Herkese merhabalar, bugün sizlerle malzemelerin davranışları ile ortam koşulları arasındaki ilişki hakkında konuşmak istiyorum. Bunun önemi vereceğim örneklerle iyice anlaşılacak olsa da, şimdiden ifade etmek isterim ki hayal ettiğiniz tasarımın hangi koşullarda hayat bulacağı son derece kritiktir. Eğer dikkatsiz olunursa malzemenin davranışları konusunda bir hayli şaşırabilirsiniz. Şimdi konuya giriş yapalım.
Ortam Sıcaklığının Etkisi
Buradaki ilk tehlikenin ortam sıcaklığının “malzemenin erime sıcaklığının” üzerine çıkması olduğunu söylememe gerek yok sanırım. Fakat asıl soru şudur, malzemelerin tek tehlikesi erime sıcaklığını geçmek midir? Uzun bir zaman buna “evet” cevabı verildi, oysa cevap “hayır” olmalıydı. Peki öyleyse durum nedir? Bu sorunun cevabı bizi aşağıda tanıtacağım kavrama götürür, “camsı geçiş sıcaklığı (glass-transition temperature)”.
Havacılık mühendisliğinde (Aeronautical engineering) sıkça kullanılan bir alaşım olan Alüminyum 2024-T3’ün erime sıcaklığı yaklaşık olarak 500-640 °C’dir. Fakat zaman içerisinde elde edilmiş olan deneyimler neticesinde, bu alaşım havacılık mühendisliğinde en fazla 135°C civarında kullanılmaktadır.
Bu grafikte açıkça görülebilir ki, sıcaklık arttıkça alaşımın akma ve maksimum gerilmesi hızla düşmektedir. Malzemenin bu sıcaklıklara maruz kaldığı sürenin de önemi büyüktür fakat ilk odaklanmamız gereken nokta sıcaklık arttıkça, malzemenin dayanabileceği gerilmelerin düşmesidir. Bu ise bizim ilk başta yaptığımız mukavemet hesaplarının, eğer çıkılacak sıcaklıklar hesaba katılmamış ise yüksek ihtimalle kötü sonuçlar doğuracağının bir ispatıdır.
Camsı geçiş sıcaklığı (Glass-transition temperature), özellikle amorf materyallerde (polimerlerde) (atomların kararlı bir kristal yapıya sahip olmaması durumu) görülen ayırt edici bir özelliktir, Tg olarak ifade edilir.
Şekilde de görüldüğü üzere erime sıcaklığı Tm‘nin altında olunmasına rağmen, malzeme Tg değerini geçtikten hemen sonra ilginç bir şekilde davranış değiştiriyor. Bu davranışın etkisi, malzemenin elastisite modülünün hızla düşmesine ve haliyle mukavemet özelliklerinin hızla kaybolmasına sebep olur. Daha önce belirttiğimiz gibi, kullanacağımız yapıda polimer materyal kullanacaksanız; oda sıcaklığına göre mukavemet hesabı yapamazsınız.
Peki bu durum polimerlere özel midir? Hayır!
Sünek gevrek geçiş sıcaklığı (Ductile-to-brittle transition temperature), malzemelerin bir sıcaklık bölgesini tarif eder ve bu sıcaklığın altına inildiğinde malzemenin tokluk (toughness) özelliği aniden ciddi bir düşüş gösterir.
Bu önceki makalem: “malzemelerin mekanik özellikleri” nde belirttiğim üzere, malzemenin birim hacim başına alabileceği enerji anlamına gelir ve stress/strain eğrisinin altında kalan alan ile hesaplanır. Sünek gevrek geçiş sıcaklığından sonra bu özellik düşüş gösterir ve bu sebeple malzeme daha az enerjiyi absorbe edebilir hale gelir, yani daha gevrek olur.
T2/Liberty Ships
Amerika Birleşik Devletleri, kendisine ait filoların Alman denizaltıları tarafından saldırıya uğraması nedeniyle 1930-1937 yılları arasında yaptığı 71 gemiye ve 1939-1943 yılları arasında yaptığı 4000’e yakın gemiye ilave olarak T2 tankerlerini ve Liberty gemilerini üretmeye karar verir. Gemileri 5 gün gibi çok kısa bir süre içerisinde üretir ve bunu yaparken de geminin mühendisleri perçinleme(kalıcı bir mekanik bağlantı) yerine, kaynak yapmayı tercih eder. Çünkü kaynak yapmak geminin üretim hızını arttırmakla kalmaz, bir de kalıcı mekanik bağlantıya göre daha az bir ağırlık yapar.
Takvimler 16 Ocak 1943’ü gösterdiğinde, mevcut serinin ilk ürünü olan Liberty gemisi tersaneyi terketmiş ve Portland, Oregon sularına varmıştır. Fakat hiç beklenmedik bir şekilde fotoğraflarda gördüğünüz olay yaşanmıştır.
Evet, gemi ortadan ikiye ayrılmıştır. Mühendislerin ilk tahminleri perçinleme yerine kaynak yönteminin kullanılmış olması ve kaynak bağlantılarında meydana gelen muhtemel bir mukavemet düşüşü üzerineydi. Fakat ilerleyen araştırmalar sonucunda görüldü ki, geminin bu hale gelmesinin sebebi kaynak yönteminin kullanılmış olması değildi. Peki o zaman neydi?
Temel sebep geminin üretimi ve mukavemet hesaplarının yapıldığı aşamada, mühendislerin sünek gevrek geçiş sıcaklığının (ductile-to-brittle transition temperature) değişimini dikkate almamasıydı. Lütfen dikkat ediniz, “sünek gevrek geçiş sıcaklığını dikkate almadılar” demiyorum. “Sünek gevrek geçiş sıcaklığının değişimini” dikkate almadılar diyorum. Çünkü sünek gevrek geçiş sıcaklığı, hassas olan bazı malzemelerde değişim gösterir ve örneğin siz -10 derecede o sıcaklığa varacağınızı tahmin ediyorken, -2 derecede varmış olabilirsiniz bile. Gemide kullanılan çelik spesifik düşük sıcaklıklara oldukça hassastı ve sünek gevrek geçiş sıcaklığı aniden değişim gösterdi. Bu durum, geminin normalde o sıcaklıklarda metre küp başına absorbe edebileceği enerjinin düşmesine sebep oldu ve artık daha az enerji kaldırabilir/emebilir hale getirdi. Nihayet, belirli bir noktaya gelindiğinde, gemi daha fazla şekil değişimini kaldıramadığı için ortadan ikiye kırıldı.
Bugün sizinle ortam sıcaklığının malzemeler üzerindeki etkisi hakkında konuştuk. Bir sonraki ortam etkisi makalemde, tuzlu/nemli hava koşullarını, atmosfere girip çıkan uzay araçlarının üzerindeki etkileri, korozyon-galvanik korozyon etkilerini ve bir kaç ekstra detayı anlatacağım. İyi günler dilerim.