Malzemelerin Mekanik Özellikleri Nelerdir ve Neden Önemlidir?

urfinguss/iStockphoto.com

İnsanlar tarih boyunca doğada hazır buldukları ya da çeşitli işlemlerle kullanılabilir hâle getirdikleri malzemeleri farklı amaçlarla kullanarak yeni araçlar, yapılar ve teknolojiler geliştirdi. İlk taş aletlerden seramik kaplara, ahşap tekerleklerden metal araç gereçlere kadar birçok teknolojik gelişme, uygun malzemelerin seçilmesi ve işlenmesiyle mümkün oldu. İnsanlık tarihindeki bazı dönemlerin adları bile malzemelerden gelir: Taş Devri, Bronz Çağı, Demir Çağı… Bu adlandırmalar, malzemelerin uygarlıkların gelişiminde ne kadar önemli bir rol oynadığını gösterir.

Günlük yaşamda çoğu zaman farkında olmasak da sürekli malzemelerle iç içeyiz. Yemek yerken kullandığımız çatal ve bıçaktan giydiğimiz ayakkabılara kadar çevremizdeki pek çok nesnenin biçimi, dayanıklılığı, esnekliği ya da ağırlığı; üretildiği malzemenin özellikleriyle ve kullanıldığı koşullarla yakından ilişkilidir. Örneğin bir malzemenin oda sıcaklığında, yüksek sıcaklıkta ya da darbeye maruz kaldığında nasıl davranacağı, onun nerelerde kullanılabileceğini belirleyen önemli etkenlerden biridir.

Malzemelere mühendislik açısından bakıldığında bu ilişki daha da belirginleşir. Bir otomobilin çalışmasını sağlayan mekanik parçalardan tonlarca ağırlığına rağmen bir uçağın havada kalmasını sağlayan kanatlara kadar pek çok sistemde farklı özelliklere sahip ve belirli koşullar altında test edilmiş malzemeler kullanılır.

Peki bir malzemenin kendisinden beklenen işlevi güvenli biçimde yerine getirip getiremeyeceği nasıl belirlenir? Bu sorunun yanıtı, büyük ölçüde malzemelerin mekanik özellikleriyle ilişkilidir. Mekanik özellikler, bir malzemenin kuvvet, darbe, basınç, sıcaklık ya da aşınma gibi etkiler karşısında nasıl davranacağını gösterir.

Malzemeler neden farklı davranır?

Her insanın kendine özgü bir karakteri olduğu gibi malzemelerin de onları birbirinden ayıran özellikleri vardır. Ancak bu özellikler yalnızca malzemenin hangi madde ya da maddelerden yapıldığına bağlı değildir. Bir malzemenin kimyasal bileşimi, atomik ve mikroskobik yapısı, içerdiği kusurlar, gözenekler, üretim yöntemi ve kullanım sıcaklığı gibi etkenler de mekanik davranışını belirler. Bu nedenle aynı türden iki malzeme bile farklı koşullarda birbirinden oldukça farklı tepkiler verebilir.

Malzemelerin özelliklerini anlamak, geliştirilecek bir ürünün performansını doğrudan etkiler. Doğru malzemeyi seçebilmek ise hem güvenli hem de amacına uygun tasarımlar ortaya koymayı mümkün kılar. Malzemelerin tüm mekanik özelliklerini tek bir yazıda ele almak mümkün olmasa da günlük yaşamda sıkça karşılaştığımız bazı temel özellikler üzerinde durabiliriz.

Teen00000/iStockphoto.com

Bir malzemenin mekanik özelliklerini açıklamak için kullanılan temel kavramlardan ikisi gerilme ve gerinimdir. Gerilme, bir malzemeye uygulanan kuvvetin belirli bir kesit alanına düşen miktarını ifade eder. Daha basit bir ifadeyle birim alana etki eden kuvvet olarak düşünülebilir. Bunu günlük yaşamdan bir örnekle ele alabiliriz. Aynı ağırlığa sahip iki kişi düşünün. Bu kişilerden biri düz tabanlı, diğeri ise ince topuklu ayakkabı giysin. Her iki kişinin zemine uyguladığı toplam kuvvet yaklaşık olarak aynı olsa da bu kuvvetin zemine aktarıldığı alan farklıdır. İnce topuklu ayakkabı, aynı ağırlığı çok daha küçük bir alana aktardığı için zeminin temas bölgesinde daha yüksek basınç, mühendislik diliyle daha yüksek temas gerilmesi oluşturur.

Bir malzemenin uygulanan kuvvete verdiği tepkiyi anlamak için yalnızca gerilmeye bakmak yeterli değildir. Burada ikinci önemli kavram olan gerinim devreye giriyor. Gerinim, bir malzemenin kuvvet etkisiyle başlangıç boyutuna göre ne kadar şekil değiştirdiğini gösteren oransal bir büyüklüktür. Bir lastik bandın iki ucundan çektiğimizi düşünelim. Lastik bant çekildikçe uzar. Burada yalnızca lastiğe ne kadar kuvvet uyguladığımız değil, lastiğin başlangıçtaki uzunluğuna göre ne kadar uzadığı da önemlidir. Örneğin 10 santimetre uzunluğundaki bir lastik bant 12 santimetreye uzarsa uzunluğu 2 santimetre artmış olur. Bu artış, başlangıç uzunluğunun yüzde 20’sine karşılık gelir. İşte bu oransal değişim gerinim olarak adlandırılır.

Malzemelerin kuvvet karşısındaki davranışı yalnızca ne kadar gerildiği ya da ne kadar şekil değiştirdiğiyle sınırlı değildir. Bir malzemenin yüzeyinin çizilmeye karşı direnci ya da aldığı darbeyi kırılmadan karşılayabilmesi de mekanik karakterinin önemli yönleridir.

kot63/iStockphoto.com

Cam, günlük yaşamda birçok alanda karşımıza çıkan yaygın bir malzemedir. Pencerelerde, saatlerde ya da telefon ekranında cam kullanılır. Ancak cam malzemelerin en önemli sorunlarından biri çizilme ve kırılma riskidir. Peki bazı malzemeler kolayca çizilirken bazıları neden çizilmelere karşı daha dirençlidir?

Örneğin bir cam yüzeyi çizmeye çalıştığımızda bunu bir tahta yüzeye göre çok daha zor yaparız. Bunun temel nedenlerinden biri camın sertliğidir. Sertlik, bir malzemenin yüzeyinde çizilme, batma ya da kalıcı iz oluşmasına karşı gösterdiği dirençtir. Malzemenin sertliği arttıkça yüzeyinde kalıcı bir izin oluşması genellikle zorlaşır.

Ancak bir malzemenin sert olması, o malzemenin her zaman darbeye karşı dayanıklı olacağı anlamına gelmez. Bir cam bardak ile plastik bir bardak aynı yükseklikten sert bir zemine bırakıldığında cam bardak kırılırken plastik bardak çoğu durumda darbeyi kırılmadan atlatabilir. Bunun nedeni, plastiğin darbe sırasında aldığı enerjinin bir bölümünü şekil değiştirerek soğurabilmesidir. Cam ise kırılmadan önce çok az şekil değiştirebildiği için aldığı enerjiyi yeterince soğuramayıp kırılabilir. Bu davranış, malzemenin tokluk özelliğiyle ilişkilidir.

niuniu/iStockphoto.com

Malzemelerin günlük yaşamda sık karşılaşılan diğer iki mekanik özelliği ise elastisite ve plastisitedir. Bir bulaşık süngerine bastırıldığında sünger sıkışır, kuvvet ortadan kalktığında ise büyük ölçüde eski şekline döner. Bir malzemenin uygulanan kuvvet ortadan kalktıktan sonra eski şekline dönebilmesi elastik davranış olarak adlandırılır.

Peki uygulanan kuvvet kaldırıldığında malzeme eski hâline dönmezse ne olur? Bu durumda plastik deformasyon ortaya çıkar. Plastik deformasyon, malzemenin kalıcı olarak şekil değiştirmesidir. Kısacası elastik davranışta malzeme eski şekline dönebilirken plastik deformasyonda şekil değişimi kalıcıdır.

Malzemelerin mekanik özellikleri neden önemlidir?

Bir malzemenin mekanik özelliklerini bilmek, onun farklı koşullar altında nasıl davranacağını öngörebilmek açısından önemlidir. Malzemenin ne kadar yük taşıyabildiğini, hangi koşullarda şekil değiştirdiğini ya da dayanımını ne zaman kaybedebileceğini anlamak için gerilme ve gerinim ilişkisi başta olmak üzere birçok mekanik özellikten yararlanılır.

Funtay/iStockphoto.com

Bu durumu inşaatlarda kullanılan iş makinelerinde görebiliriz. Tonlarca ağırlıktaki kaya ve toprağı taşıyan bu araçların özellikle kepçe tırnakları, çalışma sırasında yüksek darbe ve aşınma etkilerine maruz kalır. Eğer bu parçalar aşınmaya karşı yeterli dirence sahip olmayan bir malzemeden üretilseydi kısa sürede aşınarak görevini yerine getiremez hâle gelebilirdi.

Benzer şekilde uçak motorlarının özellikle türbin gibi yüksek sıcaklığa maruz kalan bölümlerinde malzeme seçimi kritik öneme sahiptir. Bu bölgelerde, yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerini koruyabilen nikel esaslı süperalaşımlar kullanılır. Bu alaşımlar, yüksek sıcaklıkta dayanım ve sürünme direnci göstermeleri sayesinde motor parçalarının güvenli biçimde çalışmasına katkı sağlar. Sürünme, bir malzemenin yüksek sıcaklık ve sürekli yük altında zamanla kalıcı şekil değiştirmesidir.

Sonuç olarak malzemeleri yalnızca şekilleri ve görünümleriyle değil, sahip oldukları mekanik özelliklerle de değerlendirmek gerekir. Çünkü bir malzemenin nasıl davranacağını anlamak, onu doğru yerde kullanmanın ve güvenli sistemler tasarlamanın ilk adımlarından biridir.

Belki de bundan sonra çevrenizdeki bir malzemenin kırıldığını, eğildiğini ya da esnediğini gördüğünüzde, bunun o malzemenin mekanik özellikleri hakkında önemli ipuçları verdiğini hatırlayabilirsiniz.

Sözlük:

Madde: Kütlesi ve hacmi olan her şey

Malzeme: Belirli bir amaç için kullanılan ya da işlenerek kullanılabilir hâle getirilen madde

Gerilme: Bir malzemeye uygulanan kuvvetin belirli bir kesit alanına düşen miktarı

Gerinim: Bir malzemenin kuvvet etkisiyle başlangıç boyutuna göre ne kadar şekil değiştirdiğini gösteren oransal büyüklük

Sertlik: Bir malzemenin yüzeyinde çizilme, batma ya da kalıcı iz oluşmasına karşı gösterdiği direnç

Tokluk: Bir malzemenin kırılmadan önce enerji soğurabilme yeteneği

Elastik davranış: Bir malzemenin uygulanan kuvvet kaldırıldığında büyük ölçüde eski şekline dönebilmesi

Deformasyon: Bir malzemenin kuvvet, sıcaklık, basınç gibi etkiler nedeniyle şekil ya da boyut değiştirmesi

Plastik deformasyon: Uygulanan kuvvet ortadan kalktıktan sonra da kalıcı olarak devam eden şekil değişimi

Dayanım: Bir malzemenin kırılmadan ya da kalıcı olarak şekil değiştirmeden taşıyabileceği yük veya gerilme düzeyi

Dayanıklılık: Bir malzemenin kullanım koşulları altında zamanla aşınma, yorulma, korozyon ya da hasara karşı gösterebildiği direnç

Sürünme direnci: Bir malzemenin özellikle yüksek sıcaklıkta ve uzun süreli yük altında zamanla kalıcı şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç

Süperalaşım: Yüksek sıcaklık gibi zorlu koşullarda dayanımını ve sürünme direncini koruyabilen, genellikle nikel, kobalt ya da demir esaslı özel alaşım

Kaynaklar:

• https://www.3erp.com/blog/materials-mechanical-properties/
• https://fractory.com/mechanical-properties-of-materials/
• https://mechanicalc.com/reference/mechanical-properties-of-materials
• https://www.ssab.com/en/brands-and-products/hardox
• https://www.researchgate.net/publication/276036066_Titanium_Alloys_for_High_Temperature_Applications_-_A_Review

Yazar Hakkında:

Muhammed Emin Kula

Yüksek Makine Mühendisi