Çentikli parçaların yorulma özelliklerinin plazma nitrürleme ile iyileştirilmesi
Improving the fatigue properties of notched parts by plasma nitriding
Yazar: FAİK YILAN
Danışman: DOÇ. DR. HALİM KOVACI
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gerilme yığılmaları = Stress concentration ; Plazma nitrürleme = Plasma nitriding ; Yorulma dayanımı = Fatigue strength ; Çentik = Notch

Özet:
Amaç: Tekrarlı yükler altında çalışan makine parçalarının yorulma ömrü yüzeylerinde bulunan çentikler, çatlaklar ve geometrik düzensizlikler sebebiyle önemli ölçüde azalmaktadır. Bu sebeple, makine parçalarında yorulma çatlağının başlaması ve ilerlemesi üzerine etkili olan çentik etkisinin iyileştirilmesi gerekmektedir.  Bu çalışmada, çentikli parçaların yorulma dayanımının plazma nitrürleme işlemi ile iyileştirilmesi amaçlanmıştır.

Yöntem: AISI 4140 çelik malzemeden sırasıyla Kt= 1.63, 1.41, 1.27 ve 1.19 teorik gerilme yığılma faktörü ile dört farklı yarıçap (r=1, 2, 4 ve 8mm) değişimi oluşturulmuş olup akabinde 2 ve 9 saatlik %25N2-%75H2 gaz karışımı kullanılarak 480℃ sıcaklıkta plazma nitrürleme işlemi uygulanmıştır. İşlemsiz ve plazma nitrürlenmiş numunelerin yapısal ve faz özellikleri XRD, SEM ve optik mikroskop ile detaylı olarak incelenmiştir. Yüzey sertliği ve difüzyon tabakasının kalınlığının değerleri mikrosertlik ölçümleri ile belirlenmiştir. İşlemsiz ve plazma nitrürlenmiş numunelerin yorulma dayanımları dönel eğilmeli yorulma test cihazı ile belirlenmiştir.

Bulgular: Hem işlemsiz hem de plazma nitrürlenmiş çentikli parçaların yorulma dayanımları, artan Kt değeri ile azalmıştır. Plazma nitrürlenmiş tüm çentikli parçalar, işlemsiz olanlardan daha yüksek yorulma dayanımı göstermiştir ve yorulma dayanımındaki artışın seviyesi, artan Kt değeri ile azalmıştır. Plazma nitrürlenmiş çentikli parçaların yorulma özelliklerinin, yüzeyde oluşan bası artık gerilmeleri ve difüzyon tabaka kalınlığına bağlı olarak işlemsiz parçalara kıyasla iyileştirildiği tespit edilmiştir.

Sonuç: Plazma nitrürlenmiş çentikli parçalarda, yorulma çatlak başlangıcının malzemenin iç kısımlarında gerçekleştiği ve bunun sonucunda da yorulma dayanımının işlemsiz numunelere kıyasla artış gösterdiği gözlemlenmiştir. Gerilme yığılma faktörü en düşük olan ve uzun sürelerle nitrürlenen numunelerin yorulma özelliklerinde %72'ye varan iyileşme sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Plazma Nitrürleme, Yorulma Dayanımı, Çentik, Çentik Etkisi, Gerilme Yığılma Faktörü.

Abstract:
Purpose: The fatigue life of machine parts operating under cyclic loads is significantly reduced due to notches, cracks, and geometric irregularities on their surfaces. For this reason, it is necessary to improve the notch effect, which is effective on the initiation and propagation of fatigue cracks in machine parts. In this study, it is aimed to improve the fatigue strength of notched parts by plasma nitriding process.

Method: Four different radii (r=1, 2, 4 and 8mm) variations were created from AISI 4140 steel material with theoretical stress concentration factors of Kt= 1.63, 1.41, 1.27, and 1.19 respectively and then, plasma nitriding processes were applied at 480℃ using a gas mixture of %25N2-%75H2 for 2 and 9 hours. The structural and phase properties of untreated and plasma nitrided samples were investigated by XRD, SEM and optical microscope. The surface hardness values and thickness of the diffusion layer were determined by microhardness measurements. The fatigue strength of the untreated and plasma-nitrided samples was determined by a rotating bending fatigue test machine.

Findings: As the Kt values increased, the fatigue strength of untreated and plasma nitriding notched parts decreased. All plasma nitrided notched parts showed higher fatigue strength than untreated ones and the level of increase in fatigue strength decreased with the increasing Kt value. It was found that the fatigue properties of plasma nitrided notched parts improved in comparison to untreated parts, depending on the compressive residual stresses on the surface and the diffusion layer thickness.

Results: It was observed that in plasma nitrided notched parts that fatigue crack initiation occurred in the inner parts of the materials and as a result, the fatigue strength increased in comparison to untreated samples. Up to 72% improvement was achieved in the fatigue properties of the samples with the lowest stress concentration factor and nitrided for long periods.

Keywords: Plasma Nitriding, Fatigue Strength, Notch, Notch Effect, Stress Concentration Factor.