YAPRAK YAY YAPIMINDA KULLANILAN 35 CR4 ÇELİĞİNİN FRETTİNG YORULMA DAVRANIŞININ ARAŞTIRILMASI - HASÇALIK, AHMET (Fırat Üniveristesi, 1998)
DOKTORA TEZİ YAPRAK YAY YAPIMINDA KULLANILAN 35 Cr 4 ÇELİĞİNİN FRETTING YORULMA DAVRANIŞININ ARAŞTIRILMASI Ahmet HASÇALDK Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Anabilim Dalı 1998, Sayfa : 120 Bu çalışmada, taşıtların askı donanımlarındaki yaprak yayların yapımında kullanılan 35 Cr 4 çeliğinin normal ve fretting yorulma davranışları üzerinde, belirlenen ısıl işlemlerin ve bilyalı dövme işleminin etkisi incelenmiş ve fretting şartları altında çatlak ilerleme hızları tesbit edilmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde genel kavramlar açıklanmıştır. İkinci bölümde fretting yorulmanın ilk safhasını teşkil eden fretting aşınma ve tesir eden faktörler incelenmiştir. Üçüncü bölümde fretting yorulma mekanizması ve tesir eden faktörler, dördüncü bölümde normal yorulma ve yorulmaya tesir eden temel faktörler incelenmiştir. Beşinci bölümde bilyalı dövme işlemi kısaca tanıtılmış ve bilyalı dövme işleminin yorulmaya tesiri incelenmiştir. Çalışmanın altıncı bölümü deney çalışmalarını, yedinci bölümü deney sonuçları ve tartışmayı, sekizinci bölümü ise, genel sonuç ve önerileri kapsamaktadır.n Yorulma deneyleri normal ve fretting yorulma olarak iki farklı şekilde yapılmış ve deneyler için düzlem eğmeli bir deney düzeneği kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda, numunelere normalizasyon ısıl işlemi ve yağda sertleştirme işleminden sonra 300, 400 ve 500 °C de temperleme işlemi uygulanmıştır. Normalleştirilmiş numunelere 0.20 ve 0,30 mm, 500 °C de temperlenmiş numunelere 0,13 mm dövme şiddetlerinde bilyalı dövme işlemi uygulanmıştır. Ayrıca normalizasyon ısıl işlemi uygulanan numunelerde 1 - 1,5 - 2 kg normal yük uygulanmak suretiyle, temas basıncının fretting yorulmaya tesiri incelenmiştir. Numunelerin diğer mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla, çekme deneyi, çentik darbe deneyi, sertlik ölçümleri, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri ve bilyalı dövülmüş numunelerde mikro sertlik ölçümleri yapılmıştır. Yorulma numunelerinin mikroyapıları ve kırık yüzeyleri taramalı elektron mikroskopu ile incelenmiştir. Fretting yorulma deneylerinde temperleme sıcaklığının, temas basıncının ve bilyalı dövme işlemlerinin yorulma çatlaklarının başlama ve ilerleme hızlarına etkisini incelemek amacıyla, belirli çevrim sayılarında çatlak boyu optik mikroskopla ölçülmüş ve çatlakların ilerleme hızlan tesbit edilmiştir. Normal ve fretting yorulma deneylerinde ısıl işlem uygulanan numuneler içerisinde en yüksek yorulma dayanımı 300 °C de temperlenmiş numunelerde elde edilmiştir. Artan temperleme sıcaklığı ile yorulma dayanımı düşmektedir. En düşük yorulma dayanımı ise normalleştirilmiş numunelerde elde edilmiştir. Plastik deformasyona karşı malzemenin direncinin azalması yorulma dayanımının düşmesine neden olmaktadır. Ayrıca, fretting yorulmada yüzey sertliğine bağlı olarak, yüzeyde meydana gelen aşınma yorulma dayanımı açısından etkili olmaktadır. Fretting yorulma deneylerinde normal yükün tesiri ile ilgili çalışmada, artan temas basıncıyla yorulma dayanımının düştüğü görülmektedir. Buna teğetsel gerilmedeki artışın neden olduğu sonucuna varılmıştır. Bilyalı dövme işlemi, normal ve fretting yorulma dayanımlarını önemli ölçüde artırmaktadır. Her iki yorulma tipi için, en yüksek yorulma dayanımı normalleştirilmiş ve 0,30 mm dövme şiddetinde bilyalı dövme işlemi uygulanan numunelerde elde edilmiştir. 500 °C de temperlenmiş numunelerde dövme şiddetinin düşük olmasına bağlı olarak, yorulma dayanımı daha düşüktür ancak, yorulma dayanımındaki artış oranı daham yüksek tesbit edilmiştir. Bilyalı dövme işlemi, yüzeyde ve yüzey altında belirli bir derinliğe kadar basma gerilmeli tabaka oluşturarak, yorulma dayanımını artırmaktadır. Çatlak ilerleme hızlarının tesbit edilmesi ile ilgili deneylerde temas basıncının artışıyla beraber çatlakların başladığı çevrim sayısı azalmakta ve ilerleme hızı artmaktadır. Yüzeydeki aşınma şiddetine bağlı olarak çatlaklar erken başlamakta ve hızlı ilerlemektedir. Isıl işlem uygulanan numunelerde 300 °C de temperlenmiş numunelerin çatlak ilerleme hızı diğerlerine göre daha yavaştır. Temperleme sıcaklığı arttıkça çatlak ilerleme hızı artmaktadır. Frettingin ilk safhasında, numunelerin yüzey sertliği etkili olurken, daha sonra çatlak boyutları ilerleme hızında etkili olmaktadır. Deney şartlarında, bilyalı dövme işlemi çatlak ilerleme hızlarını hem başlama hem de ilerleme safhalarında yavaşlatmaktadır. Bilyalı dövme işlemi ile yüzey ve yüzey altında meydana gelen basma gerilmeli tabaka çatlakların ilerlemesini geciktirmektedir. Normal ve fretting yorulma için, uygulanan ısıl işlemlerle, bilyalı dövme işlemi mukayese edildiğinde, bilyalı dövme işleminin yorulma dayanımı açısından daha etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Normalizasyon ısıl işlemi uygulanan numunelerde 0,30 mm dövme şiddeti uygulanması ile yorulma dayanımında, fretting yorulma için % 63, normal yorulma için % 62 oranında bir artış sağlanmıştır. 500 °C de temperlenen ve 0,13 mm dövme şiddeti uygulanan numunelerde ise, yorulma dayanımında elde edilen artış fretting yorulma için % 34, normal yorulma için % 41 olmuştur. ANAHTAR KELİMELER : Yorulma, fretting aşınması, fretting yorulma, triboloji, çatlak ilerleme mekanizması, bilyalı dövme, basma gerilmesi

IV ABSTRACT PhD. THESIS THE INVESTIGATION OF FRETTING FATIGUE BEHAVIOUR OF 35 Cr 4 STEEL USED IN THE PRODUCTION OF LEAF SPRING Ahmet HASÇALIK University of Fırat Faculty of Technical Education Department of Machine 1998, Page : 120 In this study, the effects of heat treatment and shot peening on the fretting and plain fatigue behaviour of 35 Cr 4 steel used in the production of leaf springs in suspension systems of vehicles were investigated and the crack propagation rates were determined under the fretting conditions. In the first chapter of the study, basic concepts were explained. In the second chapter, fretting wear which is the first stage of the fretting fatigue and its parameters were presented. In the third chapter the mechanism of the fretting fatigue and the factors, in the fourth chapter plain fatigue and the factors effecting were given. In the fifth chapter, shot peening was defined briefly and its effects on the fatigue behaviour were explained. In the sixth chapter of study, the experiments done and in the seventh chapter the results and discussions and in the final and eighth chapter the recommendations were given. In the study, fatigue tests were done in two different modes; plain and fretting fatigues. Plane reversed bending experiments apparatus was used for the experiments. The specimens were normalized and tempered at 300, 400 and 500 °C after oilquenched. Shot peening was applied to the normalized specimens at a peening intensity of 0,20 and 0,30 mm and to the tempered specimens at 500 °C at a peening intensity of 0,13 mm. In addition, the effects of the contact pressure on the fretting fatigue of the specimens normalized were investigated using normal loads of 1 - 1,5 - 2 kg. In order to determine the other mechanical properties of the specimens, tension, charpy tests were applied and hardness values, surface roughness and microhardness measurements for shot peened specimens were done. The microstructure and fractured surfaces were examined with SEM. In order to determine the effects of tempering temperature, contact pressure and shot peening on crack initation and propagation in fretting fatigue tests, the crack length were measured at certain cycles with optical microscope and the crack propagation rates were determined. In plain and fretting fatigue tests, highest fatigue strength was obtain with the specimens tempered at 300 °C. With the increasing tempering temperature, fatigue strength decreased. The lowest fatigue strength were seen with the normalized specimens. The decrease in plastic deformation resistance causes the fatigue strength to fall. In addition, the wear occured on the surfaces depending on the hardness effects the fatigue behaviour in fretting fatigue. Increasing contact pressure results in a decrease in fatigue strength. This is because of the increase in tangential stresses. Shot peening considerably increases the fatigue strength. The highest fatigue strength for both fatigue modes, were obtained for the normalized and 0,30 mm shot peened specimens. In the specimens tempered at 500 °C, the fatigue strength was low depending on the low peening intensity but the increase rate in the fatigue strength was highest. Shot peening increases the fatigue strength by forming a layer under compression into a certain distance under the surface. With the increase of the contact pressure, the cycle for the crack initation decreases and the crack propagates more rapidly. Depending on the amount of the wear on the surface, cracks initiates earlier and propagates rapidly. In the heat treated specimens, the crack propagation rates were lower for the specimens tempered at 300 °C. With the increase of the tempering temperature, the crack propagation rates increases. In the first stage of the fretting, the surface hardness of the specimens are dominate while in the latter stages the crack lengths becomes important. In theVI experiment conditions, shot peening lowers the crack propagation rates at both initial and latter stages. Compressed layer as a result of shot peening retards the crack propagation. For plain and fretting fatigue, the comparison of shot peening with the heat treatment shows that shot peening is more effective in fatigue behaviour. With the normalized specimens, shot peening with an intensity of 0,30 mm increased the fretting fatigue life as 63 % and the plain fatigue life as 62 %. In the specimens tempered at 500 °C and shot peened with an intensity of 0,13 mm, the plain fatigue life and fretting fatigue life increased 34 % and 41% respectively. KEY WORDS : Fatigue, fretting wear, fretting fatigue, tribology, crack growth mechanism, shot peening, compressive residual stresses.
Keywords: Eğitim ve Öğretim; Education and Training; Makine Mühendisliği; Mechanical Engineering