr. Şükrü TAKTAK
GİRİŞ
Tasarımda önemli kriterler;
Malzeme Seçimi
İmalata ait hususlar
Tasarım kriterleri
Malzeme seçiminde amaç;
Çalışma ve yükleme şartlarına uygun ve ekonomik bir malzeme
seçimi yapma ve bir sistemde kullanılacak parçaların malzeme
seçimini etkileyen değişkenleri tanımlayabilme.
GİRİŞ
Tasarımda geniş bir malzeme seçim alanı mevcuttur.
Önemli olan amaca uygun malzeme ve malzeme
kombinasyonlarının seçimi.
II. Dünya savaşında düşük kırılma tokluğuna sahip
kaynaklanacak çelik seçiminden dolayı ticari gemilerin kaynak
yerlerinden kırılması.
GİRİŞ
Günümüzde kullanılan yüz binden fazla malzeme problemleri
çözmek ve insanlığa faydalı olmak için evrim geçirmekte
1900’lü yıllarda gövdesi ağır malzemelerden yapılan hantal
makine ve cihazlar yerini, dekoratif yönü ağır basan zarif ve
hafif malzemelere bırakmıştır.
Otomabilde 20-25 bin, tankta 40 bin, uçakta 100 bin ve
denizaltılarda 120 bin adet farklı malzeme kullanılmakta. Bu
malzemelerin doğru ve uygun seçilmesi önemlidir.
Malzemelerin kullanılacakları şartlara ve zorlamalara uygun
seçilmesi de önemlidir.
GİRİŞ
Bir makina veya yapı elemanı için malzeme seçimi,
tasarımcının vermesi gereken önemli kararlardan biridir.
Karar, genellikle parça ölçüleri belirlenmeden verilir. Malzeme
ve proses seçiminden sonra, tasarımcı, elemanın iç gerilme
ve uzama sınırlarını, malzemenin sahip olduğu özelliklerle
mukayese ederek, kabul edilebilir ve emniyetli sınırlar içinde
kalmasını sağlar.
Makina parçalarında gerilim ve esneme çok önemli olmasına
rağmen, malzeme seçimi sadece bu iki özelliğe bağlı değildir.
Üzerinde hiç yük olmayan bir çok parça, sadece yer
doldurmak amacı ile tasarlanmış olabilir.
GİRİŞ
Makina elemanları, genellikle korozyona dayanıklı olacak
şekilde tasarlanırlar.
Kimi zaman tasarımda sıcaklık etkisi, gerilim ve uzamadan
daha önemlidir.
Bir parçanın tasarımını, malzeme ve prosese bağlı olarak,
gerilim ve uzamanın yanısıra, başka bir çok faktör
etkileyebilir.
Malzeme Seçimi Örnekleri
Tornovida veya bıçak (yüksek C lu çelik)
Malzemede olması gereken özellikler
Yüksek E modül
Yüksek akma dayanımı
Yüksek kırılma tokluğu
Sapları ise plastik veya ağaç
Kolay üretim
Elde edebilirlik
Düşük yoğunluk
Estetik
Ekonomik
Jumbo jetlerde kullanılan Rolls-Royce RB211 turbofan
motor
Turbofan kanatçıkları oldukça önemli
Yüksek E, akma ve tokluk
Ayrıca yüksek yüzey aşınma,
oksidayon ve korozyon direnci,
yüksek sürünme dayanımı ve
düşük yoğunluk,
Kanatçıklarda Ti alaşımları yerine Ni alaşımları
İçten yanmalı motorlarda kullanılan buji.
Termal yorulmaya,
aşınmaya,
korozyon ve
oksidasyona(S ve Pb içeren yanmış gazlardan
dolayı) dirençli
Elektrotlarda tungsten, etrafında alumina
Mühendislik Malzemelerin Gelişimi
 Milattan önce 10.000 den beri kullanılan doğal
malzemeler olan ağaç, tutkal, kauçuk, beton, taş, çömlek
gibi malzemelerin yerini metaller, dökme demirler, çelikler,
super alaşımlar almıştır.
Malzeme gelişiminde en büyük gelişim 1800-1950
yıllarında ortaya çıkmıştır
1950 den sonra cam, seramik, metal, plastik ve metal
matrisli kompozitler ortaya çıkmıştır
Malzeme seçiminde önemli kıstaslardan biride mukavemetyoğunluk oranı(Strength - to - density ratio (SDR))
Yapısal Malzemelerdeki İlerlemeler
1,20E+07
Fibers
1,00E+07
SPECIFIC STRENGTH ( in.)
Ceramics
8,00E+06
6,00E+06
Composites
CFRP, GFRP
4,00E+06
Steel
Cast Iron
2,00E+06
Stone
Wood
Copper
Aluminum
Bronze
0,00E+00
1800
YEAR
1975
1980
1985
1985
2000
Ağaç, ilk yapısal malzemelerden (copper, copper alloys
(bronze), cast iron and wrought iron) daha fazla SDR oranına (8
x 105)sahiptir.
Bu malzemeler mutlak mukavemette ağaçtan daha büyük
olmalarına rağmen, ağır olduklarından SDR leri ağaçtan
düşüktür.(0.4 x 105 in. to 1.2 x 105)
Son 25 yılda yeni mühendislik malzemelerinin SDR si ani bir
şekilde artmıştır.
Örneğin 25 ton ağırlığı taşımak için dökme demirden yapılmış
silindirik çubuk yerine yüksek mukavemetli polimer fiberler
kullanılırsa 10 kat daha az malzemeye ihtiyaç
Günümüzde gözlük çerçeveleri, golf sopaları, tenis raketleri ve
az yakıt tüketimi için arabalar hafif malzemelerden yapılmaktadır.
Mühendislik Malzemelerin Gelişimi - Örnekler
Motorlardaki Gelişim
 Motorlarda
çalışma sıcaklığının artması daha yüksek verim
anlamına gelmekte
Malzemelerin daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmesi için daha
iyi mukavemet, daha iyi oksidasyon ve korozyon direnci
gerekmekte
 Motor sıcaklıkları tarihten bu yana 100 °C’den 1200 °C’ye
kadar artan bir süreç izlemekte. Bu artış yüksek sıcaklıklara
dayanıklı malzeme üretimi ile ilişkilidir (turbo-jetlerde süper
alaşım kanatçıkların kullanımı).
Teknolojik seramik kanat ve rotorların üretimi ile sıcaklık
1370 °C kadar çıkabilmekte
Mühendislik Malzemelerin Gelişimi-Örnekler
Motorlardaki Gelişim
Magnetik Malzemelerdeki Gelişim
1930’lardan önce sadece demir esaslı magnetler mevcuttu
1940 ve 1950’lili yıllarda AlNiCo magnetlerin üretimi verilerin
depolanabilirliğini artırdı.
1960’lı yıllarda hızlı sıçrama samaryum-Co alaşımlarının
bulunması ile ortaya çıktı (Demir esaslı magnetlerden 30 kat
daha büyük)
1980’li yıllarda ise NdFeB alaşımı ile magnetlerin enerjisi ve
magnetik alan artarak bir zirve yaşandı
Artan magnetik alanlar elektrik motorlarının boyutlarını
düşürdüğü gibi hızlarını da artırmakta, depolama ürünlerinin
boyutlarını azaltmakta, kapasitelerini artırmakta
Magnetik Malzemelerdeki Gelişim
40
Mıknatıs Malzemelerdeki İlerlemeler
Nd Fe B
35
BH max (MGOe)
30
25
20
Samarium Cobalt
15
10
5
Ferromagnetic
Ferromagn
AlNiCo
Alloys
Rare Earth
Cobalt Alloys
0
1900
1920
YEAR
1940
1960
1980
Optik Malzemelerdeki Gelişim
M.Ö. 3000’de mısırlılar ve daha sonra fenikeliler cam
yapımını keşfettiler
1966 yılında cam fiber formda üretildi
Bell laboratuarındaki keşifler neticesinde 1970 ve 1980’li
yıllarda üretilen cam fiberler 1966’daki transparanlıktan
10.000 kat fazlaya ulaştı
Bunun neticesinde binlerce bant genişliğindeki kanallar
0.01 mm kalınlığındaki fiber kablo ile iletilebilmektedir
Buğün fiber kablolar telefon, video ve internet ağlarında
kullanılmaktadır.
Optik Malzemelerdeki Gelişim
Kesici Takım Malzemelerdeki Gelişim
1800 den itibaren kesme hızında malzemeye göre
exponensiyel artış
Aşınma direnci ve tokluğu artırılmış kesici takımların gelişimi
İlk başlangıç sertleştirilmiş karbonlu takım çelikleri
Yüksek hız çelikleri (4% Cr and 18% W ) yüksek tokluk ve
sertlik sertleştirilmiş ve temperlenmiş durumda
WC yüksek kesme hızı yüksek aşınma direncinden dolayı
Sermetler,sünek metal ile bağlı seramik kompozitler, WC-Co
veya WC-Ni vs.
Kesme hızı 300 m/dk.ya ulaşan alümina seramikler,
dezavantajı gevreklik
Kesici Takım Malzemelerdeki Gelişim
Kesme hızı 1000 m/dk.
Ulaşan yüksek sertliğe sahip
seramik kaplamalı yeni kesici
takımların keşfi, (c-BN, TiN,
TiCN, CrN, DLC kaplamalar)
 Yeni kesicilerle artan üretim
kalitesi, daha düşük işleme
maliyeti
Malzeme Seçiminde Yöntem
 Kuvvet analizi ; Yapımı düşünülen makina elemanın
maruz kaldığı yük ve momentlerin belirlenmesi.
Geometrik analiz ; Bu yük ve momentleri belirlemek için
gerekli şekil ve ölçünün belirlenmesi.
Malzeme seçimi ; Makina elemanının yapımında
kullanılacak malzemenin belirlenmesi.
Malzeme Seçiminde Dikkate Alınacak Faktörler
Ekonomik özellikler
Fiyat ve temin edilebilirlik
Mekanik özellikler
Yoğunluk
elastik modül ve sönüm
akma ve çekme mukavemeti
Sertlik
Kırılma tokluğu
yorulma mukavemeti
termal yorulma direnci
sürünme mukavemeti
Mekanik olmayan (Fiziksel) özellikler
termal özellik
optik özellik
manyetik özellik
elektriksel özellik
Yüzey özellikleri
oksidayon ve korozyon
sürtünme ve aşınma
son işlemler
Üretim özellikleri
üretim kolaylığı
Fabrikasyon
Birleştirme
Estetik özellikler
Görünüm
Doku
kullanışlılık
Fiyat ve malzemenin temin edilebilme kolaylığı
Seçilen malzeme, şekil, miktar ve ölçü bakımından her
istenildiği zaman bulunabilmelidir.
Bir malzemenin ekonomi faktörü; malzemenin fiyat ve
kullanma zamanı yani ömrü ile birlikte düşünülmelidir. Bir
malzemenin fiyatı, değerlendirme için yeterli değildir ve
tek başına bir anlam taşımaz.
Fiziki, Teknolojik ve Mekanik Özellikler
Makina elemanlarının kullanılacakları yerde görevini
yapıp yapmayacağı, taşıması gerekli özellikleri taşıyıp
taşımadığının araştırılması ve belirlenmesi ile anlaşılır.
Sertlik, dayanım, özlülük, aşınma direnci, elektrik, ısı
iletkenliği ve başka bir çok özellikler bir malzemenin
kullanma alanında yeterli olup olmadığını açıklayabilir.
Üretim İşlemlerine Uygunluk
Bir işi yapmak için piyasada çok çeşitli malzeme bulmak
mümkündür. Ancak bu malzemelerden bir tanesi en uygun
olanıdır.
Üretim işlemlerine uygunluk, bir malzemenin talaş
kaldırma, dövülebilme, dökülebilme veya plastik
biçimlendirme yöntemleri ile kolaylıkla istenilen şekle
sokulabilme özelliğidir.
Korozyon Direnci
Aşındırıcı etkiye sahip bir ortamda çalışacak olan
makina elemanları, korozyon direnci yüksek olan
malzemelerden yapılmalıdırlar
Mekanik Özellikler Açısında Malzeme Seçimi
Mukavemet
3 farklı kullanımı vardır.
 Statik mukavemet
Yorulma veya dinamik mukavemet
Sürünme mukavemeti
Metaller mukavemet verileri genelde çekme deneyi ile
bulunur. Beton ve seramik malzemelerde veriler basma
deneyi ile elde edilir.
Malzeme
σç(Mpa)
σb(Mpa)
Düşük mukavemetli gri dökme demir
155
620
Yüksek mukavemetli gri dökme demir 400
1200
Çimento
4
40
Beton
3
40
Tahta
100
27
Mukavemet
Elastisite modülü
Elastik sınır
Rezilyans
Akma gerilmesi
Çekme dayanımı
Tokluk
 % uzama
% kesit daralma
Değişik metaller için gerilme-gerinme eğrileri
Polimerler için gerilme-gerinme eğrileri
Seramikler için gerilme-gerinme eğrileri
Gevrek malzemeler için mukavemet deneyi
Değişik malzemeler için gerilme-gerinme eğrileri
Mukavemet derecesi
Mukavemeti eşit ve keyfi olarak 4 seviyede tanımlamak
mümkün.
 Düşük mukavemet
σa < 250 MPa
Orta mukavemet
250 < σa < 750 MPa
Yüksek mukavemet
750 < σa <1500 MPa
Ultra yüksek mukavemet σa > 1500 MPa
Düşük mukavemetli malzemeler (σa < 250 Mpa)
Tavlanmış çoğu saf metaller düşük mukavemetlidir, %99
saflıktaki Al’un akma mukavameti 39 MPa iken % 99.99
saflıktaki aynı metalin 12 MPa dır.
Özellikler;
İyi şekil alabilme kabiliyeti
İyi işlenebilirlik (içerisine işlenebilirliği artırıcı S ve Pb
katılabilir)
Düşük aşınma direnci : aşınma direncini geliştirmek için
yüzey sertleştirme teknikleri uygulanabilir (sementasyon,
nitrürleme, borlama, alev ve indüksiyonla sert.)
Korozyon direnci: içerisindeki alaşıma göre değişir.
Orta mukavemetli malzemeler (250<σa<750 Mpa)
Çoğu çelik malzemeler ve 2xxx ve 7xxx serisi Al alaşımları
bu sınıfa girer.
Özellikler;
İyi şekil alabilme kabiliyeti
İyi işlenebilirlik
Orta aşınma direnci
Yüksek mukavemetli malzemeler (750<σa<1500 Mpa)
Yüksek mukavemetli malzemelerin üretim hacimleri nispeten
düşüktür. Orta ve yüksek alaşımlı çelikler ısıl işlemden (su
verme+temperleme) sonra yüksek mukavemete sahip
olabilirler.
Özellikler;
zayıf şekil alabilme kabiliyeti
orta işlenebilirlik
iyi aşınma direnci
Ultra yüksek mukavemetli malzemeler (σa>1500 Mpa)
Genelde yüksek alaşımlı özel çelikler ve özel kompozit
malzemeler bu kategoride değerlendirilirler. Yüksek alaşımlı
çeliklerin özel yaşlandırılması ve ıslah edilmeleri ile yüksek
akma mukavemeti sağlanabilmektedir.
Özellikler;
zayıf şekil alabilme kabiliyeti
orta işlenebilirlik
Çok iyi aşınma direnci
İyi korozyon direnci
Mukavemet için malzeme seçimi
Mukavemet artırılabilen bir özelliktir.
Kiriş gibi yapı içerisindeki farklı yük noktaları değişik yüklerin
etkisinde olduğunda kesit alanı artırarak yüksek yüklere
dayanım artırılabilir
Mukavemeti artırılmış malzeme kullanımının 3 nedeni olabilir
Azaltılmış hacim
Azaltılmış ağırlık
Azaltılmış maliyet
Yapıların çoğu, belirlenmiş bir δ sehim (elastik defleksiyon)
değerinin üzerinde sapma göstermeksizin maruz kaldıkları F
yükünü taşıyan kirişlere ihtiyaç duyarlar.
Uçak, roket veya tren gibi ulaşım araçlarının
şekillendirilmiş gövde parçalarını destekleyen / taşıyan
yapısal elemanlar olarak kirişlerin aynı zamanda
ağırlıklarının da minimize edilmesi oldukça önem
taşımaktadır.
Kolaylık açısından, aşağıda ele alınan uygulamada kare
kesitli bir kiriş örnek alınmıştır.
Sonuçlar dairesel kesitli, I-kesitli, içi boş kare veya dairesel
kesitli gibi herhangi bir kesite sahip yapı elemanları için
modifiye edilebilir.
Kiriş için, L boyu tasarımla belirlenmiş sabit, t kalınlığı ise
değişebilen bir değerdir.
Mukavemet için malzeme seçimi (E modül bazlı)
Bir ucundan tespit edilmiş yatay bir kiriş serbest ucundan
(F) kuvvetiyle yüklenirse, kirişte meydana gelen "elastik
sapma" (sehim) miktarı aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
3
4 FL

4
Et
(Kirişin kendi ağırlığı ihmal edilmiştir).
Kirişin kütlesi (m) için,
m = Lt2 ρ eşitliğinden,
t = (m/L ρ )1/2 yazabiliriz.
Bu iki eşitlikte (t) için gerekli değerler yerine yazılırsa;
4 FL L 

2
Em
3
2
2
Bu eşitlikten kütle (m) çekilirse,
m =(4FL5 /δ )1/2 (ρ/E1/2 ) elde edilir.
Buna göre belirli bir direngenlik (F/ δ) değerini sağlaması
açısından böyle bir kiriş için ağırlık, en düşük ρ/E1/2
değerine sahip malzeme seçilmesiyle minimize edilebilir.
Malzeme
Z (ρ/E1/2 x103)
C ($ 1/ton)
ZxC x106
Beton
12
290
3.5
Ahşap
5.5
431
2.4
Çelik
17
453
7.7
Alüminyum
10
2330
24
GFRP
10
3300
33
CFRP
2.9
198000
574
Poliüretan köpük
13
1100
14
Tablodan görüleceği gibi ucuz malzemeler arasında ahşap en
iyilerinden bir tanesidir.
Küçük ölçekli binaların inşa edilmesinde, raketlerin veya golf
sopalarının saplarında ve hatta uçak yapımında bile yaygın
olarak kullanılmasının temel nedeni, ucuz olmasıdır.
Tabloda verilen malzemeler arasında ahşap'a nazaran
üstün özellikler sergileyen malzeme CFRP'dir ve yaklaşık
olarak iki kat hafif bir kiriş sağlayacaktır.
Bu nedenle, ağırlıktan tasarrufun son derece önemli
olduğu (havacılık/uçak endüstrisi gibi) ileri teknolojik
uygulamalarda kullanılan malzemeler arasında yer
almaktadır; ancak, halen oldukça pahalıdır.
Peki
öyleyse
bisiklet
kullanılmamaktadır?
yapımında
neden
ahşap
Aslında, bisikletin ilk evrelerinde kullanılmıştır. Fakat şimdi
kullanılmamaktadır. Nedeni ise metallerin ve polimerlerin içi
boş profiller şeklinde (tüp) üretilebilmesidir.
İçi boş kesitli profili şekillendirmek amacıyla bükmek için
uygulanması gereken kuvvet, kütlesiyle doğru orantılıdır ve
dolu kesitli profillere nazaran çok daha azdır.
Böyle bir üretim kolaylığı sağlaması ve kullanım yerinde
sağladığı yeterli mukavemet açısından içi boş kesitli profiller,
tercih nedeni olacaktır,
İleri teknolojik uygulamalar dışında (kısmen de olsa bu tür
uygulamalarda
da
geçerlidir)
maliyet,
yaygın
uygulamalarda en önemli faktördür.
Ton başına maliyeti (K), kiriş için düşünülen malzemeler
için önemli bir kriterdir. Bir faktör olarak maliyete de kirişin
ağırlığı için hesapladığımız eşitlikte yer verir isek,
m =(4FL5 /δ )1/2 ( ρ/E1/2)
Buna göre, en düşük maliyetli kiriş, en düşük C(ρ/E1/2)
değerini sağlayan malzemeden üretilenidir.
Mukavemet için malzeme seçimi (σ modül bazlı)
Hafiflik bir tasarım gereksinimi olduğunda direnime göre
malzeme seçimini göstermek için eğilmeye zorlanan bir
dolu silindir durumunu düşünelim Mukavemete göre
malzeme seçimini ele alalım.
Eğilme gerilmesi,
M .c

I
Burada maksimum gerilmenin oluştuğu yer tarafsız
eksenden en uzak olan noktalardır. Maksimum gerilmenin
oluştuğu noktanın tarafsız eksenden uzaklığı c ile gösterilir
ki daire kesit için c = D/2’dir. I silindir enine kesitinin atalet
momenti (πD4/64), formüldeki kirişte maksimum eğilme
momenti ortada oluşur ve değeri M = FL/4’dür.
Böylece kirişte oluşan maksimum eğilme gerilmesi
8FL

D 3
olarak elde edilir. Bu denklemden D çekilirse
D
Dolu silindirin ağırlığı
3
8FL

 D 2 
 
m  V  L
 4 
silindirik kirişin ağırlığı
m  L F
3
5
2

 2/3
şeklinde elde edilir. Sabit L ve F için ağırlığın minimum
olması  /  2 / 3 ’ün minimize edilmesiyle mümkün olur.
Dolayısıyla  /  2 / 3 malzeme seçim kriteridir.
Tokluk
Mukavemet tasarımın geleneksel parametresi olsa da tek ve
en önemli özelliği değildir.
Yeterli teorik temek olmadığından eski tasarımlarda tokluk
dikkate alınmazdı.
Günümüzde malzemelerde istenilen tokluğu sağlamak
mümkün. Fakat, makul bir fiyata memnun edici performans
elde etmek için hangi tokluk derecesini belirlemek gerek.
Belirli bir mukavemette artan tokluk demek maliyet demektir.
Bu yüzden tasarımcı istenilen tokluktan daha büyüğünü
istemez.
Tokluk
Tokluk, kırılmaya karşı gösterilen direnç veya malzemenin
çatlak genişletme enerjisine absorbsiyonla karşı koyması ve
böylece şekil değiştirme yapmadan meydana gelen gevrek
kırılma olayına mani olma kabiliyeti
Tokluğun tersi gevreklik olarak tanımlanır.
Kırılma, yayılma hızına bağlı olarak sınıflandırılabilir.
Gevrek kırılma
Sünek kırılma
Deformasyon
Bütün kesitte akma olmadan
kırılma olur
Bütün kesit aktıktan sonra
kırılma olur
Enerji
Düşük enerjili
Yüksek enerjili
Hız
Hızlı
Yavaş
Tokluk
Kırılmanın gerçekleşebilmesi için hatanın başlayabileceği
bir kusur olması gerekir.
Sünek kırılmada, ikinci faz partikülleri ve metal olmayan
artıkların çevresi boşluk oluşumu için etkili olduğu
yüzeylerdir. Malzeme ne kadar temiz olursa kırılmaya
dayanımda o kadar artar.
Gevrek kırılmada kusur, kritik boyuttan daha büyük
olmalıdır. Bu kusur, ısıl işlemden, kaynak işleminden ve
mikroboşlukların birleşmesinden kaynaklanabilir
Tokluk
Tokluk;
Azalan sıcaklık
Artan zorlanma oranı (şekil değiştirme hızı)
Artan plastik zorlanma (çok eksenli gerilme hali)
İle azalır.
Malzemelerin kırılmaya dayanımını (tokluk) ölçmek için
iki metot var;
 Sıcaklık geçişi yaklaşımı
Kırılma mekaniği yaklaşımı
Tokluk
Sıcaklık geçişi yaklaşımı
Yaklaşım; sadece düşük
mukavemetli çeliklere
uygulanabilir.
Bu çeliklerde düşük sıcaklıklarda
gevrek davranıştan yüksek
sıcaklıklarda sünek davranışa
belirgin bir geçiş vardır.
Bu geçiş Charpy çarpma deneyi
ile tespit edilir.
Tokluk
Tokluk
Kırılma tokluğu değeri parça kalınlığına bağlı olarak oluşan
düzlem gerilme ve düzlem şekil değiştirme durumlarına
bağlı olarak değişmektedir
Kırılma tokluğu üzerine ilk denklemler Griffith tarafından
bulunmuştur.
σ=(2γE/πa)1/2
→
σ=(GcE/πa)1/2
Gc = 2γ olup kırılma için gerekli toplam iş
Çatlak ucu civarındaki gerilmelerin hesaplanmasında
gerilme şiddet faktörü parametresi geliştirilmiştir.
Tokluk
σ(πa) ½ =(GcE) ½ yazılabilir. İki eşitlik birbirine eşit
olduğunda çatlak ilerler. Ani kırılma oluşur.
K= σ(πa) ½ gerilme şiddet faktörü
KIC= (GcE) ½ kritik gerilme şiddet faktörü = Kırılma tokluğu
K çatlağın geometrisi ile ilgiliyken KIC ise malzeme
özelliklerine bağlıdır. K= KIC çatlak iler ve kırılma oluşur.
Gc = tokluk, KJ/m2
KIC = (GcE) ½ kırılma tokluğu, MPa/m1/2
Tokluk
Malzeme
Gc, KJ/m2
Kc , MPa/m1/2
Saf sünek metaller (Cu, Ni, Ag, Al)
100-1000
100-350
Yüksek mukavemetli çelikler
15-118
50-154
Düşük karbonlu çelikler
100
140
Ti alaşımları(Ti6Al4V)
26-114
55-115
Fiberglass
40-100
42-60
Al alaşımları(yüksek ve orta mukavemetli)
8-30
23-45
Orta karbonlu çelikler
13
51
Polipropilen
8
3
Nylon
2-4
3
Dökme demir
0.2-3
6-20
Epoksi
0.1-0.3
0.3-0.5
SiC
0.05
3
Alumina
0.02
3-5
Soda camı
0.01
0.7-0.8
Elektrik porseleni
0.01
1
Buz
0.003
0.2
Tokluk için malzeme seçimi
Kırılma tokluğu KIC =60 MPa/m1/2 civarında olan
malzemeler yeterince mukavemete sahip bir malzemeyi
gösterir.
(KIC /σa)2 parametresi çatlak ucundaki elastik bölge
boyutuyla ilişkilidir ve malzemenin çatlak dayanımı ile
orantılıdır.
Tokluk ve mukavemet arasında ters bir ilişki
bulunmaktadır.
Değişik mukavemetli ısıl işleme tabi tutulan malzemeler
değişik KIC değerleri gösterebilir.
Tasarımda tokluk ve mukavemetin optimum değerini
bulmak gerek
Malzeme gevrek kırılmaya meydan vermeyecek
mukavemete sahip olmalı
Çalışma sıcaklığı düştükçe tokluk düşer. Bu yüzden
tasarımda çalışma sıcaklığına uygun bir tokluk değeri hesap
edilmelidir.
Düşük sıcaklıklarda malzemelerin kullanımında birinci
planda, süneklilik ve gevrek kırılma güvenliği belirlenir
Bu amaçla daha çok soğukta sünek kalabilen çelikler ve
demir olmayan sünek metaller gibi metalik malzemeler ile
darbeye dayanıklı ve takviyeli plastikler kullanılır.
Özellikle son yıllarda büyük gelişme gösteren ince taneli
yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çelikler, kalitelerine de bağlı
olarak -60 °C sıcaklığa kadar kullanılabilmektedir.
Düşük sıcaklığa (soğuğa) dayanıklı konstrüksiyon
malzemelerinin kullanımları genellikle -40 ilâ -200 °C
arasındadır.
Bu tip malzemelerin başlıca kullanım alanları şöyle
gruplanabilir;
Çelik yapı konstruksiyonları,
Ekstrem klimatik koşullarda çalışan iletme tesisleri ve
gemiler,
Sıvı hava, tabii (LPG - Liquefied Petroleum Gas ve LNG Liquefied Natural Gas), sentetik hidrokarbonlar,amonyak ve
asal gazların, üretim, transport ve depolama tankları,
Hava ve uzay taşıtları
Yorulma
Kullanılan birçok makine parçası ve yapı elemanı tekrarlı
yüklere ve titreşimlere maruz kalmaktadır. Bu koşullar altında
çalışan parçalarda, gerilmeler malzemenin statik
mukavemetinden küçük olsa dahi belirli bir çevrim
sayısından sonra yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden
kırılma olayı meydana gelir. Meydana gelen bu olay
"Yorulma" olarak adlandırılır.
Çatlak oluşumu ve ilerlemesi ile gerçekleşir
Yorulma çatlakları yüzeyden veya yüzeye çok yakın
yerlerden başlar
Yorulma
NEDENİ
%
Korozyon
29
Yorulma
25
Gevrek Kırılma
16
Aşırı Yükleme
11
Yüksek Sıcaklık Korozyonu
7
Gerilme Korozyonu / Korozyonlu Yorulma / Hidrojen
Gevrekliği
6
Sürünme
3
Aşınma, erozyon
3
Hava taşıtı
parçalarında kırılmaya
neden olan olaylar.
Çeşitli mühendislik
uygulamalarında
kırılmaya neden
olan olaylar.
NEDENİ
%
Yorulma
61
Aşırı Yükleme
18
Gerilme Korozyonu
8
Aşırı Aşınma
7
Korozyon
3
Yüksek Sıcaklık
Oksidasyonu
2
Gerilme Kopması
1
Yorulma
Yorulma dayanımı ile
çekme dayanımı
arasındaki ilişki şu
şekildedir
Yorulma oranı= Yorulma muk. /
Çekme muk.
YDS = 0.5 σç (demir-çelik için)
YDS =1/3 σç (demir dışı malz.)
Yorulma
Yorulma hasarları ile ilgili ilk gözlem ve tespitler 19. yy’da
Wöhler tarafından vagon dingilleri üzerinde yapılmıştır.
Yorulmada kullanılan Wöhler diyagramları ile bir
malzemenin kaç çevrim (Nf) sonra çatlayacağını veya
kırılacağını belirleyebiliriz.
Malzemenin Nf çevrim sonunda çatlama veya kopma
gösterdiği gerilme, yorulma dayanımı veya yorulma dayanım
sınırı olarak tanımlanır.
N malzemenin yorulma ömrünü gösterir. Genellikle çelik
malzemelerde, eğri belirli bir noktadan sonra yataylaşmakta.
Yorulma
Yataylaşmanın başladığı
noktadaki gerilme değerine
“Yorulma Dayanım Sınırı”
(YDS) denir.
Çekme gerilmesi 1100
MPa’ı geçmeyen bütün
ferritik çelikler YDS
gösterir.
Ti alaşımları da YDS
gösterir
Al alaşımları ve demir
olmayan metaller YDS
göstermez.
Yorulma
Çatlaksız malzemelerde iki tip yorulma vardır:
Uzun ömürlü yorulma (|σmax| ve |σmin| değerleri
malzemenin akma mukavemetinden düşük ve kırılmaya
kadar olan çevrim sayısı 104’den büyük)
Kısa ömürlü yorulma (|σmax| ve |σmin| değerleri
malzemenin akma mukavemetinden büyük ve kırılmaya
kadar olan çevrim sayısı 104’den küçük)
Uzun ömürlü yorulma; tekerlekler gibi dönen ve titreşen
sistemlerin tümünde, akslarda ve motor elemanlarında
Kısa ömürlü yorulma ise nükleer reaktör parçalarında,
türbin parçalarında ve aşın yükleme etkisinde kalan
parçalarda görülür.
Yorulma
Makine parçalarındaki ani kesit daralmaları, yağ deliği,
yolluk, vida dişi ve benzeri' kısımlar daima çentik etkisi
gösterirler.
Bu parçaların dizaynında çentik etkisini minimuma inilecek
uygun şekil ve boyutlar ile uygun imalat yöntemleri
seçilmelidir
Kf = çentik faktörü
Kf= (YDS)çentiksiz / (YDS)çentikli
Kf değeri çentiğin şekline, çentiğin etkinliğine, malzeme
cinsine, gerilme türüne ve gerilme şiddetine bağlı olup
değişen bir değerdir.
Kt= çentik tabanındaki max. Gerilme
Yorulma
1<Kf<Kt
Gevrek durumda Kf=Kt
Sünek durumda Kf=1
q=(Kf-1)/(Kt-1) çentik duyarlılık katsayısı
Kf=1 q=0 malzeme çentikten etkilenmez
Kf=Kt q=1 malzeme çentiğe hassas
q bir malzeme sabiti olmadığından çentik ve yüklemenin
farklı tipleri ile değişir.
Yorulmaya etki eden faktörler
Mekanik bağlantılar
Yorulmaya etki eden iki faktörü vardır.
Birleşme ile oluşan gerilme konsantrasyonu
Birleşme bölgesindeki aşınma ve sürtünme
Mekanik birleşme noktaları sıkıca sabitlenmeli ve kayan
yüzeyler hareketsiz bırakılmalı
Kaynak bağlantıları
Kaynak bağlantısının yorulma mukavemeti ana malzemeden
daha düşüktür.
Kaynak bağlantısının yorulma mukavemeti;
Kaynak bölgesindeki hataların büyüklüğü ve dağılımı
Bağlantıdaki gerilme konsantrasyonunun büyüklüğü
Kaynak bölgesindeki metalurjik yapıya
bağlıdır.
Yüzey durumu ve yüzey işlemleri
Yüzey pürüzlülüğünün etkisi çentik etkisine benzer.
Pürüzlülük ne kadar fazla ise yorulma dayanımı o kadar düşük
olur.
Malzeme yüzeyinin özellikleri yorulma ömrünü etkiler.
Elektrolitik kaplama yapılması çoğu kez yorulma ömrünü
azaltır. (kaplama sırasında katotta serbest kalan hidrojen,
hidrojen gevrekliğine sebep olabilir)
Yüzeyde oluşacak çekme gerilmeleri çatlak oluşumu ile
sonuçlanabilir.
Isıl işlem esnasındaki yüzeyden karbon azalması yorulma
ömrünü azaltmaktadır.
Yüzeydeki kalıcı basma gerilmeleri, uygulanan çekme
gerilmesinin etkisini azaltır.
Yüzeyin nitrür veya karbürle kaplanması, alev veya
indüksiyon ile yüzey sertleştirilmesi malzeme yüzeyinin
mukavemetini arttırmakta ve yüzeyde kalıcı basınç
gerilmeleri meydana getirerek yorulma ömrünü arttırır.
Bir parçanın yüzeyinin plastik deformasyona uğratılması
durumunda yüzey altındaki bölge elastik bölge çekme
gerilmesi altında kalır.
Soğuk şekil verme
Plastik şekil verme bazı durumlarda YDS’ını % 30’a
kadar artırabilir.
Bazı durumlarda da yorulma çatlakları oluşturarak
dayanımı azaltabilir
Çekme Dayanımının Etkisi
Düzgün ve çentiksiz deney parçalarında yorulma
dayanımı çekme dayanımı ile birlikte artar.
Ancak yorulma dayanımının çekme dayanımına oranı
giderek azalır. ç=150 kg/mm2 den sonra ise yoruma
dayanımı pratik olarak değişmez
Malzeme tane büyüklüğü ve Isıl İşlemler
Demir dışı malzemeler ve tavlanmış çelikte, tane
büyüklüğü azalırsa yorulma dayanımı artar.
Çekme gerilmesini arttıran ısıl işlemler genellikle yorulma
dayanımını da arttırır
Karbon parçalarının şeklinin yuvarlak olması daha
yüksek yorulma dayanımı verir.
Polimerlerde Yorulma
Polimerlerin yorulma davranışları metaller kadar
anlaşılamamıştır.
Polimerlerin molekül ağırlığı, çapraz bağlanma derecesi,
kristallik derecesi ve ısıl etki gibi faktörler yorulma
davranışını etkilemekte.
Nylon ve poliasetal gibi polimerler nispeten yüksek
mukavemete sahip olmalarına rağmen düşük akma sınırı
ve sertlik zayıf yorulma performansına neden olmaktadır.
Kompozitlerde Yorulma
Lif takviyeli polimer matrisli kompozitler tekrarlı yüklemede
olduğundan daha çabuk hasara uğramaktadır.
Polimer matrisli kompozitlerde yorulma performansını
etkileyen faktörler; takviyelerin şekil değiştirmesi,
takviyelerin çok yönlü olması, dokunmuş çapraz kat
takviyeler gibi özelliklerdir.
Kompozitlerde Yorulma
A: Bor/Epoksi lanminant : eksenel gerilme
B: Karbon/Polyester: eksenel gerilme
C: Karbon/Polyester: tekrarlı eğme
D: Karbon/Epoksi lanminant : eksenel
gerilme
E: Karbon/Epoksi lanminant : eksenel
Basma
F: Cam/polyester : eğme
G: Cam/polyester : çekme/basma
H: Polyester: çekme/basma
Yorulma Direnci için Malzeme Seçimi
Yorulma için malzeme seçimi zordur.
Tasarım daha çok statik mukavemete bağlıdır.
Yorulma dayanımı belli bir değere kadar çekme
mukavemeti ile orantılı. Malzeme seçerken bu orantıdan
faydalanılabilir
Malzemede gerilme konsantrasyonu oluşturabilecek
etkilerin olmaması (pürüz, ani keskinlik, gereksiz yağ
delikleri)
Malzeme yüzeyinde basma mukavemeti oluşturulması
(Yüzey sert. Metotları, haddeleme).
Sürünme
Malzemelerde, nispeten yüksek sıcaklıklarda sabit yük
veya gerilme altında zamanla meydana gelen plastik
deformasyona 'sürünme‘ denir.
Bu olayda sıcaklığın önemli bir rolü vardır. Sıcaklık artıkça
sürünme olayı hızlanmaktadır
metaller için:
T > (O.3-0.4)Tm
seramikler için:
T> (0.4-0.5)Tm
Sürünme
Sürünme
safhalarını
gösteren
geleneksel
sürünme eğrisi
Sürünme
Larson-Miller
korelasyon
parametresini
kullanarak çeşitli
malzemelerin
sürünme dirençleri
Sürünme
Malzemelerde;
Yüksek ergime sıcaklığı
YMK türü kafes yapısı
Katı eriyik sertleşmesi
Çökelme veya dispersiyonla sertleştirme
Sürünme direncini arttırır.
Ni esaslı süper alaşımlar (Nimonik, inconel, monel,
incoloy) sürünme dirençli uygulamalarda yaygın olarak
kullanılırlar.
Sürünme- mühendislik malzemelerinin çalışma sıcaklıkları
Oda sıcaklığı-150 °C
Oda sıcaklığında bile aşırı sürünme gösteren tek metal
kurşundur. Çatılarda izolasyon ve boru olarak
kullanılmasının nedeni imalat kolaylığıdır.
Bütün termoplastikler oda sıcaklığında sürünme gösterir.
70-100 °C, düşük yoğunluklu polietilen, PVC ve polyester
için üst sınırdır. Cam takviyeli nylon 150 °C’ye kadar
kullanılabilir
Termoplastikler kristal yapılarına göre davranırlar.
Polikarbonat ve akrilikler geniş bir sıcaklık aralığında
yumuşarlar ve bunların sıcaklığını belirlemek zordur.
150-400 °C
150 °C üzerinde sadece birkaç termoplatik çalışabilir.
Bunlar polisülfon, polietersülfon ve PTFE (teflon)dir.
Teflonun en yüksek çalışma sıcaklığı 260 °C’dir.
Mg alaşımları 200°C’ye kadar kullanılabilir
Al alaşımlı pistonlar ve içten yanmalı motorlar 200-250°C
civarında çalışırlar. Al-Si-Cu-Mg esaslı LM 13 (Etial 145)
alaşımı bu uygulamalar için uygundur.
4L35 Al alaşımı(%4Cu, %1.5Mg, %2Ni) yüksek
sıcaklıklarda gerilme elemanı olarak kullanılabilmektedir.
RR58 Al alaşımı concorde uçak motorlarının çıkışlarında
ve dışında kullanılır.
150-400 °C
Cu esaslı malzemeler 350°C’ye kadar kullanılabilir
II. Dünya savaşında %8 kalay ve %0.3 fosforlu bronzlar
buhar türbinlerinde kullanılmış, şu an paslanmaz çelik
kullanılmaktadır.
Al bronzları mekanik özelliklerini 300°C’ye kadar korurlar,
oksidasyonada dayanıklıdırlar.
Az karbonlu çelik ve mangan çelikleri 425°C’ye kadar
çalışabilirler. Uzun süreler çalışması isteniyorsa (>20 yıl) Mo
veya Cr-Mo alaşımlı çelikler kullanılmalıdır.
400-600 °C
Bu sıcaklıklarda kullanılabilecek malzemeler Ti alaşımları
ve düşük alaşımlı ferritik çeliklerdir.
Maliyetin önemli ağırlığın önemli olmadığı durumlarda
düşük alaşımlı ferritik çelikler tercih edilir.
Sıcaklık 400°C’yi aştığında Mo alaşımlı olması gerekir.
Buhar borularında 500°C’yi geçmeyen sıcaklıklarda Cr-Mo
veya Cr-Mo-V çelikleri kullanılabilir
Orta ve yüksek basınçlı türbin motorlarında 0.2C-1Cr-1Mo0.25V çelikleri kullanılmakta. Yüksek ısıda buhar iletim
borularında 2.25Cr-1Mo çeliği yaygın olarak kullanılır.
Gaz türbinlerinin disk ve kanatçıklarında %13 Cr
martenzitik paslanmaz çelikler 400-500C’de çalışabilir
575-650 °C
Bu sıcaklıklarda oksidasyon ve sürünme dayanımı önem
kazanır. Çeliğin genleşme dayanımı artırımı için en az %8
Cr 650 °C’ye varan sıcaklıklar için gereklidir.
%13 Cr-%0.5 Mo içeren çelikler deniz atmosferinde buhar
türbinlerinde kullanılır(565°C).
Bir çok ostenitik paslanmaz çelikler süper ısıtıcı tüp ve
reaktör ısı alıcılarında kullanılmaktadır.
650-1000 °C
Ostenitik paslanmaz çelikler: 750 °C civarına kadar
kullanılabilir. AISI 316 buhar türbinlerde yaygın olarak
kullanılır.
Ni esaslı süper alaşımlar: Nimonik alaşımları 700°C ve
üstünde çalışabilir. Gaz ve uçak türbinlerinde
kullanılmaktadır.
Ni-Fe esaslı alaşımlar: Inconel ve incoloy alaşımları 5001200 °Carasındaki fırınlarda ve reaktör kaplarında
kullanılmaktadır
1000 °C ve üstü
Yüksek ısı metalleri : W, Ta, Nb ve Mo gibi metallerdir.
Oksidayona karşı korunan ortamlarda bu metaller 1500
°C’ye kadar kullanılabilir. W elektrik flamanı olarak, Mo
yüksek ısı fırınlarında radyasyon kalkanı olarak kullanılır.
Seramikler: fırınlarda izolasyon malzemesi olarak, metal
dökümlerinde pota olarak ve çoğu yüksek sıcaklık
uygulamalarında yaygın olarak kullanılırlar. Bir çok seramik
metallerin dayanabildiği sıcaklığın üzerine çıkar (1400°C ve
üstü). Seramiklerin de dezavantajları vardır. (karbür ve
borürlerin oksitlenmesi, sert ve kırılgan olmaları, düşük
termal şok dayanımı gibi).
Sürünme dayanımı için malzeme seçimi
Tasarımı sıcaklık aralığı, gerilim ve çalışma ömrü belirler.
Her zaman maliyet seçimde son kriterdir ve iki üç alternatif
arasında en ucuzu seçilebilir.
Sürünme ile ilgili seçim esnasına en önemli sorun,
malzemeler hakkındaki yetersiz sürünme bilgileridir.
Çalışma koşullarındaki bilgiler iyi analiz edilip, güvenilir ve
test edilmiş malzeme seçmek gerekir.
Yüksek sıcaklık malzemelerinin tipik uygulama alanları
termil santraller (300-650°C), gaz türbinleri (>700°C),
kimyasal tesisler (1000°C) ve endüstriyel fırınlardır
(>1000°C).
Sürünme dayanımı için malzeme seçimi
Yüksek sıcaklıklarda sürünme akma dayanımından daha
karakteristik bir özelliktir.
Yüksek sıcaklıklarda kullanılacak cıvata gibi bağlantı
elemanlarında aranan özellik yüksek gerilme gevşemesi
direncidir.
Oda sıcaklığında çalışan malzeme için tane küçüklüğü
mukavemeti artırırken, yüksek sıcaklıklarda ise tane
büyüklüğü sürünme direncini artırır.
Yüzey Özellikleri Açısında Malzeme Seçimi
Korozyon
Ortamın kimyasal ve elektrokimyasal etkilerinden dolayı
malzemelerin yüzeyinde meydana gelen hasara korozyon
denir.
Korozyon nedeniyle meydana gelen malzeme, enerji ve
emek kaybının yıllık değeri, ülkelerin gayri safi milli
gelirlerinin (GSMG) yaklaşık % 5' i düzeyindedir. Bu değer
ciddi bir ekonomik kayıp demektir.
Korozyon, metalik malzeme kullanılan her alanda
meydana gelen doğal bir olaydır.
Korozyon maddi kayıplardan başka, çevre kirliliğine de yol
açar.
Korozyon
Korozif etki metalin tipine ve ortama bağlı olarak;
Homojen korozyon
Galvanik korozyon
Aralık korozyon
Tanelerarası korozyon
Gerilmeli korozyon
Erozyon korozyon
Seçici korozyon
Korozyona etki eden parametreler
Ortamın Etkisi;
Metallerin korozyona uğrama hızı büyük ölçüde bulunduğu
ortamla alakalıdır. Ortamdaki nem miktarı, asitlik – baziklik
durumu, havanın oksijenin veya suyun ortam tarafından
geçirilebilme yeteneği, kaçak akımlar ve çeşitli bakteriler
korozyonu başlatıcı ve hızlandırıcı etken olarak karşımıza
çıkar.
Sıcaklığın Etkisi;
Ortam sıcaklığının artması iyon hareketini arttırarak
korozyon hızını arttırır.
Ortam sıcaklığı –50 ila +50 santigrat derece arasında
değişen toprak 0 derecede donar ve iyon hareket hızı
minimuma düşer.
Sıcaklığın artmasının oksijen konsantrasyonunu düşürücü
ve dolayısıyla korozyon hızını düşürücü etkisi de vardır.
Ancak bu etki iyon hareketinin artmasından dolayı olan
reaksiyonların yanında oldukça zayıf kalmaktadır.
Malzeme Seçiminin Etkisi;
Korozyona sebep olan etkenlerden biri de birbiriyle
potansiyel farkı bulunan metallerin bir arada
kullanılmasıdır.
Bu durum korozyonu başlatıcı ve hızlandırıcı bir etkendir.
Mesela çok düşülen bir hata olarak çelik saçtan yapılan
panoların üzerine konulan paslanmaz çelik cıvata ve
contalar bulundukları bölgede galvanik korozyona sebep
olmaktadır. Bu tip durumlarda ana yüzeyde cıvatalar ya da
contalar plastik cıvatalar ile izole edilmelidir.
Sistem Dizaynı;
Korozif malzemelerin depolandığı sistemlerde korozif
ortamın (su vb) birikmesini engellemeye yönelik tasarımlar
uygulanmalıdır.
Ayrıca arasında sıvı birikintisine sebep olabilecek çok ince
aralıklardan kaçınılmalıdır.
Korozyona karşı malzeme seçimi
Fe esaslı malzemelerin korozyona karşı direnci zayıftır.
Bu durum Fe üzerindeki oksit tabakasının gevrek,
gözenekli ve kalın olmasından kaynaklanmaktadır.
Karbon (C), Krom (Cr), Nikel (Ni), Kükürt (S), Bakır (Cu),
Mangan (Mn) gibi elementlerin miktarına göre, çeliklerin
korozyon dayanımı ayarlanabilir.
Paslanmaz çeliklerin korozyon dayanımı kromun
varlığına bağlıdır ve krom miktarı artırıldıkça bu dayanım
artar.
Nikelin bulunması, Oksijen bulunmayan yani oksijensiz
ortamlardaki korozyon dayanımını artırır.
Molibden (Mo), halojen tuzlar ve deniz suyu da noktasal
korozyon (pitting) dayanımını olumlu etkiler.
Bakır ve bakır alaşımları atmosferik korozyondan fazla
etkilenmeyen malzemelerdir.
Al ve Al alaşımları atmosferik korozyona karşı dirençlidir.
Ancak, endüstri ve deniz atmosferine karşı duyarlıdırlar.
Alüminyum alaşımlarını korumak için malzeme saf
alüminyum ile kaplanır (alclad). Bu suretle Al alaşımlarının
korozyon direnci artırılmış olur.
Çinkonun kırsal atmosferde korozyon hızı çok küçüktür.
Çinko en çok endüstri atmosferinden etkilenir. Bu
malzeme çoğunlukla kaplama ve bazi hallerde levha
halinde kullanılır.
Metalin çalışma ortamına uygun, birbiriyle galvanik çift
oluşturmayacak şekilde malzeme seçiminin yapılması
korozyonu başlamadan engellemenin en önemli şartıdır.
kaynak yapılacak malzemelerde kaynak elektrodu olarak
galvanik çift oluşturmayacak elektrotlar kullanılmalıdır.
Epoksi, bitüm, polietilen, galvaniz, krom, nikeli fosfat,
kalay v.b. kaplama malzemeleriyle metalin dış ortamla
irtibatı kesilerek elektrokimyasal korozyonun engellenmesi
sağlanabilir.
Sistem dizayn edilirken korozyona sebebiyet verebilecek
durumlara karşı tedbirlerin alınması korozyonu önleyici bir
etken.
Mesela boru hatlarında akışkan hızının yüksek olması
kavşak bölgelerinde erozyon korozyonuna sebebiyet
verdiğinden akışkan hızını kavşak bölgelerine yaklaşırken
düşürücü tedbirler alınmaktadır, otomobil benzin depoları
tasarlanırken içerisinde hiçbir şekilde birikinti kalmayacak
şekilde tasarlanmaktadır, perçin, cıvata vb elemanlar
metale temas edeceği zaman ya çevresiyle bir izolasyon
tedbiri alınmalı ya da galvanik çift oluşturmayacak
malzemeler seçilmelidir,
Aşınma
Aşınma, temas halindeki katı yüzeylerden olan malzeme
azalması, malzeme kaybı ya da bu yüzeylerin kullanılmaz
hale gelmesidir.
Son yıllarda hemen hemen bütün makineler,
dayanıklılıkları, aşınmayla ilgili olarak emniyet kaybı ve
makinelerin aşınma problemleri minimuma indirgenmeye
çalışılmaktadır.
Dolayısıyla, aşınmanın kontrolü, geleceğin ileri ve güvenilir
teknolojisi için, güçlü bir gereksinim haline gelmiştir.
Aşınma
Aşınma direnci için malzeme seçimi
Çeliğin karbon içeriğindeki artışa bağlı olarak sertlik ve
aşınma direnci artmaktadır.
Yüksek karbonlu çeliklerin mikro yapısındaki martenzit
ile kalıntı ostenitin bulunması, kalıntı ostenitin aşınma
yüzeyinde basma yönünde kalıntı gerilimler oluşturacak
şekilde martenzite dönüşmesiyle aşınma direnci
artmaktadır (hadfield çelikleri).
Yüksek karbonlu çeliklerin bileşiminde Cr, Mo, Nb, V ve
W gibi karbür yapıcı elementler bulunması aşınma
direncinde artış sağlar.
Aşınmaya maruz uygulamalar için tercih edilen çelikler
yüksek mukavemetli, su verilip temperlenmiş, yüzeyi
sertleştirilmiş çeliklerdir.
Malzeme Seçimi Diyagramları
Malzeme indeksi ve Performans
Malzeme indeksi: verilen bir uygulamada performansı
karakterize eden malzeme özelliklerinin kombinasyonudur.
Yapısal bir elemanın performansı şu şekilde ifade edilebilir;
Performans: P = f1(F) f2(G) f3(M)
P[(Fonksiyonel gereklilik, F); (Geometri, G); (Malzeme
özelliği, M)]
m =(4F/δ)1/2 L5/2 ( ρ/E1/2)
Örnek
f1(F) · f2(G) · f3(M)
Yaygın karşılaşılan yükleme şekilleri, kesitler, malzeme
Parça şekli ve
E bazlı tasarım σ bazlı tasarım
indeksleri
yükleme
indeksi
indeksi
Çekmeye maruz
yapılar
E/ρ
σk/ρ
Kendi ağırlığı ve
dış kuvvet
yüklemeli
kirişler
E1/2/ρ
σk 2/3/ρ
Burulmaya
maruz boru ve
tüpler
G1/2/ρ
σk 2/3/ρ
Basmaya maruz
kolonlar
E1/2/ρ
σk/ρ
Minimum ağırlıklı tasarım için malzeme indeksleri
Parça şekli ve yükleme
KIC bazlı
tasarım
E bazlı
tasarım
σ bazlı
tasarım
Çekmeye maruz yapılar
KIC/ρ
E/ρ
σk/ρ
Burulmaya maruz boru ve tüpler
KIC2/3/ρ
G1/2/ρ
σk 2/3/ρ
Kendi ağırlığı ve dış kuvvet
yüklemeli kirişler
KIC2/3/ρ
E1/2/ρ
σk 2/3/ρ
Basmaya maruz kolonlar
KIC2/3/ρ
E1/2/ρ
σk/ρ
Kendi ağırlığı ve dış kuvvet yüklemeli plakalar
veya saçlar
KIC1/2/ρ
E1/3/ρ
σk1/2/ρ
Enerji depolayabilen yaylar
-
-
σa 2/E.ρ
Elastik menteşeler
-
-
σa/E.ρ
σk : Kopma mukavemeti, σa : Akma mukavemeti, E : Elastik modül, G: kayma modülü
Malzeme özellikleri performansı sınırlandırır.
Bir malzemenin performansının sadece bir özelliğe bağlı
olması nadiren görülür.
Bu yüzden tasarımda σ/ρ ve E/ρ oranları önemlidir.
Bir özelliğin diğer özelliğe göre çizilmesi diyagram veya
haritalar malzeme seçiminde önem arz eder.
Malzeme seçimi diyagramlarında logaritmik ölçek
kullanılmıştır. Malzemenin her bir sınıfı diyagramın
karakteristik bir parçasını işgal eder.
Çekmeye çalışan yapı E/ρ
Kirişler E1/2/ρ
Plaka veya saçlar E1/3/ρ
Bakır alaşımı olan ( Cu-Zn ) prinçten malzemeden
yapılmış bir parçayı, aynı şekilde ve daha rijit olacak
şekilde imal edebilmek için hangi malzemeleri
önerebilirsiniz. Seçim için E-ρ diyagramını kullanınız.
Elastiklik modülü E >200 Gpa ve yoğunluğu < 2 Mg/m3
olan malzeme hangisidir? Seçim için E-ρ diyagramını
kullanınız.
Titanyum alaşımlarının mı yoksa tungsten alaşımlarının
mı spesifik dayanımı ( f / ρ ) daha büyüktür? Karar
verebilmek için σ-ρ diyagramını kullanınız.
Mühendislik plastiklerinin örn.PMMA ( polimetilmatakrilat
) yani pleksiglas ‘ın kırılma tokluğu ( KIC ) mühendislik
seramiklerinden örn.alumina’ dan daha mı büyüktür yada
daha mı küçüktür? KIC-E diyagramına göre karar veriniz.
Motor test gövdesi yapılmak isteniyor. Malzemenin hem
rijit olması yani elastiklik modülünün 40 Gpa’dan fazla
olması hem de yüksek elastik enerji yayabilme yani
yüksek sönümleme kabiliyetine sahip olması
istenmektedir.Titreşim sönümleyici malzemeler, yüksek
sönümleme özelliğine sahiptirler. Kayıp faktörü η ile
ölçülür. Verilen diyagram yardımıyla uygun 4 malzeme alt
kümesi belirleyin.
Piston kolu (biyel kolu) için malzeme seçimi
Yüksek performanslı motorlar, kompresör
yada pistonlar gibi kritik parçalar için biyel
kolu tasarlamak istiyoruz.
Biyel kolu, pistonu krank miline bağlar,
piston kuvvetini mile taşır,
krank miline döndürme momenti uygular ve
pistonun doğrusal hareketini milin dairesel
hareketine dönüştürür.
Biyel kolunun maruz kaldığı zorlanmalar;
 basma ve çekme: yüksek piston kuvveti biyel kolu
doğrultusunda büyük basınç oluşturur ve yüksek piston
kütle kuvveti çekmeye yol açar.
 Burkulma: kol uzunluğu burkulma tehlikesi ortaya
çıkarır
 Bükülme: kolun sarkaç hareketinin sebep olduğu
merkezkaç kuvvet şafta bükülme etkisi yapar.
Tasarım için istenenler aşağıda verilmiştir.
Fonksiyon : motor yada pompa için vargelleyici piston kolu
Amaç : kütlenin minimum olması
Kısıtlar :
yüksek devirlerde yorulma dayanımı olmalı
Elastik eğilme sırasında hata oluşmamalı
Strok (darbe), çubuk boyu (L) belirli olmalı
Malzeme indisleri aşağıda verilmiştir. Hafif olabilmesi için
M1 indisi, eğilme dayanımı için M2 indisi alınmıştır.
M1= σk/ρ
Malzeme
M2= E1/2/ρ
Ρ
(kg/m3)
E
(GPa)
σ
(MPa)
M1
(Mpa.m3/kg)
M2
(GPa1/2.m3/kg)
Sfero dökme
demir
7150
178
250
0.035
0.00186
AISI 4140 çelik
7850
210
590
0.075
0.00184
Al döküm alaşımı
2700
70
75
0.027
0.0031
Durancan Al-SiC
komp.
2880
110
230
0.08
0.0036
Ti-6Al-4V alaşımı
4400
115
530
0.12
0.0024
Malzeme seçiminde M2 ön plana alınırsa metal matrisli
kompozit olan Duralcan Al-SiC kompozit malzeme
alınmalıdır.
Titantum alaşımı da seçilebilecek ikinci malzemedir.
Her iki malzemenin de ağırlığı, dökme demirin yarısı
kadardır.
Basınç Kapları için Tasarım
Tasarım için gereksinimler;
Amaç: maksimum güvenlik
Fonksiyon:
Hasara uğramaksızın maksimum verim
Sızıntıya karşı güvenlik
Düşük maliyet ve hafiflik için ince et kalınlığı
Et kalınlığı öyle
seçilmelidir ki, p
çalışma basıncı σa’dan
küçük olmalıdır.
2a’dan daha büyük olmayan çatlak mevcudiyeti durumunda,
çatlak yayılması için gerekli gerilme;
σ akma veya kopma
mukavemeti olarak ifade
edilebilir
CKIC

,
aC
 KIC 
aC  C  
 f 
2
2
K IC
M1 
f
Büyük basınç kaplarında çatlak veya gerilme gibi
durumların tespiti pratik olarak güçtür.
Çatlak, korozyon veya tekrarlı yüklemeler neticesinde
büyür.
Basınç kabında hasara uğramadan sızıntı olma durumu şu
şekilde ifade edilebilir.
pR
pR
 
2t
, t
2 f
t
CK IC
aC    
2
t / 2
C 2pR K IC2
K IC2

M2 
4
f
f
Et kalınlığı hafiflik ve maliyet için düşük olmalıdır. Bu
yüzden ince kalınlık en büyük mukavemetle olmalıdır. Bu
durum için şart ;
M3   f
Search
Region
M1 = 0.6 m1/2
M3 = 100 MPa
Malzeme
Tok çelikler
Tok Cu alaşım.
Tok Al alaşım.
Ti alaşım.
Yüksek mukav.
Al alaşım.
GFRP/CFRP
M1
M3 Açıklama
(m1/2) (MPa)
>0.6
300 Standard.
>0.6
120 OFHC (yüksek ilet.Cu)
>0.6
80
1xxx & 3xxx
0.2
700
Yüksek mukavemet,
0.1
500 fakat düşük güvenlik.
0.1
500
Hafif kaplar için iyi.
Tasarım-Malzeme Seçim Örnekleri
Cam Tablalı Masa Ayakları Dizaynı İçin Malzeme
Seçimi
Tasarımcı çok hafif düz yüzeyli, birbiriyle bağlantısı
olmayan bacaklara sahip masa tasarlamak istiyor.
Hangi malzemeler uygundur?
Fonksiyon: basma yükünü karşılayabilecek kolon
 Amaç: kütle minimum olmalı incelik maksimum olmalı
 Kısıtlamalar : belirlenmiş bir ‘’ l ‘’ uzunluğu tasarlanan
yükler altında eğilmemeli kazara vurulduğunda kırılmamalı
 Ağırlık, malzeme indeksi en büyük değere sahip olan
malzeme alt gruplarının seçimi ile minimize edilebilmektedir.
M1 = E1/2 /ρ
 En ince masa ayağı ise, malzeme indeksinin en büyük
değerine sahip malzemeden yapılır.
M2 = E
 Masa ayakları tekmelendiğinde yada çarpıldığında yeterli
tokluğa da sahip olmalıdır.
Malzeme
M1 (GPa1/2m3/mg) M2 (GPa)
Açıklama
Ahşap
5-8
4-20
M1 iyi, M2 zayıf
CFRP
4-8
30-200
M1 ve M2 iyi fakat
pahalı
GFRP
3.5-5.5
20-90
CFRP den daha
ucuz fakat değerler
düşük
150-1000
M1 ve M2 iyi fakat
gevrek
Seramikler 4-8
Malzeme seçim diyagramına bakıldığında,hafif ve ince
ayaklar için en iyi malzemenin tahta olduğu görülebilir.
Tahtaya kıyasala daha yüksek elastiklik modülüne sahip
olan CFRP (karbon fiber takviyeli plastik matrisli kompozit
malzeme), hem istenilen inceliği hem de hafifliği
sağlamaktadır.
Seramik malzemeler yüksek elastiklik modülüne sahip
olmalarına karşın gevrektirler.
Elastik Menteşeler
 Elastik yada esnek menteşeler, kopma olmaksızın
bağ, hızlı bir şekilde eğilip bükülebilmelidir.
Özellikle bu menteşeler, şampuan kapakları için önem
kazanırlar.
Fonksiyon : muhtemelen tek eksenli yüklemeye maruz
kalacak elastik menteşe
 Amaç : elastik eğilme yada bükülebilme özelliği
maksimum olmalı
Kısıtlar : eksenel yükleme olmaksızın yada ilave eksenel
yükler altında ; akma, kırılma yada yorulma ile bozulmamalı
En ideal malzeme, en küçük radyusla eğilebilen
malzemedir. Böyle bir malzemenin indeks değeri en büyük
olmalıdır.
M1 = σf / E
İkinci bir özellikte menteşe ince olmalı ancak eksenel
yükleri karşılayabilmelidir.
İkinci indeks şöyle yazılabilir.
M2 = σf2 / E
Açıklama
Malzeme
M1
M2
(x10-3) (MJ/m3)
Polietilen
(PE)
30-45
1.6-1.8
Ucuz şişe kapaklarında yaygın kullanılır
Polipropilen
(PP)
30
1.6-1.7
PE’den daha direngen kolay kalıplanabilir
Nylon
30
2-2.1
PE’den daha direngen kolay kalıplanabilir
PTFE
35
2-2.1
Daha sağlam, PP ve PE’den daha pahalı
Elastomerler
100300
10-20
İyi, fakat E modül düşük
Berilyum-Bakır
5-10
8-12
M1’i polimerlerden iyi değil. Yüksek
direngenlik istendiği durumlarda kullanılmalı
Yay çeliği
5-10
10-20
M1’i polimerlerden iyi değil. Yüksek
direngenlik istendiği durumlarda kullanılmalı
Mil Malzemesi Seçimi
Fonksiyon: Üzerindeki makine parçaları ile birlikte
dönerek moment ve hareket iletimi
Amaç : hafif, rijitlik ve yüksek dayanım
Kısıtlamalar:
 Mildeki gerilmelerin akma sınırının altında olması,
 yorulma dayanımının yüksek olması,
 eğilme ve burulma deformasyonlarının belirli sınırlar
içinde olması gerekir
Bir milin minimum ağırlıkta burulmaya ve gerilmelere
karşı mukavim olabilmesi için malzeme indeksi;
M1= σk 2/3/ρ
Ayrıca seçilecek malzemenin kopma dayanımı
σk > 300 MPa olmalıdır
Malzeme
ρ
(g/cm3)
σ
(MPa)
M1
(MPa2/3.cm3/g)
Maliyet ,
C
σk 2/3/C.ρ
CFRP
1.5
1140
72.8
80
0.9
GFRP
2
1060
52
40
1.3
Al alaşımı
2.7
300
16
15
1.06
Ti alaşımı
4.5
525
14.8
110
0.13
AISI 4340
çeliği
7.8
900
12
5
2.4
Sızdırmaz Contalar
İyi bir sızdırmaz conta, temas ettiği yüzeyle tam bir
uyum sağlamalı ve yük altında belirgin bir bozulma
göstermemelidir.
Fonksiyon : Elastik sızdırmaz conta
Amaç : Maksimum uyum ( contanın temas ettiği
kısımlarla uyumu )
Kısıtlamalar :
Sınırlı temas basıncı ve düşük fiyat
Sızdırmaz contanın yüzeyle temas genişliği
maksimum olmalı.
Bu durum için ;
M1 = σk / E olmalı
Düz yüzeyin, 100 MPa’dan daha fazla bir gerilme ile
tahrip olacağını düşünelim.
Bu durumda temas basıncı aşağıdaki eşitlikle korunur.
M2 = σk ≤ 100 MPa
Malzeme
ρ
(g/cm3)
σ
(MPa)
E
(Gpa)
M1x10-3
(σk / E )
ABS
1.05
40
2.3
17.4
PTFE
2.27
31
0.5
62
PP
0.9-0.92
40
1.9
21.05
PE
0.9-0.92
15
0.8
18.75
PVC
1.5
60
1.5
40
Nylon (PA)
1.1
55
3
18.3
Poliüretan
(elastomer)
1.2
30
0.025
1200
Polybütadin
(elastomer)
1.2
2.1
0.0016
1312
Elastomer malzemelerin σ/E oranlarının oldukça yüksek
olduğu görülür.
Bu elastomerler sıklıkla sızdırmaz conta imalatında
kullanılmaktadır.
PTFE (teflon) kimyasal olarak kararlı ve yüksek sıcaklığa
dayanıklı uygulamalar için kullanılabilir.
PP ve PE polimerleri ise ucuzdur.
Yay malzemesi seçimi
Her şeyden önce yaylar, deformasyona uğradıklarında
mekanik enerji biriktirmek için kullanılan elemanlardır. Bu
sebeple iyi bir yay önemli derecede deformasyona
uğrayabilmeli ve herhangi bir boyutsal değişime uğramadan
denge haline dönebilmelidir.
Yay malzemeleri endüstride
kullanılan en mukavemetli
malzemelerdir. Yaylar
genellikle diğer
elemanlardan daha fazla
zorlanmaya maruz oldukları
dikkate alınarak dizayn edilir.
Çelik malzemenin yaylanma yeteneği, elastik şekil
değişimi sırasında enerji depo edebilmesine bağlıdır.
Bu enerji miktarına, malzemenin yaylanma sınırı denir ve
elastik sınırlar içerisinde çekme eğrisinin altındaki alanla
ölçülür.
Bu bölgede gerilme ile %uzama arasındaki oran,
malzemenin elastik modülü, E olarak tanımlanır. Yay
çeliklerinin oda sıcaklığında elastik modülü E=21000
kg/mm2, kayma modülü G=8000 kg/mm2 olarak sabittir.
Bir yayın yaylanma yükü, yaprak yaylarda elastik modüle
(E), helisel yaylarda ise kayma (G) modülüne bağlıdır.
Helisel sarılmış basma yayları kopma mukavemetinin %70’
i hatta daha fazlası bir değerde gerilmeye maruz kalabilir.
Helisel yaylar için malzeme seçimi faktörleri;
yükleme durumu,
çalışma gerilimi aralığı,
ağırlık, çalışma sınır ölçüleri,
yorulma ömrü,
sıcaklık,
korozyon,
üretim metodu (soğuk ve sıcak sarım) ile
malzeme özellikleri
olarak sayılabilir.
Farklı şekillerde olabilen yaylar çok farklı kullanım alanı
bulmaktadırlar.
Baskı yoluyla enerji depolama, basınç ile ilgili kuvvetlere
mukavemet gösterme ve kuvvet sağlama gibi özellikler için
kullanılan yaylar baskı yayları olarak adlandırılır.
Sanayide en çok kullanılan yuvarlak
telden uçları kapalı olarak sarılmış
yaylardır. Bazı baskı yayları baskı
yaptıkları yüzeylere dik oturması
amacıyla yüzeyleri taşlanır.
En çok kullanılan baskı yayı çeşitleri
düz ve konik tipli yaylardır.
Yaprak yaylar, enerji absorbe etmek için kullanılırlar.
Yaprak yayların birim ağırlığının absorbe ettiği enerji miktarı
diğer yaylardan fazladır.
Enerji absorbe etme özelliği, tek veya çok katlı olmasına
göre veya geometrik şekline göre değişir.
Genellikle araçlarda kullanılır.
Yaylar için malzeme indeksi σa2/E değeridir.
Yaylar bu değerin maksimum olduğu malzemelerden
seçilmelidir.
Eğer yayda hafiflik de önemli ise σa2/ρ.E değeri temel
alınmalıdır.
Yay seçiminde fonksiyon: Elastik yay
Amaç: Birim hacim başına maksimum enerji
depolama ,birim kütle başına maksimum enerji
depolama
Kısıtlamalar: Akma, kırılma ya da yorulma ile
sonucunda yayda bozulma olmamalı yani yayın her
yerinde σ < σa olmalıdır.
Uygun tokluk Gc > 1kJ/m2
Malzeme
ρ
E
σad
(g/cm3) (GPa) (MPa)
M= σad2 /E
(MJ/m3)
M= σad2 /ρE
Hafif yay
Pirinç
8.5
105
450
1.93
0.22
Fosfor
bronzu
8.7
105
840
6.7
0.77
BerilyumBakır
8.3
130
1380
14.6
1.76
Yay çeliği
7.8
205
1450
10.2
1.3
Pas.çelik
7.5
200
1400
9.8
1.3
Inconel
8.5
215
1070
5.3
0.6
Ti alaşımı
4.5
105
730
5
1.1
Nylon (PA)
1.1
3
55
1
0.9
Malzemelerin sınıflandırılması
Metaller
Kompozitler
Seramikler
Polimerler
Malzemelerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin
karşılaştırılması
Metaller
Polimerler
Seramikler
Kompozitler
Metalik bağ
Kovalent ve Vander
walls bağları
İyonik ve kovalent
bağları
Makro düzeyde
birleşme
Yüksek mukavemet (Pb
hariç)
Düşük mukavemet
Yüksek basma mukav.
Mukav. iyi (MMK)
Mukav. düşük (PMK)
Isıl iletkenlik yüksek
Isıl iletkenlik düşük
Isıl iletkenlik düşük
değişken
Elekt. İletken. yüksek
Elekt. İletken. düşük
Elekt. İletken. düşük
değişken
Yüksek ρ
Düşük ρ
ρpol<ρser<ρmet
Düşük ρ (PMK)
Yüksek ρ (MMK)
PŞV yeteneği iyi
PŞV var (termoplast)
PŞV yok (termoset)
PŞV yok
PŞV zayıf
Sünek
Sünek (termoplast)
Gevrek (termoset)
Sert, gevrek
Sünek (PMK)
Gevrek (SMK)
Tokluk yüksek
Tokluk yüksek
Tokluk düşük
Tokluk yüksek (PMK)
Düşük (SMK)
Korozyon direnci
değişken
Korozyon direnci iyi
Korozyon direnci iyi
İyi (PMK)
Metallerde Mukavemeti Artırma Yöntemleri
Metallerin mukavemeti artırma;
Alaşımlama (katı çözeltideki arayer ve yeralan
atomlar dislokasyon hareketi önler)
Tane boyutu küçülmesi (tane sınırının artmasıyla
1
dislokasyon hareketi engellenir)
 ad   o  k
d
Mekanik deformasyon (tane sınırlarında dislokasyon
yığılması meyd. Getirmek, dislokasyon yoğunluğu
metalin mukavemetini ve akma dayanımını artırır
Isıl işlem (disperse faz oluşumu, martenzit yapı
oluşumu, body-centered tetragonal)
 ad  
Metallerde Mukavemeti Artırma Yöntemleri
Çelik Malzeme Seçimi
Çelik Malzeme Tanımı
Çelik, hamdemirin çelik üretim fırınlarında ikinci bir
işlemden sonra elde edilen üründür.
Çelik içerisinde %1.7’ ye kadar karbon, %1’ e kadar
manganez, %0.5’ e kadar silisyum ve %0,05 ten az kükürt ve
fosfor bulunan demir-karbon alaşımıdır.
Farklı üretimlerle, alaşımlama suretiyle veya uygun ısıl
işlem sayesinde istenilen nitelikte çelik elde edilebilir.
Çelik Malzeme Tanımı
Ayrıca, çelik yüksek bir dayanıma sahip olduğundan ve
ucuza üretilebildiğinden, imalat teknolojisinde genel
kullanıma sahip bir malzemedir.
Çelikler soğuk ve sıcak olarak işlenebilirler. Talaş kaldıran
makinalarda işlemleri kolaydır.
Mekanik özellikleri üstündür. Demir karbon alaşımlarından
en yaygın kullanılanı çeliktir.
Çeliklerin özellikleri;
Dinamik yüklemeler dayanım mükemmel
Döküm, haddeleme, dövme, kaynak talaşlı işlemleri
mümkün
Özellikleri ısıl işlem ve kompozisyona göre değişir
Yüksek karbon mukaveti artırır fakat plastikliği ve kaynak
kabiliyeti düşer
İyi kaynak için dizaynda C miktarı karbon çeliklerinde %
0.3 ü, alaşımlı çeliklerde % 0.2 i aşmamalı
Fe-C faz
Diyagramı
Fe-C faz
Diyagramıçelik kısmı
Çeliklerin
sınıflandırılması
Çeliklerin sınıflandırılması
Çelikler, kullanım yerlerine veya özelliklerine göre, çeşitli
şekillerde sınıflandırıl-maktadırlar. Bu sınıflandırmalar
genel olarak aşağıda belirtilmiştir.
Kompozisyonlarına göre
Üretim metodlarına göre
Piyasaya arz edildikleri kesit şekillerine göre
Kalite niteliği belirleme durumuna göre
Kullanım yerlerine göre
Çeliklerin kompozisyonlarına göre sınıflandırılması
Karbonlu çelikler;
düşük karbonlu ( C <%0.25 )
orta karbonlu (%0.3 < C< %0.55 )
yüksek karbonlu (%0.6 < C
çelikler olarak sınıflandırılabilirler.
Alaşımlı çelikler;
düşük alaşımlı
yüksek alaşımlı
olarak sınıflandırılabileceği gibi ihtiva ettikleri alaşım
elementlerine göre de sınıflandırılabilirler,
manganlı çelikler,
krom nikelli çelikler
paslanmaz çelikler gibi.
Çeliklerin üretim metotlarına göre sınıflandırılması
Sıcak haddelenmiş çelikler
Soğuk çekilmiş / haddelenmiş çelikler
Üretim esnasında kullanılan yönteme göre;
Siemens-Martin çeliği,
oksijen konverter çeliği,
pota çeliği gibi
oksijen giderme yöntemlerine göre de;
kaynar çelik,
durgun çelik,
yarı durgun çelik
gibi sınıflandırma yapılabilir.
Çeliklerin piyasaya arz edildikleri kesit şekillerine göre
Yuvarlak çubuk
Altı köşe çubuk
Plaka
Sac
Profil
Çeliklerin kalite niteliği belirleme durumuna göre
Standart çeliklerin sipariş veya taleplerinde, o çeliğin norm
simgelerine ilaveten kullanım yerini tanımlayan “kalite”
nitelikleri de belirtilebilir.
Nitelik belirleyen bazı çelik “kalite” leri;
Sıcak haddelenmiş karbonlu çelik çubuklar da
Ticari kalitede
Özel kalitede; Dar toleranslarda, sertleşebilen, metalik
olmayan kalıntılardan arınmış.
Soğuk ekstrüzyon kalitesinde
Dövme kalitesinde
Karbon çeliği levhalar
Standart kalitede
Soğuk çekme kalitesinde
Basınçlı kap imaline uygun kalitede
Gemi sacı kalitesinde
Sıcak hadde saçlar / soğuk hadde saçlar
Ticari kalitede
Derin çekme kalitesinde
Özel durgun çelikten üretilmiş derin çekme kalitesinde
Alaşımlı çelik plakalar ;
Genel yapı çeliği kalitesinde
Çekme kalitesinde
Basınçlı kap imaline uygun kalitede
Sıcak haddelenmiş çelik çubuklar ;
Standart kalitede
Aks mili kalitesinde
Rulman yapımına uygun kalitede
Silah namlusuna uygun kalitede
Çeliklerin kullanım yerlerine göre sınıflandırılması
Bu tip sınıflandırmada, herhangi bir çelik birden fazla grubun
içinde yer alabilir. Bu sınıflandırma, sanayinin günlük yaşamda
sık kullanılan kelimelerle çeliği basitçe tanımlama ihtiyacından
çıkmıştır.
Genel yapı çelikleri
İmalat çelikleri ( sade
karbonlu çelikler)
Sementasyon çelikleri
Nitrasyon çelikleri
Otomat çelikleri
Islah çelikleri
Yay çelikleri
Rulmanlı yatak çelikleri
Takım çelikleri
Subap çelikleri
Soğuk dövülebilen çelikler
Paslanmaz çelikler
Çeliklerde alaşım elementlerinin özelliklere etkisi
Dayanımı arttırır
Sertliği yükseltir
Sertleşmeyi kolaylaştırır
Çekirdeğine kadar sertleşmeyi sağlar
Korozyona dayanımı yükseltir
Mıknatıslanma özelliğini geliştirir
Yüksek sıcaklıklara dayanımı arttırır
Elektrik direncini yükseltir
Isı etkisi altında genleşmeyi ayarlar
Kristal yapısını inceltir
Karbon, C; Çelikte sertleştirici etkisi olan başlıca elementtir.
Sertlik ve çekme dayanımını arttırır, ancak dövme, kaynak
edilme ve kesilme özelliğini zayıflatır.
Krom, Cr; Çeliğin korozyona direncini, sertleşme özelliğini
ve aşınma direncini arttırır. Yüksek sıcaklıklarda dayanımı
korumasını sağlar. Çelikte, % 1 krom artışına karşılık çekme
dayanımında 8-10 kg/mm² lik bir artış görülür. Bu nedenle
krom çok faydalı bir alaşım elementidir.
Nikel, Ni; Çeliğin sünekliğini azaltmadan dayanımını arttırır.
Kromla birlikte olduğu zaman sertlik derinliğini arttırır. Krom
nikelli çelikler paslanmaz, kabuklaşmaya ve ısıya
dayanıklıdırlar. Nikel özellikle düşük sıcaklıklarda yapı
çeliklerinin çentik dayanımını arttırır.
Mangan, Mn; Çeliğin dayanımını geliştirir, esnekliğini az
miktarda azaltır. Dövme ve kaynak edilme özelliğini arttırır.
Manganın sertlik ve dayanım arttıran özelliği karbon
miktarına bağlıdır. Manganın yüksek karbonlu çeliklerdeki
etkisi düşük karbonlu çeliklere oranla daha fazladır. Ayrıca
su verme derinliğini arttırır.
Silisyum, Si; Çelik yapımında önemli bir oksijen giderici
olarak kullanılır. Çok düşük alaşımlı karbon çeliğine ilave
edildiği zaman, yüksek manyetik kabiliyeti olan gevrek bir
malzeme elde edilir. Silisyumun, mangan, krom ve
vanadyum gibi diğer alaşım elementleri ile birlikte
kullanılmasının temel nedeni çeliğin yapısındaki karbürleri
stabilize etmektir.
Molibden, Mo; Molibten tek başına çok az çelikte
kullanılmasına karşın, nikel, krom veya her ikisi ile birlikte
çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeliğin çekme
dayanımını, ısıya karşı dayanımını ve kaynak edilme
özelliğini arttırır. Yüksek miktarda molibden çeliğin
dövülmesini güçleştirir. Molibden, karbonla birleştiğinde
kuvvetli karbür meydana getirdiğinden takım çeliklerinde
kullanılır.
Vanadyum, V; Vanadyum çeliğe çok geniş sertleşme
imkanı verir, çeliğin sıcağa dayanımın arttırır. Vanadyumlu
çeliklerin temperleme ile yumşatılması çok zordur. Bu
nedenle takım çeliklerinde çok yaygın olarak kullanılır.
Wolfram, W, (Tungsten); Takım çeliklerinde yaygın olarak
kullanılır. Çünkü, takım çelikleri alev sıcaklığında bile
sertliklerini muhafaza eder. Çeliğin sertlik ve tokloğunu
arttırır. Etkisi molibdene benzer ancak büyük miktarlarda
katılması gerekir.
Kobalt, Co; Yüksek sıcaklıklarda tane büyümesini önler.
Isıya dayanıklılığı ve aşınma direncini arttırır. Çoğunlukla
takım çeliklerinde kullanılır.
Kükürt, S; Otomat çelikleri hariç hiç bir çelikte bulunması
istenmez. Çeliği kırılgan yapar.
Alüminyum, Al; Çeliğin ısıl işlem ve sıcak şekillendirme
esnasında tane büyüklüğünü kontrol etmek içinde
kullanılır. Aliminyumla oksijeni giderilmiş durgun çelikler iyi
bir tokluk (çentik) dayanımı gösterirler. Azotla birlikte
kullanıldığında çok sert nitratlar oluştuğundan, nitrasyon
çeliklerine Al ilave edilir. Al yaşlanma direncini
arttırdığından, derin çekme saclarında bir miktar kullanılır.
Al içeren sacların kaynağı zor olur.
Fosfor, P; Kükürt gibi çeliği kırılgan yapar. Otomat çelikleri
hariç, diğer çeliklerde en az düzeyde olması istenir.
Oksijen, O; Kaynar çelik türlerinde daha çok bulunur ve
oluşturduğu oksit kalıntılarla tehlike yaratır.
Bakır, Cu; Çeliğin akma ve çekme dayanımını arttırır, ancak
elastikiyetini azaltır. Çeliğin kaynak edilme özelliğini
etkilemez. Çeliğin atmosferik korozyon direncini arttırmak
için kullanılır. Çelikte bakır miktarı % 0.2 ila % 0.5
arasındadır.
Azot, N; (Nitrojen) Çeliğin dayanımını ve sertliğini arttırır,
talaşlı işlemini kolaylaştırır ancak çeliği kırılgan yapar.
Aliminyumla birlikte kullanıldığında, nitrür oluşturur ve çeliğin
tane yapısını kontrol eder, dayanım ve tokluk iyileşir.
Hidrojen, H; Çelikte bulunması hiç arzu edilmeyen bir
elementtir. Çeliğe kullanılan hurdadan, katkı maddelerinden
veya havadaki nemden girer. Çeliğin yorulma direncini
azaltır.
Si
OKSİTLENM
E
KOROZYON
DİRENCİ
~
Mn*
~
Mn**
--
~
~
~
--
--
~
~
--
--
~
--
Cr
--
---
Ni*
~
~
~
Ni**
Al
--
--
--
--
~
V
~
--
--
--
--
--
--
--
--
W
---
P
* Perlitik çeliklerde
Arttırır
--
---
--
Mo
--
--
~
--
--
--
--
--
Co
S
İŞLENEBİLİ
RLİK
DÖVÜLEBİLİ
RLİK
AŞINMA
DİRENCİ
KARBÜR
OLUŞUMU
ELASTİKİYE
T
YÜKSEK
SICAKLIĞA
DAYANIM
SOĞUTMA
HIZI
DARBE
DİRENCİ
KESİT
DARALMASI
UZAMA
AKMA
NOKTASI
DAYANIM
ALAŞIM
SERTLİK
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ÇELİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ
~
--
---
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
Azaltır
~
Değiştirmez
--
--
Önemsiz yada
bilinmiyor
** Östenitik çeliklerde
Çelik norm ve simgeleri
Günümüzde kullanılan çelik türünün 2000 civarında
olduğu tahmin edilmektedir. Çelik üreticileri ile çelik
kullanıcıları arasındaki ilişkide, bu kadar geniş çeşit
arasından doğru malzeme seçimi yapabilmek için, bir
takım çelik normları ve simgeleri geliştirilmiştir.
Simgelerde, Çeliğin ;
Dayanımı
Kimyasal bileşimi
Üretim yöntemi
İç yapı durumu
Piyasaya arz ediliş biçimi gibi özelliklerin biri veya bir
kaçı kodlandırılmıştır.
Çelik norm ve simgeleri
Ülkemizde de yaygın olarak kullanılan bazı çelik norm ve
simgeleri;
SAE ve AISI Çelik norm ve simgeleri
DIN Çelik norm ve simgeleri
AFNOR - Fransız Standartları
BS - İngiliz Standartları
SAE ve AISI çelik norm ve simgeleri
Çeliklerin numaralandırılmasının ihtiyaç olduğu tespiti ve
sistem adaptasyonu, ilk kez Otomotiv Mühendisleri Birliği
(SAE, Society of Automotive Engineers) tarafından
yapıldı.
Daha sonra Amerika demir ve çelik enstitüsü (AISI,
American Iron and Steel Industry) tarafından benzer bir
sistem adapte edildi.
1975 yılında SAE, metal ve alaşımlar için, Birim
Numaralandırma Sistemini (UNS, Unit Notation System)
yayınladı. Bu sistem, diğer malzeme özellikleri için çapraz
referans numaralarını da kapsamaktadır.
UNS, malzemeyi tanımlamak için harf kullanır. Örneğin
karbon ve alaşım çelikleri için G, alüminyum alaşımları için
A, bakır esaslı alaşımlar için C, paslanmaz veya
korozyona dayanıklı malzemeler için S ön ekleri kullanılır.
Bazı malzemelerin bu şekilde tanımlanması konusunda
henüz fikir birliğine varılamamıştır.
X X X X İlk iki rakam çeliğin ait olduğu alaşım grubunu,
son iki rakamda karbon miktarını yüzde olarak verir.
SAE ve AISI çelik
norm ve
simgeleri
WX : Suda sertleşebilen takım çelikleri örnek; W1, W3 gibi
PX : Kalıp çelikleri, örnek; P1, P5, P20 gibi
OX: Yağda sertleşebilen soğuk iş takım çelikleri, O1, O3 gibi
AX : Havada sertleşebilen soğuk iş takım çelikleri, A2, A4 gibi
DX : yüksek karbon ve kromlu soğuk iş takım çelikleri, D2, D3 gibi
TX: tungstenli yüksek hız çelikleri, T2, T4 gibi
MX : molibden içeren yüksek hız çelikleri, M7, M44 gibi
H1X : Kromlu sıcak iş takım çelikleri, H12, H19 gibi
H2X: tungstenli sıcak iş takım çelikleri, H21, H26 gibi
H4X : Molibdenli sıcak iş takım çelikleri, H41, H46 gibi
SX : Şok dirençli takım çelikleri, S2, S4 gibi
LX : Düşük alaşımlı özel amaçlı takım çelikleri, L2, L6 gibi
FX : Diğer özel amaçlı takım çelikleri, F1, F2 gibi
DIN çelik norm ve simgeleri- Çekme dayanımına göre
Sanayileşmenin başladığı yıllarda çelik kelimesinin almanca
karşılığının kısaltması çelik simgesi olarak kullanılmaya
başlanmıştır, Çelik, Almanca Stahl (St). St halen alaşımsız
genel yapı çeliklerini tanımlamada kullanılır. St den sonra
çeliğin çekme dayanımı (kg/mm²) yazılır. Çeliğin üretim
metoduna göre aşağıdaki harfler çeliğin simgesine ilave
edilir.
M: Siemens martin ocağında üretilen çelik,
E: Elektrik ark ocaklarında üretilen çelik,
U: Kaynar çelik
R: Durgun çelik
Örnek; ER St 42; elektrik ark ocaklarında elde edilen,
çekme dayanımı 42 kg/mm² olan durgun çelik
DIN çelik norm ve simgeleri- Çekme dayanımına göre
Örnek : St33
En az 33 Kg/mm2 ’lik çekme dayanımına sahip olan çeliği
tanımlar.
Aynı çelik TS 2162 de Fe33 olarak gösterilir.
Euro norm (EN)’da ise çekme dayanımı yerine N/mm2
olarak akma dayanımı sınırı verilmektedir.
Örneğin yukarıdaki çelik Fe 310-0 olarak gösterilmektedir
DIN çelik norm ve simgeleri- Çeliğin kimyasal analizine göre
a) Karbon çelikleri
‘C’ ön harfi ile tanımlanır. Sonraki sayılar, ortalama yüzde
karbon miktarının yüz katını gösterir (%CX100).
Karbon çeliklerinde doğal olarak bulunan katkı
elementlerinin kabul edilebilir % masimum miktarları
Si
Mn
P
aşağıda verilmiştir.
%maksimum
KULLANIM ALANLARI
0.05
0.08
Fosfor (P) maks.
0.060
Kükürt (S) maks.
C
Genel amaçlı kaliteli karbon çelikleri
0,060
0,060
Ck
Genel amaçlı vasıflı karbon çelikleri
düşük P ve S lü
0,035
0,035
Cm
Kükürt miktarı belli sınırlar içinde olan
ıslah edilebilir karbon çelikleri
0,035
0,035
Cq
Soğuk şekillendirilebilir karbon çelikleri
0,035
0,035
Cf
Alevle ve endüksiyonla yüzeyi
sertleştirilebilir karbon çelikleri
0,025
0,035
S
0.060
Örnekler:
C45 : En fazla %0,60 P ve S ihtiva eden ve ortalama C
miktarı %0,45 olan genel amaçlı karbon çeliğidir.
Cq35 : En fazla %0,035 P ve S ihtiva eden ve C miktarı
%0,35 olan soğuk şekillendirilebilir karbon çeliğidir.
EN standartlarında ise bu özellikleri belirlemek için
kullanılan harfler rakamlardan sonraya alınmış ve harflerin
anlamları değişmiştir:
E: Kükürt oranı S ≤ %0,035 olan soy çelik. Örnek: C45E
R: Kükürt oranı alttan da sınırlandırılmış (S ≤ %0,020-0,04 )
soy çelik. Örnek: C45R
G: Alevle ve indüksiyon ile sertleştirmeye uygun soy çelik.
Örnek: C45G
C: Soğuk şekillendirmeye uygun kalite çeliği veya soy çelik.
Örnek: C22C
D: Tel çekmeye uygun kalite çeliği veya soy çelik. Örnek:
C20D
S: Yay yapımına uygun soy çelik. Örnek: C62S
W: Kaynak teli olarak ön görülmüş kaliteli veya soy çeliği.
Örnek: C10W
b) Düşük alaşımlı çelikler :
Alaşım elementlerinin ağırlık olarak toplam miktarı  %5
olan çeliklerdir.
Bu çeliklerin kısa işaretindeki ilk rakam ortalama
%CX100’dür.
Sonra alaşım elementlerinin sırasıyla sembolleri ve
miktarları verilir.
Alaşım elementlerinin miktarları belli bir katsayıyla
çarpılarak yazılır. Bunlar;
ALAŞIM ELEMENTLERİ
ALAŞIM İÇİN
KULLANILAN ÇARPAN
Krom (Cr), Kobalt (Co), Manganez (Mn),
Nikel (Ni), Silisyum (Si), Wolfram (W)
4
Alüminyum (Al), Bakır (Cu), Niyobyum (Nb), Kurşun (Pb)
Titanyum (Ti), Zirkonyum (Zr), Molibden (Mo),
Tantalyum (Ta), Vanadyum (V)
10
Karbon (C), Kükürt (S), Fosfor (P), Azot (N)
100
Bor (B)
1000
34 Cr 4 : ort. %0,34 C, %1 Cr içeren çelik
9 S 20 : ort. %0,09 C, % 0,2 S içeren çelik
14 Ni Cr 18 4: ort. %0.14 C, %4.5 Ni, %1 Cr içeren çelik
c1) Yüksek alaşımlı çelikler :
Alaşım elementlerinin ağırlık olarak toplam miktarları %5 den
fazla olan çelikler.
Yüksek alaşımı belirtmek için tüm ifadenin başına ‘X’ işareti
konulmuştur.
Sonraki sayı %CX100’dür. Sonra alaşım elementlerinin
sembolleri ve % miktarları verilir.
-X 20 Cr 13: %0,2 C ve %13 Cr içeren yük. alaş. çelik.
-X5CrNi19 9: %0,05 C, %19 Cr ve %9 Ni içeren yük. alaş.
çelik
-X120 Mn 12: %1.2 C, %12 Mn içeren yük. alaş. çelik
c2) Yüksek alaşımlı çelikler :
Yüksek hız çeliklerinin gösterimi farklıdır.
HS veya S harfinden sonra sırasıyla W, Mo, V ve Co
yüzdeleri verilir. Örnek: S 18-1-2-5.
DIN çelik norm ve simgeleri- Malzeme numaraları
DIN normlarında, kimyasal bileşimleri gösteren simgelerin
dışında bir de malzeme numarası (Werkstoff Nr.) kullanılır.
Burada malzemeyi tanımlamak için 5 haneli bir rakam dizisi
kullanılır.
X.XXXX
Birinci rakam ; malzemenin cinsini gösterir. Çelik için 1,
Demirden ağır metaller için 2, hafif metaller için 3, metal
olmayan malzemeler için 4-8 arası rakam kullanılır.
İkinci rakam ; Çelik türünü gösterir.
Üçüncü rakam ; Çelik türü alt grubunu gösterir.
Son iki rakam ; sıra numarası gösterir. Rakamların
sıralama dışında, çeliklerin belirleyici bir özelliği yoktur.
DIN çelik norm ve simgeleri- Malzeme numaraları
Malzeme numarasına örnekler ;
00 ticari nitelikli çelikler
1.0037 gibi = St 37-2
05 Orta karbonlu çelikler
1.0503 gibi = C 45
07 Otomat çelikleri
1.0736 = 9 SMn 36
20-29 takım çelikleri
1.2080 = X 210 Cr 12
1.2845 = 90 Mn Cr V 8
32-33 hava çelikleri
40-49 paslanmaz çelikler
50-89 makina yapım çelikleri
1.3343
1.4021 = X 20 Cr 13
1.7225 = 42 Cr Mo 4
AFNOR- Fransız Standartları
DIN normlarıda (St) yerine A simgesi kullanılır.
A 37 ; Fransız normunda 37 kg/mm² kopma mukavemeti
olan çeliktir.
Kimyasal analizine göre simgeleme, sistem olarak DIN
normundakine benzer, ancak alaşım elementlerinin
rumuzları farklıdır.
Örnekler ;
C 35
sade karbonlu çelik % 0,35 karbon var
XC 18
ısıl işlemlik çelik
% 0,18 karbon var
35 NC 15 alaşımlı çelik
% 0,35 karbon, %3,7 nikel
ve krom
50 CV 4 alaşımlı çelik
% 0,50 karbon, %1 krom
ayrıca vanadyum var.
BS- İngiliz Standartları
Bu normlarda çelik simgeleri kimyasal analizlerine göre altı
haneli sayı ve sembol sistemi kullanılarak verilir.
XXXXXX
- İlk üç işaret, rakam olarak çelik türü ana grubunu
- Dördüncü işaret, harf olarak çeliğin özelliğini
- Son iki işaret, rakam olarak karbon miktarını ( %C X 100)
belirtir
Çelik türü ana grubu ;
000-199 Karbon çelikleri
200-240 Otomat çelikleri
250-299 Yay çelikleri
300-499 Paslanmaz çelikler – ısıya dayanıklı çelikler
500-999 Alaşımlı çelikler
Genel Yapı Çelikleri
Levha, sac, profil şeklinde çelik kontrüksiyon, bina, köprü,
makina, gemi yapımı gibi yerlerde kullanılan çeliklerdir. St33 ile St-70-2 arasındaki tüm çelikler bu sınıftadır.
Kimyasal bileşim işleme kırılganlığa dayanım ve kaynak
edinebilme yetenekleri bakımından üçe ayrılırlar.
Kalite 1 : Genel amaçlar için kullanılan çeliktir.(St 37-1 gibi)
Kalite 2 : Sınırlı amaçlar için kullanılan çeliktir.(St 37-2 gibi)
Kalite 3 : Özel amaçlar için kullanılan çeliktir. (St 37-3 gibi)
Genel Yapı Çelikleri
GENEL YAPI ÇELİKLERİ
DIN 17100
Karbon Kopma Dayanımı
Akma Dayanımı kg/mm²
miktarı
kg/mm²
%
DIN
Kalınlık
Kalınlık
Sim ge Malz. Nr. yaklaşık < 3 m m 3-100 m m .. 16 m m 16 - 40 40 - 63 63 - 80 80-100
Özellikleri
Simge
St33-2
1.0035
St34-2
St37-2
Ust37-2
1.0037
1.0036
-
33 - 55
29
19
0.15
34 - 42
21
0.20
37 - 45
24
37 - 52
35 - 47
Semente edilebilir, kaynak edilebilir
0.20
St42
0.25
St42-2
0.25
44 - 59
42 - 55
28
27
26
25
24
Genel olarak kaynak edilebilir
St50-2
0.30
50 - 67
48 - 62
30
29
28
27
26
Islah edilebilir
St52
0.20
52 - 62
23
22
21
20
Genel amaçlı boru imalaltına uygun,
semente ve kaynak edilebilir
St37-2
42 - 50
24
18
26
Genel olarak kaynak edilebilir
36
Kaynak edilebilir
St52-3
1.0570
0.20
52 - 69
50 - 64
36
35
34
33
32
Kaynak edilebilir
St60-2
1.0060
0.40
60 - 78
58 - 72
34
33
32
31
30
Serleştirilebilir, Islah edilebilir
St70-2
1.0070
0.50
70 - 91
68 - 84
37
36
35
34
33
Serleştirilebilir, Islah edilebilir
İmalat Çelikleri
Sade karbonlu ve bazı düşük alaşımlı karbonlu çelikler bu
sınıfa girer ve makine yapım çeliği olarak da ifade edilirler.
Yaygın kullanılan imalat çeliklerinden bazıları ;
- SAE 1040 (C 35), Makina - aparat yapımında mukavemet
gerektiren parçaların imalinde, hidrolik silindirlerin piston
millerinde, güç aktaran millerde (preslerin eksantrik mili gibi),
Dişli ve civata imalinde yaygın olarak kullanılır. Sertliği 55
HRC ye kadar çıkabilir, indüksiyonla da sertleştirilebilir.
Kaynak yapmaya pek uygun değildir.
İmalat Çelikleri
Sertleştirilmiş ve menevişlenmiş durumda ( 40 -100 mm
arası )
Çekme mukavemeti Sb = 60 - 70 kg/mm²
Akma mukavemeti Sy = 35 kg/mm²
Sıcak haddelenmiş durumda bu değerler çok değişkenlik
gösterir bu durumda Brinell sertlik değerinden, yaklaşık
çekme dayanımı hesaplanabilir.
Sb = 0,36 HB Alaşımsız çelikler için
Sb = 0,34 HB Alaşımlı çelikler için
İmalat Çelikleri
SAE 1050 (C 45), Makina – aparat yapımında yüksek
mukavemet gerektiren parçaların imalinde, dişli
yapımında, toprak ve kömür sektöründe kırıcı ve kazıcı
parçaların yapımında kullanılır. Genellikle ısıl işlemden
sonra kullanılması daha ekonomiktir. Sertliği yağda 58
HRC, suda 61 HRC ye kadar çıkabilir. Kaynağından
kaçınılmalıdır.
Sertleştirilmiş ve menevişlenmiş durumda ( 40-100 mm
arası )
•Çekme mukavemeti Sb = 66 – 80 kg/mm²
•Akma mukavemeti Sy = 40 kg/mm²
İmalat Çelikleri
- SAE 1060 (C 60), Yüksek zorlama ve aşınmaya maruz
makina parçalarının imalinde, toprak işleme makinelerinin (
pulluk, çapa vb ) yapımında kullanılır. Sertlik değeri 65
HRC den fazladır. Kaynağından kaçınılmalıdır.
Sertleştirilmiş durumda ( 40-100 mm arası )
•Çekme mukavemeti Sb = 79 – 90 kg/mm²
•Akma mukavemeti Sy = 46 kg/mm²
İMALAT ÇELİĞİ-C45-CK45 ISLAH VE SEMENTASYON GRUPLARI
İmalat Çelikleri
DIN NORMU
AÇIKLAMA
ALAŞIM ELEMANLARI
Mn
P
S
Cr
0,60
0,035 0,03
0,90
0,90
1,20
Ç.4140
42CrMo4)
C
0,38
0,45
Si
0,40
Ç.4130
(34CrMo4)
0,22
0,39
0,40
0,60
0,90
0,035 0,03
0,90
1,20
-
Ç.5140
(41Cr4)
0,38
0,45
0,40
0,60
0,90
0,035 0,03
0,90
1,20
-
Ç.8620
0,16
(21NiCrMo2) 0,24
0,15
0,35
0,60
0,90
0,040 0,04
(max.) (max.)
0,40
0,60
0,40
1,00
1,30
0,60
0,90
0,60
0,90
0,60
0,90
1,20
1,50
0,035 0,03
-
-
0,040 0,05
0,80
1,10
-
-
-
0,040 0,05
-
-
-
0,040 0,05
-
-
-
0,040 0,04
-
-
-
Ç.7131
(16MnCr5)
Ç.1040
(C40)
Ç.1045
(C45)
Ç.1050
(C50)
ST52-3
0,14
0,19
0,37
0,44
0,43
0,50
0,45
0,54
0,15
0,20
0,15
0,35
0,15
0,35
0,15
0,35
0,20
0,40
Ni
-
Mo
0,15 İş makinesi paletleri,dişliler,miller ,aks,darbeye dayanıklı
0,30 parçalar ve yüksek basınca dayanıklı ekipman yapımında
kullanılır.
0,15
Aks,dişliler,miller ,darbeye dayanıklı parçalar,iş
0,30 makinaları paletleri,yüksek basınca dayanıklı ekipman
yapımında kullanılır.
Mars ve kovanları,frezeli kayıcı miller yüksek torsiyon
milleri ve kesici takım malafaları yapımında kullanılır.
0,40 0,15
0,70 0,25
Otomobil ve traktör dişlileri vs yapımında kullanılır.
Bütün dişlilerde,şanzıman rediksiyon dişlilerinde, perno
ve mil imalatında kullanılır.
Transmisyon milleri, raylar,dişliler vs yapımında
kullanılır.İndiksüyon ve alevle sertleştirilir.
Dişliler ,kancalar,kazma,kürek,çapa vs yapımında
kullanılır. İndiksüyon ve alevle sertleştirilir.
Cer kancaları ,kazmalar,frezeli miller ve dişli yapımında
kullanılır.
Sanayi ve inşaat sektöründe mukavemet istenen
durumlarda kullanılır.
Sementasyon Çelikleri
Yüzeylerinin sert ve aşınmaya dayanıklı, iç kısımlarının
yumuşak ve esnek olması istenen darbeli zorlamalara
dayanıklı parçaların imalinde kullanılan düşük karbonlu
alaşımsız veya alaşımlı çeliklerdir.
Bu tür çelikler düşük karbon ihtiva ederler (max. %0,25). Bu
nedenle yüzeye karbon emdirilmeden, 850-950 °C ısıtıp
suda veya yağda aniden soğutmakla sertlik almazlar. 850950 °C sıcaklıklarda kolay karbon veren bir ortamda uygun
bir süre tutularak malzemenin dış yüzeyine belirli bir
derinlikte (0 dan 3 mm ye kadar) karbon emdirilir. Bundan
sonra malzeme uygun bir hızla soğutularak sadece dış
yüzeyi sertlik kazandırılır. Sementasyon derinliği malzemenin
sementasyon sıcaklığında tutulma süresine bağlıdır.
Yaygın kullanılan bazı sementasyon çelikleri
•SAE 8620 (21 Ni Cr Mo 2), Yüksek mukavemet gerektiren
dişliler (oto şanzuman dişlileri), burçlar, miller (güç aktaran
zincir milleri) vb. yapımında kullanılır. İhtiva ettikleri alaşım
elementleri nedeni ile en pahalı sementasyon
çeliklerindendir.
•SAE 5115 (16 Mn Cr 5), 8620 ye göre ucuzluğu nedeni ile
daha geniş kullanımı vardır. Dişli çarklar, şanzuman
dişlileri, muylu ve mil, karbon mafsalı (ıstavroz) yapımında
kullanılır.
•SAE 1020 (C 15), En ucuz ve alaşımsız semente çeliğidir.
Fazla zorlamalara maruz olmayan küçük makina parçaları,
manivelalar, burç ve pim yapımı gibi yerlerde kullanılır.
SEMENTASYON ÇELİKLERİ
Simge
DIN
Sim ge
C 10
Ck 10
C15
Ck 15
15
16
20
20
25
15
18
17
21
Malz. Nr.
Kimyasal Analizi (%)
SAE
C
1. 0301
0.07
1010
1.1121
0.13
1.0401
0.12
1015
1.1141
0.18
0.12
Cr 3
1.7015 5015
0.18
0.14
Mn Cr 5
1.7131 5115
0.19
0.17
Mn Cr 5
1.7147 5120
0.22
0.17
Mo Cr 4
1.7321
0.22
0.23
Mo Cr 4
1.7325
0.29
0.12
Cr Ni 6
1.5919 3115
0.17
0.15
Cr Ni 8
1.5920
0.20
0.14
Cr Ni Mo 6 1.6587
0.19
0.17
Ni Cr Mo 2 1.6523 8620
0.23
Si
Mn
0.30
0.60
0.30
0.60
0.40
0.60
1.0
1.3
1.1
1.4
0.60
0.90
0.60
0.90
0.40
0.60
0.40
0.60
0.40
0.60
0.60
0.90
Kopm a
dayanım ı
kg/m m ²
Akm a
dayanım ı
kg/m m ²
Sertlik
Cr
Mo
Ni
V
-
-
-
-
30
50 - 65
131
-
-
-
-
36
60 - 70
140
-
-
-
45
70 - 90
187
-
-
-
60
80 - 110
207
-
-
-
70
100 - 130
217
-
-
60
80 - 110
207
-
-
70
100 - 130
217
-
65
90 - 120
217
80
120 - 145
235
80
110 - 135
229
60
80 - 110
210
0.40
0.70
0.8
1.1
1.0
1.3
0.3
0.5
0.40
0.60
1.4
1.7
1.8
2.1
1.5
1.8
0.35
0.65
0.40
0.50
0.40
0.50
0.25
0.35
0.15
0.25
1.4
1.7
1.8
2.1
1.4
1.7
0.40
0.70
HB
Otomat Çelikleri
Otomat çelikleri, genellikle hızlı talaş alma işleminde
talaşların kırık çıkmasıyla, talaşlı imalat maliyetleri düşük
çeliklerdir.
Bu çelikler çok milli ve revolver torna tezgahlarında yapılan
boyuna ve alın tornalama, diş açma, matkapla delme,
raybalama gibi talaş kaldırma işlemlerine uygun çelikler
olarak tanımlanırlar.
İhtiva ettikleri yüksek kükürt ve fosfor nedeni ile kısa,
kırılgan talaş verirler. İşleme esnasında kesici takım
ömürlerini uzatabilmek için bazı türlerine kurşun ilave edilir.
Yaygın kullanılan Otomat Çelikleri
9 S Mn 36, hidrolik ve pnömatik bağlantı elemanları,
distribütör milleri, somunlar, araç yakıt donanımı
parçalarının seri üretiminde
9 S Mn 28, Otomotiv sanayi için değişik türde bağlantı
elemanları, seri ve süratli üretimlerde. Hassas mekanik
parçalar üreten endüstri kolları ile inşaat sektöründe
35 S 20, 45 S 20, Isıl işlem görmesi gereken otomotiv
parçaları imalinde kullanılır (enjektör milleri, bijon somunu
gibi).
Çelik
%C
%Si
%Mn
%P
%S
%Pb
ISIL İŞLEM UYGULANMAYANLAR
Otomat
Çelikleri
9 S 20
0,13
0,05
0,60
1,2
0,1
0,18
0,25
-
9 SMn 28
0,14
0,05
0,90
1,30
0,1
0,24
0,32
-
9 SMnPb28
0,14
0,05
0,90
1,30
0,1
0,24
0,32
0,15
0,30
9 SMn 36
0,15
0,05
1,00
1,50
0,1
0,32
0,40
-
9 SMnPb 36
0,15
0,05
1,00
1,50
0,1
0,32
0,40
0,15
0,30
SEMENTASYON İŞLEMİ UYGULANANLAR
10 S 20
0,07
0,13
0,10
0,40
0,50
0,90
0,060
0,15
0,25
-
10 SPb 20
0,07
0,13
0,10
0,40
0,50
0,90
0,060
0,15
0,25
0,15
0,30
ISLAH İŞLEMİ UYGULANANLAR
35 S 20
0,32
0,39
0,10
0,40
0,50
0,90
0,060
0,15
0,25
-
45 S 20
0,42
0,50
0,10
0,40
0,50
0,90
0,060
0,15
0,25
-
60 S 20
0,57
0,65
0,10
0,40
0,50
0,90
0,060
0,15
0,25
-
Islah çelikleri
Sertleştirmeye elverişli miktarda karbon ihtiva eden ıslah
işlemi sonunda dayanımları artan alaşımlı veya alaşımsız
makina imalat çelikleridir.
Islah çelikleri, ıslah işlemi yapmadan kullanmak ekonomik
değildir. Burada Islah işlemi, sertleştirme ve müteakiben
menevişleme işleminin kısa ifade edilişidir.
Islah işlemi sonunda kazandıkları üstün mekanik
özelliklerden dolayı, çeşitli şiddette değişen yüklerde
yorulmaya maruz makina ve motor parçaları, dövme
parçalar, krank mili, biyel, rot-rotil, aks, bijon civataları gibi
otomotiv endüstrisinde önemli parçaların imalinde
kullanılmaktadır.
ISLAH ÇELİKLERİ (ÇOK KULLANILANLARI)
Simge
DIN
Sim ge
C 35
Ck 35
C 45
Ck 45
Malz. Nr.
1.0501
1.1181
1.0503
1.1191
SAE
1045
1050
C 55
C 60
1. 0601
1060
46 Cr 2
1. 7006
5045
34 Cr 4
5130
41 Cr 4
1. 7035 5140
25 Cr Mo 4
1. 7218 4130
42 Cr Mo 4
1. 7225 4140
34 Cr Ni Mo 6 1. 6582 4340
50 Cr V 4
1. 8159 6150
C
Si
Mn
0.32
0.39
0.42
0.50
0.52
0.60
0.57
0.65
0.42
0.50
0.30
0.37
0.38
0.45
0.22
0.29
0.38
0.45
0.30
0.38
0.47
0.55
0.15
0.35
0.15
0.35
0.15
0.35
0.15
0.35
0.15
0.40
0.15
0.40
0.15
0.40
0.15
0.40
0.15
0.40
0.15
0.40
0.15
0.40
0.50
0.80
0.50
0.80
0.60
0.90
0.60
0.90
0.50
0.80
0.60
0.90
0.50
0.80
0.50
0.80
0.50
0.80
0.40
0.70
0.70
1.10
Cr
Mo
Ni
V
-
-
-
-
-
0.40
0.60
0.90
1.20
0.90
1.20
0.90
1.20
0.90
1.20
1.40
1.70
0.90
1.20
Kopma Dayanımı kg/mm²
kalınlık
…16
17..40
-
44
38
33
-
-
-
51
44
38
-
-
-
-
56
51
44
-
-
-
-
59
53
46
-
-
-
-
66
56
41
-
-
-
-
71
60
47
-
-
-
-
81
67
57
-
-
71
61
46
41
-
91
76
66
56
-
101
91
81
71
0.10
0.20
91
81
71
66
0.20
0.30
0.15
0.30
0.15 1.40
0.30 1.70
-
41..100 101..160
Akma Dayanımı kg/mm²
kalınlık
…16
17..40
64
80
71
86
81
96
86
100
91
112
91
112
112
122
91
112
112
132
112
142
112
132
61
76
66
81
76
91
81
96
81
96
81
96
91
112
81
96
101
122
112
132
101
112
41..100 101..160
56
71
64
79
71
86
76
91
66
81
71
86
81
96
71
81
91
112
101
112
91
112
66
81
81
96
91
112
86
101
Takım Çelikleri
Çeşitli metal veya metal olmayan (plastik, cam vb.)
malzemeden yapılacak parçaların şekillendirilmesinde
kullanılan aşınma dayanımları yüksek (genelde) alaşımlı
çeliklerin genel adıdır.
Yüksek karbonlu alaşımsız çeliklerde bazen ucuzluğu
nedeni ile takım çeliği olarak kullanılırlar.
Takım Çelikleri
Takım çeliklerinin çeşitli sınıflandırma metotları
Kullanılan su verme ortamına göre: suda sertleşen
çelikler, yağda sertleşen çelikler ve havada sertleşen
çelikler gibi.
Alaşım içeriğine göre: karbon takım çelikleri, düşük
alaşımlı takım çelikleri, orta alaşımlı takım çelikleri gibi.
Uygulama alanına göre: sıcak iş çelikleri, şok dirençli
çelikler, yüksek hız çelikleri ve soğuk iş çelikleri gibi.
Takım Çelikleri
Soğuk İş Takım Çelikleri
200°C dereceyi aşmayan sıcaklıklarda, daha çok
şekillendirme, sac kesme kalıplarının yapımında kullanılan
çeliklerdir.
Bazı türleri, talaşlı imalat takımları yapımında da
kullanılabilmektedir.
Birçok çelik türünde olduğu gibi, bu çeliklerde de sertlik ve
tokluk aynı anda olsun istenir. Fakat, bu iki özelliğe aynı
anda yeterince sahip bir çelik türü yoktur. Bu nedenle,
kullanım yerine göre bazı çeliklerin tokluğundan fedakarlık
edilerek sertlik özelliği ön plana çıkar. Bazılarında ise tersi
olur. Yüksek karbonlu türlerinde sertlik (aşınma) özelliği iyi,
düşük karbonlu türlerinde tokluk (esneklik) özelliği iyi.
Takım Çelikleri-Soğuk İş Takım Çelikleri
Malz.
No
DIN
AISI
Çalışma
Sertliği
Kullanım Alanı
1.2379
X 155 CrVMo 12 1
D2
58-62 HRC
soğuk şekil verme kalıplarında, soğuk
zımbalarda kullanılır.
1.2436
X 210 CrW 12
D6
59-63 HRC
derin çekme kalıpları, sıvama kalıpları,
zımbalar, kesme bıçakları, aşındırıcı tozları
presleme kalıpları
1.2550
60 WCrV 7
S1
56-59 HRC
Darbe çeliği olarak bilinir. soğuk delik açma
zımbalarında, ağaç işleme ve yontma
bıçaklarında, basınçlı hava ile çalışan
keskilerde, desen kalıplarında, soğuk makas
bıçaklarında
1.2210
115 CrV 3
--
60-62 HRC
Civa çeliği olarak bilinir. İtici pimler, delme
zımbaları, kılavuz pimleri, burgulu matkaplar,
kılavuzlar ve dişçi matkaplarında
1.2080
X210Cr12
D3
65 HRC
İyi kesme kabiliyeti, iyi aşınma dayanıklılığı,
ölçü ve şekil sabitliği vardır. Isıl işlemde en az
şekil ve ölçü değiştiren takım çeliklerindendir.
Takım Çelikleri
Sıcak İş Takım Çelikleri
Metal ve metal dışı malzemelerin 200°C derecenin
üzerindeki sıcaklıklarda şekil verilmesinde kullanılan çelik
türleridir.
Bu tür çeliklerin önemli özellikleri;
Çalışma sıcaklığında sertliğin kaybedilmemesi, (krom,
molibden, volfram ve vanadyum bu özelliği sağlayan
alaşım elementleridir.)
Darbeli çalışan döğme kalıplarında tokluk önemlidir.
(nikel, sıcak iş çeliklerinde tokluğu arttıran bir elementtir.)
Isınma soğuma çatlaklarına karşı dayanım
Takım Çelikleri-Sıcak İş Takım Çelikleri
Malz.
No
DIN
AISI
Çalışma
Sertliği
Kullanım Alanı
1.2714
56 NiCrMo V 7
L6
36-57 HRC
1270-1770 Mpa kullanıma dayanımlı. Demir ve
çelik dövme kalıpların imalatında (bilhassa
şahmerdan gibi hızlı vuran kalıplarda)
1.2344
X 40 CrMoV 5 1
H13
30-54 HRC
Hafif metallerin enjeksiyon kalıplarında, dövme
kalıpları ve çekirdekleri, ekstrüzyon kalıpları,
sıcak kesme bıçakları, aşındırıcı plastiklerin
kalıplarında
1.2365
X 32 CrMoV 3 3
H10
30-50 HRC
Bakır ve pirinç gibi metallerin ekstrüzyon
presinde , gömlek (kovan),
baskı mili ve zımbası, sıcak dövme kalıplarının
çekirdeklerinde, metal enjeksiyon kalıplarında,
sıcak olarak civata somun vs. imalatında
1.2713
55NiCrM0V6
32-55 HRC
830-1370Mpa kullanım dayanımlı her türlü
kalıplar, civata ve somun üretiminde tarak,
şişirme ve delme takımları.
Takım Çelikleri
Yüksek Hız Çelikleri (HSS)
HSS rumuzu ile de tanınırlar (Hoch Schnell Stahl).
1200°C dereceye ısıtılıp havada soğutularak 63-67 HRC
sertliğine erişirler, hava sertleştirilmelerinden dolayı
dilimizde hava çeliği olarak yerleşmiştir.
Genellikle yüksek miktarda W ve Mo ile Cr, V ve Co
içerirler. C içeriği %0,7-1,0 arasında olmasına rağmen bazı
tiplerde %1,5’e kadar çıkabilir.
Takım Çelikleri
En önemli özellikleri, yüksek sıcaklıklarda aşınma
dirençlerini korumalarıdır. En pahalı çelik türüdür.
Mo esaslı (M Grubu) ve W esaslı (T Grubu) olmak üzere iki
alt gruba ayrılır.
En yaygın kullanılan tungsten esaslı 18-4-1 (T1) olarak
bilinir ve sırasıyla rakamlar W-Cr-V’ u % olarak gösterir.
Mo çelikleri fiyat olarak biraz daha ucuzdur. Yüksek hız
çeliklerinin %80’i Mo tipi olarak üretilir.
Takım Çelikleri
Daha iyi yüksek sıcaklık sertliği istendiğinde Co içerikli
çelikler tavsiye edilir.
Yüksek abrasif aşınma direnci istendiğinde ise yüksek W’lu
çelik daha uygundur.
T15 çeliğinde yüksek Co ve W bulunur. Bu her iki alaşım
elementi hem yüksek sıcaklık sertliği hem de abrasyon
direnci sağlar.
Takım Çelikleri
Sert ısıya dirençli bir matriks içinde birçok aşınma dirençli
karbürün bulunması bu çelikleri kesici takım uygulamaları
için uygun yapmaktadır.
Bu malzemeler, genel olarak, talaş kaldırma takımlarının
imalinde kullanılır. (Matkap, rayba, klavuz, torna kalemleri
vb.) W ve Mo yüksek hız çelikleri matkaplar, raybalar,
broşlar, hadde kesicileri, testereler ve ağaç işleme aletleri
gibi birçok kesici takımlarda kullanılmaktadır.
Takım Çelikleri-Yüksek Hız Çelikleri (HSS)
Malz.
No
DIN
AISI
Çalışma
Sertliği
Kullanım Alanı
1.3343
S 6-5-2
M2
64-69 HRC
Rayba, spiral matkap, raptiye, tornalama
ve boşaltma takımları.
1.3243
S-6-5-2-5
M35
64-69 HRC
Fazla zorlanan matkap, yüksek güçlü
freze, torna kalemi.
1.3202
S 12-1-4-5
T15
64-69 HRC
Çok aşındıran malzemelerde
1.3246
S 7-4-2-5
M41
64-69 HRC
Spiral matkap, freze, rayba.
1.3344
S 6-5-3.
M3
64-69 HRC
Fazla zorlanan raybalar, yüksek aşınma
dirençli tığlar
1.3355
S 18 0 1
T1
64-69 HRC
Matkaplar, vida açma takımlan,
freze çakıları, kağıt delme zımbalan
1.3255
S 18-1-2-5
T4
64-69 HRC
Yüksek kesme gerektiren yerlerde.
Yay çelikleri
Esnek oluşları nedeni ile yay imaline elverişli çeliklere
verilen genel adıdır. Bu çeliklerin esneklik sınırı yani
akma noktaları yüksektir.
Yayların, bası, çeki ve burulma gibi çalışma şekilleri, yay
malzemesinin seçiminde etkin rol oynar. Yay çelikleri
kimyasal bileşimlerine göre genel olarak aşağıdaki şekilde
gruplandırılır ;
% 0,50 - % 1,00 arası karbon içeren alaşımsız çelikler
Si, Cr, Mn, V ihtiva eden alaşımlı yay çelikleri
Yay çelikleri
Sık aralıklarla şekil değiştiren yay, yüzeyindeki mikro çatlak
ve kusurlardan dolayı ve bünyesindeki istenmeyen
kalıntılardan dolayı metal yorulması olarak adlandırılan olay
sebebiyle kısa sürede kırılabilir.
İnce kesitli yaylar soğuk, kalın kesitli yaylar sıcak olarak
şekillendirilirler.
Şekillendirmeden sonra yay çelikleri sertleştirilir ve
temperleme yapılır. Temperleme, sertleştirmeden hemen
sonra yapılmazsa sertleştirme çatlakları oluşur. Mikro
çatlaklar yayın kısa sürede kırılmasına sebep olur.
YAY ÇELİKLERİ (ÇOK KULLANILANLARI)
Yay çelikleri
Simge
DIN
Sim ge
Malz. Nr.
SAE
C55
1060
Ck 67
1070
Ck 85
1080
55 Si 7
9255
60 Si 7
9260
60 Si Cr 7
9262
65 Si 7
7265
67 Si Cr 5
9261
55 Cr 3
5155
50 Cr V 4
6170
46 Si 7
9250
9245
C
Si
Mn
0.50
0.60
0.62
0.72
0.80
0.90
0.52
0.60
0.56
0.64
0.55
0.65
0.60
0.68
0.62
0.72
0.52
0.59
0.47
0.55
0.42
0.50
0.15
0.35
0.25
0.50
0.15
0.35
1.5
1.8
1.8
2.20
1.5
1.8
1.5
1.8
1.20
1.40
0.15
0.40
0.15
0.35
1.50
1.80
0.60
0.90
0.60
0.80
0.45
0.65
0.70
1.0
0.70
1.0
0.70
1.0
0.70
1.0
0.40
0.60
0.70
1.0
0.80
1.10
0.50
0.80
Akma
Çekme
Dayanımı Dayanımı
Kullanıldığı Yerler
Cr
Mo
Ni
V
-
-
-
-
108
177 - 168 Soğuk haddelenmiş yaylı çelik
-
-
-
-
130
-
-
-
-
120
-
-
-
-
110
130 - 150
-
-
-
-
-
-
0.20
0.40
-
-
-
115
135 - 160 Otomakas Yayları
-
-
-
-
110
130 - 150
-
-
-
135
-
-
-
118
132 - 172 Otomakas Yayları
-
-
0.07
0.12
120
135 - 170
-
-
-
110
130 - 150 Lama kesitli helisel yaylar
0.40
0.60
0.60
0.90
0.90
0.12
-
kg/m m ²
kg/m m ²
7 mm den ince yaprak yay
yapımında
Soğuk haddelenmiş yaylı çelik
7 mm den kalın yaprak yay
yapımında
40 mm den küçük torsiyonel
150 - 170
helisel yay, valf yayları
Yüksek zorlanmalara maruz
torsıyon ve helisel yaylar
Yay Çeliklerinin Günlük Hayatta Kullanım Yerleri
1. Kuvvet Ve Basınç Ölçümünde Kullanılan Yaylar
Baskı yoluyla enerji depolama, basınç ile ilgili kuvvetlere
mukavemet gösterme ve kuvvet sağlama gibi özellikler için
kullanılan yaylar baskı yayları olarak adlandırılır.
Sanayide en çok kullanılan
yuvarlak telden uçları kapalı olarak
sarılmış yaylardır. Bazı baskı yayları
baskı yaptıkları yüzeylere dik oturması
amacıyla yüzeyleri taşlanır.
En çok kullanılan baskı yayı
çeşitleri düz ve konik tipli yaylardır.
2. Hareketlerin Kontrol Ve İletiminde Kullanılan Yaylar
Çekme yayları yay ekseni yönünde
uygulanan kuvvet ile çekme
prensibine göre çalışırlar.
Çekme yoluyla enerji depolama,
kuvvet sağlama, kuvvetlere
mukavemet gösterme gibi özellikler
için kullanılır. Genel olarak yuvarlak
telden bitişik sarımlı yapılan bu
yaylar çekme yayları olarak
adlandırılır. Bu tür yayların uç
kısımları kullanım yerlerine göre
değişik şekilde yapılabilir.
3. Sürekli Kuvvet Bağı Oluşturmada Kullanılan Yaylar
Bu tür yaylara torsiyon yayları da denilmektedir.
Genel olarak bir kuvvet uygulamak veya enerji depolamak
için kullanılırlar. Bu tür yaylar yay çapı küçülecek yönde
çalıştırılırlar. Aksi halde yay uygulanan kuvvet neticesinde
deforme olur ve kullanılamaz.
Tek Kollu Torsiyon
Yayları
Çift Kollu Torsiyon
Yayları
Yüksek Karbonlu Yay Çelikleri
Genel amaçlı çalışmalar için bu yay çelikleri yay
tasarımcıları için en iyi seçimdir. Aynı zamanda yay
tasarımcılarının seçebileceği mukavemetli malzemelerdir.
Yay telleri sıcak hadde çubuklarından, karbür kalıplardan
soğuk çekilerek üretilir
2 mm’ den daha az boyutlardaki yaylar için standartta
verilen SAE J271 özel kalite soğuk çekilmiş karbon çeliği
en mukavemetli olanıdır.
Yüksek Karbonlu Yay Çelikleri
Yağda temperlenmiş SAE J316 karbon çeliklerinde ise
temperleme sonucu elde edilen martenzitik yapı sabit veya
değişken yükler karşısında yumuşama yani gevşemeye
karşı daha dirençlidir. Bu çelikler hassas şekil vermeye de
daha uygundur.
Bu gruptaki J113 soğuk çekilmiş teller, yağda
temperlenen J316 çeliğinden daha fazla deformasyona
dayanırlar. Ayrıca soğuk çekilmiş teller, statik yükler, düşük
gerilimler ve gerilme tekrarının az olduğu yerlerde
kullanılırlar.
Alaşımlı Yay Çelikleri
Bu malzemeler tavlanarak çekilir ve daha sonra yüksek
mukavemet elde etmek için tel üreticileri tarafından sertleştirilir.
Bunlar 2 mm boyutun üzerindeki soğuk çekilmiş
malzemelerden daha mukavemetlidir. Bu malzemelerin
mekanik özellikleri sertleştirme prosesinde elde edilir.
Düşük alaşımlı veya ön sertleştirme yapılmış ve
temperlenmiş karbon çelikleri mükemmel statik ve dinamik
özelliklere sahiptir ve 230 oC’ ye kadar ki sıcaklıklarda
çalışabilirler.
Fakat yüzey işlem görmez ise kolayca aşınabilir. Si–Cr (
J157 ) veya Cr–V en yaygın kullanılanlar arasındadır.
Paslanmaz Yay Çelikleri
Paslanmaz yay çelikleri, korozyona dayanıklı, şekil
değiştirme kabiliyeti yüksek olan çeliklerdir ve normal yay
çeliklerine göre daha yaygın kullanılırlar.
Bu çelikler içerisinde en az %16 Cr ve %6,5 Ni
bulunmaktadır.
Ayrıca bu çelikler soğuk şekillendirme ve ısıl işleme tabi
tutulan çeliklerdir. Paslanmaz çeliklerinin mekanik
özelliklerine ve korozyon direncine göre çok değişik
çeşitleri vardır.
Bakır Alaşımlı Yay Çelikleri
Yüksek elektrik ve ısı geçirgenliği istenen ve çok iyi
atmosferik direnç gerektiren yerlerde kullanılır. Üç adet
alaşımı vardır. fosfor bronzu, berilyum bakır ve pirinç.
Fosfor bronzu ve pirinç malzemeler mekanik özelliklerini
soğuk çekim işleminden kazanır.
İçerisinde yüksek miktarda kalay bulunan fosfor
bronzunun çekme mukavemeti oldukça yüksek ve elektrik
iletkenliği iyidir. Bu sebeple en yaygın kullanılan bakır
alaşımıdır.
Bakır Alaşımlı Yay Çelikleri
Berilyum bakır çökelme sertleşmesine sahip bir
malzemedir.
Haddelemedeki ısıl işlem miktarına bağlı olarak değişik
sertliklere sahip olabilir. Ayrıca en pahalı bakır alaşımıdır.
Fakat sertleştirilebildiği gibi diğer bakır alaşımlarına
nazaran daha büyük gerilme ve yorulma direncine sahiptir.
Ayrıca manyetik özellikleri yoktur.
Nikel Alaşımlı Yay Çelikleri
UNS N06600 (%75 Ni ve %16 Cr ) malzemelerin
yüksek sıcaklıklarda oksidasyon dirençleri ve
mukavemetleri oldukça iyidir. Soğuk çekildiklerinde
çekme mukavemetleri de oldukça yükselir.
Bir Cu–Ni alaşımı olan UNS N04400 ise yüksek
mukavemete ve sünekliğe sahip olmakla birlikte asit ve
alkalilere dirençlidir. Özellikle deniz suyu gibi tuzlu su
ortamlarına ve hafif yüklemelere karşı çok ideal bir
malzemedir.
Spring rate: Bir yayın yumuşaklık veya sertlik
karakteristiğini belirtmek için, üzerine uygulanan belli bir
miktar (x gr.) ağırlık sonucu belli bir mesafe (y mm) kadar
azalır şeklinde açıklanan orandır. g/mm veya lbs/inch
olarak ifade edilir. Örn: 345 g/mm, 480 g/mm
Normal (lineer) yaylar: Üzerine uygulanan ağırlıkta hep aynı
miktar kısalan yaylar
Step lineer yaylar: Çift sertlikli yaylar olarak düşünebilir.
Bu tip yaylar normal yay ile progressive yay arasıdır. Step
Linear yaylarda baklaların yarısının arası birbirine daha
yakınken diğer yarısının aralıkları farklıdır. Yani, step linear
yaylar çift spring rate’e sahip yaylardır.
Progressive yaylar: Değişken spring rate’e sahip
yaylardır. Progressive yaylarda Her bir baklanın aralığı
birbirinden farklıdır. Bunun sonucu olarak yol tutuşta,
zıplamalarda, frenlemede en iyi performansı gösteren
yaylardır. Progressive yaylarda, yaya uygulanan her fazla
baskıda (ağırlıkta) yay bu baskıya daha fazla sertleşerek
karşılık verir
Yaprak yaylar
Yaprak yaylarda çeliğin kalitesi yay kesitinin tümünde
martenzit olabilecek özellikte olmalıdır.
Islah edilerek kullanılır.
Darbe ve dayanım kombinasyonu temper martenzit
mikroyapısı ile elde edilir.
Otomobillerde ince taneli ıslah çeliği kullanılmalı
Yaprak yaylar için kullanılan çelikler;
AISI 9260, 4068, 4161, 6150, 8660, 5160
Kalınlığa bağlı olarak tavsiye edilen çelikler
Kesit kalınlığı 8.2 mm için AISI 5160
Kesit kalınlığı 15.9 mm için AISI 5160H
Kesit kalınlığı 36.6 mm için AISI 51B60H
Yaprak yaylar
Yaprak yayların tipik mekanik özellikleri;
Çekme mukavemeti
1310-1690 MPa
Akma sınırı
Kopma uzaması
Kopma büzülmesi
Sertlik
1170-1550 MPa
% 7 (min.)
%25 (min.)
42-49 HRC
Yaprak yaylar
Yaprak yaylar çok değişik şekil
alabilen, eğilme yükü ile yüklenmiş
küçük elastik kirişler olup
malzemeyi eğmeye çalışırlar.
İki ucundan basitçe tesbit edilmiş
yatay bir elastik kiriş parçası
merkezi olarak (F) kuvvetiyle
yüklenirse (Şekil-III) kirişte
meydana gelen "elastik
Sapma’’ (sehim) miktarı;
4 FL3
 
4 Ebt 3
Yaprak yaylar
Şekilde görüldüğü gibi
merkezde nötral eksen
boyunca kirişteki gerilme sıfır
olup, kirişin yüzeyinde
maksimumdur.
Çünkü eğme momenti
buralarda maksimumdur.
Maksimum yüzey gerilmesi;
σyg,max= 3FL/2bt2
Yaprak yaylar
(F) 'i elimine etmek için bu ifade ilk denklemde yerine
konursa aşağıdaki eşitlik elde edilir;
6 δt /L2 < σ ad/E
Bu eşitliğe göre, kullanım sırasında sapma gösteren bir
yayda kalıcı şekil değişiminin meydana gelmemesi için
σ ad / E 'nin yeteri kadar büyük olması gerekir.
En iyi yaylar σ ad / E oranı yüksek olan malzemelerden
yapılır. Bu sebeple yay malzemelerinde katı eriyik
sertleştirmesine ilaveten deformasyon sertleştirmesiyle
mukavemet artışı sağlanır
Yaprak yaylar
Bir yay malzemesinin kullanımında, başarı sağlanabilmesi
için kalıcı bir şekil değişikliği olmamalı, malzeme daima
eski haline dönebilmelidir.
Bunun için gerekli olan şart maksimum gerilme hali olup,
bu değer daima akma gerilmesinden daha küçük
olmalıdır.
Tavlama herhangi bir yay malzemesinde deformasyon
sertleştirmesi etkisini yok edecek ve bu malzemenin
kullanımını sınırlayacaktır.
Yaprak yaylar
Yay kontrollü bir debriyaj için yay seçimi örneğini ele
alalım; Bu yay için tasarımla tespit edilmiş boyutlar,
t=2 mm L= 127 mm ve δ<6,35 mm şeklindedir.
Bu durumda böyle bir yay için hangi malzemenin
kullanılabileceği denklemden yararlanılarak belirlenebilir :
Yaprak yaylar
Malzeme
E (GPa)
σad (MPa)
M= σad2 /E
(MJ/m3)
Pirinç (soğ. Had.)
105
638
6.079x10-3
Bronz (soğ. Had.)
105
640
6.09x10-3
Fosfor bronzu
105
680
6.48x10-3
Berilyum-Bakır
130
1380
10.615x10-3
Yay çeliği
205
1450
7.07x10-3
Pas.çelik (soğ. Had.)
200
1400
7x10-3
Inconel
215
1070
4.97x10-3
Yaprak yaylar
Bulunan bu değer itibarıyla Tabloya bakıldığında en uygun
malzemenin yay çeliği olduğu görülür çünkü aynı zamanda
ucuz bir malzemedir.
Ancak yine de bir güvenlik katsayısına ihtiyaç vardır.
Tüm metaller içinde en iyi güvenlik faktörünü BerilyumBakır alşımları verir.
Bu alaşımlar 10.6x10-3 değerinde σ ad / E oranına sahip
olan pahalı malzemelerdir.
Vasıtalarda büyük sapma ve büyük kuvvet gerektiren
yerlerde kullanılan asma yaylar için Berilyum-Bakır
alaşımları yaygınca kullanılmaktadır.
Yaprak yaylar
Birkaç yaprak yaydan oluşan yay sistemi de tasarım
açısından başka bir alternatiftir, malzemenin akma
göstermeksizin büyük "elastik sapma" (sehim) sağlaması
açısından (t) değeri küçük seçilebilir.
Fakat, (t)'nin küçük olmasından dolayı yük taşıma
kapasitesi de küçük olacaktır. Yük taşıma kapasitesini
arttırmak amacıyla birkaç yapraktan oluşan bir tasarım
uygulanır.
Yaylar için sadece Tabloda verilen metalik malzemeler
değil, metal dışı bazı malzemeler de kullanılabilir.
Yaprak yaylar
58x10-3 kadar büyük bir σ ad / E oranına sahip cam veya
ergimiş silika, çarpmaya maruz kalmayacakları çalışma
şartlarında iyi sonuçlar verebilir.
22x10-3 σ ad / E oranına sahip nylon, düşük yükler altında
kullanıldığında çok iyi sonuç verdiğinden oyuncaklarda ve ev
eşyaları yapımında yaygın olarak kullanılır.
Günümüzde ağır vasıtalar için kullanılan yaprak yaylar,
Cam Fiber Takviyeli Polimer Malzemeler (GFRP)'den
üretilebilmektedir ve bunların σ ad / E oranı 6x10-3 olup yay
çeliğine benzer özellikler gösterir. Maliyetleri yüksek olmasına
karşın hafif olmalarından dolayı tercih edilirler.
Kalıp Çeliği Seçimi
İmâlat mühendisliğinin ana sorunlarından birisi de
metal şekillendirmede kullanılan kalıp çeliklerinin seçimi
ve bunlarla ilgili ısıl işlemlerdir.
Kalıp malzemelerinin öncelikle çelik olacağını kabul
edersek kalıp çeliklerinde aşağıdaki belli başlı karakterler
aranır.
Uniform olarak sertleşebilirle özelliğine sahip olmalıdır.
Dövülen sıcak metalin meydana getireceği aşındırıcı
etkilere karşı dayanıklı olmalıdır.
Yüksek basınca ani yüklemelere karşı dayanıklı
olmalıdır.
Isı farklarından dolayı olabilecek çatlama ve gerilmelere
dayanıklılık.
Kalıp malzemeleri ve kalıp parçaları seçiminde çeliklerin
cinsine ve sertlik özelliklerine aşağıdaki faktörler etkilidirler.
1. Dövülecek parçanın, şekil, biçim ve ağırlığı
2. Dövülecek parçanın kompozisyonu
3. Dövme sıcaklığı
4. Dövülecek parça adedi
5. Dövücünün cinsi (çekiç veya press)
6. Fiat
7. Kalıp malzemesinin kalıbın, sertleştirilmeden evvel
ve sonra uğrayacağı talaş kaldırma işlemleri.
8. Dövülme toleransları
9. Tecrübe ve bu işe benzer çalışmalardaki alışılmış problemler
10. Yardımcı alet ve cihazların bulunabilirliği.
Çeşitli Metallerin Tipik Dövülme Sıcaklıkları
Magnezyum Alaşımları
Alüminyum Alaşımları
Bakır Alaşımları
Takım Çelikleri
Paslanmaz ve Isıya Mukavim
Alaşımlar
Karbon ve Alaşım Çelikleri
370 – 400 °C
427 - 430°C
816 - 820°C
1038 -1040°C
1150°C
1261°C
Plastikler için Kalıp Çeliği Seçimi
Plastik hacim kalıpları için malzeme seçimine etki eden
başlıca faktörler:
1) Kalıplanacak plastik tipi.
8) Korozyona direnç.
2) Kalıplama yöntemi.
9) Termal iletkenlik.
3) Kalıplanacak parçanın
10) Tokluk veya güçlülük.
dizaynı.
Kalıp imalatı ile ilgili faktörler:
4) Kalıplanacak parçanın
11) Sertleşebilme kabiliyeti.
dizaynı.
12) Isıl işlemde boyutsal
5) Maliyet.
denge.
Kalıp malzemesi ile ilgili
13) İşlenebilme.
faktörler:
14) Kaynak yapılabilme.
6) Mekanik dayanımı.
15) Parlatılabilme kabiliyeti.
7) Aşınma dayanımı.
16) Temin edebilme.
Çoğu plastikler, aşağıda belirtilen dört malzeme grubunun
birisinden yapılarak üretilir.
1) Hazır sertleştirilmiş çelikler. (32-36 HRC)
2) Yüzey sertleştirilmiş çelikler.
3) Tüm kesit boyunca sertleştirilen çelikler
4) Berilyum bronzları.
Keza, dökme demir, yumuşak çelik ve seyrek olarak
alüminyum alaşımları, bazı plastikler için kalıp malzemesi
olarak kullanılırlar
Çalışma
Sertliği
Kullanım Alanı
40CrMnNiMo8-6-4
55 HRC
Plastik kalıpları için çok uygun olup,taşıt
aksesuarlarında, büro malzemelerinde ve
araçlarında,her türlü şekillendirme
kalıplarında kullanılır,
1.2311
40CrMnMo7
54 HRC
Plastik ve basınçlı döküm sanayinde kalıp hamili ve
bağlantı parçaları parçaları olarak kullanılır. Yüzey
nitrasyon uygulanabilir. Sementasyon yapılabilir ve
krom kaplanabilir.
1.2312
40CrMnMo58-6
54 HRC
Yüksek kükürt oranı içeren bir plastik kalıp çeliği olup
işlenebilirliği rahat olan orta ve büyük ölçekli plastik
kalıp çeliğidir,krom kaplanabilir.
1.2316
X36CrMo17
49 HRC
Pvc gibi aşındırıcı ortamlarda kullanılan ekstrüzyon ve
enjeksiyon kalıpları ,plastik enjeksiyon makinalarında
ekstruder kafaları gibi
1.2083
X42Cr13
53-56
HRC
Korozyona mükemmel dirençli olup, tıbbi ve optik
cihaz kalıplarında ,ekstrüzyon enjeksiyon kalıplarında
kullanılan paslanmaz plastik kalıp çeliğidir.
Malz.
No
DIN
1.2738
AISI
Vidalı Bağlantı Elemanları için Malzeme Seçimi
Civatalar
Civatalar, az karbonlu alaşımsız ve alaşımlı çeliklerden
yapılır.
En çok kullanılan karbon çelikleri AISI1018, 1038, 1041 ve
1045 çelikleridir.
Kesit kalınlıkları arttıkça daha yüksek sertleşebilme
kabiliyetine sahip çelikler gereklidir. Bu amaçla en çok
kullanılan alaşımlı çelikler ise ; AISI 1235, 1340, 4037,
4135, 4140, 4142, 4145, 4150, 50B40, 8635, 8642, 8735,
ve 4340 çelikleridir
Vidalı Bağlantı Elemanları için Malzeme Seçimi
Civatalar
Cıvata kalitesi 2 rakamla verilir. 1. rakamın 100 katı
yaklaşık çekme mukavemetini verir. 2. rakam akma sınırını
ifade eder ve verilen rakamın 10 katı, çekme
mukavemetinin yüzde değerini verir. Örn. 8.8 kalite;
σç(Rm)=8x100=800 MPa, σa(Re)= 800x(80/100)= 640 MPa

Tasarımda Malzeme Seçimi

Transkript

Benzer belgeler

Bölüm Tanıtımı - Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Slayt 1 - Mühendislik Fakültesi

608-ZNR GAZ BETON-D.tur

Bölüm Tanıtım Yazısı

SANAYİ VE TEKNOLOJİ TEZLERİ YARIŞMASI

10.23.2015 Tarihli Olağanüstü Genel Kurul

OBF No: CTF OLAY BĠLDĠRĠM FORMU

JD Torq-Gard Supreme 15W