Sertlik Testi Nedir?
Sertlik Testi Nedir?
Sertlik testi, malzemeler hakkında hayati bilgiler sağlar, ancak potansiyel ürün arızalarını belirlemeye yardımcı olmak için de uygulanabilir. İster akıllı telefon ekranı ister uçak gövdesi olsun, bir malzemenin bükülme direnci veya bükülmeye karşı direnci, o malzemenin uygulamaya uygun olup olmadığını belirleyen temel faktördür. Sertlik, diğer mekanik özelliklerin aksine temel bir özellik değildir ve esasen uygulanan kontrollü kuvvete tepki olarak ortaya çıkan toplam elastik ve plastik deformasyonu temsil eder.
Sertlik ölçümleri, tüm disiplinlerdeki mühendisler tarafından malzemeleri değerlendirmek için kullanılır, ancak uygun test yaklaşımının belirlenmesi, malzeme türü, numune boyutu ve istenen hassasiyet gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Vickers testi küçük, ince mikro yapılar için mi, yoksa Brinell testi büyük tane boyutuna sahip dökümler için mi kullanılırsa kullanılsın, her testin kendine özgü avantajları vardır.
Sertliği ve Malzeme Testlerinde Rolünü Anlamak
Malzeme sertliği, mühendislik ve malzeme biliminde temel bir kavramdır. Sertlik bilgisi, otomotiv, havacılık veya tüketici uygulamaları için parça tasarlarken kritik öneme sahiptir.
Bu bölümde, mühendislik açısından sertliğin gerçekte ne olduğunu, neden temel bir özellik olarak mevcut olmadığını ve aşınma direnciyle ilişkisini ele alıyoruz.
Mühendislik Bağlamında Sertliğin Tanımı
Sertlik (yerel plastik deformasyona direnç anlamında), yerel gerilme/gerinim alanları olarak modellenebilir. Bu özellik, çentik, çizilme veya kesilmeye karşı direnç olarak algılanır. En temel anlamıyla, mühendisler “sertlik” kelimesini kullandıklarında, yoğun kuvvet veya gerilme uygulandığında bir malzemenin aynı şekli koruma yeteneğinden bahsediyorlar.
Diğer bir fark ise nesnelerin sertliğinde yatmaktadır. “Sert” seramikler ve çelikler çok yüksek sertliğe sahipken, polimerler ve “yumuşak” metaller (sodyum gibi) bu tür deformasyona karşı çok daha düşük direnç gösterir. Bu nedenle, sertliği ölçme yöntemleri çok çeşitli kullanımlar için malzeme seçimi açısından değerlidir.
Sertliğin gerçek kullanımdaki önemi, bir bileşenin ömrü ile olan ilişkisiyle ortaya çıkar. Genel bir kural olarak, sert malzemeler, yüzey temas yükü, sürtünme veya darbe gerekliliği altında uzun süreli kullanımda mekanik hasara karşı daha az duyarlıdır.
Sertlik testi, endüstride ürün kalite kontrolünün de gerekli bir parçasıdır.
Sertlik Neden Temel Bir Özellik Değildir?
Sertlik, maddenin içsel bir fiziksel özelliği değil, test koşullarına bağlıdır. Bu ayrım, mühendisler ve malzeme bilimcileri için çok önemlidir. Sertlik, yapı ile doğrudan karşılaştırılabilen mutlak bir değer değildir, ancak bazı araştırmalara göre, çeşitli uygulamalarda malzeme performansı için iyi bir yaklaşım sağlayabilir.
Sertliğin iki faktöre (boyut ve sıcaklık) bağlı olmasının bir başka nedeni de, sertliğin karma bir özellik olmasıdır. Tek bir sertlik ölçümü, malzemenin birçok özelliğini temsil eder. Bunlar arasında şunlar bulunur:
– Akma mukavemeti
– İş sertleşmesi özellikleri
– Gerçek çekme mukavemeti
– Elastikiyet modülü
– Mikro yapısal özellikler
Sertlik değerleri, plastik deformasyona karşı direncin yarı kantitatif parametreleridir. Malzemeleri karşılaştırırken test yöntemi ve parametreleri eşleştirilmelidir. Ayrıca, sertliğin akma mukavemeti gibi diğer mekanik özelliklerle ilişkisi güvenilir değildir; yani, neredeyse aynı HV değerlerine sahip numuneler için iş sertleşmesi ve akış eğrisinin şekli farklı davranışlar sergiler.
Sertlik ve Aşınma Direnci Arasındaki İlişki
Sertlik ve aşınma direnci arasındaki ilişki, en kritik ancak anlaşılması zor konulardan biri olmaya devam etmektedir. Saf metalin (örneğin Cu) tavlanması durumunda, sertliğin artması aşındırıcı aşınma direncinde (çelik vb. için) doğrusal bir artışa yol açacaktır. Bu bağlantı, sertleştirilmiş takım çeliklerinin işleme aletleri ve aşınmaya dayanıklı parçalar olarak kullanılması gerçeğinden kaynaklanmaktadır.
Ancak bu her zaman böyle değildir. Soğuk işlenmiş saf metal veya hava ile sertleşen çelik gibi durumlarda, sertliğin artması aşınma direncinde doğrusal bir artışa neden olmaz. Hatta, sertlik artarken aşınma direnci sabit kalabilir veya azalabilir. Bunun nedeni, mikro yapının aşınma direnci üzerinde, sadece kütle sertliğinin belirlenmesi ile öngörülen etkiden daha fazla etkiye sahip olabilmesidir.
Bu, nanokristal malzemeler üzerinde yapılan son araştırmalarda ortaya çıkan ilginç bir ilişkidir. Örneğin, sertliğin bir fonksiyonu olarak aşınma direnci, HVAF püskürtmeli WC-Co nanoyapılı kaplamalarda doğrusal bir eğilim göstermiştir. NCNi ile karşılaştırılabilir şekilde, tane boyutu küçültülerek sertliğin artırılmasıyla aşınma direncinde belirgin bir iyileşme elde edilmiştir.
Sertlik ve tokluk arasında ters orantılı bir ilişki olduğu unutulmamalıdır. Bunun iyi bir örneği camdır — cam çok serttir ancak tokluğu düşüktür ve bu nedenle kırılgandır. Aşınma direnci ve darbe direncine ihtiyaç duyulan malzemeleri değerlendirirken bu uzlaşma göz önünde bulundurulmalıdır.
Girintiye Dayalı Sertlik Test Yöntemlerinin Açıklaması
Modern sertlik testlerinin temelini, her biri belirli uygulamaları ve avantajları olan çeşitli girinti teknikleri oluşturur. Bu yöntemleri anlamak, mühendislerin malzemeleri ve gereksinimleri için uygun testi seçmelerini sağlar.
Rockwell Sertlik Testi: Derinlik Bazlı Ölçüm
Rockwell sertlik testi, hızı ve doğruluğu nedeniyle malzemenin sertliğini ölçmek için en yaygın kullanılan yöntemdir.
Diğer sistemlerde iz alanı ölçülürken, Rockwell’de kalıcı girinti veya penetrasyon derinliği kullanılır.
Test sırası şunları içerir:
– 10 kgf ön yük,
– Ardından ana yük (60-150 kgf) ve
– Son olarak, ana yük kaldırıldıktan sonra çentik derinliğinin ölçülmesi.
Bu diferansiyel derinlik yöntemi, Rockwell testini yumuşak malzemelerden aşırı sert malzemelere kadar geniş bir malzeme yelpazesi için kullanışlı hale getirir, ancak ince malzemeler için Jominy yöntemlerinden çok daha az kullanışlıdır.
Brinell Sertlik Testi: Kaba Malzemeler için Büyük Çentik
Brinell testi 1800’lerin sonlarında icat edilmiştir ve numunenin yüzeyine karbür bilye uygulanarak çentik çapı ölçülerek kullanılır. 1 kgf ila 3000 kgf yük aralığı ve 1-10 mm çentik boyutu ile bu prosedür nispeten büyük izler bırakır. Bu, dökümler ve dövme parçalar gibi büyük veya daha az homojen tane yapısına sahip malzemeler üzerinde testler yapmak için kullanışlıdır. Brinell yöntemi, çalışma yüzeyleri için çok güvenilirdir ve ağır kesitli bileşenlerde gerçek ortalama değerler verir. Ancak, test diğer yöntemlere kıyasla daha uzun sürer (30-60 saniye).
Vickers Sertlik Testi: Mikro ve Makro Uygulamalar
Vickers testi, malzeme yüzeyinde kare tabanlı bir iz bırakan, zıt yüzleri arasında 136° açı bulunan bir elmas piramit indenter kullanır.
Bu çok amaçlı yöntem, makro sertlik testi (1 kgf’nin üzerindeki yüklerle) ve mikro sertlik testi (1 kgf’ye eşit veya daha az yüklerle) için uygulanabilir. Normalde, 10 gf ila 100 kgf arasında kuvvetler uygulanır.
Vickers, yalnızca küçük parçaları veya ince kesitleri test ediyorsanız en iyi seçimdir ve ayrıca tutarlı sonuçlar, yüksek tungsten karbür ve diğer sertlik aralıkları sunar. Indenter boyutundan bağımsız olmasına rağmen, HV, HV = 1854,4 × F/d² (burada F, gf cinsinden test yükünü ve d, µm cinsinden ortalama diyagonal uzunluğu temsil eder) ile verilmiştir.
Knoop Sertlik Testi: İnce Kaplamalar ve Kırılgan Malzemeler
1939 yılında Vickers yöntemini tamamlayıcı olarak tanıtılan Knoop sertlik testi, uzun elmas bazlı rombohedral indenter kullanır.
Indenterin özel açı geometrisi (uzunlamasına 172,5° ve enine 130°) asimetrik düz bir çentik sağlar. Bu tasarım, yaklaşık 7:1’lik bir uzunluk-genişlik oranı sağlar ve Vickers testinin yaklaşık yarısı kadar derinlikte penetrasyon sağlar.
Knoop testleri, seramik gibi ince kaplamalar ve kırılgan malzemeler için özellikle yararlıdır ve 1 gf ila 2 kgf arasında değişen test yükleri ile yönsel özelliklere sahip numuneler için idealdir.
Shore ve Mohs Ölçekleri: Metalik Olmayan ve Mineral Testleri
Metal olmayan malzemelerin ölçümü için, Durometer Shore sertliğinde standartlaştırılmış yöntemler geliştirilmiştir. 1920 yılında Albert Ferdinand Shore tarafından icat edilen ölçekler, daha yumuşak malzemeler için Shore 00’dan sert kauçuk ve plastik gibi daha sert malzemeler için Shore D’ye kadar uzanır.
Ayrıca, 1812 yılında Friedrich Mohs tarafından tasarlanan ve mineral sertliğini 1 (talk) ile 10 (elmas) arasında listeleyen Mohs ölçeği de bulunmaktadır. Bu ölçek, diğer standart malzemelerin yanı sıra tırnaklar ve pencere camı gibi ev veya kişisel nesneler de dahil olmak üzere yaygın maddelere karşı çizilme direncini test ederek mineralleri karşılaştırmak için basit bir saha yöntemi sunar.
Leeb Sertlik Testi: Taşınabilir ve Tahribatsız
Leeb geri tepme sertlik testi, standart statik metal yönteminden ziyade, alışılmadık, dinamik bir yaklaşımla metallerin sertliğini belirlemek için en yerleşik yöntemlerden biridir.
Bu test, bir yüzeye çarpan bir darbe cisminin kinetik enerji kaybı, yani darbe hızına verilen geri tepme hızı olarak sertliği ölçer.
Oluşan çentik çok küçük olduğu için (çapı yaklaşık 0,5 mm’dir) nispeten tahribatsız bir yöntemdir.
Leeb testi çok hızlıdır (her ölçüm birkaç saniye sürer) ve tek tek parçaların yerinde test edilmesi veya sabit bir cihaza kaldırılamayan büyük iş parçalarının yerinde test edilmesi için mükemmel bir yöntemdir.
Her Test Yöntemi için Yük Aralıkları ve Standartlar
Standartlaştırma, endüstriler arasında sertlik test prosedürlerinde tutarlılık ve güvenilirliği sağlamada kritik bir rol oynar. Her test yöntemi belirli yük aralıklarında çalışır ve uluslararası kabul görmüş standartları takip eder, böylece testlerin nerede yapıldığına bakılmaksızın sonuçların güvenilir bir şekilde karşılaştırılmasına olanak tanır.
ASTM E10, E18, E384 ve ISO 6506–6508 Genel Bakış
Amerika Kalite Enstitüsü ve Amerikan Test ve Malzeme Derneği (ASTM) veya Uluslararası Standartlar Örgütü (ISO) standartları. ASTM E10 ve ISO 6506, Brinell sertlik testi için ana standartlardır.
Öte yandan, hem normal hem de yüzeysel Rockwell sertlik testi için test yöntemleri ASTM E18 ve ISO 6508 [18]’de belirtilmiştir.
ASTM E384 ve ASTM E92, mikro sertlik testleri için Vickers/Knoop yöntemini de açıklamaktadır [19]. Bu standartlar, tekrarlanabilirliği kontrol etmek için yük uygulama süresi, indenter ayrıntıları ve ölçüm yöntemi dahil olmak üzere belirli test koşullarını belirler.
Brinell için Yük Aralığı: 1–3000 kgf
Brinell testi, hem ISO 6506 hem de ASTM E10 standartlarına göre 1 kgf ila 3000 kgf (9,807–29420 N) arasında geniş bir yük aralığını kapsar 9. En sık kullanılan kuvvetler, demir dışı malzemeleri test etmek için 500 kgf’den çelik ve dökme demiri değerlendirmek için 3000 kgf’ye kadar değişmektedir 19. Farklı test koşullarında tutarlılığı korumak için Brinell testi, test kuvveti ile bilye çapının karesinin oranı sabit kalan beş ortak kuvvet-çap indeksi (1, 2,5, 5, 10 ve 30) kullanır 17. Bu ilişki, farklı bilye boyutları ve test kuvvetleri kullanıldığında bile karşılaştırılabilir sonuçlar elde edilmesini sağlar.
Rockwell için Yük Aralığı: 15–150 kgf
Rockwell sertlik testi, yüke göre iki kategoriye ayrılır: normal ve yüzeysel. Normal Rockwell testi, 10 kgf’lik bir ön yük uyguladıktan sonra, ölçeğe bağlı olarak 60, 100 veya 150 kgf’lik ana yükler uygular. HRB ölçeği 1/16″ çelik bilye indentörü ile 100 kgf kullanırken, HRC ölçeği elmas koni indentörü ile 150 kgf kullanır. Tersine, yüzeysel Rockwell testi 3 kgf’lik küçük bir yük ve 15, 30 veya 45 kgf’lik büyük yükler kullanır, bu da 15N, 30N, 45N (elmas indenter) veya 15T, 30T, 45T (top indenter) olarak adlandırılan ölçeklerle sonuçlanır.
Malzemeniz için Doğru Sertlik Testini Seçme
Doğru sertlik testi türünü seçmek için bir dizi faktörün dikkate alınması gerekir ve uygulama biliminde sıklıkla olduğu gibi, bu değişkenler birbirine bağlıdır. Bir yöntemi seçmeden önce, test etmek için spesifik olarak neye ihtiyacınız olduğunu değerlendirerek başlayın.
Malzeme Türü ve Mikro Yapı Hususları
Açıkçası, farklı malzemeler kendi özel test yöntemlerini gerektirir. Sert malzemeler ve alaşımlar için, Rockwell testinden doğru sonuçlar elde etmek için daha yüksek yükler kullanılır. Bu tür sertlik karşılaştırmaları için, daha keskin bir indenter, daha yuvarlak indenterlere göre daha lokalize plastik deformasyon nedeniyle daha yüksek hassasiyet sağlar. Kaba veya karışık mikro yapıya sahip malzemeler (dökme demir gibi), indenter keskinliğine bağlı olarak birden fazla sertlik modu sergileyebilir, bu da bir sertlik testi/yöntemi içinde birden fazla ölçek kullanan kalite kontrol uygulamalarına yol açar. Bununla birlikte, daha yüksek yükler ve daha büyük indenter boyutları kullanmak, daha iyi istatistikler ve tekrarlanabilirlik sağlar, bu da zımparalama/metalurji testlerinde taşlanmamış yüzey zirveleri gibi büyük pürüzlü numuneler için Brinell testini haklı kılar; teorik olarak, tanecikler arasındaki daha gevşek temas koşulları nedeniyle tipik laboratuvar tezgahı darbe hasarından da daha az etkilenecektir (Brinell genellikle numunenin yüzeyinin 1-2 mm altında alınır). Vickers testi, çok sert malzemeler veya ince kaplamalar üzerinde üstün bir ölçüm yöntemidir. Aslında, seramiklerin nispeten kırılgan olduğu bilindiğinden, çekilmiş elmas şeklindeki indenter ile Knoop testinin uygulanabilir olmasını beklemek de uygundur.
Numune Boyutu ve Şekli Kısıtlamaları
Test seçimi, numune boyutundan büyük ölçüde etkilenir. İnce filmler veya kaplamalar için, bozulmayı önlemek için daha hafif yükler gereklidir. Daha kalın malzemeler, sonucu etkilemeden daha yüksek ağırlıklar içerebilir. Test sırasında, numunenin kalınlığı, çentik derinliğinden on kat daha fazla olmalıdır. Silindirik numuneler, çapın bir fonksiyonu olarak yuvarlaklık düzeltmeleri yapmak için düzeltme faktörlerinin kullanılması gerektiği konusunda özel bir zorluk oluşturur.
Zorunlu Uygunluk (ASTM vs ISO)
ASTM veya ISO standartlarının kullanılıp kullanılmayacağı genellikle operasyonun kapsamına (ülke içinde mi yoksa ülkeler arasında mı), sektöre özgü gereksinimlere, test yeteneklerine ve kaynaklarına ve küresel ortaklarla işbirliği ihtiyaçlarına bağlıdır.
Her iki kuruluş da güvenilir test uygulamaları oluşturur, ancak farklı numune boyutları ve hesaplama yöntemleri belirleyebilir.
Test Verimi ve Otomasyon İhtiyaçları
Yöntem seçimi, büyük ölçüde test hacmine bağlıdır. Yüksek verimli ortamlar için otomasyon sistemleri, manuel işlemleri azaltabilir ve daha yüksek hız ve tekrarlanabilirlik sağlayabilir.
Otomatik sertlik test cihazlarının birçok avantajı vardır, bunlardan bazıları şunlardır:
– İnsan hatasının ortadan kaldırılması
– Daha hızlı işlem süreleri
– Personelin daha katma değerli görevlere yönlendirilmesi.
Mevcut seçenekler arasında, daha küçük tesisler için basit yarı otomatik sistemlerden, yüksek hacimli üretim uygulamaları için tam entegre çözümlere kadar çeşitli seçenekler bulunmaktadır.
Sertlik testi, bir malzemenin potansiyel kullanımlarından çıkarılmayan özelliklerinin neredeyse tek yararlı araştırması olmaya devam etmektedir. Bu eksiksiz kılavuzda, farklı test tekniklerinin farklı uygulamalara nasıl uyarlanabileceğini inceledik; çok yönlü Rockwell testinden Knoop ölçümü gibi daha özel test yöntemlerine kadar.
Kuşkusuz, her test yaklaşımının, malzemelerin özelliklerine ve test gereksinimlerine bağlı olarak artıları ve eksileri vardır. Rockwell yöntemi, daha sert malzemelerin hızlı test edilmesi için daha uygundur ve Brinell, heterojen yapılar (dökümler, dövmeler) test etmek için çok kullanışlıdır. Benzer şekilde, ince kesit ölçümü ve kırılgan malzemeler üzerindeki ölçümler, Vickers ve Knoop teknikleri kullanılarak doğru bir şekilde yapılabilir.
Uygun testlerin seçimi, birkaç faktörün dikkate alınmasını gerektirir. Malzeme formu ve mikro yapısı, bilgilendirici sonuçlar elde etmek için hangi tip girintinin yararlı olacağını belirler. Numune boyutu ve şekli kısıtlamaları ile standartlara uygunluk, hangi tip testin yapılacağına karar verme sürecinde önemli faktörlerdir.
Sertlik ve malzemelerin diğer parametreleri arasındaki ilişki, hem karmaşık hem de açıklayıcı olmaya devam etmektedir. Sertlik, temel bir malzeme özelliği olmasa da, doğru test bağlamında değerlendirildiğinde, malzemelerin aşınma direnci, mukavemeti ve homojenliği hakkında önemli nitel bilgiler sağlar.
Otomasyonun yardımıyla test kapasitesi de sürekli artmaktadır. Otomasyon, verimliliği artırmanın yanı sıra veri kalitesini ve yönetimini de iyileştirmektedir. Bu gelişmeler, sertlik testlerinin daha geniş bir üretim ortamında daha kolay ve doğru bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlamaktadır.
Akıllı telefon camının sağlamlığını test etmek veya kritik bir havacılık parçasını test etmek için olsun, sertlik testleri malzeme bilimcileri ve mühendisleri için her zaman kullanışlıdır. Bu kılavuzda sağlanan bilgilerle, uygulayıcılar uygun yöntemleri seçebilir ve sonuçları kesin olarak yorumlarken kısıtlamalarını anlayabilirler. Bu bilgi, daha iyi kalite kontrolü, ürün tasarımı ve dolayısıyla herhangi bir malzemenin daha güvenli uygulaması ile doğrudan ilişkilidir.
