Bir önceki yazımda kristalin malzemelerdeki yapı kusurlarını kaleme almıştım. Malzemelerin mekanik özelliklerinin mühendislik uygulamalarında çok geniş bir yeri vardır. Elinizdeki malzemenizin sınırları, sizin hayallerinizi de sınırlayacaktır. O yüzden, malzeme gelişirse, mühendislik uygulamasının verimi, yaratıcılığı ve kalitesi buna paralel olarak gelişir.
Bir malzemenin mekanik dayanımını kullanım alanından bağımsız olarak belirlemek için genel olarak yapılan test, çekme testidir. Çekme testinde, standart olarak hazırlanmış bir numune, çekme cihazına bağlanır. Artan gerilim altındaki mukavemeti, verilen enerjiyi depolama –tokluk- yetisi, kopana kadarki uzama miktarı gibi mekanik özellikleri kaydedilir. Yukarı kullanım alanından bağımsız olarak belirlemek için derken kastettiğim, motor bloğu olacak metal alaşımına da, inşaat demirine de ilk yapılan test budur. Kullanım alanı göz önüne alınarak yapılmaz. Bu testten sonra kullanım alanına göre testler yapılabilir.
Çekme testi, malzemenin iflas ederek kopmasıyla sonuçlanır. Malzemenin kopmasına kadar ki süreç ne kadar önemliyse, kopma esnası ve sonrası da o kadar önemlidir. Test sonuçlarına bakmaksızın, kopmuş bir malzemenin yüzeyleri incelenerek dahi sünekliği ve kırılma mekaniği hakkında kabaca yorum yapılabilirken, kırılma mekaniği kesinlikle es geçilemez bir konudur.
Kırılma
Malzemenin bir yük altında dayanamayacağı noktaya gelip kopma olayıdır. Kabaca iki şekilde görülür. Genellikle, oda sıcaklıklarında ani yüklemelere maruz kalan metallerde ikizlenme ile nispeten daha yüksek sıcaklıklarda uzun süreli çalışan metal parçalarda ise kayma mekanizması ile kırılma görülür. İkincisi ise ani kopma durumudur.
Ani kopma olayını açıklamam gerekirse, özel olarak sert üretilmiş –martenzitik yapıda ve pekleştirilmiş- bir çelik halatı ilk kez kullandığınızı düşününüz. Çevre sıcaklığı -15 derece olsun. Bu çelik halata taşıyabileceğinden fazla yükü kaldırmaya çalışırsanız, muazzam bir gürültüyle kopacak ve sekecektir. Sebebi, içyapısındaki gerilmelerden ve çevre sıcaklığının düşük olmasından dolayı tokluğunun çok düşmesidir. Yükün depolamış olduğu bütün potansiyel enerji halat üzerinden boşalacaktır. Eğer halatımızın sünekliği yeterli miktarda değilse, bu şekilde kopacaktır. Kırılma anından sonra incelenen kopma olayının gerçekleştiği yüzeylerin adeta bir bıçakla kesilmiş gibi göründüğünü müşahade edeceksinizdir. Kırılma düzlemleri parlak ve keskindir. Tüm bu gözlemler bize klivaj kırılmayı işaret etmektedir.
Klivaj kırılma, haddinden fazla yüklenen metal parçalarda, herhangi bir belirti vermeden ani olarak gerçekleşen kırılma olayıdır. Plastik deformasyon neredeyse hiç gözlenmez. Periyodik bakımlarda erken tespit edilemez. Soğuk ortamlarda çalışan sert parçalar bu yüzden çok büyük risk teşkil etmektedir. Fakat tüm bunların aksine, oldukça sünek üretilen YMK (yüzey merkez kübik) yapıya sahip bir östenitik paslanmaz çelik, -20 derecede kendi azami taşıma kapasitesinin üzerinde dahi yüklense, sünerek kopacaktır. Kopma önceden belirtiler verecek, halat uzayacaktır. Yani plastik deformasyon gözlemlenebilir. Kopma sonrasında kırılmanın gerçekleştiği bölgenin incelenmesi esnasında ilk dikkatinizi çekecek şey, en kesitin daralmış olması ve kırılma düzleminin girintili-çıkıntılı bir halde olduğudur. Hatta kırılmadan hemen sonra kopma bölgesini tutarsanız, ısındığını göreceksiniz. Sıcaklığın sebebi, depoladığı enerjidir. Sünek kırılma için fazla miktarda enerji gereklidir. Buda bize kayma ile kırılmayı işaret eder.
Kayma ile kırılma, atomların ve düzlemlerin birbirleri üzerinde veya paralel olarak kayması sonucu yavaş gerçekleşen, plastik deformasyona sebep veren kırılma sürecidir. Sünek kırılmada denir.
YMK yapıya sahip metallerde, her birim hücrenin tüm yüzeylerinde birer atom olduğundan, atomlar birbirlerini daha iyi tutabilirler. Ani yüklenmeler esnasında, bu düzlemler ani olarak kırılmak yerine, birbirleri üzerinden kayarak kırılmayı tercih ederler. İşte bu yüzdendir ki, YMK yapılı ve özellikle krom ilaveli çeliklerin dayanımları ve süneklikleri optimum düzeydedir.
Sünek ve Gevrek Kırılma
Yukarıda da anlattığım üzere, YMK yapıya sahiplerde klivaj düzlemi yoktur. Bu yüzden, bu tip metallerde klivaj kırılma görülmez. Yani sünek kırılma görülür. Fakat diğer metaller ani kırılmalar yaşayabilirler.
Sünek kırılma için fazlaca enerji absorbe edilmesi gerekirken, klivaj için ani yükleme yeterlidir. Sünek kırılmanın nasıl geliştiğini aşağıda evre evre görebilirsiniz.
1) Boyun verme (Necking) : Test esnasında uygulanan yükün artmasıyla, gerilim malzemenin tam ortasında odaklanmaya başlar. (Numune homojen ise ve cihaza doğru bağlanmış ise, boyun verme tam ortada görülür) Boyun verme esnasında, en kesit daralırken, boyun çevresinde malzemenin boyu uzar.
2) Boşluk Oluşumu (Void Formation) : Boyun içerisinde bazı düzlemler artık kaymaya başlamıştır birbirinden kopmaya başlamıştır. Bu ufak çatlaklar ve boşluklar kırılmaya zemin hazırlar.
3) Boşlukların Birleşmesi/Büyümesi ( Void Coalescence) : Birbirinden bağımsız olarak ortaya çıkan boşluklar, nihayetinde birleşir ve artık çatlağa doğru yol almaktadırlar.
4) Çatlak Oluşumu (Carck Propagation): Bu esnada artık boşluk olarak değerlendirilecek nokta kalmamıştır ve tüm boşluklar çatlaklar oluşturup kopmaya başlamıştır.
5) Kırılma (Failure): Malzemenin kopma anı. (Plastik deformasyonun bu kadar uzun sürmesi, sünek kopmaya işarettir.)
1 numaralı bölgede boyun verme başlar. Yukarıda yazmış olduğum 5 basamak, 1 numaralı evre ile başlayıp 5 numarada son bulmaktadır.
Bu örnekte, akma noktası belirli bir noktadır. Akma noktasında, atomlar, düzlemler ve dislokasyonlar kaymaya başlarlar ve plastik deformasyon başlar. Fakat bazı malzemelerde akma noktası tek bir nokta değildir. Akma noktası civarında zigzaglı bir grafik görülür. Bu tip farklı akma noktası gösteren malzemelere, süreksiz akma noktalı malzemeler denir. İlgili grafik aşağıdadır.
Bu grafik Luders bandları verebilecek alaşıma sahip bir çeliğe aittir.
Üst akma noktasından sonra düşen gerilim ve ardı ardına görülen zigzagların sebebi Cottrell Atmosferlerinin oluşmasıdır. Cottrell Atmosferleri, kayan atom düzlemlerini ve dislokasyonları yakalayarak kaymalarına engel olur. Bu yüzden grafikteki zigzaglardan sonra mukavemette artış kaydedilmiştir. Bu esnada çelik numunesinin üzerinde gerilimin odaklandığı bölgelerde 45 dereceye yakın bir eğime sahip çizgiler oluşmaya başlar. Bu çizgilere Luders Bandları denir. Numune enerji absorbladığından ısınacaktır.
Aşağıda sünek ve gevrek şekilde kırılan metallerin, kırılma düzleminin fotoğrafları bulunmaktadır.
Görüldüğü üzere, kırılma düzlemi oldukça girintili çıkıntılı, mat. Boyun vererek –kopma bölgesinde en kesit daralması- koptuğu da apaçık ortada. Yani, bu metal parça kayma veya ikizlenme mekanizması ile sünek bir şekilde kopmuş.
Bu fotoğrafta, soldaki numune boyun vererek sünek bir şekilde kopmuşken, sağdaki numune klivaj ile ani kopmuş olduğu açıkça görülüyor.
Klivaj kırılmanın çekme testi eğrisi aşağıdadır.
Gördüğünüz üzere, kopma gerçekleşene kadar çok az bir plastik deformasyon gerçekleşmiş. Boyun verme bölgesinin olmadığı açıkça ortada.
Sünek-Gevrek Geçiş Sıcaklığı
Çok düşük sıcaklıklarda çalışan parçaların ve özellikle yük taşıyıcı halat ve yapıların sünekliği çok önemlidir. Gerilim altındaki yük taşıyıcılarda yüksek miktarda enerji depolanmıştır. Bu enerjinin serbest kalmasıyla çok ciddi ve ölümcül kazalar yaşanabilir. Yukarıda da bu olaya dikkat çekmiştim zaten.
Mühendisler bu ciddi sıkıntı yaratacak duruma bir çözüm bulmuşlardır. Mühendisler, belirli bir sıcaklığın altına inildiği anda malzemelerin karakteristik olarak sünekliklerinin anormal bir şekilde düştüğünü saptadılar. Sünek kırılmadan gevrek kırılmaya geçilen bu sıcaklık aralığına da “sünek-gevrek geçiş sıcaklığı” dediler.
Aşırı soğuklarda çalışacak parçaların geçiş sıcaklıklarının çok düşük olması istenir. Örneğin, -40 derece yük taşıyacak bir çelik halatın geçiş sıcaklığının en az -70 ~ -80 derece olması istenir ki, -40 derece sıcaklıkta sünekliği yeterince yüksek olsun.
Paslanmaz çeliklerin geçiş sıcaklığı oldukça düşüktür ve soğuk gazları saklayabilecek kadar sünek kalabilirler. Aşağıdaki grafikte sünek-gevrek geçiş sıcaklığı grafiği verilmiştir.
Kırılma mekaniği hakkında yüzeysel ve herkesin anlayacağı bir dilde yazmaya çalıştım. Bu yazıdan sonraki iki yazım sırasıyla “Malzemelerde Yorulma Davranışı” ve “Malzemelerin Sürünme Davranışı” olacaktır. Takipte kalınız…
Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü öğrencisi
Kaynaklar:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Fracture
- Mechanical Properties of Materials, David Roylance, MIT, 2008