3.2. Yorulma
3.2.5. Kaynaklı Birleşmelerin Yorulma Davranışı
Sanayileşmiş ülkelerde haddelenmiş çeliklerin %40-50’si kaynak edilebilir
özelliklerde üretilir ve çoğunlukla kaynaklı konstrüksüyonlarda kullanılırlar.
Bu konstrüksüyonlarda kaynak bağlantılarının sadece statik zorlamalar değil,
aynı zamanda yorulma zorlamaları altındaki özellikleri de giderek önem
kazanmaktadır.
Günümüzde endüstrinin hemen hemen her alanında kaynak bağlantıları kullanılmaktadır. Kaynak bağlantılarıyla elde edilen konstrüksiyonlar dinamik ve/veya statik zorlamalarla birlikte yorulma zorlamaları altında gösterdikleri davranış biçimleri de önem kazanmaktadır.
Kaynaklı bağlantıların yorulma dayanımlarını etkileyen birçok parametre vardır. İlk bakışta gerilme yığılması (çentik etkisi), kaynak biçimi, çevrim sayısı, kaynak kalitesi, konstrüksiyonun dış biçiminin etkisi sayılabilir. Bunların dışında esas metalin kaynak kabiliyeti, yüksek ısı girdisi, bazı kaynak yöntemleri için dolgu metalinin saflığı ve dayanımı etkiler.
Kaynaklı konstrüksiyonlarda genellikle kullanılan malzemeler genel yapı çelikleridir. Tablo 3.1’de genel yapı çeliklerinin akma sınırı çekme dayanımı ve eğme değişken yorulma dayanımları verilmiştir.
Tablo 3.1. Genel yapı çeliklerinin mekanik özellikleri [17]
Akma Sınırı Çekme Dayanımı Eğme Değişken
Çelik Türü kgf/mm 2 kgf/mm2 ƠeD, kgf/mm2
St 34 20 – 21 34 – 42 16 – 20 St 38 22 – 25 38 – 47 17 – 22 St 42 24 – 28 42 – 52 20 – 25 St 52-3 34 – 42 52 – 64 28 – 35
Tabloda bulunan St 52-3 çeliği aslında akma sınırları 55 kgf/mm, kopma dayanımları da 65 kgf/mm’ye ulaşabilecek yüksek dayanımlı yapı çeliklerinden sayılır. Yüksek dayanımlı yapı çelikleri de genel yapı gibi normalize edilmiş durumda kullanılırlar. Yüksek dayanımlar az miktarda alaşımlama (örneğin Mn,Mo,Cr ile ) karbür yapıların katılması (V,Ti) veya azot ile sağlanır. Yüksek dayanımlı yapı çelikleri için karakteristik olan dayanım sınırlarına ulaşmak ve aynı zamanda yeterli bir kaynak kabiliyeti sağlamak için ıslah edilmiş yapı çeliklerinin kullanılması zorunludur. Bu çelikler kimyasal bileşimleri bakımından düşük karbonludur ve katılan alaşım elemanları sınırlıdır. Yüksek dayanımlı ıslah edilmiş yapı çelikleri en çok %0,2, özel durumlarda %0,25 karbon içerirler. Alaşım elemanlarının (örneğin Mn, Cr, Ni, Mo) toplamı çoğunlukla %2’nin altındadır; bunlara ayrıca tane büyümesi engelleyen ( V, Ti, Nb, Al, N, Zr) ve ostenit dönüşümünü geciktiren (B,N) ve tav sırasında kararlılığı arttıran elementler (V,Nb, Cu) az miktarda katılır. Yarı mamullerin ısıl işlemi, su verme ve bunu takip eden 600–700°C arasında bir tavlama şeklinde, üretildikleri çelikhane veya haddehanelerde yapılır.
Yorulmada eksenel, eğilme ve burulma olmak üzere başlıca üç temel yükleme vardır. Yorulma sınırı eksenel eğilme ile saptandığından, pratikteki eğilme yükleri için ayrıma gerek yoktur. Ancak tam değişken eksenel yüklemeye maruz parlatılmış deney parçalarının yorulma sınırı, eğilmeye maruz deney parçalarının yorulma sınırının %85’i kadardır. Parlatılmış parçaların tam değişken burulmadaki yorulma sınırı ise eğilmedeki sınırın %58’i kadardır.
Kaynak bağlantılarının yorulma dayanımlarının geliştirilmesi genellikle kaynak sonrası yapılan işlemlerle sağlanır. Ancak elektron ışın kaynağında kaynak öncesi, dayanımı geliştirmek için işlem uygulanabilir. Kullanılan çelik malzemenin türüne göre ön ısıtma, kaynak sırasında sıcak tutma vb önlemler alıp uygun kaynak yöntemi ve katkı maddesi seçerek çok yüksek statik dayanım değeri elde edilmesine rağmen, yorulma dayanımları söz konusu olduğunda bu önlemler ancak dalgalı yorulma bölgesinin üst kısmında, yani ön gerilmelerin yüksek olduğu durumlarda anlam taşımaktadır.
Kaynaklı konstrüksiyonlarda yukarda sözü edilmiş genel etmenler, kaynak edilmemiş konstrüksiyonlarda olduğu gibi hareket ederler; ancak bunlardan bazıları özel önem kazanır. Bu parçaların görünümü ve kullanılmış kaynak birleşme şekli, yorulma davranışına egemen olma eğilimindedir. Kural olarak, daha sonra herhangi bir işlem görmemiş kaynaklı birleşmeler, kullanılan malzemeden daha az yorulma dayanımı gösterirler ve kırılma olduğunda bu, istisnalar dışında, bir çentik etkisinin doğal olarak meydana geldiği noktadan olur. Böylece, tekrarlanan çekme gerilmesine maruz bir enine alın kaynağı, kaynağın kenarı boyunca kırılır (Şekil 3.4a). Bir köşe kaynağı da ya aynı pozisyondan, ya da kaynağın kökünden kırılır (Şekil 3.4 b).
Şekil 3.4. Kaynaklı birleşmede çentik etkisi: (a) enine alın kaynağında yorulma kırılması, (b) köşe kaynaklarında kenar ve kök kırılması [81].
Kaynaklı konstrüksiyonların karakteristik yorulma davranışını açıklayıp bundan uygun önlem yöntemleri çıkartabilmek için kaynağın etkileri şöyle sınıflandırılabilir:
1. Geometrik çentik etkileri 2. Metalurjik etkiler 3. Rijidliğin etkileri
İlk iki etmen mevcut birleşmenin koşullarıyla, üçüncüsü de kaynaklı konstrüksiyonun tüm görünümüyle ilgilidir. Geometrik çentik etkileri kırılmada kendilerini çoğunlukla bir kaynağın kenar ya da kökünde yerel kesit değişme noktalarında Şekil 3.4’teki gibi gösterirler. Kaynağın kenarında kesit değişmesi ne kadar fazla olursa yorulma mukavemetinin azalması da o denli fazla olur; bu nedenle köşe kaynaklı birleştirmeler normal olarak alın kaynaklarına göre daha düşük mukavemetli olarak irdelenir. Bir köşe ya da alın kaynağında yanma çentiklerinin meydana gelmesi,
yerel çentik etkisini açıkça yükseltip mukavemet azalmasına götürür. Diğer kusurlar da, kırılmanın başlayabileceği tehlikeli geometrik çentikler oluşturabilir. Örneğin, bir alın kaynağının dibinde olabilecek bir nüfuziyet eksikliği, yüklemenin kaynak çizgisine yani kusur düzlemine dikey yönde olması halinde ciddi etki yapar. Öbür yandan birleşmenin kesit geometrisinde herhangi bir iyileştirme yorulma mukavemetini artırır; bu durum, alın kaynaklarında yüzeylerin tesviye edilip köşe kaynakları yüzeylerindeki her türlü aşırı dışbükeyliğin yok edilmesinin olumlu etkisini açıklamaktadır.
Kaynak banyosuna hemen komşu olan esas metal bölümü üzerine ısı etkisi, dokuda değişimler meydana getirir. Böylece, kaynağın kenarında mevcut olan yerel, geometrik çentik "ısının tesiri altındaki bölge" (ITAB) içinde bulunur. Bu bölge doğruca sıvı halden katılaşmış olduğu kadar su almaya meyilli ve fazla ısınmış malzemeden oluşur. Bundan dolayı geometrik çentik etkisiyle birlikte bir de "metalurjik çentik etkisi"nin varlığından söz edilir. Artan sertlik demirli malzemelerin ITAB’larının genel karakteristiği olup aşırı sertliğin var olması halinde kaynağın kenarında soğuk çatlama eğilimi meydana getirir. Keza sıcak çatlak da aynı yerde bazı koşullarda görülür. Çatlamanın herhangi bir şekli, yorulma mukavemetine kesin zarar veren bir sınır durumunu ifade eder. Metalurjik çentik etkisinin konstrüksiyonun yorulma açısından herhangi bir ciddi zayıflamasına bağlı olmadığı görülürse de deneyler bunun etkisinin, geometrik çentik etkisi kaynak talaşlı işleme veya taşlamayla düzeltilerek giderildiğinde ITAB çizgisi boyunca yorulma çatlamasının kalması için yeterli olduğunu göstermiştir[95].
Kaynaklı konstrüksiyonun rijitliği; cıvata ya da perçinli birleşmelerle kıyaslandığında, kaynaklı birleşmelerin gerilmeleri iletme verimi ve bu gerilmelerin birleşme alanlarında veya kaynaklı takviyeler bölgesinde mümkün olan yoğunlaşması nedeniyle bir ilave kırılma riskini meydana getirir. Bundan dolayı kaynaklı birleşmelerin yorulma mukavemetinin artırılması, bir tasarım (dizayn) olduğu kadar kaynak uygulaması sorunu da olmaktadır.