Robert Hook (1680): Yuvarlanma sürtünmesinin bağıntıları ve kanunları
Isaac Newton (1687): Akan ortamın iç sürtünmesini viskozite olarak tanımlar. Viskozite=kesme gerilmesi/kesme oranı (Newton bu olayı viskozite kelimesi kullanılmadan tanımlamıştır).
Guillaume Amonton (1699): Leonard da Vinci’nin sürtünme kanunlarını onaylar.
Mekanik Kilitlenme Teorisi: 1699 da Amontos tarafından bulunan bu teoriye göre yüzeylerdeki girintiler ve çıkıntılar bir biri içerisine geçerler. Yüzeyleri hareket ettirmek için uygulanan kuvvetin pürüzleri kesecek büyüklükte olması gerekir.
Kesmeyi gerçekleştiren bu kuvvete sürtünme kuvveti denir.
Bu teori sürtünmedeki enerji kaybını açıklayamamaktadır.
Ayrıca çok iyi işlenmiş yüzeylerde sürtünme artışı da açıklanamamıştır
Moleküler Çekim Teorisi: Tomlinson tarafından ortaya atılan bu teoriye göre temas eden yüzeylerin molekülleri arasında bir bağ oluşur ve sürtünme kuvveti moleküller arası bağı yenen kuvvettir. Bu teori yapışkan aşınmanın anlaşılmasına yardımcı olan bir teoridir.
Elektrostatik Çekim Teorisi: Bu teoriler sürtünme olayının mekanizmasını deneysel verilerle uyum sağlayacak şekilde açıklamakta yetersiz kalmışlardır.
Bu teoriye göre sürtünme iki karşı yüzeyde zıt elektrostatik yük birikmesine sebep olur. Bu şekilde meydana gelen zıt yükler arasındaki çekme kuvveti yüzeyleri birlikte tutar.
Kaynama, Kesme, Sürme Teorisi (Bowden ve Tabor):
Bowden ve Tabor sürtünmenin meydana gelmesinde en büyük etkenin yüzeylerin birbirine değen tepeciklerindeki adeziv ve koheziv bağlar olduğunu, bunlara ilave olarak tepeciklerdeki deformasyonların da direnç arttırıcı etkileri bulunduğunu öne sürmüşlerdir. Bu teori çeşitli etkenlerin mantıksal bir sentezini içermektedir.
1950 de Bowder ve Tabor tarafından ortaya atılan bu teori deneysel yolla elde edilen değerlerle uyumlu sonuçlar vermektedir. Bu teoride birbiri üzerine bastırılan yüzeylerin temasta olan pürüzleri (asperitileri) yüksek basınçlar nedeni ile bölgesel olarak kaynaşır. Hareketi başlatabilmek için kaynayan noktaları kesmek gerekir.
Eğer iki yüzeyden biri diğerine göre sert ise sert yüzeyin asperitileri yumuşak yüzeye gömülür. O halde de hareketi başlatabilmek için sert yüzeyin yumuşak yüzeyi kazıması gerekir.
Yapılan ölçümlerde taşlanmış iki yüzeyin gerçek temas alanının görünen toplam yüzeyin çok küçük bir miktarı olduğu görülmüştür. Teorik olarak ilk değme halinde en yüksek üç noktada oturma olur. Bu noktaların elastik ve plastik deformasyonu sonucu değme alanı genişler ve diğer tepecikler birbiri ile temas eder. Yüzeyleri bastıran kuvvetin büyüklüğü kuvvete bağlı olarak, yüzey teması gittikçe genişler ve sonunda bir denge oluşur.
Önemli ve tanınmış bilim adamları, mühendisler ve tribolojistler sürtünme, aşınma ve yağlama arasındaki bağlantıyı incelerken özellikle kaymalı yataklara başvurmuşlardır.
Kaymalı yataklardaki en önemli gelişme B. Tower tarafından keşfedilen yatakların dizaynında ve çalışmasında mükemmel sonuçlar veren hidrodinamik basınç gelişimidir.
Kaynama, Kesme, Sürme Teorisi
Elasto-plastik temas halinde kaynak (A1…Ai) ve deformasyon (B1…Bj) noktaları sürtünme kuvveti olarak adlandırdığımız bu kuvvetin iki bileşenden oluştuğu kabul edilebilir.
Fs = FAd + FDef
Her iki taraf normal kuvvete bölünürse µ = µAd + µDef
Deney şartlarının dikkatlice seçilmesiyle adhezyon ve deformasyon terimlerini birbirinden ayırmak mümkün olur.
Görsel olarak yumuşak yüzeylerin seçilmesi veya iyi işlenmiş yüzeylerde pürüzlülük özellikleri hemen hemen elimine edilmiş olur ve deformasyon terimi ihmal edilebilir.
Bu durumda ölçülen toplam sürtünme kuvveti adhezyon nedeniyle tek kalır.
Bu durumda;
olur.
Alternatif olarak, bağıl hareketi olan iki pürüzlü yüzey arasında yağlayıcı kullanmak adhezyon terimini hemen hemen elimine eder ve ölçülen sürtünme kuvveti sadece deformasyon bileşeni ile ifade edilir.
Normal durumlarda kuru sürtünme yapan iki pürüzlü yüzey arasındaki adhezyonel sürtünme katsayısı deformasyonun katkısından iki kat daha fazladır.
Adhezyon ve deformasyondan sorumlu fiziksel mekanizmalar, metaller ve elastomerlerde tamamen birbirinden farklıdır.
Yüzey Süreksizlikleri
Makro sapmalar:
Malzemenin hazırlanmasında dizaynın kendisinden gelen sapmalardır.
Dalgalanmalar:
İşleme sırasında kesicinin sinuzoidal hareket yapmasıveya malzemenin işlenirken deformasyona uğraması.
Yüzey pürüzlülüğü (Roughness):
Yüzeyin kendisinin dalgalı yapı göstermesi. Kesici veya işleme aracı geometrisinden oluşan pürüzlülük (İşleme şartı, Parça mikroyapısı, Sistem vibrasyonu).
Mikro-yüzey pürüzlülüğü:
Atomik skalaya yakın olan yüzey süreksizliğidir.
Bir katı yüzeye karşı bazı yüzey sapmalarının şematik gösterimi
Ra değeri eşit olsa da yüzey topografyası farklı olabilir. Ra ile birlikte Rmax
ve Rt de önemlidir.
Temas alanı yüzey yapısına göre değişir.
Gerçek temas alanı daha küçüktür.
Yüzey topografyası veya yüzeyin şekli kompozisyon ve mikroyapıyla birlikte sürtünmeyi etkiler.
Yüzeyin topografik yapısı malzemenin kullanım yerine bağlı olarak yüzeyinin işlendiği durumdur.
Çok iyi işlenmiş bir yüzeyde bile tepecik ve çukurlar bulunur.
Bu süreksizlikler malzemenin mikroyapısı ve kompozisyonuna da bağlıdır.
Sürtünme Katsayısı
Temas halindeki iki cismin arayüzeyinde, yüzeylerin birbirine göre hareketini engelleyici yönde oluşan kuvvete Sürtünme kuvveti denir.
TS 555'e göre sürtünme katsayısı, sıcak ve soğuk sürtünme katsayısı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Soğuk sürtünme katsayısı, aşınma deneyi esnasında 100, 150 ve 200 oC' de ölçülen sürtünme katsayılarının aritmetik ortalamasıdır. Sıcak sürtünme katsayısı ise, 300, 350 ve 400 oC' sıcaklıklarda ölçülen sürtünme katsayılarının aritmetik ortalamasıdır.
Bilindiği gibi iki malzeme birbiri ile temas edecek şekilde yerleştirilirse, malzemelerin birbiri üzerinde kaymasını sağlamak için uygulanan kuvvete dik yönde olacak şekilde bir sürtünme kuvveti (direnç) oluşur.
Kaymayı başlatan kuvvet (Fs) ile temas yüzeyine etki eden normal kuvvet (Fn) arasında; Fs = s x Fn bağıntısı mevcuttur. Burada, s statik sürtünme katsayısıdır.
Kayma başladıktan sonra, sürtünme kuvvetinde bir azalma olur (Fk). Bu durumda; Fk = k x Fn ilişkisi geçerlidir. Burada k s kinetik sürtünme katsayısıdır.
Statik ve dinamik sürtünme
Şekil de gösterildiği gibi, sürtünme statik veya dinamik olarak tanımlanabilir.
Statik sürtünme katsayısı, sıfır hızındaki iki yüzeyin sürtünme değeridir.
Dinamik sürtünme katsayısı ise, sıfırdan büyük hızlarda ölçülen sürtünme değeridir.
Sürtünme katsayısı; sürtünme hızı, basınç ve sıcaklık gibi değişkenlere bağlıdır.
İki yüzey arasındaki sürtünme hızının artmasıyla sürtünme katsayısı düşmektedir. Uygulanan basınçta sürtünme katsayısı üzerinde benzer bir etki gösterir.
Örneğin, ıslak balatalarda yüzey sıcaklığının 150°C üzerine çıkmasıyla sürtünme katsayısında önemli miktarda düşme olacaktır. Bu sıcaklık genelde "bozunum sıcaklığı" olarak anılır. Islak balatalarda genellikle aşınma hızları düşüktür.
Kuru balatada basınç ve hızın sürtünme katsayısına etkisi
Alçak ve yüksek basınçlarda meydana gelen yüzey şekilleri
Pratikte sürtünme denilince akla gelen kinetik sürtünmedir. Aşınmada, enerji kaybı ve sıcaklık artışı gibi olaylar sürtünme sebebiyle oluşmaktadır. Bu duruma göre, uygulama alanlarını göz önünde bulundurarak sürtünmenin hem istenen hem de istenmeyen bir olay olduğu söylenebilir.
Fren, kavrama ve sürtünmeli çarklar gibi makine elemanlarında istenilen bir olay olduğu için, sürtünme artırılmaya çalışılır. Oysa diğer izafi hareket yapan bütün sistemlerde sürtünme istenmeyen bir olaydır ve azaltılması istenilir.
Buna göre sürtünme katsayısı (), sürtünme kuvvetinin değerini belirler.
Sürtünme katsayısı, 0.001 1.0 değerleri arasında değişir.
Vakumda çok temiz yüzeyli metallerin birbirleri üzerinde kaydırılması sırasında sürtünme katsayısı 1.0 değerindedir. Çok hafif yüklü bir rulmanda ise = 0.001 değerindedir.
Birçok malzemenin havada birbiri üzerinde kayması durumunda sürtünme katsayısı ( 0.1 1) arasındaki değerlerde, yani daha dar bir aralıktaki değerlerdedir
Sürtünme Katsayısını etkileyen faktörler:
Malzeme kompozisyonu Yüzey düzgünlüğü Kayma hızı Sıcaklık
Yüzey kirlenmesi Yağlama
Nem Oksit filmleri
Sürtünme katsayısı;
Çok iyi bir yağlama durumunda
µ
= 0.03Kuru ortamda
µ
= 0.5-0.7Vakumda çok temiz metal yüzeylerinde
µ
≥ 5 olabilir.Rahat bir insan yürüyüşünde;
µ
= 0.2-0.3 Buz üstünde yürümede;µ
= 0.05Frenlemede;
µ
= 0.3-0.6Yüzey Tabakaları ve Bunların Sürtünme Üzerindeki Etkileri Bir yüzeyi ele alacak ve model halinde gösterecek olursak
Yüzey pürüz geometrisi
Yüzey tabakaları
Deneylerde genellikle sürtünme katsayısı ideal kuru sürtünme, mutlak vakum şartlarında ve metalsel olarak temiz yüzeylerde olabilir.
Pratik anlamda kuru sürtünme halini meydana getirmek için yüzeyler yağlayıcı maddelerden arındırılabilir. Ancak yüzeylerin bulunduğu ortamda kimyasal etkileşim sonucu oluşan oksit filmini yok etmek mümkün değildir.
Ayrıca sürtünme sonucu aktive olan ve sıcaklığı yükselen yüzeylerde kimyasal reaksiyonlar sonucu değişik kalınlıklarda oksit tabakaları meydana gelir. Yüzeylerde meydana gelen bu oksit tabakaları çoğu halde yağlayıcı etkisi yaparak sürtünme katsayısının düşmesine yol açar.
Kuru Sürtünme Katsayısı ve Sıcaklık Arasındaki İlişki
Yüzey sıcaklığının artması ile sürtünme katsayısı azalma göstermektedir. Azalan sıcaklıkla sürtünme katsayısının bazı malzeme çiftlerinde önemli derecede arttığı gözlemlenmiştir.
Özellikle çok yüksek kayma hızlarında yüzeylerden birinin veya yatak alaşımlarında alaşım elemanlarından birinin yüzey sıcaklığının ergime sıcaklığına çıkması halinde eriyen malzeme iki yüzey arasında bir film oluşturur.
Sürtünme direnci, dolayısıyla sürtünme katsayısı ani olarak düşer. Bazı malzeme çiftlerinde sıcaklıkla sürtünme direncinin, dolayısıyla sürtünme katsayısının arttığı da gözlenmiştir.
0,1
SiO2’ e bağlı olarak, artan sıcaklıkla sürtünme katsayısındaki değişimi
Sürtünme Katsayısı ve Hız Arasındaki İlişki
Kuru sürtünme bölgesinde sürtünme katsayısı ile hız arasındaki ilişki, sürtünme katsayısı ile sıcaklık arasındaki ilişkiye benzer.
Bazı deneylerde elde edilen sonuçlar
Metal malzemelerde hız arttıkça sürtünme katsayısı düşmektedir.
Düşük hızlarda sürtünme bölgesel yapışma ve yırtılma şeklinde olur. Hızlar düşük olduğundan yüzeylerde sıcaklık farkı önemsizdir.
Orta ve yüksek hızlarda, yüzeylerde meydana gelen ısınmanın etkisi ile yapısal değişiklik meydana gelebilir.
Yüzey pürüzlerinde faz değişikliği, kısmi ergime ve oksitlenmeler olur.
Çok yüksek hızlarda kaynaşma, kesme ve kazıma mekanizmalarına zaman olmaz.
Malzeme yumuşadığından dolayı kolayca plastik deformasyona uğrar ve çukurları doldurur. Böylece düz bir yüzeyin meydana geldiği kabul edilebilir.
Ayrıca bu yüzeyde oluşan oksit tabakası bir buz gibi davranır. Bunun sonucu sürtünme katsayısı dolayısıyla aşınma düşer.
Yapışma – Kayma
Malzemelerin yapışma - kayma işlemiyle oluşan sürtünme katsayısı
Sürtünme katsayısının değeri sürekli olarak bir maksimum ve minimum sınırı arasında değişir. Bunun sebebi pürüzlerde birleşme oluşması ve birleşme büyümesidir.
A-B arasında birleşme olmakta ve birleşme yüzeyi büyümektedir. B-C arasında ise birleşme kestirilerek kırıldığından sürtünme katsayısı düşmektedir. Bu durum zaman içerisinde tekrarlanır.
Vakum Şartları
Bütün metal yüzeyler belirli derecede kirlidir ve yüzey kirliliği sürtünme katsayısını etkiler. Eğer yüzeylerde film meydana gelmediği takdirde birleşme büyümesinin durmayacağı ve hiçbir zaman kayma hareketinin başlatılamayacağı deneysel olarak ispatlanmıştır.
Eğer malzeme çiftleri için hava ortamında deneyler yapılarak sürtünme katsayıları bulunur, aynı malzemeler için vakum ortamında deneyler tekrarlanarak sonuçlar karşılaştırılırsa, vakum halinde bulunan sürtünme katsayılarının çok büyük olduğu görülür. Bu da hava ortamındaki pisliklerin sürtünme katsayısını azalttığını gösterir.
Aynı malzemelerin vakum ortamında sürtünme katsayısı
Malzemelerin vakum ortamındaki oksit durumu
Özet
Genel anlamda sürtünme; birbiriyle temasta olan ve birbirine göre izafi hareket yapan ya da yapma eğiliminde olan iki cismin harekete karşı gösterdikleri direnç olarak tarif edilir.
İki cisim arasındaki izafi hareketi meydana getirmek isteyen kuvvete karşı, cisimlerin temas yüzeyleri arasında hareketi engelleyen ve sürtünme kuvveti olarak tanımlanan bir karşı kuvvet oluşur.
Hareketin cinsine göre (kinematik olarak) sürtünme;
• Kayma,
• Yuvarlanma,
• Kayma yuvarlanma sürtünmesi, şeklinde olabilir.
Birbiri üzerinde hareket eden yüzeyler arasına yağlayıcı madde konulup, konulmaması bakımından da, temas yüzeylerinin durumuna göre,
• Kuru
• Yarı sıvı
• Sıvı sürtünme olarak üç halde de incelenebilir.
Sürtünme Kanunları
1. Katı cisimler arasında sürtünme görünen temas alanından bağımsızdır.
2. Sürtünme kuvveti normal kuvvetle doğru orantılı olup, aralarında sürtünme katsayısı olarak tanımlanan sabit bir oran vardır.
3. Kinetik sürtünme kayma hızından bağımsızdır.
Sürtünmenin Karakteristik Özellikleri
1. Hareketi meydana getirmek için gereken yüzeysel kuvvet genelde tipik bir plastik deformasyondur.
2. Harekete karşı koyan kuvvetin yönü zıttır.
3. Tatbik edilen yük ve sürtünme kuvvetinin oranı gerçek temas alanı ile malzeme sabiti ve temas halindeki yüzeylerin karakteristiklerinin çarpımına eşittir.
4. Gerçek temas alanı, görünürdeki temas alanından küçüktür ve daha fazla iki yüzey arasındaki etkileşimlere yön verir.
5. Genel anlamda, sürtünme kuvveti ile kayma hızı arasındaki ilişki çok zayıftır.
6. Yüzey pürüzlülüğü ile sürtünme kuvveti arasında çok zayıf bir ilişki vardır
Yontma taş devrinde tribolojiye ait deneye ilk örnek olarak dönen çubuk kullanılarak ateşin yakılması için bir yöntem.
El-Beshed’de Tehuti-Hetep heykelinde bir resim (yaklaşık M.Ö.1880) dev mısır heykelinin taşınmasını gösterir. Heykel kızak üzerinde
Antik Mısır’da Triboloji: Dev Mısır heykelinin taşınmasında sürtünme katsayısının hesaplanması