FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ METALÜRJİ EĞİTİMİ BÖLÜMÜ MEKANİK VE TAHRİBATSIZ MUAYENE YÖNTEMLERİ DERSİ SÜRÜNME DENEYİ Kontrol: Doç. Dr. Tülay Yıldız Hazırlayan: Sinan İnci (091122105) sinaninci@ymail.com

Resim 1: Sürünme Deney Aleti (Instron Model 3367) SÜRÜNME DENEYİ Resim 1: Sürünme Deney Aleti (Instron Model 3367)

SÜRÜNME DENEYİ Malzemeler yüksek sıcaklıkta sabit bir yük altında (hatta kendi ağırlıkları ile bile) zamanla kalıcı plastik şekil değiştirmesine sürünme denir. Şekil 1: Tipik Sürünme Deney Aleti Şeması

SÜRÜNME DENEYİ Sürünme deneyi, malzemenin statik bir yük altındaki karakteristiğini belirlemek için kullanılır. Sürünme deneyi, metalik malzemelerde sürünme ergime sıcaklığının ~1/3’ünde seramik malzemelerde ergime sıcaklıklarının ~2/5 sıcaklıklarında gerçekleşir. Standartlara göre hazırlanan sürünme test numunesi test cihazında tutma başlarından tutturularak yüksek sıcaklıkta sabit yük uygulanır.

SÜRÜNME DENEYİ Malzemenin sürünme davranışını etkileyen faktörler: » Malzeme Cinsi, » Sıcaklık, » Yükleme Cinsi, » Yükleme Miktarı Bunlara çevre şartları ve malzeme özellikleri de eklenebilir.

SÜRÜNME DENEYİ Zamana bağlı olarak her zaman diliminde numunede meydana gelen uzama oranı kaydedilerek Zaman-Uzama grafiği elde edilir. Ölçümlerin uzatılmış bir zaman aralığında ve yüksek sıcaklıklarda, sabit gerilme ile yapılması sonucunda teknik bir 'Sünme Eğrisi' gözlenir. Bu sünme eğrisi zamanla oluşan deformasyona tekabül eder. Tipik bir sürünme grafiği Şekil 2’deki gibidir.

Şekil 2: Tipik bir sürünme eğrisi (Sabit sıcaklık ve yük altında) SÜRÜNME EĞRİLERİ Şekil 2: Tipik bir sürünme eğrisi (Sabit sıcaklık ve yük altında)

SÜRÜNME EĞRİLERİ A`dan B`ye olan birinci bölgede sürünmede dislokasyon hareketliliği çok hızlı olmaktadır. İkinci bölgede (B`den C`ye olan bölge) sürünme gerinim hızının zamana bağlı olarak artış oranı sabit kalmaktadır. C`den D`ye olan üçüncü bölgede iç boşluk oluşumları vuku bulur.

SÜRÜNME EĞRİLERİ Malzemenin sürünme özelliklerine sıcaklık gerilme hızı ve mikro yapıları daha çok etki eder (Şekil 3). Şekilden de anlaşılacağı üzere her iki faktördeki artış sürünme eğrisinde benzer etkilere neden olmaktadır. Bunlar başlangıç ve kararlı sürünme hızlarındaki artış, kararlı sürünme süresinin kısalması ve üçüncü sürünmenin daha çabuk başlaması ve erken kırılmadır.

Şekil 3: Sürünme eğrisi üzerine sıcaklık ve gerilmenin etkisi SÜRÜNME EĞRİLERİ Şekil 3: Sürünme eğrisi üzerine sıcaklık ve gerilmenin etkisi

KARARLI SÜRÜNME HIZI Arrhenius Eşitliği (sıcaklıkla aktive edilmiş fiziksel bir süreçte hız-oran) ile yakından ilgilidir. εos = A e -H/RT » εos kararlı sürünme hızı, » H aktivasyon enerjisi, » R genel gaz sabiti, » T mutlak sıcaklık » A sabit sayıdır. Burada A ve H birer mutlak sabit değil basınç, sıcaklık ve metalürjik değişkenlere bağlıdır.

KARARLI SÜRÜNME HIZI ve BASINÇ Kararlı sürünme hızı basınç artışı ile de artar. Her ikisi arasındaki ilişki daha çok "Güç Kanunu Eşitliği" ile ifade edilir. εos = β σn » β sabit değer » n sabit değer ( n, 3 veya 8 arasında bir değer alabilir) Aşağıdaki eşitlikte sıcaklık ve basınç birlikte kullanılmıştır. εos = K σn e-H/RT

SÜRÜNME EĞRİLERİ Şekil 4`te artan sıcaklık ve basıncın sürünme grafiğine etkisini göstermektedir. Şekilden de anlaşılacağı üzere her iki faktördeki artış sürünme eğrisinde benzer etkilere neden olmaktadır. Bunlar başlangıç ve kararlı sürünme hızlarındaki artış, kararlı sürünme süresinin kısalması ve üçüncü sürünmenin daha çabuk başlaması ve erken kırılmadır.

Şekil 4: Artan sıcaklık veya basıncın sürünme gerinimi üzerine etkisi SÜRÜNME EĞRİLERİ Şekil 4: Artan sıcaklık veya basıncın sürünme gerinimi üzerine etkisi

SÜRÜNME EĞRİLERİ Sürünme hareketi belli zaman aralıklarında üç farklı davranış gösterir (Şekil 5): 1. Birincil Aşama 2. İkincil Aşama (Kararlı Aşama) 3. Üçüncül Aşama

Şekil 5: Tipik bir sürünme eğrisi (Sabit sıcaklık ve yük altında) SÜRÜNME EĞRİLERİ Sürünme Hızı= ε=tan=/t Şekil 5: Tipik bir sürünme eğrisi (Sabit sıcaklık ve yük altında)

Birincil Sürünme Bölgesi Yükün etkisiyle numune uzar, burada dislokasyon hareketleri hakimdir. Numunede deformasyon sertleşmesi olur. Diğer taraftan yüksek sıcaklık nedeni ile iç gerilmeler giderilir. Kendine gelme, toparlanma oluşur. Deformasyon sertleşmesi hakim olduğundan sürünme hızı gittikçe düşer.

İkincil Sürünme Bölgesi Bu bölgede deformasyon sertleşmesi ile kendine gelme hızı birbirine eşittir. Bu bölgeye Kararlı Sürünme Bölgesi de denir. Bu bölge sürünmeye karşı direnmede en yüksek değere sahiptir. Uygulamada çok önemlidir. Mühendislik hesaplarında saatteki belli sıcaklıktaki sürünme hızı “SÜRÜNME MUKAVEMETİ” olarak alınır. Örnek olarak % saatte 105–107 gibi. Alternatif olarak bazen sürünme mukavemeti: belli sıcaklıkta % 1 birim şekil değişimine sebep olan gerilme olarak da tarif edilir.

Üçüncül Sürünme Bölgesi Bu bölgede sürünme hızı tekrar artar. Numune boyun vermeye başlar. Hızdaki bu değişim malzemenin iç yapısındaki değişimden, boşluk oluşumundan, boşlukların birleşmesinden ve tane sınırlarının kaymasından dolayı hızlı bir plastik deformasyon oluşur. Sonunda kopma meydana gelir.

SÜRÜNME DENEYİ Yüksek sıcaklıklara veya gerilmelere maruz kalan malzemelerin sürünme hareketlerini kısıtlamak için malzemenin iç yapısında değişiklikler yapmak yaygın bir yöntemdir. Bu sayede malzemenin, sürünme davranışına karşı direnç göstermesi sağlanır.

SÜRÜNME DENEYİ Günümüzde yüksek sıcaklık uygulamaları » Türbinler » Kimyasal ve petrokimyasal endüstriler » Nükleer Reaktör alanlarında görülür. Sürünme genel bir kural olarak; Metaller için : T > (0.3-0.4) Tm Seramikler için : T > (0.4-0.5) Tm şartlarında başladığı bilinmelidir. (Tm malzemenin Kelvin cinsinden ergime sıcaklığı)

Sürünmeye Dayanıklı Alaşımlar Sürünmeye dayanıklı alaşımların geliştirilmesi dislokasyon hareketliliğinin zor olduğu malzemelerin üretilmesi ile mümkündür. Ergime sıcaklığı çok yüksek bazı metaller, » W-V (Tm 3377 oC) işlenmesi çok zordur, » Mo (Tm 2607 oC) uçucu oksitler oluşturur , » Os (Tm 3027 oC) ise çok pahalıdır. Bu nedenle günümüzde » Ni (Tm 1453 oC) ve Co (Tm 1492 oC) kullanılmaktadır.

SÜRÜNME DENEYİ Sıcaklık ve yükleme miktarı arttıkça sürünme hareketinde de artış meydana gelir. Üretilen bazı ürünlerin malzemeleri yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır. » Gaz türbinlerinde bulunan türbin pervaneleri (Resim 2), » Uçak türbin kanadı (Resim 3) buna örnek olabilir.

Sürünme Hasarı Örnekleri Resim 2: Gaz türbin kanadındaki sürünme sebebiyle oluşan çatlak Resim 3: Uçak türbin kanadında taneler arası çatlama ve tipik sürünme deformasyonu

Sürünme Hasarları Kırılma olsun ya da olmasın parçanın yüksek sıcaklık ve gerilme altında aşırı plastik deformasyona veya çarpılmaya uğraması bir sürünme hasarıdır.

Yüksek Sıcaklıkta Kırılma Bir kırılmanın şekli malzemeye, sıcaklığa ve uygulanan gerilmeye bağlıdır. Yüksek sıcaklıkta altında kırılma (Resim 4); » Kopma şeklinde (a) » Taneleri keserek sürünme şeklinde (b) » Taneler arası sürünme şeklinde olur. (c)

Yüksek Sıcaklıkta Kırılma Resim 4: Yüksek Sıcaklık Altında Kırılmalar

Sürünme Hasarı Örnekleri Resim 5: Çeşitli Malzemelerde ki Sürünme Hasarı Örnekleri

Sürünme Hasarı Örnekleri Resim 7: Taneler arası kırılma Resim 6: Sürünmede boşluk ve küçük çatlaklar

Sürünme Hasarı Örnekleri Resim 9: Uçak türbin kanadındaki sürünme sebebiyle germe ve boyun teşekkülü Resim 8: Sürünme testinden sonra düşük bir sıcaklıkta darbe ile kırılmış bir numunenin kırılma yüzeyindeki sürünme boşlukları TEM de 5000X büyütme Resim 10: 618 °C östenitik paslanmaz çeliğin gerilme kırılma yüzeyine yakın 300X büyütmedeki yapısı

Faydalanılan Kaynaklar: Prof. Dr. İrfan AY, Sürünme Hasarları, http://w3.balikesir.edu.tr/~ay/lectures/ha/lecture4.pdf Doç. Dr. Ali Osman KURT, "Malzemelerin Yüksek Sıcaklık Davranışları“ Ders Notu, http://web.sakarya.edu.tr/~aokurt/dersler/malzyuk/ders_notu.pdf Yrd. Doç. Dr. Ahmet GÜRAL, “Mekanik” Ders Notu, http://w3.gazi.edu.tr/~agural/Mekanik.doc ODTÜ Merkezi Laboratuarı, Mekanik Test Cihazları, Sürünme Test Cihazı, http://www.centrallab.metu.edu.tr/?q=node/21