Yeni yazı dizimle birlikte malzemelerin mekanik özelliklerine merceklerimizi doğrultmuştuk. Bir malzemenin kristalitesi, sünek mi gevrek mi olduğu, ne kadar yüke dayanabildiği onun mekanik özelliklerini doğrudan etkileyen değişkenleridir. Fakat bu yazımda, malzemenin farklı bir davranışı olan ‘yorulma etkisini’ inceleyeceğiz.
Çoğumuz apartmanlar dairelerinde oturmaktayız. Modern iş dünyasında, iş yerlerimiz, ofisler de artık giderek yüksek binalarda yer almaktadır. Ofis çalışanları her gün sabah asansöre biner, gideceği katın düğmesine basar ve bir kalori dahi yakmadan hedefine ulaşır. “Neden asansörü kullanmak yerine merdivenleri kullanmıyorsun?” sorusuna alacağınız cevap muhtemeldir. “Ofisim 14.katta. 14 katı sabah sabah çıkarsam yorulurum.” Evet, doğru söylüyor. Yorulur. Peki ya malzemeler yorulmazlar mı?
Malzemelerde Yorulma Davranışı
Yukarıda verdiğim örneği biraz açma gereksinimi duyuyorum. Merdiven çıkmak aslında sandığınızdan çok daha yorucu bir eylemdir. Doğrudan yer çekimine karşı iş yapmanız gerekmektedir. Oysa ki çoğumuz için birkaç katı merdivenden çıkmak yorucu değildir. Fakat 50 kat mertebesinde merdiven çıkmanızı istesem, bu isteğimden pek de hoşnut olmayacaksınızdır.
Olimpik bir atlet olan Ozan için 50 kat merdiven çıkmak, hepimize göre daha kolaydır. Fakat Ozan dahi bazı sorunlar ortaya çıkacaktır. Şöyle ki, birinci kattan başladığı andan itibaren Ozan’ın ortalama hızını ve torkunu ölçümler ve hesaplarsak, düzenli bir düşüş görürüz. Bunun sebebi Ozan’ın kaslarının laktik asit üretmesidir. Hız ve Tork grafiği zamana karşı çizildiğinde, eğride düşüş kaçınılmazdır. Malzemeler için de durum aynıdır. Tekrarlayan ve düzenli bir şekilde uygulanan yükler, güçler altında malzemeler başta yüksek dayanım gösterirlerken, zamanla bu dayanımlarını kaybederler. Eğer siz bu dayanım kaybını fark edemezseniz, uçak kazaları, gemi kazaları gibi istenmeyen olaylar kaçınılmaz bir hâl alacaktır.
Uçak tekniğinde, gövdeyi kanatlar aerodinamik kuvvet oluşturarak taşır. Yani tüm yük ve gerilim, gövde ile kanatları bir arada tutan parçalara biner. Zaten periyodik bakımlarda da bu çelik veya alaşımlarının çatlak kontrolü mutlaka yapılır. Çünkü, bir uçak çok değişik yüklenmelere çok değişken sürelerde ve tekrar sayılarında maruz kalır. Bu da taşıyıcı kirişlerde yorulma davranışının görülmesi anlamına gelir.
Yorulma Muayenesi ve Tayini
Yorulma, diğer tüm etkiler gibi malzemeyi yüzeyinden etkilemeye başlar. Yüksek yüzey kalitesine sahip metal parçalarda yorulma geç görülür. Yorulmanın en belirgin özelliği, çatlak oluşumudur. Eğer malzemeniz yeterince sünek ise, yorulma davranışı için fazlaca enerji depolaması gereklidir ve çatlağın oluşumu gecikir. İlerlemesi içinde yine fazla miktarda enerji gereklidir. Yani bu çatlaklar periyodik bakımlarda teşhis edilebilirler. Eğer bu çatlaklar tehlike oluşturacak düzeyde değillerse, iki ucuna delik açılır ve çatlağın bir bıçak gibi devam etmesi engellenir. Termodinamiksel olarak, çatlak bölgesinde enerji depolanması çok kolaydır. Sivri uç etkisi gösteren bu çatlak bölgeleri, gerilimin odaklandığı bölgelerdir. İşte tam da bu bölgelerin alanlarını matkap gibi araçlarla delik açarak büyütürseniz, enerjiyi ve gerilimi o bölgeye yayarsınız. Yani çatlağın önünü kesmiş olursunuz. Çatlağın ilerlemesi durdurulmuş olur ve malzemenizi bir süre daha güvenle kullanabilirsiniz. Fakat malzemeniz yeterince sünek değilse, yani gevrek bir yapıda ise ve aşırı dengesiz yüklenmelere maruz kalıyorsa –yani maruz kaldığı net gerilim sıfırdan farklıysa- çatlağın oluşumu yavaş gelişmez. Aniden bir çatlak oluşur ve malzemeyi adeta bıçakla keser gibi ikiye ayırır. İşte bu davranış yorulmadan çok klivaj kırılmayı temsil eder.
Klivaj kırılmayla iflas etmiş bir malzeme incelendiğinde taneleri kesip geçen bir çatlak görülür. Oysa ki kayma mekanizması ile iflas eden bir malzemeyi incelediğinizde, tanelerin sapa sağlam durduğunu, kırılmaya sebebiyet vermiş çatlağın, tanelerin arasından ilerlediğini göreceksinizdir. Yani bir malzemenin yorulmasını istemiyorsanız, ya çok yüksek yüzey kalitesinde üretip çatlak oluşumuna engel olacaksınız ya da ortalama bir yüzey kalitesinde sünek bir malzeme üretip, çatlağın oluşması için gerekli olan enerji alt sınırını yüksek tutacaksınız.
Çelik gibi çalışma sertleşmesi veya diğer adıyla pekleşmeye uğrayabilen malzemelerde yorulma bir sınıra kadar görülür. Yani nasıl atletimiz Ozan yorulsa dahi basamakları çıkmaya devam edebiliyor ve sonuçta hedefine ulaşabiliyordu, aynı o şekilde çelik parçamızda yorulur fakat iflas etmez. Düzgün bir periyodik bakım planlaması ile bu çelik parçaları değiştirirseniz herhangi bir sorun yaşamazsınız. Fakat çelik dışı metallerde, pekleşme olamadığından, yorulma eğrisindeki mukavemet, tekrarlayan gerilim sayısı arttıkça düşer. Bu düşüşün bir alt sınırı yoktur ve sonunda malzeme iflas eder.
Malzemelerin yorulma davranışları için Wöhler eğrileri incelenebilir. Çelik ve Alüminyum malzemeleri için aşağıda Wöhler eğrilerini veriyorum.
Görüldüğü üzere, çelik için bir alt yorulma sınırı varken, alüminyumun böyle bir sınırı yok. Yani uzun süreli kullanımlarda alüminyuma güven olmaz. Çeliğin bir yorulma sınırına sahip olmasının sebebi ise, Cottrell Atmosferleri oluşturabilmesidir. İkinci faz partiküllerinin küresel şekle sahip olması da çatlağın oluşumunu ve ilerleyişini zorlaştırır. Tüm bu yorulmayı geciktirici etkenler sadece çeliğe ve yaşlandırılabilir alüminyum alaşımlarına mahsustur. Bu iki malzeme grubu dışındaki metal malzemelerde yorulmaya bağlı beklenmedik iflaslar görülebilir.
Düzenli olarak uygulanan gerilim ve yüklemeler sonucu malzemedeki çatlak oluşumu ve ilerleyişi aşağıda görülmektedir.
Yorulmanın Uygulamadaki Sonuçları
Yanlış malzeme seçimi ve yanlış periyodik bakım planlamaları sonucu insanlık çok acı kayıplar vermiştir. İngiliz De Havilland şirketinin ilk jet uçağı olan Comet’in kanatları pervaneli uçaklara göre tasarlanmıştı. Motorunun tepkili jet motoru olması nedeniyle, kanatlarda çok yüksek gerilim oluşuyordu. Fakat şirket mühendislerinin bu olaydan haberi yoktu. Kanatların taşıyıcı kirişlerine binen yüksek gerilimler ve kabinin sürekli bir basınç değişimine maruz kalması kanat kirişlerinde ve gövdede aşırı yorulmaya sebep olmuştur. Bu yüzden De Havilland şirketinin Comet model uçakları metal yorgunluğuna bağlı düşmüştür.
1954 yılının ilk yarısında iki adet Comet model uçağın arka arkaya kalkış esnasında düşmesi adeta bir gizem olmuştu. Olayları araştıran mühendisler, kanat kirişlerinde ve gövde parçalarında yorulmaya bağlı yırtılmalar, kopmalar gözlemlemişlerdi. De Havilland, tasarım ve gövde iyileştirilmesiyle bu sorunu çözdü. De Havilland’ın bu iyileştirme çalışmaları havacılık endüstrisi ve sivil havacılık güvenliği adına çok önemli model olmuştur.
Yorulmanın en çok görüldüğü başka bir uygulama alanı ise, yine uçaklardaki gibi sürekli basınç değişiminin olduğu yüksek basınç kaplarıdır. Özellikle sıkıştırılmış azot ve helyum barındıran tanklarda, yorulma çok net bir şekilde görülebilir. Alaşımların kalitesinin arttırılması ve çeliğin uzun yorulma ömrü ile günümüzde herhangi bir sorun yaşanmamaktadır.
Otomotive olan ilgimden dolayı her yazımda otomotiv alanına dokunmam dikkatinizi çekmiştir. Hatta şu anda sorularınızı duyar gibiyim. “Araçlarımızda yorulma görülür mü?” diyor gibisiniz. Bu sorunuzu rahatlıkla cevaplayabilirim. Evet, araçlarınızda da yorulma davranışı görülür. Fakat aracınızda yorulmaya maruz kalacak parçaların neredeyse tamamı çelikten üretilmiştir. Aracınızın kullanım süresi, yorulmaya maruz kalan parçaların yorulma ömründen kısa olduğundan, yorulmanın etkilerini aracınızı kullanırken anlayamazsınız. Fakat 10 yıla yaklaşmış kullanım süresine ulaşan araçların yorulmaya maruz kalması muhtemel çelik parçaları incelediğinde, mikro çatlaklar kolaylıkla teşhis edilebilir. Özellikle fren balataları ve diskler sürekli bir değişken hidrolik kuvvete maruz kalmaktadırlar. Bu tip parçaların yüzeylerinin yüksek kalitede üretilmesiyle yüzeylerinde çatlak oluşumu oldukça zor hale getirilir. Yine aracınızın güç aktarma organları olan dişliler ve çarklarda değişken gerilimler altında çalışmaktadırlar. Bu parçalarında yüksek yüzey kalitesinde üretilmesi mecburidir. Vites kutusu, diferansiyel gibi dişli sistemlerini oluşturan parçaların yüzey kalitesinin yüksek olması gerektiğinden genellikle toz metalurjisi işlemleriyle üretilirler. Hatta bu metot yeterli kalmadığından, yüzeyleri sertleştirilir. Genellikle karbon emdirilen yüzeylere sahiptirler. Yani herhangi bir çatlağın oluşabilmesi için gerekli olan enerji eşiği oldukça yüksektir. Velev ki oluşan bir çatlağın içerilere kadar ilerlemesi mümkün değildir. Çünkü sert, ani yüklenmeler ve olası bir çatlak oluşumuna karşı bu tip parçaların iç kısımları oldukça sünek üretilir. Yüzeyde oluşabilen bir çatlağın içeride devam edebilmesi için çok fazla enerji gereklidir. Yani toparlamam gerekirse, otomotiv tekniğinde kullanılan parçalar özellikle yorulmaya karşı dirençli olarak üretilirler.
Bir yazımın daha sonuna geldim. Bu yazıda sizlere malzemelerde yorulma davranışını vermeye çalıştım. Bir sonraki yazımda, “Malzemelerde Sürünme Davranışı”nı yazacağım. Takipte kalınız…
Okan Gençoğlu
On Dokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Öğrencisi
Kaynaklar :
- http://en.wikipedia.org/wiki/Fatigue_(material)
- Mechanicals Properties of Materials, Prof. David Roylance, MIT, 2008