HASAR ANALİZİ 6.1. Giriş Çeşitli mühendislik yapılarını oluşturan sistemlerin, elemanların ve parçaların servise sunulmalarının daha başında veya servis süresince, fonksiyonlarını yitirerek iş görmez ve kullanılamaz hale gelmeleri, beklenen performansı sergileyememeleri veya kullanılmaya devam edilmelerinin tehlikeli durum oluşturması Hasar olarak tanımlanır. Hasar nedenlerini ortaya çıkarmak amacıyla yapılan bilimsel inceleme ve araştırmalar ise Hasar Analizi olarak nitelendirilir. 6.2. Hasar Sebepleri ve Mekanizmaları Mühendislik yapılarında karşılaşılan hasarlar; i. Hatalı tasarım veya uygun olmayan malzeme seçiminden (Tablo 6.1), ii. Hatalı üretim yönteminden (Tablo 6.2) veya iii. Servis koşullarının malzemeyi olumsuz yönde etkilemesinden (Tablo 6.3) kaynaklanmakta olup, Tablo 6.4 deki mekanizmalarla gerçekleşmektedir. Bu mekanizmalar kendi başlarına hasar oluşturabileceği gibi, hasar olaylarının pek çoğunda birden fazla mekanizma hasara katkıda bulunmaktadır. Kırılma ile sonuçlanan hasarlarda çatlak ilerlemesi, Şekil 6.1 de de görüldüğü gibi tane içi (transgranüler) ve/veya taneler arası (intergranüler) karakterde olup, kırılma sebepleri Tablo 6.5 de özetlenmiştir. 1
Tablo 6.1 - Hatalı tasarım ve uygun olamayan malzeme kullanımından kaynaklanan hasarlar. Sünek hasar (aşırı elastik veya plastik deformasyon, yırtılma veya sünek kırılma) Gevrek kırılma (gerilme yoğunlaşmasına neden olan kritik boyuttaki süreksizlik ve çatlaklar) Yorulma (çevrimsel yükleme, çevrimsel deformasyon, ısıl çevrim, yuvarlanmalı sürtünme aşınması, kazımalı aşınma) Yüksek sıcaklık hasarı (sürünme, oksitlenme, lokal ergime, çarpılma) Gecikmeli statik yükleme kırılması (hidrojen gevrekliği, ortam koşullarının etkisiyle yavaş çatlak ilerlemesi) Aşırı gerilme yoğunlaşması içeren tasarım (sert köşeli, kompleks şekilli ve çentikli tasarım) Kompleks bir parçada gerilme analizinin doğru yapılmaması Tasarımın, servis koşullarında ortaya çıkabilecek muhtemel hasarlarla ilgili malzeme özellikleri göz önüne alınmaksızın sadece çekme deneyi ile belirlenen özelliklere göre yapılması Tablo 6.2 - Hatalı üretim ve fabrikasyon işlemlerinden kaynaklanan hatalar. Kimyasal bileşim kusurları (kalıntılar, gevrekliğe neden olan empüriteler, yanlış malzeme seçimi) Döküm hataları (segregasyon, porozite, cüruf ve metalik olmayan kalıntılar) Mekanik işlem hataları (çatlaklar, yüzey kusurları, katmerleşme, aşırı lokal plastik deformasyon) Talaşlı imalat hataları (yüzey çizikleri, yanma, yırtılma, çatlama, gevrekleşme) Kaynak hataları (porozite, kalıntılar, yetersiz ergime, yetersiz nüfuziyet, yanma olukları, çatlaklar, çarpılma) Isıl işlem hataları (aşırı ısıtma, yanma, su verme çatlakları, tane büyümesi, dekarbürizasyon, çökelme) Yüzey sertleştirme işlemi hataları (intergranüler karbürler, yanlış ısıl çevrim, yumuşak iç bölge) Yüzey işlemi hataları (temizleme, kaplama, kimyasal difüzyon, hidrojen gevrekliği) Montaj kusurları (parçaların uyumsuz monte edilmesi, montajın temiz koşullarda yapılmaması ve sisteme yabancı madde girmesi, kalıntı gerilme oluşması, parçaların çizilmesi, hasara uğraması vb) Anizotropik yapıdan kaynaklanan kusurlar (mekanik işlem uygulanan parçalarda deformasyona dik yönde düşük süneklik ve tokluk) Tablo 6.3. - Servis koşullarında malzemenin özelliklerini yitirmesinden kaynaklanan hasarlar. Aşınma (yenme, boyut değişimi, oyuklanma) Korozyon (kimyasal etki, gerilmeli korozyon, korozyonlu yorulma, çinko kaybı, dökme demirlerde grafitleşme, atmosferik etki) Bakım veya tamir kusuru (kaynak, taşlama, perçinleme, delik açma, soğuk düzeltme vb.) Yüksek sıcaklıklarda kimyasal, sıvı metal veya kaplama işlemi etkileri Radyasyon hasarı (süreye, sıcaklığa, ortama ve dozaja bağlı) Kontrol dışı gelişen koşullar (anormal çalışma sıcaklığı, aşırı mekanik titreşim, darbe, ısıl şok gibi) 2
Tablo 6.4 Hasar mekanizmaları. Gevrek kırılma Sünek kırılma Uzun ömürlü yorulma Kısa ömürlü yorulma Sürünme Bükülme veya distorsiyon Plastik deformasyon Korozyon Gerilmeli korozyon Korozyonlu yorulma Aşınma KIRILMA YORULMA SÜRÜNME ŞEKİL DEĞİŞİMİ (DEFORMASYON) KOROZYON +GERİLME AŞINMA (a) (b) Şekil 6.1 a) Taneler arası (intergranüler) ve b) tane içi (transgranüler) çatlak ilerlemesi. 6.3. Hasar Analizinin Kademeleri Hasara neden olan mekanizmayı belirleyerek, belirli bir servis koşulu için bu tür hasarın tekrar oluşmasına engel olacak tedbirleri almak ve böylece üretim, malzeme, iş ve hatta can kaybını en aza indirmek amacıyla yapılan hasar analizi; i. Ön inceleme, ii. Olay öncesi bilgilerin toplanması, iii. Laboratuvar incelemeleri, iv. Verilerin analizi ve hasarların değerlendirilmesi aşamalarını kapsar. 3
Tablo 6.5 Tane içi (transgranüler) ve taneler arası (intergranüler) kırılma sebepleri. Transgranüler Kırılma İntergranüler Kırılma Gevrek Sünek Gevrek Sünek Kayma kırılması Hidrojen gevrekliği (Aşırı deformasyon (Tane sınırlarında sonucu oluşan kırılma. mikroçatlak izleri ve Kırık yüzey mat, pürüzlü porozitelerin ve lifi görünümde) mevcudiyeti) Klivaj kırılma (HMK kristal yapılı çeliklerde genellikle sünek-gevrek geçiş sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda ve/veya çok az veya hiç plastik deformasyon olmaksızın kırılma. Kırık yüzey parlak, düzgün ve kristalin görünümde) Empürite elementlerinin tane sınırı segregasyonu (Çeliklerde fosfor ve arsenik segregasyonu) İkinci fazın tane sınırlarına çökelmesi (Yüksek karbonlu çeliklerin tane sınırlarında sementit filmi bulunması) Gerilmeli korozyon (Uygulanan veya kalıntı gerilme ile korozif ortamın birlikte etkisi) Sürünme kopması (Mutlak ergime sıcaklığının ½ sinden yüksek sıcaklıklarda) Tanelerin kesişme noktalarında oluşan boşlukların birleşmesi (Yüksek sıcaklıklarda tanelerin tane sınırları boyunca kayması ile taneler arası boşluk oluşumu) Ön inceleme: Hasar analizinin ilk aşaması çıplak gözle veya büyüteç ile incelemedir. Parça kırılmış ise, kırık yüzey incelenmeli ve kırılma tipi saptanmalıdır. Ancak bunun için kırılma yüzeyinin hasar sonrasında çok iyi korunmuş olması gereklidir. Ayrıca, parçada aşırı deformasyonun, gerilme yoğunlaşması oluşabilecek bölgelerin veya süreksizliklerin, çatlakların vb hataların olup olmadığı belirlenmelidir. Ön incelemeler sırasında önemsiz gibi görünen her hangi bir detayın daha sonra önemli olabileceği düşünülerek hasara uğrayan parçanın fotografı çekilmelidir. Olay öncesi bilgilerin toplanması: Bilgilerin toplanması aşamasında, hasara uğrayan parçanın dizaynı, üretimi ve çalışma koşulları ile ilgili bütün bilgilerin teminine çalışılmalıdır. İmalat aşamasında parçaya mekanik, kimyasal veya ısıl işlemlerin uygulanıp uygulanmadığı, uygulandıysa işlem tiplerinin ve uygulama koşullarının bilinmesi büyük önem taşımaktadır. Ayrıca, servis koşullarında parçaya etkiyen yükün veya gerilmenin türü (çekme, basma, kayma) ve 4
uygulanma şekli (tek yönlü, çevrimsel, darbe), parçanın çalıştığı ortam (korozif, oksidan) ve sıcaklık (düşük sıcaklık, yüksek sıcaklık, oda sıcaklığı) ile parçanın kullanım süresi hakkında da bilgi alınmalıdır. Laboratuvar incelemeleri: İdeal olarak bu aşamada, hasara uğrayan parçanın tahribatsız muayenesi (manyetik toz ile muayene, sıvı emdirme yöntemi, elektromanyetik muayene ve ultrasonik muayene), mekanik testleri (sertlik, çekme, darbe deneyleri), mikroskobik incelemeleri (metalografi ve taramalı elektron mikroskobu), kimyasal analizi ve boyut kontrolü yapılmalıdır. Ancak, hasar sebebinin belirlenmesinde bu incelemelerin hepsinin yapılmasına gerek kalmayabilir. Verilerin analizi ve hasarın değerlendirilmesi: Bu aşamada ön inceleme, olay öncesi bilgilerin toplanması ve laboratuvar incelemeleri aşamalarında elde edilen bulgular ışığında; dizayn, üretim, malzeme özellikleri, ortam koşulları ve çalışma yükü göz önüne alınarak hasar mekanizması ve sebebi belirlenir. 6.4 Hasar Analizi Örnekleri İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü nde yapılan endüstriyel hasar analizlerine ait bazı örnekler aşağıda verilmiştir. Bu örnekler, kurs konusu kapsamına uygun olarak, sadece optik mikroskop incelemeleri ve sertlik ölçümleri ile yapılan hasar analizleri arasından seçilmiştir. 5
ÖRNEK 1: Kule vinci civatasına ait hasar analizi. Problem : Boom uzunluğu 42 m, kaldırma kapasitesi 1200 kg olan kule vincinin boom daki gergi önünde bulunan ve iki parçayı birleştiren 22 mm çapındaki 4 adet civata vincin çalışması sırasında kesilerek kırılmıştır. İncelemeler : Kırık civatanın genel görünümü ve kırılma yüzeyi Şekil Ör.1.1 de verilmiştir. Kırık civatada kimyasal analiz, sertlik ölçümü ve metalografik inceleme (Şekil Ör.1.2) yapılmıştır. Şekil Ör.1.1 Kırık civatanın genel görünümü ve kırık yüzeyi. a b Şekil Ör.1.2 - Kırık civatanın a) dağlanmamış (100X) ve b) dağlanmış (200X) durumda optik mikroskop fotografları. Değerlendirme ve Sonuç : Yapılan incelemeler, kırık civatanın 1010 kalite çelikten imal edildiğini, 87 HR B sertliğe ve ferritik mikroyapıya sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Ayrıca mikroyapıda deformasyon yönünde uzamış çok iri kalıntıların mevcut olduğu da görülmüştür. Bu tür iri inklüzyonların mevcudiyeti, civata imalatında çelik kalitesine dikkat edilmediğini göstermektedir. Karbon içeriğinin düşük olması nedeniyle sertliği de düşük olan bu civata, sertlik değeri açısından TS3576 daki 5.8 mukavemet sınıfına girmekte olup, kule vincinde kullanıma uygun değildir. TS3576 da daha yüksek sertliğe sahip ve daha yüksek mukavemet sınıfına giren civatalar mevcuttur. *TS3576 Bağlama elemanları-civatalar ve saplamalar-çelik-özellikler ve deneylerle ilgili esaslar. 6
ÖRNEK 2: Dökümhane kumlama makinasının chain link parçasına ait hasar analizi. Problem : Kumlama makinasına ait chain link isimli orijinal parçalar yaklaşık 3000 çalışma saati sonucu hasara uğrarken, orijinal chain link yerine takılan yedek parçalar 500 çalışma saati sonucu kırılmaktadır. İncelemeler : Hasar analizi yapılan parçanın genel görünümü Şekil Ör.2.1, de verilmiştir. Orijinal ve yedek parça chain linklerden çıkarılan metalografi örneklerinin mikroyapıları optik mikroskopta incelenmiş (Şekil Ör.2.2) ve 500 gr yük ve vickers ucu ile mikrosertlikleri ölçülmüştür (Şekil Ör.2.3). Şekil Ör.2.1 - Hasar analizi incelemesi yapılan parçaların genel görünümü. a b c d Şekil Ör.2.2 - Orijinal chain linkin dış yüzeyinin (a) ve göbek kısmının (b) ve yedek parça chain linkin dış yüzeyinin (c) ve göbek kısmının (d) mikroyapıları. 7
900 800 700 Orijinal Yedek parça Sertlik, HV 600 500 400 300 200 100 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Yüzeyden mesafe, mikron Şekil 2.3 - Orijinal ve yedek parça chain linklerde dış yüzeyden göbeğe doğru olan sertlik dağılımı. Değerlendirme ve Sonuç : Orijinal chain linkte göbek ferrit+perlit yapısında iken, dış yüzey perlitik yapıdadır. Yedek parçada ise, göbek ve dış yüzey martensitik yapıya sahiptir. Yedek parça chain linkin dış yüzeyinde, tane sınırlarında karbür ağı görülmüştür. Her iki parçanın yüzey ve göbek kısımlarının farklı sertlikte ve mikroyapıda olmaları, yüzey sertleştirme (sementasyon) işlemine tâbi tutulduklarını göstermektedir. Başlangıçta "ferrit + perlit" yapısında olan orijinal chain linke kütlesel sertleştirme yapılmamış, sadece yüzeyin karbon miktarı arttırılarak perlitik yapıya dönüşmesi sağlanmıştır. Yedek parça chain link ise, kütlesel sertleştirme işlemine de tâbi tutulmuştur. Yüksek sertliğe sahip olan ve dış yüzeylerindeki tane sınırlarında karbür ağı bulunan yedek parça chain link, orijinal chain linke göre daha gevrek (kırılgan) bir yapıya sahiptir. Çok kısa kullanım süresinden sonra yedek parça chain linklerde ortaya çıkan kırılma olayı, bu parçaya uygulanan yüzey sertleştirme ve ısıl işleminin uygun olmamasından kaynaklanmaktadır. 8
ÖRNEK 3 : Pompa dişli çarkına ait hasar analizi. Problem : ABD den ithal edilmiş pompalara ait dişli çarkların dişlerinin kısa servis süresinde kırılması. İncelemeler : Hasar analizi yapılan dişliler (Şekil Ör.3.1), 30 mm ve 70 mm çaplarında olup M2 kalite yüksek hız takım çeliğinden imal edilmişlerdir. Dişlilerin makro (Şekil Ör.3.2 ve Şekil Ör.3.3) ve mikro (Şekil Ör.3.4) yapıları optik mikroskopta incelenmiş ve HRC cinsinden sertlikleri ölçülmüştür. Şekil Ör.3.1 - Hasar analizi yapılan dişli çarklar. Şekil Ör.3.2 Diş dibinin detay görünümü (60X). Şekil Ör.3.3 - Kırık dişli çarkın diş dibinde bulunan çatlak (100X). Şekil Örnek 3.4 - Dişli çarkın mikroyapısı (800X). Değerlendirme ve Sonuç : Hasar analizi yapılan dişli çarklar, M serisi takım çeliklerinin su verilmiş ve temperlenmiş karakteristik mikroyapısına ve sertliğine (65 HRC) sahiptir. Mikroyapıda kırılmaya sebebiyet verecek boyutta kalıntılar mevcut değildir. Dişli çarkların diş diplerinin çok keskin olması ve belirli bir eğrilik yarıçapına sahip olmaması, bu bölgelerde gerek ısıl işlem sırasında ve gerekse çalışma koşullarında aşırı gerilme yoğunlaşması nedeniyle çatlama riskini arttırmaktadır. Dişli çarkların dişlerinden kırılması ve hasara uğramış olan dişli çarkların bazı dişlerinin diplerinde çatlakların mevcut olması, hasar sebebinin yanlış işleme ve/veya yanlış dişli çark tasarımı olduğunu belirtmektedir. 9
Kaynaklar 1. E.S. Kayalı, Hasar Analizine Giriş, Bölüm 1, Hasar Analizi Seminer Notları, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, İstanbul, 1997. 2. W.O. Alexander, G.J. Davies, S. Heslop, K.A. Reynolds, V.N. Whittaker, Essential Metallurgy for Engineers, Ed. E.J. Bradbury, The Thetford Press, Norfolk, 1985. 3. M.K. Şeşen, H. Çimenoğlu, Bir Kule Vincinde Çalışma Esnasında Kırılan Civataya Ait Hasar Analizi Raporu, İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul, 1999. 4. S.Yıldırım, H. Çimenoğlu, Dökümhane Ortamında Çalışan Bir Makina Parçasında Hasar Analizi, 8.Denizli Malzeme Sempozyumu, Denizli, 2000. 5. E.S. Kayalı, H. Çimenoğlu, Dişli Çarklara Ait Hasar Analizi Raporu, İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul, 2001. 10