HA01 - Mühendislik Fakültesi

HASAR ANALİZİ
6.1. Giriş
Çeşitli mühendislik yapılarını oluşturan sistemlerin, elemanların ve parçaların servise
sunulmalarının daha başında veya servis süresince, fonksiyonlarını yitirerek iş görmez
ve kullanılamaz hale gelmeleri, beklenen performansı sergileyememeleri veya
kullanılmaya devam edilmelerinin tehlikeli durum oluşturması “Hasar” olarak
tanımlanır. Hasar nedenlerini ortaya çıkarmak amacıyla yapılan bilimsel inceleme ve
araştırmalar ise “Hasar Analizi” olarak nitelendirilir.
6.2. Hasar Sebepleri ve Mekanizmaları
Mühendislik yapılarında karşılaşılan hasarlar;
i.
Hatalı tasarım veya uygun olmayan malzeme seçiminden (Tablo 6.1),
ii. Hatalı üretim yönteminden (Tablo 6.2) veya
iii. Servis koşullarının malzemeyi olumsuz yönde etkilemesinden (Tablo 6.3)
kaynaklanmakta olup, Tablo 6.4’deki mekanizmalarla gerçekleşmektedir. Bu
mekanizmalar kendi başlarına hasar oluşturabileceği gibi, hasar olaylarının pek
çoğunda birden fazla mekanizma hasara katkıda bulunmaktadır.
Kırılma ile sonuçlanan hasarlarda çatlak ilerlemesi, Şekil 6.1’de de görüldüğü gibi
tane içi (transgranüler) ve/veya taneler arası (intergranüler) karakterde olup, kırılma
sebepleri Tablo 6.5’de özetlenmiştir.
1
Tablo 6.1 - Hatalı tasarım ve uygun olamayan malzeme kullanımından kaynaklanan
hasarlar.
Sünek hasar (aşırı elastik veya plastik deformasyon, yırtılma veya sünek kırılma)
Gevrek kırılma (gerilme yoğunlaşmasına neden olan kritik boyuttaki süreksizlik ve çatlaklar)
Yorulma (çevrimsel yükleme, çevrimsel deformasyon, ısıl çevrim, yuvarlanmalı sürtünme aşınması,
kazımalı aşınma)
Yüksek sıcaklık hasarı (sürünme, oksitlenme, lokal ergime, çarpılma)
Gecikmeli statik yükleme kırılması (hidrojen gevrekliği, ortam koşullarının etkisiyle yavaş çatlak
ilerlemesi)
Aşırı gerilme yoğunlaşması içeren tasarım (sert köşeli, kompleks şekilli ve çentikli tasarım)
Kompleks bir parçada gerilme analizinin doğru yapılmaması
Tasarımın, servis koşullarında ortaya çıkabilecek muhtemel hasarlarla ilgili malzeme özellikleri göz
önüne alınmaksızın sadece çekme deneyi ile belirlenen özelliklere göre yapılması
Tablo 6.2 - Hatalı üretim ve fabrikasyon işlemlerinden kaynaklanan hatalar.
Kimyasal bileşim kusurları (kalıntılar, gevrekliğe neden olan empüriteler, yanlış malzeme seçimi)
Döküm hataları (segregasyon, porozite, cüruf ve metalik olmayan kalıntılar)
Mekanik işlem hataları (çatlaklar, yüzey kusurları, katmerleşme, aşırı lokal plastik deformasyon)
Talaşlı imalat hataları (yüzey çizikleri, yanma, yırtılma, çatlama, gevrekleşme)
Kaynak hataları (porozite, kalıntılar, yetersiz ergime, yetersiz nüfuziyet, yanma olukları, çatlaklar,
çarpılma)
Isıl işlem hataları (aşırı ısıtma, yanma, su verme çatlakları, tane büyümesi, dekarbürizasyon, çökelme)
Yüzey sertleştirme işlemi hataları (intergranüler karbürler, yanlış ısıl çevrim, yumuşak iç bölge)
Yüzey işlemi hataları (temizleme, kaplama, kimyasal difüzyon, hidrojen gevrekliği)
Montaj kusurları (parçaların uyumsuz monte edilmesi, montajın temiz koşullarda yapılmaması ve
sisteme yabancı madde girmesi, kalıntı gerilme oluşması, parçaların çizilmesi, hasara uğraması vb)
Anizotropik yapıdan kaynaklanan kusurlar (mekanik işlem uygulanan parçalarda deformasyona dik
yönde düşük süneklik ve tokluk)
Tablo 6.3. - Servis koşullarında malzemenin özelliklerini yitirmesinden kaynaklanan
hasarlar.
Aşınma (yenme, boyut değişimi, oyuklanma)
Korozyon (kimyasal etki, gerilmeli korozyon, korozyonlu yorulma, çinko kaybı, dökme demirlerde
grafitleşme, atmosferik etki)
Bakım veya tamir kusuru (kaynak, taşlama, perçinleme, delik açma, soğuk düzeltme vb.)
Yüksek sıcaklıklarda kimyasal, sıvı metal veya kaplama işlemi etkileri
Radyasyon hasarı (süreye, sıcaklığa, ortama ve dozaja bağlı)
Kontrol dışı gelişen koşullar (anormal çalışma sıcaklığı, aşırı mekanik titreşim, darbe, ısıl şok gibi)
2
Tablo 6.4 – Hasar mekanizmaları.
Gevrek kırılma
KIRILMA
Sünek kırılma
Uzun ömürlü yorulma
YORULMA
Kısa ömürlü yorulma
SÜRÜNME
Sürünme
Bükülme veya distorsiyon
ŞEKİL DEĞİŞİMİ (DEFORMASYON)
Plastik deformasyon
Korozyon
Gerilmeli korozyon
KOROZYON +GERİLME
Korozyonlu yorulma
Aşınma
AŞINMA
(a)
(b)
Şekil 6.1 – a) Taneler arası (intergranüler) ve b) tane içi (transgranüler) çatlak
ilerlemesi.
6.3. Hasar Analizinin Kademeleri
Hasara neden olan mekanizmayı belirleyerek, belirli bir servis koşulu için bu tür
hasarın tekrar oluşmasına engel olacak tedbirleri almak ve böylece üretim, malzeme, iş
ve hatta can kaybını en aza indirmek amacıyla yapılan hasar analizi;
i.
Ön inceleme,
ii.
Olay öncesi bilgilerin toplanması,
iii.
Laboratuvar incelemeleri,
iv.
Verilerin analizi ve hasarların değerlendirilmesi
aşamalarını kapsar.
3
Tablo 6.5 – Tane içi (transgranüler) ve taneler arası (intergranüler) kırılma sebepleri.
Transgranüler Kırılma
İntergranüler Kırılma
Gevrek
Sünek
Gevrek
Sünek
Klivaj kırılma
Kayma kırılması
Hidrojen gevrekliği
Sürünme kopması
(HMK kristal yapılı
(Aşırı deformasyon
(Tane sınırlarında
(Mutlak ergime
sıcaklığının ½’sinden
çeliklerde genellikle
sonucu oluşan kırılma. mikroçatlak izleri ve
sünek-gevrek geçiş
Kırık yüzey mat, pürüzlü porozitelerin
yüksek sıcaklıklarda)
sıcaklığından daha
ve lifi görünümde)
mevcudiyeti)
Tanelerin kesişme
düşük sıcaklıklarda
Empürite
elementlerinin
noktalarında oluşan
ve/veya çok az veya hiç
tane sınırı segregasyonu boşlukların birleşmesi
plastik deformasyon
(Çeliklerde fosfor ve
(Yüksek sıcaklıklarda
olmaksızın kırılma.
arsenik segregasyonu) tanelerin tane sınırları
Kırık yüzey parlak,
boyunca kayması ile
düzgün ve kristalin
İkinci fazın tane
taneler arası boşluk
görünümde)
sınırlarına çökelmesi
oluşumu)
(Yüksek karbonlu
çeliklerin tane
sınırlarında sementit
filmi bulunması)
Gerilmeli korozyon
(Uygulanan veya kalıntı
gerilme ile korozif
ortamın birlikte etkisi)
Ön inceleme:
Hasar analizinin ilk aşaması çıplak gözle veya büyüteç ile incelemedir. Parça kırılmış
ise, kırık yüzey incelenmeli ve kırılma tipi saptanmalıdır. Ancak bunun için kırılma
yüzeyinin hasar sonrasında çok iyi korunmuş olması gereklidir. Ayrıca, parçada aşırı
deformasyonun, gerilme yoğunlaşması oluşabilecek bölgelerin veya süreksizliklerin,
çatlakların vb hataların olup olmadığı belirlenmelidir. Ön incelemeler sırasında
önemsiz gibi görünen her hangi bir detayın daha sonra önemli olabileceği düşünülerek
hasara uğrayan parçanın fotografı çekilmelidir.
Olay öncesi bilgilerin toplanması:
Bilgilerin toplanması aşamasında, hasara uğrayan parçanın dizaynı, üretimi ve çalışma
koşulları ile ilgili bütün bilgilerin teminine çalışılmalıdır. İmalat aşamasında parçaya
mekanik, kimyasal veya ısıl işlemlerin uygulanıp uygulanmadığı, uygulandıysa işlem
tiplerinin ve uygulama koşullarının bilinmesi büyük önem taşımaktadır. Ayrıca, servis
koşullarında parçaya etkiyen yükün veya gerilmenin türü (çekme, basma, kayma) ve
4
uygulanma şekli (tek yönlü, çevrimsel, darbe), parçanın çalıştığı ortam (korozif,
oksidan) ve sıcaklık (düşük sıcaklık, yüksek sıcaklık, oda sıcaklığı) ile parçanın
kullanım süresi hakkında da bilgi alınmalıdır.
Laboratuvar incelemeleri:
İdeal olarak bu aşamada, hasara uğrayan parçanın tahribatsız muayenesi (manyetik toz
ile muayene, sıvı emdirme yöntemi, elektromanyetik muayene ve ultrasonik muayene),
mekanik testleri (sertlik, çekme, darbe deneyleri), mikroskobik incelemeleri
(metalografi ve taramalı elektron mikroskobu), kimyasal analizi ve boyut kontrolü
yapılmalıdır. Ancak, hasar sebebinin belirlenmesinde bu incelemelerin hepsinin
yapılmasına gerek kalmayabilir.
Verilerin analizi ve hasarın değerlendirilmesi:
Bu aşamada ön inceleme, olay öncesi bilgilerin toplanması ve laboratuvar incelemeleri
aşamalarında elde edilen bulgular ışığında; dizayn, üretim, malzeme özellikleri, ortam
koşulları ve çalışma yükü göz önüne alınarak hasar mekanizması ve sebebi belirlenir.
6.4 Hasar Analizi Örnekleri
İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü’nde yapılan endüstriyel hasar
analizlerine ait bazı örnekler aşağıda verilmiştir. Bu örnekler, kurs konusu kapsamına
uygun olarak, sadece optik mikroskop incelemeleri ve sertlik ölçümleri ile yapılan
hasar analizleri arasından seçilmiştir.
5
ÖRNEK 1: Kule vinci civatasına ait hasar analizi.
Problem : Boom uzunluğu 42 m, kaldırma kapasitesi 1200 kg olan kule vincinin boom’daki
gergi önünde bulunan ve iki parçayı birleştiren 22 mm çapındaki 4 adet civata vincin
çalışması sırasında kesilerek kırılmıştır.
İncelemeler : Kırık civatanın genel görünümü ve kırılma yüzeyi Şekil Ör.1.1’de verilmiştir.
Kırık civatada kimyasal analiz, sertlik ölçümü ve metalografik inceleme (Şekil Ör.1.2)
yapılmıştır.
Şekil Ör.1.1 – Kırık civatanın genel görünümü ve kırık yüzeyi.
a
b
Şekil Ör.1.2 - Kırık civatanın a) dağlanmamış (100X) ve b) dağlanmış (200X) durumda
optik mikroskop fotografları.
Değerlendirme ve Sonuç : Yapılan incelemeler, kırık civatanın 1010 kalite çelikten imal
edildiğini, 87 HRB sertliğe ve ferritik mikroyapıya sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Ayrıca
mikroyapıda deformasyon yönünde uzamış çok iri kalıntıların mevcut olduğu da
görülmüştür. Bu tür iri inklüzyonların mevcudiyeti, civata imalatında çelik kalitesine dikkat
edilmediğini göstermektedir. Karbon içeriğinin düşük olması nedeniyle sertliği de düşük
olan bu civata, sertlik değeri açısından TS3576’daki 5.8 mukavemet sınıfına girmekte olup,
kule vincinde kullanıma uygun değildir. TS3576’da daha yüksek sertliğe sahip ve daha
yüksek mukavemet sınıfına giren civatalar mevcuttur.
*TS3576 Bağlama elemanları-civatalar ve saplamalar-çelik-özellikler ve deneylerle ilgili esaslar.
6
ÖRNEK 2: Dökümhane kumlama makinasının “chain link” parçasına ait hasar analizi.
Problem : Kumlama makinasına ait “chain link” isimli orijinal parçalar yaklaşık 3000
çalışma saati sonucu hasara uğrarken, orijinal “chain link” yerine takılan yedek parçalar 500
çalışma saati sonucu kırılmaktadır.
İncelemeler : Hasar analizi yapılan parçanın genel görünümü Şekil Ör.2.1’, de verilmiştir.
Orijinal ve yedek parça chain linklerden çıkarılan metalografi örneklerinin mikroyapıları optik
mikroskopta incelenmiş (Şekil Ör.2.2) ve 500 gr yük ve vickers ucu ile mikrosertlikleri
ölçülmüştür (Şekil Ör.2.3).
Şekil Ör.2.1 - Hasar analizi incelemesi yapılan parçaların genel görünümü.
a
b
c
d
Şekil Ör.2.2 - Orijinal chain linkin dış yüzeyinin (a) ve göbek kısmının (b) ve yedek parça
chain linkin dış yüzeyinin (c) ve göbek kısmının (d) mikroyapıları.
7
900
Orijinal
800
Yedek parça
Sertlik, HV
700
600
500
400
300
200
100
0
250
500
750
1000 1250 1500 1750 2000
Yüzeyden mesafe, mikron
Şekil 2.3 - Orijinal ve yedek parça chain linklerde dış yüzeyden göbeğe doğru olan sertlik
dağılımı.
Değerlendirme ve Sonuç : Orijinal chain linkte göbek “ferrit+perlit” yapısında iken, dış
yüzey perlitik yapıdadır. Yedek parçada ise, göbek ve dış yüzey martensitik yapıya sahiptir.
Yedek parça chain linkin dış yüzeyinde, tane sınırlarında karbür ağı görülmüştür. Her iki
parçanın yüzey ve göbek kısımlarının farklı sertlikte ve mikroyapıda olmaları, yüzey
sertleştirme (sementasyon) işlemine tâbi tutulduklarını göstermektedir. Başlangıçta "ferrit +
perlit" yapısında olan orijinal chain linke kütlesel sertleştirme yapılmamış, sadece yüzeyin
karbon miktarı arttırılarak perlitik yapıya dönüşmesi sağlanmıştır. Yedek parça chain link
ise, kütlesel sertleştirme işlemine de tâbi tutulmuştur. Yüksek sertliğe sahip olan ve dış
yüzeylerindeki tane sınırlarında karbür ağı bulunan yedek parça chain link, orijinal chain
linke göre daha gevrek (kırılgan) bir yapıya sahiptir. Çok kısa kullanım süresinden sonra
yedek parça chain linklerde ortaya çıkan kırılma olayı, bu parçaya uygulanan yüzey
sertleştirme ve ısıl işleminin uygun olmamasından kaynaklanmaktadır.
8
ÖRNEK 3 : Pompa dişli çarkına ait hasar analizi.
Problem : ABD’den ithal edilmiş pompalara ait dişli çarkların dişlerinin kısa servis
süresinde kırılması.
İncelemeler : Hasar analizi yapılan dişliler (Şekil Ör.3.1), 30 mm ve 70 mm çaplarında
olup M2 kalite yüksek hız takım çeliğinden imal edilmişlerdir. Dişlilerin makro (Şekil Ör.3.2
ve Şekil Ör.3.3) ve mikro (Şekil Ör.3.4) yapıları optik mikroskopta incelenmiş ve HRC
cinsinden sertlikleri ölçülmüştür.
Şekil Ör.3.1 - Hasar analizi yapılan dişli çarklar. Şekil Ör.3.2 – Diş dibinin detay görünümü
(60X).
Şekil Ör.3.3 - Kırık dişli çarkın diş dibinde
bulunan çatlak (100X).
Şekil Örnek 3.4 - Dişli çarkın mikroyapısı
(800X).
Değerlendirme ve Sonuç : Hasar analizi yapılan dişli çarklar, M serisi takım çeliklerinin su
verilmiş ve temperlenmiş karakteristik mikroyapısına ve sertliğine (65 HRC) sahiptir.
Mikroyapıda kırılmaya sebebiyet verecek boyutta kalıntılar mevcut değildir. Dişli çarkların
diş diplerinin çok keskin olması ve belirli bir eğrilik yarıçapına sahip olmaması, bu
bölgelerde gerek ısıl işlem sırasında ve gerekse çalışma koşullarında aşırı gerilme
yoğunlaşması nedeniyle çatlama riskini arttırmaktadır. Dişli çarkların dişlerinden kırılması
ve hasara uğramış olan dişli çarkların bazı dişlerinin diplerinde çatlakların mevcut olması,
hasar sebebinin yanlış işleme ve/veya yanlış dişli çark tasarımı olduğunu belirtmektedir.
9
Kaynaklar
1. E.S. Kayalı, “Hasar Analizine Giriş”, Bölüm 1, Hasar Analizi Seminer Notları,
TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, İstanbul, 1997.
2. W.O. Alexander, G.J. Davies, S. Heslop, K.A. Reynolds, V.N. Whittaker,
“Essential Metallurgy for Engineers”, Ed. E.J. Bradbury, The Thetford Press,
Norfolk, 1985.
3. M.K. Şeşen, H. Çimenoğlu, “Bir Kule Vincinde Çalışma Esnasında Kırılan
Civataya Ait Hasar Analizi Raporu”, İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi Metalurji ve
Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul, 1999.
4. S.Yıldırım, H. Çimenoğlu, “Dökümhane Ortamında Çalışan Bir Makina Parçasında
Hasar Analizi”, 8.Denizli Malzeme Sempozyumu, Denizli, 2000.
5. E.S. Kayalı, H. Çimenoğlu, “Dişli Çarklara Ait Hasar Analizi Raporu”, İTÜ Kimya
Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul, 2001.
10