KOMPOZİTLER-KOROZYON ARALIK-2011

KOMPOZİTLER-KOROZYON ARALIK-2011

Kompozitler

Kompozit türleri

yapılarak

Yoğunluk,

A B A Elyaf Parçacık Tabaka

Kırılma yüzeyi: Liflerin gevrek olarak kırıldığına dikkat edin.

Kevlar(Aramid) günümüzde zırh, sağlam halat yapımı, yanmadan koruyucu giysi yapımında kullanılmaktadır. Kevlar çok yüksek çekme gerilimine dayanabilen liflerden oluşan ipliksi bir bir yapıdır. Dokunabilir, kumaş haline getirilebilir, kesilebilir ve dikilebilir. Özellikle çelik yelek, miğfer, paraşüt ipi, fiber veya data kabloları için ek sağlamlık sağlar. Kevların(Aramid) kimyasal yapısı

* ** *** içinde bulunması dayanımı yükseltir. içinde yapıda göre *Örneğin, metal matris ** Örneğin, polimer ***Lif şeklindedir.

Karbon lifler, öncü malzeme(örneğin katran) adı verilen polimer esaslı malzemedeki H,O,N gibi atomları bir dizi ısıl işlemle yakarak kovalant bağlı çıplak karbon zincirlerinden oluşan lifler elde edilir.

Betonun Basma altında kırılması Ön gerilmeli beton

Bimetal* * BİMETAL: kapalı bir yerin sıcaklığını sabitlemek amacıyla sıcaklık değişimlerini algılayan aygıt genleşme katsayılar farklı iki metalin üstüste yapıştırılması ile yapılan ve genelde sıcaklık değişimlerindeki eğilmelerden faydalanılarak termostat yapımında veya sıcaklık ölçer yapımında kullanılan parçalardır.

Bal peteği yapısı

Elyaf takviyeli kompozitlerin(etk) mekanik özellikleri

f: fiber(elyaf -lif) m: matris(taşıyıcı gövde) c: kompozit

yandaki (Birim uzamalar eşit!) SERİ* *Seri bağlı dirençlerde eşdeğer direnç ifadesi gibi

Ahşap

*Paralel bağlı dirençlerde eşdeğer direnç ifadesi gibi PARALEL

ORTAMIN ETKİLERİ: KOROZYON HASARLARI 18.12.2011 34

Ortamın malzeme üzerinde etkileri Korozyon Aşınma Radyasyon hasarı

Korozyon hasarı Ortamın kimyasal ve elektro-kimyasal etkilerinden dolayı metalik malzemenin bileşiminde, yapısında ve özelliklerinde görülen bozulmadır. Malzeme kaybına neden olur. Mekanik özelliklerin kaybına neden olur. Oluşması için korozif bir ortam ve yeterli süre söz konusudur. İki katagoride incelenir Kimyasal korozyon Elektro kimyasal korozyon

Korozyon A. Kimyasal korozyon 1. Metallerin oksitlenmesi 2. Element fakirleşmesi B. Elektro-kimyasal korozyon 1. Anodik reaksiyonlar 2. Katodik reaksiyonlar Elektrolitik kaplamada kullanılabilir Elektro kimyasal korozyon Ortam Elektrolit etkiye sahip değil Ortamda Elektrolit mevcut

Kimyasal Korozyon Malzemenin bulunduğu ortamda elektrik iletiminin söz konusu olmadığı sadece kimyasal etkiden dolayı korozyonun gerçekleşmesi durumudur. Oksitlenme (Kuru gaz ortamında) Elektrolitik özelliği bulunmayan sıvılarda çözünme, vs.

A1. Metallerin Oksitlenmesi Oksijenle temas eden metallerin yüzeylerinde oluşan reaksiyonlarda oksit tabakası meydana gelir. M M 1 2 M O 2 2e O 2e O MO Metal önce 2 adet elektron verir ve iyonize olur. Bu 2 adet elektronu alan O iyonize olur. İyonize olan M ve O iyonik bağ yaparak Metal oksiti meydana getirir.

Oksitlenme hızı, oluşan tabakanın koruyucu karakterine bağlıdır. Koruyucu vasfı olmayan oksit tabakasının kalınlılığının zamanla lineer olarak artar. Koruma özelliği olan oksit tabakasının kalınlığı ise parabolik olarak artar. y C t 1 C 2 y Lineer y C 2 3 t C4 Parabolik y : Oksit tabakası kalınlığı y o : Başlangıç oksit kalınlığı t : Süre C1, C2, C3 ve C4: malzeme sabitleri y o t

Bir oksitin koruyucu olup olmadığını anlamak için; Pilling- Bedworth (P-B) oranı kullanılır M. d R P B A. m. D M : D : A : d : m : Oksitin molekül ağırlığı Oksitin özgül ağırlığı Oksit içerisinde metal atom sayısı. Metalin özgül ağırlığı Metalin atom ağırlığı

P-B oranı < 1 : Yetersiz oksit tabakası metali kaplayamaz, yani metali korumaz ve oksidasyon sürekli olarak belirli bir hızda devam eder (Na, K, Li, vs.) 1<P-B oranı<1.5: İnce oksit tabakası metali mükemmel korur ve ileri oksidasyona izin vermeyerek oksidasyonun yavaşlamasına neden olur (Ti, Al, Cr, vs) P-B oranı>1.5: Kalın oksit oranı gevrek olarak sürekli kırılır ve oksidasyonun aynı hızda sürmesine neden olarak koruma gerçekleştirmez.

A2: Element Fakirleşmesi Kimyasal korozyonun diğer bir şeklidir. Metallerin korozif sıvıların içerisinde çözünmesi şeklinde gerçekleşir. Bazı metaller için problem teşkil eder Çinkosuzlaşma: %15 ten fazla Zn içeren pirinçte Zn sıcak sıvı içerisinde çözünerek uzaklaşır. Geriye Cu ca zengin süngerimsi pirinç kalır. Dökme demirde demir kaybı: Fe, ıslak kum veya suda çözünerek uzaklaşır. Geriye birbiriyle irtibatı kalmayan grafit lamelleri kalır. Süngerimsi demir, dayanım açısından zayıflar. Korunma (diğer türlere göre zor olmakla birlikte); (a) Ortam sıcaklığının düşürülmesi, (b) kaplama ve (c) ortamla temasın kesilmesidir.

B.Elektro-kimyasal korozyon Bu tür korozyon, elektrolit ortamda gerçekleşir; elektro kimyasal pil oluşumu ile anot konumuna gelen malzemede meydana gelen malzeme kaybı şeklinde olur. Elektrolit: erimiş veya suda çözünmüş asitik veya bazik tuzların oluşturduğu elektrik iletebilen ortamdır.

B.Elektro-kimyasal korozyon Anot: Elektron ve iyon kaybıyla diğer bir değişle malzeme kaybı ile korozyona uğrayan eleman Katot: Elektron alan ve korozyona uğramayan eleman Fiziksel temas: Anot ile katot arasında elektriksel teması sağlayan eleman Elektrolit: Anot ve katotu beraberce saran ve elektrik iletim özelliği olan sıvı eleman

B.Reaksiyonlar B1. Anodik reaksiyon: Anot metalinde meydana gelen ve atomlarının elektron ve iyonları ayrıştığı oksidasyon reaksiyonudur. Pili meydana getiren temas sayesinde elektronlar anodu terkederken iyonlarda elektrolit e karışır. M M n n e

B.Reaksiyonlar B2. Katodik reaksiyon: Elektrokimyasal korozyonda Elektrolilit kaplamada

B2.1 Elektrolilit kaplamada: Anottaki oksitlenme reaksiyonunun tersi olarak kattotta bir redükleme reaksiyonu meydana gelir. Anodik reaksiyon sonrası elektrolite karışan veya dışarıdan ilave edilen metal iyonları temas elamanından sağlanan elektronlarla kotodun üzerinde birleşerek iyonların tekrar metale dönüşmesi ve kotodun üzerinde birikmesine neden olur. Genellikle dışarıdan ek voltaj verilmesi gerekir.

B.Reaksiyonlar Elektrokimyasal korozyonda katodik reaksiyon: Yukarıdaki reaksiyonlar sağlanamazsa katotta redükleme ile metal birikmesi meydana gelmez. Bu durumlarda: 2H 2e H 2 O 2 içermeyen elektrolitlerde O 2 2H 2 O 4e 4OH O 2 ve su içeren elektrolitlerde

Oluşan hidroksit iyonları katot üzerinde demir hidroksit (Fe(OH) 2 ) ve pasın birikmesine neden olur. Bu durum, katotta biriken metal hidroksitler reaksiyonun yavaşlamasına yani POLARİZASYONA sebep olabilir. Katotta izolasyonun bozulması ve reaksiyonu devam etmesine DEPOLARİZASYON denir Polarizasyon: Pil oluşumuna neden olan reaksiyonları yavaşlatan veya durduran olaylardır.

Elektrolitik kaplamada pil oluşumu için dışarıdan elektrik potansiyeli vermek gerekir. Korozyonda ise iki farklı metal bir elektrolitik içerisinde birbirleri ile temas ettirildiklerinde elektrik potansiyeli meydana gelir. Metallerden biri anotlaşma diğeride katotlaşma eğilimi gösterir ve buna bağlı olarak potansiyel fark oluşur. Bu potansiyale metalin elektrot potansiyali adı verilir. Bu değer metalin elektron ve iyon kaybetme eğilimini gösterir.

Standart koşullar altında hidrojen elektrotuna karşı gösterdikleri gerilim farkına göre çeşitli metallerin sıralanmasıyla elektro motif seri elde edilir

Benzer sıralama gerçek bir ortamda, örneğin deniz suyunda belirlenirse, galvanik seri ortaya çıkar Korozif bir ortamda birbirleri ile temas eden metallerin hangisinin diğerine göre anot hangisinin katot olacağı bu veriler yardımıyla belirlenebilir.

Tabloda yeralan pasif tanımı Al ve Cr gibi kuvvetli oksit yapıcı ortamlarda oluşturdukları homojen, ince ve yüzeye sıkı şekilde tutulmuş oksit tabakasının korozyonun içeri ilerlemesine engel olacağını belirtmek için kullanılmaktadır. Bu davranışa PASİFLEŞME denir. Koruyucu tabakanın herhangi bir nedenle parçalanması ile oksit tabakası beklenenden daha hızlı ilerler. Bu duruma AKTİFLEŞME adı verilir.

Elektro Kimyasal Korozyon Türleri Bu tür korozyonda galvanik hücre (pil) meydana gelir. Galvanik pil tipleri: Bileşim farkından kaynaklanan galvanik hücreler Gerilme veya enerji farklarından doğan galvanik hücreler Elektrolitin yoğunluk farkından doğan galvanik hücreler

Bileşim farkından kaynaklanan galvanik hücreler İki farklı metalin aynı elektrolit içerisinde bulunması ile oluşur. Anodik veya kotadik davranış galvanik seriye göre olur. Bu tür galvanik hücreler aynı alaşım bünyesinde dahi oluşur. Bu nedenle iki fazlı yapıların korozyon dayanımları tek fazlı yapılara göre daha düşüktür. Perlitik yapılı çelikte, ferrit sementite göre daha anodik davranır ve elektrolit içerisinde çözünür. + pirincinde Zn ce zengin olan fazı, Cu ca zengin olan fazına göre anodiktir ve daha çabuk çözülür.

TANELER ARASI KOROZYON (intergranular corosion) Ostenitik paslanmaz çeliklerde g içersindeki bir kısım Cr un C tarafından bağlanması ile krom karbürler oluşur ve bu krom karbürler tane sınırlarında çökelir. Cr ca zengin olan tane içi g ile Cr ca fakir olan taneler arasındaki g, galvanik pil oluşturur ve taneler arası kısım anodik davranır ve böylece korozyona uğrar. Bu durumu engellemek için C a ilgisi Cr dan daha fazla olan Ti, Nb gibi elementler eklenir. Bu işleme stabilizasyon adı verilir.

Gerilme veya enerji farklarından doğan galvanik piller Aynı metalin farklı bölgelerinin farklı statik gerilmeler altında bulunması veya farklı soğuk şekil değişimler ile oluşan kalıntı gerilmeler, farklı enerjili bölgeler oluşturur. Bir elektrolit içerisinde bu bölgeler galvanik pil oluşturur. Soğuk şekil değiştirmiş bölgeler değiştirmemiş bölgelere göre anodik davranır. Küçük taneli bölgeler iri taneli bölgelere göre anodik davranır. Tane sınırları tane içlerine göre anodik davranır ve korozyona uğrar.

Korozif ortamda uygulanan statik çekme gerilmeleri (akma gerilmelerinin çok altında olsa bile) korozyonu hızlandırır. Bu olaya GERİLMELİ KOROZYON (stress corrosion) adı verilir. Çevrimsel gerilmeler olduğu durumda ise KOROZYONLU YORULMA hasarı söz konusu olur. Bu durumlarda tane sınırlarının sürekli çözünmesi ile çatlak boyu artar. Kritik bir değere erişince ani kırılma meydana gelir.

Elektrolitin yoğunluk farkından doğan Metalin, yoğun elektrolitle temas eden bölgesi katodik, az yoğun elektrolitle temas eden bölgesi anodik davranır. Demirin su damlası altında kalan kısmı daha az yoğun oksijen içerdiği için havayla temas eden kısımlarına göre anodik davranarak korozyona uğrar. galvanik piller

Aynı şekilde pas altında kalan kısmı boyalı olan kısmına göre, civata başları ve somunları altında kalan kısımları, metallerin birbirlerine bakan kısımları anodik karakter göstererek daha çabuk korozyona uğrarlar (paslanırlar). Bu tür korozyona ARALIK KOROZYONU (crevice corrosion) denir. Sac su depolarında aynı şekilde görülen korozyona SU HATTI KOROZYONU adı verilir. Elektorlit yoğunluk farkından kaynaklanan diğer bir korozyon türüde NOKTASAL KOROZYONDUR (Pitting corrosion).

Perçin bağlantısında aralık korozyonu Katot reaksiyonu Anot reak. Cıvata bağlantısında Kir ve tufal altında 18.12.2011 63

-Elektrolitteki oksijen derişikliği farkı, aralık korozyonundakine benzer bir mekanizmayla denizlerdeki çelik taşıyıcılarda görülür:deniz suyundaki oksijen derişikliği yüzeyde en yüksektir.yüzeyin altında ise giderek azalır.sonuçta çelik taşıyıcıların korozyonu deniz yüzeyinin biraz altında, yani yüzeydeki oksijenli bölgeye nazaran daha az oksijen içeren biraz aşağıdaki bölgede başlar(şekil) Çelik taşıyıcı hava O 2 derişikliği yüksek O 2 derişikliği düşük Korozyona uğrayan bölge deniz suyu Su seviyesi korozyonu 18.12.2011 64

Üniform korozyon 18.12.2011 65

Üniform korozyon 18.12.2011 66

Deniz kenarında üniform korozyon 18.12.2011 67

Çukurcuk (Pitting) korozyonu 18.12.2011 68

Dövme alüminyum alaşımında çukurcuk (pitting)korozyonu 18.12.2011 69

Çukurcuk (pitting) korozyonu 18.12.2011 70

Galvanik korozyon:aluminyum yağmur oluğu.biri etrafına bakır anten teli sarılınca bıçakla kesilmiş gibi galvanik korozyona uğramış (Al-Cu sistemi) Bakır telin sarıldığı yer

Korozyondan Korunma 1. Tasarımda galvanik pil oluşumunu önlemek 2. Elektrolite inhibitör katmak 3. Katodik koruma 4. Anodik koruma 5. Uygun malzeme seçimi ve ısıl işlem

1. Galavanik pil oluşumunu önlemek: Elektrolitin metaller veya metallerin birbiriyle fiziksel temasının önlenmesi (boyama, plastik veya seramik kaplama vs.) Anot davranan metalin yüzey alanının katot davranana göre daha büyük seçilmesi Metallerde aralık bırakılmadan birleştirilmesi (Perçin, civata, vs) 2. Elektrolite inhibitör madde katılması: Reaksiyonu önlemek ve korozyon hızını azaltmak amacıyla kromat tuzları gibi inhibitörler kullanmak.

Aralık korozyonundan kaçınmanın en iyi yolu,aralık oluşumuna neden olan tasarımlardan kaçınmaktır. Örneğin perçinli bağlantı kullanmak yerine esas metalle aynı kimyasal bileşime sahip kaynak dikişi kullanarak sorun çözülebilir(şekil)

3. Katodik koruma: Korunması gereken parçalar veya teçhizat anot durumundan katot durumana gelmesi sağlanır. Kurban elektrod yöntemi ile sağlanabilir. Parçayı katot durumuna getirecek doğru akım uygulanabilir. Köprüler, boru hatları, gemilere bu tür korumalar uygulanır. 4. Anodik koruma: Malzeme yüzeyi daha önceden kuvvetli bir oksit tabakası ile kaplanarak pasifleşmesi sağlanır. Aluminyumlara ELOKSAL işlemi, çeliklerin oksitleyici ortamlarda menevişlenmesi, vs.

Kurban anot(mg) Üzerinde pasif oksit filmi oluşturan malzemeler kurban olarak kullanılamaz Fe de korozyon yok Fe de korozyon var 18.12.2011 76

a2) Yer altı tesislerini katotlaştırmak için, korunacak sistemle toprak arasına dış doğru akım gerilimi uygulanır.(tesis elektron almak üzere doğru akım üretecinin (-) kutbuna bağlanır.akım şiddeti örneğin çelik için 0,1 Amper/ m 2 korunacak yüzey mertebesinde olmalıdır.) hurda 18.12.2011 78

5. Uygun malzeme seçimi ve uygun ısıl işlem: a) Homojen, saf ve tek fazlı metaller seçilebilir. b) Kimyasal bileşim farkına sebep olan segregasyonları yoketmek amacıyla HOMOJENLEŞTİRME tavı yapılabilir. c) Farklı oranlarda soğuk şekil değiştirmiş yapılar NORMALLEŞTİRME veya YENİDEN KRİSTALLEŞME tavına tabi tutulararak enerjisi farklı bölgeler ortadan kaldırılabilir. d) İç gerilmeler GERİLME GİDERME tavı ile kaldırılabilir. e) Ostenitik paslanmaz çeliğin korozyonunu engellemek için 1000 o C üzerine ısıtılıp krom karbürler çözülür ve ani olarak soğutulur veya Nb, Ti vs gibi Cr a göre C a ilgisi daha fazla olan alaşım elementleri katılarak krom karbür oluşumu engellenebilir.

Aşınma Hasarı Sürtünme ile çalışan makina parçalarının, yüzeylerinde mekanik olarak malzeme kaybı şeklinde gerçekleşen hasar mekanizmasına AŞINMA denir. İki aşınma mekanizması yaygındır: Adhesiv aşınma Abrasiz aşınma

Adhesiv aşınma Yüzeyde bulunan çok küçük girinti ve çıkıntılar basma gerilmesinin etkisiyle birbirine yaklaşır. Küçük temas alanları sebebiyle birbirlerine katı hal kaynağı ile kaynar. Hareketin devam etmesiyle kaynayan kısımlarda kırılarak parçalanmalar olur ve bu şekilde aşınma ürünleri ve malzeme kaybı meydana gelir. Yüzey parlatma, gerilme seviyelerini düşürme ve yağlama vs. ile aşınma azaltılabilir.

Erozyonlu korozyon

Adesiv aşınma:aşırı yük, düşük izafi hız ve/veya yağlayıcı vizkozite sindeki azalma yağ filmi kalınlığını metal-metale temasın oluştuğu seviyeye kadar azaltır. Yüzeylerde mevcut olan tepeler soğuk kaynakla birleşirler ve yüzeyler izafi olarak hareket ettiğinden kesilerek yüzeyden ayrılırlar(şekil) YÜK AŞINMA SONUCU OLUŞAN PARÇACIK 18.12.2011 83

Malzemenin sertliği H=sabit L P P L: kayma uzunluğu(m) P:Yüzeye gelen kuvvet (N)

Malzeme özelliklerinin adesiv aşınmaya etkisi ADESİV AŞINMA 18.12.2011 85

Adesiv aşınma 18.12.2011 86

Abrasiv aşınma Sürtünen yüzeyler arasında bulunan aşındırıcı parçacıklar, yüzeydeki çıkıntıları kırarak koparır. Böylece malzemede aşınma meydana gelir. Kontrollü yapıldığı durumlarda yüzey bitirme işlemi olarak uygulanabilir. Taşlama, zımparalama, dekopaj vs. (Erozyon: Sıvının katıyı aşındırmasıdır.) P

Abrasiv aşınma k A «k B Kopan parçacıklar (aşınma ürünleri) Aşındırıcı Aşınma izi Aşınan malzeme İki cisimli aşınma 18.12.2011 88

Dişli çarkın dişindeki abrasiv aşınma Diş tepesinde abrasiv aşınma Taksimat çizgisi Diş dibinde abrasiv aşınma 18.12.2011 89

Diş yüzeylerinde abrasiv aşınma Yoğun aşınma bölgeleri 18.12.2011 90

Erozyonlu korozyon Malzeme yüzeyi ile ortam arasındaki bağıl hızın yüksek değerlere ulaştığı hallerde(türbülanslı akış) ortaya çıkar. Genellikle akış hızı belirli bir değerin üzerine çıktığında bu tür korozyon etkinlik kazanır.ortamda katı parçacıkları da mevcutsa erozyonlu korozyonun hızı büyük ölçüde artar. Korozyon ve mekanik aşınmanın birlikte etkili oldukları bir korozyon türüdür. Durağan koşullarda yeterli korozyon dayanımı gösteren malzemelerin çoğu erozyonlu korozyonda belirli ölçüde duyarlık gösterir.bunun nedeni malzemeye korozyon direnci sağlayan oksit tabakalarının aşınma yoluyla kalkması ve buralarda metalin aktif duruma geçerek yüksek hızla korozyona uğramasıdır. 18.12.2011 91

Erozyonlu korozyona rastlanan yerler: -Gaz ve sıvıların pompalanması ve uzak mesafelere taşınmasında kullanılan sistemler ve boru hatları -Kömür ve maden cevherlerinin suyla karıştırılarak uzak mesafelere pompalandığı boru hatları -Sıcak su ve buhar hazırlama tesisleri -Pompa gövdesi ve kanatları -Valfler ve valf yuvaları -kazan ve kondansör boruları -Türbin kanatları -Akış doğrultusunun değişikliğe zorlandığı dirsek, vana gibi parçalar(akışkanda çarpma etkisi yaratırlar). 18.12.2011 92

Erozyonlu korozyonla hasara uğramış bir pompa rotoru 18.12.2011 93

Radyasyon hasarı,, g gibi kuvvetli radyasyona sahip olan ışınların parçacık özelliğide vardır. Radyasyon sırasında metal yüzey atomlarına çarpan parçacıklar yüzey atomlarının kafeste yerlerinden oynayarak arayerlere kaymalarına neden olurlar. Süneklik, tokluk azalır, sertlik ve dayanım artar. Kritik çatlak boyu ve yorulma dayanımı azalır, Bu kusuru yok etmek için; YK sıcaklığının altında malzemeyi tavlayarak arayer atomlarını kendi yerlerine döndürerek kafes çarpıklığını düzeltmek gerekir. Böylece tokluk artar ve dayanım azalır.