Yorulma Olayı
Tekrarlı zorlamalar altında malzemenin mukavemeti
azalır,
çekme mukavemetinin
çok
altındaki
gerilmelerde kırılma oluşabilir. Buna neden olan
yorulma olayıdır.
 Birçok makine parçaları ve yapı elemanları kullanılma esnasında
tekrarlanan gerilmeler
çalışmaktadırlar.
(yükler)
ve
titreşimler
altında
 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
dalgalanması
 Uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma sayısı
Yorulma genellikle iç yapıda mevcut kusurlar
civarında oluşan yerel gerilme yığılmalarından
kaynaklanır. Bundan dolayı yorulma olayı içyapıya
çok bağlıdır. İçyapıda bulunan çatlak, çentik boşluk
sert parçacık ve ani kesit değişmeleri civarındaki
gerilmeler ortalama gerilmelerden daha büyüktür. Bu
gerilmeler etkisinde yerel plastik şekil değiştirme
meydana gelir.
Ayrıca; yüzey kalitesi, korozyon, aşırı sıcaklık, aşırı
yükleme, kalıcı iç gerilmeler, bileşik gerilmeleri
gerilim konsantrasyonu, frekans, mikro yapı v.b. Gibi
diğer sebeplerde etkili olabilir
Başlangıçta hiçbir bozukluk içermeyen yüzeyi
parlatılmış üniform kesitli bir metalde elastik sınır
altında da dislokasyonlar yerel olarak hareket ederek
kayma bantları oluştururlar.
Bu bantlar da yüzeyde çıkıntılar ve çöküntülerin
doğmasına dolayısıyla gerilme yığılmalarına neden
olurlar. Bütün bu hallerde tekrarlı zorlamalar etkisiyle
oluşan tersinir olmayan plastik şekil değiştirme
sonucu malzeme pekleşir, gevrekliği artar ani yorulma
kırılması meydana getirir.
Yorulma çatlakları genellikle yüzeyde başlar ve içeriye
doğru yayılır.
Yorulma;
Yorulma akma gerilmesinin üzerinde de
altında da meydana gelebilir.
Yorulma hasarları genellikle çatlakların
oluşumu ve yayılmasını içerir
Metallerde Yorulma Mekanizması.
Gerilme döngüsü
dislokasyonların hareketine
sebep olabilir.
Sürekli kayma bandları tane
içinde gelişir
Kayma bandları çatlak olur,
tane sınırlarına ulaşır.
Yorulma sınırının üzerinde,
çatlak tane sınırı boyunca
kırılır ve büyümeye devam
eder.
Şekil. Yorulma çatlakların oluşumlarının bazı mekanizmaları
Çok kristalli metallerde yorulma
çatlaklarının yayılımının I ve II
aşamalarının gösterimi.
Yorulmanın Sebepleri.
Gerilme kontrollü
Yorulma
Bükerek döndürme
Vibrasyon
Basınç
Dönerek temas
Genleme Kontrollü
Yorulma
Termal çevrim
Çok çentik
Yorulmaya Etki Eden Faktörler
 Parça Büyüklüğü
 Gerilme Birikmesi
 Yüzey Etmeni
 Yüzey İşlemleri
 Gerilme Gradyanının
Etkisi
 İç Yapı Etmeni
 Artık Gerilmeler
 Yenim Etmeni
 Metal Veya Alaşımın
 Metalurjik
Faktörlerin Etkisi
 Sıcaklık Etmeni
Soğukta İşlenmesi
 Frekansın Etkisi
 Korozyonun Etkisi
Metallerde Yorulma Kontrolü
Yorulma çatlak oluşumu plastik genleme gerektirir.
Plastik genleme dayanımını artırmak yorulma
dayanımını artırır.
Mukavemeti artır
Gerilme konsantrasyonu plastik genlemeyi
artırır.
Gevrek inklüzyonlar ve porozite gerilme
konsantrasyonudur.
Gerilme
konsantrasyonunu
çıkar
Yorulma çatlakları genel olarak dört aşamada
meydana gelir.
 Birincisi, çatlağın çekirdeklenmesi; yorulma hasarı işlemi,
çatlak başlangıçları için çekirdeklenme alanları gibi rol
oynayan test malzemesi içinde en zayıf bağlantıları
(süreksizlikleri) kullanır.
 İkincisi, çatlağın yerel kayma bandında
ilerlemesi; çatlak, kayma gerilmelerinin
yüksek olduğu ve çekme doğrultusuyla 45º
lik açı doğrultusunda ilerlemesi.
 Üçüncüsü, çatlağın etki ettiği düzlemde ilerlemesi.
 Dördüncüsü de çatlak uzunluğunun kritik bir değere
ulaşmasıyla kalan kesitin kırılmasıdır.
Yorulma çatlaklarını başlatmak için gerekli tekrar sayısı,
yorulma çatlak başlatma ömrüdür (Ni). Kritik bir boyuta
ulasan yorulma çatlağını yaymak için gerekli tekrar
sayısı, yorulma çatlak yayılma ömrü (Np) olarak
isimlendirilir. Toplam yorulma ömrü (Nt), başlatma ve
yayılma ömürleri toplamıdır.
Nt = Ni + Np
Yorularak hasara uğramış elemanların kırılma yüzeyleri
yorulmaya has üç ayrı bölgeye sahiptir.
 Yorulma çatlağının çekirdeklendiği bölge.
 Yorulma çatlağının ilerlemesi sonucu oluşan bölge.
 Zoraki kırılma bölgesi.
 Çoğu yapısal parçalarda yorulma çatlakları, “gerilim
arttırıcılardan” başlar ve yayılırlar.
S – N DİYAGRAMI (Wöhler Diyagramı
 Bu diyagram, farklı sabit gerilmeler altında malzemenin kaç çevrim
sonunda çatlayacağını 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.
 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.
Güvenli-Yorulma Ömrü
(S-N Eğrileri).
Sınırlı yada sınırsız ömür:
–Ya da
–Gerilmeler yorulma sınırının
altında devam eder
S-N Curve
Stress (MPa)
–gerilme ve genleme S-N eğrilerini
kullanarak
yorulma
ömrünün
hesaplamada değerlendirilir
Finite Life Stress
Fatigue Limit
Infinite Life Stress
104
105 106 107 108
Log Stress Cycles
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 çek. day. = +-0,18 BSD
-Demir dışı metal ve alaşımlarda;
Yorulma sınırı () = +- 1/3 çek. day.
 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.
K=Kc olduğunda çatlak yayılır ve hızlı kırılarak felakete
sebep olur. Eğer biz yapıdaki çatlak boyutunu bilirsek
hızlı kırılma meydana getirmeyecek bir yük seçebiliriz.
fakat çatlak oluşabilir, ve yavaşça büyür, çatlağın yavaşça
büyümesi yorulmadır.
Çekme mukavemetinin altındaki gerilme hasarları
oluşabilir σ TS , ve akma mukavemetlerin altında σy ‘dir.
Kalemin kırılması, bisikletinizin pedalınızın kırılması,
buzdolabının sapının kırılması genellikle yorulmadan
kaynaklanmaktadır.
Yorulma deney türleri:
 Deneyde kullanılan gerilme türü, yorulma deneyin de
adını vermektedir. Gerilme türüne göre başlıca
yorulma deneyi türleri şunlardır :
 Eksenel gerilmeli yorulma deneyi
 Eğme gerilmeli yorulma deneyi
 Burma gerilmeli yorulma deneyi
 Bileşik gerilmeli yorulma deneyi
Deneyin Uygulanması
1. Test edilecek numune cihaza yerleştirilir,
2. Numuneye uygulanacak olan yükleme aralığı belirlenir ve bu
sınırlar içinde numuneye alternatif yükleme uygulanır,
3. Deney süresince belirli aralıklarla numunede çatlak oluşup
oluşmadığı kontrol edilir,
4. Çatlak oluşumu gözlendiği takdirde veya yorulma dayanım limiti
olan 107 çevrim tamamlandığında deney sonlandırılır.
Çatlaksız Parçalarda Yorulma
Davranışı
Testler malzemelerin ya çekilmesi yada eğilerek döndürülmesi ile yapılır. Gerilmeler
genellikle zamanla sinüzodaldir.
N= yorulma döngü sayısı, ve Nf =hasar
döngü sayısı
Çatlaksız parçaların yüksek döngülü
yorulmada, ne σmax ne de |σmin| akma
gerilmesinin üzerindedir.
Yukarıdaki bağıntı Basquin’s Kanunları olarak
bilinir. Burada a sabittir ve C1 de ayrıca sabittir.
Çatlaksız parçaların düşük döngülü
yorulmaları için σmax yada |σmin| σy‟nin
üzerindedir, Basquin‟s kanunları çok
uzun tutulmamıştır (Şekilde
görülmekte), fakat Şekil 15.3 „de tarif
edildiği gibi plastik genleme oranı ∆ε
pl çizilmişse lineer eğri elde edilir.
Şekil 7075-T6 alüminyum alaşımları için hasar eğrilerinin S-N yorulma olasılığı, P,
hasar olasılığını göstermektedir.
ÇATLAKLI PARÇALARDA YORULMA DAVRANIŞI
Büyük yapılarda, özellikle kaynaklı yapılarda, örenğin; köprüler, gemiler, eptrol
sondaj kulelerinde, nükleer
basınç kazanlarında daima çatlak mevcuttur.
Herzaman bizler bu çatlakların başlangıç uzunluklarının verilmiş uzunluktan daha
az olduğundan emin olmalıyız. Yapının güvenli ömrünü değerlendirmek için bizim
bu çatlakların birinin büyüdüğü uzunluğu felaket olmadan yapının uzunluğunun ne
kadar olduğunu bilmeye ihtiyacımız var.
Gerilme döngü yoğunluğu ∆K
zamanla artar, çünkü, çatlak büyür.
Çatlak her döngü ile artar, da/dN,
Şekilde görüldüğü gibi ∆K ile artar.
Metallerde Yorulma Kontrolü;
Yararlı
Mukavemeti artırmak .
Karbürleme
Nitrürleme
İndüksiyonla sertleştirme
Soğuk işlem
Kalıntı Gerilim
Yüzey Temizliğinin
geliştirilmesi
Son yüzeyin iyi olması
Elektroparlatma
Zararlı
Mukavemetin azaltılması
Dekarbürizasyon
Aşırı ısıtma
Tavlama
Kalıntı Gerilim
Cr-Ni plating.
Zayıf Temizleme
Kötü yüzey son hali
 Yorulma ömrü basma gerilmeleri ile gelişir
S-N: Kötü Gerilmenin Etkisi
The Goodman Relationship.
Stress, s
Increasing mean
compressive stress

sm
s a  s fat 1 
 s UTS




s a  endurance limit at s m
s m  mean stress
s fat  endurance limit at s m  0
Cycles (Log N)
s UTS  tensile strength
Safe-Life Fatigue
Stress (MPa)
 Designing against fatigue.
104
105 106 107 108
Log Stress Cycles
Fatigue Data
+
Stress/Strain Models
=
Safe Life
Kırılma
mekaniği
Paris
sisteminde yorulma çatlakların
büyüme hızının ölçülmesinde
kullanılabilir.
•The Paris Denklemi;
da
 A DK m
dN
m ~ 2 to 4
Çatlak Büyüme hızı da/dN
Yorulma Çatlağının Büyümesi
Paris Regime
(insensitive to mean stress)
Threshold. DKth
(sensitive to mean stress)
Gerilme Yoğunluk OranıDK
Yorulma Hasarları
 Aloha Airlines Flight 243
 April 28th1988
90,000 uçuş
19yaşında
Bütün gerekli
güvenlik
kontrolleri
yapılmışdı
Problem
uçağın yaşlı
olmasıydı
Yorulma Hasarları

Yorulma hasarları daima oluşmaktadır.
Failed due to
fatigue of tail-rotor
hub
Anlamak için ihtiyacımız olanlar
– Yorulmanın nasıl oluştuğu
– Yorulmaya önceden nasıl tahmin ederiz
– Yorulmaya karşı dizayn nasıl yapılır
Pürüzsüz bir numunede çoklu yorulma çatlak
başlangıcı
Malzemenin kırılma yüzeyindeki yorulma çizgileri.
Zoraki kırılma
bölgesinin büyüklüğü,
uygulanan yükün
büyüklüğü konusunda
bilgiler verir. Çatlak
ilerleyip geri kalan dolu
kesit normal yükü
taşıyamaz hale gelince
ani kırılma meydana
gelir ve kırılma yüzeyi
taneli görünüştedir.
Yorulma deneyi niye yapılır?
 Yorulma deneyi;
Tekrarlı yüklemelere maruz kalan malzemelerin
yorulma davranısının incelenmesi ve hasar
olusumunun deneysel olarak belirlenmesi ve
malzemelerin yük-çevrim sayısı verilerinin elde
edilmesidir.
Yorulma Hasarları
arıza meydana gelmiş
1290 uçuş yapmış, toplamda uçuş süresi
3681 saat
.
uçakların ve basınç çevrim testlerinin yeniden pılması
Yorulma Hasarları
Corner of Hatch
Hatch
Fatigue Cracks
Rivet Hole
Perçin boşluğundan yorulma çatlaklarının yayılımı
Özetle;
 Yorulma ; gerilme döngüsü altında çatlakların
oluşum ve gelişimidir.
• Yorulma ömrü geliştirilebilir;
– Gerilmenin kontrolü ile
– Mikroyapının kontrolü ile
– Son yüzeyin kontrolü ile
• Yorulma ömrü tahmin edilebilir
– Düzgün ve çentikli parçalar için:
Paris Equation
– Çatlaklı parçalar için
S-N Curve
Download

Yorulma Sınırı