MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Polimerlerde yorulma Metallerden farklı Çevrimsel gerilme uygulaması yumuşamaya yol açar ve malzeme davranışı visko-elastik faktörlerden etkilenir. Çevrimin çekme sürecinde yaşanan çatlama “crazing” asimetriye neden olur. S-N eğrisi 3 bölge gösterir. 2. bölge dik bir şekilde azalır. Tg noktasına yakınlık ciddi bir sıcaklık etkisine yol açar.

Yorulma özellikleri haritası Yorulma sınırı (MPa)

Yorulma özellikleri haritası

özet yorulma uygulanan gerilmenin zamana bağlı olarak tekrarladığı yaygın bir katastrofik kırılma biçimidir. Maksimum gerilme uygulamasının malzemenin statik çekme ve akma mukavemetlerinden çok daha düşük olduğu durumlarda karşılaşılabilir. çevrimsel gerilmeler: Tersinir; tekrarlanır; rastgele olabilir.. Tersinir ve tekrarlanır olanlar ortalama gerilme, gerilme aralığı ve gerilme genliği gibi parametrelerle tanımlanır.

özet yorulma test sonuçları gerilmenin kırılmaya kadar geçen çevrim sayısının logaritmik değerine bağlı olarak değişimi şeklinde raporlanır. Bir çok metal ve alaşım için gerilme artan çevrim sayısı ile sürekli düşer. Bu malzemelerde yorulma davranışı yorulma mukavemeti ve yorulma ömrü ile tarif edilir. Demir esaslı ve titanyum alaşımları için gerilme artan çevrim sayısı ile sürekli düşmez ve belli bir değerde yatay konuma geçer; çevrim sayısından bağımsız olur. Bu malzemelerin yorulma davranışları yorulma sınırı ile tarif edilir.

özet Yorulma çatlakları yüzeyde ve gerilme konsantrasyonuna neden olan bir yüzey detayında, kusurunda başlarlar. Yorulma kırılması yüzeylerinin karakteristik ögeleri «beach» izleri ve çatlak ucu durma izleridir. «Beach» izleri uygulanan gerilmenin duruşlar yaşadığı parçalarda ve çıplak gözle görülür. Yorulma ucu durak izleri mikroskobiktir ve yorulma çatlağının her bir çevrimden sonra durduğu hatları temsil ettiği düşünülür.

özet Yorulma ömrünü uzatmak için alınabilecek önlemler: Ortalama gerilme seviyesini düşürmek Keskin, sivri yüzey unsurlarını bertaraf etmek Yüzey kalitesini parlatma vb işlemlerle arttırmak Kumlama vb bir işlemle yüzeyde bası gerilmeleri oluşturmak Kaburleme ve nitrürleme gibi işlemlerle yüzey setleştirmesi yapmak

özet Yüksek sıcaklık değişimlerine maruz kalan ve genleşme ve büzülmesi engellenen parçalarda ısıl gerilmelere bağlı yorulmaya ısıl yorulma diyoruz. Kimyasal aktif bir ortamda yorulma ömrü kısalabilir. Buna korozyonlu yorulma diyoruz. Alınabilecek önlemler: Yüzeyin kaplanması Daha yüksek korozyon direnci olan malzemeler kullanılması çevrenin korozifliğinin sınırlandırılması Uygulanan gerilme seviyesinin azaltılması Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturulması

SÜRÜNME

Sürünme nedir? Bazı malzemeler yüksek sıcaklıklarda ve statik mekanik gerilmeler altında çalışır. (Örnek: merkezkaç gerilmeleri tecrübe eden jet motorları türbin rotorları ve yüksek basınç buhar boruları) Malzemeler ağır çalışma koşullarında belirli bir yükü uzun sürelerle taşımak zorunda olabilir. Bu durumda malzeme zamana bağlı bir deformasyona uğrar. Ortaya çıkan deformasyona sürünme denir. Sürünme hem süreye hem de sıcaklığa bağlı bir deformasyon türüdür.

Sürünme nedir? Sürünme düşük sıcaklıklardan ziyade yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Bu nedenle sürünme yüksek sıcaklıklarda çalışan malzemeler için önemlidir. Fe, Ni Cu ve alaşımları ancak yüksek sıcaklıklarda sürünmeye uğrarken, Zn, Sn, Pb ve alaşımları oda sıcaklığında bile sürünme yaşarlar. Metallerde sürünme, tek tek taneler içinde kristal düzlemlerinde kayma ve tane sınırı bölgelerinin deformasyonu ile ortaya çıkan bir plastik deformasyondur.

Sürünme Sürünme oldukça yüksek sıcaklıklarda (0.3-0.4 Tm: ergime noktasının %30-40’I kadar!) gerçekleşir. Sürünme kırılmaları sünek kırılma karakteri gösterirler. Sürünme sırasında malzemede çoğu tane sınırlarında olmak üzere küçük çatlaklar, küçük boşluklar şeklinde hasar oluşur.

sürünme Sabit bir yük uygulandığında malzemelerin zamana bağlı, kalıcı deformasyona uğraması, uzaması arzu edilmeyen bir hadisedir ve bir parçanın servis ömrünü sonlandırabilir. Sürünme olayına bütün malzeme türlerinde rastlanır ve metallerde sadece 0.3-0.4 Tm (Tm: ergime noktası) üstündeki sıcaklıklarda risk yaratır. Amorf polimerler (plastik ve lastik-kauçuklar) sürünme deformasyonuna özellikle hassastır.

Sürünme deneyi Sürünme test düzeneği fırın Sabit yük Sürünme testleri, malzemeye yüksek bir sıcaklıkta sabit bir gerilme uygularken, sıcaklığı sabit tutmak ve meydana gelen deformasyonu ölçmek şeklinde uygulanır. Deney sonuçları deformasyonun zamana bağlı değişimi şeklinde raporlanır. fırın Sabit yük

Genel sürünme davranışı Bu süreçte deformasyon veya şekil değişimi ölçülür ve zamana bağlı değişimi grafik haline getirilir. Yük uygulanması ile birlikte ilk anda tamamen elastik karakterde olan bir deformasyon gerçekleşir. Deney sonunda ortaya çıkan sürünme eğrisi 3 bölgeden oluşur.

sürünme Sabit bir gerilme altında zamana bağlı malzeme deformasyonu Sürünme şekil değişimi kopma s,e t s birincil üçüncül ikincil Anlık deformasyon Süre birincil sürünme: eğim(sürünme hızı) zamanla azalır. İkincil sürünme: steady-state/sabit eğim Üçüncül sürünme: eğim (sürünme hızı) zamanla artar

Sürünme eğrisi birincil sürünme: geçiş sürünmesi de denir. şekil değişimi-süre eğrisi eğimi, sürünme hızı zamanla azalır. Bu bölgede deformasyon sertleşmesi olur ve sürünme direnci artar. Bu sürünme şekli metallerde tüm sıcaklıklarda görülür ve bu nedenle zaman zaman soğuk sürünme de denir.

Sürünme eğrisi İkincil sürünme: değişmez-kararlı, sabit sürünme de denir. Bu süreçte eğrinin eğimi ve sürünme hızı sabittir. Sürünme sürecinin en uzun aşaması budur. deformasyon sertleşmesi ile toparlanma arasında bir denge oluşmasından kaynaklanır. Toparlanma ile malzeme kısmen yumuşar ve daha fazla deformasyona uğrayabilir. Viskoz sürünme ve sadece daha yüksek sıcaklıklarda karşılaşıldığı için sıcak sürünme olarak da adlandırılır. Kesit alanında aşırı daralma olduğunda üçüncül sürünme rejimine geçilir.

Sürünme eğrisi Üçüncül sürünme: En son aşama üçüncül sürünmedir. Bu aşamada sürünme hızında bir artış gözlenir. Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları boyun verme gibi olaylar gerçekleşir. Üçüncül sürünme bölgesinde deformasyon hızı süratle artar ve bu sürecin sonunda kopma gerçekleşir. Boyun verme veya iç boşlukların oluşmasına bağlı olarak kesit alanında ciddi bir azalma olduğunda gerçekleşir.

Sürünme eğrisi kopma: Sonunda kırılma-kopma gerçekleşir. Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları boyun verme gibi olaylar gerçekleşir. Kopma-kırılma malzemede meydana gelen mikroyapısal ve metalurjik değişimlerin sonucunda yaşanır: tane sınırlarının ayrılması, iç çatlakların, boşlukların, yarıkların oluşması vb. Çekme yükleri durumunda deformasyon bölgesinde boyun verme gerçekleşir. Böylece gerilmeyi çeken net kesit alanı azalır ve kopma kaçınılmaz olur.

İkincil sürünme-kararlı sürünme Sürünme eğrisi Anlık elastik deformasyon (şekil değişimi) Deformasyon süre A E D C B Birincil sürünme İkincil sürünme-kararlı sürünme Üçüncül sürünme kopma  t

Sürünme parametreleri Δε/Δt (sürünme hızı): uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım parametresi. En düşük sürünme hızı: ikincil sürünme bölgesindeki sabit sürünme hızı Kopma süresi (tr): nispeten daha kısa süreli uygulamalar için tasarım parametresi

Sürünme hızı Sabit sürünme hızı ile gerilme ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi tarif eden amprik bağıntılar geliştirilmiştir. Sürünme hızı vs gerilme ilişkisi: K1 ve n malzeme sabitleridir. Logaritmik ifade şekli ile eğimi “n” olan düz bir çizgi elde edilir.

sürünme hızı Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta (T) ve gerilmede () sabittir. Deformasyon sertleşmesi toparlanma ile dengelenir. Gerilme üstü Sürünme aktivasyon Enerjisi (malzeme parametresi) sürünme hızı gerilme Malzeme sabiti deformasyon hızı yüksek sıcaklık ve gerilmelerde artar. 10 2 4 -2 -1 1 Sürünme hızı (%/1000hr) e s gerilme (MPa) 427°C 538 °C 649

problem 750 mm uzunluğunda S-590 alaşımlı bir numuneye 815 C’de 80 MPa çekme gerilmesi uygulanmaktadır. 5000 st sonra ne kadar uzayacağını bulun. İlk anlık sürünme uzamasını 1.5 mm alın. 80 MPa gerilme altında ve 815 C’de sürünme hızı: 5x10-6 /saat 5000 saat sonra  750 mm x 5x10-6 /st x 5000 st = 18.75 mm İlk anlık uzama = 1.5 mm Toplam uzama = 18.75mm + 1.5 mm = 20.25 mm

problem 10 mm çapında ve 500 mm uzunluğunda S-590 alaşımlı silindirik numuneye 730 C’de çekme gerilmesi uygulanmaktadır. 2000 st sonra toplam uzamanın 145 mm olması için çekme yükü ne olmalıdır? İlk anlık sürünme uzamasını 8.6mm alın. Toplam uzama=145mm; anlık uzama 8.6mm olduğuna göre, Kararlı sürünme bölgesindeki uzama= 136.4mm; Şekil değişimi=136.4/500 = 0.27 Sürünme hızı= 0.27/2000 = 0.000135/st = 1.35x10-4/st 730C’de bu sürünme hızını veren gerilme: 190 MPa  14915 N

Kopma süresi Birincil sürünme hızı deformasyon sertleşmesine bağlı olarak düşer. Gecikmiş elastisiteye benzer ve geri dönüşlüdür. İkincil sürünme viskoz karakterlidir. Minimum sürünme hızı (V0) bu aşamada eğrinin eğiminden hesaplanır: Δε/Δt. ikincil sürünme evresi sıcaklığa çok hassastır. Üçüncül sürünme artan hızla gerçekleşir. Kopma süresi ile gerilme arasındaki ilişki: tr: kopma süresi a, n: malzeme sabitleri

problem S-590 alaşımlı parçaya 650 C’de 300 MPa çekme gerilmesi uygulanırsa kopma süresi ne olur? Bu şartlarda kopma süresi: 400 saat

Sürünme deformasyonu,  Sürünme eğrisi Bu şekilde elde edilen en az 2 eğrinin eğimleri (dε/dt) ölçülerek malzeme sabitleri belirlenir. dε/dt σ1=55MPa σ3=69MPa σ2=62MPa Sürünme deformasyonu,  Süre, t

problem Alüminyuma 180°C’de farklı gerilme seviyelerinde uygulanan sürünme deneylerinde aşağıdaki sürünme Hızları ölçülmüştür. süre (st) Sürünme şekil değişimi 0.0066 1/st 0.0025 1/st 55 MPa 62 MPa 55 MPa gerilme için 62 MPa gerilme için /t=0.0025 st-1 /t=0.0066 st-1 59 MPa gerilmede sürünme hızını hesaplayın!

problem hr-1 0.0066 = K.62n 0.0025 = K.55n 2.64 = 62n / 55n ln2.64 = n.ln62 – n.ln55 n=8.1 K=2.10-17 σ = 59 MPa için: hr-1

Genel sürünme davranışı Bir sürünme deneyinden elde edilen en önemli bilgi, ikincil sürünme bölgesinde sabit eğim değeridir. Bu değer en düşük, kararlı-değişmez sürünme hızıdır. Uzun süreli uygulamalar için mühendislik tasarım parametresidir. Örneğin nükleer santraller için malzeme, birkaç on yıl için tasarım yapılarak seçilir. Oysa servis süreleri daha kısa olan savaş uçaklarının jet motorları türbin kanatları için tasarım parametresi kopmaya kadar geçen toplam süredir. Bu parametrenin belirlenmesi için sürünme testlerinin kopmaya kadar sürdürülmesi gerekir.

Gerilme ve sıcaklık etkileri Hem sıcaklık hem de gerilme seviyesi sürünme karakteristiklerini etkiler. 0.4Tm nin epey altındaki sıcaklıklarda ve ilk deformasyondan sonra şekil değişimi esasen zamandan bağımsızdır. Artan gerilme veya artan sıcaklıkla: deformasyon artar sürünme hızı artar toplam kopma süresi kısalır.

Gerilme ve sıcaklık etkileri Gerek sıcaklık gerek uygulanan gerilme sürünme deformasyonunu arttırır. Etkilerinin ölçülmesi için sabit sıcaklıkta farklı gerilmeler uygulanarak deformasyonlar ölçülür. Bu farklı sıcaklıklar için tekrarlanarak sıcaklık ve gerilme etkisi tanımlanabilir. Sürünme deformasyonu T1 or σ1 süre T2 or σ2 T3 or σ3 T4 or σ4 T1<T2<T3<T4 σ1<σ2<σ3<σ4 T<0.4Tm

Sıcaklık etkisi Yüksek sıcaklıklarda sürünme hızı artar. Atomların hareketliliği yüksek sıcaklıklarda artar ve daha düşük enerji konumlarına geçerler. Dislokasyonların hareketliliği de artar ve tırmanma mekanizması ile önlerine çıkan engelleri aşarlar. Boşluk konsantrasyonu da sıcaklıkla artar. Difüzyon hızlanır. Bu sayede yeniden kristalleşme gerçekleşir. Yeni oluşan taneler gerilme altında birbirleri üstünde yer değiştirirler. Bu tane sınırı kayması tane sınırlarında çatlakların oluşmasına neden olur.

Sıcaklık etkisi Düşük sıcaklıklarda (T< Tm/4) sürünme hızı azalır. Çünkü, deformasyon sertleşmesi artarken toparlanma etkisini kaybeder. Düşük sıcaklıklardaki sürünmeye logaritmik sürünme denir. ε = α ln t ε : şekil değişimi α : sabit t : süre

Tane boyutu etkisi Sürünme davranışını en çok etkileyen tane boyutudur. tane boyutu: taneler ne kadar küçük ise, malzeme o kadar dayanıklıdır. Ancak ekikohezif sıcaklığın (Te > Tm/2) üstünde bu etki tersine döner. İri taneli yapılar ince tanelilerden daha yüksek sürünme direnci gösterirler.

Alaşım bileşimi etkisi bileşim: saf metaller alaşımlarından daha yumuşaktır. ikinci fazlar dislokasyon hareketine engel olur. Bu nedenle saf metallerde sürünme daha fazladır. Çeliğin sürünme direnci çözeltide kalan Ni, Co ve Mn gibi ve karbür yapıcı Cr, Mo, W ve V gibi elementlerle artar.

Deformasyon etkisi Çeliklerde deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır. Kırılmanın taneler arasından tane içine dönüştüğü ekikohezif sıcaklığın altında deformasyon sertleşmesi sürünme direncini arttırır ve belirgin bir sürünme deformasyonu görülmez. Dolayısı ile ikincil sürünme bölgesi yataydır. Ekikohezif sıcaklığın üstünde akma hızı deformasyon sertleşmesi hızını geçer ve sürünme düşük gerilmeler altında bile devam eder.

Isıl işlem etkisi Çeliklerin sürünme direnci ısıl işlemle etkilenir. Yapı ısıl işlemle değiştiği için sürünme davranışı da etkilenir.

Data ekstrapolasyon yöntemleri Mühendislik tasarımlarına faydalı olacak sürünme davranış bilgilerini laboratuar deneylerinden elde etmek güçtür. Bu durum özellikle uzun süreli, yıllar sürebilecek servis şartları için geçerlidir. Bu sorun sürünme ve sürünme kopma testlerinin denk gerilme seviyelerinde fakat gerekli olandan daha yüksek sıcaklıklarda yapılması ile aşılabilir. Bu şekilde (ağırlaştırılmış ve hızlandırılmış) testlerin makul sürelerde tamamlanması mümkün olabilir.

Data ekstrapolasyon yöntemleri Bu uygulamada deney sonuçlarının çalışma şartlarına ekstrapolasyon yöntemi ile değerlendirilmesi gerekir: Popüler bir pratik Larson-Miller parametresinin uygulanmasıdır. C sabit değer;  20 T Kelvin cinsinden sıcaklık ve tr kopma süresi (st)

Ömür kestirme kopma süresini hesaplayın S-590 demir, T = 800°C, s = 20 ksi Tane sınırları boyunca çatlama: Kopma süresi Gerilmeye bağlı sıcaklık Gerilme ekseni g.b. boşlukları • kopma süresi, tr L(10 3 K-log hr) gerilme, ksi 100 10 1 12 20 24 28 16 S-590 demir 1073K sonuç: tr = 233 hr 24x103 K-log hr

problem S-590 alaşımı için yandaki şekilde yer alan Larson-Miller bilgilerini kullanarak, 800C’de 140 MPa gerilme altında kopma süresini hesaplayın. 140 MPa gerilme değerinde Larson-Miller parametresi: 24x103 24x103 = T (20 + log tr) = (800+273) (20 + log tr) 22.37 = 20 + log tr tr için çözersek, tr = 233 saat ( 10 gün)

Yüksek sıcaklık alaşımları Metallerin sürünme davranışını etkileyen faktörler: Ergime noktası Elastik modül Tane boyutu Ergime noktası yükseldikçe Elastik modülü arttıkça Tane boyutu büyüdükçe malzemenin sürünme direnci daha da iyi olur.

Yüksek sıcaklık alaşımları Sürünme direnci yüksek malzemeler yüksek elastik modülü ve ergime noktasına sahiptir. Metaller arasında süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter metalleri sayabiliriz. Taneler küçük olduğunda tane sınırları kayması artar ve sürünme hızı da artar. Tane çapının bu etkisi düşük sıcaklıklardaki etkisinden tamamen farklıdır: tane boyutu küçüldükçe mukavemet ve tokluk artar. sürünme şartları için özel üretim teknikleri geliştirilmiştir: çok uzun taneler üreten yönlenmiş katılaştırma veya tek kristal üretimi

Yüksek sıcaklık alaşımları Geleneksel döküm yöntemi ile üretilmiş Çok kristalli süper alaşım yönlendirilmiş kolonsal tane yapısı ile Yüksek sıcaklık sürünme davranışı arttırılmış çok kristalli süper alaşım tek kristal yapılı süper alaşım; sürünmeye en dayanıklı

Sürünme mekanizmaları Farklı malzemelerde, farklı yükleme ve farklı sıcaklık koşullarında farklı mekanizmalar vardır. Bu mekanizmalar: Gerilme destekli boşluk difüzyonu Tane sınırı difüzyonu Tane sınırı kayması Dislokasyon hareketi-tırmanması mekanizmaların n ve Qc değerleri farklıdır. Sürünme mekanizmasının belirlenmesi için deneysel olarak elde edilen “n” değeri ile farklı mekanizmaların “n” değerinin karşılaştırılabilir.

Sürünme mekanizmaları Benzer şekilde sürünme aktivasyon enerjisi (Qc) ile difüzyon için aktivasyon enerjisi karşılaştırılması da faydalı olabilir. Sürünme sonuçlarının gerilme sıcaklık diyagramları şeklinde sunumları deformasyon mekanizma haritaları da denir. Bu haritalar farklı mekanizmaların işlediği gerilme-sıcaklık bölgelerini gösterir.

Sürünme mekanizmaları Difüzyon sürünmesi Kitle difüzyonu (Nabarro-Herring sürünmesi) Tane çapı arttıkça sürünme hızı düşer. Tane sınırı difüzyonu (Coble sürünmesi) Nabarro Herring mekanizmasından daha kuvvetli tane boyut bağımlılığı Dislokasyon sürünmesi Dislokasyon hareketlerince kontrol edilir. Uygulanan gerilmeye yakından bağlıdır. Isıl aktivasyonlu kayma Polimerler ve viskoelastik malzemelerde olur.

Sürünme mekanizmaları Nabarro-Herring sürünmesi Difüzyon tanelerin içinde gerçekleşir. Sürünme hızı 1/ tane boyutu ile orantılıdır. Bu nedenle tane boyutu arttırılarak sürünme hızı düşürülebilir.

Nabarro-Herring sürünmesi Yüksek Sıcaklık ve düşük gerilmelerde gerçekleşir. Atom boşluklarının difüzyonu sürünme hızını kontrol eder. Atom boşlukları malzeme yüzeyinden gerilme eksenine doğru hareket ederler. Gerilme sabit olduğunda, dik tane sınırları basma, enine tane sınırları çekme gerilmeleri altındadır. Atom boşlukları çekme gerilmeleri altındaki bölgelerden basma gerilmeli bölgelere doğru atomlar da tam ters yönde hareketlenirler. Bu şekilde sürünme deformasyonu çekme ekseni boyunca artar.

Nabarro-Herring sürünmesi Stress axis

Sürünme mekanizmaları Coble sürünmesi Difüzyon tane sınırlarında gerçekleşir. düşük aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu nedenle düşük gerilme seviyelerinde ve düşük sıcaklıklarda daha yaygındır. Sürünme hızı tane boyutu arttırılarak düşürülebilir. İri taneli yapılarda daha az tane sınırı bulunduğu için!

Dislokasyon sürünmesi Sürünme hızı dislokasyonların çökelti, tane sınırı gibi engelleri ne kadar kolay aştığı ile ilgilidir. Dislokasyonlar yeterli yüksek sıcaklıklarda ısıl enerji tedariği ile çapraz kayma ile engelleri aşabilirler. Sürünme deformasyonu sırasında dislokasyon kayması artan plastik deformasyona neden olur. Dislokasyon Tane sınırı

Dislokasyon sürünmesi Bu mekanizmada dislokasyonlar ve atom boşlukları bir arada hareket ederler. Yüksek sıcaklıklarda atom boşluklarının difüzyon hızı artar ve dislokasyonlar kolayca kayar ve tırmanırlar. Kenar dislokasyonları kayma düzleminin sonuna kadar kayabilirler veya kayma düzlemi altındaki veya üstündeki bir düzleme geçebilirler. Kenar dislokasyonları kayma düzlemindeki engellere takıldıklarında sürünme hızı dislokasyonların bu engeli aşma hızı tarafından belirlenir.

Dislokasyon sürünmesi Yüksek sıcaklıklarda ciddi seviyelerde gerçekleşen atom hareketleri dislokasyonların aşağı veya yukarı tırmanmasına yol açar. Kenar dislokasyonlarının basit bir tırmanma faaliyeti atom boşluklarının difüzyon hızı uygulanan gerilmeye karşılık bir şekil değişimi yaratabilir. Bu olaylar yüksek sıcaklıklarda olur (T>0.4Tm) Bu sayede plastik deformasyon artarak devam eder.

Dislokasyon sürünmesi . Dislokasyon sürünmesi Dislokasyonların ve atom boşluklarının birlikte hareketi boşluk Dislokasyon

Sürünme mekanizmaları

Sürünme mekanizmaları

Tane sınırı kayması tanelerin onları birbirlerinden ayıran tane sınırlarına göre kayması şeklindedir. Düşük sıcaklıklarda tane sınırları tane içlerine göre daha yumuşaktırlar. Çok kristalli malzemelerde tane sınırları yüksek sıcaklıklarda sürünme olayında kayma ve boşluk oluşturma faaliyetleri ile önemli bir rol oynarlar. Yüksek sıcaklıklarda sünek metaller sertleşme kabiliyetlerini kaybederler ve tane sınırı kaymasına imkan tanıyacak şekilde viskoz hale geçerler. Sıcaklık arttıkça, tane sınırları kayma ile deformasyon sürecine katkı yaparlar. Düşük sıcaklıklarda ise, dislokasyonları engelleyerek akma dayanımını arttırırlar.

Tane sınırı kayması Düşük sıcaklıklarda tane sınırları hareketsizdir ve dislokasyonlara engel teşkil ederler. Yüksek sıcaklıklarda çok kristalli malzemelerde taneler birbirlerine göre yer değiştirebilirler. Buna tane sınırı kayması denir. Birbirleri üzerinde kayarak hareket eden çok sayıda tane sürünmeye bağlı ciddi miktarda bir plastik deformasyona yol açarlar. Tane sınırı kayması artan sıcaklıkla ve düşen deformasyon hızı ile artar. İnce taneli malzemelerde çok sayıda tane ve bol miktarda tane sınırı olduğu için bu mekanizmanın rolü artar. O nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarında büyük taneli malzeme kullanmak gerekir.

Tane sınırı kayması Jet motorlarının türbin kanatçıklarında Ni esaslı süper alaşımlarının tek kristalli olarak kullanılmasının nedeni budur. İri taneli yapı ile tane sınırı kayması mekanizması etkisiz hale getirilir.

Sürünme mukavemeti veya sürünme sınırı Bir malzemenin belirli bir süre için aşırı deformasyona uğramadan dayanabileceği en yüksek gerilmedir. örnek : bir türbin kanatçığı için sürünme mukavemeti – 800 C’de 10000 saat çalışmada sadece %0.2 sürünme deformasyonu yaratan gerilme. Sürünme mukavemeti, belirli bir sıcaklıkta sabit bir sürünme hızı, mesela 10-11 ile 10-8/s, veren gerilme veya belirli bir sürede, mesela 105 saatte %1 sürünme deformasyonu veren gerilme olarak tarif edilebilir.

Sürünme mukavemeti veya sürünme sınırı 2) sürünme kopma mukavemeti:belli bir sürede malzemenin kopmadan dayanabileceği en yüksek gerilme örnek: türbin kanatçığı için kopma mukavemeti 800oC’de 1000 veya 10000 veya 100 000 saatte kopmaya denk gelen gerilmedir. Sürünme kopma mukavemeti sonlu bir süre içinde sürünmenin kopmaya neden olamayacak kadar yavaş olduğu gerilme sınırıdır. 3) sürünme ömrü: belli statik bir yük altında kırılmaya kadar geçen süre

Sürünme türleri Sıcaklığa bağlı olarak; Logaritmik sürünme Düşük sıcaklıklarda sürünme hızı zamanla azalır ve logaritmik sürünme eğrisi elde edilir. Toparlanma sürünmesi Yüksek sıcaklıklarda deformasyon sertleşmesinin etkisi zayıflar ve mekanik toparlanma olasılığı belirir. Sonuçta, sürünme hızı azalmaz ve toparlanma sürünme eğrisini elde edilir Difüzyon sürünmesi Çok yüksek sıcaklıklarda sürünme esasen difüzyon tarafından etkilenir ve uygulanan gerilmenin etkisi azalır. Bu sürünme difüzyon sürünmesi veya plastik sürünme olarak bilinir.

Sürünme ve gerilme kopma Testi Sabit yük Şekil değişimi Düşük yükler Hassas şekil değişimi Ölçümü (f<%0.5) Uzun süreli (2000-10000 st) Pahalı ekipman Belli gerilmede ve sıcaklıkta en düşük şekil değişimi hızı belirlenmesi için. yüksek yükler kaba şekil değişimi Ölçümü (f %50’ye kadar) kısa süreli (<1000 st) ucuz ekipman Belli gerilmede ve sıcaklıkta kopmaya kadar geçen sürenin belirlenmesi için

Sürünme kontrolü Sürünmeyi önlemek için, tane sınırlarının etkisini azaltın. tek kristal malzeme veya iri taneli malzeme boşlukları azaltmak için katı eriyik atomları ilave edin. yüksek ergime noktasına sahip malzemeler kullanın. malzeme seçiminde çalışma şartlarını ve ömür beklentisine göre muayene aralıklarını girerek sürünme deney sonuçlarını ve kaynaklarını inceleyip araştırın.

Gerilme gevşemesi Stress relaxation Sabit bir şekil değişimine maruz kalan bir parçada gerilmenin zamanla azalmasına gerilme gevşemesi denir. Diğer bir ifade ile uzamasına izin verilmeyen parçalarda gerilmenin azalması olayıdır. örnek Rijid parçaları bir arada tutan civatalarda uzun sürelerden sonra gerilme düşer.

özet sabit bir gerilme uygulanan metallerin 0.4 Tm üstündeki sıcaklıklarda zamana bağlı deformasyona uğraması olayına sürünme denir. Tipik bir sürünme eğrisi 3 bölgeye sahiptir. Sürünme eğrilerinden mühendislik uygulamaları için elde edilen önemli bilgiler kararlı sürünme (2.) bölgesindeki eğim; sürünme hızı ve kopma süresidir. Gerilme ve sıcaklık arttıkça, İlk anlık deformasyon miktarı artar. Kararlı bölge sürünme hızı artar. Kopma süresi azalır.

özet Sürünme şartlarında parça ömrünü tahmin etmek için Larson–Miller parametresinden yararlanılır. Yüksek sıcaklık uygulamaları için alaşım seçimi: Sürünme direnci yüksek alaşımların elastik modülleri ve ergime sıcaklıkları yüksektir. Bu alaşımlar arasında Ni ve Co esaslı süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter metalleri sayabiliriz. Alaşımların sürünme dirençlerini geliştirmek için çeşitli üretim pratikleri de vardır.

Refrakter metallerin özellikleri Terg (C) Yoğunluk (g/cm3) Çekme MPa Akma MPa Geçiş T Nb 2468 8.57 117 55 -140 Mo 2610 10.22 345 207 30 Ta 2996 16.6 186 165 -270 W 3410 19.25 455 103 300 Rh 3186 21.02 1070 290

korozyon ve bozunma

korozyon ve bozunma İşlenecek konular... korozyon neden olur? hangi metaller korozyona uğrar? sıcaklık ve atmosfer-çevre koşulları korozyon hızını nasıl etkiler? korozyonu nasıl önleriz? – korozyondan korunma

Korozyon nedir? Korozyon bir malzemenin bulunduğu ortamla etkileşime girmesi sonucunda bozunması ve işlevini kaybetmesidir; geriye dönüşü olmayan bir hasardır. Korozyon enerji vererek metalik hale dönüştürdüğümüz malzemelerin doğadaki kararlı hallerine dönme isteği sonucu ortaya çıkar. Cevher Kararlı Metal Kararsız enerji Oksitlenen metal Kararlı korozyon

Malzemelerin bozunması Boyasız paslanmaz çelikten imal edilmiş 1936 model Deluxe Ford Sedan. Bu otomobillerden 6 tane imal edildi. Her biri yüzlerce binlerce km yol gittiği halde tek bir pas lekesi görülmedi. Bu modelin aynısından karbon çeliğinden imal edilmiş bir otomobil Kalifornia’da terk edilmiş, can çekişirken..

korozyon Malzeme ve doğal kaynakların kaybı yanında, tehlikeli sonuçlara yol açabilir. Toprakaltı borularının delinmesi / Gemiler / Uçaklar Kazanlar Korozyon nedeniyle yıllık ekonomik kayıp 2.2 Trilyon USD* civarında! Dolaylı kayıplarla bu miktar 2-3 kat daha fazla!

Malzemelerin bozunması Bütün malzemeler içinde bulundukları ortam ile az ya da çok etkileşim içinde olurlar. Bu etkileşimler malzemenin özelliklerini etkiler. Mukavemet, süneklik gibi mekanik özellikler, fiziksel özellikler, dış görünüm olumsuz etkilenir; malzemenin bütünlüğü bozulabilir. Metaller, seramikler ve polimerler için hasar mekanizmaları birbirinden farklıdır. Metallerde çözünme (korozyon) sonucunda veya yüzeyde oksit vb metalik olmayan filmlerin oluşması (oksidasyon) ile malzeme kaybı yaşanır.

Malzemelerin bozunması Seramik malzemeler hasara karşı daha dayanıklıdır. Hasar sadece yüksek sıcaklıklarda ve/veya aşırı agresif ortamlarda meydana gelir ve bu sürece korozyon denir. Polimerlerde hasar mekanizması metal ve seramiklerde olduğundan çok farklıdır ve bozunma olarak anılır. Polimerler sıvı çözeltilerle temas halinde iken çözünebilirler, çözeltiyi emerek şişerler; elektromanyetik radyasyon (ultraviyole) ve ısı moleküler yapılarında değişimlere yol açabilir.

Metallerde Korozyon Elektrolit Aktif metal su Oksijen (atmosferik korozyon) Asit (kimyasal korozyon) tuz Yüksek sıcaklık Korozyon üçgeni Elektrolit Metal Oksitlenme

metallerde korozyon korozyon hücresi Korozyon için bu devre tamamlanmalı! Metaller arasında bağlantı Anot: e— verir, çözünür! Katot: e— alır, çözünmeye neden olur! İyonik iletken: iyon hareketini Elektronik iletken: e— hareketini sağlar! Elektrik akımı Elektrolit

Korozyon hücreleri Konsantrasyon hücreleri : bileşim ayni-konsantrasyon farklı! Metal iyon konsantrasyon hücresi Oksijen konsantrasyon hücresi Bileşim hücreleri : bileşim farklı! Birbirine benzemeyen metal (galvanik) korozyon hücreleri Çoklu faz yapılı alaşımlar

Korozyon hücreleri Akım kaynağı katot Cu++ e-2 Cu Elektrik akımı Yüksek Cu2+ konsantrasyonu Düşük Cu2+ konsantrasyonu Konsantrasyon hücresi Metal iyon hücresi: Elektrolitik Kaplama hücreleri anot

Korozyon hücreleri Konsantrasyon hücresi Atmosfer: Yüksek Oksijen Su/atmosfer ara yüzeyi: Düşük oksijen konsantrasyonu Yüksek korozyon Tek alaşım: Bileşim sabit! Konsantrasyon hücresi Oksijen konsantrasyon hücresi: Çözünmüş oksijen gibi korozyona yol açan korozyon ajanlarının düşük konsantrasyonlu bölgesi anot, yüksek konsantrasyonlu bölgesi katot olarak davranır.

Korozyon hücreleri Bileşim hücreleri Birbirine benzemeyen metal hücreleri: galvanik korozyon asil metal aktif metal

Elektrokimyasal ögeler Metalik malzemeler için korozyon olayı elektrokimyasal bir süreçtir ve yüzeyde başlar. Anodik (oksidasyon) ve katodik (redüksiyon) reaksiyonların toplamından oluşur. Bir kimyasal maddeden diğerine elektron transferi ile gerçekleşir.

Korozyon süreci katot anot Korozyona uğrayan metal parçada şarj transferi Kütle transferi-difüzyon, konveksiyon; migrasyon e— hareketi ile elektrik akımı iyon hareketi ile elektrik akımı

Elektrokimyasal ögeler oksidasyon reaksiyonlarında Metal atomları elektron kaybeder/verirler. n adet valens elektronu olan M metali için: M  Mn+ + ne— Bu reaksiyon sonucunda M “n” pozitif yüklü bir iyon haline gelir. Metallerin oksitlenmesine örnek: Fe  Fe2+ + 2e— Al  Al3+ + 3e— Oksitlenmenin yaşandığı bölgeye anot denir.

Elektrokimyasal ögeler Oksitlenen metalden açığa çıkan her elektron bir başka maddeye transfer olmalı ve bu maddenin bir parçası haline gelmelidir. Bu prosese redüksiyon reaksiyonu denir. Bazı metaller yüksek miktarda Hidrojen iyonu içeren asit çözeltilerinde korozyona uğrar: H iyonları aşağıdaki şekilde redüklenir: 2H+ + 2e—  H2 Ve böylece hidrojen gazı açığa çıkar.

Elektrokimyasal ögeler Metalin temas ettiği çözeltiye bağlı olarak başka redüksiyon reaksiyonları da vardır: Çözünmüş oksijen bulunduran bir asit çözeltisinde redüksiyon: O2 + 4H+ + 4e—  2H2O Ya da, yine çözünmüş oksijeni olan nötr veya bazik sulu çözeltilerde redüksiyon: O2(g)+2H2O(l)+4e-  4OH-(aq)

Korozyon reaksiyonları Nötr ve alkali ortamlarda 2Me  2Me+++4e- anodik O2+ 2H2O +4e-  4OH- katodik 2Me+ O2+ 2H2O+4e-  2M+++4OH- toplam Zn2+ e- H+ H+ e- Asidik ortamlarda M  M+++2e- anodik 2H+ +2e-  H2 katodik M + 2H+  M+++ H2 toplam H2 H+ çinko

Demir için korozyon reaksiyonları anodik reaksiyon: demirin Fe(s)  Fe2+(aq)+2e- korozyonu katodik reaksiyon: 2H+(aq)+2e-  H2 (g) kimyasal O2(g)+2H2O(l)+4e-  4OH-(aq) atmosferik O2(g)+4H+(aq)+4e-  2H2O(l) birarada toplam reaksiyon: Fe(s)+2H+(aq)  Fe2+(aq) + H2(g) kimyasal 2Fe(s)+O2(g)+2H2O(l)  2Fe2+(aq)+4OH-(aq) atmosferik 2Fe(s)+O2(g)+4H+(aq)  2Fe2+(aq)+2H2O(l) birarada

Korozyona uğrayan yüzey Korozyon reaksiyonları Elektrolit (su, toprak vb) birleşerek Fe(OH)2-pas oluştururlar! Fe(OH)3 Korozyona uğrayan yüzey Elektronlar (e-) Metal (Fe) +H2O/O2

Elektrokimyasal ögeler Zn  Zn2+ + 2e— 2H+ + 2e—  H2 (gaz) H iyonları içeren asit çözeltisinde çinkonun korozyonu Çinko iyi bir iletken olduğundan bu elektronlar H+ iyonlarının redükleneceği komşu bir bölgeye taşınırlar. asit çözeltisi

Elektrokimyasal ögeler Başka bir oksidasyon veya redüksiyon reaksiyonu olmaz ise, toplam elektrokimyasal reaksiyon, yukarıdaki 2 yarım reaksiyonun toplamından ibarettir: Zn  Zn2+ + 2e— 2H+ + 2e—  H2 (gaz) Zn + 2H+  Zn2+ + H2 (gaz)

Elektrokimyasal ögeler Çözeltide bulunan herhangi bir metalin iyonları da redüklenebilir; birden fazla valens durumunda bulunabilen redüksiyon, metal iyonunun elektron kabul ederek valens sayısının düştüğü reaksiyondur. Mn+ + e—  M(n-1)+ Mn+ + ne—  M Redüksiyonun gerçekleştiği bölgeye katod denir.

Elektrokimyasal ögeler Bir elektrokimyasal reaksiyon en az 1 oksidasyon ve bir redüksiyon reaksiyonundan oluşmalı ve onların toplamından meydana gelmelidir; oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarına yarım reaksiyonlar da denir. Elektron ve iyonlardan bir elektrik yükü birikmesi olamaz. Dolayısı ile oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının hızları birbirine eşit olmalıdır veya oksidasyon reaksiyonunda açığa çıkan elektronların tamamı redüksiyon reaksiyonu tarafından tüketilmelidir.

Korozyon potansiyeli hesabı Redüksiyon reaksiyonu oksidasyon reaksiyonundan daha yüksek potansiyele sahip olmalıdır. Aksi takdirde katodik bir hücre oluşmaz. -0.440 V -0.763 V Korozyonun relatif ölçüsü

Elektrokimyasal ögeler Çözünmüş oksijen içeren su içinde demirin paslanması: Bu proses 2 adımda gerçekleşir: ilk adımda Fe, Fe+2 iyonuna oksitlenir ((Fe(OH)2 şeklinde) 2. Aşamada ise Fe+3 iyonuna oksitlenmeye devam eder ((Fe(OH)3 şeklinde) Fe(OH)3 çok yakından tanıdığımız pastır. Oksidasyon reaksiyonu sonucunda metal iyonları ya korozif çözeltiye geçerler ya da metalik olmayan elementlerle çözünmez bileşikler oluştururlar.

Demir saf (gazı alınmış) suda neden paslanmaz? Eo (V) anodik reaksiyon: Fe(s)  Fe2+(aq) + 2e- katodik reaksiyon: 2H2O(l) + 2e-  H2 (g) + 2OH-(aq) toplam reaksiyon: Fe(s) + 2H2O(l)  Fe2+(aq) + H2(g) + 2OH-(aq) -0.44 -0.83 Eocell (V) -0.39 Saf suda hangi metaller paslanır? Yeterince aktif olan her metal: Eored < -0.83 V (alkali metaller, alkali toprak metaller, Al, Mn)

Çinkonun asitte korozyonu Korozyonun gerçekleşmesi için 2 reaksiyon gerekir:: oksidasyon reaksiyonu: Redüksiyon reaksiyonu: çinko Oksidasyon Zn 2+ 2e - Asit çözeltisi redüksiyon H + 2 (gaz) metalde elektron akışı Diğer redüksiyon reaksiyonları: Asit çözeltisinde Nötr veya bazik çözeltide

Elektrot potansiyelleri Her Metal oksitlenerek iyonik duruma kolayca geçemez. Bir elektrokimyasal hücre düşünelim: Sol tarafta Fe+2 iyonları içeren 1M konsantrasyonunda çözeltiye daldırılmış saf Fe, Sağ tarafta ise Cu+2 iyonları içeren 1M konsantrasyonda çözeltiye daldırılmış saf Cu: Hücre 2 tarafının birbirinden bir membran ile tamamen ayrıldığını, çözeltilerin karışmasının önlendiğini düşünelim:

Elektrot potansiyelleri Demir ve bakır parçalar elektriksel olarak birbirlerine bağlandığında Cu redüklenirken, Fe oksidasyona uğrayacaktır. Cu2+ + Fe  Cu + Fe2+ Cu+2 iyonları elektrolitik olarak Cu elektrot yüzeyinde Cu metali şeklinde kaplanırken hücrenin diğer yarında demir oksitlenir (korozyona uğrar) ve Fe+2 iyonları şeklinde çözeltiye geçer: Fe  Fe2+ + 2e— Cu2+ + 2e—  Cu

Elektrod potansiyelleri İki yarım hücre arasında bir elektrik potansiyeli veya voltajı olacaktır. Bu voltajın büyüklüğü dış devreye bağlanan bir voltmetrede ölçülebilir. 25 C sıcaklıkta Cu-Fe galvanik hücresinde 0.780V’ luk potansiyel oluşur. Fe + Cu+2  Fe+2 + Cu

Elektrot potansiyelleri Bu kez kendi iyonlarını (Fe+2 ve Zn+2) içeren 1 M çözeltiye daldırılmış Fe ve Zn elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal hücre düşünelim: Fe elektrolitik olarak elektroda kaplanırken, Zn korozyona uğrar.

Elektrod potansiyelleri Bu durumda Zn anot olarak davranır ve korozyona uğrar. Fe ise bu çiftte katot rolündedir. Elektrokimyasal reaksiyon ise, Fe+2 + Zn  Fe + Zn+2 Bu hücre reaksiyonuna ait potansiyel 0.323 V tur.

Elektrod potansiyelleri Farklı elektrot çiftlerinin farklı potansiyel değerleri vardır. Bu potansiyelin büyüklüğü elektrokimyasal oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarının oluşması için itici gücü temsil eder. Kendi iyonlarının çözeltilerine daldırılmış diğer metallerle temas ettiklerinde metallerin oksidasyon-korozyon tecrübe etme olasılığı bu potansiyel değerleri üzerinden sıralanabilir, değerlendirilebilir. Kendi iyonlarının 1 M çözeltisine daldırılmış saf metal elektrotlardan oluşan yarım hücreler standart yarım hücre olarak anılırlar.

standart EMF serisi Yarım hücre elektrot potansiyellerini kendisi ile karşılaştırarak değerlendirmek için bir standart hücreye ihtiyaç vardır: Bu referans hücre hidrojen elektrodu seçilmiştir. 25C’de 1 atmosfer basınç altında içinden hidrojen gazı geçirilerek Hidrojen gazına doyurulmuş H+ iyonları içeren 1 M çözeltiye daldırılmış asal bir platin elektrottan oluşmaktadır.

standart EMF serisi Platin elektrot elektrokimyasal reaksiyonda yer almaz ve sadece hidrojen atomlarının oksitlendiği ve hidrojen iyonlarının redüklendiği bir yüzey görevi görür. Elektromotif kuvvet (emf) serisi değişik metallere ait yarım hücrelerin standart hidrojen elektroduna bağlanarak ölçülen potansiyele göre sıralanması ile elde edilmiştir.

standart EMF serisi standard hidrojen referans yarım hücresi 25 C’de 1 atm basınçta içinden H2 gazı geçirilerek hidrojen gazına doyurulmuş 1 M H+ iyonları çözeltisi Pt elektrokimyasal reaksiyona katılmaz; H atomlarının H+ iyonlarına oksitlenmesi ve H+ iyonlarının redüklenmesine aracılık eder H2 gazı; 1 atm basınç

standart EMF serisi Emf serisi değişik metallerin korozyona uğrama eğilimlerini temsil eder. Üstte yer alan altın ve platin gibi metaller asil ve kimyasal olarak asaldır. Sıralamada aşağı doğru inildikçe metaller daha aktif olur; oksidasyona hassasiyet giderek artar. Na ve K en yüksek reaktifliğe sahiptir. Elektronlar kimyasal eşitliğin sol tarafında yer alırlar. Oksidasyon için reaksiyon yönü tersine çevrilir ve potansiyelin işareti değişir.

Standart hidrojen (EMF) testi Metal parça çözünüyor! Metal: anot (-) Platinum metal, M M n+ iyonları ne - H2(gaz) 25°C 1M M sol’n 1M H + 2e e H Metal parça kaplanıyor! Metal: katot (+) M n+ iyonları ne - e 25°C 1M M sol’n 1M H + Platinum metal, M H 2e (Pt’e göre) (Pt’e göre) Standart Elektrot potansiyeli

Standart EMF serisi - daha katodik daha anodik Elementlerin sulu ortamda çözünme eğilimleri emf serisi yardımıyla tahmin edilebilir: Me  Me+ + e— V o metal metal Au Cu Pb Sn Ni Co Cd Fe Cr Zn Al Mg Na K +1.420 V +0.340 - 0.126 - 0.136 - 0.250 - 0.277 - 0.403 - 0.440 - 0.744 - 0.763 - 1.662 - 2.363 - 2.714 - 2.924 daha küçük V o değerine sahip metal korozyona uğrar. örnek: Cd-Ni hücresi daha katodik - 1.0 M Ni 2+ solution Cd 2 + 25°C DV = 0.153V o daha anodik

standart EMF serisi Giderek daha asal (katodik) Korozyona uğrama riski azalıyor! Giderek daha aktif (anodik) Korozyona uğrama riski artıyor!

elektrokimyasal hücre potansiyeli M1 metalinin oksidasyonu ve M2 metalinin redüksiyonunu gösteren reaksiyonlar, V0’lar standart emf serisinden alınan standart potansiyel değerleridir. M1 oksitlendiği için V01 değeri standart EMF serisi çizelgesinde verilenin işareti değiştirilerek (tersi) alınır.

elektrokimyasal hücre potansiyeli Yukarıdaki reaksiyonların toplamı toplam hücre potansiyeli, V0 V 0 = V 02 – V 01 V 0 > 0: reaksiyon yazıldığı yönde! V 0 < 0: reaksiyon ters yönde! Standart yarım hücreler bağlandığında, EMF serisinde aşağılarda yer alan metal oksitlenirken (korozyona uğrarken) yukarda yer alan redüklenir.

Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi Emf serisi kendi iyonlarının 1 M çözeltisi içindeki saf metallere ait ideal elektrokimyasal hücreler için geçerlidir. Sıcaklığı ve çözelti konsantrasyonunu değiştirmek veya saf metaller yerine alaşım elektrodları kullanmak hücre potansiyelini değiştirecektir. Bazı durumlarda kendiliğinden gerçekleşme yönü tersine dönecektir. M1 + M2n+  M1+n + M2

Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi M1 + M2n+  M1+n + M2 M1 ve M2 elektrodları saf metal ise, hücre potansiyeli mutlak sıcaklığa (T) ve molar iyon konsantrasyonlarına [M1n+] ve [M2n+], bağlı olacaktır. Nernst Eşitliği: T: sıcaklık, R: gaz sabiti, n: reaksiyonda yer alan e— sayısı , F: Faraday sabiti: 96,500 C/mol (6.023x 1023 mol elektron başına elektrik yükü)

Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi Oda sıcaklığında (T=25 C) Reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmesi için V pozitif olmalıdır. 1 M iyon konsantrasyonlarında ([M1,n+] = [M2,n+]=1)

Çözelti konsantrasyonunun etkisi 1 M standart çözeltilerde Cd-Ni hücresi standart-dışı çözeltilerle Cd-Ni hücresi n = #e- Birim oxid/red reaksiyonu (burada = 2 ) F = Faraday sabiti 96,500 C/mol. X’i arttırarak Y’i azaltarak - + Ni Y M 2+ çözeltisi X Cd 2 T - Ni 1.0 M 2+ çözeltisi Cd 2 + 25°C VNi-VCd farkını düşür!

problem Ni2+ + 2e—  Ni Ni2+ + Cd  Ni + Cd2+ kendi iyonlarını (Ni+2 ve Cd+2) içeren 1 M çözeltiye daldırılmış saf Ni ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal hücre düşünelim: Hücre standart ise, kendiliğinden gerçekleşecek reaksiyonu Yazın ve bu reaksiyonun potansiye değerini hesaplayın: Cd  Cd2+ + 2e— Ni2+ + 2e—  Ni Ni2+ + Cd  Ni + Cd2+ Cd için yarım hücre potansiyeli: -0.403 V Ni için yarım hücre potansiyeli: -0.250 V V=VoNi — VoCd= — 0.250 V — (— 0.403 V) = + 0.153 V

problem kendi iyonlarını (Ni+2 ve Cd+2) içeren 1 M çözeltiye daldırılmış saf Ni ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal hücrede; 25 C’de Cd2+ ve Ni2+ konsantrasyonları sırası ile 0.5 ve 10-3 M için, hücre potansiyelini hesaplayın. Reaksiyonun yönü standart hücrede olduğu gibi mi? Yarım hücre çözelti konsantrasyonları 1 M olmadığından Nersnt eşitliğini kullanmalıyız. Bu şartlarda reaksiyonun nasıl gerçekleşeceğini bilmediğimiz için bir tahminde bulunarak Cd ve Ni’den birini oksitlenen, diğerini redüklenen kabul etmeliyiz!

problem Cd2+ + Ni  Cd + Ni2+ Ni2+ + Cd  Ni + Cd2+ Aşağıdaki reaksiyonu seçelim: Cd2+ + Ni  Cd + Ni2+ V = (VoCd — VoNi) — ln V = (— 0.403 V — (— 0.250 V)) — log V = — 0.073 V V negatif olduğuna göre yukarıdaki reaksiyon yazıldığı gibi değil ters yönde ilerleyecektir: Ni2+ + Cd  Ni + Cd2+ RT [Ni2+] nF [Cd2+] 0.0592 [10-3] 2 [0.50] Cd oksitlenir Ni redüklenir

Galvanik seri Standart EMF serisi ideal koşullarda elde edilmiş ve metallerin göreceli reaktifliklerini gösterir; Faydası sınırlıdır! Daha gerçekçi ve pratik fayda sunan bir sıralama Galvanik seridir. Bu sıralama bir çok metalin ve ticari alaşımın deniz suyundaki göreceli reaktifliklerini temsil eder. Üst sıradaki metaller katodik (reaktif değil) iken, alt sıradakiler anodiktir (reaktif).

Galvanik seri Platin altın Grafit Titanyum gümüş 316 paslanmaz çelik Nikel (pasif) bakır Nikel (aktif) kalay kurşun Dökme demir Demir-çelik Alüminyum alaşımları kadmiyum çinko Magnezyum Daha anodik (aktif) Daha katodik (asal) metal ve alaşımların deniz suyundaki reaktifliklerinin sıralanması!

Galvanik seri metal ve alaşımlar çeşitli ortamlarda değişik seviyelerde oksitlenir, korozyona uğrarlar. Yani, İyonik durumda metalik durumda olduğundan daha kararlıdırlar. metalik halden oksitlendiklerinde net bir serbest enerji azalması gerçekleşir (termodinamik kararlılık). Bu nedenle bütün metaller doğada bileşikler (oksitler, hidroksitler, karbonatlar, silikatlar, sülfit ve sülfatlar) halinde bulunur. yegane istisnalar: iki asil metal; altın ve platindir. Altın ve platinin oksitlenmesi çok güçtür ve bu nedenle doğada metalik halde bulunurlar.

haftaya korozyona devam…