1

MEKANİK METALÜRJİ

DERS NOTLARI

Prof. Dr. Süleyman GÜNDÜZ

2

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.

3

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).

4

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).

5

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.

6

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

7

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.

8

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.

9

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

10

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

11

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

12

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.

13

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).

14

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.

15

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/

16

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

17

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,

Ag, -Fe

(111)

[110]

4 3 = 12

HMK

-Fe, W, Mo, Cr, V,

-Pirinç

(110)

[111]

6 2 = 12

HSD

Cd, Zn, Mg, Ti,

Be

(0001)

[1120]

1 3 = 3

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

18

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.

19

= k . sin (2x/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 . (2x/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 7104 N/mm2 civarında olduğuna göre teorik kayma mukavemetinin

104 N/mm2 düzeyinde olması gerekir.

20

Değişik tür kristaller üzerinde yapılan deneyler, yukarıda tanımlanan teorik

mukavemetlerin deneysel mukavemetlerden 102-103 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 34103 28 103

Aluminyum 11103 1 104

Gümüş 13103 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

21

bir tek kristal göz önüne alınarak buna kayma koşulu uygulansın. Normal kristalin ekseni

ile açısı yapan (h1k1l1) düzlemi ile bunun üzerinde [h2k2l2] kayma doğrultusundan

oluşan bir kayma sisteminin kayma direnci k olsun. Bu kayma sisteminde kaymayı

başlatmak için silindirin ekseni [h3k3l3] doğrultusunda uygulanması gereken P kuvveti

kolaylıkla hesaplanabilir. [h2k2l2] 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.

22

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 45C 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.

A0

A=A0/cos

P

N

(h1k1l1)

[h1k1l1][h2k2l2]

T

[h3k3l3]

23

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

24

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.

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.

Sekil degistirmemis Kayarak sekil degistirmis Ikizlenerek sekil degistirmis kristal kristal kristal

25

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

26

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.

27

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

28

bir pozitif malzeme sabitidir a0, y0 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.

29

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.

30

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.

31

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

32

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:

Bu bağıntıdan görüleceği gibi gerçek gerilmeler görünen gerilmelerden büyüktür. Gerçek

şekil değiştirme dg, boydaki küçük l artışı o andaki l boyuna bölünerek bulunur.

l

lll

ll

AN

0

0

00g

lld g

33

Toplam gerçek şekil değiştirme bu bağıntıyı entegre ederek elde edilir,

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.

0g

0

l

lg

AAln

1lnllln

ll

0

34

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

35

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.

36

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.

37

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.

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.

1logtan Qdusme

38

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.

39

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 gerçekleştirile-

bilmektedir:

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.

40

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.

41

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.

(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

•

• •

• •

•

•

•

•

•

•

• •

•

• •

• •

• •

•

•

•

• •

•

•

• •

• •

• •

•

• •

• • •

•

•

• •

•

• •

•

•

•

• •

•

•

•

•

• •

α β β α

42

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.

43

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

44

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.

45

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.

46

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 Al2O3 (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:

47

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.

48

Orijinal yapı Soğuk Soğuk def. Yeniden Yeniden Yeniden Kısmi Tane deforme olmuş ve kristall. Kristall. Kristall. tane büy. edilmiş 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:

49

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

50

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.

51

grain boundaryslip plane

grain Agra

in B

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

52

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

ile ilişkisini vermektedir.

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

yield o k yd1/2

53

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 (25-

400C) 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.

54

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 150C–250C’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 25-500C aralığında

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

100–350C sıcaklık aralığında yapılan testlerde dayanımda artış sağlamaktadır. Azot

düşük sıcaklıklarda (25-200C) karbona göre daha yüksek çözünürlüğe sahip olduğundan

dinamik yaşlanma sertleşmesinin oluşmasına neden olur. Fakat 200C üzerindeki

55

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.

56

C, çeliklerde yaşlanma sertleşmesine neden olmaktadır, ancak düşük sıcaklıklarda ferritte

çözünürlüğünün düşük olması nedeniyle N ile karşılaştırıldığında 0–200C 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)

57

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?

58

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.

59

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.

60

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.

61

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

62

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

63

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

64

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.

65

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.

66

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.

67

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 %

68

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.

69

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.

70

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