Yüzey çatlaklı 5086 Al - Mg alaşımının yorulma davranışları

GOROLONAL DOKTORA TEZ! MAKiNA ANABtLtM DALI

FEN BiLiMLERi ENSTiTOSO

yDZEY <;:A TLAKLI 5086 AI-Mg ALA~IMININ YORULMA DA VRANI~LARI

GUROLONAL

DOKTORA TEZi MAKiNA ANABiLiM DALI

Bu tez 25 106 /2002 tarihinde a~agldaki jUri tarafmdan oybirligi/ay eBltltlj!;8 ile kabul edilmi~tir.

(Dal1l~man) (Uye) ettin T)RAK<;IOGLU (Up) 009. Dr. Ahmet AKDEMiR (Uye) (Uye)

Doktora Tezi

YUZEY <;ATLAKLI 5086 AI-Mg ALA1;>IMININ YORULMA DAVRANI1;>LARI

GiirolONAL Selc;:uk Oniversitesi Fen Bilimleri Enstitiisii

Makine Anabilim Dah

DanI~man: Prof.Dr.Ahmet A VCI 2002-121 sayfa

Jiiri: Prof.Dr.Tevfik AKSOY Prof.Dr.Ahmet A VCI Doc;:Dr.Ahmet AKDEMiR

D09.Dr.Neemettin TARAKC;:IOGLU Yrd.Do9.Dr.Behc;:et DAGHAN

Bu 9ah~mada, mhh ta~IYlel1arda giivde malzemesi olarak kullamlan 5086 AI -Mg ala~lml levhalara ASTM standartlanna uygun boyutlarda hazlrlanml~ numunelere eliptik yiizey 9atlaklan a9IldI. Eksenel gekme yorulmasl altmda 9atlak ilerleme davram~lan ineelendi. Farkh ale, alt 9atlak boyutlannda ve parametrik a91larda 9atlak ilerleme hlzlan iil9iildii. Gerilme ~iddet faktiirleri hesaplandl ve malzemenin yorulma 9atlak ilerleme hIZian ile malzeme sabitleri e ve n degerleri belirlendi. Biiyiime hlzlanna ve gerilme ~iddet faktiirlerine bagh olarak degi~ik geometri ve biiyiikhikteki 9atlaklann ilerleme davraIll~lan ineelendi.

Anahtar Kelime1er davram~l

Ph.D. Thesis

AXIAL FA TIGUE CRACK BEHAVIOUR OF 5086 AI-Mg ALLOY WITH SURFACE CRACK

GLirolONAL Selyuk University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering

Supervisor: Prof. Dr. Ahmet A VCI 2002-121 pages

JUri: Prof.Dr.Tevfik AKSOY Prof.Dr.Ahmet A VCI DoyDr.Ahmet AKDEMiR

DoyDr.Necmettin TARAK<;:IOGLU Yrd.Doy.Dr.Behyet DAGHAN

In this study, axail fatigue crack growth behavior of 5086 AI-Mg alloy plates

was examined with elliptical surface crack for various alc and alt ratios. Crack growth rates were measured for different parametrical angles. Stress intensity factors

were obtained by Newman-Raju equations. Fatigue crack growth exponent "n" and

crack growth coefficient "c" of the matarial were determined by Paris-Erdogan

equation. Crack growth behaviours were examined relating to growth rates and stress

intensity factors for various crack geometries.

Keywords: Axial fatigue, elliptical surface crack, crack growth behaviour

Bu <;:ah~l11anm tal11al11lanmasmda her tlirlli destegini eSlrgel11eyen tez dam~l11amm SaYll1 Prof.Dr.Ahmet Avcl'ya mim1et ve ~likranlamm sunanm.

Malzeme temininde FMC Nurol Savunma Sanayii yetkililerine ozellikle Ar-Ge Mlidlirli Melih ~ahin'e, malzel11e analizleri konusunda TOMOSAN yetkililerine, SEM fraktograflannm gekil11inde yardlmlanm esirgel11eyen YllcllZ Oniversitesi Metalurji Fakliltesi Ogretim Oyesi Saym Prof.Dr.Ahmet Topuz'a , EDM tezgahll1da Eliptik 9atlaklann a91lmasmda tezgahll1 kullamlmasll1a izin veren An Metal A.~. 'ne te~ekklirli bir bor<;: bilirim.

Aynca Boliimlimliz ogretim elemanlanna, atelyemizde bullman teknisyenlerimiz Haljt Tutar ve Ahmet Okuyan'a te~ekklir ederim.

G~F : Gerilme ~iddet faktiirli

LEFM : Lineer elastik kmlma mekanigi SEM : Tarama elektron mikroskobu COD : <;:atlak agzl ayllma miktan EDM : Elektro erozyon tezgahl E :Elastisite modlilii

G :Kayma modiilii 0" : Nominal gerilme R : Y orulma gerilme oram

(J max : Maksimum gerilme (J min : Minimum gerilme 0" ak : Akma Dayal1lml ~ : Ortalama gerilme V III

(J a : Gerilme ampllitudli, gerilme genligi

M : Gerilme ~iddet faktiirii degi~imi

0" xx : x' ekseni dogrultusundaki gerilme

0" yy : y' ekseni dogrultusundaki gerilme

O"zz : z' ekseni dogrultusundaki gerilme

'-9' : z'dlizlemine dik yondeki kayma gerilmesi

0xz : y'diizlemine dik yondeki kayma gerilmesi

o yz : x' dlizlemine dik yondeki kayma gerilmesi u,v,w : x,y,z yonlindeki yer degi~tirmeler

c

:

Birim uzama miktan v . Poisson oram

K, : Mod I gerilme giddet faktorli K" : Mod II gerilme ~iddet faktorli Kill : Mod III gerilme ~iddet faktorli Kc : Kmlma Toklugu

a : <;:atlak derinligi

2c : Eli ptik yatlagm geni~ligi

N : <;:evrim saYlSl

daJdN : <;:atlagm derinligine ilerleme hlZl dc/dN : <;:atlagm yUzeydeki ilerleme hlZl

¢

: Yiizey yatlagl parametrik aylSl W : Numune geni~ligi

Ek : ikinci tOr eliptik integral

Q

: Y iizey yatlagl ~ekil fakti:irii Me : Magnifikasyon katsaYlsl

o"/. : <;:ekme gerilmesi O"b : Egilme gerilmesi

ABSTRACT TE~EKKUR

SEMBOLLER VE KISAL TMALAR i<;:iNDEKiLER

1. GiRi~

2. KA YNAK ARA~TIRMASI

3. ALUMiNYUM ALA~IMLARI

3.1 Aliiminyum Ala~lmlanmn Gosterim $ekilleri

3 .1.1 Sertle~tirme Durumuna Gore Aliiminyum Ala~lmlan 3.2 5XXX Ala~lmlan

3.3 AI-Mg Ala~lmlan ve Katkl Elemanlanmn Etkisi 4. YORULMA

4.1 Giri~

4.2 Tekrarh Yliklemeler ve Yorulma 4.3 Tekrarh Ylikleme Gerilme Tipleri 4.4. Yorulma Olaymm Geli~imi

4.4.1 Y orulma yatlagm111 ba~lamasl

4.4.2 Yorulma yatlak ilerlemesi

4.4.3 Yorulma yatlak ilerleme mekanizmalan 4.4.4 Yorulma kmk yiizeyinin incelenmesi

4.4.5 Kahcl gerilmelerin yorulma omlii lizerine etkisi 5. KIRILMA MEKANiGi

5.1 Giri~

5.2 Lineer Elastik Kmlma Mekanigi

5.3 Numune Geometrisine Gore Bazl <;:atlaklann G$F Degerleri 5.3.1 Bir levhada kalmhk boyunca yatlak

5.3.2 <;:ift kenar yatlagl 5.3.3 Tek kenar yatlagl

5.4 Eliptik YUzey <;:atlagl Analizi

5.4.1 Newman ve Raju'nun eliptik yiizey yatlag111da G$F hesabl 5.5 Ylizey <;:atlagl Ayllan Numunelerde Numune Boyutlanmn Etkisi

vi 11 111 IV VI 3 7 9 11 13 15 18 18 19

20

22 23 24 25

28

28

30 30 31 34 34 35 36 36 39 41

6.1.1 Kimyasal analizi

6.1.2 Deney Malzemesinin Metalografik Yaplsl 6.2 Deney Malzemesinin Mekanik Ozellikleri

6.2.1 Deney malzemesinin sertlikiilyiim deneyi 6.2.2 Deney malzemesinin yekme deneyi 6.3 Deney Numllnelerinin Hazlrlanmasl

6.4 Eksenel Gerilmeli Y orulma Deney Seti Tasanml

6.4.1 Yorulma cihazl mekanik donanuTIl

6.4.2 Strain -Gage ile yorulma tezgahll1ll1 dinamik kalibrasyonu

6.5 Deneyin Yapllt~l

7. DENEY SONU<;:LARI VE TARTI~MA 8. SONU<;:LAR VE ONERiLER

9. KAYNAKLAR 10. EKLER

EK-l EDM tezgahll1da kullamlacak bahr w;:lan ve numune boyutlanl1l veren tablo

EK-2 i1K- gerilme ~iddet faktiiriinii (GSF) hesaplayan program

EK-3 Deney nllmunelerine ait sonuylar tablosll

vii 43 44 45 45 45 46

47

48 50 52 54 87

89

95 95

97

100

1800'lii Ylllarda buharlI makinanm geli~tirilmesi, mekanik olarak yalI~an ve hareketli parya saYlSl fazla olan araylann yaygm bir $ekilde kullamlmasl, ta~lmacllIk dahil, yogu yerde, tekrarlI degi~ken yiiklere maruz kalan paryalarda hasarlann ortaya ylkmasma sebebiyet vermi~tir. BUyiik yapIlarda ve makine paryalarll1da, kesit degi~ikliginin oldugu kIsll111arda, yiiklel11enin tekrarlI degi~ken uygulanmasl durumunda, oldukya dli~lik gerilmelerde yatlaklann ortaya ylktIgl tespit edilmi~tir.

Dizayn degi~iklikleri, yatlak tutuculann yaygm bir ~ekilde kullamml, imalat sanayiindeki yalI~anlann egitil11 seviyesindeki iyile~l11eye ragmen, yorulma hasarlanmn onUne bir tUrlU geyilememi~tir. 1950 Ylhnda bir Comet uyagl yUksekte iken aniden Akdeniz'e dU~mU~tUr. Yapdan uzun ve yorucu yah~l11alar sonucu basl!1yh kabinlerdeki yorulma hasan sonucu kazanm meydana gcldigi anla~llml~tIr. Y orulma hasanmn kabindeki peryin deliklerinde meydana gelen yatlaklardan ba$ladlgl tespit edilmi~tir.

Daha sonraki tarihlerde bu ili~ki malzeme ozelliklerini de iyine alacak tarzda geli$tirilIni$lir. GlinUmUze kadar yapIlan yalI$malar degi$ik cins malzemelerde yatlak meydana geli$i, yatlak ilerleme luzlan ile bunlann Uzerinde etkili olan faktOrlerin ara~tmlmasl Uzerine yogunla$tmlml$tIr.

GUnUI11Uzde kolay $ekil alabilme, yiiksek kaynak kabiliyeti ve korozyona kar$l dayamml!1dan dolaYl; uyaklar, uzay araylan, denizaltIlar, zlrhlI araylar ve modem teknolojinin gerektirdigi bir yok yapl ve makinalann degi$ik boliimleri AI-Mg ala$lmlanndan meydana gelmi$tir. Bu elemanlar yah$malan esnasmda yorulmaya maruz kalIrlar, akabinde hasar ve kmlmalar meydana gelir. Yorulma sebebi ile l11eydana gelen yUzey yatlaklan ani olarak yaydabilir, bUyUk hasar ve kmlmalara

sebep olabilir. <;atlak boyutlan ve ilerleme taw onceden bilinirse daha ba~langlyta, dizayn slrasmda gerekli onlemler almabilir .

Kmlma mekaniginin en onemli yonii, gerilme altmdaki malzemelerde yatlak ve gerilme konsantrasyonunu artmcl faktorleri goz oniine alarak kmlma problemlerinin incelenrnesidir. Makine ve konstriiksiyonlarda kullamlan malzemelerin yogllnda imalat slrasmda meydana gel en mekanik yatlaklar olabilir. Makine paryasmm iiretimi slrasmda da ye~itli nedenlerden dolaYI kilcal yatlaklar olu~abilir. Bu yatlaklar civannda gerilme konsantrasyonlan ve kmlmaya sebep oilir.

Uyaklarda ve basmyh kaplarda slkhkla goriilen hatalann ba~ll1da yiizey yatlaklan gelir. Yiizey yatlakh paryalann kmlma dayammlannll1 ve yatlak ilerleme hlzlanmn tahrnininde kesin bir gerilme analizi yapllmahdlr. Bu gibi zorluklar arz eden problemlerin kesin yoziimii bulunamadlgmdan yalcla~lk metotlar kullamlmaktadlr. Yiizey yatlagmll1 ilerleme davram~lannll1 analizinin yapIlabilmesi iyin gerilme ~iddet fakt6rii ve ilerleme hlzlanmn tespit edilmesi gereklidir.

Bu yah~mada, bir yok makine elemamnda ozellikle Zlrhh ta~IYlcilarda govde malzemesi olarak kullamlan 5086 AI-Mg ala~lml seyilmi~tir. H32 hadde seliligi verilerek yiizeyde bir sertlik kazandmlan ve temper haddesi yapilan bu levha ~eklindeki malzemeden, ASTM standartlanna uygun boyut:arda yorulma test numuneleri hazlrlanarak iizerlerine eliptik ytizey yatlaklan aYlldl.

Eksenel yekrne yorulmasl altmda yatlak ilerleme davram~lan incelendi. Farkh alc, alt yatlak boyutlannda ve parametrik ayilarda yatlak ilerleme hlzlan olyiildii. Gerilme ~iddet faktorleri hesaplandl ve malzemenin yorulma yatlak ilerleme hiZlan ile malzeme sabitleri c ve n degerleri belirlendi. Biiyiime hlzlanna ve gerilme ~iddet faktorlerine bagh olarak degi~ik geometri ve biiytiklUkteki yatlaklann ilerleme davral1l~lan incelendi.

2. KAYNAKARASTIRMASI

Y orulma sebebi ile olu~an ylizey «atlaklan hlzh ~ekilde yayllabilir, tehlikeli hasarlar ve kmlmalar meydana gelebilir, bliylik ekonomik kaYlplara ve can kaybma neden olabilirler. <;:atlak boyutlan ve ilerleme tam bilinirse daha ba~langl«ta, dizayn suasmda gerekli onlemler almabilir (Newman ve Raju 1992).

<;:atlaklann ilerleme davral1l~lanl1l belirleyen onemli iki husus vardll'; bunlardan birisi uygulanan yi.ik, digeri de ortam etkisidir. Yorulmada deney esnasmda uygulanan gerilme oral1ll1ln etkisini (Mahmoud 1988, Mahmoud 1989), yi.ikleme frekansmlll «atlak ilerleme hlZlna etkisini Wu (1985) , uygulanan ana gerilmenin etkisini (Lida 1975, Scott 1981) «entikli malzcmeler lizerinde ara~llrml~lardlr. Bir malzemede uygulanan yi.iklin «atlak dlizlemi pozisyonuna bagh olarak; aynlma, kayma ve Ylrtllma ~eklinde liy degi~ik temel «atlak bliyi.ime tam gorlilebilir. Bunlar bir malzemede ayn ayn bulunabildigi gibi birlikte de olu~abilir.

Ylizey «atlak ilerlemesi, malzemenin yah~llgl ortama, slcakhga ve gerilme durumuna bagh olarak farkhhk gosterir (Nishioka ve ark. 1977, Kawai 1982).

Bir yapl elemanmdaki yatlagm ilerlemesine yatlagm yeri, ~ekli ve bliyliklligli etki eder. Bir kenar «atlagl, bir yi.izey yatlagl veya malzemeyi boydan boya delen bir <;atlaglll daVral1l~l aym olmaz. Her biri i«in ayn bir model ve analiz gerekir. Ylizey yatlagl bunlarm i«erisinde en kompleks olal1ldu. <;:linkli yi.izey yatlagmm ilerlemesine etki eden faktorler digerlerine gore hem daha fazla hem de karma~lktu. Diger yatlaklarda merkez aylya benzer bir ayl degi~imi yoktur. Ylizey yatlagmda «atlak ilerlemesi uzunluga, «atlak derinligine, malzemenin kahnhgma merkez aylsma gore

degi~ken bir yapl izlerken diger tiir «atlaklarda sadece yatlak uzunlugu ve malzemenin kalmhgl problemi vardlr (Lin 1999).

Uyaklarda, denizaltIlarda, uzay araylarmda ve basmyh kaplarda slkhkla giiriilen

hatalann ba~mda yiizey yatlaklan gelir. Yiizey yatlakh paryalann kmlma

dayammlanmn ve yatlak ilerleme hlzlanmn tahmininde kesin bir gerilme analizi yapIlmahdlr. Bu gibi zorluklar arz eden problemlerin kesin yiiziimii bulunamadlgm

dan yakla~lk metotlar kullamlmaktadlr.

Bu konuda ilk yah~malar yakla~lk analitik yiintemler kullanarak Irwin (1957),

ile Paris ve Sih (1965) tarafmdan yapIlml~, yiizey yatlaklan iyin gerilme ~iddet

faktiirii (G:;;r) bagmtIlanm elde etmi~lerdir. Her iki ifade arasmda yok kiiyiik bir

fark bulunmaktadlr. Bir levha iizerine uzunlugu 2e, derinligi a olan yan eliptik bir

yatlak ayllan numuneye uygulanan tekrarh yekme yiikii etkisinde yatlak yevresinde

meydana gelen Mod I G:;;F'nii hesap etmi~lerdir. Gerilme ~iddet faktiirlerini veren

bu ifadeler baz ahnarak ye~itli yah~malarda magnifikasyon (biiyiitme) katsaYlsl

eklenmi~tir (Kobayashi ve Moss 1968).

Browning ve Smith (1976), Kobayashi (1975), Smith ve Sorensen (1974)

yekme yiikii altmda, sonlu kalmhktaki bir levhada yan eliptik yiizey yatlagmm analizinde alternatif metotlar kullanml~lardlr. Kathiresan (1976) ise ye~itli yatlak

~ekilleri iyin yatlak ueu boyunea gerilme ~iddet faktiirii degi~imlerinin elde

edilmesinde sonlu elemanlar metodunu kullanml~lardlr. <;:ekme yiikii altmda derin

yan eliptik yiizey yatlaklannm (a/t=0,8 a/e=0,2) Smith ve Sorensen (1974), Kobayashi (1975), ve Kathiresan (1976) tarafllldan elde edilen G:;;F degerleri

arasmda %50-100 uyumsuzluk vardlr. Bu sonuylar arasmdaki uyumsuzlugun nedeni hala tam anla~Ilamaml~llr.

Newman-Raju (1976), sonlu kahnhktaki ve sonlu geni~likteki bir numunede

eliptik yiizey yatlaglllm ilerleme davral1l~lanm ineelemi~ ve bununla ilgili ampirik

formiilleri geli~tirmi~tir.

Nishioka ve arkada~lan (1977), eksenel yekme ve egilme yorulmasl altmda

merkez yentikli numuneler ve eliptik yiizey yatlakh numunelerde uygulanan gerilme degi~iminin etkisini ara~tlrml~llr.

Elektron mikroskobu ile kmk yiizeylerin ineelenmesi temel yorulma

mekanizmasmm anla~ilmasmda yeni ufuklar ayml~llr. Irwin (1957) lineer elastik kmlma mekaniginin temeli olarak kabul edilen, gerilme ~iddeti faktiirii K'YI tammlaml~tlr. Griffith teorisini siinek malzemelere pratik bir ~ekilde uygulanabilecek

tarzda geli~tirdi, 1960'h Yl11ann ba~lannda plastik uzama bliyiiklligli ve yorulma omrli arasmdaki ili~kiyi veren Manson-Coffin e~itligi ile kliylik yevrim saytll uzama kontro11li yorulma davram~l aylkhk kazanml~ttr (Parton 1978), Paris ve Erdogan 1960'h Yl11arda yorulma yatlagl ilerleme hlZlmn en uygun olarak gerilme ~iddet faktOrlinlin bir fonksiyonu olarak aylklanabilecegini g6stermi~lerdir. Daha sonraki tarihlerde bu ili~ki malzeme oze11iklerini de iyine alacak tarzda geli~tirilmi~tir. Glinlimlize kadar yapllan yah~malar degi~ik cins malzemelerde yatlak olu~umll

mekanizmasl, yatlak ilerleme kinematigi ilc bllnlann iizerinde etkili olan faktOrlerin ara~tmlmasl lizerine yogunla~tmhnt~tlr.

Pierce (1978), eliptik yiizey yatlakh T-I ve H-II yeliklerinin egilme yorulmasl altmda yatlagm ilerleme davram~lanm; Kobayashi-Moss denklemlerini kullanarak incelemi~tir. Egilme yorulmasl altmda yiizey yatlagmdaki degi~imin T-I yeligi iyin

ba~langly yatlagl ~ekillerinin bir fonksiyonll ~eklinde oldllgunu gostermi~tir.

VasL;devan ve arkada~lan (1984), 2020 AI ala~llnlannda LT tipi kompakt yekme deney nllmunelerinde, R=0.33 ve 25 Hz'de yorulma deneyleri yapml~, mikro yapll1m ne ~ekilde degi~tigini tesbit etmi~ ve sonuylanm 7075 Al ala~lmlan ile yaptlml~ benzer yah~mayla kJyaslaml~ttr.

Li ve Jin (1992), yapml~ oldugu yah~mada 5083 AI-Mg malzemede ve bu malzemeye farkh oranlarda SiC katarak kompozit malzeme olu~turmak suretiyle deneyler yapnll~ttr. Kompakt yekme numuneleri hazlrlayarak 25 Hz de yorulmaya tabi tutmu~ ve ilerleme hlZI ile G$F degerlerini tespit etmi~tir. 5083 AI-Mg malzemenin G$F'nlin de L'lK=3 ile 12 MPa0n iyin yatlak ilerleme hlZll1ll1 da/dN= l.lO'6 ile l.l 0.3 mmldevir arasll1da arasmda degi~tigini deneysel olarak

bulmu~tur.

Kaynak (1992), 2024 ve 7075 Al malzemede meydana gelen klsa ve uzun yatlaklann farkh gerilme oranlannda yatlak ilerleme htZlanm ve gerilme ~iddet

faktorlerini bularak, yatlaklann ilerleme davram~lanm tesbit etmi~tir. Gerilme orammn yatlak ilerlemesine etkisini ara~ttrml~ttr.

Malzemede ana yatlaklann olu~masl yamnda kliylik ylizey yatlaklan da meydana gelebilmektedir. Bu konuda ye~itli deneysel yah~malar yapllml~ttr. Lefrancois (l986)'da yaptlgl yah~mada kliylik yiizey yatlaklannm yok kliylik mesafelerde uzun yatlaklara nazaran daha hlZh ilerledigini deneylerle tespit etmi~tir.

Ktiytik ytizey yatlakJanmn daha yok inkltizyon gibi metalUrjik dtizensizliklerden kaynaklandlg1l11 ifade etmi~tir.

Tanaka (1982), az karbonlu yelikJerde R=-l oranll1da, 33 Hz'de hem yentiksiz hem de ko~ede yatlakh numunelerle egilme yorulmasl deneyleri yapml~llr. Ko~e

yatlag1l11 yeyrek eJiptik yatlak gibi dti~iinerek yatlak ilerlemesini incelemi~, mikro fraktograflann analizi ile yatlak ilerleme analizini yapml~llr.

3. ALUMiNYUM ALA~IMLARI

Aliiminyuma kahlan bazl ala~lm elementleri, aliiminyumun mekanik

ozelliklerini geli~tirir. Alliminyuma kallian ba~hca elementler Mg, Mn, Si, Cu, Zn ve bazl durumlarda Ni ve Ti'dur. Ala~lIn elementleri alUminyum iy;nde liy farkh halde bulunur (Polmear 1989):

1-AiUminyum ivinde kall hal de vozlinebilir.

2-Kall halde aiUminyum ivinde vozUnmeyip veya s1111rh miktarda <;ozUnlip, mekanik bir kan~1111 olu~turabilirler.

3-Aliiminyum ile veya kendi aralannda metaller araSl bile~ik veya kimyasal bile~ik

o 1 u~tlU"abi lirler.

Alliminyuma katlian ala~lIn elementlerinden genellikle malzemenin ~ekil degi~tirme kabiliyetini ve korozyona direncini azaltmadan dayamm ozelliklerini geli~tirmesi beklenir. Alliminyuma vok az miktarda katlian Mn, Mg, Si, eu ve Zn aiUminYl1111Lln YUzey Merkezli Kubik kristal yapls111da yer alarak, kall eriyik olu~tururlar. Kristal kafesin kayma direncini yUkseltirler. Boylece ~ekil degi~tirme

kabiliyeti fazla dli~Urlilmeden akma dayamml ylikseltilmi~ olur.

Ala~lm elementlerinin miktanmn artmaslyla, bunlarll1 alliminyum i<;erisinde <;ozlilmeyen klsml sert kmlgan metaller araSl bile~ikler ve ara fazlar olu~tururlar. Boylece dayamm daha da ylikselir fakat, ~ekil degi~tirme kabiliyeti azahr.

Alliminyumun ala~lm elementleri ile Olll~turdugu kall eriyik yliksek slcakhklarda oda slcakhgll1a nazaran daha fazla ala~lm elementini <;ozebilir. Bu nedenle yliksek slcakhktan itibaren, soguma slrasll1da sekonder ayn~malar ortaya

y!lanaktadlr. Bu olaydan faydalamlarak, bazl ala~lmlanna yokelme sertle~mesi uygulanarak, dayammlan ala~lmSIZ yeliklerinki kadar ytikseltilebilir.

<;:okelme sertle~mesinde uygulanan ISII yevrimler her ala~lm iyin farkhdlr ve bunlar deneyler ile saptanml~tlr. Ala~lmlandlrma sonucu Al 'un dayammmda elde edilen ylikseli~ diger ozelliklerdeki degi~imlerle biriikte meydana gelir. Bu

degi~imler farkh ala~lmlarda nadiren aym olur. <;:linkii, bir yok ala~lm esas itibariyle aym yekme dayammma sahip olmalanna ragmen, slineklik, elektrik ve lSI iletkenligi ve iiretim kolayhgl bakImmdan geni§ olyiide fark gosteriricr. Ala~lmlandInnada yogunluk fazla degi~mez. Bazl hallerde ala~lmlar daha da hafif olurlar.

Aliiminyumun Fiziksel ozellikleri;

Aliiminyumun fiziksel ozellikleri, Alliminyum Development Association

tarafmda veri len datalara gore Tablo 3.1 'de ozetlenmi~tir (ASME, 1979).

Tablo 3.1 Alliminyumun bazl fizikselozellikleri

Fiziksel ozellikler Degerler Birimler

Atom aglrhgl 26.97

---Yogunluk( 20" C slcakhkta) 2.70 g/cm3

Young Modiilii 68,28 GPa

Poisson Oram 0.34

---Isii Genle~me KatsaYlsl (20-100" C) 23.5x10-6 crn/cmDC

Ergime Sicakhgi 660

DC

Kaynama Sicakhgi 1800

DC

Ergime Gizli ISlsl 93 callg

Elektrik Direnci 2.65-2.95

_f.J0.

_/

_em' Katlla~ma Halindeki <;:ekIne 6.7 % Yansltma (beyaz l~lk iyin % olarak) 75-80 %

Hava ile temas eden altiminyumun ylizeyinde te~ekklil eden sabit bir oksit tabakas1 sebebiyle metal (ve ala~lmlan) genellikle atmosfer etkilerine kar~l bliylik bir direny gosterirler. Bu tabaka yok ince ve renksizdir. Hava ile temas eden yap!lar

bozularak gn bir renk allr. Altiminyumun do gal koruyucu tabakas1111

kuvvetlendirmek lizere kimyasal fosfatlama ve kromatlama yap!labilir

Elektrik iletiminde kullal11lan kablo ve bus-bar'lann yap1m1 iyin, bliylik olylide aliiminyum metali kullamlmaktadl1·. TIu durum alUminyum metalinin sahip oldugu yliksek iletkenligindendir. Ticari altiminyum ozglil direnci 2.65-2.95!f0. / em' 'dlir.

Bu da hacim esas all1unak sureti ile baklr iletkenliginin % 60'lm temsil eder. Bununla beraber (ag1rhk esas al111arak mukayese edildiginde) alliminyumun iletkenligi, bakmnkine gore daha yliksektir. Ta~lY1c1 ayaklar aras111daki ay1khg111 bi.iylik 0lmas1 ve ytiksek yekme dayamm111111 gerekli oldugu havai hat iletkenlerinin imalinde, iy klsm1 yelik olan altiminyum kablolar kullamhr.

Altiminyumun esas ozelliklerinden birisi de, bilinen imal usullerine gore

~ekillenme ve i~leme kolayhg1d1r. Saf metal yumu~ak ve tel haline gel me ozelligine

sahip oldugundan, yekme, blikme, presleme ve kahplama gibi muhtelif soguk

i~lemlerle ~ekillendirilebilir. Altiminyum haddelenerek kahnhg1 6,09 f.lm olan folyo haline getirilebilir. Boyle bir i~lem sonunda bir kilogram alUminyum 61,15 m2 lik bir alam kaplar. Bu sebepten ottirli saf altiminyum ancak levha, ~erit, folyo, tel ve

dovtilmli~ paryalar halinde kullamhr (Yegorova 1978).

3.1 Aliiminyum Ala~lmlanmn Giisterim ~ekilleri

Altiminyum ala~lmlan dovlilebilir ve doklim ala~lmlan olmak lizere

sl1uflandmlacag1 gibi, lS11 i~lem (sertle~tirme) durumlanna gore de slmflandmlabilir. Ekstrtizyon, haddeleme, dovme, yekme gibi metal biyimlendirme i~lemlerine uygun olan ala~1111lann111 s111lflandmlmas111da, geli~mi~ lilkelerde dort haneli saY1sal tamt1m kullamllr. SaY1sai tamt1m111 ilk rakam1, altiminyuma ilave edilen ana ala~lm metalini ifade eder. Bu ifade ~ekli a~ag1da gosterilmi~tir (Altenpohl 1991).

% 99.00 veya daha yilksek safiyette alilminyum Al-Cu (ya~landmlabilir) Al-Mn (ya~landmlamaz) Al-Si (ya~landll'llabilir) Al-Mg (ya~landll'llamaz) AI-MgSi (ya~landll'llabilir) Al-Zn (ya~landll'llabilir) Diger Elemanlar Kulla11llmayan seriler 1 XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX 9XXX

Amerikan Standart Birligi (ASA)'ya gore dort rakamm ilk rakaml teme! ala~m1 e!ementi iyeren alilminyum ala~lml oldugunu belirtir. I XXX dizisi an ali.iminyumu (%99.00) belirtir. Son iki rakal11 % 99 degerinin noktadan sonraki rakamlan11l belirtir. Soldan ikinci rakam ise ozel denetlenen katl~lk (empiirite) elementlerinin saYlsml beliliir ve 1 'den 9'a kadar degi~ir. 2XXX 'den 8XXX'e kadar olan alilminyum ala~lmlannda, ilk rakam ala~lmm tilrilnil ikici rakam degi~i1111eri

simgeler, son iki rakal11m ozel bir anlaml yoktur.

Son Yillarda endilstriyel kullammma ba~lanan ve ozellikle uyak sanayiinde yaygmla~an alilminyum-lityul11 ala~llTIlan 9XXX serisine dahil edilmektedir.

Dokilm ali.il11inyum ala~lmlarl da a~aglda belirtildigi ~ekilde diirt rakamlt saYlsal ta11ltllTI kulla11lltr. Bu sistemde ilk rakam alilminyuma ilave edilen ana ala~ll11

metalini ifade eder.

% 99.00 veya daha yilksek safiyette aliiminyum Al-Cu

AI-SiCu veya SiMg Al-Si Al-Mg Al-Zn Al-Mg-Sn Al-Sn Kulla11l1mayan seriler lXX.x 2XX.X 3XX.x 4XX.x 5XXX 6XXX 7XX.X 8XX.x 9XX.X

Sertle~tirme durumlanna gore lse ahiminyum ala~lmlan, 1St! i~leme tabi tutulamayan aliiminyum ala~lmlan ve ISll i~lem uygulanabilen aitiminyum ala~lmlan olmak tizere 2'ye aynhrlar (AltenpohlI991).

3.1.1 Sert1e~tirme durumuna gore aliiminyum ala~lmlan

1st! i~lem uygulanamayan, soguk deformasyonla sertlik verilebilen alLiminyum ala~nnlanllln gosterim ~ekilleri a~agldaki gibidir (Santa~ 1995).

Hl- Sadece defomlasyon sertle~tirmesi yapt!ml~ ahiminyumlar ie;in knllalllhr. ikinci rakam sertlqtirme miktanlll gosterir. Omegin <;:eyrek sertlik verilmi~ malzeme ie;in (HI2), tam sertlik verilmi~ malzeme i<;:in (HI8) gibi.

H2- Deformasyon sel11e~tirmesi yapllml~ ve tavlanml~ ali.iminyumlar i<;:in kullalllhr. Soguk deformasyon verilmi~ Al·Mg ala~lmll1a e;eyrek, yanm, tie; e;eyrek ve tam sertlik verilir, temperlenir. Bu i~lemlerin gosterimi H22, H24, H26 ve H28 ~eklindedir.

H3- Deformasyon sertle~tirmesi yapllml~ ve stabilize edilmi~ aliiminyumlar i<;:in kullal1lhr. Soguk deformasyon verilmi~ AI-Mg ala~lmll1a <;:eyrek, yanm, ti<;: <;:eyrek ve tam sertlik verilir, temperlenir ve stabilize edilir. Bu i~lemlerin gosterimi H32, H34, H36 ve H3 8 ~eklindedir.

ISII i~lem uygulanabilen aliiminyum ala~lmlanllln gosterimi a~agldaki gibidir.

Tl- imalat slcakhgll1da sogutulmu~ ve dogal olarak ya~landmlml~.

T2- imalat slcakhgll1da sogutulmu~, soguk ~ekillendirilmi~ ve dogal olarak ya~landmlml~.

T3- Soli.isyon i~lemi uygularum~, soguk ~ekillendirilmi~ ve dogal ya~landlrma yapt!ml~tlr.

T4- Ergitme 1St! i~lemi uygulanml~ ve ya~landmlml~tlr.

TS- imalat slcakhgll1da sogutulmu~ yapay ya~landmlml~, slcak ~ekillendirilen tirtinlere uygularur.

T7- Soliisyon i~lemi uygulanml~ ve stabilize edilmi~tir.

T8-Soliisyon i~lemi uyglllanml~, soguk ~ekillendirilmi~ ve yapay ya~landlrma yapIlml~t!r.

T9-Solilsyon i~lemi uyglllanml~, yapay ya~landlrma yapllml~ ve sogllk ~ekillendirilmi~.

TIO- imalat slcaklIgmda soglltlllmll~, soguk ~ekillendirilmi~ ve yapay ya~landlrma yapIlml~tIr.

Isil i~lem uygulanamayan aliiminyum ala~lmlan:

En saf (%99.99), %1 'e kadar ye~itli temparatiirler iyeren ticari safllktaki aliiminYllm, AI-Mn, AI-Mn-Mg ve AI-Mg gibi ala~lmlar yogunlllkia IsIi i~lem

uygulanamayan Al ala~lmlan olarak adlandmlIr. Yassl haddelenmi~ ilrilnlerinin (yaprak,levha, varak) yakla~lk %95'i bunlardan yapilu. Dayal1lm artl~l, imalat esnasmdaki sogllk yalI~ma kO~llllannda, dagIima sertle~mesiyle (AI-Mn) ve katl eriyik sertle~mesi (AI-Mg) veyaher ikisinin birlikteligi ile (AI-Mn-Mg) meydana gelir.

Silper saf ve ticari safllktaki Al (1 XXX serisi) dil~ilk dayal1lm ozelliklerine sahiptir. Bll ala~l1nlar, elektriksel iletkenlerde, kimyasal i~lem cihazlanyla, yaprak olarak ve mimari ilrilnlerin gerektirdigi silsleyici i~lemlerde kullal1llabilir.

Manganm alilminyumdaki; maksimum kat! yozilnilrliigil % 1.82' dir ve demirin bulunmasl durllmunda bu yozilnilrlilk azalir. AI-Mn ala~lmlannda (yogllnlllkia ortakla~a kllllal1llan 3003 ala~lmmda) silnekligi alabildigince azaltan iri birincil kristaller olan MnAl6 tanecikleridir.

Magnezyumun, AI-Mn ala~lmlanna ilavesi, dayal1lmmda daha fazla artl~a sebebiyet verir. Mg ilavesi yeniden kristalle~me slcaklIgml da ylikseltir. Genelde Al-Mn ve/veya Al-Al-Mn-Mg ala~lmlan, korozyon direnci yiiksek silnek ve artan dayal1lm ozelliklerinin birle~tigi bardaklar, pi~irme kaplan ve yat! kaplama lev hal an ilretiminde kllllal1llIriar.

Isil i~lem uygulanabilen aliiminyum ala~Jmlan:

ISII i~lem uygulanabilir i~lenmi~ aliiminyum ala~lmlan, ISII i~lemle glis:lendirmeye kar~lhk veren aliiminyum ala~lmlannm ba~hca iiy serisini kapsar. AI-Cu ve AI-AI-Cu-Mg (2XXX serileri), AI-Mg-Si (6XXX serileri) ve AI-Zn-Mg-Cu (7XXX serileri). IsIl i~lem uygulanabilen i~lenmi~ alLiminyum ala~lmlannm hepsi

yokelme sertle~mesi araclhglyla giis:lendirilir. Dayamm aylSlndan iki grupta slmflandll'llabilir: Kolayca kaynaklanabilen orta dayammh ala~lmlar AI-Mg-Si ve gers:ekte uyak yaplml is:in geli~tirilmi~ ve yiiksek dayamma sahip olan AI-Zn-Mg

ala~lmlardlr. Bu ala~lmlann biryogu (AI-Cu, AI-Cu-Mg ve AI-Zn-Mg-Cu), yok slmrh kaynaklanabilme yetenegine sahiptir.

3.2 5XXX Ala~Jmlan

5XXX ala~lmlan ilk olarak 1930'larda daha yiiksek dayammh, iyi

~ekillendirilebilen, yiiksek dayammh ve kaynaklanabilir levha malzemelerine

duyulan ihtiyaca cevaben geli~tirildi. 5052, 5056 ve 5154 ala~lmlan11ln bilinen ilk kulla11lmlan 1932-1934 Yillan arasmdadlr.

Bu ala~mllann iiretimindeki problemlerden ve deformasyon sertle~mesi ile elde

edilmi~ tavlann kararslzhgmdan dolaYI bunlann birkas: yIl is:in geni~ olyiide kulla11lmlan mlimkiin olmaml~tJr. 2. Diinya sava~l esnasmda Mg klthgl da AI-Mg

ala~mllanmn geli~imini kesintiye ugratml~tIr. Geli~mi~ filtrasyon teknolojisinin

kulla11lma sunulmasl, DC dokiim ve daha giiylii haddeleme fabrikalanmn

geli~tirilmesi yakla~lk olarak % 5,5'e kadar Mg is:eren ala~lmlann liretimindeki sorunlan geni~ olyiide yozmii~tlir. DolaYlsl ile 1950'ler ve 1960'lar yok saYlda yeni 5XXX ala~lml11ln geli~tirilmesine ve kulla11llmasma ~ahitlik etti. 1980'lerin sonunda

iyecek kutuJarl pazan iyin yok biiyiik miktarda iiretilen 5082 ve 5182 ala~lmlan ilk olarak 1963 ve 1967 Yillarmda geli~tirilmi~tir.

5XXX ala~lm1annm yekici ozellikleri bun1ann doklim, ekstriizyon, pi aka,

levha ve tel formlannda kulla11llmalan11l miimkiin kIlml~tIr. Ashnda 5XXX ala~lmlan, lSI I i~lem uygulanmayan aliiminyum ala~lmlanndan olup dokiim iiriinleri veya plaka olarak bu denli geni~ kulla11lm ala11lna sahip alan yegane ala~lmlardlr.

AlUminyum Birligi tarafmdan kaydedilmi~ 30'un iizerindeki % 5XXX ala~lml basll1yh kap levhasll1dan, elek teline ve balistik zlrh plakaSlr.a kadar yok ye~itli amaylarla kullamlmaktadlr.

Magnezyum, aliiminyum iyerisinde yok yiiksek bir katI yoziinebilirlige sahiptir. A~Irl doymu~ katI yozeltilerin yokelme hlZlnll1 yok dii~iik olmasma ragmen magnezYl.lmun yoziinebilirligi oda slcakhgll1da yakla~lk olarak agll'hkya % ITye kadar dii~er. Ticari olarak elde edilebilen ala~llnlan esasen tiim Mg ala~lmlan olaganiistii bir su verme prosediirUne ihtiyay duymakslZln yozelti iyerisindc tutulabilirler. Mg ilavesi aliiminyumun yogunlugunu dU~iiriir. Fakat Mg'nin en onemli etkisi deformasyon sertlqmesi vasltaslyla AI'nin dayamm kazanmas1l11 kolayla~tmna yetenegini artIrmaktlr.

Ticari 5XXX ala~lmlan aguhkya %0,5-0,6 Mg iyerirler. 5XXX serisi ala~lmlan olu~turan fazlar, bile~imlere bagii olarak ye~itli tiplerde olabilirler. YUksek Mg iyeren Al iyerisinde Mg2Si'nin yok dli~iik yoziiniirlUgUniin olmasmdan dolaYI,

Mg2Si genellikle ala~lml olu~turan ba~hca fazlardan biriymi~ gibi mikro yaplda bl.llunur. Aynca Fe, Mn ve Si iyeren fazlar da yaplda bulunur. Bu fazlar Ab(Fe, Mn)JSi, AI6(Fe, Mn) veya AhFe ~eklinde olabilir. Ticari ala~lmlar % I 'e kadar Mn iyerebilirler. On ISltma slrasmda Mn bir dagll1lm (dispersoid) ~eklinde yokeltildiginde Si, Mg ile _Mg2Si ~eklinde baglarum~ oldugundan AI6(Mn, Fe) fazll1ll1 olu~masl kolayla~tlfllml~ olur. 5XXX ingotunun on ISltmasl aym zamanda katIla~ma

esnasmda olu~an dendiritlerin Mg yekirdeklenmesinin de oniine geyer. Genellikle korozyondan korunmak iyin ilave edilen Cr'un Al iyerisinde yok dii~iik bir yoziiniirlUgii vardlr.

Tablo 3.2' de 5XXX sensl alUminyum ala~lmlanndan en yaygll1 kullamlanlanndan bazIlannll1 kimyasal kompozisyonu verilmi~tir (Polmear, 1989).

Tablo 3.2 BaZI 5XXX serisi aliiminyum ala~lmlan ve ala~lm elementlerinin yiizde oran1an Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti S005A 0.30

OA5

0.05 0.15 0.7-1.1 0.10 0.20

-5050B

OAO

OA5

0.05 0.15 1.1-1.7 0.10 0.20

-5051 0.30

OA5

0.05 0.25 l.4-2.1 0.30 0.20 0.10 5052 0.25

OAO

0.l0 0.10 2.2-2.8 0.15-0.30 0.10

-5754

OAO

OAO

0.10 0.50 2.6-3.6 0.30 0.20 0.15 5082 0.20 0.35 0.15 0.15 l.0-5.0 0.l5 0.25 0.10 S056A

OAO

0.50 0.10 0.1-0.6 1.5-5.6 0.20 0.20 0.20 5251

OAO

0.50 0.15 0.1-0.5

1.7-2A

0.15 0.15 0.15 5049

OAO

0.50 0.10 0.5-1.1 l.6-2.5 0.30 0.20 0.10 5454 0.25

OAO

0.10 0.5-l.0

2A-3.0

0.05-0.2 0.25 0.20 5086

OAO

0.50 0.10 0.2-0.7 3.5-4.5 0.05-0.2 0.25 0.15 5083

OAO

OAO

0.10

OAO-1.0

4.0-4.9 0.05-0.2 0.25 0.15 5182 0.20 0.35 0.15 0.2-0.5 4.0-5.0 0.10 0.25 0.10

3.3 A1-Mg Ala~lm1an ve Katkt E1eman1annm Etkisi

Aliiminyum ve magnezyum yok geni~ bir bile~im araltgmda kal! yozeltiler olu~turur ve % 0,8 ile % 5 'ten biraz fazla Mg iyeren i~lenmi~ ala~lmlar en iyi

~ekillendiri1ebildikleri. ha1de, daha faz1a magnezyum iyerikli olanlar daha yiiksek dayamm ve daha iyi dokiilebilirlige sahiptir. A1iiminyumda erimi~ olan magnezyumun onu daha anodik yapmasl geryegine ragmen seyreltik Al-Mg ala~lm1an bir dereceye kadar, ozellikle deniz suyuna ve alkali yozeltilere kar~l

korozyon direncine sahiptir. Bu gibi ala~lmlann ilzerinde olu~an spinel oksit (MgO, Ah03) koruyucudur ve bu katl c;ozelti, bu tip bir ala~lmda korozyona kar~l en iyi bir olu~umdur. Bu ala~lmlar demir ve silis ic;eriklerini diger alUminyum ala~m1lanndan daha dil~ilk tutabilmek, maksimum korozyon direnci ve yanslhclhk elde edebilmek ic;in genellikle yiiksek kaliteli (%99,7 Al veya daha iyi) alilminyumdan hazu·lamr.

AlUminyuma ilave edilen ala~lmlaYlcl elemanlann etkileri oldukc;a onemlidir: Eger silis miktan % 0,2' den daha dil~ilkse dayammda herhangi bir arh~ olmakslzm silnekligi ve yentik toklugu az miktarda azahr. Eger silis % 0,2'den daha fazla ise doklilebilirlik ozelligi ve akl~kanhgl artar. Uzayabilirligi azahr. Silisin si.iri.il1l11e direnci i.izerine herhangi bir etkisi bulunmamaktadlr.

Demir, % 2.7 den daha di.i~ilk Mg ic;eren ala~m1larda slmrh bir gilc;lendirici etkiye sahiptir. Daha yilksek magnezyum ic;eren ala~lInlarda bulunmasl durumllnda ise bir dereceye kadar silnekligi, silrill1l11e ve yorulma dayammml azaltan kaba kristaller olu~lImuna sebep olur. Aym zamanda yeniden kristalle~me slcakhgml da mimr.

KilC;ilk miktardaki bakmn genellikle mekanik ozellikler ilzerinde bir etkisi olmamakla birlikte, korozyonu azalttlgl gorillmil~tilr.

Mangan ve krom matriste eriyebildikleri ic;in her ikisi de, dil~ilk magnezyumlu

ala~lmlann silnekligini azalhr malzemeyi daha mukavemetlendirir. Ama magnezyum ic;erigi daha yiiksekse, c;ozilnilrlilk azahr ve ikinci faz tanecikleri kabala~lr. Bu elemanlann ilave edilmesiyle dil~ilk slcakllk ozellikleri ve silrill1l11e direncinde bir miktar artl~ olur; demirin korozyona neden olan etkisini azaltlr veya bertaraf ederler.

Titanyum, seryum, talyum+bor, molibden, vanadyum ve zirkonYllm tane kliC;illtilcil olarak ilave edilir. Magnezyum ic;eren ala~lmlann yilksek slcakhktaki oksidasyonunu azalhrlar. Bu gibi elemanlar tane boyutunu kilc;illttilgilnden iyi mukavemet ve silneklik ozellikleri verir bu yiizden bitmi~ ilriinler ince taneli kilc;illtilcillerle ilretilmelidir.

Magnezyum Al-Mg ala~lInlannm mekanik ozelliklerini kontrol eden ana elemandlr, ama diger ala~lmlaYlcl ilaveler veya safslzhklar da etkili olur.

Tavlal1l11l~ temper durumunda Al-% I Mg ala~lml ic;in c;ekme dayamml liD MPa civannda ve akma dayamml 40 MPa 'dlr. Al-% 5 Mg ala~lml ic;in ise bu degerler 310 MPa ve 160 MPa'dlr. Bu magnezyum ic;erik arahklannda uzmna % 25'i

a~ar. Tamamen sertle~tirilmi~ AI-% 6 Mg ala~1I11l % 5'lik uzamaya kar~lhk , 300 MPa akma dayaOlmll1a sahiptir. Magnezyum miktanndaki ytikseime, malzemenin alabilecegi sertlik ve dayaOlml artmr.

AI-Mg ala~lmlanl11n slcakhkla ozellikleri degi~ir. Dti~tik slcakhklarda % uzama ve <yentik dayaOlmll1da onemsiz bir azalma ile dayaOlmda ve yorulma direncinde onemli bir artl~ meydana gelir. Ytiksek slcakhklarda mukavemet ve yorulma direnci diger bir <yok aliiminyum ala~lmlannkinden daha yava~ olur.

Aliiminyum magnezyum ala~lmlan saf altiminyumundakinden yUksek dayal11ma sahip olmasl nedeniyle bir <yok alanda kullal11hr. Ytiksek dayal11mlan ve iyi kaynak kabiliyeti, ta~lInaclhkta ve yaplsal mtihendislik alanlannda bu ala~lmlan onemli ktlmaktadlr. Ta~lmaclhkta kan1yon govdeleri, petrol nakli i<yin btiytik tanklarda, slit, tahtl depolanmalannda, basll1<yh kaplarda, soguk depolama sistemlerinde kullal11lmaktadlr. Aynca korozyona kar~l dayaOimlan parlak ytizey kabiliyetleri sebebi ile stisleyicilikte kullaOlhr. Kolay ~ekil alabilmesi, hafifligi kaynak edilebilirliginin iyi oimasl ve korozyona kar~1 direncinin ytiksek olmasl sebebiyle savunma sanayiinde tanklarda, zlrhh ta~IYlcllarda ana govde malzemesi olarak kullal11lmaktadlr (Altenpohl 1991).

4. YORULMA

4.1 Giri~

Genel kullal1lml itibariyle yorulma kelimesi malzemelerin statik gerilme veya uzamalar altmdaki davral1l~lanndan farkh olarak, tekrarh gerilme veya uzamalann siiz konusu oldugu durumlardaki davral1l$lanl1l belirlemek iyin kullal1llmaktadlr (Fuchs 1980). Yorulma ASTM E 206-72' de a$agldaki gibi tarif edilmektedir . "Bazl nokta veya noktalardaki tekrarh gerilme veya uzama $artlanna maruz malzemelerde giiriilen, yeterli bir tekrar saYlSlndan sonra yatlaklann biiyiimesine veya tamamen kmlmaya sebep olan lokalize, siirekli geli$en kahcl yapl degi$ikligi olaYldlr. ikinci tal1lmlamada iizerinde durulan dort onemli ozellik; olaym siirekli geli$mesi, lokalize olmasl, yatlaklann biiyiimesi ve sonuyta kmgm ortaya Ylkmasldll'. Uygulamada makinalara ve dolaYlslyla makine paryalanna genellikle biiyiikliigii ve yonii diizenli veya diizensiz olarak zamanla degi$en kuvvetler, gerilmeler, egilme ve burulma momentleri etki ederler (Parton 1978). Bu tiir zorlanma altmdaki makine elemal1l kendi akma smm altll1daki bir gerilmede beklenmedik bir tarzda kmlabilir. Bu Wr

kmlmalara yorulma kmlmasl adl verilir (Dieter 1988).

Uygulamada kaqIia$llan zamana bagh gerilmeler; (i) sabit biiyiikliik ve frekansh gerilmeler, (ii) diizensiz biiyiikliik ve frekansh gerilmeler olarak iki grub a aynhr (Kayah 1983). Sabit biiyiikliik ve frekansh gerilmeler ; (i) degi$ken gerilmeler, (ii) dalgah gerilmeler, (iii) tekrarh degi~ken gerilmeler olarak gruplandmlabilir.

Y orulma hasan herhangi bir uyancl belirti vermeden ve aniden kmlmal1ln ortaya ylkmasmdan dolaYl ozellikle tehlikelidir. Yorulma kmk yiizeyi gevrek kmlma yiizeyine benzer (Dieter 1988). Bir yorulma kmgmm genellikle kmk yiizeyi

incelenerek diger hasar tiirlerinden kolayca aynlabilir. Yorulma kmk ilerledikc;e,

kmlan kesit yi.izeyleri birbiri ile siirtiinerek yiizeyin 0 bolgesinin parlak bir goriiniim

almasml saglar. Daha sonra kalan kesit alam, uygulanan yi.ikii ta~lyamayacak bir

duruma geldiginde ani kmlma olu~ur kesitin bu klsml kaba bir goriiniimde olur.

Y orulma kmgl yi.izeyinde duraklama c;izgileri ve tehar izlerini gormek

miimkiindiir. Yorulma c;atlagmda yorulmal11n durduruldugu arahklar veya yi.ik degerlerinin degi~imi nedeniyle, agaylarda goriilen ya~ halkalanr.a benzer duraklama

yizgileri meydana gelebilir. Bu yizgiler yorulma yatlagl ucunun degi~ik zamanlardaki konumunu gosterir. Gerilmenin her yevriminde bir duraklama yizgisi meydana gelir.

Duraklama c;izgilerinin varhgl 0 kmk yi.izeyinin yorulmu~lugunun kesin delilidir,

ancak bunlann bulunrnamasl kmk yi.izeyinin yorulmadlgml gostermez. Duraklama

yizgilerinin meydana gelmesi ic;in malzemenin yeterince siinek olmasl gerekir. Aliiminyum ala~lmlan gibi siinek malzemelerde duraklama c;izgileri c;ok net

meydana gelir. Duraklama c;izgilerinin ~ekline bakllarak yorulma kmlmasmm

ba~lama ve hiiyi.imesi hakkmda bilgiler edinilebilir (Santa~ 1987).

4.2 Tekrarh Yiildemeler ve Yorulma

Tatbikatta c;ok defa kuvvetin zamanla c;abuk degi~erek etki ettigi goriiliir. Bu

hale, in~aat miihendisliginde, fabrikalarda, tren raylannda, koprlilerde, piston

kollannda, yaylarda, perc;in ve clvatalar gibi elemanlarda, kaynak diki~lerinde, uc;ak ve gemi yapl elemanlannda, tank ve personel ta~IYlcllarda vb. de rastlal11hr. Bu gibi

elemanlarda yorulma sebebiyle kmlma haline pek c;ok rastlamhr.

Konstriiksiyon tiplerinin tespitinde yorulmal11n ne oldugu dikkate almu. Genellikle kopnilerdeki ve in~aatlardaki gerilim degi~imleri yeterli bliyi.ikliikte ve

hasar meydana getirebilecek biiyiikliikte degildir. Normal tren yolu kopriilerinin parc;alanndaki sec;ilen gerilimlerle asgari 50 senelik bir periyotta iki mil yon kadar tehar saYISI varsaYlhr.

A~m ve ani titre~ime maruz makine elemanlannda gerilim degi~iminin olabilecegi onceden sezilebilir. Bu konstriiksiyon elemanlan faydah kullanma

omiirleri esnasmda milyonlarca defa donebilirler. Mesela piston tipi uc;ak motorlanmn hank ~aftlan 200 saatten daha az uc;u~larda yakla~lk 20 milyon defa

gerilim degi~imine maruzdur. Bunun yanmda, uyagm aglrhglm miimklin mertebe dii~iirmek iyin krank ~aftmm boyutlan, kiiyiik tutulur. Motor devamh olarak maksimllm giiyte yah~tlgmdan gerilim de oldllkya yiiksektir. Buhar tiirbininin krank

~aftmda ise bu gerilimler, ~ayet tUrbin 10 sene siirekli yah~ll"sa , yakla~lk 192 milyon defa degi~ime maruzdur. Bununla beraber kollardaki gerilmeler 3 milyar defa degi~ime ugrar.

Y orllima tekrarh gerilime maruz motor ~aftlan, clvatalar, yaylar, di~liler, tUrbin kanatlan, llyak ve otomobil paryalan, tren raylan, tel halatlar, araba akslan ve tekrarh yiike maruz daha bir yok makine paryasmda dikkate ahnmahdlr. Yorulma nedeniyle hasara ugrayan metallerdeki gerilmeler, yorulma dayamml ile beraber ifade edilir. Bir yok malzemeler iyin limit gerilmeler bulunmu~tllr. Bu maize meier, hasar vermeksizin devamh tekrarh yiik yiiklenebilir. Bll gerilme limitine "dayamm limiti" denir. Tekrarh yiike maruz malzemenin dayamm limitinin biiyiikhigii, gerilimin ~ekline baghdll". Dayamm limiti tespit edilmedikye tamaml ile tersine don en limit degeri anla~tllr. Bir yok konstriiksiyon malzemeleri iyin dayamm limiti statik yekme dayammmm 0,2-0,6'SI arasmda degi~ir. Tekrarh yiike maruz metal den

yaplhm~ makine ve konstriiksiyon elemanlannm bir yogu oncelikle yorulma deneyine tabi tutulur.

Bir metal numunesini degi~ken gerilmelerin etkisine blrakabilmek iyin yorulma makinalan denilen ozel cihazlar gerekmektedir. Bu makinalarda bulunan tertibat sayesinde nllmuneye uygllianan gerilmeler iki Slmr arasmda zamamIl siniizoidal bir fonksiyonu olarak devamh degi~ebilmektedir. Gerilmenin artarak maksimum olmasl ve soma azalarak minimuma dii~mesi ve bunu takip ederek tekrar ba~langlytaki degerini almasl ile malzemeye bir yiikleme i~i yapllml~ olur (Dieter 1988).

4.3 Tekrarh Yiikleme Gerilme Tipleri

Tekrarh gerilmenin max. ve min. degerinin basma veya yekme olmasma gore $ekil 4.1 'de goriildiigii gibi karakter bakllnmdan farkh iiy tip tekrar bolgesi dii~iiniilebilir. Bunlardan birincisi, kuvvetin negatif min. bir degerden negatif max.

bir degere degi~tigi biilgedir ki buna, negatif tekrar biilgesi veya basma tekJ'ar biilgesi denir (Dieter 1988).

Bir diger biilgede, gerilme yekme ile basma arasmda degi~ir ki buna da alternatif biilge denir. Bir iiyiincU tekrar biilgesi gerilmenin pozitif min. bir degerden, pozitif max. bir degere ula~tIgl biilgedir ki buna pozitif tekrar biilgesi veya yekme tekrar biilgesi denir. Makine mUhendisliginde daha yok alternatif tekrar biilgesi, in~aat mUhendisliginde bu biilge ile beraber negatif ve pozitif tekrar biilgesinde kullamhr.

Tekrarh yUklemelerde geri_{lmeler a mnx}. "iist gerilme" 've amin."alt gerilme" arasmda degi~ir. Bu gerilmenin ortalamasma (am _{=amax+amin)/2)} "ortalama gerilme , (2an =amnx - a min)/2) gerilme degerine "gerilme genligi denir. Gerilme zaman sinUzoidal egrisinin periyodik olarak tekrarlanan en kUyUk parc;:asma bir yevrim veya bir tekrar denir. ~ekil 4.2 de min. gerilmenin max. gerilmeye oram R=amin.i _{a max} gerilme oram diye isimlendirilir.

Yorulma deneyinde veya endUstriyel yorulma olaylannda tatbik edilen periyodik gerilme, degi~en basma gerilmeleri olabilecegi gibi degi~en yekme ve basl11a gerilmeleri ~eklinde de olabilir. Degi~en yekme ve basl11a gerilmeleri halinde de degi~imler simetrik olabilecegi gibi asimetrik de olabilir.

Yorull11a deneyleri uygulanan gerilme tipine bagh olarak eksenel gerilmeli, egme gerilmeli, burma gerilmeli ve bile~ik gerill11eli yorulma deneyleri olarak sllldlara aynhr.

,

Negatif Alternatif Pozitif

,

,

~, + ,

c?

~,

'"

,

E

,

,

~

,

'"

CIl

,

,

_,

,

"

,

.§

,

.;:

,

---.

"

,

0

,

,

Zaman

,

21c?

OJ' ~: OJ'

u-:

_,

! 2 3 4 5 6 7

!- Gene! degi~ken basma gerilmesi

2- Basma gerilmesi halinde degi~im (crma,=O)

3- Asimetrik rrekIne-basma gerilmesi degi~imi

4- Simetrik rrekIne basma gerilmesi degi~imi (Tam degi~ken)

5 - Asil11etrik yekIne-basl11a gerill11esi degi~il11i

6- C;:ekIne gerill11esi halinde degi~il11 ("mi"~O)

7 -Gene! degi~ken yekIne gerill11esi

cr, crn ---

---]-cr, O"max / '-I-L---.J amin O'min cr, cr,

$ekiI4.2 Tekrarh gerill11e-zal11an egrileri

4.4. Y orulma Olaymm Geli~imi

Yorull11adan kaynaklanan bir hasann l11eydana gelebill11esi ly111 liy tel11el faktOrlin olU~l11aSl gerekInektedir. Bu faktOrler ;

- Yeterli bliylikli.ikte rrekIne gerill11esi,

-Uygulanan gerill11ede yeterli l11iktarda degi~me ve dalgalanmalar, - Plastik ~ekil degi~imi . .

Eger bu faktorlerden bir tanesi bile eksik olsa yorull11a olaYl ba~lal11ayacak ve ilerlemeyecektir. Y orull11a rratlagll1111 ba~lal11aSl mikroskobik degi~kenlere baghdlr.

Uzun ylliar yorulma deneyleri sabit biiyiikliikte degi~ken yiiklerle yapllml~tlr. Bu yIllarda yapllan c;:ah~malarda amac;: yorulma c;:evrim SaYlSll1l tespit etmekti. Yorulma

0laY111111 siirekli geli~me gostermesi, bununla beraber 1940'h Ylllarda baZl

ara~tmllacllann yorulma hasanl1ln metaliirj ik hatalardan ve dizaynlardan kaynaklandlgl, siireksizliklerden c;:atlag111 ba~laYlp ilerledigini tespit etmesi (izerine

ara~tlrmacllar yorulma c;:atlag111111 baZl kademelerden gec;:erek meydana geldigi fikrine

kapIldllar. Bunun iizerine yapllan c;:all~malar mikroskobik olarak devam etti ve yorulma ic;:in tic;: temel kademenin gerektigi sonucuna vanldl. Bun kademeler c;:atlag111 ba~lamasl, c;:atlag111 ilerlemesi ve kmlma 0laY111111 gerc;:ekle~mesi idi. Bazl

ara~tlrmacIlar c;:atlag111 ba~lamasl ve ilerlemesini birinci kademe olarak kabul etmektedirler.

4.4.1 Y orulma ~atIagmm ba§lamasl

Y orulma hasanl1l ba~latan, lokalize siirekli geli~en kallcl yapl degi~imi esasen

mikroplastisedir. Bu plastisite malzemenin c;:ok biiyiik bir klsml elastik bolgede

oldugu durumda meydana gelir. Metallerde mikroplastik deformasyon metodu kristal taneleri bloklanl1ln birbiri iizerinde kaymasl ~eklindedir. Bu davral1l~ kayma

yolu ile deformasyon olarak adlandmhr. Mikro seviyede plastik deformasyon ancak tercihli diizlemlerde, bu diizlemlerdeki tercihli dogrultularda bu utizlemde etkili olan

kayma gerilmesi degerinin kritik bir degeri gec;:mesi halinde meydana gelir. Y orulma

c;:atlagl gene I olarak yiizeyde ba~lar ancak c;:ok az da olsa numunenin ic;: yiizeylerinde de c;:atlak ba~langlcl goriilmektedir (Shanley 1955).

Numunenin iizerindeki c;:izgiler, tala~h i~leme esnas111da ortaya C;:lkan izler ve

kanallar buitman bolgeler c;:atlak ba~lamasl ic;:in en uygun kIslmlardlr. Aynca yiizey ve yiizeyin hemen alt111daki malzeme siireksizlikleri c;:atlak ba~lamaSll1l etkiler.

Malzeme ic;:erisindeki seli yabancl maddeler, c;:okelmi~ sert tanecikler , ikiz Sll1lrlan

ve tane s111Idan gibi kristal siireksizlikler, matris malzemede, mikroskobik gerilme konsantrasyonlanna sebep olur.

Y orulma c;:atlak ilerlemesi iizerinde etkili olan fakt6rlerin, c;:atlak ba~lamasl

kademesinde etkili olanlardan farkh oldugunu gostermektedir. Bu konuda iki gorii~

vardlr. Birincisi; c;:atlak bir defa meydana geldikten soma hlZh olarak ilerler. Zira;

s:atlagm us: klsmmda yiiksek gerilme konsantrasyonu olu~ur, ~eklinde ifade edilmektedir. Diger ikinci gorti~te; s:atlak ba~lamasl, tahrnin edilen yorulma omrtinlin % 1 O'luk klsmmda meydana gelirken geri kalan %90'hk klsmmda s:atlak ilerlemesi

~eklinde ortaya S:lkar denilmektedir. Bazl durumlarda s:atlagm te~ekklil ettigi ancak bir miktar ilerledikten sonra sabit kaldlgl tespit edilmi~tir. Buna ilerlemeyen s:atlak denir (Frost 1955).

4.4.2 Yorulma ~atIaglDlD i1erlemesi

Yorulma s:atlak ilerlemesi iki ana klslmda incelenir. 1. Kademe s:atlak ilerlemesi, 2. Kademe s:atlak ilerlemesidir. Stirekli hareketli kayma bantlan yorulma s:atlaklanl11n s:ekirdegidir. Ba~langlS: yatlaklan kayma bantlan boyunca ~ekillenir.

<;:atlak ilerlemesi kIsa mesafeler is:in kayma bantlan boyunca yonlenmi~tir.

Birinci kademe yatlak ilerleme hlZl, genel olarak ikinci kademe s:atlak ilerleme hlZl ile mukayese edildiginde oldukya dli~tikttir. <;:ok kristalli bir metalde birinci kademe yatlak ilerlemesi, sadece birkas: tane yapl me safe yol aldlktan sonra ikinci kademe yatlak ilerleme boliimtine geyilir.

Linee r b / n

I

"-daldN=cL'lKn I I.Biilge.1 II.Biilge I •

Gerilme ~iddet faktiirii L'.K (log. skala)

Sekil 4.3'de sunek bir malzemenin yorulma «atlagl ilerleme safhalan gorUlmektedir. <;:atlak ilerleme hlzl du~ey eksende logaritmik olarak (log(da/dN)) ve gerilme ~iddet faktiirU de logaritmik olarak yatay eksende (logL'.K ) ahnarak «atlak

ilerleme hlz ve GSF degi~imi grafigi verilmi~tir. Genel olarak yatlak ilerlemesi u« bolgeden olu~ur. I. bolgede «atlagm olu~ma safhasldlr, kritik bir GSF degerine kadar devam eder. Bu deger a~Ilmca II. Bolge «atlak ilerleme safhasldlL Y orulma onu"li esas itibari ile II. Beilge olarak dU~UnUlebilir (Ritchie 1979). III. Doige ise kmlma

safhasml gostermektedir. Lineer kullma mekanigi yardlml ile «atlak ilerleme hlZlannll1 hesaplanabilecegi «e~itli denklemler geli~tirilmi~tir. Bunlardan birisi

Paris-Erdogan e~itligidir (Baflon 1977). Buradan «atlak bUyiime hlZl 4.1 qitliginden hesap edilir (Paris 1964). Derinligine ve yiizeydeki «atlak ilerleme hlzlan a~agldaki gibi

hesap edilir:

Burada da/dN «atJak ilerleme hlZl, (L'.K) gerilme ~iddet faktorU degi~imi ve (c, n) malzeme sabitleridir.

4.4.3 Yorulma ~at1ak ilerleme mekanizmalan

4.1

Yorulma mekanizmalannll1 anla~Ilmasl hususunda olduk«a fazla «ah~malar

yaplhm~ ve degi~ik mekanizmalar sunulmu~tur (Dieter 1988, Frrost 1977). Kayma bantlannm girinti ve «lkll1tIlann meydana gel me mekanizmasl Sekil 4.4'de verilmi~tir. Kayma duzlemlerinden itibaren «atlaklann meydana gelmesi kayma

bantlannda girintilerin ve «Ikmtilann meydana gelmesi ile ger«ekle~ir. Sekil 4.4.a'da mekanizmal1ln iki kayma sistemi Uzerinde varolan kaymaya bagh oldugunu

gostermi~tir. Gerilim tekranl1ln herhangi bir biiliimunde «ekme esnasll1da hem

kayma sistemleri ~ah~lr, hem de yUzey basamaklan te~ekkiil eder (Sekil 4.4. b-c).

Gerilim bas rna oldugunda birinci sistem Uzerindeki kaymanll1 «ah~tlfllmasl ile girinti te~ekkul eder ( Sekil 4.4.d). Diger kayma bandl ~ah~tlflldlgll1da ise «lkll1tl te~ekkUl

eder ($ekil 4.4.e). Bu mekanizmada dislokasyonlan hareketi yok yava~ oldugu iyin, bu olay yok dli~lik slcakhklarda meydana gelebilir.

~

i

~

!

, _,

)/

><-

-

K"---

-

---

----

.

-

-

-I

!'

!

Ii"

i

(a) (b) (c) (d) (e)

$ekil 4.4. intrusion ve extrusion kayma bantlan olu~um mekanizmasl

Wood (1955), yapml~ oldugu yah~mada; yorulma yatlagmm ilerleyebilmesi lym, kliylik kaymalarla deformasyonun nastl ilerledigini, elektron mikroskobunun bliyiitmesi ile elde edilen kayma bantlannll1 ince yaplSll1l ~ematik olarak gostermi~tir. Kaymanm meydana gelmesi $ekil 4.5.a'da gosterilene benzer metal yiizeyinin dl~ katlannda liretilen statik deformasyonlarla olu~ur. Bunun aksine ileri-geri kayma hareketleri ylizeyde yentikler ($ekil 4.5.b) veya tepeler ($elcil 4.5.c) meydana getirebilir. Bu yentik atomik boyutlardaki yentik dibinde gerilimin yiikselmesine sebep olabilir. Bu gibi hailer yorulma yatlagml ba~latabilir. Yorulma yatlagmll1 ba~langlcl iyin bu mekanizma ylizeyde ba~layan yorulma yatlaklanyla birle~ir ve bu c;atlaklar intrusion ve extrusion kayma bantlannm te~ekkliliine sebep olur.

--

I

! i i ' ' I

I :

$ekil 4.5. Kiiylik kaymalarla deformasyon ilerleme mekanizmasl.

Buradan yorulma olayml olu~turan yatlaklann plastik deformasyon neticesinde meydana geldigi anla~llmaktadlr. Maksimum gerilmenin elastik smmn altmda bulunrnasl yorulma kmlmasmm olu~mayacagl anlamma gelmez. Degi~ken

elastik smmnm altmdaki yiiklemelerde de mikro deformasyonla~ olu~ur bunlar biiyiiyerek yorulma kmlmasml meydana getirir.

Malzemede yorulma kmlmasmm ba~layabilmesi [(;:m kiiyiik elastik deformasyonlarla birlikte lSI ah~veri~i, tanelerin izotrop olmamasl ve saf olmayan maddelerin homojen bir ~ekilde dagilmanlasl da kmlmanm ba~lamasl iyin onemlidir.

y orulma yatlak ilerlemesinde plastik deformasyonlln roliiniin oldligU uzun siiredir bilinmektedir (Buck 1975). <;:atlak ilerlemesi esnasmda kmlma yiizeylerinde yorulma damarlan meydana gelir. Bu damarlar yatlak ilerlemesine dik yondeki yiizey i~aretleridir. Siinek malzemelerde, gevrek malzemelere nazaran, daha net olarak meydana gelirler. Kmlma yiizeyinde meydana gelen yorulma daman profillerinin meydana geli~ mekanizmaSI ~ekil 4.6'da gosterilmektedir.

~ekil 4.6 Silnek malzemelerde yorulma yatlak ilerleme mekanizmasl.

~ekil 4.6.a'da hiybir yiik uygulanmadlgl durumda yatlak pOZlSyonu verilmektedir. ~ekil 4.6.b'de yatlak iizerinde kiiyiik yekme yiikiiniin etkisi goriilmekte, numllnenin maksimum yekme yiikil ile deforme oldugllnda, «atlak ucunda yanm daire ~ekli goriiliir, ve gerilme konsantrasyonunun etkisi dii~er (~ekil 4.6.c). Kilyiik basma yiikii uygulandlgmda kayma yonii tersine doner. Basma yiikil maksimum oldugunda ~ekil 4.6.e ortaya Ylkar. ~ekil 4.6.f 'de kiiyiik yekme yiikii ile degi~ken yiiklemenin ba~langly periyodu gosterilmektedir.

4.4.4 Yorulma kmk yiizeyinin incelenmesi

Y orulma kmk yiizeyinde bir diizgiin bir de parJak klsml ile kaba bir klSlm mevcuttur. Y orulma kmgl ilerJedikc;:e, ac;:Ilan kesit birbiri ile slirtiinerek yiizeyin 0

bolgesinin parlak bir goriinlim almasml saglar. Daha soma yuvarlak malzemeler ic;:in klic;:iilen kesit uygulanan yUkii ta~lyamayacak bir degere geldiginde ani kmlma sonucu kesitin geri kalan klsml kaba bir gorliniimde olur. Y orulma kmk yiizeyinde duraklama c;:izgileri ve tekl'ar izlerini gormek mlimklindlir (Tanaka 1982). Yorulma c;:atlagmda yliklemenin durduruldugu arallklar veya yiik degerlerinin degi~imi

nedeniyle, agac;:larda gorlilen ya~ halkalanna benzer duraklama c;:izgileri meydana gelebilir. Bu c;:izgiler yorulma c;:atlagl ucunun degi~ik zamanlardaki konumunu gosterir. Gerilmenin her c;:evirimde bir duraklama c;:izgisi meydana gelir. Duraklama c;:izgilerinin varhgl 0 kmk ylizeyinin yorulmu~lugunun kesin bir delilidir. Ancak

bunlann bulunmamasl kmk ylizeyinin yorulmadlg1l11 gostermez. Duraklama

c;:izgisinin meydana gelmesi ic;:in malzemenin yeterince siinek DimasI gerekir. Alliminyum ala~lmlan gibi siinek malzemelerde duraklama c;:izgileri yok net meydana gelir. Duraklama c;:izgilerinin ~ekline bakarak yorulma kmlmasll1ll1 ba~lama

ve bliyUmesi hakkll1da bilgiler elde edilebilir (Tauscher 1883).Malzeme ic;:inde sert kahntllann veya ikincil faz tanecikleri yorulmu~ yUzeylerde teker izine benzeyen gorlintliler meydana getirirJer (Santa~ 1987).

4.4.5 Kallci gerilmelerin yorulma iimrii iizerine etkisi

Bir i~ parc;:asll1a dl~andan herhangi bir yUk etki etmeden malzemede bultman gerilmeler sistemine kahcI gerilmeler denir. KahcI gerilmeler pratikte her makine elemanll1da bulunur. Bir dokiim parc;:ada kendini c;:eklneden dolaYI kallci gerilmeler

olu~tugu gibi tala~h ve tala~slz imalat sonucunda da kallcl gerilmeler meydana gelir. KahcI gerilmelerin alabilecegi en bliylik deger malzemenin elastiklik sll1mdu. Gerilme bu degeri gec;:tigi zaman ters yonde bir dl~ kuvvet yoksa aklna gerilmesi degerine kadar ininceye kadar malzeme kendisini bo~altlr. Bir diger ifade ile plastik deformasyon meydana gelerek kahcI gerilme degeri dli~er.

5. KIRILMA MEKANiCi 5.1 Giri§

Kmlma mekaniginin en onemli yonU, gerilme altmdaki ma!zemelerde <;atlak ve gerilme konsantrasyonunu artmcl faktOrleri goz onUne alarak kmlma problemlerinin incelenmesidir. Makine ve konstrUksiyonlarda kullamlan malzemelerin <;ogunda imalat suasll1da meydana gelen mekanik <;atlaklar olu~abilir. Makine elemanlannm Uretimi slrasmda da <;e~itli nedenlerden dolaYI kilcal <;atlaklar bulunabilir. Bu <;atlaklar civannda gerilme konsantrasyonlan olu~ur, kmlmaya sebep olur. Gerilme konsantrasyonu sebebiyle meydana gelen <;atlaklar, kullamlan malzemenin akma gerilmesinden daha dU~Uk gerilmelerde de olabilir. YaplSlnda kilcal <;atlaklar ve plastik deformasyona ugrayan

iii

inklUzyon ihtiva eden malzemeler bu yUzden genellikle gevrek kmlma gosterirler (Kayal! 1983).

Metalik malzemelerde oncelikle gevrek kmlma karakterini inceleyen teoriler ve deneyler geli~tirilmi~tir. Bu deneyler kalitatif deneyler OlllP malzemenin mukayesesinde faydal!dlr. Bir konstrUksiyon mUhendisi veya kmlma ile yakmdan ilgilenen ara~l!rmacilar i<;in bu deneyler yeterli olmamaktadlr. Kmlma mekanigi, kantitatif olarak daha faydal!dlr. Kmlma mekanigi analizi ile hem malzemenin kmlma nedeni anla~Ilabilir, hem de imalat ve kullamlma slrasmda herhangi bir <;atlagm te~ekkiilU onlenebilir.

Kmlma mekaniginde kullma ile ilgili parametreler kullma toklugu (fracture toughness) veya gerilme ~iddet faktorU (G~F) "K" dUr. Gerilme ~iddet faktOrU K , <;atlak civannda geril!ne bUyUklUgUnUn alamm belirleyen bir parametre olup, bu faktor malzemenin geometrik hali, yUkleme ~ekli, <;atlagm yeri ve oryantasyonuna bagl!dlr.

Bir malzemenin kmlma toklugu, malzemede <;atlak mevcutken yUk ta~lyabilme kapasitesi veya plastik olarak deforme olabilmesi diye tammlanabilir. Malzeme

toklugu, dlizlem gerilme ~artlannda (Ke), dlizlem deformasyon ~aIilannda (KIC) kritik gerilme ~iddet faktorli ile ifade edilir. Bu davranI~lar Lineer Elastik Kmlma Mekaniginde (LEFM) gcyeriidir. Elastik-plastik davranr~lar iyin tokluk, I-integral, R-egrisi ve yatlak ayJima miktan (COD) einsinden ifade edilir.

5.2 Lineer Elastik Kmlma Mekanigi

Elastik eisimlerde yatiagm gerilme analizini yapabilmek iyin yatiak yiizeyinin bagJi hareketinin bilimuesi gereklidir. <;atiak ilerleme davranr~I liy tipte gorlillir. Bu liy tipten birini, ikisini veya liylinli de iyerebilir. $ekil 5.1' de liy tip davranr~

gorlilmektedir.

x

Tip I Tip II

Tip III

$ekil 5.1 <;atiak ilerleme tipleri l.aS:Ilma, II.kayma, III.YIrtrima

Tip I, en yok gorlilen ve digerlerine gore daha kritik olan ayllma modudur. iki kmlma yUzeyi birbirine ZIt yonde ve birbirine dik olarak aynhr. II, tip, kayma modu olarak adlandmhr. <;atiak ylizeyleri x-z dlizlemi lizerinde Zit yonde hareket ederler. III. Tip YlrtIlma tipinde ise yatiak x-y ve x-z dlizlemlerine gore ters simetrik olarak ilerler. iki kmlma yiizeyi birbirine gore s:atlak onlindeki bir dogru ile parelel yonde kayarlar.

izotropik malzemelerde yatlak ueu eivannda olu~an gerilme defonnasyonlan Westergaard ve Irwin tarafmdan bulumnu~tur (Westergaard 1939), (Irwin 1957). <;atlak ueundaki gerilme ~iddet faktOrieri her lis: mod iyin a~agIdaki gibi verilmi~tir.

5. I

Tip I yatlak ucu gerilme biilgeleri dagtllml ve koordinat sistemi giisterimi ~ekil 5.2'deki gibidir.

y a (J xx r 8

a <;:atlak ilerleme kenan

z

~ekil 5.2 Bir yatlak tipinde koordinatlar ve gerilme bilqenleri

<;:atlak ucundaki gerilmeler denklem 5.2' deki gibidir;

a xx = KI

Cos~(I-Sin~Sin_38)

(2m)~

2 2 2 a yy

=

KI II

Cos~(I+Sin~Sin

38) (2m)12 2 2 2 5.2 KI 8 38. 8

'xy = 1/ (Cos- COS- Slll- )

(2m)12 2 2 2

KI • 8

azz

=

1/ (2 v Cos-)

(2m/2 ₂

~ekil 5.2'deki gibi aytlan yatJagm, r mesafesindeki bir noktada ~ekil degi~tirmeleri a~agldaki gibidir. Burada v : poisson oram 0' xx : x eksenindeki gerilme

degeri O'yy : y eksenindeki gerilme degeri veO'12: z eksenindeki gerilme degeridir. KI

tip I iyin gerilme ~iddet faktiirtinU E: elastisite modUlti, 9 : r'nin x ekseni ile yaptlgl aYldtr. u

=

_K I (_)r /I/ 2 (1 + v) (2k -1)Cos [ -9 - Cos -39] E 27t 2 2 v

=

_K I ( _ ) r 1i 2 (l+v) (2k+l)Sm - - S m -[ . 9 . 39] E 27t 2 2 • K 1

W = - y - (DUzlemsel gerilme hali iyin 0' dir.) E

•

v

=

v k

=

(3 - v) (DUzlemsei gerilme hali iyin)

, (I + v)

•

v

=

0 k

=

3 - 4v (DUzlem deformasyo n hali iyin)

u, v, W SlraSI ile x, y, z eksenindeki deplasmanlardlr

Tip II durumu iyin gerilmeler (deriklem 5.4) ;

K . 9 9 38 O'xx

=

II i/ Sm -(2 + Cos-Cos- ) (2m)12 2 2 2 K . 9 9 39 O'yy

=

II 1/ Sm-Cos- Cos- ) (2m)/2 2 2 2 't_xy

=

KII i/

CO

S

~[l-Sin~Sin

39)] (2m)12 2 2 2 O'zz

=

V (O'xx +O'yy) 'tyz

=

't_zx

=

0

Tip II iyin ise deplasmanlar deriklem 5.5'deki gibi bulunur;

u

=

_ I I

K

(_)r /1/ 2 Sm -.

8

[

2 - 2v Cos -2

9]

E 27t 2 2

y

=

KII (_r_)1i Cos

~

[-1 + 2v + Sin 2

~]

E 27t 2 2

W =0

5.3

5.4

Tip III durumu ic;in gerilmeler ve deplasmanlar ; Kill S.

e

LXZ

=

}11-(2m)X 2 ~eklindedir. Kill

e

' yz = II Cos-(2m)/2 2 a xx

=a yy =a

zz ='xy =0 u=v=O

5.3 Numune Geometrisine Gore G~F Degerleri

5.6

Numune geametrisine gore gerilme ~iddet faktorleri degi~iklik gosterir. BaZI numune geametrileri ic;in G~F degerini veren ifadeler ara~tlrmacllar tarafll1dan

C;lkanlml~lIr. Bunlardan bazllan a~aglda verilmi~tir.

5.3.1 Bir levhada kalinlIk boyunca ~atlak

~ekil 5.3 de goriildiigii gibi 2a uzunlugunda bir c;atlak buhll1an sansuz

geni~likteki bir levha, a gibi diizgiin bir gerilmeye maruz kahm~ ise G~F ifadesi

5.7

bagll1lIsl ile verilir. Geni~ligi b alan bir levhada ise ~ekil faktOrii kullalllldlgll1da ifade

5.8

2h

$ekil 5.3 Bir levhada kalmhk boyunca yatlak

5.3.2 <;ift kenar ~atlagl

Diizgiin yekmeye maruz yift kenar yatlakh bir numunede gerilme ~iddet faktorii a~agldaki gibidir (Gross 1964).

5.9

Burada 1.12 katsaYlsl kenar yatlaklan iyin serbest yiizey diizeltme katsaYlsldlr. $ekil 5.4 de yift kenar yatlagl verilmi~tir.

2h

Kahnhk boyunea yatlakta veri len tanjant dlizeltme faktOrli yift kenar yatlagma da uygulamrsa gerilme ~iddet faktorli daha hassas elde edilebilir.

5.3.3 Tek kenar ~atlag\

Tek kenar yatlag\ iyin gerilme ~iddet faktOrii, yift kenar yatlagl ifadesinden

Ylkanlml~llr. Burada aynea yatlagm tek tarafll olmasl sebebiyle egilnie etkisi de goz

onunde bulundurulur (~ekil 5.5).

Tek kenar yatlakh levhalar iyin diizeltme faktorii de eklenerek GSF a$agldaki

~ekli ahr.

5.10

f(alb) faktOrii alb degerine bagh olarak 1.15-2.86 arasmda degi$en bir degerdir, ve

tablodan almabilir (Westergaard 1939).

2h I ,j---7 II I I I I -;r

Sekil 5.5 Tek kenar yatlagl

5.4 Eliptik Yiizey <;:atlagl Analizi

1945 Yillannda kmlma mekaniginin geli$tigi donemlerde yatlak ueu gerilme bolgesi ile ilgili yapllan yah$malar genellikle liy boyutlu yatlak problemlerini iyerdigi dikkati yekmektedir. Servis anmda en yaygm olarak kullamlan yatlak tiplerinden biri

yUzey s:atlagldlr. Yiizey s:atlagl is:eren makine ve yapl elemanlannda s:atlak kinetiginin yani s:atlak ilerleme hlZI, gerilme ~iddet faktiirii ve kmlma dayalllml gibi temel parametrelerin dogru olarak tesbit edilmesi gerekir.

Bir levhada yUzey s:atlagllldan dolaYI olu~an gerilme ~iddet faktorleri levhanlll kallllhgllla, levhanlll geni~ligine, s:atlaglll derinligine ve yatlagll1 uzunluguna bagh oldugu gibi, s:atlak kenanlll siipiiren merkez as:ISll1a da baghdlL <;:atlak ilerlemesi hem s:atlak boyunca hemde s:atlak derinligince meydana gelmektedir. <;:ekme yiikli altll1da izotropik malzemelerde yan eliptik bir yatlagm, ilerlemesi de yan eliptik olarak kabul edilmektedir.

Yakla~lk analitik metodlar kullamlarak Irwin (1972), Paris ve Sih (1965) yiizey s:atlaklan is:in G$F bagll1tIlanm elde etmi~lerdir. Her iki ifade araSll1da s:ok kiis:iik bir fark bulunmakta, $ekil 5.6 daki gibi bir levha iizerine s:atlak uzunlugu 2c, s:atlak derinligi a olan yan eliptik bir yatlak ayIlml~ olan numuneye y yoniinde uygulanan dinamik s:ekme yiikli tesirinde s:atlak s:evresinde tip I gerilme ~iddet faktiirii meydana gelir.

Irwin s:ekme gerilmesi etkisi altll1da yUzey s:atlagll1da olu~an G$F degerlerini a~agldaki gibi ifade etmi~tir.

Yo

(J"j"i;[

(a')

]'

K,

=

Ek 1- 1--;;> Cos'¢ I J

A+

_.•.•. ....... A AA yiizeyi

$ekil 5.6 Yiizey s:atlagl geometrisi (Lin 1999)

i,[

(

')

]y.

Ek

=

f

1- 1- :' Sin'

¢

dB 5.12 olup ikinci ((ir komple eliptik integraldir. 0" normal gerilme a ve C yatlak

boyutlandu. Sekil 5.6 da giisterilmi~tir. B aylSl ise karekteristik bir aYldlr. Paris ve Sih'in geli~tirmi~ olduklan gerilme ~iddet faktiirti denklemi ise

5.13

burada

Q=

E;

-O.212(~)

'

O"ak

5.14

O"ak malzemenin akma dayammhdlr. Denklem 5.13 ve 5.14 den elde edilen

gerilme ~iddet faktiirtinUn irwin denkleminden fark! ikinci terimidir.

YUzey gerilme ~iddet faktiirlerini veren bu ifadeler baz ahnarak ye~itli yah~malarda magnifikasyon katsaYlsl (bUyiitme katsaYlsl) ilave edilmi~tir (Sih 1965). Bunlarda Kobayashi ve Moss (1968) veri len dtizeltme faktiirtinti elde

etmi~lerdir.

5.15

Burada (t) levha kalmhgldu. Nishioka ve arkada~lan denklem 5.13, 5.14, 5.15' i kullanarak a~agldaki formUlU geli~tirmi~lerdir. Bunu ye~itli yorulma yatlak ilerleme davram~larmda kullarum~lardlr. Bu denklem a~agldaki gibidir.

5.4.1 Newman ve Raju'nun eliptik yiizey ~atIagmda G$F hesabl

Bugiine kadar y(izey yatlagl ile ilgili ye~itli yah~malann yapllmasll1a ragmen

geryek gerilme ~iddet fakt6rlerini veren bir denklem bulunamarl1l~tlr. $u zamana

kadar en etkili gerilme ~iddet fakt6rii Newman ve Raju (1979) tarafll1dan tesbit edilmi~tir.

Bu iki ara~tlrmael, iizerinde yan eliptik yatlagl bulunan yekme ve egme

yiikiiniin tesirindeki izotropik levhalarda gerilme ~iddet fakt6riinii iiy boyutlu sonlu elemanlar y6ntemi ile nodal kuvvet metodundan hesaplanl1~lardlr.

Eger sadeee egilme zorlanmasll1a maruz kahl1lyorsa (J, = 0, eger sadeee

yekme ve basma zorlanmasll1a maruz kahyorsa (Jb

=

0 olarak ahl1lr (Gross 1965).

Burada ale<l ise

( ) 1.65

Q

=

1 + 1.464

~

5.18

olarak ifade edilir ve F ve H fonksiyon degerleri hesaplal1lr. Sll1lr diizeltme fakt6rii yekme ve basma iyin F e~itliginden , egilme iyin ise F ve H e~itliginden bulunur.

F fonksiyonu ; ale , alt ve

¢

terimleri yift seri polinomlan kullal1llarak

sistematik uygun normal egriden elde edilir. Buradaki F fonksiyonu a~agldaki

gibidir.

5.19