Metallerin Yorulması

Döngüsel yüklemeye maruz kalan metal yapılarda yorulma arızası, bir yapının nihai mukavemetinin önemli ölçüde altındaki yüklerde uyarı vermeden meydana gelebilir. Bu davranışı modellemek zordur, bu nedenle laboratuvarda yorulma özelliklerini değerlendirmek ve sahadaki yorulma çatlaklarını izlemek önemlidir.

Ohio Nehri üzerindeki Silver Bridge'in çökmesi, 1967'de metal yorgunluğunun önemini mühendislik camiasının dikkatine sundu. Köprü, korozyon yorgunluğu nedeniyle kırılgan bir şekilde başarısız oldu ve 46 kişiyi öldürdü. Yorulma arızası, denetçiler tarafından görülemeyen bir göz çubuğu bağlantısında meydana geldi ve muhtemelen bir üretim hatasından kaynaklanıyordu.

Yorulma arızası, malzemeler, nihai mukavemetlerinin yalnızca %30 ila %40'ı olabilen gerilimlerde birçok yük döngüsüne maruz kaldıklarında meydana gelebilir. Bu tür döngüsel yükleme sırasında çatlak büyümesi ve yayılması, birkaç uyarı işareti ile ani yorulma arızasına neden olabilir. Yorulma, yorulma direncini etkileyen birçok faktörün bulunduğu karmaşık bir süreçtir.

Yüksek çevrim, düşük gerilim aralığı koşulları, köprülerdeki arabalar veya bir üretim tesisindeki dönen makineler gibi hareketli parçalara veya yüklere sahip ekipman veya yapılarda meydana gelir. Düşük çevrim, yüksek stres aralığında yorulma gibi durumlarda deprem gibi durumlarda ortaya çıkar.

Bu video, katastrofik yorulma arızalarını önlemek için malzemelerin laboratuvar testlerine ve tekrarlanan düşük strese, yüksek döngülü yüklemeye maruz kalan yapıların izlenmesine olan ihtiyacı gösterecektir.

Bir yorulma çatlağı genellikle normal gerilmeye bir açıyla başlar, ancak daha sonra temel gerilme gerilmesine dik olarak döner ve büyür. Çatlak, çekme veya saf stres altında yayılır, ancak basınç gerilimi altında yayılmaz.

Tekrarlanan yüklemeden sonra, çatlak kritik bir uzunluğa ulaşır ve aniden ses hızında yayılır ve bu da ani arızaya yol açar. İlk çatlak büyümesi, yorulma kırılma yüzeyinde karakteristik plaj izleri oluşturur. Malzeme yüzeyinde aniden bozulan daha pürüzlü bir kırılma yüzeyi üretilir.

Yorulma arızası, döngü sayısı ve arızaya kadar olan stres aralığı ile tanımlanır. Uygulanan gerilim aralığı arttıkça, arızaya kadar olan döngü sayısı azalır. Çoğu metal ve demir alaşımı, döngü sayısından bağımsız olarak başarısız olmayacakları bir dayanıklılık sınırına sahiptir. Belirli bir gerilim aralığındaki döngüler, gerçek hayattaki döngüsel yüklemede rastgeledir. Bu nedenle, birden fazla gerilim aralığı ve arızaya kadar olan döngüleri temsil eden birden fazla karşılık gelen sayı vardır.

Madenci kuralı, bir dizi gerilim aralığı tanımlanarak ve döngüler bu aralıklara gruplandırılarak kullanılır. Beklenen yükleme döngülerinin sayısı, her bir gerilim aralığı için arızaya kadar olan döngülere bölünür ve toplanır. Toplam 1'den büyükse, yorulma arızası mümkündür. Bu denklem için fiziksel bir temel olmamasına rağmen, mühendislik tasarımı amaçları için yararlıdır. Çok sayıda gerilim aralığı ve arızaya kadar olan döngüler, dönen bir ışın testi kullanılarak test edilebilir.

Bu testte, numune döndürülürken bir konsol bükme konfigürasyonu kullanılır. Uygulanacak yük, bir dizi gerilme aralığını hesaplamak için akma dayanımı kullanılarak belirlenir. Örneğin, tipik bir yapısal çeliğin akma dayanımı 50 ksi'dir ve artı veya eksi %15'lik ilk gerilme aralığı için hesaplama, artı veya eksi 7,5 ksi'lik bir yük verir. Bu yük uygulanır ve numune her devir sırasında tam gerilim ve tam sıkıştırma yaşar.

Gerilim aralığını, arızaya kadar olan döngü sayısının günlük değeriyle ilişkilendiren bir S-N eğrisi üretilir. Bir sonraki bölümde, malzeme için bir S-N eğrisi üretmek için daha dönen bir kiriş makinesi kullanarak çelik numuneleri test edeceğiz.

Bir Moore döner kiriş makinesinde dönen bir konsol kurulumu kullanılarak test edilmek üzere beş A572 kalite numunesi elde edin. Kullanılan numunelerin boyutları ve yükleme noktalarına olan mesafeler, kullanılan test cihazına özeldir.

Bu boyutlar kendi test kurulumunuza göre değişebilir. Örneklerimiz 2.40 inç uzunluğunda ve 0.15 inç çapındadır. Her numunenin küçük boyunlu bölümü 0.50 inç uzunluğunda ve 0.04 inç çapındadır.

İlk numuneyi, boyunlu kısım kirişin ortasına yakın olacak şekilde makineye monte edin. Numunenin merkezinden yükleme noktasına olan mesafeyi ölçün. Numuneleri, kiriş serbestçe ve sallanmadan dönecek şekilde dikkatlice hizalayın ve ardından konsol ucuna bir yük uygulayın. Konsol numunesi, bir dizi yay tarafından üretilen ve değeri bir yük hücresi tarafından izlenen bir noktasal yük kullanılarak uça yüklenir. Yük, kiriş döndükçe kuvvet her zaman aşağı doğru olacak şekilde bir yatak aracılığıyla uygulanır.

Makine hızı 1400 rpm'ye ayarlanır, döngü sayacı 0'a ayarlanır ve test başlatılır. Hız, numune boyutu ve uygulanan gerilim, test makinesine göre değişecektir. Numune arızalanana kadar bekleyin ve arızaya kadar olan döngü sayısını kaydedin. Arızalı numuneyi test makinesinden çıkarın ve kırılma yüzeylerini inceleyin.

Test edilecek stres aralıklarının her birinde bir numuneyi test ederek tekrarlayın. İstatistiksel olarak geçerli veriler elde etmek için her bir stres aralığında çok daha fazla numunenin test edilmesi gerekecektir.

Gerilim aralıklarını ve döngü sayısını tablo haline getirin ve sonuçları çizin. Numunenin gerçek akma gerilimi 65.3 ksi ve çekme dayanımı 87.4 ksi idi. Burada gösterilen gerilme aralıkları, verimin %23 ila %92'sine karşılık gelir.

Veriler, 15 ksi'nin üzerindeki bir gerilim aralığı ve 100.000'den az döngüler için, gerilim aralığı ile döngü sayısının günlüğü arasındaki doğrusal ilişkide bir azalma olduğunu göstermektedir. En uygun çizgi daha sonra 25 ksi'lik bir stres aralığı için gösterir, arızaya kadar olan döngü sayısı yaklaşık 31.000'dir.

15 ksi'lik bir stres aralığının altında herhangi bir arıza belirtilmez. Bu, dayanıklılık sınırı olarak kabul edilir. Dayanıklılık sınırının güvenilirliği, 10 ksi ile 20 ksi arasında daha fazla numunenin test edilmesiyle geliştirilebilir.

Bir köprünün döngüsel yük geçmişinin bir dizi döngü ve gerilim aralığından oluştuğu varsayılırsa ve malzemenin yorulma davranışını biliyorsak, arızaya kadar olan döngüleri hesaplamak için Madenci kuralını kullanabiliriz.

Beklendiği gibi, yüzde olarak, daha yüksek stres aralıkları, hasar birikimi üzerinde çok daha büyük bir etkiye sahiptir. Yapı, değer 1.0'a yakın olduğu için tasarım yorulma ömrü kapasitesine yakın görünüyor.

Artık yorulma arızasında döngüsel yükleme, test etme ve izlemenin rollerini takdir ettiğinize göre, yorgunluğun her gün kullandığımız yapıları nasıl etkilediğine dair örneklere bir göz atalım.

Köprüler günlük olarak döngüsel yükleme yaşar. Wilmington, Delaware'deki Brandywine River köprüsünde feci bir arıza neyse ki önlendi. 1997 yılında aşağıdaki patikada bir koşucu tarafından keşfedilen önemli bir çatlağın, bir kullanım kusurundan yayıldığı bulundu. Onarımlar yapıldı ve köprü kullanımında izlenirken 6 şeritli trafik taşımaya devam ediyor.

Mühendisler, 1950'lerde 3 uçağın uçuş sırasında patlamasının ardından basınçlandırma ve basınçsızlaştırmayı simüle etmek için gövdeyi bir yüzme havuzuna batırdılar. Pencerelerin köşelerindeki gerilme konsantrasyonları nedeniyle tekrarlanan yüklemeler sonrasında yorulma arızası meydana geldiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, günümüz uçaklarının tasarımı, bu kuvvete karşı koymak ve stres konsantrasyonlarını azaltmak için daha yuvarlak köşeler içerir.

JoVE'nin Metallerin Yorgunluğuna Giriş'ini yeni izlediniz. Artık döngüsel yükleme fikrini ve bunun metallerin yorulma arızası üzerindeki etkisini anlamalısınız.

İzlediğiniz için teşekkürler!