by arminmtt arminmtt

Nikel

Nikel, Ni sembolü ve 28 atom numarası ile kimyasal bir elementtir. Hafif, altın bir tonu olan gümüş rengi, beyaz bir metaldir. Nikel, geçiş metallerine aittir ve sert ve sünektir. Reaktif yüzey alanını maksimuma çıkarmak için toz haline getirilen saf nikel, önemli bir kimyasal aktivite gösterir, ancak daha büyük parçalar standart koşullar altında hava ile reaksiyona girer, çünkü yüzeyde bir oksit tabakası oluşur ve daha fazla korozyonu önler (pasivasyon). Buna rağmen, saf doğal nikel, Dünya kabuğunda yalnızca çok küçük miktarlarda, genellikle ultramafik kayaçlarda [4] ve Dünya’nın atmosferi dışındayken oksijene maruz kalmayan daha büyük nikel-demir meteorların içlerinde bulunur.

Meteorik nikel, demir ile birlikte bulunur, bu elementlerin kaynağının süpernova nükleosentezinin başlıca nihai ürünleri olarak yansımasıdır. Bir demir-nikel karışımının Dünya’nın iç çekirdeğini oluşturduğu düşünülmektedir.

Nikel kullanımı (doğal bir meteorik nikel-demir alaşımı olarak) 3500 BCE kadar geriye doğru izlenmiştir. Nikel ilk olarak 1751 yılında İsveç’in Los Halsingland kobalt madenlerinde bakır cevherini yanlış tanıtan Axel Fredrik Cronstedt tarafından kimyasal element olarak sınıflandırıldı.

Axel Fredrik Cronstedt

Elementin adı, bakır-nikel cevherlerinin bakırın rafine edilmesine direnç gösterdiği gerçeğini canlandıran Alman madenci mitolojisi, Nickel (Eski Nick’e benzer) yaramaz bir sprite’inden geliyor. Ekonomik açıdan önemli bir nikel kaynağı, genellikle% 1-2 oranında nikel içeren demir cevheri limonitidir. Nickel’in diğer önemli cevher mineralleri arasında pentlandit ve garniterit olarak bilinen Ni-zengin doğal silikatların bir karışımı bulunmaktadır. Başlıca üretim alanları arasında Kanada’daki Sudbury bölgesi (meteorik kökenli olduğu düşünülmektedir), Pasifik’te Yeni Kaledonya ve Rusya’da Norilsk bulunmaktadır.

Nikel oda sıcaklığında hava ile yavaşça oksitlenir ve korozyona dayanıklı olarak kabul edilir. Tarihsel olarak, demir ve pirinç kaplamak, kimya ekipmanlarını kaplamak ve Alman gümüşü gibi yüksek gümüşi bir cilayı koruyan bazı alaşımların imalatında kullanılmıştır. Dünya nikel üretiminin yaklaşık% 9’u hala korozyona dayanıklı nikel kaplamada kullanılmaktadır. Nikel kaplama nesneler bazen nikel alerjisine neden olur. Nikel, madeni paralarda yaygın olarak kullanılmasına rağmen, artan fiyatı, son yıllarda daha ucuz metallerle değiştirilmesine neden olmuştur.

Nikel, yaklaşık oda sıcaklığında ferromanyetik olan dört elementten biridir (diğerleri demir, kobalt ve gadolimumdur) [7]. Kısmen nikele dayanan Alnico sabit mıknatısları, demir bazlı sabit mıknatıslar ve nadir toprak mıknatısları arasında orta kuvvettedir. Metal modern zamanlarda özellikle alaşımlarda değerlidir; dünya üretiminin yaklaşık% 68’i paslanmaz çelik olarak kullanılmaktadır. Nikel bazlı ve bakır bazlı alaşımlar için% 10, alaşımlı çelikler için% 7, dökümhanelerde% 3, kaplamada% 9 ve hızlı büyüyen batarya sektörü de dahil olmak üzere diğer uygulamalarda% 4 oranında başka bir ürün kullanılmaktadır. [8] Bir bileşik olarak, nikel, piller, pigmentler ve metal yüzey işlemleri için hidrojenasyon katotları için bir katalizör gibi bir dizi niş kimyasal üretim kullanımına sahiptir. [9] Nikel bazı mikroorganizmalar ve aktif bölge olarak nikel içeren enzimleri olan bitkiler için temel bir besindir.

Nikel, yüksek bir cila gerektiren hafif bir altın belirti ile gümüşi beyaz bir metaldir. Oda sıcaklığında ya da yakınında manyetik olan sadece dört elementten biridir, diğerleri demir, kobalt ve gadolinyumdur. Curie sıcaklığı 355 ° C’dir (671 ° F), yani dökme nikelin bu sıcaklığın üzerinde manyetik olmadığı anlamına gelir! .1 Nikelin birim hücresi, atomik yarıçapı veren, 0.352 nm kafes parametresi ile yüz merkezli bir küp 0.124 nm. Bu kristal yapı, en az 70 GPa basınçlara dayanır. Nikel geçiş metallerine aittir ve sert ve verimlidir.


Elektron Konfigürasyon Anlaşmazlığı

Nikel atomu, enerjiye çok yakın olan iki elektron konfigürasyonuna sahiptir [Ar] 3d8 4s2 ve [Ar] 3d9 4s1 – [Ar] sembolü, argon benzeri çekirdek yapıya atıfta bulunur. Yapılandırmanın en düşük enerjiye sahip olduğu konusunda bazı anlaşmazlıklar var. [12] Kimya ders kitapları nikelin elektron konfigürasyonunu [Ar] 4s2 3d8, [13] olarak da yazar [Ar] 3d8 4s2. [14] Bu konfigürasyon Madelung enerji siparişi kuralına uygundur; Nikel atomunun en düşük enerji durumunun bir 3d8 4s2 enerji seviyesi, özellikle 3 (f (3F) 4s2 3F, J=4 seviyesi olduğu deneysel gerçeklerle desteklenmektedir.

Bununla birlikte, bu iki konfigürasyonun her biri, ince yapı nedeniyle iki enerji seviyesine ayrılmaktadır ve iki enerji seviyesi üst üste binmektedir. [Ar] 3d9 4s1 yapılandırmasına sahip durumların ortalama enerjisi aslında [Ar] 3d8 4s2 yapılandırmasına sahip durumların ortalama enerjisinden daha düşüktür. Bu nedenle, atomik hesaplamalarla ilgili araştırma literatürü, nikelin temel durum yapılandırmasını [Ar] 3d9 4s1 olarak belirtmektedir. [12]

İZOTOPLAR

Nikelin izotopları, inatomik ağırlıkları 48 u (48Ni) ila 78 u (78Ni) arasındadır.

Doğal olarak oluşan nikel, beş kararlı izotoptan oluşur; Ni, Ni, Ni, Ni ve 64Ni, 58Ni en bol olan (% 68.077 doğal bolluk). 62Ni’den daha ağır olan izotoplar, enerji kaybı olmadan nükleer füzyon ile oluşturulamaz.

Nikel-62, 8.7946 MeV / nükleon’da, herhangi bir nüklidde nükleon başına en yüksek ortalama nükleer bağlanma enerjisine sahiptir. [16] Bağlanma enerjisi, hem 56Fe hem de 58Fe’den daha büyüktür, daha bol miktarda bulunan elementler çoğu zaman en sıkıca bağlı nüklidlere sahip olduğu şeklinde yanlış olarak belirtilir. ^ 1 “7 Bu, nikel-62’yi evrendeki en bol miktarda bulunan element olarak görüyor olsa da, Yıldız içlerinde nikelin göreceli olarak yüksek oranda foto parçalanması oranı, demirin en bol miktarda bulunmasına neden olur.7

Kararlı izotop nikel-60, 2,6 milyon yıllık yarı ömrü ile çürüyen soyu tükenmiş radyonüklid 60Fe’nin bağı bulunmaktadır. 60Fe’nin bu kadar uzun bir yarı ömre sahip olması nedeniyle, güneş sistemindeki malzemelerdeki kalıcılığı, 60Ni izotopik bileşiminde gözlenebilir farklılıklar oluşturabilir. Bu nedenle, dünya dışı materyalde mevcut olan 60Ni’nin bolluğu, güneş sisteminin kökenine ve erken tarihine dair içgörü sağlayabilir.

Bazı 18 nikel radyoizotop karakterize edilmiştir, en stabil olanı yarı ömür 76.000, 59Ni, 100 yıl 63Ni ve 6 gün 56Ni’dir. Kalan radyoaktif izotopların tümü, 60 saatten daha az yarı ömre sahiptir ve bunların çoğu, 30 saniyeden daha az yarı ömre sahiptir. Bu element aynı zamanda bir demeta durumuna sahiptir. [18]

Radyoaktif nikel-56 silikon yanma işlemi ile üretilir ve daha sonra tip Ia süpernovaları sırasında büyük miktarlarda serbest bırakılır. Bu süpernovaların orta ve geç saatlerde ışık eğrisinin şekli, nikel-56’nın kobalt-56’ya ve nihayetinde demir-56’ya elektron yakalanmasıyla bozulmaya karşılık gelir. [19] Nickel-59, yarı ömrü 76,000 yıl olan uzun ömürlü kozmogenik bir radyonükliddir. 59Ni izotop jeolojisinde birçok uygulama bulmuştur. 59Ni meteoritlerin karasal yaşını tarihlendirmek ve buz ve tortudaki dünya dışı toz bolluğunu belirlemek için kullanılmıştır. Nikel-78’in yarı ömrünün son zamanlarda 110 milisaniyede ölçülmüş ve demirden daha ağır olan elementlerin süpernova nükleosentezinde önemli bir izotop olduğuna inanılmaktadır. [20] 1999’da keşfedilen 48Ni nuclide, bilinen en protonca zengin ağır element izotopudur. 28 proton ve 20 nötron ile 48Ni, 28 proton ve 50 nötron ile 78Ni olduğu gibi “çift sihir” dir. Her ikisi de, bu nedenle proton-nötron dengesizliği ™ 1 olan nüklidler için alışılmadık şekilde kararlıdır.

OLUŞ/OLAY

Yeryüzünde nikel, en sık pentlanditte kükürt ve demir, mililitte kükürt, mineral nikelinde arsenik ve nikel galeninde arsenik ve kükürt ile birlikte oluşur. [22] Nikel genellikle demir meteoritlerde alaşım kamakit ve taenit olarak bulunur.

Nikelin büyük kısmı iki tür cevher yatağından çıkarılır. Birincisi, esas cevher mineral karışımlarının nikelöz limonit, (Fe, Ni) O (OH) ve garnizonit (çeşitli sulu nikel ve nikel bakımından zengin silikatların bir karışımı) olduğu laterit’tir. İkincisi, ana cevher mineralinin pentlandit olduğu magmatik sülfit yataklarıdır: (Ni, Fe ^ S8).

Avustralya ve Yeni Kaledonya en büyük tahmini rezervlere sahiptir (toplam % 45). Tüm dünyada ortalama% 1 nikel veya daha büyük olan belirlenmiş karasal kaynaklar en az 130 milyon ton nikel içerir (bilinen rezervlerin iki katı kadar). % 60’ı lateritlerde ve% 40’ı sülfit yataklarındadır. [23]

Kaynak: www.miningpeople.com.au

Jeofiziksel kanıtlarda, dünyadaki nikelin çoğunun dünyanın dış ve iç çekirdeklerinde olduğuna inanılmaktadır. Kamasit ve taenit, doğal olarak ortaya çıkan demir ve nikel alaşımlarıdır. Kamasit için, alaşım genellikle 90:10 ila 95: 5 arasındadır, ancak kirlilikler (kobalt veya karbon gibi) mevcut olabilirken, taenit için nikel içeriği% 20 ila% 65 arasındadır. Kamasit ve taenit ayrıca nikel demir meteorlarında da bulunur [24].

BİLEŞENLER

Nikelin en yaygın oksidasyon durumu +2’dir, ancak Ni0, Ni + ve Ni3 + bileşikleri iyi bilinmektedir ve egzotik oksidasyon durumları Ni2-, Ni1- ve Ni4 + üretilmiştir ve çalışılmıştır. [25]

Nikel (0)

Ludwig Mond tarafından keşfedilen nikel tetrakarbonil (Ni (CO ^), [26], oda sıcaklığında uçucu, yüksek derecede toksik bir sıvıdır.

Ni (CO) 4 ^ Ni + 4 CO

Bu davranış, yukarıda açıklandığı gibi nikelin arıtılması için Mond işleminde kullanılmaktadır. İlgili nikel (0) kompleks bis (siklooktadien) nikel (0), organonickel kimyasında yararlı bir katalizördür, çünkü siklooktadien (veya morina) ligandları kolayca yer değiştirir.

Nikel (I)

Nikel (I) kompleksleri nadirdir, ancak bir örnek tetrahedral kompleks NiBr (PPh3) 3’tür. Birçok nikel (I) kompleksi, K2 [Ni2 (CN) 6] ‘nın sodyum amalgam ile indirgenmesi ile hazırlanan koyu kırmızı diamagnetic K4 [Ni2 (CN) 6] gibi Ni-Ni bağına sahiptir. Bu bileşik, suyu serbest bırakan H2’de oksitlenir. [27]

Nikel (I) oksidasyon durumunun, protonların H2’ye geri dönüşümlü indirgenmesini katalize eden [NiFe-hidrojeniaz gibi nikel içeren enzimler için önemli olduğu düşünülmektedir. [28]

Nikel (II)

Nikel (II), sülfit, sülfat, karbonat, hidroksit, karboksilatlar ve halojenürler dahil olmak üzere tüm ortak anyonlarla bileşikler oluşturur. Nikel (II) sülfat, nikel metalini veya oksitleri sülfürik asit içinde çözerek, hem heksa hem de heptahidratı oluşturarak büyük miktarlarda üretilir. Galvanik nikel için kullanışlıdır. Klorür, nitrat ve sülfat gibi genel nikel tuzları, thenetal aku kompleksinin yeşil çözeltilerini vermek üzere suda çözülür [NifH ^ O ^].

Dört halojenür, oktahedral Ni merkezlerini içeren moleküllere sahip katı olan nikel bileşiklerini oluşturur. Nikel (II) klorür en yaygındır ve davranışı diğer halojenürleri açıklar. Nikel (II) klorür, nikeli veya oksidini hidroklorik asit içerisinde çözerek üretilir. Genellikle formülü genellikle NiCl2 ^ 6H2O olan yeşil heksahidrat olarak karşılaşılır. Suda çözündüğü zaman, bu tuz metal su kompleksini oluşturur, 2+ [Ni (H20) 6]. NiC | ^ 6H20’nun dehidrasyonu sarı susuz NiCl2’yi verir.

Bazı tetrakoordinat nikel (II) kompleksleri, ör. bis (trifenilfosfin) nikel klorür, hem tetrahedral hem de kare düzlemsel geometrilerde bulunur. Tetrahedral kompleksler paramanyetik iken kare düzlemsel kompleksler diamagnetiktir. Manyetik denge özelliklerine ve oktahedral komplekslerin oluşumuna sahip olduklarında, onlar sadece kare düzlemsel geometri oluşturan ağır metal grubu 10 metallerin paladyum (II) ve platin (II) ‘nin iki değerli kompleksleriyle zıtlık gösterirler. [25]

Nikelosen bilinmektedir; 20 elektron sayısına sahiptir ve nispeten dengesizdir.

Nikel (III) ve (IV)

Çok sayıda Ni (III) bileşiği bilinmektedir, bu tür ilk örnekler Nikel (III) trihalofosfinlerdir (Niin (PPh3) X3). [30] Ayrıca, Ni (III) florürlü! 31 basit tuzlar oluşturur! veya oksit iyonları. Ni (III), tiyoller ve fosfinler gibi o-verici ligandlarla stabilize edilebilir. [27]

TARİHÇESİ

Nikel cevherleri kolayca gümüş cevherleriyle karıştırılır, çünkü bu metalin anlaşılması ve kullanımı nispeten yakın zamanlara dayanır. Bununla birlikte, istemeden nikel kullanımı eskidir ve MÖ 3500’e kadar geriye doğru izlenebilir. Şu anda Suriye’den olan bronzların% 2 kadar nikel içerdiği görülmüştür. [37] Bazı eski Çin elyazmaları, BIT’de 1700 ile 1400 arasında kullanılmış olan “beyaz bakır” £ upronickel’in kullanıldığını gösteriyor. Bu Paktong beyaz bakır, 17. yüzyılın başlarında İngiltere’ye ihraç edildi, ancak bu alaşımın nikel içeriği 1822 yılına kadar keşfedilmedi. [38] Nikel-bakır alaşımının madeni paraları, Bactrian kralları Agathocles, Euthydemus II ve Pantaleon tarafından BCE 2. yüzyılda, muhtemelen Çin cupronickelinden çıkarıldı [39].

Ortaçağ Almanya’sında, Erzgebirge’de (Ore Mountains) bakır cevheri andıran kırmızı bir mineral bulundu. Bununla birlikte, madenciler ondan herhangi bir bakır çıkaramadıklarında, bakırı beslemek için yaramaz bir Alman mitolojisi olan Nikel’i (Eski Nick’e benzer) suçladılar. Buna Alman Kupferinden bakır cevheri Kupfernickel adını verdiler. Bu cevher artık bir nikel arsenit olan benikeline (aka niccolite) bilinmektedir. 1751’de Baron Axel Fredrik Cronstedt, İsveç’in Los kasabasındaki bir kobalt madeninde kupfernickel’den bakır çıkarmaya çalıştı ve bunun yerine adını mineral olan nikele verilen ruhun adını verdiği beyaz bir metal üretti. [44] Modern Almanca’da, Kupfernickel veya Kupfer-Nickel alaşım cupronickel’i belirler.

Nickeline / Nickelite

Başlangıçta, nikel için tek kaynak nadir Kupfernickel oldu. 1824’ten başlayarak, kobalt mavisi üretiminin bir yan ürünü olarak nikel elde edildi. İlk büyük ölçekli nikel eritme işlemi, Norveç’te 1848’de nikel bakımından zengin pirititten başlamıştır. 1889’da çelik üretimine nikelin girmesi, nikel talebini ve 1865’te keşfedilen Yeni Kaledonya’nın nikel yataklarını, 1875-1915 yılları arasında dünyanın arzının çoğunu sağladı. 1883, 1920’de Norilsk-Talnakh’da, 1924’te Rusya’nın Merensky resifinde ve Güney Afrika’da Merensky Resifi’nde büyük çapta nikel üretimi mümkün olmuştur.[38]

PARA BASMA

Yukarıda belirtilen Bactrian sikkelerinin yanı sıra, nikel 19. yüzyılın ortasına kadar sikkelerin bir parçası değildi.

KANADA

1922-1981 yılları arasında yapılan savaş dışı yıllarda Kanada’da (o zamanki dünyanın en büyük nikel üreticisi)% 99.9 nikel vuruldu; metal içeriği bu sikkeleri manyetik yaptı [45]. 1942-45 savaş döneminde, zırh üretimi için tasarruf etmek üzere, nikellerin çoğu ya da tamamı Kanada ve ABD sikkelerinden çıkarıldı. [41] [46]. Kanada, 1968’den 2000 yılına kadar yüksek değerli sikkelerinde% 99.9 nikel kullandı.

Ni (IV), karışık oksit BaNiO3’te bulunurken, Ni (III), nikel-kadmiyum, nikel-demir, nikel hidrojen ve nikel dahil olmak üzere bir çok şarj edilebilir pilde katot olarak kullanılan nikel oksit hidroksit içinde bulunur. metal hidrit ve bazı üreticiler tarafından Li-ion pillerde kullanılır. [32] Ni (IV), nikelin nadir bir oksidasyon durumu olmaya devam etmektedir ve çok az sayıda bileşiğin datet olduğu bilinmektedir.

İSVİÇRE

Neredeyse saf nikelin sikkeleri ilk olarak 1881’de İsviçre’de kullanıldı [7].

BİRLEŞİK KRALLIK

Birmingham, Malaya’da ticaret yapmak için 1833’te nikel madeni paralarını aldı.

BİRLEŞİK DEVLETLER

Amerika Birleşik Devletleri’nde, “nikel” veya “nick” terimi, başlangıçta 1859-1864’ten aynı alaşımın Hint Başı yüzdesi olan% 12’lik nikel 1857-58 ile bakırın yerini alan bakırcı Uçan Kartal yüzdesine uygulanmıştır. Yine daha sonra, 1865 yılında, üç yüzde nikele verilen terim, nikel ise% 25’e yükseldi. 1866’da, yüzde beş kalkan nikel (% 25 nikel,% 75 bakır) atama için uygun oldu. Alaşım oranı ile birlikte, bu terim Amerika Birleşik Devletleri’nde günümüze kullanılmıştır.

GÜNÜMÜZDE KULLANIMI


21. yüzyılda, nikel fiyatının yüksek olması, metalin bazı metallerde yer değiştirmesine neden olmuştur. Halen nikel alaşımlarından yapılan madeni paralar arasında bir ve iki euro madeni para, 5Î, 10Î, 25Î ve 50ÎU.S bulunur. paralar ve 20p, 50p, £ 1 ve £ 2UK paralar. 5p ve 10p İngiliz madeni paralarındaki nikel alaşımı, 2012’de başlayan nikel kaplamalı çelik ile değiştirildi, bazı insanlar ve halk için alerji sorunlarına yol açtı.

DÜNYA ÜRETİMİ

Dünyada her yıl yaklaşık 2 milyon ton nikel üretilmektedir. [50] Filipinler, Endonezya, Rusya, Kanada ve Avustralya, ABD Jeoloji Araştırması tarafından bildirildiği üzere dünyanın en büyük nikel üreticisidir. [23] Rusya dışındaki Avrupa’daki en büyük nikel yatakları Finlandiya ve Yunanistan’da bulunmaktadır. % 1 nikel veya daha büyük olan belirlenmiş kara bazlı kaynaklar en az 130 milyon ton nikel içerir. % 60’ı lateritlerde ve% 40’ı sülfit yataklarındadır. Ek olarak, derin denizel nikel kaynakları, özellikle Pasifik Okyanusu’ndaki okyanus tabanının geniş alanlarını kapsayan mangan kabukları ve nodüller içerisindedir.

Paslanmaz çelik ve batarya üretiminde olduğu gibi çok önemli endüstriyel kullanıma sahip olan Nikel, herhangi bir doğal kaynağın olduğu gibi, küresel olarak yeterli miktarda nikel bulundurmak veya başka bir şekilde yeni aramalarda bulunmak çok önemlidir. Küresel nikel rezervleri 2018 itibariyle, toplam küresel nikel rezervleri yaklaşık 89 milyon mt’u buldu. Bu miktardan, Endonezya 21 milyon mt’da dünyanın en büyük paya sahip oldu. Endonezya’nın ardından Avustralya, 19 milyon mt’luk nikel rezerviyle birlikte. Küresel nikel üretimi Dünya çapında 25’ten fazla ülkede madencilik nikel vardır. 2018 küresel nikel üretimi, tahmini 2.3 milyon mt’du. En büyük nikel rezervine sahip ülke olarak, 2018’de 560.000 mt üretim yapan Endonezya’nın, aynı zamanda dünyanın en büyük üreticisi olması da uygundur. Öte yandan, Avustralya, dünyanın en büyük altıncı nikel üreticisidir.

Ülkeye Göre 2018 İtibariyle Dünya Genelinde Nikel Rezervleri (Milyon Mt Cinsinden)
Kaynak: Statista.com

Nikelin karlı bir şekilde mayınlı olduğu Amerika Birleşik Devletleri’ndeki tek yer, Riddle, Oregon’dur ve burada birkaç mil kare taşıyan nikelit yüzey çökeltilerinin bulunduğu Riddle, Oregon’dur. Maden 1987 yılında kapandı [52P3].
Kartal madeni projesi Michigan’ın üst yarımadasında yeni bir nikel madenidir. İnşaat 2013 yılında tamamlandı ve faaliyetler 2014 yılının üçüncü çeyreğinde başladı. [54] Operasyonun ilk tam yılında, Kartal Madeni 18.000 ton üretti.

Ekstraksiyon ve saflaştırma

Nikel, ekstraktif metalurji ile elde edilir: % 75 saflıktan daha fazla bir metal üreten geleneksel kavurma ve indirgeme işlemleri ile cevherden ekstrakte edilir. Birçok paslanmaz çelik uygulamasında, safsızlıklara bağlı olarak % 75 saf nikel daha fazla saflaştırılmadan kullanılabilir.

Geleneksel olarak, çoğu sülfit cevheri, daha fazla rafine etmek için bir mat üretmek üzere pirometaljik teknikler kullanılarak işlenmiştir. Hidrometalurjik tekniklerdeki son gelişmeler önemli ölçüde daha saf metalik nikel ürünü ile sonuçlanmıştır. Sülfit birikintilerinin çoğu geleneksel olarak bir köpüklü yüzdürme işlemi ve ardından pirometalurjik özütleme yoluyla konsantre edilerek işlenir. Hidrometalurjik işlemlerde nikel sülfit cevherleri flotasyonla konsantre edilir (Ni / Fe oranı çok düşükse diferansiyel flotasyon) ve eritilir. Nikel matı Sherritt-Gordon işlemi ile daha da işlenir. İlk olarak, bakır, bir kobalt ve nikel konsantresi bırakarak hidrojen sülfit ilave edilerek uzaklaştırılır. Ardından, kobalt ve nikeli ayırmak için çözücü ekstraksiyonu kullanılır ve nihai nikel içeriği% 99’dan fazladır.

Elektrorafinasyon

İkinci bir genel rafine etme işlemi, metal matın bir nikel tuzu çözeltisine bırakılması, ardından nikelin elektrolitik olarak kazanılması ve ardından elektrolitik nikel olarak bir katod üzerine kaplanması yoluyla çözeltiden elektro kazanılmasıdır.

MOND SÜRECİ

En saf metal,% 99,99’dan daha büyük bir saflığa ulaşan Mond işlemi ile nikel oksitten elde edilir. [59] Süreç Ludwig Mond tarafından patentli ve 20. yüzyılın başından beri endüstriyel kullanımdaydı. Bu işlemde, nikel karbonil oluşturmak için nikel, yaklaşık 40-80 ° C’de bir kükürt katalizörü varlığında karbon monoksit ile reaksiyona sokulur.

Demir de demir pentakarbonisi verir, ancak bu reaksiyon yavaştır. Gerekirse, nikel damıtma ile ayrılabilir. Dikbalt oktakarbonil ayrıca bir yan ürün olarak nikel damıtılmasında oluşturulur, ancak uçucu olmayan bir katı verecek şekilde reaksiyon sıcaklığında tetrakobalt dodesakarbonil’e ayrışır[60].

Nikel, nikel karbonilden iki işlemden biriyle elde edilir. Pelet adı verilen onbinlerce nikel küresinin sürekli karıştırıldığı yüksek sıcaklıklarda büyük bir odadan geçirilebilir. Karbonil, nikel kürelerinin üzerine saf nikeli ayrıştırır ve biriktirir. Alternatif işlemde, nikel karbonil, ince bir nikel tozu oluşturmak için 230 ° C’de daha küçük bir odaya ayrıştırılır. Yan ürün karbon monoksit yeniden dolaştırılır ve yeniden kullanılır. Çok saf nikel ürünü “karbonil nikel” olarak bilinir [61].

Metal Değeri

Nikelin piyasa fiyatı 2006 boyunca ve 2007 yılının ilk aylarında arttı; 5 Nisan 2007 itibariyle, metal 52.300 $ / ton veya 1.47 $ / oz seviyesinde işlem görüyordu. [62] Fiyat daha sonra çarpıcı bir şekilde düştü ve Eylül 2017 itibarıyla, metal 11.000 $ / ton veya 0.31 / ozE63 $ seviyesinde işlem gördü.

ABD nikel madeni parası, 0.04 ons (1.1 g) nikel içerir; bu, Nisan 2007 fiyatında 6.5 sent değerinde, 3.75 gram bakır ile yaklaşık 3 sent değerinde, toplam metal değeri 9 sentten fazladır. Bir nikelin yüz değeri 5 kuruş olduğundan, bu metalleri kârlı bir şekilde satmak isteyen insanlar tarafından eritmek için çekici bir hedef haline geldi. Bununla birlikte, Birleşik Devletler Nane, bu uygulamanın öngörülmesiyle, 14 Aralık 2006’da, 30 gün boyunca kamuoyuna açıklanacak, 14.06.2006 tarihinde, kuruşların eritilmesi ve ihracatı suçlanan yeni yorum kuralları uygulamıştır. 10.000 dolara kadar para cezası ve / veya en fazla beş yıl hapis cezası.
19 Eylül 2013 itibariyle, bir ABD nikelinin (bakır ve nikel dahil) erime değeri 0.045 dolar olup, bu değer yüz değerinin% 90’ıdır.

Uygulamalar

Küresel nikel üretimi şu anda şu şekilde kullanılmaktadır: paslanmaz çelikte% 68; Demir dışı alaşımlarda% 10; Alaşımlı çelikte% 7 galvanik kaplamada% 9; Dökümhanelerde% 3; ve% 4 diğer kullanımlar (piller dahil) .8

Nikel, paslanmaz çelik, alniko mıknatıslar, drenaj, şarj edilebilir piller, elektro gitar telleri, mikrofon kapsülleri, sıhhi tesisat armatürlerinde kaplama, [66] ve permalloy, elinvar ve nikelli. Kaplama için ve camda yeşil bir renk tonu olarak kullanılır. Nikel, esasen alaşımlı bir metaldir ve esas kullanımı, tipik olarak çekme dayanımı, tokluk ve elastik sınırı arttırdığı nikel çeliklerinde ve nikel döküm demirlerindedir. Nikel pirinç de dahil olmak üzere diğer birçok alaşımda yaygın olarak kullanılır ve
bakır krom, alüminyum, kurşun, kobalt, gümüş ve altın ile bronz ve alaşımlar (Inconel, Incoloy, Monel, Nimonic)


Alniko nikel alaşımından yapılmış bir “at nalı mıknatısı”

Korozyona dayanıklı olduğundan nikel, zaman zaman dekoratif gümüş yerine kullanıldı. Nikel ayrıca 1859’dan sonra bazı ülkelerde ucuz bir metal madeni metal olarak da kullanıldı (yukarıya bakın), ancak 20. yüzyılın sonraki yıllarında Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada dışındaki ucuz paslanmaz çelik (yani demir) alaşımları kullanıldı.

Nikel, bazı değerli metaller için mükemmel bir alaşım ajanıdır ve yangın tahlilinde platin grubu elementleri (PGE) toplayıcısı olarak kullanılır. Dolayısıyla, nikel, 6 PGE elemanının tümünü cevherlerden ve kısmen de altın toplayabilmektedir. Yüksek verimli nikel mayınları ayrıca PGE geri kazanımına da dahil olabilir (öncelikle platin ve paladyum); örnekler Rusya’da Norilsk ve Kanada’da Sudbury Havzası’dır.

Nikel köpük veya nikel ağ, alkalin yakıt hücreleri için gaz difüzyon elektrotlarında kullanılır. [68] [69]

Nikel ve alaşımları sık sık hidrojenasyon reaksiyonları için katalizör olarak kullanılır. Raney-nikel, ince bölünmüş bir nikel-alüminyum alaşımıdır, Raney-tipi katalizörler de dahil olmak üzere ilgili katalizörler de kullanılır.

Nikel, doğal olarak manyetostriktif bir malzemedir; bu, manyetik alanın varlığında, malzemenin uzunluğunda küçük bir değişikliğe uğradığı anlamına gelir [70] Nikelin magnetostriction değeri 50 ppm düzeyindedir ve negatif olduğunu gösterir.

Nikel, çimentolu tungsten karbür veya sert metal endüstrisinde bağlayıcı olarak kullanılır ve ağırlıkça% 6 ila% 12 oranlarında kullanılır. Nikel, tungsten karbürü manyetik hale getirir ve sertliği kobalt binde olanlara göre daha az olmasına rağmen çimentolu parçalara korozyon direnci ekler

63Ni, 100.1 yıllık yarı ömrü ile, canlı elektrot tarafından iyonlaştırmayı daha güvenilir hale getirmek için krytron cihazlarında beta partikülü (yüksek hızlı elektron) vericisi olarak kullanışlıdır.

Tüm nikel üretiminin yaklaşık% 27’si mühendislik, inşaat ve inşaat için% 10, tübüler ürünler için% 14, metal ürünler için% 20, nakliye için% 14, elektronik ürünler için% 1 ve diğer kullanımlar için% 5 olarak belirlenmiştir [8].

Biyolojik Rol

1970’lere kadar tanınmamış olmasına rağmen, nikelin bazı bitkilerin, eubakterilerin, arkaktivitelerin ve mantarların biyolojisinde önemli bir rol oynadığı bilinmektedir. Üreaz gibi nikel enzimler bazı organizmalarda virülans faktörleri olarak kabul edilir [77]. Üres, amonyak ve karbamat oluşturmak için ofürün hidrolizini katalize eder ^ 74] NiFe hidrojenazları, protonlar ve elektronlar oluşturmak için H2’nin oksidasyonunu katalize edebilir ve ayrıca ters reaksiyonu, hidrojen gazı oluşturmak için protonların azaltılmasını katalize edebilir. F430 kofaktörü olan kofaktör bir nikel-tetrapirol koenzim, metanojenik archaea’da metan oluşumunu katalize edebilen metil koenzim M redüktazda bulunur. [79] Karbon monoksit dehidrojenaz enzimlerinden biri bir Fe-Ni-S kümesinden oluşur [80] Diğer nikel taşıyan enzimler, bakterilerde ve birkaç parazitik ökaryotik tripanozomal parazitte ender görülen bir bakteri sınıfı ofuperoksit dismutas¿81] ve glikoklaz I enzimlerini içerir [82] ( Maya ve memeliler dahil daha yüksek organizmalarda, bu enzim iki değerli Zi * *) içerir.

Diyetli nikel, nikel bağımlı bakterilerin neden olduğu enfeksiyonlar yoluyla insan sağlığını etkileyebilir, ancak nikelin, kalın bağırsakta bulunan bakteriler için, prebiyotik olarak işlev görmesi için gerekli bir besin maddesi olması da mümkündür. [88] ABD Tıp Enstitüsü, nikelin insanlar için önemli bir besin maddesi olduğunu doğrulamamıştır, bu nedenle ne Tavsiye Edilen Diyet Ödeneği (BKİ) ne de Yeterli bir Alım yapılmamıştır. Diyetli nikelin Tolere Edilebilir Üst Alım Seviyesi, çözünür nikel tuzları olarak günde 1000 pg’dir. Diyet alımı,% 10’dan daha az absorbe edilerek 70 ila 100 pg / gün olarak tahmin edilir. Emilen şey idrarla atılır. [89] Nispeten büyük miktarlarda nikel – yukarıdaki tahmini ortalama yutmaya benzer – paslanmaz çelikten pişirilmiş yiyeceklere süzülür. Örneğin, 10 pişirme döngüsünden sonra atılan nikel miktarı, bir porsiyon domates sosu ortalamalarına 88 p§?] [91]

Sibirya Tuzakları volkanik püskürmelerinden salınan nikelin, en büyük tükenme olayı olan Permiyen-Triyas tükenme olayı sırasında metan üreten bir euryarchaeote archaea türü olan Methanosarcina’nın büyümesine yardımcı olduğundan şüpheleniliyor!

Toksisite

Nikelin maruz kalmasının en büyük kaynağı, nikelin bitkiler için elzem olduğu için, oral tüketimdir.! Nikel, hem gıda hem de suda doğal olarak bulunur ve insan kirliliği ile artabilir. Örneğin, nikel kaplı musluklar su ve toprağı kirletebilir; madencilik ve eritme, nikeli atık suya aktarabilir; nikel-çelik alaşımlı pişirme kapları ve nikel pigmentli kaplar, nikeli yiyeceğe bırakabilir. Atmosfer nikel cevheri rafine ve fosil yakıt yanması ile kirlenebilir. İnsanlar nikeli doğrudan tütün dumanından ve cilde takı, şampuan, deterjan ve madeni para ile temasından emebilirler. Daha az yaygın bir kronik maruz kalma şekli, hemodiyaliz yoluyladır, çünkü nikel iyonlarının izleri, albüminin şelatlama hareketinden plazmaya absorbe edilebilir.

Ortalama günlük maruz kalma insan sağlığı için bir tehdit oluşturmaz. Her gün insanlar tarafından emilen nikelin çoğu böbrekler tarafından çıkarılır ve idrar yoluyla vücuttan atılır veya emilmeden gastrointestinal kanaldan atılır. Nikel kümülatif bir zehir değildir, ancak daha büyük dozlar veya kronik solumaya maruz kalma toksik olabilir, hatta kanserojen olabilir ve mesleki tehlike oluşturur [94].

Nikel bileşikleri, sülfidik cevheri rafineri işçilerinin epidemiyolojik çalışmalarında gözlenen artmış solunum kanseri risklerine dayanarak, insan kanserojenleri [95] [96]! 97] [98] olarak sınıflandırılmaktadır. [99] Bu, sıçanlarda ve farelerde NTP biyo-tahlillerinin Ni sub-sülfid ve Ni oksit ile pozitif sonuçları ile desteklenir.! 100]! 101] İnsan ve hayvan verileri tutarlı bir şekilde oral maruz kalma yolu ile kanserojenite olmadığını gösterir ve Nikel bileşiklerinin solunmasından sonra solunum tümörleri için kanserojenlik nikel metali, şüpheli bir kanserojen olarak sınıflandırılır ağırlıklı olarak metalik maddelere maruz kalan işçilerde artan solunum kanseri risklerinin olmaması arasında tutarlılık vardır. nikel [99] ve sıçan ömrü boyunca solunum tümörlerinin eksikliği, nikel metal tozu ile yapılan inhalasyon kanserojenlik çalışmasıdır! 104] Çeşitli nikel bileşikleri ve nikel metal ile yapılan kemirgen inhalasyon çalışmalarında, bronşiyal lenf nodu hiperplazisi veya fibrozisi olan ve olmayan akciğer iltihapları artmıştır. [98]! 100]! 104]! 105] Sıçan çalışmalarında, suda çözünür nikel tuzlarının ağızdan alınması, hamile hayvanlarda perinatal mortalite etkilerini tetikleyebilir. yüksek oranda maruz kalan kadın işçilerin epidemiyolojik çalışmaları olumsuz gelişimsel toksisite etkileri göstermediğinden insanlar ile ilgilidir.

İnsanlar işyerinde nikele maruz kalabilir, solunması, yutulması ve cilt veya göz ile teması halinde. Mesleki Güvenlik ve Sağlık İdaresi (OSHA), işyeri için yasal sınırı (izin verilen maruz kalma sınırı), nikel karbonil hariç 8 saatlik iş günü başına 1 mg / m3 olarak belirlemiştir. Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü (NIOSH), 8 saatlik çalışma günü başına 0,015 mg / m3’lük önerilen maruz kalma sınırını (REL) belirler. 10 mg / m3’te nikel yaşam ve sağlık için hemen tehlikelidir.! 111] Nikel karbonil [Ni (CO) 4] son ​​derece toksik bir gazdır. Metal karbonillerin toksisitesi, hem metalin toksisitesinin hem de karbon monoksitin karbonil fonksiyonel gruplarından gazdan arındırılmasının bir fonksiyonudur; nikel karbonil de aiJ-12’de patlayıcıdır]

Hassaslaştırılmış bireyler, bir kontakt dermatit olarak bilinen nikele karşı cilt teması alerjisi gösterebilir. Çok hassaslaşmış bireyler aynı zamanda yüksek nikel içerikli yiyeceklere de tepki verebilirler Pomfoliksli hastalarda nikel duyarlılığı da mevcut olabilir. Nikel, kısmen delinmiş kulaklar için mücevher kullanımından dolayı dünya çapında onaylanmış temas alerjenidir. Delinmiş kulakları etkileyen nikel alerjileri, genellikle kaşıntılı kırmızı deri ile işaretlenir. Pek çok küpe şimdi bu sorunu gidermek için nikel veya düşük salma nikel olmadan yapılmıştır. İnsan derisine temas eden ürünlerde izin verilen miktar şu anda Avrupa Birliği tarafından düzenlenmektedir. 2002’de araştırmacılar, 1 ve 2 Euro madeni paralarla salınan nikelin bu standartların çok üzerinde olduğunu bulmuşlardır. Bunun galvanik bir reaksiyonun sonucu olduğuna inanılıyor.! 117] Nikel, 2008 yılında Amerikan Temas Dermatit Derneği tarafından Yılın Alerjeni seçildi.! Nikel: “Tahminler, nikel hassasiyeti içeren kontakt dermatitin yaklaşık 1.918 milyar dolar olduğunu ve yaklaşık 72.29 milyon insanı etkilediğini öne sürüyor.

Raporlar, hem hipoksi ile indüklenebilir faktörün (HIF-1) nikel kaynaklı aktivasyonunun hem de hipoksi ile indüklenebilen genlerin yukarı regülasyonunun, hücre içi askorbatın tükenmesinden kaynaklandığını göstermektedir. Askorbatın kültür ortamına eklenmesi, hücre içi askorbat seviyesini arttırdı ve HIF-1 ve HIF-la bağımlı gen ekspresyonunun metal kaynaklı stabilizasyonunu tersine çevirdi.

KAYNAKÇA

Çevirisi:
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nickel&oldid=844062679

https://www.statista.com

by arminmtt arminmtt Yorum yapılmamış

Ortalama Stresin Paslanmaz Çelik 304L’nin Yorulma Çatlak Büyüme Davranışına Etkisi

Özet – Farmasötik ekipmandan nükleer reaktörlerde borulamaya ve depolamadan kimyasal ürünlere kadar birçok mühendislik uygulamasında paslanmaz çelik kullanılmıştır. Bu denemede, ostenitik paslanmaz çelik 304L’nin deneysel sonuçlarına dayanarak yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, NASGRO mod yasaları kabul edildiğinde AFGROW kodu kullanılarak sunulmuştur. Bu örnekte, sabit genlikli yükleme altında delik örneğinde çift çatlak kullanılır ve ortalama stresin etkisi vurgulanmıştır. Sonuçlar, yorulma çatlağı büyüme hızının (FCGR) ve yorulma ömrünün, uygulanan maksimum yük ve delik boyutundan etkilendiğini göstermektedir. Bu materyal için Paris yasalarının bir eşdeğeri tahmin edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Yorulma Çatlağı, Paslanmaz Çelik, Ortalama Gerilme, Genlik Yüklemesi.

Mühendislik bileşenlerinin ve yapılarının malzemeleri genellikle pozitif ortalama stres ile döngüsel yüklemeye tabi tutulur. Yorulma çatlağı yayılımı, genellikle, gerilme şiddeti faktörü AK’nin genliği ile açıklanan LEFM (Doğrusal Elastik Kırılma Mekaniği) kavramlarının uygulanmasıyla analiz edilir. Yorulma çatlağı büyümesi çeşitli parametrelerden (metalurjik, çevresel, geometrik, yükleme … vb.) Etkilenmiştir. Yüksek mekanik özellikleri (kapasite direnci, yüksek güç, tokluk, yüksek korozyon direnci, sertlik ve darbe dayanımı) nedeniyle, paslanmaz çelikler kolayca değiştirilebilen malzemeler olarak kalmazlar. Düşman ortamda kullanılan östenitik paslanmaz çeliğin farklı dereceleri 301, 304, 304L, 316. Bu malzemeler birçok mühendislik uygulamasında (nükleer reaktörler, kimyasal ürünlerin depolanması vb.) Kullanılmıştır. Bu çalışmada incelenen malzeme 304L östenitik paslanmazdır. Birçok yazar, çalışılan çeliği farklı parametre etkileri [1-3] (termal, yorulma, sünme ve yorulma, kaynak, Yük geçmişi gibi) altında araştırmıştır. AISI 304L paslanmaz çelik kaynağı, Singh ve arkadaşları [4] tarafından deneysel olarak araştırılmıştır. Eşik gerilme yoğunluğu faktörünün yaklaşık 10 MPa.Sqrt (m) olduğu ve GMAW kaynak işlemi ile karşılaştırmalı olarak GTAW kaynak işlemi için Paris yasalarının (C, m) katsayılarının arttığı gösterilmiştir.
Yorulma çatlağı büyüme oranını etkileyen ana yükleme parametresi stres oranıdır [5]. Ortalama stresin etkisi bu parametre ile tanımlandı. Kalnaus ve arkadaşları [6], FCGR’de AL6XN adlı yeni paslanmaz çeliği, FCC östenitik yapılı süper östenitik bir paslanmaz çelik olarak sınıflandırmışlardır. Bu araştırmada, sabit genlikli deneylerden elde edilen sonuçlar, çatlak büyüme hızının R oranına duyarlılığını göstermektedir ve genlik yüklemesinin etkisi, düşük stres yoğunluğu faktöründe gösterilmiştir. Diğer çalışmalarda, aynı yazarlar [7] yakın zamanda stres oranı oranını, 304L paslanmaz çeliğin yorgunluk çatlak büyümesinde çentik boyutunun yuvarlak kompakt gerilim numunesi üzerinde bir çentik büyüklüğü etkisi yapmışlardır. Sonuçlar, malzemenin R oranına duyarlılık gösterdiğini göstermektedir. Çentikten çatlak büyümesinin erken aşaması, çoğunlukla çentik geometrisine değil, yükleme genliğinin değerine bağlıdır. Son zamanlarda, 304 östenitik paslanmaz çeliğin kırılma davranışı üzerinde düşük döngü yorulma etkisi Duyi Ye tarafından araştırılmıştır [8]. Düşük karbonlu östenitik paslanmaz çeliklerde 304L ve 316L’de yorgunluk çatlak büyümesi Yahiaoui ve Petrequin [9] tarafından araştırılmıştır. Aynı taleplerde (gerilme oranı, uygulanan yük), 316L çeliğinin 304L çeliğinden daha yüksek direnç gösterdiği gösterilmiştir. Numune kalınlığının çatlak ucu deformasyonu ve yorulma çatlak büyüme hızı (FCGR) üzerindeki etkisi 304L paslanmaz çelik üzerinde araştırılmıştır [10]. Sonuçlar, FCGR’nin kuvvetle numune kalınlığına bağlı olduğunu göstermiştir (kalınlık arttıkça, FCGR artmaktadır).
Bu girişimde, AFGROW kodu, AISI 304L östenitik paslanmaz çelikten yapılmış delikli düz plaka örneğinde çift geçişli çatlaktan çatlak büyümesini simüle etmek için kullanılır. Stres oranı (R) ve genlik yüklemesi ve delik efektlerinin çapı ile karakterize edilen ortalama stres sunulacaktır. Yorulma çatlağı büyüme analizi NASGRO modeli kullanılarak yapılmıştır.

II. Yorgun Çatlak Büyüme Davranışı

A. Paslanmaz Çelik Numunesi:
Bu çalışmada kullanılan malzeme L-T yönelimli haddelenmiş plakalar üzerinde elde edilen paslanmaz çelik 304L’dir (AFGROW veritabanı). Paslanmaz çelik 304L için temel mekanik özellikler Tablo 1 ‘dedir. Mod I’de yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, Şekil 1’ de ilk çatlak a0 gösterildiğinde delikte çiftten çatlak olan sonlu plaka kullanmıştır.

Tablo: Paslanmaz Çelik 304L’nin Mekanik Özellikleri

σ0.2 (MPa) KIC (MPa.m0.5) E (GPa) v
275.79 219.77 206.84 0.33

AFGROW kodunda uygulanan çalışılan örnek için stres yoğunluğu faktörü birkaç parametreye bağlıdır ve aşağıda yazılmıştır:

Newman [11] tarafından önerilen geometri düzeltme faktörü, aşağıda ifade edilmiştir
(Denklem 2):
Yeri λ = /1 (1+ (a /r))
Figür 1- Sonlu Plaka Örneği (Delikte Çift Çatlak)

B. Yorulma Çatlak Büyüme Modeli:

NASA tarafından geliştirilen AFGROW kodu [12], yorulma çatlak büyümesinin simülasyonu için kullanılır. Faiz modeli, yorulma çatlak büyüme eğrilerinin toplamı göz önüne alındığında NASGRO modelidir. NASGRO modeli Denk. 3:

C, n, p, q parametreleri deneysel sonuçlardan ampirik olarak türetilir ve f çatlak kapanmasının katkısını sunar. AKth, stres-yoğunluk faktörü aralığının çatlak yayılma eşik değerini sunar. Sürekli genlik yüklemesi için, Newman [12] tarafından belirlenen f işlevi. Çalışılan materyaller için NASGRO modelinin parametreleri Tablo 2’de sunulmaktadır.

Tablo 2: Кırık Büyüme Modeli Parametreleri

Cnpq
1.1486*10 -11 30,250,25

SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR

A- Ortalama Stres Etkisi

L-T yönelimindeki plaka numunesi, stres oranı ile karakterize edilen farklı ortalama stres ile sabit bir yüklemeye tabi tutuldu. Çatlak büyüme sınırı için Kmax başarısızlık kriterleri kabul edildi. Şekil 2, ortalama stresin (R oranı) 304L paslanmaz çeliğin yorulma çatlak büyümesi üzerindeki etkisini göstermiştir. Düşük ve yüksek stres yoğunluk faktörü AK aralığında bu materyal için ortalama stresin önemli bir etkisi gözlenmiştir. Da / dN’de belirli bir AK için ortalama stres (am) ile genel bir artış gözlenmiştir. Aynı etkiler diğer çalışmalarda da gözlenmiştir [13]. Paris bölgesinde, aynı FCGR eğimi gösterilmiştir. Ortalama stresin değişimi, aynı stres oranı için maksimum strese veya minimum strese göre değişir.

Figür: Ortalama stresin FCGR’ye etkisi (R oranı etkisi)

304L paslanmaz çeliğin büyüme hızı, Şekil 4’te sunulmuştur ve 316L ile karşılaştırılmıştır [14]. FCGR’da yüksek direnç farkı yoktur.

Figür 3: Ortalama Stresin FCGR’ye Etkisi (Genlik Yükleme Efekti)
Figür 4: İki Paslanmaz Çelikten (304L / 316L) FCGR’de Karşılaştırma

B. Delik Çapının Etkisi

Delik çapındaki değişiklik, yorgunluk ömrünü ve FCGR’yi önemli ölçüde etkiler. Delik çapının artmasının yorulma ömrü üzerine etkisi Şekil 5’de gösterilmektedir. 4 mm ile 8 mm arasındaki delik arasındaki fark 3,5 katıdır. Yorulma çatlağı büyüme direnci, ilk çatlakta, stres yoğunluğu faktörü ve FCGR’nin artmasıyla azalır (Şekil 6).

Figür 5: 304L paslanmaz çeliğin yorulma ömrünün evrimi (R = 0.25)
Figür 6: Çap delik etkisi altında FCGR’nin evrimi

SONUÇ

Bu çalışmada, delikli plaka örneğindeki çift geçişli çatlakta 304L paslanmazın yorulma çatlağı büyüme davranışı incelenmiştir. Ana sonuçlar aşağıda verilmiştir:

  • Yorulma çatlağı büyüme oranının gelişimi, stres oranı (R) ve maksimum genlik yükü varyasyonundaki ortalama stresten etkilenir.
  • Ortalama stresin (R oranı) artması, yorgunluk çatlak büyüme oranlarını arttırır.
  • Delik boyutunun artması, yorgunluk ömrünü azaltır.
  • Çalışılan malzemenin 316L paslanmaz çelik ile karşılaştırmalı olarak yüksek bir direnç direnci yoktur.

REFERANSLAR

[1] WS, Lin CF., “Impact properties and microstructure evolution of 304L stainless steel”. Mater SciEnggA 2001; A308:124-35.
[2] Kimura M., Yamaguchi K., Hayakawa M., Kobayashi K., Matsuoka S., Takeuchi E., “Fatigue fracture mechanism maps for a type 304 stainless steel”. Metall. Mat. Transf. A, vol. 35A, April 2004, p 1311.
[3] Maas E., Pineau A., “Creep crack growth behaviour of type 316L steel”. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 22, Issue 2, 1985, Pages 307¬325.
[4] Singh P. Johan, Guha B., Achar D.R.G., “Fatigue life prediction for stainless steel welded plate CCT geometry based on Lawrence’s local- stress approach”. EngngFail. Anal. 10, 655-665, 2003.
[5] M. Benachour, A. Hadjoui, M. Benguediab and N. Benachour. Stress ratio effect on fatigue behavior of aircraft aluminum Alloy 2024T351. MRS Proceedings, 1276, 7 doi:10.1557/PR0C-1276-7, (2010).
[6] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation on fatigue crack growth of AL6XN stainless steel”. Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 2002-2019.
[7] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation of fatigue crack growth of stainless steel 304L”. Int. Journal of Fatigue 31 (2009) 840-849.
[8] Duyi Ye, Yuandong Xu, Lei Xiao, Haibo Cha,. “Effects of low-cycle fatigue on static mechanical properties, microstructures and fracture behavior of 304 stainless steel”. Material Science and Engineering A, 527, n° 16-17 (2010), 4082-4102.
[9] Yahiaoui B., Petrequin P., “Étude de la propagation de fissures par fatigue dans des aciers inoxydables austénitiques à bas carbone du type 304L et 316L”.Rev. Phys. Appl. (Paris) Vol. 9(4), 1974. 683-690.
[10] Park HB, Lee BW., “Effect of specimen thickness on fatigue crack growth rate”. Nuclear Engng Des2000; 197:197-203.
[11] Newman, J.C., 1984, “A crack opening stress equation for fatigue crack growth”. International Journal of Fracture, 24(3), R131-135.
[12] Harter, J.A, “AFGROW users guide and technical manual: AFGROW for Windows 2K/XP”. Version 4.0011.14, Air Force Research Laboratory.

by arminmtt arminmtt Yorum yapılmamış

Östenitik Paslanmaz Çeliklerde Yorulma Çatlağının Yayılımının Yakın Eşiği

ÖZET: Bu yazıda, eşik değerine yakın bölgede ve orta oran aralığında yorulma çatlağı yayılımının, nükleer sanayide yaygın olarak kullanılan 304L ve 316L tipi iki östenitik paslanmaz çelik üzerinde yapılan bir çalışma ele alınmıştır. Amaç, hasar toleransı ile ilgili son endüstriyel güvenlik sorunlarına cevap vermek için yayılma yasalarını ve eşik seviyelerini yeniden değerlendirmektir. Oda sıcaklığında oluşturulan yayılma eğrileri, R = 0,1 ve 0,7’de 150 ° C ve 300 ° C’de yazılmıştır. Çatlak kapanmasının araştırılması, bu fenomenin eşik değerine yakın alanda ve R = 0,7’deki R = 0,1’de önemli bir katkısı olduğunu göstermiştir. Yayılma mekanizmaları, SEM gözlemleri vasıtasıyla gösterilmekte ve belgelenmektedir.

GİRİŞ
Nükleer santrallerde enerji üretimi endüstrilerinin iki ana kaygısı, güvenilirliğin geliştirilmesi ve yapıların işletme ömrünün uzatılmasıdır. Son yıllarda dikkat, bazı kritik yapı elemanlarının ısıl yorgunluğuna karşı dayanıma odaklanmıştır. Bu gibi bileşenlerin yorulma ömrünün tahmini için daha doğru bir araç geliştirilmesi, malzemelerin davranışları hakkında detaylı ve kesin bir bilgi gerektiriyordu. A316L ve A304L gibi östenitik çelikler, nükleer santrallerde (kazanlar, borular …) yaygın olarak kullanılır. Bu çalışmanın amacı, bu iki alaşımın çevre eşiğinden 300 ° C’ye kadar değişen sıcaklıklarda yakın eşikli çatlak yayılma davranışına dair endüstriyel bilgi eksikliğine cevap vermektir. Farklı deney koşullarında etkili yorulma çatlak büyümesi davranışı hakkında bilgi edinmek için yayılma testleri sırasında çatlak kapanma rolünün detaylı bir analizi yapılmıştır. Çatlak büyümesini kontrol eden mekanizmaların detaylı bir analizi için kırılma yüzey morfolojisinin mikro yapı, sıcaklık ve yük oranı (0,1 ve 0,7) açısından dikkatli bir şekilde incelenmesi yapılmıştır.

DENEYLER

Malzemeler lamine plakalardan sağlanmaktadır. Mekanik özellikler ve mikro yapılar sırasıyla tablo 1 ve şekil 1’de gösterilmiştir. Yorulma çatlağı büyüme deneyleri, LT oryantasyonunda (10 mm kalınlığında ve 40 mm genişliğinde) işlenmiş Kompakt Gerilim C (T) numunelerinde, ASTM Yorulma Çatlak Büyüme Hızlarının Ölçülmesine İlişkin Test Yöntemine (E 647-88) uygun olarak 500 ° C’ye kadar sıcaklık sağlayan bir fırına sahip servo-hidrolik makine kullanılarak gerçekleştirilir. 

TABLO – 1 Mekanik Özellikler

Materyal
Sıcaklık
Verim Stres
(MPa)
Nihai Stres
(MPa)
Uzama
%
304L2023157076
304L 15017743250,1
304L 30014240044,3
316L 2025357469,9
316L 15018546250,3
316L 30015443542,3
Şekil -1: 304L (a) ve 316L (b) Alaşımlarının Mikro Yapısı

Çatlak uzunlukları, DC (elektrik) potansiyel düşme tekniği kullanılarak izlenir. Örnekler sinüzoidal yüklemeye 35 Hz. sıklıkta gönderilir. Çatlak kapanması, kapasitif bir yer değiştirme göstergesi kullanılarak tespit edilir ve ofset uyum tekniği [1] ile belirlenir.

Oda Sıcaklığında Çatlak Yayılımı

Şekil 2a ve 2b’de, literatürden [2-6] sağlanan verilere kıyasla sırasıyla 304L ve 316L alaşımları için oda sıcaklığında oluşturulan çatlak yayılma eğrileri çizilmiştir.

Şekil- 2: Çatlak İlerleme Eğrileri da / dN – Sıcaklık ▲K İle Oda Sıcaklığında
304L (a) Ve 316L (b) Çelikler

304L için mevcut az sayıdaki veri, mevcut sonuçlara göre kabul edilebilir olup, 4 MPa √ m arasında değişen bir eşik göstermektedir. 316L için bu çalışma 3.3 MPa √ m’den Lindley ve diğerleri için 5.7 MPa √ m’ye kadar değişen bir eşik ile daha büyük bir saçılma gözlenir [6]. Amzallag ve ark. sonuçlar [5], deneysel prosedürün ve öncelikle normalize edilmiş ASTM K-gradyanı C = (1 / K) ‘nin güçlü etkisiyle açıklanabilen bu iki değer arasında düşmektedir. Bu çalışmada kullanılan -0,1 mm-1 değerine eşit veya daha düşük C değerlerinin kullanılması (ASTM’nin tavsiye ettiği C değerine – 0,08’e yakın), daha koruyucu eğriye ve alt eşik değerine ve sonuç olarak şiddetle tavsiye edilmelidir.

Her iki alaşımda oda sıcaklığında elde edilen deneysel sonuçlar, kapatma düzeltmesi olan ve olmayan R = 0.1 ve R = 0.7’deki veriler dâhil, şekil 3’te toplanmıştır.

Şekil – 3: Çatlak İlerleme eğrileri da / dN – ∆K ve da / dN – vs İçin oda sıcaklığında ∆Keff
316L ve 304L
Şekil – 4 : Yakın Eşikte Kırılma Yüzey Morfolojisi Aralık.

Aşağıdaki açıklamalar ifade edilebilir:

– Her bir R oranı için orta oran aralığında her iki çelik için benzer bir davranış;

– 304L (4,8 MPaV√ m) için R = 0,1’de, 316L (3,3 MPa √ m) ‘den daha yüksek bir eşik aralığı, daha çok yönlü kristalografik bir kırılma yüzeyiyle ilişkili olması (şekil 4);

– R oranının belirli bir ▲K aralığında büyüme oranı üzerinde zayıf bir etkisi;

Hem R oranında hem de çok benzer da / dN ve ▲Keff eğrilerinde çatlak kapanmasına büyük katkı.

– Mikro Fraktografik yüzey morfolojisi, A316L alaşımı için önceki gözlemlere uygundur [7].

Sıcaklık Etkisi

150 ° C ve 300 ° C’de elde edilen deneysel yayılma eğrileri, 304L alaşımı için şekil 5a ve 5b’deki oda sıcaklığında ve 316L alaşımı için şekil 6a ve 6b’deki ile karşılaştırılır. Ana eğilimler şunlardır:

  • İki alaşım arasındaki çatlak büyüme eğrilerinde çok az fark var ve eşik değerine yakın olsa bile her iki sıcaklıkta da R oranının önemli bir etkisi yoktur.
  • R oranı ne olursa olsun çatlak kapanmasına benzer katkı. Bu sonuç, bu iki çok yumuşak alaşımın tipik bir örneğidir ve yukarıda kapanmanın gerçekleşmeyeceği bazı Rcut değerinin [8] bulunmadığını gösterir.
  • Eşik aralığı 150 ° C’de, 300 ° C’de (hem alaşımlar hem de her iki R oranı için yaklaşık 6.6 MPa √ m civarında) karşılaştırılabilir, ancak oda sıcaklığındakinden daha yüksektir (şekil 4).
  • Her iki alaşım için etkili eşik aralığı (yani kapatma düzeltmesinden sonra) sıcaklığa karşı daha az hassastır ancak 150 ° C’de (yaklaşık 3 MPa √ m) oda sıcaklığında ve 300 ° C’de (yaklaşık 2 MPa √ m) biraz daha yüksek görünmektedir. Bu sonuçlar artan sıcaklıkla çatlak kapanmasının artan bir katkısını göstermektedir.
    Her iki alaşımdaki büyüme oranına göre yüzey morfolojisinin evrimini karşılaştırmak için kırılma yüzeylerinin SEM incelemesi yapılmıştır. Bazı çizimler, R = 0.1’de 150 ° C ve 300 ° C’de test edilen 304L alaşımı ve üç büyüme oranı aralığı için şekil 7’de verilmiştir. Eşiğin yakınında, oda sıcaklığında olduğu gibi çok kaba kristalografik yüzeyler, önemli bir katkı kapanmasına uygundur. Daha yüksek büyüme oranlarında gözlemlenen daha düz yüzeyler, mikroyapıya daha az duyarlı olan bir aşama II çatlamasına uygundur.

SONUÇ

304L ve 316L östenitik paslanmaz çeliklerde oda sıcaklığından 300 ° C’ye kadar değişen sıcaklıkta yorulma çatlağı yayılımına ilişkin bu çalışma, aşağıdaki ana çıkarımlara yol açmaktadır:

  • Hız aralığı ve sıcaklık ne olursa olsun iki alaşım arasında çok az bir fark vardır;
  • Stres şiddeti faktörünün eşik aralığı, R oranı ne olursa olsun sıcaklıkla artar;
  • Eşiğe yakın bölgedeki çatlak kapanmasının önemli bir katkısı, R oranı ne olursa olsun eşiğin yüksek seviyesini açıklar.
Şekil – 6: ıcaklığın Etkisi da/dN vs ∆K ve da/dN vs ∆Keff 304L de Eğrilikler R=0.1 (a) and R=0.7 (b).
Şekil – 7: Kırılma yüzeylerinin 150 ° C’de ve 300 ° C’de 304L’de karşılaştırılması
Şekil – 8 : Çatlak İlerleme Eğrileri da / dN – ∆K ve da / dN – ∆Keff
150 ° C’de (a) ve 300 ° C’de (b) 304L ve 316L Çelik Üzerinde

REFERANSLAR

  1. Sarrazin-Baudoux, C. Chabanne, Y. and Petit, J., (2000) Fatigue crack growth thresholds, endurance limits and design, ASTM-STP 1372, James C. Newman and Robert S. Piasick eds., American Society for Testing and Materials pub, 341.
  2. James, L.A. (1976) Atomic Energy Review 14, 86.
  3. Huthmann, H., Livesey, V.B. and Robert, G. (1996) Int. Jal. Ves. And Piping 65, 239.
  4. McEvily, A.J., Gonzalez, J.L. and Hallen, J.M.(1996) Scripta Mater. 6, 761.
  5. Lindley, T. C. and Richards, E. (1976) Engineering Application III, 1113.
  6. Amzallag, C. et al. (1981) Fatigue crack growth measurement and data analysis, ASTM S TP 738, S.J. Hudak, Jr. And R.J. Bucci, Eds, American Society for Testing and Materials pub., 44.
  7. Meny, L. (1976)Mécanismes de fissuration,Rapport CEA, D.TEC/ SRMA/GMAR.76.194.