Çekme – Kopma Testi ve Diyagramının Yorumlanması

Özet

Mühendislik tasarımları, yalnızca kağıt/bilgisayar üzerinde kalmayarak somut ürünler haline dönüştürülmek amacıyla yapılmaktadır. Yapılan her tasarım, tasarım sonrası üretimi gerçekleştirilecek ürünün istenilen fiziksel ve mekanik özellikleri sergilemesi amacıyla bir malzeme seçimine ihtiyaç duymaktadır. Bir mühendisin yapacak olduğu üretim öncesi malzeme seçimi yapması, yapmış olduğu tasarımın seyrini de değiştirmektedir. Bu nedenle tüm malzeme standartlarında belirtilen ve en temel mekanik özellikler olan akma mukavemeti ve çekme mukavemetinin ne olduğunu bilmek, gerekli formüllere hakim olmak bir mühendis/mühendis adayı için olmazsa olmazlardan birisidir. Hazırlanmış olan bu doküman, akma dayanımı, çekme dayanımı, elastiklik modülü,birim şekil değiştirme, tokluk ve rezilyans terimlerinin tanımını çekme-kopma diyagramı kullanılarak açıklamaktadır.

Deformasyon

Bir metale veya başka bir malzemeye yeterli kuvvetin uygulanması, malzemenin şeklinin değişmesine sebep olur. Bu şekil değişikliği, deformasyon olarak adlandırılır. Malzemeler, üzerlerine etkiyen kuvvetin büyüklüğüne bağlı olarak iki farklı şekilde deformasyona uğramaktadırlar. Bu deformasyon türleri elastik deformasyon ve plastik deformasyon olarak isimlendirilmektedirler [1]. Bunlara ek olarak anelastik deformasyon [1] adı verilen üçüncü bir deformasyon çeşidi de bulunmaktadır. Ancak bu doküman içerisinde anelastik deformasyon ile ilgili bir açıklama yapılmayacaktır.

Elastik Deformasyon

Bütün malzemeler belirli bir yük ve gerilme altında şekil değiştirmeye maruz kalırlar. Ancak bu şekil değişimi geçici ya da kalıcı olarak değişiklik göstermektedir. Elastik deformasyon adı verilen deformasyon türü, geçici şekil değiştirme olarak tanımlanmaktadır. Başka bir ifadeyle, bir malzemeye etkiyen kuvvetler ortadan kaldırıldığında malzeme başlangıçtaki şekline geri dönüyorsa bu şekil değişimi elastik şekil değişimi, ortaya çıkan deformasyon da elastik deformasyon olarak tanımlanmaktadır [2]. Bu nedenle sürekli geometrisini koruması istenilen parçaların üretiminde güvenliği sağlamak amacıyla uygulanacak kuvvetlerin akma mukavemetini geçmemesi önerilmektedir. Elastik şekil değiştirme işleminin daha iyi anlaşılması amacıyla malzemeyi oluşturan atomlar arasındaki bağların bir yay görevi gördüğü ve uygulanan deformasyona bağlı şekil değişimi sırasında kopmanın gerçekleşmediği düşünülebilir. Şekil 1 atomlar arası bağın yay şeklinde davranmasını örneklemektedir [3].

Şekil 1.Atomlar arası yay şeklindeki bağlar [3].

Plastik Deformasyon

Malzemenin iç yapısında meydana gelen dislokasyonların kaymaya başlamasıyla meydana gelen deformasyon çeşidi plastik deformasyon olarak isimlendirilmektedir [4]. Basit bir ifadeyle, malzemeye etkiyen kuvvet kaldırılsa dahi malzemenin artık ilk şekline geri dönemediği kalıcı şekil değişimi plastik şekil değişimi olarak isimlendirilir [5]. Elastik şekil değişimi sırasında atomlar arasında yay şeklinde olduğu düşünülen bağlar, plastik deformasyon sırasında koparak atomların eski konumlarına geri dönememelerine sebep olur. Bu nedenle kalıcı bir şekil değişimi meydana gelir [6]. Plastik deformasyon sınırlarının da aşılmasıyla malzeme kopma/kırılma ile sonuçlanan hasar ile karşı karşıya kalmaktadır [7].

Çekme-Kopma Diyagramı

Malzemenin mekanik özelliklerini ortaya çıkarmak için en yaygın kullanılan deney çekme-kopma Deneyidir. Bu deneyden elde edilen sonuçlar mühendislik hesaplarında doğrudan kullanılabilir. Çekme-kopma sonucunda kuvvet (F) ve Uzama (Δl) eğrisi elde edilir [8].  Elde edilen diyagramda X-ekseni % Uzama, Y-ekseni ise Gerilme olarak isimledirilmektedir. Y-ekseni yani gerilme ekseni akma dayanımı noktası, çekme dayanımı noktası ve kopma dayanımı noktası olmak üzere üç farklı noktayı içermektedir. Ancak bunlardan akma dayanımı bazı malzemelerde belirgin olarak gözlenemez. Bu tip durumlarda çekme-kopma diyagramında  X-ekseni ( % Uzama) üzerinde %0,2 (0,002) değerinden başlayarak diyagrama paralel çizilen bir çizginin diyagramı kestiği nokta akma dayanımı noktası olarak kabul edilir [9].

Şekil 2. Gerilme-Yüzde Uzama Diyagramı [9]

Akma Dayanımı

Malzeme çekilirken kuvvet arttıkça boy uzaması artacaktır. Fakat öyle bir nokta gelinir ki, belli bir yerde kuvvet artmasa bile malzemenin boydaki uzamaları devam eder. Bu noktaya akma noktası denir. Bu noktaya gelene kadar malzeme elastik olarak şekil değiştirmiş demektir. Yani malzeme üzerindeki kuvvet kaldırıldığında malzeme tekrar eski haline dönebilecektir. Fakat bu noktadan sonra malzeme plastik şekil değişimine uğramıştır ve üzerindeki kuvvet kaldırılsa bile bir daha eski haline gelemiyecektir. Bu nedenle malzemelerin dayanma sınırı akma gerilmesi ile ifade edilir. Denklem 1, akma dayanımının hesaplanması için gerekli formülü ifade etmektedir [6-9].

 (σa=Fa/A0)                                                                                                                           (1)

Burada;

σa, Akma dayanımı (N/mm2),

Fa, Kuvvet (N),

A0, Kesit alanı (mm2)  olarak isimlendirilmektedir. Elastik şekil değişimi bölgesinde Hooke Kanunu adı verilen bir kural geçerlidir. Bu kural,

s  =     Normal gerilme

e  =      Birim şekil değişimi

E =      Elastiklik modülü   şeklinde formül ile açıklanabilir.

Çekme Dayanımı

Şekil 3.Gerilme-Birim Uzama Diyagramı [5].

Şekil 3, belirgin akma göstermeyen bir gerilme-birim uzama diyagramının üzerindeki bütün bölgeleri tanımlamaktadır. σç ile ifade edilen çekme dayanımı, malzemenin taşıyabileceği/dayanabileceği maksimum yükteki dayanımı ifade etmektedir. Çekme dayanımının hesaplanması için gerekli formül Denklem 2’de bulunmaktadır [5-7].

σç = Fmax/A0                                                                                                                          (2)

Elastiklik Modülü (E)

Elastisite modülü, malzemenin dayanımının (mukavemetinin) bir ölçüsüdür. İngilizce karşılığı Young Modülüdür. Bir malzemenin elastisite modülü ne kadar büyük ise bu malzeme o kadar dayanıklı demektir. Ve şekil değişimine karşı o kadar dirençli demektir. Birim uzama başına oluşan gerilme miktarını gösterir. Kimyasal bileşim ve sıcaklık elastiklik modülünü etkileyen parametrelerdir. Artan sıcaklık ile birlikte elastiklik modülü azalmaktadır. Bu durum Şekil 4’te örneklendirilmiştir [7-9].

Şekil 4. Elastiklik modülü ve sıcaklık arasındaki ilişki.

Şekil 4 incelendiğinde artan sıcaklığın elastiklik modülünü düşürdüğü görülmektedir. Şekil 4’de bulunan T1 sıcaklığı en yüksek sıcaklık olmak üzere T1>T2>T3 olarak sıralanmaktadırlar. Görüldüğü üzere en yüksek elastiklik modülü T3 sıcaklığında ortaya çıkmıştır.

Birim Şekil Değiştirme (ε)

Malzemeye kuvvet uygulandığı zaman oluşan boy değişiminin kuvvet uygulanmadan önceki ilk boya oranıdır. Denklem 3, birim şekil değiştirmenin hesaplama formülünü göstermektedir.

ε = DL /  L0                                                                                                                          (3)

Tokluk

Tokluk, malzemenin kopana dek absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade eder. gerilme – uzama eğrisinin altında kalan alana eşittir. Sünek malzemelerin tokluğu gevrek malzemelere göre daha yüksektir çünkü sünek malzemeler daha yüksek uzama göstermektedirler. Denklem 4, tokluğun hesaplanması için gerekli formülü göstermektedir [8].

Şekil 5.Tokluk şematik gösterimi.

Rezilyans

Malzemenin elastik şekil değişimi sırasında depoladığı enerjidir. gerilme – uzama eğrisinde elastik bölgenin altında kalan alana eşittir. Tokluktan farklı olarak rezilyans, malzemelerin sadece elastik şekil değişimi bölgesinde absorbe ettiği toplam enerjiyi ifade etmektedir. Şekil 6 rezilyans teriminin şematik olarak gösterimini ifade etmektedir. Şekil 6 incelendiğinde basit karbonlu çelik ve yay çeliği olmak üzere iki farklı malzemenin gerilme-uzama diyagramı görülmektedir. Denklem 5 rezilyansın hesaplanması için gerekli formülü göstermektedir [5].

Denklem 5
Şekil 6.Rezilyans şematik gösterimi.

Çekme-Kopma Diyagramı Hesaplamaları