Şekil değişimi hızının akma üzerindeki etkisi

Önceki konularda, bazı malzemelerin şekil değiştirdikçe kuvvetlendiklerinden bahsetmiştik. Gerinim sertleşmesi ya da pekleşme adını verdiğimiz bu işleyiş, şekil değişimi miktarına bağlı olarak malzemede bulunan dislokasyon sayısının artması sonucu ortaya çıkıyor. Bir malzemenin şekil değişimine bağlı olarak ne kadar kuvvetlenebileceğini ifade etmek için, n ile gösterdiğimiz gerinim sertleşmesi katsayısını kullanıyoruz. Bu katsayının yüksek olması malzemenin yüksek pekleşme kapasitesine sahip olduğunu, dolayısıyla da sünekliğini ifade ediyor.

Bu işleyişten ayrı olarak, bazı malzemelerin şekil değişimi hızına bağlı olarak da sertleşebildiklerini (İngilizce: strain-rate hardening) görüyoruz. Bu demek oluyor ki, bu özelliğe sahip bir malzemeye iki farklı hızda çekme testi uyguladığımızda aynı gerilim-gerinim eğrisini elde etmiyoruz. Aksine, daha hızlı çektiğimiz numunenin eğrisi diğerine kıyasla yukarı kayıyor – yani malzemenin kuvvetlendiğini gösteriyor.

Burada bir parantez açıp, biraz şekil değişimi hızından bahsedelim. Şekil değişimi hızı, adından da açıkça anlaşılacağı üzere, malzemenin şeklinin ne kadar hızlı değiştirildiğini ifade ediyor. Örnek olarak çekme testini ele alırsak, şekil değişim hızı, numuneyi hangi hızda çektiğimizi gösteriyor. Şekil değişimi hızını malzemede oluşan uzamayı değil, gerinimi göz önüne alarak ifade ediyoruz. Gerinimin birimsiz bir nicelik olması nedeniyle şekil değiştirme hızını “1/sn” birimiyle gösteriyoruz. Aşağıdaki resimde farklı testlerde kullanılan şekil değiştirme hızları gösteriliyor.

Şekil değişimi hızı kavramına daha yakından bakmak için, tekrar tek eksenli çekme testini ele alalım. Gerinim sertleşmesine benzer şekilde, şekil değişimi hızının plastik akma eğrisi üzerindeki etkisini tarif etmek için Hollomon eşitliğine benzeyen aşağıdaki eşitliği kullanıyoruz.

Bu eşitlikte yeralan m katsayısına şekil değiştirme hızı duyarlılığı (İngilizce: strain-rate sensitivity) adını veriyoruz. Eşitliğin sağında en sonda yer alan, üzerindeki nokta olan ε işareti, gerinimin zamana bağlı değişimini, yani şekil değiştirme hızını ifade ediyor. Şekil değiştirme hızı duyarlılığı da, tıpkı gerinim sertleşmesi katsayısı gibi, malzemenin çekme hızına bağlı olarak ne kadar sertleşebileceğini gösteriyor.

Yukarıdaki eşitliği m katsayısını verecek şekilde, aşağıdaki gibi düzenlediğimizde şekil değiştirme hızı duyarlılığının ifadesini elde edebiliyoruz.

Dikkat ederseniz, bu eşitliği bu şekilde yazabilmek için gerinimi sabit bir değer olarak almamız gerekiyor. Bu da demek oluyor ki, yukarıdaki eşitliği kullanarak m katsayısının değerini bulmak istiyorsak, farklı hızlarda birçok çekme testi yapıp, gerilim değerlerini daima sabit bir gerinim değerinde okumamız gerekiyor.

Bunu iki şekilde yapabiliriz. İlk olarak, şekil değişimi hızı duyarlılığını bulmak istediğimiz bir malzemeden birçok çekme çubuğu hazırlama yolunu seçebiliriz. Her bir çubuğu farklı şekil değişimi hızında çekip, sabit bir gerinim değerine denk gelen gerilim değerlerini okuyabiliriz. İkinci bir seçenek olarak da, tek bir çekme testi yapıp, istenen gerinim değişimi elde edildiğinde şekil değişimi hızını arttırarak, gerilim değerlerini okuyabiliriz.

Bu ikinci seçeneği kullanarak m katsayısının nasıl bulunabileceği aşağıdaki resimde gösteriliyor. Çekme testi sırasında, diyelim ki gerinim miktarı 0.1’e ulaştığında, çekme hızını bir miktar arttırıp akma gerilimindeki artışı kaydediyoruz. Daha sonra gerinim miktarı 0.1’lik bir artış daha gösterdiğinde şekil değişim hızını tekrar arttırarak akma gerilimi değerindeki artışı tekrar kaydediyoruz. Ardından, sağdaki resimde gösterildiği gibi, bu okuduğumuz değerleri gerilim – şekil değiştirme hızı grafiğine yerleştirip, değişimin eğimine bakarak (yukarıdaki eşitlikteki gibi) m katsayısının değerini elde edebiliyoruz.

Şekil değişimi hızı duyarlılığının bizim için önemli olmasının bir diğer nedeni de malzemenin sünekliğini ciddi bir şekilde etkiliyor olması. Aynı gerinim sertleşmesi katsayısının sünekliği ifade ediyor olması gibi, bir malzemenin şekil değiştirme hızı duyarlılığının yüksek olması da, yine yüksek sünekliğe işaret ediyor. Dolayısıyla n ve m katsayıları ne kadar yüksekse, plastik kararsızlığın o kadar geç başlayacağını söyleyebiliriz.

Şekil değiştirme hızı duyarlılığının değeri 0 ile 1 arasında değişiyor. Bu katsayının 0 olması malzemenin şekil değiştirme hızına duyarlı olmadığını, yani hangi hızda çekersek çekelim aynı akma eğrisini elde edeceğimizi gösteriyor. Katsayının 1’e eşit olması ise, numuneyi her ne kadar çekersek çekelim, plastik kararsızlığın hiçbir zaman başlamayacağını, çektiğimiz sürece numunenin uzamaya devam edeceğini gösteriyor. Bu katsayının ~0.3 – 0.5 arasında olması ise, malzemenin süperplastik davranış sergilediğini belirtiyor.


Devamı: