BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 10 YORULMA TESTİ

Transkript

1 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 10 YORULMA TESTİ

2 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK-402 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY-7 YORULMA DENEYİ GİRİŞ Dinamik yükler ve titreşimler altında çalışan makine elemanlarının maruz kaldığı gerilmeler, malzemenin akma dayanımının altındaki bir değerde olsa bile belirli çevrim sayılarından sonra yüzeyde çatlamalar ve devamında malzeme yüzeyinde parça ayrılması şeklinde parçayı hasara uğratır. Bu olaya yorulma denir. Yorulma malzemelerde (köprüler, uçaklar, makine parçaları vb.) ortaya çıkan bir çeşit kopma biçimidir. Yorulma kelimesinin kullanılma sebebi bu gibi kırılmaların uzun bir gerilme ve gerinim döngüsünden sonra ortaya çıkmasıdır. Yorulma, gizlice ve hiç uyarı vermeden ortaya çıktığından felaketle sonuçlanabilir. Metallerin çoğu bu çeşit kopmalara hassastır. Tekrarlı yükler altında malzemenin yorulma hasarına uğramadan dayanabileceği maksimum çevrim sayısı malzemenin o yük altındaki yorulma ömrünü verir. Bir malzemenin yorulma ömrü zamandan bağımsızdır. Çelik ve Titanyum alaşımı malzemeler belirli bir yorulma ömrü değerinin altında sonsuz çevrim sayısında bile kopmazlar. Sonsuz ömrün meydana geldiği bu gerilme değerine yorulma sınırı adı verilir. Mg ve Bakır alaşımı gibi diğer alaşım malzemeleri ile beton türü malzemede ise bir yorulma sınırı söz konusu değildir. Bu tür malzemeler için yorulma dayanımı tanımı yapılır. Yük ne kadar azaltılırsa azaltılsın bu tür malzemeler muhakkak belli bir çevrim sayısından sonra yorulma hasarına uğrarlar. Yorulma hasarı sonucu malzemede meydana gelecek kırılma malzeme ister sünek ister gevrek olsun her zaman gevrek kırılmadır. Malzemenin akma dayanımının altındaki bir değerde beklenmedik bir anda yorulma hasarına uğramasının sebebi bu şekilde açıklanır. 1

3 DENEYİN AMACI Deney standartlara göre hazırlanmış St 37 çelik alaşımı bir malzemenin değişik yükler altında yorulma ömrünün ve sonsuz çevrim yorulma ömrüne sahip olacağı yorulma sınırı değerinin S-log N (geril me genliği-çevrimsayısı) grafiği ile belirlenip yorulma ömrüne etki eden diğer faktörlerin de irdelenmesini amaçlamaktadır. TEORİ Yorulma hasarına neden olan gerilme çevrimleri genel olarak üç farklı gerilme- zaman grafiği olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunlardan birincisi, düzenli ve sinüs dalgasına benzeyen ters gerilme döngüsüdür (Şekil-1). Bu grafikte genlik zaman eksenine göre simetriktir ve çekme ile basma gerilmeleri birbirine eşittir. Çekme Basma Şekil-1: Ters gerilme çevrimi. Diğer bir gerilme çevrimi ise tekrarlı gerilme çevrimidir. Tekrarlı gerilme çevriminde de elde edilen grafik sinisoidal olmasına karşın zaman eksenine göre asimetriktir (Şekil-2). Çekme Basma Şekil-2: Tekrarlı gerilme çevrimi. 2

4 Şekil-2 deki döngüyü analiz etmek için çeşitli parametreler kullanılır. Denklem (1) de σ m ortalama gerilmeyi, denklem (2) de σ r gerilme aralığını, denklem (3) de σ a gerilme genliğini ifade etmektedir. Denklem (4) de yer alan R ise maksimum ve minimum gerilmeler arasındaki oranı veren gerilme oranını ifade etmektedir. [1] [2] [3] [4] Üçüncü durum ise düzensiz gerilme çevrimidir (Şekil-3). Bu döngüde gerilme belirli bir kurala bağlı olmaksızın iniş çıkış gösterir. Uçak kanatlarında meydana gelen gerilme çevrimi bu tür bir gerilme çevrimidir. Çekme Basma Şekil-3:Düzensiz gerilme çevrimi. Deney sonuçları baz alınarak yapılacak olan hesaplamalarda deney cihazı için özel olarak türetilmiş olan denklem (5) kullanılacaktır. Denklemde S gerilme genliğini, W deney esnasında uygulanan yükü (kg), L numunenin toplam uzunluğunu (114 mm), D ise numuneye ait olan iki çaptan küçük olan çapı (5 mm) ifade etmektedir. Deney numunesi Şekil 4 de gösterildiği gibidir. 3

5 Şekil-4:Deney numunesi. S = 35,681 W (kg)l(mm) (MPa) π (D(mm)) 3 [5] DENEY DÜZENEĞİ Şekil-5: Yorulma deney cihazı. Yorulma deney düzeneği Şekil 5 de görüldüğü gibidir. Düzeneğe numune üzerine uygulacak değişik yüklerin uygulanması için bir aparat kullanılır. Motor ve bağlantı elemanları ile numuneye iletilen tork belli bir çevrim sayısından sonra numune üzerinde meydana gelecek gerilmeler sonucunda numuneyi yorulma hasarına uğratacaktır. Numunenin yorulma hasarına uğrayacağı devir sayısı devir sayacından okunur. Numune hasara uğradıktan sonra cihaz otomatik olarak kendini kapatır. 4

6 DENEY PROSEDÜRÜ Numunenin cihazla bağlantısını gerçekleştirdikten sonra uygulanması gereken yükü Şekil 5 de görülen ağırlık bölgesine asınız. Uygulanmak istenen yük ağırlık asmak için kullanılacak olan aparatın da ağırlığı göz önüne alınarak asılmalıdır. Motordan torku uygulayıp frekansı ayarlayınız. Uygulanan yük altında, numunenin hasara uğradığı çevrim sayısını kaydediniz. Bu deneyde bazı yüklerde malzemenin yorulma hasarına uğramadığı gözlemlenebilir nedenini tartışınız. HESAPLAMALAR Şekil-6: S-N eğrisi. i. Deney sonunda uygulanan yüklere karşı malzemenin kaç çevrim sayısı sonunda yorulma hasarına uğradığı tablo halinde verilecektir. ii. Verilen yükleri ve Şekil 4 de verilen deney numunesinin boyutlarını göz önüne alarak her bir yüke karşılık gelen gerilme genliği değerini denklem ( 5) i kullanarak hesaplayınız. iii. Elde edilen gerilme genliği değerlerine karşılık gelen çevrim sayılarının logaritmasını alarak Şekil 6 daki gibi bir S-log N grafiği elde ediniz. iv. Grafiği Excel de veya MATLAB gibi bir bilgisayar programı aracılığla noktaların arasından geçen logaritmik bir grafik şeklinde elde ediniz. v. Malzemenin yorulma sınırını belirleyiniz. 5

7 EKLER: 1) Tanımlar a) Yorulma b) Yorulma Ömrü c) Yorulma Sınırı (Sonsuz Çevrim Yorulma Ömrü) d) Yorulma Dayanımı e) Yorulma Ömrü f) Yüksek Çevrim Yorulma g) Düşük Çevrim Yorulma 2) Yorulma Mekanizması a) Yorulma Hasarının Gerçekleşmesi için Gerekli Şartlar 3) Yorulma Çevrimleri a) Ters Gerilme Çevrimi b) Tekrarlı Gerilme Çevrime c) Düzensiz Gerilme Çevrimi 4) Yorulmayı Etkileyen Faktörler a) Ortalama Gerilme b) Çentik Etkisi c) Yüzey Kalitesi d) Tasarım Faktörleri ve Tane Boyutu e) Çevresel faktörler 1) Sıcaklık 2) Korozyon iç etkenler (malzemenin durumu, mikro yapısı, v.b.) kolaylaştırmaktadır. Montaj hataları da yorulma hasarlarına sebep olmaktadır. Sanayideki hasarların yaklaşık %80-90 metallerin yorulması sonucu meydana gelmektedir. Bir malzemenin yorulma ömrü, yorulma dayanımı veya yorulma sınırı Wöhler eğrileri kullanılarak belirlenir. Wöhler eğrileri değişen gerilme genliğine karşılık malzemenin hasara uğradığı çevrim sayısı grafiği çizilerek elde edilir. Dolayısıyla yorulma deneyi değişik yükler altında tekrarlanmalıdır. Demir esaslı malzemelerde Wöhler eğrileri 10^6-10^7 çevrimden sonra yatıklaşmaya başlar. Malzemenin yorulma hasarına uğramadığı bu gerilmeye literatürde sürekli dayanım, yorulma limiti veya süresiz yorulma dayanımı adları verilir. Eğer malzeme 10^4-10^5 çevrimden daha az çevrimde yorulma hasarına uğruyorsa yüksek aksi takdirde düşük çevrim yorulma gözlemlenir. Yorulma hasarının gerçekleşmesi için bir çatlak mekanizmasının olması şarttır ve bu mekanizma çatlak başlangıcı, çatlak ilerlemesi ve kopma şeklinde malzemenin yorulma hasarına uğramasına yol açar. Makina parçaları fonksiyonlarını yerine getirirken, dış yüklerin etkisi altında kalırlar. Etkiyen bu yükler her zaman statik yükler olmayıp, genellikle büyüklüğü ve yönü düzenli veya düzensiz olarak sürekli değişen türdedir. Bu değişen zorlamalardan dolayı kırılma, söz konusu malzemenin akma sınırının çok altındaki gerilmelerde oluşabilir. Bu tür kırılmalara yorulma kırılması denir. Yorulma kırılmasını, dış ( şekil, yüzey durumu, zorlama şekli, sıcaklık ve korozif ortam) ve Yorulma olayında çatlama genellikle yüzeydeki bir pürüzde, bir çentikte, bir çizikte, bir kılcal çatlakta veya ani kesit değişimlerinin olduğu yerde başlar. 6

8 b) Çentik Etkisi Malzemede çentiğin olması yorulma ömrünü büyük ölçüde azaltır. Çatlak teşekkülü için genellikle şu üç ana faktör gereklidir: a. Yeteri derecede yüksek bir max. çekme, b. Uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi veya dalgalanması, c. Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı. Tabloda çentiğin yorulma ömrüne etkisi verilmiştir. Yorulma ömrünü etkileyen faktörler aşağıda sıralandığı gibidir: a) Ortalama Gerilme c) Yüzey Kalitesi Yüzey pürüzlülüğü arttıkça yorulma ömrü azalır. Taşlama, parlatma, hassas işleme ile yüzey kalitesi ve yorulma ömrü arttırılabilir. Yorulma kopmalarının çoğu metal yüzeyinde başladığından, yüzey durumundaki her değişiklik, metalin yorulma ömrünü de etkileyecektir. Yüzeydeki pürüzler, çentik etkisi yaparak çatlak oluşumunu kolaylaştırır. Yüzey işleme kalitesi azaldıkça yorulma mukavemeti de azalır. Metal yüzeyinde artık basma yaratan bir uygulama yorulma ömrünü artırmaktadır. Bilya püskürtme, yüzeye karbür veya nitrür emdirme gibi işlemler yüzeyde artık basma oluşturur ve bu işlem malzemenin yorulma ömrünü arttırır. 7

9 d) Tasarım Faktörleri ve Tane Boyutunun Etkisi Keskin köşeler çentik etkisi yapacağından ve bu kısımlarda gerilme yığılması olacağından yorulma ömrünü azaltır. Kullanılan malzemenin tane boyutunun azalması çatlak ilerlemesini azaltacağından yorulma ömrünü arttırır. e) Çevresel faktörler Yüksek sıcaklıkta yorulma dayanımı düşer. Sıcaklık düştükçe yorulma dayanımı artar. Sıcaklığın etkisiyle oluşan gerilmeler yorulma üzerinde etkilidir. σ = α.e.δt Sıcaklık farkı arttıkça gerilmeler de artar. Bazen parçanın tümünün sıcaklık değişimine uğraması gerekmez. Parçanın bir kısmı sıcak bir kısmı soğuk olabilir. Bu da çatlak oluşumuna ve ısı nedeniyle yorulma kırılmasına neden olur. Yorulma çatlağı için gerekli tekrar sayısı korozyon varsa önemli olçüde azalacak yoksa artacaktır. çatlağın ilerleme hızı da korozyon varsa artacak yoksa yavaş ilerleyecektir. Korozyon aynı anda birden fazla yerde çatlak başlatabilir. O zaman çatlaklar yüzeyden başlar çekme yönüne dik olarak ilerler. KAYNAKÇA [1] Übeyli M., TOBB ETU Malzeme Bilimi Ders Notları, Ankara [2] erişim tarihi: [3] Kumru N., Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Celal Bayar Üni. Soma Meslek Yüksek Okulu, [4] KAYALI, E. SABRO; ENSARO, CAHOT; DOKEÇ, FERODUN Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri O.T.Ü. Metalürji ve Malzeme Bölümü [5] ONARAN, Kasif Malzeme Bilimi Bilim Teknik Tayınevi [6] WEISSBACH, WOLFGANG (ANIK, SELAHADDON; ANIK, E.SABRO; VURAL,MURAT) Malzeme Bilgisi ve Muayenesi Birsen Yayınevi