HASAR ANALİZİ VE MALZEME SEÇİMİ MEM-503

Transkript

1 HASAR ANALİZİ VE MALZEME SEÇİMİ MEM-503 PROF. DR. YUSUF ÖZÇATALBAŞ G.Ü. TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ NOT: Bu sunular dersin teorik kısmını desteklemek amacıyla hazırlanmıştır ve ders kapsamının yalnızca bir dilimini kapsar.

2

3

4 GİRİŞ Mühendislik yapılarındaki hasarlar insan hayatına, öngörülemeyen tahribatlara, tamir ve bakım masraflarının artmasına ve birçok hukuki anlaşmazlık ve zararlara sebep olur.

5 Mühendislik Tasarımı Mühendislik Tasarımının Ana Etkileri Fonksiyonel Gereksinimler (İşletme Şartları) Parçaların Geometrileri ve Boyutları Malzeme Özellikleri Üretim ve Montaj Teknikleri Protatip Üretim (Demene) Gerektiğinde Modifikasyon

6 Mühendislik Malzemelerinin Özellikleri Malzeme Özellikleri Mekanik Özellikler; Fiziksel Özellikler; Kimyasal Özellik.; - Çekme Dayanımı - Yoğunluğu Üretim Özellikleri, - Akma Dayanımı - Isıl Genleşme - Oksitlenme - Şekillendirilebilir - Elastik Dayanımı - Isıl İletkenlik - Karbürlenme - Talaşlı İşleneb. - Yorulma Dayanımı - Kırılma Tokluğu -Aşınma Dayanımı - Sertliği -Özgül Isısı - Ergime Sıcaklığı - Elektrik İletkenliği - Manyetik Özellikleri - Çevre veya ortam etkileşimleri - Aktiflikleri veya Pasiflikleri - - Dökülebiliriği - Kaynaklanabilir. - - Sünekliği - Optik Özellikleri - -

7 HASAR; Bir bileşen, tesis veya kompleks yapıdan beklenen fonksiyonu yerine getirememesi hali. NOT:Bir hasar, çökme veya kırılmayı gerektirmez.

8 Hasarın sınıflandırılması; Güvenlik Hasarı: Ölüm, yaralanma veya insanların risk altında olduğu durum. Islak bir zeminde kayma ve düşme vb. Fonksiyonel Hasar: Yapıdan istenen fonksiyonu yerine getirememesi; Aşırı akustik, kat zeminin aşırı titremesi vb. Tali Hasar: Aşırı zaman, maliyet ve kullanımı gerektirir; Geciken inşaat, beklenmeyen sorunlar vb.

9 Meşhur ve Önemli Hasarlar

10 Meşhur ve Önemli Hasarlar

11 Mühendislik Ürünlerinde Hasar Oluşumu Mühendislik Tasarımı En zayıf bağlantı (HASAR) Hasar Analizi İşletme Şartları Üretim

12 Hasar Analizi Araştırmalarında Genel Yaklaşım Bir hasar analizcisi en azından malzemenin iki alanına hakim olmalıdır. 1)Malzeme bilimi; Malzemelerin mikron ve mikron altı boyutlardaki yapıları ve davranışları ile ilişkilidir. 2)Malzeme mühendisliği; Malzeme bilimi ile ilişki içinde temel mekanik bilgisini gerektiren milimetre veya santimetre boyutundaki malzeme davranışlarına yoğunlaşır. Örn. Gerilme analizi ve kırılma mekaniği hasar analizinde genellikle kullanılabilir. Bununla birlikte hasar analizcisi, malzeme mühendisliğine dayanan üretim teknikleri ile ilgili temel konulara da hakim olmalıdır.

13 Hasar Analizi Araştırmalarında Genel Yaklaşım

14 Hasar Analizi Araştırmalarında Genel Yaklaşımlar Tasarımda, hasar analizcisinin önceliği, olabilecek hasarı önlemek için en uygun tasarımı yapmak hasar analizinin en önemli unsurudur. Hasar analizinde ilk yaklaşımlar araştırılacak olan problemle ilgili öngörülere dayalıdır. Başlangıçta mükemmel doğru bir yaklaşım, problem çözüm sürecini kısaltır. Pratikte ise adım adım problem çözme tekniği uygulanır. İyi bir hasar analizci, problemi ve nedenini açıkça belirlemiş olmalıdır. Çoğunlukla hasar analizcileri, metalurjistler ya da malzeme bilimcilerdir.

15 Temel Neden Hasar Analiz İşlemi (TNHA) (Root Cause Failure Analyse Process - RCFA) Uygulama Proje yönetimi Bulgu ve Kanıt İnceleme ve Anlama Analiz ve Tanımlama Düzeltme İşlemi. Değerlendirme tablosu. İlgi şeması. Bağıntı diyagramı. Beyin fırtınası. Beyin ürünü. Is-Is Not Table. Hata Ağacı Analizi (FTA-Fault Tree Analysis) Hasar. Görüşmeler. Koruyucu ekipman /parçalar. Dokümanlar, kayıtlar vb.. Parçaların düzenli sökümü. Uzman incelemesi. Akış şeması. Balık kılçığı diyagramı. Zaman çizelgesi. Dağılım diyagramı. FMEA (FAILURE MODE AND EFFECTS ANALYSIS)

16 OLASI HASAR TÜRLERİ VE ETKİ ANALİZİ En yaygın kullanılan metotlardan biridir. Özellikle otomotiv sektöründe imalat sırasında ve sonrasında olası hasarların tespit edilmesi amacıyla çok fazla kullanılan bir metottur. Genel manada problem çözme tekniklerinden biri olarak da çok fazla kullanılmaktadır. Herhangi bir sistemin tamamı veya bölümleri ele alınıp, bunlardaki kısımlar, aletler, kompenentlerde ortaya çıkabilecek hasarların hem bölümlerin hem de bütün sistemin nasıl etkilenebileceği ve ortaya çıkabilecek sonuçlar analiz edilir. FMEA ÇEŞİTLERİ: 1) Sistem FMEA 2) Tasarım FMEA 3) Proses FMEA 4) Servis FMEA (FAILURE MODE AND EFFECTS ANALYSIS- FMEA)

17 OLASI HASAR TÜRLERİ VE ETKİ ANALİZİ (FMEA) 1-Sistem FMEA AMACI; Sistem ve alt sistemleri analiz ederek, sistemin eksiklerinden doğan sistem fonksiyonları arasındaki potansiyel hasar türlerini belirlemektir. HEDEFİ;Sistemin kalitesini, güvenirliğini ve korunabilirliğini artırmaktır. 2- Tasarım FMEA: AMACI: Bir makine veya ekipmanın tasarım aşamasında olası hasarlarını ortadan kaldırmak ve daha tasarım aşamasında sistemin analiz edilerek üretime geçmeden hataların ortadan kaldırılmasını sağlamaktır. HEDEFİ: İmalatın ilk aşaması olan tasarım aşamasında ekipmanın kalitesini ve güvenilirliğini garanti etmektir. 3-Proses FMEA AMACI; Üretim veya montaj prosesindeki eksiklerden doğabilecek hasar türlerini ortadan kaldırmak ve üretim ve montaj prosesini analiz etmektir. HEDEFİ; Prosesin kalitesini, güvenirliğini ve korunabilirliğini artırmaktır. 4-Servis FMEA AMACI; Organizasyondaki aksaklıkların analiz edilmesidir. HEDEFİ; Organizasyonun kalitesini, güvenirliğini ve korunabilirliğini artırmaktır.

18 OLASI HASAR TÜRLERİ VE ETKİ ANALİZİ (FMEA) FMEA METODUNUN UNSURLARI FMEA nın üç temel unsuru vardır: İhtimal: İ Hasarın zaman içinde gerçekleşme sıklığını gösteren değer, (1-10 arası) Şiddet: Ş Hasarın gerçekleşmesi durumunda sonuçların derecesini gösteren değer, (1-10 arası) Tespit edilebilirlik: T Hasarın istenmeyen sonuçlara sebep olmadan tespit edilebilme derecesini gösteren değer, (1-10 arası)

19 FMEA METODUNUN UNSURLARI HATA OLASILIĞI (İHTİMAL-İ) HKS DERECE HATA KÜMÜLATİF SAYISI Çok Yüksek:Kaçınılmaz Hasar ½ den fazla 10 1/3 9 Yüksek:Tekrar Tekrar Hasar 1/8 8 1/20 7 Orta:Ara Sıra Olan Hasar 1/80 6 1/ / Düşük:NispetenAz Olan Hasar 1/ / Pek Az:Olası Olmayan Hasar 1/ den düşük 1

20 OLASI HASAR TÜRLERİ VE ETKİ ANALİZİ FMEA METODUNUN UNSURLARI SİSTEM FMEA ŞİDDET ETKİ SINIFLAMASI (Ş) ETKİ ŞİDDETİN ETKİSİ DERECE Uyarısız Gelen Felakete yol açabilecek etkiye sahip ve uyarısız gelen potansiyel 10 Tehlike hasar Uyarısız Gelen Yüksek hasara ve toplu ölümlere yol açabilecek etkiye sahip ve 9 Tehlike uyarısız gelen potansiyel hasar Çok Yüksek Sistemin tamamen hasar görmesini sağlayan yıkıcı etkiye sahip ağır 8 yaralanmalara,3.derece yanık,akut ölüm vb. etkiye sahip hasar Yüksek Ekipmanı tamamen hasar görmesine sebep olan ve 7 ölüme,zehirlenme,3.derece yanık,akut ölümcül hastalık vb. etkiye sahip hasar Orta Sistemin performansını etkileyen,uzuv ve organ kaybı,ağır 6 yaralanma,kanser vb. yol açan hasar Düşük Kırık,kalıcı küçük iş görmemezlik,2.derece yanık,beyin sarsıntısı vb. 5 etkiye sahip hasar Çok Düşük İncinme, küçük kesik ve sıyrıklar,ezilmeler vb. hafif yaralanmalar ile 4 kısa süreli rahatsızlıklara neden olan hasar Küçük Sistemin çalışmasını yavaşlatan hasar 3 Çok Küçük Sistemin çalışmasında kargaşaya yol açan hasar 2 Yok Etki yok 1

21 FMEA METODUNUN UNSURLARI TESBİT EDİLEBİLİRLİK TESBİT EDİLEBİLİRLİK OLASILIĞI (T) Tespit Edilemez Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği mümkün değil Çok Az Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği çok uzak Az Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği uzak Çok Düşük Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği düşük Düşük Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği çok düşük Orta Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği orta Yüksek Ortalama Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği yüksek ortalama Yüksek Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği yüksek Çok Yüksek Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın keşfedilebilirliği çok yüksek Hemen Hemen Potansiyel hasarın nedeninin ve takip eden hasarın Kesin keşfedilebilirliği hemen hemen kesin DERECE

22 FMEA METODUNUN UNSURLARI Risk Öncelik Değeri (RÖD) RÖD= İ x Ş x T İhtimal: İ, Şiddet: Ş, Tespit edilebilirlik: T arasında bir değer alabilir. Sıra Risk Öncelik Değeri Karar arası Düşük Riskli arası Orta Riskli arası Yüksek Riskli arası Çok Yüksek Riskli

23 OLASI HATA TÜRLERİ VE ETKİ ANALİZİ (FMEA)

24 HATA AĞACI ANALİZİ (FAULT TREE ANALYSIS - FTA) Yılında Bell Telefon Laboratuvarlarında Amerikan Hava Kuvvetleri için geliştirilmiştir. -Bir tepe olayın gerçekleşmesi veya gerçekleşmemesi için alınması gereken önlemler ayrıntılı bir şekilde analiz edilir. -Olmaması istenen tepe olay saptanıp, bu olaya neden olabilecek tüm faktörler analiz edilir. Hata ağacı analizinde tümdengelim mantığı kullanılır. Hata Ağacı Analizi 3 temel adımda uygulanır. -Sistem Analizi -Hata ağacının oluşturulması, -Hata ağacının değerlendirilmesi.

25

26

27 Scanning Electron Microscopy Some Cool Images Material Microstructures In-Situ Fatigue Crack Nucleation In-Situ Fatigue Crack Growth Low-Mag Fracture Surfaces High-Mag Fracture Surfaces Textbook Fracture Surface Markings

28 Material?

29

30 Ant

31 Ant Eye

32 Human Hair

33 Spider

34 Base Material Microstructures Cast AM60 Magnesium Cast materials have dendrite cells rather than grains

35 Base Material Microstructures Cast A356 Aluminum Contains iron intermetallics, Si particles, and Al matrix

36 Fatigue Crack Nucleation Process

37 Crack Nucleation at a Pore

38 Fatiuge Crack Growth

39 Cast Magnesium Fracture Surface Two fatigue cracks

40 Other Cast Mg Fatigued Samples How do we find the crack initiation site?

41 Cast Al Fracture Surface What is the difference between the two images?

42 Higher Magnification Roadmap

43 Which locations are these from?

44 Location c Fast Fatigue Crack Growth Where are the striations?

45 Location d Fast Fracture What features do we see in the fast fracture region?

46 Textbook Fatigue Striations

47 Fatigue Crack Interaction

48 Textbook Brittle/Ductile Overload

49 Combined Brittle/Ductile Fracture

50 MEKANİK FİBERLEŞME OLUŞMUŞ MALZEMEDEN HADDE YÖNÜNDE VE HADDEYE DİK ÇIKARILAN DARBE NUMUNELERİNDEKİ KIRILMA DAVRANIŞI

51 Çekme ve Çentik Darbe Numunelerinin Çıkarılma Doğrultuları

52 a) MnS MnS 10 m b) a)hadde Doğrultusundaki ( =0 ) Numunenin Kırık Yüzeyi b)kırık Yüzey Oyuğunda İşaretlenen İnklüzyonun EDX Analizi

53 Al 2 O 3 yoğunluklu bölge a) Al 2 O 3 MnS yoğunluklu bölge b) MnS 20 m a) Hadde Doğrultusuna Dik ( =90 ) Numunenin Kırık Yüzeyi b)bu yüzeyde İşaretlenen İnklüzyonların EDX Analiz Sonuçları

54

55 Sıcak Hadde Çelik Çubukta Çatlak Problemi

56 Sıcak Kafa Şişirme ve Talaşlı işleme sonunda da Problem devam ediyor

57 SEM de Hasar Analiz İncelemeleri

58 SEM de Hasar Analiz İncelemeleri

59

60 KIRILMA ÖRNEKLERİ Kırılma Tipleri Çeşitli Mühendislik Malzemelerinde Kırılma Örnekleri

61

62

63

64

65 KIRIK YÜZEY SEM GÖRÜNTÜLERİ METALLER POLİMERLER SERAMİKLER

66

67

68

69

70

71 (SEM) image of intergrannular fracture indicative of hydrogen embrittlement.

72 (SEM) image of the surface of a casting void in the fracture surface of an aluminum casting.

73 (SEM) image of a brittle fracture surface in an aluminum casting. The angular particles in the surface are silicon particles that contribute to the brittleness of the material.

74 Liquid Metal Embrittlement Metallographic and fractographic studies revealed that the normally ductile low carbon steel plates were embrittled. In addition, EDS analysis of the fracture surface revealed the presence of zinc. It was evident that the high temperature service conditions caused the galvanized (zinc) coating to melt and penetrate to the grain boundaries. The steel plates experienced liquid metal embrittlement after exposure to a high temperature. SEM photomicrograph of the fracture surface of one of the steel plates found on the inside wall of the chimney. Note: Intergranular fracture

75 This is a fracture surface of solution annealed high Mn steel sample shows a complete ductile fracture having small and uniform dimples.

76 Intergranular fracture surface of steel

77 SEM images of worn cemented carbide samples 1 and 2 fractured under a compressive (a) and a tensile (b) stress state, respectively -

78 LEAKING CHEMICAL STORAGE TANK The leaks were found to be due to numerous small cracks in the type 316 stainless steel shell (wall) Metallographic examination of the cracks using light microscopy revealed that the cracks were transgranular and highly branched. This appearance is characteristic of chloride stress corrosion cracking (SCC) in austenitic stainless steels. The orientation of the branches also indicated that cracks originated on the outside of the tank and propagated generally perpendicular to the tank wall. Thus, the tensile stress responsible for the cracking was most likely a circumferential or hoop stress in the tank wall.

79 ???

80 Metalik Camlar

81 SEM fracture surface of Zr-based metallic glass specimens deformed at strain rates of (a) 10 3 s 1 ; (b) 10 2 s 1 ; and (c) 10 1 s 1

82 SEM micrographs of the fracture morphology of Zr 59 Nb 5 Cu 18 Ni 8 Al 10 amorphous rod in as-cast state with diameter of 2 mm (a) low magnification exhibiting the river patterns;

83 PLASTIC PARTS: Finding Fault The inspection of the failed hinge fracture surface revealed two distinct types of surface morphologies. The fracture surface exhibited an area of crack initiation along the inner diameter

84 Polimer malzemeler SEM micrographs showing fractured surface of PP/15% BN-hybrid at (a) low and (b) high magnifications. Black arrow: BN;

85 Montmorillonite Filled Polypropylene SEM micrographs of freeze-fractured surfaces of PP-MMT samples after one extrusion cycle:

86 SEM micrographs of freeze-fractured surfaces of PP-MMT samples after 11 extrusion cycles

87 Seramik malzemeler

88 SEM micrograph of a glass fracture surface. (Click on image to view a larger version.)

89 SEM fracture surface of an Al 2 O 3 sample

90 Shearing Fracture

91

92

93

94 (a) Low magnification ( 25) SEM image of fractured titanium implant. The crack in this instance was initiated on the lower left edge of the implant (lower straight arrow) and extended around the thread, finally breaking when the cracks overlapped on the upper right-hand side; (b) higher magnification ( 500) view of the rectangular outlined area of the fractured surface in Figure 1a showing fatigue striations in a vertical pattern that mark the crack position as it progressed.

95 SEM images at different magnifications of various fractured zirconia implants showing porosities (white arrows) pointed out as the cause of implant fracture:

96 316LR Stainless Steel Screw Shear fracture of a commercially pure titanium screw. (a) SEM fractograph showing spiral textured fracture surface of sheared-off screw. Typical deformation lines are fanning out on the thread. (b) Uniformly distributed shearing tongues and dimples

97 The cortical bone screw shown in Fig. 1 broke during the internal fixation procedure. It may have been inserted very obliquely in the screw hole and therefore sheared off. The fracture surface (Fig. 1a) exhibited extensive spiral deformation. Figure 1(b) shows the dimple structure characteristic of a ductile failure mode. The dimples are oriented uniformly in the deformation direction. Figure 1(c) shows a magnification of the flow lines at the fracture edge. The longitudinal metallographic section perpendicular through the fracture surface (Fig. 1d) exhibited a zone of heavily deformed grains at the fracture edge. The microstructure and the hardness of the screw corresponded to the standards

98

99 (SEM) image of "beach marks" indicative of a progressive fatigue failure. The area of fatigue initiation is noted at the arrow.

100 (SEM) image of fatigue striations indicative of cyclic crack propagation.

101 Kaynaklar; ESI, Component Failure Analysis, FASM Engineering Systems, Inc. Omaha, NE Failure Analysis Methods, Special Topics in Design, Jim Glancey, 2006 Roark s Formulas for Stress and Strain, WARREN C. YOUNG, RICHARD G. BUDYNAS Kapalı Devre Mekanik Tesisatlarda Korozyon, Olcay KINCAY Aşınma Mekanizmaları, Hatem Akbulut, Sakarya Ünv. Approaches to Failure analysis of polymeric materials, Jan Spoormaker, Delft University of Technology

102

103

104

105

106

107

108

109