MALZEME BİLİMİ (DERS NOTLARı)

Bölüm 5.

Mekanik Özellikler ve Davranışlar

Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR

ÇEKME TESTİ: Gerilim-Gerinim/Deformasyon Diyagramı

Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bilgilerini saptamak ve

malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile yaygın olarak

kullanılmaktadır. Çekme deneyi standartlara göre hazırlanmış deney numunesinin tek

eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta kopuncaya kadar çekilmesidir.

Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki mekanik

özellikler bulunabilir;

Elastisite modülü

Elastik sınırı

Rezilyans

Akma gerilmesi

Çekme dayanımı

Tokluk

% uzama.

% kesit daralması

Kopma dayanımı

• Malzemenin özelliklerinin doğru bir şekilde ölçülebilmesi için, alındığı malzemeyi tam

olarak temsil edebilmesi şarttır.

• Farklı üretim yöntemiyle üretilmiş veya şekildeki malzemelerin her biri için farklı

ölçülerde çekme numunesi hazırlanmaktadır.

Çekme deneyinde yükün

uygulandığı alanın daha fazla

küçülmesinden dolayı boyun

verme başladıktan sonra

gerçek gerilme yükselir.

Poisson Oranı: Bir malzemeye tek yönlü bir gerilme uygulanırsa malzeme uygulanan yük yönünde

uzar ve bu yüke dik kesitlerde ise büzülmeye uğrar. Kalıcı deformasyonda (plastik deformasyon) bu

uzama ve büzülme sonucu malzemenin hacmi korunur. Fakat elastik çekme veya basma

deformasyonunda durum böyle değildir. Çekme deformasyonunda hacim artarken, basma

deformasyonunda hacim az miktarda azalır. Bu durumda uygulanan yüke dik kesitlerde azalma y ve

z, uzunlukta oluşan artış (x) ile orantılıdır. Bu oran 0.25-0.4 arasında değişir ve metaller için tipik

olarak ortalama 0.33 civarındadır.

Akma Dayanımı (a): Kaymanın fark edilir ve etkili olduğu durumdaki gerilmedir.

Şekillendirme veya şekil değiştirme işlemi gerektiren parçaların üretiminde, gerilme,

malzemenin şeklinde kalıcı bir değişiklik oluşturması için, akma dayanımının üzerinde

olmalıdır. bazı malzemelerde elastik davranıştan plastik davranışa geçiş gerilimi

kolaylıkla tespit edilemez. Bu durumda Offset veya deneme olarak adlandırılan akma

gerilimi belirlenir. % 0.2 veya 0.002 gerinim gibi küçük kalıcı bir şekil değiştirmenin,

parçanın performansında hasar sergilemediği kabul edilir.

Çift Akma Noktası: Diğer taraftan az karbonlu çelikler çift akma noktası sergiler.

Malzeme normalde 1 geriliminde plastik şekil değiştirme beklenirken küçük arayer

atomlarının dislokasyonlar etrafında kümeleşmesi kaymaya engel oluşturarak gerilimi

2’ye yükselmesine neden olur. 2’de kayma başladıktan sonra dislokasyon küçük atom

kümelerinden uzaklaşır ve daha düşük gerilim olan 1’de çok hızlı hareket etmeye

devam eder.

Rezilyans: Malzemelerin Elastik bölgede enerji adsorbe edebilme özelliğidir. Bu bölgede

malzemeye uygulanan yük kaldırıldığında, malzeme adsorbe ettiği enerjiyi geri verir.

Rezilyans lineer elastik davranış gösteren malzemelerde elastik bölgenin altında kalan

alandır.

Çekme Dayanımı: Uygulanan en yüksek kuvvetle elde edilen gerilmedir. Çekme dayanımı

noktasına kadar malzeme homojen uzar. Bu noktadan sonra kesiti daralarak (boyun verme)

kopar. Malzemenin dayanabildiği maksimum gerilmedir. Mühendislik gerilme-gerinim

eğrisi üzerindeki maksimum gerilmedir.

Kopma dayanımı: Kırılma (kopma) anında uygulanan yükün orijinal alana bölünmesi ile

bulunan gerilmedir. Kopma dayanımı, çekme dayanımından küçük görülmesine rağmen bu

kesit daralması olayı sonucu olduğundan gerçekte durum böyle değildir.

Tokluk: Bir metalik malzemenin kopmadan enerji yutabilme yeteneğini o malzemenin

çekme altında gerilme-şekil değişimi eğrisinin altında kalan alan temsil edebilir.

Malzemenin kopuncaya kadar adsorbe ettiği enerjidir .

Mekanik davranış açısından malzemeler iki sınıfa ayrılırlar

Gevrek malzemeler: Elastik bölge sonunda plastik şekil değiştirmeden aniden kırılırlar. Bu

malzemelerde elastik sınır akma gerilmesi ve akma mukavemeti ile aynıdır. Büzülme

oluşmaz ve az bir enerji ile kırılırlar. Ayrıca kırılma aniden gerçekleşir.Örneğin bakalit,

beton, tuğla, dökme demir, taş..

Sünek malzemeler: Bu malzemeler önemli ölçüde plastik şekil değiştirmeden sonra

büzülerek kırılırlar, kırmak için oldukça büyük enerjiye ihtiyaç vardır ve toklukları

yüksektir. Süneklik malzemenin kopmaksızın dayanabileceği şekil değiştirme miktarıdır.

İki şekilde ifade dilebilir. Birinci yaklaşım, testten önce ve sonra numune üzerinde ölçü

işaretleri arasındaki mesafeyi ölçmektir.

Süneklik ölçümlerinin doğru olarak yapılabilmesi (boyun vermeden sonra bölgesel ek

uzamalar oluşuyor ve uzamalar üniform olmuyor. Büzülme bölgesinde büzülme ne kadar

büyük l0 bölünürse o kadar küçük süneklik elde edilmektedir) için hesaplamalarda l0 yerine

gerçek lg değeri kullanılmaktadır.

Her ülke K değerini kendi standartları için belirlemiştir. TS uzun çubuk sistemi için K=

11.3 iken kısa çubuk sistemi için K=5.65 olarak almıştır. Yuvarlak çubuklar için kısa çubuk

sistemine göre lg=5d0, uzun çubuk sistemine göre lg=10d0 olarak alınmaktadır.

İkinci yaklaşım kopmadan önce ve sonra kesit

alandaki yüzde daralmayı ölçmektir. Kesit

alandaki yüzde daralma test sırasındaki

numunenin incelme miktarını belirler

Soru: Aşağıdaki koşullarda çekme deneyi uygulanan düşük karbonlu bir çeliğin mühendislik

gerilme ve genleme değerlerini, gerçek gerilme ve genleme değerleriyle kıyaslayınız

Numuneye uygulanan yük: 75 000 N

Numune çapı: 12 mm

Numunenin yük altındaki çapı: 11.1 mm

Soru. Kütlesi 4530 kg olan bir asansör kabinine dayanabilecek bir halat tasarlanıyor. Plastik şekil

değiştirme olmaksızın kabin için dayanması istenen halatın minimum çapını hesaplayınız.

Alüminyum alaşımdan yapılması istenen malzemenin kritik gerilme-genleme değerleri aşağıda

verilmiştir.

e=0.002 =240 MPa

e=0.08 max=290 MPa

e=0.1062 kopma=274.8 MPa

Soru. 5mm çaplı çelik telin boyu 50cm’dir. Bu tele çekme uygulananınca 2800 kg’da akma

başlıyor. 3000 kg’da boyu 7mm uzuyor ve 3200 kg’da kopuyor. Çeliğin elastisite modülü 21.000

kg/mm2’dir. 3000 kg etkisinde ne kadar plastik şekil değiştirme oluşur? Çelik telin rezilyansını

bulun.

Soru. 5mm kalınlığında bir bakır plakadan 20mm genişliğinde bir çekme numunesi hazırlanıyor.

Numunenin üzerine ayakları arasında 10cm mesafe bulunan bir ekstansometre bağlanıyor. 1320 kg

altında ekstansometre 0.12mm artış gösteriyor. 1600 kg’da akma başlıyor ve en fazla 2200kg yük

taşıyarak kopuyor. Çubuğun kopmadan sonraki en dar kesiti 4mm x 8mm ölçülüyor. Uzun çubuk

sistemine göre işaretlenen noktalar arasındaki son uzaklık 158mm oluyor. Bu deneysel değerlere

göre bakırın elastisite modülünü, akma sınırını, çekme mukavemetini, sünekliğini ve büzülme

oranını bulunuz. Kopma noktasında yük 1800 kg’dır.

MALZEMELERIN SERTLIĞI Sertlik Testi– Malzemenin yüzeyinin keskin bir obje ile delinmeye olan direncini ölçer.

Makro sertlik– Malzemelerin genel sertlikleridir. >2Nbüyük yük kullanılır.

Mikrosertlik- 2N’un altında yük uygulanarak yapılan sertlik testidir. Ör:Knoop (HK).

Nano-sertlik- 1–10 nm uzunluk skalasındaki malzemelerin çok düşük yükler kullanılarak

(~100 μN) sertliklerinin alınmasıdır.

Sertlik: Bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona karşı

direnci olarak tarif edilir.

Cisimlerin sertlik ölçme yöntemleri 3 ana gruba ayrılabilir;

Scratch (Çizme) sertlik testi: Malzeme yüzeyini sert bir cisim ile çizerek yapılan

sertlik deneyleri,

Indentation sertlik testi: Malzemeye sert bir cismi kuvvet altında batırmak suretiyle

yapılan sertlik deneyleri,

Dinamik sertlik testi: Sert bir bilyeyi malzeme üzerine düşürmek ve sıçratmak suretiyle

yapılan sertlik deneyleri.

Çizerek yapılan sertlik deneyleri:

Sert bir malzeme kendisinden daha az sert olan bir malzemeyi çizer. Bu faktör göz önüne

alınarak bir seri mineral sertliğine göre sıralanarak, mohs skalası olarak adlandırılan yarı-

kantitatif bir cetvel elde edilmiştir. Mohs skalası:

Indentation (batırılarak) sertlik testi:

Sertlik deneyinde, bir malzemenin yüzeyine batırılan bir uca (bilye, piramit veya koni ) veya

kesici takıma karşı gösterdiği direnç ölçülür. Bir malzemenin sertliği, uygulanan yüke bağlı

olarak ya örnek yüzeyinde oluşan izin yüzey alanına ya da batıcı ucun batma derinliğine

göre belirlenir.

Bugün laboratuarlarda uygulanan sertlik ölçme yöntemleri şunlardır:

a) Brinell sertlik ölçme yöntemi

b) Rockwell sertlik ölçme yöntemi

c) Vickers sertlik ölçme yöntemi,

d) Mikro - sertlik deneyi.

Kaynaklar:

W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri,

Edt: K. Genel, 2013

D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M.

Erdoğan,

W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001

K. Onaran, Malzeme Bilimi 1997.