Önsöz
Mühendislik sistemlerinin projelendirilmesinde, imalatında veya kullanımında çalışan mühendisler zaman zaman dizayn ettikleri, ürettikleri veya kullandıkları sistemlerin kırıldıklarına ve bu şekilde hasara uğradıklarına tanık olabilirler. Bu durumda ilgililer hasarın neden ve nasıl olduğunu incelemeli ve bir hasar meydana geldiğinde olayı bir hasar analizi uzmanı gibi anlamalı, bunu görevlerinin bir parçası olarak kabul etmelidir. Ayrıca tüm mühendisler hasarlardan kaçınacak şekilde önlemler almalıdırlar. Hasarların nedenlerini anlamayan kişiler aynı hasarı tekrar edebilirler.
Daha büyük, daha iddialı ve daha karmaşık ürünlerin tasarımları her zaman bir hasar riski barındırmaktadır. Bu risk, artan mühendislik becerileri ile birlikte zaman içinde azalmakla birlikte günümüzde hasarların oluşması devam etmektedir. Bunun nedeni hala teknolojik olarak üstesinden gelinmesi gereken mühendislik problemlerinin var olması, yeni mühendislik malzemelerinin geliştirilmesi, ürün kullanım koşullarının farklılaşması, ürünün hatalı kullanımı şeklinde sıralanabilir.
Mühendislik yapılarını çatlak ve çatlak benzeri oluşumlarından arındırmak mümkün değildir. Öte yandan enerji ve malzeme tasarrufu konusunda artan talepler de bu yapıların daha düşük emniyet katsayıları ile çalışmasını dikte etmektedir. Böylece yapıların çatlakları tolere etme özellikleri ve bunun doğru bir şekilde sayısal olarak ortaya konabilmesi artan bir şekilde önem kazanmaktadır.
1920’li yıllardan itibaren kırılma mekaniği konusunda sürdürülen çalışmalar sayesinde kırılma olayının anlaşılmasında önemli aşamalar kaydedilmiştir. Ancak bir taraftan konunun analitik olarak ele alınması esnasında katı cisimler mekaniğindeki karşılaşılan zorluklar devam ederken diğer taraftan da gelişen malzeme biliminin ortaya koyduğu yeni problemler dolayısı ile Kırılma Mekaniği daha uzun yıllar gelişmesini sürdürecektir.
Bu kitapta önce kırılma mekaniğinin temel prensipleri ve bir bilim dalı olarak ortaya çıkmasındaki önemli evreler anlatılmıştır. Gerilme analizinin prensipleri kullanılarak çatlak ucunda meydana gelen gerilme-genleme şiddetleri hakkında bilgi verilmiştir. iii Malzemenin kırılmaya karşı direncinin ne olduğu ve nelerden etkilenip nasıl belirlenebileceği anlatılmıştır. Kırılma olayını makroskobik ve mikroskobik mertebede ele alarak malzemenin neden ve nasıl kırıldığı incelenmiştir.
Bu kitap kapsamında ele alınan konular öğrencilere veya uygulamacılara;
• Hasarların oluşmasının engellenmesi ve oluşan hasarların analizi konusunda bilgi verilecektir. • Makina parçalarının veya yapılarının daha emniyetli ve ekonomik olarak tasarımı, imalatı ve işletimi konularında yardımcı olacaktır.
•Çatlak ve çatlak benzeri hataların mühendislik yapılarının performansına etkisi açıklanacaktır.
• Mühendislik yapılarında hasara karşı toleransı sağlamak üzere uygun malzeme seçimi konusu aktarılacaktır.
• Kırılma mekaniğinin prensipleri kullanılarak mühendislik yapılarında kritik çatlak uzunlukları ve yorulma çatlak ilerleme hızları belirlenecektir.
• Mühendislikte sıkça karşılaşılan kırılma ve yorulma problemleri anlaşılmış olunacak, kırılmaya ve yorulmaya karşı dirençli yapıların nasıl tasarlanacağı aktarılacaktır.
Bu kitabın şekillenmesinde kritiklerinden yararlandığım meslektaşlarıma ve öğrencilerime teşekkür ederim. Kitabın içeriği, Kocaeli Üniversitesi ve Marmara Üniversitesi’nde verdiğim lisans ve lisansüstü derslerinin bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır.
Kitabın elinizdeki bu ikinci baskıda, birinci baskının aslına büyük ölçüde bağlı kalınmakla birlikte bazı çözümlü problemler dahil edilmiş ve bazı konular da genişletilmiştir.
Eğitim ve uygulamanın içinde olan taraflara Kırılma Mekaniği’nin temel prensiplerini ve uygulama alanlarını aktaran bu çalışmanın lisans ve lisansüstü eğitime devem eden öğrencilere, akademisyenlere ve araştırmacılara ilaveten endüstride çalışan uygulamacılara da yararlı olmasını dilerken muhtemel eksiklik ve aksaklıkların olabileceğinin de beyan edilmesi gerekir.
Kitabı yayınları arasına almayı kabul eden ve basımını büyük bir titizlikle gerçekleştiren Birsen Yayınevi yönetici ve çalışanlarına teşekkür ederim.
Prof.Dr. Paşa YAYLA
İstanbul
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ..................................................................................................................... iii
İÇİNDEKİLER.......................................................................................................... v
SEMBOLLER VE KISALTMALAR .................................................................. viii
SI (METRİK) İLE INÇ (İNGİLİZ) BİRİM SİSTEMLERİ ARASINDAKİ
DÖNÜŞÜMLER........................................................................................ix
BÖLÜM 1. KIRILMA MEKANİĞİ VE GENEL KAVRAMLAR ...................... 1
1.1 GİRİŞ ............................................................................................................ 1
1.2 YÜKLEME TÜRLERİ ................................................................................. 6
1.3. KIRILMA MEKANİĞİ ............................................................................... 8
1.3.1. Kırılma Mekaniğinin Önemi ............................................................. 9
1.3.2. Kırılma Mekaniğinin Tarihsel Gelişimi .......................................... 11
1.3.3. Malzemenin Teorik Mukavemet Değeri ......................................... 20
1.4. GERİLME YIĞILMASI............................................................................ 25
1.5. MİKRO ÇATLAKLAR VE GRIFFITH TEORİSİ ................................... 29
1.6. KIRILMA MEKANİĞİ VE TAHRİBATSIZ MUAYENE İLİŞKİSİ....... 31
1.7. SONUÇ ...................................................................................................... 32
BÖLÜM 2. LİNEER ELASTİK KIRILMA MEKANİĞİ................................. 37
2.1. ENERJİ DENGESİ YAKLAŞIMI............................................................. 37
2.2. GERİLME ŞİDDETİ YAKLAŞIMI.......................................................... 43
2.3. ÇATLAK İLERLEME DOĞRULTUSU................................................... 53
2.3.1. Maksimum Asal Gerilme Metodu (σθ ,max ) ..................................... 53
2.3.2. Minimum Zorlanma Enerjisi Yoğunluk Faktörü metodu (Smin) ...... 54
2.3.3. Maksimum Enerji Salıverme Oranı Metodu (Gmax) ........................ 55
2.4. (G) İLE (K) ARASINDAKİ İLİŞKİ.......................................................... 55
2.5. KIRILMADAN ÖNCE SIZDIR ................................................................ 58
2.6. KARIŞIK MODLU KIRILMA .................................................................. 61
2.7. ÇATLAK DALLANMASI........................................................................ 64
2.8. KIRILMA KONTROLU ............................................................................ 66
2.9. SONUÇ ...................................................................................................... 67
BÖLÜM 3. ELASTO-PLASTİK KIRILMA MEKANİĞİ............................... 69
3.1. ÇATLAK UCU PLASTİK BÖLGE .......................................................... 70
3.2. ÇATLAK UCU PLASTİK BÖLGE ŞEKLİNİN HESAPLANMASI ....... 74
3.3. KALINLIK ETKİSİ, DÜZLEM GERİLME - DÜZLEM GENLEME ..... 79
3.4. HASAR DEĞERLENDİRME DİYAGRAMLARI................................... 85
BÖLÜM 4. KIRILMA TOKLUĞU DENEYLERİ ............................................ 87
4.1. DÜZLEM GENLEME KIRILMA TOKLUĞU (KIC) ............................... 89
4.1.1. Numune Boyutları ........................................................................... 92
4.1.2. KIC Test Prosedürü ......................................................................... 94
4.1.3. Kuvvet-Deplasman Diyagramlarının Analizi ve KIC’nin Hesaplanması.. 97
4.2. ELASTO - PLASTİK KIRILMA TOKLUĞU DENEYLERİ................... 99
4.2.1. (CTOD) Metodu ............................................................................. 99
4.2.2. J - İntegrali ..................................................................................... 99
4.2.3. R - Eğrileri.................................................................................... 102
4.3. STATİK KIRILMA TOKLUĞU DENEYLERİ...................................... 102
4.3.1 Standart JIC Testi ........................................................................... 102
4.3.2 Üç Nokta Eğme Deneyi.................................................................. 104
4.3.3. Kompakt Çekme Deneyi ............................................................... 105
4.3.4. Çift Ankastre Kiriş Test Tekniği................................................... 106
4.3.5. Indentasyon Yöntemi ile Kırılma Tokluğunun Tespiti ................. 108
4.4. DİNAMİK KIRILMA MEKANİĞİ......................................................... 109
4.4.1 Dinamik Enerji Dengesi ................................................................ 114
4.4.2. Çentik Darbe Deneyi .................................................................... 115
4.4.3. Enstrumente Edilmiş Charpy Darbe Deneyi ................................ 119
4.4.4. Çatlak Durdurma Testi ................................................................. 121
4.5. K’NIN BELİRLENMESİNDE DENEYSEL YÖNTEMLER .................. 122
4.6. KIRILMA TOKLUĞUNA ETKİ EDEN PARAMETRELER................. 123
4.7. KIRILMA TOKLUĞUNUN BELİRLENMESİNDE MASTAR EĞRİ
YAKLAŞIMI............................................................................................. 128
BÖLÜM 5. ÇATLAK İLERLEME MEKANİZMALARI ............................... 131
5.1. GİRİŞ ....................................................................................................... 131
5.2. İNCELEME TEKNİKLERİ.................................................................... 133
5.3. MAKROSKOBİK İNCELEME.............................................................. 134
5.4. MİKROSKOBİK İNCELEME ............................................................... 136
5.4.1. Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) .................................... 136
5.4.2. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)........................................... 136
5.5. KIRILMA TÜRLERİ.............................................................................. 137
5.5.1. Sünek Kırılma................................................................................. 137
5.5.2. Gevrek Kırılma ............................................................................... 142
5.5.2.1. Taneler Arası Kırılma............................................................. 144
5.5.2.2. Taneler İçi Kırılma ................................................................. 146
5.5.3. Yorulma Sonucu Çatlak Oluşumu.................................................. 146
BÖLÜM 6 YORULMA ....................................................................................... 155
6.1. YORULMA İLE İLGİLİ TEMEL KAVRAMLAR ................................. 155
6.2. YORULMA KIRILMASINI KOLAYLAŞTIRAN ETKENLER ............ 163
6.3. KIRILMA MEKANİĞİNİN YORULMA KIRILMASINA UYGULANIŞI....... 163
6.4. ÇEVRESEL ETKİLER VE GERİLMELİ KOROZYON ....................... 170
6.5. YORULMAYA GÖRE TASARIM ......................................................... 173
6.6. GERİLME ESASLI YORULMA ANALİZİ........................................... 174
6.7. SÜRÜNME .............................................................................................. 176
6.7.1. Sürünme Eğrisi.............................................................................. 176
6.7.2. Sürünme Testleri ........................................................................... 178
BÖLÜM 7. METAL DIŞI MALZEMELERDE KIRILMA ........................... 181
7.1. POLİMERLERDE KIRILMA ................................................................ 181
7.2. ELYAF TAKVİYELİ KOMPOZİT MALZEMELERDE KIRILMA .... 191
7.3. SERAMİKLER VE SERAMİK KOMPOZİTLERDE KIRILMA ......... 199
7.4. BETONDA KIRILMA ............................................................................ 201
PROBLEMLER.................................................................................................... 203
KAYNAKLAR...................................................................................................... 227
EK - A FARKLI GEOMETRİLER İÇİN “K” GERİLME ŞİDDETİ FAKTÖRLERİ.... 231
EK - B FARKLI GEOMETRİLER İÇİN “Y” ŞEKİL FAKTÖRLERİ............................ 233
EK - C BAZI MALZEMELERİN KIRILMA ÖZELLİKLERİ........................................ 237
İNDEKS ........................................................................................................................... 247
