
Metal parçaların neden hiçbir uyarı vermeden aniden kırıldığını hiç merak ettiniz mi? Bu makale metal yorgunluğu ve kırılmasının büyüleyici dünyasını keşfediyor. Tekrarlanan stresin nasıl ani arızalara yol açabileceğini, yorulma kırığı türlerini ve gerçek hayattan vaka çalışmalarını öğreneceksiniz. Günlük makinelerdeki gizli tehlikeleri ortaya çıkarmaya hazır olun!
Yorulma: Yorulma, döngüsel yüklemeye maruz kalan malzemelerde meydana gelen ilerleyici ve lokalize yapısal hasardır. Malzemenin akma dayanımının önemli ölçüde altındaki gerilme seviyelerinde mikroskobik çatlakların başlamasını ve yayılmasını içerir.
Yorulma Kırılması: Yorulma kırılması, döngüsel gerilimlerin veya gerilmelerin kümülatif etkisi nedeniyle bir malzemenin veya bileşenin nihai başarısızlığıdır. Bu olay üç farklı aşamada gerçekleşir:
Yorulma kırılmasının temel özellikleri şunlardır:
Yüksek Döngülü Yorulma (HCF), bileşenler nispeten düşük stres seviyelerine maruz kaldığında meydana gelir ve 105'ten fazla döngüden sonra arızayla sonuçlanır. Bu yorulma türü tipik olarak elastik deformasyonla ilişkilidir ve yaylar, şanzıman milleri ve bağlantı elemanları gibi bileşenlerde yaygındır. HCF, minimum plastik deformasyon ile karakterize edilir ve genellikle tasarım ve analizde stres tabanlı yaklaşımlarla yönetilir.
Düşük Döngülü Yorulma (LCF), tersine, 104 döngü veya daha kısa sürede arızaya yol açan yüksek stres seviyelerini içerir. LCF, basınçlı kaplar, türbin kanatları ve nükleer reaktör bileşenleri gibi her yükleme döngüsü sırasında önemli plastik deformasyon yaşayan bileşenlerde yaygındır. Bu tür yorulma, belirgin plastik deformasyon nedeniyle tipik olarak gerinim tabanlı yaklaşımlar kullanılarak analiz edilir.
Gerinim tabanlı yorulma analizi, öncelikle plastik deformasyonun baskın olduğu LCF ile ilişkilidir. Bu yaklaşım hem elastik hem de plastik gerinim bileşenlerini dikkate alır ve önemli döngüsel plastisite sergileyen malzemeler için çok önemlidir.
Gerilmeye dayalı yorulma analizi genellikle gerilmelerin ağırlıklı olarak elastik aralıkta kaldığı HCF senaryolarına uygulanır. Bu yöntem, malzemenin akma dayanımının altında çalışmak üzere tasarlanmış bileşenler için uygundur.
Uygulamada, özellikle HCF ve LCF arasındaki geçiş bölgesinde (tipik olarak 104 ila 105 döngü), gerilime dayalı ve gerinime dayalı yorulma arasındaki ayrım bulanıklaşabilir. Birçok mühendislik bileşeni, kompozit yorulma olarak adlandırılan duruma yol açan her iki rejimin bir kombinasyonunu yaşar. Bu gibi durumlarda, doğru ömür tahmini için hem gerilme hem de gerinim yaklaşımlarını içeren gelişmiş analitik yöntemler gerekli olabilir.
Yorulma, uygulanan yüklerin niteliğine göre daha da sınıflandırılabilir:
Makroskopik olarak, yorulma kırılma süreci üç farklı aşamaya ayrılabilir: çatlak başlangıcı, çatlak ilerlemesi ve nihai kırılma.
Çatlak başlatma aşaması, yüzey kusurları, çentikler veya metalürjik süreksizlikler gibi gerilim yoğunlaşma bölgelerinde meydana gelir. Bunlar, döngüsel yükleme koşulları altında mikro çatlak oluşumu için çekirdeklenme noktaları olarak işlev görür.
Çatlak ilerleme bölgesi, ana gerilme yönüne dik, nispeten pürüzsüz, düz bir yüzey ile karakterize edilir. Bu bölge, plaj işaretleri veya ilerleme işaretleri olarak da bilinen belirgin yorulma çizgileri sergiler. Bu eşmerkezli desenler, her yükleme döngüsünde artan çatlak büyümesini gösterecek şekilde başlangıç bölgesinden dışarıya doğru yayılır.
Son kırılma bölgesi, hızlı, kararsız çatlak büyümesinin meydana geldiği ve ani bileşen arızasına yol açan alanı temsil eder. Bu bölge tipik olarak çukurlar (sünek malzemelerde) veya yarılma yüzeyleri (gevrek malzemelerde) gibi özelliklere sahip daha pürüzlü bir doku sergiler. Kenarlarda, lokal plastik deformasyona işaret eden kesme dudakları mevcut olabilir.
Mikroskobik olarak, yorulma kırılmasının ayırt edici özelliği, yüksek büyütme altında görülebilen yorulma çizgilerinin varlığıdır. Bu ince, paralel çizgiler, her stres döngüsünden sonra çatlak cephesinin konumunu temsil eder. Ek olarak, malzemeye ve yükleme koşullarına bağlı olarak, diğer mikroyapısal özellikler de gözlemlenebilir:
Bu makro ve mikroskobik özelliklerin anlaşılması, yorulma süreci sırasında yükleme geçmişi, çevresel koşullar ve malzeme davranışı hakkında değerli bilgiler sağladığından arıza analizi için çok önemlidir.
(1) Yorulma kırılması, arıza süreci sırasında önemli makroskopik plastik deformasyonun olmaması ile ayırt edilir. Bu özellik genellikle mekanik bileşenlerin önceden uyarı işaretleri olmaksızın ani ve yıkıcı bir şekilde arızalanmasına neden olur. Görünür deformasyonun olmaması, yorulma arızalarını özellikle sinsi hale getirir, çünkü yaklaşan arızanın belirgin bir göstergesi olmadan meydana gelebilir ve kritik makine veya yapılarda beklenmedik ve potansiyel olarak tehlikeli arızalara yol açabilir.
(2) Yorulma kırılmasına neden olan döngüsel gerilme seviyeleri tipik olarak statik yükleme koşulları altında malzemenin akma dayanımının çok altındadır. Bu olgu, statik uygulamalarda güvenli kabul edilebilecek gerilmelerde bile mikroskobik çatlakların tekrarlanan yükleme altında başladığı ve yayıldığı yorulmanın kümülatif hasar mekanizmasına atfedilir. Belirli bir döngü sayısı için yorulma arızasının meydana gelme olasılığının düşük olduğu gerilim seviyesini temsil eden yorulma limiti veya dayanıklılık limiti, bu riski azaltmak için tasarımda sıklıkla kullanılır.
(3) Yorulma kırılma yüzeylerinin arıza sonrası incelenmesi, arıza sürecine ilişkin değerli bilgiler sağlayan farklı bölgeleri ortaya çıkarır. Bu bölgeler tipik olarak şunları içerir:
a) Çatlak başlatma bölgesi: Yorulma çatlağının genellikle bir gerilme yoğunlaşma noktasında veya malzeme kusurunda ortaya çıktığı pürüzsüz, yarı dairesel bir bölge ile karakterize edilir.
b) Çatlak yayılma bölgesi: Her yükleme döngüsünde çatlağın artan büyümesini temsil eden karakteristik sahil işaretleri veya çizgiler sergiler. Bu işaretlerin aralığı ve şekli, yükleme geçmişini ve çatlak büyüme oranını gösterebilir.
c) Son kırılma bölgesi: Malzeme özelliklerine bağlı olarak, genellikle sünek veya gevrek kırılma kanıtı içeren pürüzlü, düzensiz bir görünüm sergiler. Bu bölge, uygulanan yükü artık destekleyemediğinde kalan kesitin hızlı başarısızlığını temsil eder.
Bir fabrikadaki motosiklet 2.000 km yol kat ettikten sonra mekanik bir arıza yaşadı. Sökülüp incelendiğinde, motor krank mili bağlantı kolunun kırıldığı anlaşıldı.
20CrMnTi'den yapılan biyel kolunun yüzeyi karbonlanmıştır. Biyel kolunun çalışma prensibi, ileri geri hareketinin iki tahrik krank milinin dönüşünü sağladığı Şekil 1'de gösterilmiştir.
20CrMnTi, alaşımlı bir yapı çeliğidir. karbon içeriği yaklaşık 0,2%, manganez içeriği yaklaşık 1% ve titanyum içeriği yaklaşık 1%'dir. Bu malzeme genellikle şaft bileşenleri için kullanılır ve karbürleme gerektirir.
Şekil 1
Arızalı bağlantı kolunda iki kırık vardı. Bağlantı kolunun kırılma ucundaki yatak kamberinde, kırılmaya paralel birçok çatlak görülmektedir [Şekil 3 (a)]. Kırılma ucunun bir tarafında 0,5 mm aşınma derinliği ile güçlü bir sürtünme izi [Şekil 3 (b)] görülmektedir. Ek olarak, sürtünme tarafına yakın yatak arkının bir ucunda mavi-gri yüksek sıcaklık oksidasyon izi görülebilir [Şekil 3 (c)].
Kırık 1, aşınmış bir kenar ile nispeten pürüzsüz ve düzdür ve yorulma yayı ortada görülebilir [Şekil 3 (d)]. Ancak, kırık 2'de yorulma arkı bulunmamıştır.
Şekil 2
Şekil 3
Şekil 4 (a) Kırılma 1'de taramalı elektron mikroskobu altında bir yorulma arkı gösterilmektedir. Arkın eğilimi yorulma kaynağının belirlenmesini sağlar.
Yorulma kaynağı Şekil 4 (d)'nin sağ üst köşesinde yer almaktadır. Yerel büyütme, kaynak alanındaki ince dokuların çoğunun aşınmaya maruz kaldığını, ancak radyal kenar özelliğinin hala görünür olduğunu ortaya koymaktadır (Şekil 4 (b)).
Şekil 4 (c) yorulma çizgilerini ve yorulma büyüme bölgesindeki ikincil çatlakları göstermektedir.
Buna karşılık, Kırık 2'de çukurlar görülmekte ancak yorulma çizgileri bulunmamaktadır. Kırık 1'in birincil kırık, Kırık 2'nin ise ikincil kırık olduğu sonucuna varılabilir.
Şekil 4
Bağlantı kolu gövdesinden numuneler alın ve kütle oranı (%) dahil olmak üzere kimyasal bileşimlerini analiz edin.
Analiz sonuçları, 20CrMnTi için GB/T3077-1999'da belirtilen kimyasal bileşim gerekliliklerine uygundur.
İnceleme sonuçlarına göre, arızalı parça malzemesinin kimyasal bileşimi teknik gereklilikleri karşılamaktadır. Ancak, biyel kolunun kırık ucunun bir tarafında şiddetli sürtünme görülmektedir.
Rulman arkının sürtünme yüzeyine yakın ucunda yapılan bir analiz, siyah demir oksit (Fe3O4) ve kırmızı demir oksit (Fe2O3) 400°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşmuştur. Bu durum, biyel kolu ile biyel mili arasındaki sürtünmenin çıkış mili bu bölgede aşırı ısınmaya neden oldu.
Kırılma yüzeyinin SEM analizi, yorulma çatlağı kaynağının yüksek sıcaklık bölgesinde oksit filmine yakın köşede olduğunu göstermektedir. Yüzey oksidasyonu ve yüksek sıcaklık kombinasyonu, çatlak oluşumu ve sürünme hasarı olasılığını artırmaktadır.
Ayrıca, sürtünme pürüzlü bir metal yüzeye yol açarak yüzey gerilimi yoğunlaşmasına neden olabilir ve yorulma olasılığını artırabilir. Kırılmanın kaynağı genellikle maksimum çekme gerilimi noktasında meydana gelir.
Biyel koluna etki eden kuvvetlerin analizine göre, en büyük çekme gerilimi kırığın 1. bölümünde mevcuttur ve bu da onu sürtünme yüzeyinin köşesine yakın çatlak oluşumuna duyarlı hale getirmektedir. Bu alanda kaba karbürlerin varlığı, matris yapısının sürekliliğini bozduğu, çatlakların oluşumunu ve yayılmasını hızlandırdığı, çatlak oluşumunu azalttığı için sorunu daha da kötüleştirmektedir. yorulma dayanımıve sonunda yorulma kırılmasına yol açar.
Biyel kolunun karbürlenmiş yüzeyindeki aşırı karbürler, uygun olmayan karbürleme işleminin bir sonucudur. Kaba, bloklu karbürlerin oluşumu temel olarak yüksek karbon konsantrasyonundan kaynaklanır ve bu da büyük olasılıkla iş parçasının keskin köşelerinde meydana gelir ve böylece kullanım ömrünü önemli ölçüde azaltır.
Kaba karbür oluşumunu önlemek için, karbürleme işlemi sırasında karbürleme atmosferinin karbon potansiyelini sıkı bir şekilde kontrol etmek çok önemlidir. Bu, iş parçası yüzeyinde kaba karbürlerin oluşmasına yol açan aşırı karbon potansiyelinin önlenmesine yardımcı olacaktır.
Krank mili bağlantı kolunun kırılması yorulma kırılmasının bir sonucudur. Kırılmanın nedeni, kullanım sırasında biyel kolunun maruz kaldığı şiddetli sürtünmeden kaynaklanmaktadır; bu da yerel gerilim yoğunlaşmasına ve yüksek sıcaklıklara neden olarak malzemenin yorulma mukavemetini azaltmaktadır. Bağlantı kolu yüzeyinin köşelerinde büyük, bloklu karbürlerin bulunması çatlakların büyümesini ve yayılmasını daha da hızlandırmıştır.
Tasarım aşamasında sürtünen parçaların pürüzlülüğünün azaltılması, gerilim yoğunlaşmasını azaltabilir ve parçaların yorulma mukavemetini artırabilir. Bu aynı zamanda sürtünmenin neden olduğu yüksek sıcaklıkların düşürülmesine ve sürünme hasarı riskinin azaltılmasına yardımcı olacaktır.
Karbürleme prosesini iyileştirmek için, biyel kolunun karbürlenmiş yüzeyinde uygun olmayan bir karbürleme prosesinin neden olduğu aşırı karbür oluşumunu ele almak önemlidir. Kaba, bloklu karbürler öncelikle iş parçasının keskin köşelerinde oluşması ve ömrünü önemli ölçüde azaltması muhtemel olan yüksek karbon konsantrasyonunun sonucudur.
Bu nedenle, aşırı karbon potansiyeli nedeniyle iş parçası yüzeyinde kaba karbürlerin oluşmasını önlemek için karbürleme işlemi sırasında karbürleme atmosferinin karbon potansiyelinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi şarttır.
Parçaların hizmet koşullarını değiştirmek genellikle zordur, bu nedenle yüzey etkilerinden başlayarak parçaların tasarımını mümkün olduğunca optimize etmek çok önemlidir.
Yapısal malzemelerde ve mekanik parçalarda yüzey gerilimi yoğunlaşmasını önleyerek, dislokasyon kaymasının birikmesi engellenir ve plastik deformasyon kısıtlanır. Bu, yorulma çatlaklarının oluşmasını ve büyümesini daha zor hale getirir ve sonuçta yorulma sınırını veya yorulma mukavemetini artırır.
Tasarımda, kare veya keskin köşelerden, deliklerden ve oluklardan kaçınılması tavsiye edilir. Kademeli bir şaftın omzunda olduğu gibi kesit boyutunun aniden değiştiği durumlarda, gerilim yoğunlaşmasını azaltmak için yeterli yarıçapa sahip bir geçiş filetosu kullanılması önerilir.
Yapısal kısıtlamalar nedeniyle geçiş filetosunun yarıçapının artırılması mümkün değilse, daha büyük çaplı mil üzerinde daha ince oluklar veya alt kesikler açılabilir.
Sıkı geçme göbek ve mil geçme yüzeyinin kenarında önemli bir gerilim yoğunlaşması vardır. Bunu iyileştirmek için göbek üzerinde bir yük boşaltma oluğu açılabilir ve milin bağlantı kısmı kalınlaştırılarak göbek ile mil arasındaki sertlik boşluğu daraltılabilir, böylece bağlantı yüzeyinin kenarındaki gerilim yoğunlaşması azaltılabilir.
At köşe kaynaklarioluk kaynağı, oluksuz kaynağa kıyasla çok daha iyi gerilme konsantrasyonu ile sonuçlanır.
İlgili okuma: Kaynak Sembollerinin Tam Listesi
Bileşenlerin yüzey tabakasını güçlendirmek için haddeleme ve bilye gibi mekanik yöntemler çekiçleme kullanılabilir. Bu yöntemler bileşen yüzeyinde bir ön sıkıştırma gerilimi katmanı oluşturarak çatlak oluşumuna eğilimli yüzey gerilimi azaltır ve yorulma mukavemetini artırır. Isıl işlem ve kimyasal işlem gibi diğer yöntemler, örneğin yüksek frekanslı su verme, karbürleme ve nitrürlemeda kullanılabilir.
Shot peening, numunenin yüzeyine yüksek hızda çarparak keskin köşeleri, çapakları ve diğer stres konsantrasyonlarını gidermek için 0,1-1 mm çapında küçük çelik bilyelerin kullanılmasını içerir. Yüzey, çelik bilye çapının 1/4-1/2'si kadar bir derinliğe kadar sıkıştırılarak artık stres parçanın yüzeyinde ve yorulma çatlağı büyümesini kısıtlar.
Shot peening