Yayın, herhangi bir yük altında elastik alanda şekil değişikliği yapabilme ve yükün kaldırılması ile eski haline gelebilme özelliğine sahip olması istenir. Bu noktada, yayın yapımında kullanılan malzemenin yaylanabilme özelliği önem kazanmaktadır. Yay çeliği de, çeşitli yayların yapımında kullanılan çelik malzemelerdir.
Çelik malzemenin yaylanma yeteneği, elastik şekil değişimi sırasında enerji depo edebilmesine bağlıdır. Bu enerji miktarına, malzemenin yaylanma sınırı denir ve elastik sınırlar içerisinde çekme eğrisinin altındaki alanlar ölçülür.
Yüksek çalışma sıcaklıklarında ve yüksek alaşımlı çeliklerde elastik modül sıcaklık ve kimyasal bileşime bağlı olarak değiştiğinden hesaplamalarda bu özelliği dikkat edilmelidir.
Akma sınırı, gerilimde bir artış olmaksızın, uzamada belirli bir artışın olduğu noktadır ve çelik malzemenin akma sınırı kimyasal bileşimi, ısıl işlem ve soğuk şekillendirme ile büyük oranda değiştirilebilir.
Yay çeliklerinin, yüksek yaylanma ve akma sınırına, fakat şekillendirilebilecek kadar plastik, şekil değiştirme yeteneğine sahip olmaları istenir.
Çelik malzemelerde, yük değişimlerinin neden olduğu çatlak oluşması olayına, yorulma denir ve yüklemelerde maksimum gerilme, malzemenin maksimum çekme dayanımından daha azdır. Yay elemanlarının görevlerini yapmamalarının, yani kırılmalarının nedeni % 90 bu olaydır. Bu nedenle yay yapımında kullanılan çelik malzemenin yaylanabilme yeteneği kadar, yorulma süresinin de önemi vardır. Bu süre yorulma deneyi ile belirlenir, fakat yorulma deneylerinin gerçek çalışma gerilmeleri tam belirlenmesi pratikte çok zordur.
Yorulma sınırı ise, devri yüklemelerde malzemenin yorularak koptuğu en az gerilme olup, bu gerilmenin altındaki yüklemelerde malzemelerde malzeme güvenli olarak çalışır (Şekil2). Yorulma çatlaması, genellikle bir curuf inkluzyonu (kalıntısı) veya aşırı keskin pervaz yarıçapı gibi, malzeme içerisindeki gerilim artırıcılardan oluşur.
Başlangıçta çatlak yavaş ilerler, fakat ilerleme hızı kademeli olarak artar. Birçok kullanım dışı kalma durumunda, çatlak yüzeyi ağaç gövdesindeki büyüme halkaları gibi işaretler gösterir. Bu işaretler, literatürde ‘’clam shell’’ veya ‘’durdurma çizgiler’’ diye adlandırılırlar. Çatlağın büyümesi ve parçanın yüklenmesindeki değişiklikler sonucu çatlağın genişlemesinin durması bu çizgilerle gözlenebilir.
Karbon çeliklerinin kullanılamayacağı koşullarda eritme işlemi sırasında alaşım elementleri yay çeliğine ilave edilir ve bu elementler çeliğin çekme dayanımını, sertliğini ve tokluğunu artırır.
Kimyasal Bileşimin Yay Çeliklerinin Özelliklerine Etkileri:
Silisyum: Çeliğin süneklik ve tokluğunu düşürmeksizin çekme dayanımını artır. Bu element çeliğin sıcak işlemesini kolaylaştırır ve tufalenmeyi önlerken, ısıl işlem sırasında yüzey karbonsuzlaşması eğilimini artırır. Dolayısıyla ısıl işlem, kontrollü amosfer koşullarında yapılmalıdır.
Mangan: Yay çeliklerine mangan ilavesi, ingot dökümü kolaylaştırır, mangan içermeyen yay çeliklerinde dış yüzeyde, kısa bir mesafede sertleşme görülmesine rağmen, merkez yumuşak kalır. Bu element, çeliğin haddelenmesini, dövülmesini ve çekilmesini kolaylaştırırken aynı zamanda hızlı ve derinlemesine sertleşme sürecini hızlandırmaktadır. Bu derinlemesine sertleşme sürecini hızlandırmaktadır. Bu derinlemesine sertleşme özelliğinin yol açabileceği çatlakları önleyebilmek için su verme işlemi yağda yapılmalıdır.
Krom: Bu elementin ilavesi ile çekme dayanımı, sertlik ve tokluk artarken, karbon ihtiyacının azalması sağlanır, çeliğin asit ve alkalilere karşı direnci artar. Krom, manganda olduğu gibi sertlik derinliğini artırırken, sertleşme sıcaklığını yükseltir. Paslanmaz çeliklerde ise korozyonun önlenmesine yardımcı olur.
Vanadyum: Bu elementin ilave edilmesi ile çeliğin çekme dayanımı, tokluğu ve darbeye karşı mukavemeti artar. Aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda tane büyüklüğünün kontrol edilmesini sağlar. Bu özelliklerle de yüksek sıcaklıklarda çalışan yaylarda kullanılır.
Molibden: Krom gibi sertliği artırır ve su verilme işleminin yapılmasını gerektirir. Molibden çeliğin tokluğunu artırırken, yüksek sıcaklıklarda işlenme özelliği sağlar.
Bor: Çeliğe çok az miktarda %0,0005-0,003 ilavesiyle sertleşebilme özelliği artarken, sünekliği düşmez. Yüksek zorlamalar altında çalışan yaylarda borlu çelikler kullanılmaktadır.,
Tugsten: Çeliğin yüksek sıcaklıklarda dayanımını artırmaktadır.
Nikel: Nikel, sertleştirme sıcaklığını düşürür ve çeliğin su yerine yağda sertleşmesi eğilimini artırır. Sertleşebilme özelliğine katkısı az olmasına rağmen, aşınma ve tokluğu artırır. Nikel, krom ile birlikte paslanmaz yay çeliklerinde kullanılır.
Fosfor ve Kükürt: Yay çeliklerinde metal olmayan fosfor ve kükürtün en aza düşürülmesi kalitesini artırmaktadır. Genellikle kaliteli yay çeliklerinde %0,035 (max) olan fosforun %0,025’e hatta %0,020’den aşağıya düşürülmesi, %0,040(max) olan kükürtün ise %0,025’in altına, hatta uç uygulamalarda %0,010’dan aşağı düşürülmesi istenir.