Çeliğin Darbe Tokluğu ve Charpy Testi

Çeliğin Darbe Tokluğu Ne Anlama Gelir ve Charpy Enerjisi Ne Anlama Gelmez

Darbe tokluğu ile dayanım, süneklik ve kırılma tokluğu arasındaki fark

Darbe tokluğu, bir yük hızla uygulandığında, çoğu zaman gerilmeyi yoğunlaştıran bir çentik üzerinden, bir malzemenin kırılmaya karşı gösterdiği dirençtir. Dayanım, çekme sünekliği veya kırılma tokluğu ile aynı özellik değildir; ancak bunların tümü sonucu etkileyebilir.

Akma dayanımı, bir çekme testi sırasında plastik deformasyonun başladığı gerilimi ifade eder. Çekme dayanımı, bu testte ulaşılan azami mühendislik gerilimidir. Bu değerlerin hiçbiri, keskin bir çatlak içeren bir çeliğin hızlı bir yükleme olayı sırasında nasıl davranacağını göstermez. Yüksek dayanımlı bir çelik, özellikle düşük sıcaklıkta klivaj kırılmasına karşı zayıf direnç gösterebilirken, daha düşük dayanımlı bir çelik önemli miktarda darbe enerjisi soğurabilir.

Süneklik, kırılma öncesindeki plastik deformasyonu ifade eder ve genellikle bir çekme numunesindeki uzama veya kesit daralması üzerinden belirlenir. Darbe tokluğu, sıradan çekme sünekliğinin yeniden oluşturamadığı bir hız etkisini ve çentik etkisini içerir. Çentikli bir Charpy numunesinde gerilimi düzgün deformasyon yoluyla yeniden dağıtma olanağı sınırlıdır. Bu nedenle çentik, yerel kısıtlanmayı ve çatlak başlatmayı testin merkezine yerleştirir.

Charpy soğurulmuş enerjisi bir KIC değeri veya eksiksiz bir kırılma tokluğu ölçümü değildir Strong evidence

Kırılma tokluğuKırılma tokluğu Tanımlanmış numune geometrisi, yükleme, kalınlık, çatlak ve geçerlilik koşulları altında ölçülen çatlak direnci özelliği

Kırılma tokluğu farklı bir özellik sınıfıdır. $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ veya çatlak ucu açılma yer değiştirmesi (CTOD) gibi değerler, önceden mevcut bir çatlağın tanımlanmış numune, kalınlık, yükleme ve geçerlilik koşulları altında ilerlemeye karşı direncini ifade eder. Örneğin $K_{\mathrm{IC}}$, numune boyutu ve plastiklik etkilerini bastırmak amacıyla tasarlanmış koşullar altında elde edilen düzlem şekil değiştirmeli kırılma tokluğu değeridir. Charpy V-çentiği, kırılma başlatmayı teşvik edecek kadar keskindir; ancak yorulma ile önceden çatlatılmış bir kırılma tokluğu numunesi değildir ve soğurulan enerjisi $K_{\mathrm{IC}}$ değeri değildir.

Çatlak durdurma davranışı da ayrı tutulmalıdır. Bir malzeme çatlak başlatılmasına direnç gösterebilirken ilerleyen bir çatlağa karşı farklı bir direnç sağlayabilir. Boru hattı çelikleri için ağırlık düşürmeli yırtılma testi, farklı darbe sıcaklıkları aralığında kırılma yüzeylerindeki sünek-kesme ve klivaj oranlarını ölçerek çatlak durdurma davranışını inceler. Bu yöntem Charpy testiyle birbirinin yerine kullanılamaz.

Soğurulan enerjinin neden dolaylı bir malzeme göstergesi olduğu

Geleneksel bir Charpy testinde bir sarkaç, basitçe mesnetlenmiş çentikli bir numuneye çarpar. Sarkacın başlangıç ve son enerjisi arasındaki fark, numune tarafından ve uygulamada test prosedürünün hesaba kattığı bazı ilişkili kayıplar tarafından soğurulan işi gösterir. Sonuç, genellikle joule cinsinden, soğurulan darbe enerjisi olarak raporlanır. NIST, 2024 yılında Charpy testini kırılma sırasında soğurulan enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümünü sağlayan, yüksek yükleme hızlı bir test olarak tanımlamıştır.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

Buradaki önemli kelime “dolaylı”dır. Ölçülen enerji çeşitli olayların birleşiminden oluşur: çentik yakınındaki plastik deformasyon, çatlak başlatma, kararlı veya kararsız çatlak ilerlemesi, sürtünme ve makine etkileri ile nihai kırılma süreci. Bu enerji, her bileşen geometrisine veya yükleme hızına değişmeden aktarılabilecek tek bir malzeme sabiti değildir. ASTM E23, numune gereklilikleri, prosedürler, makine doğrulaması, raporlama ve kesme kırılması görünümünün belirlenmesi dâhil olmak üzere Charpy basit kiriş ve Izod konsol kiriş darbe testlerini kapsar. ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentikli ve U-çentikli sarkaçlı darbe testlerini tanımlar. Çentik tipi önemlidir; belirlenmiş bir dayanak olmadan V-çentik ve U-çentik sonuçları eşdeğer kabul edilmemelidir.

Kırılma görünümü, yalnızca enerji sayısının sağlayamayacağı kanıtlar sunar. Sünek yırtılma genellikle önemli ölçüde plastik deformasyon gerektirir ve daha fazla enerji soğurur. Klivajın baskın olduğu kırılma genellikle daha az enerji soğurur. Bu nedenle kesme kırılması yüzdesi, yanal genişleme ve bir sonucun sünekten gevreğe geçiş eğrisi üzerindeki konumu, aynı nominal enerjinin mühendislik açısından yorumunu değiştirebilir.

Enstrümante edilmiş testler, kuvvet-zaman veya kuvvet-yer değiştirme tepkisi hakkında ek bilgi sağlayabilir. ISO 14556:2023, enstrümante edilmiş Charpy V-çentik testini ve ilave kırılma davranışını ölçmek ve kaydetmek için kullanılan ekipmanı tanımlar; ISO 148-1:2016 bu enstrümante edilmiş yöntemi kapsamaz. Makinenin durumu da önemlidir. ASTM E23 ve ISO 148-2 doğrulama gereklilikleri sağlar; NIST’in Charpy Makinesi Doğrulama Programı ise periyodik makine kontrolleri için sertifikalı numuneler kullanır.

Tek bir Charpy değerini evrensel bir özellik olarak değerlendirmenin tehlikesi

“Bu çeliğin Charpy tokluğu 80 J’dir” şeklindeki bir ifade eksiktir. Sıcaklık belirtilmemiş olabilir. Çentik geometrisi, numune yönelimi, levha kalınlığı, ısıl işlem durumu, numune alma konumu, test yönü, numune sayısı, geçerli standart ve kırılma görünümü de belirtilmemiş olabilir. Bu eksikliklerin her biri sonucun anlamını değiştirebilir.

Ferritik çelikler, sıcaklık düştükçe genellikle sünekten gevreğe geçiş gösterir. Bu nedenle oda sıcaklığındaki bir sonuç, daha düşük bir servis sıcaklığındaki davranış hakkında çok az güvence sağlayabilir. Geçiş bölgesi içinde bile sıcaklıktaki küçük değişiklikler, enerji ve kırılma biçiminde büyük farklılıklara yol açabilir. Üst plato enerjisi, geçiş bölgesi enerjisi ve alt plato davranışı farklı kırılma mekanizmalarından kaynaklanır; bu nedenle Charpy verileri bir alt sınır kırılma tokluğu değerini tahmin etmek için kullanıldığında ayrı korelasyonlar gerekir. Bu tür korelasyonlar, tanımlanmış ferritik çelik koşulları için mühendislik amaçlı ön değerlendirmeyi destekleyebilir; ancak soğurulan enerjiyi düzlem şekil değiştirmeli kırılma tokluğuna dönüştürmez.

Bir Charpy sonucu, numune alma planından ve numune yönlenmesinden bağımsız olarak yorumlanamaz Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

Numune yönelimi başka bir belirleyici değişkendir. Boyuna bir Charpy numunesi, çeliği enine veya kalınlık doğrultusundaki bir numuneden farklı şekilde örnekler; çünkü haddeleme yönü, inklüzyonlar, bantlaşma ve tane yapısı çatlak ilerlemesini etkiler. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik testleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve ısıl test ile parça testine ilişkin sıklıkları birbirinden ayırır. Bu nedenle numune alma, testten sonra eklenen idari bir ayrıntı değil, sonucun bir parçasıdır.

NIST’in 2011 yılında yan oluklu Charpy numuneleriyle ilgili değerlendirmesi, yan olukların üst plato enerjilerinde biriken plastik deformasyonu azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini; yarılma şiddetinin ise sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı yakınında en yüksek olduğunu ortaya koymuştur. Bu bulgu, numune geometrisinin hem ölçülen enerjiyi hem de kırılma yüzeyini neden değiştirebileceğini göstermektedir.

Bir Charpy sonucu; malzeme durumu, standart, çentik, yönelim, sıcaklık, numune alma planı, enerji ve kırılma görünümü birlikte belirtilen, tanımlı bir test gözlemi olarak raporlandığında yararlıdır. Bu bağlam olmadan tek bir sayı, çeliğin evrensel bir özelliği değildir ve tek başına servis koşullarındaki kırılma güvenliğini ortaya koyamaz.

Charpy Sarkaç Testi: Numune, Çentik ve Kırılma Olayı

Standart Charpy V-çentikli ve U-çentikli numuneler

Bir Charpy testinde, bir yüzünde işlenmiş çentik bulunan küçük, dikdörtgen kesitli bir çubuk kullanılır. Numune iki destek üzerine yatay olarak yerleştirilir ve ardından çentiğin karşısındaki yüzeye bir sarkaçla vurulur. Bu düzenek, çatlağın kontrollü bir konumda başlamasını ve kalan net kesit boyunca ilerlemesini sağlar. Sonuç, yalnızca “çeliğin” bir özelliği değildir; belirli bir numunenin, çentiğin, yönlenmenin, sıcaklığın ve malzeme durumunun verdiği tepkidir.

ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentikli ve U-çentikli sarkaç darbe testlerini tanımlar. V-çentik ve U-çentik adlandırmaları çentik profilini belirtir; birbirinin yerine kullanılabilecek iki test sonucu anlamına gelmez. V-çentiğin eğimli kenarları, kontrollü bir kök yarıçapında birleşerek nispeten keskin bir gerilme yığılması oluşturur. U-çentiğin kökü ise yuvarlatılmıştır ve bu nedenle farklı bir yerel gerilme alanı oluşturur. Çentik derinliği, çentik açısı, kök yarıçapı, numune boyutları ve yüzey kalitesi, ilgili standartta belirtilir. Küçük sapmalar bile kırılma öncesindeki çatlak başlatma sürecini ve plastik deformasyonu değiştirebilir.

Nominal boyut (mm)

Yaygın olarak kullanılan tam boyutlu Charpy numunesinin nominal boyutları 10 mm × 10 mm × 55 mm’dir; ancak izin verilen boyutları ve küçültülmüş boyutlu alternatifleri ilgili standart ve ürün spesifikasyonu belirler. V-çentikli bir numunede çentik genellikle 2 mm derinliğinde, 45 derecelik bir açıya ve belirtilmiş bir kök yarıçapına sahiptir. Bu değerler, standartlaştırılmış bir geometrinin tanımıdır; herhangi bir darbe numunesi için genel bir imalat tarifi değildir. U-çentik boyutları da aynı şekilde seçilen standarda göre belirlenir ve V-çentik uygulamasından çıkarılamaz.

ASTM E23, hem Charpy basit kiriş hem de Izod ankastre kiriş darbe testlerini kapsar. Bu ayrım önemlidir. Izod numunesi ankastre kiriş olarak tutulur ve desteğin üst kısmından darbe alır; Charpy numunesi ise her iki ucundan desteklenir. Bir yöntemden elde edilen değer diğer yöntemden elde edilmiş gibi adlandırılamaz. ASTM E23 ayrıca numune gerekliliklerini, prosedürleri, cihaz doğrulamasını, raporlamayı ve kayma kırılması görünümünün belirlenmesini de ele alır.

Çentik genellikle vurucunun çentiksiz yüze yük uygulayacağı ve çentiğin bükülme kesitinin çekme tarafında bulunacağı şekilde yönlendirilir. Daha sonra net kesit bükülürken çatlak çentik kökünde başlar. Numune yönlenmesi de raporlanmalıdır. Örneğin haddelenmiş levhada, boyuna Charpy V-çentikli bir numune; haddeleme yönü, kalıntılar, bantlaşma ve tane yapısının farklı bir bileşimini örnekler. Bu bileşim, enine veya kalınlık doğrultusundaki bir numuneninkinden farklıdır. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik testleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve ısı bazlı test sıklığı ile parça bazlı test sıklığını birbirinden ayırır. Dolayısıyla numune alma işlemi, raporlanan sonucun anlamının bir parçasıdır.

Sarkaç darbesi ve soğurulan enerjinin hesaplanması

Serbest bırakılmadan önce sarkaç belirli bir yüksekliğe kaldırılır ve kendisine bilinen bir potansiyel enerji kazandırılır. Sarkaç aşağı doğru hareket eder, numuneye kontrollü bir hızla vurur, çubuğu kırar veya büker ve karşı tarafta daha düşük bir yüksekliğe yükselir. Basitleştirilmiş biçimde soğurulan enerji

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

şeklindedir; burada $m$ etkin sarkaç kütlesi, $g$ yerçekimi ivmesi, $h_1$ ve $h_2$ ise sarkacın başlangıç ve son yükseklikleridir. Gerçek cihazlarda mekanik kayıplar, sürtünme, hava direnci, vurucu geometrisi ve cihaz kalibrasyonu dikkate alınır. Göstergede verilen değer, geleneksel olarak joule cinsinden raporlanır.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

NIST, Charpy testini kırılma sırasında soğurulan enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümünü sağlayan, yüksek yükleme hızlı bir test olarak tanımlar. Cihazlar, ASTM E23 ve ISO 148-2 kapsamında sertifikalı numunelerin kullanıldığı NIST Charpy Machine Verification Program gibi prosedürlerle periyodik olarak kontrol edilir. Doğrulama, cihazın kabul edilebilir sonuçlar verdiğini ortaya koyar; ancak çeliğin kimyası, ısıl işlem, numune hazırlama veya numune alma işlemlerinin neden olduğu değişkenliği ortadan kaldırmaz.

Enerji, yalnızca yeni çatlak yüzeyi oluşturmak için gereken enerjiyi kapsamaz. Aynı zamanda olay sırasında meydana gelen elastik ve plastik bükülmeyi, çatlak başlatmayı, kararlı yırtılmayı, sürtünme etkilerini ve diğer deformasyonları da içerir. Yüksek bir değer çoğu zaman sünek yırtılma ile, düşük bir değer ise genellikle klivajın baskın olduğu kırılma ile birlikte görülür; ancak enerji tek başına kırılma sürecinin tamamını tanımlamaz. Kırılmış yüzey incelenmeli ve gerekli durumlarda kayma kırılması görünümü kaydedilmelidir.

Sıcaklık sonucu keskin biçimde değiştirebilir. Birçok karbonlu ve düşük alaşımlı yapı çeliği sınıfı gibi ferritik çelikler, sıcaklık düştükçe sünekten gevreğe geçiş gösterebilir. Oda sıcaklığında elde edilen tek bir değer; kış tasarım sıcaklığındaki, kaynak ısısından etkilenmiş bölgedeki veya işletme sırasında meydana gelen hızlı bir çatlak olayındaki davranışı temsil edemez. Charpy enerjisi, ferritik çeliklerde alt sınır kırılma tokluğunu tahmin etmek için belirlenmiş korelasyonları destekleyebilir; ancak alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışları için ayrı ilişkiler uygulanır. Bu değer, düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu değeri değildir ve çatlak durdurma performansını doğrudan ortaya koymaz. Ağırlık düşürmeli yırtılma testi, boru hattı çeliklerinde çatlak durdurma davranışı için kullanılan ayrı bir yöntemdir ve darbe sıcaklıkları boyunca sünek kayma ve klivaj oranlarını ölçer.

Basit kiriş geometrisi, destek koşulları ve çentik yönlenmesi

Charpy numunesi, darbe sırasında yaklaşık olarak basit mesnetli bir kiriş gibi davranır. Numunenin uçları, belirlenmiş bir açıklıkta örsler üzerine otururken vurucu, orta noktaya yakın bir bölgeye konsantre bir yük uygular. Destekler, açıklık, vurucu yarıçapı, boşluk, hizalama ve darbe hızı; bükülme gerilmesini ve çentik çevresindeki kısıtlamanın düzeyini etkiler. Boyutları doğru görünse bile düzgün oturtulmamış, yanlış hizalanmış, hasarlı veya belirtilen konumun dışında darbe uygulanmış bir numune yanıltıcı bir değer verebilir.

Çentik yönlenmesi, hangi malzeme doğrultusunun çatlak yolu boyunca yer alacağını belirler. Hadde dokusu, uzamış kalıntılar, kaynak katılaşma yapısı, segregasyon ve önceki deformasyon; boyuna, enine ve kalınlık doğrultusundaki sonuçların önemli ölçüde farklılaşmasına neden olabilir. İşleme izleri, aşırı büyük kök yarıçapı, çapaklar, korozyon ve hazırlama sırasında oluşan ısı da çatlak başlatmayı değiştirebilir. Karşılaştırılabilirlik için aynı standardın, çentik tipinin, boyutların, yönlenmenin, sıcaklığın, destek düzeninin ve hazırlama geçmişinin kullanılması gerekir.

Yan oluklar, geometrinin kırılma davranışını daha da değiştirebileceğini gösterir. NIST, 2011 yılında yan olukların üst raf enerjilerinde plastik deformasyon birikimini azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini bildirmiştir; yarılmanın şiddeti sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı civarında en yüksektir. Bu tür numuneler belirli bir inceleme için yararlı olabilir; ancak sonuçları, belirtilmiş bir yöntem olmadan olağan Charpy değerleriyle birleştirilmemelidir.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

ISO 14556:2023, kırılma davranışı hakkında ek bilgi sağlamak üzere kuvvet ve yer değiştirme ya da bunlarla ilişkili sinyalleri kaydeden cihazlandırılmış Charpy V-çentikli sarkaç darbe testini belirtir. ISO 148-1:2016, bu cihazlandırılmış yöntemi geleneksel enerji testinin yerine koymaz. Geleneksel Charpy sonucu, tek bir kontrollü darbe olayına verilen standartlaştırılmış bir tepkidir; her türlü işletme çatlağının, yükleme geçmişinin, kısıtlama koşulunun veya çatlak durdurma probleminin doğrudan bir simülasyonu değildir.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 ve ISO 14556:2023

Charpy sonuçları standartlaştırılmış ölçümlerdir; ancak standartlar arasında otomatik olarak birbirinin yerine kullanılamazlar. Bildirilen bir değer; numuneye, çentiğe, yönlenmeye, deney sıcaklığına, sarkaçlı makineye, doğrulama durumuna, malzemenin durumuna ve raporlama kurallarına bağlıdır. Ayrıca bu değer, düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğunu, çatlak durdurma direncini veya kırılma davranışının her yönünü değil, absorbe edilen darbe enerjisini ifade eder.

NIST, Charpy deneyini kırılma sırasında absorbe edilen enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümünü sağlayan, yüksek yükleme hızlı bir deney olarak tanımlar (NIST, 2024). Bu ayrım, sıcaklık düştükçe genellikle sünekten gevreğe geçiş gösteren ferritik çelikler açısından önemlidir. Bu nedenle oda sıcaklığında elde edilen bir sonuç, daha düşük bir servis sıcaklığında enerjide meydana gelen keskin azalmayı gizleyebilir.

ASTM E23’ün kontrol ettiği ve raporladığı hususlar[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E23, hem Charpy basit kiriş darbe deneylerini hem de Izod konsol kiriş darbe deneylerini kapsar (ASTM International, 2025). Charpy çalışmaları bakımından gereklilikleri; numune boyutlarını ve çentik ayrıntılarını, numunenin mesnetlenmesini ve yönlenmesini, deney prosedürünü, makinenin çalıştırılmasını, doğrulamayı ve raporlamayı ele alır. Standart ayrıca, kırılma yüzeyinin absorbe edilen enerji sonucunu tamamlayabilmesini sağlamak üzere kesme kırılması görünümünün belirlenmesini de içerir.

Bu kapsam, raporlanan sayıyı yalnızca bir sarkaç okuması olmaktan çıkarır; ancak deneyi doğrudan bir kırılma tokluğu ölçümüne dönüştürmez. Makine, kırılmış numuneyle ilişkili enerji farkını kaydeder; bu değer genellikle joule veya foot-pound cinsinden raporlanır. Değer ancak çentik türü, numune yönlenmesi, deney sıcaklığı, malzeme tanımlaması ve geçerli kabul şartıyla birlikte anlamlıdır.

Makinenin durumu, ölçüm zincirinin bir parçasıdır. Charpy makineleri, NIST’in Charpy Makinesi Doğrulama Programı gibi programlar kapsamında, ASTM E23 ve ISO 148-2 uyarınca sertifikalı referans numuneler kullanılarak periyodik olarak doğrulanır. Geçerli doğrulama gerekliliklerini karşılamamış bir makine, sayısal olarak kesin görünen ancak karşılaştırma için yine de uygun olmayan bir sonuç üretebilir.

ASTM E23, her çelik ürünü için örneklemenin bütün anlamını da tanımlamaz. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik deneyleri için örnekleme prosedürlerini belirtir ve ısı bazlı deney sıklığı ile parça bazlı deney sıklığını birbirinden ayırır. Dolayısıyla aynı darbe prosedürüyle elde edilen iki sonuç, örnekleme planları farklıysa üretim gözetiminin farklı düzeylerini temsil edebilir.

Kırılma görünümü, yalnızca enerjinin sağlayamayacağı kanıtlar sunar. Sünek kesme kırılması genellikle daha fazla enerji absorbe ederken, klivaj ağırlıklı gevrek kırılma genellikle daha az enerji absorbe eder. Kesme kırılması yüzdesi, bir numunenin geçiş eğrisi üzerinde hangi konumda bulunduğunu belirleyebilir; ancak görünüm ölçümleri geçerli raporlama prosedürünü izlemelidir. Yüksek enerjili üst plato sonucu, belirli bir $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ veya çatlak durdurma tokluğu değerini kanıtlamaz.

Geleneksel Charpy deneyleri açısından ISO 148-1:2016’nın kapsamı

ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentik ve U-çentik sarkaçlı darbe deneylerini belirtir (ISO, 2016). Standart, geleneksel deney düzenini tanımlar: çentikli bir numune basit kiriş olarak mesnetlenir ve belirtilen koşullar altında bir sarkaç vurucusuyla kırılır. Bunun sonucunda elde edilen absorbe edilmiş enerji, yöntemle tanımlanan bir darbe değeridir; evrensel bir malzeme sabiti değildir.

V-çentik ve U-çentik düzenekleri birbirinin yerine kullanılamaz. Çentik geometrileri; gerilme yığılmasını, plastik deformasyonu, çatlak başlangıcını ve numunenin kırılması için gereken enerjiyi değiştirir. Bu nedenle ISO 148-1:2016 sonuçları ile başka bir yöntemden elde edilen sonuçlar arasındaki herhangi bir karşılaştırmaya numune boyutları, çentik biçimi, yönlenme, sıcaklık, vurucu ayrıntıları ve makine doğrulaması eşlik etmelidir.

ISO 148-1:2016, cihazlı Charpy deneylerini kapsamaz. Standart, geleneksel sarkaç deneyini ve absorbe edilen enerjinin belirlenmesini ele alır; kuvvet ve yer değiştirme kaydı gerektiren ölçümler ISO 14556 kapsamındadır. ISO 148-2, Charpy sarkaçlı darbe makinelerinin doğrulanmasını ele alır. Bu nedenle ISO 148-1:2016’ya uygunluk, doğrulanmamış bir makinenin karşılaştırılabilir veriler ürettiğinin kanıtı olarak değerlendirilmemelidir.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Standardın kapsamı, malzemeye özgü etkileri de ortadan kaldırmaz. Ferritik bir çelik, sıcaklık değiştikçe bir alt plato, bir geçiş bölgesi ve bir üst plato gösterebilir. Charpy enerjisi bu bölgelerde alt sınır kırılma tokluğu değerini tahmin etmek için kullanıldığında ayrı ilişkiler gereklidir; alt plato, geçiş bölgesi ve üst plato davranışı için kullanılan ilişkiler aynı değildir (TWI, 2024). Bu tür korelasyonlar yalnızca belirtilen malzeme, geometri ve sıcaklık sınırları içinde geçerlidir.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

2011’de yayımlanan ve yan oluklu Charpy numunelerini konu alan NIST araştırması, yan olukların üst plato enerjilerinde biriken plastik deformasyonu azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini ortaya koymuştur. Yarılma şiddeti, sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı yakınında en yüksek düzeye ulaşmıştır. Bu bulgu, numune hazırlama işleminin nominal Charpy adlandırmasını değiştirmeden kırılma davranışını neden değiştirebileceğini göstermektedir.

ISO 14556:2023 kapsamında cihazlı Charpy deneyi

ISO 14556:2023, cihazlı Charpy V-çentik sarkaçlı darbe deneyini ve bu deneyde kullanılan ölçüm ve kayıt ekipmanını belirtir (ISO, 2023). Cihazlı sistem, sarkacın toplam absorbe ettiği enerjiye ek olarak darbe sırasında kuvvetle ilişkili verileri de kaydeder. Böylece standardın ölçüm gerekliliklerine ve veri yorumlamasına tabi olarak çatlak başlangıcı, kararsız ilerleme ve sonraki kırılma gibi aşamalar analiz edilebilir.

Bu yöntem, yalnızca tek bir entegre enerji değeri yerine kırılma davranışı hakkında bilgi sağlayabilir. Kuvvet-yer değiştirme veya kuvvet-zaman kayıtları, başlangıç enerjisinin ilerleme enerjisinden ayırt edilmesine yardımcı olabilir ve sünek yırtılma, klivaj ve karma kırılma arasındaki farklılıkları ortaya koyabilir. Ek sinyaller, otomatik olarak düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu değeri sağlamaz; numune boyutu, kısıtlama, çentik keskinliği, kalibrasyon ve analiz varsayımları önemini korur.

ISO 14556:2023, özellikle cihazlı Charpy V-çentik yöntemidir. Numuneler benzer görünse bile sonuçları geleneksel ISO 148-1:2016 V-çentik değerleriyle veya ASTM E23 değerleriyle gelişigüzel birleştirilmemelidir. Farklı ekipmanlar, kalibrasyonlar, tanımlar, filtreleme işlemleri, raporlama kuralları ve kabul kriterleri raporlanan nicelikleri değiştirebilir.

Charpy deneyi, düşen ağırlıkla yırtılma deneyiyle de karıştırılmamalıdır. Bu ayrı yöntem, darbe sıcaklıkları boyunca sünek kesme ve klivaj oranlarını ölçerek boru hattı çeliğinin çatlak durdurma davranışını inceler. Farklı bir mühendislik sorusuna yanıt verir. Charpy enerjisi, cihazlı darbe verileri, kırılma görünümü ve çatlak durdurma ölçümleri birbiriyle ilişkili kanıtlardır; birbirinin yerine kullanılabilecek etiketler değildir.

Makine Doğrulaması, Kalibrasyonu ve Bir Sonucun Güvenilirliği

Doğrudan doğrulama ve sertifikalı referans numuneleri

Bir Charpy sonucu, yalnızca test sisteminin tamamının bilinen bir yanıt üretebildiğini göstermesi durumunda güvenilirdir. Makine doğrulaması bu gösterimi sağlar. Bu işlem; sarkacın salınıp salınmadığını, numunenin örsler arasına sığıp sığmadığını veya göstergenin makul görünen bir sayı gösterip göstermediğini kontrol etmekle aynı şey değildir.

ASTM E23 ve ISO 148-2 kapsamında doğrudan doğrulamada, darbe enerjisi değerleri belirlenmiş sertifikalı referans numuneleri kullanılır. Laboratuvar, bu numuneleri makinede kırar ve ölçülen sonuçları sertifikalı aralıkla karşılaştırır. Referans numunelerinin davranışı bilindiğinden, bu numuneler yalnızca tek tek boyutları kontrol etmek yerine makineyi ve ölçüm zincirini gerçek darbe koşulları altında sınar.

Bu ayrım önemlidir; çünkü Charpy testi yüksek yükleme hızına sahip bir ölçümdür. NIST, testi kırılma sırasında absorbe edilen enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçüsünü sağlayan bir yöntem olarak tanımlar. Sarkaç, enerjiyi kısa süreli bir kırılma olayı üzerinden aktarmalı; makine ise başlangıç ve son enerjisi arasındaki farkı kaydetmelidir. Bu nedenle küçük mekanik kayıplar veya geometrik hatalar bildirilen değeri etkileyebilir.

Doğrudan doğrulama, aynı anda çeşitli arıza türlerini ortaya çıkarabilir. Aşırı sarkaç sürtünmesi, darbe öncesinde kullanılabilir enerjiyi azaltır. Hasarlı, yuvarlanmış, yanlış yönlendirilmiş veya boyutları hatalı bir vurucu, çentiğin nasıl yüklendiğini değiştirir. Aşınmış örsler veya yanlış destek aralığı, eğilme ve temas koşullarını değiştirir. Desteklerin hizasızlığı burulmaya veya eşit olmayan kısıtlamaya yol açabilir. Makine yine de düzgün bir kırılma oluşturabilir ve inandırıcı görünen bir kadran değeri gösterebilir; ancak referans numunesi gerekliliğini karşılamayabilir.

Makine kapasitesinin de tanımlanmış bir rolü vardır. Amaçlanan enerji aralığı için fazla büyük bir sarkaç yetersiz çözünürlük sağlayabilirken, kapasitesi yetersiz bir makine numuneyi doğru şekilde kıramaz veya kapasite sınırına yaklaşıldığında ölçüm doğruluğunu kaybedebilir. Uygulanabilir standart ve makine tasarımı; izin verilen kapasiteyi, enerji aralığını, vurucu geometrisini, numune desteklerini ve gösterge sistemini belirler.

Doğrulama, kalibrasyonun basitçe eş anlamlısı değildir. Kalibrasyon genellikle bir ölçüm elemanının doğruluğunu izlenebilir bir referansa göre ele alır. Doğrulama ise mekanik bileşenleri ve enerji göstergesi dâhil olmak üzere birleştirilmiş Charpy makinesinin, öngörülen testte kabul edilebilir sonuçlar üretip üretmediğini sorgular. Bir laboratuvar bir enkoderi kalibre edebilir veya bir ölçeği inceleyebilir; ancak vurucu, yataklar, sürtünme veya destekler kusurlu olduğundan makine yine de doğrudan doğrulamadan geçemeyebilir.

NIST Charpy Makinesi Doğrulama Programı

NIST Charpy Makinesi Doğrulama Programı, ASTM E23 ve ISO 148-2 uyarınca sertifikalı numuneler kullanılarak Charpy makinelerinin periyodik doğrulamasını destekler. Programın varlık nedeni, makineler arasındaki farklılıkların malzeme farklılıklarını gizleyecek kadar büyük olabilmesidir. Bu durum özellikle ölçülen enerjilerin bir spesifikasyon sınırına yakın olduğu veya sonuçların laboratuvarlar arasında karşılaştırıldığı durumlarda önem taşır.

Sertifikalı numuneler, üretim numunelerinin yerine geçmez. Bunlar, makinenin ölçülen yanıtının kabul edilmiş bir aralık içinde olup olmadığını belirlemek için kullanılan kontrol malzemeleridir. Başarılı bir sonuç, doğrulama sırasında test sistemine duyulan güveni destekler; ancak gelecekte yapılacak her testi sertifikalandırmaz ve her numunenin doğru şekilde hazırlanmış, yönlendirilmiş, koşullandırılmış ve test edilmiş olduğunu kanıtlamaz.

Resmî doğrulamalar arasındaki rutin kontroller de gerekliliğini korur. Personel; vurucu ve örs boyutlarını, desteklerin hizasını, sarkacın konumunu, makinenin seviyesini, sürtünme kayıplarını, gösterge veya cihazlandırma işlevini ve koruyucular ile muhafaza ekipmanının durumunu doğrulamalıdır. Numune; gerekli boyutları, çentik yarıçapını, çentik derinliğini, çentik yönünü ve yüzey durumunu karşılamalıdır. Çentik incelemesi çapakları, aşırı pürüzlülüğü, işleme izlerini veya tolerans dışı bir yarıçapı ortaya çıkarabilir. Bu kontroller numune ve makine geometrisini ele alırken, doğrudan doğrulama birleştirilmiş sistemin ölçülen kırılma yanıtını ele alır.

Sıcaklık kontrolü ayrı bir belirsizlik kaynağıdır. Ferritik çelikler, sıcaklık düştükçe sünek ve yüksek enerjili kırılmadan klivajın hâkim olduğu düşük enerjili kırılmaya geçebilir. Yanlış sıcaklıkta test edilen bir numune, tamamen tekrarlanabilir bir sayı üretebilir; ancak bu sayı yanlış soruya yanıt verir. Laboratuvar; koşullandırma süresini, aktarma süresini, banyo veya hazne sıcaklığını ve numunenin fiilen ulaştığı sıcaklığı kontrol etmelidir. Operatör prosedürü de aynı ölçüde önemlidir: numunenin yanlış merkezlenmesi, ters yerleştirilmesi, gecikmeli serbest bırakma veya hatalı çentik yönü, makine doğrulamadan geçmiş olsa bile testi geçersiz kılabilir.

ASTM E23; makine doğrulaması, raporlama ve kayma kırılması görünümünün belirlenmesi dâhil olmak üzere Charpy basit kiriş ve Izod konsol kiriş darbe testlerini kapsar. ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentik ve U-çentik sarkaç testlerini belirtir. Cihazlandırılmış testler ayrıdır: ISO 14556:2023, cihazlandırılmış Charpy V-çentik testini ve ek kırılma bilgilerinin kaydedilmesinde kullanılan ekipmanı ele alır.

Doğru görünen bir darbe değeri neden yine de güvenilmez olabilir?

Sayısal bir sonuç makul görünebilir, ancak yine de malzeme açısından anlam taşımayabilir. Doğrulama; numuneden numuneye saçılmayı, ısıl işlemden ısıl işleme değişkenliği, yönlenme etkilerini veya numune alma hatalarını ortadan kaldıramaz. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik testleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve ısıl işlem bazlı test ile parça bazlı test sıklıklarını birbirinden ayırır. Bu nedenle numune alma planı, sonucun neyi temsil ettiğinin bir parçasıdır. Temsili olmayan bir konumdan alınmış ve uygun şekilde test edilmiş üç numune, bütün bir yapıyı karakterize etmez.

Kırılma görünümü, tek başına enerji değerinin sağlayamayacağı kanıtlar sunar. Sünek kayma genellikle klivajdan daha fazla enerji tüketir; ancak aynı absorbe edilmiş enerji, kayma, klivaj, yarılma ve plastik deformasyonun farklı bileşimlerinden kaynaklanabilir. NIST, 2011 yılında yan olukların üst raf enerjilerinde plastik deformasyon birikimini azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini; yarılma şiddetinin ise sünek-gevrek geçiş sıcaklığı civarında en yüksek düzeye ulaştığını bildirmiştir. Numune geometrisi kırılma sürecini değiştirebilir.

Charpy enerjisi, düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu değeri de değildir. Korelasyonlar, belirli ferritik çelikler ve sıcaklık bölgeleri için alt sınır kırılma tokluğunu tahmin edebilir; ancak alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışları için farklı ilişkiler geçerlidir. Çelik sünek-gevrek geçişine uğradığında, oda sıcaklığında elde edilen bir değer düşük sıcaklıktaki hizmet koşullarını açıklayamaz.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Son olarak, Charpy testi çatlak durdurma testlerinin yerini tutmaz. Ağırlık düşürmeli yırtılma testi, darbe sıcaklıkları boyunca sünek kayma ve klivaj oranları üzerinden boru hattı çeliğinin çatlak durdurma davranışını değerlendirir. Bu test farklı bir soruya yanıt verir. Doğrulanmış bir makine, bir Charpy sayısının ölçüm olarak güvenilirliğini artırır; ancak bu sayıyı kırılma direncinin eksiksiz bir açıklaması hâline getirmez.

Sıcaklık, Ferritik Çelikler ve Sünekten Gevreğe Geçiş

Ferritik çelikler, sıcaklık düştükçe genellikle sünekten gevreğe geçiş gösterir. Daha yüksek sıcaklıklarda çentik çevresinde plastik deformasyon gelişebilir ve numune ayrılmadan önce önemli miktarda darbe enerjisi soğurulabilir. Daha düşük sıcaklıklarda dislokasyon hareketi daha fazla kısıtlanır, çentik kökündeki yerel gerilme hızla yükselir ve klivaj kırılması sınırlı plastik deformasyonla ilerleyebilir. Bu değişim, tek bir evrensel sıcaklıkla veya tek bir Charpy değeriyle ifade edilemez.

Bir Charpy testi, belirli bir sıcaklıkta ve yükleme hızında çentikli bir numunenin kırılma sırasında soğurduğu enerjiyi kaydeder. NIST, bunu yüksek yükleme hızlı bir test ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümü olarak tanımlar; doğrudan düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu testi değildir. Sonuç ayrıca çentik biçimine, numune yönlenmesine, levha veya ürün durumuna, test prosedürüne ve numune alma yöntemine bağlıdır. ASTM E23, Charpy basit kiriş ve Izod konsol kiriş darbe testlerini kapsarken ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentikli ve U-çentikli sarkaç testlerini belirtir. Sonuçlar karşılaştırılırken bu tanımlamalar ve prosedürler önem taşır.

Alt plato, geçiş bölgesi ve üst plato

Alt platoAlt plato Ferritik çeliğe ait Charpy eğrisinin, soğurulmuş enerjilerin nispeten düşük olduğu ve kırılmanın genellikle klivajın egemen olduğu soğuk sıcaklık bölgesi

Bilinen Charpy sıcaklık eğrisi genellikle üç yorumlama rejimine ayrılır. Alt plato, soğuk sıcaklık bölgesidir; burada soğurulan enerjiler nispeten düşük kalır ve sıcaklıkla değişimler sınırlı olabilir. Kırılma ağırlıklı olarak klivaj karakterindedir; ancak küçük sünek bölgeler veya kayma dudakları da görülebilir. Düşük bir alt plato değeri, plastik enerji soğurmasının sınırlı olduğuna işaret eder; ancak tek başına bir yapıdaki çatlak ilerlemesinin tam bir tanımını sağlamaz.

Geçiş bölgesi, alt ve üst platolar arasında yer alır. Bu bölgede sıcaklıktaki küçük bir değişim, soğurulan enerjide ve kırılma görünümünde büyük bir değişime yol açabilir. Bazı numunelerde klivaj ve sünek kaymanın birlikte görüldüğü karma kırılma oluşabilir ve saçılma önemli düzeyde olabilir. Bu nedenle, bir sözleşme şartı gibi belirli bir enerjiye karşılık gelen sıcaklık, otomatik olarak malzemenin fiziksel geçiş sıcaklığı değildir. Başka bir tanımda orta nokta enerjisi, kırılma görünümüne dayalı bir ölçüt veya belirli bir kayma kırılması yüzdesi kullanılabilir.

Üst platoda numune, nihai ayrılmadan önce kapsamlı plastik deformasyon yoluyla çok daha fazla enerji soğurur. Ölçülen değer yine de doğrudan bir kırılma tokluğu değeri değildir. Üst plato Charpy enerjisi; numune boyutlarından, çentik keskinliğinden, şekil değiştirme hızından, yönlenmeden ve kısıtlamadan etkilenir. NIST, 2011 yılında Charpy numunelerindeki yan olukların, üst plato enerjilerinde plastik deformasyon birikimini azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini; yarılma şiddetinin sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı civarında en yüksek düzeye ulaştığını bildirmiştir. Yan oluklu bir sonuç, değiştirilmemiş standart bir numuneyle elde edilen sonuçla birbirinin yerine kullanılabilir kabul edilmemelidir.

Bu rejimler, “kötü”den “iyi”ye uzanan düz bir ölçek üzerindeki noktalar değildir. TWI'nin 2024 yılında belirttiği üzere, Charpy enerjisi alt plato, geçiş bölgesi ve üst plato davranışı için alt sınır kırılma tokluğuyla ilişkilendirilirken farklı bağıntılar kullanılır. Bu tür bağıntılar, uygulanabilir bir çelik sınıfı, sıcaklık aralığı, numune konfigürasyonu ve kısıtlama varsayımları gerektirir. Charpy enerjisi, joule cinsinden ölçülen darbe enerjisi olmaya devam eder; kırılma tokluğu ise genellikle $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ veya çatlak ucuyla ilişkili benzer bir ölçüt gibi parametrelerle ifade edilir.

Klivaj kırılması ile sünek kayma arasındaki fark

Klivaj, çatlağın kendisinden önce çok az plastik deformasyon gerçekleşirken tercihli kristalografik düzlemler boyunca ilerlediği hızlı ve gevrek bir kırılma sürecidir. Kırılma yüzeyi çoğu zaman nispeten parlak ve taneli görünür. Yalnızca sınırlı miktarda plastik iş yapıldığından, klivajın baskın olduğu numuneler genellikle daha az Charpy enerjisi soğurur. Bu nedenle alt plato, düşük enerji ve yüksek oranda gevrek kırılma ile ilişkilidir; ancak kesin görünüm çeliğe, yönlenmeye, çentiğe ve test sıcaklığına bağlıdır.

Sünek kırılma, plastik akış ve mikroskobik boşlukların oluşması, büyümesi ve birleşmesi yoluyla gelişir. Genellikle daha fazla enerji tüketir ve çoğu zaman dış yüzeylerin yakınında kayma dudakları bulunan lifsi veya mat görünümlü bir yüzey oluşturur. Geçiş bölgesinde tek bir kırılma yüzeyi üzerinde her iki mekanizma da bulunabilir. Kırılma görünümü belirtilmeden yalnızca soğurulan enerjinin raporlanması, bu değişimi gizleyebilir.

Bu nedenle standartlar ve şartnameler, enerjinin yanı sıra kayma kırılması yüzdesinin de belirlenmesini gerektirebilir. Orta düzeyde enerjiye ve karma kırılmaya sahip bir numune, aynı enerjiye sahip ancak ağırlıklı olarak sünek kayma gösteren bir numuneden farklı bir durumu ifade eder. ASTM E23, kayma kırılması görünümünün belirlenmesini ve raporlama şartlarını içerir. Enstrümante test, olay sırasında kuvvet, yer değiştirme ve soğurulan enerji hakkında ek bilgiler sağlayabilir: ISO 14556:2023, enstrümante Charpy V-çentik testini ele alırken ISO 148-1:2016 bu enstrümante yöntemi kapsamaz.

Ağırlık düşürme yırtılma testi başka bir yararlı ayrım sağlar. Bu test, çatlak durdurma davranışı için kullanılan ve darbe sıcaklıkları boyunca sünek kayma ile klivaj oranlarını değerlendiren, boru hattı çeliklerine özgü ayrı bir yöntemdir. Sonuçları Charpy enerjisinin yerine kullanılmamalı veya aynı ölçüm olarak sunulmamalıdır.

Test sıcaklığını neden çalışma sıcaklığı belirlemelidir?

Belirleyici test sıcaklığı, geçerli tasarım kodu ve şartnamenin gerektirdiği paylar dikkate alınarak, ilgili en düşük çalışma koşulunu temsil etmelidir. Oda sıcaklığında elde edilen bir Charpy sonucu, performansı yalnızca test edilen koşulda veya bu koşula yakın bir durumda ortaya koyar. Daha düşük bir tasarım sıcaklığındaki alt plato konumunu, geçiş davranışını veya kırılma görünümünü belirleyemez.

Bu sınırlama, ferritik yapı çelikleri açısından özellikle önemlidir. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik testleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve döküm bazlı test sıklıkları ile parça bazlı test sıklıklarını birbirinden ayırır. Numune alma, sonucun anlamının bir parçasıdır: Uygunluk sağlayan tek bir numune grubu, her konumu, yönlenmeyi, dökümü, kalınlığı veya ürün durumunu zorunlu olarak temsil etmez.

Bu nedenle test sıcaklığı; soğurulan enerji, numune yönlenmesi, çentik tanımı, standart ve varsa kayma kırılması şartıyla birlikte belirtilmelidir. Makinenin durumu da önemlidir; ASTM E23 ve ISO 148-2 doğrulama çerçeveleri sağlar ve NIST Charpy Machine Verification Program, periyodik makine doğrulaması için sertifikalı numuneler kullanır. Bu ayrıntılar olmadan raporlanan bir “Charpy tokluğu” sayısı eksiktir. Sıcaklık, sonuca eklenmiş önemsiz bir dipnot değildir; ferritik çelikte, gözlemlenen kırılmanın büyük ölçüde sünek mi yoksa klivaj ağırlıklı mı olduğunu belirleyebilir.

Numune Alma, Yönlenme ve Çelik İşleme Geçmişi

ASTM A673/A673M ve yapı çeliğinde numune alma

Bir Charpy sonucu, belirli bir çelik parçasından alınmış, tanımlanmış bir numuneyi ifade eder. Yapı levhası için ASTM A673/A673M önemlidir; çünkü numune almayı, deneyden sonra eklenen idari bir ayrıntı olarak ele almak yerine, boyuna Charpy V-çentik deneyleri için numune alma prosedürlerini belirtir. Standart, numunelerin nereden alınacağını ve ısı bazlı deney veya parça bazlı deney hükümleri kapsamında darbe numunelerinin ne sıklıkta alınması gerektiğini düzenler. Bu seçimler, sonucun anlamının bir parçasını oluşturur.

Numune alma konumu önem taşıyabilir; çünkü bir levha uzunluğu, genişliği veya kalınlığı boyunca tamamen homojen değildir. Kimyasal segregasyon, külçe veya sürekli döküm ürününün belirli bölgelerinin yakınında daha belirgin olabilir. Haddeleme oranı, soğuma hızı ve yüzey ile merkez arasındaki sıcaklık farkları da kalınlık boyunca farklı mikroyapılar oluşturabilir. Bu nedenle, izin verilen konumlardan birinden kesilen numune, numune alma planında belirtilen koşullar altında yalnızca numunesi alınan malzemenin davranışını gösterir. Otomatik olarak levhanın her konumunun, bir üretim partisindeki her levhanın veya bu levhadan imal edilen her bileşenin davranışını ortaya koymaz.

ASTM A673/A673M, yürürlükteki malzeme spesifikasyonu ile satın alma veya imalat şartlarıyla birlikte değerlendirilmelidir. Baskı ve ürüne ilişkin kurallar, kesin numune alma hükümlerini belirler. Yalnızca “Charpy deneyi yapılmıştır” ifadesini içeren bir rapor, temel bilgileri eksik bırakır: geçerli standart, numune yönlenmesi, deney sıcaklığı, numune konumu, gerekli deney sıklığı, absorbe edilen enerji sonucu ve kırılma görünümüne ilişkin herhangi bir şart. ASTM E23; numune şartları, prosedürler, cihaz doğrulaması, raporlama ve kayma kırılması görünümünün belirlenmesi dâhil olmak üzere Charpy basit kiriş deneyleri için genel çerçeveyi sağlar. NIST Charpy Cihazı Doğrulama Programı, deneyi kırılma sırasında absorbe edilen enerjinin yüksek yükleme hızında ölçülmesi olarak tanımlar; bu enerji, doğrudan düzlem şekil değiştirmeli kırılma tokluğu değerine dönüştürülemez.

Boyuna ve enine deney

“Boyuna Charpy”, numune yönlenmesinin ürünün esas haddeleme yönüne göre konumunu belirtir. Boyuna numunede numune uzunluğu genel olarak haddeleme yönüyle hizalanır; çentik yönlenmesi ise çatlağın malzeme içinde hangi yönde ilerleyeceğini belirler. Enine numune, uzunluğu haddeleme yönünü kesecek şekilde alınır. Bunlar birbirinin yerine kullanılamayacak farklı malzeme yönleridir.

Haddeleme, taneleri ve inklüzyonları uzatır ve bantlı bir mikroyapı oluşturabilir. Buna bağlı olarak, uzamış özellikleri keserek ilerleyen bir çatlak; ferrit, perlit, segregasyon bantları veya inklüzyonlarla, bu özellikler boyunca ilerleyen bir çatlağın karşılaştığından farklı bir sıra içinde karşılaşabilir. Ölçülen enerji, özellikle belirgin tekstüre, güçlü bantlaşmaya veya kalınlık yönünde zayıflığa sahip levha çeliklerinde yönlenmeye göre değişebilir. Bu etki yalnızca kalite adıyla belirlenmez. Levha kalınlığı, redüksiyon oranı, yeniden ısıtma uygulaması, kontrollü haddeleme, normalizasyon, su verme ve temperleme ile soğuma geçmişinin tümü katkıda bulunur.

Çentik ve çatlak ilerleme yönü de aynı ölçüde dikkate alınmalıdır. ASTM A673/A673M kapsamındaki boyuna tanımlaması; enine, kalınlık doğrultusunda veya kaynakla ilişkili bir tokluk şartının evrensel karşılığı değildir. Bir yapı, deney kuponunda temsil edilmeyen bir yönde levhaya yük uygulayacaksa, raporlanan değer değerlendirme için yetersiz bir dayanak olabilir. Mühendis, numune yönlenmesini beklenen çatlak yolu ve geçerli tasarım veya malzeme standardındaki şartla eşleştirmelidir.

Sıcaklık da ek bir sınırlama getirir. Ferritik çelikler, sıcaklık düştükçe genellikle sünekten gevreğe geçiş gösterir. Bu nedenle oda sıcaklığında elde edilen boyuna bir değer, servis sıcaklığında çok daha düşük bir sonucu veya aynı sıcaklıktaki enine numunenin farklı tepkisini gizleyebilir. Absorbe edilen enerji ile kırılma görünümü birlikte değerlendirilmelidir: sünek kayma kırılması genellikle daha fazla enerji absorbe ederken, klivajın baskın olduğu kırılma genellikle daha az enerji absorbe eder. ASTM E23, kayma kırılması görünümünün belirlenmesini içerir. ISO 148-1:2016 ise metalik malzemeler için Charpy V-çentik ve U-çentik sarkaç deneylerini belirtir. Enstrümante ölçümler ayrı bir konudur; ISO 14556:2023, ek kuvvet ve yer değiştirme bilgilerinin kaydedilmesi için kullanılan cihazlar dâhil olmak üzere enstrümante Charpy V-çentik deneyini kapsar.

Isı bazlı deney, parça bazlı deney ve malzeme değişkenliği

Isı bazlı deney ve parça bazlı deney, aynı deneyin iki farklı adı değil, numune alma stratejileridir. Isı bazlı deneyde numune alma sıklığı, tek bir kontrollü kimyasal ergitmeden üretilen malzemeyi ifade eden çelik ısısıyla ilişkilendirilir. Parça bazlı deneyde numune alma, geçerli şartlara göre münferit ürün parçalarına veya birimlerine atanır. ASTM A673/A673M bu yaklaşımları ve bunların sıklıklarını birbirinden ayırır. Bu nedenle, bir spesifikasyonda yaklaşımlardan biri belirtilmişse, sanki diğerini gerektiriyormuş gibi yorumlanamaz. Kesin sıklık, geçerli baskı ve ürüne ilişkin hükümden alınmalıdır; genel bir Charpy uygulamasından çıkarılmamalıdır.

Bu ayrım, bir ısının çok sayıda levhaya dönüştürülmesi, levhaların kalınlıklarının önemli ölçüde farklı olması veya üretim sırasında işleme koşullarının değişmesi durumlarında önem kazanır. Isı düzeyinde alınan bir numune, belirtilen numune alma planıyla temsil edilen malzeme hakkında kanıt sağlayabilir; ancak her bir yerel inklüzyon dizisini, segregasyon bandını, laminasyonu veya işleme değişkenliğini ortaya çıkaramaz. Parça bazlı deney, sonuç ile belirli bir ürün parçası arasındaki doğrudan bağlantıyı güçlendirir; ancak yine de tüm bitmiş yapıyı değil, numunesi alınan bölgeyi inceler.

Levha üretiminden sonra gerçekleştirilen işlemler, ana metal sonucu ile servis davranışı arasında ek farklılıklar oluşturabilir. Kaynak, ısıdan etkilenen bölgede tane boyutunu, dönüşüm ürünlerini, sertliği, artık gerilmeyi ve yerel tokluğu değiştiren termal çevrimler meydana getirir. Kaynak sonrası ısıl işlem bu özellikleri yeniden değiştirebilir. ASTM A673/A673M kapsamında ana levhadan alınan bir kupon, bu bölgeler ayrıca numunelenip geçerli prosedüre göre deney edilmedikçe kaynak metalini veya ısıdan etkilenen bölgeyi nitelendirmez.

NIST, 2011 yılında Charpy numunelerindeki yan olukların, üst raf enerjilerinde plastik deformasyon birikimini azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini; yarılma şiddetinin sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı civarında en yüksek düzeye ulaştığını bildirmiştir. Bu durum, numune geometrisinin ve kırılma görünümünün bir enerji değerinin yorumunu neden değiştirebileceğini gösterir. Charpy enerjisi, ferritik çelikler için alt sınır kırılma tokluğuna ilişkin belirli tahminleri destekleyebilir; ancak alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışları için farklı ilişkiler geçerlidir. Sonuç, numunesi alınan yönlenme ve koşul için elde edilmiş bir darbe enerjisi değeridir; her çatlak yolunun, kaynak bölgesinin veya bileşenin eksiksiz bir tanımı değildir.

Kırılma Görünümü, Kayma Alanı, Ayrılma ve Yan Oluklar

Kırılmış Charpy numunesi, tek başına absorplanan enerji değerinin gösteremeyeceği bilgiler içerir. Enerji, sarkacın numuneyi kırarken yaptığı iştir; kırılma görünümü ise bu işin nasıl harcandığını kaydeder. Yüksek bir değer kapsamlı plastik deformasyonu yansıtabilirken, daha düşük bir değer hızlı klivajı gösterebilir; ancak aynı nominal enerji, plastiklik, çatlak ilerlemesi ve kısıtlamanın farklı bileşimlerinden kaynaklanabilir.

Bu ayrım özellikle ferritik çelikler için önemlidir; bu çelikler yüksek sıcaklıklarda sünek davranıştan, sıcaklık düştükçe genellikle klivajın hâkim olduğu davranışa geçer. Bu nedenle oda sıcaklığındaki bir sonuç, kırılma biçiminin nispeten küçük bir sıcaklık aralığında keskin biçimde değiştiği bir geçişi gizleyebilir. ASTM E23, Charpy ve Izod deneylerinde kayma-kırılması görünümünün belirlenmesini içerirken ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentik ve U-çentik sarkaç darbe deneylerini belirtir. Bu standartların hiçbiri kırılma görünümünü enerji, tokluk veya hizmete uygunluk değerlendirmesinin yerine koymaz.

Sünek ve klivaj özelliklerinin incelenmesi

Sünek-kayma bölgesi genellikle lifli, mat veya yırtılmış bir görünüme sahiptir. Çatlak, çoğu zaman mikroyapısal boşlukların çekirdeklenmesi, büyümesi ve birleşmesi yoluyla, önemli ölçüde plastik deformasyon içerisinden ilerler. Kırılma yüzeyinde bu mekanizma daha pürüzlü bir doku ve serbest yüzeylerin yakınında eğimli kayma dudakları oluşturabilir. Buna karşılık gelen deneyde, numune tamamen ayrılmadan önce belirgin ölçüde deforme olduğu için genellikle daha yüksek absorplanan enerji kaydedilir.

Klivaj kırılması tipik olarak daha parlak ve kristalimsi görünümdedir; nispeten düz fasetler ve çatlağın tercih edilen kristalografik düzlemler boyunca hızlı ilerlediğini gösteren nehir desenleri bulunur. Bu kırılma biçimi, sünek yırtılmaya kıyasla çok daha az makroskopik plastik deformasyon içerir. Klivajın hâkim olduğu bir yüzey çoğunlukla düşük darbe enerjisi sonucuyla birlikte görülür; ancak görsel görünüm değerlendirilirken numune yönelimi, çelik kalitesi, sıcaklık, çentik durumu ve inceleme yöntemi dikkate alınmalıdır. Kırılmış bir yüzey, tek başına eksiksiz bir metalografik teşhis değildir.

Geçiş çoğu zaman ani değil, karma niteliktedir. Bir numunede dış yüzeylerde sünek yırtılma, çentiğe daha yakın bir bölgede ise klivaj bulunabilir veya görünür bir sınırla ayrılmış sünek ve klivaj bölgeleri ayrı ayrı görülebilir. Genellikle kırılma yüzeyinin yüzdesi olarak ifade edilen kayma kırılması oranının raporlanması, enerji değerleri birbiriyle örtüşse bile bir malzemenin sünekten gevreğe geçiş sürecinde olduğunu gösterebilir. Örneğin iki numune benzer miktarda enerji absorplayabilir; ancak bunlardan birinde ağırlıklı olarak lifli kırılma varken diğerinde önemli bir klivaj alanı bulunabilir. Bu sonuçlar, düşük sıcaklıkta çatlak ilerlemesi konusunda aynı uyarıyı taşımaz.

Kırılma görünümü saçılmanın ortaya çıkarılmasına da yardımcı olur. Charpy enerjisi; çentik keskinliği, yerel inklüzyonlar, tane yapısı, numune yönelimi ve deney sıcaklığından etkilenir. Tek bir ortalama değer, olağandışı derecede büyük bir klivaj bölgesine sahip bir numuneyi gizleyebilir. Kırılmış yüzeylerin incelenmesi, ölçülen enerjinin beklenen kırılma biçimiyle uyumlu olup olmadığına ilişkin fiziksel bir kontrol sağlar.

Bu kanıt, düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu olarak yanlış adlandırılmamalıdır. NIST, Charpy deneyini kırılma sırasında absorplanan enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümünü sağlayan, yüksek yükleme hızlı bir deney olarak tanımlar. Korelasyonlar ferritik çelikler için alt sınır kırılma tokluğunu tahmin edebilir; ancak alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışları için farklı ilişkiler geçerlidir. Bir Charpy değeri doğrudan $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ veya çatlak durdurma ölçümü değildir.

Raporlanan bir sonuç olarak kayma-kırılması görünümü

Kayma-kırılması görünümü; absorplanan enerji, deney sıcaklığı, numune yönelimi ve tanımlama bilgileriyle birlikte raporlanan bir sonuçtur. Standartlara dayalı çalışmalarda, kayma oranını belirlemek için kullanılan yöntem önemlidir; dayanak belirtilmeden görsel tahminler, karşılaştırma prosedürleri ve ölçüm kuralları birbirine karıştırılmamalıdır. Raporda, numunenin standart V-çentik veya U-çentik konfigürasyonunda olup olmadığı ve yan oluk açma gibi herhangi bir değişikliğin uygulanıp uygulanmadığı belirtilmelidir.

Artan sıcaklıkla birlikte kayma oranındaki yükselme, genellikle klivajdan sünek kırılmaya doğru bir geçişi destekler. Ancak bu durum tek başına evrensel bir geçiş sıcaklığı belirlemez. Mühendisler geçiş sıcaklığını bir enerji ölçütü, bir kayma-alanı ölçütü veya belirlenmiş bir kombinasyondan hareketle tanımlayabilir; bu sıcaklıkların aynı olması gerekmez. Bu nedenle seçilen ölçüt belirtilmelidir.

Cihazlı deneyler, yükleme ve kırılma olayları hakkında ek bilgi sağlayabilir. ISO 14556:2023, cihazlı Charpy V-çentik deneylerini ve darbe davranışını ölçmek ve kaydetmek için kullanılan donanımı kapsar; cihazlı deneyler ISO 148-1:2016 kapsamı dışındadır. Bu yöntemler başlama ve ilerleme özelliklerinin ayırt edilmesine yardımcı olabilir; ancak geometri, malzeme durumu, sıcaklık ve yönelimin yine kontrol edilmesi gerekir.

Numune alma da yorumlamayı etkiler. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik deneyleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve ısıl işlem partisi deneyleri ile parça deneylerinin sıklıklarını birbirinden ayırır. Dolayısıyla bir kırılma fotoğrafı ve enerji değeri, belirli bir deney numunesini tanımlar; bunlar otomatik olarak her levhayı, parçayı veya ısıl işlem partisini temsil etmez.

Yan oluklu Charpy numuneleri hakkında NIST bulguları

NIST’in yan oluklu Charpy darbe deneylerine ilişkin 2011 tarihli değerlendirmesi, yan olukların numunenin yalnızca dış hatlarını değiştirmediğini ortaya koymuştur. Üst raf enerjilerinde yan oluklar plastik deformasyon birikimini azaltır ve ayrılmayı teşvik eder. Raporlanan ayrılma şiddeti, sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı civarında en yüksek düzeye ulaşmıştır.

Ayrılma, ana kırılma yolunun önünde veya onunla birlikte gelişebilen boyuna bir ayrılma ya da yırtılma özelliğidir. Yan oluklar deformasyonu yönlendirir ve numune genişliği boyunca kısıtlamayı değiştirerek çatlak büyümesini ve ortaya çıkan kırılma morfolojisini etkiler. Kırılma yüzeyinin daha parçalı görünmesine neden olabilir ve ölçülen enerjinin yanı sıra sünek ve klivaj bölgeleri arasındaki dağılımı da etkileyebilir.

Bu nedenle yan oluklu ve geleneksel Charpy numuneleri gelişigüzel karşılaştırılmamalıdır. Değiştirilmiş geometri; kısıtlamayı, plastiklik davranışını, çatlak ilerlemesini ve ayrılma olasılığını değiştirir. Yan oluklu bir sonuç, belirli bir araştırma veya yeterlilik amacı için yararlı olabilir; ancak standart bir sonucun yalnızca daha keskin hâle getirilmiş biçimi değildir. Geometri, çentik biçimi, oluk boyutları, yönelim, sıcaklık ve raporlama yöntemi amaçlanan karşılaştırmayla uyumlu olmalıdır.

NIST bulguları, darbe enerjisinin temel sınırlamasını da pekiştirir: tek başına sayı, kırılma mekanizmasını tanımlamaz. Enerji, kayma alanı, klivaj özellikleri ve ayrılma birlikte değerlendirilmelidir; uygulanabilir standart ve numune tasarımı görünür biçimde korunmalıdır.

Enstrümante Charpy Deneyi ve Ek Sinyallerin Gösterebilecekleri

Enstrümante Charpy deneyi, sıradan sarkaçlı darbe deneyine ölçüm kanalları ekler. Makine, yalnızca çekicin başlangıç ve son enerjisini kaydetmek yerine, numuneye uygulanan kuvveti ve bu kuvvetin olay sırasında değişimini kaydeder. Bu ek kayıt, numunenin yük taşıma kapasitesini ne zaman kaybetmeye başladığını, çatlak ilerlemesinden önce ne kadar iş gerçekleştiğini ve çatlak başladıktan sonra kırılmanın nasıl geliştiğini gösterebilir. Ancak bu işlem, bir Charpy numunesini geleneksel bir kırılma tokluğu numunesine dönüştürmez.

ISO 148-1:2016, metalik malzemeler için Charpy V-çentikli ve U-çentikli sarkaçlı darbe deneylerini tanımlar; ancak enstrümante deneyler bu yöntemin kapsamı dışındadır. Ayrı bir standart olan ISO 14556:2023, enstrümante Charpy V-çentikli sarkaçlı darbe deneyini ve darbe koşulları altındaki kırılma davranışı hakkında ek bilgi elde etmek için kullanılan ölçüm ve kayıt ekipmanını tanımlar. ASTM E23; numune gereklilikleri, prosedürler, makine doğrulaması, raporlama ve kayma kırılması görünümünün belirlenmesi dâhil olmak üzere Charpy basit kiriş ve Izod konsol kiriş darbe deneylerini kapsar; enstrümante bir sonuç yine geçerli deney standardına ve raporlama gerekliliklerine bağlıdır.

Kuvvet-zaman ve enerji-zaman bilgileri

Geleneksel bir Charpy sonucu genellikle joule cinsinden soğurulan darbe enerjisi olarak raporlanır. NIST, Charpy deneyini kırılma sırasında soğurulan enerjiyi ölçen ve darbe tokluğunun dolaylı bir ölçümünü sağlayan, yüksek yükleme hızlı bir deney olarak tanımlar. Enstrümantasyon, kuvvet-zaman eğrisine ve çoğu zaman toplam işin hesaplanabileceği kuvvet-yer değiştirme veya kuvvet-enerji eğrisine de imkân verir. Basitleştirilmiş olarak, kuvvet-yer değiştirme eğrisinin altındaki alan numuneye aktarılan mekanik işi, enerji-zaman eğrisi ise bu işin ne kadar hızlı biriktiğini gösterir.

Eğrinin şekli önemlidir. Başlangıçtaki dik yükseliş, çentikli kesitin elastik ve plastik yüklenmesini yansıtabilir. Maksimum kuvvet, numunenin en yüksek yüke ulaştığı noktayı gösterebilir; ancak maksimum kuvvet fiziksel çatlak başlangıcıyla otomatik olarak aynı değildir. Düşen bölüm; çatlak ilerlemesine, plastik çökmeye, vurucunun temasındaki değişikliklere veya bu etkilerin bir bileşimine işaret edebilir. Bu nedenle sinyal; numune geometrisi, vurucu düzeni, mesnet açıklığı, darbe hızı ve deney sıcaklığı dikkate alınarak yorumlanmalıdır.

Anlamlı bir eğri, ölçüm kalitesiyle başlar. Kuvvet dönüştürücüleri, yer değiştirme veya hız ölçümü, zamanlama, yükselteç bant genişliği, veri toplama hızı ve kalibrasyon, kaydedilen eğrinin tümünü etkiler. Mekanik titreşim, kırılma olaylarına benzeyen salınımlar oluşturabilir. Filtreleme gürültüyü giderebilir; ancak aşırı filtreleme bir tepe noktasını da kaydırabilir veya kısa süreli bir başlangıç olayını gizleyebilir. Makinenin uyumluluğu ve vurucunun kütlesi, kaydedilen sinyal ile numunenin gerçekte taşıdığı kuvvet arasındaki ilişkiyi etkiler.

Enstrümante edilen toplam enerji, makinenin geleneksel soğurulan enerji sonucu ile de karşılaştırılmalıdır. Uyum garanti değildir: sürtünme, sarkaç kayıpları, fikstür etkileri, kalibrasyon hataları ve kuvvet-yer değiştirme yeniden oluşturmasında seçilen yöntem farklılıklara yol açabilir. Makinenin periyodik doğrulaması önemini korur. ISO 148-2 ve ASTM E23, NIST tarafından açıklanan Charpy Makine Doğrulama Programındaki sertifikalı numuneler de dâhil olmak üzere doğrulama yöntemleri sunar.

Darbe altındaki başlangıç ve ilerleme davranışı

Kuvvet kaydının önemli kullanım alanlarından biri, olayı aşamalara ayırmaktır. Çatlak ilerlemeden önce çentikli kesit elastik ve plastik deformasyona uğrayabilir. Daha sonra çatlak başlarsa kuvvet-zaman eğrisi; eğim değişikliği, yerel bir maksimum, ani bir düşüş veya analitik prosedür tarafından seçilen başka bir özellik gösterebilir. Seçilen başlangıç noktasına kadar gerçekleşen iş, başlangıç enerjisi olarak adlandırılabilir; kalan iş ise sonraki çatlak ilerlemesi ve numune deformasyonuyla ilişkilendirilir.

Bu terimler otomatik bir fiziksel gerçeği değil, bir analizi tanımlar. Özellikle kararlı sünek yırtılma kademeli olarak geliştiğinde, çatlak başlangıcı belirgin bir kuvvet düşüşünden önce gerçekleşebilir. Buna karşılık, sinyaldeki keskin bir değişiklik yeni oluşmuş bir çatlaktan değil, makine veya temas etkisinden kaynaklanabilir. Bir özelliğin neyi temsil ettiğini doğrulamak için yüksek hızlı görüntüleme, deney sonrası kırılma incelemesi, uyumluluk analizi veya ilave sensörler gerekebilir.

Bu ayrım, özellikle ferritik çeliklerin sünekten gevreğe geçişi boyunca bilgilendirici olabilir. Daha düşük sıcaklıklarda klivaj kırılması, yükün hızla kaybedilmesine ve nispeten az deformasyona yol açabilir. Daha yüksek sıcaklıklarda sünek yırtılma ve plastik deformasyon, eğrinin daha uzun bir bölümü boyunca daha fazla enerji tüketebilir. Kırılma görünümü temel bir kontrol sağlar: kayma ve lifsi bölgeler, iki numunenin toplam enerjileri benzer olsa bile, klivajın baskın olduğu bölgelerden genellikle farklı bir yorumu destekler.

Numune yönelimi ve malzemenin durumu sonucun bir parçası olmaya devam eder. ASTM A673/A673M, yapı çeliğinin boyuna Charpy V-çentik deneyleri için numune alma prosedürlerini tanımlar ve ısıl işlem partisi bazında yapılan deneylerle parça bazında yapılan deneylerin sıklıklarını birbirinden ayırır. Tek bir numune alma konumundan elde edilen ayrıntılı bir kuvvet eğrisi, her yönelimde, levha kalınlığında, kaynak bölgesinde veya ısıl işlem koşulunda geçerli davranışı ortaya koyamaz.

NIST’in 2011 yılında yan yiv açılmış Charpy numuneleriyle ilgili değerlendirmesi, yan yivlerin üst raf enerjilerinde plastik deformasyon birikimini azalttığını ve yarılmayı teşvik ettiğini; yarılma şiddetinin ise sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı yakınında en yüksek düzeye ulaştığını ortaya koymuştur. Bu tür geometri değişiklikleri kuvvet geçmişini ve kırılma görünümünü değiştirebilir. Veri kümeleri karşılaştırılırken bunlar küçük bir değişiklik olarak değerlendirilmemelidir.

Enstrümante verilerin kırılma tokluğuna dönüştürülmesinin sınırları

Enstrümante Charpy verileri kırılma mekaniği hesaplamalarını destekleyebilir; ancak dönüşüm için belirlenmiş bir analitik prosedür, doğrulanmış bir kalibrasyon ve çatlak geometrisi, deformasyon, yükleme hızı ve malzeme davranışıyla ilgili varsayımlar gerekir. Tek başına bir kuvvet-zaman eğrisi, geçerli bir kritik gerilim şiddeti katsayısı $K_{\mathrm{Ic}}$ veya geçerli bir düzlem şekil değiştirme $J_{\mathrm{Ic}}$ değeri sağlamaz.

Standart bir kırılma tokluğu deneyi; yorulma ön-çatlağı açılmış bir numune, kontrollü boyutlar, çatlak boyutu ölçümü, geçerlilik gereklilikleri ve düzlem şekil değiştirme veya elastik-plastik tokluk kriterleri kullanır. İşlenmiş bir Charpy V-çentiği farklı bir çentik yarıçapına, kesit geometrisine, yükleme düzenine ve çoğu zaman farklı bir kısıtlama düzeyine sahiptir. Dinamik yükleme, malzemenin tepkisini ayrıca değiştirir. Enstrümante edilmiş bir eğri, çatlak başlangıç enerjisinin veya çatlak ilerlemesiyle ilişkili bir kuvvetin tahmin edilmesine olanak verse bile, bu tahmin otomatik olarak kırılma tokluğuyla birbirinin yerine kullanılamaz.

Charpy enerjisi, belirlenmiş korelasyonlar aracılığıyla ferritik çelikler için alt sınır kırılma tokluğuyla ilişkilendirilebilir; ancak alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışları için farklı ilişkiler geçerlidir. Sıcaklık, çentik geometrisi, numune yönelimi, kırılma görünümü ve malzemenin durumu, sayısal değerle birlikte verilmelidir. Çatlak durdurma davranışı ise yine ayrı bir konudur: düşme ağırlıklı yırtılma deneyi, sonucunu Charpy veya kırılma tokluğu verilerinin yerine koymak yerine, darbe sıcaklıkları boyunca sünek-kayma ve klivaj oranları üzerinden boru hattı çeliğinde çatlak durdurmayı karakterize eder.

Bu nedenle enstrümante deney, evrensel bir dönüşüm katsayısı değil, ek kanıt sağlar. En güçlü yorum; ekipmanın doğrulandığı, sinyallerin temiz ve kalibre edilmiş olduğu, numune ile sıcaklığın belgelendiği ve başlangıç ya da ilerleme kriterinin açıkça belirtildiği durumlarda elde edilir.

Charpy Enerjisinden Kırılma Tokluğuna ve Çatlak Durdurmaya

Charpy enerjisi bir kırılma tokluğu değeri değildir. Standartlaştırılmış çentikli bir numunenin yüksek yükleme hızında sarkaç darbesi altında kırılması sırasında soğurulan enerjidir. NIST, sonucu $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ veya çatlak ucu açılma yer değiştirmesi gibi bir çatlak ucu parametresinin doğrudan ölçümü olarak değil, darbe tokluğunun dolaylı bir ölçüsü olarak tanımlar. Bu ayrım önemlidir; çünkü küçük bir Charpy çubuğu ile büyük, çatlak içeren bir yapısal bileşen farklı kısıtlama koşullarına, çatlak boyutlarına, gerilme durumlarına ve plastik bölge boyutlarına maruz kalır.

ASTM E23, hem Charpy basit kiriş hem de Izod konsol kiriş darbe deneylerini kapsarken, ISO 148-1:2016 metalik malzemeler için Charpy V-çentik ve U-çentik sarkaç deneylerini belirtir. Cihazlı darbe deneyi ayrı bir konudur: ISO 14556:2023, cihazlı Charpy V-çentik deneylerini ele alır ve kırılma sırasında kuvveti, yer değiştirmeyi ve enerjiyi kaydeder. Makinenin doğrulanması da sonuca duyulan güveni etkiler. ASTM E23 ve ISO 148-2, sertifikalı referans numunelerle yapılan deneyler de dâhil olmak üzere periyodik doğrulamayı zorunlu kılar ve NIST bir Charpy Makinesi Doğrulama Programı yürütür.

Bu nedenle bildirilen joule değeri belirli bir numuneyi, çentiği, yönelimi, sıcaklığı, deney hızını ve malzeme durumunu tanımlar. ASTM A673/A673M, yapısal çelik için ek bir nitelendirme getirir: boyuna Charpy V-çentik deneyleri için numune alma prosedürlerini belirtir ve ergitme bazlı test ile parça bazlı test sıklıklarını birbirinden ayırır. Numune alma, sonucun anlamının bir parçasıdır. Seçilmiş tek bir numuneden elde edilen değer, otomatik olarak her plakayı, kaynak bitişiğindeki bölgeyi, haddeleme yönünü veya çalışma sıcaklığını temsil edemez.

Ferritik çelikler için koşullu korelasyonlar

Ferritik çeliklerde Charpy enerjisi, korelasyon ilgili çelik sınıfı ve kırılma rejimi için oluşturulmuşsa, alt sınır kırılma tokluğunun tahminini destekleyebilir. Bu yararlıdır; çünkü ferritik çelikler sıcaklık düştükçe genellikle sünekten gevreğe geçiş gösterir. Darbe enerjisi eğrisi bir alt raf, bir geçiş bölgesi ve bir üst raf içerebilir ve soğurulan enerji ile kırılma direnci arasındaki ilişki bu bölgeler arasında değişir.

Alt raf, geçiş bölgesi ve üst raf davranışı için ayrı ilişkiler geçerlidir. Üst raf için seçilmiş bir korelasyon, her iki değer de joule cinsinden bildiriliyor diye alt raf sonucuna uygulanmamalıdır. Geçiş bölgesinde küçük sıcaklık değişimleri kırılma biçiminde ve ölçülen enerjide büyük değişikliklere yol açabilir; bu nedenle Charpy değerinin elde edildiği sıcaklık esastır. Kırılma görünümü ikinci bir kanıt sağlar: klivajın baskın olduğu kırılma genellikle daha az enerji soğururken, sünek yırtılma çoğunlukla daha büyük plastik deformasyon ve daha yüksek soğurulan enerji meydana getirir.

Ferritik çelikler içinde dahi kimyasal bileşim, tane boyutu, dayanım seviyesi, ısıl işlem, plaka kalınlığı, haddeleme yönü, çentik keskinliği ve ışınlama veya termal yaşlanma bu ilişkiyi değiştirebilir. Dolayısıyla korelasyon, joule değerinden kırılma tokluğuna evrensel bir dönüşüm değil, koşullu bir modeldir. Tanımlanmış bir malzeme topluluğu, sıcaklık aralığı, numune yönelimi ve geçerlilik koşulu için muhafazakâr bir tarama tahmini sağlayabilir. Rutin bir Charpy sonucunu düzlem şekil değiştirme kırılma tokluğu ölçümüne dönüştürmez.

Numunenin kendisi de yorumu etkileyebilir. NIST tarafından 2011’de yayımlanan bir çalışmada, yan oluklu Charpy numuneleri üst raf enerjilerinde plastik deformasyon birikiminin azaldığını ve yarılmanın arttığını göstermiştir; yarılma şiddeti, sünekten gevreğe geçiş sıcaklığı yakınında en yüksek düzeydeydi. Bu bulgu şu noktayı pekiştirir: Değiştirilmiş bir Charpy geometrisi bile kırılma sürecini değiştirebilir ve sıradan bir V-çentik numunesiyle birbirinin yerine kullanılabilir kabul edilemez.

Alt sınır tahminleri ve bunların sınırları

Alt sınır tahmini, kanıtların desteklediğinden daha yüksek bir kırılma direnci iddia edilmesini önlemeyi amaçlar. Ön tarama, tanımlanmış prosedürlere sahip bütünlük değerlendirmeleri veya bir kodun ya da düzenleyici uygulamanın Charpy temelli bir ilişkiye açıkça izin verdiği durumlar için uygun olabilir. Tahmin; malzeme ailesi, akma dayanımı aralığı, yönelim, sıcaklık, çentik konfigürasyonu, enerji aralığı ve tahmin edilen kırılma tokluğu parametresi gibi koşulları korumalıdır.

Alt sınır, bir bileşenin her türlü çatlağa karşı koyacağını garanti etmez. Charpy numuneleri küçüktür ve bunların kırılması, keskin bir yorulma çatlağı içeren kalın bir bileşene kıyasla daha düşük kısıtlama altında gerçekleşebilir. Bu nedenle yapısal bir çatlak, işlenmiş Charpy çentiğinden farklı bir gerilme alanına maruz kalabilir. Kalınlık, artık gerilme, kaynak kusurları, yükleme hızı, çatlak boyutu ve çift eksenlilik, basit bir enerji korelasyonunun geçerliliğini azaltabilir. Oda sıcaklığında ölçülen bir değer, geçiş eğrisi oluşturulmamışsa daha düşük bir çalışma sıcaklığındaki davranış hakkında da çok az şey söyler.

Gevrek kırılma riski önem taşıdığında, kırılma görünümü ve geçiş sıcaklığı verileri enerji değerine eşlik etmelidir. Tek bir üst raf sonucu, daha düşük sıcaklıklardaki dik bir geçişi gizleyebilir; tek bir alt raf sonucu ise klivajın hâlihazırda belirleyici olduğu bir koşulu ortaya koyabilir. Değerlendirme, tanımlanmış kısıtlama ve geçerlilik koşulları altında nitelikli bir $K$, $J$ veya çatlak ucu açılma yer değiştirmesi değerine bağlı olduğunda doğrudan kırılma tokluğu deneyleri yine gereklidir.

Ağırlık düşürme yırtılma deneyi nasıl farklıdır?

Ağırlık düşürme yırtılma deneyi, Charpy deneyinden farklı bir soruya yanıt verir. Bu deney, küçük numuneleri soğurulan darbe enerjisine göre sıralamak için değil, boru hattı çeliğinde çatlak durdurma davranışını değerlendirmek için geliştirilmiştir. Nispeten uzun, çentikli bir şerit kontrollü darbe koşulları altında vurulur ve ortaya çıkan kırılma yüzeyi çeşitli sıcaklıklar boyunca incelenir. Değerlendirme, sünek-kesme ve klivaj kırılmalarının oranlarına, ayrıca kırılma biçimi değişirken ilerleyen bir kırılmanın durdurulmuş olarak kalıp kalmadığına odaklanır.

Charpy deneyi, standartlaştırılmış çentikli bir çubuğun kırılmadan önce ne kadar enerji soğurduğunu sorar ve soğurulan enerjiyi, yanal genişlemeyi ve kesme kırılması görünümünü bildirebilir. Ağırlık düşürme yırtılma deneyi ise boru hattı çeliğinde ilerleyen bir kırılmanın nasıl davrandığını ve kırılma yüzeyinin sünek yırtılma ile klivaj arasında nasıl değiştiğini inceler. Her iki deney de sünekten gevreğe geçişi ortaya koyabilir; ancak geometrileri, numune boyutları, yükleme tepkileri ve mühendislik çıktıları farklıdır.

Belirtilen malzeme ve yönelim için darbe enerjisi ile geçiş davranışını belirlemek üzere Charpy deneyini kullanın. İzin verilen bir Charpy korelasyonunu yalnızca belirtilmiş, alt sınır niteliğinde bir kırılma tokluğu tahmini için kullanın. Mühendislik sorusu boru hattı çeliğinde uzun mesafeli kırılma ve çatlak durdurma ile ilgili olduğunda ağırlık düşürme yırtılma deneyini kullanın. Bu sonuçların hiçbiri tek başına diğer soruya yanıt veremez.

Kaynaklar

1. [1]International Organization for Standardization. ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. ISO standard, 2016. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html
2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test