Yapışma bağlantılarında oluşan gerilmeler

Şekil 2.5. ‘de gösterildiği gibi yapıştırma bağlantılarında en etkili dört temel gerilmeler oluşur. Bunlar kayma (shear), çekme (butt), soyulma (peel) ve çekme- makaslama (cleavage)’dır (Ekrem, 2015). Yapıştırma bağlantılarından istenen mukavemetin optimum düzeyde çıkması için bu temel gerilmelerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir.

Şekil 2.5. Yapıştırma bağlantılarındaki gerilme tipleri (a) kesme (b) soyulma (c) çekme (d) çekme- makaslama

2.1.4.1. Kayma gerilmesi

Şekil 2.6. ’da bir çubuğun uçlarından ziyade yüzeylere uygulanan gerilimi göstermektedir. Bu durumu çekme gerilmesinden farklı analiz etmemiz gerekiyor. Gücün uygulandığı alanı bildiğimizi varsayalım. Kayma gerilmesi adı, Şekil 2.6. 'da gösterildiği gibi teğetsel olarak uygulanan birim alan başına kuvvete verilir. τ sembolü kayma gerilmesini belirtir ve çekme gerilmesi ile aynı birimlere sahiptir.

Şekil 2.6. Dikdörtgen şekilli bir malzemeye teğetsel bir kuvvet uygulaması (Pocius, 2012)

Malzemenin böyle bir kuvvete tepkisi Şekil 2.6. 'da gösterildiği gibi bir deformasyondur. Malzeme, orijinal şekil ve yeni şekil arasındaki Ψ açısı oluşur ve bir paralelkenar oluşturacak şekilde deforme olur. Makaslama gerilmesi, Ψ açısının teğeti olarak tanımlanır ve 𝜙 simgesi verilir. Çekme testi durumuna benzer şekilde, 𝑡𝑎𝑛 𝛹 boyutsuzdur. Kayma gerilme-şekil değiştirme deneyi, çekme gerilme-şekil değiştirme deneyine benzer sonuçlar verir. Genelde kayma gerilmesinin kayma gerilmesine doğrusal olarak tepki gösterdiği ve böylece Hooke yasasına uyduğu bir bölge vardır. Aşağıdaki denklem yazılabilir:

𝜏 = 𝐺𝜙 (2.1)

Burada 𝐺 materyalin kayma modülü olarak bilinir. Ayrıca Pascal (Pa) birimine sahiptir. Malzemeler, kayma kuvvetinde bir akma gerilimi gösterebilir ve Şekil 2.7. 'de gösterildiği gibi çekme gerilme-şekil değiştirme eğrisindeki ile aynı özelliklerin çoğuna sahiptir. Kesilme modülünün ve Young modülünün aşağıdaki formül ile ilişkili olduğu da gösterilebilir:

𝐺 =_2(1+𝜈)𝐸 (2.2)

Burada 𝐺 kayma modülüdür, 𝐸 Young modülü ve 𝜈 Poisson oranıdır.

Şekil 2.7. Şematik stres-gerinim eğrisi (Pocius, 2012)

Genel olarak, yapışkanlar kaymaya yüklendiğinde en yüksek mukavemetini sergiler. Şekil 2.6. 'ya bakarsak, blokun her bir yüzüne yapışanların yapıştığını düşünebiliriz ve Şekil 2.6. 'daki bloğun yapıştırıcı olduğunu düşünebiliriz. Yapıştırıcıyı bir kayma durumuna getiren çok sayıda yapışkan bağ test standartları bulunmaktadır. Aslında, gerçek yapılarda kullanılan çoğu yapışkan bağ, esas olarak yapışkanın bir kayma durumunda olduğu şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarım seçiminin sebepleri, çeşitli yapışkan tipleri için makaslama veya soyulma mukavemetine kıyasla kayma mukavemetinin değerleri daha belirgin görülmektedir. Bu nedenle kayma yükünün anlaşılması çok önemlidir.

Yapışkan bağların kayma mukavemetinin değerlendirilmesi için standart test yöntemi ASTM D1002'de açıklanmaktadır. Bu test yöntemi yapışkan bağların değerlendirilmesi için en yaygın ve en çok incelenen test yöntemlerinden biridir. ASTM D1002'de kullanılan numune Şekil 2.8. 'de gösterilmektedir. Yapışanlar uygun bir yüzey hazırlama yöntemiyle temizlenir (Sonraki bölümlerde açıklanacaktır). Yapışkan yapıştırılacak bölgeye uygulanır. Yapıştırıcılar (Sonraki bölümlerde açıklanacaktır) genellikle birleştirilmeden önce her iki yüzeye uygulanır. Film yapıştırıcıları (Sonraki bölümlerde açıklanacaktır), yapışanların sadece birine uygulanır. Genelde, yapışkan

sadece yapıştırılacak bölgede uygulanır. Tur uzunluğu 12,52 mm ve bağlantı genişliği 25,4 mm’dir. Uygulanan yapışkanın kalınlığı amaçlanan kullanımı ile belirlenir. Yapıştırılmış bölge bazı şekillerle sabitlenmektedir. Sabitleme işlemi klipslerin bağ kenarlarına uygulanması kadar basit bir şekilde olabilir veya havacılık endüstrisinde kullanılan vakum torbalama prosedürleri gibi şekillerle de olabilir. Tutturucu cihazın amacı, yapışkan bağ çizgisine basınç uygulamak ve yapışkan sertleştikçe yapışanları yerinde tutmaktır. Yapışkanın, yapışkan aralığının ötesine uzanan bir "doldurucu" oluşturması için bağlanan alanın dışına akması beklenmektedir (Şekil 2.8.). Doldurucunun yokluğunda yapışkan bağ performansını değerlendirmek için kasten elimine edildiği bir çalışma yapılmıştır. Adams (Crocombe ve ark., 1981), doldurucunun bir tur kesme örneğinin ölçülen gücü üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Doldurucu nominal olarak tur uzunluğunu arttırır ve yapışmanın sonunda özelliklerin kesintiliğini en aza indirir. Yani kademeli olarak mekanik özelliğinin düşmesini sağlar.

Yapıştırıcı sertleştirilir veya ayarlanmasına izin verilir. Sertleştikten sonra, olası bir test, numunenin bir çekme test makinesine yerleştirilmesi ve numunenin hasarlı hale getirilmesi şeklindedir. Yükün uygulanma yönü Şekil 2.8. 'de gösterilmektedir.

Şekil 2.8. ASTM 1002 deki tek tesirli bindirme bağlantısı

2.1.4.2. Çekme ve basma gerilmeleri

Çekme gerilmesi, F kuvvetinin numunenin belirli bir kesit alanı boyunca uygulanması bakımından önemli bir mühendislik kavramıdır. Birçok farklı malzeme, numunenin kesit alanı uygun boyutta ise, uygulanan bir kuvvete karşı aynı dirence sahip olabilir. Uzama, çekme kuvvetlerinin sonucu olarak numunenin uzunluğundaki değişimdir. Numunenin uzaması, numunenin orjinal boyutlarına göre tanımlanır. Böylece, numunenin orijinal uzunluğu 𝑙0 ve belirli bir çekme gerilmesi uygulandıktan

sonra numunenin uzunluğu (yer değiştirmesi) 𝑙 ise, 𝜀 terimini aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz;

𝜀 = (𝑙 − 𝑙0)/𝑙0 (2.3)

Burada 𝜀, mühendislik çekme gerinimi (engineering tensile strain) olarak bilinir. Mühendislik çekme gerinimi boyutsuz bir sayı olduğunu ve bir yüzdeyi elde etmek için çoğunlukla bir kırılma olarak bildirildiğini veya 100 ile çarpıldıklarını belirtmek önemlidir. Bu sayı bazen endüstride uzama olarak da bildirilir.

Bir gerilme-uzama grafiği bir çekme test makinesi kullanılarak elde edilebilir. Bilinen kesit alanından bir numune bir gerilme kuvvetine tabi tutulur ve uzama Şekil 2.7. 'de gösterildiği gibi ölçülür. Çekme gerilmesi y ekseni üzerinde çizilmekte ve mühendislik çekme uzaması 𝑥 ekseni üzerinde çizilmektedir. Bir test sıcaklığında, birçok malzeme Şekil 2.7. 'de gösterilen gerilme- gerinim grafiklerine benzerdir. Bireysel malzemeler için gerilme- uzama grafiklerinde, grafikteki 𝑋 doğrultusunda gösterilen dizin pozisyonu, eğimin plato kısmının uzunluğu ve kırılmadaki uzama (kırılma uzaması olarak da bilinir) ile başlangıçtaki eğim farklıdır. Gerilme- gerinim çizgisinin başlangıç kısmının eğimi hem mühendislik hem de malzeme bilimlerinde son derece önemlidir. Çoğu malzeme için gerilme-gerinim çiziminin başlangıç kısmı doğrusaldır, bu nedenle gerilme ve gerinim ilişkisi aşağıdaki gibidir:

𝜎 = 𝐸 ∗ 𝜀 (2.4)

Burada 𝜎 gerilme gerilmesi, 𝜀 ise mühendislik çekme uzaması (gerinim) ve 𝐸‘de sabittir. Bu ilişkiye gözümüz aşina olmalıdır. Sadece Hooke’un Yay Kanunu’nun bir düzeltmesi olup, gerilimin ve uzama oranının orantılı olduğu anlamına gelir. Bir yaya uygulanan kuvvet ve sonuçtaki uzama doğru orantılıdır. Bu orantısal sabit, yay sabiti olarak adlandırılır.

Yay sabiti, bu denkleme göre davranış gösteren malzemeler için genellikle bir model olarak kullanılır. Hooke yasasına uyan malzemeler doğrusal elastik malzemeler olarak bilinirler. Tepki kuvveti artan bir şekilde ve doğrusaldır. Güç kaldırılırsa, malzeme elastik olarak orijinal durumuna geri döner. Esneklik, yük malzemeden çıkarıldığında, ısı olarak mekanik enerjinin kaybı olmaksızın orijinal şekline ve boyutuna döner. 𝐸 faktörü test materyalinin çekme modülü veya Young modülü olarak bilinir. Mühendislik çekme

uzaması boyutsuz olduğu için, Young modülü SI birimlerinde Paskal (Pa) ve İngiliz birimlerde inç (psi) gerilme birimlerine sahiptir. Yukarıdaki denklem (𝜎 = 𝐸 ∗ 𝜀) kuvvet ve yer değiştirmeden ziyade gerilme ve gerinim arasındaki ilişkiyi ifade eder; Young modülü, bir maddenin belirli bir gerilme kuvvetine nasıl tepki verdiğini gösteren bir malzeme parametresidir. Gerilme-şekil çizgisinin eğimi dik ise, Young modülü yüksektir ve malzemeye ufak bir uzama sağlamak için numuneye büyük bir gerilme yükü uygulanmalıdır. Yüksek bir Young modülüne sahip malzemeler "sert" olarak tanımlanır. Düşük Young modülüne sahip malzemeler "esnek" olarak tanımlanır. Tablo 2.1. iyi bilinen materyallerin kısa bir listesini ve Young modüllerinin karşılaştırmasını sunmaktadır.

Tablo 2.1 Bazı Bilinen Malzemelerin Young Modül ve Poisson Oranı (Pocius, 2012)

Material Young Modülü

(Paskal=N/mm2₎ Poison oranı

Alüminyum 7x1010 _0.33

Yumuşak Çelik 2.2x1011 0.28

Silikon 6.9x1010

Cam 6x1010 0.23

Poli (metil metakrilat) 2.4x109 0.33

Polikarbonat 1.4x109

Düşük yoğunluklu polietilen 2.4x108 0.38

Doğal Kauçuk 2x106 0.49

Yapıştırma bağlantısının çekme testi Şekil 2.9. ’a benzer bir grafik oluşur. Bir yapışkanın gerilme özelliklerini değerlendirmek için tipik bir numune Şekil 2.10. 'da gösterilmiştir. Bu numune, ASTM D2095'deki kullanılana benzer. Metal çubuk uçları, yüzeylerin yapışkan boşluğu geçebilecek çapaklar içermemesi için parlatılmış olmalı ve montaj sırasında yüzeylerin paralel olabilmesi için işlenmelidir. Yüzeylerin birbirine göre herhangi bir şekilde kıvrılması, testi gerginlikten ziyade yarılmalara zorlayabilir.

Şekil 2.9. Çekme kuvveti F'nin uygulandığı bir malzeme çubuğu (Pocius, 2012)

Metal çubuklar, kendilerini birleştiren bir yapışkana "bükülür", dolayısıyla "butt gerginliği" terimi denir.

Şekil 2.10. Bir "butt çekme" örneğinin diyagramı. Yapışanlar için metal çubuklar kullanılır. Bağlantı yapıldığında metal çubukların yüzeyleri pürüzsüz ve paralel olmalıdır (Pocius, 2012)

Yapıştırıcı sertleştirdikten veya koyduktan sonra, numune Şekil 2.10. 'da gösterildiği gibi gerilimle yüklenir. Numune hasara uğradı. Bir kopma geriliminin yanı sıra hasar modunu da bildiren bir rapor oluşturulur. Bu tür testlerin hatalı olması, hasar durumunda ortalama bir gerilme rapor edilmesine rağmen, yapışkan bağındaki gerçek gerilme dağılımı yapıştırıcı boyunca aynı değildir. Stres dağılımı Şekil 2.11. 'de gösterilene benzer olabilir. Butt çekme örneğinin kenarlarındaki yapışkan numunenin merkezinde yer alan yapışkandan daha yüksek gerilme stresindedir. Hasar bölgesindeki ortalama gerilme, yapışkanın gerçek çekme mukavemetinden ziyade bu kenar etkilerinden ötürü olması muhtemeldir. Butt çekme testleri genellikle yapışkanların değerlendirilmesi için kullanılmaz, çünkü bu yükleme tarzı bu şekilde yapışkanla birleştirilmiş yapılarda normalde kullanılmaz.

2.1.4.3. Soyulma

Soyulma gerilmelerinin yapıştırma bağlantılarında oluşması için yapıştırılan tabakalardan en az birinin esnek olması gerekmektedir (Şekil 2.5. b). Bu çeşit yüklemelerde yapıştırma bağlantı ara yüzeylerinde oluşan gerilme oldukça yüksektir. Yapıştırma bağlantısının yapışma yüzeyi çok geniş veya uygulanan kuvvet düşük olmadıkça yapıştırma bağlantısı kolayca deforme olacaktır. Bu sebeple bu çeşit yüklemelerden kaçınılmalıdır (Ekrem, 2015).

2.1.4.4. Çekme-makaslama

Doğrusal elastik kırılma mekaniğini kullanarak, gerinim enerjisi salınım oranı olarak bilinen bir malzeme parametresi tanımlayabiliriz. Gerinim enerjisi salınım oranı, mevcut gerinim enerjisiyle bir çatlak yaymak için gerekli olan enerji dengesinin sonucudur. Bu başlık altında, bu parametrenin ölçülmesine izin veren çekme-makaslama (cleavage) numuneleri denilen örnekler tartışılacaktır. Bu yöntemler, ölçüm sırasında önemli ölçüde deforme olmamış yapışkanlara dayanmaktadır. Yapıştırma boyunca yayılan ama plastik deformasyonun ölçülebildiği çatlağın soyulma numuneleri adı verilen bir diğer yapıştırma değerlendirme numuneleri de vardır. Soyulma numuneleri, bölünme numunelerinden daha yaygın olarak kullanılır.

Şekil 2.5. d’de gösterilen yükleme tipi, çoğunlukla eksenleri kaçık olan çekme kuvvetinin veya momentinin sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Önceki bölümlerde anlatılan gerilmelerin tersine bu gerilmeler, yapışma alanını dengesiz bir şekilde etkilemekte ve yapıştırma bağlantısının belli bir bölgesine birikmektedir. Bu tip gerilmeleri karşılamak için yeterli derecede yapışma alanı gerekmektedir. Çekme veya kesme gerilmelerine nazaran ihtiyaç olan yapıştırma alanı daha fazla olduğu için bu tip bağlantılar tavsiye edilmemektedir. Çünkü yüzey alanının fazla olması maliyeti artıracaktır (Adin, 2007, Ekrem, 2015).