SÜRÜNME DENEYİ MÜHENDİSLİK MEKANİĞİ DENEYLERİ ALİ AYDIN CAN
Sürünme Nedir? Bazı malzemeler yüksek sıcaklıklarda ve statik mekanik gerilmelerin altında çalışır. Malzemeler ağır çalışma koşullarında belirli bir yükü uzun süreler boyunca taşımak zorunda olabilirler. Bu durumda malzeme zamana bağlı bir deformasyona uğrar. Ortaya çıkan deformasyona sürünme denir. Sürünme hem zamana hem de sıcaklığa bağlı bir deformasyon türüdür. Malzemenin kendi ağırlığı altında bile sürünme başlayabilir.
Sürünme Nedir? Sürünme düşük sıcaklıklardan ziyade yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Bu nedenle sürünme yüksek sıcaklıklarda çalışan malzemeler için önemlidir. Düşük deney sıcaklıklarında kopma tane içinde, yüksek sıcaklıklarda ise tane sınırında olur. Her iki olayın da beraber görüleceği sıcaklığa eş sıcaklık adı verilir. Eş sıcaklık altında sürünme daha çok tane içi elastik hareketlerle oluşur ve malzeme elastik özellik gösterir.
Sürünme Sabit bir yük uygulandığında malzemelerin zamana bağlı, kalıcı deformasyona uğraması, arzu edilmeyen bir hadisedir ve parçanın servis ömrünü sonlandırabilir. Sürünmeye bütün malzeme türlerinde rastlanır ve metallerde 0,3-0,4 Tm üstü sıcaklıklarda risk yaratır. (Tm;ergime sıcaklığı) Amorf polimerler sürünme deformasyonuna özellikle hassastır.
Sürünmenin Rastladığı Alanlar 1930 lu yıllardan itibaren teknolojide meydana gelen önemli gelişmeler. Yüksek sıcaklıklara dayanıklı malzeme gereksinimi artmıştır. Günümüzde yüksek sıcaklık uygulamaları; Türbinler, Kimyasal ve petrokimyasal endüstriler. Nükleer reaktörlerdir
Sürünmenin Rastladığı Makine ve Makine Parçaları Buhar türbinleri, kazanlar ve reaktör parçaları. Jet motoru parçaları. İçten yanmalı motorlar. Termokupıllar. Roket motorları ve balistik füze gövde parçaları gösterilebilir.
Buhar Türbini Sürünme Öncesi; Sürünme sonrası;
Sürünme Deneyinin Yapılışı; Numune, sabit T sıcaklığındaki fırının içinde, sabit bir yük ile deformasyona uğratılır. Deney basit görünmesine karşın laboratuvar koşullarını sağlamak zor olduğu için zahmetli bir süreçtir. Normal şartlarda deney aylar hatta yıllar sürebileceği için hızlandırılmış koşullarda yapılır. (yüksek sıcaklık yüksel gerilme) Sürünme deneyi ASTM E139 standartlarına uygun olarak gerçekleştirilir. Deneyin sonuçları uzama-zaman eğrisi ile verilir.
Sürünme Deneyi Süreci Bu süreçte deformasyon veya şekil değişimi ölçülür ve zamana bağlı değişimi grafik haline getirilir. Yük uygulaması ile birlikte ilk anda tamamen elastik karakterde olan bir deformasyon gerçekleşir. Deney sonunda ortaya çıkan sürünme eğrisi 3 bölgeden oluşur.
Sürünme Eğrisi
Birincil Sürünme Geçiş sürünmesi de denir. Yükün etkisiyle numune uzar, burada dislokasyon hareketleri hakimdir. Numunede deformasyon sertleşmesi olur. Diğer taraftan yüksek sıcaklıkta olduğundan tavlama ile iç gerilmeler giderilir. Kendine gelme, toparlanma oluşur. Deformasyon sertleşmesi daha hakim olduğu için sürünme hızı gittikçe düşer, yani malzemenin direnci artar.
İkincil Sürünme Bu süreçte eğrinin eğimi ve sürünme hızı sabittir. Kararlı sürünmeye sebep olan gerilime sürünme mukavemeti olarak isimlendirilir. Sürünme sürecinin en uzun aşaması budur. Bunun sebebi, deformasyon sertleşmesi ile toparlanma arasında bir denge oluşmasıdır. 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 olduğu için sürünme rejimine geçilir.
Üçüncül Sürünme Bu aşamada sürünme hızında bir artış gözlenir. Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları, boyun verme gibi olaylar gerçekleşir. Boyun verme veya iç boşlukların oluşmasına bağlı olarak kesit alanında ciddi bir azalma olur. Deformasyon hızı süratle artar ve bu sürecin sonunda kopma gerçekleşir.
Birincil Sürünme İkincil Sürünme Üçüncül Sürünme
Sürünme Deneyi Makinesi Bir sıcaklık ortamı ve sıcaklığın kontrolünü sağlayan kontrol sistemi, Uzama miktarını sürekli algılayacak sensör sistem, Yük uygulama mekanizması bulunur. Fırın içerisinde oksitlenme istenmiyorsa, sistem vakumlanabilir veya soy gaz ilave edilebilir. Fırının hava akışı engellenir. Yani hem oksitlenme önlenir hem de sıcaklığın sabit kalması sağlanır. Fırının içerisindeki sıcaklığın ölçümleri termokupıllarla yapılır.
Sürünme Parametreleri ε/ t (sürünme hızı): Uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım parametresidir. En düşük sürünme hızı: İkincil sürünme bölgesindeki sabit sürünme hızıdır. Kopma süresi (t r ): Nispeten daha kısa süreli uygulamalar için tasarım parametresidir.
Kararlı Sürünme Hızı Sabit sürünme hızı ile gerilme ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi tarif eden bağıntılar geliştirilmiştir. Kararlı sürünme hızı ve gerilme ilişkisi K 1 ve n malzeme sabitleridir. Logaritmik ifade şekli ile eğimi n olan düz bir çizgi elde edilir.
Sürünme Hızı Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta ve gerilmede sabittir. Deformasyon sertleşmesi, toparlanma ile dengelenir.
Kopma Süresi Birincil sürünme hızı deformasyon sertleşmesine bağlı olarak düşer. Elastik özellikli olup geri dönüşlüdür. İkincil sürünme viskoz karakterlidir. Minimum sürünme hızı V 0 bu aşamada eğrinin eğiminden hesaplanır : ε/ t. İkincil sürünme evresi sıcaklığa çok hassastır. Üçüncül sürünme artan hızla gerçekleşir. Kopma süresi ile gerilme arasındaki ilişki :
Sürünme Eğrisi Bu şekilde elde edilen en az 2 eğrinin eğimleri (dε/dt) ölçülerek malzeme sabitleri belirlenir.
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 motorlarının türbin kanatları için tasarım parametresi kopmaya kadar geçen toplam süredir. Bu parametrenin belirlenmesi için sürünme deneyinin kopmaya kadar sürdürülmesi gerekir.
Gerilme ve Sıcaklık Etkileri Hem sıcaklık hem de gerilme seviyesi sürünme karakteristiklerini etkiler. 0.4 Tm 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
Gerilme ve Sıcaklık Etkileri Gerek sıcaklık, gerek uygulanan gerilme, sürünme deformasyonunu arttırır. Etkilerinin ölçülmesi için sabit sıcaklıkta farklı gerilmeler uygulanarak deformasyonlar ölçülür. Bu farklı sıcaklıklar için tekrarlanarak sıcaklık ve gerilme etkisi tanımlanabilir.
Sıcaklık Etkisi Yüksek sıcaklıklarda sürünme hızı artar. Atomların hareketliliği yüksek sıcaklıklarda artar ve 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.
Sıcaklık Etkisi Düşük sıcaklıklarda (T < 0.4xTm) sürünme hızı azalır. Çünkü, deformasyon sertleşmesi artarken toparlanma etkisini kaybeder. Düşük sıcaklıklardaki sürünmeye logaritmik sürünme denir.
Tane Boyutu Etkisi Sürünme davranışını en çok etkileyen tane boyutudur. Tane boyutu: Taneler ne kadar küçük ise, malzeme o kadar dayanıklıdır. Ancak eş sıcaklığın üstünde bu etki tersine döner. İri taneli yapılar ince taneli yapılara göre daha yüksek sürünme direnci gösterir.
Alaşım Bileşimi Etkisi Bileşim; Saf metal alaşımlarından daha yumuşaktır. İkinci 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.
Deformasyon Etkisi Çeliklerde deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır. Kırılmanın taneler arasından tane içine dönüştüğü eş sıcaklığın altında deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır ve belirgin bir sürünme deformasyonu görülmez. Dolayısı ile ikincil sürünme bölgesi yataydır. Eş sıcaklığın üstünde akma hızı deformasyon sertleşmesi hızını geçer ve sürünme düşük gerilmeler altında bile devam eder.
Data Ekstrapolasyon Yöntemi Mühendislik tasarımlarına faydalı olacak sürünme davranış bilgilerini laboratuvar 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.
Data Ekstrapolasyon Yöntemleri Bu uygulamada deney sonuçlarının, çalışma şartlarına ekstrapolasyon yöntemi ile uyarlanması gerekir. Popüler bir pratik Larson-Miller parametresinin uygulanması; C sabit değer; ~20 T Kelvin cinsinden sıcaklık t r kopma süresi (s)
Sürünme Mekanizmaları Farklı malzemelerde, çeşitli yükleme ve sıcaklık koşulları için farklı mekanizmalar vardır. Bu mekanizmalar; Gerilme destekli boşluk difüzyonu Tane sınırı difüzyonu Tane sınırı kayması Dislokasyon hareketi-tırmanması Mekanizmaların n ve Qc değerleri farklıdır.
Sürünme Mekanizmaları Benzer şekilde sürünme aktivasyon enerjisi (Qc) ile difüzyon için aktivasyon enerjisi karşılaştırılması da faydalı olabilir. Sürünme sonuçlarının gerilme-sıcaklık diyagramları şeklinde gösterimlerine, deformasyon mekanizma haritaları da denir. Bu haritalar farklı mekanizmaların işlediği gerilme-sıcaklık bölgelerini gösterir.
Sürünme Mekanizmaları Difüzyon sürünmesi Kitle difüzyonu (Nabarro-Herring sürünmesi) Tane çapı arttıkça sürünme hızı düşer. Tane sınırı difüzyonu (Coble sürünmesi) Kuvvetli tane boyut bağımlılığı vardır. Dislokasyon sürünmesi Dislokasyon hareketlerince kontrol edilir. Uygulanan gerilmeye yakından bağlıdır. Polimerler ve viskoelastik malzemelerde olur.
Nabarro-Herring Sürünmesi Difüzyon tanelerin içinde gerçekleşir. Sürünme hızı [ 1 / (tane boyutu) ] ile orantılıdır. Bu nedenle tane boyutu arttırılarak sürünme hızı düşürülebilir.
Nabarro-Herring Sürünmesi Yüksek sıcaklık ve düşük gerilmelerde gerçekleşir. Atom boşluklarının difüzyon sürünme hızını kontrol eder. Atom boşlukları malzeme yüzeyinden gerilme eksenine doğru hareket ederler. Gerilme sabit olduğunda, dik tane sınırları basma, enine tane sınırları çekme gerilmeleri altındadır. Atom boşlukları çekme gerilmeleri altındaki bölgelerden basma gerilmeli bölgelere doğru atomlar da tam ters yönde hareketlenir. Bu şekilde sürünme deformasyonu çekme ekseni boyunca artar.
Coble Sürünmesi Difüzyon tane sınırında gerçekleşir. Düşük aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu nedenle düşük gerilme seviyelerinde ve düşük sıcaklıklarda daha yaygındır. Sürünme hızı tane boyutu arttırılarak düşürülebilir. Çünkü iri taneli yapılarda daha az tane sınırı bulunur.
Dislokasyon Sürünmesi Sürünme hızı; Dislokasyonların çökelti, tane sınırı gibi engelleri ne kadar kolay aştığı ile ilgilidir. Dislokasyonlar yeterli yüksek sıcaklıklarda ısıl enerji tedariği ile çapraz kayma ile engelleri aşabilirler. Sürünme deformasyonu sırasında, dislokasyon sürünmesinin artması plastik deformasyona neden olur.
Dislokasyon Sürünmesi Bu mekanizmada Dislokasyonlar ve atom boşlukları bir arada hareket ederler. Yüksek sıcaklıklarda atom boşluklarının difüzyon hızı artar ve Dislokasyonlar kolayca kayar ve tırmanır. Kenar dislokasyonları kayma düzleminin sonuna kadar kayabilirler veya kayma düzlemi altındaki yada üstündeki bir düzleme geçebilirler. Kenar dislokasyonları kayma düzlemindeki engellere takıldıklarında sürünme hızı dislokasyonların bu engeli aşma hızı tarafından belirlenir.
Dislokasyon Sürünmesi Kenar dislokasyonlarının basit bir tırmanma faaliyeti atom boşluklarının difüzyon hızı, uygulanan gerilmeye karşılık bir şekil değişimi yaratabilir. Bu olaylar yüksek sıcaklıklarda olur ( T > 0.4 x Tm) Bu sayede plastik deformasyon artarak devam eder.
Tane Sınırı Kayması Tanelerin onları birbirinden ayıran tane sınırlarına göre kayması şeklindedir. Düşük sıcaklıklarda tane sınırları tane içlerine göre daha yumuşaktır. Yüksek sıcaklıklarda sünek metaller sertleşme kabiliyetlerini kaybederler ve tane sınırı kaymasına imkan tanıyacak şekilde viskoz hale geçerler. Sıcaklık arttıkça, tane sınırları kayma ile deformasyon sürecine katkı yaparlar. Düşük sıcaklıklarda ise, dislokasyonları engelleyerek akma dayanımını arttırırlar.
Tane Sınırı Kayması Jet motorlarının türbin kanatçıklarında Ni esaslı süper alaşımların tek kristalli olarak kullanılmasının nedeni budur. İri taneli yapı ile tane sınırı kayması mekanizması etkisiz hale getirilir.
Sürünme Mukavemeti veya Sürünme Sınırı Bir malzemenin belirli bir süre için aşırı deformasyona uğramadan dayanabileceği en yüksek gerilmedir. Sürünme Kopma Mukavemeti; belirli bir sürede malzemenin kopmadan dayanabileceği maksimum gerilmedir. Sürünme kopma mukavemeti sonlu bir süre içinde sürünmenin kopmaya neden olamayacak kadar yavaş olduğu gerilme sınırıdır. Sürünme Ömrü; belli bir statik yük altında kırılmaya kadar geçen süredir.
Sıcaklığa bağlı olarak; Logaritmik Sürünme Sürünme Türleri 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.
Sürünme ve Gerilme Kopma Deneyi Sürünme Sabit Yük Düşük yük Hassas şekil değişimi Uzun süreli 2000<t<10000 Pahalı ekipman Gerilme Kopma Zamanla artan yük Yüksek yük Kaba şekil değişimi Kısa süreli t<1000 Ucuz ekipman Belirli gerilme ve sıcaklıkta en düşük şekil değişimi hızının belirlenmesi için. Belirli gerilme ve sıcaklıkta kopmaya kadar geçen sürenin belirlenebilmesi için.
Sürünme Deneyinden Elde Edilen Veriler Sürünme dayanımı. Sürünme kırılması dayanımı. İkincil veya kararlı sürünme hızı.
Sürünme Dayanımı Sürünme aralığındaki belirli bir sıcaklıkta, 1 saatte %0,00001 veya %0,001 lik sürünme birim şekil değişimine neden olan gerilme değerine sürünme dayanımı denir. Sürünme Kırılması Dayanımı Sürünme aralığındaki belirli bir sıcaklıkta, genellikle 1000, 10000 veya 100 000 saatte sürünme kırılması hasarını oluşturan gerilme değeridir.
İkincil veya Kararlı Sürünme Hızı Belirli bir sıcaklıkta, sabit gerilme altında, ikincil sürünme bölgesinin hızıdır. Bu değer uzun süren deneyler sonucunda elde edilir. Metalik malzemelerin çoğunda ikincil sürünme hızının bağıntısı;
Sürünme Hasarı ve Sürünme Kırılması Sürünme deneyinde hasar, iç boşlukların oluşumu ile çoğalır. Boşlukların büyüdüğü numunenin kesiti daralır ve sabit yük altında gerilme artar. Yüksek sıcaklıklarda, tane sınırlarının kayması ile tanelerin birbirine göre yer değiştirmeleri nedeniyle tane köşelerinde oluşan boşlukların büyüyüp birbirleriyle birleşmeleri sonucu, kopma tane sınırları boyunca olmaktadır
Tane köşelerinde boşluk ve çatlakların oluşması
Sürünme Hasarı ve Sürünme Kırılması Sürünme eğrisi boyunca çatlak ve boşlukların oluşumu
Yüksek Sıcaklık Alaşımları Metallerin sürünme davranışını etkileyen faktörler: Ergime noktası Elastik modül Tane boyutu Ergime noktası yükseldikçe Elastik modül arttıkça Tane boyutu büyüdükçe Malzemenin sürünme direnci artar.
Yüksek Sıcaklık Alaşımları Sürünme direnci yüksek malzemeler yüksek elastik modül ve ergime noktasına sahiptir. Metaller arasında süper-alaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter meralleri sayabiliriz. Taneler küçük olduğunda tane sınırları 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.
Yüksek Sıcaklık Alaşımları
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. Örneğin rijit parçaları bir arada tutan cıvatalarda uzun süreden sonra gerilme düşer ve cıvataların periyodik olarak tekrar sıkılması gerekir.
Gerilme Gevşemesi ile Elde Edilen Veriler Gerilmelerin yoğun olduğu bölgelerde gerilmelerin zamanla gevşemesi durumunu tespit edebilir. (çentik,çatlak,delik,vs) Malzemelerin çeşitli işlem kademelerinde oluşan kalıcı iç gerilmelerin ölçülmesinde ve bu gerilmelerin giderilmesinde uygulanacak ısıl işlemlerin iç gerilmelere etkisi incelenebilir. Gerilme gevşemesi ile malzemenin mekanik özellikleri arasında bir ilişki olup, bu ilişkiden faydalanarak aktivasyon enerjisi, deformasyon hızı duyarlılık üssü, dislokasyon hareketi için gerekli etkin gerilme gibi bazı parametreler de bu deneyle belirlenebilir. Metalik malzemelerden yapılmış konstrüksiyonda, bağlantı yerlerinde kullanılan malzemelerde (cıvata, pim vs) sağlanan sıkıştırma kuvvetinin, zamana bağlı olarak azalması bu deneylerle belirlenebilir.
Alaşımlı çeliğin farklı sıcaklıklardaki gerilme gevşemesi eğrileri