seramik sertlik tokluk eğme basma kayma

1. SERAMİKLERIN FİZİKSEL VE MEKANIK ÖZELLİKLERİ
1250Y10065
BİLGEHAN GÜVEN
T.C. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ
BÖLÜMÜ

2. SERAMİKLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
• Seramikler genellikle çok sert ve gevrektirler.
• Basma mukavemetleri çok yüksek olmakla beraber çekme mukavemetleri
çok düşüktür.
• Gevrek olduklarından iç yapı kusurları, çentikler, çizikler ve mikroçatlaklar
gerilme yığılmasına neden olur, dolayısıyla çekme etkisinde kolay kırılırlar.
• Seramiklerde basma mukavemeti ortalama olarak çekme mukavemetinin
sekiz katıdır.
• Isıl işlemle yüzeyde artık basınç gerilmeleri oluşturarak çekmeye karşı
mukavemetleri arttırılabilir.
Yumuşama noktasına kadar ısıtılıp hızla soğutulmuş camın mukavemeti üç
katına çıkabilir. Bunlara temperlenmiş cam veya duracam denir.

3.  Seramiklerin kaymaya karşı direnci çok yüksektir, plastik
şekil değiştirmeksizin kırılırlar.
Ayrıca bazıları çok sert olduklarından aşındırıcı malzeme
(abrazif) olarak geniş ölçüde kullanılırlar.

5. Sertlik
Sertlik:
• Malzemenin çizilmeye karşı gösterdiği dirençtir, veya
•Malzeme yüzeyinin kalıcı şekil değiştirmeye gösterdiği dirençtir.
• Sıcaklık artırıldığında esneklik katsayısında oluşan küçük bir
azalma ve tane büyümesi nedeniyle sertlik genellikle düşer.
• Gözeneklilik sertliği ve esneklik katsayısını (elastik modül) önemli
ölçüde düşürür.

6. Bir cismin sertliğinin bilinmesi:
Bir cismin sertliğinin bilinmesi:
a)Malzemenin kökeni hakkında bilgi verir.
b)Malzemenin sertliğinin bilinmesi ile mekanik mukavemetlerinin değeri
bulunabilir.
c)Malzemenin sertliğinin büyük olması, işlenme kabiliyetinin küçük
olduğunu gösterir.
d)Sertlik deneyleri basit ve az tahribatlı olduğundan, malzemenin diğer
özellikleri hakkında, malzemeyi elden çıkarmadan bir fikir edinilebilir.

7.  Seramik malzemeler, kırılgan ve çatlamaya son derece duyarlı
olduklarından sertlik ölçme ucunun seramik yüzeyine batmaya
zorlanması yüzeyde aşırı çatlak oluşumuna ve dolayısıyla da
sertliğin yanlış ölçülmesine yol açmaktadır. Bu nedenle küresel
sertlik ölçme uçları (Rockwell ve Brinell testleri) seramikler için
kullanılmaz.
 Seramiklerin sertlikleri piramit formundaki uçların kullanıldığı
Vickers ve Knoop teknikleri ile ölçülür. Çok kırılgan seramiklerde
Knoop daha çok tercih edilir.

8. Vickers Sertliği:
 Vickers sertlik ölçme yöntemi, sertliği ölçülecek malzeme
parçasının yüzeyine, tabanı kare olan piramit şeklindeki bir
ucun belirli bir yük altında daldırılması ve yük aldırıldıktan
sonra meydana gelen izin köşegenlerinin ölçülmesinden
ibarettir.
 • Meydana gelen iz taban köşegeni (d) olan kare bir piramittir
ve tepe açısı ucun tepe açısının aynıdır = (136 ). Vickers
sertlik değeri, kg olarak ifade edilen deney yükünün mm²
olarak ifade edilen iz alanına bölümüdür.

10. Deneyde dikkat edilecek hususlar:
- Yük darbesiz olarak uygulanmalıdır.
- Numene yüzeyi parlak ve düzgün olmalıdır.
-Elmas uç darbeden ve çarpmadan korunmalıdır.
-Numune üzerinde kalan izin merkezinin parça kenarına veya
bir diğer izin kenarına olan uzaklığı en az 3d kadar olmalıdır.
Piramid uç P yükü ile deney parçasına düşey olarak batırılmalı,
iz köşegenleri 0,002 mm hassaslıkla ölçülmelidir.

11. Knoop Sertliği:
 Bu deneyde tepe açısı 130º ve 172º 30’ olan piramit şekilli
elmas bir uç malzeme üzerine batırılır.
 Knoop aynı yük kullanılarak yapılan Vickers sertlik
ölçümleri ile karşılaştırıldığında nispeten daha az derin
izler bırakır ( Uzun köşegenin 1/30’u kadar).

13. Vickers sertliğinde, malzemenin sertliği izin köşegenleri ölçülerek bulunur.
Knoop sertliğinde, malzemenin sertliği izin derinliği ölçülerek bulunur.

15. Kırılma Tokluğu
 Mühendislik malzemelerinde kırılma tokluğu, malzemede bir
çatlak oluştuğu zaman, malzemenin çatlağın ilerlemesine karşı
gösterdiği direnç olarak ifade edilir ve Kıc veya Kc ile gösterilir.
Kırılma Tokluğu = σ
σ: uygulanan gerilme
a: yüzey çatlak uzunluğu
K :çatlak ilerlemesi için gerekli kuvvet ölçüsü(gerilme şiddet
faktörü )
Gerilme şiddet faktörü K ’nın kritik bir Kc değerinde kırılma
olur. K = Kc olduğunda çatlak ilerler ve kırılma olur.

16.  Kırılma tokluğu deneyi ile gerilme şiddet faktörü Kc tayininde
kullanılan kırılma yükü, numunenin boyutlarına bağlı olarak
farklı değerler alır. Bu sebeple kırılma tokluğu denklemi
aşağıdaki hali alır.
 = σ
Y, hem numune hem de çatlak şekline bağlı bir geometrik
faktör.

17. Si3N4 + 30% SiC + 3% MgO seramik malzemenin kırılma tokluğunun numune
kalınlığına bağlı değişimi
Kırılma tokluğu Kc , numunenin kalınlığına bağlı olarak değişir ve numune kalınlığı arttıkça
belli bir değere kadar azalır, bundan sonra kalınlık etkisi olmaz.

18. Sıcaklık azaldıkça malzemenin gevrek davranış gösterme eğilimi artar,
dolayısıyla malzemenin kırılma tokluğu değeri azalır.

20.  Seramik bir malzemeden üretilmiş çok sayıda numune teste
tabi tutulduğunda, genellikle kırılma dayanımı değeri önemli
ölçüde değişiklik gösterir.
 Bu olay, kırılma dayanımının malzemede çatlak başlatma
yeteneğine sahip bir kusurun bulunma ihtimaline bağlı
olmasıyla açıklanabilir. Bu olasılık aynı malzemeden alınan bir
numuneden diğer bir numuneye, malzemenin üretim tekniğine
ve üretim sonrası göreceği işleme bağlı olarak değişebilir.
 Numune boyutu veya hacmi de kırılma dayanımını etkiler.
Numune boyutu büyüdükçe malzemenin kusur içerme olasılığı
da o kadar artar ve buna bağlı olarak da kırılma dayanımı
düşer.
 Basma gerilmeleri için kusur ile bu şekilde ilişkilendirme
yapılamaz.

21. Silisyum nitrürde elde edilen kırılma sıklığının dağılımı

22. 6 mm çapında ergitilmiş
silika çubuğun 4 nokta
eğme deneyinde oluşan
kırık yüzey görüntüsü

23. Eğme Dayanımı
 Seramiklerin gerilme-şekil değişimi davranışı çekme
deneyi ile tespit edilmez. Gerekli geometriye sahip
numune hazırlamak ve test etmek zordur. Cihaza ait
çenelerin seramik malzemeyi kırılma oluşmaksızın
kavraması zordur. Ayrıca seramikler sadece %0,1 şekil
değişiminden sonra kırılırlar.
 Bu nedenlerle en sık uygulanan deney eğme deneyi olup
yuvarlak veya dikdörtgen kesitli bir çubuk numune üç
veya dört nokta eğme yükü altında kırılana kadar eğmeye
zorlanır.

27.  Belirli bir seramik malzeme için eğme dayanımının büyüklüğü
çekme deneyi ile belirlenen kırılma dayanımından daha
büyüktür.
 Eğme ve çekme zorlanmaları altında dayanımın farklı değerler
alması gerilmeye maruz kalan hacimlerdeki farklılıkla
açıklanabilir:çekme numunesinde kesitin tamamı çekme
gerilmesi altında kalırken, eğme numunesinde sadece hacmin
belirli bir bölgesi çekme gerilmesi altında kalır.

28. Elastik Davranış
 Seramik malzemeler için eğme deneylerinden elde edilen
elastik gerilme-birim şekil değişimi davranışı eğrileri,
metallerin çekme eğrilerine benzer. Seramik malzemelere
ait eğrilerde de gerilme ve birim şekil değişimi arasında
doğrusal bir ilişki vardır.
 Metallerin çekme eğrisinde olduğu gibi burada da elastik
bölgedeki eğim elastiklik modülüne karşılık gelmektedir.
Seramik malzemeler için elastik modül değeri yaklaşık 70
ile 500 Gpa arasında değişir ve bu metallerinkinden daha
yüksektir.

29.  Eğer bir tek kristal çekme/basma gerilmesine maruz bırakılırsa;
dislokasyon hareketlerinin mümkün olduğu düzlemlerde
(kayma düzlemleri) ve bu düzlemler üzerindeki belli
doğrultularda (kayma doğrultuları) gerçekleşen dislokasyon
hareketleri sonucunda plastik deformasyon meydana gelir.
 Seramikler:
1- kuvvetli bağlar içerdiklerinden
2-kayma düzlemi sayısı az olduğundan
3- dislokasyon yapıları karmaşık olduğundan dolayı sert ve
kırılgandırlar.

30. Akma dayanımı en yüksek
olan malzeme sınıfı
seramiklerdir. Ancak seramik
malzemelerde bulunan
çatlak/boşluklar yüzünden
hemen her zaman akma
dayanımlarının çok altındaki
değerlerde kırılırlar.
Plastik deformasyon değeri en
yüksek olan malzeme grubu
polimer malzemelerdir.
Metalik malzemelerin
dayanımları seramikler ile
polimer arasında bir yerde
bulunmaktadır.
Saf metaller oldukça
yumuşaktır
Değişik mühendislik malzemeleri için tipik
akma mukavemetleri

32. Gözenekliliğin etkisi
 Seramik malzemelere istenilen şekil verildikten sonra
gözenekler toz partikülleri arasında kalmaktadır.
Sinterleme sırasında bu gözenekler ortadan kalkacaktır.
Ancak gözeneklerin giderilmesi genellikle tam olarak
gerçekleştirilemediğinden bir miktar kalıntı gözenek söz
konusudur. Kalıntı gözeneğin varlığı hem elastik özellikler
hem de dayanım üzerinde zararlı etkiye sahiptir. Bazı
seramik malzemelerde E elastik modülünün büyüklüğü
gözenek hacim oranı P ile azalır.

33. Oda sıcaklığındaki
Al2O3 ’de
gözenekliliğin elastik
modül üzerine etkisi
• E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2)
Burada E0 gözeneksiz malzemenin
elastik modülüdür.

34.  Gözeneklerin varlığı iki nedenden dolayı eğme dayanımı
üzerinde azaltıcı etki yapar:
•1- yükü taşıyan kesit alanının azalmasına yol açar ve
2- gerilme yığılmasına neden olan çentik gibi davranır; izole bir
küresel gözenek uygulanan çekme gerilmesinin değerini iki kat
arttırır.
• Örneğin, %10 hacimsel gözenek, gözeneksiz bir malzemeye
göre eğme dayanımını genellikle %50 oranında azaltır.
• Eğme dayanımının gözenek hacim oranıyla (P) katlanarak
azaldığı deneysel olarak belirlenmiştir:
σe = σ0 exp(-nP)
• Burada σ0 ve n deneysel sabitlerdir.

35. Oda sıcaklığındaki
Al2O3 ’de gözenekliliğin eğme
dayanımı üzerine etkisi

36. Aşınma Davranışı
 Seramiklerde aşınma mekanizması; büyük çoğunlukla
seramik bünyedeki tek tanelerin mekanik ve/veya
kimyasal zorlamaların etkisiyle bünyeden ayrılması
şeklindedir.
 Seramik malzemeler gevrek yapıdadırlar. Talaş kalkması
ile aşınabilirler. Seramik malzemelerin yüzeylerinde ve
yüzeylerin altında çatlaklar oluşur. Daha sonra oluşan bu
çatlaklar birleşerek seramik malzemelerde küçük talaşlar
ortaya çıkarır.

37.  Metal ve polimer malzemeler, kırılma meydana gelmeden önce
basma gerilmeleri karşısında plastik deformasyon gösterirler.
Oysa seramik malzemelerin plastik deformasyon gösterebilmesinin
tek bir koşulu vardır. Bu koşul,seramik malzemelerin hidrostatik
gerilmelerle plastik deformasyon gösterebilmesidir.
 Bir seramik malzemenin sıcaklığını, ergime sıcaklığının
0,6 katına yükseltmekle dislokasyonların hareketliliği ile plastik
deformasyon potansiyeli arttırılır.
Ancak seramik malzemelerde sıcaklıktaki artışla birlikte
plastisitedeki artış metallerde sık görülen sünekliğe sebep olmaz.
Seramikler gevrek yada yarı gevrek bir davranış gösterirler.

38.  Gevrek malzemelerde kayma teması olduğu zaman
deformasyon türü aşınmaya neden olur. Abrazif aşınma ve
erozyon durumunda ise aşınma problemli olmaktadır .
Seramiklerde, düşük ısıl iletkenlik nedeniyle, sürtünme
sırasında oluşan ısı, büyük ısıl eğimleri ve dolayısıyla sıcak
noktalar oluşturabilir. Eğer seramik malzemeler hızlı şekilde
soğutulurlarsa, bu sıcak noktalar büyük oranda çekme
gerilmesi oluşturur ve bunun sonucunda çatlaklar oluşabilir.
Sonuç olarak yüzeyden büyük parçaların kopması ve aşınmada
artış söz konusu olur.
 Seramikler, deformasyon hızına karşı oldukça duyarlıdır. Bu
nedenle artan kayma hızıyla ve buna ilaveten sürtünme
ısınması ile birlikte çatlak oluşma olasılığı artmaktadır. Bu
duyarlılık; darbeye ve erozif aşınmaya karşı seramik
malzemelerin kullanılmasını gündemden düşürmektedir.

39. Sürünme Dayanımı
Malzemelerin sabit yükte belirli bir zaman aralığında süregelen
şekil değişimidir. Sabit basınç veya kuvvet altında genellikle çok
küçük hızlarda deformasyon meydana gelir.
Birçok pratik uygulamalarda malzemeye uygulanan kuvvet sabit
tutulur. Sabit yük altında ve yüksek sıcaklıklarda katıların yavaş
deformasyona uğraması olan sürünme seramiklerde de
görülmektedir.

40.  Her ne kadar seramiklerin sürünmeye karşı dayanımları
metallere oranda yüksek olsa da sürünmeye maruz kalan
seramik parçalar da er yada geç kopar veya çok küçük
toleransla çalışan ortamlarda sistemi olumsuz
etkileyebilecek şekil veya boyut değişimine uğrayabilirler.
 Sürünme genel bir kural olarak;
• Metaller için : T > (0.3-0.4) Tm
• Seramikler için : T > (0.4-0.5) Tm

41. Seramiklerde sürünme gerilmesi ve buna bağlı deformasyon
mekanizması üç ayrı zaman dilimine ayrılarak incelenebilir:
1-Tanelerin boşluk çekirdeklenmesinin vuku bulduğu üçlü
noktalarda negatif bir etki yaratacak şekilde bir biri zerinde
kaymaları için geçen süre,
2- Boşluk çekirdeklenmesi ve
3-Boşluk büyümesi ve boşlukların birleşmesidir.