MMT310 Malzemelerin Mekanik Davranışı 1 Deformasyon ve kırılma mekanizmalarına giriş

Transkript

1 MMT310 Malzemelerin Mekanik Davranışı 1 Deformasyon ve kırılma mekanizmalarına giriş Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir Bahar Yarıyılı

2 1. Deformasyon ve kırılma mekanizmalarına giriş 1.1. Deformasyon mekanizmalarının temelleri 1.2 Kırılma mekanizmalarının temelleri Kırılma türleri Mikroskobik kırılma mekanizmaları Klivaj kırılması Kayma kırılması 2 Genel Bakış

3 Klivaj kırılması Kırılma mekanizmaları Kayma kırılması Lineer-elastik Elastik-plastik Gevrek kırılma Sünek kırılma Numune davranışı Mikroskobik kırılma mekanizmaları ile makroskobik numune davranışı arasındaki fark Bleck,

4 Kayma Kırılması Kırılma Mekanizmaları (Atomik Boyutta) Klivaj Kırılması Difüzyon Kontrollü Kırılma Çatlak Oluşturucu Korozyon ile Kırılma Mekanik etkiye bağlı çatlak oluşumu ve kırılma Yüklenme-zaman çevrimi Yüklenme şiddeti Yüklenme tipi Zorlanmalı Kırılma Yorulma Kırılması Düşük Gerilmeli Kırılma Akma Sonrası Kırılma Çekme Kırılması Basma Kırılması Eğme Kırılması Kayma Kırılması Yüklenme Şekli Torsiyon Kırılması Kaynak Çatlağı Isı etkisine bağlı çatlak oluşumu ve kırılma İşlemeye bağlı çatlak oluşumu ve kırılma Üretim koşullarına bağlı çatlak oluşumu ve kırılma Katman Altı Çatlak Sıcak Kırılma Katılaşma Kırılması Ergime Kırılması Sıcak Çatlak Oluşumu Sürünmede Çatlak Oluşumu ve Sürünme Kırılması Isıl Şok Kırılması Çatlak oluşumu ve kırılma 1/2 Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1100 Bleck,

5 Deformasyon miktarı Kırılma yüzeyinin yönlenmesi Gevrek Kırılma / Deformasyon yok Sünek Kırılma / Deformasyon var Normal Gerilme Kırılması Kayma Gerilmesi Kırılması Makroskobik yüzey görünüşü Topografi Koni-Çanak Tipi Kırılma Frezeli Kırılma Lifli Kırılma Basamaklı Kırılma Kristalin Kırılma Çatlak ve kırılma yüzeyi görünüş şekli Işık yansıma davranışı Transkristalin kırılma (Tane İçi) Mat Kırılma Kısmi Kristalin Kırılma (Karışık) Siyah (Donuk) Kırılma Klivaj Yüzeyleri Klivaj Çizgileri Bal Peteği Kırılması Kayma Çizgileri Mikroskobik yüzey görünüşü Yorulma Kırılması İzleri Yorulma Çizgileri Tane Sınırı Kırılması İnterkristalin kırılma (Tane Sınırı) Çatlak oluşumu ve kırılma 2/2 Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1100 Saç İzleri Şeklinde Merkezden Çıkan Çatlaklar (Diken şekilinde) İnterkristalin Bal Peteği Kırılması Bleck,

6 Çoklu aktif kayma sistemleri Tek bir aktif kayma sistemi Cup and Cone (Koni ve çanak) tipi kırılma (karışık tip kırılma) Kırılma yüzeyi: Merkeze yakın yerlerde dik gerilmeler ile kırılma Yüzeye yakın yerlerde mikro ölçekte boyun vermeler ile oluşan petekimsi kırılma ETH Zürich 6 Makro kırılma davranışı

7 Cup and Cone (Koni ve çanak) tipi kırılma Sünek kırılma Gevrek kırılma Makro kırılma davranışı ETH Zürich 7

8 - Sünek kırılmada kayma gerilmesi doğrultusunda dislokasyon hareketleri ile plastik deformasyon görülür. - Kırılma farklı modlarda olabilir - Saf kayma kırılması, 45 açı ile (tek bir kayma bandı) - Kesit daralması ile kırılma - Cup and cone tipi kırılma, 45 açılı kırılma yüzeyi ve çekme doğrultusuna dik kırılma yüzeyi - Mikro ölçekte kırılma yüzeylerinde petek görünmü - Dislokasyonlar hareketi kalıntılarda sonlandığı için buralarda önce boşluklar oluşur. - Sonra bu boşluklar birleşerek genişler. - Boşluklar yeterince büyüdüğünde aralarında köprü oluşur ve petek görünümü meydana gelir. Sünek kırılma Makro kırılma davranışı ETH Zürich 8

9 Gevrek kırılma oldukça tehlikeli bir kırılma türüdür. Bunun nedeni, gevrek kırılma aniden ve uyarısız gerçekleşir. Hızlı oluşan ve düşük enerjiye ihtiyaç duyulan bir kırılmadır. Gevrek kırılma görülebilen durumlar; - Düşük sıcaklıklar ve hmk kafes yapısı (neden; dislokasyon hareketi ve ikizlenme düşük) - Çok eksenli gerilme durumu (Çentik, uygun olmayan kesit değişimleri, büyük kesit kalınlıkları) - Ani yükler - İnhomojen yapı (kaynak bölgeleri) - Yüksek mukavemet ve düşük sünekliğe sahip malzemelerde - Tane sınırlarında segregasyon yada kırılgan faz oluşumu ile tane sınırı kırılganlığı oluşumu - Gevrek kırılma mikro ölçekte transkristalin yada interkristalin olabilir. Makro kırılma davranışı Gevrek kırılma ETH Zürich 9

11 Klivaj kırılması Kayma kırılması Kafes tipi Hmk Hmk ve Ymk Test parametreleri Düşük sıcaklıklar Yüksek deformasyon hızları hmk: yüksek sıcaklıklar düşük deformasyon hızı ymk: sıcaklıktan ve deformasyon hızından bağımsız Kırılma yüzeyi görünümü Klivaj yüzeyleri Metalik parlaklık Petek görünümü Mat Mikroskobik kırılma mekanizmaları 1 > f durumunun oluşması * 2. Gözenek büyümesi 1. Gözenek oluşumu 3. Gözeneklerin birleşmesi 1 f normal gerilme klivaj kırılması gerilmesi Mikroskobik kırılma davranışı Bleck,

13 (101) (101) (100) (100) (001) (001) (101) (101) (100) Hmk kafeste klivaj düzlemi Çatlak ilerleme hızı 1800 m/sn Bleck, Cottrell e göre mikro çatlak oluşumu

14 Dislokasyon yığılması Tane sınırı Aktifleşmeyen Kayma düzlemi i Kayma düzlemi Kaynak ETH Zürich Bir tanenin içerisinde kristal düzlemlerinin ayrılması ile oluşur. Sadece hmk ve hsp metallerde görülür Bir engelde (örn: tane sınırı) yığılan dislokasyonlarda başlar. 20 µm Bleck, Klivaj kırılmasında kırılma yüzeyi görüntüsü, SEM

15 reflektiertes Licht Yansıyan ışık einfallendes Licht Gelen ışık İnterkristalin (tane sınırı) kırılmada kırılma yüzeyi Bleck,

16 Tane sınırında bazı çökelti veya safsızlıklar nedeniyle gevreklik oluştuğu zaman görülür. Kırılma yüzeyi genellikle uygulanan gerilmeye diktir. Kırılma yüzeyinde görüntüdeki gibi taneler gözlenir. Tane sınırı kırılma yüzeyi görüntüsü, SEM ETH Zürich 16

17 Transkristalin (Tane içi) İnterkristalin (Tane sınırı) Bleck, Çatlak ilerlemesi

18 Langenberg, Çatlak ilerlemesi

20 Bleck, Gözeneklerin oluşumu ve büyümesi

21 a) b) c) a) İkincil gözeneklerin oluşması, b) Kayma bandlarının oluşması ve c) Gözeneklerin birlikte büyümesi Gözeneklerin birleşmesi Bleck,

22 reflektiertes Licht Yansıyan ışık einfallendes Licht Gelen ışık Kayma kırılmasında kırılma yüzeyi Bleck,

23 20 µm Bleck, Kayma kırılmasında kırılma yüzeyi görüntüsü, SEM

24 Freze tipi kırılma Cup and Cone (Koni ve çanak) tipi kırılma ETH Zürich 24 Sünek kırılma örnekleri

25 1. Mekanik nedenli kırılmalar (Gevrek kırılma, sünek kırılma, yorulma kırılması) 2. Isıl nedenli kırılmalar (Kaynak çatlakları, sürünme çatlakları, sıcak çatlaklar) 3. Kimyasal nedenli kırılmalar (Hidrojen, Korozyon) 25 Giriş

26 Kırılma aşağıdakilere göre sınıflandırılabilir: 1.Görünüşüne 2.Yükleme şeklinde Langenberg, Giriş

27 Yükleme türüne göre; 1. Isıl etki 2. Mekanik etki 3. Korozyon etkisi teki mekanizmaların birlikte etkisi Langenberg, Giriş

28 Makroskopik görüntüsüne göre: Deformasyon şekli Kırılma yüzeyi oryentasyonu Kırılma yüzeyi durumu Kırılma yüzeyi topografisi Kırılma yüzeyinin rengi (mat/parlak) Mikroskopik görüntüsüne göre: Klivaj yüzeyi Çukurcuk oluşumu, petek yapısı Kayma çizgileri, girintiler ve çıkıntılar Merkezden çıkan çatlaklar Boşluklar Langenberg, Giriş

29 Çatlak Rißbildung oluşumu Çatlaklı Bauteil Numune (Probe) (Parça) mit Riß Çatlak Rißeinleitung başlangıçı Çatlak Rißausbreitung yayılması 7 durdurulmuş arretierter çatlak Riß instabil stabil allmähliches Kararsız kararlı Kademeli çatlak Rißwachstum büyümesi Schwingbruch Yorulma kırılması Gevrek Sprödbruch kırılma Sünek Zähbruch kırılma Sürünme Kriechbruch kırılması Spannungsrißkorrosion Gerilmeli korozyon Bleck, Çatlak oluşumu ve kırılma

30 Yorulma çatlağı Gevrek kırılma yüzeyi Çatlak başlangıcındaki sünek kırılma Langenberg, Yorulma kırılması

31 Makroskopik görünüş Gevrek kırılma Sünek kırılma Yorulma kırılması makroskopik ölçekte deformasyonun görülmediği yada az miktar deforme gözlenen bir kırılmadır. Akma gerilmesinin altında yükleme ile oluşur. makroskopik ölçekte yoğun deformasyonun görüldüğü bir kırılmadır. Akma gerilmesinin üzerinde yükleme ile gerçekleşir. makroskopik ölçekte deformasyonun görülmediği yada az miktar deforme gözlenen bir kırılmadır. Akma gerilmesini altında tekrarlı yükleme ile çatlak büyümesinin kritik değerinin altında kademeli çatlak ilerlemesi ile gerçekleşir. Kritik boyuta ulaşıldığında geriye kalan kısmın gevrek yada sünek kırıldığı gözlenir. Langenberg, Giriş

32 Mikroskopik görünüş Klivaj kırılması Kayma kırılması Yorulma kırılması Bir tane sınır yada metalik olmayan kalıntı gibi engel üzerinde dislokasyonların yoğunlaşması ile bir mikro çatlak oluşturulur. Hasar oluşurken atom düzlemleri transkristalin yada interkristalin olarak izlenir. Makroskopik olarak parlak yüzey oluşmasına neden olur. Hatalı bölgelerde (kalıntılar gibi) plastik deformasyon oluşması ile başlar. Boşluklar oluşur ve bu boşluklar yüklenme altında büyürlerken birleşirler (kararlı çatlak oluşumu). Makroskopik olarak mat görünürler. Tekrarlı yüklenme altında bir çatlak başlangıcından (I. Adım) sonra her bir yük çevriminde oluşan çatlak ilerlemesi (II. Adım) mikroskopik olarak görülebilir. Nihai olarak tüm kesit hasara uğrar. Langenberg, Giriş