Metallerde Yorulma Hasarı

Makine parçalarının bazıları, düzenli olarak artan yüklemelere maruz kalarak hasara uğrarlar. Ancak, pek çok makine parçası veya yapı elemanına, büyüklüğü ve yönü düzenli veya düzensiz sürekli olarak değişen kuvvetler ile eğme ve burma momentleri etki eder. Değişken zorlamalardan dolayı kırılma, söz konusu malzemenin akma sınırının çok altındaki gerilmelerde oluşabilir. Bu tür kırılmalara yorulma kırılması denir. Yorulma yüklemesine maruz kalan yapı elemanlarına örnek olarak, pompalar, otomotiv gövdeleri, delici makinalar, hava taşıtları, gemiler gösterilebilir.

Yorulma, tekrarlı değişken yüklemelerin sebep olduğu veya korozyonlu yorulma adı verilen çevrenin saldırgan etkisinden kaynaklanan bir toplam hasar olayıdır. Normal elastik gerilme dalgalanmalarına maruz kalan parçalardaki yorulma hasarı, yerel gerilmelerin malzemenin akma gerilmesini geçtiği bölgelerde meydana gelir. Belirli bir değişken yük sayısından sonra, plastik olarak hasara uğrayan bölgede bir çatlağın veya çatlakların çekirdeklenmesi ve büyüyerek ilerlemesi meydana gelir. Bu durum çoğunlukla bileşenlerin kırılmasına sebep olur. Gerilme yığılması ne kadar fazla ise, yorulma çatlağının başlama zamanı da o kadar kısa sürede olur.

Bir yorulma çatlağının başlaması için gerekli olan çevrim sayısı, yorulma çatlağı başlangıç ömrü Ni ile gösterilir. Yorulma çatlağının kritik bir boya gelmesi ve çatlağın ilerlemesi için gerekli çevrim sayısı da yorulma çatlağı ilerleme ömrü Np ile gösterilir. Toplam yorulma ömrü, bunların toplamıdır.

Nt = Ni + Np

Bu iki ömür arasında, basit veya açık bir bağıntı yoktur. Ancak, daha önce malzemede var olan bir hata veya çatlak, yorulma çatlağı başlangıç ömrünü azaltır veya ortadan kaldırır, böylece yapının toplam yorulma ömrü azalır.

Yorulma hasarının incelenmeye başlanması, Avrupa’da 19. yüzyılın ilk yarısına kadar uzanır.

1852’de Wöhler, parlatılmış numuneler üzerinde çekme, eğme ve burulma olmak üzere değişken yüklemeler uyguladı. Yorulma, 19. yüzyılın sonlarında dizayn kriterlerine girmeye başladı. Ancak, en önemli gelişmeler 1950’lerden başlayarak meydana gelmiştir. Günümüzde, yorulma, hemen hemen tüm mühendislik yapıları için dizayn kriterlerinin önemli bir parçasıdır ve oldukça geniş bir çalışma ve araştırma alanına sahiptir.

Konstrüktörler tasarımlarında malzemelerin ekonomik olarak kullanımını göz önünde bulundurmak zorundadırlar. Mukavemet ve elastisite bilgisinin gelişmesi, giderek daha düşük güvenlik katsayılarının seçimi ve yüklerin daha kesin olarak tahmin edilebilmesi ile malzeme değişikliğine gitmeden de makine ve yapı elemanlarının daha küçük kesitli olarak boyutlandırılabilmesi mümkün olmuştur. Ancak bu durumda gerilmelerin akma sınırını aşmamasına özen gösterildiği halde, işletme sırasında makine parçalarında kırılmalar gözlenmeye başlanmıştır. Herhangi bir şekil değiştirme yaratmadan ortaya çıkan bu kırıkların, yüksek yüklerin bir kez ve tek yönde uygulanması ile oluşan kırılma yüzeylerinden, görünüşleri bakımından tamamıyla farklı oldukları saptanmıştır. Bu gözlemlere dayanarak kısa bir süre sonra yüklerin veya momentlerin büyüklüğü ve yönünde zamanla değişmelerin söz konusu olduğu durumlarda, statik deneylerle saptanan mukavemet değerlerinin malzemenin davranışını belirlemekte yetersiz olduğu anlaşılmıştır.

Böylece bütün bu deneyimler yorulma dayanımı kavramının doğmasına neden olmuş ve deneysel olarak yorulma dayanımının yorulma dayanımının, statik dayanım deneylerinden çok daha düşük düzeyde olduğu saptanmıştır. Ancak, işletme yüklerine göre hesaplanan gerilmeler, kullanılan malzemenin düzgün yüzeyli ve parlatılmış deney parçaları yardımıyla bulunan yorulma dayanımının çok altında kalmasına rağmen, makine parçalarının yine de hasara uğradığı görülmüştür. Bunun üzerine yapılan deneylerle, şekil, yüzey durumu, kuvvet iletimi, makine parçasının bulunduğu ortam ve malzemenin içyapısı gibi değişik iç ve dış etkenlerin yorulma dayanımını değiştirdiği anlaşılmıştır.

Tasarım esnasında, işletme koşullarının göz önüne alınmasıyla makine parçalarının yorulma sonucu hasara uğramaları minimum düzeye indirilmeye çalışılmaktadır. Ancak yorulmaya etki eden faktörlerin fazlalığından dolayı, günümüzde de yine çok sayıda yorulma hasarına rastlanmakta, makine, taşıt vb. konstrüksiyonlarda görülen hasarın %90 – 95’i yorulmadan ileri gelmektedir.

Konstrüktörler, değişken yükler ile zorlanan parçaların tasarımında verilere bağlı olarak aşağıdaki değişik hesaplama yöntemlerini izleyebilirler.

a) Konstrüksiyonu belirleyen dört büyüklük de (şekil, boyut, malzeme ve zorlama) verilmiş ise, sadece kritik kesitlerde yorulmaya karşı güvenliğin olup olmadığının kontrolü gerekir. Güvenliğin yeterli olmadığı durumlarda, özel yöntemler ile yorulma dayanımı yükseltilmeye çalışılır (yüzeylerin sertleştirilmesi, parlatma, ıslah etme vb.).

b) Sadece malzeme ve zorlama şeklinin belirli olduğu durumlarda, parça gerekli güvenlik sağlayacak şekilde boyutlandırılır.

c) Eğer parçanın şekli ve boyutları belirli ise, o zaman gerekli güvenlik sağlanacak şekilde, malzeme ve zorlama üst sınırı saptanır.

Önerilen Makale: Çelik lama malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik lama fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Büyüklüğü ve yönü düzenli ya da düzensiz bir şeklide sürekli olarak değişen kuvvet veya momentlerin (eğme, burma) etkimesi, yorulma zorlanması olarak adlandırılır. Zorlama sırasında yük istendiği kadar tekrarlanabilir veya zorlamanın yapılmadığı zaman aralıkları var olabilir.

Yorulma zorlamasında yükün zamana bağlı olarak nasıl değiştiğinden çok, en alt ve en üst sınır değerlerinin büyüklüğü önemli olduğundan, yük değişimi genellikle sinüzoidal olarak kabul edilebilir. Birim zamandaki çevrim sayısı (yük tekrarı) çok düşük veya malzemenin ısınmasına sebep olacak kadar çok yüksek olmamak koşuluyla, yorulma ömrünü (kırılma oluncaya kadar geçen tekrar sayısı) önemli ölçüde etkilemez. Kuvvetin veya momentin en küçük ve en büyük değerleri sıfır konumuna göre aynı veya ters işaretli olabilir. Yorulma zorlamasının iki hali için özel isimler verilmiştir: Kuvvet veya moment aynı büyüklükte, fakat bir artı diğeri eksi işaretli iki sınır değeri arasında değişiyor ise tam değişken zorlama ve malzemenin dayanımı bakımından değişken yorulma dayanımı söz konusudur. Kuvvet veya moment değeri sıfır ile belli bir sınır değeri arasında değişiyorsa, dalgalı zorlanma ve malzeme dayanımı bakımından dalgalı yorulma dayanımı deyimleri kullanılır. Yorulma zorlanması sadece dış kuvvetlerin değil, örneğin sıcaklık farlılıkları nedeniyle oluşan iç kuvvetlerin etkimesiyle de görülebilir (Isıl yorulma).
 

İşletme koşullarındaki zorlanmalar sonucu ortaya çıkan gerilmeler mukavemet bilgisinin temel denklemlerine her zaman uymaz, dolayısıyla çekme veya basma gerilmeleri parça kesitinde eşit olarak dağılma, eğme ve burma gerilmeleri de yüzeyden ortaya doğru doğrusal bir azalma göstermeyebilir. Uygulamada, bu kuramsal gerilmelerde sapmalar görülebilir. Parçanın şekli, yüzey kalitesi, ortamın korozif etkisi, kuvvet iletiminin türü, ön gerilme, malzeme hatası, mikro yapının büyük ölçüde heterojen olması gibi nedenler ile yerel gerilme yığılmaları oluşur. Yorulma çatlağı gerilme yığılmalarının bulunduğu bölgelerde başlar. Ayrıca bir yapı veya makine elemanının öz titreşim frekansına yakın bölgelerde zorlanması sonucu oluşan rezonans titreşimlerine veya her zaman önlenmesi mümkün olmayan aşırı yüklere dayanacak şekilde tasarlanmış olmaması da yorulma çatlaklarına yol açabilir. Yorulma hasarının diğer bir nedeni de montaj hatalarıdır. Örneğin balansı bozulmuş bir milde, hesaplarda öngörülen daha yüksek gerilmeler oluşabilir. Ayrıca zorlanan bölgelerde dolgu kaynağı işlemlerinin uygun olarak yapılmaması halinde de yorulma çatlakları görülebilir. Aşırı zorlanan bir bölgede bir çatlağın başlaması durumunda yorulma kırılmasının önlenmesine çoğunlukla olanak yoktur. Çatlağın ilerleyerek kırılmanın oluşması ise çevrim sayısı yani (frekansa bağlı olarak) belirli bir zaman sorunudur. Bir yorulma çatlağının görülmesi, kullanılan malzeme veya malzeme durumu için yerel bir gerilme yükselmesinin bulunduğuna işarettir. Yorulma sonucu oluşan keskin çatlak ek bir çentik etkisi ortaya çıkarttığından, gerilmeler bakımından durum daha da kötüleşecek, bu yolla yaratılan çok yüksek gerilme yığılmaları çatlağın hızla ilerlemesine büyümesine sebep olacaktır. Ayrıca, yük taşıyan kesit sürekli küçüldüğünden bu kesitte gerilmenin sınır değerleri giderek daha da yükselecektir. Gözlemler, yorulma çatlağı ilerleme hızının çatlak derinliğinin karesi ile arttığını göstermektedir. Parçanın ikiye ayrılması, çoğunlukla uzun bir süreyi gerektirdiği ve zorlama sürekli değiştiği için olay yorulma kırılması olarak adlandırılır. Bazı durumlarda ise, yorulma çatlakları kesitin tam olarak ayrılması ile sonuçlanmaz, çatlak oluşması ile parça daha az zorlanır ve dolayısıyla gerilmenin üst sınırı malzemenin yorulma dayanımı değerinin altında kalırsa veya çatlağın çevresinde gerilme durumunun değişmesi ile yerel bir malzeme pekleşmesi olursa çatlak ilerlemesi durabilir.
 

Yorulma sınırı deyiminden, düzgün veya çentikli parçalarda, belirli bir ortalama gerilme için parçanın kırılmadan veya belirli bir şekil değişimini aşmadan sonsuz çevrim sayısında taşıyabileceği gerilme genliği anlaşılır. İzin verilen şekil değiştirmenin miktarı, yorulma deneyinin yapıldığı şartlara (örneğin deney sıcaklığı) veya deney malzemesi cinsine bağlıdır.

Sonsuz sayıda yük tekrarını, kırılmadan veya aşırı şekil değişimine uğramadan taşıyabilen bir yapı elemanı, yorulmaya karşı dayanıklıdır denir. Taşınabilir en büyük gerilme genliği de yapı elemanının yorulma dayanımı olarak adlandırılır. Bir yapı elemanının yorulma dayanımı sadece bir malzeme özelliği olmayıp, bunun yanında parçanın büyüklüğü, biçimi ve üretim şekline de bağlı olduğundan, genlik gerilmesi ile verilen yorulma dayanımı, belirli bir biçim ve yüzey kalitesindeki parçanın konstrüktif dayanımı diye de tanımlanır.

Malzemelerin yorulma sınırının saptanması için eksene paralel doğrultuda mekanik veya elektrolitik olarak parlatılmış düzgün deney parçaları kullanılır. Çentik duyarlılığının araştırılması için de çentik katsayıları belirli çentikli deney parçalarından yararlanılır. Günümüzde kullanılan yorulma deney makinaları, çekme, çekme-basma, çevresel eğme, ileri-geri eğme ve burma yanında bileşik zorlamaları da mümkün kılmaktadır. Bu makinaların deney frekansları, yapılarına bağlı olarak 500 ... 15000 dak.-1 (8.....250 Hz.) arasındadır. Söz konusu aralık için çelikten yapılmış düzgün parçaların yorulma dayanımları frekansa bağlı değildir. Ancak hafif metallerde ve çentikli çelik parçalarda yorulma davranışı frekansla değişir ve bu değişim süreli yorulma durumunda daha fazladır. Deney parçası örneğin asit içermeyen bir yağla soğutulmazsa, ısınma nedeniyle zamanından önce çatlayabilir. Süreli yorulma zorlamasında frekansın çok düşük veya çok yüksek olması, çeliklerde de düz veya çentikli tüm parçaların yorulma ömürlerinin azalmasına neden olur.

Yorulma dayanımı normal olarak Wöhler yöntemiyle bulunur. Bu yöntemde, biçim ve yüzey kalitesi bakımından tümüyle aynı olan deney parçalarının her biri aralıksız şekilde ve farklı seviyelerde zorlanarak kırılmanın oluştuğu çevrim sayıları saptanır. Bir deney serisinde çoğunlukla 6 – 10 adet parça gereklidir. Belirli bir deney parçası için başlangıçta ayarlanan yorulma zorlanması deney sırasında değiştirilmez, yani tek kademeli yorulma deneyi söz konusudur. Buna karşın çok kademeli yorulma deneyinde, zorlama sistematik olarak deney sırasında değiştirilir. Her bir zorlama kademesi belirli çevrim sayıları arasında sabit kalır ; zorlamaların sırası istenildiği gibi seçilebilir, yani giderek artırılabilir, azaltılabilir veya karışık olabilir. Sadece iki zorlama seviyesinin bulunduğu deneyler iki kademeli yorulma deneyi olarak adlandırılır.

Yorulma deneyi zaman zaman durdurulursa, düzgün deney parçalarında toparlanma olayı görülür ve böylece aralıksız olarak yapılan deneyden daha yüksek yorulma dayanımları elde edilir. Çentikli deney parçalarında malzeme bünyesindeki değişik mekanizmalara bağlı böyle bir toparlanma olayının etkisi görülmez.

Deneyin amacına, malzeme ve deney makinasına göre yük veya şekil değiştirme genlikleri kontrol edilir ve bu büyüklükler gerilme veya birim şekil değişimi değerlerine dönüştürülür. Wöhler yönteminde bir deney serisinde tüm parçalar için ortalama gerilme σort veya alt gerilme σalt sabit tutularak her deney için ayrı gerilme genliği σg seçilir. İlk deney parçası akma sınırına yakın olacak şekilde yüksek düzeyde zorlanır. Daha sonraki deney parçalarına ise gittikçe daha düşük zorlama uygulanarak kırılma çevrim sayısının çok yüksek değerlere ulaşması sağlanır. Bir deney serisi sonunda uygulanan gerilme genlikleri ve kırılmanın görüldüğü çevrim sayılarının bir eğri olarak çizimi ile eğer noktalar büyük dağılımlar göstermiyor ise, Wöhler eğrisi elde edilir.
 

Bir deney parçası veya yapı elemanının yorulma ömrü, yorulma dayanımından daha yüksek bir gerilmede kırılmanın oluştuğu çevrim sayısıdır. Yorulma ömrünün gösteriminde, ortalama gerilme σ_ort ve gerilme genliği σ_g, söz konusu kırılma çevrim sayısına indis olarak eklenir. Örneğin, N_{(+10± 14}) = 2,5.10⁶ gösterimi ile σ_ort = +10 kg/mm² ve σ_g = ± 14 kg/mm² olan bir zorlamada, kırılmanın 2,5.10⁶ çevrim sayısında oluştuğu anlaşılmaktadır.