Yorulma Kırılması — S-N Eğrisi

Yorulma kırılması, tekrarlı yükleme çok sayıda çevrim boyunca hasar oluşturduğunda meydana gelir; her bir çevrim malzemenin statik çekme dayanımının altında olsa bile. Bir S-N eğrisi temel eğilimi gösterir: tek bir malzeme için, tek bir deney koşulunda, daha yüksek çevrimsel gerilme genellikle kırılmaya kadar daha az çevrim; daha düşük çevrimsel gerilme ise genellikle daha fazla çevrim anlamına gelir.

Tek bir fikri hatırlayacaksanız, onun arkasındaki koşulu hatırlayın: bir S-N eğrisi yalnızca ölçüldüğü malzeme, yüzey durumu, ortam ve yükleme düzeni için geçerlidir.

S-N Eğrisi Size Ne Söyler?

Bir S-N eğrisi yorulma deneylerinden elde edilir. Her numune, seçilen bir gerilme seviyesinde kırılana kadar tekrar tekrar yüklenir ve çevrim sayısı kaydedilir. Çok sayıda deney sonucunun grafiğe geçirilmesiyle gerilme-ömür eğrisi elde edilir.

Birçok grafikte $N$, yorulma ömrü binlerden milyonlara kadar uzanabildiği için logaritmik eksende gösterilir. Gerilme ekseni çoğu zaman gerilme genliğidir, ancak kullanılan tam gerilme ölçüsü deney yöntemine bağlıdır.

Dolayısıyla bir S-N eğrisi evrensel bir yasa değildir. Belirli bir düzenek için ölçülmüş veridir.

Temel Gerilme-Ömür İlişkisi

Sabit bir malzeme sistemi ve sabit bir yükleme koşulu için eğri şu tür bir eğilimi ifade eder:

$$\text{larger } S \quad \Rightarrow \quad \text{smaller } N$$

Temel fikir budur. Eğri, her malzeme için ve her aralıkta çalışan tek bir basit formül vermez.

Mühendisler sık sık yorulma ömrü ve yorulma dayanımı kavramlarından söz eder:

• yorulma ömrü, seçilen bir gerilme seviyesinde kırılmaya kadar geçen çevrim sayısı demektir
• yorulma dayanımı, seçilen bir çevrim sayısına karşılık gelen gerilme seviyesi demektir

Bunlar aynı eğriyi okumanın iki yoludur.

Bir S-N Eğrisi Örneği Nasıl Okunur?

Bir laboratuvarın, sabit bir yükleme oranı altında parlatılmış bir çelik numune için zaten bir S-N eğrisi ölçtüğünü varsayalım. Bu özel eğride:

• $300\ \mathrm{MPa}$ gerilme genliği yaklaşık $10^5$ çevrimde kırılmaya karşılık gelir
• $220\ \mathrm{MPa}$ gerilme genliği yaklaşık $10^6$ çevrimde kırılmaya karşılık gelir

Şimdi parçanızın, deneyle aynı koşullar altında, yaklaşık $220\ \mathrm{MPa}$ gerilme genliğine maruz kaldığını düşünün. Bu durumda eğriden yorulma ömrünü yaklaşık $10^6$ çevrim olarak okursunuz.

Bu neden önemlidir? Bu örnekte gerilmedeki mütevazı bir düşüş, yani $300\ \mathrm{MPa}$'dan $220\ \mathrm{MPa}$'a inmek, ömür tahminini yaklaşık $10$ kat değiştirir.

Bu, o çelikten yapılmış her gerçek parçanın mutlaka $10^6$ çevrime ulaşacağı anlamına gelmez. Çentikler, pürüzlü yüzeyler, korozyon, ortalama gerilme ve sıcaklık, gerçek yorulma ömrünü laboratuvar eğrisinden uzaklaştırabilir.

Yorulma Sınırı Ne Zaman Geçerlidir?

Bazı malzemeler için yorulma sınırı varmış gibi modelleme yapılır; yani eğri belirli bir gerilme seviyesinin altında neredeyse yatay hale gelir ve malzeme deney koşulları altında çok büyük sayıda çevrime dayanabilir.

Bu fikir yalnızca malzeme davranışıyla uyuştuğunda yararlıdır. Birçok alüminyum alaşımı, standart bir S-N grafiğinde belirgin bir yorulma sınırı göstermez. Bu durumda daha düşük gerilme genellikle daha uzun ömür demektir, ama sonsuz ömür garantisi vermez.

Bu yüzden daha iyi soru "Yorulma bu gerilmenin altında durur mu?" değildir. Asıl soru şudur: "Bu malzeme ve bu koşul için veriler hangi ömrü destekliyor?"

Yorulma Kırılmasında Sık Yapılan Hatalar

Tek bir S-N eğrisini evrensel sanmak

Bir S-N eğrisi; malzemeye, ısıl işleme, numune geometrisine, yüzey durumuna, ortama ve yükleme oranına bağlıdır. Bunları değiştirmek eğriyi de değiştirebilir.

Statik dayanımı yorulma direnciyle karıştırmak

Bir malzeme yüksek çekme dayanımına sahip olabilir ve yine de yeterince fazla çevrim ve yerel gerilme yığılması altında yorulmadan kırılabilir.

Her malzeme için yorulma sınırı olduğunu varsaymak

Bu kestirme, bunun yerine sonlu ömür ölçütlerine göre tasarlanan malzemeler için ciddi biçimde yanıltıcı olabilir.

Gerilme yığılmalarını göz ardı etmek

Gerçek çatlaklar çoğu zaman deliklerin, dişlerin, keskin köşelerin veya başka çentiklerin yakınında başlar. Düzgün bir laboratuvar numunesi, gerçek bir bileşenden çok farklı davranabilir.

S-N Eğrileri Nerelerde Kullanılır?

S-N eğrileri; dönen miller, yaylar, uçak yapıları, köprüler ve makine parçaları gibi çok sayıda tekrarlı yüke maruz kalan bileşenlerde kullanılır. Özellikle elastik çevrimlemenin baskın olduğu ve ömrün çok sayıda tekrar üzerinden ölçüldüğü yüksek çevrimli yorulma durumlarında çok yararlıdır.

Her çevrimde plastik şekil değiştirmenin büyük olduğu durumlarda ise tam bir açıklama olarak daha az uygundurlar. Bu rejimde, gerinim-ömür yöntemleri çoğu zaman daha uygundur.

Pratik Sonuç

Bir parça yorulma nedeniyle kırıldığında soru genellikle "Tek seferlik yük çok mu büyüktü?" değildir. Asıl soru şudur: "Tekrarlı yük, parçanın dayanması gereken çevrim sayısı için fazla mı yüksekti?"

İşte S-N eğrisini yararlı yapan düşünce değişimi budur. Tekrarlı gerilmeyi, yalnızca statik dayanımın yapamayacağı şekilde beklenen ömre bağlar.

Benzer Bir Durumu Deneyin

Bir S-N eğrisinden bir nokta alın ve gerekli ömür $10$ kat arttığında izin verilebilir gerilmenin nasıl değiştiğini sorun. Kendi örneğinizi denemek isterseniz, benzer bir durumu inceleyin ve tasarımın yalnızca statik dayanım değil, yorulma tarafından belirlendiğinde nasıl değiştiğini karşılaştırın.