Yorulma Dayanımına Etki Eden Faktörler

Yorulma dayanımına etki eden faktörleri şu şekilde gruplamak mümkündür: 

• Parça Geometrisi: Yüzey düzgünlüğü, çentikler, kaynaklama, birleştirmeler ve parça kalınlığı 
• Üretim Süreci: İmalat ve yüzey işlemleri 
• Yük Dağılımı: Çevrim şekli, değeri, frekansı ve yük geçmişi 
• Çevresel Etkiler: Sıcaklık ve korozyon 
• Malzemenin Mikro Yapısı: Tane boyutu ve malzemenin içyapısı
 

Çoğu yükleme durumu için maksimum gerilme, yapı veya onu oluşturan parçanın yüzeyinde meydana gelir. Yorulma hasarına yol açan çoğu çatlak, yüzeyden özellikle de gerilme yığılmasının oluştuğu bölgelerden başladığı için yorulma ömrü yüzey durumu ve koşullarına duyarlıdır. Herhangi bir çentik veya geometrik süreksizlik gerilme yığılmasına yol açarak çatlak başlangıç yeri olarak davranabilir. Tasarımda yer alan yivler, delikler, kama yuvaları, vida dişi ve benzerleri bunlara birer örnektir. Süreksizlikler ne kadar keskin (yuvarlatma yarıçapı küçük) ise gerilme yığılması şiddeti o kadar yüksek olacağından yapısal düzensizliklerden ve keskin köşelere yol açan ani kesit değişikliklerinden kaçınmak gereklidir.

Önerilen Makale: Pirinç malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için pirinç otomat çubuğu fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Kaynaklama ve birleştirmeler de geometrik süreksizlik yaratarak gerilme yığılmalarına sebep olur ve çatlak başlangıcına yol açar.

Malzeme kalınlığı da yorulma mukavemetine etki etmektedir. Çelik malzemelerde kalınlık arttıkça lamellerin çatlama hassasiyeti artış göstermektedir. Bu yüzden kalın malzemelerde, haddelenmeye paralel, dik ve kalınlık yönlerinde izotropik özelliklerin elde edilmesi çok önemlidir.

Parça üretimi sonrasında, parça yüzeyinde yer alan küçük çizik ve yiv gibi izler birer çentik etkisi yaratarak yorulma ömrünü azaltacaktır. Son işlem olarak parlatma yapılarak yüzey kalitesinin iyileştirilmesi ile birlikte yorulma ömrünü artırmak mümkündür. Yorulma performansını artırmak için ise en dış yüzey tabakasında basma artık gerilmeleri oluşturularak çatlak oluşumu azaltılmaya çalışılır. Bu işlemi bilya püskürtme denilen bir yöntemle gerçekleştirmek mümkündür. Bunun dışında çelik alaşımlarında hem yüzey sertliğinin hem de yorulma ömrünün arttırıldığı bir yöntem olan kabuk sertleştirme, parçanın yüksek sıcaklıkta karbonca ya da azotça zengin bir ortama maruz bırakılmasıyla gerçekleştirilen sementasyon (karbürleme) ya da nitrürleme işlemleriyle yapılabilir.

Üretim sürecinde soğuk dövme, haddeleme ve ekstrüzyon gibi soğuk kalıcı şekil verme teknikleri, meydana getirdikleri tane yönlenmesinden dolayı, malzemelerde yöne bağlı özellikler oluşmaktadır. Yönlendirilmiş doğrultudaki yorulma dayanımı diğer kısma göre daha yüksek olmaktadır.
 

Uygulama esnasında birçok parça değişken gerilmelere maruz kaldığı için malzemelerin yorulma direncini belirleyebilmek amacıyla yapılan yorulma deneylerinde gerilme türünün etkisi önemlidir. Genellikle eksenel gerilme ile düzlemsel eğme gerilmelerinin uygulandığı durumlarda sonuçlar birbirine çok yakın olup burma gerilmelerinin uygulandığı durumlarda sonuçlar farklıdır. Aynı tür gerilme için ortalama gerilme, gerilme genliği ve gerilme oranının etkileri de çok önemlidir. Ortalama gerilme değeri arttıkça malzemenin belirli bir çevrim sayısı için dayanabileceği gerilme genliği azalmaktadır. Gerilme oranı arttıkça malzemenin belirli bir çevrim sayısı için dayanabileceği gerilim genliği azalmaktadır. Bunun dışında uygulama esnasında parçada zaman zaman meydana gelen aşırı gerilmeler yorulma ömrünü kısaltacaktır.

Frekansın yorulma deney sonuçlarına etkisi kesin olarak saptanamamakla birlikte deney cihazlarının çoğunda uygulanan 200-10.000 çevrim/dakika’lık frekansın deney sonuçlarını pek etkilemediği kabul edilmektedir. Fakat çok düşük deney hızlarında çevrenin etkisinin daha fazla olması nedeniyle yorulma dayanımı sınırının azaldığı kabul edilmektedir. Diğer yandan çok yüksek frekanslarda, malzemede oluşan ısıların kısa zamanda yayınamaması, yorulma deneyi sonuçlarını olumsuz yönde etkilemektedir. Çelik için yorulma dayanımının 200-5.000 çevrim/dakika’lık frekanstan etkilenmeyeceği söylenebilir.
 

Çevresel faktörler de malzemelerin yorulma davranışını etkileyebilmektedir. Oda sıcaklığı altında yapılan yorulma deneylerinde sıcaklık düştükçe yorulma dayanımının arttığı ancak bunun yanında malzemenin çentik hassasiyetinde artış  olduğu görülür. Oda sıcaklığının üstünde yapılan deneylerde ise genellikle sıcaklık yükseldikçe yorulma dayanımının azaldığı görülür. Deney sıcaklığı belirli bir sıcaklığa çıktığında ise kopma, yorulmadan çok sürünme sonucunda meydana gelmektedir. Bunun yanında, makine parçalarının kullanılma esnasında sıcaklık değişimlerine uğramaları, ısısal gerilmelere yol açarak yorulmaya neden olabilir. Bir defalık ani sıcaklık değişimi malzemenin çatlamasına yol açmışsa bu olaya ısıl (termal) şok adı verilirken, çatlama çok sayıda tekrarlanan ısısal gerilmeler sonucunda olmuşsa bu olaya ısısal (termal) yorulma adı verilir.
Yorulma olayından önce malzemenin korozyona uğraması ile malzemenin yüzeyinde meydana gelen pürüzler ve boşluklar çentik etkisi yaparak gerilmelerin birikmesine ve yorulma dayanımının düşmesine neden olurlar. Korozyon olayının kimyasal etkisi ile yorulma olayının mekanik etkisinin aynı anda oluşmasına korozyon yorulması denir. Korozyon ve yorulma olaylarının beraber oluştuğu durumlarda, yorulma dayanımında daha büyük düşüşler görülmektedir. Korozyon, çatlak başlangıcını ve çatlağın ilerlemesini hızlandırmaktadır. Ayrıca korozyon, yorulma deneyinde uygulanan frekansın etkisini de değiştirmektedir. Düşük hızlarda deney zamanı uzayacağı için korozyon daha etkili olacağından, korozif ortamlarda frekansın etkisini azaltmak için mümkün olduğu kadar yüksek hızlarda çalışılmalıdır.
 

Malzemenin mikro yapısı plastik deformasyon sürecini engelleyerek veya değiştirerek çatlak büyümesini etkilemektedir. Malzemenin tane boyutu uzun ömürlü yorulma koşullarında daha çok ön plana çıkmaktadır. Gerilmelerin büyük seviyelerde olduğu kısa ömürlü yorulma koşulları altında çoğu metalin yorulma ömrü tane boyutundan bağımsızdır. Buna karşılık, gerilmelerin daha düşük seviyelerde olduğu uzun ömürlü yorulma koşulları altında tane boyutu küçüldükçe çoğu metalin yorulma ömrü artmaktadır. Tane büyüklüğünü değiştirmek için uygulanacak olan işlemler, malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz bir şekilde değiştirebileceğinden ortalama bir tane boyu en uzun çalışma ömrünü sağlayabilir.

Teknolojik uygulamalarda, özellikle çeliklerde optimum mekanik özelliklere ulaşmak için ince tane üretimi amaçlanmaktadır (Demirci, 2004, s. 160). Kaliteli çelik üretiminde, kimyasal bileşimde mümkün olan en düşük seviyede karbon ve alaşım elementinin bulunmasının yanı sıra küçük boyutlu ve gevrek davranış göstermeyen iç yapılar istenmektedir. Tane küçültme işlemi çeliğin bileşiminde Al, V, Ti, Nb, Zr, B gibi alaşım elementlerinin varlığının yanı sıra; normalizasyon, sıcaklık kontrollü haddeleme ve diğer termomekanik işlemlerle yapılabilmektedir.

Bir malzemenin kimyasal bileşiminin yorulma dayanımına etkisi yaklaşık olarak çekme dayanımına etkisi ile orantılıdır. Dolayısıyla malzeme yapısında alaşımlar kullanarak malzemenin statik çekme dayanımının arttırılması, yorulma dayanımını da arttırabilmektedir.

Çelikler için de, katılan alaşım elementlerinin statik çekme dayanımını artırarak, yorulma dayanımı arttırdığı söylenebilir. Sade karbonlu çeliklerin yorulma dayanımı genellikle karbon içeriğiyle birlikte artmaktadır. Molibden, krom ve nikel de benzer etkiye sahiptir. Yüksek mukavemetli çeliklerin yorulma dayanımı bakır ilavesi ile arttırılabilir. Fosforun malzeme içerisindeki kimyasal bileşimi kırılganlığı önlemek için minimum seviyede tutulmasına rağmen, yüksek fosfor içeren çeliklerin daha büyük yorulma dayanımları vardır. Sülfür ise malzeme içerisinde % 0,01’den düşük miktarda olduğu sürece yorulma sınırına etki etmemektedir. Nikel ve krom içeren östenitik çelikler, düşük çentik hassasiyeti ve korozyon yorulmasına yüksek dayanımlarının yanı sıra, yüksek bir yorulma sınırına sahiptir. Bununla birlikte alaşım elementlerinin döküm esnasında segregasyonlar meydana getirerek yorulma dayanımını etkileyebileceği de belirtilmelidir.

Bir malzemeye katılan alaşım elementlerinin (karbon hariç) çeliklerin yorulma dayanımını arttırması aynı zamanda çeliklerin içyapısını da değiştirmelerine bağlıdır. Uygun su verme ve menevişleme işlemleri ile statik çekme dayanımı ve sertliği arttırılan çeliklerin yorulma dayanımı da artmaktadır.

Isıl işlem ile güçlendirilemeyen alaşımların yorulma dayanımlarını soğuk şekillendirme ile arttırmak mümkündür.

Metalik malzemelerde yorulma hasarı dislokasyon hareketleri sonucunda oluşan kalıcı şekil değişimlerinden kaynaklandığı için dislokasyon hareketlerini etkileyen faktörler malzemenin yorulma özelliklerini de etkileyecektir. Dislokasyon hareketleri yapı içerisindeki çökeltilerden, kalıntılardan, tane sınırlarından etkilenir. Malzeme kalıntıları, katı çökelti parçacıkları, tane sınırları gibi kristal süreksizlikler malzeme yapısı içerisinde yorulma çatlak oluşumuna sebep olan mikroskobik gerilme yığılmalarına örnektir. Oluşan gerilme yığılmalarının etkisiyle yüzeyde oluşan mikro çatlaklar zamanla büyüyerek ilerler ve yapı içerisinde yayılırlar.

Malzeme içerisinde genellikle hata olarak tanımlanan kalıntılar gerilme yığılmalarına sebep olarak yapının mukavemetini dolayısıyla da yorulma dayanımını ve yorulma ömrünü azaltmaktadır. Kalıntılar malzeme yapısına göre daha kırılgandırlar ve etrafını çevreleyen matris gibi kolay şekil değiştiremezler. Bu da kalıntı sınırlarında veya içerisinde mikro boşluklar oluşmasına yol açar. Bu mikro boşlukların başlama, ilerleme ve birleşme mekanizması karakteristik kırılma özelliğini ortaya çıkarır.

Mikro yapıdaki kalıntılar, onlarca yıl çeliklerdeki yorulma hasarının genel bir problemi olarak ilişkilendirilmiş ve yorulma dayanımını azaltıcı bir etki göstermiştir. Günümüzde genel olarak düzgün bir numunenin, kalıntı miktarındaki artışla beraber yorulma sınırının düşeceği kabul edilmektedir. En zararlı kalıntılar sert ve kırılgan oksit kalıntılar iken en az zararlı kalıntılar MnS kalıntılarıdır. Kalıntıların yorulma dayanımına etkisi, şekil ve boyutlarına bağlı olarak değişmektedir. Yumuşak çelikler, sert çeliklere göre kalıntılardan daha az etkilenmektedir.

Çelik içindeki kalıntı bileşikleri çeliğin kırılma davranışları ile dayanım özelliklerini büyük ölçüde etkiler ve yöne bağımlılık meydana getirirler. Kalıntı bileşiklerinin etrafında oluşan gerilme yığılmaları sonucunda yorulma çatlakları genellikle buralardan başlar. Çelikler kalıntılardan arıtıldığı zaman yorulma dayanımlarında artış meydana gelecektir.