Çentik/Darbe Üç eksenli yükleme hali (çentik)

... konulu sunumlar: "Çentik/Darbe Üç eksenli yükleme hali (çentik)"— Sunum transkripti:

1 Çentik/Darbe Üç eksenli yükleme hali (çentik)
Çentik darbe deneyi, malzemeyi gevrek davranmaya iten şartlar altında malzemenin dinamik tokluğunu ölçmek için kullanılır. Sünek malzemeyi gevrek davranmaya iten şartlar; Üç eksenli yükleme hali (çentik) Kuvvetin ani uygulanması (darbe) Düşük sıcaklıkta zorlama Bu şartlardan biri veya bir kaçı gerçekleşmişse malzeme gevrek davranabilir. Bu amaç için Charpy (üç noktadan eğme) veya Izod (ankastre eğme) deneyleri mevcuttur.

2 Belli bir potansiyel enerjiye sahip kütle V-çentik açılmış numuneye çarptırılır.
Numunenin kırılması için gereken enerji “Darbe Enerjisi - Ek” saptanır. numune

3 Darbe enerjisine etki eden faktörler:
Dayanım Kristal yapı, Sıcaklık Kimyasal bileşim a) Dayanım: Dayanımı yüksek malzemeler darbeye karşı direnci zayıf olurken düşük dayanımlı malzemelerin darbe dirençleri yüksek olabilir.

4

5 Kristal Yapı YMK; sünek ve tok , SDH; gevrek,
HMK; bazı şartlarda gevrek bazılarında tok davranmaktadır. Belirli bir sıcaklık altında HMK tokluğunu yitirerek gevrek davranış göstermeye başlar. Bu sıcaklığa “Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı” adı verilir (ductile-brittle transition temperature).

6 Kristal Yapı /Sıcaklık
HMK da ki bu düşüşün sebebinin arayer atomalarının (cottrel atmosferi) düşük sıcaklıklarda, dislokasyon hareketlerini engellemesi olarak düşünülür. Nispeten yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar engellerden kurtulabildiği düşünülmekte ve bu yüzden darbe enerjisini arttığı varsayılmaktadır. SDH

7 Sünek-gevrek geçiş Sıcaklığı

8 Kompozisyon HMK da geçiş sıcaklığı, kimyasal bileşimden çok etkilenir.
Örneğin, C artarsa Tg artar. Mn (ve Ni) artarsa Tg azalır. Düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk için ideal alaşım elementleridir.

9 Çentik faktörü Çentik: Bir parçada bulunan ani kesit değişimidir.
Çentikten dolayı çentik dibinde gerilme yığılması oluşmakta ve hesaplanandan daha büyük gerilmelere ulaşmakta. Çentik faktörü, çentik dibinde oluşan gerilmenin çentik olmama durumundaki gerilme haline oranıdır. kt = Çentik faktörü max = Max gerilme (Çentikten dolayı Gerilme yığılması ile oluşan gerilme) n = Nominal gerilme (ortalama gerilme)

10 kt, geometriye bağlı (kt  R-1 (çentik dibi radyusu ile ters orantılı)
Literatürde tablolardan değerler bulunabilir. a   max  R   max  b/r oranı ve r/h oranı azalması ile kt artar. kt, ve daha büyük değerlere ulaşabilir.

11 Kırılma mekaniği Çok keskin çentikler (çatlaklar) bulunma durumunda gereken tasarımın yapılması için “kırılma mekaniği” kullanılır. Kırılma mekaniğinde gerilme şiddet faktörü ve malzemenin kırılma tokluğu kavramları kullanılır.

12 Gerilme şiddet faktörü
Kırılma mekaniğinde “Gerilme şiddet faktörü” kullanılır. K1: Çekme zorlaması K11: Kesme (kayma) zorlaması K111: Burulma zorlaması olma durumları. En tehlikeli durum K1: çekme durumudur. Gerilme şiddet faktörü Çekme gerilmesi Şekil Faktörü Çatlak boyu

13 Malzemenin ani zorlamalara karşı dayanımını ifade eden büyüklük “kırılma tokluğu” dur.
Bu değer K1C ile ifade edilir K1C azaldıkça malzemenin gevrek kırılma eğilimi artar. Parçanın tasarımda herhangi bir zorlama altında ani ve gevrek kırılmaması için aşağıdaki şart sağlanmalıdır.

14

15 Malzemenin kırılma tokluğu Şekil Faktörü Kritik Çatlak boyu
Ani kırılma Çekme gerilmesi Ani kırılma olmaması için Çatlak boyunun kritik değerden küçük olması Gerilmenin kritik gerilmeden (kritik çatlak boyunda gevrek kırılmaya sebep olan gerilme) değerden daha küçük olması gerekir.

16 Çatlak boyu arttıkça hasara sebep olan gerilme azalmakta

17 Düzlemsel uzama durumu, en kötü durum
Düzlemsel uzama durumu, en kötü durum. Düzlemsel gerilme durumuna yaklaşıldıkça kırılma tokluğu artar. Klc, düzlemsel uzama kırılma tokluğunu ifade eder.

18

19 YORULMA Daha önce statik ve darbeli yüklemeleri gördük
Gerçekte ise zorlamalar sürekli değişkenlik göstermektedir. Yorulma hasarı: malzemelerin çekme ve akma dayanımlarından (statik koşullarda) daha düşük değerlerdeki tekrarlı gerilmelerin etkisinde, belirli bir çevrim sonrasında kırılması ile oluşan hasardır.

20 S-N yorulma diagramları (Wohler Diagramları)
Malzemelerin hangi çevrim sayısında hasara uğrayacağını gösteren diagramlardır. Başka bir açıklama yoksa ortalama gerilme sıfır olacak şekilde deneyler yapılır. Yani max ve min gerilmeler ters işaretli olmak üzere birbirine eşittir.

21

22 Nasıl Değerlendirilir
g max Çekme g ort=0 Zaman Basma min

23 ort = Ortalama gerilme y = Yorulma sınırı Ny = Hasar çevrim sayısı x
Çekme dayanımı (N=0) g = Gerilme genliği ort = Ortalama gerilme y = Yorulma sınırı Ny = Hasar çevrim sayısı x x x x x x x x x x x y: Yorulma Sınırı Gerilme 90 iken parça N= 105 çevrimde hasara uğrar. N-Çevrim sayısı

24 y : Malzeme özelliği g : Zorlama g < y Yorulma olmaz. g > y  Yorulma olur.

25 Ortalama gerilme Sıfır değilse

26 g Soderberg y a ort x x
Emniyetsiz x x Emniyetli a ort Etkiyen gerilmeyi yorulma dayanımı ile karşılaştırıp emniyetli olup olmadığı bulunur. ort≠0

27 HMK yapıya sahip metal ve alaşımlarda yorulma sınırı vardır
HMK yapıya sahip metal ve alaşımlarda yorulma sınırı vardır. Gerilme genliğinin bir eşik değerden daha az olması durumunda yorulma hiç bir zaman olmaz. Bu etkinin HMK metallerde özellikler çelik ve dökme demirlerde bulunan arayer atomlarından (C ve N gibi) kaynaklandığı düşünülür. YMK metallerde gerilme genliği arttıkça yorulma ömrü azalır. Belirli bir çevrim sayısına karşılık gelen gerilme genliği yorulma dayanımı kabul edilir. Bu çevrim sayısı genelde 108 olarak alınır (aksi belirtilmedikçe).

28 HMK / YMK (Yorulma sınırı / Yorulma dayanımı)
Yorulma Sınırı: Endurance limit, Fatigue limit Yorulma Dayanımı

29 Emniyet Katsayısı Faktörü
Tasarımlar malzemelerin yorularak hasara uğramaması esasına dayanır. Genlik değerlerinin yorulma sınırından veya dayanımından düşük olması gerekir. Bazı bilinmeyen veya tahmin edilemeyen faktörlerin olabilecek kötü etkilerine karşı Emniyet katsayısı kavramı kullanılır. Genelde 1.5 ile 2.5 arasında seçilir. Metallerin yorulma dayanımları büyük farklılıklar göstermesine rağmen, çekme dayanımlarının oranları şeklinde ifade edilebilir.

30 ç=400MPa olan bir malzemenin a=200MPa ise ortalamanın etkimediği bir durum için kötümser bir yaklaşımla g=100MPa da yorulma olmaması beklenebilir.

31 Tipik bir yorulma hasar yüzeyi:
Kararlı çatlak ilerleme bölgesi Ani kırılmanın olduğu bölge Yorulma çatlak başlangıcı Durak Çizgileri Striasyonlar: Gözle görülemez

32 Çatlak orijini: çatlağın başlangıç noktası.
Yorulma çatlak başlangıcı Durak Çizgileri Çatlak orijini: çatlağın başlangıç noktası. Durak çizgileri (beach marks): Zorlanma şartlarının değiştiğinde meydana gelirler. Striasyon çizgileri: Durak çizgileri arasında meydana gelen ve her bir çevrim sırasında çatlağın ilerlemesini gösteren çizgilerdir. Ani kırılma bölgesi: Kalan kesitin zorlanmayı taşıyamadığı anda, yorulma çatlağının çentik etkisiyle ani gevrek kırılmanın olduğu bölge. Kararlı çatlak ilerleme bölgesi Ani kırılmanın olduğu bölge

33 Yorulma Çatlak oluşumu
Çatlak, kusur içermeyen bir malzemede kayma bantlarının yüzeye ulaşması ve bunların geri dönememesi ile girinti-çıkıntılar (intrusion-extrusion) oluşması ile çekirdeklenir. Bu girinti/çıkıntılar yüzeyde oluşturduğu mikro çatlaklar çentik etkisi oluşturur. Parça yüzeyi Kayma bantı Yeni bantlar oluşumu Girinti ve çıkıntılar

34 Bu girinti ve çıkıntılar; önce mikro sonrada makro çatlak haline alırlar.
Her bir çevrimde çatlak; striasyon çizgilerini oluşturacak şekilde içeri doğru kararlı bir şekilde ilerler. Çatlağın kritik boya ulaşmasıyla (Kırılma mekaniği prensipleri) parça ani olarak kırılır.

35 Yorulma dayanımına etkiyen Faktörler
Malzemenin çekme dayanımı Ortalama gerilmenin varlığı ve seviyesi Ortam şartları Yüzey pürüzlülüğü Sıcaklık Korozif ortam Artan sıcaklık Artan Yüzey prüzlüğü Artan Çekme dayanımı Yüzey sertleştirme Yüzey parlaklığı

36 Statik Yorulma Silika ağına (network) sahip seramik ve cam malzemelerde statik yüklemeler altında görülen yorulma çeşididir. Bunun sebebi mekanik mekanizmalardan ziyade daha çok kimyasaldır. Su veya nem içeren ortamlarda görülür. Oda sıcaklığında gerçekleşir. Su silika ağ (network) ile reaksiyona girerek Si-O-Si bağlarını parçalar. Si-OH ve OH-Si bağları oluşturur. Her seferinde çatlağın bir atomik mesafe ilerlemesine sebep olur. Metallerde tekrar eden gerilmeler ile çatlak ilerlemesi Seramik ve camlarda çatlak ilerlemesi

37 Sürünme ve Gevşeme Her ikisi de yüksek sıcaklıkta meydana gelen şekil değişimi mekanizmalarıdır. Sürünme (creep); Sabit yük altında malzemenin sürekli uzaması şeklinde olur. Gevşeme (relaxation): Boyu sabit olan bir malzemede (sabit birim uzama), üzerine ilk anda etki eden gerilmenin zamanla azalması şeklinde olur.

38 Sürünme ve Gevşeme Soğuk şekil değiştirmede plastik şekil değiştirme zamana bağlı olarak bir değişim göstermez. Sıcak şekil değişiminde ise plastik şekil değişimi zamanla değişir. Bu olay sürünme şekil değişimi ile ifade edilir.

39 Sürünme özellikleri Sürünme şekil değişimi (Creep): Yeterince yüksek sıcaklıkta (Tb>0.5) sabit yük altında, gerilme ve sıcaklık seviyelerine bağlı olarak, malzeme boyunun sürekli olarak uzamasıdır

40 Sürünme Eğrisi Kararlı Bölge o = İlk şekil Değişimi (elastik)
Hızı (Eğrinin eğimi) Sabit sıcaklık Sabit gerilme Kararlı Bölge o = İlk şekil Değişimi (elastik)  / t = şekil değiştirme hızı

41 .  II: Kararlı sürünme I III Kararlı sürünme hızı . ss Zaman

42 Sürünme eğrisinde bölgeler
İlk yüklemede parça gerilmeye bağlı olarak o kadar elastik uzama gösterir. Eğride 3 bölge vardır. I. Bölge: Sürünme hızı zamanla azalarak bir limite ulaşır. II. bölge: Kararlı sürünme bölgesidir (ss: steady state). Burada sürünme hızı sabittir. Sürünmenin gerçekleştiği en uzun ömürlü bölgedir. Sürünme hesaplamaları yapılırken bu bölge dikkate alınır. III.bölge: Sürünme hızı ani olarak artar ve bu bölge sonunda kopma (hasar) meydana gelir. Genelde I. Ve III. Bölgeler ihmal edilir

43 Kararlı Sürünme Sürünme hızı Kararlı bölgede Sürünme hızı
Malzemenin sürünme hızı biliniyorsa, I ve III bölgeler ihmal edilerek hasara uğrayacağı birim şekil değişimi büyük bir yaklaşıklıkla saptanabilir. Eğer müsade edilebilir şekil değişimi biliniyorsa, kararlı sürünme hızının bilinmesi durumunda emniyetle kullanılabileceği süre bulunabilir.

44 Sıcaklık ve gerilmenin etkisi
Sürünme eğrileri üzerinde sıcaklık ve gerilmenin etkisi önemlidir. Artan T veya   Sıcaklık veya gerilme arttıkça, ss artar, tr azalır, r artar, o artar. . t

45 Kararlı sürünme hızı Sürünme şekil değişimi yayınmadan (difüzyondan) çok etkilenir. Sürünme Arrhenius tipi bağıntıyla sıcaklığın fonksiyonudur.

46 Eğim Q: sürünme için aktivasyon enerjisi. D : Yayınma katsayısı. Q yüksek, D değeri düşük malzemelerde sürünme şekil değişimi daha azdır.

47 Sürünme Mekanizmaları
Kristal yapılı malzemelerde sürünme şekil değişimi mekanizmaları: Kayma (Tek kristal + polikristal) Kayma + tırmanma (Tek kristal + polikristal) Yayınma sürünmesi (Tek kristal + polikristal) Tane sınırı kayması (Poli kristal)