MALZME MEKANİĞİ

TRAKYA ÜNĐVERSĐTESĐ
MÜHENDĐSLĐK-MĐMARLIK FAKÜLTESĐ
MAKĐNA MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ
LABORATUAR RAPORU
DENEYĐN ADI : DARBE DEEYĐ (CHARPY)
AD SOYAD
:....................................
ÖĞRENCĐ NO : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BAHAR DÖNEMĐ – 2012/13
TEORĐK BĐLGĐ
METAL MALZEMELERĐN MEKANĐK DENEYLERĐ
Her türlü konstrüksiyonda ve makine alet yapımında en önemli konu malzeme seçimidir. Malzeme
seçimi ise söz konusu makine yada konstrüksiyonun kullanma yerinin koşullarına göre yapılır. Seçilecek
malzemenin özellikleri bu koşullara uygun olmalıdır. Metal malzemelerin değişik özellikleri aşağıda
kısaca tanıtılmaktadır.
Fiziksel Özellikler; Boyut, şekil, yoğunluk , metalurjik yapı gibi,
Kimyasal ve elektro kimyasal özellikler : kimyasal bileşim, korozyon direnci.
Mekanik Özellikler: çeşitli sıcaklık ve kuvvet uygulandığında malzemenin mukavemeti (çekme, basma,
kesme, darbe mukavemeti gibi), rijitliği, elastikliği, sünekliği, kırılganlığı, sertliği, aşınma direnci gibi.
Isısal özellikler: özgül ısı ve ısı ile genleşme değerleri, ısı iletkenliği gibi,
Elektriki ve magnetik özellikleri : elektrik iletkenliği, magnetikliği,
Akustik özellikler: sesi geçirmesi, sesi yutması ve sesi yansıtması,
Optik özellikler ; renk, ışığı yansıtması, ışığı geçirmesi veya ışığı yutması,
Yukarda sıralanan özellikler arasından mekanik özellikler mühendislik uygulamalarında daha yaygın
olarak kullanılırlar. Hemen hemen bütün mühendislik dalları, özellikle de malzeme ile yakından
ilgilenenler, malzemeyi tanımak, mekanik özelliklerini tespit etmek, deney yapmak ve sonuçlarını
yorumlamak zorundadır. Aynı zamanda, metal malzemelerden yapılan her türlü alet ve eşyanın kalite
kontrolü ve verimli bir şekilde sürekli üretimi, ancak mekanik deneylerden faydalanarak
gerçekleştirilebilir. Örneğin ; malzemenin mukavemeti, makine ve konstrüksiyonların ömrü ve
verimliliği ile ilgili çok önemli bir özelliktir. Mekanik deneyler yardımıyla tespit edilebilen bu
özellikler, tasarımda malzeme seçimini etkileyen en önemli faktörlerden biridir.
Mekanik deneylerin bir avantajı, yapılışlarının nispeten kolay olması ve diğer özelliklerin uygunluğu
hakkında da fikir verebilmesidir. Örneğin, mekanik özellikler direkt olarak fiziksel ve kimyasal
özelliklere bağlı olduğundan, kimyasal bileşimi öngörülen bileşimden farklı olan bir malzemenin
mekanik özelliklerini de beklenen den farklı olacaktır.
Yukarda bahsedilen mekanik özelliklerin saptanabilmesi için yapılacak olan bazı mekanik deneyler ;
-
çekme deneyi
sertlik deneyleri
basma deneyi
darbe deneyi
yorulma deneyi
sürünme deneyi
eğme ve katlama deneyi
kırılma tokluğunun saptanması deneyleri
deneyler ile ilgili olarak da uluslararası kabul gören standartlar vardır. Saptanmış mekanik özelliklerin
geçerli olabilmesi ancak bu standartlarda tanımlanmış olan numune hazırlama teknikleri ve deneylerin
yapılış tanımlarına uyulduğu müddetçe mümkün olmaktadır.
METAL MALZEMELERĐN DARBE DENEYĐ
(TS–269/75 Metalik Malzemede Vurma Deneyi (Charpy ve Izod)
BS E0 10 045-1:1990, Charpy Impact Test on Metallic Materials)
GĐRĐŞ
Darbe deneyi özellikle gevrek kırılmaya müsait şartlarda malzemenin mekanik davranışı hakkında fikir
sahibi olmamızı sağlar.
Çoğu kez mekanik özellikler hakkında bilgi sahibi olmak için çekme deneyinden faydalanırız ve çekme
deneyine göre gerilme-genleme diyagramında iyi bir uzama gösteren malzemenin sünek olacağı yani
statik ve dinamik yüklere karşı plastik şekil değiştirme ile karşılık vereceğini tahmin ederiz. Bu tahmin
YMK ve hekzagonal sıkı paket yapıya sahip metaller (demir dışı metallerin çoğu (Cu,Ni), östenitik
çelikler, düşük mukavemetli çelikler) için genellikle doğrudur. Ancak , HMK yapıya sahip metallerde
(ferritik çeliklerde) bu tahmin doğru olmayabilir. Bu tip malzemeler çekme deneyinde sünek bir
davranış göstermesine rağmen çentikli darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilirler. Bu tür olaylar,
özellikle, oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda daha çok görülmektedir. Bunlar da darbe deneyinin
önemini ortaya koymaktadır.
DENEYĐN AMACI
Metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünekgevrek geçiş sıcaklığını tespit etmek.
DENEYĐN YAPILIŞI:
Darbe Deneylerinde sarkaç tipi cihazlardan faydalanılır. Deney öncesinde ağırlığı G olan sarkaç daha
önce tespit edilen potansiyel enerjiye sahip olabileceği h yüksekliğine çıkartılır. Daha sonra numune
çekicin salınım düzlemi ile çentiğin simetri düzlemi birbiriyle çakışacak şekilde yerleştirilir. Numune
uygun şekilde yerleştirildikten sonra kadranın göstergesi başlangıç konumuna getirilir ve sarkaç düzgün
bir şekilde serbest bırakılır ve sonuç deneyden sonra kadrandan doğrudan okunur.
Izod tipi numune
Çentik detayı
Charpy Tipi numune boyutları
Izod Tipi numune boyutları
Şematik Charpy Darbe Deney Düzeneği
Bu tip deneylerin amacı malzeme bünyesinde bulunabilecek olası bir gerilme konsantrasyonunu çentik
tabanında olmak üzere yapay alarak oluşturup, malzemenin bünyesindeki böyle bir gerilme
konsantrasyonuna karşı göstereceği davranışı belirlemektedir. Çentikli numune zorlandığı zaman çentik
tabanına dik düzlemde gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmenin etkisi ile olur.
numunenin kırılabilmesi için bu gerilmenin atomları birarada tutan kohezif dayanımdan ve kayma
mukavemetinden büyük olması gerekir. Numune , plastik şekil değiştirme olmadan kırılma meydana
geliyorsa , buna gevrek kırılma denir. Kırılma yüzeyi düz, parıltılı ve ince tanelidir. Deney esnasında,
numune kırılmadan önce çoğu zaman plastik şekil değiştirme meydana gelir. Uygulana kuvvetin etkisi
ile normal gerilmeye ilaveten 45° açılı düzlemlerde en büyük kayma gerilmeleri meydana gelir. Bu
kayma gerilmesi malzemenin kritik kayma dayanımını aştığı andan itibaren elastik şekil değiştirme sona
erer ve plastik şekil değiştirme başlar. Bu durumda önce plastik şekil değiştirme sonra kırılma meydana
gelir. Buna sünek kırılma denir. Kırılma yüzeyi girintili, çıkıntılı ve liflidir.
Uygulamada çentikli darbe deneyleri genellikle iki türde yapılmaktadır.
1. Charpy Darbe Deneyi:
Charpy darbe deneyi yatay ve basit kiriş halinde iki mesnete yaslanan bir numunenin çentik tabanına
bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilmeler
etkisi ile numunenin kırılması için gerekli enerjiyi belirleme işlemidir.
2. Izod Darbe Deneyi:
Izod Darbe deneyi, dikey ve konsol giriş halinde bir kavrama çenesine tespit edilen numunenin
yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikteki bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve
çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilmeler etkisi ile numunenin kırılması için gerekli
enerjiyi belirleme işlemidir .
Sarkacın numune ile temas haline geldiği andaki potansiyel enerji ile numune kırıldıktan sonra
sarkaçta kalan potansiyel enerji farkı, o numunenin kırılması için gereken enerjiyi başka bir deyimle,
darbe direncini verir.
Bu enerji aşağıdaki formülle de gösterilebilir:
Kırılma enerjisi=mG(h0– h)=G.L (cosβ - cosα)
G:Sarkacın Ağırlığı (kg)
l:Sarkacın ağırlık merkezinin Sarkacın salınım
merkezine Uzaklığı (m)
h0:Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m)
h:Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m)
α: Düşme açısı (derece)
β: Yükseliş açısı (derece)
h0
Darbe direnci genellikle Joule (J) olarak verilir.
Ancak, bazı durumlarda J/m2 , Nm yada Nm/m2
cinsinden de verilebilir. Kırılma enerjileri yüksek
olan malzemelerin kırılma toklukları da yüksek olur.
h
Darbe deneyi cıhazının çalışma prensibi
Darbe dayanımına etki eden faktörler:
1. Çentik Etkisi
Çentikli bir parça zorlandığı zaman çentiğin tabanına dik bir gerilme meydana gelir. Kırılmanın
başlaması bu gerilmelerin etkisiyle olur. Deney parçasının kırılabilmesi için bu normal gerilmenin,
kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan yüksek olması
gerekir.
Çentik daha keskin yapılırsa çentiğin tabanındaki normal gerilme kayma gerilmesine oranla
artırılacak ve deney parçası daha çok gevrek kırılma yeteneği gösterecek demektir. Çentik ve
deformasyon hızı aynı kalmak şartıyla, sıcaklığın yükselmesiyle kayma dayanımı düşecek ve sünek bir
kırılma gözlenir.
2. Sıcaklık Etkisi
Genel olarak sıcaklık düştükçe malzemenin darbe direnci de düşmektedir. Malzemelerin sıcaklığa
bağlı olarak, darbe direncindeki düşme aniden olabileceği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir.
sünek
Geçiş Bölgesi
Üst sınır
gevrek
Metalik malzemelerin gevrek-sünek geçiş
sıcaklıkları ve darbe dirençleri mikroyapılarına
göre de değişir. Çoğunlukla YMK yapıya sahip
düşük mukavemetli malzemelerin (bazı Al. ve
Cu alaşımları) kırılma dirençleri daha fazladır.
Yüksek mukavemetli (yüksek mukavemetli
çelikler ve titanyum alaşımları) malzemelerin
darbe dayanımları düşüktür
ve sıcaklıkla
değişime çok hassas değildirler (relatif olarak
gevrektirler). Ancak HMK yapıya sahip düşük
mukavemetli çeliklerin darbe mukavemetleri
sıcaklık ile önemli oranda değişir. Bu çeliklerin
geçiş sıcaklığı büyük oranda kimyasal bileşime
ve mikro yapıya bağlıdır. Malzemenin sertlik
ve dayanımının yüksek olması o malzemenin
kırılma direncinin daha az olabileceğine işaret
eder. Kırılma enerjisi (direncini) artırılması için
o malzemenin yüksek süneklik göstermesi
gerekir.
Alt sınır
T1; % 100 lifli yüzey sünek kırılma
T2; % 50 gevrek-%50 sünek kırılma yüzeyi
T3; Alt ve üst sınırın ortalamasına karşılık gelen
T4; 20 J le tanımlı sıcaklık
T5; % 100 gevrek (klivaj) kırılmaya karşılık gelen
Mühendislik uygulamalarında T5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü
deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan
daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T5 sıcaklığı alınır ve bu
sıcaklık, sıfır süneklik sıcaklığıdır. Bazen geçiş sıcaklığının yaklaşık olarak belirlenmesinde şu üç
kriterden de faydalanılır.
- Kırılma Enerjisi (∼20-30 J’ lük kırılma enerjisine karşılık gelen sıcaklık)
- Kırılma yüzeyinin görünüşü (kesitte % 50 ince taneli kristalin görünüşü veren sıcaklık)
- Kırılmadan sonra çentik tabanında meydana gelen enlemesine büzülme miktarı (%1 enine büzülme)
Geçiş sıcaklığı aralığında kırılma yüzeylerinin değişik şematik görünümleri
A36 çeliğinin değişik sıcaklıklarda kırılma yüzey görüntüleri
3. Bileşimin Etkisi
Sadece HMK yapıya sahip malzemeler gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptir. Bunun nedeni de HMK
yapının düşük sıcaklıklarda sınırlı sayıda aktif kayma sistemine sahip olmasıdır ki buda plastik
deformasyonu sınırlar. Sıcaklığın artması aktif kayma sistemi sayısını arttırır bu akma dayanımının
düşmesine neden olarak plastik deformasyonu kolaylaştırır. YMK ve HSP yapıya sahip metallerde
gevrek-sünek geçiş sıcaklığına rastlanmaz, herhangi bir sıcaklık değişikliğinde yaklaşık olarak aynı
enerji absorbsiyonuna sahiptirler. Çelikte karbon ve manganez miktarı gevrek-sünek geçiş sıcaklığı
üzerinde önemli etkiye sahiptir. Karbon miktarının artması daha düz bir değişim eğrisi ve daha yüksek
gevrek-sünek geçiş sıcaklığına neden olur, bu da yüksek sıcaklıkta sünekliği getirir. Çeliklerde C/Mn
oranı 3/1 den büyük olduğu müddetçe tokluk artar. Ni çentikli darbe tokluğu arttırıyorken, P, Si, Mo, O
geçiş sıcaklığını yükseltir.
Çelikteki C içeriğinin darbe enerjisine etkisi.
(C içeriğinin düşmesi alt ve üst sınır
arasındaki bölgeyi arttırıyor.)
Karbon içeriğinin artması hem mukavemeti
yükseltir hem de geçiş sıcaklığını yükseltir.
4. Haddeleme Yönünün Etkisi
Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik
yönlerinde farklı değerlerde olur. Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe
direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır.
5. Üretim Yöntemi
Örneğin ; söndürülmemiş çeliğin ( deoksidasyon yapılmamış ) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin
geçiş sıcaklığından daha yüksektir.
6. Isıl Đşlem
Isıl işlem görmüş bir çelik normalize edildiğinde çentikli darbe tokluğu artmaktadır.
Temperleme sıcaklığı arttıkça çeliğin enerji absorbe etme kabiliyeti de artar. Temperlenmiş martensitik
yapı çelikleri hem mukavemet açısından hem de darbe mukavemeti açısından iyidir.
7. Yüzey Durumu
Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır.
8. Tane Büyüklüğü
Genel olarak ince taneli malzemeler kaba taneli malzemelerden daha düşük geçiş sıcaklığına
sahiptirler. Tane boyutunun küçültülmesi geçiş eğrisini sola doğru kaydırır. Sıcak şekil verme
esnasındaki rekristalizasyon ve havada soğutma gibi tane küçültücü işlemler geçiş sıcaklığını düşürür.
9. Mikroyapı
Mikroyapı çeliğin çentikli darbe tokluğunu bileşim ve mekanik özelliklerinden bağımsız olarak
etkileyebilir. Temperlenmiş martensit diğer mikroyapılara oranla en yüksek enerji ve en düşük geçiş
sıcaklığı sağlar .
MĐkroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe dirençlerini etkiler. Bu sert kırılgan
fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini azaltır. 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.
VERĐLECEK DENEY RAPORU ;
1. YUKARIDA VERĐLEN TEORĐK BĐLGĐLER, LABORATUARDAKĐ GÖZLEMLER VE
ELDE EDĐLEN SONUÇLAR YARDIMIYLA SON ĐKĐ SAYFADAKĐ BOŞLUKLARIN
DOLDURULMASI VE ĐLK SAYFADAKĐ KAPAKTAN OLUŞACAKTIR.
2. RAPOR DENEYĐN YAPILDIĞI HAFTADAN SONRA EN GEÇ 1 HAFTA ĐÇĐNDE ĐLGĐLĐ
ARŞ. GÖR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NE TESLĐM EDĐLMELĐ.
3. TESLĐM EDĐLEN RAPORLAR 2 HAFTA SONRA GERĐYE ALINABĐLĐR.
Dr. N. MEYDANLIK
Deneyin amacı:
Kullanılan malzeme :
Kullanılan cihaz tipi, numune tipi ve boyutları :
Deneyin yapılışı:
0umune
kesit alanı
(mm2)
KIRILMA E0ERJĐSĐ (J)
DE0EY SO0UÇLARI :
Sürtünme Kaybı
0umune Sıcaklık
0o:
(J)
(°C)
SICAKLIK (°C)
SO0UÇLARI0 YORUMU :
Kırılma enerjisi
(J)
Darbe
dayanımı
(J/m2)