kopma tane içinde tane sınırlarında

Transkript

1 SÜRÜNME

2 Sürünme; Sabit sıcaklıkta ve sabit gerilme altında malzemede meydana gelen kalıcı deformasyona sürünme denir. Sürünme ani meydana gelmez, zamanla meydana gelir. Yüksek sıcaklık deformasyon mekanizması olarak da bilinir. Sürünmenin rastlanıldığı alanlar; Buhar kazanları, buhar tribünleri, jet motorları, balistik füze, termokupl v.b..

3 Sürünme; Düşük deney sıcaklıklarında kopma tane içinde, Yüksek sıcaklıklarda ise tane sınırlarında olur. Her iki olayın beraber görüleceği sıcaklığa ekikohezif sıcaklık(eş sıcaklık) adı verilir. Ekikohezif sıcaklığın altında sürünme daha çok tane içi elastik hareketlerle oluşur ve malzeme elastik özelikler gösterir. Ekikohezif sıcaklığın üzerinde ise sürünmenin tane sınırlarındaki viskozumsu hareketlerle oluştuğu kabul edilmektedir.

4

5 Sürünme; Uygulanan gerilmenin Sıcaklığın Zamanın fonksiyodur

6

7 Karbon çeliklerin sürünmesi 500⁰C nin üzerindeki sıcaklıklarda önemlidir. (Tm=1810K) Alüminyum 100⁰C üzerinde sürünmeye başlar.(tm=933k) Kurşun çok düşük ergime sıcaklığına sahiptir. Oda sıcaklığında bile sürünme başlar

8 Uygulamalar Dizaynda, servis sıcaklıklarında dizayn ömrü için hasarsız yük taşıyacak dizaynda malzeme ararız. Sürünmede; yüksek sıcaklık uygulamalarında önemli üç türlü dizaynı mevcuttur

9 1)Yerdeğiştirme Jet motorlarındaki türbin rotorları gibi tam boyut yada ufak tolerans gerekli yerdeğiştirme uygulamalarında sürdürmelidir.

10 2-Gerilme-Gevşeme Gerilme-genleme; sarkmış kablo ve sıkışmış cıvata gibi zamanla başlangıçtaki boyuttan gevşeme meydana gelen uygulamalar

11 Gerilme gevşemesi ile; malz.mekanik özellikleri arasında bir ilişki mevcuttur. Aktivasyon enerjisi (Q), deformasyon hız duyarlılığı üssü=m, dislokasyon hareketi için gerekli etkin gerilme ve dislokasyon hızı gerilme üssü gibi mekanik özelliklerle ilgili bazı parametrelerde gerilme gevşemesi deneyi ile tespit edilir.

12 Gerilme gevşemesi deneyi son zamanlarda çok kullanılan bir deneydir. Malzemelerde gerilmenin yoğun olduğu bölgelerde (çentik, inklüzyon, çatlak, delik, yarık gibi) gerilmelerin zamanla gevşeme durumu tespit edilir. Ayrıca; malzemelerin çeşitli işlem kademelerinde (döküm, plastik şekil verme )oluşan kalıcı iç gerilmelerin ölçülmesinde ve iç gerilimleri gidermek için uygulanan ısıl işlemlerin iç gerilmelere etkisini incelemede kullanılır.

13 3-Kopma Kopmanın sınırlı uygulamalarında tam boyutları almak esas değildir, fakat kırılma yüksek basınç buhar tüplerinde ve borularında kırılmadan sakınılmalıdır.

14 Kırılma Sürünmesi - Mikroskopik heterojen deformasyon bölgesinde boşluk çekirdeklenmesi oluşur. -Sürünme deformasyonuyla çekirdeklenmiş boşluklar büyür. - Kırılma sürünmesi boşluk hacim oranı kritik seviyeye geldiğinde oluşmaktadır

15

16

17

18

19

20

21 Dislokasyon sürünmesi Steady-State Creep Rate έ ss = K.σ n.e Q/RT Diffuzyon katsayısı D = D 0 e Q/RT

22

23

24 Şekil Sürünme esnasında tane sınırlarının kayması, a) tane sınırlarında inklüzyon tuzaklarındaki boşlukların oluşumu, ve b)üç tanenin temasta olduğu yerde boşluk oluşumuna sebep olur. 24

25 Şekil.Dislokasyonlar tırmanabilir : (a) boşlukları doldurmak yada taneler arası doldurmak yada boşluk yaratmak için atomlar yerinden ayrıldıklarında ya da (b) boşlukları yok etmek yada boşluk yaratılmasıyla dislokasyon çizgisine bağlandıklarında

26

27 Sürünme Safhaları

28

29

30

31

32

33 Şekil. Metaller için sürünmenin üç aşamalı gösterimi

34

35 I.Bölge I.bölgede malzeme yükün etkisi altındadır. Bu sebepten dislokasyon hareketleri hakim olup malzemede deformasyon sertleşmesi meydana gelmektedir. Fakat diğer yandan malzeme yüksek sıcaklıkta olduğundan tavlama ile iç gerilmeler giderilerek kendine gelme imkanına sahiptir. İşte malzeme bu iki faktörün etkisi altında deformasyona devam eder. Herşeye rağmen bu bölgede deformasyon sertleşmesi daha hakim olup sürünme hızı gittikçe düşer, yani malzemenin direnci artar.

36 II.bölge Deformasyon sertleşmesi ile kendine gelme hızı birbirine eşittir.bu bakımdan II.bölgeye kararlı sürünme bölgesi denir. Pratikte sürünmenin bu safhası çok önemlidir. Çünkü; bu bölgede malzemenin sürünmeye karşı direnci en yüksek seviyededir. Mühendislik dizaynlarında genellikle bu hız göz önünde tutar. İkinci bölgede formül: d. n K exp ( dt Q RT )

37 III.bölge Numunenin boyun vermesinden doğar. Ayrıca tane sınırlarındaki kaymaların sebep olduğu tane köşelerindeki boşluklarda etki eder. Kopma bu bölgenin sonunda meydana gelir. Yüksek gerilme ve sıcaklık sürünme hızının artmasına sebep olur

38 Belirli bir sıcaklık için bilinen sürünme özelliklerinden faydalanarak, başka sıcaklıklardaki sürünme özellikleri hakkında fikir edinebilmek için Larson ve Miller bağıntısından faydalanılır. Bu bağıntının çıkışında sürünme olayının kinetiğinden faydalanılmıştır.

39 Sürünme Testi Sürünme testleri Oldukça düşük gerilmede Yüksek sıcaklıkta yanlızca deformasyon ölçümü Test süresi: 2000 saatten saate Toplam genleme genellikle 0.5% den azdır. Minimum sürünme hızı (ε min )sürünme eğrilerinden çıkarılmış en önemli dizayn parametreleridir. Minimum sürünme hızının iki standardı genelde kullanılmaktadır: 1) Sürünme hızının % saat gerilme üretir (gaz türbin alaşımları için gerekli) 2) sürünme hızı %saat

40 Sürünmeye Dayanıklı Metal Ve Seramiklerin Dizaynı İçin; a)malzeme seçimi: Yüksek ergimeli sıcaklığına sahip olmalı (Tm) b)dislokasyon hareketine Maksimum engel Alaşımlama ile (katı çözelti) Çökelme ile c) Yüksek latis dayanımı

41 Difüzyonal kaymaya dayanıklı seramik a)malzeme seçimi ve metallerin dizaynı Yüksek ergime sıcaklığına sahip b)büyük tane boyutu c)tane sınırı kaymalarına dayanım için tane sınırlarında çökelme

42 Uzun süreli yüksek sıcaklık testleri Sürünme testleri Sürünme-kopma testleri Gerilme-kopma testleri Gerilme-gevşeme testleri Sürünme-çatlak yayılım testleri

43 Geleneksel Sürünme Eğrisi :mühendisler metallerin sürünme eğrilerini sabit sıcaklıkta tutulmuş çekme numunesine sabit yük uygulanmasıyla belirlerler. Sürünme; Sabit gerilme de malzemenin ileri deformasyonu kırılmaya yol açabilir Sürünme prosesi tarifinde parametreler: σ, T, t Genelde sürünme hızı (ε min ) T ve F nin artmasıyla çok yükselir ve t f T ve F nin artmasıyla kısalır

44 Yüksek sıcaklık servis ömrünü Mikroyapısal kararlılık; etkileyen faktörler (yüksek sıcaklıklarda boşluk konsantrasyon dengesi ve atom hareketi&dislokasyon hareketleri artar.) Yeni deformasyon mekanizmaları oluşabilir: kayma sistemi değişir yada ilave kayma sistemleri aktif olur. Kötü oksidasyon yada penetrasyon (delme, sızma)

45 Metalik malzemelerin yararlı operasyon sıcaklıkları iç mikroyapısal değişimlerin oluştuğu hızlarla sınırlıdır Metallerin Yüksek sıcaklık mukavemeti yaklaşık olarak ergime noktasıyla,( Tm ) ile alakalıdır. Bir alaşımda Tm in 2/3 ün üzerinde ki sıcaklıklarda yararlı mekanik özellikler oluşturmak zordur. ¼ Tm in altında ε min azalır, ε toplam çok küçüktür ve yanlızca yüksek boyutsal karalılığın kritik olduğu yerlerde önemlidir.

46 Metaller Servis için motor parçalarının dizaynı a) Oda sıcaklığında; Oda sıcaklığındaki çekme testlerinden akma ve çekme mukavemetleri temel alınır. b) Yüksek sıcaklıklarda; Yüksek sıcaklık mukavemeti (ε, t) temel alınır sürünme deformasyonu

47 Hangi metal?

48

49

50

51

52

53

54 Figure 6.54 Creep cavities formed at grain boundaries in an austentic stainless steel (x 500). (From ASM Handbook, Vol. 7, (1972) ASM International, Materials Park, OH ) Figure 6.55 Photomicrograph of a metal near a stress-corrosion fracture, showing the many intergranular cracks formed as a result of the corrosion process (x 200). (From ASM Handbook, Vol. 7, (1972) ASM International, Materials Park, OH ) 54

55 Figure 6.58 The effect of temperature or applied stress on the creep curve 55

56 Figure 6.59 Results from a series of creep tests. (a) Stress-rupture curves for an iron-chromium-nickel alloy and (b) the Larson-Miller parameter for ductile cast iron 56

57 SORU : Bir uçağın pervane kanadı hizmet koşullarında 700 derecede sıcaklıkta çalışacaktır. Motorun yüksek hızla dönmesi sebebiyle pervane kanadı 200 MPa eksensel gerilmeye maruz kalmaktadır. a) Pervane kanadının %2 deformasyona uğraması durumunda motorun dış kasasına temas edip çalışmaz hale geleceğini varsayarak motorun kullanım ömrünü plastik deformasyonu ihmal ederek hesaplayınız. ( A= 12 [s.mpa] -1, Q= 200 kj/mol, R= J/mol.K ) b) Bu motorun verimliliğini arttırmak için ya motorun çalışma hızı arttırılacaktır (ki bu pervanede oluşan gerilme değeri %20 arttıracaktır) ya da çalışma sıcaklığı % 20 arttırılacaktır. Buna göre hangi seçenekte motorun çalışma ömrü daha uzun olacaktır?

58 ÇÖZÜM : a) Deformasyon hızı (έ) έ = 12 [ s.mpa ] -1 x 200 MPa x exp [ -200 kj/mol / (8.314J/mol.K x 973 K) ] = s -1 έ x t ömür = 0.02 olmalı ; t ömür = 0.02 / ( s -1 ) = saat

59 b) Motor hızında artış sonucu ömür : έ = 12 [ s.mpa ] -1 x 240 MPa x exp [ -200 kj/mol / (8.314J/mol.K x 973 K) ] = s -1 t ömür = 0.02 / ( s -1 ) = saat Çalışma ısısı artışı sonucu ömür: έ = 12 [ s.mpa ] -1 x 200 MPa x exp [ -200 kj/mol / (8.314J/mol.K x K) ] = s -1 t ömür = 0.02 / ( s -1 ) = 2.1 saat Sonuç olarak; motorun dönüş hızını arttırmak çok daha iyi bir seçenek olarak göze çarpıyor.

60 SORU : Endüstride, buhar türbini içerisinde kullanılan silindirik bir türbin parçası uzun kullanım süresinin sonunda şekilde görüldüğü gibi üzerine etkiyen F kuvveti altında kopmuştur.

61 Dökme demirden üretilmiş olan parçanın çalıştığı ortam sıcaklığı C ve parçanın ergime sıcaklığı C dir. Yapılan ön inceleme sonucu görülen mikroyapılar aşağıda gösterilmiştir. Bu verilerle parçanın kopma sebebini açıklayınız.

62 ÇÖZÜM : Parçanın çalışma ortamı sıcaklığının yüksek olması ve uzun bir servis ömründen sonra kırılması ile sürünme mekanizmasının işlemiş olduğunu öngörebiliriz. Sürünme mekanizmasının çalışması için gerekli sıcaklık şartı; T > 0,4Tm Burada incelediğimizde ; T=520 0 C Tm= C ve C>0, C C>474,8 0 C olduğuna göre, sürünme mekanizmasının sıcaklık şartı sağlanmıştır.

63 İkinci olarak, yapılan mikroyapı çalışmaları sonucunda yukarıdaki kesit ve yapılar görüntülenmiştir. Sürünme mekanizmasında kırılma, taneler arası boşlukların oluşumu ve difüzyonu ile gerçekleşir. Mikroyapı içerisinde sürünme mekanizmasına bağlı kırılmanın karakteristiği olan taneler arası boşluklar görünmektedir (siyah görüntüler).

64 1 no lu numune kırılma bölgesine yakın bir noktadan, kuvvet doğrultusuna dik kesitten alınmıştır ve üzerinde homojen boyutlu dağılmış taneler ve boyuna yayılmış boşluklar görülmektedir. 2 no lu numune yine kırılma bölgesine yakın bir noktadan, kuvvete paralel kesitten alınmıştır, boyuna uzamış olan taneler net olarak görülmektedir ve boşluklar noktasal yapıdadır. Bu tane görünümlerinin sebebi sürünme mekanizmasında tanelerin kuvvet yönünde uzamasıdır.

65 Sonuç olarak; dökme demir parçanın yüksek sıcaklık, tane uzaması ve boşluk oluşumu ile yani sürünme mekanizmasına bağlı olarak hasara uğradığı söylenebilir.