1

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

2

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 …………….. ve ……………….. numaralı

…………………… jürimiz tarafından …../…../…….. günü

saat…………………..da yapılan sınavda, 100 (yüz) tam not üzerinden

………………….almıştır

Başkan Üye Üye

ONAY

3

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

4

ÖZET

Bu çalışmanın amacı , incelenen kompozit bir malzeme olan Cam epoksinin

hazırlanan numuneleriyle 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.

5

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

6

2.3.1.Elyaflı Kompozitler 18

2.3.2.Paraçacıklı Kompozitler 19

2.3.3. Tabakalı Kompozitler 19

2.3.4. Karma (Hibrid) Kompozitler 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

7

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

8

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 65

4.5.Kırılma Tokluğu 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

9

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

10

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 79

11

TABLO LİSTESİ

Tablo.1 Cam elyaflarınmekaniközellikleri 22 Tablo.2:Karbon ve grafit elyafların… 24 Tablo.3: Bazı matris malzemelerinin özellikleri 26 Tablo.4.: Cam fiber üretiminde kullanılan…. 33 Tablo.5: Kevlar 29 ve Kevlar 49… 34 Tablo.6: Hacimce % 50 Fiber … 34 Tablo.7: Seramik ve seramik kompozitlerin….. 39 Tablo.8: SiC whisker takviyeli… 40 Tablo.9 Bazı kompozitlerin kullanım alanları 42 Tablo.10: MMK malzeme üretiminde kullanılan… 48 Tablo.11: Partikül takviyeli MMK … 49 Tablo12: MMK malzemelerde matris metali… 50 Tablo.13: Üretimleri ve kullanım… 50 Tablo.14: Partikül takviyeli MMK malzemeleR… 51 Tablo.15: Al- % 1.5 Mg alaşımında SiC 52 Tablo.16: 6061 Al matris alaşımı ve SiC 53 Tablo 17:Cam ve epoksinin Özellikleri 55 Tablo 18:Farklı Cam çeşitlerinin… 55 Tablo 19:Aramid,karbon ve Cam elyafı özellikleri 57 Tablo 20:Cam elyafı /poliester birleşik… 58 Tablo 21:Bazı malzemelerin kırılma toklukları 70 Tablo 22: Bazı malzemeler için yorulma.. 80 Tablo23:MalzemeninDeğerine Göre… 84

12

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.

13

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.

14

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.

B.İnşaat Sektörü

Şekil 2.2.1. Bir lastik tekerleğin yapısı

15

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

16

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

17

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

Şekil 2.2.2. Bir uçakta kompozit malzeme kullanımı

18

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

19

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.

20

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.

21

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.

22

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 C Camı E Camı S Camı

Özgül Ağırlık (g/cm3) 2.50 _, 2.49 2.54 2.48 Elastik Modül (GPa) - 69.0 72.4 85.5 Çekme Mukavemeti (MPa) 3033.0 3033.0 3448.0 4585.0 Isıl Genleşme Katsayısı 8.6 7.2 5.0 5.6 Yumuşama Sıcaklığı 727.0 749.0 841.0 970.0

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.

23

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

24

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 Grafit Karbon Saflık ( % ) 99 93-95 İşlem Sıcaklığı (°C) >1700 <1700 Elastik Modül (GPa) >345 <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.

25

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

26

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

Epoksi

G li i

Polyster Fenolik

27

Özgül ağırlık (g/cm3)

1.1-1.3 1.2-1.4 1.3 1.2 1.2-1.3

Elastik modül (GPa)

2-3 2.5-3.0 3.5 2-3 5-11

Çekme muk. (MPa)

50-70 70-90 60 50-60 50-60

Kop. Uzaması (%)

2-6 2-5 2 2-3 1.2

Maks. işlem sıc. (°C)

70-100 100-180 180 60-80 100-125

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.

28

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.

29

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.

30

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

31

- 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,

32

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.

33

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 E Camı C Camı S Camı Sİ02 52.4 64.4 64.4 Aİ203,Fe203 14.4 4.1 25.0 CaO 17.2 13.4 - MgO 4.6 3.3 10.3 Na20, K20 0.8 9.6 0.3 Ba203 10.6 4.7 - BaO - 0.9 -

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

34

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 Kevlar 29 Kevlar 49 Yoğunluk ( g/cm ) 1.44 1.44 Fiber Çapı (um ) 12 12 Çekme Gerilmesi ( GPa ) 2.8 2.8 Uzama ( % ) 4.0 2.3 Young Modülü ( GPa ) 65 125

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.

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

Sistem Polyester-Cam Epoksi-PAN I Epoksi-Kevlar 49 Young Modülü ( GPa) 35-40 190-240 65-75 Kayma Modülü ( GPa ) 3.5-5.5 5.8-3.6 4-5 Çekme Mukavemeti (MPa) 650-750 850-1100 1110-1250 Kayma Mukavemeti (GPa) 45-60 60-75 40-60 Poisson Oranı 0.26 0.26 0.35

36

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

37

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

38

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

39

gerektirir. Zirkonya ihtiva eden seramiklerin mükemmel termal şok direnci olması, son 20-

25 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

40

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 Mukavemet (Mpa)

Kırılma Tokluğu Kıc (Mpa m )

Termal Şok Direnci (°C)

Geleneksel Seramikler SİO2 Esaslı (Or: Borosilikatcam) 70 0.5 300 AI2O3 350-700 4 225 B4C 350 4 225 ZrO2 (tamamen kararlı) 140-350 2.5 225 Sİ3N4 (sıcak preslenmiş) 700-860 5 450

Seramik Kompozitler ZrO2 kristalleri (kısmen kararlı) 1400 6 450 AI2O3 (hacimce %10 Z1O2) 700 8 900 AI2O3 (hacimce % 30 BN) 350 6-9 500 B4C (hacimce %50 C) 200 3.5 1100 Cam-SiC fiber kompoziti 350 7 900

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 )

Matris Malzemesi

Kırılma Mukavemeti

Kırılma Tokluğu (Mpa'vm)

Test Sıcaklığı (°C)

15 A1203 652 4.6 25 0 A1203 150 4.3 25

30 A1203 680 8.7 25 40 A1203 850 6.2 25

41

40 A1203 680 6.4 1000 40 A1203 610 8.7 1200 0 Müllit 201 2.45 25

30 Müllit 386 3.52 25 0 Zr02 1150 6 25

30 Zr02 600 11 25 0 MoSi2 150 5.3 25

20 MoSi2 310 8.2 25 0 Sİ3N4 662 7.1 25

30 Sİ3N4 450 10.5 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

42

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

43

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.

44

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:

45

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

46

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:

47

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.

48

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

49

Fiber Fiber Çapı (μ m)

Mukavemet (Mpa)

Elastik Modül (Gpa)

Yoğunluk (g/cm3)

A1203 20 1500 380 3.9 A1203 whisker 16000 550 3.9 A1N whisker 14000 335 3.3

B(W çekirdek) 100 3800 400 2.6 B(C çekirdek) 100 3300 370 2.3 B(SiC kaplı) 120 3000 400 2.6

BeO whisker 14000 700 1.8 B203 whisker 7000 450 2.5

Cf(PAN) 8 4000 300 L8 E cam 11 1750 76 2.55 Grafit whisker 21000 450 2.25 MgO whisker 10000 310 3.6

Paslanmaz çelik 100 4250 210 7.8 SiC 10-15 2760 200 2.55

ct-SiC whisker 20000 485 3.15 Sİ3N4 whisker 8000 380 3.2

Tablo.11: Partikül takviyeli MMK malzeme üretiminde kullanılan bazı önemli seramik partikül takviye malzemelerinin mekanik ve fiziksel özellikleri

Partikül Mukavemet (Mpa)

Elastik Modül (Gpa)

Yoğunluk (g/cm3)

AI2O3 221 379 3.98 A1N 2069 310 3.26 B4C 2579 448 2.52 Ce02 600 200 6.9 MgO 4100 417 3.58 SiC 3100 324 3.2

Sİ3N4 4100 250 3.18 Th02 193 200 9.86 TiC 55 269 4.93 ZrC 90 359 6.73 Zr02 83 132 5.89

2.8.4. MMK Malzemelerin Mekanik Özellikleri

50

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 ÖYM (Mpa)

OM (Mpa)

e (%)

EM (Gpa)

Saf Al (TicarıL 30 80 40.0 72 Al-6Fe 280 350 12.5 82 Al-4.5 Cu-T6 107 182 17.0 71 Al-Cu-Mg-T6 319 345 1.20 72 Al 1100-T6 63 99 41.0 - 2014 A1-T6 414 409 10.0 72 2024 A1-T4 268 388 8.20 -

51

Al 2124-T4 350 479 12.0 - A 356 Al-T6 200 275 6.00 69 6061 A1-T6 276 326 15.0 68 7010 A1-T6 490 550 10.5 70 Mg-2 Ag-T6 200 240 - 48 Mg-Al-Zn 168 311 21.0 49 Tablo12: MMK malzemelerde matris metali olarak en çok kullanılan bazı metal ve alaşımlarının mekanik özellikleri.

YMσ = Matrisin akma mukavemeti e = Matrisin kopmadaki % uzama =Mσ 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

( ) = Kompozitteki fiber hacim oranlan

σ YC = Kompozit malzemesinin akma mukavemeti

Matris Fiber(%) σ YC

(Mpa) (Mpa) (%) Ec (Gpa)

Saf Al SiC (50) - 780 - 135 Saf Al (Ticari) Kısa C (15) - 166 9.5 85 Al-Li A1203 (60) - 690 - 262 Al-Cu-Mg-T6 Saffil (20) 385 401 0.8 89 Mg-2 Ag-T6 Saffil+SiCp (15) 280 340 - 74 Ti-6 Al-4 V Sürekli SiC (35) - 1750 - 300 Al 1100 SiCw (20) 183 324 5 - Al 2124-T6 SiCw (20) 497 890 3.0 130 Al6061-T6 SiC kaplı B (50) - 1400 - 225 Al 6061-T6 SİCW (17) 421 529 4.8 110 Al 6061-T6 Saffil (20) 383 475 1.9 94 Al 6061-T6 Grafit (30) - 517 0.37 152 7010-A1-T6 Saffil (15) - 220 0.2 92

52

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 Partikül (%)

(Mpa) (Mpa) e (%)

Ec (Gpa)

A14.5 Cu-T6 SiC (10) 184 198 3.5 82 Al-6Fe SiC(15) 320 380 6.0 120 Al-3Mg Zr02(20) 68 82 3.8 - 6061-A1-T6 A1203 (10) 297 338 7.6 81 6061-A1-T6 AI2O3 (15) 386 359 5.4 88 6061-A1-T6 AI2O3 (20) 359 379 2.1 99 2014-A1-T6 A1203 (10) 483 517 3.3 84 2014-A1-T6 A1203 (15) 476 503 2.3 92 2014-A1-T6 A1203 (20) 483 503 0.9 101 A356-A1-T6 SiC (10) 283 303 0.6 81 A356-A1-T6 SiC(15) 324 331 0.3 90 A356-A1-T6 SiC (20) 331 352 0.4 97 2124 A1-T4 SiC (15) 410 540 10 98 A 357 SiC (20) 386 393 - 100 Mg-Zn-Al SiC (20) 260 328 2.5 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.

53

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 Partikül Boyutu (μ m)

SiC Oranı (% Ağırlık)

Sürtünme Katsayısı (μ )

Al-%1.5Mg Takviyesiz 0 0.63 Al-% 1.5 Mg 50 12.5 0.44 Al-%1.5Mg 100 12.5 0.47 Al-% 1.5 Mg 50 15 0.24 Al-% 1.5 Mg 100 15 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 Takviye Malzemesi Takviye Hacim Oranı (%)

Kırılma Tokluğu (MNm_3/2)

6061 Al (T6) - - 37.0 6061 Al (T6) SiCw 20 7.1 6061 A1(T6) SİCP 25 15.8

54

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

55

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.

Tablo 17:Cam ve epoksinin Özellikleri

Glass(bulk)

Epoxy(bulk)

Density(g/cm3)

2.64

1.17

Coefficient of thermal expansion (10-6K-1)

43 65

Young modulus(GPa) 70 3

Poission ratio 0.24 0.37

Softening point(K)(viscosity=106Pa s) 1193 -

Working point(K)(viscosity=103 Pa s) 1453 -

Şekil 3.1.1. Cam epoksinin üretiminin şematik gösterimi

56

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

57

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.

58

Şekil 3.1.2. Aramid ve Cam elyafından yapılmış 2 ayrı katmanlı malzemenin yorulma grafiği

Tablo 19:aramid,karbon ve Cam elyafı özellikleri

59

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

60

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.

61

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. Sünek kırılmayı meydana getirmek için uygulanan

gerilmenin, malzemenin plastik deformasyona 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

62

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

Mσ gerilmesi çentikli malzemede çatlak ucunda MAXσ 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.

63

Diyagrama

göre en

önemli bölge

geçiş

bölgesidir.

Burada

malzeme, çok

dar bir

sıcaklık

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:

Şekil 4.3.2.Kritik sıcaklık ve kırılma bölgeleri

64

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

65

4.4.GERİLME ŞİDDETİ FAKTÖRÜ:(K) -Çatlak ucu elastik alanın büyüklüğünü gösterir -Çatlak ilerleyişi ile kırılma arsındaki ilişkiyi belirler(Elastik bölge)

ModI için Elastik gerilme alanı denklemleri 1-)

, =yσ … , =xyτ …

aK I πσ= r=0 a gittiğinde (çatlak ucunda) bütün gerilmeler sonsuza gider 2-)Şimdi iki eksende yüklenmiş bir levhadaki gerilmeleri göz önüne alalım

23cos

22)

2cos

2sin1(

2cos

2θρ

πθθθ

πσ

rrK

rK II

x −−= , =yσ … ,

=xyτ … r=ρ/2 olduğunda (çatlak ucunda) gerilmeler de sonludur

)(2

θπ

σ fr

Kij = )(

wafaK πσ=

Irwine göre bir çatlak civarındaki

il l

a:çatlak yarı boyu

i i i liği

)2

cos2

sin1(2

cos2

θθθππσσ −=ra

x

Şekil 4.3.4.Çatlak ucunda bir noktadaki gerilme

66

Aynı şekilde Mod II ve Mod III için de Gerilme alanı denklmeleri çıkartılabilir

aK IIIII πτ=, Mod II için xσ , yσ , xyτ mevcutken

Mod III için xzτ , yzτ mevcuttur

4.4.1.Uniform σ gerilmesine maruz ve farklı çatlak geometrisi içeren

malzemeler ve K 1-)Merkez Çatlak

awaK ı πσπsec=

= [ 1+ 0.256 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

-1.1522

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

+

12.23

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa ]

Şekil 4.3.5.İnce bir çatlak içeren iki eksende yüklenmiş sonsuz levha

67

w ,a dan çok büyük olursa 1sec =waπ

alınabilir

2-)Çift Taraflı Kenar Çatlak

=ıK [ 1.12 + 0.43 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

-

4.792

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

+

15.463

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛wa ] aπσ

3-)Tek Taraflı Kenar Çatlak

=ıK [ 1.12 – 2.3 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

+

10.562

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

-

21.743

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛wa

+ 30.423

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

wa

]

aπσ

68

4-)Delik çevresinde oluşan çatlaklar

* a<< R ise

aK I πσ )3(12.1= *a> R ve çatlak tek taraflı büyürse

22 aRK I

+= πσ

*a>R ve çatlak çift taraflı büyürse

222 aRK I

+= πσ

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.( )CF veyaσσ 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 Fσ (kırılma gerilmesi) koyularak KIC olarak ifade

edilir.Düzlem gerilme durumunda ise KC olarak ifade edilir.

69

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:

=eγ elastik yüzey enerjisi E=elastisite modülü

a=çatlak yarı boyu

LEVHA KIRILIR

aE e

πγσ 2

=

Gerilmelerin çatlak çevresinde oluşturacağı elastik

ji

Yeni oluşacak çatlakların yüzey enerjisi

=

ÇATLAK YAYILMAYA BAŞLAR

aE e

πγσ 2

≥

Şekil 4.5.1 Kalınlığa göre kırılma Tokluğu değişimi

70

4.5.2.Irwinin yaptığı değişiklik

*Griffith denklemi tamamen kırılgan malzemeler ve keskin uçlu çatlaklar için kullanılır

4.5.3.G ile K arasındaki ilişki

*Sac kalınlığı çok küçükse ---düzlem gerilme *Sac kalınlığı v ise---düzlem germe

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)

)(22

peEa γγπσ

+= EaG

2πσ=

RGG c =≥ Çatlak büyür

G=çatlak yüzeyin birim alanının elastik enerjisi(energy release rate) R=Çatlak direnci(yüzey enerji artışı) (crack growth resistance)

=cσ 2a boyunda çatlak oluşumu için gerekli gerilim γ p=plastik şekil değiştirme işi γ e =elastik şekil değiştirme işi

)(22

peEaG γγπσ

+== Ea pe )(2 γγπσ += Griffith Denklemi:

Gerilme Şiddeti Faktörü:

Ea pe )(2 γγπσ +=

GEK =E

KG I2

=

EKvG IC

IC

22 )1( −=

EKG I

2

=

Ea

G cc

2πσ=

71

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 Fσ

MALZEME 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

Polietilen 6-7 1-2

Cam Fiber takviyeli plastikler 10-100 20-60

Tablo 21:Bazı malzemelerin kırılma toklukları

aK

vaEG ICIC

F ππσ =

−=

)1( 2

72

4.7.KIRILMA TOKLUĞU DENEYLERİ

D

a

Aa 5.2≥ ( )8.0/5.0 ≤≤ Dd AD 1≥

L D4≥ P 214 Aysσ>≥

A=2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

a

ICKσ

Kı= ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−

dD

DP 72.127.12/3

L d

P

P

°−° 6030

2a

P

P

b

KalıalınB

KııA

ABAbAa

ys

:

5.210

52

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

≥≥≥

σ

P 25.7 Aysort σ= 0 7.0/2 ≤≤ ba

Kıc= ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+ 32 )/2(7.2/251.02227.077.1 baba

ba

bBaP

73

b

a

s

P

2

35.2

55.2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

≥≥≥≥

ys

KııA

bsAB

abaa

σ

P= 26.1 Asσ

Kıc= [ ]432 )/(85.53)/(48.38)/(7.18)/(41.099.1 bababababB

aP+−+−

L

a

b=w

s

P

253.05.2

55.2

APAB

abaa

scr σ=

≥≥≥

a=0.45W B=0.5W S=4W

Kıc= [ ]432 )/(155)/(151)/(2.87)/(4.186.11 bababababB

aP+−+−

74

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

0.5b

b/4

a

P

P

b

1.26b

B=b/2 a=2.5A

ab 5≥ B a5.2≥ s b3≥

a=2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ys

Kııσ

Kıc= ( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛− 32 )/(48.38/47.1841.099.1 baba

ba

bBaP

75

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

4.8.2.CT Numunesi

w

a

P

4/255.0/45.0

≤≤≤≤

Bwwa

z

δ plasti

Vplastik

w B

a

P/2

4w

P

21/55.0/45.0

veyaBwwa

=≤≤

76

Sen B için

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.

Kritik CTOD

Maksimum yük platosu δ m

δ C

δ u

Sünek yırtılmanın başlangıcı δ

sıcaklık

Cleavage+ductile tearing

cleavage Şekil 4.8.1.Kritik CTOD değerinin sıcaklıkla değişimi

arasıkatsayıatplastisiterawrawraz

V

mv

EEEm

K

LLERGENELFORMÜ

p

p

plastik

p

plastik

yselas

plastikelasT

)1....0()()(

2,1

, 2'

'

2

=

−=

−++

=−

==

+=

δ

σδ

δδδ

77

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.

78

(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.

Düzlem gerilmede E’=E

Düzlem germede E’=E/(1-v2)

JC:Çatlak ilerleyişinin başlangıcını belirleyen malzeme parametresi olarak tanımlanabilir.

Yük (P)

Açılma v

Şekil 4.9.1.Çatlak içermeyen yüklenmiş bir levhanın lineer olmayan elastik davranışı

Potansiyel enerji UP=Uo+Ua-F U=UP+Uγ UP lineer olmayan bütün elastik davranışların enerjisidir.

)4........()(

)3........(/),2.......(/

),1.........(

,)()(

dadU

daUFd

dadUdadFda

dUJ

sabitUda

UFdda

FUdda

dU

a

a

p

oaap

γ≥−

−=

−−=

−=

)/.......('

2

mNEKGJ ==

79

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

zaman

Kma

x

Kmi

max

min

max

min

minmax

),(

σσ

==

−=Δ

Δ=

KKR

KKK

RKfdnda

da/dN=çevrim başına birim çatlak ilerlemesi

Şekil 4.10.1.Bir çatlağı ao başlangıç boyundan af son boyuna ilerletmek için gerekli çevrim sayısı

∫ Δ= f

o

a

a RKfdaN

),(

80

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

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

Log

dNda

I.Bölge-eşik

II.Bölge Paris –Erdoğan

III.Bölge Kararlı yırtılma çatlak büyümesi böl i

e şşiKΔ KC

Şekil 4.10.2.Önceden Çatlağı mevcut bir malzemenin tipik çatlak ilerleme hızı diyagramı

mKCdNda )(Δ=

81

Tablo 22: Bazı malzemeler için yorulma çatlağı ilerleyişi verileri

82

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.

83

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.

84

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 bir başka seçenek olarak, malzemenin akma gerilmesinin

elastisite modülüne oranı yardımıyla, da saptanabilir. Altta verilen

tabloda çok tok malzemeler dışında kullanılabilecek bir başvuru tablosu

verilmektedir.

85

Tablo23:Malzemenin Değerine Göre

Seçilebilecek Numune Boyutları.

86

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.

87

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.

88

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 .

89

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.

90

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.

91

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.

92

5.3.TEST CİHAZI VE DENEYİN FOTOĞRAFLANMASI

Yorulma çatlağını açmak için kullanılan ön-yorulma çatlağı düzeneği

93

3 Nokta Eğme Cihazı

Mesnetler ve Yük Uygulama Aparatı

94

Testin başlangıcı

Testten Sonraki 3mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali

95

Test Anındaki 6mm’lik Numunenin Görüntüsü

Testten Sonraki 4mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali

96

Test Anındaki 6mm’lik Numunenin Görüntüsü

Testten Sonraki 6mm’lik Çatlaklı Numunenin Son Hali

97

5.4.NUMUNELERİN KIRILMA TOKLUKLARININ HESABI

*Test Hızı:1.7mm/min

1 Numaralı numune(a=3mm çatlak boyu için)

1.Numuney = 4E-12x3 - 3E-08x2 + 0,0002x - 0,0179

R2 = 0,9995

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

-2000 0 2000 4000 6000 8000

yük(N)

depl

asm

an(m

m)

Seri 1Polinom (Seri 1)r

Bir numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden komplians

değeri c= )(/)( NPmmlΔ

C1=2.1x10-4

Test Esnasında

Cihazın uyguladığı

kuvvetin zamana

göre değişimi

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200

Time (sn)

Foce

(N)

98

2Numaralı Numune(a=4mm için)

2.Numuney = 1E-11x3 - 7E-08x2 + 0,0003x - 0,0239

R2 = 0,995

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

-2000 0 2000 4000 6000

Yük(N)

Dep

lasm

an(m

m)

Seri 1Polinom (Seri 1)

İki numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden

komplians değeri

C2=2.57x10-4

Test Esnasında Cihazın uyguladığı kuvvetin zamana göre değişimi

0500

100015002000250030003500400045005000

0 50 100 150 200

Time (sn)

Forc

e (N

)

99

3 Numaralı Numune(a=5mm için)

3.numuney = 2E-11x3 - 9E-08x2 +

0,0003x - 0,0374R2 = 0,9947

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2000 4000 6000

Yük(N)

Dep

lasm

an(m

m)

Seri 1Polinom (Seri 1)

Üç numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden

komplians değeri

C3=3.048x10-4

0500

10001500200025003000350040004500

0 50 100 150 200

Time (sn)

Forc

e (N

)

100

4 Numaralı Numune(a=6mm için)

4.Numuney = 7E-12x3 - 3E-08x2 + 0,0002x - 0,0122

R2 = 0,9996

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1000 2000 3000 4000 5000

Yük(N)

Dep

lasm

an(m

m)

Seri 1Polinom (Seri 1)

Dört numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden

komplians değeri

C4=2.62x10-4

0500

100015002000250030003500400045005000

0 50 100 150 200

Time (sn)

Forc

e (N

)

101

5 Numaralı Numara(a=7 mm için)

5.Numuney = 5E-11x3 - 1E-07x2 + 0,0004x - 0,0278

R2 = 0,9931

-0,20

0,20,40,60,8

11,21,41,6

-1000 0 1000 2000 3000 4000

Yük(N)

Dep

lasm

an(m

m)

Seri 1Polinom (Seri 1)Polinom (Seri 1)

Beş numaralı numunenin yük-deplasman grafiği şekildeki gibidir.Buradaki eğimden

komplians değeri

C5=4.65x10-4

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 50 100 150 200 250

Time (sn)

Forc

e (N

)

Elde ettiğimiz 5 komplians değeri ile çatlak boylarını grafiğe dökersek

102

a(mm) c

3 2.1x10-4

4 2.57x10-4

5 3.048x10-4

6 2.62x10-4

7 4.65x10-4

y = 2E+06x4 - 48833x3 + 348,58x2 - 0,9762x + 0,0011R2 = 1

0

0,00005

0,0001

0,00015

0,0002

0,00025

0,0003

0,00035

0,0004

0,00045

0 0,002 0,004 0,006 0,008

Çatlak Boyu(a)

Kom

plia

ns(C

)

Seri 1Polinom (Seri 1)

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

103

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.

'2

1 2

cB

PGIC =

01,43007,0.2

)3007(1 2

xGIC =

GIC=2,77*1010

GIC= )1( 2ν−E

K IC

Cam Epoksinin önceden elde ettiğimiz değerleri

E=37000Mpa 24.0=ν

KIC= 2

610

2 )24,0(110*37000*10*77,2

)1(*

−=

−νEGIC

KIC=329,78*102MPa m Değeri bulunmuş olur.

104

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.

105

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

106

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

107

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

108

Parçamızın sonlu elemanlara ayrılmış hali

Solution<Define Loads<Apply<Structural<Displacement<On nodes’dan mesnet noktaları seçilir ve serbestlik derecesi belirlenir

109

Solution<Define Loads<Apply<Structural<Force<On nodes’dan kuvvet uygulanacak nokta seçilerek şiddeti ve yönü girilir

Solution<Solve<Current Ls’ dan sistem çözdürülür

110

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

111

General Postprocessor<Plot Results<Contour Plot<Nodal Solution

112

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.

113

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.

114

3 NOKTA EĞME NUMUNESİNİN ABAQUS İLE GERİLME ANALİZİ Model Database<Model-1’ den yapılan analizin ismi yazılarak modellemeye başlanır

115

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.

116

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 vx=0.24 Gx=6300 Mpa Ey=13000 Mpa vy=0.24 Gy=6300 Mpa Ez=13000 Mpa vz=0.24 Gz=6300 Mpa

117

Model Database<Model-1<Sections’ dan parçanın kompozit ve kabuk yapıda olduğu girilmiştir

118

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

119

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.

120

Models<Model-1<BCs’den parçanın başlangıç koşulları uygulanır.Her iki taraftan standart ölçüler dahilinde dik eksende yerdeğiştirmesi sıfırlanarak mesnetlenir.

121

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

122

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

123

“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.

124

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.

125

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.

126

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.

127

KAYNAKLAR

[1] Yrd.Doç.Dr. Agah Oğuz ,Kırılma Mekaniğine Giriş,Uludağ Üniversitesi Basımevi,Bursa,1996 [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