T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DİKDÖRTGEN KESİTLİ KOMPOZİT MALZEMELER İÇİN EĞİLME YORULMASI TEST CİHAZININ TASARIMI VE ÖRNEK UYGULAMA

Hüseyin ÖZKAVAK

Danışman Doç. Dr. Ümran ESENDEMİR

YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

ISPARTA - 2014

© 2014 [Hüseyin ÖZKAVAK]

TAAHHÜTNAME

Bu tezin akademik ve etik kurallara uygun olarak yazıldığını ve kullanılan tüm literatür bilgilerinin referans gösterilerek tezde yer aldığını beyan ederim.

Hüseyin ÖZKAVAK

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa İÇİNDEKİLER ......................................................................................................................... i ÖZET ......................................................................................................................................... ii ABSTRACT .............................................................................................................................. iii TEŞEKKÜR .............................................................................................................................. iv ŞEKİLLER DİZİNİ ................................................................................................................. v ÇİZELGELER DİZİNİ ............................................................................................................ vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ .......................................................................... viii 1. GİRİŞ..................................................................................................................................... 1

1.1. Kompozit Malzemeler .......................................................................................... 2 1.2. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması .................................................. 6

1.2.1. Fiber takviyeli kompozitler ...................................................................... 7 1.2.2. Parçacık takviyeli kompozitler ................................................................ 9 1.2.3. Tabakalı kompozitler .................................................................................. 10 1.2.4. Karma kompozitler ...................................................................................... 10

1.3. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları ................................................ 11 1.4. Yorulma ..................................................................................................................... 11

1.4.1. Yorulma zorlaması ve yorulma zorlamasının nedenleri ............... 13 1.4.2. Yorulma hasarında meydana gelen kırılma yüzeyinin görünümü. ...................................................................................................... 14 1.4.3. Yorulma deneyleri ........................................................................................ 15 1.4.4. Yorulma deney cihazları ............................................................................ 20

1.5. Kompozit Malzemelerde Yorulma................................................................... 22 2. KAYNAK ÖZETLERİ ........................................................................................................ 25 3. MATERYAL VE YÖNTEM .............................................................................................. 35

3.1. Yorulma Test Cihazı Tasarımı ........................................................................... 35 3.2. Yorulma Test Cihazının İmalatı ........................................................................ 39 3.3. Cam-Elyaf Kompozit Malzemenin Yorulma Dayanımının Belirlenmesi ............................................................................................................ 45

3.3.1. Teorik hesaplamalar ................................................................................... 45 3.3.2. Numune hazırlığı ve deneyin yapılması. ............................................. 48 3.3.3. Yorulma deneyinin analiz edilmesi ....................................................... 51 3.3.4. Straingage ile gerilmenin belirlenmesi ................................................ 52

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA ............................................................... 57 5. SONUÇ VE ÖNERİLER (TARTIŞMA VE SONUÇLAR) .......................................... 62 KAYNAKLAR .......................................................................................................................... 63 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................................... 68

ii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

DİKDÖRTGEN KESİTLİ KOMPOZİT MALZEMELER İÇİN EĞİLME YORULMASI TEST CİHAZININ TASARIMI VE ÖRNEK UYGULAMA

Hüseyin ÖZKAVAK

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

Danışman: Doç. Dr. Ümran ESENDEMİR

Endüstriyel uygulamalarda çoğu malzemeler, yapılar ve makine elemanları değişken gerilmeler altında çalışır veya yüklenirler. Bu gerilmeler çekme, eğme, burulma ve değişik gerilmelerin birleşimi şeklinde olabilir. Eğer bir makine parçası, yapı veya malzeme zamanla değişen gerilme altında bir süre çalıştıktan sonra hasara uğruyor ise bu tür hasara “yorulma hasarı” denir. Bu çalışmada dikdörtgen kesitli cam elyaf takviyeli kompozit malzemeden üretilmiş numunelerin eğme yorulma özellikleri incelenmiştir.

Bu tez çalışmasının ana konusu eğilme yorulması deney cihazının tasarımı ve imalatının yapılması ve daha sonra bu cihazı kullanarak örnek bir deney yapılmasıdır. Her şeyden önce, dikdörtgen kesitli numuneler için eğilme yorulması deney cihazı tasarımı yapılmıştır. Bu amaçla güç elde etmek için AC elektrik motoru kullanılmıştır. Bu motordan elde edilen devir, devir düşürücü kullanılarak azaltılmıştır. Değişik sürelerde devrin ölçülebilmesi için devir ölçer kullanılmıştır. Eğilme yorulması cihazının her parçası için uygun malzeme seçilmiştir. Daha sonra her bir parçanın dizayn hesapları yapılarak, her parçanın boyutu belirlenmiştir. Bütün parçalara ait resimler Solidworks programı kullanılarak çizilmiş ve imal edilmiştir. Eğilme yorulması cihazına ait parçaların montajı yapılmış ve eğilme yorulması deney cihazı test edilmiştir. Daha sonra dikdörtgen kesitli levha şekilli cam elyaf takviyeli kompozit malzemeden 11 adet numune hazırlanmıştır. Hazırlanan bu numunelere değişik gerilmeler uygulanmıştır. Bu deneylerde R=-1 ve 2,5 Hz frekans seçilmiştir. Deney sonuçları kullanılarak örnek S-N eğrisi çizilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Kompozit malzeme, eğilme yorulması, test cihazı tasarımı 2014, 68 sayfa

iii

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

MANIFACTURING AND APPLICATION OF BENDING FATIGUE TEST

MACHINE FOR FLAT SHAPED COMPOSITE MATERIALS

Hüseyin ÖZKAVAK

Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Mechanical Engineering

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Ümran ESENDEMİR

In industrial applications, many materials, structures and machine parts are loaded or worked under the cyclic stresses. This stresses may be tensile, bending, torsional and combined of different type of stresses on the parts. If any machine part, structures or materials which are under stresses that vary time have been fractured after working for a while, this kind of failure called “fatigue failure”. In this particular case, the bending fatigue properties of rectangular cross section area glass-fibre reinforced plastic composite (GFRC) specimens were investigated. The main subject of this thesis is to design and manufacture of a bending fatigue machine and then by using this machine several example experiments were achieved. First of all, the bending fatigue machine was just designed for plate-like rectangular cross section area specimens.For this aim, the AC electrical motors was chosen for power. Every part of the bending fatigue machine materials were chosen. And then design calculations were performed and the sizes of the parts were determined. After that pictures of all the parts were drawn by Solidworks and manufactured. Assemblage of all parts has been done and bending fatigue test machine was tested. Then 11 specimens of plate-like rectangular cross section area glass-fibre reinforced plastic composite (GFRC) were prepared. And this specimens were tested with different stresses. For this experiments R=-1 and 2,5 Hz of frequency of loading was have been chosen. By using results of experiments one sample S-N curve was plotted. Keywords: Composite, bending fatigue, design of test machine 2014, 68 pages

iv

TEŞEKKÜR

Tez çalışmam sırasında ilgi ve desteğini yakından hissettiğim, bilgi ve tecrübelerini benden esirgemeyen çok değerli danışman hocam Doç. Dr. Ümran ESENDEMİR’e teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmamın temelini oluşturan deney cihazının montajının yapılmasında ve eksikliklerinin giderilmesinde yardımlarını esirgemeyen Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü teknikeri Sayın Kudret BENEK’e ve Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi teknikeri Sayın Ali İhsan AYAN’a teşekkür ederim. Yorulma test cihazının imalat aşamasında bana destek olan Yaldırgan Kalıp ve Makine şirketine teşekkür ederim. Tez çalışmam sırasında karşılaştığım her sorunda bana ışık olan, değerli bilgilerini benden esirgemeyen hocam Prof. Dr. Remzi VAROL’a teşekkür ederim. 3379-YL1-12 No`lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı’na teşekkür ederim. Son olarak hayatımın her aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.

Hüseyin ÖZKAVAK

ISPARTA, 2014

v

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa Şekil 1.1. Mühendislik malzemeleri ile kompozit malzemeler arasındaki ilişki ........................................................................................................................ 2 Şekil 1.2. Farklı gruptaki malzemelerin dayanımları ve karşılaştırılması ..... 5 Şekil 1.3. Kompozitlerin sınıflandırılması .................................................................. 6 Şekil 1.4. Fiber takviyeli kompozitler için temel yapı blokları ........................... 8 Şekil 1.5. Yorulmada kullanılan değişkenler ............................................................. 12 Şekil 1.6. Yorulma hasarının safhaları ......................................................................... 13 Şekil 1.7. Yorulma yüzeyindeki bölgeler..................................................................... 15 Şekil 1.8. Yorulma deneyi için tipik gerilme- zaman eğrileri .............................. 17 Şekil 1.9. Demir ve demir dışı malzemelere ait tipik S-N eğrileri ..................... 20 Şekil 1.10. Eksenel çekme ve basma gerilmeleri uygulayan sabit gerilmeli

yorulma cihazı ................................................................................................... 21 Şekil 1.11. Düzlemsel eğme gerilmesi uygulayan “Sontag” modeli yorulma

cihazı ..................................................................................................................... 21 Şekil 1.12. Numunenin dört noktasına kuvvet gelen ve dönen eğme

gerilmeleri uygulayan yorulma cihazı (Schenk modeli yorulma cihazı) ................................................................................................................... 22

Şekil 1.13. Metal ve kompozit malzemeler için yorulma ömrü boyunca oluşan hasar miktarı/boyutu ve kompozit malzemelerde yorulma ömrü boyunca oluşan hasar tipleri ......................................... 23

Şekil 1.14. Kompozit yorulması boyunca çatlak yayılması .................................. 24 Şekil 3.1. Tez çalışmasının aşamaları ........................................................................... 35 Şekil 3.2. Düz örgülü cam/epoksi kompozit malzemelerin eğme yorulmasında kullanılan yorulma cihazı ................................................. 36 Şekil 3.3. Alt tabla, parça taşıyıcı milleri sabitleme milleri ve hareket iletim

elemanı tasarımları .......................................................................................... 37 Şekil 3.4. Genlik ayar volanı tasarımı ........................................................................... 38 Şekil 3.5. Dairesel hareketi doğrusal harekete çeviren eleman, kasnak ve ön alt tutucu tasarımları ................................................................................ 38 Şekil 3.6. Taşıyıcı miller bağlantı aparatı ile numune sabitleyicisine ait

tasarımlar ............................................................................................................ 39 Şekil 3.7. Yorulma test cihazının şematik şekli ........................................................ 39 Şekil 3.8. Yorulma test cihazında kullanılan numune tutturma sistemi ........ 40 Şekil 3.9. Yorulma test cihazında kullanılan yatak ve diğer parçaların sehpaya tutturulması ...................................................................................... 41 Şekil 3.10. Yorulma test cihazında kullanılan elektrik motoru .......................... 41 Şekil 3.11. Yorulma test cihazında kullanılan V- kayış ve motor-mil bağlantısı ........................................................................................................... 42 Şekil 3.12. Motor hız kontrol cihazı .............................................................................. 42 Şekil 3.13. Biyel kolu ayar mekanizması..................................................................... 43 Şekil 3.14. Cihaz sehpasının rijitliğinin kauçuk takozlar ile sağlanması ........ 44 Şekil 3.15. Çevrim sayısını belirleme ........................................................................... 44 Şekil 3.16. Yorulma test cihazının genel görünüşü ................................................. 45 Şekil 3.17. Serbest ucundan P tekil yüküne maruz kalmış ankastre kiriş ..... 46

vi

Şekil 3.18. Deneylerde kullanılan kompozit malzemenin üretim iş akış şeması ................................................................................................................ 49 Şekil 3.19. Dikdörtgen kesitli numune şekli ve boyutları .................................... 50 Şekil 3.20. Deney numunesinin cihaza bağlanması ................................................ 50 Şekil 3.21. Cam-elyaf malzeme için gerilme-genlik değişimi .............................. 51 Şekil 3.22. Wheatstone köprüsü .................................................................................... 52 Şekil 3.23. P3 İndikatör kullanılarak Wheatstone çeyrek köprü kurulması . 53 Şekil 3.24. Strain Gagelerin numuneye bağlanması ............................................... 54 Şekil 3.25. Strain Gage ile yorulma test cihazı bağlantısının yapılması .......... 55 Şekil 4.1. Cam elyaf kompozit malzemeye ait S-N eğrisi ...................................... 58 Şekil 4.2. Deneylerde kullanılan numunelerin yorulma deneyi öncesi ışık

mikroskobu görüntüleri ................................................................................ 59 Şekil 4.3. Yorulma hasarına uğramış kompozit malzemeye ait ışık mikroskobu görüntüleri ................................................................................ 61

vii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa Çizelge 1.1. Matris malzemeler ....................................................................................... 9 Çizelge 3.1. Çalışmada kullanılan kompozit malzemenin mekanik

özellikleri ......................................................................................................... 49 Çizelge 4.1. Yorulma deneyinde uygulanan gerilme değerleri ve buna

karşılık belirlenen çevrim sayısı değerleri ......................................... 57

viii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ b Numune genişliği E Elastisite modülü h Numune kalınlığı I Atalet momenti R Gerilme oranı Smax Maksimum gerilme Smin Minimum gerilme Sm Ortalama gerilme Sr Gerilme aralığı Sa Gerilme genliği σeğ Eğilme gerilmesi δmax Maksimum sehim miktarı

1

1. GİRİŞ

Teknolojideki gelişmelerin hızlanmasıyla birlikte üretimin temel taşını

oluşturan malzeme ve malzeme bilimindeki gelişmeler oldukça ivme

kazanmıştır. Ancak doğada bulunan malzemelerin sınırlı olmasından dolayı

malzemeler ve bu malzemelere ait özellikler teknolojideki gelişmelere ayak

uyduramamıştır. Bu nedenle teknolojideki gelişmelere cevap verebilecek gerek

teknik gerekse ekonomik açıdan uygun malzeme imalatı malzeme bilimcilerin

çalışma konusunu oluşturmuştur.

Teknolojinin gelişmesiyle ihtiyaç duyulan ekonomik, yüksek mukavemetli ve

çok hafif malzeme ihtiyacının karşılanabilmesi için yapılan çalışmalar sonucu

kompozit malzemeler ön plana çıkmıştır. Kompozit malzemeler klasik

malzemelerin makro düzeyde birleştirilmesiyle her iki malzemenin en iyi

özelliklerini tek bir malzemede toplanması şeklinde elde edilirler.

Endüstride birçok malzeme çekme mukavemetinin çok altında tekrarlı gerilme

veya şekil değişimlerine maruz kalmaktadır. Tekrar eden veya çevrimli yüklere

maruz kalan parçalar tek bir statik gerilme uygulanması halinde

dayanabilecekleri gerilmenin çok altındaki bir gerilmede koparlar. Bu

kopmalara yorulma kopması adı verilir. Malzemenin kullanılabilirliğine yorulma

özellikleri incelenerek daha iyi karar verilebilir. Malzemenin yorulma

özelliklerini hesaplamak için genelde S-N (Wöhler) eğrileri kullanılır (Er, 2006).

Bir malzemenin yorulma ömrü belirlenirken çok sayıda numunenin test

edilmesi gerekir. Bu nedenle yorulma deney zamanları oldukça uzun olmaktadır

(Er, 2006). Bunun yanında malzemelerin yorulma özellikleri malzemeye özgü

özelliklerinin yanı sıra numune özelliklerinden de etkilenmektedir. Numune

üretimi sırasında meydana gelen mikro boşluk ve yüzey kusurları numunenin

yorulma özelliklerini etkiler (Sakin, 2004).

2

Bu çalışmada, dikdörtgen kesitli kompozit malzemelerin yorulma davranışlarını

belirlemek amacıyla eğilme yorulma test cihazı tasarımının ve imalatının

yapılması amaçlanmıştır. Ayrıca imalatı yapılan cihaz kullanılarak cam-elyaf

kompozit malzemeden hazırlanmış dikdörtgen kesitli numunelerin yorulma

ömrü incelenerek S-N eğrilerinin çıkarılması hedeflenmiştir.

1.1. Kompozit Malzemeler

Kompozit malzemeler bir insan icadı olmayıp doğada birçok doğal kompozit

bulunmaktadır. Örneğin odun polimer-selüloz fiberlerden meydana gelen

dayanımı ve tokluğu yüksek olan doğal bir kompozittir (Harris, 1999).

Kompozit malzemeler var olan malzemelerin kombinasyonları şeklinde ortaya

çıkmıştır. Şekil 1.1’de kompozitlerin gelişimi ve malzeme çeşitleri arasındaki

ilişki gösterilmektedir (Harris, 1999).

Şekil 1.1. Mühendislik malzemeleri ile kompozit malzemeler arasındaki ilişki

3

Şekilde 1.12de verilen her bir malzeme grubu (metalik, seramik ve polimer)

kompozit olarak tanımlanabilen bilindik mühendislik malzemeleridir.

Mühendislik malzemelerinden en yaygın bilineni çelik malzemeler olup

yumuşak metalik matris içinde sert seramik bileşenlerinden oluşan

parçacıkların birleşmesinden meydana gelir. Bu parçacıklar bazen iğne şekilli,

bazen yassı, bazen küresel veya çok köşeli şekildedir. Benzer şekilde polimer

malzemeler matris malzeme ve bu malzeme içine dağılmış sert ve yumuşak

parçacıklardan meydana gelmiş iki fazdan oluşur (Harris, 1999).

Kompozit malzeme; iki ya da daha fazla sayıdaki, aynı veya farklı gruptaki

malzemelerin en iyi özelliklerini, yeni ve tek bir malzemede toplamak amacıyla,

makro düzeyde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemeler olarak adlandırılırlar.

(Şahin, 2006)

Kompozit malzemeler çekirdek olarak bir fiber malzeme ve bu malzemenin

çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzemeden oluşur.

Burada fiber malzeme, kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma

özelliğini sağlamaktadır. Matris malzeme ise, plastik deformasyona geçişte

oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önler ve kompozit malzemenin kopmasını

geciktirir. Matris olarak kullanılan malzemenin bir diğer amacı da fiber

malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve yükü lifler arasında homojen

olarak dağıtmaktır. Böylelikle fiber malzemelerde plastik deformasyon

gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi olayının önüne geçilmiş olunur

(Vatangül, 2008).

Kompozitler, teknolojinin gelişmesiyle ihtiyaç duyulan hafif, yüksek dayanım ve

ekonomik malzeme ihtiyacının karşılanabilmesi amacıyla geliştirilmiş

malzemelerdir. Malzemeden beklenen bu özellikler bileşenlerinin en iyi

özelliklerinin birleştirilmesiyle elde edilmiştir. Bundan dolayı kompozit

malzemeler birçok avantaja sahiptir. Bu avantajlar; yüksek mukavemet, yüksek

yorulma dayanımı, yüksek rijitlik, kolay şekillendirme, yüksek aşınma direnci,

yüksek elektriksel özellik, yüksek sıcaklık kapasitesi, titreşim sönümleme,

4

korozyon ve kimyasal etkilere karşı dayanım, düşük ağırlık ve estetik görünüm

şeklinde sıralanabilir.

Kompozit malzemelerin yukarıda sayılan birçok avantajının yanında üretiminde

yaşanan zorluk, pahalılık, işleme kabiliyetinin kötü ve işleme maliyetinin yüksek

olması, diğer malzemelerde olduğu gibi geri dönüşümünün yapılamaması,

kırılma uzamasının düşük olması ve malzeme kalitesinin üretim yönetimine

bağlı olması gibi dezavantajları da mevcuttur.

Uygulamada yaygın olarak kullanılan mühendislik malzemeleri metaller,

seramikler ve plastiklerdir. Bu malzemelerden beklenen ortak özellikler akma

dayanımı, rijitlik, kırılma tokluğu ve yüksek sıcaklığa dayanımdır. Mühendislik

malzemelerinden en fazla kullanılan metallerin tokluk ve dayanımı yüksek,

kolay şekillendirilebilme ve saf haldeki sertlikleri düşüktür. Karmaşık parça

üretiminde yaygın olarak plastik malzemelerin mekanik özellikleri çok

düşüktür. Diğer bir mühendislik malzemesi olan seramikler ise çok gevrek ve

maliyeti yüksektir. Bu üç mühendislik malzemesinin yetersiz kaldığı

durumlarda kullanılması amacıyla kompozit malzemeler üretilmiştir. Şekil

1.2’de farklı gruptaki malzemelere ait akma dayanımları verilmektedir.

5

Şekil 1.2. Farklı gruptaki malzemelerin dayanımları ve karşılaştırılması (Şahin,

2006)

Bir cismin dışarıdan uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği dirence mekanik

davranış denir. Bu davranışın biçimi de mekanik özellikleri belirler. Kompozit

malzemelerin mekanik özellikleri diğer malzemelerden üstün olmakla beraber

şu faktörlere bağlıdır;

Takviye elemanının türü ve özelliği,

Takviye elemanının hacim oranı,

Elyaf geometrisi,

Elyaf doğrultusu,

Matris türü,

Üretim yöntemi.

6

1.2. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması

Kompozit malzemelerin sınıflandırılması Şekil 1.3’de verilmektedir.

Şekil 1.3. Kompozitlerin sınıflandırılması (Karcı, 2009)

Elyaflı kompozitler boyu kesit çapına göre önemli derecede uzun ince elyafların

bir matris yapı içerisine yerleştirilmesi ile oluşurlar. Sürekli, süreksiz olmak

üzere sınıflandırılırlar. Sürekli elyafların birbirine paralel olarak yerleştirilmesi

ile elyaflar doğrultusunda yüksek mekanik özellikler sağlanırken elyafa dik

doğrultuda düşük mekanik özellik elde edilir (Karcı, 2009).

7

Parçacıklı kompozitler takviye bileşeni bir matris malzeme içinde parçacık

halinde bulunan kompozitlerdir. Parçacık şekilleri küresel, kübik veya değişik

geometrilerde olabilir. Bu kompozitlerde yük takviye ve matris tarafından

beraber taşınır (Karcı, 2009).

Tabakalı kompozitler farklı özelliklere sahip tabakaların belirli bir sırada üst

üste koyularak birleştirilmesiyle oluşur. Tabakaların oluşturulması matris içine

rastgele elyaflar, tek yönlü elyaflar veya cam karbon gibi farklı elyaflar

yerleştirilmesi şeklindedir (Karcı, 2009).

Yukarıdaki sınıflandırmanın yanı sıra matris malzemenin türüne göre metalik

kompozitler, seramik kompozitler ve plastik kompozitler olmak üzere 3 gruba

ayrılabilir.

1.2.1. Fiber Takviyeli Kompozitler

Fiber takviyeli kompozit malzemeler yüksek gerilme ve modüle sahip

fiberlerden meydana gelir. Bu formda fiber ve matrisler kendi fiziksel ve

kimyasal özelliklerini korurlar. Ayrıca bu özelliklerin kombinasyonu meydana

gelir. Genel olarak fiberler yük taşırlar, matris malzeme ise istenen yönlenme ve

yerleşmeyi ve bunları bir arada tutmayı sağlar. Ayrıca matris nem, sıcaklık gibi

çevresel faktörlerden matrisi ve fiberi korur. Fiber takviyeli kompozit

malzemelerin Kevlar 49 olarak bilinen cam ve karbon fiber çeşitleri mevcuttur.

Bunun dışında sınırlı sayılarda kullanılan borani silikon karbit ve alüminyum

oksit fiberlerde mevcuttur. Matris malzeme olarak metal, seramik veya polimer

malzemeler kullanılır.

Birçok fiber takviyeli kompozit malzemeler bilinen metalik malzemelerin

gerilme ve modüllerinden daha iyi özellik gösterirler. Bu durum fiber takviyeli

kompozit malzemelerin düşük özgül ağırlık, gerilme-ağırlık oranı ve parça-

ağırlık oranı gibi üstün özelliklere sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Fiber

8

takviyeli kompozit malzemelerin düşük ağırlıkta olması uzay, otomotiv gibi

endüstrilerde yaygın kullanım alanı bulmasına yol açmıştır.

Fiber takviyeli kompozit malzeme için temel yapı blokları Şekil 1.4’te verilmiştir

(Mallick, 1993).

Şekil 1.4. Fiber takviyeli kompozitler için temel yapı blokları (Mallick, 1993)

Fiberler, fiber takviyeli kompozit malzemeler için temel bileşenlerdendir. Fiber

malzemeler kompozit yapısına gelen yükü taşırlar. Uygun fiber seçimi, fiber

oranı ve fiberlerin yönlenmesi kompozit malzemenin özgül ağırlığı, çekme

dayanımı ve yorulma hasar mekanizması, elektrik ve termal iletkenliği ile

9

fiyatını etkilediği için önemlidir. Fiber çeşitleri cam fiber, karbon fiber, kevlar 49

fiber, seramik fiber ve boron fiberler olmak üzere sınıflandırılabilir. Fiber

çeşitleri içinde en yaygın olarak kullanılan cam fiberlerdir. Cam fiberlerin düşük

maliyet, yüksek çekme dayanımı, yüksek kimyasal direnç gibi bilinen avantajları

mevcuttur.

Matris malzemenin kompozit üretimindeki rolü: Fiberler arasında gerilmeyi

iletmek, fiber yüzeyini mekanik abrozyona karşı korumak ve zıt çevreye karşı

bariyer görevi görmek olarak sayılabilir. Çizelge 1.1’de matris malzemeler

verilmektedir.

Çizelge 1.1. Matris malzemeler (Mallick, 1993)

Polimer

Termoset polimerler (Epoksi, polysetervinyester, polimide)

Termoplastik polimerler (Naylon, termoplastik, polyester, polikarbonat)

Metalik (Alüminyum ve alaşımları, titanyum alaşımları, magnezyum alaşımları, bakır alaşımları, nikel alaşımları, paslanmaz çelik)

Seramik (Alüminyum oksit, karbon, silikon karbit, silikon nitrit)

1.2.2. Parçacık Takviyeli Kompozitler

Parçacık takviyeli kompozitler tek veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin

veya sıfır boyutlu olarak kabul edilen mikroskobik partiküllerin matris ile

oluşturdukları malzemelerdir. Parçacık takviyeli kompozitler için ortalama

gömülen parçacık boyutu 1µm’den büyük olup; parçacık olarak Al2O3 ve SiC’dan

oluşan seramikler kullanılmaktadır. Parçacık takviyeli kompozitlerin elyaf oranı

%25’den fazladır. Parçacık malzemeli kompozitlerde yük, matris ve elyaf ile

birlikte taşınır.

10

Döküm yoluyla üretilen bu tür kompozitlerde pratikte karşılaşılan bir problem

parçacık ilave edildiğinde tozların karıştırılma zorluğu ve eriyik viskozitenin

düşmesi veya sıvı metalin seramik parçacıkları ıslatamamasıdır. Islanabilirliğin

iyileştirilmesi için; katı yüzey enerjisinin artırılması, sıvı metal yüzey geriliminin

ve katı-sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi faktörlerin göz önünde

bulundurulması gerekir (Cabıoğlu, 2012).

1.2.3. Tabakalı Kompozitler

Tabakalı kompozitler farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın birleşiminden

meydana gelir. Metaller üzerine uygulanan metalik, organik veya seramik

kaplamalar, cam-plastik-cam tabakalardan oluşan kompozitler, kağıt üzerine

kaplanmış plastik kompozitler, farklı elyaf yönlenmesine sahip tek tabakaların

birleştirilmesiyle elde edilen yapılar bu kompozitlere örnek olarak gösterilebilir

(Cabıoğlu, 2012).

Korozyon direnci zayıf metaller üzerine daha yüksek dirençli metallerin veya

plastiklerin kaplanmasıyla korozyon direncinin, yumuşak metallerin sert

malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı elyaf

yönlenmesine sahip ek tabakaların birleştirilmesiyle de çok yönlü yük taşıma

özelliğinin geliştirilmesi mümkündür (Cabıoğlu, 2012).

1.2.4. Karma Kompozitler

Aynı kompozit yapıda iki ya da daha fazla elyaf çeşidinin bulunması mümkün

olan kompozitlere karma kompozitler denir. Örneğin ucuz ve tok bir elyaf olan

Kevların basma mukavemeti düşüktür. Grafit ise Kevların tam tersi pahalı,

yüksek basma mukavemetine sahip bir elyaftır. Bu iki kompozitin

birleştirilmesiyle elde edilen karma kompozit düşük maliyetli ve Kevlar

kompozite göre yüksek basma mukavemetli olarak elde edilmiştir (Cabıoğlu,

2012).

11

1.3. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları

Mühendislikte yaygın olarak kullanılan malzemelerin yetersiz olduğu

durumlarda kullanılan kompozit malzemelerin kullanım alanları oldukça

yaygındır. Hemen hemen her endüstri dalında kompozit malzeme kullanımına

rastlamak mümkündür. Bunun nedeni yüksek mukavemet özellikleri ve

hafifliktir. Ulaşım endüstrisinde kompozit malzemeler en fazla kullanım alanı

bulmuşlardır.

Kompozitlerin kullanım alanlarının ilki havacılık endüstrisidir. Uçak yapımında

kullanılan malzemelerden beklenen en önemli özellik özgül mekanik değeri

(mekanik özellik/yoğunluk) bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerde

yüksek elde edilebilmektedir.

Otomotiv endüstrisinde kompozit malzemelerin yaygın olarak kullanım nedeni

hafif ve yüksek mukavemettir. Otomotiv sanayinde hafif malzeme kullanımı

yakıttan tasarrufu sağlar. Otomotiv sektöründe olduğu gibi eğlence ve spor

endüstrisinde hafif ve yüksek mukavemet özellilerine sahip olmalarından dolayı

kompozit malzeme kullanımı yaygındır.

Kompozit malzemelerin kullanım alanları her geçen gün artmaktadır. Çünkü

kullanım sırasında gerekli olan özelliklere uygun kompozit malzeme

geliştirilmesi mümkündür. Bundan dolayı köprü yapımı, rüzgâr türbini, basınçlı

kaplar, biyomekanik uygulamalar, batarya ızgarası ve dişli çark üretimi gibi

birçok sektörde yaygın kullanım alanı bulmuştur.

1.4. Yorulma

Makine elemanı üzerine statik yükleme yapılması durumu nadir karşılaşılan bir

durum olup genelde makine elemanlarına büyüklüğü ve yönü düzenli veya

12

düzensiz olarak sürekli değişen kuvvetler ile eğme ve burma momentleri etki

eder. Malzemenin bu tekrarlı gerilmeler veya birim şekil değiştirmeler sonucu

kırılmasına ‘yorulma’ denir. Yorulma ömrü ise kırılmaya kadar uygulanan tekrar

sayısı ile verilir (Şekil 1.5). Şekil 1.5’te verilen σo: Ortalama gerilmeyi (MPa), σa:

Genlik gerilmesini (MPa) ve R=σmin/σmax olup gerilme oranını ifade etmektedir.

Şekil 1.5. Yorulmada kullanılan değişkenler (Eryürek, 1993)

Yorulma hasarının aşamaları Şekil 1.6’da verilmektedir. Yorulma hasarı genel

olarak dört aşamada meydana gelir. Bu aşamalardan ilki yorulma çatlağının

çekirdeklenmesidir. Bu aşamada yerel ve tersinir olmayan plastik şekil

değiştirmeler sonucu yüzeyde intrüzyonlar (yüzey girintileri) meydana gelir.

Çekirdeklenen çatlak oluştuktan sonra çatlağın yüksek kayma gerilmelerinin

mevcut olduğu ve çekme doğrultusuyla 45° açı yapan kayma bandı içinde

ilerlemesi meydana gelir. Bu aşamaya ‘Safha I’ de denir. Safha I’i Safha II olarak

adlandırılan çatlağın maksimum çekme gerilmesinin etki ettiği düzlemde

ilerlemesi olayı takip eder. Çatlak uzunluğunun kritik bir değere ulaşması

sonucu kalan kesitin kırılması aşaması son aşamadır. Kırılma olayı gevrek veya

sünek şekilde olabilir (Eryürek, 1993).

13

Şekil 1.6 Yorulma hasarının safhaları

1.4.1. Yorulma Zorlaması ve Yorulma Zorlamasının Nedenleri

Büyüklüğü ve yönü düzenli ya da düzensiz bir şekilde sürekli değişen kuvvet

veya momentlerin (eğme, burma) etkimesi ‘yorulma zorlaması’ olarak

adlandırılır. Yorulma zorlamasında yükün zamana bağlı olarak nasıl

değiştiğinden daha çok en alt ve en üst sınır değerlerinin büyüklüğü önemlidir.

Bu nedenle yük değişimi genelde sinüzoidal olarak kabul edilir (Aran, 1983).

Yorulma zorlaması sırasında tekrarlanan kalıcı şekil değiştirmelerin yeteri

kadar birikimi sonucu malzemenin ayrılma dayanımının aşıldığı noktalarda

14

mikroskobik boyuttan daha küçük çatlak oluşur. Zorlama sırasında dışarıdan

verilen enerjinin büyüklüğüne bağlı olarak bunlar mikro ve makro çatlaklar

olarak birleşir ve bu çatlaklar herhangi bir yorulma kırılmasına neden olur.

Yorulma kırılmasını kolaylaştıran etkenler iç ve dış etkenler olmak üzere iki

grupta incelenebilir. Genelde bir yorulma hasarının oluşması için birden fazla

etkenin aynı anda malzemeye etki etmesi gerekir. Ancak bazı durumlarda tek

bir etkende yorulma hasarına neden olabilir. Yorulma hasarlarının birçoğu

%85-90 oranında malzeme hatalarından dolayı değil aşırı yükleme, montaj

hatası, yetersiz bakım gibi nedenlerden kaynaklanmaktadır. Yorulma

kırılmasına neden olan dış etkenler konstrüksiyonla ilgili çentikler, kuvvetlerin

doğrultu değiştirdiği yerler, talaşlı işlem etkisi, korozyon gibi yüzey hasarları

olarak sayılabilir. Segresyon, mikro boşluk, yüzey kabarcıkları, cüruflar, iç

çatlakları, aşırı ısıtılmış yapı, bölgesel yüzey sertleştirmeleri, sertleştirme işlemi

sonucu sertleşmeyen bölgelerin varlığı, yük taşıyan bölgelerdeki kaynağın

varlığı, ısıl işlemin neden olduğu iç gerilmeler gibi faktörler ise iç faktörler

olarak sayılabilir.

1.4.2. Yorulma Hasarında Meydana Gelen Kırılma Yüzeyinin Görünümü

Yorulma zorlanması sonucu hasara uğramış elemanların kırılma yüzeyleri üç

ayrı bölgeye sahiptir (Şekil 1.7). Yorulma hasarı sonucu oluşan bu bölgelerin her

biri elemandaki yorulma hasarı ile ilgili bilgi verir. Yorulma çatlağının ilerlemesi

sonucu oluşan bölgelerde parçanın yükleme geçmişindeki değişmelerden dolayı

oluşan yorulma çizgileri mevcuttur (Eryürek, 1993).

15

Şekil 1.7. Yorulma yüzeyindeki bölgeler (Eryürek, 1993)

1.4.3. Yorulma Deneyleri

Yorulma olayı ilk kez 1850–1860 yılları arasında Wöhler tarafından

incelenmiştir. Yorulma olayına parçaya sadece dışarıdan uygulanan mekanik

kuvvetler değil ısıl genleşme veya büzülmelerden dolayı ısısal gerilmeler de

neden olur. Yorulma olayında çatlak oluşumu için yeteri derecede yüksek bir

maksimum çekme gerilmesi, uygulanan gerilmenin oldukça geniş değişimi ve

dalgalanması ile uygulanan gerilmenin yeteri kadar büyük tekrarlanma

sayısının olması gerekir. Ayrıca bu faktörlerin yanında sıcaklık, aşırı yükleme,

bileşik gerilme, yüzey kalitesi ve korozyon gibi birçok faktör çatlak oluşumuna

etki eder. Yorulma üzerine etki eden faktörlerin çok sayıda ve karmaşık olması

yorulma deneyleri için standart oluşturmayı zorlaştırmıştır. Anlamlı bir

yorulma deneyi için şu bilgilere ihtiyaç duyulur (Kayalı vd., 1983);

a) Malzeme özellikleri (malzeme cinsi, malzemenin piyasaya sunulması

durumu, ergitme veya döküm koşulları, son mekanik ve ısıl işlemler,

kimyasal bileşim, yüzey durumu ve kalitesi)

b) Deney numune şekli ve boyutları

16

c) Deney cihaz tipi, çalışma prensibi, deney yaparken uygulanan gerilme ile

frekans

d) Deney ortam şartları ve sıcaklığı

e) Bazı durumlarda diğer mekanik özellikleri ile metalografik yapısı.

Yorulma deneylerinde deneyde kullanılan gerilme türü yorulma deneyine de

adını verir. Buna göre başlıca yorulma deneyleri şunlardır;

1) Eksenel gerilmeli yorulma deneyi

2) Eğme gerilmeli yorulma deneyi (düzlemsel eğme gerilmeli ve dönen

eğme gerilmeli)

3) Burma gerilmeli yorulma deneyi

4) Bileşik gerilmeli yorulma deneyi

Yorulma deneyi ile ilgili kullanılan terimlerin tipik gerilme - zaman eğrileri

üzerindeki gösterimi Şekil 1.8’de verilmektedir.

17

Şekil 1.8. Yorulma deneyi için tipik gerilme- zaman eğrileri

18

Şekilde gösterilen terimler şu şekilde açıklanabilir;

Çevrim: Birçok deney cihazında zamanla sinüzoidal bir değişme gösteren

gerilme uygulanır. Gerilme zaman eğrisinin periyodik olarak tekrarlanan en

küçük parçasına denir.

Maksimum gerilme (Smax): Uygulanan gerilmeler arasında en büyük cebirsel

değeri olan gerilmeye denir. Çekme gerilmeleri pozitif (+), basma gerilmeleri

negatif (-) işaret ile gösterilir.

Minimum gerilme (Smin): Uygulanan gerilmeler arasında en küçük cebirsel değeri

olan gerilmeye denir.

Ortalama gerilme (Sm): Maksimum ve minimum gerilmelerin cebirsel

ortalamasıdır.

Sm = (Smax+Smin)/2 (1.1)

Gerilme aralığı (Sr): Maksimum gerilme ile minimum gerilme arasındaki cebirsel

farktır.

Sr = Smax - Smin (1.2)

Gerilme genliği (Sa): Maksimum veya minimum gerilme ile ortalama gerilme

arasındaki farktır. Başka bir deyişle gerilme aralığının yarısına eşittir.

Sa = Sr/2 = (Smax - Smin)/2 (1.3)

19

Gerilme oranı (R): Genellikle iki türlü gerilme oranı tanımlanır.

R = (Smin/Smax) ; A = (Sa/Sm) (1.4)

S-N Diyagramı (Wöhler Diyagramı): Bu farklı sabit gerilmeler altında kaç çevrim

sonunda çatlayacağını veya kırılacağını gösteren bağıntıyı veren diyagrama

denir. S-N eğrisinin çizilebilmesi için en az 8-12 adet benzer numune kullanılır.

Yorulma dayanımı (N çevrim için): Malzemenin tam N çevrim sonunda çatlama

(veya kopma) gösterdiği gerilme olarak tanımlanır.

Yorulma sınırı: S-N diyagramında eğrinin asimptotik durum aldığı gerilmeye

denir.

Yorulma ömrü: Benzer numunelerin sabit koşullarda belirli bir gerilme altında

çatlama (veya kopma) gösterdikleri (N) çevrim sayılarının medyan

ortalamasıdır.

Sabit yorulma ömrü diyagramı (Smith diyagramı): Bu diyagramlarda belirli bir

yorulma N ömrü için maksimum gerilme (Smax), minimum gerilme (Smin) veya

gerilme genliğinin (Sa), ortalama gerilmeye (Sm) göre değişimi verilir.

Ayrıca Şekil 1.9’da demir ve demir dışı malzemelere ait tipik S-N eğrileri

verilmektedir.

20

Şekil 1.9. Demir ve demir dışı malzemelere ait tipik S-N eğrileri

1.4.4. Yorulma Deney Cihazları

Yorulma deneyleri için kullanılan çeşitli deney cihazları Şekil 1.10-1.12’de

verilmektedir. Yorulma deney cihazı seçilirken parçanın çalışma sırasında ne tür

gerilmeye uğradığı bilinmesi ve o gerilmenin uygulandığı cihazın kullanılması

gerekir. Ayrıca yorulma deney cihazlarında çevrim sayısını kaydeden sayacın

bulunması gerekir. Sayaç numune kırıldığı anda otomatik durmalıdır.

21

Şekil 1.10. Eksenel çekme ve basma gerilmeleri uygulayan sabit gerilmeli

yorulma cihazı (Kayalı vd., 1983)

Şekil 1.11. Düzlemsel eğme gerilmesi uygulayan “Sontag” modeli yorulma cihazı

(Kayalı vd.,1983)

22

Şekil 1.12. Numunenin dört noktasına kuvvet gelen ve dönen eğme gerilmeleri

uygulayan (Schenk modeli) yorulma cihazı (Sakin, 2004)

1.5. Kompozit Malzemelerde Yorulma

Pratikteki birçok uygulamada olduğu gibi bir malzemeye ait yorulma özelliği

tekrarlı yüklemeye verdiği tepkidir. Tekrarlı yük altında malzemenin

mukavemetinin önemli ölçüde düştüğü açıkça bilinmektedir. Doğada normal

işlem şartlarında sünek halde bulunan metalik malzemeler tekrarlanan gerilme

altında çalıştıklarında gevrek davranış göstererek kırılırlar. Yorulma olayı

gerilme seviyesi, gerilme durumu, işlem geçmişi, malzeme kompozisyonu ve

çevresel etkiler gibi birçok etkiye bağlıdır.

Malzemelerin yorulma davranışı S-N diyagramında gösterilir. S-N diyagramı

değişik gerilme seviyelerinde sinüzoidal yükleme şartları altında birçok

numunenin test edilmesiyle elde edilir. Birçok malzemede gerilme seviyesi

azaltıldığında yorulma sınırı sürekli olarak artar. Örneğin düşük karbon çelikleri

için yorulma sınırı yaklaşık olarak çekme gerilmesinin % 50’sine eşittir.

23

Yorulma sınırının altında yorulma hasarı meydana gelmediği için malzemenin

sınırsız ömrü olur. Birçok fiber takviyeli kompozitler için yorulma limiti

belirlenememiştir, ancak S-N eğrisinin eğimi düşük gerilme seviyelerinde

işaretlenmiştir (Karcı, 2009).

Kompozitler, metallerin tersine izotropik ve homojen değillerdir. Bu nedenle

kompozit malzemelerde hasar her zaman makro çatlağın ilerlemesi sonucu

meydana gelmez. Metal ve kompozit malzemeler için yorulma ömrü boyunca

oluşan hasar miktarı/boyutu ve kompozit malzemelerde yorulma ömrü

boyunca oluşan hasar tipleri Şekil 1.13’te verilmektedir.

Şekil 1.13. Metal ve kompozit malzemeler için yorulma ömrü boyunca oluşan

hasar miktarı/boyutu ve kompozit malzemelerde yorulma ömrü

boyunca oluşan hasar tipleri (Karcı, 2009)

24

Kompozit malzemelerde meydana gelen elyaf kırılması, matris çatlaması, tabaka

ayrılması, elyaf-matris ara yüzey ayrılması gibi hasar tipi başlangıçta hızlı bir

şekilde meydana gelir ve bu hasarlar parçanın tamamında görülebilir. Kompozit

malzemelerde yorulma hasarları üç aşamada meydana gelir. İlk aşamada genel

olarak matris çatlaklarından dolayı oluşan hasarlar mevcut olup mukavemetteki

azalma oldukça düşüktür. İkinci aşamada birçok hasar tipi görülmektedir (elyaf-

matris ara yüzey ayrılması, tabakalar arası ayrılma başlangıcı vb.). Hasarın

ilerlemesi ilk aşamaya göre oldukça yavaştır. Son aşamada ise hasar hızlı bir

şekilde ilerler ve parça kırılır.

Kompozit malzemelerin yorulmasında olması muhtemel birçok olay çatlak

ilerlemesi süresince meydana gelir. Matris ve fiber çatlağının meydana geldiği

bir kompozitteki yorulma çatlağı ilerlemesine çekme gerilmesiyle oluşan kesme

çatlaklıkları yardımcı olur. Bu durumun şematik hali Şekil 1.14’te verilmektedir.

Şekil 1.14. Kompozit yorulması boyunca çatlak yayılması (Sakin, 2004)

Kompozit malzemelerde yorulmaya etki eden faktörler; ara katman ve tabaka

özellikleri, fiber özelliği, matris özelliği ve fiber yönü olarak sayılabilir.

25

2. KAYNAK ÖZETLERİ

Uzun fiberlerden üretilmiş yüksek performanslı polimer kompozit malzemeler

çok iyi yorulma davranışı gösterirler. Bu durum polimer kompozit malzemelerin

metallere göre havacılık endüstrisinde daha yaygın kullanılmasının nedeni

olarak açıklanabilir. Ancak kompozit malzemelerin yorulma davranışı

metallerden farklı olduğu için halen mühendislik açısından sorun teşkil

etmektedir. Bathias (2006) yaptığı çalışmada metal ile kompozit malzemelerin

yorulma davranışlarını incelemiştir.

Colombo ve Vergani (2011) yaptıkları çalışmada otobüslerde bulunan köşe

kirişlerin üretiminde kullanılan kompozit malzemenin (cam-fiber takviyeli ve

vinil-ester matrisli) çok eksenli gerilme koşullarının belirlenmesini ve mekanik

özelliklerini incelemesini ele almışlardır. Numuneler bu kirişten alınmıştır.

Çalışmada yük uygulama yönüne göre boylamsal (0°), normal (90°), eğimli

(30°–45°) olmak üzere değişik çok yön kullanılmış olup böylelikle fiber

yönlenmesi belirlenmiştir. σ–N eğrilerine göre mekanik davranışlar belirlenerek

statik ve yorulma karakteristiği belirlenmiştir. Yorulma verileri elde edildikten

sonra yorulma ömrünü tahmini çok eksenli model için parametrelerin

enterpolosyonu yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürle karşılaştırılmıştır.

Fern ve arkadaşları (2012) çalışmalarında poroziteli kompozit kâğıt

kaplamaların yorulma ömürlerinin belirlenmesini ele almışlardır. Düşük çevrim

gerinim kontrollü yorulma deneyleri, kalsiyum karbonat temelli kompozitlerde

kullanılan bağlayıcı hacmi, bağlayıcı tipi ve porozitenin etkisini belirlemede

kullanılır. Yorulma ömrü, plastik şekil değiştirme oranı, maksimum tekrarlı

gerilmeler incelenmiştir. Bağlayıcı hacminden etkilenen porozite yorulma

ömründeki değişim üzerinde etkili olan ana faktördür. Polimer içeriğinin 10 kat

artırılmasıyla ömür 30 kat artmıştır.

26

Bernasconi ve arkadaşları (2013) çalışmalarında yapıştırma şeklinde bağlanmış

ince kompozit bağlantılarında oluşan yorulma çatlaklarını incelemişlerdir.

Çalışmada çift konsol kiriş ve tek kat bağlantı numuneleri kullanılmıştır. Çatlak

büyümesi sonlu elemanlar modelinde bulunan kırılma mekaniği modeli ile

modellenmiştir. Her iki bağlantının yorulma deneylerinde karmaşık çatlak

yolları gözlemlenmiştir. Bu karmaşıklığa rağmen tek kat bağlantı yapılan

numunelerin yorulma deneyleri sırasında gösterdiği davranışın modellenmesi

daha rahat elde edilmiştir.

Chiau ve Bradley çalışmalarında (1995) [45/0/-45/90]s malzemenin yorulma

ve kenar kırılma davranışını incelemişlerdir. Çalışmada hem kuru hem de deniz

suyuyla ıslatılmış numuneler kullanılmıştır ve numunelerin nemi absorbe

etmesinin yorulma çatlağı üzerindeki etkisi ele alınmıştır. Yorulma çatlağı optik

mikroskop, SEM ve ultrasonik C-scan yöntemiyle incelenmiştir. Deniz suyu

emdirilmesi yaşlandırılmamış numunelerde kenar kırılma şeklini 45/90

interlaminar haline getirirken yaşlandırılmış numunelerde ise intralaminar

çatlak şeklinde elde edilmiştir. Kenar kırılma büyümesi yaşlandırılmış ve

yaşlandırılmamış numunelerde benzer elde edilmiştir.

Deniz ve arkadaşları (2013) çalışmalarında döngüsel iç basınç altındaki cam-

epoksi kompozit çubuğun yorulma ömrü üzerinde deniz suyu ve darbe

yüklerinin etkisini belirlemeye çalışmışlardır. Çalışmada kullanılan borular

filament sarma tekniği kullanılarak üretilmiştir. Numuneler 3, 6 ve 9 dönemlik

periyotlarda deniz suyunda bekletilmiştir. Daha sonra darbe deneyleri 5; 7,5 ve

10 joule enerji seviyelerinde ve yorulma deneyleri numune üzerinde

yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde yorulma ömrü deniz suyunda bekleme

süresi ve darbe enerjisine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Darbeye

uğratılmış numunelerin yorulma ömürleri darbe alanlara göre daha yüksektir.

Deniz suyunda kalma süresi arttırıldığında yorulma ömrü azalmaktadır.

Yorulma deneylerinde kaçak patlama gibi hasar türlerine rastlanmıştır.

27

Ghielmetti ve arkadaşları (2011) yüksek frekans uygulamaları için yorulma

deney cihazı geliştirmeye çalışmışlardır. Bu çalışmada ev yapımı

elektromekanik yorulma deney makinesinin üretimi ele alınmıştır. Tüm sistem

elektro-mekanik karıştırıcı, bir hücre, bir denetleyici, özel yazılım ve numuneyi

sınırlayıcı dış metal yapıdan oluşmaktadır. Düz numuneye uygulanan eğilme

yorulması deneyi sabit bir frekansta uygulanan tekrarlı kuvvet uygulanmasıyla

sağlanır. Bu cihazın yapılmasının en önemli amacı ucuz ve yapımın kolay

olmasıdır. Çalışmada dizayn edilen cihaz ASTM standartları kullanılarak

uygulanan eğilme yorulması deneyi numunelerine göre imal edilmiştir. Bu

cihazın kontrolü için bronz ile kaplanmış alüminyum numunelerin eğilme

yorulma kontrolü yapılmıştır ve cihazın ASTM standartlarına uygun olduğu

belirlenmiştir.

Lai ve arkadaşları (2011) yaptıkları çalışmada kompozit küçük rüzgâr türbini

kanatları için IEC kriterlerine uygun yorulma deney düzeneği tasarlamışlardır.

Yorulma deney cihazı servo motor, lineer kılavuzu, şanzıman, kontrol sistemi ve

bağlama elemanlarından oluşmaktadır. Bu parçalar kanat üzerine yüklenmiş

ağırlıkları dengelemede kullanılmaktadır. Ağırlıklar yükleme deneyi için her bir

yüklemede değişik yük elde etmede kullanılır. Volan üzerinde bulunan eksantrik

deliklerin döndürülmesiyle yorulmanın genliği ayarlanır. Kanatların kritik gücü

dairesel hareketten lineer harekete dönüştürülmektedir. Çalışmada tasarlanan

sistemde 1m-3m boyutlarında tekli veya çoklu numune test edilebilmektedir.

Deneyler sonucu Lai ve arkadaşları Goodman diyagramını çizmişlerdir. R=-1

için S-N eğrisi ile kanatların sabit ömür eğrisinin dikey ekseni kesişmektedir.

Trotignon çalışmasında (1995) tekrarlanan yükler altında çalışan numunelerin

yorulmasını incelemek amacıyla yorulma deney cihazı tasarımı yapmıştır. Hasar

çatlak başlaması ve çatlak ilerlemesi olmak üzere iki aşamada gerçekleşir. Bu

çalışmada ele alınan cihaz bu iki aşamayı da içerecek şekilde tasarlanmıştır.

Cihazda sıcaklık, çevre, frekans, gerilme veya gerinme kontrolü gibi

parametrelerde değişiklik yapılabilmektedir.

28

Bathias (2006) yaptığı çalışmada daha önce tasarlamış oldukları ultrasonik

yorulma test sisteminde yaptıkları tasarım değişimlerini ve bu değişimler

sonucunda elde ettikleri sonuçları ele almışlardır. Bu çalışma ile piezo elektrik

yapılar kullanılmış olup böylelikle giga olarak devir elde edilmiştir. Ayrıca bu

yöntemde deney süresi 400 kat düşürülerek maliyet düşürülmüş ve sistem

yüksek sıcaklık, yüksek gaz basıncı, sürtünme-korozyon gibi ortamlara uyum

sağlayabilmektedir.

Yuanjian ve Isaac (2008) çalışmalarında cam elyaf takviyeli polyester reçine

kompozitlerin düşük hız darbe ve gerilme-gerinme yorulma davranışlarını

incelemişlerdir. Çalışmada [±45]4 ve [0/90]2s olmak üzere iki tip fiber yapıda

kompozit kullanılmıştır. [0/90]2s fiber kompozitlerde kritik darbe enerjisi elde

edilmiştir. Bu enerjinin altındaki seviyelerde çekme özellikleri darbeden önemli

ölçüde etkilenirken bu enerjinin üstündeki seviyelerde çekme özellikleri

enerjinin artmasıyla azalmaktadır. Düşük hızlı darbelerde kompozitlerin

yorulma ömürleri de azalmaktadır. Bu durum çekme mukavemetindeki düşüş

ile açıklanabilir. Çalışmada darbe uygulanmış kompozitlerin yorulma

ömründeki değişim işlem uygulanmamış haldeki numunelerin S-N eğrileri ile

darbeye maruz kalmış numunelerin artık gerilme mukavemetleri incelenerek

tahmin edilebileceği sonucuna varılmıştır.

Mehrman ve arkadaşları (2007) çalışmalarında 1200 °C’deki laboratuar havası

ve buhar şartlarında tutulma süresinin oksit-oksit seramik kompozitlerin

yorulma davranışına etkisini incelemişlerdir. Kompozit malzeme gözenekli

alümina matristen (Nextel TM720 mullit/alümina lifler ile güçlendirilmiş

matris) meydana gelmiştir. Deneyler laboratuar havasında 125-154 MPa

yorulma gerilmesinde, buhar ortamında ise 100-125 MPa yorulma gerilmesinde

yapılmıştır. Kompozitlerin mikro yapısı, hasar mekanizmaları incelenmiştir.

Ferreira ve arkadaşları (2005) epoksi ve polyester matrisli alüminize cam elyaf

kompozitlerin yorulma davranışlarını ve bu kompozitlerin bilinen cam elyaf

kompozitlerle kıyaslanmasını incelemişlerdir. Günümüze kadar alüminize cam

29

elyaf kompozitler sadece askeri uygulamalarda kullanılmaktaydı. Bu

kompozitlere kazandırılan en yeni avantaj iyileştirilmiş termal ve elektrik

iletkenlikleridir. Bu çalışmanın temel amacı sertlik kaybı kullanılarak kaplanmış

fiber malzemelerin yorulma hasarını incelemektir. Hasar mekanizmaları

mikroskop kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca çalışmada fiber içeriği ve

reçinenin yorulma davranışına etkisi de incelenmiştir.

Burhan ve Çavdar (2010) çalışmalarında eksantrik yay yorulma test cihazının

tasarım ve imalatını ele almışlardır. Yaylarda görülen en önemli hasar yorulma

hasarıdır. Bu nedenle yayların yorulma davranışını belirlemek önemlidir.

Çalışmada öncelikle eksantrik yay yorulma test cihazı tasarım ve imalatı

yapılmış, daha sonra ise bu cihazda deney yapılmıştır.

Doğanay ve Ulçay (2007) çalışmalarında farklı oranlarda takviye edilmiş cam

lifli polyester kompozitlerin deniz suyu etkisi altındaki yorulma davranışlarını

incelemişlerdir. Çalışmada takviyesiz, %1, %3 ve %6 olmak üzere dört farklı

oranda takviye edilmiş numuneler hazırlanmış ve deniz suyunda bekletildikten

sonra 30 dakika boyunca yorulma testine tabi tutulmuştur. Çalışmadan elde

edilen sonuçlar incelendiğinde takviye oranının yorulmaya önemli etkisi

olmazken deniz suyunda bekleme süresi arttığında yorulma dayanımında düşüş

meydana geldiği gözlemlenmiştir.

Kumru ve Ay (2010) çalışmalarında soğuk hava depolarında kullanılan

alüminyum malzemeden üretilmiş fanların eğilmeli çeki-bası gerilmesine maruz

kalması durumunda yorulma davranışını incelemek amacıyla çok numuneli R<

0, R=0 ve R>0 gerilme oranlarında çalışabilen bir test makinesi tasarımı

yapmışlardır. Ayrıca alüminyumdan hazırlanan numuneleri hadde yönü ve ona

dik yönde yeni yorulma testine tabi tutmuşlardır. Yapılan deneyler sonucunda

yorulma dayanımı üzerinde anizotropinin etkili olmadığı sonucuna

varmışlardır.

30

Gönen ve arkadaşları (2008) çalışmalarında metalik yayların ömürlerini

belirlemek üzere yorulma analizi yapmak amacıyla mekanik yay yorulma test

cihazı tasarımı ve imalatını ele almışlardır. Ayrıca tasarlanan cihazın yorulma

deneyleri süresince güvenilir bir şekilde çalışıp çalışmayacağını belirlemek

amacıyla ANSYS Workbench programı ile analizler yapılmıştır. Tasarlanan cihaz

aynı anda iki farklı sıkıştırma oranında yorulma analizi yapmasına imkân

vermektedir.

Tomita ve arkadaşları (2001) çalışmalarında ortalama 3,5; 4,5; 5,0 ve 5,5 GPa

çekme gerilmesine sahip uzun karbon fiberlerden oluşan plastik kompozitlerin

eğilme yorulma davranışı ve kırılma mekanizmasını incelemişlerdir. Eğilme

yorulması deneyleri için oda sıcaklığında Schenk-tip eğilme yorulma cihazını

kullanmışlardır. Kompozitlerin yorulma sınırı sadece çapraz desteklenmiş (0°-

90°) tabakanın basma gerilmesine bağlı olmayıp aynı zamanda deney sırasında

oluşan ısıya da bağlıdır. Tabakalar arası kırılmaya veya yüksek termal

iletkenliğe sahip tabakalar için yorulma sınırı 0° tabakaların basma gerilmesine

bağlıdır. Çalışmada tabakalar arası kırılma direnci düşük tabakalar için yorulma

sınırının önemli derecede düştüğünü, yorulma deneyi sırasında tabakanın

bitişik sıraları arasında bozulmalar meydana geldiğini belirlemişlerdir.

İzotropik benzeri (0°-±45°-90°) tabakalardan oluşmuş kompozitlerin yorulma

sınırı 0° tabakanın basma gerilmesinin bağlı olduğu sonucuna ulaşmışlardır.

Fiber destekli kompozit malzemelerin yorulması karmaşık bir konu olup birçok

çalışmaya konu olmuştur. Bu çalışmalarda bu malzemelerin ömrünü ve

güvenliği artırmak amaçlanmıştır. Paepegem ve Degrieck (2001) çalışmalarında

düz örgülü cam epoksi kompozit malzemelerin yorulma davranışını belirlemek

ve bu kompozitlerin yorulma altındaki davranışının nümerik modellemesini ele

almışlardır. Çalışmada öncelikle eğilme yorulması deneyleri için deney düzeneği

hazırlanmıştır. Numune malzemesi olarak [0°] ve [45°] olmak üzere iki farklı

yapıda düz örgülü cam epoksi kompozit malzeme kullanılmıştır. Deneyler

sonunda bu iki numune tipi aynı malzemeden imal edilmesine rağmen oldukça

farklı hasar davranışı ve bu değişik yol izleyen rijitlik bozulması belirlenmiştir.

31

Daha sonra yorulma ömrü sırasında kompozit numunenin bozulma davranışını

tanımlayan nümerik model belirlenmiştir. Bu model matematiksel yazılıma

sahip olan Mathcad’da oluşturulmuştur. Ayrıca kompozit malzemelerin yorulma

bozulması davranışını belirleyebilecek kullanışlı bir takım elde edilmiştir.

Liao ve arkadaşları (1999) çalışmalarında pultrüzyon ile üretilmiş cam-fiber

takviyeli vinil ester kompozit parçalara dört nokta eğme yorulması deneyini

farklı çevrelerde uygulamışlar ve bunların altyapı uygulamalarındaki

dayanıklıklarını belirlemeye çalışmışlardır. Numuneler gruplara ayrılarak suda

veya % 5 NaCl ve % 10 NaCl oranları eklenmiş tuz solüsyonlarında 6570 saat

bekletilerek yaşlandırılmıştır. Yaşlandırılmış numuneler suya veya tuz

solüsyonuna daldırılmış şekilde veya havada tutularak döngüsel test edilmiştir.

Numuneler döngüsel yüklemede veya kuru numunelerin burulma gerilmesinin

% 45’inin üzerinde yüklenmiştir. Değişik gruptaki numunelerin yorulma

ömürlerinde önemli bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Numuneler kuru

burulma gerilmesinin % 30 şeklinde döngüsel yüklendiğinde tüm numuneler

hava ortamında 107 devirde test edilmiştir. Uzun süren çevresel yorulma

davranışı absorbe ettiği su miktarın bağlı olmayıp daha çok yükleme ve sıvı

çevrenin kombinasyonuna bağlıdır. Farklı sıvı çevreler içinde yaşlandırılmış oda

sıcaklığındaki numunelere yapılan yorulma deneylerinden elde edilen sonuçlara

göre yorulma ömürleri değişmemiştir.

Philippidis ve Vassilopoulos (1999) çalışmalarında, tabaka, cam/polyester

(GRP) çok yönlü (MD) gibi değişik yönlerde hazırlanmış yassı parçaların

yorulma ve statik deneylerini içeren deneysel programdan elde edilen sonuçları

ele almışlardır. Oda sıcaklığında muhafaza edilmiş GRP türbin çark kanat

üreticilerinin kullandığı malzeme ile aynı malzeme seçilmiştir. Çok yönlü (MD)

tabakanın sıralanışı [0/[±45]/0]T şeklindedir. Çalışmada numuneler beş değişik

tabaka ekseni dışındaki yönde kesilmiş, statik ve dairesel yüklemeler altında

140 deney yapılmıştır. Böylelikle eksen dışı yüklemenin etkisi ve MD tabakanın

yorulma davranışı belirlenebilecektir. Basit bir ampirik model kullanılarak

sınırlanmış sayıdaki test verileri ile çizilmiş S-N eğrilerine bağlı olarak tokluğu

32

belirlemede ve tokluktaki değişimin tahmin edilmesi sağlanmıştır. Çalışmada

kullanılan programda malzemeler incelendiğinde dairesel gerilme

seviyelerindeki eksen dışı yüklemeye bağlı olarak E modülünün değiştiği

belirlenmiştir.

Caprino ve Giorleno (1999) çalışmalarında iki farklı gerilme oranlarında

cam/epoksi kompozitlere dört nokta eğme yöntemi kullanılarak monotonik ve

yorulma deneylerini uygulamışlardır. Deneylerde kabul edilmiş yorulma modeli

uygulanmıştır. Yorulma modeli klasik S-N eğrisinden tam olarak tahmin edilen

yorulma ömrü üzerine gerilme oranının etkisini belirlemek için tasarlanmıştır.

Degallaix ve arkadaşları (2002) yaptıkları çalışmada çok yönlü cam epoksi

kompozitlerin monotonik ve yorulma kayma gerilmelerini içeren deneysel

programı ele almışlardır. Çentiksiz ve sekmeli numunelerin tabakalar arası ve

tabakalar içi kayma modunu belirlemek amacıyla ‘Cube Test’ cihazı

kullanılmıştır. Böyle kayma mekanik karakteristikleri ve dairesel (döngüsel)

direnci belirlenmiştir. Yorulma sonuçları incelendiğinde aynı malzemeyle 3

nokta eğme deneyi sonuçları ile benzer sonuçlar elde edildiği gözlemlenmiştir.

Çalışmada kırık yüzeyleri SEM’de incelenmiştir.

Abd Allah ve arkadaşları (1994) çalışmalarında uzay ve uçak araçları gibi

ağırlığın önemli olduğu uygulamalarda yüksek performanslı kompozitleri (FRP)

ele almışlardır. GFRP kompozitlerin S-N diyagramları üzerindeki ortalama

gerilmeyi belirlemek amacıyla burulma yorulma deneyini ele almışlardır.

Çalışmada kullanılan makinenin frekansı 25 Hz’dir. Yazarlar hasar kriteri olarak

numunede meydana gelen artık gerilmenin test başında numunenin dayanacağı

gerilmenin % 70’i olarak belirlemişlerdir. Sonuçlar incelendiğinde ortalama

gerilmenin malzeme sabiti üzerine etkisi düşük olduğu belirlenmiştir.

Abo-Elkhier ve arkadaşları (2012) yaptıkları çalışmada desteklenmiş sınır

şartlarında ve değişik yönlenme koşullarında hazırlanmış tabaka kompozitlerin

33

yorulma davranışını belirlemek ve karakterize etmek amacıyla deneysel model

analizinin etkisini incelemişlerdir. Çalışmada deneysel model analizinde şekil

parametrelerini (doğal frekans, nem oranı ve model şekli) belirlemek için

numunelere yorulma yüklemesi uygulanmıştır. Bu durum yorulma ömrünü

etkilerken ana faktörleri belirlemeyi sağlar. Çalışmada cam fiber takviyeli

polyester tabaka (GFRP) kullanılmıştır. Standart test numunelerine düzlem

eğme yorulma deneyi yapılmıştır. Yazarlar deneyler sonunda kompozitin

yorulma davranışını tahmin ederken model (şekil) parametreleri

kullanmışlardır. Çalışmada sonuçlar için üssel ve iki bilinmeyenli denklemler

elde edilmiştir. Bu denklemler incelendiğinde yorulma ömrü oranı ile sırayla

sönüm oranı ve rezonans frekansının ilişkili olduğu belirlenmiştir.

Shah ve arkadaşları (2013) yaptıkları çalışmada polimer matris kompozitin

yorulma davranışını incelemişlerdir. Yazarlar S-N ömür diyagramlarını şu

amaçları araştırmak için kullanmışlardır;

a) Fiber tipi/kalitesi

b) Fiber içeriği

c) Örgü yapısı

d) Gerilme oranı

Bu aşamaların her biri için polimer matris kompozit ile cam/polyester

kompozitler karıştırılmıştır. Polimer matris kompozitlerin ömür tahminlerini

belirlemek için kapsamlı ömür diyagramı çizilmiştir. Fiber tipi, örgü yapısı ve

kompozit fiber içeriği statik özellikler üzerinde önemli etkiye sahiptir. Ayrıca bu

özellikler yorulma gerilmesi katsayısı üzerine çok az etki etmişlerdir. Yüksek

statik özellikler yorulma yükleme kapasitelerinin belirtisidir. Gerilme oranları

arttırıldığında polimer kompozitlerin yorulma performansı artmaktadır. Kırılma

mekanizması ve tipi 3 farklı fiberli kompozitler için aynıdır fakat bu durum fiber

tipi, örgü yapısı ve gerilme oranlarına bağlıdır. Çalışmadan cam/polyester

34

kompozitlerin yorulma davranışının polimer kompozitlere göre iyi olduğu

sonucu elde edilmiştir.

Rozumek ve Marciniak (2012) yaptıkları çalışmada 10 HNAP çelik malzemeden

yapılmış dikdörtgen kesitli numunenin yorulma dayanımını incelemişlerdir.

Numune yükseklik/genişlik oranı 1,5’dur. Çalışmada yükleme frekansı 26,5

Hz’dir. Ayrıca çalışma eğilme momenti/burulma momenti oranları MaB/MaT =

0,47; 0,94; 1,87 şeklinde belirlenmiştir. Nominal gerilmeler Huber-Misses

hipotezinden seçilmiş olup 360 MPa’dır. Yazarlar gerilme oranı R = 1 için

yüksek devir yorulma rejiminde deney yapmışlardır. Eğilme ve burulma

yükleme arasındaki faz değişimi θ = 0° ve θ = 90° şeklinde seçilmiştir. Numune

yüzeylerindeki çatlak oluşumu ve ilerlemesi 20x büyütmeli optik mikroskopta

incelenmiştir. Çalışmadan yazarlar şu sonuçları elde etmişlerdir; yorulma

çatlağı ilerlemesi Paris eşitliğinde belirlenen mod I ve mod II için gerilme şiddet

faktörüne bağlıdır.

35

3. MATERYAL ve YÖNTEM

Bu çalışmada dikdörtgen kesitli kompozit malzemeler için eğilme yorulması test

cihazının tasarımı ve imalatı yapılmıştır. Ayrıca bu tez çalışmasında imal edilen

bu cihazda daha önce özel bir firmaya üretimi yaptırılan ve mekanik özellikleri

belirlenen cam-elyaf kompozit malzemenin yorulma davranışı incelenmiştir.

Çalışmanın aşamaları Şekil 3.1’de verilmektedir.

Şekil 3.1. Tez çalışmasının aşamaları

3.1. Yorulma Test Cihazı Tasarımı

Bu tez çalışmasında; yorulma deney cihazının dikdörtgen kesitli kompozit

malzemelerin eğilme yorulması davranışını belirlemek amacıyla tasarlanmıştır.

Böylelikle birçok sistemde kullanılan dikdörtgen kesitli kompozit malzemelerin

eğilme yorulması davranışı belirlenebilecektir. Tasarım yapılırken daha önceki

çalışmalarda düz örgülü cam/epoksi kompozit malzemelerin eğme

yorulmasında kullanılan düzlemsel eğme gerilmesi yorulma cihazı baz

alınmıştır (Paepegem, 2001).

36

Şekil 3.2. Düz örgülü cam/epoksi kompozit malzemelerin eğme yorulmasında

kullanılan yorulma cihazı (Paepegem, 2001)

Çalışmada tasarımı yapılan cihaz parçaları şunlardır:

Dairesel hareketi doğrusal harekete çeviren eleman

Genlik ayar volanı

Hareket iletim elemanı

Parça taşıyıcı mil

Parça taşıyıcı milleri sabitleme milleri

Numune sabitleyicisi

Taşıyıcı miller bağlantı aparatı

Cihaz sehpası

Çalışmada parça tasarımları Solidworks 2012 programı kullanılarak yapılmıştır.

Cihazda kullanılan alt tabla, parça taşıyıcı milleri, sabitleme milleri ve hareket

iletim elemanının Solidworks programında yapılan tasarımları Şekil 3.3’te;

37

genlik ayar volanı tasarımı Şekil 3.4’te; dairesel hareketi doğrusal harekete

çeviren eleman, kasnak ve ön alt tutucu tasarımları Şekil 3.5’te ve taşıyıcı miller

bağlantı aparatı ile numune sabitleyicisine ait tasarımlar Şekil 3.6’da

verilmektedir.

Şekil 3.3. Alt tabla, parça taşıyıcı milleri sabitleme milleri ve hareket iletim

elemanı tasarımları

38

Şekil 3.4. Genlik ayar volanı tasarımı

Şekil 3.5. Dairesel hareketi doğrusal harekete çeviren eleman, kasnak ve ön alt

tutucu tasarımları

39

Şekil 3.6. Taşıyıcı miller bağlantı aparatı ile numune sabitleyicisine ait

tasarımlar

3.2. Yorulma Test Cihazının İmalatı

Çalışmada tasarımın yanında aynı zamanda cihazın imalatı yapılmıştır. İmalatı

yapılan cihazın şematik şekli Şekil 3.7’de verilmektedir.

Şekil 3.7. Yorulma test cihazının şematik şekli

40

Yorulma cihazında numune bağlama aparatı tırtıklı olarak yapılmıştır. Bunun

nedeni sürtünme kuvvetini artırarak numuneyi daha küçük cıvata kuvveti ile

sabitlemek ve numunenin kaymasını önlemektir. Numune tutturma sisteminde

değişik kalınlıklarda numuneleri tutturabilmek amacıyla bağlantı cıvataları

uzun seçilmiştir. Tutturma sisteminde kullanılan tutucu direkler cıvata

bağlanarak millerde meydana gelecek herhangi bir deformasyonda tezgâhın

tamamının yerine parça tutucu direkleri değiştirmek yeterli olacaktır. Bunun

yanında istenilen uzunlukta parçaların tezgaha kolay bağlanabilmesi için parça

tutucuları yukarı aşağı hareket edebilecek şekilde imal edilmiştir (Şekil 3.8).

Şekil 3.8. Yorulma test cihazında kullanılan numune tutturma sistemi

Yorulma cihazında hazır yatak kullanılmıştır. Hazır yatak, yatak tablasına monte

edilmiştir. Cihazı oluşturan parçalar cihaz sehpasına kaynakla sabitlenmiştir.

Böylelikle sistemin rijitliği ve mukavemeti artırılmıştır (Şekil 3.9).

41

Şekil 3.9. Yorulma test cihazında kullanılan yatak ve diğer parçaların sehpaya

tutturulması

Cihazda, 380 V veya 220 V’luk çift akımlı elektrik motoru kullanılmıştır.

Kullanılan motor 0,37 kW gücünde olup 1390 d/d devir ve 50 Hz frekansa

sahiptir (Şekil 3.10).

Şekil 3.10. Yorulma test cihazında kullanılan elektrik motoru

42

Motorla mil arasındaki iletim için V-kayış kullanılmıştır (Şekil 3.11). Kompozit

malzemelerde yüksek sıcaklık kompozit yapısını etkilediği için istenmeyen bir

durumdur. Yüksek devir sayısı sıcaklığı artırır. Bu nedenle kompozit

malzemelerde devir sayısı yüksek seçilemez. Bu amaçla motor 1390 d/d’da

dönerken mil devri Delta marka motor hız kontrol cihazı kullanılarak ~150 d/d’

ya düşürülmüştür (Şekil 3.12).

Şekil 3.11. Yorulma test cihazında kullanılan V- kayış ve motor-mil bağlantısı

Şekil 3.12. Motor hız kontrol cihazı

43

Yorulma cihazı yüksek frekanslı ve genlik ayarlı olup malzemeyi çift yönde eğme

yapmak suretiyle maksimum yormaktadır. Şekil değiştirme oranı (R), çift yönde

yükleme yapıldığı için R = ( Umin/Umax ) = -1 olarak belirlenmiştir. Volana bağlı

biyel kolu ayar mekanizması ile sıfır noktasından itibaren ileri veya geri hareket

ettirilerek numuneye 0-45 mm arasında sehim verilebilmektedir (Şekil 3.13).

Şekil 3.13. Biyel kolu ayar mekanizması

Yorulma deneyi sırasında dikkat edilmesi gereken en önemli hususlardan birisi

de sistemde herhangi bir titreşimin olmamasıdır. Bu çalışmada sistemin

titreşimsiz rijit bir şekilde çalışabilmesi için cihaz sehpasının ayaklarına kauçuk

takoz konulmuştur (Şekil 3.14).

44

Şekil 3.14. Cihaz sehpasının rijitliğinin kauçuk takozlar ile sağlanması

Yorulma deneylerinde önemli parametrelerden birisi de çevrim sayısıdır.

Numunenin kaç tekrar sayısında (N) koptuğunu belirlemek amacıyla 11 haneli

(1011 tekrar sayma kapasiteli) hesap makinesi cihaza monte edilmiştir. Ayrıca

kırılan numuneyi algılayıp motoru durdurmak amacıyla stop sistemi

tasarlanmıştır (Şekil 3.15).

Şekil 3.15. Çevrim sayısını belirleme

45

Tez çalışmasında imalatı yapılan cihazın montajının tamamlanmış hali Şekil

3.16’da verilmektedir.

Şekil 3.16. Yorulma test cihazının genel görünüşü

3.3. Cam-Elyaf Kompozit Malzemenin Yorulma Dayanımının Belirlenmesi

3.3.1. Teorik Hesaplamalar

Serbest ucundan tekil kuvvete maruz kalmış ortotropik ankastre kiriş Şekil

3.17’de verilmektedir.

46

Şekil 3.17. Serbest ucundan P tekil yüküne maruz kalmış ankastre kiriş

Kompozitin fiberleri ile x-ekseni arasındaki açı ’dır. Ortotropik ankastre kirişe

ait düzlem-gerilme durumu için geliştirilen diferansiyel eşitliği Denklem 3.1’de

verilmektedir (Lekhnitskii, 1968).

02224

4

113

4

1622

4

66123

4

264

4

22

y

Fa

yx

Fa

yx

Faa

yx

Fa

x

Fa

(3.1)

Burada F gerilme fonksiyonudur.

Bir kompozit malzemede; elyaflar tek yönlü sürekli veya iki yönlü takviyeli

olarak düzenlenirse elyaf doğrultusunda yüksek dayanım ve rijitlik elde

edilebilir. Bu mekanik özellikler gayet tabidir ki kullanılan elyaf içeriği ile

değişecektir. Bunun sonucunda tek yönlü doğrultuda yapılan elyaf

düzenlenmesinde yüksek dayanım ve elastik modülü değeri elyafa dik

doğrultudaki düzenleme ile karşılaştırıldığında elyaf eksenine paralel

doğrultuda elde edilecektir. İki yönlü doğrultuda ise, yani elyaflar hem eksene

paralel hem de dik yönde takviye edilen kompozitte ise iki ortogonal yönde

dayanım ve elastik modülü eşit olur. Böyle kompozitler, birbirlerine dik

doğrultuda iki eksende simetrik malzeme özelliği gösterir ve ‘ortotropik’ olarak

adlandırılır. Bunların özellikleri diğer izotropik malzemelerden daha fazla

karmaşıktır.

47

Düzlem gerilme durumunda ortotropik malzemeler için gerilme - şekil

değiştirme bağıntısı Denklem 3.2’de verilmiştir (Jones, 1975).

xy

y

x

662616

262212

161211

z

y

x

aaa

aaa

aaa

(3.2)

Burada ija uygunluk matrisinin bileşenleridir. Bu matrisin elemanları aşağıda

verilmiştir:

4466226612221166

3661222

366121126

3661222

366121116

422

226612

41122

22662211

441212

422

226612

41111

mnSmnSS4S2S22a

nmSS2S2mnSS2S2a

mnSS2S2nmSS2S2a

mSmnSS2nSa

mnSSSmnSa

nSnmSS2mSa

(3.3)

1266

222

1

1212

111

G

1S,

E

1S,

ES,

E

1S

(3.4)

Burada m= cos θ ; n= sin θ’ya eşittir.

Eğilme kuvvetinin hesaplanabilmesi için dikdörtgen kesitli numunenin atalet

momentinin bulunması gerekmektedir. Dikdörtgen kesitli numunenin atalet

momenti (3.5) eşitliği kullanılarak elde edilmiştir.

(3.5)

Burada I: atalet momenti (mm4), b: numune genişliği (mm), h: numune

kalınlığını (mm) temsil etmektedir.

48

Serbest ucundan P tekil yükü uygulanmış kompozit konsol kirişin gerilme

bileşenleri aşağıdaki gibidir (Kılıç vd, 2001):

2

2

11

16

12y

b

a

a

I

Pxy

I

Peğx (3.6)

0y (3.7)

2

2

42y

b

I

Pxy (3.8)

Bu kiriş için y eksenine göre sehim denklemi şu şekildedir (Kılıç vd, 2001):

)23(66

2

224

32 323113

11

26111612212

11

26116612 lxlxa

ya

aaaaxy

ay

a

aaaa

I

Pvsehim (3.9)

Serbest uçtaki simetrik eksendeki sapmayı belirlemek için (3.9) numaralı

eşitlikte x=0 ve y=0 değerleri yerine konulur ve;

I

lPavsehim

3

3

11 (3.10)

eşitliği elde edilir.

3.3.2. Numune hazırlığı ve deneyin yapılması

Çalışmada deney için cam elyaf takviyeli epoksi kompozit malzeme kullanılmış

olup; kompozit malzeme özel bir firmada imal ettirilmiştir. Kompozit malzeme

hacimce %60 fiber yüzdesine sahiptir. Firmada imal edilen malzemenin iş akış

49

şeması Şekil 3.18’de verilmektedir. Üretilen kompozitin kalınlığı 1,5 mm olarak

ölçülmüştür.

Şekil 3.18. Deneylerde kullanılan kompozit malzemenin üretim iş akış şeması

ASTM standartlarına uygun olarak hazırlanan kompozit numuneler üzerinde

yapılan deneylerle malzemenin mekanik özellikleri tespit edilmiştir. Kompozit

malzemeye ait mekanik özellikler Çizelge 3.1’de verilmektedir.

Çizelge 3.1. Çalışmada kullanılan kompozit malzemenin mekanik özellikleri

E1 (MPa) E2 (MPa) G (MPa) υ12

28450 28450 2470 0,25

Bu tez çalışmasında dikdörtgen kesitli kompozit malzemelerin yorulma

dayanımını belirlemek amaçlanmıştır. Bu amaçla yorulma deneyi için

hazırlanan dikdörtgen kesitli numune şekli ve boyutları Şekil 3.19’da

verilmektedir.

50

Şekil 3.19. Dikdörtgen kesitli numune şekli ve boyutları

Çalışmada deneyler oda sıcaklığında yapılmıştır. Deneyin yapılması aşamaları

şu şekildedir; öncelikle deney numunesi cihaza bağlanır (Şekil 3.20). Motor ve

hız düşürücü çalıştırılarak cihaz devri hazırlanır ve ilk hareket verilir. Bu sırada

çevrim sayacı da aktif hale getirilir. Numunede yorulma izleri oluşup

oluşmadığı belirlenir.

Şekil 3.20. Deney numunesinin cihaza bağlanması

51

3.3.3. Yorulma deneyinin analiz edilmesi

Tez çalışmasında örnek uygulama olarak yapılan eğilme yorulması deneyinde

dikdörtgen kesitli numunenin genlik hesabı yapılmıştır.

Cam-elyaf kompozit malzemeye ait maksimum eğme gerilmesi değeri 162

MPa’dır. Bu nedenle deneysel çalışmada daha önceki çalışmalar da dikkate

alınarak gerilme aralığı 130 MPa ile 40 MPa olarak belirlenmiştir. Ayrıca cam-

elyaf kompozit malzemeye ait elastisite modülü değeri yapılan mekanik

deneyler sonucunda 28450 MPa olarak hesaplanmış olup; hesaplarda bu değer

esas alınmıştır. Atalet momenti ile eğilme kuvveti hesapları için (3.5) ve (3.6)

eşitlikleri kullanılmıştır. Genlik hesabı ise (3.10) eşitliği kullanılarak yapılmıştır.

Çalışmada kullanılan cam-elyaf kompozit malzemeye ait Gerilme-Genlik değişim

grafiği Şekil 3.21’de verilmektedir. Bu grafik ilerleyen çalışmalarda cam-elyaf

malzeme için yol gösterici olacaktır.

Şekil 3.21. Cam-elyaf malzeme için gerilme-genlik değişimi

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50

Ge

rilm

e (

MP

a)

Genlik (mm)

52

3.3.4. Straingage ile gerilmenin belirlenmesi

Bir makine elemanında meydana gelen şekil değiştirme ve gerilmelerin

belirlenmesinde hesap veya deney yöntemi kullanılmaktadır. Hesapların

yapılamadığı veya çok zaman alacağı durumlarda deney yöntemi kullanılır.

Bunun yanında yapılan hesabın kontrolü için de deney yönteminden

yararlanılır. Bu amaçla kullanılan deney yöntemleri strain gage tekniği ile

gerilme optik tekniğidir. Bu yöntemlerden en fazla tercih edilen ise strain gage

yöntemidir.

Küçük direnç ölçümleri için genelde Wheatstone köprüsü kullanılır (Şekil 3.22).

Wheatstone köprü devresi galvanometre, güç kaynağı ve R1, R2, R3 ve R4 olmak

üzere dört adet dirençten oluşur. Devre alternatif veya doğru akımla beslenir.

Köprü devresinin kollarında bulunan dirençler, aynı zamanda strain gage’leri

temsil ederler. Köprü devresindeki komşu dirençler (R1, R2), (R2, R3), (R3, R4) ve

(R1, R4); zıt dirençler ise (R1, R3) ve (R2, R4)’tür.

Şekil 3.22. Wheatstone köprüsü

53

Köprü devresindeki strain gage’lerden yapı elemanının deformasyonuna

katılanlarına “Aktif Strain Gage”, katılmayanlara ise “Pasif (Dummy) Strain

Gage” denir. Bütün strain gage’ler deformasyona uğruyorsa “Tam Köprü”,

sadece iki strain gage deformasyona uğruyorsa “Yarım Köprü” ve tek strain

gage deformasyona uğruyorsa “Çeyrek Köprü” denir.

Tez çalışmasında ayrıca imalatı yapılan yorulma cihazından elde edilen uzama

miktarının doğruluğu belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla cihazın biyel kolu

mekanizmasından ölçülen maksimum ve minimum uzama değerleri ile Strain

Gage kullanılarak ölçülen değerler karşılaştırılmıştır. Bu amaçla P3 indikator

kullanılarak Wheatstone çeyrek köprüsü kurulmuştur (Şekil 3.23).

Şekil 3.23. P3 İndikatör kullanılarak Wheatstone çeyrek köprü kurulması

Wheatstone köprüsü kurulmasında ve doğru değerler alınmasında numune

hazırlığı önemli bir aşamadır. Bu nedenle öncelikle numune yüzeyi

temizlenmiştir. Daha sonra numune ortasından (40 mm) ve numune üst başının

6 mm altından Strain Gage bağlantıları yapılmıştır (Şekil 3.24).

54

Şekil 3.24. Strain Gagelerin numuneye bağlanması

Numune hazırlandıktan sonra numune cihaza bağlanmıştır ve P3 indikatör ile

numune bağlantısı yapılmıştır (Şekil 3.25).

55

Şekil 3.25. Strain Gage ile yorulma test cihazı bağlantısının yapılması

Wheatstone köprüsünde uzama değerleri (3.23) eşitliğinden elde edilir.

(Kayacan, 2012).

(

) (

) (3.23)

Burada S gerinim ölçer faktörü olup değeri 2 olarak alınmaktadır. V0 çıkış voltajı

Vs ise giriş voltajıdır.

56

Buradan elde edilen değer ile cihazdan okunan değerler dar tolerans içinde

kalacak tarzda elde edilmiştir. Böylelikle cihazda okunan uzama değerlerinin

doğruluğu kalibrasyonla belirlenmiştir.

57

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA

Bu çalışmada dikdörtgen kesitli cam elyaf takviyeli epoksi kompozit

malzemelerin eğme yorulması deneylerini yapabilecek yorulma cihazı tasarım

ve imalatı yapılmıştır. Tasarımı ve imalatı gerçekleştirilen bu yorulma cihazı

levha şekilli metalik malzemeler gibi tüm mühendislik malzemelerinin eğme

yorulma deneyler