Termal şok ve termal yorgunluk dayanıklılığı–malzeme değerlendirmes

Bir malzemenin çatlama olmaksızın dayanabileceği yüzeyin sıcaklığında en beklenmedik artış, termal şok dayanıklılığının tipik ölçümü olarak tanımlanmaktadır. Birçok malzeme özelliği, termal şok dayanıklılığı ve termal yorgunluk dayanıklılığının temelleridir. Bunlar, termal yayılma katsayısı α, termal iletkenlik k, termal yayılma gücü K, elastik modül E, kırılma tokluğu KIc, ve gerilme (kırılma) gücü σf ve ısı transferinin katsayısı h, numune boyutu ve termal şokun süresine ilişkin geleneksel parametrelere bağlıdır [5]. Tipik olarak kullanılan bir termal şok – termal yorgunluk dayanım parametresi, R=σf /Eα or R'=kσf /Eα uygunluk parametresidir. Biot sayısının büyük değerleri için (β = bh/k), örneğin; büyük ısı transferi katsayısı h, yarıçap ya da kalınlık sırası ile r ya da b ve küçük termal iletkenlik k ya da termal gerilmeler mekanik olarak kısıtlanan malzemenin bir neticesi olduğunda, termal şok dayanıklılığı R olarak tanımlanmaktadır. Oldukça küçük Biot sayıları için, örneğin; küçük ısı transferi katsayıları, küçük yarıçap ya da kalınlık ve geniş iletkenlik ya da termal gerilmeler hızlı ısıtma ya da soğumadan kaynaklanan termal artışlarının bir neticesi olduğunda, termal şok dayanıklılığı R ile tanımlanmaktadır (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Bu parametreler, termal yorgunluk dayanıklılığını yansıtmak ve termal yorgunluğun tekrarlayan termal şokların bir serisi olduğunu düşünmemiz halinde bu malzemelerin sıralandırılmasında kullanılabilir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Bu bağlamda, elementlerin bir alaşımın kimyasına eklenmesinin etkisi, katkılarına bağlı olarak şu şekilde değerlendirilmelidir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

a) Malzemenin termal özellikleri: termal genleşme katsayısı, belirli ısı ve termal iletkenlik

b) Karbür konfigürasyonu, tekrarlayan gerinimlere karşı koymak için kapasitedeki neticelenen artış ile güçlenen katı çözelti ve sünme etkinliğinin modifikasyonu ile malzemenin güçlendirilmesi.

c) Mikro yapısal stabilite ve oksidasyon dayanıklılığı. 2.2.2.1 Termal iletkenlik

Sıcaklık artışı yönde durağan durumdaki birim zamanda oluşan birim sıcaklık artışı nedeni ile iletilen ısı miktarı, termal iletkenlik olarak bilinmektedir. Bu nedenle de ısı transferi yalnızca sıcaklık artışına dayalı olduğunda, bu durum meydana gelmektedir. Yukarıda açıklanan durum altında yüzey ve altında yatan tabaka arasında daha düşük bir termal artış oluşturularak termal yorgunluk, daha yüksek bir termal iletkenlik ile düşürülecektir. Denklem (2-1) ve (2-2), daha düşük bir ısı artışının malzemedeki basıncı azaltacağını temsil etmektedir. Termal iletkenliğinin yüksek değerinden büyük bir oran, basınçlı bölüm kalıplarında molibdenum eklerinin kullanılmasından etkilenmektedir .Buna rağmen, bu parametrelerin etkisi sıcaklık ile farkı nedeni ile oluşacak işletim durumlarında altında azaltılabilir. Örneğin; ferritik çelikler genellikle östenitik çeliklere nazaran daha yüksek bir termal iletkenlik değerlerine sahiptir fakat yüksek bir sıcaklıkta 1073 K’da kalırlar ve termal iletkenlikleri de buna benzerdir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Buna ek olarak, yüksek bir termal iletkenlik değeri malzemenin iyi bir ısı iletkeni olduğunu düşük bir değer ise malzemenin kötü bir ısı iletkeni ya da yalıtkan olduğunu göstermektedir. Soğutmanın kanalının etkili tasarımı, ısının ilk olarak kavite yüzeyinden soğutma kanalına iletilmesi gereken bir ısı yayınım hızı geliştirmektedir. Bu nedenle de, kalıp malzemesinin termal iletkenliği büyük ölçüde HPDC sürecinin ısı transferi mekanizmasını kontrol etmektedir. Buna rağmen, neredeyse tüm HPDC süreçlerinin daha düşük bir termal iletkenlikli bir kalıba bir eritilmiş metal yerleştirilmesini içerdiği not edilmelidir. Ayrıca, termal iletkenlik özellikleri bakımında da alüminyum HPDC için kalıp malzemelerinin ısı kontrolüne dayanıklı olması ve eritilmiş alüminyum hızlı bir akışında arındırma ve lehimlemeye

karşı iyi bir dayanıklılığa sahip olması gerekmektedir. Dolayısıyla da H13 takım çeliğinin, uygulamada alüminyum HPDC kalıpları için yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Bu nedenle de düşük iletkenlikli H13 takım çeliklerinin kullanılması, üretim oranı üzerinde en etkileyici faktörlerden biri olan etkili bir ısı transferi oranından ödün vermektedir. Bunun aksine ise, takım çeliğinin bir ikamesi olarak yüksek termal iletkenlikli malzemelerin kullanılması çevirim süresinde karşılık gelen bir azalma ve artan üretkenlik ile dökümden daha kısa sürede ısı yayılmasına izin verecektir (Imran, 2012).

2.2.2.2 Termal genleşme katsayısı

K derecesi başına uzunlukta ve 273 K’da uzunlukta değişim oranı, doğrusal termal genleşme katsayısını tanımlamaktadır. Hacim genleşmesi katsayısı ise, doğrusal katsayının yaklaşık üç katıdır. Gerilimin büyüklüğü ise, denklem (2-1)’de gösterildiği gibi sıcaklık artışı bileşeni ve termal genleşme katsayısı bileşeni ile belirtilmektedir. Tx sıcaklığına maruz tutulan bir elementin eksensel yönündeki bir genleşme, Duhamel analojisine uygun olacaktır (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

ε = αTx (3-1) Elementin ana boyutuna geri getirilmesi ile oluşturulan basınç gerilimi, şu şekilde olacaktır (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

σ = -EαTx (3-2) Isıya dayanıklı metaller, metaller arasında en düşük termal genleşme katsayılarına sahiptir.

Bunun bir neticesi olarak da ısıya dayanıklı alaşımlar, termal yorgunluğa üst düzey dayanıklılığa sahiptir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

2.2.2.3 Elastiklik modülü ve gücü

Malzemenin sertliğinin ölçümü, elastiklik modülü olarak tanımlanmaktadır. Elastik deformasyon aralığında, elastiklik modülü basınç ve gerilme oranı olarak tanımlanmaktadır (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002):

E = σ/ε (3-3) Belirtilen basınç için, daha düşük basınçlarda daha düşük bir modül etkisi. Nispeten daha yüksek bir genleşme katsayısı ile kombine edilen yüksek bir Yang modülü nedeni ile termal olarak sarsıldığında, düşük güç ve düşük termal iletkenlik oluşur:

bunun neticesinde bazı metalik fakat yapısal seramik malzemeler başarısızlığa karşı hassastırlar.Genelde ise basıncın elastik bileşen büyük olduğunda ve plastik bileşen klasik bir termal döngü boyunca küçük olduğunda, düşük Yang modüllü bir malzeme ve bir sünme dayanımı kabul edilebilirdir. Yüksek güçte – yüksek düktilitede (yüksek tokluk) bir malzeme, en iyi özellik kombinasyonudur. Maalesef ki yüksek güç, en düşük düktilite değeri ile ilgilidir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

Sıcak sertlik ve sıcaklık ile gücün farkı, malzemelerin termal yorgunluk dayanıklılığı bağlantılı olan en önemli konudur. Özellikle yüksek sıcaklıklarda, çelik yüzeyleri güç ve sertlik kaybeder. Bu gerçek ise, termal yorgunluk dayanıklılığını düşürecektir. Hemen hemen sıcaklık ile durağan olan Eα’daki fark nedeni ile, R ve R' parametreleri sıcaklıkla değerlerini değiştirmeyecektir. Değişiklik, ana olarak termal iletkenlikte oluşan artış ile telafi edilemeyecek olan daha yüksek bir sıcaklıkta güç düşüşü nedeni ile oluşmaktadır (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).

2.2.2.4 Mikroyapı üzerinde termal çevirim etkisi

Mikroyapıdaki fark edilebilir değişiklikler, arttırılmış devirli sıcaklıklar ve termal basınçlara uzun süreli maruziyetin bir neticesi olabilir. Gücü azaltan başarısızlığa bir katkı da, ayrıca mikro yapısal istikrarsızlıklar olarak da adlandırılan metalürjik yapıda meydan gelen bu değişiklikler tarafından yapılmaktadır. Tane içsel ve taneler arası kırık geçişi, yeniden kristalleşme, yaşlanma ya da aşırı yaşlanma, aşama çöküntü dekompozisyonu ya da karbürlerin kabalaştırılması, istikrarsızlık kaynakları öğeleridir. Ayrıca mikro yapısal istikrarsızlık da, boitlerin ya da nitritlerin, metalik aşama arası çöküntünün, dengeleme aşamasına gecikmeli dönüşümün, düzenlilik- düzensizlik dönüşümü, genel oksidasyon, taneler arası korozyon, basınç-korozyon çatlaması, cüruf zenginleştirilmiş korozyon ve çoklu iz elementler ile kontaminasyondan kaynaklanabilir (Schwam, Wallace, & Birceanu, 2002).