CAM ELYAF TAKVİYELİ EPOKSİ KOMPOZİT MALZEMELERİN EĞİLME YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ Ümrn ESENDEMİR 1, Remzi VAROL 1 ÖZET Kompozit mlzemelerde yorulm izotrop mlzemelerden frklıdır. Fiber-mtris r yüzey bğ kuvvetleri, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun frklı olmsı kompozitlerde yorulm dvrnışını etkileyen fktörlerdir. Metlik mlzemelerden frklı olrk bu tür mlzemelerde liflerde oluşn kısmi hsrlr, kırılmlr, belirgin renk değişimi hsr olrk kbul edilmektedir. Hlbuki metlik mlzemelerde yorulm ise çtlk oluşumu ve çtlğın ilerlemesi şmsı sonrsı ni gevrek kırılm ile sonuçlnmktdır. Bu deneysel çlışmd, dikdörtgen kesitli cm elyf tkviyeli epoksi kompozit mlzemelerin eğilme yorulm dvrnışı incelenmiştir. Kompozit mlzeme örgü şeklinde 7 tbklı mm klınlığınd iml ettirilmiştir. İml ettirilen kompozit mlzemeden numuneler oluşturulmuştur. Kompozit mlzemenin meknik özellikleri belirlenmiştir. Özel olrk levh şekilli numunelerin yorulm deneyleri için tsrlnmış eğilme yorulm deney cihzınd deneyler ypılmıştır. Deneylerde kullnıln kompozit mlzemenin çekme dynımı değerleri ess lınrk yorulm deneylerinde uygulnn gerilmeler belirlenmiştir. Deney sonuçlrındn yrrlnrk kompozit mlzemenin S-N eğrisi çıkrılmıştır. Yorulm deneyi öncesinde cm elyflrın mtris mlzeme içinde dğılımı, düzeni ve homojenliğini belirlemek mcıyl ve yorulm deney sonrsındki liflerdeki değişimin belirlenmesi mcıyl optik mikroskopl geçirimli ışık yrdımıyl görüntüler lınmıştır. Böylece yorulmy neden oln hsr tipi orty konulmy çlışılmıştır. Anhtr Sözcükler: Kompozit mlzeme, yorulm dvrnışı, S-N eğrisi, DETERMINATION OF BENDING FATIGUE BEHAVIOR OF GLASS FIBER REINFORCED EPOXY COMPOSITES ABSTRACT Ftigue of composite mterils differs from isotropic mterils such s metls. The min reson for this re different type of dmge tht cn occur s fibre crcking, mtrix crcking, mtrix crzing, fibre buckling, fiber-mtrix interfce filure, delmintion. These importnt differences mke ftigue phenomenon of composites very complex. In metlic mterils, 1 Süleymn Demirel Üniversitesi Müh. Fk. Mk. Müh. Böl., Isprt/TÜRKİYE 27
ftigue sttes s formtion of crck, propgtion of crck nd finlly brittle frcture occurs s result of ftigue filure. In this experimentl study, specimens were prepred with rectngulr cros-section re produced fibergls reinforced epoxy composite. The min purpose of the study is ftigue phenomenon of fibergls reinforced epoxy composite. Composite smples hve been mnufctured in woven form s seven lyers with four milimeters thickness. Specimens used experiments were cut off from these mterils. First of ll, mechnicl properties of produced strip type composite mterils. For ftigue tests, ftigue test mchine used for strip type specimens ws used. Tensile tests were pplied to fibergls reinforced composite mterils nd Ultimte Tensile Strength (UTS) dts were used to determined lternting stresses during ftigue tests. After ftigue tests the Stress-Number of Cycle (S-N) curves were plotted. Before nd fter ftigue tests, specimens were observed using opticl microscobe. Before ftigue tests, the homogenity nd dispersl of fibers in mtrix nd fter ftigue tests filure nd differences of fibers nd mtrix were exmined. As results of these exmintions filure type of specimens were determined. Keywords: Composite mteril, ftigue behvior, S-N curve 1. GİRİŞ Gelişen teknoloji ve snyileşmeden kynklnn yeni mlzeme ihtiycı, kompozit mlzemelerin kullnım lnlrının gün geçtikçe rtmsın neden olmuştur. Uzy, otomotiv, hvcılık snyinde uygulmlrının ynısır; borulr, müzik, spor letleri gibi bir çok yerde kullnıln kompozit mlzemeler değişken gerilmelerden dolyı yorulm etkisine mruz klbilmektedirler. Endüstride birçok mlzeme çekme mukvemetinin çok ltınd tekrrlı gerilme vey şekil değişimlerine mruz klmktdır. Tekrr eden vey çevrimli yüklere mruz kln prçlr tek bir sttik gerilme uygulnmsı hlinde dynbilecekleri gerilmenin çok ltındki bir gerilmede hsr uğrmktdırlr. Bunlr yorulm hsrı dı verilir. Mlzemenin kullnılbilirliğine yorulm özellikleri incelenerek dh iyi krr verilebilir. Mlzemenin yorulm özelliklerini belirlemek için genelde S-N (Wöhler) eğrileri kullnılır [1]. S-N eğrisinde ordint ekseni genellikle bir devirdeki gerilme vey gerinim olmkt, psis ekseni ise logritmik olup çevrim syısını göstermektedir. S-N eğrisi metller, polimerler ve kompozit mlzemeler için gerilme değeri düştükçe hsrın görüldüğü çevrim syısınd bir düşüş meydn geldiği için negtif bir eğime shiptir. Kompozit mlzemelerde eğrinin şekli mtris mlzemesinin cinsine, oryntsyon çısın, hcimsel orn, rbirim özelliklerine, yükleme tipine, ortlm gerilmeye, ortlm frekns ve çevre şrtlrın göre değişir [2]. Yorulm üzerine etki eden fktörlerin çok syıd ve krmşık olmsındn dolyı stndrtlşmış yorulm deneyi oluşturmk güçtür. Kompozit mlzemeler metller gibi izotropik ve homojen olmdıklrı için, hsr her zmn mkro çtlğın ilerlemesi şeklinde meydn gelmez []. Kompozit mlzemelerde yorulm hsrı mtris çtlğı delminsyon, liflerin kırılmsı, fiber mtris ryüzey yrılmsı şeklinde olrk genellenebilir. Kompozitlerin yorulm performnsını ise fiberin tipi, mtrisin tipi, istifleme sırsı, ortm şrtlrı, yükleme durumu etkilemektedir []. 28
Litertürde fiber tkviyeli kompozit mlzemelerin eğilme yorulm dvrnışı üzerine çok fzl bir çlışmy rstlnmmıştır. Bu konud; Skin ve rkdşlrı [5] 800 g/m 2, 500 g/m 2, 00 g/m 2 ve 200 g/m 2 örgü ve 5 g/m 2, 50 g/m 2 ve 600 g/m 2 düzensiz dğıtılmış cm fiber tkviyeli polyester kompozit mlzemelerin eğilme yorulm dvrnışını incelemişlerdir. 0/90 ve ±5 olmk üzere iki frklı oryntsyon çısı kullnılmıştır. Çlışm sonucund 800 g/m 2 örgü cm fiber tkviyeli polyester kompozit mlzemenin yorulm ömrünün dh yüksek olduğu sonucun vrılmıştır. Cm-epoksi kompozit mlzemeden ypılmış numunelerin deniz suyu ve drbe yüklerinin etkisi ltındki yorulm dvrnışı incelendiğinde ise deniz suyunun yorulm ömrünü zlttığı sonucun ulşılmıştır [6]. Doğny ve Ulçy [2] çlışmlrınd frklı ornlrd tkviye edilmiş (tkviyesiz, %1, % ve %6) cm lifli polyester kompozitlerin deniz suyu etkisi ltındki yorulm dvrnışlrını incelemişlerdir. Çlışm sonucund tkviye ornının yorulmy önemli etkisi olmdığı, deniz suyund bekleme süresi rttığınd yorulm dynımınd düşüş meydn geldiği gözlemlenmiştir. Tomit ve rkdşlrı [7] çlışmlrınd ortlm.5,.5, 5 ve 5.5 GP çekme gerilmesine ship uzun krbon fiberlerden oluşn plstik kompozitlerin eğilme yorulm dvrnışı ve kırılm meknizmsını incelemişlerdir. Pepegem ve Degrieck [8] çlışmlrınd örgülü cm epoksi kompozit mlzemelerin yorulm dvrnışını belirleyip, yorulm ltındki dvrnışının nümerik modellemesini ypmışlrdır. Yunjin ve Isc [9] cm elyf tkviyeli polyester reçine kompozitlerin düşük hız drbe ve gerilme-gerinme yorulm dvrnışlrını incelemişlerdir. Rozumek ve Mrcinik [10] çelik mlzemeden ypılmış levh numunenin yorulm dynımını incelemişlerdir. Gerilme ornı R=1 için yüksek devir yorulm rejiminde deney ypmışlrdır. Bşt uçk, uzy ve otomobil snyinde olmk üzere çok frklı kullnım lnlrı oln kompozit mlzemelerin frklı şiddet ve değişken zorlmlr krşı dynımı büyük önem rzetmektedir. Bu mçl bu çlışmd, ürettiğimiz örgü dikdörtgen kesitli cm-elyf tkviyeli kompozit numunelerin eğme yorulm özellikleri incelenerek S-N eğrisi çizilmiştir. 2. GENEL TEORİ Şekil 1 de serbest ucundn tekil kuvvete mruz kompozit nkstre kiriş gösterilmektedir. Şekil 1. Serbest ucundn P tekil yüküne mruz kompozit nkstre kiriş 29
Serbest ucundn P tekil yüküne mruz kompozit nkstre kirişin gerilme denklemleri şğıdki gibidir []. 2 P P 16 b 2 σ = + y x xy (1) I I σ = 0 (2) y 2 P b 2 τ = xy y () 2I Bu kiriş için eğilmeden dolyı oluşn genel sehim denklemi şu şekildedir []. δ = P I 2 16 6 2 26 y 2 xy 2 2 + + + ( + ) 2 x l x 2l x = 0, y = 0 noktsınd sehim mksimum olcğındn; () denkleminden mksimum sehim mx = P l I 16 6 δ (5) 26 y () olrk elde edilir. I tlet moment olup, dikdörtgen kesit için Burd, 16 26 = S = S = = = = 2 cos θ + ( 2S + S ) θ + S sin ( sin θ + cos θ ) + ( S + S S ) sin θ 2 θ cos θ 2 2 S sin θ + ( 2S + S ) sin θ cos θ + S cos θ ( 2S 2S S ) sinθ cos θ ( 2S 2S S ) ( 2S 2S S ) sin θ cosθ ( 2S 2S S ) h b I = sin θ cosθ sinθ cos θ 2 2 ( 2S + 2S S S ) sin θ cos θ S ( sin θ + cos θ ) 2 2 sin θ cos 2 olrk lınmıştır. (6) 0
1 υ S =, S =, S =, S = E1 E1 E2 şeklindedir.. MALZEME VE METOT 1 1 G Bu çlışmd, dikdörtgen kesitli mlzemeler için eğilme yorulmsı test cihzınd cm-elyf tkviyeli epoksi kompozit mlzemenin yorulm dvrnışı belirlenmiştir. Yorulm cihzı yüksek freknslı ve genlik yrlı olup, mlzemeyi çift yönde eğme ypmk suretiyle mksimum olrk yormktdır. Testlerde kullnıln gerilme seviyeleri sttik çekme deneylerinden elde edilen sonuçlr göre ypılmıştır. Deneyler sbit gerilme rlığınd, σ min gerilme ornı (R), çift yönde yükleme ypıldığı için tm değişken yüklemeli R = = 1 σ kbul edilerek gerçekleştirilmiştir. Cihzın freknsı sbit olmyıp yrlnbilmektedir.. DENEYSEL ÇALIŞMA.1. Kompozit Mlzemenin Meknik Özelliklerinin Belirlenmesi 7 tbklı örgü cm elyf tkviyeli epoksi kompozit mlzeme Dokuz Eylül Üniversitesi Mkine Mühendisliği Kompozit Üretim Lbortuvrınd üretilmiştir. Fiber mlzeme olrk E- cm 800 g/m 2 örgü kumş kullnılmıştır. Kullnıln fiber mlzeme Metyx mrkdır. Reçine olrk Huntsmn Arldite LY 156 epoxy sertleştirici olrk ise Hunstmn Ardur BD UN275 kullnılmıştır. Kürleme işlemi 2 st 25⁰C- 15 st 80 ⁰C de ypılmıştır. Mlzemeye it meknik özellikler stndrtlr uygun olrk hzırlnn numuneler üzerinde ypıln deneylerle belirlenmiştir. Kompozit mlzemenin meknik özellikleri sttik yük ltınd, çekme, bsm ve kym deneyleri ypılrk bulunmuştır. Çekme deneyi sonucund E 1, E 2, υ X t,ve Y t değerleri, bsm deneyi sonucund X c ve Y c ve kym deneyi sonucund ise G ve S değerleri bulunmuştur. Cm elyf tkviyeli epoksi kompozitin belirlenen meknik özellikleri Tblo 1 de verilmiştir. Tblo 1. Kompozit Mlzemenin Meknik Özellikleri Özellikler Semboller Değer Lif doğrultusundki elstisite modülü E 1 (MP) 000 Lif doğrultusun dik doğrultudki elstisite modülü E 2 (MP) 000 Kym modülü G (MP) 600 Poisson ornı υ 0.20 Lif doğrultusundki çekme dynımı Xt (MP) 80 Lif doğrultusundki bsm dynımı Xc (MP) 80 1 mx
Lif doğrultusun dik doğrultudki çekme dynımı Yt (MP) 80 Lif doğrultusun dik doğrultudki bsm ynımı Yc (MP) 80 Kym dynımı S (MP) 65. 2. Kompozit Mlzemenin Eğilme Yorulm Dvrnışının Belirlenmesi Deneyler, özel olrk levh şekilli numunelerin yorulm deneyleri için tsrlnmış eğilme yorulm deney cihzınd ypılmıştır. Deney cihzının genel görünüşü ve deney numunesinin cihz bğlnmsı Şekil 2 de verilmiştir. b Şekil 2. Yorulm cihzının genel görünümü (), Deney numunesinin cihz bğlnmsı (b) Frklı gerilme değerlerinin uygulnbilmesi için deney cihzının çevrim syısı ile numunenin mksimum sehim miktrlrı yrı ypılbilmektedir. Cihz için sehim miktrı 0-60 mm rlığınd ypılbilmektedir. Şekil te yorulm deneyinde kullnılck numunenin boyutlrı ve şekli verilmiştir. 2
Şekil. Dikdörtgen kesitli numune şekli ve boyutlrı Dikdörtgen kesitli numunelerin eğme gerilmesi değerleri (1) nolu denklem, sehim değerleri ise (5) nolu denklem kullnılrk hesplnmıştır. Cm-elyf kompozit mlzemeye it gerilmesehim diygrmı Şekil de verilmiştir. Şekil. Cm-elyf mlzeme için gerilme-genlik değişimi
5. TARTIŞMA Yorulm deneyinden uygulnn tm değişken eğme gerilmesi değerleri ve çevrim syılrı (S-N degerleri) Tblo 2 de verilmektedir. Yorulm deneyi esnsınd frklı tm değişken eğme gerilmeleri uygulnmış ve uygulnn gerilme değerleri rlığı 1 MP 5 MP olrk seçilmiştir. Bu değerler seçilirken kullnıln kompozit mlzemenin deneylerle belirlenen çekme dynım değeri (80 MP) kullnılmıştır. Mühendislik mlzemelerinin eğme dynımı ile çekme dynımı rsınd bir ilişki mevcuttur (σ R ). Uygulnn gerilme eğ m degerleri çekme dynımı değerlerinin 0,72-0,86 ktlrı rlığınd belirlenerek deneyler gerçekleştirilmiştir. Yüksek gerilme seviyeleri mlzemenin hsr uğryıncy kdr kç devir yüklemeye dyndığını tespit etmek için kullnılmıştır. Yorulm deneylerinde yüksek gerilme değerleri uygulnmsı durumund numuneler şırı zorlnmıştır. Gerilme seviyeleri zltılrk deneyler devm etmiştir. Deneyler Hz freknst ypılmıştır. Kullndığımız kompozit mlzeme şefff görünümlü olduğundn hsr bölgesi ışık mikroskobu yrdımıyl görüntülenmiştir. Tblo 2.Yorulm deneyinde uygulnn gerilme değerleri ve bun krşılık belirlenen çevrim syısı değerleri Uygulnn Eğme Gerilmesi (MP) Çevrim Syısı (N) 1 1.172.500 90 1.5.627 85.008.21 80.557.1 65 5.698.1 5.12. Tblo 2 de verilen değerlere göre çizilen S-N eğrisi Şekil 5 de verilmiştir.
Şekil 5. Cm elyf kompozit mlzemeye it S-N eğrisi Kompozit mlzemelerde yorulm dvrnışı çok komplekstir. Kompozit mlzemelerde mtris ve ilve fiber mlzeme hcimsel ornı, yükleme şrtlrı, çevre şrtlrı, klınlık ve fiber boyutlrı, dğılımı gibi pek çok fktör yorulm dvrnışını etkilemektedir []. Bundn dolyı kompozitler için S-N eğrisi çizilmesinde küçük frklılıklr orty çıkbilmektedir. Bun rğmen genel nlmd Wöhler eğrilerinin krkteristiği kybedilmeden S-N eğrileri çizilmektedir [1]. Kompozit mlzemelerde yorulm mlzemedeki dynım özelliklerindeki değişim olrk vey mtris-fiber sınırlrınd orty çıkn süreksizlikler dikkte lınmktdır. Mlzemede gelişen mikro çtlk oluşumu mlzemenin rijitliğini ve meknik dynımını düşürmektedir []. Deneylerde belli çevrim syılrındn sonr numuneler lınrk ışık mikroskobund incelenmişlerdir. Şekil 6. d 60 mm sehim verilerek yorulm deneyine tbi tutuln numunenin optik mikroskopl geçirimli ışık yrdımıyl görüntüleri lınmıştır. 5
Şekil 6. Yorulm deneyi sonrsı ışık mikroskobu görüntüleri( σ = 1 MP) Şekil 6 () d yorulm sonucu oluşn mtris prçlnmlrı Şekil (b) de fiberlerin kırılmsı görülmektedir. Dh detylı görüntülerde (Şekil b1-b2) ise fiberlerin kırıldığı ve dr bir şerit hlinde mtrisden yrıldığı görülmektedir. Şekil 6 (c) de ise hsrın olmdığı görülmektedir. Şekil 7. de 55 mm sehim verilerek yorulm deneyine tbi tutuln numunenin optik mikroskopl geçirimli ışık yrdımıyl görüntüleri lınmıştır Şekil 7 den yorulm sonucu oluşn mtris prçlnmlrı, fiber kırılmsı görülmektedir. Bu sonuçlr litertürle uyum 6
içindedir. Yorulm yükü ltınd fiber tkviyeli kompozitlerin hsrı nizotropik ypısındn dolyı metllere göre dh komplekstir. Fiber tkviyeli kompozitlerin heterojen ve nizotropik özelliği, mlzeme içinde frklı gerilme seviyelerinin oluşumun neden olur. Böylece kırılm işlemi, mtris çtlğı, fiber kırılmsı, delminsyon, yrılm ve ktmn hsrı gibi çeşitli hsr modlrının kombinsyonlrını içerir [1]. Lif kırılmsı, liflerin mtris ypı içindeki mtris-lif r yüzeyindeki tutunmnın ortdn klkmsı gibi nedenler kompozitlerde yorulm hsrını oluşturn sebeplerdir [15]. Şekil 7. Yorulm deneyi sonrsı ışık mikroskobu görüntüleri ( σ = 80 MP) 6. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çlışmd, cm elyf tkviyeli epoksi kompozit mlzemeden hzırlnmış levh şekilli numunelerin yorulm deneyleri gerçekleştirilerek, gerilme-çevrim syısı (S-N) eğrisi çizilerek mlzemenin norml kuru tmosferi ve 20-25 C sıcklık rlığınd eğilme yorulmsı dvrnışı belirlenmiştir. Deneyler, değişken gerilme uygulnmsı esnsınd; kompozit numunenin ısınmsı ve bundn kynklnn sıcklık yükselmesi numunenin özelliklerinde değişime, özellikle meknik özellik değerlerinin kötüleşmesine sebep olcğındn düşük freknst ypılmıştır. Sıcklık rtışını engelleyen bir diğer fktör ise levh şeklindeki 7
numunelerin iki yönlü eğme ypılmsı nedeniyle kendisinden dh soğuk hv ile rüzgr etkisi oluşturrk kendi kendini soğutmnın gerçekleşmesidir. Deney esnsınd ve deneyin son erdiği, hsrın oluşup deneye son verildiği esnd yorulmy zorlnn deney numunelerinde herhngi bir sıcklık rtışı belirlenmemiştir. S-N eğrisinden elde ettiğimiz veriler sonucund sehim rtıkç dh z çevrim syısınd (N) numuneler dh çbuk deforme olup mtrislerde ve liflerde hsr oluşumunun dh koly olduğu görülmüştür. Hsr tipi olrk; fiber kırılmsı, mtris mlzemede n ypınının prçlnmsı, fiber-mtris ryüzeyinde klıcı yrılmlr şeklinde belirlenmiştir. 7. KAYNAKLAR [1] Er, M., 2006. Yüksek freknslı, genlik yrlı eğilme yorulmsı test cihzı tsrımı ve 00- H1 lüminyum levhsının eğilme yorulmsı dvrnışının incelenmesi, Blıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisns Tezi, 10s, Blıkesir. [2] Doğny, S., Ulcy, Y., 2007. Frklı ornlrd tkviye edilmiş cm lifi polyester kompozitlerin deniz suyu etkisi ltınd yorulm dvrnışının incelenmesi, Uludğ Üniversitesi Mühendislik-Mimrlık Fkültesi Dergisi, (1): 85-95. [] Özkvk, H., Esendemir, Ü., 2015. Dikdörtgen kesitli numuneler için eğilme yorulmsı test cihzının imltı, Mkine Teknolojileri Elektronik Dergisi,, 1-. [] Degrieck, J., Vn Pepegem, W., 2001. Ftique dmge modeling of fibre-reinforced composite mteris: review, Americn Society of Mechnicl Engineeres, Applied Mechnics Reviews, 5():279-00. [5] Skin, R., Ay, İ., Ymn, R., 2008. An investigtion of bending ftigue behvior for glssfiber reinforced polyester composite mterils, Mterils nd Design, 29, 2-217. [6] Deniz, M.E., Özen, M., Özdemir, O., Krkuzu, R., İçten, B.M., 201. Enviromentl effect on ftigue life of glss-epoxy composite pipes subjected to impct loding. Composites, Prt B (), 0-. [7] Tomit, Y., Moriok, K., Iws, M., 2001. Bending ftique of long crbon fiber reinforced epoxy composites. Mterils Science nd Engineering, A19-21, 679-682. [8] Pepegem, W.V., Degrieck, J., 2001. Experimentl set-up for nd numericl modelling of bending ftique experiments on plin woven glss/epoxy composites. Composite Structures, 51, 1-8. [9] Yunjin, T., Isc, D.H., 2008. Combined impct nd ftique of glss fiber reinforced composite. Composites, B, 9 (), 505-5. [10] Rozumek, D., Mrcinik, Z., 20. The investigtion of crck growth in specimens with rectngulr cross-sections under out-of-phse bending nd torsionl loding. Interntionl 8
Journl of Ftique, 9, 81-87. [] Kılıç, O., Aktş, A., Dirikolu, M.H. 2001. An investigting of the effects of sher on the deflection of n orthotropic cntilever bem by use of nisotropic elsticity theory. Composites Science nd Technology, 61, 2055-2061. [] Mini,M.,K.,20, Effect of fibre volume frction on ftigue behviour of glss fibre reinforced composite, Ftigue & Frcture of EngineeringMterils & Structures,5,(), 60-. [1] Brchn, A., 2001, The nlysis of ftigue dmge to glss-fiber reinforced composites, Mterils Science, 7,(6), 918-927. [1] Belingrdi, G., Cvtort, M.P., Frsc, C. 2006. Bending ftique behvior of glsscrbon/epoxy hybrid composites, Composites Science nd Technology, (2), 2-. [15] Hrris, B., 200. Ftigue in Composites. Science nd Technology of the Ftigue Response of Fibre-Reinforced Plstics. Woodhed Publishing Limited, 76p, Englnd. 9