MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Transkript

1 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

2 Kırılma türleri Çok sünek orta derecede sünek gevrek Sünek kırılma tercih edilen kırılma türüdür! sünek: kırılma gerçekleşmeden önce uyarı verir. Kesit daralması/ %uzama: yüksek orta düşük

3 Sünek kırılma türleri Intragranular Tane içlerinden- taneler Intergranular arasından boyun verme kayma ile (Transgranular) Transgranüler intergranüler ile kopma kopma

4 kayma kırılması tek kristalli sünek malzemelerin kayma kırılması Çok kristalli malzemelerde görülmez! Kayma düzlemi

5 Kopma-rupture Çok kristalli malzemelerin tamamen sünek kırılması: rupture Saf altın gibi çok yumuşak metaller, oda sıcaklığında kurşun ve yüksek sıcaklıklarda diğer metaller, polimerler, inorganik camlar sünek kırılma gösterirler. Bu çok sünek malzemeler kırılma hattında kesitleri tek bir noktaya azalıncaya kadar neredeyse %100 kesit daralması göstererek kırılırlar.

6 Sünek kırılma (ductile fracture) Sünek kırılma, gözle görülür plastik deformasyondan sonra, kırılmanın kaçınılmaz olduğunu haber vererek ve önlem alınmasına fırsat tanıyarak gerçekleşir. Sünek kırılmanın gerçekleşmesi için enerji gerekir. Malzeme ne kadar sünek ise gerekli enerji o kadar fazladır. Gerilmeler altında metallerin çoğu sünektir. Seramikler ise gevrektir. Polimerler ise değişik davranışlar sergilerler.

7 Sünek kırılma Tipik olarak metallerde (çok soğuk olmadıkça) rastladığımız kırılma türüdür. Çatlağın büyümesi ile gerçekleşir. Çatlağın ucunda plastik deformasyon görülür. Çatlak kararlıdır. Uygulanan gerilme arttırılmadıkça kendiliğinden büyümeye meğilli değildir. Kırılma öncesinde ciddi miktarda enerji tüketir.

8 «cup-cone» kırılması Çok kristalli malzemelerde tipik kırılma Boyun verme sonrasında üç eksenli gerilme durumu oluşur. Çatlaklar kırılgan partiküllerde başlar. Partikülmatris ara yüzeyinde boşluklar oluşur.

9 Sünek kırılma önce ciddi miktarda plastik deformasyon olur. Boşlukların oluşması ve birleşmesi ile (mesela kalıntılar etrafında) gerçekleşir. Kırılma yavaş ve genellikle tane içlerinden ilerler. Kalıntılar tane sınırlarında ise, çatlak tane sınırlarını takip eder. Bu durumda kırılma yüzeyi ipliksi veya sünek taneler arası kırılma karakterini alır.

10 Sünek kırılma Eğer kalıntılar yoksa, boşluklar aşırı deformasyona uğrayan bölgelerde oluşur ve bölgesel kayma bantlarına yol açar. En sonunda boyun verme veya kayma kırılması şeklinde kırılmaya neden olur. Plastik deformasyon kapasitesi çatlak büyümesini geciktirir ve aşırı yüklemelere ve tasarım hatalarına karşı bir güven payı yaratır.

11 Sünek kırılma mekanizması Yapıda dağılmış Boşlukların başladığı partiküller Gerilmenin artması ile partiküllerin çevresinde boşlukların oluşması Oluşan boşlukların birleşmesi ile çatlakların oluşması

12 Sünek kırılma

13 Kırılma yüzeyleri-mikro

14 Gevrek kırılma Az deformasyon veya deformasyonsuz Çatlak ilerlemesi süratli Uygulanan gerilmeye dik yönde Çatlak klivaj mekanizması (belirli düzlemlerde atomlar arası bağların kopması) ile tane içinden (klivaj) veya tane sınırlarında ilerleyebilir. Tek ve çok kristalli malzemelerde HMK ve HCP metallerde; YMK metallerde nadir! Seramiklerde tipik!

15 Gevrek kırılma Makroskopik Düz kırılma profili Yok denecek kadar az boyun verme «kristalize» kırılma yüzeyi

16 Gevrek kırılma Çok az plastik deformasyon kırık parçalar birleşir. Kırılma istisnasız olarak bir hata veya gerilme konsantrasyon noktasından başlar. Çatlak dengesizdir. Uygulanan gerilmede bir artış olmadan da süratle büyümeye meğillidir. Gevrek kırılma eğilimi: düşen sıcaklık artan deformasyon hızı üç eksenli gerilme (çentik etkisi) ile artar.

17 Gevrek kırılma Çatlak ilerlemesi hızlı (1/3 ses hızı; çelik için 1 km/s) Düşük enerji absorpsiyonu Kırılma gerilmesi akma mukavemetinden daha düşük olur. Yorulma sonucunda oluşan mikro çatlaklar gevrek kırılma ile sonuçlanabilir. Kaynaklanmış parçalarda ısıdan etkilenen bölgede kalıntı çekme gerilmeleri oluşur. Bu bölgede süneklik de düşüktür. Kaynak bölgesinde çekintiler de gevrek kırılmaya yol açar.

18 Gevrek kırılma Çatlak büyümesi klivaj mekanizması ile-belirli kristallografik düzlemlerde tane içlerinde atom bağlarının kopması [100] [010] HCP kristal yapılı ve [001] HMK metallerde, çok düşük sıcaklıklarda ve yüksek deformasyon hızlarında görülür. YMK metallerde ise sadece düşük sıcaklıklarda klivaj mümkündür.

19 Gevrek kırılma Klivaj quasi-klivaj

20 Gevrek kırılma Gevrek kırılma yaşanan malzemeler Düşük sıcaklıklarda yumuşak çelik Yüksek mukavemet çelikleri, Cam / seramikler / beton

21 Gevrek kırılma tane içinden tane sınırından Gevrek kırılma Tane içinden kırılma Yorulma çatlakları tane içlerinden ilerler. Kırılma yüzeyi tane içlerindeki klivaj düzlemlerini temsil eden bir tekstürdedir. Tane arasından kırılma Yorulma çatlağı tane sınırlarını takip eder. Tane sınırları empürite segregasyonu ile gevrekleşmiştir.

22 Gevrek kırılma-tane içinden Çatlaklar klivaj dediğimiz gevrek bir mekanizma ile de büyürler. Gevrek kırılma yüzeyi-çelik

23 Tane sınırlarından kırılma Sünek metaller genellikle inklüzyon ve ikinci faz partiküllerinde oluşan boşlukların birleşmesi sonucunda kopar-kırılırlar. Gevrek metaller tipik olarak tane içlerinden geçen çatlama ile kırılırlar. Özel durumlarda çatlaklar tane sınırlarında da oluşabilir ve tane sınırlarını takip ederek tane sınırlarından kopma ile sonuçlanabilir.

24 Tane sınırlarından kırılma Tane sınırlarında çatlamaya neden olabilecek durumlar: Tane sınırlarında gevrek bir fazın çökelmesi Hidrojen ve sıvı metal gevrekliği Atmosfer destekli çatlama Tane sınırı korozyonu Tane sınırı kavitasyonu ve yüksek sıcaklıklarda çatlama

25 Tane sınırlarından kırılma Çeliklerde tane sınırlarında hatalı temper işlemine bağlı olarak gevrek fazlar tane sınırlarında çökelebilir. Temperlenmiş martensit gevrekliği (350 C) P ve S gibi empüritelerin önceki ostenit tane sınırlarına segrege olmasından kaynaklanır. Hidrojen atomları metal atomları ile birleşerek tane sınırlarındaki kohezif bağı zayıflatır. H 2 veya H 2 S gazı buna neden olabilir. Bu, çeliklerin kaynak işlemlerinde önemlidir. Çelik amonya tankında tane sınırılarından kırılma

26 Kırılma şeklini etkileyen faktörler Metalurjik unsur gevrek Tane sınırlarında partiküller olan iri taneli malzemeler sünek Tane sınırlarında partikül bulunmayan ince taneli malzemeler sıcaklık Düşük sıcaklık Yüksek sıcaklık Gerilme durumu Çentik var-üç eksenli gerilme Çentik yok! Deformasyon hızı yüksek düşük Yükleme durumu Hidrostatik basınç (çatlağı geciktirir)

27 Kırılmayı etkileyen faktörler Sıcaklık deformasyon hızı gerilme durumu Kırılma karakteri Kullanılan tanımlar Kristallografik mod kayma klivaj Kırılma yüzeyinin görünüşü Kırılmaya kadar şekil değişimi Kırılma hattı ipliksi sünek Granülerparlak gevrek Tane içlerinden Tane arasından

28 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

29 Kırılma mekaniği prensipleri Yüzey ve merkez çatlakları uçlarında gerilme dağılımı: gerilme konsantrasyonu Bölgesel gerilmenin şiddeti çatlak ucundan uzaklaşıldıkça zayıflar

30 Hatalar gerilme konsantrasyon noktaları! Çatlak, uygulanan gerilmeye dik yönde konumlanmış, tüm kesiti geçen bir eliptik yarık; çatlağın ucundaki maksimum gerilme ( m ): t m a 2 o t 1/ 2 t = yarık-çatlak ucu radyüsü o = uygulanan gerilme m = çatlak ucundaki gerilme a = çatlak boyu

31 problem uzunluğu 2.5x10-2 mm ve uç yarı çapı 2.5x10-4 mm olan bir merkez çatlağın bulunduğu bir parçaya 170 MPa çekme gerilmesi uygulanmıştır. Çatlak ucundaki maksimum gerilme ne kadar olacaktır? o = 170 MPa 2a = 2.5 x 10-2 mm = 2.5 x 10-5 m t = 2.5 x 10-4 mm = 2.5 x 10-7 m m = 2 (170x10 6 N/m 2 ) m = 2404 MPa >> 170 MPa 1.25x10-5 m 2.5x10-7 m

32 Gerilme konsantrasyonu Maksimum gerilmenin uygulanan nominal gerilmeye oranına gerilme konsantrasyon faktörü, K t, denir: a 2( ) K m t o 1/ 2 K t parçaya uygulanan bir dış gerilmenin çatlak ucunda ne kadar arttığının bir ölçüsüdür. Gerilme artışına neden olan yapısal hatalar gevrek malzemelerde süneklerde olduğundan çok daha kritiktir.

33 Kırılma tokluğu Kc: Kırılma tokluğunun bir ölçüsü olan K c değeri, çatlaklı parçanın boyut ve şeklinden bağımsız bir malzeme sabitidir. malzeme belirli bir gerilme-şekil değişimi değerinde bölgesel olarak kırılırken (çatlarken) çatlak kritik bir K (K c ) değerinde ilerler.

34 Kırılma tokluğu Kırılma mekaniği prensiplerinden yararlanılarak çatlak ilerlemesi için kritik gerilme ( c ) ile çatlak boyu (a) arasındaki ilişki: K c, kırılma tokluğu, bir malzemenin bünyesinde bir çatlak bulunduğunda, gevrek kırılmaya gösterdiği direncin bir ölçüdür. Kırılma tokluğunun, K c, birimi MPa m dir. Y çatlak ve numune boyutları ve geometrisine, yük uygulama şekline bağlı birimsiz bir parametredir. Numune eninden çok daha kısa çatlaklar içeren düzlemsel numuneler için Y değeri yaklaşık 1 dir.

35 Kırılma tokluğu Yarı-sonsuz genişlikte bir tabaka levhada merkez ve kenar çatlağı Çatlak yüzey deplasmanı türleri: (a) Mod I, açılma veya çekme (b) mod II, düzlem içinde kayma (c) Mod III, düzlem dışında kayma-yırtılma.

36 Kırılma tokluğu Plane Stress vs. Plane Strain İnce numuneler için Kc değeri numune kalınlığına bağlıdır. Numune kalınlığı çatlak ölçülerinden çok daha büyük ise, Kc kalınlıktan bağımsız hale gelir. Plane stress Plane strain kalınlık

37 «Plane strain» kırılma tokluğu Kalın numuneler için Kc değeri «plane strain» kırılma tokluğu, Kıc, olarak anılır: «I»: mod I in geçerli olduğuna atıfta bulunur. İlerleyen çatlağın önünde kayda değer bir plastik deformasyon yaşanmayan gevrek malzemeler düşük Kıc değerlerine sahiptir ve şiddetli kırılır. Sünek malzemeler için Kıc değerleri bir hayli yüksektir.

38 problem Bir uçak parçası «Plane strain» kırılma tokluğu 35 MPa m olan alüminyum alaşımından imal edilmiştir. Kırılmanın en büyük iç çatlak 2mm uzunluğunda iken 250 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu parça için iç çatlak boyu 1mm iken 325 MPa gerilmede kırılma yaşanacak mıdır? = 250 MPa a = 1.0 mm Kıc = Y a Kıc= 35 MPa m = Y x 250x x1x10-3 Y=2.5 Kıc= 2.5 x 325x x0.5x10-3 =32.2 <35 MPa m kırılma yok!

39 problem Bir uçak kanat parçası «Plane strain» kırılma tokluğu 40 MPa m olan alüminyum alaşımından imal edilmiştir. Kırılmanın en büyük iç çatlak 2.5 mm uzunluğunda iken 365 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu parça için iç çatlak boyu 4mm iken kırılma hangi gerilmede gerçekleşecektir? = 365 MPa a = 2.5 mm Kıc = Y a Kıc= 40 MPa m =Y x 365x x1.25x10-3 Y=1.75 = Kıc 40 x 10 = 6 = MPa Y a x 2x10-3

40 «Plane strain» kırılma tokluğu Kıc değerini etkileyen faktörler: sıcaklık Şekil değişimi hızı Mikroyapı artan şekil değişimi hızı ve düşen sıcaklıkla Kıc düşer. katı eriyik sertleşmesi, dispersoid sertleşmesi veya deformasyon sertleşmesine bağlı akma dayanımı artışı ile Kıc düşer. tane boyutu küçüldüğünde Kıc genel olarak artış gösterir.

41 problem Akma mukavemeti 495 MPa, Kıc değeri 24 MPa m olan 7075-T651 alüminyum alaşımı akma mukavemetinin yarısına denk gelen bir gerilmeye maruz kalmaktadır. Bu şartlarda müsaade edilebilecek en büyük iç çatlak boyu nedir? (Y için 1.35 alın!) = 495 MPa Kıc Kıc = 24 MPa m Kıc = Y a a= 1/ 2 Y a=(1/3.14) ((24x106)/1.35x247.5x106)) 2 = 1.65mm

42 Kırılma tokluğu testleri Charpy ve Izod Darbe testlerinde kullanılan numuneler. darbe tes cihazı. Çekiç «h» yüksekliğinden bırakılır ve numuneye çarpar; kırılma sırasında harcanan enerji ilk yükseklik ile kırılmadan sonra çekiçin çıktığı diğer yükseklik arasındaki farktan değerlendirilir.

43 Sünek-gevrek geçişi Yüksek sıcaklıklarda CVN enerji değeri yüksektir ve sünek bir kırılmaya işaret etmektedir. Sıcaklık düşerken darbe enerjisi birden ve dar bir sıcaklık aralığında düşer. Bu aralığın altındaki sıcaklıklarda darbe enerjisi sabit ve düşük bir değerdedir ve gevrek bir kırılma olayına işaret etmektedir.

44 Sünek-gevrek geçişi T ( C) kırılma yüzeyi kırılma geçiş sıcaklık ölçümlerinde kullanılabilir. Sünek kırılmalarda kırılma yüzeyi mat görünümlü ve ipliksi karakterdedir. (79 C de olduğu gibi) Oysa tamamen gevrek kırılma yüzeyleri granüllü, parlak bir görünümdedir. (-59 C de olduğu gibi). Sünek-gevrek geçişinde kırılma yüzeylerinde bu 2 karakter farklı oranlarda bulunur. (12 C, 4 C, 16 C, ve 24 C örnekleri). Kayma kırılması oranının sıcaklığa bağlı değişimi grafik hale getirilir.

45 Sünek-gevrek geçisi düşük mukavemetli (YMK-HCP metaller gevrek Düşük mukavemetli çelikler (HMK) Daha sünek Yüksek mukavemetli malzemeler Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı y > E/150) 3 temel sünek-gevrek geçiş davranışına ait şematik darbe enerjisisıcaklık eğrileri

46 Sünek-gevrek geçisi Bazı alüminyum ve bakır alaşımları gibi düşük mukavemetli YMK ve bir çok HCP metallerde sünek-gevrek geçişi görülmez. Bu metaller yüksek darbe enerji değerlerini azalan sıcaklılarda korurlar; yani düşük sıcaklılarda da tokturlar. Yüksek mukavemetli çelikler, titanyum alaşımları gibi yüksek mukavemetli malzemelerde de darbe enerjisinin değişimi sıcaklığa hassas değildir. Ancak bu malzemeler, düşük darbe enerjisi değerlerinden anlaşılabileceği gibi gevrektirler. Düşük mukavemetli çelikler gibi HMK kafes yapısına sahip metallerde ise sünek gevrek geçişi gözlenir. Bu metaller yüksek sıcaklıklarda sünek-tok iken düşük sıcaklıkta gevrek davranış gösterirler

47 tanımlar Ortalama gerilme; m = ( max+ min)/2 Gerilme aralığı; r = max- min Gerilme genliği; a = r /2 = ( max- min)/2 Gerilme oranı; R= min/ max

48 problem Ortalama gerilmenin 50 MPa ve gerilme genliğinin 225 MPa olduğu bir yorulma testinde, a) Maks ve min gerilmeleri b) Gerilme oranını, c) Gerilme aralığını hesaplayın. max + min 2 max - min 2 = 50 MPa = 225 MPa max + min = 100 MPa max - min = 450 MPa max =275MPa ; min =-175MPa ; R=-0.64 r =450 MPa

49 Yorulma Sünek malzemelerde bile yorulma ile gerçekleşen kırılmalar gevrek kırılmadır. Yorulma testlerinin yapılma nedenleri: Belli sayıda tekrarlanmak üzere uygulanabilecek gerilmeleri belirlemek Belirli bir gerilme seviyesinde ömür belirlemek Demir esaslı metal ve alaşımları için tekrarlı Gerilmeler altında mukavemetler Endurance Limit veya Fatique Limit şeklinde anılır. Bir çok diğer malzeme için yorulma sınırı yoktur. Bu gibi malzemelerde tekrarlı yüklemeler altında mukavemete yorulma mukavemeti denir.

50 yorulma Yorulma süreci 3 aşamaya ayrılır. Çatlak oluşması: yüzeydeki çizik, oyuk, keskin köşe gibi noktalarda küçük bir çatlak oluşur. çatlak parça içinde gerilme konsantrasyonu yaratan dislokasyon kümesi, tane sınırı, kalıntı gibi yapısal hatalarda da oluşabilir. Çatlak büyümesi: Yükleme tekrarlandıkça bu çatlak giderek büyür. Kırılma: Çatlak, geriye kalan kesit alanı uygulanan yükü taşıyamayacak kadar büyüdüğünde ani bir kırılma yaşanır.

51 Yorulma aşamaları Yüzeyde gerilme konsantrasyonuna yol açan mikroçatlak, çizik, vuruk, çukur, sivri köşe, dislokasyon kayma adımlarında çatlak başlar! Aşama I: kristallografik büyümeizdüşüm kayma gerilmesinin kritik değeri aştığı kristal düzlemlerinde yavaş büyüme; bu çatlak büyümesi sadece birkaç tane boyunca gerçekleşir ve çatlak yüzeyi düzdür. Aşama II: gerilmeye dik yönde daha hızlı büyüme: çatlak ucu körleşip, keskinleşerek ilerler; çatlak yüzeyi pürüzlüdür. Çatlak sonunda kritik uzunluğa büyür ve çok hızlı ilerler. Kalan kesitin gerilmeyi taşıyamaması: kopma Aşama II Aşama I Hız: 0.1nm/çevrim m/çevrim

52 Yorulma kırılma yüzeyleri Yorulma kırılmalarını ayırt etmek güç değildir. Çatlağın başladığı yerde kırılma yüzeyi genellikle düzdür. (Beach mark-crack initiation point). Çatlak büyüdükçe kırılma yüzeyi de daha engebeli hale gelir. Striations (konsentrik çizgi izleri): mikroskopta görülebilir her bir yükleme çevriminden sonra çatlağın pozisyonunu gösteren çatlak ilerlemedurma hatlarıdır. Kırılma yüzeyinin granüler kısmı: katastrofik kırılmaya doğru hızlı çatlak ilerleme bölgesi

53 Yorulma kırılması Yorulma çatlak çizgilerinin tipik replika ve SEM görüntüleri

54 S-N eğrisi Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır. Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline getirilir. S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır. Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin kullanıldığı da olur.

55 S-N eğrisi Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır. Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline getirilir. S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır. Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin kullanıldığı da olur.

56 S-N eğrisi-wohler eğrisi S S i S k S l S i gerilme genliğinde n i çevrimden sonra kırıldı! S k gerilme genliğinde n k çevrimden sonra kırıldı! S l gerilme genliğinde n l çevrimden sonra kırıldı! n i n k n l Log n

57 Yorulma sınırı yorulma sınırı, fat < fat ise yorulma kırılması yok! fat güvenli riskli N = kırılmaya kadar çevrim sayısı HMK çelikler ve Ti alaşımlarında gerilme genliği belirli bir değere düştüğünde S-N eğrisi yatay hale geçer. Yorulma sınırı, çevrim sayısı ne kadar çok olursa olsun malzemenin asla kırılmayacağı maksimum gerilme genliğidir.

58 yorulma mukavemeti Bir çok demir dışı metalde (Al, Cu ve Mg alaşımları) yorulma sınırı yoktur; çevrim sayısı arttıkça eğri sürekli aşağı doğru iner. Yorulma kırılması en sonunda mutlaka yaşanacaktır. Bu durum bu metallerde arayer atomlarının bulunmaması ile ilgilidir. Bu tip malzemeler için yorulma mukavemeti kavramı kullanılır. Yorulma mukavemeti: belirli sayıda çevrimden sonra (10 7 çevrim) kırılmanın gerçekleştiği gerilme olarak anılır.

59 Yorulma mukavemeti bazı malzemeler için yorulma sınırı yoktur! = gerilme genliği güvenli riskli N = kırılmaya kadar çevrim sayısı Al, Cu ve Mg gibi demir dışı ve YMK yapılı çelikler gibi yorulma sınırı göstermeyen malzemeler için belirli bir çevrim sayısından sonra (çoğunlukla 10 7 çevrim) kırılmaya yol açan gerilme seviyesi yorulma tasarım parametresi olarak kullanılır.

60 Yorulma tasarım parametreleri Yorulma testinde sonuçlar gerilme parametresi çevrim sayısı şeklinde raporlanır (Wohler eğrileri) kırılma (S) çelik Yorulma sınırı Yorulma mukavemeti Alüminyum çevrim sayısı (log N)

61 Yorulma ömrü Bir malzemenin yorulma davranışı tarif eden diğer bir parametre yorulma ömrü dür. Yorulma ömrü, Nf, belirli bir gerilme seviyesinde çevrimsel yükleme uygulanan numunenin kırılmasına kadar geçen çevrim sayısıdır. Uzun ömürlü yorulmada yorulma ömrü büyük ölçüde çatlak oluşmasında geçer. Bu nedenle yüzeyi sertleştirmek (mesela shot peening ile) çatlak oluşmasını geciktirir ve yorulma ömrünü uzatır.

62 problem 1045 çeliğinden silindirik bir çubuk ekseni boyunca tekrarlı çekme-basma gerilmelerine maruz kalmaktadır. Yük genliği N olduğuna göre yorulma kırılmasının olmaması için müsaade edilebilecek en küçük çubuk çapının ne olacağını hesaplayın! güvenlik faktörü olarak «2» alın!

63 problem Güvenli Gerilme genliği = 310 MPa N = 310x10 6 N/m 2 x kesit alanı Kesit alanı= d 2 /4= 7.1x10-5 m 2 = 71 mm 2 D = 9.5mm Güvenlik faktörü 2 olacağına göre Çubuk çapı en az 19 mm olmalıdır.

64 problem Kızıl pirinç alaşımından 8mm çapında silindirik bir çubuk tersinir çekmebasma yüklemeli yorulmaya tabi tutulmaktadır. Maksimum çekme ve basma yükleri 7500 N ve N ise, yorulma ömrünü hesaplayın.

65 problem Max çekme gerilmesi= 7500 N/3.14x(4x10-3 ) 2 = MPa Max basma gerilmesi= (çevrimin min gerilmesi) N/3.14x(4x10-3 ) 2 = MPa Gerilme genliği; a = r /2 = ( max - min )/2 = 149 MPa Yorulma ömrü: 10 5 çevrim!

66 Yorulma davranışını etkileyen faktörler Gerilme parametreleri (ortalama gerilme, gerilme aralığı, frekans...) Yüzey kalitesi ve özellikleri Kalıntı gerilmeler Tasarım ve gerilme konsantrasyonları çevresel koşullar (sıcaklık, korozyon)

67 gerilme parametrelerinin etkisi bölgesel uygulan 5 Ortalama gerilme Gerilme oranı Yorulma direnci Gerilme konsan.

68 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey parlatma (torna izleri vb kusurları yok eder!) Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturmak (uygulanan çekme gerilmelerini düşürür). Yüzeydeki ince bir tabaka kumlama vb bir işlemle basma gerilmeleri altına alınabilir. Yüzey sertleştirme: çeliklerde yüzeyde C veya N zengin bir tabaka ile yüzey sertleşmekle kalmaz ayni zamanda basma gerilmeleri oluşturulur. Geometrik optimizasyon: iç köşeleri, çentik ve çukurları yok etmek.

69 SÜRÜNME

70 Sürünme nedir? Bazı malzemeler yüksek sıcaklıklarda ve statik mekanik gerilmeler altında çalışır. (Örnek: merkezkaç gerilmeleri tecrübe eden jet motorları türbin rotorları ve yüksek basınç buhar boruları) Malzemeler ağır çalışma koşullarında belirli bir yükü uzun sürelerle taşımak zorunda olabilir. Bu durumda malzeme zamana bağlı olarak deformasyona uğrar. Ortaya çıkan bu deformasyona sürünme denir. Sürünme hem süreye hem de sıcaklığa bağlı bir deformasyon türüdür.

71 Sürünme nedir? Sürünme düşük sıcaklıklardan ziyade yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Bu nedenle sürünme yüksek sıcaklıklarda çalışan malzemeler için önemlidir. Sabit bir yük altında malzemelerin zamana bağlı, kalıcı deformasyona uğraması bir parçanın servis ömrünü sonlandırabilir. Fe, Ni Cu ve alaşımları ancak yüksek sıcaklıklarda sürünmeye uğrarken, Zn, Sn, Pb ve alaşımları oda sıcaklığında bile sürünme yaşarlar.

72 Sürünme Sürünme olayına bütün malzeme türlerinde rastlanır ve metallerde sadece T m (T m : ergime noktası) üstündeki sıcaklıklarda risk yaratır. Çok yüksek sıcaklıklarda çalışan türbin kanatçıklarında sürünme çatlağı: Çatlak yüzeyinde görülen boşluklara dikkat!

73 Sürünme şekil değişimi sürünme Sabit bir gerilme altında zamana bağlı malzeme deformasyonu kopma,e birincil üçüncül 0 t ikincil Anlık deformasyon Süre birincil sürünme: eğim(sürünme hızı) zamanla azalır. İkincil sürünme: steady-state/sabit eğim Üçüncül sürünme: eğim (sürünme hızı) zamanla artar

74 Birincil sürünme geçiş sürünmesi de denir. şekil değişimi-süre eğrisi eğimi (sürünme hızı) zamanla azalır. Bu bölgede deformasyon sertleşmesi olur ve sürünme direnci artar. Bu sürünme şekli metallerde tüm sıcaklıklarda görülür ve bu nedenle zaman zaman soğuk sürünme de denir.

75 İkincil sürünme değişmez-kararlı, sabit sürünme de denir. eğrinin eğimi ve sürünme hızı sabittir. Sürünme sürecinin en uzun aşaması budur. deformasyon sertleşmesi ile toparlanma arasında bir denge oluşmasından kaynaklanır. Toparlanma ile malzeme kısmen yumuşar ve daha fazla deformasyona uğrayabilir. Viskoz sürünme ve sadece daha yüksek sıcaklıklarda karşılaşıldığı için sıcak sürünme olarak da adlandırılır. Kesit alanında aşırı daralma olduğunda üçüncül sürünme rejimine geçilir.

76 Üçüncül sürünme En son aşama üçüncül sürünmedir. Bu aşamada sürünme hızında bir artış gözlenir. Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları boyun verme gibi olaylar gerçekleşir. Üçüncül sürünme bölgesinde deformasyon hızı süratle artar ve bu sürecin sonunda kopma gerçekleşir. Boyun verme veya iç boşlukların oluşmasına bağlı olarak kesit alanında ciddi bir azalma olduğunda gerçekleşir.

77 kopma Sonunda kırılma-kopma gerçekleşir. Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları boyun verme gibi olaylar gerçekleşir. Kopma-kırılma malzemede meydana gelen mikroyapısal ve metalurjik değişimlerin sonucunda yaşanır: tane sınırlarının ayrılması, iç çatlakların, boşlukların, yarıkların oluşması vb. Çekme yükleri durumunda deformasyon bölgesinde boyun verme gerçekleşir. Böylece gerilmeyi çeken net kesit alanı azalır ve kopma kaçınılmaz olur.

78 Anlık elastik deformasyon Deformasyon (şekil değişimi) Sürünme eğrisi D E kopma C t e B A Birincil sürünme İkincil sürünmekararlı sürünme Üçüncül sürünme süre

79 Sürünme parametreleri Δε/Δt (sürünme hızı): uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım parametresi. En düşük sürünme hızı: ikincil sürünme bölgesindeki sabit sürünme hızı Kopma süresi (t r ): nispeten daha kısa süreli uygulamalar için tasarım parametresi

80 log Sürünme hızı Sabit sürünme hızı ile gerilme ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi tarif eden amprik bağıntılar geliştirilmiştir. Sürünme hızı vs gerilme ilişkisi: K 1 ve n malzeme sabitleridir. Logaritmik ifade şekli ile eğimi n olan düz bir çizgi elde edilir. n log e. s

81 Sürünme eğrisi Bu şekilde elde edilen en az 2 eğrinin eğimleri (dε/dt) ölçülerek malzeme sabitleri belirlenir. Sürünme deformasyonu, e σ 3 =69MPa dε/dt σ 2 =62MPa dε/dt σ 1 =55MPa dε/dt Süre, t

82 Sürünme şekil değişimi problem Alüminyuma 180 C de farklı gerilme seviyelerinde uygulanan sürünme deneylerinde aşağıdaki sürünme hızları ölçülmüştür. 62 MPa /st 55 MPa /st 55 MPa gerilme için 62 MPa gerilme için e/ t= st -1 e e/ t= t st -1 süre (st) 59 MPa gerilmede sürünme hızını hesaplayın!

83 problem = K.62 n = K.55 n 2.64 = 62 n / 55 n ln2.64 = n.ln62 n.ln55 n=8.1 K= σ = 59 MPa için: e t hr -1

84 gerilme (MPa) sürünme hızı Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta (T) ve gerilmede ( ) sabittir. Deformasyon sertleşmesi toparlanma ile dengelenir. Gerilme üstü e n Q c s K2 exp RT sürünme hızı gerilme Malzeme sabiti Sıcaklık Gerilme sürünme hızı 10 Sürünme aktivasyon Enerjisi (malzeme parametresi) 427 C 538 C 649 C Sürünme hızı (%/1000hr) e s

85 problem 140 MPa gerilme seviyesinde 817 ve 927 C de ölçülen sürünme hızları sırası ile 6.6 x 10-4 /st ve 8.8 x10-2 /st C de 83 MPa gerilme altında sürünme hızı nedir? Gerilme üssü, n değeri 8.5. e s K2 n exp RT yukarıda verilen değerlerle 2 bilinmeyenli (K 2 ve Q c ) 2 denklem kurup K 2 ve Q c için çözüm ararız. Q c

86 problem ln (6.6x10-4 ) = ln K ln 140 ln (8.8x10-2 ) = ln K ln 140 Q c 8.31 x 1090 Q c 8.31 x 1200 K 2 = 57.5 /st Q c = J/mol e s K 2 n exp Qc RT e. = 57.5 (83) 8.5 exp x 1300 = 4.31 x 10-2 /st

87 problem 10 mm çapında ve 500 mm uzunluğunda S-590 alaşımlı silindirik numuneye 730 C de çekme gerilmesi uygulanıyor st sonra toplam uzamanın 145 mm olması için çekme yükü ne olmalıdır? İlk anlık sürünme uzamasını 8.6mm alın. Toplam uzama=145mm; anlık uzama 8.6mm olduğuna göre, Kararlı sürünme bölgesindeki uzama= 136.4mm; Şekil değişimi=136.4/500 = 0.27 Sürünme hızı= 0.27/2000 = /st = 1.35x10-4 /st 730 C de bu sürünme hızını veren gerilme: 190 MPa N

88 Kopma süresi İkincil sürünme viskoz karakterlidir. Minimum sürünme hızı (V 0 ) bu aşamada eğrinin eğiminden hesaplanır: Δε/Δt. ikincil sürünme evresi sıcaklığa çok hassastır. Üçüncül sürünme artan hızla gerçekleşir. Kopma süresi ile gerilme arasındaki ilişki: t r a n t r : kopma süresi a, n: malzeme sabitleri

89 problem S-590 alaşımlı parçaya 650 C de 300 MPa çekme gerilmesi uygulanırsa kopma süresi ne olur? Bu şartlarda kopma süresi: 400 saat

90 Genel sürünme davranışı Bir sürünme deneyinden elde edilen en önemli bilgi, ikincil sürünme bölgesinde sabit eğim değeridir. Bu değer en düşük, kararlı-değişmez sürünme hızıdır. Uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım parametresidir. Örneğin nükleer santraller için malzeme, birkaç on yıl için tasarım yapılarak seçilir. Oysa servis süreleri daha kısa olan savaş uçaklarının jet motorları türbin kanatları için tasarım parametresi kopmaya kadar geçen toplam süredir. Bu parametrenin belirlenmesi için sürünme testlerinin kopmaya kadar sürdürülmesi gerekir.

91 Gerilme ve sıcaklık etkileri Hem sıcaklık hem de gerilme seviyesi sürünme karakteristiklerini etkiler. 0.4T m nin epey altındaki sıcaklıklarda ve ilk deformasyondan sonra şekil değişimi esasen zamandan bağımsızdır. Artan gerilme veya artan sıcaklıkla: deformasyon artar sürünme hızı artar toplam kopma süresi kısalır.

92 Sürünme deformasyonu Gerilme ve sıcaklık etkileri sıcaklık ve uygulanan gerilme etkilerinin ölçülmesi için sabit sıcaklıkta farklı gerilmeler uygulanarak deformasyonlar ölçülür. Bu farklı sıcaklıklar için tekrarlanarak sıcaklık ve gerilme etkisi tanımlanır. T 4 / σ 4 T 3 / σ 3 T 1 <T 2 <T 3 <T 4 T 2 / σ 2 σ 1 <σ 2 <σ 3 <σ 4 T 1 / σ 1 T<0.4T m süre

93 Tane boyutu etkisi Sürünme davranışını en çok etkileyen faktör tane boyutudur. tane boyutu: taneler ne kadar küçük ise, malzeme o kadar dayanıklıdır. Ancak ekikohezif sıcaklığın (T e > T m/2 ) üstünde bu etki tersine döner. İri taneli yapılar ince tanelilerden daha yüksek sürünme direnci gösterirler.

94 Alaşım bileşimi etkisi bileşim: saf metaller alaşımlarından daha yumuşaktır. ikinci fazlar dislokasyon hareketine engel olur. Bu nedenle saf metallerde sürünme daha fazladır. Çeliğin sürünme direnci çözeltide kalan Ni, Co ve Mn gibi ve karbür yapıcı Cr, Mo, W ve V gibi elementlerle artar.

95 Deformasyon etkisi Çeliklerde deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır. Kırılmanın taneler arasından tane içine dönüştüğü ekikohezif sıcaklığın altında deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır ve belirgin bir sürünme deformasyonu görülmez. Dolayısı ile ikincil sürünme bölgesi yataydır. Ekikohezif sıcaklığın üstünde plastik akma hızı deformasyon sertleşmesi hızını geçer ve sürünme düşük gerilmeler altında bile devam eder.

96 Isıl işlem etkisi Çeliklerin sürünme direnci ısıl işlemle etkilenir. Yapı ısıl işlemle değiştiği için sürünme davranışı da etkilenir.

97 Data ekstrapolasyon yöntemleri Mühendislik tasarımlarına faydalı olacak sürünme davranış bilgilerini laboratuar deneylerinden elde etmek güçtür. Bu durum özellikle uzun süreli, yıllar sürebilecek servis şartları için geçerlidir. Bu sorun sürünme ve sürünme kopma testlerinin denk gerilme seviyelerinde fakat gerekli olandan daha yüksek sıcaklıklarda yapılması ile aşılabilir. Bu şekilde (ağırlaştırılmış ve hızlandırılmış) testlerin makul sürelerde tamamlanması mümkün olabilir.

98 Data ekstrapolasyon yöntemleri Bu uygulamada deney sonuçlarının çalışma şartlarına ekstrapolasyon yöntemi ile değerlendirilmesi gerekir: Popüler bir pratik Larson-Miller parametresinin (L) uygulanmasıdır. L = T (C + log t r ) = T (20 + log t r ) C: sabit değer; 20 T: sıcaklık (K) ve t r : kopma süresi (st)

99 problem S-590 alaşımı için yandaki şekilde yer alan Larson-Miller bilgilerini kullanarak, 800 C de 140 MPa gerilme altında kopma süresini hesaplayın. 140 MPa gerilme değerinde Larson-Miller parametresi, L: 24x x10 3 = T (20 + log t r ) = ( ) (20 + log t r ) = 20 + log t r t r için çözersek, t r = 233 saat ( 10 gün)

100 problem 650 C de yükleme altındaki 18-8 paslanmaz çeliği için kopma süresinin 1 yıl olacağı gerilme seviyesi nedir? 1 yıl = 365 x 24 = 8760 = 8.76 x10 3 st Önce bu süre için Larson-Miller parametresini belirlemek gerekir. T (20 + log t r ) = ( ) (20 + log 8.76 x 10 3 ) = 22.1 x10 3 Grafikten gerilme seviyesi : 200 MPa

101 Yüksek sıcaklık alaşımları Metallerin sürünme davranışını etkileyen faktörler: Ergime noktası Elastik modül Tane boyutu Ergime noktası Elastik modülü Tane boyutu sürünme direnci

102 Yüksek sıcaklık alaşımları Sürünme direnci yüksek malzemeler arasında süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter metalleri sayabiliriz. Taneler küçük olduğunda tane sınırı kayması artar ve sürünme hızı da artar. Tane çapının bu etkisi düşük sıcaklıklardaki etkisinden tamamen farklıdır: tane boyutu küçüldükçe mukavemet ve tokluk artar. sürünme şartları için özel üretim teknikleri geliştirilmiştir: çok uzun taneler üreten yönlenmiş katılaştırma veya tek kristal üretimi

103 Yüksek sıcaklık alaşımları Geleneksel döküm yöntemi ile üretilmiş Çok kristalli süper alaşım yönlendirilmiş kolonsal tane yapısı ile Yüksek sıcaklık sürünme davranışı arttırılmış çok kristalli süper alaşım tek kristal yapılı süper alaşım; sürünmeye en dayanıklı

104 Korozyon süreci anot katot Korozyona uğrayan metal parçada elektrik yük transferi Kütle transferi-difüzyon, konveksiyon; migrasyon e hareketi ile elektrik akımı iyon hareketi ile elk. akımı

105 Elektrokimyasal ögeler oksidasyon reaksiyonlarında Metal atomları elektron kaybeder/verirler. n adet valens elektronu olan M metali için: M M n+ + ne Bu reaksiyon sonucunda M n pozitif yüklü bir iyon haline gelir. Metallerin oksitlenmesine örnek: Fe Fe e Al Al e Oksitlenmenin yaşandığı bölgeye anot denir.

106 Elektrokimyasal ögeler Oksitlenen metalden açığa çıkan her elektron bir başka maddeye transfer olmalı ve bu maddenin bir parçası haline gelmelidir. Bu prosese redüksiyon reaksiyonu denir. Bazı metaller yüksek miktarda Hidrojen iyonu içeren asit çözeltilerinde korozyona uğrar: H iyonları aşağıdaki şekilde redüklenir: 2H + + 2e H 2 Ve böylece hidrojen gazı açığa çıkar.

107 Elektrokimyasal ögeler Metalin temas ettiği çözeltiye bağlı olarak başka redüksiyon reaksiyonları da vardır: Çözünmüş oksijen bulunduran bir asit çözeltisinde redüksiyon: O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Ya da, yine çözünmüş oksijeni olan nötr veya bazik sulu çözeltilerde redüksiyon: O 2(g) +2H 2 O (l) +4e - 4OH - (aq)

108 Korozyon reaksiyonları Nötr ve alkali ortamlarda Zn 2+ 2Me 2Me ++ +4e- O 2 + 2H 2 O +4e- 4OH - anodik katodik e- 2Me+ O 2 + 2H 2 O+4e- 2M ++ +4OH - toplam H + H+ e- H 2 Asidik ortamlarda çinko H + M M ++ +2e - 2H + +2e - H 2 anodik katodik M + 2H + M ++ + H 2 toplam

109 Demir için korozyon reaksiyonları anodik reaksiyon: Fe (s) Fe 2+ (aq)+2e - katodik reaksiyon: 2H + (aq)+2e - H 2 (g) O 2(g) +2H 2 O (l) +4e - 4OH - (aq) O 2(g) +4H + (aq)+4e - 2H 2 O (l) toplam reaksiyon: Fe (s) +2H + (aq) Fe 2+ (aq) + H 2(g) 2Fe (s) +O 2(g) +2H 2 O (l) 2Fe 2+ (aq)+4oh - (aq) 2Fe (s) +O 2(g) +4H + (aq) 2Fe 2+ (aq)+2h 2 O (l) demirin korozyonu kimyasal atmosferik birarada kimyasal atmosferik birarada

110 Korozyon potansiyeli hesabı Redüksiyon reaksiyonu oksidasyon reaksiyonundan daha yüksek potansiyele sahip olmalıdır. Aksi takdirde katodik bir hücre oluşmaz. 2 Fe e Fe V 2 Zn 2e Zn V V V Korozyonun relatif ölçüsü

111 Demir saf (gazı alınmış) suda neden paslanmaz? anodik reaksiyon: Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2e - katodik reaksiyon: 2H 2 O (l) + 2e - H 2 (g) + 2OH - (aq) E o (V) toplam reaksiyon: Fe (s) + 2H 2 O (l) Fe 2+ (aq) + H 2(g) + 2OH - (aq) E o cell (V) Saf suda hangi metaller paslanır? Yeterince aktif olan her metal: E o red < V (alkali metaller, alkali toprak metaller, Al, Mn)

112 Elektrod potansiyelleri Bu durumda Zn anot olarak davranır ve korozyona uğrar: Zn Zn e -( V) Fe bu çiftte katot rolündedir: Fe e Fe Elektrokimyasal reaksiyon ise, Fe +2 + Zn Fe + Zn V V hücre reaksiyonuna ait potansiyel V

113 daha anodik daha katodik Standart EMF serisi EMF serisi metal Au Cu Pb Sn Ni Co Cd Fe Cr Zn Al Mg Na K V o metal V Elementlerin sulu ortamda çözünme eğilimleri emf serisi yardımıyla tahmin edilebilir: Me Me + + e daha küçük V o değerine sahip metal korozyona uğrar. örnek: Cd-Ni hücresi o - + V = 0.153V Cd 1.0 M Cd 2 + solution 25 C Ni 1.0 M Ni 2+ solution

114 standart EMF serisi Giderek daha asal (katodik) Korozyona uğrama riski azalıyor! Giderek daha aktif (anodik) Korozyona uğrama riski artıyor!

115 elektrokimyasal hücre potansiyeli M 1 metalinin oksidasyonu ve M 2 metalinin redüksiyonunu gösteren reaksiyonlar, V 0 lar standart emf serisinden alınan standart potansiyel değerleridir. M 1 oksitlendiği için V 0 1 değeri standart EMF serisi çizelgesinde verilenin işareti değiştirilerek (tersi) alınır.

116 elektrokimyasal hücre potansiyeli Yukarıdaki reaksiyonların toplamı toplam hücre potansiyeli, V 0 V 0 = V 0 2 V 0 1 V 0 > 0: reaksiyon yazıldığı yönde! V 0 < 0: reaksiyon ters yönde! Standart yarım hücreler bağlandığında, EMF serisinde aşağılarda yer alan metal oksitlenirken (korozyona uğrarken) yukarda yer alan redüklenir.

117 Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi Emf serisi kendi iyonlarının 1 M çözeltisi içindeki saf metallere ait ideal elektrokimyasal hücreler için geçerlidir. Sıcaklığı ve çözelti konsantrasyonunu değiştirmek veya saf metaller yerine alaşım elektrotları kullanmak hücre potansiyelini değiştirecektir. Bazı durumlarda reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşme yönü tersine dönebilir. M 1 + M 2 n+ M 1 +n + M 2

118 T: sıcaklık (K) R: gaz sabiti (8.314 J/K.mol) n: reaksiyonda yer alan e sayısı F: Faraday sabiti: 96,500 C/mol (6.023x mol elektron başına elektrik yükü) Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi M 1 + M 2 n+ M 1 +n + M 2 M 1 ve M 2 elektrotları saf metal ise, hücre potansiyeli mutlak sıcaklığa (T) ve molar iyon konsantrasyonlarına [M 1 n+ ] ve [M 2 n+ ], bağlı olacaktır. Nernst Eşitliği:

119 Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi Oda sıcaklığında (T=25 C) (RT)/F = Reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmesi için V pozitif olmalıdır. 1 M iyon konsantrasyonlarında ([M 1, n+ ] = [M 2, n+ ]=1)

120 problem kendi iyonlarını (Ni +2 ve Cd +2 ) içeren çözeltilere daldırılmış saf Ni ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal hücre düşünelim; 25 C de Cd 2+ ve Ni 2+ konsantrasyonları sırası ile 0.5 ve 10-3 M olsun. Hücre potansiyelini hesaplayın. Bu şartlarda reaksiyonun yönü standart hücrede olduğu gibi midir? Yarım hücre çözelti konsantrasyonları 1 M olmadığından Nersnt eşitliğini kullanmalıyız. Bu şartlarda reaksiyonun nasıl gerçekleşeceğini bilmediğimiz için bir tahminde bulunalım: Bu çiftten Cd redüklenen, Ni oksitlenen metal olsun!

121 no problem! Aşağıdaki reaksiyonu seçmiş olduk! Cd 2+ + Ni Cd + Ni 2+ V = (V o Cd V o Ni) RT nf ln [Ni 2+ ] [Cd 2+ ] Cd e- Cd V Ni e- Ni V V = ( V ( V)) V = V V negatif olduğuna göre yukarıdaki reaksiyon yazıldığı gibi değil ters yönde ilerleyecektir: Ni 2+ + Cd Ni + Cd 2+ Cd oksitlenir/ni redüklenir! Fakat bu şartlarda reaksiyonun itici gücü azalmıştır: V > V 2 log [10-3 ] [0.50]

122 problem kendi iyonlarını (Fe +2 ve Cd +2 ) içeren 1 M çözeltiye daldırılmış saf Fe ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal hücrede; 25 C de Cd 2+ ve Fe 2+ konsantrasyonları sırası ile 2x10-3 ve 0.4 M için, hücre potansiyelini hesaplayın. Reaksiyonu yazın.? Yarım hücre çözelti konsantrasyonları 1 M olmadığından Nersnt eşitliğinden yararlanacağız! Bu şartlarda reaksiyonun nasıl gerçekleşeceğini bilmediğimiz için bir tahminde bulunarak Cd ve Fe den birini oksitlenen, diğerini redüklenen kabul edelim!

123 no problem! Aşağıdaki reaksiyonu seçelim: Cd 2+ + Fe Cd + Fe 2+ V = (V o Cd V o Fe) RT nf ln [Fe 2+ ] [Cd 2+ ] Cd e- Cd V Fe e- Fe V V = [ V ( V)] V = V log [0.4] 2 [ ] V negatif olduğuna göre yukarıdaki reaksiyon yazıldığı gibi değil ters yönde gerçekleşecektir: Fe 2+ + Cd Fe + Cd 2+ Cd oksitlenir Fe redüklenir

124 Galvanik seri Standart EMF serisi ideal koşullarda elde edilmiş ve metallerin göreceli reaktifliklerini gösterir; Faydası sınırlıdır! Daha gerçekçi ve pratik fayda sunan bir sıralama Galvanik seridir. Bu sıralama bir çok metalin ve ticari alaşımın deniz suyundaki göreceli reaktifliklerini temsil eder. Üst sıradaki metaller katodik (reaktif değil) iken, alt sıradakiler anodiktir (reaktif).

125 Daha anodik (aktif) Daha katodik (asal) Galvanik seri Platin altın Grafit Titanyum gümüş 316 paslanmaz çelik Nikel (pasif) bakır Nikel (aktif) kalay kurşun 316 paslanmaz çelik Dökme demir Demir-çelik Alüminyum alaşımları kadmiyum çinko Magnezyum metal ve alaşımların deniz suyundaki reaktifliklerinin sıralanması!

126 Korozyon hızı Korozyon hızı, malzeme kaybı hızı, önemli bir korozyon parametresidir. Bu hız, korozyon nüfuz hızı (CPR); birim zamanda malzeme yüzeyinden malzeme kalınlık kaybı (mm/yıl) olarak ifade edilebilir. K W CPR = A t W: ağırlık kaybı (mg) t: süre (saat) : yoğunluk (g/cm 3 ) A: yüzey alanı (cm 2 ) K : sabit (mm/yıl için 87.6) Birimlere dikkat! Bir çok uygulama için kabul edilebilir korozyon hızı <0.5 mm/yıl

127 Problem Bir tankerdeki 65 cm 2 yüzey alanına sahip, paslı çelik bir parça korozyonla 2.6 kg ağırlık kaybına uğramış! Korozyon nüfuz hızı 5 mm/yıl olduğuna göre denizde ne kadar süre kaldığını hesaplayın. (çeliğin yoğunluğu: 7.9 g/cm 3 ) K W CPR = A t K W t = A CPR W: 2.6x10 6 mg : 7.9 g/cm 3 A: 65 cm 2 K : 87.6 t = 87.6 x 2.6x x 65 x 5 = 10 yıl

128 Aktivasyon polarizasyonu Aktivasyon polarizasyonu için aşırı voltaj ( a ) ve akım yoğunluğu (i) arasındaki ilişki ve i 0 : yarım hücre için sabit : oksidasyon reaksiyonu için +/redüksiyon için i 0 : değişim akım yoğunluğu

129 problem Oksidasyon hızı hesabı Zn asit çözeltisinde korozyona uğrar: Zn + 2H + Zn 2+ + H 2 Oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının hızı aktivasyon polarizasyonunca belirlenmektedir. a) Aşağıdaki aktivasyon polarizasyonu şartlarında Zn nun oksidasyon hızını (mol/cm 2 s) hesaplayın. b) Korozyon potansiyelini hesaplayın.

130 no problem! a) oksidasyon hızı hesabı Zn nun oksidasyon hızını hesaplayabilmek için önce hem oksidasyon hem de redüksiyon reaksiyonu için aşırı voltaj ile akım yoğunluğunu ilişkisini kurmak gerekir. Daha sonra bu ifadeler eşitlenerek i değeri için çözüm aranır. Bu değer korozyon akım yoğunluğudur, i c. aktivasyon H redüksiyonu için polarizasyonu Zn oksidasyonu için Bunları eşitleyerek

131 no problem! Verilen değerleri kullanarak, log i için çözersek (log i c ): Korozyon hızı (r) ve akım yoğunluğu (i c ) arasındaki ilişkiden A = C/s

132 no problem! b) Korozyon potansiyeli hesabı Korozyon potansiyeli hesabı için ya V H ya da V Zn için kullandığımız denklemlerden birinde i için az önce bulduğumuz i c değerini kullanabiliriz:

133 Elektrokimyasal potansiyel, V(V) pasivasyon Pasif hale geçen bir metalin polarizasyon eğrisi aşağıdaki grafikteki gibidir: Düşük potansiyel değerlerinde, aktif bölgede değişim normal metallerde olduğu gibi lineerdir. Potansiyelin artması ile akım yoğunluğu potansiyelden etkilenmeyen çok düşük bir değere düşer. Bu bölgeye pasif bölge denir. Potansiyelin daha da artması ile akım yoğunluğu tekrar yükselişe geçer: transpasif bölge log akım yoğunluğu, i (A/cm 2 ) transpasif pasif aktif

134 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

135 Korozyon türleri Homojen korozyon Bölgesel korozyon Galvanik korozyon Aralık korozyonu Oyuklanma korozyonu Taneler arası korozyon Tercihli çözünme Erozyonlu korozyon Gerilmeli korozyon hidrojen varlığına bağlı Hidrojen gevrekliği

136 Homojen korozyon Homojen korozyon tüm yüzeyde eşit şiddette gerçekleşen ve yüzeyde bir film veya korozyon ürünü oluşturan korozyon şeklidir. Mikroskobik ölçekte oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonları yüzeyde rastgele gerçekleşirler. En yaygın korozyon türüdür. Öngörülebildiği ve önlemleri alınabildiği için en az risk içeren korozyon türüdür. Bildik homojen korozyon örnekleri çeliklerin genel paslanması ve gümüşün lekelenmesi

137 Galvanik korozyon Mesela deniz suyunda pirinç ile temas eden çelik vidalar korozyona uğrar; Evlerimizde kullandığımız su ısıtıcılarında bakır ve çelik tüpler birbirine bağlı ise, bağlantıya yakın bölgede çelik korozyona uğrar. Çelik çekirdek çevresine dökülen magnezyum kabukta galvanik korozyon

138 galvanik korozyon Etkileyen faktörler Anot/Katot yüzey oranı Küçükse korozyon hızı Büyükse korozyon hızı korozyon hızı akım yoğunluğuna (korozyona uğrayan yüzeyde birim alana düşen akım) bağlı olduğu için! küçük anot korozyon hızı Büyük katot Dolayısı ile daha küçük yüzey alanına sahip bir anotta daha yüksek bir akım yoğunluğu olur ve korozyon daha hızlı seyreder. büyük anot korozyon hızı küçük katot

139 Galvanik korozyon Galvanik korozyonun etkilerini azaltmak için: Eğer farklı metallerin birleştirilmesi kaçınılmaz ise galvanik seride birbirine daha yakın olanları seçin. anot-katot yüzey oranlarını hesaba katın; mümkün olduğunda daha geniş bir anot yüzeyini tercih edin. Farklı metalleri elektriksel olarak birbirinden yalıtmaya çalışın. Üçüncü anodik bir metali elektriksel olarak diğer ikisine bağlayın (bir çeşit katodik koruma)

140 aralık korozyonu aralıklarda kir ve korozyon ürünleri altında çözelti durgunlaşır ve bölgesel olarak çözünmüş oksijen fakirleşmesi yaşanır. Bu gibi bölgelerde oluşan korozyona aralık korozyonu denir. Yarık çözeltinin geçmesine izin verecek kadar geniş çözelti hareketsizliğine sebep olacak kadar dar olmalıdır. ( mm nin küçük kesri kadar bir değer!) Deniz suyuna daldırılan bu parçada korozyon pulların örttüğü alanlarda yaşanmıştır.

141 aralık korozyonu için önlemler İyi bir tasarım: çözeltinin hareketsizliğine yol açmayacak şekilde tasarımlar kullanılmalıdır. Aralık korozyonuna dayanıklı malzeme seçimi aralık korozyonu perçinlenmiş yerine kaynakla birleştirilmiş levhaların kullanılması halinde önlenebilir. aralıkta biriken kir-pasın sık sık temizlenmesi de işe yarar.

142 oyuklanma korozyonu

143 Oyuklanma korozyonu Oyuklanma bir diğer bölgesel korozyon olayıdır. Bu korozyon türünde yüzeyde küçük oyuk ve çukurlar oluşur. Bu çukur ve oyuklar metal yüzeyine hemen hemen dik bir yönde (yatay yüzeylerde aşağı doğru) ilerlerler. Çok sinsi bir korozyon olayıdır ve hiçbir alarm vermeden, çok az malzeme kaybı ile parçanın servis dışı kalmasına kadar fark edilmeden ilerleyebilir.

144 oyuklanma korozyonu Önlemler Oyuklanmaya dayanıklı malzeme seçimi, ortamdaki Cl - konsantrasyonun kontrolü, inhibitör kullanımı

145 Taneler arası-tane sınırı korozyonu tane sınırlarını takip eder. koca bir metalik parça tane sınırlarından ayrılabilir. özellikle bazı paslanmaz çelik türlerinde görülür ºC arasındaki sıcaklıklara ısıtıldıklarında bu çelikler tane sınırları hasarına hassas hale gelir. Bu ısıl işlemde paslanmaz çelikteki Cr ve C küçük Crkarbür çökeltileri yaparlar. Bu çökeltiler çoğu zaman tane sınırlarında oluşur. Cr + C Cr 23 C 6 Tane sınırları çevresi Cr Tane sınırı fakirleşmesi yaşar ve korozyona hassas hale gelir. Cr 23 C 6 Cr fakirleşmesi

146 Tercihli çözünme katı eriyik alaşımlarında meydana gelir. elementlerden veya fazlardan biri tercihli olarak çözünür. Örnek: pirinçlerde görülen çinkosuzlaşma Cu-Zn alaşımından Zn tercihli olarak çözünür. Çinkosuzlaşan bölgede geriye gözenekli bir bakır kalır ve mekanik özellikler ciddi zarar görür. Ayrıca bu olayda pirincin rengi sarıdan kırmızıya veya bakır rengine doğru değişir. Tercihli çözünme alüminyum, demir, kobalt, krom ve bu şekilde tercihli çözünmeye yatkın diğer alaşım sistemlerinde de görülebilir.

147 Erozyon-korozyon Erozyonlu korozyon sıvı hareketi sonucunda kimyasal etkilenme ve mekanik aşınmanın bir arada yaşandığı hasar türüdür. Hemen hemen bütün metaller erozyonlu korozyona maruz kalabilirler. özellikle koruyucu bir yüzey filminin oluşması ile korunan-pasifleşen alaşımlar zarar görür. Yüzeydeki aşınma koruyucu filmi bozar ve alttaki metali korozif etkilenmeye açık savunmasız bırakır. Koruyucu filmin yüzeyi tamamen örtecek şekilde kısa sürede oluşamadığı durumlarda korozyon hasarı ciddi seviyelerde olabilir.

148 Erozyon-korozyon Bakır ve kurşun gibi yumuşak metaller de bu tür korozyona hassasiyet gösterir. Yüzeyde sıvı akış yönünde izlerin oluşmaya başlamış olması erozyonlu korozyon hasarının habercisi olabilir. Sıvının karakteri de korozyon davranışı üzerinde etkilidir. Sıvının akış hızı arttıkça korozyonun hızı da artar. sıvıda gaz kabarcıkları ve süspansiyonda katı partiküller olduğunda erozif etki ve korozyon hasarı şiddetlenir. Erozyonlu korozyon sıvı taşıyan borularda, özellikle büküm bölgelerinde, dirseklerde, boru çapının aniden değiştiği, sıvının hız değiştirdiği ve aniden türbülanslı hale geçtiği bölgelerde çok belirgindir. Pervanelerde, türbin kanatlarda, vana ve pompalarda bu korozyon türüne sık rastlanır.

149 Erozyon-korozyon Erozyonlu-korozyon hasarını önlemenin en başarılı yolu, tasarımı, sıvı akışında türbülansı ve yüzeye çarpma bölgelerini önleyecek şekilde değiştirmektir. Erozyonlu korozyon hassasiyeti daha düşük malzemeler tercih edilmelidir. Sıvı içinde taşınan katı partikülleri ve gaz kabarcıklarını yok etmek de ciddi fayda sağlar. Buhar kazanı borularında erozyonlu korozyon hasarı

150 Gerilmeli korozyon Gerilmeli korozyon (gerilmeli korozyon çatlaması) parçanın maruz kaldığı çekme gerilmeleri ve korozif ortamın birlikte neden olduğu hasar türüdür. Herhangi bir korozif ortama dayanıklı olduğu bilinen malzemeler ayrıca bir de gerilme tecrübe ettiklerinde bu korozyon türüne hassas hale gelebilirler. Önce küçük çatlaklar oluşur ve gerilme yönüne dik yönde büyür ve kopma-kırılmalarla sonuçlanır.

151 Gerilmeli korozyon Metal sünek bile olsa bu şartlarda gerçekleşen kırılma gevrek bir karakter gösterir. Çatlaklar çekme mukavemetinin çok altındaki gerilme seviyelerinde oluşabilir. Bir çok alaşım belirli ortamlarda orta seviyelerdeki gerilmelere maruz kaldıklarında gerilmeli korozyona hassas hale gelebilirler. Örneğin, paslanmaz çelikler, klorür iyonları içeren çözeltilerde, Pirinçler ise, amonyaka maruz kaldıklarında gerilmeli korozyona uğrarlar.

152 Gerilmeli korozyon Bu hasarın ortaya çıkmasında rol oynayan gerilmenin dışarıdan uygulanması gerekmez. Ani sıcaklık değişimleri ile ortaya çıkan artık gerilmeler, homojen olmayan ısıl genleşmeler, ısıl genleşme katsayısı farklı fazlardan oluşan çift fazlı alaşımlarda görülen gerilmeler etkili olabilir. Ayrıca, oluştuktan sonra malzeme içinde alıkonan gaz ve katı korozyon ürünleri de iç gerilmelere neden olabilir.

153 Gerilmeli korozyon Gerilmeli korozyon için alınabilecek en iyi önlem gerilmenin şiddetini azaltmaktır. Bu yükü azaltarak, ya da gerilmeye maruz kalan kesitin alanını arttırarak yapılabilir. Ayrıca kalıntı gerilmeleri azaltmak için bir gerilme giderme ısıl işleminin de faydası olur. Pirinç alaşımında taneler arası gerilmeli korozyon hasarı

154 filiform korozyonu Metal yüzeyinde bulunan boya veya kaplama tabakası altında yürüyen bir korozyon olayıdır.

155 Korozyondan korunma

156 Korozyondan korunma Başlıca korunma yaklaşımları: Malzeme seçimi Çevresel ortamın değiştirilmesi Tasarım Kaplamalar anodik koruma katodik koruma

157 Malzeme seçimi en etkili korunma yöntemi çalışma şartları ve ortamı belirlendikten sonra malzeme seçimidir. Standart korozyon referanslarından yararlanılabilir. Bu çerçevede maliyet önemli bir faktör olabilir. Ancak, en yüksek korozyon dayanıklılığı veren malzemeyi seçmek her zaman ekonomik değildir. Mümkünse, Korozyona neden olan ortamın karakterinin değiştirilmesi bazen en akıllı çözümdür. Bu şekilde metalin pasifleşmesi sağlanabilir.

158 inhibitörler İnhitörler korozyona yol açan ortama düşük miktarlarda ilave edildiklerinde korozif karakterini azaltan maddelerdir. Spesifik olarak hangi inhibitörlerin kullanılacağı alaşıma ve korozif ortama bağlıdır. Etkinliklerini belirleyen mekanizmalar çeşitli ve değişiktir. Bazıları çözeltide korozyona neden olan çözünmüş oksijen gibi kimyasal aktif madde ile reaksiyona girerek onu azaltır veya tamamen ortadan kaldırır.

159 inhibitörler Bazı inhibitör molekülleri kendilerini korozyona uğrayan yüzeye bağlar; ince koruyucu bir film oluşturur ve oksidasyon/redüksiyon hızını düşürür. İnhibitörler çoğunlukla otomobil radyatörleri ve buhar kazanları gibi kapalı sistemlerde kullanılır.

160 tasarım Galvanik, yarık korozyonu, erozyonlu korozyon hadiselerinde tasarım düzenlemeleri çok işe yarar. Tasarımlar devre dışı kalma anlarında korozif çözeltinin tamamen boşaltılmasına, kolay temizleme eylemlerine izin vermelidir. Çözünmüş oksijen bir çok çözeltinin korozifliğini arttırdığından havanın dışarda bırakılması seçeneğini barındırmalıdır.

161 kaplamalar Korozyona uğrayan yüzeyler fiziksel olarak bariyer görevi gören film ve kaplamalarla kaplanabilir. Değişik metalik ve metalik olmayan kaplama malzemeleri mevcuttur. Kaplamanın yüzeye tutunması çok önemlidir ve çoğu kez bunun sağlanması bir ön hazırlık işlemi gerektirir. Kaplama korozif ortamda reaktif olmamalıdır. Korumakta olduğu metali açıkta bırakmamak için mekanik hasara dayanıklı olmalıdır. Kaplamalar metalik, seramik ve organik (polimer) olabilir.

162 kaplamalar Metalik kaplamalar Katodik: bariyer tipi! Kaplamalar gözeneksiz ve kusursuz olmalı! Bu nedenle bir kaç katmanlı üretilirler. Eğer kusur olursa alttan açığa çıkan metali geniş katot alanı nedeniyle süratle korozyona uğratırlar. Çelik üzerine krom, nikel bakır kaplamalar. Genelde kozmetik amaçlı da kullanılırlar. Bu kaplamalar altaki metale göre (bu genellikle demirli alaşımlar ve çeliktir) katodiktir. Kendileri çözünmezler. Ancak çok dikkatli kullanılmaları gerekir.

163 kaplamalar Metalik kaplamalar Anodik: Çelik üzerine çinko, aluminyum kaplamalar Kaplamalardaki süreksizlikler çok kritik değil! Kendini feda eden kaplama tipi: Zn, Al kaplamalar buna örnektir. Alttaki metale göre anodik oldukları için öncelikli olarak kaplama çözünür. Ancak bu iki metalin yüzeyinde oksit oluştuğu için çözünme hızları çok düşüktür. Bu kaplamalarda kusur olması çok kritik değildir. Kusur bölgelerinde de alttaki metali koruyabilirler.

164 kaplamalar Organik kaplamalar Çok çeşitli tipte ve yöntemle kaplanan organik kaplama mevcut, özellikle çelik esaslı ürünlerin korunması amacıyla çok yaygın olarak kullanılır. Kaplamaların süreksiz olması ve iyi yapışması gerekir

165 anodik koruma Pasifleşebilen metal ve alaşımlar için Temel prensip metal veya alaşımı pasif olarak davrandığı bölgede tutmaktır.

166 Katodik korunma en bilinen koruma yöntemi katodik korumadır. Bilinen tüm korozyon türleri için kullanılabilir ve bazı durumlarda korozyonu tamamen durdurur. Metallerin korozyonu aşağıdaki reaksiyona göre oluşur. M M n+ + ne Katodik koruma dış bir kaynaktan korunacak metale elektron tedarik ederek onu katot yapmaktan ibarettir. Böylece yukarıdaki reaksiyon ters yönde gerçekleşerek korozyonu ortadan kaldırır.

167 Katodik korunma Toprakaltına döşenen boruların, gemilerin, otomobillerin korunmasında kullanılır. İki şekilde uygulanır: Dışarıdan akım uygulamalı Kurban anot: Çinko, alüminyum ve Mg anotlar

168 Katodik koruma uygulamaları Galvanizli çelik Zn kaplama Kurban anotlar gemi gövdeleri denizaltılar (serbest su dolaşımı olan bölgeler

169 Kurban anot Katodik korunma yöntemlerinden biri galvanik bir çiftten yararlanır. Korunacak metal elektriksel olarak maruz kalınan ortamda daha reaktif olan bir diğer metale bağlanır. Böylece bu metal oksitlenmeye uğrar, elektron verir ve korumak istediğimiz metali korozyona karşı korur. Oksitlenmenin gerçekleştiği metale kurban anot denir. Galvanik serinin anodik ucunda bulunduklarından Mg ve Zn sıklıkla kurban anot olarak kullanılırlar. Toprak altı bir boru sisteminin Mg kurban anodu ile katodik korunması

170 galvanizleme Galvanizleme bir çeliğin yüzeyinin sıcak daldırma yöntemiyle çinko kaplanması işidir. Atmosferde ve birçok sulu çözeltide Zn anodiktir ve bir yüzey hasarı olduğunda çeliği korur. Anot-katod yüzey alanı oranı çok yüksek olduğu için, çinko kaplamanın korozyonu çok yavaş ilerler. Zn kaplama anot korozif ortam çelik katod

171 Zoraki akım koruması Diğer bir katodik koruma uygulamasında, metalin korozyon reaksiyonunu durduracak elektron tedariği bir dış doğru akım kaynağından sağlanır. Akım kaynağının negatif kutbu korunacak metale bağlanır. Diğer kutup asal bir anoda-çoğunlukla grafit kullanılırbağlanır. Toprak altı tankın zoraki akımla katodik korunması

172 oksitlenme Metallerin oksidasyonu normal hava gibi gaz atmosferlerinde de mümkündür. Oksit filmi metalin yüzeyinde oluşur. Buna çoğu kez paslanma, kuru korozyon da denir. Sulu çözeltilerde olduğu gibi, oksit filmi oluşması elektrokimyasal bir süreçtir.

173 oksitlenme Metal oksit filmi (MO) gaz (O 2 ) Redüksiyon yarı reaksiyonu yüzey oksit filmi ile gaz ara yüzeyinde gerçekleşir. M M e ½ O 2 + 2e O 2-

174 oksitlenme Oksit kalınlığının artması için redüksiyonun gerçekleştiği oksit filmi-gaz ara yüzeyine elektron taşınması gerekir. Ayrıca, M 2+ iyonları metal-oksit ara yüzeyinden uzaklaşmalı ve /veya O 2- iyonları bu arayüzeye hareket etmelidir. Dolayısı ile oluşan oksit filmi hem iyonların içinden hareket ettiği bir elektrolit olarak hem de elektronların transferine izin veren bir elektrik devresi olarak görev yapar. Oluşan oksit filmi, iyonik difüzyona engelleyici ise ve/veya elektrik iletkenliği sınırlı ise (Bir çok metaloksit elektriksel olarak yalıtkandır), metali hızlı korozyondan korur.

175 Oksit filmi türleri Oksitlenme hızı (oksit film kalınlığının artması hızı) ve oluşan oksitin metali daha fazla oksitlenmeden koruma kapasitesi oksit ve metalin göreceli hacimlerine bağlıdır. Bu hacimlerin oranına Pilling Bedworth (P-B) oranı denir ve aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir: A o oksitin moleküler-formül ağırlığı A M metalin atomik ağırlığı o Oksitin yoğunluğu M metalin yoğunluğu

176 Oksit filmi türleri Metallerin P-B oranları koruyucu koruyucu olmayan