sürünme ve sıcaklık Ölçüm deneyleri
DESCRIPTION
Belli sıcaklık ve gerilme altında, malzemede zamana bağlı oluşan plastik deformasyonun ölçülmesi ve deformasyon mekanizmasının belirlenmesi sürünme deneyi ile yapılmaktadır.Bu deney, özellikle yüksek sıcaklık ve belirli gerilmeler altında malzemede deformasyon neticesinde meydana gelebilecek boyut toleransından sapma ve kopma gibi malzemenin kullanılamaz hâle gelmesine sebebiyet veren koşulların ortaya çıkması sonucu, malzeme kullanım ömrünü tayin etmek amacıyla uygulanmaktadır.TRANSCRIPT
-
1
Dokuz Eyll niversitesi
Mhendislik Fakltesi
Metalurji ve Malzeme Mhendislii Blm
Malzeme Laboratuvar Dersi
Deney Raporu
Grup No: B6
Deney Tarihi: 22.10.2014
Deney Kodu: MMM3003.04
Deneyin Ad: Srnme ve Scaklk lm Deneyleri
Deneyin Amac
Belli scaklk ve gerilme altnda, malzemede zamana bal oluan plastik deformasyonun llmesi
ve deformasyon mekanizmasnn belirlenmesi srnme deneyi ile yaplmaktadr.
Bu deney, zellikle yksek scaklk ve belirli gerilmeler altnda malzemede deformasyon neticesinde
meydana gelebilecek boyut toleransndan sapma ve kopma gibi malzemenin kullanlamaz hle
gelmesine sebebiyet veren koullarn ortaya kmas sonucu, malzeme kullanm mrn tayin etmek
amacyla uygulanmaktadr.
Teorik Bilgiler
A. SRNME
1. Giri
Mhendislik uygulamalarnda, oda scaklnda alan cihaz ve aletler iin kullanlacak malzeme
cinsi ve miktarnn seimi genellikle ekme deneyi sonular gz nnde bulundurularak yaplr.
rnein, mukavemet hesaplarnda malzemenin oda scaklndaki akma dayanm belirli bir emniyet
faktrne blnerek hesaplarda kullanlr.
Yksek scaklklarda alacak alet ve cihazlarn malzeme seiminde, malzemenin alma
scaklndaki akma dayanmnn bilinmesi genellikle yeterli olmamaktadr. zellikle, scakln
yannda gerilme gibi dier faktrler de etkili olunca, malzeme deiik davranlar gsterebilmektedir.
rnein, demir d metaller elastik davranlar gsterebilmektedir. Demir d metaller elastik blgeyi
amayacak bir yk altnda ak havada brakldnda, zamanla bu malzemelerde bir miktar kalc uzama
grlmektedir. eliklerde oda scaklnda bir olaya pek rastlanmaz, ancak 200C scakln zerinde
hissedilmeye balanr. Bu uzama miktar malzeme cinsine, scakla ve uygulanan gerilmeye bal
olarak deiir. [1]
-
2
Srnme; malzemelerin sabit yk ya da gerilme altnda, yksek scaklklarda, yava ve srekli
olarak, zamanla biim deitirmesidir. [2]
Malzemelerin sabit yk veya gerilme altnda, zamana bal ve kalc olarak deformasyona uramas
olarak tanmlanan srnme, normal artlarda istenmeyen bir olaydr ve ou zaman bir parann mrn
snrlayan bir etkendir. Btn malzeme trlerinde grlen srnme, metallerde 0,3 0,4 Teden,
seramiklerde 0,4 0,5 Teden daha yksek scaklklarda nem arz eder. [3]
Uygulamada srnme olaynn en sk rastland yerler yle sralanabilir: Buhar kazanlar, buhar
trbinleri, gaz trbinleri, frnlar, baz kimyasal veya petrokimyasal ilemlerin gerekletirildii
tanklar, jet motorlar, balistik fze ve roketlerin baz aksamlar, iyanmal motorlar, jet motorlar, uak
motorlar, enerji santralleri, nkleer reaktrler. [1]
Srnme olay kopma ile sonulanaca gibi, bir paray belirli deformasyon sonucunda alma
boyutlarnn toleranslar dna kararak, kullanlmayacak hle getirebilir. Bu nedenle, nispeten yksek
scaklk ve belirli gerilmelerin uyguland yerlerde kullanlacak malzemelerin srnme zelliklerinin
ok iyi bilinmesi gerekir. [1]
2. Srnme Mekanizmalar
Srnme mekanizmalar; yumuama (dislokasyon trmanmas, sl apraz kayma ve boluk yaynm
gibi kendine gelme ilemleri) ve deformasyon sertlemesidir.
2.a. Dislokasyon sertlemesi
Kristal yap ierisinde, dislokasyonlarn kaymas ile plastik ekil deiimi gerekleir. Kayma ile
hareket eden dislokasyonlar, yeni dislokasyonlar olumasna sebep olurlar. Bylece, dislokasyon
younluu artar. Dier yandan, younluu artan dislokasyonlarn hareketi, gerek dier dislokasyonlar
gerekse boluk, arayer, yeralan, kelti, tane snr gibi dier engeller tarafndan engellenmeye balanr.
Baka bir deyile, dislokasyonlarn hareketlerini srdrebilmeleri iin gereken gerilme deeri gittike
artar. Bu duruma deformasyon sertlemesi ad verilir.
2.b. Dislokasyon kaymas
Dislokasyonlarn kayma dzlemlerinde hareketi sz konusudur. keltiler, yabanc atomlar ve dier
dislokasyonlar, dislokasyon hareketinin srekli olmasn engeller. Yine de termal aktivasyon ile
dislokasyonlar engelleri aabilir. Yksek gerilme deerlerinde bu mekanizma meydana gelir.
-
3
2.c. Dislokasyon trmanmas
Dislokasyonlarn termal aktivasyon ile engelleri amas, deformasyonun tamamn oluturur. Bu da
bo ke ve arayer atomlarn difzyonu sebebiyle kolay hareket etmesinden kaynaklanr.
2.d. Difzyon srnmesi
Uygulanan gerilme altnda bo ke ve arayer atomlarnn kristal yap ierisinde hareketi sz
konusudur. Bu srnme mekanizmas NabarroHerring ve Coble srnme eitlerini iermektedir.
NabarroHerring, yksek scaklkta gerilme destekli difzyon srnmesi iken, Coble srnmesinde
dk scaklkta olduundan difzyon ounlukla tane snrlarndadr.
2.e. Tane snr kaymas
Yksek scaklk krlma tipinin (tane-ii veya taneler-aras), tane snr veya kayma bantlarndan
meydan gelmesinde etkilidir.
3. Srnme Aamalar
ekil 1: Sabit yksek scaklk ve sabit yk altnda ekil deiiminin zamanla deiimini gsteren tipik
bir srnme erisi. Minimum srnme hz /t, ikinci blgedeki dorusal ksmn eimidir. Kopma
mr tr parada kopma gerekleene dek geen toplam sre. [3]
Tipik bir srnme deneyinde, sabit scaklkta bir numuneye sabit bir yk ya da gerilme uygulanr.
Deney srasnda oluan deformasyon veya birim ekil deiimi llr ve birim ekil deiiminin
zamana gre deiimini gsteren bir grafik oluturulur. ou deney, sabit yk altnda gerekletirilir ve
-
4
srnme mekanizmasnn daha iyi anlalmas iin sabit gerilme altndaki gerekletirilen deneyler de
uygulanabilir. [3]
ekil 1, metallerin sabit yk altndaki tipik srnme davrannn bir ematik gsterimidir. Srnme
aamadan oluur.
3.a. Birincil (I. Blge): Birinci blgede malzeme ykn etkisi altndadr. Bu sebepten, dislokasyon
hareketleri hkim olup, malzemede deformasyon sertlemesi meydana gelir. Fakat dier yandan,
malzeme yksek scaklkta olduundan, tavlama ile i gerilmelerini gidererek kendine gelme imknna
sahiptir. Malzeme birinci blgede, bu iki faktrn etkisi altnda deformasyona devam eder. Her eye
ramen bu blgede deformasyon sertlemesi daha hkim olup, srnm hz gittike der, yani
malzemenin direnci artar.
3.b. kincil (II. Blge): Bu blgede deformasyon sertlemesi ile kendine gelme hz birbirine eittir.
Bu bakmdan kararl srnme blgesi olarak da adlandrlr. Pratikte srnmenin bu safhas ok
nemlidir; zira bu blgede malzemenin srnmeye kar direnci en yksek seviyededir. Mhendislik
dizaynlarnda genellikle bu hz gz nnde tutulur.
3.c. ncl (III. Blge): nc blge, numunenin boyun vermesinden doar. Ayrca, tane
snrlarndaki kaymalarn sebep olduu tane kelerindeki boluklar da etki eder. Kopma, bu blgenin
sonunda meydana gelir.
Dk deney scaklklarnda kopma tane iinde (transgranler), yksek scaklklarda ise tane
snrlarnda (intergranler) olur. Her iki olayn beraber grlecei scakla, ekikohezif scaklk ad
verilir. Ekikohezif scakln altnda, srnme daha ok tane ii elastik hareketlerle oluur ve malzeme
elastik zellikler gsterir. Ekikohezif scakln stnde ise srnmenin tane snrlarndaki viskozumsu
hareketlerle olutuu kabul edilmektedir. [1]
4. Srnmeye Etki Eden Faktrler
Srnmeye etki eden faktrler; yk, scaklk, tane boyutu, alamlama ve metalin ana ktlesidir.
Srnme dayanmnn yksek olmas iin tane boyutu byk olmaldr. Alam elementi ilvesi ile
srnme dayanm iyileir. Ana ktle Mo, Ta, W, Nb esasl ise; srnme dayanm fazladr.
5. Gerilme ve Scakln Etkisi
Scaklk ve uygulanan gerilme seviyesi malzemenin srnme davrann etkiler. 0,4Te deerinin
olduka altnda bulunan bir scaklkta ve ilk ekil deiiminden sonra, ekil deiimi neredeyse
-
5
zamandan bamszdr. Gerilme veya scakln artmasyla; (1) gerilme uyguland anda meydana gelen
ilk ekil deiimi, (2) kararl srnme hz artar, (3) kopma mr ise ksalr.
ekil 2: Gerilmenin () ve scakln (T), srnme davran zerine olan etkisi.
Kararl srnme hznn, gerilme ve scakln bir fonksiyonu olarak ifade edildii deneylere dayal
(ampirik) ilikiler gelitirilmitir. Gerilmenin srnme hzna olan etkisi aadaki ifadeyle verilmitir:
Bu ifadede K1 ve n malzeme sabitleridir. Scakln etkisi aadaki gibi dhil edilebilir:
Bu ifadede ise, K2 ve Qc malzeme sabitleri, Qc, srnme iin aktivasyon enerjisidir. [3]
6. Veri Ekstrapolasyon Yntemleri
Normal laboratuvar deneylerinden elde edilmesi genellikle pek mmkn olmayan mhendislik
srnme verileri iin Ekstrapolasyon ileminin yaplmas gereklilii sk sk ortaya kmaktadr.
zellikle yllar mertebesinde, uzun sreli srnme artlar iin, bu gerekten gerekli olmaktadr. Bu
problemin bir zm karlatrlabilir bir gerilme seviyesinde, gereinden ok daha yksek
scaklklarda, daha ksa ilem sreleri iin srnme ve/veya srnme kopmas deneylerinin yaplmasdr.
Daha sonra bu deney verilerinden, alma artlar iin ekstrapolasyon yaplr. Yaygn olarak kullanlan
bir ekstrapolasyon yntemi LarsonMiller parametresi yaklam olup, aadaki ifade ile tanmlanabilir:
Bu ifadede C deeri, genellikle 20 mertebelerinde olan bir sabit, T mutlak scaklk (K), tr ise, saat
cinsinden kopma sresidir. Belirli bir gerilme seviyesinde srnme deneyine tabi tutulan bir malzemenin
kopma mr, scakla gre bu parametre sabit kalacak ekilde deiir veya ekil 3teki gibi, srnme
verileri logaritmik lekte gerilme seviyesinin LarsonMiller parametresine gre deiimini gsterecek
ekilde izilebilir.
-
6
ekil 3: S-590 alamnda, logaritmik olarak gerilmenin, Larson-Miller parametresiyle deiimi.
B. SICAKLIK LM
1. Giri
Scaklk lm teknikleri laboratuvarlarda ve endstride yaygn bir ekilde kullanlr. Bu teknikler;
termometre, termoift, termistr, RTD sensrler ve pirometre gibi cihazlardr.
2. Cva Termometresi ile Scaklk lm
Cva termometresini, deney numunelerinin bulunduu daldrarak lm yaplmas prensibine
dayanr. Doru bir lm alabilmek iin, termometrenin deney kabnn derinlerine daldrlmas ve
lmn birka kez tekrarlanmas gerekir. llen deerler kaydedildikten sonra, kullanlacak scaklk
birimine dntrlmesi gerekir.
3. Termoift ile Scaklk lm
Scaklk lm cihazlarndan biri olan termoift, en yaygn olarak kullanlan cihazdr. Termoift,
ular birletirilmi iki farkl metal tel veya ubuktan olumaktadr. Balant noktasndaki scaklk
deiimi, dier ular arasnda elektrik akm salayan bir kuvvet meydana getirir. Scaklk farkll, bu
kuvvetin lmyle belirlenir. Scaklkta meydana gelen kk deiiklerde Seeback voltaj, scaklkla
lineer olarak deiim gsterir.
(a: Seeback katsays)
-
7
4. Termistr ile Scaklk lm
Ohm-metre kullanarak, deney numunelerinin bulunduu kaplara daldrlm termistrn direncinin
llmesi prensibine dayanmaktadr. Dk scaklklardaki lmler iin daha uygundur. Termistrn
su ile temas hlinde iken kaak olmamasna dikkat edilmesi gerekmektedir. llen diren deerleri,
scaklk dnm tablosu kullanlarak scaklk birimine evrilmelidir. Elde edilen scaklk deerlerinin,
cva termometresi ile llen deerlerle karlatrlmas yaplarak, doruluu kontrol edilmelidir.
5. Pirometre ile Scaklk lm
Scaklk lm yaplacak blgeye pirometrenin belirli bir mesafe ve srede tutularak scak blgenin
yayd snn pirometre tarafndan alglanmas prensibine dayanmaktadr. Pirometre, lm yaplacak
scak blgeye iki metreden daha yakn tutulmaldr. lm be saniyeden fazla srmemelidir.
Pirometrenin scak blgeden uzaklatrlmas ile lmlerin tamamlanmas arasnda en azndan bir
dakika beklenilmesi gerekmektedir. lmlerin doruluu, termoift ile yaplan lm sonular ile
karlatrlmaldr.
6. RTD (Scaklk Hassasiyetli Detektrler) ile Scaklk lm
Deney numunelerinin bulunduu kaplara daldrlm detektr elemannn direncinin llmesi
prensibine dayanmaktadr. llen diren deerlerinin, scaklk dnm tablosu kullanlarak, istenilen
scaklk birimine evrilmesi gerekir. Elde edilen scaklk deerlerinin cva termometresi ile llen
deerlerle karlatrlmas yaplarak, doruluu kontrol edilmelidir.
Deneyin Yapl
A. Srnme Deneyi
Srnme deneyinde kalay kapl bakr tel kullanld. Deney scakln belirlemek iin bakrn ergime
scakl gz nne alnd. Srnme deneyi iin uygulanmas gereken scaklk 0,4 Te deerine uygun
olarak; ergime scakl 1083C olan bakr iin, 450C frn scakl tercih edildi.
Kalay kapl bakr tele 12 N deerinde arlk uygulandktan sonra tel uzunluu sabit bir noktadan
referans alnarak belirlendi. Ardndan frn 450C scakla ayarland ve frn 450C scakla
ulatnda, sabit referans noktasndan uzama miktar lld. Daha sonra, 10 dakika aralklarla yeni
uzama miktar lmleri yapld.
lm sonular ve bu sonulardan elde edilen srnme grafii, bu raporun stenenler blmnde
belirtilmitir.
-
8
B. Scaklk lm Deneyi
Deney iin %60 kurun, %40 kalay ieren tel kullanld. Tel krozeye (seramik potaya)
yerletirildikten sonra, frn 200C scakla kadar karld. Gerekli scakla ulaldktan sonra,
homojen olarak scakln yaylmas iin 10 dakika beklendi. Daha sonra kroze, frndan maa
yardmyla karld. Ergimi alam numunemizin iine termoift daldrlarak her 5 saniyede bir lm
alnd. lm alnma esnasnda, lmlerin homojen olabilmesi iin; termoiftin ucu, srekli olarak
numunenin iinde gezdirildi. Bu ileme scaklk, 150C scakla dene kadar devam edildi.
lm sonular ve bu sonulardan elde edilen srnme erisi grafii, bu raporun stenenler
blmnde belirtilmitir.
stenenler
A. Srnme Deneyi
Tablo 1: Srnme deneyinde yaplan lmlerden elde edilen deerler.
Uzama miktar (milimetre) Zaman
2,84 Balangtan, frn 450C scakla ulaana kadar
1,74 0 dakika ile 10 dakika aras
0 10 dakika ile 20 dakika aras
0,68 20 dakika ile 30 dakika aras
0,60 30 dakika ile 40 dakika aras
0,42 40 dakika ile 50 dakika aras
Yukardaki tabloda verilen, srnme deneyindeki lmlerden elde edilen deerlerin oluturduu
srnme grafii u ekildedir:
ekil 4: Srnme deneyi lmlerinden elde edilen srnme grafii.
-
9
Malzemede ykn uygulanmasyla birlikte, deney scakl olan 450C scakla gelene kadar 2,84
milimetrelik bir uzama gzlemlenmitir. Daha sonra srnme, birincil blgeye gemitir. 4,58
milimetreden, 6,28 milimetreye kadar ise; malzeme kararl srnme davran gstererek, bu blgede
srnme hz sabit kalmtr. Malzemenin srnme davrannda ncl blge gzlemlenmemitir.
Bu grafik zerinden, srnme hzn hesaplamaya alrsak; srnme hz, ikincil blgedeki (kararl
srnme blgesi) erinin eimidir. Kararl srnme blgesindeki uzama miktar; 6,28 4,58 = 1,7
milimetredir. Kararl srnme blgesinde geen sre ise; 50 20 = 30 dakikadr. Srnme hz ise;
kararl srnme blgesindeki uzama miktarnn, zamana oranyla bulunur. Srnme hz; 1,7 milimetre /
30 dakika = 0,05667 milimetre/dakika olarak bulunur. Bir baka ifadeyle bu deer, gerekli dnmler
yaplarak; 29,8044 metre/yl olarak da bulunur.
B. Souma Erisi
Tablo 2: Her 5 saniyede bir yaplan lmlerden elde edilen scaklk deerleri.
Sc
ak
lk
(C
)
217,7 216,8 216 214,9 214,2 212,7 210,8 210,5 209
207,5 206,4 205,5 204 202,4 201,4 200,3 198,8 197,3
196 195,1 193,5 192 190,8 189,5 188,1 186,3 184,5
183,5 182,4 181 180 179,3 179,3 179 179 172
169 166,1 164,3 163,1 159 159 158,9 157,8
Yukardaki tabloda verilen, scaklk deerlerinden elde edilen souma erisi u ekildedir:
ekil 5: Scaklk lm deneyi lmlerinden elde edilen souma erisi grafii.
-
10
Sonu ve Yorum
Srnme davran genel olarak, yksek scaklklarda alacak malzemelerde ok nemlidir. Gaz
tirbnleri, frnlar gibi mhendislik malzemelerinin tasarm ve hesaplamalarnda, srnme davran gz
nne alnmaldr. nk malzemeler, yksek scaklklarda farkl mekanik davranlar sergiler. Bunun
temel sebebi ise; oda scaklnda, malzemenin tane snrlarnn daha mukavemetli olmas fakat yksek
scaklklarda tane snrlarnn mukavemetinin dmesidir. Bu durum malzemedeki dislokasyon
hareketlerini hzlandrarak malzemenin daha dk gerilmeler altnda, daha abuk deformasyona
uramasna sebebiyet verir. Srnme davrannn nne geebilmenin yolu ise, temel olarak
dislokasyon hareketlerinin azaltmaktr. Bunu gerekletirebilmek iin ise; malzeme alamlandrlabilir,
souk ekillendirmeyle deformasyona uratlabilir veya kelme sertlemesi ilemiyle mukavemeti
arttrlabilir.
Kaynaklar
[1] KAYALI, E. SABR, Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri, 2. bask, T Kimya-Metalurji
Fakltesi Ofset Atlyesi, stanbul, Trkiye, 1990, s. 100102.
[2] KINIKOLU, NHAT G., Malzeme Bilimi ve Mhendislii Terimleri Szl, 1. bask, Trk
Dil Kurumu Yaynlar, Ankara, Trkiye, 2013, s. 105.
[3] CALLISTER, W.D., Malzeme Bilimi ve Mhendislii, 8. baskdan eviri, Nobel, Trkiye, 2013,
s. 265269.
Hazrlayanlar
Iraz Begm DEMR
2011512016
Mjde GARP
2011512024
Remzi GMEK
2011512025
nc KAMLOLU
2011512031