Sürünme Deneyi Nedir?

Malzeme olmadan mühendislik olmaz sözünü duymuşsunuzdur. Mühendislik için bu denli önem teşkil eden malzemenin, yapısında meydana gelecek herhangi hasar oluşumu sağlık sorunlarından tutun maddi kayıplara kadar birçok sorun oluşmasına yol açar. Herhangi bir ürünün, birçok farklı malzemenin bir araya getirilerek oluşturulduğunu düşünürsek, bir malzemenin hasara uğraması; bir ürünün tamamlanamamasını ya da büyük zaman kayıplarını işaret eder. Bu gibi sebeplerden dolayı mühendislerin en çok çekindiği konulardan biri malzemenin hasara uğramasıdır. Tabi ki bu hasar, kontrolsüz bir şekilde gerçekleştiği takdirde sorun teşkil eder. Kontrol dışı meydana gelen, malzeme hasarlarını önlemek amacıyla, birtakım işlemler uygulanır. Üründe kullanılacak malzemenin kullanılacağı çalışma şartları sağlanarak, malzeme, kontrollü bir şekilde hasara uğratılır. Malzemenin vereceği reaksiyonlara bağlı bir şekilde değişimler ve geliştirmeler yapılır. Sürünme deneyinin varoluş amacı da buna dayanmaktadır. Şimdi de sürünme deneyini bütün detaylarıyla inceleyelim.

Sürünme Deneyi Nedir?

Sürünme, bazı dış etmenler sebebiyle malzemede oluşan deformasyona verilen addır. Peki sürünme deneyi nedir? Sürünme deneyi, malzemelerin belirli bir sıcaklık ve belirli bir yük altında verdiği tepkilerin incelenmesi işlemidir. Sürünme deneylerinde, sürünme sınırı tayin edilir. Peki bu sürünme sınırı nasıl tayin edilir?  Sürünme sınırı, malzemenin belirli bir sıcaklıkta kopmadan hemen önce belli zaman periyotlarında yaptığı uzamalarla tayin edilir. Test sırasında malzemenin %1’lik plastik deformasyona uğraması takdirde test sona erdirilir. Sürünme deneyi üç aşamadan oluşur, birinci aşamayla anlamlandırmaya başlayalım…

Birincil Sürünme:

• Birincil sürünme, sürünmenin ilk evresidir.
• Yükün etkisiyle numune uzar, burada dislokasyon hareketler oldukça fazladır.
• Numunede deformasyon sertleşmesi olur.
• Diğer taraftan yüksek sıcaklıkta olduğundan tavlama ile iç gerilmeler giderilir. Kendine gelme, toparlanma oluşur.
• Deformasyon sertleşmesi daha hakim olduğu için sürünme hızı gittikçe düşer, yani malzemenin direnci artar.

Nedir bu dislokasyon? Dislokasyon, diğer adıyla çizgisel kusur; malzeme biliminde, kristal yapıların atomsal dizilişlerinde bir çizgi boyunca görülen kusurlardır.

Peki, bu evrede dislokasyon hareketlerinin fazla olmasının nedeni nedir? Deney başlangıcında, ilk yük uygulandığı esnada, malzeme şekilsel olarak kararlı bir yapıya bürünene kadar şekil değişimi meydana gelir. Bundan dolayı dislokasyon hareketleri artar. Dislokasyon hareketlerinin artması, dislokasyon yığılması ve malzemenin mukavemetinin artması demektir. Bunun dışında birincil sürünme de gerilmelerde azalmalar meydana gelir. Bunun en büyük nedeni ise sıcaklıktır. Bu evre, hesaplamalarda dikkate alınmaz. Bunun sebebi ise meydana gelen kararsız plastik şekil değişimleridir.

İkincil Sürünme

• Bu bölgenin diğer bir adı kararlı sürünme bölgesidir.
• Bu süreçte eğrinin eğimi ve sürünme hızı sabittir.
• Kararlı sürünmeye sebep olan gerilime, sürünme mukavemeti olarak isimlendirilir.
• Sürünme sürecinin en uzun aşaması budur.
• Bunun sebebi, deformasyon sertleşmesi ile toparlanma arasında bir denge oluşmasıdır.
• 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 olduğu için sürünme rejimine geçilir.

Sürünme hızının sabit olmasının nedeni, bu bölgede dislokasyonların aktif hale getirdiği pekleşme mekanizması ile toparlanma mekanizması birbiriyle dengeli haldedir. Belki de ikincil sürünmeyi bu denli önemli kılan etken, bu bölgeden oluşan lineer doğrunun eğimi, malzemenin sürünme hızını vermesidir.

Üçüncül Sürünme

• Sürünmenin üçüncü ve son evresidir.
• Bu aşamada sürünme hızında artış gözlenir.
• Bu süreçte malzemede iç çatlaklar, boşluklar, tane sınırı ayrılmaları, boyun verme gibi olaylar gerçekleşir.
• Boyun verme ve iç boşlukların oluşmasına bağlı olarak kesit alanında ciddi bir azalma olur.
• Bu gelişmelerin sonunda ise deformasyon hızı süratle artar ve bu sürecin sonunda kopma gerçekleşir.

Sürünme Deneyini Nasıl Yapılır?

İlk olarak, sürünme özellikleri belirlenmek istenilen malzemenin alt ve üst çeneye uyumlu numuneleri üretilir. Elde edilen numuneler, fırın kapağı açılarak alt ve üst çeneye yerleştirilir. Yerleştirildikten sonra fırının kapağı kapatılır ve istenilen sıcaklığa ulaşılınca, numuneye yük uygulanır ve kronometre yardımı ile süre tutulur. Peki istenilen sıcaklık değeri kaçtır? İstenilen sıcaklık 450°C’dir. Kaydetme işlemi, elektronik bir kayıt sistemi tarafından yapılır. Bu kayıt sistemi istenilen zaman aralıklarıyla numunedeki uzamayı ve sıcaklık değişimlerini 100 mm genişliğindeki bir çıktı kağıt sayesinde rapor eder. Kayıt sisteminin verdiği rapor, belli aralıklarla kontrol edilir. Rapora göre sıcaklık değerlerinde bir sapma varsa deney hemen iptal edilir. Bunun nedeni ise sürünme deneyi, sabit sıcaklıkta yapılması gerekilen bir deneydir. Şayet rapor incelendiğinde uzama verilerinde bir sapmaya rastlanırsa, numune ya kopmuş ya da çalışma boyutlarını geçmiş demektir. Ayrıca bu raporlardan elde edilen verilerden yararlanılarak uzama-zaman grafiği çizilir. Deney süresi çok uzun olacağı için nadiren de olsa meydana gelebilecek anlık güç kesintisine karşı, kesintisiz güç kaynağı çalıştırılmalıdır.

Sürünmeye Etki Eden Faktörler

Sürünmeye etki eden dört ana başlık vardır. Şimdi bunları daha detaylı inceleyelim…

Tane Boyutu Etkisi

• Sürünmeyi en çok etkileyen faktör nedir? diye bir soru gelecek olursa, tane boyutu cevabını verebiliriz.
• Tane boyutu küçük olan malzemeler, tane boyutu büyük olan malzemelere kıyasla daha dayanıklıdır.
• Bilim dünyası istisnalarla doludur, o istisnalardan biri burada da karşımıza çıkar. Şartlar ekikohezif sıcaklığının üstünde ise bir önceki maddenin tam tersi bir olay gerçekleşir. Yani tane boyutu daha büyük olan malzemeler daha avantajlı bir duruma gelir.

Alaşımlandırma Etkisi

• Alaşım elementinin ilavesi ile malzemede sert karbürlerin oluşumu sağlanır.
• Böylelikle dislokasyon hareketleri engellenmiş olur.
• Çeliğin sürünme direnci, çözeltide kalan Ni, Co ve Mn gibi ve karbür yapıcı Cr, Mo, W ve V gibi elementler ile artar.

Ergime Sıcaklığı Etkisi

• Öncelikle şunu söylemekte fayda var, ergime sıcaklığı ile aktivasyon enerjisi doğru orantılı bir grafik izler.
• Ergime sıcaklığı yüksek olan malzemelerin yüksek sıcaklıklardaki tane sınırları daha dayanıklıdır.
• Sonuç olarak ergime sıcaklığı yüksek olan malzemelerin, sürünme dayanımı daha yüksektir.

Mikroyapı Etkisi

• Sürünmeye dayanıklı olsun diye yola çıktığımız malzeme tasarımlarında, yönlü katılaştırma yöntemi ile üretilmiş, yönlü taneli mikroyapı yöntemi kullanılmalıdır.
• En yüksek sürünme dayanımını gördüğümüz mikroyapı şekli ise tek kristalli yönlü karşılaştırılmış malzemelerdir.

Metallerde Sürünme Mekanizmaları Nelerdir?

Metallerin sürünme mekanizmaları üç ana başlıkta toplanır.

• Dislokasyon kayma ve tırmanması
• Difüzyon Akışı
• Tane Sınır Kayması

Şimdi ise daha detaylı inceleyelim…

Dislokasyon Kayma ve Tırmanması

Dislokasyon tırmanmasından bahsedebilmek için yüksek sıcaklıklara ulaşmak gerekir. Peki dislokasyon tırmanması nedir? sorusuna cevap olarak, yüksek sıcaklıklara ulaşılan dislokasyonların, tane içindeki boş yerlere yayılması sonucu bulunduğu düzlemi terk etme olayına dislokasyon tırmanması denir. Dislokasyonların, diğer bir göze çarpan özelliği ise düzensiz bölgelerden uzağa doğru tırmanırken aynı zamanda kaymaya da devam etmesidir. Bilim dünyasında her eylemin bir sonucu olduğu gibi dislokasyonlarında düzensiz bölgeden uzağa doğru kayması, dış kuvvet tarafından uygulanacak en küçük gerilmede dahi malzemenin şekil değiştirmesi kaçınılmaz bir hale gelir.

Difüzyon Akışı

Şartların gerekliliğine bakıldığında, dislokasyon tırmanmasıyla benzer bir yapıda olduğunu görmekteyiz. Difüzyon akışı, tıpkı dislokasyon tırmanmasında olduğu gibi yüksek sıcaklık koşullarında meydana gelen bir sürünme mekanizmasıdır. Sıcaklığın artması sonucu taneleri bir arada tutan kuvvet azalır ve böylelikle malzeme üzerindeki gerilme ile taneler difüzyon yolu ile birbirlerinden ayrılırlar.

Tane Sınırı Kayması

Düşük sıcaklıklarda tane sınırları hareketsiz ve dislokasyonalara engel teşkil ederken, yüksek sıcaklık şartlarında ise tane sınırı kayma mekanizması aktif hale gelmektedir. Sıcaklığın artması ve deformasyonun düşmesi sonucu taneleri bir arada tutan kuvvetler azalır ve etki eden gerilme şiddeti ile taneler birbirlerinin üzerinden kayar. İnce taneli malzemelerde çok sayıda tane ve bol miktarda tane sınırı olduğu için bu mekanizmanın rolü artar. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda büyük taneli malzemeler kullanmak daha avantajlı olacaktır. Jet motorlarının türbin kanatçıklarında Ni (nikel) esaslı süper alaşımlarının tek kristalli olarak kullanılmasının nedeni de buna dayanmaktadır.

Sonuç

Sabit bir gerilme uygulanan metallerin 0,4 Tm üstündeki sıcaklıklarda zamana bağlı deformasyona uğraması olayına sürünme denir. Tipik bir sürünme eğrisi üç bölgeden oluşur. Sürünme eğrilerinden, mühendislik uygulamaları adına önemli bilgilerin elde edildiği en önemli bölge, ikinci bölge olarak bilinir. Diğer bir adı kararlı sürünme olarak bilinen, ikinci bölgede eğim; sürünme hızı ve kopma değerleri elde edilir. Yüksek sıcaklıklarda kullanılacak alaşımların seçimi oldukça önemli bir husustur. Bu alaşımlar arasında Ni ve Co esaslı süper alaşımları, paslanmaz çelikleri ve refrektar metalleri sayabiliriz. Sürünme deneyinin öncelikli amacı, malzemenin kullanılacağı çalışma şartları sağlanarak, malzeme, kontrollü bir şekilde hasara uğratılır. Malzemenin vereceği reaksiyonlara bağlı bir şekilde değişimler ve geliştirmeler yapılır. Mühendislik uygulamalarında, doğru malzeme seçimi hayati derecede önem taşır. Sürünme deneyi sayesinde de doğru malzeme seçimi, çok daha kolay bir şekilde gerçekleştirilir.