Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Lab II föyleri

İ. Ü. MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME
MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
1
LABORATUVARLARDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN
HUSUSLAR VE UYULMASI GEREKEN KURALLAR
1. Deneye gelmeden önce yapılacak deneyle ilgili föy çalışılarak deneye gelinmelidir.
2. Deneylerde önlük giyilmesi zorunludur.
3. Laboratuvarlarda hiç bir şey yemeyin ve içmeyiniz.
4. Cep telefonlarınızı kapatmanız gerekmektedir.
5. Deney bitiminde deney ortamını düzenli bırakınız.
6. Tüm ekipmanlar kullanıldıktan sonra alındığı yere konulmalıdır.
7. Tezgah ve lavaboları temiz kullanınız, laboratuvarı kirli ve dağınık terk etmeyiniz.
8. Cam ekipman ve diğer kaplar dikkatlice yıkanmalı ve dizilmelidir. Kırık camlar ivedi olarak
uzaklaştırılmalı ve çöp bidonlarına atılmalıdır. Kırılma olayları laboratuvar sorumlusuna
bildirilmelidir.
9.
Sıvı maddeleri, pipete almak için daima özel alet (puar) kullanınız. Puar içerisine sıvı
kaçırılmamasına özen gösterilmelidir. Kaçması durumunda puarın içerisindeki su
boşaltılmalı ve kuruyuncaya kadar kullanılmamalıdır. Puar üzerindeki S (suction) emme,
A (air) hava E (empty) boşaltma anlamındadır.
10. Öğrencilerin % 80 oranında laboratuvara devam zorunluluğu vardır.
RAPOR YAZIM KILAVUZU
Deney raporu nedir ve neden hazırlanır?
Laboratuvar dersleri, test ve ölçüm düzenekleri konusunda temel bilgileri ve deneyimleri
oluşturmak ve teorik bilgileri desteklemek bakımından mühendislik eğitiminin anahtar
dersleridir.
Deney raporunun bölümleri ve bu bölümlerinin gereklilikleri:
Deneyin amacı : Her deney belirli bir bilgiyi test etmek, yorumlamak ve geliştirmek için
yapılır. Gerçekleştirilecek deneye ait bu amaç deneyin amacı bölümünde belirtilir.
Giriş: Deneyin kendine özgü teorik bilgisinin derlendiği bölümdür.
Deneyin yapılışı: Deneyde hangi aşamalarda neler yapılacağı ve bunların neden
gerçekleştirildiğinin farkında olabilmek için deneyin yapılışına hakim olmak gerekmektedir.
Soruların cevaplanması: Deney föylerinde verilen soruların istediği; hesaplamaların
yapılması, grafiklerin çizilmesi, tabloların hazırlanması gerekmektedir. Bu hesaplamaların
2
beklenen sonuçlarla uyuşup uyuşmadığının, uyuşmuyor ise nedenlerinin yorumlandığı
bölümdür.
Kaynaklar: Deney raporu hazırlanırken kullanılan kaynakların sıralandığı bölümdür. Metin
içerisinde hangi kaynaktan yaralanıldığı gerekli yerlerde belirtilmesi beklenir.
Raporlar hazırlanırken yapılan temel hatalar:
•
Raporun ortak bir çalışmayla grup olarak oluşturulacağı bilgisini unutmak ve rapora
katkıda bulunmamak,
•
Sadece konu başlığını okuyup araştırmaya başlamak,
•
Kaynak araştırmasında sadece interneti kullanmak,
•
Bulunan bir internet sitesini daha okumadan aynen kopyalamak,
•
Konu başlığı taramasında bulunan her türlü gerekli gereksiz bilginin verilmesi,
•
Raporu sadece bir zorunluluk olarak görmek.
Yazım kuralları:
•
Deney raporu yukarıda açıklanan başlıkları içerecek şekilde oluşturulmalıdır.
•
Deney raporunun kapak sayfasında deneyin adı ve veren Araştırma Görevlisinin Adı,
öğrencilerin ad, soyad, numarası ve laboratuvar grubu bulunmalıdır.
•
Sayfa
düzeni,
yukarıdan,
aşağıdan,
sağdan
ve
soldan
2.5
cm
şeklinde
düzenlenecektir.
•
Başlık, laboratuvar adı ve deney adından meydana gelecek ve ortalı bir şekilde
yazılacaktır.
•
Times New Roman Türkçe yazı tipi kullanılacaktır.
•
Başlıklarda dahil bütün metin 12 punto, iki yana yaslanmış olarak yazılacaktır.
•
Şekil ve tablolar sayfaya ortalı ve şekillerde başlık alt satıra, tablolarda ise üst satıra
gelecek şekilde düzenlenecektir. Şekil ve tabloların başlıkları haricinde metin
içerisinde tariflenmesi referans edilmesi şarttır.
•
Şekiller elektronik devre çizim gereçleri veya word çizim gereçleri ile çizilecektir.
•
Şekiller çıktı alındığında seçilecek kadar net boyutlandırılmalıdır.
•
Denklemler, denklem editörü (equation editor) kullanılarak hazırlanacak, sayfaya
ortalı olacak şekilde düzenlenecektir.
3
Kaynaklar
Kitap için :
•
Yazarların adı (kısaltılarak) ve Yazarların soyadı, “Eser adı”, baskı numarası, Yayın
evi, Yayın yılı.
•
R. E. Collin, “Foundations for Microwave Engineering”, 2nd ed., McGraw Hill, 1992
Makale için :
•
Yazarların adı (kısaltılarak) ve Yazarların soyadı, “Eser adı”, Dergi adı, vol num.,
sayfa num., ay ve yılı.
•
Costa ve S. Pupolin, “MiQAMiOFDM system performance in the presence of a
nonlinear amplifier and phase noise,” IEEE Transactions on Communications, vol. 50,
pp. 462-472, Mart 2002.
İnternet veya uygulama notları için :
•
Hazırlayan kurumun veya biliniyorsa hazırlayan kişinin adı, “dökümanın adı”, alındığı
internet kaynağının adresi, yılı.
•
B.
Nelson
ve
Y.
Feng,
“Power
Line
Carrier
Research
Project”,
venus.ece.ndsu.nodak.edu/~ronelson/Presentations/Mipsycon_final.ppt, Şubat 2007
4
Deney adı : Malzemelerde Sertlik Deneyi
Amacı :
Malzemelerin sertliğinin ölçülmesi ve mukavemetleri hakkında bilgi edinilmesi
Teorik Bilgi :
Sertlik, malzemelerin plastik deformasyona karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Sertlik
deneyleri malzeme ve imal edilmiş parçaların çabuk ve tahribatsız olarak kontrolünü
sağlayan çok önemli mekanik deneylerden biridir. Teknolojide yaygın olarak kullanılan sertlik
ölçme yöntemleri, numune üzerinde elde edilen kalıcı iz büyüklüğünün ölçülmesi esasına
dayanan yöntemlerdir.
1. Rockwell sertlik ölçme yöntemi: Rockwell sertlik deneyi, sabit yük altında, malzeme
üzerinde oluşturulan iz derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Ölçümü yapılacak malzemenin
cinsine göre, iz bırakıcı olarak ucu çok az yuvarlatılmış 120o 'lik konik elmas uç veya 1/16"
ve 1/8" çapında çelik bilyalar kullanılır. Yük ise 60, 100 veya 150 kg olarak uygulanır. Her
yük-iz bırakıcı kombinasyonu farklı bir Rockwell skalasını oluşturur ve her skala farklı
malzemelerin sertliğini ölçmek için kullanılır. Bu skalalardan en çok kullanılanlar Rockwell B
ve Rockwell C skalasıdır. Rockwell B skalası yumuşak ve sünek malzemelerde 100 kg yük
ve 1/16" çapında çelik bilya kullanılarak uygulanır. Sertliği 35-100 HRB arasında olan
malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir. Rockwell C skalası serleştirilmiş
çeliklere 150 kg yük ve konik elmas uç kullanılarak uygulanır. Sertliği 20-70 HRC arasında
olan malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir.
2. Brinell Sertlik Deneyi: Brinell sertlik deneyi, malzeme yüzeyine belirli bir yükün (F), belirli
bir çaptaki (D) sert malzemeden yapılmış bir bilya yardımıyla belirli bir süre uygulanması
sonucu yüzeyde kalıcı bir iz meydana getirmek esasına dayanır. Daha sonra oluşan kuvvetin
oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir. Deney
sonrası sertlik sonucu ifade edilirken BSD işaretinin yanında diğer deney şartları bilya
çapı/yük/uygulama süresi sırasına göre bir bilgi eklenir.
3. Vickers Sertlik Deneyi: Vickers sertlik deneyinin kullanım alanı çok geniştir. Çok
yumuşak ve çok sert malzemeler için uygundur. Vickers sertlik deneyi, tabanı kare ve tepe
açısı 136° olan standartlaştırılmış piramit şeklinde bir elmas ucun, değişken yükler altında
numune yüzeyine batırılması sonucu bir iz oluşturma esasına dayanır. Deney yükü F=1 kg ile
5
100 kg arasında seçilebilir. Deneyden sonra Vickers sertlik değerini bulmak için kare
şeklindeki izin köşegenleri mikroskop yardımı ile hassas bir şekilde ölçülür.
Yapılışı :
Rockwell Sertlik:
Rockwell sertlik deney prensibi Şekil 1’ de verilmiştir. Rockwell sertlik deneyi yapılırken
numune üzerine önce 10 kg'lık bir ön yük (Fo) uygulanır. Bu ön yük numune ile uç arasındaki
kesin teması sağlamak ve ölçü düzenindeki boşlukları gidermek amacıyla uygulanır. Fo ön
yükünün uygulanmasıyla to derinliğine erişilir. Bu konum sertlik skalası için referans düzlemi
olarak alınır. Ön yükün uygulanmasından sonra yukarıda farklı sertlik skalaları için verilen
yük miktarlarına varıncaya kadar bir ana yük (Fana), yaklaşık 10 saniye süreyle numune
üzerine uygulanır. Ana yük değerleri Rockwell B deneyi için 90 kg, Rockwell C deneyi için ise
140 kg'dır.
1) Ön yüklemede (10 kg) ucun batma
derinliği,
2) Ana yüklemede (90 kg veya 140
kg)ucun batma derinliği,
3) Ana yük kaldırıldığında ucun
batma derinliği (e),
4) Rockwell sertliği (100-e).
Şekil 1: Rockwell sertlik deneyi prensibi.
Fön kuvvetinden en az dört kat büyük olması gereken Fana deney yükünün numune üzerine
uygulanmasından ve kaldırılmasından sonra, referans düzleminden itibaren kalıcı bir tb
batma derinliği elde edilir. Söz konusu işlemlerin gerçekleştirildiği Rockwell cihazında,
ölçülen kalıcı tb batma derinliği yerine, sertlik değeri göstergeden doğrudan okunur.
Brinell Sertlik:
Şekil 2’ de gösterildiği gibi belirli bir yükün (F), belirli bir çaptaki (D) sert malzemeden
yapılmış bir bilya yardımıyla malzemenin yüzeyine belirli bir süre uygulanması sonucu
yüzeyde kalıcı bir iz meydana getirilir.
6
Şekil 2: Brinell Sertlik Deneyi Prensibi.
Meydana gelen izin küresel yüzey alanı, izin çevresinin ölçülen ortalama çapı ile bilya
çapından faydalanılarak belirlenir. Buna göre Brinell sertlik değeri ;
2P
BSD =
P = Uygulanan yük (kg),
2 2
D = Bilya çapı (mm),
π.D D- D -d
d = İz çapı (mm)
bağıntısıyla hesaplanır.
Vickers Sertlik:
Sertliği ölçülecek malzemeye Şekil 3’ de gösterildiği gibi piramit elmas uc belirli bir
süre ve yükle kalıcı kare tabanlı iz oluşturur. Oluşan simetrik izin köşegen ortalaması
belirlenerek aşağıda verilmiş olan bağıntı yardımıyla malzemenin Vickers sertlik değeri
hesaplanır.
Vickers Sertlik Değeri (VSD);
VSD =
2PSin (a 2) 1,8544F
=
d2
d2
F = Uygulanan deney yükü (kg),
d = İz köşegenlerinin ortalaması (mm),
a = Tepe açısı =136°.
Şekil 3: Vickers Sertlik Deneyi
Yapılan tüm sertlik yöntemlerinde her numuneden en az üç tane sertlik değeri
ölçülerek ortalama değer ve standard sapma hesaplanır.
7
Kullanılan Cihaz ve Malzemeler :
•
Zwick marka 183.5 model Üniversal Sertlik Cihazı
•
Çelik, pirinç ve alüminyum numuneler
Kaynaklar :
1) KAYALI, E.S., ENSARİ,C., DIKEÇ, F., ”Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri”,
İ.T.Ü Kimya-Metalurji Fakültesi Ofset Atölyesi, İstanbul, l990.
2)
KISAKÜREK,
Ş.
E.,
“Malzeme
Teknolojisinde
Sertlik
Deneyi”,
Malzeme
Teknolojisinde Deneysel Verilerin Değerlendirilmesi Semineri, Boğaziçi Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi, İstanbul, l984.
3) RAWLINGS, R., “Practical Physical Metallurgy”, University Colege of South Wales
and Monmoutshire, London, l961.
4) DAVIES, D.E., “Practical Experimental Metallurgy”, Department of Metallurgy
University College of Svansea University of Wales, Elseiver Publishing Co.Ltd., l966.
Raporda İstenilenler:
1) Ölçülen sertliklerin ortalama değerini ve standart sapmasını hesaplayınız.
2) Teneke saç için hangi sertlik yöntemini kullanırsınız? Açıklayın.
3) Plastik malzemelerde sertlik ölçüm yöntemlerini araştırınız ve açıklayınız.
8
Deney Adı : Metalik Malzemelerin Çekme Deneyi
Amacı :
Metalik malzemelerin çekme ve akma mukavemetlerinin belirlenmesi.
Teorik Bilgi :
Çekme deneyi, endüstride metalik malzemelerin akma gerilmesi, çekme dayanımı,
elastiste modülü, tokluk, % uzama ve % kesit daralması gibi mekanik özelliklerinin
belirlenmesi için kullanılan başlıca bir deneydir. Çekme deneyi numuneleri ile mekanik
özelliklerin sağlıklı bir şekilde tespit edilebilmesi için, numunelerin alındığı malzemeyi
tam olarak temsil etmesi gerekmektedir.
Çekme deneyine tabi tutulacak numuneler silindirik veya düz olabilir. Çeşitli tipteki
malzemelerin
çekme
deneyi
için
kullanılabilecek
numune
boyutları
standartlaştırılmıştır. Deneyde kullanılan numuneler iki kısımdan ibarettir. Bunlar,
a) Numunenin Baş Kısımları: Yük uygulanması için tutulan kısımlardır ve diğer
bölgeye göre daha büyük boyutludur.
b) Numunenin Orta Kısmı: Yük uygulandığında deformasyonun oluşması beklenen
daha küçük boyutlu bölgedir. Deney sonuçları bu kısımda yapılan ölçmelerle
belirlenir. Numunenin bu kısmında kesit alanı ile uzunluk arasında bir ilişki
vardır. Numunenin orta kısmındaki kesit alanı ilk kesit alanı (Ao) olarak alınır.
Yuvarlak kesitli numuneler için;
2
Ao = π. d o
4
do, numunenin orta kısmının çapı (mm).
Yassı numuneler için;
Ao= a x b
a, numune kalınlığı(mm),
b, ölçü uzunluğu içinde numune genişliği (mm).
Şekil 1 'de yuvarlak kesitli çekme numunesi ve boyutları görülmektedir. İnceltilmiş kısımdan
baş kısımlara standartlarda belirtilen eğrilikle geçilir. Numunelerin hazırlanması sırasında
çentik etkisi yapacak yüzey hatalarından kaçınmak gerekir.
9
Şekil 1: Yuvarlak kesitli çekme numunesi.
do, numune çapı,
d1, numunenin baş kısmının çapı = 1.2 do,
Lv, inceltilmiş kısmın uzunluğu = Lo+do,
Lo, ölçü uzunluğu = 5do,
Lt , toplam uzunluk,
h, baş kısmın uzunluğu.
Deney cihazı biri sabit diğeri hareketli olan çenelere sıkıştırılmış numune üzerine belirli bir
hızda yük uygulanması ve uygulanan yüke karşı numune boyundaki uzamayı ölçme esasına
göre çalışan bir cihazdır. Cihaz, deney sırasında uygulanan yük ve uzama miktarını grafik
olarak çizer. Uzama miktarı apsiste, yük miktarı ise ordinatta olacak şekilde ayarlanmıştır.
Deney sonunda Şekil 2 'deki gibi bir yük uzama diyagramı elde edilir.
Şekil 2: Yük - Uzama Diyagramı.
Deney sonucunda bulunan yük ve uzama miktarı, numunenin boyutlarına bağlı olarak değişir
ve aynı malzemeden farklı sonuçların elde edilmesine sebep olur. Bu değerlerin gerilimuzama değerlerine çevrilerek kullanılması, malzemelerin sınıflandırılması ve kullanım
yerlerinin seçimi hakkında tam bir fikir elde edilebilmesini sağlar.
10
Mühendislik Gerilim-Uzama (Şekil Değiştirme) Diyagramı
Şekil 2'de görülen yük-uzama diyagramından aşağıdaki bağıntılar kullanılarak yapılan
hesaplamalar sonucu Şekil 3’te görülen mühendislik (teknolojik) gerilme-uzama diyagramları
elde edilir.
Şekil 3: Bazı metal ve alaşımlarının mühendislik Gerilim-Uzama Diyagramı
Mühendislik gerilim-uzama diyagramında ordinatta yer alan gerilme, uygulanan yükün
numunenin ilk kesit alanına bölünmesiyle elde edilir. Bulunan bu gerilmeye, mühendislik
gerilmesi denir ve σm ile gösterilir.
σm = P i
Ao
Pi, herhangi bir anda uygulanan yük (kg),
2
Ao, numunenin başlangıçtaki kesit alanı (mm ).
Apsiste yer alan uzama miktarı ise birim şekil değiştirme veya % uzama olarak da ifade
edilir. Uzama miktarı deney sırasında herhangi bir andaki numune uzunluğunun,
numunenin başlangıçtaki uzunluğuna bölünmesiyle elde edilir.
% e = ∆L × 100 = Li -Lo × 100
Lo
Lo
Li, herhangi bir andaki numune uzunluğu (mm) , Lo, başlangıçtaki numune
uzunluğu (mm) , ∆L, uzama miktarı (mm).
11
Gerilim-uzama eğrisi, hem yük hem de uzama miktarı sabit bir değere bölünerek elde
edildiğinden bu eğri, yük uzama eğrisiyle benzer şekildedir. Çekme deneyi sırasında
numune, kırılma aşamasına kadar elastik ve plastik deformasyona uğrar.
Elastik deformasyon bölgesi, Şekil 3'de gerilim ve uzama değerleri arasında doğrusal
bir ilişkinin bulunduğu bölgedeki malzeme davranışını belirtir. Bu bölge içerisinde
herhangi bir anda uygulanan yük kaldırılırsa malzeme başlangıçtaki boyutlarına döner.
Plastik deformasyon bölgesinde ise numuneye yük uygulanması sonucu meydana
gelen deformasyon kalıcıdır.
Çekme Deneyi Sonucunda Hesaplanan Başlıca Mekanik Özellikler
Akma gerilmesi, bazı malzemelerde (özellikle az ve orta karbonlu çeliklerde), gerilme
değeri sabit kalmasına rağmen numunede görülen uzamayla belli olur.
Bazı
malzemeler belirgin bir akma noktasına gösterirken (Şekil 4.a),bazı malzemelerin
gerilim-uzama diyagramlarında ise belirgin bir akma noktası gözlenmez (Şekil 4.b).
(a)
(b)
Şekil 4: (a), belirgin akma noktası gösteren, (b), belirgin akma noktası
göstermeyen malzemelerin gerilim-uzama diyagramları.
Belirgin akma gösteren malzemelerde akma gerilmesi (σ
σa) şu şekilde hesaplanır:
σa = P a
Ao
2
Pa, akma yükü (kg), Ao, numunenin başlangıçtaki kesit alanı (mm ).
Bu yüzden belirgin akma göstermeyen malzemelerin akma gerilmesinin belirlenmesi
için, % 0,2'lik uzama noktasından gerilim-uzama eğrisinin elastik bölgesine paralel
12
olacak şekilde bir çizgi çizilir ve çizginin eğriyi kestiği noktaya karşılık gelen gerilme
değeri malzemenin akma gerilmesi olarak alınır. Akma gerilmesi pratikte, malzemenin
elastik deformasyon bölgesinden plastik deformasyon bölgesine geçtiği gerilme
değeri olarak önem taşır.
A noktasından itibaren artan gerilmeyle orantılı olmayan bir şekil değiştirme görülür. B
noktasında numunenin Lo boyu içerisinde gözle görülebilir bir incelme görülür. Bu
incelme boyun verme olarak bilinir ve boyunlaşmanın oluştuğu en yüksek gerilme
değeri malzemenin çekme dayanımı (σ
σç) olarak ifade edilir:
σç =
Pmaks
Ao
Pmax, numuneye uygulanan maksimum yük (kg) ; Ao, numunenin başlangıçtaki kesit
2
alanı (mm ).
Gerilim-uzama diyagramındaki elastik bölgenin eğimine Elastisite Modülü veya Young
Modülü denir. E ile gösterilir ve aşağıdaki gibi hesaplanır:
E=σ
e
2
σ, elastik sınır içerisinde herhangi bir gerilme değeri (kg/mm ),
e, σ gerilmesine karşılık gelen birim uzama miktarı (mm/mm).
Malzemenin plastik deformasyon sınırları içerisinde enerji absorbe etme yeteneği
tokluk olarak bilinir. Gerilim-uzama eğrisi altında kalan alan çekme işini verir ve
malzeme tokluğunun bir ölçüsüdür.
Çekme deneyi sırasında numunenin boyu uzadığı için, kopma sonrasında son boy
ölçülür ve % uzama (birim şekil değiştirme) miktarı hesaplanabilir. % uzama miktarı
malzemenin sünekliliği hakkında bilgi veren bir değerdir.
% uzama = (% e) = Lk -Lo × 100
Lo
Lo, numunenin başlangıçtaki uzunluğu (mm); Lk, kopmadan sonraki numune
uzunluğu (mm).
13
Çekme deneyi sırasında numunenin boyu uzarken kesit alanı da daralır. Kesit alanı
daralması da % uzama gibi malzemenin sünekliliğinin bir ölçüsüdür ve kopmadan
sonra numunenin kesit alanının ölçülmesi ile hesaplanır.
% Kesit Daralması = [(A0 – Ak) / A0)] x 100
Ao, numunenin başlangıçtaki kesit alanı
2
(mm ); Ak, kopmadan sonra
2
numunenin kesit alanı (mm ).
Yapılışı :
Bu deneyde standart olarak hazırlanmış deney numuneleri sabit sıcaklıkta ve belirli bir
hızda bir yandan sürekli olarak çekme yüküne maruz bırakılırken, diğer yandan uzama
miktarları da ölçülmektedir. Bu deneyde malzeme kopuncaya kadar çekilir. Bu işlem
sonucunda ilk olarak yük-uzama eğrileri elde edilir. Elde edilen yük – uzama
eğrilerinden malzemenin akma gerilmesi, çekme dayanımı, elastik modülü, tokluk, %
uzama ve % kesit daralması gibi mekanik özellikleri tespit edilir.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Deneyde üniversal çekme cihazı ve standart deney numunesi kullanılır.
Kaynaklar:
1) Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri, E. Sabri Kayalı, C. Ensari, F. Dikeç
2) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Yazan: W. F. Smith, Çeviren: N. G. Kınıkoğlu
Raporda İstenilenler:
1) Deney sırasında kullanılan malzemenin yük uzama eğrisinden yararlanarak gerilim
– % uzama grafiğini çiziniz.
2) Malzemenin akma gerilmesini, çekme dayanımını, % uzamasını ve % kesit
daralmasını hesaplayınız.
14
Deney Adı : Metalik Malzemelerin Basma Deneyi
Amacı :
Metalik malzemelerin basma mukavemetinin belirlenmesi.
Teorik Bilgi :
Basma deneyi işlem olarak çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de
çekme deneyi cihazlarında yapılır. Basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde
kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir ve özellikleri basma deneyi ile
belirlenir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik malzemeler ile tuğla, beton
gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok
daha yüksek olduğu için bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde
kullanılır ve mekanik özellikleri basma deneyi ile belirlenir.
Basma deneyinde homojen bir gerilim dağılımı sağlamak amacıyla yuvarlak kesitli
numuneler
tercih
edilir.
Fakat
kare
veya
dikdörtgen
kesitli
numuneler
de
kullanılmaktadır. Basma deneyi numunelerinde, numune yüksekliği (h0) ile çapı (d0)
arasındaki h0/d0 oranı oldukça önemlidir. Numunenin h0/d0 oranının çok büyük olması,
deney sırasında numunenin bükülmesine ve homojen olmayan gerilim dağılımına
sebep olur. Bu oran küçüldükçe numune ile basma plakaları arasında meydana gelen
sürtünme deney sonuçlarını çok fazla etkilemektedir. Bu sebeple numunenin h0/d0
oranının 1.5 ≤ h0/d0 ≤ 10 aralığında olması önerilir. Metalik malzemelerin basma
numunelerinde ise genellikle h0/d0=2 oranı kullanılır.
Basma deneyi, uygulanan yükün ters yönde olması nedeniyle çekme deneyinin
tamamen tersidir (Şekil 1).
Mühendislik Diyagram
Gerçek Diyagram
Şekil 1: Çekme ve basma diyagramlarının şematik gösterilişi
15
Uygulanan basma yüküne karşılık numune boyundaki azalma grafik olarak kaydedilir
ve çekme deneyindeki benzer hesaplamalarla mühendislik basma gerilmesi-basma
birim şekil değişimi diyagramı elde edilir. Basma deneyinde de, çekme deneyinde
olduğu gibi gerçek ve mühendislik gerilme ve birim şekil değişimleri arasında benzer
bağıntılar geçerlidir.
Şekil 1’de OA′′ bölgesi uygulanan basma gerilmesi ile % birim şekil değiştirmenin
orantılı olduğu elastik bölgedir. A′′ noktası elastik sınır olarak tanımlanır. A′′C′′ bölgesi
plastik deformasyon bölgesidir. Basma diyagramında plastik deformasyon bölgesinin
ilk kısmı olan A′′B′′ bölgesinin eğimi, çekme diyagramındaki AB bölgesinin eğimine
benzerdir. Fakat daha sonra basma eğrisinin eğimi artar, çünkü bu sırada numune
kesitindeki artmaya bağlı olarak eğim sürekli artmaktadır.
Mühendislik basma gerilmesi σb, basma yükünün (Pi), başlangıçtaki kesit alanına
bölünmesiyle elde edilir.
σb = Pi / A0
σb : Mühendislik basma gerilmesi (MPa)
Pi : Herhangi bir andaki basma yükü (N)
A0: Başlangıç kesit alanı (mm2)
Malzemenin basma mukavemeti maksimum basma gerilmesine karşılık gelen değerdir.
Akma mukavemeti (σ
σa), belirli akma gösteren malzemeler için akma yükünün
başlangıçtaki kesit alanına bölünmesiyle elde edilir.
Gerçek basma gerilmeleri, çekme deneyindekine benzer şekilde hesaplanır:
σb,g = Pi / Ai
Pi : Herhangi bir andaki basma yükü (N)
Ai : Pi yükünün uygulandığı andaki numune kesiti (mm2)
16
Mühendislik gerilme değerleri (σ
σb,m) kullanılarak, basmadaki gerçek gerilme değerleri
(σ
σb,g) hesaplanabilir.
σb,g = σb,m . (1+ eb)
σb,g : Gerçek basma gerilmesi (MPa)
σb,m : Mühendislik basma gerilmesi (MPa)
eb : Basmada mühendislik birim şekil değiştirmesi.
Yukarıdaki bağıntıda eb değerinin negatif olduğu göz önüne alınmalıdır. eb’nin mutlak
değeri alınarak, gerçek gerilme
σb,g = σb,m . (1-eb)
olarak hesaplanır.
Metalik malzemelerin gerçek çekme ve basma diyagramlarında, gerçek gerilme
değerleri birbirine eşittir. Oysa mühendislik çekme ve basma diyagramlarında, plastik
bölgedeki mühendislik basma gerilmesi değeri, mühendislik çekme gerilmesi
değerinden daha büyüktür (Şekil 2).
Şekil 2: Gerçek ve mühendislik çekme-basma diyagramı.
Basma deneyinde % birim şekil değiştirme, numunenin yüksekliğindeki azalma
miktarının numunenin orijinal yüksekliğine oranının yüzde olarak ifadesidir. Basma
deneyinde numunenin yüksekliği sürekli olarak azaldığından, % birim şekil değişimi
negatif bir değerdir. % birim şekil değiştirme, % yığılma olarak da belirtilmektedir.
% Yığılma (%eb) = [(h1-ho) / ho ] x 100
h1 : Numunenin deney sonrası yüksekliği (mm)
17
h0 : Numunenin başlangıç yüksekliği (mm)
Yapılışı :
Bu deneyde standart olarak hazırlanmış deney numuneleri sabit sıcaklıkta ve belirli bir
hızda bir yandan sürekli olarak basma yüküne maruz bırakılırken, diğer yandan yığılma
miktarları da ölçülmektedir. Bu işlem sonucunda ilk olarak yük - yığılma eğrileri elde
edilir. Elde edilen yük – yığılma eğrilerinden malzemenin basma akma mukavemeti,
basma mukavemeti, elastisite modülü, % uzama ve % kesit daralması gibi mekanik
özellikleri tespit edilir.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler:
Deneyde üniversal çekme - basma cihazı ve standart deney numunesi kullanılır.
Kaynaklar:
1) Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri, E. Sabri Kayalı, C. Ensari, F. Dikeç
Raporda İstenilenler:
3) Deney sırasında kullanılan malzemenin yük – yığılma eğrisinden yararlanarak ilgili
malzemenin gerilim – % yığılma grafiğinin çizilmesi.
4) Deney sırasında kullanılan malzemenin basma mukavemetinin, % yığılmasının ve
% kesit alan değişiminin hesaplanması.
18
Deney adı : Metalik Malzemelerin Darbe Deneyi
Amacı :
Metallerin özellikle gevrek kırılmaya uygun şartlardaki mekanik özellikleri hakkında
bilgi edinmek ve numunenin dinamik bir zorlama altında kırılması için gerekli enerji
miktarını (darbe direncini) belirlemek
Teorik Bilgi :
Çekme deneyi ile elde edilen gerilme-genleme diyagramından bir malzemenin
sünekliliği hakkında bilgi edinilebilir. İyi bir uzama gösteren metalin sünek olacağı,
yani statik ve dinamik yüklemelere plastik şekil değiştirme ile karşı koyacağı tahmin
edilebilir. Bu tahmin yüzey merkezli kübik veya hegzagonal sistemdeki metaller (demir
dışı metallerin çoğu ve östenitik paslanmaz çelik) için genellikle doğrudur. Oysa hacim
merkezli kübik sistemdeki metallerde (ferritik çelikler) bazen çekme deneyi sonuçları
ile darbe deneyi sonuçları arasında uyuşmazlık görülür. Çekme deneyinde sünek bir
davranış gösteren malzeme çentikli darbe deneyinde gevrek bir hal gösterebilir.
Özellikle oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu olaya daha çok rastlanır. Darbe
deneyinden elde edilen sonuçlar, o numune için bir kıyaslama değeridir. Çekme
deneyi sonuçları gibi mühendislik hesaplamalarında kullanılamazlar.
Çentikli darbe deneyleri genellikle Charpy ve İzod darbe deneyi olarak iki türde
yapılmaktadır. Bu deney arasındaki temel fark ise: Charpy darbe deneyinde numune
yatay olarak mesnetler arasına yerleştirilirken, İzod darbe deneyinde numune dikey ve
konsol kiriş halinde bir kavrama çenesine sıkıştırılır.
Malzemenin mekanik özellikleri hakkında bilgi edinmek için yapılan darbe deneyinin
sonuçlarını çentik açısı, sıcaklık, malzemenin bileşimi, haddeleme yönü, malzemenin
üretim yöntemi ve mikroyapısı etkilemektedir.
Yapılışı :
Darbe deneyinde kullanılan numune boyutları ve darbe deney cihazının şematik
gösterimi Şekil 1’ de verilmiştir. Şekil 1’den de görüldüğü üzere darbe deney
numunesinin ortasında V şeklinde çentik açılmaktadır. Çentik açılmasının amacı,
malzeme bünyesinde bulunabilecek olası bir gerilim konsantrasyonunu çentik
tabanında yapay olarak oluşturup, malzemenin bünyesindeki böyle bir gerilim
konsantrasyonuna karşı göstereceği davranışı belirlemektedir. Deneyde Şekil 1’de
şematik olarak gösterilen sarkaç tipi cihazdan faydalanılır. Deney öncesinde sarkaç,
daha önce tespit edilen potansiyel enerjiye sahip olabileceği bir yüksekliğe çıkarılır.
19
Daha sonra numune çekicin salınım düzlemi ile çentiğin simetri düzlemi 0,5 mm içinde
birbirleriyle çakışacak şekilde yerleştirilir. Numune uygun şekilde yerleştirildikten
sonra okumaların yapıldığı kadranın göstergesi başlangıç konumuna getirilir ve sarkaç
düzgün bir şekilde serbest bırakılır. Sonuç deneyden sonra kadrandan doğrudan
okunur. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak
tanımlanır.
Şekil 1: Darbe deneyi cihazının çalışma prensibi ve standart numuneler
Ağırlığı G olan sarkaç, h yüksekliğine çıkarılır. Bu durumda potansiyel enerjisi Gxh
olur. Sarkaç bu yükseklikten serbest bırakıldığında düşey bir düzlem içinde hareket
ederek numuneyi kırar ve aksi yönde h1 yüksekliğine kadar çıkar. Böylece numunenin
kırılmasından sonra sarkacın potansiyel enerjisi Gxh1 olur. Buna göre sarkacın
başlangıçtaki potansiyel enerjisi ile numune kırıldıktan sonraki potansiyel enerjilerinin
farkı numuneyi kırmak için harcanmış, başka bir deyişle bu potansiyel enerji farkı
kırılma anında numune tarafından absorbe edilmiştir.
Numunenin kırılma anında absorbe ettiği enerji şu şekilde gösterilebilir:
20
Kırılma Enerjisi = G.(h – h1)
G=
Sarkacın ağırlığı (kg)
L=
Sarkacın ağırlık merkezinin, sarkacın salınım merkezine olan uzaklığı (m)
h=
Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m)
h =
Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m)
1
Buradan çentik darbe dayanımı; absorbe edilen enerjinin numune kesit alanına
bölünmesiyle hesaplanır.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Brooks marka Mat21 model Charpy-İzod Darbe Deney Cihazı
Alüminyum, pirinç ve çelik numuneler
Kaynaklar :
1) SMITH, W.F., “Foundations of Materials Science and Engineering”, McGraw-Hill
International Editions, Singapore, l993.
2) KAYALI, E.S., ENSARİ, C., DİKEÇ, F., “Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri”,
İ.T.Ü Kimya-Metalurji Fakültesi Ofset Atölyesi, İstanbul, 1990.
3) KAYALI, E.S., ÇİMENOĞLU, H., “Malzemelerin Yapısı ve Mekanik Davranışları”, İ.T.Ü
Kimya Metalurji Fakültesi Ofset Atölyesi, İstanbul, l986.
4) ALTINTAŞ, S., “Malzeme Teknolojisinde Darbe Deneyi”, Malzeme Teknolojisinde
Deneysel Verilerin Değerlendirilmesi Semineri, Boğaziçi Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi, İstanbul, 1984.
5) Metals Handbook, “Mechanical Testing”, 9th Edition, Vol.8, ASM International, 1985.
6) HAYDEN, H.W., MOFFAT,W.G., WULFF, J.; Çevirenler: ONARAN, K., ERMAN, B.,
“Malzemelerin Mekanik Özellikleri”,Cilt III, Mekanik Özellikler, İstanbul Teknik
Üniversitesi matbaası,Gümüşsuyu, 1978.
7) DIETER, E.G., “Mechanical Metallurgy”, McGraw-Hill Book Company, London, U.K,
1988
Raporda İstenilenler :
1. Ölçtüğünüz değerlerin ortalamasını ve standart sapmasını hesaplayın.
2. Darbe direncini etkileyen faktörleri açıklayınız.
3. Metalik malzemelerde tranzisyon (geçiş) sıcaklığı nasıl tespit edilir? Bu sıcaklığın
malzeme kullanımı açısından önemini belirtiniz.
21
Deney Adı : Metalik Malzemelerin Sürünme Deneyi
Amacı :
Yüksek sabit sıcaklık ve gerilim altındaki malzemede zamana bağlı olarak oluşan
plastik deformasyonun ölçülmesi, bu değişimin mekanizmasının belirlenmesi ve
malzemenin sürünme davranışının incelenmesi.
Teorik Bilgi:
Mühendislik uygulamalarında oda sıcaklığında çalışan cihaz ve aletler için kullanılacak
malzeme cinsi ve miktarının seçimi genellikle çekme deneyi sonuçları göz önünde
tutularak yapılır. Örneğin; oda sıcaklığında kullanılacak olan malzemenin maruz
kalacağı gerilim çekme deneyinden elde edilecek olan akma gerilmesi altında
olmalıdır.
Yüksek sıcaklıkta çalışacak alet ve cihazların malzeme seçiminde, malzemenin akma
dayanımının bilinmesi yeterli olmamaktadır. Özellikle, sıcaklığın yanında gerilme gibi
diğer faktörlerde etkili olunca, malzeme farklı davranışlar gösterebilmektedir. Yüksek
sıcaklıkta demir dışı malzemeler elastik davranış gösterir. Oda sıcaklığında bu
malzemelerde elastik bölgeyi aşmayacak bir yükte, zamanla kalıcı uzama görülür.
Çeliklerde oda sıcaklığında bu olay gerçekleşmez, ancak 200oC üstüne çıkıldığına
kalıcı uzama olmaktadır. Bu uzama miktarı malzeme cinsine, sıcaklığa ve gerilmeye
bağlıdır.
Yüksek sabit sıcaklık ve gerilim altında, malzemede zamana bağlı olarak oluşan kalıcı
(plastik) deformasyona SÜRÜNME (Creep) adı verilir. Sürünme deneyi sabit yük ve
plastik deformasyonun zamanla oluşması yönüyle çekme deneyinden farklılık gösterir.
Sürünme deneyi yüksek sıcaklıklarda daha hızlı oluştuğu için, yüksek sıcaklık
deformasyon mekanizması olarak ta bilinir.
Uygulamada; buhar kazanları, buhar türbinleri, bazı kimyasal ve petro-kimyasal
işlemlerin gerçekleştirildiği tanklar, jet motorları, içten yanmalı motorlar, balistik füze
ve roketlerin bazı aksamlarında sürünme olayı ile karşılaşılmaktadır.
Sürünme olayı, kopma ile sonuçlanacağı gibi zamanla oluşacak plastik deformasyonla
parçayı çalışma toleransı dışına çıkararak parçayı kullanılamaz duruma getirebilir. Bu
22
nedenle, oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklarda ve belirli gerilmelerin uygulandığı
yerlerde kullanılacak malzemelerin sürünme özelliklerinin çok iyi bilinmesi gerekir.
Yapılışı :
Sürünme özelliklerinin tayin edilebileceği deney cihazında aşağıdaki üç ana bölüm
bulunmaktadır.
• Elektrik dirençli bir fırın ve sıcaklığı uygun şekilde ölçüp kontrol eden
sıcaklık kontrol ünitesi
• Uzamaları kontrol etmeye yarayan parçalar (Ekstansometre)
• Kuvvet uygulama düzeni
Sürünme testi genellikle sabit sıcaklıkta ve sabit yük altında yapılır. Tipik bir sürünme
test düzeneği Şekil 1`de verilmektedir. Test malzemesinin her iki yanı sürünmeye
dayanıklı özel malzemelerden yapılmış test çenelerine vidalanır. Sıcaklık ölçümü
termokupl, uzama için ise genleşme ölçerler (extansometre) test edilecek numunenin
üzerine bağlanır. Tüm sistem elektrik fırını içerisine alınır ve sistem belirlenen
sıcaklığa kadar ısıtılır. İstenilen sıcaklığa ulaşıldığında numunenin bir ucuna sabit yük
uygulanır ve zamana bağlı olarak uzama değerleri kaydedilir. Sistemin hassas sıcaklık
kontrollü olması önemlidir. Bu nedenle genellikle tüm sistem sıcaklık kontrolü
mümkün bir odacıkta bulundurulur.
Şekil 1: Sürünme deney cihazı şematik gösterimi
23
Elde edilen deney sonuçlarının uygulanmasında dayanım iki şekilde tanımlanabilir. İlki
gerçek kopmanın olduğu sürünme dayanımı şeklinde tanımlanır. Diğer bir tanım ise
belirli bir sıcaklıktaki servis ömrü sırasında belirli bir deformasyona sebep olan
gerilme olarak tanımlanır. (Belirli deformasyon için sürünme gerilmesi )
Kopma süresini tayin edecek deneyler, bir malzemenin yüksek sabit sıcaklık ve sabit
yük altında dayanabileceği en uzun zamanı tayin etmeyi amaçlar. Makine parçalarının
ömürleri 10 ila 40 yıl arası değiştiği düşünülürse bu süreler için deney yapmanın hiç
pratik olmadığı açıktır. Bu nedenle, sürünme deneylerinin çoğunda belirli sıcaklıkta
belirli kalıcı deformasyonu (genellikle % 1) oluşturan gerilmeler tayin edilir. Bu tip
deneylerde süre genellikle 1000 saat olarak seçilir. Daha uzun süreli özellikler
matematiksel hesaplamalarla bulunur.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Sürünme cihazı
Demir esaslı veya demir dışı sürünme numunesi
Kaynaklar :
1) KAYALI, E.S., ENSARI, C., DİKEÇ, F., 1990, "Metalik Malzemelerin Mekanik
Deneyleri" İ.T.Ü. Kimya-Metalurji Fakültesi İstanbul
2) DIETER, G.E., 1986, “Mechanical Metallurgy”, McGraw-Hill, Singapour
3) MARIN., J., 1966, Mechanical Behavior of Engineering Materials,Prentice Hall, New
Delhi
Raporda İstenilenler :
1)
Tipik sürünme eğrisi çizerek bölgeleri açıklayınız.
2)
……… zaman sonra oluşan toplam uzamayı hesaplayınız.
3)
Kararlı sürünme hızını hesaplayınız.
24
Deney Adı : Metalik Malzemelerin Burma Deneyi
Amacı :
Malzemelerin kayma özelliklerinin belirlenmesi
Teorik Bilgi:
Burma deneyi, her iki ucundan sıkıştırılan deney numunesi, bir ucu sabit kalacak
şekilde diğer ucundan döndürülerek numune üzerine burma momenti uygulanması
esasına dayanır.
Burma deneyi, çekme deneyi gibi çok geniş kullanım alanına sahip olmayıp, tamamen
standartlaştırılmamıştır.
Bununla
beraber
plastik
deformasyonla
ilgili
teorik
çalışmalarda ve metallerin dövülebilme özelliklerinin belirlenmesi gibi birçok
mühendislik uygulamalarında ihtiyaç duyulan bir deneydir. Burma deneyi, özellikle
takım çelikleri gibi gevrek malzemelerin dövülebilme özelliğinin belirlenebilmesi için
yüksek sıcaklıklarda da yapılır. Aynı zamanda kullanım yerlerinde burma momentinin
önemli olduğu şaft, dingil, matkap ucu gibi parçalara direkt olarak uygulanabilen bir
deneydir.
Burma deney numuneleri, yuvarlak kesitli numunelerden oluşmaktadır. Malzemenin
burulması sırasında uygulanan burma momenti etkisiyle numunede numunenin
merkezinden yüzeyine doğru doğrusal olarak artan kayma gerilmeleri oluşur. Kayma
gerilmeleri numunenin merkezinde sıfır, yüzeyinde ise maksimum değerdedir. Bu
nedenle yuvarlak kesitli numunelerde gerilim dağılımı homojen değildir. Deneylerde
ince et kalınlığında ve boru şeklindeki numuneler kullanılarak numune kesitinde daha
uniform bir gerilim dağılımı sağlanabilir. Boru şeklindeki numunelerde ise et
kalınlığının az olması istenir, fakat numunenin et kalınlığının çok az olması durumunda
da erken sünemeden dolayı şekil bozuklukları meydana gelebilir.
Kayma akma gerilmesi ile kayma modülünün (G) belirlenmesinde kullanılan boru
şeklindeki numunelerde, ölçü uzunluğunun (L), numunenin dış çapına (D) oranı (L/D)
~10 olmalıdır. Kırılma modülünün belirlenmesinde kullanılan boru şeklindeki
numunelerde ise ölçü uzunluğu daha kısa olup L/D~0,5 olmalıdır. Aynı zamanda
numune çapı (D) ile et kalınlığı (t) arasındaki oran ise, D/t~10-12 olmalıdır.
25
Şekil 1’de burma deneyinin şematik gösterimi verilmektedir. Burma momenti etkisiyle
numunede kayma gerilmeleri oluşur. Deney sırasında uygulanan burulma momenti (T)
– burma açısı (φ
φ) diyagramı elde edilir (Şekil 2).
γ
φ
c
T
L
Şekil 1: Burma deneyinin şematik görünüşü
Şekil 2: Burma momenti (T) – burma açısı (φ
φ) diyagramı.
Silindirik bir numunede c yarıçapından küçük herhangi bir ρ yarıçapında meydana
gelen kayma gerilmesi (ττ) şu şekilde ifade edilir:
τ=
Tρ
J
(N/mm2, MPa)
Burada;
26
T: Burulma momenti (N.mm)
ρ: Kayma gerilmesinin istendiği yarıçap (mm)
J: Polar atalet momenti (mm4)
İçi dolu millerde polar atalet momenti: J =
İçi boş millerde ise: J =
1 4
π c (c mil kesitinin yarıçapıdır)
2
1
π ( c24 − c14 ) (c2 milin dış yarıçapı c1 ise iç yarıçapıdır)
2
Maksimum kayma gerilmesi numunenin yüzeyinde oluşacağı için c olarak verilen
değer numune yüzeyinde meydana gelen kayma gerilmesi (ττ) aşağıdaki şekilde ifade
edilebilir.
τ=
Tc
J
(N/mm2, MPa)
Burma deneyi ile elde edilen kayma akma gerilmesi, bu deneyden elde edilen burulma
momenti (T) – burma açısı (φ
φ) diyagramından elde edilir. Belirgin akma gösteren
malzemelerde diyagramın lineer kısmından, Şekil 2’de görüldüğü gibi belirgin akma
göstermeyen malzemelerde ise θ = 0,002 derece / mm burma açısı değerinden
diyagramın lineer kısmına çizilecek paralelin diyagramı kestiği noktadaki burulma
momentinden (TA) hesaplanabilir.
Kayma gerilmeleri etkisi ile numunede meydana gelen deformasyon, kayma birim şekil
değişimi (γγ) olarak ifade edilir (Şekil 1). Buna göre kayma birim şekil değişimi γ :
γ=
φc
L
φ : Burma açısı (Radyan)
c: Numunenin yarıçapı (mm)
L: Numunenin boyu (mm)
Kayma modülü (G), burma diyagramının lineer kısmından (elastik bölgesinden)
hesaplanır. Burma diyagramının elastik bölgesinde kayma gerilmesi, kayma birim şekil
değişimiyle orantılı olarak artar. Elastik bölgede, kayma gerilmesinin (ττ), kayma birim
şekil değişimine (γγ) oranı kayma modülünü (G) verir.
27
G=
τ
γ
(N/mm2, MPa)
G: Kayma modülü (MPa)
τ : Elastik bölgede herhangi bir noktadaki kayma gerilmesi (MPa)
γ: Elastik bölgede aynı noktadaki kayma birim şekil değişimi
Burma deneyinde çeşitli malzemelerin kırılma şekilleri Şekil 3'te gösterilmiştir. Burma
deneyinde sünek bir malzemenin kırılması, maksimum kayma gerilmeleri yönünde,
genellikle numunenin düşey ekseni boyunca olur (Şekil 3a). Gevrek bir malzemenin
kırılması ise, maksimum çekme gerilmesi doğrultusuna dik bir düzlem boyunca yani
numune boyuna 45°° lik açılı düzlemde olur (Şekil 3b). Boru şeklindeki sünek bir
malzemenin kırılması ise, numunenin boyu uzun ise numunenin bükülmesi sonucunda
şeklinin bozulmasıyla (Şekil 3c), eğer numunenin boyu kısa ise yine maksimum kayma
gerilmesi yönünde (Şekil 3d) olur.
Şekil 3: Burmada kırılma şekilleri; a) Yuvarlak numunenin sünek kırılma şekli, b)
Yuvarlak numunenin gevrek kırılma şekli, c) Sünek bir malzemenin boru şeklindeki
uzun numunesinin burulması, d) Sünek bir malzemenin boru şeklindeki kısa
numunesinin kopma şekli.
Yapılışı :
Kalibrasyon
Deney cihazı şu şekilde kalibre edilir.
- Kalibrasyon kolu takılır.
28
- Cihazın üzerindeki göstergenin 0°° açıda olduğu kontrol edilir.
- Kalibrasyon kolu tek taraftan yüklenir (42,5 kg)
- Aşağıdaki formül yardımıyla moment hesabı yapılır.
T = kuvvet(kg) x 9,80665 x mesafe x cos(α
α) açı (cihazın üzerindeki göstergeden)
- Elektronik gösterge, hesaplanan değeri göstermezse, yerinden çıkarılır. Cihazın
arkasındaki
“Adj” yazan kısımdaki
“SI” adlı delikteki vida, ince ayar aparatı ile
çevrilerek, göstergede hesapladığımız değer çıkana kadar ayarlanır.
- Yük ve kol söküldükten sonra, gösterge “0” olmalıdır. Eğer “0” değilse, elektronik
göstergenin arkasındaki “zero” yazan ayar vidasından gösterge sıfırlanır.
- Arka taraftaki diğer vida yardımı ile gösterge hassasiyeti ayarlanabilir. (0,00-00,0 –
000)
- Cihazın panosunda hız ayarlama düğmesi (set speed) vardır. Bu, sayısal bir değeri
ifade etmediğinden, hızı belirlemek için, cihaz şalteri açılarak (“on” konumu) çalıştırılır
(not: Cihaz her zaman “forward ” konumunda çalışmalıdır). Zaman tutulur ve belirli bir
sürede dönülen açı sayaçtan hesaplanır (1 atma değeri 0,3°°’dir veya cihaz üzerindeki
açı göstergesinden okunur). Böylece;
Devir Hızı (derece/dak.) = açı (derece) / zaman (dakika)
formülünden devir hızı bulunur.
- Numune yerleştirilir ve deney başlatılır.
- Eğer
“reverse” yönünde çalışılacaksa, cihaz kapatılır ve durması beklenir. Daha
sonra şalter “reverse” konumuna getirilerek, tekrar çalıştırılır.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Tecquipment SM21 burma cihazı
Altıgen baş kısmına sahip demir esaslı veya demir dışı burma numuneleri
Kaynaklar :
1) KAYALI, E.S., ENSARI, C., DİKEÇ, F., 1990, "Metalik Malzemelerin Mekanik
Deneyleri" İ.T.Ü. Kimya-Metalurji Fakültesi İstanbul
2) ASTM E143-87, 1987, “Shear Modulus at Room Temperature”
29
Raporda İstenilenler :
1) İncelenen numuneye ait kayma gerilmesi – kayma birim şekil değişimi eğrisini
çiziniz.
2) Çizdiğiniz eğriden, numuneye ait kayma modülünü hesaplayınız.
3) Normal gerilme (σ
σ) ile kayma gerilmesi (ττ) arasındaki fark nedir?
4) Elastik sabitler nelerdir?
30
Deney Adı : Metalik Malzemelerin Yorulma Deneyi
Amacı :
Tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin yorulma davranışının incelenmesi,
hasar
oluşumunun deneysel olarak belirlenmesi ve malzemelerin yük-çevrim sayısı
verilerinin elde
edilmesi.
Teorik Bilgi :
Mühendislik malzemelerinin birçoğu, kullanım esnasında tekrarlanan gerilmeler ve
titreşimler altında çalışmaktadırlar. Klasik elastisite teorisine göre akma gerilmesinin
altında yüklemeye maruz kalan parçalarda sadece elastik deformasyon meydana
geleceği kabul edilmektedir. Bu bölgede bilindiği gibi malzemede herhangi bir tahribat
meydana gelmez. Buna karşın dinamik yükler altında akma gerilmesinin altında
çalıştırılan malzemelerde bir süre sonra tahribat meydana geldiği saptanmıştır. Bu
şekilde değişen yükler altında malzemenin yüzeyinde çatlağın oluşması ve bunu
takiben kopma olayı, Yorulma olarak adlandırılır.
ASTM standartları yorulmayı “Bir malzemede bazı bölge veya bölgelerdeki değişken
gerilme ve şekil değişiminin meydana getirdiği ve belli sayıda yüklemeden sonra
çatlak veya kırılma ile sonuçlanan işlem” olarak tanımlamaktadır. Mühendislik
malzemelerini % 80 bu nedenle kırılmaktadır.
Yorulma olayında çatlama, genellikle yüzeydeki bir pürüzde bir çentikte, bir çizikte, bir
kılcal çatlakta veya ani kesit değişimlerinin olduğu yerde başlar. Çatlak oluşumu için
genellikle şu üç ana etken gereklidir:
• Yeterli derecede yüksek bir maksimum çekme gerilmesi,
• Uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi veya dalgalanması,
• Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı.
Bu ana faktörlerin yanında çok sayıda yan faktörlerde sayılabilir. Örneğin yüzey
kalitesi, korozyon, sıcaklık, aşırı yükleme, kalıcı iç gerilmeler, bileşik gerilmeler,
gerilim konsantrasyonu, frekans, mikroyapı (tane boyutu, fazların dağılımı, inklüzyon
gibi)
31
Laboratuarda, standart boyut ve belirli yüzey özelliğindeki numuneye, belirli türde
sabit gerilmeler uygulanarak deneyler yapılır. Endüstride kullanılan parçalarda ise
koşulların hepsi değişiklik gösterir. Karmaşık olmalarından dolayı bu koşulların analizi
de güçtür. Bu nedenle yorulma deneyi sonuçları, mühendislik uygulamalarında çekme
deneyi sonuçları gibi kesin, tam ve güvenilir bir şekilde kullanılamazlar. Yorulma
deneyi sonuçları belirli koşullar için fikir verirler ve benzer koşulların bulunabileceği
parça dizaynında gerekli önlemlerin alınmasında yardımcı olur.
Yorulma Deney Türleri :
Bir parçaya çalışma şartlarında değişik tür ve şiddette gerilmeler uygulanabilir. Ancak
yorulma deneylerinde, en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır.
Deneylerde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyine de adını vermektedir. Gerilme
türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri : Eksenel Gerilmeli Yorulma Deneyi, Eğme
Gerilmeli Yorulma Deneyi, Burma Gerilmeli Yorulma Deneyi, Bileşik Gerilmeli Yorulma
Deneyi :
Yorulma Deneyi ile İlgili Terimler :
Şekil 1: Yorulma deneyindeki periyodik yükleme eğrisi
Çevrim : Birçok deney cihazında zamanla sinüsoidal değişim gösteren yük (gerilme)
uygulanır. Şekil 1’de görülebileceği gibi gerilme zaman eğrisinin periyodik olarak
tekrarlanan en küçük parçasına bir ÇEVRİM denir.
32
Maksimum Gerilme (Smax) : Uygulanan gerilmeler arasında en büyük cebirsel değeri
olan gerilmelerdir. Çekme gerilmeleri pozitif (+), basma gerilmeleri negatif (-) işaretle
gösterilir.
Minimum Gerilme (Smin) : Uygulanan gerilmeler içinde en düşük cebirsel değere sahip
olan gerilmedir.
Ortalama Gerilme (Sm) : Maksimum ve minimum gerilmelerin cebirsel ortalamasıdır
olan gerilmedir.
Sm
=
(Smax + Smin)
............................. (1)
2
Gerilme Aralığı (Sr) : Maksimum ve minimum gerilme arasındaki cebirsel farktır.
Sr = Smax - Smin
............................. (2)
Gerilme Genliği (Sa) : Gerilme genliği, gerilme aralığının yarısıdır. Başka bir deyişle
maksimum ve minimum gerilmenin cebirsel farkının yarısıdır.
Sa= Sr = Smax - Smin
.............................
(3)
2
Gerilme Oranı (R) : İki türlü gerilme oranı tanımlanır. En çok kullanılanı R ile gösterilip
minimum gerilmenin, maksimum gerilmeye oranıdır.
R=
S min
S max
....................................(4)
İkincisi A ile gösterilip, gerilme genliğinin ortalama gerilmeye bölünmesiyle
elde edilir.
/
A= Sa Sm
................................. (5)
S-N Diyagramları (Wöhler Diyagramı) :
Bu diyagram birbirinden farklı sabit gerilmeler altında malzemenin kaç çevrim
sonunda çatlayacağını veya kırılacağını gösteren bağıntıyı verir. S-N eğrisinin
çizilmesi için genellikle 8-12 numune kullanılır. Ortalama gerilme (Sm) tüm deneylerde
sabit kalmak üzere numunelerin her birine farklı periyodik gerilmeler uygulanarak
numunenin çatlamasına ya da kırılmasına kadar geçen çevrim sayısı (N) tespit edilir.
Deneylerin tümünde gerilme genliği (Sa) deney süresince sabit tutulur.
Şekil 2’de
görülen tipik S-N diyagramlarında gerilme ekseni olan ordinatta genellikle doğrusal,
33
bazı hallerde ise logaritmik skala kullanılır ve bu eksende ya maksimum gerilme (Smax),
ya minimum gerilme (Smin) ya da gerilme genliği (Sa) biri kaydedilir. Çevrim sayısını
gösteren apsiste ise genellikle logaritmik skala kullanılır. Şekilde demir ve demirdışı
malzemeler için S-N eğrisi görülmektedir.
Şekil 2: S-N (Wöhler) eğrisi
Küçük gerilmeler için çatlamanın görüleceği çevrim sayısı çok büyük olur. Bu nedenle
deney önceden belirlenen bir sınır çevrim sayısına kadar (Ns) devam ettirilir. Parçanın
çatlaması veya kırılması beklenmez. Seçilen bu sınır çevrim sayısı malzemeden
malzemeye değişir. Örneğin çeliklerde S-N eğrisi 106-107 çevrimde yatay bir hal alacağı
için deney 2.106-2.107 çevrime kadar devam ettirilir. S-N eğrisi sürekli azalan
Alüminyum için bu değer 108 çevrimdir.
S-N eğrileri yüksek çevrim bölgelerinde Basquin eşitliği ile tanımlanır.
N. σap = C
p, C sabit
N : çevrim sayısı
σa : gerilim
Yorulma Dayanımı : Malzemenin N çevrim sonunda çatlama (veya kopma) gösterdiği
gerilme olarak tanımlanır. Bu değer bazı hallerde benzer numunelerin N çevrimde
dayanabileceği gerilmenin medyan ortalaması olarak alınır. Bazı hallerde ise ortalama
gerilme sıfır iken (Sm=0) N çevrimde benzer numunelerin % 50’sinin dayanabileceği
gerilme olarak alınır.
34
Yorulma Sınırı : S-N diyagramında eğrinin asimptotik durum aldığı gerilmeye “Yorulma
Sınırı” veya “Yorulma Dayanım Sınırı” denir. Bu gerilmenin altındaki periyodik
gerilmelerde parçanın sonsuz çevrime dayanabileceği kabul edilir.
Yorulma Ömrü: Bazen numunelerin sabit koşullarda belirli bir gerilme altında çatlama
(veya kırılma) gösterdikleri N çevrim sayılarının medyan ortalaması şeklinde
tanımlanır.
Yapılışı :
Yorulma deneyinde izlenecek en basit yol malzemenin belirli koşullar altında S-N
diyagramının elde edilmesidir. Bunun için benzer şekilde hazırlanmış 8 - 12 numune
alınır. Numunelere farklı gerilmeler uygulanarak çatlamanın (veya kırılmanın)
görüldüğü N çevrim sayısı tespit edilir. Burada numunenin ya tamamen kopması veya
önceden belirtilen belirli boyuttaki çatlak kriter olarak alınır.
S-N eğrisi elde etmek için genellikle aşağıdaki deney sırası takip edilmelidir:
a) Önce bir veya iki numuneye küçük çevrim sayısında çatlama (veya kırılma)
gösterecek şekilde nispeten yüksek gerilmeler uygulanır.
b) Daha sonra bir numuneye çok büyük çevrim sayısında çatlayacak (veya kopacak),
bir diğerine “Yorulma Dayanım Sınırı” altında kalacak şekilde nispeten düşük
gerilmeler uygulanır.
c) En son arada kalan gerilmeler için deney yapılır.
Bir malzemenin “Yorulma Dayanım Sınırı” için çekme dayanımı ve Brinell sertlik
değerlerinden faydalanılarak yaklaşık değerler seçilebilir.
• Demir-çelik grubu malzemelerde
Yorulma dayanım sınırı ≅ ± 0.15 Çekme Dayanımı
≅ ± 0.18 Brinell Sertlik Değeri
• Demir dışı metal ve alaşımlarda:
Yorulma dayanım sınırı ≅ ± 1/3 Çekme Dayanımı
Nispeten yüksek gerilimlerin uygulandığı ilk deneylerde çekme dayanımının yaklaşık
2/3’ü değerinde bir gerilme seçilir.
Deney Sırasında Dikkat Edilecek Hususlar :
35
1. Numune cihaza yerleştirilirken eksenel kesim sağlanmalı çalışma esnasında simetri
ekseninin sapmamasına dikkat edilmelidir.
2. Gerilme, deneyde öngörülen değerde hassas olarak uygulanmalı ancak darbe yada
başka türlü gerilmelerin oluşması önlenmelidir. Gerilme, deney süresince sabit
tutulmalıdır.
3. Deney uygun ortam koşullarında (özellikle uygun sıcaklık ve uygun nem
miktarlarında)
gerçekleştirilmelidir.
Deney
esnasında
numunenin
ısınmasını
engellemek için asitsiz yağlar ve basınçlı hava kullanılabilir.
4. Yorulma deneylerinde gerilme frekansı önemli bir faktördür. Frekansın deney
şartlarını etkilememesi için genellikle 10000 çevrim / dk frekansların altında
çalışılmalıdır.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Yorulma deney cihazı
Yorulma deney numunesi
Kaynaklar :
1) KAYALI, E.S. ,ENSARİ ,C. DİKEÇ, F. “Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri”,
İ.T.Ü. Kimya Metalurji Fakültesi, İSTANBUL 1990
2) ÜÇIŞIK, A.H. “Malzeme Teknolojisinde Yorulma Deneyi”, Malzeme Teknolojisinde
Deneysel Verilerin Değerlendirilmesi Semineri, Boğaziçi Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi, İSTANBUL 1984
3) ASM HANDBOOK “Mechanical Testing”, Ninth Edition Vol 8, American Society for
Metals, 1985
4) TALISCHER, H. ,Çevirenler, GÜLGEÇ, Ş. ,ARAN, A. “Çelik ve Dökme Demirlerin
Yorulma Dayanımı”, TÜBİTAK Marmara Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma
Enstitüsü, MBEAE Matbaası, GEBZE 1983
Raporda İstenilenler :
1) Sabit yorulma ömrü (smith) diyagramı nedir nasıl çizilir?
2) Malzemelerde yorulma olayına etki eden faktörleri açıklayınız ?
36
Deney adı : Metallerin Soğuk Deformasyonu ve Mekanik Özellikleri
Amacı :
Soğuk deformasyonun (şekil değiştirme) metallerin mekanik özelliklerine etkisinin
incelenmesi
Teorik Bilgi :
Metalurji ve malzeme mühendisleri yüksek mukavemetli, yeteri kadar sünek ve tok
malzemelere ihtiyaç duyarlar ve bu amaca ulaşmak için aşağıda belirtilen mukavemet
arttırıcı yöntemleri kullanırlar.
-Katı Çözelti Sertleşmesi,
-Deformasyon Sertleşmesi,
-Tane Boyutu Küçültme Sertleşmesi,
-Çökelme ve Dağılım Sertleşmesi
Mukavemetleşme mekanizmalarını açıklamak için dislokasyon hareketi ile metallerin
mekanik davranışı arasındaki ilişkinin anlaşılması gerekir.
Plastik deformasyon,
genellikle dislokasyon hareketleriyle olduğundan bu hareketleri engelleyen her
oluşum plastik deformasyonun başlaması için gerekli olan gerilmeyi yükseltir; yani,
metalin mukavemetini arttırır.
Plastik deformasyon süresinde oluşan pekleşme, bir
metalin mukavemetini artırıcı yöntemlerin başında gelir.
Haddeleme, tel çekme ve
diğer soğuk şekil verme yöntemleriyle (Şekil 1) şekil değiştirme yapılırken soğuk
işlem derecesinin miktarı arttıkça metaller daha mukavemetli olurken süneklikleri
düşer.
Ayrıca, soğuk işleme maruz kalan metallerde korozyon daha hızlı oluşur.
Soğuk işlem veya şekil değiştirme sertleştirmesi, bazı metallerin dayanımlarını
arttırmak için kullanılan en önemli yöntemlerden biridir. Şekil değiştirme sertleşme
miktarını ayarlayarak soğuk çekilmiş metallerden (örneğin bakır) belli sınırlar içinde
farklı dayanımlarda metalik ürün elde etmek mümkün olur.
Yeniden kristalleşme sıcaklığı altındaki sıcaklıklarda yapılan işlemler
soğuk işlem
olarak tanımlanır ve bu işlem sırasında oluşan plastik deformasyon nedeniyle “şekil
değiştirme sertleşmesi” metal ve alaşımlarında görülür. Şekil değiştirme sertleşmesi
ile sünek metal daha sert ve mukavemetli olur.
Bazen “işlem sertleşmesi” olarak da
adlandırılır.
37
Şekil 1: Değişik şekil verme yöntemleri
Plastik deformasyonun miktarı, dairesel kesitli parçalarda soğuk işlem yüzdesi olarak
aşağıdaki denklem ile ifade edilir.
Soğuk İşlem Yüzdesi (% Sİ) = [ (Ao-Ad) / Ao ] . 100
Ao:
Orijinal kesit alanı
Ad:
Deformasyon sonrası kesit alanı
Yapılışı :
Deneyde yumuşak saf elektrolitik bakır levha ve el haddesi kullanılır. Hadde aleti, esas
itibarıyla iki merdaneden oluşur (Şekil 1).
olmasına dikkat edilir.
Numune yüzeylerinin temiz ve çapaksız
Levhanın başlangıç kalınlığı kompasla ölçülür.
Numunede
hedeflenen kalınlığa erişmek için merdaneler arası uzaklık ayarlanır. Daha sonra levha
değişik kalınlıklara oda sıcaklığında haddelenir. İnceltilen her levhanın haddeleme
işlemi sonucu kalınlığı ve sertliği ölçülür. Soğuk işlem yüzdesi kalınlıktaki değişim
olarak aşağıdaki formül ile hesaplanır:
% Sİ = [(Ho-Hf) / Ho ] . 100
38
Ho :
Başlangıçtaki orijinal kalınlık
Hf :
Soğuk işlem sonrası kalınlık
Sertlik ölçümü yaparken numunenin yüzeyinin temiz, her iki yüzeyinin paralel olması
ve numunenin ölçüm tablasının üzerine tam oturması gereklidir. Ölçüm sayısı en az 3
olmalıdır.
Kullanılan Cihazlar ve Malzemeler :
Deneyde yumuşak saf elektrolitik bakır levha ve el haddesi kullanılır.
Kaynaklar :
1) Malzemelerin Yapı ve Özellikleri, H.W. Hayden, W. G. Moffat ve J. Wulff, Çeviren K.
Onaran ve B. Erman, İTÜ Matbaası, 1978.
2) Malzeme Bilimi Ders Notları, Ş. Eroğlu.
Raporda İstenilenler :
1) Kalınlıktaki değişimlerin soğuk işlem yüzdesine dönüştürülmesi
2) Soğuk işlem miktarı-sertlik değerleri tablosunun oluşturulması
3) Ölçülen sertlik değerlerinin ortalamasının ve standart sapmasının hesaplanması
4) Soğuk işlem miktarı-sertlik eğrisinin çizilmesi ve eğri üzerinde standart sapma
değerlerinin gösterilmesi
5) Sertlikteki değişiminin ve sertleşme mekanizmasının açıklanması
6) Aşırı soğuk işlem görmüş metalin çatlama olmadan daha fazla inceltilmesinin
mümkün olmadığının; böyle bir malzemeyi daha ince hale getirmek için hangi işlemin
uygulanması gerektiğinin ve bu işlem sırasındaki yapı-özellik değişimlerinin
açıklanması
39
METALİK MALZEMELERDE AŞINMA
Temas eden yüzeylerde, sürtünme kuvvetleri güç kaybına, aşınma ise işleme toleranslarının
kötüleşmesine sebep olmaktadır. Diğer taraftan, debriyaj ve fren balatası ve de ayakkabı
tabanları gibi bazı malzemelerde sürtünme sağlanabilecek özellik istenmesine rağmen, aşınma
istenmeyen bir olaydır. Buna karşılık frezeleme ve taşlama gibi talaşlı imalat işlemlerinde ise
sürtünme için minimum enerji harcayarak maksimum aşınmanın yapılması istenir.
SÜRTÜNME
Bilindiği gibi, iki malzeme birbirlerine temas edecek şekilde yerleştirilirse, bu malzemelerden
birini diğeri üzerinde kaydırmak için uygulanan kuvvete sürtünme kuvveti direnç gösterir.
Kaymayı başlatan kuvvet (Fs) ile, temas yüzeyine etki eden normal kuvvet (Fn) arasında;
Fs = µs . Fn
(1)
bağıntısı mevcuttur. Burada µs statik sürtünme katsayısıdır.
Kayma başladıktan sonra, sürtünme kuvvetinde bir azalma olur ve bu durumda;
Fk = µk . Fn
(2)
bağıntısı yazılabilir. Burada µk (<µs) kinetik sürtünme katsayısıdır
Şekil 1. Statik sürtünme ve dinamik sürtünme esnasında cisme etki eden kuvvetleri şematik
gösterimi.
Çok iyi torna edilmiş metalik bir malzemenin yüzeyi mikroskop altında incelenirse yüzeyde
çok sayıda girinti ve çıkıntıların yani pürüzlerin bulunduğu görülür. Metal yüzeyi
parlatıldığında, pürüzlerin boyutunda on misli bir azalma olur fakat yine de yüzeyde pürüzler
bulunur.
40
Ne kadar hassas işlenmiş veya parlatılmış olursa olsun, iki yüzey birbiriyle temas ettiğinde,
gerçek temas bir takım pürüzlerin birbirlerine dokunduğu noktalarda olur. Bu durumda,
yüzeye etki eden yük, sadece pürüzlerin birbirlerine temas ettiği noktalardan desteklenir ve
yüzey alanının küçük bir kısmı yükü taşır.
Sürtünme Katsayısı Değerleri
Vakumda, çok iyi temizlenmiş metal yüzeylerini birbirleri üzerinde kaydırmak mümkün
değildir. Kayma kuvveti, birleşme noktalarında yüksek plastisiteye ve tamamen yapışmaya
sebep olur. Bu olay metalden yüzey filmini kaldıran ortamlarda (örneğin H2) ve atmosfer
dışında önemli bir problemdir. Çok miktardaki oksijen veya H20, metalik birleşme
noktalarında oksit filmi oluşturarak µ değerini büyük ölçüde azaltır.
Altın haricindeki bütün metaller, yüzeylerinde belirli bir kalınlıkta oksit filmi oluştururlar.
Pürüz uçlarında oluşan oksit filmleri arasındaki birleşme noktalarının, kayma esnasında ana
metalden daha gevrek ve düşük mukavemetli oldukları saptanmıştır. Bu durumda yüzeyler
ince oksit tabakası üzerinde, metalin kendisinden daha düşük gerilme değerlerinde kayacak ve
buna bağlı olarak µ değeri 0,5 - 1,5 arasında azalacaktır.
Yumuşak metallerin birbirleri üzerinde kaymaları durumunda (örneğin kurşun-kurşun
üzerinde) birleşme noktaları daha zayıftır, fakat alanın daha geniş olması nedeniyle µ değeri
daha büyük olur (0.5-1.5). Sert metallerin kayması durumunda ise (çelik-çelik üzerinde)
birleşme noktaları az fakat mukavemetin fazla olması nedeniyle sürtünme yine büyüktür.
AŞINMA
Birbirine temas eden mühendislik malzemelerinin, birbirlerine sürtünmesi neticesinde
meydana gelen aşınma, çeşitli makine ve teçhizatın kullanımı sırasında çok büyük ekonomik
kayıplara sebep olmaktadır. Aşınma, bir yüzeyden diğer bir yüzeye malzeme transferi veya
aşınma parçalarının oluşumu neticesinde ortaya çıkan malzeme kaybıdır. DIN 50320'de
aşınma; "kullanılan malzeme yüzeylerinden mekanik sebeplerle ufak parçaların ayrılması
suretiyle meydana gelen değişiklik" olarak tanımlanmaktadır.
Temas halinde bulunan katı yüzeylerde, malzeme kaybı üç şekilde gerçekleşebilir. Bunlar
bölgesel erimeler, kimyasal çözünme ve yüzeyden fiziksel anlamda oluşan ayrılmadır.
Uygulamada aşınma kapsamında, daha çok yüzeyden fiziksel anlamda ayrılan malzemenin
sebep olduğu hasarlar dahil edilmektedir.
Bir aşınma sisteminde; ana malzeme (aşınan), karşı malzeme (aşındıran), ara malzeme, yük ve
hareket aşınmanın temel unsurunu oluşturur. Bütün bu unsurların oluşturduğu sistem teknikte
"Tribolojik Sistem" olarak isimlendirilir.
Bir aşınma sistemindeki önemli etkenlerden biri de çevre şartlarıdır. Sistem elemanlarının
nem ve korozif etkiler ile karşı karşıya kalması aşınmayı hızlandırır.
41
Aşınma, genellikle önceden bilinen bir hasar tipidir. Birbirleri ile temasta olan malzeme
yüzeyleri oksit filmleri veya yağlayıcılar ile korunsalar bile, mekanik yüklemeler altında oksit
tabakasının veya yağlamanın bozulması, iki yüzeyin birbiriyle doğrudan temasına sebep
olabilir. Bu temas sonucu oluşan sürtünme malzemenin çalışma koşullarındaki ömrünü ve
performansını sınırlayan aşınmaya sebep olur. Bu hasar uygun yağlama, filtreleme, uygun
malzeme seçimi ve uygun tasarım gibi faktörlerle en aza indirilebilir, fakat kesinlikle
önlenemez.
Aşınmayı etkileyen faktörleri dört ana grup halinde toplayabiliriz.
I-Ana Malzemeye Bağlı Faktörler
Malzemenin kristal yapısı
Malzemenin sertliği
Elastisite modülü
Deformasyon davranışı
Yüzey pürüzlülüğü
Malzemenin boyutu
II- Karşı Malzemeye Bağlı Faktörler ve Aşındırıcının Etkisi
III- Ortam Şartları
Sıcaklık
Nem
Atmosfer
IV-Servis Şartları
Basınç
Hız
Kayma yolu
Aşınma Mekanizmaları
Pek çok aşınma mekanizması vardır. Bunları aşağıdaki ana başlıklar altında açıklamak
mümkündür.
1) Oluş Mekanizmaları Açısından Sınıflandırma
1.1. Adhesiv Aşınma
Özellikle birbiriyle kayma sürtünmesi yapan, metal-metal aşınma çiftinde meydana gelen
kaynaklaşma olayının bir sonucudur. Birbiri üzerinde kayan yüzeylerdeki gerilmeler küçük
yüklemelerle dahi akma gerilmesi sınırına, erişirler veya geçerler. Böylece temas eden
metaller arasında yapışma kuvvetleri kendini gösterir. Bu nedenle bir parçadan diğerine
malzeme geçişi, soğuk kaynaklaşma ve küçük parçaların kopması olayları meydana gelir.
Adhesiv aşınma, en sık rastlanan aşınma türü olmasına rağmen genellikle hasarı hızlandırıcı
etkide bulunmaz. Adhesiv aşınma bir metal yüzeyinin başka bir metal yüzeyindeki bağıl
hareketi sırasında birbirlerine kaynamış veya yapışmış yüzeydeki pürüzlerin kırılması sonucu
ortaya çıkar.
42
Eğer iki metal aynı sertlikte ise aşınma her iki yüzeyde de oluşur. Metaller arasındaki
yağlamanın mükemmel olması, yüzeye etki eden yükün azaltılması ve malzemenin sertliğinin
arttırılması adhesiv aşınmayı azaltır. Sonuç olarak adhesiv aşınma; yüzeye etkiyen normal
yükle, kayma yolu ile ve aşınan malzemenin yüzey sertliği ile orantılıdır.
1.2. Abrasif Aşınma
Yırtılma veya çizilme aşınması olarak da isimlendirilen abrasif aşınma, sistemde hızlı hasara
neden olan önemli bir aşınma türüdür. Abrasif aşınma; biri diğerinden daha sert ve pürüzlü
olan metal yüzeylerinin birbiriyle temas halindeyken kayma sırasında meydana gelir.
Sert parçacıkların yumuşak metale batması abrasif aşınmaya sebep olabilmektedir. Bu
mekanizmaya örnek olarak, sisteme dışarıdan giren toz parçacıklarının veya bir motorda
oluşan yanma ürünlerinin sebep olduğu aşınma tarzı verilebilir.
Abrasif aşınma hızı, malzeme yüzeyine etki eden yük azaltılarak düşürülebilir. Böylece
parçacıkların yüzeye daha az batması ve çapak kaldırılması sırasında daha az iz bırakması
sağlanır.
Malzeme açısından abrasif aşınmayı azaltmak için;
• Daha sert alaşım kullanmak,
• Sertlik arttırmak amacıyla ısıl işlem uygulamak,
• Malzeme yüzeyini sert bir tabaka ile kaplamak,
tavsiye edilir. Bu önlemlerle abrasif aşınma hızını azaltmak mümkündür.
Abrasif aşınma endüstriyel cihazlarda malzeme kayıplarının başlıca sebebidir. Aşındıran
malzeme serbest halde iki metal arasında bulunuyorsa veya yalnız bir metali aşındıran sabit
veya serbest taneler mevcut ise bu durumda;
•
•
İki elemanlı abrasif aşınma,
Üç elemanlı abrasif aşınma,
şeklinde gruplandırma mümkündür.
43
Şekil 2. İki elemanlı ve üç elemanlı abrasif aşınma oluşum şekilleri.
Metal-metal sürtünmelerinde aşınma iki elemanlı abrasif veya adhesiv olarak başlayıp üç
elemanlı abrasif olarak devam eder. Bu durumda araya giren toz, mineral taneleri, çizilme
sonucu serbest hale geçen mikro talaşlar ve parçalanmış oksit parçacıkları üçüncü elemanı
(ara malzemeyi) oluşturabilir. Serbest hale geçen mikro talaş parçacıkları genellikle ana
malzemeden daha sert olduklarından (üç elemanlı) abrasif aşınma, aşınmayı
hızlandırmaktadır. Endüstriyel makinelerdeki en önemli aşınma türü olan abrasif aşınmaya
genel olarak aşağıda verilen yerlerde rastlanmaktadır.
Traktör, greyder gibi tarım ve iş makinelerinin bıçak ve tırnaklarında
Cevher işleme ve öğütme tesislerinde
Eleklerde
Değirmenlerde
Nakil makinelerinde
Bu gibi makine ve makine parçalarında yalnızca abrasif aşınmadan söz edilebileceği gibi,
bunlardan başka aşınma türlerinin de birlikte görülmesi mümkündür.
1.3. Tabaka Aşınması
Abrasiv aşınma yüzeyine yakın yerlerinin (sınır yüzeyinin) özelliğinin pek önemi yok iken,
tabaka aşınmasının önemi büyüktür. Çevredeki gazların ve ara malzemenin etkisiyle meydana
gelen aşınma yüzeyi sınır tabakası, çizilmeyle sıyrıldığından daima yeniden meydana gelir.
1.4. Titreşim Aşınması
Titreşim (yorulma) aşınması, titreşim zorlamalarında yorulma kırılması hasarı olarak ortaya
çıkar. Bu aşınmada, içyapı tahribatı, çatlamalar, lokal ayrılmalar meydana gelir. Genellikle
periyodik yüklemeler dolayısıyla, yüzeyden veya yüzeye yakın yerlerde içyapının
parçalanarak yırtılmalar oluşturması sebebiyle yüzeyden kısmi çözülmelerin olmasıyla
44
meydana gelir.
2) Hasarın Fiziksel Görünüşüne Göre Sınıflandırma
2.1. Kayma Aşınması
2.1.1. Taneli Mineraller Tarafından Oluşturulanlar
Taneli minerallerin meydana getirdiği kayma aşınması, mineral sert1iğine bağlı olarak
belirlenir. Metal olmayan sert malzemelerde aşınma, metal malzemelerde olduğu gibi mineral
tanelerinin sertliğiyle artar, fakat sert malzemenin aşınma yüzeyinde gevrek kırılmalar
meydana gelir. Aşınma esnasında malzeme sertliği, aşınma direncinin büyüklüğünü etkileyen
önemli bir faktördür.
2.1.2. Metal-Metal Aşınması
Metal-metal sürtünme tiplerinden hidrodinamik sürtünmede genellikle hiçbir aşınma olmaz ve
malzeme çiftinin önemi yoktur. Çünkü malzemeler bu anda birbirine temas etmemektedir.
Fakat tam yağlama için minimum bir hız gereklidir.
Karışık yağlamada kuvvet kısmen hidrolik, kısmen katı cisimlerin teması ile sağlanır. Bu
temas noktalarında malzemelerin özellikleri ve kayma yapan malzeme çiftleri ile yağlayıcı
maddenin etkisi vardır.
Özellikle yağsız yüzeylerin sürtünmesinde aşınma durumu malzeme çiftinin yüzeyine
bağlıdır. Ayrıca kayma yüzeylerin işlenişi (yüzey pürüzlülüğü, işlemi doğrultusu) de
aşınmaya büyük ölçüde etki etmektedir.
2.2. Korozif Aşınma
Aşınan yüzeyler, aynı zamanda korozif etkilere de uğrarsa buna korozif aşınma denir.
Kimyasal korozyon kendi başına oluşabildiği gibi diğer aşınma türleriyle birlikte meydana
gelebilir. Yüzeye sıkıca yapışan filmler oluşturan kimyasal reaksiyonlar yüzey aşınmasını
önler. Fakat film kırılgan ve yüzeye gevşek ise aşınma büyük miktarda hızlanır. Çünkü
sürtünme hareketi sırasında filmler çatlar ve yerinden kopar.
2.3. Erozyon Aşınması
Erozyon (hidro-abrasif) aşınması, akıcı maddelerin meydana getirdiği aşınmadır. Sıvılar,
gazlar akış sırasında parçanın sınır yüzeylerinde patlama veya çarpışma etkisi yaparak
yüzeyden parçacıklar koparırlar ve girdaplar etkisiyle dalgalı yüzey meydana getirirler.
Böylece aşınma daha da hızlanır.
Şekil 3. Erozif aşınma.
45
2.4. Yuvarlanma Aşınması
Bu tür aşınma birbiri üzerinde yuvarlanarak hareket eden malzemelerde oluşan aşınmadır. Bu
aşınma da şüphesiz malzemelerin özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır. Yuvarlanma esnasında
aşınma tek bir malzemede oluşabileceği gibi her iki malzemede de değişen miktarlarda
oluşabilir. Yuvarlanma aşınmasında yüzeylerin yağlanıp, yağlanmamasının çok büyük önemi
vardır.
3) Aşınmanın Aldığı Özel Adlar Vasıtasıyla Sınıflandırma
3.1. Öğütmeli Aşınma
Öğütmeli aşınma, yüksek basınçlar altındaki partiküllerin metal yüzeyleri ile düşük hızlarda
karşılaşmaları sonucunda, metal yüzeyinden parçacıkların kesilerek veya çok sayıda ufak
çizikler açılarak kopartılması ile meydana gelir. Bu yüksek basınç ve düşük hız
kombinasyonu genellikle hafriyat çalışmalarında kullanılan buldozer ve kepçe gibi ağır iş
makinelerinin çalışma koşullarında meydana geldiği için, bu araçların kesici uç yüzeylerinde
bu hasar türü meydana gelir. Kepçelerde kullanılan kesici ve batıcı uçların, öğütmeli aşınma
sonucunda şekil değişimi meydana gelerek körlenme oluşur.
3.2. Oymalı Aşınma
Oymalı aşınma, malzeme yüzeyinin çok yüksek gerilmelerdeki çarpma durumlarında,
yüzeyden bir parçanın kesilerek veya oyularak kopmasıyla meydana gelir. Bu tip aşınmaya
genellikle hafriyat, madencilik, petrol kuyularını delme işlemi ve benzeri koşullarda çalışan
malzemelerin kesme ve delme görevi yapan kısımlarında görülür. Bu işlemler sırasında sert
abrasif parçacıkların çok yüksek gerilmeler altında malzeme yüzeyine çarpmaları ile
yüzeylerde hızlı bir şekilde hasar oluşumu meydana gelir.
Oymalı aşınma diğer aşınma türlerine göre çok daha hızlı olarak geliştiğinden, bu aşınmaya
uğrayan parçaların yenileriyle değiştirilerek kullanılması daha ekonomik olmaktadır.
3.3. Kazımalı Aşınma
Kazımalı aşınma, karşılaşan yüzeylerde mikro kaynaşmanın meydana geldiği adhesiv
aşınmaya bir miktar benzemektedir. Aralarındaki fark ise; adhesiv aşınma, birbirleri üzerinde
kayan yüzeylerde meydana gelirken, kazımalı aşınma birbirlerine göre hareket etmeyen
yüzeylerde meydana gelir. Ancak kazımalı aşınma, çok düşük genlikteki hareketlerin
(vibrasyon) meydana geldiği sistemlerde, mikro kaynaşmanın oluşmasıyla meydana gelir.
Kazımalı aşınma, vibrasyonlu ortamlarda çalışan somun, perçin gibi bağlantı elemanlarıyla
birleştirilmiş sistemlerde otomobil şaftlarının birleşme noktalarında ve yataklarda en yaygın
olarak rastlanılan hasar oluşum mekanizmasıdır.
Aşınma testleri değişik deney düzeneklerinde yapılmaktadır. Aşınma deneylerinde en yaygın
deney donanımlarından birisi, bir disk (Silindir veya dikdörtgen) üzerine bastırılan pimdir.
"Disk üzerinde pim" metodunun başka şekilleri de vardır. Ancak ana fikir hep aynıdır. Bu tip
asimetrik düzenlemelerde, pim ya da blok çoğu zaman numunedir ve bu parçanın aşınma hızı
ölçülür. Diğer parça olan disk ise, "dış yüzey" olarak isimlendirilir. Aşınma deney düzenekleri
uluslararası standartlara uygun olarak standartlaştırılmıştır.
46