Mekanik Yorulma Hakkında Her Şey – 1

Mekanik yorulma, bir ürün tasarımında göz önünde tutulması gereken en önemli parametreler arasında yer alır. Bu makalemizde sizlere mekanik yorulma hakkında bütün detayları sunuyoruz. 2 bölüm olarak yayına aldığımız makalenin ilk bölümüne hemen başlayalım!

Yorulma Nedir?

Malzemenin çekme veya akma dayanımı altında olan ve tek seferde uygulanan yüklerde malzemenin statik davranışları sonucunda yapının dayandığı görülür ve hasar görülmez. Diğer yandan malzemelere uygulanan tekrarlanan ve dalgalanan gerilmeler (eksenel, kayma, eğilme ve burulma yüklerinden birinin veya birkaçının etkisiyle) malzemede çatlak ve kırılmalara neden olan hasar meydana getirmektedir. Başka bir ifade ile değişken gerilmelere maruz kalan malzemenin iç yapısında değişiklikler meydana getirmektedir.

Yorulma hasarı, sünek malzemeler için plastik deformasyonun ya hiç meydana gelmediği ya da meydana geldiğinde bile sadece çok az bir miktarla sınırlı kaldığı bir şekilde, gevrek kırılmaya benzer bir biçimde gerçekleşebilir. Genellikle bir noktadan başlar ve bu çatlağın boyutu mikron boyutundadır. Yüksek sayıdaki çevrimler sonucunda mikro çatlak makroskobik boyuta ulaştığında kritik bir düzeye gelir ve çatlayan yapı uygulanan gerilim sonucu kırılır. Oluşan kırılma yüzeyi, genellikle uygulanan gerilmeye dik olarak uzanır. Bazı durumlarda mikro çatlak büyümesi hızla olur ve yapıda ani şekilde hasara neden olur.

Yorulma Türleri

• Düşük Çevrim Yorulması (Low-cycle Fatigue- LCF)

• Yüksek Çevrim Yorulması (High-cycle Fatigue-HCF)

• Termal Yorulma (Thermal Fatigue)

• Yüzey Yorulması (Surface Fatigue)

• Rolling Contact

• Pitting, Spalling, Cracking (wear)

• Darbeli yorulma (Impact Fatigue)

• Korozyonlu Yorulma (Corrosion Fatigue)

• Kazımalı Yorulma (Fretting Fatigue)

• Sonik Yorulma (Sonic Fatigue)

Olarak sınıflandırılabilir.

Yorulma Değişkenleri

Aşağıdaki şekilde yorulmaya sebep olan gerilmenin zamanla değişimi gösterilmektedir:

Buradaki gerilmenin maksimum(s_max) ve minimum(s_min) değerler arasındaki değişimi bir yük çevrimini(cycle) temsil eder. Yorulma hesaplamalarında, gerilmenin değişimi genellikle gerilme genliği (s_a), ve ortalama gerilme (s_m) kullanılarak tanımlanmaktadır.

Yorulma hasarının en önemli parametresi ise gerilme genliğidir. Detaylı bir yorulma analizi için gerilme genliğinin yanı sıra ortalama gerilme de hesaba katılmalıdır. Ortalama gerilme, yorulmaya karşı duyarlılıkta farklılıklar gösterebilir. Çekme gerilmesi altında malzeme daha duyarlıdır ve daha düşük gerilme genliklerinde hasara daha eğilimlidir. Buna karşılık, basma gerilmesi altında yapı daha yüksek gerilme genliklerine dayanabilir.

Gerilme Çevrimleri

Genellikle üç farklı değişken zorlanma modu mevcuttur.

Basma ve çekme gerilmelerinin genliğinin sıfır olduğu tam değişken gerilme çevrimi (sinüzoidal)

Maksimum ve minimum gerilmelerin sıfır seviyesine asimetrik olduğu tekrarlanan gerilme çevrimi

Düzensiz veya rastgele gerilme çevrimi

Bu yazımızın ana konusu olan mekanik yorulma, döngüsel yüklemelerin neden olduğu gerilme ve şekil değişikliklerinin sonucu olarak meydana gelen hasar ve kırılmaların sınırlayıcı şartlara bağlı olarak değişmesidir. Malzemenin yorulma davranışı tanımlayan bir diğer önemli parametre yorulma ömrüdür. Bu kavram ile ilgili ilk testleri Wöhler 1866 yılında vagon aksları üzerinde yapmıştır. S-N eğrisi bir diğer adıyla Wöhler eğrisinde gösterildiği gibi yorulma ömrü, belirli bir gerilme seviyesinde hasara neden olan çevrim sayısıdır.

Yukarıdaki grafiklerde de görüldüğü gibi iki farklı tip yorulma davranış tipi mevcuttur. Bu grafiklerde, gerilmenin büyüklüğü arttıkça malzemenin hasara uğramadan dayandığı çevrim sayısı azaldığı görülmektedir. Yorulma davranışını tanımlayan S-N eğrisi yüksek çevrim sayılarında yatay hale gelmektedir. Yorulma sınırı olarak nitelendirilen bu sınır gerilme miktarının altında yorulma hasarı meydana gelmemekte ve sonsuz çevrim sayısında hasara yol açmayan en büyük çevrimsel gerilme olarak tanımlanmaktadır.

Çevrim sayısı arttıkça S-N eğrileri daha düşük gerilme değerlerine inmeye devam etmektedir. Bu nedenle, gerilme değeri ne kadar düşük olursa olsun hasar meydana gelmektedir. Bu durum malzemelerde belirli bir çevrim sayısına karşılık gelen gerilme seviyesine yorulma dayanımı denilmektedir.

Bir sonraki makalemizde mekanik yorulmanın sınıflandırılması ile devam ederek konuyu noktalayacağız. Simunes’i takip etmeye devam edin.