Malzeme Karakterizasyonu Bölüm 8: Tahribatsız Muayene Teknikleri NDT: Non-Destructive Testing NDE: Non-destructive evaluation TM:Tahribatsız muayene TM, bir parçayı ya da malzemeyi tahribatsız yöntemler ile inceleme ve değerlendirme olarak tanımlanabilir. TM nin temel amacı, mühendislik malzemeleri ya da yapıların performansını etkileyecek özelliklerinin (kusur, kimyasal bileşim, parça bütünlüğü vs) yapı ya da parça kullanım-dışı olmadan önce ortaya çıkarmaktır. TM ile bozulmuş yapı ve malzemelerde hasar tespiti de yapılabilir. TM, üretim ve ürün geliştirme aşamasında kalite kontrol amacı ile de kullanılabilir. TM sayesinde bir çok mühendislik yapılarının (köprü, kazan, vinç kancası, uçak motoru, türbin vs.) ömürleri hakkında teknik bilgiler (çatlak boyu, korozyon derecesi, kimyasal bileşim, makro ve mikro yapı, fiziksel özellikler vs.) elde edilir. Muayene sonucu elde edilen teknik bilgiler, yapının gelecekteki kullanılabilirliği konusunda mühendislere kılavuzluk eder.
Sıvı Penetrant Metodu Tarihçe Sıvı penetrasyon (girinim) metodu ile hatanın içine emilen renkli veya floresans sıvının dışarıya çıkarılması ile parça yüzeyindeki hatalar görünür hale getirilir. İlk uygulama- Sırlı porselenlere karbon siyahı sürülerek yüzey çatlakları ortaya çıkarılmıştır. Sonraları, demiryolları atölyelerinde demir-çelik parçaları yağlama ve beyazlatma yöntemi ile incelenmiştir. Bu yöntemde gaz yağı ile inceltilmiş viskoz yağ ile doldurulan tanklara parça daldırılır, yüzey temizleme işlemi yapılı ve yüzey alkol içinde beyaz tebeşir ile kaplanır. Parçayı çekiç ile titreştirmek suretiyle hata içine giren yağ yüzeye çıkar ve tebeşiri siyahlaştırır. Bu teknik 1940 lara kadar kullanıldı. Bu tarihten sonra manyetik partikül tekniği ferromanyetik demir-çelik parçalar için kullanılmaya başlandı. Temel Kademeler 1. Sıvı penetrantın yüzeye uygulanması: Yüzey temizleme ve kurulamadan sonra sıvı penetrant püskürtme, fırçalama veya daldırma yöntemleri ile parça yüzeyi sıvı penetrant ile kaplanır. Penetrant tipleri: Floresans penetrant: UV ışığı altında floresans olan boya içerir. Görünür penetrant: Kırmızı boya içerir. Normal ışık altında görünür. 2. Bekleme: Sıvının hataya nufüz etmesi için belli süre beklenmesi gerekir. Süre (5-60 dak) uygulanan metoda, sıvıya ve parçaya göre değişebilir. Sıvı kurumadığı sürece uzun süre bekletme sakıncalı değildir. İdeal zaman deneme-yanılma ile belirlenebilir. Üretici firmaların belirlediği tavsiyelere uyulur. Hata Sıvı penetrant Parça
Temel Kademeler Fazla penetrant 3. Fazla sıvı penetrantın temizlenmesi: Tekniğin en kritik kademesidir. Yüzeydeki fazla sıvı temizlenir. Kullanılan penetrant cinsine göre değişik temizleme yöntemleri uygulanır. Bu yöntemler: -çözücü (solvent) ile temizleme, -direk su ile temizleme, -deterjan (emulsifier) sürme ve su ile temizleme 4. Geliştirici (developer) sürme ve bekleme: İnce bir developer tabakası yüzeye uygulanır. Burada amaç hata içindeki sıvıyı gözle görülmesi için yüzeye çıkarmaktır. Değişik uygulama teknikleri vardır. Bunlar: -kuru toz -daldırma (ıslak developer) -Püskürtme (ıslak developer) İçerideki sıvının yüzeye çıkması için beklenir. Bekleme süresi genellikle 10 dakikadır. Dar çatlaklar için daha uzun süre beklenebilir. Temel Kademeler Developer
Temel Kademeler 5. İnceleme: Parça yüzeyi uygun ışık altında incelenir ve mevcut olan hataların belirtileri aranır. beyaz ışık (renkli penetrant) veya UV ışık (floresans penetrant) altında hata incelenir. Parça kullanıma uygun ise geliştirici tamamen temizlenir. Işık Kaynağı Developer Sıvı penetrant UV ışığı altında parça yüzeyinin incelenmesi Çatlak
Kullanım Alanları Sıvı penetrant metodu, kolay ve esnek olması nedeni ile en çok kullanılan NDT yöntemlerinden birisidir. Bu metod ile herhangi bir malzemedeki yüzey hataları, yüzey çok kaba veya boşluklu olmadığı takdirde, incelenebilir. Bu metod ile incelenen malzemeler: metal, cam, seramik, kauçuk, lastik Kullanım sahası: çok geniş olup otomobil bujisinden kritik uçak parçalarına kadar kullanım sahası değişmektedir. Bu metot ile sadece yüzeye bağlantısı olan hatalar incelenebilir. yorulma çatlakları, su verme çatlakları, taşlama çatlakları, darbe kırıkları, boşluk, kaynaklarda delikler gibi hatalar Avantajlar Avantajları Yüzey süreksizliklerine karşı hassas teknik Bu metod ile incelenen malzeme çok (iletken, iletken olmayan, manyetik, manyetik olmayan) Büyük/küçük parçalar düşük maliyetle hızla incelenebilir. Karmaşık şekilli parçalar Hatanın kendisi gözlenir Aerosol kutular sayesinde taşınabilir Kullanılan ekipmanlar ve kimyasallar ucuz
Dezavantajları Dezavantajlar Sadece yüzeye açık olan hatalar tespit edilir. Ön temizleme gereklidir. Kir, hataları örtebilir. Mekanik yüzey temizleme (kumlama, taşlama gibi) sonucu yüzeyde oluşan metal yığılma smearing etkisi test öncesi giderilmeli İnceleyen kişi hatalı yüzeyi direk olarak görebilmeli Yüzey kalitesi ve kabalığı test sonuçlarını etkileyebilir Çok kademeli proses işlemleri kontrol edilmeli Test sonrasında ret edilemeyen parçalar kullanım için temizlenmeli Kimyasal ve atık kontrolü gerekli Manyetik Partikül (Parçacık) Metodu Bu yöntemde Fe,Ni,Co gibi ferromagnetik malzemeler magnetlenir. Daha sonra parça üzerine magnetik tozlar tatbik edilerek, parçaların içerdiği hatalardan dolayı magnetik geçirgenliğin değiştiği çatlak - hata üzerinde parçacıklar toplanır. Yüzeyden en fazla 6 mm derinlikteki hatalar belirgin halde görülebilir.
Enine Manyetikleme Boyuna Manyetikleme Fizikten hatırladığımız sağ el kuralı ile akımın ( I ) geçtiği yönde sağ el kuralını uygularsak manyetik alan yönünü bulabiliriz. Çubuk içinden geçen akımın etkisiyle çubuğun etrafını saran bir manyetik alan meydana gelir. Buna enine manyetikleme denir. Enine manyetikleme, boyuna çatlakların gözlenmesini sağlar. Çubuğu iki başından tutan bobinler bir manyetik alan oluşturur. Buna boyuna manyetikleme denir. Bu manyetik alan sayesinde çubuk üzerindeki çatlak etrafında manyetik parçacıklar toplanır. Boyuna manyetikleme, enine çatlakların gözlenmesini sağlar. Muayenede Kullanılan Manyetik Tozlar Kontrol sıvısının içinde parçacıklar süspansiyon halindedir, 4-8 µm çapında - manyetiklenebilir (ferromanyetik) özelliktedir. Çatlakta yığılan tozların oluşturacağı görüntünün kolay seçilebilmesi ve algılanması için floresan boyalı tozlar (sarı ve yeşil) kullanılır.bunun için genellikle ultraviyole ışık ve karanlık oda gerekir. Ayrıca magnetik tozların sıvı içerisinde belirli bir konsantrasyonda bulunması gerekir. Konsantrasyon azalırsa görüntü zayıf olur.
Muayene İşlemi Magnetlenecek malzeme 2 kutup arasına yerleştirilir. Malzemenin üzerinden akım geçirilerek veya iki baştaki bobin sayesinde manyetik alan oluşturulur. Test edilecek çubuk, manyetik parçacıklar içeren sıvı ile yıkanır ve manyetik parçacıklar çatlak kısımlara yapışır. Ardından ultraviyole ışık altında malzemeye bakılarak çatlak tesbiti yapılır.
Tesbit edilen çatlak ultraviyole ışık altında rahatça görünür. RADYOGRAFİ METHODU Tarihçe X-ışınları 1895 yılında W.C. Roentgen tarafından keşfedildi. İlk kullanımı tıp ve dişçilik alanında oldu. 1922 de 200 KV luk X-ışınları tübünün geliştirilmesi ile endustriyel radyografide önemli bir adım atıldı. Böylece kalın çelik saçların radyografları alınmaya başlandı. 1931 de General Elektrik şirketi 1000 KV lık X- ışını cihazı üretti. Aynı yıl basınçlı kaplarda kaynak kontrolu için radyografi tekniğinin kullanımına başlandı ve bu teknik endüstriyel kabul gördü.
Bugün ve Geleceği Radyografi bugün kaynak ve döküm incelemelerine ilaveten havaalanlarında güvenlik kontrol noktalarında kullanılmaktadır. Elektronik sanayinde elektronik devrelerin incelenmesinde de kullanılmaktadır. Bilgisayarlar yavaş yavaş bir parçanın radyografik incelenmesinde kullanılmaya başlandı. Film kullanımının yerini tamamen bilgisayarlar alacaktır. Gelecekte digital ortamda görüntü alınacak ve sonuçlar e-posta ile müşteriye gönderilecektir. Sistemler parçayı tarayarak üç boyutlu görüntüsünü oluşturacak ve böylece hatanın yerinin parça içinde tespitinde kolaylık sağlayacaktır. Görüntü tabaka tabaka incelenecek; böylece daha ayrıntılı, güvenilir inceleme kısa zaman içinde mümkün olacaktır. Bilgisayar ve benzetim (simulation) programları sayesinde öğrenci ve mühendislerin eğitim ve kullanım kabiliyetleri artacaktır. Benzetim programları ve parçanın CAD görüntüler ile radyografik incelemelerin simülasyonu mümkün olacaktır. Radyasyon Kaynakları İki tip radyasyon radyografik inceleme için kullanılır X-ışınları γ -ışınları X ve γ ışınlarının diğer ışınlara kıyasla daha kısa dalga boylarına (daha yüksek enerji) sahip olmaları nedeni ile malzeme içine nüfuz etme kabiliyetleri vardır. X-ışınları, hızlı hareket eden elektronların hedef madde atomları ile etkileşimi sonucu ortaya çıkar. Gama (γ) ışınları ise çekirdekleri stabil olmayan atomların radyoaktif bozunumu sırasında ortaya çıkar. Radyografik incelemeler için en çok kullanılan gama ışını kaynağı: cobalt (Co60), iridium (Ir192), cesium (Cs137), ytterbium (Yb169), and thulium (Tm170) isotopları
Radyograf İnceleme-Kaynak Boşluk (porosity), katılaşma sırasında hapis olan hava nedeni ile oluşur. Bir çok şekilde olabilir. Daha çok bir küme içinde veya sıralanmış ayrı ayrı siyah yuvarlak nokta veya düzensiz şekilli lekeler olarak görünür. Bazen kuyruk şeklinde de olabilir. Kaynak metali Kesit Ana Metal Üst Kaynak metali Ana metal Radyograf İnceleme-Kaynak Kümeleşmiş boşluk, kaynak elektrotunun nemlenmesi sonucu oluşur. Nem, kaynak sırasında gaza dönüşür ve oluşan gaz kaynak metali içinde kalır.
Radyograf İnceleme-Kaynak İnkluzyon: Kaynak metalinde veya kaynak metali ve ana metal arasında bulunan oksit türü katı maddelerdir. Radyografda karanlık, asimetrik şekiller inkluzyonları belirtir. Radyograf İnceleme-Kaynak Yetersiz penetrasyon: Kaynak metali, iki ana metal parçasının arasını yeteri kadar doldurmadığı zaman ortaya çıkar. Yetersiz penetrasyon stres yığılmasına neden olabilir ve bu durumda çatlak oluşabilir. Radyografda kaynak merkezinde düz çizgi şeklinde görülür.
Radyograf İnceleme-Kaynak İçeriye çekme: Kaynak metali katılaşırken kaynak kökünden içeriye doğru çekme olur. Düzensiz kenarlı hat şeklinde olup kaynak resminin ortasında daha geniştir. Radyograf İnceleme-Kaynak Yetersiz kaynak: Bu hata kaynak metali kalınlığının ana metal kalınlığında az olduğu yerde görünür. Tespiti kolaydır. Çünkü yetersiz kaynak olan bölge, radyograf da daha karanlık görünür.
Radyograf inceleme-döküm Gaz boşlukları, sıvı metal içinde biriken gaz veya hapis olan hava ile oluşur. Bu tür hatalar, yuvarlak, uzun veya düz şekillerde olup çeperleri düzgündür. Radyograf inceleme-döküm Çatlak, sıvı katılaştıktan sonra oluşan ince doğru veya zik-zak şekilli süreksizlikdir; genellikle tek görünür ve döküm yüzeyinden başlar.
Radyograf inceleme-döküm Kum inklüzyonları, oksitler olup radyografda düzensiz şekilli, siyah lekeler şeklinde görünür. Bunlar kalıp çeperlerinden veya sıvı banyoda mevcut olan oksitlerden gelebilir. Sıvının iyi kontrol edilmesi, uygun bekleme süresi ve sıvı yüzeyinin temizlenmesi ile bu problem çözülebilir. Radyografi-Hassasiyet Malzeme içinde bir hatayı hassas bir şekilde radyografi ile tespit etmek için film, voltaj, zaman ve geometri gibi faktörlerin optimizasyonu gereklidir. Hassasiyet: %Hassasiyet = x x x100 eşitliği ile verilir. Burada x, malzemenin toplam kalınlığını, x ise film üzerinde görülebilen malzeme kalınlığındaki en küçük değişimi göstermektedir. Hassasiyet, tespit edilebilen hatanın en küçük boyutu hakkında bilgi verir. Eğer, hassasiyet çok küçük ise, çok küçük hataları tespit edebiliriz. Örnek Problem: Bir X-ışınları radyografi düzeneğinin hassasiyeti %3 dür. Kalınlığı 25 mm olan döküm parçasında tespit edilebilecek en küçük hatanın kalınlığı nedir? 75 mm kalınlığındaki döküm parçasında? x Cevap: Yüzde hassasiyet = 3 = x100 x Eğer x=25 mm, bu durumda x = (3)(25)/100 = 0.75 mm Eğer x=75 mm, bu durumda x = (3)(75)/100 = 2.25 mm olur. Ref: The Science and engineering materials, D.R. Askeland, Chapman&Hall, 1992, p.841.
Absorbsiyon Geçen X-ısınının siddeti malzemenin absorpsiyon katsayısına ve malzemenin kalınlıgına baglıdır. I = I o exp( µ ρ x) m Burada I 0, gelen ısının siddeti, µ m kütle absorpsiyon katsayısı, ρ numunenin yoğunluğu ve x numunenin kalınlıgıdır. Eger, büyük bir bosluk döküm parçasında var ise, X-ısını absorpsiyonu hatasız metalden daha az olacaktır. Bu yüzden geçen ısının siddeti daha fazla olacak ve film banyo edildikten sonra daha koyu görünecektir. Gelen X-ısının siddeti üç faktöre baglıdır: -yüksek voltaj daha yüksek enerjili x ısınları verir. -Tüp-film mesafesinin karesi ile siddet azalır. -Tüp akımı arttıkça X-ısını siddeti artar.