Embed Size (px)
Citation preview
MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol
Tahribatsız muayeneler Manyetik parçacık analizi
Sıvı penetrant muayenesi
Elektromanyetik muayene
Ultrasonik muayene
Radyografi
Kalıntı gerilme analizi
Hasar analizi
Makro incelemeler
● Düşük büyütmeli stereo mikroskoplardan
faydalanılır!
● Kırılmanın başladığı yer tespit edilir!
● Çatlak büyüme yönü belirlenir!
● Chevron paternleri, “river” işaretleri, “beach”
izleri tanımlanır!
● Kırılmanın gevrek mi, sünek mi olduğuna karar
verilir!
● Diğer çatlakların yerleri belirlenir!
Makro incelemeler
A’da kırılma B ve C’dekilerden önce
Makro incelemeler
Makro incelemeler Başlama noktası
Nihai kopma
Rotasyon yönü
Makro incelemeler
Mikroyapı incelemeleri
● Işık mikroskobu
alan derinliği sınırlı
●Geçirimli elektron mikroskobu (TEM)
Numune hazırlama zahmetli ve güç
●Taramalı elektron mikroskobu (SEM)
İletkenlik sorunları
Kaplama ve replika teknikleri
Mikro boşlukların büyümesi ve birbirleri ile
birleşmesi sonucunda ortaya çıkan sünek kırılma
Kırılma yüzey karakteri
Yorulma kırılmalarında tipik kırık yüzey görüntüsü
Kırılma yüzey karakteri
Aşırı yükleme sonucunda yaşanmış gevrek klivaj
kırılması
Kırılma yüzey karakteri
Taneler arası (intergranular) kırılma
Kırılma yüzey karakteri
Metalografik inceleme
●Malzemenin üretim yöntemi
döküm
plastik şekil verme
●Genel mikroyapı
●Çatlak hattı
tane içinden veya sınırlarından
● Isıl işlem sorunları
dekarbürizasyon; vb
Dövmede üst üste binme bölgesi
mikroyapı
Bakır boruda taneler arası kırılma
mikroyapı
Martensitik çelikte çatlak dallanması
mikroyapı
Kimyasal analiz
●Optik emisyon spektrometresi
●Yaş kimyasal analiz
●X-ışını, elektron ve nötron difraksiyonu
●X-ışını floresans
● İnfrared ve ultraviole spektroskopi
●Enerji ve dalga boyu saçılımlı x-ışını
analizi
●Yüzey analiz teknikleri
Mühendislik kırılma mekaniği
Atom tane plastisite test gerçek
Düzeyinde düzeyinde yöntemi boyutlar
Malzeme bilimi Uygulamalı
mekanik
mühendislik
Kırılma
Daha önceki başarılı tasarımlara dayanan
tasarımlar
Gerilme-şekil değiştirme kavramlarının
oluşumu
Mukavemet Yaklaşımı
Elastisite Teorisi Yaklaşımı
Kırılma Mekaniği Yaklaşımı
Yapısal tasarımın gelişimi
Yapı bütünlüğü için
mukavemet esas
alınır.
Güvenlik faktörü
çoğunlukla 2-10
arasında!
Tasarım kırılma
(gevrek, sünek,
yorulma, dinamik)
hadiselerine karşı bir
güvence sağlamaz.
geleneksel tasarım yaklaşımı
Applied Stress
< YieldStrength
Safe DesignAccept
YieldStrength
Unsafe Design
Redesign
>
Structure ora structural component
F
f
Design based on Strength of Material Approach
Applied Stress
< FractureToughness
Safe DesignAccept
FractureToughness
Unsafe Design
Redesig
n
>
Structure ora structural component
Fracture parameter
Flawsize
F
f
Design based on Fracture Mechanics Approach
belli uzunlukta bir çatlağın
varlığı baştan benimsenir.
Hatalı (kaynak gözenekleri,
kalıntılar, döküm hataları)
parçalar için bir ilk çatlak
boyu bilinir.
Kırılma mekaniği kırılmalara
karşı güvence sağlar.
Sünek kırılma ve yorulma
çatlakları için kırılma
mekaniği güvenlik ve güvenli
parça ömrü için doğru
yaklaşımdır.
Kırılma mekaniğini esas alan tasarım
Kırılma Mekaniği, katı cisimler mekaniğinin bir
alanıdır ve çatlak içeren cisimlerin mekanik
davranışı ile ilgilenir.
kırılma mekaniğinde üç önemli faktör:
Uygulanan gerilme
çatlak boyu
kırılma tokluğu
Kırılma mekaniği
oda sıcaklığında gerilme-gerinim davranışı:
kusursuz ve gerçek malzemeler
TS << TS Mühendislik malzemeleri İdeal malzemeler
mukavemet kazandırılmış metal
Titizlikle hazırlanmış cam fiber
s
e
E/10
E/100
0.1
ideal malzeme- yapısal kusuru yok!
seramik
Tipik polimer
● Bir çok malzeme için kırılmanın gerçekleştiği gerilme
seviyeleri, atomik bağ enerjilerini esas alan teorik
hesaplarla öngörülenlerden çok daha düşüktür.
● Bu uyuşmazlık malzemelerin yüzeylerinde ve
bünyelerinde var olan mikroskobik çatlak ve
hataların varlığı ile açıklanabilir.
● Bu çatlak ve hatalar uçlarında yön (konum) ve
şekillerine bağlı olarak değişik seviyelerde gerilme
büyümelerine yol açarak normalde parçanın maruz
kaldığını düşündüğümüz gerilmelerden çok daha
yüksek gerilmelere yol açar. Beklenmedik, erken
kırılmalar yaşanır.
Gerilme konsantrasyonu
Kırılma mekaniği prensipleri
● Normalde sünek olan malzemelerin gevrek
kırılması kırılma mekanizmalarının daha iyi
anlaşılmasını gerekli kılmıştır.
● Kırılma mekaniği, malzeme özellikleri, gerilme
seviyeleri, çatlak oluşmasına yol açan yapısal
hata-kusurlar ve çatlak büyüme mekanizmaları
arasındaki ilişkileri sayısal olarak tanımlar.
● Tasarım mühendisleri bu sayede yapısal kırılmaları
öngörmek ve böylece önlemek imkanına sahiptir.
Kırılma mekaniği prensipleri
Yüzey ve merkez çatlakları
uçlarında gerilme dağılımı:
gerilme konsantrasyonu
Bölgesel gerilmenin şiddeti
çatlak ucundan uzaklaşıldıkça
zayıflar
= 2a a
Çatlakların karakterizasyonu
● yüzeyde veya içerde/merkezde
● çatlak boyu
● geometri ve yükleme eksenine
göre çatlağın konumu ve yönü
● çatlak ucu radyüsü
Çatlağın
büyümesi için,
Çatlak ucunda
atomlar arası
bağları
koparmaya
yetecek kadar
gerilmeye neden
olacak gerilme
konsantrasyonu
olmalıdır.
Hatalar gerilme konsantrasyon noktaları! Çatlak, uygulanan gerilmeye
dik yönde konumlanmış, tüm
kesiti geçen bir eliptik yarık;
çatlağın ucundaki maksimum
gerilme (sm):
t = yarık-çatlak ucu radyüsü
so = uygulanan gerilme
sm = çatlak ucundaki gerilme
a = çatlak boyu
2/1
2
t
om
a
sst
maksimum gerilme
● Küçük bir uç yarıçapı olan uzun bir mikro çatlak
için (a/t)1/2 çarpanı çok büyük değerler alabilir.
● Bu durumda çatlak ucundaki maksimum gerilme
(sm), parçaya uygulanan nominal gerilmenin (s0)
kat ve katı olacaktır.
problem uzunluğu 2.5x10-2 mm ve uç yarı çapı 2.5x10-4 mm
olan bir merkez çatlağın bulunduğu bir parçaya 170
MPa çekme gerilmesi uygulanmıştır. Çatlak ucundaki
maksimum gerilme ne kadar olacaktır?
so = 170 MPa
2a = 2.5 x 10-2 mm = 2.5 x 10-5m
t = 2.5 x 10-4 mm = 2.5 x 10-7m
sm = 2 (170x106 N/m2)
sm = 2404 MPa >> 170 MPa
1.25x10-5m
2.5x10-7m
Gerilme konsantrasyonu Maksimum gerilmenin uygulanan nominal gerilmeye
oranına gerilme konsantrasyon faktörü, Kt, denir:
● Kt parçaya uygulanan bir dış gerilmenin çatlak
ucunda ne kadar arttığının bir ölçüsüdür.
● Gerilme artışına neden olan yapısal hatalar
gevrek malzemelerde süneklerde olduğundan
çok daha kritiktir.
1/ 22( )mt
aK
s
s
o
Gerilme konsantrasyonu ● Sünek metallerde maksimum gerilme akma
mukavemetini aştığında plastik deformasyon olur.
● Böylece çatlak ucunda daha homojen bir gerilme
dağılımı gerçekleşir. Bu durumda maksimum
gerilme konsantrasyonu faktörü teorik değerden
daha küçüktür.
● gevrek malzemelerdeki çatlak ve kusurların
çevresinde Plastik akma yok denecek kadar azdır;
gerilmelerin yayılması ve homojenleşmesi çok
sınırlı kalır ve ortaya teorik değerlere yakın
gerilme konsantrasyon faktörleri çıkar.
Çatlak ilerlemesi
Çatlakların ilerlemesi sivri uçlarca teşvik edilir.
● Sünek malzemeler çatlak ucu bölgesinde deformasyona
uğrarlar ve bu da çatlak ucunu köreltir.
gevrek
Çatlağın enerji dengesi
Elastik deformasyon enerjisi-
Elastik deformasyon sırasında malzeme enerji depolar.
Çatlak ilerlediğinde bu enerji açığa çıkar.
Yeni yüzeylerin oluşması için enerji gerekir.
sünek
Deformasyon
bölgesi
Gevrek kırılma için enerji kriteri
elastik enerjinin açığa çıkma hızı yeni yüzeyler
oluşurken tüketilme hızı
Kırılma!!
ada
d
Ea
da
ds
s 4
22
s – Griffith gerilmesi (kritik gerilme)
s – birim alan için yüzey enerjisi
2as2 E
= 4s as2=2Es
Griffith eşitliği
Griffith eşitliği sadece gevrek kırılmalar içindir!
kırılma öncesinde plastik deformasyon yaşanmaz.
Metal ve polimerlerde kırılma yaşanmadan
plastik deformasyon meydana gelir bu durumda
Orowan eşitliği geçerlidir!
Sünek malzemeler için
s ifadesi yerine s + p kullanılmalı!
p = plastik deformasyon enerjisi
a
E sG
s
2
problem
camın özgül yüzey enerjisi 0.30 J/m2, kırılma
mukavemeti 69 MPa ve elastik modülü 69 GPa’dır.
0.05 mm uzunluğundaki bir yüzey çatlağının
ilerlemesi için gerekli kritik gerilmeyi hesaplayın?
s = 0.30 J/m2
E = 69 GPa
a = 0.05 mm
sG = = =16.2 < 69 MPa
2 x 69x109 N/m2 x 0.30 J/m2
3.14 x 0.05x10-3m
a
E sG
s
2
2 E s
a
● Çok küçük ve neredeyse hatasız olarak
hazırlanan metalik ve seramik wiskırların
teorik mukavemet değerlerine yakın gerilme
seviyelerinde kırıldığı görülmüştür.
● Bütün gevrek malzemeler, değişik boyutlarda,
şekillerde, yönlerde çok sayıda hata içerir.
● Bu hatalardan birinin ucundaki çekme
gerilmesi kritik gerilme değerini aşarsa çatlak
oluşur ve büyüyerek kırılmaya yol açar.
Gerilme konsantrasyonu
Kırılma tokluğu
Kc:
Kırılma tokluğunun bir ölçüsü olan Kc değeri,
çatlaklı parçanın boyut ve şeklinden
bağımsız bir malzeme sabitidir.
malzeme belirli bir gerilme-şekil değişimi
değerinde bölgesel olarak kırılırken
(çatlarken) çatlak kritik bir K (Kc) değerinde
ilerler.
Çatlak gerilme kritik değerin üstüne çıktığında
ilerler.
gevrek bir malzemede çatlağın ilerlemesi için
gerekli kritik gerilme,sc,
E = elastik modül
s = özgül yüzey enerjisi
a = iç çatlağın yarı boyu
Kc = sc/s0
Gerilme konsantrasyonu
s m > sc veya Kt > Kc
212
/
sc
a
E
s
problem Oldukça geniş bir cam plakaya 40 MPa çekme
gerilmesi uygulanır. Bu cam için özgül yüzey enerjisi
ve elastisite modülü sırası ile 0.3 J/m2 ve 69 GPa ise,
kırılmaya yol açmayacak en büyük çatlak boyu nedir.
s = 40 MPa
s = 0.3 J/m2
E = 69 GPa
212
/
sc
a
E
s
Kırılma tokluğu Kırılma mekaniği prensiplerinden yararlanılarak çatlak
ilerlemesi için kritik gerilme (sc) ile çatlak boyu (a)
arasındaki ilişki:
● Kc, kırılma tokluğu, bir malzemenin bünyesinde bir
çatlak bulunduğunda, gevrek kırılmaya gösterdiği
direncin bir ölçüdür.
● Kırılma tokluğunun, Kc, birimi MPam dir.
● Y çatlak ve numune boyutları ve geometrisine, yük
uygulama şekline bağlı birimsiz bir parametredir.
● Numune eninden çok daha kısa çatlaklar içeren
düzlemsel numuneler için Y değeri yaklaşık “1” dir.
Kırılma tokluğu
Yarı-sonsuz genişlikte
bir tabaka levhada
merkez ve kenar
çatlağı
Çatlak yüzey
deplasmanı türleri:
(a) Mod I,
açılma veya çekme
(b) mod II,
düzlem içinde kayma
(c) Mod III, düzlem
dışında kayma-yırtılma.
Kırılma türleri
Açılma düzlem içinde düzlem dışında
kayma kayma
mod mod mod
Kırılma tokluğu
«Plane strain» kırılma tokluğu
● İnce numuneler için Kc değeri numune kalınlığına
bağlıdır.
● Numune kalınlığı çatlak ölçülerinden çok daha
büyük ise, Kc kalınlıktan bağımsız hale gelir.
● Bu koşullara «plane strain» durumu denir.
● plane strain durumunda; yükleme altında,
çatlağın ön ve arka yüzeylerine dik bir şekil
değişimi bileşeni yoktur.
● Kalın numuneler için Kc değeri «plane strain»
kırılma tokluğu, Kıc, olarak anılır.
Plane Stress vs. Plane Strain Kır
ılm
a t
oklu
ğu
kalınlık
Plane strain Plane stress
Kalın numuneler için Kc değeri «plane strain»
kırılma tokluğu, Kıc, olarak anılır:
«I»: mod I’in geçerli olduğuna atıfta bulunur.
● İlerleyen çatlağın önünde kayda değer bir plastik
deformasyon yaşanmayan gevrek malzemeler
düşük Kıc değerlerine sahiptir ve şiddetli kırılır.
● Sünek malzemeler için Kıc değerleri bir hayli
yüksektir.
«Plane strain» kırılma tokluğu
problem Plane strain kırılma tokluğu 45 MPam olan 4340
alaşımlı çelik numune 1000 MPa gerilmeye maruz
kalmıştır. En büyük yüzey çatlağı 0.75 mm
uzunluğunda olduğuna göre bu numune kırılacak
mıdır? (Y değerini 1.0 kabul edin!)
s = 1000 MPa
a = 0.75mm Kıc = Y s a
Kıc = 1 x 1000x106 3.14x0.75x10-3
Kıc = 48.5 MPam > 45 MPam
kırılma var!
problem Bir uçak parçası «Plane strain» kırılma tokluğu 35
MPam olan alüminyum alaşımından imal edilmiştir.
Kırılmanın en büyük iç çatlak 2mm uzunluğunda iken
250 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği belirlen-
miştir. Bu parça için iç çatlak boyu 1mm iken 325
MPa gerilmede kırılma yaşanacak mıdır?
s = 250 MPa
a = 1.0 mm Kıc = Y s a
Kıc= 35 MPam = Y x 250x106 3.14x1x10-3 Y=2.5
Kıc= 2.5 x 325x106 3.14x0.5x10-3 =32.2 <35 MPam
kırılma yok!
problem Bir uçak kanat parçası «Plane strain» kırılma tokluğu
40 MPam olan alüminyum alaşımından imal edilmiş-
tir. Kırılmanın en büyük iç çatlak 2.5 mm uzunluğun-
da iken 365 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği
belirlenmiştir. Bu parça için iç çatlak boyu 4mm iken
kırılma hangi gerilmede gerçekleşecektir?
s = 365 MPa
a = 2.5 mm Kıc = Y s a
Kıc= 40 MPam =Y x 365x106 3.14x1.25x10-3 Y=1.75
s = = = 288.5 MPa
Kıc Y a
40 x 106
1.75 3.14 x 2x10-3
Kıc değerini etkileyen faktörler:
sıcaklık
Şekil değişimi hızı
Mikroyapı
● artan şekil değişimi hızı ve düşen sıcaklıkla Kıc
düşer.
● katı eriyik sertleşmesi, dispersoid sertleşmesi veya
deformasyon sertleşmesine bağlı akma dayanımı
artışı ile Kıc düşer.
● tane boyutu küçüldüğünde Kıc genel olarak artış
gösterir.
«Plane strain» kırılma tokluğu
Mühendislik malzemeleri için akma mukavemeti
ve “plane strain” kırılma tokluğu değerleri - Toda
Kırılma mekaniği ile tasarım
Yapısal bir elemanın kırılma olasılığı yönünden 3
değişken göz önünde bulundurulmalıdır (Y değerinin
biliniyor olduğu varsayıldığında!):
Kırılma tokluğu (Kc) veya
«plane strain» kırılma tokluğu (Kıc)
Uygulanan gerilme
Çatlak boyu
Bir yapısal eleman tasarlarken, uygulamada bu
parametrelerden hangisinin değişmez hangilerinin
tasarıma açık olduğunu kararlaştırmak önemlidir.
Kırılma mekaniği ile tasarım Kıc ve a değerlerinin söz konusu uygulama ile
sabitlendiğini düşünecek olursak, tasarım için kritik
gerilme sc,
gerilme seviyesi ve «plane strain» kırılma tokluğu,
Kıc, tasarımda değişmez özellikte ise, müsaade
edilen en büyük çatlak boyu, ac,
Çatlak büyüme koşulu:
En büyük gerilmeyi tecrübe eden çatlak önce büyür!
Çatlak büyümesine karşı tasarım
K ≥ Kc = aY s
sonuç 1: en büyük hata
tasarım gerilmesini belirler!
max
cdesign
aY
K
s
s
amax Kırılma yok
kırılma
Sonuç 2: tasarım gerilmesi
maks hata boyutunu belirler! 2
1
s
design
cmax
Y
Ka
amax
s Kırılma yok
kırılma
tasarım A
en büyük hata 9 mm
kırılma gerilmesi = 112 MPa
tasarım B
en büyük hata 4 mm
kırılma gerilmesi = ?
anahtar: Y ve Kc her iki tasarımda ayni
sonuç: MPa 168)( B sc
Hata boyutunu küçültmek işe yarıyor!
Malzemenin Kc = 26 MPam
örnek: uçak kanadı
max
cc
aY
K
s
sc amax A sc amax
B
9 mm 112 MPa 4 mm sonuç:
168 MPa > 112 MPa
problem
Akma mukavemeti 495 MPa, Kıc değeri 24 MPam olan
7075-T651 alüminyum alaşımı akma mukavemetinin
yarısına denk gelen bir gerilmeye maruz kalmaktadır.
Bu şartlarda müsaade edilebilecek en büyük iç çatlak
boyu nedir? (Y için 1.35 alın!)
s = 495 MPa
Kıc = 24 MPam a= 1/ 2
a=(1/3.14) ((24x106)/1.35x247.5x106))2 = 1.65mm
Kıc = Y s a Kıc
Y s
Gerek iç gerek yüzey kusurlarının (çatlaklarının) belirlenmesi
ve ölçülmesi için çeşitli tahribatsız muayene testleri (NDT)
geliştirilmiştir. Bu teknikler çalışma sırasında yapısal
elemanların beklenmedik kırılmalara yol açması muhtemel
hata ve çatlakların incelenmesi için kullanılır.
Kırılma mekaniği ile tasarım
Tahribatsız muayene teknikleri Öçlüm tekniği hata bölgesi hata ölçüm ölçüm yeri
hassasiyeti
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi
İç basınç=p
Çepher
gerilmesi
İnce duvarlı (t) ve r yarıçapında bir basınçlı
kap için malzeme seçmemiz gerekiyor.
Küresel bir
basınçlı kap için
kap duvarını
etkileyen çepher
gerilmesi (s) kap
içindeki basınç
değeri, p, kabın
yarıçapı ve et
kalınlığı, t, ye
bağlıdır:
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi ● Güvenli tasarım için 2 farklı yol izleyebiliriz:
● Bunlardan biri basınçlı kabın kritik uzunlukta bir
çatlak oluşup, kırılmaya neden olmadan önce
akmanın (yielding) gerçekleşeceğini varsayalım:
● Dolayısı ile tank duvarının plastik deformasyonu
gözlenerek, şiddetli bir kırılma olmadan tank
içindeki basıncın düşürülmesi ve bir felaketin
önlenmesi mümkün olabilir.
● Buna bağlı olarak kritik çatlak boyu yüksek olan
malzemeler tercih edilir.
Kap duvarını etkileyen çepher gerilmesinin malzemenin
akma dayanımından daha düşük olması arzu edilir.
denkleminde s değeri olarak makul bir
güvenlik faktörü (N) ile birlikte akma dayanımı
kullanıldığında
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi Bu kriteri göz önünde bulundurarak ve «plane strain»
şartları varsayarak kritik çatlak boyu en az olandan en
uzun olana doğru malzeme seçeneklerini sıralayalım.
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi ac:kritik çatlak boyu
Yukarıdaki denklem ac
için düzenlersek:
(Kıc/sy)2 oranı en
yüksek olan Orta
karbonlu 1040 çeliği
en uzun kritik çatlak
boyuna sahiptir ve bu
kritere göre en cazip
malzemedir.
● Basınçlı kapların tasarımında izlenen bir diğer
yöntem «leak-before-break» (kırılmadan önce
sızdırma) olarak anılır.
● Kırılma mekaniği prensiplerini kullanarak, hızlı bir
çatlak ilerlemesine geçilmeden çatlağın basınçlı
kabın duvarında büyümesine izin verilir.
● Böylece çatlak şiddetli bir kırılma olmadan kabın
tüm duvar et kalınlığına yayılacak ve kap içindeki
sıvının sızması ile fark edilecektir.
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi
● Bu kriterde kritik çatlak boyu, ac, (toplam iç
çatlak boyunun yarısı) basınçlı kap duvarı et
kalınlığı ile ölçülendirelim.
● ac = t alınması ile tehlikeli derecede yüksek iç
basınçlar oluşmadan sıvının sızması
gerçekleşecektir.
● Bu kriteri kullanarak malzeme seçeneklerini
maksimum müsaade edilebilir basınca göre
sıralandıralım.
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi
a
t
Kırılmadan önce sızdırma kriteri iç çatlak boyunun
yarısı basınçlı kap duvar kalınlığına eşit olduğunda
(a=t) sağlanmış olur.
denkleminde a=t alındığında,
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi
11 farklı metal-alaşım kırılmadan önce sızdırma kriterine göre
sıralandığında orta karbonlu çeliğin ilk sırada yer aldığını
görüyoruz.
Bu nedenle basınçlı
kapların büyük çoğunluğu,
aşırı sıcaklıklar ve korozif
ortamlar söz konusu
olmadığı takdirde, orta
karbonlu çeliklerden imal
edilirler.
Küresel basınçlı kap için malzeme seçimi
Kırılma tokluğu Graphite/ Ceramics/ Semicond
Metals/ Alloys
Composites/ fibers
Polymers
5
K Ic
(MP
a ·
m 0.
5 )
1
Mg alloys
Al alloys
Ti alloys
Steels
Si crystal
Glass - soda
Concrete
Si carbide
PC
Glass 6
0.5
0.7
2
4
3
10
2 0
3 0
<100>
<111>
Diamond
PVC
PP
Polyester
PS
PET
C-C (|| fibers) 1
0.6
6 7
4 0
5 0 6 0 7 0
100
Al oxide Si nitride
C/C ( fibers) 1
Al/Al oxide(sf) 2
Al oxid/SiC(w) 3
Al oxid/ZrO 2 (p) 4
Si nitr/SiC(w) 5
Glass/SiC(w) 6
Y 2 O 3 /ZrO 2 (p) 4
Kırılma tokluğu testleri ● Belli bir şekil ve ölçüdeki numune kırılmaya yol
açabilecek türden bir kusur –çoğunlukla keskin bir
çatlak- içerir.
● Test cihazı numuneye belli bir hızda yük uygular.
Yük ve çatlak boy değişikliği değerlerini ölçer.
● Elde edilen bilgiler, geçerli kırılma tokluğu
değerleri olarak kabul edilmeden önce geçerli
kriterleri sağlayıp sağlamadıkları yönünden
kontrol edilir.
● Kırılma tokluğu testlerinin bir çoğu metaller için
tasarlanmıştır. Seramik malzemeler, polimer ve
kompozitler için geliştirilmiş olanlar da vardır.
Darbeli Test Teknikleri:
Kimi zaman çentik tokluğu olarak da bilinen Darbe
enerjisini ölçmek için 2 standart test vardır:
Charpy ve Izod,
numune bir kenarına «V» şeklinde bir çentiğin
açıldığı kare kesitli bir numunedir.
Bu numuneye yük belirli h yüksekliğinden bırakılan
ve numuneye çarpan bir pendulum-çekiç vasıtası ile
uygulanır. Çekiç numuneye çarptığında numune
kırılır. Pendulum hareketine devam eder ve diğer
tarafta «h1» noktasına (<h) kadar yükselir.
Darbe enerjisi, bu iki «h» değeri arasındaki farktan
hesaplanır.
Kırılma tokluğu testleri
Charpy ve Izod testleri arasındaki fark numunenin
yerleştirilmesindedir.
Bu testlerde önemli değişkenler:
numune boyutu ve şekli, çentik boyutu ve şekli,
Gerek «plane strain» gerek darbeli testler malzemelerin
kırılma davranışlarının belirlenmesi için kullanılırlar.
Bunlardan ilki spesifik bir malzeme özelliği, KIc,
ölçüldüğünden kantitatiftir.
Darbe testlerinin sonuçları ise, daha kalitatif karakterde
ve tasarım için daha az faydalıdır.
Darbe enerjileri sadece malzeme karşılaştırmalarında
kullanılmak üzere göreceli değerlerdir.
Kırılma tokluğu testleri
Charpy ve Izod
Darbe testlerinde
kullanılan numuneler.
darbe tes cihazı.
Çekiç «h» yüksekliğinden
bırakılır ve numuneye
çarpar; kırılma sırasında
harcanan enerji ilk
yükseklik ile kırılmadan
sonra çekiçin çıktığı diğer
yükseklik arasındaki
farktan değerlendirilir.
Kırılma tokluğu testleri
final height initial height
(Charpy)
Kırılma tokluğu testleri
Sünek-gevrek geçişi
● Charpy ve Izod testlerinin kullanılma amaçlarından
biri malzemelerin düşen test sıcaklığı ile sünek-
gevrek geçişi tecrübe edip etmediklerini
anlamaktır. Böyle bir geçiş varsa, hangi sıcaklık
aralığında gerçekleştiği de, bu darbe testleri ile
anlaşılır.
● Çelikler, çok kritik sonuçlar doğuracak şekilde bu
geçiş olayını yaşarlar.
● Sünek-gevrek geçişi ölçülen darbe enerjisi
absorplama kapasitesinin sıcaklığa bağlı değişimi
ile ilişkilidir.
Sünek-gevrek geçişi Yüksek sıcaklıklarda CVN enerji değeri yüksektir ve
sünek bir kırılmaya işaret etmektedir.
Sıcaklık düşerken
darbe enerjisi birden
ve dar bir sıcaklık
aralığında düşer. Bu
aralığın altındaki
sıcaklıklarda darbe
enerjisi sabit ve düşük
bir değerdedir ve
gevrek bir kırılma
olayına işaret etmektedir.
● Bir çok alaşım için sünek davranıştan gevrek
davranışa geniş bir sıcaklık aralığında geçilir.
● Bu durumda sünek-gevrek geçiş için tek bir sıcaklık
belirlenmesi imkansızdır.
● Kesin bir kriter belirlenmemiştir.
● Dolayısı ile bu geçiş sıcaklığı çoğunlukla CVN
enerjisinin belirli bir değer, mesela 20 J, olması
veya kırılma yüzey görüntüsünün %50 ipliksi doku
şeklini alması ile tarif edilir.
● En güvenilir kriter kırılma yüzeyinin tamamen
ipliksi bir karakter alması ile elde edilebilir.
● çelikler için geçiş sıcaklığı yaklaşık 110 ºC’dir.
Sünek-gevrek geçisi
A36 çeliğinden belirtilen sıcaklıklarda (ºC)
test edilen Charpy V-çentikli örneklerin
kırılma yüzeyleri
-59 -12 4 16 24 79
Sünek-gevrek geçisi
Sünek-gevrek geçişi
kırılma yüzeyi kırılma geçiş sıcaklık ölçümlerinde kullanılabilir.
Sünek kırılmalarda kırılma yüzeyi mat görünümlü ve ipliksi
karakterdedir. (79C’de olduğu gibi)
Oysa tamamen gevrek kırılma yüzeyleri granüllü, parlak bir
görünümdedir. (-59C’de olduğu gibi).
Sünek-gevrek geçişinde kırılma yüzeylerinde bu 2 karakter
farklı oranlarda bulunur. (12C, 4C, 16C, ve 24C örnekleri).
Kayma kırılması oranının sıcaklığa bağlı değişimi grafik hale
getirilir.
-59 -12 4 16 24 79 T (C)
Charpy V-
çentik darbe
enerjisinin
sıcaklığa
bağlı
değişimi (A
eğrisi)
A283 çeliği
için % kayma
kırılması (B
eğrisi)
Sünek-gevrek geçisi
3 temel
sünek-gevrek
geçiş
davranışına
ait şematik
darbe
enerjisi-
sıcaklık
eğrileri
Sünek-gevrek geçisi
Daha sünek gevrek
Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı
sy > E/150)
Yüksek mukavemetli malzemeler
düşük mukavemetli (YMK-HCP metaller
Düşük mukavemetli
çelikler (HMK)
Sünek-gevrek geçisi T
(C)
Enerji
(J)
-25 124
-50 123
-75 115
-85 100
-100 73
-110 52
-125 26
-150 9
-175 6
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20
0
20
40
60
80
100
120
140
da
rbe
en
erj
isi (J
)
T ( C)
Max ve min darbe enerji değerlerinin ortalamasına
denk gelen DBTT: 124 + 6 = 130 /2= 65 J
● Gevrek, şiddetli kırılmaları önlemek için sünek-gevrek
geçişi yaşayan alaşımlardan imal edilen yapılar sadece
bu geçiş sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda
kullanılmalıdır.
● II. Dünya savaşında denizde seyreden nakliye
gemilerinin birden ikiye bölünmesi: Bu gemilerin
gövdesi oda sıcaklığı çekme deney sonuçlarına göre
yeterli tokluğa sahip çelik alaşımlarından imal
edilmişken kırılma geçiş sıcaklığına çok yakın
sıcaklıklarda 4C’de gerçekleşmişti.
● kırılma bir çatlak, sivri bir köşe, fabrikasyon hatası vb
gerilme konsantrasyon noktasında başlamış ve
gövdenin tamamında ilerleyerek kırılmaya yol açmıştır.
Sünek-gevrek geçisi
● Bazı alüminyum ve bakır alaşımları gibi düşük mukavemetli
YMK ve bir çok HCP metallerde sünek-gevrek geçişi
görülmez. Bu metaller yüksek darbe enerji değerlerini
azalan sıcaklılarda korurlar; yani düşük sıcaklılarda da
tokturlar.
● Yüksek mukavemetli çelikler, titanyum alaşımları gibi
yüksek mukavemetli malzemelerde de darbe enerjisinin
değişimi sıcaklığa hassas değildir.
● Ancak bu malzemeler, düşük darbe enerjisi değerlerinden
anlaşılabileceği gibi gevrektirler.
● Düşük mukavemetli çelikler gibi HMK kafes yapısına sahip
metallerde ise sünek gevrek geçişi gözlenir. Bu metaller
yüksek sıcaklıklarda sünek-tok iken düşük sıcaklıkta gevrek
davranış gösterirler
Sünek-gevrek geçisi
● Düşük mukavemetli çelikler için, geçiş sıcaklığı
hem alaşım bileşiminden hem de mikroyapıdan
etkilenir.
Örneğin,
● Ortalama tane çapının küçülmesi ile geçiş sıcaklığı
düşer.
● Çeliklerde tane küçültmek hem mukavemeti hem
de tokluğu arttırır.
● Karbon miktarının arttırılması ise, mukavemeti
arttırırken, sünek-gevrek geçiş sıcaklığını düşürür.
Sünek-gevrek geçisi
Çeliklerde
Karbon
miktarının
Charpy V-
çentikli darbe
deneyinde
enerjisinin
sıcaklığa bağlı
değişimine
etkisi
Sünek-gevrek geçisi
● Bir çok seramik ve polimerde de sünek-gevrek
geçişine rastlanır.
● Seramik malzemelerde bu geçiş sadece yüksek
sıcaklıklarda, 1000 C’nin üstünde, görülür.
Sünek-gevrek geçisi
WWII: Titanic WWII: Liberty kargo gemileri
Problem: DBTT oda sıcaklığı civarında olan bir
çeliğin kullanılmış olması sorun yaratmıştır.
Tasarım stratejisi:
DBTT üzerinde kal!
● Gevrek malzemelerin gerçek ve teorik
mukavemetleri arasındaki büyük fark, bu
malzemelerde bulunan hatalar ile açıklanabilir.
● Çatlak vb hatalar çevrelerinde gerilme
yoğunlaşmasına ve nihayet çatlak oluşmasına
/ilerlemesine yol açar.
● Bu hataların ucunda yoğunlaşan gerilme
malzemenin teorik kohezif mukavemetini aştığında
kırılma yaşanır.
● Bir çatlağın ucunda var olabilecek en yüksek
gerilme çatlak uzunluğuna, ucun radyüsüne ve de
uygulanan gerilmenin büyüklüğüne bağlıdır.
özet
● Sivri köşeler de gerilme konsantrasyonlarına yol
açarlar ve gerilme altında çalışan yapıların
tasarımında önlenmelidir.
● 3 çatlak deplasman şekli vardır: açılma (çekme)
kayma ve yırtılma
● Numune kalınlığı çatlak uzunluğundan çok daha
büyük olduğunda «plane strain» durumu söz
konusudur. Bu durumda numune yüzeylerine dik
yönde hiçbir şekil değişimi bileşeni bulunmaz.
● Bir malzemenin kırılma tokluğu bünyesinde bir
çatlak bulunduğunda gevrek kırılmaya direncinin bir
ölçüsüdür.
özet
● Tasarım çalışmalarında genellikle Kıc («plane strain»
ve mode I yükleme) değeri kullanılır.
● Kıc uygulanan gerilmeye, çatlak uzunluğuna ve
birimsiz ölçek parametresi (Y) ye bağlıdır.
● Kıc sünek malzemeler için bir hayli yüksek, gevrek
malzemeler için düşüktür.
● Malzeme mikroyapısına, deformasyon hızına ve
sıcaklığa bağlı olarak değişir.
● Kırılma olasılığı bulunduğunda tasarımda malzemeye
(kırılma tokluğu değeri üzerinden) , gerilme
seviyesine ve yapısal hatanın fark edilebilme sınırı
dikkate alınmalıdır.
özet
● Bir malzemenin davranışının gevrekten süneğe
değişmesine 3 faktör neden olabilir:
Düşük sıcaklıklar
Yüksek deformasyon hızları
Sivri bir çentiğin bulunması
● Malzemelerin kırılma davranışının kalitatif olarak
ölçülmesinde Charpy ve Izod darbe deneylerinden
yararlanılabilir.
● Ölçülen darbe enerjisinin sıcaklık ile değişiminden
bir malzemenin belirli bir sıcaklıkta sünek-gevrek
geçişi yaşayıp yaşamadığı, böyle bir geçiş varsa
hangi sıcaklık aralığında gerçekleştiği belirlenebilir.
özet
● Düşük mukavemet çelikleri tipik olarak böyle bir
geçiş gösterirler ve geçiş sıcaklık aralığının
üstündeki sıcaklıklarda kullanılmalıdırlar.
● Bu geçiş sıcaklığı tane çapı küçültülerek ve karbon
miktarı düşürülerek aşağı çekilebilir.
● Düşük mukavemetli YMK metaller, HCP metallerin
bir çoğu ve yüksek mukavemetli malzemeler bu
geçişi sergilemezler.
özet
MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol
Titiz, güvenilir bir hava yolu şirketi: UNITED
Sorunsuz bir uçak modeli: BOEING
Güvenilir bir motor üreticisi: GENERAL ELECTRIC
Havayolu şirketinin titiz operasyonuna rağmen katastrofik
bir sonuç!
Çok sayıda kısa menzili uçuş;
Alçak irtifa uçuşları
Tuzlu su buharı yoğun
okyanus ortamı
Perçin deliklerinde
gerilme yoğunlaşması
ve yorulma çatlağı
yorulma
Fotodaki bisiklet krankında görülen kırılma yorulma
neticesinde meydana gelmiş!
Bu yüksek gerilmelere maruz kalan parçada örümcek
ayaklarının dibinde çatlağın oluşması çok uzun
sürmüş!
Ancak çatlak oluştuktan
sonra hızla ilerlemiş ve
kırılma yüzeyinde görülen
izlerden (beach mark) de
anlaşılabileceği gibi
hızlanarak devam
etmiş!
yorulma
yorulma ● Yorulma tekrarlı yüklemelere maruz kalan
yapısal elemanlarda (köprü, oto parçası, uçak
kanat ve gövdesi ve makine bileşenleri gibi)
görülen mukavemet kaybı veya kırılma olayıdır.
● Bu şartlarda kırılma malzemenin statik yüklemeli
testte elde edilen akma/çekme mukavemetinden
çok daha düşük gerilme seviyelerinde gerçekleşir.
● Bu hasar/kırılmalara YORULMA denmesinin nedeni,
gerilme ve şekil değişimi çevriminin kırılmaya
kadar uzun süreyle tekrarlanmasındandır.
● Yorulma metalik malzemelerdeki kırılma
hadiselerinin %90’ınından sorumludur ve önemlidir.
yorulma ● Polimer de (camlar dışında çok ender seramikler)
yorulmalı kırılmalar yaşayabilirler.
● yorulma katastrofik ve sinsi bir kırılma
hadisesidir; birden ve uyarıda bulunmadan
gerçekleşir.
● Yorulma kırılmaları sünek malzemelerde bile
gevrek karakterdedir. Kırılmaya kadar malzemede
çok az plastik deformasyon meydana gelir.
● Kırılma çatlakların önce oluşması sonra büyümesi
ile ortaya çıkar. Kırılma yüzeyi hemen her zaman
uygulanan gerilme eksenine dik konumdadır.
● Parçanın çok küçük bir bölgesinde gerilme
yoğunlaşması malzemenin akma mukavemetini aşarak
hasara yol açabilir.
● Bu hasarın tekrarlı yükleme ile birikmesi sonucunda
makroskopik bir çatlak oluşabilir. Bu çatlak kırılmaya
kadar gidebilir.
● Yorulmanın yaşanması için parçanın maruz kaldığı
tekrarlı gerilmelerin bir kısmı çekme gerilmesi
olmalıdır.
● Yorulma en yaygın olarak metal ve plastiklerde görülür.
Seramik malzemeler düşük kırılma toklukları nedeniyle
yorulma yaşamadan katastrofik biçimde kırılırlar.
yorulma
tanımlar
Ortalama gerilme; sm = (smax+smin)/2
Gerilme aralığı; sr = smax-smin
Gerilme genliği; sa = sr/2 = (smax-smin)/2
Gerilme oranı; R= smin/smax
problem Ortalama gerilmenin 50 MPa ve gerilme genliğinin
225 MPa olduğu bir yorulma testinde,
a) Maks ve min gerilmeleri
b) Gerilme oranını,
c) Gerilme aralığını hesaplayın.
= 50 MPa
= 225 MPa
smax =275MPa ; smin =-175MPa ; R=-0.64 sr=450 MPa
smax + smin
2 smax - smin
2
smax + smin = 100 MPa
smax - smin = 450 MPa
Çevrimsel gerilmeler Tersinir gerilme çevrimi: maksimum çekme
gerilmesi ile (smax) eşit şiddette maksimum basma
gerilmesi (smin) arasında
Gerilme eksenine göre simetrik
Çevrimsel gerilmeler Maksimum ve minimum gerilmeler sıfır yük eksenine
göre asimetrik yerleşmiş:
Gerilme eksenine göre asimetrik
Çevrimsel gerilmeler
Rastgele-düzensiz gerilme çevrimi
Tam sinüs dalgası;
ortalama gerilme=0
Tam sinüs dalgası;
ortalama gerilme>0
Tam sinüs dalgası;
ortalama gerilme>0
çevrimler
Sünek malzemelerde bile yorulma ile gerçekleşen
kırılmalar gevrek kırılmadır.
Yorulma testlerinin yapılma nedenleri:
Belli sayıda tekrarlanmak üzere uygulanabilecek
gerilmeleri belirlemek
Belirli bir gerilme seviyesinde ömür belirlemek
Demir esaslı metal ve alaşımları için tekrarlı
Gerilmeler altında mukavemetler “Endurance Limit”
veya “Fatique Limit” şeklinde anılır.
Bir çok diğer malzeme için yorulma sınırı yoktur. Bu
gibi malzemelerde tekrarlı yüklemeler altında
mukavemete yorulma mukavemeti denir.
Yorulma
● Yorulma kırılmaları yorulma çatlaklarından başlar.
Bu çatlaklar torna izleri, kayma adımları gibi yüzey
kusurlarında oluşur.
● Bu çatlakların neden olduğu gerilme
konsantrasyonu önceleri gevrek kırılmalara yol
açmak için çok küçüktür.
● Fakat çatlakların parça içine doğru büyümesine
yeterlidir.
● Sonunda çatlaklar yeterince büyüdüğünde
uçlarındaki gerilme konsantrasyonu malzemenin
kırılma mukavemetini aşabilir ve kırılma
gerçekleşir.
Yorulma
● Çatlak ilerlemesinin miktarı malzemenin
gevrekliğine bağlıdır.
● Gevrek malzemelerde çatlak, kırılmanın
başlamasına kadar kritik bir uzunluğa kadar büyür.
● Sünek malzemelerde ise çatlak, geriye kalan net
kesit alanı üzerine düşen yükü taşıyamayacak
kadar azaldığında hızla ilerleyerek kırılma ile
sonuçlanır.
Yorulma
Yorulma süreci 3 aşamaya ayrılır.
Çatlak oluşması:
yüzeydeki çizik, oyuk, keskin köşe gibi noktalarda
küçük bir çatlak oluşur. çatlak parça içinde gerilme
konsantrasyonu yaratan dislokasyon kümesi, tane
sınırı, kalıntı gibi yapısal hatalarda da oluşabilir.
Çatlak büyümesi:
Yükleme tekrarlandıkça bu çatlak giderek büyür.
Kırılma:
Çatlak, geriye kalan kesit alanı uygulanan yükü
taşıyamayacak kadar büyüdüğünde ani bir kırılma
yaşanır.
yorulma
Kırılmaya kadar geçen çevrim sayısı ilk 2
aşamadaki çevrim sayılarının toplamına eşittir.
Nf = Ni + Np
Nf: kırılmaya kadar geçen toplam çevrim sayısı
Ni: çatlak oluşmasına kadar geçen çevrim
sayısı
Np: çatlak büyümesinde geçen çevrim sayısı
yorulma
yorulma davranışları 2 grup altında toplanabilir:
● her bir çevrimde sadece elastik değil ayni
zamanda plastik şekil değişimleri yaratacak
nispeten yüksek yükler sonucunda yorulma ömrü
nispeten kısadır. Bu gruptaki yorulma davranışları
düşük çevrim «low-cycle» yorulması olarak anılır:
● Bu yorulma yaklaşık 104 ile 105 çevrimden sonra
kırılma ile son bulur.
Yorulma ömrü-kısa ömürlü yorulma
● Her bir çevrimdeki gerilmelerin sadece elastik
deformasyona yol açacak kadar düşük olduğu
durumlarda yorulma ömrü çok daha uzundur,
kırılma için gerekli çevrim sayısı çok yüksektir.
● Buna da yüksek çevrim «high-cycle» yorulması
denir.
● Bu yorulma 104 ile 105’den daha fazla çevrimden
sonra kırılma ile son bulur.
Yorulma ömrü-uzun ömürlü
Yorulma kırılmalarını çıplak gözle incelediğimizde ilk anda 2
farklı bölgeyi ayırt edebiliriz.
Çatlak büyümesi sürecini temsil eden soluk bölge
Çatlağın kırılmaya kadar süratle büyüdüğü çekme
kırılmalarını andıran daha parlak bölge.
Çatlak büyümesi sürecince, çatlak yüzeyleri birbirlerine
Sürtünüyor olabilir.
Bu dönem çok uzun sürdüğü için
çatlak yüzeyleri oksitlenme
Yaşıyor olabilir.
Bu faktörler yüzeyin makro
görüntüsünü etkiler.
Yorulma kırılma yüzeyleri
Yorulma kırılma yüzeyleri
Yorulma kırılmalarının 3 karakteristik özelliği-bölgesi
bulunur.
Yüzeyde veya yüzeye yakın bir yerde Çatlağın
başladığı bir kusur.
Oluşan çatlağın yavaş büyümesi sürecine ait, her
çevrimden sonra durma hatlarını temsil eden
yorulma çizgileri
Çatlağın süratle büyüdüğü dönemi temsil eden
Soluk, gevrek kırılma yüzeyi.
Yorulma kırılma yüzeyi Çatlak başlama noktası
Çatlak ilerleme bölgesi
Katastrofik kırılma
Yorulma kırılma yüzeyleri
Yorulma çatlağı yüzeyde
başlamış; kesitin büyük bir
bölümünde kırılmaya yol
açan aşırı yüklenme anına
kadar küçük bir alanda
ilerlemiş
Bu fotoda görülen ise tam tersi:
Çatlak okla gösterilen noktada başlamış;
tüm kesiti geçecek şekilde büyümüş ve
kesitin çok az bir bölümde aşırı yüklenme
kırılması yaşanmış
Tipik bir yorulma
kırılma yüzeyi
yorulma çatlak
izleri-striations
Yorulma kırılma yüzeyleri
● Yorulma kırılmalarını ayırt etmek güç değildir.
● Çatlağın başladığı yerde kırılma yüzeyi genellikle
düzdür. (Beach mark-crack initiation point).
● Çatlak büyüdükçe kırılma yüzeyi de daha engebeli
hale gelir.
● Striations (konsentrik çizgi izleri): mikroskopta
görülebilir her bir yükleme çevriminden sonra
çatlağın pozisyonunu gösteren çatlak ilerleme-
durma hatlarıdır.
● Kırılma yüzeyinin granüler kısmı: katastrofik
kırılmaya doğru hızlı çatlak ilerleme bölgesi
Yorulma kırılma yüzeyleri
Yorulma kırılması
Yorulma çatlak çizgilerinin tipik replika ve SEM
görüntüleri
Yorulma kırılma yüzeyi
Sünek yorulma çatlak çizgileri; geniş, düzgün
aralıklı! Gevrek yorulma çatlak çizgileri ; çatlak ucunun
durma hatları yine de görülebiliyor!
2 mm
İnce kesitli bir boruda yorulma kırılma yüzeyinde «Beach» izleri
5 mm
Yorulma kırılması
Yorulma kırılması Çekme/çekme
Çekme/basma Tek eksenli
eğme
Tersinir
eğme rotasyonlu
eğme burma
çenti
ksi
z
Çevre
sel çenti
k
Yorulma çatlakları
Boeing 737 iniş takımları
Hızlı-gevrek kırılma
«beach» izleri- midye kabuğu izleri
Korozyonlu yorulma
Yorulma kırılması
yüzeyi.
Üst köşede çatlak
oluşmuş,
üst köşedeki düz alan
çatlağın çok yavaş
ilerlediği döneme ait.
Çatlağın hızlı ilerlediği
dönemde oluşan
kırılma yüzeyi ise mat
ve ipliksi karakterde.
Çatlak başlaması ve büyümesi
Çatlak başlaması ve büyümesi Yorulma kırılması birbirinden bağımsız 3 aşamada
gerçekleşir.
● Çatlak oluşması; yüksek gerilme konsantrasyonu
bölgelerinden birinde bir çatlak oluşması
● Oluşan çatlağın her bir çevrimde ilerlemesi
● Büyümekte olan çatlak kritik bir uzunluğa
ulaştığında birden ve süratle gerçekleşen kırılma
En sonunda yorulma kırılmalarına neden olan
çatlaklar parçanın yüzeyinde gerilmenin
uygulanandan çok daha yüksek seviyelere
büyümesine neden olan bir gerilme konsantrasyon
noktasında başlar.
Çatlak başlaması ve büyümesi ● Çatlak başlama noktaları arasında:
Yüzey çiziklerini, keskin köşe ve noktaları,
anahtar delik ve yarıklarını, vida dişlerini, vuruk
ve darbe bölgelerini sayabiliriz.
● Ayrıca, çevrimsel yüklemeler dislokasyonların
hareketi ile yüzeylerde mikroskobik kayma
adımlarının oluşmasına yol açabilirler.
● Bu kayma adımları da gerilme
konsantrasyonlarına neden olabilir ve bu
nedenle çatlak oluşmasına yol açabilir.
Çatlak büyümesi sürecinde oluşan kırılma yüzeyi 2 tür ize sahip
olabilir.
Durma hatları (beachmark)
Yorulma çizgileri (striation)
her iki iz de çatlak büyüme sürecince çatlak pozisyonlarını
gösterir. Çatlak başlama noktasından düzgün bir şekilde, radyal
olarak uzaklaşan çıkıntı karakterindedir.
Durma hatları makroskopik ölçülerdedir ve çıplak gözle de fark
edilebilir.
Bu izler büyüme sırasında çatlağın durma yaşadığı parçalarda
görülür. Mesela sadece belirli vardiyalarda çalışan bir torna
tezgahındaki yorulma çatlağı gibi.
Her bir beachmark bandı çatlağın belirli bir süre içinde
ilerlediği sürece denk gelir.
Çatlak başlaması ve büyümesi
Yorulma
kırılmasına
uğrayan Dönen bir
çelik milin kırılma
yüzeyi.
Beachmark izleri
çıplak gözle
görülüyor.
Çatlak başlaması ve büyümesi
Striation denilen yorulma kırık yüzeyi izleri mikro
ölçeklidir ve ancak elektron mikroskobu ile görülür.
Her bir çizgi yorulma
çatlağının durduğu bir
yüzey hattını temsil
eder.
İki iz arasındaki mesafe
çatlağın tek bir çevrim
yüklemesinde ilerlediği
mesafeyi verir.
İz aralığı gerilme genliği
arttıkça artar.
Çatlak başlaması ve büyümesi
Yorulma çatlak büyümesi
Çatlak çekirdeklenmesi çatlak ucunda gerilme
konsantrasyonu
Gerilme yoğunlaşması çatlak ilerlemesi (büyüme)
aşama I : kayma düzlemlerinde (45°) büyüme,
mikroyapı etkisi fazla
aşama II: çekme gerilmesine dik (90°) büyüme
mikroyapı etkisi zayıf
Çatlak büyümesi : katastrofik-vahim, veya sünek
kırılma: çatlak uzunluğu kırılma tokluğuna bağlı.
Yüzeyde gerilme konsantrasyonuna
yol açan mikroçatlak, çizik, vuruk,
çukur, sivri köşe, dislokasyon kayma
adımlarında çatlak başlar!
Aşama I: kristallografik büyüme-
izdüşüm kayma gerilmesinin kritik
değeri aştığı kristal düzlemlerinde
yavaş büyüme; bu çatlak büyümesi
sadece birkaç tane boyunca
gerçekleşir ve çatlak yüzeyi düzdür.
Aşama II: gerilmeye dik yönde daha
hızlı büyüme: çatlak ucu körleşip,
keskinleşerek ilerler; çatlak yüzeyi
pürüzlüdür.
Çatlak sonunda kritik uzunluğa büyür
ve çok hızlı ilerler.
Yorulma aşamaları
Kalan kesitin
gerilmeyi
taşıyamaması:
kopma
Hız: 0.1nm/çevrim mm/çevrim
Aşama II
Aşama I
Yorulma çatlağı çekirdeklenmesi
Hatalar, çatlaklar, oyuklar ve boşluklar, özellikle
yüzeyde olduklarında çatlak oluşması için en
uygun noktalardır.
düzgün yüzeyler çatlak oluşmasını geciktirirler.
Çentik ve hatalar gerilme yoğunlaşmasına neden
olarak yorulma ömrünü kısaltırlar.
Dislokasyon hareketliliği-kayma- da çatlak
oluşmasında kritik rol oynayabilir.
Dislokasyonlar-kayma-çatlak
Dislokasyon hareketi-kaymanın belirli kayma
bantları içinde yoğunlaşmasına yol açabilir.
Çevrimsel gerilmelerde tipik olarak görülen
ısrarcı kayma bantları (persistent slip bands-PSB)
oluşur.
Bu kayma bantları yüzeyde çıkıntı şeklinde kayma
adımları yaparlar: extrusion
Çevrimsel yükleme ile bunun tersi gerçekleşir ve
yüzeyde girintiler de (intrusion) oluşur.
Bu mekanizma çatlakların oluşması ile son bulur.
Aşama I
intrusions vs extrusions
Aşama II Laird (1967) modeli
Plastik körelme ve
keskinleşme
a: yük sıfır
b: küçük çekme
gerilmesi
c: pik çekme gerilmesi
d: yükün dönüşmesi
e: pik basma gerilmesi
f: bir sonraki çevrimde
küçük çekme yüklemesi
Oklar kayma yönünde..
yorulma ile kırılan
yüksek mukavemetli Al
2024-T3 alaşımında
kırılma yüzeyi
Çatlak ilerleme yönü
okla gösterilmiş!
Yorulma çatlak ilerlemesi
Blok A: 0.5 mm/çevrim
Blok B: 0.34 mm/çevrim
Blok C: 0.05 mm/çevrim
(a/N)ort
Yorulma çatlak ilerlemesi
S-N eğrisi – wohler eğrisi
Burma-eğme yüklemesi yapan yorulma test cihazı.
● Numune malzemenin statik çekme mukavemetinin
2/3’üne denk gelen yüksek bir maksimum gerilme
genliğinde çevrimsel yüklemeye tabi tutulur.
● Kırılma gerçekleşinceye kadar yükleme çevrimleri
sayılır.
● Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme
genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır.
● Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya
kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik
değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline
getirilir.
● S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır.
Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin
kullanıldığı da olur.
S-N eğrisi
