Gerilim-Gerinim Eğrisinin Sırlarını Çözmek

Hiç lastik bandın neden yerine geri döndüğünü, ancak ataşın neden bükülmüş kaldığını düşündünüz mü? Ya da bazı şeylerin kırılmadan önce neden çok gerildiğini, diğer şeylerin ise neden hemen kırıldığını? Ben de bu soruları düşünürdüm. İşte, bir şeyleri çektiğinizde nasıl davrandığını bize tam olarak gösteren özel bir grafik var. Buna gerilme-şekil değiştirme eğrisi denir ve malzeme mekaniğinin en önemli fikirlerinden biridir.

Bu makale sizin haritanız olacak. Bir gerilme-şekil değiştirme eğrisinin ne olduğuna bakacağız. Onu nasıl okuyacağımızı öğreneceğiz. Ve bize günlük nesneler hakkında ne anlattığını göreceğiz. Mühendislerin bu gerilme-şekil değiştirme eğrilerini neden bu kadar faydalı bulduğunu öğreneceksiniz. Onları köprülerden uçaklara kadar her şeyi inşa etmek için kullanıyorlar. Sonunda, basit bir grafik çizelgeye bakabilecek ve malzemenin içindeki gizli güçlü ve zayıf noktaları öğrenebileceksiniz.

Stres ve Gerginlik Nedir?

Gerilme-şekil değiştirme eğrisini elde etmek için öncelikle iki ana parçasını bilmemiz gerekiyor. Bu parçalar gerilme ve şekil değiştirmedir. Kulağa zor gelebilirler, ancak aslında çok basittirler. Kendinizi bir halat çekme yarışında hayal edin. Halat üzerinde kullandığınız çekme, içinde bir kuvvet oluşturur. Bu kuvvete gerilme denir. Tam olarak, gerilme, bir şeye uygulanan kuvvetin, alanına yayılmış miktarı olarak tanımlanır. Bunu malzemenin iç kısımda ne kadar "basınç" hissettiği olarak düşünün. Yani, aynı halat üzerinde daha büyük bir çekme, daha fazla gerilme anlamına gelir.

Şimdi, halatı çekerken halata ne oluyor? Geriliyor! Bu gerilmeye şekil değiştirme denir. Şekil değiştirme, bir şeyin gerilme nedeniyle şeklini ne kadar değiştirdiğini bize söyler. Halat biraz daha uzarsa, biraz şekil değiştirmiş olur. Çok gerilirse, çok şekil değiştirmiş olur. Yani, gerilme ve şekil değiştirmeyi bir takım olarak düşünebilirsiniz. Biri diğerine neden olur. Gerilme uygularsınız (çekme) ve şekil değiştirme elde edersiniz (gerilme).

Gerilme ve şekil değiştirmenin birlikte nasıl çalıştığını anlarsanız, bir malzeme hakkında çok şey anlayabilirsiniz. Bu takım çalışması tam olarak gerilme-şekil değiştirme eğrisinin bize gösterdiği şeydir. Bir şeyi çektiğimizde, buna çekme gerilmesi diyoruz. Bir şeyi ezdiğimizde, buna basınç gerilmesi diyoruz. Haritamız için, çoğunlukla bir şeyleri çekmek hakkında konuşacağız.

Stres-Gerinim Eğrisini Nasıl Oluştururuz?

Peki, insanlar bu faydalı çizelgeleri nasıl yapıyor? Çekme testi yapmak için özel bir makine kullanıyorlar. Bir malzeme parçasını aldığınızı hayal edin. Genellikle köpek kemiği şeklinde olur. Onu bir test makinesine koyarsınız. Bu makinenin malzemenin her iki ucunu tutan güçlü kelepçeleri vardır. Ardından, test makinesi yavaşça malzemeyi ayırmaya başlar. Bu tek eksenli bir çekmedir. Bu sadece tek bir düz çizgide çektiği anlamına gelir.

Test makinesi oda sıcaklığında daha fazla kuvvetle çekerken, aynı anda iki şeyi ölçer:

1. Kuvvet: Bu, makinenin ne kadar sert çektiğidir. Makine bu sayıyı gerilmeyi hesaplamak için kullanır.
2. Uzama: Bu, malzemenin ne kadar gerildiğidir. Makine bunu şekil değiştirmeyi hesaplamak için kullanır.

Makine bu noktaları bir çizelgeye koyar. Gerilmeyi yukarı ve aşağı, şekil değiştirmeyi ise yan yana koyar. Çizilen çizgi ünlü gerilme-şekil değiştirme eğrisidir! Sadece bir test bize tonlarca bilgi verir. Bize o mühendislik malzemesi parçasının tüm mekanik özelliklerini anlatır.

Eğrinin İlk Kısmı Bize Ne Anlatıyor?

Bir metal için tipik bir gerilme-şekil değiştirme eğrisine ilk baktığınızda, eğrinin mükemmel şekilde düz olan bir çizgiyle başladığını göreceksiniz. Yukarı ve sağa doğru gider. Bu düz kısma doğrusal elastik alan diyoruz. Bu ne anlama geliyor? Bu, malzemenin tıpkı yeni bir lastik bant gibi davrandığı anlamına gelir. Çektiğinizde gerilir. Bıraktığınızda, ilk şekline geri döner. Buna elastik hareket diyoruz. Malzeme kalıcı olarak değiştirilmemiştir.

Eğrinin bu bölümünde, gerilme şekil değiştirmeyle orantılıdır. Bu, bilimde ünlü bir kuraldır. Gerilmeyi iki katına çıkarırsanız, şekil değiştirmeyi de iki katına çıkarırsınız. Bu mükemmel takım çalışması, özel bir noktaya gelene kadar devam eder. Bu noktaya orantı sınırı denir. Çizgi, bu orantı noktasına kadar tamamen düzdür. Hikayenin çok basit bir parçasıdır. Malzemenin elastikiyetinin ilk belirtilerini gösterir. Bu düz çizgiye eğrinin doğrusal kısmı denir.

Eğrinin bu kısmı mühendisler için büyük bir olaydır. Her gün kullandığımız şeyler için elastik sınır içinde kalan şeyler yapmak isterler. Örneğin, bir kamyon üzerinden geçtikten sonra bir köprünün bükülmüş kalmasını istemezsiniz! Orantı sınırı, gerilme-şekil değiştirme ilişkisinin düz bir çizgi olmayı bıraktığı noktadır. Hemen sonrasında elastik sınır vardır. Bu, malzemenin bıraktığınızda orijinal şekline geri dönebileceği son noktadır.

Elastisite Modülü Nedir?

Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin ilk kısmı düz bir çizgidir. Her düz çizginin bir eğimi vardır. Bu eğimin özel bir adı vardır. Buna Elastikiyet Modülü denir. Bazen Young Modülü olarak da adlandırılır. Biliyorum, kulağa havalı geliyor. Ama sadece bir sayı. Bize bir malzemenin ne kadar sert olduğunu söyler. Çelik gibi sert bir malzemenin çok dik bir eğimi olacaktır. Bu, sadece biraz şekil değiştirme elde etmek için çok fazla gerilmeye ihtiyacınız olduğu anlamına gelir.

Şöyle düşünün: bir çelik çubuğu germek çok zordur. Bunun nedeni, elastikiyet modülünün çok büyük bir sayı olmasıdır. Öte yandan, kauçuk gibi bir malzemenin şekil değiştirme eğrisinde çok dik olmayan bir eğimi vardır. Çok fazla şekil değiştirme elde etmek için çok fazla gerilmeye ihtiyacınız yoktur. Bu yüzden kauçuk çok esnektir! Yani, modül sadece elastik alandaki gerilmenin şekil değiştirmeye bölünmesidir. Elastikiyet modülü önemli bir özelliktir. Mühendislerin bir iş için doğru malzemeyi seçmelerine yardımcı olur.

Bu sayıyı, modülü, eğrinin düz, doğrusal kısmının eğimini bularak buluruz. Malzemenin elastikiyetini ölçmenin çok önemli bir yoludur.

Bir Malzeme Kalıcı Olarak Gerilmeye Başladığında Ne Olur?

Malzememizi elastik sınırın ötesinde çekmeye devam edersek, farklı bir şey olur. Gerilme-şekil değiştirme eğrisi artık düz değildir. Bükülmeye başlar. Bu, akma noktası olarak adlandırılan noktadır. Akma noktası, çizelgemizdeki önemli bir noktadır. Bu, malzemenin elastik olmayı bıraktığı noktadır. Sonsuza kadar değişmeye başlar. Buna plastik deformasyon diyoruz.

Bir ataşı bükmeyi düşünün. Biraz bükebilirsiniz ve şekline geri döner (bu elastiktir). Ancak çok fazla bükerseniz, bükülmüş kalır. Akma noktasını geçtiniz. Artık plastik deformasyon alanındasınız. Bu noktaya ulaşmak için ihtiyacınız olan gerilme miktarına akma dayanımı veya akma gerilmesi denir. Akma dayanımını geçtikten sonra, malzeme kalıcı bir deformasyona sahip olacaktır. Bu, çekmeyi bıraktıktan sonra bile olur. Onu sonsuza kadar değiştirdiniz!

Yumuşak çelik gibi bazı şeyler için, akma noktasını görmek çok kolaydır. Eğri biraz bile aşağı inebilir. Bu, malzemenin aniden çok fazla gerilmeye başladığı anlamına gelir. Çok daha fazla kuvvet eklemenize bile gerek yok. Bunun nedeni, metalin içindeki çok küçük parçaların hareket etmeye başlamasıdır. Bu, kalıcı bir şekil değiştirmenin başlangıcıdır. Plastik deformasyonu indüklemek sadece bu noktayı geçmek için yeterli gerilme kullanmanız gerektiği anlamına gelir.

Eğri Neden Eğildikten Sonra Tekrar Yükselir?

Bu, hikayenin çok ilginç bir parçasıdır. Malzeme kalıcı olarak değişmeye başladıktan sonra (akma gerilmesini geçtikten sonra), sadece zayıfladığını düşünebilirsiniz. Ancak metal gibi birçok malzeme için, gerilme-şekil değiştirme eğrisi tekrar yukarı çıkmaya başlar! Bu, malzemenin şekil değiştirirken gerçekten güçlendiği anlamına gelir. Bu harika özelliğe şekil değiştirme sertleşmesi denir.

Peki içeride neler oluyor? Malzeme gerildikçe, içindeki tüm küçük parçalar karışır ve dolaşır. Bu dolaşma, hareket etmelerini zorlaştırır. Yani, germeye devam etmek için daha fazla gerilme uygulamanız gerekir. Çizelgenin bu kısmına şekil değiştirme sertleşme bölgesi diyoruz. Malzeme daha sertleşir. Bu, şekil değiştirme sertleşmesi nedeniyle olur.

Hiç bir teli ileri geri büktünüz mü? Muhtemelen her seferinde bükmenin zorlaştığını gördünüz. Bu, hareketteki şekil değiştirme sertleşmesidir! Metali daha güçlü hale getiriyorsunuz, ancak aynı zamanda daha az esnek hale getiriyorsunuz. Bu, malzemenin daha fazla değişikliğe karşı nasıl savaştığıdır. Deformasyonun gerçekleştiği yer burasıdır. Bu alanda şekil değiştirme arttıkça gerilme de artar.

Eğrinin En Güçlü Noktası Nedir?

Çekmeye devam ettikçe ve malzeme sertleşmeye devam ettikçe, gerilme-şekil değiştirme eğrisi yukarı doğru gitmeye devam eder. Sonunda bir tepeye ulaşır. Bu, tüm eğrinin en yüksek noktasıdır. Bu tepeye nihai çekme dayanımı (UTS) denir. Bu, malzemenin alabileceği en büyük mühendislik gerilmesi miktarıdır. Bu noktadan sonra zayıflamaya başlar.

Nihai çekme dayanımı çok önemli bir sayıdır. Bir malzemenin hayatta kalabileceği en büyük çekme kuvvetini size söyler. UTS'den daha yüksek bir gerilme kullanırsanız, malzeme kırılacaktır. Gerilme-şekil değiştirme eğrisinde tepenin kralıdır. Bu noktayı geçen herhangi bir gerilme değeri, malzemenin yakında kırılacağı anlamına gelir.

Bunu malzemenin son büyük anı olarak düşünebilirsiniz. Gerildi. Şekil değiştirme sertleşmesi yoluyla sertleşti. Ve şimdi en güçlü noktasında. Bu noktadan itibaren işler aşağı doğru gitmeye başlar. Bu, kırılma olarak adlandırılan nihai kırılmaya yol açar. Nihai gerilme çok önemli bir bilgidir. Mühendislerin güçlü parçalar tasarlaması için buna ihtiyacı var.

Boyun verme nedir ve neden olur?

En üst noktaya, nihai çekme dayanımına ulaştıktan sonra, garip bir şey olmaya başlar. Gerilme-şekil değiştirme eğrisi aşağıyı göstermeye başlar. Ama durun, hala çekerken gerilme nasıl düşebilir? Bunun nedeni, boyun verme dediğimiz bir şeydir.

Malzeme kırılmaya yakın olduğunda, küçük bir nokta incelmeye başlar. Bir boyun oluşuyormuş gibi görünür. Boyundaki kesit alanı küçülür. Daha küçük olduğu için o kadar kuvvet tutamaz. Çekme şimdi o küçük alanda. Yani boynun içindeki gerçek gerilme hala artıyor! Buna gerçek gerilme diyoruz. Ancak makine, kuvveti kesit alanına göre ölçüyor. önce kesit alanı. Yani, hesapladığı gerilme düşüyor gibi görünüyor. Bu, mühendislik gerilmesidir.

Bu boyun verme bölgesi, malzemenin artık kararlı olmadığını gösterir. Tüm gerilme artık o küçük boyun alanında gerçekleşiyor. Boyun verme, UTS'ye ulaşıldıktan hemen sonra başlar. Boyun verme süreci devam eder. Kesit giderek küçülür. Sonra, malzeme sonunda kırılır.

Bir Malzeme Sonunda Nasıl Kırılır?

Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin sonu, kırılma noktasıdır. Bu, malzemenin sonunda iki parçaya ayrıldığı yerdir. Birçok metal gibi sünek bir malzeme için, bu kırılma çok fazla gerilmeden ve çok fazla boyun vermeden sonra gerçekleşir. Sünek bir malzemenin kırık parçalarına bakarsanız, genellikle "bardak ve koni" kırılması adı verilen bir şekil görürsünüz. Bir tarafı bir bardağa, diğer tarafı ise bir koniye benziyor. Bu, bu tür bir kırılmanın açık bir işaretidir.

Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin altındaki tüm alan, bize malzemenin tokluğunu anlatır. Tokluk, bir şeyin kırılmadan önce ne kadar enerji alabileceğini ölçmenin bir yoludur. Yüksek bir nihai çekme dayanımına sahip ve aynı zamanda çok gerilen bir şey çok toktur. Eğrisinin altında geniş bir alan olacaktır. Kırılmadan önce çok fazla enerji kaldırabilir. Bu, birçok iş için çok iyi bir özelliktir.

Gerilme-şekil değiştirme eğrisinde gördüğümüz yolculuk, ilk elastik gerilmeden son kırılmaya kadar, bize bir malzemenin özelliklerinin tam bir resmini verir. Bize gücünü, sertliğini ve enerjiyi ne kadar iyi emebileceğini söyler. Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin altındaki alan, birim hacim başına emilen şekil değiştirme enerjisi miktarını gösterir.

Farklı Malzemelerin Neden Farklı Eğrileri Var?

Tüm gerilme-şekil değiştirme eğrileri aynı görünmez. Gerçekten de, eğrinin şekli bir malzeme için bir parmak izi gibidir. Malzemenin sünek mi yoksa kırılgan mı olduğunu size söyler. Gördüğümüz gibi, sünek bir malzeme (çelik veya bakır gibi) uzun bir gerilme-şekil değiştirme eğrisine sahiptir. Çok gerilir. Ayrıca kırılmadan önce açık bir akma noktası, şekil değiştirme sertleşmesi ve boyun verme gösterir.

Ancak kırılgan malzemeler (cam veya seramik gibi) çok farklı bir gerilme-şekil değiştirme eğrisine sahiptir. Eğrileri çok kısa ve diktir. Kırılgan bir malzeme neredeyse sıfır plastik deformasyon gösterir. Elastik alanda çok az gerilir ve sonra sadece kırılır! Uyarı yok. Akma noktası yok. Ve boyun verme yok. Bu yüzden bir cam düşürdüğünüzde hemen parçalanır.

Yani, bir mühendis bir gerilme-şekil değiştirme eğrisinin şekline bakabilir ve o malzemenin nasıl davranacağı hakkında çok şey bilebilir. Sünek malzemeler durumunda, kırılma yavaştır. Ancak kırılgan malzemelerin kırılması hızlı ve ani olur. Orijinal gerilme-şekil değiştirme eğrisi tüm hikayeyi anlatır. Ayrıca gerçek gerilme ve gerçek şekil değiştirmeye de bakabiliriz. Bu, özellikle boyun verme bölgesinde bize daha iyi bir resim verir. Değişen kesit alanı için sayıları düzeltir. Mühendislik şekil değiştirmesi ve normal şekil değiştirmeyi ölçmek daha kolay yollardır. Başlangıç uzunluğunu kullanırlar.

Şu Temel Noktaları Unutmayın:

• Gerilme, bir malzemenin içindeki kuvvettir ve şekil değiştirme, ne kadar gerildiğidir.
• Gerilme-şekil değiştirme eğrisi bir çizelgedir. Bir şeyi çektiğinizde nasıl davrandığını gösterir.
• Elastik alan, eğrinin düz kısmıdır. Burada, malzeme ilk şekline geri dönecektir.
• Elastikiyet Modülü, elastik alanın eğimidir. Bize bir şeyin ne kadar sert olduğunu söyler.
• Akma noktası, malzemenin kalıcı olarak değişmeye başladığı yerdir. Buna plastik deformasyon denir.
• Şekil değiştirme sertleşmesi, bir şey gerilirken güçlendiği zamandır.
• Nihai Çekme Dayanımı, bir malzemenin alabileceği en büyük gerilmedir.
• Boyun verme, malzemenin kırılmadan hemen önce bir noktada inceldiği zamandır.
• Sünek şeyler çok gerilir. Kırılgan şeyler sadece kırılır.