: MetÉrilerde Yorulma t Fatigue )

Transkript

1 : MetÉrilerde Yorula t Fatigue ) Assoc. Prof. Dr. Tacéttiiï ATAMAN A GENEL BİLGİLER 1 Konuya Giriş : Şiddeti ve/veya yönü değişen gerilelere aruz kalan etal parçalarının dayanıını bilek çok öneli bir husustur. Üst üste tekrarlanan yüklee ve yükün kaldırılasının veya yönü değişen gerilelere aruz kalanın etallerde eydana getirdirdiği dâyani azalası bir neyi yorula olarak rilte^léndirifëktecfir. Gerçekten, bu yükleelerin ve yükün azaltılası veya kaldırılasının uygulanış olduğu etalin, statik deneylerde elde edilen en büyük dayanıa ulaşıladan, kopası yorulasının yani fatlğih şöylece tarif edilesini kolaylaştırır : Yorula, değişen- gërtlèlér uygulandığı btf addede dayanıın azalrrtäsi^ olayıdır. Yoruhto-tfëtfèyl {Wöhler deneyi) ise bir addenin değişen gerilelere tâbi. tutul; ası deneyidir. 2 Tarifler ye Sigeler Sekil : 1 de görüldüğü üzre : en büyük gerile = gerile devresinde, en büyük gerilenin aljébrik değeridir. 45

2 SOMO*, = e$ küçük geçile,= gerile devresindekr en küçük gerilrnehin aljebrik değeridir. p a = ortalaa gerile = gerilelerin statik bileşenidir". a a = gerile aplitüdü gerilenin değişken bileşenidir. 2 er, = gerile liitleri farkı = R n = gerile devreleri sayısı =* deneyin herhang) bir aşaasında, o ana kadar uygulanış olan gerile devresi sayısıdır. f = gerile frekansı = Bir zaan birii zarfında uygulanan devre sayısıdır. K t == îeolfïk gerile konsantrasyon faktörüdür. Net alana göre ve elastisite teorisine göre he R s = Gerile Ora '= bir devredek oranının aljebrik değeridir. N = Yorula örü veya dayanabile süresi ile orantılı okıp, kopaya kadar uygulanış olan gerile devreleri sayısıdır. Genellikle 10 6 nın katı veya kesri olarak belirtilir. <TN = N.inci devredeki yorula dayanııdır. Bu değere dayanabile sınırı (endurance liit) de denir. od = Yorula sınırı : istatistik olarak tayin edilebilen ve bu değerin altında denenen addenin gerile devre sayısı sonsuza varsa bile kopa olayan gerile değeridir. n/n = devre sayıları oranı = uygulanış olan gerile devrelerinin sayısının yorula örüne oranıdır. Kf = Yorula dayanıı azalta kat sayısıdır, Dolu, cilalı deney parçalarının yorula sınırının gerile konsantrasyonlu deney parçalarının yorula sınırına oranıdır. Bu kat sayının hesaplanasında N devresinde addenin CTN dayanıı kullanılabi lir. Bu kat sayı seçilen N sayısı ile değişir. 3 Gerile devrelerinin tipleri : Şekil : 2 de gerile devrelerinin uhtelif tipleri görülektedir. Bu tipler : basınç gerilesi çeke gerilesi 46 Madencilik

3 1 ve 2 Nolu olanlar dalgalı basınç gerileleri 3 Nolusu ters asietrik (basınç daha büyük) 4 Nolusu ters sietri kbasın = çeke) 5 Nolusu ters asietrik (çeke daha büyük) 6 ve 7 nolu olanlar dalgalı çeke gerileleri tipindedir. B FATİGİN FİZİK YÖNÜ : Uygulaalarda etal parçaları çeşitli fatig şekillerde karşılaşabilir, örneğin : Mekanik fatigden başka : Sonik Fatlg Jet uçaklarındaki gürültünün doğurduğu titreşi ve yorula Teral Fatig ; Sıcaklık derecesi değişelerinin doğurduğu gerile değişeleri. Fatig yüzünden Kopa ; Bir akine parçasında : Kesit değişe yerlerinde * Parça içinde önceden evft bir çatlak veya boşluk Parça içde önceden evcut bir Cüruf parçacığı. dotayıaile gittlkçô böpyen (değişik gerilelerin etkisi altında) bir çajlağın, gerilelere aruz kalan ve çalışan kesitin gittikçe küçülesi sonucu* anwen^ kopasından oluşur. Şekil Kopa ânına kadar gittikçe büyüyen çatlaklı alan Cilt : XIII Sayı : 7

4 C FATrĞİN DİNAMİK YÖNÜ (4) Fatiğ olayına kohü olart parça içinde bir devasızlık noktası (ufak bir devasızlık noktası (ufak bir boşluk) veya zayif bir nokta (ufacık bir cüruf parçası) veya yük altında çalışakta olan parçada gerilelerin toplanış olduğu bir' kesit daralası fatig olayının başlangıç noktasını tayin e- der. Gerile değişelerinin etkisi altında bu noktadan başlayan çok ufak bir çatlak yavaş yavaş gelişeye başlar. Çatlak önünde bulunan addenin bir kısı şekil : 4 de görüldüğü üzre plastikleşir. Şekil : 4 N : devre sayısı I : çatlağın ilerlee yönündeki esafe K : gerile şiddeti C : Sabite di dn = C(AK) n Bu Paris kanunudur. Elektron ikroskopu altında gözlenen fatig kırığı, yüzeylerde görülen paralel çizgilerin yan yana olan ikisinin arasındaki a- çıklık ili ikron ile ölçülür ve bu aralık bir gerile devresine tekabül eder> Buna göre 4 c. tik bir çatlağın eydana gele* = 2-10 arasında ve etalin cinsine göre değişir. si için : r N = 400 x 10* = 4 x 10 8 olur ki noral bir sınır içine düşüş sayılır. Çeliklerde, 2 ile 10 arasında, hafif alaşılarda ise 3 ile Sarasında değişir. O YORULMAYA DAYANABİLME (Endurance) DENEYLERİ Malzeenin yorulaya karşı dayanılarının tayin edilesi için çeşitli deney etodları vardır. Deney parçası : çekeye eğileye büküleye veya bunların çeşitli kobinezonlarına tâbi tutulabilerek yorulaya dayanı tayinleri yapılabilir*. Bu etodlardan en basiti nöbetleşe e- ğile = reversed bending = flexion alternée, deneyidir. Şekil : 5 te bu deney için hazırlanış bir deney parçası görülektedir. Deney parçasının kesiti, parça boyunca 48

5 en büyük gerilenin à : -*- 'n' nin ara* sına gelecek şekilde ayarlanıştır. Aynı zaanda bu ek büyük gerile değeri, bu arada aynı kalaktadır. Kesit değişe yerinde gerile yoğunluğunu önleek için büyük yarı çaplı bir kavis veriliştir. Deney parçasına uygulanan P yükü daia dikeydir ve a- şağı doğrudur. Deney parçası ise döndürülektedir. Böylece her yari dönüşte gerile yön değiştirektedir, ve böylece bir saniyede gerile devre sayısı, deney parçasının bir saniyede yaptığı döne sayısına eşit olaktadır. Bu tip deneyde uygulanan gerile ta bir nöbetleşe geriledir. Gerile ortalaa değeri sıfır ve gerile sınırları arası ise 2 a ax. dır. Bir takı deney parçalarını farklı P yükleri altında deneek yolu ile şekil : 6 da gösterilen bir eğri elde edilebilir. Bu eğri düşük karbonlu çelikten yapılış deney parçaları ile elde ediliştir. Başlangıçta n artınca» süratle azalaktadır. Ancak n, 4-5 ilyona ulaşınca (T ax- değeri de sabit bir değere ulaşır. Bu sabit değere o alzeenin (endurance liit = dayana sınırı) adı verilir. Az karbonlu çeliğin statik deneylerle bulunan dayanıı ile nöbetleşe değişen gerileye karşı dayanıı arasında büyük fark vardır. Statik deneylerde, kopadan önce geniş bir plastik aka vardır ve kopa yüzeyinde ip eğisi ve elyaf 11 bir görüntü vardır. Yorula (fatigue) dan oluşan bir çatlakta ise babaşka bir görüntü vardır: Herhangi bir özürlü yerden başlıyan çatlak nöbetleşe değişen gerileler altında genişler ve uzar ve nihayet parçanın sağla kalan kesiti o kadar küçülür ki yüke dayanaaz ve aniden kırıtır. Bu ani kırıla kesiti ile çatlağın ilerleesi sırasındaki çatlaa kesiti anzara itibarile ayrı görünüşler arzeder. Ani kopa kesiti, bir çeke deneyine tâbi tutulan deney parçasının kopa kesitine benzer. Denenen alzee akıcı (ductile) bile olsa âni kopa bir gevrek kırıladır. Portafo denenen parça (Şekil : 5) da ise en yüksek gerileler parça çevresinde oluşur ve böylece ilk çatlak çevrede başlar ve içeri doğru ilerler. Çatlağın başladığı yerde bir alzee özrü (boşluk, çizgi, cüruf -, tofal) veyşg bifc kesit değişesi gibi gerile yoğunluğu oları fcir yşr olur. Bu çatlak ilerleestle bu başlangıç noktası^ çevresinde ortak jnerkezli halkalar oluşur. Bu tip kırıla akine parçalarının nöbetleşe değişen gerilelere aruz kalaları halinde, bu parçada oluşur. Fairbairn'ın yapış olduğu deneyler sonunda (2) (döve deirden yapılış kirişler üzerinde), sonsuz sayıda uygulansa bile alzeenin yorula arzeteden dayanabileceği bir sınır - gerilenin evcut olduğu anlaşılıştır. Deir alaşılarında, yeterli bir yaklaşı ile dayana sınırı bulunabilir. Bu sırada uygulanan devre sayısı 6-10 ilyon arasında değişir. Deirden gayrı etallerde çok daha büyük devre sayısına ihtiyaç vardır. Böylece etallerin fatige dayanı sınırının tayin edilebilesi için çok sayıda deney yapaya ve dolayrsile çok uzun zaana ihtiyaç vardır. Fazla zaan ve para kaybını önleek için endurance liit : yorulaya karşı dayanı sınırı ile alzeenin diğer ekanik özellikleri arasında bir bağlantı bulunası gerekir. Bu ekanik özelliklerin tayini ise kolay ve ai asraflıdır. Çeşitli çeliklerin ekanik özellikterile yorulaya karşı olan dayanıları aşağıda bir çizelgede veriliş bulunaktadır. ÇİZELGE : 1 den anlaşılacağı gibi : deirli etallerde yorulaya dayanı sınırı. etalin( <jo«, değerinin % 40 ı ile % 55 i arasında alınabilir. (c J«. = etalin en büyük çeke dayanıı. Karbonlu çeliklerde, ekanik özellikleri çok iyi bilindiği için yorulaya dayanı sınırının bu şekilde tahin edilesi yerindedir. Böyle olazsa, bu çeşit tahinler yanıltıcı olur ve uzun ve yorucu olsa da doğrudan doğruya bu sınır değerini, gerekli deney yapılarak bulunalıdır. Bir çok hallerde, yorulaya dayanı deneyi yalnız şeklindeki nöbetleşe değişen gerileler uygulanarak yapılaktadır. Halbuki, akine parçalarının iâlinde taaen 49

6 birbirine eşit oltyan,, değişik gerileler bahis konusu olan hallere rastlanır. Bu tip gerile değişelerine aruz parçaların yorula dayanıını bilek gerekektedir. A. Wöhler fatig (yorula) konusunu sisteatik olarak inceleniştir. Ona göre yorula doğuracak gerile sahası = R = CTaı. <J in- R değeri, ortalaa gerile = a arttıkça azalaktadır. M. Gerber, R ile <r arasında bir parabolik kural bulunduğunu İleri sürüştür. (Şekil : 7). ve R değerleri bu grafikte s«,, in birer yüzdesi olarak alınıştır. R = Gerile alanı, o = 0 için aksiu olaktadır, yani gerileler? c ax. = fftax olduğu zaan (ta olarak alterne gerileler), <y == anp halinde ise R = O olaktadır. Bu şartlar altında, yani alterne gerileler uygulandığında«alzeenin yorula dayanıı sınırı ve. <j, u- i biliniyorsa, herhangi bir gerile değişesi uygulandığı zaan, o alzeenin yorula dayanıı bu eğrilerden elde edilebilir. En son yapılan araştıralar, o île R arasında değişez bir bağlantı oladığını gösteriştir. Örneğin, bu şekilde gösterilen doğrularla belirtilen o R bağlantısına uyan bazı alzeenin yarlığı anlaşılıştır. OA ve OB doğru parçaları (eyil=2) İle sınırlandirılış olan AÖB alanı içinde gerile yön (ve işaret) değiştirir. Bu üçgen alanı dışında, gerile basınç ve basınç, çeke ise çeke olarak kalaktadır. Deney sonuçları, AOB alanında a ve R bağlantısının parabol ve doğru arasında kaldığını gösteriştir; Gerilelerin daia basınç veya çeke olarak kaldığı yerlerde, deneylerden elde edilen R değeri, bazı hallerde sadece Gerber parabolasının altında kalaakta, hatta bu parabolanıji: altındaki doğru parçasının bile altına, düşektedir. Buraya kadar inceleniş olan hâllerde elde edilen sonuçlar çeke' *' basınç vèya eğe deneylerine ait idi ve alzee bu; deneylerde tek ekzenli gerileye aruz kalakta idi. Bu tip gerilelerin en basiti şaftların büküleye (torsiyon) aruz kaldığı halde alzeenin yalnız akaslaa (shear) ya çalıştığı haldir. Pratik uygulaalarda, çoğun hallerde kobine, yani kara gerilelere rastlanır. Bu koşullar altında çalışan parçanın yorulaya dayanı sınırının bilinesine ihtiyaç vardır. Torsiyona aruz şaftlar Torsiyon ile yorula deneyleri yapılış ve alzeenin torsiyon yorula dayanı sınırı tayin ediliştir. Bu deneyler sonucu olarak, akaslaaya çalışan şaftlarda yorula dayanı sınırı ile çeke - basınç deneyinde elde edilen yorula dayanı sınırı oranı % 50 nin biraz üstünde olaktadır. Alterne eğe ve alterne torsiyon (büke) karışıı Bu konu, HJ. G. ve H.V. Follarda tarafından araştırılıştır. (2) Mak. eğe oenti ile aksiu büke oenti oranını değiştirerek yapılan deneylerde karbonlu çeliklerde ve Ni -Cr li çeliklerde çeke ve büke gerilelerie yorula dayanı sınırları arasında : bağlantısı bulunduğu anlaşılıştır. Burada : a e «= eğilede yorula dayanı sınırı T e - = bükülede yorula dayanı sınırı değerleridir. Gevrek alzeede Font üzerinde yapılan deneyler, yorulanın parça üzerinde etken olan esas gerileye göre değiştiğini gösteriştir. Parçanın kırılası dâ, parçadaki en büyük gerile değerini^ fontun yorula dayanı sınırına yaklaşası ile oluşaktadır. 50 Madencilik

7 E Yorulaya dayanabile sınırı Çizerinde Etki Yapan Faktörler : 1 Malzeenin soğuk hazırlanası : Oda sıcaklığında, : Duktilitesi olan etallerde çeke, haddelee, işleleri, yapılınca bu alzee, daha çok dayanıklı olur. Ilılı bir çeke olayı, alzeenin yorula dayanı sınırını artırır. Şiddetli bîr çeke ile de bu sınır azalır. Soğuk işleden sonra ılılı bir ısı işlei (örneğin alzeenin kaynar suda bir sûre tutulası) dayanı sınırını artırır. 2 Aşırı gerileye ve düşük gerileye tâbi tutak : Bir alzeenin yorula dayanıı deneyinde noral gerileye tâbi tutadan Önce, o alzeenin yorula dayanı sınırının üstünde bir gşrjie devresine bir süre tâbi tutulası tarzında deneyler yapılıştır. Bu aşırı gerileye-tâbi tutulan deney parçalarından, bu üst - gerile devre sayısının, aşırı - gerile değerinin bir fonksiyonu olduğu ve bu sayı altındaki aşırı gerile uygulaası ile yorula dayanı sınırının değişediği anlaşılıştır. Bu belli aşırı - gerile devre sayısı aşılıncada, dayanı sınırının azaldığı görülüştür. Bu aşırı - gerile devre sayısının bir fonksiyonu olarak aşırı - gerile aksiu değeri bir eğri olarak elde edildiğinde denenen alzee için bir zarar göre eğrisi elde edilir, Bu eğri altında kalan alan, alzeeye zarar vereyen aşırı-gerile (overstressing) uygulanası derecelerini tayin eder. Bu zarar göre eğrisi, bir akinede noral olarak yorula dayanı sının altındaki gerilelere aruz bulunan ve ancak zaan zaan bu sınırı aşan gerilelere aruz kalan bazı parçaların dayanabile durularının incelenesinde pratik bîr öne taşır. Bu aşırı gerilelerin büyüklüğü biliniyorsa, bu zarar göre eğrisi sayesinde, aşırı -gerile devre sayısının eniyetli olan aksiu değeri tayin edilir. Düşük - gerileye tâbi tuta Yorula dayanı sınırının biraz altında olan bir gerile altında yorula dayanıı deneyine tâbi tutulan bir parça üzerin» deki yük azar azar artırılırsa, dayanı sınırının bu parçada arttığı görülektedir. Bu olaya düşük - gerile uygulanası denir. Dayanı sınırının bu suretle arta ikdarı alzeeye göre değişir. Düşük karbonlu çeliklerde (yuuşak çelik) bu artış iktarı orijinal değerine göre % 30 a kadar u- laşabilir. Buna karşılık Arco deiri ile bakır da bu arta yoktur 3- Frekans Etkisi Yorula dayanıı deneylerinde devrelerin frekansının etkisi de inceleniştir» Ancak dakikada 5000 devrelik'frekansa kadar, dayanı sınırında bir değişe görüleiştir. Dakikada 5000 in üstündeki frekanslarda, frekans artasile birlikte, dayanı sınırının da artakta olduğu görülüştür. Frekans sayısı dakikada 10* ya kadar artırılarak yapîfan deneylerde, Arco deirinde ve a'lüinyürnde', dayaıiı sınınhda r % 30 à kadar bir arta bulunuştur. Bu yüksek frekansların elde edilesi JENKİN tarafından küçük deney parçalarına cebrî titreşi (forced vibrations) uygulana rak yapılıştır. G.N. KROUSE ise, dönen bir kiriş akinesile dakikada devreye ulaşabiliştir. Bu frekansta elde edilen dayanı sınır artışı % 8 e ulaşıştır. 4 SICAKLIK DERECESİ : Düşük teperatur koşuluna örnek olarak uçak gövde ve kanatları gösterilebilir. Yüksek teperatur koşuluna örnek ola rakta buhar türbinleri ve iç yanalı otörler birer örnek olarak verilebilir. Görülüyor ki yorula dayanıı konusunda sıcaklık derecesinin pratik önei yardır. 20 C ile -40 C da yapılış olan ukayeseli dayanı deneyleri, paslanaz çeliklerde«nikelli çeliklerde kro - olibdeni! çeliklerde, yorula dayanıı sınırlarının, sıcaklık düştükçe arttığını gösteriştir. Cilt : XIII Sayı : 7 51

8 Yüksek sıcaklık derecelerinde farklı çelik cinslerile yapıları dayanı deneyleri (ister dönen kiriş akineleri ile, ister alterne dolaysız yüklee akinelerinde) aşağıdaki sonucu veriştir : 300* 400 C a kadar olan sıcaklık derecesi artaaları çeliklerin yorulaya dayanı sınırları üzerinde öneli etkiler yapakatadır. Bu sınırlar 300 C 400 C sıcaklık aralığında en büyük değere ulaşakta ve 100 C 200*0 aralığında ise bu sınırların değerleri oda sıcaklığındaki (24 C) değerlerden daha küçük olaktadır. Bu deneylere göre <r n eğrisi oda sıcaklığında 10 7 devre sayısı ile ancak bu çeliklerin yorulaya dayanı sınırının tayini ükün olaktadır. 5 KOROZİYON'dan DOĞAN YORULMA Tatlı şu, aonyak, hidroklorik asit gibi sıvılarla teas halinde olan pirinç gibi etaller alterne gerilelere aruz kaldıklarında, yorulaya dayanı sınırları azalaktadır. Bu dayanı sınırı azalasına «Koroziyon yorulası» denir. Bunu önleek için koruyucu kaplaalar veya etalik parçada yapılan Soğuk yüzey İşleleri uvaffakiyetle uygulanaktadır. 6 ARTIK GERİLMELER Makine parçalarının ist işleinden geçirilesi sırasında ve çelik yapıların kaynakla birleştirilelerinde büyük ölçüde artık gerileler (residual stresses) parçalarda kalaktadır. Acaba bu artık gerilelerin, o parçanın yorula dayanı sınırı üzerinde bir etkisi olur u? sorusu akla gelir. Su verilerek sertleştirîlen çelik nuuneler üzerinde yapılan dönen kiriş yorulası deneyleri sonunda alterne gerileler uygulanası dolayısile, bu artık gerileler ilk değerlerinin dörtte birine kadar azalakta ve bu dörtte bir artık gerile bakiyesinin de, çeliğin yorula dayanı sınırı üzerindeki etkisinin Öneli oladığı anlaşılıştır, kaynakla yapılış I kirişleri üzerinde yapılan yorula deneylerinden de aynı sonuçlar elde ediliştir. 7 YÜZEY İŞLEMLERİ : Çeşitli yüzey işlelerinin, parçanın yorula dayanı sınırı üzerindeki etkileri de inceleniştir. % 0,49 C lu ve a u = Ibs/in 2 dayanılı bir çeliğin yorula dayanı sınırı Ibs/in 2 dir. Bu çelikten yapılış ve parlatılış yüzeyli o- lan bir parçanın yorula dayanı sınırına % 100 denirse :"' Bileniş bir çelikte bu sınır % 89 e, ince torna edilişte % 84 e, kaba torna edilişte % 81 e düşektedir. % 0.02 C lu çelik (Arco deiri) ten, ince ve kaba torna ediliş yüzeyli deney parçalarında ise, sırasile bu yüzdeler % 92 ve % 88 olaktadır. % 0.33 C lu çeliklerle de bu deneyler yapılıştır. 8 Gerile Yoğunlaşası : Bir parçadaki çap değişikliği olan kısılarda, delik veya boşluk olan yerlerde gerile yoğunlaşası oluşur. Yorula sonucu birçok hallerde çatlaklar bu gibi noktalarda başlan KAYNA KLAR 1 Marin, J. «Mechanical behavior,of engineering aterials» London 1962 Prentice Hall International. 2 Russenberger, M. et aie «High - speed universal fatigue testing achines» Proceedings of the society for experiental stress analysis. Volue : XII, No : 2 3 ISO/R 373 General Principles for Fatigue Testing of Metals. İ de LEIRIS. H, et BATHIAŞ. Ch. «La propagation des fissures de fatigue, connaissances actuelles et, récentes applications». Journée d'etudes sur l'endoageent et la rupture des atériaux par fatigue. Revue -M. écanique Vol Pages :