Yukarıdaki ilgi resminde de belirttiğimiz üzere, çok basit bir anlatım ile pazardan domates seçtiğiniz düşünün. Domatesi seçerken, yumuşak olup olmadığına, yemek yapmaya, salata yapmaya uygun olup olmadığına bakıyoruz. Sapı yeşil mi, taze mi, rengi nasıl, nerenin domatesi sorguluyoruz. İşte malzeme biliminin temel taşı olan elementleri, alaşımları, metalleri, katıları sınıflandırırken de onların çeşitli özelliklerini farklı yöntemler ile ortaya koyarak sınıflandırıyoruz. Yani onları aynı kategorilerde karakterize ediyoruz.
Malzemelerin Çekme Dayanımı
Sünek, Gevrek, Tokluk teriminden bahsetmeden önce, bir malzemenin çekme dayanımını, çekme testini bilmeli, anlamalıyız. Bu testler, laboratuvar şartlarında, düzenekler ve numuneler ile yapılır. Aşağıdaki resimde bir çekme dayanımı testi numunelerini ve çekme dayanımında kullanılacak test düzeneğini görebilirsiniz.
Yukarıdaki deneyde aynı zamanda numunemiz bir çekme deneyi test makinasında, zeminde sabit, yukarıda hareketli bir çene vasıtası ile tutma noktalarından sıkılarak nesne eksenine paralel olarak çekiliyor. Çekme esnasında belirli bir yüke kadar şekil değiştirmeyen numune, belirli bir ağırlıktan sonra, çekme kuvvetinden sonra, plastik bir deformasyona uğruyor ve boyun kısmından uzamaya başlıyor. Sonuç olarak ise nesne aşağıdaki resimde görüleceği üzere kopuyor.
Test makinasında soldan, sağa artan bir kuvvet ile birlikte malzeme üstten ve alttan çekilmiş ve ikinci aşamadan sonra “Boyun verme” dediğimiz şekilde artık geri dönülemez bir şekil değiştirme olan Plastik Şekil Değiştirmeye başlamıştır.
Elastik Deformasyon: Malzemenin yük altında sağlıklı şekil değiştirme durumunu belirtir. Yük kalktığında malzeme ilk andaki haline, formuna dönebilir.
Plastik Deformasyon: Malzeme artık geri dönülemez bir deformasyona uğramaktadır. Şekli ve yapısı ile birlikte malzeme özellikleri, yük kalktığında geri dönemez.
Üçüncü aşamadan sonra plastik olarak şekil değiştiren malzeme en sonunda beşinci aşamada kırılmıştır. Bu aşamada numune artık geri dönülemez bir sonla karşılaşır. İşte tüm bu prosesin bir grafiğe dökülmesi ile sünek malzeme nedir, gevrek malzeme nedir ve asıl konumuz olan tokluk nedir sorularına cevap arayabiliriz.
Çekme Deneyinin Metal İçin Grafiğe Dökülmesi
Yazının Başlıkları
Grafiğe dökmek için dayanım hesaplama
Yukarıda, malzemenin elastik deformasyon halinde olduğu, 10kN yani 10000 N, yaklaşık 1 ton yük altındaki kesitindeki çekme deneyimine dair dayanım hesaplaması yapılıyor. Bu hesaplamada 199,04 Mpa dayanım bulunuyor. Bu durumda şunu söyleyebiliriz; malzememiz, 199,04 Mpa kesitinde çekme kuvvetine karşı elastik deformasyon geçirir ve yük kalktığında eski haline geri dönebilir. Yani malzememiz bu yükte güvenle çalışır. Aynı hesapları diğer aşamalar için yaptığımızda aşağıdaki tabloda yer alan verileri ve sonuçları buluruz.
| Aşama | Kuvvet | Alan ( Başlangıç ) | Basınç ( Dayanım ) | Durum |
| 1’inci | 10 kN | 50,24 mm2 | 199,04 MPa | Elastik Deformasyon |
| 2’nci | 15kN | Aynı | 298,56 Mpa | Elastik Deformasyon |
| 3’üncü | 20kN | Aynı | 398,08 Mpa | Boyun verme ve Plastik Deformasyon |
| 4’üncü | 25kN | Aynı | 497,6 Mpa | Plastik Deformasyon’a Devam |
| 5’inci | 30kN | Aynı | 597,12 Mpa | Kırılma |
Kırılmaya kadar geçen bu serüveni şimdi istediğimiz ve incelemelerde bulunacağımız, tanımlarımızı yapacağımız dayanım, gerginlik grafiği için her aşamadaki gerginlik değerini de hesaplayalım.
Grafiğe dökmek için gerginlik hesaplama
Her aşamada malzeme elastik de şekil değiştirse plastik de şekil değiştirse, kırılma anına kadar bir uzama geçiriyor. Boydaki bu uzamanın, ilk boya oranı gerginlik adını alıyor. Aşağıda birinci aşama için gerginlik hesabını görebilirsiniz, diğer aşamalar için ise müteakibinde yine tablo ile gerginlik değerleri aktarılacak.
| Aşama | Uzunluk ( Başlangıç ( | Uzunluk | Değişim | Gerinim |
| 1’inci | 80 mm | 81mm | 1mm | 0.0125 |
| 2’nci | Aynı | 84mm | 4mm | 0.05 |
| 3’üncü | Aynı | 86mm | 6mm | 0.075 |
| 4’üncü | Aynı | 89 mm | 9mm | 0.1125 |
| 5’inci | Aynı | 92 mm | 12 mm | 0.15 |
Yukarıdaki listede Gerinim değerleri ile daha önce elde ettiğimiz dayanım değerlerini bir grafiğe döktüğümüzde, bu grafiğin sonuçlarına göre malzeme hakkında birçok şeyi yorumlayabilir. Malzemenin en fazla ne kadar çekme dayanımına sahip olduğunu, akmaya yani artık plastik deformasyon geçirmeye başlayacağı aralığı, dayanımı bulabilir. Tokluk, süneklik ve gevreklik davranışları hakkında yorumlarda bulunabiliriz.
Dayanım – Gerginlik Grafiği
- Dayanım – Gerinim grafiğinde de görüldüğü üzere malzeme, 1 ve 2 numaralı aşamalarda, az bir şekil değiştirme ile 2 numaralı aşamadaki 298,56 Mpa basınca kadar, herhangi bir ani şekil değişikliğine uğramıyor, tahmin edilebilir, lineer yani doğrusal bir şekil değişikliği yaşıyor
- Fakat 2 ve 3 numaralı aşamalar arasında yani 298,56 Mpa basınçtan sonra bir boyun verme aşaması ile düz, tahmin edilemez bir şekil değişme oluşuyor.
- 3 ve 4 numaralı aşamalarda, şekil değiştirme artık geri dönümelez bir halde yani plastik deformasyon halinde devam ediyor.
- 5’inci aşamada ise artık beklenilen son geliyor, numunemiz kırılıyor.
- 5’inci aşamadan sonra makinenin ve malzemenin üzerindeki yük kalkana kadar çok kısa süre içerisinde biraz daha şekil değiştirme gerçekleşiyor. Grafik bu yüzden aşağı yönlü devam ediyor.
Bu durumda malzemeyi emniyetli bir şekilde kullanabileceğimiz dayanına Akma Dayanımı diyoruz. Akma Dayanımı, burada 298,56 Mpa olarak kabul edilebilir. Çekme Dayanımı ise, malzemenin taşıyabileceği maksimum dayanım değeridir. Bu da testte ulaşılan en fazla yük ile elde edilen, kırılmanın gerçekleştiği 597,12 Mpa’dır.
Sünek ve Gevrek olmak nedir?
Yukarıdaki hesaplarda, metal bir numune kullandık. Metal numuneler, esnek malzemeler, kırılmadan önce yük altında belirli bir uzama gösteren, şekil değişimi belirgin olan malzemelerdir.
Bu tip malzemeler, çekme testinde, ön görülebilir şekilde önce boyun verme, sonrasında belirgin noktalardan uzama ve son olarak kırılma evresine geçerler. Gevrek malzemeler ise, bu malzemeler gibi belirgin bir uzama olmadan, elastik deformasyon sonrası, plastik deformasyon belirtileri göstermeden kırılırlar.
Yukarıdaki grafikte evlerimizde kullandığımız cam, seramik gibi malzemelerin gerinim ve dayanım grafiği ile standart bir metal parçanın gerinim dayanım grafiğini görebilirsiniz.
- Metal malzeme bir akma sınırından sonra bir süre plastik deformasyon geçirmiş ve sonrasında kırılmıştır. ( Sünek )
- Seramik malzeme ise belirli bir dayanınma kadar elastik deformasyon geçirmiş ve aniden kırılmıştır. ( Gevrek )
Tokluk nedir?
Daha önce ortaya koyduğumuz grafiklerde, grafik boyunca malzemenin depoladığı enerjiye tokluk denir. Tokluk, bir malzemenin, elastik ve plastik deformasyon süresince kırılmaya kadar geçen süreçte, depolayabildiği enerjinin, sönümleyebildiği enerjinin bir ölçüsüdür. Sünek malzemeler, kırılmaya kadar geçen süreçte, elastik ve plastik deformasyon geçirerek, grafiğin uzamasının öngürülebilirliği yüzünden, aniden kırılan seramik, kompozit, cam gibi malzemelere oranla daha fazla grafik altı alana sahiptirler. Bu sebeple bu malzemelere, daha fazla enerji depolayabilir, daha toktur, diyebiliriz.