Bağlantıların Kayma ve Çift Konsol Kiriş Test Deneylerinin Belirlenmesi

Yüzey hazırlığı aksine, bağlantı şekillendirmesi genellikle tasarımın bir ürünüdür. Genellikle literatürde tek taraflı bindirmeli, çift taraflı bindirmeli, birbirine geçmeli ve basamaklı bindirmeli bağlantılar analiz edilmiştir Diğer konfigürasyonlar alın bağlantıları, alın bindirmeli, T şekilli, L şekilli ve boru bindirme gibi bağlantılarda çalışılmıştır.

Kırılma mekaniği yaklaşımında enerji parametresi (tokluk) ve şekil değiştirme enerjisi boşalma miktarı kırılma kriteri olarak kullanılır. Yapıştırıcı bağlantılarında kırılma tokluğunun hesaplanmasında en yaygın olarak kullanılan yöntem çift konsol kiriş yöntemidir. İlke olarak enerji parametresi (tokluk) ve şekil değiştirme enerjisi boşalma miktarı;

 Yapıştırıcıda, arayüz boyunca veya yapıştırılan malzeme boyunca çatlama ucunda normal ve kayma deformasyon hareketin nispi miktarlarının bir fonksiyonu olarak tokluk değerlerinin belirlenmesinde,

 Farklı yükleme koşulları altında bağlantının dayanımını hesaplanmasında,

uygun çatlak yolunu tahmin etmek için kullanmak mümkündür.

Yapıştırıcı bağlantılarında kırılma tokluğu, tabaka ayrılmasına neden olan çatlağın yayılması için harcanan enerjinin bir ölçüsü olup yapıştırma bağlantısı için temel tasarım parametrelerinin en önemlilerindendir. Yapıştırıcıyla bağlanmış bağlantılarında Mod I durumundaki kırılma tokluğu, matriksin ve matriks ile fiber arasındaki bölgenin deformasyonu ve kırılma davranışı hakkında önemli fikir sahibi olunmasını sağlar.

4.6.1. Tek taraflı bindirmeli bağlantıların kayma deneyi

Yapıştırma bağlantının belirli bir tipteki dayanımı bağlantı içinde gerilme dağılımına bağlıdır. Gerilme dağılımı da bağlantının geometrisi ve yapıştırıcı ile yapıştırılan malzemenin mekanik özelliklerine bağlı olarak değişebilir. Yapıştırmalı bağlantılarda gerilme dağılımları minimize edilerek tasarlanır. Soyulma ve makaslama gibi bazı gerilmeler minimize edilebilirken kayma ve basma gibi diğerleri ise maksimum olur. Şekil 4.7.’de gösterildiği gibi tek taraflı bindirmeli bağlantıyla ilişkili sorunlardan biri üst üste binme uçlarındaki gerilme dağılımının (kayma ve soyulma) yoğunlaşması olduğu bir gerçektir. Yükleme durumunda yapıştırılan malzeme ile yapıştırıcı arayüzeyinde üst üstte bindirme uzunluğunda kayma gerilmesi () yapıştırma boyunca oluşurken, üst üstte bindirme uzunluğunda dönmeden dolayı oluşan soyulma gerilmesi bağlantının uç kısmında maksimum çekme gerilmesi yapıştırmanın diğer uçunda ise basma gerilmesi oluşur. Soyulma (çekme-basma) gerilmesi yapıştırma bağlantısının merkezinde sıfırlanmaktadır.

Şekil 4.7. Yapıştırma yüzeyinde oluşan gerilmeler Yapıştırma yüzeyindeki gerilmeler

Tek taraflı bindirmeli bağlantıları basitlik ve verimlilik nedeniyle başlıca kullanılan en yaygın bağlantıdır (Şekil 4.8. a).

Şekil 4.8. Tek taraflı bindirmeli yapıştırma bağlantısının a) şematik gösterimi b) test numunesi

(ölçüler mm’dir)

Yapıştırıcıyla bağlanmış bağlantılarında kayma gerilmesini ve kayma modülünün bulunabilmesi için ASTM D1002-10 standardına uygun olarak çekme deneyleri yapılmıştır. Çekme deneyleri Instron Universal Test Makinesi 8801çekme cihazında gerçekleştirilmiş olup numunelerin uzamaları Şekil 4.8.b’de gösterildiği gibi Instron 2630-602 dinamik ekstansometre ile ölçülmüştür.

ASTM D1002-10 standardı ile yapıştırıcıyla bağlanmış bağlantılar için yapıştırıcı özellikleri, araştırma ve geliştirme, kalite tayini, yapısal tasarım ve analizleri için kayma özellikleri bilgilerinin elde edilmesinde kullanılır. Yapıştırıcıyla bağlanmış bağlantıların davranışlarını etkileyen faktörler; yapıştırıcı kalınlığı, üretim yöntemi, uygulanan basınç, numune hazırlama safhası, numunenin koşullandırılması, deneyin yapıldığı ortam şartları, numunenin test cihazına uygun bağlanması ve konumu, deney hızı, sıcaklık, yüzey hazırlama safhasıdır.

Bu çalışmada, ASTM D1002-10 standardına uygun olarak hazırlanan numunelerin genişlikleri 25 mm ve boyları ise 101.6 mm dir. Numunelerin kalınlıkları ise 2 mm’dir fakat yüzey hazırlama işlemlerinden sonraki mikrometre ile ölçülen kalınlık yaklaşık olarak 1.92±0.3 mm olmak üzere değişkenlik göstermektedir. Yapıştırma montajının kalınlığı yaklaşık olarak 4.06±0.3 mm’dir. Yapıştırıcı kalınlığı 0.22 mm’dir. Yapıştırıcı bağlantılarında yapıştırma kalınlığını elde etmek için

0.225±0,025µm’lik cam bilyeler kullanılmıştır. Ayrıca klipsler yardımıyla sabit yapıştırma kalınlığını sağlamak için 0.1 MPA’lık basınç uygulanmıştır. Klipslerin uyguladığı kuvvet çekme cihazında 15 N olarak ölçülmüştür. Üst üste bindirme uzunluğu 15±0.2 mm’dir. Çekme deneylerinde kullanılan numune boyutları Şekil 4.7.a'da verilmiştir. Çekme esnasında meydana gelecek eğilme momentini en aza indirmek ve çekme düzlemini cihaz ile aynı doğrultuda bağlamak için numunelere karşılıklı olarak numuneler ile aynı kalınlıkta desteklerle tutturulmuştur (Şekil 4.8.a). Her bir numune türü için en az beş numune çekme deneyine maruz bırakılmıştır. Çekme deneylerinde çekme hızı ilgili standarda uygun olarak 1 mm/dk olacak şekilde çekme deneyleri yapılmıştır.

Her bir numuneye uygulanan kuvvet P ve yer değiştirme δ değerleri anlık olarak kayıt edilmiş ve numunelerin kayma gerilmesi ve kayma modülü 3.3 ve 3.5 denklemler ile hesaplanmıştır.

Çekme test deneyleri sırasında dinamik ekstansometre ile ölçülmüş olan birim şekil değiştirme miktarları, Adams ve Peppiatt yönteminin sayısal analizlerin verileri grafiklere dönüştürülerek kıyaslanmıştır.

4.6.2. Mod I açılma için çift konsol kiriş test deneyleri

Bu çalışmada farklı oranlarda ÇCKNT ve PVA nano elyaf keçe katkılı epoksi nano yapıştırıcıların çatlağa karşı direnci, boşalma miktarı ve kırılma tokluğunun belirlenmesi için açılma modu (Mod I) için çift konsol kiriş test standardı ASTM D3433-99 referans alınarak numunelerin kritik kırılma tokluk (GIC) değerleri hesaplanmıştır. GIC, sabit yer değiştirme durumunda iki tabaka arasındaki çatlağın ilerlemesi sırasında sabit genişlikli bir numunedeki kritik enerji olarak tanımlanır.

ÇKK deneyleri oda sıcaklığında Shimadzu AGS-X hidrolik masa üstü test ünitesinde gerçekleştirildi. Yük ölçümleri için 10±0.05 kN hassasiyetli yük hücresi kullanıldı. Deneyler sabit yer değiştirme hızında yapılmış ve yer değiştirme hızı 3 mm/dk olarak seçilmiştir. P, COD ve a parametreleri sırasıyla anlık kuvvet, anlık çatlak ağzı açılma miktarı ve tabakalar arası ayrılma uzunluğudur. Bütün numunelerde çatlağın başlangıç ve ilerleme excel verileri Shimadzu Çekme Test cihazından alındı. Ayrıca çatlak ilerleyişi, Canon 7D Tamron 17-50 mm lensli ve 18 Mega Piksel fotoğraf makinesi ile video olarak kaydedildi. Video kayıt esnasında çatlak başlangıç ve ilerlemesi sırasında değişen kuvvetler uyarı olarak belirtildi. Bilgisayar yardımıyla

fotoğraf makinesi ile çekilen çatlak ilerlemeleri ve kuvvetleri excele kaydedildi. Daha sonra kayıt edilen bu veriler kırılma yüzeyleriyle karşılaştırıldı. ÇKK testleri sonucunda P/COD ve GIC /a grafikleri çizilmiştir.

Şekil 4.9. ÇKK numunesi a) politetrafloroetilen film tabakası b) şematik numune ölçüleri (ASTM D 5528

standardından alınıp değiştirilerek kullanılmıştır.) ve c) Mod I açılma modu yüklemesine maruz bırakılmış PVA+%1 ÇCKNT’lü nanokeçe çift konsol kiriş numunesi

ÇKK testi hazırlanırken, yapıştırmaya geçmeden önce 75x25 mm uzunluk ve genişlikte kesilen 13 µm kalınlığındaki yapışmaz politetrafloroetilen film tabakası başlangıç çatlağını oluşturmak üzere orta tabakaya serilmiştir (Şekil 4.9.a). Böylece orta tabakaların belirli bir 75 uzunluk boyunca birbirine yapışması engellenmiştir. ÇKK deneylerinde kullanılan numunelerin boyutları 200x25x2 mm’dir. Deneylerde kullanılan çift konsol kiriş numuneleri ve boyutları şematik olarak Şekil 4.9.b'de gösterilmiştir. Her bir numune türü için en az 5 numune aynı şartlarda deneye tabi tutulmuştur.

Numunelere yükün uygulanabilme için numunelerin politetrafloroetilen film yapıştırılmış tarafına 25x25 mm boyutlarında iki adet menteşe yapıştırılmıştır. Menteşeler ile yapıştırılacak alüminyum yüzeyleri, yapıştırılmadan önce ilk olarak 150 grit silikon karbür zımpara kâğıdı ile zımparalanmış daha sonra aseton ile temizlenerek artık parçacıklar mümkün olduğunca giderilmiştir. Yüzey hazırlama işlemlerinin hemen ardından, menteşelerin ve numunelerin yapışma yüzeylerine epoksi sürülerek yapıştırılmıştır. Menteşelere 0.05 MPa’lık basınç uygulanmış olup, yapıştırıldıktan sonra oda sıcaklığında kurumaya bırakılmıştır. Daha sonra numuneler Şekil 4.9.c’de görüldüğü gibi Mod I açılma testine tabi tutulmuştur.

Açılma modu kırılma tokluğu hesaplanmasında ASTM 3433-99 standardına göre kırılma tokluğunu (GIC) denklem 3.16 kullanılarak hesaplanmıştır.