Giriş
Mühendislikte malzemeler farklı türden yüklere maruz kalırlar. Malzemelerin maruz kalabileceği yükler çekme, basma, bükme, kesme veya burma şeklinde sıralanabilir. Aynı zamanda bu yükler statik ya da dinamik olarak da farklılık gösterebilirler. Malzeme aynı anda bu yüklerden birine veya birkaçına karşı mukavemet göstermek zorunda kalabilir. Bu durumda hangi koşulda hangi malzemenin kullanılacağının bilinmesi gerekir. Malzemeleri gruplandırmak için belli yükler altındaki tepkileri testlerle gözlemlenir ve malzemelerin mekanik özellikleri böylece ortaya çıkar.
Mechanical characterization of materials at small length scales – Maria F. Pantano, Horacio D. Espinosa and Leonardo Pagnotta
Elastisite özelliklerinin edinilmesi için yapılan testleri statik ve dinamik olarak ayırabiliriz. Bir testin statik olması için kuvvetin en fazla 1 Hz frekansta, sabit ve tek seferde uygulanması gerekir. Bu durumda statik testte gerilme sabit ve uzama oranı da 0.25’ten az olur. Statik testler aniden değişen yükler için yeterli bir model oluşturamadığından bu tip yükler için dinamik testler kullanılır. Dinamik testte yük değişkendir ve örneğe sinüzoidal bir deformasyon uygulanır. Bu testler yüksek ya da düşük sıcaklıklarda da gerçekleştirilebilir. Dinamik testler sonucunda sertlik ve sönümlenme bilgileri elimize geçer. Yorulma testlerini ise dinamik testlerin bir alt dalı olarak inceleyebiliriz. Yük çevrimsel olarak uygulanır. Bu testler çekme-çekme, basma-basma ya da basma-tersine çekme döngüleriyle yapılır. Yorulma testi sonucunda malzemelerin ömrü belirlenebilir. Ayrıca yorulma mukavemeti ve çatlama direnci de buradan belirlenir. Bu yazıda mekanik testlerden bazıları incelenecektir.
Çekme Testi
Çekme testi mühendislik alanında malzemelerin dayanım özelliklerini belirlemek için yapılan en yaygın testlerden biridir. İzotropik malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek için yapılır. Bu test temelde, numune üzerine aynı doğrultudaki karşıt yüzlerden çekme kuvveti uygulanmasıyla, malzeme üzerindeki gerilmenin malzeme kopana kadar takip edilmesine dayanır. Çekme testi sonucunda malzemenin akma dayanımı, maksimum çekme dayanımı, sünekliği, Young modülü, kesme modülü ve Poisson oranı elde edilebilir.
Gerilme – Uzama Eğrileri
Gerilme ve Uzama Eğrileri
Test sırasında malzemeye uygulanan nominal çekme gerilmesi aşağıdaki şekilde ifade edilir,
Burada F çekme kuvveti, A_0 ise gerilmeye uğrayan kesit alanını İfade Eder. Uzama İse aşağıdaki şekilde ifade edilir.
Burada L_0 malzemenin ilk boyu, Δ_L ise çekme testinin ardından malzemenin boyundaki uzamadır.
Bu veriler kullanılarak elde edilen değerlerle gerilme-uzama eğrisi elde edilir. Bu eğri bize malzemenin akma dayanımını, maksimum gerilme kuvvetini, kopma noktasını ve gevreklik-süneklik durumunu verir. Aynı zamanda malzemenin boyutlarından bağımsız bir bilgi sağlaması da bir avantajdır.
J. R. Davis – Tensile Testing (2004)
Yukarıdaki şema gevrek bir malzemenin gerilme-uzama eğrisini vermektedir.
Çoğu eğri için başlangıç kısmı doğrusaldır. Gerilme-uzama eğrisinde, uzamanın %0.2 olduğu noktadan itibaren eğrinin eğimine paralel bir eğri çizildiğinde eğri üzerinde akma dayanımı değerine ulaşılır. Akma dayanımı bize malzemenin, kalıcı bir hasara uğramadan taşıyabileceği maksimum gerilmeyi verir. Bu noktaya kadar cisim elastik bölgededir, bu noktadan sonra ise plastik bölgeye geçer ve malzeme üzerinde uygulanan gerilmeler kalıcı hasara yol açar.
Akma Dayanımı Grafiği
Akma dayanımını bulmak üzere çizdiğimiz hayali doğrunun eğimi bize önemli bir malzeme bilgisi olan Young modülünü verir. Young modülü aşağıdaki oran ile ifade edilir.
Poisson oranı ise yatay yer değiştirmenin dikey yer değiştirmeye oranının negatifidir ve şu denklemle ifade edilir;
Test
Çekme testinde numunelerin kesit görünümü çoğunlukla şekildeki gibidir. Numuneler silindirik ya da sac şeklinde olabilir.
Farklı malzemelere ve ölçüm hassasiyetlerine göre farklı bağlama şekilleri tercih edilebilir. Her bağlama şeklinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır.
Springer Handbook of Materials Measurement Methods-Springer (2006)
Çekme testleri belli standartlara göre yapılır. Malzemelerin türüne göre standartlar da farklılık gösterir. Örneğin plastik malzemelerin çekme testleri ISO 527-1 standardına göre yapılır. Oda sıcaklığındaki metalik malzeme testleri içinse ISO 6892-1 standardı kullanılır. Bunların dışında çekme testleri için diğer standartlardan bazıları şunlardır:
- ISO 6259-1 – Termoplastik Borularda Çekme Testi
- ASTM D 638 – Plastikler İçin Çekme Testi
- ISO 4136 – Metalik Malzemelerin Kaynakları Üzerinde Tahribatlı Muayeneler- Enine Çekme Deneyi
- TS ISO 37, ASTM D 412, DIN 53504 – Kauçuk-Kopma Mukavemeti + Uzama (Çekme Gerilmesi Deneyi)
- ISO 6892-2 – Yüksek sıcaklıkta test yöntemi
Basma Testi
Basma testi bize malzemelerin basma kuvveti ya da ezilme altındaki davranışlarını gösterir. Test genellikle maddenin yırtılma noktasına ya da belli bir limite kadar devam eder. Sonuç olarak malzemenin yırtılmaya kadar kaldırabileceği yük ve bu ana kadarki bozulması tespit edilir. Test genelde malzemenin ısıtılarak ya da soğutularak birden fazla yönde baskı kuvvetine maruz bırakılmasıyla yapılır. Ancak farklı koşullarda da testler yapılabilir.
Çekme dayanımı yüksek olan malzemelerin genelde basma dayanımları düşüktür. Bu nedenle bu malzemeler basma testiyle muayene edilir. Üzerinde en çok basma testi yapılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir, örneğin; kompozitler, beton, tahta, metal, tuğla malzemeler; polimerler, plastikler, köpükler.
Basma testi sonucunda bir kuvvet-kısalma eğrisi alınır. Kuvvet ardından gerilmeye dönüştürülerek gerilme-uzama eğrisi oluşturulur. Bu eğri çekme testindeki gerilme-uzama eğrisine çok benzerdir. Yalnızca eksenler kısalmayı gösterecek yöndedir.
Basma Gerilmesi – % Basma Birim Şekil Değişimi
Çekme testindeki hesaplamalar basma testi için de geçerlidir. Basma gerilmesi;
şeklinde gösterilir.
Ezilme
Test sırasında malzemede oluşan kısalma ezilmeyle ifade edilir.
Formülü ise yüzdelik kısalmayı ifade eder.
Şişme
Test yapılan malzemenin enine kesitindeki büyümedir. Özellikle sünek malzemelerde şişme oranı daha fazladır.
Test
Basma testleri çoğunlukla gevrek malzemelere yapılır. Standartlardan örnek vermek gerekirse ISO 844 bize sert köpüklerin basma özelliklerini verir. Bu standartta numunelerde aranan kesit alanı değerleri ve şekiller, sıcaklık-nem değerleri ve beklenen sonuçlar listelenmiştir. Gerilmeler kPa cinsinden verilir.
Standartta yer alan basma elastisitesi değeri ise şöyledir;
Burada σ_e, konvensiyonel elastik bölgenin sonundaki kuvvet, h_0 malzemenin ilk kalınlığı, x_e ise gerilmeyi oluşturan kuvvetin aldığı yoldur.
Basma testleri için oluşturulmuş standartlardan bazıları şunlardır;
- ASTM D575-91 – Kauçuk malzeme için standart test yöntemleri
- ASTM E9-19 – Oda sıcaklığında metalik malzemelerin sıkıştırma testi
- TS EN ISO 14126 – Elyaf takviyeli plastik kompozitler
Yorulma Testi
Yorulma; malzemelerde meydana gelen bölgesel, kalıcı ve ilerleme durumuna sahip hasarlardır.
Yorulma testinde temel mantık, malzemeye birkaç sefer uygulandığında kalıcı hasara yol açmayacak görece küçük değişken kuvvetlerin periyodik olarak uygulanmasıdır. Bu şekilde malzemeler, çatlak benzeri hasarlar meydana gelene kadar test edilir. Yorulma testi ile numunelerin ömrü belirlenir. Malzemenin kırılmaya uğradığı noktaya kadar karşılaştığı çevrim sayısı bize ömrü verir.
Yorulma testinde sonuçlar gerilme-çevrim grafikleriyle gösterilebilir. Yorulma testi sırasında çevrim sayısı arttıkça buna bağlı olarak uygulanabilecek maksimum gerilme azalır.
Test sırasında uygulanan çevrimsel gerilme minimum ve maksimum değerler arasında gidip gelir. Uygulanan çevrimsel gerilme oranı ise ile ifade edilir.
Yük – Çevrim Grafiği
Uygulanan gerilmenin büyüklüğüne göre yorulma testinde malzemenin verdiği tepki değişir. Yük miktarı azaldıkça çevrim sayısı artar. Yüksek çevrimli yorulma testlerinde çevrim sayısı ‘ten büyük olur ve uygulanan gerilme elastik bölgede kalır. Yüksek çevrimli testler yük kontrollüdür. Düşük çevrimli yorulma testlerinde ise yüksek gerilme ve düşük uzama miktarı vardır. Bu noktada testler uzama-kontrollü olarak yapılır.
Test
Yorulma testlerinde, daha önce de bahsedildiği gibi elastik ya da plastik bölge dahilinde kalmak mümkündür. Malzemeden beklenen performansa uygun bir yorulma testi gerçekleştirilir.
Yeniden gerilme-uzama eğrilerine değinmek gerekirse, sıcak-karışım asfalt malzemeye uygulanan yorulma testi için eğriler şu şekildedir;
A strain-controlled hot-mix asphalt fatigue model considering low and high cycles P.J. Yooa and I.L. Al-Qadib
Burada malzemenin sertliğinin, çevrimin artışına bağlı olarak azaldığını görüyoruz.
Yorulma testi ile ilgili test standartlarından bazıları şunlardır;
- ISO 12110-1 – Metal Malzemeler İçin Yorulma Testi (Değişken Genlikli)
- ASTM D7791 – Plastikler İçin Tek Yönlü Yorulma Testi
- ASTM C1368 – Seramikler İçin Yavaş Çatlama Büyüme Testi
Kaynaklar:
w3.bilecik.edu.tr/wp-content/uploads/sites/119/2016/12/Basma-Deneyi.pdf
www.instron.com/en/resources/test-types/compression-test
www.laryee.com/Applications/Test-Type/176.html?gclid=CjwKCAjwmJeYBhAwEiwAXlg0AXTezMYov3Y_jp_2ZexpDSwxf2rEulbSJIx3winm7wPN-CBdvF6LJBoCcbMQAvD_BwE
www.ametektest.com/learningzone/testtypes/compression-testing
www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-tensile-testing
www.testresources.net/applications/test-types/tensile-test/
researchoutreach.org/articles/dynamic-versus-static-evolving-mechanical-characterisation/
resources.perkinelmer.com/corporate/cmsresources/images/44-74546gde_introductiontodma.pdf
malzemetest.com/kategori117-yorulma-fatigue-testi-nedir-ve-nasil-yapilir.html
yasincapar.com/tr/mekanik-yorulma/
www.asminternational.org/documents/10192/1849770/05224G_Chapter14.pdf
www.wmtr.com/Low-Cycle_Fatigue_Testing.html
www.researchgate.net/publication/236340117_Mechanical_characterization_of_materials_at_small_length_scales
www.alsalab.com/alsalab-dc.php?test=ok&teknik_id
akademik.duzce.edu.tr/Content/Dokumanlar/ahmetipekci/Dosya/50b88c60-c2e8-413e-ace0-dfa66ab3455b.pdf
www.metaluzmani.com/basma-deneyi-nedir
www.asminternational.org/documents/10192/1849770/06156G_Sample.pdf/6202c5f3-9ae8-479b-a8bd-d2050d37d534
www.wmtr.com/What_Is_Fatigue_Testing.html
study.com/learn/lesson/what-is-yield-stress-formula.html
