MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Kırılma türleri Çok sünek orta derecede sünek gevrek

yüksek orta

Kesit

daralması/

%uzama: düşük

Sünek kırılma

tercih edilen

kırılma türüdür!

sünek: kırılma

gerçekleşmeden

önce uyarı verir.

Sünek kırılma türleri

Intragranular(Transgranular)

IntergranularTane içlerinden- taneler arasından boyun verme kayma ile

Transgranüler intergranüler ile kopma kopma

● tek kristalli sünek malzemelerin

kayma kırılması

● Çok kristalli malzemelerde

görülmez!

Kayma düzlemi

kayma kırılması

Çok kristalli malzemelerin tamamen

sünek kırılması: rupture

Saf altın gibi çok yumuşak metaller,

oda sıcaklığında kurşun ve yüksek

sıcaklıklarda diğer metaller,

polimerler, inorganik camlar sünek

kırılma gösterirler.

Bu çok sünek malzemeler kırılma

hattında kesitleri tek bir noktaya

azalıncaya kadar neredeyse %100 kesit

daralması göstererek kırılırlar.

Kopma-rupture

Sünek kırılma (ductile fracture)

● Sünek kırılma, gözle görülür plastik deformas-

yondan sonra, kırılmanın kaçınılmaz olduğunu

haber vererek ve önlem alınmasına fırsat

tanıyarak gerçekleşir.

● Sünek kırılmanın gerçekleşmesi için enerji

gerekir. Malzeme ne kadar sünek ise gerekli

enerji o kadar fazladır.

● Gerilmeler altında metallerin çoğu sünektir.

Seramikler ise gevrektir. Polimerler ise değişik

davranışlar sergilerler.

● Tipik olarak metallerde (çok soğuk

olmadıkça) rastladığımız kırılma türüdür.

● Çatlağın büyümesi ile gerçekleşir.

● Çatlağın ucunda plastik deformasyon

görülür.

● Çatlak kararlıdır.

● Uygulanan gerilme arttırılmadıkça

kendiliğinden büyümeye meğilli değildir.

● Kırılma öncesinde ciddi miktarda enerji

tüketir.

Sünek kırılma

● Çok kristalli malzemelerde

tipik kırılma

● Boyun verme sonrasında üç

eksenli gerilme durumu

oluşur.

● Çatlaklar kırılgan

partiküllerde başlar. Partikül-

matris ara yüzeyinde

boşluklar oluşur.

«cup-cone» kırılması

Sünek kırılma ● önce ciddi miktarda plastik deformasyon

olur.

● Boşlukların oluşması ve birleşmesi ile

(mesela kalıntılar etrafında) gerçekleşir.

● Kırılma yavaş ve genellikle tane içlerinden

ilerler.

● Kalıntılar tane sınırlarında ise, çatlak tane

sınırlarını takip eder.

● Bu durumda kırılma yüzeyi ipliksi veya

sünek taneler arası kırılma karakterini alır.

Sünek kırılma

● Eğer kalıntılar yoksa, boşluklar aşırı

deformasyona uğrayan bölgelerde oluşur

ve bölgesel kayma bantlarına yol açar.

● En sonunda boyun verme veya kayma

kırılması şeklinde kırılmaya neden olur.

● Plastik deformasyon kapasitesi çatlak

büyümesini geciktirir ve aşırı yüklemelere

ve tasarım hatalarına karşı bir güven payı

yaratır.

Yapıda dağılmış

Boşlukların

başladığı

partiküller

Gerilmenin artması

ile partiküllerin

çevresinde

boşlukların oluşması

Oluşan

boşlukların

birleşmesi ile

çatlakların

oluşması

Sünek kırılma mekanizması

Sünek kırılma

Kırılma yüzeyleri-mikro

● Az deformasyon veya deformasyonsuz

● Çatlak ilerlemesi süratli

● Uygulanan gerilmeye dik yönde

● Çatlak klivaj mekanizması (belirli

düzlemlerde atomlar arası bağların

kopması) ile

● tane içinden (klivaj) veya tane

sınırlarında ilerleyebilir.

● Tek ve çok kristalli malzemelerde

● HMK ve HCP metallerde; YMK

metallerde nadir!

● Seramiklerde tipik!

Gevrek kırılma

Makroskopik

Düz kırılma profili

Yok denecek kadar az

boyun verme

Gevrek kırılma

«kristalize» kırılma

yüzeyi

Gevrek kırılma Çok az plastik deformasyon – kırık parçalar birleşir.

Kırılma istisnasız olarak bir hata veya gerilme

konsantrasyon noktasından başlar.

Çatlak dengesizdir. Uygulanan gerilmede bir artış

olmadan da süratle büyümeye meğillidir.

Gevrek kırılma eğilimi:

düşen sıcaklık

artan deformasyon hızı

üç eksenli gerilme (çentik etkisi)

ile artar.

Gevrek kırılma ● Çatlak ilerlemesi hızlı (1/3 ses hızı; çelik için 1

km/s)

● Düşük enerji absorpsiyonu

● Kırılma gerilmesi akma mukavemetinden daha

düşük olur.

● Yorulma sonucunda oluşan mikro çatlaklar gevrek

kırılma ile sonuçlanabilir.

● Kaynaklanmış parçalarda ısıdan etkilenen bölgede

kalıntı çekme gerilmeleri oluşur. Bu bölgede

süneklik de düşüktür.

● Kaynak bölgesinde çekintiler de gevrek kırılmaya

yol açar.

● Çatlak büyümesi klivaj mekanizması ile-belirli

kristallografik düzlemlerde tane içlerinde atom

bağlarının kopması

● HCP kristal yapılı ve

HMK metallerde, çok

düşük sıcaklıklarda ve

yüksek deformasyon hızlarında görülür.

● YMK metallerde ise sadece düşük sıcaklıklarda klivaj

mümkündür.

Gevrek kırılma

[010]

[001]

[100]

Gevrek kırılma

Klivaj quasi-klivaj

Gevrek kırılma ● Gevrek kırılma yaşanan malzemeler

Düşük sıcaklıklarda yumuşak çelik

Yüksek mukavemet çelikleri, Cam / seramikler / beton

Gevrek kırılma Gevrek kırılma

Tane içinden kırılma

Yorulma çatlakları tane

içlerinden ilerler. Kırılma

yüzeyi tane içlerindeki

klivaj düzlemlerini temsil

eden bir tekstürdedir.

Tane arasından kırılma

Yorulma çatlağı tane

sınırlarını takip eder.

Tane sınırları empürite

segregasyonu ile

gevrekleşmiştir.

tane tane

içinden sınırından

Gevrek kırılma-tane içinden Çatlaklar klivaj dediğimiz gevrek bir mekanizma ile

de büyürler.

Gevrek kırılma

yüzeyi-çelik

Tane sınırlarından kırılma

Sünek metaller genellikle inklüzyon ve ikinci faz

partiküllerinde oluşan boşlukların birleşmesi

sonucunda kopar-kırılırlar.

Gevrek metaller tipik olarak tane içlerinden geçen

çatlama ile kırılırlar.

Özel durumlarda çatlaklar tane sınırlarında da

oluşabilir ve tane sınırlarını takip ederek tane

sınırlarından kopma ile sonuçlanabilir.

Tane sınırlarından kırılma

Tane sınırlarında çatlamaya neden olabilecek

durumlar:

Tane sınırlarında gevrek bir fazın çökelmesi

Hidrojen ve sıvı metal gevrekliği

Atmosfer destekli çatlama

Tane sınırı korozyonu

Tane sınırı kavitasyonu ve yüksek sıcaklıklarda

çatlama

Çeliklerde tane sınırlarında hatalı temper işlemine bağlı olarak

gevrek fazlar tane sınırlarında çökelebilir. Temperlenmiş

martensit gevrekliği (350°C) P ve S gibi empüritelerin önceki

ostenit tane sınırlarına segrege olmasından kaynaklanır.

Hidrojen atomları metal

atomları ile birleşerek tane

sınırlarındaki kohezif bağı

zayıflatır. H2 veya H2S gazı

buna neden olabilir. Bu,

çeliklerin kaynak

işlemlerinde önemlidir.

Çelik amonya tankında

tane sınırılarından

kırılma

Tane sınırlarından kırılma

gevrek sünek

Metalurjik unsur Tane sınırlarında

partiküller olan

iri taneli

malzemeler

Tane sınırlarında

partikül bulunmayan

ince taneli

malzemeler

sıcaklık Düşük sıcaklık Yüksek sıcaklık

Gerilme durumu Çentik var-üç

eksenli gerilme

Çentik yok!

Deformasyon hızı yüksek düşük

Yükleme durumu Hidrostatik basınç

(çatlağı geciktirir)

Kırılma şeklini etkileyen faktörler

Kırılma karakteri Kullanılan tanımlar

Kristallografik mod kayma klivaj

Kırılma yüzeyinin

görünüşü

ipliksi Granüler-

parlak

Kırılmaya kadar

şekil değişimi

sünek gevrek

Kırılma hattı Tane içlerinden Tane arasından

Sıcaklık

deformasyon hızı

gerilme durumu

Kırılmayı etkileyen faktörler

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Kırılma mekaniği prensipleri

Yüzey ve merkez çatlakları

uçlarında gerilme dağılımı:

gerilme konsantrasyonu

Bölgesel gerilmenin şiddeti

çatlak ucundan uzaklaşıldıkça

zayıflar

Hatalar gerilme konsantrasyon noktaları! Çatlak, uygulanan gerilmeye

dik yönde konumlanmış, tüm

kesiti geçen bir eliptik yarık;

çatlağın ucundaki maksimum

gerilme (m):

t = yarık-çatlak ucu radyüsü

o = uygulanan gerilme

m = çatlak ucundaki gerilme

a = çatlak boyu

2/1

2

t

om

a

t

problem uzunluğu 2.5x10-2 mm ve uç yarı çapı 2.5x10-4 mm

olan bir merkez çatlağın bulunduğu bir parçaya 170

MPa çekme gerilmesi uygulanmıştır. Çatlak ucundaki

maksimum gerilme ne kadar olacaktır?

o = 170 MPa

2a = 2.5 x 10-2 mm = 2.5 x 10-5m

t = 2.5 x 10-4 mm = 2.5 x 10-7m

m = 2 (170x106 N/m2)

m = 2404 MPa >> 170 MPa

1.25x10-5m

2.5x10-7m

Gerilme konsantrasyonu Maksimum gerilmenin uygulanan nominal gerilmeye

oranına gerilme konsantrasyon faktörü, Kt, denir:

● Kt parçaya uygulanan bir dış gerilmenin çatlak

ucunda ne kadar arttığının bir ölçüsüdür.

● Gerilme artışına neden olan yapısal hatalar

gevrek malzemelerde süneklerde olduğundan

çok daha kritiktir.

1/ 22( )mt

aK

o

Kırılma tokluğu

Kc:

Kırılma tokluğunun bir ölçüsü olan Kc değeri,

çatlaklı parçanın boyut ve şeklinden

bağımsız bir malzeme sabitidir.

malzeme belirli bir gerilme-şekil değişimi

değerinde bölgesel olarak kırılırken

(çatlarken) çatlak kritik bir K (Kc) değerinde

ilerler.

Kırılma tokluğu Kırılma mekaniği prensiplerinden yararlanılarak çatlak

ilerlemesi için kritik gerilme (c) ile çatlak boyu (a)

arasındaki ilişki:

● Kc, kırılma tokluğu, bir malzemenin bünyesinde bir

çatlak bulunduğunda, gevrek kırılmaya gösterdiği

direncin bir ölçüdür.

● Kırılma tokluğunun, Kc, birimi MPam dir.

● Y çatlak ve numune boyutları ve geometrisine, yük

uygulama şekline bağlı birimsiz bir parametredir.

● Numune eninden çok daha kısa çatlaklar içeren

düzlemsel numuneler için Y değeri yaklaşık “1” dir.

Kırılma tokluğu

Yarı-sonsuz genişlikte

bir tabaka levhada

merkez ve kenar

çatlağı

Çatlak yüzey

deplasmanı türleri:

(a) Mod I,

açılma veya çekme

(b) mod II,

düzlem içinde kayma

(c) Mod III, düzlem

dışında kayma-yırtılma.

Plane Stress vs. Plane Strain Kır

ılm

a t

oklu

ğu

kalınlık

Plane strain Plane stress

● İnce numuneler için Kc değeri numune kalınlığına bağlıdır.

● Numune kalınlığı çatlak ölçülerinden çok daha büyük ise,

Kc kalınlıktan bağımsız hale gelir.

Kalın numuneler için Kc değeri «plane strain»

kırılma tokluğu, Kıc, olarak anılır:

«I»: mod I’in geçerli olduğuna atıfta bulunur.

● İlerleyen çatlağın önünde kayda değer bir plastik

deformasyon yaşanmayan gevrek malzemeler

düşük Kıc değerlerine sahiptir ve şiddetli kırılır.

● Sünek malzemeler için Kıc değerleri bir hayli

yüksektir.

«Plane strain» kırılma tokluğu

problem Bir uçak parçası «Plane strain» kırılma tokluğu 35

MPam olan alüminyum alaşımından imal edilmiştir.

Kırılmanın en büyük iç çatlak 2mm uzunluğunda iken

250 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği belirlen-

miştir. Bu parça için iç çatlak boyu 1mm iken 325

MPa gerilmede kırılma yaşanacak mıdır?

= 250 MPa

a = 1.0 mm Kıc = Y a

Kıc= 35 MPam = Y x 250x106 3.14x1x10-3 Y=2.5

Kıc= 2.5 x 325x106 3.14x0.5x10-3 =32.2 <35 MPam

kırılma yok!

problem Bir uçak kanat parçası «Plane strain» kırılma tokluğu

40 MPam olan alüminyum alaşımından imal edilmiş-

tir. Kırılmanın en büyük iç çatlak 2.5 mm uzunluğun-

da iken 365 MPa gerilme seviyesinde gerçekleştiği

belirlenmiştir. Bu parça için iç çatlak boyu 4mm iken

kırılma hangi gerilmede gerçekleşecektir?

= 365 MPa

a = 2.5 mm Kıc = Y a

Kıc= 40 MPam =Y x 365x106 3.14x1.25x10-3 Y=1.75

= = = 288.5 MPa

Kıc Y a

40 x 106

1.75 3.14 x 2x10-3

Kıc değerini etkileyen faktörler:

sıcaklık

Şekil değişimi hızı

Mikroyapı

● artan şekil değişimi hızı ve düşen sıcaklıkla Kıc

düşer.

● katı eriyik sertleşmesi, dispersoid sertleşmesi veya

deformasyon sertleşmesine bağlı akma dayanımı

artışı ile Kıc düşer.

● tane boyutu küçüldüğünde Kıc genel olarak artış

gösterir.

«Plane strain» kırılma tokluğu

problem

Akma mukavemeti 495 MPa, Kıc değeri 24 MPam olan

7075-T651 alüminyum alaşımı akma mukavemetinin

yarısına denk gelen bir gerilmeye maruz kalmaktadır.

Bu şartlarda müsaade edilebilecek en büyük iç çatlak

boyu nedir? (Y için 1.35 alın!)

= 495 MPa

Kıc = 24 MPam a= 1/ 2

a=(1/3.14) ((24x106)/1.35x247.5x106))2 = 1.65mm

Kıc = Y a Kıc

Y

Charpy ve Izod

Darbe testlerinde

kullanılan numuneler.

darbe tes cihazı.

Çekiç «h» yüksekliğinden

bırakılır ve numuneye

çarpar; kırılma sırasında

harcanan enerji ilk

yükseklik ile kırılmadan

sonra çekiçin çıktığı diğer

yükseklik arasındaki

farktan değerlendirilir.

Kırılma tokluğu testleri

Sünek-gevrek geçişi Yüksek sıcaklıklarda CVN enerji değeri yüksektir ve

sünek bir kırılmaya işaret etmektedir.

Sıcaklık düşerken

darbe enerjisi birden

ve dar bir sıcaklık

aralığında düşer. Bu

aralığın altındaki

sıcaklıklarda darbe

enerjisi sabit ve düşük

bir değerdedir ve

gevrek bir kırılma

olayına işaret etmektedir.

Sünek-gevrek geçişi

kırılma yüzeyi kırılma geçiş sıcaklık ölçümlerinde kullanılabilir.

Sünek kırılmalarda kırılma yüzeyi mat görünümlü ve ipliksi

karakterdedir. (79C’de olduğu gibi)

Oysa tamamen gevrek kırılma yüzeyleri granüllü, parlak bir

görünümdedir. (-59C’de olduğu gibi).

Sünek-gevrek geçişinde kırılma yüzeylerinde bu 2 karakter

farklı oranlarda bulunur. (12C, 4C, 16C, ve 24C örnekleri).

Kayma kırılması oranının sıcaklığa bağlı değişimi grafik hale

getirilir.

-59 -12 4 16 24 79 T (C)

3 temel

sünek-gevrek

geçiş

davranışına

ait şematik

darbe

enerjisi-

sıcaklık

eğrileri

Sünek-gevrek geçisi

Daha sünek gevrek

Sünek-gevrek geçiş sıcaklığı

y > E/150)

Yüksek mukavemetli malzemeler

düşük mukavemetli (YMK-HCP metaller

Düşük mukavemetli çelikler (HMK)

● Bazı alüminyum ve bakır alaşımları gibi düşük mukavemetli

YMK ve bir çok HCP metallerde sünek-gevrek geçişi

görülmez. Bu metaller yüksek darbe enerji değerlerini

azalan sıcaklılarda korurlar; yani düşük sıcaklılarda da

tokturlar.

● Yüksek mukavemetli çelikler, titanyum alaşımları gibi

yüksek mukavemetli malzemelerde de darbe enerjisinin

değişimi sıcaklığa hassas değildir.

● Ancak bu malzemeler, düşük darbe enerjisi değerlerinden

anlaşılabileceği gibi gevrektirler.

● Düşük mukavemetli çelikler gibi HMK kafes yapısına sahip

metallerde ise sünek gevrek geçişi gözlenir. Bu metaller

yüksek sıcaklıklarda sünek-tok iken düşük sıcaklıkta gevrek

davranış gösterirler

Sünek-gevrek geçisi

tanımlar

Ortalama gerilme; m = (max+min)/2

Gerilme aralığı; r = max-min

Gerilme genliği; a = r/2 = (max-min)/2

Gerilme oranı; R= min/max

problem Ortalama gerilmenin 50 MPa ve gerilme genliğinin

225 MPa olduğu bir yorulma testinde,

a) Maks ve min gerilmeleri

b) Gerilme oranını,

c) Gerilme aralığını hesaplayın.

= 50 MPa

= 225 MPa

max =275MPa ; min =-175MPa ; R=-0.64 r=450 MPa

max + min

2 max - min

2

max + min = 100 MPa

max - min = 450 MPa

Sünek malzemelerde bile yorulma ile gerçekleşen

kırılmalar gevrek kırılmadır.

Yorulma testlerinin yapılma nedenleri:

Belli sayıda tekrarlanmak üzere uygulanabilecek

gerilmeleri belirlemek

Belirli bir gerilme seviyesinde ömür belirlemek

Demir esaslı metal ve alaşımları için tekrarlı

Gerilmeler altında mukavemetler “Endurance Limit”

veya “Fatique Limit” şeklinde anılır.

Bir çok diğer malzeme için yorulma sınırı yoktur. Bu

gibi malzemelerde tekrarlı yüklemeler altında

mukavemete yorulma mukavemeti denir.

Yorulma

Yorulma süreci 3 aşamaya ayrılır.

Çatlak oluşması:

yüzeydeki çizik, oyuk, keskin köşe gibi noktalarda

küçük bir çatlak oluşur. çatlak parça içinde gerilme

konsantrasyonu yaratan dislokasyon kümesi, tane

sınırı, kalıntı gibi yapısal hatalarda da oluşabilir.

Çatlak büyümesi:

Yükleme tekrarlandıkça bu çatlak giderek büyür.

Kırılma:

Çatlak, geriye kalan kesit alanı uygulanan yükü

taşıyamayacak kadar büyüdüğünde ani bir kırılma

yaşanır.

yorulma

Yüzeyde gerilme konsantrasyonuna

yol açan mikroçatlak, çizik, vuruk,

çukur, sivri köşe, dislokasyon kayma

adımlarında çatlak başlar!

Aşama I: kristallografik büyüme-

izdüşüm kayma gerilmesinin kritik

değeri aştığı kristal düzlemlerinde

yavaş büyüme; bu çatlak büyümesi

sadece birkaç tane boyunca

gerçekleşir ve çatlak yüzeyi düzdür.

Aşama II: gerilmeye dik yönde daha

hızlı büyüme: çatlak ucu körleşip,

keskinleşerek ilerler; çatlak yüzeyi

pürüzlüdür.

Çatlak sonunda kritik uzunluğa büyür

ve çok hızlı ilerler.

Yorulma aşamaları

Kalan kesitin

gerilmeyi

taşıyamaması:

kopma

Hız: 0.1nm/çevrim m/çevrim

Aşama II

Aşama I

● Yorulma kırılmalarını ayırt etmek güç değildir.

● Çatlağın başladığı yerde kırılma yüzeyi genellikle

düzdür. (Beach mark-crack initiation point).

● Çatlak büyüdükçe kırılma yüzeyi de daha engebeli

hale gelir.

● Striations (konsentrik çizgi izleri): mikroskopta

görülebilir her bir yükleme çevriminden sonra

çatlağın pozisyonunu gösteren çatlak ilerleme-

durma hatlarıdır.

● Kırılma yüzeyinin granüler kısmı: katastrofik

kırılmaya doğru hızlı çatlak ilerleme bölgesi

Yorulma kırılma yüzeyleri

Yorulma kırılması

Yorulma çatlak çizgilerinin tipik replika ve SEM

görüntüleri

● Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme

genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır.

● Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya

kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik

değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline

getirilir.

● S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır.

Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin

kullanıldığı da olur.

S-N eğrisi

● Bu pratik diğer numunelerle maksimum gerilme

genlikleri kademeli olarak düşürülerek tekrarlanır.

● Deney sonuçları her bir numune için kırılmaya

kadar gerçekleşen çevrim sayısının logaritmik

değerine bağlı olarak gerilme şeklinde grafik haline

getirilir.

● S değerleri genellikle gerilme genliği olarak alınır.

Kimi zaman maksimum veya minimum değerlerin

kullanıldığı da olur.

S-N eğrisi

nl

● Sl gerilme genliğinde nl

çevrimden sonra kırıldı! Sl

nk

●

Sk gerilme genliğinde nk

çevrimden sonra kırıldı! Sk

ni

●

Si gerilme genliğinde ni

çevrimden sonra kırıldı!

Si

S

Log n

S-N eğrisi-wohler eğrisi

yorulma sınırı, fat

< fat ise yorulma kırılması yok!

Yorulma sınırı

fat

N = kırılmaya kadar çevrim sayısı

10 3

10 5

10 7

10 9

riskli

güvenli

HMK çelikler ve Ti

alaşımlarında gerilme

genliği belirli bir değere

düştüğünde S-N eğrisi

yatay hale geçer.

Yorulma sınırı, çevrim

sayısı ne kadar çok

olursa olsun

malzemenin asla

kırılmayacağı

maksimum gerilme

genliğidir.

● Bir çok demir dışı metalde (Al, Cu ve Mg alaşımları)

yorulma sınırı yoktur; çevrim sayısı arttıkça eğri

sürekli aşağı doğru iner. Yorulma kırılması en

sonunda mutlaka yaşanacaktır.

● Bu durum bu metallerde arayer atomlarının

bulunmaması ile ilgilidir.

● Bu tip malzemeler için yorulma mukavemeti

kavramı kullanılır.

● Yorulma mukavemeti: belirli sayıda çevrimden

sonra (107 çevrim) kırılmanın gerçekleştiği gerilme

olarak anılır.

yorulma mukavemeti

Yorulma mukavemeti bazı malzemeler için yorulma

sınırı yoktur!

N = kırılmaya kadar çevrim sayısı 10

3 10

5 10

7 10

9

riskli

güvenli

=

gerilm

e g

enliğ

i

Al, Cu ve Mg gibi demir

dışı ve YMK yapılı

çelikler gibi yorulma

sınırı göstermeyen

malzemeler için belirli

bir çevrim sayısından

sonra (çoğunlukla 107

çevrim) kırılmaya yol

açan gerilme seviyesi

yorulma tasarım

parametresi olarak

kullanılır.

Yorulma testinde sonuçlar gerilme parametresi

çevrim sayısı şeklinde raporlanır (Wohler eğrileri)

çelik

Alüminyum Yorulma mukavemeti

Yorulma sınırı

kırılma(S)

çevrim sayısı (log N) 1 10 100 103 106

Yorulma tasarım parametreleri

Yorulma ömrü

● Bir malzemenin yorulma davranışı tarif eden

diğer bir parametre yorulma ömrü’dür.

● Yorulma ömrü, Nf, belirli bir gerilme seviyesinde

çevrimsel yükleme uygulanan numunenin

kırılmasına kadar geçen çevrim sayısıdır.

● Uzun ömürlü yorulmada yorulma ömrü büyük

ölçüde çatlak oluşmasında geçer.

● Bu nedenle yüzeyi sertleştirmek (mesela shot

peening ile) çatlak oluşmasını geciktirir ve

yorulma ömrünü uzatır.

problem 1045 çeliğinden silindirik

bir çubuk ekseni boyunca

tekrarlı çekme-basma

gerilmelerine maruz

kalmaktadır. Yük genliği

22000 N olduğuna göre

yorulma kırılmasının

olmaması için müsaade

edilebilecek en küçük

çubuk çapının ne

olacağını hesaplayın!

güvenlik faktörü olarak

«2» alın!

problem Güvenli Gerilme genliği =

310 MPa

22000 N =

310x106 N/m2 x kesit alanı

Kesit alanı=

d2/4= 7.1x10-5 m2 = 71 mm2

D = 9.5mm

Güvenlik faktörü 2 olacağına göre

Çubuk çapı en az 19 mm olmalıdır.

problem Kızıl pirinç alaşımından

8mm çapında silindirik

bir çubuk tersinir çekme-

basma yüklemeli

yorulmaya tabi

tutulmaktadır.

Maksimum çekme ve

basma yükleri 7500 N ve

-7500 N ise, yorulma

ömrünü hesaplayın.

problem Max çekme gerilmesi=

7500 N/3.14x(4x10-3)2

= 149.3 MPa

Max basma gerilmesi=

(çevrimin min gerilmesi)

-7500 N/3.14x(4x10-3)2

= -149.3 MPa

Gerilme genliği; a = r/2 = (max-min)/2 = 149 MPa

Yorulma ömrü: 105 çevrim!

Yorulma davranışını etkileyen

faktörler

● Gerilme parametreleri (ortalama gerilme,

gerilme aralığı, frekans...)

● Yüzey kalitesi ve özellikleri

● Kalıntı gerilmeler

● Tasarım ve gerilme konsantrasyonları

● çevresel koşullar (sıcaklık, korozyon)

gerilme parametrelerinin etkisi

Ortalama gerilme Gerilme oranı

Yorulma direnci

Gerilme konsan.

5

bölgesel

uygulan

Yorulma ömrünü etkileyen faktörler Yüzey parlatma (torna izleri vb kusurları yok eder!)

Yüzeyde basma gerilmeleri oluşturmak (uygulanan

çekme gerilmelerini düşürür). Yüzeydeki ince bir

tabaka kumlama vb bir işlemle basma gerilmeleri

altına alınabilir.

Yüzey sertleştirme: çeliklerde yüzeyde C veya N

zengin bir tabaka ile yüzey sertleşmekle kalmaz

ayni zamanda basma gerilmeleri oluşturulur.

Geometrik optimizasyon: iç köşeleri, çentik ve

çukurları yok etmek.

SÜRÜNME

● 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 olarak

deformasyona uğrar.

● Ortaya çıkan bu 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.

● Sabit bir yük altında malzemelerin zamana bağlı,

kalıcı deformasyona uğraması bir parçanın servis

ömrünü sonlandırabilir.

Fe, Ni Cu ve alaşımları ancak yüksek sıcaklıklarda

sürünmeye uğrarken, Zn, Sn, Pb ve alaşımları oda

sıcaklığında bile sürünme yaşarlar.

Sürünme nedir?

Sürünme

Sürünme olayına bütün malzeme türlerinde rastlanır ve

metallerde sadece 0.3-0.4 Tm (Tm: ergime noktası)

üstündeki sıcaklıklarda risk yaratır.

Çok yüksek sıcaklıklarda çalışan türbin kanatçıklarında sürünme çatlağı:

Çatlak yüzeyinde görülen boşluklara dikkat!

sürünme Sabit bir gerilme altında zamana bağlı malzeme

deformasyonu

birincil sürünme: eğim(sürünme hızı) zamanla azalır.

İkincil sürünme: steady-state/sabit eğim

Üçüncül sürünme: eğim (sürünme hızı) zamanla artar

,e

0 t

birincil

ikincil

üçüncül

kopma

Anlık deformasyon

Süre

Sürü

nm

e ş

ekil d

eğiş

imi

● 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.

Birincil sürünme

● değişmez-kararlı, sabit sürünme de denir.

● 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.

İkincil 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.

Üçüncül sürünme

● 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.

kopma

Anlık e

last

ik

defo

rmasy

on

Defo

rmasy

on

(şekil d

eğiş

imi)

süre

A

E

D

C

B

Birincil

sürünme

İkincil sürünme-

kararlı sürünme

Üçüncül

sürünme

Sürünme eğrisi

kopma

t

e

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 parametreleri

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

log

log e

.s

n

Bu şekilde elde edilen en az 2 eğrinin eğimleri

(dε/dt) ölçülerek malzeme sabitleri belirlenir.

dε/dt

dε/dt

dε/dt σ1=55MPa

σ3=69MPa

σ2=62MPa

Sürü

nm

e d

efo

rmasy

onu, e

Süre, t

Sürünme eğrisi

Alüminyuma 180°C’de farklı gerilme seviyelerinde

uygulanan sürünme deneylerinde aşağıdaki sürünme

hızları ölçülmüştür.

süre (st) Sürü

nm

e ş

ekil

değiş

imi

0.0066 1/st

0.0025 1/st

55 MPa

62 MPa

55 MPa gerilme için

62 MPa gerilme için

0066.0

t

e

59 MPa gerilmede sürünme hızını hesaplayın!

problem

e/t=0.0025 st-1

e/t=0.0066 st-1

σ = 59 MPa için:

0044.059102 1.817

t

ehr-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

problem

Deformasyon hızı belirli bir sıcaklıkta (T) ve gerilmede

() sabittir. Deformasyon sertleşmesi toparlanma ile

dengelenir. Gerilme üstü

sürünme hızı

Sürünme aktivasyon

Enerjisi (malzeme

parametresi) gerilme Malzeme sabiti

Sıcaklık

Gerilme

sürünme hızı 10

2 0

4 0

10 0

2 0 0

10 -2 10 -1 1 Sürünme hızı (%/1000hr) e s

ge

rilm

e (

MP

a)

427°C

538 °C

649 °C

e

RT

QK cn

s exp2

sürünme hızı

140 MPa gerilme seviyesinde 817 ve 927 C’de ölçülen

sürünme hızları sırası ile 6.6 x 10-4/st ve 8.8 x10-2/st.

1027 C’de 83 MPa gerilme altında sürünme hızı nedir?

Gerilme üssü, n değeri 8.5.

yukarıda verilen değerlerle 2 bilinmeyenli (K2 ve Qc) 2

denklem kurup K2 ve Qc için çözüm ararız.

RT

QK cn

s exp2e

problem

ln (6.6x10-4) = ln K2 + 8.5 ln 140

e

RT

QK cn

s exp2

problem

Qc

8.31 x 1090

ln (8.8x10-2) = ln K2 + 8.5 ln 140

Qc

8.31 x 1200

K2 = 57.5 /st

Qc = 483.500 J/mol

e. = 57.5 (83)8.5 exp = 4.31 x 10-2/st

483500

8.31 x 1300

problem 10 mm çapında ve 500 mm

uzunluğunda S-590 alaşımlı

silindirik numuneye 730 C’de

çekme gerilmesi uygulanıyor.

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

● 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:

n

r at tr: kopma süresi

a, n: malzeme sabitleri

Kopma süresi

problem

S-590 alaşımlı parçaya 650

C’de 300 MPa çekme

gerilmesi uygulanırsa

kopma süresi ne olur?

Bu şartlarda kopma süresi: 400 saat

● 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.

Genel sürünme davranışı

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.

sıcaklık ve uygulanan gerilme etkilerinin ölçülmesi için

sabit sıcaklıkta farklı gerilmeler uygulanarak

deformasyonlar ölçülür. Bu farklı sıcaklıklar

için tekrarlanarak sıcaklık ve gerilme etkisi tanımlanır.

Sürü

nm

e d

efo

rmasy

onu

T1 / σ1

süre

T2 / σ2

T3 / σ3

T4 / σ4

T1<T2<T3<T4

σ1<σ2<σ3<σ4

Gerilme ve sıcaklık etkileri

T<0.4Tm

Sürünme davranışını en çok etkileyen faktör

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.

Tane boyutu 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.

Alaşım bileşimi 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 plastik akma hızı

deformasyon sertleşmesi hızını geçer ve sürünme

düşük gerilmeler altında bile devam eder.

Deformasyon etkisi

Çeliklerin sürünme direnci ısıl işlemle etkilenir.

Yapı ısıl işlemle değiştiği için sürünme davranışı

da etkilenir.

Isıl işlem etkisi

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

(L) uygulanmasıdır.

L = T (C + log tr) = T (20 + log tr)

C: sabit değer; 20

T: sıcaklık (K) ve

tr: kopma süresi (st)

problem S-590 alaşımı için yandaki şekilde

yer alan Larson-Miller bilgilerini

kullanarak, 800C’de 140 MPa

gerilme altında kopma süresini

hesaplayın.

140 MPa gerilme değerinde

Larson-Miller parametresi, L: 24x103

24x103 = T (20 + log tr) = (800+273) (20 + log tr)

22.37 = 20 + log tr

tr için çözersek, tr = 233 saat ( 10 gün)

problem 650 C’de yükleme altındaki 18-8

paslanmaz çeliği için kopma

süresinin 1 yıl olacağı gerilme

seviyesi nedir?

1 yıl = 365 x 24 = 8760

= 8.76 x103 st

Önce bu süre için Larson-Miller

parametresini belirlemek gerekir.

T (20 + log tr) = (650+273) (20 + log 8.76x103) = 22.1 x103

Grafikten gerilme seviyesi : 200 MPa

Yüksek sıcaklık alaşımları

Metallerin sürünme davranışını etkileyen

faktörler:

Ergime noktası

Elastik modül

Tane boyutu

Ergime noktası

Elastik modülü sürünme direnci

Tane boyutu

Yüksek sıcaklık alaşımları ● Sürünme direnci yüksek malzemeler arasında

süperalaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrakter

metalleri sayabiliriz.

● Taneler küçük olduğunda tane sınırı 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

yönlendirilmiş

kolonsal tane yapısı

ile Yüksek sıcaklık

sürünme davranışı

arttırılmış çok

kristalli süper alaşım

tek kristal yapılı

süper alaşım;

sürünmeye en

dayanıklı

Yüksek sıcaklık alaşımları Geleneksel döküm yöntemi ile üretilmiş Çok kristalli süper

alaşım

Korozyon süreci

Korozyona uğrayan metal

parçada elektrik yük transferi

Kütle transferi-difüzyon,

konveksiyon; migrasyon

e— hareketi ile elektrik akımı iyon hareketi ile elk. akımı

katot anot

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.

● 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)

Elektrokimyasal ögeler

Korozyon reaksiyonları

Nötr ve alkali ortamlarda

2Me 2Me+++4e- anodik

O2+ 2H2O +4e- 4OH- katodik

2Me+ O2+ 2H2O+4e- 2M+++4OH- toplam

Asidik ortamlarda

M M+++2e- anodik

2H+ +2e- H2 katodik

M + 2H+ M+++ H2 toplam

çinko

H+

H+ H+

H2

e-

e-

Zn2+

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

Demir için korozyon reaksiyonları

Redüksiyon reaksiyonu oksidasyon

reaksiyonundan daha yüksek potansiyele

sahip olmalıdır.

Aksi takdirde katodik bir hücre oluşmaz.

Fe e Fe 2 2 -0.440 V

Zn e Zn 2 2 -0.763 V

V V . . .440 763 0323 Korozyonun

relatif ölçüsü

Korozyon potansiyeli hesabı

Demir saf (gazı alınmış) suda neden paslanmaz?

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)

Eo (V)

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)

Elektrod potansiyelleri Bu durumda Zn anot olarak davranır ve

korozyona uğrar:

Zn Zn2+ + 2e— -(-0.763 V)

Fe bu çiftte katot rolündedir:

Fe2++ 2e— Fe - 0.440 V

Elektrokimyasal reaksiyon ise,

Fe+2 + Zn Fe + Zn+2 + 0.323 V

hücre reaksiyonuna ait potansiyel 0.323 V

Standart EMF serisi • EMF serisi

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

metal V metal o

daha a

nodik

daha k

ato

dik

daha küçük V o değerine sahip

metal korozyona uğrar. örnek: Cd-Ni hücresi

V =

0.153V

o -

1.0 M

Ni 2+ solution

1.0 M

Cd 2 + solution

+

25°C Ni Cd

Elementlerin sulu ortamda çözünme

eğilimleri emf serisi yardımıyla tahmin

edilebilir: Me Me+ + e—

standart EMF serisi

Giderek daha aktif

(anodik)

Korozyona uğrama

riski artıyor!

Giderek daha asal

(katodik)

Korozyona uğrama

riski azalıyor!

● 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.

elektrokimyasal hücre potansiyeli

● 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 elektrotları

kullanmak hücre potansiyelini değiştirecektir.

● Bazı durumlarda reaksiyonun kendiliğinden

gerçekleşme yönü tersine dönebilir.

M1 + M2n+ M1

+n + M2

Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi

M1 + M2n+ M1

+n + M2

M1 ve M2 elektrotları saf metal ise, hücre potansiyeli

mutlak sıcaklığa (T) ve molar iyon konsantrasyonlarına [M1

n+] ve [M2n+], bağlı olacaktır.

Nernst Eşitliği:

T: sıcaklık (K)

R: gaz sabiti (8.314 J/K.mol)

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) (RT)/F = 0.0592

Reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmesi için V

pozitif olmalıdır.

1 M iyon konsantrasyonlarında ([M1,n+] = [M2,n+]=1)

Konsantrasyon ve sıcaklığın hücre potansiyeli üzerindeki etkisi

problem kendi iyonlarını (Ni+2 ve Cd+2) içeren çözeltilere

daldırılmış saf Ni ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir

elektrokimyasal hücre düşünelim; 25 C’de Cd2+ ve Ni2+

konsantrasyonları sırası ile 0.5 ve 10-3 M olsun. Hücre

potansiyelini hesaplayın. Bu şartlarda reaksiyonun yönü

standart hücrede olduğu gibi midir?

Yarım hücre çözelti konsantrasyonları 1 M olmadığından

Nersnt eşitliğini kullanmalıyız.

Bu şartlarda reaksiyonun nasıl gerçekleşeceğini

bilmediğimiz için bir tahminde bulunalım: Bu çiftten Cd

redüklenen, Ni oksitlenen metal olsun!

no problem! Aşağıdaki reaksiyonu seçmiş olduk!

Cd2+ + Ni Cd + Ni2+

V = (VoCd — Vo

Ni) — 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

nF

[Ni2+]

[Cd2+]

0.0592

2

[10-3]

[0.50]

Cd oksitlenir/Ni redüklenir! Fakat bu şartlarda reaksiyonun itici

gücü azalmıştır: 0.073 V > 0.153 V

Cd2+ + 2e- Cd — 0.403 V

Ni2+ + 2e- Ni — 0.250 V

problem kendi iyonlarını (Fe+2 ve Cd+2) içeren 1 M çözeltiye daldırılmış

saf Fe ve Cd elektrodlarından oluşmuş bir elektrokimyasal

hücrede; 25 C’de Cd2+ ve Fe2+ konsantrasyonları sırası ile

2x10-3 ve 0.4 M için, hücre potansiyelini hesaplayın.

Reaksiyonu yazın.?

Yarım hücre çözelti konsantrasyonları 1 M olmadığından

Nersnt eşitliğinden yararlanacağız!

Bu şartlarda reaksiyonun nasıl gerçekleşeceğini bilmediğimiz

için bir tahminde bulunarak Cd ve Fe’den birini oksitlenen,

diğerini redüklenen kabul edelim!

no problem! Aşağıdaki reaksiyonu seçelim:

Cd2+ + Fe Cd + Fe2+

V = (VoCd — Vo

Fe) — ln

V = [— 0.403 V — (— 0.440 V)] — log

V = — 0.031 V

V negatif olduğuna göre yukarıdaki reaksiyon yazıldığı gibi

değil ters yönde gerçekleşecektir:

Fe2+ + Cd Fe + Cd2+

RT

nF

[Fe2+]

[Cd2+]

0.0592

2 [2.10-3]

[0.4]

Cd oksitlenir

Fe redüklenir

Cd2+ + 2e- Cd — 0.403 V

Fe2+ + 2e- Fe — 0.440 V

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

metal ve alaşımların

deniz suyundaki

reaktifliklerinin

sıralanması!

Platin

altın

Grafit

Titanyum

gümüş

316 paslanmaz çelik

Nikel (pasif)

bakır

Nikel (aktif)

kalay

kurşun

316 paslanmaz çelik

Dökme demir

Demir-çelik

Alüminyum alaşımları

kadmiyum

çinko

Magnezyum

Daha a

nodik

(a

kti

f)

Daha k

ato

dik

(a

sal)

Korozyon hızı ● Korozyon hızı, malzeme kaybı hızı, önemli bir

korozyon parametresidir.

● Bu hız, korozyon nüfuz hızı (CPR); birim zamanda

malzeme yüzeyinden malzeme kalınlık kaybı

(mm/yıl) olarak ifade edilebilir. K W CPR = A t

W: ağırlık kaybı (mg)

t: süre (saat)

: yoğunluk (g/cm3)

A: yüzey alanı (cm2)

K : sabit (mm/yıl için 87.6)

Bir çok uygulama için

kabul edilebilir

korozyon hızı

<0.5 mm/yıl

Birimlere dikkat!

Problem

K W CPR = A t

W: 2.6x106 mg

: 7.9 g/cm3

A: 65 cm2

K : 87.6

Bir tankerdeki 65 cm2 yüzey alanına sahip, paslı

çelik bir parça korozyonla 2.6 kg ağırlık kaybına

uğramış! Korozyon nüfuz hızı 5 mm/yıl olduğuna

göre denizde ne kadar süre kaldığını hesaplayın.

(çeliğin yoğunluğu: 7.9 g/cm3)

K W t = A CPR

87.6 x 2.6x106 t = = 10 yıl 7.9 x 65 x 5

Aktivasyon polarizasyonu

Aktivasyon polarizasyonu için

aşırı voltaj (a) ve akım yoğunluğu (i) arasındaki

ilişki

ve i0 : yarım hücre için sabit

: oksidasyon reaksiyonu için +/redüksiyon için —

i0 : değişim akım yoğunluğu

Oksidasyon hızı hesabı

Zn asit çözeltisinde korozyona uğrar:

Zn + 2H+ Zn2+ + H2

Oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının hızı aktivasyon

polarizasyonunca belirlenmektedir.

a) Aşağıdaki aktivasyon polarizasyonu şartlarında

Zn’nun oksidasyon hızını (mol/cm2s) hesaplayın.

b) Korozyon potansiyelini hesaplayın.

problem

no problem!

a) oksidasyon hızı hesabı

Zn’nun oksidasyon hızını hesaplayabilmek için önce hem

oksidasyon hem de redüksiyon reaksiyonu için aşırı voltaj ile

akım yoğunluğunu ilişkisini kurmak gerekir.

Daha sonra bu ifadeler eşitlenerek i değeri için çözüm aranır.

Bu değer korozyon akım yoğunluğudur, ic.

H redüksiyonu için

Zn oksidasyonu için

Bunları eşitleyerek

aktivasyon

polarizasyonu

no problem!

A = C/s

Verilen değerleri kullanarak, log i için çözersek (log ic):

Korozyon hızı (r) ve akım yoğunluğu (ic) arasındaki ilişkiden

no problem!

b) Korozyon potansiyeli hesabı

Korozyon potansiyeli hesabı için ya VH ya da VZn için

kullandığımız denklemlerden birinde i için az önce

bulduğumuz ic değerini kullanabiliriz:

pasivasyon

aktif

pasif

transpasif

Pasif hale geçen bir metalin polarizasyon eğrisi aşağıdaki

grafikteki gibidir: Düşük potansiyel değerlerinde,

aktif bölgede değişim normal

metallerde olduğu gibi

lineerdir.

Potansiyelin artması ile akım

yoğunluğu potansiyelden

etkilenmeyen çok düşük bir

değere düşer.

Bu bölgeye pasif bölge

denir. Potansiyelin daha da

artması ile akım yoğunluğu

tekrar yükselişe geçer:

transpasif bölge log akım yoğunluğu, i (A/cm2)

Ele

ktr

okim

yasa

l pota

nsi

yel,

V(V

)

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Korozyon türleri

Homojen korozyon

Bölgesel korozyon

Galvanik korozyon

Aralık korozyonu

Oyuklanma korozyonu

Taneler arası korozyon

Tercihli çözünme

Erozyonlu korozyon

Gerilmeli korozyon

hidrojen varlığına bağlı Hidrojen gevrekliği

Homojen korozyon ● Homojen korozyon tüm yüzeyde eşit şiddette

gerçekleşen ve yüzeyde bir film veya korozyon

ürünü oluşturan korozyon şeklidir.

● Mikroskobik ölçekte oksidasyon ve redüksiyon

reaksiyonları yüzeyde rastgele gerçekleşirler.

● En yaygın korozyon türüdür.

● Öngörülebildiği ve önlemleri alınabildiği için en

az risk içeren korozyon türüdür.

● Bildik homojen korozyon örnekleri çeliklerin

genel paslanması ve gümüşün lekelenmesi

Galvanik korozyon

Mesela deniz suyunda pirinç

ile temas eden çelik vidalar

korozyona uğrar;

Evlerimizde kullandığımız

su ısıtıcılarında bakır ve

çelik tüpler birbirine bağlı

ise, bağlantıya yakın

bölgede çelik korozyona

uğrar.

Çelik çekirdek çevresine dökülen magnezyum kabukta

galvanik korozyon

Etkileyen faktörler

Anot/Katot yüzey oranı

● Küçükse korozyon hızı

● Büyükse korozyon hızı

korozyon hızı akım yoğunluğuna

(korozyona uğrayan yüzeyde

birim alana düşen akım) bağlı

olduğu için!

Dolayısı ile daha küçük yüzey

alanına sahip bir anotta daha

yüksek bir akım yoğunluğu

olur ve korozyon daha hızlı

seyreder.

Büyük katot

korozyon hızı

galvanik korozyon

küçük katot

küçük anot

büyük anot

korozyon hızı

Galvanik korozyon Galvanik korozyonun etkilerini azaltmak için:

● Eğer farklı metallerin birleştirilmesi kaçınılmaz

ise galvanik seride birbirine daha yakın olanları

seçin.

● anot-katot yüzey oranlarını hesaba katın;

mümkün olduğunda daha geniş bir anot

yüzeyini tercih edin.

● Farklı metalleri elektriksel olarak birbirinden

yalıtmaya çalışın.

● Üçüncü anodik bir metali elektriksel olarak

diğer ikisine bağlayın (bir çeşit katodik koruma)

aralık korozyonu aralıklarda kir ve korozyon ürünleri altında çözelti

durgunlaşır ve bölgesel olarak çözünmüş oksijen

fakirleşmesi yaşanır. Bu gibi bölgelerde oluşan korozyona

aralık korozyonu denir.

Yarık çözeltinin geçmesine izin verecek kadar geniş

çözelti hareketsizliğine sebep olacak kadar dar olmalıdır.

(“mm” nin küçük kesri kadar bir değer!)

Deniz suyuna

daldırılan bu parçada

korozyon pulların

örttüğü alanlarda

yaşanmıştır.

aralık korozyonu için önlemler

● İyi bir tasarım: çözeltinin hareketsizliğine yol

açmayacak şekilde tasarımlar kullanılmalıdır.

● Aralık korozyonuna dayanıklı malzeme seçimi

● aralık korozyonu perçinlenmiş yerine kaynakla

birleştirilmiş levhaların kullanılması halinde

önlenebilir.

● aralıkta biriken kir-pasın sık sık temizlenmesi

de işe yarar.

oyuklanma korozyonu

Oyuklanma korozyonu

● Oyuklanma bir diğer bölgesel korozyon olayıdır.

Bu korozyon türünde yüzeyde küçük oyuk ve

çukurlar oluşur.

● Bu çukur ve oyuklar metal yüzeyine hemen hemen

dik bir yönde (yatay yüzeylerde aşağı doğru)

ilerlerler.

● Çok sinsi bir korozyon olayıdır ve hiçbir alarm

vermeden, çok az malzeme kaybı ile parçanın

servis dışı kalmasına kadar fark edilmeden

ilerleyebilir.

Önlemler

● Oyuklanmaya dayanıklı malzeme seçimi,

● ortamdaki Cl- konsantrasyonun kontrolü,

● inhibitör kullanımı

oyuklanma korozyonu

Taneler arası-tane sınırı korozyonu tane sınırlarını takip eder.

koca bir metalik parça tane sınırlarından ayrılabilir.

özellikle bazı paslanmaz çelik türlerinde görülür.

500-800ºC arasındaki sıcaklıklara ısıtıldıklarında bu

çelikler tane sınırları hasarına hassas hale gelir.

Bu ısıl işlemde paslanmaz çelikteki Cr ve C küçük Cr-

karbür çökeltileri yaparlar. Bu çökeltiler çoğu zaman

tane sınırlarında oluşur.

Cr + C Cr23C6

Tane sınırları çevresi Cr

fakirleşmesi yaşar ve

korozyona hassas hale gelir.

Tane sınırı

Cr

fakirleşmesi

Cr23C6

Tercihli çözünme ● katı eriyik alaşımlarında meydana gelir.

● elementlerden veya fazlardan biri tercihli olarak

çözünür.

● Örnek: pirinçlerde görülen çinkosuzlaşma

● Cu-Zn alaşımından Zn tercihli olarak çözünür.

Çinkosuzlaşan bölgede geriye gözenekli bir bakır kalır

ve mekanik özellikler ciddi zarar görür.

● Ayrıca bu olayda pirincin rengi sarıdan kırmızıya veya

bakır rengine doğru değişir.

● Tercihli çözünme alüminyum, demir, kobalt, krom ve

bu şekilde tercihli çözünmeye yatkın diğer alaşım

sistemlerinde de görülebilir.

Erozyon-korozyon ● Erozyonlu korozyon sıvı hareketi sonucunda

kimyasal etkilenme ve mekanik aşınmanın bir

arada yaşandığı hasar türüdür.

● Hemen hemen bütün metaller erozyonlu

korozyona maruz kalabilirler.

● özellikle koruyucu bir yüzey filminin oluşması ile

korunan-pasifleşen alaşımlar zarar görür.

● Yüzeydeki aşınma koruyucu filmi bozar ve alttaki

metali korozif etkilenmeye açık–savunmasız bırakır.

● Koruyucu filmin yüzeyi tamamen örtecek şekilde

kısa sürede oluşamadığı durumlarda korozyon hasarı

ciddi seviyelerde olabilir.

Erozyon-korozyon ● Bakır ve kurşun gibi yumuşak metaller de bu tür korozyona

hassasiyet gösterir.

● Yüzeyde sıvı akış yönünde izlerin oluşmaya başlamış olması

erozyonlu korozyon hasarının habercisi olabilir.

● Sıvının karakteri de korozyon davranışı üzerinde etkilidir.

● Sıvının akış hızı arttıkça korozyonun hızı da artar.

● sıvıda gaz kabarcıkları ve süspansiyonda katı partiküller

olduğunda erozif etki ve korozyon hasarı şiddetlenir.

● Erozyonlu korozyon sıvı taşıyan borularda, özellikle büküm

bölgelerinde, dirseklerde, boru çapının aniden değiştiği,

sıvının hız değiştirdiği ve aniden türbülanslı hale geçtiği

bölgelerde çok belirgindir. Pervanelerde, türbin kanatlarda ,

vana ve pompalarda bu korozyon türüne sık rastlanır.

Buhar kazanı borularında

erozyonlu korozyon hasarı

Erozyon-korozyon

Erozyonlu korozyon hassasiyeti

daha düşük malzemeler tercih

edilmelidir.

Sıvı içinde taşınan katı partikülleri

ve gaz kabarcıklarını yok etmek

de ciddi fayda sağlar.

Erozyonlu-korozyon hasarını önlemenin en başarılı yolu,

tasarımı, sıvı akışında türbülansı ve yüzeye çarpma

bölgelerini önleyecek şekilde değiştirmektir.

Gerilmeli korozyon ● Gerilmeli korozyon (gerilmeli korozyon

çatlaması) parçanın maruz kaldığı çekme

gerilmeleri ve korozif ortamın birlikte neden

olduğu hasar türüdür.

● Herhangi bir korozif ortama dayanıklı olduğu

bilinen malzemeler ayrıca bir de gerilme tecrübe

ettiklerinde bu korozyon türüne hassas hale

gelebilirler.

● Önce küçük çatlaklar oluşur ve gerilme yönüne

dik yönde büyür ve kopma-kırılmalarla sonuçlanır.

Gerilmeli korozyon ● Metal sünek bile olsa bu şartlarda gerçekleşen

kırılma gevrek bir karakter gösterir.

● Çatlaklar çekme mukavemetinin çok altındaki

gerilme seviyelerinde oluşabilir.

● Bir çok alaşım belirli ortamlarda orta seviyelerdeki

gerilmelere maruz kaldıklarında gerilmeli

korozyona hassas hale gelebilirler.

● Örneğin, paslanmaz çelikler, klorür iyonları

içeren çözeltilerde, Pirinçler ise, amonyaka

maruz kaldıklarında gerilmeli korozyona uğrarlar.

Gerilmeli korozyon ● Bu hasarın ortaya çıkmasında rol oynayan

gerilmenin dışarıdan uygulanması gerekmez.

● Ani sıcaklık değişimleri ile ortaya çıkan artık

gerilmeler, homojen olmayan ısıl genleşmeler, ısıl

genleşme katsayısı farklı fazlardan oluşan çift fazlı

alaşımlarda görülen gerilmeler etkili olabilir.

● Ayrıca, oluştuktan sonra malzeme içinde alıkonan

gaz ve katı korozyon ürünleri de iç gerilmelere

neden olabilir.

Gerilmeli korozyon

Pirinç alaşımında taneler arası gerilmeli korozyon hasarı

Gerilmeli korozyon için

alınabilecek en iyi önlem

gerilmenin şiddetini

azaltmaktır.

Bu yükü azaltarak, ya da

gerilmeye maruz kalan

kesitin alanını arttırarak

yapılabilir.

Ayrıca kalıntı gerilmeleri

azaltmak için bir gerilme

giderme ısıl işleminin de

faydası olur.

filiform korozyonu Metal yüzeyinde bulunan boya veya kaplama

tabakası altında yürüyen bir korozyon olayıdır.

Korozyondan korunma

Korozyondan korunma

Başlıca korunma yaklaşımları:

● Malzeme seçimi

● Çevresel ortamın değiştirilmesi

● Tasarım

● Kaplamalar

● anodik koruma

● katodik koruma

Malzeme seçimi

● en etkili korunma yöntemi çalışma şartları ve

ortamı belirlendikten sonra malzeme seçimidir.

● Standart korozyon referanslarından

yararlanılabilir. Bu çerçevede maliyet önemli bir

faktör olabilir. Ancak, en yüksek korozyon

dayanıklılığı veren malzemeyi seçmek her zaman

ekonomik değildir.

● Mümkünse, Korozyona neden olan ortamın

karakterinin değiştirilmesi bazen en akıllı

çözümdür. Bu şekilde metalin pasifleşmesi

sağlanabilir.

inhibitörler ● İnhitörler korozyona yol açan ortama düşük

miktarlarda ilave edildiklerinde korozif

karakterini azaltan maddelerdir.

● Spesifik olarak hangi inhibitörlerin kullanılacağı

alaşıma ve korozif ortama bağlıdır.

● Etkinliklerini belirleyen mekanizmalar çeşitli ve

değişiktir.

● Bazıları çözeltide korozyona neden olan

çözünmüş oksijen gibi kimyasal aktif madde ile

reaksiyona girerek onu azaltır veya tamamen

ortadan kaldırır.

inhibitörler ● Bazı inhibitör molekülleri kendilerini korozyona

uğrayan yüzeye bağlar; ince koruyucu bir film

oluşturur ve oksidasyon/redüksiyon hızını düşürür.

● İnhibitörler çoğunlukla otomobil radyatörleri ve

buhar kazanları gibi kapalı sistemlerde kullanılır.

tasarım

● Galvanik, yarık korozyonu, erozyonlu korozyon

hadiselerinde tasarım düzenlemeleri çok işe

yarar.

● Tasarımlar devre dışı kalma anlarında korozif

çözeltinin tamamen boşaltılmasına, kolay

temizleme eylemlerine izin vermelidir.

● Çözünmüş oksijen bir çok çözeltinin korozifliğini

arttırdığından havanın dışarda bırakılması

seçeneğini barındırmalıdır.

● Korozyona uğrayan yüzeyler fiziksel olarak bariyer

görevi gören film ve kaplamalarla kaplanabilir.

● Değişik metalik ve metalik olmayan kaplama

malzemeleri mevcuttur.

● Kaplamanın yüzeye tutunması çok önemlidir ve

çoğu kez bunun sağlanması bir ön hazırlık işlemi

gerektirir.

● Kaplama korozif ortamda reaktif olmamalıdır.

Korumakta olduğu metali açıkta bırakmamak için

mekanik hasara dayanıklı olmalıdır.

● Kaplamalar metalik, seramik ve organik (polimer)

olabilir.

kaplamalar

Metalik kaplamalar

Katodik: bariyer tipi!

Kaplamalar gözeneksiz ve kusursuz olmalı!

Bu nedenle bir kaç katmanlı üretilirler.

Eğer kusur olursa alttan açığa çıkan metali geniş

katot alanı nedeniyle süratle korozyona uğratırlar.

Çelik üzerine krom, nikel bakır kaplamalar.

Genelde kozmetik amaçlı da kullanılırlar.

Bu kaplamalar altaki metale göre (bu genellikle

demirli alaşımlar ve çeliktir) katodiktir. Kendileri

çözünmezler.

Ancak çok dikkatli kullanılmaları gerekir.

kaplamalar

Metalik kaplamalar

● Anodik: Çelik üzerine çinko, aluminyum kaplamalar

● Kaplamalardaki süreksizlikler çok kritik değil!

● Kendini feda eden kaplama tipi: Zn, Al kaplamalar

buna örnektir.

● Alttaki metale göre anodik oldukları için öncelikli

olarak kaplama çözünür.

● Ancak bu iki metalin yüzeyinde oksit oluştuğu için

çözünme hızları çok düşüktür.

● Bu kaplamalarda kusur olması çok kritik değildir.

Kusur bölgelerinde de alttaki metali koruyabilirler.

kaplamalar

kaplamalar Organik kaplamalar

Çok çeşitli tipte ve yöntemle kaplanan organik

kaplama mevcut, özellikle çelik esaslı ürünlerin

korunması amacıyla çok yaygın olarak kullanılır.

Kaplamaların süreksiz olması ve iyi yapışması

gerekir

Pasifleşebilen

metal ve

alaşımlar için

Temel prensip

metal veya

alaşımı pasif

olarak

davrandığı

bölgede

tutmaktır.

anodik koruma

Katodik korunma en bilinen koruma yöntemi katodik korumadır.

Bilinen tüm korozyon türleri için kullanılabilir ve

bazı durumlarda korozyonu tamamen durdurur.

Metallerin korozyonu aşağıdaki reaksiyona göre

oluşur.

M Mn+ + ne—

Katodik koruma dış bir kaynaktan korunacak metale

elektron tedarik ederek onu katot yapmaktan

ibarettir. Böylece yukarıdaki reaksiyon ters yönde

gerçekleşerek korozyonu ortadan kaldırır.

Katodik korunma

Toprakaltına döşenen boruların, gemilerin,

otomobillerin korunmasında kullanılır.

İki şekilde uygulanır:

Dışarıdan akım uygulamalı

Kurban anot:

Çinko,

alüminyum ve

Mg anotlar

Katodik koruma uygulamaları

Galvanizli çelik

Zn kaplama

Kurban anotlar

gemi gövdeleri

denizaltılar

(serbest su

dolaşımı olan

bölgeler

Kurban anot Katodik korunma yöntemlerinden biri galvanik bir çiftten yararlanır.

Korunacak metal elektriksel olarak maruz kalınan ortamda daha reaktif

olan bir diğer metale bağlanır. Böylece bu metal oksitlenmeye uğrar,

elektron verir ve korumak istediğimiz metali korozyona karşı korur.

Oksitlenmenin gerçekleştiği metale kurban anot denir. Galvanik serinin

anodik ucunda bulunduklarından Mg ve Zn sıklıkla kurban anot olarak

kullanılırlar.

Toprak altı bir boru

sisteminin Mg kurban

anodu ile katodik

korunması

galvanizleme Galvanizleme bir çeliğin yüzeyinin sıcak daldırma

yöntemiyle çinko kaplanması işidir. Atmosferde ve

birçok sulu çözeltide Zn anodiktir ve bir yüzey hasarı

olduğunda çeliği korur.

Anot-katod yüzey alanı

oranı çok yüksek

olduğu için, çinko

kaplamanın korozyonu

çok yavaş ilerler. çelik

korozif ortam Zn kaplama

anot katod

Diğer bir katodik koruma uygulamasında, metalin

korozyon reaksiyonunu durduracak elektron tedariği

bir dış doğru akım kaynağından sağlanır.

Zoraki akım koruması

Toprak altı tankın zoraki akımla katodik korunması

Akım kaynağının

negatif kutbu

korunacak metale

bağlanır. Diğer

kutup asal bir

anoda-çoğunlukla

grafit kullanılır-

bağlanır.

oksitlenme ● Metallerin oksidasyonu normal hava gibi gaz

atmosferlerinde de mümkündür.

● Oksit filmi metalin yüzeyinde oluşur.

● Buna çoğu kez paslanma, kuru korozyon da denir.

● Sulu çözeltilerde olduğu gibi, oksit filmi oluşması

elektrokimyasal bir süreçtir.

oksitlenme

Metal oksit filmi (MO) gaz (O2)

M M2+ + 2e— ½ O2 + 2e— O2-

Redüksiyon yarı

reaksiyonu yüzey

oksit filmi ile gaz

ara yüzeyinde

gerçekleşir.

● Oksit kalınlığının artması için redüksiyonun gerçekleştiği

oksit filmi-gaz ara yüzeyine elektron taşınması gerekir.

Ayrıca, M2+ iyonları metal-oksit ara yüzeyinden

uzaklaşmalı ve /veya O2- iyonları bu arayüzeye hareket

etmelidir.

● Dolayısı ile oluşan oksit filmi hem iyonların içinden

hareket ettiği bir elektrolit olarak hem de elektronların

transferine izin veren bir elektrik devresi olarak görev

yapar.

● Oluşan oksit filmi, iyonik difüzyona engelleyici ise

ve/veya elektrik iletkenliği sınırlı ise (Bir çok metaloksit

elektriksel olarak yalıtkandır), metali hızlı korozyondan

korur.

oksitlenme

Oksit filmi türleri Oksitlenme hızı (oksit film kalınlığının artması hızı)

ve oluşan oksitin metali daha fazla oksitlenmeden

koruma kapasitesi oksit ve metalin göreceli

hacimlerine bağlıdır.

Bu hacimlerin oranına Pilling–Bedworth (P-B) oranı

denir ve aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir:

Ao oksitin moleküler-formül ağırlığı

AM metalin atomik ağırlığı

o Oksitin yoğunluğu

M metalin yoğunluğu

Oksit filmi türleri

Metallerin P-B oranları

koruyucu koruyucu olmayan

Oksit film türleri ● P–B oranları “1” den düşük olan metaller de

oksit filmi gözenekli olur ve metal yüzeyini

örtmediği için koruyucu değildir.

● Bu oran “1” den büyük olduğunda film oluşurken

bünyesinde baskı gerilmeleri oluşur.

● P-B oranı 2–3’den büyük ise, oksit filmi

çatlayabilir ve yüzeyden dökülebilir; bu durumda

metal yüzeyi yine korumasız kalır.

● İdeal P-B oranı “1” dir.

● Koruyucu yüzey oksitleri, P-B oranı 1 ile 2

arasında olan metallerde oluşmaktadır.

Oksit film türleri

Koruyucu olmayan oksitler ise, P-B oranı “1” den

düşük veya “2” den büyük metallerde oluşmaktadır.

Filmin koruyuculuğunu diğer faktörler de etkiler.

Bunlar,

● Oksit filmi ile metal arasındaki tutunma-

yapışma,

● benzer ısıl genleşme katsayıları

● Oksitin yüksek ergime noktası ve iyi bir yüksek

sıcaklık plastikliğidir.