Sürünme direnci, bir malzemenin yüksek sıcaklıklarda uzun süreli statik yük altında deformasyona (sürünmeye) karşı gösterdiği direnci ifade eden bir malzeme özelliğidir. Özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan malzemelerin (örneğin, jet motorları, nükleer reaktörler, enerji santralleri) tasarımı için kritik bir parametredir. Sürünme, uygulanan gerilme değerinin malzemenin Akma Dayanımı'nın altında olmasına rağmen zamanla meydana gelen kalıcı bir deformasyondur.
Sürünme, atomların kristal yapı içerisinde difüzyonu ile gerçekleşen karmaşık bir süreçtir. Yüksek sıcaklıklarda atomlar daha hareketli hale gelir ve uygulanan gerilme altında kristal yapıda boşluklar (vakans) ve dislokasyonlar aracılığıyla yer değiştirirler. Bu süreç, malzemenin yavaş yavaş uzamasına veya şekil değiştirmesine neden olur.
Sürünme hızı, sıcaklık, gerilme ve malzemenin mikroyapısı gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Genellikle, sıcaklık ve gerilme arttıkça sürünme hızı da artar.
Sürünme genellikle üç farklı aşamada incelenir:
Birincil Sürünme (Geçici Sürünme): Deformasyon hızının zamanla azaldığı aşamadır. Bu aşamada, malzeme başlangıçta hızlı bir şekilde deforme olur, ancak deformasyon sertleşmesi nedeniyle sürünme hızı yavaşlar. Deformasyon Sertleşmesi, malzemenin plastik deformasyon sonucu daha dirençli hale gelmesidir.
İkincil Sürünme (Kararlı Sürünme): Deformasyon hızının sabit kaldığı aşamadır. Bu aşama, sürünme ömrünün büyük bir bölümünü oluşturur. Sürünme hızı, sıcaklık ve gerilme gibi parametrelerle belirlenir. Bu aşamada, deformasyon sertleşmesi ve iyileşme (recovery) süreçleri dengededir.
Üçüncül Sürünme (Hızlanan Sürünme): Deformasyon hızının hızla arttığı aşamadır. Bu aşamada, malzemenin mikroyapısında hasar birikimi (örneğin, boşlukların oluşumu ve büyümesi, çatlakların oluşumu) meydana gelir ve malzeme sonunda kırılır. Bu aşamada Kırılma Tokluğu azalır.
Sıcaklık: Sürünme, yüksek sıcaklıklarda daha belirgin hale gelir. Atomların hareketliliği arttıkça, difüzyon yoluyla deformasyon kolaylaşır.
Gerilme: Uygulanan gerilme miktarı, sürünme hızını doğrudan etkiler. Gerilme arttıkça, atomların yer değiştirmesi için gerekli enerji azalır ve sürünme hızı artar.
Malzemenin Mikroyapısı: Malzemenin tane boyutu, tane sınırları, çökelmeler ve dislokasyon yoğunluğu gibi mikroyapısal özellikleri sürünme direncini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, küçük tane boyutuna sahip malzemeler, tane sınırlarının dislokasyon hareketini engellemesi nedeniyle daha yüksek sürünme direncine sahip olabilir. Tane Sınırı
Malzeme Kompozisyonu: Alaşım elementleri eklenerek malzemenin sürünme direnci artırılabilir. Örneğin, nikel bazlı süperalaşımlar, yüksek sıcaklık uygulamalarında mükemmel sürünme direnci gösterirler. Bu alaşımlarda genellikle krom, alüminyum, titanyum, molibden, tungsten gibi elementler bulunur.
Kristal Yapısı: Malzemenin kristal yapısı da sürünme direncini etkiler. Örneğin, yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahip metaller, hacim merkezli kübik (HMK) yapıya sahip metallere göre genellikle daha iyi sürünme direnci gösterirler.
Tane Boyutunu Küçültme: Tane sınırları, dislokasyon hareketini engellediği için küçük tane boyutlu malzemeler genellikle daha yüksek sürünme direncine sahiptir.
Çökelme Sertleşmesi: Malzemenin içerisine dağılmış sert ve ince dağılmış çökelmeler, dislokasyon hareketini engeller ve sürünme direncini artırır.
Katı Çözelti Sertleşmesi: Alaşım elementleri eklenerek malzemenin atomik düzeyde bozulması sağlanır. Bu durum, dislokasyonların hareketini zorlaştırarak sürünme direncini artırır.
Dislokasyon Yoğunluğunu Artırma: Soğuk işlem gibi yöntemlerle dislokasyon yoğunluğu artırılabilir. Ancak, yüksek sıcaklıklarda dislokasyonlar hareketli hale gelebilir ve sürünme hızı artabilir. Bu nedenle, dislokasyon yoğunluğunu artırma stratejisi dikkatli bir şekilde uygulanmalıdır.
Tek Kristal Malzeme Kullanımı: Tane sınırları olmadığı için tek kristal malzemeler, çok yüksek sürünme direncine sahiptir. Bu nedenle, jet motoru türbin kanatları gibi kritik uygulamalarda tek kristal malzemeler kullanılır.
Yönlendirilmiş Katılaşma: Malzemenin katılaşma yönü kontrol edilerek, sütunlu tane yapısı elde edilebilir. Bu tür yapılar, tane sınırlarının dislokasyon hareketine dik olmasını sağlayarak sürünme direncini artırır.
Sürünme direnci, sürünme testleri ile belirlenir. Sürünme testleri, bir malzemenin belirli bir sıcaklıkta sabit bir yük altında ne kadar deforme olduğunu ölçmeyi amaçlar. Tipik bir sürünme testi, bir numunenin belirli bir sıcaklıkta sabit bir gerilme altında tutulması ve zamanla deformasyonun ölçülmesinden oluşur. Test sonuçları, sürünme eğrisi (deformasyonun zamana karşı grafiği) şeklinde sunulur. Bu eğriden, sürünme hızı ve sürünme ömrü gibi parametreler belirlenebilir. Farklı Gerilme Türleri de sürünme testlerinde dikkate alınır.
Sürünme direnci, aşağıdaki gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan malzemeler için kritik bir özelliktir:
Sürünme direnci, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan malzemelerin güvenliği ve performansı için önemli bir faktördür. Malzemenin sürünme davranışını anlamak ve sürünme direncini artırmak, mühendislerin daha güvenilir ve verimli sistemler tasarlamasına olanak tanır. Malzeme seçimi, tasarım ve üretim süreçlerinde sürünme direnci dikkate alınarak, yapısal bütünlük ve uzun ömür sağlanabilir. Malzeme Bilimi bu konuda önemli bilgiler sunar.