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.
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.
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 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
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder