Malzemenin Mekanik Özellikleri
advertisement
Malzemenin Mekanik Özellikleri Bölüm Amaçları: Gerilme ve şekil değiştirme kavramlarını gördükten sonra, şimdi bu iki büyüklüğün nasıl ilişkilendirildiğini inceleyeceğiz, Bir malzeme için gerilme-şekil değiştirme diyagramlarının deneysel yöntemlerle nasıl elde edildiğine bakacağız, Bu diyagramlar, mühendislik alanında çok kullanılan malzemeler için bilinmektedir çalışılmıştır. Malzemenin Mekanik Özellikleri Çekme ve Basınç Testleri Bir malzemenin dayanımı (strength), çok büyük şekil değiştirme ve/veya göçme yapmadan taşıyabileceği kuvvetle ilişkilidir. Dayanım kullanılan malzemeye özeldir ve deney yoluyla belirlenir. Bu deneylerden en önemlileri çekme ve basınç deneyleridir. Çekme ve basınç deneyleriyle malzeme hakkında önemli bilgilere ulaşmak mümkündür; ancak bunlar genellikle ortalama normal gerilme ve ortalama normal birim şekil değiştirme ilişkiyi bulmakta kullanılır. arasındaki Malzemenin Mekanik Özellikleri Çekme ve Basınç Testleri Bu testler için malzeme standart şekilde ve büyüklükte hazırlanır. (13 mm) (50 mm) Malzemenin Mekanik Özellikleri Çekme ve Basınç Testleri Standart şekil ve büyüklükteki bu numune aşağıda gösterilen bir test makinesinde (universal testing machine) test edilir: Başlıklar mafsallı olarak yapılmıştır, böylece numuneye sadece eksenel yönde kuvvet etkimektedir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Çekme ve Basınç Testleri Numuneye etkiyen kuvvet, kuvvet ölçerlerle dijital olarak veya dial gaugelerden analog olarak okunur. Numunedeki boy değişimi ektensometre ile ölçülür ve buradan birim şekil değişimi hesaplanır veya direnç tabanlı strain gaugelerle (gerinim pulu) ile dijital olarak direk de ölçülebilir: Şekil değişimi ölçmek istediğimiz yön doğrultusunda, özel bir yapıştırıcı ile numuneye bağlanır. Çeşitli boy ve ebatlarda strain gaugeler bulunmaktadır. Deney yapılan malzeme türü için değişmektedir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Elde edilen çekme veya basınç değerlerinden, gerilme-şekil değiştirme diyagramını çizmek mümkündür. Bu diyagrama gerilme-şekil değiştirme diyagramı denir. Kaydedilen veriler kullanılarak nominal veya mühendislik gerilmesi denilen gerilme aşağıdaki gibi hesaplanır: P σ= A0 Benzer şekilde, nominal veya mühendislik şekil değişimi de aşağıdaki gibi hesaplanır: ε= δ L0 Burada, δ ölçülen boy değişimi ve L0 ise orijinal boydur. Dikkat edilirse normal birim şekil değişimi L0 boyunca sabit olduğu kabul edilmiştir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Elde edilen σ-ε değerleri çizilirse, aşağıdaki gibi bir grafik elde edilir (düktil malzeme için): Gerçek Kopma Gerilmesi Maksimum Gerilme Orantılılık limiti Elastik limit Akma limiti Elastik Bölge Elastik davranış Akma Pekleşme Plastik davranış Boyun Kopma gerilmesi Bu grafik mühendislikte son derece önemlidir, çünkü malzemenin boyutlarından bağımsız olarak malzemenin çekme veya basınç dayanımı ile ilgili önemli bilgiler vermektedir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Şimdi bu eğrinin karakteristik özelliklerini inceleyelim. Gösterilen genel σ-ε ilişkisi çelik malzemesinin eğrisi olarak düşünülebilir. Bu eğriden, malzemenin şekil değiştirme miktarına göre dört farklı şekilde davrandığı görülebilir: elastik davranış, akma davranışı, pekleşme davranışı ve boyun (necking) davranışı. Şimdi bu dört farklı durumu inceleyelim. Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Elastik Davranış Bölgesi: Bu davranış, birim şekil değişimler kavun-içi bölgede olduğu zaman oluşur. Burada eğri doğrusal çizgi şeklindedir; yani şekil değiştirme gerilme ile orantılıdır. Bu bölgede malzeme lineer elastik davranıyor denir. Bölgenin üst gerilme limiti, orantılılık limiti olarak adlandırılır (σpl). Malzeme, bu davranışı elastik limite kadar devam ettirir. Yük malzeme üzerinden kaldırıldığında şekil değiştirmeler sıfıra döner. Gerçek Kopma Gerilmesi Maksimum Gerilme Orantılılık limiti Elastik limit Akma limiti Elastik Bölge Elastik davranış Akma Pekleşme Plastik davranış Boyun Kopma gerilmesi Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Akma Bölgesi: Gerilmeler elastik limiti biraz daha aştığında malzemede kırılmalar gerçekleşir ve kalıcı şekil değişimleri oluşur. Bu davranışa akma davranışı denir. Bu davranış, birim şekil değişimler kırmızı bölgede olduğu zaman oluşur. Akmaya yol açan gerilmeye akma gerilmesi (σY) veya akma noktası denir. Akma noktasına ulaştıktan sonra, gerilmelerde bir artış olmadan şekil değiştirmelerde ciddi bir artış görülür. Bu nokta, bazı malzemeler için belirgin, bazıları için ise değildir. Gerçek Kopma Gerilmesi Maksimum Gerilme Orantılılık limiti Elastik limit Akma limiti Elastik Bölge Elastik davranış Akma Pekleşme Plastik davranış Boyun Kopma gerilmesi Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Pekleşme Bölgesi: Pekleşme davranışı şekil değişimler açık yeşil bölgede olduğu zaman gerçekleşir. Akma son bulduktan sonra gerilmeler tekrar artmaya başlar ve maksimum gerilmeye (σU) kadar çıkar. Gerilmelerdeki bu yükselme eğilimine pekleşme denir. Test esansında numune uzadıkça, en kesit alanı azalmaya başlar. Gerçek Kopma Gerilmesi Maksimum Gerilme Orantılılık limiti Elastik limit Akma limiti Elastik Bölge Elastik davranış Akma Pekleşme Plastik davranış Boyun Kopma gerilmesi Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Boyun (Necking) Bölgesi: Maksimum gerilmeye (σU) ulaşıldıktan sonra malzemenin en kesit alanı lokal olarak azalmaya başlar. Uzama devam ettikçe yavaş yavaş boyun bölgesi oluşur. En kesit alanı sürekli azaldığı için, taşınacak kuvvet dolayısıyla gerilme de gitgide azalır. Böylece diyagram aşağıya doğru kıvrılır ve kopma gerilmesine ulaştığında koparak yük taşıyamaz hale gelir. Gerçek Kopma Gerilmesi Maksimum Gerilme Orantılılık limiti Elastik limit Akma limiti Elastik Bölge Elastik davranış Akma Pekleşme Plastik davranış Boyun Kopma gerilmesi Boyun Düktil malzemenin kopması Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Tipik bir çekme deneyinde kopmadan hemen önce gözlenen boyun davranışı: Malzemenin Mekanik Özellikleri Gerilme – Şekil Değiştirme Diyagramları Yukarıda tanımlanan kavramları özetleyen ve yumuşak çelik için elde edilmiş gerçek bir gerilme – birim şekil değiştirme diyagramına bakalım: Birçok mühendislik yapısı malzeme elastik bölgede kalacak şekilde tasarlanırlar. Dayanım ve rijitlik arasındaki fark önemlidir! 435 MPa 324 MPa 262 MPa 248 MPa 241 MPa Elastik bölgenin daha iyi görülmesi için bu bölge büyük gösterilmiştir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Düktil (Ductile) ve Gevrek (Brittle) Malzemeler σ-ε eğrilerinin karakteristiklerine bağlı olarak, malzemeler düktil veya gevrek malzemeler olarak sınıflandırılabilir. Düktil Malzemeler: Kopmadan önce büyük deformasyonlar (şekil değişimler) gösteren malzemelere düktil malzemeler denir. Yumuşak çelik bu malzemeye iyi bir örnektir. Mühendisler düktil malzeme kullanmayı tercih ederler çünkü bu malzemeler şok veya enerji yutma kapasitesine sahiptir ve kopmadan önce büyük deformasyonlar gösterirler. Bir malzemenin düktilitesini tanımlarken uzama miktarından yararlanılabilir: Uzama [%] = L f − L0 L0 × 100 Malzemenin Mekanik Özellikleri Düktil (Ductile) ve Gevrek (Brittle) Malzemeler Çelik malzemesi dışında başka birçok düktil malzeme vardır. Örneğin pirinç (brass) , çinko (zinc) veya alüminyum alaşımlı malzemeler. Birçok metal malzemede sabit akma bölgesi yumuşak çelikteki kadar belirgin değildir. Buna örnek alüminyum verilebilir. Bu malzemede belirgin bir akma noktası yoktur: (352 MPa) Alüminyumun akma dayanımı (σY) offset metodu ile bulunur. Bu ders kapsamında, özellikle belirtilmediği sürece, akma dayanımı, akma noktası, elastik limit ve orantılılık limiti aynı nokta olarak alınacaktır. Çünkü pratikte, bunları deneysel yöntemlerle ayırt etmek kolay olmamaktadır Malzemenin Mekanik Özellikleri Düktil (Ductile) ve Gevrek (Brittle) Malzemeler Gevrek Malzemeler: Kopmadan önce herhangi bir belirgin akma belirtisi göstermeyen malzemeye gevrek malzeme denir. Dökme demir bu malzemeye iyi bir örnektir. Gevrek malzemeler ani kırılma gösterirler, bu nedenle dikkatli kullanılmalıdırlar. Gevrek malzemede kopma durumu Malzemenin Mekanik Özellikleri Düktil (Ductile) ve Gevrek (Brittle) Malzemeler Dökme demir gibi beton da gevrek bir davranış gösterir. Betonun basınç dayanımı çekme dayanımına göre daha fazladır. Beton için tipik bir σ-ε diyagramı aşağıda verilmiştir. Bu davranış betonu oluşturan malzemelerin oranlarına ve zamana bağlıdır: (2.76 MPa) (34.5 MPa) diyagramı (tipik bir beton karışımı için) Dikkat edilirse, basınç dayanımı, çekme dayanımının yaklaşık 12.5 katıdır. Malzemenin Mekanik Özellikleri Hooke Yasası Mühendislik bölgede malzemelerinin lineer bir ilişki gerilme-şekil göstermektedir. değiştirme Gerilmedeki diyagramları artış, birim elastik şekil değişimlerinde doğru orantılı bir artışa neden olmaktadır. Bu durum 1676’da İngiliz bilim adamı Robert Hooke tarafından yaylar kullanılarak ilk defa bulunmuştur. Matematiksel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir: σ = Eε Burada E elastisite modülü veya Young modülü olarak bilinir (Thomas Young 1807). σ-ε grafiğindeki elastik bölgedeki doğrunun eğimi E’dir. Elastisite modülünün birimi gerilme ile aynıdır (pascal). Bu değerin hesabına bir örnek aşağıda verilmiştir: σ pl 241MPa E= = ≅ 200 GPa ε pl 0.0012 Malzemenin Mekanik Özellikleri Elastisite Modülü Sıkça kullanılan malzemelerin elastisite modülü literatürde bulunabilir. Elastisite modülü, malzemenin mekanik bir özelliğidir ve rijitlikle ilişkilidir. Rijit malzemelerin (örnek: çelik) elastisite modülü yüksektir (200 GPa), yumuşak malzemelerin ise çok daha küçüktür (kauçuk malzemenin 0.70 MPa gibi). Dikkat edilirse, çelikteki karbon oranına orantılılık limiti bağlı olarak değişmekteyken, hepsi hemen hemen aynı elastisite modülüne sahiptir. Elastisite modülü bu derste kullanılacak en önemli mekanik özelliktir. Dikkat edilmelidir ki, bu değer sadece ve sadece malzeme lineer bölgede kalıyorsa kullanılabilir. Lineer bölge dışında Hooke yasası geçerli değildir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Poisson Oranı (Poisson’s Ratio) Bir malzeme eksenel yükleme altında, sadece boy değişimi göstermez ayrıca enine şekil değişimi de gösterir. Örnek olarak aşağıda eksenel teste tabi tutulmuş kauçuk malzemesi gösterilebilir. Malzemenin Mekanik Özellikleri Poisson Oranı (Poisson’s Ratio) Boyuna ve enine şekil değişimlerini aşağıdaki gibi formüle edebiliriz: ε long = ε lat = δ L δ′ r 1800’lerde Fransız bilim adamı S.D. Poisson malzeme elastik bölgede ise bu iki şekil değişimini oranlarının sabit kaldığını göstermiştir. Bu orana Poisson oranı denir. Poisson oranı değeri eğer malzeme homojen ve izotropikse o malzemeye özgüdür. ε lat ν =− ε long v = min. 0 ve max. 0.5 olmaktadır. Tipik değerler 1/3 ve ¼ arasındadır. Örnek 1 Şekilde gösterilen çubuk çelik malzemesinden imal edilmiştir. Elastisite modülü E = 200 GPa ve Poisson oranı ise 0.32’dir. P = 80 kN’luk eksenel yük etkisi altında çubukta boyuna ve en kesit alanında meydana gelen şekil değişimlerini bulunuz. Örnek 1 - Devam Çubuktaki normal gerilme: Çubuktaki normal şekil değiştirme: Çubukta oluşan eksenel boy değişimi: Malzeme için homojen ve izotropik kabulü altında: Örnek 1 - Devam Bu durumda, en kesit alanında meydana gelen değişim aşağıdaki gibi bulunur:
