Birçok makine parçaları ve yapı elemanları kullanılma esnasında tekrarlanan gerilmeler (yükler) ve titreşimler altında çalışmaktadırlar.

Transkript

1

2 Yorulma Olayı Tekrarlı zorlamalar altında malzemenin mukavemeti azalır, çekme mukavemetinin çok altındaki gerilmelerde kırılma oluşabilir. Buna neden olan yorulma olayıdır.

3 Birçok makine parçaları ve yapı elemanları kullanılma esnasında tekrarlanan gerilmeler (yükler) ve titreşimler altında çalışmaktadırlar. Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda, gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonunda genelde yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayına neden olurlar. YORULMA adı verilen bu olay ilk defa yılları arasında Wöhler tarafından incelenmiş ve teknoloji ilerledikçe mühendislik uygulamalarında daha fazla önem taşımıştır. Otomotiv ve uçak endüstrisindeki parçalar ile kompresör, pompa, türbin gibi makinelerin parçalarında görülen mekanik hasarların yaklaşık %90 ı yorulma sonucunda olmaktadır.

4 Yorulma olayına, parçaya sadece dışarıdan uygulanan mekanik kuvvetler değil, ısıl genleşme ve büzülmelerden doğan ısısal gerilmeler de neden olabilmektedir. Yorulma olayında çatlama genellikle yüzeyindeki bir pürüzde, bir çentikte, bir çizikte, bir kılcal çatlakta veya ani kesit değişimlerinin olduğu yerde başlar. Çatlak teşekkülü için genellikle şu üç ana faktör gereklidir. Yeteri derecede yüksek bir max. çekme gerilmesi Uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi veya dalgalanması Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı

5 Yorulma genellikle iç yapıda mevcut kusurlar civarında oluşan yerel gerilme yığılmalarından kaynaklanır. Bundan dolayı yorulma olayı içyapıya çok bağlıdır. İçyapıda bulunan çatlak, çentik boşluk sert parçacık ve ani kesit değişmeleri civarındaki gerilmeler ortalama gerilmelerden daha büyüktür. Bu gerilmeler etkisinde yerel plastik şekil değiştirme meydana gelir. Ayrıca; yüzey kalitesi, korozyon, aşırı sıcaklık, aşırı yükleme, kalıcı iç gerilmeler, bileşik gerilmeleri gerilim konsantrasyonu, frekans, mikro yapı v.b. Gibi diğer sebeplerde etkili olabilir

6 Başlangıçta hiçbir bozukluk içermeyen yüzeyi parlatılmış üniform kesitli bir metalde elastik sınır altında da dislokasyonlar yerel olarak hareket ederek kayma bantları oluştururlar. Bu bantlar da yüzeyde çıkıntılar ve çöküntülerin doğmasına dolayısıyla gerilme yığılmalarına neden olurlar. Bütün bu hallerde tekrarlı zorlamalar etkisiyle oluşan tersinir olmayan plastik şekil değiştirme sonucu malzeme pekleşir, gevrekliği artar ani yorulma kırılması meydana getirir. Yorulma çatlakları genellikle yüzeyde başlar ve içeriye doğru yayılır.

7 Yorulma; Yorulma akma gerilmesinin üzerinde de altında da meydana gelebilir. Yorulma hasarları genellikle çatlakların oluşumu ve yayılmasını içerir

8 Metallerde Yorulma Mekanizması. Gerilme döngüsü dislokasyonların hareketine sebep olabilir. Sürekli kayma bandları tane içinde gelişir Kayma bandları çatlak olur, tane sınırlarına ulaşır. Yorulma sınırının üzerinde, çatlak tane sınırı boyunca kırılır ve büyümeye devam eder.

9

10 Şekil. Yorulma çatlakların oluşumlarının bazı mekanizmaları

11 Çok kristalli metallerde yorulma çatlaklarının yayılımının I ve II aşamalarının gösterimi.

12 Yorulmanın Sebepleri. Gerilme kontrollü Yorulma Bükerek döndürme Vibrasyon Basınç Dönerek temas Genleme Kontrollü Yorulma Termal çevrim Çok çentik

13 Yorulmaya Etki Eden Faktörler Parça Büyüklüğü Yüzey Etmeni Yüzey İşlemleri İç Yapı Etmeni Yenim Etmeni Metalurjik Faktörlerin Etkisi Sıcaklık Etmeni Gerilme Birikmesi Gerilme Gradyanının Etkisi Artık Gerilmeler Metal Veya Alaşımın Soğukta İşlenmesi Frekansın Etkisi Korozyonun Etkisi

14 Metallerde Yorulma Kontrolü Yorulma çatlak oluşumu plastik genleme gerektirir. Plastik genleme dayanımını artırmak yorulma dayanımını artırır. Gerilme konsantrasyonu plastik genlemeyi artırır. Gevrek inklüzyonlar ve porozite gerilme konsantrasyonudur. Mukavemeti artır Gerilme konsantrasyonunu çıkar

15 Yorulma çatlakları genel olarak dört aşamada meydana gelir. Birincisi, çatlağın çekirdeklenmesi; yorulma hasarı işlemi, çatlak başlangıçları için çekirdeklenme alanları gibi rol oynayan test malzemesi içinde en zayıf bağlantıları (süreksizlikleri) kullanır.

16 İkincisi, çatlağın yerel kayma bandında ilerlemesi; çatlak, kayma gerilmelerinin yüksek olduğu ve çekme doğrultusuyla 45º lik açı doğrultusunda ilerlemesi.

17 Üçüncüsü, çatlağın etki ettiği düzlemde ilerlemesi. Dördüncüsü de çatlak uzunluğunun kritik bir değere ulaşmasıyla kalan kesitin kırılmasıdır.

18 Yorulma çatlaklarını başlatmak için gerekli tekrar sayısı, yorulma çatlak başlatma ömrüdür (Ni). Kritik bir boyuta ulasan yorulma çatlağını yaymak için gerekli tekrar sayısı, yorulma çatlak yayılma ömrü (Np) olarak isimlendirilir. Toplam yorulma ömrü (Nt), başlatma ve yayılma ömürleri toplamıdır. Nt = Ni + Np

19 Yorularak hasara uğramış elemanların kırılma yüzeyleri yorulmaya has üç ayrı bölgeye sahiptir. Yorulma çatlağının çekirdeklendiği bölge. Yorulma çatlağının ilerlemesi sonucu oluşan bölge. Zoraki kırılma bölgesi.

20 Çoğu yapısal parçalarda yorulma çatlakları, gerilim arttırıcılardan başlar ve yayılırlar.

21 S N DİYAGRAMI (Wöhler Diyagramı Bu diyagram, farklı sabit gerilmeler altında malzemenin kaç çevrim sonunda çatlayacağını veya kırılacağını gösteren bağlantıyı verir. S-N eğrisinin çizilebilmesi için genellikle 8 ila 12 benzer numune kullanılır. Ortalama gerilme (Sm) tüm deneylerde sabit kalmak üzere numunelerin her birine farklı periyodik gerilmeler uygulanarak numunenin çatlamasına (veya kırılmasına) kadar geçen çevirim sayısını (N) tesbit edilir. Küçük gerilmeler için çatlamanın görüleceği çevrim sayısı çok büyük olacağından, önceden belirlenen çevrim sayısına kadar deney devam ettirilerek malzemenin davranışı izlenir. Deneylerin tümünde gerilme genliği (Sa) deney süresince sabit tutulur. Gerilme ekseni olan ordinatta genellikle doğrusal, bazı hallerde ise logoritmik skala kullanılır ve bu eksende ya max. gerilme (Smax), ya min. gerilme (Smin) veya gerilme genliğinden biri kaydedilir. Çevrim sayısı ekseni olan apsiste ise genellikle logoritmik skala kullanılır.

22 Burada düşey eksen kopma gerilmesinin çekme gerilmesine oranının yüzdesi, yatay eksen ise logaritmik ölçekte tekrar sayısı N dir. Anlaşılacağı gibi tekrar sayısındaki artış dayanım sınırını aşağıya çekmektedir. Çelik için eğri tekrarda yatay olmaktadır ve yorulma sınırı çekme mukavemetinin yaklaşık %50 si kadardır. Demir olmayan malzemelerin yorulma sınırı olmayıp 5*10 7 çevrim sayısındaki yorulma genliği olarak kabul edilir. Alüminyum için yorulma sınırı çok belirgin olmamakla birlikte 5*10 8 tekrardaki gerilme değeri kullanılabiliyor ve yorulma sınırı çekme mukavametinin yaklaşık %25 i kadardır. Hafif madenlerde 30*10 6 tekrara kadar dayanıklılık gösteren gerilme sınır değer olarak kullanılabilir.

23 Stress (MPa) Güvenli-Yorulma Ömrü (S-N Eğrileri). Sınırlı yada sınırsız ömür: gerilme ve genleme S-N eğrilerini kullanarak yorulma ömrünün hesaplamada değerlendirilir S-N Curve Ya da Gerilmeler yorulma sınırının altında devam eder Fatigue Limit Finite Life Stress Infinite Life Stress Log Stress Cycles

24 Yorulma Sınırı : Yorulma sınırı, tercih bir kriter olarak yorulma ile kopmanın asla olmadığı gerilimdir. Yorulma sınırında uygulanan gerilim (S) ve devir sayısı (N) eğrisi paralel olur. Takım çeliğinin kapmasını önlemek için uygulanan gerilimin 414 MPa dan daha az olacak şekilde tasarlanmalıdır. Bir diğer malzemenin Yorulma Dayanım Sınırı için çekme dayanımı ve Brinell sertlik değerinden faydalanılarak yaklaşık değerler seçilir. -Demir çelik-demir çelik Grubu Malzemelerde; Yorulma sınırı () = +- 0,5 çek. day. = +-0,18 BSD -Demir dışı metal ve alaşımlarda; Yorulma sınırı () = +- 1/3 çek. day. Yorulma Dayanımı : Pek çok alüminyum alaşımını da içeren bazı malzemeler gerçek yorulma sınırına sahip değildir. Bu malzemeler için minimum yorulma ömrü belirlenebilir; bu durumda yorulma dayanımı, bu zaman periyodunda yorulmanın olmadığı yorulma dayanımının altındaki gerilmedir. Pek çok alüminyum yorulma dayanımı için 500 milyon devir esas alınır.

25 K=K c olduğunda çatlak yayılır ve hızlı kırılarak felakete sebep olur. Eğer biz yapıdaki çatlak boyutunu bilirsek hızlı kırılma meydana getirmeyecek bir yük seçebiliriz. fakat çatlak oluşabilir, ve yavaşça büyür, çatlağın yavaşça büyümesi yorulmadır. Çekme mukavemetinin altındaki gerilme hasarları oluşabilir σ TS, ve akma mukavemetlerin altında σ y dir. Kalemin kırılması, bisikletinizin pedalınızın kırılması, buzdolabının sapının kırılması genellikle yorulmadan kaynaklanmaktadır.

26 Yorulma deney türleri: Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyin de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri şunlardır : Eksenel gerilmeli yorulma deneyi Eğme gerilmeli yorulma deneyi Burma gerilmeli yorulma deneyi Bileşik gerilmeli yorulma deneyi

27 Deneyin Uygulanması 1. Test edilecek numune cihaza yerleştirilir, 2. Numuneye uygulanacak olan yükleme aralığı belirlenir ve bu sınırlar içinde numuneye alternatif yükleme uygulanır, 3. Deney süresince belirli aralıklarla numunede çatlak oluşup oluşmadığı kontrol edilir, 4. Çatlak oluşumu gözlendiği takdirde veya yorulma dayanım limiti olan 10 7 çevrim tamamlandığında deney sonlandırılır.

28

29 Çatlaksız Parçalarda Yorulma Davranışı Testler malzemelerin ya çekilmesi yada eğilerek döndürülmesi ile yapılır. Gerilmeler genellikle zamanla sinüzodaldir.

30 N= yorulma döngü sayısı, ve N f =hasar döngü sayısı Çatlaksız parçaların yüksek döngülü yorulmada, ne σ max ne de σ min akma gerilmesinin üzerindedir. Yukarıdaki bağıntı Basquin s Kanunları olarak bilinir. Burada a sabittir ve C1 de ayrıca sabittir.

31 Çatlaksız parçaların düşük döngülü yorulmaları için σ max yada σ min σ y nin üzerindedir, Basquin s kanunları çok uzun tutulmamıştır (Şekilde görülmekte), fakat Şekil 15.3 de tarif edildiği gibi plastik genleme oranı ε pl çizilmişse lineer eğri elde edilir.

32

33

34

35 Şekil 7075-T6 alüminyum alaşımları için hasar eğrilerinin S-N yorulma olasılığı, P, hasar olasılığını göstermektedir.

36

37

38 ÇATLAKLI PARÇALARDA YORULMA DAVRANIŞI Büyük yapılarda, özellikle kaynaklı yapılarda, örenğin; köprüler, gemiler, eptrol sondaj kulelerinde, nükleer basınç kazanlarında daima çatlak mevcuttur. Herzaman bizler bu çatlakların başlangıç uzunluklarının verilmiş uzunluktan daha az olduğundan emin olmalıyız. Yapının güvenli ömrünü değerlendirmek için bizim bu çatlakların birinin büyüdüğü uzunluğu felaket olmadan yapının uzunluğunun ne kadar olduğunu bilmeye ihtiyacımız var.

39

40 Gerilme döngü yoğunluğu K zamanla artar, çünkü, çatlak büyür. Çatlak her döngü ile artar, da/dn, Şekilde görüldüğü gibi K ile artar.

41

42 Metallerde Yorulma Kontrolü; Yararlı Mukavemeti artırmak. Karbürleme Nitrürleme İndüksiyonla sertleştirme Soğuk işlem Kalıntı Gerilim Yüzey Temizliğinin geliştirilmesi Son yüzeyin iyi olması Elektroparlatma Zararlı Mukavemetin azaltılması Dekarbürizasyon Aşırı ısıtma Tavlama Kalıntı Gerilim Cr-Ni plating. Zayıf Temizleme Kötü yüzey son hali

43 Stress, s Yorulma ömrü basma gerilmeleri ile gelişir S-N: Kötü Gerilmenin Etkisi The Goodman Relationship. Increasing mean compressive stress s s a s fat 1 s m UTS Cycles (Log N) s s s s a m fat UTS endurance mean stress endurance tensilestrength limit at s limit at s m m 0

44 Stress (MPa) Safe-Life Fatigue Designing against fatigue Log Stress Cycles Fatigue Data + Stress/Strain Models = Safe Life

45 Çatlak Büyüme hızı da/dn Yorulma Çatlağının Büyümesi Kırılma mekaniği Paris sisteminde yorulma çatlakların büyüme hızının ölçülmesinde kullanılabilir. Paris Regime (insensitive to mean stress) The Paris Denklemi; m ~ 2 to 4 da A DK dn m Threshold. DK th (sensitive to mean stress) Gerilme Yoğunluk OranıDK

46 Yorulma Hasarları Aloha Airlines Flight 243 April 28 th ,000 uçuş 19yaşında Bütün gerekli güvenlik kontrolleri yapılmışdı Problem uçağın yaşlı olmasıydı

47 Yorulma Hasarları Yorulma hasarları daima oluşmaktadır. Failed due to fatigue of tail-rotor hub Anlamak için ihtiyacımız olanlar Yorulmanın nasıl oluştuğu Yorulmaya önceden nasıl tahmin ederiz Yorulmaya karşı dizayn nasıl yapılır

48 Pürüzsüz bir numunede çoklu yorulma çatlak başlangıcı

49 Malzemenin kırılma yüzeyindeki yorulma çizgileri. Zoraki kırılma bölgesinin büyüklüğü, uygulanan yükün büyüklüğü konusunda bilgiler verir. Çatlak ilerleyip geri kalan dolu kesit normal yükü taşıyamaz hale gelince ani kırılma meydana gelir ve kırılma yüzeyi taneli görünüştedir.

50 Yorulma deneyi niye yapılır? Yorulma deneyi; Tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin yorulma davranısının incelenmesi ve hasar olusumunun deneysel olarak belirlenmesi ve malzemelerin yük-çevrim sayısı verilerinin elde edilmesidir.

51

52 Yorulma Hasarları arıza meydana gelmiş 1290 uçuş yapmış, toplamda uçuş süresi 3681 saat

53 . uçakların ve basınç çevrim testlerinin yeniden pılması

54 Yorulma Hasarları Corner of Hatch Fatigue Cracks Hatch Perçin boşluğundan yorulma çatlaklarının yayılımı Rivet Hole

55 Özetle; Yorulma ; gerilme döngüsü altında çatlakların oluşum ve gelişimidir. Yorulma ömrü geliştirilebilir; Gerilmenin kontrolü ile Mikroyapının kontrolü ile Son yüzeyin kontrolü ile Yorulma ömrü tahmin edilebilir Düzgün ve çentikli parçalar için: Çatlaklı parçalar için Paris Equation S-N Curve