Periyodik Yüklemenin Bilyelerle Sertleşmiş Toz-Dövme Çeliğin Kalici

PERIYODIK YÜKLEMENİN BİLYELERLE SERTLEŞMİŞ TOZ-DÖVME ÇELİĞİN KALICI GERİLMESİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ :
Periyodik YÜklemenİn Bİlyelerle SertleŞmİŞ Toz-dÖvme ÇelİĞİn Kalici

ÖZET

%2 Toz-Dövme çelik gerilmesinin hassas otomotiv uygulamaları için kullanımının gelecek yıllarda da devam etmesi bekleniyorDaha etkili ve daha hafif parçalar üretme çabası bu malzemenin özelliklerini kuvvet ve hizmet sürekliliği/dayanıklılığı anlamında en iyi şekilde kullanmaya özel olarak dikkat çekmiştir Bilyelerle sertleştirme bir parçanın aşınmaya karşı dayanıklılığını artırmak için kullanılan bir yöntemdirBu yöntem yüzeyde sıkıştırıcı kalıcı gerilme meydana getirilerek uygulanır Bu sıkıştırıcı kalıcı gerilmeler azaltılabilir ve belki de periyodik yüklemeyle ortadan kaldırılabilir; bu da parçanın bütününü tehlikeye sokabilir Periyodik yüklemenin bilyelerle sertleşmiş toz-dövme çeliğe ait kalıcı gerilmesi üzerindeki etkisi bu yazıda anlatılmaktadır Zorlama kontrollü testler, eksenel numuneler üzerinde iki zorlama seviyelerinde ki devrimli kalıcı gerilme azalmasının boyutunu belirlemek için kullanılırEk testler tek devrimli azalmaya yanıt almak için uygulanır Araştırma sonuçları bilyelerle sertleşmiş test numuneleri üzerinde uygulanan sıkıştırıcı kalıcı gerilmenin periyodik yükleme boyunca gerilme seviyelerinde aşınma limitlerinin çok altında düştüğünü göstermektedir

GİRİŞ

Kalıcı gerilme “dışarıdan hiçbir kuvvet olmaksızın parçalarda oluşan gerilme”dir Durumlarına bağlı olan bu gerilmeler (sıkıştırıcı ya da basınçlı) periyodik yüklenen parçanın işlevine faydalı ya da zararlı olabilir Basınçlı aşınmış çatlaklara genellikle parçanın yüzeyinde rastlanır ve yüzeyde sıkıştırılmış kalıcı gerilme aşınmaya karşı dayanıklılığı artırır Bir parçaya yüzeysel sıkıştırıcı kalıcı gerilme ile yükleme yapıldığında uygulanan yüklemenin gerilme etkisi sıkıştırıcı kalıcı gerilme miktarına göre belirlenir Bilyelerle sertleştirme sık olarak kullanılan yüzeysel bir işlem sürecidir ve bu süreç bir parça üzerinde sıkıştırılmış kalıcı gerilme meydana getirmek ve aşınma dayanıklılığını artırmak için kullanılır

Aşınma performansını önceden belirlemek için devirli gerilme gevşemesi önemlidir; çünkü bu gevşeme kalıcı gerilmenin herhangi bir potansiyel yararını yok edebilir Niku-Lari’nin gözlemlerine göre bilyelerle sertleştirme ile azaltılan kalıcı gerilme değerleri servis süresi boyunca değişir ve bu da parçalara ait dizayn/tasarım özelliklerini hesaplamayı zorlaştırır Yorulma yükü boyunca oluşan kalıcı gerilme gevşemesi üzerine bir çok yazı yazılmıştır (6-8) Morrow et al (9) aşınma limitleri üzerindeki gerilmenin kalıcı gerilmeyi hemen hemen değiştirdiğini ifade etmiştir Yine Ross ve Morrow (10) tarafından yapılan bir araştırma orta şiddetteki gerilmeye ait ilk devirli gevşemesinin A-286 alaşımlarında oluşan büyük bir kısım gevşemeden sorumlu olacağı belirlenmiştir

Bu araştırmanın genel amacı periyodik yüklemenin bilyelerle sertleştirilmiş toz-dövme çelik üzerindeki kalıcı gerilmenin etkisini incelemektir Bilyelerle sertleştirilmiş eksenel numuneler %02 ve %01’lik zorlama amplitüd seviyelerinde yüklemeye tabi tutuldular ve kalıcı gerilme seviyelerindeki değişiklikler ölçüldü Sonuçlar yükleme testine tabi tutulmayan bilyelerle sertleştirilmiş numunelerin kalıcı gerilme profilleriyle karşılaştırıldıYüksek zorlama seviyelerinde tek periyodik yükleme uygulanarak bilyelerle sertleştirilmiş numuneler üzerinde ek testler yapıldı

DENEY

Malzeme – Bu çalışmada kullanılan malzeme yüksek saflığı olan ve %2 bakır, %035 mangan sülfür, %075 Acrawax “C” ve kurşun tozu karışımı olan ATOMET 1001’dir Dövme, sinterleme ve normale döndürme sürecini takiben, malzeme çok az boşluğa perlit-ferrit yapıya ve mangan sülfürünün sahip olur

Numuneler- Test numuneleri Powder-Tech Associates, Inc tarafından üretilen 102 mm çaplık disklerden başlayan makinalardan seçilir Toz 68 g/cm3 yoğunluğa sahip 76 mm’lik ön biçimlere yoğunlaşır ve sonra hidrojen içinde 870 C’de toz içerisindeki yağları yok etmek için bekletilir Daha sonra kütleler 1150 C’de hidrojen içinde 30 dakika eritilir; oda sıcaklığına fırında soğutulur ve yüzeysel skalayı yok etmek için bilyelerle hafifçe aşındırılır; Nitrojen ortamında indüksiyonlu ısıtma yapılarak 980C’ye tekrar ısıtılır Daha sonra önceden 260C ısıtılmış kapalı bir kalıp içinde 1600 ton hidrolik pres üzerinde dövülür Ortaya çıkan dövme parçaları 102 mm çap, 28 mm kalınlık ve 782 g/cm3 yoğunluğa sahiptir Soğutmadan sonra, Diskler 125 x 125 x 88 mm parçalara kesilir ve 1093 C’de 30 dakikalığına yaklaşık 20 Rc sertliğe sahip perlit-ferrit bir yapı elde etmek amacıyla normalize edilir Elde edilen parçalar arka arkaya Metcut, Inc ait Örnek 1’de gösterilen geometri test numuneleri içine konulur Daha sonra 20 Almen yoğunluk ve %150 kapsama sahip 230 ebatındaki dökme çelik kullanılarak Advanced Material Process Corporation ile bilyelerle sertleştirilir Kalıcı gerilme Lambda Research Inc ait x ışınlarını kırma yöntemi kullanılarak ölçülür

Test Prosedürleri – Testler 20 kip MTS kapalı devre servo-hidrolik test sistemi kullanılarak yapılır Yükü ve zorlamayı ölçmek için yüklü bir pil ve clip-on ekstensometre kullanılır Gerilme-Zorlama otomatik ayarlayıcı bir X-Y kaydedici ile izlenir Wood metal kıskaç sistemi numunelerde montaj prosedürlerinin neden olduğu distorsiyon gerginliğini önlemeye yardımcı olması için kullanılır

ÖRNEK 1 – Test numunesi

SONUÇLAR VE DURUM İNCELEMSİ

Kalıcı gerilme gevşemesi, bir parçaya veya numuneye elastik limit veya plastik deformasyon meydana gelecek şekilde yükleme yapıldığı zaman meydana gelir Gevşemenin şiddeti esneklik miktarına bağlıdır Çok az miktarda plastik deformasyona maruz kalan bilyelerle sertleştirilmiş bir numunedeki sıkıştırıcı artık gerginliğin gevşemesi yüz binlerce devir edebilir Numunelerde ki kalıcı gerilme, kalıcı gerilme toplamı ve uygulanan gerginlik malzemenin gerilme kuvvetini aşmadığı sürece kalıcıdır

Tamamıyla tersine çevrilmiş iki zorlama kontrollü aşınma testleri %02’lik gerginlik amplitüdünde ki bilyelerle sertleştirilmiş numuneler üzerinde yapılır; bu gerginlik amplitüdü 340 Mpa dır veya 301 Mpa gerginlik yorulma sınırının biraz üzerindedir (12) İlk test %50’lik bir aşınma ömrü için yapıldı ve ikinci tek bir tama olarak tersine çevrilmiş devir için tets makinasından çıkarılmadan önce uygulandı Örnek 2, devrimli numunelerde hemen hemen farksız olan iki kalıcı gerilme profillerini göstermektedir Her iki yüzey ve maksimum sıkıştırıcı gerginlik değerleri %2’nin içindedir ve derin profilleri çok benzerdir Test edilmemiş bilyelerle sertleştirilmiş numunelerin kalıcı gerilme profilleriyle karşılaştığında, her iki devrimli numunenin yüzeysel artık gerginliği büyüklüğü yaklaşık olarak %30 ‘luk bir oranda gevşemiştir; bu da test edilmemiş bir numunede -349 Mpa’dan, bir devir numunesinde -234 Mpa ve yarı-ömürlü bir numunede - 231 Mpa’ya gevşemedir Benzer bir azalmaya numune yüzeylerinin hemen altında ölçülen maksimum kalıcı gerilme değerlerinde rastlanır Tek devirli ve yarı-ömürlü testlere yakın benzer bir profil %02’lik zorlama amplitüdü ilk devirdeki artık gerginliği azaltmak için numunede yeterli esnekliği/plastikliği oluşturduğunu göstermektedir

ÖRNEK 2 – Test edilmemiş numune ve %02’lik zorlamada test edilmiş numunelere ait kalıcı gerilme profilleri

Yine başka bir test eskime sınırının çok altındaki gevşeme amplitüdüne tabi tutulan bilyelerle sertleştirilmiş numunelerde kalıcı gerilme gevşemesinin boyutunu belirlemek için uygulandı Numune 100 devirlik tamamıyla ters çevrilen %01 veya 203 Mpa (%30’u 301 Mpa eskime limiti altında) zorlama amplitüdünde zorlama kontrollü durumlar altında test edildi Histerez çevrimi aslında elastikti Bilyelerle sertleştirilmiş numuneye ait %01 zorlamada (Örnek 3) test edilmiş kalıcı gerilme profili yüzeysel kalıcı gerilmenin (-258 Mpa), test edilmemiş bilyelerle sertleştirilmiş numunenin yüzeysel kalıcı gerginliği (-349 Mpa) ile karşılaştırıldığında yaklaşık olarak %25 gevşediğini göstermektedir Gevşeme muhtemelen numunedeki sıkıştırıcı kalıcı gerilme ve yük periyodundaki sıkıştırıcı gerilme malzemenin sıkıştırma sınırını aştığı yük periyotlarına ait kompresyon kısımları esnasında gerçekleşir

ÖRNEK 3 – Test edilmemiş ve %01 zorlamada test edilmiş numuneler için kalıcı gerilme profilleri

Tek devir testi, 0 maks-min-0 ve 0-min-maks-0, yükün ilk yönü gerilmeden basınca ve basınçtan gerilmeye dönüştürüldüğünde kalıcı gerilme durumlarındaki değişiklikleri belirlemek için %75 zorlama amplitüdünde uygulandı Örnek 4 ve 5 tek devrimli testler boyunca oluşan histerez çevrimlerini göstermektedir Her iki çevrime ait maksimum sıkıştırıcı gerilme hemen hemen eşittir, -496 ve –537 Mpa; fakat, maksimum çekme zorlanmaları gözle görülür şeklide farklılık göstermektedir Başlangıçta voltaj yüklenen A numunesi +434 Mpa’lık maksimum çekme zorlamasına sahip iken; basınç yüklü B numunesi +537 Mpa’lık maksimum çekme zorlamasına sahipti ki bu da %20 farklılık demektir Bu durum numunenin basınç yüklü halindeki bilyelerle sertleştirilmiş indüklenmiş basınçlı kalıcı gerginliğinin kısmen gevşemesine mal edilebilir Basınçlı kalıcı gerilme büyüklüğü altta olduğunda, uygulanan yükün etkili gerilmesi daha yüksektir Her iki numune için test edildikten sonraki kalıcı gerilme profillerini Örnek 6’da görebilirsiniz +537 Mpa basınç yükü sıkıştırıcı kalıcı gerilmeyi yok eder ve numune yüzeyinde +55 Mpa kalıcı basınç gerginliği bırakır B numunesi üzerine başlangıç olarak yüklenen +434 Mpa basınç yükleme gerilmesi tek devirli test süresince numunenin yüzeyinden bir çok sıkıştırıcı kalıcı gerginliğini yok ettiğine inanılır Yine de, devrimin –496 Mpa gerginliğindeki sıkıştırma yükü numune üzerinde yeni bir –240 Mpa’lık sıkıştıran kalıcı gerilme bırakmıştır

ÖRNEK 4 – A Numunesi – Tek devir – 0 maks-min-0 histerez çevrim - %075 zorlama

ÖRNEK 5 – B Numunesi—Tek devir – 0-min-maks-0 histerez çevrim - %075 zorlama

ÖRNEK 6- Tek devir teste ait kalıcı gerilme profili – 0-maks-min-0 ve 0-min-maks-0

C ve D numuneleri üzerinde uygulanan tek devir testleri, 0-min-0 ve 0-maks-0, aynı hareketin A ve B numunelerinde de görüldüğünü açık olarak göstermektedir Örnek 7 ve 8 başlangıç olarak sıkışma yüklü C numunesine ait maksimum sıkıştıran gerilmeyi göstermektedir; bu numuneye ait gerilme başlangıç olarak basınç yüklü D numunesine ait maksimum basınç gerilme değerinden (466 Mpa) büyüktür (+543) Örnek 9’da gösterilen kalıcı gerilme profili test sonrası C ve D numunelerine aittir C numunesi üzerinde ölçülen sıkıştıran kalıcı gerilme –239 Mpa’lık bir değere sahiptir; yani test edilmemiş bir numune üzerinde ölçülen –402 Mpa’lık değerden %40 daha düşüktür Bu durum sıkıştıran plastik deformasyonun devir boyunca bilyelerle sertleştirmenin faydasını düşürdüğü fikrini vermektedir 466 Mpa’lık yükleme basıncı aslında D numunesi yüzeyindeki tüm sıkıştırıcı kalıcı gerilmeyi yok etmektedir

ÖRNEK 7 – C Numunesi – Tek devir – 0-min-0 histerez çevrim - %075 zorlama

ÖRNEK 8 – D Numunesi – Tek devir – 0-maks-0 histerez çevrim - %075 zorlama

ÖZET

Bilyelerle sertleştirme, parçanın yüzeyindeki sıkıştırıcı kalıcı gerilmeyi azaltarak bir parçanın aşınmaya karşı dayanıklılığını destekleyen ve rutin olarak kullanılan bir süreçtir Bilyelerle sertleştirilmiş %2 toz-dövme çelik numuneler üzerinde kalıcı gerilme gevşeme hareketlerinde periyodik yüklemenin etkisini belirlemek için laboratuar testleri yapıldı Sonuçlar aşınma limit gerilme seviyesinin %30 altındaki periyodik yüklemenin yüzeysel sıkıştırıcı kalıcı gerilme büyüklüğünü %25’e kadar düşürebildiğini göstermektedir Ayrıca sıkıştırıcı plastik deformasyon önemli bir biçimde yüzeysel sıkıştırıcı kalıntı büyüklüğünü de düşürmektedir
__________________