1.1.GİRİŞ
Camın günlük hayatımızdaki ve teknoloji dünyasındaki kullanımını belirleyen özelliklerin başında camın mekanik özelliklerini sayabiliriz. Camın tanıdığımız tüm malzemelerden farklı olan mekanik özellikleri, onun kalıcı deformasyonuna izin vermeyen molekül yapısından kaynaklanır. Bu temel özellik camın kırılma tokluğu düşük, kütlesel mekanik dayanımı yüksek olmakla birlikte yüzey hatalarına aşırı derecede duyarlı olan, kırılgan, kırıldığında yaralanmalara yol açabilen bir malzeme olmasına neden olur. Burada bu temel davranış biçimini ana hatları ile mikro ve makro düzeyde inceleyeceğiz.

1.2.DEFORMASYON:
Bir malzemenin yük altındaki davranışını gerilim-uzama eğrisinde izleyebiliriz. Bu eğrilerden herbiri, üzerine ekseni yönünde giderek artan bir yük uygulanan silindirik bir cismin uzamasını göstermektedir. Ƅ ile göstereceğimiz gerilim, ya da zorlama, bu cismin birim kesit alanı A üzerinde etkiyen F kuvveti olarak tanımlanır.

Ƅ=F/A

Burada dikkat edilirse her üç malzemeye ait eğride de doğrusal davranış gördüğümüz bir davranış bölümü vardır. B bölgedeki deformasyona elastik deformasyon denir. Bu bölgede malzemenin yük altındaki esnemesi yükle doğru orantılıdır, gerilim uzama eğriside bir düz çizgi biçimini alır. Eğrinin esnek deformasyon bölgesindeki eğimi ise E ile gösterilen esneklik sabiti ya da Young sabitini verir.
Esnek deformasyon bölgesinden sonra gerilim – uzama eğrisinin doğrusallığını kaybetmesi, yük artmadan uzama meydana geldiğini, kalıcı (plastik) deformasyon meydana geldiğini gösterir. Pek çok metal ve plastik bu biçimde kopar. Deformasyonun esnek bölge sonrasındaki aşamalarına gelindiğinde kopmaya yol açacak olan çatlakların uç kısımları malzemenin akması nedeniyle kütleşir,
ilerleyişleri yavaşlar. Bu yüzden, bir tür sünek malzemelerin kırılmak için kırılgan malzemelere kıyasla daha fazla enerjiye gereksinimleri vardır. Bu da daha yüksek kırılma tokluğunun anlamına gelir. Kırılma tokluğunun ölçüsü, gerilim – uzama eğrilerinin altında kalan alandır.
Metallerinkine benzeyen
kırılma davranışı gösteren malzemeler, gerilim – uzama
eğrilerinden de görülebileceği gibi kırılmadan önce uyarı verir, kalıcı deformasyon gösterir. Kırılgan malzemeler ise hiçbir uyarı vermeden, aniden kırılırlar. Camın da içinde bulunduğu bu gruptaki malzemelerin kırık parçaları biribirine tam olarak uyacak biçimde bir araya gelebilir. Bu da camlarda kırılma anında kalıcı deformasyon gerçeklştiğinin bir başka göstergesidir.

1.3. MEKANİK DAYANIM

Mukavemet olarakta bilinen mekanik dayanım, bir cismin akma ya da kırılmaya anında maruz kaldığı gerilimdir. Yani, kırılma dayanımı
ƄF olarak gösterir isek;

Ƅ=FF/A
Olur ki, burada FF kırılma anındaki yüktür. Yük cisim üzerine ne biçimde uygulanırsa uygulansın, bu tanım geçerlidir. Örneğin bir eğme deformasyonunda da alt yüzeyde çekme gerilmesi ortaya çıkacak, bu gerilme o malzemenin dayanımı olan a kadar geldiğinde kırılma meydana gelecektir. Cam gibi kırılgan malzemeler, yalnızca çekme gerilimi altında kırılırlar, Basma gerilimi altındaki dayanımları çok yüksektir.
Bir malzemenin mekanik dayanımı, deformasyon davranışıyla ilişkilidir. Metaller ve plastikler iç yapılarıyla belirlenen bir dayanıma sahiptirler. Camın mekanik dayanımı ise, onun yüzey özellikleri tarafından belirlenir. Çünkü camın yüzeyinde hemen her zaman bulunan mikro çatlaklar, gerilim uygulandığında plastik deformasyon engeliyle karşılaşmadan hızla ilerlerken, metallerde ve plastiklerde bu yüzey hataları kütleşir ve ilerlerken arkalarında kalıcı bir deformasyon izi bırakırlar.
O halde cam içindeki çatlaklar, ne şekilde oluşmuş olursa olsunlar, daha sonra uygulanan yeteri kadar yüksek gerilim altında yalnızca esnek deformasyonlara yol açarak ilerlerler. Cam içindeki kırılma olayı, kırılma öncesi esnek deformasyon sırasında biriken potansiyel enerjinin birden bire kırık yüzeyleri oluşturacakaçığa çıkmasıdır. Camda var olan bir çatlağı ilerlemeye başlatmak için gereken enerjiden daha az olduğu için, camda başlayan kırılma genelde orta yerde durmaz, bu çatlaklar cismin sınırlarına ulaşıncaya kadar devam eder.

Camın mekanik dayanımı teorik olarak, yani molekül katmanlarını biribirinden ayırmak için gerekli kuvvetlerden yola çıkarak hesapladığımızda ƄF  3000 Mpa (1Mpa = 106
N/m2) değerini elde ederiz. Gerçekte elde edilen değerler bu teorik değerinin çok altındadır. Yani üretilen elyaflarda 1000 Mpa dayanım elde edilirken, bu elyaflar elle tutulduğunda dayanımları 100 Mpa ‘ a kadar düşer. Günlük yaşantımızda kullandığımız camların dayanımı ise 30 – 100 Mpa arasındadır.
Buradan çıkarılacak sonuç, camların mekanik dayanımlarının, yukarıda da belirttiğimiz gibi, yüzey durumları tarafından belirlendiğidir. Yüzey hataları ise mekanik, kimyasal ve ısıl etkilerle ortaya çıkar.
Yüzey durumu camlardaki kırılma olayının istatistiksel açıdan da etkiler. Yüzeyi homojen olarak aşındırılmış camların kırılma gerilimleri daha kesin olarak tahmin edilebilirken, düzgün yüzeyli camlar daha yayvan bir kırılma gerilimi histogramı verirler.

Düzgün yüzeyli cama ait kırılma gelimi histogramı ürün tasarımı açısından sakıncalı bir durum ortaya koyar. Camların günlük yaşantımızda kullanımı sınırlayan iki temel özellik olan kırılganlık ve güvenilmezlik bu eğride görülmektedir. Burada cama ait kırılma gerilimi eğrisi düşük gerilim bölgesine uzayan bir kuyruk oluşturmaktadır. Bu da, biribiriyle eşdeğer olan cam numunelerinin biribirlerinden oldukça farklı gerilimlerde kullanılacağını gösterir. Ürün tasarımcısı için ortalama kırılma geriliminden çok en düşük kırılma geriliminin anlamı olacağı için tasarımda bu en düşük değerin kullanılması zorunludur. Bu nedenledir ki; zedelenmiş yüzeyleriyle çok yüksek mekanik dayanım sergileyen cam, günlük kullanım nesnesi olarak kullanıldığında emniyetli tasarımdan kaynaklanan ağırlık bakımından rakiplerinin gerisine düşmektedir. Cam ürünlerde, özelliklede cam kaplarda hafifletmenin mümkün olabilmesi için cam yüzeylerinde temas kökenli zedelenmelerin engellenmesi gerekir.
Cam mekanik dayanımının kompozisyonla ilişkisi üzerinde pk çok çalışma yapılmış olmakla birlikte, teknolojik düzyde cam dayanımının kompozisyonla değişmediği iddia edilebilir. Camın yüzey durumunun etkisi yanında, sıcaklık, cam kompozisyonu ve yükleme geçmişinin dayanıma etkisi önemsiz kalır.

1.4. STATİK YORULMA
Bir cama uyguladığımız gerilim o
camın kırılma gerilimini aşması halinde camın kırılacağını, çünkü camda bu ana kadar oluşan esneme enerjisinin bu andan sonra çatlak yüzeyi oluşturmaya başlayacağını anlatılmıştı. Ancak çevre
koşullarına, özelliklede atmosferde bulunan suya bağlı olarak kırılma geriliminden dah düşük gerilimlerde de kırılma meydana gelebilir. Buradaki mekanizma, çatlakların suyun etkisi ile yavaş yavaş ilerlemesi ve ani kırılmaya yol açacak boya ulaşmasıdır. Bu olaya statik statik yorulma adı verilir ki; kendi kendine temperli otomobil camları, mutfak kapları, basınçlı şişeler, veya üzerindeki yük değişmediği halde bir süre sonra çöken raflar statik yorulma kurbanıdır.
Statik yorulmayı gösteren I. bölgede çatlak hızı hem uygulanan gerilime hemde ortama bağlıdır. Şekle bakarak belli bir yükün altında çatlak ilerlemesinin meydana gelmeyeceğini söyleyebiliriz.
Yavaş ve hızlı çatlak ilerlemesi arasında bir geçiş oluşturan II. Bölgede ise, şekilde görüldüğü gibi, uygulanan gerilimden çok ortamdaki su miktarı etkilidir. Buradaki sınırlayıcı faktör çatlak ağzına suyun itilmesindeki verimliliktir.
III. bölgede ise hızla ilerleyen çatlağın hareketi camın yapısal özelliklerince belirlenir. 1000 M/S olarak gösterilen noktada ise çatlak hızı, cam içindeki terminal (en yüksek) değerine ulaşmıştır. Buradaki hızı belirleyen faktör cam içinde esnek dalgaların iletimi, bir başka deyişle oluşmakta olan çatlak duvarların momentumudur.

1.5. CAMDA KALICI GERİLME OLUŞUMU VE TEMPERLEME


Kırılma sırasında cam içindeki çatlakların metal ve plastiklerdeki gibi kalıcı deformasyona neden olmadıklarını söylemiştik. Oysa cam içindeki kalıcı gerilmelerin oluştuğu bir başka ortam vardır; Camın sıvı halden camsı hale geçtiği cam dönüşümü aralığı. Soğuma sırasında oluşan kalıcı gerilimler oda sıcaklığına gelindiğinde kırılmaya yol açabildiği için, cam ürünlerin kontrollü bir biçimde soğutulması şarttır.
Yüksek sıcaklıklarda bir sıvı olan cam, yapısını bir katı gibi düzenleme fırsatı bulamadan soğur. Camsı yapı bu biçimde ortaya çıkar. Cam yapının sıvı yapısının adeta bir fotoğrafıdır. Cam ne kadar soğursa, molekülleri o kadar birbirine sokulma olanağı bulacak, cam yapısıda o kadar yoğun, yani boşluksuz olacaktır. Bu demektir ki, bir cam parçasını dönüşüm sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıktan oda sıcaklığına soğuturken eğer her bölgesini aynı hızla soğutmaz isek bu farklı bölgeler farklı yoğunlukta olacaktır. Bunun sonucunda ise oda sıcaklığına geldiğinde bu bölgelerin birbiri üzerine kuvvet uygulamaları, birbirlerini kasmalarıdır. Bu cisimde oluşan kalıcı gerilmelerden kurtulmanın tek yolu, camı tekrar cam dönüşüm sıcaklığının üzerine kadar ısıtarak kontrollü olarak soğutmaktadır.
Camın bu ilginç özelliği, bir yandan üretim açısından zorluklar getirirken, diğer yandan mekanik dayanımının artırılması için olanak hazırlar.
Camın mekanik dayanımının yüzeyinde bulunan mikroçatlakların yoğunluk ve derinlikleriyle belirlenir. Böyle bir cama ikinci kez çekme gerilimi uygulandığında bu mikroçatlaklar suyun da etkisiyle ilerleyerek, belli bir noktadan sonra ani kırılmaya neden olacaktır. O halde, cam yüzeyinde yaratılacak bir baskı gerilimi bu mikroçatlakları sıkıştırıp, çekme gerilmesi uygulanırken yüzey durumunun dayanım üzerindeki belirleyiciliğini ortadan kaldırabilir.

1.6. MEKANİK DAYANIMIN ARTIRILMASI

Mekanik dayanımı yüzey durumu tarafından belirlenen camı kullanarak yük altında görev yapacak hafif ve güvenilir ürünler üretebilmek için
1.Bu ürünlerin ürünlerin üretimden kullanım sonuna kadar yüzey zedelenmelerinden korunmaları
2.Yüzey hatalarının kırılmaya yol açmayacak bir ortama sokulması; ya da
3.Yüzey hatalarının belli aralıklarla yok edilmesi gerekir.
Yüzey hatalarının başta mekanik temas (çarpma, sürtünme, değme) olmak üzere, termal şok ve kimyasal korozyon gibi etkinliklerle ortaya çıkar. Yüzey hatalarının oluşumunu önlemenin en etkili yolu kaplamalardır. Ağırlık azaltmanın hayati değer taşıdığı şişe üretiminde üretim ve kullanım sırasında şişelerin birbilerine sürtünmeleriyle ortaya çıkan zedelenmeyi en aza indirmek için plastik türü kaplamalar uygulanılmaktadır. Soğuk uçta yapılan bu kaydırıcı kaplamaların cam yüzeyine yapışmasını sağlamak için sıcak uçta da silan bazlı kaplamaların uygulanması gerekmektedir.
Yüzey mikroçatlaklarını çekme gerilmesi altında kırılmaya yol açmayacak şekilde baskı gerilimi altına almak bir başka dayanım artırma yoludur. Bunun bir örneğini bir önceki bölümde ele almıştık. Isı temperleme yanında kimyasal yollada yüzeyde bir basma gerilimi katmanı oluşturulabilir. Burada, cam yüzeyine yakın bulunan sodyum iyonları, daha büyük olan potasyum iyonları ile değiştirilir. İyon değişimi ile kimyasal temperleme de denen bu yöntemde sodyumlardan arta kalan boşluklara sıkışan potasyum iyonları yüzeydeki, cam yapısında basma gerilmesi yaratır.
Son olarak, oluşmuş bulunan yüzey hatalarının alevle eritilerek ya da hidroflorik asitle çözünerek ortdan kaldırılması, böylecede yeni ve zedesiz bir cam yüzeyi elde edilmesi mümkündün.

1.7 CAMLARIN KIRILMASI

Camların kırılması, ortaya çıkış biçimi ve olası sonuçları bakımından önem taşımaktadır. Kalıcı deformasyonu neden olmadan kırılan, parcaları bir araya getirildiğinde başlangıçtaki biçimi elde edebilen ve sert bir malzeme olan cam, bu özellikleriyle yararlanılmalara neden olabilmektedir.
Kırılma analızi, kırılmadan sonra oluşan parçaların incelenmesiyle kırılmanın nedenleri ve sürecine ilişkin bulgular elde eden bir bilim dalıdır.
Kırılma bağlamında önce camda çatlak ilerlemesine değinelim; bir çatlak, her zaman bulunduğu yerdeki en büyük çekme gerilmesinden dik bir konum almaya çalışır. Çatlağın hızı ise, cama uygulanan gerilimle birlikte artar.
Çatlakların cam yüzeyi boyunca ve cam derinliğince yayılışı, kırılma tarihçesini çoğu zaman kesin olarak ortaya çıkarır. Burada kırılma analizinin ayrıntılarınagirmemiz mümkün değil.
|  anasayfa   |  sayfa başı  |   geri  |