SABİS - Sakarya Üniversitesi
advertisement
Shigley’s Mechanical Engineering Design Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett Makine Mühendisliği Tasarımında Malzemeler Hazırlayan Prof. Dr. Mehmet Fırat Makine Mühendisliği Bölümü Sakarya Üniversitesi Prof. Dr. Mehmet Fırat 1 Shigley’s Mechanical Engineering Design 9th Edition in SI units Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett Bölüm Anahatları Malzemeler 2-1 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği 2-2 Malzeme Özelliklerinin İstatistiksel Önemi 2-3 Dayanım ve Soğuk İş 2-4 Sertlik 2-5 Darbe Özellikleri 2-6 Sıcaklık Etkileri 2-7 Numaralandırma Sistemleri 2-8 Kum Kalıba Döküm 2-9 Kabuk Döküm 2-10 Hassas Döküm 2-11 Toz Metalurjisi Prosesi 2-12 Sıcak İş Prosesleri 2-13 Soğuk İş Prosesleri 2-14 Çeliklerin Isıl İşlemi 2-15 Alaşımlı Çelikler 2-16 Korozyon Dirençli Çelikler 2-17 Döküm Malzemeleri 2-18 Demir Dışı Metaller 2-19 Plastikler 2-20 Kompozit Malzemeler 2-21 Malzeme Seçimi Prof. Dr. Mehmet Fırat 2 Bir makine parçasının ya da yapısal elemanın malzeme seçimi, tasarımcılar tarafından verilen en önemli kararlardan birisidir. Bu karar genellikle parça ölçüleri belirlenmeden verilir. İstenilen geometri ve malzeme (bu ikili ayrı düşünülemez) seçildikten sonra, parça ölçüleri verilebilir böylece fonksiyon yitirme işleminden kaçınılabilir veya fonksiyon yitirme kabul edilebilir bir risk seviyesine gelebilir Bir makine elemanının gerilme ve deformasyonların tahmini, parçanın yapıldığı malzemenin özelliklerine dayanır. Gerilme / sehim kriteri haricinde tasarımda dikkate alınacak hususlar: •Estetik özellikler, •Korozyon direnci, •Sıcaklık etkileri •Malzeme/proses maliyeti •Bir çok diğer faktör Prof. Dr. Mehmet Fırat 3 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği Standart çekme testi tasarımda kullanılan malzeme özellikleri ve mukavemetinin/ dayanımının elde edilmesinde kullanılır. P A0 A0 1 2 d 0 4 (Numunenin ilk alanı) Tipik bir çekme numunesi. Kullanılan bazı standart ölçüler; d0 için 2.5, 6.25, 12.5 mm ve 0.505 in. Bunların dışında başka kesitler ve ölçüler de kullanılmaktadır. Genellikle kullanılan ilk boy (l0) uzunlukları 10, 25 ve 50mm ve 1, 2 in. Prof. Dr. Mehmet Fırat 4 Gerilme σ=P/A0 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği: Standart çekme testi Gerinim ε Gerinim ε (a) Sünek malzeme (b) Gevrek malzeme Standart çekme testinden elde edilen gerilme-gerinim diyagramı l l0 Normal gerinim şu şekilde hesaplanabilir: l0 pl noktasına orantısal limit denilir. Lineer kısımda, tek eksenli gerilme-gerinim ilişkisi Hooke yasası ile ifade edilir: E Prof. Dr. Mehmet Fırat 5 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği: Standart çekme testi Gerilme-gerinim eğrisinin lineer kısmının eğimi E, Young modülü ya da elastisite modülü olarak adlandırılır. E, malzemenin rijitliğinin bir ölçüsüdür, gerinim birimsiz olduğundan E’nin birimi gerilme ile aynıdır. Örneğin: Çelik ısıl işlemden, karbon oranından ve alaşımlandırmadan bağımsız olarak yaklaşık 207 GPa elastisite modülü değerine sahiptir. el noktası elastik limit olarak adlandırılır. Eğer numune bu noktadan sonra yüklenmeye devam edilirse şekil değişimi plastik olur ve yük kaldırıldığında malzeme kalıcı şekil değişimine uğramış olur. pl ve el noktalarının arasında malzeme elastik olarak şekil değiştirmesine rağmen diyagram tam olarak lineer değildir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 6 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği: Standart çekme testi Çekme testi süresince, bir çok malzemede gerilmeden bağımsız olarak gerinimin hızlı bir şekilde arttığı bir nokta görülür. Bu noktaya akma gerilmesi adı verilir. Her malzeme, özellikle gevrek malzemeler, belirgin bir akma noktasına sahip değildir. Bu nedenle, akma gerilmesi Sy genellikle ofset metodu ile belirlenir, bu ofset değeri ilk boy değerinin yüzde 0.2(=0.002)’si olarak alınabilir. Maksimum çekme dayanımı Su or Sut gerilme-gerinim diyagramındaki gerilmenin en yüksek değere ulaştığı noktadır. •Bazı malzemelerde maksimum gerilmeye ulaşıldıktan sonra gerilme düşme eğilimi gösterir ve malzemeler diyagramda gösterilen f noktasında kırılırlar. •Bazı dökme demirler ve yüksek mukavemetli çelikler gibi diğer malzemeler f ve u noktalarının aynı olduğu zamanda, gerilme-gerinim eğrisi hala artışta iken, kırılırlar. Prof. Dr. Mehmet Fırat 7 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği: Basma testi Basma testlerinin kontrolü daha zordur ve numune geometrisi çekme testinden farklıdır. Bunun nedeni çekme numune geometrisi basma sırasında burkulabilir ve gerilmelerin homojen olarak dağıtılması oldukça zor olur. Diğer zorluklar ise sünek malzemelerde akmadan sonra fıçılaşma oluşmasından kaynaklanır. Sünek malzemelerin çoğunda basma dayanımları yaklaşık olarak çekme dayanımları ile aynıdır. Dökme demir gibi malzemelerde çekme ve basma dayanımları arasında önemli farklar mevcuttur. Çekme ve basma dayanımları ayrı ayrı değerlendirilmelidir Sut : çekme dayanımı Suc: basma dayanımı, basma dayanımı pozitif olarak alınmıştır. Prof. Dr. Mehmet Fırat 8 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği: Dairesel çubukların burulma testi Burulma dayanımı dairesel çubukların burulması sırasında tork ve burma açısı elde edilerek bulunur. Sonuçlar tork-burulma diyagramı olarak elde edilir. Numunelerde kayma gerilmeleri radyal bölgeye göre lineerdir. Aynı zamanda kayma gerilmeleri, kesit merkezinde sıfır, dış kısımlarda ise maksimumdur. Maksimum kayma gerilmesi max burulma açısı θ ile şu şekilde ilişkilidir; max Gr l0 Burada θ radyan cinsindendir, r numune yarıçapı, l0 ilk boy ve G ise kayma(rijitlik) modülüdür. Tr Maksimum kayma gerilmesi uygulanan tork (T) ile de ilişkilidir; max Burada J kesit alanın polar atalet momentidir. J 1 4 J r 2 Kayma modülü elastik limit gibi bulunabilir ve burulma akma gerilmesi Ssy burulma testi için kırılma modülünü tanımlar. Tu r Tork-burulma diyagramındaki maksimum nokta Tu’dur. Ssu J Prof. Dr. Mehmet Fırat 9 Mühendislik Gerilme-Gerinim Eğrisi el noktasına elastik limit denilir. • Sy akma noktasıdır. • a noktası genellikle ilk boyun %0.2’sidir. • Su or Suy noktaları maksimum çekme dayanımıdır. Gerilme σ=P/A0 • Gerinim ε Gerinim ε Prof. Dr. Mehmet Fırat 10 • Mühendislik gerilmesi hesabı yük uygulanmadan önceki orijinal kesit alanına bağlıdır. • Gerçekte, yük uygulandıkça kesit alanı daralır, bu nedenle gerçek gerilme mühendislik gerilmesinden daha büyüktür. • Gerçek gerilmenin elde dilebilmesi için yük ve kesit alanı test süresince ölçülmelidir. • Gerçek gerilme kırılma gerçekleşene kadar artmaya devam eder. Gerçek gerilme Gerçek gerilme-gerinim diyagramı Gerçek gerinim dl l ln l0 l l0 l Prof. Dr. Mehmet Fırat 11 Malzeme Dayanımı ve Rijitliği Dayanım, malzeme ya da proses seçiminden dolayı bir malzemenin ya da bir makine elemanının kalıcı özelliğidir. Dayanım, geometrinin kritik bölgesinde ve kullanım sırasında aynıdır. Örneğin bir parça çalışan bir makine üzerinde de olsa,montaj hattında montaj için bekletiliyor da olsa dayanımları aynıdır. Gerilme, parçada oluşan bir durumdur, genellikle yükleme ya da montaj sonrasında oluşur. Gerilme bir prosesle malzemede meydana getirilebilir. Örneğin bilyalama prosedürü parçanın dış kısmında basma gerilmesi meydana getirir ve aynı zamanda parçanın yorulma dayanımını arttırır. Bu nedenle makine tasarımda gerilme ve dayanım ifadelerini ayrı tutmak önemlidir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 12 Bir malzemenin enerji absorbe etme karakteristiği Gerilme-gerinim diyagramı malzemenin dayanımı hakkında bilgi verdiği gibi enerji absorbe etme karakteristiği hakkında da bilgi verir. Bunun nedeni gerilme-gerinim diyagramı yük ve sehimleri içerir ve bu parametreler enerjiyle doğrudan ilişkilidir. Bir malzemenin elastik bölgedeki enerji absorbe etme kapasitesine rezilyans denilir. Rezilyans modülü, uR, bir malzemenin kalıcı deformasyon olmadan birim hacimde absorbe ettiği enerji olarak tanımlanır ve gerilme-gerinim diyagramının lineer bölgesinin altında kalan alandır. uR y 0 S 2y 1 1 d S y y (S y )(S y / E ) 2 2 2E Aynı akma dayanımındaki iki malzemeden daha düşük rijitliğe sahip olan (daha düşük E), daha iyi bir rezilyansa sahiptir ve bu akma olmadan daha fazla enerji absorbe edebilme yeteneğidir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 13 Bir malzemenin enerji absorbe etme karakteristiği Bir malzemenin kırılmadan enerji absorbe edebilme kapasitesine tokluk denilir. Bir malzemenin tokluk modülü uT, kırılma olmadan birim hacimde absorbe edilen enerjidir ve gerilme gerinim diyagramının altında kalan toplam alan olarak ifade edilir, f u T d 0 Tokluk ve rezilyansın birimi hacim başına düşen enerji (J/m3)’tür. Bu nümerik olarak pascal’a (Pa) eşittir. Tokluğun ve rezilyansın bu tanımları gerilme-gerinim diyagramını elde etmek için uygun olan düşük gerinim oranı varsayımı ile yapılmıştır. Yüksek gerinim oranları için, bu ifadeler darbe özelliklerinden elde edilir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 14 Gerilme-gerinim diyagramı tek bir çekme testinin sonucunu temsil eder. Eğer 1000 tane numune olursa, dayanım değerleri bazı minimum ve maksimum değerler arasında dağılım gösterir. Olasılıksal yoğunluk Malzeme Özelliklerinin İstatistiksel Önemi Maksimum çekme dayanımı, MPa Şekildeki sütün grafiği olasık yoğunluğunun dağılımını göstermektedir.Eğer veri Gauss ya da normal dağılım formunda ise, olasılık yoğunluğu fonksiyonu şu şekilde ifade edilebilir, 1 x 438.3 2 1 f (x) exp 17.9 2 2 17.9 Grafikte ortalama gerileme 438.3 MPa ve standart sapma 17.9 MPa’dır. S ut N ( 438.3,17.9 2 ) Mühendisler özellik testleri talep ederken, talimatları bildirmelidirler. Böylelikle oluşturulan veri, istatistiksel olarak kullanılmak ve dağılım karakteristiğini tanımlamak için yeterli olur. Prof. Dr. Mehmet Fırat 15 Eğer bir malzeme akma gerilmesinden sonra bir i noktasına kadar yüklenirse ve ardından yük boşaltılırsa, malzemede kalıcı plastik deformasyon meydana gelir εp. Yük boşaltıldıktan sonra, i noktasına kadar uygulanan yük tekrar uygulanırsa, malzeme εe kadar elastik olarak deforme edilir i noktasındaki toplam birim gerinimi εe ve εp olmak üzere iki kısımdan oluşur ve Anma gerilmesi, σ Pekleşme Birim gerinim, ε e p Bu malzemeye belirli bir çevrim sayısı kadar yükleme-boşaltma yapılabilir. Her tekrarda oluşan eğrinin lineer kısmı yaklaşık olarak başlangıçtaki elastik i eğriye (Oy) paralel olarak oluşur. e E Malzeme artık daha yüksek bir akma noktasına ve gerinim kapasitesindeki azalmanın bir sonucu olarak daha düşük sünekliğe sahiptir. Bu olaya pekleşme denilir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 16 Soğuk İş Soğuk iş gerilme-gerinim diyagramının plastik kısmında yeniden kristalleşme sıcaklığının altında gerçekleştirilen plastik şekil verme prosesidir. Pf yüküne bağlı, sünekliğin ölçüsü olan, alandaki azalma şu şekilde tanımlanabilir; A0 Af Af R 1 A0 A0 Yük, P Yandaki şekil, deformasyon alanı-uygulanan yük grafiğini göstermektedir. Soğuk iş faktörü, W, şu şekilde gösterilebilir; A 0 A i' A 0 A i W A0 A0 Alan deformasyonu (azalan) A’i : Pi yükü kaldırıldıktan sonraki alanı göstermektedir Prof. Dr. Mehmet Fırat 17 Soğuk İşin Gerilme-Gerinim Diyagramına Etkileri Gerilme-gerinim diyagramının plastik bölgesi şöyle ifade edilebilir; Burada, σ : gerçek gerilme o m σ0 : Mukavemet katsayısı ε : gerçek plastik gerinim m : pekleşme üsteli, sabit bir noktada m= εu Eğer i noktası u noktasının solunda ise, Pi < Pu ve yeni akma dayanımı; S' y Pi m 0 i A i' Pi Pu Aynı zamanda çekme dayanımı da değişir, Su A 0 Su Pı ' ' i S Su ' u A 0 (1 W ) 1 W Ai Bu ifade de i noktası u noktasının solunda yer alırsa geçerlidir. u u noktasının solunda kalan noktalar için, akma dayanımı çekme dayanımına yaklaşır ve hassasiyette küçük bir azalma meydana gelir. ' ' m Su S y 0 i Prof. Dr. Mehmet Fırat i u 18 Sertlik Bir malzemeye sivri uçlu bir cismin batırılması sonucu malzemenin gösterdiği dirence sertlik denilir. En sık kullanılan setlik ölçme yöntemlerinden ikisi: Rockwell sertlik ölçme yöntemi,bu yöntemde kullanılan uçlar eşkenar dörtgen uç, 1.6mm çapında bilya uç ve sırasıyla A, B ve C ölçülerinde eşkenar dörtgen uç olarak kullanılmaktadır. Uygulanan yükler 60, 100 ve 150kg’dır. Brinell sertlik ölçme yöntemi,bu yöntemde yük uygulayan uç küresel bilya uçtur, sertlik (HB) uygulanan yükün, bilyanın yüzey alanına bölünmesiyle bulunur. 200 HB 450 sertlik aralığındaki çelikler için, minimum çekme dayanımı ve Brinell sertliği arasında Su 1.58H B 86MPa (ASTM) ve Su 1.58 H B 86 MPa (SAE) şeklinde bir ilişki vardır. Prof. Dr. Mehmet Fırat 19 Süneklik-Rijitlik dönüşümü gösteren bir malzeme için darbe değerlerine sıcaklığın etkisi yandaki şekilde (üst) görülmektedir. Oran, Dayanım, MPa Yandaki şekilde (alt) görüldüğü gibi darbe koşullarında, gerinim oranının artmasıyla, dayanım artar. Maksimum dayanım, Oran, Sıcaklık, 0C Toplam uzama Akma dayanımı % Uzama Uygulanma süresi, bir yapının ya da parçanın doğal titreşim periyodunun üçte birinden daha az olan ekstra kuvvetlere darbe yükü denilir. Charpy, J Darbe Özellikleri Deformasyon hızı, Prof. Dr. Mehmet Fırat 20 Sıcaklık Etkisi • Dayanım, süneklik veya gevreklik özellikleri çalışma ortamında sıcaklıktan etkilenen özelliklerdir. • Çeliklerin statik özelliklerine sıcaklığın etkisi yandaki şekilde dayanım-sıcaklık açısından gösterilmiştir. • Beklenildiği gibi yüksek sıcaklıklarda süneklikte önemli bir artış gözlemlenmektedir. Sıcaklık, 0C • Mevcut gerilmeler, aynı sıcaklıkta yapılan kısa zamanlı testlerden elde edilen akma gerilmesinden daha küçük olduklarında bile testler sırasında numuneler kalıcı olarak deforme olurlar. Prof. Dr. Mehmet Fırat 21 Numaralandırma Sistemi • UNS G: Karbon&Alaşımlı çelik A: Alüminyum alaşımı C: Bakır bazlı alaşımlar S: Paslanmaz çelik • ANSI G 52986 Özel durumlar için Kompozisyon Nominal Karbon İçeriği A N S I 52100 Prof. Dr. Mehmet Fırat 22 Üretim Prosesi 1. Kum kalıba döküm sıvı metalin kum kalıplara döküldüğü basit, düşük maliyetli bir prosestir. Kum kalıba döküm tasarımının kuralları; 1) Bütün kısımlar uniform bir kalınlıkta tasarlanmalıdır. 2) Döküm, gerekli olan yerlerde bölgeden bölgeye aşamalı değişimle üretilebilecek şekilde tasarlanmalıdır. 3) Bitişik bölgeler geniş radüslerle tasarlanmalıdır. 4) Karmaşık bir parça, sonrasında perçin ya da kaynakla montajı gerçekleştirilebilecek şekilde iki ya da daha fazla basit döküm parçaları olarak tasarlanmalıdır. 2. Kabuk döküm prosesi, kuru kum ve reçine karışımı içeren kabuk döküm kalıbına ısıtılmış metalin dökülmesi ile gerçekleşir. 3. Hassas döküm prosesinde, mum, plastik ya da diğer malzemelerden üretilen kalıplar kullanılır. 4. Toz metalurjisi, bir ya da daha fazla metalden ya da metal ve metal dışı malzemelerin tozlarının kullanıldığı bir seri üretim prosesidir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 23 Sıcak iş prosesi Haddeleme, dövme, sıcak ekstrüzyon ve sıcak presleme gibi sıcak iş proseslerinde metal yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde ısıtılır. • Sıcak haddeleme genellikle belirli bir ölçüde ya da şekilde çubuk malzeme üretmek için kullanılır. • Borulama şerit ya da levhaların sıcak haddelemesi ile gerçekleştirilebilir. • Ekstrüzyon malzemenin ısıtılarak kalıptan akmasını sağlamak için yüksek basınç uygulanan bir yöntemdir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 24 Soğuk iş prosesi Soğuk çekilmiş • • Soğuk iş, metali düşük sıcaklıkta (genelde oda sıcaklığında) şekillendirme prosesidir. Soğuk haddeleme genellikle geniş yassı malzemelerin ve sacların üretiminde kullanılır. Akma noktası Dayanım, MPa • Sıcak haddelenmiş Akma noktası Soğuk haddeleme ya da soğuk çekmenin malzeme özellikleri üzerine etkisi aynıdır: tanecik boyutunu değiştirmezler yalnızca dizilimlerini değiştirirler. Uzama, mm Prof. Dr. Mehmet Fırat 25 Çeliklerin Isıl İşlemi Çeliklerin ısıl işlemi kalıntı gerilmeleri gideren ve/veya malzeme özelliklerini değiştiren zaman ve sıcaklığa bağlı yapılan uygulamalardır. •Tavlama: Tane yapısını iyileştirmek ve kalıntı gerilmeleri gidermek için kullanılan, malzemeyi daha sünek ve yumuşak yapan bir ısıl işlemdir. •Temperleme (Menevişleme): İç gerilmelerin giderildiği ısıl işleme gerinim giderme, yumuşatma ve gerilim gidemeyi gerçekleştiren ısıl işlemlerdir. •Su verme: Su veya yağ ile yapılan kontrollü soğutmadır. Dönüşüm sıcaklığının seçimiyle herhangi bir varyasyondaki yapı elde edilebilir. Oluşturulabilecek yapı yelpazesi kaba perlitten ince martenzite kadar uzanmaktadır. •Yüzey sertleştirme: Düşük karbonlu çeliklerin dış yüzeyini sertleştiren prosestir ve aynı zamanda yüzeydeki karbon miktarını yükselterek süneklik ve tokluğu muhafaza eder. Prof. Dr. Mehmet Fırat 26 Çeliklerin Isıl İşlemi Prof. Dr. Mehmet Fırat 27 Prof. Dr. Mehmet Fırat 28 Prof. Dr. Mehmet Fırat 29 Prof. Dr. Mehmet Fırat 30 Prof. Dr. Mehmet Fırat 31 Prof. Dr. Mehmet Fırat 32 Prof. Dr. Mehmet Fırat 33 Prof. Dr. Mehmet Fırat 34 Prof. Dr. Mehmet Fırat 35 Prof. Dr. Mehmet Fırat 36 Prof. Dr. Mehmet Fırat 37 Alaşımlı Çelikler Alaşımlı çelikler karbon dışında uygun miktarlarda bir ya da daha fazla elemente sahiptirler. •Krom: Krom eklenmesi çeliğin sertliğini oldukça arttırır ayrıca karbon miktarı artırılarak aynı sertliğe getirilen çeliklerden daha yüksek bir süneklik sağlar. •Nikel: Nikel eklenmesi demir-karbon denge diyagramındaki ötektoit noktayı sola kaydırır ve kritik sıcaklık bölgesini yükseltir. •Mangan: Ferrit içerisinde çözünür ve karbür oluşturur. Ötektoit noktanın sola kaymasına neden olur ve kritik sıcaklık bölgesini düşürür. •Silisyum: Düşük karbonlu çeliklere silisyum eklenirse malzemeyi gevrek hale getirir. •Molibden: Ferrit içerisinde çözünür ve karbür oluşturur. Sertliği ve tokluğu arttırır. •Vanadyum: Çeliğe geniş bir sertleşme yelpazesi kazandırır ve alaşımın daha yüksek bir sıcaklıkta sertleşmesini sağlar. •Tungsten: Düzgün, sıkı bir yapı oluşturur, sertlik ve tokluğu arttırır Prof. Dr. Mehmet Fırat 38 Korozyon Dirençli Çelikler • Demir bazlı alaşımlar en az %12 krom içerir ve bu alaşımlara paslanmaz çelik denilir. Dört çeşit paslanmaz çelik mevcuttur; ferritik paslanmaz çelikleri, östenik krom-nikel çelikleri, martenzitik paslanmaz çelikler ve çökelme ile sertleştirilebilen paslanmaz çeklikler. • Ferritik paslanmaz çelikler %12-27 arasında değişen bir krom oranına sahiptirler. • Krom-nikel paslanmaz çelikleri oda sıcaklığında östenitik yapıdadırlar bu nedenle ısıl işleme uygun değildirler. Prof. Dr. Mehmet Fırat 39 Döküm Malzemeleri •Gri Dökme Demir: En geniş kullanım alanına sahiptir çünkü maliyeti oldukça düşüktür, geniş miktarlarda dökülebilir ve işlenmesi kolaydır. Bununla beraber, çekmeye karşı zayıftır ve gevrektir. Grafitin yapıdaki koyu renginden dolayı gri dökme demir denir. •Beyaz Dökme Demir: Sementit ve perlit formunda bir yapıya sahiptir. Gevrektirler işlenmesi zordur fakat aşınma dirençleri oldukça yüksektir. •Temper Dökme Demir: Beyaz dökme demirin ısıl işlemi ile oluşturulur. Temper dökme demirlerin içerisindeki grafit, küresel yapıdadır ve temper karbonu olarak bilinir. Temper dökme demirlerin büyük kısmı 350MPa’ın üzerinde akma dayanımına ve %18 civarında uzama miktarına sahiptirler. •Küresel Grafitli Dökme Demir: Temper dökme demirle aynı özelliktedir çünkü her iki dökme demir de küresel yapıda grafit içerir. Gri dökme demire göre yüksek elastisite modülüne sahiptir (172 GPa) ve gerilme-gerinim diyagramlarının bir kısmının lineer olması bakımından elastiklerdir. •Döküm Çelikleri: Parçalar karmaşıksa ve yüksek dayanıma sahip olmaları gerekiyorsa, döküm prosesi çelikler için de kullanılır. •Alaşımlı Dökme Demirler: Nikel, krom ve molibden, dökme demirler için sıklıkla kullanılan alaşım elementleridir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 40 Alüminyum • Alüminyum ve alaşımları iyi bir mukavemet-ağırlık oranına sahiptir, korozyon dirençleri yüksektir ve yüksek ısı ve elektrik iletkenliğine sahiptirler. • Alüminyum kum kalıba döküm, basınçlı döküm, sıcak veya soğuk iş prosesleri ya da ekstrüzyon ile işlenebilirler. Aynı zamanda presleme, lehimleme ve kaynak işlemleri de gerçekleştirilebilir. • İnce oksit tabakasının yapısından dolayı korozyon dirençleri yüksektir. • Alüminyum için en kullanışlı alaşım elementleri, bakır, silisyum, mangan, magnezyum ve çinkodur. Prof. Dr. Mehmet Fırat 41 Alüminyum Prof. Dr. Mehmet Fırat 42 Demir Dışı Metaller • Magnezyum: Ticari metallerin en hafifidir, havacılık ve otomotiv sektörü en sık kullanıldığı alanlardır. Magnezyum alaşımları, dayanımın önemli olmadığı durumlarda sıklıkla yer alırlar. • Titanyum: Titanyum ve alaşımları, düşük dayanımlı çeliklere benzer bir dayanım miktarına sahiptirler fakat ağırlıkları çeliklerin yarısı kadardır. Korozyon dirençleri oldukça yüksektir, ısı iletkenliği düşüktür, mıknatıslanamazlar ve yüksek sıcaklık dayanımına sahiptirler. • Bakır bazlı alaşımlar: Pirinç: Çinko alaşımıdır. %5-15 çinko: Soğuk iş proseslerine yatkındır. %20-36 çinko: Daha ucuz alaşımdır, talaşlı imalata daha yatkındır, az oranda daha iyi dayanıma sahiptir bununla beraber korozyon dayanımı düşüktür. %36-40 çinko: Daha az sünektir ve ağır soğuk iş proseslerine uygun değildir. Bronz: Silisyum bronzu Fosfor bronzu Alüminyum Berilyum bronzu Prof. Dr. Mehmet Fırat 43 Plastikler • Akışkanlık gösteren veya ısı uygulandığında kalıplanabilen plastiklere termoplastikler denilir. Bu terim bazen basınç altında kalıplanabilen plastikler için de kullanılır. • Polimerizasyon prosesinin, plastiğin basınç altında eritildiği sıcak kalıplama preslerinde yapıldığı plastiklere termoset plastikler denilir.Termoset plastikler yeniden kalıplanamazlar. İsim Su MPa E Gpa Sertlik Rockwell % Uzama Boyutsal Kararlılık Isıl Direnç Kimyasal Direnç İşlem Alkit 20-62 0,34-2,07 99M* … Mükemmel Çok İyi İyi M Allilik 28-69 … 105-120M … Mükemmel Mükemmel Mükemmel CM Amino Grubu 34-55 0,90-1,65 110-120M 0.30-0.90 Çok İyi Mükemmel* Mükemmel* LR Epoksi 34-138 0,21-2,07* 80-120M 0-10 Mükemmel Mükemmel Mükemmel CMR Fenolikler 34-62 0,69-1,72 70-95E … Mükemmel Mükemmel Çok İyi EMR Silikonlar 34-41 … 80-90M … … Mükemmel Mükemmel CLMR * İstisnalar bulunabilir. C: Kaplama L: Levhalar R: Reçineler E: Ekstrüzyon M: Döküm S: Sac F: Köpük P: Pres ve sinteleme metodları T: Borulama Prof. Dr. Mehmet Fırat 44 Plastikler İsim Su MPa E Gpa Sertlik Rockwell % Uzama Boyutsal Kararlılık Isıl Direnç Kimyasal Direnç İşlem ABS Grubu 14-55 0.69-2.55 60-110R 3-50 Çok İyi * İyi EMST Asetal 55-69 2.83-3,59 80-94M 40-60 Mükemmel Çok İyi Yüksek M Akrilik 34-69 1.38-3.24 92-110M 3-75 Yüksek * İyi EMST Florlu Plastikler Grubu 34-48 … 50-80D 100-300 Yüksek Mükemmel Mükemmel MPR* Naylon 55-97 1.24-3.10 112-120R 10-200 Zayıf Zayıf Çok İyi CEM Fenilen Oksit 48-124 2.41-6.34 115R, 106L 5-60 Mükemmel Çok İyi İyi EFM Polikarbonat 55-110 2.34-5.93 62-91M 10-125 Mükemmel Mükemmel İyi EMS Polyester 55-124 1.93-11.03 65-90M 1-300 Mükemmel Zayıf Mükemmel CLMR Poliimid 41-345 … 88-120M Çok düşük Mükemmel Mükemmel Mükemmel* CLMP Polifenilin Sülfür 97-131 0.76 122R 1 Çok İyi Mükemmel Mükemmel M Polistiren Grubu 10,3-83 0.97-4.14 10-90M 0.5-60 … Zayıf Zayıf EM Polisülfon 69 2.48 120R 50-100 Mükemmel Mükemmel Polivinil klorür 10,3-52 2.41-4.14 65-85D 40-450 … Zayıf Prof. Dr. Mehmet Fırat Mükemmel Zayıf EFM EFM 45 Kompozit Malzemeler • Kompozit malzemeler, her biri malzeme özelliklerini etkileyen iki ya da daha fazla benzer olmayan malzemeden oluşurlar. • Mühendislikte en sık kullanılan kompozitler iki malzemeden oluşurlar: Matris ve dolgu denilen takviye elemanı. Dolgu rijitlik ve dayanımı sağlarken matris malzemeyi bir arada tutar ve yükü takviyelerin arasına transfer eder. • Kompozit malzemelerin yapıları katmanlardan oluşur ve her katman optimum rijitlik ve dayanım performansı elde edilecek şekilde yerleştirilir. • Yüksek dayanım-ağırlık oranları ve yüksek rijitlik-ağırlık oranları vardır • Kompozit malzeme özelliklerinin yöne bağımlılıkları yapısal analizlerin karmaşıklığını arttırır. Tanecik yapılı kompozit Rastgele dizilimli kısa fiber yapılı kompozit Tek yönlü sürekli fiber yapılı kompozit Prof. Dr. Mehmet Fırat Örgülü kompozit 46 Malzeme Seçimi Prosesi 1. Bir makine parçası için malzeme seçimi, tasarımcı için en önemli kararlardan birisidir. 2. Malzeme seçimi prosesi, fiziksel, ekonomik ya da proses özellikleri dikkate alınarak yapılır. 3. En basit tekniklerden birisi, tasarımla ilişkili bütün malzemelerin listelenmesidir. Ör. Mukavetmet, rijitlik ve maliyete vb. göre. 4. Sonra, her bir özellik için, önem sırasına göre listedeki malzemeler sıralanır. 5. Listenin son hali elde edildikten sonra, listenin üst sıralarından olmak üzere malzeme seçimi gerçekleştirilir. Prof. Dr. Mehmet Fırat 47 Malzeme şeçimi şeması : Elastisite modülü Çeşitli malzemeler için Elastisite Modülü •Kaynak (Prof. Mike Ashby, Granta Design, Cambridge, U.K.) Tungsten karbürleri Nikel alaşımları Kır dökme demir Titanyum alaşımları Düşük alaşımlı çelikler GFRP, epoksi matriks (izotropik) Bakır alaşımları Elastisite modülü GPa Bakır alaşımları soda kireç camı Ahşap, tipik ara taneli polyester Ahşap, tipik çarprazlama taneli Akrinonitril butadiyen sitren (ABS) Rijit polimer köpük (MD) Mantar Poliüretan Sentetik kauçuk Esnek polimer foam (VLD) Prof. Dr. Mehmet Fırat 48 Malzeme seçimi şeması : Elastisite modülü-yoğunluk Prof. Dr. Mehmet Fırat 49 Malzeme şeçimi şeması : Dayanım-yoğunluk Metaller ve polimerlerin akma gerilmeleri Seramik ve Camların MGR’si Elastomerlerin çekme yırtılma dayanımı Kompozitlerin çekme hasarı Prof. Dr. Mehmet Fırat 50
