METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME LABORATUVARI-I DERSİ DERSİN ÖĞRETİM ÜYELERİ Yrd.Doç.Dr.Cemal ÇARBOĞA Arş.Gör. Serkan DAL NEVŞEHİR 2014 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME LABORATUVARI-I DERSİ DENEYLER SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ ...................................................................... 2-7 JOMINY DENEYİ ................................................................................................... ........................................ 8-14 YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ ...................................................................................................... 15-20 ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANDIRMA) DENEYİ ..................................................................... 21-28 ÇEKME TESTİ............................................................................................................................. ................. 29-41 BASMA TESTİ .............................................................................................................................................. 42-48 EĞME TESTİ............................................................................................................................. .................... 49-52 ÇENTİK-DARBE TESTİ ............................................................................................................................. . 53-62 SERTLİK TESTİ ........................................................................................................................................... 63-72 NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA .................................................................................................... 73-79 PARLATMA VE DAĞLAMA ...................................................................................................................... 80-85 MİKROSKOBİK İNCELEME ..................................................................................................................... 86-94 YÜZEY SERTLEŞTİRME ......................................................................................................................... 95-101 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Farklı soğuma hızlarında (havada, suda ve yağda su verme ile) meydana gelebilecek mikroyapıların mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi ve su ortamında soğutulan numunenin temperleme işlemi sonucunda mekanik özelliklerindeki değişimin gözlenmesi. 2. TEORİK BİLGİ Tavlama işleminden sonra çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, östenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile östenit yapıdan ayrılırlar. Bundan hemen sonra, demir atomları konumlarını biraz değiştirerek yeni bir hacim merkezli kübik (HMK) kafes yapısı oluştururlar. Söz konusu ostenit dönüşümü, zamana bağlı bir çekirdekleşme ve büyüme olayı şeklinde meydana gelir. Soğuma hızı artırılıp belirli bir değerin üzerine çıkarıldığında, karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içerisinde hapsedilmeleri nedeniyle kafes yapısı HMK yapıya dönüşemez ve farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya "martenzit" adı verilir. Martenzit, karbon ile aşırı doymuş hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahip bir katı çözeltidir. Ötektoit altı çelikler A3, ötektoit üstü çelikler A1 sıcaklığının 30-50 oC üzerine ısıtıldıktan sonra hızla soğutularak, yapıda bulunan ostenitin, perlit yerine martenzite dönüştürülmesiyle su verme gerçekleştirilir. Pratik olarak % 0.2’den az C içeren çeliklere su verilemez. Östenitleştirme Sıcaklığı: Ötektoid altı çelikler, A3 çizgisinin en az 10 °C üzerindeki bir sıcaklıkta östenitleştirilir. Eğer otektoid altı bir çelik, AC3 sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda tavlanırsa bu çelikte bulunan ötektoid dışı ferrit, su verme işleminden sonra da yapıda aynen kalır. Söz konusu ferrit, iç yapıda yumuşak bölgelerin oluşmasına neden olur ve sonuçta çelik sertleşemez. Otektoid üstü karbon çelikleri Acm ile A1 çizgileri arasındaki bir sıcaklıkta 2 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ ostenitleştirilir. Acm çizgisi oldukça dik olduğundan, bütün yapıyı ostenite dönüştürmek için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekir. Ancak, Acm çizgisinin üzerindeki sıcaklıklarda yapılan uzun süreli tavlama işlemi ostenit tanelerinin irileşmesine neden olur. Ostenit tanelerinin irileşmesi de çatlama olasılığını artırır. Ostenitin homojenliği, karbonun ostenit içerisinde düzgün dağılımı veya her bir ostenit tanesinin aynı karbon oranına sahip olması demektir. Otektoid altı çelikler ısıtıldığında, A1 çizgisinin üzerindeki sıcaklıklarda oluşan ilk ostenit taneleri %0,8 oranında karbon içerirler. Isıtma devam ettikçe, oluşan ostenit tanelerinin karbon oranı azalır ve AC3 çizgisinin üzerindeki sıcaklıklara çıkıldığı zamanda karbon oranı homojen olmayan ostenit taneleri oluşur. Çeliğe, A3 çizgisi üzerindeki bir sıcaklıktan su verilirse karbon oranı düşük olan ostenit taneleri kritik soğuma hızlarının daha yüksek olması nedeniyle martenzit olmayan yapılara dönüşebilirler. Karbon oranı yüksek olan taneler ise daha düşük kritik soğuma hızlarına sahip olduklarından, martenzite dönüşürler. Bu işlem sonucunda, homojen olmayan ve sertliği değişen bir iç yapı elde edilir. Bu durumu önlemek için difüzyona imkan verecek şekilde çeliği çok yavaş ısıtarak karbonun daha homojen dağılmasını sağlamak gerekir. Ancak, yavaş ısıtma işlemi çok uzun süre aldığından pratik olmadığı gibi, ekonomik de değildir. Bu nedenle çeliğin ostenitleştirme sıcaklığında belirli bir süre tutulması daha uygun yol olarak görülmektedir. Bu sıcaklıkta karbonun difüzyonu daha hızlı olduğundan, kısa süre içerisinde homojen bir yapı elde edilir. Güvenli olması bakımından her 25 mm'lik kalınlık veya çap için çeliğin ostenitleştirme sıcaklığında 1 saat'lik bir süre tutulması tavsiye edilir. 2.1. Su verme Su verme ostenitleme bölgesinde belirli bir süre bekletilerek yapısı tamamen ostenitleştirilmiş bir çeliğin soğutulması olayıdır. Su verme sözü her ne kadar çeliğin su içerisine daldırılarak soğutulması gibi bir anlam içeriyorsa da, çeliğin soğutulmasını ifade eden genel bir terimdir. Buna göre çelik ostenitleştirme sıcaklığında tutulduktan sonra, su 3 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ içerisine daldırılarak, yağ banyosu içerisine daldırılarak, havada bırakılarak sertleştirilebilir. Çelikler ister suda, ister yağda veya havada sertleştirilsin, sertleşmeyi sağlayan mekanizma, ostenitleme sıcaklığında beklemeyle oluşan ostenitin soğuma sonrası hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal kafes yapısına sahip martensite dönüşmesidir. Martenzit Fe-C denge diyagramında olmayan bir fazdır. Çeliğin hızlı soğuması sonucunda oluşan martenzitik dönüşüm TTT (Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm) diyagramı ile gösterilebilir (Şekil 1). Şekil 1. TTT diyagramı. Bu diyagramda burun noktası denilen bir nokta vardır. Herhangi bir çeliğin su verilerek sertleştirilmesi için gerekli soğuma hızı, o çeliğe ait TTT diyagramında burun noktasını kesmeyecek şekilde seçilecek bir soğuma hızıdır. Bu soğuma hızı o çeliğin sertleştirilebilmesi için gerekli minimum soğuma hızıdır ve kritik soğuma hızı olarak bilinir. 4 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ 2.2.Temperleme (Menevişleme) Çeliklerde su verme sonrası oluşan martensit yapısı oldukça sert ve gevrektir. Dolayısıyla çalışma koşullarında kolayca çatlayabilir ve hasara yol açar. Bu yüzden çeliklere su verme sonrası temperleme adı verilen bir ısıl işlemle çeliğin tokluğu ve sünekliği arttırılabilir (Şekil 2). Bu sırada sertlikte de bir miktar düşme meydana gelir. Temperleme sıcaklığı çeliğin türü ve parçanın kullanılacağı yere bağlı olarak 150 600 °C arasında değişir. Tutma süresi parça kalınlığına bağlı olarak 1 – 2,5 saat arasında değişir. Genellikle 1 inç kalınlığında bir parça için 1 saatlik bir temperleme süresi uygulanır. Bu sürenin sonunda parça fırından çıkarılarak havada soğumaya bırakılır. Temperleme bir difüzyon olayıdır, dolayısıyla temperleme sıcaklığı ve tutma süresi temperleme sonucunu etkiler. Şekil 2. Martenzit dönüşümü ve temperleme işlemlerinin şematik gösterimi 5 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Fırın C45 çeliği Soğutma ortamları (Yağ, su, hava) Vickers Sertlik Ölçüm Cihazı 4. DENEYİN YAPILIŞI Numuneler ısıl işleme tabi tutulmadan önce sertliği ölçülür. Östenitleme işleminden sonra havada, suda ve yağda su verilir. Ardından her bir numuneden tekrar sertlik ölçümü alınır, değerler farklı soğuma hızına bağlı mikroyapı değişimleri göz önüne alınarak kıyaslanır ve yorumlanır. Suda su verilmiş olan numune temperleme işlemine tabi tutularak nihai sertlik değerleri ölçülür. Deneyde C45 alaşımsız çelik kullanılacaktır. 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA Metalik malzemelerin ostenitleme bölgesinden farklı soğuma ortamlarında soğutulmaları sonucu mekanik özelliklerinde içyapılarına bağlı olarak farklılıklar meydana gelmektedir. Deney sonucunda soğuma hızında meydana gelebilecek değişimler sürekli soğuma eğrileriyle birlikte değerlendirilerek meydana gelen mikroyapıların mekanik özelliklere etkisi tespit edilmiştir. Ayrıca suda su verilmiş numunelere uygulanan menevişleme işleminin içyapıda meydana getirdiği değişikliğin sertliğe etkisi gözlenmiştir. 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) Çeliğin başlangıçtaki ve ısıl işlem sonucundaki sertliklerini göz önüne alarak, yaptığınız ısıl işlemde meydana gelebilecek iç yapı değişimlerini çizerek yorumlayınız. c) Havada, suda ve yağda gerçekleştirilen farklı soğuma hızlarının sonucunda elde edilen verileri grafik çizerek kıyaslayınız. 6 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SU VERME - MENEVİŞLEME (TEMPERLEME) DENEYİ 7. KAYNAKLAR a- http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/duy/lab/cii.pdf b- Malzeme Bilgisine Giriş, Mehmet Yüksel, Cemal Meran c- Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 7 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Bu deney ile incelenen çelik alaşımın su verme davranışı belirlenmektedir. Bunlardan ilki su verme sonrası elde edilebilecek maksimum sertlik değeri olup, ikincisi ise sertleşme derinliğidir (sertleşme kabiliyeti). Detayları Türk Standartları 1381’de verilmiştir. 2. TEORİK BİLGİ: 2.1.Sertleşebilirlik Aşırı yüksek ve dinamik yükler altında ve/veya soğukta çalışan çelik makine elemanlarının bu koşullarda başarıyla çalışabilmesi için kübik martenzit (ıslah) yapısında olması gerekir. Çeliğin bu yapıya ulaşabilmesi önce martenzitik bir yapıya kavuşturulması ardından da ıslah edilmesi ile mümkündür. Çelik malzemenin martenzite dönüştürülebilmesi için malzemenin östenit sahasından belirli bir kritik hızın üzerinde soğutulması gerekir ki bu işlem su verme olarak adlandırılır. İnce kesitli parçalarda alaşımsız çelikler suda soğutularak bu hız değerleri yakalanabilmektedir. Ancak kalın kesitli parçalarda parça suya dahi atılsa iç kesimlerin soğuması yavaş olmakta ve kritik soğutma hızını yakalamak zorlaşmaktadır. Bu durum özellikle büyük boyutlu makine parçalarının tüm kesitine su verme işleminin zorlaşmasına hatta imkansızlaşmasına yol açmaktadır. Kritik soğuma hızı, TTT diyagramlarında burun noktasını kesmeden sağlanan en düşük soğuma hızıdır. Su verme işleminde uygulanan soğuma hızı, kritik soğuma hızından daha yüksek ise, perlit ve beynit dönüşümü tamamen engellenerek martenzit yapısı oluşur. Eğer soğuma hızı kritik soğuma hızından daha düşük ise en son yapıdaki martenzitin miktarı ve buna bağlı olarak da sertlik azalır. Bu yolla sağlanan sertlik değeri çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Ostenitleme işleminden sonra karbür olarak kalan karbon, martenzit reaksiyonunda yer almadığı için sertliğe etki etmez. Şekil 1, martenzit miktarı, sertlik ve karbon miktarı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. 8 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ Şekil 1. Martenzit miktarı, sertlik ve karbon miktarı ilişkisi. Çeliklerin yüzeyden derinlere kadar martenzite dönüştürülebilmeye yatkınlığı malzemenin sertleşebilirliği olarak adlandırılır. Sertleşebilirlik deneyleri su verme ile elde edilen sertlik derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Bu derinlik, martenzit miktarının yüzeyden itibaren yarıya indiği ya da % 50 martenzit ve beynitin var olduğu mesafe olarak ifade edilmektedir. Yüksek sertleşebilirliğe sahip bir çeliğin karakteristik özelliği, yüksek sertleşme derinliği göstermesi veya büyük parçalar halindeyken bile tam olarak sertleşebilmesidir. Sertleşebilirlik ile sertlik farklı kavramlardır. Maksimum sertlik çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Sertleşebilirlik ise çeliğin kimyasal bileşimine ( karbon ve alaşım elementleri ) ve su verme sırasında ostenit tane boyutuna bağlıdır. Çelik parçanın boyutları arttığı zaman soğuma hızı düşer ve çekirdek sertliği, ferrit ve perlit gibi fazların oluşumuna bağlı olarak azalır (Şekil 2). 9 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ Şekil 2. AISI 8630 çeliği için Jominy deneyinden elde edilen verilerle sürekli soğuma eğrileri ve sürekli zaman dönüşüm diyagramı arasındaki ilişkilerinin gösterimi 2.2.Sertleşebilirliğe etki eden faktörler Alaşım elementlerinden sertleşebilirliği en fazla C, B, Cr, Mn, Mo, Si ve Ni etkiler. Karbon, martenzitin sertliğini kontrol eder. Çelikte % 0,6’ya kadar C içeriği arttığında çeliğin sertliği artar. Daha yüksek seviyelerdeki karbon içeriği olduğu durumda, ostenitten martenzite dönüşüm tamamlanamaz. Bu da yapıda kalıntı ostenit bulunmasına sebep olur. Bu durumda yapıda martenzitin yanında ostenit bulunacağından sertlik daha düşük seviyelerde kalır. Karbon miktarının yüksek olması malzemenin daha gevrek bir davranış göstermesine neden olur ve daha sonra yapılacak olan işlemlerde sorunlar yaratabilir. Bu yüzden % 0,4 C’a kadar olan çeliklerde sertleşebilirlik kontrolü daha kolaydır. Çeliğin martenzitinin sertliğine karbonun etkisi 10 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ su verme sonrası karbon atomunun yapı içerisine zoraki olarak sıkışması ile izah edilebilir. Diğer alaşım elementleri ise kafes yapısında zoraki kalmadıklarından karbonun etkisini yapmazlar. Bor, % 0,002 - 0,003 oranında çeliğe ilave edildiğinde % 0,5 Mo ilavesindeki etkiyi gösterir. Bor düşük karbonlu çeliklere ilave edildiğinde sertleşebilirlikte en büyük etkiyi gösterir. Cr, Mo, Mn, Si, Ni ilaveleri çelikte ostenitten ferrit ve perlite dönüşümü geciktirir. Bu elementler ara yüzeyde tane büyümesini engelleyerek sertleşebilirliği arttırırlar. Ostenit tane boyutunun artması ile sertleşebilirlik artar. Ferrit ve perlitin çekirdekleşmesi ostenit tane sınırında heterojen çekirdekleşme ile gerçekleşir. Ostenit tane boyutunun artması çekirdekleşme için gereken bölgenin daha az olmasını sağlar ve faz dönüşümü gecikir. Bu yüzden ostenitleme sıcaklığı yüksek seçilerek tane boyutunun büyük olması sağlanabilir. 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR: Deney numunesi ve boyutları: Jominy deneyi için 25,4 mm çapında ve 101,6 mm uzunluğunda silindirik bir çelik çubuk kullanılır (Şekil 3). Şekil 3 : Jominy uçtan su verme deney numunesi şekil ve boyutları Makro Vickers (30 kgf) ya da Rockwell C sertlik testi Fırın Jominy deney düzeneği 11 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ Şekil 4. Jominy deney düzeneği 4. DENEYİN YAPILIŞI: Sertleşebilirliğin belirlenmesi amacıyla en yaygın kullanılan deney Jominy deneyidir. Bu deneyde 25 mm çapındaki 100 mm boyundaki silindirik bir numune Şekil 4’te gösterilen düzenekle alın kısmından su ile soğutulur. Parça boyunca farklı soğuma hızları elde edilir. Numune su hortumundan 12,5 mm mesafede olacak şekilde yatay bir yüzey üzerine oturtulur. Su sıcaklığı 24-28 °C dir. Deney numunesi önce normalize edilir, verilen boyutlarda işlendikten sonra bileşimine göre uygun su verme sıcaklığına (ostenitleme sıcaklığı) kadar ısıtılır ve bu sıcaklıkta en az 30 dakika tutulur. Bu sürenin sonunda fırından çıkarılan numune süratli bir şekilde deney düzeneğine yerleştirilir ve bir ucundan su püskürtmek suretiyle soğutulur. Soğuma hızı, çelik çubuk boyunca su verilmiş uçtan itibaren kademeli olarak azalır. Çubuk soğutulduktan sonra eksenine paralel ve yüzeyden itibaren 0,4-0,5 mm derinliğinde talaş kaldırma işlemi yapılarak düzgün bir yüzey elde edilir. Daha sonra bu yüzey kullanılarak, su verilmiş uçtan itibaren belli aralıklarla çubuğun sertliği ölçülür. Sertlik ölçümleri su vermenin yapıldığı alından başlanarak 1,5-1,5-2-2-2-2-22 mm olan mesafelerde yapılır. Toplam 15 mm’yi bulan bu noktalardan sonra 5’er mm aralıklarla ölçümler yapılır. Elde edilen sertlik değerleri mesafeye bağlı olarak bir grafik üzerinde belirtilerek, Jominy eğrileri elde edilir. 12 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA: Çeliğin sertleşebilirlik özelliklerinin tarifi için, aşağıdaki metotlardan birisi kullanılır: a) Sertlik-su verme ucundan uzaklık değişim eğrisinin çizilmesi veya eğriye ait verilerin tablo halinde sunulması. b) Çeliğin alaşım miktarına bağlı olarak, su verme ucundan ve belirtilen bir mesafedeki sertlik değerleri üzerinden sertleşmenin sayısal olarak tanımı yapılabilir. Su verme ucundan artan uzaklıkla sertliğin azalması yapıda dönüşüme uğrayan martenzitin miktarıyla ilişkili olarak değişmektedir (Şekil 5). Şekil 5. Jominy deneyi sonucu elde edilen, sertliğin su verilen uçtan uzaklığa göre değişimini veren sertleşebilirlik eğrisi 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) 1020, 1040 ve 4140 çeliğinin elde edilen mesafe-sertlik verilerine göre sertleşebilirlik eğrisini çiziniz ve eğriler arasındaki farkı açıklayınız. c) Her bir mesafede oluşabilecek mikro yapıları çiziniz. d) Yüksek alaşımlı çeliklere neden Jominy deneyi uygulanmamaktadır? Açıklayınız. 13 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- JOMINY DENEYİ 7. KAYNAKLAR Dokuz Eylül Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Jominy Sertleşebilirlik Testi Deney Föyü Ondokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Malzeme Üretim Laboratuarı I Deney Föyü Sakarya Üniversitesi Deney Föyü Yıldız Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Deney Föyü Malzeme Bilgisine Giriş, Mehmet Yüksel, Cemal Meran 14 Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Bu deneyin amacı; yeniden kristalleşme prosesinin ve deformasyon oranı ile yeniden kristalleşme tav sıcaklığının proses üzerindeki etkisinin incelenmesidir. 2. TEORİK BİLGİ Plastik deformasyon, metalik malzemelerin üretiminde ve biçimlendirilmelerinde kullanılan en yaygın imal usulüdür. Plastik şekil verme yöntemleri, işlem sıcaklığına göre soğuk (T < 0.3 Te), ılık (0.3 Te < T < 0.5 Te) ve sıcak (T > 0.5 Te) olarak üç gruba ayrılmaktadır. Metale soğuk şekil verme işlemi uygulandığında dislokasyon yoğunluğu ve buna bağlı olarak sertliği ve dayanımı artar, sünekliliği ve tokluğu ise düşer. Hareket eden dislokasyonlar ya kaymayı oluşturur ya da başka dislokasyon, tane sınırı gibi engeller ile durdurulur. Engellerin önünde dislokasyonların yığılması (mesela tane sınırlarında) bitişik tanedeki gerilmeyi artırır. Artan gerilme, bitişik tane içindeki dislokasyon kaynaklarını harekete geçirir. Bu şekilde plastik şekil değiştirme taneden taneye geçerek, tüm malzeme plastik şekil değiştirmeye uğrar. Plastik şekil değişimine uğramış metalin kristal tane yapısı bozulur; taneler şekil verme yönü doğrultusunda uzar (Şekil 1). Şekil 1. Plastik deformasyon esnasında tane yapısında meydana gelen bozulma Plastik şekil değiştirme miktarı arttıkça dislokasyon yoğunluğu da artar. Dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engelledikleri için dislokasyon hareketi zorlaşır. Bu olaya pekleşme veya şekil değiştirme sertleşmesi denilir. Şekil değiştirme sertleşmesi (pekleşme) nedeniyle, malzemeye verilebilecek deformasyon oranının bir üst limiti vardır. Bu limitin aşılması halinde malzeme çatlamaya uğrar. Çünkü soğuk şekil verme sırasında 15 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ atomlar arası boşlukların oluşması ve bu boşlukların konsantrasyonunun giderek artması sebebiyle malzemede yırtılma ve çatlamalar oluşur. Deformasyon oranı belirli bir değere ulaştıktan sonra, şekillendirme işlemine devam etmek için malzemenin tavlama işlemine tabi tutulması gerekir. Bu tavlama sürecinde malzeme yeniden kristalleşme sergiler. Dislokasyon bölgesindeki atomlar denge durumundan uzaklaştıkları için dislokasyon yoğunluğunun artması (gerilmiş yay gibi) malzemenin iç enerjisini artırır. Plastik deformasyon sırasında dislokasyon hareketlerinden kaynaklanan atom boşluklarının oluşması da soğuk deformasyona uğramış metallerde enerji kaynağı olarak kabul edilir. Soğuk işlemde harcanan enerjinin çoğu ısıya dönüşür, fakat bir kısmı deformasyonla oluşmuş çeşitli kafes hatalarına bağlı deformasyon enerjisi olarak metalde depolanır. Denge durumu bozulan atomlar denge durumuna gelme eğilimindedir. Dışarıdan bir enerji (ısı) verilecek olursa, malzeme eski düzenli haline gelir. Bu olaya yeniden kristalleşme denilir. Yeniden kristalleşme, plastik deformasyon esnasında şekil değiştirme yönünde uzayarak lifsi hale gelmiş, birbirine girerek sınırların kaybolduğu orijinal tanelerin, çekirdeklenme ve büyüme prosesleri ile eş eksenli bir formda tekrar teşekkül ettikleri bir prosestir. Yeniden kristalleşme olayına etki eden unsurları iki grupta toplamak mümkündür; birincisi, proses değişkenleri; ikincisi ise, malzeme değişkenleridir. Proses değişkenleri şunlardır: 1. Deformasyon oranı, sıcaklığı ve hızı. 2. Tavlama sıcaklığı ve süresi. Deformasyon miktarının artması ile malzemede hatalı bölgeler çoğalır, buna bağlı olarak depolanan enerji artar, çekirdekleşme kolaylaşır ve bu nedenle yeniden kristalleşme için gerekli olan kuluçka süresi azalır. Aynı sıcaklıkta tavlandığında daha fazla soğuk deformasyon gören metal daha hızlı yeniden kristalleşmektedir. Metalik malzemelerin belirli bir sıcaklıkta yapılan tavlama işleminde yeniden kristalleşme gösterebilmesi için belirli bir oranda deformasyona uğratılmış olması gerekir. Bu değere, 16 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ kritik deformasyon oranı adı verilir. Kritik oranda şekil değiştiren malzemede tavlama ile birlikte çok iri taneli bir yapı oluşur. Kritik oranın altında şekil değiştiren malzemede yeniden kristalleşme oluşmaz. Kritik deformasyon oranı aşıldıktan sonra, deformasyon oranındaki artışla birlikte tane boyutu küçülür. Yeniden kristalleşme sıcaklığı, soğuk deformasyona uğratılmış malzemede 1 saat içinde primer yeniden kristalleşmenin tamamlandığı sıcaklıktır. Tavlama işlemine devam edilirse, tane kabalaşması, ikincil ve üçüncül yeniden kristalleşme oluşabilir. Yeniden kristalleşme için iki tip enerjiye ihtiyaç vardır: deformasyon ve ısıl enerji. Yeniden kristalleşmeyi etkileyen malzeme değişkenleri şunlardır: 1. Alaşım elementi oranı ve cinsi. 2. Alaşım elementlerinin dağılımı (katı çözelti veya ikincil faz/partikül) 3. Orijinal (başlangıç) tane boyutu. Deformasyon öncesi tane boyutunun da yeniden kristalleşme üzerinde etkisi vardır. Tane boyutunun küçülmesi ile birlikte yeniden kristalleşme hızı artar. Daha ince taneli yapılar oluşur. Yeniden kristalleşmede olaylar üç safhada incelenebilir (Şekil 2 ve Şekil 3): Şekil 2. Yeniden kristallenme tavı sırasında zaman bağlı olarak gelişen tavlama aşamaları ve buna bağlı yapı değişimi 17 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ Şekil 3. Soğuk deformasyon ve tavlama ile malzemede meydana gelen değişikliklerin şematik gösterilişi 1. Toparlanma (0.1 - 0.3 Tergime) Plastik şekil değiştirmeye uğramış metale dış enerji verilince ilk önce kristal hatalarında bir azalma görülür. Toparlanma evresinde dislokasyonlar düzene girer ve malzemenin soğuk işlem mukavemetinde veya sertliğinde bir miktar düşüş kaydedilir. Bu olay ters işaretli dislokasyonların bir araya gelmesiyle meydana gelir. Ara yer atomları boş yerlere yayınır, Ters işaretli dislokasyonlar biri birini yok eder, Boş yerler bir araya toplanır, Dislokasyonlar aynı hizaya gelerek küçük açılı tane sınırları oluşur. 2. Yeniden Kristal Oluşumu (0.3 - 0.5 Tergime) Metale verilen dış enerji artırılırsa, dislokasyon yoğunluğunun çok olduğu yüksek enerjili bölgelerde yeni kristal çekirdekleri oluşur. Bu çekirdekler büyüyerek malzemenin yeniden kristalleşmesi tamamlanır. 18 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ Yeniden kristalleşme sonucunda, soğuk işlem sonucunda deforme olmuş tanelerin yerini tamamen yeni taneler alır. Bunun sonucu olarak malzeme soğuk işlem ile kazandığı mekanik özelliklerini tamamen kaybeder. Yeniden kristalleşen malzemenin kristal tane büyüklüğü, oluşacak çekirdek sayısına, çekirdek sayısı da dislokasyon yoğunluğu fazla olan bölgelerin çokluğuna bağlı olduğu için kristal tane büyüklüğü şekil değiştirme miktarına bağlıdır. Yeniden kristalleşme için gerekli dış enerji malzemeyi ısıtarak sağlanır. Bu olaya tavlama denilir. 3. Tane Büyümesi ( > 0.5 Tergime) Malzemenin tavlama süresi ve tavlama sıcaklığı artırılır ise taneler büyüyerek irileşir. Böyle bir yapı çoğu zaman arzu edilmez. 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Alüminyum alaşımı Fırın Optik Mikroskop Hidrolik Pres Vickers Sertlik Ölçüm Cihazı 4. DENEYİN YAPILIŞI İşlem görmemiş numunelerin mikroyapı incelemesi ve sertlik ölçümü yapılır. Başlangıç çapı 30 mm ve kalınlığı 10 mm olan Al 1050 numuneler, %10 ve %15 olmak üzere iki farklı soğuk deformasyon oranına göre plastik şekil verilir. Deformasyon sonrası sertlik ölçümü yapılır. Soğuk deformasyon sonucu elde edilen numunelere, 400 °C sıcaklıkta 1, 1,5 ve 2’şer saat olmak üzere yeniden kristalleşme tavlaması uygulanır ve tekrar sertlik ölçülür. Numuneler metalografik olarak hazırlanır. Soğuk deformasyon ve yeniden kristalleşme tavlaması prosesleri sonucunda elde edilen numunelerin tane boyutu, optik mikroskop yardımıyla belirlenir ve her bir numuneden 5 tane boyutu ölçümü alınır. 19 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- YENİDEN KRİSTALLEŞME DENEYİ 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA Yapılan incelemeler sonucunda deformasyon yüzdesi ve tavlama süresinin yeniden kristalleşme üzerindeki etkisi belirlenmiş olur. 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) Yeniden kristalleşme işlem süresine ve deformasyon oranına bağlı olarak sertlik değişim grafiğini çiziniz ve yorumlayınız. c) Yeniden kristalleşme sıcaklığının etkisini araştırıp referans belirterek yazınız. 7. KAYNAKLAR Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Malzeme Üretim Laboratuarı I Deney Föyü Pamukkale Üniversitesi, Malzeme Bilgisi Dersi, Yard. Doç. Dr. Hayri ÜN Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Metalurji ve Malzeme Laboratuarı ve Uygulamaları Ders Notu 20 Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Alüminyum alaşımlarında çökelme sertleşmesinin (yaşlanma) mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi ve sertleşme mekanizmasının öğrenilmesi. 2. TEORİK BİLGİ Çökelme sertleşmesi terimi, genel bir ifadeyle birbirleri içerisinde sınırlı çözünürlüğe sahip (tek faz bölgesi içeren) alaşımlara uygulanan bir sertleştirme yöntemidir. Bu işlem, ikinci fazın bir matris içinde katı çözeltiden çökelmesi sonucu alaşımın mukavemetinin artmasını sağlar. Çökelme sertleşmesi, demir dışı malzemelerde özellikle alüminyum esaslı alaşımlarda diğerlerine göre daha geniş çaplı bir kullanım alanına sahiptir. Çökelme sertleşmesinin uygulanabilmesi için, alaşım sistemi iki önemli ön şartı sağlamalıdır. Bunlar: 1- Bir elementin diğer element içinde kayda değer miktarda, yani yüzde birkaç oranında çözünebilmesi 2- Ana element içindeki çözünen elementin çözünme sınırının, sıcaklığın düşmesiyle birlikte hızla azalması (solvüs eğrisine sahip olmalıdır) Çökelme sertleşmesi ısıl işlemi üç aşamada gerçekleştirilir: 1. Çözeltiye alma işlemi, 2. Ani soğutma ile aşırı doymuş yapı elde etme, 3. Yaşlandırma işlemi. Yaşlanma ancak denge diyagramında solvüs eğrisi bulunan alaşımlarda ve sadece solvüs eğrisinin sınırladığı katı eriyik bileşimlerinde meydana gelebilir. Bu nedenle alüminyum alaşımlarının bazıları yaşlandırılabilir. Yaşlanabilir alüminyum alaşımlarından 2XXX, 6XXX ve 7XXX serisi alaşımların ısıl işlemi teknolojik açıdan önem taşır. Bir alaşımın çökelmeyle sertleşebilirliği için temel koşul alaşım elementinin çözünebilirliğinin düşen sıcaklıkla birlikte azalmasıdır. Şekil 1’de verilen Al-Cu denge diyagramından da görüldüğü gibi, Cu’nun çözünürlüğü sıcaklığın düşmesi ile birlikte 21 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ azalmaktadır. Çözeltiye alma işleminin ardından katı eriyik ani soğutularak aşırı doymuş yapı elde edilir. Şekil 1. Alüminyumun içerisinde bakırın sıcaklığa bağlı olarak çözünebilirliği Üçüncü aşamada olan yaşlandırma işleminde aşırı doymuş yapı içerinde ikincil fazın küçük partiküller halinde çökelmesi sağlanır (Şekil 2). Çökelmenin başlangıcında, çökelti boyutu çok küçük olduğundan çökeltiler deformasyon sırasında dislokasyonların hareketini çok az etkileyebilirler, bundan dolayı malzemenin sertliğinde önemli bir değişiklik görülmez. Fakat çökeltilerin boyu dislokasyon hareketleri zorlaşır. Dolayısıyla malzemenin dayanımı yükselir. 22 arttıkça METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ Şekil 2. Çökelme sertleşmesi sırasında meydana gelen mikroyapısal değişimler. Alüminyum alaşımları için oda sıcaklığında uzun sürede (birkaç saat ile birkaç hafta arasında) yapılır ise “doğal yaşlandırma” işlemi olarak isimlendirilir. Eğer oda sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta yapılırsa (100 oC ila 200 oC arasında) yaşlanma işlemi hızlandırılır. Bu tür yaşlanma “yapay yaşlandırma” olarak isimlendirilir. Sertleşme Mekanizması Çökelme sertleşmesi genel olarak yüksek dayanımlı alüminyum alaşımlarına uygulanır. Şekil 1’deki Al-Cu faz diyagramından görüldüğü üzere; α, bakırın alüminyum içinde yaptığı yer alan katı çözeltisi; θ ise CuAl2 metallerarası bileşiğini temsil eder. Denge halindeki θ fazının çökelme sertleştirmesi işlemindeki gelişimi sırasında sırayla bir takım ara veya geçiş fazları oluşmaktadır (Şekil 3 ve Şekil 4). Alaşımın mekanik davranışı bu geçiş fazlarının parçacıklarına ait özelliklerden etkilenir. Sertleşmenin ilk kademelerinde bakır atomları α katı çözeltisi içindeki birçok noktada olmak üzere, bir veya iki atom kalınlığında ve yaklaşık 25 atom çapındaki çok ince diskler şeklinde bir araya gelerek kümelenir. 23 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ Bu atom toplulukları genellikle Guinier-Preston (GP) bölgeleri olarak adlandırılır ve çok küçük boyutta oldukları için, bunlar henüz bir çökelti parçacığı olarak addedilmez. Ancak bakır atomlarının zamanla yayınmasıyla, bu atom topluluklarının boyutu da büyür, kristal yapı oluşturarak birer faz parçacığı haline gelir. Çökelen parçacıklar θ kararlı faz yapısına kavuşmadan önce, sırasıyla θ’’ ve θ’ olarak gösterilen iki geçiş fazını oluşturur. Şekil 3. θ fazının çökelmesi esnasında meydana gelen ara fazlar ve sertliğe etkileri 24 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ Şekil 4. Al-Cu alaşımının yaşlanma sırasında farklı evrelerdeki mikroyapıları a) GP zonları (720000x) b) θ” (63000x) c) θ’ (18000x) d) θ (8000x) Çökelme sertleşmesi, hareket edebilen dislokasyonların yolu üzerinde küçük ve sert partiküllerin oluşmasının sağlanmasıyla gerçekleştirilir. Şekil 5 ve Şekil 6’dan da görüldüğü gibi, çökelti partikülleri dislokasyon hareketlerini engelleyerek malzeme mukavemetinin artmasını sağlar. Çökelen II. fazın türü, dağılımı, miktarı, ortalama çapı ve sayısı mukavemet değerini etkiler. Çökelen II. faz tanecikleri yapı içinde ne kadar küçük, sık ve homojen olarak dağılmışlar ise, mukavemette o kadar yüksek olmaktadır. Mukavemet artış mekanizmasının tabiatını anlamanın en iyi yolu, dislokasyonların çökelen ikinci faz ile etkileşimlerini incelemektir. Kayan dislokasyonların çökelti partiküllerle etkileşimi Δt olarak ifade edilebilen miktarda kritik kayma gerilmesini arttıracaktır. Teorik çalışmalar, Δt ‘ yi dislokasyon-partikül etkileşim parametrelerinin bir fonksiyonu olarak tespit etmeye dayanmaktadır. Dislokasyon-partikül etkileşimini üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım, dislokasyonların çökelen partiküllere ne şekilde nüfuz ettikleri esasına göre yapılmaktadır. Dislokasyonlar, 1) partikülleri halkaya alırlar, 2) partikülleri keserler ve 3) partiküller etrafında çapraz kayarlar. 25 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ 1. Partiküllerin Halkalanması Şekil 5. Dislokasyonların çökelen partikülleri halkaya alması 2. Partiküllerin Kesilmesi Şekil 6. Çökelen partiküllerin dislokasyonlar tarafından kesilmesi 3. DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Çökelme sertleşmesi uygulanan alüminyum alaşımından yapılmış numuneler (AA 7075) Solüsyona alma işlemi için fırın, Ani soğutma ortamı, Yaşlanma işlemi için etüv, Brinell veya Vickers sertlik ölçüm cihazı. 4. DENEYİN YAPILIŞI Deney malzemesi olarak 7075 alüminyum alaşımından üretilmiş numuneler kullanılacaktır. Deney malzemesinin kalınlığı en az 5 mm olmalıdır. Deneyin yapılışı örnek olarak % 4 Cu, % 0,8 Mg, % 0,5 Mn içeren AlCuMg alaşımı için açıklanabilir. Solüsyona alma işlemi 480oC’ lik bir fırında yaklaşık 1 saat süre ile gerçekleştirilir. 26 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ Solüsyona alma işleminden sonra numuneler fırından mümkün olduğunca çabuk alınarak derhal soğuk suya daldırılarak ani soğutma yapılırlar. Çökelme sertleşmesi alüminyum alaşımlarında ani soğutmadan hemen sonra başladığı için ilk 15 dakika içerisinde yapılmalıdır. Yaşlanma işlemi için üç sıcaklık seçilir: oda sıcaklığı, 170 oC ve 250 oC. Oda sıcaklığındaki yaşlanma (doğal yaşlanma) çok yavaş seyreder. Çoğu zaman sertlik artışı birkaç saat sonra başlar ve belirli aralıklarla birkaç hafta sürdürülür. Her iki sıcaklıkta yapılan suni yaşlanmada sertlik ölçmeleri kısa aralıklarla yapılır. Örneğin, 170 oC için ½, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 saat sonra ve 250 oC için ¼, ¾, 1, 5, 2.5, 3.5, 5 saat sonra sertlik ölçümü yapılır. Suni yaşlanma için sıcaklığı ayarlanabilir etüv kullanılır. Sertliklerin ölçülmesi için parçalar soğutulur. Etüv dışında geçen süre sonucu etkileyeceğinden sertlik ölçme işlemleri numune soğuyunca hemen yapılmalıdır. Alüminyum alaşımlarında 170 oC’deki yaşlanma işleminde birkaç saat boyunca sabit kalabilen sertlik değerleri görülebilir. Ancak işlem devam ettiğinde tekrar sertlik artışı görülür. Suni yaşlanmada (doğal yaşlanmada da olabilir) önce Guinier-Preston bölgelerinin oluştuğu ve devam eden yaşlanmada stabil olmayan intermetalik fazının oluşmasıdır. Deney esnasında sertlik yükselişinde düzensizlikler ve geniş dağılımlar görülebilir. Bunun sebebi, deneylerin dikkatli yapılmayışı ve deney malzemesindeki homojensizlikler olabilir. Bu nedenle, deney numunesi sayısı mümkün olduğunca fazla olmalıdır. 5. SONUÇLAR VE YORUMLAMA Değerlendirme yaşlanma süresine bağlı olarak sertlik değişiminin grafik üzerinde belirtilmesiyle yapılır. 27 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇÖKELME SERTLEŞMESİ (YAŞLANMA) DENEYİ 6. DENEY RAPORU Deney raporu aşağıdaki soruların cevaplarını içermelidir. a) Deney aşamalarını 5 madde ile özetleyiniz. b) Yaşlanma işlemi sırasında ölçülen sertlikler göz önüne alınarak iç yapı değişimlerinin değerlendirilmesi. c) Yaşlandırma süresine bağlı olarak sertlik değişim grafiği çizilmesi ve grafiğin sertleşmesi mekanizmaları da göz önüne alınarak yorumlanması. 7. KAYNAKLAR Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Malzeme Üretim Laboratuarı I Deney Föyü http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/duy/lab/cos.pdf AA 2024 Alüminyum Alaşımında Çökelme Sertleşmesinin Mekanik Özelliklere Etkisi, Ş. Y. Güven, Y. E. Delikanlı, SDÜ Teknik Bilimler Dergisi 2012 2 (4) 13-20 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, William D. Callister, David G. Rethwisch http://eyupyaylaci.com/malzemelerde-cokelme-sertlesmesi/ http://web.itu.edu.tr/ozgulkeles/dersler/Malzeme_Bilimi_11_2008.pdf Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 28 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Malzemede belirli bir şekil değiştirme meydana getirmek için uygulanması gereken kuvvetin hesaplanması ya da cisme belirli bir kuvvet uygulandığında meydana gelecek şekil değişiminin belirlenmesi mühendislikte büyük önem taşır. Şekil değiştirme ve bu şekil değiştirmeyi veren kuvvet arasındaki bağıntı, malzemenin hangi koşullarda çalışabileceğini ya da hangi koşullarda şekillendirilebileceğini belirlemektedir. Kuvvet ve şekil değiştirme arasındaki bağıntıların incelenmesi bakımından en basit deney çekme deneyidir. Çekme deneyi; malzemelerin statik yük altındaki elastik ve plastik davranışlarının (mekanik özeliklerinin) belirlenmesi, mekanik davranışlarına göre sınıflandırılması ve malzeme seçimi amacıyla yapılır. Bu deneyde standart çekme numunelerinin mukavemet değerleri ölçülür. Elde edilen değerler karşılaştırılarak, malzemelerin mekanik özellikleri değerlendirilir. Metal malzemelerin çoğunda bazı mekanik özellikleri ölçebilmek için standartlarda belirlenmiş kurallar içinde çekme deneyleri yapılır. Şekil 1’de örnek bir gerilme-şekil değişimi grafiği verilmiştir. 2. TEORİK BİLGİ 2.1.Tanımlar Gerilme (σ ): Birim alana etkiyen yük anlamına gelir ve aşağıdaki formülle hesaplanır. Deney numunesinin çekme kuvvetine dik doğrultudaki kesit yüzeyi başlangıçta A0, deney sırasında P kuvvetinin uygulandığı anda ise A ile gösterilirse, nominal gerilme (mühendislik gerilmesi/hesaplanan); (1) 29 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Gerçek gerilme (oluşan gerilme); (2) Olarak tanımlanır. Birim Şekil Değiştirme (e): Malzemeye kuvvet uygulandığında oluşan boy değişiminin kuvvet uygulanmadan önceki ilk boya oranıdır. Başlangıç ölçü boyu l0, deneyin herhangi anında P yükünün etkisi ile l değerini aldığında, çekme doğrultusundaki birim şekil değiştirme (birim uzama); (3) bulunur. Gerçek Şekil Değiştirme (ε ): Deney sırasında ölçü boyu sürekli değişmektedir. Ölçü boyu deneyin herhangi bir anında l iken, dl gibi sonsuz küçük bir uzama sonunda birim şekil değiştirmedeki artış dl/l olacaktır. Bu bakımdan, l0 başlangıç boyu l değerini alıncaya kadar meydana gelen toplam gerçek şekil değiştirme; (4) ε, logaritmik veya tabii şekil değiştirme olarak da anılır ve l>l0 olduğu için pozitiftir. Denklem 3, şeklinde yazılıp denklem 4’e taşınırsa, 30 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ (5) bulunur. Küçük e değerleri yani elastik şekil değişimi için, alınabileceğinden kabul edilir. e’nin büyük değerleri için ε ve e arasındaki fark hızla artar. Elastisite Modülü (E): İki atom arasındaki bağ kuvveti olarak tanımlanmaktadır ve malzemenin dayanımının (mukavemetinin) ölçüsüdür. Elastisite modülü malzemeye ait karakteristik bir özelliktir. Elastisite modülü yükseldikçe, atomlar arası bağ kuvvetinin arttığı, bununla birlikte mukavemetin ve akma gerilmesi arttığı söylenebilir Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişkinin bir sonucu olup birim uzama başına gerilme olarak tanımlanır. Birim uzama ile gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişki şöyle normal tanımlanabilir: (6) Malzemeye kuvvet uygulandığında, malzemede meydana gelen uzamalar elastik sınırlar içinde gerilmelerle orantılıdır. Buna “Hooke Kanunu” adı verilmektedir. Elastisite modülü malzemeye ait karakteristik bir özelliktir. Akma dayanımı (a): Uygulanan çekme kuvvetinin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşın, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve çekme diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği kısma karşı gelen gerilme değeridir. Bu değer akma kuvvetinin (Fa) numunenin ilk kesit alanına bölünmesiyle (sa = Fa/A0) bulunur. Düşük karbonlu yumuşak çelik gibi bazı malzemeler, deney koşullarına bağlı olarak belirgin akma sınırı gösterebilirler. Malzemelerin belirgin akma göstermemesi durumunda, genelde %0,2'lik 31 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ plastik uzamaya (eplastik = 0,002) karşı gelen çekme gerilmesi akma sınırı veya akma dayanımı olarak alınır (Off-set Kuralı). Şekil 5 (B)’de belirgin akma göstermeyen bir malzemenin çekme diyagramı ile bu malzemenin akma dayanımının nasıl belirlendiği görülmektedir. Çekme dayanımı (ç): Bir malzemenin kopuncaya veya kırılıncaya kadar dayanabileceği en yüksek gerilme değeri çekme gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, çekme diyagramındaki en yüksek gerilme değeri olup, aşağıdaki formül ile bulunur. Kopma Gerilmesi (σ K): Numunenin koptuğu andaki gerilme değeridir. 32 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Şekil 1. Çekme deneyinde üniform uzama, büzülme ve kopma. Yü zde Kopma Uzaması (KU): Çekme numunesinin boyunda meydana gelen en yüksek yüzde plastik uzama oranı olarak tanımlanır. Çekme deneyine tabi tutulan numunenin kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile son boy ölçülür ve boyda meydana gelen uzama (7) bağıntısı ile bulunur. Burada Lo numunenin ilk ölçü uzunluğunu, Lk ise numunenin kırılma anındaki boyunu gösterir. Kopma uzaması ise; (8) bağıntısı yardımıyla belirlenir. Bu değer malzemenin sünekliğini gösterir. Yü zde Kesit Daralması (KD): Çekme numunesinin kesit alanında meydana gelen en büyük yüzde daralma veya büzülme oranı olup; 33 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ bağıntısı ile hesaplanır. Burada A0 deney numunesinin ilk kesit alanını, Ak ise kırılma anındaki kesit alanını veya kırılma yüzeyinin alanını gösterir. Ak nın hesaplanması isçin hacmin sabit kalacağı ifadesi kullanılır. Kesit daralması, kopma uzaması gibi sünekliğin bir göstergesidir. Sünek malzemelerde belirgin bir büzülme veya boyun verme meydana gelirken, gevrek malzemeler büzülme göstermezler. Şekil 2’de gevrek ve sünek malzemelerin kırılma davranışları şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 3’de gevrek ve sünek malzemelere ait çekme deneyi grafiği görülmektedir. Şekil 2. Gevrek (A) ve sünek (B) malzemenin kırılma şekli. Şekil 3. Gevrek ve sünek malzemelere ait çekme deneyi grafiği. 34 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Tablo 1. Çekme Deneyi ile Ölçülebilen Malzeme Değerleri Malzeme Değeri Sembol Birim Rm (Ç) N/mm2 (MPa) Üst Akma Dayanımı (Üst Akma Sınırı) ReH (üst) N/mm2 (MPa) Akma Sınırları Alt Akma Dayanımı (Alt Akma Sınırı) ReL (alt) N/mm2 (MPa) Rp0,2 (0.2) N/mm2 (MPa) Kopma Dayanımı (k) N/mm2 (MPa) Kopma Uzaması ek % Kopma Büzülmesi rk % Üniform Uzama eh % Elastisite Modülü E N/mm2 (MPa) Akma Sınırı Uzaması eak % Çekme Dayanımı % 0,2 Uzama Dayanımı (% 0.2 Uzama Sınırı) Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirmesi için harcanan enerji veya elastik olarak şekil değiştirdiğinde absorbe ettiği enerjiyi‚ şekil değişimini yapan kuvvetin kaldırılması ile geri vermesi özelliğine rezilyans denir. Bu enerji, gerilmebirim uzama (-) eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ile belirlenir ve numune kırılınca geri verilir. Elastik alanda akma sınırına kadar yapılan birim hacim şekil değişimi işine rezilyans modülü denir. 35 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Tokluk: Malzemenin birim hacmi başına düşen plastik şekil değiştirme enerjisi olarak tanımlanır ve malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama veya soğurma yeteneğini gösterir. Tokluk, genellikle - eğrisinin altında kalan alanın hesaplanması ile bulunur. Bu formüldeki malzemede kırılıncaya kadar meydana gelen en yüksek veya toplam birim şekil değiştirme miktarıdır. Tokluğun gerilme–birim uzama eğrisi yardımıyla belirlenişi Şekil 4’te gösterilmiştir. Şekil 4. Gerilme-birim uzama eğrisi yardımıyla şekil değiştirme enerjilerinin (rezilyans ve tokluk) belirlenmesi. 2.2.Çekme Diyagramı Şekil 3’ten görüleceği gibi e başlangıçta σE ile doğrusal olarak artar. Bu bölgede şekil değişimi elastiktir diğer bir deyişle yükün boşaltılması ile parça başlangıçtaki boyunu alır. Doğrunun (Hooke doğrusu) eğimi elastik modülü (E) verir. Doğru boyunca σE=E.e bağıntısı (Hooke kanunu) geçerlidir. Çekme deneyinde parça uzarken kesit yüzeyi de azalır. Deney çubuğunun eksenine dik doğrultudaki birim şekil değiştirme 36 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ (en veya kalınlık doğrultusu) ile eksenel (boyuna) doğrultudaki birim şekil değiştirme arasındaki oranın mutlak değerine poisson oranı denir. Şekil 5 (D)’de A noktasına kadar elastik şekil değişimi vardır ve B noktasına kadar şekil değişimi yine elastiktir. Fakat A ve B noktaları arasında e ve σn doğrusal olarak artmaz. Yani bu noktalar arasında Hooke kanunu geçersizdir. B noktası elastik sınırdır. Elastik sınır; çekme yükü kaldırıldığı zaman malzemede kalıcı (plastic) şekil değişiminin görülmediği en büyük gerilmedir. Genellikle orantı sınırı ile elastiklik sınırı birbirine çok yakın oldukları için, B noktasının A noktası ile çakıştığı kabul edilebilir. Elastik sınır aşıldığında plastik şekil değişimi başlar. Şekil 5 (D)’den görülebileceği gibi plastik alanda çekme eğrisinin E maksimum noktasından önce bir D noktasında yük boşaltıldığı takdirde, geriye dönüş OA doğrusuna paralel DD’ doğrusu boyunca olur. Yük boşaldığında toplam şekil değiştirme elastik bölgede yapılan elastik şekil değişimi e e kadar azalmaktadır. Plastik şekil değişimi ep kadar kalıcı birim şekil değiştirmeye uğradığı görülür. Düşük karbonlu çeliklerde görülen belirgin akma (üst akma ve alt akma sınırı ) görülmektedir. Arayer atomları (C, N) dislokasyonların altındaki çekme gerilmesi bölgesine difüze olurlar ve Cotrell Atmosferi diye anılan atom yığılmalarını oluştururlar. Cotrell atmosferi dislokasyonun hareketini engeller. Dolayısıyla dislokasyonun hareket edebilmesi için Cotrell atosferinden kurtulması, bunun için de uygulanan gerilmenin yükseltilmesi gerekir. Gerilme, dislokasyonları atmosferlerinden kurtardığı anda gerilme değerinde ani bir düşme olur. Akmanın bu şekilde meydana geldiği en yüksek nominal gerilme değerine üst akma sınırı, akmanın devam ettiği ortalama nominal gerilmeye alt akma sınırı denir (Şekil 5 (A) ve 6). 37 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Şekil 5. Çekme diyagramları. Üst akma sınırından sonra çekme çubuğunda şekil değişimi homojen olmaktan çıkar ve akma boyunca çubukta çekme doğrultusu ile yaklaşık 45° açı yapan bantlar oluşur. Lüders-Hartmann bantları olarak adlandırılan bantlar akma süresince tüm çekme çubuğuna yayılır. Şekil 6. Lüders-Hartmann bantları. 38 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ Sıcaklık artışı ile dislokasyon hareketi kolaylaşmakta ve malzeme daha küçük gerilmelerde plastik şekil değişimine uğramaktadır.(Şekil 7) Şekil 7. Sıcaklığın malzemenin plastik şekil değişimine etkisi. Malzemede katı çözelti miktarı artması ile dislokasyon hareketini sınırlayan arayer ya da yeralan katı ergiyikleri oluşmaktadır. Miktar arttıkça aynı şekil değişimini gerçekleştirmek için gereken gerilme artmaktadır (Şekil 8) . Dislokasyon hareketini engelleyen faktörler çekme gerilmesini ve malzeme mukavemetini arttırmaktadır. Şekil 8. Malzemedeki katı çözelti miktarı değişiminin mukavemete etkisi. Çekme deneyi sırasında, deney parçasının kesiti sürekli olarak azalır. Mühendislik gerilmenin hesabında, P çekme kuvveti deney başlangıcındaki Ao kesitine bölündüğü için, deney parçasına etki eden gerçek gerilmenin mühendislik gerilmeden farklı olduğu açıktır. Gerçek gerilme, hesaplandığı andaki çekme kuvvetinin, e andaki parça kesitine bölünmesi ile bulunur. Çekme deneyi sırasında, deney parçasındaki şekil değişimi de homojen değildir mühendislik % uzama (%ε) deney parçasının 39 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ boyundaki değişimin (Δl) orijinal boya bölünmesiyle elde edilir. Gerçek şekil değiştirme (% uzama) ise her an için uzayan boya göre hesap edilir. Gerçek gerilme ve gerçek uzama diyagramı Şekil 5 (C) ‘de görülmektedir. 3. Çekme Deneyi Cihazı ve Deneyin Yapılışı Çekme cihazı (Şekil 9) esas olarak; birbirine göre aşağı ve yukarı hareket edebilen, deney parçasının bağlandığı iki çene ve bunlara hareket veya kuvvet veren, bu iki büyüklüğü ölçen ünitelerden oluşur. Çenelerden birisi sabit hızda hareket ettirilerek deney parçasına değişken miktarlarda çekme kuvveti uygulanır ve bu kuvvete karşılık gelen uzama kaydedilir. Çekme testinde boyutları standartlara uygun daire veya dikdörtgen kesitli numune; çekme cihazının çenelerine bağlanır ve numuneye ekseni boyunca yük uygulanır. Şekil 9. Çekme deneyi cihazı. Çekme deneyinin yapılışı çeşitli standart ve kaynaklarda ayrıntılı biçimde verilmiştir. Numune tipi büyük ölçüde malzemenin biçimine göre seçilir. Çekme deney numuneleri, içi dolu çubuk, boru, profil, köşebent, levha veya inşaat demirinden ilgili standardlara göre talaşlı işleme ile hazırlanır. Çekme deneyinin yapılışı ve deney numuneleri farklı standartlarda detaylı olarak verilmektedir. Türk standartlarında TS 138 A, B, C, D, E, F olmak üzere altı tip numune bulunur. Şekil 10’da TS 138 A normuna göre hazırlanmış numune görülmektedir. Bu şekilde d0 numunenin çapını, dı baş kısmının çapını (1,2d0), lv inceltilmiş kısmın uzunluğunu (l0 + d0), l0 ölçü uzunluğunu (5d0), h baş kısmının uzunluğunu ve lt numunenin toplam uzunluğunu göstermektedir. Çapı 10 mm ve ölçü uzunluğu 50 mm olan çekme numunesi 10 x 50 40 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ÇEKME DENEYİ TS 138A şeklinde gösterilebilir. Son yıllarda Avrupa birliği uyum sürecinde çekme deneyi ile ilgili olarak kullanılan standart EN 10002’dir. Şekil 10. Çekme numunesi boyutları. 4. Kaynaklar Doç. Dr. Ramazan KAYIKÇI, Araş. Gör. Gülşah AKTAŞ, Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Müh. Bölümü, Çekme Deneyi Föyü. Mehmet Yüksel, Cemal Meran, “Malzeme Bilgisine Giriş Cilt 2”, MMO, 2010. Yrd. Doç.Dr. Kemal YILDIZLI, On Dokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Çekme/Eğme Deney Föyü. Kayalı ES., Ensari C., Dikeç F. Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri, İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi Yayını, 1996. 41 Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ 1. Basma Deneyinin Amacı Mühendislik malzemelerinin çoğu, uygulanan gerilmeler altında biçimlerini kalıcı olarak değiştirirler, yani plastik şekil değişimine uğrarlar. Bu malzemelerin hangi koşullar altında ve ne zaman kalıcı şekil değişimine uğrayacaklarını bilmek çok önemlidir. Çeşitli yapı elemanlarının veya makine parçalarının etkisinde bulundukları yükler altında biçimlerini değiştirmesi istenilmeyen bir olaydır. Basma deneyi, çekme deneyinin tersi olarak kabul edilebilir ve çekme basma makinelerinde basma kuvveti uygulamak sureti ile yapılır. Basma kuvvetinin etkin olduğu uygulamalarda kullanılan gevrek malzemelerin, mukavemet değerleri basma deneyi ile belirlenir. Bu nedenle basma deneyinden elde edilen sonuçlar gevrek malzemelerle yapılan tasarımda doğrudan kullanılabilirler. Basma deneyinde homojen bir gerilim dağılımı sağlamak amacıyla yuvarlak kesitli numuneler tercih edilir. Fakat kare veya dikdörtgen kesitli numuneler de kullanılmaktadır. Basma deneyi numunelerinde, numune yüksekliği (h0) ile çapı (d0) arasındaki h0/d0 oranı oldukça önemlidir. Numunenin h0/d0 oranının çok büyük olması, deney sırasında numunenin bükülmesine ve homojen olmayan gerilim dağılımına sebep olur. Bu oran küçüldükçe numune ile basma plakaları arasında meydana gelen sürtünme deney sonuçlarını çok fazla etkilemektedir. Bu sebeple numunenin h0/d0 oranının 1.5 h0/d0 10 aralığında olması önerilir. Metalik malzemelerin basma numunelerinde ise genellikle h0/d0=2 oranı kullanılır. Basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir ve özellikleri basma deneyi ile belirlenir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik malzemeler ile tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğu için bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin etkin olduğu yerlerde kullanılır ve basma deneyi ile bu malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen “Boyun” teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile 42 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. Basma deneyinin diğer bir avantajı da çok küçük numunelerin bile kullanılabilmesidir. Bu avantaj, bilhassa çok pahalı malzemelerle çalışıldığında veya çok az miktarda malzeme bulunduğu durumlarda çok faydalıdır. 2. Deneyin Yapılışı Basma deneyi, standartlara göre hazırlanan deney numunesinin (örnek), sabit sıcaklıkta ve tek eksende, belirli bir hızla, malzeme dağılıncaya kadar (yük taşıyamaz duruma gelene kadar) basılması işlemidir. Basma makinalarında basma plakaları aracılığı ile örneğe yük uygulanır. Yük uygulanan plakaların alt ve üst yüzeyleri, numunenin düşey eksenine dik ve birbirine paralel olmalıdır. Basma deneyinde, numunenin kesiti sürekli arttığından, çekme deneyinde görülen boyun verme olayı meydana gelmez. Sünek malzemelerin basma deneyleri sırasında örnek uçları ile basma plakaları arasındaki sürtünme kuvvetinden dolayı, fıçı olayı olarak adlandırılan şişme meydana gelir. Basma deneyine tabi tutulan sünek bir malzemedeki fıçı oluşumu Şekil 2’de gösterilmektedir. Kopma uzaması ve kopma büzülmesi değerleri hemen hemen sıfır olan gevrek malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile ölçülemez. Bu tür malzemelerin sünekliği basma deneyi ile ölçülür. Basma deneyinde çok küçük boyuttaki örnekler bile deneye tabi tutulabilir. Bu durum, deneye tabi tutulacak malzemelerin pahalı ve çok az olması durumunda yararlar sağlar. Şekil 1.’de yuvarlak kesitli ve silindirik başlı, bir malzeme için basma numunesi örneği verilmiştir. Şekil 1. Yuvarlak kesitli silindirik başlı basma örneği 43 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ Şekil 2. Basma Kuvveti uygulanan sünek malzemelerdeki fıçı oluşumu; a) basma kuvveti yok, b) Basma kuvveti etkisiyle fıçı oluşumunun ilk aşaması, c) Fıçı oluşumunun tamamlanması Basma deneyi sonucunda, malzemelerin basma diyagramı elde edilir. Basma diyagramı, genelde çekme diyagramına benzer. Basma diyagramının elastik deformasyonu gösteren kısmı çekme diyagramının elastik kısmı gibidir ve akma sınırından sonra, basma diyagramında da plastik deformasyon azalması meydana gelir. Basma diyagramında plastik deformasyonu gösteren kısmın ilk aşaması, çekme diyagramının plastik deformasyon bölgesinin ilk devresini andırır, ancak çekme diyagramında maksimum noktadan sonra gerilme değerinde bir azalma meydana gelirken, basma diyagramında gerilme artar. Yani basma eğrisinin eğiminde artış meydana gelir. Bu durum, basma sırasında numune kesitinin devamlı artmasından kaynaklanır. Özellikle plastik deformasyonun sonuna doğru numune kesiti büyük oranda arttığından, basma gerilmesinde de ani yükselme görülür. Şekil 4'te metalik bir malzemenin çekme ve basma diyagramları görülmektedir. 44 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ Şekil 3. Gevrek malzemede basma etkisiyle meydana gelen kırılma türleri Basma deneylerindeki kırılma şekli de önem taşımaktadır, Gevrek malzemeler, genelde malzeme içerisindeki kayma düzlemlerine etkiyen kayma gerilmesinin büyüklüğüne göre üç şekilde kırılır. Basma kuvveti etkisiyle gevrek malzemelerde meydana gelen kırılma şekilleri şekil 3‘te görülmektedir, Şekil 4. Metalik bir malzemenin çekme ve basma diyagramları Basma deneyi sonucunda numunelerin temsil ettiği malzemeye ait aşağıda verilen mekanik özellikler belirlenebilir. a) Akma Dayanımı (a): Gerilmenin yaklaşık olarak sabit kalmasına karşılık, plastik şekil değiştirmenin önemli ölçüde arttığı ve basma diyagramının düzgünsüzlük gösterdiği gerilme değeridir. Bu belirgin akma sınırı ancak bazı malzemelerde, 45 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ örneğin düşük karbonlu yumuşak çelikte, deney şartlarına bağlı olarak görülebilir. Akma sınırının belirgin olmaması halinde bunun yerine, genellikle %0,2' lik elastik uzamaya (%elastik = 0,2 veya elastik = 0.002) karşılık gelen gerilme 0,2 sınırı alınır. b) Basma Dayanımı (b): Bir malzemenin dağılmadan dayanabileceği en yüksek basma gerilmesi olarak tanımlanır. Bu gerilme, basma diyagramındaki en yüksek gerilme olup, b = Fmax/A0 formülü ile bulunur. Bu gerilmeye kadar numunenin kesiti her tarafta aynı oranda büyüdüğü halde özellikle plastik deformasyonun sonuna doğru numune kesiti büyük oranda artar ve daha büyük bir gerilmede numune kırılır. c) Orantı Sınırı (0): Gerilme ile birim uzama arasında = E. e bağıntısının (Hooke kanunu) geçerli olduğu doğrusal kısmı sınırlar. Bu bağıntıdaki orantı katsayısı E, elastiklik (katılık) modülü adını alır ve doğrunun eğimini gösterir. Ahşap, kauçuk ve deri gibi bazı malzemelerin - diyagramında böyle bir doğrusal bölge bulunmadığı için, sabit bir E değeri yerine ancak, belirli bir noktadaki teğetin eğimi söz konusu olur. Bir malzemenin elastiklik modülü ne kadar büyükse, rijitliği yani elastik şekil değiştirmeye karşı direnci de o oranda büyüktür. Bir malzemeye ait elastiklik modülü herhangi bir ısıl veya mekanik işlem yardımıyla değiştirilemez. d) Kopma Uzaması (K.U.): Basma örneğinin kopuncaya veya kırılıncaya kadar gösterdiği yüzde uzama miktarı olarak tanımlanır. Deney parçasının kopan kısımlarının bir araya getirilmesi ile ölçülen lk ve lk = lk-l0 yardımıyla K.U. = % lk /l0 x100 bağıntısı yardımıyla bulunur. Bu değer ne kadar büyükse malzeme o derece sünektir anlamına gelir. Bir malzemede k ve b değerlerini yükselten etkenler çoğunlukla sünekliği azaltırlar. e) Rezilyans: Malzemenin yalnız elastik şekil değiştirme sırasında enerji absorbe etme yeteneğine denir. Bu enerji, gerilme () birim uzama () eğrisinin elastik kısmının altında kalan alan ile belirlenir (Şekil 5). f) Tokluk: Malzemenin kırılıncaya kadar enerji depolama yeteneğine denir. Genellikle eğrisinin altında kalan alanın hesaplanması 46 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ ile bulunur. Birim hacim başına düşen kırılma enerjisi olarak tanımlanan tokluk, kırılmaya karşı direnç için bir ölçü kabul edilir (Şekil 5). Bu değerle, örneğin darbeli zorlama halinde bulunan dinamik tokluk arasında bir bağıntı yoktur. Sünekliğin olduğu gibi, tokluğun karşıtı olarak da gevreklik deyimi kullanılır. Şekil 5. Gerilme-birim uzama eğrisinin altındaki alan şekil değişimi için gerekli enerjiyi (tokluğu) vermektedir. 3. Basma Deneyinin Değerlendirilmesi Basma deneyi sonucunda, basma diyagramı, (eğrisi) elde edilerek, malzemenin akma ve çekme dayanımı gibi mukavemet değerleri ile kopma uzaması ve kopma büzülmesi gibi süneklik değerleri belirlenmektedir. Söz konusu değerler, malzemenin cinsine, kimyasal bileşimine ve metalografik yapısına bağlıdır. Basma deneyinde gerçek birim şekil değiştirme hesaplanır ve bağıntısı kullanılır. Gerçek gerilme (g), uygulanan kuvvetin deney parçasının o andaki kesit alanına bölünmesi ile elde edilir ve g = Fi / Ai bağıntısı ile hesaplanır. Burada Fi deformasyonun herhangi bir i anında numuneye etki eden kuvvet olup, Ai ise kuvvetin uygulandığı andaki deney numunesinin kesit alanıdır. 47 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- BASMA DENEYİ 4. Kaynaklar Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü 2012– 2013 Bahar Yarıyılı Makina Laboratuvarı - II Deney Föyleri İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Metalurji Mühendisliği Laboratuvarı -2- Deney Föyleri. Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 2012–2013 Öğretim Yılı Malzeme Bilimi Laboratuarı II Mekanik-2 Deney Föyü. 48 Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EĞME DENEYİ 1. Giriş Eğme: İki desteğe serbest olarak oturtulan, genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir deney parçasının, yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığında oluşan biçim değişmesidir. Eğme deneyi malzemenin mukavemeti hakkında tasarım bilgilerini belirlemek ve malzemenin eğilmeye karşı mekanik özelliklerini tespit etmek amacı ile yapılır. Enine yük taşıyan kiriş gibi elemanlar eğilmeye maruz kalırlar. Kirişin her bir bölgesinde eğilme momentleri meydana gelir. Bu da eğilme gerilmesi ile alakalıdır. Klasik eğilme denklemlerinin geçerli olabilmesi için malzemenin homojen ve Hook Kanunlarına uyması gerekir. Eğme deneyi için TSE’nin TS 205 tanımlarına bakılacak olursa; iki desteğe serbest olarak oturtulan, genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir- deney parçasının yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığında oluşan biçim değiştirmesi olarak tanımlanır. Eğme deneyi kalitatif sonucun yanında, eğme momenti (Me), eğilme dayanımı (σe), elastisite modülü (Ee) ve eğilme miktarı (δ) gibi kalitatif değerlerde hesaplanır. Bu deney genellikle kırılgan ve gevrek malzemeler için yapılır. 2. Eğme Deneyi Prensibi Deney numunesine bir kuvvet etkilediğinde, numune kesitinin bir kısmında basma gerilmesi, kesitin geri kalan kısmında çekme gerilmesi meydana geliyorsa numune eğilme halindedir. Eğilme halindeki numunelerin kesitinde, iç yüzeye yakın bölgede basma gerilmeleri, dış yüzeye yakın bölgede ise çekme gerilmeleri meydana gelmektedir. Aşağıdaki şekillerde şematik olarak gösterildiği gibi, çeşitli eğme deneyi yöntemleri vardır. Bunların içinde en çok uygulananı Şekil 1’de gösterilen silindirik mesnetler üzerinde numuneyi bir mandrel yardımıyla eğme yöntemidir. Bu yöntemlerde ana gaye, malzemeyi çatlatıncaya kadar tek yönde eğmektir. Kalitatif eğme deneylerinde (katlama deneyi), sünekliği iyi olan malzemeler 180o katlanmalarına rağmen çatlama göstermezler. Böyle malzemelerin deney sonucunda 180o katlamaya rağmen çatlamanın görülmediği belirtilir. Bu açıklamalardan da anlaşılabileceği gibi, kalitatif eğme deneyinde kriter olarak eğme açısı (α) kullanılmaktadır. 49 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EĞME DENEYİ Şekil 1. Üç nokta eğme deneyinin şematik gösterimi Eğilme açısı; eğme tamamlandıktan sonra numunenin iki kolu arasındaki dış açı olarak tarif edilir. Bazen malzemenin eğme sonunda bükülmüş kısmının eğrilik yarıçapı (r) da kriter olarak kullanılabilmektedir. Eğme deneyi sonucunda, numunenin öngörülen açıya katlanması halinde çatlamanın olup olmadığı belirtilir. Eğer malzeme çatlama göstermişse, bazen ilk hasarın meydana geldiği açı belirtilmek istenir. Kantitatif eğme deneylerinde, eğme momenti veya eğilme dayanımının hesabı için, numunenin kırıldığı andaki maksimum yükü (Fmax) ölçmek gerekmektedir. Bundan sonra gerekli formüller kullanılarak istenen değerler hesap edilir. Eğilme miktarı (δ) ise deney sırasında yükün uygulandığı noktada numunenin başlangıçtaki duruma göre düşey eksendeki yer değiştirme miktarıdır. 3. Hesaplamalar Eğme deneyi sonucunda, malzemenin eğme momenti (Me ), eğilme dayanımı (e), esneklik modülü (Ee) ve eğilme miktarı (δ) gibi değerlerin hesaplanabilmesi için Şekil 2’deki formüllerden de anlaşılabileceği gibi deney esnasındaki F yükü ve δ eğilme miktarının duyarlılıkla ölçülmesi ve mesnet merkezleri arasındaki uzaklığın bilinmesi gerekmektedir. 50 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EĞME DENEYİ Şekil 2. Eğilme deneyi sonucunda malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için gerekli formüller. 4. Deneyin Uygulanması Eğme deneyi çekme cihazında aşağıdaki işlem sırasına göre gerçekleştirilmektedir: 1-Eğme düzeneği olarak kullanılan iki mesnet tabla üzerine, yükleme bloğu denilen mandrel ise cihazın üst kısmına yerleştirilir. 2-Bu düzenekte mandrel çapı ve mesnetlerin çapı, kullanılacak malzemeye göre ve bu malzemeye ait olan standarda uygun olarak seçilir. 3-Mesnetler arası açıklık standartlara uygun ayarlanır ve numunenin kesit ölçüleri ile birlikte mesnetler arası mesafe de kumpasla ölçülerek kaydedilir. 4-Düzenek ayarlandıktan sonra mesnetler üzerine numune yerleştirilir ve numune, yükün uygulandığı mandrel yardımı ile eğilir. 5-Deney sonucunda, numunenin kırıldığı andaki maksimum yükünü (Fmax) ve eğilme miktarı (δ) değerleri kaydedilir. 51 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EĞME DENEYİ 5. Kaynaklar https://dosya.sakarya.edu.tr/Dokumanlar/2013/426/757805425_kaynakli.baglantilarin.e gme.testleri.pdf http://www.makina.selcuk.edu.tr/img/cekme_egilme.pdf http://www.mech.utah.edu/~rusmeeha/labNotes/composites.html 52 Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ 1. Metalik Malzemelerin Darbe Deneyi Darbe deneyi gevrek kırılmaya neden olabilecek şartlar altında çalışan malzemelerin mekanik özelliklerinin saptanmasında kullanılır. Darbe deneyinin genel olarak amacı, metalik malzemelerin dinamik zorlamalar altında kırılması için gerekli enerji miktarını ve sünek-gevrek geçiş sıcaklığını tespit etmektir. Genelde malzemelerin mekanik özellikleri hakkında fikir edinebilmek için çekme deneyi sonuçları kullanılır. Elde edilen sonuçlar YMK ve HSP sistemlerde sorun olmazken bazı HMK kafes yapısına sahip metallerde çentik darbe testinde farklı sonuçlar elde edilir (Şekil 1). Çekme testinde uzama miktarı yüksek olan malzemelerin sünek davranacağı düşünülür. Bu kabul YMK ve HSP kristallerde büyük oranda doğru iken HMK kristalli malzemelerde (örn. ferritik çelik) her zaman doğru sonuç vermez. Çekme deneyinde sünek davranış gösteren malzeme darbe deneyinde gevrek davranış gösterebilir. Özellikle oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu olaya daha çok rastlanır. Darbe deneyinden elde edilen sonuçlar, çekme deneyi sonuçları gibi mühendislik hesaplarında kullanılmazlar. Şekil 1. Farklı kafes yapılarındaki metaller için gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği 2. Deneyin Prensibi Deneyde numunenin dinamik zorlama altında kırılması için gereken enerji belirlenir. Bulunan değer malzemenin darbe direnci (darbe mukavemeti) olarak tanımlanır. 53 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ Şekil 2. Çentik darbe deneyinin şematik gösterimi Deney cihazı Şekil 2’deki gibidir. G ağırlına sahip sarkaç h yüksekliğine çıkarılır bu konumda G.h enerjisine sahiptir. Serbest bırakılan sarkaç numuneye çarparak kırar ve h1 yüksekliğine çıkar. Bu konumda enerjisi G.h1 haline gelir. Başlangıçtaki ve sondaki iki potansiyel enerji değeri arasındaki fark numunenin kırılması için gerekli olan enerjidir. Darbe direnci olarak da adlandırılan bu değer şöyle hesaplanır: G: Sarkacın ağırlığı (kg) L: Sarkacın ağırlık merkezinin sarkacın salınım merkezine uzaklığı (m) h: Sarkacın ağırlık merkezinin düşme yüksekliği (m) h1:Sarkacın ağırlık merkezinin çıkış yüksekliği (m) α: Düşme açısı (derece) β: Yükseliş açısı (derece) Darbe direnci genellikle Joule (J) olarak verilir. Ancak, bazı durumlarda J/m2 , Nm yada Nm/m2 cinsinden de verilebilir. Kırılma enerjileri yüksek olan malzemelerin kırılma toklukları da yüksek olur. 54 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ Darbe deneylerinde numune içerisindeki gerilimlerin çentik tabanında toplanması ve malzemenin dinamik yük altında davranışının belirlenmesi amaçlanır. Lamel grafitli dökme demirlerde lameller çentik etkisi yapacağından ayrıca çentik açmadan da test yapılabilir. Numune yükleme sonucu zorlandığı zaman çentik tabanına dik bir gerilim oluşur bu gerilim kırılmaya neden olur. Numunenin kırılması için oluşan bu dik gerilimin kristalleri bir arada tutan (kohezif kuvvet) ya da kaymasını engelleyen kuvvetten fazla olması gerekir. Eğer numune plastik olarak şekil değiştirmeye fırsat bulmadan kırılırsa buna gevrek kırılma denir. Kırılan yüzey düz bir ayrılma yüzeyidir. Çoğu durumda numune kırılmadan plastik deformasyona uğrar. Oluşan dik gerilimin yanında bu gerilimle 45° açı yapan kayma gerilmesi oluşur. Bu gerilme kritik kayma gerilimini aştığı anda malzemede plastik deformasyon oluşur. Bu durumda önce plastik deformasyon ardından kırılma oluşur. Sünek kırılma adı verilen bu kırılmada yüzey girintili çıkıntılı bir görünüme sahiptir. Çentikli darbe deneyleri genellikle 2 türde yapılmaktadır (Şekil 3) : Charpy Darbe Deneyi: Yatay ve basit kiriş halinde 2 mesnede yaslanan numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler etkisi ile numunenin kırılması için harcanan enerjiyi tayin işlemidir. İzod Darbe Deneyi: Dikey ve konsol halinde bir kavrama çenesine tutturulan numunenin yüzeyine, kavrama çenesinden belirli yükseklikte, bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılması ve çentik tabanında meydana gelen çok eksenli gerilimler ile numunenin kırılması için sarf edilen enerjiyi tayin işlemidir. Şekil 3. Charpy ve İzod darbe deneyinin uygulanışı 55 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ 3. Çentikli Darbe Deneyi Numuneleri Çeşitli ülkelerin standartlarında saptanan en önemli numune çeşitlerinin boyutları ve şekilleri Şekil 4’te verilmiştir. Numunelerin çentik açılma çeşitleri; 1- U çentikli, 2-V çentikli, 3- Anahtar deliği çentikli’dir. Malzemelerin darbe dayanımı sıcaklıkla değişir. Testler esnasında numune sıcaklığı belirtilen sıcaklık değeri arasında -+2 °C’ den fazla fark olmamalıdır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda yapılacak testler için buzdolabı gibi soğutucular ya da sıvı azotla soğutma kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda (200 °C ve üstünde) yağ banyosu, tuz banyosu ya da fırında ısıtma kullanılır. Isıtılan ya da soğutulan numune 5 sn içinde kırılmalıdır. Şekil 4. Çentik darbe deneyi numuneleri 56 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ 4. Gevrek-Sünek Geçiş Sıcaklığı Belirli bir malzeme için farklı sıcaklıklarda yapılan darbe deneyleri malzemenin darbe direnci hakkında önemli bilgiler verir. Sıcaklığın azalmasıyla malzemelerin darbe direnci düşer. Bu düşüş aniden olabildiği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir. Darbe direncinin aniden düştüğü sıcaklığa gevrek-sünek geçiş sıcaklığı denir. Düşüş aniden olmadığında bir geçiş sıcaklığı belirlemek zordur. Bu gibi durumlarda geçiş sıcaklık aralığı belirlenir ve bu gevrek-sünek geçiş aralığı olarak adlandırılır. Bu aralıkta düşük sıcaklığın altında malzeme gevrek yüksek sıcaklığın üstünde sünek davranır. İki sıcaklık değeri arasında ise iki davranışı birden gösterir (Şekil 5). Şekil 5. Gevrek-sünek geçiş sıcaklığı grafiği Gevrek kırılmada, kırılma klivaj düzlemleri boyunca olup kırılma yüzeyi kristalin bir (graniler, ince taneli) görünüştedir. Bu durumda darbe etkisiyle çatlak kolayca ilerleyip malzeme içinde hızla yayılır. Sünek kırılmada ise önce bir plastik şekil değiştirme ve daha sonra kopma meydana gelir. Sünek davranışta malzemenin içinde çatlak oluşumu ve ilerlemesi güçleşir. Bu durumda kopma yırtılma şeklinde olup kırılma yüzeyi lifli bir görünüştedir. Geçiş aralığında ise her iki davranış birden görülür. Deney sıcaklığı düşük sıcaklığa yaklaştıkça gevrek davranış artar. Mühendislik uygulamalarında aralığın alt sıcaklığı daha önemlidir. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıkta kullanılmaz. Bu nedenle geçiş sıcaklığı olarak düşük sıcaklık alınır. 57 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ 5. Darbe Dayanımına Etki Eden Faktörler a-Çentik Etkisi Çentikli bir parça zorlandığı zaman çentiğin tabanına dik bir gerilme meydana gelir. Kırılmanın başlaması bu gerilmelerin etkisiyle olur. Deney parçasının kırılabilmesi için bu normal gerilmenin, kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan yüksek olması gerekir. Çentik daha keskin yapılırsa çentiğin tabanındaki normal gerilme kayma gerilmesine oranla artırılacak ve deney parçası daha çok gevrek kırılma yeteneği gösterecek demektir. Çentik ve deformasyon hızı aynı kalmak şartıyla, sıcaklığın yükselmesiyle kayma dayanımı düşecek ve sünek bir kırılma gözlenir. b-Sıcaklık Etkisi Genel olarak sıcaklık düştükçe malzemenin darbe direnci de düşmektedir. Malzemelerin sıcaklığa bağlı olarak, darbe direncindeki düşme aniden olabileceği gibi belirli bir sıcaklık aralığında da olabilir (Şekil 6). Şekil 6. Farklı sıcaklıklarda malzemede meydana gelen kırılma çeşitleri Mühendislik uygulamalarında T5 sıcaklığı diğer sıcaklıklara oranla daha büyük önem taşır. Çünkü deneyi yapılan malzeme bu sıcaklığın altında tamamen gevrek bir 58 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ davranış gösterdiğinden bu sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklarda kullanılamaz. Bu yüzden geçiş sıcaklığı olarak da T5 sıcaklığı alınır ve bu sıcaklık, sıfır süneklik sıcaklığıdır. Bazen geçiş sıcaklığının yaklaşık olarak belirlenmesinde şu üç kriterden de faydalanılır. - Kırılma Enerjisi (∼20-30 J’ lük kırılma enerjisine karşılık gelen sıcaklık) - Kırılma yüzeyinin görünüşü (kesitte % 50 ince taneli kristalin görünüşü veren sıcaklık) - Kırılmadan sonra çentik tabanında meydana gelen enlemesine büzülme miktarı (%1 enine büzülme) c-Bileşimin Etkisi Sadece HMK yapıya sahip malzemeler gevrek-sünek geçiş sıcaklığına sahiptir. Bunun nedeni de HMK yapının düşük sıcaklıklarda sınırlı sayıda aktif kayma sistemine sahip olmasıdır ki buda plastik deformasyonu sınırlar. Sıcaklığın artması aktif kayma sistemi sayısını arttırır bu akma dayanımının düşmesine neden olarak plastik deformasyonu kolaylaştırır. YMK ve HSP yapıya sahip metallerde gevrek-sünek geçiş sıcaklığına rastlanmaz, herhangi bir sıcaklık değişikliğinde yaklaşık olarak aynı enerji absorbsiyonuna sahiptirler. Çelikte karbon ve manganez miktarı gevrek-sünek geçiş sıcaklığı üzerinde önemli etkiye sahiptir (Şekil 7). Karbon miktarının artması daha düz bir değişim eğrisi ve daha yüksek gevrek-sünek geçiş sıcaklığına neden olur, bu da yüksek sıcaklıkta sünekliği getirir. Çeliklerde C/Mn oranı 3/1 den büyük olduğu müddetçe tokluk artar. Ni çentikli darbe tokluğu arttırıyorken, P, Si, Mo, O geçiş sıcaklığını yükseltir. 59 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ Şekil 7. Çelikteki C içeriğinin darbe enerjisine etkisi. (C içeriğinin düşmesi alt ve üst sınır arasındaki bölgeyi arttırıyor. Karbon içeriğinin artması hem mukavemeti yükseltir hem de geçiş sıcaklığını yükseltir.) d-Haddeleme Yönünün Etkisi Haddelenmiş veya dövülmüş malzemelerde, çentikli darbe direnci çubuğun veya levhanın değişik yönlerinde farklı değerlerde olur (Şekil 8). Haddeleme yönüne dik yönde olan levhanın sıcaklık arttıkça darbe direnci daha azdır. Haddeleme yönünde alınan levha parçalarının ise darbe direnci daha fazladır. Şekil 8. Haddeleme yönünün çentik darbe direncine etkisi e-Üretim Yöntemi Örneğin; söndürülmemiş çeliğin (deoksidasyon yapılmamış) geçiş sıcaklığı Al ile söndürülmüş çeliğin geçiş sıcaklığından daha yüksektir. 60 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ f-Isıl İşlem Isıl işlem görmüş bir çelik normalize edildiğinde çentikli darbe tokluğu artmaktadır. Temperleme sıcaklığı arttıkça çeliğin enerji absorbe etme kabiliyeti de artar. Temperlenmiş martensitik yapı çelikleri hem mukavemet açısından hem de darbe mukavemeti açısından iyidir (Şekil 9). Şekil 9. Isıl işlem uygulamalarının malzemenin çentik darbe tokluğuna etkisi g-Yüzey Durumu Yüzeyleri karbürleme ve nitrürleme ile sertleştirilmiş çeliklerin darbe dirençleri azalmaktadır. h-Tane Büyüklüğü Genel olarak ince taneli malzemeler kaba taneli malzemelerden daha düşük geçiş sıcaklığına sahiptirler. Tane boyutunun küçültülmesi geçiş eğrisini sola doğru kaydırır. Sıcak şekil verme esnasındaki rekristalizasyon ve havada soğutma gibi tane küçültücü işlemler geçiş sıcaklığını düşürür (Şekil 10). 61 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DARBE DENEYİ Şekil 10. Tane büyüklüğünün gevrek-sünek geçiş sıcaklığına etkisi i-Mikroyapı Mikroyapı çeliğin çentikli darbe tokluğunu bileşim ve mekanik özelliklerinden bağımsız olarak etkileyebilir. Temperlenmiş martensit diğer mikroyapılara oranla en yüksek enerji ve en düşük geçiş sıcaklığı sağlar. Mikroyapıdaki ikinci sert fazlar varsa bunların morfolojisi de darbe dirençlerini etkiler. Bu sert kırılgan fazlar keskin köşeli ve sivri uçlu ise darbe dirençlerini azaltır. Örneğin Küresel grafitli dökme demir, Gri dökme demirden daha fazla darbe dayanımına sahiptir. Gri dökme demirde sert kırılgan grafitler sivri, keskin köşeli ve birbirleri ile bağlantılı olduğundan bu yapılar çentik etkisi yapmaktadır. 6. Kaynaklar - Arş. Gör. Emre ALP, Bartın Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Metalik Malzemelerin Darbe Deney Föyü. - Trakya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Darbe Deneyi Lab. Föyü. Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 62 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ 1. Sertlik Deneylerinin Amacı Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney, sertliğinin ölçülmesidir. Bunun başlıca sebebi, deneyin basit oluşu ve diğerlerine oranla numuneyi daha az tahrip etmesidir. Diğer avantajı ise, bir malzemenin sertliği ile diğer mekanik özellikleri arasında paralel bir ilişkinin bulunmasıdır. Örneğin çeliklerde, çekme mukavemeti sertlik ile doğru orantılıdır; dolayısıyla, yapılan basit sertlik ölçmesi neticesinde malzemenin mukavemeti hakkında bir fikir edinmek mümkündür. Sertlik izafi bir ölçü olup malzemelerin çizilmeye, kesilmeye, aşınmaya ve delinmeye karşı gösterdiği dirence denir. Laboratuarlarda özel cihazlarla yapılan sertlik ölçmelerindeki değer, malzemenin plastik deformasyona karşı göstermiş olduğu dirençtir. 2. Sertlik Ölçme Yöntemleri Sertlik ölçme genellikle, konik veya küresel standart bir ucun malzemeye batırılmasına karşı malzemenin gösterdiği direnci ölçmekten ibarettir. Uygun olarak seçilen sert uç, uygulanan yük altında malzemeye batırıldığında malzeme üzerinde bir iz bırakacaktır. Malzemenin sertliği, bu izin büyüklüğüyle ters orantılıdır. Sertlik deneyleri: Malzemenin kökeni hakkında bilgi verir. Malzemenin diğer özellikleri hakkında fikir verir. Örneğin, sertlik malzemenin işlenebilme özelliğini gösterebilir. Genellikle sertlik ile işlenebilme özelliği arasında ters bağıntı vardır. Diğer bir deyişle, sert malzemeleri işlemek zordur. Sertlik deneyleri basit ve tahribatsız deneyler olduğundan, malzemenin diğer özellikleri hakkında, malzemeyi elden çıkarmadan bir fikir edinilebilir. Daha sonra örnek üzerinde diğer deneyler yapılabilir. Cisimlerin sertliği ölçme yöntemleri üç gruba ayrılabilir: 1- Malzeme yüzeyini sert bir cisim ile çizerek yapılan sertlik deneyleri. 2- Malzemeye sert bir cismi kuvvet altında batırmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. 63 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ 3- Sert bir bilyeyi malzeme üzerine düşürmek ve sıçratmak suretiyle yapılan sertlik deneyleri. 3. Çizerek Yapılan Sertlik Deneyleri Sertlik ile kırılganlık doğru orantılıdır. Dolayısıyla, sert maddeler herhangi bir basınç kuvveti etkisi ile kırılabilir. Konu ile ayrıntılı bilimsel açıklamayı şu şekilde yapabiliriz; Sertlik, bir mineralin çizilme ve sürtünmeye karşı gösterdiği dirençtir. Minerallerin sertlikleri daha çok çizme sertliği cinsinden belirtilir. Çizme sertliği bir mineralin keskin bir köşesinin başka bir mineralin düzgün yüzünü çizme kapasitesidir ve Mohs sertlik skalasına göre belirlenir. Bu skala Avusturyalı mineralog F. Mohs tarafından 1824’de düzenlenmiştir. Mohs sertlik skalası (Şekil 1), sertliklerin artış sırasına göre dizilmiş olan on mineralden oluşur (Şekil 1). Şekil 1. Mohs sertlik skalası 4. Batırılarak Yapılan Sertlik Deneyleri a- Statik Yük Kullanılarak Yapılan Sertlik Deneyleri (Cihazlar portatif değildir, sertlik laboratuarlarında ölçüm yapılır.) - Rockwell - Brinell - Vickers - Knoop 64 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ b- Dinamik Yük Kullanılarak Yapılan Sertlik Deneyleri (Cihazlar portatiftir, istenilen yerde sertlik ölçümü yapılabilir.) - Shore - Poldi Çekici 4.1. Rockwell Sertlik Deneyi Rockwell sertlik deneyi (RSD), yapılmasının çok kolay olması ve özel bir ustalık gerektirmemesinden dolayı metallerin sertlik ölçümünde en yaygın kullanılan metottur. Rockwell sertliği, batma derinliğine karşı gelen birimsiz bir sayıdır. Batıcı uç, konik uçlu veya bilye şeklindedir (Şekil 2). Yumuşak malzemeler bilye batıcı uç ile ölçülür Çok sert malzemeler elmas konik uç ile ölçülür. Rockwell sertlik ölçüm cihazı Şekil 3’te görülmektedir. Şekil 2. Konik ve bilye uçlu batıcı uç Rockwell sertlik ölçümünde batıcı uç, malzeme üzerine 10 kg (100 N) ön bir yükleme ile batırılır. Sonra batıcı uca ana yük uygulanarak elde edilen derinlik ölçülür. Ana yük Rockwell B (RB) için 100 kg, Rockwell C (RC) için 150 kg’dır. Şekil 3. Sertlik ölçüm cihazı 65 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ Bu yöntemde batma derinliği ölçüleceği için yüzey pürüzlülüğü sonuçları etkileyebilir. Bu sakıncayı gidermek için önce batıcı uç küçük bir yükle (P0=ön yük) malzemeye daldırılarak alet sıfır düzeyine ayarlanır. Daha sonra toplam yüke tamamlanacak şekilde ana yük (P1) uygulanır. Son olarak ana yük (P1) kaldırılır (Şekil 4). Meydana gelen kalıcı izdeki derinlik artışı bulunarak mevcut göstergeden Rockwell sertlik değeri okunur. Şekil 4. Rockvell sertlik ölçümünün şematik gösterimi Rockwell sertlik değeri boyutsuzdur. Uzun malzeme içine her 0,002 mm batışı bir sertlik değerinin 1 sayı düşmesi olarak alınır (Şekil 5). Ön yük uygulandıktan sonra ucun konumu ile ana yük kaldırıldıktan sonra ucun konumu arasındaki batma derinliği tb olmak üzere Rockwell Sertlik Değeri-C (RSD-C) aşağıdaki formülle hesaplanabilir. 66 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ Şekil 5. Her 0,002 mm batışta sertlik değeri değişiminin şematik gösterimi Sertlik ölçümünde kullanılan batıcı ucun tipi ile uygulanan yükün değeri bir sembolle gösterilir. Bu nedenle, farklı skalalara göre yani değişik deney koşullarında ölçülen farklı düzeydeki sertlik değerleri RSD-A, RSD-B, RSD-C, RSD-D gibi simgelerle birlikte verilir (Tablo 1). Çok sert malzemelerin Rockwell sertliği koni biçimindeki elmas uç kullanarak 150 kg' lık yük altında ölçülür ve sonuçlar RSD-C simgesi ile belirtilir. Yumuşak malzemelerin sertliğinin ölçümünde ise batıcı uç olarak çelik bilye kullanılır ve 100 kg' lık yük altında elde edilen ölçüm sonuçları RSD-B simgesi ile gösterilir. Bir malzemenin Rockwell cinsinden ölçülen sertlik değeri 100 rakamını aşarsa batıcı uç olarak bilye kullanılması tavsiye edilmez. Çünkü çok sert malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde batıcı uç olarak bilye kullanılması, hem bilyenin deforrne olmasına hem de ölçüm hassasiyetinin azalmasına neden olur. Diğer taraftan herhangi bir skalaya göre Rockwell sertliği 20 sayısından daha düşük olan malzemelerin sertliğinin ölçülmesinde koni biçimindeki elmas uç kullanılması tavsiye edilmez. 67 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ Tablo 1. Rockwell sertlik skalaları 4.2. Brinell Sertlik Deneyi Brinell sertlik deneyi malzeme yüzeyine belirli bir yükün (F') belirli bir çaptaki (D) sert malzemeden yapılmış bir bilya yardımıyla belirli bir süre uygulanması sonucu yüzeyde kalıcı bir iz (d) meydana getirme esasına dayanır. Daha sonra bu kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir (Şekil 6). 68 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ Şekil 6. Brinell Sertlik deneyinin şematik gösterimi bağıntısıyla hesaplanır. Bu bağıntıda yer alan F uygulanan yükü (kg), D bilya çapını (mm) ve d ise iz çapını (mm) gösterir. Standart deney koşullarında çapı 10 mm olan bilye kullanılır. Yük, malzemenin cinsine göre seçilir ve uygulama süresi 10-15 saniye arasında değişir. Ancak bazı durumlarda çapları 10 mm'den daha küçük olan (örneğin 1,25, 2,5 ve 5,0 mm) bilye biçimindeki uçlarda kullanılır. Malzemenin üzerine uygulanacak yük değeri sertliği ölçülecek malzemenin cinsine ve bilya çapına göre seçilmektedir. d/D = 0,20 - 0,70 oranı sağlandığı durumlarda uygulanan yük değeri doğru kabul edilir. Deney yükünün saptanmasında F=CD2 bağıntısı kullanılır. Burada F deney yükü, C malzeme cinsine göre değişen yükleme derecesidir. - Demir esaslı malzeme (Çelik, DD) (C=30) - Cu ve Al alaşımlı malzeme (C=10) - Yumuşak malzeme (C=5) Metalik malzemelerde sertlik arttıkça çekme dayanımı da artar. Çeliklerin Brinell sertlik değeri ile çekme dayanımları arasındaki ilişki; 69 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ bağıntısı ile bulunabilir. Bu bağıntı yardımıyla çeliklerin çekme dayanımını yaklaşık olarak belirlemek mümkündür. 4.3. Vickers Sertlik Deneyi Bu deney yönteminde baskı elemanı olarak tepe açısı 136° olan elmas kare piramit kullanılır (Şekil 7). F yükü ile malzemeye bastırılan piramit ucun bıraktığı dörtgen izin köşegenleri ölçülerek hesaplanan ortalama köşegen uzunluğu formülde yerine konarak sertlik değerleri bulunur. Vickers sertliği yüke bağlı değildir. Ölçme hatalarını azaltmak ve heterojen yapılarda ortalama değer elde edebilmek için yükü ve dolayısıyla izi büyütmek faydalıdır. Ancak köşegen uzunluğu sertliği ölçülen parça veya tabaka kalınlığının en çok üçte ikisi kadar olmalıdır. Yük 1-120 kgf arasında değişebilir. Normal yük olarak 30 kgf seçilebilir. Vickers yönteminde büyük piramit açısından dolayı az derinliklere rağmen geniş diyagoneller elde edilir. Yüklü numune üzerinde kalma süresi yaklaşık 20 saniyedir. Bu süre sonunda baskı ucu numune üzerinden kaldırılır ve deney bitirilir. Şekil 7. Vickers sertlik deneyinin şematik gösterimi Burada F uygulanan yükü (kg), d iz köşegenlerinin ortalaması (mm) olup d=(d1+d2)/2 formülü ile hesapların. d1 ve d2 sırasıyla ölçülen köşegen uzunluklarıdır (Şekil 7). Vickers sertlik deneyi çok yumuşak ve çok sert tabakalar için de uygundur. Deneyde yük düşük olduğu için genellikle ince parçalarda ve sadece yüzeyi sert olan özel işlem görmüş malzemelerde tercih edilir. Vickers sertliğinin avantajı, oldukça doğru okumalar yapması ve tüm metal ve işlem görmüş yüzeyler için sadece bir tip batıcı 70 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ ucun kullanılmasıdır. Vickers sertliği metallerin yanında seramik malzemelerin sertliğinin ölçümünde de güvenilir bir sertlik ölçüm metodur. 4.4. Knoop Sertlik Deneyi Bir malzemenin göreceli mikrosertliği Knoop batma deneyi ile belirlenebilmektedir. Bu deneyde tepe açısı 130o ve 173o olan piramit şekilli elmas bir uç malzeme üzerine bastırılır. Bir boyutu diğerinin yaklaşık olarak 7 katı olan bir iz oluşur (Şekil 8). Malzemenin sertliği izin derinliği ölçülerek bulunur. Vickers sertlik ölçme deneyine göre daha düşük kuvvetler uygulanır. Knoop deneyi, cam ve seramik gibi gevrek malzemelerin sertliğinin test edilmesini sağlar. Malzeme üzerine uygulanan yük genellikle 1 kgf’den daha azdır. Batıcı uç yaklaşık olarak 0,01 ile 0,1 mm arasında dört yanlı bir iz bırakır. Şekil 8. Knoop Sertlik deneyinin şematik gösterimi 71 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SERTLİK DENEYİ Şekil 9. Sertlik ölçme yöntemlerinin karşılaştırılması 5. Kaynaklar - http://lussostyle.blogspot.com/2012/08/prlanta-krlr-m.html - Prof. Dr. Hüseyin UZUN, Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi ve Muayenesi Ders Notları - http://www.muhfak.ktu.edu.tr/metalurji/foyler/Sertlik%20Deneyi.pdf Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 72 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA 1.DENEYİN AMACI Bu deneyde incelenmek istenen malzemeden alınacak olan numunenin özellikleri, elde edilme şekli, numune alınırken ve zımparalama aşamasında dikkat edilmesi gereken konular ele alınacaktır. 2.TEORİK BİLGİ Metallerin/genel olarak tüm malzemelerin içyapısını inceleyen bilim dalı ya da; malzemenin içyapısını inceleme yollarını gösterme, iç yapıyı inceleme, değerlendirme ve daha ileri neler yapılabileceğini söyleme bilimi (bilim dalı) metalografi olarak adlandırılır. Malzemelerin performans ve özellikleri metalografi ile incelenen yapıları ile kontrol edilir.Metreden, mikron altı büyüklüğe kadar bir alanda disiplinler arası geniş aralıkta çalışılır ve metalografi ile; malzemenin tarihçesi/hikayesi özellikleri gelecekte uygulanabilecek işlemler ortaya çıkarılabilir Metalografik karakterizasyon; (yapı ve özellikler arasındaki ilişkiden dolayı), malzemelerin gruplandırılması, kalite kontrolü, proses kontrolü ve hasar analizlerinde kullanılır Metalografinin iki yönü vardır: Eylem yönü: Numune hazırlama yönü, Düşünce yönü: Mikroyapı (yapı) inceleme ve değerlendirme İki tür inceleme yapılır: a) Makroyapı (makroskobik inceleme) b) Mikroyapı (mikroskobik inceleme) Makroskobik İnceleme: Büyük boyutlu numunelerde, göz ya da büyüteçle yapılır (50 X’den daha düşük büyütmelerde yapılan inceleme) Mikroskobik İnceleme: Optik veya Stereo Mikroskop kullanılarak yapılır.(50X ve daha yüksek büyütmelerde yapılan inceleme) Numune Seçimi Metalografik incelemenin esası ve başarısı uygun numunenin alınmasına bağlıdır. Alınan numunenin bir değer taşıyabilmesi için, numunenin her yönden (fiziksel, kimyasal bileşim yönlerinden) esas malzemeyi tam olarak temsil etmesi gerekir. Ana kriter, numunenin inceleme amacına uygun olmasıdır; yani numune, genel mikroyapı incelenmesine veya 73 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA sadece bir veya birkaç belirlenmiş parametrenin (tane boyutu, kırılma veya çatlama türü vb.) incelenmesine imkan verecek şekilde alınmalıdır. Ayrıca incelemenin mahiyetine göre esas malzemenin kenar ve ortasından, ince ve kalın yerlerinden bozuk ve sağlam kısımlarından ayrı ayrı numune alınmalıdır. Özelliklerin yönle değişmediği (izotropi) kesin olarak biliniyorsa veya incelenecek parametre için tek bir yön yeterli ise, bir kesitten numune alınması uygun olabilir. Çoğu durumda, malzemelerin özellikleri (yapıları) yöne bağlı olarak değiştiği için (anizotropi) iki veya üç doğrultuda (genişlik, kalınlık ve uzunluk yönlerinde) kesit hazırlanması gerekir. Numune Alma (Kesme) İncelenecek mikroyapı elemanlarına göre, malzemenin neresinden ne tür bir numunenin alınacağı tespit edildikten sonra uygun bir kesici aletle numune kesilir ya da kırılır. Kesik yüzeyde genellikle bir miktar hasar oluşur, ancak bu hasarın boyutu minimize edilebilir. Hasar derinliği kullanılan teknik ve kesilen malzemeye bağlı olarak değişir. Bu maksatla testere, torna, oksiasetilen torku, kesici taş, çekiç gibi alet ve cihazlar kullanılabilmekle beraber çoğu kesme işlemleri sırf bu iş için geliştirilmiş kesme makinelerinde (düşük veya yüksek hızlı) yapılmaktadır. Her durumda, kesme veya koparma esnasında malzemede en az yapı değişikliğinin meydana gelmesi sağlanmalıdır. Prensip olarak kesme işlemi numunede en az ısınma ve en az deformasyon meydana getirmeli malzeme kaybını minimumda tutmalıdır. Büyük boyutlu hasarlı parçalardan incelenmek istenen alanı içeren bir kesit yakma işlemi ile alınır. Yakarak kesme kesilen bölgeden itibaren önemli bir mesafede yapı değişimine neden olur, bunun için yakma ile kesilen bölge incelenmek istenen bölgeden çok uzak olmalıdır. Elle tutulabilen küçük boyutlu numuneler metalografi laboratuarlarında bulunan makas, şerit testere, aşındırıcı disk ile kesilebilir. Aşındırıcı disk yardımı ile kesme Aşındırıcı (abrasiv) ile kesme mikroskobik ve diğer malzeme incelemelerinde en yaygın kullanılan kesme metodudur. Kolay, doğru ve ekonomiktir.Kesme yüzeyinin kalitesi diğer kesme yöntemleri ile karşılaştırıldığında süperdir ve müteakip işlem adımları daha azdır. Çok geniş bir aralıkta sertliğe sahip malzeme kesimine uygundur. Bu makineler harcanır (sarf) ve harcanmayan (sarf olmayan) kesici diskler kullanır. Sarf aşındırıcı diskler 1. Yumuşak diskler 2. Sert diskler, olmak üzere iki gruba ayrılır 74 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA Bu terimler aşındırıcı tanelerin sertliği ile ilgili değil diskin nasıl hasara uğradığı ile ilgilidir. SiC ve Alumina sertliği birbirine çok yakındır (SiCMohs skalasında 9.4, aluminanın ise 9.0 dur). Sert ya da yumuşak terimi bağlayıcıdaki mevcut porozite miktarını gösterir. Sert kesme diskleri aşındırıcı tanelerini yumuşak disklerden daha iyi tutarlar. Yumuşak kesme diskleri sert, kırılgan malzemeleri kesmek için kullanılır, çünkü yumuşak bağlayıcı koptukça yeni keskin aşındırıcı taneleri sağlanmış olur. Sert bağlayıcılı kesme diskleri, yumuşak ve sünek malzemelerin kesme işlemi için kullanılmaktadır. Uzun ömürlü aşındırıcı kesme diskleri Elmas ya da CBN (kübik bor nitrür) malzemeden yapılan disklerdir. Elmas/CBN kesme disklerinin ömürleri, aşındırıcı parçacıkların çok yüksek olan sertliği ve bu parçacıkları tutan bağlayıcının dayanıklılığı dolayısı ile oldukça uzundur. Metal diskin sadece dış çevresinde ince bir aşındırıcı tabakası yerleştirilmiştir. Elmas ya da CBN bir metal diske metal ya da reçine bağlayıcı ile tutturulmuştur. Kalıplama İki şekilde numune kalıplanabilir; 1. Sıcak ve basınç altında kalıplama (bakalite alma) 2. Soğuk kalıplama Sıcak ve basınç altında kalıplama Toz halinde polimerik esaslı malzeme kullanılır, termoset ve termoplastik olmak üzere iki türdür. Numune yüzeyi alttaki şekilde görüldüğü gibi kalıp yüzeyi ile temas edecek şekilde yerleştirilir ve üzerine polimerik toz dökülür.Kalıbın ağzı kapatılır ve yük uygulanarak (17-28 MPa) 150-160 oC’de pişirilir. Kalıplama parametreleri (sıcaklık, basınç, süre) seçilen polimerik malzemeye göre değişir. Soğuk kalıplamaya göre elde edilen kalıbın sertliği ve kalitesi daha iyidir (özellikle otomatik hazırlamada önemli), kalıp çapı kesin toleranslar içinde kalır 75 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA Soğuk kalıplama Basınç altında ve sıcak kalıplama sıcaklıklarında özellikleri değişebilen malzemelere uygulanan ve seri numune hazırlanmasına imkan veren bir yöntemdir. Vakum altında kalıplama yapımına uygundur. Her şekilde kalıp hazırlanabilir ve bir defada çok sayıda numune hazırlamak mümkündür ancak kullanılan reçineler sıcak kalıplamadakilerden daha pahalıdır. Soğuk kalıplamada iki sıvı ya da bir sıvı ve bir tozdan oluşan karışım kullanılır. Bunlardan bir tanesi reçine (polimerik esaslı) diğeri ise sertleştiricidir. Reçine ve katılaştırıcı uygun oranlarda karıştırılmalıdır. Aksi takdirde kalıp sertleşmez. Kullanılan reçineler: epoxy, polyester ve acrylic’dir. Katılaşma süresi dakikalardan saatlere kadar ulaşabilir. Acrylicte katılaşma süresi 10 dakika iken epokside 4-6 saattir. Kalıplamaişlemisonrası; Numune deformasyonsuz ve hasarsız olmalı Numunede hiçbir yapısal değişiklik olmamalı Uygun bir kenar düzgünlüğü sağlanmalı Yaygın dağlayıcılara dirençli olmalı Birçok uygulamada, polimer tozuna başka ilaveler de yapılmaktadır (uygulamada, bu ilaveler üretici firmalarca yapılmış haldedir). Bu tür katkıların yapılması şu faydaları sağlar: İletkenlik sağlanır (iletken metal tozları ile), Bakalitin sertliği artırılır (numune ile aynı hızda aşınması istenir, Kenar etkisi (kenarlardaki netlik bozukluğu) azaltılır. Numunelerin kodlanması (markalama) Numune sayısının çok olduğu çalışmalarda ya da arşivlemek için numune üzerine gerekli notlar titreşimli kalem ile yazılmalıdır. Mekanik Zımparalama Numunenin yüzeyinde, kesmekte kullanılan aletin izleri bulunur, ayrıca kesme esnasında numunenin yüzeyi bir miktar deforme olur. Numuneyi orijinal yapı temsil ettiğinden toplam deformasyona uğramış tabakanın kaldırılması gerekmektedir. Bu nedenle numuneler kesildikten ve kalıba alındıktan sonra, mikroskobik inceleme için zımparalama ve parlatma işlemine tabi tutulurlar.Zımparalama ve parlatma işleminin temel amacı, yüzey pürüzlülüğünü azaltmak suretiyle, ışığı iyi yansıtan bir yüzey elde etmektir. Zımparalama ve parlatma işlemleri çeşitli kademeleri içerir ve aşındırıcılar yardımı ile yapılır. Her kademede bir evvelki kademede kullanılan aşındırıcılardan daha ince aşındırıcılar kullanılır ve böylece her kademenin numune yüzeyinde oluşturduğu deformasyon miktarı minimum seviyeye indirilir. 76 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA Aşındırıcılar; Sert olmalı ve kesme özelliğini uzun sure koruyabilmeli Keskin olmalı ve sert malzemeleri koparmak yerine tamamamen kesebilmeli. Zımparalama Manuel ya da otomatik olarak sulu ortamda yapılır. Zımparalamada kullanılan aşındırıcılar; SiC (en çok kullanılan), Al203, B4C ya da elmastır. Aşındırıcılar kağıda tutturulmuşlardır (elmas dışında), bunlar disk, plaka ya da bant şeklinde olabilir. Zımpara kağıtları birim alandaki aşındırıcı partikül sayısına göre numaralandırılmıştır. Partikül boyutu küçüldükçe birim alandaki partikül sayısı artar ve zımparanın nosu yükselir. 150 numaralı zımparalamaya kadar olan zımparalarla yapılan işlem kaba zımparalama, daha ince zımparalarla yapılan işlemler ince zımparalama adını alır. Zımparalama işlemine testere ile kesimden sonra 80, aşındırıcı disk ile 180, tel erozyon ve düşük hızda elmas ile 320 ya da 400 gritten başlanabilir. Otomatik cihazlar dışında, el ile zımparalama yapıldığında; numunenin her bir zımparanın yüzeyine üniform basmasına, yüzeyde sadece o zımparaya ait çiziklerin bulunmasına, bu çiziklerin tek bir doğrultuda olmasına, numunenin zımparaya tek yönlü olarak sürülmesine, işlemin akan su altında yapılmasına, zımpara değiştirirken numunenin, ellerin ve zımparanın iyice yıkanarak bir sonraki adıma kaba zımpara tozunun taşınmamasına ve sonraki zımparanın 90o dik doğrultuda uygulanmasına dikkat edilmelidir. Zımparalama sırasında, numunenin uzun süre ıslak bırakılmasından kaçınılmalıdır. Belirli bir zımparadaki zımparalama süresi, bir evvelki zımparalama esnasında meydana gelen çizikleri tamamen yok edinceye kadar geçen süredir. 77 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA Zımparalama esnasında numune yüzeyinde oluşan çizikler ve deformasyon tabakası bir sonraki zımparalama ile ortadan kalkar. Şekilde el testeresi ile kesilmiş numunedeki yüzey durumu ve müteakip zımparalama kademelerinin bu bölgeye etkisi (A, B, C tabakaları kesme sonucu deformasyona uğrayan bölgeyi ve D orijinal içyapıyı göstermektedir). 3.DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLARI 1.Hassas Kesme Cihazı: Küçük ebatlı parçalardan numune çıkarma işi direk olarak numune kesme tezgahlarıyla yapılır, ancak incelenecek olan parça ebadı büyüdükçe talaşlı imalat yöntemlerinden faydalanılır. 2.Bakalite Alma Cihazı: Küçük ebatlı numuneler ve çabuk aşınan numunelerin düzgün (yüzeye paralel) bir şekilde zımparalanması ve mikroskop üzerine yerleştirilebilmesi için bu numuneler 120-180 °C civarında 5 dakika kadar süren bir işlem sonucunda bakalite alınır. 3.Zımparalama ve Parlatma Cihazı: Metalografik numunelerin otomatik veya manuel olarak hazırlanması için kullanılır. 4.DENEYİN YAPILIŞI İncelenmek istenen demir esaslı veya demirdışı malzemeden numune kesilir. Tasa tutularak çapaklar alınır, Bakalite alma yöntemiyle kalıplanır, Taslama ile bakalitin kenarları yuvarlatılıp ve numune markalanır, Sıra ile 80,120.240, 400, 600, 800,1000 ve 1200 numaralı zımpara kağıtlarıyla zımparalama yapılır, Zımparalama kademesinden sonra el ve numune bol su ile yıkanır. 78 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- NUMUNE ALMA VE ZIMPARALAMA 6. DENEY RAPORU Deneyi kısaca özetleyiniz. Sıcak ve soğuk kalıplamanın farklarını ve kullanım alanlarını belirtiniz. Zımparalama yaparken dikkat edilmesi gereken hususlar ve karşılaşılabilecek problemleri belirtiniz. 7.KAYNAKLAR 1., Prof. Dr. Fazlı Arslan, Metalografi Laboratuvarı Deney Föyü 2.Prof. Dr. Sakin ZEYTİN-Doç. Dr. Akın AKINCI-Yrd. Doç. Dr. Mediha İPEK, Metalografik İnceleme 3. Metals Handbook, ASM 4. .Prof. Dr. Şadi KARAGÖZ, Mikroyapısal Görüntüleme ve Tanı 5. Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 79 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA 1.DENEYİN AMACI Bu deneyde, incelenmek istenilen numunenin parlatma aşamasındaki işlemler ve bu işlemlerde dikkat edilmesi gereken konularla birlikte, numunenin dağlanması ve dağlama türleri hakkında bilgi vermek amaçlanmıştır. 2.TEORİK BİLGİ Parlatma Zımparalama işleminden sonra zımpara çizgilerini yok ederek düz, mümkün olduğu kadar çizik bulunmayan, iyi yansıtıcı olan bir yüzey elde etmek amacı ile yapılır. Parlatma, zımparalanmış yüzeyin bir döner disk üzerindeki kumaş üzerine uygulanan aşındırıcı partiküller vasıtası ile aşındırılarak yapılır. Sürtünmeyi azaltmak için yağlayıcı da kullanılır. Aşındırıcı partikül boyutuna göre iki gruba ayrılır Kaba parlatma; aşındırıcı partikül boyutu 15-3 mikron ve İnce parlatma; aşındırıcı partikül boyutu 1 mikron ve aşağısı Kullanılan aşındırıcılar; alumina (Al2O3) ve elmas, daha az olarak krom oksit (Cr2O3), magnezyum oksit (MgO), demir oksit (Fe2O3), seryum oksit (CeO) ile yumuşak malzemelerin son parlatma kademesine kolloidal silika (SiO2) önemli yer tutar. Aşındırıcılar, genellikle pirinçten mamul diskler üzerine yapıştırılmış veya tutturulmuş özel parlatma parlatma kumaşına tatbik edilir. Numuneyi tutarken hareket ettirmenin bazı yararları vardır. Numune diskin dönme yönüne ters yönde hareket ettirilmeli ayrıca diskin merkezinden dışa doğru ileri-geri gezdirilmelidir. Bu şekilde; kumaşları üzerine tatbik edilir. Parlatma sırasında numune ile aşındırıcı (kumaş) arasında sürtünmeden ileri gelebilecek ısınmayı engellemek için su, yağ gibi yağlayıcılar kullanılır. Parlatma kumaşı numuneye karşı aşındırıcıyı tutabilmelidir, tüylü ya da tüysüz kumaşlar kullanılır. Kaba parlatma kademesinde yüksek kesme hızı, maksimum aşındırıcı teması ve düşük rölyef için çadır bezi, naylon ve ipek gibi tüysüz ya da kısa tüylü kumaşlar tercih edilir. İnce parlatma kademesinde keçe, kadife gibi tüylü kumaşlar tercih edilir (kısa, orta ya da uzun olabilir, farklı sertlikte fazlar içeriyor ise kısa tüylü kumaşlar tercih edilir). Parlatma işleminde numune, tavsiye edilen kumaşlarla kaplı parlatma diske tutulur ve zaman zaman alümina solusyonu (veya diğerleri) - Aşındırıcının disk yüzeyine homojen bir şekilde dağılımı ile parlatma kumaşının homojen yıpranması sağlanır, - Özellikle kalıntı, porozite ve ince çökelti fazı içeren numunelerde görülen ve yönlenmiş parlatmadan kaynaklanan "kuyruklu yıldız" görünümü engellenir. 80 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA Başarılı parlatma işleminden sonra numunenin yüzeyi ayna gibi görünür. Parlatma işlemi sonunda yüzey deterjanlı su ile yıkanır, alkolle temizlenir ve hava püskürtülerek kurutulur. Parlatma işlemi sonucunda elde edilen yüzey bazı malzeme parametrelerinin incelenmesi açısından uygundur. Bunlar; Dökme demirlerin türünün belirlenmesi ve grafit yoğunluğu sınıflandırılması Çatlak incelemeleri Porozite incelemeleri Metalik olmayan inklüzyonlar (MnS, FeS, Al2O3 gibi) Bazı kaplamaların incelenmesi Polarize ışık aydınlatmasında bazı anizotrop metaller Fakat parlatılmış yüzeyler ışığı eşit miktarda yansıttığından yapının detayları gözlenemez; bunu sağlamak için yapıda kontrast oluşturmak gerekir; bunun için dağlama yapılır. Dağlama Parlatılmış numunelere mikroskopta bakıldığında, yapıları hakkında bilgi sahibi olmak ender rastlanan bir durumdur. Parlatmadan sonra ancak, metalik olmayan kalıntılar, porozite, çatlak, yüzeydeki diğer benzeri kusurlar kolaylıkla görülebilir. Bazı demirdışı alaşımlarda taneler dağlanmadan önce sadece polarize ışık altında görülebilmektedir. Bu nedenle parlatmadan sonra numunelerin mikroskopta incelenmesinde yarar vardır. Parlatılmış numunenin yüzeyi ışığı eşit bir şekilde dağıttığından yapıdaki ayrıntılar ayırt edilemez. Bu nedenle yapıda kontrast oluşturulması gerekir. Dağlama numune yüzeyinde kontrast oluşturulmasıdır. Malzemelerde gerçek iç yapı özelliklerini ortaya çıkarmak için metalografide çoğu kez, parlatılmış numune yüzeyine uygun bir reaktif tatbik edilir. Bu işleme kimyasal dağlama veya kısaca dağlama (etching) denir. Dağlama ile; Tane ve tane boyutu Faz ve fazların dağılımı Deformasyon Segregasyon Yüzey işlem ve derinlikleri (sementasyon, nitrasyon, dekarbürizasyon gibi) Kaplama tabakaları gibi mikroyapı ayrıntıları ortaya çıkarılır. Dağlama fizikselya da kimyasalolabilir Fiziksel dağlama; ısı veya voltaj uygulanması ile gerçekleştirilir Kimyasal dağlama; en çok uygulanan yöntemdir, parlatılmış yüzeylerin uygun bir kimyasal çözelti ile muamele edilmesidir (dağlama) 81 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA Dağlama reaktifi, mikroyapı ayrıntılarını, numunenin yüzeyinden içeriye doğru tercihli olarak çözünmesi sonucu ortaya çıkarır. Çok fazlı yapılarda farklı fazların veya tek fazlı alaşımlarda ve saf metallerde farklı doğrultuda yönlenmiş tanelerin dağlama reaktifi içinde çözünme miktarları şüphesiz farklıdır. Çok fazlı alaşımlarda dağlama Çok fazlı alaşımların dağlanma mekanizması elektrokimyasal niteliktedir. Numune reaktif ile temas ettiğinde, yapı bileşenleri (fazlar) arasında potansiyel farkı doğar. Daha yüksek potansiyelli faz, diğerine kıyasla anodik veya elektropozitiftir ve bu nedenle dağlama esnasında çözünmeye başlar. Katodik veya elektronegatif olan diğer faz, daha düşük potansiyele sahip olduğundan, dağlama esnasında herhangi bir değişikliğe uğramaz. Anodik ve katodik bileşenler arasındaki potansiyel farkı, elektropozitif fazın genellikle kullanılan dağlayıcı reaktifler içinde uygun hız ve oranda çözünmesi için yeterli büyüklüktedir. Bu durum aşırı dağlamayı önlemek bakımından dikkatli kontrol gerektirir. Saf metallerde ve tek fazlı yapılarda söz konusu potansiyel farkının olmayışı nedeniyle bu malzemeler, çok fazlı malzemelere kıyasla daha zor dağlanırlar. Dağlama esnasında anodik fazın öncelikle çözünmesinden dolayı, bir dereceye kadar çukurlaşma meydana gelir ve mikroskopta incelendiğinde ışınları yansıtmadığından çözünen bu faz karanlık görülür. Katodik faz ise, dağlamadan etkilenmediğinden ışınları ayna gibi yansıtmaya devam eder ve mikroskopta parlak görülür. Saf metaller ve tek fazlı alaşımlarda dağlama Homojen tek fazlı alaşımlar ve saf metallerin dağlama işlemi çok fazlı alaşımlarınkinden farklıdır. Burada dağlama mekanizması elektropozitif bir olaya dayanır. Ana metal ile çözünmeyen kalıntılar veya tane sınırları ile taneler arasındaki potansiyel farkı, genellikle o kadar belirsizdir ki, dağlamanın etkisi olsa bile, bu çok küçüktür. Saf bir metal veya tek fazlı alaşımın dağlanması, bir reaktif tarafından metalin kimyasal olarak çözülmesidir. Her tane, yönlenmesiyle ilişkili bir hızda çözünür. Netice olarak, yapı tek fazlı olmasına rağmen, mikroskopta aynı yöndeki taneler, aynı parlaklıkta, farklı yöndeki taneler de farklı koyulukta görülür. Bu olaya, yönlenmiş tane parlaklığı adı verilir. Özellikle uzun süre dağlama sonunda bu durum kolayca fark edilir. Tane sınırları atomik seviyede kusurlu bölgeler olduğundan, tanenin iç kısmına kıyasla daha yüksek enerjiye sahiptir ve bu nedenle öncelikle çözünerek vadiler oluşturur. Bu vadilerdeki ışınların dağılması sonucu tane sınırları optik mikroskopta ince ve karanlık hatlar halinde görülür. Gerekli dağlama süresinden daha uzun süre dağlamaya devam edilirse, numunedeki tercihli çözünme tüm numunenin çözünmesi şeklinde devam eder. Bu duruma aşırı dağlama denir. Aşırı dağlanmış numune mikroskopta kararmış bir yüzey görüntüsü verir. Böyle bir numune, aşırı dağlamanın yüzeydeki etkisi kayboluncaya kadar tekrar nihai parlatma çarkına tutularak parlatılır ve yeniden dağlanır. 82 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA Dağlama reaktifleri Genellikle metalografik numunelerin dağlanmasında kullanılan reaktifler; su, alkol, gliserin, glikol veya bunların karışımı olan çözücülerin içinde, organik ve inorganik asitle, çeşitli alkalilerin ve diğer kompleks bileşiklerin eritilmesi ile elde edilir. Kullanılan reaktiflerin aktiviteleri ve genel davranışları; a) Hidrojen iyonu konsantrasyonuna b) Hidroksil iyonu konsantrasyonuna veya c) Reaktifin bir veya daha fazla yapı bileşenlerini karartma yeteneğine bağlıdır. Her malzeme için uygun bir reaktif gereklidir. Çelik ve dökme demirlerde kullanılan bazı dağlama reaktifleri, aşağıdaki tabloda verilmiştir. Dağlama reaktiflerinin taze olarak hazırlanması ve bekletilmeden kullanılması daima tavsiye edilir. Dağlama işlemi, basit bir işlem olmasına rağmen beceri ister. Dağlama işlemindeki en önemli husus verilen bir malzeme için önerilen dağlama reaktiflerinden en uygununu seçmektir. İstenilen sonuca ulaşabilmek için de bu reaktifin kullanılışına ait talimatlara bağlı kalmak gerekir. Bu talimatlarda, numunenin nasıl dağlanacağı (daldırma, pamukla silme, elektrolitik vb), dağlama sıcaklığı ve dağlama süresi açık olarak belirtilir. 83 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA Elektrolitik dağlama Elektrolitik dağlamada, numune bir elektroliz hücresinde dağlanır. Elektrolitik dağlama, özellikle paslanmaz çeliklerin dağlanmasında, kimyasal dağlamaya kıyasla tercih edilir. Elektrolitik dağlama solüsyonları bileşim yönünden oldukça basit olup, asidik, bazik veya tuzlu çözeltilerdir. Numune, genellikle anottur fakat bir kaç katodik dağlama solüsyonu da geliştirilmiştir. Dağlama işleminde genellikle doğru akım kullanılır ve dağlama, uygulanan voltajla dağlama süresini değiştirerek kontrol edilir. Makro dağlama Makro dağlama, metal ve alaşımlardaki heterojenliği açığa çıkarmak için kullanılır. Metalografik numuneler ve kimyasal analiz, malzemedeki heterojenlikleri göstermez. Buna mukabil makro dağlama; - Tane boyutundaki farklılaşma, deformasyon akış izleri, kolonsal yapı, dendritik yapı gibi katılaşma veya çeşitli mekanik işlemlerden kaynaklanan yapısal kusurların, - Segregasyon, karbür-ferrit bantlaşması, göbeklenme (mikrosegregasyon), karbürizasyon veya dekarbürizasyon gibi bileşimdeki heterojenliklerin, - Porozite, çatlak gibi fiziksel kusurların tespitinde kullanılır. Makro dağlamanın diğer bir uygulama alanı kaynak yapısının etüdüdür. Makro dağlama ile kaynağın derinliği, çatlak olup olmadığı ve ısıda etkilenen bölgeler açığa çıkar. Diğer taraftan, ısıl işlem uygulamasında sert. ve yumuşak kısımları birbirinden ayırt etmede, su verme çatlaklarının ve yüzeyi sertleştirilmiş bölgenin derinliğini saptamada makro dağlamadan yararlanılır. Makro dağlama, çelik endüstrisinde kalite kontrol amacıyla geniş ölçüde kullanılır. Kütüklerin yapısı, segregasyon ve kalıntıların mevcudiyeti makro dağlama ile saptanır. Dövme alaşımlarında, dövme izleri takip edilerek en iyi dövme koşulları sağlanır. Diğer taraftan, ekstrüzyonda, kalıpların dizaynında önem taşır. Makrodağlama için genellikle 400 No'lu zımparaya kadar zımparalamak yeterlidir. Numunenin yüzeyini parlatmaya çoğu kez gerek yoktur. Makrodağlama reaktifleri çok kuvvetli olduklarından numunenin yüzeyinde zımparalamadan dolayı hasar gören tabaka dağlamanın etkisi ile tamamen ortadan kalkabilmektedir. 84 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- METALOGRAFİK NUMUNE PARLATMA VE DAĞLAMA 3.DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLARI 1. Zımpara ve Parlatma Cihazı:Metalografik numunelerin otomatik veya manuel olarak hazırlanması için kullanılır. 2.Optik ve Stereo Mikroskop: Parlatılan numunelerin yeterlide derecede parlatıldığını kontrol etmek için kullanılır. 3.Dağlama Esnasında Kullanılan Kimyasallar 4.DENEYİN YAPILIŞI Parlatma kademesinde numune parlatma diskine tutulup ve parlatma süspansiyonu kullanılır, Parlatma sonunda el ve numune bol su ile yıkanır, Numune alkolle yıkanıp kurutulur, Numuneye mikroskopta 100x büyütmede bakılarak parlatmanın yeterli olup olmadığına karar verilir (parlatma yeterli değilse, parlatma işlemine devam edilmelidir), Bir parça pamuk masa ile tutularak dağlayıcı reaktifine batırılır ve numune yüzeyine parlak yüzeyin matlaştığı görülene kadar sürülür veya numune dağlayıcı reaktife daldırılarak dağlanır. (Aşırı dağlamamaya dikkat!) Dağlama görülünce numune derhal bol su ile yıkanır, ardından alkolle yıkanıp kurutulur. 5.DENEY RAPORU Deneyi kısaca özetleyiniz. Parlatmada kullanılan solüsyonlar ve bu sölüsyonların parlatmaya olan etkileri nelerdir? Demir ve demirdışı malzemelerde kullanılan dağlayıcalar ve bunların malzeme üzerindeki etkilerini kıyaslayınız. Termal dağlamanın tanımı ve kullanım alanlarını açıklayınız. 6.KAYNAKLAR 1. Prof. Dr. Fazlı Arslan, Metalografi Laboratuvarı Deney Föyü 2. Prof. Dr. Sakin ZEYTİN-Doç. Dr. Akın AKINCI-Yrd. Doç. Dr. Mediha İPEK, Metalografik İnceleme 3. Metals Handbook, ASM 4. Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 85 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME 1.DENEYİN AMACI Daha önceden metalografik işlemlerle yüzeyi hazırlanan malzemenin, mikroyapısı, tane boyutu, malzemenin tarihçesi ve malzeme üzerindeki deformasyonu tayin edip, bu parametreler hakkında yorum yapabilmek. 2.TEORİK BİLGİ Mikroskobik inceleme Dağlanan malzeme mikroskop altında incelenerek yapıları hakkında bilgi edinilir. Metalografik incelemede genellikle ışın mikroskobu kullanılır. Metalleri incelemede kullanılan bu mikroskoba metal mikroskobu da denir. Genel itibari ile ele alınacak olursa objektif, oküler ve aydınlatma sistemi olmak üzere üç ana bölümden oluşur. Büyütme miktarı objektif ve okülerin büyütme değerlerinin çarpımı ile bulunur. Metal mikroskop ile; Numunedeki fazların özellikleri, Dağılımları, Tane sınırları, Porozite, kalıntı ve çatlaklar gibi çeşitli yapılar incelenir. Stereo mikroskop ile numunenin bir bölgesi veya tamamı daha düşük büyütme oranları ile incelenerek; Numunede imalat yöntemi ile meydana gelmiş (ısı tesiri bölgeleri, yönlenmeler, katmerler) olan yapısal değişiklikler Çeşitli makro hatalar (çatlak, gözenek, boşluk, cüruf kalıntısı vs.) incelenir. Bunların yanı sıra mikroskobik incelemelerde SEM (Scanning Electron Microscope) yada TEM (Transmission Electron Microscope) gibi mikroskoplarda kullanılabilir. Bu mikroskoplar ile 50.000-100.000…..1.000.000 arasında büyültmeler sağlanır. Optik Mikroskop (Işık -Metal- Mikroskobu) Işık mikroskobu, incelenen numunenin mikroyapısının ince detaylarını tanımak ve açığa çıkarmak için çeşitli merceklerin kombinasyonu şeklinde dizayn edilmiştir. Deney için hazırlanan parçaların yüzeyleri 5-10-20-40…100-2000 arasında büyültülerek incelenebilir. Metal mikroskobu gelen ışınla numuneyi aydınlatır (yansımalı ışık mikroskobu). Bazı mikroskoplar ise ışığın numuneden geçerek aydınlatması üzerine dizayn edilmiştir (geçirmeli ışık mikroskobu). Bu tür mikroskoplarda ince kesit incelenir ve daha ziyade biyolojik çalışmalar için kullanılmaktadır. 86 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME Bir metal mikroskobu geçirgen olmayan yüzeylerin incelenmesi için dizayn edilmesi ile bir biyolojik mikroskoptan ayrılır. Metal mikroskobunda, ışık numuneden yansıdıktan sonra görüntü oluşturulur; halbuki biyolojik mikroskopta,ışık numuneyi geçtikten sonra görüntü oluşur. Metal mikroskobu sadece iki boyutlu görüntü sağlar; malzemenin yapısı hakkında enstrümantal analiz yeteneğine sahip değildir. Uzmanın tecrübesi çok önemlidir. Eğer, yeterince tecrübeli değilse, yapıların doğru analizi için bilenlere danışılması, daha önce oluşturulan arşivlerin taranması ve konu ile ilgili kitap ve el-kitaplarının incelenmesi gerekir. Uzman, eğer mümkün ise, malzemenin kimliği ve üretim tarihçesi hakkında bilgi sahibi olmalıdır. Görüntü analizörü gibi ek donanımlar, optik mikroskobun kullanım alanını genişletip değerlendirme avantajları sağlamış olmakla beraber, kimyasal analiz anlamında hiçbir ilave kolaylık getirmezler. Tanımlama, sadece kullanıcının yeteneklerine kalmıştır. Tüm bunlara karşılık, optik mikroskop çok kolay olan kullanımı ve genel bir bakış sağlama noktasındaki avantajları nedeniyle halen çok sık kullanılan bir inceleme tekniğidir. Demir-Karbon Alaşımlarında Mikroyapı Tanımlaması Dünyada en çok üretilen metalik malzeme demir-çelik grubu malzemelerdir ve 2011 yılında toplam demir-çelik üretimi 1.650 milyon ton mertebesinde olmuştur. Bunun içerisinde Türkiye’nin payı 34 milyon ton civarındadır ve Türkiye dünyanın en büyük 10. demir-çelik üreticisi konumundadır. Metalik malzemeler arasında demir çeliğin hali hazırda hiçbir rakibi yoktur ve uzun yıllar daha egemenliği sürecektir. Demir çelik ürünlerinin bu derece yüksek üretimi ve rakipsizliği yanında önemli bir avantajı da çok sayıda farklı kalitede üretilebilmesidir. Muhtemelen üretilebilen tüm demir çelik kalitelerini sınıflayabilen hiçbir kitap, ansiklopedi, elkitabı vb yoktur. Bu karmaşıklığın içerisinden çıkmak için, demir çelik grubu malzemeler belirli standartlara uygun olarak ve belirli kalite gruplarında üretilmektedir. En basitinden, demir-çelik grubu malzemeler alaşımlı ve alaşımsız olarak iki sınıfa ayrılabilir. Bu çok kullanılan bir sınıflandırmadır, ancak bir çeliği tanımlamak için asla yeterli değildir. Zira, bu tür bir sınıflandırmada kullanılan kriter çelikteki “alaşım elementi” miktarıdır. Alaşımlı-alaşımsız ayrımı için kabul edilen alaşım elementi miktarı ise ağ. % 5’tir. Yani % 5’in altında alaşım elementi içeren çelikler alaşımsız sınıfına girer. Bu grup içerisinde de karbon çelikleri ve az alaşımlı çelikler bulunur. Karbon çelikleri Fe, C, Mn, Si gibi elementleri bulundurur. Manganez ve silisyum her çelikte bulunan elementlerdir ve Mn % 1,5’i ve Si % 1’i aşmadığı sürece alaşım elementi sayılmaz. 87 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME Alaşım elementleri çeliğin niteliklerini artırmak için kasten katılan elementlerdir. Bunlar Cr, Ni, Mo, Al, Cu, Ti, W, Co, Nb, V, N gibi elementlerdir ve alaşım elementi sayılabilmeleri için çelikte en az bulunmaları gereken ve her element için değişen bir alt sınır değerleri vardır. Alaşım elementlerinin varlığı çeliğin yapısını çok etkiler. Çeliğin yapısı aynı zamanda soğuma hızı, uygulanan termal ve mekanik işlemler ile de değişir. Tüm faktörler göz önüne alındığında, çok sayıda farklı yapının oluşacağı ve bu yapıların tanımlamasının oldukça zor olduğu anlaşılabilir. Burada yapı tanımlaması için ana faktörler göz önüne alınacak ve ona göre temel bir tanımlama yapılacaktır. Çeliğin yapısını tanımlayabilmek için Fe-C denge diyagramı tam olarak bilinmelidir. Ne yazık ki, Fe-C denge diyagramının hakkıyla bilinmesi yapı tanımlaması için yeterli olmaz. Zira Fe-C denge diyagramı sadece demir ve karbon içeren alaşımların yapılarını çok yavaş soğuma şartlarında göstermektedir. Gerçek çelikler, Fe ve C’a ilave olarak, her zaman Mn ve Si ile S ve P da içerirler. Ayrıca kasten katılan alaşım elementleri de yapıda bulunur. Bunun dışında, denge diyagramları çok yavaş soğuma şartlarında elde dilmiştir.Ancak endüstriyel alaşımlar genellikle hızlı soğuma ile üretilirler. Bu değişkenler ve daha fazlası alaşımların yapılarının denge diyagramında gözükenlerden farklı olmasına yol açar. Bu bakımdan, katılan alaşım elementlerinin Fe-C denge diyagramını nasıl değiştirdiği, yüksek sıcaklıktan soğuma sırasında hangi fazların oluştuğunu bilmek de en az denge diyagramını bilmek kadar önemlidir. Dolayısıyla, Fe-C denge diyagramı, alaşım elementlerinin etkilerini gösteren diyagramlar ile yüksek sıcaklıktan soğuma sırasında yapı değişimlerini gösteren diyagramlar (TTT diyagramları ve SS diyagramları) yapı tanımlamalarında göz önünde bulundurulmalıdır. Fe-C Denge Diyagramı Çelik temelde bir Fe ve C alaşımıdır. Demir 1535oC’de ergiyen bir metalik elementtir. Oda sıcaklığından ergime sıcaklığına kadar 3 farklı kristal yapıya sahip olur. Oda sıcaklığı ile 912oC arasında HMK yapılı, 912 ile 1398oC arasında YMK yapılı ve 1398 ile ergime sıcaklığı olan 1535oC arasında ise tekrar HMK yapılı demir bulunur. Yani, demir allotromorfik dönüşüm gösterir. Demir saf halde düşük mekanik özelliklere sahiptir ve önemli bir mühendislik malzemesi değildir. Demire karbon ilavesi demirin mekanik özelliklerini çok etkiler ve demir böylece dünyanın en mukavemetli malzemelerinden biri haline gelir. Şekil 1’de Fe-C denge diyagramı verilmiştir. Bu denge diyagramı üzerinde α (alfa), у (gama), δ (delta), sıvı ve sementit (Fe3C) fazları ile ledebürit (у + sementit) ve perlit (α + sementit) karışım yapıları bulunur. Ayrıca 3 dönüşüm reaksiyonu meydana gelir: Peritektik Reaksiyon: 1494oC’de ağ. %0,15 C miktarında gerçekleşir. Peritektik reaksiyon δ + Sıvı γ şeklindedir ve osteniti oluşturur. 88 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME Ötektik Reaksiyon: 1145oC’de % 4,3 C miktarında oluşur. Ötektik reaksiyon Sıvı γ + Fe3C şeklinde olur ve ledebürit (γ + Fe3C) yapısını oluşturur. Ötektoid reaksiyon: 727oC’de 0,8 C miktarında oluşur ve γ α + Fe3C ile perlit (α + Fe3C) yapısı oluşur. Fe-C sisteminde bulunan fazlardan üç tanesi (alfa, gama ve delta) katı çözelti fazlarıdır: - α (alfa): Ötektoid reaksiyon sırasında oluşur. 727oC’de en çok % 0,022 kadar karbon çözündürür. - γ (gama): Ötektik reaksiyon sırasında oluşur. 1145oC’de en çok % 2,1 kadar karbon çözündürür. - δ (delta): Peritektik reksiyona katılır. 1493oC’de en çok % 0,1 C çözündürür. 89 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME Fe-C alaşımları yavaş soğutulduğu takdirde, Fe-C denge diyagramındaki yapılar oluşacaktır. Alaşım elementi ilavesi başka fazların da yapıda bulunmasını sağlayabilir. Alaşımın karbon içeriğine bağlı olarak oranları değişmekle birlikte, Fe-C denge diyagramına göre, oda sıcaklığında α + Fe3C bileşenlerinden oluşacak yapıya sahip bir malzeme bulunacaktır. Ancak biraz daha ayrıntıya girildiğinde yapılar daha belirgin hale gelir. Fe-C alaşımının C miktarı ağ. %2,1’i aşınca malzeme artık çelik olarak isimlendirilmez. Bu malzemeler dökme demir adını alır. Gerçekte dökme demirlerin karbon içeriği ağ. % 2,5-4,5 C arasında bulunur. Bu malzemelerin yapısı çeliklerden farklıdır Aşağıda değişik bileşime sahip Fe-C alaşımlarının soğuma ve mikroyapı görüntüleri verilmiştir. 90 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MiKROSKOBiK iNCELEME Şekil 3.. Ötektoid bileşime Fe-C alaşımının oda sıcaklığındaki yapısı. METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME 92 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MiKROSKOBiK iNCELEME (a) (b) Şekil 5. Fe-C alaşım sisteminde hızlı(denge dışı) soğuma ile oluşan yapılar. a)Beynit, b)martensit d) Sekil 6. Dökme demirlerin tipik mikroyapıları. a)gri dökme demir, 500X, %3 Nital, b)Küesel grafitli dökme demir, 200X, %3 Nital, c)Beyaz dökme demir ve d) temper dökme demir. METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MİKROSKOBİK İNCELEME 3.DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLARI Optik ve Stereo Mikroskop Metalografik İnceleme İçim Hazırlanan Numuneler 4.DENEYİN YAPILIŞI Optik ve stereo mikroskopta incelenmek üzere daha önceden hazırlanmış olan numuneler mikroskopta çeşitli büyütmelerde incelenecektir. 5.DENEY RAPORU Deneyi kısaca özetleyiniz. Ferrit, perlit ve sementit yapılarını açıklayınız. Optik Mikroskop ile SEM arasındaki farkları belirtiniz. Optik Mikroskopta tane boyutu analizi nasıl yapılır, açıklayınız. 6.KAYNAKLAR 1. Prof. Dr. Sakin ZEYTİN-Doç. Dr. Akın AKINCI-Yrd. Doç. Dr. Mediha İPEK, Temel metalografik operasyonlar, Demirli alaşımlarda mikroyapı tanımlamaları 2. Ryan M. Deacon, Metallography, Microstructure, and Analysis, 3.Prof. Dr. Şadi KARAGÖZ, Mikroyapısal Görüntüleme ve Tanı 4.Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 94 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME 1.DENEYİN AMACI Bu deneyde difüzyonla yüzey sertleştirme işlemler hakkında genel bilgi vermek ve proses süresince gerçekleşen olayları mikro boyuttan makro boyuta kadar değerlendirmek amaçlanmıştır. 2.TEORİK BİLGİLER Yüzey Sertleştirme İşleminin Önemi Yüzey sertleştirme işleminde düşük karbonlu çeliklerden imal edilmiş parçalar, karbon verici ortamlar içinde tavlanırlar. Bu işlemde parçaların iç bölgeleri karbon alamadıklarından yumuşak kalır ve böylece yüzey sertleştirmesi neticesinde sert cidarlı ve yumuşak iç bölgeye sahip parçalar elde edilir. Bu parçalar yüksek sertliklerinden dolayı aşınmaya, akışkan çekirdekleri sayesinde de değişken ve darbeli yüklere karsı çok dayanıklı olurlar. Yüzey sertleştirilmesine tabi tutulan çeliklerin, normal sertleştirmeye tabi tutulan çeliklere nazaran avantajları şunlardır: Bu parçaların iç kısımları sonradan islenebilir. Yumuşak ve akışkan çekirdek, su verme işleminde sekil değiştirmelere, çatlaklara mani olur. Bu sebepten dolayı yüzey sertleşmesi bilhassa islendikten sonra ısıl isleme tabi tutulan, ölçülerini değiştirmemesi gereken parçalar için çok uygundur. Yüzeyin taslanması haricinde diğer kısımlarının islenmesi daha kolay ve ucuzdur. Yüzey sertleşmesi yapabilecek çelikler, yüksek karbonlu çeliklere nazaran daha ucuzdur. Yüzey sertleştirmenin dezavantajları ise şunlardır: o Çelik homojen olmayıp değişik Fa-C alaşımlarından meydana gelir( içeriye doğru karbon muhtevası azalır ). o Uygun ısıl ilsem tecrübe ister ve pahalıdır. o Bu yöntemle sertleştirilmiş parçalar taslanmadan önce dikkatli olarak o Düzeltilmelidirler, zira sert yüzeyin ancak çok ince bir kısmı taslama ile alınabilir. o Bu yöntem dilsiler, bilyeli yataklar, anahtarlar, vida basları ve uçları, zincir dilimleri, eksantrik millerinde kullanılır. Ayrıca muhtelif ölçü aletleri, kesici takım uçları, zımbalar, eğeler, bazı freze bıçakları, plastik kalıpları ve zırhlı plakalar da aynı usulle sertleştirilir. Difüzyon Difüzyon,malzemeler içindeki atomların sıcaklığa bağlı olarak hareket etmesi olayıdır. Difüzyon (yayınma) deyimi özellikle katı malzeme içinde kütle taşınmasını sağlayacak ölçekteki hareketleri tanımlar. Homojen malzemelerde tamamıyla aynı olan parçacıkların yer değiştirme olayına kendi kendine difüzyon denir. Bu olayda genellikle kütle taşınması görülmez. Homojen olmayan malzemelerdeki difüzyon olayı ise teknik açıdan daha önemlidir. Burada bulunan konsantrasyon farklılıkları parçacıkların belirli yönde hareket etmelerine neden olur. Bu tür difüzyon olaylarının ısıl işlemlerin çoğunda büyük önemi vardır. Bu nedenle difüzyon mekanizmasının ve difüzyon kanunlarının anlaşılması, karbürizasyon, dekarbürizasyon, nitrürasyon ve tavlama gibi ısıl işlemlerin kavranmasını kolaylaştırır. 95 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Bir kristal kafeste, örneğin YMK Fe kristal kafesi içerisinde demir atomlarıyla benzer konumlara yerleşebilecek kadar büyük çaplı alaşım atomları, kristal kafesi içerisinde demir atomları tarafından doldurulmamış boş konumlara yerleşerek oluştururlar. Yeralan atomların hareket etmesini sağlayan mekanizma boşluk mekanizması olarak tanımlanır. (Şekil.1). Diğer taraftan, örneğin çelik atomlarına oranla çok daha küçük boyutlu olan karbon ve azot atomları kristal kafes içerisinde demir atomlarının aralarına yerleşerek arayer katı eriyik oluştururlar. Bu tür atomlara arayer atomları denir. Şekil.2, bazı kristal kafes sistemleri için arayer atomlarının yerleşebilecekleri boşlukları göstermektedir. Koordinasyon sayısı oktahedral boşluklar için altı, tetrahedral boşluklar için ise dörttür. Örneğin HMK kristal kafesinde oktahedral boşluklar kübün yüzeylerinin merkezidir. Dolayısıyla hmk kafesteki oktahedral boşluğa yerleşen bir arayer atomu yüzeyin dört köşesindeki atomlarla, kafesin merkezindeki atom olmak üzere toplam altı atomla temas halinde olacaktır. Arayer atomları, boşlukların yardımı olmadan difüze olurlar. Bu yüzden yeralan atomlara göre hızları daha yüksektir 96 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Difüzyon Hızına Etki Eden Faktörler Difüzyon bir konsantrasyon gradyantından ileri gelir. Bu gradyant difüzyon olayının ileri gelmesi için itici gücü oluşturur. Difüzyonun konsantrasyon gradyantına bağlılığı ilk defa I Fick kanunu ile verilmiştir. . Burada; J = Difüzyon yönüne dik bir düzlemin birim alanından birim zamanda geçen madde miktarı (gr/cm².sn), D = Difüzyon katsayısı (cm².sn), c = Difüze olan maddenin konsantrasyonu (gr/ cm³) x = Difüzyon mesafesi (cm). Difüzyon katsayısı,D, sıcaklığa çok etkin bir şekilde bağımlıdır. Yukarıda verilen denklemlere göre azalan aktivasyon enerjisi ile difüzyon kolaylaşır. Aktivasyon enerjisinin azalması difüzyon katsayısının (D) artması sonucunu doğurur.Azalan aktivasyon enerjisi ile difüzyon kolaylaşır. Aktivasyon enerjisinin azalması difüzyon katsayısının ,(D), artması sonucunu doğurur. Difüzyon katsayısı sıcaklık arttıkça artar. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda difüzyon kolaylaşır. Atomlar normal kafes yapısında çok zor difüze olurlar. ‚çünkü enerji engelini aşmak için gerekli aktivasyon enerjisi büyüktür. Diğer taraftan kafesin büyük ölçüde kusurlu olduğu tane sınırlarında ve dislokasyon yoğunluğu fazla olan kristal kafeslerde daha kolay serbest yüzeylerde ise çok kolay difüze olurlar. 97 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Karbürizasyon Çalışma koşullarında birçok çelik parçanın dış yüzeyinin sert ve aşınmalara dayanıklı, iç yüzeyinin ise tok ve darbelere karşı dirençli olması istenir. Sade karbonlu çeliklerde bu iki özellik, farklı karbon bileşimine sahip çeliklerle elde edilebilir. Yaklaşık % 0.1 C bileşimine sahip düşük karbonlu bir çelik tok bir yapıya sahip iken, % 0.9 veya daha fazla karbon bileşimine sahip yüksek karbonlu bir çelik uygun ısıl işleme tabi tutulduğunda yeterli sertliğe sahip olmaktadır. Buna göre düşük karbonlu bir çelikte yüzeyden itibaren belirli bir mesafeye kadar C veya N yayınımı sağlandığında, çelik parçanın yüzeyi sert ve aşınmalara karşı dayanıklı, iç kısmı ise tok bir hal alacaktır. Parçanın yüzeyinde itibaren iç kısmına doğru karbon yayınımı Karbürizasyon, azot yayınımı ise Nitrürasyon (Nitrasyon) olarak bilinmektedir. Karbon yayınımı ile yüzey serleştirme (sementasyon), dövme demirin çeliğe dönüştürülmesinde yüzyıllardır kullanılmaktadır. Etrafı uygun karbonlayıcı malzeme ile çevrilmiş olan parçanın, üst kritik sıcaklığın (911 °C) üzerindeki bir sıcaklığa çıkarılarak tamamen östenit (γ) yapısı elde edilmesi ve bu sıcaklıkta yüzeyden itibaren belirli bir mesafede karbonca zengin bir tabaka oluşuncaya kadar beklenmesi bu prosesin temelini oluşturur. Karbürizasyon islemi degisik karbon verici ortamlarda yapılabilir ve buna göre de yöntemler söyle gruplandırılır: 1. Katı ortamda karbürizasyon veya kutu sementasyonu, 2. Sıvı ortamda karbürizasyon veya tuz banyosunda sementasyon, 3. Gaz ortamda karbürizasyon. Şekil 3. Karbürizasyon tabakası boyunca çeligin iç yapısının degisimi. Karbon emdirilmesi işlemi çelik parçasının CO ihtiva eden bir ortamda, ostenit faz sıcaklığına kadar ısıtılmasıyla, gaz-metal reaksiyonu sonucu oluşur. Aşağıdaki reaksiyona göre; CO2 + C = 2CO oluşan karbonmonoksit, kullanılan sementasyon sıcaklığında östenit fazda bulunan çelik parçasının yüzeyinde parçalanır ve açığa çıkan atomik karbon çelik bünyesine emilerek çözülür. 98 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Fe +2CO = Fe(c) +CO2 reaksiyonu bunu göstermek için verilmiştir. Burada Fe(c) östenit fazda çözünen karbonu ifade etmektedir. Sementasyon işleminin östenit bölgesinde yapılması, bu bölgenin %2 oranına kadar karbon çözebilmesi ile yakından ilgilidir. Fakat ikincil sementit (Fe3C) ayrışımı arzu edilmediğinden, sementasyon tabakası genellikle ötektoid noktasına uygun olarak karbonlanır. Bu iki reaksiyon da reversible özelliktedir. Buna göre; CO2 + C = 2CO reaksiyonu sıcaklığın azalması ile sağdan sola doğru ilerleyerek CO bakımından zengin bir gaz atmosferi meydana getirir. Eğer çelik parça böyle bir ortamda kalırsa Fe + 2CO = Fe(c) + CO2 reaksiyonu sağdan sola doğru ilerleyerek, çelik parçasının yüzeyinden karbon kaybetmesine neden olur. Bu duruma ‘dekarbürizasyon’ denir. Atomların difüzyonunu tanımlayan Fick kanunu diferansiyel bağıntısının karbürizasyon için çözümü aşağıdaki şekilde verilmiştir: C(x,t) : t süresinde çeliğin yüzeyinden içeriye doğru x mesafedeki karbon bileşimi, C0 : Karbürizasyon uygulanacak çeliğin baslangıç karbon içeriği, C1: Karbürleyici ortamın karbon içeriği, D: Karbonun çelik içerisindeki difüzyon katsayısı (cm²/s), t : Karbürizasyon süresi (s) x: Mesafe (cm). 99 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Karbürizasyon süresi ve sıcaklığına bağlı olarak yüzeyden itibaren erişilecek karbonlu tabaka derinliğinin ilişkisi. 3.DENEY MALZEMELERİ VE EKİPMANLAR Yüksek Sıcaklık Fırını Çelik Kutu Karbon Kaynağı Sarf Malzemesi Çelik İş Parçası 100 METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME 4.DENEYİN YAPILIŞI Yüzeyi karbonlanacak parçalar, içerisinde karbon kaynağı olarak kullanılacak madde bulunan bir dökme demir yada çelik kutu içerisine aralarında yaklaşık 50 mm boşluk olacak şekilde yerleştirilir. Karbonlayıcı malzeme olarak genellikle odun kömürü kullanılır. Sonra kutu kapatılarak 900-950 °C arasındaki bir karbürizasyon sıcaklığına yavaş bir şekilde çıkarılır. Parça bu sıcaklıkta yüzeyden itibaren istenilen karbonlu tabaka kalınlığına göre belirli bir süre tutulur. Parça yüzeyinden itibaren erişilecek karbonlu tabaka derinliği ve bileşimi, zaman ve sıcaklık ile kontrol edilir. 5.DENEY RAPORU 1.Deneyi kısaca özetleyiniz. 2.Sementasyon derinliğinin sertliğe etkisini açıklayınız. 3.Katı, sıvı ve gaz ortamda yapılan karbürizsayon işlemlerini avantajları ve dezavantajları yönüyle karşılaştırınız. 4.Nitrürleme ve Borlama işlemlerini açıklayınız ve karbürizasyon ile karşılaştırınız. 6. KAYNAKLAR 1. http://www.efunda.com/processes/heat_treat/hardening/diffusion.cfm 2. Prof. Dr. Hatem Akbulut, Prof. Dr. Uğur Şen, Yrd. Doç. Dr. M. Oğuz Güler, Difüzyonla Yüzey Sertleştirme 3.Ahmet TÜRK, Hülya DURMUŞ, Malzeme Laboratuvarı Dersi Deney Föyü , Celal Bayar Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, 2013 101
