MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Transkript

1 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

2 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.

3 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

4 S-N eğrisi İki temel farklı S-N davranışı gözlenir. Bazı demir esaslı malzemeler ve titanyum alaşımları için S-N eğrisi yüksek çevrim sayılarında yatay hale gelir. Yani, daha altında yorulma kırılması yaşanmayan bir sınır gerilme değeri vardır. Bu gerilme değeri, altında kalındığı takdirde, sonsuz sayıda yükleme çevrimi uygulansa bile kırılmanın gerçekleşmeyeceği güvenli bir gerilme seviyesidir.

5 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.

6 yorulma sınırı Bir çok çelik için bu sınır gerilme değeri, akma mukavemetinin %40 ı kadardır. Bu gerilme seviyesinin altındaki yüklemelerde yorulma ömrü sonsuzdur. Çeliklerde yorulma sınırının (fatigue/endurance limit) bulunması yapıda C ve N gibi arayer atomlarının bulunmasından kaynaklanır. Bu atomlar dislokasyonları kitleyerek serbestçe hareket etmelerini engeller.

7 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.

8 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.

9 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)

10 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.

11 Yorulma ömrü Yorulma deney sonuçlarında daima bir saçınım olacaktır. Deney sonuçlarındaki bu dağınıklık, kontrol edilmesi çok güç bazı deney ve malzeme parametrelerinden kaynaklanır. Bu parametreler, numune hazırlığı, metalurjik değişkenler, numunenin test cihazında yönlenmesi, ortalama gerilme seviyesi, çevrim frekansı gibi parametrelerdir. Bu nedenle, S-N yorulma deney sonuçları ortalama deney sonuçları arasından geçen en iyi uyum «best-fit» eğrileri ile sunulur.

12 Yorulma ömrü Yorulma ömrü ve yorulma sınırını belirlemek için istatiksel yöntem uygulanır. Bu yöntemlerden biri sabit olasılık eğrileridir T6 alaşımı için Yorulma S- N olasılık eğrileri>; P kırılma olasılığını ifade etmektedir.

13 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!

14 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.

15 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.

16 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!

17 problem 2014-T6 alaşımından 12.5 mm çapındaki silindirik bir çubuğa çekme-basma yorulma testi uygulanmaktadır. 1x10 7 çevrimlik yorulma ömrü verecek maksimum ve minimum yükler nedir? Yandaki S-N eğrisinin bu alaşım için 50 MPa lık ortalama gerilme için elde edildiğini varsayın!

18 problem max = 185 MPa r = 320 MPa m = 50 MPa min = -135 MPa 10 7 çevrim gerilme genliği =160 MPa a = r /2=( max - min )/2=160 m = r /2=( max + min )/2=50 max - min = 320 max + min = 50 max = 185 MPa 22.7 kn min = -135 MPa 16.6 kn

19 Yorulma mukavemeti (FS) ve çekme mukavemeti (TS) değerleri alaşım yorulma mukavemeti (MPa) çekme mukavemeti (MPa)

20 Isıl yorulma Mekanik bir yükleme olmaksızın sadece ısıtılıp soğutulan bir parçada ısıl genleşme ve büzülmelere bağlı olarak gerilmeler oluşur. Bu gerilmelerin şiddeti sıcaklık değişimi, ısıl genleşme katsayısı ve elastik modüle bağlıdır. bu gerilmeler yorulmaya yol açar. Tasarımda parçanın sabit olması şartına son verilmeli! Düşük ısıl genleşme katsayılı malzemeler kullanılmalı!

21 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)

22 Yorulma davranışını etkileyen faktörler Gerilme genliği arttıkça, numunenin kırılmadan önce tecrübe ettiği çevrim sayısı azalır. < 200 Hz frekanslar için metaller frekansa hassas değildir. Polimerlerde yorulma ömrü frekansa bağlıdır.

23 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Ortalama gerilme Yorulma ömrünün gerilme genliğine bağlılığı S-N eğrilerinde görülebilir. Ortalama gerilme de yorulma ömrünü etkiler. Ortalama gerilme arttıkça yorulma ömrünü kısaltır.

24 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey kalitesi maksimum gerilme çoğu kez parçanın yüzeyinde oluşur. Bu nedenle çatlaklar parça yüzeylerinde ve gerilmenin yoğunlaştığı noktalarda oluşur. Bu nedenle yorulma ömrü parça yüzey kalitesinden çok etkilenir. Çizikler, vuruklar diğer yüzey kusurları gerilme konsantrasyonlarına yol açarak yorulma ömrünü kısaltırlar.

25 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey işlemleri Torna vb işlemler sırasında parçaya kesme takımı ile çizik, kazıntı vb yüzey kusurları kazandırılabilir. Bu yüzey hataları istisnasız olarak çatlama başlama noktalarıdır ve yorulma ömrünü kısaltırlar. parlatma vb işlemlerle yüzey kalitesini geliştirmenin her zaman yorulma ömrünü önemli ölçüde uzattığı görülmüştür.

26 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey işlemleri Yorulma ömrünü uzatmanın etkili yöntemlerinden biri sonlu derinlikte dış yüzey tabakasında artık basma gerilmeleri oluşturmaktır. Bu şekilde çatlak oluşmasını teşvik eden çekme gerilmeleri kısmen hafifletilmiş olacaktır. elektro-kaplama kalıntı çekme gerilmeleri oluşturarak yorulma özelliklerini olumsuz etkilerler.

27 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Sünek metallerin yüzeylerinde artık basma gerilmeleri, dış yüzeyde bölgesel plastik deformasyon yaratarak oluşturulur. Kumlama ve «shot peening» gibi yöntemlerden yararlanılır mm çaplarında küçük ve sert parçacıklar yüksek hızlarda yüzeye uygulanır.

28 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey sertleştirme ve Isıl işlem: Sertleştirme ve ısıl işlemler yüzeydeki kalıntı gerilmelerinin dağılımı ve yorulma performansını etkilerler. Çeliklerde Yüzey sertliği arttırılarak yorulma ömrünün uzatıldığı bir tekniktir. Bu yüzeyin karbürlenmesi veya nitrürlenmesi şeklinde uygulanır.

29 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey sertleştirme Parça yüksek bir sıcaklıkta karbon veya azotla zengin bir atmosferde tutulur ve yüzeyde C veya N zenginleşmesi sağlanır. Bu zenginleşmenin gerçekleştiği yüzey tabakası yaklaşık 1mm derinliktedir ve parça malzemesinden çok daha yüksek sertliğe ulaşır. Bu uygulama sonunda hem yüzey sertliğinin artmış hem de yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulmuş olduğu için yorulma ömrü belirgin şekilde uzar.

30 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Hem malzemenin kendi hem de karbon takviyesi yapılan yüzey bölgesinde sertlik izlerini gösteren foto. Yüzeyde iz daha küçük, çünkü sertlik daha yüksek.

31 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.

32 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Tasarım faktörleri Bir parçanın tasarımı yorulma davranışını yakından etkiler. Her çentik ve geometrik düzensizlik gerilme arttırıcı rolü oynar ve potansiyel çatlak oluşma noktasıdır. Gerilme konsantrasyonları yorulma sınırını %30 a kadar düşürebilirler. Bu tasarım detayları girintiler, delikler, vida dişleri vb detaylardır. Bu detay ne kadar keskin ise, gerilme konsantrasyonu o kadar şiddetli olur.

33 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Kırılma olasılığı tasarım değişiklikleri ile bu gibi yüzey detaylarını ve sivri köşeleri önleyerek azaltılabilir. Tasarım değişikliklerinin gerilme konsantrasyonlarını azalttığı ve yorulma ömrünü uzattığı uygulamalara örnek kötü İyi

34 Çevresel etkiler Isıl gerilmeler sıcaklık değişimlerine bağlı ısıl genleşme ve büzülmelerin serbestçe gerçekleşemediği durumlarda ortaya çıkar. Isıl yorulmayı ortadan kaldırmanın yolu bu sınırlamaları ortadan kaldırmaktan geçer. Bir diğer etkili çözüm ısıl genleşme davranışı uygun malzeme seçimidir. Yüzeyin oksitlenmesi (veya korozyonu) artan sıcaklıkla artacağından yorulma özelliklerini olumsuz etkiler.

35 Çevresel etkiler Çevrimsel yükleme ve korozif bir etkileşimin bir arada var olduğu durumlarda ortaya çıkan kırılmalara korozyon yorulması-yorulmalı korozyon denir. Korozif ortamlar zararlıdır ve yorulma direncini düşürür; yorulma ömrünü kısaltır. Normal atmosferik koşullar bile yorulma davranışını etkiler. Ortam ve malzeme arasındaki etkileşim yüzeyde küçük oyukların oluşmasına yol açarken bu oyuklar da gerilme konsantrasyonları ve çatlak başlama noktaları şeklinde etkili olur.

36 Çevresel etkiler Ayrıca atmosferik etkilerden sadece çatlak başlama aşaması değil; çatlak ilerleme aşaması da olumsuz etkilenir. Çatlak büyüme hızı atmosfer etkisi ile her zaman artar. Yükleme çevrimlerinin şekli de yorulma davranışını etkiler. Mesela yükleme frekansının azaltılması çatlağın açık kaldığı ve çatlak yüzeylerinin atmosferden etkilendiği süreyi uzatarak yorulma ömrünü kısaltır. Yorulmalı korozyonu önlemenin birkaç yolu vardır. Bunlardan ilki korozif şartları, korozyondan etkilenmeyi en aza indirmektir.

37 Çevresel etkiler yüzeyde korozyona dayanıklı kaplamalar yapılması, korozyona daha dayanıklı malzeme seçilmesi, atmosferin korozifliğini azaltmak mümkündür. Yorulma gerçekleşmesi olasılığını azaltmak da mümkün olabilir. Yük şiddeti azaltılabilir; yüzeyde basma gerilmeleri oluşturmak denenebilir.

38 Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Ön bir mekanik deformasyon uygulanması ve yapısal süreksizliklerin giderilmesi ile yorulma mukavemeti artar. Artan soğuk işlem ve yüzey düzgünlüğü

39 Yorulma ömrünü uzatmak Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturun! Böylece çatlağın büyümesini geciktirirsiniz! artan m S = gerilme genliği Sıfıra yakın veya basma m Orta şiddette çekme m Yüksek çekme m N = kırılmaya kadar çevrim sayısı 1. yöntem: kumlama shot Yüzeydeki gerilme konsantrasyon noktalarından kurtulun! Yüzeydeki gerilme dağılımı basma şeklinde düzenlemek kötü kötü 2. yöntem: karbürizasyon C-rich gas iyi iyi

40 Çevrimsel şekil değişimi vs çevrimsel gerilme Çevrimsel şekil değişimi kontrollü yorulma deneyi Isıl yorulma ve sabit şekil değişimi durumlarına uygulanabilir. Çevrimlerde kontrollü bir şekil değişimi aralığı, pl, tanımlanır ve uygulanır. Tavlanmış, yumuşak metaller bu koşullarda sertleşirken, sertleştirilmiş metaller yumuşama eğilimindedir. Malzemeler bir süre sonra değişmez gerilme-şekil değişimi histerisiz eğrisine ulaşırlar.

41 Şekil değişimi kontrollü yorulma asimtotik histerisiz eğrisine ulaşmak için çok sayıda çevrim gerekir (~100). yumuşama veya sertleşme olabilir. sertleşen yumuşayan

42 Çevrimsel şekil değişimi Şekil değişimi yorulma davranışının incelenmesinde daha mantıklı bir kontrol parametresidir. Elastik şekil değişimi aralığı belirlenir; e el = y /E. Plastik şekil değişimi aralığı belirlenir; e pl. Elastik ve plastik rejimler arasında eğimde bir değişme gözlenir. Kısa ömürlü yorulma (Low cycle fatigue-küçük N f ) plastik şekil değişimi, uzun ömürlü yorulma (high cycle fatigue-büyük N f ) elastik şekil değişimi tarafından kontrol edilir.

43 şekil değişimi kontrollü yorulma çevrimsel şekil değişimi ( /2) kırılmaya kadar çevrim sayısı (N f ) ile ilişkilendirilir. Uzun ömürlü yorulma (N f >10 3 ) sırasında şekil değişiminin büyük kısmı elastiktir; log ( /2) vs log N f eğrisinin eğimi kısa ömürlü yorulma testinde olduğundan daha az negatiftir. Kısa ömürlü yorulma testinde uygulanan şekil değişiminin önemli bir kısmı kalıcıdır.

44 şekil değişimi kontrollü yorulma /2 = ( el + pl )/2 Uzun ömürlü yorulmada: el > pl kısa ömürlü yorulmada: pl > el el /2 kısa uzun pl /2

45 şekil değişimi kontrollü yorulma Değişik mühendislik malzemeleri için vs Nf eğrileri OFHC-saf bakır Tavlanmış 4340 çeliği Sertleştirilmiş 4340 çeliği Farklı ısıl işlem uygulanmış çeliklerin kısa ömürlü yorulma davranışlarında önemli bir fark gözlenmez. Fakat sertleştirilmiş 4340 çeliği uzun ömürlü yorulma şartlarında daha iyi. Süratle sertleşebilen sünek bakır kısa ömürlü yorulma şartlarında daha iyi bir seçenek. Fakat uzun ömürlü yorulma şartlarında çeliklere göre daha düşük yorulma direncine sahip!

46 Şekil değişimi kontrollü yorulma kısa ömürlü yorulma Çevrimsel gerilme-şekil değişimi için esas denklem: K n n Yorulma ömrü: Coffin Manson ilişkisi: p 2 f 2N f c f ~ gerçek kırılma şekil değişimi c -0.5 ile -0.7 c = -1/(1+5n ); büyük n uzun ömür.

47 Şekil değişimi kontrollü yorulma uzun ömürlü yorulma Yüksek çevrim sayılarında elastik şekil değişimleri için, Basquin denklemi: a E e 2 f 2N Kısa ömür = plastik şekil değişimi kontrollü: eğim=c Elastik ve plastik şekil değişimleri ekleyelim. 2 el 2 pl 2 f E 2N b f f 2N c f Elastik ve plastik kontrolünün kesiştiği nokta tipik olarak N f = 10 3 çevrim. b

48 Yorulma koşulları için malzeme seçimi Kısa ömürlü yorulma şartları için süneklik faydalı Uzun ömürlü yorulma şartları için mukavemet faydalı! Kısa ömürlü yorulma için tavlanmış 4340 çeliği Uzun ömürlü yorulma için maraging çeliği

49 Yorulma için tasarım yaklaşımları S-N eğrileri = temel karakterizasyon! Eski yaklaşım = sonsuz ömür tasarımı: S-N eğrilerinden yorulma ömrü için bilgi al! Büyük bir güvenlik faktörü uygula; önceden belirlenen ömür sınırına (N f =10 7 ) gelen parçaları değiştir. Yeni yaklaşım: Çatlak büyüme hızı karakterizasyonu

50 Hasara göz yuman tasarım / çatlakla yaşamak Modern tasarım; hasara göz yuman yaklaşım: parçalarda çatlakların varlığını kabul eder! Çatlak büyüme hızları üzerinden ömür hesabı yapılır. dc/dn sonuçlarından beklenen büyüme hızları hesaplanır. Tüm kritik parçalarda tahribatsız muayene yapılır! Çatlak bulduğunda parçanın kalan ömrü hesaplanır! Ömür sınırına çok yakın ise parça değiştirilir.

51 Çatlak büyüme hızı Yorulma kırılmaları Çatlak büyüme hızı Çatlağın büyüyüp büyümeyeceğini anlamak için çatlak geometrisi ve gerilme genliğini karakterize eden gerilme yoğunlaşma faktörü kullanılabilir: ( K) Belli bir K değeri altında çatlak büyümez. Gerilme konsantrasyon faktörü aralığı, log K

52 Yorulma çatlağı büyümesi aşama I: bir eşik K değeri ( K th ) altında hiçbir büyümenin görülmediği bölgeden sonlu bir büyüme hızına geçildiği aşama. Aşama II: çatlak büyüme hızının K ye power law ile bağlı olduğu aşama. da/dn I II III K c Aşama III: büyüme hızının K ile hızlanarak nihai kırılmaya gitmesi. K th K

53 Çatlak oluşmasına Mikroyapı etkisi Hatalar ve yüzey işlemleri ile tanımlanan mikroyapı ögelerinin etkisi düşük gerilme yoğunlaşması rejiminde (1. aşama) görülür.bu gibi hatalar çatlak oluşma eşiğini aşağı çekerek zarar verirler ( K th ). da/dn I II III K c Mikroyapı ayni zamanda kırılma tokluğunu etkilediğinden aşama III üzerinde de etkilidir. K th K

54 Yorulma çatlağı büyüme hızı da dn 1 ile 6 ~ a Her bir yükleme çevriminde çatlak boyundaki artış arttıkça çatlak büyüdükçe yükleme frekansı arttıkça çatlak daha hızlı büyür. K m Çatlak başlama noktası

55 Paris Kanunu Paris Kanunu: da dn K A( K) K max m K min K f ( ) max min a m ~ 3 (çelik); m ~ 4 (alüminyum). Çatlağın oluşumu aşaması göz ardı edilir! eşik ~ aşama I Eşik değeri yorulma sınırını temsil eder.

56 Yorulma kırılmaları Belirli bir gerilme seviyesinde, çatlak büyüme hızı, artan çatlak uzunluğu ile artar. Belirli bir çatlak uzunluğu için, çatlak büyüme hızı gerilmenin artması ile artar. (da/dn)a 2, 1 a 1 >a 2

57 Geometrik faktörler Çentikler gerilme konsantrasyonlarına neden olarak yorulma ömrünü kısaltırlar. Numune boyutunu arttırmak yorulma ömrünü kısaltır. Yüzey pürüzlülüğü yorulma ömrünü kısaltır. Yüzeyde makul bir basma gerilmesi yorulma ömrünü uzatır. Basma gerilmesinin olduğu bir yüzeyde çatlak oluşturmak daha zordur. Korozif koşullar yorulma ömrünü kısaltır. Korozyon korozyon ürünleri çatlak ucunda kama etkisi yapabileceği için çatlak büyüme hızını arttırır.

58 Mikroyapı-Yorulma ilişkileri yüzeyde gerilme yoğunlaşmasına neden olabilecek her türlü çatlak oluşmasını hızlandıracaktır (çatlak oluşmasında geçen süreyi kısaltacaktır!) malzeme içinde çatlağın oluşması için gerekli gerilme ve şekil değişimi değerlerini azaltacak her türlü yapısal hata çatlak oluşması süresini kısaltacaktır. dislokasyon hareketi(kayma) sadece belirli kayma düzlemlerinde gerçekleşebiliyorsa dislokasyonlar tane ve faz sınırlarında birikecektir. Bu birikme ucunda gerilme yoğunlaşması olacak ve çatlak oluşmasına yol açacaktır.

59 Malzemelerde hatalar İç yapı kusurları (atom boşlukları, dislokasyonlar) dış hatalar Boşluklar inklüzyonlar Tane sınırı filmleri İkincil faz partikülleri; dispersoidler, metaller arası bileşik partikülleri, çökeltiler

60 Metalürjik kontrol: küçük partiküller Plastik akmanın lokalize olması (yayılmasının önlenmesi) yorulma çatlaklarının başlaması yönünden sakıncalıdır. Al7075 alaşımında 2 farklı ısıl işlemle dislokasyonların kesebileceği ve kesemeyeceği çökeltiler oluşturulduğunda graph courtesy of J. Staley, Alcoa 60

61 İri partiküllerin yorulmaya etkisi İnklüzyonlar yorulma çatlaklarına yol açarlar; yapı temizliği yorulma ömrünü uzatır! Alaşım bileşim ve yapısı da önemlidir: Örnek: 7475, 7075 e göre daha düşük Fe+Si ile daha uzun yorulma ömrüne sahiptir.

62 Alaşımlı çelikte ısıl işlem Sertliğin arttırılması uzun ömürlü yorulmada yorulma sınırını arttırır. Bu artış yorulma çatlağının oluşmasının gecikmesinden kaynaklanır. Dislokasyonları kilitleyen hareketli çözelti atomları (çelikte karbon atomları gibi!)

63 Döküm gözenekleri Döküm parçalarda gözenekler bulunur. Gözenekler yorulma çatlaklarının oluşması için uygun noktalardır. Dolayısı ile döküm parçalarda yorulma direnci dövme parçalara kıyasla daha düşüktür. Sıkıştırma döküm gibi teknikler gözenekliliği azalttığı için yorulma ömrü yönünden avantajlıdır. Al-7010 alaşımı Gravite döküm vs sıkıştırma döküm

64 Titanyum alaşımları [Polmear] Birçok Ti alaşımında ve faz oranları ısıl işleme bağlıdır. Tek fazlı bölgesinden hızlı soğuma çift fazlı + faz yapısı verir. İki fazlı bu yapıların yorulma performansları Widmanstätten yapısından daha iyidir.

65 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

66 Kısa-uzun ömürlü yorulma Uzun ömürlü yorulma 10 4 ile 10 7 çevrim süren yorulma olayıdır. Kısa ömürlü yorulma sadece elastik değil ayni zamanda plastik şekil değişimlerine de yol açan yüksek yük uygulamalarında görülür. Bu durumda yorulma ömrü kısadır: < 10 4

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

68 Yorulma çatlağının oluşması çatlak çatlak çatlak Kayma hareketleri kalıntılar Tane sınırları Çatlak oluşması için mekanizmalar Some mechanisms of fatigue crack nucleation. (After J. C. Grosskreutz, Tech. Rep. AFML-TR (Wright Patterson AFB, OH: Air Force Materials Laboratory), 1970.)

69 Polimerlerde yorulma Mekanizma metallerden farklı! Çevrimsel gerilme uygulaması yumuşamaya yol açar ve malzeme davranışı visko-elastik faktörlerden etkilenir. Çevrimin çekme sürecinde yaşanan çatlama crazing asimetriye neden olur. S-N eğrisi farklı polimerler için farklıdır. T g (cam geçiş sıcaklığı) noktasına yakınlık ciddi bir sıcaklık etkisine yol açar.

70 Polimerlerde yorulma Polimerler viskoelastiktir ve mütevazi gerilme seviyelerinde bile sürekli uzama ve büzülmeye bağlı olarak mekanik histerisis sergilerler. Bu plastik deformasyonun bir kısmı polimer bünyesinde ısıya dönüşürken, parça çevre sıcaklığına ve yükleme frekansına bağlı olarak ısınır. Parça ısınırken elastik deformasyon direnci ve akma dayanımı düşer ve deformasyon şiddeti arttıkça işin içine ısıl yorulma da girer.

71 Polimerlerde yorulma Stress-life (S-N) curves for several termoplastik ve termoset polimerler için s-n eğrileri Frekans: 30 Hz Ortalama gerilme: 0 MPa

72 seramiklerde yorulma Seramik malzemelerde çatlak ucu plastik deformasyonu çok sınırlı olduğu için yorulma çok ender bir hasar mekanizmasıdır. Tekrarlı yüklemelerde kritik parametreler Mikroyapı; tane boyutu, tane şekli, tokluk veren faz Çevresel faktörler: özellikle oksit seramiklerinde su ve koroziflerle etkileşim Yükleme koşulları (gerilme vb)

73 Yorulma eşiği, Kth (MPa m) Yorulma özellikleri haritası Çatlak oluşması ile sınırlanan malzemeler Mühendislik alaşımları Polimer köpükler elastomerler Mühendislik polimerleri Çatlak büyümesi ile sınırlanan malzemeler Mühendislik seramikleri Yorulma sınırı (MPa)

74 Yorulma eşiği, Kth (MPa m) Yorulma özellikleri haritası Yorulma hassasiyeti düşük malzemeler Polimer köpükler Mühendislik seramikleri elastomerler Mühendislik alaşımları Mühendislik polimerleri Yorulma hassasiyeti yüksek malzemeler Kırılma tokluğu Kıc (MPa m)

75 özet Yorulma, uygulanan gerilmenin zamana bağlı olarak tekrarlandığı yaygın bir katastrofik kırılma biçimidir. Maksimum gerilme uygulamasının malzemenin statik çekme ve akma mukavemetlerinden çok daha düşük olduğu durumlarda karşılaşılabilir. çevrimsel gerilmeler: Tersinir; tekrarlanır; rastgele olabilir. Tersinir ve tekrarlanır olanlar ortalama gerilme, gerilme aralığı ve gerilme genliği gibi parametrelerle tanımlanır.

76 özet yorulma test sonuçları: gerilme vs kırılmaya kadar geçen çevrim sayısının logaritmik değeri şeklinde raporlanır. Bir çok metal ve alaşım için artan gerilme ile çevrim sayısı sürekli düşer. Bu malzemelerde yorulma davranışı yorulma mukavemeti ve yorulma ömrü ile tarif edilir. Demir esaslı ve titanyum alaşımları için gerilme artan çevrim sayısı ile belli bir değerde yatay konuma geçer; çevrim sayısından bağımsız olur. Bu malzemelerin yorulma davranışları yorulma sınırı ile tarif edilir.

77 özet Yorulma çatlakları yüzeyde ve gerilme konsantrasyonuna neden olan bir yüzey detayında, kusurunda başlar. Yorulma kırılması yüzeylerinin karakteristik ögeleri «beach» izleri ve çatlak ucu durma izleridir (striation). «Beach» izleri uygulanan gerilmenin duruşlar yaşadığı parçalarda ve çıplak gözle görülür. Yorulma ucu durak izleri mikroskobiktir ve yorulma çatlağının her bir çevrimden sonra durduğu hatları temsil ettiği düşünülür.

78 özet Yorulma ömrünü uzatmak için alınabilecek önlemler: Gerilme parametrelerini (Ortalama gerilme vb) seviyesini düşürmek Keskin, sivri yüzey unsurlarını bertaraf etmek Yüzey kalitesini parlatma vb işlemlerle arttırmak Kumlama vb bir işlemle yüzeyde bası gerilmeleri oluşturmak Kabürleme ve nitrürleme gibi işlemlerle yüzey setleştirmesi yapmak

79 özet Yüksek sıcaklık değişimlerine maruz kalan ve genleşme ve büzülmesi engellenen parçalarda: ısıl yorulma. Kimyasal aktif bir ortamda yorulma ömrü kısalabilir: korozyonlu yorulma. Alınabilecek önlemler: Yüzeyin kaplanması Daha yüksek korozyon direnci olan malzemeler kullanılması çevrenin korozifliğinin sınırlandırılması Uygulanan gerilme seviyesinin azaltılması Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulması

80 SÜRÜNME

81 Sürünme nedir? Çok yüksek sıcaklıklarda çalışan türbin kanatçıklarında sürünme çatlağı! Çatlak yüzeyinde görülen boşluklara dikkat!

82 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.

83 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.

84 Sürünme Metallerde sürünme, tek tek taneler içinde kristal düzlemlerinde kayma ve tane sınırı deformasyonu ile ortaya çıkan bir deformasyondur. Sürünme kırılmaları sünek kırılma karakterindedir. Sürünme sırasında malzemede çoğu tane sınırlarında olmak üzere küçük çatlaklar, küçük boşluklar şeklinde hasar oluşur.

85 sürünme Sürünme olayına bütün malzeme türlerinde rastlanır ve metallerde sadece T m (T m : ergime noktası) üstündeki sıcaklıklarda risk yaratır. Amorf polimerler (plastik ve lastik-kauçuklar) sürünme deformasyonuna özellikle hassastır.

86 Sürünme deneyi Sürünme test düzeneği Sürünme testleri, malzemeye yüksek bir sıcaklıkta sabit bir gerilme uygularken, sıcaklığı sabit tutmak ve meydana gelen deformasyonu ölçmek şeklinde uygulanır. Deney sonuçları deformasyonun zamana bağlı değişimi şeklinde raporlanır. Sabit yük fırın

87 Genel sürünme davranışı Bu süreçte deformasyon veya şekil değişimi ölçülür ve zamana bağlı değişimi grafik haline getirilir. Yük uygulanması ile birlikte ilk anda tamamen elastik karakterde olan bir deformasyon gerçekleşir. Deney sonunda ortaya çıkan sürünme eğrisi 3 bölgeden oluşur.

88 Sürünme şekil değişimi sürünme Sabit bir gerilme altında zamana bağlı malzeme deformasyonu kopma, 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

89 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.

90 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.

91 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.

92 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.

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

94 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

95 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. s

96 gerilme (MPa) sürünme hızı Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta (T) ve gerilmede ( ) sabittir. Deformasyon sertleşmesi toparlanma ile dengelenir. Gerilme üstü 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) s

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

98 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 / t= st / t= t st -1 süre (st) 59 MPa gerilmede sürünme hızını hesaplayın!

99 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: t hr -1

100 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. 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

101 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 s K 2 n exp Qc RT. = 57.5 (83) 8.5 exp x 1300 = 4.31 x 10-2 /st

102 problem 750 mm uzunluğunda S-590 alaşımlı bir numuneye 815 C de 80 MPa çekme gerilmesi uygulanıyor st sonra ne kadar uzar? İlk anlık sürünme uzaması=1.5mm 80 MPa gerilme altında ve 815 C de sürünme hızı: 5x10-6 /st 5000 st sonra 750 mm x 5x10-6 /st x 5000 st = mm İlk anlık uzama = 1.5 mm Toplam uzama = 18.75mm mm = mm

103 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

104 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

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

106 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.

107 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.

108 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

109 Sıcaklık etkisi Atomların hareketliliği yüksek sıcaklıklarda artar ve daha düşük enerji konumlarına geçerler. Dislokasyonların hareketliliği de artar ve tırmanma mekanizması ile önlerine çıkan engelleri aşarlar. Boşluk konsantrasyonu da sıcaklıkla artar. Difüzyon hızlanır. Bu sayede yeniden kristalleşme gerçekleşir. Yeni oluşan taneler gerilme altında birbirleri üstünde yer değiştirirler. Bu tane sınırı kayması tane sınırlarında çatlakların oluşmasına neden olur.

110 Sıcaklık etkisi Düşük sıcaklıklarda (T< T m /4) sürünme hızı azalır. Çünkü, deformasyon sertleşmesi artarken toparlanma etkisini kaybeder. Düşük sıcaklıklardaki sürünmeye logaritmik sürünme denir. ε = α ln t ε : şekil değişimi α : sabit t : süre

111 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.

112 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.

113 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.

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

115 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.

116 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)

117 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)

118 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

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

120 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

121 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

122 Sürünme mekanizmaları Farklı malzemelerde, farklı yükleme ve farklı sıcaklık koşullarında farklı mekanizmalar vardır. Bu mekanizmalar: Gerilme destekli boşluk difüzyonu Tane sınırı difüzyonu Tane sınırı kayması Dislokasyon hareketi-tırmanması

123 Sürünme mekanizmaları mekanizmaların n ve Qc değerleri farklıdır. Sürünme mekanizmasının belirlenmesi için deneysel olarak elde edilen n değeri ile farklı mekanizmaların n değerinin karşılaştırılabilir. Benzer şekilde sürünme aktivasyon enerjisi (Q c ) ile difüzyon için aktivasyon enerjisi karşılaştırılması da faydalı olabilir. Bu haritalar farklı mekanizmaların işlediği gerilme-sıcaklık bölgelerini gösterir.

124 sürünme mekanizmaları Gerilme üstü n Q c Sürünme aktivasyon s K2 exp RT Enerjisi (malzeme sürünme hızı gerilme parametresi) Malzeme sabiti Saf metaller: Düşük gerilmelerde n 1 Yüksek gerilmelerde n 4 Artan gerilme ile n artar! n 4: difüzyon ve dislokasyon hareketleri dominant! gerilme (MPa) 427 C 538 C 649 C Sürünme hızı (%/1000hr) s

125 deformasyon mekanizma haritaları Sürünme sonuçlarının gerilme sıcaklık diyagramları şeklinde sunumları deformasyon mekanizma haritaları da denir. 0.1mm tane çapında saf nikel için gerilme-sıcaklık haritası

126 Difüzyon sürünmesi Dislokasyon hareketliliği gerektirmeyen, difüzyona bağlı mekanizmalar: Kitle difüzyonu (Nabarro-Herring sürünmesi) Tane çapı arttıkça sürünme hızı düşer. Tane sınırı difüzyonu (Coble sürünmesi) Nabarro Herring mekanizmasından daha kuvvetli tane boyut bağımlılığı

127 Nabarro-Herring sürünmesi Yüksek sıcaklık ve düşük gerilmelerde meydana gelir. Boşluk difüzyonu sürünme hızını kontrol eder. Difüzyon tanelerin içinde gerçekleşir. Sürünme hızı 1/tane boyutu ile orantılıdır. tane boyutu arttırılarak sürünme hızı düşürülebilir.

128 Nabarro-Herring sürünmesi Polikristal-çok kristalli- malzeme Yük uygulandığında farklı taneler farklı gerilmeler tecrübe ederler. Atom boşlukları çekme gerilmesi altındaki tane sınırlarından atomlar ise basma gerilmesi altındaki tane sınırlarından uzaklaşmak isterler. Bu süreçte taneler arasında malzeme bütünlüğünü korumak üzere kayma (tane sınırı kayması) yaşanır.

129 Nabarro-Herring sürünmesi Stress axis

130 coble sürünmesi Difüzyon tane sınırlarında gerçekleşir. düşük aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu nedenle düşük gerilme seviyelerinde ve düşük sıcaklıklarda daha yaygındır. Sürünme hızı tane boyutu arttırılarak düşürülebilir. İri taneli yapılarda daha az tane sınırı bulunduğu için!

131 coble sürünmesi coble Nabarro-Herring

132 Dislokasyon sürünmesi Dislokasyon hareketlerince kontrol edilir. Uygulanan gerilmeye ve sıcaklığa bağlıdır. Bu mekanizmada dislokasyonlar ve atom boşlukları bir arada hareket ederler. Sürünme hızı dislokasyonların çökelti, tane sınırı gibi engelleri aşma kabiliyeti ile ilgilidir. Bu olaylar yüksek sıcaklıklarda olur (T>0.4T m ) Bu sayede plastik deformasyon artarak devam eder.

133 Dislokasyon sürünmesi Yüksek sıcaklıklarda atom boşluklarının difüzyon hızı artar ve dislokasyonlar kolayca kayar ve tırmanırlar. dislokasyon boşluklar Tırmanma kayma Çökeltiengelleyici Tane sınırı Dislokasyon

134 . Dislokasyon sürünmesi Harper-Dorn sürünme mekanizması olarak da bilinir. Dislokasyonların ve atom boşluklarının birlikte hareketi şeklinde gerçekleşir. Dislokasyon boşluk

135 Sürünme mekanizmaları

136 Tane sınırı kayması Düşük sıcaklıklarda tane sınırları tane içlerine göre daha yumuşaktırlar. Sıcaklık arttıkça, tane sınırları kayma ile deformasyon sürecine katkı yaparlar. Düşük sıcaklıklarda ise, dislokasyonları engelleyerek akma dayanımını arttırırlar. tane sınırları yüksek sıcaklıklarda kayma ve boşluk oluşturma faaliyetleri ile sürünme olayında önemli bir rol oynarlar. Yüksek sıcaklıklarda sünek metaller sertleşme kabiliyetlerini kaybederler ve tane sınırı kaymasına imkan tanıyacak şekilde viskoz hale geçerler.

137 Tane sınırı kayması NH ve Coble sürünme mekanizmaları ile birlikte gerçekleşir. Tane sınırı kayması, süperplastik şekil vermede malzemenin tane boyutunda herhangi bir değişiklik olmaksızın uzamasını mümkün kılan mekanizmadır. Difüzyon destekli plastik akma sırasında boşluklar oluşur. Malzemenin dağılmasını önlemek, bir arada tutmak için, tane sınırı kayması olur.

138 Tane sınırı kayması Tane sınırı kayması artan sıcaklıkla ve düşen deformasyon hızı ile artar. İnce taneli malzemelerde çok sayıda tane ve bol miktarda tane sınırı olduğu için bu mekanizmanın rolü artar. O nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarında büyük taneli malzeme kullanmak gerekir.

139 Tane sınırı kayması Jet motorlarının türbin kanatçıklarında Ni esaslı süper alaşımlarının tek kristalli olarak kullanılmasının nedeni budur. İri taneli yapı ile tane sınırı kayması mekanizması sınırlanır tek kristalli yapılarda tamamen etkisiz hale getirilir.

140 Sürünme mukavemeti Bir malzemenin belirli bir süre için aşırı deformasyona uğramadan dayanabileceği en yüksek gerilmedir. örnek : bir türbin kanatçığı için sürünme mukavemeti 800 C de st çalışmada sadece %0.2 sürünme deformasyonu yaratan gerilme. Sürünme mukavemeti, belirli bir sıcaklıkta sabit bir sürünme hızı, mesela ile 10-8 /st, veren gerilme veya belirli bir sürede, mesela 10 5 saatte %1 sürünme deformasyonu veren gerilme olarak da tarif edilebilir.

141 Sürünme sınırı/sürünme ömrü Sürünme sınırı: bir malzemenin belirli bir süre için aşırı deformasyona uğramadan dayanabileceği en yüksek gerilmedir. sürünme ömrü: belli statik bir yük altında kırılmaya kadar geçen süre

142 Sürünme türleri Sıcaklığa bağlı olarak; Logaritmik sürünme Düşük sıcaklıklarda sürünme hızı zamanla azalır ve logaritmik sürünme eğrisi elde edilir. Toparlanma sürünmesi Yüksek sıcaklıklarda deformasyon sertleşmesinin etkisi zayıflar ve mekanik toparlanma olasılığı belirir. Sonuçta, sürünme hızı azalmaz ve toparlanma sürünme eğrisi elde edilir. Difüzyon sürünmesi Çok yüksek sıcaklıklarda sürünme esasen difüzyon tarafından etkilenir ve uygulanan gerilmenin etkisi azalır. Bu sürünme difüzyon sürünmesi veya plastik sürünme olarak bilinir.

143 Sürünme ve gerilme kopma testi sürünme Gerilme kopma Sabit yük Düşük yükler Hassas şekil değişimi Ölçümü ( f<%0.5) Uzun süreli ( st) Pahalı ekipman Belli gerilmede ve sıcaklıkta en düşük şekil değişimi hızı belirlenmesi için. Şekil değişimi yüksek yükler kaba şekil değişimi Ölçümü ( f %50 ye kadar) kısa süreli (<1000 st) ucuz ekipman Belli gerilmede ve sıcaklıkta kopmaya kadar geçen sürenin belirlenmesi için

144 Sürünme kontrolü Sürünmeyi önlemek için, tane sınırlarının etkisini azaltmalı. tek kristal malzeme veya iri taneli malzeme boşlukları azaltmak için katı eriyik atomları ilave edilmeli. yüksek ergime noktasına sahip malzemeler kullanılmalı. malzeme seçiminde çalışma şartlarını ve ömür beklentisine göre muayene aralıkları göz önünde bulundurularak sürünme deney sonuçları ve kaynakları incelenip araştırılmalı.

145 Gerilme gevşemesi Sabit bir şekil değişimine maruz kalan bir parçada gerilmenin zamanla azalmasına gerilme gevşemesi denir. Diğer bir ifade ile uzamasına izin verilmeyen parçalarda gerilmenin azalması olayıdır. gerilme örnek süre Rijid parçaları bir arada tutan civatalarda uzun sürelerden sonra gerilme düşer.

146 özet sabit bir gerilme uygulanan metallerin 0.4 Tm üstündeki sıcaklıklarda zamana bağlı deformasyona uğraması olayına sürünme denir. Tipik bir sürünme eğrisi 3 bölgeye sahiptir. Sürünme eğrilerinden mühendislik uygulamaları için elde edilen önemli bilgiler kararlı sürünme (2.) bölgesindeki eğim; sürünme hızı ve kopma süresidir. Gerilme ve sıcaklık arttıkça, İlk anlık deformasyon miktarı artar. Kararlı bölge sürünme hızı artar. Kopma süresi azalır.

147 özet Sürünme şartlarında parça ömrünü tahmin etmek için Larson Miller parametresinden yararlanılır. Yüksek sıcaklık uygulamaları için alaşım seçimi: Sürünme direnci yüksek alaşımların elastik modülleri ve ergime sıcaklıkları yüksektir. Bu alaşımlar arasında Ni ve Co esaslı süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter metalleri sayabiliriz. Alaşımların sürünme dirençlerini geliştirmek için çeşitli üretim pratikleri de vardır.