Mekanik Metalürji Ders Notları Prof. Dr. Süleyman Gündüz

MEKANİK METALÜRJİ DERS NOTLARI Prof. Dr. Süleyman GÜNDÜZ

1

GİRİŞ

Mekanik metalurji, metallerin dış kuvvetler altındaki davranışlarını inceleyen bilim dalıdır. Bu kuvvetler, bir yapı veya makina parçasının kullanılışı sırasında doğabileceği gibi, bir döküm ingotun hasar görmeden dövülerek şekil verilmesi sırasında da oluşabilir. Birinci durumda metalin dayanabileceği en büyük kuvvet, ikinci durumda ise şekillendirme sırasında gerekecek en küçük kuvvetin sağlanması için gerekli olan sıcaklık, şekil değişimi hızı gibi şartlar aranır.

Mekanik metalurji, cisimlerin mukavemeti, elastisite teorisi, plastisite teorisi, malzeme bilgisi ve metalurji gibi bir çok konunun içerildiği bir bilim dalıdır. Malzemenin homojen sürekli haller için geçerli olan mukavemet prensibleri, malzemenin homojen ve sürekli sayılmayacağı haller (örneğin metalurjik yapının zamanla ve sürekli olarak değiştiği metallerin yüksek sıcaklıklardaki davranışları, sünek-gevrek geçişi vb.) geçerliğini kaybetmektedir. Mekanik metalurjinin ana amacı olan mekanik özelliklerin yapısal özelliklerle olan ilişkisinin iyice anlaşılmasıyla, metalleri mekanik özelliklerinin geliştirilmesi veya en azından kontrol altında tutulması imkanı artmaktadır.

Metallerin mekanik davranışını belirlemede kullanılan sayısal değerler, standartlaştırılmış mekanik deneyler yardımıyla elde edilmekte, yapısal özellikler ise optik ve elektron mikroskopları ile X-ışınları analiz cihazlarında saptanmaktadır.

Bu ders kapsamında metallerin şekil değişiminin prensipleri ve bunun atomsal mekanizmaları kısaca gözden geçirildikten sonra metallerdeki plastik deformasyon olayı çekme deneyi yardımıyla incelenecektir. Bundan sonra, dayanım artırıcı mekanizmalar, kırılma, yorulma ve sünme gibi malzemelerin mekanik özellikleri incelenerek tasarımlarda göz önünde bulundurulması gereken noktalar vurgulanmaya çalışılıcaktır.

2

2. METALLERDE PLASTİK ŞEKİL DEĞİŞTİRMENİN ESASLARI

X-ışınları difraksiyon analizleri, metal atomlarının kristaller içinde, düzenli tekrar eden ve üç boyutlu geometrik düzenlemeler içinde bulunduğunu göstermiştir. Kristal yapıların büyük çoğunluğu kübik yapıya sahip olup yön ve düzlemleri Miller Endisleri adı verilen sayısal değerler yardımıyla bulunmaktadır.

2.1. Kristal Yapıları

Hacim merkezli kübik (HMK), yüzey merkezli kübik (YMK) ve hegzegonal sıkı düzen (HSD) metallerin sahip olduğu en önemli üç kristal kafes yapılarıdır. Basit kübik kafeste her köşesinde bir atom bulunan kristal yapı türüdür, ancak kararsız bir diziliş türü olduğundan doğada buna sahip bir cisim yoktur. Bu nedenle basit kübik kafes üzerinde durulmayacaktır.

2.1.1 Hacim Merkezli Kübik (Body Centered Cubic)

Köşelerinde ve merkezinde atom içeren bu kristal yapıya sahip önemli metaller olarak; -Demir (ferrite), Cr, Mo, V, W, vb.

Şekil-2.1. Hacim merkezli kübik kafes (HMK).

3

2.1.2. Yüzey Merkezli Kübik (Face Centered Cubic)

Köşelerinde ve yüzeylerin merkezlerinde atomlar içeren bu kristal yapıdaki önemli metaller olarak; -demir (ostenite), Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb, vb. gösterilebilir.

Şekil-2.2. Yüzey merkezli kübik kafes (YMK).

2.1.3. Hegzagonal Sıkı Düzen (Close Packed Hexagonal)

Altıgen prizme şeklindeki bu yapıda atomlar köşelerde, temel yüzey (basal plane) lerin merkezlerinde ve orta düzlemde bulunmaktadır. Bu yapıya sahip önemli metaller arasında; Mg, Zn, Ti, Zr, Be, Cd, vb. sayılabilir.

Şekil-2.3. Hegzegonal sıkı düzen (HSD).

4

2.2. Kristal Yapı Kusurları

Teoride kristaller her nekadar düzenli ve tekrar eden yapılar olarak kabul edilseler de gerçekte yapılarında bir takım kusurlar içermektedirler. Bu kusurlar noktasal (tek boyutlu), çizgisel (iki boyutlu) ve yüzeysel (üç boyutlu) olmak üzere üç guruba ayrılmaktadır.

2.2.1. Noktasal Kusurlar (Point Defects)

En basit noktasal kusur şekil-2.4 de görüldüğü gibi bir atomun eksik olduğu boş kafes köşesidir.Bu tür kusur sıvı katılaşırken oluştuğu gibi plastik şekil değiştirme veya yüksek sıcaklıkta ısıl titreşimlerin etkisi ile atomların yer değiştirmesi sonucu da oluşabilirler. Kafes yapıda atomlar arası yeterli boşluk varsa araya giren fazla atom (arayer atomu) noktasal kusur sayılır.

İyonsal cisimlerde (ionically bonded materials) net elektriksel yükün sıfır olması zorunludur. Bunlarda zıt işaretli iyon çifti (anion and cation) eksik olursa Schottky kusuru yer değiştirmiş iyonda Frenkel kusuru oluşturur. Noktasal kusurların mekanik özelliklere etkisi önemsiz olmakla beraber elektriksel özellikleri büyük ölçüde etkiler ve aynı zamanda atomsal yayınımı kolaylaştırır.

5

Şekil-2.4. Noktasal kristal yapı kusurları (a) atom boşluğu, (b) arayer atomu, (c) küçük yeralan atomu, (d) büyük yeralan atomu, (e) Frenkel kusuru, (f) Schottky kusuru.

2.2.2. Çizgisel Kusurlar (Dislokasyonlar)

Dislokasyonlar kristallerde atomsal dizilişin bir çizgi boyunca bozulması sonucu oluşur. Atomlar denge konumundan ayrıldıklarından çizgi çevresinde artık gerilmeler doğar, dolayısıyla bir miktar potansiyel enerji depo edilir. Dislokasyonlar katılaşma sırasında oluşmakla beraber plastik şekil değiştirme sırasında da meydana gelir ve sayıları artar. Dislokasyonlar bütün malzemelerde (seramik, polimer, metal vb.) bulunmasına rahmen özellikle metallerin dayanım ve deformasyonlarının belirlenmesinde oldukça önemlidirler. Başlıca iki tür basit dislokasyon vardır; kenar dilokasyonu ve vida dislokasyonu. Gerçekte kristallerde coğunlukla kısmen kenar kısmende vida nitelikli sürekli ağ biçiminde karmaşık dislokasyon çizgileri bulunur.

a. Kenar Dislokasyonları (Edge Dislocations)

Kenar dislokasyonlar kayma düzlemi adı verilen bir düzlem üzerinde yarım atom düzleminin yerleşmesi sonucunda oluşmaktadır. Bu ek yarı düzlem, kayma düzleminin 6

üzerinde kalan kristal bölgenin sıkışıp çarpılmasına neden olur. Alttaki bölge ise açılmaya zorlandığından çekme bölgesi meydana gelir. Kenar dislokasyonun oluşturduğu kusurun büyüklüğü ve yönü Burger çemberi uygulayarak saptanır. Şekil-2.5 de görüldüğü gibi x noktasından başlayıp saat yönünde her bir doğrultuda eşit atom aralığı kadar ilerlenirse çemberin kapanmadığı görülür. Çemberin tamamlanması için gerekli olan büyüklük Burgers vektörüyle ifade edilir. Burgers vektörü (b) nün boyu atomlar arası uzaklık kadar olup kenar dislokasyon çizgisine diktir ve kenar dislokasyonu kayma yönünde hareket eder.

Şekil-2.5. Kenar dislokasyonu (a) kusursuz kristal, (b) ek yarı düzlemin yerleşmesi, (c) burgers çevrimi.

Kenar dislokasyonun kayma düzlemi içinde yaptığı harekete kayma (slip, glide), dislokasyonların hareket ettiği doğrultuya da kayma doğrultusu (slip direction) denir. Kenar dislokasyonunda kayma olayı Burgers vektörü ve dislokasyonların meydana getirdiği bir düzlem üzerinde olur, bu düzlem kayma düzlemi olarak adlandırılır. Kayma doğrultusunun ve kayma düzleminin birleşiminden meydana gelen bütüne kayma sistemi denir.

7

Şekil-2.6. Kayma gerilmesi uygulandığında (a) dislokasyonlar bir Burgers vektörü kadar hareket eder, (b) harekete devam edildiğinde bir basamak meydana getirir, (c) kristal deforme edilmiştir.

Dislokasyonlar kayma sırasında kristalin sürtünme kuvvetini (Peierls-Nabarro stress) yenmek zorundadırlar. Peierls-Nabarro stress dislokasyonların bir dengeli konumdan diğer dengeli konuma geçmesi için gerekli olan stress dir ve aşağıdaki formülle ifade edilir.

 = c exp (-kd/b)

Burada  dislokasyonları hareket ettirmek için gerekli olan kayma gerilmesi, d kayma düzlemleri arasındaki mesafe, b Burgers vektörü, c ve k ise malzeme sabiti olarak adlandırılır.

b. Vida Dislokasyonları (Screw Dislocations)

Vida dislokasyonu kristalde bir düzlem boyunca kısmen kayma şeklinde öteleme ile meydana gelir. Vida dislokasyon çizgisi kayan ve kaymayan kristaller arasındaki sınır olarak tanımlanmaktadır. Şekil-2.7 de görüldüğü gibi bu tip dislokasyonlarda ek yarı düzlem bulunmamakta, ancak kristal yapı modelinin önü kayarak şekil değişimine uğrarken arkası başlangıç konumunu korumaktadır.

8

Şekil-2.7. Vida dislokasyonu (a) kusursuz kristal, (b) kristalin kesilip bir atom aralığı kadar ayrılması ve (c) kaymanın bir çizgi üzerinde oluştuğu vida dislokayonu.

Vida dislokasyonun oluşturduğu kusurun büyüklüğünü ve yönünü saptamak için kenar dislokasyonunda olduğu gibi Burger çevrimi uygulanmaktadır. Şekil-2.7 de görüldüğü gibi çevrim tamamlanamamakta ve dislokasyon çizgisine paralel bir Burgers vektörüne ihtiyaç duyulmaktadır. Vida dislokasyonu kayma vektörüne (Burgers vektörü) paraleldir, ayrıca vida dislokasyonu kayma yönüne dik olarak hareket eder. Şekil-2.8 bir vida dislokasyonun kristal yapıda hareketini göstermektedir.

Şekil-2.8. Bir vida dislokasyonun hareketi.

c. Karmaşık Dislokasyonlar (Mixed Dislocations)

Kristal içinde kaymış ve kaymamış bölgeler arasındaki sınırda çok sayıda kenar ve vida dislokasyonları beraberce teşekkül etmiş olabilir. Bu dislokasyonlar sayıları çoğalıp boyları atomsal mertebeye indiğinde bu sınır artık bir eğri şeklinde temsil edilebilir. Şekil-2.9a da görüldüğü gibi E noktasında sadece kenar, S noktasında sadece vida ve

9

diğer yerlerde karmaşık özellikler gösterebilir ve kristal içinde bir yay biçiminde oluşabilir.

Karışık karakterde bir dislokasyon vida ve kenar bileşenlerine ayrılabilir. Eğer şekil-2.9b de olduğu gibi XY bir dislokasyon çizgisi ise ve kayma vektörü b ile  açısı yapmaktaysa, bu dislokasyon b1 ve b2 dislokasyonlarının vektörel toplamı şeklinde tamınlanır.

Şekil-2.9. Karmaşık dislokasyonlar. (a) eğri dislokasyon SME, E noktasında kenar ve S noktasında vida dislokasyonudur. (b) XY dislokasyonun b Burgers vektörü b1 köşe ve b2 vida dislokasyonlarına ayrılmaktadır.

d. Dislokasyon Ağı (Dislocation Network)

Geometrik imkansızlıklar nedeniyle bir dislokasyon çizgisi kristal içinde sona ermez. Ya kristal yüzeyine çıkarak sona erer, ya bir başka dislokasyonla birleşerek sona erer yada kendi üzerine kapanarak sona erer. Kristal yüzeyine çıkması kayma olayının gerçekleşmesine, kendi üzerine kapanması ise dislokasyon çevrimi oluşumuna neden olur. Eğer dislokasyonlar birbirleri üzerinde sona ererlerse üç boyutlu bir dislokayon ağı oluştururlar. Dislokasyonların birleşme noktasına Düğüm Noktası (Node) adı verilir (şekil-2.10). Bir düğüm noktasına giren dislokasyonların Burgers vektörleri toplamı bu

10

noktadan çıkan dislokasyonların Burgers vektörleri toplamına eşittir. Diğer bir deyişle bir düğüm noktasında birleşen bütün dislokasyonlar üzerinde pozitif yön, düğüm noktasında uzaklaşan yön olarak alındığında, Burgers vektörlerinin toplamı sıfır olur. Buna Burgers vektörlerinin sakınımı kanunu (Frank Kaidesi) adı verilir.

Şekil-2.10. Dislokasyonların birleşme noktası (Düğüm noktası)

e. Dislokasyonların Çoğalması

Dislokasyonlar metallerde plastik deformasyonu sağlayan en önemli faktörlerden birisidir. Çizgisel karakterdeki bu yapı kusurları bir gerilme vasıtasıyla kristal içinde hareket etmeye zorlanmakta, bunun sonucunda da plastik şekil değişimi gerçekleşmektedir. Dislokasyonlar:

a. Katılaşma sırasında kristal yapı oluşurken b. Uygulanan gerilmenin zorlamasıyla c.

Kendini sürekli yenileyen mekanizmalar

yardımıyla çoğalırlar. Tavlı metallerde 104-108 adet/cm2 olan dislokasyon yoğunluğunun aşırı plastik şekil değiştirme sonucu 108-1012 adet/cm2 düzeyine çıktığı saptanmıştır. Frank-Read tarafından ileri sürülen spiral yay biçiminde bir model dislokasyonların kuvvet etkisinde ne şekilde çoğaldığını oldukça iyi bir şekilde açıklamaktadır. Şekil-2.11 de görüldüğü gibi L boyundaki dislokasyon iki ucundan D ve DI noktalarından ilerlemeye karşı engellenmektedir.Başlangıçta kayma gerilmesi sıfır olup arttırılmaya başladığında

11

dislokasyon çizgisine dik olarak ilerlemeye çalışmakta, ancak dislokasyonu sabitleyen engeller buna izin vermemektedir. Böylece ilerleme belirli bir eğrilik yarıçapında dairesel karakterde gerçekleşebilmektedir. Eğrilik yarıçapı R=L/2 olduğunda bu harekete karşı koyan kuvvet en büyük değeri almakta, bu noktanın ötesinde ise kararsız hale geçerek dislokasyon halkasının hızla büyüyüp genişlemesine neden olmaktadır. Şeklin (d) kısmında görüldüğü gibi büyüme sonrası birbirine temas eden dislokasyonlar ters işaretli oldukları için birbirlerini yok etmekte, kristal düzgün hale geçmektedir.Böylece halka ile segment birbirinden ayrılmakta, halka kayma hareketini yapmaya devam ederken segment dislokasyon halkası üretmeye devam eder.

Şekil-2.11. Frank-Read kaynağında dislokasyon hareketinin şematik olarak ifade edilmesi.

Aşağıdaki şekil-2.12 silikon kristali içerisindeki Frank-Read kaynağına çok güzel bir örnek teşkil etmektedir. Dislokasyonların her iki ucu başka bir dislokasyon ağı tarafından engellenerek Frank-Read kaynağında dislokasyonların oluşumu şekilden açıkça görülmektedir.

12

Şekil-2.12. Bir silikon kristali içerisinde Frank-Read kaynağı.

f. Orowan Dislokasyon Çevrimleri

Dislokasyonların hareketleri (kayma) kristal içindeki çeşitli bariyerler tarafından engellenmeye çalışır. Bu engellerden biriside ikinci faz parçacıklarıdır (çökeltiler). Dislokasyonlar eğer bu engel zayıfsa onları keserek hareketini sürdürmeye çalışır. Özellikle ikinci faz parçacıklarının büyük olduğu durumlarda (şekil-2.13).

Şekil-2.13. Dislokasyonların ikinci faz parçacıklarını keserek yoluna devam etmesi.

Ancak kuvvetli engeller söz konusu ise bu durumda parçacık etrafında bir çevrim yaparak hareketlerine devam ederler. Bu şekilde parçacıklar etrafında oluşan dislokasyonlar çevrimlerine Orawan Dislokasyon Çevrimleri adı verilir (şekil-2.14).

13

Şekil-2.14. Bir dislokasyonun katı, deformasyon edilemiyen ikinci faz parçacıkla karşılaştığında çevrim bırakması.

2.2.3. Düzlemsel Kusurlar: Yüzeyler ve Tane Sınırları

a. Yüzeyler

Bir kristal bireyinin yüzeyinde bulunan atomlar, içinde bulunan atomlarla eşdeğer değildir. Yüzey atomlarının yalnız bir tarafında komşuları vardır. Bundan dolayı yüzey atomlarının enerjileri daha yüksek ve içindekilere göre daha zayıf bağlıdırlar. Eğer bunların yüzeyine bir dizi atom eklenirse bir miktar enerji açığa çıkar. Yüzey atomlarının sahib oldukları bu enerji fazlalığı yüzey enerjisi olarak adlandırılır. Yüzey enerjilerinin varlığına bir kanıt damlaların küresel bir biçimde bulunma eğilimi göstermeleridir.

Cisimler genellikle düşük enerjili, dolayısıyla daha kararlı yapı oluşturma eğilimi gösterirler. Küresel biçimdeki bir sıvı damlası oval biçimdekine göre daha küçük yüzey/hacim oranına dolayısıyla daha küçük yüzeysel enerjiye sahiptir.

14

b. Tane Sınırları

Kristal yapılı malzemeler sıvı halden katılaşırken aynı anda bir çok kristal çekirdeği oluşmaya başlar ve bunlar zamanla büyüyerek kütleyi doldururlar ve sonuçta çok kristalli (polycrystal) yapı meydana gelir. Çok kristalli yapılarda taneleri bir birinden ayıran sınırlara tane sınırı adı verilmektedir ve bir yapı kusuru olarak nitelendirilmektedir. Aşağıdaki şekilde üç tane ve bunları ayıran tane sınırları şematik olarak gösterilmiştir. Şekildende görüldüğü gibi atomların dizilimi tanelerde farklı doğrultulardadır.

Şekil-2.15. Tane sınırlarının ve sınırlara yakın olan atomların şematik olarak gösterilmesi.

Tane sınırları birbirine komşu iki kristalin doğrultularının yaptığı açının büyüklüğüne göre sınıflandırılırlar. Eğer bu açı 10o den küçükse Küçük Açılı Tane Sınırı (Low-Angle Grain Boundary), bu değerden büyükse Büyük Açılı Tane Sınırı (High-Angle Grain Boundary) olarak adlandırılmaktadır. Şekil-2.16 küçük açılı tane sınırı oluşumunu şematik olarak göstermektedir. Sınıflandırmaya yol açan açı geometrik olarak

tan  = b/D şeklinde belirlenmektedir. Açının çok küçük olması durumunda dislokasyonlar arası mesafe, D = b/sin  b/

15

Şeklinde tanımlanabilmektedir. Burada b Burgers vektörünün şiddetini D ise dislokasyonlar arası mesafeyi vermektedir. Pratikte küçük açılı tane sınırlarına Alt Tane Sınırı (Sub-grain Boundary), büyük açılı tane sınırlarına da sadece Tane Sınırı (Grain Boundary) denilmektedir.

Şekil-2.16. Dislokasyonların dizilmesinden meydana gelen küçük açılı tane sınırı.

2.3. Metallerde Plastik Şekil Değişimi Mekanizmaları

Metallerin plastik şekil değişiminde; kayma, ikizlenme, tane sınırı kayması ve yayınma sürünmesi mekanizmaları etkin rol oynamaktadır.

2.3.1. Kayma

Metallerde plastik şekil değişimine neden olan mekanizmaların en önemlisidir. Kayma, atom düzlemlerinden birinin komşu atom düzlemi üzerinde en az bir Burgers vektörü şiddeti kadar ötelenme hareketi ile gerçekleştirilir. Kristal yapılar için kaymanın en kolay gerçekleştiği belirli düzlem ve doğrultular vardır. Bunlar kayma düzlemi ve kayma

16

doğrultusu adını alarak birlikte kayma sistemi’ni oluştururlar. Bunlar aynı zamanda atomsal yoğunluğun en yüksek olduğu düzlem ve doğrultulardır.

Bir YMK kristalinde atomların en sık dizildiği düzlemler ailesi (111) dir. Bunların üzerinde Burgers vektörünün en kısa olduğu doğrultular [110] ailesine aittir. Buna göre bir YMK kristalinde en düşük kayma direncine sahip eşdeğer kayma sistemleri ailesi (111) – [110] dır. (111) düzlem ailesinde 4 üye ve her üye üzerinde [110] doğru ailesinden 3 üye bulunduğuna göre (111) – [110] kayma sistemi ailesinde toplam olarak 12 eşdeğer kayma sistemi vardır. Benzer şekilde HMK kristallerinde atomların en sık dizildiği düzlemler (110) ailesinde ve bunlar üzerinde Burgers vektörünün en kısa olduğu doğrultular [111] ailesindedir. (110) düzlem ailesinde 6 üye ve bunların herbiri üzerinde [111] ailesinden iki doğru bulunduğuna göre (110) – [111] kayma sistemi ailesinde 12 kayma sistemi vardır ve bunların kayma dirençleri eşittir. Aşağıda farklı kristal yapılar için geçerli kayma sistemlerinin önemlileri verilmiştir.

Kristal Yapı

Kayma Düzlemi

Kayma Doğrultusu

Kayma Sistemi Sayısı

YMK Cu, Al, Ni, Pb, Au,

(111)

[110]

4  3 = 12

(110)

[111]

6  2 = 12

(0001)

[1120]

13=3

Ag, -Fe HMK -Fe, W, Mo, Cr, V, -Pirinç HSD Cd, Zn, Mg, Ti, Be

Tablo-2.1. Metalik yapılarda kayma düzlem ve doğrultuları.

Kayma sistemi sayısının çok olması o metal için plastik şekil değiştirme

(kayma)

yeteneğinin yüksek olduğunun bir işaretidir. Bu YMK ve HMK kristal yapıdaki metallerin HSD yapıdakilerden daha sünek olmasının nedenidir. Ayrıca YMK kayma

17

sistemlerindeki atom dizilişi HMK dekinden daha yoğun olduğu için bu yapıya sahip metaller daha sünek davranış göstermektedir.

Bilindiği gibi plastik şekil değişiminin sağlanması için, malzemenin kayma dayanımının üzerinde bir gerilmenin uygulanması gerekmektedir. Kusursuz bir kristalde kayma ancak atomlar arası bağ kuvvetlerini yenerek oluşabilir. Bağ kuvvetlerinin kaymaya karşı gösterdiği dirence teorik veya kehozif mukavemet denir Aşağıda bu mukavemetin yaklaşık olarak nasıl hesaplandığı gösterilecektir.

a. Kristallerin Teorik Kayma Mukavemeti

Metalik malzemelerin elastik veya plastik şekil değişimine karşı olan dirençlerinin atomsal bağ kuvvetlerinden kaynaklandığı varsayılarak, ideal bir kafeste plastik şekil değişimini başlatacak teorik gerilmenin bir sinüs dalgası şeklinde değişebileceği yaklaşımı kullanılmaktadır. Diğer bir deyişle atomu kararlı konumdan çıkarıp bir kafes parametresi kadar öteleyebilmek için gerekli gerilmenin bir sinüs eğrisi şeklinde değişmesi gerektiği varsayılmaktadır. Şekil-2.17 de görüldüğü gibi atomlararası kuvveti yenmek için gerekli kayma gerilmesi 0 x  a/2 aralığında artı işaretli olup a/4 mesafesinde k maksimum değerine ulaşır, a/2 x  a aralığında ise işareti eksidir.  nun x ile değişimi.

Şekil-2.17. Kayma oluşturmak için gerekli teorik kayma gerilmesi.

18

 = k . sin (2x/a)

şeklinde yapılabilmektedir. Burada



=

Uygulanan kayma gerilmesi

k

=

Teorik en büyük kayma gerilmesi (kayma dayanımı)

x

=

Atomların hareket ettiği mesafe

a

=

Kafes parametresi (düzlemler arası mesafe)

Küçük miktarlardaki yer değiştirmeler için

 = k . (2x/a)

şeklinde tanımlanabilmektedir. Hook kanunu uygulanarak kayma gerilmesi için diğer bir ifade  = G.

şeklinde yazılabilir. Burada kayma birim şekil değişimi (shear strain)  = x/a olduğundan

 = G.x/a

olur ve her iki kayma gerilmesini veren ifade birleştirildiğinde

k = G/2

elde edilir. Bu sonuca göre teorik kayma mukavemetinin cismin G kayma modülüne bağlı olduğu görülür. Şekil-2.17 de görülen kayma mekanizmasına blok kayma mekanizması denir. Burada atomlar arası bağ kuvvetlerinin toplu halde yenildiği ve üst grubun alt gruba göre a atomlar arası uzaklık kadar ötelendiği varsayılıyor. Malzemelerin ortalama kayma modülü 7104 N/mm2 civarında olduğuna göre teorik kayma mukavemetinin 104 N/mm2 düzeyinde olması gerekir.

19

Değişik

tür

kristaller

üzerinde

yapılan

deneyler, 2

mukavemetlerin deneysel mukavemetlerden 10 -10

3

yukarıda

tanımlanan

teorik

kat daha büyük olduğunu

göstermiştir. Aradaki bu büyük farkın ancak kristal yapı kusurlarından özellikle dislokasyonlardan ileri gelecebileceği açıklanmaktadır. Aşağıda çeşitli metallerin deneysel ve teorik kayma dayanımları ile aralarındaki hata oranları verilmektedir.

Metal

Teorik (MPa)

Deneysel (MPa)

Hata Mertebesi

Demir

34103

28

103

Aluminyum

11103

1

104

Gümüş

13103

0.5

104

Tablo-2.2. Bazı malzemelerin teorik ve deneysel kayma dayanımları.

b. Kayma Koşulu

Tek kristaller üzerinde yapılan deneylerde plastik şekil değiştirme sürecinde kristal düzlemeleri boyunca yer yer kayma düzlemlerinin oluştuğu izlenmiştir.Şekil değiştirmiş bir kristalin yüzeyi parlatılıp dağlanınca kayma düzlemlerinin kenarı olan kayma çizgileri şekil 2-18 de olduğu gibi açıkça görülür.

Şekil-2.18. Bir kristalde kaymanın dıştan görünüşü.

Verilen bir kayma sisteminde dislokasyonların harekete geçerek kaymanın başlaması için uygulanan kuvvetin o kayma sisteminin kayma doğrultusunda oluşturduğu kayma gerilmesi bileşeninin sisteminin kritik kayma gerilmesine veya kayma direncine eşit olması gerekir. Buna kayma koşulu denir. Şekil-2.19 da görüldüğü gibi silindir biçiminde

20

bir tek kristal göz önüne alınarak buna kayma koşulu uygulansın. Normal kristalin ekseni ile  açısı yapan (h1k1 l1) düzlemi ile bunun üzerinde [h2k2 l2] kayma doğrultusundan oluşan bir kayma sisteminin kayma direnci k olsun. Bu kayma sisteminde kaymayı başlatmak için silindirin ekseni [h3k3 l3] doğrultusunda uygulanması gereken P kuvveti kolaylıkla hesaplanabilir. [h2k2 l2] kayma doğrultusu ile  açısı yapan P kuvvetinin bu doğrultudaki bileşeni, T = P.cos  dır. Silindirin taban alanı A0 olduğuna göre bununla  açısı yapan elips şeklindeki eğik düzlemin alanı A = A0/cos dır.

T kayma kuvvetinin kayma düzleminde oluşturduğu kayma gerilmesi

 = T/A = P/A0 cos cos

Burada P/A0 =  uygulanan eksenel çekme gerilmesidir. Kayma gerilmesi bileşeni,

 =  cos cos

denklemi ile bulunur. Buna Schmid Kanunu denir. Kayma koşuluna göre  kayma gerilmesi bileşenin k kayma direncine eşit olması gerekir. Kaymayı başlatmak için gerekli eksenel gerilme,  = k/cos cos

olur.  gerilmesi A0 alanı ile çarpılırsa kayma için gerekli P kuvveti elde edilir.

21

P [h3k3l3]

N [h1k1l1]

A0

T [h2k2l2]

A=A0/cos (h1k1l1)

Şekil-2.19. Bir kristalde mevcut bir kayma sisteminde çekme kuvvetinin oluşturduğu normal ve teğetsel kuvvet bileşenleri.

Basit çekme halinde maksimum kayma gerilmeleri kuvvet doğrultusu ile 45C açı yapan düzlemler boyunca etkir ve değerleri eksenel gerilmelerin yarısıdır. Bütün gerilme halleri, hidrostatik gerilme hariç, daima kayma meydana getirirler. Şekil-2.20 de görüldüğü gibi eğer kayma düzlemi uygulanan strese () dikse,  = 0,  = 90, cos  = 0 olur, dolayısıyla  kayma gerilmesi sıfıra eşit olur. Bu durumda uygulanan kuvvet veya stres her ne kadar büyük olursa olsun kayma düzleminde kayma olayı meydana gelmez ve dislokasyonlar hareket edemez.

22

Şekil-2.20. Kayma düzleminin uygulanan strese dik olması durumu.

Kritik kayma gerilmesi k şu faktörlerden etkilenmektedir:

 Kimyasal Bileşimi: Malzemenin saflığı kayboldukça kritik kayma gerilmesi artmaktadır.

 Dislokasyon Yoğunluğu: Dislokasyon yoğunluğu azaldıkça kritik kayma gerilmesi azalır. Ancak hiç dislokasyon kalmaması durumunda (ideal kafes) bu gerilme birden artar en büyük değerine ulaşır.

 Sıcaklık: Sıcaklık artışı kritik kayma gerilmesi değerinin düşmesine neden olur.

 Şekil Değişim Hızı: Şekil değişim hızı arttıkça kritik kayma gerilmesi değerleri artar.

2.3.2. İkizlenme (Twining)

Kristal yapıda kaymanın gerçekleşemediği durumlarda plastik şekil değişimi ikizlenme mekanizmasıyla olur. Kaymada atom doğrudan doğruya yerdeğiştirirken ikizlenmede iki atom arasındaki mesafenin yarısı veya 1/3 kadar hareket eder. İkizlenme sırasında oluşan 23

yapı, başlangıçtaki yapının ikiz düzlemi olarak adlandırılan düzleme göre simetriği durumundadır. Deformasyon öncesinde birbirine komşu durumunda bulunan atomlar, kaymadakinin aksine komşuluklarını sürdürmektedirler. Aşağıdaki şekil deformasyona uğramamış, kayarak şekil değiştirmiş ve ikizlenme yolu ile şekil değiştirmiş kristal yapılarışematik olarak vermektedir.

Sekil degistirmemis kristal

Kayarak sekil degistirmis kristal

Ikizlenerek sekil degistirmis kristal

Şekil-2.21. Şekil değiştirmemiş, kayarak şekil değiştirmiş ve ikizlenerek şekil değiştirmiş kristaller.

İkizlenmede de tıpkı kaymada olduğu gibi ikizlenme sistemleri vardır. Bu sistemler aşağıdaki tabloda belirtilmiştir.

Kristal Yapı

İkiz Düzlemi

İkiz Doğrultusu

YMK

(111)

[112]

HMK

(112)

[111]

HSD

(1012)

[1011]

Tablo-2.3. Metalik yapılarda ikizlenme düzlem ve doğrultuları.

Kayma mekanizması ile ikizlenme mekanizması arasında şu farklar bulunmaktadır.  İkizlenme ile meydana gelen şekil değişimi daha küçüktür.  İkizlenme yüksek şekil değişimi hızlarında ve alçak sıcaklıklarda oluşur.  İkizlenme için gereken gerilme kayma için gereken gerilmeden daha büyüktür.  İkizlenme sonrasında kristal yapıda bir yönlenme farkı oluşur.  Kayma her iki yöne de olabileceği gibi ikizlenmede şekil değişimi ikiz görüntüsü olacak şekilde sınırlıdır.

24

2.3.3. Tane Sınırlarının Kayması (Grain Boundary Sliding)

Yüksek sıcaklıklar çok taneli (polycrystal) metallerin taneleri arasındaki birbirine tutunmalarını sağlayan kuvvetin zayıflamasına neden olur. Dolayısıyla yüksek sıcaklılarda ve düşük şekil değişimi hızlarında taneler birbirleri üzerinde kayarak yer değiştirmeye çalışırlar. Aşağıdaki şekilde de görüleceği gibi tane sınırı ile çekme gerilmesinin doğrultusu 45 yaptığı zaman bu etki en fazla kendini hissettirir. Yüksek sıcaklıklarda ve düşük hızlarda yapılan deneylerde, saf metaller için, toplam şekil değişiminin yaklaşık % 30 nun tane sınırı kaymasıyla gerçekleştiği görülmüştür.

 Şekil-2.22. Uygulanan çekme gerilmesi altında tane sınırlarının kayması.

2.3.4. Yayınma Sürünmesi (Diffusional Creep)

Metal kristalleri, plastik şekil verme sıcaklığının çok yüksek olduğu ve şekil değişim hızının çok yavaş olduğu şartlarda kaymadan çok atomların uygulanan gerilme yönünde kristal içinde hareket etmesiyle, diğer bir deyişle yayınma mekanizmasıyla şekil değiştirebilirler.

Bu olay atomların kristal içinde gerilme yönünde yayınmaları, boşluklarında hareket eden atomların geride bıraktıkları yerlere doğru hareketi şeklinde düşülünebilir. Bu mekanizma

25

sonunda tane gerilme yönünde uzayarak, aksi yönde ise küçülmeye çalışarak plastik şekil değişimine uğrar. Şekil 2.23 yayınma sürünmesini şematik olarak göstermektedir.

Şekil-2.23 Yayınma sürünmesinin şematik gösterimi.

3. METALLERİN PLASTİK DEFORMASYONU

Çekme deneyi, metallerin mekanik özelliklerinin incelenmesi ve deformasyon sırasında malzemede meydana gelen elastik ve plastik şekil değişiminin gözlemlenmesinde kullanılmaktadır. Deneylerle elde edilen gerilme-şekil değiştirme eğrileri malzemelerin mekanik davranışları ile ilgili çok yararlı bilgiler sağlarlar.

Plastik deformasyon daha önceki konulardanda anlaşılacağı gibi birçok paramatreden etkilenebilmektedir. Örnek olarak kristal yapıdaki kusurlar, malzemenin kimyasal komposizyonu, tane ebadı, deformasyon sıcaklığı ve deformasyon hızı plastik deformasyonu etkileyen önemli faktörlerdir. Bu bölümde önce gerilme ve şekil değiştirme kavramları tanıtılacak, sonra bunlar arasındaki ilşkileri saptayan deneylerle deney sonuçlarının değerlendirilmesi ele alınacak.

26

3.1. Gerilme Şekil Değişiminin Tanımları

Malzemelerin plastik davranışları incelenirken parça boyutlarından soyutlamak için kuvvet yerine kuvvet şiddeti anlamına gelen gerilme, boyutlarda oluşan değişmeler yerine şekil değiştirme oranı göz önüne alınır. Gerilme birim alana etkiyen kuvvettir, şekil değiştirme oranı da birim boydaki artıştır. Gerilme etkisinde malzemelerin boyutları değişir; çekme halinde boy uzar, en daralır; basınç etkisinde tersi olur, kayma etkisinde ise yalnız açılar değişir. Boyutlardaki değişme şekil değiştirme oranı ile belirtilir. Bunun için son boy l den ilk boy l0 çıkartılır ve ilk boya bölünür, sonuçlar % olarak belirtilir.

Şekil-3.1. Çekme, basma ve kayma etkisinde boyut değişmeleri.

Çekme etkisinde şekil değiştirmeler (şekil-3.1a): Eksenel şekil değiştirme:

a = (l-l0)/l0 = l/l0  100 %

Yanal şekil değiştirme :

y = (d-d0)/d0 = d/d0  100 %

Basınç etkisinde şekil değiştirmeler (şekil-3.1b): Eksenel şekil değiştirme:

a = (h-h0)/h0 = h/h0  100 %

Yanal şekil değiştirme :

y = (d-d0)/d0 = d/d0  100 %

Küçük gerilmeler altında lineer elastik malzemelerde yanal şekil değiştirme y, eksenel şekil değiştirme a ile orantılıdır ve orantı katsayısına Poission oranı () denir.

 = -y/a

27

 bir pozitif malzeme sabitidir a0, y0 olduğundan yukarıdaki denklemde yerine konursa 0 elde edilir. Basit kayma etkisinde ana boyutlar değişmez, yalnız açılar değişir. Kayma şekil değiştirmesi dik açılardaki değişmenin tanjantı ile belirtilir. Buna göre kayma şekil değiştirmesi, tan  = x/h  100 %.

3.2. Gerilme Şekil Değiştirme Bağıntıları

Malzemeler düşük gerilmeler altında çoğunlukla lineer elastik davranış gösterirler. Lineer elastik davranışta şekil değiştirmeler tersinir olup gerilmeler orantılıdır. Bu davranış aşağıdaki Hook kuralı ile ifade edilir.

 = E

Burada E elastisite modülüdür (Young’s modulus), tanım olarak birim uzama için uygulanması gereken gerilmedir. Elastik bölgede malzemeler yay gibi davranır, dolayısıyla elastisite modülü de yay katsayısı niteliğindedir. Elastisite modülü malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç anlamına da gelir. Örneğin çeliğin elastisite modülü alüminyumunkinin 3 katı kadardır. Buna göre aynı boyutta alüminyum ve çelik çubuklara eşit yük uygulanırsa alüminyum çelikten 3 kat daha fazla uzar.

Lineer elastik malzemelerde  kayma gerilmesi ile kayma şekil değiştirmesi orantılıdır ve G orantı katsayısına kayma modülü denir. Kayma modülünün birimi N/mm2 dir.

 = G

Yukarıda gerilme-şekil değiştirme bağıntıları hakkında temel bilgiler verildi. Aşağıda bu bağıntıların saptanmasında en yararlı bilgileri veren çekme deneyi ayrıntılı olarak ele alınacak, daha sonra bu deney sonuçlarının değerlendirilmesine geçilecektir.

28

3.3. Çekme Deneyi (Tensile Testing) ve Çekme Etkisinde Davranış

Kırılgan malzemeler uygulanan stress altında plastik deformasyona uğramadan birden bire (cam) yada yavaş yavaş (çimento) kırılma gösterirler. Mühendislik malzemelerin bir çoğu bu tip kırılgan malzemelerden farklıdırlar, çünkü uygulanan stress karşısında plastik deformasyona

uğrayarak

şekillerini

değiştirebilirler.

Bu

yüzden

mühendislik

malzemelerin ne zaman ve nasıl plastik deformasyona maruz kaldığının bilinmesi malzeme seçiminde çok büyük bir önem arz etmektedir ve çekme deneyi de bu önemli bilgilerin elde edilmesinde çok geniş olarak kullanılmaktadır.

Çekme deneyi genellikle yuvarlak veya dikdörtgen kesitli çubuklar üzerinde yapılır. Şekil-3.2 standart çekme deneyi parçalarından birkaçını örnek olarak göstermektedir. Şekilde gösterilen çekme deneyi parçaları İngiliz standardı B18 e göre örneklenmiştir.

Şekil-3.2. Çekme deneyi parçaları (a) yuvarlak (b) düz (c) delikli düz (d) yuvarlak dişli.

Şekil-3.3 ise bir çekme deneyi makinasını şematik olarak göstermektedir. Burada tensile test parçası bir piston yardımıyla çekilir ve pistona etkiyen yük ölçülür. Ayrıca parçanın üstüne tesbit edilen bir extansometre ile de uzamalar ölçülür.

29

Şekil-3.3. Çekme deneyinin şematik olarak örneklenmesi.

3.3.1 Gerilim Uzama Diyagramı

Şekil-3.3 de görüldüğü gibi çekme deneyi parçasına uygulanan F yükü etkisinde oluşan gerilme :  = F/A0. Kesit alan: A0 = d02/4. Bu yük altında ilk boyu l0 olan kısımda oluşan uzama l dir. Şekil değiştirme oranı (birim boydaki artış):  = (l-l0)/l0 = l/l0.

Yükü kademe kademe artırarak elde edilen gerilmelerle şekil değiştirmelerin değişimi şekil-3.4 deki gibi gerilim şekil değiştirme diyagramıyla gösterilir. Cisimlerin büyük bir çoğunluğunda düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik yani tersinedir. Bu bölgede yük uygulanınca extansometre ibresi bir artış gösterir, yük kalkınca geri döner. Başlangıçta diyagram doğru şeklindedir, yani gerilmeler şekil değiştirmeler orantılıdır. Bu orantı sabitine elastisite modülü (E) denir. Gerilmelerle şekil değiştirmelerin orantılılığını gösteren  = E bağıntısına daha öncede beriltildiği gibi Hook kuralı denir ve yalnız linear elastik şekil değiştirmeler için geçerlidir. Şekilde elastik bölgeyi A dan Bye kadar olan kısım temsil etmektedir.

30

Şekil-3.4. Düşük karbonlu bir çeliğin gerilme-şekil değiştirme eğrisi.

Üst akma noktasında dislokasyonların hareketi arayer atomları (Cottrell atmosfer) tarafından engellenmektedir. Fakat daha sonra uygulanan kuvvetin etkisiyle yeni dislokasyonlar meydana gelir ve kuvvette bir düşme görülür. Plastik olarak deformasyona uğramış bölge akma uzamasının (Luders bands) oluşumuyla genişler. Bu anlatılanlar, gerilme şekil değiştirme diyagramında belirtilen B-C kısmını temsil etmektedir. B noktasındaki yük malzemenin orjinal kesit alanına bölünürse (a = F/A0) malzemenin akma noktası bulunmuş olur.

Grafikteki C-D kısmında uygulanan kuvvetle uzama orantılı değildir. Kuvvet kaldırıldığında malzeme artık plastik olarak deformasyona uğradığından eski şekline dönmez. Bu bölgede dislokasyonların yoğunluğu artarak malzemede çalışma sertleşmesi meydana gelir.

D noktası malzemenin maksimum çekme dayanımını (ultimate tensile strength, UTS) temsil etmektedir. D noktasındaki yük malzemenin orjinal kesit alanına bölünürse (ç = F/A0) malzemenin maksimum çekme dayanımı bulunur.

Kuvvet artırılmaya devam edilirse uygulanan kuvvet maksimum değerine ulaşınca (Fm) artış durur, sonra azalmaya başlar (D-E) ve bu anda çubuğun bir bölgesinde kesitin

31

daraldığı, yani büzüldüğü görülür. Maksimum kuvvete kadar olan gerilmeler üniformdur, silindir biçimindeki parça boyca artıp çapça daraldığı halde silindir biçiminde kalır. Büzülme başladıktan sonra yalnız bu bölgede ek uzamalar oluşur, kesit gittikçe daralır, diğer bölgelerde ise uzama olmaz, dolayısıyla uzamalar üniform değildir. Büzülen bölgedeki uzamaları oluşturmak için daha az kuvvet gerektiğinden kuvvet düşmeye başlar sonunda E noktasında parça koparak ikiye ayrılır. Gerçekte büzülmenin oluştuğu bölgedeki çap ufaldığından, uygulanan kuvvet buradaki kesit alana bölünürse yükün düşmediği yani arttığı görülür.

3.3.2 Doğru Gerilme ve Şekil Değiştirme

Şekil-3.4 de gösterilen eğri gerilme ve şekil değiştirme eğrisidir. Gerek gerilmeler gerekse şekil değiştirmeler ilk boyutlara göre hesaplanmaktadır. Gerçek değerlerin o andaki boyutlara göre hesaplanması gerekir. Gerçek gerilme şekil değiştirme eğrisi kesikli eğri halinde gösterilmiştir.Gerçek değerler şekil değiştirme süresinde cismin hacminin sabit kalması varsayımından yararlanarak kolaylıkla bulunabilir.

Gerçek gerilme =  = N/A

Burada N o anda uygulanan kuvvet, A gerçek kesit alandır. İlk hacim: V0 = A0  l0, son hacim: V = A  l dir. l0 çubuğun ilk boyu, l ise ölçme anındaki boyudur. Hacmin değişmemesi varsayımından, V = V0 = A0  l0 = A  l dir. Buradan: A = A0.l0/l olarak yazılabilir. Bu değer gerilme denklemlerinde yerine konursa:

g 

 l  l  N l   l       0 A 0 l0 l  0 

Bu bağıntıdan görüleceği gibi gerçek gerilmeler görünen gerilmelerden büyüktür. Gerçek şekil değiştirme dg, boydaki küçük l artışı o andaki l boyuna bölünerek bulunur.

d g 

l l

32

Toplam gerçek şekil değiştirme bu bağıntıyı entegre ederek elde edilir,

g  

l

l0

 l l  ln  l  l0

 A  g  ln   A0

   ln 1    

  

Gerçek gerilme g nin görünen  gerilmesinden büyük, gerçek şekil değiştirme g nin ise görünen şekil değiştirme  den daha küçük olduğu kolayca görülebilir. Deneyle saptanan görünen gerilme-şekil değiştirme eğrisinden hesapla nokta nokta gerçek gerilme şekil değiştirme eğrisi elde edilebilir.

Uygulamada sistemler elastik bölgede çalıştırılır, dolayısıyla şekil değiştirmeler çok düşüktür ve çoğunlukla %0.2 den azdır. Diğer taraftan proje mühendisleri hesaplarını şekil değiştirmemiş sistemlere göre yaptığından görünen gerilme şekil değiştirme eğrileri yeterli bilgi sağlar.

3.4. Çekme Deneyi Sonuçlarının Değerlendirilmesi

Mekanik davranış yönünden malzemeler iki sınıfa ayrılırlar: a) Gevrek malzemeler, b) Sünek malzemeler.

3.4.1. Gevrek Malzemeler

Elastik sınırda plastik şekil değiştirmeden aniden kırılırlar. Gerilme şekil değiştirme eğrileri eğik doğru biçimindedir. Bunlarda elastik sınır, akma gerilmesi ve çekme mukavemeti eşittir. Büzülme oluşmaz ve pek az bir enerji ile kırılır. Şekil-3.5 (i) de kırılgan bir malzemenin (cam gibi) gerilme şekil değiştirme diyagramını göstermektedir.

33

Şekil-3.5. Bazı malzemelerin gerilme şekil değiştirme eğrileri T = çekme dayanımı, B = kırılma dayanımı, Y = akma dayanımı ve P = proof dayanımı.

3.4.2 Sünek Malzemeler

Önemli ölçüde plastik şekil değiştirmeden sonra büzülerek kırılırlar. Kırmak için oldukça büyük enerjiye ihtiyaç vardır, toklukları yüksektir. Gerilme şekil değiştirme diyagramları başlangıçtaki doğrusal kısımdan sonra yatıklaşarak eğri biçimini alırlar. Çalışma sertleşmesine maruz kalmış, ısıl işleme uygun malzemeler yüksek dayanımlı fakat şekillendirilebilme özelliği düşüktür. Bu tip malzemeler şekil-3.5 (ii) de görüldüğü gibi kısmen şekillenebilme özelliği gösterirler.

Bu arada az karbonlu yumuşak çeliğin gerilme şekil değiştirme diyagramı oldukça ilginçtir. Şekil-3.5 (iii) de görüldüğü gibi belirgin bir akma basamağı vardır. Akma sınırına gelince gerilim biraz azalır, akma sürecinde yaklaşık sabit kalır, akma bitince tekrar artar. Akmanın başladığı gerilmeye üst akma, bittiği gerilmeye alt akma sınırı denir. Akmanın başlangıcında şekil değiştirme %0.2 olmasına karşın akma basamağının boyu yaklaşık %2 kadardır. Yüzeyi parlatılmış bir yassı çelik çubuğun yüzeyinde akma başlangıcında akma çizgileri açıkça görülür. Akma eksene 45 açı yapan düzlemler boyunca etkiyen maksimum kayma gerilmeleri doğrultusunda oluşur. Yerel olarak

34

başlayan akma parça boyunca yayılıncaya kadar gerilme değişmez. Akmadan sonra gerilmeler artar, eğri yükselerek yatıklaşır, bir maksimuma erişince büzülme başlar ve eğri azalarak kopma noktasında sona erer.

Şekil-3.5 (iv) de görüldüğü gibi arı aluminiyum plastik şekil değiştirdikten sonra kopma noktasında çok büzülür ve kesit sıfıra yaklaşır, %100 e yakın büzüldüğünden tam sünek malzeme sayılır. Bakır, bakır alşımları, aluminyum alaşımları ve çeliklerin çoğu önce plastik şekil değiştirirler, biraz büzüldükten sonra koparlar.

Çekme deneyi ile elde edilen süneklik ve mukavemetten başka üçüncü önemli özellik tokluktur. Bazı uygulama alanlarında tokluğu yüksek malzemelere gerek vardır. Şekil-3.6 da çeliklerde gerilim şekil değiştirme eğrilerinin C oranına bağlı olarak değişimleri görülmektedir.

Şekil-3.6. Çeliklerde C oranına bağlı olarak gerilme-şekil değiştirme eğrileri.

%0.1 karbonlu yumuşak çeliğin mukavemeti düşük olmakla beraber tokluğu çok büyüktür, çarpma halinde büyük enerji yuttuktan sonra kırılırlar. Yüksek karbonlu çeliklerin mukavemeti büyük, fakat tokluğu çok azdır. Bu çelikler aşırı zorlanmaya maruz parçaların üretimine elverişlidir.

Örnek Problem:

12 mm çaplı bir prinç çubuk 470 N da kopuyor ve çapı 12 mm den 7.4 mm ye düşüyor.

35

a) Pirincin gerçek kopma mukavemetini, b) Görünen kopma mukavemetini, c) Büzülme oranını (% kesit daralması) bulunuz.

3.5. Anelastik Davranış

Elastik davranış gösteren katılarda, gerilim şekil değiştirme birbiriyle orantılı olduğu kabul edilir, fakat pratikte elastik şekil değiştirme uygulanan gerilimle birlikte zamana bağlıdır. Şekil değiştirmenin zamana bağlı olarak ve gerilmenin arkasında kalarak oluşması anelastisite olarak bilinmektedir. Şekil-3.7 de görüldüğü gibi elastik sınırlar içerisinde uygulanan gerilme karşısında test parçası orantılı olarak belli bir noktaya kadar elastik şekil değişimine uğrar (e). Bu noktadan sonra şekil değişimi kademeli olarak sabit bir değere kadar (e+an) yükselir. Gerilim parçanın üzerinden alındığında parça tekrar eski konumuna döner, fakat küçük bir miktar şekil değişimi kalır ve bu zamana bağlı olarak ortadan kalkar. Herhangi bir zamanda (t) düşen anelastik şekil değişimi aşağıdaki formülde ifade edilebilir.  = an exp (-t/)  gevşeme zamanı olarak bilinir. Eğer  büyükse şekil değişimi çok yavaş kaybolur.  nun küçük olması durumunda ise çok hızlı kaybolur.

Şekil-3.7. Elastik ve anelastik şekil değişimi arasındaki ilişki.

36

Dalgalı yük (cyclic loading) altındaki malzemelerde anelastik etki titreşmenin miktarında bir düşmeye neden olur ve iç sürtünmeden dolayı bir enerji açığa çıkarak yok olur. İç sürtünme (internal friction) genellikle burulma sarkacı (torsional pendulum) tarafından ölçülür. Küçük bir ağırlık hassas sıcaklık ayarı yapılabilen bir fırının içindeki tel halindeki ince bir test parçasının ucuna asılır. Ağırlık ve test parçası elastik limit içerisinde burulur ve ardından serbest bırakılır. Burkulmadan sonra parçanın hareketi zamanla düşer ve bu kaydedilir. Şekil değişiminin gerilimi arkasından takip etmesiyle meydana gelen açı  olarak adlandırılır ve tan  iç sürtünmenin (internal friction) ölçümüdür. Burulmadan sonra parçanın hareketi düşerken bir sinüs eğrisi meydana gelir ve bu sinüs eğrisinin büyüklük oranı logaritmik düşme olarak adlandırılır ve tan  küçük olduğunda aşağıdaki eşitlik geçerlidir.

tan  

log dusme  Q 1 

Karbon ve azot atomunun oturduğu oktahedral boşluklar birim kafesin köşelerinin ve yüzeylerinin merkezlerindedir. Şekil-3.8 de görüldüğü gibi eğer herhangi bir stress 100 doğrultusunda uygulandığında, oktahedral boşluklar z doğrultusu boyunca uzarken x ve y doğrultularında büzülür. Z doğrultusu boyunca uzayan oktahedral boşluklar arayer atomları için uygun bir yer teşkil eder ve eğer sıcaklık uygunsa arayer atomları bu boşluklara hareket eder. Hareket eden atomların sayısı arttıkça Q-1 değeride artar. Uygulanan stressin süresi hareket zamanına eşit olduğu zaman maksimum iç sürtünme elde edilir. Oda sıcaklığında Q-1 maksimum değeri 1 saniye sarkaç süresine eşittir. Oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda atomlar sarkaçın titreşimine karşın sıcaklığın düşük olmasından dolayı hareket edemez, buna rahmen yüksek sıcaklıklardada çok hareketlidirler.

37

Şekil-3.8. Uygulanan gerilim karşısında karbon atomlarının uygun olan oktahedral boşluklarına hareketi.

4. METAL VE ALAŞIMLARINDA DAYANIM ARTIRICI MEKANİZMALAR

Uygulamada belirli bir yükü mümkün olduğu kadar az malzeme ile taşımak hem hafiflik ve hemde maliyet yönünden önemlidir. Bu nedenle daima elde mevcut malzemelerin mukavemetini artırma yolları aranmıştır. Endüstride uzun yıllardan beri nedenini bilerek veya bilmeyerek çeşitli yöntemler geliştirilmiş, bunlara dayanarak malzemelerin mukavemeti artırılmıştır. Örneğin çelikleri sertleştiren su verme işlemi asırlar önce uygulanmaya başlamış, bu işlemin teorik açıklaması ancak geçen asrın sonunda metalografi bilimi geliştikten sonra yapılabilmiştir.

Malzeme biliminde dayanım, malzemenin plastik şekil değişimine karşı göstermiş olduğu direnç olarak tanımlanmaktadır. Bundan önce bahsedildiği gibi metallerde plastik şekil değişimi olayı esas olarak, dislokasyon adını verdiğimiz çizgisel kusurların kristal içinde ilerlemesiyle meydana gelmektedir. Dolayısıyla dayanım, sertlik, süneklik gibi mekanik özellikler, metallerin iç yapılarındaki dislokasyonların gerek yoğunluğu, gerekse hem kendileri, hemde diğer kusurlarla olan etkileşimleri ile açıklanma yoluna gidilmiştir.

38

Metallerin iç yapılarında bulunan dislokasyonların hareketini zorlaştıracak veya engelleyecek her türlü etken malzemede dayanım artışına yol açacaktır. Bunun tersi olarak dislokasyon hareketlerini kolaylaştırıcı etkenler de dayanım düşürerek plastik şekil değişiminin daha kolay gerçekleşmesine olanak sağlayacaktır.

Metallerde dayanım artışını sağlayan kristal yapıdaki dislokasyon hareketlerinin zorlaştırılması uygulamada başlıca şu mekanizmaların çalıştırılmasıyla gerçekleştirilebilmektedir: a) Alaşım sertleşmesi b) Çökelme sertleşmesi c) Dispersiyon sertleşmesi d) Deformasyon (çalışma) sertleşmesi e) Tane boyutunu küçültme ile oluşan sertleşme f) Deformasyon yaşlanması sertleşmesi (statik ve dinamik)

4.1. Alaşım Sertleşmesi

Kimyasal bileşimin değiştirilerek dayanımın artırılması işlemidir. Alaşım elementinin saf metal içinde çözünerek tek fazlı bir yapı oluşturması durumunda Katı Çözelti Sertleşmesi (Solid Solution Hardening). İkinci bir faz oluşturması durumunda İkinci Faz sertleşmesi (Second Phase Hardening) adını almaktadır.

4.1.1. Katı Çözelti Sertleşmesi

Katı çözelti sertleşmesine neden olan çözeltiler Arayer ve Yeralan (ikame) olmak üzere iki çeşittir. Arayer katı çözeltisi, çözünen atomların (solute atoms) çözen kafes (solvent lattice) atomlarına göre çok daha küçük olduğu durumlarda, kafes içindeki atomlar arası boşluklara yerleşmesiyle gerçekleşmektedir. Kafes yapısındaki boşluk veya aralıklar çok dar olduğundan, ancak yarıçapları 1 Å’dan daha küçük olan atomlar arayer katı çözeltisini oluşturabilirler. Örnek olarak karbonun (C) -Fe içinde çözünerek oluşturduğu katı çözelti gösterilebilir.

39

Çözünen atomların kristal yapıda, çözen atomların işgal etmesi gereken yerlerde bulunması durumunda ikame veya yeralan katı çözeltisi oluşur. Örneğin, Ag-Au sisteminde gümüş (Ag), altın (Au) atomlarının yerini alabilir veya altının YMK yapısı değişmeden altın atomları gümüş atomlarının yerini alabilir. Ag-Au sistemindeki bütün alaşımlar YMK yapıya sahip olup, gümüş ve altın atomları kafes yapısında rastgele dağılırlar.

Alaşım

sistemlerindeki

çözünme

aralığını

kontrol

eden

faktörler

Hume-Rothery tarafından belirlenmiştir. Bu faktörler aşağıda verilmektedir.

a) İki elementin birbiri içerisinde tam olarak çözünebilmesi için kristal kafes yapılarının aynı olması gerekir. b) Çözünen (solute) ve çözen (solvent) atomların boyutları arasındaki fark % 15’i geçmemelidir. c) İki metalin bir birine karşı kimyasal çekicilikleri (elektronegativite) arttıkça, katı çözelti oluşturma durumları zorlaşır ve bileşik oluşturma meyli artar. Genelde, elementler periyodik tabloda birbirinden uzaklaştıkça kimyasal çekicilikleri artar. Bu nedenle katı çözelti oluşturmak için elementlerin periyodik tabloda birbirlerine yakın olmaları gerekir. d) Çözünen ve çözen metal atomlarının valans seviyelerin aynı olması durumunda da her oranda çözünerek katı çözelti yapma imkanı vardır.

Katı çözeltiler saf metallere göre daha yüksek dayanıma sahiptirler. Çünkü çözünen ve çözen atomlar arasındaki boyut farklılığı sonucunda oluşan kafes çarpılmaları iç gerilmeleri

doğurmakta,

buda

dislokasyonların

kristal

içinde

hareketlerini

zorlaştırmaktadır. Yer alan ve ara yer katı çözeltisi oluşumu sırasında meydana gelen kafes çarpılmaları şekil-4.1’de şematik olarak verilmiştir. Söz konusu distorsiyon, dislokasyonların kayma düzlemleri üzerindeki hareketini engelleyerek alaşımın sertlik ve mukavemetini artırır.

40

Şekil-4.1. Yeralan (a) ve arayer (b) katı çözeltisinde kafes düzlemelerinde meydana gelen çarpılmanın şematik gösterimi.

4.1.2. İkinci Faz Sertleşmesi

Katı eriyik halindeki metal alaşımları sınırlı olup ticari alaşımlar genellikle birden fazla faz içeren heterojen bir yapıya sahiptirler. İki fazlı alaşımların mikroyapıları şekil-4.2’de görüldüğü gibi farklı iki grupta toplanabilir. α

β

α

β • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

(a)

(b)

Şekil-4.2 İki fazlı alaşımların mikroyapı çeşitleri; a) Fazların yapıda kütlesel olarak dağıldığı iki fazlı yapı ve b) Dispersiyon yapısı.

Alaşımın yapısında fazların kütlesel olarak dağıldığı durumda (şekil-4.2 a), ikinci fazın tana boyutu matris fazın tane boyutu civarındadır. Bu gruptaki alaşımlara örnek olarak, α ve β fazlarını içeren pirinç alaşımları ile ferrit ve sementit fazlarını içerençelikler

41

verilebilir. İki fazlı alaşımlarda rastlanan diğer bir mikroyapı, ikinci fazın küçük tanecikler halinde matris faz içerisinde dağıldığı yapısıdır (şekil-4.2 b). Bu durumda alaşımın mukavemeti yapı içerisinde dağılmış fazın fiziksel ve mekanik özelliklerine bağlıdır.

4.2. Çökelme Sertleşmesi (Precipitation Hardening)

Alaşımların sertlik ve mukavemeti, soğuk deformasyon veya uygun ısılişlemlerle arttırılabilir. Demir içermeyen alaşımların sertlik ve mukavemetini arttırmak için uygulanan yöntemlerin başında yaşlandırma veya çökelme sertleştirmesi işlemi gelir. Söz konusu ısıl işlem, kısmi katı çözünürlük gösteren yani solvüs eğrisi içeren ve katı çözünürlüğü, artan sıcaklıkla artan veya azalan sıcaklıkla azalan alaşım sistemlerine uygulanır. Bu sistem, sıvı durumda birbiri içerisinde her oranda, katı durumda ise kısmen çözünen metallerin oluşturduğu sistemdir. Söz konusu alaşım sistemlerine ait denge diyagramları ötektik nokta içerirler. Duralümin (Al-%4Cu) bu alaşımlara iyi bir örnek olarak verilebilir. Çeliklerin çoğu da yaşlandırma işlemi sırasında meydana gelen karbür çökelmesi sayesinde sertleştirilebilir. Çözündürme ve yaşlandırma aşamalarından oluşan yaşlandırma işlemi Şekil-4.3’de şematik olarak gösterilmiştir. Yaşlandırma sertleştirmesi için, uygun bileşimdeki bir alaşım (C) tek fazlı () bir yapı elde etmek amacıyla Tı sıcaklığına kadar ısıtılır ve alaşımdaki bütün fazların tek faz içerisinde çözünmeleri sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta bekletilir. Bu işleme çözündürme veya çözeltiye alma işlemi denilir. Çözündürme işleminden sonra alaşım hızlı soğutularak (su verme) aşırı doymuş katı çözeltisi elde edilir. Ancak, aşırı doymuşluk kararsız bir durumdur. Aşırı doymuş katı çözeltinin kararlı hale getirilebilmesi için yaşlandırma işlemi uygulanır. Yaşlandırma işlemi, ya oda sıcaklığında veya oda sıcaklığı ile solvüs çizgisi arasındaki bir sıcaklıkta gerçekleştirilir. Oda sıcaklığında yapılan yaşlandırmaya doğal yaşlandırma, oda sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda yapılan yaşlandırmaya ise yapay yaşlandırma denilir.

42

Şekil-4.3. Çözündürme ve yaşlandırma aşamalarını içeren çökelme sertleşmesi işlemini gösteren şematik diyagram Yaşlandırma işlemi; hazırlık devresi, yaşlandırma devresi ve aşırı yaşlandırma devresi olmak üzere üç aşamayı içerir. Kuluçka devresi de denilen hazırlık devresinde fazlalık atomlar biraraya gelip kümeleşerek, ilk embriyonu meydana getirirler. Yaşlandırma aşamasında ise çekirdekleşme mekanizması daha etkin hale gelir, yani fazlalık atomlar  fazının çekirdeklerini oluştururlar. Yaşlandırma devresinde oluşan ara kristal yapısı veya geçiş kafesi, matrisin kafes yapısı ile bağdaşıktır. Bu dönemde çökelen faz (), matrisden farklı bir kafes parametresine sahiptir. Bu fazın, matris yapısına bağdaşık olması nedeniyle matrisin kafes yapısında çarpılma veya distorsiyon meydana gelir. Kafes yapısında meydana gelen çarpılmanın dislokasyon hareketlerini engellemesi nedeniyle, bu aşamada alaşımın sertlik ve mukavemeti bu dönemde hızlı şekilde artar. Yaşlandırma sırasında meydana gelen çökelme aşamaları Şekil-4.4’de görülmektedir. Çözündürme ve su verme işleminden sonra değişik sıcaklıklarda yaşlandırılan alaşımların sertliğinin ve akma mukavemetlerinin yaşlandırma süresine göre değişimini gösteren eğriler, Şekil-4.5’de verilmiştir. Al-%4Cu alaşımının {düralümin) akma mukavemetinin değişik yaşlandırma sıcaklıklanndaki yaşlandırma süresine göre değişimini gösteren eğriler de Şekil-4.6’da görülmektedir.

Yaşlandırma döneminde, çökelen fazın kendi kafes yapısını oluşturarak matris kafes yapısından ayrılması sonucunda, matris yapısı ile bağdaşıklık durumu ortadan kalktığından, matris yapısındaki distorsiyon azalır. Distorsiyonun gittikçe azalması

43

nedeniyle alaşımın sertlik ve mukavemetinde azalma meydana gelir. Alaşımın sertlik ve mukavemetinde azalmanın meydana geldiği devreye aşırı yaşlanma devresi denilir. Devrede, çökeltiler mikroskop altmda görünür hale gelir. Yaşlandırma işlemindeki etkin mekanizma çekirdekleşme ve büyümedir, mekanizma da difüzyona bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda difüzyon hızı düşük olduğundan çekirdekleşme hızı da nispeten düşük olur. Ancak, yaşlandırma süresi arttıkça oluşan çekirdek sayısı arttığından, uzun süreli yaşlandırma sonucunda daha yüksek sertlik değerleri elde edilir. Yüksek sıcaklıklarda ise difüzyon hızı yüksek olduğundan, hem çekirdekleşme hızı ve hem de büyüme hızı yüksek olur. Bu nedenle, yüksek sıcaklıklarda yapılan yaşlandırma işleminde kısa sürede meydana gelen tane büyümesinden dolayı alaşımın sertlik ve mukavemeti azalır.

Şekil-4.4. Düzenli bir çökeltinin oluşma aşamaları; (a) aşırı doymuş katı çözelti, (b) katı çözelti ile bağdaşık olan geçiş kafesi ve (c) katı çözeltiden esasta bağımsız olan kararlı çökelti.

44

Şekil-4.5. Aşırı doymuş katı çözeltinin sertliğinin değişik sıcaklıklardaki yaşlandırma süresine göre değişimini gösteren eğriler.

Şekil-4.6 Al-%4Cu (duralümin) alaşımının akma mukavemetinin, değişik yaşlandırma sıcaklıklarındaki yaşlandırma süresine göre değişimini gösteren eğriler

Yaşlandırma sırasında aşırı doymuş durumdaki alaşımların özelliklerinde meydana gelen değişimleri gösteren eğriler Şekil-4.7’de verilmiştir. Yaşlandırma sırasında meydana gelen çarpılma nedeniyle alaşımların sertlik ve mukavemeti artar. Buna karşılık, elektriksel iletkenlik ile süneklik değerleri azalır. Aşırı yaşlandırma döneminde ise çarpılmadaki azalmaya bağlı olarak, sertlik ve mukavemet azalırken, elektrik iletkenliği ve süneklik belirli ölçülerde artar.

45

Şekil-4.7. Yaşlandırma sırasında aşırı doymuş durumdaki alaşımların özelliklerinde meydana gelen değişmeleri gösteren eğriler.

4.3. Dispersiyon sertleşmesi

Bu mekanizma prensip olarak çökelme sertleşmesinin aşırı yaşlandırılmış durumuna çok benzemekle birlikte, esas olarak ikinci faz parçacıkları yerine makro-partiküllerin matris fazında fiziksel olarak dağıtılmasından ibarettir. Dayanım bu partiküllerin dislokasyon hareketlerini engellemeleri neticesinde artış göstermektedir. Ancak partiküller ile kafes arasında bir bağdaşıklığın söz konusu olmaması nedeniyle bu artış düşük seviyelerde gerçekleşmektedir.

Alaşımın mekanik özellikleri partiküllerin boyutuna, şekline, hacimsel oranına, dağılımına ve matris faz ile uyumuna bağlı olarak değişmektedir. Bu tür uygulamalara örnek olarak aluminium içine karıştırılan Al2 O3 (Alümina) partikülleri ve nikel içine katılan ThO2 (Thoria) gösterilebilir. Özellikle partiküllerin yüksek sıcaklıklarda dengeli durum

gösterenleri

(sıcaklıktan

kolay

etkilenmeyenler)

kullanıldığında

yüksek

sıcaklıklara dayanıklı metal yapılar elde etmek mümkün olmaktadır.

Gerek çökelti, gerekse parçacıklarla yapılan sertleştirmelerde özetle şu faktörler göz önünde bulundurulmalıdır:

46

1. Parçacık veya çökeltinin sertliği: Sert veya kesilemeyen parçacık veya çökeltiler dayanımı daha çok artırır. 2. Parçacık veya çökeltinin şekli: Küresel tipteki parçacıklar dayanımı en alt düzeyde arttırır, disk veya çubuk şeklinde olanların katkısı daha fazladır. 3. Parçacık veya çökeltilerin büyüklüğü: Küçük parçacıkların yarattığı sertlik büyük boyutta olanlara göre daha fazladır. 4. Parçacık veya çökeltilerin hacimsel oranı: Kritik bir değere kadar artan oranlardaki parçacık ve çökeltiler dayanımı arttırıcı fonksiyona sahiptir. 5. Parçacık ve çökeltilerin yapıdaki dağılımı: Eğer bunların yapıdaki dağılımı homojense ve birbirleri arasındaki mesafeler küçükse dayanım daha yüksek oranda artar.

4.4. Deformasyon (Çalışma) Sertleşmesi (Workhardening)

Deformasyon kayma yada ikizlenme mekanizmasıyla başladığında, deforme edilen metal sertleşerek dayanımında bir artış gözlenir. Bu durumdan sonra deformasyona devam edilirse uygulanan gerilim karşısında malzeme dayanamaz ve kırılır. Bu aşamada malzemenin sertliği ve çekme dayanımı en yüksek değerlere ulaşırken, şekillendirilebilme özelliği minimumdur. Plastik şekil değişimi yapıda pekleşmeye (strain hardening) neden olur. Bu işlem hem yeni dislokasyonların doğması, hemde bunların hareketleriyle ilgilidir. Plastik şekil değişimine uğramamış, tavlanmış durumdaki bir metalin iç yapısındaki dislokasyon yoğunluğu 106 adet/cm2 mertebelerinde olup soğuk plastik şekil değişimi sonrasında bu değer 1012 adet/cm2 mertebelerine ulaşabilmektedir. Yoğunluğu artan dislokasyonlar gerek birbirleriyle gerekse başka engellerle etkileşimi neticesinde pekleşme ve buna bağlı olarak da dayanımda artış meydana gelmektedir. Dislokasyonların hareket edemediği yani pekleşme hızının sıfır olduğu durumda metal uygulanan gerilimi taşıyamaz ve kırılır. Soğuk işlemde deformasyon miktarına bağlı olarak malzemenin mekanik özelliklerindeki değişim Şekil-4.8’de görülmektedir.

47

Orijinal yapı

Soğuk deforme edilmiş

Soğuk def. Yeniden Yeniden Yeniden Kısmi Tane olmuş ve kristall. Kristall. Kristall. tane büy. toparlanmış başlaması devamı tamam. büyümesi

Şekil-4.8. Soğuk işlem oranının ve soğuk işlemden sonraki tavlama sıcaklığının mekanik özellik ve mikroyapıya etkisi.

Soğuk deformasyon sırasında malzemenin taneleri şekil değişimi yönünde uzayarak bozulur. Tanelerde dislokasyon yoğunluğunun artmasının yanında birçok atom boşluğuda meydana gelir. Bunların ilerleyen deformasyonla birlikte dahada artması neticesinde mikro çatlaklar oluşur. Dolayısıyla metalik malzemelerin soğuk şekillendirilebilme yeteneği, artan şekil değişiminin sünekliği sıfıra indirmesi neticesinde sona ermektedir. Bunu önlemek ve daha ileri boyutlarda soğuk şekil değişimlerine olanak sağlamak amacıyla tav işlemi (annealing) uygulanır. Bu işlem ile bozulmuş yapıya şekil değişimi öncesindeki yapı tekrar kazandırılır. Isıl aktivasyonun katkısıyla dislokasyonlar uygun konumlara gelerek bir birlerini yok ederler ve daha alt enerji düzeyindeki yapılara dönüşürler. Soğuk şekil değişiminin etkilerini yok etmek amacıyla yapılan bu tavlama işlemi uygulanan sıcaklığın seviyesine göre üç bölümden oluşur:

48

4.4.1. Toparlanma (Recovery or the Relieve of Stress)

Toparlanma atomların çok fazla hareket edemediği düşük sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Soğuk şekil değişimi gören malzeme yapısındaki dislokasyonlar daha düşük enerjiye sahip oldukları Poliganizasyon adı verilen bir düzene girerler. Bu işlem sonunda yapıdaki dislokasyon yoğunluğu değişmemekte, ancak bu dislokasyonlar yeniden düzenlenmiş olmaktadır. Dolayısıyla malzemenin sertliği ve çekme dayanımı yüksek seviyededir.

4.4.2. Yeniden Kristalleşme (Recrystallzation)

Düşük sıcaklıklardaki tavlama iç stresleri ortadan kaldırmak için kullanılmasına rahmen birçok

tavlama

işlemi

soğuk

olarak

deformasyona

uğramış

yapıların

tekrar

kristalleşmesini içermektedir. Tavlama sıcaklığı, aşırı deformasyona uğramış bir bölgede yeni bir kristalin (tanelerin) çekirdekten oluşup büyümeye başladığı bir noktaya kadar yükseltilir. Bu çekirdekleşme yüksek enerjili tane sınırlarında ve diğer dislokasyonların sıkışıp ilerleyemediği bölgelerde meydana gelir. Meydana gelen yeni kristal başlangıçta çok küçük olmasına rahmen soğuk deformasyon neticesinde distorsyona uğramış tüm yapıyı kaplayıncaya kadar yavaşça büyümeye devam eder. Oluşan kristaller soğuk deformasyona uğramış ilk yapıdaki gibi yönlenmiş değildir, eşit büyüklükte bir yapıya sahiptir.

Yeniden kristalleşmenin başladığı en küçük sıcaklık yeniden kristalleşme sıcaklığı olarak bilinmektedir. Bu sıcaklık saf metallerde en düşük değerdedir, fakat ufak miktarlarda pislikler bulunduğunda önemli derecede yükselmektedir. Kalay ve kurşun normal olarak oda sıcaklığının altında yeniden kristalleşmektedir. Bundan dolayı bunlarda çalışma sertleşmesi oluşturmak mümkün değildir, çünkü soğuk şekillendirilen malzeme işlem sırasında yeniden kristalleşmektedir.

Herhangibir malzemede yeniden kristalleşme sıcaklığını tam olarak tespit etmek mümkün değildir. Çünkü yeniden kristalleşmenin başladığı sıcaklık, soğuk deformasyon miktarıyla ilgilidir. Yüksek miktarlardaki soğuk deformasyon, yapıda sıkışan gerinim enerjisinin yüksek olmasına neden olur ve böylece yeniden kristalleşme sıcaklığı düşer. Birçok

49

metalde, yeniden kristalleşme sıcaklığı metalin ergime noktasının 1/3’ü veya yarısı kadardır (Kelvin cinsinden).

4.4.3. Tane Büyümesi

Yeniden kristalleşen taneler, tavlama sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda tavlanırsa yayınma ile zamanla büyürler. Tanelerin büyümesi, tavlama süresi ve sıcaklığa bağlıdır. Malzeme yapısında küçük ikinci faz tanelerinin bulunması tane sınırlarının hareketini kısıtlar, dolayısı ile tane büyümesini geciktirir. Tane büyümesi ile malzemenin mukavemet ve sertliğinde azalma olur.

4.5. Tane Boyutu Küçültme İle Oluşan Sertleşme

Tane boyutunu küçülterek malzemenin mukavemeti arttırılabilir. Tane boyutunu hızlı soğutma veya çeşitli termo-mekanik işlemlerle küçültmek mümkündür. Mukavemet artışı şu sebeplerle olur; i) Tane sınırları kaymayı önlerler. Dislokasyonlar tane sınırı engeli ile karşılaşınca hareket edemezler. ii) Deformasyon sırasında taneler arasında uyum sağlamak, yani bir tanedeki şekil değişimine bağlı olarak komşu tanelerin şekil değişimine zorlanması, her tane içinde kompleks deformasyon gerilmeleri doğurur. Şekil-4.9 tane sınırlarının dislokasyon hareketini engellemesini şematik olarak gösterirken, Şekil-4.10 gerçek demirli malzeme üzerinde tane sınırlarının etkisini göstermektedir.

50

slip plane in ra

B

g i gra

grain A

nb ry nda ou Şekil-4.9. Tane sınırlarının dislokasyon hareketini engellemesinin şematik gösterimi.

Şekil-4.10. Demirli malzemede dislokasyonların hareketinin engellenmesi

Tane boyutunun malzemenin mukavemetine etkisi detaylı olarak incelenmiş olup, tane boyutu ile akma gerlmesi arasındaki ilişkinin aşağıdaki bağıntı ile gösterilebileceği

51

saptanmıştır. Bu bağıntı Hall-Petch bağıntısı olarak bilinir akma dayanımının tane boyutu ile ilişkisini vermektedir.

 yield  o  k y d 1/ 2 σy : Akma dayanımı σ0 : Sürtünme gerilmesi d : Ortalama tane boyutu (çap) ky : Malzeme sabiti

Bileşiminde ağırlık olarak % 70 Cu, % 30 Zn içeren pirinç alaşımında akma gerilmesinin tane boyutu ile değişimi Şekil-4.11’de görülmektedir.

Şekil-4.11. % 70 Cu ve % 30 Zn içeren pirinç alaşımının tane boyutuna bağlı olarak akma dayanımındaki değişim.

4.6. Deformasyon Yaşlanması Sertleşmesi

Yaşlanma sertleşmesi karbon (C) ve azot (N) gibi arayer atomlarının dislokasyonların hareketini engellemesiyle metal ve alaşımların mekanik özelliklerinin değişmesine neden olan bir mekanizma olarak tanımlanabilir. Deformasyon yaşlanma sertleşmesi statik

52

deformasyon yaşlanması ve dinamik deformasyon yaşlanması olmak üzere iki kısma ayrılmaktadır.

4.6.1. Statik Deformasyon Yaşlanması Sertleşmesi

Statik deformayon yaşlanma sertleşmesi, plastik deformasyondan sonra meydana gelen yaşlanma olarak tanımlanabilir. Statik deformasyon yaşlanma sertleşmesinin etkisi, akma gerilmesinde bir artış ve uzamada bir düşüş olarak görülmektedir. Bu etkilere, hareket eden dislokasyonlar ve onları kilitleyen karbon ve azot ara yer atomlarının neden olduğu kabul edilmektedir.

Şekil 4.12’de statik yaşlanma sertleşmesi olayının temel prensibi görülmektedir. Burada; normalize edilmiş yumuşak çeliğin gerilme-uzama diyagramı şekil 4.12’deki (a) eğrisinde görülmektedir. Eğer numune akma sınırını aşıp belirli bir oranda plastik deformasyona maruz kalırsa ve çekme test cihazı durdurulup ardından fazla bekletilmeden çekme testine devam edilirse gerilme-uzama eğrisi farklı bir akma noktası göstermez ve (a) eğrisini takip eder. Ancak; numune belirli bir oranda plastik deformasyona uğradığında test cihazı durdurulur ve numune oda sıcaklığında veya oda sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda (25400C) belli bir süre bekletildikten (yaşlanma) sonra çekme işlemine tabi tutulursa; ilk akma noktasına göre daha yüksek bir akma noktası oluştuğu ve gerilme-uzama eğrisinin (b) eğrisini takip ettiği görülür.

Akma noktasındaki bu artış, statik deformasyon yaşlanma sertleşmesinin en önemli kriteri olarak kabul edilmektedir. Ayrıca statik yaşlanma neticesinde çekme dayanımında bir artış, % uzama değerlerinde ise bir azalma meydana gelebilir, fakat bunlar her zaman olmayabilir. Yaşlanma sertleşmesi olayı çeliklerin sünek/gevrek geçiş sıcaklığını, yüksek sıcaklık dayanımını, elektriksel ve manyetik özelliklerinide etkilemektedir.

53

ΔY1: Ön deformasyonla oluşturulan gerilmedeki artış ΔY2: Yaşlanma ile oluşturulan gerilmedeki artış ΔY3: Deformasyon ve yaşlanmadan dolayı gerilmedeki artış (ΔY1+ ΔY2) ΔU :Deformasyon ve yaşlanmadan dolayı UTS’deki değişim. Δe :Deformasyon ve yaşlanmadan dolayı toplam uzamadaki değişim.

Şekil-4.12. Statik yaşlanma sertleşmesinin temel prensibi.

4.6.2. Dinamik Deformasyon Yaşlanması Sertleşmesi

Dinamik yaşlanma sertleştirmesi, plastik deformasyon esnasında meydana gelen yaşlanma olarak tanımlanabilir. Dinamik yaşlanmanın düşük karbonlu çeliklerde en çok görüldüğü sıcaklık aralığı 150C–250C’dir. Bu

sıcaklık aralığında meydana gelen dinamik

yaşlanma olayı mavi kırılganlık etkisi olarak adlandırılmaktadır. Mavi kırılganlık, C ve N atomlarının yüksek sıcaklıkta dislokasyonların hareketini engellemesinden dolayı oluşmaktadır. C ve N atomu içermeyen çeliklerin çekme dayanımları 25-500C aralığında yapılan sıcak

çekme testlerinden sonra düzgün olarak düşerken; C ve N ilavesi,

100–350C sıcaklık aralığında yapılan testlerde dayanımda artış sağlamaktadır. Azot düşük sıcaklıklarda (25-200C) karbona göre daha yüksek çözünürlüğe sahip olduğundan dinamik yaşlanma sertleşmesinin oluşmasına neden olur. Fakat 200C üzerindeki

54

sıcaklıklarda

karbon,

çözünürlüğünün

artmasından

dolayı

dinamik

yaşlanma

sertleşmesinin oluşmasında başlıca rol oynar.

Yüksek sıcaklıklarda yapılan çekme testi sonucunda gerilme-uzama diyagramında görülen testere dişi (zig-zag) akma davranış ve çalışma sertleşmesi oranındaki artış dinamik yaşlanma sertleşmesinin nedeni olarak kabul edilmektedir. Ancak bazı durumlarda, testere dişi

(zig-zag)

davranış

görülmezken

yaşlanma

sertleşmesi oluşabilir.

Yapılan

çalışmalarda, karbonlu çeliklerde testere dişi davranış olmadan da yaşlanmanın oluşabileceği gösterilmiştir. Şekil 4.13’de görüldüğü gibi oda sıcaklığında yapılan çekme testleriyle, yüksek sıcaklıklarda yapılan çekme testleri kıyaslandığında; akma noktasından itibaren maksimum çekme noktası arasındaki bölgede bir dikleşme olması çalışma sertleşmesinin bir göstergesidir. Bu şekilde artan bir çalışma sertleşmesi oranı dinamik yaşlanma sertleşmesinin bir belirtisidir.

Dinamik yaşlanma sertleşmesi, çekme testi sırasında sıcaklığın etkisiyle hareket eden dislokasyonlar ile ara yer atomlarının etkileşiminden kaynaklanmaktadır. Yaşlanma, sadece dislokasyonların serbest hareketi esnasında değil, aynı zamanda bekleme süresi olarak bilinen ve dislokasyonların geçici olarak kayma düzlemindeki bölgesel engellerde tutulduğu süre boyuncada ortaya çıktığı ileri sürülmüştür.

Şekil 4.13. Dinamik yaşlanma sertleşmesi neticesinde vanadium mikroalaşım çeliğinin kuvvet-uzama diyagramında sıcaklığa bağlı olarak meydana gelen değişim.

55

C, çeliklerde yaşlanma sertleşmesine neden olmaktadır, ancak düşük sıcaklıklarda ferritte çözünürlüğünün düşük olması nedeniyle N ile karşılaştırıldığında 0–200C sıcaklık aralığında çok daha az yaşlanma sertleşmesi oluşturur. Bunun yanında çelik, östenit bölgesinden hızlı bir şekilde soğutularak karbon katı çözelitide kalmış ise; düşük sıcaklıklarda dinamik yaşlanma sertleşmesi ortaya çıkabilir. Karbon nedeniyle meydana gelen yaşlanma sertleşmesi, azot tarafından meydana gelen yaşlanma sertleşmesi kadar kolay ortaya çıkmamaktadır. Yaşlanma sıcaklığı değiştikçe bazı istisnalar olabilir, fakat düşük sıcaklıklarda bu durum oldukça geçerlidir.

5. KIRILMA MEKANİZMALARI

Katı bir cismin gerilmeler altındaki iki veya daha çok parçaya ayrılması olayı kırılma olarak adlandırılır ve genellikle gevrek ve sünek olarak iki grupta ele alınır. Sünek kırılma, çatlağın oluşması ve büyümesinde önemli ölçüde kalıcı şekil değişiminin görüldüğü kırılma türüdür. Çatlak, boşlukların oluşması ve birleşmesi ile meydana gelir ve yavaş ilerler. Kırılma yüzeyi mat ve lifli bir görünümdedir. Gevrek kırılmada ise çatlak büyük bir hızla ilerler ve kalıcı şekil değişimi önemsiz düzeylerde olur. Ayrılmalar çok taneli bir yapıda her tanenin en düşük dayanımlı kristallografik düzleminde oluşur ve kırılma yüzeyi parlak ve taneli bir görünümdedir. Gevrek kırılmanın diğer bir türüde taneler arası kırılmadır ve tane sınırlarının kırılgan bir yapıda olması halinde görülür. Şekil-5.1 Sünek ve gevrek kırılma gösteren malzemelerin makro yapısını göstermektedir.

(a)

(b)

Şekil-5.1 Metalik malzemelerin kırılma yüzeyleri, a) sünek kırılma (cup-cone, çanak-koni kuvvet kırılma yüzeyine 45o) b) gevrek kırılma (kuvvet kırılma yüzyine 90o)

56

Gevrek olarak tanıdığımız malzemelerin yanında, klasik çekme deneyinden sünek olarak tanıdığımız malzemelerde de gevrek kırılma görülebilir. Gevrek kırılmanın oluşmasına neden olabilecek faktörler arasında aşağıdaki hususlar sıralanabilir.

a) Çok eksenli gerilme durumları (çentik) b) Hızlı zorlamalar (darbe) c) Düşük sıcaklıklar

Gevrek kırılma önceden farkına varılmasına imkan olmadan ve büyük bir hızla oluştuğundan en tehlikeli kırılma türüdür. Geçmişte bu nedenle ortaya çıkan hasarların çoğu bir facia ile sonuçlanmış, ancak o yıllarda bu olaylar mühendislik tasarım hatası olarak görülmüştür. Daha sonra malzemelerin gevrek kırılma davranışlarının pek iyi bilinmediği farkedilerek, konuya büyük önem verilmiş ve asrımızın ikinci yarısında KIRILMA MEKANIĞI olarak adlandırılan yeni bir bilim dalı geliştirilmiştir.

5.1. Kırılma Mekaniği

Tüm mühendislik malzemeleri, mikroskobik boyutlarda dahi olsa, çatlak içerirler. Malzemelerin kullanım süresince bu çatlaklar ilerler, birbirleriyle birleşirler ve gözle görülebilecek boyutlara ulaşırlar. Yapıların güvenilirliğinin sağlanabilmesi için, çatlakların ne durumda ve ne zaman büyüyeceğinin, ilerleyeceğinin ve kritik boyutlara ulaşacağının incelenmesi gerekir. Bunlar, kırılma mekaniğinin temel konularıdır. Kırılma mekaniği esasen şu temel soruların cevaplandırılmasına yardımcı olur.

• Çatlak büyüyecek mi? • Bir çatlağı ilerletmek için gerekli minimum enerji nedir? • Kritik çatlak uzunluğu nedir? • Çatlak, kritik uzunluğa ne kadar zaman sonra ulaşır? • Çatlak kararsız bir şekilde ve hızlı mı, yoksa kararlı ve yavaş mı ilerleyecek? • Çatlak yavaş ve kararlı bir şekilde ilerleyecekse, hangi hızda ilerleyecek?

57

5.1.1 Kırılma Teorileri

1920 yılında Griffith’in ideal gevrek bir cisim için ortaya koyduğu kriterler krılma mekaniğinin temelini oluşturmuştur. Griffith, cisimlerin küçük çatlaklar içerdiğini ve bunların büyümesi için yeni yüzeylerin yaratılması gerektiğini, gereken enerjinin ise çatlağın büyümesi ile serbest kalan elastik enerji tarafından sağlandığını savunmuş ve ‘Bir çatlağın büyümesi ancak bu sırada serbest kalan elastik enerjinin yeni yüzey yaratmak için gerekli yüzey enerjisine eşit veya daha fazla olması halinde gerçekleşebilir’ kriterini ortaya koymuştur. Griffith tarafından önerilen eşitlik aşağıdaki gibidir.

σ = (2E γS / πc)1/2 Bu eşitlik çatlağın boyutuna (c) bağlı olarak, çatlağın ilerlemesi için gerekli olan gerilmeyi verir. Griffitin eşitliği kırılma dayanımının çatlak boyuna (c) bağlı olduğunu göstermektedir. Bu eşitlik, cam gibi kırılgan malzemelerin kırılma dayanımının belirlenmesinde başarılı bir sonuç vermektedir. Metal malzemelerde bazı durumlarda gevrek bir davranış sergilemekle beraber kopmadan önce çok azda olsa plastik deformasyon sergilerler. Bu nedenle Griffit eşitliği plastik deformasyon gösteren metal malzemelere uygulanmaz. Orowan, Griffithin eşitliğine γp (çatlağı yaymak için gerekli olan plastik deformasyon) terimini ekleyerek aşağıda belirtilen eşitliğe dönüştürmüştür.

σ = (2E (γS+ γP) / πc)1/2 ≈ σ = (E γP / c)1/2 Bu eşitlik, belli oranda plastik deformasyon gösteren malzemelerin kırılması için gerekli olan gerilmenin hesaplanmasında kullanılır. Kırılma üç aşamada meydana gelmektedir;

● Dislokasyon yığılmasını oluşturmak için plastik deformasyon uygulanması. ● Çatlakların oluşması, ● Oluşan çatlakların ilerleyerek kırılmanın gerçekleşmesidir.

58

5.1.2 Kırılma Tipleri : Mikroskopik açıdan incelendiğinde; malzemeyi meydana getiren bir tanenin kırılması, kristallografik düzlemler üzerinde veya kristallografik düzlemleri kesen atomlar arası bağın kopması yani atomlar arası kohezyon kuvvetinin sıfıra inmesi sonunda olur. Malzemelerin

kırılması

mikroskopik

açıdan

farklı

şekilde,

aşağıdaki

gibi

sınıflandırılabilir. a) Klivaj Kırılması (Cleavage Fracture) : Kırılma, klivaj düzlemleri diye bilinen belirli kristallografik düzlemler boyunca meydana gelirse, buna klivaj kırılması denir. Klivaj düzlemleri en düşük yüzey enerjisine sahip düzlemlerdir. Bu tip kırılma, klivaj düzlemine dik normal gerilmelerin kritik bir değeri aşması ile klivaj düzlemine dik atom bağlarının koparılması sonucunda olur. Tek eksenli gerilme halinde çatlak çekme yönüne dik olarak ilerleme eğilimi gösterir, bu sebeple de klivaj kırılmaları düz bir görünüm gösterir. Çok taneli malzemelerde, klivaj düzlemlerinin oryantasyonu her tanede farklı olup, bir taneden diğer taneye geçildikçe çekme doğrultusuna dik olmayacaktır. Dolayısıyla bir tane boyutundan daha büyük mesafelerde klivaj kırılması düz görünüm göstermeyecektir, tane değiştikçe yön değiştirecektir. Malzemelerin gevrek kırılması, genellikle klivaj kırılması şeklinde olur. Klivaj kırılması granüler veya kristalin bir görünüşe sahiptir, çünkü bu tip kırılma her bir tane içerisindeki bir düzlemde meydana gelir. Klivaj kırılmasında genellikle tanelerin şekli bozulmaz ve yüzeyin görünüşü düzdür, kırılma yüzeyi ışığı çok iyi yansıtır ve parlak olarak görünür. Şekil-5.2 orta karbonlu vanadyum mikroalaşım çeliğinden elde edilen klivaj kırılmayı göstermektedir.

59

Şekil-5.2 Klivaj kırılma tipi sergileyen orta karbonlu vanadyum mikroalaşım çeliği. b) Kayma Kırılması (Dimpled Rupture) : Kayma kırılması, kayma gerilmesinin kritik bir değeri aşması ile atom düzlemlerinin kayması sırasında atom bağlarının kopması suretiyle meydana gelir. Atom bağlarının kayma ile kopması sonucunda meydana gelen bu kırılma, bölgesel homojen olmayan plastik deformasyon işleminden ibarettir. Metalik malzemelerde plastik deformasyon, kaymaya karşı direnci az olan atom düzlemlerinin kayması ile meydana gelir. Bu düzlemlere kayma düzlemleri adı verilir. Metalik malzemelerde kayma çatlakları maksimum kayma gerilmesinin bulunduğu kısımlarda ilerleme eğilimi gösterir. Çatlağın takip ettiği yol yükleme şekline, iç gerilmeler meydana getiren faktörlere ve matris yapısına bağlıdır. Bu tip kopma, çatlak ilerleyişi makroskopik olarak çekme yönüne dik olduğundan normal kopma veya kırık yüzeyi görünüşü lifli olduğundan lifli kırılma adını alır. Mikroskopik olarak, çatlak çekme ekseni ile 45° lik açı yapan düzlemlerde ilerleyerek kayma kırılmasını meydana getirmiştir. Şekil-5.3 sünek kırılma davranışı gösteren çift fazlı çeliğin kırık yüzey resmini göstermektedir.

60

Şekil-5.3. Sünek kırılma davranışı sergileyen çift fazlı çelik. Kırılma, tane sınırlarından veya taneleri keserek oluş şekline göre taneler arası kırılma (intergranüler kırılma) ve taneleri keserek kırılma (transgranüler kırılma) şeklindede sınıflandırılabilir. Şekil-5.4 taneler arası kırılma ve taneleri keserek kırılma’yı şematik olarak göstermektedir.

Şekil-5.4. Taneler arası kırılma ve tanaleri keserek kırılmanın şematik gösterimi.

5.1.3. Kırılma Tokluğu

Yük altında malzemenin çatlak yayılmasına karşı direncinin sayı ile ifade edilmesidir. Aşağıdaki formülü ile gösterilir. K’ sı büyük olan malzemeler çatlak yayılmasına karşı daha dirençli olacaklardır.

K = σ (π.a)1/2

61

Kırılma tokluğunun belirlenmesinde çeşitli ölçme metodları kullanılmaktadır. Bunlardan bir tanesi plane strain (düzlem şekil değiştirme) kırılma tokluğu (K) metodu’dur. Bu deney için birkaç tip numune kullanılmasına karşılık en önemli iki tanesi, a) C-T (Compact tension) ve b) 3 noktadan eğme numunesidir. Şekil 5.5 kırılma tokluğunun belirlenmesinde kullanılan numuneleri göstermektedir. Bu numuneleri kullanarak yapılan kırılma tokluğu testinde kuvvet-çatlak açılması (P-V) eğrisi çizilir. Bu eğriler çatlağın nasıl yayıldığı konusunda bilgi verir

(a)

(b)

Şekil-5.5. Kırılma tokluğunun belirlenmesinde kullanılan numuneler, a) C-T numunesi ve b) 3 noktadan eğme numunesi.

6. MALZEMELERİN SÜRÜNMESİ

Sürünme testi, bir numuneye sabit bir yük uygulanmasıyla oluşan uzama veya gerinme miktarının zamana göre değişiminin incelenmesiyle yapılabilir. Ölçülen uzama veya birim uzamanın zamana göre değişimini gösteren eğriler çizilir. Eğri üzerinde üç bölge görülür:

a) Birinci sürünme bölgesi b) İkinci sürünme bölgesi c) Üçüncü sürünme bölgesi

Sürünme olayında iki mekanizmanın etkin olduğu düşünülmektedir. Bunlardan biri pekleşme diğeri ise toparlanmadır. Birinci sürünme bölgesinde pekleşme hızı toparlanma

62

hızından yüksektir. Sürünme hızı gittikçe azalır. İkinci sürünme bölgesinde pekleşme ve toparlanma hızları yaklaşık olarak birbirine eşittir. Üçüncü sürünme bölgesinde boyun verme başlar ve gerçek kesit alanı azalır. Yumuşama hızı pekleşme hızını geçer. Şekil değiştirme hızı numune kırılıncaya kadar sürekli artış gösterir. Tane sınırlarındaki mikro çatlaklar, boşluklar ve birçok metalürjik etkiler de bu süreci hızlandıran faktörlerdendir. Şekil 6.1; sürünme mekanizmasının gerinim ve zaman parametrelerine bağlı olarak tanımlamaktadır.

Şekil-6.1. Sürünme deneyi sonucu elde edilen sürünme grafiği.

Eğrinin herhangi bir noktadaki eğimi sürünme hızını verir. Tipik sürünme eğrisi başlıca üç bölgeden ibarettir. I. bölgede numune yükün etkisiyle aniden uzar ve öyle ki II. Bölgede bu hız minimum olup sabit kalır. III. bölgede ise, sürünme hızı tekrar artar ve neticede malzeme kopar. Yüksek gerilme ve sıcaklık, sürünme hızının artmasına sebep olurlar. Düşük deney sıcaklıklarında kopma tane içinde (transgranüler), yüksek sıcaklıklarda ise tane sınırlarında (intergranüler) olur. Her iki olayın beraber görüleceği sıcaklığa “ekikohezif” sıcaklık denir. Sürünme olayında, malzemenin şekil değiştirmesi ve şekil değişiminin sebep olduğu deformasyon sertleşmesi birbirlerine ters yönde etki ederler. Ekikohezif sıcaklığın altında, deformasyon sertleşmesi hakim olmaya çalıştığından, sürekli bir sürünme olayı ancak uygulanan gerilmenin deformasyon sertleşmesini yendiği durumlarda görülür. Belirli bir sıcaklık için bilinen sürünme

63

özelliklerinden faydalanarak, başka sıcaklıklardaki sürünme özellikleri hakkında fikir edinebilmek için Larson ve Miller bağıntısından faydalanılır. Bu bağıntının çıkarılışında sürünme olayının kinetiğinden faydalanılmıştır. Herhangi bir olayda (örneğin sürünmede) hız söyle ifade edilmiştir. Sürünme hızı = A . exp (Q/RT) Larson ve Miller bağıntısı ise şöyledir: T(C+log t) = sabit, T = mutlak sıcaklık, C = malzemeye ait sabit olup birçok malzeme için bu değer 20 dir. T = zaman'dır.

6.1. Sürünme Hasarları

Sürünme hasarları analiz edilirken çeşitli laboratuvar teknikleri kullanılmalıdır. Bunlar; a) Gözle, büyüteçle veya mikroskop ile büyüterek inceleme yapılması b) Hasar yüzeylerinden alınan optik mikroskop resimlerinin incelenmesi c) Hasar yüzeylerinden alınan elektron mikroskop resimlerinin incelenmesi d) Gerekirse tahribatsız muayene, kimyasal analiz, artık gerilme ölçümü, çeşitli fazların mikro analizi, iç yapı incelemeleri yapılmalıdır.

Şekil 6.2 uçak türbin kanadında taneler arası çatlama ve tipik sürünme deformasyonunu göstermektedir.

64

Şekil-6.2. Uçak türbin kanadında taneler arası çatlama ve tipik sürünme deformasyonunu.

7. MALZEMELERİN YORULMASI Tekrarlı zorlamalar altında malzemenin mukavemeti azalır, çekme mukavemetinin çok altındaki gerilmelerde kırılma oluşabilir. Buna neden olan yorulma olayıdır. Yorulma kırılması gevrek türde olduğundan nerede ne zaman olacağını kestirmek zordur. Geçmişte birçok kazalara neden olduğundan üzerine yoğun çalışmalar yapılmış ve halende yapılmaktadır. Bununla beraber çok değişik etkenlerin rol oynadığı bu karışık olayı yakından tanımlamakla yorulma kırılmalarını önlemek mümkündür. Yorulma kırılması yüzeyin ilginç bir görünüşü vardır. Yüzeyde çatlağın başladığı yorulma odağı ile onu çevreleyen midye kabuğunu andıran aynı merkezli eğriler ve bunların yanında taneli bir bölge görülür. Çatlak zamanla yavaş yavaş ilerlerken karşılıklı yüzeylerin sürekli birbirine sürtünmesi sonucu yorulma kırılması yüzeyi parlak görünür. Çatak ilerleyip geri kalan dolu kesit normal yükü taşıyamaz hale gelince ani kırılma meydana gelir ve kırılma yüzeyi taneli görünüştedir.

65

Özellikle metalik malzemelerin kırılmasının en önde gelen etkeni olması nedeniyle yorulma olayı çok önemlidir. Yorulma kopmasına uğrayan parçalara örnek olarak miller, bağlantı çubukları ve dişliler gibi hareketli parçalar gösterilebilir. Makinelerdeki hasarların yaklaşık % 80’nin yorulma kopmalarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu tür hasarlar polimer ve seramik (cam hariç) malzemelerde de ortaya çıkabilmektedir.

Yorulma olayı üç aşamada değerlendirilebilir:

1. Çatlak Başlangıcı: Genellikle yüksek gerilme yığılmalarının oluştuğu bölgelerde veya kristal yapıdaki hatalı noktalardan çatlak başlar.

2. Çatlak ilerlemesi: Çatlak genellikle yüzeyden başlayıp, kayma hatları ile orta kısımlara iletilir. Ayrıca, malzeme içinde mikro çatlaklar var ise ve çatlak ucunda oluşan gerilme yığılması çatlağı ilerletebilecek seviyede ise çatlak ilerler. Uygulanan gerilme çatlağın ilerlemesi için yeterli değilse malzeme yorulmaz. Gerilme çatlağın ilerlemesini sağlayacak kadar büyük ise çatlak gevşek yerlerden ilerler. Böylece yıpranma yavaş yavaş tüm keside yayılır. Ayrıca büyük ve haber verici bir uzama veya büzülme görülmez.

3. Kırılma: Yıpranma nedeniyle ayrışma yeter derecede ilerledikten sonra kesidin geri kalan kısmı yükü taşıyamaz hale gelir ve malzeme aniden kopar.

Yorulma olayı malzemede önemli bir plastik şekil değişimi yapmadığından ve uyarı vermeden elastik limitin altındaki gerilmelerde malzemenin ani olarak göçmesi nedeniyle tehlikelidir. Bu tip gevrek kırılma olaylarına çelik köprülerde, kötü yolda giden arabalarda, uçak kanatlarında rastlanabilir.

66

7.1. Yorulma Mukavemetine Etkiyen Etkenler Yorulma mukavemetine etkiyen başlıca etkenler vardır bunlar; parçanın yüzey işleme kalitesi, sıcaklık, çevrenin kimyasal etkisi, frekans ve gerilme koşulları olarak sıralanabilir Gerilme koşulları sabit kaldığı zaman yukarıdaki ilk dört etkenin yaratacağı sonuçlar ayrı ayrı saptanabilir. Bunların yanında ayrıca gerilme koşulları da yorulma mukavemetine etkir. Özellikle çok eksenli gerilme hallerinin getireceği şekil değiştirme kısıtlamaları malzeme ömrünü arttırıcı yönde etkiler. Yorulma çatlağı çoğu zaman yüzeyde başlayıp içeriye doğru yayıldığından yüzey işleme kalitesinin önemi büyüktür. Yüzeydeki pürüzler çentik etkisi yaparak çatlak oluşumunu kolaylaştırır. Yüzey işleme kalitesi arttıkça yorulma mukavemeti büyür. Sıcaklık genellikle mukavemetleri azaltıcı yönde etkilediğinden yorulma mukavemetinin de azalması doğaldır. Normal koşullarda frekansın yorulma mukavemetine etkisi önemsizdir. Bundan dolayı yorulma deneylerinde deney süresini kısaltmak için yüksek frekanslı gerilme uygulayan deney makineleri tercih edilir. Hidrolik yorulma makineleri 50 Hz’i geçmediği halde elektromıknatıslarla kuvvet uygulayan makinelerde bu değer 400 Hz’e kadar çıkartılmıştır. Çok yüksek frekanslarda plastik şekil değiştirme için daha az zaman kaldığından genellikle yorulma mukavemeti yaklaşık %10 kadar artar. Değişken gerilme altında çevrenin kimyasal etkisi daha şiddetli olur, dolayısıyla yorulma ömrü kısalır. Uygulamada korozyon yorulması önemli sorun yaratabilir. Ayrıca korozif bir ortamda demir esaslı alaşımların S-N diyagramlarının sürekli azaldığı görülmüştür.

7.2. Yorulma Kırılmasının Oluşum Şekilleri

Yukarıdada bahsedildiği gibi yorulma zorlamaları altında oluşan malzeme hasarında 3 ayrı aşama vardır. Bunlar; çatlak oluşumu, çatlak ilerlemesi ve kırılmadır. Bu ilk iki aşama arasındaki sınırı belirlemek, yani hangi boyuttaki bir ayrılmanın çatlak olarak kabul edileceğini tanımlamak zordur. Yorulma ömrü içinde çatlak başlangıcı ve ilerlemesinin payları çok farklı olabilmektedir. Tok malzemelerde çatlak oluşumu ömrün yaklaşık %

67

10’nu, çatlak ilerlemesi ise % 90’ını kapsar. Gevrek malzemede ise bu oranlar tam tersi olabilir.

İşletme zorlamalarının neden olduğu bir kırığın yorulma çatlağı bölümünde farklı tonlarda bölgeler ve çizgiler görülür. Bu duraklama çizgileri işletme yükünün değişimi veya makinanın durması gibi durumlarda çatlak ilerleme hızlarının değişmesi ve dolayısıyla çatlak uçlarındaki oksidasyonun farklı şiddette olmasından ileri gelir, çevrim çizgileriyle karıştırılmamalıdır. Zorlamanın türü kırılma yüzeyinin konumundanda anlaşılabilir. Yorulma çatlağı hemen hemen her zaman (alüminyum alaşımlarında bazı istisnalara raslanmıştır) en büyük normal gerilmeye dik olarak oluşur.

Şekil 7.1 a-f’de çekme zorlamaları ile tek taraflı eğme zorlamasının ortak etkimesi sonucu görülebilecek yorulma kırılmalarının oluşum şekilleri şematik olarak gösterilmiştir. Çatlak başlangıcı olan A noktasının daima yüzeyde olduğu varsayılmıştır, ancak bu zorunlu bir durum değildir. Genellikle düşük anma gerilmelerinde (son kırılma yüzeyi küçük) tek bir başlangıç noktası, yüksek anma gerilmelerinde ise aynı düzlemde birkaç çatlak başlangıcı bulunur.

Şekil-7.1a.f: Çekme zorlamaları ile tek taraflı eğme zorlamalarının ortak etkimesi sonucu yorulma kırıklarının oluşum şekilleri. Y : yorulma çatlağı; S : son kırılma yüzeyi, Çekme zorlaması altında yorulma kırılması.

68

Şekil 7.2 a-f çift taraflı eğme zorlamaları sırasında yorulma kırıklarının oluşumunu şematik olarak göstermektedir. Bu yorulma kırılmalarında işletme gerilmelerinin yüksek olması halinde son kırılma yüzeyleri kesitin ortasında oluşmaktadır. Düşük anma gerilmelerinde ise, ikinci çatlağın oluşumu birinciye göre gecikme gösterdiğinden son kırılma yüzeyi genellikle ortada değildir.

Şekil-7.2 a.f: Dönen parçaların eğilmesi (çevresel eğilme) sonucu oluşan yorulma kırıkları.

69

KAYNAKLAR: 1. G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, Third edition, McGraw-Hill Book, 1986, UK. 2. R. W. Hertzberg, Deformation and Fracture of Engineering Materials, McGraw-Hill Book, Third edition, 1989, UK. 3. Kaşif Onaran, Malzeme Bilimi, Bilim teknik yayın evi, Dördüncü baskı, 1993. 4. P. Haasen, Physical Metallurgy, Second addition, Cambridge University Press, 1986, U.K. 5. M. F. Ashby, and D. R. H. Jones, Engineering Materials, Puplished by Pergaman Press, 1991, UK. 6. R. A. Higgins, Engineering Materials,Second addition, 1994, UK. 7. J. P. Poirier, Creep of Crystals, Cambridge University Press, 1985. U.K. 8. E. Sabri Kayalı, Cahit Ensari, Metallere Plastik Sekil Verme İlke ve Uygulamaları, 2000, İTÜ, İstanbul. 9. Temel Savaşkan, Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, 1996, KTÜ, Trabzon. 10. Donald R. Askeland, The Science and Engineering of Materials, Third edition, 1996, Oxford, England 11. J.D. Baird, Strain ageing of steel-acritical review. Iron and Steel, 1963 pp. 186, 326, 368, 400, 450. 12. J.D. Baird, The effect of strain ageing due to interstitial solutes on the mechanical properties of metal. Metallurgical Rewiews, 1971, Vol. 16, p. 1. 13. Süleyman Gündüz, Dynamic strain ageing effects in niobium microalloyed steel. Ironmaking and Steelmaking, 2002, Vol. 29, pp. 341-346. 14. Ahmet Aran, Kırılma mekaniğine giriş, Seminer notları, 1981. 15. http://web.mse.uiuc.edu/courses/mse406/handouts/ch5-10_strengthen.ppt 16. http://www.turkcebilgi.com/sürünme_deneyi/ansiklopedi#ansiklopedi 17. http://eyupyaylaci.com/malzemelerin-yorulmasi/ 18. http://hun.pau.edu.tr/ders_notlari/malzeme_bilgisi/Malzeme_ders_7_Yorulma.pdf 19. http://www.teknolojikarastirmalar.com/e-egitim/mekanik_deneyler/kirilma_toklugu.htm 20. http://w3.balikesir.edu.tr/~ay/lectures/iy2/lecture1.pdf 21. http://w3.balikesir.edu.tr/~ay/lectures/ha/lecture5.pdf

70