Brinell Sertlik Ölçme Yönteminde Görüntü Analiz Tekniğinden Yararlanma Olanakları

Transkript

1 Brinell Sertlik Ölçme Yönteminde Görüntü Analiz Tekniğinden Yararlanma Olanakları ÖZET *Abdullah BEYAZ, Ramazan ÖZTÜRK *Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Aydınlıkevler / Ankara / TÜRKİYE * abeyaz@ankara.edu.tr Brinell sertlik ölçümü, genel olarak bu amaçla özel olarak geliştirilmiş Brinell test cihazları kullanılarak yapılmaktadır. Brinell test metodu, test materyali ve farklı çaplara sahip olabilen çelik bir bilyeyi içermektedir. Farklı materyaller için s yüklenme sonrasında materyal üzerindeki iz çapı ölçülmektedir. Brinell sertlik değeri materyal üzerindeki iz çapına bağlı olarak hesaplanmaktadır. İki farklı okuma çapına bağlı olarak Brinell sertlik değeri bir tablo vasıtasıyla belirlenebilmektedir. Brinell sertlik ölçümünde kullanılan çelik bilye geniş ve derin bir iz bırakmaktadır. Son zamanlarda görüntü işleme ve analiz teknikleri çok farklı amaçlarla Tarımsal Mekanizasyon alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntem Brinell sertlik ölçüm sistemlerinin kullanımında ve iz ölçülerinin belirlenmesinde kolaylık ve faydalar sağlayabilmektedir. Bu sebeple oluşturulan iz çapları bir görüntü analiz yazılımı kullanılarak ölçülmüştür. Görüntü analizi ölçümlerinden elde edilen sonuçlar materyal sertliğinin belirlenmesinde kullanılmıştır. Bu sayede pahalı ve zor bulunan sertlik ölçüm cihazlarına alternatif ve ucuz bir metodun geliştirilmesine çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Brinell sertlik ölçme, görüntü analizi. ABSTRACT Brinell hardness values are usually measured by using Brinell Hardness Testers. The Brinell hardness test method basically consists of indenting the test material with a ball of different diameters. The full load is normally applied for 10 to 15 seconds at different materials then the diameter of the indentation at the test material is measured. The Brinell hardness number is calculated by the diameter of the indentation. The diameter of two readings use for determination of the Brinell hardness number from the table easly. The Brinell ball makes the deepest and widest indentation. Recently image analysis is widely used in agricultural machinery area. There are great benefits in using this method to measure indentations and verify Brinell hardness measurement systems. Because of that reason surface area and diameters of the indentations calculated by using an image analysis software. Results which is obtained from image analysis measurements used for determination of material hardness. Alternative and unexpensive method used for digitalized Brinell hardness measurement systems. Keywords: Brinell hardness measurement, image analysis. Giriş Eğer sertlik ifadesi tek başına kullanılırsa gündelik bir kavramdır. Bir tanım içermez. Bu ifadeye bazı nitelikler eklendiğinde bir terim olarak kullanılabilir. Bugüne kadar Brinell, Rockwell, Vickers vb. gibi bir çok sertlik ölçüm metodu tanımlanmıştır. Bu metotların herbiri farklı referanslara bağlı olan karşılaştırma prosedürleri içermektedir. Sertlik ölçümü, cisimler üzerinde kuvvet uygulanarak iz bırakılması, uygulanan bu kuvvet sonrasında temas yüzeylerinde bırakılan izlerin ölçülmesi ve sonrasında karşılaştırılması olarak tanımlanabilir (Clough et al., 2003). Yani sertlik ölçüm işlemi iki adımdan oluşmaktadır: (i) İz bırakma ve, 68

2 (ii) ize bağlı olarak oluşan ölçümlerin karakteristiğinin belirlenmesi (Petik, 1983). Küresel iz bırakma tekniği, materyallerin sertliklerinin ölçümü amacıyla ilk defa Brinell tarafından kullanılmıştır. Brinell iz basıncının penetrasyona bağlı olarak arttığını gözlemlemiş ve yüzeye uygulanan kuvvet ile bırakılan iz arasında yakın bir ilişkinin olduğunu belirtmiştir. Tek bir parametre kullanarak sertlik ölçümü yapabilmek amacıyla Brinell sertlik değerleri olarak belirtilen oranları ortaya koymuştur (Richmond et al., 1974). Metallerde Brinell sertliği 1900 kgf mm -2 yük altında 10 mm çapında çelik bir bilyenin belirli bir basınç altında materyal yüzeyinde oluşturduğu iz ile belirlenmektedir. Bu metot 450HB sertliğinin üzerindeki materyaller için standart hale gelmiştir, fakat yüksek sertlik değerleri için çelik bilyenin yeterli dayanıma sahip olması gerekmektedir (Angus, 1979). Sertlik değerine temelde taşlama, kesme ve aşınma işlemleri için ihtiyaç duyulmaktadır. Malzemenin mikro yapısı, tek fazlı alaşımlar, soğuk işleme ve soğuk işlenen metallerde yeniden kristalleştirme sertlik değerlerinin değişmesine neden olan ve sertlik ölçümlerini etkileyen bazı detaylardır (Angus, 1979). Brinell sertlik ölçümünde kullanılan çelik bilye geniş ve derin bir iz bırakmaktadır. Sertlik ölçüm değerleri uygulanan kuvvet, çelik bilye, kuvvetin uygulanma süresi, iz ölçüm cihazı ve operatör yetenekleri gibi birçok nedene bağlı olarak değişmektedir. Bu sebeple ölçüm doğruluğunu ve sonucunu etkileyebilecek her parametre için istenmeyen unsurların minimize edilmesi gerekmektedir (Mendes and Leta, 2003). Bu çalışma görüntü analiz yöntemi kullanarak bir metal alaşımda sertlik ölçümü işlemini özetlemektedir. Görüntü işleme ve analiz teknikleri Tarım Makinaları alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu metot Brinell sertlik ölçüm sistemlerinin kullanımında ve iz ölçülerinin belirlenmesinde kolaylık ve faydalar sağlayabilmektedir. Bu sebeple, sertlik ölçümü amacıyla uygulanan kuvvetler sonucu oluşan izlerin; yüzey alanı, çevre ve çap değerleri görüntü analiz tekniği kullanılarak hesaplanmıştır. Görüntü analiz tekniği ile bulunan sonuçlar materyal sertliğinin belirlenmesi amacıyla kullanılmıştır. Materyal Çekimler için 12.3 megapixel Nikon D300s model DSLR digital kamera kullanılmıştır (Şekil 1.). Kamera düşük gürültülü görüntü eldesi ve detaylardaki artışı sağlama amacıyla yüksek çözünürlüğe sahip 12.3-megapiksel DX-format CMOS görüntü sensörü içermektedir. Aynı zamanda 51- otofokus noktası ve hassasiyetin arttırılması için 4 dinamik AF seçeneği içermektedir. Fotoğraf makinası gövdesinde DXformatında AF-S DX Mikro Nikkor 85mm f/3.5g ED VR NİKKOR lens kulanılmıştır. Lens yakın çekim ve sürekli otofokusa ve (1:1) oranında yakın çekimlere olanak sağlayan bir lenstir (Şekil 2.). Aynı zamanda ortam ışığının kontrolü için Viltrox JY LED Makro Ring Flaş kullanılmıştır (Şekil 3.). Şekil 1. Nikon D300s gövde Şekil 2. AF-S DX Mikro Nikkor 85mm f/3.5g ED VR NİKKOR lens 69

3 Şekil 5. Brinell sertlik ölçüm cihazı Şekil 3. Viltrox JY LED Makro Ring Flaş AISI 304 X5 CrNi test materyali Şekil 4 te görülmektedir. Aynı zamanda Tablo 1 de malzeme içeriği detaylı bir şekilde sunulmuştur. Şekil 4. AISI 304 X5 CrNi test materyali Tablo 1. Test materyalinin içeriği Element Ağırlık % C 0.04 Cr 18,1 Ni 8,1 Mo - Diğer - Şekil 5 te test ve kalibrasyon çubuklarına iz bırakması amacıyla kullanılan Brinell sertlik ölçüm cihazı görülmektedir. Cihaz bulunan iz çaplarına bağlı olarak farklı malzemeler için Brinell sertlik değerinin belirlenmesinde kullanılan tabloların bulunduğu kitapçıklar içermektedir. Metot Çelik, demir vb. malzemelerin sertlikleri genellikle Brinell test cihazlarında uygulanan yüklere bağlı olarak ölçülmektedir. Ölçümlerde belirli koşullar altında ölçülecek materyal yüzeyine bir F kuvveti uygulanır, bu kuvvet belirli bir uygulama zamanı sonrasında kaldırılır ve materyalde oluşan iz alanına bağlı olarak materyalin sertlik ölçümü gerçekleştirilir. İdeal Brinell sertlik ölçüm prensibi Şekil 6 da tanımlanmıştır (Leyi et al., 2011). Brinell sertlik değeri uygulanan kuvvet F (N), bilya çapı D (mm), iz çapı d (mm) ve iz açısı Φ parametrelerinin belirli formüllere uygulanmasıyla da ölçülebilmektedir. Aynı zamanda kalibrasyon tabloları ve yansıtma monitörleri de Brinell sertlik değerinin tanımlanmasında kullanılabilmektedir. Şekil 6. İdeal Brinell sertlik ölçüm prensibi (Leyi et al., 2011). 70

4 Yüklenme hatalarına bağlı olarak oluşan istenmeyen ölçüm hataları Şekil 7 de görülmektedir. Şekil 7. İz yaratılması. R ideal iz yarıçapı, R = d/2, R 1 gerçek iz yarıçapı (Leyi et al., 2011). Kuvvet uygulanmasından kaynaklanan bu hatalar üç temel nedene dayanmaktadır bunlar; (i) uygulanan kuvvetin ölçüm ihtiyaçlarını karşılamaması, (ii) kuvvet yönünün kuvvetin uygulandığı yüzeye dik olmaması, (iii) uygulanan kuvvetin ivmesinden kaynaklanan pozitif veya negatif sapmaların söz konusu olması şeklinde sıralanabilir (Leyi et al., 2011). Bu çalışmada test çubuğunun sertlik değerinin belirlenmesi amacıyla 30 adet ölçüm gerçekleştirilmiştir. Her ölçüm için farklı bir kuvvet uygulanmıştır. Öncelikle, iz çapları büyüteçli bir cetvel kullanılarak ölçülmüştür (Şekil 8.) Sonrasında, izlerin monocrome formatında dijital görüntüleri elde edilmiştir (Şekil 9.). Şekil 8. Çelik bilya izinin büyüteçli cetvel kullanılarak ölçülmesi Şekil 9. Çelik bilya izinin monocrome görüntüsü Bu çalışmada Myriad görüntü analiz programı kullanılmıştır. Program, görüntünün kalibrasyon işlemi ve görüntünün doğru bir şekilde seçilmesi işlemi olmak üzere iki basamaklı olarak çalışmaktadır (Beyaz, 2008). Seçim işlemi sırasında program farklı seçim olanakları sunmaktadır. Bunlardan çap, çevre ve alan ölçümleri için amaca en uygun seçim yöntemi olan çokgen seçim yöntemi kullanılmıştır (Şekil 10, Şekil 11). 71

5 Büyüteçli cetvelden sertlik ölçümü (BC HB) ile görüntüden sertlik ölçümü (GA HB) arasındaki regresyon katsayısı ise %66,0 olarak bulunmuştur (Şekil 14.). Bu sonuçlara bağlı olarak test çubuğunun kristal yapısı sebebiyle geniş bir Brinell sertlik değeri aralığına sahip olduğu söylenebilir. Kalibrasyon ve test çubuğu regresyon sonuçları incelendiğinde her ikisi içinde yüksek regresyon oranlarına ulaşıldığı fakat büyüteçli cetvelden sertlik ölçümü ile görüntüden sertlik ölçümü arasındaki regresyon katsayısının nispeten daha düşük olduğu görülmektedir. Şekil 10. Myriad görüntü işleme programında çap ölçüm örneği Şekil 11. Myriad görüntü işleme programında alan ve çevre ölçümü Tartışma ve Sonuç Büyüteçli cetvel yardımıyla kalibrasyon çubuğundan yapılan çap ölçümü (BCK) ile kalibrasyon çubuğu görüntüsünden yapılan çap ölçümü (GAK) arasındaki regresyon katsayısı %97,7 (Şekil 12.) olarak bulunmuştur. Aynı zamanda büyüteçli cetvel yardımıyla test çubuğundan yapılan çap ölçümü (BCT) ile test çubuğu görüntüsünden yapılan çap ölçümü (GAT) arasında %96,6 regresyon belirlenmiştir (Şekil 13.). Kalibrasyon ve test çubuğu regresyon sonuçları incelendiğinde her ikisi içinde görüntü analizi ve büyüteçli cetvel ölçümleri arasında yüksek regresyon oranlarına ulaşıldığı görülmektedir. Bu düşük bir regresyon oranına ulaşılmasının temel nedenleri; i) Büyüteçli cetvel ve görüntü ölçüm merkezlerinin farklı seçilebilmesi ihtimali sonucunda gerçekleşen hatalar, ii) Görüntü işleme programında seçimlerin göz ile yapılması sonucu görüntü ölçümlerinde hassasiyet kayıplarından dolayı yapılan hatalar iii) Günümüz teknolojisine eşdeğer değerlendirme olanakları sağlayamayan sertlik tablosu değerleri şekilde sıralanabilir. Yukarıda sayılan temel nedenler göz önüne alındığında farklı seçim ihtimali ve seçim hassasiyetinin kaybedilmemesi için bu amaca yönelik yerli ve özel bir görüntü işleme programı geliştirilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Yine günümüz bilgisayar teknolojisine veri tabanı olacak hassas sertlik ölçüm değeri tablolarına ihtiyaç vardır. BCK (mm) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,5 BCK (mm) = 0, ,9504 GAK (mm) 3,0 GAK (mm) 3,5 4,0 S 0, R-Sq 97,7% R-Sq(adj) 97,6% Şekil 12. Büyüteçli cetvel yardımıyla kalibrasyon çubuğundan yapılan çap ölçümü (BCK) ile kalibrasyon çubuğu görüntüsünden yapılan çap ölçümü (GAK) arasındaki regresyon katsayısı 72

6 BCT (mm) 3,6 3,2 2,8 2,4 BCT (mm) = 0, ,9848 GAT (mm) 2,4 2,8 GAT (mm) 3,2 3,6 S 0, R-Sq 96,6% R-Sq(adj) 96,4% Şekil 13. Büyüteçli cetvel yardımıyla test çubuğundan yapılan çap ölçümü (BCT) ile test çubuğu görüntüsünden yapılan çap ölçümü (GAT) arasındaki regresyon katsayısı BC HB BC HB = 37,83 + 0,8877 GA HB 300 GA HB S 17,7480 R-Sq 66,0% R-Sq(adj) 64,7% Şekil 14. Büyüteçli cetvelden sertlik ölçümü (BC HB) ile görüntüden sertlik ölçümü (GA HB) arasındaki regresyon katsayısı Literatür Angus, H.T.,1979. The significance of hardness. Wear, Volume 54, Issue 1, May 1979, pp Beyaz, A., Elmalarda Mekanik Zedelenmenin Görüntü Analiz Tekniği İle Belirlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tarım Makinaları Anabilim Dalı. Clough, R. B., Webb, S. C., Armstrong, R. W., Dynamic hardness measurements using a dropped ball: with application to 1018 steel. Materials Science and Engineering A360 (2003), pp Leyi, G., Wei, Z., Jing, Z., Songling, H., Mechanics analysis and simulation of material Brinell hardness measurement. Measurement 44 (2011), pp Mendes, V. B., Leta, F. R., Automatic Measurement of Brinell And Vickers Hardness Using Computer Vision Techniques. Proceedings, XVII IMEKO World Congress, June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia. Petik, F., Problems of hardness measurement. Measurement, Volume 1, Issue 1, January March 1983, pp Richmond, O., Morrison, H.L., Devenpeck, M.L., Sphere indentation with application to the Brinell hardness test. International Journal of Mechanical Sciences, Volume 16, Issue 1, January 1974, pp