Çekme Testi

0
1185

Tasarımda en çok önemsenen özellikler, malzemelerin ne kadar dayanıklı oldukları ve ne ölçüde şekil  değiştirebilme kabiliyetine sahip olduklarıdır. Malzemelerin dayanım ve şekil değiştirme özelliklerini belirlemede kullanılan en yaygın test; ÇEKME DENEYİ” dir. Çekme deneyi, bu amaç için hazırlanan bir test numunesinin (çekme numunesi) çekme makinesine bağlanarak çekme kuvvetine maruz bırakılmasıdır. Etki eden kuvvet numune koparılana kadar arttırılır. Bu esnada, etki eden kuvvet ve test numunesinde meydana gelen uzama sistem tarafında sürekli olarak kaydedilir.

Resim1

 

Bu verilerin, mühendislik olarak daha anlamlı olabilmesi için geometrinin etkisinin giderilmesi gerekir. Bu nedenle “kuvvet-uzama (F – Δl)” diyagramının “gerilme – birim şekil değiştirme (σ- ε)” diyagramına dönüştürmek gerekir.

Gerilme = Çekme kuvveti / Kuvvete dik kesit alanı

Birim şekil değişimi = Uzama miktarı / İlk ölçü boyu

Bu şekilde nokta nokta saptanan değerlerlerden gerilme – birim şekil değiştirme diyagramına

geçilir.

Resim2

 

Çekme deneyi sırasında parça, önce “ELASTİK” şekil değişimine daha sonrada PLASTİK” şekil değişimine maruz kalır. Daha sonra parça kırılarak kopar.

(a) Elastik Şekil Değişimi:

Elastik şekil değişimi, σ – ε diyagramının doğrusal olarak değiştiği ilk bölümünde gerçekleşmektedir (σ ≤ σa). Burada uygulanan gerilme ve bu gerilmenin meydana getirdiği elastik birim şekil değişimi arasında Hooke kanunu geçerlidir (σ = E.ε). Elastik şekil

değişiminde etkin olan malzeme özelliği (parametresi), ELASTİKLİK MODÜLÜ, E, dir.

Resim3

 

Bir malzeme özelliği olan, diğer bir değişle malzemeden malzemeye farklı değer alan Elastiklik modülü, atomlar arası bağların kuvvet altında esnemelerinden kaynaklanır.
Resim4“Bağ kuvveti – atomlar arası mesafe” diyagramında F=0 civarında teğetin eğimi elastiklik modülünü belirlemektedir. Dolayısıyla, dik eğime sahip malzemelerin elastiklik modül değerleri de büyük olacaktır. Bu malzemeler kuvvet altında daha az elastik şekil değiştirecek ve daha rijit davranacaklardır.

 

Malzemelerin elastiklik modülü, iki parametreden çok etkilenir:  (a) Kimyasal bileşim, (b) Ortam sıcaklığı. Diğer bir değişle atomsal arası bağları etkileyen etmenler elastiklik modülünü de etkiler.

Öte yandan aynı malzeme için malzeme dayanımı diğer bir değişle ısıl işlem elastiklik modülünü etkilemez. Örneğin, sertleştirilmiş aynı bileşime sahip çeliğin sert ve yumuşak halleri aynı elastiklik modülü değerini gösterir.

Resim5

 

Malzemelerin elastik özelliklerini belirleyen diğer bir parametrede poisson oranı dır. Çekmeye veya basmaya maruz kalan bir malzemenin elastik şekil değiştirmesi sırasında, atomlarının birbirine yaklaşması veya uzaklaşması söz konusu olduğu için hacminde de genleşme veya sıkışma şeklinde bir değişiklik söz konusu olacaktır. Bu şekilde hacim değişikliğine uğrayan bir malzemenin, zorlanma yönüne dik yönde uzanan doğrultulardaki boyutsal değişimi poisson oranı (ν) ile hesaplanabilir. Bu değer hemen hemen tüm metaller için 0.28-0.32 arasında bulunmakla beraber bir çok uygulamada genelde 0.3 değeri aldığı kabul edilir.

Resim6Diğer yandan, plastik şekil değişimine

maruz kalan bir malzemenin kafesinde

genleşme veya sıkışma meydana gelmez, hacim şekil değişimi öncesi veya sonrası aynı değerdedir, diğer bir değişle plastik şekil değişimi sırasında hacim sabit kalır. Bu durumda, poisson oranı 0.5 değeri alır (şekil değişiminin yarısı x, diğer yarısı da y yönünde gerçekleşir).

 

(b) Plastik Şekil Değişimi:

Malzemelerin AKMA DAYANIM değerinin üzerinde gerilme uygulanması durumunda plastik yani kalıcı (geri dönüşümsüz) şekil değişimi başlamış olur. Bu durumda kayma mekanizması

çalışır diğer bir değişle dislokasyonlar hareket etmeye başlar ve plastik şekil değişimi gerçekleşmeye başlar.

Ortam sıcaklık değerinin, plastik şekil değişimini mekanizmaları üzerinde çok büyük etkisi vardır.

Sıcaklık seviyelerine bağlı olarak plastik şekil değişimi (a) soğuk plastik şekil değişimi, (b) ılık plastik şekil değişimi, (c) sıcak plastik şekil değişimi şeklinde olur. Bu iki mekanizmadan hangisinin etkin olduğu, TB, BENZEŞ SICAKLIK (Homologous temperature) kavramı ile belirlenir.

Benzeş sıcaklık değerine göre, şekil değişim tipleri;

0 < TB < 0.25      Soğuk şekil değişimi

0.25 < TB < 0.5   Ilık şekil değişimi

0.5 < TB < 1         Sıcak şekil değişimi

Resim7TE = Malzemenin erime sıcaklığı (oK)

TÇ = Malzemenin çalıştığı sıcaklık (oK)

 

 

Benzeş sıcaklığının da tanımından anlaşılacağı üzere herhangi bir çalışma sıcaklığı, o metalin erime sıcaklığına bağlı olarak soğuk şekil değiştirme veya sıcak şekil değiştirme olabilir. Örneğin oda sıcaklığı, Fe, Al, Cu gibi birçok metal için soğuk şekil değiştirme bölgesinde kalır. Diğer yandan, Pb, Sn gibi düşük erime sıcaklığına sahip metaller için oda sıcaklığı sıcak şekil değişimi bölgesindedir.

Resim8

 

Soğuk ve Sıcak Şekil Değişiminde Etkin olan Mekanizmalar:

  1. Soğuk Şekil Değişimi (Cold deformation):

Soğuk şekil değiştirme, normal bir σ – ε eğrisinin plastik şekil değiştirme kısmı kullanılarak kolaylıkla açıklanabilir. Normal olarak iki çeşit soğuk şekil değiştirme mekanizması mevcuttur.

Bunlar; (a) kayma, (b) ikizlemedir.

Resim9

 

Soğuk şekil değişiminde en etkin deformasyon mekanizması KAYMA (Slip)’dır. Kristal yapı içerisinde, dislokasyonların kayması ile plastik şekil değişimi gerçekleşir. Kayma ile hareket eden dislokasyonlar, yeni dislokasyonlar oluşmasına sebep olurlar. Böylece, dislokasyon yoğunluğu artar. Diğer yandan, yoğunluğu artan dislokasyonların hareketi, gerek diğer dislokasyonlar gerekse boşluk, arayer, yeralan, çökelti, tane sınırı gibi diğer engeller tarafından engellenmeye başlanır. Başka bir değişle dislokasyonların hareketlerini sürdürebilmeleri için gereken gerilme değeri gittikçe artar. Bu duruma DEFORMASYON SERTLEŞMESİ (strain hardening, work hardening, strain aging, etc.) veya PEKLEŞME adı verilir.

Bu plastik şekil değişimi sırasında boyu sürekli artan deney parçasında hacmi sabit kalacak şekilde kesiti sürekli olarak azalma gösterir. Öte yandan, pekleşme mekanizması ise şekil değişimini sürdürebilmek için gereken kuvvetin sürekli artmasını gerektirir. Pekleşmenin etkisinin baskın olması durumunda, ihtiyaç duyulan kuvvet sürekli artmaya devam edecektir. Ne var ki, plastik şekil değişimi devam ettikçe pekleşme etkisi  dominantlığını kaybeder.  σ – ε diyagramında öyle bir nokta vardır ki (bu nokta max. noktadır), burada pekleşmenin etkisi kesit daralmasının etkisi ile birbirini dengeler. Bu noktadan sonra kesit daralmasının etkisi pekleşmenin etkisine göre daha baskın hale gelir ve şekil değişimi için gereken gerilme sürekli olarak azalır ve parça boyun vermeye (plastik kararsızlık) başlar, diyagram aşağı doğru yönlenir. Diyagram kopmanın meydana geldiği noktada son bulur. Boyun vermenin başladığı bu noktada, yani maximum noktadaki gerilme değeri ÇEKME DAYANIMI olarak adlandırılır. Kopmanın gerçekleştiği noktadaki gerilme değerini, KOPMA DAYANIMI adı verilir.

Çekme Diyagramından Elde Edilen Veriler

Malzemeler, akma noktasındaki davranışlarına göre iki şekilde ele alınabilir; (a) belirgin akma gösteren malzemeler, (b) belirgin akma göstermeyen malzemeler.

Resim10

 

(a) Belirgin akma göstermeyen malzemeler:

Bu malzemelerde % 0.2 kalıcı (plastik) şekil değişimine sebep olan gerilme değeri AKMA DAYANIMI (yield strength) olarak adlandırılır ve σ0.2 olarak simgelendirilir. (Bazı özel durumlarda kalıcı (plastik) şekil değişim sınırı % 0.2 yerine % 0.1 veya % 0.05 alınabilir. Fakat bu durumların belirtilmesi gerekir. Belirtilmiyorsa sınır % 0.2 dir). Diyagramda en büyük gerilme, ÇEKME DAYANIMI (ultimate tensile strength) olarak adlandırılır ve σÇ olarak simgelendirilir. Diyagramın elastik bölgesindeki lineer kısmın eğimi, ELASTİKLİK MODÜLÜNÜ (modulus of elasticity) verir ve bu değer E olarak simgelendirilir.

Malzemenin sünekliğini, δ, KOPMA UZAMASI (percent elongation) ve ψ, KESİT DARALMASI (reduction of area) değerleri belirler. Kesit daralması değerini diyagramdan elde edebilme imkânı yoktur. Deney sonrasında kırık kesitin alanı ölçülür ve başlangıç alanı ile kırık kesit alanı farkının, başlangıç alanına bölünmesi ile elde edilir. Kopma uzaması değeri, diyagramdan elde edilebileceği gibi kopan parçaların tekrar bir araya getirilip ölçü boyunun son

uzunluğunu belirlenmesi ve daha sonra bu değer ile ilk ölçü boyu arasındaki farkın ilk boya bölünmesi şeklinde elde edilebilir.

Maksimum gerilmenin oluştuğu, kalıcı birim şekil değişimine (o noktadaki toplam şekil değişiminden elastik kısım çıkarılmalı) üniform uzama adı verilir ve εün şeklinde simgelenir. Deney sırasında kırılana kadar malzemenin harcadığı deformasyon enerjisi STATİK TOKLUK (toughness) olarak adlandırılır ve Up ile gösterilir. Bu değer, σ – ε diyagramının altında kalan alana eşittir. Malzemenin sadece elastik bölgesinde akmaya kadar gerektirdiği enerji REZİLYANS olarak adlandırılır. Bu değer ise, σ–ε diyagramında elastik bölgenin altında kalan alana eşittir.

Resim13

 

(b) Belirgin Akma Gösteren Malzemelerin σ–ε Diyagramı

 Bazı metalik malzemeler elastik şekil değişiminden plastik şekil değişimine geçerken akma olayını belirgin bir şekilde gerçekleştirirler. Bu malzeme gurubuna en iyi örnek yumuşak

durumdaki (herhangi bir sertleştirme işlemi uygulanmamış) basit ve çoğunlukla düşük karbonlu çeliklerdir. Demir dışı metaller ve yüksek sıcaklıklarda metallerin hiçbiri belirgin akma özelliği göstermezler.

Resim14

 

Bu olay arayer atomlarının mevcudiyeti ile açıklanmaktadır. Örneğin, karbon ve azot (nitrogen)’tan arındırılan çeliklerde belirgin akma görülmemeye başlar. Bu arayer atomlarının dislokasyonların altındaki boşluklara yerleşerek dislokasyonları kilitledikleri düşünülmektedir. Bu atom gruplarına COTTRELL ATMOSFERİ adı verilmektedir.

Grafikte görülen üst akma noktası, bu atmosferin dislokasyonları kilitleme etkisinin kırıldığı gerilme değerini ifade etmektedir. İlk akmanın meydana geldiği kayma bandında bu atmosfer tarafından pekleşme meydana getirilmesi ile kayma durur. Diğer bir bölgede akma olayı başlar. Üst akma noktasından sonra gelişen testere dişi görünümündeki bölge kesit boyunca tüm kayma bantlarında akmanın gerçekleştiğini gösterir. Oluşan bu bantlara LÜDERS BANTLARI adı verilir.

Resim15

 

Homojen PŞD bölgesine kadar zorlanmış daha ileri zorlamalara maruz kalmamış malzemelerde ikinci bir akma olayı gözlenebilir. Bu ikinci akmanın oluşabilmesi için yukarıdan da anlaşılacağı gibi Cottrell atmosferinin etkin rol oynaması gerekir. Bu ise ısıl aktivasyon gerektirir. Şöyle ki, soğuk plastik şekil değiştirmeye maruz kalmış, belirgin akma gösteren bir malzeme, gereken ısıl aktivasyonu sağlamak amacıyla belli bir sıcaklığa kadar ısıtılıp (100-200oC) soğutulduktan sonra tekrar plastik şekil değişimine maruz bırakılırsa, daha yüksek gerilme değerlerinde belirgin akma olayı bir kez daha gerçekleşir. Bu olaya DEFORMASYON YAŞLANMASI (Strain aging) adı verilir.
Resim16(a): Test durduluktan hemen sonratekrar yüklseme yapılıp teste devam ediliyor.

(b): Test durduluktan hemen sonra 100-200o de ısılılıp soğutulduktan

sonra teste devam ediliyor.

 

 

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA