MMT209 Çeliklerde Malzeme Bilimi ve Son Gelişmeler 11 Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir 2011-2012 Güz Yarıyılı
Sıcaklık, K Sıcaklık, C 4000 W Ergiyik Ta 3000 T m Mo Nb Hf 2000 Cr Ti Fe Ni Mn Cu Ca Al Mg Zn Pb Sn 2000 0,4.T m 1000 0 0 Elementler Ergime ve kritik sıcaklıkları Bleck, 2008 2
Sürünme sırasında lokal deformasyon Bleck, 2008 3
Yüksek sıcaklık malzemeleri (1) EURONORM 95-79 Yüksek sıcaklık malzemeleri uygulama sırasında sıcak gaz ve yakıtların etkisine 550 ºC ve üzeri sıcaklıklarda karşı koyabilen malzemelerdir. DIN 17240 Bu standarda göre sıcaklığa dayanıklı çelikler ise ~ 540 C sıcaklığına kadar uzun süreler mekanik özelliklerini koruyabilen malzemelerdir. Diğer yandan, yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler ve alaşımlar ise bu sıcaklıklar ~ 800 C ye kadar olabilir. DIN 17460 Yüksek sıcaklığa dayanıklı östenitik çelikler, en az kütle-% 13 Cr içeren ve 550 C üzerindeki sıcaklıklara uzun süreler mekanik yük taşıyabilen ve mukavemetini sürdürebilen östenitik çeliklerdir. Tanımlar 4
Yüksek sıcaklık malzemeleri (2) DIN EN 10302, 2005-10 500 ºC nin üzerindeki sıcaklıklarda uzun süreli kullanım koşulları altında mekanik özelliklerini (sürünme limit ve sürünme mukavemeti) koruyabilen ve en az kütle-% 8 krom içeren çelik, nikel veya kobalt alaşımlarıdır. Schatt a göre Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler, 400 C nin üzerinde kullanılabilen alaşımsız ve alaşımlı çeliklerdir. Bürgel e göre Yüksek sıcaklık malzemeleri içerisinde 500 C nin üzerinde mekanik özelliklerini ve korozyon dayanımını koruyabilen tüm malzemeler sayılabilir. Tanımlar 5
Yüksek sıcaklık malzemeleri (3) Zamana bağlı olmayan malzeme özelliklerinden zamana bağlı olan malzeme özelliklerine geçiş Yeniden kristallenme sıcaklığı Yüksek hızlı korozyondan oksit tabakası oluşumuna geçiş Wüstit (FeO) oluşum sıcaklığı Tanımlar 6
Sertleşmesi Ni-alaşımlarında Ti ve Al ilavesi ile sertleşebilirlik eldesinin patenti (Pilling ve Merica) Nimonic 80 A -> sertleştirilmiş Ni bazlı alaşım Vakum ergitme IN 718 -> sertleştirilmiş Ni bazlı alaşım Nikel bazlı süperalaşımların hassas dökümü Yönlendirilmiş katılaşma ile hassas döküm Tek kristal alaşımlar Al 2 O 3 kaplamalar Termal Bariyer Kaplamaları (MCrAlY ile Y 2 O 3 stabilize ZrO 2 Tarihçesi 7
Çelik tipi Mikroyapı Çelik numarasısınıfı Çelik adı ferritik bazen Isıya dayanıklı Incoloy MA 956 (Aynı zamanda yüksek sıcaklığa dayanıklı) östenitik (Aynı zamanda yüksek sıcaklığa dayanıklı) Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 8
Çelik tipi Mikroyapı Çelik numarasısınıfı Çelik adı Sıcaklığa dayanıklı Ferritik/ beynitik martenzitik Yüksek sıcaklığa dayanıklı östenitik (Aynı zamanda ısıya dayanıklı) Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 9
Isıya dayanıklı çeliklerin içerdiği ana elementler Fe, Ni ve Cr dur. Ayrıca içerilerinde Si ve Al da bulunur. Mikroyapı: Ferritik ve östenitik Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 10
Sıcaklığa dayanıklı çeliklerin içerdiği ana elementler ise Mo, Cr, V ve Ti dur (Karbür yapıcı elementler). Ayrıca katı ergiyik sertleşmesi elde etmek için Mo, Mn, V, Si ve Cr içerirler. Mikroyapı: Ferritik ve ferritik-beynitik Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 11
Yüksek sıcaklığa dayanıklı çeliklerin içerdiği ana elementler ise; Ferritik-martenzitik çeliklerde Cr, Mo, W, V, Nb Östenitik çeliklerde Ni, Cr, Al, Ti, Mo ve Nb Mikroyapı: Ferritik-martenzitik ve östenitik Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 12
Sıcaklık aralığı Çelik tipi Isıya dayanıklı ince taneli yapı çeliği Mn alaşımlı Alaşımsız ve düşük alaşımlı sıcaklığa dayanıklı çelikler CrMo- ve CrMoV çelikleri Martenzitik % 9-12 Cr çelikleri Östenitik çelikler Östenitik çelikler Mukavemeti optimize edilmiş ferritik % 9 Cr çeliği (620 C ye kadar) Yük. sıcaklığa dayanıklı östenitik çelikler Yüksek sıcaklığa dayanıklı çeliklerin kullanımı 13
Neden yüksek sıcaklıklarda mukavemet elde etmek istiyoruz? Yüksek sıcaklıkta çalışan makinelerde performans ve kapasite artışı elde etmek (Stelth-Bomber) Makine ve cihazların ömrünün artırılması (Fırın mardeneleri) Ekonomik fizibiliteyi ve teknik uygulanabilirliği iyileştirme (fırınlar) Kaynakların korunması (Ergitme prosesleri enerji yoğundur). Yüksek sıcaklığa dayanıklı çeliklerin kullanımı 14
% 1 akma mukavemeti, sürünme sınırı Darbe testi Çekme testi Sıcak çekme testi Sürünme testi süresi Test sıcaklığı Sıcaklığın ve sürenin mukavemete etkisi Berns, 2008 15
Sıcaklığa dayanıklı ferritik çeliklerin 100 000 saat mukavemetleri Bleck, 2008 16
Yüksek sıcaklığa dayanıklı ferritik çelikleri 100 000 saat mukavemetleri Bleck, 2008 17