Malzeme Mekanik Özelliklerinin Şekillendirme Etkisi

Metallerin plastik şekillendirme işlemleri, iş parçasının tipine göre kütlesel şekillendirme (bluk forming) ve sac metal şekillendirme (sheet metal forming) işlemleri olarak iki grupta altında sınıflandırılabilir.

Kütlesel şekillendirme işlemleri, her malzeme için şekillendirmenin bir sınırı olduğunu ifade eden kütlesel biçimlendirebilirlik (workability) kavramı ile tanımlanmaktadır. Haddeleme, dövme, ekstrüzyon, çubuk çekme gibi plastik şekil verme yöntemleri bu grup içinde sayılabilir.

Sac metalleri şekillendirme işlemleri ise, sac şekillendirme sınırını belirleyen (formabilty) kavramı ile tanımlanmaktadır. Derin çekme, bükme, kesme, gererek şekillendirme sac şekillendirme yöntemleri arasında sayılmaktadır. Şekillendirilecek parçalar, haddelenmiş saclar halindedir ve kalınlıkları diğer boyutlara göre oldukça küçük olduğundan büyük yüzey/hacim oranına sahiptir. Şekillendirme sonucunda sac metalde şekil olarak büyük değişimler olmasına rağmen, sac kalınlığında küçük değişimler meydana gelmektedir. Sac şekillendirme işlemlerinde, plastik şekil değişimi genellikle çekme gerilmeleri altında yapılmakta, elastik şekil değişimleri ise çoğunlukla etkili olmaktadır.

Sac metal parçaları imalatında değişik şekillendirme teknikleri ile seri üretim yapılmasına rağmen, birçok durumda kalıp ve parça tasarımı hala tecrübelere güvenilerek yürütülmektedir. Çünkü sac şekillendirme işlemlerindeki değişken sayısı oldukça fazladır ve bunların birbiri ile etkileşimleri oldukça karmaşıktır. Bu değişkenler malzeme değişkenleri; pekleşme üsteli “n”, şekil değişim hızı duyarlılığı ”m”, plastik anizotropi “r”, sac kalınlığı, tane büyüklüğü ve işlem değişkenleri olan zımba, kalıp tasarımı, yağlama vb. sacın şekillendirilebilirliği üzerinde büyük öneme sahiptir. Sac metallerin şekillendirilebilirliği büzülme kırılma gibi herhangi bir malzeme kararsızlığı olmaksızın en büyük şekil değişimi miktarı olarak tanımlanır.

Önerilen Makale: Çelik lama malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için lama sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Sac şekillendirme işleminde amaç, malzemenin kritik şekil değişim sınırı altında mümkün olduğunca üniform şekil değişimi elde etmektir. Eğer bu sınır aşılırda şekillendirme sırasında hasar meydana gelecektir. Sac malzemelerin şekillendirme özellikleri üç değişik yol izlenerek belirlenebilir:

• Klasik mekanik deneylerin sonuçlarından yararlanarak, 
• Şekillendirme yöntemlerinin benzeşimi olan deneylerle 
• Şekillendirme sınır diyagramları yardımıyla

Bunlar arasında değişik şekillendirme işlemlerine uygulanabilirlik açısından Şekillendirme Sınır Diyagramlarının (ŞSD) kullanılmasının en uygun yöntem olduğu genellikle kabul edilmektedir. ŞSD, sacın düzlemsel gerilmeler altında, incelmenin (boyun verme) meydana geldiği değişik şekil değiştirme kombinasyonlarındaki kabul edilebilir sınır şekil değişim miktarını vermektedir.

Karmaşık şekilli bir parçanın şekillendirilmesi sırasında oluşan şekil değiştirme şartları (iki eksenli germeden tek eksenli çekmeye kadar), daralan genişlikteki numunelerin kullanılması ile Hecker’ in geliştirdiği bu deney, endüstriyel sac şekillendirme uygulamalarının büyük çoğunluğu ile ilişkili olduğundan üniversal bir deney olarak kabul edilmektedir.

Mekanik deneyler yardımıyla, malzemelerin şekillendirilebilme karakterini doğrudan etkileyen mekanik özellikler incelemeye tabii tutulur. Plastik anizotropi değeri r ve pekleşme üsteli değeri n, şekillendirme karakterini doğrudan etkileyen, standart mekanik özellikler olarak kabul edilmektedir. Şekillendirilebilmeyi saptamaya yarayan deneyler ise, standart laboratuar deneyleri ve endüstriyel (uygulama) deneyleri olarak iki grup altında incelenebilir. Standart laboratuar deneyleri germe deneyleri(Erichsen, Olsen, Delik genişletme) ve derin çekme deneyleri (Swift, Fukui kap deneyleri) şeklinde alt gruplara ayrılabilir. Be deneyler, değişik malzemelerin germe ve derin çekme şartlarını belirlemek ve karşılaştırmak amacı ile uygulanır. Endüstriyel deneyler ise gerçek iş parçaları üzerinde yapılır.

Sac şekillendirmede, en önemli rol oynayan malzeme özellikleri, plastik akma ve kırılma davranışlarıdır. Bu özellikler, malzemenin kimyasal bileşimi, döküm tekniği, sıcak – soğuk haddeleme gibi faktörler tarafından kontrol edilmektedir. Bu etkenler;

• Katı çözelti sertleşmesi olarak bilinen alaşımlandırma. 
• Çökelme veya dispersiyon sertleşmesi. 
• Soğuk şekil verme ve ince taneli yapı. 
• Çelikteki martenzit gibi sert fazlardı

Sac şekillendirebilirliğini etkileyen malzeme değişkenleri, çekme deneyi sonucu elde edilen akma noktası, elastik modül, pekleşme üsteli, deformasyon hızına duyarlılık katsayısı, plastik anizotropi değerleri olarak sayılabilir.

Belirgin bir üst akma noktası, katılaşma sırasında segragasyon etkisi ile ara yer atomlarının dislokasyon boşluklarına yerleşerek dislokasyon hareketinin önlendiği sakinleştirilmemiş (rimmed) çelik gibi malzemelerde görülür. Sac şekillendirme işlemlerinde, çoğunlukla belirgin bir akma noktasının görülmesi istenmez.

İçinde azot ve karbon gibi az miktarda ara yer atomu bulunduran sakinleştirilmemiş çelikler %4 ile %5 arasında plastik şekil değişimlerinde girintili çıkıntılı gerilme – şekil değiştirme davranışı gösterirler. “Akma noktası uzaması (Lüders band oluşumu)” olarak isimlendirilen bu davranış, azot ve karbon gibi faz içinde bulunmayan arayer atomlarının dislokasyon altındaki boşluklara yerleşerek hareketini engellemesi ile açıklanabilir. Akma noktası uzaması boyunca şekil değiştirmiş bölgeler ile değiştirmemiş bölgeler arasında, “Lüders bandı” olarak adlandırılan deformasyon çizgileri oluşur. Oluşan lüders bantları, yüzeyde istenmeyen “timsah derisi” görünümlü yüzey hatalarına sebep olurlar. Bu yüzden, belirgin bir akma noktası gösteren malzemeler, sac şekillendirme işlemlerinde kullanılmazlar.

Soğuk haddelenmiş ve tavlanmış çelik saclara temper haddesi uygulanmaktadır. Temper haddesi, şekil değiştirme oranı %0,5 … %1,5 mertebesinde olan soğuk haddeleme işlemidir. Bu işlemin amacı, saca daha sonra plastik şekil verilirken belirgin akma ve dolayısıyla lüders bantlarının oluşumunu engelleyerek yüzey görünümünün bozulmamasını sağlamaktadır. Temper haddesinden sonra, saca yaşlandırma için hemen plastik şekil verilmelidir. Aksi halde, depolama sırasında belli bir süre aşılırsa şekillendirme sırasında belirgin akma ve lüders bantları yeniden görülür.

Katılaşma sırasında, Al ve Si ilavesi çeliğin deokside olmasını sağlayarak içindeki gaz oluşumunu engellemektedir. Bunun sonucunda, karbon ve azot segragasyonu oluşamadığından, bu arayer atomları dislokasyon boşluklarına yerleşmekte ve akma noktası uzaması meydana gelmektedir.
 

Elastikiyet modülü ve akma dayanımı değerleri, elastik geri yaylanma miktarının belirlemesinde büyük önem taşırlar. Geri yaylanmayı kontrol eden elastik şekil değişimlerdir. Bu nedenle, artan elastik şekil değişim miktarı ile geri yaylanma da artacaktır.

Düşük karbonlu çelikler, yaklaşık 140 MPa ile 240 MPa akma dayanımı değerleri arasında yüksek elastiklik modüllerine sahip olduklarından (∼210000 MPa) düşük geri yaylanma gösterirler. Düşük karbonlu çelikler ile yaklaşık aynı dayanıma sahip bir alüminyum alaşımı, düşük modüle sahip olduğundan (∼70000 MPa) üç kez daha fazla yaylanacaktır. Titanyum alaşımları ise çok yüksek akma dayanımlarına sahip olduklarından çok daha fazla geri yaylanacaklardır.
 

Bir sacın uygulanan gerilmedeki artış ile plastik şekil değişimi sırasındaki sertleşme yeteneği, soğuk şekillendirilebilirliğini etkileyen en önemli malzeme özelliğidir. Yerel olarak plastik şekil değişimine uğrayan bir bölgede, oluşacak pekleşmeden dolayı dayanım artacağından, bu bölgedeki şekil değişimi durur ve parçanın diğer komşu bölgelerinde plastik şekil değişimi başlar. Bu şekilde, pekleşmeden dolayı daha fazla üniform değişimi elde edilerek, parça daha geç hasara uğramaktadır. Şekil değiştirme sertleşmesi (pekleşme), çok kısa olarak deformasyon sırasında dislokasyon yoğunluğundaki artış ve artan dislokasyonların gerek birbiri gerekse diğer engellerle etkileşmesi ile açıklanabilir.

Çekme deneyinde, malzeme maksimum yüke kadar üniform şekil değiştirir. Üniform şekil değişimi, sacın pekleşme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Diğer bir ölçüt de, pekleşme üsteli (n) değeridir. Çekme deneyi sonucunda elde edilen akma eğrisindeki plastik şekil değişimi ile gerilme arasındaki ilişki, Holloman bağıntısı olarak bilinen σ = K εⁿ üstel fonksiyonu ile tanımlanır. Bu eğriye göre, logaritmik gerilme plastik şekil değişimi diyagramındaki doğrunun eğimi pekleşme üsteli (n) olarak ifade edilir.

Pekleşme üsteli (n) değerini artıran mikrayapısal özellikler, metalde daha iyi şekil değişimi dağılımı ve daha yüksek sınır şekil değişimleri sağlayarak sacın şekillendirebilirliğini iyileştirir. Yeniden kristalleşen yapılar, düşük akma dayanımları ve yüksek pekleşme kapasitesi gösterirler. İyi bir şekillendirilebilirlik için diğer önemli bir koşul da, (n) değerinin yüksek olması yanında artan şekil değişimlerinde de yüksek değerlerini korumasıdır.
 

Birim şekil değiştirme hızı ile akma gerilmesi arasında σ = C ε^m olarak tanımlanan bir üstel ilişki vardır. Burada ε birim şekil değişim hızı, m deformasyon hızına duyarlılık üsteli ve C ise malzeme sabitidir. Malzemedeki birim şekil değiştirme dağılımında rol oynayan diğer önemli özellikten biri de değişim hızına duyarlılıktır. Bu özellik artan şekil değiştirme hızı ile meydana gelen akma gerilmesindeki artış olarak tanımlanır. Eğer şekil değiştirme hızında bir artış meydana gelirse, artan şekil değiştirme hızı ile sertleşen malzeme daha üniform bir deformasyona maruz kalacaktır. Çünkü yüksek şekil değişim hızlarının meydana geldiği bölgelerde ek deformasyon oluşur ve bu ek deformasyon daha büyük gerilmeler oluşturur.

Şekillendirme işlemlerinde, şekil değiştirme miktarı ve şekil değiştirme hızındaki artışlar, çoğunlukla sürtünme ve geometrik sınırlamadan dolayı meydana gelmektedir. Hem pekleşme üsteli hem de deformasyon hızına duyarlılık üsteli, üniform olmayan yerel boyun vermenin azalmasında ve hasara kadar olan şekil değişim miktarının artmasında önemli rol oynamaktadır. Dislokasyonların ısıl titreşimleri sonucu malzemedeki kısa mesafeli engellerden (yabancı atomlar, kafes sürtünmesi, orman dislokasyonları v.b.) kurtulmaları ile şekil değişim hızı duyarlılığı değeri yükselir. Dislokasyonların engelleri hızla aşması ile şekil değişim hızında bir artış meydana gelecektir. Sonuç olarak, yüksek m değerlerine sahip metaller daha fazla üniform şekil değişimleri göstereceklerdir.

Plastik anizotropi, malzemenin boyun vermeye (incelmeye) karşı gösterdiği direnç ile ilişkili olduğu için şekillendirme açısından büyük öneme sahiptir. Sac metaller farklı doğrultularda şekillendirildikleri zaman değişik plastik anizotropi özellikleri gösterirler.

Çelik levhaların şekillendirilebilirlik özelliklerinin çoğu tek yönlü çekme deneyi ile belirlenir. Pek çok uygulama malzeme seçimi, parçalar için gerekli kullanım şartlarıyla malzemenin özellikleri karşılaştırılarak yapılır. Seçme işleminin ilk aşamasında, malzeme için gerekli özellikleri belirlemek amacı ile kullanım şartlarının analizi gerekmektedir. Bu yöntemlerden bir tanesi de çekme testidir. Çekme testi, malzemenin statik ve yavaş uygulanan bir kuvvete karşı direncini ölçmek için yapılır. Belirleyici parametreler; akma mukavemeti, çekme mukavemeti, toplam uzama mikarı, üniform uzama miktarı, akma uzaması, plastik deformasyon oranı (R), yöne bağımlı anizotropideki farklılık ve deformasyon sertleşmesi üssü değeridir.

Malzemede kırılma; malzemenin tahrip olarak, parçalara ayrılması ve bu suretle maruz kalacağı yükleri emniyetle kaldırma kabiliyetini tamamen kaybetmesi demektir. İç veya dış çatlama sonucunda malzeme ayrılması kırılma olarak adlandırılır.