Triboloji

Triboloji (İngilizce: tribology), sürtünme, aşınma ve yağlama konularını inceleyen bilim ve teknoloji dalıdır. Triboloji sözcüğü eski Yunan dilindeki τριβο (tribo) "sürtünme" ile λόγος (logos) "prensip veya mantık" kelimelerinden türetilmiştir.
Tarihçe
Tekerleğin icadından önce ağır yükleri silindirik kalaslar üzerinde kaydırarak bir yerden bir yere taşıyan insanlık, bu kalasları ıslatarak sürtünmenin ve aşınmanın önüne geçme konusunda ilk adımları atmıştır. Tekerleğin MÖ 3000'li yıllarda Sümerler tarafından keşfiyle beraber insanlık dönel elemanların yataklama ve bu yataklardaki aşınma problemleriyle tanışmış ve bunlara hal çareleri aramaya koyulmuştur.
Ortaçağda İtalyan mimar ve mühendis Leonardo da Vinci (1452-1519), Fransız fizikçiler Amontons (1663-1705) ve Coulomb (1736-1806), mekanik ile ilgili çalışmalarda bulunmuşlardır. Coulomb sürtünme konusunda bugün de geçerliliğini koruyan sürtünme kanunu'nu ortaya koymuştur. Sıvı sürtünmesi konusunda Newton (1643-1727), Poiseuille (1799-1869), Hagen (1797-1884), Stokes (1819-1903), Reynolds (1842-1912) araştırmalar yapmışlar ve bugünkü Triboloji biliminin temelini atmışlardır.
Alman makine mühendisi Richard Stribeck (1861-1950), kaymalı yataklar üzerinde yaptığı deneylerde sürtünmeye etki edebilecek bütün değerleri sabit tutmuş, devir sayısını ve buna bağlı olarak çevresel hızı değiştirerek bugün Stribeck eğrisi olarak bilinen eğriyi elde etmiştir.
Son yıllarda Türk mühendis Ali Erdemir'in çalışmaları dünyada yankı uyandırmaktadır. Erdemir, R&D ödülünü daha önce 1991 yılında, borik asidin motor ve makinelerde sürtünme ve aşınma özelliğini bularak, 1998 yılında ise geliştirdiği atom karbon bir film kaplama ile sürtünme katsayısını sıfıra indirerek kazanmıştı. Son olarak nanoteknoloji kullanarak geliştirdiği yapay elmas özelliği taşıyan buluşu ile R&D ödülünü 2003 yılında 3. kez kazandı.
Triboloji alanındaki araştırmalar
Triboloji araştırmaları ve eğitimi üniversitelerin makine mühendisliği ve metalürji bölümlerinde yapılır. Ayrıca birçok sanayi kuruluşları ve araştırma enstitüleri bu konuda kurmuş oldukları (AR-GE) laboratuvarları ile bu konuda incelemeler yapmaktadırlar.
Triboloji alanındaki araştırmalar başlıca üç gruba ayrılır. Bu araştırmalarda genellikle malzemelerin sürtünme katsayısının ve aşınma oranlarının belirlenmesi, sürtünmeyi ve aşınmayı etkileyen doğal mekanizmaların bulunması (atmosfer, yük miktarı, hız, vb.), sürtünmeyi ve aşınmayı azaltacak malzemelerin veya endüstriyel yağlarının bulunması gibi konuları içerir. Bazı durumlarda sürtünmenin azaltılması değil çoğaltılması da gerekebilir. Örneğin fren ve debriyaj malzemelerinin sürtünme katsayılarının yüksek olması tercih edilir.
Sürtünme
Sürtünme teknikte, birbiriyle temasta olan ve birbirine göre izafi hareket yapan ya da yapma eğiliminde olan iki cismin harekete karşı gösterdikleri direnç olarak tarif edilir. İki cisim arasındaki izafi hareketi meydana getirmek isteyen kuvvete karşı, cisimlerin temas yüzeyleri arasında hareketi engelleyen ve sürtünme kuvveti olarak tanımlanan bir karşı kuvvet oluşur. Sürtünme kinematik olarak, kayma, yuvarlanma ve kayma ve yuvarlanma şeklinde olur.
İki tür sürtünme vardır:
1) Statik sürtünme: Birbirlerine temas eden sabit veya nispeten durağan durumdaki yüzeylerin arasında oluşan sürtünmedir.
2) Dinamik sürtünme: Göreceli hareket eden iki cismin yüzeyleri arasında oluşan sürtünmedir.
Statik sürtünme
Yatay düzlemde hareketsiz bir konuma yerleştirilmiş belli kütleli bir cisim düşünün. Cismi hareket ettirmek için harici bir kuvveti uygulandığında cisme uygulanan kuvvete eşit ve hareket yönüne zıt yönlü bir statik sürtünme kuvveti oluşur. Uygulanan kuvveti sürekli artırarak cismin hareket etmeye başlayacağı andaki anlık bir statik sürtünme kuvvet değeri elde ederiz. Bu anlık statik sürtünme kuvveti, cismin harekete başlamak için gerekli minimum kuvvete eşit bir kuvvettir.
Statik sürtünme katsayısı ise bu statik sürtünme kuvvetinin dikey kuvvetine oranı olarak
eşitliğinden hesaplanabilir.
Dinamik sürtünme
Cisim hareket ettirildiğinde, statik sürtünme kuvvetinden daha az değerli dinamik kuvvet adlı bir sürtünme kuvveti oluşur. Bu dinamik sürtünme kuvveti, k dinamik sürtünme katsayısı ve N dikey kuvvet arasındaki ilişkisi ile şu formülde ifade edilir:
Statik ve dinamik sürtünme katsayıları
Bu noktada statik sürtünme katsayılarının ve dinamik sürtünme katsayılarının temel özelliklerini özetlemek mümkündür.
sürtünme kuvvetinin şiddeti ve uygulanan yükün büyüklüğü arasındaki oranla hesaplanan bu sürtünme katsayıları boyutsuz niceliklerdir.
Karşılıklı temas eden yüzeylerin türüne göre statik sürtünme katsayısı daima dinamik sürtünme katsayısından daha büyüktür: .
Genellikle belirli kuvvet ve hız aralıklarında bu katsayılar sabit kabul edilebilir.
Sürtünme kuvveti sabit değildir ve sürtünme katsayısına bağlıdır ve bu katsayının değişimiyle beraber değişir.
Aşağıdaki tabloda çeşitli malzemelerin statik ve dinamik sürtünme katsayıları verilmiştir:
Yuvarlanma sürtünmesi
Yuvarlanan cisimlerde dinamik sürtünmenin kayma olgusunun olmadığı belirli bir sürtünme türü vardır ancak aynı zamanda harekete karşı çıkan ve statik durumu hariç tutan bir sürtünme kuvveti de vardır. Bu sürtünme türüne yuvarlanma sürtünmesi denir.
Şimdi yatay bir düzlemde dönen bir tekerleğe ne olduğunu ayrıntılı olarak gözlemlemek istiyoruz. Başlangıçta tekerlek hareketsizdir ve tekerleğe etki yapan kuvvetler, ağırlık kuvveti ve zeminin ağırlığa tepki olarak verdiği dikey kuvvetidir. Bu durumdayken tekerlek harekete eder ve tekerleğin merkezinin önüne uygulanan dikey kuvvet uygulama noktasında, yuvarlanma sürtünme katsayı değerine eşit olan, b mesafesinde yer değiştirmeye neden olur.
Harekete karşıtlık, tam olarak yuvarlanmanın başladığı anda normal kuvvet ile ağırlık kuvvetinin ayrılmasından kaynaklanır.
Yuvarlanma sürtünme kuvvetince oluşturulan tork değeri şu formülle hesaplanır:
Tekerlek ve destek yüzeyi arasındaki mikroskobik düzeyde etkileşim yandaki şekilde görülmektedir.
Tekerleğin sürekli yuvarlanması düzlemde fark edilmeyen bozulmalara neden olur ve tekerlek bir sonraki konuma geçtikten sonra düzlem ilk haline geri döner.
Sıkışırken düzlem tekerleğin hareketine karşı koyarken, düzlem üzerinde basınç kalkarken düzlem hareketi kolaylaştırır. Bu yüzden yuvarlanma sürtünme kuvveti, destek yüzeyinin ve tekerleğin maruz kaldığı küçük bozulmalara bağlıdır.
Yuvarlanma sürtünme kuvveti, formülüyle ifade edilebilir. Bu formülde, kayma sürtünme katsayısını, r tekerlek yarıçapını ve olarak ifade edilir.
İzafi hareket yapan cisimlerin söz konusu yüzeyleri arasına yağlayıcı bir madde konulup konulmaması açısında sürtünme, kuru sürtünme, sıvı sürtünme ve bu iki sürtünme türü arasında kalan yarı sıvı sürtünme olmak üzere üç durumda incelenir.
Aşınma
Aşınma, birbirine temas eden ve birbirlerine göre izafi hareket yapan sürtünme halindeki cisimlerin yüzeylerinde sürtünme etkisiyle oluşan ve istenilmeyen malzeme kaybıdır. Bunun sonucu olarak makine elemanları giderek aşınır ve fonksiyonlarını sıhhatli olarak yerine getiremez hale gelir.
Belli başlı aşınma türleri; adhezyon aşınması (yapışma), abrazyon aşınması, yorulma (pitting)'dır. Korozyon kimyasal ve elektrokimyasal bir aşınma türüdür ve Triboloji biliminin konusu değildir ve burada ele alınmayacaktır.
Adhezyon (yapışma) aşınması
Birbirine temas eden cisimlerin gerçek temas yüzeyleri aslında çok çok küçük olduğundan çok küçük yüklerde dahi yüksek basınç altındadırlar. Bu durumda malzemeler plastik deformasyona uğrayarak birbirine gerçek temas yüzeylerinden mikro kaynak ile bağlanırlar. Bu sırada iki cisim arasında devam eden izafi hareket sonucu kaynak bağı kopar ve sonuçta cismin birinden malzeme eksilmesi oluşur.
Abrazyon aşınması
Abrazyon aşınması, birbirine göre izafi hareket yapan iki cisim arasına çevre etkisiyle yabancı sert parçacıkların girmesi ve bu parçacıkların yumuşak yüzeye gömülerek sert yüzeyden sanki eğelercesine veya zımparalarcasına malzeme kaldırmasıyla kendini gösteren bir aşınma türüdür. Sert parçacıklar gömüldükleri yüzeyde de tahribat yaparlar ve yüzeyi hareket yönünde çizerler.
Yorulma (pitting) aşınması
Yorulma (pitting), dişli çarklar, rulmanlı yataklar, kam mekanizmaları gibi birbirleriyle sürekli temas halindeki yüzeylerde sıkça görülen bir aşınma türüdür. Bu tür makine elemanlarında temas alanları küçük olduğundan temas yüzeylerinde Hertz basınçları meydana gelir. Bu basınçlar sonucu yüzeyin hemen altında kayma gerilmelerine sebebiyet verir. Kayma gerilmelerinin maksimum olduğu noktada plastik deformasyon meydana gelir. Bu deformasyon zamanla yüzeye ilerleyerek yüzeyde çukurcuklar meydana getirir. Bu olaya yorulma aşınması denir.
Kavitasyon aşınması
Kavitasyon veya çukurlaşma, akım makinelerinin fanlarında görülebilen bir sıvı erozyonu türüdür. Kavitasyon buharlaşma basıncının altına düşen basınçlarda akışkan içinde lokal buharlaşmaların vuku bulması, daha sonra bu gaz boşluklarının çevresindeki sıvıyla hızlıca doldurulması ve bu sırada büyük bir basınç dalgası oluşur. Bu basınç dalgası çevresindeki metale oldukça büyük zararlar verir ve kısa zamanda kavitasyon sebebiyle fan kullanılamaz hale gelir.
Yağlama
Sürtünmeyi azaltmak, aşınmayı kısmen ya da tamamen önlemek ve sıcaklığın yükselmemesini temin etmek gayeleriyle birbirlerine temas eden makine elemanları arasında yağlayıcılar kullanılırlar. Yağlayıcılar katı, sıvı, yarı katı (gresler) ve gaz yağlayıcılar olmak üzere dört gruba ayrılırlar.
Yağlayıcılar
Yağlayıcı maddelerden beklenen özellikler kuru ve sıvı sürtünme hallerinde farklıdır. Sıvı sürtünme halinde yağlayıcıların viskozitesi (akışkanlık) önem kazanırken, yarı sıvı sürtünme halinde yağlayıcıların ıslatma kabiliyeti ve buna bağlı olarak kimyasal bileşimi ön plana geçer. Bu sebeple sıvı sürtünme halinde sıvı ve nadiren gaz yağlayıcılar kullanılırken, yarı sıvı sürtünme halinde katı ve katkılı sıvı yağlayıcılar kullanılmaktadır. Adhezyon, abrazyon ve korozyon aşınmalarının önlenmesinde yağlayıcıların önemi çok büyüktür.
Katı yağlayıcılar
Yarı sıvı sürtünmesi halinde aşınmayı ve enerji kaybını önlemek için sürtünen yüzeylere kuvvetli olarak yapışan bir yağlayıcı tabaka oluşturmak gerekir. Bunu en iyi katı yağlayıcılar yapabilmektedir. Katı yağlayıcılar tek başlarına veya sıvı yağlatıcıların içinde katkı maddesi olarak kullanılırlar. En çok kullanılan katı yağlayıcılar grafit ve molibden disülfittir. Bunların dışında asbest, çeşitli plastikler, mika ve talk da yağlayıcı olarak kullanılmaktadır.
Sıvı yağlayıcılar
Özellikle kaymalı yataklar gibi sıcaklık yükselmesinin, mahsurlu olduğu ve sürtünme dolayısıyla oluşan ısının çabucak uzaklaştırılmasının gerektiği yerlerde yağlayıcı olarak sıvı yağlayıcılar kullanılır. Sıvı yağlayıcılar organik, madeni ve sentetik yağlar olmak üzere üçe ayrılır.
Organik yağlar genelde gıda olarak tüketildiklerinden ve kısa ömürlü olduklarından pek kullanılmazlar. Sentetik yağlarsa iyi yağlama özelliği göstermelerine rağmen çok pahalıdırlar. Bu sebeplerden ve yağlama performanslarından dolayı madeni yağlar yağlayıcı olarak en çok kullanılan yağlardır. Madeni yağlar genelde ham petrolden distilasyon (damıtma) yöntemiyle elde edilen hidrokarbon bileşikleridir.
Gresler
Gresler içinde katılaştırıcı katkı maddelerinin bulunduğu sıvı yağlardan oluşmuş yarı katı yağlayıcılardır. Katılaştırıcı madde olarak genellikle alüminyum, baryum, kalsiyum, lityum, sodyum gibi madeni sabunlarla, bentonit ve mika gibi organik esaslı sabun olmayan maddeler kullanılır.