SÜRTÜNME. Giriş. Sürtünme üzerindeki sistematik ilk çalışmalar yılları arasında L. Vinci tarafından yapılmıştır.

SÜRTÜNME

Giriş

Esas olarak aşınmanın meydana gelmesine ve enerji kayıplarına yol açan bir olaydır. Sürtünmenin kontrol edilmesi ve azaltılması ekonomik açıdan önemlidir.

Dünyada çeşitli kuruluşlarca yapılan bazı araştırmalarda üretilen enerjinin yaklaşık üçte birinin sürtünme sonunda harcandığı gerçeğini ortaya koymuştur.

Sürtünme üzerindeki sistematik ilk çalışmalar 1452-1519 yılları arasında L. Vinci tarafından yapılmıştır.

Sürtünme Kanunları

 Sürtünme kuvveti normal kuvvetle doğru orantılıdır.

 Sürtünme kuvveti görünür temas alanına bağlı değildir.

1699 yılında Amontos aynı kuramları bulmuş ve sürtünme kuvvetinin normal kuvvetin 1/3’ü kadar olduğunu, ifade etmiştir.

 1785 yılında Coulomb, “kinetik sürtünme kuvveti hıza bağlı değildir” demiştir.

Buhar makinelerinin icadıyla hız kazanmış ve 1882 yılında A. Morin tarafından kaymalı yataklarla ilgili sistematik çalışma başlatılmıştır.

Yağlama ile ilgili dar kanallardaki akış olaylarının incelenmesi Newton tarafından başlatılmış ve 1883’de Petroff bir yağlayıcının en önemli özelliğinin viskozite olduğunu açıklamıştır.

1883’de Tamer kaymalı yataklarda izafi harekete bağlı olarak yüzeyler arasındaki yağdan yük taşımayı sağlayan bir filmin oluştuğunu belirtmiştir.

Sürtünme üzerindeki çalışmalara paralel olarak ve genellikle bundan bağımsız şekilde aşınma üzerinde yoğun çalışmalar yapılmıştır.

Metal yüzeylerdeki aşınma çok sayıda faktöre bağlı karmaşık çevre ve deney şartlarındaki küçük değişmelerden deney sonuçları çok etkilenir.

Yüzeylerdeki malzeme kayıplarında, kimyasal ve fiziksel etkiler bir arada bulunur.

Bu nedenle aşınma üzerindeki sistematik çalışmalar 20.

yüzyılda ağırlık kazanmıştır.

1950’den önceki çalışmalarda sürtünme, aşınma ve yağlama çalışmaları bir bütün olarak ele alınmamıştır.

Deney sonuçları sadece deney şartlarına bağlı kalmıştır.

1950’den sonra bu üç olay birlikte incelenmiştir.

Bu gereksinimlerin bir sonucu olarak özellikle son 30 yıl içinde sürtünme, aşınma ve yağlama konularını içeren yeni bir bilim dalı kurulmuştur. “Triboloji” veya

“Tribo‐teknik” olarak adlandırılan bu disiplin gerek üniversitelerde gerekse teknikte geniş bir ilgi görmüştür.

Tribolojik Olayların Ekonomik Boyutu

Triboloji prensiplerinin endüstride iyi uygulanması sonucu 1965 yılındaki İngiltere’de tasarruf miktarı 515 milyon sterlin civarında gerçekleşmiştir.

Aynı yıllarda Batı Almanya’da yapılan çalışmalara göre hatalı yağlama ve yanlış yağ kullanımından dolayı 500 milyon Mark değerinde ekonomik kaybın meydana geldiği belirtilmiştir.

Somut bir örnek vermek gerekirse, büyük bir entegre çelik tesisinde (yıllık üretim kapasitesi 10...15 milyon ton) çeşitli tip aşınmaların telafisi için gereken yıllık bakım, onarım ve yenileme çalışmalarının tesis kuruluş maliyetinin %10 ila 15’ i kadar ek bir harcamayı gerektirdiği hesaplanmaktadır.

Amerika’da yayınlanan bir rapora göre sürtünme ve aşınmanın ekonomiye verdiği kayıp yılda 100 milyar dolar olup bunun 20 milyar doları malzeme kaybı şeklindedir.

Diğer yandan makinelerin fonksiyon yüzeylerinde meydana gelen aşınmaların da çok büyük ekonomik kayıplara yol açtığı benzer araştırmalar sonucu tespit edilmiştir. Artan hızlar ve zorlanmalar, makina sistemlerinin güvenilirlik ve ömür koşullarının daha dar toleranslara sokulması, aşınmanın sınırlandırılmasını ve kontrol altında tutulmasını gerektirmektedir.

Esnek ve katı otomasyon uygulayan fabrikalarda, uçak, roket sistemlerinde, nükleer reaktörlerde ve daha bir çok ileri teknolojinin uygulandığı sistemlerde sürtünme, aşınma ve bunlarla ilgili olarak yağlama en önemli boyutlandırma kriter ve parametrelerinin içine girmektedir.

Endüstride Alanında Triboloji

Mühendislik tesisi ve makinecilikte üretim artışına önderlik ederek, verim artışı, geliştirilmiş güvenilirlik ve azaltılmış bakım giderleri arasında tribolojinin enerji ve malzeme kaynaklarının verimli kullanımında önemli bir görevi vardır. (Robert W.H.)

Endüstri alanında tribolojik problemlerin yaygınlığını ve tiplerini tartışmadan önce, esas itibariyle, iki dış etken sonucundan kaynaklanan belirli bir çevre dahilinde iki sert yüzeyin etkileşimi ile ilgilenmekteyiz:

1. Burada harekete dayanıklılık olan bir enerji kaybı mevcuttur ve bu sürtünme katsayısı ile gösterilmektedir. Bu enerji kaybı, temas esnasında bir ısı yayınımına ve küçük ama bazen önemli bir gürültü miktarına sebep olmaktadır. Burada vurgulanması gereken: iki sert yüzey birbiriyle sürekli ilişkili olduğundan, sürtünme katsayısı gibi parametreler iki etkileşen malzeme çifti ile iyi ilişki kurmalıdır. Katı madde temasına değinmeksizin sürtünme katsayısından bahsetmek bilimsel olarak yanlış ve hatalıdır. Ayrıca belirtilmelidir ki, sürtünmesiz yüzeyler fikri bilimsel olarak imkânsızdır ve ayrıca sıkça kullanılan düşük sürtünme, yüzeyin düzgünlüğü ile ilişkilidir iması da esasen yanlıştır.

Yüksek sürtünme katsayısı, yüksek aşınma demek değildir.

2. Kayma süreci esnasında, bütün yüzeyler kendi esas karakterlerinde daha büyük veya daha küçük bir ölçü değişimine maruz kalırlar. Daha yumuşak veya sert bir hale gelebilirler, bozulmuş sertlik gibi fiziksel özelliklere sahip olabilirler ve aşınma işlemleri olarak adlandırılan bu durumda bir takım maddeler kaybolabilir. Bu tür yüzey değişimleri kimi zaman yaralı olur, mesela “yüzeylerin alışıp ideal işletme durumuna gelmesi” veya kimi zamanda çok zararlıdır, mesela “yüzey hataları oluşup bileşenlerin değiştirilmesi gereken durumlar” gibi.

Açıklanan nedenlerle, hem aşınma hem de sürtünmenin her zaman dezavantajlı olduğu düşünülebilir ama söz konusu durum bu değildir. Birçok mühendislik uygulamalarında, gereken fonksiyonları yerine getirmek için sürtünmeyi kullanabiliriz.

Sürtünme bir katı gövdenin diğerinin üzerinde veya boyunca taşınmaya ve kaymaya gösterdiği dirençtir.

Sürtünme günlük hayatımızda belirgin sayıdaki aktivitelerde ve çoğu endüstriyel proseslerde önemli bir rol oynar.

Cismin harekete başlamasına, yönünü değiştirmesine ve sonradan durmasına yardımcı olur. Sürtünme olmadan, cisimleri kolaylıkla hareket ettiremez, cisimleri sıkı tutmayı sağlayamaz, bir kibriti yakamaz ve bunun gibi diğer günlük işlerimizi yerine getirmekte zorlanırız. Sürtünme olmadan ne bir viyolenin sesini ne de bir frenin çığlığını duyabilirdik.

Böylece vida ve somun sadece ikisi arasındaki sürtünme sonucu çalıştığı gibi, frenler, debriyajlar, tren ve araç tekerleklerinin hepsi de sürtünmenin varlığında çalışmaktadır.

Aynı şekilde, makinelerin aşınması da kimi zaman avantajlıdır. Bileşenlerin aşınması, eskiyen makineleri değiştirmek için güçlü bir motivasyon sağlasa da bileşenlerin daha iyi bir şekilde temasına sebep olan ilk sürtünme açık bir şekilde arzu edilendir.

En uç biçimiyle bu, dizaynırların belirlenen yaşam süreli makineleri sağlaması amacıyla sürtünme olayını kullanmaya gayret ettikleri “planlı eskime” ye yol açmaktadır.

Verilen çevre şartlarında birbirini etkileyen iki katı fonksiyon yüzeyinde aşağıdaki durumlar ortaya çıkar:

Yüzeylerin birbirini etkilemesi, yani harekete karşı direnç sürtünme katsayısı ile belirlenir ve sürtünme enerjisinin açığa çıkmasına neden olur. Açığa çıkan enerji yüzeylerin ısınmasına ve büyük ama düzenli bir düzeyde gürültünün meydana gelmesine yol açar.

Devamlı olarak iki yüzeyin birbirini etkilemesi söz konusu olduğundan sürtünme katsayısı bir çift malzemeye göre belirlenir.

Sürtünmesiz bir yüzeyden bahsedilemez. Düşük sürtünmenin de düzgün yüzeye bağlı olduğunu söylemekte esas olarak doğru değildir.

Sürtünmeye neyin neden olduğuna dair evrensel bir düşünce yoktur. Ancak şu açıktır ki, sürtünme birbiriyle etkileşim halinde çalışan mekanizmaların sayısına bağlıdır. Fakat bu farklı koşullar altında farklı olanlarda görülebilir.

Birbiri ile temas halinde bulunan ve izafi kayma veya yuvarlanma hareketi yapan iki fonksiyon yüzeyi arasında genel olarak bir sürtünme hali mevcuttur. Birçok halde sürtünmenin sayısal değeri çok küçük olabilir, fakat pratik olarak daima mevcuttur.

Teorik olarak yüzeyler arasında hiçbir kuvvet alanının bulunmaması ve kesin olarak aralarında mutlak bakımdan başka bir ortamın bulunmaması halinde sürtünme ve aşınmanın olmadığı söylenebilir.

Yüzeyler birbiri üzerinde kaydığından yüzeylerin karakteristiği az veya çok değişir. Kayma sonucu yüzeyler daha düzgün veya daha pürüzlü hale gelebilir. Ayrıca yüzeylerin sertlikleri değişebilir.

Hipotetik olarak fonksiyon yüzeyleri arasında hiçbir kuvvet alanının bulunmaması ve kesin olarak aralarında mutlak vakumdan başka bir ortam bulunmaması halinde sürtünmenin olmadığı söylenebilir. Sürtünme ve aşınma çok eski tarihlerden beri gözlenen ve azaltılması için tedbirler alınan konulardır.

Malzeme çifti μ Aşınma (cm3/cmx10-12

Çelik/Çelik 0.621 57.000

60/40 kurşunlu Pirinç 0.24 24.000

Sterlit 0.18 2.000

Feritik paslanmaz çelik 0.53 270

Polietilen 0.65 30

Tungsten karpit 0.35 2

Örneğin; 400 gr yük altında 180 cm/sn hızla hareket eden değişik malzeme çiftleri üzerinde yapılan sürtünme ve aşınma değerlerinden elde edilen sonuçlar

Genellikle endüstriyel problemlerin pek çoğunda aşınmanın etkileri sürtünmeden çok daha önemlidir.

Yüksek sürtünme, yüksek işletme maliyeti ile karşılanabilir.

Fakat yüksek aşınma makinenin işe yaramamasına yol açabilir.

Tribolojik Çözümler

Belki de Triboloji kelimesinin uygulamaya geçişinin en önemli etkisi, her sistem için problem çözüm odaklı bir bakış açısı ortaya koymasıdır. Böylece, şu ana kadar yağlama mühendisinin benimseme eğiliminde olduğu yağlama çözümü yerine biz şu şekilde düşünme eğilimi gösteririz:

“Kabul edilebilir sürtünme ve aşınma ile ara yüzey boyunca yük taşıma problemi için en iyi çözüm nedir?”

Bu nedenle aşağıda tribolojik problemler için kullanılabilir çözümler katagorize edilmiştir.

Kuru temas

Malzeme çiftlerinin düşük sürtünme, düşük aşınma veya düşük sürtünmeyle birlikte düşük aşınma karakteristikleri olabilir. Bu durumda yüzeylerin kuru temasına müsaade edilebilir. Ancak bu yüzeylerin yük taşıma kapasiteleri düşüktür. Örneğin plastik malzemeler bu amaçla kullanılabilir.

kuru temas F

Fn

Kimyasal film

Yüzeylere kimyasal filmler uygulanır. Bu filmler yüzeyleri korur ve ana parçaların temasını önler.

Katı lameller

Kaymaya karşı direnci az olan örneğin yumuşak metal tabakalar veya katı lameller iki parçasının temas eden yüzeyleri arasına yerleştirilir kayma hareketi lameller arasında olur.

Basınçlı yağlayıcı filmler

Yüzeyler sürekli olan bir akışkan filmi ile ayrılabilir. Bu akışkan bir sıvı, buhar veya gaz olabilir. Bu sistemlerde istenilen yükün taşınabilmesi için akışkanda bir basınç olması gerekir. Bu basınç iki şekilde elde edilebilir.

Hidrostatik basınç; Hidrostatik basınç pompa ile elde edilerek yüzeyler arasına gönderebilir.

Hidrodimanik basınç; Hidrodinamik halde ise yüzeylerin izafi hızı ve geometrisine bağlı olarak ortaya çıkar.

yaglayici

Elastomerler

Eğer birbiri üzerinde kayan parçaların kayma miktarları çok az ise parçalar arasına yüzeylere sıkı bir şekilde tespit edilmek şartıyla elastomerler yerleştirilir. Böylece iyi bir tribolojik çözüm elde edilir. Ancak yüzeylerin hareket alanı sınırlıdır.

Yuvarlama elemanları

Bu çözümde yüzeyler arasına yuvarlama elemanları yerleştirilir ve böylece çok küçük olan yuvarlama sürtünmesi ortaya çıkar.

Magnetik alan

Magnetik alan etkisi ile mekanik temas alanından yüzeylerin izafi hareketi gerçekleşir.

Bu çözüm aralığını akılda tutmak suretiyle, tasarım mühendisi şimdi taşınacak yük, hız, çevre durumu ve sürtünme aşınmadaki her türlü kısıtlamalar gibi faktörleri çizim problemine en uygun cevabı bulmak amacıyla ele almalıdır.

Kimi zaman tam bir çizim felsefesi değişikliği ile ya belirli tribolojik problemler ortadan kaldırılabilir ya da en azından neticelenme makinesinden istenilen sonuca ulaşılırken değiştirilebilir.

Yukarıdaki hususlar dahilinde, kabul edilmelidir ki yüzeyler, katı maddeler ve çevreleri arasındaki sınırları belirleyen tamamen pürüzsüz düzlemlerdir.

Ne yazık ki, bütün mühendislik yüzeyleri buna nazaran daha karmaşıktır; tepeler ve vadilerle değişik geometrik şekillere ve aynı derecede nadiren maddenin derinliği boyunca tek biçimli olmak üzere karmaşık fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir.

Triboloji konusunun karmaşıklığına katkısı olan bu yüzey şekilleridir.

Yüzey Pürüzlülüğü (Topoğrafyası)

İzafi hareket yapan iki yüzey ideal bir düzgünlüğe sahip değildir. Uygulanan yüzey işçiliğinin kalitesine bağlı olarak çok değişik yüzey topoğrafyaları meydana gelir.

Yüzeyler çok iyi işlenmiş olsa dahi büyüteç veya mikroskopla bakıldığında tepeler, çukurlar ve vadilerden oluşan bir görüntü ile karşılaşılır.

1797 de Brisson şöyle yazmıştır “yüzeyler hiçbir zaman mükemmel bir şekilde pürüzsüz ve düz olamaz. Tepe veya pürüzlerin yükseklikleri ve şekilleri bir yatak mekanizmasında performansı büyük ölçüde etkileyebilir.”

Tipik bir yüzey de 10⁵ tepecik vardır. Bu nedenle iki işlenmiş yüzeyde ki her bir tepeciğin yüksekliğini, şeklini ve yerini, temasın detaylarını öğrenmek açısından ölçmek mümkün değildir.

Bir yüzeyin bu genel yapısına TEKSTÜR adı verilir.

Tekstürden alınan çeşitli profil kesitleri, bu kesitlerdeki pürüz geometrisini gösterir.

Tekstür

Tekstürün sayısal değerlendirilmesi; yüzeylerin yüzey yapısının değerlendirilmesi için istatistik birimi kullanılır.

Gelişi güzel karakteristikteki yüzey yapısının değerlendirilmesinde:

1. Yüzey yapısının zamana göre değişmediği

2. Aynı tekstür için belirli bir profilin zamansal ortalama değerinin bütün diğer profillerde de aynı olduğu kabul edilir.

Tekstürden alınan bir profil için:

1) Rt - en büyük pürüz yüksekliği 2) Ra - ortalama pürüz yüksekliği

3) Rat - oto karelasyon fonksiyonu

4) S(w) - Spektro yoğunluk fonksiyonu önemlidir.

Yüzey durumları

Geometrik ideal yüzey

Geometrik olarak mükemmel olduğu düşünülen yüzey veya düzlemdir.

Referans düzlem

İdeal düzlemden eşit aralıkta en yüksek pürüz tepeciklerine değen düzlemdir.

Orta düzlem

Referans düzleme her noktada eşit uzaklıkta olan ve üstte kalan tepecik alanlarının (hacimlerinin) altta kalan çukurcuk alanlarına (hacimlerine) eşit olduğu düzlemdir.

Taban düzlemi

En derin çukurcuk diplerinden geçen düzlemdir.

L: Ölçme bölgesi uzunluğu A = L²

Bu tanımlara göre

1. En büyük pürüz Rt taban düzlemine olan uzaklıktır (Nm)

2. Ortalama pürüz yüksekliği Ra =

3. Ezilme yüksekliği Rp =



o

i

dx L h

1



o

i

dx L y

1

4. Standart sapma (kareler ortalamasının karekökü)

Rq =

Sürtünmenin İncelenmesi

2 1

1

 

 



 

o

i

dx

L h

Sürtünmenin incelenmesinden önce birbirine göre bağıl hareket yapan iki parçada ne gibi hareketlerin olduğu bilinmesi gerekir.

A ve B nin bağıl hareketinde, hareket ve hız üç bileşene ayrılabilir:

1. Vk = kayma hızı

2. Wy = yuvarlanma açısal hız (A parçasının B parçası üzerinde yuvarlanma (dönme) hareketidir)

3. Wp = pivotman (topaçlama) açısal hızı (A parçasının kendi etrafında dönmesi)

M’den geçen ani dönme ekseni etrafındaki dönme bu şekilde iki bileşene ayrılmış olur. A’nın B üzerindeki hareketine karşı direnen kuvvetlere sürtünme kuvvetleri denir. Bu kuvvetler:

F = kayma sürtünmesi (kayma yönüne ters etki)

My = yuvarlanma sürtünme momenti (yuvarlanmada ters yönde moment)

Mp = pivotman sürtünme momenti (ters yönde pivotman moment)

N = cisimler arasındaki normal tepki kuvveti

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

Sürtünmenin sebebi: bir yüzeydeki atomların diğer yüzeydeki atomlar üzerinde hareket ettiği zaman katı

yüzeyin kayması esnasında meydana gelen kafes hareketidir.

 Çünkü bir yüzeyin diğer bir yüzey üzerinde hareketi sonucunda mekanik enerjinin bir bölümü ses dalgaları ve ısıya dönüşür.

 Birbirleri ile temastaki her katı malzemenin kristal kafesi atomik düzeyde denge durumundadır.

 Sürtünen çiftlerden birine kayma gerilmesi uygulandığında her kafes elastik olarak deforme olur.

 Eğer kayma daha da artarsa ve kararsız duruma gelirse atomlar yeni bir denge durumuna geri döner.

 Şekil’de görüldüğü gibi bütün deformasyon enerjisi yok olana kadar kristal kafes hareket eder.

Kuru kayma boyunca kristal kafesin elastik deformasyonu

Teorik olarak mutlak kuru sürtünme, yabancı maddelerden tamamen arındırılmış ve mutlak vakumda birbiri üzerinde sürtünen yüzeyler arasında mevcuttur.

Yüzeyler daha önceden temizlenmiş olsa dahi, atmosfer şartları altında birbirlerine sürtünürken aralarında çok ince de olsa absorbsiyon tabakaları ve tribomekanik reaksiyon tabakaları meydana gelecektir. Genellikle bu tip sürtünme hali de pratik olarak kuru sürtünme kabul edilir.

Yüzeylerin üzerine (veya aralarına) özel yağlayıcı maddelerin sürülmesi (konması) halinde yüzeyler artık pratik olarak da kuru değildir.

Sürtünme yağlanmış yüzeyler arasında meydana gelmektedir. Bu sürtünme hali sınır veya hidrodinamik durumlarda olabilir.

Sürtünmeyi en genel anlamda kayma ve yuvarlanma sürtünmesi olarak ikiye ayırmak mümkün olabilir.

Sürtünmeyi meydana getiren fiziksel nedenler incelendiğinde bu ayrımın makroskopik görünüm için geçerli olduğu, mikroskopik bölgede ise her iki sürtünme halinin benzer nedenlerden meydana geldiği anlaşılır.

Uygulamalar

Stribeck eğrisi

İki yüzeyi birbirine göre yük altında kaydırabilmek için belirli bir direncin yenilmesi gerektiğini, yüzeylerin üzerine bir yağlayıcı madde sürülmesi halinde ise bu direncin azaldığını deneyimlerimiz sonucu hepimiz biliriz.

1901 yılında Stribeck tarafından yayınlanan bir çalışmada radyal bir kaymalı yatağın üç değişik sürtünme durumunda çalışabileceği belirtilmiştir.

Stribeck eğrisinde görülen sürtünme hallerinin isimlendirilmesi için basit bir oran kullanılır. Bu oranda temas yüzeylerindeki minimum yağ filmi kalınlığı ve temas yüzeylerindeki ortalama yüzey pürüzlülüğü yer almaktadır.

İki yüzeyin pürüzlülüğü farklı ise ortalama değer:

Ra=0,5.(Ra1 + Ra2)

Sürtünme halleri:

λ < 0,2 : Sınır sürtünme

0,2 < λ < 3 : Karışık film sürtünmesi (çoğunlukla film mevcut)

λ > 3 : Film sürtünmesi

Stribeck eğrisi sürtünme katsayısı ve dönme hızı arasındadır.

Ancak, deneyler değişik viskozitede akışkanlar ve değişik yüzey basınları için de tekrarlanabilir.

Sürtünme Kanunları

İlk mekanik sürtünme teorisini kuran Amontons Coulomb’un buldukları temel sürtünme kanunları şunlardır:

Birinci Kanun; temas eden yüzeyler arasında oluşan sürtünme kuvveti, görünür temas alanından bağımsızdır.

İkinci Kanun; Sürtünme kuvveti normal kuvvetle

doğru orantılı olup, aralarında sürtünme katsayısı

olarak tanımlanan sabit bir oran vardır.

Böylece bir cisim diğeri üzerinde kayarken, eğer normal yük iki katına çıkarılırsa, sürtünme kuvveti de iki katına çıkar. Bu kural daha çok "Amontos" kuralı olarak bilinir ve ilk kez 1699 yılında Fransız bilim adamı Amontos tarafından çıkarılmıştır.

Üçüncü Kanun; kinetik sürtünme, kayma hızından

yaklaşık olarak bağımsızdır. Bu kuralın ilk ikisine göre

uygulanabilirliği daha düşük değerdedir. Üçüncü

kanun Coulomb tarafından 1785 yılında açıklanmıştır.

Sürtünmede en önemli faktör pürüzlerin etkileşmesidir.

Buna göre sürtünme rijit yani deformasyona uğramayan pürüzlü noktaların teması sonucu meydana gelir.

Aşağıdaki şekilde Colulomb’un sürtünme modeli görülmektedir.

Coulomb’un Sürtünme Modeli

Statik haldeki sürtünmenin dinamik sürtünmeden daha büyük olmasının sebebi temas başlangıcındaki yüzeylerdeki pürüzlerin birbirini tam kavramasına, dolayısıyla bu temasın bozulması için daha fazla sürtünme kuvveti gerektirmesine bağlanmaktadır.

Dinamik sürtünmede pürüzler birbiri üzerinden

sıçrayarak hareket ettikleri için daha az sürtünme

kuvveti gerektirir. Ayrıca yağlayıcı ara maddeler pürüz

boşluklarını doldurarak, pürüzlülüğün etkisini,

dolayısıyla sürtünmeyi azaltır.

Temas alanının sürtünme esnasında büyümesi için yüzeylerin ideal temiz ve sünek olması gerekir.

Yapılan çalışmalarda sürtünen yüzeylerden itibaren mikro yapının değiştiğini tespit edilmiştir.

Aşağıdaki şekil incelendiğinde, temas yüzeyinden

itibaren malzeme yapısı aşırı ince taneli, plastik

deforme olan ve deforme olmayan olmak üzere üç

bölgeye ayrılmıştır.

Sürtünmenin Malzeme Yapısı Üzerine Etkisi

Sürtünme esnasında yüzey tabakaları içinde çok büyük kayma şekil değişimleri meydana gelerek yüzeyde yorulmalar oluşur. Katılar arasındaki sürtünmenin muhtemel iki sebebi vardır;

1. Yüzeyler arasındaki etkileşme mekanizması 2. Yüzeyler arasındaki enerji kaybı

Yüzeyler arasındaki etkileşme mekanizmasının genel olarak sistem girişindeki değerleri kapsar. Temas eden iki katı cisim arasındaki bağıl sürtünme hareketi esnasında sürtünme kuvveti tarafından bir iş yapıldığından temas yüzeyinde bir enerji açığa çıkar. Bu enerji tribolojik sistemin giriş ve çıkış enerjileri arasındaki farka eşit olup, sürtünme enerjisi olarak adlandırılır.

Sürtünme Teorileri

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

Kuru ortamda

µ

Vakumda çok temiz metal yüzeylerinde

µ

Rahat bir insan yürüyüşünde;

µ

µ

Frenlemede;

µ

Yüzey 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 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

93 121 149 177 205 233 261 289 317 345

Sıcaklık (°C)

Sürtünme katsayısı (µ)

A A1 A2 A3 A4

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.

küçük basınçlar

orta basınçlar

yüksek basınçlar

V (m/s)



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