Aşınma Deneyi: Mekanizmalar, Faktörler ve Tribolojik Sistemler

AŞINMA DENEYİ
1. DENEYİN AMACI
Bu deney farklı malzemelerde aşınma direncinin göreceli olarak nasıl değiştiğini tayin etmek üzere;
aşınma koşullarının malzemenin aşınma direncine etkilerini belirlemek üzere; ya da çeşitli malzemelerin
birbirlerine göre aşınma dirençlerinin karşılaştırılması vb. amacıyla yapılır.
2.TEORİK BİLGİ
Aşınma, kayma, yuvarlanma veya darbe sonrasında katı malzeme üzerinde oluşan hasar ya da malzeme
kaybı olarak tanımlanmaktadır. Bu tanımda malzeme kaybı ifadesi yer almasına rağmen, ağırlıkta ya da
hacimde herhangi bir değişme olmaksızın malzemenin cisim üzerindeki yer değiştirmesi de aşınma
olarak tanımlanmaktadır.
Çok iyi parlatılmış yüzeyler bile mükemmel pürüzsüzlüğe ve düz yüzeye sahip olamazlar, değişen
oranlarda yüzey pürüzlülüğü içerirler (Şekil 1).
İki yüzey karşılıklı yüklendiğinde, sadece yüksek noktalardan ya da pürüzlüklerden temasa geçer.
Gerçek temas alanı görünen temas alanından çok daha küçük olduğundan, pürüzlükler çok yüksek
yüklemeye maruz kalırlar.
Yüzeyler arasındaki relatif hareket aşınmaya yol açar. Aşınma hızı; yükleme, relatif hız ve yüksek
kayma gerilmeleri altındaki pürüzlere yakın malzemenin davranışıyla kontrollüdür.
Şekil 1.Yüzey Topografisi
2.1 Tribolojik Sistemi Meydana Getiren Temel Unsurlar
Aşınma olayının belirlenmesinde, tribolojik sistemi meydana getiren temel unsurların bilinmesi gerekir.
Bir tribolojik sistemde genel olarak bulunabilecek 6 temel unsurdan hepsi veya bazıları aşınma olayını
etkileyebilir. Şekil 2.’de de şematik olarak verilen bu unsurlar şunlardır:
1. Temel Sürtünme Elemanı: Fiziksel ve kimyasal özellikleri ve durumu, yüzey yapısı, şekli tamamen
belirli ve aşınması özel ilgi ile incelenen katı cisimdir.
2. Karşı Sürtünme Elemanı: Katı cisim, sıvı veya gaz olabilir. Karşı sürtünöme elemanı ile temel
sürtünme elemanı bir aşınma çifti oluştururlar.
3. Ara Maddesi: Temel sürtünme elemanı ile karşı sürtünme elemanı arasında katı, sıvı, gaz, buhar
veya bunların karışımı şeklinde bir cisim bulunabilir. Örneğin; yüzey arasına girmiş kum taneleri veya
aşınma esnasında yüzeylerden kopan parçacıklar da (eğer bunlar yüzey arasında kalıyorsa) ara maddesi
olarak düşünülebilir.
4. Çevre: Ortam sıcaklığı,nem miktarı, ortam basıncı gibi çevresel faktörler çevre koşullarını belirler.
5. Yükleme: Etki eden yükün (kuvvetin) büyüklüğü, şekli (statik, dinamik, darbeli, titreşimli vs.)
doğrultusu ve zamana göre değişimi yüklemeyi meydana getirir.
6. Hareket: Temel sürtünme elemanının karşı sürtünme elemanına göre bağıl hareketinin cinsi (kayma,
yuvarlanma, çarpma vs.) büyüklüğü, doğrultusu ile verilir. Aşınma miktarının belirlenmesinde hareket
süresi önemli bir etkendir. Aşınmanın meydana gelmesinde gerekli bir unsurdur.
2.2 Aşınma Mekanizması ve Türleri
Aşınma mekanik ve / veya kimyasal yollarla oluşur ve genellikle sürtünmeden dolayı ısınma ile hızlanır.
Aşınma hasarları, 5 farklı mekanizmayla gerçekleşmektedir. Ancak temel prensip katı malzemenin
yüzeyden kopmasıdır. Buna göre aşınma mekanizmaları,
1. Adhezif aşınma
2. Abrasif aşınma
3. Yorulma ve tabakalı (delaminasyon) aşınma
4. Erozyon ve çarpma etkisiyle aşınma
5. Kimyasal/Oksidatif aşınma olarak sıralanmaktadır.
Bunların dışındaki mekanizmalar, yukarıda sıralanan 5 farklı mekanizmanın kombinasyonları şeklinde
karşımıza çıkmaktadır.
Şekil 3. Dört Aşınma Tipinin Şematik Gösterimi
2.2.1 Adhezyon (Yapışma) Aşınması
Adhezif aşınması iki katı yüzeyin kayma sırasında birbirleriyle etkileşimi sonucu oluşur. Adhezyon
(bağlanma, yapışma) yüzeydeki pürüzlerin bağlanmasıyla oluşmaktadır. Kayma sırasında meydana
gelen kesme gerilmelerinin sonucu olarak, bağlantı noktalarında kopma gerçekleşir ve malzeme kaybı
meydana gelir. Buna göre adhezif aşınma sırasında, yüzeydeki pürüzler birbirlerine kaynar, bunu
takiben bağlantı yerlerinden kopmalar meydana gelmektedir. Kopan parçacıklar iki yüzey arasında yeni
temas alanları (ikincil temaslar) oluşmasını sağlamaktadır. Kopan parçaların birbirleriyle temaslarının
artmasıyla bu parçalar topaklanır ve bu topaklar kayan iki yüzey arasında hareket eder, iki yüzey
arasında büyüyen bu parçalar yükün de etkisiyle levha haline gelir. Sonuç olarak, yüzeylerde yapışık
halde, kayma yönünde kompozit yapıda levha tipi aşınma partikülleri oluşur.
2.2.2 Abrazyon Aşınması
Abrazyon aşınması, yüzey pürüzlülüklerinin yüzey veya sert parçacıklar tarafından plastik
deformasyona uğratılması koparılması ile oluşur. Kırılma tokluğu yüksek olan yumuşak metaller,
seramikler kayma esnasında sert parçacıklar tarafından plastik akışa uğratır. Kırılma tokluğu düşük olan
gevrek malzemelerde, yüzey pürüzlülüğü kırılması ile madde kaybına uğrarlar.
2.2.3 Yorulma ve Tabakalı (Delaminasyon) Aşınması
Adhezif ve abrasif aşınmada sürekli bir temas mevcut iken, çevrimsel bir temasın söz konusu olduğu
durumlarda, farklı bir aşınma mekanizması ortaya çıkmaktadır. Bu tür çevrimsel temaslar sonucu oluşan
aşınma türüne yorulma aşınması adı verilmektedir. Eğer çevrim sayısı yüksek ise, yüksek çevrimli
yorulma aşınması, çevrim sayısı düşük ise düşük çevrimli yorulma aşınmasının oluşması
beklenmektedir. Dönen yapı elemanları için genellikle parçalar arasında elastik bir temas söz konusudur.
Temas noktasında, ana aşınma mekanizması yüksek çevrimli yorulma aşınmasıdır. Temas altında ortaya
çıkan gerilme, malzemenin akma dayanımından yüksek olmamasına rağmen, temas eden noktalardaki,
boşluk, tane sınırı ve inklüzyonlar nedeniyle yerel olarak akma dayanımından yüksek gerilmeler
oluşabilmektedir. Böyle durumlarda, düşük çevrimli yorulma aşınması meydana gelebilmektedir. Şayet
iki malzeme arasında plastik bir temas söz konusu ise, yorulma aşınması pullaşma olarak kendini
gösterebilmektedir. Bu tip aşınma, yapı üzerinde tek bir çevrimde meydana gelmemekte, aşınmanın
oluşabilmesi için tekrarlı bir çevrim olması gerekmektedir.
Şekil 4.Yorulma Aşınması
Bir yorulma aşınması türü olan tabakalı (delaminasyon) aşınma, yüzey pürüzlerinin kayma noktalarında
birbirleri üzerinde devamlı hareketi sonucu olan bir aşınma türüdür. Yüzeyin altında küçük çatlaklar
meydana gelmesi görülen bir durumdur. Temas noktasının hemen altındaki üç eksenli basma
gerilmesinden dolayı, çatlak çekirdeklenmesi meydana gelir. Devamlı yüklemeler ve deformasyon
prosesi çatlakların büyümesine ve komşu çatlaklar ile birleşmesine sebep olmaktadır.
2.2.4
Erozyon
ve
Çarpma
Etkisiyle
Aşınma
Erozif aşınma, katı veya sıvı parçacıkların yüzeye çarpmasıyla oluşan aşınma türü olup mekanizması
şematik olarak şekil’de görülmektedir. Erozif aşınma, gaz türbin bıçaklarından pompa pervanelerine
kadar birçok alanda meydana gelebilir. Erozyon aşınması, diğerlerinden farklı olarak malzemenin
dayanımına bağlı olmayabilir. Erozif aşınma, partikülün çarpma açısı, çarpma hızı ve partikül boyutu
gibi birçok parametreye bağlıdır. Örneğin, partikül sert ve katı halde ise abrasif aşınmaya benzer bir
yapı ortaya çıkabilir. Erozif aşınmaya sebep olan, partikülün çarpma açısı, düşük ise abrasif aşınmaya
benzer bir yapı meydana gelirken, çarpma açısı yüksek ise malzeme yüzeyinde erozyon meydana gelir.
Çarpan partikülün hızı düşük ise, yüzeyde plastik deformasyon oluşturacak bir gerilme meydana gelmez
ve sonuçta statik yorulma meydana gelir. Ancak çarpma hızı yüksekse, yüzeyde plastik deformasyon
meydana gelir. Çok yüksek çarpma hızlarında, yüzeyde kısmi ergime meydana gelebilir. Partikül
sertliğinin erozif aşınma üzerinde etkisi büyüktür. Sert partiküller, yumuşak partiküllere oranla daha çok
aşınmaya sebep olmaktadır. Benzer şekilde, partiküllerin keskinliği aşınma hızını artırabilir.
Şekil 5. Erozif Aşınma Mekanizması
2.2.5 Kimyasal/Oksidatif Aşınma
Kimyasal veya korozif aşınma, kayma aşınmasının korozif ortamda meydana gelmesiyle oluşur. Havada
en baskın korozif oksijendir. Bu sebeple, havadaki kimyasal aşınma genellikle oksidatif aşınma olarak
adlandırılır. Kaymanın varlığında, korozyonun kimyasal ürünleri (örneğin oksitler), korozyonu
yavaşlatan yüzeyde film oluşur, fakat kayma eylemi bu filmi kaldırır ve korozyon devam edebilir. Bu
sebepten, kimyasal aşınma hem korozyon hem de mekanik aşınmanın birleşimidir.
2.3
Aşınmayı
Etkileyen
Faktörler
Aşınmayı etkileyen birçok değişik faktör bulunmaktadır. Bu faktörler arasına aşınmaya en çok etki
edenleri kısaca aşağıdaki gibi açıklamışlardır.
a. Malzeme seçimi
b. Sürtünme
c. Yüzeye uygulanan yük
d. Kayma mesafesi
e. Yüzey sertliği
f. Yüzey kalitesi
g. Yağlama
2.3.1.Malzeme seçimi
Aşınma olayı çoğu zaman malzeme seçimi ile yakından ilgilidir. Malzeme seçimi doğru yapılmadığında,
beklenilen performans elde edilemediği gibi ciddi maddi kayıplara da sebep olabilmektedir.
2.3.2.Sürtünme
Sürtünme ile aşınma arasındaki ilişkiyi göz önüne almamıştır. Fakat bazı metallerde sürtünme katsayısı
düşük olmasına karşın büyük oranlarda aşınma oluşabilmektedir. Bununla birlikte sürtünme katsayısının
yüksek olduğu bazı durumlarda aşınmanın çok az olduğu görülebilmektedir.
2.3.3.Yüzeye uygulanan yük
Yüzeye uygulanan yük ile aşınma genellikle doğru orantılı olarak artığı deneysel çalışmalar ile
gözlenmektedir.
2.3.4.Sürtünme mesafesi
Sürtünme mesafesinin artması ile birlikte aşınma miktarında zamana bağlı olarak artış gözlenmektedir .
2.3.5.Yüzey sertliği
Yüzey sertliği aşınmayı etkileyen en önemli parametrelerden bir tanesidir. Yüzey sertliği arttırılarak
aşınma azaltılabilir veya aşınmadan kaynaklanan yüzey deformasyonu sabit tutulabilir.
2.3.6.Yüzey pürüzlülüğü
Özel çalışma ortamları dışında genellikle yüzey pürüzlülüğü 10 ila 70 μm arasında olmasına özen
gösterilir. Eğer yüzey çok temiz ise yüzeyler arsında soğuk kaynak oluşumu artar. Yüzey kaba olarak
işlenmiş ise bu durum aşınmanın daha fazla artmasına sebep olur.
2.3.7.Yağlama
Aşınmaya karşı alınan en önemli önleyici tedbirlerin başında yağlama gelmektedir.Sürtünen yüzeyler
arsındaki yağlama ile metal – metal teması ve soğuk kaynaklanma önlenebilir.
2.4.Aşınma Deneyleri ve Ölçüm Yöntemleri
ASLE (American Society of Lubrication Engineers) aşınmanın belirlenmesinde yüz kadar deney sistemi
belirtmiştir. Bunlardan en çok kullanılanları ise aşınma miktarı, kalınlık farkı ve iz değişim metodlarıdır.
2.4.1.Ağırlık Farkı Metodu
Ekonomik olması ve ölçülen büyüklüğün alet duyarlılık kapasitesi dahilinde bulunması sebebiyle en çok
kullanılan yöntemdir. Deney numunelerinin her ölçümü için numunenin yerinden çıkartılıp ölçüm
yapılması, yani numune yerindeyken üzerinden ölçü alınamaması bu yöntemi dezavantajıdır. Aşınma
kaybının ölçülmesi 10-3 veya 10-4 gr. hassasiyetinde oldukça duyarlı bir terazide yapılır. Aşınma
miktarı gram veya miligram cinsinden ifade edilirse, metre veya kilometre olarak tespit edilen sürtünme
yoluna göre, birim sürtünme yoluna karşılık gelen ağırlık kaybı miktarı, (gr/km), (mg/m) ile ifade
edilebilir. Ağırlık kaybı birim alan için hesap edilecekse, (gr/cm2) gibi bir birim kullanılabilir. Ağırlık
kaybı, hacimsel aşınma miktarı olarak belirtilmek istendiğinde, yine ağırlık kaybından hareketle
kullanılan malzemenin yoğunluğu ve deney numunesi üzerine etki eden yükleme ağırlığı hesaba
katılmak suretiyle birim yol ve birim yükleme ağırlığına karşılık gelen hacim kaybından gidilerek de
bulunabilir.
Bu tanımlamalardan hareketle malzemenin özgül aşınması aşağıda verilen bağıntıyla hesaplanabilir.
Burada
Ws : Özgül aşınma miktarı
∆V : Hacimsel malzeme kaybı
∆m : Ağırlık Kaybı
Ƥ
: Yoğunluk
Fn :Uygulanan normal kuvvet
L : Kat edilen toplam yol uzunluğudur.
2.4.2 Kalınlık Farkı Metodu
Aşınma esnasında oluşacak boyut değişikliğinin ölçülmesi, başlangıç değeri ile karşılaştırılması
suretiyle elde edilir. Kalınlık farkı olarak tespit edilen bu değerden gidilerek, hacimsel kayıp değeri ve
birim hacimdeki aşınma miktarı hesaplanır. Kalınlık, hassas ölçme aletleri yardımıyla ± 1 µm
duyarlılıkla ölçülmelidir.
2.4.3 İz Değişim Metodu
Sürtünme yüzeyinde plastik deformasyon metodu ile, geometrisi belirli bir iz oluşturulur. Deney
boyunca bu izin karakteristik bir boyutunun (çapının) değişimi ölçülür. Uygulamada iz bırakıcı olarak
en çok kullanılan alet Vickers veya Brinell sertlik ölçme ucudur. Elmas Piramit veya bilyanın bıraktığı
iz boyutlarındaki değişme mikroskop vasıtasıyla ölçülerek belirlenir.
3. KULLANILAN CİHAZ VE MALZEMELER
Aşınma cihazı, aşınma testinin uygulanacağı farklı numuneler, hassas terazi.
4.DENEYİN YAPILIŞI
Aşınma testinin uygulandığı numunede deney sonunda meydana ağırlık kaybı ölçülerek özgül aşınma
miktarı tespit edilir.
5. RAPORDA İSTENENLER
1-Malzemelerin sertliği ve aşınma arasındaki ilişkiyi açıklayınız.
2-Yüzey pürüzlülüğünün aşınma üzerine etkisini açıklayınız.
3-Malzemelerin yüzey pürüzlülüklerinin belirlenmesi amacıyla kullanılan cihazlar nelerdir?
Açıklayınız.
KAYNAKLAR
1-Ölmez,S.,(2016). Alüminyum esaslı alaşımların yüksek sıcaklıkta aşınma davranışlarının incelenmesi,
Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
2- Yıldız, T. Ve Gür, A.,(2006). “Aşınma Sistemleri”. Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları, Elazığ.
3- Celal Bayar Üniversitesi Aşınma Deney Föyü
4- Karadeniz Teknik Üniversitesi Sürtünme ve Aşınma Deney Föyü