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 1850 - 1860 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.
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 dalglanması
Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı
Bu ana faktürlerin yanında çok sayıda yan faktürde sayılabilir; örneğin; yüzey kalitesi, korozyon, aşırı sıcaklık, aşırı yükleme, kalıcı iç gerilmeler, bileşik gerilmeleri gerilim konsantrasyonu, frekans, mikro yapı v.b. gibi.
Yukarıda sayılan faktörler göz önünde bulundurulacak olursa, metalik parçanın yorulma direncini ve yorulma ömrünü arttırmak için etkili faktörleri en zararsız halde bulunduracak çok iyi bir dizayna gerek vardır. Ancak küçük boyutlu bir yorulma deneyi numunesi üzerinde yapılan deney sonuçlarını karmaşık bir parça veya konstrüksiyon dizaynında kullanmak oldukça güçtür. Laboratuvarda, standart boyut ve belirli yüzey özelliğindeki numuneye, belirli türde sabit gerilmeler uygulanarak deney yapılır. Endüstride kullanılan parçada ise koşulların hepsi değişiklik gösterirler. Karmaşık olmalarından dolayı bu koşullarda analizde güçtür. Bu nedenlerle yorulma deneyi sonuçları, mühendislik uygulamalarında çekme deneyi sonuçları gibi kesin ve tam güvenilir şekilde kullanılamaz. Yorulma deneyi sonuçları belirli koşullar için fikir verir ve benzer koşulların bulunabileceği parça dizaynında gerekli önlemlerin alınmasında yardımcı olur.
Yorulma deneyinin sonuçlarının bir anlam verebilmesi için aşağıdaki bilgilerin belirtilmesi gereklidir :
1. Malzeme Özellikleri :
Malzeme cinsi
Malzemenin piyasaya sunuluş durumu (lavha, çubuk, döküm gibi)
Ergitme ve döküm koşulları
Son mekanik işlemler ve ısıl işlemler
Kimyasal bileşim
Yüzey durumu ve kalitesi (örneğin haddelenmiş durumda, yüzeyi taşlanmış, yüzeyi parlatımış gibi)
2. Deney numunesinin şekil ve boyutları.
3. Deney cihazının tipi, çalışma prensibi ve deneyin yapılışı esnasında uygulanan gerilme ile frekans.
4. Deneyin yapıldığı ortam.
5. Bazı hallerde malzemenin diğer mekanik özellikleri ile metalografik yapısı.
Son yıllarda standart bir deney numunesi yerine, parçanın kendisi özel cihazlarda çalışma koşullarına benzer koşullarda deneye tabi tutulmaktadır. Böylece daha güvenilir sonuçlara varılmaktadır.
YORULMA DENEYİ TÜRLERİ
Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Ancak yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlamalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli gerilme türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyotlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek teknik yorumlar yapılabilmektedir.
Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyin de adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca yorulma deneyi türleri sunlardır :
Eksenel gerilmeli yorulma deneyi
Eğme gerilmeli yorulma deneyi
Burma gerilmeli yorulma deneyi
Bileşik gerilmeli yorulma deneyi
YORULMA DENEYİ CİHAZLARI
Yorulma deneyinde kullanılan cihazlar çok çeşitli olmalarına rağmen, bu cihazları numuneye uyguladıkları gerilme türleri açısından 4 ana grupta toplamak mümkündür.
Eksenel çekme-basma gerilmeleri uygulayan cihazlar
Eğme gerilmeleri uygulayan cihazlar
Düzlemsel eğme gerilmesi uygulayanlar
Dönen eğme gerilmesi uygulayanlar
Burma gerilmesi uygulayanlar
Bileşik gerilme uygulayan cihazlar
yorulma deneyi cihazı
Yukarıda belirtilen her bir grup için değişik firma ve araştırma merkezlerince farklı cihazlar geliştirilmiştir. En çok kullanılan cihaz eğilme gerilmesi uygulayan cihazdır. Bunlar içinde düzlemsel eğme gerilmesi uygulayanlar genellikle yassı ürünler için kullanılmaktadır. Şekilde verilen dönen konsol kirişte, kirişin üzerinde paralel bir lif, üstte iken en büyük çekme, altta iken en büyük basma gerilmelerine maruz kalır. Dolayısıyla bir devirde, bir maksimum ve minimum değerlerinden geçen gerilmenin değişimi bir sinüsoidal eğri şeklinde olur. Günümüzde kullanılan en yaygın yorulma deneyi, numunelerin dönerken birbiri arkasına, eşit genlikte çekme ve basınç gerilmelerine maruz bırakıldığı döner mil deneyidir.
Malzemesi deneye tabi tutulacak parça çalışma esnasında ne tür gerilmelere uğrayacaksa, o tür gerilmenin uygulandığı deney cihazı seçilmelidir. Aksi halde elde edilen sonuçlar güvenli olmaz.
Yorulma deneyi cihazları, çalışma prensiplerine göre de mekanik, elektromekanik, manyetik, hidrolik ve elektrohidrolik cihazlar diye sınıflandırılabilir.
Yorulma deneyi cihazlarının tümünde en önemli özellik deney süresince istenen türde ve istenen mertebede gerilmenin sağlanabilmesidir. Deney süresince, uygulanan yükte meydana gelecek değişim, cihazın çalışma kapasitesinin %2’sini aşmamalıdır. Cihazlarda uygulanan kuvvetleri gösterebilecek ve kontrolünü sağlayabilecek düzen bulunmalıdır.
Kullanılacak numune tipi ve boyutu genellikle cihazın tipine, kapasitesine ve boyutuna uygun olmalıdır. Son yıllara kadar değişik araştırmacılar kullandıkları cihaza uygun farklı numune tipleri geliştirmişlerdir. Son yıllarda hazırlanan standartlarla numune tipleri için bazı genel kurallar geliştirilmiştir. Numune boyutları için aşağudaki kurallar sağlanmalıdır.
Numune öylesine dizayn edilmelidir ki çatlama numunenin daraltılmış kesitinde olsun.
Numunenin daraltılmış kesiti öylesine seçilmelidir ki maksimum gerilmenin mutlak değeri deney cihazının çalışma kapasitesini en az %25′inde, minimum gerilmenin mutlak değeri ise cihazın çalışma kapasitesinin en az %2.5′inde oluşsun.
Numune boyutları öylesine seçilsin ki numunenin doğal frekansı, cihazın frekansının en az iki katı olsun.
Numunenin alındığı parçaların dikdörtgen veta dairesel kesitli olmasına göre ASTM standartlarındaki numune şekilleri değişmektedir.
Yorulma olayı 3 aşamada değerlendirilebilir :
Çatlak Başlangıcı (Çatlak oluşumu) : Genellikle yüksek gerilme yığınlarının oluştuğu bölgelerde veya kristal yapıdaki hatalı noktalardan çatlak başlar.
Çatlak İlerlemesi : Çatlak genellikle yüzeylerden başlayıp kayma hatları ile orta kısımlara iletilir. Ayrıca, malzeme içinde mikro çatlaklar var ise ve çatlak ucunda oluşan gerilme yığılması çatlağı ilerletebilecek seviyede ise çatlak ilerler. Uygulanan gerilme çatlağın ilerlemesi için yeterli değilse malzeme yorulmaz. Çatlağın ilerleme bölgesi ve parçanın çalışmadığı zamanlarda çatlağın durmasından dolayı oluşmuş durak çizgileri (Halkalar). Yüzey bu bölgede çatlayan kısımdaki yüzeylerin birbirine sürtünmesinden dolayı parlaktır.
Kırılma : Kalan kesitin yükü taşıyamamasından dolayı ani kırılan bölgesi (Pürtüklü yüzey) olarak tanımlanır.
Yorulma olayı malzemede önemli bir plastik şekil değişimi yapmadığından ve uyarı vermeden elastik limitin altındaki gerilmelerde malzemenin ani olarak göçmesi nedeniyle tehlikelidir. Yorulma çatlağı keskin köşe, çizik, çentik, korozyon çukurcuğu gerilme yığılmasına neden olan noktalarda oluşur ve belirli hızlarda ilerleyerek malzemenin kırılmasına yol açar. Bu nedenle, dinamik yük altında çalışan parçaların tasarımında gerilme yığılmasına neden olan keskin köşe, çentik ve ani değişiminden kaçınmak gerekir. Ayrıca tekrarlı yüklemeye maruz kalan parçaların yüzeyleri parlatılarak yorulma ömürleri uzatılabilir.
Malzeme Yorulma Olayına Etki Eden Faktörler :
Malzeme cinsinin, bileşiminin ve yapısının etkisi,
Yüzey özelliklerinin etkisi,
Çentik etkisi,
Gerilmelerin etkisi,
Korozyonun etkisi,
Çalışma ortamı,
Konstrüksiyon ve montaj hataları,
Sıcaklığın etkisi,
Frekansın (deney hızının) etkisi,
Boyutsal faktörler.
S - N DİYAGRAMI (Wöhler Diyagramı)
Bu diyagram, farklı sabit gerilmeler altında malzemenin kaç çevrim sonunda çatlıyacağını 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.
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.
Frekans ile yorulma mukavemeti arasındaki ilişkiyi inceleyen birçok deney yapılmıştır. Bunlar içinde dakikada 3000 tekrardan 108 tekrara kadar yapılmış olanlar vardır. Çelik için eğri 106 - 107 tekrarda yatay olmaktadır ve yorulma sınırı çekme mukavemetinin yaklaşık %50’si kadardır. Demir olmayan malzemelerin yorulma sınırı olmayıp 5*107 çevrim sayısındaki yorulma genliği olarak kabul edilir. Alüminyum için yorulma sınırı çok belirgin olmamakla birlikte 5*108 tekrardaki gerilme değeri kullanılabiliyor ve yorulma sınırı çekme mukavametinin yaklaşık %25′i kadardır. Hafif madenlerde 30*106 tekrara kadar dayanıklılık gösteren gerilme sınır değer olarak kullanılabilir.
wöhler diyagramı
YORUMA DENEYİ SONUÇLARI :
Yorulma testi bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceği veya kopma olmaksızın uygulanabilecek maksimum yüklemeleri belirler.
Yorulma Ömrü : Yorulma ömrü, bir malzemeye tekrarlı gerilim uygulandığında malzemenin ne kadar süreyle hizmek vereceği bildirir. Ömrü süresince 100000 devir yapmak zorunda olan bir takım çeliği tasarlanırsa o zaman parça 620 MPa’dan daha az bir uygulama gerilmesine maruz kalacak şekilde tasarlanmalıdır.
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 = +-0,18 BSD
-Semir dışı metal ve alaşımlarda;
Yorulma sınırı () = +- 1,3
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.
YORULMA DENEYİNİN AMACI:
Tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin yorulma davranışının incelenmesei ve hasar oluşumunun deneysel olarak belirlenmesi ve malzemelerin yük-çevrim sayısı verilerinin elde edilmesi.
DENEYİN YAPILIŞI VE SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ:
Yorulma deneyinden izlenecek en klasik yol malzemelerin belirli koşullar altında S - N diyagramlarının elde edilmesidir. Bu gaye için benzer şekillerde hazırlanmış en az 8 ile 12 numune alınır. Numunelere farklı gerilmeler uygulanarak çatlamanın (veya kırılmanın) görüldüğü (N) çevrim sayısı tespit edilir. Burada numunenin tamamen kopması veya önceden belirtilen boyuttaki çatlak kriter olarak alınır. Nispeten küçük gerilmeler uygulandığında deneyler sonsuz sayıda çevrim için devam ettirilmez; çatlama (veya kopma) olmaksızın önceden belirtilen çevrim sayısına kadar deney yapılır. Çeliklerde bu sayı genellikle 10.10(6) dır.
DENEYİN YAPILIŞI:
Kullanılacak numune tipi ve boyutu denellikle cihazın tipine, kapasitesine ve boyutuna bağlı olarak belirlenir.Test edilecek numune cihaza yerleştirilir.
Çalışma esnasında numunenin simetri ekseni sapmamalıdır.
Numuneye uygulanacak olan yükleme aralığı belirlenir ve bu sınırlar içinde numuneye alternatif yükleme uygulanır.
Deney uygun oratam koşullarında (özellikle uygun sıcaklık ve nem miktarında) gerçekleştirilmelidir. Deney esnasında numunenin ısınması önlenmelidir.
Deney süresince belirli aralıklarla numunede çatlak oluşup oluşmadığı kontrol edilir.
Çatlak oluşumu gözlendiği taktirde veya yorulma dayanım limiti olan 10(7) çevrim tamamlandığında deney sonlandırılır
