Karışık Mod Yorulma Çatlak İlerleme Problemlerinin Üç-Boyutlu Modellenmesi Karışık modlu yükleme durumu, üç boyutlu bir çatlak, tek eksenli yükleme ve yönüne dik Karışık modlu yükleme durumu, üç boyutlu bir çatlak, tek eksenli yükleme ve yönüne dik

olmayan bir şekilde yönlendiğinde çatlak bölgesinin kayma gerilmelerine de maruz kalması veya etki eden dış yüklerin çatlak yüzeyleri ile dik olmayan bir açı yapması durumunda ortaya çıkabilmektedir. Makine parçaları sıklıkla karmaşık yükler altında yorulma yüklemesine maruz kalabilmektedir. Karmaşık yükler altında, çatlak sadece açılma modunun (mod-I) dışında, kayma (mod-II) ve yırtılma (mod-III) modları etkisi altında da olduğundan karışık modlu kırılma analizlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Yaklaşık olarak son 20 yıla kadar yapılan çalışmalar ağırlıklı olarak basit mod-I yüklemesi altında malzemelerin çatlak ilerleme davranışının incelenmesi üzerine olmuştur. Ancak pratikte kullanılan birçok parça, çalışma koşulları bakımından çatlak bölgesinde mod-II ve mod-III yüklemelerine de maruz kalabilmektedir. Dolayısıyla, bu alanda özellikle son 20 yıl içerisinde modelleme, analiz ve deneysel araştırmalar artarak ağırlık kazanmıştır.

5

İki boyutlu kırılma problemlerinde çatlak, bulunduğu düzlem içerisinde düz (mod-I) veya eğri (karışık mod) şeklinde ilerleme göstermektedir. Üç boyutlu çatlak problemlerinde ise, geometri, yükleme ve sınır şartlarına bağlı olarak düzlemsel veya düzlemsel olmayan bir şekilde ilerleyebilmektedir. Dolayısıyla, kırılma davranışı çatlak yüzeyinin ve çatlak önünün eğriliğine bağlı olarak üç boyutlu çatlak ilerlemesiyle ilişkilendirilmelidir. Literatürde, çevresel, düz kenarlı veya yönlendirilmiş çatlak içeren çubuk, dikdörtgen kesitli kiriş, levha veya disk şeklinde numuneler ile değiştirilmiş CT (compact tension) numuneleri gibi farklı numune tipleri kullanılarak çeşitli deneysel çalışmalar yapılmış ve karışık modlu yük altında kırılma ve çatlak ilerleme davranışları incelenmiştir (Shah, 1974; Suresh ve Tschegg, 1987; Kamat vd. 1989; Manoharan vd. 1989; Suresh vd. 1990; Kamat ve Hirth 1996; Liu vd. 2004; Avcı vd. 2005; Chang vd. 2006; Srinivas vd. 2006; Rao vd. 2008; Lin vd. 2010; Citarella vd. 2014; Ayatollahi ve Saboori, 2015; Saboori ve Ayatollahi, 2017; Safaei vd. 2017).

Her üç kırılma modunun da oluşmasına neden olan üç boyutlu karışık mod-I/II/III yüklemesi altında kırılma mekanizmasının doğru bir şekilde modellenmesi ve analiz edilmesi, sadece mod-I ve mod-II kırılma modlarının olduğu mod-I/II düzlemsel karışık modlu kırılma problemlerine kıyasla daha zordur. Bunun temel nedenlerinden biri, üç boyutlu tam karışık mod yüklemesi içeren mod-I/II/III ve buna yakın düzeyde karmaşıklık içeren mod-I/III problemlerinde, mod-II ve mod-III kırılma modları birbirleri ile eşleniktir ve birbirlerinden bağımsız olarak değerlendirilemezler. Karışık mod-I/II/III kırılma mekanizmasının hem sayısal hem de deneysel yöntemlerin bir arada kullanılarak kapsamlı bir şekilde anlaşılması ve açıklığa kavuşturulması için yapılan literatürdeki çalışmalar nispeten yeni ve sınırlıdır. Davidson ve Sediles (2011), yaptıkları çalışmada levha tipi numuneler için uygun olan kayma-burulma-eğme (Shear-Torsion-Bending) testi adında yeni bir test yöntemini tanıtmışlardır. Hannemann vd. (2017), silindirik tip numuneler için dönen bir eğme test teçhizatı geliştirmişlerdir. Hyde ve Aksogan (1994) ve Citarella vd. (2014; 2015), silindirik numuneler kullanılarak bileşik çekme ve burulma yükü altında sayısal ve deneysel analizler gerçekleştirmişlerdir. Bununla birlikte bu test yöntemlerinin, özel bir test makinesine ve ilgili ekipmana ihtiyaç duymalarından dolayı eksik yönleri bulunmaktadır.

Tek eksenli yükleme yapan konvansiyonel bir test cihazı ile çatlak gelişimini ve kırılmayı incelemek amacıyla karışık mod-I/II/III deneylerini gerçekleştirmek için, mod-I, II ve III kırılma modlarının herhangi bir kombinasyonunu sağlayan özel bir tutucuya ihtiyaç duyulmaktadır. Literatürde, istenen bu özelliğe sahip sadece birkaç farklı yükleme aparatı tanıtılmıştır. Richard ve Kuna (1990) tarafından geliştirilen ve üç temel kırılma modunun tüm olası kombinasyonlarında yükleme yapabilen AFM (All Fracture Mode-Tüm Kırılma Modu) isimli yükleme tutucusu, karışık mod-I/II/III kırılma ve yorulma çatlak ilerleme deneylerinin

6

gerçekleştirilmesine imkân tanımaktadır. Yazarlar, tutucunun sahip olduğu yüksek ağırlık ve atalet nedeniyle, yorulma çatlak ilerleme testlerinde kullanımının sadece düşük test frekanslarıyla mümkün olabildiğini belirtmişlerdir. Kapoor ve Zarrabi (2010) yapmış olduğu çalışmada, karışık mod-I/II/III yüklemesi altındaki yapıların tek eksenli yükleme cihazı ile kırılmasını deneysel olarak araştırmak için bir yükleme fikstürü önermiştir. Ancak fikstür sadece mod-I, II ve III kırılma modlarının sınırlı kombinasyonlarını sağlayabilmekte, orta ve yüksek mod-III koşulları için kullanılamamaktadır. Schirmeisen ve Richard (2009) çalışmalarında, CTSR (Compact tension shear rotation) isimli bir numune ve numuneye uygun, karışık mod-I/II/III yüklemesinin herhangi bir kombinasyonuna izin veren bir yükleme tutucusu geliştirmişlerdir. Bu tutucuyu kullanarak Richard vd. (2014; 2016; 2017) tarafından çeşitli deneysel ve nümerik çalışmalar yapılmıştır. Gerçekleştirilen bu çalışmalarda, Polimetil metakrilatin (PMMA) kırılma tokluğu değerini belirlemeye yönelik ve Al 7075-T651 alaşımlı malzemenin yorulma çatlak ilerlemesinin başlangıcı için eşik değerleri belirlemeye yönelik testler gerçekleştirilmiştir. Yazarlar, geliştirilen tutucu kullanılarak gerçekleştirilecek çatlak ilerleme testlerinde, tutucunun tasarımının karmaşıklığı nedeniyle optik ölçümlerin imkânsız olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca, karışık modlu yükleme altında numuneleri kırmak için gereken yük kapasitesinin yüksek olması nedeniyle, geliştirilen tutucunun Al 7075-T651 malzemesinin karışık mod kırılma tokluğunu belirleme konusunda yeterli olmadığını da ifade etmişlerdir. Son yıllarda Zeinedini (2018) ve Razavi ve Berto (2019) benzer geometriye sahip karışık mod-I/II/III yükleme tutucusu geliştirerek farklı yükleme açılarında kırılma testleri gerçekleştirmişlerdir. Ancak her iki tutucu için de çatlak ilerleme testleri sırasında çatlağın ilerleme karakteristiğinin kameralar yardımıyla kontrol ve takibinin gerçekleştirilmesi tutucuların tasarımı nedeniyle mümkün olmadığı için, bu tutucular çatlak ilerleme testleri için elverişli değildir. FCPAS - Aşama 2 projesi kapsamında yukarıda belirtilen eksiklikleri gidermeye yönelik karışık mod-I/II/III yüklemesinin tüm kombinasyonlarına imkân veren ve çatlak ilerleme testleri esnasında çatlağın ilerlemesinin kameralar yardımıyla kontrol ve takibine imkân tanıyan bir yükleme tutucusu geliştirilmiş ve bu tutucu kullanarak birçok farklı yükleme açısı altında kırılma ve çatlak ilerleme analiz ve testleri gerçekleştirilmiştir (Ayhan ve Demir, 2019; Demir vd. 2019). Gerçekleştirilen testler ışığında literatüre yeni iyileştirilmiş kırılma ve çatlak ilerleme kriterleri önerilmiştir. Projenin bu iş paketinde, FCPAS - Aşama 2 projesinde elde edilen karışık mod yükleme altında üç-boyutlu çatlak ilerleme simülasyon kabiliyetleri, literatürden referans alınan problemlere uygulanmış ve bu kapsamda çatlak ilerleme simülasyonları yapılmıştır. Çatlak ilerleme profil/yüzeyleri ve ömür tahminleri açısından mukayeseleri gerçekleştirilmiştir.

7