Sürünme (Sünme) Deneyi (DIN 50118, DIN 50119, TS 279, EN 10291) σ = sabit. = sabit

Transkript

1 Sürünme (Sünme) Deneyi (DIN 50118, DIN 50119, TS 279, EN 10291) Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 1 Sürünme (Sünme) Deneyi (DIN 50118, DIN 50119, TS 279, EN 10291) Sürünme: Sünme: Sürekli uzama (Creep) Metalsel malzemelerin yüksek sıcaklıklardaki dayanımlarını, davranışlarını ve kopmadan önce farklı zamanlardaki kalıcı uzama miktarını saptamak için uygulanır. Deney numuneleri, statik çekme deneyinde kullanılan numune ile aynıdır. Deney süresi; kısa süreli t <100h Deney sıcaklığı T 0,4. T ( K) d e uzun süreli t > 100h Enerji santralleri, petrol tesisleri, kimya sanayinde yüksek sıcaklık altında çalışan parçaların davranışlarını belirlemek amacıyla genellikle uygulanır (Buhar türbininde 500 C, türbinkanatlarında 600 C). Sürünme ve gerilme gevşemesi, ısıl aktive olaylardır. Bu nedenledir ki deney sıcaklığının mutlakaverilmesi gerekir. Gerilme gevşemesi daha çok plastikler için önem kazanır Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER Sürünme (Sünme) Deneyi = sabit T d = sabit ε pl = f (t) ısıtıcı Yükün (gerilmenin) sabit tutulduğu ve şekil değişiminin zamanla artışının ölçüldüğü deneydir. Sürünme; zamana bağlı, yüksek sıcaklıkta kalıcı deformasyondur. Sabit yük ve gerilimde oluşur Başka bir deyişle sürünme, sabit yük altında, zamana bağlı olarak ilerleyen plastik şekil değiştirmedir. Gerilme gevşemesi (rölaksasyon) ise, şekil değiştirmenin sabit tutulması halinde, gerilmenin zamana bağlı olarak düşüşüdür. Metalsel malzemelerde sürünme deneyleri çoğunlukla çekme zorlamaları altında yapılır. Basma, eğme gibi diğer zorlamalar söz konusu ise bu durum özel indislerle mutlaka verilmelidir Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 3 1

2 Sürünme deneyinde numune yüksek sıcaklıkta uygulanan sabit gerilme altında fırına yerleştirilir. Sürünme deneyi sırasında, gerinim veya uzama, zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülür ve sürünme eğrisi elde etmek için çizilir. Sürünme eğrisinin düzenli kısmının eğimi sürünme hızını verir. Yüksek sıcaklıklar metalde dislokasyonların tırmanmasını sağlar. Dislokasyon düzensizlikten uzağa tırmandıktan sonra kaymaya devam ederek, uygulanan en düşük gerilmelerde bile numunenin şekil değiştirmesini sağlar. Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 2

3 dε Sürünme hı zı : ε = = sabit dt ε Yükün uygulanmasıyla birim 0 uzaması oluşur ve birinci bölge ya da birincil sürünme başlar. Sürünme hızı sürekli olarak azalır. Bunun nedeni, dislokasyonların birbirini keserek hareketlerini engellemeleri ve ε 0 pekleşmenin meydana gelmesidir. Ancak sürünme hızı azalmakla birlikte devam da eder. Bunun da nedeni, toparlanma mekanizmalarının devreye girmesidir. Birincil sürünme düşük gerilmelerde ve 0.4 T (K) sıcaklığı civarında malzeme davranışını tek başına karakterize edebilecek şekilde uzun sürer. I.Sürünme (Birincil Sürünme ε = a. lnt (a=sabit) (logaritmik sürünme)) Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 7 dε Sürünme hı zı : ε = = sabit dt Teknik uygulamalarda kararlı sürünme yani II.bölge ya da ikincil sürünme önemlidir. Çünkü öngörülen işletme koşulları ve süresine göre, I.bölgede kalınması ekonomik açıdan, III.bölgeye girilmesi ise kırılmaya karşı güvenliği azaltacağından istenmez. İkincil sürünmede pekleşme ile toparlanma arasında denge oluştuğundan, sürünme hızı sabittir. III.bölgede ise sürünme hızı giderek artar ve kırılma meydana gelir. Arrhenius bağıntısına göre sürünme hızı artışı dε = A. e dt ( B / T ) Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER III.Bölgede meydana gelen, kırılma toleransı, diğer bir deyişle sürünme kırılmasıdır. T eş : Eş dayanım sıcaklığı: Tane ve tane sınırının aynı dayanıma sahip olduğu sıcaklık değeri Sıcaklık artışı öncelikle, enerjisi fazla olan büyük açılı tane sınırlarında yayınmayı kolaylaştırır. Tane sınırlarında boşyer yoğunluğu artar. Buna bağlı olarak Dislokasyonların tırmanma eğilimi artar ve sürünme için uygun koşullar sağlanmış olur. Sürünme kırılması tane sınırı ya da tanelerarası kırılmadır. Yüksek sıcaklıklarda malzeme içyapısında ve özelliklerinde görülen bazı değişiklikler şunlardır: Boşyer yoğunluğunun artması yayınmayı kolaylaştırır. Dislokasyonlarıntırmanmasıve çapraz kayması gibi yeni kayma sistemleri ortaya çıkar. Tane sınırları şekil değiştirebilir, şekil değiştirme gittikçe basitleşir. Yapının kararlılığı azalır; örneğin soğuk şekil değiştirmiş malzeme yeniden kristalleşir ya da çökelme sertleşmesine uğramış malzeme aşırı yaşlanır. Parça yüzeyi ortamla daha kolay reaksiyona girer, korozyon ve tufal sorunu ortaya çıkar Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 9 3

4 Sürünme eğrisine uygulanan gerilme ve sıcaklığın etkisi Results from a series of creep tests. (a) Stress rupture curves for an iron chromiumnickel alloy and (b) the Larson Miller parameter for ductile cast iron Dislokasyonlar tırmanabilir (a)atom dislokasyon çizgisini arayer oluşturmak veya boşlukları doldurmak ayrıldığında (b) ya da atom boşluk oluşturarak veya arayerleri elimine ederek dislokasyon çizgisine eklenirler ve tırmanma gerçekleşir. 4

5 Kopma Ömrü Gerilme eğrisi kullanılarak sıcaklık ve zaman kombine edilerek bir parçanın beklenen ömrü tahmin edilebilir. 100 saat ve 1000 saatte kopmayı gösteren eğri. Östenitik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarında oluşan sürünme boşlukları.(x 500). (FromASM Handbook, Vol. 7, (1972) ASM International, Materials Park, OH ) Gerime korozyon (gerilmeli korozyon) çatlamasının gerçekleşmesi muhtemel numune, birçok taneler arasıçatlak içermektedir. (x 200). (FromASM Handbook, Vol. 7, (1972) ASM International, Materials Park, OH ) Sürünme Olayına Etkiyen Faktörler 1. Tane boyutu: Sürünme dayanımının yüksek olması için tane boyutu büyük olmalıdır. 2. Alaşımlama: Alaşım elementi ilavesi ile sürünme dayanımı iyileşir. 3. Metalin ana kütlesi: Ana kütle Mo, Ta, W, Nb esaslı ise sürünme dayanımı fazladır Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 15 5

6 Deney Sonuçlarının Verilmesi 1. Sürünme Dayanımı: Belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir süre sonunda malzemenin kopmasına neden olan gerilmedir R m veya ( T C) / t ( T C) ç / t : T : Sıcaklık ( C) t : Süre (h) Rm : ç : Çekme dayanımı (N/mm2) R (500 C) (500 C ) m * = ç /10000 = N / 150 mm Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 16 Deney Sonuçlarının Verilmesi 2. Sünme (sürekli uzama) sınırı: Belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir süre sonunda, belirli bir kalıcı uzama oluşturan gerilmedir. Sürünme sınırları çoğunlukla %0,2 veya %1 lik kalıcı birim uzamalar için verilir. ε pl R p : R ( T C) p / t ε pl veya : Kalıcı uzama ( T C) ε pl / t : Kalıcı uzama oluşturan gerilme Sürünme hızının giderek sıfırdeğerine kadar azalabildiği en büyük gerilmeye sürünme duruş sınırı adı verilir. Sürünmenin hiçbir zaman kopma ile sonuçlanmadığı en büyük gerilme ise sonsuz ömürlü sürünme dayanımı ismini alır. R (500 C ) (500 C ) 1 /10000 = 1/10000 = N / 130 mm Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 17 Deney Sonuçlarının Verilmesi 3. Kopmadan sonraki uzama: ( T C ) A u / t veya ( T C ) A k / t veya ε ( T C) u / t ε ( T k / C ) t uzun çubuk kısa çubuk k = 5, u = 10 A (500 C ) (500 C ) 5 /100 = ε k / t = %20 A : ε : % Uzama = %20 t : Zaman = 100 h Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 18 6

7 Deney Sonuçlarının Verilmesi 4. Kopma büzülmesi: Z t veya ψ ( T C ) ( T C ) t Z (500 C ) (500 C ) 100 = ψ 100 = Z : ψ = %45 t : Zaman = 100 h % Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 19 Yorulma Deneyi (DIN 50100, TS 1487) Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 20 Yorulma Deneyi (DIN 50100, TS 1487) Statik zorlamalar altında çalışan makine parçalarına çok ender rastlanır. Çünkü makine parçalarına, genellikle büyüklüğü ve yönü düzenli veya düzensiz olarak sürekli değişen kuvvetler ile eğme ve burma momentleri etki eder. Bu tür zorlamalar altında kırılma, söz konusu malzemenin akma sınırının çok altında oluşabilir (yorulma hasarı). Malzemelerin yorulma dayanımı, sonsuz sayıda tekrarlanmasına rağmen, kırılmaya neden olmayan en yüksek gerilme genliğidir. Yük kamyonlarında meydana gelen aks kırılmaları, dinamik zorlamalar altındaki yorulma sonucunda oluşmaktadır. Yorulma ile mikro çatlak oluşur ve zamanla çatlak ilerleyerek parça kırılır. Ancak her yorulma sonucunda parça kırılacak diye bir durum yoktur. En yüksek değeri statik kırılma büyüklüklerine ulaşmayan, ancak zamanla değişen ve tekrarlanan bir zorlamanın, malzemede kırılmaya kadar giden olumsuz etkilerine yorulma denir. Yorulma; akma mukavemetinin altında veya üstünde tekrar eden gerilmeler nedeniyle malzemenin hasar görmesi veya mukavemetinin azalmasıdır. Tekrarlanan zorlamalar malzemede hasar bırakıp bırakmadığına bakılmaksızın yorulma zorlamaları olarak isimlendirilir Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 7

8 Yorulma deneyi, bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceğini veya kopma olmaksızın uygulanabilecek maksimum yüklemeleri belirler. Bir malzemenin akma dayanımının altında tekrarlanan gerilmeye (dönme, eğilme, titreşim sonucu olabilir) maruz kalması sonucu kopmasına yorulma denir. L: Çubuğun boyu, F: Yük, d: Çap Yorulma olayı, yılları arasında Wöhler tarafından incelenmiştir. Otomotiv ve uçak endüstrisindeki parçalar, kompresör, pompa, türbin, dişliler gibi makine parçalarında görülen mekanik hasarların %90 ının yorulma sonucunda olduğu saptanmıştır. Yorulma olayına, parçaya sadece dışarıdan uygulanan mekanik kuvvetler değil, ısıl genleşme büzülmelerinden doğal ısıl gerilmeler de neden olmaktadır. Yorulmada çatlak oluşumu, genellikle yüzeydeki bir pürüzde, bir çentikte, bir çizikte, bir mikro çatlakta veya ani kesit değişimlerinin olduğu yerde başlar. Çatlak oluşumu için genellikle üç faktör gereklidir. Yeteri kadar maksimum çekme gerilmesi Uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi ve dağılımı Uygulanan gerilmenin yeteri kadar tekrarlanma sayısı Bunun yanı sıra; korozyon, sıcaklık, kalıcı iç gerilmeler, mikroyapı (tane boyutu, faz dağılımı gibi) yorulma dayanımını etkiler Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 23 Dönen destekli kiriş yorulma test düzeneği Dönen kriş örneğinin şematik gösterimi Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 8

9 Deneylerde f çevrim / dak olmak üzere, sabit bir frekans ayarlanarak, yüksek bir gerilme genliğinden 2 2 g ç veya g = R = m 3 3 başlanır. Daha sonra gerilme genliği küçültülür ve her gerilme genliği için yük değişim sayısı N makineden okunur. Wöhler eğrileri g = f (N) çizilir. Wöhler eğrileri, tek kademeli zorlama ile elde edilen eğrilerdir. ort = 0 y ort > 0 y= ort + g ort < 0 y= ort g Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 25 ü a ort = m : Üst gerilme (gerilmenin en büyük değeri) : Alt gerilme (gerilmenin en küçük değeri) : Ortalama gerilme g T N f = 1/T : Gerilme genliği (titreşimli zorlama) : Titreşim periyodu : Çevrim sayısı (yük değişim sayısı) : Titreşim frekansı (yük değişim frekansı) Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 26 Gerilme zaman diyagramı Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 9

10 Gerilme Çevrim eğrilerine örnekler.(a) Eşit çekme ve basma gerilmesi.(b) basma gerilmesinden yüksek çekme gerilmesi (c) tümü çekme gerilmesi Titreşimli zorlama, şiddeti ve yönü değişken bir zorlamadır. Zorlama şekli çekme ), basma ( gb ), eğme ( ge ) ve burulma (τ ) olabilir. ( gç R = a Gerilme oranı ü -1<R<+1 R<0 ise değişken bölgedeki zorlama R=-1 ise R=0 ise ort : m = 0 A = ( 0 üarasında ) değişir. R=1 ise statik zorlama Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 29 S N eğrisi( Wöhler eğrileri); Yorulma devir sayılarının fonksiyonu olarak mukavemeti gösteren grafiktir Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 30 10

11 Yorulma dayanımı: Belirlenen bir sınır çevrim sayısına kadar, malzemenin kırılmadan taşıyabileceği en büyük gerilme genliğidir (ortalama gerilme ile birlikte). ± y = ± g veya y= ort g Sınır çevrim sayısı N s : Deney sürelerinin sınırlandırılması için gerekli olan çevrim sayısı olup, malzemeye bağlıdır. Düşük genliklerde yorulma ömrü çok uzun olabileceğinden, belirli bir çevrim sayısına ulaşıldığında, parçanın kırılması beklenmeden deney durdurulur Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 31 Takım çeliği ve alüminyum için S/N eğrileri Çelik ve alüminyum için S/N eğrileri 11

12 Yorulma ömrünün sınır çevrim sayısından daha kısa olduğu gerilme genliklerine süreli yorulma dayanımı adı verilir ve y (10 4 ) olarak gösterilir. Süreli yorulma dayanım bölgesi, genellikle 10 6 gerilme genliğinde sona erer. Kısa süreli yorulma N s < Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 34 Yorulma Kırılması Duraklama çizgileri, işletme yükünün değişimi ya da makinenin durması gibi durumlarda, çatlak ilerleme hızlarının değişmesi ve dolayısıyla çatlak ucundaki oksidasyonun farklı olması nedeniyle meydana gelir. Titreşimli zorlamada, yorulma ömrünün yaklaşık %10 süresinde yüzeyde çatlak oluşur ve geriye kalan %90 süresinde ise çatlak ilerler ve parça aniden kırılır. Çelik ve dökme demir için 5 y 0, ç Demirdışı metal ve alaşımları (örneğin Cu ve Cu alaşımları, Al ve Al alaşımları, NiveNialaşımları) için 1 y ç Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 35 Çelik şaftta yorulma, kırık k yüzeyinin i şematik gösterimi. Başlangıç, ilerleme ve çatlak uzunluğu belirli bir değeri aştığında oluşan katastrofik kırılma Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER 12

13 Yorulma Dayanımına Etkiyen Faktörler Gerilmelerin yoğunlaşması (örneğin kesit üzerinde çentikler, delikler, keskin köşelerin olması) yorulma dayanımını azaltır. Yüzey pürüzlülüğü fazla ise yorulma dayanımı azalır. Parça içerisinde iç gerilmeler varsa yorulma dayanımı azalır. Segregasyon, cüruf, kalıntı varsa yorulma dayanımı azalır. Çevre koşulları korozyon oluşturmaya elverişli ise yorulma dayanımı azalır. Parçanın yüzeyine y karbürleme, nitrürleme gibi yüzey ysertleştirme ş işlemi ş uygulanmışsa yorulma dayanımı iyileşir. Sıcaklık yüksekse; Dayanım Azalır, Yorulma Ömrü ve Yorulma Sınırı azalır. Malzemenin yüzeyinde çekme dayanımı artarsa yorulmaya karşı dirençde artar. Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER Yorulma Dayanımına Etkiyen Faktörler Gerilmelerin yoğunlaşması (örneğin kesit üzerinde çentikler, delikler, keskin köşelerin olması) yorulma dayanımını azaltır. Yüzey pürüzlülüğü fazla ise yorulma dayanımı azalır. Parça içerisinde iç gerilmeler varsa yorulma dayanımı azalır. Segregasyon, cüruf, kalıntı varsa yorulma dayanımı azalır. Çevre koşulları korozyon oluşturmaya elverişli ise yorulma dayanımı azalır. Parçanın yüzeyine y karbürleme, nitrürleme gibi yüzey ysertleştirme ş işlemi ş uygulanmışsa yorulma dayanımı iyileşir. Sıcaklık yüksekse; Dayanım Azalır, Yorulma Ömrü ve Yorulma Sınırı azalır. Malzemenin yüzeyinde çekme dayanımı artarsa yorulmaya karşı dirençde artar. Gerilmeye maruz malzemede yorulma çatlakları, gerilmenin en yüksek olduğu yüzeyde başlar. Yüzeydeki herhangi bir tasarım veya üretim hatası gerilmeleri yoğunlaştırır ve yorulma çatlaklarının oluşmasını kolaylaştırır. 13