Malzeme Yorgunluğu

Malzeme yorgunluğu, döngüsel yüklere maruz kalan bir yapı veya bileşendeki hasarın kademeli olarak gelişmesi ve sonunda yapının tamamen bozulmasına yol açmasıdır. Dikkat çekici olan, yorulma arızasına neden olan malzeme gerilme seviyesinin, tek bir statik uygulanan yük için izin verilen maksimum gerilimlerden önemli ölçüde daha düşük olmasıdır. Yorulma arızasından sorumlu yüklere yorulma yükleri denir ve doğası gereği döngüseldir.

Malzeme yorgunluğu nedir kısaca tanımladık. Bu bozulmanın sık karşılaşıldığı malzeme metaldir. Metal yorgunluğu olarak bu yapısal hasarın, metalurjik ve mekanik olmak üzere iki farklı tanımı vardır. Metalurjik açıklama, yorulma yüklerinin uygulanmasından önce, sırasında ve sonrasında bir malzemenin durumunu dikkate alır ve ayrıca yorulma mekanizmalarının incelenmesini de içerir. Mekanik açıklama, belirli bir gerilim seviyesinde yorulma arızasına yol açan yük döngülerinin sayısını tahmin etmek gibi bir dizi yükleme koşulunun mekanik tepkisini dikkate alır. Mekanik açıklama, mühendislik açısından, örneğin bileşenlerin yorulma ömrünü tahmin etmek ve buna dayanarak bir inceleme veya bakım stratejisi geliştirmek için daha kullanışlıdır. Özetle malzeme yorgunluğu, genellikle metal alaşımları gibi malzemelerde ortaya çıksa da tekrarlı yük uygulamalarına maruz kalan diğer malzeme türlerinde de gözlemlenebilir.

Malzeme yorgunluğu genellikle belirli bir stres veya yük seviyesinin üzerinde başlar. Bu stres seviyesine kritik stres değeri denir. Malzeme, bu kritik stres değerinin altında kaldığında genellikle zarar görmezken, bu seviyenin üzerine çıktığında yorgunluk başlar. Malzeme yorgunluğunun başlangıç seviyesinde gözle görülmeyen fakat malzemenin içerisinde oluşan mikroskobik çatlaklar meydana gelir. Bu çatlaklar, zamanla büyüyüp, malzemenin dayanıklılığını azaltır.

Malzemenin belirli bir stres veya yük seviyesine maruz kaldığında kaç tekrarlamadan sonra çatlamaya başlayacağına yorulma ömrü denir. Yorulma ömrü, malzemenin belirli bir koşulda ne kadar süre dayanabileceğini gösterir. Malzeme yorgunluğu genellikle belirli bir frekansta daha belirgin hale gelir. Bu, malzemenin dinamik yüklemelere maruz kaldığında, özellikle rezonans frekanslarında çatlakların daha hızlı büyüme eğiliminde olduğu anlamına gelir.

Malzeme yorgunluğu genellikle havacılık, otomotiv, inşaat ve diğer mühendislik uygulamalarında dikkate alınan önemli bir faktördür. Uçak gövdeleri, köprüler, otomobil parçaları gibi birçok yapısal bileşen malzeme yorgunluğu açısından değerlendirilir. Malzeme yorgunluğu, mühendislik tasarımında ve dayanıklılık analizlerinde göz önüne alınması gereken kritik bir unsurdur. Malzeme seçimi, yük koşulları, tasarım ve işleme yöntemleri, malzeme yorgunluğunu etkileyen faktörler arasındadır.

Metal Yorgunluğunun Aşamaları

Metal yorgunluğu tipik olarak üç aşamada gelişir.

  1. Çatlak başlangıcı: Çatlak başlangıcı, genel olarak bileşenin yüzeyinden ve yüksek malzeme gerilimi olan yerlerinde başlar. Bu aşamadaki çatlağın boyutu genellikle 0,5 mm’den büyük değildir ve çıplak gözle görülemez.
  2. Çatlak yayılımı: Çatlak, her dinamik yük döngüsünde yayılır. Başlangıçta çatlak büyümesi yavaş ilerler, ancak bileşenin hasarsız kısmındaki malzeme gerilimi yükselmeye başladığında hızlanır.
  3. Son Bulma: Bileşenin hasarsız kısmının malzeme bölümü kuvvetleri destekleyemeyecek kadar küçük hale geldiğinde, parça bir yük döngüsünde kırılgan bir arıza olarak tamamen yırtılır.

Malzeme Yorgunluğunu Etkileyen Faktörler

Metal yorgunluğunu etkileyen en önemli faktörler, ortalama stres, yüzey pürüzlülüğü, çentik, artık stres, sıcaklıktır.

1.      Ortalama Stres

Stres değerleri pozitif veya negatif bir işarete sahip olabilir. Konvansiyonel olarak, basınç gerilmeleri negatif işarete, çekme gerilmeleri pozitif işarete sahiptir. Yorulma arızasından esas olarak çekme gerilmeleri sorumlu olduğundan, daha yüksek bir ortalama gerilme daha erken arızaya neden olur.

Daha yüksek bir ortalama gerilim, bir yük döngüsünün basınç gerilimlerinden daha fazla veya daha yüksek çekme içerdiği anlamına gelir. Sabit genlikli bir yüklemede, -P ve +P arasındaki bir yük döngüsünden 0 MPa’lık bir ortalama gerilim neden olur.

2.      Yüzey Pürüzlülüğü

Bir metaldeki yorulma çatlakları genellikle bileşenin yüzeyinde gelişir. Metal yorgunluğu bu nedenle bir yüzey fenomeni olarak kabul edilir. Ayrıca, yüzeyin kalitesi, yapının yorulma ömründe önemli bir rol oynamaktadır. Daha pürüzlü bir yüzey, daha hızlı yorulma arızasına neden olur.

3.      Çentik

Çentikler yerel stres konsantrasyonlarına neden olur. Yorgunluk genellikle bu yerlerde meydana gelir, ancak yorulma mukavemeti genellikle yerel streslerin hayal edebileceğinden biraz daha yüksektir.

4.      Artık Stres

Kalıntı gerilimler, genellikle son işlem prosesinin imalatından kaynaklanan gerilimlerdir. Artık gerilmeler, bir parçanın yorulma mukavemetini artırabilir veya azaltabilir. Artık çekme gerilmeleri yorulma mukavemetini düşürürken, artık basınç gerilmeleri, malzemenin yorulma mukavemetini arttırır. Kumlama, yerel basınç gerilmelerini ortaya çıkaran ve bu nedenle yorulma mukavemetini artıran son işlemdir.

5.      Sıcaklık

Bazı malzemelerin yorulma mukavemeti sıcaklıktan da etkilenebilir. 200 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda birçok malzeme yapısal değişiklikler göstermeye başlar. Bu da yorulma mukavemetinin azalmasına neden olur.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here