Astm Tane Boyutu

Amerikan Test ve Malzeme Kurumu (ASTM) tarafından geliştirilen ASTM E standardı, ortalama tane boyutunun ölçülmesini ve karşılaştırma prosedürünü, planimetrik prosedürü (veya Jeffries prosedürü) ve kesişme prosedürlerini kapsamaktadır. Standardın tam adı şu şekildedir: ASTM E Ortalama tane boyutunun belirlenmesi için standart test yöntemleri.

Bu standart içinde açıklanan test yöntemleri, karşılaştırma grafiklerinde gösterilen metalik yapılara benzer yapılara sahip metalik olmayan malzemelere de uygulanabilir özelliktedir. Bu test yöntemleri tek fazlı veya çok fazlı tane yapılarına uygulanmaktadır. Bu test yöntemleri, tane alanlarının, çaplarının veya kesişme uzunluklarının tekdüze bir dağılıma sahip örneklerin ortalama tane büyüklüğünü belirlemek için kullanılmaktadır.

Buradaki test yöntemleri, sadece düzlemsel tane büyüklüğünün tespit edilmesi, yani kesit düzlemi tarafından ortaya çıkarılan iki boyutlu tane kesitlerinin karakterizasyonu ile ilgilidir. Mekansal tane büyüklüğünün belirlenmesi, yani numune hacmindeki üç boyutlu tanelerin boyutunun ölçülmesini kapsamamaktadır.

Bu standardı karşılamak üzere ülkemizde Türk Standartları Enstitüsü tarafından şu standart yayınlanmıştır: TS EN ISO Çelikler - Görünür tane büyüklüğünün mikrografik tayini. Bu standart, çeliklerde görünür tane büyüklüklerinin mikrografik yöntem ile tayin edilmesini kapsamaktadır. Bu standartta, aynı büyüklük dağılımındaki numunelerde, tanelerin görünür hale getirilmesi ve ortalama tane büyüklüğünün hesaplanması yöntemleri açıklanmaktadır.

Metaller doğada genel olarak kristal şeklindedir ve tek kristaller dışında tane sınırları olarak bilinen iç sınırları bulunmaktadır. Herbir tane içindeki atomlar, metalin veya alaşımın kristal yapısına bağlı olarak belli bir düzende sıralanmaktadır.

Metalografi, metallerin iç yapısını araştıran bir bilim dalıdır ve bu işin uzmanları, tane büyüklüğünü belirlemek için numunelerin cilalı kesitlerini incelemektedir.

Kuruluşumuz tarafından metalik test hizmetleri çerçevesinde verilen hizmetler arasında ASTM E standardı testleri de bulunmaktadır.

Şu ana kadar üzerinde durduğumuz, plastik davranışı etkileyen tüm faktörler, kristal içine sızan yabancı atomların bir şekilde dislokasyonların hareketini zorlaştırmasına dayalıydı. Bu konu başlığından itibaren, kristal içindeki yabancı atomları bir kenara bırakıp, dislokasyonların karşısında yer alması muhtemel bazı diğer engeller üzerinde duracağız.

Not:Bu içeriği genişletilmiş haliyle video olarak da izleyebilirsiniz. Dersler başlığı altındaki Malzemelerin Mekanik Davranışları video listesine göz atmak için resme tıklayın.

İlk olarak, tane sınırlarını ele alalım. Mühendislik uygulamalarında kullandığımız birçok metal ve alaşımın mikroyapısını incelediğimizde, benzer kristal yapıya, fakat farklı yönelimlere sahip tanelerden oluştuklarını görüyoruz. Bu taneler ve tanelerin arasında kalan sınırlar hakkında daha ayrıntılı bilgi isteyen okurlar, ilgili konu başlığına bu bağlantı üzerinden ulaşabilirler.

Çok taneli malzemelerde gözlemlediğimiz bu tane sınırları, dislokasyonların hareketini kısıtlayarak, malzemenin güçlenmesine yol açabiliyorlar. Dislokasyonlar, tane sınırlarına iki nedenle takılabiliyor. İlk olarak, tane sınırlarında kristal yapının sona ermesi ve düzensiz bir yapı bulunması nedeniyle, bu bölgelerde dislokasyonların üzerinde kayabilecekleri sürekli bir kayma düzlemi bulunmuyor. Dolayısıyla, bir tane sınırına gelen bir dislokasyon, ister istemez durmak zoruna kalıyor. İkinci neden ise, taneler arasında daima bir miktar yönelim farkı bulunuyor olması. Bir tanenin ucuna kadar ilerleyen bir dislokasyon, sınırın diğer tarafındaki tanenin farklı bir açıda konumlanmış olması nedeniyle, sınırın öbür tarafına geçip, hareketine devam edemiyor.

Bu nedenle, bir malzemedeki tane sınırı miktarı arttıkça, dislokasyonların karşılaştığı engel miktarı da arttığı için, daha fazla sayıda dislokasyon hareketsiz kalıyor; yani, malzeme güçleniyor. Malzeme içindeki tane sınırını arttırmanın yolu ise, açıkça görülebileceği üzere, malzemedeki tanelerin boyutunu küçültmekten geçiyor. Malzeme içindeki taneler küçüldükçe, birim hacme düşen tane sınırı miktarı arttığı için, malzemenin güçlendiğini gözlemliyoruz.

Malzemedeki tanelerin boyutu, plastik şekil değişimini farklı bir şekilde daha etkileyebiliyor. Şekil değişimi esnasında, aynı kayma düzlemi üzerinde hareket eden dislokasyonlar tane sınırı yakınlarına birikerek, dislokasyon yığınları (İngilizce: dislocation pile-up) oluşturuyorlar. Bu yığınlara yeni dislokasyonlar eklendikçe, arkadan gelen dislokasyonlar, tane sınırının dibinde duran, yığının önündeki dislokasyonların üzerine kuvvet uygulayarak, öndeki dislokasyonların diğer taneye geçip kaymaya devam etmelerini sağlayabiliyorlar. Bu da, malzemenin şekil değiştirme becerisini olumlu yönde etkiliyor. Malzemenin tane boyutu küçüldüğünde ise, tane sınırı önünde biriken yığıntılar nispeten küçük kaldıkları için, sınırın önündeki dislokasyonları diğer taneye itebilecek kadar kuvvetli bir etki yaratamıyorlar. Bu da, bir yandan malzemenin şekil değiştirebilme kapasitesi üzerinde olumsuz bir etki yaratırken, diğer yandan malzemenin daha da güçlenmesine yol açıyor.

Malzemenin tane boyutu ile akma dayancı arasındaki ilişki incelendiğinde, tane boyutu küçüldükçe, malzemenin akma dayancının arttığını gözlemliyoruz. İlk olarak, ’li yılların başlarında, birbirlerinden bağımsız olarak E.O. Hall ve N.J. Petch tarafından keşfedilen bu etkiyi, bu iki bilim adamının ismiyle andığımız Hall-Petch ilişkisiyle ifade ediyoruz:

Bu eşitlikte σ₀ malzemenin akma dayancını, σ_i kristalin dislokasyon hareketine gösterdiği direnci; yani dislokasyonları harekete geçirmek için uygulanması gereken gerilim miktarını, k malzemeye özgü mukavemet sabitini, D ise malzemenin ortalama tane boyutunu ifade ediyor.

Devamı:

Malzemelerin optik mikroskop altında ortalama mikro yapı tane boyutlarının hesaplanması için, önce istenen numuneler metalürjik numune hazırlama işlemlerinden geçirilmelidir. Bu kapsamda kesme ve kademeli yüzey zımparalama işlemlerinden sonra dağlanma işlemi yapılarak tane sınırları açığa çıkartılmalı, optik mikroskop altında tane sınırları Resim 1 deki gibi gözle de görünür olmalıdır.

Resimdekinden farklı olarak malzeme türlerine göre taneler değişik renklerde, tonlarda ve şekillerde olabilir. Amaç, maksimum sayıda tanenin ölçümlerinin yapılarak ortalamasının alınmasıdır.

Numunedeki tüm tanelerin aynı renk tonunu içeren bir hale getirilmesi ölçümü kolaylaştırır. Aradaki boşluk, eksiklik ve farklı yapılar daha gelişmiş yazılımlar ile ölçülebilmekte, ancak basit yazılımlar ile de belirgin tonlardaki taneler ölçülüp standartlara göre dönüşüm kolayca yapılabilmektedir.

Resim 1(a) : Titanyum          Resim 1(b) : Düşük karbonlu çelik  Resim 1(c) : imalat çeliği

                                                            Resim 1(d) : paslanmaz çelik (Otomatik ölçüm için sınırlar boyalı)

Bu amaçla farklı standartlara göre farklı ölçüm teknikleri olmakla beraber görüntü analiz yazılımları ile 2 ana ölçüm yöntemi vardır.

1. Manuel yöntem: Görülen tanelerin tek tek ölçümlerinin (dış çap, alan, çizgi üzerindeki veya alandaki tane sayısı vs.- yazılımın kabiliyetine göre) fare (mouse) yardımıyla seçerek mikron cinsinden yapılması ve bu ölçümlerin ortalamalarının standartlardaki karşılık gelen değerlerle karşılaştırılması.
2. Otomatik yöntem: Yazılım, kontrast ve renkten kaynaklanan farklılıkları piksel bazında tespit eder. Tane sınırlarını ve taneleri farklı renkte boyar (Resim 2). Bu boyama işlemi ile her bir farklı tondaki kamera pikselinin istenen renge boyanması sağlanır. Bu şekilde taneler piksel grupları olarak ayrılır (Resim 3). Bu boyanmış piksel gruplarının tek tek ölçümlerinin (dış çap, alan, çizgi üzerindeki ve belirli bir alandaki tane sayısı vs.- yazılımın kabiliyetine göre) mikron cinsinden yapılması ve bu ölçümlerin ortalamalarının standartlardaki karşılık gelen değerlere otomatik veya farklı şekillerde dönüştürülmesidir.

Otomatik yöntem çok sayıda taneyi çok hızlı bir şekilde ölçebilmesi dolayısıyla en doğru sonuca ulaşmak için en doğru yöntem iken yanlış tanelerin hesaptan çıkartılmaması gibi durumlar sebebiyle çok hatalı sonuçlara gebe olması açısından da risklidir.

Uygulamada dikkat edilmesi gereken noktalar,

1. Numunede, hazırlama yönteminden kaynaklı çizikler ne kadar az olursa o kadar kesin sonuçları kolayca alacağınız kesindir.
2. Ölçümlerinizden emin olmak için, cihaz ve yazılım kalibrasyonlarının doğru, yazılımın ölçüm sonuçlarının kontrol edilebilir olduğundan emin olunmalıdır.

Her tür üstten aydınlatmalı endüstriyel ışık mikroskobu ile bu yapıların görüntülenmesi mümkün iken farklı tiplerdeki mikroskoplar numunenin hazırlanması veya numune yüzeyinde gezinme kolaylığı gibi farklı avantajları barındırmaktadırlar. Kullanıcıların kullanım pratiği, numune çeşitliliği ve şekline göre uygun mikroskopların seçimi her firma ve kullanıcıya göre farklılık göstermektedir.

Farklı yazılımların kabiliyetleri ise kullanıcıya kolaylık, hız ve doğruluk anlamında önemli farklar sağlamaktadır. Kullanıcılara yol gösteren ve ölçümlerin tek tek de doğrulamasının yapılabildiği yazılımlar, analiz şeklinin de tespit edilerek kontrol edilmesi açısından önemlidir.

Resim 4: Nikon MA Metal Mikroskobu                       Resim 5: Clemex Vision Lite görüntü analiz yazılımı

Ekipman seçiminde dikkat edilmesi gereken noktalar,

1. Mikroskobunuzun çözünürlük değerleri belirleyici bir başka değerdir. Eğer mikroskobun göremediği tane sınırları var ise yazılımınızın bunu görerek doğru hesaplaması mümkün değildir.
2. Bazı yazılımlar modül eklenerek standartlara uygun sonuçları vermekle beraber renk yakalama özelliği olan tüm yazılımlarla otomatik tane boyutu analizi yapmak mümkündür.
3. Yazılımın hangi standartların, hangi metodlarını kullanarak ölçüm yaptığını öğrenmek ve mümkünse bunları doğrulamak önemlidir.
4. Yazılımlarla uyumlu çalışan kameralar açısından kameranın megapikselinden daha önemli olan detay sensör kalitesidir. CCD veya CMOSIS gibi sensörlerde detay görmek daha mümkünken, özellikle bu sensörlerde ekstra yüksel piksel sayısına sahip kameralar görüntü analizinde kullanılmayan kalıntı piksel, veri işleme sırasında görüntü yavaşlaması ve bilgisayarda donma gibi problemler oluşturabilmektedir.
5. Arka arkaya alan tarayan ve tüm ölçüm sonuçlarını topluca gösteren yazılımlar, yukarıda belirtilen sebeplerden, en doğru sonuca en kolay biçimde ulaşmak açısından önemlidir.

Yazılım ile yakalanan tanelerin ortalamaları, standart sapmaları, minimum ve maksimum boyutları, grafiksel dağılımları elde edilir. Birden fazla farklı bölgede bu çalışmayı yapmak doğru sonuç vermesi açısından önemlidir. Standartlarda bu sayı farklılık göstermekle beraber tüm metodların belirli bir sayıda analiz yapıldığında aynı değerlere ulaştığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla hangi standart veya metodu kullanılmış olursa olsun yüksek sayıda ölçüm en doğru sonuca ulaştıracaktır.

Tablo 3: Grafiksel dağılım.

Sonuçlar her ne kadar sayısal değerler vermekte ve bu malzemenin belirli mekanik özelliklerini göstermekle beraber, en net belirleyici faktör, müşteri veya kullanıcı tarafından istenen aralıklardır.

Örneğin istenen ASTM Eye göre GrainSize No aralığı 4 – 8 ise ölçeceğiniz değerin minimum grain size numarası 4 maksimum 8 olması gerektiğini işaret eder.

Sonuçların değerlendirilmesinde dikkat edilmesi gereken noktalar,

1. Mümkün olduğunca çok sayıda tane ve alan ölçmek en doğru sonuç için önemlidir.
2. Yanlış ölçülmüş tanelerin ölçüm sonuçlarından çıkartılarak analiz sonucunun düzeltilebilir olması önemlidir.

Sertletirilmi bir eliin tane boyutunun saptanmasnda stenitik tane boyutu ima edilir. Ostenitik tane boyutundan; eliin soumasndan ve stenitin dier bir faza dnmesinden nceki tane boyutu anlalr. Orijinal ostenit taneleri genellikle eliin oda scaklnda soumas sonucunda ortaya kar.

TANE BOYUTU LM YNTEMLER 1. ASTM STANDARTLARI LE SINIFLANDIRILAN TANE BOYUTU 2. ISO-NDEX G 3. KESME GRAFK YNTEM 4. KIRILMA DENEY

A- ASTM SATNDARTLARI LE SINIFLANDIRILAN TANE BOYUTU

astm 1 in2 tane says

0

1 1

2 2

3 4

4 8

5 16

6 32

7 64

8

9

10

Tane boyutu numaras N ile yz bytmedeki 1 in2 deki tane says n arasnda n = 2N-1 bants mevcuttur. ASTM tane boyutu numarasnn deerlendirilmesi standart tane boyutu izelgesiyle veya zel merceklerle saptanr. Aadaki ekillerde yaplarn zel merceklerle gsterimi verilmitir.

ASTM tane boyutlar 5 ve 7,5 iin tane iin tane boyutu

B- ISO-INDEX G
Bu yntemde belli bir bytmede inceleme srasnda transparant olamayan bir cam ekran veya bir mikrograf (fotoraf) zerinde mm apa karlk gelen mm lik bir alan iindeki taneler saylr. Bytme o ekilde seilir ki alan iine en azndan 50 tane sokulur. Bu alandaki tane says n n = n1 + n2 den karlabilir. Burada : n1 = dairenin tamamen iinde yer alan tanelerin says n2 = daire tarafndan kesilen tanelerin yar says n deerinden,m (mmdeki tane says) hesaplanabilir. m = 2n(g/)2 Burada g - lineer bytmedir. ISO-index G aadaki bantdan elde edilir.

G = (log m /log 2) - 3 ASTM E 63e gre G ile ASTM arasnda G = ASTM-0, Bants mevcuttur.

Sonu olarak:
Sadece tam veya yar birimler kayt edildiinden tm pratik amalar iin G,ASTMe eit olarak funduszeue.info ISO-NDEX G izelgelerden veya byteten hesaplanr ki bu da ASTM tane boyutu numarasna uygun der.

C-KESME GRAFK YNTEM

20

Tane boyutu,kesme lei

15

10

5 10 Tane boyutu -ASTM lei

D-KIRILMA DENEY
Bu deney iin bir seri sertletirilmi ve krlm deney paralar bir mukayese lei olarak kullanlr. Bu numuneler en byk tane boyutu 1 ve en k 10 olmak zere numaralandrlmtr. Aadaki ekilde grld gibi Shepherds ve Jernkontorentin olmak zere 2 seri funduszeue.info pratik amalar iin bu iki lek eit olarak ifade edilir. Bir sertletirilmi elik krld zaman krlma yzeyi genellikle sertletirilme ncesi mevcut olan stenitik tane snrn takip funduszeue.infoyla bu yzeyin incelenmesi stenitik tane boyutu hakknda bilgi verir.

TANE BOYUTUNUN SAPTANMASINA AT RNEKLER

elik uzun sren karbrzasyon ileminden sonra yavaa soutulursa,tane snrlarnda karbrler funduszeue.info bir hal eliin tane boyutunun tahminini kolaylatrr.

Yzey sertletirme ilemi uygulanm bir elikte a-kaba taneli b-ince taneli yaplar

YKSEK HIZ ELKLER

YAPI EL VE TAKIM EL
Su verilmi ve temperlenmi Cr-Ni ve Cr-Ni-Mo eliklerinin tane snrlarn ayrt etmek zor olabiliroC de 3 saat temperleme sonras yava soutma uygulamak suretiyle tane snrlar daha belirgin olarak ortaya kabilir. Bu ilem iin tane snr dalaycsn kullanmak gerekir. Yandaki ekilde gsterilmitir.