Mühendislik mekaniği deneyleri SERTLİK Hazırlayan: Atılgan Onurcan ÖZŞİMŞEK

Katı cisimlerin mekanik özellikleri ve kimyası Yapının tasarımı, boyutlandırma ve kesin hesapları açısından malzemenin "mekanik özelliklerini" bilmek gereklidir. Malzemenin mekanik özellikleri cismin iç yapısına bağlı olduğundan önce bunun incelenmesi gerekir. Atomlar arası bağlar; Metalik bağ İyonik bağ Kovalent bağ Genellikle atomlar arası bağ kuvvetli ise; Şekil değiştirme direnci büyük, Ergime sıcaklığı yüksek, Cismin mukavemetinin yüksek olur. İki ametal atomunun ortaklaşa elektron kullanarak yaptığı kovalent bağ Ametal ve metal atomlarının elektron alışverişi ile yaptığı iyonik bağ Metal elektronun komşu metalin boş orbitaline geçmesiyle oluştuğu metalik bağ

Katı cisimlerin mekanik özellikleri Katı cismin mekanik özellikleri cismin iç yapısına yani moleküllerinin ve de onları meydana getiren atomları dizilişlerine de bağlıdır. Bu bakımdan cisimleri amorf ve kristal katılar olarak iki sınıfa ayırabiliriz.   Kristal katılar: Atomlar iyonlar ve moleküller düzgün istiflenmişlerdir ve belli geometrileri vardır. Amorf katılar: Tanecikleri düzensiz ve gelişi güzel istiflenmiş ve belli şekillleri yoktur.

Elmas ve grafit

Malzeme seçimini etkileyen mekanik özellikler Malzeme seçiminde mekanik özelliklerin önemi Malzeme seçimini etkileyen mekanik özellikler Mekanik mukavemet Süneklik Stabilite İmal edilebilirlik Elde edilebilirlik Korozyon mukavemeti Isı transfer özellikleri Maliyet Tasarımda geniş bir malzeme seçim alanı mevcuttur. Önemli olan amaca uygun malzeme ve malzeme kombinasyonlarının seçimidir. Tasarımı yapılacak bir ürünün üretiminde kullanılacak malzemenin özellikleri tasarım kriterlerini sağlaması gerekmektedir. Bu nedenle üretimde kullanılacak malzemenin mekanik özelliklerinin bilinmesi ve tasarım kriterlerini ne ölçüde sağlandığının tespit edilmesi gerekmektedir. Mekanik özelliklerin saptanması malzeme seçiminin daha güvenilir olmasını sağlar. Bu yüzden daha önceden yapılan mekanik deneyler malzeme tasarımında büyük önem taşır. Yorulma Deneyi Çekme Deneyi Basma Deneyi

Malzeme seçiminde mekanik özelliklerin önemi Malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmek için tahribatlı ve tahribatsız testler olarak 2 temel kategoride deneyler yapılmaktadır. Tahribatlı testler, uygulaması kolay ve sonuçlara hızlı ulaşılmayı sağlar ancak deney sonunda malzeme bir daha kullanılamayacak şekilde yıpratan deneylerdir. En güncel kullanılan tahribatlı test yöntemleri çekme deneyi, basma deneyi, eğilme deneyi, darbe deneyi, sertlik deneyi ve yorulma deneyleridir. Bu deneylerin amacı farklı yükleme durumlarında malzemenin mekanik özelliğini tespit etmektir. Her deney tipinin kendine göre ayrı standartları mevcuttur. Sertlik deneyi, bir malzemenin seçilen numune yüzeyine bastırılarak cisme karşılık gösterdiği deformasyon direncinin ölçümüdür ve bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona gösterdiği direnç sertlik olarak adlandırılır.

SERTLİK Bir malzemenin, kendisinden daha sert başka bir malzemeye batmasına, sürtünmesine, çizmesine, kesmesine ve plastik deformasyon oluşturmasına karşı gösterdiği dirence sertlik denir. Sertlik doğrudan malzemelerin kristal yapıları ve atomlar arasındaki bağ kuvvetleri ile ilintilidir. Bağ kuvvetleri arttıkça malzemenin sertliği de artmaktadır. Malzemenin mekanik özellikleri belirlemek için kullanılan en önemli yöntemlerden biriside sertlik deneyleridir. Eğer bir malzemenin sertliği hakkında bilgi sahibi olunursa; Malzemenin kökeni hakkında bilgi edinilir. Malzemenin sertliğinin bilinmesi ile diğer mekanik özellikleri hakkında yorumda bulunabiliriz. Malzemenin işlenme kabiliyeti hakkında oldukça açık bilgiler verebilir. (Genellikle sertlik ile işlenebilme özelliği arasında ters bağıntı vardır. Diğer bir deyişle, sert malzemeleri işlemek zordur.)

SERTLİĞİN DİĞER MEKANİK ÖZELLİKLER İLE İLİŞKİSİ Pahalı çekme deneyi ile malzemenin kopma mukavemetini bulmak yerine, gayet kolay bir şekilde ölçülebilen sertlik ile çekme dayanımı bulunabilir. Hem sertlik hem de çekme dayanımı metallerin plastik deformasyona karşı direncini gösterir. Bu iki değer kabaca orantılıdır. Maksimum çekme mukavemet değeri Rm=1400 N/mm^2 kadar olan çelikler için şu formül kullanılır: Rm=3.5*HB Maksimum çekme mukavemet değeri Rm=1400 ile 2100 N/mm^2 arası çelikler için şu formül kullanılır: Rm=4*HB Burada Rm= N/mm^2 malzemenin maksimum çekme mukavemet değerini, HB(Hardness Brinell) ise malzemenin Brinell sertlik değerini göstermektedir.  Deneylerde elde edilen Rockwell ve Vickers sertlik değerleri tablolar yardımıyla Brinell sertliğine dönüştürülebilir.

SERTLİĞİN DİĞER MEKANİK ÖZELLİKLER İLE İLİŞKİSİ SERTLİK İLE AŞINMA DİRENCİ ARASINDAKİ İLİŞKİ  Aşınma sürtünen yüzeylerden malzeme kaybı olarak tanımlanır. Sert malzemelerin aşınma direnci yüksek olur. Eğer malzemenin sertliği düşükse; sertliği yüksek olan malzemeyle çalıştığı esnada yumuşak olan malzeme daha kolay aşınır. SERTLİK İLE TOKLUK ARASINDAKİ İLİŞKİ  Tokluk bir malzemenin kırılmadan önce sönümlediği enerjinin bir ölçüsüdür. Tokluk mühendislik açısından önemli bir malzeme özelliği olarak karşımıza çıkar.   Malzemenin tokluğuna şekil, boyut, kuvvetin uygulama hızı, gerilme yığılması şiddeti (çentik derinliği ve keskinliği) ve sıcaklık etki eder. Bunun yanında sertlik, malzemenin tokluğuna etki eden bir diğer malzeme özelliğidir.  Sertlik malzemenin çizilmeye, batmaya karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Malzemelerde(özellikle kesici takım malzemelerinde) sertlik ile darbeye karşı direnç(tokluk) arasında ters bir ilişki vardır. Sertlik arttıkça tokluk azalır, tokluk arttıkça aşınmaya karşı direnç azalır. Bu durum farklı malzemeler için şekilde gösterilmiştir.

Tokluk

SERTLİK ÖLÇME DENEYLERİ Laboratuarlarda uygulanan sertlik ölçme yöntemleri şunlardır: Brinell sertlik ölçme yöntemi, Rockwell sertlik ölçme yöntemi, Vickers sertlik ölçme yöntemi, Mikro- sertlik deneyi. Sertlik ölçmeleri yapılırken kullanılan ölçme yöntemi ne olursa olsun, numunelerin üzerinde birkaç ölçme yapılıp ortalamasının alınması gerekir. Yapılan sertlik ölçümlerindeki değerler birbirinden çok farklı ise, farklı değer ortalamaya dahil edilmeyip bu farkın mevcudiyeti mutlaka belirtilmelidir.

BRİNELl SERTLİK ÖLÇME YÖNTEMİ İsveçli Dr. J. A. Brinell tarafından 1900 yılında bulunan bu metot günümüzde yaygın olarak kullanılan statik sertlik ölçme metotlarının ilkidir. D çapında sert, küre şeklinde bir bilya düşey doğrultuda sertlik değeri ölçülecek parçanın yüzeyine dik olarak belirli bir P kuvveti ile bastırılır. Yük belirli bir süre uygulanır. Bilyanın kaldırılmasından sonra malzemede oluşan plastik şekil değişimi sonucunda yüzeyde küresel bir iz kalır. Bu kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir. Yük, malzemeye yavaş yavaş artacak şekilde Uygulanmalı, darbeli yüklemeler önlenmelidir. Yükün uygulama süresi, yumuşak metaller dışında genellikle 10 -15 saniyedir. Yumuşak metaller için bu süre 30 saniye ve daha fazla olabilir.

Brinell sertlik ölçme yöntemi Sertlik değerini bulmak için öncelikle malzeme yüzeyinde meydana gelen iz çapının ölçülmesi gerekir. Bunun için meydana gelen izlerin birbirine dik iki yöndeki çapları taksimatlı büyüteçle ölçülür ve ayrı ayrı ortalaması alınarak iz çapı belirlenir. Bu işlemden sonra üç izin ölçülen çaplarının ortalaması alınır [dort.=d=(d1+d2+d3)/3] ve küresel alan hesaplanır. Brinell sertliği, çelik bilyenin malzeme yüzeyindeki ortalama batma derinliğini içeren HB ile belirtilir. Bu uygulamada çelik bilyenin malzeme üzerindeki küresel batma alanı esas alınır. Birinell sertlik aşağıdaki formülle bulunur. 𝐵𝑆𝐷= 2𝑃 𝜋𝐷(𝐷− 𝐷 2 − 𝑑 2 𝐵𝑆𝐷= 𝑃 𝑆 = 𝑃 𝜋𝐷𝑓 𝑃=𝐶× 𝐷 2 BSD=Brinell sertlik değeri P=Uygulanacak yük miktarı (kg) d=Bilyenin numune üzerinde bıraktığı izin yataydaki uzunluğu f=Numune üzerindeki izin dikeydeki uzunluğu C=Numunenin malzemesine göre değişen katsayısı D=Bilye çapı(mm) Örneğin: D=2,5mm, C=30(numune malzemesi çelik) için uygulanacak yük 𝑃=𝐶× 𝐷 2 P=30x2,52 =187,5 Kgf olarak bulunur.

Brinell sertlik ölçme yöntemi

Brinell sertlik ölçme yöntemi Brinell sertlik ölçme deneyinde kullanılan bilyeler Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri, sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilye çapına göre seçilmektedir. d/D = 0.20 – 0.70 oranı sağlandığı durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir.(D=Bilye çapı, d= İz çapı) 400HB’ye kadar olan sertlikler için, sertleştirilmiş çelikten imal edilmiş bilyalar kullanılır. Sert malzemelerde karbürden yapılmış bilyalar tercih edilir. Sertliği 450<BSD<630 ise sertliklerin Brinell yöntemiyle ölçülmesi tavsiye edilmez. Standart bilye çapı 10 mm’dir. Standart yükler 500 kgf ile 3000 kgf arasında (500 kgf artışla) dır. Baskı ucu olarak kullanılan bilyalarda max ± %0,5 çap farklarına izin verilir. Malzeme kalınlığına göre kullanılması gereken bilye çapları Malzeme kalınlığı (mm) Bilye çapı (mm) 6 ve yukarısı 2,5 - 5 - 10 3 - 6 2,5 - 5 1,5 - 3 1,5 0,6 - 1,5 1

Brinell sertlik ölçme yöntemi Brinell sertlik ölçümünde dikkat edilecek noktalar: Sertliği ölçülecek malzemenin yüzeyi parlak ve zımparalanmış olmalı ve yüzey tabanaparalel olmalı, esnemeye imkan tanınmamalıdır. Homojen iç yapıya sahip olmayan malzemelerde Brinell sertlik deneyi uygulanmalıdır. Kuvvet değerini bulduktan sonra 10 saniye etkili tutulmalıdır. Yumuşak ve kolay akan malzemelerde (örneğin; kurşun) en az 30 saniye ve bazen daha fazla tutulmalıdır. Ayrıca numunenin dışkenarından izin merkezine olan uzaklıkta, iz çapının en az 2.5 katıolmalıdır. Muayene edilecek malzeme kalınlığı meydana gelen izin en az sekiz katıolmalıdır. İz tam dairesel değilse birbirine dik doğrultudaki çarplar ölçülüp ortalaması alınmalıdır. Parçada izin oluşması, belirli bir alanın plastik (kalıcı) deformasyona uğratılmasıdır. Bu nedenle doğru sonuçlar elde edilmek için, izlerin merkezleri arasındaki mesafe iz çapının en az 4 katı olmasıtavsiye edilmektedir. Deney sonuçlarının güvenilir olması için ölçümün, oda sıcaklığında ve normal atmosfer basınçlı bir ortamda gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Çünkü metal malzemelerin mekanik özellikleri sıcaklık ve basınçla değişebilir.

Malzeme kalınlığı (mm) Deneyin Yapılışı Numune; çelik malzeme, kalınlığı 5 mm. İlk önce tablaya uygun ( sığabilecek büyüklükte ) numune seçilir. Bundan sonra sıra uygulanacak yükün tayinine gelmiştir. Bunun için 𝑃=𝐶× 𝐷 2 formülünden yararlanılır. Burada iz çapı D=2,5 mm ve numune çelik malzeme olduğundan C katsayısı 30 alınarak uygulanacak yük P187,5 kgf olarak bulunur. Uygulanacak basınç değeri de hesaplandıktan sonra yük ayar kolu yardımıyla cihazın uygulayacağı basınç 187,5 kgf’ te getirilir. 2,5 mm çapındaki çelik bilya da yerine takılır.Numune de tabla üzerine koyulduktan sonra yükleme işlemine geçilir. Yükleme belirli aralıklarda periyodik olarak uygulanır. Son yükleme gerçekleştirildikten sonra belirli mesafede numune üzerinde yeni deneyler yapılarak izlerin çapları ölçülür. Malzeme kalınlığı (mm) Bilye çapı (mm) 6 ve yukarısı 2,5 - 5 - 10 3 - 6 2,5 - 5 1,5 - 3 1,5 0,6 - 1,5 1

İz Çapının Ölçülmesi Oluşan izin bilinen ölçme aletleri ile ( kumpas , mikrometre , pasimetre vb. ) ölçülmesi mümkün olmadığından ölçme mikroskobu veya iz çapını 100 kat büyütebilen optik yöntemler kullanılır. Ekseriyetle: Cihaz üzerinde X ve Y doğrultusunda yapılan hareketleri mm cinsinden gösteren dijital ölçü aletleri bulunmaktadır. Numune mikroskop tablası üzerine yerleştirilir ve mikroskopta hedef şeklindeki çizgilerden birini kesmesi sağlanır. Bu yapıldıktan sonra ölçü aleti sıfırlanır. Tabla , kestirilen çizgi izin sıfırlanan ucundan diğer ucuna ulaşıncaya kadar hareket ettirilir. Böylece iz üzerindeki alınan mesafe -yani i z çapı- dijital ölçü aletiningösterdiği değer olarak tespit edilir. Ancak burada önemli olan diğer bir husus ise oluşan izin tam bir daire olmayabileceğidir. Bunedenle iz 180° çevrilerek diğer bir çap ölçümü yapılabilir.

P Yükünün uygun Seçilip Seçilmediğinin Kontrolü 𝑑 𝐷 =0,2 −0,7 𝑂𝑙𝑢𝑦𝑜𝑟𝑠𝑎 𝑃 𝑦ü𝑘ü 𝑢𝑦𝑔𝑢𝑛𝑑𝑢𝑟. 𝑑 1 =1,01 𝑚𝑚 𝑑 2 =0,98 𝑚𝑚 𝑑 3 =1,02 𝑚𝑚 𝑑 𝑜𝑟𝑡 =𝑑 =1,003 𝑚𝑚 𝑜𝑙𝑢𝑟. O halde 𝑑 𝐷 = 1,003 2,5 =0,4 olduğundan P yükü uygun seçilmiştir. (d/D = 0.20 – 0.70) Sertlik Değerinin Tespiti 𝐵𝑆𝐷= 2𝑃 𝜋𝐷(𝐷− 𝐷 2 − 𝑑 2 𝐵𝑆𝐷= 2×187,5 𝜋×2,5(2,5− 2,5 2 − 1,003 2 =227,33 BSD=Brinell sertlik değeri P=Uygulanacak yük miktarı (kg) d=Bilyenin numune üzerinde bıraktığı izin yataydaki uzunluğu D=Bilye çapı(mm) Malzemenin Brinel sertlik Değeri; 227 HB 2,5/187,5 Uygulanan P yükü Kullanılan bilyenin çapı

Brinell sertlik ölçme yöntemi Malzeme kalınlığı (mm) 3 mm kalınlığındaki çelik bir malzemenin Birinell sertlik değerini ölçelim. Bunun için; Bilye cinsi ve çapı belirlenir. D=2,5 Uygulanacak kuvvet belirlenir. P=187,5 İz çapları belirlenir. d=(d1=1, d2=1.02, . d3=1.01)/3=1,01 d/D=1.01/2.5=0.40 olduğundan kuvvet uygundur. (d/D = 0.20–0.70) Bulunan değerler için formül uygulanarak sertlik bulunur. BSD=228,65 bulunur. (228 HB 2,5/187,5) Eğer Birinel sertlik muayeneleri özel şartlarda gerçekleştirilmişse ölçme parametreleri bilye çapı, uygulanan yük, yükleme süresi HB ibaresinin yanında belirlenmelidir. Örnek: 350HB 5/250/30 D= 5mm küresel uç F= 250 Kg 30 saniye tutularak yapılan ölçümün sonucu 350’ dir. Malzeme kalınlığı (mm) Bilye çapı (mm) 6 ve yukarısı 2,5 - 5 - 10 3 - 6 2,5 - 5 1,5 - 3 1,5 0,6 - 1,5 1

Sertlik dönüşüm tablosu Brinell sertlik değeri, bu formülden elde edilebileceği gibi, belirli yük ve bilye çapları için hazırlanmış tablolardan, iz çapına karşılık gelen değer olarak da okunabilir. 10 cm bilye ve 3000kg yükleme için çelik numune brinell değerleri;