Basınçlı döküm kalıplarında termal yorgunluk başarısızlığı

Sıklıkla malzemenin termal yorgunluk özellikleri, yüksek sıcaklıklarda uygulanan kalıpların kullanım süresini belirlemektedir. Dalgalanan termal basınçlar, termal yorgunluk olarak belirlenen yorgunluk başarısızlığını oluşturmaktadır. Sıcaklık değişikliğinin bir neticesi olarak meydan gelen bir parçanın genişlemesi ya da büzülmesi bastırılırken, termal basınçlar meydana gelir. Kısıtlama, dahili ya da harici olabilir. Dönüşümlü olarak ısıtılan ve soğutulan bir bileşen üzerinde hareket eden güçler, harici kısıtlamalar ile oluşur. Kesitteki sıcaklık artışları, yapısal anizotropi be yakınındaki aşama ya da tanelerdeki çeşitli genişleme katsayıları, dahili kısıtlamalara neden olabilir. Kesitteki sıcaklık artışlarının oluştuğunu çünkü sıcaklığın harici değişikliklere tepki olarak yeterince hızlı akamadığı not edilmelidir. Dahili kısıtlar eyleminden kaynaklanan termal yorgunluk, termal çevirim hasarı olarak adlandırılabilir. Eritilmiş metalin enjekte edilmesi, püskürtme ve basınçlı dökümün yağlayıcı püskürtme aşamaları esnasında yüzeyin ısıtılması ve soğutulması, sıcaklık artışlarının oluşmasına neden olmaktadır. Eritilmiş metal enjekte edilirken ve kalıp yüzeyi ısıtılırken, yüzey ve kalıp kütlesinin altında yatan soğutucu arasındaki keskin bir sıcaklık artışı oluşmaktadır. Buna istinaden de yüzey, dahili genişlemeden daha fazla genleşme oluşmasını istemektedir. Dahili genleşme, yüzey tabakasının genleşmesini engeller çünkü daha büyüktür. Yüzey, bu dahili sınırlama nedeni ile altındaki basınca yerleştirilir. Yüzey sıcaklığı hızlı bir şekilde azalır çünkü ısı altında yatan tabakalara iletilmektedir. Döküm püskürtülürken, kalıbın yüzeyi soğur. Kalıp yağlayıcı püskürtme, yüzey sıcaklığını daha da azaltmaktadır. Bu nedenle de yüzey dahiliden daha hızlı bir şekilde soğumakta, basınç gerilimi yatıştırılmakta ve gerilim basınçları oluşabilmektedir. Yüzey basıncının büyüklüğü, sıcaklık artışı ve malzemenin termal genleşme katsayısı ile belirlenmektedir. Sabit uç destekli basit

bir çubuk vakası için ise, bir sıcaklık değişikliği ile oluşturulan termal basınç ∆T (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

σ= α E∆T (2-1) α’nın genleşmenin doğrusal termal katsayı olduğu yerde, E elastik katsayıdır. İki eksenli bir durumda, basınç şu şekilde verilmektedir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

σ=α E∆T / (1-ν) (2-2) v’nin Poisson oranı olduğu yerde. Termal basınçlar asla tamamen yayılmaz çünkü α, E, ν ve termal iletkenliğin tümü sıcaklıkla değişmektedir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Metalik malzemelerdeki yorgunluk hasarı, çatlama başlaması, alt kritik çatlama uzaması ve nihai istikrarsız kırılma aşamaları şeklinde sınıflandırılabilmektedir. Bileşen geometrisi, işleme düzensizlikleri ya da yüzey kusurları, çatlama başlangıcının düzenli olarak burada yer aldığı basınç konsantrasyonu alanları yapar. Döngünün basınçlı bölümü esnasında, sıcaklıktaki zenginleşme malzemenin sünme gerilimini düşürmektedir; substrat deformasyona engel olurken, basınç gerilimi plastiğe dönebilir. Döngünün gerilim bölümü esnasında ise, yoğunlaşan termal basınç malzemenin sünme dayanımından daha geniştir ve tersine döndürülmüş plastik deformasyon meydana gelebilir. Dolayısıyla da birkaç döngüden sonra, lokalize edilmiş plastik deformasyon ile bir yorgunluk çatlaması oluşturulacaktır. Bir kez çatlama oluştuğunda, maksimum gerilim basıncına dik bir düzlük boyunca yayılma oluşmaktadır. Büyük miktarda östenit tane sınırları mevcutken ya da yakınında başka bir çatlama meydana gelirken, çelikteki yorgunluk çatlamaları tahmin edilen yayılma düzlüğünden bariz bir şekilde sapabilir. Çatlamaların uçlarındaki alanlarda yer alan yüksek basınçlı alanların etkileşimi, çatlama yayılması üzerindeki diğer çatlamaların etkisini netleştirmektedir. Çatlama uçları yeterince birbirine yakınken, bu etkileşim genel stres koşullarını değiştirmektedir. Bu, tersine çevrilmiş çatlak dallanması ya da çatallanması çatlaklara eklenene dek çatlakların birine çekilmesini sağlar. Yan dallar birbirine eklenirken, klasik çatlama desenini oluşturmaktadır. Çatlamanın yayılması için gücün tetiklenmesine ilişkin çeşitli görüşler bulunmaktadır. Bu görüşlerden biri, çatlakların eritilmiş metalin ya da her atımda zorlandıkları oksidin sıkıştırılma eylemi genişlediği ya da derinleştiği

yönündedir. Bir diğeri ise, yalnızca termal yorgunluk mekanizmasının çatlamanın yayılmasına neden olabileceği yönündedir. Bu tarz bir durumda, yayılma soğutma çevrimi esnasında meydana gelmelidir çünkü çatlamanın yayılması için gerilim basıncını temin etmektedir. Bir yorgunluk çatlaması başlatıldığında, gerilim basıncı düşükken dahi basınç konsantrasyon etkisi nedeni ile büyümeye devam edecektir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Termal çevirimin bir neticesi olan hasar, aşağıdaki aşamalara bölünebilir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

 yüzeyde çatlama başlaması;

 yüzeyde çatlamanın birbirine bağlanması;

 çatlama ağından derinlik yönünde küçük çatlakların büyümesi;

 tam başarısızlığa en geniş çatlağın büyümesi.

Termal basıncın oluşması ve büyümesi, termal şok-termal yorgunluğa maruz kalan bir kalıbın kullanımı esnasında oluşan termal geçişlerin türüne bağlı olarak tanımlanmaktadır. Düşük sıcaklıkta bir ağır kesitin, sıcak bir eritilmiş metal ile aniden temas ettirildiği varsayılmaktadır. Yukarıda da tanımlandığı üzere, yüzey geri kalan malzemeye doğru yayılma eğilimindedir ve QQ boyunca akarak sıkıştırılmaya girmektedir (Şekil. 2.21). Maça yönündeki ısı transferi nedeni ile sıcaklık artışı azalmakta ve yüzeyi R’deki gerilime alarak sistem genişlemektedir. Kalıntısal gerilim, taneler arası çatlamalardan sorumlu tutulabilir. Malzeme hızlı soğutmaya tabi tutulurken, bu oluşum serileri tersine çevrilmektedir. Şimdiyse karşılık gelen gerinim oranının yüksek olması ve sıcaklığın azalması nedeni ile tane içsel çatlamayı teşvik eden S noktasındaki gerilim pik noktası ile temas etme eğiliminde olduğundan, yüzey gerilime girer. Sonrasında ise kalıp soğuduğunda, A’daki gerilimli kesit basınca girer. P noktasındaki (orijinal gerinim seviyesi) basınç gerilimi, hasar verici değildir fakat çevirimler tekrar edildiğinde sistem tersine döndürülmüş deformasyon nedeni ile termal yorgunluğa neden olarak yüzeyde bir histerez çevrimine (PQRS) girer (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Şekil 2.21: Sislik ısıtma ve soğutmaya tabi tutulan bir malzemenin yüzeyindeki histerez çevrimi

(Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

2.2.2 Termal şok ve termal yorgunluk dayanıklılığı–malzeme değerlendirmesi