4. diğer mekanik özellikler ve kırılma türleri
advertisement
4. DİĞER MEKANİK ÖZELLİKLER VE KIRILMA TÜRLERİ Cisimlerin en önemli mekanik özellikleri üçüncü bölümde sözü edilen basınç, çekme, kesme ve eğilme dayanımlarıdır. Ancak bu özelliklerin yanısıra, kullanım amacına göre, malzemenin diğer mekanik karakteristikleri de çok önemli olabilir. Mühendislik yapılarında kullanılan metalik malzemenin yararlılığı öncelikle iki özelliğe bağlıdır. Bu özellikler, yüksek dayanımlı olması ve kırılmadan gerilme sivriliklerini dağıtabilecek şekilde düktiliteye sahip olmasıdır. Ancak özel hallerde boyutsal stabilite, aşınmaya dayanıklılık, darbeye dayanım gibi faktörler öncelik kazanabilir. İkinci derecede önem taşıyabilen bu özellikler, çoğunlukla birinci derecedeki önemli özelliklere bağlıdır. Örneğin, basınç dayanımı yüksek olan bir malzemenin çoğunlukla sertlik derecesi de fazladır. Bu özellikler şöylece sıralanabilir: 4.1. Sertlik Sertlik, malzeme yüzeyinin kalıcı şekil değiştirmeye gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Sert bir cisim, genellikle yumuşak olmayan ve başka bir cismin kuvvet altında o malzeme içine girmesine büyük direnç gösteren bir malzemedir. Cisimlerin sertliği çekme ve basınç dayanımı gibi açık ve belirgin bir özellik değildir. Sertlik ölçümleri, uygulanan kuvvet ve ortaya çıkan şekil değişimine göre makro, mikro ve nano olarak sınıflandırılabilir. Makro sertlik ölçümleri küçük bir örnek üzerinden malzemenin mekanik özelliklerinin elde edilmesini sağlayan kolay ve basit bir yöntemdir. Yüzey işlemlerinin kalite kontrolünde geniş çapta kullanılır. Bununla birlikte kaplamalar söz konusu olduğunda ve yüzeyin soyulma ve aşınma özellikleri önemli olduğunda makro batma derinliği yüzey tabakası kalınlığına göre çok büyük olabilir. İnce bir mikroyapıya sahip çok tabakalı, homojen olmayan veya çatlama eğilimindeki malzemelerde makro sertlik ölçümü oldukça değişken sonuçlar verebilir. Ayrıca istenen tek bir tabakanın yüzey özellikleri bu şekilde belirlenemeyebilir. Bu durumlarda mikro sertlik ölçümleri uygundur. Mikro sertlik ölçümlerinde malzeme yüzeylerine 15 ile 1000 gf yük Vickers veya Knoop gibi batıcı uçlar vasıtası ile uygulanır. Nano batma deneylerinde uygulanan yük çok düşüktür. Bu deneyler çok hassas ölçümlere olanak sağlayan özel teknolojilerle yapılabilir. Bir cismin sertliğinin bilinmesinde şu yararlar vardır: a) Malzemenin kökeni hakkında bilgi verir. b) Malzemenin diğer özellikleri hakkında fikir verir. Örneğin, sertlik malzemenin işlenebilme özelliğini gösterebilir. Genellikle sertlik ile işlenebilme özelliği arasında ters bağıntı vardır. Diğer bir deyişle, sert malzemeleri işlemek zordur. c) Sertlik deneyleri basit ve tahribatsız deneyler olduğundan, malzemenin diğer özellikleri hakkında, malzemeyi elden çıkarmadan bir fikir edinilebilir. Malzemenin sertliğinden diğer özelliklerine geçebilmek için malzemenin yüzeyinin, bünyesinden farklı olmaması gerekir. Cisimlerin sertliğinin ölçülmesi için çeşitli yöntemler vardır. Bunlar genel olarak üç gruba ayrılabilir. 1) Malzemeye sert bir cismi kuvvet altında batırmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. 2) Malzeme yüzeyini sert bir cisim ile çizerek yapılan sertlik deneyleri. 3) Sert bir bilyayı malzeme üzerine düşürmek ve sıçratmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. 4.1.1. Sertlik Ölçüm Metotları Metal endüstrisinde genellikle Rockvvell, Brinell ve Vickers sertlik deneyleri kullanılmaktadır. Bu deneyler belirli bir sürede belirli bir yük altında deforme olmayan bir küre veya koninin metal içine batma derinliğinin ölçülmesiyle yapılır. Farklı malzemeler için değişik deney yöntemleri olup, bunların sonuçları farklılıklar arz eder. Bu nedenle bir malzemenin sertliğinden söz ederken, deney yönteminin de belirtilmesi gerekir. Bu deney yöntemleri hakkında özlü bilgiler aşağıda verilmiştir. a) Rockvvell Sertlik Deneyi Rockvvell sertlik deneyi (RSD), yapılmasının çok kolay olması ve özel bir ustalık gerektirmemesinden dolayı metallerin sertlik ölçümünde en yaygın kullanılan metottur. Birçok farklı skala, farklı yük ve çeşitli uç kombinasyonlarının kullanımıyla en sertten en yumuşağa kadar tüm metal ve alaşımların sertliğinin tayin edilmesine olanak sağlar. Rockvvell deneyleri, örnek üzerine yapılan bir seri yükleme ve boşaltma sonucu örnek yüzeyinde oluşan derinliğin ölçülmesi ile gerçekleştirilir. Batıcı uç olarak 1/16,1/8,1/4ve 1/2 inch çaplarında küresel, sert çelik toplar veya tepe açısı 120° olan uç kısmı 0.2 mm yarıçapında yuvarlatılmış çok sert malzeme deneylerinde kullanılan brale adı verilen konik elmas uç kullanılır. Düktilite ve enerji yutabilme kapasitesi - Bir malzemenin kırılmaya kadar geçici şekil değiştirme yeteneğine düktilite denir. Düktilite uzama ve alan azalmasının ölçülmesi ile belirlenir. Uzama yüzdesi şu terimle gösterilebilir: %Uzama = 100 (Lf - L0) / L0 Lf = son boy, (3.10) L0 = ilk boy Malzemenin kırılmadan uzayabilmesini göstermesi açısından, düktilite mühendislik açısından önem taşır. Metalik malzemelerin işlenebilmesi için düktilite özelliği istenir. Düktilite ayrıca malzemenin enerji yutabilme yeteneğini etkiler. Bir metalik malzemenin kopmadan enerji yutabilme yeteneğini o malzemenin çekme altında gerilme - şekil değişimi eğrisinin altında kalan alan temsil edebilir (Şekil 3.14). Boyutları (cm/cm x kg/cm2)(kg.cm/cm3) olur. Burada kg.cm enerji veya yapılan iştir. Bu nedenle enerji yutabilme kapasitesi birim hacme düşen iş olmaktadır. Değişik Şekillerdeki Betonların Basma ve Çekme Etkisi Altındaki Gerilme-Şekil Değiştirme Grafikleri Basma σc HPFRC (Vf>4%) Çekme σct HPFRC (Vf>4%) FRC (Vf=1%) fct Plastik Mafsalın Boyu ≈ h FRC (Vf=1%) FRC (Vf =0.5%) FRC (Vf =0.5%) HSC εc HSC εct Orta Noktadaki Şekil Değiştirme : 10.5 mm Gerilmenin Artması Çelik liflerin beton içindeki dağılımı Gerilme Soğuk işlenmiş sert çelik Yumuşak çelik kurşun Deformasyon Şekil 3.14. Çeşitli Metallerin Enerji Yutabilme Kapasiteleri Bir malzemenin dayanımının yüksek olması veya çok düktü olması, o malzemenin enerji yutabilme kapasitesinin fazla olduğu anlamına gelmez. Örneğin, soğuk işlenmiş çelik yüksek dayanımlı, kurşun çok düktü olmalarına karşın ikisi de, fazla enerji yutabilme yeteneğine sahip değildirler. Bir malzemenin enerji yutabilme yeteneğinin fazla olması için kopma birim şekil değişimine gelinceye kadar o-e eğrisi altında kalan alanların fazla olması gerekir. 3.3.2.3. Elastik ve Plastik Davranış Kavramları Yükleme hızı düşük tek eksenli gerilme altında metalik malzemelerin çoğunda, normal sıcaklık altında (20°C), önce elastik sonra plastik ve en sonunda kırılma (kopma) şekil değişimleri görülür. Elastik şekil değişimi, şekil değişimini ortaya çıkaran yükün kaldırılması ile yok olan şekil değişimidir. Plastik şekil değişimi ise yükün kalkması ile geri gelmeyen şekil değişimidir. Malzemeyi elastik davranıştan, plastik davranışa geçiren yükün saptanabilmesi mühendislik açısından önem taşır. Malzemenin yük altında elastik davranışı atomlar arası mesafe ve bağ kuvvetleri ile açıklanır. Aslında çok karmaşık bir olay olmasına rağmen kısaca şöyle açıklanabilir: Metallerin birim kristal hücrelerinin, iyonların karakteristik bir şekilde düzenlenmesi ile elde edildiği belirtilmişti. İyonlar ise valans elektron bulutu ile kaplanmışlardır. Metalik kristal bağ kuvvetleri, iyonları birim hücredeki konumunda tutan kuvvetlerdir. İyonların birim hücredeki yerleri değişmez değildir. Isı arttıkça iyonlar titreşirler, erime derecesinde bu oynamalar bağ kuvvetlerini yener ve böylece metal sıvı haline gelir. Ş iki atom arasındaki etki ve tepki göz önüne alındığında, denge konumunda atomlar arasındaki kuvvetler çok küçük mertebededir. Atomlar birbirlerine yaklaştıkça değerlik elektronları birbirlerinin elektrongaz bulutuna girerler. İyonlar birbirlerine yaklaştıkça, elektronların iyon merkezlerinden ortalama uzaklığı azalır. Metal kristallerinde iyonlar pozitif yüklü, elektronlar negatif yüklü olduklarından, sistemin potansiyel enerjisi azalıp değerlik elektronları ve iyon merkezleri arasındaki mesafe azalır. İç elektron yörüngeleri çakışır ve itici kuvvetler doğar. Ayrıca pozitif yüklü çekirdekler de birbirlerini iterler. Böylece iyonlar birbirlerine yaklaştıkça aralarında aynı oranlarda olmayan çekme ve itme kuvvetleri doğar. Bunların arasındaki net kuvvet bu kuvvetlerin bileşkesidir (Şekil 3.15). Bu bileşke kuvvet sıfır olunca iyonlar arası mesafe dengeli olur. iyonları birbirinden ayırıcı bir dış kuvvet etki ettiğinde, iyonlar arasında oluşan iç bileşke kuvvet çekim kuvvetidir. Böylece dış kuvvetin kaldırılması ile, iyonlar birbirlerine yaklaşır ve sonra eski denge konumlarına dönerler. iki atom üzerinde tek boyutta basitçe açıklanan karmaşık olgu, çok atom ve üç boyut üzerinde genişletilirse elastik etki olayı anlaşılabilir. Cisme yüklenen yük değeri belirli bir değerden fazla olursa, cisim elastik davranışın ardından plastik davranışa girer. Bu durumda cisimde kalıcı bir şekil değişimi meydana gelir. Plastik davranışı tanımlayabilmek için kayma ve dislokasyon kavramlarını açıklamak gerekir. Kayma olayında düz, paralel atom tabakalarının dilimler halinde kayması söz konusudur. Dilimlerde kaymadan sonra atom düzeninde bir değişim olmaz. Kayma genellikle çok atomlu düzlemlerde olur. örneğin, hacim merkezli kübik kristal yapıda (Şekil 3.16) kayma ABCD düzleminde olur. Değişik kristal yapıdaki metal kristallerinde değişik sayıda kayma hattı beklenebilir. Böylece kayma olayı yönlere bağlı bir davranış olur. Şekil 3.16. Kayma Hatları Kayma olayı kusursuz bir kristalde yukarıda anlatılan şekilde olur. Bu şekil değişim mekanizmasına göre teorik yolla hesap edilen dayanım, asıl deney dayanımının 1000 veya daha fazla katını vermektedir. Ancak dislokasyonlar göz önüne alınırsa doğruya yakın sonuçlar elde edilebilir. Kusursuz bir kristalde kaymanın olabilmesi için Şekil 3.17'de görüldüğü gibi, kayma düzleminin iki yanındaki atomlar arası bağların aynı anda kopması gerekir. Bir dislokasyon var ise, kayma dislokasyonunun var olduğu düzlemde oluşur (Şekil 3.18). Bu durumda her bir atom bağı birer birer kopar. Özellikle alaşımlarda görülen yabancı atomlar, perçin görevi yaparak malzemeleri kaymaya karşı daha dayanıklı hale getirirler. Bu nedenle bazı alaşımlar saf metallere kıyasla daha dayanıklı olabilirler. Bu nedenle saf metaller yapılarda çok az kullanılır. Örneğin plastisitesi az olan demir yerine çelik kullanılır. Şekil 3.18. Dislokasyon çeşitleri 3.3.2.4. Bazı Cisimlerin Çekme ve Basınç Gerilmeleri Altındaki Özellikleri Değişik malzemelerin tipik gerilme-birim şekil değişimi eğrileri olup, yapı mühendisliğinde sık kullanılan bazı malzemelerin σ – ε eğrileri şematik olarak aşağıdaki şekillerde görülmektedir. a) yapı çeliği St- I b) bronz c) beton c) deri Yukarıdaki şekillerden anlaşılacağı gibi söz konusu cisimlerin o-e eğrilerinin özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir: ■ ■■ a) Çelik: Çeliğin çekme ve basınçtaki o-e davranışı birbirine benzemektedir. Çelik, çekme deneyi bölümünde anlatılan bütün karakteristik davranışları gösterir. Düşük gerilmelerde Hooke yasasına uyan bir doğrusal davranış gösteren orantılılık bölgesi vardır. Sonra bir akma bölgesine girerek bir kesit daralması gözlenir. Bu aşamada malzeme iç yapısında atomlar arası bağlar kopar ve kalıcı (plastik) şekil değişimleri görülür. Ardından komşu atomlarla yeni bağlar kurarak malzeme yük taşımaya devam eder ve bütünlüğünü korur. Bu bölgeye pekleşme bölgesi denir. Yükün artımı sürdürülünce malzeme boyun vererek kopar. Yumuşak yapı çeliğinde akma dayanımı 220 MPa, çekme dayanımı 370 MPa civarındadır. b) Bronz: Çeliğe benzer davranış gösterir, oldukça belirgin bir akma bölgesinden sonra kopar. c) Font: Gevrek bir malzeme olduğundan, büyük şekil değiştirmeler göstermeden kopar veya ezilir. Basınç dayanımı çekme dayanımının dört katı olup, fontun o-e davranışı Hooke yasasına iyi uymaz. d) Beton: İnşaat Mühendisliğinin çok önemli olan bu malzemesi de gevrek davranış gösterir. Çekme dayanımı, basınç dayanımının onda biri civarındadır. Bu nedenle yapılarda yalnız basınca çalıştırılır. e) Doğal taşlar: Bunlar da betona benzer davranış gösterirler. Çekme dayanımları basınç dayanımlarının 1/20 ile 1/40'ı mertebesindedir. f) Ahşap: Anizotropik bir malzemedir. Lifler doğrultusu ile liflere dik doğrultudaki mekanik özellikleri farklıdır. Basınç halinde lifler doğrultusundaki dayanım, liflere dik doğrultudakinin yedi katı, çekme halinde 20-30 katıdır. Çekme dayanımı, basınç dayanımından büyüktür. g) Deri: Daha çok çekme elemanı olarak kullanılır. Karışık iç yapısı olan bu cismin o-e diyagramı artan eğimi nedeniyle ilginçtir. Bunların dışında, kurşun, asfalt, zift, kil gibi malzemelerin hemen hiç bir elastik özellikleri yoktur. Yük altında almış oldukları şekilleri, yük kalktıktan sonra da muhafaza eden plastiklerdir. Basit çekme ve basınç deneylerinden elde edilen bilgiye göre, yapılarda kullanılan malzeme şu üç büyük sınıfa ayrılabilir: 1) Düktil Malzemeler: Kopmadan önce büyük şekil değiştirmeler gösterir, çekme ve basınçtaki özellikleri birbirine yakındır (Örnek çelik). Sünek malzemeler adı da verilen bu malzemelerin kopma (kırılma) süresi uzundur. 2) Gevrek Malzemeler: Akma sınırları yoktur, kopmadan önce büyük bir uzama göstermezler, çekme ve basınç davranışları farklıdır (örnek beton). Bu tip malzemelerin kırılma süresi kısadır. 3) Plastik Malzemeler: Bu tür malzemede çok az bir elastik özellik vardır. Plastik, asfalt gibi moleküllü iç yapılı bazı malzemelerde akma anında uzun zincir molekülleri birbirine oranla yavaş hareket ederek sürekli olarak kayar ve yeni molekül bağları meydana gelir. Bu da kopma süresini geciktirir. Kurşun gibi bazı metallerde de benzer davranış gözlenir. Yukarıdaki sınıflandırma statik yükleme yönündedir. Örneğin düktil bir malzeme olan zift, ani bir dinamik yükleme sonucunda gevrek davranış gösterir. Eğilmede tek ve iki noktadan yapılan kiriş yükleme deneyi Laboratuvarda yapılan eğilme dayanımı belirleme deneyleri standartlara göre iki grupta toplanabilir: Birinci tür deneylerde yük kirişin açıklık ortasından tekil olarak uygulanır (üç noktadan yükleme). Yük belirlenen bir yükleme hızında kirişin göçmesine kadar arttırılır (Şekil 3.28-a) İkinci grup deneyde ise kiriş açıklığı L/3 mesafelerinden üç eşit parçaya bölünerek ortadaki iki noktaya aynı büyüklükte yük uygulanır. Her yükün miktarı P/2 olup deney presinde toplam P değerine karşılık gelir. Birinci deneyde olduğu gibi belirli bir yükleme hızında deneye devam edilir (Şekil 3.28-b). Tekil yüklemeli deneylerde açıklık boyunca tek noktada (açıklık ortası, yükleme noktası) maksimum moment oluşur ve o noktada kesme kuvveti de değer değiştirmektedir. Dolayısı ile saf eğilme durumundan söz edilemez. İki noktadan yüklemeli deneylerde maksimum moment belirli bir aralıkta değer almaktadır. Bu aralıkta kesme kuvveti sıfırdır. Bir başka deyişle, salt eğilme hali söz konusudur. Eğilme deneylerinde sadece eğilme etkisi inceleneceğinden iki noktadan yüklemeli ikinci deney yöntemi daha sağlıklı sonuçlar vermektedir.
