ÖRGÜLÜ KOMPOZİT MALZEMENİN (GLASS EPOXY) ANSYS VE

ÖRGÜLÜ KOMPOZİT MALZEMENİN (GLASS EPOXY) ANSYS VE

TC
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ÖRGÜLÜ KOMPOZİT MALZEMENİN (GLASS
EPOXY) ANSYS VE ABAQUS İLE GERİLME
ANALİZLERİ VE DENEYSEL KIRILMA
TOKLUĞUNUN HESAPLANMASI
BİTİRME PROJESİ
Soydinçer TEKELİ
Onur TETİK
Projeyi Yöneten
Yrd.Doç.Dr.Evren TOYGAR
Ocak , 2007
İZMİR
1
TEZ SINAV SONUÇ FORMU
Bu çalışma 20/06/03 günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ
olarak kabul edilmiştir / edilmemiştir.
Yarıyıl içi basan notu 100 (yüz) tam not üzerinden ..............(...........................) dir.
Başkan
Üye
Üye
Makina Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,
…………….
numaralı
……………………
saat…………………..da
……………..
jürimiz
yapılan
ve
tarafından
sınavda,
100
………………..
…../…../……..
(yüz)
tam
not
numaralı
günü
üzerinden
………………….almıştır
Başkan
Üye
Üye
ONAY
2
TEŞEKKÜR
Bu çalışmamızın başlangıcından bitimine kadar her aşamada çalışmamızı yönlendiren
özverili yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Evren TOYGAR ‘a teşekkürü bir borç
biliyoruz.
Çalışmamız esnasında laboratuar ortamında bize yardımcı olan İzmir Yüksek Teknoloji
Enstitüsü
Araştırma Görevlisi Elçin KAYA
ve
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Doç.Dr. Metin TANOĞLU ‘ na teşekkür ederiz.
Hayatımızın her aşamasında bizden desteğini hiç esirgemeyen ailemize minnet
duyuyor ve teşekkürü bir borç biliyoruz
Soydinçer TEKELİ
Onur TETİK
3
ÖZET
Bu çalışmanın amacı
hazırlanan numuneleriyle
,
incelenen kompozit bir malzeme olan Cam epoksinin
laboratuar
ortamında Üç Nokta Eğme Deneyi ile Kırılma
Tokluğunun hesaplanması , Üç boyutlu analiz ve tasarım programları olan ANSYS ve
ABAQUS programlarında modellenerek sonuçların değerlendirilmesidir.
Çalışmamızın ilk bölümünde kompozit malzemelerin önemine dair kısa bir açıklamaya
yer verilmiştir.
İkinci bölümde, kompozit malzemelerin tanımı, kullanım alanları hakkında bilgi
verilerek çeşitleri hakkında geniş bir bilgiye yer verilmiştir.
Üçüncü Bölümde Cam epoksi kompozitinin yapısı , üretimi ve mekanik özellikleri
hakkında bilgi verilmiş ve bunlar tablolarla desteklenmiştir.
Dördüncü bölümde Kırılma Mekaniği hakkında geniş bir bilgiye yer verilerek teoriler
ve malzemelerin kırılma karakteristikleri konusunda ayrıntılı bilgilere değinilmiştir.
Beşinci bölümde Üç Nokta Eğme Deneyinin yapılması ve kırılma tokluğunun
hesaplanması konusunda detaylı bilgiye yer verilmiştir.
Altıncı ve son bölümde ise üç boyutlu analiz ve tasarım programları olan ANSYS ve
ABAQUS programlarında deney modellenmiş ve malzemenin gerilme analizleri yapılarak
sonuçlar değerlendirilmiştir.
4
İÇİNDEKİLER
İçindekiler
5
Şekil
listesi
10
Tablo
listesi
11
Bölüm Bir
1. Giriş
12
Bölüm İki
KOMPOZİT MALZEMELER
2.1. Kompozit
Malzemelerin Tanımı
13
2.2. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları
14
2.3.Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması
18
5
2.3.1.Elyaflı Kompozitler
18
2.3.2.Paraçacıklı Kompozitler
19
2.3.3. Tabakalı Kompozitler
2.3.4. Karma (Hibrid) Kompozitler
19
20
2.4.
Elyaflar
20
2.4.1. Cam
Elyaflar
21
2.4.2. Bor
elyaflar
22
2.4.3.Silisyum Karbür elyaflar
23
2.4.4. Alümina Elyaflar
23
2.4.5.Grafit(Karbon Elyaflar)
23
2.4.6.Aramid Elyaflar
25
2.5. Matris
Malzemeleri
25
2.5.1.Epoksi Reçine Matrisler
27
2.5.2. Polyester Reçine Matrisler
28
2.5.3.Vinylester Reçine Matrisler
29
2.5.4.Fenolik Reçine Matrisler
29
2.5.5.Metal Matrisler
29
2.6.Polimer Matrisli Kompozitler(PMK)
29
2.6.1.
Polimerler
30
2.6.2. Polimer Matrisli Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri
32
2.6.3. Polimer Matrisli Kompozitlerin Mekanik Özellikleri
34
2.6.4. Polimer Matrisli Kompozitlerin Kullanım Alanları
35
2.7.Seramik Matrisli kompozitler(SMK)
36
2.7.1.SMK Malzemelerde Kullanılan Matris Malzemeleri
37
2.7.2.Cam Seramik Malzemeler
39
6
2.7.3. Seramik Kompozitlerin Mekanik Özellikleri
41
2.7.4. Seramik Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları
45
2.8.Metal Matrsili
kompozitler(MMK)
47
2.8.1. Metal Matrisli Malzemelerin Tanımı
48
2.8.2.Matris Metalleri
49
2.8.3.Takviye Malzemeleri
53
2.8.4. MMK Malzemelerin Mekanik Özellikleri
2.8.5. MMK Malzemelerin Uygulama Alanları
Bölüm Üç
CAM EPOKSİ KOMPOZİTİ
3.1.Cam
Epoksinin Eldesi
54
Bölüm dört
KIRILMA MEKANİĞİ GENEL BİLGİLERİ
4.1.Giriş
59
4.2.
Kırılma
60
60
7
4.3. Gevrek
Kırılma
4.3.1.Gevrek kırılmaya yol açan faktörler
60
4.3.2.Çatlaksız malzemelerin gevrek kırılması
62
4.3.3.Çatlaklı Malzemelerin Gevrek Kırılması
63
4.4.Gerilme Şiddeti
Faktörü (K)
64
4.4.1.Uniform gerilmesine maruz ve farklı çatlak geometrisi içeren malzemeler
4.5.Kırılma
Tokluğu
65
67
4.5.1.Griffith Yaklaşımı
68
4.5.2.Irwinin yaptığı değişiklik
69
4.5.3.G ile K arasındaki ilişki
69
4.6.Kırılma
Mukavemeti
70
4.7.Kırılma Tokluğu
Deneyleri
71
4.8.CTOD Testi
74
4.8.1.SenB Numunesi
74
4.8.2.CT
Numunesi
74
4.9.J
Integrali
76
4.10.Yorulma Çatlağı
İlerlemesi
78
8
Bölüm Beş
DÜZLEM GERME KIRILMA TOKLUĞU STANDART
TEST METODU (ASTM E 399-83)
5.1.Numunelerin Ön
Hazırlığı
85
5.2.Yük-açılma Kaydının Analizi ve KIC nin Saptanması
88
5.3. Test cihazı ve deneyin fotoğraflanması
91
5.4.Numunelerin Kırılma tokluklarını hesabı
96
Bölüm Altı
ANSYS V.10 ile Modelleme ve Analiz
103
ABAQUS V.6.5 ile Modelleme ve analiz
113
SONUÇ
125
9
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.2.1. Bir lastik tekerleğin yapısı
14
Şekil 2.2.2. Bir uçakta kompozit malzeme kullanımı
16
Şekil 3.1.1. Cam epoksinin üretiminin şematik gösterimi
54
Şekil 3.1.2. Aramid ve Cam elyafından yapılmış 2 ayrı katmanlı malzemenin yorulma grafiği
57
Şekil 4.3.1.Çentikli ve çentiksiz çubukta gerilme durumu
61
Şekil 4.3.2.Kritik sıcaklık ve kırılma bölgeleri
62
Şekil 4.3.3.Yüklemenin modları
63
Şekil 4.3.4.Çatlak ucunda bir noktadaki gerilme
64
Şekil 4.3.5.İnce bir çatlak içeren iki eksende yüklenmiş sonsuz levha
65
Şekil 4.5.1 Kalınlığa göre kırılma Tokluğu değişimi
68
Şekil 4.8.1.Kritik CTOD değerinin sıcaklıkla
değişimi
75
Şekil 4.9.1.Çatlak içermeyen yüklenmiş bir levhanın lineer olmayan elastik davranışı
77
Şekil 4.10.1.Bir çatlağı ao başlangıç boyundan af son boyuna ilerletmek için gerekli çevrim sayısı 78
Şekil 4.10.2.Önceden Çatlağı mevcut bir malzemenin tipik çatlak ilerleme hızı diyagramı
10
79
TABLO LİSTESİ
Tablo.1 Cam elyaflarınmekaniközellikleri
Tablo.2:Karbon ve grafit elyafların…
Tablo.3: Bazı matris malzemelerinin özellikleri
Tablo.4.: Cam fiber üretiminde kullanılan….
Tablo.5: Kevlar 29 ve Kevlar 49…
Tablo.6: Hacimce % 50 Fiber …
Tablo.7: Seramik ve seramik kompozitlerin…..
Tablo.8: SiC whisker takviyeli…
Tablo.9 Bazı kompozitlerin kullanım alanları
Tablo.10: MMK malzeme üretiminde kullanılan…
Tablo.11: Partikül takviyeli MMK …
Tablo12: MMK malzemelerde matris metali…
Tablo.13: Üretimleri ve kullanım…
Tablo.14: Partikül takviyeli MMK malzemeleR…
Tablo.15: Al- % 1.5 Mg alaşımında SiC
Tablo.16: 6061 Al matris alaşımı ve SiC
Tablo 17:Cam ve epoksinin Özellikleri
Tablo 18:Farklı Cam çeşitlerinin…
Tablo 19:Aramid,karbon ve Cam elyafı özellikleri
Tablo 20:Cam elyafı /poliester birleşik…
Tablo 21:Bazı malzemelerin kırılma toklukları
Tablo 22: Bazı malzemeler için yorulma..
Tablo23:MalzemeninDeğerine Göre…
22
24
26
33
34
34
39
40
42
48
49
50
50
51
52
53
55
55
57
58
70
80
84
11
1.BÖLÜM
GİRİŞ
Günümüzün modern teknolojisi uzay, uçak ve otomotiv endüstrileri gibi ileri
teknoloji alanında kullanılmak üzere hafîÇ üstün ve spesifik özelliklere sahip yeni
malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Uzay, havacılık ve otomotiv sektörlerinde,
mukavemet/ağırlık, mukavemet/yoğunluk oranlan gibi malzeme özelliklerinin önemli
olduğu ağırlığa duyarlı alanlarda kullanılan malzemelerin mukavemet limitlerinin
zorlanması belirli kurallar içinde farklı malzemelerin karıştırılarak özelliklerinin
geüştirilmesini önemli kılmış ve bu alanda da önemli gelişmelere yol açmıştır. Sahip
oldukları mükemmel özelliğe rağmen, kompozit malzemelerin üretim maliyetlerinin
yüksek olmasından dolayı kullanımlan endüstriyel olarak istenen seviyelere
ulaşamamıştır. Ancak son yıllardaki gelişmelere bakarak bu malzemelerin
kullanımlarının hızla yaygınlaştığını söylemek mümkündür.
12
2.BÖLÜM
KOMPOZİT MALZEMELER
2.1.KOMPOZİT MALZEMELERİN TANIMI
İstenilen bir amaç için tek basına uygun olmayan iki yada daha fazla malzemeyi,
kullanım yerindeki istenen özellikleri sağlayacak duruma getirmek için belirli şartlar ve
belirli oranlarda fiziksel olarak makro yapıda birleştirerek elde edilen malzemelere
kompozit malzemeler adı verilir.
Kompozit malzemeler genellikle matriks dediğimiz ana faz ile takviye verici olarak
adlandırılan tali fazdan oluşurlar. Burada tali fazı ( ikincil faz )fiber olarak
adlandırabiliriz. Matriks fazın ( anafaz ) ve ikincil fazın C fiber) istenilen özellikleri
verecek oranda fiziksel karışımı ile kompozit malzeme üretilir.Bu iki ana karışım
grubundan çekirdek olarak kullanılan fiber malzeme kompozit malzemenin mukavemetini
ve yük taşıma kabiliyetini sağlar.Matriks malzemede plastik deformasyona geçişte
oluşabilecek çatlak ilerlemelerin önleyici bir rol oynamakta ve kompozit malzemenin
kopmasını
geciktirici
etki
yapmaktadır.
Matriks
olarak
kullanılan malzemenin diğer bir amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada ve yükü
lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Bunun sonucu olarak fiber malzemelerde
plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesinin önüne geçilmiş
olur.
13
2.2.KULLANIM ALANLARI
A. Otomotiv Sanayi
Otomotiv sanayinde oldukça geniş kullanım atanma sahip kompozitlerin başlıca
ürünleri; otomobil ve kamyon kaputu, kamyon ve otobüs karoser parçalan traktör parçaları,
iç donanımı, oto lastikleri, demiryolu vagonları olarak sayılabilir. Bununla birlikte üreticiye
seri üretim imkanı, yüksek kapasiteyle çalışma, kolay ve ucuz model değiştirme gibi
imkanlar sağlar. Kullanıcıya ise yüksek mekanik dayanım, ucuz ve kolay servis imkanı
sağlar.
Şekil 2.2.1. Bir lastik tekerleğin yapısı
B.İnşaat Sektörü
14
Cephe kaplamaları, yazlık evler, büfeler , otobüs durakları , soğuk hava depoları, inşaat
kalıpları, ondüle levha üretimi yapılmaktadır. Üreticiye tasarım esnekliği ve kolaylığı,
hafiflik, ucuz izolasyon, kullanıcıya ise hafiflik, yüksek mekanik dayanım, izolasyon
problemine çözüm gibi önemli avantajlar sağlar.
C.Tarım Sektörü
Bu sektörde kompozitler, ilaçlama depolan, seralar, tahıl depolama siloları, drenaj suyu
boruları ve sulama kanalları yapımında kullanılmaktadır.
D. Ev Aletleri
Televizyon kabinleri, dikiş makinası parçalan, mikser ve saç kurutma makinası
imalinde kullanılırlar. Üreticiye kolay montaj, komple ve karmaşık parça üretimi, elektrik
izolasyonundan tasarruf gibi avantajlar sağlar. Kullanıcıya ise hafiflik ve elektriksel
etkilerden korunum gibi önemli avantajlar sağlar
E.Elektrik Ve Elektronik Sanayii
Bu alanda kompozitlerin en önemli özelliği yüksek elektrik izolasyonu ve mekanik
dayanım özelliğidir. Bu sebepten dolayı ark söndürme ünitesi, ana gerilim izolatörleri .
bara tutucular, yüksek mukavemetli yalıtkan parça imalinde kullanılırlar. Üreticiye seri ve
ucuz üretim, tek parçada karmaşık biçimli ürün elde etme imkanı, kullanıcıya ise yüksek
izolasyon emniyeti ve montaj kolaylığı sağlar.
F.Şehircilik
Kompozitler bu alanda çevre güzelleştirme ( çöp bidonu, heykel, banklar, elektrik
direği ) ve toplu konut yapımında kullanılırlar.Üreticiye; montajdan tasarruf, ucuz maliyet,
hafiflik, kullanıcıya ise yüksek izolasyon kapasitesi ve yüksek mekanik dayanım gibi
imkanlar sağlar. Kompozitlerin bu alanda kullanılması çevreye estetik, mahalli idarelere de
ekonomik avantajlar sağlar.
G.İs Makinaları
15
İş makinalarının koruma kapaktan ve çalışma kabinleri yapımında kullanılırlar.
Üreticiye ; kalıplama kolaylığı, tek parçada ve hassas boyutlarda üretim, elektrik
izolasyonu, malzeme tasarrufu, kullanıcıya ise hafiflik ve elektriksel etkilerden korunma
gibi avantajlar sağlar.
H. Havacılık Sanayii
Uçak kanatlarında istenen özellikler; ince yapı + düşük yapı + yayılı eğilme momentine
yüksek dayanım gerekmektedir. Örneğin, kanadı komple çelikten yapmak mantıksızdır.
Bunun yerine, kayma gerilmelerine mukavim iki saç tabakasına profil şekli verip araya
Lanjeran ana desteği ile arasına bal peteği ile kaplama (Honeycomb) yapılır ve uygun bir
şekilde bir birleştirme yapılırsa aynı işlem yapılır. Dolayısıyla istenen görev daha hafif
daha mukavim olarak faklı malzemelerle gerçekleştirilmiş olur
16
Şekil 2.2.2. Bir uçakta kompozit malzeme kullanımı
İ. Mobilya Sanayii
Masa,
sandalye
,koltuk,
mutfak,
kütüphane
vs.
gibi
şeylerin
yapımında
kullanılmaktadır. Seri ve ucuz üretim, bunun yanında yüksek mekanik dayanım sağlar.
J. Taşımacılık Sektörü
Frigofırik kamyon kasaları, nakliye tankerleri ve kamyon kasalarında kullanılır.Düşük
maliyet ve ısı izolasyonu gibi avantajlar sağlar
Görüldüğü gibi kompozit malzemeler ve burada ele alacağımız polietilen kompozit
malzemeler her alanda kullanılmakta ve kullanım başarısı yönünden hemen hemen ortak
noklalara varılmaktadır. Bunlar:
a. Ucuz yatırım maliyet
b. Yüksek mekanik dayamm
c. Yüksek izolasyon özelliği
d. Tek parça île kolay üretim ve montaj
e. Hafiflik
f. Düşük servis maliyeti
17
2.3. KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzemelerin doğaları ve yapılarının açıklanmasıyla bu malzemeler
üzerinde işlerliğini koruyan sınıflandırmalar yapılmaktadır. Malzeme kombinasyonları
(örneğin; metal-organik veya metal-inorganik), bileşen fazların karakteristikleri (örneğin;
matriks sistemleri veya tabaka yapılar), bileşenlerin dağılımları (öreğin; sürekli, süreksiz),
fonksiyonları (örneğin; elektriksel veya yapısal) ve özellikleri göz önüne alınarak kompozit
malzemelerin çok değişik sınrflandınlmalan yapılmıştır. Yapısal bileşenlerin şekline göre
yapılan genel bir sınıflandırma sistemi aşağıdaki gibidir;
1.
Fiberli kompozitler, fiberler + matris veya fiber ile matrissiz yapı.
2.
Levhasal kompozitler, düz plakalar + matris veya levha ile matrissiz yapı.
3.
Partikül kompozitler, partiküller + matris veya partikül ile matrissiz yapı.
4.
Doldurulmuş (veya iskelet) kompozitler, sürekli bir iskelet matrisin ikincil bir
malzeme ile doldurulması.
5.
Tabakalı kompozitler, farklı bileşen tabakalarından oluşmuş kompozit.
Kompozit malzemeler, kullanılan matris malzemesine göre de üç ana sınıfa
ayrılmaktadırlar. Bunlar sırasıyla polimer, seramik ve metal matrisli kompozitlerdir.
Kompozit malzemelerin kabaca sınıflandınlması yapılırsa;
a)
Elyaflı Kompozitler
b)
Parçacıklı (Partiküllü) Kompozitler
c)
Tabakalı Kompozitler
d)
Karma Kompozitler
2.3.1. Elyaflı Kompozitler
18
Bu kompozit tipi ince elyafların matris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir.
Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen önemli bir
unsurdur. Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile
elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda ocukça
düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de
eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop
bir yapı oluşturmak mümkündür.
Elyaflann mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Aynca
elyaflann uzunluk/çap oranlan arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı
artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir.
Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris
arasındaki bağıntı yapısıdır. Matris yapıda boşluklar SÖZ konusu ise elyaflarla temas
azalacaktır.|Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir
özelliktir.
2.3.2.
Parçacıklı Kompozitler
Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde
edilir. İzotrop yapılardır. Yapının mukavemeti parçacıklann sertliğine bağlıdır. En yaygın
tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriki
iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik parçacıklar içeren yapılatın (cermet),
sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Uçak motor parçalarının üretiminde
tercih edilmektedirler.
2.3.3.
Tabakalı Kompozitler
Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Faklı
elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde
edilir. .Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda
mukavemetli olmalan nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf tabakalı
kompozitler uçak yapılannda, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama malzemesi olarak
çok yaygın bir kullanıma sahiptirler.
19
Ayrıca uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da kompozit
malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip
olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli
levhaların yapıştırılması ile elde edilirler.
2.3.4. Karma (Hibrid) Kompozitler
Aynı kompozit yapıda iki veya daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip
kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan, yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine
uygun bir alandır.
Örneğin, kevlar ucuz ve tok bir elyaftır. Ancak basma mukavemeti düşüktür. Grafit ise
düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyaftır. Bu iki elyafin
kompozit yapısında bir arada bulunması ile elde edilen hibrid kompozitin tokluğu grafit
kompozitten daha iyi aym zamanda maliyeti daha düşük ve basma mukavemeti de kevlar
elyaflı kompozitten daha yüksek olmaktadır.
Farklı tiplerdeki hibrid kompozitler aşağıdaki gibi gruplandınlabilir
1- Matris içinde iki ya da daha fazla tabaka içerirler. Her tabaka belirli bir yöndeki
takviyeleri içerir ve her bir tabakada belirli bir tip elyaf kullanılmıştır. Tabakalar amaca
göre istenilen şekilde yerleştirilirler.
2- İki ya da daha fazla elyaf kanşım halinde aynı tabakada yer alır ve tabakalar istenilen
şekilde birleştirilerek hibrid kompozit elde edilir.
3- Reçine matrisli tabakalar ve metal matrisli tabakalar gibi farklı kompozit yapılan içeren
süper hibridler elde edilebilir. Süper hibridlerde tabakalar bir yapışkan malzeme ile
birleştirilirler.
2.4. ELYAFLAR
Matris malzeme içinde yer alan elyaf takviyeler kompozit yapının temel mukavemet
elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastik modüle ve sertliğe sahip olan
elyaflar korozyona da dirençlidirler.
20
Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli
elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer
tutarlar.
Cam elyaflar teknolojide kullanılan en eski elyaf tipleridir. Son yıllarda geliştirilmiş
olan bor, karbon, silisyum karbür ve aramid elyaflar ise gelişmiş kompozit yapılarda
kullanılan elyaf tipleridir.
Elyafların ince çaplı üretilmeleri ile büyük kütlesel yapılara oranla yapısal hata
olasılıkları en aza indirilmiştir. Bu nedenle üstün mekanik özellikler gösterirler. Aynca
elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri aşağıda
verilen özelliklere bağlıdır.
1- Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta
üretilmeleri.
2- Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının
artması.
3- Elastik modülünün çok yüksek olması.
2.4.1. Cam Elyaflar
Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki quartz camına kadar pek çok
tipte imal edilirler. Cam amorf bir malzemedir ve polimerik yapıdadır.
Cam elyafların bazı özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:
1- Yüksek çekme mukavemetine sahiptirler. Birim ağırlık başına mukavemeti
çeliğinkinden yüksektir.
2- Isıl dirençleri düşüktür. Yanmazlar, ancak yüksek sıcaklıkta yumuşarlar. Bu özellikleri
katkı malzemeleri kullanılarak iyileştirilebilir.
3- Kimyasal malzemelere karşı dirençlidirler.
4- Nem absorbe etme özellikleri yoktur. Ancak cam elyaflı kompozitlerde matris ile cam
elyaf arasında nemin etkisi ile bir çözülme olabilir. Özel elyaf kaplama işlemleri ile bu etki
ortadan kaldırılabilir.
5- Elektriği iletmezler. Bu özellik sayesinde elektriksel yalıtımın önem kazandığı
durumlarda cam elyaflı kompozitlerin kullanılmasına imkan tanırlar.
21
Cam elyaf imalinde silis kumuna çeşitli katkı malzemeleri eklendiğinde, yapı bu
malzemelerin etkisi ile farklı özellikler kazanır. Dört faklı tipte cam elyaf mevcuttur
1. A (Alkali) Camı: A camı yüksek oranda alkali içeren bir camdır. Bu nedenle elektriksel
yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek olan A camı, en yaygın cam tipidir.
2. C (Korozyon) Camı: Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir.
3. E (Elektrik) Camı: Düşük alkali oranı nedeniyle elektriksel yalıtkanlığı diğer cam
tiplerine göre çok iyidir. Mukavemeti oldukça yüksektir. Suya karşı direnci de oldukça
iyidir. Nemli ortamlar için geliştirilen kompozitlerde genellikle E camı kullanılır.
4. S (Mukavemet) Camı: Yüksek mukavemetli bir camdır. Çekme mukavemeti E camına
oranla % 33 daha yüksektir. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi bir yorulma direncine
sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle havacılıkta ve uzay endüstrisinde tercih edilir.
Cam elyaflar genellikle plastik veya epoksi reçineler ile kullanılırlar.
Tablo.1 Cam elyafların mekanik özellikleri
Özellikler
A Camı
3
Özgül Ağırlık (g/cm )
2.50 _,
Elastik Modül (GPa)
Çekme Mukavemeti (MPa)
3033.0
Isıl Genleşme Katsayısı
8.6
Yumuşama Sıcaklığı
727.0
C Camı
2.49
69.0
3033.0
7.2
749.0
E Camı
2.54
72.4
3448.0
5.0
841.0
S Camı
2.48
85.5
4585.0
5.6
970.0
2.4.2. Bor Elyaflar
Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak
adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle
tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır.
Bor-Tungsten elyaflar, sıcak tungsten flamanın hidrojen ve bortriklorür ( BCI3 )
gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece tungsten flamanın dışında bir bor plaka oluşur.
Bor elyaflar değişik çaplarda üretilebilirler (0.05 mm- 0.2 mm arasında). Tungsten
çekirdek ise daima 0.01 mm çapında üretilir.
22
Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler Çekme
mukavemetleri 27_58 MPa ile 3447 MPa'dır. Elastik modül ise 400 GPa'dır. Bu değer S
camının elastik modülünden 5 kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor
elyaflar, uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak mukavmetlerinin
çok yüksek olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır.
Bor elyafların silisyum karbür ( SiC ) veya bor karbür ( B4C ) kaplanmasıyla yüksek
sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli
ölçüde arttırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıktan 2040 °C civarındadır.
2.4.3. Silisyum Karbür Elyaflar
Bor gibi silisyum karbürün tungsten çekirdek üzerine kaplanması ile elde edilir. 0.1
mm ile 0.14 mm çaplannda üretilirler. Yüksek sıcaklıklardaki özellikleri bor elyaflardan
daha iyidir. Silisyum karbür elyaf 1370 °C de mukavemetinin sadece % 30'unu kaybeder.
Bor elyaf için bu sıcaklık 640 °C 'dir.
Bu elyaflar genellikler titanyum matrisle kullanılırlar. Jet motor parçalarında titanyum,
alüminyum ve vanadyum alaşımlı matris ile kullanılırlar.Ancak silisyum karbür elyaflar,
bor elyaflara göre daha yüksek yoğunluğa sahiptirler. Silisyum karbürün karbon çekirdek
üzerine kaplanması ile üretilen elyafların yoğunluğu düşüktür.
2.4.4. Alümina Elyaflar
Alümina alüminyum oksittir (AI2O3). Elyaf formundaki alümina, 0.02 mm
çapındaki alümina flamanın silisyum dioksit (SİO2) kaplanması ile elde edilir.
Alümina elyafların çekme mukavemetleri yeterince yüksek değildir. Ancak basma
mukavemetleri yüksektir. Örneğin, alümina/epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri
2275 ile 2413 MPa'dır. Ayrıca yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak motorlarında
kullanılmaktadırlar.
2.4.5. Grafit (Karbon) Elyaflar
23
Karbon, yoğunluğu 2.268 g/cm olan kristal yapıda bir malzemedir Karbon elyaflar cam
elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur Hem
karbon hem de grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden üretilirler. Bu malzemeler hammadde
olarak bilinirler. Karbon elyafların üretiminde üç adet hammadde mevcuttur.
Bunlardan ilki rayondur (suni ipek). Bu hammadde inert bir atmosferde 1000-3000 °C
civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk
sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler.
Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı
elyaflar 2413 ile 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri
düşüktür. Bu nedenle belirgin bir üstünlüğe sahiptirler.
Petrolün rafinesi ile elde edilen zift bazlı elyaflar İse 2069 MPa değerinde çekme
mukavemetine sahiptirler. Mekanik özellikleri PAN bazlı elyaflar kadar iyi değildir.
Maliyetleri düşüktür.
Karbon ve grafit aynı hammaddeden elde edilirler. Grafit daha yüksek sıcaklıkta elde
edilir, bu da daha yüksek saflık sağlar. Karbon ve grafit elyafların karşılaştırılması Tablo.2.
'de verilmektedir.
Tablo.2: Karbon ve grafit elyafların karşılaştırılması
Özellik
Saflık ( % )
İşlem Sıcaklığı (°C)
Elastik Modül (GPa)
Grafit
99
>1700
>345
Karbon
93-95
<1700
<345
Grafit elyaflar yaklaşık 0.008 mm çapında üretilirler. PAN bazlı grafit elyaflar çeşitli
özelliklerde üretilebilirler.
Karbon elyafların en önemli özellikleri düşük yoğunluğun yanı sura yüksek
mukavemet ve tokluk değerleridir. Karbon elyaflar nemden etkilenmezler ve sürünme
mukavemetleri çok yüksektir. Aşınma ve yorulma mukavemetleri oldukça iyidir. Bu
nedenle askeri ve sivil uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanına sahiptirler. Karbon
elyaflar çeşitli plastik matrislerle ve en yaygın olarak epoksi reçinelerle kullanılırlar.
Ayrıca karbon elyaflar alüminyum, magnezyum gibi metal matrislerle de kullanılırlar.
24
2.4.6. Aramid Elyaflar
Aramid "aromatik polyamid" in kısaltılmış adıdır. Polyamidler uzun zincirli
polimerlerdir. Aramidin moleküler yapısında altı karbon atomu birbirine hidrojen atomu ile
bağlanmışlardır.
İki farklı tip aramid elyaf mevcuttur Bunlar Du Pont firması tarafindan geliştirilen
Kevlar 29 ve Kevlar 49'dur. Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi
elyaf ekseni doğrultusunda çok iyi iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır. Aramid
elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyet özelliklerine
sahiptirler. Darbe direnci yüksektir, gevrekliği grafitin gevrekliğinin yarısı kadardır Bu
nedenle kolay şekil verilebilir. Doğal kimyasallara dirençlidirler, ancak asit ve alkalilerden
etkilenirler.
Her iki kevlar da 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve kopma
uzamalan % 1.8'dir. Kevlar 49'un elastik modülü Kevlar 29'unkinden iki kat fazladır.
Kevlar elyafin yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklanndan daha düşüktür.
Kevlar 49/epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit/epoksi kompozitlere oranla
yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha iyidir.
Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla birlikte
hibrid kompozit olarak kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar. Aramid elyaflar
elektriksel iletkenliğe sahip değildirler. Basma mukavemetlerinin iyi olmamasının yanı sıra
kevlar/epoksi kompozitlerinin nem absorbe etme özellikleri kötüdür.
2.5.MATRİS MALZEMELERİ
Kompozit yapılarda matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları bir arada
tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir
25
matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam
ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir.
Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri
açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Örneğin matris malzemesi
olmaksızın bir elyaf demeti düşünüldüğünde yük bir ya da birkaç elyaf tarafindan
taşınacaktır. Matrisin varlığı ise yükün tüm elyaflara eşit olarak dağılımını sağlayacaktır.
Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve
matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gerektirir.
Elyaf yönlenmelerine dik doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris
arasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapının mukavemetim belirleyici önemli hususlardır.
Matris elyafa göre daha zayıf ve daha esnektir. Bu özellik kompozit yapıların tasarımında
dikkat edilmesi gereken bir husustur.
Matrisin kesme mukavemeti ve matris ile elyaf arası bağ kuvvetleri çok yüksek ise
elyaf ya da matriste oluşacak bir çatlağın yön değiştirmeksizin ilerlemesi mümkündür. Bu
durumda kompozit gevrek bir malzeme gibi davrandığından kopma yüzeyi temiz ve parlak
bir yapı gösterir Eğer bağ mukavemeti çok düşükse, elyaflar boşluktaki bir elyaf demeti
gibi davranır ve kompozit zayıflar. Orta seviyede bir bağ mukavemetinde ise elyaf veya
matristen başlayan enlemesine doğrultuda bir çatlak elyaf/matris ara yüzeyine dönüp elyaf
doğrultusunda ilerleyebilir. Bu durumda kompozit sünek malzemelerin kopması gibi lifli
bir yüzey sergiler.
Kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan matris malzeme tipleri epoksi, polyester,
vinylester ve fenolik reçinelerdir. Yüksek mukavemet gerektirmeyen durumlarda en çok
kullanılan matris malzemesi polyester reçinesidir. Gelişmiş kompozitlerin üretiminde ise
genellikle epoksi reçinesi kullanılmaktadır. Matris iyileştirilmesi çalışmaları özellikle
yüksek sıcaklıkta kullanıma uygun ve düşük nem duyarlılığına sahip yapıların üretilmesi
doğrultusundadır. Tablo.3'te baza matris malzemelerinin önemli özellikleri verilmiştir.
Tablo.3: Bazı matris malzemelerinin özellikleri.
Özellikler
Epoksi
Oda Sıc.
Kürlenmiş
Epoksi
Yük. Sıc.
Kürlenmiş
Polyster
Epoksi
G li
Fenolik
i
26
Özgül ağırlık
(g/cm3)
Elastik modül
(GPa)
Çekme muk.
(MPa)
Kop. Uzaması
(%)
Maks. işlem sıc.
(°C)
1.1-1.3
1.2-1.4
1.3
1.2
1.2-1.3
2-3
2.5-3.0
3.5
2-3
5-11
50-70
70-90
60
50-60
50-60
2-5
2
2-3
1.2
100-180
180
60-80
100-125
2-6
70-100
2.5.1. Epoksi Reçine Matrisler
Epoksiler iki ya da daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar Polifenol'ün
epikloridin ile bazik şartlarda reaksiyonu sonucu elde edilirler. Viskoz ve açık renkli bir
sıvı halindedirler.
Epoksilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımları 150-200 °C
seviyelerine arttırılabilir. Saydam ve yapışkan hal amorf polimerlerin karakteristiğidir.
Tüm polimerler düşük sıcaklıkta saydamlaşırlar ve yüksek sıcaklıkta kauçuklaşırlar.
Geçişin meydana geldiği sıcaklık aralığına "cam geçiş sıcaklığı" adı verilir. Cam geçiş
sıcaklığı, maksimum çalışabilme sıcaklığının bir ölçüsüdür. 100 °C'de uygulanan bir kür
işlemi ile maksimum çalışma sıcaklığı 90-100 °C arttırılabilir. 150-250 °C arasında
uygulanacak bir kür ile 150-250 °C arasında uygulanan maksimum çalışma sıcaklığı
sağlanabilir. Kür işlemleri uygun katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir.
Epoksilerin avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenmiştir:
Avantajları:
1- Yüksek aşınma direncine sahiptirler.
2- Uçucu değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir.
3- Düşük ve yüksek sıcaklıklarda sertleşebilme özelliğine sahiptirler.
4- Elyaf yapılarla yüksek bağ mukavemeti sağlarlar.
Dezavatajları:
1- Polyesterle karşılaştırıldığında pahalıdır.
2- Polyestere oranla yüksek viskoziteye daha az uygundur.
27
Epoksiler avantajlarının çokluğu ve tüm elyaf malzemelerle kullanılabilir yapılar
olmaları nedeniyle, uçak yapısında tabakalı kompozit yapılar olarak yaygın bir kullanım
alanına sahiptirler. Genellikle karbon elyaflar/a birlikte kullanılırlar.
2.5.2.
Polyester Reçine Matrisler
Polyester matrisler dibazik asitlerin, dihidrik alkoller (glikol) ya da dihidrik fenollerle
karışımının yoğuşması ile şekil alırlar. Polyesterin ana tipleri, polyester bileşeninin doymuş
asitle ya da alternatif malzeme olarak glikolle modifikasyonu temeline dayanır. Ayrıca kür
işlemi ile matrisin esnekliği iyileştirilerek kopma gerilmesi arttırılabilir.
Polyester matrislerin avantaj ve dezavantajlan aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Avantajları:
1- Takviyelerin neminin kolayca dışarı atılabilmesine izin veren düşük viskoziteye
sahiptirler.
2- Düşük maliyetlidirler.
3- Çeşitli uygulamalar için geniş bir sınır içinde kolay imal edilebilirler.
4- Çevresel dayanımları iyidir.
Dezavantajları:
1- Kür sırasındaki yüksek egzotermik reaksiyon zayıf elyaf/matris bağ mukavemetine
neden olur.
2- Sistem gevrekleşmeye eğilimlidir.
3- Çok seyreltik alkalilere bile zayıf kimyasal direnç gösterir.
Polyester reçinelerin, epoksi reçinelere göre elyaf/matris arası bağ mukavemetinin
daha düşük olması nedeniyle, uçak yapılarındaki kullanım alanları küçük uçaklarla ve
planörlerle sınırlıdır.
28
2.5.3. Vinylester Reçine Matrisler
Polyesterlere benzerler. En önemli avantajları elyaf ve matris arasında iyileştirilmiş
bir bağ mukavemetine sahip olmalarıdır. Polyesterde glikolun bir kısmının yerine
doymamış hidrosilik bileşenlerin kullanılması ile elde edilirler.
2.5.4.
Fenolik Reçine Matrisler
Fenol, alkalin şartlar altında formaldeitle yoğuştuğunda polimerizasyon oluşur.
Polimerizasyon asidik şartlar altında yapılır. Fenolik reçinelerin en büyük avantajı yüksek
sıcaklık dirençleridir. En önemli dezavantajlan ise, diğer matris malzemelerine göre
mekanik özelliliklerinin düşük olmasıdır. Bu nedenler uçak yapılarında tercih edilmezler.
2.5.5. Metal Matrisler
Kompozit malzemelerde, matris malzemesi olarak mukavemetli ve hafif metaller
kullanılır. En yaygın olanları alüminyum, titanyum ve magnezyumdur. Takviye olarak da
berilyum, molibden, çelik ya da tungsten elyaflar kullanılır. Ayrıca SiC kaplı bor elyaflar
ve grafit elyaflarda kullanılır. Bu kompozitlerde de diğerlerinde olduğu gibi elyaflar yapıya
mukavemet ve tokluk kazandırırken metal matris de elyafları bir arada tutar, gerilmeleri ve
yükleri şekil değiştirerek karşılar. Bu kompozitler, yüksek sıcaklık dayanımlarının
mükemmelliği nedeniyle, uçak motorlarında kullanılmaktadırlar.
Ancak metal matrisli kompozitlerm üretiminde kimi problemler söz konusudur. İnce
elyaf yapılar kompozit üretiminde ergimiş matris malzemesinin içine yerleştirilir. Reçine
matrislerin ergime sıcaklıklan elyaflarınkinden düşüktür. Ancak, metal matrislerin ergime
sıcaklıklan yüksek olduğundan problemler yaşanır. Yüksek sıcaklık elyaflara zarar
verebilir. Bu nedenle metal matrisler için farklı yöntemler kullanılmalıdır. Elektriksel
kaplama işleminde elyafların üzeri metal ile kaplanır. Plazma spreyi ise bir başka kaplama
yöntemidir. Metal plazma haline getirilerek elyafların üzerine sprey şeklinde kaplanabilir.
29
2.6. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLER (PMK)
Polimerler, metal ve seramiklere göre çok daha fazla komplekstirler. Matris olarak
kullanılan polimerler ucuz ve kolaylıkla çalışılabilir malzemelerdir; Diğer taraftan düşük
modüle ve düşük kullanım sıcaklığına sahiptirler. Termoset ve termoplastikler olarak iki
gruba ayrılan polimer matrisler genelde sürekli fiber takviyeli olarak kullanılırlar.
Bunlardan en önemli olanları sürekli fiberlerle takviye edilen polyester ve epoksi reçine
matrisleridir. Epoksi reçine matrisli kompozitlerinin en önemli uygulamalarından biri
havacılık uygulamalarıdır. Polimer matrisli kompozitlerle çalışırken göz önüne alınması
gereken en önemli faktörlerden biri sıcaklık, diğeri ise nemdir. Özellikle bu iki faktörün
beraber etkin olduğu şartlarda polimer matrisli kompozitlerin mekanik özelliklerinde
hidrotermal etkilerden dolayı düşüşler meydana geldiği belirtilmektedir. Polimer matrisli
kompozitlerin üretilmesinde en çok bilinen ve en fazla kullanılan metotlardan bazıları; elle
sıvama, tel sarma, kese kalıplama işlemi, pultrüzyon metodu, sıvı akış tekniği, takviyeli
reaksiyon enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve termo oluşum metottadır. Polimerlerde
kullanılan takviye malzemelerinden en önemli olanlarının cam fiber, kevlar fiber, boron
fiber ve karbon fiberler olduğu rapor edilmektedir.
2.6.1. Polimerler
Polimerler yapısal olarak, metal ve seramiklerden çok daha karmaşık yapılara
sahiptirler. Diğer taraftan polimerler daha düşük mukavemet ve daha düşük kullanım
sıcaklığı sergilerler. Güneş ışınlarına uzun süre maruz kalan polimerlerde ve değişik
çözücü şartlarında kullanılan polimer malzemelerde polimer özelliklerinde bozulmalar
meydana gelir. Kovalent bağlarından dolayı polimerler genelde çok zayıf iletkenlik
gösterirler. Bunun yarımda metallere göre kimyasal maddeler karşısında daha yüksek
dirence sahiptirler. Yapısal olarak polimerler çok uzun ve büyük zincir yapılı
moleküllerdir. Dolayısıyla makromoleküller olarak da adlandırılabilirler.
Molekül zincir şekillerinin farklılığı göz önüne alındığında ortaya dört değişik polimer
yapısı çıkmaktadır. Bunlar:
1-
Lineer Polimerler
2-
Dallanmış Polimerler
3-
Zincir Yapılı Polimerler
4-
Merdiven Yapılı Polimerler
30
- Termoplastikler: Termoplastikler ergitilip herhangi bir şekilde katılaştırıldıklarında
tekrar ergitilip kullanılabilme özelliğine sahiptirler. Isıtıldıklarında akıcı hale gelir ve
istenen kalıbın şeklini kolayca alabilirler. Termoplastik molekülleri lineerdir ve çapraz
bağlanmazlar. Üç boyutlu bir zincir yapısı teşkil etmeyen moleküller yan zincirler veya
gruplar ihtiva ederler. Rijit bir yapıya sahip değildirler. Kompozit malzeme üretiminde en
çok kullanılan termoplastikler, polietilen, polisitren ve polimetümetakrilattır (PMMA).
Kompozit malzeme üretiminde kullanılan termoplastik malzemeler kabaca iki
grupta değerlendirilmektedirler. Bunlar;
i) Endüstriyel Termoplastikler: Kısa (1-3 mm) fiber takviyeli kompozitler
ii) Yüksek Performanslı Termoplastikler: Yüksek kullanım sıcaklığı, yüksek mukavemet ve
yüksek maliyetlidirler. Örnek: Polietereterketon (PEEK)
- Termosetler: Bu tür polimer malzemelerin bağ yapılan genelde çapraz ve üç boyutlu
şebeke yapısı göstermektedir. Ergitilip soğutulduğunda katılaşma anında çapraz bağlar
ilerler ve dolayısıyla katılaşma tamamlandığında tekrar ergitilemezler.
Termosetlerde polimerizasyon sırasında molekülün reaktif olan kısmı moleküller
arasındaki zincir yapıyı teşkil eder. Isıtıldıkları zaman akıcı özellikler göstermeleri için
kısmen polimerleşmiş durumda kalıplanırlar. Kalıplama sırasında polimerleşme ilerleyerek
plastik geniş ölçüde çapraz bağlanmaya geçer ve akıcılık özelliğini kaybeder.
Kısmen polimerleşmiş durumdaki termoset polimerlere reçine (rezin) adı verilir.
Reçinenin son duruma getirme işlemine ise pişirme veya sertleştirme (Curing) denilir.
Kompozit malzeme imalinde en çok kullanılan malzemeler reçinelerdir. Ekonomik ve
gelişmiş özelliklere sahip parçalar termoset plastikler kullanılarak kolaylıkla yapılabilirler.
Deniz araçlarının imalinde, otomotiv sanayiinde, inşaat sektöründe, depo, tank, boru ve
mobilya imalinde bu malzemeler ekonomik olduğundan dolayı ve aranan özellikleri
taşıdıklarından dolayı büyük önem kazanmışlardır.
Termoset plastikler içinde en çok bilinen ve dolayısıyla en çok kullanılanları
aşağıda verilmektedir.
a-)Polyesterler: Polyesterler bir asitle bir alkolün yoğunlaşma polimeridir. Polyesterlerin
özellikle bir takviye malzemesi ile birlikte kompozit malzeme olarak kullanım alanları
oldukça çoktur. Su depolan, yakıt tanklan, inşaat malzemeleri, otomobil karoserleri,
31
kotralar, kayıklar, absorbsiyon kuleleri, yıkama kuleleri, spor araçları, uçak ve
helikopterlerin değişik parçaları.
b-)Epoksi Reçineler: Pişmemiş reçine iki ucunda birer epoksi grubu bulunan polimer
molekülleri zincirinden meydana gelir. Zincir uzunluğunu değiştirmekle pişmemiş reçine
düşük viskoziteli bir sıvıdan yüksek ergime noktalı katıya kadar çeşitli kıvamlarda elde
edilebilir. Epoksi grupları çok reaktiftir ve sertleştirici olarak da kullanılacak çok çeşitli
maddeler mevcuttur. Sertleştiricinin cinsini ve reçine zincirinin uzunluğunu değiştirmekle
epoksi reçinelerin özelliklerini değiştirmek mümkündür. Epoksi reçineler metaller, cam,
porselen, taş, beton, lastik, doğal organik maddeler ve plastikler gibi birçok malzeme ile
kolayca yapışabilirler. Bundan dolayı kompozit malzeme üretiminde bu reçinelerin yeri
büyüktür. Takviye edilmiş epoksi reçineler (PMK) polyesterlerin uygulama alanlarında
kullanılmakla birlikte bu malzemeler yüksek dielektrik sabitine ve ark direncine sahiptir.
Dolayısıyla daha çok elektrik endüstrisinde kullanılırlar. Mukavemetleri polyesterlere göre
daha yüksek ve daha pahalıdır. Polyester malzemelerin kullanıldıkları alanlarda daha
yüksek özellikler verecek şekilde kullanılırlar.
c-)Fenolik Reçineler: Fenolik reçineler plastik ailesinin en eski ve geniş üyesidir. Bunlar
bağ yapılarına göre termoset veya termoplastik olabilirler.
d-)Furan Reçineler: Reaksiyondan viskoz koyu kahverengi bir şurup elde edilir. Bu şurup
ısı ve katalizör ile sertleştirilecek olursa çok yüksek kimyasal dirençli katı ve erimeyen
ürünler üretilebilir.
e-)Silisyum Reçineleri: Si reçineleri 100-250 °C arasında hiçbir özelliğim kaybetmeden
kullanılabilirler. Hatta bazı katkı ve ilaveler sonucunda 250-600 °C ye kadar
kullanılabilirler. Yüksek sıcaklıkta yüksek mekanik ve dielektrik özelliklere sahiptirler. Si
reçinelerinden elde edilen tabaka yapılı malzemeler uçaklarda ve uzay endüstrisinde
kullanılırlar. Spesifik mukavemetlerinin yüksekliği yanında ısıl özellüderinin yüksekliği
maliyetlerinin yüksek olması dezavantajlarım elimine etmektedir.
f-)Alkid Reçineleri: Alkid reçineleri genellikle örtü boyalan olarak kullanılabilecek
ürünler veren yağ ve yağ asitleri ile poliasit ve poliollerin yoğunlaşması ürünü olan
polimerlerdir.
g-)Amino Reçineler: Amino reçine hammaddelerinin bilhassa alkid reçineleriyle
karışımları son yıllarda örtü boyalan sanayiinde önemli bir yer işgal etmektedir.
32
2.6.2. PMK Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri
a) Karbon Fiberler
Karbon elementi 2.268 g/cm3 yoğunluğu ile oldukça hafif bir elementtir. Bunun
yanında karbon, çok değişik kristal yapılarında bulunabilmektedir. Takviye amaçlı
kullanılan karbon fiberler hegzegonal yapıda olan grafit kristalleri halindedir. Karbon
fiberlerde fiber çaplan 7-8 μ m, sürekli veya kısa olabilir. Bu fiberler petrol veya
kömürden üretilirler. En önemli karbon fiberleri PAN (polyakrilonitril) fiberlerdir. PAN
fiberleri iki şekilde üretilmektedirler.
PAN I: Yüksek modül, düşük mukavemet ,PAN II : Düşük modül, yüksek mukavemet
b) Cam Fiberler
Fiber üretimi amacıyla çok değişik bileşimde cam mineraller loUlanılmaktadır.
Bunlardan en önemlisi bir kısmı oksit, kalsiyum, bor, sodyum, demir ve alüminyum içeren
silika (SiO^dır. En önemli cam fiberler Tablo.4'de verildiği gibi E, C ve S camı olmaktadır.
Bileşen
Sİ02
Aİ203,Fe203
CaO
MgO
Na20, K20
Ba203
BaO
E Camı
52.4
14.4
17.2
4.6
0.8
10.6
-
C Camı
64.4
4.1
13.4
3.3
9.6
4.7
0.9
S Camı
64.4
25.0
10.3
0.3
-
Tablo.4.: Cam fiber üretiminde kullanılan cam çeşitleri ve bileşimleri (% ağırlıkça)
E camlarında E harfi, elektriksel özellikli camı ifade eder. E camlan iyi mukavemet,
modül ve elektriksel özelliklerinden dolayı kullanılır ve fiber üretimi oldukça kolaydır.
C camlarında C harfi, korozyona dayanımı temsil eder. C camlan kimyasal korozyona
karşı oldukça dirençlidirler. Ancak mekanik özellikleri E camına göre daha kötüdür. Bunun
yanında maliyeti de yüksektir.
S camlarında S harfi, yüksek mukavemet ve modülü temsil eder. S camı, hem E hem
de C canımdan daha yüksek maliyete sahip olmasına rağmen çok daha yüksek mukavemet
33
ve elastik modül özellikleri sergiler. Bunun yanında yüksek sıcaklıkta bile mukavemetini
muhafaza edebilir.
c) Aramid (Kevlar) Fiberler
Kevlar (Aramid, p-fenoleneterfatalamid), karbon, hidrojen, oksijen ve azotun aromatik
organik bir bileşimidir. Aramid fiberler, Kevlar 29 (yüksek mukavemet, düşük yoğunluk)
ve Kevlar 49 (yüksek mukavemet, düşük yoğunluk ve yüksek modül) ismi altında üretilip
kullanılmaktadır.
Özellik
Yoğunluk ( g/cm )
Fiber Çapı (um )
Çekme Gerilmesi ( GPa )
Uzama ( % )
Young Modülü ( GPa )
Kevlar 29
1.44
12
2.8
4.0
65
Kevlar 49
1.44
12
2.8
2.3
125
Tablo.5: Kevlar 29 ve Kevlar 49 fiberlerinin özellikleri
PMK malzemelerin üretiminde kullanılan fiberler genelde sürekli karakterdedirler.
Karbon ve Kevlar fiberler genelde sürekli fiber takviyeli PMK malzemelerin takviye
edilmesinde kullanılmakta iken özellikle cam fiberler yapısal PMK malzemelerde kısa
olarak kullanılmaktadırlar. Karbon fiberlerin de özellikle yüksek aşınma dayanımı ve ısı
üretiminin istendiği kompozit malzemelerde kısa olarak matris içine dağıtıldıklan ifade
edilmektedir. Fiberlerin kısa olarak kullanılmasının diğer nedenleri ise maliyettir. Kısa
fiberler sürekli olanlara göre dana ucuz olarak üretilebildikleri gibi kompozit malzeme
üretiminde matris içine daha kolay dağılabilirler. Kompozit malzemeden anizotropik
özellikler beklenmiyorsa kısa fiber takviyeli kompozitler daha optimum özellikler
sergilemektedirler.
Polimer matrisli kompozit malzemelerde kullanılan sürekli fiberler metal matrisli
kompozitlerin üretiminde kullanılan fiberlere sürekli olmaları açısından benzerlerken,
fiberlerin matris malzemesi ile kullanımı takviye yön ve şekilleri açısından farklıdır.
2.6.3. Polimer Matrisli Kompozitlerin Mekanik Özellikleri
Polimer malzemelerin çeşitli yüksek modül ve yüksek mukavemet gösteren takviye
fazlan ile takviye edilip üretilmesi ile mukavemet ve elastik modül değerleri 2-3 ve hatta
bazı durumlarda 5-10 kata kadar yükselmektedir.
34
Sistem
Young Modülü ( GPa)
Kayma Modülü ( GPa )
Çekme Mukavemeti (MPa)
Kayma Mukavemeti (GPa)
Poisson Oranı
Polyester-Cam
35-40
3.5-5.5
650-750
45-60
0.26
Epoksi-PAN I
190-240
5.8-3.6
850-1100
60-75
0.26
Epoksi-Kevlar 49
65-75
4-5
1110-1250
40-60
0.35
Tablo.6: Hacimce % 50 Fiber Takviyeli PMK Malzemelerin Özellikleri
Polimer matrisli kompozit malzemelerde metal matrisli kompozit malzemelere benzer
şekilde, takviye malzemesi ve polimer arasında uygun bir kimyasal veya mekanik bağın
olması gerekmektedir. Bağ yapışırım zayıf olduğu PMK malzemelerde yük yükleme
sırasında fiberler matristen sıyrılarak (fiber pull-out) yükü taşımazlar. Bunun yanında
matris fazı güneş ışınlanndan veya nemden hasar görerek kompozitin mekanik
özelliklerinin düşmesine yol açabilmektedir. PMK malzemeler MMK malzemelere göre
korozyona karşı daha dayanıldı ve hafiftirler. Bu sebeple genellikle sulu ortamlarda ve
uzay araçlarında metallerden daha çok kullanılırlar.
2.6.4. Polimer Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları
PMK malzemelerin uygulama alanlan 4 ana grupta toplanmaktadır. Bunlar;
- Otomobil endüstrisi
-Uzay ve uçak sanayi
-Yapısal bileşenler
-Spor araçları
PMK malzemeler yüksek spesifik özellikleri ve iyi korozyon dirençlerinden dolayı
metallere göre tercih edilmektedirler. PMK malzemelerin en önemli dezavantajları, yüksek
sıcaklık
mukavemetlerinin
düşük
olması
ve
bu
paralelde
yüksek
sıcaklıkta
çalışamamalarıdır. Son yıllardaki çalışmalar PMK malzemelerin çalışma sıcaklıklarını
yükseltme üzerinde yoğunlaşmıştır.
Kevlar ve cam fiber takviyeli PMK malzemeler bugün en çok kullanılan kompozit
malzeme grubunu teşkil etmektedirler. Uçaklar ve helikopterlerin çok önemli
bileşenlerinde
PMK
malzemeler
başarıyla
kullanılmaktadırlar.
Black
Hawk
helikopterlerinin dizaynında kevlar, grafit, cam ve bor fiber takviyeli polimer matrisli
35
kompozit malzemelerin kullanıldığı kısımlar mevcuttur. Ayrıca S-72X1 helikopterlerinin
pervane sistemi polimer matrisli kompozitlerden dizayn edilmiştir.
PMK malzemeler günlük hayatta da her yerde karşımıza çıkmaktadırlar. Elle sıvama
yöntemiyle üretilen cam fiber takviyeli polimer su tankları ve yine PMK malzemelerden
üretilen müzik seti kolonları, radyo ve televizyon parçaları her yerde karşımıza
çıkmaktadırlar. Bunun yanında PMK malzemeler yeni ve gelişmiş köprü dizaynlarında,
elektronik sanayiinde çeşitli parçaların imalinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. PMK
malzemelerin kullanım alanları son yıllarda önemli ölçüde otomotiv sanayiinde de
kullanım yeri bulmuştur. Yarış arabalarının yüksek mukavemet gerektirmeyen akşamlan
yıllardır PMK malzemelerden inşa edilmektedir. Bununla beraber büyük otomobil
firmaları
otomobil
karoserlerinin
PMK
malzemelerden
üretilmesi
çalışmalarını
yoğunlaştırmıştır. Bundan birkaç yıl önce Ford firması otomobilin motor dışındaki
bileşenlerinın tamamına yakın kısmını PMK malzemelerden yapmıştır. Ford firmasının
yakın gelecekte otomobillerinin tamamını kompozitlerden üretme yoluna gideceği
bildirilmektedir.
2.7. SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER (SMK)
Seramik malzemeler çok sert ve kırılgandırlar- Bunun yanında yüksek sıcaklıklarda
bile yüksek elastik özellikler gösterirlerken kimyasal olarak merttirler ve ayrıca düşük
yoğunluk gibi özellikler sergilemektedirler. Seramik malzemeler termal şok direncinin ve
tokluğunun düşük olduğu malzemelerdir. Dolayısıyla kullanımları sırasında ani hasar
sergilediklerinden faciaya yol açacak özelliktedirler. Seramik malzemelerin seramik
fiberler ile takviye edilmesi durumunda, mukavemet yükselmekte ve tokluklar da
artmaktadır. Bu uygulamayla monolitik seramiklere oranla tokluk 20 kata kadar
arttırılabilmektedir. Alümina ve Zirkonya esaslı seramik kompozitler üzerindeki son
yıllardaki çalışmalar, bu malzemelerin sadece roket başlığı, uzay araçları gibi
uygulamalarda değil aynı zamanda insan vücudunda da kullanılmaya başlanmasına
sebebiyet vermiştir. Seramik matrisli kompozitlerde proses parametreleri ile oynayarak
mikro
çatlaklar
oluşturulmaktadır.
Bu
çatlaklar
gerilme
konsantrasyonlarının
yoğunlaşmasını engelleyerek gerilmeleri absorbe etmektedirler.
Seramik matrisli kompozitlerin üretimleri iki aşamalı bir prosestir. Birincisi takviye
malzemelerinin matris içine verilmesi ve ikincisi ise matrisin yoğunlaştırılmasıdır. Üretim
metotlarının bazıları, viskoz infiltrasyon, sıcak izostatik presleme, infiltrasyon, toz
36
metalürjisi içerisinde sayılabilen tüm metotlar, kimyasal reaksiyon, sol-jel ve polimer
piroliz metotlarıdır.
2.7.1. SMK Malzemelerde Matris Malzemeleri
a) Oksit Olmayan Matris Malzemeleri
Karbürler : Silisyum karbür (SiC), ticari olarak bilinen ve yüksek modül, mukavemet
özellikleri gösteren bir seramiktir. Yıllardır bilinen ve kullanılan SiC, diğer seramiklerle
beraber kompozit formunda gaz türbinlerinde ve roketlerde yaygın olarak kullanılmışlardır.
Silisyum karbürün en önemli özelliği, tüm çevre şartlan ve 2000 °C ye kadar tüm
sıcaklıklarda gevrekliğini kaybetmemesidir. SiC matrisli kompozitlere bilinen en eski
örnek, bu seramiğin Sİ3N4 partikülleri ile takviye edilmiş şeklidir. SiC matrisi monolitik ve
ince partiküller halinde matris malzemesi olarak kullanılırken fiber veya wisker halinde de
loıUanılmaktadır. Sic fiberlerinin matris olarak kullanıldığı kompozit sistemlere en iyi
örnek SiC ve grafit fiberlerinin birlikte kullanılmasıdır.
SiC dışında seramik matrisli kompozitlerde kullanılan bir diğer karbür ise TiC'dir. TiC
yüksek ergime sıcaklığına ve düşük oksidasyon direncine sahiptir. Bu seramik malzemeye
ilave edilen çeşitli diğer seramiklerle oksidasyon direncinin arttırılmasına çalışır.
B4C fiberleri veya partikülleri seramik matrisli kompozitlerin üretiminde kullanılan ve
eşsiz elastik modül ve mukavemet değerine sahip bir seramiktir. Matrisli veya takviyeli
seramik kompozitler, aşınmaya dayanıklılık isteyen çeşitli yapısal uygulamalarda ve askeri
araçlarda zırh olarak kullanılmaktadır.
Borürler : TiB2 borür matrisli kompozitlerin uygulamada bilinen en önemli
yeri.,alüminyum rafinasyonu sırasında eriyik alüminyum ve cürufla temas eden elektrot
olarak kullanılmasıdır. Bu kompozitlerde dispersiyon, yani takviye edici faz olarak en
fazla TiC, WC, A1N, SiC ve ZrC kullanılır. Stabilize edilmemiş (kararsız) Zr02' de TiB2
esaslı matris malzemelerinde takviye fazı olarak kullanılmakta ve böylece TiB2’ ün
mukavemet ve tokluğu arttırılmaktadır. Bu kompozitlerde mekanik özelliklerin
37
yükselmesinin nedeni ise Ti ile kararlı hale gelen tetragonal zirkonya partiküllerinin
oluşumu ve TİB2, ZrB2 gibi çökelti fazlarının matriste oluşmasıdır.
Nitrürler : Bugüne değin SiC whiskerlerinin Sİ3N4 matrisi içine disperse edilmesi üzerine
sayısız çalışma yapılmıştır. SiC whiskerli Sİ3N4 matrisine % 40 oranında ilave edilirken
kırılma tokluğunu önemli ölçüde arttırırken kırılma mukavemetinde bir miktar düşüşe yol
açmaktadır. SiC fazının sürekli fiberler halinde sıvı Sİ3N4 matrisinden geçirilip kaplanması
ve daha sonra sıcak preslenmesi sonucu kırılma tokluğunun 2.5 kat arttığı sonucu
gözlenmiştir. Matrisine BN (Bor nitrür) partiküllerinin ilave edilmesi ise kompozitin
termal şok ve elektrik direncini arttırmaktadır. Sİ3N4 / BN kompozit
sistemine %6 oranında Ce02 ilavesi mukavemet ve kırılma tokluğunda düşüşe yol
açarken SisN/ün elektrik özellikleri ve termal şok direnci artmaktadır.
b) Oksit Esaslı Matris Malzemeleri
Oksit esaslı seramik malzemelerin en önemlileri AI2O3 ve ZrO2 kompozitleridir. Bu
matrislere ilave edilen fazlar oksit (SİO2), karbür (SiC), nitrür (Sİ3N4) ve grafit partikül,
fiber veya whiskerleri olabilir.
Alümina Seramikler : Alümina inert ve potansiyel olarak ucuz bir seramiktir. Alümina
ergime
noktasına
kadar
tüm
sıcaklıklarda
oksijene
karşı
kararlı
yani
oksitlenmemektedir.Eriyik metallerle kimyasal olarak reaksiyona girmediğinden dolayı
metalürji sanayiinde sıvı metal ile temas gereken yerlerde yaygın olarak kullanılırlar. Bu
nedenle alümina seramikleri izolasyon ve takviye amaçlan ile kullanılmaktadırlar.
Alüminanın gösterdiği özellikler aşağıda özetlenmektedir;
- Potansiyel olarak ucuzdurlar.
- Hem oksidan hem de nötr atmosferlerdeki yüksek sıcaklıklarda kimyasal olarak
merttirler.
- Sıvı metaller ve oksit olmayan seramiklerle kimyasal ve fiziksel uygunluk gösterirler.
- Düşük dielektrik sabitlerinden dolayı elektriksel olarak izoledirler.
- Optik olarak ışığı geçirirler ve şeffaftırlar.
- 1000 °C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerini kaybetmezler.
Zirkonya (ZrO2) Seramikleri: Bir seramik malzemenin termal veya mekanik gerilmeler
altında kullanılması seramiğin fiziksel ve mekanik özelliklerinin optimizasyonunu
38
gerektirir. Zirkonya ihtiva eden seramiklerin mükemmel termal şok direnci olması, son 2025 senedir araştırmacılar için ilgi çekici bir alan olmuştur.
Zirkonyumdioksit, ZrO2 (Zirkonya) yüksek ergime noktasına sahip ve kimyasal olarak
inert bir oksit olduğundan mükemmel bir refrakter malzeme olarak düşünülebilir. Fakat
böyle bir seramik ve malzemenin kullanımı, soğumada 1200 ve 1000 °C'ler arasında
görülen tetragonal-monoklinik faz dönüşümü yüzünden imkansızdır. Çünkü bu faz
değişimi ile bünyede %4 oranında hacim artışının sebep olduğu yüksek oranda çatlaklar
oluşur. Bu çatlaklar mekanik özellikleri çok kötü yönde etkilediği gibi bazen sinterlenen
seramik malzemenin parçalanmasına bile sebep olabilir.
2.7.2. Cam Seramik Malzemeler
Cam seramik malzemeler kristalleşmeye uygun camların kontrollü yöntemlerle
kristalleşmesi/ kristalleştirilmesi sonucu üretilen malzemelerdir. Bu malzemelerde
genellikle 1 mm dolayında ve daha küçük kristaller yaklaşık olarak toplam malzeme
hacminin %96-98'ini kaplamaktadır. Bu kristallerin yanında arta kalan cam malzeme de
vardır. Bu malzemeler işlendiğinde, geleneksel cam şekillendirme teknikleri ile istenen
şekilde ürünler elde edilir. Birçok sebepten dolayı küçük taneli kristallerin elde edilmesi
istenir. İstenen boyut ve şekilde kristal oluşumunu sağlamak için 1 cm3 hacimde yaklaşık
olarak 1012-1015 çekirdek yoğunluğu gerekmektedir. Bu yoğunlukta ve çoklukta çekirdek
elde etmek için cam-seramik, ergitme ve şekillendirme süreci sırasında çeşitli
çekirdeklendirici ilaveler kullanılır. Çekirdeklendirici ilave malzemeler içinde en
önemlileri TrO2, ZrO2 ve P2O5’dir. Bunun yanında bazı floritler de çekirdeklendirici olarak
kullanılmaktadırlar. Cam-seramik malzemeler içim genellikle kullanılan ilave miktarları
şöyledir; TrO2 (ağırlıkça %3-l 1), ZrO2 (ağırlıkça %4-5), P2O5 (ağırlıkça %2-5). Bazı
durumlarda ZrO2 ve TrO2 birlikte de kullanılabilir.
Değişik oranlarda kullanılan çekirdeklendirici malzemelerle birlikte ana kristal fazı
(matris) veya fazlan, çekirdeklenen fazın üzerinde büyürler. Bu büyümenin morfolojisi
dendiritik, spiral ve tabakalar şeklinde olabilir.
2.7.3. Seramik Kompozitlerin Mekanik Özellikleri
39
Seramik kompozit malzemelerle ilgili çalışmalar 1970'li yıllarda başlamıştır. N.E.
Claussen 1976'da AI2O3 içine %15 tetragonal Zr02 ilavesi sonucunda dönüşüm toklaşması
meydana geldiğini ispatlamıştır. Tablo.2.5.3.1de çeşitli seramik kompozitlerin özellikleri
verilmektedir.
Malzeme
Geleneksel Seramikler
SİO2 Esaslı (Or: Borosilikatcam)
AI2O3
B4C
ZrO2 (tamamen kararlı)
Sİ3N4 (sıcak preslenmiş)
Seramik Kompozitler
ZrO2 kristalleri (kısmen kararlı)
AI2O3 (hacimce %10 Z1O2)
AI2O3 (hacimce % 30 BN)
B4C (hacimce %50 C)
Cam-SiC fiber kompoziti
Mukavemet
(Mpa)
Kırılma Tokluğu
Kıc (Mpa m )
70
350-700
350
140-350
700-860
0.5
4
4
2.5
5
300
225
225
225
450
1400
700
350
200
350
6
8
6-9
3.5
7
450
900
500
1100
900
Termal
Şok
Direnci (°C)
Tablo.7: Seramik ve seramik kompozitlerin tipik oda sıcaklığı mukavemetleri,
kınlma tokluklan ve termal şok dirençleri.
Seramiklerin ve seramik kompozitlerin üstün özellikleri yıllardır bilinmesine rağmen
kırılma tokluğu gibi uygulamada çok önemli olan mekanik özelliklerinin düşük olması
bu malzemelerin çelik ve demir dışı alaşımların yerlerine kullanım alanlrını
engellemiştir. Seramik malzemeler çok sert olduklarından özellikle aşınma
uygulamaları için eşsiz malzemelerdir. Termal şok dirençleri ve gevrek olmaları bu
malzemelerin düşük yoğunluklarına ve dolayısıyla yüksek spesifik özelliklerine rağmen
kullanımları kısıtlanmıştır. Son yıllardaki çalışmalar seramik kompozitlerin özellikle
termal şok dayanımlarını ve kırılma tokluklarını yükseltmek üzerine olmuştur.
Seramik matrisli malzemelere SiC ilavesi kırılma dayanımlarını ve dolayısıyla
kırılma tokluklarını önemli ölçüde arttırmaktadır. Tablo.8'de çeşitli seramik
malzemelere SiC whisker ilavesinin kırılma mukavemetlerine ve kırılma tokluklarına
etkisi gösterilmektedir.
Takviye
( %Hacim )
15
0
30
40
Matris
Malzemesi
A1203
A1203
A1203
A1203
Kırılma
Mukavemeti
652
150
680
850
Kırılma
(Mpa'vm)
4.6
4.3
8.7
6.2
Tokluğu
Test
(°C)
25
25
25
25
40
Sıcaklığı
40
40
0
30
0
30
0
20
0
30
A1203
A1203
Müllit
Müllit
Zr02
Zr02
MoSi2
MoSi2
Sİ3N4
Sİ3N4
680
610
201
386
1150
600
150
310
662
450
6.4
8.7
2.45
3.52
6
11
5.3
8.2
7.1
10.5
1000
1200
25
25
25
25
25
25
25
25
Tablo.8: SiC whisker takviyeli seramik matrisli kompozitlerin mekanik özellikleri.
Seramikler ve seramik kompozitler, ileri teknoloji malzemeleri, ileri malzemeler veya
ince seramikler olarak da isimlendirilmektedirler. Bu malzemelerin en önemli üstünlükleri
aşağıdaki gibidir:
- Yüksek sıcaklık mukavemeti
- Nispeten düşük yoğunluk
- Yüksek elastik modül
- Düşük termal genleşme katsayısı ve iletkenlik
- Korozyon ve oksidasyona karşı yüksek direnç
- Aşınma ve erozyon direnci
- Yüksek sertlik
2.7.4. Seramik Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları
Seramik kompozitler geleneksel mühendislik malzemelerine göre çok daha üstün
yüksek sıcaklık özellikleri sergilerler. Seramiklerin yüksek sürünme özellikleri de bu
malzemelerin dizel ve otomobil parçalan, türbin kanatlan ve rotor olarak kullanımlarını
gündeme getirmiştir. Seramik kompozit malzemelerin termal şok direnci ve kırılma
tokluklarının geliştirilmesi halinde dizel motorlarının çalışma sıcaklığı 700 °C'den 1100
°C'ye çıkabilecek ve motorun verimi %50 oranında arttırılacaktır. Öte yandan, motor
bileşenlerine uygulanan kısmen kararlı kılınmış zirkonya gibi oksit kaplamaların termal
genleşme katsayılarının dökme demirlerin termal genleşme katsayısına çok yakın olduğu
tespit edilmiştir. İnce kısmen stabilize edilmiş zirkonya kaplamalar, günümüzde birçok
dizel motoru parçalarında (yanma odası cidarı, silindir gömlekleri ve silindir başlığı, egzoz
bölgesi) başarıyla kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinde kanatlar, tamamen soğutma
41
gerektirmeyen Sİ3N4 seramik esaslı kompozitten yapılmakta ve türbinin günümüzde
kullanılan nikel esaslı süper alaşımlara oranla daha verimli çalışması mümkün olmaktadır.
Seramik malzemelerin bu avantajları yanında maalesef malzeme mühendisleri
açısından oldukça önemli sayılabilecek dezavantajları da mevcuttur. Malzeme dizaynı ile
uğraşan mühendisler uygulamadaki herhangi bir malzemenin hasara uğramadan önce
plastik deformasyona uğramasını isterler. Plastik deformasyon göstermeden hasara
uğrayan malzemeler insanoğlu için can ve mal açısından faciaya yol açacak sonuçlar
doğururlar. Bu nedenle bir malzeme hasara uğramadan önce uygulayıcıları uyarmalıdır.
Kısacası malzemenin kırılma tokluğunun yüksek olması gerekmektedir. Halbuki seramik
malzemelerdeki aşın gevreklik ve çok küçük yapısal hatalar ani kınlmalara yol açarlar.
Herhangi bir mikroçatlak veya yapısal kusur, bu malzemelerde çatlak hızının sesten bile
daha yüksek hızlarda yayılmasına ve ilerlemesine sebebiyet verir.
TabIo.91'de seramik kompozit malzemelerin ileri teknoloji sanayiinde uygulanması ve
her bir ileri teknoloji alanı için seramik kompozitlerden beklenen özellikler
sıralanmaktadır.
Tablo.9 Bazı kompozitlerin kullanım alanları
a = Düşük Termal Genleşme
H = Yüksek Sertlik
p = Düşük
Yoğunluk
E = Yüksek Modül
σ (T)
=
Yüksek
Sıcaklık
mukavemeti
Kc = Kınlma Tokluğu
σ ( r) = Spesifik mukavemet
AE = Yüksek aşınma ve Erozyon Dayanımı
OK = Oksidasyon ve Korozyon Dayanımı
42
Seramik kompozit
malzemelerin teknolojide kullanım alanlan oldukça
geniştir.Kullanım amaçlarına göre malzemelerin sınıflandırılması aşağıdaki gibidir.
a) Yapısal Seramik Kompozitler
b) Kesici Takımlar
c) Elektronik Seramikler
d) Piezo Seramikler
e) Elektro-optik Seramikler
f) Manyetik Seramikler
g) Termal
İzolasyon
Seramikleri
h) Bioseramikler
i) Diğer Uygulamalar
.
Yapısal seramikler içinde motorlarda ve türbin kanatlarında kullanımları belirtilebilir.
Seramik yataklar yağlamaya gerek kalmadan yüksek devirlerde çalışabilmektedirler.
Silisyum nitrür esaslı seramik kompozitlerden imal edilmiş türbin tekerleği ve türbin
kompresörleri
hala
deneme
aşamasındadır.
Seramik
türbin
kompresörleri
hala
kullanılmakta olan nikel esaslı alaşımlardan %40 daha hafiftirler. Bunun anlamı motorun
dönmesi için daha az yakıt alması ve aracın kontağı açılır açılmaz hızlı bir ivme ile aracın
harekete geçebilmesidir. Yüksek sıcaklıklara çıkılıp inmeden dolayı termal şok ve
dolayısıyla termal yorulma özelliklerinin iyileştirilebilmesi halinde seramik kompozitlerin
21. yüzyılda jet motorlarındaki metalik bileşenlerin tamamen seramik kompozitlerden imal
edileceği ümit edilmektedir. Böylece jet motorların çalışma sıcaklığı 1500 °C'ye
ulaşabilecektir.
43
Mühendislik
seramikleri
izolasyon,
aşınma
direnci
ve
yüksek
sıcaklık
mukavemetlerinden ve bunun doğal bir sonucu olarak verimliliği arttırdıklarından yüksek
sıcaklığa maruz kalan motorlarda kullanılmaya başlanmışlardır. Valilerde, contalarda,
sızdırmazlık gibi motor bileşenlerinde, pistonlarda, segman kaplamalarında seramik
matrisli kompozit malzemeler geniş kullanım alanı bulmaya başlamışlardır. Bugüne kadar
yapılan çalışmalarda seramik motor bileşen malzemeleri içinde en kullanışlı olanının SiC
ile
takviye
edilmiş
Lityum
Alüminyum
Silikat
(LAS)
malzemesinin
olduğu
belirtilmektedir.
Seramik matrisli kompozit malzemelerin günümüzde en ileri uygulamalarından biri
uzay mekiği kaplamalarıdır. Uzay mekiği yüzeylerinin kaplanması, atmosfere giriş ve
çıkışlarda yüksek sıcaklıklardan dolayı alüminyum veya epoksi grafit kompozitlerinin
hasara uğramasından dolayı uygulanmaktadır. Uzay
mekiği yüzeyinde yapılan
incelemelerde dış yüzeyin -156 °C ve 1650 °C'lik sıcaklık farklılıklarının meydana geldiği
anlaşılmıştır. Uzaya gidiş ve dönüşlerde oluşan bu sıcaklıklar ve sıcaklık farkları, yüksek
sıcaklığa dayanabilen malzemelerle birlikte termal şok direnci yüksek olan malzemelerin
bulunması gerekliliğini doğurmuştur. Bu amaçla çok sayıda malzeme denenmiştir. En son
uygulamalarda silika içine kısa ve pul şeklinde grafit takviye edilmiş malzemelerin en
üstün özellikleri sağladıkları tespit edilmiştir.
Seramik kompozit malzemeler aşınmaya dayanıldı ideal malzemelerdir. Yüksek
aşınma
dayanımı
özelliklerinden
dolayı
bu
malzemeler
makine
takımlarının
kaplanmasında, makine takımlarında yekpare malzemeler olarak, tekstil makinelerinde
iplik geçen makaralarda ve iplik sarma makaralarında, metal şekillendirme kalıplarında
kullanılmaktadır.
Kesici takımlarda en çok kullanılan seramik matrisli kompozit malzeme, SiC whisker
takviyeli alümina kompozitleridir. Bu SMK malzemeler çok yüksek hızlarda çalışabilmekte
ve diğer karbürlere göre daha uzun süre dayanabilmesinin yanında %60 gibi bir
ekonomiklik sağlamaktadırlar. Bu alan için en çok ilgi çeken seramik kompozitler; A1203 /
TiC, Sialonlar (Si-Al-ON) ve A1203 / SiC fiber takviyeli kompozitlerdır. Sıcakta izostatik
olarak preslenmiş bir Sialon'da kesme hızı 2000 devir/ dakikadır. Bu değer TiN ile
kaplanmış WC için 800 ve AI2O3 / TiC takımları için 1000 devir/dakikadır. Kesici
takımlarda aranan özellikler şunlardır:
44
a) Aşınmaya karşı direncin fazla olması
b) Yüksek sıcaklıkta sertliğini koruyabilmesi
c) Tokluğunun yüksek olması
Seramik matrisli kompozit malzemelerin günümüz modern uygulamalarından bir diğeri
lazer aynalandır. Lazer aynalarında kullanılan malzemelerden istenen temel özellik, düşük
yoğunluk, yüksek elastik modül, yüksek mukavemet, yüksek kırılma tokluğu, düşük termal
genleşme katsayısı, yüksek termal iletkenlik ve çevre şartlarında dayanımdır. SMK
malzemeler, lazer aynalarında geleneksel MO esaslı aynalara göre %10 daha ekonomik bir
üretim prosesi ile elde edilebilmektedirler.
Seramik kompozit malzemeler katı elektrolitlerin üretilmesinde günümüzde yaygın
olarak kullanılmaktadırlar. Katı elektrolitler oksijen iyonunun taşınmasına sebebiyet
verirler. Katı elektrolitler özellikle oksijen içeren sistemlerde termodinamik ve kinetik
özelliklerin tespiti amacıyla kullanılmaktadırlar.
Son yıllarda içten yanmalı motorların verimini arttırmak için hava-yakıt oranını
dengelemek için Zirkonya bazlı seramik kompozit sensörleri kullanılmaktadır.
Seramik kompozit malzemelerin yaygın olarak kullanıldığı bir diğer alan ise tıp ve
dişçiliktir. Üstün aşınma ve yüksek kimyasal dirençlerinden dolayı seramik kompozit
malzemeler dişlerde, diş kemiklerinde ve insan vücudunda ortopedik kemik yerine
kullanılmaktadır. Çok düşük sürtünme katsayılanndan dolayı özellikle insan omurgasını
bacak kemiğine birleştiren eklemlerde yaşlı insanlarda kullanıhnaktadırlar. İnsan
vücudunda kullanılan seramik kompozit malzemeler genellikle AI2O3, Sİ3N4 ve kompleks
SiO2 esaslı cam malzemelerdir. Seramik kompozit malzemelerin insan vücudu tarafindan
kabul edilmesini sağlamak için vücutta bulunan Ca, K, Mg, Na ve P gibi iyonlar içeren
seramik kompozit malzemeler tercih edilmektedir.
Seramik kompozit malzemelerin ileri teknoloji malzemeleri olarak kullanıldığı en
önemli alanlardan birisi de uzay ve havacılık sanayiidir. Bu uygulamaya en güzel örnek
uzay mekiklerinde kullanılan seramik kompozit plakalarıdır. Burada kullanılan
malzemeler, üzerleri çok ince olarak başka seramikle kaplanmış olan silika fiberleridir.
Fiberler gevşek dokuda olduklanndan dolayı içinde %95 kadar hava mevcut olmakta ve
böylece son derece hafif olmaktadırlar. Aynı zamanda bu tür seramik kaplamalar ısının
iletilmesini engellemektedirler. Bu düşük ısı iletimi, atmosfere girişte sürtünmeden
kaynaklanan yaklaşık 1650 °C gibi bir ısının etkisini engellemektedir
45
2.8. METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER (MMK)
Toz metalürjisine alternatif olarak geliştirilen döküm ve reaksiyonla MMK üretim
teknikerinin ucuz ve pratik olmalarından dolayı bu malzemeler üzerindeki ilgi son yirmi
beş yılda doruk noktasına ulaşmıştır. Seramiklerin yüksek elastik modül ve metallerin
yüksek süneklik özelliklerini birleştiren bu malzemeler, havacılık ve savunma sanayiinin
yanında otomotiv endüstrisinde de kullanılmaya başlanmıştır. Japon Toyota firmasının
otomobil pistonlarının segman yuvalan kısmında Saffil fiber takviyeli kompozit
kullanılması ile piston ağırlığından %10 tasarruf sağlandığı belirtilmektedir. MMK
malzemelerin yüksek aşınma direnci de göz önüne alındığında bu malzemelerin modern
teknolojide kullanılmaya aktanlmasınm önemi açıkça ortaya çıkmaktadır.
2.8.1. Metal Matrisli Malzemelerin Tanımı
Metal matrisli malzemeler hakkında bilgiler daha eski yıllara dayanmasına rağmen, bu
malzemelerin kuUammlan son yıllarda oldukça yaygınlaşmıştır. MMK malzemelerin
yerlerine, kullanıldıkları metal ve diğer bazı malzemelere göre küçümsenmeyecek
üstünlükleri mevcuttur. MMK malzemeler;
a)
Yüksek elastik modülüne sahiptirler.
b)
Yüksek mukavemet (çekme, basma, aşınma, sürünme ve kayma) gösterirler.
c)
Yüksek sıcaklıklarda çalışırlar.
d)
Metallerin süneklik ve tokluk, seramiklerin yüksek mukavemet ve yüksek modül
özelliklerini birleştirirler.
e)
Tekrar üretilebilir mikroyapı ve özelliklere sahiptirler.
f)
Düşük yoğunluk değerleri verirler.
g)
Sıcaklık değişikliklerine karşı veya termal şoka karşı düşük
hassasiyet gösterirler.
h) Yüksek yüzey dayanıklılığı ve yüzey akışlarına karşı düşük hassasiyete
sahiptirler, i)
Yüksek elektrik ve termal iletkenlik
özellikleri mevcuttur.
MMK malzemeler genelde iki bileşenden meydana gelmektedirler. Bunlardan biri
metal matris (genelde metal alaşımdır), diğeri takviye malzemesidir (genel olarak bir
metaller arası bileşik, bir oksit, karbür veya bir nitrür).
Her tip metal matris kompoziti aşağıdaki gibi tanımlanır:
46
Dispersiyonla Sertleştirilmiş Kompozit: Bu kompozit, seçilen matris içerisinde çok ince
partiküllerin dağıtıldığı yapı olarak karakterize edilir. Partikül boyutu 0.01 um'den 0.1 um'
ye kadar değişebilir ve partikül hacim oram %1-15 arasında olur.
Partikül Takviyeli Kompozit: Bu tür kompozitlerde ilave edilen takviye malzemesinin
boyutu 1 um'den büyüktür ve ilave hacim oranlan % 5-40 aralığındadır.
Fiber veya Whisker Takviyeli Kompozit: Fiber takviyeli kompozit malzemelerde fiber
uzunlukları 0.1 um ve 250 um aralığında olabilmektedir. Sürekli fiberlerle takviye edilmiş
MMK
malzemelerde
takviye
malzemesinin
hacim
oram
%
70'lere
kadar
arttırılabilmektedir. MMK malzemeler üzerindeki ilk çalışmalar sürekli fiberlerle takviye
edilen malzemeler üzerine olmuştur. Bu malzemelerin uygulamaları havacılık alanında
kendim göstermiştir. Bu malzemelerin kullanım alanları daha ucuz ve kolay fiber üretim
teknolojisinin gerektiği şekilde gelişmemesinden dolayı sınırlı kalmıştır. Sürekli fiberlerle
takviye edilen MMK malzemeler aslında kompozit malzemelerin spesifik olarak belli bir
sınırını teşkil etmektedirler. Metallerin çoğunun aksine fiber takviyeli kompozit
malzemeler anizotropiktir. Anizotropikliğin derecesi fiber oryantasyonuna bağlıdır. Metal
matris yükü transfer ederken ve aynı zamanda yükü fiberlere iletirken, fiberlerin ana rolü
ise yükü taşımaktır. Matrisin yükü transfer edebilmesi ve fiberlerin yükü taşımadaki
başarısı fiber/matris ara yüzeyindeki ıslanmanın başarısına bağlıdır. Ticari uygulamalarda
dispersiyonla sertleştirilmiş ve partikül takviyeli MMK malzemeler kullanılırken, sürekli
fiberlerle
takviye
edilmiş
MMK
malzemelerin
uygulanması,
havacılıktaki
bazı
uygulamalarla ve askeri uçakların bazı parçalan ile sınırlandırılmıştır. Bunların dışında
istisna olarak sürekli paslanmaz çelik fiberlerle takviye edilen MMK malzemeler otomobil
biyel kollarında da kullanılmaktadırlar.
Son yıllarda MMK malzemelerin üretilmesinde ve daha pratik olarak uygulamaya
aktarılmasında süreksiz olarak takviye edilmiş malzemeler tercih edilmektedir. Bunun ana
nedeni de takviye malzemelerinin kolay üretilebilmeleri ve kolay temin edilebilmeleridir.
Süreksiz takviye elemanları ile üretilen MMK malzemelerin dövme, haddeleme ve
ekstrüzyon gibi standart metalurjik proseslerle şekillendirilebilir olmaları da sayılmaktadır.
Süreksiz olarak takviye edilmiş MMK malzemelerin kolay üretilebilir olmalarından dolayı
son yıllarda çok değişik alanlarda bu malzemelerin kullanıldıkları tespit edilmiştir. Bu
uygulamalara birkaç örnek vermek gerekirse; tenis raketleri, golf sopalarının kafaları
SiCp/Al kompozitidir. Piston, biyel kolu gibi otomobil motor parçalan SiCw/Al ve SafFıl
AI2O3 kısa fiberleri/Al kompozitlerinden yapılmaktadır.
47
Metal matrisli kompozit malzemelerin yüksek toklukları, yüksek sıcaklıklara bile
mukavemetlerini muhafaza edebilmeleri en açık ve en önemli avantajlarıdır. Gereken
yüksek mekanik direnç, takviye malzemesinden sağlandığından dolayı, bir kompozit
malzeme için matrisin yüksek sıcaklıklarda bile kararlı kalabilmesi mümkündür. Sürekli
fiberlerle takviye edilmiş MMK malzemelerde matris sadece yükü fiberlere taşıma görevi
ile yükümlü olduğundan dolayı matrisin kayma mukavemeti gereksinimi fazla önem
taşımazken, kısa fiber takviyeli kompozitlerde matris kayma mukavemeti ve matrisin yükü
fiberlere iletmesi için gerekli mukavemeti daha önemlidir. Kuvvetli bir fiber/matris ara
yüzey bağ mukavemeti için matrisin kayma mukavemetinin yüksek olması gerekmektedir.
2.8.2. Matris Metalleri
MMK malzemelerin üretilmesinde kullanılan matris metallerinin bir ayırımını yapmak
mümkün gözükmemektedir. Geleneksel olarak kullanılan tüm metal ve alaşımlarının MMK
malzeme üretmek amacıyla matris metali olarak kullanılabilmesi mümkündür. Herhangi bir
geleneksel alaşımı matris metali olarak kullanmak için ilk şart uygun takviye malzemesinin
seçimidir. Matris ve takviye elemanı arasında kimyasal ve fiziksel uygunluk olduktan sonra
kullanım yeri ve amacına bağlı olarak MMK malzemeler üretilebilmektedir. Matris
malzemesi olarak saf metaller kullanılmamakta, alaşımlar tercih edilmektedir. Alaşım
genelde basit bir alaşım iken çok bileşenli bir alaşım da olabilmektedir. Çok değişik sayıda
ve değişik özellikteki metaller matris alaşımı olarak seçilebilmektedir. ( Örneğin; Al, Cu,
Fe, Mg, T, ve Pb ) Tüm yapısal alaşım sistemleri MMK malzemeler için matris malzemesi
olarak göz önüne alınmışlardır.
2.8.3. Takviye Malzemeleri
MMK malzemelerin üretimde kullanılan takviye malzemelerinin seçiminde kolay
temin edilebilmelerinin yanında kullanıldıkları matris malzemesi ile uygunluk ve
sağlayacaktan üstün özellikler göz önüne alınmaktadır. Takviye malzemeleri kimyasal
yapılarına göre oksitler, karbürler, nitrürler, diğer (paslanmaz çelik, C vs.) dört ana
gruba ayrılmaktadırlar. Takviye malzeme şekline göre ise sürekli ve süreksiz olarak iki ana
grupta temsil edilmektedirler.
Tablo.10: MMK malzeme üretiminde kullanılan bazı önemli fiber ve whiskerlerin mekanik
ve fiziksel özellikleri
48
Fiber
A1203
A1203
A1N
B(W çekirdek)
B(C çekirdek)
B(SiC kaplı)
BeO
B203
Cf(PAN)
E cam
Grafit
MgO
Paslanmaz çelik
SiC
ct-SiC
Sİ3N4
Fiber Çapı
( μ m)
20
whisker
whisker
100
100
120
whisker
whisker
8
11
whisker
whisker
100
10-15
whisker
whisker
Mukavemet
(Mpa)
1500
16000
14000
3800
3300
3000
14000
7000
4000
1750
21000
10000
4250
2760
20000
8000
Elastik Modül
(Gpa)
380
550
335
400
370
400
700
450
300
76
450
310
210
200
485
380
Yoğunluk
(g/cm3)
3.9
3.9
3.3
2.6
2.3
2.6
1.8
2.5
L8
2.55
2.25
3.6
7.8
2.55
3.15
3.2
Tablo.11: Partikül takviyeli MMK malzeme üretiminde kullanılan bazı önemli seramik partikül
takviye malzemelerinin mekanik ve fiziksel özellikleri
Partikül
AI2O3
A1N
B4C
Ce02
MgO
SiC
Sİ3N4
Th02
TiC
ZrC
Zr02
Mukavemet
(Mpa)
221
2069
2579
600
4100
3100
4100
193
55
90
83
Elastik Modül
(Gpa)
379
310
448
200
417
324
250
200
269
359
132
Yoğunluk
(g/cm3)
3.98
3.26
2.52
6.9
3.58
3.2
3.18
9.86
4.93
6.73
5.89
2.8.4. MMK Malzemelerin Mekanik Özellikleri
49
MMK malzemelerin havacılık ve yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanımlarının ana
sebebinin, yüksek spesifik elastik modül ve mukavemet özelliklerine sahip olmaları ve çok
değişik ortamlarda kullanılabilmeleri olduğu ifade edilmektedir. Metal matrisli kompozit
malzemelerin korozyon direnci gibi bazı özellikleri mekanik özellikler kadar ilgi
çekmemektedir. MMK malzemelerin mekanik özelliklerini iki gruba ayırmak mümkündür.
Bunlar, oda sıcaklığındaki temel mekanik özellikler ve değişik ortamlardaki temel mekanik
özellikler olarak sıralanabilmektedir.
MMK malzemelerde elastik modülü belirleyen elastik sabitler, takviye fazının
özelliklerine ve malzeme geometrisine bağlı olarak anizotropiktir. Metal matris
kompozitlerde elastik özellikler, üzerinde en fazla çalışılan mekanik özellikler grubu
olmuştur. Üzerinde çalışılan bu elastik özelliklerden en önemlisi fiberlere paralel (EL) ve
sonrasında fiberlere dik (ET) Young modülleridir. Partikül takviyeli kompozitlerde EL, ET
eşit olmaktadır.
MMK malzemelerde elastik modül takviye edilmemiş alaşımlara göre daha yüksektir.
Bunun ana sebebi takviye fazlarının yüksek elastik modülleri ve matris tarafından fiberlere
yükü transfer edilerek malzeme deformasyonunun elastik karakter göstermesidir. Yüksek
elastik modül değerlerine sahip olan çok değişik sayıdaki seramik malzemeler içinde AI2O3
ve SiC sürekli fiber, whisker, kısa fiber ve partiküller en fazla kullanılanlarıdır. Alümina,
kolay temin edilebilmesi ve matris malzemesi olarak en yaygın olarak kullanılan Al metali
ile uyumluluğu sebebiyle tercih edilen bir takviye malzemesi olarak gösterilmektedir.
Tablo.2.6.4. l'de MMK üretiminde en fazla kullanılan bazı matris alaşımlarının mekanik
özellikleri verilmektedir. Diğer tablolarda ise MMK literatüründe en önemli kompozit
sistemler, olarak kabul edilen sırasıyla, fiber ve partikül takviyeli MMK malzemelerin
mekanik özellikleri özetlenmektedir. Tablolarda takviye malzemesi cinsi ile beraber
parantez içinde ilave edilmiş olan takviye fazının hacim oranı da gösterilmektedir.
Matris
Saf Al (TicarıL
Al-6Fe
Al-4.5 Cu-T6
Al-Cu-Mg-T6
Al 1100-T6
2014 A1-T6
2024 A1-T4
ÖYM
(Mpa)
30
280
107
319
63
414
268
OM
(Mpa)
80
350
182
345
99
409
388
e
(%)
40.0
12.5
17.0
1.20
41.0
10.0
8.20
EM
(Gpa)
72
82
71
72
72
-
50
Al 2124-T4
A 356 Al-T6
6061 A1-T6
7010 A1-T6
Mg-2 Ag-T6
Mg-Al-Zn
350
200
276
490
200
168
479
275
326
550
240
311
12.0
6.00
15.0
10.5
21.0
69
68
70
48
49
Tablo12: MMK malzemelerde matris metali olarak en çok kullanılan bazı metal ve
alaşımlarının mekanik özellikleri.
σ YM = Matrisin akma mukavemeti
e = Matrisin kopmadaki % uzama
σ M = Matrisim maksimum mukavemeti
EM = Matrisin elastik modülü
Tablo.13: Üretimleri ve kullanım alanlan bakımından MMK malzemeler için en önemli sürekli
fiber, kısa fiber ve whisker takviyeli MMK malzeme sistemleri ve mekanik özellikleri
Matris
Fiber(%)
Saf Al
Saf Al (Ticari)
Al-Li
Al-Cu-Mg-T6
Mg-2 Ag-T6
Ti-6 Al-4 V
Al 1100
Al 2124-T6
Al6061-T6
Al 6061-T6
Al 6061-T6
Al 6061-T6
7010-A1-T6
SiC (50)
Kısa C (15)
A1203 (60)
Saffil (20)
Saffil+SiCp (15)
Sürekli SiC (35)
SiCw (20)
SiCw (20)
SiC kaplı B (50)
SİCW (17)
Saffil (20)
Grafit (30)
Saffil (15)
σ YC
(Mpa)
(Mpa)
(%)
385
280
183
497
421
383
-
780
166
690
401
340
1750
324
890
1400
529
475
517
220
9.5
0.8
5
3.0
4.8
1.9
0.37
0.2
Ec (Gpa)
135
85
262
89
74
300
130
225
110
94
152
92
( ) = Kompozitteki fiber hacim oranlan
σ
=
YC
Kompozit malzemesinin akma mukavemeti
51
σ
c
=
Kompozit
malzemesinin
maksimum
mukavemeti
e = Kompozit malzemede kopmadaki % uzama
miktan Ec = Kompozitin elastik modülü
Açıklama: Whisker takviyeleri indis ile belirtilmiştir. Saffiller ise kısa fiberlerdir. Belirtilmemiş
olanlar sürekli fiber takviyelerini göstermektedir.
Tablo.14: Partikül takviyeli MMK malzemeler içinde en yaygın olan MMK malzeme sistemleri
ve mekanik özellikleri
Matris
A14.5 Cu-T6
Al-6Fe
Al-3Mg
6061-A1-T6
6061-A1-T6
6061-A1-T6
2014-A1-T6
2014-A1-T6
2014-A1-T6
A356-A1-T6
A356-A1-T6
A356-A1-T6
2124 A1-T4
A 357
Mg-Zn-Al
Partikül
(%)
SiC (10)
SiC(15)
Zr02(20)
A1203 (10)
AI2O3 (15)
AI2O3 (20)
A1203 (10)
A1203 (15)
A1203 (20)
SiC (10)
SiC(15)
SiC (20)
SiC (15)
SiC (20)
SiC (20)
(Mpa)
184
320
68
297
386
359
483
476
483
283
324
331
410
386
260
(Mpa)
198
380
82
338
359
379
517
503
503
303
331
352
540
393
328
e
(%)
3.5
6.0
3.8
7.6
5.4
2.1
3.3
2.3
0.9
0.6
0.3
0.4
10
2.5
Ec
(Gpa)
82
120
81
88
99
84
92
101
81
90
97
98
100
80
Üretimlerinin zor ve maliyetlerinin yüksek olmasına rağmen, mühendislik açısından
özelliklerin maliyete üstün geldiği özel durumlarda sürekli fiber takviyeli MMK
malzemeler tercih edilmektedir. Kısa fıberli MMK malzemeler dahil, özellikle sürekli fiber
takviyeli malzemelerde yük taşıma yönü fiberlere paralel yönlerdir. Yük uygulama
yönünde yüksek hacim oranında sürekli fiberler ile takviye edilen matris metallerinin
elastik modüllerinin, takviyesiz matris malzemesinin elastik modülüne göre 4-5 kata varan
artışlar sergilediği tespit edilmiştir.
52
Metal ve alaşımlarına seramik takviye fazlarının ilave edilmesi sürtünme katsayısının
önemli derecede düşmesini sağlamaktadır. Tablo.2.6.4.4'de bir Al alaşımında partikül
miktarının ve boyutunun sürtünme katsayısına etkisi özetlenmektedir. Sürtünme
katsayısının düşmesi, kullanılan malzemenin ömrünün uzamasına yol açmakta ve aynı
anda düşük sürtünme enerji tasarrufuna sebebiyet vermektedir.
Tablo.15: Al- % 1.5 Mg alaşımında SiC partikül boyutu, ağırlık oranı ile sürtünme
katsayısı değişimi
Matris
Al-%1.5Mg
Al-% 1.5 Mg
Al-%1.5Mg
Al-% 1.5 Mg
Al-% 1.5 Mg
SiC Oranı
(% Ağırlık)
0
12.5
12.5
15
15
Partikül
Boyutu
( μ m)
Takviyesiz
50
100
50
100
Sürtünme Katsayısı
(μ )
0.63
0.44
0.47
0.24
0.28
MMK malzemelerin yüksek maliyetleri dışında en önemli dezavantajları kırılma
tokluklarının düşük olmasıdır. Tablo.2.6.4.5'te oldukça yaygın olarak kullanılan 6061 Al
alaşımının SiC whisker ve partikülleri ile takviye edilmesi sonucu kırılma tokluklarının
düşüşü görülmektedir. Partiküllerin çatlakları daha iyi absorbe etmelerinden dolayı,
partikül takviyeli kompozitlerde kırılma tokluğundaki düşüş, whisker takviyeli
kompozitlerdeki düşüşten daha alt seviyelerde kalmaktadır.
Tablo.16: 6061 Al matris alaşımı ve SiC partikül, SiCw takviyeli MMK malzemelerde
kırılma tokluğu değerleri.
Matris
6061 Al (T6)
6061 Al (T6)
6061 A1(T6)
Takviye Malzemesi
SiCw
SİCP
Takviye Hacim
Oranı (%)
20
25
Kırılma Tokluğu
(MNm_3/2)
37.0
7.1
15.8
53
2.8.5. MMK Malzemelerin Uygulama Alanları
Ticari olarak elde edilebilecek ve kullanılacak MMK malzemelerin özellilerinin ve
üretim proseslerinin geliştirilmesi üzerinde büyük ilerlemeler olmaktadır. MMK
malzemelerin üretimi ve uygulamaya aktarılmasındaki ana engelin maliyet olduğu
kaydedilmektedir. Maliyetin yüksek olmasının ana sebebinin sadece hammaddelerin elde
edilebilirliğindeki güçlüklerden değil, aynı zamanda ikincil işlemler olarak adlandırılan
kompozit üretim tekniklerinin pahalılığı ve aynı zamanda üretim proseslerinin hala yeterli
bilgi donanımı ile gerçekleştirilemediğinden dolayı oluştuğu rapor edilmektedir. Ancak
MMK malzemelerin yerlerine kullanımlarının amaçlandığı malzemelere göre çok üstün
özellikler sergilemeleri, bu malzemelerin üretimlerinin ileride belirli standartlara
bağlanacağı ve geleneksel hafif ve düşük mukavemetli alaşımlarının yerini alacaklarına
kesin gözüyle bakılmaktadır. MMK malzemelerin üretim maliyetlerinin yüksek olmasına
rağmen bugün bile bu maliyet yüksekliğinin MMK malzemelerin yüksek spesifik
özellikleri, dayanım sürelerinin uzunluğu, yakıt iletimini azaltmaları gibi üstünlüklerinden
dolayı uzun vadede geleneksel alaşımlara göre daha ekonomik olduğunu iddia eden
araştırmacılar mevcuttur. TOYOTA firmasının otomobil pistonlarında Al-kısa fiber
takviyeli MMK malzemeler kullanarak piston ağırlığını ve yakıt tüketimini düşürdüğü çok
spesifik bir örnek olarak verilmektedir. 2000 'li yıllarda otomobil ve havacılık sanayiinde
MMK malzemeler seramik matrisli kompozitlerle beraber çelik, Al alaşımları, Ti ve
alaşımları gibi metallerin yerini almıştır. Tablo.2.6.5'te otomotiv endüstrisinde başarılı
olarak kullanılan ve uygulama alanlarının daha da yaygınlaştığı ifade edilen MMK
malzemeler ve avantajları özetlenmektedir.
3.BÖLÜM
CAM EPOKSİ KOMPOZİTİ
3.1.CAM EPOKSİNİN ELDESİ
54
Şekil 3.1.1. Cam epoksinin üretiminin şematik gösterimi
Kompozit içindeki epoksi reçine %46.2 oranında bir iyileştirici malzeme ve %0.13
oranında tepkime hızlandırıcı malzeme içerir.Cam lifler birbirine 1mm aralıklarla parelel
olarak aynı doğrultuda bir tablaya yapışkan bantlar vasıtasıyla tutturulurlar.Bu tablalar
tamamen kuru bir Teflon tepsiye yığın halde yerleştirilir.Ardından epoksi karışım tepsiye
dökülür ve 10-2 Pa lık bir vakumla bu karışım malzemeye emdirilir.Ardından 2 saat
boyunca 373 K bekletilir ve 5 saat boyunca da 383 K de bekletilerek sertleştirilir.Liflerin
yoğunluğuna gore kompozit malzemenin mekanik özellikleri değişecektir.
Glass(bulk)
Epoxy(bulk)
2.64
1.17
43
65
70
3
Poission ratio
0.24
0.37
Softening point(K)(viscosity=106Pa s)
1193
-
Working point(K)(viscosity=103 Pa s)
1453
-
Density(g/cm3)
Coefficient of thermal expansion
(10-6K-1)
Young modulus(GPa)
Tablo 17:Cam ve epoksinin Özellikleri
55
Tablo 18:Farklı Cam çeşitlerinin yoğunluklarına karşılık gelen özellikler
Polimer(reçine )matrisliler-Cam lifi sıvı reçine uygulamaları
Özel olarak hazırlanmış cam lifi, reçineyle birlikte (reçinenin varsa bileşenleri önceden
karıştırılmış olmalıdır) uygun bir püskürtme tabancası kullanılarak temiz yüzeye
püskürtülür. Daha sonra düzeltmeler yapılarak gerekirse boyanır ve işlem tamamlanır.
- Bir boru üretim örneğinde olduğu gibi özel sarma tesisi kullanılarak cam lifi
ve reçinenin uygulanması bir başka yöntemdir.
- Cam keçe-sıvı reçine uygulaması:
Gergin biçimde yüzeye yayılan cam keçe üzerine tabanca veya fırça ile reçine
56
uygulanır. Bazen poliesterde olduğu gibi levha ile de üretim kolaylığı sağlandığı gibi elde
edilen malzeme daha da sağlam olur.
- Cam doku-sıvı reçine uygulaması:
Önceden işlemli cam kumaş kullanılarak bir kalıptan yararlanmak suretiyle reçine fırça
ile sürülür, veya tabanca ile püskürtülür. Kalınlığa göre katman sayısı arttırılır. Her üç
uygulamada da cam ürünleri yerine başka elyaf da kullanılabilmekte, reçine seçimleri de
hem işlev hem de ekonomik olarak yapılmaktadır. Keza yapışma önleyici takım veya kalıp
yağlamaları yapılmalıdır.
- Pekiştirici-katı reçine uygulaması:
Uygun bir tesiste bez, cam doku vb. pekiştiriciler homojen bir şekilde üzerine yayılan
katı reçine ile (fenolik olabilir) basınç ve sıcaklık altında işleme verilir. Belirli bir pişme
süresinden sonra çubuk, levha, ya da parça halinde birleşik malzeme ürünü elde edilir.
Piyasada katmanlı malzeme yapısındaki "formika, elektrikçi fiberi" ticari isimleriyle
satılan malzemeler de aslında birleşik malzemedir. Birleşik malzeme üretiminde kullanılan
cam elyafı malzemeye sertlik, rijitlik, yüksek çekme dayanımı ve boyut kararlılığı verir.
Örnek olarak epoksi/cam elyafı birleşik malzemesinde çekme dayanımının 240
kgf/mm2 (2352 N/mm2) gibi oldukça yüksek değerde olduğunu belirtelim.
Karbon elyafı, birleşik malzemede yırtılma dayanımını arttırır, sürtünme ve genleşme
katsayılarını düşürür, belirli bir iletkenlik verir. Bu tür malzemelerde kalıp çekmesi
(büzülme) de azdır.
Aramid (Kevlar gibi) elyafı birleşik malzemeye hafiflik, yüksek çekme dayanımı ve
yorulma direnci verir. Şekil 28'de aramid ve cam elyafında yapılmış birleşik malzemelerin
mukayeseli olarak yorulma grafikleri görülmektedir.
57
Şekil 3.1.2. Aramid ve Cam elyafından yapılmış 2 ayrı katmanlı
malzemenin yorulma grafiği
Tablo 19:aramid,karbon ve Cam elyafı özellikleri
58
Çizelge 43'de cam elyafı/poliester (CPT=Cam Takviyeli Plastik) birleşik malzeme
özellikleri görülmektedir. Çizelgeler incelendiğinde çok yüksek çekme dayanımlarına sahip
olan
bu
malzemelerin
alüminyum,
hatta
yapı
çeliğinin
dayanımlarını
aştığı
anlaşılmaktadır.Bu çizelge incelendiğinde, cam elyafı/poliester birleşik malzemesinin
alüminyum ve çelikten çok daha hafif oldukları, çekme ve basma dayanımları bakımından
zaman zaman çeliğinkinin bile yukarısında değerlere sahip oldukları, kesme dayanımı
değerlerinin alüminyum ve çeliğe göre daha düşük olduğu, darbe dayanımı bakımından
birinci sütun malzemesinin çelik sınırları arasında kaldığı önemli özellikler olarak
görülmektedir.
Tablo 20:Cam elyafı /poliester birleşik malzemesinde bazı özellikler
59
4.BÖLÜM
KIRILMA MEKANİĞİ GENEL BİLGİLERİ
4.1.GİRİŞ
Kırılma mekaniği,hemen hemen tümüyle kırılmayla belirlenen hasarları inceler
Kırılmayla ilgili bir problemin ilk başarılı analizi 1920 de Griffith tarafından camlardaki
gevrek çatlakların ilerleyişinin izlenmesiyle gerçekleştirilmiştir.Griffith basit bir enerji
dengesi öngörmüştür;gerilme altındaki bir sistemde çatlak ilerledikçe elastik gerilme
enerjisinde bir azalma olur,ki bu enerji de yeni çatlak yüzeylerinin oluşması için gerekli
enerjidir.
1944’de Zener ve Hollomon taraından Griffith yaklaşımı metalik malzemelerin gevrek
kırılmasına uygulanmıştır.Irwin Griffith tipi enerji dengesinin;1-)depo edilen şekil
değiştirme (germe) enerjisi ile 2-)yüzey enerjisi+plastik deformasyon sırasında yapılan iş
arasında olması gerektiğini irdelemiştir ve G diye bir malzeme özelliği tanımlamıştır.G
enerji yayılım hızıdır.1950 lerde Irwinin çatlak ucunda kritik bir gerilme dağılımına
erişildiğinde kırılma olur görüşüyle kritik gerilme yoğunluğu KC veya enerji terimleriyle
GC kritik değeri ortaya çıkımştır.Gve K eşdeğerliği Lineer Elastik Kırılma Mekaniğinin
gelişmesine temel olmuştur.(LEKM).LEKM,çatlak ucunda sınırlı plastik deformasyonun
olduğu durumlarda geçerli olduğundan Elastik-Plastik Kırılma Mekaniği(EPKM) devreye
girer.EPKM 1961 de Wells in çatlak açılması (COD) üzerine yaptığı çalışmalarla başlar.
19. yüzyılda sanayi devrimiyle hız kazanan tasarımların çoğunda en başta bir çok
kazaya üretim hataları,malzeme harsları,çatlaklar vb sebep olmuştur.2.Dünya savaşında
müttefiklerin 2500 gemisinden 150 si ortadan ikiye bölünmüş 700 tanesi de ciddi hasara
uğramıştır.Birçok gemi limanda demirlenmişken hasara
uğramışken tüm bunlara
gevreklik,malzemedeki hatalar ve gerilme yığılmaları sebep olmuştur.
Bundan böyle 1935’lerde kaynaklı çelik yapılar,1944’den sonra yüksek mukavemetli
alüminyum alaşımları,1948’den sonra yüksek mukavemetli çelikler ve 1954’de titanyum
alaşımları kullanılmaya başlanmıştır.Yüksek
mukavemetli malzemelerin kırılma
enerjileririn düşük olması kırılma mekaniğinin gelişmesine bir teşvik olmuştur.
60
4.2.KIRILMA
Belirli gerilme altında malzemenin iki veya daha fazla parçaya ayrılması olayına
kırılma adı verilir.
Kırılma başlıca iki aşamadan oluşur. Birincisi çatlak teşekkülü, ikincisi de çatlağın
ilerlemesidir. Malzemelerin kırılma öncesi durumuna göre ve kırılmaya neden olan
yükleme şartlarına göre kırılma aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.
A) Gevrek kırılma:
Çok az veya hiçbir deformasyon bırakmadan malzemenin kırılmasına gevrek kırılma
denir. Genellikle camlar ve seramik ile bazı metaller gevrek olarak kırılırlar.
B) Sünek Kırılma:
Kırılma öncesi malzemede plastik deformasyon meydana gelirse bu tip kırılmaya
sünek kırılma denir.
gerilmenin,
Sünek
malzemenin
kırılmayı
plastik
meydana
deformasyona
getirmek
için uygulanan
uğramasını sağlayacak seviyede
olması gerekir.
C)Sürünme Kırılması:
Yüksek sıcaklıklarda sabit gerilme veya sabit yük altındaki malzemelerin sürtünme
deformasyonu sonucunda kırılmasına denir.
Mikroskobik açıdan deformasyon sonucu oluştuğu için sünek kırılmaya benzer ancak
mikroskobik açıdan sürünmeler daha yüksek sıcaklıklarda olduğundan farklıdır.
D)Yorulma kırılması;
Malzemeler elastik limit veya çekme dayanımı altında da olsa alternatif yüklere maruz
kaldıklarında zamanla kırılırlar. Buna yorulma kırılması denir. Kırılma plastik
deformasyon meydana gelmeden de oluşabilir. Bu durumda çatlağın herbir periyotta biraz
daha ilerlediği bilinmektedir.
4.3.GEVREK KIRILMA
4.3.1.Gevrek kırılmaya yol açan faktörler
Sünek bir malzeme bazı hallerde hiç deformasyon göstermeden gevrek bir malzeme
gibi kırılırlar. Bu olaya sebep olan başlıca faktörler şunlardır.
A) Çok eksenli gerilme durumu: Bu durum malzemede çatlak, yarık, delik gibi bir
kusurun bulunmasından dolayı ortaya çıkar. Uygulanan yükün oluşturduğu gerilme bütün
61
kesitte homojen değildir. Çatlak, yarık gibi kusurların civarında gerilmelerin çok büyüdüğü
görülür.
Şekil 4.3.1.Çentikli ve çentiksiz çubukta gerilme durumu
Şekilden de görüleceği gibi uygulanan P kuvveti sonucu çentiksiz malzemede olan
σ M gerilmesi çentikli malzemede çatlak ucunda σ MAX değerine yükseliyor. Bu da
ilerde çatlağın açılması için yeterli bir sebeptir.
B-)Yüksek deformasyon hızı: Malzeme içerisinde dislokasyonlar herhangi bir dış etki
sonucu hareket ederler. Bu hareket esnasında önüne çıkan engelleri aşarak yolunu
tamamlarlar.
Şayet deformasyon hızı artırılırsa dislokasyonlar da hızlanacak ve önüne çıkan
engelleri aşmayarak engel önlerine yıkılacaklardır. Bu yığılma sonucu iç gerilmeler oluşur
ve bu da mikro çatlakları doğurur. Sonuçta malzeme daha hızlı ve sürekli
deformasyonlarda aniden kırılır.
C-)Düşük sıcaklık: Düşük sıcaklıklarda dislokasyonlann hareketi yavaşlar malzeme
mukavemeti
artar
ve
neticede
gevrekleşir.
Böylece
malzeme
gevrek
kırılma
gerçekleşebilecek yapıya sahip olur. Charpy deneyi ile malzemenin hangi sıcaklıkta
gevrekleşeceğini ve bunun ölçüsünün ne olacağını tespit edebiliriz.
Malzeme çeşitli sıcaklıklarda teste tabi tutulur ve ilgili sıcaklıkla absorbe ettiği enerji
miktarı belirlenir. Ordinat ak ve absis sıcaklık olmak üzere çizilen eğri bize bu konuda
önemli bilgiler verir.İlgili sıcaklıkta absorbe ettiği enerji miktarı belirlenir.Ordinat ak ve
absis sıcaklık olmak üzere bize bilgi verir.
62
Diyagrama
göre en
önemli bölge
geçiş
bölgesidir.
Burada
malzeme, çok
dar bir
sıcaklık
Şekil 4.3.2.Kritik sıcaklık ve kırılma bölgeleri
aralığında
çok büyük
özellik değişimine uğramaktadır. Bu sıcaklık aralığının tespiti için TK geçiş sıcaklığı önem
taşımaktadır.
T K geçiş sıcaklığının değeri şu etmenler sonucu daha da artar.
i. Çentik açısının küçülmesiyle
ii. Numune kalınlığının artmasıyla.
iii.Artan çarpma hızı ile
D)Partikül Bombardımanı: Malzeme içinde mevcut noktasal hatalar (boş köşeler, arayer
atomları vb) partikül bombardımam ile artar. Bu hataların artması neticesinde kafes
çarpmaları artarak dislokasyonlarm hareketi engellenir sonuç olarak malzeme gevrekleşir.
E)Uygun olmayan malzeme: Malzeme gevrekleşmeye yatkın türde ise gevrek kırılmanın
söz konuşu olacağı koşullarda çalıştırılmamalıdır.
4.3.2.Çatlaksız malzemelerin gevrek kırılması:
63
Gevrek malzeme (dökme demir, cam, kireç...vb) kırılma gerilmelerine kadar lineer
gerilme - şekil değiştirme diyagramına yakın bir diyagram gösterirler. (Coulomb veya
Mohr kriteri)
4.3.3.Çatlaklı Malzemelerin Gevrek Kırılması
Çatlaklar
yüklemeden
evvel
düşük
gerilme
seviyelerinde
yüksek
gerilme
yığılmalarının bulunduğu çentikler vasıtasıyla meydana gelebilir veya tekrarlı yüklerle
harekete geçirilip büyütülebilir. Gevrek kırılma herhangi bir çatlak elemanının yükü
taşıyamayacağı ve iki veya daha fazla parçalara ayrıldığı zaman hasıl olmaktadır. Gevrek
kırılmanın çatlak başlaması ve çatlak büyümesi olmak üzere iki aşamadan oluştuğu daha
önce belirtilmişti. Bir çatlak başladığı anda bunun neticesi olarak çatlağın iki yüzündeki
partiküllerin rölatif yer değiştirmelerine bağlı olarak çatlak büyümesi birkaç şekilde
meydana gelebilir.
Şekil 4.3.3.Yüklemenin modları
64
4.4.GERİLME ŞİDDETİ FAKTÖRÜ:(K)
-Çatlak ucu elastik alanın büyüklüğünü gösterir
-Çatlak ilerleyişi ile kırılma arsındaki ilişkiyi belirler(Elastik bölge)
Irwine göre bir
çatlak
civarındaki
il l
σ
ij
=
a
K = σ πa f ( )
w
K
f (θ )
2π r
a:çatlak yarı
boyu
ii
i liği
Şekil 4.3.4.Çatlak ucunda bir noktadaki gerilme
ModI için Elastik gerilme alanı denklemleri
1-)
σx =
σ πa
θ
θ
θ
cos (1 − sin cos )
2
2
2
2πr
, σy = …
KI =σ
, τ xy = …
πa
r=0 a gittiğinde (çatlak ucunda) bütün gerilmeler sonsuza gider
2-)Şimdi iki eksende yüklenmiş bir levhadaki gerilmeleri göz önüne alalım
σx =
KI
2πr
cos
θ
2
(1 − sin
θ
θ
cos ) −
2
2
KI
ρ
2πr 2 r
cos
3θ
2
, σy =…
,
τ xy = …
r=ρ/2 olduğunda (çatlak ucunda) gerilmeler de sonludur
65
Şekil 4.3.5.İnce bir çatlak içeren iki eksende yüklenmiş
sonsuz levha
Aynı şekilde Mod II ve Mod III için de Gerilme alanı denklmeleri çıkartılabilir
K II , III = τ π a
Mod II için
Mod III için
4.4.1.Uniform
σ
σ x , σ y , τ xy
τ xz ,
τ yz
mevcutken
mevcuttur
gerilmesine maruz ve farklı çatlak geometrisi içeren
malzemeler ve K
1-)Merkez Çatlak
Kı =
sec
πa
w
σ
πa
2
⎛a⎞
⎛a⎞
= [ 1+ 0.256 ⎜ ⎟ -1.152 ⎜ ⎟ +
⎝ w⎠
⎝ w⎠
⎛a⎞
12.2 ⎜ ⎟
⎝ w⎠
3
]
66
w ,a dan çok büyük olursa
sec
πa
w
= 1 alınabilir
2-)Çift Taraflı Kenar Çatlak
Kı = [
⎛a⎞
⎟⎝ w⎠
1.12 + 0.43 ⎜
2
⎛a⎞
4.79 ⎜ ⎟ +
⎝ w⎠
3
⎛a⎞
15.46 ⎜ ⎟
⎝ w⎠
] σ πa
3-)Tek Taraflı Kenar Çatlak
Kı = [
⎛a⎞
⎟+
⎝ w⎠
1.12 – 2.3 ⎜
2
⎛a⎞
10.56 ⎜ ⎟ ⎝ w⎠
3
3
⎛a⎞
⎛a⎞
21.74 ⎜ ⎟ + 30.42 ⎜ ⎟
⎝ w⎠
⎝ w⎠
]
σ πa
67
4-)Delik çevresinde oluşan çatlaklar
* a<< R ise
K I = 1 . 12 ( 3σ ) π a
*a> R ve çatlak tek
taraflı büyürse
KI = σ π
*a>R
2R + a
2
ve çatlak çift taraflı büyürse
KI = σ π
2 R + 2a
2
4.5.KIRILMA TOKLUĞU (K)
Mod I gerilme şiddeti faktörü KI belirli geometrideki herhangi bir malzeme için belirli
bir gerilme değerinde sabittir.ancak her malzeme belirli bir kritik gerilme değerinde
kırılır.(
σ F veyaσ C ) Malzemenin kırıldığı bu kritik gerilme değerinde ölçülen gerilme
şiddeti faktörü o malzemenin kırılma tokluğunu verir ve düzlem germe durumunda KIC ile
gösterilir.Bu kırılma tokluğu değeri o malzemenin bir özelliğidir ve kullanılan hesaplama
yöntemine bağlı olarak bir sabittir;ancak sıcaklığa,yükleme hızına ve numune kalınlığına
bağlı olarak değişebilir.Dolayısıyla düzlem germe şartları sağlandığında tüm formüllerdeki
KI değerleri,gerilme yerine
σ F (kırılma gerilmesi) koyularak K olarak ifade
IC
edilir.Düzlem gerilme durumunda ise KC olarak ifade edilir.
68
Şekil 4.5.1 Kalınlığa göre kırılma Tokluğu değişimi
Şekilde KC nin numune kalınlığına bağlı olarak değişimi görülmektedir.belirli bir
numune kalınlığının altında,yani numunede düzlem gerilme durumu üstün olduğunda KC
sabit değildir ve numune kalınlığı ile değişim göstermektedir.Belirli bir kalınlığın üzerinde
ise,yani düzlem germenin üstün olduğu durumda,KC sabit bir alt limite varır.Bu alt limit
KIC dir ve malzemenin düzlem germe tokluğu olarak adlandırılır.
4.5.1.Griffith Yaklaşımı
Elastik bir malzemeye uygulanan eksenel kuvvetler sonucu malzemenin potansiyel
enerjisi ile yüzey enerjisi balans halindedir.Denge bozulduğu anda çatlak ilerler ve kırılma
gerçekleşir.Buna göre:
σ=
Gerilmelerin çatlak
çevresinde
oluşturacağı elastik
ji
σ≥
γ e = elastik yüzey enerjisi
2 Eγ e
πa
2 Eγ e
πa
E=elastisite modülü
a=çatlak yarı boyu
=
Yeni oluşacak
çatlakların yüzey
enerjisi
ÇATLAK
YAYILMAY
A BAŞLAR
LEVHA KIRILIR
69
G=çatlak yüzeyin birim alanının
elastik enerjisi(energy release rate)
R=Çatlak direnci(yüzey enerji
artışı)
(crack growth resistance)
σ c = 2a boyunda çatlak oluşumu
için gerekli gerilim
γ p=plastik şekil değiştirme işi
γ e =elastik şekil değiştirme işi
4.5.2.Irwinin yaptığı değişiklik
πσ 2 a
E
= 2(γ e + γ p )
G ≥ Gc = R
G=
πσ 2 a
Gc =
E
πσ c 2 a
E
Çatlak
büyür
*Griffith denklemi tamamen kırılgan malzemeler ve keskin uçlu çatlaklar için kullanılır
4.5.3.G ile K arasındaki ilişki
Griffith Denklemi:
G=
πσ 2 a
E
= 2(γ e + γ p )
σ
Gerilme Şiddeti Faktörü:
K =
*Sac kalınlığı çok küçükse ---düzlem gerilme
G =
K I
E
πa =
σ πa = 2(γ e + γ p ) E
2 (γ
e
+ γ
p
)E
G =
GE
K I
E
2
*Sac kalınlığı v ise---düzlem germe
2
G
IC
= (1 − v 2 )
K
2
IC
E
Laboratuvar ortamında elde edebildiğimiz değer “G”dir.G elde edildikten sonra KI ve KIC
ye ulaşabiliriz
GIC:Malzeme tokluğu.Birim alanda çatlak oluşturmak için gerekli enerji miktarıdır.(N.m-1)
70
KIC:Kırılma tokluğu
(KI ≥ KIC olduğunda çatlak meydana gelir)
4.6.KIRILMA MUKAVEMETİ
Plastik zonun çok küçük olması şartıyla ,elastik ilişkileri kullnarak bir malzemenin
kırılma mukavemeti σ F
σF =
EGIC
KIC
=
πa(1−v2) πa
GIC(kJ/m2)
KIC(MPa m )
Alüminyum alaşımları
8-30
23-45
Dökme demir
0.2-3
6-20
Yüksek mukavemetli Çelikler
15-120
50-150
Titanyum alaşımları
26-115
55-115
6-7
1-2
10-100
20-60
MALZEME
Polietilen
Cam Fiber takviyeli plastikler
Tablo 21:Bazı malzemelerin kırılma toklukları
71
4.7.KIRILMA TOKLUĞU DENEYLERİ
P
a ≥ 2.5 A (0.5 ≤ d / D ≤ 0.8)
D ≥ 1A
L ≥ 4 D P ≥ 14 > σ ys A 2
D
2
L
⎛K ⎞
A= ⎜⎜ IC ⎟⎟
⎝ σa ⎠
P ⎡
D⎤
Kı= 3 / 2 ⎢− 1.27 + 1.72 ⎥
d⎦
D ⎣
30° − 60°
d
a
P
P
2a ≥ 5 A
b ≥ 10 A
B ≥ 2.5 A
P ort = 7.5σ ys A 2
0 ≤ 2a / b ≤ 0.7
2
⎛ Kıı ⎞
⎟
A=⎜
⎜σ ⎟
ys
⎝
⎠
B : Kalıalın
b
2a
Kıc=
P a
bB
⎡
⎛ 2a ⎞
2
3⎤
⎢1.77 + 0.227⎜ b ⎟ − 0.51(2a / b ) + 2.7(2a / b) ⎥
⎝ ⎠
⎣
⎦
P
72
a ≥ 2.5a
b ≥ 5a
B ≥ 2.5 A
s ≥ 3b
a
s
⎛ Kıı
A=⎜
⎜σ
⎝ ys
b
P
Kıc=
P= 1.6σ s A 2
⎞
⎟
⎟
⎠
2
[
P a
1.99 − 0.41(a / b) + 18.7(a / b) 2 − 38.48(a / b) 3 + 53.85(a / b) 4
bB
P
a ≥ 2.5a
b ≥ 5a
B ≥ 2.5 A
b=w
a
s
Pcr = 0.53σ s A 2
a=0.45W
B=0.5W
S=4W
L
Kıc=
[
P a
11.6 − 18.4(a / b) + 87.2(a / b) 2 − 151(a / b) 3 + 155(a / b) 4
bB
]
73
]
P
B=b/2
a=2.5A
b ≥ 5a
B ≥ 2.5a
s ≥ 3b
b/4
⎛ Kıı
a= ⎜
⎜σ
⎝ ys
0.5b
a
b
P
Kıc=
⎞
⎟
⎟
⎠
2
⎤
P a⎡
⎛a⎞
2
1.99 − 0.41⎜ ⎟ + 18.47(a / b ) − 38.48(a / b) 3 ⎥
⎢
bB ⎣
⎝b⎠
⎦
1.26b
Bu testler şu prosedürleri içerir
1-)Numune şeklinin saptanması
2-)Numunenin kritik boyutlarının saptanması
3-)Numunenin işlenerek hazırlanması
4-)Yorulma ön-çatlağının açılması
5-)Testin yapılması
6-)Yük-Çatlak açılması grafiğinin değerlendirilmesi
7-)Şartlı KIC (KQ) değerinin hesaplanması
8-)KIC nin geçerli olup olmadığının kontrol edilmesi
74
4.8.CTOD TESTİ(Crack Tip Open Displacement)
Sünek-gevrek geçiş bölgesini en iyi karakterize eden test yöntemidir.CTOD testi
için 2 tip numune kullanılır.
4.8.1.SenB Numunesi
4w
P/2
0.45 ≤ a / w ≤ 0.55
w / B = 1veya2
B
w
P
a
4.8.2.CT Numunesi
a
0.45≤ a / w ≤ 0.55
2 ≤ w/ B ≤ 4
z
w
δ
P
plasti
Vplastik
75
Sen B için
GENELFORMÜLLER
δ T = δ elas + δ plastik
δ elas =
K2
mσ ys E
'
,E' =
V plastik
z + a + rp ( w − a )
=
E
,m = 2
1− v2
δ plastik
rp ( w − a )
rp = plastisitekatsayıat(0....1)arası
Kritik
CTOD
Maksimum
yük platosu
δm
δu
Sünek yırtılmanın başlangıcı
δ
Cleavage+du
ctile tearing
δC
Şekil 4.8.1.Kritik CTOD değerinin
sıcaklıkla değişimi
sıcaklık
cleavage
Sıcaklığın gevrek ve sünek kırılmaya etkisi ve bunun sonucu ölçülen CTOD lar
Standart CTOD(carck tip open displacement-çatlak ucu açılma miktarı) test
yöntemleri sünek ve gevrek malzemelere olduğu kadar,sünek-gevrek geçiş bölgesindeki
malzemelere de uygulanabilir.Bu standartlar numunenin kırılma davranışını tanımlayan
kritik CTOD değerlerini içerir.
76
δC:0.2 mm den az kararlı çatlak büyümesi olması durumunda kararsız kırılmanın
başlangıcındaki kritik CTOD değeri gevrek ve sünek-gevrk geçiş bölgesinin başlangıç
kısımları için geçerlidir.
δU:Kararlı çatlak büyümesinin 0.2 mm yi aştığı durumlar için kararsız kırılmanın
başlangıcındaki kritik CTOD değeridir.
δ1:Kararlı çatlak büyümesinin başlangıcındaki CTOD değeri.Bu değer JIC ile benzerdir.
δm:ilk maksimum yük platosundaki CTOD değeri.Sünek davranış gösteren çelikler için
kullanılır
4.9.J İNTEGRALİ
Lineer elastik davranış için elastik,sonsuzda yüklenmiş merkezinde bir çatlak içeren
birim kalınlıktaki bir levhanın enerji içeriği
“ U=Uo+Ua+Uγ-F “ olarak verilir.bu
eşitlik,elastik davranış için geçerlidir;lineer olması gerekmez.Yani aşağıdaki grafik gibi bir
davranış için de geçerlidir.Bu eşitlik lineer olmayan davranış için de geçerli
olduğundan,malzemelerin plastik davranışlarını modellemek için de kullanılabilir.Bu
plastisitenin deformasyon teorisi olarak bilinir.Plastik davranıştaki tek kısıtlama,geri
yüklemenin olmaması şartıdır.çünkü gerçek plastik davranışta deformasyonun plastik
bölümü geri çevrilemez.
77
Yük (P)
Potansiyel enerji UP=Uo+Ua-F U=UP+Uγ
UP lineer olmayan bütün elastik davranışların
enerjisidir.
dU p
Açılma v
d (U a − F )
d (F − U a )
,U o sabit
=−
da
da
da
dU p
J =−
.........(1),
da
dF / da.......(2), dU a / da........(3)
Şekil 4.9.1.Çatlak içermeyen yüklenmiş bir
levhanın lineer olmayan elastik davranışı
=
d ( F − U a ) dU γ
≥
........(4)
da
da
(1)Depolanan enerjideki azalma(-dUp/da) ,çatlağı hareket ettiren enerjinin (J) yayınımı
demektir.Bu da çatlak yüzeyinin da kadar artması için sağlanan enerjidir(dUγ/da)
(2)birim çatlak ilerleyişi için dış etkilerle sağlanan enerji
(3)dış etki nedeniyle elastik enerjideki artış
(4)olduğu anda kararsızlık başlar ve çatlak ilerler.Çatlak ilerleyişi sırasında yeni oluşan
çatlak yüzeylerine hiçbir gerilme etkimez.Dolayısıyla J çatlak ilerleyişinin başlangıcına
kadar geçerlidir.Lineer durumda G=J olarak verilir.
K2
.......( N / m )
J =G=
E'
Düzlem gerilmede
Düzlem germede
E’=E
E’=E/(1-v2)
JC:Çatlak ilerleyişinin başlangıcını belirleyen malzeme parametresi olarak tanımlanabilir.
78
4.10.YORULMA ÇATLAĞI İLERLEMESİ
Bir malzeme özelliği olan kritik gerilme yoğunluğunun altında bir çatlak kararlıdır ve
büyüyemez.KIC ye erişildiğinde ise çatlak ilerler.Eğer yapı içerisindeki çatlağın uzunluğunu
bilirsek,çalışma şartlarındaki gerilmeyi çatlağın ilerleyemeyeceği bir değerde tutarak
hasarın oluşmasını önleyebiliriz.Ancak çatlaklar tekrarlanan gerilmeler altındayken ,KIC
den çok düşük değerde bile oluşabilir ve ağır bir şekilde ilerleyebilirler.Tekrarlanan
gerilmeler,çatlağın yorulma denilen mekanizmayla ilerlemesine yol açar.Çatlağın ucunda
oluşan plastik bölge bir elastik-tekillik bölgesine sığınabilecek kadar küçük ise çatlak
ucundaki koşullar belirli bir K değeri ile tanımlanabilir ve çatlak ilerleme hızı Kmin ve Kmax
kullanılarak karakterize edilebilir.Çatlak ilerlemesi veren bağıntı:
K
da
= f (ΔK , R)
dn
ΔK = K max − K min
Kma
x
R=
Kmi
zaman
K min σ min
=
K max σ max
da/dN=çevrim başına
birim çatlak ilerlemesi
Şekil 4.10.1.Bir çatlağı ao başlangıç boyundan af son boyuna ilerletmek için gerekli çevrim
sayısı
N =∫
af
ao
da
f (ΔK , R)
79
Log
da
dN
I.B
ölge
eşik
ΔK
II.Bölge
Paris –Erdoğan
e şşi
III.Bölge
Kararlı yırtılma
çatlak büyümesi
böl i
KC
Şekil 4.10.2.Önceden Çatlağı mevcut bir malzemenin tipik çatlak ilerleme hızı diyagramı
I.Bölgede ΔK değerinin altında çatlak ilerlemez.Bunun üzerinde çatlak ilerleme hızı
artan ΔK ile oldukça hızlı artar.II.Bölgede genellikle log ΔK-(da/dN) eğrisinde lineer bir
ilişki gözlenir.III.Bölgede ise çatlak ilerleme hızı artar ve maksimum gerilme şiddetine KC
erişildiğinde malzeme kırılır.
Çatlak ilerleme hızı Paris eşitliği ile bilinen denklem
C:malzeme sabiti
m:eğrinin II.Bölgedeki eğimi
da
= C (ΔK ) m
dN
Bu ifadenin çeşitli çatlak tiplerine göre integrasyonu sonucu bulunan formüllerle elde
edilecek Nf çevrim sayısı değeri bize çatlağın kaç çevrim sonunda büyüyüp tehlike arz
edebileceğini gösterir
80
Tablo 22: Bazı malzemeler için yorulma çatlağı ilerleyişi verileri
81
5.BÖLÜM
DÜZLEM GERME KIRILMA TOKLUĞU STANDART TEST METODU
(ASTM E 399-83)
Bu bölümde, American Society tor Testing and Materials (ASTM) tarafından
standartlaştırılmış kırılma tokluğu deneyinin ana hatları özet olarak verilecektir. Bu test
metodu çentikli ve yorulma ön-çatlağı açılmış numunelerin standart . çekme cihazlarında
test edilmesini kapsar, önerilen numuneler kompak çekme (KÇ), üç nokta eğme (ÜNE),
C-şeklinde ve disk şeklinde (Bakınız Ek B) olup burada hazırlanması açısından en kolay
olan ve en yaygın olarak kullanılan KÇ ve ÜNE numuneleri incelenecektir.
Kırılma tokluğu testi prosedürü birkaç kademeyi içerir. Bunlar;
i)
Numune şeklinin saptanması,
ii)
Numunenin kritik boyutlarının saptanması,
iii)
Numunenin işlenerek hazırlanması,
iv)
Yorulma ön-çatlağının açılması,
v)
Testin yapılması,
vi)
Yük - çatlak açılması grafiğinin değerlendirilmesi,
vii)
Şartlı KIC (KQ) değerinin hesaplanması,
viii)
Kıc'nin geçerli olup olmadığının kontrol edilmesi.
82
Şekil 'de ASTM tarafından önerilen üç nokta eğme numunesi görülmektedir.
Burada S, mesnetler arası uzaklıktır.
UNE numunesi için f(a/W) değerleri yine Ek B'de
verilmiştir.
Bir düzlem germe kırılma tokluğu deneyinin geçerli sayılabilmesi için numune
boyutlarının' plastik zon boyutundan büyük olması gerekmektedir. Bununda sebebi,
oluşacak plastik zonun gerilme yoğunluk analizine etkisini ihmal edilebilir derecede
tutmaktır, yani düzlem şekil değiştirme (germe) durumunun üstün olmasını sağlamaktır.
83
Deneysel çalışmalar sonucu, düzlem germe davranışı için gerekli numune boyutları
aşağıdaki gibi saptanmıştır;
Burada a, ilk çatlak boyu, B, numune kalınlığı ve W, genişliğidir.
Görüldüğü gibi düzlem germe kırılma tokluğu saptanacak bir malzemeden numune
hazırlamadan önce onun akma gerilmesi ve' tahmini olarak KIC değeri bilinmelidir.
Bu
değerler yardımıyla düzlem germe durumunun üstün olacağı boyutlarda numune
hazırlamak mümkün olmaktadır.
Numune
boyutları
elastisite modülüne oranı
tabloda
çok
tok
bir başka seçenek olarak,
malzemenin akma gerilmesinin
yardımıyla, da saptanabilir.
malzemeler
Altta
verilen
dışında kullanılabilecek bir başvuru tablosu
verilmektedir.
84
Tablo23:Malzemenin
Değerine Göre
Seçilebilecek Numune Boyutları.
85
5.1.NUMUNELERİN ÖN HAZIRLIĞI
Numunelere Yorulma Ön-çatlağı Açılması
Çentik açma ve yorulma ön-çatlağı açmanın amacı, ideal düz ve keskin (sıfır yarıçaplı)
bir çatlak elde etmektir. Yorulma ön-çatlağı oluşturmadan önce ASTM'ye göre numunede
açılabilecek üç çentik tipi Şekilde verilmiştir.
86
Şekil ASTM E 399-83'e göre numunede açılabilecek çentikler;
(a) Chevron çentik, (b) Doğrusal çentik ve (c) Delikli çentik.
Çentik açıldıktan sonra, R oranı
-1 ile +0,1
arasında olmak üzere değişken yükleme altında yorulma ön çatlağı açılır. Burada çevrim
sayısı, numune boyutlarına, çentiğe ve gerilme yoğunluğuna bağlı olarak 10 ile 10
arasında değişebilir. Yorulma çatlağı ilerlemesi sırasında;
i) Uygulanan maksimum gerilme yoğunluğunun (Kmax) malzemenin kırılma tokluğu
değerinin % 80'ini aşmaması,
ii) Son % 2,5'lik bölümünde (çentik + çatlak uzunluğu) maksimum gerilme
yoğunluğunun malzemenin Young modülüne oranı
aşmaması,
iii)veya
malzemenin KJC değerinin % 60'ını aşmaması gerekmektedir.
Açılan çatlak numunenin her iki yüzeyinde de eşit uzunlukta olmalı ve çatlak
düzlemiyle açı oluşturmadan düz bir şekilde ilerlemiş olmalıdır. Deney sonrası kırılma
yüzeyinde
yapılan
ölçümlerde
Şekil
6.3'den
görüldüğü
gibi
olmak
üzere;
i)
% 5'inden fazla sapma göstermiyorsa ve
ii) ay değerleri (numune yüzeylerinde ölçülen çatlak uzunlukları) a'nın % 10'undan
fazla sapma göstermiyorsa, test geçerli sayılır.
87
Numune kırıldıktan sonra çatlak yüzeyinde deneyin geçerliliğini saptamak, amacıyla
yapılacak ölçümler.
Deney Düzenekleri ve Numune Tutucular
Numune tutucular, seçilen numune cinsine göre numunenin test cihazına
oturtulmasını sağlayan düzeneklerdir. Standartlarda bu tutucuların nasıl hazırlanması
gerektiği ayrıca verilmektedir.
Deneye başlamadan önce bir klipgeyç sağlanmalıdır. Klipgeyç, numunedeki
(genellikle çatlak ağzındaki) açılmayı ölçen İki ayaklı bir cihazdır .Böylece deney
yapılırken test kaydı, y-ekseninde yükü ölçen bir sistemden, x-ekseninde de çatlak ağzı
açılmasını ölçen klipgeyçten alınan veriler yardımıyla grafik olarak çizilir .
88
Klipgeyçin numuneye yerleştirilmesi.
Yükleme hızı
standartta 0,55-2,75
aralığında verilmiştir.
Bu
sınırların dışına çıkılması, malzeme özelliklerinin yanlış yorumlanmasına yol
açacağından önerilmemektedir.
5.2.YÜK-AÇILMA KAYDININ ANALİZİ VE KIC’ninSAPTANMASI
Yük-açılma diyagramları malzemenin cinsine göre çeşitli şekillerde olabilir.
Görülebilecek üç ana tip Şekil 6.5'de verilmiştir.
89
Yük-açılma diyagramlarından görüldüğü gibi, başlangıçta açılma (v), yük (P) ile lineer
olarak artar. Birçok durumda gittikçe artan bir lineerliklen sapma bunu izler veya ani bir
çatlak ilerlemesi ve durmasını (pop-in) yine lineer olmayan davranış izler (I. ve II. tipler,
Şekil 6.5a ve 6.5b). Bu lineer olmayan davranışın nedeni, ani kırılmadan önceki plastik
deformasyon. ve
kararlı
çatlak ilerlemesidir. Eğer malzeme hemen hemen ideal elastik
gibi davranırsa (buna çok nadiren rastlanır) Şekil 6.5c'deki gibi bir diyagram elde edilir.
90
Kıc’ye karşılık gelen yükü saptamak için Şekil 6.6'dan görüldüğü gibi OA'nın eğiminden
(lineer bölgenin eğimi) %5 daha az eğimli bir doğru, O orijininden başlayarak çizilir. Bu
doğrunun deney eğrisini kestiği yere karşılık gelen yük Ps olarak kaydedilir,PQ ise KQ (eğer test
geçerliyse Kıc )hesabında kullanılacak yüktür. Pç'nun saptanması aşağıdaki gibi gerçekleştirilir;
Ps ve PQ değerlerinin yük-açılma diyagramları üzerinden saptanması.
91
5.3.TEST CİHAZI VE DENEYİN FOTOĞRAFLANMASI
Yorulma çatlağını açmak için kullanılan ön-yorulma çatlağı düzeneği
92
3 Nokta Eğme Cihazı
Mesnetler ve Yük Uygulama Aparatı
93
Testin başlangıcı
Testten Sonraki 3mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali
94
Test Anındaki 6mm’lik Numunenin Görüntüsü
Testten Sonraki 4mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali
95
Test Anındaki 6mm’lik Numunenin Görüntüsü
Testten Sonraki 6mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali
96
5.4.NUMUNELERİN KIRILMA TOKLUKLARININ HESABI
*Test Hızı:1.7mm/min
1 Numaralı numune(a=3mm çatlak boyu için)
1.Numune
3
2
y = 4E-12x - 3E-08x + 0,0002x - 0,0179
2
R = 0,9995
1,6
1,4
deplasman(mm)
1,2
1
0,8
Seri 1
r
0,6
Polinom (Seri 1)
0,4
0,2
0
-2000 -0,2 0
2000
4000
6000
8000
yük(N)
Bir numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden komplians
c= Δl (mm) / P( N )
değeri
C1=2.1x10-4
Test Esnasında
Foce (N)
7000
6000
Cihazın
uyguladığı
5000
kuvvetin
4000
göre değişimi
zamana
3000
2000
1000
0
0
50
100
150
200
Time (sn)
97
2Numaralı Numune(a=4mm için)
2.Numune
3
2
y = 1E-11x - 7E-08x + 0,0003x - 0,0239
2
R = 0,995
1,4
1,2
Deplasman(mm)
1
0,8
Seri 1
0,6
Polinom (Seri 1)
0,4
0,2
0
-2000
-0,2
0
2000
4000
6000
Yük(N)
İki numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden
komplians değeri
Force (N)
C2=2.57x10-4
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
150
200
Time (sn)
Test Esnasında Cihazın uyguladığı kuvvetin zamana göre değişimi
98
3 Numaralı Numune(a=5mm için)
3.numune
y = 2E-11x3 - 9E-08x2 +
0,0003x - 0,0374
R2 = 0,9947
1,4
Deplasman(mm)
1,2
1
0,8
Seri 1
Polinom (Seri 1)
0,6
0,4
0,2
0
-0,2 0
2000
4000
6000
Yük(N)
Üç numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden
komplians değeri
C3=3.048x10-4
4500
4000
Force (N)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
150
200
Time (sn)
99
4 Numaralı Numune(a=6mm için)
4.Numune
3
2
y = 7E-12x - 3E-08x + 0,0002x - 0,0122
2
R = 0,9996
1,2
Deplasman(mm)
1
0,8
0,6
Seri 1
Polinom (Seri 1)
0,4
0,2
0
-0,2
0
1000
2000
3000
4000
5000
Yük(N)
Dört numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden
komplians değeri
Force (N)
C4=2.62x10-4
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
150
200
Time (sn)
100
5 Numaralı Numara(a=7 mm için)
5.Numune
3
2
y = 5E-11x - 1E-07x + 0,0004x - 0,0278
R2 = 0,9931
1,6
1,4
Deplasman(mm)
1,2
1
Seri 1
Polinom (Seri 1)
Polinom (Seri 1)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-1000 -0,2 0
1000
2000
3000
4000
Yük(N)
Beş numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden
komplians değeri
C5=4.65x10-4
3500
3000
Force (N)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
150
200
250
Time (sn)
Elde ettiğimiz 5 komplians değeri ile çatlak boylarını grafiğe dökersek
101
a(mm)
c
3
2.1x10-4
4
2.57x10-4
5
3.048x10-4
6
2.62x10-4
7
4.65x10-4
0,00045
0,0004
Komplians(C)
0,00035
0,0003
0,00025
0,0002
4
3
2
y = 2E+06x - 48833x + 348,58x - 0,9762x +
0,0011
2
R =1
0,00015
0,0001
Seri 1
Polinom (Seri 1)
0,00005
0
0
0,002
0,004
0,006
0,008
Çatlak Boyu(a)
Elde edilen formül :
y=2*106*x4-48833*x3+34858*x2-0.9762*x+0.0011
Bu denklemin türevi alınır ve 5 numaralı numunenin değerleri kullanılarak
102
P=3007N
a=7mm=0.007m (x yerine konacak değer)
B=7mm=0.007m
8*106*a3-146499*a2+69716*a-0,9762
c’=43,01
Bu değerler aşağıdaki formüllere yerleştirilerek GIC değeri bulunur.
G IC
1P 2
=
c'
2B
G IC
1(3007) 2
=
x 43,01
2.0,007
GIC=2,77*1010
GIC=
K IC
(1 − ν 2 )
E
Cam Epoksinin önceden elde ettiğimiz değerleri
E=37000Mpa
KIC=
G IC * E
=
(1 − ν 2 )
ν = 0.24
2,77 *1010 * 37000 * 10 6
1 − (0,24) 2
KIC=329,78*102MPa m
Değeri bulunmuş olur.
103
BÖLÜM ALTI
ANSYS İLE 3 NOKTA DEĞME NUMUNESİNİN ANALİZİ
Preferences’dan yapacağımız analizin tipini belirliyoruz
Preprocessor<Element Type<Add Edit Delete’ den modelleyiceğimiz malzemenin
çeşidini seçiyoruz.Nonlin181 kodlu eleman tipi yapacağımız kompozit analizi için
uygundur.
104
Preprocessor<Real Constants<Add Edit Delete’den eleman tipine ait düğüm
noktalarının kalınlıkları veriliyor.
Preprocessor<material prop< material models<structural<linear<orthoprophic
komutu ile parçamızın elastisite modülü,poison oranı ve kayma gerilmesi değerleri
girilmiştir
105
Preprocessor<Sections<Shell<Lay up<Add Edit Delete’den malzemenin 8 tabakalı
90 ve 0 derece fiber açılarına sahip olduğu belirtiliyor
Preprocessor<Modeling<Create komutundaki aparatlarla parçamız çizildi
Width=14mm Height=70mm aort=5mm
106
Preprocessor<Meshing<Size controls<Manual size<Global<Size’dan meshlenecek
parçanın en küçük elemanının boyutu veriliyor.Biz bunu 1 kabul ettik
Preprocessor<Mesh<Areas<Free komutu ile parça sonlu elemanlara ayrılır
107
Parçamızın sonlu elemanlara ayrılmış hali
Solution<Define Loads<Apply<Structural<Displacement<On nodes’dan mesnet
noktaları seçilir ve serbestlik derecesi belirlenir
108
Solution<Define Loads<Apply<Structural<Force<On nodes’dan kuvvet
uygulanacak nokta seçilerek şiddeti ve yönü girilir
Solution<Solve<Current Ls’ dan sistem çözdürülür
109
General Postprocessor<Plot Results<Deformed Shape
Kesik çizgilerle görünen parçanın deforme olmamıs halidir mavi renkli şekil parçanın
deforme olmus halini gösterir.Malzeme yüklenmeden sonra böyle bir hal alır
110
General Postprocessor<Plot Results<Contour Plot<Nodal Solution
111
Parçadaki maksimum gerilme kuvvetin uygulandığı noktada meydana gelmiştir.Bunun
sonucunda çatlak ağzında gerilme fazlalaşmış ve çatlağın açılmasına sebep
olmuştur.Gerilme kuvvetinin minimum olduğu bölge parçanın yan taraflarıdır.
112
General Postprocessor<Plot Results<Vector Plot<Predefined
Kuvvetin parça üzerinde vektörel olarak izlediği yolu göstermektedir.Maksimum yükün
bindiği noktalar kuvvetin uygulandığı nokta ve çatlak ağzı bölgesidir bunlarda kırmızı
renkle gösterilmiştir.
113
3 NOKTA EĞME NUMUNESİNİN ABAQUS İLE GERİLME ANALİZİ
Model Database<Model-1’ den yapılan analizin ismi yazılarak modellemeye başlanır
114
Model Database<Model-1<Parts’dan parçamızın kaç boyutlu olacağını,şekli ,tipi ve
çizim yapılacak çizim alanının büyüklüğü seçilir.Ansysde modellenen parça gibi
buradada shell elemanı seçilerek buna kompozit özelleği kazandırılmıştır.
Çıkan çizim aparatlarıyla parça nın basit geometrisi çizilerek modellenir.ABAQUS
programının sadece standart versiyonunda mümkün olan solid /composite modeli
yerine CAE versiyonunda mümkün kılınan Shell/composite modülü kullanılmıştır.
115
Parçamızın temel geometrisi
Model Database<Model-1<Materials<Material-1’den parçamızın elestisite
değeri,poison oranı ve kayma modülü girildi
Cam Epoksinin Özellikleri
Ex=37000 Mpa
Ey=13000 Mpa
Ez=13000 Mpa
vx=0.24
vy=0.24
vz=0.24
Gx=6300 Mpa
Gy=6300 Mpa
Gz=6300 Mpa
116
Model Database<Model-1<Sections’ dan parçanın kompozit ve kabuk yapıda olduğu
girilmiştir
117
Model Database<Model-1<Sections<Section-1’den kompozit malzemenin
tabakalarının kalınlığı, fiberlerin açıları girilmiştir
Model Database<Model-1<Assembly<Instances’ den mesh yapılacak yani sonlu
elemanlara ayrılacak olan parçamız seçildi
118
Ekranın üst kısmındaki Utility menu<Seed<Part’dan sonlu elemanlara ayrılacak olan
parçamızdaki en küçük elemanın boyutu girilir
Utility menu<Mesh<Part’dan parçamız sonlu elemanlara ayrılır.
Models<Model-1<Parts’dan Section Assignment butonuna tıklanarak tanımlanan
section özellikleri parçaya atanır.
119
Models<Model-1<BCs’den parçanın başlangıç koşulları uygulanır.Her iki taraftan
standart ölçüler dahilinde dik eksende yerdeğiştirmesi sıfırlanarak mesnetlenir.
120
Models<Model-1<Loads’dan parçaya gelecek kuvvetin cinsi belirtilir daha sonra
kuvvet uygulama noktası seçilerek kuvvetin hangi yönde ne kadar şiddetde olacağı
yazılır
Parçanın bu aşamalardan sonraki model hali
121
Model Database<Model-1<Steps’den kuvvetin uygulama biçimine ait kriterler
belirlenir.
Böylece parçamızın modellenmesi bitmiştir.Artık analiz kısmına gelebiliriz.
Model Database<Model-1<Job’dan analizi yapılacak parçanın program tarafından
sonuç bölümüne gönderilmesinden önceki ayağın tamamlanması sağlanır
122
“Job” butonu sağ tıklanır ve “submit” denirse parçanın analizi gerçekleşir
Aynı şekilde “job” butonu sağ tıklanıp “results” denilincede sonuçlar ekrana gelir
Results komutunun hemen ardından çıkan butonlardan parçanın son geometrisinin şekli
ve programın yaptığı analizlere ulaşabiliriz.
123
plot<undeformed shape butonuyla parçanın deforme olmus hali görüntülenebilir
Parça içinde oluşan gerilme kuvvetlerinin vektörel gösterimi için Plot Symbols Vectors
or Tensors butonuna tıklanabilir.Maksimum gerilmenin olduğu bölge kırmızıyla
gösterilen çatlak ağzı bölgesidir.
124
Plot Material Orientations komutu bize parça içindeki sonlu elemanların kuvvet
etkisiyle 3 eksende yapacakları veya meğilli oldukaları deplasmanları vektörel bir
şekilde şematize etmekte
Plot Contours komutu ile parçada oluşan gerilmeler görüntülenebilir. Parçadaki
maksimum gerilme kuvvetin uygulandığı noktada meydana gelmiştir.Bunun sonucunda
çatlak ağzında gerilme fazlalaşmış ve çatlağın açılmasına sebep olmuştur.Gerilme
kuvvetinin minimum olduğu bölge parçanın yan taraflarıdır.
125
SONUÇ
3 nokta
eğme deneyi yapılan cam epoksi kompoziti sanayide ve daha birçok alanda
kullanımı yaygın bir malzemedir. Cam epoksi gevrek bir malzemedir.Akma sınırına girmeden
kırılır.
Kompozit yapısı sayesinde lifleri doğrultusunda gelen kuvvetleri kolay karşılayabilirken dik
doğrultuda gelen kuvvetleri karşılamakta zorlanmaktadır.Yapılan hesaplamaların hassasiyetini
arttırmak açısından numune sayısı arttırılabilir ve kırılma tokluğu değeri daha hassas ölçülebilir.
Numunelere açılan önyorulma çatlaklarının boyu arttıkça malzeme daha kolay kırılmış ve
kaldırabileceği yük miktarı giderek azalmıştır.Malzemedeki en kritik bölge çatlak ağzı bölgesi
olmuş ve o bölgede artan gerilmeler malzemenin kırılmasına sebep olmuştur..
ANSYS ve ABAQUS programları üç boyutlu modelleme ve analiz konusunda oldukça
kolaylık sağlamaktadır.ABAQUS programı analiz sonucu plot çıktıları ANSYS kadar zengin
değildir.Sayısal anlamda yeterli çıktı vermemektedir.Lakin kullanımı kolay ve anlaşılabilir
seviyededir.
Yaptığımız bu çalışma ile kompozit malzemeler hakkında ve malzemelerin kırılma
davranışları hakkında yeterli bilgiye sahip olmakla beraber ABAQUS programını tanımış olduk
ve kıyaslama şansına sahip olduk.Kırılma Mekaniği hakkında teorik bilgimize yeni bilgiler
katma şansı bulduk.Çalışmamız sırasında yaşadığımız birtakım aksaklıklara rağmen
çalışmamızın verimli olmasını umut ediyoruz.
126
KAYNAKLAR
[1] Yrd.Doç.Dr. Agah
Basımevi,Bursa,1996
Oğuz
,Kırılma
Mekaniğine
Giriş,Uludağ
Üniversitesi
[2] Victor E. SAOUMA , Lecture Notes in:Fracture Mechanics,Dept. Of Civil Enviromental
and Architectural Engineering,University of Colorado,Boulder,May 17 2000
[3]Dr Noel O’Dowd,ADVANCED FRACTURE MECHANİCS,Lectures on fundementals of
Elastics,Elastic-Plastic and Creep Fractur 2002-2003
[4]Plastik Ürünleri Sanayi Özel İhtisas Komisyonu Raporu, Sekizinci Beş Yıllık kalkınma Planı
[5]ASTM standartları
[6]Cam Epoksi ve Kompozit Malzemeler konulu Araştırma projeleri
[7]Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Kırılma Mekaniği ders notları
127