orthotropıc malzemelerde çatlak ilerlemesi ve kırılma tokluğu tayini

DOKUZ EYLÜL ÜNİV ERS İTES İ
FEN BİLİM LERİ ENS TİTÜS Ü
ORTHOTROPIC MALZEMELERDE
ÇATLAK İLERLEMESİ VE
KIRILMA TOKLUĞU TAYİNİ
Ali SOR UC U
Kasım, 2007
İZMİR
ORTHOTROPIC MALZEMELERDE
ÇATLAK İLERLEMESİ VE
KIRILMA TOKLUĞU TAYİNİ
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Yüksek Lisans Tezi
Makine Mühendisliği Bölümü, Mekanik Anabilim Dalı
Ali SOR UC U
Kasım, 2007
İZMİR
ii
YÜKS EK LİS ANS TEZİ SINAV SO NUÇ FO RMU
ALİ SO RUC U, tarafından YRD. DOÇ . DR M. EVREN TO YG AR yönetimin de
hazırlanan “O RTHO TRO PIC MALZEM ELERDE Ç ATLAK İLERL EMES İ ve
KIRILMA TO KLUĞ U TAYİNİ” başlıklı tez tarafım ızdan okunmuş, kapsamı ve
niteliği açısından bir Yük sek Lisans tezi olarak kabul edilm iştir.
Yr d. Doç. Dr. M. Evr en Toygar
Yönetici
Yr d. Doç. Dr. Çınar YENİ
Yr d. Doç. Dr. Mustafa TOPARLI
Jüri Üyesi
Jüri Üyesi
Prof. Dr. Cahit HELVACI
Müdür
Fen Bilim leri Enstitüsü
ii
iii
TEŞ EKKÜR
Bu
çalışm anın
ortaya
çıkar ılm ası
ve
yür ütülmesi
yönlen diren, destekleyen ve yar dımlarını esirgemeyen
esnasın da
beni
başta hocam Sayın
YRD. DOÇ. DR. M.EVREN TOYGAR ’a sonsuz teşekk ür eder im.
Çalışmam boy unca ban a gösterdik leri ho şgör ü ve yardımlar için çalıştığım şirket
MAK- SAN Makin e San. ve Tic. A. Ş. ve mesai arkadaşlarım a teşekkür ederim .
Son olarak, benim bu günlere gelmemde büyük emeği olan, beni sürekli
destekleyen, çalışmalarımın her aşamasında m addi v e manevi destekler ini
esir gem eyen ailem e teşekk ür ü bir borç bilirim.
Ali SORUCU
iii
iv
O RTO TRO PİK MALZEM EL ERDE
Ç ATLAK İLERLEMESİ VE
KIRILMA TO KLUĞ U TAYİNİ
ÖZ
Bu çalışmada, cam epok si kom pozit malzem enin k ırılm a tokluğu değerleri,
den eysel olarak bulunm uştur. Kırılm a tokluğu değerler inin belirlenm esin de Lin eer
Elastik Kır ılma Mekaniği (LEFM) yaklaşımı kullan ılmıştır.
Çalışmanın ilk bölüm ün de kon u hakk ında gen el bir bilgi ver ilmiştir. İkinci
bölüm ünde kompozit malzemelerin gen el özellikler in den bahsedilm iş, kompozit
malzem eler sınıflan dır ılm ış v e kullanım alan ların dan bahsedilm iştir.
Üçüncü bö lümünde kırılm a m ekaniği hakkın da gen el bilgi ver ilmiştir. Dör düncü
bölüm de kırılma tokluğu
deney lerin den
bahsedilmiş ve
deneysel çalışma
anlatılm ıştır. Ayn ı bölüm içerisin de kırılma tokluğu hesaplamalar ının nasıl yapıldığı
ifade edilm iş, den eysel çalışmadan elde edilen son uçlar verilm iştir. Son olarak
beşinci bölüm de bu sonuçlar değer len dir ilmiş ve de irdelenm iştir.
Anahtar sözcükler : Kır ılm a m ekaniği, kırılm a tokluğu, kompozit, lineer elastik
kırılma mekaniği.
iv
v
TH E DETERMINATIO N O F
CRACK PRO PAG ATIO N AND FRAC TURE TO UG HNESS
IN O RTH O TRO PIC MATERIALS
ABS TRAC T
In this study, fract ure toughness values of glass epoxy com posite material h ave
been fo un d by exper imental results. While determ inin g fr actur e toughn ess values
Lineer Elastic Fract ure Mech anics (LEFM) appro ach has been used.
In the first part of this study, gener al information abo ut the objective is giv en. In
the second part, gener al properties of composite m aterials are m entioned, they are
classified and the explanation is m ade that wher e they are used.
In the third part of this st udy, general inform ation about the fractur e m echanics is
giv en. In the fourth part fracture toughness exp erim ents an d experimental st udy are
mentioned. In the sam e chapter, ways of calculatin g fracture toughness hav e been
discussed. In the last chapter, all the results of the experiments hav e been assessed.
Keywo rds : Fr actur e m echanics, fracture toughness, com posite, linear elastic
fracture mech anics.
v
vi
İÇİNDEKİLER
Sayfa
TEZ SONUÇ FORMU ................................................................................................. ii
TEŞEKKÜR ............................................................................................................... iii
ÖZ ............................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................ v
BÖ LÜM B İR – G İRİŞ ............................................................................................... 1
BÖ LÜM İKİ – KO MPO ZİT MALZEM ELER ....................................................... 6
2.1 Kom pozit Malzemeler in Tanım ı........................................................................ 6
2.2 Kom pozit Malzemeler in Özellikleri ................................................................. 7
2.3 Kom pozit Malzemeler in Kullanım Alanları...................................................... 9
2.3.1 Havacılık Sektörün de Kullanılan Kompozit Malzem eler ....................... 10
2.3.2 Otomotiv Sektörün de Kullan ılan Kompozit Malzem eler ....................... 14
2.4 Kom pozit Malzeme Türleri ............................................................................ 17
2.4.1 Elyaflı Kompozitler ................................................................................. 17
2.4.2 Parçacıklı Kompozitler ........................................................................... 18
2.4.3 Karma Kompozitler ................................................................................ 18
2.4.4 Tabakalı Kom pozitler ............................................................................. 19
2.5 Matris Malzem eleri ........................................................................................ 20
2.5.1 Polimer Matris Malzemeler .................................................................... 21
2.5.1.1 Epoksi Reçin e Matrisler ................................................................... 22
2.5.1.2 Polyester Reçine Matrisler .............................................................. 23
2.5.1.3 Fenolik Reçine Matrisler ................................................................. 23
2.5.1.4 Vinylester Reçine Matrisler ............................................................. 24
2.5.1.5 Silikon Reçineler ............................................................................. 24
2.5.2 Metal Matris Malzem eler ....................................................................... 24
2.6 Elyaflar ........................................................................................................... 24
vi
vii
2.6.1 Cam Elyaflar ........................................................................................... 26
2.6.2 Asbest Ely aflar ....................................................................................... 26
2.6.3 Kar bon Elyaflar ...................................................................................... 27
2.6.4 Aramid Ely aflar ...................................................................................... 27
2.6.5 Bor Elyafları ........................................................................................... 27
2.6.6 Silisyum Kar bür Elyaflar ı ...................................................................... 27
2.7 Kom pozitlerin Mekan ik Davranışı ................................................................. 28
2.8 Kom pozit Malzeme Ür etim Yöntemleri ......................................................... 29
2.8.1 Elle Yatırm a ........................................................................................... 29
2.8.2 Püskürtme ............................................................................................... 29
2.8.3 Elyaf Sarm a ............................................................................................ 30
2.8.4 Reçine Transfer Kalıplam a ..................................................................... 30
BÖ LÜM ÜÇ – KIRILMA M EKANİĞ İ ................................................................. 32
3.1 Kırılma Mekaniğin e Giriş ............................................................................... 32
3.2 Kırılma Çeşitleri ............................................................................................. 39
3.2.1 Gevrek Kır ılm a ....................................................................................... 39
3.2.1.1 Çok Eksenli Gerilme Dur um u.......................................................... 39
3.2.1.2 Yüksek Deform asyon Hızı.............................................................. 39
3.2.1.3 Düşük Sıcaklık ............................................................................... 40
3.2.1.4 Partikül Bom bar dım anı ................................................................... 40
3.2.1.5 Uygun Olmayan Malzem e............................................................... 41
3.2.2 Sünek Kırılma ......................................................................................... 41
3.2.3 Sür ünm e Kır ılması .................................................................................. 41
3.2.4 Yor ulm a Kırılması................................................................................... 41
3.3 Kırılma Mekaniği Çeşitleri.............................................................................. 41
3.3.1 Lineer Elastik Kırılm a Mekan iği............................................................. 42
3.3.1.1 Griffith Teorisi ................................................................................ 43
3.3.1.2 Ir win Teorisi ................................................................................... 45
3.3.1.3 Kırılm a Modeller i ........................................................................... 46
3.3.2 Elastik Plastik Kırılm a Mekaniği ........................................................... 51
vii
viii
BÖ LÜM DÖ RT – KIRILMA TO KLUĞU DENEYL ERİ.................................... 52
4.1 Kırılma Tokluğu Deney Çeşitleri ................................................................... 54
4.1.1 Üç Nokta Eğm e Den eyi ( SENB) ............................................................ 55
4.1.2 Tek Çentik Kenarlı Çekm e Deneyi ( SENT)............................................ 55
4.1.3 Kompakt Çekme Deneyi ( C-T) .............................................................. 56
4.1.4 Çift Ankastre Kiriş Test Tekniği ( DCB) ................................................ 56
4.2 Kuvvet - Deplasman Graf ikler i ...................................................................... 57
4.3 Kırılma Tokluğu ( KIC) Test Prosedür ü ........................................................... 59
4.4 Test Num unesi Üretim i .................................................................................. 59
4.5 Üç Nokta Eğme Deneyinin Yapılışı................................................................ 62
4.6 Tek Çentik Kenarlı Çekme Deneyinin Yapılışı .............................................. 76
BÖ LÜM B EŞ – SO NUÇ .......................................................................................... 86
KAYNAKLAR .........................................................................................................88
viii
1
BÖ LÜM BİR
G İRİŞ
Üretimin devam etmesi için m alzeme çok önemli bir yer tutar. Modern teknoloji,
malzem elerin özellik lerin i arttırm a ve iyileştirme olanağı sağlam ıştır. Uzay, uçak,
otomotiv endüstrileri gibi iler i teknoloji alanın da kullanılmak üzere h afif ve üstün
özelliklere sahip yeni malzem elere ihtiyaç duyulmaktadır.
Malzem ecilerin araştırma konuların da yoğunlaşmalar ı, mukavem eti yük sek ve
sünekliği iy i olan malzem eler üzerine o lmuştur. Malzemelerin mukavemet değerleri
arttıkça yük taşım a kap asiteleri artar, iyi bir sün eklik ile ani ve y ıkıcı hasar lar
engellenmiş olur.
Modern
teknolojinin
k ullanıldığı
üretim
alanlar ın da
m ukavem et/ağır lık,
mukavemet/yoğun luk oranlar ı gibi malzem e özellikleri önem li yer tutar. Ağırlığa
duyarlı alanlar da kullanılan m alzemelerin m ukav em et limitlerinin zorlanm ası, belirli
kurallar içinde fark lı malzem eler karıştırılarak özelliklerin iyileştirilm esi bu alan da
önemli gelişm eler e yol açmıştır. Tek bir malzem e kullanmak ve sınırlı m ekanik
özelliklerle yetinm ek yerine, iki yada daha fazla say ıda değişik malzem eyi birleştirip
kom pozit haline getirme düşüncesi k ullanışlı ve başarılı olmuştur. Böylece tek bir
malzem ede bulunm ayan özellikler kompozit ile elde edilmiş olur.
Makine par çaları y anlış tasarım lar, m alzeme hataları, beklenmeyen yükler, üretim
hataları ve diğer karm aşık ve pek de anlaşılam ayan nedenler den dolayı kırılabilir.
Aynı hatanın tekrar ı istenmiyorsa hasarın neden inin anlaşılm ası olduk ça önem lidir.
Hem en hem en tüm mühendislik m alzemeleri mikrosko bik boy utlar da o lsalar bile
çatlak içerir ler. Servis ko şulların da bu çatlaklar ilerleyerek bir birler i ile birleşirler ve
gözle görün ür bir hal alırlar. Bu şartlar altında bu elemanın yapısal bütünlüğü için
mühen dis çatlak vey a çatlakların nasıl v e ne zam an daha da büy üy eceğini,
ilerleyebileceğini v e parçanın bu şekilde hasara uğr ayacağını bilm elidir. Bu sor uları
cevaplamaya yardımcı olan teknoloji Kırılma Mekaniğidir.
1
2
A.A Griffith 1920’lerin başlar ında kırılm a olayını, çatlak ilerlemesi için gerekli
enerji o larak tespit edip bu çalışm asını yayınlam ıştır.
Kırılma Mekaniği, ön emli ölçüde Griffith’in 1920’ de y ayınlam ış olduğu çalışma
ile başlam ış ve Ir win’in 1958’deki çalışm ası ile hız kazanmıştır. Ir win (1983),
kırılma m ekaniğini
şu
şekilde tanımlamıştır:
“.…..malzem elerin
kırılm ası,
uygulamalı mekan iğin k anunlar ı ve malzemelerin makrosko bik özellik lerin e bağlı
olarak açıklanabilir. Kırılma Mekaniği, gerilme analizine bağlı olarak k ırılma
dir encin i, uygulanan y üke ve hata içeren parçalar ın yap ısal geometrisine bağlı olarak
ortaya koyan bir yaklaşım dır ”.
Kırılma Mekaniği son 40 yılda önem li gelişmeler gösterm iştir. 1950’li v e 60’lı
yıllarda mekanik ve m alzeme konuların da tem el çalışmalar y apılmıştır. 1970’ler de
standartlar ve şartnam eler ortaya konmuştur. ABD’ de kırılm a mekaniği araştırmaları
1970’ler deki n ükleer güç santraller i tarafın dan yönlendirilm iştir. İngiltere’ de ise
Kuzey Den izi’n deki petrol kaynaklar ı kırılm a m ekaniğine ayrı bir ivme katmıştır.
Pek çok m ühendislik yapısı yük sek k uvvetler altında çalışm ak üzere dizayn
edilirler. Bu gibi durum lar da tasarım cı çatlak başlam a ihtim alini göz ön üne
alm alıdırlar.
Kırılma Mekaniği aşağıdak i temel sor uların cevaplan dırılmasın a yar dım cı o lur.
• Çatlak ilerley ecek m i?
• Kritik çatlak uzunluğu nedir?
• Bir çatlağı ilerletmek için ger ekli m inim um enerji n edir?
• Verilen bir çatlak, kritik uzun luğa ne k adar zam an sonra ulaşır?
• Çatlak karar sız bir şekilde hızlı mı yoksa yavaş bir şek ilde mi ilerleyecektir?
• Çatlak yavaş ve k ararlı bir şekilde ilerleyecekse han gi hızda ilerler?
Kırıma Mekaniği ile ilgili kon ular ın da y apılacak olan çalışmalar son ucu
kırılmanın in san lığa ver diği zarar %25 dolayın da azaltılabilir. Bu kon ular da
yapılacak ar aştırm alar iki ana başlık altın da toplanabilir.
3
1. Malzeme
2. Yapılar
• Malzeme Araştırma Konuları
1. Malzeme özellik lerin in daha iyi an laşılması,
2. Malzeme özellik lerin in iyileştirilmesi ve kontrolü,
3. Proses kontrol ve hata kontrol çalışmaları sonucu güvenilirliğin arttırılması,
4. Mikroyapının kontrolü sonucu mekanik özellikler in arttırılması.
• Yapısal Araştırm a Konuları
1. Kaynak gibi üretim yöntem lerinin daha iyi kontrolü,
2. Ömür ve perform ans tahminlerin in geliştirilmesi,
3. Daha iyi ger ilme analizi son ucu dizaynın iy ileştirm esi.
Modern yapılar, üretim hatalarına kar şı geçm iş dönem dekilere göre daha az
toleranslıdırlar. Bu y üzden k ullanılan dizayn işlem inde em niyet katsayısının önemi
dah a da belir gin olm aktadır. Ancak k ullanılan y eni an alitik m etotlarla birlikte
ger ilmeler, ön cesine kıy asla dah a doğr u bir şekilde hesaplan abilmektedir. Bun un
son ucu olarak tasarım cılar değişik ko dlar da belirtilen em niyet katsayısı değer ine
yaklaşm aktadır lar. Öte yan dan şu ger çekte bilinmektedir ki dış kuvvetlerin, m alzeme
özelliklerinin veya yapının özellik lerin in matematiksel olar ak tespiti tam olarak
yapılam am aktadır. Bunun sonucu olarak y apısal h asarlar ortaya çıkmaktadır. Bu
hasarlar iki önem li kon uyu ön plana çıkarm aktadır, emniyet ve ekonomiklik.
Em niyet problemi, ekipm an kullanıcısın ı riske atmaktadır. Ekonom ik problem ler ise
ekipmanın ömrün ü ve ürün m aliyetini olumsuz yön de etkilemektedir.
Emniyet problemler i olduk ça tehlikeli olabilir. Bir parçanın h asarı ür ün ün t ümünü
tahrip edebilir ve kullanıcısının hay atını tehlikeye sok abilir. Bir tür bin kanadının
hasarı, bir milin veya fren sistem inin hasarı sistemin kontrolün ü etkiler. Bu hasar lar
önceden bir uy arı olmaksızın aniden ortaya çıkabilir.
4
Ekonom ik problem ler ise yavaş yavaş ve sinsice ortaya çıkarlar. Bir parçanın
herhan gi bir y erin de çatlama ortaya çıkabilir. Parça değiştirilir ve sonra ayn ı parçanın
başka bir yerinde veya başka parçalar da hasar oluşabilir. Bu olaylar m eydana
geldikçe bakım ve onar ım maliyetleri üstel olar ak artar.
Kırılma Mekaniği, çatlak vey a boşluk içerebilen mühen dislik yap ılar ının
emniyetli bir şekilde çalışmaların ı sağlayan bir bilim dalıdır. İn san hayatını güven ce
altına almanın yanı sıra önem li finan sal kazanımlar ı da beraberin de getirir. Kırılma
kontrolü, çatlak değerlen dirilmesi, kontrol, bakım v e onar ım stratejilerini de içeren
mevcut en iyi yöntemler uy gulan dığın da, kırılm anın in sano ğlu için istenmeyen
zararları azaltılabilir. İlgili per sonelin bu kon uda eğitilm esi ve yetiştirilm esi, bu
konular daki teknolojilerin en düstriye aktarılm asında anahtar bir ro l oynam aktadır.
Aşağıda kompozit malzem e ve kırılma mekaniği ile ilgili o larak yapılan bazı
çalışmalar ın özetler i sunulmuştur. Yapılan kırılma mekaniği çalışmaların da, k ırılma
tokluğu deneyleri yapılmış, çeşitli kırılm a modelleri oluşturulm uş ve malzem elerin
kırılma dayanımına etkiler i araştırılm ıştır.
Toparlı
ve Aksoy (1998), diş kem iği kompozit reçine yüzeyinin yap ıştırıcı
bağının tokluğun un güvenilirliği ve geçerliliğin i kırılma mekaniği açısın dan
araştırm ışlardır. İki farklı yapıdak i reçin enin kırılma tokluğu ve kırılm a enerjisini üç
nokta eğm e deney in de y ükleme yapılarak analiz yapmışlar dır. Son uçta, çiğneme
güçlerin in altın daki çatlakların başlaması ve ilerlem esin in kırılma tokluğu veya
kırılma enerjisi ile izlenebileceğini söyleyer ek, kırılma yük ünün başlan gıçtaki çatlak
uzun luğuna bağlı olarak arttığın ı belirtmişlerdir. Ayrıca kırılma tokluğu değer inin
diğer dayan ım parametrelerin den daha iy i göster ge o lduğun u ifade etm işler dir.
Avcı, Arıkan v e Ak dem ir (2003), yaptıkları çalışmada çelik fiber takviyeli
polimer kompozitin kırılma davranışın ı in celemişler dir. Yap ılan çalışm ada, çelik
fiber takviyeli parçacık dolgulu polim er kom pozit kirişler ağır lıkça f arklı çelik fiber
oranlarında ür etilmiş ve deney için başlan gıç çatlağı açılm ıştır. Hazırlanan
num un eler e üç nokta eğm e testi uygulanmış ve Mod I’ e gör e kırılm a davranışları
5
incelenmiştir. Numun eler in gerilme şiddet faktörleri başlan gıç çatlak derinliği,
kom plians ve J-integral metotları gibi farklı m etotlar kullan ılar ak hesap lanmış ve
son uçlar bir bir leriy le kar şılaştırılm ıştır.
Avcı, Uyaner ve Şah in (2003), y aptıkları çalışmada cam k umaş-polyester
kom pozit levhalar da takviye açısının kır ılm a davranışına etkilerin i deney sel olarak
incelem işler dir. Bu amaç için, ASTM E-399 standar dına uy gun olarak kompakt
çekme num uneleri hazırlamışlar v e bu n um unelerle kırılma m ekaniği deneyleri
yapmışlar dır. Yapılan deneyler son ucun da kom pozit malzem enin kırılm a tokluğu
değerini belirlemişler dir. Takviye açısı f arklı numunelerle den eyler e devam etmişler,
takviye açısına bağlı olarak elde ettikleri kırılm a tokluğu son uçların ı grafik olarak
yayınlamışlar dır.
Hattatoğlu, Hınıslıoğlu ve Özel (2003), düşük sıcaklıktaki asfalt betonu
kirişlerinin kırılma tokluğunun sonlu elemanlar yöntem i ile tahmin edilm esi üzer ine
bir çalışma yapmışlar dır. Bu çalışmada, düşük sıcaklıktan dolayı asfalt kaplam alar da
meydana gelen çatlam alar ın Lin eer Elastik Kırılma Mekan iği (LEKM) kanun larıyla
araştırılabileceğini ortaya koymuşlar ve buna bağlı olar ak asfalt m alzemeler için
öm ür tahm ini yapm ışlardır.
6
BÖ LÜM İKİ
KO MPO ZİT MALZEM EL ER
2.1 Kompozit Malzemelerin Tanım ı
İstenilen bir am aç için tek başına uy gun olm ayan iki yada dah a fazla malzem eyi,
kullanım yerin deki istenen özellik leri sağlayacak dur um a getirm ek için, belirli şartlar
ve belirli oranlar da f iziksel olar ak makro yapıda birleştirerek elde edilen
malzem elere Kom pozit Malzem eler adı verilir.
Kom pozit m alzemeler, genellikle matris denilen ana faz ile takviye verici olarak
adlandır ılan ikincil fazdan oluşur lar. Bur ada ikin cil fazı fiber o larak adlan dırabilir iz.
Matris (anafaz) v e ik incil fazdan (fiber) istenilen özellik leri elde edilecek or an da
fizik sel karışımı ile kom pozit malzem e üretilir. Bu iki an a karışım grubun dan
çekirdek olarak k ullanılan fiber malzem e, kom pozit m alzemenin mukavemetini ve
yük taşıma kabiliyetini sağlar. Matris malzemede plastik deformasyon a geçişte
oluşabilecek çatlak iler lem eler ini ön leyici bir ro l oynamakta ve kompozit
malzem enin kopm asını geciktirici etki yapm aktadır. Matris olarak kullanılan
malzem enin diğer bir am acı da fiber m alzemeleri yük altında bir arada tutmak ve
yük ü lifler arasın da homojen o larak dağıtm aktır. Bun un son ucu olarak, f iber
malzem eler de
plastik deformasyon
ger çekleştiğinde
ortaya
çıkacak çatlak
ilerlem esin in önüne geçilm iş olur.
Kom pozit malzem eler; doğal bir malzem e olm aması, kim yasal bileşim leri
bir birin den fark lı ve belir li ara y üzeyler le ayrılmış en az iki malzem enin bir ar aya
getirilm iş olması, f arklı bileşenlerin üç boyutlu olar ak bir ar aya getirilm iş o lm ası gibi
tanımlamalara gör e m ikrosko bik açıdan heterojen bir m alzeme özelliği gö stermekte,
ancak m akroskobik açıdan homojen bir m alzeme gibi davranmaktadır.
6
7
2.2 Kompozit Malzemelerin Özellikleri
Taşıdığı karakteristik özellik leri ile diğer materyallere göre birçok avantajı
bulunan kompozit m alzemeler uzun ömür leri ile hafiflikleri yanı sıra yük sek
kim yasal v e m ekanik day anım ları sebebi ile tercih edilm ektedir.
Yüksek mekanik özellikler: Çekme, basm a, darbe, yorulma dayanım lar ı yük sektir.
Kompozit malzem eler yap ılar ı gereği m ekanik özellikleri değişk en malzem eler dir,
ama bu değişken lik k ullanım alanına göre arttırıldığında istenen
son uçlara
ulaşılabilm ektedir.
Hafiflik: Metallere oran la daha hafif m alzem eler dir. Örn eğin kompozitten üretilen
bir profil kesit m uadili bir çelik profilin ortalam a 1/4‘ ü ağırlığın dadır. Polimer
kom pozitler
genelde
1,5-2
gr/cm³
yoğunluğundadır.
Metal
kompozitlerin
yoğunlukları 2,5-4,5 gr /cm ³ olmakla bir likte değişik lik gör ülebilir.
Rijitlik ve Boyut Kara rsızlığı: Gen leşm e katsayılar ı nispeten düşük olup sert,
sağlam bir yapı ve büy ük bir boy ut kararlılığı gö sterirler.
Isı Dayanım ı: Kom pozit malzem eler ısıl değişiklik lerden etkilenm ezler. Yani ısı
ile şek il değiştirm ezler. Bu ö zellikleri kompozit m alzemelere ısı altın da çalışan bir
sistemde sorun suz çalışabilm e yeteneği kazan dırır. Buna ek olar ak ısı izolasyonu
sağlayan m alzemeler oldukların dan ısıyı bünyelerin de ilerletm ezler. Alev dayan ım
özellikleri ise katkılar la kazan dırılmış özellikler dir. Alev geciktirm e, ilerletm eme ve
kendiliğin den sönme özelliklerine sahip kompozit malzemelerin yan gın esn asın da
çıkardığı zehirli gaz miktarı da minim um sev iyededir. Bu özellikleri ile yan gın
merdiveni gibi kr itik güvenlik noktaların da k ullanılabilm ektedir.
Kim yasal Direnç: Kompozit bir çok kim yasal maddelere, asitler, alkaliler,
çözücüler ve açık hava şartlarına karşı son der ece direnç gö sterirler. Kim ya tesisleri
için çok kullan ılan malzem eler dir.
8
Elektriksel
Özellikler:
Elektrik sel
ö zellikler
kom pozitler de
isteğe
göre
ayarlan abilir. Yalıtkan özellikler i sayesin de trafo ür etiminde yük sek m iktar da
kullanılan kom pozit m alzemeler elektrik sektörün de bir çok ür ünde kullanılmaktadır.
Bütün bu özellikler in yanı sıra geniş renk ve desen seçenekleri, esneklik, U. V.
day anım ı, montaj kolaylığı gibi bir çok artısı bulunan kom pozit m alzemeler bu
özellikleri sayesin de her sektörde kendine yer edinmiştir. Dünyada bir çok isimle
anılan cam takviyeli kompozit malzem eler ( Fiberglass, CTP, FRP, GRP v s...)
den izcilikten gıdaya, m üzik aletlerin den oto büs ve tren y an pan ellerine kadar bir çok
yerde k ullanılm aktadır.
Kom pozit malzem e üretiminde genellik le aşağıdaki ö zellikler den birinin v eya
birk açın ın geliştirilmesi amaçlanm aktadır.
Mekanik dayan ım, çekme, basınç, eğilme, çarpm a dayanımı,
Kırılma tokluğu,
Korozyon direnci,
Yor ulm a dayan ımı, aşınm a direnci,
Yüksek sıcaklığa dayanık lılık,
Isı iletkenliği yada ısıl dir enç,
Elektrik iletkenliği veya elektriksel dir enç,
Ak ustik iletkenlik, ses tut uculuğu,
Rijitlik,
Ağırlık,
Gör ün üm, gibi özellik ler.
Bu amaca yönelik olar ak, kom pozit üretimin de fark lı yöntemler kullanılmaktadır.
Ancak hep sin de değişm eyen tem el ilke, bileşenlerin zayıf yönler inin am aç
doğr ult usun da iyileştiriler ek daha nitelikli yapın ın elde edilmesidir.
9
2.3 Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları
Kom pozit malzem eler, genellikle bir leşim malzem elerinin en iyi özellikler ini
alacak tarzda imal edilirler. Hafif fakat m ukavim olması istenen uy gulamalar da çelik
ve ben zeri metallerin yerin i almıştır. Belirli özgül özelliklerin in yük sek olm ası
sebebiyle
kompozit
yaygınlaşm aktadır.
kullanılmışlar dır,
m alzemelerin
Başlan gıçta
gün üm üzde
bir
çok
hafiflikleri
gıda sektörün den
en düstri
alanın da
kullanımı
sebebiy le
uzay
sanayiin de
otom otiv
sektörüne,
in şaat
sektörün den denizcilik sektör üne kadar h er alan da k ullanım imkanları araştırılm aya
dev am edilmektedir. Kompozit malzem eler in yay gın olarak k ullanıldığı başlıca
sektörler ve bu sektörlerde kullanılan ür ün tipleri şu şekilde özetlenebilir.
İnşaat ve Yap ı Sektö rü: Dış ve iç cephe kaplam aları, prefabrik binalar, çatı
kaplam a levhaları ve çatı detay profilleri, dekoratif uygulam alar, beton kalıpları,
taşıyıcı profiller, yağmur suy u taşım a sistemleri, m uhtelif am açlı izo lasyon işleri,
köprüler vs...
Savunm a Sanayii ve Havacılık Sektörü: Uçak ve helikopter göv de parçalar ı, uçak
bur un ve kanat parçaları, havan topları gövdeleri ve san dıkları, kurşun geçirm ez
panel im ali, miğferler, mayın v e h ücum bot parça ve göv deleri, barınak lar v s...
Gıda ve Tarım Sektörü: Silolar, gıda depolama tankları, salam ura tankları,kültür
balıkçılığı ekipmanları, seralar, tahıl depolar ı, sulam a kanalları vs...
Otomotiv ve Taşıma Sektörü: Otomobil kaportaları, kamyon ve otobüs yan
panelleri, tır yan çıtaları, kam yon rüzgarlık ve ön paneller i, karayolu işaret levhaları,
karayolu kenar dikmeleri vs...
Kim ya Sektörü: Asit tankları ve kap lam aları, m uhtelif am açlı bor u ve bağlantı
parçaları, kimyasal tesis zem in ızgaraları, ar ıtm a ekipmanları, en düstriyel platform
ve korkuluklar, havalandırma kanallar ı vs...
10
Denizcilik
Yelkenli/m otorlu
Sektörü:
tekneler,
can
kurtarma
filikaları,
şam an dıralar, kano lar, deniz m otosikleti, sörf tahtası, dubalar, iskeleler, marina
ekipmanları vs...
Isı Sektö rü: Güneş en erjisi sistem i ekipmanları, izolasyon cidarları, izolasyonlu
tanklar ve kaplar, soğutma kuleleri, havalan dırm a kanalları v s...
Elektrik Sektö rü:
Sigorta-panel k utuları, ay dın latma
göv deleri, antenler,
izolatörler, devre kesiciler, yalıtkan platformlar, elektrik ve ay dınlatma direkleri,
kablo taşıy ıcıları, k ablo kanalları, mer divenler v s...
Diğer Uygu lam alardan Örnekler: Spor tribün ü oturak ları, lunap ark ger eçleri,
karavanlar, tenis raketler i, kasklar, su kay dır aklar ı, hav uz başı ekipmanlar ı, olta
kam ışlar ı, golf sopaları, bisikletler, spor aletleri p arçaları, kızaklar, kayak lar,
sno wbo ar d, müzik aletleri vs...
2.3.1 H avacılık Sektö ründ eki Kompozit Malzem eler
Havacılıkta son yıllar da y apılan temel bir atılım metal malzem e yerine kompozit
malzem e k ullanım ı kon usudur. Uçak yap ılar ında k ullanılan kom pozitler elyaf
takviyeli kom pozitler dir.
Genellikle epoksi m atris için de
sür ekli
elyaf lar
kullanılmaktadır. Düşük yo ğun luğa sahip kompozit yapılar ın uçak tasarımın da
kullanılması ile metal yap ıya oran la ağırlık k azan cı sağlanm ıştır.
Uçak tasarımın da ağırlık kazancı ön emli miktarda y akıt kazan cıda sağladığın dan
NASA'nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesin de uçak y apısı için
kom pozit malzem e geliştirim ine gidilm iştir. 1980'ler de sadece ikin ci dereceden
yapısal elemanlar da kom pozit k ullanılırken, 1985'ler de birinci dereceden temel
yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanm ıştır (Dexter, 1980).
11
Aşağıda uçak yapım ında k ullanılan m alzemelere örnek v erilmiştir, Şek il 2.1
Şekil 2.1 Eski ve yeni t asarım u çakl arda kullanılan malzeme oranları.
12
Şekil 2.2’de ilk uçuşunu 1969’ da gerçekleştiren Boeing 747 ve ilk uçuşunu
1994’te gerçekleştiren Boeing 777 uçaklarının çeşitli yapıların da kullanılan
malzem elerin oranlar ı gösterilmiştir.
Şekil 2.2 Boeing 747 ve Boeing 777 uçaklarında kullanılan mal zeme oranları .
Dış yap ılar daki kullanımının y anı sıra uçak içer isin deki kabin ve diğer ak sam ın
yapımında da bu malzem eler ağırlıklı olar ak kullanılmaktadır. Toplam kullan ım
miktarı olarak Air bus un yeni modeli A340 ta % 15, Boein g 777 de % 13 kompozit
malzem e kullan ılm ıştır, Şekil 2.3.
13
Şekil 2.3 A340-200/300 uçak modelinde kullanılan ko mpo zitler.
- B2 bombardıman uçağı göv de panelleri; kar bon fiber + epoksi
- A380 yolcu uçağı kanat panelleri; karbon fiber + epoksi
- A380 yolcu uçağı bur un bö lümü; CTP
- A380 yolcu uçağı dikey den geleyici; Ar am id f iber + epok si
- Air bus A320 uçaklarında kanatlar da, kuyr uk takım ların da, silindir ik motor
kılıflarında, kar bon takviyeli kom pozitler kullanılmıştır.
- Airbus 300/600 uçaklar ın da zem in plakası; kar bon takviyeli Polieterimid
- Uçak EAP S kapağı; ( Kar bon elyafı + PEEK)
- F-14 uçakların da yatay den geleyiciler, F-15 uçak ların da ise yatay ve dikey
den geleyiciler; bor- epoksi kompozit malzem esin den yapılm ıştır, Şekil 2.4.
- F-16 uçaklarında, yatay ve dik ey den geleyicilerin y anı sıra kontrol y üzeyler i de
karbon epoksidir. F/A-18 uçaklar ında kanat yüzeyleri, yatay v e dik ey den geleyiciler,
hız frenler i ve kontrol yüzeyleri, AV-8B uçakların da; kanatlar, yatay den geleyiciler,
ön göv de v e kontrol yüzeyler i kar bon-epok si o larak y apılm ıstır. Boein g 757 ve 767
ler de; ön gövde ve kontrol yüzey leri k ar bon-epok si olarak yapılmıştır.
14
Şekil 2 .4 F14 v e F15 u çaklarındaki yat ay v e dikey deng eleyiciler.
Şekil 2 .5 F/A-18
uçağındaki
kan at yü zeyl eri, yatay ve dikey
deng eleyiciler.
2.3.2 Otom otiv Sek töründeki Kom pozit Malzem eler
Otomobilin ağırlığını azaltm ak, yakıt tüketim inden tasarruf a yol açtığın dan,
otomobil üreticileri ağırlığı azaltacak yeni malzem e arayışlarına girm işlerdir. Buna
ilaveten petrol y akıtlarına alternatif olarak geliştirilm eye çalışılan elektrikli
15
arabaların motorları n ispeten dah a az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı büyük ön em
kazanır. Kompozit m alzemeler, katılığın özgül ağır lığa oranı bakım ından çelik ve
alüminyum ile kar şılaştırıldığında, bu değer birk aç kat daha fazla olabilmektedir. Bu
sebeple kompozit malzem eler ağırlık azaltmada en önem li adaylar dandır.
Otomotiv sektörün de, kom pozit malzem eler arasın da en yay gın o larak polimer
matrisli kompozitler k ullanılmaktadır. Plastik matrisli olm aların a rağmen m etaller
kadar emniyetli tasarımlar ı m üm k ün dür. Go lf A4 ve P OLO A03 dahil olmak üzere
bütün yeni VW arabaların ın ön kısım ları cam elyaf örgülü term oplastik tabakalar dan
yapılmıştır. Son zam anlarda giriş manifoldları gen ellikle alüminyum dan imal
edilmektedir. Fakat bu par çaların şek illeri daha k arm aşık hale geldikçe ve tek kalıpla
üretilen cam elyaf takviyeli term oplastikler ağırlıktan tasarr uflar sağladık ça,
term oplastikler tasarım cılara cazip gelmeye başladı. For d Mondeo'nun 4 silin dirli 16
valflı m otorun un giriş manifoldu cam elyaf katkılı PA'dan imal edilmiştir. Chevrolet
gir iş m anifoldların da cam elyaf katkılı naylon k ullanmaktadır. Plastik ağırlıktan
tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırm ıştır. Giriş manifoldlarının iç
yüzeyi son derece pür üzsüz olm alıdır. Ak si takdir de oluşacak t ürbülan s, m otorun
verimliliğini azaltır. Düzgün
yüzey leriy le plastik
m anifoldlar
alüminyumla
yapılan lara göre m otorun ver imini %5 kadar artırabilmektedir. Malzem enin düşük ısı
iletkenliği, manifold için deki havan ın m otorun sıcaklığından daha iyi yalıtılmasına
yol açm akta, m anifoldun havayı daha yo ğun olarak tutmasıyla, yanm a daha v erimli
ger çekleşm ektedir. Plastik titrem eyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır.
Avr upalı m otor üreticisi PSA da Peugeot 406 ve 605, Citroen Xantia ve XM
modellerin de k ullanılmakta olduğu motorun gir iş manifoldun da n aylon kullanarak
ben zer fay dalar ı elde etmektedir.
- Cam sileceği; % 30 Cam + P BT
- Pedallar ; % 40 Cam + Poliamid 6
- Dikiz aynası; % 30 Cam + ABS
- Hava giriş m anifoldu; BMW , Ford, Mercedes, % 30 Cam + Poliamid 6
- Otom obil yan göv de iskeleti; For d, CTP
- Otom obil kaportası; Corv ette, CTP
16
Form ula 1 arabalarının yap ımına ait düzenlemeler çok özeldir ve titizlikle
uygulatılm aktadır. Ar abanın tüm ağır lığı 605 kilo gram ı aşmamalıdır. Tasar ım
mühen disler i en az ağırlıkla en sağlam çözüm ü bulmak durum un dadırlar. Daha
önceler i yar ış arabalar ın da h afif bir metal olan alüminy um kullanılmaktaydı artık
kom pozit malzem eler çok daha düşük ağırlıklarla sertlik ikiye katlan abilmektedir.
Ayrıca karmaşık
parçaların
kom pozit
malzem elerle
üretilebilmesi ile
F1
otomobillerinin üretim in de gerekli par ça sayısı azaltılabilmektedir. Alüminyumla
200’den fazla par çayla ür etilen gövde ve şase beş parçaya düşürülmüştür. Kompozit
malzem eler m etal civatalar gibi bağlantı parçaları ile bir leştirilm ek yerine epoksi
reçinesi ile bir birler ine bağlanm aktadır. F1 ar açların dak i kompozit malzem elerin
kullanım yerlerine örnekler; ana göv de, elektrik dağıtım panoları, motor kaplam ası,
bur un kapağı, ön ve arka kan atlar dır, Şekil 2.6, 2.7, 2.8.
Şekil 2 .6 F1 araçlarınd a kullanılan ark a k anat.
Şekil 2 .7 F1 araçlarınd a kullanılan ön kan at.
17
Şekil 2 .8 F1 araçlarınd a kullanılan burun.
2.4 Kompozit Malzeme Türleri
Yapılarında
çok
sayıda
fark lı
m alzeme
k ullanılabilen
kompozitlerin
sınıf lan dır ılması kesin sınır lar çizmek m üm kün olmamakla bir likte, yapıdaki
malzem elerin form una göre kompozitler i şu şek ilde sın ıflan dırabiliriz.
a) Elyaflı Kom pozitler
b) Parçacık lı (Partiküllü) Kompozitler
c) Karma (Hibrid) Kompozitler
d) Tabakalı Kompozitler
2.4.1 Elya flı Kompozitler
Bu kom pozit tipi in ce elyafların matris yapıda yer alm asıyla m eydana gelmiştir.
Elyafların matris için dek i yerleşim i kom pozit yapının mukavemetini etkileyen
önemli bir unsur dur. Uzun elyafların matris için de bir bir lerin e paralel şekilde
yerleştirilm eler i ile elyaf lar doğr ultusun da y üksek m uk avemet sağlanırken, elyaflara
dik do ğr ult uda oldukça düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf
takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlan ırken, matris yapısında homojen
dağılmış k ısa elyaflar la ise izotrop bir yapı o luşt urm ak müm kün dür.
18
Elyafların m uk avemeti kompozit yapının m ukavem eti açısından çok ön emlidir.
Ayrıca ely aflar ın uzun luk/çap oranları arttıkça m atris tarafın dan elyaf lara iletilen y ük
miktarı artmaktadır. Elyaf y apının hatasız olması da m uk avem et açısından çok
önemlidir.
Kom pozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir un sur ise elyaf ile matris
arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda bo şluklar söz konusu ise elyaflarla temas
azalacaktır. Nem alm ası da elyaf ile matris arasındaki bağı bo zan olumsuz bir
özelliktir.
2.4.2 Parça cıklı Kompozitler
Bir matris malzem e içinde başka bir malzem enin p arçacıklar h alin de bulunm ası
ile elde edilir. İzotrop yapılar dır. Yapının m uk avemeti parçacıkların sertliğine
bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan m etal parçacıklar dır. Metal
parçacıklar ısıl ve elektriksel iletkenlik sağlar. Metal m atris içinde seram ik
parçacıklar içer en yap ılar ın, sertlikleri ve yük sek sıcaklık dayanım ları yük sektir.
Uçak m otor parçalarının ür etiminde tercih edilm ektedir ler.
2.4.3 Ka rm a (Hibrid) Kom pozitler
Aynı kompozit yapıda iki veya daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu
tip kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan, yen i tip kom pozitlerin
geliştirilmesine uy gun bir alan dır.
Örneğin, kevlar ucuz ve tok bir ely aftır. Ancak basm a m uk avemeti düşüktür.
Grafit ise düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyaftır.
Bu iki elyaf ın kompozit yapısında bir arada bulunması ile elde edilen hibrid
kom pozitin tokluğu gr afit kom pozitten daha iyi aynı zam an da m aliy eti daha düşük ve
basma mukavemeti de kevlar elyaf lı kom pozitten dah a y üksek olmaktadır.
19
Farklı tipler dek i hibrid kom pozitler aşağıdak i gibi sın ıflandırılabilirler.
1- Matris için de iki ya da daha fazla tabaka içerirler. Her tabaka belirli bir
yöndek i takviyeleri içer ir ve her bir tabakada belirli bir tip elyaf
kullanılmıştır. Tabakalar amaca gör e istenilen şekilde y erleştirilirler.
2- İki ya da daha fazla elyaf karışım halin de aynı tabakada yer alır ve tabakalar
istenilen şekilde birleştirilerek h ibrid kompozit elde edilir.
3- Reçine matrisli tabak alar ve m etal matrisli tabakalar gibi farklı kompozit
yapılar içeren süper hibridler elde edilebilir. Süper hibridler de tabakalar bir
yapışk an m alzeme ile bir leştirilir ler.
2.4.4 Tabakalı Kompozitler
Tabakalı kompozit yapı, en eski v e en yaygın k ullanım alanına sah ip olan tiptir.
Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok y üksek m uk avemet
değerler i elde edilir. Isıya ve nem e dayanıklı yapılar dır. Metallere gör e hafif ve aynı
zam anda m ukavem etli olmaları nedeniyle tercih edilen malzem eler dir. Sürek li elyaf
tabakalı kompozitler uçak yapıların da, kanat ve k uyr uk grubun da y üzey k aplama
malzem esi olarak çok yay gın bir k ullanım a sahiptirler.
Ayrıca uçak yapıların da yay gın bir k ullanım alanı o lan sandviç yap ılar da
kom pozit malzem e örneğidirler. San dviç yap ılar, y ük taşım ayarak sadece izolasyon
özelliğine
sahip olan düşük yoğunluklu bir çekir dek malzemenin alt ve üst
yüzeyler ine mukavem etli levh alar ın yapıştırılması ile elde edilir ler.
Tabakalı kompozitlerin ür etiminde deformasyon ve birleştirm e tekniklerin i de
içeren p ek çok fark lı m etod k ullanılm aktadır.
Haddeleme; Giy dirilmiş ve ikili metal gibi bir çok metalik katmanlı kom pozitler
sıcak veya so ğuk haddelem e ile üretilmektedir. Deform asyon miktarı yeterin ce
büy ük ise m erdaneler tarafından uygulanan basın ç y üzey deki oksitleri kırm akta atom
atoma tem as eden yüzeyler oluşturm akta ve iki y üzey in kaynak edilmesine imkan
sağlam aktadır.
Patlam a Kaynağı; Metallerin birleştirilm esi için ger ekli basınç bir patlama
20
yüklem esi ile sağlanabilir. Bu işlem özellikle hadde m erdanesine sığmayan, büy ük
plakaların birleştirilmesi için çok uygundur.
Birlikte Ekstrüzyon; Ortak eksen li kablo gibi çok basit tabakalı kompozitler,
yum uşak m alzemenin sert malzem eyi saracak şekilde bir kalıp içerisin den iki metalin
bir likte ekstrüzyon u ile üretilmektedir. Benzer şekilde term oplastik polim erler m etal
iletken teller çevresin e birlikte ekstr üze edilebilm ektedir.
Presleme; Küçük parçalar için, yük sek sıcaklıklar da yük sek basın ç uy gulanm ası
yapışm ayı sağlam aktadır. Katmanlar dak i yapıştırıcıyı sertleştirm ek için genellikle
sıcak presleme kullanılmaktadır.
Sert Lehim; Sert lehim kom pozitleri bir birine bağlayabilm ektedir. Metalik levhalar
tercihen 0,075 mm . aralıkla ayrılmıştır ve sert lehim , alaşımının er gim e sıcaklığının
üzerinde ısıtılmaktadır. Sıv ı sert lehim alaşımı, kılcal hareketle ince bağlantı
aralığına yayılarak birleştirmeyi sağlar.
2.5 Matris Malzemeleri
Kom pozit yapılar da m atrisin üç tem el fonksiyonu var dır. Bunlar, elyafları bir
arada tutm ak, yük ü elyaflar a dağıtm ak ve elyafları çevresel etkilerden kor umaktır.
İdeal bir m atris m alzemesi başlan gıçta düşük viskoziteli bir y apıda iken daha sonra
elyafları sağlam ve uy gun şek ilde çevreleyebilecek katı form a kolay lıkla geçm elidir.
Kom pozit yapılar da y ükü taşıyan elyaf ların fonksiyonlar ını yer ine getirmeleri
açısından matrisin m ekanik özellik lerinin rolü çok büyüktür. Örneğin matris
malzem esi olm ak sızın bir elyaf dem eti düşünüldüğün de yük bir ya da birkaç elyaf
tarafından taşınacaktır. Matrisin v arlığı ise y ükün tüm elyaf lara eşit olarak dağılım ını
sağlayacaktır. Kesme y ükü altındaki bir ger ilm eye dayanım, ely aflar la matris
arasında iy i bir yap ışm a ve matrisin y üksek kesm e mukav emeti özellikler ini
ger ektirir.
Elyaf yönlenm eler ine dik do ğrult uda, m atrisin mekan ik özellikler i ve elyaf ile
matris arasındaki bağ kuvvetleri, kom pozit yapının mukav emetini belir leyici önemli
hususlar dır. Matris elyaf a göre daha zayıf ve dah a esnektir. Bu özellik kompozit
21
yapılar ın tasar ımında dikkat edilm esi gereken bir husustur.
Matrisin kesme mukavem eti ve m atris ile elyaf arası bağ k uvv etleri çok y ük sek
ise ely af y a da matriste oluşacak bir çatlağın yön değiştirm eksizin ilerlem esi
mümkündür. Bu durumda kompozit gevr ek bir malzem e gibi davr andığın dan kopma
yüzeyi tem iz ve parlak bir yapı gösterir Eğer bağ m ukavem eti çok düşükse, elyaf lar
boşluktaki bir elyaf demeti gibi davranır ve kom pozit zayıflar. Orta seviyede bir bağ
mukavemetinde ise ely af veya m atristen başlayan enlemesine do ğrultuda bir çatlak
elyaf/m atris ara y üzeyin e dönüp elyaf do ğr ultusunda ilerleyebilir. Bu durum da
kom pozit sünek m alzemelerin kopması gibi lifli bir y üzey sergiler.
Kom pozit malzem eler in ür etiminde k ullanılan matris malzem e tipleri m etaller,
epoksi, polyester, fenolik, v inylester ve silikon r eçin eler dir. Yüksek m uk avemet
ger ektirmeyen dur umlarda en çok k ullanılan matris malzem esi polyester reçin esidir.
Gelişm iş kompozitlerin üretiminde ise genellik le epoksi reçinesi kullanılmaktadır.
Matris iyileştirilm esi çalışmalar ı özellikle yük sek sıcaklıkta kullanıma uy gun ve
düşük nem duy arlılığın a sahip yap ılar ın üretilmesi do ğr ultusun dadır.
2.5.1 Polim er Matris Malzem eler
Polimerler, metaller e göre çok daha fazla komplekstirler. Matris olarak kullanılan
polimerler ucuz ve kolaylıkla çalışılabilir m alzemelerdir. Diğer taraftan düşük
kullanım sıcaklığına sahiptirler. Term oset ve termoplastikler olarak iki gr uba ayrılan
polimer matrisler genelde sür ekli fiber takviyeli olarak kullanılırlar. Term oplastikler
oda sıcaklığın da y üksek viskoziteye sah ip oldukları için, matris malzem esi olarak
kullanıldıkların da lif ile arasın da bağların kurulması termosetlere göre zor dur.
Termoplastiklere örnek olarak nay lon, poliüretan, vin iller, poliamidler verilebilir.
Termosetler ise üretimleri esnasın dak i reak siyon neticesinde geriye dön üşlü
olm adığın dan bu gr uptaki malzem eler in tekrar ısıtılarak yumuşatılmaları ve
şekillen dirilmeleri mümk ün değildir. Bunlar dan en ön emli olan ları sürek li fiberlerle
takviye edilen polyester ve epoksi reçin e m atrisleridir. Epoksi reçin e matrisli
kom pozitlerinin en önemli uy gulamaların dan bir i havacılık uygulam alarıdır.
22
Tablo 2.1 Bazı matris mal zemelerinin özellikleri
Ö zellikler
Epoksi
O da Sıc.
Kürlenmiş
Epoksi
Yük. Sıc.
Kürlenmiş
Özgül
ağırlık
3
(g/cm )
1.1-1.3
Elastik
m odül
(GPa)
Epoksi
Polyester
Fenolik
1.2-1.4
G elişmiş
1.3
1.2
1.2-1.3
2-3
2.5-3.0
3.5
2-3
5-11
Çekm e
m uk.
(MPa)
50-70
70-90
60
50-60
50-60
Kopm a
Uzam ası
(%)
2-6
2-5
2
2-3
1.2
70-100
100-180
180
60-80
100-125
Maks. işlem
sıc. (°C)
2.5.1.1 Epoksi Reçine Matrisler
Epoksiler ik i ya da daha fazla epoksit içeren bileşen ler den oluşur lar Polif enol'ün
epikloridin ile bazik şartlar da reak siyonu son ucu elde edilir ler. Viskoz ve açık renkli
bir sıvı halindedir ler.
Epoksilere
uy gulanan
k ür işlemleri ile y üksek
sıcaklıklar a dayan ım ları
150-200 °C seviy eler ine arttırılabilir. Saydam ve yap ışkan hal amorf polim erlerin
karakteristiğidir. Tüm polimerler düşük sıcaklıkta say damlaşırlar ve y ük sek
sıcaklıkta k auçuklaşırlar. Geçişin m ey dana geldiği sıcak lık aralığına "cam geçiş
sıcaklığı" adı verilir. Cam geçiş sıcak lığı, maksim um çalışabilm e sıcaklığının bir
ölçüsüdür. 100 °C'de uy gulanan bir kür işlem i ile maksim um çalışm a sıcaklığı
90-100 °C arttırılabilir. 150-250 °C arasın da uygulan acak bir k ür ile 150-250 °C
arasında uy gulanan m aksimum çalışma sıcaklığı sağlanabilir. Kür işlem leri uy gun
katalizörlerin k ullanılm ası ile hızlandırılabilir.
23
Epoksilerin avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenm iştir:
Avantajları:
1- Yüksek aşınm a diren cine sah iptirler.
2- Uçucu değildirler ve kim yasal dirençleri y üksektir.
3- Düşük v e yüksek sıcaklıklar da sertleşebilm e özelliğin e sahiptirler.
4- Elyaf yap ılar la y üksek bağ m ukavemeti sağlar lar.
Dezavantajları:
1- Polyesterle k arşılaştırıldığın da p ahalıdır.
2- Polyestere oranla yük sek viskoziteye daha az uygundur.
Epoksiler av antajlar ının çokluğu v e tüm elyaf m alzemeler le kullanılabilir yapılar
olm aları neden iyle, uçak yapısın da tabakalı kom pozit yapılar olar ak yay gın bir
kullanım alanına sahiptirler. Genellik le karbon elyaf larla birlikte kullan ılır lar.
2.5.1.2 Polyester Reçine Matrisler
Polyesterler in ana tipleri po lyester bileşeninin doym uş asitle modifikasyonu
tem eline day anır. Ayrıca matrisin esnekliği iyileştiriler ek kopma gerilm esi
arttırılabilir. Çevr esel dayanımının iyi olm ası, düşük maliyet, takviyelerin nem ini
kolayca dışarı atabilm esi avantajları olarak sayılabilir.
2.5.1.3 Fenolik Reçine Ma trisler
Fenolik reçinelerin ısı ve elektrik özellik leri, suya ve alkaliler dışın daki kimyasal
maddelere dayan ımları çok iyidir. Bu reçineler 300 ºC’ye kadar sür ekli olarak
day anabilirler.
24
2.5.1.4 Vinylester Reçine Matrisler
Polyestere ben zerler. En önem li avantajları elyaf ve matris arasında iyileştirilmiş
bir bağ m ukavem etine sah ip olmasıdır. Korozif ortam lar dak i k ullanımlar için
yararlan ılm aktadır. Bu polim erler k imyasal dayan ım gerektiren kimya tesislerin de,
bor ular da ve depolama tanklar ında k ullanılm aktadır.
2.5.1.5 Silikon Reçineler
Silikon reçineler, y apıların da kar bon yer ine inorganik esaslı silikon lar bulunan
malzem eler dir. Mekanik ve elektriksel özelliklerini çok az değişik liklerle 250 ºC’ye
kadar koruyabilen silikon esaslı reçinelerin k ullanımları, mekan ik dayanım lar ının
diğer reçin eler e göre daha düşük ve m aliyetinin de genelde dah a yük sek olm ası
nedeniyle kısıtlıdır.
2.5.2 Metal Matrisler
Taşıyıcılık açısın dan özellikle diğer matris malzem elerin e kıyasla y ük sek
day anım a sah iptirler. Üretim leri zor olup maliyeti yüksek olmasına karşın, m etal
matris malzem esi kompozitin tokluğun u önemli ölçüde arttırmakta ve yüksek
sıcaklık etkisin deki uy gulam alar a olanak verm ektedir. Kompozit ür etim inde metal
matris malzem esi olarak bakır, alüm iny um, titan, nikel, gümüş gibi metaller başta
gelmektedir. Matris malzem esi er imiş halde levha vey a ince tabaka şeklin de
olabilm ekte ve kullanılan üretim teknolojisine bağlı olarak dökm e, karıştırma,
preslem e,
elektroliz
yoluyla
k aplama,
haddeleme
yöntemleriyle
liflerle
bir leştirilm ektedir.
2.6 Elyaflar
Matris malzem e içerisinde yer alan ely af takviyeler kompozit yapının temel
mukavemet elem anlarıdır. Düşük yo ğunluklarının yanı sıra yüksek elastisite
modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar k im yasal korozyona da dirençlidirler.
25
Gün ümüzde kompozitlerin donatılm asın da boy utsal v e şekilsel özellikleri çok
farklı lifler ( elyaf lar) k ullanılm aktadır. Örneğin, cam lifler i gibi lifler üretim
sırasın da demetler halinde hazırlanmaktadır.
Malzem enin dayan ımı arttırm ak, tüm yönlerde eşit mukavemet elde etm ek için
elyaflar kumaş olarak dok un ur lar. Sür ekli liflerle hazırlanan dok uma elyaf
kum aşların ın fark lı am açlar için geliştirilmiş türleri var dır, aşağıda dok um a t ürler ine,
karbon ve cam ely afa örnek v erilm iştir, Şekil 2.9 ve Şek il 2.10.
Şekil 2.9 Çeşitli elyaf doku ma ö rnekleri
Şekil 2 .10 Karbon ve cam elyaf örnekleri
26
2.6.1 Cam Elya fla r
Cam lif leri veya diğer bir deyişle cam elyafı kom pozitlerin üretimin de en çok
kullanılan donatı malzem elerindendir. Üstün özellikler inin yan ı sıra, ekonom ik bir
donatı t ür ü olması bu sonucu ortaya çıkarmaktadır. Çeşitli matris m alzem eleriyle
kullanılmış olmasına karşılık, temel k ullanım alanı cam takviyeli plastik (CTP)
endüstrisidir. Cam lif lerin in ticari anlamda üretim i 1930’lu yıllar da İn giltere’ de
başlanm ış olm asına kar şılık, bu malzem e plastik malzem enin donatılm asın da
1950’lerin başından itibaren k ullanılm aya başlanmıştır.
Cam ely afı, elyaf takviy eli kom pozitler arasın da en bilin en ve kullan ılan ıdır.
Elyaflar üretim aşamasın da dayanıklılık ların ın %50’sin i kaybetmelerin e karşılık son
der ece sağlam dırlar. Cam lifi üretiminde k ullanılan cam ın cinsi, işlem sıcaklığı,
cam ın viskozitesi, çekme hızı, özel üretim yöntemleri ve değişik kim yasalların
eklenm esi
gibi etkenler değiştiriler ek farklı tür v e çaplarda cam lifleri
üretilm ektedir.
A camı; pencer e ve şişeler de en çok k ullanılan çeşididir.
C camı; yüksek kimyasal dir enç gösterir. Depolama tanklar ı gibi y erler de k ullanılır.
E cam ı; takviye ely aflar ının üretim in de en çok kullanılan cam türüdür. Düşük
maliyet, iyi yalıtım ve düşük su emiş oran ı özelliklerine sahiptir.
2.6.2 Asbest Elya fları
Asbest, lif yapılı bir do ğal mineraldir. Esası magnezyum silik at olan, yanmazlık
özelliğine sahip bu m addenin bir çok türü var dır. Bu do ğal maddeden elde edilen
asbest liflerinin boylar ı, genel olarak 0,8 mm ile 19-20 mm arasın dadır. Asbest lifleri
çim ento bağlayıcı ile teknik açıdan başarıyla k ullanılm aktadır. Asbest lifleri genel
olarak levha üretiminde %9-12, basınçlı bor u üretimin de %20-30 or anlar ı ar asın da,
çim ento bağlayıcıyla birlikte kar ışım lar da yer almaktadır.
27
2.6.3 Ka rbon Elya fla rı
Bu elyaf ların düşük yoğunluğun a k arşın çekme dayanımı ve elastisite m odülü
yük sektir. Yük sek sıcaklık lara dayanabilen kar bon lif lerin in özellikleri, üretimdeki
son işlem sıcak lığına bağlı olar ak değişiklik gö stermektedir. Kar bon elyafı, bilinen
tüm malzemelerle eşit ağırlık lı olarak kar şılaştırıldığın da en sert m alzemedir. Üstün
özelliklerinin yanı sıra maliyeti yüksek olan kar bon lifler i, özellikle uzay ve
havacılık en düstrisinde yar arlanılan bir m alzeme niteliğindedir.
2.6.4 Aram id Elya fla rı
Aramid kelim esi
bir çeşit naylon o lan aromatik poliam id maddesin den
gelmektedir. İki fark lı tip aramid m evcuttur. Bunlar Kev lar 29 ve Kevlar 49’ dur.
Cam dan daha hafif v e daha rijit olan bu malzem e, fiyat açısın dan da cam lifleri
dışın da kalan bir çok lif tür ünden daha ucuzdur. Uçak yapıların da, düşük basma
mukavemetleri nedeniy le kar bon elyaflarla birlikte hibrid kompozit olarak, kuman da
yüzeyler in de k ullanılm aktadır.
2.6.5 Bo r Elya fları
Yüksek dayan ımlı ve pah alı bir malzem e olan bor lifleri, gün üm üzde özellikle
metal matris elem anlarıy la birlikte kullanılmaktadırlar. Üstün m ekanik özelliklere
sahip bor elyaf lar, uçak y apıların da kullan ılmaktadır. An cak maliyetinin çok fazla
olm ası nedeniyle yerin i kar bon elyaflara bır akmıştır.
2.6.6 Silisyum Karbür Elyafları
Yüksek sıcaklıktaki özellikleri bor liflerin den daha iyidir. Jet m otor parçaların da,
Titanyum, Alüminyum , Vanadyum alaşım lı matris ile k ullan ılır lar.
28
2.7 Kompozitlerin Mekanik Davranışı
Kom pozitler de elyaflar k uvvet yön üne paralel, dik v eya r ast gele dağılmış
dur umda bulun urlar. Ely aflar yönlenm iş dur um da ik en kom pozit büy ük ölçüde
anizotrop olur. Ely aflar r ast gele dağıtılm ış ise düzlemsel boyutta izotrop olurlar.
Elyaf ile kompozite uygulanan k uvvet birbirine paralel ise ely af ile m atris aynı
miktarda şekil değiştirir, bun a Eş Şekil Değiştirme hali denir. Kompozitin bileşke
elastisite m odülü;
Ek = Ef Vf + (1 – Em ) Vf
olur.
Burada Ek kompozitin elastisite modülü, Ef ely afın elastisite modülü, Em m atrisin
elastisite m odülü, Vf elyafların hacim sel oranıdır.
Elyaf ile kuvvet bir bir ine dik olduğun da matris ile elyaf aynı y ükü taşır, buna Eş
Gerilm e hali denir ve bu dur um daki kom pozitin elastisite m odülü aşağıdaki gibi olur.
Ek =
Em Ef
______________________
Em Vf + (1 – Vf ) Ef
Kom pozit malzem enin çekme mukavem eti elyaf ların kopm ası ile sona erer. En
uygun kom pozit yap ısın da elyaf lar k uvv et do ğr ultusuna p araleldir. Kom pozitin
çekme mukavemeti;
σk = σf Vf + σm (1 – Vf )
olur.
Burada σf elyafların çekm e m uk avem eti, σm elyaf ların kopt uğu an daki şekil
değiştirme için matristeki gerilmedir.
29
2.8 Kompozit Malzeme Üretim Yöntemleri
İstenilen özellikler de ve biçim de kom pozit m alzeme üretim i için bir çok yöntem
bulunm aktadır. Bu yöntem ler den bazıları şunlar dır;
2.8.1 Elle Yatırma (hand lay- up)
Dok uma veya k ırpılmış ely aflarla hazırlanmış takviy e k umaşları kalıp üzerine elle
yatırılarak üzer ine sıv ı reçine ely af katm anlarına emdirilir. Elyaf y atırılm adan ön ce
kalıp temizlen erek jelkot sür ülür. Jelkot sertleştikten sonra elyaf k atları yatırılır.
Reçine ise kom pozit malzem enin hazır olm ası için en son sür ülür Bu işlem de elyaf
kum aşına r eçin enin iyi n üf uz etmesi önem lidir. Elle yatırm a tekniğin de en çok
kullanılan polyester ve epoksinin yanı sıra vinylester ve fenolik reçin eler de tercih
edilmektedir. Elle yatırm a yoğun isçilik ger ektirmesine rağmen düşük sayıdaki
üretimler için çok uygundur.
2.8.2 Püskürtm e ( spra y-up)
Püsk ürtme yöntem i elle yatırm a yönteminin aparatla yapılanı olarak kabul
edilebilir. Kırp ılm ış elyaflar kalıp y üzeyin e, içine sertleştirici katılmış reçine ile
bir likte özel bir tabanca ile p üsk ürtülür. Elyafın k ırpılma işlemi tabanca üzer in de
bulunan ve bağım sız çalışan bir kırpıcı sayesin de yapılır, Şekil 2.11. P üsk ürtülme
işlemi sonrası y üzeyin bir r ulo ile düzeltilmesiyle ür ün h azır lanmış olur.
Şekil 2.11 Püskürt me yönt eminin ş ematik gösteri mi v e püskürt me tabancası .
30
2.8.3 Elya f Sa rma (filament winding)
Bu yöntem özel biçim e sahip ür ünlerin ser i ür etimine uy gun dur. Elyaf sarma
yöntem i sürek li ely af liflerin in reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek
dönen bir k alıp üzerine sar ılm asıdır. Sürekli liflerin f arklı açılar la k alıba sarılm asıyla
farklı mekanik özellikler de ür ünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katinin
sarılmasın dan sonra ür ün sertleşir. Ar dın dan döner kalıp ayr ılır. Bu yöntem le yapılan
ürünler genellikle silin dir ik, bor ular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri,
dairesel basınç tanklar ıdır.
Şekil 2.12 Elyaf s arma makinesi.
2.8.4 Reçine Transfer Ka lıplama (RTM / reçine enjeksiyonu)
Bu kompozit üretim yöntem inde elle yatırma işlemin den daha hızlı v e uzun
öm ürlü olm akla birlikte iki parçalı kalıp k ullanm ak gereklidir. Kalıbın kompozit
malzem eyle y apılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden
olm aktadır. RTM yöntem i çoğunluk la jelkotlu veya jelkotsuz her ik i y üzey inin de
düzgün olm ası istenen parçalar da kullan ılır.
Takviye m alzemesi k ur u olarak k eçe, k umaş veya ik isinin kom binasyonu
kullanılır. Takviye malzemesi önceden k alıp bo şluğun u doldur ulacak şekilde kalıba
31
yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Ely aflar m atris için de geç çö zünen r eçinelerle
kaplanar ak kalıp içerisin de sür üklenm esi önlenir. Reçin e basınç altın da kalıba
pom palanır. Bu sür eç daha fazla zam an ister. Matris enjek siyon u so ğuk, ilik veya en
çok 80ºC’y e k adar ısıtılm ış k aplarda uy gulanabilir. Bu yöntemde içerideki hav anın
dışar ı çıkarılm ası ve r eçinenin elyaf içine iyi islemesi için vak um kullanılabilir.
Elyafın kalıba y erleştirilm esini gerektirm esin den dolayı uzun sayılabilecek bir isçilik
ger ektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zarar lı gazlar azalır ve gözeneksiz bir ür ün
elde edilebilir. Bu yöntem le karm aşık parçalar üretilebilir. Concor de uçaklar ın da, F1
arabalarında bazı p arçalar bu yöntem le hazırlanm aktadır.
Şekil 2.13 Rt m yönteminin şematik göst eri mi .
32
BÖ LÜM ÜÇ
KIRILMA MEKANİĞİ
3.1 Kırılm a Mekaniğine Giriş
Ortaya çıkm ası ve gelişmesi açısın dan Kırılm a Mekaniği iki ana kolda gelişmesini
ve iler lemesini sür dürmektedir. Bun lardan biri, kırılma olayının tamamen akadem ik
olarak ele alınıp incelenm esi, ikincisi ise pr atik olar ak m üh endislik yapılarının servis
süreleri esn asın da meydana gelen pro blemler ve bu pro blem lere aranan çö züm ler den
oluşmaktadır.
Kırılma olayı, insanlığa zaman zaman zevk ve kazan cı bir likte getir diği gibi bazen
de can ve m al k ay bına sebep o lm aktadır. Kırılm a o layın dan ilk zam anlarda kayaların
için de erim iş bulunan değerli taşların çıkar ılm asın da f ay dalanılm ıştır. Gün ümüzde
ise kırılma m ekaniğin den yeni do ğal kayn aklar ın tespit ve temininde, atıkların
işlenmesin de, kay a ve taşların k ırılm asın da, ilaç, k imya ve gıda sanayiin de ö ğütme
işlemlerinde faydalan ılmaktadır. Öte yandan k ırılm a olay ı hava, den iz ve kar ada
kullanılan uçak, roket, gem i ve kimyasal ekipm anlar da kork unç kazalar a yol
açabilm ektedir.
Konstr üksiyonların ekonomik, hafif ve mukavemetli olarak elde edilebilmeleri
için kullanılacak malzem eler mümk ün olduğu kadar ucuz, m ukav im ve en az yer
kaplayacak şekilde ür etilm elidir. Üretilen m alzemelerden yapılan kon strük siyonların
görevini y erine getirebilm esi için malzem enin bu şartlara uy gun olarak en iyi şekilde
optimize edilm esi ger ekir. Malzeme m ukav em eti arttıkça bazı pro blem ler ortaya
çıkmaya başlar. Malzem eler kusur suz değildir ve bununla birlikte gerek imalat
ger ekse m ontaj esnasında da bir takım kusurlar m ey dana gelebilir. Malzemelerin
mukavemetleri arttıkça h asarlar a kar şı davranışları hassaslaşır. Bun un için y ük sek
mukavemetli malzem eler ile dizayn yapılırken bu k usurlar ın varlığı gö z önün de
bulundurulmalıdır. İşte kırılm a m ekaniği bu tem el esastan hareket eder v e m alzeme
için dek i k usurların nerey e ve ne zam ana kadar kararlı olarak büy üdüğün ü ve hangi
büy üklüğe ulaştığın da hasara neden olduğun u ar aştırır.
32
33
Çalışmaların ortaya çıkar dığı sonuçlara göre mevcut teknolojilerin daha iyi
kullanımının sağlanm ası dur um unda kırılm a sonucu oluşan hasarları 1 /3 oran ın da
azaltılabilm esidir. Diğer 1/3'lük kısmı ise uzun vadeli ar aştırma ve geliştirme
faaliyetleri ile ortadan kaldırılabilir. Son 1/3'lük kısmının ise çok kap sam lı ve esaslı
araştırm a teknikleri o lmaksızın
şim dilik
tamamen
yok
edilm esi m üm kün
olm am aktadır. Böylece kırılma sonucu oluşan hasarların 2/3'ü ya mevcut
teknolojiler in k ullanım ı ile veya mevcut teknolojiler in k ullanım ını da için e alan daha
kapsam lı bir dizayn yönteminin kabul edilebilir bir zaman içinde geliştirilm esi ile
ortadan kaldırılabilir. Son uç olarak malzemelerin mekanik deform asyonun un ve
kırılmasının ö ğren ilm esi ve dizaynda k ullan ılm asının önemli ölçüde bir ekonom ik
boy utun un olduğu da bilinm elidir. Şekil 3.1’de de gör üldüğü gibi toplam kırılma
olaylar ının yak laşık %10'a yakın bir kısmı motorlu araçlar da, y aklaşık %5 'lik kısmı
ise uçak- uzay sanayiinde m eydana gelmektedir. Ayrıca bu iki sektörde en fazla
yorulm a ve kırılma olaylar ı m eydana gelir.
Şekil 3.1 Kırılma sonucu oluşan maddi k aybın sektörlere göre dağılımı .
Kırılma, bir par çanın çeşitli k uvv etler etkisi altında iki ya da daha fazla parçaya
ayrılması olarak tanımlan abilir. Kırılm a Mekaniği ise kırılm a olay ını mekan iğin
tem el prensiplerini k ullanarak m akro ve m ikro açılar dan ele alan ve inceley en bir
bilim dalı o larak ifade edilebilir.
34
Yapılan çalışmalardan ve hasar an alizler in den elde edilen bilgilere göre hasarların
meydana geliş nedenler i Tablo 3.1’de, hasar t ürleri ise Tablo 3.2’de verilm iştir.
Tablo 3.1 Has arların meyd ana geliş seb epleri
Hasarl arın Nedeni
Uy gun olmayan malzem e
seçim i
Üretim Hatası
Isıl işlem hatası
Dizayn hatası
Ön gör ülm em iş çalışm a şartları
Uy gun olmayan
çevresel koşullar
Uy gun olmayan incelem e ve
kalite kontrol
Malzeme karışım ı
Hasara Sebep Olma Oranları (%)
38
15
15
11
8
6
5
2
Tablo 3.2 Bazı mühendislik yapılarında meyd ana gelen has arların türleri
Hasarl arın Türleri
Hasara Sebep Olma Oranları (%)
Korozyon
Yorulma
Gevrek k ırılm a
Aşırı y ükleme
Yüksek sıcak lık korozyon u
Gerilm e korozyon u /
Korozyonlu yorulma / Hidrojen
gevrekliği
Sür ünme
Aşınm a
29
25
16
11
7
6
8
3
Bir kırılma problemi ortaya çıktığın da, normal malzem e test yöntem i şöyledir.
Önce m alzemenin mikroyap ısı detaylı bir şek ilde karakterize edilm elidir. Sonra,
hasarın meydana geldiği ko şullar altın da m ekanik testler ger çekleştirilir (Örneğin
yorulm a veya çentik dar be). Test numuneleri ile h asara uğray an malzemelerin
kırılma y üzeyler in de farklı teknikler kullanılarak hasar analizi ger çekleştirilir.
Burada am aç, laboratuar testlerinin gerçek n um uneler deki kırılma yüzey özellikleri
ile ayn ı veya yak ın özellikler ser gilemesidir. Bir sonr aki aşamada ise m alzemenin
mikroyapısı iyileştirilerek ve optimize edilerek problem in çözüm üne geçilir.
35
Gaz bor u hatlarında oluşan çatlak ve kır ılmalar da çatlağın bazen 1-2 km/sn gibi
yük sek bir hızda birkaç km iler lediğine rastlanılmıştır. Şekil 3.2’ de polietilen do ğal
gaz bor usunda bu şek ilde o luşan bir çatlak v erilmiştir. Özellikle deniz ve h ava
ulaşımında kırılm anın sebep olduğu korkun ç kazalar mevcuttur. Dünyada ilk jet
uçağının ( Com et serisi, İn giltere) hav ada infilak ettiği ve için de bulunan t üm yolcu
ve mürettebatından k urtulan olmadığı bilinm ektedir. Bu kaza son ucu 250.000
parçacık yer den toplanmıştır. Yap ılan incelemeler kaza nedeninin, yan lış yerleştirilen
perçin delikler i olduğun u göstermiştir. Günüm üzde bu t ür kazanın ortaya çıkış
sebebi, aynı
an da rast gele yönlenmiş yor ulma çatlaklarının
ilerlemesine
bağlanm aktadır.
Şekil 3.2 Hızlı çatlak ilerl emesi sonucu polietilen doğal gaz borusunda ortaya çıkan hızlı çatlak
ilerlemesi.
1942 ile başlayıp 1958 y ılına kadar devam eden II. Düny a Savaşı öncesine ve
sonrasına kar şılık gelen yıllar da denizde korkunç kazalar m eydana gelmiştir.
Bunlar dan ilki 1942 yılın da büy ük ölçüde kaynak k ullanılarak ür etilen Liberty türü
gem iler de ortaya çıkm ıştır. Bu dönemde üretilen yaklaşık 2700 gem iden 400’ ün de
kırılmalar son ucu hasar lar oluşm uş, 90’ın da önemli ölçüde hasarlar meydana gelm iş,
20 kadarı ise k ırılarak ikiye ayrılm ıştır. Yapılan incelem eler de h asarın nedeninin;
36
- Kaynağın uzman olmayan elemanlar tarafın dan yap ılması son ucu çatlak benzeri
boşlukların var lığı,
- Lokal ger ilm e yığılm alarının varlığı,
- Kullanılan çeliklerin düşük kırılma toklukları,
olduğu an laşılmıştır. Sch enectady adlı bir tanker tüm deniz testlerini başarılı bir
şekilde geçmesine rağmen 1943 yılın da çıktığı seferden geri dön üşte ortadan ik iye
ayrılmıştır. Denizde oluşan bu şekilde gevrek kırılma hasarlarına ABD, İn giltere,
Danimarka, Almanya, İsveç ve diğer ülkeler de de rastlanm ıştır. Bu kazalarda görev
yapan incelem e komisyonlar ı bu şekilde ortaya çık an gevrek kırılm aların, kullanılan
kalitesiz çelikten v e dizaynda yapılan hatalar dan kayn aklan dığı sonucuna varmıştır.
Böylece bu olaylar dan sonra mühendislik yap ılar ının dizaynında klasik yaklaşımların
yanı sır a kırılma konusunu da kapsayacak yeni yaklaşımlara ihtiyaç duy ulduğu
ortaya çıkm ıştır. Böylece bu tarih e kadar sadece araştırmacılar ı ve bilim çevr eler ini
ilgilen diren kırılm a olayı bun dan böyle uy gulamacılar ı ve mühen disleri de
ilgilen dirm eye başlam ıştır.
Malzem enin kır ılm a ile hasara uğr am ası üç ana gr upta toplanabilir. Bun lar;
- Gevrek m alzemeden yap ılan bir parçanın an i kırılm ası,
- İçinde çentik veya çatlak bulun duran bir parçanın kırılması,
- Parçanın zam anla kır ılm asıdır (yor ulma).
Kırılma mekaniği malzem enin deformasyon un u ve kır ılm asını inceler. Kırılma
tokluğu ve kopma mukavem eti gibi malzem e testleri bu özellikleri ortaya koym ak
için gerçek leştirilir. Farklı yükleme dur um unda oluşan farklı malzeme hasarlar ını
tespit etm ek üzere farklı m alzeme testleri ve test sonuçlarını analiz yöntem leri
geliştirilmiştir. Bu hasar t ürler i elastik, plastik ve sür ünm e türlerini içer ir.
Malzem ede kırılm anın ortaya çıktığı gerilm e, malzem enin kırılm a m ukavem eti
olarak tanımlan ır. Bu ger ilme, malzemelerde atomlar arası çekm e k uvvetine bağlıdır.
Yapılan çalışm alar, deney sel olarak elde edilen k ırılm a gerilmesin in m alzemenin
37
teorik m ukavemetinin 10 ila 1000 katı k adar düşük olduğun u ortaya koymaktadır. Bu
farklılığın nedeni ise m alzemeler de bulunan mikro çatlak ve bo şluklar olduğudur.
Mükem mel kristallerin kopm a mukavemeti E/10 civ arın da olm asına rağm en
normal kristalimsi malzemelerde bu değer E/100 ila E/1000 civ arın dadır. 1920’ de
A.A. Griff ith,
malzemelerde
bulunan
m ikro
çatlaklar
malzem ede
gerilme
yığılmalar ına sebep olduğun u v e buna bağlı olar ak malzemede önem li oran da
mukavemet kayıplarının olduğun u ortaya koym uştur.
Malzem eler in deformasyon u ve kırılm ası özellikle m otorlu taşıtlarda ve havacılık
sektörün de büy ük önem arz etmektedir.
Şekil 3.3, yapısal tasarım da k lasik y aklaşım la kırılma mekaniği yaklaşımı
arasındaki farkı ortaya koym aktadır. Klasik y aklaşım da, y ük lem e sonucu parçada
ortaya çıkan m aksimum gerilme, m alzemenin akm a veya kopma gerilm esin e göre
kıyaslanmaktadır. Böyle bir yak laşımda ik i tane değişken sö z konusudur. Kırılma
mekaniğin de ise y ükleme son ucu eleman da oluşan gerilm e ile bir likte p arça için de
bulunan çatlak lar vey a süreksizlikler de göz ön ün e alınarak h esaplan an büy üklük,
malzem enin akma m ukavemeti yerin e kır ılm a tokluğu ile kıyaslanır. Böylece k ırılma
mekaniğin de ik i param etre yerine üç par ametrelik bir yaklaşım ser gilen ir.
38
Şekil 3.3 Ürün tasarı mında klasik y aklaşım ile kırılma mekaniği y aklaşı mı .
Kırılma m ekaniğin de, ele alınan malzem eye ve y ükleme durum una göre
problem in ele alınmasın da f arklı yaklaşımlar söz kon usudur. Bu farklılık şematik
olarak aşağıda gösterilmiştir, Şek il 3.4. Bur ada en önem li param etre m alzemenin y ük
altındaki m ekanik davranışıdır. Ayrıca kırılm a m ekaniğinin tarihsel gelişimi de
ben zer şekilde gerçek leşm iştir. İlk çalışm alar lin eer elastik malzem elerin statik veya
yarı statik yük altındaki in celenirken devam eden çalışmalar da hemen h er tür
malzem enin farklı yükler altın daki davranışı ele alınmıştır.
Şekil 3.4 Ürün tasarı mında kırıl ma mek aniği yakl aşı mı.
39
Elastik plastik kır ılm a mekaniği statik veya y arı statik yüklem e altın da
malzem edeki p lastik deform asyonu göz ön üne alırk en dinamik, visko-elastik ve
visko-plastik kırılma mekaniği konuları zam anı bir değişken olar ak ele almaktadır.
Elastik plastik, dinam ik, visko-elastik ve visko-p lastik kırılma davran ışları ço ğu
zam an lineer olmayan kır ılma mekaniği başlığı altın da da incelenm ektedir.
3.2 Kırılm a Çeşitleri
Kırılma başlıca iki aşam adan o luşur. Birincisi çatlak teşekkülü, ikincisi de
çatlağın ilerlemesidir. Malzemelerin kır ılm a öncesi dur umun a göre ve kır ılm aya
neden olan yük lem e şartlarına gör e kırılm a aşağıdak i şekilde sınıflandırılabilir.
3.2.1 Gevrek Kırılma
Çok az veya hiçbir deformasyon bırakmadan malzem enin kırılmasına gevrek
kırılma denir. Genellikle cam lar ve seram ik ile bazı metaller gevr ek olarak kır ılır lar.
Gevrek kırılmaya yol açan faktörler şunlardır;
3.2.1.1 Çok Eksenli Gerilm e Durumu
Bu dur um malzem ede çatlak, yar ık, delik gibi bir k usur un bulunm asın dan dolayı
ortaya çıkar. Uygulan an y ük ün oluşturduğu gerilme bütün kesitte hom ojen değildir.
Çatlak, yarık gibi k usur ların civar ında ger ilm eler in çok büy üdüğü gör ülür.
3.2.1.2 Yüksek Deform asyon Hızı
Malzem e içer isinde dislokasyonlar herhangi bir dış etki sonucu harek et eder ler.
Bu hareket esnasında ön üne çıkan en gelleri aşarak yo lun u tamamlarlar. Şayet
deform asyon hızı artırılırsa dislokasyonlar da hızlanacak ve önüne çıkan en gelleri
aşm ayarak engel önler ine yığılacaklar dır. Bu yığılm a sonucu iç ger ilm eler oluşur ve
bu da m ikro çatlaklar ı doğur ur. Sonuçta malzeme dah a hızlı ve sürekli
deform asyonlar da aniden kırılır.
40
3.2.1.3 Düşü k Sıca klık
Düşük sıcaklıklar da dislokasyon ların h areketi yav aşlar m alzeme m ukavem eti
artar ve neticede gevrek leşir. Böylece malzem e gevr ek kırılma gerçekleşebilecek
yapıya sah ip o lur. Charpy deney i ile malzemenin han gi sıcaklıkta gevrekleşeceğini
ve bun un ölçüsün ün ne olacağı tespit edilebilir. Malzeme çeşitli sıcaklık lar da teste
tabi tut ulur ve ilgili sıcaklıkla absorbe ettiği enerji m iktarı belirlenir. Sıcaklık – çatlak
uzun luğu eğrisi çizilirse, eğri bu konuda önemli bilgiler verir, Şekil 3.5. İlgili
sıcaklıkta absor be ettiği enerji m iktarı belirlenir. Diyagram a göre en ön emli bö lge
geçiş bölgesidir. Burada malzem e çok dar bir sıcaklık aralığın da çok büy ük özellik
değişim ine uğramaktadır. Bu sıcaklık aralığının tespiti için T k geçiş sıcaklığı ön em
taşımaktadır. Geçiş sıcaklığı; çentik açısının küçülm esi, num une kalınlığının artm ası,
artan çarpm a hızı ile daha da artm aktadır.
Şekil 3.5 Kritik sıcaklık ve kırıl ma bölg eleri.
3.2.1.4 Partikül Bombardımanı
Malzem e için de m evcut noktasal h atalar ( boş kö şeler, ara yer atomları vb)
partikül bom bardımanı ile artar. Bu hataların artm ası neticesinde kafes çarpmaları
artarak dislokasyonlar ın harek eti engellenir, son uç o larak m alzeme gevrek leşir.
41
3.2.1.5 Uygun Olm ayan Malzeme
Malzem e gevrekleşmeye y atkın türde ise gevrek k ırılm anın söz kon usu olacağı
koşullar da çalıştırılmamalıdır.
3.2.2 Sünek Kırılm a
Kırılma öncesi malzem ede plastik deform asyon meydan a gelir se bu tip kırılm aya
sünek k ırılma den ir. Sünek kırılm ayı meydana getirmek için uygulan an ger ilmenin,
malzem enin plastik deform asyon a uğram asını sağlayacak seviyede olm ası gerekir.
3.2.3 Sürünme Kırılm ası
Yüksek sıcaklıklar da sabit gerilme veya sabit yük altındaki malzemelerin
sürtünm e
deform asyonu
sonucun da kırılmasına
denir. Mikroskobik
açıdan
deform asyon sonucu oluştuğu için sünek kırılm aya benzer ancak sür ünm eler daha
yük sek sıcaklık lar da o lduğun dan fark lıdır.
3.2.4 Yorulma Kırılm ası
Malzem eler elastik lim it veya çekme day anımı altında da olsa alternatif y üklere
maruz k aldıkların da zamanla k ırılırlar. Buna yor ulm a k ırılm ası denir. Kır ılma plastik
deform asyon m ey dana gelmeden de oluşabilir. Bu durumda çatlağın her bir p eriyotta
bir az daha ilerlediği bilinm ektedir.
3.3 Kırılm a Mekaniği Çeşitleri
Kırılma mekaniği, mühen dislik yap ılar ında k ullanılan m alzemelerdeki çatlak,
boşluk v e hataların yük taşım a kapasitesine etkisini v e kırılmayla belir lenen hasarları
inceler. Kırılm a m ekaniğinde kırılm ayla belir lenen hasarları incelem ekte iki türlü
yaklaşım kullanılmaktadır. Bun lardan birincisi Lineer Elastik Kırılma Mekan iği
diğeri ise Elastik Plastik Kırılma Mekaniğidir.
42
3.3.1 Lineer Elastik Kırılma Mekaniği
Malzem e içinde mikro çatlak ve benzeri k usurlar do ğal o larak m evcut olmaktadır.
Bu kusurlar cüruf lar, bo şluk lar, nüf uziyet eksikliği gibi k aynak pro seslerin den ve
yorulm a, gerilme korozyonu çatlam ası, dar be hasarı, ken dini çekme gibi çalışma
şartları son ucu oluşabilir. Kırılma m ekaniğinin incelenmesin de kullanılan ve
malzem edeki t üm davran ışların elastik sınırlar içinde kalması pren sibin den har eketle
geliştirilen analitik if adelerin büt ün üne Lineer Elastik Kırılm a Mekaniği (LEKM)
den ir. Bu metodun tem el prensibi çatlak ucun da oluşan ger ilmeler in parçaya
uygulanan gerilmeye, çatlağın uzunluğuna v e yönün e bağlı olarak ifade edilm esidir.
Buna göre, bir çatlağın ilerleyebilmesi iki şekilde hesaplanabilir, birincisi y ükleme
son ucu parçada depolanan en erji kr itik bir değeri aşmış ise, ikincisi çatlak ucun daki
ger ilmenin değeri kritik bir değere ulaşm ış ise.
LEKM' nin dayandığı esaslar şu şekilde if ade edilebilir;
- Tüm malzem eler mikro çatlaklar içerir,
-Verilen bir yük lem e dur um u ve çatlak hali için gerilm e şiddet faktörü K
hesaplanabilir,
- Verilen bir m alzeme için K belli bir kritik değer i aştığı zaman o malzemede hasar
oluşabilir.
İçin de çatlak bulunan bir sistemin bir F k uvveti etkisi altında tutulm ası
dur umunda sistem in toplam enerji den gesi şu şekilde yazılacaktır,
dQq + dW = dUel + dUk + dUγ
(3.1)
Burada, U sistem in toplam enerjisi, W dış k uvvetlerin yaptığı iş ve Q çatlak
ilerlem esi için h arcan an ener ji, UK kinetik enerjidir.
dQ = 0, statik dur um da dUk = 0 ise;
dU = - dW + dUel +dUγ = 0
(3.2)
d ( -W + Uel + Uγ ) = 0
(3.3)
43
U = -W + Uel + Uγ
(3.4)
Burada, Uel sistem de biriken enerji, Uγ y üzey enerjisidir.
Bir im genişliğe sahip ve kalınlığı B, çatlak yarı uzun luğu a olan bir levh ada
bulunan çatlağın ilerlemesi dur um un da;
1
d(-W+Uel )
dU
G = - —– ————— = ——–
B
da
da
(3.5)
yazılır. Burada, G değerin e sistemde Enerji Boşalm a Miktarı (Ener gy Release Rate)
veya Çatlak İtici Gücü denir. Kırılm a mekaniğin de G değer i çatlağın birim alanı
kadar ilerlemesi sonucu har canan enerji olmak üzere G = 2 γ yazılabilir. Ayrıca
R = dU / da değeri de çatlak ilerleme diren ci olarak bilin ir. Dolayısıyla kuvvet
altında çatlağın davran ışı şu şekilde ifade edilebilir;
G = R ise karar lı çatlak ilerlem esi var,
G < R ise çatlak iler lem esi yok,
G > R ise karar sız çatlak ilerlemesi var.
3.3.1.1 Griffith Teo risi
Griffith cam ın kırılma m ukav em etini incelerken, cam çubuğun boy u uzadık ça
mukavemetinin azaldığını görmüştür. Bu durum un, camın yüzey hatalarından ileri
geldiği düşün ülm üştür, çünk ü cam çubuğun boyu uzadıkça yüzey hatalar ının
bulunm a ihtim ali artmaktadır. Griffith gevrek bir m alzemede çatlak bulunm ası
halinde, m alzemenin k ırılmadan dayan abileceği ger ilm eyi tayin eden ilk bağıntıyı
geliştirmiştir.
1/2
σf =
2 γE
πa
(3.6)
44
Burada, σf kırılma gerilm esi, γ y üzey en erjisi, E elastisite m odülü, a çatlak boyun un
yarısıdır.
Griffith denklemine gör e, kırılm aya sebep olan gerilme m iktarı σf, mevcut
çatlağın boy ut u ile ters orantılıdır. Griff ith denklem inde yüzey enerjisi terimi yerine,
gen ellikle k ırılma işin i gösteren bir param etre G kullanılır. Bu dur um da denklem;
1/2
E Gc
πa
σf =
(3.7)
şeklini alır. Burada GC = 2.γ o lup, kırılm a için gerekli toplam işi gö sterir.
K = σ √π a
(3.8)
Yukarıdaki 3.5 ve 3.8 denklem lerinden K ile G ar asın daki ilişki düzlem ger ilm ede
*
E = E o lduğun dan şu şekilde yazılabilir ;
2
∗
K = E G (Düzlem gerilme)
*
(3.9)
2
Düzlem deform asyonda E = E / (1 - ν ) yazılabileceğinden denk lem aşağıdaki
gibi yazılır ;
2
K = E G2 (Düzlem deformasyon)
1− ν
(3.10)
Griffith, analizinde deform asyon enerjisinin çatlak ilerlemesi sırasın da, ar a yüzey
enerjisin e dön üşümün ü esas alm ıştır. Dolayısıy la G, aynı zaman da çatlağın bir im
yüzeyde ilerlemesi için ger ekli olan enerji m iktarıdır, birim i N/m’ dir. Kırılma,
G’ nin kritik değeri olan GC’ de m ey dana gelir.
45
3.3.1.2 Irwin Teorisi
Irwin ve arkadaşları gevrek kırılmayı ayrı bir gör üşle analiz etm işler dir. On lar
analizler in de çatlağın ucu civarın daki gerilm e durum un u esas almışlar dır. Çatlak ucu
civarın daki gerilm elerin hesap lanmasından, bir gerilme şiddet faktörü K parametresi
geliştirmişlerdir. Gerilme şiddet faktörü K uygulanan gerilmenin, çatlağın boyut ve
şeklinin bir geometrik faktörün fonksiyon udur.
Yukarıdaki 3.7 denklemi aşağıdaki şekilde yazıldığın da;
σ f √π a =
E Gc
(3.11)
elde edilir.
Yukarıdaki 3.11 eşitliğindeki ilk
değerin ikincisin e ulaştığında çatlağın
ilerleyeceği anlaşılmaktadır. İlk terim in çatlak ilerlemesi için ger ekli kuvvet ölçüsü
olduğu düşün ülerek, bu terim gerilme şiddet fa ktö rü olarak isimlen dirilir.
Gerilm e şiddet faktörü K ’ nın kritik bir K C değer in de kır ılm a olur. Bu dur umda,
Kc = √E Gc
(3.12)
olur. Kritik gerilme şiddet faktörü “KC ” genellikle kırılm a tokluğu olarak
isim len dirilir. Kırılma tokluğunun birimi MPa m
1/2
’dir.
Gerilme şiddet faktörü “K ”, yalnız ger ilm e durum u ve çatlağın geometrisiyle
ilgili bir param etre olup malzem enin ö zelliklerine bağlı değildir. Halbuki k ırılma
tokluğu “KIC ” m alzeme özelliğiyle ilgili bir par am etredir. Kır ılm a tokluğun un
özelliğini belir lem ek için gerilme şiddet faktörü ölçülür, K = KIC olduğunda çatlak
ilerler ve kır ılm a olur.
46
3.3.1.3 Kırılma Modelleri
Malzem eler de y ükleme dur um una bağlı o larak m alzemedeki m evcut çatlaklar üç
şekilde iler leyebilm ektedir (Şekil 3.6). Bunlar; Mod I veya açılma modu (şekil 3.6a),
Mod II veya düzlem içi kayma mo du ( şekil 3.6 b), ve Mod III veya yırtılma m odu
(şekil 3.6c) olm ak üzere sınıf landırılm aktadır.
Mod I deform asyon tipin de, ger ilm enin normal bileşeni, çatlak yüzeyine dik
olarak y ek seni do ğr ultusun da etki etm ektedir ve Mo d I ile ilgili ger ilme şiddeti
faktörü KI dir. Mo d II deformasyon tipinde, gerilmenin kayma bileşeni çatlağa x
ekseni doğr ultusun da etki etm ektedir ve Mo d II ile ilgili gerilme şiddeti faktörü KII
dir. Mo d III deform asyon tipinde, gerilm enin kaym a bileşeni, çatlağa z ekseni
doğr ult usun da, çatlağın dip ken arına paralel olarak etki etmektedir ve Mod III ile
ilgili gerilm e şiddeti f aktörüne KIII denir. Çatlak ilerlem esi, yük lem e durumun a bağlı
olarak bu m odların sadece birisiy le ver ilen türde olabileceği gibi farklı m odların bir
bir leşim i şeklin de de ortaya çıkabilir. Bunlar dan Mod I, çekme altında oluştuğun dan
teknik olarak en önem li olanıdır. Çünkü bu tür çatlak iler lemesi en sık r astlanan ve
en fazla hasara neden olan çatlak ilerlem e m odudur ve bu sebeple en çok bu kırılma
şekli incelenmiştir.
Şekil 3.6 Farklı yükleme tiplerinde oluşan ü ç türlü kırılma modu.
Şekil 3.7’ de kenarlar ın da çentik bulunan ve çekm eye maruz bir levhada orta
kısım da meydana gelen x ve y yönün deki gerilm enin dağılımı v erilmiştir. Buna göre
47
x yönün deki gerilme çentik ucun da sıfır olup çentikten uzaklaştıkça önce artmakta
dah a sonra da azalmaktadır, y yönün deki gerilm e ise çentik ucun da m aksim um olup
çentik ucun dan uzaklaştıkça azalm akta ve çentiksiz kısımdaki gerilme değer ine
yaklaşm aktadır. Boşluklu vey a çatlaklı malzem eler de ger ilm e değerleri değişik lik
gösterm ektedir. Özellikle çentik ucu gibi kritik yerlerde m aksimum değere
yük selm ektedir, işte bu maksim um değere erişm esi ger ilm e yığılmasına neden
olm akta ve çentik etkisi diye de adlan dır ılmaktadır. Bu gerilme yığılm ası sadece
malzem e içindeki boşluk veya çatlaklar da oluşm az, aynı zamanda keskin kö şeler de,
delikler de, kesit değişiklik leri gibi y erler de de mey dan a gelme eğilim i vardır. Şekil
üzerinde gösterilen σn norm al gerilm eyi, σmax maksim um gerilm eyi, ρ çatlak
ucun daki elipsin yarıçapını if ade etm ektedir.
Şekil 3.7 İki kenarınd a çentik bulunan levhada x ve y yönünd eki geril me dağılı mı .
Keskin çatlak civarında (çatlak ucun daki elipsin yarıçapı ρ → 0) oluşan elastik
ger ilme alanı şek il 3.8’ deki gibi olup bu gerilm eler Tablo 3.3’ teki bağıntılarla
verilir.
48
Şekil 3.8 Keskin çatlak ve çatlaktan herhangi u zaklıktaki bir noktada meyd ana gelen
geril meler.
Tablo 3.3 Mod I ve Mod II için çatlak u cunda oluşan g eril me alanı
Mod I
σxx
K ı cos θ
1− sin θ sin 3 θ
2
2
2
√ 2π r
σyy
K ı cos θ
1 + sin θ sin 3θ
2
2
2
2π
r
√
σxz
σyz
K ıı sin θ cos θ cos 3θ
2
2
2
√ 2π r
K ıı cos θ
1 − sin θ sin 3θ
2
2
2
√2 πr
0 (Düzlem gerilme)
0 (Düzlem gerilme)
σzz = ν (σxx+ σyy (Düzlem deformasyon) σ zz = ν (σxx+ σ yy (Düzlem deformasyon)
(
σzz
K ı cos θ sin θ cos 3 θ
2
2
2
2
√ πr
K ıı sin θ
2 + cos θ cos 3θ
2
2
2
√2 π r
0
(
τ xy
Mod II
0
Bu denklemler ilk etapta karm aşık gibi gör ünm ekle bir likte her üç çatlak
modun da da çatlak ucun daki gerilmenin dağılım ı aynı bağıntı ile belir lenir. Her bir
dur umda bir sabit (KI , KII veya KIII) ile r ve θ değişk enleri söz kon usudur. Böylece K
sabiti bilin diği tak dir de çatlak ucun daki gerilmeler hesap lanabilmektedir. K’ nın
değeri, gerilme gibi herhangi bir fizik sel parametreyi ifade etm eyip, çatlak ucundaki
elastik alan ın gerilme dur um unu belirlem ektedir.
49
En genel haliyle Mo d I için KI değeri aşağıdaki gibidir,
KI = σ √ π a ƒ(a/w)
(3.13)
Burada, σ parçaya uy gulanan gerilm e, ƒ(a/w) parçanın geometrisine bağlı şekil
faktörüdür ki a<<w ik en merkez çatlakta 1, kenar çatlakta 1,12 sabit değerlerini alır
ve a çatlak uzunluğudur. K değeri, çatlak ucundak i gerilme şiddeti ile uy gulanan
ger ilme ve parçan ın geom etrisi arasındaki bağıntıyı verir. Burada a merkezi çatlak
dur umunda yarı çatlak boy u, ken ar çatlağı durum un da ise tam çatlak uzunluğudur.
Malzem ede oluşan gerilm e dur um un un düzlem gerilm e o lduğu kabul edilir se
Mod I dur um unda x yön ün de oluşan şek il değişimi u, y yön ünde oluşan şekil
değişim i v ise bu değer ler Tablo 3.4’ dek i gibi v erilir.
Tablo 3 .4 Mod I ve Mod II için şekil değişi m miktarları
Mod I
Mod II
Kı r
cos θ k − 1 + 2 sin θ
2 µ 2π
2
2
2
u
2
v
Kı r
sin θ k + 1 − 2 cos θ
2 µ 2π
2
2
−
K ıı r
sin θ k + 1 + 2 cos θ
2µ 2 π
2
2
2
K ıı r
cos θ k − 1 − 2 sin θ
2µ 2 π
2
2
2
Burada µ kaym a m odülüdür.
k = 3 - 4ν
( Düzlem deform asyon)
k = (3 - 4ν) / (1 + ν) ( Düzlem gerilm e). Denklemdeki ν Poisson or anıdır.
Mod II hali için oluşan elastik gerilm e alanı tablo 3.3’ te, x ve y yönündek i şekil
değişim leri (u, v) Tablo 3.4’ dek i bağıntılarla verilir. Genelde tanım ger eği KII şu
bağıntı ile v erilir,
KII = τ √ π a ƒ(a/w)
(3.14)
50
Gerilme şiddeti faktörünün bilinm esi dur um unda çatlak ucundaki tüm gerilme ve
deform asyonlar ın (bir im uzamanın) büyüklüğü tespit edilebilir. Bu gerilme ve
deform asyonlar belirli bir kritik değere ulaştığında çatlak iler ler. Çatlak ucun daki
bölgenin davranışını belirley en büy üklüğe Gerilme Şiddeti Faktörü denir ve KI ile
sem bo lize edilir. Kritik değer e Kritik Gerilm e Şiddeti Faktör ü denir. Kırılma
Tokluğu (fract ure toughn ess) olarak da bilinen bu büy ük lük KIC ile gösterilir. Bu
değer tıpkı sertlik, akm a ger ilmesi veya elastik modülünde olduğu gibi bir m alzeme
parametresidir. K1 uy gulanan gerilm eye ve num unenin geometrisine bağlıdır. Oysa
ki KIC bir m alzeme sabitidir ve deney sel o larak tespit edilir.
Çatlak ilerlemesi KI = KIC o lduğunda gerçek leşir. Örn eğin son suz genişlikte bir
levhada çatlak ilerlem esi için ilgili bağıntı;
KI = σ √ π a = KIC
(3.15)
3.13 denklemi bir çok şekilde k ullanılır. Örneğin bir yapısal malzem ede KIC, σ ve
a değerlerin den ikisi belli ise üçüncüsü bulun abilir. Bu bağıntı en genel anlamı ile;
KI = σ √ π a ƒ(a/w) ≤ KIC
(3.16)
KIC değerinin m alzeme boy utların dan bağımsız o lduğun u anlam ak için k alın lıkları
(B) farklı olan ayn ı çatlak boylarına sahip, ayn ı m alzemeden num uneler hazırlanıp
dah a sonr a bunlar çekme deneyine tabi tut ulduğun da her birisinin K değeri bulun ur
ve K – B diyagramı bağıntılar kullanılar ak elde edilir. Diyagr am da B kalınlığı
arttıkça K değer i önce artm akta, sonra azalm akta ve malzem e kalın lığın ın bir
değerin den sonra sabit kalmaktadır, Şek il 3.9. İ şte K değerinin kalınlıktan bağım sız
olduğu sabit değer i KIC k ırılm a tokluğudur ve ancak gevrek k ırılm a sonucun da elde
edilir.
51
Şekil 3.9 Kırılma tokluğunun d eğişi mi.
3.3.2 Elastik Plastik Kırılma Mekaniği
Lineer Elastik Kırılm a Mekaniği (LEKM) yak laşımı elastik ko şullar da çatlak
ilerlem esi ve k ırılmayı belir lemek için geliştirilmiştir. Bu koşullar daha çok gevrek
malzem eler de geçerlidir. LEKM ile incelenemeyecek kadar büyük ölçüde çatlak ucu
plastik deform asyon a sahip m alzemeler de ise EP KM geliştirilm iştir. EPKM
yaklaşımın da çatlak ilerlemesini karakterize etm ek için J integrali, çatlak ucu
açılması ( CTOD) kavramları k ullanılmaktadır.
J integrali ve ger ilm e yoğunluk faktör ü arasın da,
K2
J = 
∗
E
(3.17)
∗
ilişkisi v ar dır. Düzlem gerilm e dur um un da E =E ve düzlem deform asyon dur um un da
ise E∗ = E / (1 - ν 2 ) olmaktadır. Çatlak ucun daki yer değiştirm e m iktarının ölçüsü de
plastik şekil değiştirm e m iktarı ile ilgili olduğun dan bu kavram elastik plastik kırılma
mekaniğin de kırılm a kriteri olarak kullanılm aktadır.
52
BÖ LÜM DÖ RT
KIRILMA TO KLUĞ U DENEYLERİ
Kırılma tokluğu testlerinde amaç bir malzem enin k ırılmaya karşı direncinin bir
ifadesi olan KIC değerin i tespit etmektir. Bu değerin kalınlıktan ve num un enin
geometrisin den bağım sız olm asından emin olmak için test numun esinin gerekli
minimum ilk çatlak boy u ve n umune kalınlığı kriterler ini sağlaması gerekir. Bu
değerler :
2
K ıc
B ≥ 2.5
σ ys
K
w ≥ 5 σ ıc
ys
K
a ≥ 2.5 σ ıc
ys
(4.1)
2
(4.2)
2
w−a ≥ 2.5 K ıc
σ ys
(4.3)
2
(4.4)
olarak ver ilir. Bur ada, B n um unenin kalınlığı, a çatlak boy u, w n um une y ük sekliği,
σYS akma mukavemetidir.
Kırılma tokluğu deneyler inde ilk çatlağın n umunede oluşt urulması özel bir
metodu gerektirir. Bu deneyler de başlan gıç çatlağının, ucunun düz, keskin ve
num un e y üzeyler ine dik olması gerekmektedir. Başlan gıç çatlağı için bu özellikleri
elde etmek için en etkili yöntem mevcut çentik uzunluğunun yorulma çatlak
ilerlem esi son ucu uzamasıdır. Çentiğin ve yorulma çatlağının amacı, gerilme şiddeti
analizin de yapılan kabullere uy um sağlamak üzer e çatlak ucu y arıçapını m ümkün
olduğun ca sıf ıra y aklaştırmak ve düz bir çatlak ucu elde etmektir. Şekil 4.1'de çentik
ve yorulma çatlağı gör ülm ektedir.
52
53
Şekil 4.1 Yorulma çatlağı ve çentik şekli.
En yaygın kırılma mekaniği test yöntem lerinden ikisi sabit yük ve sabit şekil
değişim i yöntemleridir. Sabit yük testin de, kırılma mekaniği test num unesin e sabit
ağırlık lı bir yük ün
direkt olarak, bir manivela veya makar a sistemi ile
uygulanmasın dan ibarettir. Böylece test boy unca yük sabit tutulur. Bu tür bir
yüklem e, daha ziyade çatlak başlam a zamanını belirlemek üzere yapılır ve çatlak
ilerlem e hızının zamana bağlı olarak değişim ini belirlem e üzere gerçek leştirilir.
Sabit yük yöntem ine alternatif y ükleme türlerin den ik incisi ise sabit yer
değiştirme yöntem idir. Burada kuvvet sabit bir deformasyon hızında parçaya
uygulanır. Burada uy gulanan k uvvetin artması son ucu çatlağın başlaması için
ger ilme şiddetinin belli bir değeri aşması gerek ir. Çatlak başladığın da bir taraftan
çatlak ilerlerken bir taraftan da ger ilm e şiddeti faktörü azalır.
Statik kırılm a tokluğu den eyler in de en yay gın olarak kullan ılan test teknikleri; Üç
nokta eğm e deneyi ve
kom pakt çekm e den eyler idir. Yapılan çalışm alar dan bu
metotlar kullanılarak %15’lik sapm a ile KIC değer inin hesaplanabileceği ortaya
konmuştur.
54
4.1 Kırılm a Tokluğu Deney Çeşitleri
Malzem enin kır ılm a diren cini ortaya koyan KIC değer inin do ğr uluğu, gerilme
şiddet faktörün ün yor ulma çatlağının hemen ucunda oluşan ger ilm e ve deform asyon
değerler ini ne derece doğr u karakterize ettiğine bağlıdır. Çünkü burası k ararsız çatlak
ilerlem esin in ortaya çıktığı bölgedir. KIC testleri için n umune boy utlarını belirlerken,
bu boy utların çentiğin ucun da oluşan p lastik bölgeden büy ük olması ilkesi esas
alınmalıdır. Bu y üzden, plastik bölgenin ger ilme şiddeti an alizine etkisi ihmal
edilebilir v e bu şekilde düzlem deform asyon halinin o luşm ası sağlanır. Bu
noktalardan hareketle önemli num une büy üklükleri; çatlak boyu, num une genişliği
ve çentik ucundaki kalan kısm ın uzunluğudur. Şekil 4.2’ de kır ılm a tokluğu
den eyler in de k ullanılan test n umunesi örn ekleri verilmiştir.
Şekil 4.2 Kırılma tokluğu test nu mun eleri . a) SENB nu mun esi, b) DCB numunesi,
c) CT ve DCB nu mun esi, d ) CT nu mun esi.
55
4.1.1 Üç Nokta Eğme Deneyi (SENB)
Üç nokta eğme deney inde, Şekil 4.3’ de boyutlar ı verilm iş olan test num unesi
ASTM stan dar dına göre çentiği oluştur ulur v e bu k enar deney düzeneğin de iki
mesnet üzerin e yer leştirilir ve çentiğin k arşı ken arın dan numuneye kuvvet uy gulanır,
num un enin kır ılması ve k uvvet- deplasman graf iğinin bulunması ile deney sonlanır.
Şekil 4.3 SENB test nu mun esi, ASTM E 399 -83.
4.1.2 Tek Çentik Kena rlı Çekme Deneyi ( SENT)
SENT deney in de, Şekil 4.4’ de boyutları verilen deney n um un esinin bir kenar ına
ASTM stan dar dına göre çatlak açılır, daha sonra numune çekm e cihazına bağlanır ve
iki ucun dan çekm eye mar uz bırakılır. Test n um un esinin k ırılm ası ve kuvvet- uzama
graf iğinin elde edilmesi ile den ey son lanmış o lur.
Ş ekil 4.4 SENT test nu mun esi, ASTM E1290-93 .
56
4.1.3 Kompakt Çekme Deneyi ( C-T )
Kom pakt çekm e deneyin de, Şekil 4.5’ de boyutları verilen test numunesine
ASTM stan dar dına gör e çatlak ve delik açıldıktan sonra num une çekm e test cihazına
bağlanır ve çekme deneyi yapılır. Deney belir lenen n um une say ısı kadar tekrar edilir.
Elde edilen son uçlar bilgisayara aktarılır, grafik leri çizilir v e kırılma tokluğu değeri
hesaplanır.
Şekil 4.5 CT test numunesi , ASTM E399.
4.1.4 Çift Anka stre Kiriş Test Tekniği ( DCB)
DCB deney inde, Şekil 4.6’ da boy utları verilm iş olan n umuney e önce çatlak
açılır. Sonra n um une ucu delinir vey a uca m enteşe yapıştırılır. Numune çekme
cihazına
bağlanır, ucun dan
k uvvet
uy gulanıp
çatlağın
ilerlem esi
sağlanır.
Uy gulan acak k uvvetin değeri ve dön güsü ASTM standardın a bağlı olarak belirlenir.
Çatlağın ilerlem esi kay dedilir. İstenildiğinde Şek il 4.7’ deki gibi ar atan genişlikli test
num un esi de k ullanılabilir.
57
Şekil 4.6 DCB test nu munesi, ASTM5528.
Şekil 4.7 Artan g eniş likli DCB test numunesi, ASTM 5528.
4.2 Ku vvet – Deplasman Grafikleri
Kuvvet - Deplasm an grafik leri ( F-ν eğrileri) farklı şek iller de olabilirler. Bu
graf ikler in en önemliler i şek il 4.8’ de ver ilmiştir. Başlan gıçta deplasm an, kuvvet
arttıkça lineer olarak artar. Birçok durum da sür ekli artan bir doğr usal olmam a hali
( Şekil 4.8a) vey a ayrı bir çatlak ilerlemesi ve durma, dev am ında bir do ğrusal o lmama
hali ortaya çıkabilir ( Şekil 4.8 b). Do ğr usal o lmayan plastik deformasyon sonucu hızlı
çatlak öncesi o luşan kar arlı çatlak ilerlemesi ortaya çıkar. Malzem e tam elastik bir
şekilde davranıyor ise (bu tür malzem e çok azdır) Şekil 4.8 c deki gibi bir graf ik elde
edilir.
58
Şekil 4.8 Kuvvet – deplas man g rafik çeş itleri.
F-ν eğrileri farklı şek iller de olabilir. KIC değer ini hesaplamak için kullan ılan F
kuvvetini belirlem ede birçok kriter var dır. Olduk ça kapsamlı denem eler den sonra
%5’lik bir eğim in kritik gerilme şiddet faktörü o lan KIC değerin i hesap lam ada yeterli
olabileceği bu eğim de de çatlağın başlan gıçtaki efektif uzunluğun da %2’lik bir
artışın ortaya çıktığı eğim olduğu tespit edilmiştir. Bu tanımlama standart SEN
( Sin gle Edge Notched) ve CT (Com pact Tension) numun eler inde plastisitenin ve
kararlı çatlak iler lem esinin aşağı yukarı ef ektif çatlak iler lem esinin %2 artış
gösterdiği bir uzunlukta ortaya çıktığı belirlenmiştir.
KIC değerine karşılık gelen y ükü belir lem ek için F-ν diyagram ın da bir ucu elde
edilen doğr un un başlangıç noktasın da olmak üzere F- ν do ğr usun un eğim in den %5
dah a düşük değer de bir do ğru çizilir. Bu çizilen do ğr unun F-ν eğrisini kestiği
noktaya karşılık gelen kuvvet FS olar ak belirlen ir.
FQ ise aşağıdaki şu şek ilde belirlenir. F-ν diy agramında FS‘ den önce herh angi bir
kuvvet ortaya çıkmış ise FQ = FS alınır ( Şekil 4.8a). Ancak FS‘ den önce, değeri
FS‘ den daha büyük o lan herh an gi bir m aksim um kuvvet oluşmuş ise bu durum da
maksim um kuvvet FQ ’ dur (Şekil 4.8a, 4.8b).
59
4.3 Kırılm a Tokluğu (KIC ) Test Prosedürü
KIC testler i gerçekleştirilirken aşağıdaki adımlar her ayrı test için takip
edilmektedir.
1) Num unenin kritik a, B ve W ölçüleri belir lenir,
2) Num un e tür ü ( üç nokta eğme veya kom pakt çekm e) belir lenir, çentik şekli ve
boy utların ı da içeren teknik r esmi çizilir,
3) Num une ür etilir,
4) Yor ulma çatlağı açılır,
5) Çatlak ucu açılm asını ölçm ek üzere bağlantı aparatları v e klip geyç temin edilir,
6) Test gerçekleştirilir,
7) Kuvvet-deplasm an diyagr amları an aliz edilir,
8) Şartlı KIC değer i (KQ ) hesap lanır,
9) KIC‘ nin geçerliliği kontrol edilir.
Testler ger çekleştirilirken num un enin test cihazına bağlanm ası, y ükleme hızının
belirlenmesi v e num une üzerin de yapılacak son ölçüm ler dikkatli bir şekilde
yapılmalıdır. Her bir test son ucun da, n um uneden elde edilen k uvv et (F) ile
dep lasm an (ν) çıktısı elde edilir. Genellikle kuvvet y-ekseni v e deplasman x-ekseni
olacak şekilde F- ν diyagram ı elde edilir. Bu diyagr am lar daki eğr inin başlan gıçtaki
eğimi 0.7 ila 1.5 arasında olmalıdır. Her bir n umune için, k uvvette artış
son uçlanıncaya k adar teste devam edilir. Test sonrası KQ büy üklüğü hesaplanır,
hesaplanan boy utsal değerler KIC için yeterli ise KQ = KIC olar ak alınır.
4.4 Test Numunesi Üretimi
Üç nokta eğm e deneyi için gerekli olan test numuneleri İzoreel firmasına
yaptırılmıştır. Üretilecek n um un eler epoksi – cam elyaftan oluşm aktadır. Malzeme
üretimin de sabit sıcaklık ve basınç altında preslem e yöntemi kullanılarak, tabakalı
kom pozitler elde edilm iş v e tabakaların şematik gösterim i Şekil 4.9’ da verilm iştir.
60
Üretim esnasın da, fiber açısı 0 – 90° (ör gü sistemi) olan cam elyaflar kalıp
üzerine elle yatırılıp üzerine fırça ile epoksi reçine sür üler ek elyaf k atmanlarına
emdirilmesi sağlanmış ve bu işlem num unenin oluştur duğu h er tabaka için tabaka
sayısı k adar tekrarlanm ıştır.
Üst ve alt tabakaların pres makinesine yapışm am ası için ısıya dayanıklı, reçin eye
yapışm ayan bir muşam ba ile paketlen di.
Paketlenmiş tabakalar prese yer leştirildi.
Sıcaklık ve basınç ayarlam ası yapıldı. Sıcak lık 120 ° C ve uy gulan an basınç ise
parça k alın lığın dan bağım sız olarak 150 – 160 bar o larak seçildi ( epoksi – cam elyaf
için).
Preslem e işlem i bittikten sonra malzem e oda sıcaklığında so ğum aya bırakıldı.
So ğuyan m alzeme m uşambasın dan çıkarıldı ve plak a halin de tabakalı kompozit
üretilm iş oldu.
Şekil 4 .9 Tabakalı ko mpo zit üreti minin şematik gösteri mi .
Plaka şeklin de 7mm kalınlığın da üretilen tabakalı kompozit malzeme Şekil 4.10’
da v erilen teknik resm ine göre den ey num unelerine ayrıldı.
61
Şekil 4.10 Deney nu munesinin t eknik resmi(ölçüler mm cinsindendir)
7mm × 14m m × 70mm ölçülerin de stan dar da göre kesilen deney num un eler ine,
standartta belirtildiği gibi farklı boy lar da çatlak lar oluşt ur uldu, Şek il 4.11. Çatlak
açm a işlem i su jeti ile yapıldı. Böylece istenilen çatlak uzun luklar ı bilgisayar
kontrollü o larak deney n umunelerin e açılmış o ldu. Belirlenen ve oluştur ulan çatlak
uzun luklar ı 8 farklı numune için Tablo 4.1’ de verilm ektedir.
Şekil 4 .11 Deney nu mun esinin çatlak açıl mış görünümü.
Tablo 4.1 Nu munelere açılan çatlak uzunlukları
numune n um arası
çatlak uzunluğu(mm )
1
2
2
2,5
3
4
3
3,5
5
6
4
5
7
8
6
7
62
4.5 Üç Nokta Eğm e Deneyinin Yapılışı
ASTM E 399-83’ de belirtilen ölçüler de k esilmiş ve belirlenen uzunluklar da
çatlak açılm ış num uneler Şek il 4.12’ de gör ülen SHIMADZU markalı test cihazına
bağlanır, Şekil 4.13’ de deneyin şematik olar ak gösterim i verilm iştir.
Şekil 4.12 Üç nokta eğ me deneyi test cihazı .
Şekil 4.13 Üç nokta eğ me deneyinin ş ematik gösteri mi.
63
Deney de k ullanılacak numunedeki B, s ve a ar asındaki bağıntılar ilgili stan dartça
tanımlanm akta olup aşağıdaki gibi verilm ektedir.
B = 0,5 w
;
S =4w
;
a = 0,45 – 0,55w
F S
KI =
___________
B w 3/2
ƒ (a/w)
(4.5)
Burada, F uygulan an k uvvet, s m esnetler arası m esafe, ƒ (a/w) geometriye bağlı sabit
bir say ı, B n um une kalınlığı, w n umun e genişliği, KI gerilm e şiddet faktörüdür.
Bu den ey m etodun da sırasıyla aşağıdaki adım lar takip edilm ektedir.
1-) Farklı çatlak boyların da numun eler k ullan ılar ak her bir num une için
F– ∆L
değerler i elde edilir ve bu değerlere uygun grafik çizilir.
2-) F–∆L graf iğinde eğim komplians sayısını “c ” verir. Bulunan kom plians
değerler iyle c-2a graf iği çizilir.
2
3
3-) c = ƒ(2a) fonk siyon u elde edilir. c = α 2a + β (2a) + γ (2a) ...
4-) Bu fonksiyon un türev i alın ır ve kritik değer (2a) yerine yazılarak dc / d(2a)
bulunm uş o lur.
2
5-)
Gc =
F c dc
2B d(2a)
(4.6)
formülünden çatlağın birim y üzeyde ilerley ebilmesi için gerek li olan ener ji miktarı
GC elde edilir.
6-)
Kc = √E Gc
formülünden kırılm a tokluğu bulunur.
(4.7)
64
Test cihazının bulunduğu laboratuardaki ortam sıcaklığı 25 °C de tutulm aktadır ve
den eyler bu ortam sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Numun eler Şekil 4.14’ de
gör üldüğü gibi test cihazın dak i aparat
üzer ine konup, deney numun eler ine
uygulanacak k uvvetin yük lem e hızı 1.5 mm /dak olarak ayarlanıp, eş zam anlı olarak
bilgisayar daki pro gram da çalıştırılır ve k uvvetin uy gulanm ası ile deneye başlanmış
olur. Program her an için kuvvet ve deplasm an değerler ini kay detmeye başlar ve bu
kayıtlarla eş zam anlı olarak k uvvet – dep lasm an gr afiği bilgisayar da izlenir.
Kuvvetin m aksimum değerden düşüşe geçtiği anda den ey dur dur ulur. Bu seviy ede
dur dur ulmasının n edeni num un enin m aksimum değerin in kaydedilmesidir ki bu
kuvvet değerinin düşüşe geçmeye başladığı an dan itibaren numun e belli bir zam an
dilimin de k ırılacak ve deney bu şek ilde n umunelerin kır ılması ile son a er ecektir.
Şekil 4.15 ve 4.16’ da deney num unesin in, kuvv etin uy gulandığı andaki ve y ükleme
son undaki hali gö sterilmiştir.
Şekil 4.14 Deney numunesinin aparata bağlanıp yükleme baş langıç hali.
65
Şekil 4.15 Deney numunesinin yükl eme anındaki gö rünü mü.
Şekil 4.16 Deney nu munesinin yükl eme sonund aki görünü mü.
Deney sonucun da her bir n um une için elde edilen yük – dep lasm an ve y ük–zam an
graf ikler i aşağıda verilmiştir ( Şekil 4.17 - 4.32).
66
Çizilen yük – deplasman gr afiklerinin denklemler i grafik üzerinde belirtilir.
Numunelerin her biri için elde edilen gr afik ve denklemler den komplian s değerleri
(c´ ) bulun ur.
Şekil 4.17 1 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.18 1 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
67
Şekil 4.19 2 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.20 2 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
68
Şekil 4.21 3 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.22 3 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
69
Şekil 4.23 4 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.24 4 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
70
Şekil 4.25 5 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.26 5 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
71
Şekil 4.27 6 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.28 6 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
72
Şekil 4.29 7 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.30 7 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
73
Şekil 4.31 8 numaralı test numunesinin yük-d eplasman grafiği.
Şekil 4.32 8 numaralı test numunesinin yük-zaman grafiği.
74
Her bir n umune için elde edilen yük – deplasman grafik lerinden bulunan
kom plians değerleri Tablo 4.2’ de n umunelerin çatlak boyları ve komplians olarak
verilmiştir. Bu komplian s değer leri ile çatlak boy ları kullanılarak Şek il 4.33’ de
gösterilen graf ik çizilir k i buradaki am aç eğr inin denklemini elde etm ektir. Elde
edilen denk lem in türevi alın arak bir c′ değeri bulunur. Bulunan c′ değeri denklem
4.6’ da yer ine konarak GIC hesaplanır. Hesap lanan GIC değer i denk lem 4.7’ de yer ine
konulur ve kırılma tokluğu KIC hesaplanmış olur.
Tablo 4.2 Çatlak boyl arına karş ılık g elen ko mplians değerleri
komplians
2
2,5
3
3,5
4
5
6
7
0,000255
0,000295
0,000321
0,000372
0,000428
0,000470
0,000588
0,000678
Komplians
çatlak boyu(mm )
0,0008
0,0007
0,0006
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
y = 5E+06x 4 - 9E+04x 3 + 5236x 2 1,1x +0,001
0
2
4
6
Çatlak Boyu (mm)
Ş ekil 4.33 Çatlak boyu - ko mplians grafiği.
8
75
Elde edilen form ül :
y=5.106.x4 –9.104.x3 + 5236.x2 – 1,1.x + 0.001
Bu denklem in türevi alın ır ve 8 numaralı n um un enin değer leri k ullanılarak c′
hesaplanır.
8 numaralı num unenin değer leri;
F = 2530 N
a = 7mm = 0,007m (x yerine konacak değer)
B = 7mm = 0,007m dir.
Elde edilen yuk arıdak i y denklem inin türevi alınırsa,
y′ = 20.106.a3 – 27.104.a2 + 10472.a – 1,1 = c′ bulunur.
y′ denk lem inde a’ nın yerine değeri yazılırsa,
6
3
4
2
y′ = 20.10 .(0,007) – 27.10 .(0,007) + 10472.(0,007) – 1,1 = c′
c′ = 65,83
bulunm uş o lur.
Bulunan c′ değeri, num un eye uygulanan k uvvet, num une kalınlığı, cam epoksinin
elastisite m odülü ve poisson oranı GIC denklemin de yerine yazılarak GIC değeri
hesaplanır.
2
P
c
G ıc = c d
2B d(2a)
Cam epok sinin ön ceden elde edilen E ve ν değer leri şu şekildedir;
E = 46800 MPa, ν = 0,26
Değer ler yerlerine yazılır sa;
76
2
G ıc =
2530 65,83 = 3.10 10
2 x 0,007
hesaplanmış o lur. KIC ‘nin formülü y azılır sa;
2
K ıc =
E G ıc
1− ν2
burada değerler yer ine yazılıp kırılma tokluğu elde edilm iş o lur.
10
6
2
K ıc = 3.10 x 46800.10
= 38804 MPa√m
2
1 − 0,26
4.6 Tek Çentik Kenarlı Çekme Deneyinin Yapılışı
Deney için gerekli num uneler İzoreel firmasına yaptırıldı ve üretim yöntem i üç
nokta eğme deney inde an latıldığı gibidir. SENB num unesin den f arklı o larak, n um une
kalınlıklar ı 2,4 mm ayarlandı. Plak a şek lin de 2,4m m kalınlığında ür etilen tabakalı
kom pozit malzem e Şekil 4.34’ de verilen teknik r esm ine gör e, 6’ şar adet ör gülü
lifler in açısı 0º v e 45º olacak şekilde toplam 12 adet deney num unesi olarak
hazırlan dı.
Şekil 4.34 SENT den ey nu mun esinin teknik res mi .
77
2,4 × 24,9 × 100m m ölçüler inde k esilen deney n umunelerin e a < 0,55 olacak
şekilde farklı boylar da çatlaklar oluşturuldu. Çatlak açm a işlemi kıl testere ile
yapıldı. Belirlenen ve oluştur ulan çatlak uzunluk ları 6 farklı num une için Tablo 4.3’
de v erilmektedir.
Tablo 4.3 SENT numunelerine açılan çatlak uzunlukları
numune n um arası
çatlak uzunluğu(mm )
1
2
4,2
6
3
4
7,7
9,1
5
6
11
13,1
Belirtilen ölçülerde kesilm iş ve belirlenen uzunluklar da çatlak açılmış num uneler
Şekil 4.35’ de gör ülen SHIMADZU m arkalı test cihazına bağlanar ak, test cihazı
üzerindeki video kam eralı renk takip okuy ucuları ile çok yüksek h assasiy etler de
malzem enin uzamasına yönelik v eriler elde edildi.
Şekil 4.35 Çekme den eyi test cihazı.
78
Test cihazının bulun duğu labor atuar daki ortam sıcaklığı 25°C de tutularak,
den eyler bu ortam sıcaklığın da gerçekleştirildi. Test numun eler inin şekline,
kalınlığına ve cinsine göre çen eler in seçim i yapılıp bu çenelerin test makinesine
montajı sağlan dı. Num uneler bu çen eler e, çeneler arası mesafe 75m m olacak şekilde
Şekil 4.36’ da gö sterildiği gibi bağlandı. Deney num unelerine uy gulanacak çekme
kuvvetinin hızı 1.5 mm /dak olarak ay arlanıp, eş zamanlı olarak bilgisayar daki
program da çalıştırılıp, kuvvetin uygulanması ile deneye başlandı. Progr am her an
için kuvvet ve deplasm an değerlerini kay dettiğin den bu kay ıtlarla eş zam anlı olarak
kuvvet – dep lasm an grafiği bilgisayar da izlen di. Kuvvetin maksim um değer den
düşüşe geçtiği an da deney durdur uldu. Bu seviy ede dur dur ulm asının nedeni
num un enin maksimum değer inin kaydedilm esidir ki bu kuvvet değerinin düşüşe
geçmeye başladığı an dan itibar en num une belli bir zaman dilim inde kırılm ası ve
den ey bu şekilde n um unelerin kırılm ası ile sona ermesi beklenmektedir. Şekil 4.37
ve 4.38’ de den ey num unesinin, deneye başlangıç an ın daki ve deney sonun daki hali
gösterilmektedir.
Ş ekil 4.36 Nu munelerin bağlandığı çeneler.
79
Ş ekil 4.37 Numunenin çenelere b ağlanıp deney baş langıç hali.
Şekil 4 .38 Nu munenin deney sonundaki kırıl mış h ali.
Bu den eyde sırasıy la aşağıdaki adımlar takip edildi.
- Farklı çatlak boy larında n umuneler k ullanılarak her bir num une için kuvvet ve
dep lasm an değerleri elde edilip, bu değerlere uy gun graf ik çizildi.
80
- Kuvv et – deplasm an grafiğin de eğim kom plians say ısını “c ” verir. Her bir
num un enin çizilen graf iklerin deki eğimi bulundu.
- Bulunan kom plians değerleriyle n umunelere ait çatlak boylarının c – 2a graf iği
çizildi. Burada am aç eğrinin denk lem ini bulm aktır.
- Çizilen grafiğin c = ƒ(2a) fonk siyon u elde edildi, bir başka deyişle polinom
şeklindeki 2. dereceden denk lemi bulundu.
- Bu fonksiyon un tür evi alın dı ve kritik değer (2a) yer ine yazılarak c′ = dc / d(2a)
bulundu.
- Bulunan c′ değeri denk lem 4.6’ da yer ine konarak GI C hesaplan dı. Hesaplan an GIC
değeri denk lem 4.7’ de yerine kon ulup kır ılm a tokluğu KIC hesaplan dı.
Deney son ucun da num uneler için elde edilen yük – deplasman gr afikleri aşağıda
verilmiştir ( Şekil 4.39 - Şekil 4.44).
Şekil 4.39 1 numaralı test numunesinin yük - deplasman grafiği.
81
Şekil 4.40 2 numaralı test numunesinin yük - deplasman grafiği.
Şekil 4.41 3 numaralı test numunesinin yük - depl as man g rafiği.
82
Şekil 4.42 4 numaralı test numunesinin yük - depl as man g rafiği.
Şekil 4.43 5 numaralı test numunesinin yük - depl as man g rafiği.
83
Şekil 4.44 6 numaralı test numunesinin yük - deplasman grafiği.
Her bir n umune için elde edilen yük – deplasman grafik lerinden bulunan
kom plians değerleri Tablo 4.4’ de n umunelerin çatlak boyları ve komplians olarak
verildi. Bu komplian s değerleri ile çatlak boyları kullanılarak Şekil 4.45’ de
gösterilen graf ik çizildi. Elde edilen denklem in türevi alınar ak bir c′ değeri bulun du.
Bulunan c′ değeri denklem 4.6’ da y erine konarak GI C hesap landı. Hesaplanan GIC
değeri denk lem 4.7’ de yerine kon ulup kırılm a tokluğu KIC hesaplanm ış o ldu.
Tablo 4.4 Çatlak boyl arına karş ılık g elen ko mplians değerleri
çatlak boyu(mm )
komplians
4,30
0,000039
6,50
0,000063
8,10
0,000087
9,80
0,000098
11,10
0,000105
13,20
0,000186
Komplians
84
2
0,0002
0,00018
0,00016
0,00014
0,00012
0,0001
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0
y = 1E-06x - 9E-06x + 6E-05
0
2
4
6
8
10
12
14
Çatlak Boyu (mm)
Şekil 4.45 Çatlak boyu - komplians grafiği.
Elde edilen form ül;
y = 1.10-6 x2 – 9.10-6 x + 6.10-5
bu denklemin türevi alın ır ve 4 n um aralı n umunenin değerleri k ullanılarak c′
hesaplanır.
F = 3378,44 N
a = 9,8 m m = 0,0098 m (x yerine yazılacak değer)
B = 24,9 mm = 0,0249 m
Elde edilen yuk arıdak i y denklem inin türevi alınırsa,
-6
-6
y′ = 2.10 a – 9.10 a = c′ bulunur.
y′ denk lem inde a y erine değeri y azılır sa,
-6
-6
y′ = 2.10 (0,0098) – 9.10 (0,0098) = c′
c′ = 17,6 bulunm uş o lur.
85
Bulunan c′ değeri, num un eye uy gulanan kuvvet, numune k alın lığı, cam epoksinin
elastisite m odülü ve poisson oranı GIC denklemin de yerine yazılarak GIC değeri
hesaplanır.
2
G ıc =
Pc d c
2B d(2a)
Cam epok sinin ön ceden elde edilen E ve ν değer leri şu şekildedir;
E = 46800 MPa, ν = 0,26
değerler yerler ine yazılırsa;
2
10
3378,44
G ıc = 2 x 0,0098 17,6 = 4,1.10
hesaplanmış o lur. KIC ‘nin formülü y azılır sa;
2
K ıc =
E G ıc
1− ν2
burada değerler yer ine yazılırsa kırılm a tokluğu aşağıdaki gibi elde edilmiş olur.
10
6
2
K ıc = 4,1.10 x 46800.10
= 40530 MPa√m
2
1− 0,26
86
BÖ LÜM BEŞ
SO NUÇ
Kom pozit malzem eler belirli avantajlar sağlayan özel ür ünlerdir. Gün ümüzde
gen iş hammadde tem in olanakları ve birleştirm e metotları kullanıcıya maksim um
avantajı sağlay an çok sayıda kom binasyonları m üm kün kılmaktadır. Kompozit
malzem elerin yük sek v e homojen bir kaliteyi gar anti edebilmesi v e üretim
maliyetlerinin kabul edilebilir düzey de tutulabilmesi için y üksek teknolo jiye dayalı
bir işlemin uy gulanması şarttır. Dezavantajı ise, kom pozit olmayan malzem eler e göre
dah a pahalı oluşlarıdır. Ancak son k ullanıcı açısın dan ekonomik çözüm arz
etm ektedir.
Kom pozit m alzemelerin dünyada h er geçen gün artm akta olan k ullanım ına paralel
olarak ülk emizde de kompozit ür etim i ve kullanım ı gör ülmektedir. Kompozit
malzem e, maliyetin fazla olm asına rağm en, çok iyi özgül özellikleri sebebiyle bütün
dünyada tercih edilen m alzemedir. İleriki yıllar da gelişen teknolojiye kompozit
malzem elerin üretim m aliyetlerin de azalma o lursa kompozit m alzemeyi daha bir çok
alan da görebiliriz. Bu gün dünyada kom pozit m alzemeler bin a yapım ında,otomotiv
sanayii dahil olmak üzer e ulaşım da, elektrik en düstrisinde, denizcilik, havacılık ve
uzay sanayiinde, korozyon direnci istenen yerler de k ullanılm aktadır.
Ülkemizde kom pozit malzem eler kon usunda yapılan bilim sel çalışmalar da artış
gör ülm ektedir. Bu dur um , kompozitlerin yakın gelecekte ülkemizde de dah a fazla
kullanılacağının gö ster gesidir.
Teste tabi t utulan cam epok si kom poziti sanayide ve dah a birçok alanda kullanımı
yaygın bir malzem edir. Cam epoksi gevrek bir malzem edir. Akma sın ırına girmeden
kırılır.
Num unelere açılan ön çatlakların boy u arttıkça malzem e daha kolay kır ılmış ve
kaldırabileceği yük m iktarı giderek azalmıştır. Malzem edeki en kritik bölge çatlak
86
87
ağzı bölgesi o lmuş ve o bölgede artan gerilm eler m alzemenin kır ılmasına sebep
olm uşt ur.
Yapılan bu çalışma ile, belirlenen mevcut çatlağın üç nokta eğme deney yöntemi
ile bulunm uş KIC değeri ile, SENT den eyi sonucu belir lenen KIC değerleri
karşılaştırılmıştır.
Kom pozit yapısı say esin de lifler i do ğr ultusun da gelen kuvvetleri ko lay
karşılayabilirk en dik do ğrult uda gelen kuvv etleri karşılam akta zorlanmaktadır.
Yapılan hesap lamalar ın hassasiyetini arttırm ak açısından n umune say ısı arttırılabilir
ve kırılma tokluğu değeri daha hassas ölçülebilir.
Üç nokta eğme deneyi son ucu elde edilen kır ılma tokluğu değeri;
KIC = 38804 MPa m
1/2
dir.
SENT deney sonucu elde edilen değer ise 40570 MPa m 1/2 dir.
Örgülü cam epoksi kompozitin farklı başlangıç çatlak boylar ındaki num uneler
için kırılm a yükler i deney sel olar ak elde edilm iştir. Kom plians değerleri
yük - deplasman eğrisinden hesap lanmıştır. SENB v e SENT n umuneleri k ullanılarak
örgülü cam epoksi kompozitin kırılma tokluğu ve enerji değerleri deneysel olarak
elde edilm iş ve son uçlar kar şılaştırılarak değerlendirilm iştir. SENB ve SENT
den eyler i ile cam epoksi kompozit malzem esin in yaklaşık olar ak kırılm a tokluğu
değeri bulunm uş o ldu.
88
KAYNAKLAR
Aksoy, T. (1984). Kırılma mekaniği. İzm ir: Mühendislik - Mim arlık Fakültesi Basım
Ünitesi.
An der son, T.L. (1995). Fractu re mechanics (2. Baskı). USA: CRC Press, Florida.
ASTM Stan dar d E 399-83 (1984). Standard test m ethod for p lane strain fracture
toughness of m etallic materia ls. Annual Book of ASTM Standards, 592-622,
Philadelphia.
Dor uk, M. , Avcı, A. , Ak dem ir, A. , Ön al, G. (Ed.). (2003). 6. Ulu sla rara sı kırılma
konferansı bild iriler kitabı. Konya: Selçuk Üniv ersitesi.
Ersoy, Y. H. (2001). Kom pozit m alzeme. İstanbul: Literatür Yay ınları.
Havacılık sana yiinde kullanılan p lastik m atrisli kom pozit m alzemeler, ( b.t). 12 Eylül
2007, http:// www.hho.edu.tr/h uten/2003-2004/%20 Sem iner%20internet/UĞUR.
Hattatoğlu, F. (2003). Asfalt b etonunun yorulm a ömrünün üç boyutlu son lu
elem anlar yöntemi ile tahmin edilm esi. Yüksek Lisan s Tezi, Erzurum: Atatürk
Üniver sitesi Fen Bilim leri Enstitüsü.
Kom pozit
malzem e
kullanım
alanları,
(b.t).
3
Mayıs
2007,
http://www. gm com posite.com /index2.
Kom pozit
m alzemeler
ve
mekanik ö zellikleri,
( b.t). 17 Temm uz 2007,
http://www.teknolojik arastirm alar.com /e-eğitim/yapi_m alzemesi/icerik/kom pozit.
Özdem ir, A.(2006). Seram ik malzem elerin kırılma tokluğu değerlerin in üç boyu tlu
sonlu elem anlar yöntemi ile teo rik ola rak belirlenmesi. Yük sek Lisans Tezi,
İzm ir: Dok uz Eylül Üniversitesi Fen Bilim ler i En stitüsü.
89
Sönmez, Ö. F. (17 Temm uz 2007). Otom otiv
sanayiin de kompozit
m alzeme
kullanım ı. http:/www.y enimuh en dis.com/for um/kom pozit-m alzemeler-t207.html.
Toparlı, M. ve Ak soy, T. (1998). Fracture toughness determ ination of com posite
resin and dentin / com posite resin adhesive interfaces b y labo rato ry testing and
finite element m odels. Dental Materials, ( Vol.14), 287-293.
Uğuz, A. (1996). Kırılma mekaniğine giriş. Bur sa: Uludağ Üniver sitesi Güçlen dirme
Vakfı, Yay ın No : 118.
Yayla, P. (2005). Kırılm a mekaniği. Kocaeli: Kocaeli Üniver sitesi Mühen dislik
Fak ültesi Makin e Müh endisliği Bölüm ü.
Yılmaz, G. Ş. (1990). Kom pozit m alzemeler ve kullanım alanları.Isparta: M ühendislik
Mim arlık Fakültesi Makine Mühen disliği Bölüm ü.