Termal yorulma, malzemelerin tekrarlı ısınma ve soğuma döngülerine maruz kalmasıyla ortaya çıkan bir hasar mekanizmasıdır. Bu durumda malzeme, dış bir mekanik yüke ihtiyaç duymaksızın, yalnızca sıcaklık değişimlerinin yol açtığı genleşme ve büzülme sonucunda çevrimsel gerilmelere uğrar. Diğer bir deyişle, mekanik yorulmadan farklı olarak termal yorulmada gerilmeler ısıl genleşme kaynaklıdır ve zamanla malzemede çatlak oluşumuna ve ilerlemesine yol açar. Bu olgu, kazanlar, gaz türbinleri, uçak motorları, otomotiv motorları ve ısı eşanjörleri gibi sık sık ısınıp soğuyan yüksek sıcaklıklı sistemlerde özellikle önemlidir. Nitekim bu tür çevrimsel termal yüklemelerin yaşandığı parçalarda termal yorulma, zaman içinde birikerek kritik arızalara neden olabilmektedir.

Termal Yorulmanın Mekanizması

Isıl döngüler sırasında malzemede oluşan genleşme ve büzülme, eğer serbestçe gerçekleşemezse termal gerilmelere yol açar. Örneğin, bir komponentin yüzeyi hızla ısınarak genleşirken iç kısımları daha soğuk kalıyorsa, yüzey tabakası ile iç çekirdek arasındaki farklı genleşme miktarları yüzeyin hareketini kısıtlar. Sonuçta yüzeyde basma, soğuma aşamasında ise çekme gerilmeleri doğar. Bu periyodik gerilme-tekrarı, tıpkı mekanik yorulmada olduğu gibi kümülatif hasar biriktirir. Termal gerilmelerin büyüklüğü malzemenin ilgili sıcaklıktaki akma dayanımını aşarsa yüzeyde mikro çatlaklar oluşmaya başlar. Nitekim metal enjeksiyon kalıplarında yapılan gözlemler, sıcak yüzey tabakası ile daha soğuk iç kısım arasındaki genleşme farkının yüzeyde çekme-basma gerilimleri yaratarak ince ağ şeklinde çatlaklar (ısıl yorulma çatlakları) ürettiğini göstermiştir. Termal yorulma mekanizması, termal şok olgusundan farklıdır; termal şok tek bir ani sıcaklık değişimiyle malzemede kırılma yaratabilirken, termal yorulma genellikle daha düşük hızlı ama çok tekrar eden sıcaklık değişimleriyle malzemede zamanla çatlakların birikmesini içerir.

Tekrarlanan ısıl döngülerde çatlak oluşumu genellikle yüzeyde başlar, çünkü yüzey kısımları çevreyle daha fazla ısı alışverişi yapar ve en büyük sıcaklık dalgalanmalarını yaşar. Her ısınma-soğuma çevrimi malzemede bir miktar plastik veya elastik deformasyon bırakabilir. Özellikle büyük sıcaklık aralıklarında malzeme her çevrimde akma sınırına yakın gerinimler yaşayarak düşük çevrimli yorulma benzeri bir hasar birikimi oluşturur. Bu süreçte çekme ve basma gerilmelerinin ardışık etkisiyle önce mikroskobik çatlaklar ya da malzeme yapısında zayıflamalar meydana gelir.

^{Termal Yorulma Şematik Gösterim (Yapay Zeka Tarafından Oluşturulmuştur)}

Malzeme Davranışı ve Hasar Gelişimi

Malzemelerin termal yorulma altındaki davranışı, iç yapıları ve mekanik özellikleriyle yakından ilişkilidir. Termal yorulma çatlakları çoğunlukla malzeme yüzeyinde başlar ve gözlemlendiğinde geniş, oksit dolu yarıklar şeklindedir. Yüksek sıcaklıklara maruz kalan yüzey çatlaklarının içi oksitlerle kaplanabilir; bu durum, çatlak yüzeylerinde oksidasyonun gerçekleştiğini ve ortamın malzeme ile reaksiyona girdiğini gösterir. Çatlaklar tekil olarak ortaya çıkabileceği gibi, termal döngülerin şiddetine ve sıklığına bağlı olarak yüzeyde birbirine paralel birden fazla çatlak şeklinde de gelişebilir. Mikroyapı açısından bakıldığında, termal yorulma çatlakları genellikle tane (grain) içinden geçecek şekilde transgranüler karakterde ilerler ve başlıca uygulanan gerilmeye dik doğrultuda uzarlar. Bu çatlaklar malzeme içinde "hançer şeklinde" tarif edilen sivri uçlu ilerleme izleri bırakabilir ve herhangi bir dış yükün yönelimine göre boyuna ya da enine (eksensel ya da çevresel) doğrultuda uzayabilir.

Malzemenin iç yapısındaki heterojenlikler termal yorulmaya karşı dayanımı etkileyebilir. Örneğin, bir alaşım içindeki farklı fazların veya parçacıkların termal genleşme katsayıları uyumsuzsa, ısıl döngüler sırasında bu bölgelerin çevresinde yerel gerilmeler oluşabilir. Bu yerel gerilmeler, matris içinde plastik deformasyon bölgeleri ve mikroçatlak başlangıçları yaratabilir. Bununla birlikte, ikinci faz parçacıkların belirli bir dağılımı çatlak ilerlemesini yavaşlatmada faydalı da olabilir; literatürde, alaşımlarda sert ikinci fazların düzgün dağılımının termal yorulma çatlak büyümesini zorlaştırdığı belirtilmiştir. Termal yorulma sürecinde malzemelerin sertlik ve dayanımları tipik olarak döngü sayısıyla birlikte azalır; çünkü tekrarlanan ısınma-soğuma, malzemenin mikro yapısında yumuşamaya ve bir miktar hasar birikimine yol açar.

^{Dökme Demirden Bir Motor Bileşeninde Oluşan Termal Yorulma Çatlakları. (SureScreen Scientifics 2021)【1】} 

Malzemenin yüksek sıcaklıktaki davranışı (süneklik, akma dayanımı, sürünme eğilimi vb.), termal yorulma çatlaklarının oluşum hızını belirleyen kritik faktörlerdendir. Örneğin sünekliği yüksek bir malzeme, termal gerilmelerin bir kısmını plastik deformasyonla yutabilir ve çatlak oluşumunu geciktirebilir. Aynı şekilde, yüksek sıcaklık mukavemetini koruyan (örneğin sertliğini ve akma sınırını yüksek sıcaklıkta da büyük ölçüde muhafaza eden) alaşımlar, ısıl döngüler sırasında daha az hasar biriktirir. Isıl iletkenliği yüksek malzemeler ise sıcaklık gradyanlarını azaltarak yüzey ile iç kısım arasındaki sıcaklık farklarını minimuma indirir; bu da termal gerilmelerin düşmesine yardımcı olarak yorulma hasarını yavaşlatır. Nitekim bir sıcak iş takım çeliğinde yapılan çalışmada, yüksek sıcak akma mukavemeti, yüksek süneklik ve yüksek ısıl iletkenlik gibi özelliklerin, termal yorulma sonucu gelişen yüzey çatlaklarının oluşumunu ve ilerlemesini geciktirdiği gösterilmiştir.

Uygulamalar ve Önleme Stratejileri

Mühendislik uygulamalarında termal yorulmaya pek çok alanda rastlanır. Özellikle periyodik olarak ısınan ve soğuyan ekipmanlar termal yorulma riskine maruzdur. Buhar kazanları ve boru hatlarında sıcak buhar ile soğuk suyun temas ettiği karışım bölgeleri, ısı eşanjörlerinde sıcak-soğuk akışkan geçiş yüzeyleri termal yorulmanın karakteristik örnekleridir. Gaz türbini ve uçak motorlarının çalıştırma-durdurma döngüleri bile türbin kanatçıkları ve yanma odası parçalarında termal gerilmeler biriktirerek ömrü kısaltır. Otomotiv motorlarında silindir gibi bileşenler de sürekli termal döngü altında çatlak oluşumuna yatkındır. Literatürde, motorlarda kullanılan alüminyum alaşımlı kritik parçaların ömür sınırlayıcı hasar mekanizmalarından birinin termal yorulma olduğu bildirilmektedir.

Termal yorulmanın en belirgin görüldüğü alanlardan biri de metal enjeksiyon ve sıcak dövme kalıplarıdır. Her döküm çevriminde kalıp yüzeyi ergimiş metal ile temas ederek ani ısı şoku yaşar; ardından soğutulur. Bu sürekli çevrim, yüzeyde ilk aşamada çok ince kılcal çatlaklar (heat checking) oluşturur; ilerleyen kullanımda bu çatlaklar büyüyüp kalıp yüzey bütünlüğünü bozarak kullanım ömrünü ciddi derecede kısaltır. Bazı saha çalışmalarında bu tür kalıplardaki hasarların yaklaşık %58’inin termal yorulma kaynaklı olduğu raporlanmıştır.

Önleme açısından üç temel strateji öne çıkar: (i) tasarım optimizasyonu, (ii) kontrollü çalışma şartları ve (iii) uygun malzeme seçimi ve yüzey mühendisliği. Tasarımda keskin köşe ve ani kesit değişimlerinden kaçınılması, gerilim yığılmalarını azaltır. Çalıştırma koşullarında kademeli ısıtma-soğutma uygulamaları ve ön ısıtma teknikleri yüzey-çekirdek arasındaki sıcaklık farkını düşürerek çatlak başlatma riskini azaltır. Malzeme seviyesinde ise iyi ısıl iletkenlik, yüksek tokluk ve oksidasyon direnci tercih edilir; nitrürleme veya termal bariyer kaplamalar gibi yüzey işlemleri termal yorulma ömrünü belirgin şekilde uzatır.

^{Makine Parçalarında Termal Yorulma Sonucu Oluşan Çatlaklar (Savikovskii et al. 2023) 【2】} 

Termal yorulma hem tasarım hem de malzeme seçimi hem de işletme parametreleriyle doğrudan ilişkili çok faktörlü bir hasar mekanizması olup, uygun mühendislik önlemleri alınmadığında kritik bileşenlerin hizmet ömrünü önemli ölçüde kısaltan ve endüstride yüksek bakım-maliyet yükü doğuran temel bir dayanım problemidir.