Doç.Dr.Salim ŞAHİN YORULMA VE AŞINMA
YORULMA Yorulma; bir malzemenin değişken yükler altında, statik dayanımının altındaki zorlamalarda ilerlemeli hasara uğramasıdır. Malzeme dereceli olarak arttırılan yükler altında denenip belirli bir sınırdaki gerilime geldiğinde kopmaktadır. Bu şekilde denenerek bulunan değere malzemenin statik dayanımı denir.
YORULMA Otomotiv ve uçak endüstrisindeki parçalar, kompresör, pompa, türbin, dişliler gibi makine parçalarında görülen mekanik hasarların %90 ının yorulma sonucunda olduğu saptanmıştır.
Yorulma dayanımı Belirlenen bir sınır çevrim sayısına kadar, malzemenin kırılmadan taşıyabileceği en büyük gerilme genliğidir Çelik ve dökme demir için: σ y 0,5 σ ç Demirdışı metal ve alaşımları (örneğin Cu ve Cu alaşımları, Al ve Al alaşımları, Ni ve Ni alaşımları) için: σ y (1/3) σ ç
PERİYODİK YÜKLEME σ ü = Üst sınır gerilmesi σ o = Ortalama gerilme σ a = Alt sınır gerilmesi σ g = Genlik gerilmesi
WÖHLER EĞRİSİ Yorulma deneyleri, sabit bir ortalama gerilme için farklı gerilme genlikleri alınarak yapılır ve yorulma kırılmasının görüldüğü kırılma çevrim sayıları saptanır. Deneyler sonucunda Wöhler eğrisi çizilir. Yorulma eğrisi ortalama gerilmenin sıfır olduğu değişken gerilme genliğinde çizilmektedir yani R=-1 (tam değişken yükleme).
GERİLME ORANI (R)= σ a /σ ü
Gerilme (MPa) Yorulma eğrisinin yorumlanması Şekildeki A malzemesinin yorulma sınırının ~445 MPa olduğu görülmektedir. Bunun anlamı bu malzeme bu gerilme ve bunun altındaki gerilme değerlerinde sonsuz süre yorulmadan çalışabilir demektir. 560 540 520 500 480 460 440 420 400 A B 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 Devir Sayısı (N)
Gerilme (MPa) Yorulma eğrisinin yorumlanması Ancak bazı malzemelerde (demir dışı malzemeler) özellikle Al alaşımlarında yorulma sınırının olmadığı görülür. Numune üzerine uygulanan gerilme ne kadar azaltılırsa azaltılsın malzeme belli bir gerilme devrinden sonra hasara uğramaktadır. Yorulma eğrisi B malzemesindeki gibi elde edilir. 560 540 520 500 480 460 440 420 400 A B 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 Devir Sayısı (N)
Perlitik çeliğin Wöhler eğrisi
Alüminyumun Wöhler eğrisi
YORULMA DAYANIMI SINIR EĞRİSİ-SMITH DİYAGRAMI
SMITH DİYAGRAMI Yorulma mukavemet sınır egrisinin negatif tarafı da çizilirse elde edilen yeni egriye Smith diyagramı denir. Gevrek malzemelerde bası mukavemeti, çeki mukavemetten daha büyük oldugundan Smith diyagramının negatif kısmı daha büyük olmaktadır.
SMITH DİYAGRAMI Smith diyagramı yerine, kullanımı daha kolay, daha emniyetli ve yandaki şekilde kırmızı dogrusal hatlarla çizilmiş diyagram kullanılır (Diyagramın negatif kısmı burada gösterilmemiştir). Belli bir emniyet katsayısı (n) olan sistemlerde bu diyagram küçülür ve mavi hatlarla belirtilen sekle benzer bir hale girer.
GERBER, GOODMAN VE SODERBERG KRİTERLERİ Gerber, Goodman ve Soderberg kriterleri, bir malzemeye herhangi bir σ ort gerilme uygulandığında ne kadar bir gerilme genliği uygulanabileceğini hesaplamak için kullanılır. Değişken gerilme genliği sıfır ise (malzeme tamamıyla statik zorlanır) malzemeyi kıran gerilme çekme dayanımı değeri olur.
GERBER, GOODMAN VE SODERBERG KRİTERLERİ Gerber Kriteri: Akma sınırı hasar kabul edildiği için sünek malzemelerde kullanımı sonsuz dayanım için doğru olmaz. Gevrek malzemeler ve süreli yorulma hesapları için kullanılabilir. Goodman Kriteri: Gerber kriterine benzerdir. Dayanım bölgesinin bir kısmını attığı için daha emniyetli hesap yapılmış olur. Soderberg Kriteri: Deney sonuçlarından uzaktır. Fakat sünek malzemelerin sonsuz dayanım hesapları için uygundur.
Bir alüminyum çubuğun çatlaması. Siyah alan zamanla büyüyen çatlaktır. Beyaz parlak alan ise bir anda kopma nedeniyle oluşmuş çatlaktır.
YORULAN MALZEMENİN KIRILMASI
Çatlak başlangıcı Çatlak başlangıcı genellikle yüksek gerilimin yığıldığı ya da hatalı üretim sonucu kristalleşmiş bölgelerde oluşur.
Çatlak ilerlemesi Çatlak genellikle yüzeyden başlar ve kayarak orta kısımlara iletilir. Eğer malzeme içinde küçük çatlaklar varsa, yüzeydeki çatlaklar ilerlerken buralardan geçerek daha hızlanırlar. Uygulanan gerilme çatlağın ilerlemesi için yeterli değilse malzeme yorulmaz. Gerileme çatlağın ilerlemesini sağlayacak kadar büyük ise çatlak gevşek yerlerden ilerler. Böylece yıpranma yavaş yavaş tüm keside yayılır.
Kırılma Yıpranma nedeniyle ayrışma yeterli derecede ilerledikten sonra kesidin geri kalan kısmı yükü taşıyamaz hale gelir ve malzeme aniden kopar.
YORULMA DAYANIMINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Gerilmelerin yoğunlaşması. Örneğin kesit üzerinde çentikler, delikler, keskin köşelerin olması yorulma dayanımını azaltır. Yüzey pürüzlülüğü fazla ise yorulma dayanımı azalır. Parça içerisinde çekme yönünde çalışan iç gerilmeler varsa yorulma dayanımı azalır. Segregasyon, cüruf, kalıntı varsa yorulma dayanımı azalır. Çevre koşulları korozyon oluşturmaya elverişli ise yorulma dayanımı azalır. Parçanın yüzeyine karbürleme, nitrürleme gibi yüzey sertleştirme işlemi uygulanmışsa yorulma dayanımı iyileşir. Sıcaklık yüksekse; Dayanım Azalır, Yorulma Ömrü ve Yorulma Sınırı azalır.
AŞINMA Aşınma, biribirine temas eden ve birbirine göre izafi hareket yapan cisimlerden sürtünme etkisiyle oluşan malzeme ve kütle kaybıdır. Kübik malzemeler hegzagonal metallerden yaklaşık iki kat daha fazla aşınır(hegzagonal metallerde deformasyon sertleşmesi hızı daha düşük olduğundan)
Saf metallerin relatif abrazif aşınma direncine sertliğin etkisi
AŞINMA MEKANİZMALARI Adhezif aşınma Abrazif aşınması Erozyon Korozyon Yorulma aşınması
Abrazif aşınma Birbirine göre izafi hareket yapan iki cisim arasına çevre etkisiyle yabancı sert parçacıkların girmesi ve bu parçacıkların yumuşak yüzeye gömülerek sert yüzeyden sanki eğelercesine veya zımparalarcasına malzeme kaldırmasıyla kendini gösteren bir aşınma türüdür. Makine elemanlarının yüzeyleri ısıl işlem ile sertleştirilerek bu tür aşınmaya karşı önlem alınmaya çalışılır.
Abrazif aşınma türleri İki gövdeli Üç gövdeli
Metalik malzemelerde kırılma tokluğu belirli noktaya kadar abrazif aşınmayı azaltır.
Adhezif aşınma Cisimlerin gerçek temas yüzeyleri, yüzey pürüzlüğü sebebiyle aslında çok çok küçük olduğundan, bu noktalardaki gerilmeler çok küçük yük durumlarında dahi akma gerilmesi sınırına erişirler ve akarak plastik deformasyona uğrarlar. Cisimler birbirine mikro kaynaklar ile bağlanırlar. Bu sırada iki cisim arasında devam eden izafi hareket sebebiyle kaynak bağı kopar.
Kopma sonucu diğer cisme göre yumuşak olan malzemeden imal edilmiş cismin yüzeyinde boşluklar oluşur, diğer yüzeydeyse çıkıntılar meydana gelir ve iki yüzey arasına adhezif parçacıklar dökülür. Adhezif aşınmanın meydana geldiği yüzey
Erozyon aşınması Bir yüzeye hızla püskürtülen katı parçacıklarının, sıvı veya gaz jetlerinin o yüzeyi aşındırarak kütle kaybetmesine yol açmasıdır. Çöl ortamlarında rüzgar tarafından savrulan kum taneciklerinin araçları, yapıları ve makineleri aşındırdıkları görülür.
Korozyon aşınması Kimyasal maddelerin (katı, sıvı veya gaz) katı nesnelerin yüzeyleriyle kimyasal etkileşim sonucu kütle yitirmesine neden olmasıdır. Paslanma örnek olarak gösterilebilir.
Yorulma aşınması Dişli çarklar, rulmanlı yataklar, kam mekanizmaları gibi birbirleriyle sürekli temas halindeki yüzeylerde sıkça görülen bir aşınma türüdür. Bu tür makine elemanlarında temas alanları küçük olduğundan temas yüzeylerinde yüksek basınç meydana gelir. Bunun sonucunda yüzeyin hemen altında kayma gerilmeleri oluşur. Kayma gerilmelerinin maksimum olduğu noktada plastik deformasyon meydana gelir,deformasyon zamanla yüzeye ilerleyerek yüzeyde çukurcuklar meydana getirir.
Yorulma aşınması