Süneklik (Mühendislik)

Vikipedi, özgür ansiklopedi
AlMgSi alaşımının çekme testidir. Bu, kırılma yüzeylerinde görüldüğü gibi sünek bir kırılma tipidir.

Süneklik, genellikle bir malzemenin çekme (örneğin tel haline) yatkınlığı olarak tanımlanan mekanik bir özelliktir.[1] Malzeme biliminde süneklik, bir malzemenin kopmadan önce çekme gerilimi altında plastik deformasyonu sürdürebilme derecesi ile tanımlanmaktadır.[2][3] Süneklik, bir malzemenin belirli üretim işlemlerine (soğuk işleme gibi) uygunluğunu ve mekanik aşırı yükü emme kapasitesini tanımlayan mühendislik ve imalatta önemli bir husustur.[4] Genellikle sünek olarak tanımlanan malzemeler arasında altın ve bakır bulunmaktadır.[5] Benzer bir mekanik özellik olan dövülebilirlik, bir malzemenin basınç stresi altında bozulmadan plastik olarak deforme olma yeteneği ile karakterize edilmektedir.[6][7] Tarihsel olarak, çekiçleme veya haddeleme yoluyla şekillendirmeye uygun olan malzemeler dövülebilir olarak kabul edilmiştir.[1] Kurşun, nispeten dövülebilir ancak sünek olmayan bir malzeme örneğidir.[5][8]

Malzeme bilimi[değiştir | kaynağı değiştir]

Küresel grafitli dökme demirin kırık çekme testi numunesidir.

Gerilme altında çatlayan, kırılan veya parçalanan malzemeler çekiçleme, haddeleme, çekme veya ekstrüzyon gibi metal şekillendirme işlemleri kullanılarak manipüle edilemediğinden, süneklik özellikle metal işlemede önemlidir. Dövülebilir malzemeler, damgalama veya presleme kullanılarak soğuk şekillendirilebilirken, kırılgan malzemeler dökülebilmektedir veya ısıyla şekillendirilebilmektedir. Ağırlıklı olarak metallerde bulunan metalik bağlar nedeniyle yüksek derecede süneklik oluşmaktadır; bu, metallerin genel olarak sünek olduğu yönündeki yaygın algıya yol açmaktadır. Metalik bağlarda değerlik elektronları yer değiştirmektedir ve birçok atom arasında paylaşılmaktadır. Delokalize elektronlar, diğer malzemelerin parçalanmasına neden olacak güçlü itici kuvvetlere maruz kalmadan metal atomlarının birbirlerinin yanından kaymasına izin vermektedir. Çeliğin sünekliği, alaşım bileşenlerine bağlı olarak değişmektedir. Karbon seviyelerinin arttırılması sünekliği azaltmaktadır. Play-Doh gibi birçok plastik ve amorf katı da dövülebilmektedir. En sünek metal platin ve en dövülebilir metal altındır.[9][10] Yüksek derecede gerildiğinde, bu tür metaller, belirgin bir sertleşme olmaksızın dislokasyonların ve kristal ikizlerin oluşumu, yeniden yönlendirilmesi ve göçü yoluyla bozulmaktadır.[11]

Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı[değiştir | kaynağı değiştir]

Çekme testinden sonra yuvarlak metal çubukların görünümüdür. (a) Gevrek kırılma (b) Lokal boyunlaşma sonrası sünek kırılma (c) Tamamen sünek kırılma

Metaller iki farklı tipte kırılmaya maruz kalabilmektedir: gevrek kırılma veya sünek kırılmadır. Sünek malzemelerin plastik deformasyona uğrama kabiliyeti nedeniyle kırılgan malzemelerde kırılma yayılımı daha hızlı gerçekleşmektedir. Bu nedenle, sünek malzemeler, kırılmadan önce kırılgan malzemelerden daha fazla enerji absorbe etme yetenekleri nedeniyle daha fazla strese dayanabilmektedir. Plastik deformasyon, Griffith denkleminin bir modifikasyonunun ardından malzeme ile sonuçlanmaktadır; burada, çatlağı genişletmek için gereken plastik iş nedeniyle, çatlağı oluşturmak için gerekli işe eklenen kritik kırılma gerilimi artmaktadır - yüzey enerjisindeki artışa karşılık gelen iştir. Ek bir çatlak yüzeyinin oluşumundan kaynaklanmaktadır.[12] Sünek metallerin plastik deformasyonu, metalin potansiyel arızasının bir işareti olabileceğinden önemlidir. Ancak malzemenin sünek davranışa karşı gevrek davranış sergilediği nokta, yalnızca malzemenin kendisine değil, aynı zamanda malzemeye gerilmenin uygulandığı sıcaklığa da bağlıdır. Malzemenin kırılgandan sünek hale veya tersine değiştiği sıcaklık, yük taşıyan metalik ürünlerin tasarımı için çok önemlidir. Metalin gevrek davranıştan sünek davranışa veya sünek davranıştan gevrek davranışa geçtiği minimum sıcaklık, sünek-kırılgan geçiş sıcaklığı (DBTT) olarak bilinir. DBTT' nin altında, malzeme plastik olarak deforme olamayacaktır ve çatlak yayılma hızı hızla artmaktadır, bu da malzemenin hızlı bir şekilde gevrek kırılmaya uğramasına neden olmaktadır. Ayrıca, DBTT önemlidir, çünkü bir malzeme DBTT' nin altına soğutulduğunda, bükülme veya deforme olma (düşük sıcaklıkta gevrekleşme) yerine darbede kırılma eğilimi çok daha fazladır. Bu nedenle, DBTT, sıcaklık azaldıkça, bir malzemenin sünek bir şekilde deforme olma yeteneğinin azaldığını ve dolayısıyla çatlak yayılma hızının önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Başka bir deyişle, katılar çok düşük sıcaklıklarda çok kırılgandır ve yüksek sıcaklıklarda toklukları çok daha yüksek olmaktadır. Daha genel uygulamalar için, malzemenin daha geniş bir süneklik aralığına sahip olmasını sağlamak için daha düşük bir DBTT' ye sahip olmak tercih edilmektedir. Bu sayede ani çatlakların önüne geçilerek metal gövdedeki arızaların önüne geçilmektedir. Bir malzemede ne kadar fazla kayma sistemi varsa, sünek davranışın sergilendiği sıcaklık aralığının o kadar geniş olduğu belirlenmiştir. Bunun nedeni, malzemeye bir stres uygulandığında daha fazla dislokasyon hareketine izin veren kayma sistemleridir. Bu nedenle, daha düşük miktarda kayma sistemine sahip malzemelerde, dislokasyonlar genellikle, malzeme mukavemetini artıran ve malzemeyi daha kırılgan hale getiren gerinim sertleşmesine yol açan engeller tarafından sabitlenmektedir. Bundan dolayı, FCC yapıları geniş bir sıcaklık aralığında sünektir, BCC yapıları sadece yüksek sıcaklıklarda sünektir ve HCP yapıları genellikle geniş sıcaklık aralıklarında gevrektir. Bu, bu yapıların her birinin, çeşitli sıcaklıklarda arızaya (yorgunluk, aşırı yük ve stres çatlaması) yaklaştıkça farklı performanslara sahip olmasına yol açar ve belirli bir uygulama için doğru malzemeyi seçmede DBTT' nin önemini göstermektedir. DBTT, mekanik streslere maruz kalan malzemelerin seçiminde çok önemli bir husustur. Benzer bir bilgi olan camsı geçiş sıcaklığı, bu amorf malzemelerde mekanizma farklı olmasına rağmen, camlar ve polimerlerde meydana gelmektedir. DBTT ayrıca metal içindeki tanelerin boyutuna da bağlıdır, çünkü tipik olarak daha küçük tane boyutu, çekme mukavemetinde bir artışa yol açarak süneklikte bir artışa ve DBTT' de azalmaya neden olmaktadır. Çekme mukavemetindeki bu artış, malzeme içinde meydana gelen tane sınırı sertleşmesine neden olan daha küçük tane boyutlarından kaynaklanmaktadır, burada dislokasyonlar tane sınırlarını atlamak ve malzeme boyunca yayılmaya devam etmek için daha büyük bir stres gerektirmektedir. Boyutlarını 40 mikrondan 1,3 mikrona düşürmek için ferrit tanelerini rafine etmeye devam ederek, DBTT' yi tamamen ortadan kaldırmanın mümkün olduğu, böylece ferritik çelikte asla gevrek bir kırılma meydana gelmediği gösterilmiştir (gerekli DBTT'nin olması gerektiği gibi). mutlak sıfırın altında).[13] Bazı malzemelerde geçiş diğerlerinden daha keskindir ve tipik olarak sıcaklığa duyarlı bir deformasyon mekanizması gerektirir. Örneğin, yüzey merkezli kübik (bcc) kafesli malzemelerde, DBTT kolayca görülebilmektedir, çünkü vida dislokasyonlarının hareketi, kaymadan önce dislokasyon göbeğinin yeniden düzenlenmesi termal aktivasyon gerektirdiğinden sıcaklığa çok duyarlıdır. Bu, yüksek ferrit içeriğine sahip çelikler için sorunlu olabilmektedir. Bu, II. Dünya Savaşı sırasında daha soğuk sularda Liberty gemilerinde ciddi bir gövde çatlaması ile ünlü olarak sonuçlanmıştır ve birçok batmaya neden olmuştur. DBTT ayrıca, iç kafes kusurlarında bir artışa ve süneklikte bir azalmaya ve DBTT' de artışa yol açan nötron radyasyonu gibi dış faktörlerden de etkilenebilmektedir. Bir malzemenin DBTT' sini ölçmenin en doğru yöntemi kırılma testidir. Tipik olarak, önceden çatlamış cilalı malzeme çubukları üzerinde çeşitli sıcaklıklarda dört nokta bükme testi gerçekleştirilmektedir. Spesifik metallerin DBTT' sini belirlemek için tipik olarak iki kırılma testi kullanılmaktadır: Charpy V- çentik testi ve Izod testidir.

Charpy V-çentik testi, serbest düşen bir sarkaç üzerindeki bir kütle ile numunedeki işlenmiş V-şekilli çentik arasındaki çarpışmadan kaynaklanan potansiyel enerji farkını ölçerek numunenin darbe enerjisi emme kabiliyetini veya tokluğunu belirlemekteedir. Burada sarkaç numuneyi kırmaktadır.

DBTT, bu testi çeşitli sıcaklıklarda tekrarlayarak ve ortaya çıkan kırılmanın, emilen enerji önemli ölçüde azaldığında meydana gelen gevrek bir davranışa dönüştüğü zaman not edilerek belirlenmektedir. Izod testi, temel olarak Charpy testi ile aynıdır, tek ayırt edici faktör numunenin yerleştirilmesidir; İlkinde numune dikey olarak yerleştirilirken, ikincisinde numune tabanın tabanına göre yatay olarak yerleştirilmektedir.[14]

Daha yüksek sıcaklıklarda yapılan deneyler için dislokasyon hareketi artmaktadır. Belirli bir sıcaklıkta, dislokasyonlar, çatlak ucunu, uygulanan deformasyon hızının, çatlak ucundaki stres yoğunluğunun kırılma için kritik değere (KiC) ulaşması için yeterli olmadığı ölçüde korumaktadır. Bunun meydana geldiği sıcaklık, sünek-kırılgan geçiş sıcaklığıdır. Deneyler daha yüksek bir gerinim hızında yapılırsa, gevrek kırılmayı önlemek için daha fazla dislokasyon koruması gerekir ve geçiş sıcaklığı yükselimektedir.

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ a b Brande, William Thomas (1853). A Dictionary of Science, Literature, and Art: Comprising the History, Description, and Scientific Principles of Every Branch of Human Knowledge : with the Derivation and Definition of All the Terms in General Use. Harper & Brothers. p. 369.
  2. ^ Kalpakjian, Serope (1984). Manufacturing processes for engineering materials. Reading, Mass.: Addison-Wesley. ISBN 0-201-11690-1. OCLC 9783323. 
  3. ^ "Ductility - What is Ductile Material". Nuclear Power. Retrieved2020-11-14.
  4. ^ Budynas, Richard G. (2015). Shigley's mechanical engineering design. Tenth edition. J. Keith Nisbett, Joseph Edward Shigley. New York, NY. ISBN 978-0-07-339820-4. OCLC 857897839. 
  5. ^ a b Chandler Roberts-Austen, William (1894). An Introduction to the Study of Metallurgy. London: C. Griffin. p. 16.
  6. ^ "Malleability - Malleable Materials". Nuclear Power. Archived from the original on 2020-09-25. Retrieved 2020-11-14.
  7. ^ DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK MATERIAL SCIENCE. Volume 1, Module 2 – Properties of Metals. U.S. Department of Energy. January 1993. p. 25
  8. ^ Rich, Jack C. (1988). The materials and methods of sculpture. Dover ed. New York: Dover. ISBN 0-486-25742-8. OCLC 17678166. 
  9. ^ Vaccaro, John (2002) Materials handbook, Mc Graw-Hill handbooks, 15th ed.
  10. ^ Schwartz, M. (2002) CRC encyclopedia of materials parts and finishes, 2nd ed.
  11. ^ Lah, Che; Akmal, Nurul; Trigueros, Sonia (2019). "Synthesis and modelling of the mechanical properties of Ag, Au and Cu nanowires". Sci. Technol. Adv. Mater. 20 (1): 225–261. Bibcode:2019STAdM..20..225L.
  12. ^ "Arşivlenmiş kopya" (PDF). 13 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 12 Temmuz 2021. 
  13. ^ https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/54/8/54_1958/_html/-char/en
  14. ^ https://yenaengineering.nl/ductile-brittle-transition-temperature-and-impact-energy-tests/