Artık Gerilme Nedir?

Çok basit anlamda artık gerilme (residual stress), imalat sırasında malzeme içerisinde kalan gerilmeye verilen isimdir. Tıpkı vücudumuzdaki kaslarımızda bazen sızlamalara neden olan durumlarda olduğu gibi, malzemelerde de o bölgeyi çevreleyen malzeme tarafından çekme veya basma gerilmeleri görülmektedir. Bu iç gerilmeler, artık gerilme olarak isimlendirilmektedir.

Malzeme üzerindeki gerilmeler dış kuvvetler uygulandığında artmaktadır. İnsan vücudu örneğine tekrar dönülecek olursa artık gerilme, ayakta veya otururken omuzlarda hissedilen gerginliktir. Uygulanan gerilme ise ağır bir şey kaldırıldığında ortaya çıkmaktadır. Uygulanan gerilmeler ve artık gerilmeler, malzemenin nihai dayanımını veya performansını belirlemek için bir arada değerlendirilmektedir. Örneğin, artık gerilmeler büyükse, malzeme yüksek gerilmelere karşı dayanıklı olmayacaktır.

Toplam Gerilme = Artık Gerilme + Uygulanan Gerilme

Örneğin; -400 MPa artık gerilmeye sahip bir malzemeye, +500 MPa’lık bir yük uygulandığını düşünelim. Malzemenin maruz kaldığı toplam gerilme, iki gerilmenin toplamı veya +100 MPa’dır. Bu nedenle, artık gerilme durumunun bilinmesi, bir yapı üzerindeki gerçek yükleri belirlemek için oldukça önemlidir. Genel olarak, yapının yüzeyindeki basma artık gerilmesi yapının mukavemetine fayda sağlamaktadır. Yorulma mukavemetini ve yorulma ömrünü arttırıp, çatlak yayılma hızını azaltmakta ve çevresel etkilerle desteklenen gerilme korozyonu çatlaması ve hidrojen kaynaklı çatlama gibi hasarlara karşı malzeme direncini arttırmaktadır. Yapı yüzeyindeki çekme gerilmesi, malzemenin yorulma mukavemetini ve yorulma ömrünü düşürmekte, çatlak yayılım hızını arttırmakta ve çevresel etkilerin desteklediği çatlaklara karşı malzemenin direncini düşürmektedir. Bu sebeple yüzeydeki çekme gerilmesi genel olarak istenmemektedir.

Artık Gerilme Türleri

Artık gerilmeler, malzeme içinde bulundukları ölçeğe göre karakterize edilebilmektedir. Malzeme içinde uzun mesafelerde oluşan gerilmeler, makro gerilmeler olarak adlandırılmaktadır. Yalnızca lokal olarak (ya taneler arasında ya da bir tanenin içinde) bulunan gerilmeler mikro gerilmeler olarak adlandırılmaktadır. Bir malzemenin belirli bir yerindeki toplam kalıcı gerilme, aşağıdaki 3 gerilme tipinin toplamı olmaktadır.

  • Tip I Gerilmeler: İçinde çok sayıda tanecik içeren malzemelerde oluşan makro gerilmeler.
  • Tip II Gerilmeler: Bir malzemenin mikro yapısındaki farklılıkların neden olduğu mikro gerilmeler malzemedeki tane büyüklüğü ile kıyaslanabilecek mesafelerde meydana gelmektedir. Tek fazlı malzemelerde tanelerin anizotropik davranışlarından dolayı veya çok fazlı malzemelerde faz farklılığından dolayı oluşabilmektedir.
  • Tip III Gerilmeler: Malzeme içindeki farklı mikro yapıların varlığı mikro gerilmeleri ortaya çıkarabilmektedir.

Artık Gerilmenin Önemi

Artık gerilme aşağıdakileri etkilemektedir:

  • Düşük çevrim (low cycle) ve yüksek çevrim (high cycle) yorulma performansı
  • Deformasyon
  • Çekiçle şekillendirme (kontrollü deformasyon)
  • Yıpranma
  • Gerilme korozyon çatlaması (SCC) ve hidrojen sebepli çatlama (HIC)
  • Çatlak başlaması ve yayılması (Hasar toleransı)
  • Artık gerilme dağılımı, FE modellerinde ve/veya kırılma mekaniğinde nadiren göz önüne alındığından dolayı; modellemenin doğruluğunu ve etkinliğini arttırmak için gerçek veriler gerekmektedir.

Artık Gerilmelerin Ölçülmesinin ve İzlenmesinin Faydaları

  • Bir parçanın kritik bölgelerinin yüzey sertleştirmesi (peening) işlemi optimize edilebilir.
  • Şartnameleri ve Go/No-Go kararlarını hazırlamak için nicel bir metrik sağlayabilir.
  • Ürün kalitesini iyileştirmek, tedarikçi kalitesini doğrulamak, mühendislik kaynak onayı (ESA) gibi avantajları olabilir.
  • Yapının güvenliği geliştirilebilir ve katastrofik hasarlar azaltılabilir.
  • Yeterli gerilme sağlanarak komponentin veya yapının ömrünü uzatacak çalışmalar yapılabilir.
  • Onarılan alanın orijinal özelliklerine tamamen geri döndüğü kontrol edilebilir.
  • Kalıntı gerilmenin azalması izlenerek daha doğru parça değiştirme gereksinimleri belirlenebilir.
  • Artık gerilme bilgileri, diğer tahribatsız tekniklerin uygulanmasında yardımcı olabilir.

Artık Gerilmenin Yönetilmesi

Artık gerilmeleri belirlemek ve yönetmek için birçok yöntem bulunmaktadır: bunlar arasındaki bilya ile sertleştirme, lazer şokla sertleştirme, ultrasonik sertleştirme, döverek sertleştirme, çekiçleme, parlatma, düşük plastisite parlatma, haddeleme ve kazıma gibi soğuk çalışma teknikleri basma yüzey artık gerilmeleri üretebilmektedir. Isıl işlem, kontrollü soğutma ve lokalize ısıtma gibi sıcak çalışma teknikleri, artık gerilmeyi en aza indirgemek veya azaltmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Bu işlemler kuponlar veya Almen şeritleri kullanılarak sıklıkla kontrol edilmektedir. Ancak, parça üzerindeki artık gerilmeler hakkında bilgi sağlamamaktadırlar. Örneğin, Almen şeridi üzerinde uygulanan bilya ile sertleştirme, işlem hakkında detaylar vermesine rağmen parçadaki artık gerilme hakkında bilgi sağlamamaktadır.

Yüzey Üstü ve Yüzey Altı Artık Gerilmeler

  1. Yorulma çatlakları genellikle yapının yüzeyinde başlamaktadır. Bu nedenle yüzeydeki artık gerilme, çatlağın başlaması ve yayılması potansiyelinin belirlenebilmesi için önemlidir. Yüzey altındaki çatlaklar genellikle yüzeyin altında bulunan kusurlardan veya farklı malzeme katkılarından dolayı ortaya çıkmaktadır.
  2. Yüzeydeki gerilmeler, yüzey altındaki çatlak yayılımını da oldukça fazla etkilemektedir.
  3. Bilya ile yüzey sertleştirme (shot peening), işleme veya diğer yüzey modifikasyon işlemlerinin etkilerini tam olarak karakterize etmek için yüzey ve yüzey altı gerilme gradyanları gerekmektedir.
  4. Parça işleme ve diğer yüzey modifikasyonlarının yeterince kontrol edildiği özel durumlarda, yüzeydeki kalıntı gerilme, işlem kalitesinin bir göstergesi olarak kullanılabilmektedir.

Mühendisler, malzeme performansını etkilediklerinden dolayı artık gerilmelere karşı dikkatle yaklaşmaktadır. Yapılar genellikle önemli emniyet faktörleri ile tasarlanmışlardır ve artık gerilmelerin etkileri göz ardı edilebilmektedir. Fakat teknolojinin en ileri noktasına yakın çalışan yüksek performanslı yapılar için artık gerilme gibi faktörler, yapının performansı ya da hasara uğraması konusunda belirleyici olabilmektedir.