S235JR ve 16Mo3 Çelik Karşılaştırmalı Analizi
Yapısal dayanım ve yüksek sıcaklık direnci arasında doğru seçimi yapmak projelerinizin başarısı için kritik öneme sahiptir. Bu detaylı analizde, standart yapı çeliği **S235JR** ile yüksek sıcaklık uygulamalarının vazgeçilmezi olan **16Mo3** çeliği arasındaki temel farkları, kimyasal yapıdan maliyet etkinliğine kadar tüm yönleriyle inceliyoruz.
Kimyasal Yapı ve Alaşım Farklılıkları
İki çelik kalitesinin en büyük ayrımı, kimyasal bileşimlerinde yatar. Bu farklılıklar, nihai olarak çeliklerin kullanım sıcaklığını ve mekanik davranışını belirler.
S235JR: Standart Karbon Çeliği
S235JR, adından da anlaşılacağı gibi (S: Yapısal, 235: Minimum akma gerilimi $\text{N/mm}^2$ cinsinden), öncelikle **yapısal uygulamalar** için tasarlanmış alaşımsız bir çeliktir. Kimyasal yapısı, esas olarak demir ve belirli bir maksimum karbon, manganez ve silikon içeriği ile sınırlıdır. Karbon eşdeğeri (CEV) düşüktür, bu da kaynaklanabilirliğini artırır. Temel amacı, oda sıcaklığında yeterli mukavemet ve iyi süneklik sunmaktır. S235JR ve 16Mo3 arasındaki farklar, alaşım elementlerinin projelere olan etkisini açıkça gösterir.
16Mo3: Molibden Alaşımlı Kazan Çeliği
16Mo3 ise, EN 10028-2 standardına uygun, basınçlı kaplar ve kazanlar için özel olarak geliştirilmiş bir alaşımlı çeliktir. Bu çeliği S235JR’den ayıran en kritik element, bileşimine eklenen **molibden (Mo)**’dir. Molibden, çeliğin yüksek sıcaklıklarda sürünme direncini (creep resistance) ve çekme dayanımını artırır. Bu alaşım sayesinde 16Mo3, 500°C‘ye kadar olan çalışma sıcaklıklarında mekanik özelliklerini koruyabilirken, S235JR’nin bu sıcaklıklarda kullanılması mümkün değildir. Tipik Molibden içeriği %0.25 ile %0.35 civarındadır.
| Element (Max %) | S235JR (Tipik) | 16Mo3 (EN 10028-2) |
|---|---|---|
| Karbon (C) | 0.17 – 0.20 | 0.12 – 0.20 |
| Manganez (Mn) | 1.40 Max | 0.40 – 0.90 |
| Silikon (Si) | 0.50 Max | 0.35 Max |
| Molibden (Mo) | Yok | 0.25 – 0.35 |
| Fosfor/Kükürt (P/S) | Daha Yüksek Tolerans | Daha Düşük Tolerans (Saflık) |
Mekanik Özellikler ve Performans Kıyaslaması
Çeliklerin uygulama performansını belirleyen temel faktörler akma gerilimi, çekme dayanımı ve tokluk değerleridir. Bu iki çelik, farklı tasarım hedefleri nedeniyle bu özelliklerde belirgin farklılıklar gösterir.
Akma Gerilimi ve Çekme Dayanımı
Oda sıcaklığında, **S235JR**’nin minimum akma gerilimi 235 $\text{N/mm}^2$ iken, **16Mo3**’ün akma gerilimi kalınlığa bağlı olarak daha yüksek aralıklarda seyredebilir. Ancak, 16Mo3’ün asıl üstünlüğü, bu mekanik değerleri **yüksek sıcaklıklarda koruyabilmesi**dir. S235JR, sıcaklık arttıkça mukavemetini hızla kaybederken, Molibden katkısı sayesinde 16Mo3, termal etkilere karşı dirençli bir matris yapısını muhafaza eder.
Tokluk ve Darbe Enerjisi (Charpy Testi)
**S235JR**’deki ‘JR’ ibaresi, malzemenin oda sıcaklığında (+20°C) minimum **27 Joule** darbe enerjisi (tokluk) sağlayacağını belirtir. Bu, yapısal uygulamalar için yeterli bir tokluk seviyesidir. **16Mo3** ise, genel olarak yüksek tokluk değerlerine sahiptir ve bu değerleri yüksek sıcaklıklarda bile koruma eğilimindedir, bu da basınç altında ani kırılma riskini azaltır.
| Mekanik Özellik | S235JR (Min.) | 16Mo3 (Min. 16mm Et Kalınlığı İçin) |
|---|---|---|
| Akma Gerilimi ($R_e$) | 235 $\text{N/mm}^2$ | 270 $\text{N/mm}^2$ |
| Çekme Dayanımı ($R_m$) | 360-510 $\text{N/mm}^2$ | 440-590 $\text{N/mm}^2$ |
| Uygulama Sıcaklığı (Max) | Yaklaşık 350°C (Dizayn Kriteri Düşer) | 500 – 530°C’ye Kadar Etkin |
Standartlar ve Kullanım Amaçları
S235JR Kullanım Alanları ve Standartları
S235JR, **EN 10025** standardına uygun bir yapı çeliğidir. Köprüler, binalar, genel makine çerçeveleri, depolama tankları ve temel inşaat işleri gibi yüksek sıcaklıkların söz konusu olmadığı her türlü yapısal elemanlarda kullanılır. Piyasada en kolay bulunan ve en çok kullanılan çelik kalitesidir.
16Mo3 Kullanım Alanları ve Standartları
16Mo3, **EN 10028-2** (Basınçlı amaçlar için yassı ürünler) standardının bir parçasıdır. Kullanım alanları kesin olarak yüksek sıcaklık ve basınç altındaki sistemlerdir. Bunlar arasında;
- Kazanlar ve Buhar Jeneratörleri
- Basınçlı Boru Hatları
- Eşanjörler ve Reaktörler
- Termik Santral Bileşenleri
Yüksek Sıcaklık Davranışı ve Sürünme Direnci
Bir çeliğin yüksek sıcaklıktaki performansı, **sürünme (creep)** adı verilen, sabit yük altında uzun süre maruz kalınan sıcaklık nedeniyle kalıcı deformasyona uğrama eğilimi ile ölçülür. Sürünme olgusu, 350°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda belirginleşmeye başlar.
S235JR, alaşım elementi molibden içermediği için, 350°C’nin üzerinde hızlı bir sürünme hasarı riski taşır. Projelendirme aşamasında bu durum, tasarım streslerinin ciddi oranda düşürülmesini gerektirir. Öte yandan, **16Mo3**’e eklenen molibden, karbür oluşturucu bir element olarak matris içinde çözünür ve tane sınırlarını güçlendirir. Bu güçlendirme, çeliğin atomik hareketliliğini yavaşlatarak sürünme mekanizmasını engeller. Bu sayede 16Mo3, 500°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda bile uzun ömürlü ve güvenilir bir performans sunar. Bu, iki malzeme arasındaki en hayati ve maliyet-etkinlik açısından en belirleyici farktır.
Kaynak Edilebilirlik ve İşlenebilirlik
Hem **S235JR** hem de **16Mo3** iyi kaynaklanabilirlik özelliklerine sahiptir, ancak aralarındaki alaşım farkı nedeniyle uygulama yöntemlerinde kritik değişiklikler mevcuttur.
Kaynak Edilebilirlik
**S235JR**, düşük karbon eşdeğeri (CEV) sayesinde genellikle ön ısıtma gerektirmeyen, basit MIG/MAG veya MMA yöntemleriyle kolayca kaynak edilebilir. Düşük sertleşme eğilimine sahiptir.
**16Mo3**, molibden içeriği nedeniyle kaynak işlemi sırasında daha fazla dikkat gerektirir. Kaynak öncesi **ön ısıtma** (genellikle 100°C – 200°C arası) ve kaynak sonrası **gerilme giderme ısıl işlemi (PWHT)** çoğu zaman zorunludur. Bu işlemler, kaynak bölgesinde oluşabilecek hidrojen çatlaklarını önler ve malzemenin yüksek sıcaklık mekanik özelliklerini geri kazandırır. Bu ek adımlar, toplam üretim süresini ve maliyetini artırır, ancak güvenliği garanti eder.
İşlenebilirlik
Her iki çelik de standart kesme, delme ve bükme işlemlerine uygundur. Ancak **16Mo3**, alaşım yapısı nedeniyle S235JR’ye kıyasla biraz daha sert olabilir. Bu, işleme hızlarının ve takım ömrünün planlanmasında dikkate alınmalıdır.
Maliyet, Pazar Erişimi ve Ekonomik Değerlendirme
Malzeme seçimi sadece teknik gereksinimlere değil, aynı zamanda projenin bütçesine de bağlıdır. S235JR ve 16Mo3 arasında önemli bir fiyat farkı bulunmaktadır.
Fiyatlandırma Trendleri
S235JR, küresel çelik piyasasında bir emtia olarak kabul edilir ve ton başına maliyeti diğer tüm çelik kalitelerine kıyasla genellikle en düşüktür. Fiyatı, demir cevheri ve enerji maliyetleriyle yakından ilişkilidir.
16Mo3 ise, içerdiği molibden alaşımı ve daha sıkı üretim/test standartları (EN 10028) nedeniyle **S235JR’den ortalama %30 ila %60 daha pahalıdır**. Molibden, pahalı bir elementtir ve fiyatı küresel pazar dalgalanmalarına tabidir. Güncel piyasa koşullarında, 16Mo3’ün ton/fiyatı S235JR’nin referans baz fiyatının üzerinde seyretmektedir. Ancak, yüksek sıcaklıkta arıza riskini ortadan kaldırdığı ve uzun ömür sağladığı için, yüksek sıcaklık projelerinde bu ek maliyet bir zorunluluk ve uzun vadeli bir **yatırım** olarak kabul edilir.
Pazar Erişimi: S235JR, tüm dünyada stokları bulunan standart bir malzemedir. 16Mo3 ise, daha niş bir ürün olduğu için stok bulunabilirliği özellikle kalın plakalarda ve boru formlarında S235JR’ye göre daha sınırlıdır ve teslim süreleri daha uzun olabilir.
Çelik Ağırlık ve Karbon Eşdeğeri Hesaplama Formülü
Çelik malzemelerin maliyetlendirilmesi ve kaynaklanabilirliğinin önceden belirlenmesi için iki temel hesaplama yapılır: Ağırlık ve Karbon Eşdeğeri (CEV).
Ağırlık Hesaplama Prensibi
Çeliğin kütlesi, hacim ve yoğunluk çarpımı ile bulunur. Standart çelik yoğunluğu $\rho_{celik} \approx 7850 \text{ kg/m}^3$ (veya $7.85 \text{ g/cm}^3$) olarak kabul edilir.
$$Kütle (kg) = Hacim (m^3) \times Yoğunluk (7850 \text{ kg/m}^3)$$Örneğin, bir plakanın kütlesi: $Kütle = Uzunluk (m) \times Genişlik (m) \times Kalınlık (m) \times 7850 \text{ kg/m}^3$
Karbon Eşdeğeri (CEV) Hesaplama
Karbon Eşdeğeri (Carbon Equivalent Value – CEV), bir çeliğin alaşım elementlerinin kaynaklanabilirlik üzerindeki toplu etkisini ölçer. **16Mo3** gibi alaşımlı çeliklerde bu değer kritik öneme sahiptir. CEV, \%Karbon oranını diğer alaşım elementlerinin etkisine eşitlemeye çalışır. Genel olarak International Institute of Welding (IIW) formülü kullanılır:
$$CEV = \%C + \frac{\%Mn}{6} + \frac{\%Cr + \%Mo + \%V}{5} + \frac{\%Cu + \%Ni}{15}$$S235JR’nin CEV değeri genellikle $\text{CEV} < 0.35$ aralığındayken, 16Mo3'ün $\text{CEV}$ değeri molibden ve diğer alaşımlar nedeniyle daha yüksek çıkabilir ve genellikle $0.40$ civarındadır. Yüksek CEV, kaynaklanabilirlik için ön ısıtma gerekliliğini artırır.
Genel Yapı Çelikleri Hakkında Sıkça Sorulan Sorular (S235JR Bağlamında)
Standart çelik kaliteleri ve yüksek performanslı alaşımlarla ilgili sıkça karşılaşılan sorulara kısa yanıtlar:
S235JR kalitesi hangi standardın karşılığıdır?
S235JR, **EN 10025** standardına göre düşük karbonlu, yapısal çelik kalitesini ifade eder. Türk Standardı’ndaki eski adı ise genellikle **St37** olarak bilinir ve hala sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır.
16Mo3 çeliği neden S235JR’ye göre daha fazla ısıl işleme ihtiyaç duyar?
16Mo3, içeriğindeki molibden nedeniyle kaynak bölgesinde sertleşme eğilimi gösterir ve bu durum hidrojen çatlaklarına yol açabilir. Bu nedenle, ön ısıtma ve kaynak sonrası gerilme giderme ısıl işlemi (PWHT), malzemenin optimal mekanik özelliklerini koruması için zorunludur.
Basınçlı kaplarda S235JR kullanılabilir mi?
Çok düşük basınç ve oda sıcaklığı koşullarında kullanılsa da, **Basınçlı Ekipmanlar Direktifi (PED)** uyarınca yüksek sıcaklık ve basınç altındaki kritik uygulamalar için **16Mo3** gibi EN 10028 serisi basınçlı kap çelikleri tercih edilmelidir.