Kırılma Mekaniği

Kırılma Mekaniği

            Bir önceki yazımda kristalin malzemelerdeki yapı kusurlarını kaleme almıştım. Malzemelerin mekanik özelliklerinin mühendislik uygulamalarında çok geniş bir yeri vardır. Elinizdeki malzemenizin sınırları, sizin hayallerinizide sınırlayacaktır. O yüzden, malzeme gelişirse, mühendislik uygulamasının verimi, yaratıcılığı ve kaliteside buna paralel 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 –süneklik- 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 kullanıma alanına göre testler yapılabilir.

Çekme testi, malzemenin iflas ederek kopmasıyla sonuçlanır. Malzemenin kopmasına kadar ki süreç ne kadar önemliyse, kopma esnası ve sonrasıda 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.

Ani kopma olayını açmam 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 yük asarda 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, 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. PŞD 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 yapıya sahip bir östenitik paslanmaz çelik, -20 derecede kendi azami taşıma kapasitesinin üzerinde dahi yüklense, sünerek kopacaktır. Kopma önceden belirtiler verecek, halat uzayacaktır. Yani PŞD gözlemlenebilir. Kopma sonrasında kırılmanın gerçekleştiği bölgenin incelenmesi esnasında ilk dikkatinizi çekecek şey, en kesitin daralmış olması ve kırılma düzleminin girintili-çıkıntılı bir halde olduğudur. Buda bize kayma ile kırılmayı işaret eder.

            Kayma ile kırılma, atomların ve düzlemlerin birbirleri üzerinde veya paralel olarak kayması sonucu yavaş gerçekleşen, PŞD 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.

                        

                                   (Kaynak: http://en.wikipedia.org/wiki/Ductile_fracture)

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. (Görüldüğü üzere sünek kopma gerçekleşmiş)

1 numaralı bölgede boyun verme başlar. Yukarıda yazmış olduğum 5 basamak, 1 numaralı evre ile başlayıp 5 numarada son bulmaktadır.

Aşağıda sünek ve gevrek şekilde kırılan metallerin, kırılma düzleminin fotoğrafları bulunmaktadır.

                                 (Kaynak : http://en.wikipedia.org/wiki/Fracture)

            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.

(Kaynak : http://hsc.csu.edu.au/engineering_studies/application/lift/3210/index.html)

            Bu fotoğrafta, soldaki numune boyun vererek sünek bir şekilde kopmuşken, sağdaki numune klivaj ile ani kopmuş olduğu açıkça görülüyor.

            Klivaj ile gevrek kırılmanın çekme testi eğrisi aşağıdadır.

            Gördüğünüz üzere, kopma gerçekleşene kadar çok az bir plastik deformasyon gerçekleşmiş. Boyun verme bölgesinin olmadığı açıkça ortada.

           

          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.

          Facebook sayfasından mesaj ile veya direkt olarak e-posta adresime e-posta ile bana ulaşabilir, soru sorabilir, tavsiye ve önerilerinizi iletebilirsiniz. Takipte kalınız..

Okan Gençoğlu 

Malzeme Bilimi ve 

Mühendisliği Öğrencisi

Kristal Kusurları

Kristal Kusurları

Bir önceki yazımda kaleme almış olduğum kristal yapıları ve kurguladığım beden eğitimi öğretmeni modelimi iyi anladığınızı düşünmekteyim. Bu yazımda ise, kristal halde bulunan katıların yapılarındaki kusurları anlatacağım.

Beden eğitimi öğretmenleri düdük çaldığında düzgün dizilen 1000 kişilik öğrenci kafilemizi tekrar ele alalım. Tekrar düdüğü çalalım. Fakat bu defa birbiriyle anlaşamayan küçük öğrenci gruplarını birbirlerine yakın tutalım. Düdüğün çalmasıyla, sıraya geçmeleri mecburi oluyor. Fakat birbirlerine fazlada yaklaşmak istemiyorlar. Aralarında husumet olan bu küçük gruplar farklı yönlere bakarak dizilsinler. İşte bu yapıyı, kristal katılarda tane oryantasyonu olarak tanımlayabilirim. Bu bölgeler yapıdaki diğer bölgelere göre daha zayıftır. Şöyle düşünün, aralarında husumet olan küçük grupların birbirinden uzak durması ve farklı yönlenmesi esnasında, bir kuvvet o bölgeden bir öğrenciyi çekerek çıkarmaya çalışsa, ona pek kimse yardım etmez. İşte malzemelerde de aynı durum söz konusudur. Bir yük altında stres tane sınırlarında odaklanır ve taneleri zorlayacak kuvvetler oluşturur. Taneler farklı yönlere baksalarda, kendi içlerindeki istiflenmeleri ve düzenleri homojendir.

Tane ve tane sınırları aslında birer kusurdur. Çünkü sıcaklığı ve soğutma hızını düzgün ayarlayabilirseniz ve bazı özel metotlar kullanırsanız, katılar tek kristal hale geçecektir. Ama bu özel şartları sağlamadan, katılaşmayı beklerseniz, yapıda taneler ve tane sınırları olacaktır. “Peki ya diğer kusurlar nasıl modellenebilir ?” diyor gibisiniz. Herkes malzeme mühendisi değil. Olmak zorunda da değil. Blogumu yazarken ki amacım, herkesin bu konuları anlayabilmesiydi. O yüzden sürekli olarak kendi ürettiğim modellerimi anlatıyorum.

(Taneler içerisindeki atomların farklı oryantasyonu)

(Taneler ve Tane Sınırları)

·        Kristal Kusurları

Malzeme biliminde, kristal kusuru, mükemmel bir düzende –kendini tekrarlayan- hata oluşturan noktalar, çizgiler ve bölgeler olarak bilinirler. Diğer adları, dislokasyondur. 3 adet temel kristal kusuru vardır. Tane sınırları bu yapılara ait değildir. Fakat yukarıda tane ve tane sınırlarınında aslında birer kusur olduklarını anlatmıştım.

Noktasal kusurlar olarak bilinen boşluk dislokasyonları en basit kusurlardır. Örgü içerisindeki bir atom veya iyonun olmayışı veya kendine ait olmayan bir yerde bulunma durumudur. (Bkz. : Schottky, Frenkel defect) Genellikle zararlı olamazlar. Basit kusurlardır.

Çizgisel kusurlar malzemenin dayanımını doğrudan etkileyen kusurlardır. Bunlara çizgisel dislokasyonlar denir. 2 türü vardır. Birincisi kenar dislokasyonu, ikincisi ise vida dislokasyonu.

Kenar dislokasyonunun adı, sürekli olarak kenarlara dışarlanması sonucu hareket etmesinden gelir.

Vida dislokasyonu ise, bir üstteki düzleme taşınarak ilerler. Bu yüzden adeta bir vida gibi adım adım çıktığı varsayılır ve vida dislokasyonu denilir. Bir çizgisel dislokasyonda, örgü içerisinde bir hat ya tamamen yoktur, ya çarpıktır, ya da atomlar birbirlerine olması gerekenden uzak veya yakındır. Vida dislokasyonuda aynı şekilde bulunur. Aralarındaki tek fark ilerleme yönlerinin farklı olmasıdır. Bu ilerleme yani kayma yönlerini tayin eden vektöre “Burgers Vektörü” denir.

            Hacimsel veya Kütlesel kusurlar olarak bilinen dislokasyonlar ise, üretim esnasında özellikle de döküm esnasında ortaya çıkarlar. Malzemeyi kullanılamaz hale getirebilecek kusurlardır. Örneğin, dökümde eriyik metal içerisinde gaz kabarcığı kalırsa, o bölgede yüksek enerji depolanacaktır ve adeta bir kitle olacaktır. Bu da o noktayı zayıf hale getirir.

           Arayer ve Yer alan olarak bilinen durumlar ise, aslında birer kusurdur. Çünkü kendi kafesi içerisinde düzgün dizilen bir metale kendi atomundan farklı başka bir metal atomu eklerseniz -alaşımlama- matriks metalin kafes yapısında çarpılmalara sebep olursunuz. Matirks metalinkinyle eklenen metalin atom yarıçapları yakın ise, Yer Alan (substitutional atom) atomu olarak tanımlanır. Eğer ilave edilen metalin veya ametalin yarı çapı matriksinkinden ciddi oranda küçükse, ilave edilen metal atomları kafeslerde araya sıkışır. Buna da arayer atomu denir. 

            Daha önceden olduğu varsayılan bu kusurların ilk teşhisi ancak TEM’in  (Transmission Electron Microscope) 1930 yıllarda icadıyla yapılabildi. Aşağıda çizgisel kusurlar, boşluk kusurları, vida kusurunu ve Arayer - Yer alan atomlarını görebilirsiniz.

(Vida Dislokasyonu)

(Çizgi Dislokasyonu)

(Burgers Vektörü)

(Frenkel, Schottky, Yer alan ve Arayer Atomları)

           

·        Kristal Kusurlarının Faydaları

Evet, başlıktaki tezatın farkındayım. "Bir kusurun nasıl faydası olabilir?" sorusunu sorduğunuzu duyar gibiyim. Fakat mükemmel kristal düzene -yaklaşık mükemmel- sahip malzemelerle yapılan mekanik testler sonucunda, aynı malzemenin kusurlar içerenine göre çok daha az dayanım gösterdiği saptanmıştır. Bunun sebebi, bir gerilme altında kaymaya başlayan atomların ve düzlemlerin serbestçe hareketine devam edebilmesidir. Eğer siz bu kayan düzlem ve atomların önüne kusurlar, ikinci tür partiküller -safsızlık- çıkarırsanız, kayma hareketini zorlaştırır veya engellersiniz. Bu yüzden mukavemette artış gözlemlenir.

Bu kitap bilgilerinin üzerine yine bu olayı bir model ile açıklama gereksinimi duyuyorum. Belki sıkıldınız ama yine beden eğitimi öğretmenimizi sahneye davet edeceğim. Evet düdüğüde ağzında, hatta çaldı bile. Fakat ters giden birşeyler var. Öğrenciler farklı yönlere bakan ufak kümeler halinde sıralandı. Taneler ve tane sınırları bu modelle açıklanmıştı.  O da neyin nesi? Küçük grupların içerisinde durmaması gereken yerde iri yarı adamlar var. Bunlar kim yahu? İşte o iri yarı adamlar, öğrencilerden hacmen büyük olduklarından öğrencilerin düzenini bozmakta. Olmaması gereken yerlerde duruyorlar. Fakat çok büyük bir faydaları da mevcut. O küçük grubun içerisinden bir öğrenciyi çekip almaya çalışırsanız, bu iri kıyım adamlar bu durumdan hiçte hoşnut olmayacak ve öğrenciyi size vermeyeceklerdir. Yani kaymayı engelleyeceklerdir. O adamlar metaller içerisindeki safsızlıklar olarak nitelendirilebilir.

·        Kristal Kusurlarının Uygulamadaki Yeri

Tel çekme, haddeleme, dövme gibi işlemleri hemen hemen her mühendis adayı duymuştur. Peki neden tek parça dökmek varken, talaşlı imalat varken tel çekme veya haddeleme kullanılır?

Bu sorunun cevabı çok acıktır. Metalik malzemelerde plastik şekil değişimi için büyük miktarda enerji gereklidir. Haddeleme ve tel çekme esnasında yüksek enerji kullanıldığından, malzeme üzerinde oluşan gerilim,  malzemenin plastik şekil değiştirmesine sebebiyet verir. Plastik şekil değişimi bildiğiniz üzere, geri kazanımı imkansız bir şekil değişimidir ve kalıcıdır. Çünkü, PSD esnasında dislokasyonlar - kusurlar- ve atomlar kayarak yer değiştirmiş ve sizin verdiğiniz enerjiyi bu hareketlerine harcamış bir kısmınıda ısıya dönüştürüp atmosfere salmıştır. Yani termodinamiksel olarak geri kazanımı mümkün değildir. Haddeleme ve tel çekme esnasında gelişen bu olaylar sonucu, dislokasyon kümeleri oluşur. ( Ayrıca Bkz: Cottrell Atmosphere) Bu dislokasyon kümeleri, malzemenin üretim esnasında kasti olarak oluşturulur ki, malzemeni kullanım esnasındaki aşırı yüklenmelerde atomları kayarak plastik şekil değişimine sebebiyet vermesin.

           Burada vermiş olduğum bilgiler "Malzeme Bilimi" adına çok temel ve basit bilgilerdir. Bu olayların mekanik ve termodinamik incelemelerini yazsam, blogumu kapatıp kitap çıkartmam gerekir. Yani sadece yüzeysel ve bir fikriniz olsun diye anlatıyorum. Bir sonraki yazılarımda “Kırılma Mekaniği” konusunda bu konuyuda biraz daha açacağım. Takipte kalınız.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 

Mühendisliği Öğrencisi