Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ ÇEVRE ve KULLANIM KOŞULLARI Doç. Dr. Halit YAZICI http://kisi.deu.edu.tr/halit.yazici/
Malzemenin mekanik özellikleri; 20 o C civarında, yavaş uygulanan bir yük y k altında (statik yükleme), y temiz, kuru ve düzgd zgün n kesitli malzeme örnekleri üzerinde saptanmaktadır. Kullanım m esnasında nda bu deney koşullar ullarının n bulunamayacağı gayet açıkta ktır. Bu nedenle malzeme, beklenenden farklı davranış gösterebilir. Örneğin, normal laboratuvar koşullar ullarında düktil varsayılan bir metal kullanım sırasında kırılgan k hale dönüşebilir. d
SICAKLIK Malzemeler genellikle çok düşük d k ve çok yüksek y sıcaklık k derecelerinde, normal sıcakls caklıklar klar altında beklenenden çok farklı davranış ışlar gösterebilir. g Örneğin, düşük d k sıcakls caklıklarda klarda hacim merkezli kübik k alaşı şımların düktilitesi ve enerji yutma kapasitesi düşer. Önemli yapı malzemelerinden çelik bu yapıda olup, 0 o C civarında kırılganlak lganlaşma gösterir g (Örneğin, yüksek y kaliteli bir çeliğin in (çekme( dayanımı 1050 MPa) ) +25 C de Charpy darbe dayanımı 55 m.n iken, -78 C de bu değerin erin 28 m.n ye düştüğü bulunmuştur.).
SICAKLIK Malzemeler genellikle çok düşük d k ve çok yüksek y sıcaklık k derecelerinde, normal sıcakls caklıklar klar altında beklenenden çok farklı davranış ışlar gösterebilir. g Örneğin, düşük d k sıcakls caklıklarda klarda hacim merkezli kübik k alaşı şımların düktilitesi ve enerji yutma kapasitesi düşer. Önemli yapı malzemelerinden çelik bu yapıda olup, 0 o C civarında kırılganlak lganlaşma gösterir g (Örneğin, yüksek y kaliteli bir çeliğin in (çekme( dayanımı 1050 MPa) ) +25 C de Charpy darbe dayanımı 55 m.n iken, -78 C de bu değerin erin 28 m.n ye düştüğü bulunmuştur.).
SICAKLIK Tersine, sıcakls caklık k arttıkça çeliğin in akma sınırıs düşer ve 300 o C 'den sonra bu sınır s r ortadan kalkar. Çeliğin in çekme dayanımı da sıcakls caklık k derecesi arttıkça a azalır r (Çeli( eliğin in 500 o C'deki çekme dayanımı 20 o C'deki dayanımının n % 60'ı kadardır). r). Ayrıca, yüksek y sıcakls caklıklar klar (yaklaşı şık 300 o C), çelikte normal sıcakls caklıkta kta görülmeyen g sünme olayını başlat latır. Yeterince yüksek y sıcaklıklarda, klarda, çok düşük d şekil değişimlerinde imlerinde bile bazı metal ve alaşı şımlar kırılgan k davranış gösterebilir.
SICAKLIK Ayrıca, sıcakls caklığın n artması ile atomların n daha hızlı titreşmelerinden dolayı malzemenin boyutlarında bir artış (genleşme), tersi durumda sıcakls caklığın n azalması ile de boyutlarda bir azalma (büzülme) olduğu bilinen bir gerçektir. ektir. Malzeme yapıda kullanımı esnasında nda bu tür t r yüksek y sıcakls caklık değişimlerine imlerine maruz kalacaksa sözüs edilen boy değişimlerinin imlerinin izin verilebilen sınırlars rları aşmaması gerekmektedir.
YAPI KO ULLARI Laboratuvar deneylerinde örnekler serbestçe yüklenir, başka bir deyişle, yükleme y sırass rasında örneğin yapacağı deformasyonlar engellenmemiştir. Ancak, yapı içinde inde aynı malzemeden yapılm lmış elemanların n davranış ışları kısıtlıdır. Dolayısıyla yla malzeme iki veya üç eksenli gerilme etkisi altındad ndadır. Oluşan asal gerilmeler nedeniyle malzemeler uygulamada deneylerden farklı davranış ışlar gösterir. g Örneğin, malzemenin gerilme-birim şekil değiştirme davranışı ışı,, kırılma k yükü değişebilir. ebilir.
YÜKLEME HIZI Malzemelerin kalite kontrol deneyleri belirli bir yükleme hızıh veya deformasyon hızıh esas alınarak gerçekle ekleştirilir. Düşük D k birim şekil değiştirme ya da yükleme hızlarh zlarında bütün b n eleman esner ve kopmadan önce daha çok enerji yutar. Yükleme Y hızının n belirli bir değeri eri aşmasa ması halinde esneme, kırılma bölgesinde b yoğunla unlaşır. Böylece B elemanın tümü enerji yutmaz, gevrek bir kırılma k gerçekle ekleşeceğinden enerji yutma kapasitesi ve toplam uzama azalır. Tersine yükleme y süresinin s uzaması da malzemenin dayanımını büyük ölçüde olumsuz olarak etkiler.
DALGALANAN GERİLMELER Gerilmelerin aralıkl klı olarak tekrarlı bir şekilde uygulanması malzemenin özelliklerini olumsuz yönde y etkileyip, malzemenin kırılganlak lganlaşmasına neden olur. Bu konuya Periyodik Yükleme Y ve Yorulma bölümünde ayrınt ntılı olarak değinilecektir.
KOROZYON Malzemelerin bulunduğu u ortam (çevresel( koşullar) tarafından kimyasal saldırıya uğrayarak bozulması korozyon olarak tanımlanabilir. Korozyon kimyasal reaksiyon sonucu oluştu tuğundan, undan, korozyonun meydana gelme hızıh bir dereceye kadar sıcaklığa a ve tepkimeye girenler ile ürünlerin konsantrasyonuna bağlı olacaktır.
KOROZYON Doğada yaygın n olarak bulunan demir oksitler, ancak ısı enerjisi verilerek daha yüksek enerji durumundaki demir alaşı şımı olan çeliğe e dönüştürülür. d r. Daha sonra demir, çevre koşullar ullarının n etkisi ile paslanarak daha düşük d k enerjili durumdaki demir oksit haline diğer bir deyişle aslına geri döner. d
KOROZYON Metallerin korozyonu, yarattığı dolaylı rahatsızl zlıkların n yanı sıra, her zaman malzeme israfına ve ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Yaklaşı şık k olarak her yıl y üretilen demir miktarının n % 25'i kadar demirin korozyon nedeniyle kullanılamaz lamaz hale geldiği i sanılmaktad lmaktadır
KOROZYON Metallerin korozyonu, yarattığı dolaylı rahatsızl zlıkların n yanı sıra, her zaman malzeme israfına ve ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Yaklaşı şık k olarak her yıl y üretilen demir miktarının n % 25'i kadar demirin korozyon nedeniyle kullanılamaz lamaz hale geldiği i sanılmaktad lmaktadır
KOROZYON İki tip kimyasal etkilenme vardır: r: 1) Doğrudan kimyasal etkilenme, 2) Elektro-kimyasal kimyasal etkilenme.
KOROZYON Doğrudan kimyasal etkilenmede bir elektron akımı (cereyan) yoktur. Bu tip etkilenmede metallerin yüzeyinde y eşe dağı ğılımlı oksijen reaksiyonu oluşur. ur. Doğrudan korozyon sonucu metal üzerinde oluşan yapışı ışık korozyon tabakasının n kalınl nlığı,, yaklaşı şık olarak, oluşma zamanının n kare kökük ile orantılıdır. r.
KOROZYON Bu tip etkilenmeye en iyi örnek, bakır çatı kaplamalarında görülen g korozyon olayıdır. Özellikle endüstriyel bölgelerin b atmosferlerinde bulunan oksijen, nem, sülfs lfür oksitleri, çatı kaplaması üzerinde yeşil renkli, erimeyen bakır r sülfat s örtüsü oluşturur.
KOROZYON Elektrokimyasal etkilenmede ise belirgin anot bölgelerinden b katot bölgelerine b önemli bir elektron akımı vardır. r. İyon hareketi ile bir elektrik akımı doğar ve korozyon yerel olarak oluşur. ur. Pillerin oluşmas ması ile metal zamanla harap olur.
METALLERİN ELKTRO-KİMYASAL KOROZYONU BİRİBİRİNİ TAMAMLAYAN ve E ZAMANLI GELİ EN İKİ ELEKTRO- KİMYASAL REAKSİYON OKSİDASYON (ANOT) REDÜKSİYON (KATOT) ELEKTRON KAYBEDEN ÇELİĞİN İYONA DÖNÜ MESİ KÜTLE KAYBI ELEKTRONLARIN BA KA BİR ORTAMDA HARCANMASI, HİDROKSİT İYONLARININ OLU MASI KORUNUR ELEKTRONLARIN KATODA, HİDROKSİT(OH) - İYONLARININ ANOTA TA INMASI ART AYNI ÇELİK ÜZERİNDE; ANOT ve KATOT BİRBİRİNE ÇOK YAKIN (MİKRO ELEMAN) BİRBİRNDEN UZAKTA (MAKRO ELEMAN) OLABİLİR
METALLERİN ELKTRO-KİMYASAL KOROZYONU BETON BO LUK SUYU: ELEKTRON veiyon İLETEN ORTAM ÇELİK ELEKTRON İLETEN ORTAM ANOT ve KATOT BAĞLANTISI KURULUR GALVANİ PİLİ OLU UMU NEM, O2 KONSANTRASYONU, TUZ KONSANTRASYONU, PAS PAYI TABAKASI ve GEÇİRİMLİLİĞİ BETON İÇİNDE BÖLGE BÖLGE DEĞİ KEN AYNI ÇELİĞİN FARKLI BÖLGELERİ ANOT ve KATOT REAKSİYONU GÖSTEREBİLİR
Au Pt Ag Pb Sn Ni Co Cd Fe Cr Zn Al Mg Na Yükseltgenme tepkimesi Au 3+ + 3e - Pt 2+ + 2e - Ag + + e - Cu Cu 2+ + 2e - +0,337 Sn +2 Sn 4+ + 2e - +0,150 H 2 2H + + 2e - 0,000 Pb 2+ + 2e - Sn 2+ + 2e - Ni 2+ + 2e - Co 2+ + 2e - Cd 2+ + 2e - Fe 2+ + 2e - Cr 3+ + 3e - Zn 2+ + 2e - Al 3+ + 3e - Mg 2+ + 2e - Na + + e - Elektrot gerilimi E, volt (25 C de standart hidrojen elektroduna göre) +1,498 +1,200 +0,799 2Hg Hg 2+ 2 + 2e - +0,788 Fe +2 Fe 3+ + e - +0,771-0,126-0,136-0,250-0,277-0,403-0,440-0,744-0,763-1,662-2,363-2,714 Her metalin hidrojen elektrotuna göre ölçülen bir elektrot potansiyeli vardır. Bunlar sıralanacak olursa Tablo da bazı metal iyonları için görülen elektromotif kuvvet serisi elde edilir. Daha katodik (korozyona eğilim daha az) Daha anodik (korozyona eğilim daha fazla)
KOROZYON Voltaj sırass rası listesi iki temiz metal yüzeyinden hangisinin anot olacağı ğını gösterir. Bu seride anot tarafındaki metal, katot tarafındakine kıyasla k anot reaksiyonuna uğrar, u katot tarafındaki ise korunur. Kimyasal bileşik ik şeklindeki korozyon ürünü kütleden ayrılır r ve yenisi oluşursa ursa tahribat sürekli olur. Demir'in korozyonu bu türdür. r.
ÇELĐK DONATININ KOROZYONU ASLINA DÖNME OLAYI - ATMOSFERĐK KOROZYON - ELEKTROLĐTĐK KOROZYON - KLORÜR KOROZYONU - TEMAS KOROZYONU - HĐDROJEN KIRILGANLAŞMASI ATMOSFERĐK KOROZYON Fe + ½O 2 +H 2 O Fe(OH) 2 Fe (OH) 2 FeO + H 2 O Temiz atmosfer koşullarında Zararlı Kirli Atmosferik Koşullarda PAS TABAKASI TEL FIRÇA ĐLE SÖKÜLEMĐYORSA ZARARSIZ PAS KOROZYON HIZI (HAVA NEMĐNE BAĞLI) 4-6 µm/yıl 100-1000 µm/yıl PUL PUL DÖKÜLME; ÇAP ÖLÇÜMÜ, ÇEKME DENEYĐ ve TEMĐZLEME ŞART
ÇELĐK DONATININ KOROZYONU Beton boşluk suyu (elektrolit) O 2 Paspayından oksijen difüzyonu Fe +2 2e - H 2 O ½O 2 2(OH) - Çelik Anodik işlem Katodik işlem ANOT REAKSĐYONU Fe Fe +2 + 2e - KATOT REAKSĐYONU H 2 O +1/2O 2 + 2e - 2(OH) - Fe +2 + 2(OH) - Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 + H 2 O+ 1/2O 2 Fe(OH) 3
KOROZYON Korozyona neden olan galvani pili türleri t farklıdır. r. Bileşim im pilleri, gerilme pilleri ve konsantrasyon pilleri olmak üzere üç pil türüt vardır. r. Bunların n oluşumunu umunu engelleyecek önlemler alınarak korozyon olayı önlenebilir.
KOROZYON a) Bileşim im pilleri : İki farklı türde metal arasında bir galvani elemanı oluşabilir. İki metalden hangisinin katot hangisinin anot olacağı voltaj sırass rası listesinden bulunabilir.
Zn (Anot) Sn (Katot) Fe (Katot) Fe (Anot) Zn Sn Örneğin ekil 'de görülen g galvanizli saçtaki çinko demire kıyasla k anot tarafındad ndadır. Galvaniz tabakası çizilerek demir açığa ığa çıksa bile çinko tarafından bir süre korunur. Ancak çinko zamanla korozyona uğrayarak demir saç paslanmaya başlar.
Zn (Anot) Sn (Katot) Fe (Katot) Fe (Anot) Zn Sn ekil 'de görülen g kalaylı saçta kalay demiri tamamen örttüğü sürece korozyondan korur. Korozyona dayanıkl klı olan kalay tabakası çizildiği takdirde, demir kalaya kıyasla k anot tarafında olduğundan undan kısa k sürede s paslanır.
KOROYON Elektrokimyasal korozyon olayına yapı malzemelerinde sık s k sık s rastlanabilir. Örneğin, çatılarda alüminyum ve bakır r levhalar birbirleriyle temas edecek şekilde konursa, çukurlarda birikebilecek suyun iletkenliği i ile bir pil oluşur ur ve daha az asal olan alüminyum levhalar delinir. Bu olaya temas korozyonu denir.
B) Gerilme Pilleri : Gerilme etkisindeki atomlar en düşük d enerjili denge konumundan ayrıld ldıklarından gerilmesiz bölgelere göre g daha yüksek y enerjiye sahiptirler. Bu nedenle gerilme etkisindeki atomların elektrolit potansiyelleri daha büyüktür r ve anot reaksiyonu gösterirler.
Anot Katot Anot Katot Eğilmiş veya burulmuş metallerde plastik şekil değişimi imi bölgeleri b anot reaksiyonu gösterirler. g ekil 5.2 de görülen g çubuğun un eğilme e bölgesinde b korozyon daha şiddetli oluşur. ur. Benzer şekilde soğuk burulmuş donatı çelikleri, sıcak s haddelenmiş çelik çubuklara kıyasla k daha hızlh zlı paslanır.
C) Konsantrasyon Pilleri : Elektrolitin konsantrasyonu elektrot potansiyelini etkiler. Konsantrasyonun yüksek y olduğu u bölgeler b katot, düşük k olduğu u bölgeler b anot reaksiyonu gösterir. g Kapalı yerlerde oksijen azdır. Bu bölgeler b oksijeni fazla olan açık a k bölgelere b kıyasla k daha şiddetli paslanırlar. Katot Anot Katot Anot
Korozyondan Korunma YöntemleriY KOROZYON DENETĐMĐ VE ÖNLENMESĐ Malzeme seçimi: Metalik malzemeler Metalik olmayan malzemeler Kaplama: Metalik kaplamalar Đnorganik kaplamalar Organik kaplamalar Tasarım: Aşırı gerilmelerden kaçınmak Farklı metallerin temasından kaçınmak Girintilerden kaçınmak Havayı uzaklaştırmak Elektriksel koruma: Katodik koruma Anodik koruma Ortam şartlarını düzeltme: Sıcaklığı düşürmek Ortamdaki sıvının hızını azaltmak Oksijeni ortamdan uzaklaştırmak Çözeltinin konsantrasyonunu düşürmek Korozyon önleyiciler kullanmak
Malzeme Seçimi Çevre koşullar ullarına uygun malzeme seçilirken, daha önceki deneyimler göz g önüne ne alınmal nmalıdır. Korozyona karşı dayanıkl klı bir malzeme, daha uzun süreli s olarak ve daha az bakım m gerektirerek kullanılaca lacağından, satış fiyatı fazla olmasına karşı şın, sonuçta ucuz bir malzemeye kıyasla k daha ekonomik bir malzeme olabilir.
1. Metalik malzemeler Saf metaller yerine alaşı şımlarının kullanılmas lması bir çok halde korozyona karşı dayanıkl klılığıığı arttırmaktad rmaktadır. r. Benzer şekilde bir alaşı şım m olan çeliğe e az miktarlarda krom, nikel, bakır, fosfor gibi elementlerin katılmas lması korozyona karşı dayanıkl klılığıığı büyük ölçüde yükseltmektedir. y
Metalik olmayan malzemeler Polimer malzemelerin, metal ve alaşı şımlara kıyasla k daha düşük d dayanımda oldukları,, korozyona dayanıkl klılık k nedeniyle tercih edildikleri yerler sınırls rlıdır. r.
Kaplamalar Organik Kaplamalar En çok kullanılan lan korozyona karşı korunma yöntemidir. En önemli organik kaplamalar; boyalar, cilalar, zift, yağ ve plastik kökenli k kenli malzemelerdir. Bazılar larında (boya gibi) inorganik maddeler bulunmasına na karşı şın, organik kökenli k kenli bileşenleri enleri daha fazla olduğundan undan organik kaplama olarak sınıflandırılırlar. rlar. Organik kaplamalar yüksek y sıcaklıklarda klarda eriyebilmeleri nedeniyle dikkatle kullanılmal lmalıdır.
İnorganik Kaplamalar Genellikle seramik, çinko (galvanize etmek), kalay, emaye ve çimento gibi maddeler ile kaplanan malzemelerin korozyona dayanıkl klılıkları büyük ölçüde artar. Isıya ve aşıa şınmaya karşı organik kaplamalardan çok daha fazla dayanıkl klıdır. Ancak sert olmalarına karşı şın n darbeye dayanıkl klı olmadıklar klarından kırılgandk lgandırlar.
BETONUN ÇELİĞİ KOROZYONDAN KORUMASI FİZİKSEL KORUMA ZARARLI MADDELERİN, SUYUN KOLAYCA ÇELİĞE ULA MASININ ENGELLENMESİ (BETONUN GEÇİRİMSİZLİĞİNE ve PAS PAYI TABAKASI KALINLIĞINA BAĞLI) KİMYASAL KORUMA BETONUN ÇELİĞE YÜKSEK DERECEDEN ALKALİ BİR ORTAM SUNMASI (ph 12.6-13.5) (PASSİVİZASYON) Beton yüzeyi Donatı Çubuğu ph 12.5 MĐKROSKOBĐK OKSĐT TABAKASI (PASĐF TABAKA) DONATININ PASLANMASI MÜMKÜN DEĞĐL (PASĐF TABAKANIN STABĐL KALMASI DURUMUNDA)
BETONUN ÇELİĞİ KOROZYONDAN KORUMASI ÇELĐK DONATI Beton yüzeyi KARBONATLAŞMA ph < 9.5 11.5 KLORÜRLER Cl - > KRĐTĐK DEĞER ASĐDĐK SIVILAR PASĐF TABAKANIN ÇÖZÜLMESĐ KĐMYASAL KORUMANIN SONU DONATININ KOROZYONU MÜMKÜN (oksijen ve nem varlığında) GEÇĐRĐMLĐ, YETERSĐZ KALINLIKTA PAS PAYI TABAKASI FĐZĐKSEL ve KĐMYASAL KORUMA YETERSĐZ KOROZYONUN KISA SÜREDE GÖRÜLMESĐ MUHTEMEL
DENĐZ SUYU ETKĐSĐ TUZLA ĐSKELESĐ
ÇELĐK K DONATININ KOROZYONU Đzmir de korozyon hasarına uğramış elektrik direkleri
ÇELİK K DONATININ KOROZYONU
15 YILDA φ16 DONATI φ11-12 ÇE MEALTI NDA YAZLIK KONUT DENİZE 15m
ÇELİK K DONATININ KOROZYONU
Metalik Kaplamalar Bu tip kaplamalar, korozyona karşı dayanıkl klılığıığı arttırmak rmak için in ve/veya güzel g görünüm g m sağlamak amacıyla kullanılır. Kaplamalar ısısal, sal, mekanik ve elektrokimyasal yöntemlerle y korunması istenen yüzeyin y üzerine uygulanır. Kaplama malzemesi korunması istenen yüzeye y kıyasla k anodik olmalıdır. Örneğin, demire kalay kaplama yapılmak istenirse, kalay demire kıyasla k daha asal olduğundan, undan, kaplama tabakasının n gözeneksiz g olması gerekir. Aksi takdirde iğne i deliği i gibi bir gözenekten g korozyon hızla h gelişebilir. ebilir. Bu nedenle açılan a konserve kutuları hava ile temas edince hızla h kararır r ve paslanır. Ancak, demirden daha az asal olan, 1 mm kalınl nlığında çinko ile kaplanan çeliğin in endüstri bölgesi b olmayan yerlerde 250 yıl y l dayandığı görülmüştür.
Metalik Kaplamalar Yapılarda en çok kullanılan lan metalik kaplama türleri, t çelik üzerinde çinko, alüminyum, nikel ve krom kaplamalardır. r. Metalik kaplama genellikle sıcak s daldırma veya püskürtme yöntemleriyle y yapılır. Kaplama, yöntem y ne olursa olsun, yeterince kalın, üniform ve gözeneksiz olmalıdır r ve alt tabakaya yeterince yapış ışmalıdır.
Elektriksel Koruma 1. Katodik Koruma Normal olarak korozyona uğrayacak metale ters akım verilerek katodik hale dönüştürülebilir. Örneğin yeraltı çelik kablolarına bir bataryanın eksi kutbu bağlanacak olursa elektron kaybı önlenir, katoda dönüşen çelik hat en alt düzeyde d paslanır.
1. Katodik Koruma Malzeme kendisinden daha az asal olan bir metale bağlanarak da korunabilir. Örneğin, yeraltı kablo boruları paralel çinko çubuk veya tele bağlanarak korunabilir. Gemi gövdelerine, su tankerlerine korozyondan korumak için i in çinko veya magnezyum çubukları bağlan lanır. Çubuklar daha az asal olduğundan undan anot, gövde g ise katot olur. Böylece gövde g yerine çubuklar korozyona uğrarlar. Bu çubuklar belirli sürelerde s değiştirilerek korunması istenen yüzeyin y sağlam kalması temin edilir.
2. Anodik Koruma Nispeten yeni bir yöntem y olup dışd ıştan verilen bir anodik akımın n etkisiyle metal veya alaşı şımın n yüzeyinde y koruyucu bir film oluşturarak korozyon ortamındaki reaksiyon hızını düşürme esasına dayanır. Ancak bu koruma için i in karmaşı şık k bir donanıma ve yüksek y donanım maliyetine ihtiyaç vardır. r.
Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ ÇEVRE ve KULLANIM KOŞULLARI Doç. Dr. Halit YAZICI http://kisi.deu.edu.tr/halit.yazici/