Mühendislik malzemelerindeki yıpranmanın aşınma sayılması için aşağıdaki şartların oluşması gerekir:

AŞINMA

Birbirine temas eden ve birbirlerine göre izafi hareket yapan sürtünme halindeki cisimlerin yüzeylerinde sürtünme etkisiyle oluşan ve istenilmeyen malzeme kaybıdır.

Birbiriyle temas eden yüzeylerde sürtünme kuvvetleri güç kaybına, aşınma ise işleme toleranslarının kötüleşmesine neden olduğundan aşınma çok önemli bir parametredir.

Birbirine temas eden mühendislik malzemelerinin, birbirlerine sürtünmesi neticesinde meydana gelen aşınma, çeşitli makine ve teçhizatın kullanımı sırasında çok büyük ekonomik kayıplara sebep olmaktadır.

Aşınma, bir yüzeyden diğer bir yüzeye malzeme transferi veya aşınma parçalarının oluşumu neticesinde ortaya çıkan malzeme kaybıdır. DIN 50320'de aşınma; "kullanılan malzeme yüzeylerinden mekanik sebeplerle ufak parçaların ayrılması suretiyle meydana gelen değişiklik" olarak tanımlanmaktadır.

Temas halinde bulunan katı yüzeylerde, malzeme kaybı üç şekilde gerçekleşebilir. Bunlar bölgesel erimeler, kimyasal çözünme ve yüzeyden fiziksel anlamda oluşan ayrılmadır.

Uygulamada aşınma kapsamında, daha çok yüzeyden fiziksel anlamda ayrılan malzemenin sebep olduğu hasarlar dahil edilmektedir.

Mühendislik malzemelerindeki yıpranmanın aşınma sayılması için aşağıdaki şartların oluşması gerekir:

a) Mekanik bir etkinin olması, b) Sürtünmenin olması,

c) Yavaş fakat devamlı olması,

d) Malzeme yüzeyinde değişiklik meydana getirmesi, e) İsteğimiz dışında meydana gelmesi gerekir.

Bu şartlardan biri sağlanmıyorsa meydana gelen yıpranma aşınma değildir.

Aşınma, genellikle önceden bilinen bir hasar tipidir. Birbirleri ile temasta olan malzeme yüzeyleri oksit filmleri veya yağlayıcılar ile korunsalar bile, mekanik yüklemeler altında oksit tabakasının veya yağlamanın bozulması, iki yüzeyin birbiriyle doğrudan temasına sebep olabilir.

Bu temas sonucu oluşan sürtünme malzemenin çalışma koşullarındaki ömrünü ve performansını sınırlayan aşınmaya sebep olur.

Bu hasar uygun yağlama, filtreleme, uygun malzeme seçimi ve uygun tasarım gibi faktörlerle en aza indirilebilir, fakat kesinlikle önlenemez. Aşınmayı etkileyen faktörler aşağıdaki şekilde gruplandırılmıştır.

A) Tribolojik Sistemin Elemanlarına Bağlı Faktörler

1. Ana Malzemeye Bağlı Faktörler a) Malzemenin cinsi

b) Malzemenin mikro yapısı c) Malzemenin yüzey sertliği d) Elastiklik modülü

e) Yüzey pürüzlülük durumu f) Malzeme şekli ve boyutları g) Soğuk şekil vermenin etkisi h) Isıl işlem

2. Karşı Malzemeye Bağlı Faktörler ve Aşındırıcının Etkisi

a) Aşındırıcı Tane Büyüklüğü b) Tane Şekli

c) Tane Dağılımı

3. Ortama Bağı Faktörler a) Sıcaklık

b) Nem

c) Atmosfer

B) İşletmeye Bağlı Faktörler (Servis Şartları)

1. Yük

2. Hareket

a) Kayma yolu b) Zaman

3. Kaymanın cinsi

Ana Malzemeye Bağlı Faktörler Malzemenin Cinsi

Aşınmanın meydana geldiği koşullar göz önünde bulundurularak aşınmaya dayanıklı malzeme seçimi yapmak gerekir.

Malzemenin Mikro Yapısı

Mikro yapıda bulunan fazlar ve tane boyutu mekanik özellikleri yüksek derecede etkileyen önemli bir faktördür.

Lamelli perlitik yapının lameller arası sertliğin fazla olması, tanecikli perlitik yapıya göre aşınma direncini daha fazla arttırır.

Malzemenin Yüzey Sertliği

Sertliğin artmasıyla aşınma direncide artar . Ancak belli bir değerden sonra sertlik artışı aşınmaya karşı direnç artışı getirmez. Ticari saf metallerde aşınma direnci kütlesel sertlik ile doğrusal olarak artmaktadır.

Abrasiv aşınma direncinin genelde sertliğe bağlı olduğu ve sertliğin artması ile iyileştiği kabul edilir.

Genel olarak alaşım elementleri, malzemelerin sertlik ve mukavemetlerini arttırmak amacıyla katılır. Örneğin bakır metali içerisine katılan çinko ile sertlik artarken, aynı zamanda aşınma direnci bakırdan daha yüksek olan malzemede elde edilmektedir. Isıl işlemin etkisi ile malzemelerin aşınma dirençlerini arttırmak için yapılan çalışmalar, malzeme yüzeyinin sertleştirilmesi veya kütlesinin tamamının sertleştirilmesi üzerinde yoğunlaştırılmıştır.

Yapılan deneysel çalışmalarda aynı sertliğe sahip ısıl işlem görmüş çeliklerin aşınmaya daha az direnç gösterdikleri ve yine aynı çelik, ısıl işlemle farklı sertlik seviyelerine getirildiğinde sertlik ile aşınma direnci arasında doğrusal bir ilişki olmadığı sonucuna varılmıştır.

Metallerde yüzey sertliğinin arttırılması için ısıl işlem veya yüzeye daha sert bir tabakanın kaplanması ile yüzey sertliği arttırılabilir. Bu işlemlerde sadece yüzey sertliği attığı için, malzemenin çekirdeği sünek kalır. Böylece hem aşınmaya karşı direnç artar, hem de darbelî zorlamalara karşı malzemenin mukavemeti artar.

Elastiklik Modülü

Teğetsel gerilmenin, akma sınırını aşması durumunda, burada plastik deformasyon meydana gelerek yüzey pürüzleri tepelerinden koparak aşınmayı hızlandırır.

Sert yüzeyin pürüzlülüğü ile aşınmasının doğru orantılı olduğu ve aşınma hızının sert yüzey üzerindeki pürüzlerin şeklinden az etkilendiği tespit edilmiştir.

Yüzey Pürüzlülük Durumu

Sürtünme esnasında yüzeyden kopan küçük partiküllerin, büyük bir kısmını yüzeyde bulunan pürüzler meydana getirir.

Sürtünme durumunda yüzey pürüzlerine gelen teğetsel gerilmenin, akma sınırını aşması durumunda, burada plastik deformasyon meydana gelerek yüzey pürüzleri tepelerinden koparak aşınmayı hızlandırır.

Yüzey pürüzlülüğünün aşınma ve sürtünme katsayısına etkisi

Malzeme Şekli ve Boyutları

Yapılan araştırmalarda, toprak işleme aletlerindeki kesici ağızların zamanla parabolik bir şekil aldığı ve parabolik şeklin aşınmaya karşı daha dirençli olduğu bulunmuştur. Geometrik kesiti ideal daireye yakın olan numunelerin daha az aşındığını ve aşınma sonucunda ideal daireye yaklaşma olduğunu tespit edilmiştir.

Soğuk Şekil Vermenin Etkisi

Soğuk şekil vermenin aşınma direncine etkisine geçmeden önce sertliğin aşınma direncine etkisi incelenmiş ve sertliğin artışıyla aşınmanın azaldığı tespit edilmiştir.

Soğuk şekil değiştirme sırasında meydana gelen pekleşme malzemenin sertliğinin artmasına neden olur.

Malzemelerin elastiklik modülü arttıkça malzemenin aşınmaya karşı direnci daha fazla olur. Bunun nedeni elastiklik ve akmasının yüksek olan malzemelerde gerçek temas alanı azalır.

Elastiklik modülü farklı iki malzemenin aşınmasında, düşük elastiklik modülüne sahip malzemenin, gerçek temas alanı biraz daha fazla olduğu için izafi hareket sırasında bu malzemede soğuk kaynak olma ihtimali artar ve neticede biraz daha çabuk aşınır ve artmasına neden olur. Böylece artan sertlik ile malzemenin aşınmaya karşı direnci artar.

Sürtünme esnasında verilen enerjinin bir miktarı devamlı olarak soğuk deformasyon meydana getirdiğinden malzeme yüzeyinin pekleşmesine neden olur. Bu pekleşme, malzemenin sertleşmesine ve dolayısıyla aşınmaya karşı dirençlerinin artmasına sebep olur.

Isıl İşlem

Özellikle çeliklerde ısıl işlem sonucu sertlik artarak aşınmaya karşı direnci yükseltir. Sertleştirme işleminden sonra malzemenin içyapısında gerilme yığılmaları meydana gelir.

Bu gerilme yığılmalarını gidermek için temperleme işlemi yapılmalıdır.

Aşındırıcının Etkisi ve Karşı Malzemeye Bağlı Faktörler

Aşındırıcının Etkisi

Aşınma deneyinde çok çeşitli aşındırıcılar kullanılır.

Alüminyum oksit, aşındırıcı taneleri sert ve keskin köşelidir.

Silisyum karbür (SiC) aşındırıcı taneleri ise daha sert ve keskin köşeli olmalarına rağmen, alüminyum oksit aşındırıcılara göre aşırı derecede kırılgandırlar.

Yüksek sıcaklıklarda bazı alüminyum ve silisyum karbür aşındırıcıların sürtünme katsayıları incelenmiş, neticede SiC' ün sürtünme katsayısının sıcaklığın yükselmesiyle azaldığı bulunmuştur.

Bazı araştırmacılar artan tane büyüklüğüne bağlı olarak aşınma miktarlarının arttığını ve köşeli tanelerin yuvarlak tanelere kıyasla daha fazla aşındırıcı etki yaptığını ispatlamışlardır.

Çeşitli aşındırıcılarla deneyler yapmışlar ve aşınmanın, abrasif tane boyutlarının artması ile 100 mikrometre tane boyutuna kadar hemen hemen doğrusal olan bu artışın, bu boyuttan sonra sabit kaldığını göstermişlerdir.

Aşınmada abrasif sertliği (Ha) ile metal sertliği (Hm) arasında, aşağıdaki gibi bir ilişkinin varlığı tespit edilmiştir.

• Eğer Ha<K2.Hm ise aşınma yoktur.

• Eğer Ha>K2.Hm ise aşınma Ha’ya bağlı değildir

• Ha<Kı.Hm durumunda abrasif aşınma direnci bu sistem için en yüksek değerine ulaşır.

Burada K bir sabit olup 0.7-1.0 değerleri arasındadır.

Karşı Elemana Bağlı Faktörler

Tane Büyüklüğü, Tane Şekli, Tane Dağılımı

Tane büyüklüğü arttıkça, malzemenin aşınmaya karşı direncinin azaldığı ve aşındırıcı tanelerin parabolik şekilli olması, keskin köşeli tanelere göre aşınmayı azalttığı görülmüştür.

Ortama Bağlı Faktörler Sıcaklık, Nem, Atmosfer

Aşınmayı etkileyen önemli faktörlerden biride aşınma ortamının atmosferi, nemi ve sıcaklığıdır. Temas halinde bulunan yüzeylerin sürtünmeden dolayı yüzeylerde bölgesel olarak sıcaklık artışına sebep olur.

Yüzeylerde meydana gelen sıcaklık artışı, malzemenin kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklerini değiştirerek malzemenin aşınmaya karşı direncini etkiler.

Yapılan araştırmalar sıcaklığın artmasının aşınmayı belli bir sıcaklık değerine kadar etkilemediğini, daha sonraki sıcaklıklarda tesirini hissettirdiğini göstermiştir. Ergime sıcaklığı yüksek olan malzemelerin yüksek aşınma direncine sahip olduğu da tespit edilmiştir.

Bazı araştırmacılar yüksek nem oranının, abrasif aşınma miktarlarının yaklaşık %15 artmasına sebep olduğunu ve su buharının diğer yağlayıcılara benzer olarak abrasyon etkisini arttırdığını belirlenmiştir.

İşletmeye Bağlı Faktörler (Servis Şartları)

Aşınma sistemi içerisinde aşınma yüzeyinin maruz kalacağı basıncın büyüklüğü, birim yüzeye uygulanan kuvvetin büyümesini sağlayacağından, aşınmanın artmasına sebep olacaktır.

Araştırmacıların birçoğu kritik bir yükleme miktarına kadar yükün artışı ile hacimsel aşınmanın orantılı bir değişim gösterdiğini açığa çıkarmıştır. Kritik yükleme miktarı, aşınma yüzeyinin soğuk deformasyonla, sertliğin belli bir oranda arttığı değer olarak belirlenmiştir.

Hacimsel aşınmanın yük ile doğrusal olarak arttığını, fakat yükün daha fazla artmasıyla birim yük başına düşen aşınma miktarının belli bir kayma yolundan sonra dengeye geldiği tespit edilmiştir.

Bütün teorik ve uygulamalı çalışmalar kayma yolu ile aşınma miktarının orantılı olduğunu belirtmektedir. Khruschov ve arkadaşları ise (Moose, M. A., 1974) 0-25 m/s aralığında kayma hızının artmasıyla hacimsel aşınmanın yavaş olarak arttığını belirlemişlerdir.

Bir aşınma sisteminde;

1. Ana malzeme (aşınan)

2. Karşı malzeme (aşındıran) 3. Ara malzeme

4. Yük

5. Hareket, aşınmanın temel unsurlarıdır.

Bu unsurların oluşturduğu sistem teknikte “Tribolojik Sistem”

olarak adlandırılır. Bir aşınma sistemindeki önemli etkenlerden biri de çevre şartlarıdır. Sistem elemanlarının nem ve korozif etkiler ile karşı karşıya kalması aşınmayı hızlandırır. Tribolojik sistemin standartlara uygun şematik gösterimi şekilde görülmektedir.

Tribolojik Sistemin Şematik Gösterilişi

Aşınma genelde yüzey ve yüzey altı hasardır. Aşınma türleri veya aşınma mekanizmaları yüzeylerin yapısından anlaşılır.

Yüzey Hasar Türleri;

a) Topografik hasar, b) Mikroyapısal hasar,

c) Topografik+mikroyapısal hasar

AŞINMAYI AZALTMAK İÇİN YAPILABİLECEK İŞLEMLER

Aşınmaya etki eden faktörlerin başında temas yüzeylerinin sertliği ve kimyasal kompozisyonu gelir. Sertlik arttıkça (mukavemet artar) yüzeyden parça kopması zorlaşır.

Kimyasal bileşeni birbirine yapışmayı azaltıcı özellikte olursa ve korozyona karşı dayanıklı ise aşınma miktarları azalır.

Malzeme Seçimi

Aşınma dayanımını arttırmak için birbiriyle temas halinde çalışan parçalarının malzemeleri farklı seçilmelidir.

Bu farkı malzemelerin birbiri ile kaynak yapabilme özelliği kötü olduğundan adhezyon aşınmasına olumlu yönde katkıda bulunacaktır.

Pürüzlülük

Genelde yüzey pürüzlülüğü arttıkça kontak noktaları yükü taşıyacak olan gerçek alan) azaldığı için aşınma miktarı artacaktır. Bunun aksine pürüzsüz sayılabilecek yüzeyde aşınma artıklarının kalabilmesi ve sürtünen iki yüzeyin arasındaki çekim kuvvetinin fazla olması da adezyon ve abrazyon aşınmalarını arttıracaktır. Eğer hareketin yönü pürüzlülüğün yönüne dik ise aşınma miktarı azalmaktadır.

Sertlik

Aşınma dayanımını arttırmak için alaşımlandırmayla veya ısıl işlemle yüzey sertleştirilebilir.

Tane Boyutu

Plastik deformasyona etki eden önemli etkenlerden biride tane boyutudur. Tane boyutu ne kadar küçükse malzeme o kadar mukavim ve toktur.

Yüzey İşlemleri

Yüzeyde kimyasal, elektro-kimyasal veya termo-kimyasal metotlarla oluşturulacak tabakalar birlikte çalışan iki metalin arasındaki sürtünme katsayısını ve tutunabilme özelliğini azaltıcı etki yaptığı için, aşınmaya olumlu yönde katkıda bulunur.

Genelde bu işlemler PVD, CVD, termo-kimyasal (sementasyon, nitrasyon, borlama v.b.) elektroliz kaplama ve plazma ile kaplama gibi mekanik özellikleri iyileştirici etkenler yapan işlemlerdir.

Yağlama

Aşınmaya karşı alınabilecek en ekonomik ve kolay tedbirdir.

Yağlayıcı maddenin görevi sürtünen yüzeyler arasındaki metal-metal sürtünmesi yerine sıvı-metal sürtünmesini sağlamaktır. Hareket hızının fazla olduğu yerlerde (yataklar) yüklü iki yüzey arasında oluşan yağ filmi taşır. Bu yüzden yağlayıcının özellikleri çok önemlidir.

Kontak Geometrisi

Sürtünen elemanların kontak geometrisi aşınma miktarını etkiler. Aşınma artıklarının iki yüzey arasından dışarı çıkmaları kolaylaştıkça parçaların abrazyon aşınması azalır.

Ayrıca yüzeye gelen kuvvet şeklide önemlidir. Normal kuvvete nazaran bileşik kuvvet daha fazla aşınmaya neden olabilir.

AŞINMA MEKANİZMALARI

1. ADHEZİF AŞINMA (YAPIŞMA AŞINMASI)

Özellikle birbiriyle kayma sürtünmesi yapan, metal-metal aşınma çiftinde meydana gelen kaynaklaşma olayının bir sonucudur. Birbiri üzerinde kayan yüzeylerdeki gerilmeler küçük yüklemelerle dahi akma gerilmesi sınırına, erişirler veya geçerler. Böylece temas eden metaller arasında yapışma kuvvetleri kendini gösterir. Bu nedenle bir parçadan diğerine malzeme geçişi, soğuk kaynaklaşma ve küçük parçaların kopması olayları meydana gelir.

Adhesif aşınma, en sık rastlanan aşınma türü olmasına rağmen genellikle hasarı hızlandırıcı etkide bulunmaz.

Adhesif aşınma bir metal yüzeyinin başka bir metal yüzeyindeki bağıl hareketi sırasında birbirlerine kaynamış veya yapışmış yüzeydeki pürüzlerin kırılması sonucu ortaya çıkar. Eğer iki metal aynı sertlikte ise aşınma her iki yüzeyde de oluşur.

Metaller arasındaki yağlamanın mükemmel olması, yüzeye etki eden yükün azaltılması ve malzemenin sertliğinin arttırılması adhesif aşınmayı azaltır. Sonuç olarak adhesif aşınma; yüzeye etkiyen normal yükle, kayma yolu ile ve aşınan malzemenin yüzey sertliği ile orantılıdır.

İki çıkıntının buluşması ve bağ oluşumu

Bağın kopması diğer yüzeye malzeme transferi

İki yüzeydeki çıkıntıların etkileşimi sonucu yüzeyde kırıntı oluşumu

Kuru ve sınır sürtünme halindeki fonksiyon yüzeylerinin birbiri ile temas halinde olan pürüz tepelerinde, özellikle akma sınırı aşıldığında kuvvetli bir adhezif veya sıcaklık etkisi ile teşvik edilen kohezif bir bağ meydana gelmektedir.

Bu bağ metal değme yüzeyleri ne kadar temiz ise o oranda kuvvetli olmaktadır. Rutubet, absorbe gazlar, oksitler ve yağlayıcı maddelerin mevcudiyeti bağ kuvvetini dolayısıyla aşınmayı azaltır. Pürüz tepecikleri arasında bu tür bağlar oluşmuş olan iki yüzeyi birbirine göre hareket ettirdiğimiz zaman, bağlanmış tepeciklerin birbirinden ayrılması dört şekilde olabilir.

I- Bağ ara yüzeyinin kesme direnci (τi), her iki yüzeye ait malzemenin iç kesme dirençlerinden (τ1,τ2) daha küçüktür. Bu takdirde ayrılma ara yüzeyden (veya oluşan kaynak bağından) olur. Bu tür adhezif aşınmada aşınma miktarı en azdır.

Çelik/kalay çifti bu hal için örnek gösterilebilir.

II- Ara yüzeyin kesme direnci, 1 numaralı malzemeden küçük, 2 numaralı malzemeden büyüktür. Bu takdirde ayrılma ikinci malzeme içinde olur. Buna pratikte “sıvanma aşınması” da denir.

Örnek olarak çelik/kurşun çiftine bu tür aşınmaya rastlanır.

Benzer aşınma hali kurşun bronzu/çelik arasında da gözlenir.

III- Ara yüzeyin kesme direnci, birinci malzemeden küçük, diğerinden ise çok az farklı (heterojen yapıda olan ikinci malzemeye yer yer eşit olabilir). Bu takdirde gene yumuşak malzemeden sert malzemeye bir madde geçişi vardır.

Ancak bazı noktalarda parçacık kopmaları kendini gösterecektir. Madde geçişi yanında, madde ayrılmaları şeklinde daha büyük bir madde kaybı ortaya çıkacaktır. Bu tip adhezif aşınmaya çelik/bakır çifti örnek gösterilebilir.

IV- Ara yüzeyin kesme direnci her iki yüzey malzemesinin kesme direncinden büyüktür. Ayrıca kuvvetli bir plastik şekil değişimi sonucu pekleşmiş ve kırılgan hale gelmiştir.

Belirli bir kayma mesafesinde yüzeyden kopup ayrılacak ve kuvvetli bir aşındırıcı olarak, yüzeyler arasında adhezif aşınmaya ek olarak bir abrasif aşınmaya sebep olacaktır.

Bunun sonucu her iki yüzeyde de kuvvetli bir aşınma meydana gelecektir. Mukavemet özellikleri birbirine yakın malzeme çiftleri arasında (örnek olarak çelik/çelik) bu tip adhezif kökenli aşınma hallerine sıklıkla rastlanır.

Farklı sürtünme çiftleri arasında ortaya çıkan bu dört adhezif aşınma mekanizmasında ölçülen sürtünme katsayıları arasında fark çok azdır. Yani dört halde de sürtünme direnci hemen hemen aynı kalır. Buna karşın I. ve IV. mekanizmaları arasındaki aşınma miktarı farkı çok büyüktür (yaklaşık 100 kat).

Adhezif Aşınmanın Teorisi

Aşınma konusunu teorik bir temele dayandırmaya ait ilk çalışmaları Holm ve Archard gerçekleştirmiştir.

Bu araştırıcılar yaygın olarak kullanılan (K) aşınma faktörünün de tarifini yapmışlardır.

Achard modeli esas olarak metaller için geliştirilmiş olmasına karşın, sınırlı olarak başka malzemelerde de kullanılabilmektedir.

Gerçek temas alanı yüzeye etki eden normal kuvvetle orantılıdır. Metalsel malzemelerde birçok halde pürüz tepeciklerindeki lokal deformasyonun plastik olduğu söylenebilir.

Şekilde gösterildiği gibi tek bir pürüz teması dikkate alınsın.

Basitlik açısından pürüz geometrisi dairesel kabul edilsin.

(yarıçap a)

Temas (c) de maksimum boyuta ulaşmıştır. Bu durumda taşınan normal kuvvet:

Ppl: plastik akma basıncı, batma sertliğine (HV) çok yakın bir değerdir.

Bağıntısı tekbir pürüz için geçerlidir, ancak yukarıda tek bir pürüz için gösterilen durum, yüzey genelinde pek çok pürüzde söz konusu olacaktır. Yani aynı anda pek çok pürüz teması ve kopması olacaktır.

Aşınma, bu temas eden pürüzlerden malzemenin ayrılması sonucunda meydana gelir. Aşınan malzeme hacmi doğal olarak temas halindeki pürüzlerin boyutuna bağlı olacaktır.

Aşınma sonucu pürüz tepelerinden ayrılan malzeme hacminin (δV) pürüz yarıçapı a’nın küpü ile orantılı olduğu gösterilmiştir. Basitlik açısından aşınan hacim yarıçapı a olan bir yarı küre olsun. Bu durumda:

olur.

Burada bütün pürüz temas yüzeylerinden bir aşınma mahsulü meydana gelmesinin mümkün olmadığını ifade etmek doğru olacaktır. Aşınma olan temas yüzeyi sayısının, tüm temas yüzeyine oranı κ olsun.

Sadece bir pürüz çifti temasında 2.a kadarlık bir kayma mesafesinde, birim kayma mesafesi için ortalama olarak aşınan malzeme hacmi δQ ile gösterilirse:

Toplam aşınma hacmi, bütün pürüz tepeleri teması dikkate alınırsa:

Toplam aşınma hacmi:

Toplam normal kuvvet:

Her iki denklemdeki alanların eşitliği yazılırsa:

Şeklinde bir tanımlama yapılır ve Ppl=H (sertlik) yazılırsa:

olur.

Archard Aşınma Denklemi

Bu bağıntı, birim kayma mesafesi için aşınan malzeme hacminin (Q), normal kuvvet (FN) ve yumuşak malzemenin sertliğine bağlı olduğunu ifade eder ve Archard Aşınma Denklemi olarak bilinir.

Buradaki K sabiti ise aşınma katsayısı olarak adlandırılır.

K boyutsuzdur ve 1 den küçüktür.

Mühendislik uygulamalarında K/H daha yaygın kullanılır.

Boyutlu aşınma katsayısı:

Adhesf Aşınma Örneği

Adhezif Aşınma Örneği (Yapışma Aşınması)

Adhezyon aşınma yüzey yapısı

Adhezif Aşınma Yüzeyleri

Adhezif Aşınmanın Önlenmesi:

1. Yağlama: İyi bir yağlamayla sürtünme azalır, ısı uzaklaştırılır. Sonuçta mikro kaynak bölgeleri önlenir.

2. Birbirleri içerisinde çözünmeyen metaller kullanmak:

Birbiri içerisinde çözünmeyen iki metal bir arada kullanılırsa mikro kaynaklanma engellenir. Ama pratikte kullanımı çok sınırlıdır.

3. Düz yüzeyler kullanmak: Eğer temas eden yüzeylerde çıkıntılar yoksa aşınma meydana gelmez.

4. Metal-metal temasını önlemek: Bu aşınmayı meydana getiren metal-metal yüzeylerinde kimyasal filmler oluşturursak (fosfat kaplama gibi) aşınmayı engellemiş oluruz.

2. ABRASİF AŞINMA

Sert, keskin bir parçanın daha yumuşak bir parçadan talaş kaldırmasına abrasif aşınma denir. Abrasif Aşınma, yırtılma veya çizilme aşınması olarak adlandırılır. Sert partikül veya sert yüzey kabarıklarının katı yüzeylerde hareket etmesi ile oluşur.

Yırtılma veya çizilme aşınması olarak da isimlendirilen abrasif aşınma, sistemde hızlı hasara neden olan önemli bir aşınma türüdür. Abrasif aşınma; biri diğerinden daha sert ve pürüzlü olan metal yüzeylerinin birbiriyle temas halindeyken kayma sırasında meydana gelir.

Sert parçacıkların yumuşak metale batması abrasif aşınmaya sebep olabilmektedir. Bu mekanizmaya örnek olarak, sisteme dışarıdan giren toz parçacıklarının veya bir motorda oluşan yanma ürünlerinin sebep olduğu aşınma tarzı verilebilir.

Abrasif aşınma hızı, malzeme yüzeyine etki eden yük azaltılarak düşürülebilir. Böylece parçacıkların yüzeye daha az batması ve çapak kaldırılması sırasında daha az iz bırakması sağlanır. Abrasif aşınma endüstriyel cihazlarda malzeme kayıplarının baslıca sebebidir.

Genel olarak malzeme yüzeylerinin kendisinden daha sert olan partiküllerle basınç altında etkileşip sert partikülün malzeme yüzeyinden parça koparmasına abrazif aşınma denir.

Aşındıran malzeme serbest halde iki metal arasında bulunuyorsa veya yalnız bir metali aşındıran sabit veya serbest taneler mevcut ise bu durumda; İki elemanlı ve üç elemanlı olmak üzere ikiye ayrılır.

İki elemanlı aşınma, aşındırıcı veya abrasif bir yüzey boyunca kaydığında oluşur. Üç elemanlı aşınma ise, abrasif iki yüzey arasında hapsolduğunda meydana gelir.

Metal-metal sürtünmelerinde aşınma iki elemanlı abrasif veya adhesif olarak başlayıp üç elemanlı abrasif olarak devam eder.

Bu durumda araya giren toz, mineral taneleri, çizilme sonucu serbest hale geçen mikro talaşlar ve parçalanmış oksit parçacıkları üçüncü elemanı (ara malzemeyi) oluşturabilir.

Serbest hale geçen mikro talaş parçacıkları genellikle ana malzemeden daha sert olduklarından (üç elemanlı) abrasif aşınma, aşınmayı hızlandırmaktadır.

Endüstriyel makinelerdeki en önemli aşınma türü olan abrasif aşınmaya genel olarak aşağıda verilen yerlerde rastlanmaktadır.

 Traktör, greyder gibi tarım ve iş makinelerinin bıçak ve tırnaklarında

 Cevher işleme ve öğütme tesislerinde

 Eleklerde

 Değirmenlerde

 Nakil makinelerinde

 Maden yatakları

 Yol yapımı

Bu gibi makine ve makine parçalarında yalnızca abrasif aşınmadan söz edilebileceği gibi, bunlardan başka aşınma türlerinin de birlikte görülmesi mümkündür

Abrasif Aşınmada Yüzeyden Malzeme Kaybı

Abrasif aşınma proseslerinde yüzeyden malzeme kayb, kırılma, yorulma ve ergime ile olur. Ancak abrasif aşınma mekanizması komplekstir. Bazen başka bir mekanizma veya birçok mekanizma birlikte oluşabilir.

1. Pulluklama 2. Mikroyorulma 3. Takozlama

4. Mikro çatlak 5. Kesme

Pulluklama: Bir yivden malzemenin kenarına doğru transfer edilmesidir, hafif yüklerde oluşur.

Mikroyorulma: Malzeme yüzeyinde oluşan hasarlar dislokasyonları üretir. İlave hasar (aşınmanın devam ettirilmesi) malzemenin mikro çatlak yorulmasına yol açar.

Takozlama: Aşındırıcının kesme mukavemeti/aşınan kütlenin kesme mukavemeti=0.5-1.0 arasındadır. Abrasif ucun önünde takoz şeklinde malzeme transferi oluşur.

Mikro çatlak: Yüzeye çarpan sert partikül veya iki yüzey arasında yüksek gerilme konsantrasyonlu bölgelerin çatlak oluşarak kopması sonucu oluşur.

Kesme: Şiddetli aşınmadır. Abrasif uç talaşlar halinde malzemeyi yüzeyden transfer eder.

Abrasif Aşınma Hacminin Hesaplanması

L kayma mesafesinden sonra sert partiküller ile aşınan hacim miktarı:

V= d² . tanθ . L

Aşınan malzemenin plastik temas altında normal temas basıncı sertliğe (Hv) eşit alındığından,

Gerçek temas alanı π(d.tanθ)2/2 aşağıdaki gibi verilir.

(1/2) π (d.tanθ)² = W/Hv

İki eşitliğin birleştirilmesi ile L mesafe kaymadan sonra W normal yükü altında olası aşınan hacim:

V= (2/π.tanθ).(WL/ Hv)

Abrasif aşınmada oluşan yivin yapısına göre adhesif aşınmaya benzer bir parametre eklenmesi ile:

V= Kab.(WL/Hv) olur. Kab= Abrasif aşınma katsayısı

Abrasif Aşınmayı Etkileyen Faktörler

Abrasif aşınma direnci aşağıdaki faktörlerin artması ile artar:

 Artan sertlik

 Azalan deformasyon sertleşmesi hızı (Deformasyon kabiliyetinin düşmesi)

Alaşımlama aşınma direncini arttırmak için uygulanabilir.

Yabancı partiküller aşınma direncini arttırabilir. Ana fazdan daha sert, tok, elastik modülü yüksek ve iri boyutlu partiküller aşınma direncini arttırır. Örneğin, SiC–Alüminyum

Abrasif Aşınmada Malzeme Özelliklerinin Etkisi

 Sertlik,

 Akma mukavemeti,

 Elastik modül,

 Ergime sıcaklığı,

 Kristal yapısı,

 Mikroyapı ve kompozisyon

 Tokluk

Kübik malzemeler hegzagonal metallerden yaklaşık iki kat daha fazla aşınır. Bu durum, hegzagonal metallerde deformasyon sertleşmesi hızının daha düşük olmasından kaynaklanır.

Metalik malzemelerde kırılma tokluğu belirli noktaya kadar abrasif aşınmayı azaltır. Kırılma tokluğunun çok yüksek olması sertliği düşürür.

Malzeme tokluğunun abrasif aşınma direncine etkisi

Yüksek abrasif aşınma dayanımı için sertlik ve tokluk arasında uygun bir oranın olması gerekir.

Bazı uygulamalarda kullanılan çelik parçaların hem aşınma dirençlerinin, hem de darbe dayanımlarının yüksek olması istenir. Bunun için parçaların yüzeylerinin sert, iç veya merkez bölgelerinin nispeten yumuşak olması gerekir.

Bu durumu sağlamak için parçalara yüzey serleştirme işlemi uygulanır. Çelik parçaların yüzeyleri;

 sermantasyon (karbürleme),

 nitrürasyon (nitrürleme),

 alevle ve endüksiyonla sertleştirme

olmak üzere dört ana yöntemle sertleştirilir. En uygun yöntem, parçanın kimyasal bileşimine ve boyutlarına göre seçilir.

Arayer ve yeralan katı eriyik alaşımı oluşturmak aşınmaya direnci arttırır. (Fe içine C ilavesi). Katı eriyikler sertlik ve aynı zamanda yüksek tokluk özelliklerini birleştirirler.

Alaşımlar içine ilave edilen veya oluşturulan ikinci fazlar sertlik ve akma mukavemetini arttırır. Sertlik ve akma mukavemetinin artmasıyla, aşınma direncinin de artması beklenen bir durumdur. Ancak ikinci fazların geometri, ana faz uyumu ve boyutuna göre aşınma direnci değişebilir.

Ortamın Abrasif Aşınmaya Etkisi

Aşınma ortamında abrasif aşınmaya etki eden parametreler aşağıdaki gibidir:

 Abrasifin cinsi,

 Sıcaklık,

 Temas hızı,

 Uygulanan birim yük,

 Nem,

 Korozyon etkisi

Abrasif Cinsi

Aşındırıcının sertliği, tokluğu ve boyutu önemlidir. Abrasif aşındırıcının sertliği aşınan malzeme sertliğini aşarsa şiddetli aşınma meydana gelir.

Abrasif aşındırıcının şekli oluşacak yiv geometrisi açısından önemlidir. Aşındırıcı şekli ve temas yükü, elastik temastan plastik temasa geçişi etkiler.

Aşındırıcılar küresel şekle yakın ise daha az aşınma oluşmaktadır. Abrasif aşındırıcının tokluğu yüksek ise malzeme daha fazla aşınır.

Aşındırıcının sertlik ve geometrisi yanında ara yüzeyde aşınan ve aşındırıcı arasında kalan veya aşınan yüzeye çarpan partiküller de abrasif aşınmayı etkiler.

Eşit gerilmede yüzeye serbest çarpan partiküller daha fazla abrasif aşınmaya yol açar. Kırılmaya yol açtığı için.

Sıcaklık

Sıcaklık artınca abrasif aşınma hızlanır. Bunun nedeni artan sıcaklıkla, sertlik ve akma gerilmesinin düşmesidir. Al ve Cu alaşımlarında artan sıcaklıkla abrasif aşınma çok az artış gösterir.

Temas Hızı

Temas hızı 0 dan 2.5 m/s değerine çıkınca abrasif aşınma hızı artış gösterir. Bu artış, sürtünmeden dolayı sıcaklığın artmasından kaynaklanmaktadır.

Yük

Abrasif aşınma uygulanan yükle orantılıdır. Ancak uygulanan yük aşındırıcı partikülleri kırmaya başladığında aşınma oldukça azalır.

Bununla birlikte, ortaya çıkan yeni keskin köşeli küçük

partiküller tekrar aşınma başlatılabilirler.

Seramiklerin gevrek olmasından dolayı belirli yükten sonra aniden aşınma ürünleri yüzeyden koparak ayrılır. Yüzeyde oluşan çekme gerilmesi ile çatlak oluşur ve kırılma olur.

Nem

Nemin abrasif aşınmaya etkisi konusu tam anlaşılamamıştır.

Çelik ve saf metaller üzerinde SiC (Silisyum karbür) partikülleri ile yapılan çalışmalarda nem artınca aşınmanın arttığı görülmüştür. Nem SiC partiküllerini kırarak yeni keskin köşeli partiküller ortaya çıkarmaktadır. Si3N4 (Silisyum nitrür) de ise bu durumun tersi görülmektedir.

Bununla birlikte, demir ve düşük karbonlu çeliklerde artan nemin aşınmayı azalttığı görülmüştür.

Korozif Etki

Korozif ortam olduğunda özellikle düşük pH ortamlarında çok yüksek aşınma olur. Abrazyon yüzey filmini bozarak korozyona uğrayacak taze alanlar oluşturur.

Abrasif Aşınma Dayanımı için Malzeme Seçimi Aşınma ve abrazyon dayanımı için:

 Çok Sert malzeme seçimi (Kaplamalar, CVD Elmas, PVD TiN vs.).

Zayıf yağlama durumları için:

 Dökme demir gibi malzemeler seçilir (Grafit iyi yağlayıcıdır).

Sürtünme ile yüzey hasarı (galling) ve yapışmayı önlemek için:

 İri karbür içeren malzemeler seçilir (Takım çelikleri ve dökme demirler gibi).

Yataklar için:

 Oksidasyon ve sıcaklık direnci gibi ilave faktörler düşünülmelidir. (Paslanmaz çelik, seramikler ve polimerler iyi seçim olabilir.)

 Kendinden yağlamalı yatak malzemeleri zaman zaman kullanılabilir (Metaller, polimerler ve metal matriks kompozitler gibi).

Abrasif Aşınma Örneği:

Abrazyon aşınma yüzey yapısı

Abrasif aşınmanın önlenmesi:

1. Yüzey Sertliğini Arttırmak: Abrasif aşınmanın engellenmesinde en etkili yoldur fakat bu durumda malzemenin gevrek olarak kırılma riski artacaktır.

2. Abrasif Parçacıkları Uzaklaştırmak: Sert partiküllerin sistemden uzaklaştırılmasıyla abrasif aşınma engellenir. Kullanılan hava su ve yağlarda kullanılan partiküller filtre edilerek sistemden uzaklaştırılırlar

3. Aşınmış Parçaları Değiştirmek: Abrasif aşınmaya uğrayacak parçanın kolay bir şekilde değiştirilmesine imkan verecek tasarımların yapılmasıyla aşınma ortadan kaldırılır

Malzeme açısından abrasif aşınmayı azaltmak için;

• Daha sert alaşım kullanmak,

• Sertlik arttırmak amacıyla ısıl işlem uygulamak,

• Malzeme yüzeyini sert bir tabaka ile kaplamak,

tavsiye edilir. Bu önlemlerle abrasif aşınma hızını azaltmak mümkündür.

3. YORULMA AŞINMASI (FRETTING)

Dişli çark, rulmanlı yatak ve kam mekanizmaları gibi birbirleriyle sürekli temasta olan parçalarla temas alanı küçük olduğun dan HERTZ basınçları meydana gelir. Bunlar da yüzeyin hemen altında değişen büyüklüklerde kayma gerilmelerine sebep olurlar böylece parçada yorulma başlamış olur.

Değişken-tekrarlı yüklemeler sonucunda maksimum kayma gerilmelerinin bulunduğu yerlerde plastik deformasyon ve dislokasyona bağlı olarak çok küçük boşluklar meydana gelir.

Bu boşluklar zamanla yüzeye doğru ilerler, büyürler yüzeyde küçük çukurların ortaya çıkmasına sebep olurlar, buna yorulma aşınması denir.

Yüzey yorulma aşınması olarak da adlandırılır. İki yüzey arasında tekrarlı yükler neticesinde yüzey ve yüzey altı çatlakların oluşması ile meydana gelir. Normal yorulmada kaymalı aşınmada da çatlak oluşabilir.

Yorulma aşınması düşük genlikli titreşimli yüzey teması esnasında meydana gelir. Atmosferik şartlarda titreşimli temasta olan yüzeylerde oksitlenme olur ve aşınma genelde oksidatif türdedir.

Hareket genelde harici titreşimden gelir. Ancak çoğunlukla malzemelerden birinin çevrimli gerilmeye uğramasından (Fatigue-yorulma) ileri gelir. Fretting (yorulma) aslında yorulma çatlağının erken hareket etmesidir ve bu durum hızlı hasara yol açmaktadır. Yorulma aşınması ağır yük altında yüzeyde statik çekme gerilmesi oluşması durumunda da meydana gelebilir.

Yüzeyde yük açısal olmayabilir. Yükün direkt yüzeye uygulanmasında da yorulma oluşur ki, buna çarpma yorulması (çekiç etkisi) da denir. Deneylerde yüzeye Brinell sertlik bilyesi gibi bir bilye belirli frekanslarla uygulanır ve yüzeyde oluşan kraterin çap ve derinliğine göre aşınma ölçülür. Korozif ortamlarda yorulmalı aşınma, yorulmalı korozyon aşınması olarak adlandırılır.

Yorulmalı aşınma ilk kez 1911 yılında Eden, Rose ve Cunningham tarafından tespit edilmiştir. Yorulma cihazında çelik parçaların üzerindeki kıskaçlarda kahverengi oksit ürünleri olarak bulunmuştur. Yorulma aşınması iki yüzeyin teması ve relatif hareketleri 125 nm gibi çok küçük aralıkta olsa bile gerçekleşebilir.

Mekanik Parçalarda Yorulma Aşınması

Yorulma aşınması titreşimli hareketle olduğundan çoğunlukla makine takımlarında meydana gelir. Tekerlek göbeği, pres bağlantıları, yük altında çalışan aks ve şaftların yatak çevreleyicileri gibi elemanlarda.

İki şaftın birbirine bağlantısındaki gibi esnek bağlantılarda çok küçük bir bağlantı uyumsuzluğunda bile çok önemli aşınma miktarına sebep olabilir.

Hem buhar ve hem de gaz türbinlerinde yorulma aşınmasının olduğu üç ana bölge bulunmaktadır. Bunlar:

1. Türbin diskinin dönen şafta ister gömme ister cıvatalı flanş ile bağlanmış olduğu bölgelerde.

2. Pervanelerin diske tek tek güvercin kuyruğu gibi veya toptan ağaç kökü gibi birleştirildiği yerlerde.

3. Pervanelerin dış kısmında kılavuzlarla temasta olan pervanelerin birleştiği bölgelerde.

Yorulma Aşınmasını Etkileyen Parametreler

1. Kayma Genliği

Birkaç nm ölçüsündeki hareket bile yorulma hasarına yol açabilmektedir.

Çok küçük genlik değerlerinin ölçülmesinde ve kontrol edilmesinde ciddi deneysel problemler vardır.

En iyi ve hassas ölçüm metodu Mindlin tarafından geliştirilen modeldir. Bu modelde bir bilye (rulman bilyesi) ile aşındırılacak malzeme belirli genlik ve yükte temas ettirilir.

Temasın Hertzian basıncı hesaplanmalıdır.

2. Normal Yük

Yük, Hertzian basıncı ilişkisi göz önüne alınarak seçilmeli.

Yükün artışı tepeciklerdeki basınç miktarını arttıracaktır.

Gerçek temas alanı: A= P/P0

P = Basınç

P0 = Akma basıncı ve genelde 3σ(ak)ç değerine eşittir (σ(ak)ç

çekmedeki akma gerilmesidir.)

3. Titreşim Frekansı

4. Yorulmanın Koşulları

Kürenin düz bir yüzeye teması, Düz bir yüzeye silindir teması, Silindirin silindir üzerine teması

gibi farklı koşullarda temas hali olabilir.

Temasın türünün yanında temasın yönü de önemlidir. İki silindirik parçanın paralel ve dikey hareketi yorulma aşınmasını şiddetle etkiler. Paralel temasta metal-metal temasının fazla olması dikey temastan çok daha fazla malzeme kaybına yol açmaktadır. Yüzey pürüzlülüğü artınca daha düşük yorulma aşınması oluşur (aşınma ürünleri tepecikler arasına girer).

Birbirine temas eden iki silindirde yorulma aşınması;

a) Sabit (alttaki) silindire paralel hareket, (Burada metal- metal teması daha fazladır)

b) Sabit silindire dikey hareket

Yorulma Aşınmasının Engellenmesi

 Dizaynda relatif hareket engellenmeye çalışılmalı.

 Yüzeyin dizaynın elverdiği şekilde pürüzlü bırakılması.

 Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulmalı (Shot peening).

 Kaplama yapmak

• Yüzeyin difüzyonla modifiye edilmesi (karbürleme, nitrürleme, kromlama, alüminyumlama) iyon bombardımanı (iyon implantasyonu)

• Yüzeyde çevreyle etkileşim ile bileşik oluşturma (oksidasyon, anodizasyon, fosfatlama)

• Yüzeyin yabancıbir yapı ile tamamen kaplanması (elektrolitik kaplama, plazma sprey, iyon yapıştırma, PVD, CVD)

Azot ortamında plazma kaynaklı iyon implantasyonu ile yüzeyi modifiye edilen S7 ve D2 çeliklerinde modifikasyon öncesi ve sonrası yorulma aşınma direnci aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

Yorulma Aşınması Örnekleri

Bu aşınmalar dişli çarklarda rulmanlı yataklarda ve yuvarlanma hareketi yapan mekanizmaların yüzeyinde görülür.

4. KOROZİF AŞINMA

Temas yüzeylerinden en az birinin çalışma ortamında korozyona uğraması ve izafi hareket sebebiyle meydana gelen korozyon tabakasının silinerek alınması ve bunun devamlı olarak tekrarı ile meydana gelen aşınmadır.

Başka bir deyişle, aşınan yüzeyler, aynı zamanda korozif etkilere de uğrarsa buna korozif aşınma denir. Kimyasal korozyon kendi basına oluşabildiği gibi diğer aşınma türleriyle birlikte meydana gelebilir.

Yüzeye sıkıca yapışan filmler oluşturan kimyasal reaksiyonlar yüzey aşınmasını önler. Fakat film kırılgan ve yüzeye gevsek ise aşınma büyük miktarda hızlanır. Çünkü sürtünme hareketi sırasında filmler çatlar ve yerinden kopar. Yani önce oksitlenme sonra abrasif veya adhezyon aşınması meydana gelebilir.

Korozif aşınma

Bu aşınma tipinde çalışma ortamıyla parça yüzeyleri arasındaki etkileşim önemli rol oynar. Korozif aşınma iki kademede gerçekleşir.

a) Temas halindeki yüzeyler ortamla reaksiyona girer yüzeyde bir tabaka oluşur.

b) Daha sonra temas noktasında çatlak oluşur veya abrazif etkiden dolayı oluşan tabaka hasara uğrar.

Engellemenin çaresi:

Burada en önemli faktör pastır. Bu ise okside neden olur.

Oksitten korunmak için kaplama yapmak, reaksiyona girmeyecek alaşım elemanları seçmek gerekir.

Korozif Aşınma Örneği

5. EROZİF AŞINMA

Bir sıvı içerisindeki sert partiküllerin malzeme yüzeyinden yüksek hızlarda kayması ve yuvarlanması esnasında çok sayıda parça koparması sonucunda meydana gelir.

Katı parçacık çarpması, bir yüzey üzerine katı parçacıkların sürekli çarpması neticesinde meydana gelen bir erozyon şeklidir.

Uçak üzerine çarpan yağmur damlaları, sıvı damlacıklarını dışarı atan fanlar, akışkan püskürtme yansıtıcıları, difüzyon pompaları gibi sesten daha hızlı akışkan taşıyan cihazlar, buhar türbin vanaları vs. erozif aşınmaya örnektir.

Ayrıca çoğunlukla pompalarda, pervanelerde, fanlarda, nozullarda, boru ve tüplerin dirseklerinde görülür.

Erozif aşınmanın şematik görünüşü

Erozif Aşınma Örnekleri

Kavitasyon erozyonu ise, katı yüzeye yakın bölgelerde, sıvı ya da akışkan içerisindeki alçak basınçlı bubble yani kabarcıkların patlaması sonucunda katı yüzeyde meydana gelen aşınma ya da kayıptır.

Katı yüzeye çarpan bu kabarcıklar, yüzeyde şok dalgaları oluşturur. Bu kabarcıklar sıvı içerisinde patladıkları zaman, kabarcığı çevreleyen sıvı kabarcık içerisindeki boşluğu doldurmak ister. İşte bu olay yüzeylerden malzeme kaybı ve/veya plastik deformasyona neden olacak derecede mekanik bir etki doğurabilen çok küçük akışkan jetleri oluşturur.