MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

● Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme

genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır.

● Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya

kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik

değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline

getirilir.

● S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır.

Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin

kullanıldığı da olur.

S-N eğrisi

nl

● Sl gerilme genliğinde nl

çevrimden sonra kırıldı! Sl

nk

●

Sk gerilme genliğinde nk

çevrimden sonra kırıldı! Sk

ni

●

Si gerilme genliğinde ni

çevrimden sonra kırıldı!

Si

S

Log n

S-N eğrisi-wohler eğrisi

İki temel farklı S-N davranışı gözlenir.

● Bazı demir esaslı malzemeler ve titanyum

alaşımları için S-N eğrisi yüksek çevrim

sayılarında yatay hale gelir. Yani, daha

altında yorulma kırılması yaşanmayan bir

sınır gerilme değeri vardır.

● Bu gerilme değeri, altında kalındığı

takdirde, sonsuz sayıda yükleme çevrimi

uygulansa bile kırılmanın gerçekleşmeyeceği

güvenli bir gerilme seviyesidir.

S-N eğrisi

yorulma sınırı, fat

< fat ise yorulma kırılması yok!

Yorulma sınırı

fat

N = kırılmaya kadar çevrim sayısı

10 3

10 5

10 7

10 9

riskli

güvenli

HMK çelikler ve Ti

alaşımlarında gerilme

genliği belirli bir değere

düştüğünde S-N eğrisi

yatay hale geçer.

Yorulma sınırı, çevrim

sayısı ne kadar çok

olursa olsun

malzemenin asla

kırılmayacağı

maksimum gerilme

genliğidir.

● Bir çok çelik için bu sınır gerilme değeri, akma

mukavemetinin %40’ı kadardır.

● Bu gerilme seviyesinin altındaki yüklemelerde

yorulma ömrü sonsuzdur.

● Çeliklerde yorulma sınırının (fatigue/endurance

limit) bulunması yapıda C ve N gibi arayer

atomlarının bulunmasından kaynaklanır.

● Bu atomlar dislokasyonları kitleyerek serbestçe

hareket etmelerini engeller.

yorulma sınırı

● Bir çok demir dışı metalde (Al, Cu ve Mg alaşımları)

yorulma sınırı yoktur; çevrim sayısı arttıkça eğri

sürekli aşağı doğru iner. Yorulma kırılması en

sonunda mutlaka yaşanacaktır.

● Bu durum bu metallerde arayer atomlarının

bulunmaması ile ilgilidir.

● Bu tip malzemeler için yorulma mukavemeti

kavramı kullanılır.

● Yorulma mukavemeti: belirli sayıda çevrimden

sonra (107 çevrim) kırılmanın gerçekleştiği gerilme

olarak anılır.

yorulma mukavemeti

Yorulma mukavemeti bazı malzemeler için yorulma

sınırı yoktur!

N = kırılmaya kadar çevrim sayısı 10

3 10

5 10

7 10

9

riskli

güvenli

=

gerilm

e g

enliğ

i

Al, Cu ve Mg gibi demir

dışı ve YMK yapılı

çelikler gibi yorulma

sınırı göstermeyen

malzemeler için belirli

bir çevrim sayısından

sonra (çoğunlukla 107

çevrim) kırılmaya yol

açan gerilme seviyesi

yorulma tasarım

parametresi olarak

kullanılır.

Yorulma testinde sonuçlar gerilme parametresi

çevrim sayısı şeklinde raporlanır (Wohler eğrileri)

çelik

Alüminyum Yorulma mukavemeti

Yorulma sınırı

kırılma(S)

çevrim sayısı (log N) 1 10 100 103 106

Yorulma tasarım parametreleri

Yorulma ömrü

● Bir malzemenin yorulma davranışı tarif eden

diğer bir parametre yorulma ömrü’dür.

● Yorulma ömrü, Nf, belirli bir gerilme seviyesinde

çevrimsel yükleme uygulanan numunenin

kırılmasına kadar geçen çevrim sayısıdır.

● Uzun ömürlü yorulmada yorulma ömrü büyük

ölçüde çatlak oluşmasında geçer.

● Bu nedenle yüzeyi sertleştirmek (mesela shot

peening ile) çatlak oluşmasını geciktirir ve

yorulma ömrünü uzatır.

Yorulma ömrü ● Yorulma deney sonuçlarında daima bir saçınım

olacaktır. Deney sonuçlarındaki bu dağınıklık,

kontrol edilmesi çok güç bazı deney ve malzeme

parametrelerinden kaynaklanır.

● Bu parametreler, numune hazırlığı, metalurjik

değişkenler, numunenin test cihazında

yönlenmesi, ortalama gerilme seviyesi, çevrim

frekansı gibi parametrelerdir.

● Bu nedenle, S-N yorulma deney sonuçları

ortalama deney sonuçları arasından geçen en iyi

uyum «best-fit» eğrileri ile sunulur.

Yorulma ömrü

7075-T6 alaşımı için Yorulma S-

N olasılık eğrileri>; P kırılma

olasılığını ifade etmektedir.

● Yorulma ömrü ve yorulma sınırını belirlemek için istatiksel yöntem uygulanır.

● Bu yöntemlerden biri sabit olasılık eğrileridir.

problem 1045 çeliğinden silindirik

bir çubuk ekseni boyunca

tekrarlı çekme-basma

gerilmelerine maruz

kalmaktadır. Yük genliği

22000 N olduğuna göre

yorulma kırılmasının

olmaması için müsaade

edilebilecek en küçük

çubuk çapının ne

olacağını hesaplayın!

güvenlik faktörü olarak

«2» alın!

problem Güvenli Gerilme genliği =

310 MPa

22000 N =

310x106 N/m2 x kesit alanı

Kesit alanı=

d2/4= 7.1x10-5 m2 = 71 mm2

D = 9.5mm

Güvenlik faktörü 2 olacağına göre

Çubuk çapı en az 19 mm olmalıdır.

problem Kızıl pirinç alaşımından

8mm çapında silindirik

bir çubuk tersinir çekme-

basma yüklemeli

yorulmaya tabi

tutulmaktadır.

Maksimum çekme ve

basma yükleri 7500 N ve

-7500 N ise, yorulma

ömrünü hesaplayın.

problem Max çekme gerilmesi=

7500 N/3.14x(4x10-3)2

= 149.3 MPa

Max basma gerilmesi=

(çevrimin min gerilmesi)

-7500 N/3.14x(4x10-3)2

= -149.3 MPa

Gerilme genliği; a = r/2 = (max-min)/2 = 149 MPa

Yorulma ömrü: 105 çevrim!

problem 2014-T6 alaşımından

12.5 mm çapındaki

silindirik bir çubuğa

çekme-basma yorulma

testi uygulanmaktadır.

1x107 çevrimlik yorulma

ömrü verecek maksimum

ve minimum yükler

nedir?

Yandaki S-N eğrisinin bu

alaşım için 50 MPa’lık

ortalama gerilme için

elde edildiğini varsayın!

problem 107 çevrim gerilme genliği

=160 MPa

a=r/2=(max-min)/2=160

m=r/2=(max+min)/2=50

max-min = 320

max+min = 50

max = 185 MPa 22.7 kN

min = -135 MPa 16.6 kN

max = 185 MPa

min = -135 MPa

r = 320 MPa

m = 50 MPa

Yorulma mukavemeti (FS) ve çekme

mukavemeti (TS) değerleri

yorulma

mukavemeti (MPa)

çekme

mukavemeti (MPa) alaşım

Isıl yorulma ● Mekanik bir yükleme olmaksızın sadece ısıtılıp

soğutulan bir parçada ısıl genleşme ve büzülmelere

bağlı olarak gerilmeler oluşur.

● Bu gerilmelerin şiddeti sıcaklık değişimi, ısıl

genleşme katsayısı ve elastik modüle bağlıdır.

● bu gerilmeler yorulmaya yol açar.

● Tasarımda parçanın sabit olması şartına son

verilmeli!

● Düşük ısıl genleşme katsayılı malzemeler

kullanılmalı!

Yorulma davranışını etkileyen

faktörler

● Gerilme parametreleri (ortalama gerilme,

gerilme aralığı, frekans...)

● Yüzey kalitesi ve özellikleri

● Kalıntı gerilmeler

● Tasarım ve gerilme konsantrasyonları

● çevresel koşullar (sıcaklık, korozyon)

Gerilme genliği arttıkça, numunenin

kırılmadan önce tecrübe ettiği çevrim sayısı

azalır.

< 200 Hz frekanslar için metaller frekansa

hassas değildir.

Polimerlerde yorulma ömrü frekansa

bağlıdır.

Yorulma davranışını etkileyen

faktörler

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Ortalama gerilme

Yorulma ömrünün gerilme

genliğine bağlılığı S-N

eğrilerinde görülebilir.

Ortalama gerilme de

yorulma ömrünü etkiler.

Ortalama gerilme

arttıkça yorulma ömrünü

kısaltır.

Yüzey kalitesi

● maksimum gerilme çoğu kez parçanın yüzeyinde

oluşur.

● Bu nedenle çatlaklar parça yüzeylerinde ve

gerilmenin yoğunlaştığı noktalarda oluşur.

● Bu nedenle yorulma ömrü parça yüzey kalitesinden

çok etkilenir.

● Çizikler, vuruklar diğer yüzey kusurları gerilme

konsantrasyonlarına yol açarak yorulma ömrünü

kısaltırlar.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Yüzey işlemleri

● Torna vb işlemler sırasında parçaya kesme takımı

ile çizik, kazıntı vb yüzey kusurları kazandırılabilir.

● Bu yüzey hataları istisnasız olarak çatlama başlama

noktalarıdır ve yorulma ömrünü kısaltırlar.

● parlatma vb işlemlerle yüzey kalitesini

geliştirmenin her zaman yorulma ömrünü önemli

ölçüde uzattığı görülmüştür.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Yüzey işlemleri

● Yorulma ömrünü uzatmanın etkili yöntemlerinden

biri sonlu derinlikte dış yüzey tabakasında artık

basma gerilmeleri oluşturmaktır.

● Bu şekilde çatlak oluşmasını teşvik eden çekme

gerilmeleri kısmen hafifletilmiş olacaktır.

● elektro-kaplama kalıntı çekme gerilmeleri

oluşturarak yorulma özelliklerini olumsuz

etkilerler.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Sünek metallerin

yüzeylerinde artık basma

gerilmeleri, dış yüzeyde

bölgesel plastik

deformasyon yaratarak

oluşturulur.

Kumlama ve «shot

peening» gibi

yöntemlerden yararlanılır.

0.1-1mm çaplarında küçük

ve sert parçacıklar yüksek

hızlarda yüzeye uygulanır.

Yüzey sertleştirme ve Isıl işlem:

● Sertleştirme ve ısıl işlemler yüzeydeki kalıntı

gerilmelerinin dağılımı ve yorulma performansını

etkilerler.

● Çeliklerde Yüzey sertliği arttırılarak yorulma

ömrünün uzatıldığı bir tekniktir.

● Bu yüzeyin karbürlenmesi veya nitrürlenmesi

şeklinde uygulanır.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Yüzey sertleştirme

● Parça yüksek bir sıcaklıkta karbon veya azotla

zengin bir atmosferde tutulur ve yüzeyde C veya N

zenginleşmesi sağlanır.

● Bu zenginleşmenin gerçekleştiği yüzey tabakası

yaklaşık 1mm derinliktedir ve parça

malzemesinden çok daha yüksek sertliğe ulaşır.

● Bu uygulama sonunda hem yüzey sertliğinin artmış

hem de yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulmuş

olduğu için yorulma ömrü belirgin şekilde uzar.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Hem malzemenin

kendi hem de karbon

takviyesi yapılan

yüzey bölgesinde

sertlik izlerini

gösteren foto.

Yüzeyde iz daha

küçük, çünkü sertlik

daha yüksek.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey parlatma (torna izleri vb kusurları yok eder!)

Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturmak (uygulanan

çekme gerilmelerini düşürür). Yüzeydeki ince bir

tabaka kumlama vb bir işlemle basma gerilmeleri

altına alınabilir.

Yüzey sertleştirme: çeliklerde yüzeyde C veya N

zengin bir tabaka ile yüzey sertleşmekle kalmaz

ayni zamanda basma gerilmeleri oluşturulur.

Geometrik optimizasyon: iç köşeleri, çentik ve

çukurları yok etmek.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Tasarım faktörleri

● Bir parçanın tasarımı yorulma davranışını

yakından etkiler.

● Her çentik ve geometrik düzensizlik gerilme

arttırıcı rolü oynar ve potansiyel çatlak oluşma

noktasıdır.

● Gerilme konsantrasyonları yorulma sınırını %30’a

kadar düşürebilirler.

● Bu tasarım detayları girintiler, delikler, vida

dişleri vb detaylardır.

● Bu detay ne kadar keskin ise, gerilme

konsantrasyonu o kadar şiddetli olur.

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Kırılma olasılığı tasarım değişiklikleri ile bu gibi

yüzey detaylarını ve sivri köşeleri önleyerek

azaltılabilir.

Tasarım değişikliklerinin gerilme konsantrasyonlarını

azalttığı ve yorulma ömrünü uzattığı uygulamalara

örnek

kötü İyi

Çevresel etkiler ● Isıl gerilmeler sıcaklık değişimlerine bağlı ısıl

genleşme ve büzülmelerin serbestçe

gerçekleşemediği durumlarda ortaya çıkar.

● Isıl yorulmayı ortadan kaldırmanın yolu bu

sınırlamaları ortadan kaldırmaktan geçer.

● Bir diğer etkili çözüm ısıl genleşme davranışı

uygun malzeme seçimidir.

● Yüzeyin oksitlenmesi (veya korozyonu) artan

sıcaklıkla artacağından yorulma özelliklerini

olumsuz etkiler.

● Çevrimsel yükleme ve korozif bir etkileşimin bir

arada var olduğu durumlarda ortaya çıkan

kırılmalara korozyon yorulması-yorulmalı

korozyon denir.

● Korozif ortamlar zararlıdır ve yorulma direncini

düşürür; yorulma ömrünü kısaltır.

● Normal atmosferik koşullar bile yorulma

davranışını etkiler.

● Ortam ve malzeme arasındaki etkileşim yüzeyde

küçük oyukların oluşmasına yol açarken bu

oyuklar da gerilme konsantrasyonları ve çatlak

başlama noktaları şeklinde etkili olur.

Çevresel etkiler

● Ayrıca atmosferik etkilerden sadece çatlak

başlama aşaması değil; çatlak ilerleme aşaması da

olumsuz etkilenir. Çatlak büyüme hızı atmosfer

etkisi ile her zaman artar.

● Yükleme çevrimlerinin şekli de yorulma davranışını

etkiler. Mesela yükleme frekansının azaltılması

çatlağın açık kaldığı ve çatlak yüzeylerinin

atmosferden etkilendiği süreyi uzatarak yorulma

ömrünü kısaltır.

● Yorulmalı korozyonu önlemenin birkaç yolu vardır.

Bunlardan ilki korozif şartları, korozyondan

etkilenmeyi en aza indirmektir.

Çevresel etkiler

● yüzeyde korozyona dayanıklı kaplamalar

yapılması, korozyona daha dayanıklı malzeme

seçilmesi, atmosferin korozifliğini azaltmak

mümkündür.

● Yorulma gerçekleşmesi olasılığını azaltmak da

mümkün olabilir.

● Yük şiddeti azaltılabilir; yüzeyde basma

gerilmeleri oluşturmak denenebilir.

Çevresel etkiler

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler

Ön bir mekanik deformasyon uygulanması ve yapısal

süreksizliklerin giderilmesi ile yorulma mukavemeti

artar.

Artan soğuk işlem ve yüzey

düzgünlüğü

Yorulma ömrünü uzatmak Yüzeyde basma

gerilmeleri oluşturun!

Böylece çatlağın

büyümesini geciktirirsiniz!

N = kırılmaya kadar çevrim sayısı

Orta şiddette çekme m Yüksek çekme m

S = gerilme genliği

Sıfıra yakın veya basma m artan

m

1. yöntem: kumlama

Yüzeydeki

gerilme

dağılımı basma

şeklinde

düzenlemek

shot 2. yöntem: karbürizasyon

C-rich gas

Yüzeydeki gerilme

konsantrasyon

noktalarından

kurtulun!

kötü

kötü

iyi

iyi

Çevrimsel şekil değişimi vs çevrimsel gerilme

Çevrimsel şekil değişimi kontrollü yorulma deneyi

Isıl yorulma ve sabit şekil değişimi durumlarına

uygulanabilir.

Çevrimlerde kontrollü bir şekil değişimi aralığı,

∆pl, tanımlanır ve uygulanır.

Tavlanmış, yumuşak metaller bu koşullarda

sertleşirken, sertleştirilmiş metaller yumuşama

eğilimindedir.

Malzemeler bir süre sonra değişmez gerilme-şekil

değişimi histerisiz eğrisine ulaşırlar.

Şekil değişimi kontrollü yorulma

sertleşen

asimtotik histerisiz eğrisine ulaşmak için çok sayıda

çevrim gerekir (~100).

yumuşama veya sertleşme olabilir.

yumuşayan

Çevrimsel şekil değişimi

Şekil değişimi yorulma davranışının incelenmesinde

daha mantıklı bir kontrol parametresidir.

Elastik şekil değişimi aralığı belirlenir; ∆eel = ∆y/E.

Plastik şekil değişimi aralığı belirlenir; ∆epl.

Elastik ve plastik rejimler arasında eğimde bir

değişme gözlenir.

Kısa ömürlü yorulma (Low cycle fatigue-küçük Nf)

plastik şekil değişimi, uzun ömürlü yorulma (high

cycle fatigue-büyük Nf) elastik şekil değişimi

tarafından kontrol edilir.

şekil değişimi kontrollü yorulma

● çevrimsel şekil değişimi (/2) kırılmaya

kadar çevrim sayısı (Nf) ile ilişkilendirilir.

● Uzun ömürlü yorulma (Nf >103) sırasında şekil

değişiminin büyük kısmı elastiktir;

● log (/2) vs log Nf eğrisinin eğimi kısa

ömürlü yorulma testinde olduğundan daha az

negatiftir.

● Kısa ömürlü yorulma testinde uygulanan şekil

değişiminin önemli bir kısmı kalıcıdır.

şekil değişimi kontrollü yorulma

/2 = (el + pl )/2

Uzun ömürlü

yorulmada:

el > pl

kısa ömürlü

yorulmada:

pl > el

uzun kısa

el /2

pl /2

şekil değişimi kontrollü yorulma

Farklı ısıl işlem uygulanmış

çeliklerin kısa ömürlü yorulma

davranışlarında önemli bir fark

gözlenmez.

Fakat sertleştirilmiş 4340 çeliği

uzun ömürlü yorulma

şartlarında daha iyi.

Süratle sertleşebilen sünek bakır

kısa ömürlü yorulma şartlarında

daha iyi bir seçenek.

Fakat uzun ömürlü yorulma

şartlarında çeliklere göre daha

düşük yorulma direncine sahip!

Değişik mühendislik

malzemeleri için

vs Nf eğrileri

Sertleştirilmiş

4340 çeliği

Tavlanmış

4340 çeliği

OFHC-saf bakır

Şekil değişimi kontrollü yorulma kısa ömürlü yorulma Çevrimsel gerilme-şekil değişimi için esas denklem:

n’ ≈ 0.1-0.2

Yorulma ömrü: Coffin Manson ilişkisi:

f ~ gerçek kırılma şekil değişimi

c ≈ -0.5 ile -0.7

c = -1/(1+5n’); büyük n’ uzun ömür.

K n

p

2 f 2N f

c

Yüksek çevrim sayılarında elastik şekil değişimleri için, Basquin denklemi:

Kısa ömür = plastik şekil değişimi kontrollü: eğim=c

Elastik ve plastik şekil değişimleri ekleyelim.

Elastik ve plastik kontrolünün kesiştiği nokta tipik

olarak Nf = 103 çevrim.

a Ee

2 f 2N b

Şekil değişimi kontrollü yorulma uzun ömürlü yorulma

2el

2 pl

2

f

E2N f

b f 2N f

c

Yorulma koşulları için malzeme seçimi

Kısa ömürlü yorulma şartları için süneklik

faydalı

Uzun ömürlü yorulma şartları için

mukavemet faydalı!

Kısa ömürlü yorulma için tavlanmış 4340

çeliği

Uzun ömürlü yorulma için maraging çeliği

Yorulma için tasarım yaklaşımları

S-N eğrileri = temel karakterizasyon!

Eski yaklaşım = sonsuz ömür tasarımı:

S-N eğrilerinden yorulma ömrü için bilgi al!

Büyük bir güvenlik faktörü uygula; önceden

belirlenen ömür sınırına (Nf=107) gelen

parçaları değiştir.

Yeni yaklaşım:

Çatlak büyüme hızı karakterizasyonu

Hasara göz yuman tasarım / çatlakla yaşamak

Modern tasarım; hasara göz yuman yaklaşım:

parçalarda çatlakların varlığını kabul eder!

Çatlak büyüme hızları üzerinden ömür hesabı

yapılır.

dc/dN sonuçlarından beklenen büyüme hızları

hesaplanır.

Tüm kritik parçalarda tahribatsız muayene yapılır!

Çatlak bulduğunda parçanın kalan ömrü hesaplanır!

Ömür sınırına çok yakın ise parça değiştirilir.

Yorulma kırılmaları Çatlak büyüme hızı

Çatlağın büyüyüp

büyümeyeceğini

anlamak için çatlak

geometrisi ve gerilme

genliğini karakterize

eden gerilme

yoğunlaşma faktörü

kullanılabilir: (K)

Belli bir K değeri

altında çatlak

büyümez.

Çatl

ak b

üyüm

e h

ızı

Gerilme konsantrasyon faktörü aralığı, log K

Yorulma çatlağı büyümesi

aşama I: bir eşik ∆K değeri

(∆Kth) altında hiçbir

büyümenin görülmediği

bölgeden sonlu bir büyüme

hızına geçildiği aşama.

Aşama II: çatlak büyüme

hızının ∆K’ye “power law”

ile bağlı olduğu aşama.

Aşama III: büyüme hızının

∆K ile hızlanarak nihai

kırılmaya gitmesi.

da/dN

∆K ∆Kth

∆Kc

I

II

III

Çatlak oluşmasına Mikroyapı etkisi Hatalar ve yüzey işlemleri

ile tanımlanan mikroyapı ögelerinin etkisi düşük gerilme yoğunlaşması rejiminde (1. aşama) görülür.Bu gibi hatalar çatlak oluşma eşiğini aşağı çekerek zarar verirler (∆Kth).

Mikroyapı ayni zamanda

kırılma tokluğunu

etkilediğinden aşama III

üzerinde de etkilidir.

da/dN

∆K ∆Kth

∆Kc

I

II

III

1 ile 6

a~

Her bir yükleme çevriminde çatlak boyundaki artış

● arttıkça

● çatlak büyüdükçe

● yükleme frekansı

arttıkça çatlak daha hızlı

büyür.

Çatlak başlama noktası

Yorulma çatlağı büyüme hızı

mKdN

da

Paris Kanunu

Paris Kanunu:

m ~ 3 (çelik); m ~ 4 (alüminyum).

Çatlağın oluşumu aşaması göz ardı edilir!

eşik ~ aşama I

Eşik değeri yorulma sınırını temsil eder.

afK

KKK

KAdN

da m

)(

)(

minmax

minmax

Yorulma kırılmaları Belirli bir gerilme seviyesinde, çatlak büyüme hızı,

artan çatlak uzunluğu ile artar.

Belirli bir çatlak uzunluğu için,

çatlak büyüme

hızı gerilmenin

artması ile artar.

(da/dN)a2,1 a1 >a2

Geometrik faktörler

Çentikler gerilme konsantrasyonlarına neden olarak yorulma ömrünü kısaltırlar.

Numune boyutunu arttırmak yorulma ömrünü kısaltır.

Yüzey pürüzlülüğü yorulma ömrünü kısaltır.

Yüzeyde makul bir basma gerilmesi yorulma ömrünü uzatır. Basma gerilmesinin olduğu bir yüzeyde çatlak oluşturmak daha zordur.

Korozif koşullar yorulma ömrünü kısaltır. Korozyon korozyon ürünleri çatlak ucunda kama etkisi yapabileceği için çatlak büyüme hızını arttırır.

Mikroyapı-Yorulma ilişkileri yüzeyde gerilme yoğunlaşmasına neden olabilecek

her türlü çatlak oluşmasını hızlandıracaktır (çatlak

oluşmasında geçen süreyi kısaltacaktır!)

malzeme içinde çatlağın oluşması için gerekli

gerilme ve şekil değişimi değerlerini azaltacak her

türlü yapısal hata çatlak oluşması süresini

kısaltacaktır.

dislokasyon hareketi(kayma) sadece belirli kayma

düzlemlerinde gerçekleşebiliyorsa dislokasyonlar

tane ve faz sınırlarında birikecektir. Bu birikme

ucunda gerilme yoğunlaşması olacak ve çatlak

oluşmasına yol açacaktır.

Malzemelerde hatalar İç yapı kusurları (atom boşlukları,

dislokasyonlar)

dış hatalar

Boşluklar

inklüzyonlar

Tane sınırı filmleri

İkincil faz partikülleri; dispersoidler, metaller arası bileşik partikülleri, çökeltiler

60

Metalürjik kontrol: küçük partiküller Plastik akmanın lokalize olması (yayılmasının

önlenmesi) yorulma çatlaklarının başlaması yönünden

sakıncalıdır.

Al7075 alaşımında 2 farklı ısıl işlemle dislokasyonların

kesebileceği ve kesemeyeceği çökeltiler

oluşturulduğunda

graph courtesy of J. Staley, Alcoa

İri partiküllerin yorulmaya etkisi İnklüzyonlar yorulma çatlaklarına yol açarlar;

yapı temizliği yorulma ömrünü uzatır!

Alaşım bileşim ve

yapısı da

önemlidir:

Örnek: 7475,

7075’e göre daha

düşük Fe+Si

ile daha uzun

yorulma ömrüne

sahiptir.

Alaşımlı çelikte ısıl işlem Sertliğin arttırılması uzun ömürlü yorulmada

yorulma sınırını arttırır. Bu artış yorulma

çatlağının oluşmasının

gecikmesinden

kaynaklanır.

Dislokasyonları

kilitleyen hareketli

çözelti atomları (çelikte

karbon atomları gibi!)

Döküm gözenekleri Döküm parçalarda gözenekler bulunur.

Gözenekler yorulma çatlaklarının oluşması için uygun

noktalardır. Dolayısı ile döküm parçalarda yorulma

direnci dövme parçalara kıyasla daha düşüktür.

Al-7010 alaşımı

Gravite döküm vs sıkıştırma

döküm

Sıkıştırma döküm gibi

teknikler gözenekliliği

azalttığı için yorulma ömrü

yönünden avantajlıdır.

Titanyum alaşımları [Polmear]

Birçok Ti alaşımında ve faz oranları ısıl işleme

bağlıdır. Tek fazlı bölgesinden hızlı soğuma çift

fazlı + faz yapısı verir.

İki fazlı bu yapıların yorulma performansları

Widmanstätten yapısından daha iyidir.

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Kısa-uzun ömürlü yorulma

Uzun ömürlü yorulma 104 ile 107 çevrim süren

yorulma olayıdır.

Kısa ömürlü yorulma sadece elastik değil ayni

zamanda plastik

şekil değişimlerine

de yol açan yüksek

yük uygulamalarında

görülür. Bu durumda

yorulma ömrü

kısadır: < 104

gerilme parametrelerinin etkisi

Ortalama gerilme Gerilme oranı

Yorulma direnci

Gerilme konsan.

5

bölgesel

uygulan

Some mechanisms of fatigue crack nucleation.

(After J. C. Grosskreutz, Tech. Rep. AFML-TR-70–55 (Wright– Patterson AFB, OH: Air Force Materials

Laboratory), 1970.)

Yorulma çatlağının oluşması

Kayma hareketleri kalıntılar Tane sınırları

Çatlak oluşması için mekanizmalar

çatlak

çatlak çatlak

Polimerlerde yorulma

Mekanizma metallerden farklı!

Çevrimsel gerilme uygulaması yumuşamaya

yol açar ve malzeme davranışı visko-elastik

faktörlerden etkilenir.

Çevrimin çekme sürecinde yaşanan

çatlama “crazing” asimetriye neden olur.

S-N eğrisi farklı polimerler için farklıdır.

Tg (cam geçiş sıcaklığı) noktasına yakınlık

ciddi bir sıcaklık etkisine yol açar.

Polimerlerde yorulma Polimerler viskoelastiktir ve mütevazi gerilme

seviyelerinde bile sürekli uzama ve büzülmeye

bağlı olarak mekanik histerisis sergilerler.

Bu plastik deformasyonun bir kısmı polimer

bünyesinde ısıya dönüşürken, parça çevre

sıcaklığına ve yükleme frekansına bağlı olarak

ısınır.

Parça ısınırken elastik deformasyon direnci ve

akma dayanımı düşer ve deformasyon şiddeti

arttıkça işin içine ısıl yorulma da girer.

Polimerlerde yorulma

Stress-life (S-N)

curves for several

termoplastik ve

termoset

polimerler için s-n

eğrileri

Frekans:

30 Hz

Ortalama gerilme:

0 MPa

seramiklerde yorulma

Seramik malzemelerde çatlak

ucu plastik deformasyonu çok

sınırlı olduğu için yorulma çok

ender bir hasar mekanizmasıdır.

Tekrarlı yüklemelerde kritik

parametreler

● Mikroyapı; tane boyutu, tane

şekli, tokluk veren faz

● Çevresel faktörler: özellikle

oksit seramiklerinde su ve

koroziflerle etkileşim

● Yükleme koşulları (gerilme vb)

Yorulma özellikleri haritası

Yorulma sınırı (MPa)

Mühendislik

polimerleri

Mühendislik

seramikleri

Mühendislik

alaşımları

elastomerler

Polimer

köpükler

Çatlak

büyümesi ile

sınırlanan

malzemeler

Çatlak

oluşması ile

sınırlanan

malzemeler

Yoru

lma e

şiği,

Kth

(M

Pam

)

Yorulma özellikleri haritası

Mühendislik

polimerleri

Mühendislik

alaşımları

Mühendislik

seramikleri

elastomerler

Polimer

köpükler Yorulma

hassasiyeti

yüksek

malzemeler

Yorulma

hassasiyeti

düşük

malzemeler Yo

rulm

a e

şiği,

Kth

(M

Pam

)

Kırılma tokluğu Kıc (MPam)

● Yorulma, uygulanan gerilmenin zamana bağlı

olarak tekrarlandığı yaygın bir katastrofik kırılma

biçimidir.

● Maksimum gerilme uygulamasının malzemenin

statik çekme ve akma mukavemetlerinden çok

daha düşük olduğu durumlarda karşılaşılabilir.

● çevrimsel gerilmeler: Tersinir; tekrarlanır;

rastgele olabilir.

● Tersinir ve tekrarlanır olanlar ortalama gerilme,

gerilme aralığı ve gerilme genliği gibi

parametrelerle tanımlanır.

özet

● yorulma test sonuçları: gerilme vs kırılmaya kadar

geçen çevrim sayısının logaritmik değeri şeklinde

raporlanır.

● Bir çok metal ve alaşım için artan gerilme ile

çevrim sayısı sürekli düşer. Bu malzemelerde

yorulma davranışı yorulma mukavemeti ve

yorulma ömrü ile tarif edilir.

● Demir esaslı ve titanyum alaşımları için gerilme

artan çevrim sayısı ile belli bir değerde yatay

konuma geçer; çevrim sayısından bağımsız olur.

● Bu malzemelerin yorulma davranışları yorulma

sınırı ile tarif edilir.

özet

● Yorulma çatlakları yüzeyde ve gerilme

konsantrasyonuna neden olan bir yüzey detayında,

kusurunda başlar.

● Yorulma kırılması yüzeylerinin karakteristik

ögeleri «beach» izleri ve çatlak ucu durma

izleridir (striation).

● «Beach» izleri uygulanan gerilmenin duruşlar

yaşadığı parçalarda ve çıplak gözle görülür.

● Yorulma ucu durak izleri mikroskobiktir ve

yorulma çatlağının her bir çevrimden sonra

durduğu hatları temsil ettiği düşünülür.

özet

Yorulma ömrünü uzatmak için alınabilecek önlemler:

● Gerilme parametrelerini (Ortalama gerilme vb)

seviyesini düşürmek

● Keskin, sivri yüzey unsurlarını bertaraf etmek

● Yüzey kalitesini parlatma vb işlemlerle arttırmak

● Kumlama vb bir işlemle yüzeyde bası gerilmeleri

oluşturmak

● Kabürleme ve nitrürleme gibi işlemlerle yüzey

setleştirmesi yapmak

özet

● Yüksek sıcaklık değişimlerine maruz kalan ve

genleşme ve büzülmesi engellenen parçalarda: ısıl

yorulma.

● Kimyasal aktif bir ortamda yorulma ömrü

kısalabilir: korozyonlu yorulma.

Alınabilecek önlemler:

● Yüzeyin kaplanması

● Daha yüksek korozyon direnci olan malzemeler

kullanılması

● çevrenin korozifliğinin sınırlandırılması

● Uygulanan gerilme seviyesinin azaltılması

● Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulması

özet

SÜRÜNME

Sürünme nedir? Çok yüksek sıcaklıklarda çalışan türbin

kanatçıklarında sürünme çatlağı!

Çatlak yüzeyinde görülen boşluklara dikkat!

● Bazı malzemeler yüksek sıcaklıklarda ve statik

mekanik gerilmeler altında çalışır. (Örnek:

merkezkaç gerilmeleri tecrübe eden jet motorları

türbin rotorları ve yüksek basınç buhar boruları)

● Malzemeler ağır çalışma koşullarında belirli bir

yükü uzun sürelerle taşımak zorunda olabilir.

● Bu durumda malzeme zamana bağlı olarak

deformasyona uğrar.

● Ortaya çıkan bu deformasyona sürünme denir.

● Sürünme hem süreye hem de sıcaklığa bağlı bir

deformasyon türüdür.

Sürünme nedir?

● Sürünme düşük sıcaklıklardan ziyade yüksek

sıcaklıklarda gerçekleşir.

● Bu nedenle sürünme yüksek sıcaklıklarda çalışan

malzemeler için önemlidir.

● Sabit bir yük altında malzemelerin zamana bağlı,

kalıcı deformasyona uğraması bir parçanın servis

ömrünü sonlandırabilir.

Fe, Ni Cu ve alaşımları ancak yüksek sıcaklıklarda

sürünmeye uğrarken, Zn, Sn, Pb ve alaşımları oda

sıcaklığında bile sürünme yaşarlar.

Sürünme nedir?

Metallerde sürünme, tek tek taneler içinde kristal

düzlemlerinde kayma ve tane sınırı deformasyonu

ile ortaya çıkan bir deformasyondur.

Sürünme kırılmaları sünek kırılma karakterindedir.

Sürünme sırasında

malzemede çoğu

tane sınırlarında

olmak üzere

küçük çatlaklar,

küçük boşluklar

şeklinde hasar

oluşur.

Sürünme

sürünme ● Sürünme olayına bütün malzeme türlerinde

rastlanır ve metallerde sadece 0.3-0.4 Tm (Tm:

ergime noktası) üstündeki sıcaklıklarda risk

yaratır.

● Amorf polimerler (plastik ve lastik-kauçuklar)

sürünme deformasyonuna özellikle hassastır.

fırın

Sabit yük

Sürünme deneyi Sürünme test düzeneği

Sürünme testleri,

malzemeye yüksek bir

sıcaklıkta sabit bir

gerilme uygularken,

sıcaklığı sabit tutmak

ve meydana gelen

deformasyonu ölçmek

şeklinde uygulanır.

Deney sonuçları

deformasyonun zamana

bağlı değişimi şeklinde

raporlanır.

Genel sürünme davranışı ● Bu süreçte deformasyon veya şekil değişimi

ölçülür ve zamana bağlı değişimi grafik haline

getirilir.

● Yük uygulanması ile birlikte ilk anda tamamen

elastik karakterde olan bir deformasyon

gerçekleşir.

● Deney sonunda ortaya çıkan sürünme eğrisi 3

bölgeden oluşur.

sürünme Sabit bir gerilme altında zamana bağlı malzeme

deformasyonu

birincil sürünme: eğim(sürünme hızı) zamanla azalır.

İkincil sürünme: steady-state/sabit eğim

Üçüncül sürünme: eğim (sürünme hızı) zamanla artar

,

0 t

birincil

ikincil

üçüncül

kopma

Anlık deformasyon

Süre

Sürü

nm

e ş

ekil d

eğiş

imi

● geçiş sürünmesi de denir.

● şekil değişimi-süre eğrisi eğimi (sürünme

hızı) zamanla azalır.

● Bu bölgede deformasyon sertleşmesi olur ve

sürünme direnci artar.

● Bu sürünme şekli metallerde tüm

sıcaklıklarda görülür ve bu nedenle zaman

zaman soğuk sürünme de denir.

Birincil sürünme

● değişmez-kararlı, sabit sürünme de denir.

● eğrinin eğimi ve sürünme hızı sabittir.

● Sürünme sürecinin en uzun aşaması budur.

● deformasyon sertleşmesi ile toparlanma arasında

bir denge oluşmasından kaynaklanır.

● Toparlanma ile malzeme kısmen yumuşar ve daha

fazla deformasyona uğrayabilir.

● Viskoz sürünme ve sadece daha yüksek

sıcaklıklarda karşılaşıldığı için sıcak sürünme

olarak da adlandırılır.

● Kesit alanında aşırı daralma olduğunda üçüncül

sürünme rejimine geçilir.

İkincil sürünme

● En son aşama üçüncül sürünmedir. Bu aşamada

sürünme hızında bir artış gözlenir.

● Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane

sınırı ayrılmaları boyun verme gibi olaylar

gerçekleşir.

● Üçüncül sürünme bölgesinde deformasyon hızı

süratle artar ve bu sürecin sonunda kopma

gerçekleşir.

● Boyun verme veya iç boşlukların oluşmasına bağlı

olarak kesit alanında ciddi bir azalma olduğunda

gerçekleşir.

Üçüncül sürünme

● Sonunda kırılma-kopma gerçekleşir. Bu süreçte

malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı

ayrılmaları boyun verme gibi olaylar gerçekleşir.

● Kopma-kırılma malzemede meydana gelen

mikroyapısal ve metalurjik değişimlerin

sonucunda yaşanır: tane sınırlarının ayrılması, iç

çatlakların, boşlukların, yarıkların oluşması vb.

● Çekme yükleri durumunda deformasyon

bölgesinde boyun verme gerçekleşir. Böylece

gerilmeyi çeken net kesit alanı azalır ve kopma

kaçınılmaz olur.

kopma

Anlık e

last

ik

defo

rmasy

on

Defo

rmasy

on

(şekil d

eğiş

imi)

süre

A

E

D

C

B

Birincil

sürünme

İkincil sürünme-

kararlı sürünme

Üçüncül

sürünme

Sürünme eğrisi

kopma

t

Δε/Δt (sürünme hızı): uzun süreli uygulamalar

için mühendislik tasarım parametresi.

En düşük sürünme

hızı: ikincil sürünme

bölgesindeki sabit

sürünme hızı

Kopma süresi (tr):

nispeten daha kısa

süreli uygulamalar

için tasarım

parametresi

Sürünme parametreleri

Sabit sürünme hızı ile gerilme ve sıcaklık arasındaki

ilişkiyi tarif eden amprik bağıntılar geliştirilmiştir.

Sürünme hızı vs gerilme ilişkisi:

K1 ve n malzeme sabitleridir.

Logaritmik ifade şekli ile eğimi

“n” olan düz bir çizgi elde edilir.

Sürünme hızı

log

log

.s

n

Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta (T) ve gerilmede

() sabittir. Deformasyon sertleşmesi toparlanma ile

dengelenir. Gerilme üstü

sürünme hızı

Sürünme aktivasyon

Enerjisi (malzeme

parametresi) gerilme Malzeme sabiti

Sıcaklık

Gerilme

sürünme hızı 10

2 0

4 0

10 0

2 0 0

10 -2 10 -1 1 Sürünme hızı (%/1000hr) s

ge

rilm

e (

MP

a)

427°C

538 °C

649 °C

RT

QK cn

s exp2

sürünme hızı

Bu şekilde elde edilen en az 2 eğrinin eğimleri

(dε/dt) ölçülerek malzeme sabitleri belirlenir.

dε/dt

dε/dt

dε/dt σ1=55MPa

σ3=69MPa

σ2=62MPa

Sürü

nm

e d

efo

rmasy

onu,

Süre, t

Sürünme eğrisi

Alüminyuma 180°C’de farklı gerilme seviyelerinde

uygulanan sürünme deneylerinde aşağıdaki sürünme

hızları ölçülmüştür.

süre (st) Sürü

nm

e ş

ekil

değiş

imi

0.0066 1/st

0.0025 1/st

55 MPa

62 MPa

55 MPa gerilme için

62 MPa gerilme için

0066.0

t

59 MPa gerilmede sürünme hızını hesaplayın!

problem

/t=0.0025 st-1

/t=0.0066 st-1

σ = 59 MPa için:

0044.059102 1.817

t

hr-1

0.0066 = K.62n

0.0025 = K.55n

2.64 = 62n / 55n

ln2.64 = n.ln62 – n.ln55

n=8.1

K=2.10-17

problem

140 MPa gerilme seviyesinde 817 ve 927 C’de ölçülen

sürünme hızları sırası ile 6.6 x 10-4/st ve 8.8 x10-2/st.

1027 C’de 83 MPa gerilme altında sürünme hızı nedir?

Gerilme üssü, n değeri 8.5.

yukarıda verilen değerlerle 2 bilinmeyenli (K2 ve Qc) 2

denklem kurup K2 ve Qc için çözüm ararız.

RT

QK cn

s exp2

problem

ln (6.6x10-4) = ln K2 + 8.5 ln 140

RT

QK cn

s exp2

problem

Qc

8.31 x 1090

ln (8.8x10-2) = ln K2 + 8.5 ln 140

Qc

8.31 x 1200

K2 = 57.5 /st

Qc = 483.500 J/mol

. = 57.5 (83)8.5 exp = 4.31 x 10-2/st

483500

8.31 x 1300

problem

750 mm uzunluğunda S-590

alaşımlı bir numuneye 815 C’de

80 MPa çekme gerilmesi

uygulanıyor. 5000 st sonra ne

kadar uzar?

İlk anlık sürünme uzaması=1.5mm

80 MPa gerilme altında ve 815 C’de sürünme hızı: 5x10-6 /st

5000 st sonra 750 mm x 5x10-6 /st x 5000 st = 18.75 mm

İlk anlık uzama = 1.5 mm

Toplam uzama = 18.75mm + 1.5 mm = 20.25 mm

problem 10 mm çapında ve 500 mm

uzunluğunda S-590 alaşımlı

silindirik numuneye 730 C’de

çekme gerilmesi uygulanıyor.

2000 st sonra toplam uzamanın

145 mm olması için çekme yükü

ne olmalıdır? İlk anlık sürünme

uzamasını 8.6mm alın.

Toplam uzama=145mm; anlık uzama 8.6mm olduğuna göre,

Kararlı sürünme bölgesindeki uzama= 136.4mm;

Şekil değişimi=136.4/500 = 0.27

Sürünme hızı= 0.27/2000 = 0.000135/st = 1.35x10-4/st

730C’de bu sürünme hızını veren gerilme: 190 MPa 14915 N

● İkincil sürünme viskoz karakterlidir. Minimum

sürünme hızı (V0) bu aşamada eğrinin

eğiminden hesaplanır: Δε/Δt.

● ikincil sürünme evresi sıcaklığa çok hassastır.

● Üçüncül sürünme artan hızla gerçekleşir.

Kopma süresi ile gerilme arasındaki ilişki:

n

r at tr: kopma süresi

a, n: malzeme sabitleri

Kopma süresi

problem

S-590 alaşımlı parçaya 650

C’de 300 MPa çekme

gerilmesi uygulanırsa

kopma süresi ne olur?

Bu şartlarda kopma süresi: 400 saat

● Bir sürünme deneyinden elde edilen en önemli bilgi,

ikincil sürünme bölgesinde sabit eğim değeridir.

● Bu değer en düşük, kararlı-değişmez sürünme

hızıdır.

● Uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım

parametresidir. Örneğin nükleer santraller için

malzeme, birkaç on yıl için tasarım yapılarak seçilir.

● Oysa servis süreleri daha kısa olan savaş uçaklarının

jet motorları türbin kanatları için tasarım

parametresi kopmaya kadar geçen toplam süredir.

● Bu parametrenin belirlenmesi için sürünme

testlerinin kopmaya kadar sürdürülmesi gerekir.

Genel sürünme davranışı

Gerilme ve sıcaklık etkileri ● Hem sıcaklık hem de gerilme seviyesi sürünme

karakteristiklerini etkiler.

● 0.4Tm nin epey altındaki sıcaklıklarda ve ilk

deformasyondan sonra şekil değişimi esasen

zamandan bağımsızdır.

● Artan gerilme veya artan sıcaklıkla:

deformasyon artar

sürünme hızı artar

toplam kopma süresi kısalır.

sıcaklık ve uygulanan gerilme etkilerinin ölçülmesi için

sabit sıcaklıkta farklı gerilmeler uygulanarak

deformasyonlar ölçülür. Bu farklı sıcaklıklar

için tekrarlanarak sıcaklık ve gerilme etkisi tanımlanır.

Sürü

nm

e d

efo

rmasy

onu

T1 / σ1

süre

T2 / σ2

T3 / σ3

T4 / σ4

T1<T2<T3<T4

σ1<σ2<σ3<σ4

Gerilme ve sıcaklık etkileri

T<0.4Tm

● Atomların hareketliliği yüksek sıcaklıklarda artar ve

daha düşük enerji konumlarına geçerler.

● Dislokasyonların hareketliliği de artar ve tırmanma

mekanizması ile önlerine çıkan engelleri aşarlar.

● Boşluk konsantrasyonu da sıcaklıkla artar. Difüzyon

hızlanır.

● Bu sayede yeniden kristalleşme gerçekleşir.

● Yeni oluşan taneler gerilme altında birbirleri

üstünde yer değiştirirler.

● Bu tane sınırı kayması tane sınırlarında çatlakların

oluşmasına neden olur.

Sıcaklık etkisi

● Düşük sıcaklıklarda (T< Tm/4) sürünme hızı azalır.

● Çünkü, deformasyon sertleşmesi artarken

toparlanma etkisini kaybeder.

● Düşük sıcaklıklardaki sürünmeye logaritmik sürünme

denir.

ε = α ln t

ε : şekil değişimi

α : sabit

t : süre

Sıcaklık etkisi

Sürünme davranışını en çok etkileyen faktör

tane boyutudur.

tane boyutu: taneler ne kadar küçük ise,

malzeme o kadar dayanıklıdır.

Ancak ekikohezif sıcaklığın (Te > Tm/2) üstünde

bu etki tersine döner.

İri taneli yapılar ince tanelilerden daha

yüksek sürünme direnci gösterirler.

Tane boyutu etkisi

bileşim: saf metaller alaşımlarından daha

yumuşaktır.

ikinci fazlar dislokasyon hareketine engel

olur. Bu nedenle saf metallerde sürünme

daha fazladır.

Çeliğin sürünme direnci çözeltide kalan Ni,

Co ve Mn gibi ve karbür yapıcı Cr, Mo, W ve

V gibi elementlerle artar.

Alaşım bileşimi etkisi

● Çeliklerde deformasyon sertleşmesi sürünme

direncini arttırır.

● Kırılmanın taneler arasından tane içine dönüştüğü

ekikohezif sıcaklığın altında deformasyon

sertleşmesi sürünme direncini arttırır ve belirgin

bir sürünme deformasyonu görülmez. Dolayısı ile

ikincil sürünme bölgesi yataydır.

● Ekikohezif sıcaklığın üstünde plastik akma hızı

deformasyon sertleşmesi hızını geçer ve sürünme

düşük gerilmeler altında bile devam eder.

Deformasyon etkisi

Çeliklerin sürünme direnci ısıl işlemle etkilenir.

Yapı ısıl işlemle değiştiği için sürünme davranışı

da etkilenir.

Isıl işlem etkisi

Data ekstrapolasyon yöntemleri ● Mühendislik tasarımlarına faydalı olacak sürünme

davranış bilgilerini laboratuar deneylerinden elde

etmek güçtür.

● Bu durum özellikle uzun süreli, yıllar sürebilecek

servis şartları için geçerlidir.

● Bu sorun sürünme ve sürünme kopma testlerinin

denk gerilme seviyelerinde fakat gerekli olandan

daha yüksek sıcaklıklarda yapılması ile aşılabilir.

● Bu şekilde (ağırlaştırılmış ve hızlandırılmış)

testlerin makul sürelerde tamamlanması mümkün

olabilir.

Data ekstrapolasyon yöntemleri ● Bu uygulamada deney sonuçlarının çalışma

şartlarına ekstrapolasyon yöntemi ile

değerlendirilmesi gerekir:

● Popüler bir pratik Larson-Miller parametresinin

(L) uygulanmasıdır.

L = T (C + log tr) = T (20 + log tr)

C: sabit değer; 20

T: sıcaklık (K) ve

tr: kopma süresi (st)

problem S-590 alaşımı için yandaki şekilde

yer alan Larson-Miller bilgilerini

kullanarak, 800C’de 140 MPa

gerilme altında kopma süresini

hesaplayın.

140 MPa gerilme değerinde

Larson-Miller parametresi, L: 24x103

24x103 = T (20 + log tr) = (800+273) (20 + log tr)

22.37 = 20 + log tr

tr için çözersek, tr = 233 saat ( 10 gün)

problem 650 C’de yükleme altındaki 18-8

paslanmaz çeliği için kopma

süresinin 1 yıl olacağı gerilme

seviyesi nedir?

1 yıl = 365 x 24 = 8760

= 8.76 x103 st

Önce bu süre için Larson-Miller

parametresini belirlemek gerekir.

T (20 + log tr) = (650+273) (20 + log 8.76x103) = 22.1 x103

Grafikten gerilme seviyesi : 200 MPa

Yüksek sıcaklık alaşımları

Metallerin sürünme davranışını etkileyen

faktörler:

Ergime noktası

Elastik modül

Tane boyutu

Ergime noktası

Elastik modülü sürünme direnci

Tane boyutu

Yüksek sıcaklık alaşımları ● Sürünme direnci yüksek malzemeler arasında

süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter

metalleri sayabiliriz.

● Taneler küçük olduğunda tane sınırı kayması artar

ve sürünme hızı da artar.

● Tane çapının bu etkisi düşük sıcaklıklardaki

etkisinden tamamen farklıdır: tane boyutu

küçüldükçe mukavemet ve tokluk artar.

● sürünme şartları için özel üretim teknikleri

geliştirilmiştir: çok uzun taneler üreten yönlenmiş

katılaştırma veya tek kristal üretimi

yönlendirilmiş

kolonsal tane yapısı

ile Yüksek sıcaklık

sürünme davranışı

arttırılmış çok

kristalli süper alaşım

tek kristal yapılı

süper alaşım;

sürünmeye en

dayanıklı

Yüksek sıcaklık alaşımları Geleneksel döküm yöntemi ile üretilmiş Çok kristalli süper

alaşım

● Farklı malzemelerde, farklı yükleme ve farklı

sıcaklık koşullarında farklı mekanizmalar vardır.

● Bu mekanizmalar:

Gerilme destekli boşluk difüzyonu

Tane sınırı difüzyonu

Tane sınırı kayması

Dislokasyon hareketi-tırmanması

Sürünme mekanizmaları

● mekanizmaların n ve Qc değerleri farklıdır.

● Sürünme mekanizmasının belirlenmesi için

deneysel olarak elde edilen “n” değeri ile farklı

mekanizmaların “n” değerinin karşılaştırılabilir.

● Benzer şekilde sürünme aktivasyon enerjisi (Qc)

ile difüzyon için aktivasyon enerjisi

karşılaştırılması da faydalı olabilir.

● Bu haritalar farklı mekanizmaların işlediği

gerilme-sıcaklık bölgelerini gösterir.

Sürünme mekanizmaları

Gerilme üstü

sürünme hızı

Sürünme aktivasyon

Enerjisi (malzeme

parametresi) gerilme Malzeme sabiti

10

2 0

4 0

10 0

2 0 0

10 -2 10 -1 1 Sürünme hızı (%/1000hr) s

gerilme (MPa) 427°C

538 °C

649 °C

RT

QK cn

s exp2

sürünme mekanizmaları

Saf metaller:

Düşük gerilmelerde n1

Yüksek gerilmelerde n4

Artan gerilme ile n artar!

n 4:

difüzyon ve dislokasyon

hareketleri dominant!

deformasyon mekanizma haritaları

0.1mm tane çapında saf

nikel için gerilme-sıcaklık

haritası

Sürünme

sonuçlarının

gerilme sıcaklık

diyagramları

şeklinde sunumları

deformasyon

mekanizma

haritaları da denir.

Dislokasyon hareketliliği gerektirmeyen,

difüzyona bağlı mekanizmalar:

Kitle difüzyonu (Nabarro-Herring sürünmesi)

Tane çapı arttıkça sürünme hızı düşer.

Tane sınırı difüzyonu (Coble sürünmesi)

Nabarro Herring mekanizmasından

daha kuvvetli tane boyut bağımlılığı

Difüzyon sürünmesi

Yüksek sıcaklık ve düşük gerilmelerde meydana gelir.

Boşluk difüzyonu sürünme hızını kontrol eder.

Difüzyon tanelerin içinde gerçekleşir.

Sürünme hızı 1/tane boyutu ile orantılıdır.

tane boyutu arttırılarak

sürünme hızı

düşürülebilir.

Nabarro-Herring sürünmesi

Yük uygulandığında farklı taneler farklı

gerilmeler tecrübe ederler.

Atom boşlukları çekme gerilmesi

altındaki tane sınırlarından atomlar ise

basma gerilmesi altındaki tane

sınırlarından uzaklaşmak isterler.

Bu süreçte taneler arasında malzeme

bütünlüğünü korumak üzere kayma

(tane sınırı kayması) yaşanır.

Nabarro-Herring sürünmesi

Polikristal-çok kristalli- malzeme

Stress axis

Nabarro-Herring sürünmesi

Difüzyon tane sınırlarında gerçekleşir.

düşük aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu nedenle

düşük gerilme seviyelerinde ve düşük sıcaklıklarda

daha yaygındır.

Sürünme hızı tane boyutu arttırılarak düşürülebilir.

İri taneli yapılarda daha az tane sınırı bulunduğu

için!

coble sürünmesi

coble sürünmesi

coble

Nabarro-Herring

● Dislokasyon hareketlerince kontrol edilir.

Uygulanan gerilmeye ve sıcaklığa bağlıdır.

● Bu mekanizmada dislokasyonlar ve atom boşlukları

bir arada hareket ederler.

● Sürünme hızı dislokasyonların çökelti, tane sınırı

gibi engelleri aşma kabiliyeti ile ilgilidir.

● Bu olaylar yüksek sıcaklıklarda olur (T>0.4Tm)

● Bu sayede plastik deformasyon artarak devam

eder.

Dislokasyon sürünmesi

Dislokasyon

Tane sınırı

Dislokasyon sürünmesi

Yüksek sıcaklıklarda atom boşluklarının difüzyon hızı

artar ve dislokasyonlar kolayca kayar ve tırmanırlar.

Çökelti-

engelleyici

dislokasyon

boşluklar Tırmanma kayma

.

boşluk Dislokasyon

Dislokasyonların ve atom boşluklarının birlikte

hareketi şeklinde gerçekleşir.

Dislokasyon sürünmesi

Harper-Dorn sürünme mekanizması olarak da bilinir.

Sürünme mekanizmaları

● Düşük sıcaklıklarda tane sınırları tane içlerine göre

daha yumuşaktırlar.

● Sıcaklık arttıkça, tane sınırları kayma ile

deformasyon sürecine katkı yaparlar. Düşük

sıcaklıklarda ise, dislokasyonları engelleyerek akma

dayanımını arttırırlar.

● tane sınırları yüksek sıcaklıklarda kayma ve boşluk

oluşturma faaliyetleri ile sürünme olayında önemli

bir rol oynarlar.

● Yüksek sıcaklıklarda sünek metaller sertleşme

kabiliyetlerini kaybederler ve tane sınırı kaymasına

imkan tanıyacak şekilde viskoz hale geçerler.

Tane sınırı kayması

NH ve Coble sürünme mekanizmaları ile birlikte

gerçekleşir.

Tane sınırı kayması, süperplastik şekil vermede

malzemenin tane boyutunda herhangi bir değişiklik

olmaksızın uzamasını mümkün kılan mekanizmadır.

Difüzyon destekli

plastik akma sırasında

boşluklar oluşur.

Malzemenin dağılmasını

önlemek, bir arada tutmak

için, tane sınırı kayması olur.

Tane sınırı kayması

Tane sınırı kayması artan sıcaklıkla ve düşen

deformasyon hızı ile artar.

İnce taneli malzemelerde çok sayıda tane ve

bol miktarda tane sınırı olduğu için bu

mekanizmanın rolü artar.

O nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarında

büyük taneli malzeme kullanmak gerekir.

Tane sınırı kayması

● Jet motorlarının türbin kanatçıklarında Ni

esaslı süper alaşımlarının tek kristalli

olarak kullanılmasının nedeni budur.

● İri taneli yapı ile tane sınırı kayması

mekanizması sınırlanır

● tek kristalli yapılarda tamamen etkisiz

hale getirilir.

Tane sınırı kayması

Bir malzemenin belirli bir süre için aşırı

deformasyona uğramadan dayanabileceği en yüksek

gerilmedir.

örnek : bir türbin kanatçığı için sürünme

mukavemeti 800 C’de 10000 st çalışmada sadece

%0.2 sürünme deformasyonu yaratan gerilme.

Sürünme mukavemeti, belirli bir sıcaklıkta sabit bir

sürünme hızı, mesela 10-11 ile 10-8/st, veren

gerilme veya belirli bir sürede, mesela 105 saatte

%1 sürünme deformasyonu veren gerilme olarak da

tarif edilebilir.

Sürünme mukavemeti

● Sürünme sınırı: bir malzemenin belirli bir süre için

aşırı deformasyona uğramadan dayanabileceği en

yüksek gerilmedir.

● sürünme ömrü: belli statik bir yük altında kırılmaya

kadar geçen süre

Sürünme sınırı/sürünme ömrü

Sıcaklığa bağlı olarak;

Logaritmik sürünme

Düşük sıcaklıklarda sürünme hızı zamanla azalır ve logaritmik

sürünme eğrisi elde edilir.

Toparlanma sürünmesi

Yüksek sıcaklıklarda deformasyon sertleşmesinin etkisi zayıflar

ve mekanik toparlanma olasılığı belirir. Sonuçta, sürünme hızı

azalmaz ve toparlanma sürünme eğrisi elde edilir.

Difüzyon sürünmesi

Çok yüksek sıcaklıklarda sürünme esasen difüzyon tarafından

etkilenir ve uygulanan gerilmenin etkisi azalır. Bu sürünme

difüzyon sürünmesi veya plastik sürünme olarak bilinir.

Sürünme türleri

Sürünme ve gerilme kopma testi

Düşük yükler

Hassas şekil değişimi

Ölçümü (f<%0.5)

Uzun süreli (2000-10000 st)

Pahalı ekipman

Belli gerilmede ve sıcaklıkta

en düşük şekil değişimi hızı

belirlenmesi için.

yüksek yükler

kaba şekil değişimi

Ölçümü (f %50’ye kadar)

kısa süreli (<1000 st)

ucuz ekipman

Belli gerilmede ve sıcaklıkta

kopmaya kadar geçen

sürenin belirlenmesi için

sürünme Gerilme kopma

Sabit yük Şekil değişimi

Sürünmeyi önlemek için,

● tane sınırlarının etkisini azaltmalı.

● tek kristal malzeme veya iri taneli malzeme

boşlukları azaltmak için katı eriyik atomları ilave

edilmeli.

● yüksek ergime noktasına sahip malzemeler

kullanılmalı.

● malzeme seçiminde çalışma şartlarını ve ömür

beklentisine göre muayene aralıkları göz önünde

bulundurularak sürünme deney sonuçları ve

kaynakları incelenip araştırılmalı.

Sürünme kontrolü

Sabit bir şekil değişimine maruz kalan bir parçada gerilmenin zamanla azalmasına gerilme gevşemesi denir.

Diğer bir ifade ile uzamasına izin verilmeyen parçalarda gerilmenin azalması olayıdır.

örnek

Rijid parçaları bir arada tutan civatalarda uzun

sürelerden sonra gerilme düşer.

Gerilme gevşemesi

gerilme

süre

özet ● sabit bir gerilme uygulanan metallerin 0.4 Tm

üstündeki sıcaklıklarda zamana bağlı

deformasyona uğraması olayına sürünme denir.

● Tipik bir sürünme eğrisi 3 bölgeye sahiptir.

● Sürünme eğrilerinden mühendislik uygulamaları

için elde edilen önemli bilgiler kararlı sürünme

(2.) bölgesindeki eğim; sürünme hızı ve kopma

süresidir.

● Gerilme ve sıcaklık arttıkça,

İlk anlık deformasyon miktarı artar.

Kararlı bölge sürünme hızı artar.

Kopma süresi azalır.

özet ● Sürünme şartlarında parça ömrünü tahmin etmek

için Larson–Miller parametresinden yararlanılır.

● Yüksek sıcaklık uygulamaları için alaşım seçimi:

● Sürünme direnci yüksek alaşımların elastik

modülleri ve ergime sıcaklıkları yüksektir.

● Bu alaşımlar arasında

Ni ve Co esaslı süperalaşımları,

paslanmaz çelikleri ve

refrakter metalleri

sayabiliriz.

● Alaşımların sürünme dirençlerini geliştirmek için

çeşitli üretim pratikleri de vardır.