yorulma çeşitleri

8/8/2019 yorulma çeşitleri

http://slidepdf.com/reader/full/yorulma-cesitleri 1/14

METALK MALZEMELERDE YORULMA DAYANIMININCELEMEK ÇN KULLANILAN YORULMA MAKNALARI

Öğr. Gör. Nurcan KUMRU1

*

1 Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu

ÖZET

Tekrarlı gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda, gerilmeler parçanınstatik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonundagenellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takiben kopmasına neden olurlar. Yapı

parçalarının yorulma dayanımını etkileyen pek çok parametre vardır. Bunlar,gerilme (yük), parçanın geometrisi ve özellikleri ve dış çevreyle ilgili

parametrelerdir. Günümüzde kullanılan yorulma deney makinaları çekme, çekme- basma, çevresel eğme, ileri-geri eğme ve burma yanında bileşik zorlamaları damümkün kılmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda standart bir yorulma testi venumune boyutları bulunamamış, mümkün olduğunca gerçek koşullarınoluşturulmaya çalışıldığı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: yorulma, yorulma test makinaları

ABSTRACT

Metal fatigue is defined as the gradual failure of a metal under the action of cyclical stresses, which are often below the elastic limit. Many parameters affect thefatigue performance of structural components. They include parameters related tostress (load), geometry and properties of the component, and the externalenvironment. Fatigue test machines now in general use are possible tensile, tensile-compressive, bending, forward-back bending and twist in addition to united strain.Finally, it wasn’t able to found standard fatigue test and sample dimensions. It wasdetermined that was tried real conditions possible.

Key Words: fatigue, fatigue test machine

1. GRŞ



Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda, gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanmasayısı sonunda genellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayınaneden olurlar[1]. Yorulma kırılması gevrek türde olduğundan nerede ve ne zamanolacağını önceden kestirmek zordur[2]. Yorulma kopmaları, yapı içersindekihesaplanan gerilmeler elastik bölgede (Hooke Eğrisi) bulunmasına rağmen,meydana gelir. Ancak bu olay genellikle düzensiz bir gerilme dağılımı söz konusuolduğu durumlarda ortaya çıkar[3]. Yorulma kopmasına uğrayan parçalara örnek

olarak miller, bağlantı çubukları ve dişliler gibi hareketli parçaları gösterebiliriz.Makinalardaki hasarların yaklaşık %80’nin yorulma kopmalarından kaynaklandığıdüşünülmektedir[1].

Avrupa’da on dokuzuncu yüzyılın başlarında yorulma hasarının, farkınavarıldı. 1852’de Wöhler çekme, eğilme ve burulma tekrarlı yük değişkenlerinemaruz kalan miller üzerinde geniş kapsamlı deneyler yürüttü. Yorulma, ondokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru tasarım kriterlerine dahil edildi ve o zamandan

beri çalışılıyor. Bununla birlikte önemli gelişmelerin çoğu 1950’lerden bu günekadar meydana geldi. Günümüzde yorulma, pek çok mühendislik yapıları içintasarım şartnamelerinin bir parçasıdır[4].

Çalışan parçaların yorulma performansını pek çok parametre etkiler.Bunlar, gerilme (yük), parçanın geometrisi ve özellikleri ve dış çevreyle ilgili

parametrelerdir. Gerilme parametreleri, gerilmenin durumu, gerilme genliği, gerilme

oranı, sabit veya değişken yükleme frekansı ve maksimum gerilmeyi içerir. Parçanıngeometrisi ve özellikleri, gerilim arttırıcılar, boyut, gerilim eğimi ve esas metal vekaynakların metalürjik ve mekanik özelliklerini kapsar. Dış çevre parametreleri isesıcaklık ve korozif çevreyi içerir[4].

1.1. Yüzey Durumu

Yorulma kopmalarının çoğu metal yüzeyinde başladığından, yüzeydurumundaki her değişiklik, metalin yorulma ömrünü de etkileyecektir[1].Yüzeydeki pürüzler, çentik etkisi yaparak çatlak oluşumunu kolaylaştırır. Yüzeyişleme kalitesi azaldıkça yorulma mukavemeti de azalır[2]. Metal yüzeyinde “artık

basma gerilmesi” yaratan bir uygulama yorulma ömrünü artırmaktadır[1].

1.2. Sıcaklık

Sıcaklık genellikle mukavemetleri azaltıcı yönde etkili olduğundan yorulmamukavemetinin de azalması doğaldır[2]. Yaklaşık 200˚C’a kadar sıcaklığın bir etkisiyoktur; ancak daha yükselirse, yorulma mukavemeti azalır. Cr, Ni, Mo-çelikleri400˚C’a kadar değişmezler. Metastabıl iç yapıya sahip alaşımlar, yüksek sıcaklıktaayrışma yolu ile iç yapı değişimine uğrarlar. Bu ayrışma olayı yorulmamukavemetine etki eder[3].



1.3. Çevre

Değişken gerilme altında çevrenin kimyasal etkisi daha şiddetli olur,dolayısıyla yorulma ömrü kısalır[2]. Korozif ortamın yorulma ömrüne etkisi

genellikle çok barizdir. Yorulma çatlakları, korozif olmayan bir ortamınkine göredaha az sayıda tekrar sonucu oluşur. Yorulma çatlakları oluştuktan sonra, saldırganortam çatlak ilerleme hızını da arttırır[5].

1.4. Frekans

Normal koşullarda frekansın yorulma mukavemetine etkisi önemsizdir. Çok yüksek frekanslarda plastik şekil değiştirme için daha az zaman kaldığındangenellikle yorulma mukavemeti yaklaşık %10 kadar artar[2]. Diğer taraftansaldırgan ortam içinde yorulma dayanımı frekansa kuvvetle bağlıdır. Korozyonluyorulma dayanımı frekans azaldıkça azalır. [5].

1.5. Gerilme KoşullarıYapı elemanlarına kendi ağırlığından dolayı bir ön statik yük etkir ve

elemanın taşıyacağı tekrarlı yük buna eklenir. Kendi ağırlığından doğan statik yükünoluşturduğu σor ortalama gerilmesine ek olarak servis yükünden doğan bir σa değişken gerilme genliği etkir ve toplam maksimum gerilme σmax = σor + σa olur[2].Çoğu karmaşık değişken yük, çeşitli genlikte rasgele düzendedir. Bu tip yüklemegemiler, uçaklar, köprüler ve toprak işleri makinasını içeren çoğu yapılardagörülür[4]. “Artık gerilmeler”, çekme gerilmesi varsa zararlı, basma gerilmesivarsa yararlı olarak bilinir[6].

Yorulma çatlakları genel olarak dört aşamada meydana gelir. Birincisi,çatlağın çekirdeklenmesi; yorulma hasarı işlemi, çatlak başlangıçları içinçekirdeklenme alanları gibi rol oynayan test malzemesi içinde en zayıf bağlantıları

(süreksizlikleri) kullanır[7]. kincisi, çatlağın yerel kayma bandında ilerlemesi; çatlak, kayma gerilmelerinin yüksek olduğu ve çekme doğrultusuyla 45º lik açıdoğrultusunda ilerlemesi. Üçüncüsü, çatlağın σçmax’nin etki ettiği düzlemdeilerlemesi. Dördüncüsü de çatlak uzunluğunun kritik bir değere ulaşmasıylakalan kesitin kırılmasıdır[5].

Yorulma çatlaklarını başlatmak için gerekli tekrar sayısı, yorulma çatlak başlatma ömrüdür (Ni). Kritik bir boyuta ulaşan yorulma çatlağını yaymak içingerekli tekrar sayısı, yorulma çatlak yayılma ömrü (Np) olarak isimlendirilir.Toplam yorulma ömrü (Nt), başlatma ve yayılma ömürleri toplamıdır. Nt = Ni + N p



Yorulma çatlak başlatma ve yayılma arasında basit ve açık bir tanımla yoktur.Ayrıca yapısal parçalardaki önceden var olan bir çatlak yorulma çatlak başlatmaömrünü azaltabilir veya yok edebilir ve böylece parçanın toplam yorulma ömrüazalabilir[4].

Yorularak hasara uğramış elemanların kırılma yüzeyleri yorulmaya has üçayrı bölgeye sahiptir.

• Yorulma çatlağının çekirdeklendiği bölge.• Yorulma çatlağının ilerlemesi sonucu oluşan bölge.• Zoraki kırılma bölgesi[5].

Çoğu yapısal parçalarda yorulma çatlakları, “gerilim arttırıcılar”dan başlar ve yayılırlar. Kaynaklanmamış parçalardaki gerilim arttırıcılar, ya yüzeykusurları ya da geometrik değişikliklerdir (Şekil 1). Kaynaklı parçalardaki gerilimarttırıcılar, gaz boşlukları gibi gömülmüş kusurlar, hapsolmuş curuf ve kaynaşmaeksikliği, kaynak bitişleri ve kaynak çıkıntıları ya da geometrik değişikliklerdir[4].

Yorulma çatlağının ilerlemesi sonucu oluşan bölge, makroskopik olarak düz ve pürüzsüzdür[5]. Çatlak zamanla yavaş ilerlerken karşılıklı yüzeylerin sürekli

birbirine sürtünmesi sonucu yorulma kırılması yüzeyi parlak görünür[2]. Zorlamanındurdurulduğu aralıklar veya zorlama seviyesinin değişimi nedeniyle, ağaçlardagörülen yaş halkalarına benzer “duraklama çizgileri” bulunabilir (Şekil 2) [8].Genellikle bu çizgiler alüminyumda çelikten daha çok belirgindir[4].

Şekil 1. Pürüzsüz bir numunede çoklu yorulma çatlak başlangıcı[4].

Yorulma çatlakları



Şekil 2. Alüminyum alaşımının kırılma yüzeyindeki yorulma çizgileri[4].

Zoraki kırılma bölgesinin büyüklüğü, uygulanan yükün büyüklüğü

konusunda bilgiler verir[5]. Çatlak ilerleyip geri kalan dolu kesit normal yükütaşıyamaz hale gelince ani kırılma meydana gelir ve kırılma yüzeyi taneligörünüştedir[2].

2. YORULMA MAKNALARI

Günümüzde kullanılan yorulma deney makinaları çekme, çekme-basma,çevresel eğme, ileri-geri eğme ve burma yanında bileşik zorlamaları da mümkünkılmaktadır. Bu makinaların deney frekansları, yapılarına bağlı olarak 500...15000d/d (8...250 Hz) arasındadır[8]. Aşağıda değişik tip yorulma makinalarından

bahsedilecektir.

2.1. Döner Mil Deneyi DüzeneğiYorulma testleri, malzemenin yorulma özelliklerini belirlemek amacıyla

genellikle basit numunelerle yapılır. Küçük boyuttaki numunelerin kullanıldığı enyaygın yorulma deneyi, dönerken birbiri arkasına, eşit genlikte çekme ve basmagerilmelerine uğradığı döner mil deneyidir[1]. Dönme sırasında sıfır değerindekiortalama gerilme etrafında titreşen, değişen eğme gerilmeleri meydana gelir. Aynımalzemeden yapılmış ve aynı ön işlemlerden geçmiş bir çok numune, gittikçe azalangerilme genliği (σa) etkisinde kopmaya kadar muayene edilir ve kopma için gerekli



yük tekrar sayısı tespit edilir. Devir sayısı 1000 d/d ile 10000 d/d arasındadır (1devir=1 yük tekrarı). Sınır yük tekrar sayısı NG’ye erişen numuneler artık kopmazlar ve muayeneden çıkartılırlar[3].

Şekil 3. R. R. Moore döner mil yorulma makinasının şematik gösterimi.

R. R. Moore tarafından geliştirilen bu sistemde, iki milin uçlarına rijidolarak yerleştirilen numune sadece eğilmeye maruz kalmaktadır. Dönme esnasındaüst kısmı daima basıya, alt kısmı da daima çekiye çalışan numune yüzeyinin her noktasında sinüzoidal değişen bir gerilme doğar. Yükleme statik olduğundan sabit

bir yükleme yapılabilir ve ortalama gerilme sıfırdır.

2.2. Konsol Kiriş Titreşimi Deney Düzeneği

Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü’ndeki (WPAFB) Türbin Motor Yorulma Tesisi’nde (TEFF) kurulan bir sistemde Unholtz-Dickie 6000 lb (26,7N)elektrodinamik sarsak kullanılmıştır. Test numunesi şekilde görüldüğü gibi titreşimkafasına bir konsol kiriş olarak bağlanmıştır. Kullanılan ölçüm aletleri, sarsak giriş

kuvvetini kontrol eden bir hız ölçeği, hızı veya numune üzerindeki bir noktanın yer değişimini ölçebilen bir lazer vibrometresi ve test numunesi üzerindeki straingaugedir. Lazerden ölçüm için, ilk önce plakanın yorulma bölgesindeki uygungerilime kalibre edilir. Veri, strain gauge ve numune çeşitli sarsak güçayarlarındayken lazer vibrometresinden alınır[9].



Şekil 4. Türbin Motor Yorulma Tesisi’nde (TEFF) kurulan test düzeneği vekullanılan numune boyutları[9].

2.3. Tekrarlanan Eğilme (Repeated Bending) Deney Düzeneği

Eğilme yorulma deneyleri daha karmaşık ve bu yüzden daha gerçeğe uygundurumlarda sınırlı elemanı test etmeye izin verdiği için tercih edilir. Makinaya sabit

olarak bağlanan numunenin bir ucuna krank veya eksantriğe bağlı bir kol yardımıyladeğişken yükleme yapılır. Numunenin değişik şekillerde olabilmesi, döner mildeneyine göre önemli bir avantaj sağlar. Böylece düz metaller ve değişik kesitesahip çubuklar denenebilir. Yüzey temizlemesi de şart olmadığından numunelerinservis sırasında kullanılan doğal halleriyle denenmesi mümkündür. Eksantrik mile

bağlı kolun uzunluğunun ayarlanmasıyla sabit ve alternatif yüklerin çeşitlikombinasyonları uygulanabilir.

Gerilim ölçeği

Lazer hedefi

Düz plakatest

numunesi

Unholtz-Dickie26.7N sarsak

OFV-303 lazer Vibrometre başı



Şekil 5. Tekrarlanan eğilme deney düzeneğinin şematik gösterimi[14].

2.4. Dört Noktadan Eğilmeli Yorulma Deney Düzeneği

Şekil 6. Dört noktadan eğilmeli yorulma deneyinin şematik gösterimi[10].L=50mm, numune genişliği b=4mm, kalınlık h=1,6mm

Sabit genlikli, bilgisayar kontrollü test, yükleme frekansı (f) 30 Hz veminimum yükün maksimum yüke oranı (R=σmin/σmax) 0,1 şeklinde yapılmaktadır.Bütün yorulma bilgileri bilgisayar tarafından toplanmaktadır. Maksimum gerilmenumunenin alt yüzeyinde oluşur ve σmax = a.P / (b.h2) formülüne göre hesaplanır.



Burada (a) yükleme noktasının mesnetten uzaklığı, (b) numune genişliği ve (h) danumune kalınlığıdır[10].

2.5. Sürtünme Yorulma Deney Düzeneği

Sürtünme yorulması, pratikte gaz türbinlerindeki fan kanatçıkları ilemerkezi disk arasındaki kırlangıç kuyruğu bağlantılarında ve kamalı millerdekikama bağlantılarında meydana gelir. Burada tamamen veya yaklaşık temas sağlayan

pedlerin kullanımıyla düşey eşeksenli servo-hidrolik sürtünme-yorulma testmakinası tanımlanmıştır. Bu temaslar ya kararlı kısmi kayma sistemi açık olmadığından ya da çok dar kayma bandındaki sürtünme katsayısının gelişimiyleeşeksenli temasın kısmi kayma problemlerinden dolayı yük kontrol altında yürütülentestlerde kendine özgü zorlukları da getirir. Bu yüzden testler yer değişimi kontrolaltında uygulanır (Şekil 7) [11].

Şekil 7. (a) Düşey eşeksenli sürtünme-yorulma test aparatının genelgörüntüsünün şematik gösterimi.(b) Düşey eşeksenli test makinasının fotoğrafı[11].



2.6. Servo-Hidrolik Tek Eksenli Test Makinası

Bir başka sürtünme-yorulma test düzeneği de şekil 8’ de görüldüğü gibisürtme parçasıyla donatılmış servo-hidrolik tek eksenli test makinasıdır. Bu sistem,numune üzerinde sabit temas kuvveti P’yi korurken sürtünme tamponları üzerindetekrarlı eksenel gerilimi (σeksenel) ve teğetsel gerilimi (σteğ.) uygulamayı mümkün

kılar. Uygulanan eksenel ve teğetsel yükler test makinasının üst çenesindeki yük ünitesi ve alt çenesindeki basınç değiştirici vasıtasıyla ölçülür. Temas kuvvetinumunenin her iki tarafındaki yanal yaylar vasıtasıyla uygulanır ve sürtünmenumunesinin herbir yanındaki basınç ölçme aletiyle ölçülür (Şekil 8) [12].

Şekil 8. Sürtünme-yorulma test aparatı[12].

Pek çok sürtme yorulma test standardı, çoğunlukla düz numuneye karşı

baskı uygulayan ped veya pedlere tekrarlı teğetsel yük uygulamasını içerir. Pedleringeometrisi sırasıyla küreselden silindirik ve düzlemsele değişebilir. Çoğudüzenlemede, salınımlı burulma, eğilme veya eksenel yüklemenin etkisi altındakinumunede ilave bir tekrarlı hacim gerilimi oluşturulur. Silindirik veya düzlemsel

ped ile düzlemsel numune yüzeyi arasında temas kurulduktan sonra, numuneninucuna temas eden eksenel hacimsel yük uygulanmasıyla pedlerin üzerinde teğetselkuvvet oluşturulur. Pedlere bağlı yay numuneyle beraber pedin hareketine dirençgösterir[13].

σ e

Yük ünitesi

Boyuna yaylar

Yanal yaylar

Tampon tutucu

Basınç değiştirici

σteğ.

Pedler

σeksenel



Şekil 9. Sürtme yorulma test donanımı fotoğrafı. Şematik olan gerçek deneyseldüzenlemeden 90 º döndürülmüştür[13].

2.7. Mekanik Osilatör

Yükleme, dönen bir eksantrik kütlenin yarattığı santrifüj kuvvetleyapılmaktadır. Numune, sabit bir dayanağa monte edilmekte ve yük, mekanik osilatörü taşıyan küçük bir platform yardımıyla uygulanmaktadır. Mekanik osilatörler araştırmalar için çok çeşitli imkanlar sağlamaktadırlar. Numuneye bir öngerilme verilerek sabit ve alternatif yüklerin istenilen kombinasyonlarıuygulanabilir. Uygun donanımlar yardımıyla numune, tekrarlı eğilme, eksenelyükleme, burulma veya bunların kombinasyonu şeklinde yüklenebilir.

Sürtme Numunesi

Sürtme pedi

Normal yük

Sürtme numunesi

Hacimselyük

Teğetsel yük

Sürtme pedi

Sürtme şasisininrijidliği

Çek

Sürtme şasesi

Yük

Konsol

Hidrolik



Şekil 10. Düzlemsel eğme gerilmesi uygulayan “Sonntag” modeliyorulma deneyi cihazı şeması[1].

3. SONUÇ

Yapılan araştırmalar sonucunda standart bir yorulma testi ve numune boyutları bulunamamıştır. Çünkü makine parçasının yorulma ömrünü etkileyen pek çok faktör vardır ve yorulma çatlağının başlangıç ve yayılma aşamaları süresincefarklı durumlar hedeflenir. Bu yüzden tekrarlı yüklemeye maruz çalışmakta olanmakine parçasının yorulma ömrünü belirlemek için, mümkün olduğunca gerçek koşulların oluşturulması ve her deneysel durumda belirli bir koşulun sabit tutulup



diğerlerinin değiştirilmesinden dolayı, her bir duruma uyan sayısız değişik testdüzeneği ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte her ne kadar gerçek koşullar oluşturulsa da deney cihazlarında uygulanan gerilme kontrol edilebilmeli ve sonucugösterecek düzenek bulunmalıdır. Ayrıca çevrim sayısını kaydeden sayaç bulunmalıve numune kırıldığı anda otomatik olarak deney sona erdirilebilmelidir.

4. KAYNAKLAR

1- KAYALI, E. SABR; ENSAR, CAHT; DKEÇ, FERDUN “Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri” .T.Ü. Metalürji ve Malzeme Bölümü1978

2- ONARAN, Kaşif “Malzeme Bilimi” Bilim Teknik Tayınevi 19993- WEISSBACH, WOLFGANG (ANIK, SELAHADDN; ANIK, E.SABR;

VURAL,MURAT)“Malzeme Bilgisi ve Muayenesi” Birsen Yayınevi 19984- ASTM Introduction to Fatigue5- ERYÜREK, . BARLAS “Hasar Analizi” TÜ Makine Fakültesi Makine

Malzemesi ve malat Teknolojisi Anabilim Dalı 19936- SOBCZYK, KAZMERZ; TREBCK, JERZY “Fatigue crack growth in

random residual stresses” nternational Journal of Fatigue 26 (2004) 1179-1187

7- MERAT, AL “A study of nucleation and fatigue behavior of an aerospace

aluminum alloy 2024-T3” XX (2004) XXX-XXX8- TAUSCHER, HERBERT; (GÜLEÇ, ŞEFK; ARAN, AHMET) “Çelik ve

Dökme Demirlerin Yorulma Dayanımı, Malzeme Davranışı, Biçim Etkisive Hesaplama Yöntemleri” MBEAE MATBAASI-GEBZE 1983

9- J. GEORGE, TOMMY; SEDT, JEREMY; M.-H. HERMAN SHEN; NCHOLAS, THEODORE; J. CROSS, CHARLES “Development of anovel vibration-based fatigue testing methodology” nternational Journal of Fatigue 26 (2004) 477-486

10- V. BYSTRTSK; E. GARATE; J. EARTHMAN; A. KHARLOV; E.LAVERNA; X. PENG “Fatigue properties of 2024-T3, 7075-T6aluminum alloys modified using plasma-enhanced ion beams” Theoricaland Applied Fracture Mechanics 32 (1999) 47±53

11- A. MUGADU; D.A. HLLS; D. NOWELL “Modifications to a fretting-fatigue testing apparatus based upon an analysis of contact stresses atcomplete and nearly complete contacts” Wear 252 (2002) 475–483

12- HYUKJAE LEE; SHANKAR MALL “Effect of dissimilar matingmaterials and contact force on fretting fatigue behavior of Ti–6Al–4V”Tribology International 37 (2004) 35–44

13- SZOLWNSK, MATTHEW P. ; FARRS, THOMAS N. “Observation,analysis and prediction of fretting fatigue in 2024-T351 aluminum alloy”Wear 221 (1998) 24–36



14- W.V.PAEPEGEM, J. DEGRECK, “Experimental setup for and numericalmodelling of bending fatigue experiments on plain woven glass/epoxycomposites” Ghent University, 2001

yorulma çeşitleri

Documents

Transcript of yorulma çeşitleri