Gerilme ve Gerinim Nedir ?

Gerilme (Stress) ve Gerinim (Strain), bir ürünün dayanıklılığını veya yorulma ömrünü anlamada önemli olan ölçülebilir iki mühendislik miktarıdır.

Gerilme

Yunan sigma sembolü ile temsil edilen gerilme, basitçe, bir alana yayılmış kuvvet olarak düşünülebilir. Gerilme MPa birimine sahiptir.

Örneğin, kuvvet aşağıdaki gibi bir metal silindire uygulanabilir:

Resim 2: Metal silindire uygulanan kuvvet

Gerilmeyi hesaplamak için kuvvet, silindirin enine kesit alanına bölünür.

Metal silindir üzerindeki gerilme nasıl azaltılır? Sadece iki seçenek vardır:
– Kuvveti azaltmak
– Alanı arttırmak

Çapı arttırarak, metal silindir üzerindeki gerilme azaltılabilir.

Resim 3: Alanı A’dan A1’e değiştirerek, parça üzerindeki gerilme azaltılabilir.

Bu durum yorulma ömrünü uzatmak için tasarım yaparken ortaya yeni sorunlar çıkarmaktadır: ek ağırlık ve maliyet.

Ağırlık

Alanı arttırarak, parçanın ağırlığı ve maliyeti arttırılmış oldu. Parça sadece daha pahalı değil aynı zamanda daha da ağır hala geldi. Eklenen ağırlık, nihai ürünün çalıştırılmasının enerji verimliliğini etkileyecektir. Daha ağır tasarımı taşımak için daha fazla yakıt ve/veya güç gerekecektir.

Yükleme ortamını gerçekten iyi anlamak çok önemlidir. Gerçek yükler beklenenden daha küçükse, parçanın amaçlanan ömrü için hayatta kalması, daha büyük bir enine kesit alanı gerektirmez.

Günümüzde pek çok üretici, ürünleri ile “hafifletme” yoluna gitmektedir. Enerji verimliliğini artırmak için ürünün ağırlığı azaltılmalıdır. Bu süreçte önemli olan bir adım, aşırı tasarım durumuna neden olmamak için ürün ömrü boyunca beklenen yükleri doğrulamaktır.

Geometri

Başka bir mühendislik zorluğu, tasarım bölümünün “kola şişesi” şeklinin, düz bir silindirden daha iyi olacağına karar verebilmesidir. Daha “hoş” bir görünüm için silindirin ortasında farklı bir şekle karar verebilirler.

Resim 4: Geometri değişikliği, efektif kesit alanını azaltır ve bir gerilme yoğunluğu oluşturur.

Bu şekilde bir geometri değişikliği yapıldığında ve efektif kesit alanı azaltıldığında, gerilmenin azaltılması için daha önceden alanın büyütülmüş olmasına rağmen gerilme artmıştır.

Bu geometri değişikliğinin kendisi de, gerilme yoğunluğu oluşturur. Geometrideki ani değişiklik nedeniyle, bu alanda başarısızlık şansı artmıştır.

Gerinim

Aynı silindire kuvvet uygulandıktan sonra biraz uzadığını hayal edin. Gerinim, orijinal boydan daha uzun bir uzunluk değişikliği olarak tanımlanır.

Resim 5: Gerinim orijinal boydan daha uzun bir uzunluk değişikliği olarak tanımlanır.

Gerinim, uzunluk değişiminin silindirin orijinal boyuna bölünmesi ile bulunur.

Gerinim hem payda hem de paydada uzunluk birimine sahip olduğundan boyutsuz olarak düşünülebilir.

Bununla birlikte, metal silindir gibi parçaların uzunluğundaki değişiklik, tipik olarak çok küçük olduğundan, uzunluktaki değişikliği tanımlamak için “mikrostrain” (bazen “muE”) biriminin kullanılması yaygındır.

Microstrain, ondalık basamağı 6 basamak değiştirir. Örneğin, 0.000050’lik bir “değer” türü 50 muE veya mikrostrain olur.

Gerilme ve Gerinim Arasındaki Lineer İlişki

Bir parçaya yük uygularken, başlangıçta gerilme ve gerinim arasındaki ilişki doğrusaldır. İlişki doğrusal kalırken, bu durum malzemenin elastik bölgesi olarak kabul edilir.

Parçanın elastik bölgesinde, gerilme kalktığı zaman parça orijinal haline döner.

Resim 6: Bir malzemenin elastik bölgesindeki gerilme ve gerinim ilişkisi

Bu lineer gerilme-gerinim ilişkisi, parçanın veya malzemenin Young Modülü (veya yay oranı) olan “E” yi verir. Young modülü, gerinim değişimi üzerindeki gerilme değişikliğidir.

Bu doğrusal ilişki, 1660 yılında Sir Robert Hooke tarafından önerilen Hooke Yasası ile açıklanmaktadır.

Gerilme ve Gerinim Arasındaki Lineer Olmayan İlişki

Yeterince yüksek bir yük ile gerilme ve gerinim arasındaki ilişki doğrusal değildir. Doğrusal elastik davranış yerine bu ilişki, Resim 7’de gösterildiği gibi doğrusal olmayan plastik davranış haline gelir.

Resim 7: Malzemenin plastik ve elastik bölgelerinde gerilme ve gerinim ilişkisi

Gerilme ve gerinim arasındaki ilişkinin doğrusal olmayan noktasına akma dayanımı denir. Yüklerin akma dayanımının ötesine uygulanması, malzemenin “plastik” deformasyonuna neden olur.

Akma dayanımı eğride tek bir sayı veya nokta olarak düşünülür. Gerçekte ise elastik ve plastik bölge arasında küçük bir geçiş bölgesi vardır; bu anlık bir geçiş değildir. Bu nedenle akma dayanımı, elastik hattan % 0,2’lik bir kesim kullanılarak ve bunun kesişimini, Resim 7’de gösterildiği gibi gerilme/gerinim eğrisi üzerinde çizerek tanımlanır.

Malzemenin plastik bölgesinde, parça kalıcı olarak deforme olur ve gerilme kalktığında orijinal şekline dönmez.

Yükü / gerilmeyi artırmanın bir başka noktasında, parçanın bozulmaya veya boyun vermeye (necking) başladığı bir nokta vardır. Bu, malzemenin çekme dayanımıdır. (Ultimate Strenght).

Yeterince yüksek bir yük / gerilim uygulandığında, parça sonunda ayrılır, kırılır veya başarısız olur.

Mühendislik Gerilmesi ve Gerçek Gerilme

Yük altındaki parça deforme olduğunda, yük arttıkça orijinal alan (A0) azalır. Gerilme ve gerinim orijinal alana (A0) karşı çizildiğinde buna Mühendislik Gerilme eğrisi denir. Mühendislik Gerilme eğrisi, alanın değiştiğini dikkate almaz.

Resim 8: Metal numunenin artan gerilmeye karşı kesit seviyesindeki farklılıkları (soldan sağa)

Gerilme ve gerinim ilişkisi parçanın gerçek kesit alanı kullanılarak çizilirse, grafik sonucuna Mühendislik Gerilme eğrisi yerine Gerçek Gerilme eğrisi denir.

Resim 9: Artan yük seviyelerine sahip bir numune için Gerçek Mühendislik gerilme eğrisi (Gri) ile Mühendislik Gerilme eğrisi (Kırmızı)

Gerinime karşı Gerçek Gerilmeye bakıldığında, gerilmenin artan yük ile aslında arttığını gözlemleyebiliriz. Bununla birlikte, çekme dayanımı gibi özelliklerin Gerçek Gerilme eğrisinde gözlemlenmesi zordur ve Mühendislik Gerilme eğrisinde görülmesi daha kolaydır.

Uygulama hakkında sorularınız için DTA Mühendislik Test Bölümü mühendisleriyle iletişime geçebilirsiniz.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *