Darbe Deneyi

1
Darbe Deneyi
Malzemenin dinamik yüklere karşı kırılma enerjisini belirlemek için yapılan bir deneydir. Bu
deneyin temel prensibi Şekil 1’de şematik olarak gösterildiği gibi, bir l uzunluğundaki
sarkacın ucundaki belli bir G ağırlığına sahip çekiç belli bir h1 yüksekliğinden numuneyi
kırması için serbest bırakılıyor. Serbest bırakılmadan önce çekicin potansiyel enerjisi G.h1
iken numune kırıldıktan sonra belli bir h2 yüksekliğine çıkan çekicin potansiyel enerjisi G.h2
olur. Bu durumda Kırılma Enerjisi (K.E.) =G.h1-G.h2 olarak ifade edilir. Buna göre
K.E.=G(h1-h2)=G.l.(Cos-Cos) olarak ifade edilir. Burada l sarkaç boyudur. Buradan, 
salınım açısı ve h2 yüksekli ne kadar az gerçekleşirse kırılan o malzemenin ne kadar çok
darbe direnci yada yüksek tokluk gösterdiğini anlarız.

l
Çekiç

h1
h2
Numune
Şekil 1 Bir darbe deneyinin şematik olarak gösterimi
Bir çekme deney numunesi standartlara göre hazırlanmalıdır. Genellikle Charpy ve Izod
olarak iki tipte darbe deney yöntemi vardır. Temel prensip aynıdır. Charpy deney numunesi
yatık olarak Izod deney numunesi dik olarak darbe deney cihazına yerleştirilir. Tipik bir
Charpy darbe deney numunesinin ölçü boyutu Şekil 2’de İzod deney numunesinin ölçü
boyutu Şekil 3’de verilmiştir. Bu numune üzerinde özellikle sünekliği fazla ve yüksek darbe
direnci gösteren numunelerde belli ölçülerde çentik açılmalıdır. Bu çentikler Şekil 2 de
gösterildiği gibi V-çentik, anahtar deliği ve U-çentik gibi çeşitlenebilir. Ancak Sert-kırılgan
(gevrek) malzemelerin darbe deney numunelerine çentik açılmaz. Açılan bu çentikler aslında
sünek malzemelerde kırılmayı kolaylaştırmak amacıyla yapılmaktadır.
10 mm
2
Çentik
55 mm
10 mm
2mm
45 ° 2mm
5 mm
2mm
V-Çentik
Anahtar deliği
U-Çentik
Şekil 2 Charpy Darbe deney numunesi şematik gösterimi
Genellikle bir malzemenin darbe direnci enerjisi (tokluğu) ile sünekliği arasında bir ilişki
vardır. Fazla süneklik göstermeyen malzemelerin (%1-2’in altında) darbe dirençleri de
düşüktür. Daha önce tokluk konusunda bahsedildiği gibi bir malzemenin çekme (gerilme)uzama eğrisi altıda kalan alan ne kadar fazla ise o malzeme o kadar çok darbeye karşı direnç
10 mm
gösterecektir.
Çentik
75 mm
10 mm
Şekil 3. Izod darbe deney numunesinin şematik gösterimi
Malzemelerin kırılma enerjileri sıcaklık karşısında da değişim göstermektedir. Malzemelerin
kırılma enerjisi sıcaklık düştükçe düşer. Kırılma enerjisinin farklı sıcaklılarda yapılmasıyla
malzemenin geçiş sıcaklığı belirlenir. Geçiş sıcaklığı malzemenin sünek kırılmadan gevrek
kırılmaya geçişin olduğu sıcaklıktır. Bu genellikle malzemede % 50 gevrek % 50 sünek
kırılmanın olduğu noktadaki sıcaklık olarak bilinir. Şekil 4 de sıcaklığa bağlı olarak bir
malzemenin geçiş sıcaklığı gösterilmiştir.
3
Kırılma Enerjisi
Sünek kırılma
Gevrek kırılma
Geçiş Sıcaklığı
Sıcaklık
Şekil 4. Geçiş sıcaklığının belirlenmesi için elde edilmiş Sıcaklık-Kırılma Enerjisi diyagramı
Bir malzemede geçiş sıcaklığının düşük olması istenir. Çünkü o malzemenin kullanıldığı
ortam sıcaklığı çok düşük olabilir. Bu durumda oda sıcaklığında normal bir darbe (kırılma)
direnci gösterse bile geçiş sıcaklığının altında kırılma riski önemli ölçüde artacaktır. Bu
nedenle tasarım mühendisleri bu durumu dikkate alarak geçiş sıcaklığı düşük olan malzeme
seçimi yapmak zorundadırlar.
Metalik malzemelerin geçiş sıcaklıkları ve darbe dirençleri kristal yapılarına göre de değişir.
Çoğunlukla YMK yapılı malzemelerin kırılma dirençleri daha fazladır. HMK yapılı
malzemelerde daha belirgin bir geçiş sıcaklığı tespit edilebilir. Malzemenin sertlik ve
dayanımı yüksek olması o malzemenin kırılma direncinin daha az olabileceğine işaret eder.
Kırılma enerjisi(veya direncini) artırılması için o malzemenin yüksek süneklik göstermesi
gerekir. Şekil 5’de farklı kristal yapılı malzemeler için genel kırılma enerjisi ilişkisi
verilmiştir.
4
YMK yapılı malzeme
Kırılma Enerjisi
HMK yapılı malzeme
Yüksek mukavemetli ve yüksek sertlikteki malzeme
Sıcaklık
Şekil 5. Farklı yapılı malzemelerin kırılma enerjisi ilişkisi
Malzemelerin geçiş sıcaklıkları kristal yapısına, mikroyapısına (ince, kaba taneli,
martensitik,ferritik vs), kimyasal bileşimine, uygulanan ısıl işleme ve yüzey kalitesine bağlı
olarak değişir. Mikroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe direçlerini
etkiler. Bu sert kırılgan fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini zayıflatır.
Örneğin Küresel grafitli dökme demir gri dökme demirden daha fazla darbe dayanımına
sahiptir. Gri dökme demirde sert kırılgan grafitler sivri, keskin köşeli ve birbirleri ile
bağlantılı olduğundan bu yapılar çentik etkisi yapmaktadır.
Gri Dökme Demir
Küresel grafitli Dökme demir
5
Yorulma Deneyi
Bir malzeme kullanıldığı yerde deforme olmadan çalışması istenir. Bu nedenle o malzeme
Akma gerilmesinin altıdan kullanılmak zorundadır. Ancak bazı makine parçalarında olduğu
gibi akma gerilmesinin altında bir gerilmede çalıştırılsa bile sürekli olarak tekrarlı gerilmelere
maruz kalabilir. Örneğin krank milleri, dikiş makinesi masura ve iğnesi ya da bir uçağın
kanadı sürekli bir tekrarlı gerilme atında çalışırlar. Genel anlamda tekrarlı gerilmeler altında
çalışan malzemelerde meydana gelen hasar o malzemenin yorulması sonucu ortaya çıkar. Bu
yorulma olayı belirtildiği gibi o malzemede her hangi bir plastik deformasyon olmadan
tamamen elastik deformasyon şartlarında meydana gerilir. Bu elastik deformasyon sürekli
olarak tekrarlandığında zamanla malzemenin atomları arası bağların zayıflamasına neden
olmaktadır. Bu durumda o malzeme belli bir süre sonra plastik deformasyon olmaksızın
hasara uğraması kaçınılmaz olmaktadır. Bu nedenle kritik malzemelerin laboratuar şartlarında
hızlandırılmış yorulma ömürleri ve yorulma dayanımları belirlenmeye çalışılır. Yorulma
deneyi için de yine diğer mekanik testlerde olduğu gibi standartlara göre hazırlanan yorulma
deney numuneleri kullanılır. Şekil 6’da yorulma deney numunesinin şematik resmi
verilmiştir.
Çekme
Basma
Dönüş yönü
F
Şekil 6. Yorulma deney numunesi geometrisi
Şekildeki gibi geometriye sahip numunenin bir ucu motora bağlanır. Diğer uçtan bir F yükü
uygulanır. Numunenin üstü çekme alt yüzeyi basma gerilmesi altıda kalır. Numune 90 °
döndürüldüğünde ise bu gerilmeler ye değiştirecektir. Ve numunenin ortasında sürekli çekme
basma gerilmesi olacaktır. Uygulanan F kuvvetine bağlı olarak numuneye etki eden gerilme
  10,18
F .l
d3
dir. Burada F, numuneye uygulanan kuvvet, l; numune boyu, d;numuneni çapı
Malzemenin yorulma ömrünü ve yorulma sınırını tespit etmek için birkaç seri numune
hazırlanmalıdır. Uygulanan gerilmeye bağlı olarak numune kopuncaya kadar geçen dönme
devir sayısı grafiği elde edilir. Şekil 7deki gibi grafik elde edilir.
6
560
540
Gerilme (MPa)
520
500
480
460
A
440
420
B
400
4
10
5
10
6
7
10
8
10
10
Devir Sayısı (N)
Şekil7. Bir malzemenin yorulma eğrileri
Şekildeki herhangi iki malzemeye ait tipik bir yorulma eğrileri verilmiştir. Şekildeki A
malzemesinin yorulma sınırının ~445 MPa olduğunu görebilirsiniz. Bunun anlamı bu
malzeme bu gerilme ve bunun altındaki gerilme değerlerinde sonsuz süre yorulmadan
çalışabilir demektir. Ancak bazı malzemelerde (demirdışı malzemelerde)özellikle Al
alaşımlarında yorulma sınırının olmadığı görülür. Numune üzerine uygulanan gerilme ne
kadar azaltılırsa azaltılsın malzeme belli bir gerilme devrinden sonra hasara uğramaktadır.
Yorulma eğrisi B malzemesindeki gibi elde edilir. A malzemesine 500 MPa yorulma
gerilmesi uygulandığında bu malzemenin yorulma ömrü ~105 (100000) devirdir. 460 MPa
gerilme uygulanırsa yorulma ömrü 1000 000 devirdir. 450 MPa gerilme uygulanırsa yorulma
ömrü sonsuz devirdir. Yani bu malzeme kritik yerde kullanılacaksa 450 MPa gerilme
değerinin altında çalıştırılmalıdır.
Örnek: 3000 dev/dk hızda dönen A malzemesine 4000 N luk bir yük uygulanıyor.
Malzemenin çapı 28 mm ve 250 mm uzunluğunda olduğunda
a) Bu malzemeye etkiyecek gerilme değeri ve kopma zamanını hesaplayınız.
b) Bu malzemenin yorulma kopmasını önleyecek min çapını hesaplayınız.
Çözümü:
a) d: 20mm, l:250mm, F:4000N dir
7
yorulma gerilmesi   10,18
F .l
4000.250
,   10,18
=464 MPa bu gerilme değerinde A
3
d
28 3
malzemesi 1000 000 devir sonra kopacaktır. 3000 dev/dk lık bir dönüş hızında
1000000/3000 =333 dk lık bir yorulma ömrü ortaya çıkar.
b) Bu A malzemesi 450 MPa gerilme altında yorulma gerçekleşmemektedir. Buna göre
  10,18
F .l

d3
d 3  10,18
F .l

den d 3  10,18
4000.250
d=28,2 mm bulunur.
450
Bir malzemenin yorulma ömrünü mikroyapısı ve yüzey kalitesi önemli ölçüde etkiler.
Malzemenin yüzeyinde izler çentikler varsa malzemenin yorulma ömrünü kısaltır. Aynı
zamanda artan sıcaklık da yorulma ömrünü azaltır. Çünkü sıcaklığın artması malzemenin
dayanımını düşürmektedir. Yorulma oranı malzemenin .ekme dayanımına bağlıdır.
Yorulma oranı=
YorulmaSıoırı
=~0.5 dir
ÇekmeDayanımı
8
Sürünme Deneyi
Malzemeler yüksek sıcaklıkta sabit bir yük altında (hatta kendi ağırlıkları ile bile) zamanla
kalıcı plastik şekil değiştirmesine sürünme denir. Metalik malzemelerde sürünme ergime
sıcaklığının ~1/3’ünde seramik malzemelerde ergime sıcaklıklarının ~2/5 sıcaklıklarında
gerçekleşir.
Bu deneyde de yine standartlara göre hazırlanmış sürünme test numuneleri kullanılır.
Sürünme test numunesi test cihazında tutma başlarından tutturularak yüksek sıcaklıkta
sabit yük uygulanır. Zamana bağlı olarak her zaman diliminde numunede meydana gelen
uzama oranı kaydedilerek Zaman-Uzama grafiği elde edilir. Tipik bir sürünme grafiği
Şekil 8 deki gibidir.
Sürünme Birim Uzaması %
Üçüncül aşama
Kopma
İkincil aşama
(Kararlı aşama)
Birincil aşama

t

Zaman (t)
Şekil 8. Tipik sürünme eğrisi
Şekildende görüldüğü gibi sürünme gerçekleşen malzemede üç farklı sürünme aşaması
görülür. Sürünmede etkin olan iki mekanizma vardır. Birisi deformasyon pekleşmesi
diğeri toparlanmadır.
Birincil aşama: bu aşamada pekleşme hızı toparlanma hızından daha fazladır bu ndenle
sürünme hızı yavaşlar.
İkincil aşama: bu aşama karalı aşama olarak da bilinir. Bu aşamada deformayon pekleşme
hızı ve toparlanma hızı birbirine eşit olduğundan sürünme hızı da eşittir. Sürünme hızı
şekildeki gibi ikincil bölgenin eğimidir.
9
.
Sürünme hızı=  =tan=/t olarak ifade edilir.
Üçüncül aşama:Bu aşamada malzemenin kesitinde önemli bir daralma meydana gelir.
Boyunlaşma olur. Bu aşamada yumuşama hızı pekleşme hızından daha fazla olur ve
malzeme kopuncaya kadar sürünme hızı giderek artar.
Malzemenin Sürünme özelliklerine sıcaklık gerilme hızı ve mikroyapıları daha çok etki
eder. Şekil 9. da malzemenin sürünmesine sıcaklık ve gerilmenin etkisi gösterilmiştir.
Orta sıcaklık veya
Orta gerilme
Orta sıcaklık veya
Orta gerilme
Sürünme Birim Uzaması %
Yüksek sıcaklık veya
Yüksek gerilme
Zaman
Şekil 9. Sürünme eğrisi üzerine sıcaklık ve gerilmenin etkisi

10
MEKANİK ÖZELLİKLER PROBLEMLERİ ve ÇÖZÜMLERİ
1. 50 mm ilk ölçü uzunluğuna, 8 mm çapına sahip bir malzemeye 5000 N luk yük
uygulandığında ve yükte iken boyu 1 mm uzamaktadır. Bu malzemenin akma gerilmesi
200 MPa ve akma noktasında birim uzama oranı 0.05 dir.
a) 5000 N yük uygulandığında bu malzemeye uygulanan mühendislik ve gerçek
gerilmeyi, yine aynı yük altıda mühendislik ve gerçek uzama oranını hesaplayınız. Bu
yükte ike malzemede plastik şekil değiştirme olur mu?
b) Bu malzemenin elastik modulünü belirleyiniz.
Çözümü:
l0=50 mm
d0=8mm
F=5000 N
ls=51 mm
a=200 MPa
ea=0.01
a) 5000 N yük altında iken
Mühendislik gerilme ve uzama değerleri
müh=
F
5000 5000
=
=
=99,4 MPa,
A0  .d 2 50,2
4
emüh=
l s  l 0 51  50 1
=
= =0.020
50
50
l0
Bu malzemeye 5000 N yük uygulandığında gerilme değeri 99,4 MPa olmaktadır. Bu
değer akma gerilmesinden (200MPa’dan) düşük bir değer olduğundan plastik şekil
değiştirme 5000 N yük uygulandığında olmaz.
ger=
F
As
l0.A0=ls.As dan As=
l 0. Ao 50.50,2
=
=49,2mm2
51
ls
Gerçek gerilme ve uzama değerleri
ger=
F 5000
=
=101,6
As 49,2
MPa
(Bu
elastik
muhendislik gerilmesine göre fazla çıkmamıştır)
eger=ln(ls/l0)=ln(51/50)=0.019
deformasyon
bölgesinde
olduğundan
11
2. 8mmx20mm kesitli ve 250 cm buyunda bir çelik çubukta 60000N yükte akma
gerçekleşiyor. 72000 N’da ise kopmaktadır. 210000 MPa elastik modulüne sahip bu çeliğin
a) Akma gerilmesini
b) 60000 N yükteki son boyunu hesaplayınız.
Çözümü:
l0=250 cm
A0=8x20=160mm2
Fak=60000 N
Fkop=72000 N
E=210000MPa
a) a=
b) e=
E=
a
e
Fa 60000
=
=375MPa
160
A0
l s  l0
l0
den birim uzama e=
a
E
yazılabilir. Buna göre
e=
375
=0.00178 bulunur. Buna göre
210000
e=
l s  l0
de yerine konarak ls bulunur.
l0
0,00178=
l s  250
ise ls=250,44 cm bulunur.
250
3. 80 mm boyunda bir malzemeye ait
700
çekme-uzama diyagramı yandaki gibi elde
Bu malzemenin kesiti 6x6mm2dir.
a) Kaç N yük uygulandığında plastik
şekil değiştirme (Akma) başlar?
b) Elastik Modülü kaç MPa?
c) Maksimum gerçek çekme gerilmesi
nedir?
Muhendislik Gerilmesi (MPa)
edilmiştir.
600
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
% uzama
4
5
6
12
d) Çekme gerilmesinde iken % uzama
değeri nedir? Ve Gerçek uzama değeri nedir?
e) toplam ve kopma uzama % oranları nedir.
Çözümü:
a) Diyagramda Akma gerilmesinin 400 MPa olduğu görülmektedir.
Fa
ise F=a.A0=400.36=14400 N yük uygulanırsa malzmede kalıcı şekil değiştirme
A0
a=
başlar.
b) Akma gerilmesinde iken % uzama=0,5 yani birim uzama e=0,005 olduğunu
diyagramdan görebilirsiniz. Buna göre elastik modülü
E=
a
400
=
=80000 MPa dır
0,005
ea
c) Diyagramda muhendislik gerilmesi çmuh =600MPa dır
çmuh=
Fmax
ise Fmax=600.36=21600 N yük bulunur
A0
Gerçek çekme gerilmesi çger=
l0.A0=ls.As dan As=
Fmax
olduğuna göre As son kesit alanını bulmak lazım.
As
l 0. Ao
ancak ls değerini de bilmek gerekir.
ls
Bunun için max çekme gerilmesinde iken malzemede % 3 lük bir uzama yani 0,03 birim
uzama gerçekleşmiştir.
e=
l s  l0
l  80
ise 0,03= s
den ls=82,4 mm bulunur. Şimdi
l0
80
As=
l 0. Ao
80.36
da yerlerine konursa As=
=34,95mm2 bulunur
82,4
ls
çger=
Fmax
21600
da yerine konursa çger=
=618 MPa bulunur.
34,95
As
d) Max çekme gerilmesinde iken muh % uzama= %3 (yani muh birim uzaması e=0.03)
Gerçek birim uzama eger=ln(ls/l0)=ln(82,4/80)=0,029 (yada =%2,9)
e) Toplam %uzama oranı =%5
Kopma uzama oranı = %4,5 olduğunu diyagramdan açıkça görebilirsiniz.