Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ -I 11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY 11.1.Kalite kontrolü ile ilgili istatistiksel kavramlar 11.2. Gauss (Normal) dağılımı 11.3.Ortalama Dayanım Güven Sınırları 11.4.t-dağılımı ile güven sınırlarının tespiti 11.5.Üretim değerlerinin kıyaslanması 11.6.Regresyon Analizi ve Korelasyon 1
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY İstatistiksel Dağılım Bir malzemenin değişik örnekleri üzerinde belirli bir özelliği saptamak amacıyla aynı deney koşullarında yapılan deney bulguları değişik nedenlerle birbirinden farklı olur. Bu sapmalara dağılım denir. Malzeme örneklerinin farklı olabilmesi, örnek alış tarzındaki farklılıklar, deneyde yapılabilecek farklılıklar bu sapmaların ana nedenleridir. Bu faktörlerin değişmesi tamamen rastgeledir. Rastgele değişkenleri nasıl kontrol altında tutabiliriz? 2
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Aritmetik ortalama (örnek ortalaması) Bu parametre deney veya gözlemler sonucu elde edilen verilerin ortalamasıdır. x N i 1 N x i 3
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Standart Sapma: İstatistik parametreleri arasında en önemli ve sık kullanılanlardan biri olan varyans değişebilmenin bir ölçüsüdür. Varyansın ve standart sapmanın matematiksel tanımı: N sayıdaki örnek için, s 2 N i 1 n i x 2 i N 1 Nx 2 s N i 1 n i x 2 i N 1 Nx 2
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Değişkenlik (Varyasyon) Katsayısı: Standart sapmanın aritmetik ortalamaya oranıdır (s/ x ). Özellikle değişik yerlerde yapılan malzemelerin imalat özelliklerinin kıyaslanmasında kullanılır. 5
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Deney bulgularının yalnız ortalaması, malzemenin niteliği hakkında kesin bir yargıya varmak için yeterli olmayabilir. Kaliteli üretim kıyaslamasında normal dağılım ve risk kavramları dikkate alınarak karakteristik dayanımlar kullanılmalıdır. Nasıl yapacağız? 11.2., 11.4Gauss (Normal) dağılımı veya Student-t dağılımı 11.3.Ortalama Dayanım Güven Sınırları 6
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY 11.5. Üretim değerlerinin kıyaslanması Örneğin (A) hazır beton fabrikasında yapılan deneyler sonucunda beton basınç dayanımına ait şu değerler: x a 36MPa S 9. 5MPa a (B) hazır beton fabrikasında yapılan deneylerde: x b 31MPa S 4. 8MPa b
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Basınç dayanımı değerlerinin normal dağılıma (GAUSS çan eğrisi) uyduğunu varsayalım. Risk sınırı 0.05 (%5) için Tablo 11.2 den u=1.64 olduğu bulunur. %1 risk almak için u= 2.33 %10 risk almak için u=1.28 Alınan risk 8
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY (A) hazır beton fabrikası örneklerinden X 36 1.64 9.5 20. 4MPa a min X X U. S min %5 risk için en küçük basınç dayanımı Ortalama basınç dayanımı Standart sapma %5 risk için katsayı B) hazır beton fabrikası örneklerinden X 31 1.64 4.8 23. 1MPa b min 9
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY (A) hazır beton fabrikası örneklerinin ortalama basınç dayanımı, (B) hazır beton fabrikası örneklerinden daha büyük olmasına karşın, (B) hazır beton fabrikasının daha düzgün ve kaliteli beton ürettiği açıktır. 10
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Korelasyon: Değişkenlerin arasındaki ilişkinin doğrusal olması halinde bu ilişki için en çok kullanılan ölçü korelasyon katsayısıdır. Normal dağılmış X ve Y değişkenleri için N elemanlı (x i, y i ) çiftlerinden oluşan bir örnekten r korelasyon katsayısı şu denklemle tahmin edilebilir: x s 11.6.Regresyon Analizi ve Korelasyon x r y s y N 1 1 n i 1 x i s x ve y değişkenlerinin ortalaması, x x y x ve y değişkenlerinin standart sapması i s y y
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Regresyon analizi için örnek: Bir demir-çelik fabrikasından alınan 11 çelik numunenin karbon oranı % 0.5 ile 2 arasında değişmektedir. Karbon oranı arttıkça çelik gevrekleşir ve deforme olma yeteneğini kaybeder. Çelik numuneler üzerinde yapılan çekme deneyinde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Karbon oranı, X (%) 0.06 0.12 0.13 0.16 0.25 0.41 0.47 0.70 1.00 1.20 1.40 Kopma uzaması, Y (%) 0.46 0.44 0.41 0.40 0.35 0.28 0.27 0.20 0.15 0.10 0.06
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY Bu verilere göre X ve Y değişkenleri arasındaki korelasyon katsayısı (11.18) formülü ile hesaplanırsa: N=11, x = 0.536, y = 0.284, sx = 0.473, s = 0.141. y r= -0.98 bulunur. Bu sonuç X ve Y değişkenleri arasında oldukça güçlü bir korelasyon oluştuğunu, dolayısıyla doğrusal regresyon çözümlemesinin yapılabileceğini göstermektedir
11. Malzeme Bilgisinde İstatistiksel YöntemlerY kop ma uz amas ı (% ) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 karbon oranı (%)
Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ MÜHENDİSLİK K METAL ve 1
GİRİŞİŞ metaller ve alaşı şımlar polikristal yapılı,, inorganik malzemelerdir. homojen yapılı Limonit Metaller doğada çoğunlukla oksit, kükürt k ve karbonatlı cevherler halinde bulunur. 2
ALAŞIM Alaşı şım; MÜHENDİSLİK K METAL ve bir metale belirli özellik sağlamak için i in en az bir başka elementin (metal veya ametal) kasıtl tlı olarak eklenmesi ile elde edilen metal karakterli bir malzemedir. Örneğin, çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşı şımdır. İlave edilen element, kristal içinde i inde ya katı çözelti veya ara bileşikler ikler halinde bulunur. Alaşı şımda fazla miktarda olan metale asıl l metal adı verilir. Alaşı şımı elde etmek için i in bu metale karış ıştırılanlara da alaşı şım elemanları denir. 3
GİRİŞİŞ MÜHENDİSLİK K METAL ve Alaşı şımlar saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Uygulamada çoğunlukla mekanik özelliklerinin düşükld klüğü nedeniyle saf metaller kullanılmaz. lmaz. Saf metallerin korozyona karşı büyük k bir dayanıkl klılığıığı vardır. r. 4
Faz, üniform fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren g bir sistemin homojen bir parças asıdır. Aynı ortamda değişik ik fazlar bulunabilir. Genellikle çözücü bir cismin içinde i inde ancak sınırls rlı bir miktar çözünen madde çözünebilir. Örneğin, bir bardak suda ancak belirli bir miktar şeker çözülebilir. Benzer şekilde metal eriyiklerinde de çözülebilirlik lebilirlik sınırlars rları vardır. r. 5
KATI ERİYİKLER: Örnek olarak su-şeker karışı ışımını dikkate alınırsa; sabit bir sıcaklıkta kta şekerin su içinde i inde çözünebilece nebileceği i maksimum miktar vardır. r. Buna çözünürl rlük k sınırı s denir. Sıcaklık k artıkça a bu sınır s r artar. Bu sınırdan s daha fazla şeker konursa, fazla şeker su içinde i inde çözünmez nmez ve karışı ışımın n dibinde katı parçac acıklar çökelir. Bu durumda ortamda iki faz vardır: r: 1- Çökelmi kelmiş şeker fazı 2- Şekerli su fazı (şerbet) 6
KATI ERİYİKLER: Yabancı atom esas metalin atomu yerine yerleşiyor ise Yeralan Katı Çözeltisi zeltisi kafes aralarındaki boşluklara yerleşiyor ise Arayer Katı Çözeltisi meydana gelir 7
KATILAŞMA OLAYI Sıvı halde saf bir metal ya da alaşı şım m soğutulmaya bırakb rakılsın. İlk sıcaklık k yüksek y olduğu u için i in sistem sıvıs fazdadır. İlk katıla laşma (çekirdek( oluşumu) umu) erime sıcakls caklığında meydana gelecektir. Bu anda ilk olarak katı tanecikler oluşacakt acaktır. 8
DENGE DİYAGRAMLARID Maddeler belirli çevre şartlarında bir veya birden fazla faz içerebilirler. Maddenin denge halindeki faz sayısı ve miktarı, maddenin; a) Kimyasal komposizyonuna, b) Ortam sıcakls caklığına, c) Ortam basınc ncına na bağlıdır. Maddenin hangi çevre şartlarında ve hangi kimyasal kompozisyonda ne gibi fazları (denge hali) içerdii erdiği, i, sıcakls caklık, k, kompozisyon ve basınc ncın değişken alınd ndığı diyagramlarda gösterilir. g sterilir. Bu diyagramlara Faz Denge diyagramları veya doğrudan denge diyagramları denir. 9
DENGE DİYAGRAMLARID Değişik ik metaller için i in faz diyagramları çizilip, makina ve metalurji mühendislerine çok yararlı olacak veriler elde edilebilir. Denge diyagramları sistemi oluşturan bileşen en sayısına göre g 1 li, 1 2 li, 2 3 lü ve 4 lü4 denge diyagramları olabilir. Pratikte en çok 2 li 2 denge diyagramları kullanılır. 10
8 MALZEME BİLGB LGİSİ DEMİR R ve 11
Demir Karbon Denge diyagramı Saf demir 30 MPa (N/mm 2 ) gibi oldukça a düşük d k akma dayanımı değerine erine sahiptir. Demirin içerisine i az miktar karbon ilavesi bile akma dayanımı değerini erini önemli bir şekilde artırır. r. 12
Demir-karbon alaşı şımlarının n isimlendirilmesi Karbon oranı % 0.2 den az olan Fe Fe 3 C alaşımlarına yumuşak demir adı verilir. Karbon oranı % 0.2 - % 1.7 arasında olan Fe Fe 3 C alaşımlarına çelik denir. Karbon oranı % 1.7 den büyük olanlarına ise dökme demir (Font) denilir. 13
Soğuma Esnasında nda Çelik Ve Dökme D Demirlerdeki Faz Değişimleri imleri Diyagram üzerinde % 0.4 ve %1.4 karbonlu çelik ile %3 karbonlu dökme demirin ergime noktasından oda sıcaklığına kadar geçirdiği değişiklikleri inceleyelim 14
Düşük k Karbonlu Çelikler Düşük k karbonlu çelikler en fazla % 0.25 mertebelerinde karbon içerirler. Bunlar diğer türlere t kıyasla k en fazla düktild ktil,, buna karşı şın en düşük d dayanım m ve sertliktedirler. Bu tip çelikler, büyük k düktilite d ve işlenebilirliki gerektiren yerlerde kullanılırlar. Örneğin, otomobil gövdesi, g ince saç levha, çivi, perçin, betonarme donatısı,, profil eleman malzemesi üretiminde kullanılırlar. Tavlama ve ısıl l işlemler i yardımıyla yla sertleştirilemezler. tirilemezler. 15
Orta Karbonlu Çelikler % 0.3 - % 0.5 oranında nda karbon içeren i orta karbonlu çelikler ise; demiryolu rayları,, tren ve tekerlekleri, dingil şaftları ve yüksek y dayanıml mlı betonarme donatısı gibi sertlik ve yüksek y ksek dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. Karbon içerikleri i martensit oluşumuna umuna izin vermesi nedeniyle ısıl işlem ve tavlama yoluyla özellikleri geliştirilebilir. 16
Yüksek Karbonlu Çelikler % 0.55 - % 0.95 arasında karbon içeren i yüksek y karbonlu çelikler, elikler, en sert, en dayanıkl klı ancak en az düktil d olan türdt rdür. r. Isıl l işlemlere i en iyi bu tür t r yanıt t verip, gereken işlemlere i tabi tutulduktan sonra istenen niteliğe e getirilebilir. Bu tür t çelikler, değişik ik özellikli tellerin, savaş araçlar larının, n, keskin bıçaklarb akların n vb. yapımında kullanılır. Kaynak işlemii bu tip çeliklerde lokal sertleşme ve düktilite d kaybına yol açabildia abildiğinden inden kaynaklama sırass rasında dikkatli olunması gerekir. 17
Çeliklerin içinde i inde doğal olarak bazı yabancı maddeler bulunabilir (En çok Mn % 0.6-% % 0.7, Si % 0.05 - % 0.45, S % 0.02 - % 0.04, P % 0.011-0.032 0.032 oranlarında nda bulunabilir). Bunlar yukarıda belirtilen sınırlar s içinde i inde kalırsa, alaşı şımın n mekanik davranışı ışını pek etkilemezler. Ayrıca Mn oranının n artması dayanımı olumlu yönde y etkiler. Ancak kükürt k ve fosfor çeliğin in kırılganlk lganlığını arttırır, r, bu nedenle iyi bir çelikte oranı % 0.04'ü geçmemelidir. 18
ÇELİK ÜRETİMİ 19
ÇELİK ÜRETİMİ DEMİR (Fe) KARBON (C) ÇELİK Fe ( %99,7) C (0,25-0,4) ÇELİK 20
ÇELİK ÜRETİMİ CEVHER+ERİTİCİ Baca KIRMA, UFALAMA YAKMA YAKMA (1900 C) Gaz Çıkışı 200 C Döner yükleme haznesi Büyük Çan Küçük Çan SOĞUTMA 800 C 1300 C BEYAZ FONT ESMER FONT Ham demir 1800 C 1500 C Hazne Ana hava simidi Hava giriş borusu Curuf akıtma kanalı Font=Pik demir 21
ÇELİK ÜRETİMİ HAM DEMİRİN ARINDIRILMASI karbon, silisyum, mangan, fosfor, kükürt gibi maddelerin kısmen veya tamamen yok edilip, çeşitli çelik ve endüstriyel demirlerin elde edilmesi PİYASAYA ARZ EDİLEBİLİR HALE GETİRME piyasada görülen saç, değişik boy ve şekillerdeki çubuk, profil elemanlar olarak yarı mamul 22
Çelik Üretimi Demir ve alaşı şımlarının n elde edilişi, i, düzeltimi, d değişimi imi ve yarı işlenmiş eşya haline dönüştürülmesi d ile uğrau raşan an endüstri ve teknik bölümüne "siderurji" adı verilir. Siderurji tekniği i dört d büyük b k gruba ayrılır r : 1. 1.Cevher, Cevher, eritici ve kömürden k oluşan ham maddeleri; kırma, ufalama, yakma (piritlerin( yakılmas lması), kok yapımı vb. ilk işlemlerden i geçirerek hammaddeleri yüksek fırına atılabilecek şekle dönüştürmed aşaması. 23
Çelik Üretimi Neden kok kömürü? Taş kömürünün havasız ortamda, bütün uçucu bileşenlerinin giderildiği yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasıyla elde edilen kömüre kok kömürü denir. antrasit kömür kok kömürü + yan ürün havagazı Petrokok başka bişey: kömür tozu ile petrol karışımı pres kömürü (yasak) 24
Çelik Üretimi 2. Ham demir (pik) veya font elde edilişi Artık k maddeye letiye(curuf) adı verilir. Yüksek fırın 25
Çelik Üretimi Tarihi yüksek fırınlar 26
Çelik Üretimi Fatma Ayşe İskenderun Demir-Çelik Fabrikası'nda Cemile, Ayfer,Gönül isimlerinde 3 adet, Ereğli Demir-Çelik Fabrikası'nda Ayşe ve Atatürk'ün annesinin adının verildiği Zübeyde olmak üzere iki adet, Karabük Demir-Çelik Fabrikası'nda ise Fatma (1939-Türkiye'nin ilk Yüksek Fırını), Zeynep (1950) ve Ülkü (1962) olmak üzere 3 adet ve toplam 8 adet yüksek fırın mevcuttur. 27
Çelik Üretimi Pik demir veya font letiye(curuf) beyaz font esmer font Sert yüksek dayanı mlı ama 28 kırılgan!
Çelik Üretimi %2-6.67 C font 3. Ham demirin (font) işlemden i geçirilmesi Fonta hava ve demir oksit etki ettirilerek yumuşak demir üretilir. (Puddling Yöntemi) Y ntemi) %0.02 C Yumuşak demir %2-4 C Dökme demir 29
Çelik Üretimi Dökme demirden köprü Dökme demirden bir kanalizasyon kapağı Dökme demirden bir tava Yüksek karbon oranı nedeniyle kaynaklanması güçtür. 30
Çelik Üretimi Çelik üretiminde ise beyaz fontun yakılarak larak fazla karbonun alınmas nması (Martin-Siemens Yöntemi) Y veya yumuşak demire hava üflenerek karbonlanması (Bessemer veya Thomas) yöntemi gibi işlemler i uygulanır. 31
SÜREKLİ DÖKÜM 4. 4.Üçüncü aşamanın ürünü olan kütükler kler bir uçtan u akıtılırken öteki uçtan u katıla laşmış şekilde dışarı çekilerek sürekli s olarak dökülerek piyasada görülen g saç,, değişik ik boy ve şekillerdeki çubuk, profil elemanlar olarak yarı işlenmiş eşya durumuna getirilmesi. 32
Çelik Üretimi Demir ve çelik ürünleri aynı zamanda hurda malzemeleri değerlendiren erlendiren ark ocağı sistemi ile de elde edilir. Temin edilen hurda demir, alaşı şıma karbon sağlamak amacıyla pik demir (yüksek karbon oranlı demir) ile birlikte elektrik ark ocaklarında eritilir. Eritme için i in gerekli olan yaklaşı şık k 1600 C sıcaklık k yarım m metre çaplı üç adet büyük b elektrot ile sağlan lanır. 33
Çelik Üretimi Elektrotlardan geçen en yüksek y elektrik akımı sonucunda doğadaki yıldırım düşmesine benzer şekilde elektrik arkı oluşur. ur. Eriyik üzerine oksijen verilerek istenmeyen elementlerin aktiflik sırasına göre g oksitlenerek eriyikten ayrış ışması sağlan lanır. 34
Çelik Üretimi Bu oksitler curuf adı verilen karışı ışımı oluştururlar. Bu curufun özgül l ağıa ğırlığı demirden oldukça a düşük d k olduğundan undan dolayı (yaklaşı şık k 2.5 3.0), curuf eriyiğin in yüzeyine çıkar ve yüzeyden y dışd ışarıya atılır. Eriyikten curuf alınd ndıktan sonra; eriyik daha küçük üçük k elektrotları olan potaya boşalt altılır. Burada eriyikten örnek alınarak kimyasal bileşimine bakılır ve gerekli işlemler yapılarak istenen kimyasal kompozisyon elde edilir. 35
Çelik Üretimi 36
Çelik Üretimi En son elde edilen alaşı şım m sürekli s döküm m işlemine i tabi tutulur. Burada sıvıs haldeki demir- karbon alaşı şımının n sıcakls caklığı su ile soğutulup 1200 C ye kadar düşürülerek katıla laşma sağlan lanır. Daha sonra katılaşan malzeme istenen formda kütükler haline getirilerek ya kendi halinde soğumaya bırakılır ya da fazla soğumadan istenen boyut, şekil, sertlik ve dayanımda çelik üretilmek üzere haddelemeye geçilir. 37
Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme Yöntemleri 38
Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme YöntemleriY Amaca yönelik y değişiklik iklik Malzeme kopmadan önce belirli bir kopma uzaması (bazı literatür r % 5 kabul etmektedir) gösteriyor g ise böyle b malzemelere sünek malzeme, belirgin bir uzama göstermeden g koparsa (plastik şekil değiştirmeden) gevrek malzeme denir. 39
Metallerin Mekanik Özelliklerini Değiştirme YöntemleriY 1. Tane Ufaltma 2. Katı Eriyik Alaşı şımlandırılması Video: Growth_of_a_twodimensional_grain_structure 3. Deformasyon Sertleştirmesi tirmesi 4. Isıl İşlem 40
Tane Ufaltma Tane boyutu daha küçük üçük k olunca daha büyük b k oranda sınır s malzemesi çıkacağından, malzemenin tane boyutu küçük üçülürken, mukavemeti artar. Bu nedenle malzemenin tane çaplarını zamanda o malzemenin dayanımını arttırır. incelten işlemleri aynı 41
2. Basit Alaşı şım m Etkileri Alaşı şımı oluşturan atomlar yarıçaplar apları farklı olduğu u için i in kristal hatası oluştururlar. Elementlerden biri diğerine göre g ya arayer atomu ya da yeralan atomu oluşturur. Her iki halde de dislokasyon hareketi zorlaşı şır. Dislokasyon hareket ederken bu nokta hatalarına ulaşı şırsa veya nokta hataları yayınma ile dislokasyon bölgesine b ulaşı şırlarsa, dislokasyon bölgesinin b lgesinin enerjisini azaltarak hareketini zorlaştırır. 42
3. Deformasyon Sertleştirilmesi tirilmesi Bu işleme i soğuk işlemi adı da verilir. 43
3. Deformasyon Sertleştirilmesi tirilmesi %0.03 C Soğuk çekme öncesi tane yapısı %0.03 C Soğuk çekme sonrası tane yapısı Yönlenme ve hareket nedeniyle diskolasyonlar tane sınırlarına ulaşmıştır. 44
3. Deformasyon Sertleştirilmesi tirilmesi Soğuk çekme ile üretilen malzemeler 45
4. Isıl l işlemi MÜHENDİSLİK K METAL ve İstenilen mikroyapı ve özellikleri elde etmek için i in çelik katı fazda iken ısıtılıp, soğutulma işlemlerine i ısıl l işlemi denir. Isıl l işlemler i tavlama ve sertleştirme tirme olarak iki grupta incelenebilir. 46
4. 1. Tavlama Çeliklerin ısıtılıp p soğutulma işlemlerine i tavlama denilir. Soğuk işlemin i etkileri (iç( gerilmeler) ) tavlama denilen metal işlendikten sonra yapılan bir ısıtma işlemi i ile giderilir. Tavlama sonucu, elastik dayanım m biraz azalabilir ancak enerji yutma kapasitesi ve düktilite büyük ölçüde artar ve yassıla laşan an taneler birbirleri ile kaynaşı şırlar. 47
4. 2. Sertleştirme tirme Çeliğin in ostenitleme sıcaklığından martenzit oluşacak şekilde hızlı bir şekilde soğutulmas utulmasına sertleştirme tirme (su verme) denilir. Demir karbon denge diyagramı çok yavaş soğutma ile elde edilir. Soğuma hızının h n artması ile mikroyapılar ve denge diyagramı değişir ir ve farklı faz dönüşümleri d ve mikroyapılar meydana gelir. 48
4. 2. Sertleştirme tirme Isıl l işlemler i neticesi meydana gelen martenzit, beynit, temperlenmiş martenzit mikroyapılar ları veya oluşturulan çökeltiler, dislokasyon hareketini zorlaştırır. r. Bu yöntem y özellikle zellikle çeliklerin dayanım m artırma rma işlemlerii için in sıkça a uygulanmaktadır. 49
4. 2. Sertleştirme tirme Bu işlemler i sonucu malzemenin mekanik özelliklerini istenen yönde y değiştirmek mümkm mkündür. Isıl l işlemin i ve soğuk şekil değiştirmenin aynı malzemenin mekanik özelliklerine etkisi yukarıda görülmektedir. g 50
Sertleştirme tirme ve tavlama kombinasyonu Çeliğin in tipik bir ısıl l işlemi i şöyle özetlenebilir: 1) Uygun bir dereceye kadar ısıtma (Örne( rneğin 845 C), 2) Su veya yağa a ani daldırıp p soğutma, 3) Tekrar 650 C C altındaki bir dereceye kadar ısıtmak. Saf metallere ısıl l işlemin i bir yararı alaşı şımlara büyük b k yararı vardır. r. yoktur. Ancak 51
Termomekanik İşlemler Çeliğin in haddelenmesi esnasında, nda, plastik deformasyon ve hemen ardından yeniden kristalleştirme tirme olayının n meydana gelmesinden dolayı tane boyutu küçük üçülür Haddelemeye giriş çıkış 1100 C 850 C 52
Termomekanik İşlemler Haddelemeye giriş 1100 C çıkış 850 C Şayet haddelemenin hemen ardından sertleştirme tirme işlemi i yapılırsa; metalde dislokasyon yoğunlu unluğu u fazla, tane boyutu küçük üçük k ve hızlh zlı soğuma neticesi daha dayanıkl klı mikroyapılar elde edilir. Bu şekilde üç çeşit dayanım m artırma rma yöntemi y olan plastik deformasyon, tane boyutunu küçük üçültme ve ısıl l işlem i uygulanmış olur. 53
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler 54
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler betonarme yapılarda donatı çelik yapılarda taşı şıyıcı malzeme (profil) 1929-1931 Empire State 55
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler 56
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler Yapılan çalışmalarda betona en uygun çekme donatısının çelik olduğu u görülmg lmüştür. Betonla çeliğin in bu uyumunu çeliğin in aşağıa ğıda sıralanan s özellikleri sağlamaktad lamaktadır: a) Çeliğin in çekme dayanımının betona oranla çok daha yüksek y olması, b) Çeliğin in betonla çok iyi aderans sağlamas laması, c) Çeliğin in genleşme katsayısının betonunkine yakın n olması dolayısıyla yla farklı sıcaklıklarda klarda hemen hemen aynı şekil değişimini imini yapmaları. 57
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler Betonun içine i ine bu amaçla yerleştirilen çelik çubuklar değişik ik türlerdedir. t Ülkemizde donatı çapını tanımlar. Örneğin, 16, çapı 16 mm olan betonarme çeliğidir. idir. 16 14 12 10 8 58
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler Betonarme yapılarda donatı ve beton arasında yeterli bir yapış ışmanın n (aderans( aderansın) ) sağlanmamas lanmaması halinde, donatı beton içinde inde kayarak kuvvetleri aktaramaz ve bu durum da yapının yıkılmasına yol açabilir. a abilir. Donatının aderans yeteneğini arttırmak rmak amacıyla, çelik çubukların yüzeyinde çıkıntı ve girintiler yapılır. Beton kütlesine takılarak yapışmayı arttıran bu çıkıntılar genelde nervürler vasıtasıyla meydana getirilir. 59
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler Bu çıkıntılar çubuk eksenine dik olabileceği gibi, eksene belirli bir açı yapan sürekli helezonlardan da oluşabilir. Bu nervürlerin değişik tipleri vardır. En çok kullanılan nervür tipleri yanda görülmektedir. 60
ÇELİKTE KALİTE KONTROLÜ BOYUT DENETİMİ Çap Kontrolü (1000 mm uzunluktaki parçalar en az 0,5 g duyarlıkta tartılır) d 12, 74 s G l G : Çubuk kütlesi (g) l : Çubuk boyu (mm) 61
ÇELİKTE KALİTE KONTROLÜ BOYUT DENETİMİ Kesit Alan (1000 mm uzunluktaki parçalar en az 0,5 g duyarlıkta tartılır) A 127, 4 G l G : Çubuk kütlesi (g) l : Çubuk boyu (mm) 62
ÇEKME DENEYİ 63
İŞLENEB LENEBİLME LME ÖZELLİĞİ Pliyaj deneyi 64
Yapılarda Kullanılan lan Betonarme Çelikleri Hasır Kangal Tor 65
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler Enine ve boyuna nervürlü olan bu çelikler kendi eksenleri etrafında burularak TOR adı verilen, çelikler elde edilmektedir. 66
Yapılarda Kullanılan lan Çelikler öngerme AFBYYHY: Prefabrike binalarda öngerme çeliği i olarak S420 den daha yüksek y dayanıml mlı donatı çeliği kullanılabilir. labilir. 67
TS708 YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER Sınıflar Sembol Tipler Düz Yüzeyli (D) Sıcak haddeleme işlemi ile imal edilen (a) I-a (S220a) III-a S(420a) Nervürlü (N) Profilli (P) Termo-mekanik işlemle imal edilen (a) IV-a (S500a) Soğuk mekanik işlem uygulanarak imal edilen (b) III-b (S420b) IV-bs (S500bs) Anma çapı (d) (mm) 6-50 6-50 6-50 6-12 14-18 4-16 Min. Akma day. (MPa) 220 420 500 420 500 Min. çekme day. (MPa) 340 500 550 500 550 Çekme/akma min. day. Oranı Min. kopma uzaması (%) 1.20 1.10 1.08 - - IV-bk (S500bk) 28 18 12 12 32 50 (%) 18 10 10 10 8 5 68
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER TS708'e göre betonarme yapılarda S220 - S420 ve S500 beton çeliği i kullanılabilece labileceği i anlaşı şılmaktadır. Bunları da (a) ve (b) olmak üzere iki gruba ayırmak mümkm mkündür. (a) grubundaki alaşı şımlar yüksek y fırında f kütükler k kler halinde üretildikten sonra hemen sıcakta çekilerek (haddeleme) doğal bir sertlikte kullanıma hazır r duruma getirilmişlerdir. lerdir. Buna karşı şın n (b) grubundaki alaşı şımlar soğukta deformasyon işlemine maruz bırakb rakılmak suretiyle gerilmeler ile ilgili özelliklerinde artış ışlar oluşturulmu turulmuştur. tur. 69
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER S220a (yumuşak çelik) eski Ia çeliği * minimum akma dayanımı: 220 MPa * Karbon oranı : %0.15-0.25 S420a çeliği eski IIIa * minimum akma dayanımı: 420 MPa * Karbon oranı : < %0.4 70
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER TS708 (Mart 1996) ya göre g Beton Çelik Çubuklarının n Kimyasal Bileşimleri imleri Sembol C P S N C ed * % % % % % S220a 0.25 0.050 0.050 - - S420a 0.40 0.050 0.050 - - S500a 0.22 0.050 0.050 0.012 0.50 *Karbon eşdeğeri: Mn Cr Mo V Ni Cu % C ed %C % % % 6 5 15 71
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER Kaynak yapılacak beton çeliklerinin karbon eşdee değeri eri % 0.4 değerini erini geçmemelidir (TS 500 Şubat 2000). Bu sınırın s n konulmasının n nedeni yüksek karbon oranlı çeliklerin yüksek y sıcaklıkta kta kaynak yapılmas lması durumunda oluşan martenzitik yapının çok sert ve kırılgan k olmasıdır. Ayrıca yüksek y sıcakls caklığa çıkan çeliğin in ani soğumas uması nedeniyle, kaynak yapılan bölgede b hacim sabitliğinin inin bozularak çatlamalar oluşabilmektedir. 72
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER Son yıllarda y S420a çeliklerinin üretiminde %0.25 den daha düşük d k karbon oranlı demir-karbon alaşı şımları da kullanılmaktad lmaktadır. temperlenmiş martenzit 73
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER Termeks Tempeks, tempcore,, vb. isimler verilen bu yönteme y göre g en çok % 0.25 karbon oranlı çelik 1000 C de nervürlendikten rlendikten sonra ani soğutma işlemine i tabi tutulur. Bu işlem i sırass rasında malzemenin yüzey y zey sıcakls caklığı 250 C ye kadar düşer, d ancak merkezinin sıcakls caklığı 900 C C civarındad ndadır. 74
YAPILARDA KULLANILAN ÇELİKLER 75
Yüksek dayanımlı bölge ( 900 MPa) Kalınlığı yarıçapın %10-20 si kadar Düşük dayanımlı bölge (370 MPa) TERMEKS KOROZYON (PASLANMA) DURUMUNDA S220 KÜTÜĞÜNDE ANİ SOĞUTMA DIŞ KABUĞU YÜKSEK DAYANIMLI İÇ KISMI S220 KALİTESİNDE KÜÇÜK KESİT KAYIPLARI BÜYÜK DAYANIM KAYIPLARINA YOL AÇABİLİR TORNALAMADAN ÇEKME DENEYİ SONUÇ S420 KALİTESİNDE 76
Değişik tiplere ait mekanik özelliklerin farklı olmasının sonucu, bunların gerilmebirim şekil değiştirme eğrileri de yanda görüldüğü gibi önemli ölçüde farkeder. Ancak elastisite modülleri önemli derecede farketmeyip, 2.1x10 5 MPa mertebesinde kalmaktadır. Aynı şekilde yapı çeliklerinde Poisson oranı 0.26-0.30 77 arasında kalmaktadır.
Hasır r Donatı Donatı yerleştirilmesini kolaylaştırmak amacı ile, birbirine dik ve paralel çubuklardan oluşan hasır donatı kullanılır *Kat döşemelerinde *Tünel kalıp uygulamalarında *Münferid ve radya temellerde *Perde ve istinat duvarı yapımında *Saha ve yol betonlarında *Fabrika zemin betonlarında *Su deposu ve havuz betonlarında *Sömellerde, kolon ve kirişlerde *Asmolen döşemelerde *Beton borularda *Prefabrik yapı elemanlarında *Metro, tünel ve galerilerde *Su yapılarında, baraj, kanal ve kanaletlerde 78
Hasır r Donatı S500, S420 veya karbonu düşük normal S220 demirinin soğukta işlem görerek (soğuk haddeden geçirilerek) çekilmesi ve bu sırada özel olarak nervürlenmesi ile elde edilir. Çekme sırasında tamburlara sarılan bu çubukların otomatik doğrultma ve kesme makinalarında istenilen boylarda kesildikten sonra elektronik programlı punto kaynak makinalarında dokunması sureti ile imalatı yapılmaktadır. 79
Soğuk çekme malzemenin sertleşmesine, akma ve kopma mukavemetinin artmasına, buna karşılık kopma uzamasının azalmasına sebep olmaktadır. Minimum akma sınırı: 500 MPa Minimum Çekme Dayanımı: 550 MPa Minimum Kopma Uzaması: %5-%8 (TS708 ve TS4559) MÜHENDİSLİK K METAL ve Hasır r donatının n mekanik özellikleri 80
Hasır r donatıda da dikkat edilmesi gerekenler ÇELİK HASIRIN SAĞLADIĞI AVANTAJLAR: Projelendirme sırasında betonarme hesaplarda kullanılacak S420b yüksek mukavemetinden dolayı, mevcut beton kesitinde normal çeliğe (S220a) kıyasla gerekli donatı miktarı azalmakta, dolayısı ile çelikte ağırlık tasarrufu sağlamaktadır. Şantiyede kolay taşınabilir ağırlıklarda oluşu nedeni ile montajı kolay ve çabuk olmaktadır. Normal demire kıyasla çubukların düzeltilip kesilerek hazırlanması ve bağlanması yerine, muntazam aralıklarla teşkil edilmiş donatı kullanılmış olur. 81
Çelik Yapılar Profil çubuklar kesit şekline göre korniyer (L), (T), putrel (I) veya U profili şeklinde adlandırılırlar Türk Standartlarına göre (Çelik Yapılar Standardı, TS 648) yapılarda akma noktası 220 MPa olan yumuşak çeliğin kullanılması öngörülür. 82
Çelik halatlar Klasik yapıların dışında olan bazı özel mühendislik yapılarında kullanılan çelik malzemelerden bazı farklı özellikler istenebilir. Örnek olarak, asma köprülerin taşıyıcı halatlarını meydana getiren 6 mm çapında örgü şeklindeki çelik tellerin çok yüksek dayanıma sahip olması istenir. İstanbul Atatürk asma köprüsünde kullanılan çelik tellerin çekme dayanımının değeri en az 1600 MPa dır. 83
Çelik Yapılar 84
ÖZEL ÇELİKLER Çeliklere nikel, mangan, silisyum, tungsten, krom gibi maddeler eklenerek alaşımın özellikleri değiştirilir. 85
ÖZEL ÇELİKLER 1. Nikelli çelikler : % 2 - % 46 arasında nikel içeren çelikler en çok kullanılan özel çeliklerdir. Alaşımda nikelin varlığı çeliğin dayanımını, sertliğini, düktilitesini ve korozyona dayanıklılığını olumlu yönde etkiler. Motorlarda, kama çivilerinde, türbin, savaş aletlerinde yüksek dayanımı nedeniyle bu tip çelik kullanılır. 86
ÖZEL ÇELİKLER 1. Nikelli çelikler : % 36 oranında nikel içeren türü piyasada invar adı ile satılır ve ölçü aletleri yapımında kullanılır. Yüksek oranda nikel aynı zamanda alaşımın termik genleşme katsayısını düşürdüğünden, bu tür alaşımlar platin yerine teknik işlerde kullanılırlar. FeNi36 İnvar teli 87
ÖZEL ÇELİKLER 2. Nikel kromlu çelikler : % 1.5 2 oranında krom varlığı nikelli alaşımın sertlik ve çekme dayanımını arttırır. Mermi, zırh, bilya ve bilya yatakları, köprü askı zincirleri ve değişik aletlerin yapımında bu tür alaşımlar kullanılır. Daha yüksek oranlarda krom varlığı alaşımın korozyona dayanıklılığını arttırır. Stainless steel (Paslanmaz çelik) denilen bu tür alaşım gün geçtikçe daha fazla kullanılmaktadır. % 18 Cr, % 8 Ni ve % 15 C içeren bir tür çelik, mimari uygulamalarda mobilyacılıkta, kaplama işlerinde her tür korozyon ortamında ve yüksek sıcaklıklarda (T > 300 o C) bozulmadıklarından sık kullanılır. 88
ÖZEL ÇELİKLER 2. Nikel kromlu çelikler : Nikelde kuvvetli bir ostenit yapıcıdır Paslanmaz çeliğin yüzeyinde oluşan ince fakat yoğun kromoksit tabakası korozyona karşı yüksek dayanım sağlar ve oksidasyonun daha derine doğru ilerlemesini engeller Paslanmaz çelik mıknatıslanmaz. 89
ÖZEL ÇELİKLER 3. Molibdenli çelikler: Mo az oranda Ni ve Cr gibi elementlerin yardımıyla tanelerin incelmesine yaradığından alaşımın kırılganlığını azaltır. Bu tür çelikler sıcakta bile sertliklerini ve keskinliklerini korurlar. Perçin ve kaynak işlerinde kullanılırlar. Aynı özellik krom-vanadyumlu çeliklerde de vardır. Bu tip çeliklere çok keskin çelikler (ekstra çelik) adı verilir. 90
ÖZEL ÇELİKLER 4. Tungsten, silisyum ve manganlı çelikler: Ayrıca kesme, delme aletlerinde kullanılan sert ve keskin olan tungstenli çelikler; yay, zemberek yapımında kullanılan silisyumlu çelikler (silisyum metalin elastisite özelliğini arttırır) ve ray yapımında kullanılan aşınmaya dayanıklı manganlı çelikler vardır. % 12 - % 15 Mn varlığı çarpmalara karşı dayanımı büyük ölçüde arttırdığından, tren parçaları, kırıcı ve ezici makine parçaları yapımında manganlı çelik alaşımları kullanılır. 91