Bir asansör halatının kaç kişiyi taşıyabileceğini, bir araba kaportasının kaza anında ne kadar eğileceğini veya bir diş implantının çiğneme kuvvetine dayanıp dayanmayacağını nasıl biliyoruz? Cevap, malzeme biliminin en eski ve en temel deneyi olan Çekme Testinde (Tensile Test) gizlidir.
Eğer bir malzeme kullanacaksanız, önce onu kopana kadar çekmeli ve davranışlarını kaydetmelisiniz. İşte mühendislik dünyasının en ünlü grafiği olan "Gerilme-Gerinim Eğrisi"nin hikayesi.
Çekme testi, standart boyutlarda hazırlanmış bir malzemenin (genellikle "köpek kemiği" şeklinde), özel bir makine (Üniversal Test Cihazı) tarafından iki ucundan tutulup, kopana kadar yavaş yavaş ve sabit bir hızla çekilmesi işlemidir.
Bu test sırasında makine iki veriyi sürekli kaydeder:
Kuvvet (Yük): Malzemeyi çekmek için ne kadar güç harcanıyor?
Uzama: Malzeme ne kadar uzuyor?
Ancak mühendisler "kuvvet" ve "uzama" ile yetinmezler. Çünkü kalın bir halat, ince bir ipten daha çok yük taşır ama bu malzemenin daha iyi olduğunu göstermez, sadece daha kalın olduğunu gösterir. Malzemenin kalitesini anlamak için bu veriler Gerilme (Stress) ve Gerinim (Strain) değerlerine dönüştürülür.
Gerilme: Uygulanan kuvvetin, malzemenin kesit alanına bölünmesi (Kuvvet / Alan).
Gerinim: Malzemenin boyundaki uzamanın, ilk boyuna bölünmesi (Uzama / İlk Boy).
Test bittiğinde elimizde bir grafik olur. Bu grafik bize malzemenin doğumundan ölümüne (kopmasına) kadar geçen süreci anlatır. Grafiği 4 ana bölgede inceleyebiliriz:
Testin başlangıcında, malzemeyi çektikçe uzar, bıraktığınızda eski haline döner. Tıpkı bir paket lastiği gibi.
Grafikte düz bir çizgi olarak görülür.
Bu eğim ne kadar dikse, malzeme o kadar serttir (esnemez). Bu eğime Elastisite Modülü (Young Modülü) denir. Örneğin çeliğin eğimi diktir, lastiğin eğimi yatıktır.
Malzemeyi çekmeye devam ederseniz, bir noktadan sonra atom bağları kalıcı olarak kopmaya başlar. Artık yükü kaldırsanız bile malzeme eski boyuna dönmez, uzamış olarak kalır.
Bu noktadaki gerilme değerine Akma Dayanımı denir. Mühendislik tasarımlarında (binalarda, köprülerde) asla geçilmemesi gereken sınır budur. Çünkü kimse köprünün kalıcı olarak eğilmesini istemez.
Akma noktasını geçtikten sonra malzeme "hamur gibi" davranmaya başlar. Şekil değiştirir ama hemen kopmaz. Hatta ilginç bir şekilde malzeme sertleşir ve daha fazla yük taşımaya başlar (Pekleşme).
Eğrinin tepe noktası, malzemenin taşıyabileceği maksimum yüktür. Buna Çekme Dayanımı (Ultimate Tensile Strength) denir. Bu noktadan sonra geri dönüş yoktur.
Maksimum yükten sonra, numunenin orta kısmında gözle görülür bir incelme başlar. Buna "Boyun Verme" (Necking) denir. Kesit alanı daraldığı için malzeme daha az yük taşısa bile uzamaya devam eder ve sonunda "ÇAT!" diye kopar.
Çekme testi bize malzemenin karakterini de söyler:
Sünek Malzemeler (Örn: Çelik, Alüminyum, Bakır): Akma noktasından sonra kopmadan önce çok fazla uzarlar (süneler). Grafikleri uzundur ve altında kalan alan geniştir. Bu malzemeler "haber vererek" kırılır.
Gevrek Malzemeler (Örn: Cam, Dökme Demir, Seramik): Neredeyse hiç esnemezler. Elastik bölgeden sonra aniden kırılırlar. Grafikleri kısa ve diktir.
Bir malzeme mühendisi için çekme testi sonucu alınan veriler hayati önem taşır:
Güvenlik: Asansör halatı kaç tonda kopar?
Malzeme Seçimi: Araba tamponu kaza anında enerjiyi emmek için sünek mi olmalı, yoksa sert mi?
Kalite Kontrol: Üretilen çelik partisi standartlara uygun mu?
Çekme testi, bir malzemenin röntgenini çekmek gibidir. Bize onun ne kadar güçlü, ne kadar esnek ve ne kadar güvenilir olduğunu söyler. Bir dahaki sefere devasa bir köprüden geçerken veya uçağa bindiğinizde, o yapıdaki her bir cıvatanın bu eğriler sayesinde seçildiğini ve sizi güvende tuttuğunu hatırlayın.
