Sertlik ve Mekanik Özellikler

Konu Anlatımı

Sertlik ve Mekanik Özellikler

Bir parçanın atölyedeki ömrü çoğu zaman malzemenin sertliği ile başlar. Tornada işlenen bir mil ile kaynaklı bir taşıyıcı kolon aynı hammadde ailesinden olsa da görevleri farklıdır; biri aşınma ve süreklilik, diğeri yük taşıma ve tokluk ister. Sertlik, malzemenin bir cismin kalıcı deformasyonuna direnme yeteneğidir. Sertlik arttıkça aşınma direnci artar, ancak süneklik ve kaynak kabiliyeti geriler. Bu yüzden sertleştirme kararı, parçanın beklendiği göreve göre verilir; her parçaya sertlik kazandırmak doğru değildir.

1. Sertliğin Ölçülmesi

Sertlik, bilinen bir yükün belirli bir süre boyunca sert metalden yapılmış bir cisme uygulanması ve oluşan izden yararlanılarak hesaplanır. En yaygın yöntemler Brinell, Rockwell, Vickers ve Mohs deneyleridir.

• Brinell deneyi: 10 mm çapında çelik bilye, çeliklerde genellikle 3000 kgf yük altında 10 saniye uygulanır. Sonuç HBW olarak raporlanır. Yüzey kalitesi düşük numunelerde ölçüm güvenilmezdir.
• Rockwell deneyi: Sert metallerde elmas koni uç ve 150 kgf yük kullanılır; sonuç HRC olarak verilir. Yumuşak metal ve düşük karbonlu çeliklerde çelik bilye ve 10 kgf yükle HRB skalası uygulanır. HRB ile HRC değerleri doğrudan karşılaştırılamaz.
• Vickers deneyi: 1 mm tabanlı piramit uç, sertlikten bağımsız bir ölçek sağlar. Çok düşük yüklerle çalışan mikro Vickers deneyi, ince kaplama ve ince parçalarda kullanılır; sonuç HV olarak verilir.
• Mikro sertlik: İnce sac, tel ve kaplama tabakası gibi çok küçük kesitlerde ölçüm yapmak için kullanılır. İz çok küçük olduğundan yüzey düzeltme ihtiyacı azalır.

Ölçümden önce yüzey düzgün bir biçimde hazırlanır. Duman, yağ, kabarma veya çok derin bir pürüzlülük okunan değeri kaydırır. Ölçüm bir noktayla sınırlıdır; kaynak bölgesi, geçiş bölgesi ve ana gövde ayrı ayrı değerlendirilir.

2. Çekme Deneyi

Çekme deneyinde standart biçimlendirilmiş bir numune, iki çene arasında çekilir ve gerilme ile uzama değerleri kaydedilir. Kayıt edilen başlıca büyüklükler şunlardır.

• Akma dayanımı: Gerilme arttırıldığında geri dönüşsüz uzamanın başladığı andaki gerilmedir. Tasarımda bu değere güvenlik katsayısı uygulanır.
• Çekme dayanımı: Numune kırılırken ulaşılan en büyük gerilmedir. Akma dayanımından her zaman daha yüksektir.
• Uzama yüzdesi: Kopma sonrası numunenin başlangıç ölçüsüne göre kalıcı olarak uzamasının oranıdır. Yüksek değer tokluk göstergesidir.

Çeliklerde sertlik ile çekme dayanımı arasında yaklaşık bir bağıntı vardır. Bu bağıntı genel bir kural olarak kullanılabilir, ancak kesin tasarım değerine yerine geçmez. Sertlik ölçümü hızlı ve ekonomiktir; çekme deneyi ise pahalıdır ve yıkıcıdır. Bu nedenle üretim sırasında hızlı kontrol için sertlik, ürün doğrulaması için çekme deneyi kullanılır.

3. Darbe Deneyi

Charpy deneyinde standart bir numune, bir çekici ile tek darbede kırılır ve absorbe edilen enerji kaydedilir. Bu enerji tokluk göstergesidir. Ferritik çeliklerde darbe enerjisi, belirli bir sıcaklığın altına inildiğinde hızla düşer. Bu aralık sünek-kırılgan geçiş bölgesi olarak adlandırılır ve malzeme sınıfının seçiminde belirleyicidir.

Kaynak bağlantılarında darbe deneyi özellikle önemlidir. Kaynak dikişi ve geçiş bölgesi, ana malzemeye göre daha gecikmiş ve sertleşmiş olabilir; ağır kesitlerde kaynak bölgesinin darbe dayanımı ana malzemeden düşük kalabilir. Bu nedenle kaynaklı konstrüksiyonda darbe değerlendirmesi yapılmadan kabul verilmemelidir.

4. Yüzey Sertleştirme

Birçok parçada aşınma yüzeyde başlar ve parçanın gövdesi mukavemet için sert olmak zorunda değildir. Bu mantıkla çekirdek sünek bırakılır, yüzey sertleştirilir.

• Nitrasyon: Yaklaşık 500–570 °C'de uzun süreli işlemdir. Parça deforme olmaz, çekirdek özellikleri bozulmaz. Yüzey sertliği çok yüksektir; ancak düşük sıcaklıklarda kullanılamaz.
• Karbonlama (sementasyon): Düşük karbonlu çelik, düşük sıcaklıkta karbonca zengin ortamda bekletilerek sert bir kabuk oluşturulur. Dişli ve yağlanan yüzeyler için uygundur; menzil derinliği daha büyüktür.
• İndüksiyon sertleştirme: Yalnızca yüzey hızlı ısıtılıp soğutulur. İşlem hızlıdır, menzil derinliği sınırlıdır; parça üzerinde belirgin bir sertleşme halkası oluşur.
• Aleten sertleştirme: Alevin yönlendirilmiş olduğu yöntemdir, yerinde uygulanabilir.

Yüzey sertleştirme sonrası mutlaka temperleme yapılır. Sertleştirme sertliği artırırken tokluğu düşürür; temperleme bu dengeyi ayarlar. Etkin menzil derinliği, sertliğin belirlenen bir değere düştüğü derinlik olarak kabul edilir; bu değer standart olarak 550 HV olarak verilir ve ölçüm genellikle kesit alınarak yapılır.

5. Uygulama

Sertlik ölçümü yapılan bir iş akışı şöyle kurulur: parça çalışma sıcaklığına geldiğinde ölçüm aleti bilinen standart parçayla kontrol edilir, yüzey temizlenir, ölçüm noktaları teknik resimde tanımlı yerlerden seçilir, okunan değer kayıt altına alınır ve kabul sınırlarıyla karşılaştırılır. Sapma varsa üretim durdurulur, kök neden araştırılır. Ölçüm yapılan parça aynı zamanda bir kontrol numunesi olarak saklanır.

6. Dikkat Edilecekler

Sertlik ölçümü noktasal bir bilgidir ve parçanın tamamını temsil etmez. Sıcak parça üzerinde yapılan ölçüm, soğuma ile birlikte daha küçük bir değere dönüşür. Rockwell ölçümünde numune sıkı kelepçelenmelidir; aksi hâlde titreşim okumayı bozar. Sertlik ile tasarım değeri arasındaki fark bir hata değil, sapmadır ve kayıt altına alınması gerekir.

Özet

Sertlik, malzemenin kalıcı deformasyona direnme yeteneğidir ve Brinell, Rockwell, Vickers ile Mohs yöntemleriyle ölçülür. Çekme deneyi akma dayanımı, çekme dayanımı ve uzama yüzdesini verir; darbe deneyi ise tokluk ve sünek-kırılgan geçiş sıcaklığını ortaya koyar. Aşınma gerektiren parçalarda çekirdek sünek bırakılıp yüzey sertleştirilir; nitrasyon, karbonlama ve indüksiyon yöntemleri bunun başlıca yollarıdır. Etkin menzil derinliği sertliğin 550 HV değerine düştüğü derinlik olarak tanımlanır. Ölçüm sonucu mutlaka kayıt altına alınır ve kabul sınırlarıyla karşılaştırılır.

Ne Öğreneceğiz

Sertliğin ölçülme yöntemlerini, çekme ve darbe deneylerini, yüzey sertleştirmeyi ve bu özelliklerin parça tasarımındaki kararlarını birlikte ele alır. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Sertliğin çekme dayanımı, tokluk ve aşınma direnciyle ilişkisini açıklar.
• Brinell, Rockwell ve Vickers sertlik deneylerini uygulama ve sonuç yorumlama açısından karşılaştırır.
• Çekme deneyinde akma dayanımı, çekme dayanımı ve uzama değerlerini okur ve parça tasarımına uygular.
• Charpy darbe deneyini ve sünek-kırılgan geçiş sıcaklığı kavramını açıklar.
• Yüzey sertleştirme yöntemlerini ve etkin menzil derinliği kavramını uygulama düzeyinde değerlendirir.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Sertlik ölçümü yüzeyten çok az miktarda malzeme kaldırır ve çalışma yüzeyinde yapılır.
• Sertlik arttıkça aşınma direnci artar, süneklik ve kaynak kabiliyeti ise azalır.
• Yüzey sertleştirmesinde çekirdek özellikleri korunur; yalnızca dış tabaka sertleştirilir.
• Darbe deneyi sonucu sıcaklığa çok duyarlıdır; aynı parça farklı sıcaklıkta farklı değer verebilir.
• Sertlik ölçümü noktasal bir bilgidir; kaynak bölgesi, geçiş bölgesi ve gövde ayrı ayrı değerlendirilir.
• Nitrasyon düşük sıcaklıkta çalışır ve çekirdeği sertleştirmez; yüksek sıcaklık dayanımı gerektirir.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: Bir çelik parçanın Brinell sertliği HBW 3000/10 ile ölçülmek istenmektedir. Doğru uygulama nasıl yapılır?

1. Adım 1: Numune yüzeyi düzgün biçimde hazırlanır; duman, yağ ve kabarma temizlenir.
2. Adım 2: 10 mm çapında çelik bilya, çelikler için standart olan 3000 kgf yükle 10 saniye boyunca uygulanır.
3. Adım 3: İzin bırakılan yük atılır, bilya kaldırılır ve iz çapı iki yönde ölçülür.
4. Adım 4: Ortalama iz çapından Brinell sertliği hesaplanır ve HBW 3000/10 olarak raporlanır.

Sonuç/cevap: Bilye 10 mm, yük 3000 kgf, süre 10 saniye olarak uygulanır ve sonuç HBW 3000/10 biçiminde raporlanır.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir çelik numunede akma dayanımı 240 MPa, kopma anındaki en büyük gerilme 410 MPa ve uzama yüzdesi %22 olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar nasıl yorumlanır?

1. Adım 1: Değerleri tanımla: akma dayanımı kalıcı uzama başlangıcı, çekme dayanımı ise kopma anı gerilmesidir.
2. Adım 2: Sıralamayı kontrol et: çekme dayanımı akma dayanımından büyüktür.
3. Adım 3: Uzama yüzdesini değerlendir: yüzde 22 yüksek süneklik gösterir, parça kırılmadan çok uzanabilir.
4. Adım 4: Tasarım kararını ver: elastik sınır altında tasarım yaparken akma dayanımı esas alınır.

Sonuç/cevap: Değerler tutarlıdır: çekme dayanımı akma dayanımından yüksektir ve yüksek uzama yüzdesi parçanın tok davrandığını gösterir.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Örnek 1: Brinell Sertlik Ölçümü konusunun adımları:

1. Adım 1: Numune yüzeyi düzgün biçimde hazırlanır; duman, yağ ve kabarma temizlenir.
2. Adım 2: 10 mm çapında çelik bilya, çelikler için standart olan 3000 kgf yükle 10 saniye boyunca uygulanır.
3. Adım 3: İzin bırakılan yük atılır, bilya kaldırılır ve iz çapı iki yönde ölçülür.
4. Adım 4: Ortalama iz çapından Brinell sertliği hesaplanır ve HBW 3000/10 olarak raporlanır.

Karşılaştırma Tablosu

Kendini Dene

Soru: Aşınan bir eksen parçasında yüzey sertleştirme uygulanacaktır. Hangi yöntemi seçeceğinizi, gerekçelerinizi ve temperleme adımını yazınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Aşınmanın yüzeyde başladığını ve çekirdeğin sünek kalması gerektiğini belirtmesi 4 puan; nitrasyon, karbonlama ve indüksiyon seçeneklerini en az ikisini karşılaştırması 4 puan; menzil derinliği ve işlem hızına göre karar vermesi 3 puan; temperlemenin tokluk için gerekli olduğunu açıklaması 2 puan; ölçüm ve kayıt planından söz etmesi 2 puan. Toplam 15 puan.

Sık Yapılan Hatalar

<b>Rockwell HRC ile Brinell HB değerlerini doğrudan karşılaştırmak:</b> HRC ve HB farklı yöntem ve birimlerdir; karşılaştırma yapılacaksa dönüşüm tablosu kullanılmalı, yoksa yüzey hazırlığı farkından kaynaklanan ölçüm hatası yapılır.

<b>Ölçümden önce parçayı taşlamayı unutmak:</b> Ham yüzeyde yapılan sertlik ölçümü yüksek okunur; ölçüm öncesi yüzey düzeltilmezse sonuç üretim kararında yanıltıcı olur.

<b>Yüzey sertleştirmeyi çekirdeğin sertleşmesi sanmak:</b> Nitrasyon ve indüksiyonda çekirdek değişmez; parçanın tok davranışı korunur, ama çekirdek sertleşme beklenmemelidir.

<b>Ölçüm noktasını parçanın düz yüzeyinden başka bir noktadan seçmek:</b> Kaynak ve geçiş bölgesi ile ana gövde farklı sertlik değerlerine sahiptir; yanlış noktadan alınan değer kabul kararını değiştirir.

<b>Temperlemeyi atlayıp sertleşmiş parçayı işe vermek:</b> Temperleme yapılmazsa parça çok sert ve kırılgan kalır; darbe yükünde kırılma riski artar.