Ti-6Al-4V ve 7075-T6 Al alaşımlarının yorulma ömrüne durak deliklerinin iyileştirici etkisi

Çalışma aralığında bir yapıda çatlak meydana geldiğinde, çatlak erteleme yöntemleri ile çatlak ilerleyişi ertelenebilir. Bu yüzden, çatlak tespit edildiği anda hemen yeni yapısal parça monte etme imkanının olmadığı durumlarda ve yeni parça yerleştirmenin çok zaman alacağı ve oldukça maliyetli olacağı durumlarda çatlak erteleme yöntemleri kullanmak oldukça etkilidir. Genellikle kullanılan çatlak ilerleyişini erteleme metodları şunlardır: Çatlak içine yabancı madde sızdırma metodu, kompozit ya da metal yama ekleme metodu, kaynak ile çatlağı doldurma metodu, çatlak yakınına matkapla delik açma metodu ve çatlak üzerinde kalıntı bası gerilmesi bırakma metodu. Çatlak üzerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturmak için de yapılacak bazı teknikler şunlardır: Soğuk genişletme (cold expansion), aşırı yükleme (overloading), bilyalı sertleştirme (shot peening) ve noktasal ısıtma (spot heating). Bu tez kapsamında çatlak ilerleyişini erteleme metodlarından çatlak yakınına delik açma metodu incelenmiş ve ayrıca çatlak ucunda bası kalıntı gerilmesi oluşturma metodlarından ise soğuk genişletme metodu incelenmiştir. Çatlak yakınına delik açmak çatlak erteleme yöntemlerinden birisidir. Bu yöntem en kolay ve çok yaygın bir çatlak erteleme yöntemidir. Bu yöntem ise üç kategoriye ayrılır: çatlak ucuna delik açma (CTH), çatlak yönünü değiştirme, çatlak hattına göre simetrik iki yanal delik açma (CFH). Bu tezde, 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımları için CTH yönteminin yorulma ömrüne etkisi incelenmiştir. Yorulma çatlağı ilerlemesini simüle etmek için Bölüm 3.1'de prosedür oluşturulmuş ve bu prosedür yardımıyla Abaqus'te phyton dilinde kod geliştirilmiştir. Oluşturulan kod sayesinde her çatlak ilerleyişinde çatlak ucundan Mod I ve Mod II için K değerleri alınmış ve bu K değerleri Excel'e alınarak prosedürdedeki çatlak ilerleme ömür formülleri aracılığıyla toplam çatlak ilerleme ömrü hesap edilmiştir. Eğer hali hazırda bir çatlak ucuna durak deliği açarsak çatlak yok olur ama bir süre sonar durak deliği üzerinde yeniden çatlak çekirdeklenir. Bu sebeple çatlak çekirdeklenme ömrünü de simüle etmek gerekmektedir ve bunun için Bölüm 3.2'de prosedür oluşturulmuştur. Sonuç olarak durak deliği problemlerinde hem çatlak ilerleme hem de çatlak çekirdeklenmesi olduğu için ömür hesaplamak üzere Bölüm 3.1 ve Bölüm 3.2'de prosedürler oluşturulmuş ve bu prosedürler takip edilerek CTH metodunun yorulma ömrüne etkisi simüle edilmiştir. Çatlak ilerleme ömrü için Abaqus programında phyton dilinde bir yorulma kodu geliştirilmiş ve bu kod sayesinde çatlak ucundan alınan K değerleri Excel yardımıyla ömür hesap etmek için kullanılmıştır. Geliştirilmiş kod ve hesaplama prosedürü çatlak ilerleme ve çekirdeklenme ömürleri simüle edebilir halde geldikten sonra çatlak ilerleme yolu, çatlak çekirdeklenme ömrü ve çatlak ilerleme ömrü açısından doğruluğu literatürden bulunan deneysel verilerle kıyaslanmıştır. İlk olarak çok modlu problemlerde çatlak ilerleyişini geliştirilmiş kodun ne kadar başarılı simüle ettiğini görmek için literatürden bir deneysel veri bulunmuş ve belirli ağ (mesh) parametreleriyle oynayarak çatlak yolu deneysel veriyle tutturulmaya çalışılmıştır. Ilk bir kaba ağ atılmış ve başarısız bir çatlak yolu simüle edilmiştir. Daha sonra ise ağ iyileştirildiğinde deney ile kıyalandığında oldukça başarılı bir çatlak yolu bulunmuştur. Bu sebeple çatlak ilerleyişi simüle edilmek istendiğinde sonlu elemanlar metodu ağının çatlak yolu için ne kadar önemli olduğu ortaya konmuştur. İkinci olarak ise kodun ve prosedürün çatlak ilerleme ömrünü ne kadar başarılı hesap ettiğini test etmek için bir CT numune üzerinden elde edilmiş bir deneysel veri kullanılmıştır. Simulasyon sonucu çatlak ilerleme ömrü deneysel sonuca göre yüzde 14 hata ile bulunmuştur. Oysa ki malzeme parametrelerin kendi içinde belirli bir dağılım vardır. Bu sebeple bu hata makul kabul edilmiştir. Ayrıca, hangi malzeme parametresinin ne kadar ömrü etkilediği ve var olan hatada hangi parametre daha büyük pay sahibi olduğunu bulmak için bir araştırma yapılmıştır. Sonuç olarak sırasıyla ömrü en çok etkileyen malzeme parametreleri n, α, C, ∆Kth, KIC, p, q, Bk, Ak olduğu değerlendirilmiştir. Üçüncü olarak çatlak ucuna durak deliği açıldığında çatlak çekirdeklenme ömrünü prosedür ne kadar doğru hesap ettiğini anlamak için literatürden alınan bir deneysel veri kullanılmıştır. Kıyaslama sonucunda prosedürün çatlak çekirdeklenme ömrünü oldukça doğru hesapladığı kanaatine varılmıştır. Yorulma kodu ve hesaplama prosedürü doğrulandıktan sonra 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımları için durak deliğinin yorulma ömrüne etkisi açısında bir karşılaştırma çalışması yapılabilir hale gelmiştir. Yorulma ömrünü kıyaslamak için durak deliksiz numunede ortak çatlak ilerleme ömrü sırasıyla 5000 çevrim, 10000 çevrim, 20000 çevrim alınmış ve bu ilk çatlak ömürlerine durak delikleri açıldığında iki alaşım için ömrü ne kadar etkilediği incelenmiştir. İlk olarak durak delikleri yorulma ömrünü oldukça arttırdığı görülmüş ve durak deliği çapı arttıkça bu etkinin katlanarak arttığı sonucuna varılmıştır. Çok küçük durak delik çaplarında durak deliklerinin yorulma ömrüne iyileştirici etkisi açısından Ti-6Al-4V alaşımı ile 7075-T6 Al alaşımı birbirine yakın iken durak deliği çapı artınca Ti-6Al-4V alaşımı 7075-T6 Al alaşımının çok üzerinde durak deliğinin yorulma ömrünü iyileştirme etkisi tespit edilmiştir. Ayrıca, yüklenme büyüklüğü de ömür iyileştirme oranın etkilediği gözlemlenmiştir. Uygulanan yük büyüklüğü arttıkça (ya da seçili ortak çatlak ilerleme ömrü azaldığında) durak deliklerinin ömür iyileştirme oranı azalırken uygulanan yük büyüklüğü azaldıkça (ya da seçili ortak çatlak ilerleme ömrü arttığında) bu oran katlanarak arttığı görülmüştür. Özellikle Ti-6Al-4V alaşımı ömür iyileşme oranının artması açısından 7075 T6 Al'ye göre daha iyi tepki vermektedir. Ayrıca, her iki alaşım için durak deliği çapı ile çatlak çekirdeklenme ömrü arasında doğal üssel bir trend tespit edilmiş ve böylelikle bir kaç veri alınarak bu tren aracılıyla istenen durak deliği çapına göre diğer bilinmeyen ömür değerleri elde etme imkanının olacağı görülmüştür. Ek olarak, bu çalışmada 7075-T6 Al ve Ti-6Al-4V alaşımlarında durak delikleri üzerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturma metodlarından biri olan soğuk genişletme prosesinin ömre etkisi incelenmiştir. Soğuk genişletme prosesi durak deliklerinde kalıntı bası gerilmesi oluşturuyor ve bu kalıntı bası gerilmesi operasyonel yük kaynaklı çeki gerilmesini azaltıyor. Böylelikle, bu proses çatlak çekirdeklenme ömrünü ciddi miktarda iyileştirmiş oluyor. Elde edilen sonuçlara göre 7075-T6 Al'de çekirdeklenme ömrü Ti-6Al-4V'ye nazaran daha çok iyileştiği görülmüştür. Çünkü aynı delik genişleme oranı için 7075-T6 Al alaşımında Ti-6Al-4V ye göre daha büyük miktarda plastik deformasyon oluşmuştur ve daha fazla oranda gerilme düşmüştür. Ayrıca, durak deliklerinin çapı artması soğuk genişletmenin yorulma ömrüne iyileştirici etkisini daha yüksek oranda artırdığı değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, daha yüksek çapta durak delikleri daha iyi ömür iyileştirici oranı verdiği, Ti-6Al-4V alaşımı 7075 T6 Al alaşımından daha iyi ömür iyileştime tepkisi verdiği, soğuk genişletmenin durak deliklerinde oldukça iyi bir ömür artma oranı verdiği ve uygulanan yük büyüklüğünün ömür iyileştirme oranını etkilediği görülmüştür.