Doç. Dr. Atilla EVC øN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016blog.aku.edu.tr/evcin/files/2016/10/6.pdf · 2016-10-23 · Elastisite Modülü (E) Yüksek ergime sıcaklığına sahip

1

1

Malzemelerin Mekanik Özellikleri

2

Bölüm Çıktıları

Malzemelerin mekanik özellikleriyle alakalı temel konuların öğrenilmesi.

Malzemelerin mekanik özelliklerini etkileyen faktörleri değerlendirilmesi.

Bu özelliklerin değerlendirildiği temel test prosedürlerinin gözden geçirilmesi.

3

Teknolojik Önem

Spor ekipmanlarında kullanılan malzemeler hafif, tok ve darbe direnci yüksek olmak zorundadır.

Yukarıda görüldüğü gibi uçak, alüminyum alaşımı ve karbon fiberle güçlendirilmiş kompozitlerden imal edilmiştir.

4

Mekanik Özellikler Terminolojisi

Mukavemet - Birim kesit alanına uygulanan yüktür. Young modülü (E) - Gerilim-Gerinim eğrisinin doğrusal bölümünün eğimidir. Kayma modülü (G) - Gerilim-kayma eğrisinin doğrusal parçasının eğimidir. Viskozite ( ) - Akmaya karşı dirençtir. Kayma geriliminin kayma deformasyon hızına oranıdır. Tiksotropik davranış - Kayma incelmesi, kayma hızının zamanla azalması.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

http://www.novapdf.com


2

5

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Çekme Eğme Basma Kayma

Elastik malzemeler için Young Modülünün bulunması

Lineer olmayan malzemeler için eğrinin tanjantı Young Modülü yerine kullanılır

6

Çekme Testi: Gerilme-Gerinim grafiğinin kullanılması

Yük - Test esnasında malzemeye uygulanan yüktür.

Gerinim ölçer - Boydaki değişimi ve deformasyonu ölçen cihaz.

Camsı Sıcaklık (Tg ) - Sünekmalzemenin gevrek davranmaya başladığıandaki sıcaklığıdır.

Mühendislik Gerilimi - Uygulanan yükün malzemenin orijinal kesitine bölümüdür.

Mühendislik Gerinimi - Çekme testi esnasında birim uzunlukta malzemede oluşan deformasyondur.

7

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Çekme testinde malzemeye hareketli bir kafa ile uygulanan tek yönlü yük uygulanır. Kafanın hareketi vida veya hidrolik mekanizma kullanılarak sağlanır.

Kuvvet

Çap

Kavrama

Kavrama

Ölçü boyu

Hareketli kafa

8

Mühendislik Gerilme ve Gerinimi

Mühendislik Gerilmesi:

Mühendislik Gerinimi:

A0: Deneyden önceki orijinal kesit alanıl0 : Ölçü işaretleri arasındaki ilk boyl : Kuvvet (F) uygulandıktan sonraki ölçü işaretleri arasındaki boy.





3

9

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Farklı malzemeler için Gerilim-Gerinme eğrileri

10

11

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Bir alüminyum alaşımı için Gerilim-Gerinme grafiği

Elastik limit

Çekme mukavemeti

Kopmamukavemeti

Plastik deformasyon

Elastik gerilme

Elastiklik modülü

Kopmada uzama

Akma dayanımı

Elastik bölge Plastik bölge

12

Elastik - Plastik şekil değiştirme

•Büyük kuvvetler uygulandığında malzeme plastik davranış gösterir.

•Gerilme arttığında dislokasyonlar hareket etmeye başlar. Kayma olur ve malzeme plastik olarak şekil değiştirir.

•Kuvvet kaldırıldığında elastik şekil değişikliği ortadan kalkar fakat kaymanın neden olduğu değiştirme kalıcıdır.





4

13

Alüminyum Alaşımının Çekme Testi

Tablodaki uzunluk verilerini mühendislik gerilim-gerinim verilerine çeviriniz.

14

Örnek hesaplama

1000 Ib yükleme için

15

16

Çekme testinden elde edilen özellikler

Elastik limit Çekme mukavemeti, boyun verme Hooke Kanunu Poisson oranı Elastiklik modülü (Er) Tokluk Süneklik

=E.υ = - εt / εl





5

17

18

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Çelik ve alüminyumun elastik davranışının karşılaştırılması. Verilen bir gerilimde alüminyum çelikten 3 kat daha elastiktir.

19

Farklı mühendislik malzemeleri için Elastik Modül aralıkları. (Source: Reprinted from Engineering Materials I, Second Edition, M.F. Ashby and D.R.H. Jones, 1996, Fig. 3-5, p. 35, Copyright © 1996 Butterworth-Heinemann. Reprinted with permission from Elsevier Science.)

20





6

21

POİSSON ORANI (Poisson ratio) :Başka bir önemli elastik deformasyonbölgesi özelliğidir. Bir malzeme elastikolarak zorlandığında Çap yönündekideğişimin Boyca değişime oranınapoisson oranı denir

υ = - εt / εl

buradaυ = Poisson oranıεt = enine gerinimεl = boyuna gerinim

22

Elastisite Modülü (E)

Yüksek ergime sıcaklığına sahipmalzemeler yüksek elastisitemodülüne sahiptirler.

Malzemenin rijitlik ölçüsüdür. YüksekE değerine sahip malzeme elastikyükleme altında boyut ve şeklinikorur.

23

Süneklik

Malzemenin kopmaksızındayanabileceği şekil değiştirmemiktarıdır.

24

Örnek Alüminyumun Young ModülüTablodaki verileri kullanarak Alüminyumun elastiklik modülünü hesaplayın, bu modülü kullanarak 50 inç’lik bir çubuğun deformasyon sonrası uzunluğunu bulunuz? Gerilim olarak 30000 psi uygulandığını göz önüne alınız.

35.000 psi gerilimde gerinim değeri 0,0035

Hooke Kanunundan





7

25

Gerçek Gerilme Gerçek Gerinim

Gerçek gerilim Numuneye o anda uygulanan yükün o andaki kesite bölümüile elde edilen gerilimdir

Gerçek gerinim Gerçek boyutları kullanarak hesaplanan gerinimdir. εt ln(l/l0).

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

tr

adem

ark

used

her

ein

unde

r lic

ense

.

Gerçek gerilim-gerinim diyagramı ve mühendislik gerilim gerinim diyagramı.

26

Gerçek Gerilme Gerçek Gerinim

Alan devamlı değişmektedir, orijinal alan A0 değildir.

Gerçek Gerilme:

Gerçek Gerinim:

A: Kuvvetin uygulandığı gerçek alanln(A0/A), boyun vermeye başladıktan sonra kullanılmalıdır.

27

Gevrek (kırılgan) Malzemelerde eğme testi

Eğme testi - Malzemenin statik veya yavaşuygulanan yüke gösterdiği direnci ölçer. Malzeme iki ucundan desteklenerek yük malzemenin ortasına uygulanır.

Eğilme dayanımı veya kopma modülü - Eğme testinde numunenin kırılması için gerekli gerilim.

Eğilme modülü - Eğme testi sonuçlarından hesaplanan elastisite modülüdür. Bu gerilim-defleksiyon eğrisinin eğimidir.

28


Gevrek malzemelerin gerilim-gerinim eğrilerinin sünek malzemelerle karşılaştırması.

Gevrek

Orta sünek

Yüksek sünek





8

29


(a) Gevrek malzemelerin gerilimini ölçmede kullanılan eğme testi(b) eğme testi ile bulunan defleksiyon δ.

30


(a) Üç nokta ve (b) dört nokta eğme testi

31

Eğme Testi- Eğilme Mukavemetinin Ölçümü

FL/2 L/2

= orta okta sapması

kesit

R

b

d

dikdörtgen

daireselMax gerilme bölgesi

• Eğilme Mukavemeti: • Tipik değerler

Data from Table 7.2, Callister & Rethwisch 3e.

Si nitrürSi karbürAl oksitCam

250-1000100-820275-700

69

30434539369

Malzeme fs(MPa) E(GPa)

223bd

LFffs (dikdörtgen kesitli)

(dairesel kesitli)3RLFf

fs

32

Çekme mukavemeti

Basmamukavemeti

Eğilme mukavemeti





9

33

Malzemelerin Sertliği

Sertlik testi - Malzemenin yüzeyinin keskin bir obje ile delinmeye olan direncini ölçer.

Makrosertlik - Malzemelerin genel sertlikleridir. >2N büyük yük kullanılır.

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

Nano-sertlik - 1–10 nm uzunluk skalasındaki malzemelerin çok düşük yükler kullanılarak (~100 μN) sertliklerinin alınmasıdır.

34

Sertlik Deneyinin Yapısı

Sertlik testinde sert bir nesnemalzeme yüzeyine batırılmakistendiğinde, malzemenin gösterdiğidirenç ölçülür.En çok kullanılan sertlik testleriRockwell ve Brinell sertlik testleridir.

35

Brinell Sertlik Testi

Genellikle 10 mm çapında sert çelik bir küre malzeme yüzeyine bastırılır.

F: Uygulanan kuvvet (kg)D: Bilyanın çapı (mm)Di: İzin çapı (mm)

36

Rockwell Sertlik Testi

Yumuşak malzemeler için küçük çaplı çelikküreler sert malzemeler için ise elmas konikullanılır.

Kürenin iz derinliği cihaz tarafından ölçülürve Rockwell sayısına çevrilir.





10

37

Vickers ve Knoop Sertlik Testleri

Bu testlerde çok küçük izler oluşturulur vebu izleri ölçmek için mikroskop kullanılır.

38

39


Brinell ve Rockwell sertlik testleri için uçlar

40





11

41

42

43

Metallerin Kırılması Kırılma, gerilme altındaki katının iki veya daha fazla parçaya ayrılmasıdır. Genel olarak metallerin kırılması sünek veya gevrek veya ikisinin arası şeklinde olabilir. Aşağıdaki şekilde bir çekme numunesinde kırılma türleri ve deformasyon miktarları görülmektedir. Sünek malzemede, kırılma öncesi yüksek oranda deformasyon (kesit alanı daralması, %uzama) görülür ve kırık yüzey düzensiz şekillidir. Buna karşılık gevrek malzemelerde deformasyon az olup kırık yüzey nispeten düzdür.

44

Sünek KırılmaMetallerdeki sünek kırılma, büyük miktarda plastik şekildeğiştirmeden sonra meydana gelir ve yavaş bir çatlak ilerlemesiylekendini belli eder. Sünek kırılmada aşağıda soldaki şekilde gösterildiğigibi birbirinden farklı kademeler vardır.– Numunede bir boyun (a) ve bu boyun bölgesinde boşluklaroluşur(b).– Boyun bölgesindeki boşluklar numunenin merkezinde birleşerekçatlak oluşur (c) ve çatlak uygulanan yüke dik yönde, numuneninyüzeyine doğru ilerler(d).– Çatlak yüzeye yaklaştığında çatlağın yönü çekme eksenine göre45°olacak şekilde çanak ve koni kırılması meydana gelir(e).





12

45

Gevrek KırılmaMetallerin ve alaşımların kırılmasının birçoğu, çok az plastik deformasyonlagevrek şekilde hızla kırılır ve gevrek kırılma yüzeyi makroskopik olarak enbüyük normal gerilmeye diktir

Çok kristalli malzemelerde gevrek kırılma genellikle taneiçindedir, yani çatlak tanelerin içinden (şekil A)geçmektedir. Fakat tane sınırı kırılgan bir film içeriyorsaveya zararlı bazı elementlerin (P,S gibi) ayrılarak tane sınırıbölgesinde birikmesiyle tane sınırları gevrekleşmiş isetaneler arası gevrek kırılma da (şekil B) görülebilir.

46

Deformasyon Hızı Etkisi ve Darbe Davranışı

Darbe testi - Malzemenin ani yük altında kırılmadan absorbe etme yeteneğini ölçer.

Darbe enerjisi - Yük aniden uygulandığında numunenin kırılmasıiçin gerekli enerjidir.

Darbe tokluğu - Malzemenin (genelde çentiklenmiş numunenin) kırılma esnasında çarpma testinde absorbeedilen enerjidir.

Kırılma tokluğu - Malzemede hatanın varlığında malzemenin kırılmaya gösterdiği dirençtir.

47


Çarpma deneyi: (a) Charpy ve Izod testleri(b) Tipik örneklerin boyutları

Ani darbelere karşı direnci iyi olan malzeme seçmek için malzemenin kopmaya karşı direnci darbe testiyle ölçülür.

48

Çarpma Testlerinden Elde Edilen Özellikler

Sünek gevrek geçiş sıcaklığı - Çarpma testinde malzemenin gevrek davranış sergilediği sıcaklık değeridir.

Çentik duyarlılığı - Çentik, çizik veya diğer hataların malzemenin özellikleri üzerine etkisini ölçer. Örnek: tokluk, yorulma ömrü.





13

49

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der

lice

nse.

Süper-tok naylon termoplastik polimerin Izod test sonuçları.

Gevrek Sünek

Geçiş Sıcaklığı

Yüksek sıcaklıklarda malzemesünektir ve kopmadan öncegerilir.Düşük sıcaklıklarda malzemegevrektir ve kopmanoktasında çok az şekildeğişimi gözlenir.Sıcaklık azaldıkça sünekmetal, gevrekleşir, yani sünek-gevrek geçişi olur.Sünek-Gevrek GeçisSıcaklıgı (SGGS),malzemenin sünek kopmadangevrek kopmaya geçtiğisıcaklık olup darbe testi ileölçülür.Yüksek sıcaklıklardanumunenin kopması içinbüyük enerji enerji gereklidir.Halbuki düşük sıcaklıklardamalzeme daha az enerji ilekopar.

50

Titanic 1912- Soğuk okyanus sularındaki gemi gövdesinde ani kırılmalar. Çözüm SGGS üstünde kal !

51

Liberty 1940 - Saçlarda kaynak hataları ve açık denizlerdefazla gerilmenin yarattığı zorlama nedeniyle soğukokyanus sularında gemilerin gövdeleri aniden ikiyeayrılmıştır.

52

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

HMK karbon çeliği ve YMK paslanmaz çelik Charpy V-çentik sonuçları. YMK kristal yapı absorbe olan enerjisi yüksek ve herhangi bir geçiş sıcaklığı sergilemez.

Paslanmaz çelikYMK yapısı

% 0,06 çelikHMK yapısı





14

53

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Gerçek gerilim-gerinim eğrisi altındaki alan tokluğu verir.B malzemesi düşük akma gerilmesine sahip olmasına rağmen daha yüksek enerji absorbe eder.

54

Kırılma Mekaniği

Kırılma Mekaniği - Hata var olduğunda malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği direnci inceler.

Kırılma Tokluğu - Hata var olduğunda malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği dirençtir.

Kırılma Mekaniği Kırılma Mekaniği, katı cisimler mekaniğinin

bir alanı olup çatlak içeren cisimlerinmekanik davranışı ile ilgilenir.

Uygulanan gerilme, çatlak boyutu ve kırılma tokluğukırılma mekaniğindeki üç önemli faktördür.

56

aYK I Şekil Faktörü

Gerilme şiddet faktörü

Çatlak boyu

Uygulanan nominal gerilme

Y; numune ve çatlağın geometrisine bağlı boyutsuz parametredir ve çeşitligeometriler için konu ile ilgili literatürlerden alınabilir.(genellikle 0.5 < Y < 2 ,Tada vd., 973),





15

Çatlak ve Gerilme Şiddeti Yaklaşımı

aYK I

Gerilme bileşeni ve birimi MPa olan bumalzemenin kalınlığı B ile gösterilmekte vebirimi mm olarak alınmaktadır. Çatlak içeren buplakanın çatlak ucundaki gerilme şiddeti faktörüKI olup birimi MPam’ dır.

İçinde 2a uzunluğundaçatlak içeren birmalzeme gerilmeyemaruz bırakılıyor.

Yükleme Tipleri ve Gerilme ifadeleri Her tip yüklemede 1/r çatlak ucunda tekillik meydana

getirir, K (gerilme şiddeti faktörü) ve fij (boyutsuz şekildüzeltme faktörü) yükleme tipine ve geometriyebağlıdır. (i,j=1,3)

Mod I : çekme modu Mod II : kayma modu Mod III : yırtılma (makaslama) modu

Iij

IIij

0rf

r2K

lim

IIij

IIIIij

0rf

r2K

lim

III

ijIIIIII

ij0r

fr2

Klim

Kırılma tokluğunun kalınlık ile değişimi

KI = KC

Kırılma kriteri ve kırılma tokluğuÇatlak ucundaki gerilme alanı bir kritik hali geçtiğinde kırılma olur.(1.1) eşitliklerine göre gerilme alanının kritik bir hali geçmesidemek KI’in kritik bir hali geçmesi anlamına gelir. Bu kritik değer KCile gösterilir ve kırılma şartı aşağıdaki gibi yazılabilir,

KC standart deneylerle, belirliboyutlara sahip üç nokta eğmeveya kompakt çekme deneyparçaları ile elde edilir ki bunaKIRILMA TOKLUĞU adı verilir.

Düzlem şekil değiştirme

kırılma tokluğu

),( mikroyap ıveTfK Ic

Kırılma tokluğu belirli şartlar altında malzemenin mekanik özelliklerinden biridir.

IIIcIIcIc

IIIcIIcIc

KveKKgenellikleveKKK

60

(c)2

003

Bro

oks/

Col

e, a

div

isio

n of

Tho

mso

n L

earn

ing,

Inc.

Tho

mso

n L

earn

ing ™

is a

trad

emar

k us

ed h

erei

n un

der l

icen

se.

Kırılma Tokluğu numunelerinin çizimi (a)kenar ve(b) içhatalar





16

61

62

63

Kırılma tokluğu çatlaklı bir yapının kırılmaya karşı direncini gösterenmalzemenin bir mekanik özelliğidir. Gevrek malzemeler relatif olarak düşükkırılma tokluğuna sahiptir (kolaylıkla kırılır) buna karşın sünek malzemelerde relatif olarak yüksek tokluğa sahiptirler.

Düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu

KI < KIc ise çatlak ilerlemez

KI KIc ise çatlak hızla ilerler ve Gevrek kırılma meydana gelir

Bu ifade çatlaklı yapıların tasarımında genelde iki şekilde kullanılır;

• Ya çatlama başlangıcı kontrol edilir ,

• Yada çatlak ilerlemesi kontrol edilir …

)m(MPakraYKK kIcI

O halde kırılma kriteri genel olarak aşağıdaki gibi oluşturulmalı ;

64

Kırılma Tokluğunun Önemi

Malzeme seçimi Bileşenin tasarımı Üretim ve test metodunun tasarımı Griffith hatası – Malzeme içindeki hata veya çatlak





17

65

Yorulma

Yorulma Yorulma akma mukavemetinin altında veya üstünde tekrar eden gerilim nedeniyle malzemenin hasar görmesi veya mukavemetinin azalmasıdır.

Sürünme - Zamana bağlı, yüksek sıcaklıkta kalıcı deformasyondur. Sabit yük ve gerilimde oluşur.

S-N eğrisi (Wöhler eğrisi) - Yorulma devir sayılarının fonksiyonu olarak mukavemeti gösteren grafiktir.

66

Yorulma Deneyinin Yapısı

Bir malzemenin akma dayanımının altında tekrarlanan gerilmeye (dönme, eğilme, titreşim sonucu olabilir) maruz kalması sonucu kopmasına yorulma denir.

L: Çubuğun boyuF: Yükd: Çap

67

Destekli Kiriş Testi

68

Yorulma Deneyinin Sonuçları

Yorulma testi bir parçanın ne kadarsüreyle dayanabileceğini veya kopmaolmaksızın uygulanabilecek maksimumyüklemeleri belirler.

•Yorulma ömrü•Yorulma sınırı•Yorulma dayanımı





18

69

Yorulma kırık yüzeyi(a)düşük büyütme. Oklar çatlakların büyüme yönünügösterir.

(Image (a) is from C.C. Cottell, ‘‘Fatigue Failures with Special Reference to Fracture Characteristics,’’ Failure Analysis: The British Engine Technical Reports, American Society for Metals, 1981, p. 318.) (b) At very high magnifications, closely spaced striations formed during fatigue are observed (x 1000)

70


Çelik şaftta yorulma kırık yüzeyinin şematik gösterimi. Başlangıç, ilerleme ve çatlak uzunluğu belirli bir değeri aştığında oluşan katastrofik kırılma.

71


Dönen kriş örneğinin şematik gösterimi.

72


Takım çeliği ve alüminyum alaşımlarıi çin gerilim-devir eğrisi(S-N).





19

73

Aloha Airlines, 4/28/1988. 24000 ft yükseklikteyken gerilme kırığı nedeniyle çatısının 1/3’ünü kaybetmiştir. Ani kırılmaya, dış aluminyum alaşım levhalardakikorozyon ve yorulma neden olmustur.

74

Sürünme

Gerilim-Çatlama eğrisi - Uygulanan gerilime karşılık çatlama zamanını vererek sürünme testlerinin sonuçlarını rapor eden metoddur.

Gerilim-Korozyon - Malzemelerin korozif kimyasallarla reaksiyona girerek çatlak oluşumuna ve mukavemet düşmesine sebep olmasıdır.

75

Sürünme Deneyinin Yapısı

Sürünme, yüksek sıcaklıktakiplastik şekil değiştirmedir.

Malzemeye yüksek sıcaklıktagerilme uygulanırsa, gerilme akmadayanımının altında olsa bilemalzeme gerilebilir ve kopabilir.

76


Sürünme esnasında tane sınırları kayması (a) tane sınırlarında hapsolan inklüzyonların boşluk oluşturmasına ve (b)üç tanenin birleştiği noktada boşluk oluşturmasına sebep olur.





20

77


Sürünme eğrisine uygulanan gerilim ve sıcaklığın etkisi





Documents

Doç. Dr. Atilla EVC øN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016blog.aku.edu.tr/evcin/files/2016/10/6.pdf · 2016-10-23 · Elastisite Modülü (E) Yüksek ergime sıcaklığına sahip