Sertlik Ölçme Deneyi

Sertlik, genel olarak malzemelerin çizilmeye (plastik deformasyona) karşı göstermiş oldukları dirence denir. Sertliğin bir birimi yoktur, ölçüldüğü yöntemle anılır. ( HB, HRc, HV vb…) Genel olarak ölçüm yöntemlerinde malzemenin kendisinden daha sert bir malzemeyle deformasyona uğratılması amaçlanır. Oluşan deformasyon ne kadar azsa malzemenin sertliği o derece yüksektir. Genel olarak malzemeye uygulanan dik kuvvetin malzeme yüzeyine etki ettiği alana bölünmesi, sonucu sertlik değeri saptanır. (F/A). Sertlik ölçümü yapılırken en az 3 farklı noktada deney verileri elde edilerek, ortalamasının alınmasıyla yapılır. (Malzemenin homojen yapıda olmaması ihtimaline karşı). Ayrıca deney yapılacak yüzey düzgün olmalı, deney yapılan noktalar arası oluşan izin en az 2 3 çapı kadar mesafe olmalı, çok kenar noktalardan ölçüm yapılmamalıdır.

Sertlik Ölçüm Yöntemleri

Sertlik ölçüm yöntemlerinde yaygın olarak kullanılan 2 farklı yöntem vardır. Bular Statik Sertlik Ölçme ve Dinamik Sertlik Ölçmedir.

1) Statik Sertlik Ölçme Yöntemleri

Statik Sertlik Ölçüm de kendi içerisinde 3’e ayrılmaktadır.

Rockwell Sertlik Ölçümü

Koni ya da küre biçiminde bir ucun belli bir yük altında, bir malzeme üzerinde oluşturduğu izin, derinliğinden yararlanarak ölçülen sertlik değeridir. Sertlik ölçümü yapılmadan önce malzeme yüzeyinin temizliği ve uygulanacak olan kuvvetin dik olması kesinlikle kontrol edilmelidir. Uygulanan yük konik şekildeyse º olmasına, çelik bilyaysa 1,59 mm çapa sahip olmasına dikkat edilmelidir. Eğer konik elmas uç kullanılırsa yöntem HRc ya da HRa olarak ifade edilirken, çelik bilya kullanılırsa HRb ve HRf ifadeleri kullanılır.
Sertlik ölçümü yapılırken öncelikle batıcı uç malzemeye temas ettirilir, ölçü aleti 0 değerine ayarlanır. Daha sonra esas uygulanacak olan yük uygulanır, ana yük kaldırılır ve oluşan izin alanı ölçülüp, uygulanan kuvvet değeriyle birlikte Rockwell skalasına göre sertlik değeri bulunur.
Genel olarak metallerin, özellikle de çeliklerin sertlik değerleri bu yöntemle bulunur. Uygulaması çok kolay olması sebebiyle piyasada en çok kullanılan yöntemdir.

Brinel Sertlik Ölçümü

Uygulanan yükler malzeme gruplarına göre değişiklik gösterir. Bakır pirinç gibi malzemeler için kgf, dökme alüminyum için kgf ve demir çelik gibi sert metaller için kgf değerinde yük uygulanır. Batıcı uç olarak standart 10 mm bilya kullanılır. Deney esnasında yük, malzeme üzerinde belirli bir süre bekletilir. Yükün uygulama süreleri malzeme gruplarına göre değişiklik gösterir. Örneğin çelik gibi sert malzemelerde bu süre 15 saniyedir, yumuşak metal, pirinç gibi malzemeler içinse 30 saniyedir. Bu süre malzeme sertliğiyle ters orantılıdır. Malzeme cinsine göre batıcı uçla birlikte standartlarda belirtilen kuvvet dik bir şekilde uygulanır. Gerekli süre boyunca yükte tutulur, ardından batıcı ucun oluşturduğu deformasyon izinin ölçümleri gerçekleştirilip sertlik değeri tayin edilir.
Eğer deney standartları haricinde bir uygulama yapıldıysa bu değerler belirtilir.
Örneğin: HB/8//40 değerleri verildiyse buradan anlamamız gereken;

• Brinell sertlik değerini
• 8: Bilya çapını (mm)
• Uygulanan yükü
• Bilyanın etki etme süresi

Vickers Sertlik Ölçümü

Yöntem çeşitli standartlara göre hazırlanmış tabanı, kare tepe açısı º olan piramit şeklindeki batıcı elmas ucun farklı yükler altında numuneyi deforme etmesinden oluşur. Uygulanan yük 5 saniye içinde maksimum süresine ulaşmalı ve maksimum saniye malzemeye etki etmelidir. Oluşan deformasyon bölgesinin, köşegenlerinin arasında oluşan mesafeler ölçülür. En karmaşık ölçüm yöntemi olmasına karşın en hassas ölçümler bu yöntemle gerçekleşir. En yüksek sertlik değerleri ve sinterli malzemelerin sertliğinin ölçümü rahatlıkla yapılır.

2) Dinamik Sertlik Ölçüm Yöntemleri

Shore Sertlik Ölçüm Yöntemi

Bir boru içerisinden kütlesi 20 g olan bilye biçiminde cisim düşey olarak deney yapılacak olan malzeme üzerine düşer ve geri sıçrar. Sert malzemelerde düşüş enerjisinin küçük bir kısmı, malzeme üzerinde şekil değişimine harcanır. Bu nedenle sert malzemelerde düşen cismin izi küçük olur. Enerjinin geri kalan kısmı geri sıçramaya neden olur. Geri sıçramayı meydana getiren enerji ölçü aletiyle tespit edilir. Geri sıçrama yüksekliği malzemenin sertliğinin ölçüsüdür.

Çeliklerin Üretim Yöntemleri ve Kullanım Alanları Nelerdir? başlıklı yazımıza gidebilir yada Kar-Tes Kesici Takımlar Blogu’na dönebilirsiniz.

Sertlik, malzemelerin plastik deformasyona karşı direnç gösterebilme kabiliyetidir. 

Sertlik ölçümü, malzemeye bilinen miktardaki bir yük ile başka bir malzeme tarafından yük uygulanması, bastırılması ile ölçülebilir. 

Malzemelerin plastik deformasyona karşı koyabilme direnci akma dayanımı ile alakalı olduğundan, böyle bir kuvvet uygulanmasıyla sertlik göreceli olarak belirlenebilir. 

Batıcı uç olarak elmas gibi sert malzemelerin kullanılmasıyla deformasyon sadece kuvvetin uygulandığı malzemede (test numunesi) sınırlı tutulur. 

Temel Sertlik Ölçme yöntemleri 

1. Rockwell Sertlik Deneyi: Rockwell sertlik deneyi, sabit yük altında, malzeme üzerinde oluşturulan iz derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Ölçümü yapılacak malzemenin cinsine göre, iz bırakıcı olarak ucu çok az yuvarlatılmış °lik konik elmas uç veya 1/16” ve 1/8” çapında çelik bilyeler kullanılır. Yük ise 60, veya kg olarak uygulanır. Her yük-iz bırakıcı kombinasyonu farklı bir Rockwell skalasını oluşturur. Bu skalalardan en çok kullanılanlar Rockwell B ve Rockwell C skalasıdır. Rockwell B skalası yumuşak ve sünek malzemelerde kg yük ve 1/16” çapında çelik bilye kullanılarak uygulanır. Sertliği HRB arasında olan malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir. Rockwell C skalası sertleştirilmiş çeliklere kg yük ve konik elmas uç kullanılarak uygulanır. Sertliği HRC arasında olan malzemelerin sertliğinin ölçümü için uygun sonuçlar verir.

2. Brinell Sertlik Deneyi: Brinell sertlik deneyi, malzeme yüzeyine belirli bir yükün (F), belirli bir çaptaki (D) sert malzemeden yapılmış bir bilye yardımıyla belirli bir süre uygulanması sonucu yüzeyde kalıcı bir iz meydana getirmek esasına dayanır. Daha sonra oluşan kuvvetin oluşan izin küresel yüzey alanına bölünmesiyle Brinell sertlik değeri elde edilir. Deney sonrası sertlik sonucu ifade edilirken BSD işaretinin yanında diğer deney şartları bilye çapı/yük/uygulama süresi sırasına göre bir bilgi eklenir.

3. Vickers Sertlik Deneyi: Vickers sertlik deneyinin kullanım alanı çok geniştir. Çok yumuşak ve çok sert malzemeler için uygundur. Vickers sertlik deneyi, tabanı kare ve tepe açısı ° olan standartlaştırılmış piramit seklinde bir elmas ucun, değişken yükler altında numune yüzeyine batırılması sonucu bir iz oluşturma esasına dayanır. Deney yükü                               (F)1 kg ile kg arasında seçilebilir. Deneyden sonra Vickers sertlik değerini bulmak için kare seklindeki izin köşegenleri mikroskop yardımı ile hassas bir şekilde ölçülür.

1 SERTLİK ÖLÇME DENEYLERİ

2 Sertlik nedir? Sertlik genel anlamda, malzemelerin kesmeye, çizilmeye, aşınmaya veya kendisine batırılmaya çalışılan cisimlere karşı göstermiş oldukları kalıcı şekil değiştirme (plastik deformasyon) direnci olarak ifade edilebilir. Statik yükleme altında sertlik nasıl ölçülür? Sertlik ölçümü için çeşitli yöntemler vardır. Genel anlamda, şekli ve malzemesi bilinen batıcı bir uç, sertliği ölçülecek malzemeye miktarı belirlenmiş statik kuvvet altında batırılır. Yeterli süre sonunda uygulanan kuvvetin malzemede oluşan kalıcı izin alanına bölünmesiyle veya kalıcı izin derinliğinden yararlanılarak bir sayıya ulaşılır. Bu değer, sertlik ölçme yöntemine özeldir ve başka yöntem sonuçları ile doğrudan karşılaştırılamaz.

3 Sertlik ölçme yöntemleri plastik deformasyon ölçümlerine veya elastik deformasyon ölçümlerine bağlı olarak yapılabilir. Plastik deformasyon ölçümleri ile yapılan türler de kendi aralarında statik yükleme altında ve dinamik yükleme altında uygulananlar olarak ikiye ayrılır. Ancak biz, metaller üzerinde özellikle en çok uygulanılan ve pratik uygulamalarda sıklıkla karşılaşılan yöntemler olarak Brinell, Vickers ve Rockwell sertlik ölçme metodları üzerinde duracağız.

4 Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi Kullanılan batıcı ucun geometrisi : D çapında küresel uç. Standart çaplar : 1 ; 2,5 ; 5 ; 10 [mm] Kullanılan batıcı ucun malzemesi : Çelik veya Sert metal Uygulanan yükleme : Ölçme yapılacak malzemeye göre değişen yükleme derecesi seçilir ve seçilen yükleme derecesinden bulunan statik bir yük seçilir. C = F/D 2 = sabit C sabitine yükleme derecesi denir. Sertlik değerinin elde edilişi (sertlik değerine ulaşma) : Uygulanan yük değerinin kalıcı iz alanına bölünmesi ile ulaşılır.

5 HB F S 0,F D( D D 2 d 2 (F : Yük, S : Küre kapağı alanı) Tablo-1 : Brinell Sertlik ölçümlerinde yük (F) ve küre çapı (D) seçimi için yükleme dereceleri Malzeme Grubu Çelik ve Dökme Demirler (HB ) Al-, Cu-, Ni- ve Zn-alaşımları, Dökme Demirler (HB < ) Yükleme Derecesi : C = F / D Saf Al, Mg, Zn 5 Yatak malzemeleri 2,5 Pb, Sn 1,25

6 F Sertlik ölçme işlemi sırasında dikkat edilmesi gerek bazı hususlar şu şekilde özetlenebilir: Yukarıdaki şekil üzerinde de görüldüğü gibi, ölçme yerinin konumu malzeme kenarından ve önceki ölçme izinden yeteri kadar uzak olmalı (x 4 d ve y 2,5 d). Ayrıca malzeme kalınlığı da ölçme izi derinliğine göre yeteri kadar fazla (h H/8). D h d H x y d 2 d 1 h H/8 d = (d 1 + d 2 ) / 2 x 4d y 2,5d

7 Brinell sertlik ölçümü, temiz bir yüzey bölgesinde 10 veya 15 saniye süreyle yapılan statik yükleme ile yapılır. Plastik deformasyon izi çapı ölçülerek (ilgili tablolardan bakılarak veya hesaplama yapılarak) sertlik değeri elde edilmiş olunur. Sertlik sonucunun gösterilişi, X HB D/F/t, (burada D [mm], F [kg], t [s] olarak verilir.) şeklinde olup aşağıdaki örnek üzerinde de kısaca açıklanmıştır. Örnek: HB 5//30 ifadesi, D = 5 mm küresel uçla, F = *9,8 = N luk yük altında ( kg), 30 s tutarak ölçülen Brinell sertlik değeri demektir.

8 Brinell sertlik ölçümleri, yaklaşık HB bölgesi için çelik bilye ve HB aralığında ise sertmetal bilyeler kullanılarak gerçekleştirilir. Çekme mukavemeti ile Brinell sertlik değeri arasında, gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sonucunda, şu bağıntının verilebileceği gözlenmiştir; R m 0,35 HB

9 Yöntemin sınırlamaları: Malzeme türüne uygun yükleme derecesi seçilmesi gerekir, Malzeme türüne uygun batıcı uç seçilmesi gerekir, HB değerinin üzerindeki malzemelerin sertlikleri ölçülemez, Oluşan kalıcı izin geometrisi nedeniyle hassas ölçüm yapılamaz, Yüzey pürüzlülüğü (Vickers kadar olmasa da) azaltılması gereklidir. Kalını izin deriğinliğine göre sınırlanan, malzeme kalınlığı vardır.

10 Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi Kullanılan batıcı ucun geometrisi : º tepe açısına sahip kare tabanlı piramit. Kullanılan batıcı ucun malzemesi : Elmas uç Uygulanan yükleme : Ölçme yapılacak malzemeye göre değişebilir statik yüklemedir. Özellikle çok ince levha biçimindeki malzemelerde (veya çok ince sertleştirilmiş tabakalarda) düşük yüklemeler seçilir (F < 2N). Bu şekilde mikro sertlik ölçümleri yapılabilir. Sertlik değerinin elde edilişi (sertlik değerine ulaşma) : Uygulanan yük değerinin kalıcı iz alanına bölünmesi ile ulaşılır.

11 HV F S 0,F. Sin d 2 2 α = 0, F 184772, d [mm] olmak üzere Vickers Sertlik değeri HV = 0, 1, ( F/d 2 ) = 0,( F/d 2 ) bulunur.

12 (Batıcı Uç) Deney parçası Kalıcı iz d 2 d 1 (Batıcı uç kalktıktan sonra) d = (d 1 + d 2 ) / 2 ; HV = F / iz alanı

13 Vickers sertlik ölçümü, önceden hazırlanmış bir temiz yüzey bölgesinde 10 veya 15 saniye süreyle yapılan statik yükleme ile yapılır. Plastik deformasyon izi köşegen uzunluğu ölçülerek (ilgili tablolardan bakılarak veya hesaplama yapılarak) sertlik değeri elde edilmiş olunur.

14

15 Sertlik sonucunun gösterilişi, X HV F/t şeklinde ifade edilir (F [kg] ; t [s]). Sözgelimi HV 50 / 20 şeklinde verilen bir kısa gösterim, 50 x 9,8 = N luk bir yükün 20 saniye tatbiki ile ölçülen Vickers Sertliğinin değerinde olduğunu ifade eder.

16 Yöntemin tercih sebepleri : - Ölçme hassasiyeti daha yüksektir. Çünkü, izin farkedilebilme yeteneği daha fazladır ve daha küçük izlerle ölçümler yapılabilmesi mümkündür. - Aynı uçla (pramit) hem sert hem de yumuşak malzemelerin sertlik ölçümleri yapılabilir. - Çözüm için yeterli en küçük izin üretilmesiyle de ince kaplama tabakalarının ve ince metal yapraklarının ve hatta yapıdaki küçük faz bölgelerinin ayrı ayrı sertlik ölçümleri mümkün olur (mikrosertlik ölçümleri). - Diğer sertlik ölçme yöntemlerinin optimum uygulanmasında, bir ölçme aralığından bahsedilirken (Brinell sertliği HB ve Rockwell sertliği: HRC) HV uygulamaları bütün sertlik mertebeleri için geçerli olur.

17 Sertlik ölçme işlemi öncesinde, yüzeyin parlatılması için yapılan hazırlık zahmetli ve uzun süreli olacağı unutulmamalıdır.

18 Rocwell Sertlik Ölçme Yöntemi F = F ö (önyükleme) F = F d (deney yükü) F = F ö F= h ö h d h p h=0 h= h ö h = h d = h e+p (= h e +h p ) h = h p h e : elastik deformasyon derinliği, h p : kalıcı iz (plastik deformasyon) derinliği. Şekil : Rockwell Sertlik Ölçme Prensibi

19 Kullanılan batıcı ucun geometrisi : Küre veya º tepe açısına sahip koni. Kullanılan batıcı ucun malzemesi : Çelik (bilye) veya Elmas. Uygulanan yükleme : Öncesinde bir ön yükleme (10 kg) yapılmaktadır. Arkasından uygulanan esas yükleme statik olup, ölçme yapılacak malzemeye göre (60 kg veya kg veya kg) değişir. Sertlik değerinin elde edilişi (sertlik değerine ulaşma) : Uygulanan yükleme sonucunda oluşan kalıcı izin derinliğine bakılarak ulaşılır. Batma derinliği ile sertliği ters orantılı kılacak olan bir dönüştürmeyi, cihaz kendisi yaparak doğrudan sertlik değeri olarak sonucu gösterir.

20 Kalıcı batma derinliği h p [μm] ölçülüp bir C sabitinden çıkarılmasıyla Rockwell sertliği tarif edilir : HR = C h p C sabiti seçilen ölçme yöntemine göre farklı değerdedir ( veya ). Her 2 μm veya 1 μm batma derinliği, ilgili sertlik cinsinin 1 birim ine karşılık gelir (Tablo-2). Ölçme parametrelerine göre seçilen Rockwell sertliği cinsi (ve birimi), ilgili büyük harfle, kısa gösterimde belirtilir: HRC ; HRB; HRN gibi. Bu durumda sözgelimi HRC = h [μm / 2] ve HRB = h [μm / 2] veya HRN = h [μm], HRT = h [μm] olarak doğrudan okunur.

21 Bu ölçme prensibine göre h ( h p ) = 0 için verilen yüklemede kalıcı iz kaydedilmemiş demek olup sertlik en yüksek değerini alır: HRC = , HRB = gibi. Tam tersine h = 0,2 μm için HRC = 0 ve h = 0,26 μm için ise HRB = 0 demektir. Deneyim ilkesi olarak, sert malzemeler için (sertleştirilmiş veya ıslah edilmiş çelikler gibi) HRC değerlerinin ve daha yumuşak malzemelerde ise HRB değerlerinin aranması tavsiye edilmektedir. Zikredilmek istenen sertlik aralıkları, bu durumda, HRC = ve HRB = demektir.

22

23 Yöntemin üstünlükleri : - Ölçme işlemi otomotikleştirilebilir, - Ölçme işlemi kolaydır ve kısa sürede gerçekleştirlir, - Ön yükleme uygulandığından, yüzey bölgesinde tortu veya oksit tabakalarının temizlenmesi zorunluluğu yoktur, Ancak, her malzeme türüne uyun batıcı uç ve yükleme değeri seçilmesi zorunluluğu vardır. Sertlik değerleri belirli sınırlar arasındadır.

24 Tablo-2 : Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi çeşitleri (ASTM E T)

25 Tablo-2 : (Devamı)

26

27 Sertlik ölçme yöntemleri konusunda bilinmesi gerekenler. 1) Sertlik nedir, nasıl ölçülür? 2) Vickers sertlik ölçme yöntemi nasıl uygulanır? Şematik çizimlerle kısaca anlatınız. 3) Rockwell sertlik ölçme yöntemi nasıl uygulanır? Şematik çizimlerle kısaca anlatınız. 4) Brinell sertlik ölçme yöntemi nasıl uygulanır? Şematik çizimlerle kısaca anlatınız. 5) Vickers sertlik ölçme yönteminin üstünlükleri (veya yöntemin seçim nedenleri) nelerdir? Kısaca belirtiniz. 6) Rockwell sertlik ölçme yönteminin üstünlükleri (veya yöntemin seçim nedenleri) nelerdir? Kısaca belirtiniz. 7) HB 5//30 ; HV 50 / 20 ; 45 HRC ; 75 HRF ifadeleri ne anlama gelmektedir? Kısaca belirtiniz.

28 Yararlanılan Kaynak Kitaplar : 1) Malzeme Bilgisi ve Malzeme Muayenesi funduszeue.info-Ing. funduszeue.info DEMİRCİ U.Ü. Müfunduszeue.info Makine Müh.Bölümü (Alfa) 2) Malzeme Bilgisi Cilt-I Prof. Dipl. -Ing. H-J. BARGEL & Prof. Dr. -Ing. G. SCHULZE Çevirenler: funduszeue.info Şefik GÜLEÇ & Doç.Dr. Ahmet ARAN Gebze