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.

Stribeck eğrisi.

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.

Birbirlerine temas eden yüzeyler arasında izafi hareket yoksa statik sürtünmeden söz edilir. İzafi hareket iki cisim yüzeyleri arasında mevcutsa bu durumdaki sürtünmeye dinamik veya kinetik sürtünme denir. Sürtünme kuvveti sabit değildir ve sürtünme katsayısına bağlıdır ve bu katsayının değişimiyle beraber değişir. Sürtünme katsayısı statik sürtünme durumunda en büyük değerini alır. Dolayısıyla sürtünme kuvveti de izafi hareketin başlangıcından hemen önce en büyük değerini almış olur.

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

Bir sonsuz vida karşılık çarkında oluşan yorulma aşınması.

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

Küçük temas yüzeyi sonucu oluşan Hertz basınçları.

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

Bir dişli kutusu ve dişli çarklarının yağlanması.

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.

Dış bağlantılar

• Uluslararası Triboloji Konseyi8 Ekim 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Triboloji nedir?
• Triboloji'nin ABC'si
• kavitasyon

Kaynakça

• Soydan, Y. ve Ulukan L.; Temel TRİBOLOJİ "Sürtünme Aşınma Yağlama Bilimi ve Teknolojisi" - Tagem Kopisan Yayınevi, ISBN 978-605-428-403-0
• Akkurt, Mustafa; Makina Elemanları - Cilt 3, Birsen Yayınevi, ISBN 975-511-179-4
• Babalık, Fatih C.; Makine Elemanları ve Konstrüksiyon Örnekleri - Cilt 2, Vipaş, ISBN 975-564-109-2
• Okday, Şefik; Makina Elemanları - Cilt 2, Matbaa Teknisyenleri Basımevi
• Askeland, Donald R.; Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri - Cilt 2, Nobel Yayın Dağıtım, ISBN 975-591-106-5
• Spotts, M.Franklin; Design of Machine Elements, Prentice-Hall, 1978
• Issler, L.; Hasar Bilgisi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Yayınları, 1976