MAL 201 (6)
POLİMERLER, KOMPOZİTLER
VE
KOROZYON
Aralık 2014
POLİMERLER
Polimerler
*
**
*Zayıf bağ
**Kuvvetli bağ
Merlerin birleşmesi ile polimerin oluşumu
(Zayıf)
Çapraz bağlar kuvvetli bağlardır
Polimer malzemeler
Karbonun diğer C veya H, O, OH, Cl gibi element veya
iyonlarla kovalent bağlar yaparak oluşturduğu molekül
zincirlerinin Van der Waals bağları ile bir arada
bulunması ile oluşan malzeme grubuna verilen isimdir.
Zincir içinde kovalent bağ
Zincirler arasında van
der Waals bağ
Polietilen:
Zincirin omurgası, Birbirlerine kovalent bağlı C
atomları tarafından oluşturulmuş. Her bir C
atomuna kovalent olarak bağlı 2 H mevcut.
*
Polimer oluşum reaksiyonları
Molekülleri zincir oluşturması için meydana
gelen reaksiyonlar;
1)
2)
3)
4)
–
Polimerizasyon
Kopolimerizasyon
Poliadisyon
Polikondanzasyon
Diğer mekanizmalar
•
•
•
Harmanlama
Dallanma
Çapraz bağ oluşumu
Polimerizasyon
•Polimer; MER adı verilen çok sayıda doymamış
moleküllerin bir araya gelmesi ile oluşur.
•Örneğin;
– Etilen molekülü –basınç, ısı veya katalizör yardımıyla
C’ lar arası çift bağın teki parçalanır ve Mer
durumuna geçer.
– Mer molekülleri birbirine eklenerek polimerizasyon
reaksiyonu oluşur.

Monomer
Polimerizasyon
Polietilen
Mer
• Bu şekilde n tane molekül birbirine eklenir ve
Polietilen meydana gelmiş olur.
• “n” MER sayısını ve polimerizasyon derecesini
gösterir.100-1000 arasında değer alır.
• Herhangi yan ürün çıkmaz.
• Genelde termoplastikler bu reaksiyonla oluşur.
Kopolimerizasyon
• Polimerizasyon reaksiyonunda birden fazla farklı türde
MER in tekrarlı yapıda bir araya gelmesi ile oluşur.
• Yan ürün çıkışı olmaz.
• Vinil klorür oluşumu.
Polikondansasyon
• Farklı moleküllere sahip MER ler ürün vererek bir araya
gelir ve zincir oluşturur.
• Genelde termoset oluşumunda rastlanır.
• Reaksiyonda yan ürün vardır.
• Dimethil terefilat ve etil alkolün reaksiyonu neticesi PET
oluşur. Yan ürün olarakta metil alkol oluşur.
Reaksiyona
girenler
Ürünler
+
Formaldehit
Fenollar
Ticari adı “bakalit” olup termoset
polimerdir.
Uzay ağı yapısı
Poliadisyon
• Başlatılması için bir başlangıç moleküle ihtiyaç olduğu
reaksiyonlardır.
• H2O2, Etilen monomeriyle reaksiyona girerek yeni bir
zincir meydana gelmesini sağlar.
Bakalitin oluşumu
yandaki
Karşılaşma sıklığı
Yapısal özellikler
• Harmanlama: Farklı molekül zincirlerinin bir araya
gelmesi ile oluşur: ABS
• Dallanma: Ana zinciri meydana getiren karbona
başka bir zincirin bağlanması neticesi oluşur.
• Çapraz Bağlanma: Uzun zincir moleküllerinin
birbirlerine yan dallanmış bağlarla bağlanması.
– Vulkanizasyon sırasında kükürtün yardımıyla
çapraz bağ oluşumu.
– Polimerin dayanımı artar fakat sünekliği azalır.
(a)Linear dallanmamış
(b)Linear dallanmış
(c) Çapraz bağlı dallanmamış.
(d) Çapraz bağlı dallanmış.
Dallanma
Büyük bir yan grup R yerine bir polimer
zincirine bir başka
birine
polimer zincirinin eklenmesi, dallanma olarak adlandırılır.
Dallanma sonucu zincirlerin hareketleri zorlaşır.Rijitlik ve
mukavemet artar.
S (kükürt) çapraz bağ görevi üstleniyor.
Polimerlerin yapısı
YAPI TİPLERİ:
• Camsı: Amorf
• Kristal
• Karışık yapı: Camsı/Kristal
Tamamen kristal yapı pek görülmez; Karışık
yapı olabilir.
– Moleküllerin karmaşıklığı
– Soğuma hızının artması
kristal oluşumunu zorlaştırır.
Polimer Çeşitleri
3 tip polimer mevcuttur
– Termoplastikler
– Termosetler
– Elastomerler
Termoplastikler:
Elastik lineer
zincirler
Termosetler: Rijit
üç boyutlu zincir
ağı
Elastomerler:
Lineer çapraz
bağlı zincirler.
Termoplastikler
•
•
•
•
•
•
•
•
Isı etkisiyle yumuşayabilirler
Polimerizasyon reaksiyonu ile üretilebilirler
Daha çok lineer yapı gösterirler
Artan sıcaklıkla önce vizkoz sıvı sonrada sıvı duruma
geçer.
Camlaşma sıcaklığının altında gevrek davranır.
Tekrar kullanılabilirler.
Düşük sürtünme katsayıları vardır.
Pres, enjeksiyon, haddeleme, ekstrüzyon, gibi imalat
yöntemleri uygundur.
• Aralarında
– Genel amaçlı (PE, PVC, PS, ABS)
– Mühendislik (PET, Teflon, PC, vs)
– Elastomer polimerler.
• Aralarında
– Genel amaçlı (PE, PVC, PS, ABS)
– Mühendislik (PET, Teflon, PC, vs)
– Elastomer polimerler.
Termosetler
• Isı ile yanarak kömürleşirler; dolayısıyla sıcaklıkla
yumuşamazlar.
• Genellikler polikondanzasyon reaksiyonu ile imal
edilirler; yan ürün verirler
• Molekül zincirleri ağ yapısında çapraz bağlara
sahiptirler
• Camlaşma sıcaklığı alt ve üstünde gevrek davranırlar.
• Gevrekliği azaltmak için dolgu malzemeleri kullanılır.
• Kompozit malzemelerin üretimine uygundur.
• Epoksi, polyester, bakalit, vs.
Elastomerler
• Çok yüksek elastik özellik gösterirler. Uzamaları
%1000 e ulaşabilir.
• Dayanımları düşüktür. (Doğal kauçuk, lateks, vs.)
• Vulkanizayon yardımıyla molekül zincirleri arasında
çapraz bağlar oluşturulabilir ve lastik şeklinde
üretilerek dayanımı arttırılabilir.
• Bütadin/isopren/Neopren/Silikon, vs.
Elastomerler
• Elastomerlerde doğrusal olmayan elastik deformasyona uğrar.
• Elastik harakette önce yumaklar açılır sonra birbiri üzerinde
kayar.

Bağlarda uzama
Zincir
yumaklarının
açılması

(Eski haline dönemiyor)
Visko elastik davranış
Katkı maddeleri
• Plastikleştiriciler: Yumuşatır ve camlaşma sıcaklığını
düşürür
• Dolgu maddeleri: Gevrekliği azaltır/Ekonomiklik sağlar
• Takviyeler; kompozi malzeme yaparak dayanımı arttırır
• Stabilizatörler; Ortam etkisini indirgeyerek degradasyonu
azaltır.
• Alevlenme Önleyiciler; Kolay alevlenme ve yanmayı
önlerler
• Renklendiriciler; Polimerleri renklendirmek için kullanılır
Mekanik Özellikler
Mekanik özellikler
Termoplastikler:
• Elastik kısmın eğimi “elastik modülünü” verir.
• Akmadan sonra, boyun verme olur: Kesit daralır,
molekül zincirlerinin yumakları açılır, çekme
doğrultusunda yönlenir ve birbirine yaklaşır.
• Boyun vermeden sonra, Van der Waals bağları etkisini
arttırır ve molekül zincirleri daha sıkı tarzda bağlanır ve
dayanım artar.
• Kopmanın meydana geldiği gerilmeye “çekme
dayanımı” denir ve genelde elde edilen kopma uzaması
değeri ile birlikte rapor edilir.
• Elastik Ş.D.: Yumakların açılması, zincirlerin düzelmesi,
Bağlarda uzama.
• Plastik Ş.D.: Zincirlerin arasında kayma.
• Çapraz bağ: Viskoelastik S.D. azaltır, dayanımı arttırır,
süneklik azalır. Isıyla erime yeteneği kaybolur.
• Termosetler her sıcaklıkta gevrek davranış gösterir

Çekme dayanımı
Akma dayanımı
Boyun verme
Plastik deformasyon
Nonlineer elastik deformasyon
Lineer elastik deformasyon

Kopma

Lineer elastik

Viskoelastik Davranış
Elastik deformasyon zamana bağlı değildir.Yani uygulanan
gerilme sonucu elastik şekil değişimi aniden oluşur.Yük sıfır
olunca da elastik ş.d. aniden sıfır olur.
Ancak bazı hallerde, zamana bağlı olarak gelişen elastik
bileşen mevcuttur.Yani gerilmenin uygulanmasından sonra
elastik şekil değişimi zamanla devam eder ve gerilmenin
kaldırılmasından sonrada elastik şekil değişiminin sıfır
olması için belirli bir zaman gerekir.Bu zamana bağlı elastik
davranışa anelastisite adı verilir. Metallerde bu anelastik
bileşen normalde çok küçüktür ve ihmal edilir. Ancak bazı
polimerik malzemelerde bunun şiddeti önemli ölçüdedir
ve bu durum viskoelastik davranış olarak adlandırılır.
Visko-elastik Davranış
Rijit
Log E
• E-T diyagramıyla ifade
edilir.
• Camlaşma ve ergime
sıcaklıkları arasında kalan
bölgeler farklılık gösterir.
– Rijit bölge
– Deri kıvamında bölge
– Lastik kıvamında bölge
– Vizkoz bölge
Deri kıvamı
Lastik kıvamı
Vizkoz
Tc
Te
Artan
Çapraz bağ
Cam+
Kristal
%100
Camsı
%100
Kristal
Amorf polimerler
1.Camsı (Camlaşma) geçiş sıcaklığından daha düşük
sıcaklarda cam(amorf katı) gibi davranırlar:Bu sıcaklıklardaki
düşük deformasyonlarda davranışları elastiktir ve Hook
kanununa uyarlar : σ = Eε
2.Camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki orta derecedeki
sıcaklıklarda lastik gibi davranırlar (viskoelastik)
3.Daha yüksek sıcaklıklarda ise viskoz sıvı (örneğin bal) gibi
davranırlar.
Bu iki ekstrem arasındaki (yani cam ve viskoz sıvı) orta
derecedeki sıcaklıklarda lastik gibi davranan amorf
polimerin, davranışı iki ekstrem davranışın kombinasyonu
şeklinde olup , bu durum viskoelastisite olarak adlandırılır.
Yükün uygulanıp kaldırılması sırasındaki elastik, viskoz ve
viskoelastik şekil değişimleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Termoplastik polimerlerin mekanik davranışları
Sıvı
Tm
Viskoz
Lastik
Deri
Tg
Rijit
:Metaller gibi davranır
Rijid
Deri gibi
Lastiksi bölge
Darbe özellikleri ve Yumuşama Tayini
Darbe Özellikleri;
• Charpy ve izod deneyleri kullanılır.
• Camlaşma sıcaklığı tayininde izod deneyi kullanılır.
Yumuşama sıcaklık tayini (Vicat testi);
• Sivri bir uçla ve 1 kgf ile batırılmaya çalışılan polimer
malzemede 1 mm kalıcı batmanın sağlandığı sıcaklık
tayin edilir.
• Yüksek sıcaklıklarda kullanılan polimerler için
önemlidir.
Gevşeme
• Zamana ve sıcaklığa bağlı olarak plastik şekil
değişimini ifade eder.
• Gevşeme; sabit deformasyon altındaki polimerler
zamanla gerilmenin ve vizkoz akışın etkisiyle sahip
oldukları gerilmeyi yitirirler.
• Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi o ın
0.37 x o seviyesine düşmesi için tanımlanmış T
sıcaklığında geçecek süre  olarak tanımlanmaktadır.
Bu bir malzeme özelliği olup her malzeme için ve
sıcaklık için aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır.
Qn


  C  exp  RT 


• Q viskoz akış için gerekli olan aktivasyon enerjisi, T
mutlak sıcaklık, R ise üniversal gaz sabiti olup, C
malzeme sabitidir.
Gevşeme
• Bu veriler kullanılarak t anı sonrasında o ön
gerilmesinden hangi gerilme değerine malzemenin
gevşeyeceği aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir.
 
   o  exp  t 
• Burada  süre(0,37 o değerine gevşeme süresi), o
polimerdeki başlangıç gerilmesi ve  ise t anı
sonrasında gerilmenin düşeceği gerilme seviyesidir.
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
PROBLEM: Bir polyisopren bant çelik çubukları 1 yıl süre
ile bir arada tutmak için kullanılmaktadır. Eğer gerilme 1500
psi’in altına düşerse işlevselliğini yitirecektir. Yapılan ön
çalışmalarda 1000 psi değerindeki gerilmelerin 6 hafta
sonunda 980 psi değerine düştüğü görülmüştür. Tasarladığınız
bantın yukarıdaki amacı yerine getirmesi için uygulanacak ön
gerilmenin değeri ne olmalı.
 
   o  exp  t 
  o exp(  t )

980 1000 exp(  6),  

6
 297 hafta
0.0202
1500  o exp( 52 / 297)  o exp( 0.175)  0.839o
o  1500 1788 psi
0.839
Histerisiz
• Elastik zorlamada, eğri üzerinde gidiş ve geliş
yollarında farklılığa “histerisiz” adı verilir.
• Bu titreşim sönümlemede önemli rol oynar.
Polimer
Mer
Kullanım yeri
Aromatik halka:
Benzen halkası
C6H5
KOMPOZİTLER
KOMPOZİTLER
Farklı malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede
toplamak amacıyla iki veya daha fazla ana malzeme
grubuna ait malzemelerin bir araya getirilmesi ile elde
edilen malzeme grubudur.
•Cam takviyeli polimerler: Yüksek dayanım ve tokluk.
•Beton; çimento, nervür çelik, kum, çakıl.
• Üç ana grupta toplanırlar;
– Yapay Kompozit malzemeler
– Doğal kompozit malzemeler
– Parçacık takviyeli kompozit malzemeler
Bal peteği yapısı
Bileşenler
• Kompozit malzemeler iki bileşenden oluşur;
– Matris
– Takviye
• Kompozitler dayanımlarını genelde sert ve gevrek
olan takviyeden alırlar. Matris ise takviyeleri bir arada
tutma ve tokluk ve süneklik kazandırma görevi görür.
Matris Malzemeleri
• Polimer esaslı.
• Metal veya alaşım esaslı
• Seramik esaslı
Takviye Malzemeleri
• Seramik: Oksitler, karbürler, silikatlar, nitrürler vs.
• Metal; Çelik, Titanyum, Bor,
• Polimer: Aramid, Naylon, vs.
Takviye Türleri(Fiziksel açıdan)
• Elyaf; Uzun, kısa, kırpık, keçe, dokuma, vs.
• Tel ve sakalcık; ince yüksek dayanımlı teller,
sakalcıklar (whiskers)
• Parçacık; tozlar, partiküller, vs.
Yapay Kompozitler
Elyaf Malzemeleri
• A-Cam (pencere camı)
• AR-Cam (Alkali dayanıklı)
• C-Cam (Kimyasal dayanıklı)
• E-Cam (Elektrik yalıtımı)
• S-Cam (Yüksek dayanım)
• Kevlar
• Grafit
Matris Malzemeleri
• Termoset:
– Epoksi (yüksek dayanım)
– Polyester (Genel amaçlı)
– Fenolik (Yüksek T, aşınma)
– Silikon (Elektrik izolasyon)
• Termoplastik
– Naylon 66 (yüksek süneklik)
– Polikarbonat (Yüksek tokluk)
– Polistrin (Yüksek süneklik)
Yapay Kompozitler
Metal Matrisli Yapay Komp.
• B / Al
• Al2O3 / Al
• Al2O3 / Mg
• SiC / Al
• SiC / Al
• ThO2 / Ni
Seramik Matrisli Yapay Komp.
• SiC / Al2O3
• SiC / Li/Al-silikat
• Beton (Çakıl, kum, çimento)
• Cam / t-ZrO2
• Al2O3 / t-ZrO2
xPolimer Matris
En çok kullanılan takviye elemanı Camdır.
Diğer takviye elemanları
– Kevlar (Aramid) / Epoksi
– Kevlar / Polyester
– Grafit / Epoksi
– Grafit / Polyester
– Grafit / PE
– Grafit / PS
• Metal elyaf takviyelerde yüksek dayanımlı metal
teller kullanılır.
• Tellerin yanı sıra tek kristal olan yüksek dayanımlı
“visker” adı verilen (sakalcık-whiskers) ince ve kısa
geometrilerde kullanılır. Viskerler en az kristal hataya
sahip olduklarından dayanımları teorik değerlere
ulaşır
Doğal elyaf takviyeli kompozitler
• Bu gruba ağaçlar girer.
– Yumuşak ağaçlar
• Sedir, köknar, çam, ladin
– Sert ağaçlar
• Dibudak, kayın, ceviz, meşe, gürgen.
• Ağaçlarda;
–
–
–
–
Matris; protein esaslı ve yarı selülozikdir.
Elyaflar; selüloz esaslıdır.
Anizotropik özellik gösterir.
Nem ve mikroorganizmalardan etkilenir bu nedenle
kullanmadan önce fırınlanması gerekir.
Anizotropi
Malzemelerin mekanik özellikler açısından yöne
bağımlılık göstermesine “Anizotropi” adı verilir.
Mekanik özellikler her yönde aynı değildir.
Takviyenin,
– Uzun Elyaf
– Dokuma
olması durumunda
anizotropiye rastlanır.
Partikül, kırpık, veya keçe
olması durumunda
anizotropi azalır.
Parçacık Takviyeli Kompozitler
• Parçacıklar; seramik, metal, polimer matrislerin içerisine
katılarak kompozitler yapılır.
• Parçacıklar boyutlarına göre ince veya kaba taneli olabilirler.
• Parçacık boyutlarının aynı olmasına özen göstermek gerekir.
• Parçacıklar mekanik özelliklerin yanı sıra diğer nedenlerle
kullanılabilirler;
– Pigmentler,
– Gaz oluşturucu katışkılar
– Katılaşma geciktiriciler
– Katılaşma hızlandırıcılar
• Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla sert parçacıklar
katılabilir. Örneğin; metal matrisli malzemeler içine Mekanik
alaşımlandırma ile katılması. Bu işleme “dispersiyon
sertleşmesi” de denilir.
Takviye Yönü mekanik özellikleri belirleyen önemli bir parametre
Elyafa Paralel Yönde
Zorlama
Fc  Fm  Ff
c  m   f
 c Ac   m Am   f Af
Af
Am
c  m
 f
Ac
Ac
 c   mVm   f V f
Ec c  Em mVm  E f  f V f
Ec  EmVm  E f V f
X c  X mVm  X f V f
Elyafa Dik Yönde
Zorlama
c  m   f
Lc  Lm  L f
Lc Lm L f


Lc
Lc
Lc

Ec
 Vm
1
1
1
 Vm
Vf
Ec
Em
Ef
Xc 
 c   mVm   f V f

Em
Vf
Ec 

Ef
Em E f
Em f f  E f fm
XmX f
X mV f  X f Vm
Parçacık takviye durumunda
• İki uç durumu hesaba katma söz konusu :Eş gerilme (iso
stress) veya eş uzama (iso strain)
– n = 1  eş birim şekil değişimi
– n = -1  eş gerilme
– -1 < n < 1  aradaki değerler.
• Düşük modüllü matris, yüksek modüllü takviye  n  0
• Yüksek modüllü matris, düşük modüllü takviye  n  1/2
Ec n  E1nV1  Eh nVh
l: Düşük dayanımlı bileşen
h: Yüksek dayanımlı bileşen
n: Zorlanmaya bağlı üstel
Ara yüzey dayanımı
• Ara yüzey dayanımı, matris ile elyaf arasındaki kuvvet iletimi
açısından çok önemlidir.
• Yüksek toklukta (metal veya polimer) matrise sahip
kompozitlerde ara yüzey dayanımının yüksek olması istenir.
• (Çatlak oluşma ihtimali düşük olduğu için)
• Düşük toklukta matrise (seramik) sahip kompozitlerde,
çatlağın elyafa iletimini engellemek için arayüzey bağının zayıf
olması istenir. Böylece çatlak matristen elyafa geçemeden ara
yüzeyde durdurulabilir veya farklı yöne yönlendirilebilir.
Mekanik özellikler
• Kompozitin mekanik özelliklerinde; hacim oranları, zorlama
yönü, ara yüzey dayanımı , takviye ve matris malzemesi,
takviyenin geometrisi çok önemli.
Kompozitlerin mekanik özellikleri
– Takviyenin dayanımına
– Takviyenin geometrisine
– Takviyenin yoğunluğuna bağlıdır.
• Özgül dayanım ve Özgül modül değerleri de dikkate
alınmalıdır. Bu değerler;
σs 
σç
ρ
Es 
E

Şeklinde bulunur. Kevlar veya karbon takviyeli epoksi
kompozitlerde yüksek değerler elde edilir.
5 kg Bor elyaf tek yönlü takviye olarak 8 kg Al
matris içerisine katılacaktır. Bu durumda
– Kompozitin yoğunluğu
– Elyaflara paralel yönde elastiklik modülü
– Elyaflara dik yönde elastiklik modülünü
hesaplayınız.
X c  X mVm  X f V f
Xc 
XmX f
X mV f  X f Vm
• Epoksi matrisli kompozit %40 hacim oranında E-cam
elyafla takviye edilmektedir. Bu kompozitten yapılan
2 cm çapında çubuk 25 kN taşıyacağına göre her bir
elyafa gelen gerilme ne olacaktır.
(Ecam=10.5x106 psi, Eepoxy=0.4x106 psi)
ORTAMIN ETKİLERİ:
KOROZYON HASARLARI
12.12.2014
86
Ortamın malzeme üzerinde etkileri
• Korozyon
• Aşınma
• Radyasyon hasarı
Korozyon hasarı
• Ortamın kimyasal ve elektro-kimyasal etkilerinden
dolayı metalik malzemenin bileşiminde, yapısında ve
özelliklerinde görülen bozulmadır.
– Malzeme kaybına neden olur.
– Mekanik özelliklerin kaybına neden olur.
•
Oluşması için korozif bir ortam ve yeterli süre söz
konusudur.
• İki katagoride incelenir
– Kimyasal korozyon
– Elektro kimyasal korozyon
Korozyon
A. Kimyasal korozyon
1. Metallerin oksitlenmesi
2. Element fakirleşmesi
Ortam Elektrolit
etkiye sahip değil
B. Elektro-kimyasal korozyon
1. Anodik reaksiyonlar
2. Katodik reaksiyonlar
•
•
Ortamda Elektrolit
mevcut
Elektrolitik kaplamada kullanılabilir
Elektro kimyasal korozyon
Kimyasal Korozyon
• Malzemenin bulunduğu ortamda elektrik iletiminin
söz konusu olmadığı sadece kimyasal etkiden dolayı
korozyonun gerçekleşmesi durumudur.
– Oksitlenme (Kuru gaz ortamında)
– Elektrolitik özelliği bulunmayan sıvılarda çözünme,
vs.
A1. Metallerin Oksitlenmesi
• Oksijenle temas eden metallerin yüzeylerinde
oluşan reaksiyonlarda oksit tabakası meydana gelir.
M  M    2e 
1
O2  2e   O  
2
M    O    MO
• Metal önce 2 adet elektron verir
ve iyonize olur.
• Bu 2 adet elektronu alan O
iyonize olur.
• İyonize olan M ve O iyonik bağ
yaparak Metal oksiti meydana
getirir.
• Oksitlenme hızı, oluşan tabakanın koruyucu karakterine
bağlıdır.
• Koruyucu vasfı olmayan oksit tabakasının kalınlılığının
zamanla lineer olarak artar.
• Koruma özelliği olan oksit tabakasının kalınlığı ise parabolik
olarak artar.
y  C1  t  C2
y
Lineer
y  C3  t  C4
2
y : Oksit tabakası kalınlığı
yo : Başlangıç oksit kalınlığı
yo
t : Süre
C1, C2, C3 ve C4: malzeme sabitleri
Parabolik
t
• Bir oksitin koruyucu olup olmadığını anlamak için; PillingBedworth (P-B) oranı kullanılır
RP  B
M:
D :
A :
d :
m:
M .d

A.m.D
Oksitin molekül ağırlığı
Oksitin özgül ağırlığı
Oksit içerisinde metal
atom sayısı.
Metalin özgül ağırlığı
Metalin atom ağırlığı
• P-B oranı < 1 :
Yetersiz oksit tabakası metali kaplayamaz, yani metali
korumaz ve oksidasyon sürekli olarak belirli bir hızda devam
eder (Na, K, Li, vs.)
• 1<P-B oranı<1.5:
İnce oksit tabakası metali mükemmel korur ve ileri
oksidasyona izin vermeyerek oksidasyonun yavaşlamasına
neden olur (Ti, Al, Cr, vs)
• P-B oranı>1.5:
Kalın oksit oranı gevrek olarak sürekli kırılır ve oksidasyonun
aynı hızda sürmesine neden olarak koruma gerçekleştirmez.
A2: Element Fakirleşmesi
• Kimyasal korozyonun diğer bir şeklidir.
• Metallerin korozif sıvıların içerisinde çözünmesi şeklinde
gerçekleşir.
• Bazı metaller için problem teşkil eder
– Çinkosuzlaşma: %15 ten fazla Zn içeren pirinçte Zn sıcak
sıvı içerisinde çözünerek uzaklaşır. Geriye Cu’ca zengin
süngerimsi pirinç kalır.
– Dökme demirde demir kaybı: Fe, ıslak kum veya suda
çözünerek uzaklaşır. Geriye birbiriyle irtibatı kalmayan
grafit lamelleri kalır. Süngerimsi demir, dayanım açısından
zayıflar.
• Korunma (diğer türlere göre zor olmakla birlikte); (a) Ortam
sıcaklığının düşürülmesi, (b) kaplama ve (c) ortamla temasın
kesilmesidir.
B.Elektro-kimyasal korozyon
• Bu tür korozyon, elektrolit ortamda gerçekleşir;
elektro kimyasal pil oluşumu ile anot konumuna
gelen malzemede meydana gelen malzeme kaybı
şeklinde olur.
• Elektrolit: erimiş veya suda çözünmüş asitik veya
bazik tuzların oluşturduğu elektrik iletebilen
ortamdır.
B.Elektro-kimyasal korozyon
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
B.Reaksiyonlar
B1. Anodik reaksiyon: Anot metalinde meydana gelen
ve atomlarının elektron ve iyonları ayrıştığı oksidasyon
reaksiyonudur. Pili meydana getiren temas sayesinde
elektronlar anodu terkederken iyonlarda elektrolit’e
karışır.
M M
n
 ne

B.Reaksiyonlar
B2. Katodik reaksiyon:
• Elektrokimyasal korozyonda
• Elektrolilit kaplamada
B2.1 Elektrolilit kaplamada:
• Anottaki oksitlenme reaksiyonunun tersi olarak
kattotta bir redükleme reaksiyonu meydana gelir.
• Anodik reaksiyon sonrası elektrolite karışan veya
dışarıdan ilave edilen metal iyonları temas
elamanından sağlanan elektronlarla kotodun üzerinde
birleşerek iyonların tekrar metale dönüşmesi ve
kotodun üzerinde birikmesine neden olur.
• Genellikle dışarıdan ek voltaj verilmesi gerekir.
B.Reaksiyonlar
Elektrokimyasal korozyonda katodik reaksiyon:
• Yukarıdaki reaksiyonlar sağlanamazsa katotta
redükleme ile metal birikmesi meydana gelmez. Bu
durumlarda:
2H  2e  H 2 
O2  2H 2O  4e  4OH
O2 içermeyen elektrolitlerde
O2 ve su içeren elektrolitlerde
• Oluşan hidroksit iyonları katot üzerinde demir hidroksit
(Fe(OH)2) ve pasın birikmesine neden olur.
• Bu durum, katotta biriken metal hidroksitler
reaksiyonun yavaşlamasına yani POLARİZASYONA
sebep olabilir.
• Katotta izolasyonun bozulması ve reaksiyonu devam
etmesine DEPOLARİZASYON denir
• Polarizasyon: Pil oluşumuna neden olan reaksiyonları
yavaşlatan veya durduran olaylardır.
• Elektrolitik kaplamada pil oluşumu için dışarıdan
elektrik potansiyeli vermek gerekir. Korozyonda ise iki
farklı metal bir elektrolitik içerisinde birbirleri ile
temas ettirildiklerinde elektrik potansiyeli meydana
gelir.
• Metallerden biri anotlaşma diğeride katotlaşma
eğilimi gösterir ve buna bağlı olarak potansiyel fark
oluşur.
• Bu potansiyale metalin elektrot potansiyali adı
verilir. Bu değer metalin elektron ve iyon kaybetme
eğilimini gösterir.
Standart koşullar altında hidrojen elektrotuna karşı
gösterdikleri gerilim farkına göre çeşitli metallerin
sıralanmasıyla elektro motif seri elde edilir
Benzer sıralama gerçek bir ortamda, örneğin deniz
suyunda belirlenirse, galvanik seri ortaya çıkar
• Korozif bir ortamda birbirleri ile temas eden metallerin
hangisinin diğerine göre anot hangisinin katot olacağı bu veriler
yardımıyla belirlenebilir.
• Tabloda yeralan pasif tanımı Al ve Cr gibi kuvvetli
oksit yapıcı ortamlarda oluşturdukları homojen, ince
ve yüzeye sıkı şekilde tutulmuş oksit tabakasının
korozyonun içeri ilerlemesine engel olacağını
belirtmek için kullanılmaktadır. Bu davranışa
PASİFLEŞME denir.
• Koruyucu tabakanın herhangi bir nedenle
parçalanması ile oksit tabakası beklenenden daha
hızlı ilerler. Bu duruma AKTİFLEŞME adı verilir.
Elektro Kimyasal Korozyon Türleri
Bu tür korozyonda galvanik hücre (pil) meydana gelir.
Galvanik pil tipleri:
– Bileşim farkından kaynaklanan galvanik hücreler
– Gerilme veya enerji farklarından doğan galvanik
hücreler
– Elektrolitin yoğunluk farkından doğan galvanik
hücreler
Bileşim farkından kaynaklanan galvanik
hücreler
• İki farklı metalin aynı elektrolit içerisinde bulunması
ile oluşur. Anodik veya kotadik davranış galvanik seriye
göre olur.
• Bu tür galvanik hücreler aynı alaşım bünyesinde dahi
oluşur. Bu nedenle iki fazlı yapıların korozyon dayanımları tek fazlı
yapılara göre daha düşüktür.
– Perlitik yapılı çelikte, ferrit sementite göre daha
anodik davranır ve elektrolit içerisinde çözünür.
+ pirincinde Zn ce zengin olan  fazı, Cu ca zengin
olan  fazına göre anodiktir ve daha çabuk çözülür.
TANELER ARASI KOROZYON (intergranular
corosion)
• Ostenitik paslanmaz çeliklerde g içersindeki bir kısım
Cr’un C tarafından bağlanması ile krom karbürler
oluşur ve bu krom karbürler tane sınırlarında çökelir.
• Cr ca zengin olan tane içi g ile Cr ca fakir olan taneler
arasındaki g, galvanik pil oluşturur ve taneler arası
kısım anodik davranır ve böylece korozyona uğrar.
Bu durumu engellemek
için C’a ilgisi Cr dan
daha fazla olan Ti, Nb
gibi elementler eklenir.
Bu işleme stabilizasyon
adı verilir.
Gerilme veya enerji farklarından doğan galvanik piller
• Aynı metalin farklı bölgelerinin farklı statik gerilmeler altında
bulunması veya farklı soğuk şekil değişimler ile oluşan kalıntı
gerilmeler, farklı enerjili bölgeler oluşturur.
• Bir elektrolit içerisinde bu bölgeler galvanik pil oluşturur.
• Soğuk şekil değiştirmiş bölgeler değiştirmemiş bölgelere göre
anodik davranır.
• Küçük taneli bölgeler iri taneli bölgelere göre anodik davranır.
• Tane sınırları tane içlerine göre anodik davranır ve korozyona
uğrar.
• Korozif ortamda uygulanan statik çekme gerilmeleri (akma
gerilmelerinin çok altında olsa bile) korozyonu hızlandırır.
Bu olaya GERİLMELİ KOROZYON (stress corrosion) adı
verilir.
• Çevrimsel gerilmeler olduğu durumda ise KOROZYONLU
YORULMA hasarı söz konusu olur.
• Bu durumlarda tane sınırlarının sürekli çözünmesi ile çatlak
boyu artar. Kritik bir değere erişince ani kırılma meydana
gelir.
Elektrolitin yoğunluk farkından doğan
galvanik piller
• Metalin, yoğun elektrolitle
temas eden bölgesi katodik,
az yoğun elektrolitle temas
eden bölgesi anodik
davranır.
• Demirin su damlası altında
kalan kısmı daha az yoğun
oksijen içerdiği için havayla
temas eden kısımlarına göre
anodik davranarak
korozyona uğrar.
• Aynı şekilde pas altında kalan kısmı
boyalı olan kısmına göre, civata başları
ve somunları altında kalan kısımları,
metallerin birbirlerine bakan kısımları
anodik karakter göstererek daha çabuk
korozyona uğrarlar (paslanırlar).
• Bu tür korozyona ARALIK
KOROZYONU (crevice corrosion)
denir.
• Sac su depolarında aynı şekilde görülen
korozyona SU HATTI KOROZYONU
adı verilir.
• Elektorlit yoğunluk farkından
kaynaklanan diğer bir korozyon türüde
NOKTASAL KOROZYONDUR
(Pitting corrosion).
Perçin bağlantısında aralık korozyonu
Katot reaksiyonu
Anot reak.
Cıvata bağlantısında
12.12.2014
Kir ve tufal altında
115
-Elektrolitteki oksijen derişikliği farkı, aralık
korozyonundakine benzer bir mekanizmayla denizlerdeki
çelik taşıyıcılarda görülür:Deniz suyundaki oksijen
derişikliği yüzeyde en yüksektir.Yüzeyin altında ise
giderek azalır.Sonuçta çelik taşıyıcıların korozyonu
deniz yüzeyinin biraz altında, yani yüzeydeki oksijenli
bölgeye nazaran daha az oksijen içeren biraz aşağıdaki
bölgede başlar(Şekil)
hava
Çelik taşıyıcı
O2 derişikliği yüksek
O2 derişikliği düşük
Korozyona uğrayan bölge
deniz suyu
12.12.2014
Su seviyesi korozyonu
116
Üniform korozyon
12.12.2014
117
Üniform korozyon
12.12.2014
118
Deniz kenarında üniform korozyon
12.12.2014
119
Çukurcuk (Pitting) korozyonu
12.12.2014
120
Dövme alüminyum alaşımında çukurcuk
(pitting)korozyonu
12.12.2014
121
Çukurcuk (pitting) korozyonu
12.12.2014
122
Galvanik korozyon:Aluminyum yağmur oluğu.Biri
etrafına bakır anten teli sarılınca bıçakla kesilmiş gibi
galvanik korozyona uğramış (Al-Cu sistemi)
Bakır telin sarıldığı yer
Korozyondan Korunma
1.
2.
3.
4.
5.
Tasarımda galvanik pil oluşumunu önlemek
Elektrolite inhibitör katmak
Katodik koruma
Anodik koruma
Uygun malzeme seçimi ve ısıl işlem
1. Galavanik pil oluşumunu önlemek:
– Elektrolitin metaller veya metallerin birbiriyle fiziksel
temasının önlenmesi (boyama, plastik veya seramik
kaplama vs.)
– Anot davranan metalin yüzey alanının katot davranana
göre daha büyük seçilmesi
– Metallerde aralık bırakılmadan birleştirilmesi (Perçin,
civata, vs)
2. Elektrolite inhibitör madde katılması:
Reaksiyonu önlemek ve korozyon hızını azaltmak amacıyla
kromat tuzları gibi inhibitörler kullanmak.
Aralık korozyonundan kaçınmanın en iyi yolu,aralık
oluşumuna neden olan tasarımlardan kaçınmaktır.
Örneğin perçinli bağlantı kullanmak yerine esas metalle
aynı kimyasal bileşime sahip kaynak dikişi kullanarak
sorun çözülebilir(Şekil)
3.
•
4.
Katodik koruma: Korunması gereken parçalar veya teçhizat
anot durumundan katot durumana gelmesi sağlanır.
– Kurban elektrod yöntemi ile sağlanabilir.
– Parçayı katot durumuna getirecek doğru akım
uygulanabilir.
Köprüler, boru hatları, gemilere bu tür korumalar uygulanır.
Anodik koruma: Malzeme yüzeyi daha önceden kuvvetli
bir oksit tabakası ile kaplanarak pasifleşmesi sağlanır.
Aluminyumlara ELOKSAL işlemi, çeliklerin oksitleyici
ortamlarda menevişlenmesi, vs.
Kurban anot(Mg)
Fe’de korozyon yok
12.12.2014
Üzerinde pasif oksit filmi oluşturan
malzemeler kurban olarak kullanılamaz
Fe’ de korozyon var
128
a2) Yer altı tesislerini katotlaştırmak için, korunacak
sistemle toprak arasına dış doğru akım gerilimi
uygulanır.(Tesis elektron almak üzere doğru akım
üretecinin (-) kutbuna bağlanır.Akım şiddeti örneğin
çelik için 0,1 Amper/ m2 korunacak yüzey mertebesinde
olmalıdır.)
hurda
12.12.2014
130
5.
Uygun malzeme seçimi ve uygun ısıl işlem:
a) Homojen, saf ve tek fazlı metaller seçilebilir.
b) Kimyasal bileşim farkına sebep olan segregasyonları
yoketmek amacıyla “HOMOJENLEŞTİRME” tavı
yapılabilir.
c) Farklı oranlarda soğuk şekil değiştirmiş yapılar
NORMALLEŞTİRME veya YENİDEN
KRİSTALLEŞME tavına tabi tutulararak enerjisi farklı
bölgeler ortadan kaldırılabilir.
d) İç gerilmeler GERİLME GİDERME tavı ile kaldırılabilir.
e) Ostenitik paslanmaz çeliğin korozyonunu engellemek için
1000oC üzerine ısıtılıp krom karbürler çözülür ve ani olarak
soğutulur veya Nb, Ti vs gibi Cr a göre C a ilgisi daha fazla
olan alaşım elementleri katılarak krom karbür oluşumu
engellenebilir.
Aşınma Hasarı
• Sürtünme ile çalışan makina parçalarının, yüzeylerinde
mekanik olarak malzeme kaybı şeklinde gerçekleşen hasar
mekanizmasına AŞINMA denir.
• İki aşınma mekanizması yaygındır:
– Adhesiv aşınma
– Abrasiz aşınma
Adhesiv aşınma
• Yüzeyde bulunan çok küçük girinti ve çıkıntılar basma
gerilmesinin etkisiyle birbirine yaklaşır. Küçük temas alanları
sebebiyle birbirlerine katı hal kaynağı ile kaynar. Hareketin
devam etmesiyle kaynayan kısımlarda kırılarak parçalanmalar
olur ve bu şekilde aşınma ürünleri ve malzeme kaybı meydana
gelir.
• Yüzey parlatma, gerilme seviyelerini düşürme ve yağlama vs. ile
aşınma azaltılabilir.
Erozyonlu korozyon
Adesiv aşınma:Aşırı yük, düşük izafi hız ve/veya yağlayıcı vizkozite’sindeki
azalma yağ filmi kalınlığını metal-metale temasın oluştuğu seviyeye kadar azaltır.
Yüzeylerde mevcut olan tepeler soğuk kaynakla birleşirler ve yüzeyler izafi olarak
hareket ettiğinden kesilerek yüzeyden ayrılırlar(Şekil)
YÜK
AŞINMA SONUCU
OLUŞAN PARÇACIK
12.12.2014
135
Malzemenin sertliği H=sabit
L
P
P
L: kayma uzunluğu(m)
P:Yüzeye gelen kuvvet (N)
Malzeme özelliklerinin adesiv aşınmaya etkisi
ADESİV AŞINMA
12.12.2014
137
Adesiv aşınma
12.12.2014
138
Abrasiv aşınma
• Sürtünen yüzeyler arasında bulunan aşındırıcı parçacıklar,
yüzeydeki çıkıntıları kırarak koparır. Böylece malzemede
aşınma meydana gelir.
• Kontrollü yapıldığı durumlarda yüzey bitirme işlemi olarak
uygulanabilir.
• Taşlama, zımparalama, dekopaj vs.
(Erozyon: Sıvının katıyı aşındırmasıdır.)
P
Abrasiv aşınma
kA « kB
Kopan parçacıklar
(aşınma ürünleri)
Aşındırıcı
Aşınma izi
Aşınan malzeme
İki cisimli aşınma
12.12.2014
140
Dişli çarkın dişindeki abrasiv aşınma
Diş tepesinde
abrasiv aşınma
Taksimat
çizgisi
Diş dibinde abrasiv
aşınma
12.12.2014
141
Diş yüzeylerinde abrasiv aşınma
Yoğun aşınma
bölgeleri
12.12.2014
142
Erozyonlu korozyon
Malzeme yüzeyi ile ortam arasındaki bağıl hızın yüksek
değerlere ulaştığı hallerde(türbülanslı akış) ortaya çıkar.
Genellikle akış hızı belirli bir değerin üzerine çıktığında
bu tür korozyon etkinlik kazanır.Ortamda katı parçacıkları
da mevcutsa erozyonlu korozyonun hızı büyük ölçüde
artar.
Korozyon ve mekanik aşınmanın birlikte etkili oldukları
bir korozyon türüdür.
Durağan koşullarda yeterli korozyon dayanımı gösteren
malzemelerin çoğu erozyonlu korozyonda belirli ölçüde
duyarlık gösterir.Bunun nedeni malzemeye korozyon
direnci sağlayan oksit tabakalarının aşınma yoluyla
kalkması ve buralarda metalin aktif duruma geçerek
yüksek hızla korozyona uğramasıdır.
12.12.2014
143
Erozyonlu korozyona rastlanan yerler:
-Gaz ve sıvıların pompalanması ve uzak mesafelere
taşınmasında kullanılan sistemler ve boru hatları
-Kömür ve maden cevherlerinin suyla karıştırılarak uzak
mesafelere pompalandığı boru hatları
-Sıcak su ve buhar hazırlama tesisleri
-Pompa gövdesi ve kanatları
-Valfler ve valf yuvaları
-kazan ve kondansör boruları
-Türbin kanatları
-Akış doğrultusunun değişikliğe zorlandığı dirsek,
vana gibi parçalar(akışkanda çarpma etkisi yaratırlar).
12.12.2014
144
Erozyonlu korozyonla hasara uğramış
bir pompa rotoru
12.12.2014
145
Download

MAL201 Polimer-Kompozit