Yorulma Dayanımı Deneyi

  • Nedir?

Malzemeler statik yükler altında zorlandığı zaman, belirli bir sınır gerilme dayanımı sonrasında koparlar. Bulunan bu gerilme değerine malzemenin statik dayanımı adı verilir. Uygulamada statik zorlanmalara ender olarak rastlanır. Bu malzemeyi, periyodik olarak değişgen gerilmeler altında çalıştırırsak, daha kısa sürede ve daha düşük gerilmelerde tahrip edebiliriz. Yükleme ve boşaltmanın periyodik olarak çok sayıda tekrarı sonucunda cisim içinde çözülme, yıpranma ve ayrışmalar meydana gelir. Bu olayın nedeni yükün şiddetinden çok onun, periyodik olarak uzun bir süre değişmesidir. İç mekanizması çok karışık olan bu olaya kısaca Malzemenin Yorulması denmektedir. Dinamik yük altında çalışan makine parçaları, farklı gerilmeler altında (Çekme, Basma, Burulma vb. aşağıdaki şekil) çalıştıkları zaman; yorularak, statik olarak taşıyabilecekleri yükün altındaki değerlerde deforme olurlar ve devre dışı kalırlar.

Çekme, Basma, Burulma
Çekme, Basma, Burulma

Aşağıdaki şekilde görülen yorulma deneyi aparatına bağlanan ve deney numuneleri, farklı kuvvetler altında oluşan değişken gerilmeler ile çalışır ve deforme oldukları (parçalandıkları, koptukları) tur sayısı tespit edilir.

Yorulma deneyi aparatı
Yorulma deneyi aparatı

YORULMA SONUCU KOPMANIN OLUŞUMU:

Yorulmada kopma, genellikle yüksek gerilmeli bölgelerde veya kristal yapıdaki hatalı noktalardan başlar ve gevşek yerlerden ilerler. Böylece yıpranma yavaş yavaş tüm kesite yayılır. Ayrıca büyük ve haber verici bir uzama ve büzülme görülmez. Çatlaklıklar genellikle yüzeyden başlayıp, kayma hatları ile orta kısımlara kayabilir. Yıpranma nedeniyle ayrışma yeter derecede ilerledikten sonra, kesitin geri kalan kısmı, yükü taşıyamaz hale gelir ve birden bire kopma olur. Yorulma; ya yüzey düzgünlüğünü bozan çentik, keskin köşe, girinti, çıkıntı vb. yüzey kusurlarından ya da içyapı içinde eş dağılımlılığı bozan katkı, kalıntı, kılcal çatlak, keskin uçlu çökelti ve parçacıklardan kaynaklanabilir. Önce bir kılcal çatlak oluşur. Kılcal çatlak hemen kırılmaya yol açmaz; uygulanan çevrimsel gerilimin her çevrimiyle birlikte çelik içinde çok yavaş olarak ilerler. Gerilim ne denli yüksek ise, çatlak ilerlemesi o denli büyük ve hızlı olacaktır. Çatlağın bu tür ilerlemesi bir sürtünme de oluşturduğundan, yorulma kırılması gösteren yüzeyin bu bölümü düzgündür. Sonunda çatlak öyle

bir yere ilerler ki çeliğin kesit alanının geri kalan çatlamamış bölgesi uygulanan gerilimi taşıyamaz duruma gelir ve çelik kırılır. Yorulma olayı malzemede önemli bir plastik şekil değişimi yapmadığından ve uyarı vermeden elastik limitin altındaki gerilmelerde ani olarak deforme olması nedeniyle tehlikelidir. Bu tip olaylara çelik köprülerde, kötü yolda giden arabalarda, uçak kanatlarında rastlanabilir. Yorulmadan kaynaklanan kopma kesitlerinde birbirinden çok farlı iki bölge göze çarpar; biri zamanla yıpranmadan doğan ayrışmış bölgeye ait parlak görünümlü bölge, diğeri ise en sonda zorla kopmanın oluşturduğu pürüzlü bölgedir.

YORULMAYA ETKİ EDEN FAKTÖRLER:

Yorulma davranışı malzemenin kullanım ortamına, gerilme türü ve şekline, malzemenin boyut ve biçimine bağlıdır. Yüksek sıcaklık, yüksek yükleme hızı ve yükün büyüklüğü malzemenin ömrünü azaltır. İnce tane boyutları, artık yüzey basınç gerilmeleri, soğuk işlemler, pürüzsüz yüzey malzemenin yorulma ömrünün artırır. Malzemenin yüzeyinde ve içyapıda hataların bulunması, imalattan sonra malzeme kesitinde yapılan değişiklikler yorulma olayına neden olabilirler.

  • PARÇA BÜYÜKLÜĞÜ: Genellikle çelik parçanın büyüklüğü arttıkça yorulma dayancı da düşer. Çünkü çelik parçanın yüzey alanı arttığından yüzey kusurlarının bulunma olasılığı artmaktadır. Ayrıca eğilme ve burulma zorlanmalarında kesit üzerinde üniform olmayan bir gerilim dağılımı dolayısıyla sürekli mukavemet parça büyüklüğüne bağlıdır.
  • YÜZEY ETKİSİ: Bu etkiden söz edilirken yalnızca yüzey durumu olarak değil, aynı zamanda tasarım da düşünülmelidir. Malzemelerde görülen  yorulma kırılmasının birçoğu yüzey düzgünsüzlüklerinden başlamaktadır. Yorulma; yüzeydeki çentik, girinti, çıkıntı ve keskin köşe gibi tasarımdan kaynaklanan  kusurlara karşı  çok duyarlıdır. Yüzey  ne denli  düzgün olursa  yorulma dayanımı o denli yüksek olur. Parlatılmış yüzeyler pürüzlülere göre yorulma kırılmalarına karşı daha yüksek yorulma dayanımı gösterirler. Cıvata ve dişli gibi makine parçalarında diş açılması zorunludur. Bunlarda diş tasarımı yorulma dayanımı ve parçanın ömrü açısından son derece önemlidir. Keskin köşelerden hep kaçınılmalıdır. Yüzeyin kimyasal bileşimini ve içyapısını değiştirecek yorulma dayanımını düşüren her durumdan kaçınılması gerekir. Yüzeyde basma gerilimini oluşturabilen her durum yorulma dayanımını artırır. Sementasyon ve nitrürleme gibi yüzey işlemleri yorulma dayanımını artırır. Tasarım gereği yüzeyinde çentik bulunması zorunlu çelik parçaların özellikle nitrürlenmeleri gerekir. Döküm şekli de yorulma mukavemetine etki etmektedir; vakumda yapılan ergitme, havada yapılan ergitmeye nazaran alaşımın yorulma mukavemetini arttırmaktadır.
  • YÜZEY İŞLEMLERİ: Yorulma kırılmasının genelde yüzeyden başlaması, yüzey temizliğini ve dayanımını çok önemli kılmaktadır. Yüzey işlemleri dövme, Sementasyon ve nitrürleme gibi işlemlerden oluşur ve bunlar yorulma mukavemetini artırır.
  • İÇYAPI ETKİSİ: Genellikle çeliklerin çekme dayanımlarını etkileyen durumlar yorulma dayanımlarını da etkiler. Örneğin, tavlanmış çeliklerde, tane büyüklüğü azaldıkça nasıl çekme dayanımı artarsa, benzer biçimde yorulma dayanımı da artar. Ötektoid bileşimli çeliklerde; Kaba perlitli içyapı, küreleştirilmiş perlitli içyapıya oranla daha düşük yorulma dayanımı gösterir. Bunun temel nedeni perlit içindeki sementit katmanlarının yarattığı çentik etkisidir. Isıl işlem uygulanmış düşük alaşımlı çeliklerin arasında su verilip menevişlenmiş çeliklerin yorulma özellikleri, ferrit + perlit karışımı içerenlere oranla daha iyidir. Beynit yapılı ve özellikle de ostenit çeliklerin yorulma özellikleri üstündür. Genellikle 40 HRC değerinin üzerinde içyapılarında beynit içeren çelikler menevişlenmiş çeliklerden üstündür. Çeliğin içyapısını oluşturan evreler arasında yorulma özelliğini en etkin olarak değiştiren martenzittir. Yorulma özelliklerinden söz ederken sertlik göz ardı edilmemelidir. Genellikle, belirli bir düzeye kadar sertlik arttıkça yorulma dayanımı da artar. Değişik çeliklerde 45-55 HRC sertlik değerleri arasında yorulma dayanımı düşmeye başlar. İçyapı ile ilgili diğer önemli bir husus da haddelenmiş ya da dövülmüş çeliklerin yönsel yorulma özellikleridir. Biçimleme işlemleri sonucu gerek tanelerin aldığı yönlülük gerekse kalıntı ve  katkıların dizilenmeleri, sıcak işlem yönüne göre ona dikey yönde yorulma özelliklerinin daha düşük olmasına yol açar.
  • KOROZİF ORTAM ETKİSİ: Korozif ortamlarda oluşan yorulma tipine korozif yorulma adı verilir. Korozif ortamlar metalik malzeme yüzeylerinde, çevrimli gerilim uygulaması olmasa bile, karıncalanma olgusu ile gözenekçikler oluşturulabilir. Bunlar da çentik etkisi oluşturur ve malzemenin yorulma dayanımını düşürür. Korozif ortamda kimyasal tepkimeler yorulmayı çok hızlandırır. Korozif yorulmayı  azaltmanın  temel  yöntemi  uygulama  koşullarına en uygun çeliği seçmektir. Paslanmaz çelikler düşük alaşımlı çeliklerden daha üstün korozif yorulma özelliği gösterir. Yüzey çatlaması oluşturmayacak şekilde çelik  malzemelerin yüzeylerinee çinko, kadmiyum vb. kaplamalar uygulanmaktadır.
  • METALURJİK FAKTÖRLERİN ETKİSİ: Isıl işlemler, haddeleme ve ekstrüzyon gibi işlemler sonucunda metallerin tane boyut ve şekli değişmektedir. Tane boyutunun küçülmesi yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Kimyasal bileşimin yorulma mukavemetine etkisi, ısıl işlem ve mikroyapının etkisinden azdır. Genellikle bütün ısıl işlemler yorulma mukavemetine etki ederler.
  • SICAKLIK ETKİSİ: Yorulma dayanımı sıcaklık düştükçe artar. Fakat oda sıcaklıklarının altında çentik duyarlılığı artar. Oda sıcaklığı üzerindeki sıcaklıklarda yorulma yüksek sıcaklık yorulması adını alır. Bu sıcaklıklarda sıcaklık arttıkça genellikle yorulma dayanımı düşer. Sıcaklık 400 °C üzerine ulaştığında yorulma yerine sürünme devreye girer. Yorulma kırılması “tane içi kırılması” türündendir; sürünme kırılması ise “taneler arası kırılma” ya da  tane sınırı kırılması türündendir. Oda sıcaklıklarında tane boyutu küçüldükçe yorulma dayanımı artar. Sıcaklık yükseldikçe küçük taneli çelikler ile iri taneli çeliklerin yorulma dayanımları arasındaki fark azalır. Sıcaklık, sürünmenin başladığı sıcaklıklara ulaşınca, kaba taneli çelik ince  taneli  çelikten  daha yüksek dayanım gösterir. Yüksek sıcaklıklarda yorulmaya yol açan gerilimlerin mekanik yük uygulamalarından gelmeleri gerekmez; değişen ısı koşulları da sürekli ve çevrimsel bir değişim içinde çeliğe etki yaparsa bu durumda da çelikte yorulma oluşabilir. Bu tür yorulmaya, ısıl yorulma adı verilir.
  • GERİLME BİRİKMESİ: Kullanılan malzemede gerilme birikmesi varsa, yorulma kırılması bakımından tehlike artar. İçinde çatlak, delik ve boşluk bulunan parçalarla, kesit değiştiren  ve üzerinde çentik olan parçalara dikkat edilmelidir.
  • ARTIK GERİLMELER: Elastik sınır dışında (elastik sınırı aşmış) yüklenmiş ve boşaltılmış elemanlarda veya soğuk şekillendirilmiş parçaların içinde bir takım gerilmeler kalmaktadır. Bu gerilmelere artık gerilmeler denir. İçinde artık gerilme bulunan elemanların yorulma dayanımı düşer.
  • FREKANSIN ETKİSİ: Wöhler tarafından yapılan deneylerde kuvvetin tekrar sayısı dakikada 60 devir kadardı. Daha sonra Reynolds tarafından dakikada 2500 devir için deneyler yapılmış, arkasından Hopkinson 7000 devir/dakika’lık deneyler yaparak, yorulma dayanımlarında %10 bir artış olduğunu göstermiştir. Bugün çok daha yüksek tekrar sayılarında deneyler yapılarak, yorulma sınırlarındaki artmalar öğrenilmektedir. Düşük frekanslarda zamanın uzamasıyla korozyon etkisi kuvvetlenmediği sürece yüksek frekanslarda da sönümleme nedeniyle deney parçası çok fazla ısınmadığı sürece, frekans yorulma dayanımına önemli bir etki yapmaz. Çok düşük frekanslarda sürünme ve gerilme gevşemesi olayları ortaya çıkabilir. Çok yüksek frekanslarda ise yorulma dayanımının arttığı görülür.
  • KOROZYONUN ETKİSİ: Malzeme bir kuvvet tekrarına zorlanırsa ve aynı zamanda oksitlenmeyi kolaylaştıran bir ortamda bulunursa yorulma sınırlarında bir düşme olur. Bu azalan sınırlara korozyon yorulması sınırları denir. Uygulamada; gemi pervanelerinin milleri, gemi yağ makinelerinin soğutma suyu piston kolu, tirbün kanatları, petrol kuyularında piston kolları korozyon ile birlikte yorulmaya zorlanırlar. Metal yüzeyi su ile temasa girer, özellikle deniz suyu korozif ortamdır. Korozyonun sonucu olarak yüzeyde ince bir kaplama kalır. Eğer ince kaplama suda çözünmez ise, korozyon sınırlı kalır ve daha ileri bir korozyona karşı korur aksi ise paslanmadır. Korozyonun sonucu metalde pitting başlar. Önce yüzeyde gözle görülür bir biçimde başlar, sonra derinleştikçe derinleşir ve tekrarlı yük altında gerilme yığılmasına yol açarak kopmayı başlatır. Aşınmış metaller daha düşük yorulma mukavemetine sahiptirler. Yorulma mukavemeti, korozyonun derecesine ve aynı zamanda malzemenin korozyona sebep bileşenlerine (Yağmur suyu, deniz suyu, asit vb.) bağlıdır. Hava korozyonunun yorulma ömründe %5 ile %10 arasında bir azaltma yaptığı görülmüştür.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir