DENZCLKTE KULLANILAN GRP / PVC SANDVÇ YAPILARIN KIRILMA TOKLUUNA ÇEVRENN ETKS

Transkript

1 DOKUZ EYLÜL ÜNVERSTES FEN BLMLER ENSTTÜSÜ DENZCLKTE KULLANILAN GRP / PVC SANDVÇ YAPILARIN KIRILMA TOKLUUNA ÇEVRENN ETKS Cemal KOÇHAN Haziran, 2008 ZMR

2 DENZCLKTE KULLANILAN GRP / PVC SANDVÇ YAPILARIN KIRILMA TOKLUUNA ÇEVRENN ETKS Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi Makine Mühendisli3i Bölümü, Konstrüksiyon - malat Anabilim Dal7 Cemal KOÇHAN Haziran, 2008 ZMR

3 YÜKSEK LSANS TEZ SINAV SONUÇ FORMU CEMAL KOÇHAN, tarafndan YRD. DOÇ. DR. ÇÇEK ÖZES yönetiminde hazrlanan DENZCLKTE KULLANILAN GRP/PVC SANDVÇ YAPILARIN KIRILMA TOKLUUNA ÇEVRENN ETKS balkl tez tarafmzdan okunmu, kapsam ve nitelii açsndan bir Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmitir. Yönetici Jüri Üyesi Jüri Üyesi Prof. Dr. Cahit HELVACI Müdür Fen Bilimleri Enstitüsü ii

4 TE=EKKÜR Yüksek lisans örenimim süresince bilgi ve deneyimi ile bana yol gösteren danmanm Yrd. Doç. Dr. Çiçek ÖZES e ve ikinci danmanm, Dokuz Eylül Üniversitesi Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Enstitüsü Gemi 8naat Anabilim dal öretim üyesi Doç. Dr. Gökdeniz NE:ER e teekkür ederim. Ayrca deney numunelerinin TACAR Teknecilik de üretim aamasnda gösterdikleri samimiyet ve yardm severliklerinden ötürü bata Mehmet Emin TACAR olmak üzere, TACAR ailesine ve çalanlarna teekkür ederim. Son olarak ellerindeki imkanlar özverili ekilde kullanp tüm hayatm boyunca beni destekleyen; babama, anneme ve biricik kardeime çok teekkür ederim. Cemal KOÇHAN iii

5 DENZCLKTE KULLANILAN GRP / PVC SANDVÇ YAPILARIN KIRILMA TOKLUUNA ÇEVRENN ETKS ÖZ Bu tezde denizcilikte kullanlan PVC/GRP sandviç kompozitlerin krlma tokluuna çevrenin etkisi deneysel olarak incelenmi ve deneysel çalmay dorulamak için bir paket program ile sonlu elemanlar yöntemi analizi yaplmtr. 8lk olarak on adet PVC (Poly Vinly Chloride) çekirdek ve GRP (Cam Takviyeli Plastik) yüzey malzemesinden oluan sandviç numuneler el yatrmas metodu ile üretilmitir. Daha sonra be adet numune, çekirdek malzemesinin yan yüzeyleri epoksi ile boyanp Türk Standartlar Enstitüsünde (TSE) yalandrma ilemine tabii tutulmutur. Son olarak numunelerin krlma tokluklarn aratrmak için Mod I çekme deneyi tüm on numune için uygulanmtr. Dier taraftan sonlu elemanlar yöntemiyle yaplacak analizde kullanmak üzere, kuru numune ve yalandrma ilemi uygulanm numunelerin elastisite modülü ve Poisson oran tespiti için yine çekme deneyleri yaplmtr. Analiz sonuçlar deney sonuçlarn yüzde 1 den daha az hata oran ile dorulamaktadr. Anahtar sözcükler: Sandviç kompozit, krlma tokluu, Mod I çekme deneyi iv

6 ENVIRONMENT EFFECT ON FRACTURE TOUGHNESS OF GRP / PVC SANDWICH SYSTEM IN MARINE USE ABSTRACT In this thesis environmental effect on fracture toughness of PVC/GRP sandwich composite materials in marine use was experimentally studied and finite element analysis was performed by a packet program to verify experimental studies. First of all ten PVC (Poly Vinly Chloride) core and GRP (Glass Reinforsed Plastic) face sandwich composite specimens were produced by hand lay up method. After that, side areas of the core of five specimens were painted by epoxy and conditioned in Turkish Standartization Enstitude (TSE). Finally, to investigate fracture toughness of specimens Mode I tensile test was conducted for all ten specimens. In conclusion, tensile tests were again performed to investigate tensile modulus and poisson ratios of dry and wet specimens which were required for FEM analysis. Finite element analysis results verified the test results by less than 1% error rate. Keywords: Sandwich composite, fracture toughness, Mode I tensile test v

7 ÇNDEKLER Sayfa YÜKSEK L8SANS TEZ8 SINAV SONUÇ FORMU...ii TE:EKKÜR...iii ÖZ... iv ABSTRACT... v BÖLÜM BR -GR= Kompozit Malzemeler Sandviç Kompozitlerin Yaps Sandviç Kompozitin Çeitleri Yüzey Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Cam Elyaflar Aramid Elyaflar Karbon Elyaflar Çekirdek Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Çekirdek Malzemelerin Seçim Kriterleri Temel Çekirdek Malzeme Çeitleri Yaptrc (Reçine) Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Polyester Epoksi Vinyl Ester BÖLÜM K - GRP / PVC SANDVÇ KOMPOZTN MALATI VE KIRILMA TOKLUU KAVRAMI Problemin Tanm El Yatrmas Metodu GRP / PVC Sandviç Kompozitin 8malat Krlma Tokluu Kavram vi

8 2.2.1 Krlma Mekanii Analizi Aça Çkan :ekil Deitirme Enerjisi Yaklam Mod I Krk Deformasyonu Deneyi BÖLÜM ÜÇ - UYGULANAN MOD I DENEY VE SONUÇLARI Uygulanan Mod I Deneyi Deney Sonuçlar Kuru Numunelerin Sonuçlar Tuzlu Suda Bekletilmi Numunelerin Deney Sonuçlar BÖLÜM DÖRT - SONLU ELEMANLAR ANALZ Numunelerin Mekanik Özelliklerinin Bulunmas Sonlu Elemanlar Analizi Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçlar Kuru numune analiz sonuçlar Tuzlu suda bekletilmi numunenin analiz sonuçlar BÖLÜM BE= - DEERLENDRME KAYNAKLAR vii

9 BÖLÜM BR GR= 1.1 Kompozit Malzemeler Kompozit, iki veya daha çok bileenden oluan yapsal malzemedir. Bileenler makroskobik alanda birleirler ve birbirleri içinde çözünmezler. Bileenlerden birisine takviye faz, takviye faznn içine kart dier bileene ise matris denir. Takviye faz, matris içerisinde sürekli lif, süreksiz lif, parçack veya disk halinde olabilir, :ekil 1.1 (KUTZ, 1998). Matris faz ise devaml bir yapya sahiptir. (Kaw, 1997) :ekil 1.1 Takviye elemanlarnn malzeme içindeki formlar. (Mechanical Engineers Handbook, second edition, edit by Myer KUTZ, 1998, John Wiley & Sons, Inc. ) Kompozit malzemelerin uzay koullarnda ve havaclk sektöründe kullanm üstünlüklerini görmek için iki çarpc örnek vermekte yarar vardr. Bilindii gibi günümüz ileri teknolojisinin gerektirdii mekanik deerleri, tek fazl malzemeler ve alamlar her zaman yakalayamazlar. Örnein uyduda kullanlan malzemelerin, uzayda C ile C arasndaki çalma koullarnda boyutsal 1

10 2 olarak kararl olmas gerekir. Bu artlarda kstl sl genleme katsays deerlerine sahip metalik malzemeler kullanlamaz ve yerini grafit/epoksi gibi kompozitlere brakr.(kaw, 1997) Kompozit malzemelerin kullanlmas birçok alanda daha verimlidir. Uçak endüstrisinden bir örnek vermek gerekirse; ticari bir uçakta kg arlk azaltlmas ile senede 1360 litre yakt tasarrufu yaplabilir. Burada belirtmek gerekirse ticari bir uçak irketinin yllk giderinin %25 ini yakt harcamas oluturmaktadr.(kaw, 1997) Kompozitlerin tekne imalatndaki yerine gelirsek; günümüzde üretilen tekneler geçmi yllarda üretilenler ile karlatrlnca, gövde yaplarnn daha büyük yüklere maruz kalacak istekleri karlayacak ekilde üretildii görülür. Burada imalatçlarn rekabetçi tutumlar da etkilidir. Örnein bir sürat motoru imalatçs, daha güçlü motor tercih etmekte iken; dier taraftan bir yelkenli tekne imalatçs paslanmaz çelik donanmlar, daha ksa salma boyu, daha geni yelkenli alan, sentetik malzemeden yelken kumalar vs tercih etmektedir. Sonuç olarak bu tercihler tekne gövdesine gelen yüklerin artmasna sebep olmaktadr. Bu nedenden ötürü tasarmc daha hafif ve dayankl yaplar ile çalmak zorunda kalmaktadr. Bu hafif ve dayankl yaplar ise kompozit malzeme teknolojisi ile mevcut hale gelir. ( Kolat, Neer, Özes, 2006 ) Sandviç kompozitler, kompozit malzemelerin ileri bir uygulama alann oluturmaktadr; yani yukarda verilen örneklerdeki üstünlükleri ve daha fazlasn içerirler. Bu nedenle sandviç kompozitlerin yapsn incelemekte fayda vardr. 1.2 Sandviç Kompozitlerin Yap7s7 Sandviç kompozitler üç ana bileenden oluurlar, :ekil 1.2. Birincisi yüksek mukavemetli, rijit yapya sahip ince yüzey malzemesi; ikincisi kaln ve yüzey malzemesine göre daha hafif ve düük mukavemetli çekirdek; son olarak üçüncüsü de bu iki malzemeyi yapma ara yüzeyinde hasar olumayacak kadar güçlü ekilde balayan yaptrc (reçine) malzemedir.

11 3 :ekil 1.2 Sandviç kompozit malzeme. Sandviç kompozit yap, katmanl bir kompozittir. Bu katmanl kompozitin olumas ile kendini oluturan bileenlerin her birinin mekanik özelliklerinden daha üstün mekanik özelliklere sahip bir yap ortaya çkar. 8ki adet rijit, yüksek mukavemetli yüzey malzemesinin arasnda yer alan, daha az mukavemet ve rijitlie sahip hafif çekirdek malzeme sayesinde sandviç yapnn arl da düer. Bu sayede geleneksel imalat malzemeleri olan çelik ve alüminyum ile imal edilen teknelere nazaran daha hafif tekne imal edilebilir. Sandviç kompozitlerin hafiflii nedeniyle, geleneksel imalat malzemeleri olan çelik ve alüminyum ile çalan kimi mühendislerde, dayankl olmad önyargs vardr. Bu önyargy krmak için, bas yükü uygulanan ayn boy ve genilikte dikdörtgen kesitli metalik ve sandviç kompozit iki malzeme ele alalm. Bu malzemelerin hasara urayacaklar kritik yük öyle tanmlanr: P crit 2 EI = 2 L (1.1) E: elastisite modülü L: malzemelerin boyu I: atalet momenti Dikdörtgen kesitli malzeme için atalet momenti öyle tanmlanr:

12 4 3 bt I = 12 (1.2) b: malzemelerin genilii t: malzemelerin kalnl Denklem (1.1) den anlald gibi, malzemelerin boyu ayn seçildiinden kritik yük malzemelerin elastisite modülleri ve atalet momentleri ile orantldr. Bilindii gibi elastisite modülü malzemelerin karakteristik bir özelliidir ve daha yüksek elastisite modüllü malzeme kullanmak aslnda daha üstün malzeme kullanmak demektir. Bu teorik olarak gerçekleebilmekle beraber, imalatta maliyet söz konusu olduu için çözüm getirmemektedir. Bu nedenle kritik yük sadece malzemelerin atalet momentleri ile orantldr diyebiliriz. Dikdörtgen kesitli malzemeleri için atalet momenti Denklem (1.2) ile verilmitir. Malzemelerin genilii b= 1 olarak iki malzeme için ayn seçilmitir. Böylece görüldüü gibi kritik yük malzemelerin kalnlnn küpü ile doru orantl olarak deimektedir. Tablo 1.1 de malzemelerin kalnlndaki deiimden mukavemetlerinin, rijitliklerinin ve arlklarnn nasl etkilendii verilmitir Tablo 1.1 Malzeme kalnl ve mekanik özellikler arasndaki iliki ( aterials.pdf)

13 5 Birinci sütunda t kalnlndaki metalik malzeme, ikinci ve üçüncü sütunlarda ise çekirdek kalnlklar sras ile t ve 3t olan kompozit malzemeler yer almaktadr. Eer metalik malzemenin deerleri 100 birim kabul edilir ise, görüldüü gibi çekirdek kalnl t ve 3t olan sandviç kompozitlerde srasyla; rijitlik 7 kat ve 37 kat, mukavemet 3,5 kat ve 9,25 kat art göstermitir. Arlklardaki art ise ihmal edilebilir bir arttr. :ekil 1.3 de ise malzemelerin özgül çekme modülü özgül çekme mukavemeti diyagram halinde verilmitir. Diyagramdan da rahatça görüldüü gibi çelik ve alüminyum malzemelerin yüksek younluu olduundan özgül çekme modülleri ve özgül çekme mukavemetleri, sandviç kompozitlerde kullanlan malzemelere göre düüktür. :ekil 1.3 Malzemelerin özgül çekme modülü-özgül çekme mukavemeti. ( /compositematerials/g_composite_materials.pdf) Farkl bir bak açs ile bakarsak, Hook kanununa göre malzemenin hasara urad yük P öyle tanmlanr:

14 6 P = (1.3) : gerilme : alan Denklem (1.3) den anlald gibi malzemelerin hasara uradklar yük alanlar ile doru orantldr. Yani metalik bir malzeme ile ayn arlktaki sandviç kompozit malzeme daha büyük alana sahip olur. Bu da sandviç kompozit malzemenin hasara urayaca yük daha büyük olur demektir. 1.3 Sandviç Kompozitin ÇeKitleri Sandviç kompozitin çeitlerinden kast aslnda sandviç kompoziti oluturan bileenlerin çeitleridir. Balk 1.2 altnda bahsedildii gibi sandviç kompozitler yüzey malzemesi, çekirdek malzemesi ve yaptrcdan oluur. Böylece sandviç kompozitler; yüzey malzemesine göre, kullanlan çekirdek malzemesine göre, ve de reçine türüne göre çeitlilik gösterir Yüzey Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Yüzey malzemesi matris yap ve takviye elemanndan olumaktadr. Kullanlan takviye eleman matris yap içinde lif, parçack veya disk halinde olabilir (:ekil 1.1). Ancak bu tezin konusu lif (elyaf) takviyeli plastikler (Fiber Reinforced Plastic) ile ilgili olduundan dier türlerin ayrntsna girilmeyecektir. Elyaf takviyeli yüzey malzemelerinde yüksek mukavemet için küçük çapl lif kullanmak gerekir.bunun sebepleri öyle sralanabilir (Kaw,1997): i) Malzemeler gerçekte, teorik mukavemetinden daha düük mukavemet deerlerine sahiptir. Bu fark malzeme içindeki hatalardan kaynaklanr. Bu hatalarn yok edilmesi malzemenin mukavemetini arttrr. Liflerin çap küçültüldüünde,

15 7 içlerinde olabilecek hatalar da azaldndan mukavemetleri artmaktadr. Örnein 689 MPa mukavemeti olan çelik bir plakadan tel imal edilir ise bu çelik 4100 MPa mukavemete sahip olabilir. :ekil 1.4 de karbon liflerin mukavemet artnn lif çapna göre deiimi görülmektedir. :ekil 1.4 Lif çapna göre lif mukavemeti. (Kaw, 1997) ii) Yüksek düktilite, tokluk, ve matris-lif arasnda daha iyi yük transferi için, matris-lif ara yüzey alannn daha büyük olmas gerekir. Hacimsel olarak eit lif miktarna sahip kompozitlerde, lif-matris ara yüzey alan lif çap ile ters orantl olarak artar. Çünkü lif çap düürüldüünde, hacimsel olarak ayn lif miktarn elde edebilmek için lif says arttrlmaldr. Buda lif-matris ara yüzey saysn yani ara yüzey alann arttrr. iii) Kompozit malzemelerin, özellikle örgülü kompozitlerin, üretiminde istenen liflerin krlmadan eilebilmesidir. Eilme kabiliyeti lif çapnn azalmas ile artar, ve esneklik olarak ölçülür. Esneklik, eilme rijitliinin tersi olarak tanmlanr. Esneklik, malzemenin çapnn dördüncü kuvveti ile, ve elastisite modülü ile ters orantldr. Bu öyle kantlanabilir: Malzeme mukavemetinden bilindii gibi, eilme mukavemeti eilme momentine gösterilen dirençtir. Eer bir kiri saf eilmeye maruz ise;

16 8 2 d v 2 dx = M EI olur (1.4) v: merkez hattaki deformasyon (m) E: kiriin elastisite modülü (Pa) I: kiriin atalet momenti (m 4 ) x: kiri boyunca koordinat (m) Böylece eilme rijitlii EI olur ve esneklik basitçe EI nn tersidir. Dairesel kiriin atalet momenti 4 d I = olduundan (1.5) 64 1 Ed 4 Esneklik ile orantldr. Belli malzemelerde elastisite modülü mukavemette olduu gibi çapn fonksiyonu olarak deimez. Bu nedenle esneklik lif çapnn dördüncü kuvveti ile ters orantldr. Tekne imalatnda kullanlan elyaf takviyeli yüzey malzemesi türlerini inceleyecek olursak: Cam Elyaflar Üretilmesi pahal olmadndan, ve arlkla ilikili olarak daha yüksek mukavemet gösterdikleri için cam elyaflar takviyeli plastiklerde %90 dan fazla kullanlrlar. Cam elyaflar ayrca iyi kimyasal direnç gösterirler ve ilenebilirlikleri yüksektir. Cam elyaflar temel olarak E-cam (fiberglass-cam elyaf) ve S-cam olarak iki türü vardr. E-cam aslnda elektrik uygulamalar için dizayn edilmi fakat daha sonralar farkl uygulamalar için de kullanlmaya balanmtr (Kaw, 1997). Örnein E-cam iyi mukavemet özellii ve suya direncinden dolay, tekne imalatnda en fazla kullanlan

17 9 elyaf türüdür. S-cam, E-camna göre üç kat daha yüksek çekme mukavemeti ve daha iyi yorulma direnci gösterir. Buna ramen, maliyeti E-camndan üç ila dört kat fazla olduu için E-cam tercih edilir. Tablo 1.2 de E-cam ve S-camnn özellikleri verilmitir. Bununla beraber deiik özellikte cam elyaflar farkl türde uygulamalar için üretilebilir. Örnein görünümün iyi olmas istenen uygulamalar için A-cam, korozyon dayanm istenen uygulamalar için C-cam bulunmaktadr. Bu çeitlerin beraber kullanld uygulamalar da vardr. Mesela E-CR hem elektrik hem korozyon dayanm gerektiren uygulamalar için kullanlr. Tablo 1.2 E ve S cam elyaf bileenleri ( aterials.pdf) Cam BileKenleri E Cam7 S Cam7 Silikon Dioksit 52-56% 64-66% Kalsiyum Oksit 16-25% 0-0,3% Alüminyum Oksit 12-16% 24-26% Boron Oksit 5-10% - Sodyum ve Potasyum Oksit 0-2% 0-0,3% Magnezyum Oksit 0-5% 9-11% Demir Oksit 0,05%-0,4% 0-0,3% Titanyum Oksit 0-0,8% - Floridler 0-1% Aramid Elyaflar En bilinen aramid elyaf türü DuPont tarafndan bulunan Kevlar dr. Kevlar 1970 lerden buyana kullanlmaktadr. Düük arlk, yüksek çekme mukavemeti ve modülü, yüksek darbe ve yorulma direnci ve örülebilirlii aramidlerin avantajlardr. Bas performanslar düük ekil deitirme deerlerinde dorusal olmayan düktil davran gösterdiklerinden cam elyaf kadar iyi deildir.

18 10 Günümüzde Kevlar 29 ve Kevlar 49 türleri vardr. Düük younlukta, yüksek dayanmdaki Kevlar 29, mermi çarpmasna kar koruyucularda, ip ve kablo yapmnda kullanlmaktadr. Kevlar 49 ise düük younlukta olup, yüksek dayanm ve modüle sahiptir. Kevlar 49, denizcilikte, hava-uzay sanayisinde, otomobil ve dier sanayi dallarnda kullanlan kompozit malzemeleri güçlendirici lifler olarak kullanlabilecek özelliklere sahiptir Karbon Elyaflar Genelde grafit ve karbon terimleri birbiri yerine kullanlr. Oysa grafit elyaflar %99 dan fazla karbon içeriine sahip iken, karbon elyaflar %93 ile %95 arasnda karbon içeriine sahiptir. Ayrca karbon elyaflar C de üretilirken, grafit elyaflar C den yüksek scaklklarda üretilirler. (Kaw, 1997) Bununla beraber. Karbon elyaflar en fazla PAN (polyacrylonitrile) malzemeden üretilirler. Sk kullanlan takviye malzemeleri içinde en yüksek mukavemeti ve eilme direncini karbon elyaflar gösterir. Karbon elyaflar, cam elyaflarda olduu gibi gerilme krlmalarna ve yorulmalarna konu olmazlar. Yüksek scaklk performans karbon elyafn önemli bir avantajdr. Dier taraftan en önemli dezavantaj, PAN nn öbür takviye malzemelerine göre daha pahal olmasdr. Tablo 1.3 de takviye malzemelerinin baz mekanik özelliklerinin karlatrmal verileri ve :ekil 1.5 ile çeitli elyaf takviye malzemelerinin tekne imalatnda kullanlan yerleri ve kullanm yüzdeleri verilmitir.

19 11 Tablo 1.3 Yüzey takviye malzemelerin mekanik özellikleri ( aterials.pdf) Elyaf Yo3unluk Çekme Mukavemeti Çekme Modülü Maksimum Uzama Maliyet 1995 gr/cm 3 MPa GPa % $/kg E Cam7 2, ,45 4,8 1,76-2,64 S Cam7 2, ,94 5,7 8,82 Kevlar 49 1, ,2 2,9 35,27 Karbon- PAN 1,72-1, ,38-2,0 37, Kevlar ( Dier ksmlarda ) Kevlar ( Güvertede ) Takviye malzemeleri Kevlar ( Gövdede ) Karbon-elyaf ( Dier ksmlarda ) Karbon-elyaf ( Güvertede ) Karbon-elyaf ( Gövdede ) E-Cam Elyaf ( Dier ksmlarda ) E-Cam Elyaf ( Güvertede ) E-Cam Elyaf ( Gövdede ) 0% 20% 40% 60% 80% 100% Kullanm yüzdeleri :ekil 1.5 Elyaflarn yat sektöründeki kullanm yüzdeleri. ( g_composite_materials.pdf)

20 Çekirdek Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Arln azaltlmas ve yapsal özelliklerin iyiletirilmesi yönünde hz kesmeyen çalmalar, sandviç kompozit yaplarn çok popüler olmasn salamtr. Bilindii gibi sandviç yaplarn prensibi; esas yükü tayan yüzeylerin, düük younluklu çekirdek malzeme tarafndan ayrlmasdr. Bu, kiriin veya panelin, arlndaki az bir art ile atalet momentinin artmasn salar. Optimum tasarm elde etmek için sadece yüzeyin deil çekirdek malzemenin de doru seçilmesi gereklidir. Burada çekirdek malzemelerin seçim kriterleri konu edildikten sonra en çok kullanlan çekirdek malzemelerin özelliklerine deinilecektir Çekirdek Malzemelerin Seçim Kriterleri Önemli Mekanik Özellikler. Öncelikle belirtilmesi gerekir ki, çekirdek malzemeden beklenen özellikler her uygulama için deiiklik gösterir. Bu nedenle, seçim kriterlerini genelletirmek çok zordur. Bununla beraber, incelemek için :ekil 1.6 deki eilme yükü altndaki bir sandviç malzeme iyi bir örnek olacaktr. :ekil 1.6 Eilme yükü altndaki sandviç kiri. (Schlotter, Haziran, 2002) Bu türde bir yüklemede, görüldüü gibi yüzey malzemesi çeki-bas yüklerine ve çekirdek malzemesi büyük ölçüde kesme yüküne maruz kalmaktadr. Buradan, çekirdek malzemenin en önemli özelliklerinin banda kesme mukavemeti ve rijitlii olduu anlalmaktadr.

21 13 Bununla beraber sadece kesme mukavemeti ve rijitlik çekirdek malzemenin deerlendirilmesinde yeterli deildir. Özellikle ince katmanlamal düük arlk uygulamalarnda çekirdein bükülmesini veya katlanmasn önlemek için çekirdek bas yüküne dayanabilmelidir. Dier bir önemli hasar durumu ise, yüzey malzemesi ile çekirdek malzemesinin ayrlmasdr. Örnein polimer matrisli kompozit yüzeylerde köpük malzeme çekirdee, epoxy kullanlarak balanr. Böylece balant, çekirdek malzemeden çounlukla daha dayankl olur ve hasar genelde köpük malzemede görülür. Bu nedenle çekirdein çekme dayanm da hesaba alnmas gerekli bir özelliktir Çekirdek Malzemeden Beklenen Di'er Özellikler. Bahsedildii gibi, çekirdek olarak hangi malzemenin kullanlaca karar verilmeden önce, uygulama alannn bilinmesi gereklidir. 8htiyaç duyulabilecek baz özellikler unlardr: Düük maliyet Düük younluk Düük / yüksek scakla direnç Neme veya kimyasallara direnç :ekil verilebilmesinin iyi olmas Kolay ilenebilirlik Düünüldüünde, bu amaçlarn tümünü için tek malzeme olmadndan, amaca uygun özel seçimler olduu görülmektedir Temel Çekirdek Malzeme Çe)itleri Sandviç kompozitlerde kullanlabilecek birçok türde malzeme olmasna ramen, çou u kategorilerden birine girer: aaç, köpük, balpetei A'aç. Dier malzemelere göre aaç, çounlukla yüksek younlua sahip olduundan az türde aaç sandviç kompozit için çekirdek malzeme olarak kullanlmaktadr. 8çlerinde de en fazla kullanlan aaç türü, balsadr.

22 14 Balsa aac (:ekil 1.7), ince-uzun yatay hücreleriyle çok yüksek bas dayanm ve çarpma direnci salar. Tekrarl yüklerde çalma kabiliyeti yüksektir, ve çok güçlü yüzey-çekirdek balants salanabilir. Bir çok köpük malzemeden farkl olarak, yüksek çalma scaklklarna dayankldr. Balsa aacnn statik mukavemeti, PVC köpükten yüksek olmasna ramen; darbe enerjisini emmesi PVC köpükten daha düüktür. Balsa iyi bir s ve ses yaltkandr. Ayrca balsa ile basit araç gereçler kullanlarak kolayca çallabilir. Dier taraftan, balsa doal bir malzeme olduu için neme kar hassastr. Eer katmanlama veya yaptrc ile iyi bir ekilde çevrelenmez ise, çürüyebilir. Balsa aacnn dier dezavantajlar da, 90 kg/m 3 civarndaki minimum younluunun, yüksek olmas (:ekil 1.8) ve katmanlama süresince yüksek miktarda yapkan emmesidir. :ekil 1.7 Balsa aacnn hücre yaps. A: ortalama hücre boyu; B: ortalama hücre çap; C:ortalama hücre et kalnl. ( compositematerials/g_composite_materials.pdf)

23 15 :ekil 1.8 Çekirdek malzemelerin younluk-kesme/ bas (Schlotter, Haziran, 2002) mukavemeti ilikisi Köpükler. Köpükler çeitli sentetik polimerlerden üretilirler. Ayrca, hemen hemen her köpük çeitli younlukta tedarik edilebilir. Sonuç olarak birçok çeit köpük bulunabilir. Bu çeitlilik sayesinde köpük, özellikle karmak sandviç çekirdek malzemesi olmak üzere, geni uygulama alan bulur. Köpüklerin temel olarak snflandrlmas ve avantaj-dezavantajlar öyledir: i) Polyvinyl Cloride Köpükler (PVC) yüksek performansl sandviç yaplarda skça kullanlrlar. Statik ve dinamik özelliklerinin iyi olmasnn yannda, çalma scaklk aral genitir ve birçok kimyasala direnç gösterirler. 8ki çeit PVC bulunmaktadr: çapraz bal (non-lineer) ve dorusal (lineer). Çapraz bal PVC daha sert ve rijit iken, dorusal PVC daha tok ve esnektir. ii) Polystyrene Köpükler (PS) düük mekanik özellikleri ile ucuz ürünlerdir. Genelde sörf tahtas imalatnda kullanlrlar. Sterin ile çözündükleri için polyester yapkan ile kullanlmazlar. iii) Polyurethane Köpükler (PU) düük yüklere maruz sandviç yaplarda ve s izolasyonu için kullanlabilirler. Mekanik özellikleri orta derecededir. Köpük-yüzey yapma yüzeyinin yalanma ile kötülemesi dezavantajdr.

24 16 iv) Polyetherimide Köpükler (PEI) nispeten yenidir. Yangn dayanmlar iyidir ve geni çalma scakl aralna sahiptir. Pahal olmalarna ramen, uçak ve tren uygulamalar için çok uygundur. v) Polymethyl Methacrylamide Köpükler (Acrylic) Üstün derecede özgül dayanmlar ve rijitlii vardr ve yüksek sl kararll sayesinde, yüksek scaklkta kürlenmede kullanlabilirler. vi) Styreneacrylonitrile Köpükler (SAN), PVC köpükler ile benzer özelliklere sahip olmalarnn yannda, daha ince-uzun yaplar, yüksek tokluu, yüksek scaklk performans ve daha iyi statik özellikleri vardr. Bu nedenlerle birçok alanda SAN köpükler, PVC köpüklerin yerini almaktadr Balpetekleri. Balpetei çekirdekleri de çeitli uygulamalar için mevcuttur. Ucuz karton balpeteklerinden olaan üstü özelliklere sahip aramid ve alünimyum balpeteklerine kadar çeitlilik gösterirler. Her çeidi farkl younluk, kalnlk ve hücre çapna sahiptir. Nomex ve alüminyum balpetekleri genellikle, köpüklerin uygun olmad, yüksek scaklk uygulamalarnda kullanlrlar. Bunun yannda balpetei, çekirdek kalnl farkllk gerektiren durumlarda kullanlmaz. Açk hücre yapsndan dolay, sv yaptrc kullanlarak üretiminde birtakm zorluklar vardr. Balpetei çeitleri: i) Nomex balpetei, Nomex kadnn bir formudur. Nomex kad selilozik lifler yerine, Kevlar malzemesinden oluur. Nomex balpetei uçak-uzay uygulamalarnda geni kullanm alanna sahip olmasnn yannda, mekanik özelliklerinin iyi olmas nedeniyle dier alanlarda da giderek popüler olmaktadr. Öte yandan dier çekirdek malzemeleri ile karlatrldnda pahaldr. ii) Alüminyum balpetei, Nomex balpeteinden ucuz olmakla beraber benzer mukavemet ve rijitlik gösterirler. Deniz uygulamalarnda ve karbon ile yüzey katmanlama srasnda korozyon problemine kar dikkatli kullanlmaldr.

25 17 Delaminasyon olumamas için, yüzey-çekirdek balantsnn korunmas gerekir ve bu ancak kaliteli yaptrc kullanarak baarlabilir. iii) Termoplastik balpetei, genelde düük younluk ve düük rijitlie sahiptir. Sk kullanlan polimerlerden bazlar ABS, polikarbonat, polipropilen, ve polietilendir. Birçok kimyasala direnç gösterirler ve nemden etkilenmezler. Ana problem yüzeyçekirdek arasndaki ban kurulmasdr. :ekil 1.9 ile balpetei hücre yaps, :ekil 1.10 ile balpetei çekirdekli bir sandviç kompozit, Tablo 1.4 ile tekne imalatnda kullanlan çekirdek malzemelerin mekanik deerleri verilmitir. :ekil 1.9 Balpetei hücre yaps. t o : hücre ortalama et kalnl, s: ortalama hücre çap. ( compositematerials/g_composite_materials.pdf)

26 18 :ekil 1.10 Balpetei çekirdekli sandviç kompozit. (A. Ural vd Engineering Fracture Mechanics, 2003) Tablo 1.4 Tekne imalatnda kullanlan çekirdek malzemelerin mekanik özellikleri ( aterials.pdf) Çekirdek Yo3unluk Çekme Çekme Maksimum Maliyet Mukavemeti Modülü Uzama 1995 gr/cm 3 MPa GPa % $/kg Balsa A3ac7 0,11 9,11 2,55-8,16 Do3rusal PVC 0,08-0,1 1,38 0, ,46 Çapraz ba3l7 PVC (Diab H 100) 0,10 3,11 0,12-13,11 Balpete3i (Nomex HRH-78) 0,10-0,41-29, Yap trc (Reçine) Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler Takviye elemannn da içinde yer ald reçine, sandviç kompozitin ana fazn oluturur. Ayrca yüzey malzemesi ile (takviye malzemesi) çekirdek malzemesinin yaptrlmasnda görev alr. Tek balarna kullanldklarnda düük olan mukavemet deerlerine sahiptirler. Tekne imalatnda en sk kullanlan reçine çeitleri unlardr: polyester, epoksi, vinyl ester.

27 Polyester Polyester reçineler iki grup altnda toplanabilir: doymu (kat) halde ve doymam (sv) halde. Plastik takviyeli tekne imalatnda, özellikle el yatrmas yönteminde kullanlan malzeme doymam polyester reçinedir. Bu demek oluyor ki polyester reçineler doru koullar altnda kürlenme ile kat hale gelebilirler. Polyetilen teraftalen, terilen gibi doymu polyester reçineler veya termoset doasndaki plastikler genelde enjeksiyon kalpta ve lif (fiber) imalatnda kullanlrlar. Artk basit olarak, polyester denildiinde, doymam polyester akla gelmektedir. Bunlar monomer içinde, ki bu monomer genellikle sterindir, çözünmü polyester içerir. Sterinin buradaki görevi çok önemli olup reçinenin sv halden polyesterin moneküler zincir balarn çapraz balayarak (kürlenme) katlamasn salamaktr. Polyester bu sayede basnç kullanlmadan kalplanabilir. Bu nedenle polyester düük basnç reçinesidir. Polyesterin moleküler ba zinciri :ekil 1.11 ile gösterilmitir. :ekil 1.11 Polyester moleküler ba zinciri. Sterin -s-, katalizör ve hzlandrc eklenmesiyle, sterin polymer zincirini çapraz balar ve oldukça karmak üç boyutlu balar oluturur, :ekil 1.12.

28 20 :ekil 1.12 Kürlenmi polyester moleküler ba zinciri. Bu durumdan sonra polyester için kürlenmi denilebilir. Artk kimyasal olarak dirençli ve (genelde) kat haldedir. Çapraz balanma veya kürlenme ilemi polimerizasyon adn alr. Polyesterin kürlenmesini stma yaplmadan hzlandrmak için hzlandrc ve katalizör ilave edilir. Jel zaman, çevre scakl ve laminasyon kalnl göz önüne alnarak, formülasyonu dikkatlice deitirmek yoluyla kontrol edilmelidir. Tablo 1.5 ile kürlenme için en sk kullanlan, hzlandrc ve katalizör kombinasyonlar görülmektedir. Tablo 1.5 Polyester reçine hzlandrc ve katalizör kombinasyonlar ( aterials.pdf) Katalizör Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) Kumene Hidroperoksit H7zland7r7c7 Kobalt Naptanat Manganez Naptanat Reçine içine farkl ek malzemelerde olabilir. Örnein reçine dikey yüzeylerin laminasyonunda kullanlacak ise akkanln azaltmak amacyla içine silikon dioksit eklenebilir bu durumda reçine tiksotrafik olarak adlandrlr. Çeitli dier ilave malzemeleri de kürlenme srasnda reçine içinde, örnein jelkot için önemli bir durum olan büzülmeyi önlemek için kullanlabilir.

29 21 Polyester reçineler kullanm en kolay ve iyi kimyasal direnç gösteren, en basit ve en ekonomik reçine sistemidir. Doymam (sv) polyester maleik anhidrid veya fumarik asit gibi, sterin benzeri reaktif monomerler içinde çözünen doymam malzemelerden oluur. Polyester reçinelerin büyük çounluu hava ile tepkimeye giren malzemelerdir. Hava ile tepkime gerçekleir ise bu durumda kürlenme durur. (:ekil 1.11 ve :ekil 1.12 incelenirse; sterin -s-, gelecek baa oksijen balanr ve kürlenmeyi durdurur). Yüzeye sürülen cila tabakas ikincil balanma veya biti problemi oluturduundan ve fiziksel olarak temizlenmesi gerektiinden; tipik olarak kürlenme ilemi srasnda yüzeyin hava ile tepkimeye girmesini önlemek için reçine formülüne parafin eklenir. Tekne imalatnda kullanlan polyester reçineler ortofitalik ve isofitalik olmak üzere iki çeittir. Ortofitalik reçine, polyesterin gelitirilen orijinal grubudur ve hala geni kullanm alanna sahiptir. Bunlar bir ekilde snrl sl kararlk, kimyasal direnç ve ilenebilirlik karakteristii gösterir. Dier taraftan isofitalik reçineler genel olarak daha iyi mekanik özellikler ve kimyasal direnç gösterirler. 8sofitalik reçinelerin artan su geçirme direnci, birçok tekne imalatçsnn bu reçineleri tekne laminasyonunda jelkot olarak kullanmasna neden olmaktadr. Polyester reçinenin rijitliini kullanlan doymu asidin doymam aside orann arttrlmas ile azaltmak mümkündür. Esnek reçineler artan darbe direnci salayarak avantajl olabilir. Ancak bu tüm gövde mukavemetinin maliyetini yükseltme noktasna gider. Jelkot gibi yapsal olmayan laminasyon katmanlar yerel krklar önlemek için daha esnek formüle edilebilir. Polyester düük maliyeti ve effaf yap oluturmadaki kabiliyeti ile avantajl iken; çalma scaklnn 77 0 C den düük olmas, krlganl ve kürlenmede %8 e varan büzülmesi ile dezavantajl durumdadr. Tablo 1.6 ile ilavesiz isofitalik polyesterin özellikleri verilmitir.

30 22 Tablo 1.6 Katksz isofitalik polyester reçine özellikleri (Crystic polyester handbook, Scott Bader, 1994) Özgül Arlk (gr/cm 3 ) 1,28 Rockwell M ölçek sertlii 110 Barcol sertlii (GYZJ 934-1) 45 Çekme mukavemeti 70 MPa Bas mukavemeti 140 MPa Çekme modülü 3,5 GPa Krlmadaki uzamas % 2,5 Özgül s 2,3 kj / kgk Isl iletkenlik 0,2 W / mk Su emmesi, 20 o C de 24 saat % 0,2 Statik sürtünme katsays 0, Epoksi Epoksi molekül yaps :ekil 1.13 ile gösterildii gibi; bir oksijen iki karbondan oluur. :ekil 1.13 Epoksi reçinenin moleküler yaps. Epiklorohidrin ile fenol veya aromatik aminlerin tepkimeye girmesiyle bir çok epoksi reçine oluur. Epoksi üretimi süresince tepkimeye eklenecek sertletiriciler, plastikletiriciler ve dier ilave malzemeler ile viskozite, darbe, ekil deitirme vb. özellikleri iyiletirilmi reçine elde edilebilir. Tablo 1.7 ile oda scaklndaki tipik epoksi özellikleri verilmitir.

31 23 Tablo 1.7 Oda scaklndaki tipik epoksi özellikleri (Kaw, 1997) Özgül arlk 1,28 Young modülü (GPa) 3,792 Maksimum çekme mukavemeti(mpa) 82,74 Epoksi reçinenin avantajlar öyle sralanabilir: Yüksek mukavemet Düük viskozite, bu sayede lifleri slatma özellii yüksektir. Kürlenme süresince düük uçuculuk Düük çekme oran (boyutsal olarak yüksek kararllk), bu sayede epoksi ve takviye malzemesine gelecek kesme gerilmesinin artmas önlenir. Çeitli uygulamalar için yirmiden fazla türde bulunabilir. Bunca avantajl tarafnn yan sra epoksi reçinelerin en önemli dezavantajlar yüksek maliyeti ve çalma koullarnn zor olmasdr Vinyl Ester Vinyl ester, akrilik gibi tek fonksiyonlu doymam asit ile bisfenol diepokit in tepkimeye girmesi ile hazrlanan doymam reçinedir. Tepkime sonunda oluan polimer, sterin gibi doymam monomer ile karr. Performans karakteristii ve çalmas polyestere benzerdir. Vinyl esterin polyesterden fazla olan maliyetini hakl çkaran; yüksek korozyon direnci, hidrolik kararllk, darbe ve yorulma dayanm gibi mükemmel fiziksel özellikleridir. Tekne imalatnda kullanlan reçinelerin mekanik özellikleri Tablo 1.8 ile verilmitir. Ayrca :ekil 1.14 ile reçinelerin tekne imalatnda kullanm yüzdeleri verilmitir.

32 24 Tablo 1.8 Tekne imalatnda kullanlan reçine malzemelerin mekanik özellikleri ( materials.pdf) Reçine Yo3unluk Çekme Mukavemeti Çekme Modülü Maksimum Uzama Maliyet 1995 gr/cm 3 MPa GPa % $/kg Ortofitalik Polyester sofitalik Polyester 1,23 48,3 4,07 1 2,32 1,21 71,1 3,90 2 2,62 Vinyl Ester 1, , ,84 Epoksi 1, , ,57 Denizcilik Sektöründe Reçinelerin Kullanm Yüzdeleri Reçine Epoksi (Dier ksmlarda) Epoksi (Güvertede) Epoksi (Gövdede) Vinyl Ester (Dier ksmlarda) Vinyl Ester (Güvertede) Vinyl Ester (Gövdede) Polyester (Dier ksmlarda) Polyester (Güvertede) Polyester (Gövdede) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% :ekil 1.14 Reçinelerin tekne imalatnda kullanm yüzdeleri. ( materials.pdf) Tablo 1.8 ve :ekil 1.14 ile görüldüü gibi yüksek mekanik özelliklerine ramen yüksek maliyeti epoksi reçinelerin kullanmn kstlamaktadr. Vinyl esterin mekanik

33 25 özelliklerinin epoksiye yakn olmasna ramen, maliyetinin polyesterden fazla olmas kullanm yüzdesini polyesterden aada olmasna neden olmaktadr.

34 BÖLÜM K GRP / PVC SANDVÇ KOMPOZTN MALATI VE KIRILMA TOKLUU KAVRAMI 2.1 Problemin Tan7m7 Bu çalma, tekne imalatnda kullanlan GRP (cam takviyeli plastik) ve PVC sandviç kompozit sisteminin krlma tokluuna, denizel çevrenin etkisini belirlemek amac ile yaplmtr. Numune olarak hazrlanan sandviç sistemler; GRP yüzey, PVC çekirdekten olumutur. Yüzey malzemesi 450 g/m 2 younluunda cam elyaf ( E- cam ) olup, çekirdek Divinicell H80 malzemedir. Çekirdek ve yüzey malzemesi isofitalik polyester reçine ile birbirine yaptrlarak üretilmitir. Reçine içerisine katalizör olarak Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) ve Kobalt Naptanat eklenmitir. 8malat yaplan 10 adet numuneden 5 adeti denizel ortamn etkini görebilmek için Türk Standartlar Enstitüsü nde (TSE) 120 saat boyunca, 50 0 C scaklkta, % 5 NaCl çözeltisinde bekletilmitir. Daha sonra tüm numunelerin Mod I krlma tokluu deneyi yaplm ve kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilen numunelerin sonuçlar karlatrlmtr. Bu tezin konusunu oluturan GRP / PVC sandviç kompozit numuneleri el yatrmas metodu ile üretilmitir. Bu nedenle el yatrmas metodu ayrntlar ile ele alnacak, dier imalat yöntemlerine deinilmeyecektir. 2.2 El Yat7rmas7 Metodu El yatrmas metodu ülkemizdeki küçük tekne imalatnda en sk kullanlan ve maliyet bakmndan avantajl olan bir imalat eklidir. El yatrmas yöntemi ile imalat kalitesinin ustala bal olmas ise dezavantajl yönünü oluturmaktadr. El yatrmas metodu ile tekne imalat kalp kullanlarak yaplan bir imalat yöntemidir (:ekil 2.1). Aaç veya metal kalp kullanlacak ise negatif kalp kullanlr iken, köpük kalp kullanlacak ise pozitif kalp kullanlr. 26

35 27 Yöntemde hazrlanan kalp üzerine öncelikle ilk katmann kalba yapmasn önlemek amacyla cila sürülür. Eer imal edilen malzemenin d yüzeyinin iyi görünmesi isteniyor ise cila tabakas üzerine jelkot malzemesi sürülür. Jelkot üzerine kullanlacak yaptrc frça veya rulo ile tatbik edilir. 8lk kat takviye malzemesi bu yaptrc üzerine el ile serilir. Serilen takviye malzemesinin üzerine yine yaptrc malzeme rulo veya frça ile emdirilerek tatbik edilir. 8lk tabaka takviye malzemesi yaptrcyla doyurulduktan sonra ikinci kat takviye malzemesi, ilk katn üzerine serilir ve yaptrc malzemesi ile doyurulana kadar yaptrc emdirilir. 8mal edilecek parça gerekli kalnla ulaana kadar kaç kat takviye malzemesi kullanlacaksa ayn ekilde bir biri üzerine yaptrma ilemi devam eder. Kaç kat takviye malzemesinin kullanlaca ise imal edilecek malzemenin gerekli mekanik deerlere ulaabilmesi için ne kadar kalnlkta imal edileceine baldr, ve önceden hesaplanr. Gerekli kalnla ulamak için tüm takviye malzemesi katmanlama ilemi bittikten sonra kürlenme ilemi balar. Kürlenme ilemi için bekleme süresi ortam scakl, kullanlan yaptrc türü, yaptrc içine eklenen malzemeler gibi bir çok faktöre bal olarak deiebilir. Kürlenme sonrasnda malzeme kalptan çkarlr. :ekil 2.1 El yatrmas metodu. (Diler, 2006)

36 GRP / PVC Sandviç Kompozitin )malat Sandviç kompozitlerin imalat el yatrmas metodu ile yaplmtr. Kullanlan çekirdek malzeme Divinycell HP80 olup mekanik özellikleri Tablo 2.1 ile verilmitir. Kullanlan takviye malzemesi 450 gr/m 2 younluunda cam elyaf (E- Cam) olup, :ekil 2.2, mekanik özellikleri Tablo 1.4 ile verilmitir. Takviye malzemesi keçe yapda olduu için izotropik malzeme özellii gösterir yani her yönde ayn mekanik deerlere sahiptir. :unu da belirtmek gerekir ki 1 kat 450 gr/m 2 younluundaki cam elyaf, polyestere doyduunda 1 cm kalnlk oluturmaktadr. Üretilen numunelerin yüzey malzemesi kalnl 3 cm olduundan yüzeylerde 3 kat elyaf lamine edilmitir. Reçine (yaptrc) malzeme olarak isofitalik sv polyester kullanlm olup mekanik deerleri Tablo 1.9 ile verilmitir. Ayrca isofitalik reçine içerisine katalizör olarak Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) ve Kobalt Naptanat eklenmitir, :ekil 2.3. Tablo 2.1 PVC Divinycell HP80 mekanik özellikleri ( ) Özellikler Birim Younluk 1, ISO 845 Kg / m 3 80 Bas Mukavemeti 2, ASTM D 1621 MPa 1,5 Bas Modülü 2, ASTM D 1621 MPa 105 Çeki Mukavemeti 2, ASTM D 1623 MPa 2,8 Çeki Modülü 2, ASTM D 1623 MPa 100 Kesme Mukavemeti, ASTM C 273 MPa 1,25 Kesme Modülü, ASTM C 273 MPa 28 Kesme :ekil Deitirmesi, ASTM C 273 % 38 1 Tipik younluk deiimi + / - % 10 2 Yüzeye dik. Tüm deerlerin ölçüm scakl C

37 29 :ekil 2.2 Doranm cam liflerden yaplm keçe elyaf. ( /Fiberglass_Woven_Roving/Chopped_Strand _Mat.html) :ekil 2.3 Sv isofitalik polyester. 8lk olarak PVC çekirdek malzemesi hazrlanmtr, ve hazrlan u admlarla gerçeklemitir: 38 mm genilikte 15 mm kalnlkta kesilmesi :ekil 2.4, ve sonrasnda 305 mm boyda kesilmesi :ekil 2.5. Böylece çekirdek malzemenin hazrlanmas tamamlanmtr, :ekil 2.6.

38 30 :ekil 2.4 Çekirdek malzemesinin hazrlan. :ekil 2.5 Çekirdek malzemesinin hazrlan. :ekil 2.6 Çekirdek malzeme. (Divinycell HP80) Çekirdek malzeme hazrlandktan sonra, takviye malzemesi ile el yatrmas yöntemi ile laminasyon ilemine sra gelmektedir. Laminasyon ilemi için öncelikle laminasyon yaplacak zemin üzerine ilk katmann yapmasn önlemek için cila sürülür. Daha sonra zemin üzerine polyester reçine tatbik edilir ve birinci tabaka cam elyaf serilir. Serilen elyafn üzerine frça ile polyester emdirilerek elyaf polyestere doyurulur, :ekil 2.7.

39 31 :ekil 2.7 Elyafa polyester uygulanmas. Numunelerin yüzey kalnl 3 mm olduundan, 3 kat cam elyaf sra ile ayn ilemden geçirilerek bir yüzey tamamlanr. Tamamlanan yüzey üzerine, yine polyester sürülerek PVC çekirdek malzemesi yaptrlr, :ekil 2.8. :ekil 2.8 Çekirdek malzemenin yaptrlmas. Çekirdek malzemenin yapmasn tamamlamas için kürlenme süresi kadar (yaklak 25 dakika) beklenilmitir. Kürlenmesini tamamlayan polyester katlaarak yüzeyi ve çekirdek malzemeyi yaptrdktan sonra kaldrlmtr. Hemen akabinde ikinci yüzeyin hazrlanma ilemi balamtr. 8kinci yüzeyin laminasyonu ayn ekilde 3 kat halinde hazrlandktan sonra, bir yüzeyi ile ilk yüzeye yapk durumdaki çekirdek malzemelerin dier yüzeylerine de polyester sürülüp hazrlanan ikinci yüzey üzerine braklr ve kürlenme süresi kadar beklenir :ekil 2.9.

40 32 :ekil 2.9 Sandviç kompozitin hazrlan. Kürlenme süresi sonunda numuneler erit testere ile birbirinden ayrlrlar, :ekil2.10. :ekil 2.10 Sandviç kompozit numune. Son olarak hazrlanan sandviç kompozit numunelere uygulanacak olan Mode I çekme deneyi için menteelerin laminasyonu ve 25,4mm balangç krnn açlmas ilemi gerçekletirilir, :ekil Menteelerin laminasyonu için yine yüzey malzemesi olan keçe elyaf ve polyester reçine kullanlmtr. :ekil 2.11 Mode I deneyi için hazrlanm sandviç kompozit numune.

41 K7r7lma Toklu3u Kavram7 Krlma tokluu, malzemenin krlmaya gösterdii direnci ve malzemeyi hasara uratmak için gerekli olan ii gösteren çok önemli bir karakteristik özelliktir. Krlma tokluu gerilme-ekil deitirme grafii altnda kalan alan ile orantldr. Bilindii gibi malzemeler krlgan ve düktil olarak ayrlr, ve tipik olarak :ekil 2.12 ile gösterildii gibi gerilme-ekil deitirme grafikleri vardr. Bu iki tür malzemeyi karlatracak olursak, krlgan malzemenin yüksek gerilmeye, düktil malzemenin ise yüksek ekil deitirme özelliine sahip olduu görülmektedir. Krlgan malzemeler genelde yüksek gerilme deerlerine sahip olmalarna ramen, statik gerilme deerlerinden daha düük gerilme deerlerinde ortaya çkan ve malzemenin hasarna yol açan krk ilerlemesine kar hassastrlar. Bu nedenle tasarmclar genellikle daha düük gerilme deerine sahip fakat daha yüksek krlma tokluuna sahip olan düktil malzemeleri tercih ederler. :ekil 2.12 Gerilme - ekil deitirme grafii.1: Krlgan malzeme, 2 Düktil malzeme. (Vasiliev, 2001) Krlma tokluu ile statik mukavemet arasndaki iliki :ekil 2.13 ile verilmitir.

42 34 :ekil 2.13 Krlma tokluu statik mukavemet arasndaki iliki. 1: Metalik malzeme, 2: Kompozit malzeme. (Vasiliev, 2001) Grafikte görüldüü gibi metalik malzemelerin statik mukavemet deerleri artnda krlma tokluu deerlerinde düü olmaktadr. Kompozit malzemelerde ise bu durumun tam tersi olarak artan statik mukavemet artan krlma tokluuna sebep olmaktadr. Kompozit malzemelerdeki bu farkn nedeni ise hacimsel lif dalmndan kaynaklanmaktadr, :ekil Kompozit malzeme içindeki lif oran art statik mukavemetin artna, ve böylece yorulma mukavemetinin ve krlma tokluunun artna neden olmaktadr (Vasiliev, 2001). :ekil 2.14 Boron Alüminyum kompozitte, v f hacimsel lif dalmnn, statik mukavemete (1), krlma tokluuna (2), ve yorulma mukavemetine(3) etkisi. (Vasiliev, 2001)

43 35 Kompozit malzemelerdeki bu farkl davrann sebebi, kompozit malzemelerin heterojen mikroyapya sahip olmas, ve özellikle serbest krk ilerleyiini snrlayan lif-matris ara yüzeydir Krlma Mekani*i Analizi Malzemelerin karakteristik özellii olarak bahsedilen krlma tokluunun ölçülmesi için literatürde iki farkl yaklamdan bahsedilmektedir. Birinci yaklam 1920 ylnda A. A. Griffith tarafndan bulunan Gerilme Büyüklüü Faktörü yaklamdr (Dowling, 1998). Griffith analizi orijinal olarak homojen, izotropik malzemeler için gelitirilmitir. Bununla beraber en büyük dezavantaj, bu yaklam uygulanrken krk sonundaki gerilme analizine ihtiyaç duyulmasdr. Bu krk sonundaki bölgenin gerilme analizi deiik yükleme durumlarnda bir çok krk geometrisinde gerçekletirildii için, anizotropik malzemelerde matematiksel zorluklar nedeniyle kstl durumlarda yaplr. 8kinci yaklam ise, gerilme büyüklüü faktörü yaklamna alternatif olan, çok kullanl ve anlamas kolay olan Aça Çkan :ekil Deitirme Enerjisi Oran yaklamdr. Bu ikinci yaklam ile izotropik ve anizotropik malzemeler için ayn deerde geçerli sonuçlar elde edilir, ve buradan aça çkan ekil deitirme enerjisi oran yaklamnn, gerilme büyüklüü faktörü yaklam ile de ilikili olduu anlalmaktadr. Bu nedenle, aça çkan ekil deitirme enerjisi oran yaklamnn, deneysel ve bilgisayarl krk ilerlemesi çalmalarnda güçlü bir araç olduu kantlanmtr (Gibson, 1994). Bu tez kapsamnda yaplan deneysel çalmada da aça çkan ekil deitirme enerjisi oran yaklam kullanlmtr. Bu nedenle bu yaklamn incelenmesinde yarar vardr.

44 Aç/'a Ç/kan 0ekil De'i)tirme Enerjisi Yakla)/m/ :ekil 2.15 (a): Tek taraftan çekilen plaka (b): yük-deplasman grafii. (Gibson, 1994) :ekil 2.15(a) ile gösterildii gibi, kalnlk boyunca 2a krkl dorusal elastik plakann, tek yönden bir P yükü ile çekildiini düünelim. Yüksüz durumdan arta geçen P yükü, yük deplasman grafiinde, :ekil 2.15(b), dorusal bir art görülmesine neden olur. :imdi burada yük P 1, deplasman u 1 deerine ulatnda krk ilerlemesinin a kadar olduunu kabul edelim. Bu krk ilerlemesi yükte P kadarlk düüe, deplasmanda ise u kadarlk arta neden olur. Krk ilerlemesinin oluumundan hemen önce, plakada depolanan potansiyel enerji U, :ekil 2.15(b) de OAC üçgenin alanna eittir. Krk ilerlemesi ile aça çkan potansiyel enerji U, :ekil 2.15(b) de OAB üçgeninin alanna eittir. Artan u deplasman süresince, plakaya yaplan artan i W dir ve ABDC yamuk alanna eittir. Bu durumda Mod I krk deformasyonu için aça çkan ekil deitirme enerji oran G I, veya krk ilerleme alan A ile ilikili olarak ekil deitirme enerjisindeki deiim oran, öyle tanmlanr (Gibson,1994): G I W U dw du lim = (2.1) A 0 A da da = u: deplasman, P: yük olmak üzere; sistem uygunluu s, öyle verilmektedir:

45 37 s = u p (2.2) olur Böylece :ekil 2.15(a) ile verilen plakann potansiyel enerjisi Denklem (2.3) e eit U Pu == sp (2.3) ve du da P = sp + A 1 2 P 2 s A olur. (2.4) Krk ilerlemesi boyunca artan i yaklak olarak W = P( u) dr (2.5) ve dw da W u u d P 2 s = lim = lim P = P = P ( sp) = Ps + P (2.6) A0 A A0 A A da A A Denklem (2.4) ve (2.6), Denklem (2.1) de yerine koyulur ise: G I 2 P = 2 s A bulunur (2.7) Sabit t kalnlnda bir plaka için A = ta dr ve böylece G I 2 P = 2 t s a olur (2.8)

46 38 Böylece sistem uygunluunu, krk uzunluunun fonksiyonu olarak çizerek ve uygulanan yük (P) ile ilgili olarak ds/da erisinin eimini bularak, G I krlma tokluunu hesaplayabiliriz. Mod I krk deformasyonu P c ve (ds/da) c cinsinden, kritik aça çkan ekil deitirme enerji oran G Ic,: G IC P s t a 2 c = 2 c olur. (2.9) Deney ile çalma yapan bilim insanlarnn bak açs ile bakacak olursak, gerekli bütün parametreler deney numunesi üzerinden ölçülebildii için malzeme veya krk gerilme dalm ile ilgili bilgi gerekmemesi Denklem (2.9) un en bariz avantajdr. :unu da eklemek gerekir ki, Denklem (2.9) hem izotropik hem de anizotropik malzemeler için geçerlidir. Aça çkan ekil deitirme enerjisi oran yaklamnn dier bir önemli avantaj da gerilme büyüklüü faktörü yaklam ile ilikili olmasdr. Irwin tarafndan gösterildii gibi (Gibson, 1994), düzlemsel gerilmeye maruz izotropik malzemelerin Mod I krk deformasyonu için iki yaklam arasndaki iliki: K = G 2 I I E / dir (2.10) Buradan kritik gerilme büyüklüü faktürü ve kritik aça çkan ekil deitirme enerjisi oran arasndaki iliki: K = G 2 IC IC E / olur (2.11) Bu iliki kompozit malzemenin G Ic (aça çkan enerji) deerinden K Ic (gerilme büyüklüü faktörü) deerini veya tam tersini hesaplamada kullanlr. (2.10) ve (2.11) / denklemlerinde E olarak görülen deer, numunenin kalnlna göre farkllk gösterir. Bu farkllk çok ince olan numuneler için Denklem (2.12) ile, kalnl çok ince olmayan numuneler için Denklem (2.13) ile verilmitir. Bu iki durum arasndaki

47 39 fark oluturan, boyuna göre çok ince olan numunelerde = 0 z olmas dier durumda ise bu eitliin bozulmasdr.(perez, 2004). Numune kalnlnn krlma tokluuna etkisi ayrca :ekil 2.16 ile daha net görülmektedir. E / = E E E / = 1 E: Elastisite modülü : Poisson oran (2.12) (2.13) :ekil 2.16 Numune kalnlnn krlma tokluuna etkisi. (Perez,2004) Mod I K/r/k Deformasyonu Deneyi Krlma tokluunu aratrmak için uygulanan çekme deneyinde malzemeyi üç farkl mod ile veya bu modlarn kombinasyonlar ile yüklemek mümkündür, :ekil Bu modlardan Mod I, açma modu olarak adlandrlr ve krk yüzeylerin basitçe birbirinden ayrlmas eklinde gerçekleir. Mod II, kayma modu olarak adlandrlr ve krk yüzeylerin kr yönlendiren kenarn normali dorultusunda birbirleri üzerinde kaymas eklinde gerçekleir. Mod III, yrtlma modu olarak adlandrlr ve krk yüzeylerin birbirleri üzerinde bu defa kr yönlendiren kenarn normal

48 40 dorultusuna dik olarak kaymas eklinde gerçekleir. Mod I çekme yükü ile meydana gelirken Mod II ve Mod III durumu farkl dorultulardaki kesme yükü ile meydana gelir. :ekil 2.17 Temel krk yüzeyi ilerleme modlar. (Dowling, 1998) Çalma koullarnda oluan çatlak veya krk ilerlemesi genellikle bu modlarn üçünün bileimi eklinde görülür. Oysa deneysel çalmalarda bu modlarn her biri ayr birer deney ile incelenir. Örnein mühendislikteki krk problemleri arlkl olarak çekme gerilmesinden dolay Mod I ile ilgilenmektedir. Mod I delaminasyonu genilik boyunca kademeler aras bölgenin çekiye olan zayfln belirgin olarak gösterdii için çok ilgilenilmektedir (Gibson, 1994). Muhtemelen Mod I deneyi için en fazla kullanlan numune, ilk olarak yapkan balarn krlma analizleri için gelitirilmi ve sonradan katmanl kompozit malzemelerde tabakalar aras krk için adapte edilmi olan, çift yönlü ankastre kiri numunesidir. Çift yönlü ankastre kiri numunesinde yük, iki taraftan ayn anda birbirine ters yönlerde uygulanr. Bu durumda Mod I krk açlmas orta düzlem boyunca gerçekleir. Bu tezin konusu olan denizcilikte kullanlan GRP/PVC sandviç kompozit malzemelerin krlma tokluu Mod I deneyi ile aratrlmtr.

49 BÖLÜM ÜÇ UYGULANAN MOD I DENEY VE SONUÇLARI 3.1 Uygulanan Mod I Deneyi :ekil 3.1 ile ön krkl Mod I deney numunesi, Tablo 3.1 ile numunenin boyutlar verilmitir. Üretilen 10 adet GRP/PVC numunesinden 5 adedine, deniz suyunun numuneler üzerindeki etkilerini görebilmek amacyla, öncelikle korozyon testi uygulanmtr. Bunun için numunelerin çekirdek yüzeyleri epoksi boya ile boyanp, numuneler Türk Standartlar Enstitüsünde (TSE) % 5 tuz çözeltisinde 120 saat tutulmutur. :ekil 3.1 Ön krkl Mod I deney numunesi. Tablo 3.1 Numune Boyutlar Uzunluk, l Yüzey kalnl, t s Çekirdek kalnl, t c Genilik, b Balangç Çatla 305 mm 3 mm 15 mm 38 mm 25 mm Deneyin yapld cihaz :ekil 3.2 ile gösterilmitir. Cihaz Schmadzu AG-50kNG model olup 50kN çekme yükü uygulayabilmektedir. Deney 21 0 C scaklk ve % 50 bal nem koullarnda yaplmtr. 41

50 42 :ekil 3.2 Deney cihaz. Deney için cihazn progranabilirlik özelliinden yararlanlm olup kullanlan program Tablo 3.2 ile verilmitir. Ayrca deney cihazna bal bilgisayarda deney ile e zamanl yük-deplasman grafii olumutur. Deney cihaz herhangi bir kalibrasyon bozulmasna karn 10 N luk bir ön yükleme ile programlanmtr, her admdan sonra çeneler 10 N luk yüklemeye geri döndüünde grafik üzerinde kapal alan olumutur. Program sekiz döngüden olumaktadr. Sekiz adet döngü için deplasman admlar 4 mm, 6 mm, 10 mm, 16 mm, 26 mm, 38 mm, 52 mm ve 70 mm olarak belirlenmitir. Çene hareket hzlar ilerleme için 4 mm/dk geri dönü de ise 15 mm/dk olarak belirlenmitir. Her adm bitiminde geri dönü balamadan önce 60 saniyelik bekleme süresi verilmi bu süre içinde numune üzerinden çatlak boyu manuel olarak 0,01 hassasiyetli digital kumpas ile ölçülmü ve not edilmitir. Bu adm için yük deerini cihaz kendisi ekrannda göstermektedir. Tablo 3.2 Mod I deneyinde kullanlan program Komutlar Parametre Birim Control Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Load>= 10 N Birinci Döngü

51 43 Stop Get Data Up Stroke>= 4 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 6 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 10 mm Stop Get Data Timer 60 sec 8kinci Döngü Üçüncü Döngü

52 44 Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 16 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 26 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Beinci Döngü Dördüncü Döngü Altnc Döngü

53 45 Up Stroke>= 38 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 52 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Down Load<= 10 N Stop Get Data Speed 4 mm/min Up Stroke>= 70 mm Stop Get Data Timer 60 sec Get Data Speed 15 mm/min Yedinci Döngü Sekizinci Döngü

54 46 Down Load<= 10 N Stop Get Data End :ekil 3.3 ile deney cihazna numunenin balanma ekli, :ekil 3.4 ile yükdeplasman grafii örnei gösterilmitir. :ekil 3.3 Deney cihazna numunenin balanmas. :ekil 3.4 Yük deplasman grafii örnei (numune kuru 3).

55 47 Numunelerin krlma tokluunun hesaplanabilmesi için bilmesi gereken yük deplasman grafiindeki kapal alanlarn deeri LUCIA 4.51 paket program yardm ile bulunmutur. Bunun için deney cihazna bal olarak çalan bilgisayardan saniyede iki veri alarak çizdii yük deplasman grafiinin koordinatlar.txt dosyas olarak alnp bu koordinatlar ile Excel paket programnda grafik çizdirilmitir. Bu grafik LUCIA 4.51 paket programnn kabul edecei bir dosya biçiminde (.jpeg) kaydedilmitir. Kaydedilen grafik LUCIA 4.51 paket programnda açldktan sonra, her bir kapal alan içinde kalan piksellerin saylmas yoluyla bir alan hesap edilmitir. Ayrca grafik üzerinden program kalibre edilip 1kNmm lik alann gerçekte kaç piksele denk olduu bulunmutur. Bulunan bu deer her bir kapal alan için düzeltme faktörüdür. Yani programdan bulunan her bir kapal alan deeri düzeltme faktörü ile çarplarak gerçek deer elde edilir. Örnek olarak yük-deplasman grafiinin verildii kuru 3. numunenin ilk krk admnn krlma tokluu hesab gösterilmitir. Hesapta kullanlan formül (Shivakumar ve Smith, 2004) (Kolat vd, 2006): G IC P s = t a 2 c = 2 c G c E = 1 dr. (3.1) b a Burada; Gc: Numunenin kritik krlma tokluu, b: Numunenin genilii, E :Krk ilerlemesi ile aça çkan enerjiye bal yük-deplasman grafii altnda kalan alan, a : Krk ilerleme miktardr. Örnek olarak kuru 3. numunenin ilk döngüdeki krlma tokluunu hesaplarsak: Numune genilii b= 38 mm, Grafik üzerindeki LUCIA paket program ile bulunan ilk alan = 66,87 piksel 1 Düzeltme faktörü = knmm/piksel 445,76 8lk alann gerçek deeri Krk ilerleme miktar Gc 1 = 1 0,038 0,15 0, E 1 = 66,87* =0,15 knmm (Joule) 445,76 a = 7,44 mm = 530,560 J/m 2 = 0,53056 kj/m 2 bulunur. Kuru 3. numunenin krlma tokluu ise tüm döngülerin krlma tokluklarnn ortalamasdr.

56 Deney Sonuçlar7 :ekil 3.5 ile kuru numunenin deneyinden bir örnek görüntü ve :ekil 3.6 ile tuzlu suda bekletilmi numunenin deneyinden bir görüntü örnek olarak verilmitir. :ekil 3.5 Kuru numunenin deneyinden bir örnek görüntü. :ekil 3.6 Tuzlu suda bekletilmi numunenin deneyinden bir görüntü.

57 Kuru Numunelerin Sonuçlar Kuru 1. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafii :ekil 3.7 ile verilmektedir. :ekil 3.7 Kuru 1. numune yük-deplasman grafii. Kuru 2. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafii :ekil 3.8 ile verilmektedir. :ekil 3.8 Kuru 2. numune yük-deplasman grafii.

58 50 Kuru 3. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafii :ekil 3.9 ile verilmektedir. :ekil 3.9 Kuru 3. numune yük-deplasman grafii. Kuru 4. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafii :ekil 3.10 ile verilmektedir. :ekil 3.10 Kuru 4. numune yük-deplasman grafii. Kuru 5. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafii :ekil 3.11 ile verilmektedir.

59 51 :ekil 3.11 Kuru 5. numune yük-deplasman grafii. Kuru numunelerin her döngü için deney sonuçlar Tablo 3.3 ile verilmektedir. Tablo 3.3 Kuru numunelerin deney sonuçlar K7r7lma toklu3u, Gc ( kj/m 2 ) 1.Döngü 2.Döngü 3.Döngü 4.Döngü 5.Döngü 6.Döngü 7.Döngü 8.Döngü ,391 0,494 0,588 0,315 0, ,709 0,480 0,427 0,496 0,722 0, ,530 0,306 0,173 0,960 0,427 0, , ,326 0,550 0,412 0,669 0,379 0,446 0,462 0, ,770 0,578 0, Kuru numunelerin krlma tokluklar Tablo 3.4 ile verilmitir. Tablo 3.4 Kuru numunelerin krlma tokluklar ( kj/m 2 ) 1. Numune 2. Numune 3. Numune 4. Numune 5. Numune Ortalama Standart Sapma 0,453 0,558 0,531 0,467 0,663 0,534 ± 0,159 Kuru numunelerin krlma tokluu grafii :ekil 3.12 ile verilmitir.

60 52 PVC Kuru Krlma Toklu+u, Gc (kj/m 2 ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Çatlak &lerlemesi (mm) G (Hesaplanan Alanlar) Ortalama Standart Sapma :ekil 3.12 Kuru numuneler krlma tokluu grafii Tuzlu Suda Bekletilmi Numunelerin Deney Sonuçlar Tuzlu suda bekletilmi 1. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.13 ile verilmitir. :ekil 3.13 Tuzlu suda bekletilmi 1. numune yük-deplasman grafii. Tuzlu suda bekletilmi 2. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.14 ile verilmitir.

61 53 :ekil Tuzlu suda bekletilmi 2. numune yük-deplasman grafii. Tuzlu suda bekletilmi 3. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.15 ile verilmitir. :ekil 3.15 Tuzlu suda bekletilmi 3. numune yük-deplasman grafii. Tuzlu suda bekletilmi 4. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.16 ile verilmitir.

62 54 :ekil 3.16 Tuzlu suda bekletilmi 4. numune yük-deplasman grafii. Tuzlu suda bekletilmi 5. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.17 ile verilmitir. :ekil 3.17 Tuzlu suda bekletilmi 5. numune yük-deplasman grafii. Tuzlu suda bekletilmi numunelerin her döngü için deney sonuçlar Tablo 3.5 ile verilmektedir.

63 55 Tablo 3.5 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin deney sonuçlar K7r7lma toklu3u, Gc ( kj/m 2 ) 1.Döngü 2.Döngü 3.Döngü 4.Döngü 5.Döngü 6.Döngü 7.Döngü 8.Döngü 1. 0,378 0,509 0,388 0,396 0,523 0,504 0,411 0, , ,730 0,633 0,712 0,656 0,684 0, ,266 0,631 0,627 0,423 0,446 0,513 0,377 0, ,865 0,258 0,532 0,624 0,499 0,708 0, ,526 0, ,653 0,704 0,493 0,973 0,473 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin krlma tokluklar Tablo 3.6 ile verilmitir. Tablo 3.6 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin krlma tokluklar ( kj/m 2 ) 1. Numune 2. Numune 3. Numune 4. Numune 5. Numune Ortalama Standart Sapma 0,434 0,633 0,461 0,574 0,6 0,540 ± 0,157 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin krlma tokluu grafii :ekil 3.18 ile verilmitir. PVC Tuzlu Suda Bekleyen Krlma Toklu+u, Gc (kj/m 2 ) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Çatlak &lerlemesi (mm) G (Hesaplanan Alan) Ortalama Standart Sapma :ekil 3.18 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin krlma tokluu grafii.

64 56 Kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilmi karlatrmal grafii :ekil 3.19 ile verilmitir. numunelerin krlma tokluu 0,7 Krlma Toklu+u, G c (kj/m 2 ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Kuru Tuzlu Suda Bekleyen :ekil 3.19 Kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilmi numunelerin krlma tokluu karlatrmal grafii.

65 BÖLÜM DÖRT SONLU ELEMANLAR ANALZ 4.1 Numunelerin Mekanik Özelliklerinin Bulunmas7 Analiz için gerekli veri olan numunelerin elastisite modülleri ve Poisson oranlar yaplan çekme deneyi ile bulunmutur. Yaplan deney sonuçlar Tablo 4.1 ve 4.2 ile verilmektedir. Tablo 4.1 Kuru numune çekme deneyi sonuçlar Yük, F (N) Çekme ekseninde Kekil Çekme eksenine dik Kekil de3iktirme, T 1 (µ) de3iktirme, T 2 (µ)

66 58 Tablo 4.2 Tuzlu suda bekleyen numune çekme deneyi sonuçlar Yük, F (N) Çekme ekseninde Kekil Çekme eksenine dik de3iktirme, T 1 (µ) Kekil de3iktirme, T 2 (µ) Numuneler için ölçülen bu deerlerden yük, deney cihaznn ekranndan okunmu, çekme yönündeki ekil deitirme T 1 ve çekme yönüne dik ekil deitirme T 2 deerleri ise mikron olarak ayrca balanan straingage göstergesinden okunmutur. Uzama miktarlarnn birimsizletirme için ilem yapmadan önce 10-6 ile çarplmas gerekmektedir. Numunelerin elastisite modüllerinin hesab için 10 adet _F ve _T 1 deerleri hesaplanr. _F deeri numune çekme kesit alan olan 0,003*0,038 m 2 ile bölünerek _` gerilme deeri bulunur. Bulunan her bir _` ve _T 1 deeri için E 1 deeri bulunur. n = F n A N m 2 (4.1) A= 0,003*0,038= 0, m 2

67 59 E n 6 n 10 = n N m 2 (4.2) Hesaplanan on adet elastisite modülünün ortalamas elastisite modülleri bulunur. alnarak numunelerin Numunelerin Poisson orann bulmak için benzer olarak on adet _T 1 ve _T 2 hesaplanr ve on adet n bulunur. Poisson oran hesab için bulunan on adet n deerinin ortalamas alnr. n 2 = 1 (4.3) Yaplan bu hesaplamalar sonucu kuru numune için ve tuzlu suda bekleyen numune için bulunan elastisite modülleri ve Poisson oranlar Tablo 4.3 ile verilmitir. Tablo 4.3 Numunelerin elastisite ve Poisson oranlar Kuru Numune Tuzlu Suda Bekleyen Numune Elastisite Modülü (GPa) 9,58 9,56 Poisson Oran 0,321 0, Sonlu Elemanlar Analizi Sonlu elemanlar analizi Ansys paket program ile yaplmtr. Sonlu elemanlar analizi için seçilen eleman tipi PLANE 82 sekiz düümlü elemandr. Analiz için iki boyutlu numune modeli ve uygulanan snr artlar :ekil 4.1 ve 4.2 ile görülmektedir.

68 60 :ekil 4.1 2D numune modeli. :ekil 4.2 Numune snr artlar. Analiz için çatlak ucu özel olarak tanmlanm ve elemanlara bölünmütür, :ekil 4.3.

69 61 :ekil 4.3 Çatlak ucu modellenmesi. Analiz için sonlu eleman modeli 2083 elemana bölünmü ve toplam 5902 düüm noktas için hesap yaplmtr. Yaplan analizlerde, kuru numune ve suda bekleyen numuneyi ayn koullarda analiz etmek adna, iki numune ayn snr koullar ve ayn sayda eleman ve düüm noktas ile analiz edilmitir Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçlar Kuru numune analiz sonuçlar/ Kuru numunenin analiz sonuçlarndan ekil deitirme ve gerilme grafikleri :ekil 4.4 ve :ekil 4.5 ile görülmektedir.

70 62 :ekil 4. 4 Kuru numune ekil deitirme grafii. :ekil 4. 5 Kuru numune gerilme grafii.

71 63 Kuru numune için analiz program ile bulunan gerilme büyüklüü faktörü (Stress Intensity Factor), K 1 = 0,27494*10 7 Pa m, :ekil 4.6 ile verilmitir. :ekil 4. 6 Kuru numune gerilme büyüklüü faktörü, K 1. Analiz ile elde edilen gerilme büyüklüü faktörü ile, deneysel sonuçlardan elde edilen aça çkan enerji deeri arasndaki iliki denklem 2.11, denklem 2.12 ve denklem 2.13 ile verilmitir. Bu çalmadaki numune kalnl sebebiyle düzlem ekil deitirme esasna göre hesaplamalar yaplmtr. Bu hesaplamalar sonucu 7 ( 0, ) G c = 535, , = Gc 1 0,321 J kj = 0, m m olarak bulur. Kuru numune için deneysel olarak bulunan deer G c = 0,534 kj/m 2 0,5358 0,534 Analizdeki hata oran= = 0, yani %0.336 dr. 0,5358

72 Tuzlu suda bekletilmi) numunenin analiz sonuçlar/ Tuzlu suda bekletilmi numunenin analiz sonuçlarndan ekil deitirme ve gerilme grafikleri :ekil 4.7 ve :ekil 4.8 ile görülmektedir. :ekil 4. 7 Tuzlu suda bekleyen numune ekil deitirme grafii. :ekil 4. 8 Tuzlu suda bekleyen numune gerilme grafii.

73 65 Tuzlu suda bekleyen numune için analiz program ile bulunan gerilme büyüklüü faktörü (Stress Intensity Factor), K 1 = 0,27675*10 7 Pa m, :ekil 4.9 ile verilmitir. :ekil 4. 9 Suda bekleyen numune gerilme büyüklü faktörü, K 1. Tuzlu suda bekleyen numune için denklem 2.11 ve denklem 2.12 kullanlarak yaplan hesap ile 7 ( 0, ) G c = 536,77 sonuçlar bulunur. 2 0, = Gc 1 0,33 J kj = 0, m m 10 Tuzlu suda bekleyen numune için deneysel olarak elde edilen sonuç G c = 0,540 kj/m 2 dir. 0,540 0,537 Analizdeki hata oran = = 0, yani %0,555 olarak bulunmutur. 0,540