Mkine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt:, No: 1, 015 (1-) Electronic Journl of Mchine Technologies Vol:, No: 1, 015 (1-) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikrstirmlr.com e-issn:10- Mkle (Article) Dikdörtgen Kesitli Numuneler İçin Eğilme Yorulmsı Test Cihzının İmltı Hüsein ÖZKAVAK*, Ümrn ESENDEMİR ** * Sülemn Demirel Üniversitesi TBMYO Elek. ve Oto. Böl, Isprt/TÜRKİYE ** Sülemn Demirel Üniversitesi Müh. Fk. Mk. Müh. Böl., Isprt/TÜRKİYE huseinozkvk@sdu.edu.tr Özet Endüstriel ugulmlrd birçok mlzeme, pı ve mkine elemnı değişken gerilmeler ltınd çlışırlr. Mkine elemnlrınd, pılrd ve mlzemelerde bu gerilmelerin neden olduğu çeşitli hsrlr medn gelir. Eğer bir mkine elemnı zmnl değişen gerilme ltınd bir süre çlıştıktn sonr hsr uğruor ise bu tür hsr orulm hsrı denir. Bir mlzemenin ve mkine elemnının orulm ömrü orulm deneleri ile belirlenebilir. Yorulm deneleri için değişik şekillerde numuneler ve orulm cihzlrı kullnılmktdır. Bu çlışmd dikdörtgen kesitli kompozit mlzemelerin orulm dvrnışlrını belirlemek mcıl eğilme orulm test cihzı tsrımı ve imltı pılmıştır. Arıc tsrımı ve imltı pıln bu cihzd cm-elf kompozit mlzemeden hzırlnmış dikdörtgen kesitli numunelerin orulm ömrü incelenerek S-N eğrisi çıkrılmıştır. Anhtr Kelimeler: Kompozit mlzeme, eğilme orulmsı, test cihzı tsrımı Mnifcturing of Bending Ftigue Test Mchine for Flt Shped Smples Abstrct In industril pplictions, mn mterils, structures nd mchine prts re loded or worked under the cclic stresses. Vrious filures cused b this strin in the structure of mchine elements or mteril occurs. If n mchine prt, structures or mterils which re under stresses tht vr time hve been frctured fter working for while, this kind of filure clled ftigue filure. Ftigue life of mteril or mchine components re determined b ftigue tests. Different smples nd ftigue test mchines re used for ftigue tests. The min subject of this stud is to design nd mnufcture of bending ftigue mchine nd then b using this mchine severl emple eperiments were chieved. First of ll, the bending ftigue mchine ws just designed for pltelike rectngulr cross section re specimens. specimens of plte-like rectngulr cross section re glss-fibre reinforced plstic composite (GFRC) were prepred. And this specimens were tested with different stresses b using results of eperiments one smple S-N curve ws plotted. Kewords : Composite mteril, bending ftigue, design of test mchine 1. GİRİŞ Teknolojideki gelişmelere cevp verebilecek gerek teknik gerekse ekonomik çıdn ugun mlzeme imltı mlzeme bilimcilerin çlışm konusu olmuştur. Gelişen teknolojinin ihticı oln ekonomik, Bu mklee tıf pmk için Özkvk H. *, Esendemir Ü. Dikdörtgen Kesitli Numuneler İçin Eğilme Yorulmsı Test Cihzının İmltı Mkine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 015 () 1- How to cite this rticle Özkvk H. *, Esendemir Ü. Mnifcturing of Bending Ftigue Test Mchine for Flt Shped Smples Electronic Journl of Mchine Technologies, 015 () 1-
Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Dikdörtgen Kesitli Numuneler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının üksek mukvemetli ve çok hfif mlzeme ihticı klsik mlzemelerin mkro düzede birleştirilmesile elde edilen kompozit mlzeme ile sğlnm çlışılmıştır. Endüstride birçok mlzeme çekme mukvemetinin çok ltınd tekrrlı gerilme ve şekil değişimlerine mruz klmktdır. Tekrr eden ve çevrimli üklere mruz kln prçlr tek bir sttik gerilme ugulnmsı hlinde dnbilecekleri gerilmenin çok ltındki bir gerilmede koprlr. Bu kopmlr orulm kopmsı dı verilir. Mlzemenin kullnılbilirliğine orulm özellikleri incelenerek dh ii krr verilebilir. Mlzemenin orulm özelliklerini hesplmk için genelde S-N (Wöhler) eğrileri kullnılır [1]. Mlzemelerde medn gelen orulm hsrlrının birçoğu %85-90 ornınd mlzeme htlrındn dolı değil şırı ükleme, montj htsı ve etersiz bkım gibi nedenlerden knklnmktdır. Yorulm üzerine etki eden fktörlerin krmşık ve çok sıd olmsı nedeni ile stndrtlşmış orulm denei oluşturmk mümkün olmmktdır. Kompozit mlzemeler metller gibi izotropik ve homojen olmdıklrı için hsr her zmn mkro çtlğın ilerlemesi şeklinde medn gelmez. Yorulm hsrınd görülen şmd kompozit mlzemelerde çtlk ilerleme şmsın tekbül eder []. Uz ve uçk rçlrı gibi ğırlığın önemli olduğu ugulmlrd kullnıln üksek performnslı kompozitlerin orulm dvrnışlrı incelenmiş olup ortlm gerilmenin mlzeme sbiti üzerine etkisinin düşük olduğu sonucun ulşılmıştır []. Cm-epoksi kompozit mlzemeden pılmış numunelerin deniz suu ve drbe üklerinin etkisi ltındki orulm dvrnışı incelendiğinde ise deniz suunun orulm ömrünü zlttığı sonucun ulşılmıştır []. Yorulm denei cihz tsrımı d birçok çlışm konu olmuştur. Yüksek frekns ugulmlrı için cihz tsrımı pılrk bronz ile kplnmış lüminum numunelerin eğilme orulmsı incelenerek cihzın ASTM stndrtlrın ugun olduğu belirlenmiştir [5]. Küçük rüzgr türbini kntlrının orulm dvrnışlrını belirlemek mcıl orulm dene düzeneğinin tsrlnmsı d bşk bir çlışmnın konusu olmuştur [6]. Eksntrik mlzemeler [7] ile metlik lrın [8] orulm ömürlerini belirlemek için değişik orulm dene cihzlrı tsrlnmış ve iml edilmiştir. Tomit ve rkdşlrı [9] çlışmlrınd ortlm.5,.5, 5 ve 5.5 GP çekme gerilmesine ship uzun krbon fiberlerden oluşn plstik kompozitlerin eğilme orulm dvrnışını ve kırılm meknizmsını incelemişlerdir. Pepegem ve Degrieck [10] çlışmlrınd düz örgülü cm epoksi kompozit mlzemelerin orulm dvrnışını belirleerek bu kompozitlerin orulm ltındki dvrnışının nümerik modellemesini pmışlrdır. Yunjin ve Isc [] cm elf tkvieli polester reçine kompozitlerin düşük hız drbe ve gerilmegerinme orulm dvrnışlrını incelemişlerdir. Rozumek ve Mrcinik [] çelik mlzemeden pılmış dikdörtgen kesitli numunenin orulm dnımını incelemişlerdir. Gerilme ornı R=1 için üksek devir orulm rejiminde dene pmışlrdır. Bu çlışmd, dikdörtgen kesitli kompozit mlzemeler için eğilme orulmsı test cihzının tsrımı ve imltı pılmıştır. Arıc imltı pıln cihzd cm-elf tkvieli kompozit mlzemeden üretilmiş dikdörtgen kesitli numunelerin eğme orulm özellikleri incelenerek S-N eğrisi çizilmiştir.. GENEL TEORİ Anizotropik elstisite teorisinde düzlem gerilme durumund gerilme şekil değiştirme ifdesi [1]; 16 6 16 6 (1) () ()
Özkvk H., Esendemir Ü. Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- olrk verilmektedir. Burd, S 16 6 S S sin cos S S S S Ssin S Ssin cos S cos S S Ssin cos S S S S S S sin cos S S S cos S sin cos S S S S sin cos S sin cos 1 1, S E E 1, S S sin cos 1, S E 1 G sin sin cos sin cos () şeklindedir. Şekil değiştirme bileşenleri ise; u (5) v (6) u v (7) şeklindedir [1]. Şekil 1 de serbest ucundn tekil kuvvete mruz kompozit kiriş gösterilmektedir. Şekil 1. Serbest ucundn P tekil üküne mruz kompozit kiriş Serbest ucundn P tekil üküne mruz kompozit konsol kirişin gerilme bileşenleri şğıdki gibidir [15]:
Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Dikdörtgen Kesitli Numuneler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının P P 16 b (8) I I 0 (9) P b (10) I Bu kiriş için eğilmeden dolı oluşn genel sehim denklemi şu şekildedir [15]: P ( 16 6) b 16 6 16 l l () I 6 6 () denkleminde 0, 0 zılrk mksimum sehim elde edilir: P l m I () Burd, I tlet moment olup, dikdörtgen kesit için. MALZEME VE METOT h b I olrk lınmıştır. Günümüze kdr pıln çlışmlr incelendiğinde değişik gerilme ltınd ve frklı ortmlrd çlışn kompozit mlzemelerin orulm dvrnışlrı belirlenmee çlışılmıştır. Arıc bu kompozit mlzemelerden üretilmiş ve frklı mçlr için kullnıln mkine elemnlrının orulm dvrnışlrını belirlemek için orulm cihz tsrımı ve imltı pılmıştır. Ypıln cihzlrd örnek ugulm pılrk cihzın kullnılbilir olup olmdığı belirlenmiştir. Bu çlışmd, dikdörtgen kesitli kompozit mlzemeler için eğilme orulmsı test cihzı tsrımı ve imltı pılmıştır. Arıc imltı pıln cihz kullnılrk cm-elf kompozit mlzemenin orulm dvrnışı belirlenmiştir.. DENEYSEL ÇALIŞMA.1. Yorulm Test Cihzının Tsrımı ve İmltı Çlışmd cm-epoksi mlzemeden pılmış dikdörtgen kesitli numuneler için eğilme orulmsı dene cihzı tsrımı pılırken dh önceki çlışmlrd düz örgülü cm/epoksi kompozit mlzemelerin eğme orulmsınd kullnıln düzlemsel eğme gerilmesi orulm cihzı bz lınmıştır [1, 10]. Tsrımı pıln cihzı diresel hreketi doğrusl hrekete çeviren elemn, genlik r volnı, hreket iletim elemnı, prç tşııcı mili, prç tşııcı milleri sbitleme milleri, numune sbitleici, tşııcı milleri bğlntı prtı ve cihz sehpsındn oluşmktdır. Yorulm cihzı prçlrının tsrımı Solidworks progrmı kullnılrk pılmıştır. Tsrımı pıln cihzın şemtik şekli Şekil de verilmektedir [].
Özkvk H., Esendemir Ü. Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Şekil. Yorulm test cihzının şemtik şekli Tsrımı pıln her bir prç tek tek iml edilmiş ve montjı pılmıştır. Numune bğlm prtı numunenin kmsını engelleecek şekilde iml edilmiştir. Sistemin rijitliğini ve mukvemetini sğlmk için prçlr cihz sehpsın knkl sbitlenmiş ve sehp klrın kuçuk tkoz konulmuştur. Arıc cihz imltı pılırken kompozit mlzeme pısının etkilenmemesi için test sırsınd üksek sıcklığın oluşmsı engellenmiştir. Numunenin kç tekrr sısınd (N) koptuğunu belirlenmek mcıl hneli (10 tekrr sm kpsiteli) hesp mkinesi cihz monte edilmiştir. Arıc kırıln numunei lgılıp, motoru durdurmk mcıl stop sistemi tsrlnmıştır. Ypıln dene cihzının genel görünüşü Şekil de verilmektedir []. 5
Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Dikdörtgen Kesitli Numuneler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının Şekil. Yorulm test cihzının genel görünüşü Yorulm cihzı üksek freknslı ve genlik rlı olup, mlzemei çift önde eğme pmk suretile mksimum olrk ormktdır. Şekil değiştirme ornı (R), çift önde ükleme pıldığı için tm değişken üklemeli (R=-1) olrk belirlenmiştir... Cm-Elf Kompozit mlzemenin Eğilme Yorulm Dnımının Belirlenmesi Çlışmd kullnıln cm-elf tkvieli epoksi kompozit mlzeme İZOREEL (Kompozit İzole Mlzemeler, İzmir) firmsınd üretilmiş olup meknik özellikleri Tblo 1 de verilmiştir. Tblo 1. Çlışmd kullnıln kompozit mlzemenin meknik özellikleri E 1 (MP) E (MP) G (MP) υ 850 850 70 0,5 Yorulm denei için hzırlnn dikdörtgen kesitli numune şekli ve boutlrı Şekil de verildiği gibidir. 6
Özkvk H., Esendemir Ü. Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Şekil. Dikdörtgen kesitli numune şekli ve boutlrı Denklem () den dikdörtgen kesitli numunenin genlik hesbı pılmıştır. Cm-elf kompozit mlzemenin mksimum eğme gerilmesi değeri (8) nolu denklemden 16 MP olrk bulunmuştur. Gerilme rlığı 0 MP ile 10 MP rsınd belirlenmiştir. Cm-elf kompozit mlzemee it Gerilme- Genlik değişim grfiği Şekil 5 de verilmektedir. Şekil 5. Cm-elf mlzeme için gerilme-genlik değişimi Bir mkine elmnınd medn gelen şekil değiştirme ve gerilmelerin belirlenmesinde hesp ve dene (strin-gge ve gerilme optik) öntemleri kullnılır. İmltı pıln orulm cihzındn elde edilen uzm miktrının doğruluğunu belirlemek için strin-gge öntemi kullnılmıştır. Cihzdn elde edilen değerler ile strin-gge den elde edilen değerler rsındki frk dr tolerns içinde klck şekilde cihz tsrlnmış ve iml edilmiştir. Bölelikle cihzd okunn uzm değerlerinin klibrsonu pılmıştır. 5. TARTIŞMA Çlışmd, dikdörtgen kesitli cm-elf tkvieli epoksi kompozit mlzemelerin eğme orulmsı denelerini pbilecek orulm cihzı tsrımı ve imltı pılrk örnek bir ugulm ile cihz test edilmiştir. İmltı pıln cihz tüm mühendislik mlzemelerinin eğme orulm deneleri pbilecek üniversl bir orulm cihzı niteliğindedir. 7
Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Dikdörtgen Kesitli Numuneler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının Cm-elf tkvieli kompozit mlzemeler için nkstre türü eğme denei gerçekleştirilmiş olup; eğme dnım değeri σ =16 MP olrk belirlenmiştir. Çlışmd pıln örnek orulm deneinde ugulnn tm değişken eğme gerilmesi değerleri ve hsrın ort çıktığı çevrim sılrı (S-N değerleri) Tblo de verilmiştir. Tblo. Yorulm deneinde ugulnn gerilme değerleri ve bun krşılık belirlenen çevrim sısı değerleri Ugulnn Eğme Gerilmesi (MP) Çevrim Sısı (N) 10 5 0 010 100 980 80 57 60 76 55 9800 50 1580 5 580 5 86 0 10 0 01060 Tblo de verilen değerlere göre çizilen S-N eğrisi Şekil 6 d verilmektedir. Şekil 6. Cm elf kompozit mlzemee it S-N eğrisi Yorulm denei öncesinde cm elflrın mtris mlzeme içinde dğılımı, düzeni ve homojenliğini belirlemek mcıl ve orulm dene sonrsındki liflerdeki değişimin belirlenmesi mcıl görüntüler lınmıştır. Yorulm denei öncesi lınn görüntüler incelendiğinde liflerin mtris içinde düzenli dğılımı ve örgü pısı görülmektedir (Şekil 7.). 8
Özkvk H., Esendemir Ü. Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Şekil 7. Yorulm denei öncesi ışık mikroskobu görüntüleri Bunun nınd kompozit mlzemenin üretimi sırsınd giderilmiş frklı geometride boşluk gözlemlenmiştir (Şekil 7.b). Yorulm denelerinde üksek gerilme ugulnmsı durumund numuneler şırı zorlnmıştır. 10 MP gerilme ugulnmış orulm numunesine it görüntü Şekil 8 de verilmektedir. Şekil 8. Yorulm hsrın uğrmış kompozit mlzemee it ışık mikroskobu görüntüleri Şekil 8. ve b de şırı zorlnm sonucu hsr uğrmış lifler ve bu liflerde medn gelen kopm çıkç gözlemlenmiştir. Şekil 8.c de numunenin hsr bölgesine kın noktlrınd hv boşluklrının vrlığı belirlenmiş nck bu bölgelerde hsr oluşmmıştır. Küresel şekilli boşluklrın gerilme ığılmsın neden olmdığı belirlenmiştir. 9
Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1- Dikdörtgen Kesitli Numuneler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının Yorulm denei sonuçlrı ile dh önceki çlışmlrd elde edilen sonuçlrın [16] uum içinde olmsındn dolı tsrımı ve imltı pıln dene cihzının kullnılbilir olduğu belirlenmiştir. 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Tsrımı ve imltı pıln cihzd devir sısı (ve dolısıl freknsı) ve numunenin mksimum sehim miktrı (gerilme genlik değeri ) rı pılbilmektedir. Freknsın değiştirilebilmesi frklı mühendislik mlzemelerinin dene cihzınd orulm denelerinin pılbilmesine imkân vermektedir. Cm elflı tkvieli kompozit mlzemede tm değişken eğme gerilmeli levh şekilli numunelerin orulm deneleri sonucund orulm dnım değeri 0MP mertebesinde elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlr litertürle uum içinde olduğundn tsrımı ve imltı pıln tm değişken eğme gerilmeli levh şekilli numuneler için orulm dene cihzının kullnılbilir olduğu sonucun vrılmıştır. TEŞEKKÜR Bu çlışm, SDÜ BAP 79-YL1- Dikdörtgen Kesitli Kompozit Mlzemeler için Eğilme Yorulmsı Test Cihzının Tsrımı ve Örnek Ugulm bşlıklı proje kpsmınd gerçekleştirilmiştir. Bilimsel Arştırm Projeleri Yönetim Birimi Bşknlığı n ktkılrındn dolı teşekkür ederiz. 6. KAYNAKLAR 1. Er, M., 006. Yüksek Freknslı, Genlik Arlı Eğilme Yorulmsı Test Cihzı Tsrımı ve 00-H1 Alüminum Levhsının Eğilme Yorulmsı Dvrnışının İncelenmesi. Blıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisns Tezi, 10s, Blıkesir.. Özkvk, H., 01. Dikdörtgen Kesitli Kompozit Mlzemeler İçin Eğilme Yorulmsı Test Cihzının Tsrımı ve Örnek Ugulm. Sülemn Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisns Tezi, 68s, Isprt.. Abd Allh, M.H., Abdin, E.M., Selm, A.I., Khsbb, U.A., 199. Short Communiction Effect of Men Stress on Ftigue Behviour of GFRP Pultruded Rod Composites. Composites Prt A, 8, 87-91.. Deniz, M.E., Özen, M., Özdemir, O., Krkuzu, R., İçten, B.M., 01. Enviromentl Effect on Ftigue Life of Glss-Epo Composite Pipes Subjected to Impct Loding. Composites Prt B,, 0-. 5. Ghielmetti, C., Ghelichi, R., Guglino, M., Ripmonti, F., Vezzu, S., 0. Development of Ftigue Test Mchine for High Frequenc Applictions. Procedi Engineering, 10, 89-897. 6. Li, F.-M., Yng, S.-H., Wu, J.-H., Hsueh, C.-T., Yng, C.-C., Wng, B.-H., Ln, C.-H., 0. Development of Ftigue Test Sstem for Smll Composite Wind Turbine Bldes. Procedi Engineering, 1, 00-01. 7. Burhn, M., Çvdr, K., 010. Eksntrik Y Yorulm Cihzının Tsrımı ve İmltı. Uludğ Üniversitesi, Mühendislik-Mimrlık Fkültesi Dergisi, 15 (1), -0. 10
Özkvk H., Esendemir Ü. Teknolojik Arştırmlr: MTED 015 () 1-8. Gönen, D., Orl, A., Çkır, M.C., 008. Çift Sıkıştırm Ornlı Y Yorulm Test Cihzı Tsrımı ve İmltı. Blıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10 (1), 98-108. 9. Tomit, Y., Moriok, K., Iws, M., 001. Bending Ftique of Long Crbon Fiber Reinforced Epo Composites. Mterils Science nd Engineering, A19-1, 679-68. 10. Pepegem, W.V., Degrieck, J., 001. Eperimentl Set-Up for nd Numericl Modelling of Bending Ftique Eperiments on Plin Woven Glss/Epo Composites. Composite Structures, 51, 1-8.. Yunjin, T., Isc, D.H., 008. Combined Impct nd Ftique of Glss Fiber Reinforced Composite. Composites Prt B, 9, 505-5.. Rozumek, D., Mrcinik, Z., 0. The Investigtion of Crck Growth in Specimens with Rectngulr Cross-Sections Under Out-Of-Phse Bending nd Torsionl Loding. Interntionl Journl of Ftique, 9, 81-87. 1. Lekhnitski SG. Anisotropic Pltes. New York: Gordon nd Brech Science. 1968. 1. Timoshenko SP. Theor of Elsticit. Singpore: McGrw-Hill, 1970. 15. Kılıç, O., Aktş, A., Dirikolu, M.H. 001. An Investigting of the Effects of Sher on the Deflection of n Orthotropic Cntilever Bem b Use of Anisotropic Elsticit Theor. Composites Science nd Technolog, 61, 055-061. 16. Skin, R., 00. Bilgisr Destekli, Çok Numuneli Eğilme Yorulmsı Test Cihzı Tsrımı ve Cm - Fiber Tkvieli Polester Kompozitlerde Eğilme Yorulmsı Dvrnışının İncelenmesi. Blıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktor Tezi, 15s, Blıkesir.