T.C.tez.sdu.edu.tr/Tezler/TF01958.pdfAnahtar Kelimeler: Kompozit malzeme, hasar, yatak dayanımı. 2012, 87 sayfa iv ABSTRACT M.Sc. Thesis AyĢe Mücessem Cabıoğlu INVESTIGATING

T.C.

SÜLEYMAN DEMĠREL ÜNĠVERSĠTESĠ

FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

FARKLI SICAKLIK ORTAMLARINDA PĠM BAĞLANTILI

KOMPOZĠT PLAKALARIN YATAK DAYANIMLARININ

ĠNCELENMESĠ

AyĢe Mücessem CABIOĞLU

DanıĢman: Doç. Dr. Ümran ESENDEMĠR

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

ISPARTA-2012

i

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa

ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................ i

ÖZET...................................................................................................................... iii

ABSTRACT ........................................................................................................... iv

TEġEKKÜR ............................................................................................................. v

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ................................................................................................ vi

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ .......................................................................................... ix

SĠMGELER DĠZĠNĠ................................................................................................. x

1.GĠRĠġ .................................................................................................................... 1

1.1. Kompozit Malzemeler ....................................................................................... 2

1.2. Kompozit Malzemelerin Avantajları................................................................. 2

1.2.1. Yüksek mukavemet ........................................................................................ 3

1.2.2. Kolay Ģekillendirme ....................................................................................... 3

1.2.3. Elektriksel özellikler ...................................................................................... 4

1.2.4. Isıya ve ateĢe dayanıklılık .............................................................................. 4

1.2.5. TitreĢim sönümlendirme ................................................................................ 4

1.2.6. Korozyona ve kimyasal etkilere karsı mukavemet ........................................ 4

1.2.7. Kalıcı renklendirme ........................................................................................ 4

1.3. Kompozit Malzemelerin Dezavantajları ........................................................... 5

1.4. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması ....................................................... 5

1.4.1. Elyaf takviyeli kompozit malzemeler ............................................................ 7

1.4.2. Parçacık takviyeli kompozit malzemeler ....................................................... 8

1.4.3. Tabakalı kompozit malzemeler ...................................................................... 9

1.4.4. Karma (Hibrid) kompozit malzemeler ......................................................... 10

1.5. Kompozit Yapılardaki Bağlantılar .................................................................. 10

1.5.1. Mekanik Bağlantılarla YapıĢtırarak Yapılan Bağlantıların KarĢılaĢtırılması13

1.5.2. Kompozit Yapılardaki Mekanik Bağlantıların Tasarımı.............................. 14

1.6. Kompozit Malzemelerin Mekanik DavranıĢı .................................................. 18

1.7. Hasar Analizi ................................................................................................... 20

1.8. Kompozit Malzemelerin Hasar Analizleri ...................................................... 21

ii

2. KAYNAK ÖZETLERĠ ...................................................................................... 25

3. MATERYAL VE YÖNTEM ............................................................................. 35

3.1. Materyal .......................................................................................................... 35

3.2. Metot .............................................................................................................. 37

3.3. Kompozit Malzemenin Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi ........................ 39

3.4. Pim Bağlantılı Kompozit Plakalarda Hasar Analizi........................................ 39

3.5. Deneylerin YapılıĢı ......................................................................................... 40

4. ARAġTIRMA BULGULARI VE TARTIġMA ................................................ 43

4.1. Hasar Tiplerinin Ġncelenmesi ......................................................................... 43

4.2. Normal ortamdaki numuneler için hasar yükleri ve yük-uzama eğrileri ........ 46

4.3. Soğuk ortam (-18°C) için hasar yükleri ve yük-uzama eğrileri ...................... 48

4.4. Nemli ortam için hasar yükleri ve yük-uzama eğrileri ................................... 58

4.5. Sıcak ortam için hasar yükleri ve yük-uzama eğrileri ..................................... 66

4.6. Yatak Dayanımları .......................................................................................... 75

5. SONUÇ .............................................................................................................. 80

6. KAYNAKLAR .................................................................................................. 83

ÖZGEÇMĠġ ........................................................................................................... 87

iii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

FARKLI SICAKLIK ORTAMLARINDA PĠM BAĞLANTILI KOMPOZĠT

PLAKALARIN YATAK DAYANIMLARININ ĠNCELENMESĠ

AyĢe Mücessem Cabıoğlu

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

DanıĢman: Doç. Dr. Ümran ESENDEMĠR

Bu tez çalıĢmasında, farklı ortam Ģartlarının zamana bağlı olarak yatak dayanımlarını

nasıl etkilediği ve meydana gelen hasar tiplerindeki değiĢim incelenmiĢtir.

Kompozit plakalar 60’Ģarlı gruplara ayrılarak 9 takım meydana getirilmiĢtir. Birinci

takım -18˚C’de bir ay süreyle soğutucuda, ikinci takım -18˚C’de soğutucuda iki ay

süreyle, üçüncü takım -18˚C’de soğutucuda 1 gün aralıklı 2 ay süreyle, dördüncü

takım oda sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta bir ay süreyle, beĢinci takım oda

sıcaklığını üzerindeki aynı sıcaklıkta iki ay süreyle, altıncı takım sıcak su içinde 7

gün süreyle, yedinci takım nemli ortamda bir ay süreyle, sekizinci takım nemli

ortamda 2 ay süreyle bekletilmiĢtir. Dokuzuncu takım ise hiçbir iĢleme tabi

tutulmadan oda sıcaklığında bekletilmiĢtir.

Yapılan bağlantılarda optimum geometrik boyutları elde etmek için, test edilen

numunenin kenarından delik eksenine olan mesafesinin pim çapına oranı (E/D) ve

numune geniĢliğinin pim çapına oranı (W/D) deney numunelerinde sistematik olarak

değiĢtirilmiĢtir. Bağlantıların performanslarının geometrik parametrelerin değiĢimi

ile yakından iliĢkili olduğu tespit edilmiĢtir.

Yapılan deneylerden çekme, kayma, yataklama ve karıĢık hasar tipi olmak üzere 4

farklı hasar tipi meydana geldiği görülmüĢtür. Genel olarak farklı ortam Ģartlarının

hasar tiplerini değiĢtirmediği gözlemlenmiĢtir.

Anahtar Kelimeler: Kompozit malzeme, hasar, yatak dayanımı.

2012, 87 sayfa

iv

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

AyĢe Mücessem Cabıoğlu

INVESTIGATING BEARING STRENGTH ON PIN LOADED COMPOSITE

PLATES IN DIFFERENT TEMPERATURE ENVIRONMENTS

Süleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Mechanical Engineering

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Ümran ESENDEMĠR

In this thesis, different ambient conditions, depending on time in how it affects the bearing

strength and variation in damage types were investigated.

Composite plates were divided into nine teams and each group contains 60 composite plate.

First team -18 ˚ C in cooler for a month, the second team in -18˚C in cooler for two months,

third team in -18˚C in cooler for a period of 2 months 1 day interval, fourth team at a

temperature above the room temperature for a month, fifth team same temperature above the

room temperature for two months, sixth team in hot water for 7 days, seventh team in moist

environment for one month, eight team were kept in moist environment for two months.

Ninth team were kept at room temperature while being subjected to any processing.

In the joints to obtain the optimum geometrical dimensions, the distance from hole axis to

the side of the test sample of the pin diameter ratio (E/D) and the sample width to pin

diameter ratio (W/D) were changed systematically in the experimental samples. The

performance of the joints is closely related to changing in geometrical parameters, have been

identified.

In the experiments; tensile, shear, bearing, and a mixed type of damage has been observed

as four different type of failure. In general different enviroment conditions did not change

failure types have been observed.

Key Words: Composite plate, failure, bearing strength.

2012, 87 pages

v

TEġEKKÜR

Bu araĢtırma için beni yönlendiren, son aĢamaya gelinceye kadar değerli bilgi ve

yardımlarını benden esirgemeyen değerli hocam Doç. Dr. Ümran ESENDEMĠR’e

teĢekkür eder, saygılarımı sunarım.

Bu çalıĢmayı 2396-YL-10 no’lu projeyle maddi olarak destekleyen S.D.Ü. AraĢtırma

Projeleri Yönetim Birimi’ne teĢekkür ederim.

Ayrıca tezimin her aĢamasında benden her türlü maddi ve manevi desteklerini eksik

etmeyen aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.

AyĢe Mücessem CABIOĞLU

ISPARTA, 2012

vi

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

ġekil 1.1. Kompozit malzemenin temel Ģekli .......................................................... 2

ġekil 1.2 Kompozit malzemelerin sınıflandırılması ............................................... 6

ġekil 1.3. Kompozit yapılarda yapıĢtırarak yapılan bağlantılar ............................. 12

ġekil 1.4. Kompozit yapılardaki mekanik bağlantılar ........................................... 12

ġekil 1.5. Kompozit yapılardaki mekanik-yapıĢtırma bağlantılar ........................ 13

ġekil 1.6. Kompozit yapılardaki mekanik bağlantıların hasar Ģekilleri ................ 15

ġekil 1.7. [0◦/±45◦] karbon elyaf takviyeli kompozit levhalardaki civatalı

bağlantıların hasar Ģekilleri üzerine elyaf oryantasyonun etkisi ............ 16

ġekil 1.8. Elyaf takviyeli kompozit yapıların uygun analiz yöntemlerinin

Ģematik gösterimi ................................................................................... 19

ġekil 1.9. Kompozit tabakanın mukavemet analizi için gerekli

maksimum mukavemet ve birim uzamalar ............................................ 24

ġekil 3.1. Deney düzeneği ...................................................................................... 35

ġekil 3.2. Deney aparatı ......................................................................................... 36

ġekil 3.3. Deney numuneleri .................................................................................. 37

ġekil 3.4. Numunenin geometrisi ........................................................................... 37

ġekil 3.5. Deney cihazı........................................................................................... 38

ġekil 3.6. Tipik hasar modları ................................................................................ 39

ġekil 3.7. Numune bağlantı Ģekli ........................................................................... 42

ġekil 4.1. DeğiĢik hasar tiplerinde elde edilen yük- uzama eğrileri ....................... 43

ġekil 4.2. Numunelerde deney sonrası görülen temel hasar tipleri ........................ 44

ġekil 4.3. Malzemelerde deney sonrasındaki hasar tipleri ..................................... 46

ġekil 4.4. Normal ortamda bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 47

ġekil 4.5. Soğuk ortamda 1 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 50

ġekil 4.6. Soğuk ortamda 2 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 51

ġekil 4.7. Soğuk ortamda 2 ay aralıklı bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 52

vii

ġekil 4.8. Soğuk ortamda bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 54


(W/D=3, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 55


(W/D=4, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 56


(W/D=5, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 57

ġekil 4.12. Nemli ortamda 1 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 59

ġekil 4.13. Nemli ortamda 2 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 60

ġekil 4.14. Nemli ortamda bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 62


(W/D=3, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 63


(W/D=4, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 64


(W/D=5, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 65

ġekil 4.18. Sıcak ortamda 1 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 67

ġekil 4.19. Sıcak ortamda 2 ay bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 68

ġekil 4.20. Sıcak su içinde (7 gün) bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2,3,4,5) ...................................................................................... 69

ġekil 4.21. Sıcak ortamda bekletilen numuneler için yük-uzama eğrileri

(W/D=2, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 71


(W/D=3, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 72


(W/D=4, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 73

viii


(W/D=5, E/D=1,2,3,4,5) ....................................................................... 74

ġekil 4.25. Normal ortam ve soğuk ortamda bekletilen numuneler için

yatak dayanımları .................................................................................. 75

ġekil 4.26. Normal ortam ve sıcak ortamda bekletilen numuneler için

yatak dayanımları .................................................................................. 77

ġekil 4.27. Normal ortam ve nemli ortamda bekletilen numuneler için

yatak dayanımları ................................................................................. 78

ix

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ

Çizelge 3.1. Kompozit malzemenin mekanik özellikleri ....................................... 39

Çizelge 3.2. Deney Ģartları ..................................................................................... 40

Çizelge 3.3. Numunelerin numaralandırılması ...................................................... 41

Çizelge 4.1. Numunelerde görülen hasar tipleri..................................................... 45

Çizelge 4.2. Normal ortamdaki numuneler için yatak dayanımları ....................... 46

Çizelge 4.3. Soğuk ortamdaki (-18°C) numuneler için yatak dayanımları ............ 49

Çizelge 4.4. Nemli ortamdaki numuneler için yatak dayanımları ......................... 58

Çizelge 4.5. Sıcak ortamdaki numuneler için yatak dayanımları........................... 66

x

SĠMGELER DĠZĠNĠ

E Kenar mesafesi

E/D Boyuna mesafenin çapa oranı

Fi-Fij Ġkinci ve dördüncü derece mukavemet tensörü

K Seri bağlantılarda delikler arası mesafe

L Plaka uzunluğu

W Numune geniĢliği

W/D GeniĢliğin delik çapına oranı

S Düzlemde maksimum kayma mukavemeti

Xç Boyuna (elyaf yönü) maksimum çekme mukavemeti

Xb Boyuna (elyaf yönü) maksimum basma mukavemeti

Yç Enine (matriks yönü) maksimum çekme mukavemeti

Yb Enine (matriks yönü) maksimum basma mukavemeti

ε x,ç Boyuna (elyaf yönü) maksimum çekme birim uzaması

ε x,b Boyuna (elyaf yönü) maksimum basınç birim uzaması

ε y,ç Enine (matris yönü) maksimum çekme birim uzaması

ε y,b Enine (matris yönü) maksimum basınç birim uzaması

ε k Düzlemde maksimum kayma birim uzaması

1

1. GĠRĠġ

Günümüzde metaller gibi klasik malzemelerin birçok özelliği geliĢen teknolojinin

ihtiyaçları için yeterli olmayınca, daha üstün özelliklere sahip kompozit

malzemelerin üretimine baĢlanmasıyla bu konuda hızlı bir geliĢme sürecine

girilmiĢtir. Kompozit malzemelerin yüksek mukavemet/ağırlık ve rijitlik/ağırlık

oranları geleneksel metal malzemelerin yerine daha hafif yapıların geliĢtirilmesine

kolaylık sağlamıĢtır. Oldukça dinamik bir yapıya sahip ve sürekli değiĢim içinde olan

kompozit malzemeler maliyetlerinin düĢürülmesi, verimliliğinin artırılmasıyla

taĢımacılık, inĢaat malzemeleri, havacılık, uzay ve savunma sanayi gibi birçok alanda

yaygın olarak kullanılmaktadır. Güvenlik ve dayanımın önemli olduğu bu

uygulamalarda kompozit parçaların metal veya kompozit yapılara emniyetli bir

Ģekilde bağlanması gerektiğinden daha çok mekanik bağlantılar tercih edilmektedir

(Madenci, 1997).

Mekanik bağlantılar, kompozit yapılardaki parçalar arasında yük transferinde baĢlıca

yöntemlerden biridir. Bununla birlikte mekanik bağlantılar kompozit yapılarda

kopma, yırtılma ve yataklama hasar Ģekillerine yol açan yüksek gerilme

dağılımlarının da temel kaynağıdır. Yapının artan ağırlık etkisi altında yük taĢıma

devamlılığını sağlamak için her bir bağlayıcı tarafından artarak yük taĢınır ve

bağlantı bölgesinde meydana gelen gerilme, hasarın olasılığını giderek artırır. Bu

nedenle, mekanik bağlantılarda delik etrafında oluĢan gerilmeler bağlantı tasarımı

için kritiktir. Mekanik bağlantıların neden olduğu gerilmeler, levha ve bağlayıcı

arasındaki sürtünmeye, bağlayıcı esnekliğine, bağlayıcı-delik boĢluğuna, malzemenin

izotropik olmayıĢına, yükleme durumlarına ve bağlantı geometrisine son derece

bağlıdır (Madenci,1997).

Bu tez çalıĢmasında, farklı ortam Ģartlarının zamana bağlı olarak yatak dayanımlarını

nasıl etkilediği ve meydana gelen hasar tiplerindeki değiĢim incelenmiĢtir. Bu

çalıĢmada, W/D ve E/D oranlarının hasar tipine ve hasar yüküne olan etkilerini

görebilmek için W/D oranı 2’den 5’e ve E/D oranı ise 1’den 5’e kadar

değiĢtirilmiĢtir.

2

1.1. Kompozit Malzemeler

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

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

makro-düzeyde birleĢtirilmesiyle oluĢturulan malzemeler olarak adlandırılırlar.

(ġahin, 2006).

Kompozit malzemelerde çekirdek olarak kullanılan bir fiber malzeme ve bu

malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluĢturan bir matriks malzeme

bulunur (ġekil 1.1). Bu iki malzeme grubundan fiber malzeme, kompozit

malzemenin mukavemet ve yük taĢıma özelliğini sağlamaktadır. Matriks malzeme

ise plastik deformasyona geçiĢte oluĢabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol

oynamakta ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matriks olarak

kullanılan malzemenin bir amacı da, fiber malzemeleri yük altında bir arada

tutabilmek ve yükü, lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylelikle fiber

malzemelerde plastik deformasyon gerçekleĢtiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi

olayının önüne geçilmiĢ olunur (Sayman ve Aksoy,1980).

Sekil 1.1. Kompozit Malzemenin Temel ġekli (Sayman ve Aksoy,1980).

1.2. Kompozit Malzemelerin Avantajları

Kompozit malzemelerde; genellikle kendi baĢlarına elde edilemeyen, bileĢenlerinin

en iyi özelliklerinin bir malzemede toplanması önemli avantajlar meydana getirir.

Kompozit malzeme üretilmesi ile aĢağıdaki bazı özellikler sağlanabilmektedir.

3

Bunlar genel olarak Ģöyle sıralanabilir:

Yüksek mukavemet,

Yüksek rijitlik,

Yüksek yorulma dayanımı,

Mükemmel aĢınma direnci,

Yüksek sıcaklık kapasitesi,

Ġyi korozyon direnci,

Ġyi termal ve ısı iletkenliği,

DüĢük ağırlık,

Çekicilik ve estetik görünümü (ġahin, 2006).

Malzeme seçimi ve tasarımında önem kazanan ve değiĢik tekniklerle ölçülebilen bu

özelliklerin yanında, malzemenin birim maliyeti, kolay bulunabilirlik, iĢlenebilme ve

Ģekillendirebilme gibi diğer faktörler de mühendis ve iĢletmecilerin her zaman göz

önünde bulundurdukları faktörlerdir.

Uygulamada pek çok durumda elimizdeki malzemenin yukarıda ileri sürdüğümüz

özelliklerin çoğuna sahip olması beklenir. Kompozit malzemelerin avantajlı

özellikleri aĢağıdaki Ģekilde açıklanabilir (Sayman ve Aksoy,1980):

1.2.1. Yüksek mukavemet

Kompozit malzemelerin çekme ve eğilme mukavemetleri birçok metal malzemeye

göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere

istenen yönde ve istenen bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece

malzemeden tasarruf yapılarak daha hafif ve ucuz ürünler elde edilebilir (Sayman ve

Aksoy, 1980).

1.2.2. Kolay Ģekillendirme

Büyük ve karmaĢık parçalar, tek iĢlemle bir parça halinde kalıplanabilir. Bu da

malzeme ve iĢçilikten kazanç sağlar (Sayman ve Aksoy, 1980).

4

1.2.3. Elektriksel özellikler

Uygun malzemelerin seçilmesiyle, çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit

ürünler elde edilebilir (Sayman ve Aksoy, 1980).

1.2.4. Isıya ve ateĢe dayanıklılık

Isı iletim katsayısı düĢük malzemelerden oluĢabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık

özellikleri, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı

maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir (Sayman ve Aksoy, 1980).

1.2.5. TitreĢim sönümlendirme

Kompozit malzemelerin, süneklik nedeniyle doğal bir titreĢim sönümleme ve darbe

Ģoklarını yutabilme özellikleri vardır ve bu özellikleri metallerden önemli ölçüde

fazladır. Çatlak yürümesi olayı da böylece minimize edilmiĢ olmaktadır (Sayman ve

Aksoy, 1980).

1.2.6. Korozyona ve kimyasal etkilere karĢı mukavemet

Kompozitler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar

görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler, kimyevi madde tankları,

boru ve aspiratörleri, tekne ve deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır

(Sayman ve Aksoy, 1980).

1.2.7. Kalıcı renklendirme

Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler

sayesinde istenen renk verilebilir. Bu iĢlem ek bir masraf ve iĢçilik gerektirmez.

Teknolojinin geliĢmesiyle beraber yeni uygulama alanlarında gittikçe daha karmaĢık

malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bazı uygulamalarda, malzemenin yüksek bir

sertliği yanı sıra yüksek tokluk özelliğine de sahip olması ve darbe enerjilerini

5

absorbe etmesi istenebilir. Klasik mühendislik malzemelerinde (metal ve metal

alaĢımları) bu özelliklerin birlikte kazanılması oldukça zordur. Yüksek sertlikteki

malzemelerle, yumuĢak, sünek malzemelerin kompozit Ģeklinde tasarımları bu tür

uygulamalar için bir çözüm yolu olmaktadır (Sayman ve Aksoy,1980).

1.3. Kompozit Malzemelerin Dezavantajları

Kompozit malzemeler de, bir tür malzemenin olumsuz özellikleri mevcutsa bu

özellik mevcut kompozit malzemeye yansır. Örneğin; kompoziti oluĢturan matriks

organik çözücülere karĢı dayanıksız ise, onun oluĢturduğu kompozite de bu

olumsuzluk yansır. Dolayısıyla bu kompozit malzemelerin, organik çözücülerin bol

miktarda bulunduğu ortamda kullanılmaması gerekir. Aynı mantık, sıcaklık, nem v.s

gibi kimyasal etkiler açısından da yürütülebilir.

Kompozit malzemelerde Ģu tür dezavantajlar görülmektedir:

• Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri, malzemenin yorulma özelliklerini

olumsuz etkiler.

• Kompozit malzemeler, değiĢik doğrultularda, değiĢik özellikler gösterirler.

• Çekme, basma, kesme operasyonları uygulanan aynı kompozit numunelerin

liflerinde açılma meydana geldiğinden, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz

edilemez.

• Ġyi tanımlanmamıĢ tasarım parametreleri varsa, bundan dolayı ham malzeme

açısından en yüksek imalat verimliliğine ulaĢılamaması bir dezavantajdır (Sayman ve

Aksoy,1980).

1.4. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması

Kompozit malzemeleri, yapılarını oluĢturan malzemeler ve yapı bileĢenlerinin

Ģekillerine göre iki Ģekilde sınıflandırmak mümkündür. Matriks malzemesinin türüne

göre plastik kompozitler, metalik kompozitler, seramik kompozitler vb. gibi bir

6

gruplandırma yapılabildiği gibi ġekil 1.2.’de gösterildiği gibi yapı bileĢenlerinin

Ģekillerine göre de sınıflandırma yapılabilir:

1. Elyaf takviyeli kompozit malzemeler,

2. Parçacık takviyeli kompozit malzemeler,

3. Tabakalı kompozit malzemeler,

4. Karma (Hibrid) kompozit malzemeler (Koruvatan, 2008).

ġekil 1.2. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması (Koruvatan, 2008).

7

1.4.1. Elyaf takviyeli kompozit malzemeler

Elyaf takviyeli kompozitler, birçok özelliklerde artıĢ sağlayan, yüksek etkinliği olan

liflerin ilavesiyle elde edilirler. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu

elyaf Ģeklinde üretildiklerinden mukavemet ve rijitlikleri kütle halindeki

değerlerinden çok üst düzeyde olabilmektedir. Örneğin karbon elyafların çekme

mukavemeti kütle halindeki grafitten 50 kat, rijitliği 3 kat daha yüksektir (Koruvatan,

2008).

Elyaf takviyeli kompozitler; yumuĢak ve sünek matriks içine sert dayanıklı elastikliği

yüksek elyaflar ilave edildiğinde çekme dayanımı, yorulma dayanımı, özgül modül

ve özgül dayanım özellikleri iyileĢtirir. Matriks malzemesi elyaflara transfer edilerek

yumuĢaklık ve tokluk özelliği sağlarken elyaf uygulanan yükün çoğunu taĢımaktadır.

Çökeltmeyle sertliği artırılmıĢ kompozitlerin aksine kompozitin dayanımı hem oda

hem de yüksek sıcaklıklarda artırılır. Bu kompozitlerde oldukça değiĢik takviye

elemanları kullanılmaktadır. Elyaflar, örme veya Ģerit fitil Ģeklinde olabilmekle

beraber tabakalar halinde yönlü elyaflarda kullanılmaktadır.

Takviye elemanları yapı içerisinde kesintisiz uzayan sürekli elyaflar veya uzun

elyafların kesilmesiyle elde edilen süreksiz elyaf Ģeklinde olabilir. Elyaf takviyeli

kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler, elyafların

Ģekli, uzunluğu, yönlenmesi, matriksin mekanik özellikleri ve elyaf matriks ara

yüzey özellikleridir (Koruvatan, 2008).

Elyafların matriks içersindeki yerleĢimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen

önemli bir unsurdur. Uzun elyafların matriks içersinde birbirlerine paralel Ģekilde

yerleĢtirilmeleri ile elyaf doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik

doğrultuda oldukça düĢük mukavemet elde edilir. Ġki yönlü olarak yerleĢtirilen

elyaflarla her iki yönde de eĢit mukavemet sağlanırken, matriks içersinde homojen

dağılmıĢ kısa elyaflarla izotrop bir yapı oluĢturmak mümkündür (Koruvatan, 2008).

8

Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir.

Ayrıca elyafların uzunluk/çap oranları arttıkça matriks tarafından elyaflara iletilen

yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından

önemlidir. Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan bir diğer unsur ise elyaf-

matriks arasındaki bağın yapısıdır. Matriks yapıda boĢluklar söz konusu ise elyaflarla

temas azalacaktır. Nem absorsiyonu da elyaf ile matriks arasındaki bağı bozan

olumsuz bir özelliktir (Koruvatan, 2008).

Elyaflar dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boĢ

dairesel kesitli olabilir. Bu kesitlerin bazı artı özellikleri olmakla birlikte (yüksek

mukavemet gibi) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlük sağlar.

Sürekli elyaflarla çalıĢmak genelde daha kolaydır ve tasarım serbestliği süreksizlere

göre çok daha sınırlıdır. Sürekli elyaflar süreksizlerden daha iyi yönlenme

göstermelerine karĢılık, süreksiz elyafların kullanılması daha pratik sonuçlar

vermektedir (Koruvatan, 2008).

1.4.2. Parçacık takviyeli kompozit malzemeler

Bu tip kompozitler; tek veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin veya sıfır boyutlu

olarak kabul edilen mikroskobik partiküllerin matriks ile oluĢturdukları malzemeler

olup ortalama gömülen parçacık boyutu 1 𝜇m’den büyük ve elyaf hacim oranı

%25’den fazla kullanılmaktadır. En çok kullanılan parçacıklar ise Al2O3ve SiC’den

oluĢan seramiklerdir. Burada yük, elyaf ve matriks tarafından birlikte taĢınır. Bu

kompozitler; dayanımı iyileĢtirmekten ziyade beklenilmeyen alıĢılmıĢın dıĢında

birleĢtirilmiĢ özellikler elde etmek için tasarlanmaktadır. Bu kompozitler; metal,

seramik ve polimerlerin birleĢiminden oluĢabilirler. Sert metal uçlar ve beton da

örnek olarak verilebilir.

Döküm yoluyla üretilen bu tür kompozitlerde pratikte karĢılaĢılan bir problemde

parçacık ilave edildiğinde tozların karıĢtırılma zorluğu ve eriyik vizkozitenin

düĢmesi veya sıvı metalin seramik parçacıkları ıslatamamasıdır. Islanabilirliğin

iyileĢtirilebilmesi için;

9

a. Katı yüzey enerjisinin artırılması,

b. Sıvı metal yüzey geriliminin azaltılması,

c. Katı ve sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi parametreler üzerinde

durulması gerekir.

Bu nedenle de, parçacık yüzeyine kaplama yapılması ve ısıl iĢlem uygulanması veya

matriks birleĢiminin ayarlanması gibi metotlar uygulanmaktadır. Metal matriksli

kompozitlerde ıslanabilirliği iyileĢtirmek için genellikle, magnezyum elementi

kullanılmaktadır. Bu Ģekildeki kompozitin dayanımı;

a. Parçacıkların büyüklüğüne,

b. Parçacıklar arası mesafeye,

c. Parçacıkların homojen dağılımına,

d. Matriksin özelliklerine,

e. Parçacıkların özelliklerine

bağlı olarak değiĢir.

Bu tip kompozitlerde artan takviye elemanı ilavesi ile birlikte yapı içerisinde porozite

vb. hatalar artmaktadır. Dolayısıyla haddeleme gibi ikinci bir iĢlemde

uygulanabilmektedir. Bütün bunlara rağmen döküm metodu ile yapılan bir

kompozitin dayanımı, takviye elemanının matriks içerisinde homojen dağılmaması

ve tane büyüklüğü etkisi nedeniyle toz metalurji metodu ile yapılan kompozitten

daha düĢüktür. Parçacık takviyeli kompozitin özellikleri, kompoziti oluĢturan

bileĢenlerin özelliklerine ve oranlarına bağlıdır.

1.4.3. Tabakalı kompozit malzemeler

Tabakalı kompozitler, farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın birleĢiminden

oluĢur. Çok değiĢik kombinasyonlarda tabakalanmıĢ kompozitlerin üretimleri

mümkündür. Metaller üzerine uygulanan metalik, organik veya seramik kaplamalar,

cam-plastik-cam tabakalardan oluĢan kompozitler, kâğıt üzerine kaplanmıĢ plastik

kompozitler, farklı elyaf yönlenmesine sahip tek tabakaların birleĢtirilmesiyle elde

edilen yapılar bu tür kompozitlere örnek olarak gösterilebilir. Korozyon direnci zayıf

10

metaller üzerine daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla

korozyon direncinin, yumuĢak metallerin sert malzemelerle birleĢtirilmesiyle sertlik

ve aĢınma direncinin, farklı elyaf yönlenmesine sahip tek tabakaların

birleĢtirilmesiyle de çok yönlü yük taĢıma özelliğinin geliĢtirilmesi mümkündür

(Kayrak,1999).

1.4.4. Karma (Hibrid) kompozit malzemeler

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

olabilir. Bu kompozitlere karma (hidrid) kompozitler denir. Örneğin, kevlar ucuz ve

tok bir elyaftır ancak basma mukavemeti düĢüktür. Grafit ise düĢük tokluğa sahip,

pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyaftır. Bu iki elyafın kompozit yapıda

bir arada bulunması ile elde edilen hidrid kompozitin tokluğu grafit kompozitten

daha iyi, aynı zamanda maliyeti daha düĢük ve basma mukavemeti de kevlar elyaflı

kompozitten daha yüksek olmaktadır. Farklı tiplerdeki hidrid kompozitler aĢağıdaki

gibi gruplanabilir:

1. Matriks içinde iki ya da daha fazla tabaka içerirler. Her tabaka belirli bir

yöndeki takviyeleri içerir ve her bir tabakada belirli bir tip elyaf

kullanılmıĢtır. Tabakalar amaca göre istenilen Ģekilde yerleĢtirilirler.

2. Ġki ya da daha fazla elyaf karıĢım halinde aynı tabakada yer alır ve tabakalar

istenilen Ģekilde birleĢtirilerek hidrid kompozit elde edilir.

3. Reçine matriksli tabakalar ve metal matriksli tabakalar gibi farklı kompozit

yapılar içeren süper hidridler elde edilebilir. Süper hidridlerde tabakalar bir

yapıĢkan malzeme ile birleĢtirilirler (Koruvatan, 2008).

1.5. Kompozit Yapılardaki Bağlantılar

Yapısal bir bağlantı, hemen hemen bütün mühendislik tasarımlarında en kritik

elemanı temsil eder. Parçalar arasındaki bağlantılar, yapılara ekstra bir ağırlık verdiği

gibi önemli birer hasar kaynağı ve üretim problemlerinin nedenidir. Tasarımda,

malzeme büyüklüğündeki sınırlamalar, üretim ve taĢıma zorluğu gibi faktörler

11

bağlantısız bir yapıyı imkânsız hale getirmiĢtir. Bir bağlantının amacı, yapıyı

oluĢturan parçalar arasında yük aktarımını sağlamaktır. Bu yük aktarımının bir

sonucu olarak, bağlantı bölgesinde gerilme yığılmalarından dolayı önemli hasarlar

meydana gelmektedir. Dayanıklı ve güvenilir yapılar elde etmek isteniyorsa, bağlantı

tasarımda gerilme yığılmalarını en aza indirmek en önemli amaçlardan biri olmalıdır

(Koruvatan, 2008).

Kompozit malzemelerin metallerle karĢılaĢtırıldığında bir avantajı da, elyaf tipi,

içeriği ve oryantasyonu doğru seçildiğinde rijitlik ve mukavemet gibi mükemmel

mekanik özelliklerinin olmasıdır. Bu, elbette ki temel bir yarar olabilir, ancak

bağlantı problemlerine neden olabilir. Özellikle de izotropik olmayan kompozit

levhaların son derece karıĢık ve güç konfigürasyonları vardır ve bu tür levhaları

tamir etmek zordur. Bu nedenle kompozit levhalardaki bağlantılar, maliyet açısından

da bir çözüm gerektiriyorsa tasarım sürecinin önemli bir parçası olarak düĢünülmesi

gerekir (Koruvatan, 2008).

Elyaf takviyeli kompozit malzemeler geleneksel metal malzemelerinkine göre

bağlantı problemlerinden daha çabuk etkilenen birkaç karakteristik özelliğe sahiptir.

Bu karakteristikler elyaf yönlerindeki yüksek dayanım ve rijitliğe bağlı olarak

düzlemsel kayma gerilmesindeki, enine çekme gerilmesindeki, tabakalar arası kayma

gerilmesindeki ve yatak mukavemetindeki zayıflıktır. Bu nedenle elyaf takviyeli

kompozit yapılardaki her bir bağlantı sisteminin birbirinden bağımsız olarak ele

alınıp tasarlanması gerekir (Koruvatan, 2008).

Mühendislik tasarımlarında geleneksel metal parçaların birleĢtirilmesinde kullanılan

temel teknikler elyaf takviyeli kompozit parçaların birleĢtirilmesinde de kolayca

uygulanmaktadır. Kompozit yapılardaki parçaların birleĢtirilmesinde genel olarak

ġekil 1.3.’de görüldüğü gibi mekanik bağlantılar ve ġekil 1.4.’de görüldüğü gibi

yapıĢtırarak yapılan bağlantılar olmak üzere iki bağlantı Ģekli kullanılır. Bazı

durumlarda, ġekil 1.5.’de görüldüğü gibi bu iki tekniğin birleĢimi olan mekanik-

yapıĢtırma bağlantı Ģekli kullanılmaktadır (Koruvatan, 2008).

12

ġekil 1.3. Kompozit yapılarda yapıĢtırarak yapılan bağlantılar (Koruvatan, 2008).

ġekil 1.4. Kompozit yapılardaki mekanik bağlantılar (Koruvatan, 2008).

13

ġekil 1.5. Kompozit yapılardaki mekanik-yapıĢtırma bağlantılar (Koruvatan, 2008).

Kompozit parçaları birleĢtirirken bu iki temel bağlantı tekniği arasında bir seçim

yapılması gerektiğinde onların avantajlarının ve dezavantajlarının göz önünde

bulundurulması gerekir. Örneğin; mekanik bağlantılar hasarsız olarak kolayca

sökülüp takılabilmelerine karĢın, yapıĢtırarak yapılan bağlantıların kompozit parçalar

üzerinde önemli ölçüde hasar meydana getirdiği görülmektedir (Koruvatan, 2008).

1.5.1 Mekanik Bağlantılarla YapıĢtırarak Yapılan Bağlantıların

KarĢılaĢtırılması

Mekanik bağlantılarla yapıĢtırarak yapılan bağlantıların her ikisinin de amacı aynı

olmasına rağmen yük aktarma mekanizmaları birbirlerinden oldukça farklıdır.

Mekanik bağlantılarda yükler, sürtünmeden dolayı parçaların dıĢ yüzeyleri üzerinde

oluĢan küçük kayma bileĢeni tarafından bağlantı deliklerinin iç yüzeyi sıkıĢtırılarak

bir parçadan diğerine aktarılır. YapıĢtırarak yapılan bağlantılar da ise yükler,

parçaların yüzeyleri üzerinden çoğunlukla kayma Ģeklinde aktarılır. Her iki durumda

da yük taĢıma elemanları (mekanik bağlayıcı ya da yapıĢtırıcı) bağlantı çizgisi

boyunca meydana gelen kayma ile gerilirler; bununla birlikte her iki bağlantının da

gerçek gerilme dağılımları karıĢıktır (Koruvatan, 2008).

AĢağıda sıralanan bazı hususlar yapısal uygulamalarda uygun bağlantı Ģeklini

seçmek için tasarımcıya yardımcı olmaktadır:

Yükleme büyüklüğü, ( genel olarak bir parçadan diğerine aktarılması gereken

ve bağlantı geniĢliğinin her birimi için gereken kuvvet olarak açıklanır),

Yük aktarımı sırasında meydana gelen geometrik zorlanmalar,

Bağlantının çalıĢması esnasında çevresel faktörler,

14

Tekrarlanan montaj ve de-montaj ihtiyacı,

Ġstenen bağlantı verimi (mukavemet-ağırlık faktörü)

Üretim maliyeti, montaj ve denetim kolaylığı,

Arzu edilen bağlantı güvenirliği (Koruvatan, 2008).

1.5.2 Kompozit Yapılardaki Mekanik Bağlantıların Tasarımı

Mekanik bağlantılar, bağlantı bölgesinde önemli gerilme yığılmalarına neden

olmasına rağmen elyaf takviyeli kompozit yapılarda etkili bir bağlantı tekniğidir.

Emniyetli olmaları, üretim kolaylığı ve düĢük maliyetlerinden dolayı pim, civata

veya perçin gibi mekanik bağlayıcılar metal yapılarda olduğu gibi elyaf takviyeli

kompozit yapılarda da yaygın olarak kullanılmaktadır (Koruvatan, 2008).

Kompozit malzemeler, yapıĢtırılarak ya da pim yardımıyla mekanik olarak

birleĢtirilmektedir. Pim ile yapılan birleĢtirmelerde, özellikle delik çevresinde

meydan gelen gerilme yığılmalarından dolayı, beklenilen mukavemet değerinin

altında bir değerde hasar meydana gelmektedir. Pim veya civata bağlantılı kompozit

malzemelerde, bağlantı noktalarında genel olarak yatak (bearing), kayma ya da

yırtılma (shear-out) ve net çeki (net tension) hatası olmak üzere 3 temel hasar modu

oluĢmaktadır. Ayrıca civata ve boĢluk (cleavage) hataları da görülebilir. ġekil 1.6.’da

en genel halde görülen hasar modları verilmiĢtir. Çeki ve kayma hasarları aniden

meydana geldiği için tehlikelidir. Yatak hasar modunda ise ilk hasar oluĢmasına

rağmen, malzeme yük taĢımaya devam eder. Bu nedenle, yatak hasar modu, çeki ve

kayma hasar moduna göre daha güvenilirdir (Pekbey, 2007).

Kompozit malzemelerin farklı mekanik özelliklerine ve servis koĢullarına bağlı

olarak bağlantı bölgesinde bu hasar Ģekillerinin birleĢimleri de görülmektedir

(Koruvatan, 2008).

15

ġekil 1.6. Kompozit yapılardaki mekanik bağlantıların hasar Ģekilleri

(Koruvatan, 2008).

Kopma Hasarı: Kompozit malzemenin anizotropik özelliğinden kaynaklanan

gerilme yığılmalarından dolayı çok küçük yüklerde bile meydana gelebilen hasar

Ģeklidir.

Yırtılma Hasarı: Yüke paralel yönde takviye edilmiĢ elyafların yüksek hacim

oranından dolayı özellikle matriks malzemelerde oldukça düĢük yüklerde bile

meydana gelebilen hasar Ģeklidir.

Yataklama Hasarı: Elyaf takviyeli kompozit malzemedeki tabakaların

oryantasyonuna son derece bağlı olarak meydana gelen hasar Ģeklidir (Koruvatan,

2008).

Tek yönlü elyaf takviyeli tabakalı kompozit levhadaki bir bağlantı, elyaflara paralel

yüklendiği zaman delik etrafındaki gerilme yığılmalarından dolayı levhanın yırtılarak

hasara uğramasına neden olmaktadır. Elyaflara dik yüklendiğinde ise levha koparak

hasara uğrayacaktır. Çok yönlü elyaf takviyeli kompozit levhalar değiĢik yönlerdeki

16

elyafların oranlarına bağlı olarak daha karıĢık bir Ģekilde davranır. Bu durum

genellikle [0°/±45º] tabaka oryantasyonuna sahip levhalar ile izah edilebilir.

Kompozit levhalarda [±45º] elyaf malzeme oranı arttığında, yataklama hasarı üstün

oluncaya kadar kayma mukavemeti artar. Bununla birlikte [±45º] elyaf oryantasyonlu

tabakalı kompozit levhalar düĢük çekme mukavemetine sahip olduklarından elyaf

oranının artmasıyla hasar, kopma hasar Ģekline dönüĢecektir. ġekil 1.7.’de görüldüğü

gibi bütün temel hasar Ģekilleri göstermiĢtir ki yarı-izotropik [0°/±45º] tabakalı

kompozit levhalardaki civatalı bağlantılar en iyi performansı vermektedir

(Koruvatan, 2008).

Eğer tabakalı kompozit bir levha homojen Ģekilde karıĢtırılmıĢsa, elyaf yönü

tabakadan tabakaya değiĢir ve tabaka oryantasyonunun civatalı bağlantıların yatak

mukavemeti üzerine etkisi küçük olur. Bununla birlikte, eğer levha aynı elyaf

oryantasyona sahip tabakalardan oluĢursa civatalı bağlantıların mukavemeti önemli

ölçüde düĢer (Koruvatan, 2008).

Bu üç temel hasar Ģekli arasında bağlantı tasarımında en çok arzu edilen hasar Ģekli

yataklama hasarıdır. Yataklama hasarı delik etrafındaki gerilme yığılmalarını

azaltmaya yardımcı olmaktadır (Koruvatan, 2008).

ġekil 1.7. [0◦/±45◦] karbon elyaf takviyeli kompozit levhalardaki civatalı

bağlantıların hasar Ģekilleri üzerine oryantasyonun etkisi (Koruvatan, 2008).

17

Rijit bir pim tarafından çekme kuvvetine maruz bırakılan kompozit numunenin

mukavemet tahmininde gereken kopma mukavemeti, yataklama mukavemeti ve

yırtılma mukavemeti aĢağıdaki formüllerle ifade edilebilir (Koruvatan, 2008).

Kopma mukavemeti

(1.1)

Burada, (Pmax) hasar yükü, (W) bağlantı geniĢliği, (D) delik çapı ve (t) bağlantı

kalınlığıdır.

Yataklama Mukavemeti;

(1.2)

Yırtılma Mukavemeti;

(1.3)

Burada, (E) delik merkezi ile serbest kenar arasındaki (yüke paralel) mesafedir

(Koruvatan, 2008).

Elyaf takviyeli kompozit yapılardaki bağlantı davranıĢına etki eden faktörler dört ana

grupta toplanmıĢtır ;

1. Malzeme Parametreleri: Elyaf tipi ve Ģekli, matriks (reçine) tipi, elyaf

oryantasyonu, tabaka oryantasyonu v.b.,

2. Geometri Parametreleri: Numune geniĢliği (W) veya geniĢliğin delik çapına

oranı (W/D), kenar mesafesi (E) veya kenar mesafesinin delik çapına oranı (E/D),

seri bağlantılarda delikler arası mesafe (K) veya delikler arasındaki mesafenin

delik çapına oranı (K/D), paralel bağlantılarda delikler arası mesafe (M) veya

delikler arasındaki mesafenin delik çapına oranı (M/D), delik çapı (D).

( )( ) t.D-W

P=σ

max

maxk

( )t.D

P=σ

max

maxy

( )t.E.2

P=τ

max

maxy

18

3. Bağlayıcı Parametreleri: Bağlayıcı tipi (pimli, civatalı v.s.), bağlama alanı, delik

büyüklüğü, rondela baskı kuvveti, ön yükleme momenti v.s.

4. Tasarım Parametreleri: Yükleme tipi (çekme, basma, yorulma v.s.) yükleme

yönü, bağlantı tipi (tek bindirmeli, çift bindirmeli), geometri (kenar mesafesi,

delik modeli), çevre ve hasar kriteri.

Kompozit yapılardaki bağlantı davranıĢını etkileyen faktörlerin karmaĢık ve çok

olmasından dolayı, bağlantı davranıĢını tam olarak belirleyebilmek mümkün değildir.

Bu nedenle, temel bağlantı davranıĢını tam olarak tanımlamak için tercihen daha

önemli parametrelerin etkisinden bağlantı ve malzemenin davranıĢını belirlemek

gerekir (Koruvatan, 2008).

1.6. Kompozit Malzemelerin Mekanik DavranıĢı

Kompozit malzemeler geleneksel mühendislik malzemelerden oldukça farklı

mekanik davranıĢ gösterirler. Geleneksel mühendislik malzemelerinin birçoğu

homojen ve izotropik yapıdadır. Homojen ve izotropik malzemeler bütün yönlerde

aynı elastik özelliğe sahiptir ve uniform olarak kabul edilirler. Elyaf takviyeli

kompozit malzemeler ise genel olarak heterojen ve anizotropik ya da ortotropik

karakterdedirler. Anizotropik yapı özelliği gösteren malzemeler herhangi bir

noktasındaki tüm yönlerde farklı elastik özelliğe sahiptir ve özelliklerinin simetri

gösterdiği eksen yoktur. Ortotropik özellikteki malzemeler ise herhangi bir

noktasındaki birbirine dik üç temel eksende farklı özellik gösterirler ve özellikleri bu

eksenlere göre simetriktir. Anizotropik ve ortotropik yapıdaki malzemelerin

özellikleri yöne bağlı olarak değiĢtiğinden uniform yapıda değildir (Koruvatan,

2008).

Elyaf takviyeli kompozit malzemelerin pek çoğunun heterojen ve anizotropik ya da

ortotropik karakterde olmaları mekaniksel analizlerini zorlaĢtırır. Elyaf takviyeli

kompozit malzemelerin mekanik davranıĢları mikromekanik ve makromekanik

analizlerle belirlenir. Mikromekanik analizlerde kompozitin bileĢenleri arasındaki

19

gerilme ve deformasyon durumu, matriks hasarı, elyaf hasarı ve elyaf-matriks

arasındaki ara yüzey hasarı gibi lokal hasarlar belirlenebilir.

Makromekanik analizlerde ise kompozit yapının servis koĢullarındaki mekanik

davranıĢı incelenir. Örneğin; dıĢarıdan uygulanan çekme gerilmelerinin oluĢturacağı

deformasyonlar yapı bileĢenlerinin ayrı ayrı deformasyonları yerine kompozitin

deformasyonu olarak ifade edilebilir. ġekil 1.8.’de elyaf takviyeli kompozit yapıların

uygun analiz yöntemleri Ģematik olarak gösterilmiĢtir (Koruvatan, 2008).

Kompozit malzemelerin makromekanik analizinde, anizotropik elastikiyet teorisi ve

klasik levha teorisi ile her bir tabakanın oryantasyonu ve modüllerine bağlı gerilme

durumu tanımlanır ve hasarı yaratmak için gerekli yükün büyüklüğü belirlenir.

Tabakalı kompozit plakanın kalınlığı, uzunluğu ve geniĢliğine nazaran daha küçük

olduğundan uygulanan yük düzlemde kabul edilir ve sadece düzlemsel gerilmeler

dikkate alınır (Koruvatan, 2008).

ġekil 1.8. Elyaf takviyeli kompozit yapıların uygun analiz yöntemlerinin

Ģematik gösterim

20

1.7. Hasar Analizi

Hasar analizi; hasara neden olan teknolojik hatanın cinsini ve hasarın sorumlusunu

ortaya çıkarmak ve hasarın benzer yapılarda tekrarını önleyici tedbirleri önermek

amacıyla gerçekleĢtirilen faaliyetlerin tümüne verilen addır (Eryürek, 1993).

Farklı özelliklerde tabakaların bir araya getirilmesi ile oluĢturulan kompozit

malzemelere tabakalı kompozitler denilmektedir. Tabakalı kompozit malzemeler, her

tabakası farklı fiber takviye açılarına sahip olan tabakaların bir araya getirilmesi ile

de üretilebildiği için mekanik özellikleri de fiber takviye açısına göre farklılık

göstermektedir. Bu farklılık malzemenin yükleme tipine daha uygun bir fiber dizilimi

sağlanmasına olanak sunmaktadır. Reçine esaslı tabakalı kompozit malzemeler lineer

elastik özelliğe sahip ve gevrek kırılmaya uğrayan yapılardır. Plastik Ģekil değiĢtirme

davranıĢları oldukça azdır ve hemen hemen hiç Ģekil değiĢtirmeksizin yüklemelerin

belirli bir değeri aĢması halinde hasara uğrarlar. Bu türdeki kompozit malzemeler

yüksek mukavemet değerlerine sahip olmalarına karĢın gevrek yapıda olmaları ve

her yönde homojen olmayan (anizotrop) özelliklerinden dolayı gerilme yığılmalarına

karĢı oldukça hassastırlar (Dursun vd.,2008).

Gerilme yığılmaları hasar baĢlangıcına neden olur ve bu hasar, yüklemenin

arttırılması ile ilerleyerek malzemenin yükü taĢıyabileceği değeri aĢar ve kırılma

gerçekleĢir. Tabakalı kompozit malzemelerin çalıĢma esnasındaki bölgesel hasarı

yada kırılması, matriks kırılması, fiber – matriks arası kırılma veya fiber kopması

Ģeklinde meydana gelebilmektedir (Turan vd.,2009).

Hasarın oluĢum Ģekli ve ilerlemesinin hesaplanması kompozit yapının emniyetli bir

Ģekilde çalıĢması için oldukça önemlidir. Bu nedenle yapı içerisinde bulunan dairesel

delik gibi geometrik süreksizliklerin kompozit yapıda meydana gelecek hasarı nasıl

etkileyebileceğini hesaplamak ve emniyetli çalıĢma yükünü tanımlamak gerekir

(Turan vd.,2009).

21

1.8. Kompozit Malzemelerin Hasar Analizleri

Kompozit malzemelerde hasarın oluĢması ve ilerlemesi metallerden farklıdır.

Kompozit malzemelerde hasar belirli bir sıraya göre meydana gelir. Malzemeye,

geometriye, tabaka takviye açısına ve uygulanan yükleme Ģekline bağlı olarak

öncelikle mukavemet açısından zayıf tabakalarda matriks yapıda kırılma meydana

gelir. Bu durumda matriks yük taĢıyamaz ve tüm yük elyaf malzemeye aktarılır.

Uygulanan kuvvetin arttırılmasına bağlı olarak yapının diğer tabakalarda elyaf

hasarı, elyaf/matriks arasında kayma oluĢabilir. Hasarın Ģekline göre kompozit

malzemenin farklı malzeme özellikleri etkilenir. Etkilenme Ģekline göre kompozit

malzemenin yük taĢıma kapasitesi düĢer. Dolayısıyla kompozit malzemelerin

mukavemet analizlerinin gerçeğe yakın olması açısından hasar ilerleme

modellemesinin yapılabilmesi çok önemlidir (Dursun, 2008).

Elyaf takviyeli tabakalı kompozit malzemelerden oluĢan yapısal parçaların

analizlerinde genellikle kabul edilebilir güvenirlik seviyesi için kompozitin

mukavemeti ile sınırlandırılan gerilmelerin olduğu varsayılır. Malesef pratikte bu

durum çok daha karıĢıktır. Örneğin; statik yüklemeler, çentik veya deliğe sahip elyaf

takviyeli kompozit parçalarda maksimum gerilmelerden daha düĢük seviyelerdeki

gerilmelerde bile erken çatlamalar meydana getirebilir. Hasara uğramıĢ bölgenin

oluĢumu, çentik bölgesine yakın yerlerdeki gerilme yığılmalarından kaynaklanır.

Hasarın tam Ģekli, elyaf oryantasyonu, tabaka oryantasyonu, matriks malzemenin

özelliği, elyaf-matriks ara yüzey özellikleri ve çevresel etkiler gibi birçok faktöre

bağlıdır (Koruvatan, 2008).

Elyaf takviyeli kompozit malzemenin hasarı genellikle iç hasarının farklı tiplerinin

birikimiyle meydana gelir. Kompozitlerin mikromekanik ölçekteki hasar

mekanizmaları, elyaf kırılması, delaminasyon (ayrılma), elyaf-matriks ara yüzeyinde

kayma çatlaması gibi temel hasarları içermektedir. Hasar mekanizmaları, yükleme

tipiyle ve kompozitin bileĢenlerinin (elyaf, matriks ve elyaf-matriks ara yüzeyi)

özellikleri ile yakından ilgilidir. Genellikle artarak uygulanan yükten dolayı oluĢan

hasar, kompozitin içersinde iyice dağılır ve geliĢir. Yıkım hasarından önce aniden

22

birleĢerek makroskobik kırılma Ģeklini alır. Hasar baĢlangıcının tahmini

mikromekaniksel analiz ve noktasal hasar kriterine dayandırılmıĢtır. Hasar sürecinin

mikromekaniksel analizi, çeĢitli tabaka dizilimlerinde hasar mekanizmaları meydana

geldiğinden güçleĢir. Bu nedenle genel bir yükleme altında mikro hasar Ģekillerinin

baĢlangıcı ve geliĢiminin tanımlanması zordur. Mikromekaniksel hasar

mekanizmalarının incelenmesi genellikle karmaĢık teorik ve deneysel analizler

gerektirir ve çoğunlukla basit yükleme Ģekli altında yapılır (Koruvatan, 2008).

Diğer yandan, normal ve kayma yüklemelerinin çeĢitli birleĢimleri altındaki

kompozitin mukavemetini, temel malzeme yönlerini kapsayan temel mukavemet

parametrelerinin sayısıyla güvenilir ve hızlı bir Ģekilde tahmin edebilmek önemlidir.

Temel mukavemet parametreleri deneylerle belirlenir. Bu nedenle, kompozitlerin

mukavemetini tahmin etmek için genellikle makromekaniksel problem yaklaĢımı

tercih edilir. Literatürde çeĢitli makromekaniksel mukavemet teorileri veya hasar

kriterleri bulunmaktadır. Mukavemet teorileri her Ģeyden önce makroskobik olarak

hasarın Ģeklini değil baĢlangıcını tahmin etmeye çalıĢır. Tek yönlü elyaf takviyeli

kompozit levha için hasar kriteri, izotropik metal malzemelerde elastik davranıĢtan

plastik davranıĢa geçiĢi tahmin etmek için geliĢtirilen genelleĢtirilmiĢ izotropik akma

kriterine dayanır (Koruvatan, 2008).

Tabakalı kompozit levhanın mukavemetini tahmin etmek için her bir tabakanın

gerilme durumu bilgisine ihtiyaç duyulur. Bununla birlikte, kompozit malzemelerin

izotropik olmayan ve heterojen doğası nedeniyle hasar Ģekilleri, izotropik homojen

malzemelerden oldukça farklı yeni analizler gerektirir. Özellikle, tabakalı

kompozitlerin tek bir tabakasında oluĢan hasar, levhanın tamamını kapsayan hasar

anlamına gelmez; tabakalı kompozitler, rijitliğindeki önemli değiĢikliğe rağmen daha

yüksek yükleri taĢıyabilecek kapasiteye sahip olabilir (Koruvatan, 2008).

Herhangi bir tabakalı kompozit malzemenin mukavemet analizi çeĢitli mukavemet

teorileri gerektirir. Hasar analizlerinde mukavemet teorilerinin kullanımı, tek yönlü

elyaf takviyeli kompozit tabakaların tek eksenli testlerden elde edilen mukavemet

verilerinin yardımıyla karıĢık yükleme durumlarındaki farklı oryantasyonlara sahip

23

birkaç tabakadan oluĢan tabakalı kompozitin mukavemetini tahmin etmek için

kullanılan bir araçtır. Ġncelenen hasarın karıĢık olmasından dolayı kompozit

malzemelerin birçok hasar teorisi vardır. Bu kriterler, uyumlu bir sonlu eleman

metodu gerektiren geliĢen bir hasar analizini içine dâhil edebilirse ancak o zaman

yararlı olabilir (Koruvatan, 2008).

Kompozit malzemelerde son hasara kadar hasarın geliĢiminin analizi ve tahmini,

kompozit yapıların ve parçaların kullanım amaçları için uygun olup olmadığının

değerlendirilmesinde büyük önem arz eder. Bu nedenle tabakalı kompozitlerin hasar

analizinde hasarın üç farklı tipi tartıĢılır (Koruvatan, 2008):

Ġlk tabaka hasarı,

Tabakalı kompozit levhanın maksimum hasarı,

Tabakalar arası hasar (interlaminar).

Ġlk durumda, tabakalı kompozit levhada ilk tabaka hasara uğradığı zaman levhanın

hasara uğrayacağı, ikinci durumda levhanın, maksimum yük seviyesine ulaĢtığı veya

aĢtığında hasara uğrayacağı düĢünülür. Üçüncü durumda ise, tabakaların bütün kalıp

bitiĢik tabakaların birbirinden ayrılması ile sonuçlanan bir hasar olduğu düĢünülür.

Genel olarak çok eksenli bir gerilme sistemi altındaki kompozit tabakanın

düzlemdeki hasarını tam olarak belirlemek için gerekli beĢ temel mukavemet

değerlerinin ve kullanılan hasar kriterine bağlı olarak kompozit tabakanın düzlemsel

hasarını belirlemek için beĢ maksimum birim uzama değerinin bilinmesi gerekir.

ġekil 1.9.’da beĢ maksimum mukavemet ve birim uzama Ģematik olarak

görülmektedir (Koruvatan, 2008).

24

ġekil 1.9. Kompozit tabakanın mukavemet analizi için gerekli maksimum

mukavemet ve birim uzamalar

1. Xç: Boyuna (elyaf yönü) maksimum çekme mukavemeti,

2. Xb: Boyuna (elyaf yönü) maksimum basma mukavemeti,

3. Yç: Enine (matriks yönü) maksimum çekme mukavemeti,

4. Yb: Enine (matriks yönü) maksimum basma mukavemeti,

5. S: Düzlemde maksimum kayma mukavemeti.

BirleĢtirilmiĢ beĢ maksimum birim uzama değeri;

1 ε x,ç: Boyuna (elyaf yönü) maksimum çekme birim uzaması,

2 ε x,b: Boyuna (elyaf yönü) maksimum basınç birim uzaması,

3 ε y,ç: Enine (matriks yönü) maksimum çekme birim uzaması,

4 ε y,b: Enine (matriks yönü) maksimum basınç birim uzaması,

5 ε k: Düzlemde maksimum kayma birim uzaması (Koruvatan, 2008).

Kompozit malzemeden imal edilen bir elemanın bağlantı yerlerinde oluĢacak hasar

yükü ve baĢlangıç hasarının pozisyonu ile hasarın ilerleme yönü, kompozit

malzemenin oryantasyon açısına, tabaka sayısına, geometrik özelliklerine, bağlantı

tipine ve yükleme durumuna bağlı olarak değiĢir. Bu nedenle dizayn yapılırken bu

faktörlerin göz önüne alınması gerekmektedir (Pekbey, 2007).

25

2. KAYNAK ÖZETLERĠ

Kompozit malzemeler üzerine birçok araĢtırmalar yapılmıĢtır. Bu araĢtırmaların

bazıları kompozit malzemelerin bağlantı noktalarındaki hasarları inceleyen bazıları

da delik çevresinde oluĢan gerilmeleri inceleyen araĢtırmalardır.

Chang ve Scott (1982), fiber takviyesi yapılmıĢ farklı tabakalarda, farklı

konfigürasyonlarda (farklı delik boyutları, delik pozisyonları ve levha kalınlıkları)

olan levhaları incelemiĢlerdir.

Collings (1982), karbon epoksi kompozitlerdeki yataklama dayanımının doğrudan

tabaka kalınlığı ile orantılı olduğunu göstermiĢtir.

Fu-Kuo ve Scott (1984), [(0°/45°/-45°/90°)]s, [(0°/45°/-45°)]s ve [(0°/90°)]2s

yönlenme düzenine sahip grafit epoksi kompozit tabakalardaki yataklama dayanımı

ve oluĢan hasar tiplerini nümerik olarak araĢtırmıĢtır. [(0°/45°/-45°/90°)]s yönlenme

düzenine sahip kompozit plakalarda W/D=4 ve E/D=4 olması halinde en yüksek

yataklama dayanımı değerleri elde etmiĢlerdir.

Hyer (1987), pim yüklemeli bağlantılarda pim elastikliğinin, pim ile delik arasındaki

boĢluğun ve sürtünmenin delik etrafındaki gerilme dağılımı üzerindeki etkilerini

incelemiĢtir. Sıralanan özellikler delik çevresindeki gerilme yığılmasını ve

dolayısıyla pim ile yük taĢıma performansını etkilemiĢtir.

Akay (1992), hidrotermal etkiye tabi tutulmuĢ tek yönlü ve örülmüĢ karbon fiber

takviyeli epoksi matriks kompozit tabakaların statik ve dinamik dayanımları üzerinde

çalıĢmalar yapmıĢtır. Sonuçta bu etkinin kompozitin statik ve dinamik dayanımını

azalttığını tespit etmiĢtir.

Persson vd. (1992), karbon fiber/epoksi matriks kompozitlerde delik açma

yöntemlerinin ve üretim kusurlarının statik dayanım ve yorulma ömrü üzerindeki

etkilerini araĢtırmıĢtır. Delik açma iĢlemi ile ilgili üretim hatalarının pim yüklemeli

26

bağlantılarda bağlantı mukavemetini ve yorulma dayanımını azalttığını tespit

etmiĢlerdir.

Herrington ve Abbaghian (1992), pim merkezinden numune kenarına olan mesafenin

pim çapına oranı (E/D) ve numune geniĢliğinin pim çapına oranı (W/D)’nin

yataklama dayanımını ve oluĢan hasar tiplerini yakından etkilediğini bulmuĢlardır.

Naby ve Hollaway (1993), ekstrüzyonla kalıplanmıĢ olan kompozit malzemelerin

pimli bağlantılarının davranıĢlarını deneysel olarak araĢtırmıĢlardır. Sonuç olarak

kritik “E” uzunluğunu elde etmiĢler ve bu “E” uzunluğunun “W” geniĢliği ile iliĢkili

olduğunu göstermiĢlerdir.

Maikuma ve Kubomura (1993), [0°/±45°/90°]3s yönlenme düzenine sahip karbon

fiberli kompozit tabakaların yataklama dayanımının, pim merkezinden numune

kenarına olan mesafenin pim çapına oranı (E/D)’nin 3’e eĢit veya büyük olması

halinde; ve numune geniĢliğinin pim çapına oranı (W/D)’nin 4’e eĢit veya büyük

olması halinde maksimum değerine ulaĢtığını göstermiĢlerdir.

Chen ve Chiu (1994) takviye tipinin, dokuma yapısının, numune geniĢliğinin delik

çapına olan oranına ve delik merkezinin kenardan uzaklığının delik çapına olan

oranın etkilerini belirlemiĢlerdir. Sıralanan bu özelliklerin yataklama dayanımını

etkilediğini bulmuĢlardır.

Lessard ve Shokrieh (1995), pim ile birleĢtirilmiĢ kompozit panellerde meydana

gelen hasar türlerini araĢtırmıĢlardır. Bu araĢtırmacılar çalıĢmalarında, açılan delik

çapının levha geniĢliğine oranının küçük olduğu, W/D

27

Camanho ve Matthews (1997), tabaka diziliminin, fiber takviye açısı ve bağlama

geometrisinin değiĢiminin tek ve çoklu pim kullanılan birleĢtirmelere etkilerini

araĢtırmıĢlardır. Ġki ve üç boyutlu sayısal modellerin kullanıldığı, pim bağlantılı

levhalar üzerinde yaptıkları analizlerde sürtünme, pim-delik arasındaki boĢluk ve

temas yüzeyi dikkate alınmıĢtır. Analizlerde uygun bir hasar kriteri ile birlikte uygun

indirgemelerin kullanılmasının en iyi sonuçları sağlayacağı belirtilmiĢtir.

Persson ve Madenci (1998), oval pim delikli kompozit levhaların pim deliği

etrafındaki gerilme dağılımını, hasar Ģeklini deneysel ve sayısal analizlerle

incelemiĢlerdir. AraĢtırmacılar, kopma hasarı ve yataklama hasarı sergileyen

numunelerde mikroskobik hasarı akustik emisyon tekniği ile ölçmüĢlerdir. Kompozit

numunelerin rijitlik kaybının son hasar yüküne yakın değerlerde oluĢtuğunu

göstermiĢlerdir. Ayrıca deneysel ve analik tahminlerle pim Ģeklinin değiĢmesiyle,

pim bağlantılı kompozit levhaların yük taĢıma kapasitesinin değiĢebileceğini

belirlemiĢlerdir.

Xu vd. (1999), keyfi yükleme durumuna maruz bırakılan çok bağlantılı kompozit

levhalardaki gerilme dağılımını klasik levha teorisine dayalı sonlu eleman yöntemi

kullanarak incelemiĢlerdir. AraĢtırmacılar yaptıkları analitik çalıĢmada, delik

etrafındaki gerilme dağılımının kompozit levhanın elyaf oryantasyonuna ve bağlantı

geometrisine bağlı olduğunu göstermiĢlerdir. ± 45 elyaf oryantasyonlu kompozit

tabaka sayısı arttıkça gerilme dağılımında azalma olduğunu, delikler arası mesafenin

delik çapına oranı (L/D)>4,5 olduğu zaman gerilmenin etkisinin önemsizleĢtiğini ve

geniĢliğin delik çapına oranının (W/D) artmasıyla hızlı olarak arttığını ve kenar

mesafesinin delik çapına oranı (E/D)>3 ve (E/D)

28

AraĢtırmacılar, pim-delik arasındaki boĢluğun azaldığında temas bölgesindeki

gerilmelerin arttığını belirlemiĢlerdir.

Liu ve diğ. (1999), pim çapı ile kompozit levhanın kalınlığı arasındaki etkileĢimi

incelemiĢtir. Sonuçlar, küçük pimli kalın kompozitler ve geniĢ pimli ince

kompozitler, benzer kompozit kalınlığı ve pim çapı boyutları olan bağlantılara göre

daha düĢük verimliliğe sahip

olduğunu göstermiĢtir.

AktaĢ ve Karakuzu (1999), sürekli karbon fiber takviyeli epoksi kompozit levhaların

pimlerle bağlantısını inceleyerek bu bağlantılarda hasara neden olan yükü ve oluĢan

hasar tiplerini deneysel ve nümerik olarak araĢtırmıĢlardır. ÇalıĢmaları sonucunda,

ideal hasar tipi olan yataklama tipi hasarın E/D ve W/D oranlarının 4 veya 4’ ten

büyük olduğu durumlarda meydana geldiğini bulmuĢlardır.

Dano vd. (2000), bağlantı yeri hasarı oluĢana kadar yuva gerilmesi-pim yer

değiĢtirmesi eğrisinin tahmini için pim yüklemeli kompozit tabakaların aĢamalı

olarak hasar analizlerini incelemiĢlerdir. ÇalıĢmanın amacı; hasar kriterlerinin

etkisini, non-lineer kayma davranıĢının mukavemet tahminleri üzerindeki etkisini ve

yük-pim yer değiĢtirme eğrisinin etkisini belirlemektir.

Tosh ve Kelly (2000), kompozit levhalardaki pimli bağlantıların davranıĢına delik

etrafındaki elyaf yerleĢiminin ve kompozit levhaların üretim metodunun etkisini

deneysel olarak incelemiĢlerdir. [0/±60]s tabaka oryantasyonlu grafit elyaf ve epoksi

reçineden reçine difüzyon tekniğiyle ürettikleri kompozit levhalara otoklav’ da

177°C’de ve 630 kPa basınç altında kür uygulamıĢlardır. AraĢtırmacılar kompozit

levhalara yaptıkları deneyler sonucunda, belirli mukavemetin büyük potansiyele

sahip elyafların açık bir delik konfigürasyonu için %62’ye kadar ve pim bağlantılı

delik konfigürasyonunda ise %85’ kadar geliĢtirdiğini tespit etmiĢlerdir .

Okutan vd. (2001), dokuma camelyaf-epoksi kompozit levhalardaki pimli

bağlantıların hasar mukavemetine, geniĢliğin delik çapına oranı (W/D) ve kenar

29

mesafesinin delik çapına oranı (E/D) gibi çeĢitli geometrik parametrelerin etkilerini

deneysel olarak incelemiĢlerdir. ÇalıĢmada, dokuma camelyaf-epoksi kompozit

levhaları elle yatırma yöntemiyle (hand lay-up) ürettikten sonra kompozit malzemeye

120°C sıcaklıkta 3 saat kür uygulamıĢlardır. Ürettikleri kompozit levhalardan

geniĢliğinin delik çapına oranını (W/D), 2’den 5’e kadar ve kenar mesafesinin delik

çapına oranını (E/D), 1’den 5’e kadar değiĢtirerek numuneler elde etmiĢlerdir.

AraĢtırmacılar, çekme deneyi ile kompozit numunelerdeki bağlantıların hasar

mukavemetlerini ve hasar Ģekillerini belirlemiĢler ve kompozit levhalardaki bağlantı

davranıĢının geometrik parametrelere bağlı olarak değiĢtiğini tespit etmiĢlerdir.

Ġçten ve Karakuzu (2002), örgülü karbon takviyeli tabakalı kompozit malzemelerde

pim bağlantılarının ilerlemeli hasar analizini deneysel ve sayısal olarak

çalıĢmıĢlardır. Farklı fiber takviye açılarının, pim bağlantı geometrilerinin ve

malzeme özelliklerinin, hasar yükleri ve hasar oluĢma Ģekli üzerine etkilerini

araĢtırmıĢlardır. Sayısal çalıĢmalarında Hashin ve Hoffman hasar kriterlerini

kullanarak deneysel sonuçlara göre yaklaĢık olarak % 20 fark elde etmiĢlerdir.

Okutan (2002), geometrik parametrelerin tek pim bağlantılı ve çok yönlü cam fiber

ile güçlendirilmiĢ epoksiden elde edilmiĢ numunenin hasar dayanımı üzerindeki

etkisini incelemiĢtir. Bu çalıĢmada [0/90/0] , [90/0/90] katman yönlü ve tek pim

bağlantılı kompozit malzemeler kullanılmıĢtır. Ġlk önce ASTM standartlarına uygun

numune ile malzemenin mekanik özellikleri ve dayanımları bulunmuĢtur. Daha sonra

ise nümerik ve deneysel olarak inceleme yapılıp karĢılaĢtırmalar yapılmıĢtır. Yapılan

deneyler ve nümerik çalıĢmalardan sonra su sonuçlar ortaya çıkmıĢtır. Tek delikli

numunelerde net çeki dayanımı katman yönlerine bağlıdır. Tek delikli bağlantının

kayma performansına bakıldığı zaman, kayma dayanımının katman yönlerine ve E

mesafesine bağlı olduğu görülmüĢtür. [90/0/90] için deneysel sonuçlara bakıldığı

zaman, W/D oranının 2 ve 3 olduğu durumlarda kritik E/D oranının 4, W/D oranının

4 olduğu durumlarda ise kritik E/D oranının 2 olduğu görülmüĢtür.

AktaĢ ve Dirikolu (2003-2004), [0°/45°/-45°/90°]s ve [90°/45°/-45°/0°]s tabaka

oryantasyonuna sahip pim bağlantılı karbon-epoksi kompozit levhaların bağlantı

30

mukavemetini deneysel ve sayısal analizlerle incelemiĢlerdir. AraĢtırmacılar

geometrik parametrelerden (E/D)≥4 ve (W/D)≥4 olduğu durumlarda yataklama

mukavemetinin her iki tabaka oryantasyonunda da üst sınıra ulaĢtığını, [90°/45°/-

45°/0°]s oryantasyonunun güvenli ve maksimum yataklama mukavemetinin %12 ve

%20’ye kadar [0°/45°/-45°/90°]s oryantasyonundan daha güçlü olduğunu

belirlemiĢlerdir. Sayısal analizde ise ANSYS sonlu eleman paket programı

yardımıyla kompozit numunelerin hasar tahminini yapmıĢlar ve deneysel sonuçlarla

aynı olduğunu belirtmiĢlerdir.

Whitworth vd. (2003), pim bağlantılı grafit-epoksi kompozit plakaların yataklama

mukavemetini analitik olarak incelemiĢlerdir. Chang–Scott– Springer karakteristik

eğri modeli kullanımını içeren analizde, bağlayıcı delik etrafındaki gerilme

dağılımını değerlendirmek için iki boyutlu sonlu eleman metodu kullanmıĢlardır.

Çekme ve basmadaki karakteristik uzunlukları, basma yüküne maruz bırakılan

dairesel delikli kompozit levhalara ve çekme yüküne maruz bırakılan merkez çentikli

kompozit levhalara nokta gerilme hasarı uygulayarak belirlemiĢlerdir. Ayrıca

Yamada-Sun hasar kriterini bağlantı hasarını belirlemek için kullanmıĢlardır.

AraĢtırmacılar, analitik çalıĢmadan elde ettikleri sonuçları deneysel sonuçlarla

karĢılaĢtırmıĢlar ve önerdikleri analitik çözümün kompozitlerdeki yatak hasarı

tespitinde yeterli sonuç verdiğini öne sürmüĢlerdir.

Okutan ve Karakuzu (2003), pim bağlantılı kompozit levhaların bağlantı

mukavemetini deneysel ve sayısal analizlerle incelemiĢlerdir. Ürettikleri kompozit

levhalardan elde ettikleri numunelere çekme deneyleri yapmıĢlardır. AraĢtırmacılar

yaptıkları deneyler sonucunda; [0/±45] tabaka oryantasyonuna sahip numunelerin

yataklama mukavemetinin, [90/±45] tabaka oryantasyonuna sahip numunelerden

daha yüksek olduğunu, (W/D) oranın azaldıkça pim yataklarındaki mukavemetin

azaldığını, aynı sonucun (E/D) oranı için de geçerli olduğunu, [90/±45] için

maksimum mukavemetin, (E/D)≤3 ve (W/D)≤4 olduğu durumlarda görüldüğünü

belirlemiĢlerdir.

31

Yang vd. (2003), elastik olarak pim bağlantılı [0º/±45º/90º]s tabaka oryantasyonuna

sahip kompozit plakaların mekanik davranıĢına pim-delik arasındaki sürtünmenin,

yataklama kuvvetinin ve bypass yüklemenin etkisini üç boyutlu gerilme analizi ile

incelemiĢlerdir. Sayısal analizde, çok tabakalı sınır eleman metodu ve izotropik

olmayan kompozit levhalar için tasarlanan geleneksel olamayan sınır eleman

metodunu kullanmıĢlardır. AraĢtırmacılar, temas ve gerilme durumlarının farklı

tabakalarda çok farklı olduğunu, bağlantıdaki sürtünmenin temas basıncını azalttığını

fakat önemli kayma gerilmesi içerdiğini ve diğer gerilme dağılımı bileĢenlerini de

değiĢtirdiğini, yeniden gerilme dağılımı üzerine yük çevriminin etkisinin kompozit

ve pim arasındaki mükemmel uyumdan dolayı önemsiz olduğunu ifade etmiĢlerdir.

Pim bağlantılı alüminyum cam fiber takviyeli epoksi reçine matriksli kompozit

yapılarda hasar analizi Ġçten ve Sayman (2003), tarafından deneysel olarak

yapılmıĢtır. ÇalıĢmalarında fiber takviye açısının değiĢimini ve pim bağlantı

geometrisinin değiĢiminin hasar yükleri üzerine olan etkilerini incelemiĢlerdir.

McCarthy vd. (2005), tek kesme bağlantılı cıvata ile birleĢtirilmiĢ tabakalı kompozit

yapılarda üç boyutlu sonlu elemanlar metodu kullanarak yapmıĢ oldukları analizleri

deneysel çalıĢmaları ile karĢılaĢtırmıĢlardır. ÇalıĢmada esas olarak cıvata ile delik

arasındaki tolerans değerlerinin değiĢiminin hasar üzerine olan etkilerini

araĢtırmıĢlardır.

AktaĢ (2005), karbon fiber takviyeli ve epoksi reçine matriksli tabakalı kompozit

yapılarda statik ve dinamik yükleme etkisi altında yük taĢıma mukavemetinin

değiĢimini pimli bağlantılarda araĢtırmıĢtır.

Karakuzu vd. (2006), pim bağlantılı tabakalı kompozit yapılarda hasar analizini

deneysel ve sayısal olarak incelemiĢlerdir. ÇalıĢmalarında; örgülü cam fiber

takviyeli, vinilester matriksli, tabakalı kompozit yapıda pim bağlantı geometrisinin

değiĢiminin hasar yükleri ve hasar tipi üzerine etkilerini araĢtırmıĢlardır. Sayısal

hasar yüklerini Hashin hasar kriterine göre Lusas sonlu elemanlar programında üç

boyutlu sonlu eleman modeliyle belirlemiĢlerdir.

32

Echavara vd. (2007), pim bağlantılı elastik ortotropik tabakalı kompozit yapılarda

delik etrafındaki gerilme yığılmalarını analitik metotlar kullanarak incelemiĢlerdir.

Karakuzu vd. (2007), iki seri pim bağlantılı dokuma camvinilester kompozit plakanın

bağlantı davranıĢına geometrik parametrelerin etkisini deneysel ve sayısal analizlerle

incelemiĢlerdir. Deneysel çalıĢmada, elle yatırma (hand lay-up) yöntemiyle üretilen

cam-vinilester kompozit plakalara 10 MPa basınç altında, 100°C sıcaklıkta 30 dakika

kür uygulanmıĢlar. Üretilen kompozit plakalardan, diğer geometrik parametrelerin

(W/D) ve (E/D) yanında, iki seri pim deliğinin arasındaki mesafenin delik çapına

oranını (M/D), 2’den 5’e kadar değiĢtirerek hazırladıkları kompozit numunelere

çekme deneyi yapmıĢlardır. Sayısal analizde ise LUSAS 13.6 sonlu elemanlar paket

programını kullanarak üç boyutlu sonlu elaman modeli geliĢtirmiĢlerdir.

AraĢtırmacılar yaptıkları analizlerle, (M/D) oranının artmasıyla hasar yükünün de

arttığını ve (M/D) oranının hasar yükü üzerinde (E/D) oranından daha az etkili

olduğu belirlemiĢlerdir. Ayrıca kritik yükün (W/D) oranının 3 olduğu durumda

oluĢtuğunu ve hasar yükünün (W/D) oranının 3’e eĢit ve daha büyük olduğu

durumlarda değiĢmediğini göstermiĢlerdir.

AtaĢ (2007), iki paralel rijit pim tarafından değiĢken yayılı yüke maruz kalmıĢ iki

paralel delikli dokuma cam elyaf-polyester tabakalı kompozit plakadaki, hasar

yüklerini ve yataklama mukavemetlerini deneysel ve sayısal analizlerle incelemiĢtir.

Pekbey (2007), pim bağlantılı [0°/90°/±60°]s elyaf oryantasyonuna sahip cam

elyafepoksi kompozit plakanın hasar yükünü ve hasar Ģeklini deneysel olarak

belirlemiĢtir. Ayrıca, önyükleme momentinin (M), plakanın kenar mesafesinden

delik merkezine olan mesafesinin delik çapına oranının (E/D) ve kompozit plaka

geniĢliğinin delik çapına oranının (W/D) hasara olan etkilerini incelemiĢtir.

AraĢtırmacı, önyükleme momentini M= 0, 1, 2, 3, 4 Nm. olarak almıĢ, kenar

mesafesinin delik çapına oranını (E/D) 1’den 5’e kadar ve geniĢliğin delik

çapınaoranını (W/D) 2’den 6’ya kadar değiĢtirmiĢtir. Önyüklemesiz (M=0)

deneylerde plaka rijit bir pim tarafından çekme yüküne maruz bırakmıĢtır.

Önyükleme momenti yapılan kompozit numunelerin deneylerinde ise, önyükleme

33

momentini bir torkmetre yardımıyla civatayı M=1, 2, 3, 4 Nm sıkarak elde etmiĢtir.

AraĢtırmacı numunelerde, (E/D) ve (W/D) oranlarına bağlı olarak yataklama,

yırtılma, kopma hasar tiplerinin ve bunların birleĢimlerinin meydana geldiğini

belirlemiĢ ve önyükleme momentinin, yatak mukavemetini artırıcı bir etkiye sahip

olduğunu belirtmiĢtir.

ġen (2007), farklı geometrik ölçülere ve tabaka diziliĢlerine sahip pim bağlantılı cam

elyaf-epoksi tabakalı kompozit plakların hasar durumu deneysel ve sayısal analizlerle

incelemiĢtir. AraĢtırmacı, çeĢitli değerlerde ön yükleme momenti uygulanmıĢ seri

bağlı çift pim deliği olan tabakalı kompozit plakların hasar mekanizmasının

oluĢumunu, hasar Ģekillerini, hasar yüklerini ve yatak mukavemetlerini tespit

etmiĢtir. Çift pim bağlantılı tabakalı kompozite ait hasar özelliklerini belirleyip,

sayısal analizle karĢılaĢtırmak için farklı tabaka oryantasyonuna sahip sekiz farklı

tabakalı kompozit plakaya ait numuneler üzerinde deneyler yapmıĢtır. Bunun için

kompozit numunenin kenar mesafesinin delik çapına oranını 1’den 5’e kadar,

geniĢliğinin delik çapına oranını 2’den 5’e kadar ve seri bağlı iki pim arasındaki

mesafenin delik çapına oranını 3’ten 5’e kadar değiĢtirmiĢtir. Önyükleme momenti

ile yapılan testlerden önce, deneylerde herhangi bir ön yükleme momenti

uygulanmamıĢ numuneleri test etmiĢtir. Daha sonra diğer numunelere 2, 3, 4 ve 5

Nm önyükleme momentleri uygulayarak her bir numuneye çekme deneyi yapmıĢtır.

Ayrıca ġen, tabakalı kompozit plakların hasar analizi için sayısal çözümleme de

yapmıĢtır. Sayısal analizde, modelleme ve çözüm iĢlemi için genel amaçlı sonlu

eleman yazılımı olan LUSAS Kompozit, Sürüm 13.6 kullanmıĢtır. AraĢtırmacı,

kompozit plakalardaki pimli bağlantılar için önyükleme momentinin en uygun

değerinin 3 Nm olduğunu belirtmiĢtir.

Turan vd. (2009), pim bağlantılı tabakalı kompozit levhalarda fiber takviye açısının

değiĢiminin hasar yükleri ve hasar tipleri üzerindeki etkileri araĢtırılmıĢtır.

Analizlerde tek yönlü karbon fiberlerle takviye edilmiĢ epoksi reçine matriksli

tabakalı kompozit levhalar kullanılmıĢtır. Tabaka dizilimleri [θ0]4 olmak üzere, θ;

fiber takviye açısı 0° ’den 90°’ye kadar 15°’lik artımlarla seçilmiĢtir. Levhaların

farklı fiber takviye açılarındaki hasar yükü ve hasar tipleri deneysel ve sayısal olarak

34

bulunmuĢtur. Sayısal çalıĢmada Ansys programı kullanılmıĢtır. Tabakalı kompozit

levhaların ilerlemeli hasar analizi için Hashin hasar kriteri kullanan APDL kodları

yazılarak malzeme indirgemeleri yapılmıĢtır. Deneysel çalıĢmada en büyük hasar

yükü 749.917 N ile [15°]4 tabaka dizilimi için ve en düĢük hasar yükü ise 467.483 N

ile [60°]4 tabaka dizilimi için elde edilmiĢtir. Sayısal ve deneysel çalıĢma

sonuçlarının uyumlu olduğu tespit edilmiĢtir.

35

3. MATERYAL VE YÖNTEM

3.1. Materyal

Bu çalıĢmada, pim bağlantılı kompozit plakaların farklı geometrilere göre çeki yükü

altındaki hasar yükleri ve hasar modlarının deneysel olarak tespit edilmesi ve zamana

bağlı olarak değiĢik ortam sıcaklıklarının yatak dayanımlarını ne ölçüde etkilediği

incelenmiĢtir.

Hasar yükünü ve hasar türünü belirlemek için hazırlanan numunelere Pamukkale

Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Laboratuvarında deneyler yapılmıĢtır.

ġekil 3.1’ de kullanılan deney düzeneği görülmektedir.

ġekil 3.1. Deney Düzeneği

Deney düzeneğinde çekme deneyi sırasında eksenel sapmaların önlenmesi için özel

bir bağlama aparatı kullanılmıĢtır (ġekil 3.2).

36

ġekil 3.2. Deney aparatı

ÇalıĢmada kullanılan kompozit malzeme özel bir firmada (Ġzoreel) imal ettirilmiĢtir.

Kompozitin imali sabit sıcaklık ve basınç altında el yatırma tekniği ile yapılmıĢtır.

Bu çalıĢmada cam elyaf takviyeli epoksi kompozit malzeme kullanılmıĢtır.

Kompozitin hacimce fiber yüzdesi yaklaĢık %60 ve sekiz tabakadan oluĢmaktadır.

Kompozitin üretimindeki iĢ akıĢ Ģeması aĢağıdaki gibidir.

Kompozitin Üretimi ĠĢ AkıĢ ġeması

Takviye malzemelerinin kesilmesi (cam elyaf-8 tabaka, cam dokuma)

Reçine banyosuna reçine yüklenmesi (Hexion Epikote 828/Epikure 875)

Gerekli sayıya ulaĢan reçineli tabakaların sıcak pres içine konulması

Takviye malzemelere manuel olarak reçine sürülmesi

Sıcak preste sertleĢtirme iĢlemi (140°C, 3 saat)

SertleĢtirme iĢlemi sonunda plaka kenarlarının tıraĢlanması

37

Yukarıdaki iĢ akıĢ Ģemasına göre 3 adet kompozit plaka (50x100) elde edilmiĢtir.

Üretim iĢleminden sonra, kompozit plakanın kalınlığı 1,6 mm olarak ölçülmüĢtür.

ġekil 3.3.’ de deney numuneleri görülmektedir.

ġekil 3.3. Deney numuneleri

3.2 Metot

Bu çalıĢmada; delik çapı (D=5 mm), plaka uzunluğu (L=80 mm) ve plaka kalınlığı

(t=1,6 mm) sabit olarak alınarak diğer parametreler olan W ve E uzunlukları

değiĢtirilmiĢtir (ġekil 3.4.).

ġekil 3.4. Numunenin geometrisi

t

w

L

D

38

Bu çalıĢmada, W/D ve E/D oranlarının hasar tipine ve hasar yüküne olan etkilerini

görebilmek için W/D oranı 2’den 5’e ve E/D oranı ise 1’den 5’e kadar

değiĢtirilmiĢtir.

Plakalar 60’Ģarlı gruplara ayrılarak 9 takım meydana getirilmiĢtir. Birinci takım -

18˚C’de bir ay süreyle soğutucuda, ikinci takım -18˚C’de soğutucuda iki ay süreyle,

üçüncü takım -18˚C’de soğutucuda 1 gün aralıklı 2 ay süreyle, dördüncü takım oda

sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta bir ay süreyle, beĢinci takım oda sıcaklığını

üzerindeki aynı sıcaklıkta iki ay süreyle, altıncı takım sıcak su içinde 7 gün süreyle,

yedinci takım nemli ortamda bir ay süreyle, sekizinci takım nemli ortamda 2 ay

süreyle bekletilmiĢtir. Dokuzuncu takım ise hiçbir iĢleme tabi tutulmadan oda

sıcaklığında bekletilmiĢtir.

ġekil 3.5. Deney cihazı

60’Ģar adet numuneden oluĢan bu dokuz takım çekme cihazında özel bir aparatla

plakanın deliği rijit bir pim tarafından çekme yüküne maruz bırakılarak hasar yükleri

Documents

T.C.tez.sdu.edu.tr/Tezler/TF01958.pdfAnahtar Kelimeler: Kompozit malzeme, hasar, yatak dayanımı. 2012, 87 sayfa iv ABSTRACT M.Sc. Thesis AyĢe Mücessem Cabıoğlu INVESTIGATING