Malzeme Bilimi

Malzeme Bilimi

Öğr. Gör. Habib AKYAZI

Ders İçeriği

Malzemelerde Çevre koşullarının etkisi ve

korozyon

Malzemelerde Çevre koşullarının etkisi

• Malzemenin mekanik özellikleri; 20 oC civarında, yavaş uygulanan bir yük altında(statik yükleme), temiz, kuru ve düzgün kesitli malzeme örnekleri üzerinde saptanmaktadır.

• Kullanım esnasında bu deney koşullarının bulunamayacağı gayet açıktır.

• Bu nedenle malzeme, beklenenden farklı davranış gösterebilir.

• Örneğin, normal laboratuvar koşullarında düktil varsayılan bir

metal kullanım sırasında kırılgan hale dönüşebilir.

SICAKLIK

 Malzemeler genellikle çok düşük ve çok yüksek sıcaklık

derecelerinde, normal sıcaklıklar altında beklenenden çok farklı davranışlar gösterebilir.

 Örneğin, düşük sıcaklıklarda hacim merkezli kübik alaşımların düktilitesi ve enerji yutma kapasitesi düşer.

 Önemli yapı malzemelerinden çelik , 0 oC civarında kırılganlaşma gösterir

 Örneğin, yüksek kaliteli bir çeliğin (çekme dayanımı 1050 MPa) +25 oC’de Charpy darbe dayanımı 55 m.N iken, -78 oC’de bu değerin 28 m.N’ye düştüğü bulunmuştur.

SICAKLIK

 Tersine, sıcaklık arttıkça çeliğin akma sınırı düşer ve 300 oC 'den sonra bu sınır ortadan kalkar.

 Çeliğin çekme dayanımı da sıcaklık derecesi arttıkça azalır

(Çeliğin 500 oC'deki çekme dayanımı 20 oC'deki dayanımının

% 60'ı kadardır).

 Ayrıca, yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 300 oC), çelikte normal sıcaklıkta görülmeyen sünme olayını başlatır.

 Yeterince yüksek sıcaklıklarda, çok düşük şekil değişimlerinde

bile bazı metal ve alaşımlar kırılgan davranış gösterebilir.

SICAKLIK

 Ayrıca, sıcaklığın artması ile atomların daha hızlı

titreşmelerinden dolayı malzemenin boyutlarında bir artış (genleşme), tersi durumda sıcaklığın azalması ile de

boyutlarda bir azalma (büzülme) olduğu bilinen bir gerçektir.

 Malzeme yapıda kullanımı esnasında bu tür yüksek

sıcaklık değişimlerine maruz kalacaksa sözü edilen boy değişimlerinin izin verilebilen sınırları aşmaması

gerekmektedir.

YAPI KOŞULLARI

Laboratuvar deneylerinde örnekler serbestçe yüklenir, başka bir deyişle, yükleme sırasında örneğin yapacağı deformasyonlar engellenmemiştir.

Ancak, yapı içinde aynı malzemeden yapılmış elemanların davranışları kısıtlıdır.

Dolayısıyla malzeme iki veya üç eksenli gerilme etkisi altındadır.

Oluşan asal gerilmeler nedeniyle malzemeler uygulamada deneylerden farklı davranışlar gösterir.

Örneğin, malzemenin gerilme-birim şekil değiştirme davranışı, kırılma yükü değişebilir.

YÜKLEME HIZI

Malzemelerin kalite kontrol deneyleri belirli bir yükleme hızı veya deformasyon hızı esas alınarak gerçekleştirilir.

Düşük birim şekil değiştirme ya da yükleme hızlarında bütün eleman esner ve kopmadan önce daha çok enerji yutar.

Yükleme hızının belirli bir değeri aşması halinde esneme, kırılma

bölgesinde yoğunlaşır. Böylece elemanın tümü enerji yutmaz, gevrek bir kırılma gerçekleşeceğinden enerji yutma kapasitesi ve toplam

uzama azalır.

Tersine yükleme süresinin uzaması da malzemenin dayanımını büyük ölçüde olumsuz olarak etkiler.

DALGALANAN GERİLMELER

Gerilmelerin aralıklı olarak tekrarlı bir şekilde uygulanması malzemenin özelliklerini

olumsuz yönde etkileyip, malzemenin

kırılganlaşmasına neden olur.

KOROZYON

 Malzemelerin bulunduğu ortam (çevresel koşullar) tarafından kimyasal saldırıya uğrayarak bozulması korozyon olarak

tanımlanabilir.

 Korozyon kimyasal reaksiyon sonucu oluştuğundan, korozyonun meydana gelme hızı bir dereceye kadar sıcaklığa ve tepkimeye girenler ile ürünlerin konsantrasyonuna bağlı olacaktır.

 Doğada yaygın olarak bulunan demir oksitler, ancak ısı enerjisi

verilerek daha yüksek enerji durumundaki demir alaşımı olan çeliğe dönüştürülür.

 Daha sonra demir, çevre koşullarının etkisi ile paslanarak daha

düşük enerjili durumdaki demir oksit haline diğer bir deyişle aslına geri döner.

KOROZYON

 Metallerin korozyonu, yarattığı dolaylı rahatsızlıkların yanı sıra, her zaman malzeme israfına ve ekonomik kayıplara neden

olmaktadır.

 Yaklaşık olarak her yıl üretilen demir miktarının % 25'i kadar demirin korozyon nedeniyle kullanılamaz hale geldiği tahmin edilmektedir.

İki tip kimyasal etkilenme vardır:

1) Doğrudan kimyasal etkilenme, 2) Elektro-kimyasal etkilenme.

Doğrudan kimyasal etkilenme

 Doğrudan kimyasal etkilenmede bir elektron akımı (cereyan) yoktur.

 Bu tip etkilenmede metallerin yüzeyinde eş dağılımlı oksijen reaksiyonu oluşur.

 Doğrudan korozyon sonucu metal üzerinde oluşan yapışık

korozyon tabakasının kalınlığı, yaklaşık olarak, oluşma zamanının kare kökü ile orantılıdır.

 Bu tip etkilenmeye en iyi örnek, bakır çatı kaplamalarında görülen korozyon olayıdır.

 Özellikle endüstriyel bölgelerin atmosferlerinde bulunan oksijen, nem, sülfür oksitleri, çatı kaplaması üzerinde yeşil renkli,

erimeyen bakır sülfat örtüsü oluşturur.

Elektrokimyasal etkilenme

 Elektrokimyasal etkilenmede ise belirgin anot

bölgelerinden katot bölgelerine önemli bir elektron akımı vardır.

 İyon hareketi ile bir elektrik akımı doğar ve korozyon yerel olarak oluşur.

 Pillerin oluşması ile metal zamanla harap olur.

Anot: Elektron ve iyon kaybıyla diğer bir değişle malzeme kaybı ile korozyona uğrayan eleman

Katot: Elektron alan ve korozyona uğramayan eleman

Fiziksel temas: Anot ile katot

arasında elektriksel teması sağlayan eleman

Elektrolit: Anot ve katotu beraberce saran ve elektrik

iletim özelliği olan sıvı eleman

Elektro Kimyasal Korozyon

Korozyon hücresi

Korozyon

 Metallerin çevresi ile yaptığı kimyasal ve elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu metalik özelliklerini kaybetmesi olayıdır.

 Korozyon karmaşık bir olaydır ve tamamen önlenmesi mümkün değildir.

 Metallerin ısı etkisi ile aşınması, zımpara ve diğer araçlarla oluşturulan aşınmalar korozyon değildir.

KOROZYONUN ÖNEMİ

 Korozyon, özellikle metallerde büyük ekonomik kayıplara sebep olur. Korozyona karşı metallerin dirençlerini arttırmak amacıyla;

 yüzey kaplanabilir,

 metalin bulunduğu ortamın

etkisini azaltmak için ilave sistemler yapılabilir

 korozyona uğrayan parça yenisiyle değiştirilebilir.

KOROZYONUN ÖNEMİ

 Otomobiller, köprüler, direkler, iskeleler, gemiler, yeraltındaki boru hatları, baraj kapakları, dubalar, gibi metalik yapılar korozyona uğrayarak kullanılamaz hale gelmektedir.

 Ülkemizde bir yılda meydana gelen korozyon kayıplarının, 2010 verilerine göre yıllık çelik üretimimizin (26.1 milyon ton) yaklaşık üçte biri (8.7 milyon ton) kadar olduğu tahmin edilmektedir.

KOROZYONUN ÖNEMİ

 Korozyondan korunma herşeyden önce insan hayatı için çok önemlidir.

 Korozyon sınırlı olan metal kaynaklarının israfına yol açar.

 Genellikle bir ülkede yıllık üretilen metalin %13-16’sı bir daha kazanılmamak üzere kaybolur.

 Kaybedilen her kilo metal aynı zamanda enerji ve işçilik kaybıdır.

Direkt kayıplar

 Yatırım masrafları.

 Devamlı çalışan tesislerde korozyon nedeni ile durmalara karşı daha fazla malzeme kullanılması.

 Korozyon nedeni ile sistemde bozulan pompa v.s. Yerine yedeklerinin devamlı hazır bekletilmesi

 Kontrol, bakım ve tamir masrafları (boyama, kaplama)

 Tasarım masrafları, korozyona dayanıklı daha pahalı malzeme kullanma.

 Özel işlemler (gerilme giderme tavı v.b.)

KOROZYON KAYIPLARI

Dolaylı kayıplar

 Tesisin durması

 Üretimden kayıp

 Ürün kirlenmesi

 Yedek malzeme stoklama zorunluluğu

KOROZYON KAYIPLARI

 Parlak metal yüzeyleri donuklaşır.

 Demir üzerinde pas oluşur.

 Çinko beyaz ve donuk bir tabaka ile örtülür.

 Bakır üzerinde yeşil bir katman oluşur.

 Gümüş kararır.

 Platin ve altın parlak kalır.

KOROZYON SONUÇLARI

 Demir doğada genellikle oksit mineralleri halinde bulunur.

 Hematit (Fe2O3)

 Manyetit (Fe3O4)

 Bu minerallerden yüksek fırınlarda enerji harcanarak üretilen demir metali, zamanla korozyona uğrayarak doğada bulunan demir oksit minerallerine benzer bileşimdeki pası oluşturur.

Paslanma

PAS

 Pas, su ve hava varlığında oluşan demir ve oksijen bileşiklerine (genellikle kırmızı oksitler) verilen genel addır.

 Pasın değişik formları görsel olarak veya spektroskopi ile saptanabilir ve değişik koşullar altında oluşabilirler.

 Pas, demiroksit Fe(OH)₂

Orijinal civata Çinko kaplı Kaplamasız Sıcak dip galvanizli

CİVATA ÖRNEĞİ

Standart Elektrot Potansiyeli

METAL İYONLARI ELEKTROD

POTANSİYELİ (VOLT) Na ⁺

(AKTİF)

- 2.71

(ANODİK, KOROZYON EĞİLİMİ YÜKSEK

Mg²⁺ - 2.40

Al³⁺ - 1.70

Zn²⁺ - 0.76

Cr²⁺ - 0.56

Fe²⁺ - 0.44

H⁺ 0 (REFERANS)

Cu²⁺ + 0.34

Ag⁺ + 0.80

Au⁺ (SOY)

+ 1.50

(KATODİK, DAHA KORUYUCU)

 Bazı metaller kolay bazıları ise zor

korozyona uğrarlar.

 İki metal bir araya getirilince daha soy olan (az aktif olan) metal (+)elektrot,

diğeri (-)elektrot olur.

(-) elektrot olan metal korozyona uğrar,

diğeri ise korunur.

KOROZYONA ETKİ EDEN FAKTÖRLER

 Ortamın etkisi: Metallerin korozyona uğrama hızı büyük ölçüde bulunduğu ortamla ilgilidir. Ortamdaki nem miktarı, asitlik–baziklik durumu, kaçak akımlar ve çeşitli bakteriler korozyonu başlatıcı ve hızlandırıcı etken olarak karşımıza çıkar.

 Sıcaklığın Etkisi: Ortam sıcaklığının artması iyon hareketini artırarak korozyon hızını artırır. Sıcaklığın artmasının oksijen konsantrasyonunu düşürücü etkisi de vardır. Ancak bu etki iyon hareketinin artmasından kaynaklanan reaksiyonların yanında oldukça zayıf kalmaktadır.

 Malzeme Seçimini Etkisi: Korozyona sebep olan etkenlerden biri de birbiriyle potansiyel farkı bulunan metallerin bir arada kullanılmasıdır. Bu durum korozyonu başlatıcı ve hızlandırıcı bir etkendir. Örneğin, çok düşülen bir hata olarak çelik sacdan yapılan panoların üzerine konulan paslanmaz çelik cıvata ve contalar bulundukları bölgede galvanik korozyona sebep olmaktadır. Bu tip durumlarda ana yüzeye cıvatalar ya da contalar plastik ile izole edilmelidir.

 Sistem Dizaynı: Korozif malzemelerin depolandığı sistemlerde korozif ortamın (su vb.) birikmesini önlemeye yönelik tasarımlar uygulanmalıdır. Ayrıca arasında sıvı birikintisine neden olabilecek çok ince aralıklardan kaçınılmadır.

KOROZYONA ETKİ EDEN FAKTÖRLER

 Taneler Arası Özellik Farkları: Metallerin tane boyutları arasındaki farklar ve iki tanedeki farklı konsantrasyonlar neticesinde iki tanenin sınırı, korozyon başlangıcı için uygun bir ortam oluşturur. Çok düşülen bir hata olarak paslanmaz çelik malzemelerden imal edilen tanklar ve benzeri yapılardaki kaynak bölgeleri üretici tarafından hiç beklemediği halde korozyona uğratmaktır. Bu korozyonun önüne geçmenin yolu ya elektrotlu kaynak kullanmak ya da önleyici olarak galvanik anotlu katodik koruma sistemi uygulamaktır.

KOROZYONA ETKİ EDEN FAKTÖRLER

 Sistemin Bulunduğu Ortamın Oksijen Konsantrasyonu:

Aynı tip toprak içerisinde çözünmüş hava konsantrasyonu her yerde aynı olmayabilir. Farklı havalandırma koşullarındaki

sistemlerde yan yana duran sistem bir bölgede anot iken hemen yanındaki bölgede katot görevi görerek elektrokimyasal

korozyona sebep olabilir.

 Zemin Elektriksel Özgül Direncinin Etkisi: Düşük

elektriksel özgül dirençli bölgelerde iletkenliğin yüksek olması iyonik ortamın daha aktif olmasına sebep olmaktadır. Bundan dolayı korozyon mekanizması daha hızlı gelişir.

KOROZYONA ETKİ EDEN FAKTÖRLER

Zemin Elektrik Özgül Direnci( X ) Zemin Korozif Özelliği

X < 1.000 Çok korozif

1.000 < X < 3.000 Korozif

3.000< X < 10.000 Orta korozif

10.000 < X Az korozif

Zeminin Elektriksel Özgül Direncine Göre

Koroziflik Sıralaması

Korozyondan Korunma Yöntemleri

BETONUN ÇELİĞİ

KOROZYONDAN KORUMASI

BETONUN ÇELİĞİ

KOROZYONDAN KORUMASI

Örnekler

Örnekler

Kaynaklar

 Çağlar YALÇINKAYA, Yapı malzemesi I Ders Notları, Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

 Ahmet Aran , Malzeme Bilgisi Ders Notları, İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi

 Bartın Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Ders Notları, Korozyon

 Hayri Yalçın, Metin Gürü (2002). Malzeme Bilgisi. Palme Yayıncılık, Ankara.

 Baradan, B. (2011). Malzeme Bilgisi.DEU Mühendislik Fakültesi Yayınları, İzmir.

 Kocataşkın, F. (1975). Yapı Malzemesi Bilimi. Birsen Kitabevi Yayınları.