X-Ray İle Gerilme Ölçümü

X-ışını kırınımı en uygun tahribatsız yöntemlerden bir tanesi olup, malzemenin yüzeyindeki kalıcı gerilmenin mikron seviyesinde belirlenmesinde

kullanılabilir [5,8,36,95,96]. Dalga boyunun doğru bilinmesi ve Bragg açısının değişmesiyle kalıcı gerilmeler doğru olarak hesaplanabilir. Röntgen usulü kristalik malzemelerde kristalografik düzlemler arasındaki mesafesinin ölçülmesi esasına dayanmaktadır. Bazı sadeleştirmeler yaparak bu olayın temel ilkesini aşağıdaki gibi anlatabiliriz. Gerilmelerin araştırıldığı yüzeyde, röntgen ışınlarına maruz bırakılan malzemenin kristalik kafesindeki elektronlar oluşan röntgen ışınlarının etkisinden aynı frekanslarda dalgalanarak, düşen röntgen dalgalarına eşit dalgalar oluştururlar. İnterfrensiya sonucunda bu dalgalar bazı kristallerde zayıflayıp yok olurlar ve bazı kristallerden (aynı fazlı dalgalar) yansıyan dalgalar ise güçlenirler. Bregglar tarafından keşfedilmiş Bragg şartlarına göre, belirli υ açısı ile kristallografik düzleme düşen röntgen dalgaları bazı kristallerde güçlü interfrensiya oluşturarak dalga uzunluğu λ dalga adetinin tam kısmı n kadar büyüyerek düştükleri υ açısı ile yansırlar. Düşme ve yansıma açıları arasındaki αx açısının değeri; düşme açısı υ’ye,

kristallografik düzlemler arasındaki dk mesafesine, dalga uzunluğu λ’ya, dalga uzunluğunun tam adeti kadar büyüme derecesi n’e bağlı olarak değişmektedir. Bu şart aşağıdaki formül ile değerlendirilir.

2d_k sinυ₌nλ (4.2)

Bu formül kullanılarak kristalik düzlemler arasındaki dk mesafesi belirlenebilir [8,36,95,96].

X-Ray metodu bir malzemenin yüzeyindeki gerginlikleri (uzamaları) ölçer. Bu gerginlikler değişik tahminler kullanılarak gerilmeler biçimine dönüştürülür. Gerginlikleri elde etmek için temel prensip basittir. Düzlemlerin spesifik formunun ara yüz boşlukları yüzey normaline farklı biçimde dizilmiş olan tanelerden belirlenir. Bu, gelen ışına uyacak şekilde deney parçasının döndürülmesi veya eğilmesi ile meydana getirilir. Bu boşluklar 4.3 eşitliği kullanılarak gerinimler biçimine dönüştürülür [112].

Kristalik malzemelerde kristalik kafes içerisindeki atomları arasındaki dk mesafesi belli ve değişmezdir. Yalnız kuvvet ve sıcaklık etkisi dk’nın değişmesine

neden olabilir. Bu etkilerden önceki dk ve sonraki dσ mesafesi bulunursa nispi

deformasyon εn, değerine dayalı olarak gerilmeler belirlenebilir [8].

k σ k d d d ε= − (4.3)

Parça yüzeyindeki kalıcı gerilmeleri oluşturan bir sıra teknolojik nedenler vardır. Bunlar malzemedeki faz değişiklikleri, plastik deformasyon, termoplastik deformasyon, sıcaklık etkisi vs. olabilir. İmalat sonucunda bu etkiler birkaç defa tekrarlanabilir. Tüm bunlar göz önüne alınırsa parça yüzeyindeki kalıcı gerilmeler araştırılırken mutlak değeri de önceden deneysel yöntemle bulunmalıdır. Çoğu zaman röntgen yönteminin avantajları sıralanırken dk’nın belli olduğu ve bulunmasına ihtiyaç olmadığı gösterilir [8].

Şekil 4.3’deki dk mesafelerini ölçebilen röntgen cihazının şeması verilmiştir. Burada;

1. Röntgen ışınını oluşturan kaynak

2. Üzerine araştırılan malzemenin yerleştirildiği konstrüksiyon

3. Araştırılan malzemeden yansıtılan röntgen ışınlarını kaydeden üzerine film yapıştırılmış ve ekseni üzerinde dönebilen özel mekanizmadır [36].

Şekil 4.3. Röntgen Cihazının Şematik Biçimi [36]

+ - 2 3 1 l R α α υ υ

Bu cihazda 2000 0C sıcaklığa kadar ısıtılmış volfram teli olan katottan kopan elektronlar kenetronda güçlendirilip odaklandıktan sonra nikel, molibden vs. malzemelerden yapılabilen anottan yansıtılarak (3) mekanizmasının ortasındaki delikten geçerek araştırılan malzeme kristalleri (2) üzerine yansıtılır. Malzeme yüzeyine çarpıp geri yansıyan ışın (3) mekanizması üzerine yapıştırılmış film üzerine izler bırakmaktadırlar. Röntgen ışınının şemasından aşağıdaki bağıntı çıkarılabilir.

(

)

l : Malzeme ile film arasındaki mesafe,

R* : Yansıyan röntgen ışınının düştüğü yerden dönme mekanizmasının

merkezine kadar olan mesafedir. l ve R*

ölçme hassaslığının 4.2 ve 4.4 eşitliklerinden belirlenen değerine önemli etkisi vardır. R*

nin ölçme hassaslığını artırmak için (2) mekanizmasının oluşturduğu dönme hareketi röntgen ışınının film üzerinde 2R*

olan daire çizmesine neden olur. Buda ölçme hassasiyetinin yükselmesine yardım eder. Bazen ölçme hassasiyetini artırmak amacı ile araştırmaların yapıldığı malzeme, ν açısı belli olan bir malzeme ile (örneğin Ag, Au vs) 3∼5 µm kalınlığında kaplanır ve l mesafesi belirlendikten sonra deneyi yapılan malzeme için ν açısı hesaplanır. Bu deneylere harcanan zamanın artmasına neden olur. Röntgen ışınlarının film üzerinde gözüken bir iz bırakması da 2∼6 saat kadar zaman alan bir süreçtir [8,36].

Yüzeyde oluşan gerilmelerin derinlik etkisi düşük olduğundan ve 50∼200 µm kadar derinliğe etki yaptığından yüzeyde oluşan gerilme durumlarına düzlem gerilme hali olarak bakabiliriz. Elastisite teorisine dayanarak röntgen yöntemiyle gerilmelerin hesaplanması aşağıdaki formül kullanılarak gerçekleştirilebilir [36].

k k d d d E _σ µ σ σ1+ 2 =− − (4.5)

4.5 eşitliğinde elastisite modülü (E) ve poisson oranı (µ) değerleri elastisite

teorisinde kullanılan ve makro deformasyonların oluşturduğu değerlerden farklıdır. Bu nedenle türlü teoriler kullanılarak (örneğin Foggel, Peyes hipotezleri) kristalografik düzlemler için yararlı olabilen E ve µ değerlerini bularak hesaplamalar yapılmalıdır. Bu da röntgen yöntemiyle gerilmelerin belirlenmesini daha karmaşık bir duruma getirmiş olabilir. 4.5 eşitliği kullanıldığında yalnız düzlemde oluşan ilk veya normal gerilmelerin toplam değeri bulunmaktadır. σ1 ve σ2 değerlerini ayrı ayrı

bulmak istediğimizde ise, araştırılan düzlem dikey düzlemle belirgin bir açı oluşturacak şekilde üç düzlemde de deneylerin yapılmasını gerektirmektedir [36]. Şekil 4.4’de X-ışını kırınım cihazı görülmektedir.

Şekil 4.4. X-Işını Kırınım Cihazı [6]

X-Işını kırınım cihazı ile ölçüm yapıldığında 1. Ölçümlerin tekrarlanması ve kopyalanması mümkündür. 2. Ölçümler iki adımda hassas olarak ölçülebilir.

3. Zaman sayacı vardır. 4. Verileri biriktirebilir.

5. Düzenli olarak hareket etme ve ölçüm doğruluğuna sahiptir. 6. Ölçüm yapılan parçalara işaret veya numara verebilir [96].

4.3.2 Synchrotrons

Yüksek enerjili X-ışınlarının çok şiddetli ışın demetini veya çok fazla X- ışınlarını sağlar. Bu X-Işınları geleneksel X-ışınlarından çok daha fazla derine, çoğu parçalarda 1-2 mm derinliğe kadar etki edebilme özelliğine sahiptir. Ölçümler geleneksel X-ışını yönteminden daha hızlı yapılabilmektedir. Synchrotronslar sayesinde üç boyutlu uzaysal çözümlere imkan sağlanmaktadır [96].