Burulma Deneyi

1-      DENEYİN ADI :  Burulma Deneyi

2-      DENEYİN AMACI

Burulma deneyi, malzemelerin kayma modülü (G) ve kayma akma gerilmesi (t_A), kırılma modülü gibi özelliklerinin belirlenmesi amacıyla uygulanır.  Ayrıca burulma deneyinden, plastik deformasyon ile ilgili birçok teorik çalışmada(gevrek malzemelerin dövülebilme özelliklerini bulmak gibi) yararlanılır.

3-      TEORİK BİLGİ

Burulma deneyinin çekme deneyi gibi çok geniş bir kullanım alanı yoktur hatta tamamen standartlaştırılmamıştır. Mekanik özelliklerin kontrolünde çok seyrek olarak uygulanır. Burulma deneyi, dairesel bir çubuğun, dik kesitinin orta noktasından dışarı doğru çıkan eksen etrafında, uygulanan bir moment tarafından zorlanmasıdır. İki ucundan sıkıştırılmış numuneye, bir ucu sabit olmak şartıyla diğer ucundan burulma momenti uygulanarak yapılır (Şekil1). Burulma deneyi yuvarlak kesitli içi dolu yada boş olan numunelerde yapılabileceği gibi kullanım alanlarında burulma momenti etkisi altında kalan dingil, şaft veya matkap uçları gibi parçalara da direk uygulanabilir. Buruma momenti etkisiyle numunede kayma gerilmeleri oluşur. Deney sırasında uygulanan burulma momenti (T) – burulma açısı (f) diyagramı elde edilir,

                                                                                                                                                                                                                                                     Kayma Gerilmesi(t)

Burma deneyinde meydana gelen kayma gerilmeleri aşağıdaki formülle hesaplanır.

                                     t=(16*M)/(p*D^3)                                     (Numune yuvarlak ise);

                                   t=(16*M*D1)/(p*(D1^4 – D2^4))    (Numune boru şeklinde ise)                                                    

Yukarıdaki formüllerde;

t= Kayma gerilmesi;

M= Numuneye uygulnan Moment;

D= Yuvarlak numunenin çapı;

D1= Boru şeklineki numunenin dış çapı;

            D2= Boru şeklindeki numunenin iç çapı;

Yuvarlak kesitli bir numunenin merkezinde kayma gerilimleri 0, yüzeyinde ise kayma gerilimleri maksimum olur. Yukarıda verilen formüller kullanılarak kayma gerilmesinin maksimum değeri yani yüzeydeki kayma gerilmesi elde edilebilir.

Silindirik bir numunede c yarıçapından küçük herhangi bir r yarıçapında meydana gelen kayma gerilmesi (t) şu şekilde ifade edilir:

                           (1)

Burada;

T: Burulma momenti

r: Kayma gerilmesinin istendiği yarıçap

J: Polar atalet momenti

İçi dolu millerde polar atalet momenti:  (c mil kesitinin yarıçapıdır)

           İçi boş şaftlarda ise: (c₂ şaftın dış yarıçapı c₁ ise iç yarıçapıdır)

         Maksimum kayma gerilmesi numunenin yüzeyinde oluşacağı için c olarak verilen değer numune yüzeyinde 1 numaralı denklem aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.

                      Burulma deneyi ile elde edilen kayma akma gerilmesi, Kayma akma gerilmesidir. Kayma akma gerilmesi, bariz bir akma gösteren malzemelerin doğrusal kısmından, Yukarıdaki şekil 2 de olduğu gibi belirgin bir akma göstermeyen malzemelerde ise burulma diyagramı üzerinden f»0.002 derece/mm burma açısına karşılık gelen burma momentinden hesaplanabilir. Yani burulma diyagramı üzerinde f»0.002 derece/mm burma açısına karşılık gelen değerden diyagramın lineer kısmına çizilecek paralelin diyagramı kestiği noktadaki burulma momentinden (T_A) hesaplanabilir.

Kayma Uzaması

            Burulma deneyinde, kırılmaya kadar yapılan burma sayısı bize malzemenin deformasyon kabiliyeti hakkında fikir verir. Fakat burma sayısı malzemenin boyutlarına bağlı olduğundan aynı malzemeden farklı boyutlarda alıp deneye tabii tuttuğumuzda aynı malzemeler hakkında farklı veriler elde ederiz. Bu nedenle, burulma sayısı yerine kopmaya kadar olan kayma uzaması kullanılır. Kayma gerilmeleri etkisi ile numunede meydana gelen deformasyon, kayma birim şekil değişimi (g) olarak ifade edilir (Şekil 1). Buna göre kayma birim şekil değişimi g :

                                                           

                                                                      

                      

            f : Burulma açısı (Radyan)

c: Numunenin yarıçapı (mm)

L: Numunenin boyu (mm)

Kayma Elastiklik Modülü

Kayma modülü (G), burulma diyagramının lineer kısmından (elastik bölgesinden) hesaplanır. Burulma diyagramının elastik bölgesinde kayma gerilmesi, kayma birim şekil değişimiyle orantılı olarak artar.

                                G=(t*l)/(f*r)                                                                         (4) G: Kayma elastik modülü

Burada;

t : Elastik bölgede herhangi bir noktadaki kayma gerilmesi

g: Elastik bölgede aynı noktadaki kayma birim şekil değişimi

Ayrıca, Elastik bölgede, kayma gerilmesinin (1/100), kayma birim şekil değişimine (°) oranı kayma  modülünü (G) verir.

                                                      G=   (1/100) /(°)

Burada;                                                                                                                                     

G: Kayma modülü

1/100: Elastik bölgede herhangi bir noktadaki kayma gerilmesi

(°)  : Elastik bölgede aynı noktadaki kayma birim şekil değişimi

Burulmada Kırılma Şekilleri

        Burulma deneyinde, maksimum kayma gerilimleri numunenin yatay ve düşey eksenleri boyunda meydana gelir. Burulma deneyinde sünek bir malzemenin kırılması, maksimum kayma gerilmeleri yönünde, genellikle numunenin düşey ekseni boyunca olur (Şekil 3a). Gevrek bir malzemenin kırılması ise, maksimum çekme gerilmesi doğrultusuna dik bir düzlem boyunca yani numune boyuna 45° lik açılı düzlemde olur (Şekil 3b). Boru şeklindeki sünek bir malzemenin kırılması ise, numunenin boyu uzun ise numunenin bükülmesi sonucunda şeklinin bozulmasıyla (Şekil 3c), eğer numunenin boyu kısa ise yine maksimum kayma gerilmesi yönünde (Şekil 3d) olur.

Şekil 3 Burulmada kırılma şekilleri a) Yuvarlak numunenin sünek kırılma şekli, b) Yuvarlak numunenin gevrek kırılma şekli, c) Sünek bir malzemenin boru şeklindeki, uzun numunesinin burulması, d) Sünek bir malzemenin boru şeklindeki, kısa numunesinin kopma şekli.

    Yani en genel anlamda; Numunelerin gevrek ya da sünek oluşuna göre kırılma şekilleri değişir. Sünek malzemeler bir uzama meydana getirmeden kırılır. Gevrek malzemeler ise uzama meydana getirerek kırılır.(Deneyde bizim numunemiz sünek şekilde kırılmıştır.)

4-      NUMUNE TANIMI

Burulma deney numuneleri burulma deneyi için en uygun geometrite olan yuvarlak kesitli numunelere

uygulanır. Burulma deneyinde uygulanan burulma momenti etkisiyle numunede kayma gerilmeleri oluşur. Kayma gerilmeleri numunenin merkezinden yüzeyine doğru doğrusal olarak artar. Bu kayma gerilimleri numune merkezinde 0 numune yüzeyinde ise maksimum olduğundan daha uniform bir gerilme dağılımı için içi boş ve ince et kalınlıklı numuneler tercih edilir. Fakat et kalınlığı azaldıkça burulma deneyi sırasında numune şekil değiştirir. Bunu önlemek amacıyla ideal et kalınlığı hesaplanmalıdır. Kayma akma gerilmesi (t_A) ile kayma akma modülünün (G) belirlenmesinde kullanılan boru şeklindeki numunelerde, ölçü uzunluğunun (L), numunenin dış çapına (D) oranı L/D@10 olmalıdır. Kırılma modülünün belirlenmesinde kullanılan boru şeklindeki numunelerde ise ölçü uzunluğu kısa olup L/D@0.5 olmalıdır. Aynı zamanda numune çapı ile et kalınlığı arasındaki oran ise, D/t@10-12 olmalıdır.

5-      KULLANILAN CİHAZ ve DONANIMLAR

Burma deney cihazı genel olarak , iki ucundan sıkıştırılmış deney numunesine, bir ucu sabit kalacak şekilde diğer ucundan burma momenti uygulayan bir cihazdır. Cihazda uygulanan burma momenti bir göstergeden okunur.Burma cihazında ayrıca burma açısını kaydeden bir kaydedici veya gösteren bir gösterge bulunur.

Deneyde Radicon Series A marka burulma cihazı kullanılm.

           

6-      REFERANS STANDARTLAR ve MALZEMELER

Deneyde kullandığımız numune TS ISO 7800 standardında pirinç alaşımıdır.

7-      DENEYİN YAPILIŞI

Öncelikle deneye başlamadan deney cihazı kalibre edilir. Kalibrasyon kolu takılarak cihaz üzerindeki göstergenin 0° açıda olduğundan emin olunur. Daha sonra kalibrasyon koluna tek taraftan belirli bir yük yüklenir ve aşağıdaki formül yardımıyla hesap yapılır.

T = kuvvet(kg) x 9,80665 x mesafe  x cos(a) formülü yardımıyla moment hesabı yapılır.Hesapladığımız değer ile cihazın gösterdiği değer birbirini tutuyorsa cihaz doğru ölçüm yapıyordur eğer 2 değer birbirini tutmuyorsa cihazın arkasındaki  “Adj” yazan kısımdaki  “SI” adlı delikteki vida, ince ayar aparatı ile çevrilerek, göstergede hesapladığımız değer çıkana kadar ayarlanır. Yük ve kol söküldükten sonra, gösterge  “0” olmalıdır. Eğer  “0” değilse, elektronik göstergenin arkasındaki  “zero” yazan ayar vidasından gösterge sıfırlanır. Cihazın panosunda “set speed” ayarı vardır. Bu sayısal bir değer ifade etmediğinden, hızı belirlemek için, cihaz  “On” şalteri açılarak çalıştırılır. (Not: Cihaz her zaman  “Forward ” konumunda çalışmalıdır. Zaman tutularak, belli sürede dönülen açı sayaçtan hesaplanır. (1 atma değeri 0,3° veya cihaz üzerindeki açı göstergesinden) Böylece [açı (derece) / dakika = devir hızı ] formülünden hız bulunur.)

Gerekli ayarlar yapıldıktan ve cihazın doğru ölçüm yaptığından emin olunduktan sonra numune takılır ve deney başlatılır. Eğer  “reverse” yönünde çalışılacaksa, cihaz kapatılır ve durması beklenir. Daha sonra şalter “reverse” konumuna getirilerek, tekrar çalıştırılır.

8-      HESAPLAMALAR

200 devir için;

G=(t*l)/(f*r)               

l=63 mm

D=8.15 mm

t=?  Kayma gerilmesi içi dolu ve yuvarlak kesitli numune için   t=(16*M)/(p*D^3)     formülü kullanılır.

M=27.1/m olarak göstergeden okunur. Bu değer kg/cm’ e çevrildiğinde  M=271 kg/cm olur.

 t=(16*M)/(p*D^3)  formülünde veriler yerine yazılırsa;

t=4336/p(0.815)^3 olur.   Bu elde ettiğimiz veriyi G=(t*l)/(f*r) ‘ de yerine yazacak olursak          

 t=(16*271)/ (p*(0.15)^3) olur.

M(max)=29.5 N/m olarak göstergeden okunur. Bu değer kg/cm’ e çevrildiğinde  M(max)=295 kg/cm olur.