Geri Dön

Süreksiz cam elyaf takviyeli polipropilenin yorulma davranışı

Fatigue behavior of discontinuous glass fiber reinforced polypropylene

  1. Tez No: 100666
  2. Yazar: MUSTAFA SEZER
  3. Danışmanlar: PROF.DR. AHMET ARAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1999
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 233

Özet

SÜREKSİZ CAM ELYAF TAKVİYELİ POLİPROPİLENİN yorulma DAVRANIŞI ÖZET Plastiklerin gittikçe artan oranda hareketli parçalar ve komponentlerde kullanılması sonucu, tasarımcıların çevrimsel yüklemelere maruz kalan plastiklerin performans ve ömürleri hakkındaki bilgilere ihtiyaçları artmaktadır. Bu gerçeğe rağmen, plastikler hakkındaki yorulma bilgileri metaller kadar gelişmemiştir. Metallerden farklı olarak, mekanik komponentlerde kullanılan mühendislik plastikleri saf polimer hallerindeyken yeterince rijit değillerdir. Bu sorun, plastikleri uzun veya kısa cam, karbon, aramid, polyester veya diğer tip elyaflarla takviye ederek aşılmaya çalışılmaktadır. Bu tip takviyeler plastiklere daha yüksek rijitlik, boyut kararlılığı bazen daha düşük sürtünme katsayısı (artan yağlayıcılık özelliği ile) ve daha yüksek ısıl geçirgenlik sağlamasının yanısıra özellikle yorulma hasarına olan eğilimi büyük oranda düşürmektedir. Bu çalışmada, ağırlıkça %30 kimyasal bağlı cam elyaf takviyeli ve cam elyaf dolgulu polipropilenlerin yorulma davranışları ve hasarları incelenmiştir. Bu çalışmanın amaçlarından biri, söz konusu malzemeleri dinamik parçalarda kullanmak için yorulma tasarım dataları oluşturmaktır. Çalışmanın bir başka amacı ise, bahsi geçen malzemelerin hasar ve yorulma mekanizmaları hakkında ki mevcut bilgi kapasitesini arttırmaktır. Yorulma testlerinde, TARGOR firmasının ağırlıkça %30 kısa cam elyaflı GC30H251 ticari kodlu kimyasal bağlı polipropilen (KBPP) ve GF30H152 ticari kodlu dolgulu (kimyasal bağ içermeyen) polipropilen (DPP) malzemeleri kullanılmıştır. GC30H251 malzemesi, elyaf ve matris arasındaki bağlanmayı arttırmak amacıyla kimyasal bağlanma (chemical coupling) özelliği içermektedir. Matris malzemesi olarak kullanılan polipropilen homopolimer, izotaktik ve ısı stabilizatörlüdür. Takviye elemanı olarak kullanılan cam elyaf E-camı'dır. Cam elyafların ortalama çapları 10 mikrondur. Elyafların enjeksiyon sırasındaki kırılmalarını tespit etmek için, enjeksiyon öncesi ve sonrası 500 adet elyafın değerlendirilmesi ile ayrı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, cam elyafların boyları enjeksiyon sırasında %15 oranında azalmaktadır. Yorulma davranışının incelenmesi için çatlak ilerlemesi yönteminin sıkça kullanılmasına karşın, bu çalışmada çatlaksız test çubuklarıyla gerçekleştirilen“kümülatif hasar yöntemi”tercih edilmiştir.“Kümülatif hasar yöntemi”nin tercih edilmesinin nedeni, çatlak ilerlemesi yöntemi sadece var olan bir çatlağın ilerlemesini incelerken, bu yöntem sayesinde çatlak oluşumu, ilerlemesi ve kırılma safhalarını birarada incelemek mümkün olmaktadır. XXIITestlerde gerilme oranı (minimum gerilme/maksimum gerilme) 0,1 olarak seçilmiştir. Uygulanan zorlamanın dalga şekli sinüzoidaldir. Yükleme tipi çekme-çekme tipi yorulma zorlamasıdır. Çekme-çekme tipi test kullanılmasının nedeni, sıfır gerilme civarında numunede oluşabilecek basma gerilmelerinden kaçınmaktır. Yorulma testleri, ısıl hasarı önlemek amacıyla 1 Hz frekansta gerçekleştirilmiştir. Yorulma testleri sırasında toplanan datalar histerizis enerjisi, dinamik modül ve dinamik sürünme başlıkları altında incelenmiştir. Yorulmaya zorlanmış numunelerle her iki malzemenin“kalan çekme dayanımları”ve“kalan elastik modülleri”saptanmıştır. Mikroyapılar, taramalı elektron mikroskobu yardımıyla incelenerek, yorulma mekanizmaları araştırılmıştır. KBPP ve DPP'in VVöhler deneyleri için %95 güvenilirlik aralığı (confidence interval) çalışması yapılmıştır. Yorulma test sonuçlarının gerilme yüzdelerine göre dağılımları, kutu grafikler (box plot) yardımıyla incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda aşağıdaki bulgulara ulaşılmıştır: Yorulma testleri sırasında elde edilen datalardan oluşturulan histerizis enerjisi, dinamik modül ve dinamik sürünme şekil değişiminin incelenmesinin, hasar mekanizmasının gelişimini araştırmak için uygun fiziksel özellikler olduğu görülmüştür. Yalnızca bu çalışmada incelenen KBPP ve DPP'in değil, hemen tüm takviyeli polimer malzemelerin yorulma davranışları hakkında bilgi sahibi olabilmek için bahsi geçen fiziksel özelliklerin herhangi biri kullanılabilir. KBPP'de histerizis alanı hasar oluşana kadar değişmemekte, hasardan hemen önce düşük miktarlarda artış göstererek kırılma gerçekleşmektedir. DPP'de ise, histerizis alanı yorulma testinin başından itibaren artmaya başlamakta, test boyunca artış sürmekte ve KBPP'e göre çok yüksek artışlar göstererek kırılma gerçekleşmektedir. Kimyasal bağlı polipropilende elyaf-matris arabağı daha kuvvetli olduğu için yük elyafa aktarılabilmekte, böylece yük elyaf ve arayüzey tarafından birlikte taşınmaktadır. Dolgulu polipropilende ise, elyaf-matris arabağı daha zayıf olduğu için yük elyafa etkili bir şekilde aktarılamamakta, dolayısıyla matris yük taşımaya başlamaktadır. Bu durum, cam elyaf dolgulu polipropilenin histerizis alanının her çevrimde büyümesine neden olmaktadır. KBPP ve DPP'in histerizis enerjisi, dinamik modül ve dinamik sürünme şekil değişimi eğrileri birbirleriyle uyum sağlamaktadır. Bu eğrileri, sayılan özelliklerin yorulma çevrim sayısı artışına karşın sabit kaldığı veya önemli miktarda değişmediği“hasar oluşum hızı düşük bölge”ve yorulma çevrim sayısına bağlı olarak histerizis enerjisi ve dinamik sürünmenin arttığı, buna karşın dinamik modülün azaldığı“hasar oluşum hızı yüksek bölge”şeklinde iki bölgeye ayırmak mümkün olmaktadır. Her iki malzemede de hasar elyaf uçlarında başlamaktadır. Elyaf uçlarında başlayan matristen ayrılmalar, çevrimsel hareket nedeniyle elyaflar boyunca matristen ayrılmalara dönüşmektedir. Bu ayrılmalar nedeniyle matris yük taşımaya başlamakta ve polipropilen matriste sünek olarak deformasyon gözlenmektedir. Sıyrılan elyafların etkisiyle kompozit, uygulanan gerilmelere daha yüksek birim şekil değişimleri ile cevap vermektedir. Şekil değişimindeki artış, yeni elyaf-matris ayrılmalarına yol açmaktadır. Ayrılmalardan oluşan boşluklar büyümekte ve mikro boşluklara dönüşmektedir. Oluşan mikro boşluklar, büyük bir çatlak oluşturacak şekilde gelişmektedirler. Söz konusu çatlak, hasar cephesi (metalik malzemelere benzer) şeklinde tüm kesite yayılarak ilerlemektedir. Sıyrılan elyaflar nedeniyle, kompozitin yük taşıma kapasitesi gittikçe azalmaktadır. Yorulma bölgesi belli bir büyüklüğe ulaştıktan sonra, kalan kesit uygulanan yükü taşıyamamakta ve tek bir çatlağın hızla numune kesidine yayılması sonucu, kompozit gevrek bir şekilde XXIIIhasara uğramaktadır. Dolgulu polipropilende hasar, zayıf elyaf-matris arayüzeyi nedeniyle, kimyasal bağlı polipropilene göre daha kolay başlamakta ve daha hızlı ilerlemektedir. Her iki malzemede de yorulma hasarı zorlanan kesitte yerel olarak başlamakta, metal malzemelerde görülen hasar ilerlemesine benzer şekilde tüm kesite yayılarak, bir çizgi halinde (hasar cephesi şeklinde) ilerlemektedir. Yorulma hasarının“hasar cephesi”şeklinde ilerlemesi, takviyeli polimerlerin literatüründe yeni bir bulgudur. Malzemelerin yorulma dayanım değerlerindeki sapmalar, bu değerlerin mekanik tasarımlarda güvenle kullanılabileceği sınırlarda kalmaktadırlar. Yorulma dataları tipik S-N eğrileri şeklinde sunulabilmekte ve her iki malzeme de yorulma sınırı göstermemektedirler. XXIV

Özet (Çeviri)

FATIGUE BEHAVIOR OF DISCONTINUOUS GLASS FIBER REINFORCED POLYPROPYLENE SUMMARY The increasing use of plastics in moving parts and mechanical components has created a need for data that will permit the designer to predict the performance and life of plastics under cyclic fatigue loads. In spite of this need, the state of the art is not as well developed for plastics as it is for metals. Unlike metals, the engineering plastics used in molded mechanical components are not rigid in their neat polymer state. This shortcoming has been largely overcome in molded gears by reinforcing these plastics with long and short glass, carbon, aramid, polyester, or other fibers. These reinforcing materials impart stiffness, stability, and, in some cases, greater lubricity and heat conductivity; and significantly reduce the tendency toward fatigue failure. In this study, fatigue behavior and failure of 30% wt. short glass fiber reinforced chemically coupled and uncoupled polypropylenes were investigated. One of the aim of this study is to create design data for the above mentioned materials in the design of dynamic components. To increase the knowledge about the failure and fatigue mechanism of the materials is the second aim of the study. In the fatigue tests, 30% wt. chemically coupled (CCPP) and uncoupled (UCPP) glass fiber reinforced polypropylenes supplied by TARGOR were used (GC30H251 and GF30H152). Chemical coupling was used in CCPP to increase the bonding property between the fibers and the matrix polymer. The polypropylenes used as matrices were homopolimer, isotactic and heat stabilized. Glass fiber type was E- glass. The average diameter of glass fibers was 10 microns. Another study was performed with 500 fibers before and after the injection to evaluate the fiber breakage during the injection molding. According to the results, the glass fibers have shortened 15% during the injection. Although“crack propagation method”was applied in many studies found in literature to investigate fatigue behavior, in this study“cumulative damage method”was applied with non-cracked specimens. Although crack propagation method investigates only the propagation of existing crack, information about crack initiation, propagation and fracture steps can be investigated by“cumulative damage method”. The minimum to maximum load ratio R was chosen to be 0.1. Load wave form was sinusoidal. To avoid the compression effect near the zero stress tensile-tensile load type was used. Test frequency was chosen to be 1 Hz to the avoid unacceptable temperature increase due to hysteretic heating and thermal failure of the specimen. xxvCollected data during the fatigue test were classified by hysteresis energy, dynamic modulus and dynamic creep. Residual strength and residual elastic modulus were determined from fatigued materials. The microstructural mechanisms were discussed with the help of scanning electron microscope observations. Confidence interval studies were done for Wohler curves of CCPP and UCPP. Variations in fatigue test results were visualized by box plots. During this study the followings results were obtained: Hysteresis energy, dynamic modulus and dynamic creep which were proposed in this study are suitable physical properties to investigate the propagation of fatigue failure. These properties can be used not only to investigate for these materials but also for all reinforced polymers. In CCPP, an hysteresis area remains constant until the failure occurs. The hysteresis area slightly increases before failure. Unlike CCPP, the hysteresis area in UCPP continuously increases during the test and it breaks showing the high increase. Since the fiber-matrix bonding is better for CCPP, load can be transferred to fibers, and loads are borne with fiber and interface together. Since the fiber-matrix interface is worse for UCPP, load can not be transferred to fibers effectively, and matrix starts to bear the loads, and hence, hysteresis areas are become bigger and bigger with fatigue cycles. Hysteresis energy, dynamic modulus and dynamic creep curves show same tendencies and results. These curves can be splitted into two regions; in the first region, the materials are not affected from fatigue cycles and this region is called low deformation rate region“ and in the second which is called ”high deformation rate region“ above properties are deteriorated with increasing fatigue cycles. Failure starts at the fiber ends. Fiber-matrix debonding propagates along the fibers with cyclic movements. Because of the debonding process, matrix starts to bear the load and ductile deformation is observed in the matrix. Composite reacts with more strain to the applied load for the reason of the debonding fibers. Increasing strain triggers the new fiber-matrix debondings. Microscopic voids grow during the test, and become macroscopic crack areas. The cracked areas develops to form a big main crack. For the reason of the debonding fibers, load bearing capacity of composite reduces. After the fatigued area grows to the extend that loads cannot be carried by the remaining cross section, material fails under tensile stresses brittlely. Because of the weak fiber-matrix interface, in UCPP, failure starts easier and propagates faster than CCPP. In both materials fatigue damage starts as locally, it extends as a line like ”failure front“ similar to metallic materials and it propagates to whole section. Propagation of fatigue failure as ”failure front", is a new information about the literature of reinforced polymers. Variations in fatigue test results for both materials are within acceptable limits and the results can be used in engineering calculations confidently. Fatigue data can be shown as S-N curves and both materials do not show any endurance limits. XXVI

Benzer Tezler

  1. Tez No

    233256

    Traktör kaportalarında kullanılan plastik matrisli kompozit malzemelerin yapısal özelliklerinin iyileştirilmesi üzerine bir araştırma

    A study for improving structural properties of composite materials with plastic matrix used in tractor companions

    NİLGÜN BECENEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Mühendislik BilimleriNamık Kemal Üniversitesi

    Tarım Makineleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT EKER

  2. Tez No

    795807

    Silisyum karbür seramik göğüs plakasının farklı malzeme ve yöntemlerle sınırlandırılmasının balistik performansına etkisi

    The effect of confinement of silicon carbide ceramic chest plate with different materials and methods on ballistic performance

    MELEK DUYGU UYKUN EŞKARA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Metalurji MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURHANETTİN İNEM

  3. Tez No

    829882

    Cam elyaf yüzey kaplamaları için su bazlı poliüretan dispersiyonlarının sentezi ve karakterizasyonu

    Water based polyurethane dispersion synthesis and characterization for glass fiber sizing

    AYŞE BEGÜM CURA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova Üniversitesi

    Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MİTHAT ÇELEBİ

  4. Tez No

    421105

    Süreksiz deneysel verilerden taşıt lastik model parametrelerinin elde edilmesi

    Estimation of vehicle tyre model parameters from transient experimental data

    NAZLI FİRUZE ÖNDER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN

  5. Tez No

    581077

    Poliamid ve çelik lif ile üretilen betonların yol üstyapısında kullanılabilirliğinin araştırılması

    Investigation of the usability of polyamide and steel fiber in concrete pavement

    ASAF ASATEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN ÜNSAL BAYRAK

Geri Dön