Mekanik özellikler
advertisement
MEKANİK ÖZELLİKLER • Mekanik özellikler, uygulamada zorlamaya maruz kalacak malzemelerin en önemli özelliğini oluştururlar. • Bir katı cismin uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepki mekanik davranış olarak tanımlanır. Bu davranışın biçimi mekanik özellikleri belirler. • Mekanik özellikler değişik tür zorlamalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmeleri ölçerek ve gözleyerek saptanır. • Cisimler artan dış zorlamalar altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılır. 2 Mekanik özellikler denince akla; • • • • • • • • • • Elastisite modülü, Süneklik, Sertlik, Çekme mukavemeti, Basma mukavemeti, Eğme mukavemeti, Kırılma mukavemeti, Kırılma tokluğu, Sürünme ve Aşınma direnci gelir. Elastisite Modülü • Elastik modül, kuvvet altında atomlararası bağların esnemesiyle alakalı bir kavramdır. • Gerilme-genleme eğrisinde lineer kısmın eğimi elastisite modülünü verir. • Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç veya rijitlik malzemenin elastisite modülü ile belirlenir. • Elastisite modülü ne kadar yüksekse malzeme o kadar rijit (zor şekil değiştiren), elastisite modülü ne kadar küçükse o kadar fleksibl (kolay şekil alan, esnek) demektir. • Seramik malzemelerin elastisite modülleri çok yüksektir. • Basit oksitik yapıdaki iyonik bağın yüksek dirençliliği ve • Silikatlardaki kovalent bağ yüzünden bütün metallerden daha yüksektir. Bu malzemeler geniş ölçüde O, C, Si ve Al gibi elementlerden oluştuğu için yapıları genellikle sıkı paket olmayıp, yoğunlukları da düşüktür. Bu nedenle spesifik modül (E/ρ) son derece yüksektir . • Malzemeler düşük gerilmeler altında elastik olarak şekil değiştirir ve elastik şekil değiştirme tersinirdir. • Gerilme belirli bir sınırı aşarsa kalıcı yani plastik şekil değiştirme oluşur ve seramik malzemeler ya hiç ya da çok çok az plastik şekil değiştirme gösterirler. • Bir malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğine süneklik denir. Daha küçük tokluk (seramikler) smaller toughness (ceramics) Engineering tensile larger toughness Daha büyük tokluk (metaller) stress, (metals, PMCs) smaller toughnessunreinforced polymers Daha küçük tokluk (takviyesiz polimerler) Engineering tensile strain, Tokluk • Malzemelerin plastik olarak absorblayabildikleri enerji miktarıdır. Başka bir değişle birim hacimdeki cismi kırmak için gerekli enerji olarak tanımlanır. • Tokluk değeri sertlikle ilişkilidir. • Genellikle sertlik arttıkça tokluk azalmaktadır. • Bu açıdan seramikler çok düşük tokluk değerlerine sahiptirler. • Gerilme-genleme eğrisinin altındaki alan tokluk değerini vermektedir. Gevreklik • Seramik malzemeler kuvvetli iyonik ve kovalent bağlarla bağlı oldukları için yüklü iyonlar birbirine çok yakındır. Bu nedenle dislokasyon hareketi için büyük bir enerji bariyeri oluştururlar. Dislokasyonların hareket kabiliyetinin azalması nedeniyle kayma meydana gelemeyeceği için uygulanan gerilmenin etkisini azaltan plastik deformasyon oluşmaz. Bu nedenle seramik malzemeler gevrektir. • Çok az enerji absorbe edebildikleri için seramiklerde ani ve hızlı bir şekilde kırılma meydana gelir. Sertlik • Malzemenin plastik deformasyona veya dislokasyon hareketlerine karşı gösterdikleri dirence sertlik denir. • Malzemenin çizilmeye karşı gösterdiği veya malzeme yüzeyinin batmaya karşı gösterdiği direnç gibi tanımlar da yapılabilir. • Sıcaklık arttırıldığında esneklik katsayısında oluşan küçük bir azalma veya tane büyümesi nedeniyle sertlik genellikle düşer. • Gözeneklilik sertliği ve esneklik katsayısını (elastik modül) önemli ölçüde düşürür. 9 Bir cismin sertliğinin bilinmesi: a) Malzemenin kökeni hakkında bilgi verir. b) Malzemenin sertliğinin bilinmesi mukavemetlerinin değeri bulunabilir. c) Malzemenin sertliğinin büyük olması, işlenme kabiliyetinin küçük olduğunu gösterir. d) Sertlik deneyleri basit ve az tahribatlı olduğundan, malzemenin diğer özellikleri hakkında, malzemeyi elden çıkarmadan bir fikir edinilebilir. Daha sonra örnek üzerinde diğer deneyler yapılabilir. ile mekanik 10 • Metallerde bir dislokasyon yapı içinde ilerlerse, kayma düzlemi üzerinde bulunan atomların konumu, kayma düzlemi altında bulunan atomların konumuna göre değişir. Atomların yer değişiminin elektron bulutu ile atom çekirdeği arasındaki metalik bağ üzerinde çok küçük bir etkisi vardır. Bu nedenle metalik bağda dislokasyon hareketi üzerine çok az bir engelleme vardır. • Bütün seramikler çok serttir. Çünkü iyonik ve kovalent bağlar dislokasyon hareketine karşı yüksek bir latis direnci gösterirler. • Kovalent bağlar yönlü bölgesel bağlardır. Dislokasyonun hareket edebilmesi için bu bağların kırılması ve tekrar oluşturulması gerekir. Dolayısıyla kovalent bağlarla bağlı seramiklerde dislokasyon hareketi gerçekleşmez. • İyonik bağlı seramikler de serttir. Ancak 45º’lik bir düzlemde kayıyorsa aynı yüklü iyonlar ayrılmış olarak kalır. Bu çeşit kaymaya karşı latis direnci küçüktür. Dolayısıyla iyonik bağlı katılarda [110] yönü ve (110) düzleminde dislokasyon hareketi mümkündür. (110) [110] • Seramik malzemeler, kırılgan ve çatlamaya son derece duyarlı olduklarından sertlik ölçme ucunun seramik yüzeyine batmaya zorlanması yüzeyde aşırı çatlak oluşumuna ve dolayısıyla da sertliğin yanlış ölçülmesine yol açmaktadır. Bu nedenle küresel sertlik ölçme uçları (Rockwell ve Brinell testleri) seramikler için kullanılmaz. Seramiklerin sertlikleri piramit formundaki uçların kullanıldığı Vickers ve Knoop teknikleri ile ölçülür. Çok kırılgan seramiklerde Knoop daha çok tercih edilir. • Seramiklerin en çok ölçülmesi istenilen mekanik özelliği muhtemelen sertlikleridir ve bilinen en sert malzemeler bu gruba aittir. Bu nedenle aşındırma veya taşlama işlemlerinde genellikle seramikler kullanılır. 14 • Vickers Sertliği: • Vickers sertlik ölçme yöntemi, sertliği ölçülecek malzeme parçasının yüzeyine, tabanı kare olan piramit şeklindeki bir ucun belirli bir yük altında daldırılması ve yük kaldırıldıktan sonra meydana gelen izin köşegenlerinin ölçülmesinden ibarettir. • Vickers sertlik değeri, piramit şeklindeki ucun belirli bir yük altında ve belirli bir süre uygulanması ile malzeme yüzeyinde meydana getirdiği izin büyüklüğü ile ilgili bir değerdir. • Meydana gelen iz taban köşegeni (d) olan kare bir piramittir ve tepe açısı ucun tepe açısının aynıdır = (136°). Vickers sertlik değeri, kg olarak ifade edilen deney yükünün mm² olarak ifade edilen iz alanına bölümüdür. 15 16 • Yumuşak malzemelerden, özel yöntemlerle sertleştirilmiş çok sert malzemelere kadar geniş bir kullanım aralığı mevcuttur. • Yük olarak 1-150 kg (en sık 2,10 ve 30 kg) arasındaki yükler kullanılabilir. • Ölçüm sırasında bekleme süresi yaklaşık 15 sn (yumuşak malzemelerde 30 sn) olabilir. • Vickers sertlik değeri işareti ile beraber bazen uygulanan yük ve yükün uygulama zamanını belirten sayısal işaretlerde ilave edilir. • Örneğin; 800 VSD /30 /20 ifadesi 30 kg.'lık yükün 20 saniye süre ile uygulanması sonucu elde edilen Vickers sertlik değerinin 800 olduğunu gösterir. 17 18 19 Deneyde dikkat edilecek hususlar: • • • • Yük darbesiz olarak uygulanmalıdır. Numene yüzeyi parlak ve düzgün olmalıdır. Elmas uç darbeden ve çarpmadan korunmalıdır. Numune üzerinde kalan izin merkezinin parça kenarına veya bir diğer izin kenarına olan uzaklığı en az 3d kadar olmalıdır. • Numune kalınlığı iz derinliğinin en az 10 katı olmalıdır. • Piramid uç P yükü ile deney parçasına düşey olarak batırılmalı, iz köşegenleri 0,002 mm hassaslıkla ölçülmelidir. 20 • Knoop Sertliği: • Knoop sertliği, 1939 yılında National Bureau Standards’da (şu an NIST= National Institute of Standards and Technology-USA) geliştirilmiştir. ASTM’ye (American Society for Testing and Materials) göre E384 standartlarında tanımlanmıştır. Bu standartlara göre eşkenar piramit esaslı elmas bir uç kullanılır. Frederick Knoop tarafından • Bu deneyde tepe açısı 130º ve 172º 30’ olan piramit şekilli elmas bir uç malzeme üzerine batırılır. • Knoop aynı yük kullanılarak yapılan Vickers sertlik ölçümleri ile karşılaştırıldığında nispeten daha az derin izler bırakır ( Uzun köşegenin 1/30’u kadar). 21 P P HK 2 A CL P: uygulanan yük (kg) A: izin düşüm alanı (mm2) L: izin dikey uzunluğu C: sabit (14.2) 22 Vickers sertlik izi Knoop sertlik izi 23 24 • Mohs sertlik skalası (Mohs sertlik cetveli): • Minerallerin sertliği Avusturyalı mineralog Friedrich Mohs tarafından 1812 de ortaya konulan ve Mohs sertlik dizisi adı verilen bir ölçek yardımıyla nisbi olarak ölçülür. • Mohs sertlik skalasına göre bir mineralin sertliğini bulmak için, sertliği bilinen mineral veya minerallerle, sertliği saptanacak olan mineral birbirine sürtülür ve sertliği bilinmeyen mineralin hangi minerali çizdiği ve hangisiyle çizildiği belirlenir. Sonuçta bu işleme göre mineralin sertliği bulunmuş olur. 25 Örneğin, Apatiti çizip kuvars ile çizilen bir mineralin Mohs skalasına göre sertliği 6’dır. Bu skalaya göre kuvars'ı çizebilen, topaz'ı çizemeyen bir maddenin sertliği Mohs skalasına göre 7-8 Mohs sertliğindedir. Örneğin, sert çelik 6.5, alüminyum 2, normal cam 5.5 Mohs sertliğindedir. 26 27 Malzeme Vickers Sertlik (Kg/mm2) Elmas 8000 Bor karbür 5000 Titanyum karbür 3330-4000 Titanyum borür 3400 Silisyum karbür 3400 Alüminyum oksit 3000 Titanyum nitrür 3000 Wolfram karbür (W2C) 3000 Vanadyum karbür 2100-2700 Krom karbür 1700-2300 Wolfram karbür (WC) 1600 WC+%3 Kobalt 1300 Karbürize edilmiş çelik 900 İnşaat çeliği 150 Sertleştirilmiş takım çeliği 650-700 28 • Silisyum karbür (SiC); çok sert, aşındırıcı bir malzeme olup, yüksek sürünme mukavemetine sahiptir. İndirgen atmosferde, erozyon ve kimyasal etkileşimlerine, karşı mükemmel bir direnç gösterir. • Yüksek saflıkta ticari silisyum karbür elde etmek zordur; çünkü sinterleme için eklenen safsızlıklar veya reaksiyon bağlamada kullanılan silisyumda bulunan safsızlıklar bunu engeller. Sinterlenmiş silisyum karbür, seramik malzemeler içerisinde en dayanıklı olanlardan birisidir ayrıca silisyum karbür en etkili aşındırıcılardan birisidir. • Bor karbür kadar sert değildir ancak silisyum karbür malzeme sıyırma işlemlerinde etkili olmaktadır. Silisyum karbürün sertliği kristalografik yönlere, var olan safsızlıklara ve parlatılmış yüzeyler gibi farklı durumlara bağlı olarak değişir. Ölçüm ortamı dahi sertliği etkileyebilir. • Uygulamaları ise havacılık endüstrisinde pompa, taşıma, yağ, yakıt deposu, pompa malzemeleri ve kalıplar olabilir. 29 • Alüminanın öğütme için gereken en önemli özelliği sertliğidir. Alüminanın tercih edilmesinin en önemli nedenlerinden biri bu özelliğidir. • Aşındırma işlemleri sırasında yüksek sıcaklıklar meydana gelebilir. Fakat alfa alümina yüksek sıcaklıklarda da sertlik özelliklerini muhafaza eder. Bu nedenle özellikle metal işleme sektöründe kullanılan aşındırıcı taşların temel hammaddesi durumundadır. Özellikle taşlamada ortaya çıkan aşırı ısınma problemi korund bazlı aşındırıcı taşlarla çözülür. • İçerisinde katı halde çözünmüş olarak %3 oranında Cr2O3 bulunduran korundun sertliği saf safirden daha fazladır. Fakat Cr2O3 miktarı bu değeri aştıktan sonra sertlik değeri düşmeye başlar. 30 • Bor karbür (B4C) yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik, düşük yoğunluk (2,4 gr/cm³) kimyasal maddelere karşı üstün direnç, nötron soğurma kabiliyetine sahip olma, yüksek ısı dayanımı gibi mekanik özellikleri nedeniyle ileri teknolojinin önemli bir malzemesidir. • Bor karbür, fiziksel özelliklerine bağlı olarak çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bugün savunma sanayinde gerek personel zırhı gerekse de araç zırhı olarak geniş kullanım alanı bulmaktadır. • Bor karbürün sertliği çok yüksek olduğu için en çok aşındırıcı olarak tüketilmektedir. • Bor karbürün bir diğer önemli kullanım alanı da aşınmaya karşı dayanıklı makine parçalarının üretimidir. • Ayrıca hafif zıh malzemesi olarak plaka halinde helikopter tank ve can yeleklerinde kullanılmaktadır. • Bunun yanı sıra bor karbür peletler nükleer reaktörlerde kontrol çubuğu olarak kullanılmaktadır. 31 • Seramik zırh malzemesinin çalışma prensibi yüksek hızla gelen çelik veya diğer ağır metal esaslı delici malzemelerin yüksek sertliğinden dolayı bor karbür tarafından durdurulması prensibine dayanır. Bu işlem esnasında delici malzeme enerjisinin büyük bir kısmı seramiğin konikal kırılması ile bor karbür tarafından absorbe edilir. Delici merminin seramik zırh içerisinde ilerlemesi 32 • Geliştirilen (Si3N4) esaslı seramikler sertlik, aşınma direnci ve tokluk özellikleri sebebiyle kesici takım olarak, gaz türbin parçaları, dizel motor parçaları, ekstrüzyon kalıpları, sızdırmazlık elemanı, hadde yönlendirme pleytleri, yüksek sıcaklık ve korozyona dayanım özellikleri sebebiyle demir dışı metallere karşı refrakter olarak birçok alanda kullanılabilmektedir. • Si3N4 esaslı seramikler demir esaslı olmayan metallerce kolayca ıslatılamazlar. Bu nedenle endüstride çok faydalı bir refrakter olarak alüminyum endüstrisinde, çeşitli tüplerin ve termokupl kılıflarının imalatında kullanılmaktadır. • Metal işleme bileşenlerinde, tel çekme hadde makaraları, takım uçları, demir dışı ve kompozit malzemelerin işlenmesinde ve metal ergitme parçaları olarak kullanılmaktadır. Ayrıca ısı kalkan plakaları ve ısı izoleli seramik tuğlalarda da kullanım alanı bulunmaktadır. 33 Çekme, Basma ve Eğme Mukavemeti Mukavemetin ölçümünde kullanılan yaygın deneyler: • çekme, • basma ve • eğme deneyleridir. Çekme deneyi Basma deneyi Eğme deneyi σç < σe < σb (σç) (σb =15σç) (σe =1,7σç) • Bu deneyler arasında en basiti çekme deneyi olup, bu deneyde en uzun çatlağın kararsız olarak hızla ilerlemesi için gereken gerilme miktarı ölçülmektedir. • Fakat seramiklerde çekme deneyi yapmak zordur. • Çünkü numune genellikle çekme cihazının çenelerine sıkışan kısımlarından kopar. • Ayrıca seramikler gevrek malzemeler oldukları için standart çekme numunesi hazırlamak zordur. • Bu nedenle bu malzemelerde eğme deneyi ile mukavemet ölçümü yapmak daha kolaydır. • Gevrek olduklarından iç yapı kusurları, çentikler, çizikler ve mikroçatlaklar gerilme yığılmasına neden olur, dolayısıyla çekme etkisinde kolay kırılırlar. Seramiklerin çekme yolları vardır. mukavemetini geliştirmenin • dikkatli kalite kontrol ile çatlak boyunun azaltılması, • alaşımlandırma ile kırılma tokluğunun arttırılması, • seramik ile kompozit malzeme yapılmasıdır. çeşitli • Mukavemet ölçümünde kullanılan diğer bir deney basma deneyidir. • Metallerde veya herhangi bir plastik malzemede basma deneyinde ölçülen mukavemet, çekmede ölçülenle aynıdır. • Bu durum gevrek malzemelerde görülmez. • Seramiklerde de basma mukavemeti çekme mukavemetinden çok daha büyük olup, basma mukavemeti çekme mukavemetinin kabaca 15 katıdır. Yani σb =15σç. • Basmada çatlaklar kararsız olarak ilerler ve basma kuvvetinin uygulandığı düşey eksene paralel ilerlemek için orijinal oryantasyonlarının dışına kıvrılırlar. Yavaş ilerleyerek büyürler ve parçalanma şeklinde kırılma oluştururlar. • Seramiklerin gerilme-şekil değişimi davranışı çekme deneyi ile tespit edilmez. Gerekli geometriye sahip numune hazırlamak ve test etmek zordur. Cihaza ait çenelerin seramik malzemeyi kırılma oluşmaksızın kavraması zordur. Ayrıca seramikler sadece %0,1 şekil değişiminden sonra kırılırlar. Bu nedenlerle en sık uygulanan deney eğme deneyi olup yuvarlak veya dikdörtgen kesitli bir çubuk numune üç veya dört nokta eğme yükü altında kırılana kadar eğmeye zorlanır. 41 F c L h b Eğme dayanımı, kırılma modülü 42 veya kırılma dayanımı Eğme mukavemeti malzemenin büyüklüğüne bağlı olarak da değişir. Artan numune hacmiyle çatlak üreten kusurun bulunma olasılığı da artmakta ve sonuç olarak malzemenin eğme dayanımı düşmektedir. Dahası belirli bir seramik malzeme için eğme dayanımının büyüklüğü çekme deneyi ile belirlenen kırılma dayanımından daha büyüktür. Eğme ve çekme zorlanmaları altında dayanımın farklı değerler alması gerilmeye maruz kalan hacimlerdeki farklılıkla açıklanabilir: çekme numunesinde kesitin tamamı çekme gerilmesi altında kalırken, eğme numunesinde sadece hacmin belirli bir bölgesi çekme gerilmesi altında kalır. 44 Seramikler mekanik özellikler açısından genellikle; • • • • yüksek elastisite modülü, yüksek basma mukavemeti, düşük çekme mukavemeti ve düşük süneklik gösterirler. Bu nedenle seramikler gevrek malzemelerdir. Fakat sıcaklığa bağlı olarak farklı mekanik davranış gösterebilirler. Örneğin cam, düşük sıcaklıkta tam gevrek, yüksek sıcaklıkta ise ideal plastikliğe sahip tam sünek bir malzeme davranışı gösterir. Eğme deneyi ile belirlenen kırılma mukavemetinin sıcaklığa bağımlılığı Bazı seramiklerin özellikleri 48 Seramiklerin Kırılma Mukavemeti • Yüksek latis dirençli bir malzeme seçildiğinde katlanılması gereken önemli bir konu gevrekliktir. • Çünkü böyle bir malzemenin kırılma tokluğu düşük olacaktır. • Hatta gerilme yoğunlaşması olan çatlak ucunda bile latis çok zor kayma yapar. Yapıda çatlakların oluşması birkaç farklı yoldan gerçekleşir. • Seramik malzemelerin üretimi sırasında, • Soğutma veya sıcaklık değişimi ile oluşan ısıl gerilmede, • Seramik malzemenin kullanımı sırasında korozyon veya aşınmada, • Gevrek bir malzemenin tanelerinin elastik anizotropisinden Kırılma Tokluğu • Mühendislik malzemelerinde kırılma tokluğu, malzemede bir çatlak oluştuğu zaman, malzemenin çatlağın ilerlemesine karşı gösterdiği direnç olarak ifade edilir ve Kıc veya Kc ile gösterilir. Burada σ, uygulanan gerilme a, yüzey çatlak uzunluğu 51 • Kırılma tokluğu deneyi ile gerilme şiddet faktörü Kc tayininde kullanılan kırılma yükü, numunenin boyutlarına bağlı olarak farklı değerler alır. Bu sebeple kırılma tokluğu denklemi aşağıdaki hali alır. Y, hem numune hem de çatlak şekline bağlı bir geometrik faktör Kırılma tokluğu Kc, numunenin kalınlığına bağlı olarak değişir ve numune kalınlığı arttıkça belli bir değere kadar azalır, bundan sonra kalınlık etkisi olmaz. Numunenin kalınlığının limit bir değerinden sonra, numune yüzeyinin etkisi kalmamakta ve esasında düzlem şekil değişimi durumu sağlanmaktadır. 52 Si3N4 + 30% SiC + 3% MgO seramik malzemenin kırılma tokluğunun numune kalınlığına bağlı değişimi 53 Asım ÖZDEMİR, Seramik Malzemelerin Kırılma Tokluğu Değerlerinin Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Teorik Olarak Belirlenmesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2006 • Seramiklerin kırılma tokluğunun ölçümünde, yaygın olarak kullanılan iki yöntem vardır. A) Çentikli eğme numuneleri kullanımı, B) İndentasyon yöntemi • Kritik gerilme şiddet faktörü veya kırılma tokluğunun çentikli eğme numuneleri kullanılarak üç noktalı eğme deneyi ile ölçümü, yaygın olarak kullanılan ve standart bir kırılma tokluğu ölçüm yöntemi olarak bilinen bir metottur. • Bu deney hem ekonomik, hem de yüksek sıcaklıklarda bile uygulanabilir. Y’nin değeri çentik derinliği/kalınlık yani c/d oranına bağlı olarak değişir. • Gevrek malzemelerde kırılma tokluğu statik indentasyon deneyleri ile de belirlenebilmektedir. • Bu metot, standart kırılma tokluğu deneylerine göre çok daha kolaylıkla uygulanabilen sertlik deneyi ile kırılma tokluğunun belirlenmesini sağlar. • Gevrek malzemelerde Vickers sertlik ucu ile uygulanan P yükü, malzeme üzerinde 2a boyutunda bir iz bırakırken 2c uzunluğunda da çatlak oluşumuna sebep olmaktadır. S malzemeden bağımsız bir sabit olup, 0, 016 ± 0,004 değerine eşittir. Sıcaklık azaldıkça malzemenin gevrek davranış gösterme eğilimi artar, dolayısıyla malzemenin kırılma tokluğu değeri azalır. 61 Kırılma Tokluğu (MPam) 62 63 Yoğunluk (g/cm3) Kırılma Tokluğu (MPa m1/2) Al2O3 (% 99) 3,85 4 Si3N4 (Sıcak Pres.) 3,19 6.6 Si3N4 (Tepkime Bağlı) 2,8 3.6 SiC (Sinter) 3,1 4 ZrO2+%9 MgO 5,5 8+ Malzeme 64 Seramiklerde Toklaştırma Metotları • Takviye yolu ile toklaştırma – Fiber takviyesi – Partikül takviyesi (sert veya sünek partikül)(köprü oluşturma) • Mikroçatlak oluşumu • Dönüşüm toklaştırması • Tane boyutu küçültme 65 Takviye yolu ile toklaştırma • Çatlak ilerleme prosesi sırasında ya çatlak ilerlemesine direnç gösteren ya da çatlak ilerleme enerjisini absorbe eden mikroyapı oluşturmayı amaçlar. Her iki amaç fiber veya partikül takviyeli mikroyapılarda eş zamanlı olarak elde edilebilmektedir. • Bu tür mikroyapılara sahip seramiklerde, çatlaklar düz bir yoldan saptırılmaktadır; bu, çatlak boyunda önemli bir artışa yol açar, aynı zamanda ilerleyen bir çatlak ucunun arkasındaki partiküller çatlağa köprü kurarak matrisi bir arada tutar ve çatlağı kapatmaya meyleder. 66 • Çatlak köprüleşmesinde matris çatlar ve çatlak ucunun gerisinde partikül yada fiber takviye malzemesi kırılmadan kalır ve çatlak açılımını engeller. • Ayrıca seramik kompozitlerde matris tane içinde ve tane sınırında yer alan nano boyutlu ikinci faz partikülleri dislokasyonların oluşumuna neden olur. Seramik malzemelerde dislokasyonları hareket ettirmek güç olduğu için bu bölgeler nano boyutlu çatlakların oluşumunda orijin oluştururlar ve dolayısıyla da gevrek seramik malzemelerde tokluk artışı sağlarlar. Çatlak Çatlağın gerisinde fiberde hasar Fiberler çatlak yolu üzerinde köprü oluşturarak kompoziti birarada tutar Fiber takviyeli seramik kompozitlerde çatlak köprüleşmesi 67 Mikroçatlak oluşumu • Mikroçatlama, taneleri anizotropik olan (mekanik özellikleri yönle değişen) tek-fazlı çok kristalli seramiklerde veya bu amaç için bilinçli olarak üretilen iki-fazlı çok kristalli mikroyapılarda meydana gelir. Bu olay iki etkiye sahiptir: • Birincisi, tali çatlakların açılması için kullanılan enerji ana çatlağın yayılması için gerekli enerjiyi arttırır. • İkincisi, ana çatlak ilerledikçe, ana çatlağa komşu fakat çatlak ucunun arkasında proses zonunda veya dönüşüm (etkilenmiş-wake) zonunda çatlak açılımı hacimde bir artış meydana getirir, bu da ana çatlağı kapatmaya meyleder. Bu şekilde çatlak ilerlemesine direnç artar. 68 Dönüşüm ile toklaştırma • Çok güçlü bir toklaştırma mekanizması olup bir tür, martensitik dönüşüm gösteren birkaç seramik malzemede meydana gelebilir. Seramik malzemeler için en ümit verici toklaştırma mekanizması olup bir faz dönüşümünü içerir. Alumina, dikalsiyum silikat (Ca2.SiO4) gibi başka malzemeler de dönüşüm yolu ile toklaşabilmekle beraber, bu prosesin prototip malzemesi zirkonyadır. • Saf zirkonya, yüksek sıcaklıklardan 1170°C altına soğuma sonucunda tetragonal formdan monoklinik forma dönüşümle beraber %3-4,5 mertebesinde bir hacim artışı gösterir. Ancak, çevreleyen kübik fazın yüksek mukavemeti bu genleşmeyi engeller, bunun sonucunda tetragonal faz bu sıcaklıklarda ve oda sıcaklığına kadar dönüşmeden kalır. Sonuç olarak, her bir tetragonal zirkonya çökeltisi gerilme altında bulunur. Eğer bir çatlak oluşturmak denenirse, çatlağa yakın tetragonal çökeltiler bu durumda genleşebilir ve kararlı formlarına geri dönüşebilirler. Çatlağa bitişik bölgelerdeki bu genleşme çatlağa baskı uygular ve onu durdurur. Dönüşüm toklaştırmasının mekanizması budur. 69 Tane boyutu küçültme • Mekanik yüke maruz kalan seramikler birkaç sebepten ötürü en küçük tane boyutunda hazırlanmak istenir: • Malzemede mevcut çatlaklar tane sınırları boyunca uzanır ve ince taneli malzemelerde daha küçük ve daha az tehlikelidir. İnce taneli malzemelerde ilerleyen çatlak ucu etrafında daha büyük toplam tane sınırı alanı mevcuttur ve bu da Kıc’da artış sağlar. • İnce taneli malzemelerde çatlaklar öncelikle tane sınırları boyunca ilerler (kaba taneli malzemelerde çatlak tane içinden geçebilir) yani çatlak daha kompleks bir yola sahiptir. Dallanma ve enerji absorbsiyonu artar. • Son olarak, termal genleşmenin homojensizliği ve anizotropinin bir sonucu olarak sinterleme sıcaklığından soğuma ile oluşan mikroskobik kalıntı gerilmeleri önemli bir role sahiptir. Gerilmelerin büyüklüğü tane boyutuna bağlı değildir, ancak çatlak oluşumu tane boyutu ile ilgilidir. 70 71 • Alüminaya %10 ZrO2 ilavesi ile kırılma tokluğu önemli ölçüde (~%25) artmaktadır. • Al2O3 takımların SiC wiskerlerle takviye edilmesi kırılma tokluğu, mukavemet ve ısıl şok direncini arttırmaktadır. Yaklaşık 1 mm çapında ve 20 mm boyutunda olan bu wiskerler, yapının sertliğini ve aşınma direncini yükseltirler. Sıcak presleme ile üretilen bu kesici takımlar, üstün özellikleri nedeniyle sertleştirilmiş çelik, nikel esaslı alaşımlar ve dökme demirin talaş kaldırma işlemlerinde kullanılabilmektedir. • Geleneksel kesici takım malzemesi olan alümina (Al2O3) 3 grupta toplanabilir: • • A-1. Grup : %10 kadar oksit ve karbür (özellikle titanyum, magnezyum, molibden, krom, nikel, kobalt) içeren alümina. Bu karışım soğuk pres+sinterleme ile üretilir. • • A-2. Grup : Saf alümina, sıcak presleme ile üretilir. • • A-3. Grup : %25-30 refrakter karbür (TiC, SiC, vb.) içeren alümina, sıcak presleme ile üretilir. 72 • Silisyum nitrürün kırılma tokluğu alüminanın yaklaşık iki katıdır ve daha yüksek bağ mukavemetine sahiptir. Termal genleşme katsayısı düşük (3,2.10-6/°C) olması nedeni ile iyi termal şok direnci verir. Alüminanın kırıldığı hızlı ve aralı talaş kaldırma işlemlerinde kullanılabilir. • SiAlON’un kırılma tokluğu ve enine kopma mukavemeti alüminadan daha yüksek, fakat Al2O3/SiC wisker seramiklerden daha düşüktür. Sialon kesici takımlar özellikle dökme demir ve süper alaşımların (Ni esaslı gaz türbin diskleri) işlenmesinde kullanılır. 73 • Seramik bir malzemeden üretilmiş çok sayıda numune teste tabi tutulduğunda, genellikle kırılma dayanımı değeri önemli ölçüde değişiklik gösterir. • Bu olay, kırılma dayanımının malzemede çatlak başlatma yeteneğine sahip bir kusurun bulunma ihtimaline bağlı olmasıyla açıklanabilir. Bu olasılık aynı malzemeden alınan bir numuneden diğer bir numuneye, malzemenin üretim tekniğine ve üretim sonrası göreceği işleme bağlı olarak değişebilir. • Numune boyutu veya hacmi de kırılma dayanımını etkiler. Numune boyutu büyüdükçe malzemenin kusur içerme olasılığı da o kadar artar ve buna bağlı olarak da kırılma dayanımı düşer. • Basma gerilmeleri için kusur ile bu şekilde ilişkilendirme yapılamaz. 74 Silisyum nitrürde elde edilen kırılma sıklığının dağılımı 75 Kırılma Seramik malzemelerdeki hatalar; • büyük tane, • inklüzyon, • porozite ve • mikroçatlaklar içermelerinden kaynaklanır. • Malzemelerin gerilme altında iki veya daha fazla parçaya ayrılmasına kırılma denir. • Kırılmanın karakteri malzemeden malzemeye değişir. • Genellikle tatbik edilen gerilmeye, sıcaklığa ve deformasyon hızına bağlıdır. • Seramik malzemelerde gevrek kırılma oluşur. • Yani mekanik bir yük uygulandığı zaman plastik deformasyona uğramadan hemen kırılırlar. • Çünkü seramikler güçlü iyonik, kovalent ve karışık bağlara sahip bileşiklerdir ve yüklü iyonlar birbirlerine çok yakın olduklarından dolayı dislokasyon hareketi için büyük enerji bariyeri oluştururlar. • Böylece kayma çok zor olur. Kırılma başlıca iki safhadan oluşur. • Birinci safha “çatlak teşekkülü”, • İkinci safha ise “çatlağın ilerlemesi”dir. Kırılma, karakteri ne olursa olsun çatlak teşekkülü + çatlağın ilerlemesi ile oluşur. Kırılma bir kez aşırı zorlama ile oluşabileceği gibi, zorlamanın tekrarlanması ile meydana gelen yorulma ile de oluşabilir. Kırılma iki gruba ayrılır: • Şekil değişiminin olmadığı veya çok az olduğu gevrek kırılma ve • Şekil değişimi sonucu sünek kırılma Gevrek kırılma • Çok az veya hiçbir plastik deformasyon meydana gelmeden malzemenin kırılmasına gevrek kırılma denir. • Genellikle camlar, seramikler ve bazı metaller gevrek olarak kırılırlar. • Birçok hallerde gevrek olarak kırılan malzemelerde, yalnız kırık yüzeyi civarında az miktarda plastik deformasyon meydana gelir. • Seramikler ve camlar gibi gevrek malzemelerin kırık yüzeyleri incelendiğinde pürüzlü yüzeylerin yerine hemen hemen pürüzsüz bir yüzey görülür. Gevrek kırılma taneler arası (intergranular) veya taneler içi (transgranular) olabilir. • Taneler içi gevrek kırılma bir tane içinde kristal düzlemlerinin ayrılması ile başlar ve bu şekilde tüm kesitte ilerler. • Tane sınırları çökeltiler veya katkılar nedeniyle gevrekleşmiş ise taneler arası gevrek kırılma meydana gelebilir. Sünek Kırılma • Kırılma öncesi malzemede plastik deformasyon meydana gelirse bu tip kırılmaya sünek kırılma denir. • Sünek kırılmanın meydana gelebilmesi için cisimde belirli bir miktarda plastik deformasyonun meydana gelmesi gerekir, çünkü sünek kırılmayı oluşturmak için plastik deformasyon gereklidir. Gevrek kırılmanın mikroskop altındaki görüntüsü Sünek kırılmanın mikroskop altındaki görüntüsü Çok Sünek Geniş Orta Süneklik Orta Gevrek Küçük • Seramik parçaların kırık yüzeyleri incelendiğinde, çatlak ilerlemesinin başlangıcındaki hızlanma aşamasında oluşan çatlak yüzeyi düz ve pürüzsüzdür. Bu yüzey bölgesi uygun bir terimle «ayna bölgesi» olarak adlandırılır. Cam kırıkları için bu ayna bölgesi son derece düz ve yüksek seviyede yansıtıcıdır. Öte yandan, çok kristalli seramiklerde, düz ayna olarak yüzeyleri pürüzlü ve taneli bir dokuya sahiptir. Ayna bölgesinin dış çevresi kabaca dairesel olup merkezinde çatlak orijini (başlangıç noktası) bulunur. • Kritik hıza ulaştıktan sonra çatlak dallanmaya başlar, yani çatlak yüzeyi ilerleme yönünü değiştirir. Bu sırada mikroskobik ölçekte çatlak ara yüzeyinde pürüzlenme gözlenir ve yüzeydeki geçiş ve çapak oluşumları dikkat çekicidir. Geçiş bölgesi terimiyle, ayna olarak adlandırılan çok kristalli kısmın hemen dışındaki halka şeklindeki soluk bölge kastedilmektedir. Geçiş bölgesinin dış kısmında pürüzlü dokusuyla çapak bölgesi yer almaktadır. Bu bölgede yer alan çizgiler çatlak başlangıç bölgesi yakınında kesişirler ve çatlağın yerini kesin olarak belirlemek için faydalanılırlar. 88 6 mm çapında ergitilmiş silika çubuğun 4 nokta eğme deneyinde oluşan kırık yüzey görüntüsü 89 • Ayna bölgesi yarıçapı ölçümünden hareketle çatlak üreten gerilmenin büyüklüğü hakkında kalitatif (nitel) bilgi edinilebilir. Yani ayna bölgesinin yarıçapı ne kadar küçükse kritik hıza o kadar çabuk ulaşıldığı anlamına gelir. • Çatlağın ilerleme hızı gerilme seviyesine bağlı olarak artmaktadır. Böylece kırılmaya neden olan gerilmenin seviyesi arttıkça ayna bölgesi yarıçapının azaldığı deneysel olarak gözlenmiştir: Burada σf, (σk) kırılmaya neden olan gerilme seviyesidir. 90 • Ayrıca kırılma olayı sırasında elastik dalgalar da oluşur ve çatlak ön cephesi ilerlerken bu dalgaların kesiştiği yerde Wallner çizgileri olarak bilinen başka bir tür yüzey oluşumu görülür. Wallner çizgileri yay şeklinde olup gerilme dağılımı ve çatlak ilerleme yönleri ile ilgili olarak bilgi verirler. Temperlenmiş cam 91 92 Elastik Davranış • Seramik malzemeler için eğme deneylerinden elde edilen elastik gerilme-birim şekil değişimi davranışı eğrileri, metallerin çekme eğrilerine benzer. Seramik malzemelere ait eğrilerde de gerilme ve birim şekil değişimi arasında doğrusal bir ilişki vardır. Metallerin çekme eğrisinde olduğu gibi burada da elastik bölgedeki eğim elastiklik modülüne karşılık gelmektedir. Seramik malzemeler için elastik modül değeri yaklaşık 70 ile 500 Gpa arasında değişir ve bu metallerinkinden daha yüksektir. 93 Eğer bir tek kristal çekme/basma gerilmesine maruz bırakılırsa; dislokasyon hareketlerinin mümkün olduğu düzlemlerde (kayma düzlemleri) ve bu düzlemler üzerindeki belli doğrultularda (kayma doğrultuları) gerçekleşen dislokasyon hareketleri sonucunda plastik deformasyon meydana gelir. • • • • Seramikler: 1. kuvvetli bağlar içerdiklerinden 2. kayma düzlemi sayısı az olduğundan 3. dislokasyon yapıları karmaşık olduğundan dolayı sert ve kırılgandırlar. 94 Akma dayanımı en yüksek olan malzeme sınıfı seramiklerdir. Ancak seramik malzemelerde bulunan çatlak/boşluklar yüzünden hemen her zaman akma dayanımlarının çok altındaki değerlerde kırılırlar. Plastik deformasyon değeri en yüksek olan malzeme grubu polimer malzemelerdir. Metalik malzemelerin dayanımları seramikler ile polimer arasında bir yerde bulunmaktadır. Saf metaller yumuşaktır. Değişik mühendislik malzemeleri için tipik akma mukavemetleri oldukça 95 Değişik mühendislik malzemelerinin elastik modülleri 96 Yoğunluk (g/cm3) Basma Mukavemeti (MPa) Çekme Mukavemeti (MPa) Eğme Mukavemeti (MPa) Al2O3 (% 99) Si3N4 (Sıcak Pres.) Si3N4 (Tepkime Bağlı) 3,85 2585 207 345 3,19 3450 - 690 2,8 770 - 255 SiC (Sinter) 3,1 3860 170 550 ZrO2+%9 MgO 5,5 1860 - 690 Malzeme 97 98 Gözenekliliğin etkisi • Seramik malzemelere istenilen şekil verildikten sonra gözenekler toz partikülleri arasında kalmaktadır. Sinterleme sırasında bu gözenekler ortadan kalkacaktır. Ancak gözeneklerin giderilmesi genellikle tam olarak gerçekleştirilemediğinden bir miktar kalıntı gözenek söz konusudur. Kalıntı gözeneğin varlığı hem elastik özellikler hem de dayanım üzerinde zararlı etkiye sahiptir. Bazı seramik malzemelerde E elastik modülünün büyüklüğü gözenek hacim oranı P ile azalır. • E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2) Burada E0 gözeneksiz malzemenin elastik modülüdür. Oda sıcaklığındaki Al2O3’de gözenekliliğin elastik modül üzerine etkisi 99 • Gözeneklerin varlığı iki nedenden dolayı eğme dayanımı üzerinde azaltıcı etki yapar: • 1. yükü taşıyan kesit alanının azalmasına yol açar ve • 2. gerilme yığılmasına neden olan çentik gibi davranır; izole bir küresel gözenek uygulanan çekme gerilmesinin değerini iki kat arttırır. • Örneğin, %10 hacimsel gözenek, gözeneksiz bir malzemeye göre eğme dayanımını genellikle %50 oranında azaltır. • Eğme dayanımının gözenek hacim oranıyla (P) katlanarak azaldığı deneysel olarak belirlenmiştir: • σe = σ0 exp(-nP) • Burada σ0 ve n deneysel sabitlerdir. Oda sıcaklığındaki Al2O3’de gözenekliliğin eğme dayanımı üzerine etkisi 100 Seramiklerde Sürünme • Malzemelerde sabit gerilme altında sıcaklık ve zamana bağlı olarak görülen deformasyona sürünme denir. • Metaller gibi seramikler de sıcak ortamda sürünmeye uğrar. • Sürünme eğrisi aynı metallerdeki gibidir. • Birinci bölgedeki sürünme esnasında, deformasyon hızı zamanla kararlı sürünme hızına ulaşacak şekilde azalır. Seramiklerde sürünme eğrisi KS A exp( Q / RT ) n Burada, σ A ve n Q gerilme, malzemenin sürünme sabitleri, sürünme aktivasyon enerjisidir. • Sürünme olayına karşı pek çok mühendislik tasarımı bu denklem kullanılarak gerçekleştirilir. • Sürünmenin 3. bölgesinde sürünme hızı artar ve kırılma gerçekleşir. • Sürünme T > 0.4 Ter üstündeki sıcaklıklarda oluşur. • Metaller için : T > (0.3-0.4) Tm • Seramikler için : T > (0.4-0.5) Tm • Genellikle kararlı hal sürünme hızı seramikler < metaller << polimerlerdir. • Her ne kadar seramiklerin sürünmeye karşı dayanımları metallere oranda yüksek olsa da sürünmeye maruz kalan seramik parçalar da er yada geç kopar veya çok küçük toleransla çalışan ortamlarda sistemi olumsuz etkileyebilecek şekil veya boyut değişimine uğrayabilirler. • Seramiklerde sürünme gerilmesi ve buna bağlı deformasyon mekanizması üç ayrı zaman dilimine ayrılarak incelenebilir: • 1. Tanelerin boşluk çekirdeklenmesinin vuku bulduğu üçlü noktalarda negatif bir etki yaratacak şekilde bir biri üzerinde kaymaları için geçen süre, • 2. Boşluk çekirdeklenmesi ve • 3.Boşluk büyümesi ve boşlukların birleşmesidir. 105 • Mekanizmanın anlaşılabilirliliği Si3N4 (silisyum nitrür) ileri teknoloji seramiklerinin yapısal malzeme uygulamalarında kullanılması potansiyelinin belirmesi sonrasında önem kazanmıştır. • Silisyum nitrür daha çok sıvı faz sinterleme ile imal edilmektedir. Bu nedenle silisyum nitrür daima sürünmeye karşı zayıf yapılı tane sınırı camsı yapısı içerir. • Özellikle Si3N4 gibi seramik malzemelerde ikincil fazlardan oluşan konsantrasyonlar ve fazla miktarlardaki amorf yapı gibi kimyasal heterojen kompozisyonlar sürünme gerilmesine karşı zayıf noktaları oluştururlar. Sürünme testinde bu bölgelerde daha çabuk oksitlenme meydana gelir. • İnce taneli seramiklerde tane sınırlarındaki yarı akışkan amorf yapılı camsı bölümün stokiometrisinde küçük değişiklikler yapılarak metalik davranış kazandırması sonucu yüksek sıcaklıklarda süper plastik deformasyon elde edilebilmektedir. 106 • Al2O3 seramik yapıların içerisine küçük miktarlarda NiO ve CuO gibi katkılar eklenerek malzemenin kopmadan yüksek sıcaklıklarda aşırı gerinme değerleri elde etmek mümkün olmuştur. Bu katkılar tane sınırlarında oluşan gözenek çekirdeklenmesi ve büyümesini ve bunlara bağlı olarak çatlak oluşumunu yavaşlatıcı özellikler sergilemektedir. • Seramiklerde sürünme dayanım artışı ancak tane sınırı mukavemetini arttırmakla mümkün olabilmektedir. Bu nedenle özellikle yapısal seramik parçaların imalinde toz metalurjisi teknolojisi kullanılmaktadır. 107 • Gaz türbinleri, fırınlar, buhar türbinleri ve benzeri yüksek sıcaklıklarda çalışan mühendislik malzemeleri için sürünme yüksek önem arz eder ve hesaplamalarda dikkate alınmalıdır. • Seramiklerde sürünme stres, zaman, sıcaklık, tane boyutu ve şekli, mikro yapı, hacim fraksiyonu ve camsı fazın akışkanlığı (viskozitesi), tane sınırları, dislokasyon hareketlerinin karmaşık bir fonksiyonudur. 108 HPSN: Sıcak preslenmiş Si3N4, HIPSN: Sıcak izostatik preslenmiş Si3N4, HPSC: Sıcak p. SiC, SSN: Sinterlenmiş Si3N4, B4C: Bor karbür, RBSN: Reaksiyonla bağlanmış SiC, BN:Bor karbür, AlN: Alüminyum nitrür 109 Aşınma Davranışı Seramiklerde aşınma mekanizması; büyük çoğunlukla seramik bünyedeki tek tanelerin mekanik ve/veya kimyasal zorlamaların etkisiyle bünyeden ayrılması şeklindedir. Diğer bazı seramiklerde ise aşınma; bir taneden veya yüzeyden mikro partiküllerin kopması sonucu olmaktadır. Kopan bu mikro partiküller bir taneden daha küçük ve mikron altı boyutta olabilmektedir. İleri teknoloji ürünü seramik malzeme olarak çok kullanılan alümina, uygulamalarda yüzeyden tane kopması şeklinde aşınma davranışı gösterir. Seramik malzemeler gevrek yapıdadırlar. Talaş kalkması ile aşınabilirler. Seramik malzemelerin yüzeylerinde ve yüzeylerin altında çatlaklar oluşur. Daha sonra oluşan bu çatlaklar birleşerek seramik malzemelerde küçük talaşlar ortaya çıkarır. 110 • Seramik malzemeler, yüksek basma ve çekme gerilmelerine duyarlıdırlar. Metal ve polimer malzemeler, kırılma meydana gelmeden önce basma gerilmeleri karşısında plastik deformasyon gösterirler. Oysa seramik malzemelerin plastik deformasyon gösterebilmesinin tek bir koşulu vardır. Bu koşul, seramik malzemelerin hidrostatik gerilmelerle plastik deformasyon gösterebilmesidir. Ancak bu plastik deformasyon, metaller ve polimerler ile kıyaslandığında oldukça küçüktür. • Bir seramik malzemenin sıcaklığını, ergime sıcaklığının 0,6 katına yükseltmekle dislokasyonların hareketliliği ile plastik deformasyon potansiyeli arttırılır. Mukavemette meydana gelen azalmayla birlikte yüksek sürtünme hızları, sıcaklığın yükselmesine eşlik eder. Ancak seramik malzemelerde sıcaklıktaki artışla birlikte plastisitedeki artış metallerde sık görülen sünekliğe sebep olmaz. Seramikler gevrek yada yarı gevrek bir davranış gösterirler. 111 • Gevrek malzemelerde kayma teması olduğu zaman deformasyon türü aşınmaya neden olur. Abrazif aşınma ve erozyon durumunda ise aşınma problemli olmaktadır . • Seramiklerde, düşük ısıl iletkenlik nedeniyle, sürtünme sırasında oluşan ısı, büyük ısıl eğimleri ve dolayısıyla sıcak noktalar oluşturabilir. Eğer seramik malzemeler hızlı şekilde soğutulurlarsa, bu sıcak noktalar büyük oranda çekme gerilmesi oluşturur ve bunun sonucunda çatlaklar oluşabilir. Sonuç olarak yüzeyden büyük parçaların kopması ve aşınmada artış söz konusu olur. • Seramikler, deformasyon hızına karşı oldukça duyarlıdır. Bu nedenle artan kayma hızıyla ve buna ilaveten sürtünme ısınması ile birlikte çatlak oluşma olasılığı artmaktadır. Bu duyarlılık; darbeye ve erozif aşınmaya karşı seramik malzemelerin kullanılmasını gündemden düşürmektedir. 112 Seramik Malzemelerde Aşınmayı Etkileyen Faktörler • Sertlik: • Aşınma ve aşınma uygulamalarında sertlik kritik bir özelliktir. Seramik malzemelerin özelliklerinden biri de iyi bir sertliğe sahip olmalarıdır. Çok sert bir malzemede aşınma hızı oldukça düşüktür. Seramiklerin yüksek elastisite modülüne sahip olmamaları ve aynı zamanda plastik deformasyon göstermemeleri nedeniyle, yüklemelerle ve keskin partiküller ile yüzeye etki yapılması durumunda bölgesel olarak gerilme yoğunlaşması meydana gelmektedir. Bu gerilmeler çekme gerilmesi şeklinde olursa, çok hızlı bir şekilde çatlak / mikro çatlak oluşumuna neden olurlar. Seramik bünyede oluşan mikro çatlaklar, malzemenin aşınma direncini düşürdüğünden, aşınmayı ve 113 aşınma hızını arttırıcı yönde etki eder. • Termal iletkenlik: • Bir çok seramik malzemenin termal iletkenliği metallerden daha düşüktür. • Sürtünmenin ve/veya kaymanın etkili olduğu uygulamalarda, lokalize ısı birikimleri meydana gelmekte, bu da malzemelerin yüzeyleri arasında sıcaklık farkları oluşturmaktadır. Sürtünmeden dolayı bu sıcaklık farkları artarsa, oluşan bölgesel gerilmeler ve termal şok, mikro çatlakların meydana gelmesine yol açar. • Bu mikro çatlaklar da, bilindiği gibi, aşınma ve aşınma hızını arttırır. 114 • Kırılma Tokluğu: • Seramik malzemelerin kırılma tokluğu, metaller ve mühendislik plastikleriyle karşılaştırıldığında oldukça düşük seviyelerdedir. İleri teknoloji seramik malzemelerin, kırılma tokluğu 1-12 MPa arasında değişirken, seramik-seramik kompozitlerin kırılma tokluğu 20 MPa’a kadar çıkmaktadır. • Seramik malzemelerin kırılma tokluğunun kısmen iyileştirilmesi amacıyla yapılan düzenlemelerde, seramiklerin aşınma direncinde bir miktar düşme olmuş, buna karşılık mikro çatlak oluşumu bariz şekilde engellenmiştir. • Burada, bölgesel yüklenmeler, termal şok ve gerilmeler karşısında çatlak oluşumuna karşı direnç sertlikteki azalmayla dengelenmektedir. 115 Aşınma hızı, mm3/N.m KırılmaTokluğu Kırılma tokluğunun bir fonksiyonu olarak ZrO2’nin aşınma hızı Y2O3 ilaveli ZrO2’nin aşınma direnci ve kırılma tokluğu ilişkisi 116 • Korozyon direnci: Seramiklerde korozyon direnci sertlik kadar önemlidir. Çünkü, gerçek dünyada daima korozif bir ortam mevcuttur. Korozyon, seramik yüzeylerde yavaş olarak çatlak büyümesine ve mikro çatlak oluşumuna neden olur. Bu da aşınma hızını arttırıcı etki yaratır. • Birleştirme / Birleşme Yöntemleri: Seramiklerde, diğer malzemelerle (metal veya plastik) konstrüksiyon yapımı için birleştirilmeleri esnasında oluşan basma ve çekme gerilmeleri önemlidir. Basma gerilmelerinde çok önemli bir aşınma söz konusu olmazken, birleşme yerlerinde oluşabilecek çekme gerilmeleri yavaş olarak çatlak büyütmesini ve sonunda erozyon yoluyla aşınmayı meydana getirir. Ayrıca birleşme bölgelerinde oluşabilecek küçük salınımlı mekanik hareketler de malzemenin aşınmasında etkili olmaktadır. 117 • Porozite: • Seramik malzemelerde bulunan poroziteler de aşınmada negatif bir etkiye sahiptir. Çekme yüklemelerinde porozite yüzünden çatlak oluşur ve hızlı bir şekilde ilerler. • Basma yüklemelerinde de hasar oluşumu uzun sürede meydana gelmektedir. • Yüklemelerin yanında porların bulunduğu yerler de aşınma için önemli faktördür. Ayrıca porun boyutu da başka bir kritik faktördür. • Taneden daha büyük porlar çatlamada önemli bir etkiye sahiptirler. Eğer porlar yüzeye yakın ise bu porlar yüzeyin delinmesine neden olurlar. 118 Aşınma deney düzeneği • Seramik malzemelerin kayma aşınması davranışını belirlemede kullanılan bir deney, ASTM tarafından standartlaştırılmış «pin on disk» (yüzeyden yüklemeli) deneyidir. Bu deney düzeneğinde elmas iğne belirli bir yükle dönmekte olan deney örneğinin yüzeyine temas etmektedir. Seramik malzemelerin aşınma deneyi için kullanılan diğer bir düzenek de, serbest olarak dönebilen iki abraziv elmas tekerin dönen deney örneği ile temas halinde olduğu düzenektir. 119 • Gaz türbünleri ve içten yanmalı motorlarda seramik malzemeler, yüksek sıcaklıkta aşınmaya dirençli malzemeler olarak kullanıldıklarından, yüksek sıcaklıktaki aşınma performanslarının belirlenmesi gereklidir. • Bu amaçla seramik malzemeler üzerinde orta ve yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 850°C-1500°C) bir çok aşınma ve sürtünme deneyleri yapılmaktadır. Bu deneyler, atmosfer veya vakum kontrollü atmosferde, 5100 N yük altında, 15 m/sn gibi değişen hızda gerçekleşmektedir. • Düşük sürtünme istenen alanlar : Yataklar, dişliler, malzeme üretim işlemleri • Yüksek sürtünme istenen alanlar: Fren diskleri, debriyaj kavrayıcısı, tornavida uçları, yol yüzeyleri 120 Si3N4 bilyenin WC-Co üzerinde kaydırılması (Abrazif aşınma) Yüksek sıcaklık, düşük yük ve kayma hızında şiddetli plastik deformasyon ve diskten pin üzerine malzeme transferi, Düşük sıcaklıkta adhezyon ve plastik deformasyon sertleşmesi ile çatlak oluşumu 121 • • • • • • • • Genel olarak aşınmaya dayanıklı; Rulmanlar Aşındırıcı plakalar Contalar Klavuzlar Protezler Kesici takımlar Bazı mekanik parçalar 122
