Brinell Sertliğinin Araştırılması

1-      DENEYİN ADI:  Brinell Sertliğinin Araştırılması

2-      DENEYİN AMACI: Numunelerin Brinell TS-EN ISO 6506 standardına göre brinell sertliğini bulmak ve Meyer bağlantısındaki a ve n‘yi hesaplamak.

3-   TEORİK BİLGİ :Metalurjistler için sertlik, bir cismin kendisine batırılan bir cisme gösterdiği dirençtir.Sertlik ölçme deneyleri, malzemenin kullanım yerlerine göre değişik şekillerde; genellikle bir cisme bir sivri uç batırılarak yapılır. Batırılan uç cinsi ve kuvvetin farklılığına göre sertlik ölçme deneyleri farklı isimler alırlar.Bu deneyde Brinell sertlik ölçme yöntemi araştırılmıştır. Brinell sertlik deneyi, kalibre bir cihaz ve sertleştirilmiş bilye kullanılarak  numune üzeyine sabit yük uygulanması, beklenmesi ve izlerin ölçülerek sertlik hesabı yapılması esasına dayanır. Kabaca uygulanan kuvvetin numune yüzeyindeki iz alanına bölümü brinell sertliğini verir.

Brinell sertlik ölçme deneyinde 1mm-2,5mm-5mm-10mm boyutlarında uçlar kullanılabilir fakat 10 mm uç kullanma imkanı varsa faz farkları göz önüne alınarak daha homojen bir ölçüm yapılabilmesi için 10 mm+-0,0045 lik uç tercih edilmelidir.Brinel Deneyindeki standart yük ise 3000kg ve yükleme süresi de 10-15 sn(yumuşak metaller dışında) dir.Brinell deneyinde numune yüzeyine uygulanan sabit yük dolayısıyla yüzeyde meydana gelen izin çapı mikroskop yardımıyla 2 eksende ölçülür ve ortalaması alınarak formüle iz yapıçapı değeri olarak yazılır. Belirli malzemenin farklı sertliklerini mukayese edebilmek için o malzemeye ait sertlik değerlerinin aşağıdaki tabloda tavsiye edilen sınırlar içerisinde olabilecek şekilde, tek bir yük kullanarak ölçülmesi tavsiye edilir.

Eğer yukarıdaki standartlar dışında bir bilya kullanıldıysa bunun Bilya çapı/yük/yükleme süresi şeklinde belirtilmesi gerekir. Örnegin; 62 BSD 5/500/3 gibi bir gösterme, 5mm capında bir bilya üzerine 500 kg ile 30 sn tatbik etmek suretiyle yapılan brinell değerinin 62 olduğunu belirtir.

Brinell Deneyinde Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

1-Deney numunelerinin yüzeyleri parlak zımparalanmış ve mümkün olduğu kadar pürüzsüz olmalıdır, yüzeyde herhangi bir tufal, yağ veya kir olmamalıdır.

2- Numune alt ve üst yüzeyleri birbirine paralel olmalıdır

3-Et kalınlığı batma derinliğinin en az 17 katı olmalıdır.(Bazı kaynaklara göre 8 katı)

4-İzler birbirinden ve köşelerden en az 2,5-3 d uzaklıkta olmalıdır.

5-Deney sicaklığı 10-35 °C arasında tutulmalıdır.

6-Homojen iç yapıya sahip olmayan yani bünyesinde en az 2 faz barındıran malzemelerde brinell yöntemi tercih edilmemeli ve daha sağlıklı sonuç almak için de 10mm lik uç kullanılmalıdır.

7-Çok ince numunelerde Brinell tercih edilmemelidir.

8-Diğer sertlik yöntemlerinde olduğu gibi daha sağlıklı bir ölçüm için en az 3 bölgeden sertlik ölçülüp ortalama sertlik malzeme sertliği olarak alınmalıdır.

4-   NUMUNE TANIMI:

Deneyde düşük karbonlu çelik ve arı bakır kullanılmıştır.

5-      KULLANILAN CİHAZ ve DONANIMLAR:

Brinell sertlik cihazı Rockwell serlik ölçümünde de kullanılabilecek şekilde dizayn edilmiştir.Uçların değiştirilebiliyor olması buna bir kolaylık sağlamaktadır.Aşağıda brinell sertlik ölçme cihazı ve cihazın bolümleri gösterilmiştir.İyi bir ölçüm için standart koşullar sağlandıktan sonra deneye başlanmalıdır.Şekildeki ön yük volanı saat yönünün tersine döndürerek açılır ve numune yerleştirilir daha sonra şekilde gösterilen ana yük koluyla yük uygulanır.

Brinell Test Cihazları

Bunlardan farklı olarak Hidrolik Brinell serlik ölçme cihazı vardır.Bu hidrolik cihazda yükler hidrolik olmayan cihazlara göre daha büyüktür.Cihaz üzerindeki gösterge 0 konumunda boş, 1 konumundanumune oturtuluyor,2 konumunda yük uygulanıyor anlamına gelir.Ayrıca bu hidrolik Brinell sertlik ölçme cihazının kendine ait bir mikroskobu bulunmaktadır.Aşagıdaki resim hidrolik Brinell sertlik ölçme cihazına aittir.

6-   DENEYİN YAPILIŞI:

Deney arı bakır ve düşük karbonlu çelik olmak üzere 2 farklı numune için yapıldı.Bu iki farklı numune için uygulanacak yükler ve uçlar deney föyündeki yardımcı tablolardan belirlendi. Çelik için sabit uç (2,5mm) ve değişken yükler uygulandı. Bakır numune için ise yük sabit (62,5kg) tutularak uçlar değiştirildi ve deney tamamlandı.

Çelik numune için;

Numune yüzeyinde herhangi bir kir,pas olmadığından emin olunduktan sonra cihaz üzerindeki ön yük volanı gevşetilerek düzgün biçimde cihaza yerleştirildi.Çelik numunede ilk ölçüm için 2,5 mm lik uç ve 62,5kg lik sabit yük kullanıldı.Numune cihaza yerleştirildikten sonra sabit yük(62,5kg) uygulandı ve 10-30 sn beklendi.İbre hareketi de durduktan sonra yük kaldırıldı, ön yük volanı saat yönünün tersine döndürülerek gevşetildi ve numune cihazdan alındı.Daha sonra Numune yüzeyindeki iz mikroskop yardımıyla ölçüldü.Mikroskop görüntüsünde uzun ve kısa skalalar arası mesafe 0,5mm alınarak tam mesafelerin boyu hesaplandı.Kalan fazlalık için ince ayar düğmesi kullanılarak mikroskoptaki değişken skalanın ize teğet olması sağlandı ve teğetlik sağlandığında fazlalık ince ayardan okunarak tam olan değere eklendi.(Örneğin 3 tam skala(0,5mm) + cihaz üzerinden okunan değer gibi).

Daha sonra aynı ölçümle y ekseninde yapılarak iki değerin aritmetik ortalaması alındı ve formüldeki d değeri olarak kullanılarak sertlik hesaplandı. Yukarıdaki işlemler Çelik için sabit uç (2,5mm) ve değişken yük için yapıldığında aşağıdaki gibi bir tablo elde edildi;

Yukarıdaki işlemlerin aynısı bakır için sabit yük (62,5kg) ve değişken uçlarla yapıldığında aşağıdaki tablo elde edildi;

Yukarıdaki bakır için gösterilen tablodaki 3. iz görüntüsü standarttan sapıldığı için çok silik çıkmıştır.

7-   HESAPLAMALAR:

Yukarıdaki Çelik ve bakır için elde edilen tablolardan yararlanılarak Brinell sertliği hesaplanabilir.

    F=Cihaza asılan Yük(kg)    D=Bilya çapı(mm)    d= iz çapı(mm) olmak üzere;

Çelik için ;

62,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,  d=(0,74+0,74+0,72+0,7)/4=0,725 mm bulunur.

100 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,   d=(0,92+0,91+0,95+0,93)/4=0,9275 mm bulunur.

150 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,   d=(1,04+1+1+1)/4=1,01mm bulunur.

187,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,   d=(1,11+1,09+1,17+1,16)/4=1,1325 mm bulunur.

Bu bilgiler yukarıdaki formülde yerine yazılırsa;

¨(2,5mm/62,5kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  Þ 2*62,5/(p*2,5*[2,5-Ö2,5^2-0,725^2]) ÞHB= 148,14 HB

¨(2,5mm/100kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  Þ 2*100/(p*2,5*[2,5-Ö2,5^2-0,9275^2]) ÞHB=142,72 HB

¨(2,5mm/150kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  Þ  2*150/(p*2,5*[2,5-Ö2,5^2-1,01^2]) ÞHB=179,24 HB

¨(2,5mm/187,5kg için)    HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  Þ2*187,5/(p*2,5*[2,5-Ö2,5^2-1,1325^2]) ÞHB=176,87 HB

Olarak bulunur.

Bakır için ;

62,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,  d=(1+1)/2=1 mm bulunur.                                                                                                                                               62,5 kg ve 5 mm uç koşullarında,   d=(1,1+1,1)/2=1,1 mm bulunur.

62,5 kg ve 10 mm uç koşullarında,   d=(1,22+1,18)/2=1,2 mm bulunur.

Bu bilgiler Brinell sertlik formülünde yerine yazılırsa;

¨ (2,5mm/62,5kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  ÞÞ  2*62,5/(p*2,5*[2,5-Ö2,5^2-1^2]) ÞHB=76,25 HB

¨ (5mm/62,5kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  ÞÞ  2*62,5/(p*5*[5-Ö5^2-1,1^2]) ÞHB=64,9 HB

¨ (10mm/62,5kg için)      HB=2*F/(p*D[D-ÖD^2-d^2])  ÞÞ  2*62,5/(p*10*[10-Ö10^2-1,2^2]) ÞHB=55,06 HB

Olarak bulunur.

Son olarak;

62.5 ve 187.5 kg’ luk değerleri referans olarak kabul edersek  ve       formülünde yerine koyduğumuzda a değerlerinin sadeleştiğini görürüz.    ÞÞÞ       (62,5/187,5)=(0,725/1,1325)^m

Her iki tarafın logaritması alındığında   ÞÞÞ   log(1/3)=m*log(0,725/1,1325)  ve    m=2,463  bulunur.

Bu m değeri  F=a*d^m   formülünde yerine yazılırsa

(F=62,5 için)    62,5=a*0,725^2,463   olur ve 2 tarafın logaritmasını alırsak; 

log(62,5)=log(a)+2,463*log(0,725)     

 a=137,9 bulunur.

8-   SONUÇ:

Sonuç olarak;

Çelik için ;

62,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,  HB= 148,14 HB

100 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,   HB=142,72 HB

150 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,   HB=179,24 HB

187,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,  HB=176,87 HB  bulunur.

Bakır için;

¨62,5 kg ve 2,5 mm uç koşullarında,  HB=76,25 HB

¨62,5 kg ve 5 mm uç koşullarında,   HB=64,9 HB

¨62,5 kg ve 10 mm uç koşullarında,   HB=55,06 HB

Yukarıda hesaplanan çelik için 4 adet serlik değerinin veya bakır için olan 3 adet olan sertlik değerlerin kendi aralarındaki aritmetik ortalamaları çeliği veya bakırı yansıtmaz.Deneyler değişken yük veya değişken uçlarla yapılmıştır.

Ayrıca Meyer formülü kullanılarak m=2,463 ve a=137,9 bulunmuştur.

9-   İSTENİLENLER ve ÖDEVLER: istenilen ödevler milimetrik ve logaritmik kağıtlara çizilmiştir.

10-KAYNAKLAR:

1-“Mekanik Muayeneler Deney Föyleri”, Y.T.Ü. Kimya-Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, İstanbul, 2002

2-“Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri” İ.T.Ü. -Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, İstanbul,1996

3-Prof.Dr Ahmet Çetin Can “ Tasarımcı Mühendisler için Malzeme Bilgisi“

4-William F. Smith “Malzeme Bilimi ve Mühendisliği“

5-ASM Handbook - Vol 08 - Mechanical Testing and Evaluation