Fraktografik İncelemeler

Fraktografinin hedefi, kırılmış nesneleri analiz etme ve böylece oluşan kırılma yüzeyi topografisini nedenleri ve/veya kırılmanın temel mekanizmaları ile ilişkilendirmektir. Bu çalışmada sunulan ve fraktografinin Türkçe karşılığı olarak türetilen kırılma analizi, yoğun olarak yüksek ayırma gücü ile netlik derinliği kombinasyonu nedeniyle Tarama Elektron Mikroskobisi (Scanning Electron Microscopy; SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Genelde SEM-fraktografi, hasar analizinin önemli bir parçası konumundadır. Hasarın saptanmasında direkt olarak tam açıklama getirebileceği gibi örneğin metalografi, sertlik vb. türü yöntemlerle de ortaklaşa kullanılarak daha detaylı bir açıklama elde edilir. Tarama Elektron Mikroskobundaki kırılma analizinin yoğun bir kısmı malzemelerdeki kırılma yüzeylerinde yapılan kırılma nedeninin saptanması çalışmalarını kapsar.

Balistik performans açısından malzemenin uygulanan darbe etkisi altındaki davranışı önemlilik arz eder. Bu açıdan bakıldığında darbe altında malzemenin sahip olduğu plastik şekil değiştirme kabiliyeti ve çatlak ilerlemesine karşı direnç gibi kavramlar

en önemli kavramlardır. Hasar yüzeyleri incelenerek çatlak yüzeyinin son kırılma yüzeyine göre konumu ve her iki yüzeyin büyüklüğü yardımıyla kırılma nedeni hakkında aşağıdaki ipuçları elde edilebilir:

• Zorlamanın türü

• Zorlamanın yaklaşık seviyesi • Malzemenin çentik duyarlığı

Esasta kırılma süreci, çatlak oluşumu (çatlak çekirdeklenmesi) ve çatlak büyümesi (çatlak gelişmesi) etaplarından oluşur. Çatlak oluşumunda yukarıda belirtilen parametreler önemli bir rol oynar. Çatlak ilerlemesi ise kesitin binen yükü kaldıramayacağı seviyeye kadar devam eder ve parçanın katastrofal kırılmasıyla sonuçlanır.

Gevrek kırılma taneleriçi (transkristalin) veya tanelerarası (interkristalin) olabilir. Taneleriçi gevrek kırılma bir tane içinde kristal düzlemlerinin ayrılması ile başlar ve bu şekilde tüm kesitte ilerler. Tane sınırları çökeltiler veya katışkılar nedeniyle gevrekleşmiş ise tanelerarası gevrek kırılma meydana gelebilir. Gevrek kırılma yüzeyi makroskopik olarak en büyük normal gerilmeye diktir. Şekil 7.32 1000 °C, 30 dakika / 200 °C, 3 saat ısıl işlem uygulanmış zırh çeliğine ait çekme numunesinde yeralan taneleriçi kırılma örneğini göstermektedir. Gevrek kırılma karakteristiği olarak düz kırılma yüzeylerinden bahsedilebilir.

Mikroskop altında sünek kırılma yüzeyleri petekli yapı görünümleri ile tanınırlar. Teknik saflıktaki metallerde her zaman kalıntılar bulunur. Bunları çevreleyen malzemenin plastik şekil değişimi ile genişlemesinden boşluklar ortaya çıkar. Boşluk duvarlarının büzülerek kopması ile Şekil 7.33’de görülen çukurlar (petekvari yapı) oluşur. Bu çukurların dibinde çok kez metalik olmayan kalıntılara rastlanır. Petekli kırılmalar öncelikle taneleriçi olarak ilerler.

(a) (b)

Şekil 7.32. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000°C, 30 dakika / 200°C, 3 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin çekme numunesine ait SEM kırılma yüzeyleri.

Şekil 7.33. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000 °C, 60 dakika / 600 °C, 2 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin çekme numunesine ait SEM kırılma yüzeyi.

Bir kırılma yüzeyindeki boşlukların boyutu çekirdeklenen mikro boşlukların dağılımı ve sayısı ile ilişkilidir. Çekirdeklenme yöreleri yalnız birkaç tane ve geniş mesafeli ise mikroboşluk birleşmesi öncesi geniş bir boyuta büyürler ve sonuçta büyük boşluklara sahip olan bir kırılma yüzeyi oluşur. Küçük boşluklar birçok çekirdeklenme yöresi aktif olduğunda oluşur ve daha büyük boyuta büyüme fırsatına sahip olmadan önce mikroboşluklar birleşir. Mikroboşluk çekirdeklenme bölgelerinin dağılımı kırılma yüzey görünümünü büyük ölçüde etkiler. Bazı alaşımlarda, çekirdeklenen partiküllerin uniform olmayan dağılımı ve yüklenme çevriminin başlangıcında çekirdeklenen ve büyüyen izole gözenekler çeşitli boşluk boyutu sergileyen bir kırılma yüzeyi oluşturur (Şekil 7.34). Mikroboşluklar tane sınırlarında çekirdeklendiğinde tanelerarası boşluk kopması meydana gelir.

Şekil 7.34. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000 °C, 30 dakika / 200 °C, 3 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin çekme numunesine ait SEM kırılma yüzeyi.

Malzeme içi segregasyon alanları mekanik özellikler açısından istenmeyen alanlardır. Döküm konumunda dendritik katılaşma ile birlikte segrege olan elementlerin çok yoğun olduğu interdendritik alanlar oluşmaktadır. Bu tür yöreler tane sınırlarına benzer olarak düşük plastik deformasyon kabiliyetine sahip olup gevrek davranış sergileyen yörelerdir. Şekil 7.35a bu tür bir olguyu –hadde yönü boyunca- elde edilen kırılma yüzeyinde açıklamaktadır. İnterdendritik alanlar gevrek kırılma karakteristiği olan düz yüzeylere sahip olurken dendritik alanlar interdendritik alanlara kıyasla daha tok davranıp kırılma sonrasında petekvari görünümlü olacaktır. Şekil 7.35b ise bahsedilen bu gevrek-sünek geçiş alanını daha yüksek büyütmeli kırılma yüzeyinde açıkça göstermektedir.

(a) (b)

Şekil 7.35. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000 °C, 60 dakika / 600 °C, 2 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin çekme numunesine ait SEM kırılma yüzeyleri.

Fraktografik inceleme örnekleri çekme numunesinin boyuna konumu (hadde yönü doğrultusunda) için Şekil 7.36’da darbe numunesinin enine konumu (hadde yönüne dik) için Şekil 7.37’de verilmiştir. Her iki kırılma yüzeylerinin incelenmesi,

karakteristikte kuasi-tok (tok benzeri) gerçekleştiğini göstermektedir. Ancak yer yer kalıntıların neden olduğu ve gevrek kırılmaya benzer bir karakteristikte olan MnS kalıntısı boyunca deformasyonsuz kırılma görülmektedir. Kırılmanın mangansülfür kalıntı satırlarına paralel olarak gerçekleştiği çekme numunelerinde bu olgu son derece net olarak görülmektedir. Kırılmanın kalıntı satırlarına dik olarak gerçekleştiği darbe numunelerinde ise kalıntılar yalnızca koyu dairesel bir konumda görüldüğünden yalnız bu deliklerin çevresinde ilgili oluşum görülmektedir. Çelik analizinden de görüldüğü gibi tokluğa öncelikli etki eden kükürt miktarı 170 ppm seviyesinde ve oldukça yüksektir.

(a) (b)

Şekil 7.36. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000 °C / 1 saat + 600 °C / 2 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin çekme numesine ait SEM kırılma yüzeyleri.

(a) (b)

Şekil 7.37. Birinci deneysel zırh çeliği kompozisyonlu ve 1000 °C / 1 h + 600 °C / 2 saat ısıl işlemlenmiş çeliğin darbe numunesine ait SEM kırılma yüzeyleri.