In engineering, materials are exposed to different types of loads. To classify materials, their responses under certain loads are observed through tests, revealing their mechanical properties.
In engineering, materials are exposed to different types of loads. The loads a material may face can be listed as tension, compression, bending, shear or torsion. These loads may also differ as static or dynamic. A material may have to resist one or several of these loads at the same time. In that case, it is necessary to know which material to use under which condition. To group materials, their responses under certain loads are observed through tests, and the mechanical properties of materials thus emerge.
Tests carried out to obtain elasticity properties can be divided into static and dynamic. For a test to be static, the force must be applied at most at 1 Hz frequency, constant and in a single application. In this case, in a static test the stress is constant and the elongation ratio is less than 0.25. Since static tests cannot form an adequate model for suddenly changing loads, dynamic tests are used for such loads. In a dynamic test the load is variable and a sinusoidal deformation is applied to the sample. These tests can also be carried out at high or low temperatures. As a result of dynamic tests we obtain hardness and damping information. Fatigue tests can be examined as a sub-branch of dynamic tests. The load is applied cyclically. These tests are performed with tension-tension, compression-compression or compression-reverse-tension cycles. As a result of the fatigue test, the lifetime of materials can be determined. Fatigue strength and crack resistance are also determined from here. This article examines some of the mechanical tests.
Tensile Test
The tensile test is one of the most common tests carried out in engineering to determine the strength properties of materials. It is performed to determine the mechanical properties of isotropic materials. The test is fundamentally based on applying a tensile force from opposite faces in the same direction onto the sample, and following the stress on the material until it breaks. As a result of the tensile test, the yield strength, maximum tensile strength, ductility, Young's modulus, shear modulus and Poisson's ratio of the material can be obtained.
Stress–Strain Curves
The data obtained during the test are used to produce the stress-strain curve. This curve gives us the material's yield strength, maximum stress force, breaking point and brittleness-ductility state. It is also an advantage that it provides information independent of the material's dimensions.
For most curves the initial part is linear. On the stress-strain curve, when a line parallel to the slope of the curve is drawn from the point where the elongation is 0.2%, the yield-strength value is reached on the curve. The yield strength gives us the maximum stress the material can bear without permanent damage. Up to this point the body is in the elastic region; after this point it passes into the plastic region and the stresses applied to the material cause permanent damage. The slope of the imaginary line we draw to find the yield strength gives us an important material property, Young's modulus. Poisson's ratio is the negative of the ratio of lateral displacement to vertical displacement.
The Test
In the tensile test, the cross-section of samples can mostly be cylindrical or sheet-shaped. Different clamping methods may be preferred according to different materials and measurement precision. Each clamping method has its own advantages and disadvantages.
Tensile tests are carried out according to certain standards. The standards also differ according to the type of material. For example, tensile tests of plastic materials are carried out according to ISO 527-1. For metallic-material tests at room temperature, ISO 6892-1 is used. Some other standards for tensile tests are:
- ISO 6259-1 – Tensile testing of thermoplastic pipes
- ASTM D638 – Tensile testing of plastics
- ISO 4136 – Destructive tests on welds in metallic materials — transverse tensile test
- TS ISO 37, ASTM D412, DIN 53504 – Rubber — tensile strength + elongation
- ISO 6892-2 – High-temperature test method
Compression Test
The compression test shows us the behaviour of materials under compressive force or crushing. The test usually continues to the rupture point of the material or to a certain limit. As a result, the load the material can bear up to rupture and its deformation up to that point are determined. The test is usually performed by subjecting the material to compressive force in more than one direction, by heating or cooling. However, tests can also be performed under different conditions.
Materials with high tensile strength generally have low compressive strength. For this reason these materials are examined by the compression test. The materials most often subjected to compression testing are generally brittle materials, for example: composites, concrete, wood, metal, brick materials; polymers, plastics, foams.
As a result of the compression test, a force-shortening curve is obtained. The force is then converted to stress to create a stress-strain curve. This curve is very similar to the stress-strain curve in the tensile test; only the axes are oriented to show shortening. The calculations in the tensile test are also valid for the compression test.
The Test
Compression tests are mostly performed on brittle materials. As an example of standards, ISO 844 gives us the compression properties of rigid foams. This standard lists the cross-sectional area values and shapes sought in samples, temperature-humidity values and expected results. Stresses are given in kPa. Some standards created for compression tests are:
- ASTM D575-91 – Standard test methods for rubber material
- ASTM E9-19 – Compression testing of metallic materials at room temperature
- TS EN ISO 14126 – Fibre-reinforced plastic composites
Fatigue Test
Fatigue is localised, permanent and progressive damage that occurs in materials.
The basic logic in the fatigue test is the periodic application of relatively small variable forces that, applied a few times, would not cause permanent damage. In this way, materials are tested until crack-like damage occurs. The lifetime of samples is determined with the fatigue test. The number of cycles the material encounters up to the point of fracture gives us its lifetime.
In the fatigue test the results can be shown with stress-cycle graphs. During the fatigue test, as the number of cycles increases, the maximum stress that can be applied accordingly decreases. The material's response in the fatigue test changes according to the magnitude of the applied stress. As the load amount decreases, the number of cycles increases. In high-cycle fatigue tests the number of cycles is greater than 10⁷ and the applied stress remains in the elastic region. High-cycle tests are load-controlled. In low-cycle fatigue tests there is high stress and a low amount of elongation; here the tests are performed as strain-controlled.
Some test standards related to the fatigue test are:
- ISO 12110-1 – Fatigue testing for metallic materials (variable amplitude)
- ASTM D7791 – Uniaxial fatigue testing for plastics
- ASTM C1368 – Slow crack-growth testing for ceramics
Mühendislikte malzemeler farklı türden yüklere maruz kalırlar. Malzemeleri gruplandırmak için belli yükler altındaki tepkileri testlerle gözlemlenir ve malzemelerin mekanik özellikleri böylece ortaya çıkar.
Mühendislikte malzemeler farklı türden yüklere maruz kalırlar. Malzemelerin maruz kalabileceği yükler çekme, basma, bükme, kesme veya burma şeklinde sıralanabilir. Aynı zamanda bu yükler statik ya da dinamik olarak da farklılık gösterebilirler. Malzeme aynı anda bu yüklerden birine veya birkaçına karşı mukavemet göstermek zorunda kalabilir. Bu durumda hangi koşulda hangi malzemenin kullanılacağının bilinmesi gerekir. Malzemeleri gruplandırmak için belli yükler altındaki tepkileri testlerle gözlemlenir ve malzemelerin mekanik özellikleri böylece ortaya çıkar.
Elastisite özelliklerinin edinilmesi için yapılan testleri statik ve dinamik olarak ayırabiliriz. Bir testin statik olması için kuvvetin en fazla 1 Hz frekansta, sabit ve tek seferde uygulanması gerekir. Bu durumda statik testte gerilme sabit ve uzama oranı da 0.25'ten az olur. Statik testler aniden değişen yükler için yeterli bir model oluşturamadığından bu tip yükler için dinamik testler kullanılır. Dinamik testte yük değişkendir ve örneğe sinüzoidal bir deformasyon uygulanır. Bu testler yüksek ya da düşük sıcaklıklarda da gerçekleştirilebilir. Dinamik testler sonucunda sertlik ve sönümlenme bilgileri elimize geçer. Yorulma testlerini ise dinamik testlerin bir alt dalı olarak inceleyebiliriz. Yük çevrimsel olarak uygulanır. Bu testler çekme-çekme, basma-basma ya da basma-tersine çekme döngüleriyle yapılır. Yorulma testi sonucunda malzemelerin ömrü belirlenebilir. Ayrıca yorulma mukavemeti ve çatlama direnci de buradan belirlenir. Bu yazıda mekanik testlerden bazıları incelenecektir.
Çekme Testi
Çekme testi mühendislik alanında malzemelerin dayanım özelliklerini belirlemek için yapılan en yaygın testlerden biridir. İzotropik malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek için yapılır. Bu test temelde, numune üzerine aynı doğrultudaki karşıt yüzlerden çekme kuvveti uygulanmasıyla, malzeme üzerindeki gerilmenin malzeme kopana kadar takip edilmesine dayanır. Çekme testi sonucunda malzemenin akma dayanımı, maksimum çekme dayanımı, sünekliği, Young modülü, kesme modülü ve Poisson oranı elde edilebilir.
Gerilme – Uzama Eğrileri
Test sırasında elde edilen veriler kullanılarak gerilme-uzama eğrisi elde edilir. Bu eğri bize malzemenin akma dayanımını, maksimum gerilme kuvvetini, kopma noktasını ve gevreklik-süneklik durumunu verir. Aynı zamanda malzemenin boyutlarından bağımsız bir bilgi sağlaması da bir avantajdır.
Çoğu eğri için başlangıç kısmı doğrusaldır. Gerilme-uzama eğrisinde, uzamanın %0.2 olduğu noktadan itibaren eğrinin eğimine paralel bir eğri çizildiğinde eğri üzerinde akma dayanımı değerine ulaşılır. Akma dayanımı bize malzemenin, kalıcı bir hasara uğramadan taşıyabileceği maksimum gerilmeyi verir. Bu noktaya kadar cisim elastik bölgededir, bu noktadan sonra ise plastik bölgeye geçer ve malzeme üzerinde uygulanan gerilmeler kalıcı hasara yol açar. Akma dayanımını bulmak üzere çizdiğimiz hayali doğrunun eğimi bize önemli bir malzeme bilgisi olan Young modülünü verir. Poisson oranı ise yatay yer değiştirmenin dikey yer değiştirmeye oranının negatifidir.
Test
Çekme testinde numunelerin kesit görünümü çoğunlukla silindirik ya da sac şeklinde olabilir. Farklı malzemelere ve ölçüm hassasiyetlerine göre farklı bağlama şekilleri tercih edilebilir. Her bağlama şeklinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır.
Çekme testleri belli standartlara göre yapılır. Malzemelerin türüne göre standartlar da farklılık gösterir. Örneğin plastik malzemelerin çekme testleri ISO 527-1 standardına göre yapılır. Oda sıcaklığındaki metalik malzeme testleri içinse ISO 6892-1 standardı kullanılır. Bunların dışında çekme testleri için diğer standartlardan bazıları şunlardır:
- ISO 6259-1 – Termoplastik Borularda Çekme Testi
- ASTM D638 – Plastikler İçin Çekme Testi
- ISO 4136 – Metalik Malzemelerin Kaynakları Üzerinde Tahribatlı Muayeneler – Enine Çekme Deneyi
- TS ISO 37, ASTM D412, DIN 53504 – Kauçuk – Kopma Mukavemeti + Uzama
- ISO 6892-2 – Yüksek sıcaklıkta test yöntemi
Basma Testi
Basma testi bize malzemelerin basma kuvveti ya da ezilme altındaki davranışlarını gösterir. Test genellikle maddenin yırtılma noktasına ya da belli bir limite kadar devam eder. Sonuç olarak malzemenin yırtılmaya kadar kaldırabileceği yük ve bu ana kadarki bozulması tespit edilir. Test genelde malzemenin ısıtılarak ya da soğutularak birden fazla yönde baskı kuvvetine maruz bırakılmasıyla yapılır. Ancak farklı koşullarda da testler yapılabilir.
Çekme dayanımı yüksek olan malzemelerin genelde basma dayanımları düşüktür. Bu nedenle bu malzemeler basma testiyle muayene edilir. Üzerinde en çok basma testi yapılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir, örneğin; kompozitler, beton, tahta, metal, tuğla malzemeler; polimerler, plastikler, köpükler.
Basma testi sonucunda bir kuvvet-kısalma eğrisi alınır. Kuvvet ardından gerilmeye dönüştürülerek gerilme-uzama eğrisi oluşturulur. Bu eğri çekme testindeki gerilme-uzama eğrisine çok benzerdir. Yalnızca eksenler kısalmayı gösterecek yöndedir. Çekme testindeki hesaplamalar basma testi için de geçerlidir.
Test
Basma testleri çoğunlukla gevrek malzemelere yapılır. Standartlardan örnek vermek gerekirse ISO 844 bize sert köpüklerin basma özelliklerini verir. Bu standartta numunelerde aranan kesit alanı değerleri ve şekiller, sıcaklık-nem değerleri ve beklenen sonuçlar listelenmiştir. Gerilmeler kPa cinsinden verilir. Basma testleri için oluşturulmuş standartlardan bazıları şunlardır:
- ASTM D575-91 – Kauçuk malzeme için standart test yöntemleri
- ASTM E9-19 – Oda sıcaklığında metalik malzemelerin sıkıştırma testi
- TS EN ISO 14126 – Elyaf takviyeli plastik kompozitler
Yorulma Testi
Yorulma; malzemelerde meydana gelen bölgesel, kalıcı ve ilerleme durumuna sahip hasarlardır.
Yorulma testinde temel mantık, malzemeye birkaç sefer uygulandığında kalıcı hasara yol açmayacak görece küçük değişken kuvvetlerin periyodik olarak uygulanmasıdır. Bu şekilde malzemeler, çatlak benzeri hasarlar meydana gelene kadar test edilir. Yorulma testi ile numunelerin ömrü belirlenir. Malzemenin kırılmaya uğradığı noktaya kadar karşılaştığı çevrim sayısı bize ömrü verir.
Yorulma testinde sonuçlar gerilme-çevrim grafikleriyle gösterilebilir. Yorulma testi sırasında çevrim sayısı arttıkça buna bağlı olarak uygulanabilecek maksimum gerilme azalır. Uygulanan gerilmenin büyüklüğüne göre yorulma testinde malzemenin verdiği tepki değişir. Yük miktarı azaldıkça çevrim sayısı artar. Yüksek çevrimli yorulma testlerinde çevrim sayısı 10⁷'den büyük olur ve uygulanan gerilme elastik bölgede kalır. Yüksek çevrimli testler yük kontrollüdür. Düşük çevrimli yorulma testlerinde ise yüksek gerilme ve düşük uzama miktarı vardır. Bu noktada testler uzama-kontrollü olarak yapılır.
Yorulma testi ile ilgili test standartlarından bazıları şunlardır:
- ISO 12110-1 – Metal Malzemeler İçin Yorulma Testi (Değişken Genlikli)
- ASTM D7791 – Plastikler İçin Tek Yönlü Yorulma Testi
- ASTM C1368 – Seramikler İçin Yavaş Çatlama Büyüme Testi