Yorulma zorlamalarında kırılma

Sürekli artan zorlamalarda şekil değiştirmenin tek yönlü olmasına karşın, yorulma zorlamasında kuvvet veya moment, dolayısıyla şekil değiştirme sürekli yön değiştirerek artma-azalma gösterir. Bu şekil değiştirmeler malzemenin kristal kafesi tarafından tam elastik olarak karşılanabildikleri sürece tehlikeli değillerdir. Küçük kalıcı

şekil değiştirmeler de kırılma olmadan kristal kafesi tarafından taşınabilirler. Kalıcı şekil değiştirmeler kristal kafesin çarpılması ile değil, kafesin değişik bölümlerinin yeni bir denge durumu sağlanıncaya kadar ötelenmesi yoluyla oluşurlar. Kafes kısımlarının birbirlerine göre ötelemelerine kayma denir.

Yorulma zorlamaları sonucu meydan gelen kayma, tek yönlü zorlamalardaki gibi dislokasyonların oluşumu ve ilerlemesi ile açıklanmaktadır. Bu şekil değiştirme mekanizması, patlatılmış deney parçalarının yüzeyinde yorulma sınırına yakın zorlamalar altında kayma çizgileri oluşmasıyla görünür duruma gelebilir. Tek yönlü zorlamalarda olduğu gibi yorulma zorlamaları sırasında da pekleşme olayı görülür. Pekleşme sadece şekil değiştirmenin miktarına değil, ayrıca az da olsa frekansa bağlıdır. Yorulma zorlaması uygulanan malzemelerde yapılan metalografik incelemeler, pekleşme sonucu yapı değişikliklerinin oluştuğunu kanıtlamıştır. Tekrarlanan şekil değiştirmeler kristal kafes tarafından sürekli olarak taşınamadığı için, yorulma zorlamasının pekleşme dışında hasar etkisi de bulunmaktadır. Kaymaların miktarına ve bir ölçüde de frekansa bağlı olarak belirli bir çevrim sayısından sonra ortaya çıkan hasara, malzeme yapısıyla ilgili olarak hangi olayların yol açtığı yeterince araştırılmış ve tatmin edici bir kuramsal açıklama yapılmamıştır. Bununla beraber x-ışını araştırmaları hasar başlangıç kademeleri hakkında bazı bilgiler sağlamış ve yorulma sırasında iç gerilmelerin meydana geldiğini göstermiştir. -180o_{C sıcaklıkta çekme-} basma değişken yükleri ile zorlanan deney parçalarında yapılan mikro yapı gözlemleri de, gittikçe artan ölçüde ikiz oluşumunun varlığını ortaya koymuştur.

Yapılan açıklamalar ışığında, yorulma zorlaması sırasında tekrarlanan kalıcı şekil değiştirmelerin yeteri kadar birikimi sonucu, malzemenin ayrılma dayanımının aşıldığı noktalarda mikroskobik boyuttan da küçük çatlaklar oluşmaktadır. Zorlama sırasında dışarıdan verilen enerjinin büyüklüğüne bağlı olarak mikro ve makro çatlak şeklinde birleşir ve sonunda bu çatlaklardan herhangi bir yorulma kırılmasına neden olur.

Hasar çok küçük ve sınırlı bir gölgede başlayıp çatlak olarak ilerlediğinden dışarıdan herhangi bir kalıcı şekil değiştirme görülmez ve bu nedenle yorulma kırılmaları şekil değiştirme meydana gelmez. Hasarın ilk oluştuğu nokta çoğunlukla yüzeyde veya yüzeyin hemen altındadır, ancak heterojenliklerin veya malzeme hatalarının durumuna göre malzeme hatalarının durumuna göre malzemenin iç kısmında da bulunabilir.

2.6.3. Yorulma deneyleri

Çalışma esnasında bir parçaya gelecek gerilme değişik tür ve şiddette olabilir. Fakat yorulma deneylerinde, malzemelerin tekrarlanan dinamik zorlanmalar karşısında göstereceği direnç hakkında kantitatif bilgiler edinebilmek için, uygulamada en sık rastlanan belirli türleri ele alınmıştır. Bu tür gerilmelerin düzgün periyotlarla uygulanması halinde elde edilen sonuçlar kriter kabul edilerek yorumlar yapılabilir.

Yorulma sebebiyle uygulanan yükler üç ana grupta incelenebilir; (a) sabit büyüklükte gerilme, (b) sabit büyüklükte şekil değişikliği, (c) rastgele veya sabit büyüklükte yükleme (Kayalı 1983). Deneyde kullanılan gerilme türü yorulma deneyine de adını vermektedir.

Yorulma deneyleri uygulanan yorulma hızlarına göre üç farklı grupta incelenmektedir. Bunlar; yüksek çevrim sayılı, düşük çevrim sayılı, çok yüksek hızlı yorulma deneyleridir. Genel itibariyle, uygulanan en büyük gerilme değeri malzemenin elastik sınırı altında ve yorulma ömrü yaklaşık 1.000 çevrim sayısından daha büyük ise bu tür yorulmaya yüksek çevrim sayılı yorulma denir. Uygulanan gerilme malzemenin elastik sınırının üzerinde ve 1.000 den daha düşük çevrim sayılarında hasar ortaya çıkıyorsa bu tür yorulmaya düşük çevrim sayılı yorulma denir. Çok yüksek hızlı yorulma deneyleri, deney süresinin en aza indirmek, kompresör ve türbin kanatları gibi çok yüksek devirlerde çalışan elamanların denenmesini sağlamak amacıyla ve değişik çalışma hızlarının malzemenin yorulma dayanımları üzerindeki etkisini ortaya çıkarabilmek için uygulanmaktadır. Deneyin yüksek hızlı sayılabilmesi için çevrim sayısının değeri yükseltildikçe yorulma ömründe % 3 ila %13 arasında artışlar olduğu gözlemlenilmiştir ( Kayalı 1983).

2.6.4. Tekrarlı yükleme gerilmeleri

Yorulma deneylerinde çoğunlukla sinüs dalgası şeklinde bir yükleme yapılır. Bu yükleme, deneylerin yapıldığı makinelerin dönen disk veya kütleler kullanmasından kaynaklanmaktadır. Tekrarlı tesir altında gerilmenin en büyük ve en küçük değerinin basınç veya çekme olması durumuna göre Şekil 2.5’de belirtilen haliyle üç farklı tekrar bölgesi düşünülebilir. Bunlardan ilki, kuvvetin negatif bir değerden negatif başka bir değere değiştiği bölgedir. Buna negatif tekrar bölgesi veya basma tekrar bölgesi denir (Dieter 1988).

Şekil 2.5 Yorulmada sinüzoidal yükleme

İkinci bölgedeki gerilme, çekme ile basma arasında değişmektedir. Buna da alternatif bölge denilmektedir. Üçüncü tekrar bölgesinde ise gerilme, pozitif bir değerden yine pozitif bir değere değişmektedir. Bu duruma pozitif tekrar bölgesi ya da çekme tekrar bölgesi denilmektedir. Değişken gerilmelerin etkisiyle malzemenin iç bünyesindeki değişikliklere yorulma, elemanın kopuncaya kadar dayandığı süreye ise yorulma ömrü denilmektedir. Aşağıda verilen denklemler yardımıyla yorulma matematiksel olarak ifade edilmektedir.

min min min min 2 2 r maks maks m maks a maks R                   (4.1) 2.6.5. Gerilme-Çevrim Sayısı (S/N)

Yorulma ömrü, maksimum gerilme seviyesinde hasarın meydana geldiği çevrim sayısı olarka ifade edilir. Yorulma ömrünü tam olarak tanımlayabilmek için ortalama gerilme ya da gerilme oranına gerekmektedir. Yorulma ömrü; gerilmenin büyüklüğüne, gerilme oranına, yüklemenin durumuna, yükleme geçmişine ve çevre şartlarına bağlıdır.

.( )

tu

S 



Yorulma test grafiği, hasarın meydana geldiği çevrim sayısı logaritmik ölçekte yatay eksende, gerilme değerleri de düşey eksende olacak şekilde ve en az üç-beş farklı gerilme değerleri için çizilir. Bu gerilme değerlerinin en büyüğü, düşük çevrim sayılı yorulma için akma gerilmesi değerinin % 90 ve üzeri, uzun ömürlü yorulma için ise bu değerin altında olacak şekilde seçilir. Bu grafik S-N (Gerilme-Çevrim sayısı) eğrisi olarak tanımlanır. Malzemeye uygulanan gerilme oranlarına karşılık gelen, hasar çevrim sayıları kaydedilir. Bu noktalardan geçen eğrinin fonksiyonu; (S)=f(N) şeklinde ifade edilir. Burada uygulanan gerilme oranı (S), hasar çevrim sayısı (N)’nin bir fonksiyonu olarak verilmiştir. S-N eğrisinin eğimi malzemenin yorulma direncini bir ölçütüdür (Gemi, 2004; Taşyurek, 2014).

2.6.6. Kompozit malzemelerde yorulma

Şekil 2.6 Epoksi matrisli kevlar ve E-cam kompozitlerin S-N diyagramı (Gemi 2004).

Şekil incelendiğinde S-N eğrisinin denklemi logaritmik ve üstel fonksiyon olarak aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.

(2.1)

(2.2)

E-cam epoksi kompozit malzemenin davranışı bir çok metal ile aynıdır ve düşük gerilme değerlerinde çok yüksek çevrim sayılarına çıkabilmektedir. Şekil 2.6’da iki ayrı kompozit malzemenin S-N diyagramı verilmiştir (Şahin, 2000).

n

tu S

N b