Yorulma Kırılmasının Nedenleri

 

Birçok makine parçası ve metalik yapı elemanı servis sırasında (çalışırken) tekrarlanan, düzenli veya düzensiz değişen, artan-azalan dış gerilmelere ve titreşimlere maruz kalır. Örneğin dönen bir mile eğilme kuvvetleri tesir ediyorsa milin yüzeyinde bir gerilme oluşur. Bu gerilme her dönüşte karakter değiştirir. Mil yüzeyinde ve mil ekseni doğrultusunda sıra ile çekme ve basma gerilmeleri oluşur. Eğer mili çeviren motor 1400 devir/dakika ile dönmekteyse milin yüzeyinde her dakikada 1400 defa çekme ve basma gerilmesi oluşur. Gerilmelerin zaman içerisinde değişimi tamamen düzenli olabileceği gibi tamamen düzensiz de olabilir. Ama her halükarda gerilme zaman ile artıp azalmaktadır. Çalışan iş parçasının lokal olarak veya heterojen ısınması veya soğuması da parça içerisinde termal gerilmelere sebep olur. Bu termal gerilmeler de dış gerilmeler gibi parçaya tesir eder. 

Bu tekrarlı dış gerilmeler belli tekrar sayısından sonra, yani belli bir süre uygulanmadan sonra metalik parça yüzeyinde çatlak teşekkülüne ve hatta kırılmasına neden olur. Tekrarlı dış gerilmelerin belli sayıda tekrarından sonra parça yüzeyinde veya yüzeye yakın bir yerde çatlak oluşur. Dış gerilme uygulaması devam ettikçe oluşan çatlak malzeme içerisine ilerler ve belirli tekrar sayısından sonra kırılma gerçekleşir. Bu olaya yorulma adı verilmektedir. Yorulmaya sebep olan dış gerilme, malzemenin çekme mukavemetinin ve hatta birçok olayda akma mukavemetinin altında kalan bir değerdeki gerilmedir. Otomobil, uçak, kompresör, pompa, türbin gibi birçok makine, tekrarlanan yük ve titreşimlere maruz kalarak çalışır. Bu makinelerde servis sırasında karşılanan mekanik hasarların büyük bir kısmı yorulmaya bağlıdır. 

Yorulmanın meydana gelmesi için üç ana faktör vardır; 

1- Tekrarlanan gerilme, 
2- Yeteri karlar yüksek bir çekme gerilmesi, 
3- Yeter sayıda gerilmenin tekrarlanması. 

Tekrarlanan gerilmenin çekme gerilmesi halinde olması yorulmaya sebep olur. Basma gerilmelerinin yorulmaya tesiri yoktur. Bu nedenle tekrarlanan yükün maksimum çekme gerilmesi değeri önemli olmaktadır. İş parçasının bilhassa yüzeyinde gerilme yığılması, gerilme konsantrasyonu olan noktalarında bu çekme gerilmeleri lokal plastik şekil vermeye sebep olur. Parçadaki nominal gerilme metalin akma gerilmesinden daha düşük olmasına rağmen, lokal yükselen çekme gerilmesi değeri malzemenin alana sınırını astığı için lokal plastik şekil verme meydana gelir. Tekrarlanan gerilmeler lokal plastik şekil değiştiren bölgelerde çatlak oluşumuna sebep olur. Çatlak oluşunca tekrarlı yükün çekme kuvvetleri bu çatlağı ilerletir ve kırılmaya neden olur. İş parçasında lokal gerilme konsantrasyonuna neden olacak yüzey faktörleri; kesit değişimi, delik, yarık, boşluk, çizik vb.'dir. Korozyon, kalıntı, inkluzyonlar, mikroyapı, sıcaklık gibi değişkenler yorulmada önemli rol oynarlar. 

Önerilen Makale: Çelik boru malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için hassas çelik boru nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Yorulma kırılması sinsi karakterli bir kırılma türüdür. Kırılma öncesi herhangi bir belirgin ikaz olmadan iş parçası çalışma esnasında aniden kırılır. Kırılma işlemi üç ana kademede gerçekleşir. 

1- Çatlak oluşumu 
2- Çatlağın yavaş ilerlemesi 
3- Çatlağın hızla ilerleyip ani kırılmaya sebep olması.

Bilhassa parça yüzeyinde oluşan çatlaklar maksimum çekme gerilmesine dik olan düzlemde ilerleyerek kırılmaya sebep olurlar. Kırık yüzeyi incelendiğinde çatlak oluşum noktası, çatlağın yavaş ilerleme bölgesi ve çatlağın ani ilerleme açıkça tespit edilir. Yavaş çatlak ilerleme bölgesi düzgün ve mat görüntülüdür. Hatta bazı iş parçalarında iki yüzey birbirine sürter ve dolayısıyla parlak bir satıh elde edilir. Bu bölgede duraklama izleri, halkaları da olabilir. Tekrarlanan yük duruma veya dış gerilmenin seviyesi düşünce çatlak ilerlemesi durur Daha sonra gerilme şiddeti artınca çatlak tekrar ilerler. Çatlağın durduğu yerde duraklama çizgili oluşur. Bu duraklama çizgileri, sığ kurulu sahilde dalgaların bıraktığı çizgiler gibidir. Çatlak yavaş yavaş ilerledikçe metalin yük taşıyan kesiti gittikçe azalır. Kritik bir kesit alanına ulaşılınca çatlak aniden hızlı ilerler. Ani kırılma bölgesi kristalin görüntü verir. 

İşletme koşullarındaki zorlamalar 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 göstermeyebilirler. Uygulamada teoriye dayanan; çekme veya basmada kesite eşit olarak dağıldığı varsayılan gerilmeye ve eğme veya burma& doğrusal olarak değiştiği varsayılan gerilmenin maksimum değerine anma gerilmesi dediğimiz gerilme dağılmalarında az veya çok sapmalar görülür. Parçanın şekli, yüzey kalitesi, ortamın korozif etkisi, kuvvet iletiminin türü, ön gerilme, malzeme hatası ele mikroyapının büyük ölçüde heterojen olması gibi nedenler ile yerel gerilme yığılmaları oluşur. Yorulma çatlağı gerilme yığılmalarının bulunduğu bölgelerde başlar. Ayrıca bir makine veya yapı elemanının öz titreşim frekansına yakın bölgelerde zorlama sonucu oluşan rezonans titreşimlerine veya her zaman önlenmesi mümkün olmayan aşırı yüklere dayanacak şekilde tasarlanmış olmaması da yorulma çatlaklarının oluşmasına neden olabilir. Yorulma hasarının bir diğer nedeni de montaj hatalarıdır. Örneğin balansı bozulmuş bir milde, hesaplarda öngörülenden daha yüksek gerilmeler oluşabilir. Ayrıca zorlanan bölgelerde dolgu kaynağı işlemlerinin uygun olarak yapılmaması halinde de yorulma çatlaktan görülebilir. Aşırı zorlanan bir bölgede bir çatlağın başlaması durumunda yorulma kırılmasının önlenmesine çoğunlukla olanak yoktur. Çatlağın ilerleyerek kırılmasının oluşması ise çevrim sayısı yani frekansa bağlı olarak 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 çıkaracağından, gerilmeler bakımından durum daha da kötüleşecektir, bu suretle yaratılan çok yüksek gerilme yığılmaları çatlağın hızla ilerlemesine ve büyümesine neden olacaktır. Ayrıca yük taşıyan kesit sürekli küçüldüğünden bu kesitte yorulma dayanımına ait gerilmenin sınır değerleri giderek daha da yükselecektir. Gözlemler sonucu yorulma çatlağı ilerleme hızının çatlak derinliğinin karesi ile arttığı bildirilmektedir. Parçanın ikiye ayrılması çoğunlukla uzunca bir süreyi gerektirdiği ve zorlama sürekli değiştiği için olay yorulma kırılması olarak adlandırılır. Bazı hallerde ise yorulma çatlaktan kesitin tam olarak ayrılması ile sonuçlanmaz; çatlak oluşması ile parça daha az zorlanır ve dolayısıyla gerilmenin üst sınırı malzemenin yorulma dayanım değerinin altında kalırsa veya çatlağın çevresinde gerilme durumunun değişmesi ile yerel bir malzeme pekleşmesi oluşursa çatlak ilerlemesinin durabileceği gözlenmiştir. 
 

Sürekli artan zorlamalarda şekil değiştirmenin tek yönlü olmasına karşın, yorulma zorlamasında kuvvet veya moment, dolayısıyla şekil değiştirme sürekli yön değiştirerek artma-azalma gösterir. Söz konusu şekil değiştirmeler malzemenin kristal kalesi tarafından tam elastik olarak karşılanabildikleri sürece tehlikeli değillerdir. Küçük kalıcı şekil değiştirmeler de kırılma olmadan kristal kafesi tarafından taşınabilirler. Kalıcı şekil değiştirmeler kristal kafesin çarpılması ile değil kafesin değişik bölümlerinin yeni bir denge durumu sağlayıncaya kadar ötelenrnesi yoluyla oluşur. Kafes kısımlarının birbirlerine göre ötelenmelerine kayma adı verilir ve olay kayma düzlemleri olarak adlandırılan tercihli bazı düzlemlerde olur. Kayma düzlemlerinin kristal kafesindeki konumu kristal yapısı ile ilgilidir. 

Yorulma zorlamaları sonucu meydana gelen kayma, tek yönlü zorlamalardaki gibi dislokasyonların oluşumu ve ilerlemesi ile açıklanabilir. Bu şekil değiştirme mekanizması, parlatılmış deney parçalarının yüzeyinde yorulma sınırına yalan zorlamalar altında kayma çizgileri oluşmasıyla görünür duruma gelebilir. Tek yönlü zorlamalarda olduğu gibi yorulma zorlamaları sırasında da pekleşme olayı görülür. Pekleşme sadece şekil değiştirmenin miktarına değil ayrıca az da olsa frekansa da bağlıdır. Yorulma zorlaması uygulanan malzemelerde yapılan metalografik incelemeler, pekleşme sonucu yapı değişikliklerinin olduğunu kanıtlamıştır. Bazı yerel gözlemlerde ancak kayma ve yerel sıcaklık artışlarının varlığı ile açıklanacak çökelmeler görülmüştür. Tekrarlanan şekil değiştirmeler kristal kafesi tarafından sürekli olarak taşınamadığı için yorulma zorlamasının pekleşme dışında hasar etkisi vardır. Kaymaların miktarına ve bir ölçüde de frekansa bağlı olarak belirli bir çevrim sayısından sonra ortaya çıkan hasara, malzeme yapısıyla ilgili olarak hangi olayların yol açtığı yeterince araştırılmış ve tatmin edici ve teoriye dayanan bir açıklama yapılmış değildir. Bununla birlikte örneğin X-ışını araştırmaları hasar başlangıç kademeleri hakkında bazı bilgiler sağlanmıştır ve yorulma sırasında iç gerilmelerin meydana geldiğini göstermiştir. -180°C sıcaklıkta çekme-basma değişken yükleri ile zorlanan deney parçalarında yapılan mikroyapı gözlemleri de gittikçe artan ikiz oluşumun varlığını ortaya koymuştur. 

Şimdiye kadar elde edilen bilgilere dayanarak yorulma zorlaması sırasında tekrarlanan kalıcı şekil değiştirmelerin yeteri kadar birikimi sonucu malzemenin belirli noktalarında mikroskobik boyutlarda küçük çatlaklar oluştuğu söylenebilir. Zorlama sırasında dışarıdan verilen enerjinin büyüklüğüne bağlı olarak bunlar mikro ve mikro çatlaklar olarak birleşir ve sonunda bu çatlaklardan herhangi biri yorulma kırılmasına neden olur. Hasar çok küçük ve sınırlı bir bölgede başlayıp çatlak olarak ilerlediğinden dışarıdan herhangi bir kalıcı şekil değiştirmez ve bu nedenle yanılma kırılmaları şekil değiştirmesiz olarak nitelenir. Hasarın ilk oluştuğu nokta, çoğunlukta yüzeyde veya yüzeyin hemen altındadır, ancak heterojenliklerin veya malzeme hatalarının durumuna göre malzemenin iç kısmında bulunabilir.
 

Yorulma dış gerilmeye maruz kalan metalde çatlak olup olmamasına göre ikiye ayrılır. 

Çatlaksız Malzemelerde Yorulma 

Çatlağın mevcut olmadığı malzemelerde, kırılma çatlak oluşumu ile kontrol edilir. Çatlaksız malzemelerde iki tip yorulma vardır; kısa ömürlü (az çevrimli) yorulma ve uzun ömürlü (çok çevrimli) yanılma. 

Kısa Ömürlü Yorulma 

Endüstriyel uygulamaların bazılarında metal parçası genellikle dış gerilmelerin 10.000 tekrarından önce yorulma hasan gösterir. Bu olaya kısa ömürlü veya küçük çevrim sayılı yorulma adı verilir. Bu parçalarda oluşan tekrarlı gerilmelerin seviyesi oldukça yüksektir ve hatta malzeme akma gerilmesinin üzerine dahi çıkmaktadır. Bu kısa ömürlü yorulmaya maruz kalan parçalara nükleer enerji tesisi basınç kapları, buhar kazanları örnek gösterilebilir. 

Uzun Ömürlü Yorulma 

Bu yorulmanın diğer ismi çok çevrimli yorulmadır. Bu yorulmada hasar 10.000 tekrardan daha fazla sayıda gerçekleşir. İş parçasına uygulanan değişken gerilmenin maksimum değeri malzeme akma gerilmesinin altında olur. Tekerlek gibi dönen ve titreşen sistemlerin tümü, akslar gibi parçalar uzun ömürlü yorulmaya maruzdur.

Çatlaklı Malzemelerde Yorulma 

Büyük yapılar (köprüler, gemiler, basınçlı kaplar gibi bilhassa kaynaklı konstrüksiyonlar) her zaman çatlak ihtiva ederler. Bu çatlakların ilk uzunluğu kritik bir boydan daha kısa olmalıdır. Bu yapılarda mevcut çatlağın ilerlemesi ile yorulma bulması meydana gelir. Yapının emniyetli çalışma ömrü çatlağın yavaş ilerlemesine bağlıdır. Bu yapılarda çatlağın ani ilerleme hızına ne kadar dış yük tekrarında ulaşacağının bilinmesi çok önemlidir. 
 

Orawan Teorisi 

Orawan S-N (gerilme-yüklenrne sayısı) eğrisini esas alarak yorulma mekanizmasını aşağıdaki gibi açıklanmaktadır. Elastik sahada zorlanan bir malzemenin içyapısındaki heterojenliklerden veya çentik tesirinden dolayı bölgesel plastik zorlanmalar meydana gelmektedir. Plastik zorlanmaların tekrarlanması sonucunda bu bölgelerde gerilme artarak deformasyon azalmakta, yani pekleşme meydana gelmektedir. Daha sonraki yükleme sayılarında bu bölgelerde mikro çatlak meydana gelmektedir. Çatlakların ucunda meydana gelen gerilme yığılmaları sonucunda; pekleşme, çatlak oluşumu ve çatlağın ilerlemesi şeklinde yukarıdaki mekanizma tekrarlanmakta ve parça kopmaktadır. 

Wood Teorisi 

W.A. Wood yorulma mekanizmasını pekleşmeye bağlı olmadan kayma olayı yardımı ile açıklamaktadır. 
Kaymanın mikroskobik olarak incelenmesiyle kayma bantlarının yorulma olayına bağlı olarak, küçük miktarlarda (10-9cm.) hareket ettikleri tespit edilerek, bu hareketlerin sistematik olarak tekrarlanması sonunda deney çubuğunun yüzeyinde bir takım girinti ve çıkıntılar meydana geldiği, bu girinti ve çıkıntıların dibinde ve tepesinde gerilme yığılmaları olduğu, sonuçta da yorulma çatlaklarının ilerlemesi ile parçanın koptuğu ileri sürülerek yorulma mekanizması anlatılmaktadır.
 

Yorulma dayanımı sınırı olan yorulma limitini sabit tutmak mümkün çünkü bu limit; malzemenin cinsi, malzemeye uygulanan kuvvetin şekli, yüzey kalitesinin durumu, ortam şartları, malzemenin şekli, hacim etkisi, boyut faktörü, korozyon etkisi ve frekansın şiddeti gibi faktörlere bağlıdır. 

Malzemenin Cinsi ve Bileşim Etkisi 

Genellikle malzemelerin statik çekme dayanan arttıkça yorulma dayanımı sınırında da artma gözlenir. alaşım elementleri ve uygun şekilde su verilip gerginlik giderme işlemleri de çeliklerde statik çekme değerini artırdığı gibi sertliklerini ve yorulma limitlerini artırır. 

Malzemeye Uygulanan Kuvvet 

Yorulmaya etki eden kuvvetler; eksenel düzlemsel veya burulma zorlaması şeklinde olabilir. Yorulma dayanım sınırı değişik zorlamaların şekline göre de farklılıklar gösterebilir. Aşırı zorlamalarda malzemenin yorulma ömrünü kısaltır. 

Yüzey İşlemlerinin Etkisi 

Zorlamalardan sonra çatlaklar kaba yüzeylerde daha çabuk oluşur. Çok iyi yüzey kalitesi olan malzemelerde daha kötü kalitedeki yüzeylere göre çok yüksek yorulma limiti alınabilir. Uygun parlatılmış bir numuneden elde edilen dayanım sınır değeri ile değişik yüzey pürüzlüklerine sahip malzemelerin dayanım sınır değerleri farklılıklar gösterir. 

Hacim Etkisi 

Değişik zorlamalar altında yorulan malzemelerin dış yüzeylerinde merkezden daha fazla gerginlik oluşur. Bundan dolayı kırılma, malzemenin yüzeyinde oluşan bir çatlaktan başlar. Dış katmandaki çatlağın gelişmesi malzemenin kesitine göre genişleme farklılığı gösterir. Büyük kesitli malzemelerde yorulma zorlamasından sonra kırılmanın daha çabuk geliştiği gözlenebilir. 

Korozyon Etkisi 

Yorulma olaylarında mekanik etkilerin yanında bir de kimyasal olarak korozyon etkileri de eklenebilir. Yorulmadan önce malzemenin korozyona uğraması yorulma dayanımını azaltır. Korozyona uğramış bölgeler çentik etkisi gösterirler ve kırılmayı hızlandırırlar. 

Sıcaklığın Etkisi 

Düşük sıcaklıklarda yorulma dayanımının arttığı bilinmektedir. Çok özel durumlar dışında sıcaklığın artması yorulma dayanımını azaltmaktadır. 

Yukarda belirtilenler dışında yorulma hasarını kolaylaştıran veya doğrudan hasara neden olan başkaca malzeme veya yapı hataları bulunabilir. Hataları yorulma hasarını kolaylaştırıcı etkilerine göre sıralamak mümkün değildir. Malzeme yapı hatalarının değerlendirilmesi, daima yorulma zorlamalarının şekli ve yorulma hasarının oluşumu ile bağıntı kurularak yapılmalıdır.