3. MATERYAL VE METOT
3.4. Malzemelerin Analizi
3.4.2. Ultrasonik hız ölçümü ve esneklik katsayılarının hesaplanması
Bütün numunelere ait ultrasonik ölçümler Selçuk Üniversitesi Ahmet Keleşoğlu Eğitim Fakültesi Fizik Anabilim Dalı Ultrases ve Uygulamaları laboratuarında yapılmıştır. Malzemenin iç yapısından etkilenerek malzeme içerisinde ilerleyen ultrases dalgasının saçılması tanecik boyutu ile ilişkilendirilebilmektedir (Hirsekorn, 1982). İdeal olarak düzgün paralel yüzeyli bir çubukta hız ölçümü yapılabilmesi için kalınlığının (d), çubuğa gönderilen boyuna ses dalgasının dalga boyunun en az beş katına eşit veya daha büyük olması gerekir (Anonymous 8, 2011). Dalga boyunun ultrasonik uygulamalarda özellikle de hata tespitinde birçok yararı vardır. Mesela, çalışılan frekansta tespit edilebilir en küçük yansıtıcının (tanecik) en az yarım dalga
boyundan büyük bir boyuta sahip olması gereklidir. Tespit edilmesi gereken süreksizliğin bu kritik büyüklüğü bilinirse hız ölçümü için en uygun test frekansı belirlenebilir. Dalga boyu aynı zamanda ses demetinin şekli ve yakın alan mesafesinin hesaplanmasınada yardımcı olur (Hellier, 2001). Buna göre hafif çelik için 5 MHz frekanslı boyuna prob ile hız ölçümü yapılabilmesi için çelik numunesinin kalınlığının en az 6 mm olması gerekir. Bu sebeple ölçüm hassasiyeti açısından ultrases dalga hızlarının uygun frekanslarda dikkatlice ölçülmesi gerekmektedir. Çünkü her malzemenin atomik yapısı ve dolayısıyla da tanecik boyutu birbirinden farklıdır.
Öncelikle bütün numunelerde 0,25-20 MHz aralığındaki frekanslara sahip problar aracılığıyla ardışık arka cidar yankı pikleri gözlendi. Bu gözlemler sonucunda saf PS, MPS ve PS kompozitlerin hem boyuna hemde enine ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde 5 MHz’ lik frekans ile ölçümün en iyi pikleri verdiği tespit edildi. Bu nedenle saf PS, MPS ve PS kompozitlerin boyuna ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde 5 MHz’ lik boyuna prob (V109- Panametrics Olympus NDT, ABD) ve yine enine ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde 5 MHz’ lik enine prob (V155- Panametrics Olympus NDT, ABD) kullanılmıştır (Şekil 3.6). λ = V/f denkleminde V yerine saf PS, MPS ve PS kompozitler için ortalama hız yaklaşık olarak 2400 m/s alındığında malzemelere gönderilen ultrasonik dalgaların dalga boyunun, 0,25 MHz frekanslı prob kullanıldığında 9,6 mm, 5 MHz frekanslı prob kullanıldığında 0,47 mm ve 20 MHz frekanslı prob kullanıldığında ise 0,12 mm olduğu tespit edilmiştir. Görüldüğü gib frekans arttıkça malzemeye gönderilen ses dalgalarının dalga boyu artmaktadır. 5 MHz frekanslı prob kullanıldığında malzmelere gönderilen ses dalgalarının dalga boyu 0,47 mm ve bu dalga boyu ise malzemelerin tanecik yapısı ile daha uyumlu olduğundan daha net yankı pikleri görülmüştür. Buna göre bu malzemelerde ultrasonik hız ölçümünün yapılabilmesi için d kalınlıklarının 2,35 mm ye eşit veya büyük olması gerekir ( 2,35 mm ≤ d ). Çalışmada kullanılan malzemelerin kalınlıkları 3,5 – 4,5 mm arasında olduğundan çalışılan frekans ve kalınlıkların hız ölçümü için uygun olduğu söylenebilir. Yukarıda anlatılan işlemin aynısı epoksi reçinesi ve kompozitleri için tekrarlandığında boyuna ultrases dalga hızları için 3,5 MHz, enine ultrases dalga hızları için ise 2,25 MHz’ in uygun frekanslar olduğu tespit edildi. Bu nedenle epoksi reçinesi (DGEBA) ve KDGEBA’ ların boyuna ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde 3,5 MHz’ lik boyuna prob (V183- Panametrics Olympus NDT, ABD) ve enine ultrases dalgası hızlarının ölçülmesinde 2,25 MHz’ lik enine prob (V154- Panametrics Olympus NDT, ABD) kullanılmıştır (Şekil 3.7).
Şekil 3.6. Hız ölçümlerinde kullanılan problar
Hız ölçümlerinin tamamında darbe-yankı yöntemi kullanılmıştır. Darbe–yankı yöntemi en çok kullanılan yöntem olup, prensibi prob tarafından gönderilen ses dalgalarının malzeme içinde bir süreksizliğe çarptıktan sonra tekrar proba yansıması esasına dayanır (Mutlu, 2006). Bu çalışmada doğrudan temas tekniği ile ultrasonik hız ölçümü yapılmıştır. Bu tip testte, prob numune ile doğrudan temas halindedir. Sesin
probtan numuneye geçişini kolaylaştırmak için numune ile prob arasına bir sıvı (gliserin, gres yağı, gaz yağı, duvar kâğıdı macunu, ılık ağda, bal ve özel jeller) sürülür.
Bu kullanılan sıvılara kuplaj sıvısı denmektedir. Bunların probtan malzemeye ses enerjisini geçirme oranları en fazla % 10-15’ dir. En iyi kuplaj sıvısı % 15 civarında ses enerjisi geçirim oranına sahip olan gliserindir. Kullanılan bu sıvıların malzemeye ve problara zarar vermemesi gerekir (Hellier, 2001).
Numunelerde boyuna ve enine ultrases dalgalarının hızı için öncelikle aşağıda Şekil 3.7’ de görülen düzenek kurulmuştur.
Bu düzenekte 35 MHz’ lik bilgisayar kontrollü Panametrics-NDT Model 5800PR marka puls üretici (Panametrics Olympus NDT, ABD), 60 MHz’ lik GW Instek GDS-2062 model dijital osiloskop (Tayvan) ve boyuna ve enine problar kullanılmıştır. Bu kurulan deney düzeneği ile bütün malzemelere ultrasonik dalgalar gönderilmiş ve bu dalgaların malzemelerin diğer yüzüne gidip gelmesi için geçen zaman (t) μs cinsinden osiloskop ekranından tespit edilmiştir. Her bir yüzey için bu işlem 10’ ar kez tekrarlanarak ortalama geçiş süresi tespit edilmiştir. Bu geçiş sürelerinin belirlenmesi sırasında prob ile malzeme yüzeyleri arasında boyuna ses hızı ölçümlerinde BQ gliserin (Olympus NDT, ABD) ve enine ses hızı ölçümleri sırasında ise ultrasonik SWC sıvısı (Olympus-NDT, ABD) kullanılmıştır (Şekil 3. 8a-b).
(a) (b)
Şekil 3.8. Hız ölçümlerinde kullanılan kuplaj sıvıları a) Boyuna ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde kullanılan kuplaj sıvısı, b) Boyuna ultrases dalga hızlarının ölçülmesinde kullanılan kuplaj sıvısı ve sürme aparatı
Bütün malzemelerin kalınlıkları Şekil 3.9’ da görülen 0,01mm hasaslıktaki mikrometre (Somet, Çekoslovakya) yardımıyla 10’ ar kez ölçülmüş ve ortalama kalınlıkları (d) tespit edilmiştir.
Malzemelerin kalınlıkları, boyuna ve enine dalgaların malzemelerden geçiş süreleri tespit edildikten sonra aşağıdaki Denklem 3.1’ de yerine konularak ultrasonik boyuna dalga hızları, enine dalga hızları m/s biriminden ortalama % 0,04 hassaslıkla hesaplanmıştır.
t
d
V
=
2
(m/s) (3.1)Katı bir cismin esneklik sabitleri, ultrasonik dalgaların hızları ve cismin yoğunluğu ölçülerek elde edilebilir. Bu esneklik sabitleri bağlanma kuvvetleri ile ilişkilidir. İzotropik katı cisimde sadece bir boyuna ve bir enine elastik dalga yayılabilir. Bu nedenle izotropik katı bir cismin iki bağımsız esneklik sabiti vardır (L ve G). Bu elastik sabitlerini elde etmek için izotropik katı cisimde herhangi bir yönde yayılan boyuna ve enine ultrasonik dalgaların hızlarını ve cismin yoğunluğunu ölçmek yeterlidir (Perepechko, 1975; Cankurtaran, 1995; Muthupari, 1996). Bütün malzemelerin L ve G değerleri aşağıdaki Denklem (3.2) ve Denklem (3.3) aracılığıyla ortalama % 0,04 hassaslıkta hesaplanmıştır. 2
.V
bL=ρ
(3.2) 2.V
eG=ρ
(3.3) Burada, ρ katı cismin yoğunluğu, Vb ve Ve sırasıyla boyuna ve enine ses dalgalarınınyayılma hızlarıdır. Boyuna (L) ve Enine (G) esneklik modülleri kullanılarak izotropik katı cismin hacimsel esneklik modülü (K), Young modülü (E) ve Poisson oranı (μ) aşağıdaki bağıntılardan hesaplanabilir (Perepechko, 1975; Landau ve Lifshitz, 1986; Muthupari, 1996).
(L
G)
G
L
−
−
=
2
2
μ
(3.4)G
L
K
3
4
−
=
(3.5)E = 2G ( 1+μ ) (3.6) Bütün malzemelerin yoğunlukları, boyuna ve enine ses dalga hızları, boyuna modül ve enine modül değerleri belirlendikten sonra bu değerler yukarıdaki Denklem (3.4), (3.5) ve (3.6)’ da yerine yazılarak bulk modülü (K) % 0,05 hassaslıkta, Young modülü (E) % 0,06 hassaslıkta ve Poisson katsayısı (μ) % 0,02 hassaslıkta hesaplanmıştır. Ayrıca yoğunluk ve boyuna ses hızı değerleri Denklem (3.7)’ de yerine yazılarak her bir numune için akustik empedans değeri % 0,04 hassaslıkta hesaplanmıştır.
Z = ρ.Vb (3.7)
Esneklik sabitleri, atomlararası bağlanma enerjisinin gerinme (strain)’ ye göre ikinci türevini karakterize eder ve cisim ile ilgili birçok fiziksel nicelikle (ısısal genleşme, öz ısı, Debye sıcaklığı, mekanik dayanıklılık, faz geçişleri vb.) bağlantılıdır.