TRİBOLOJİ TRİBOLOJİ Prof. Dr. İrfan KAYMAZ Prof. Dr. Akgün ALSARAN Arş. Gör. İlyas HACISALİHOĞLU Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Atatürk Üniversitesi Giriş TRİBOLOJİ Bu bölüm sonunda:  Tribolojinin temel esaslarını  Sürtünme çeşitlerini  Kuru Sürtünme  Sınır Sürtünmesi  Sıvı Sürtünmesi  Yuvarlanma Sürtünmesi  Aşınma mekanizmalarını  Yağlayıcı çeşitlerini ve Özelliklerini  Viskozite kavramı  Petroff Denklemini öğrenmiş olacaksınız… Atatürk Üniversitesi Triboloji TRİBOLOJİ Sürtünme: • Temas eden ve izafi harekette bulunan iki makine elamanın temas yüzeyinde ortaya çıkar • Buna bağlı olarak sıcaklık yükselişi ve ısınma, aşınma ve enerji kaybı oluşur. Alınabilecek en yaygın tedbir: Bağıl hareket eden yüzeyler arasına bir yağlayıcı konulmasıdır TRİBOLOJİ: Sürtünme, aşınma ve yağlama ve bunlarla ilgili fiziksel olayları inceleyen bilim dalıdır. Atatürk Üniversitesi Tribolojinin tarihçesi TRİBOLOJİ • M.Ö 6000 yılında yağlayıcının (zift) kullanıldığına dair deliler vardır. • 100.000 yıl önce ateşin yakılması • M.Ö 2400 Ti’nin heykelinin taşınması • Sürtünme üzerine ilk sistematik araştırma. Leonardo da vinci (14521519). • Akan ortamın iç sürtünmesinin viskosite olarak tanımlanması. Newton_1687 • Sürtünme kuvvetinin normal kuvvetle orantılı olduğu. Guillaume Amontons1699) • Sürtünmenin analitik tanımlanması. Euler_1750. Atatürk Üniversitesi Tribolojinin tarihçesi TRİBOLOJİ • Sürtünme kuvvetinin normal kuvvetle orantılı olduğu. Coulomb_1785. • Sürtünme ve aşınma ölçümlerinin yapılması ve farklı malzemeler için sürtünme katsayısı listesi. George Rennie_1825 • Yağlayıcılara göre aşınma. Charles Hatchett_1803. • Viskositenin tanımlanması ve kullanılması. Navier_1822 • Navier ile birlikte hareket denklemi ve hidrodinamiğin temelleri. Strokes_1845. • Kayma sürtünmesinin fiziksel kanunları. Rudolf Herts_1881. Atatürk Üniversitesi Tribolojinin tarihçesi TRİBOLOJİ • Kaymalı yataklarda hidrodinamik basıncın tespiti. Tower_1883. • Kaymalı yataklar için sürtünme kanunları. Petrow_1883. • Hidrodinamik etkide matematiksel gelişim. Reynolds_1885. • Sürtünme ölçümleri ve hidrodinamik etki, Stribeck eğrisi. Stribeck_1902 • Triboloji kavramı_1966 Atatürk Üniversitesi Tribolojik Sitem TRİBOLOJİ TRİBOLOJİK SİSTEMDE ENERJİ DENGESİ YATAK: Bir elemanın veya parçanın diğerine göre bağıl hareketine yardımcı olan ve parçaları bu harekete uygun bir şekilde konumlandıran düzenek veya makine elamanıdır. Atatürk Üniversitesi Sürtünme TRİBOLOJİ Sürtünme, birbiriyle izafi hareket yapan iki katı yüzeyin harekete ya da hareketin ihtimaline göstermiş oldukları dirençtir. Ne kadar hassas işlenmiş ve parlatılmış olursa olsun iki yüzey birbirine temas ettiğinde, gerçek temas pürüzlerin birbirlerine dokunduğu noktalarda oluşur. Bu durumda yüzeye etki eden yük sadece yüzeylerin birbirine temas ettiği noktalardan desteklenir ve yüzey alanın küçük bir kısmı yükü taşır. Atatürk Üniversitesi Sürtünme TRİBOLOJİ En genel olarak: • Kuru, • Sıvı, • Yarı-sıvı sürtünme • ve Kayma-Yuvarlanmalı Sürtünme olarak sınıflandırılabilir. Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ Bağıl hareket yapan iki kuru parça temas yüzeylerinde meydana gelen sürtünme türü olup, parçalar birbirleri üzerinde yüzey pürüzleri üzerinde kayar. Kuru Sürtünme Modeli: Coulomb-Amontons kanunu dikkate alınarak hareket ters doğan sürtünme kuvveti: Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Kuru Sürtünme W ağırlığındaki bir cisme F kuvveti uygulandığında iki durum ortaya çıkar: I. Cisimler hareket halinde değildir ancak statik veya durgun sürtünme olarak tanımlanan direnç oluşur. Bu durumda 𝐹𝑠 = 𝐹 II. F kuvvetinin etkisinde yüzeyler kayar ve kinematik sürtünme ortaya çıkar. Bu durumda 𝐹𝑠 < 𝐹 Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Kuru Sürtünme Başlangıçta çok düşük yük seviyelerinde pürüzler temas ettikleri noktalarda elastik deformasyona uğrarlar. Yük arttıkça plastik deformasyon oluşur. Her biri pürüzün yüzey boyunca birleşme bölgeleri oluşturacak şekilde plastik deformasyona uğraması halinde yüzeye etki eden toplam yük; Ft=aσa a=Gerçek temas alanı σa=Basma akma gerilmesi Ft iki kat artarsa, a’da iki kat artar. Yüzeylerden biri diğeri üzerinde kaydırılma istenirse pürüzlerde buna ters kayma gerilmesi oluşur. F=aτa Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Kuru Sürtünme Temas bölgelerinde meydana gelen plastik deformasyon sonucu, pürüzlerin uçları ezilir. Temas alanı boyunca atom-atom teması oluşur. Sonuç olarak birleşme noktaları ancak τa kadar kayma gerilmesine dayanabilir. Buda malzemenin kayma akma gerilmesidir. Bu nedenle kaymaya neden olan Fs kuvveti; Fs=a τa =a(σa/2) Fs=Ft/2 Fs=µFt Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ Coulomb-Amontos kanunu düzenlenirse sürtünme katsayısı: 𝐹𝑠 𝜇= 𝐹𝑛 Dinamik (kinetik) sürtünme katsayısı 𝐹𝑠𝑘 𝜇= 𝐹𝑛 Atatürk Üniversitesi Sürtünme kanunları TRİBOLOJİ • Sürtünme kuvveti (veya sürtünme katsayısı) nominal temas alanına bağlı değildir (Da Vinci 600 yıl önce belirtti!!!) • Sürtünme kuvveti kayma hızından bağımsızdır • Kinetik sürtünme katsayısı statik sürtünme katsayısından daha düşüktür • Yüksek hızlarda sürtünmede bir azalma tespit edilmektedir Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ İki metal yüzeye yük uyguladıktan sonra yüzeyler arasında temas halindeki tabakaların bir kısmı kopar ve küçük temas alanlarında metal kaynama (kaynak bağlantısı) oluşur. İzafi hareket yapan yüzeylerde sürtünme metal kaynak bağları ile tabii tabakalar arasındaki bağlantıların oluşturduğu direnç olarak tanımlanır. Sürtünme kuvveti; hem kaynak bağlarını hem de bağlantıları koparan kuvvettir. Ancak bu parametreleri belirlemek çok zor olduğundan deneysel yollarla sürtünme katsayısı belirlenir. Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ Bu bağıntıdan Sürtünme ile ilgili aşağıdaki sonuçlar çıkartılabilir: Metal kaynak bağı oluşturan temas noktalarının kayma mukavemeti temas eden malzemelerin cinsine bağlıdır. Birbirleriyle kolay alaşım haline gelebilen demir, nikel ve krom gibi sert malzemeler arasında kuvvetli kaynak bağları oluşmaktadır. Bazı durumlarda kaynama noktaları çok güçlü olur ve yüzeyler birbirine kilitlenir. Hareket gerçekleşse bile yüzeyler tamamen bozulmuş olur. Bu durum yenme (yalama) olarak bilinir. Yüzeyde bulunan oksit tabakası sürtünme davranışını etkiler. Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ  Birbiri ile ilgili olmayan ve birbirine benzeyen malzemeler arasında daha hafif ve düzenli bir sürtünme oluşur ve yüzeyler üzerinde çok ince izler görülür.  Birbiri üzerinde izafi kayan malzemelerin biri sert diğeri yumuşak (kalay, kurşun ve bunların alaşımları) olduğunda yumuşak malzeme diğer malzemeyi kendi parçacıklarından oluşan ince bir tabaka ile kaplar ve bu şekilde iki yumuşak malzeme birbiri üzerinde kaymış gibi olur. Uygulamada kalay alaşımları bu nedenle yatak malzemesi olarak tercih edilmektedir.  Küçük bir sürtünme katsayısı elde etmek için malzemeler aynı veya birbirleriyle kolayca alaşım haline gelebilen cinsten olmamalıdır. Malzemelerden birinin yumuşak diğerinin sert olması gerekir. Atatürk Üniversitesi Kuru Sürtünme TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Sürtünme katsayısı nasıl ölçülür TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Sınır Sürtünmesi TRİBOLOJİ Sürtünmeyi en aza indirmek için yüzeyler arasındaki kayma mümkün olduğunca kolay hale getirilmelidir. Bunun için; 1. Atom-atom temasını önleyecek şekilde yatak yüzeyine basınç uygulamak, 2. Kaymayı kolaylaştırmak için yağlama yapmak gerekir. Atatürk Üniversitesi Sınır Sürtünmesi TRİBOLOJİ Yüzeyleri oluşturacak parçaların tamamen ayrılmadığı , yüzeyler arasında bulunan yağlayıcı yüzeylere ait pürüzlerin sürtünmesini önleyemediği durumda yarı sıvı sürtünme veya yarı kuru sürtünmesi ortaya çıkar. Kuru sürtünmede olduğu gibi temas yüzeyleri tamamen metal değildir. Kuru ve sıvı sürtünme arasında bir ara sürtünme şeklidir. Fs=.Fn bağıntısı geçerlidir. Bu sürtünmede de temas yüzeyleri çabuk ısınır. Atatürk Üniversitesi Sınır Sürtünmesi TRİBOLOJİ Yarı sıvı sürtünme: Hareket halinde, metallerin temas yüzeyleri arasında birbirine kuru sürtünmesini önleyen yağ maddesi bulunmaktadır. Yağ, metalik yüzeyler arasında kayma gerilmesi küçük olan bir film tabakası oluşturmaktadır. Film tabakası, başlangıçta yüzeyi çepeçevre kaplamasa da metalin metale temasını önlemektedir. Yarı kuru sürtünme: Birbirine göre hareket eden yüzeylerde büyük miktarda metalin metale teması vardır.Bu sürtünme bir geçiş sürtünmesidir. Çalışma süresi azdır. Hızlı olmayan hareketlerde çalışma süresi uzundur. Sınır sürtünme pratikte en fazla rastlanılan sürtünme halidir ve sürtünme katsayısı 0.03-0.1 arasında değişir. Atatürk Üniversitesi Sıvı Sürtünmesi TRİBOLOJİ İzafi hareket eden iki katı cismin yüzey pürüzlülüklerin temas etmeyecek şekilde ince bir yağlayıcı film oluşturulduğunda sıvı sürtünmesi meydana gelir. Sürtünme yağlayıcı sıvının tabakaları arasında meydana gelir. Yüzey pürüzlülüğü dikkate alındığında geometrik bakımdan sıvı sürtünmesi; h0˃Rt1+ Rt2 Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Sıvı Sürtünmesi Viskoz bir akışkanda kayma gerilmesi Newton kanununa göre: 𝑑𝑢 : ℎ𝚤𝑧 𝑑𝑒ğ𝑖ş𝑖𝑚𝑖 𝑑𝑦 𝜂: 𝑦𝑎ğ𝚤𝑛 𝑣𝑖𝑠𝑘𝑜𝑧𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖 Sürtünme kuvveti: 𝐹𝑆 = 𝑢 𝜂( )A ℎ A: hareketli yüzeyin yağla temas eden alanı Sıvı sürtünmesinde sürtünme katsayısı: Sürtünmeyi oluşturan ana faktör yağlayıcının viskozitesidir. Atatürk Üniversitesi Sıvı Sürtünmesi TRİBOLOJİ  Sıvı sürtünmesinin oluşmasında rol oynayan esas etken yağ tabakasındaki basınçtır. Yağlamada yağ filmindeki basınç iki türlü oluşur: Hidrodinamik: Hidrodinamik yağlamanın oluşması için yüzeyler arasında izafi hareket, yüzeylere etki eden kuvvet, yüzeyler arasında eksantriklik ve ortamda yağlama maddesi olması gerekir. Yağ filmindeki basınç elemanların izafi hareketinden doğar. hidrodinamik Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Sıvı Sürtünmesi Hidrostatik: Dışardan bir pompa vasıtasıyla gerekli basınç oluşturulup yüzeyler birbirinden ayrılır. Hidrostatik yağlamada pompa yağ basıncı yeterli yağ basıncına ulaşınca film teşekkül eder. Pompa çalışmazsa yataklarda sınır veya kuru sürtünme oluşur. Sürekli çalışmada yatak sarmasına yol açan bu sürtünmeden kaçınılması gerekmektedir. hidrostatik Atatürk Üniversitesi Sıvı Sürtünmesi TRİBOLOJİ Sürtünme katsayısının hız ile değişimi (Stribeck Eğrisi) Stribeck, yağın viskositesi, silindirik temasın açısal hızı ve ortalama temas basıncını yağlama parametreleri olarak belirlemiştir. ɳN/P Atatürk Üniversitesi Sıvı Sürtünmesi TRİBOLOJİ Mil hızının çok düşük olduğu (sıfır ve/veya sıfıra yakın) bölgede, büyük sürtünme katsayısı olup statik (kuru) sürtünme katsayısı olarak adlandırılmaktadır. Düşük devirlerde, sınır sürtünme alanı, yüksek sürtünme katsayısı vermekte, karışık sürtünme bölgesi ise bir önceki bölgeye göre daha küçük sürtünme katsayısı vermektedir. Dönüm noktasında sürtünme katsayısı, minimum değeri almaktadır. Bu noktadan itibaren sıvı sürtünme bölgesi başlamakta ve sürtünme katsayısında tedrici bir artış görülmektedir. Sıvı sürtünmesinde yüzeyler arasında bulunan yağ tabakası yüzeyleri birbirinden tamamen ayırdığından, burada en önemli olan özellik yağın viskozitesidir. Atatürk Üniversitesi Yuvarlanma Sürtünmesi TRİBOLOJİ  Yuvarlanma hareketine karşı temas yüzeylerinde oluşan direnç yuvarlanma sürtünmesi olarak tanımlanır.  Başka bir ifadeyle yuvarlanma sürtünmesi veya direnci yuvarlanan cismin temas ettiği yüzeyde oluşturduğu deformasyondan doğar. Teorik olarak rijit ve yüzeyi pürüzsüz bir silindir veya küre şeklindeki elemanın rijit pürüzsüz bir düzlem üzerinde serbest yuvarlanmasında hiçbir sürtünme kuvveti oluşmaz. Atatürk Üniversitesi Yuvarlanma Sürtünmesi TRİBOLOJİ W ağırlığındaki cisim veya dış yük altındaki cisim 𝐹𝑡 yatay kuvveti ile B noktası üzerinden atlatılmak için çekildiği varsayılırsa W kuvvetinin B noktasına göre dengelenmesi gerekir (𝐹𝑡 ile denge sağlanır). Kuvvetlerin B noktasına göre moment dengesi yazılırsa. Yuvarlanma sürtünme katsayısı (yuvarlanma mukavemeti) Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Yuvarlanma Sürtünmesi Yuvarlanma sürtünme katsayısı: 𝜇𝑟 = 𝑓 𝑟 Yuvarlanma harekete karşı direnci veren sürtünme kuvveti: 𝑅𝑥 = 𝐹𝑠𝑟 Statik sürtünme kuvveti Kaymadan yuvarlanma şartı: 𝐹𝑠𝑟 <𝐹𝑠𝑜 Yuvarlanmadan kayma şartı: 𝐹𝑠𝑟 >𝐹𝑠𝑜 Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ AŞINMA Sürtünen yüzeylerde malzemenin, mekanik etkilerle istenmeyen bir şekilde kopması ve ana parçalardan ayrılmasıdır. Aşınma;  zamanla gelişen  ani oluşan alarak ikiye ayrılır. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ AŞINMA Zamanla gelişen: I: rodaj bölgesi II: esas çalışma bölgesi III: şiddetli aşınma bölgesi rodaj:  Parçaların birbirine alıştırma safhası  Yüksüz ve normal hızdan daha düşük hızlarda yapılır  Bu safhaya ait özel yağlar kullanılır. Atatürk Üniversitesi Aşınma Mekanizmaları TRİBOLOJİ  Aşınma temas yüzeylerinde dış etkiler altında oluşan fiziksel ve kimyasal değişmelerin sonucunda ortaya çıkar.  Pratikte bir aşınma hali değil, birçok aşınma hali vardır.  Adezyon Aşınması  Abrazyon Aşınması  Mekanik Korozyon Aşınması  Yüzey Yorulması Aşınması  Erozyon ve kavitasyon Atatürk Üniversitesi Aşınmaya etki eden faktörler 1. 2. 3. 4. TRİBOLOJİ Ana malzemeye bağlı faktörler  Malzemenin kristal yapısı  Malzemenin sertliği  Elastisisite modülü  Deformasyon davranışı  Yüzey pürüzlülüğü  Malzemenin boyu Çalışma koşulları • Sıcaklık • Nem • Atmosfer Ortamın etkisi • Basınç • Hız • Kayma yolu Karşı malzeme bağlı faktörler Atatürk Üniversitesi Adeziv aşınma TRİBOLOJİ  Kuru ve sınır sürtünme halinde yüzeylerini birbiri ile temas halinde olduğu pürüzlü yerlerde özellikle akma sınırı aşıldığında kuvvetli bir adeziv veya sıcaklık etkisi ile kohezif bağ oluşur.  Hareket halinde bu bağlar birbirinden 4 şekilde ayrılır;  Ara yüzeydeki kesme direnci her iki malzemeden de düşüktür. Çelik/kalay  Ara yüzey kesme direnci her iki malzemeden büyük. Çelik/çelik. Aşınma çok fazla.  Ara yüzey kesme direnci bir malzemeden küçük diğerine ise yakın. Çelik/kurşun  Ara yüzey kesme direnci bir malzemeden küçük, diğerinden çok faklı. Yumuşak malzemeden sert malzemeye madde geçişi. Çelik/bakır Atatürk Üniversitesi Adeziv aşınmanın teorisi TRİBOLOJİ • İlk çalışmaları Hol ve Archard gerçekleştirmiştir. • K aşınma faktörü tanımlanmıştır. Esas olarak metaller için geliştirilmiştir. Gerçek temas alanı yüzeye etki eden normal kuvvet ile orantılıdır. Metalsel malzemelerde birçok halde pürüz tepeciklerinde lokal deformasyon plastiktir. Ppl=Plastik akma basıncı, batma sertliğine (HV) çok yakın değer Yukarıdaki bağıntı tekbir pürüz için geçerlidir. Oysa bu durum aynı anda bir çok pürüzlü bölgede gerçekleşecektir. Atatürk Üniversitesi Adeziv aşınmanın teorisi TRİBOLOJİ Aşınma pürüzlerden malzeme ayrılması sonucu oluşur. Aşınma sonucu pürüzlü tepelerden ayrılan malzeme hacmi pürüz yarıçapının (a) küpü ile orantılıdır. Eğer ayrılan malzemenin küre şeklinde olduğu düşünülürse ; Aşınma bütün pürüzlerde meydana gelmeyecektir. Aşınma olan temas yüzeyi sayısının tüm temas yüzeyine oranı ĸ olsun. Ve 2a mesafesinde aşınan malzeme hacmi; Atatürk Üniversitesi Adeziv aşınmanın teorisi TRİBOLOJİ Toplam aşınma hacmi; Toplam normal kuvvet; Atatürk Üniversitesi Adeziv aşınma TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Abrazif aşınma TRİBOLOJİ • Bu aşınma türü bir biri üzerinde kayan yüzeylerin arasında aşındırıcı sert partiküllerin bulunması sonucu meydana gelmektedir. Sert partiküller ya dışarıdan sisteme girer veya adeziv aşınma mahsulleri olarak sistem içinde meydana gelir. • Ayrıca yağlayıcı içinde bulunabilecek sert partiküller, türbin kanatlarından geçen akışkan içindeki partiküller bu tip aşınma meydana getirir. Bununla birlikte pürüzlü çok sert bir karşı yüzeyin daha yumuşak yüzey üzerinde meydana getirdiği aşındırma şekli (eğe ile metalsel yüzey arasındaki durum) abraziv aşınma olarak tanımlanabilir. Türleri; • Kaba (makro) abrazyon (gauging abrasion): Çekiçli değirmenler, skrayper dişleri, cevher öğütme değirmenleri.... • İnce abrazyon (grinding abrasion): Yağ öğütmeli çimento değirmenleri, kum taşı değirmenleri.... • Eroziv abrazyon (erosion abrasion): Pompa veya türbin lüle, kanat ve difüzörleri.... Atatürk Üniversitesi Abrazif aşınma TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Genel mekanizma ABRAZYON EROZYON ADEZYON YÜZEY YORULMASI Düşük gerilmeli (Çizme-stratching, Kayma-sliding, ploughing) Katı parçacık çarpması Yeme (Fretting) Yorulma ile çukurlaşma (Pitting) Yüksek gerilmeli (Öğütme-Grinding) Akışkan çarpması (Liquid impengement) Yapışıp kaldırma (Adezif) Spalling Eşme-Oyma (Goughing-Chipping) Kavitasyon Kaynama (Seizure) Çarpma (Impact) Parlatma (Polishing) Slurry erozyon (çamur erozyonu) Sıyırma-kaldırma (Galling) Brinelling Oksidatif Atatürk Üniversitesi Pitting aşınma TRİBOLOJİ • Noktasal veya çizgisel temas hali olan fonksiyon yüzeyleri arasında meydana gelir. Çok küçük değme noktalarında değişken yük etkisi altında zamanla pul şeklinde malzeme parçacıkları yüzeyden ayrılarak, geriye çukurcuklar bırakırlar. • Pitting oluşumu ile ilgili değişik görüşler mevcuttur. Bazı araştırmacılar pitting’ in mikro değme noktalarındaki değişken zorlanmalar ve bunun sonucunda ortaya çıkan yorulma neticesinde meydana geldiğini ileri sürmektedirler Atatürk Üniversitesi Yenme (scuffing) aşınması TRİBOLOJİ • Birbirine göre kayma hareketi yapan yüzeyler arasındaki kayma hızı ve yüzey basıncı belirli bir kritik değeri aşınca ani olarak ortaya çıkmaktadır. Bazı hallerde daha küçük hız ve yüklerde, ancak yüksek ortam sıcaklıklarında yenme olayı ile karşılaşılabilir. • Yenme esas itibarı ile çok şiddetli bir bölgesel kaynama veya adezyon olayıdır. • Olayın tam niceliksel değerlendirilmesi yapılamamıştır. • Literatürde Almen, Davis ve özellikle Blok kriterleri diye adlandırılan bazı sınır değer kombinasyonlarından boyutlandırmada yararlanılmaktadır. • Almen kriterinde yenme olmaması için pmaks.VK ≤ C0 şartı sağlanmalıdır. Otomobil diferansiyelindeki hiperboloid dişlilerde C0≈320000 (N.m/cm2.sn) dir. Bu denklemde pmaks maksimum Hertz basıncını, VK ise bu noktadaki kayma hızını göstermektedir. Atatürk Üniversitesi Yenme (scuffing) aşınması TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Sürtünme-oksidasyon aşınması TRİBOLOJİ • Genel olarak sürtünme oksidasyonu, yeteri sıkılıkta monte edilmeyen mil‐göbek geçme yüzeylerinde, örnek olarak çevre yüküne maruz rulman bileziklerinin yeteri derecede sıkı takılmadığı zaman temas yüzeylerinde meydana gelmektedir. • Birbirine değen az pürüzlü yüzeyler arasında bir osilasyon (salınım) hareketinin bulunması sürtünme oksidasyonunu teşvik etmektedir. Osilasyon genlikleri 0,2 mm ve daha küçüktür. Bu olay kuru ve az yağlı yüzeylerde gözlenmektedir. • Yüzeylerin kuru olması halinde yeteri sıkılıkta monte edilmemiş yüzey çiftlerinin küçük genlikli osilasyon hareketleri sonucu yüzeylerde koyu kırmızımtırak bir tabaka oluşmaktadır. Zamanla bu tabakalar bölge bölge kalınlaşarak yüzeylerde büyük bozulmalar ve bunlara bağlı olarak çatlama ve kırılmalar meydana getirmektedir. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Sürtünme-oksidasyon aşınması (iv) a Temas yüzeyleri (iv) b 2 boyutlu aşınma Oksit Film 2 boyutlu aşınma Aşınma sonucu oksit film oluşumu Atatürk Üniversitesi Sürtünme-oksidasyon aşınması TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Yontma (gaughing) aşınması TRİBOLOJİ • Kendisinden daha yumuşak bir malzemeye, özellikle metale karşı kaya gibi sert malzemelerin tekrarlı bası yüküyle etki etmesi sonucu ortaya çıkan malzeme kaybıdır. Üstüste kazıma şeklindeki darbeler, yüzeyde malzeme kopmasına neden olur. Abrazif parçacığın çapı 50 mm’den büyüktür. • Öğütme işlevi gören çekiçler, küre öğüten parçalar, çene sıkıştırıcılar, toprak işlemede kullanılan zirai makinalar vs. Atatürk Üniversitesi Parlatma aşınması TRİBOLOJİ • Malzeme yüzeyinin görülebilir seviyede çizilmeye, kırılmaya ya da plastik deformasyona uğramadan, diğer katı malzemelerle sürünmesi / sürtünmesi sonucunda malzeme yüzeyinde istemdışı sürekli olan malzeme kaybıdır. Malzemede çizme ve chip oluşumu sözkonusu olmayıp, abrazif parçacığın boyutu 3 μm’dan küçüktür. Atatürk Üniversitesi Erozyon aşınması TRİBOLOJİ • Katı parçacık çarpması, bir yüzey üzerine katı parçacıkların sürekli çarpması neticesinde meydana gelen bir erozyon şeklidir. • Uçak üzerine çarpan yağmur damlaları, sıvı damlacıklarını dışarı atan fanlar, akışkan püskürtme yansıtıcıları, difüzyon pompaları gibi sesten daha hızlı akışkan taşıyan cihazlar, buhar türbin vanaları vs. Atatürk Üniversitesi Erozyon aşınması TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Kavitasyon aşınması TRİBOLOJİ • Kavitasyon erozyonu, katı yüzeye yakın bölgelerde, sıvı ya da akışkan içerisindeki alçak basınçlı bubble yani kabarcıkların patlaması sonucunda katı yüzeyde meydana gelen aşınma ya da kayıptır. Katı yüzeye çarpan bu kabarcıklar, yüzeyde şok dalgaları oluşturur. • Bu kabarcıklar sıvı içerisinde patladıkları zaman, kabarcığı çevreleyen sıvı kabarcık içerisindeki boşluğu doldurmak ister. • İşte bu olay yüzeylerden malzeme kaybı ve/veya plastik deformasyona neden olacak derecede mekanik bir etki doğurabilen çok küçük akışkan jetleri oluşturur. Atatürk Üniversitesi Kavitasyon aşınması TRİBOLOJİ • İki katı yüzey arasında düşük genlikteki titreşim hareketi olarak adlandırılır. Yapı olarak yüzeye dik olarak gerçekleşir ve genelde istemdışı olarak kabül edilir. Çoğu kez izafi hareketin olmadığı farzedilen parçalar arasında gerçekleşir. • Fretting aşınması, yüzeyler arasında lokal adezyonla başlar ve bu adezyon mikroseviyede bir birleşmedir. Bu birleşmede oluşan kontak bağı zamanla büyür ve düşük genlikteki titreşimler neticesinde malzeme aşınır. Malzeme aşınma hızı oldukça düşüktür, bu nedenle birçok sistem için fretting aşınması ihmal edilir. Atatürk Üniversitesi Yorulma aşınması TRİBOLOJİ • Bu aşınma şeklinde, parçacıklar tabakalar şeklinde yüzeyden kopar. Mekanizması pitting mekanizmasıyla benzerlik gösterir. Çünkü aşınma yüzey yorulması sonucunda meydana gelir. Fakat spalling’te herhangi bir işlemle kaplanmış yüzeylerin aşınması sözkonusudur. • Kaplamalar yüzeye metalik bir bağla yapışmaktadır ve Hertizan yüklemesiyle kaplama ile taban malzeme arasında kayma gerilmeleri oluşur. Özellikle yumuşak taban malzemeler üzerine yapılan ince, sert kaplamalar spalling aşınmasına meyillidirler. Atatürk Üniversitesi Yağlama-Yağlayıcılar TRİBOLOJİ Yağlayıcılar maddelerin kullanım nedenleri: • Sürtünmeyi azaltmak • Aşınmayı kısmen veya tamamen önlemek • Sıcaklığın yükselişini önlemek Yağlayıcı çeşitleri: • Katı Yağlayıcılar • Gaz Yağlayıcılar • Yarı katı yağlayıcılar • Sıvı Yağlayıcılar (Yağlar) • Organik Yağlayıcılar • Sentetik Yağlar • Madensel Sıvı Yağlar Atatürk Üniversitesi Sıvı yağlayıcılar TRİBOLOJİ • Sürtünme ve aşınmayı asgariye indirmek, soğutma işlevi yapmak ve yüzeyi koruma maksatları ile kullanılan doğal ve sentetik sıvı maddelerdir. • Yağlama tekniğinde uygulanan yağlayıcı maddelerin büyük çoğunluğunu hidro‐karbon bileşikleri oluşturur. Bunlar hampetrolün rafinerizasyonu (fraksiyone distilasyonu) ile veya sentetik olarak elde edilirler. • Bir sıvı yağlayıcıda en önemli özelliklerden biri, viskozitedir. Yağlanmış bir yatakta sürtünme kullanılan yağlayıcı akışkanın viskozitesiyle doğrudan ilişkilidir. • Sıvı yağlama, makinelerde genellikle hidrodinamiktir. Birbirlerini ayıran kayan iki yüzey arasında bir yağ filmi oluşturulur ve düşük sürtünme elde edilir. Atatürk Üniversitesi Katı yağlayıcılar TRİBOLOJİ  Sınır sürtünme durumunda sürtünmeyi azaltmak ve aşınmayı önlemek için madensel yüzeylere kuvvetli olarak yapışan bir tabaka oluşturulması gerekir.  Yalnız başlarına veya sıvı yağlar veya gresler karıştırılarak kullanılmaktadırlar.  Uygulamada en çok kullanılan katı yağlayıcılar grafit, molibden disülfit (MoS2), talk gibi toz şeklindeki yağlayıcılardır. • Grafit: Gerek yataklama ve gerekse elektroteknikte en geniş kullanım alanı bulunan bir malzemedir. Kayma halinde grafit lamellerinin kayma yönü ile takriben 5° lik bir açı yapacak şekilde yönlendikleri gözlenir. Nitekim grafit/grafit, çelik/grafit yüzey çiftleri arasındaki sürtünme katsayısı da μ= 0.1 civarındadır. Ancak grafit ısıtılarak içindeki hava alınırsa,sürtünme katsayısının ani olarak yükseldiği gözlenmektedir. • Bu yağlayıcı roket ve benzeri makinaların yüksek sıcaklık etkisinde olan mafsal yataklarında grafit yatak malzemesi olarak kullanılır. • Ayrıca sentetik kolloidal grafit yağlara katılarak sınır sürtünme halinde yüzeylerin sürtünme ve aşınma durumlarını düzeltir. • Poliamid (PA), Poliasetal (POM) Politetrafloretilen (PTFE) gibi plastik malzemeler de kaygan özelliklerinden dolayı değişik makina elemanlarının (kılavuz, yatak ve dişliler gibi) yağlanmasında kullanılırlar. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Katı yağlayıcılar Kükürt (sulfur) Molibden Karbon (a) MoS2 (b) Grafit (c) Hegzagonal (beyaz grafit) bornitrit (d) Borik asitin tabakalı kristal yapıları (a) (b) Oksijen Bor Hidrojen (c) (d) Atatürk Üniversitesi Yağlama-Yağlayıcılar TRİBOLOJİ Sıradan yağlayıcıların yeterli olmadığı aşağıdaki gibi durumlarda katı yağlayıcılar kullanılır: • Dişli çark veya zincir mekanizmaları gibi, yağların ortamdan uzaklaşabileceği durumlarda. • Polimer ve seramik yüzeyler • Sıvı yağlayıcıların dayanamayacağı kadar yüksek sıcaklıklarda • Yüksek kontak basıncına sahip, metal şekillendirme işlemleri gibi. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Yağlayıcıların Özellikleri Viskozite Akışkanların şekil değiştirmeye karşı, yani kendi molekülleri ve tabakaları birbiri üzerinden kayarken kaymaya karşı gösterdikleri dirençtir. Sürtünmenin oluşturduğu kayma gerilmesi Newton kanuna göre: 𝑑𝑢 𝜏 = 𝜂 𝑑𝑦 Temel Kabuller: Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite 𝐹 𝐴 A: hareketli düzlemin ıslanan yüzeyi olmak üzere 𝜏 = yazılarak 𝜂 𝜂= 𝜏 𝑑𝑢/𝑑𝑦 = 𝐹/𝐴 𝑈/ℎ = 𝐹ℎ 𝑈𝐴 𝜂: viskozite katsayısı veya mutlak viskozite Birimi : 1 𝑠 𝑑𝑦𝑛 2 𝑐𝑚 (𝑃𝑜𝑖𝑠𝑒) 1 𝑃 100 = 1𝑐𝑃 (centi-poise) kullanılır. Viskozite: birim alandaki bir düzlem yüzeyi kendisine paralel ve birim mesafedeki ikinci bir düzlem yüzeye göre birim hızla hareket ettirmek için gerekli kuvvet. Metrik sistemde 1 cm2 yüzey alanlı bir plakaya 1 cm mesafeli sabit bir plakaya göre 1 cm/sn hız vermek için gerekli kuvvetin 1 dyn olması halinde aralığın viskozitesi 1 dyn s/cm2 (Poise) olan viskoz bir akışkanla dolu olduğu söylenir. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite DİNAMİK VİSKOZİTE BİRİMLERİ Atatürk Üniversitesi Viskozite TRİBOLOJİ Bazı Maddelerin Ortam Sıcaklığındaki viskoziteleri Atatürk Üniversitesi Viskozite TRİBOLOJİ  Kayma gerilmesinin kayma oranına (du/dy'ye) göre lineer değişim gösterdiği akışkanlar Newtoniyen (Newtonumsu) akışkan olarak adlandırılır.  Ancak gres gibi bazı yan sıvı akışkanlar bu kurala uymaz.  Bu tür akışkanlar Bingham akışkanları olarak adlandırılır. Atatürk Üniversitesi Kinematik Viskozite TRİBOLOJİ Kinematik viskozite: dinamik viskozitenin yağ yoğunluğa oranıdır. Birimi cm2/sn= 1 stokes = 1st Uygulamada 1/100 st = 1 cst kullanılır. Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite-Sıcaklık Değişimi  Viskozite sıcaklıkla büyük ölçüde değişmektedir.  20oC ile 50oC arasında 5 kat fark oluşabilmektedir.  Deneysel çalışmalar neticesinde viskozite-sıcaklık arasında ilişki kurulmuştur. Vogel Denklemi: 1 𝑑𝜂 1 =− 𝜂 𝑑𝑡 𝑏+𝑡 2 Bu denklem düzenlendiğinde SAE tarafından önerilen viskozitesıcaklık ilişkisi: 𝜂 = 9.8𝑎𝑒 𝑏/𝑇𝑐 a,b, ve c: yağın özelliğine göre sabitler T: sıcaklık (oC) Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi TRİBOLOJİ  SAE ; yağlama yağlarını viskozitelerine göre sınıflandırmış ve bir numara vermiştir (5W, 10W, 20W, 20, 30, …)  SAE numarası büyük olan yağın viskozitesi de büyüktür  Referans değerler 0 oF (-18 oC) ve 210 oF(99oC) sıcaklık değerlerinde belirlenmiştir. Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi TRİBOLOJİ  Viskozitesi 0oF tespit edilen yağların numaralarının yanında W işareti vardır (SAE 5 W, SAE 10 W)  Özel tipte olan yağlar (multigrade oil) çok dereceli olarak kodlanmıştır.  SAE 10 W/30: 0 oF 10 W özelliği gösterirken 210 oF 30 özelliği göstermektedir. Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi TRİBOLOJİ  Motor Yağları: SAE 5 W ile SAE 50 W arası  Transmisyon (Dişli) Yağları: SAE 75 ve sonrası SUS: Saybolt Universal Viskometre Kinematik viskozite ile arasındaki ilişki: Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi SAE TRİBOLOJİ Viskozite –sıcaklık değişimi farklı standartlar için hazırlanmış grafikler Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi ISO-VG TRİBOLOJİ Viskozite –sıcaklık değişimi farklı standartlar için hazırlanmış grafikler Atatürk Üniversitesi Viskozite-Sıcaklık Değişimi ASTM TRİBOLOJİ Viskozite –sıcaklık değişimi farklı standartlar için hazırlanmış grafikler Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite İndeksi  Viskozitenin sıcaklıkla değişimini gösteren birçok yöntemden pratikte en fazla kullanılanı Dean ve Davis yöntemidir ve Viskozite İndeksi(VI) olarak adlandırılır.  Viskozitesi sıcaklıkla en az değişen yağın VI=100  Viskozitesi sıcaklıkla en fazla değişen yağın VI=0 L: VI=0 olan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi H: VI=100 olan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi U: VI bulunmayan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite İndeksi SUS cinsinden VI hesabındaki büyüklükler Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Viskozite İndeksi cst cinsinden VI hesabındaki büyüklükler Atatürk Üniversitesi TRİBOLOJİ Petroff Denklemi  İlk tasarım aşamasında sürtünme kayıplarını belirlemek için kullanılır.  Hafif yüklenmiş bir yatakta sürtünme katsayısını hızlıca belirlemek için kullanılabilecek basit bir yol içerir. ℎ = ∆𝑅 ve milin çevresel hızı: 𝑈 = 2𝜋𝑛 𝑅 60 Kayma Gerilmesi: Sürtünme Kuvveti 𝐹𝑠 = 𝜏𝐴 olduğundan silindirik yüzey alanı: 𝐴 = 2𝜋𝑅𝐿 yazılırsa Atatürk Üniversitesi Petroff Denklemi TRİBOLOJİ Viskoz Sürtünme Momenti: Sürtünme Katsayısı: W: yatağa etki eden radyal kuvvet Sürtünme Katsayısı: po: yatak basıncı Petroff Denklemi Atatürk Üniversitesi Petroff Denklemi TRİBOLOJİ Petroff Denklemi aşağıdaki kabullere dayanır: • Mil ile yatak arasının yağla dolu olduğu ve metal-metal sürtünmesinin olmadığı • Tam bir sıvı sürtünmesinin oluştuğu • Mil ile burç eksenlerinin çakışık olduğu Viskoz güç kaybı: 𝜔 açısal hızı ile dönen bir milde sürtünme momentinde dolayı meydana gelen kayıp: Atatürk Üniversitesi Örnekler: TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Örnekler: TRİBOLOJİ Atatürk Üniversitesi Kaynaklar TRİBOLOJİ 1. Prof. Dr. Erdem KOÇ, «Makin Elemanları 2», Nobel Yayınevi 2. Prof. Dr. Mustafa AKKURT, «Makine Elemanları Cilt 2», Birsen Yayınevi 3. Fatih C. BABALIK, «Makine Elemanları Ve Konstrüksiyon Örnekleri», Nobel Yayınevi 4. Joseph E. Shigley, «Mechanical Engineering Design, Seventh Edition», McGraw Hill Atatürk Üniversitesi Gelecek dersin konusu TRİBOLOJİ Kaymalı Yataklar… Atatürk Üniversitesi