İndentasyon tekniği ile temperli ve tempersiz soda-silika cam kırılma tokluğunun belirlenmesi
Identification of fracture toughness for flat and tempered flat soda-lime glass by means of indentation technique
Yazar: HALİL KEMAL KÜLCÜ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında vickers indentasyon tekniği kullanılarak temperli ve tempersiz  beyaz ve yeşil renkte düz camlar için kırılma tokluğu hesaplamaları  yapılmış ve  vickers indentasyon tekniğinde kullanılan formüllerden hangisinin temperli ve  tempersiz camlar için en uygun olduğu araştırılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde tezin amacı hakkında bilgiler verilmiştir. İkinci bölümde  camlar hakkında genel litera tür bilgileri verilmiştir. Üçüncü bölümde kırılma mekaniği  hakkında bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde deneysel çalışmaların nasıl yapıldığı,  hangi prosedürlerin izlendiği hakkında bilgiler verilmiştir. Beşinci bölümde ilgili  formüller için hesaplamala r yapılmıştır. Altıncı ve son bölümde sonuçlar  karşılaştırılmış, hangi formül veya formüllerin temperli ve tempersiz beyaz ve yeşil  düz camlar için uygun olduğu belirtilmiştir.  Tezin ilk bölümünde indantasyon tekniğinin avantajlarından bahsedilmiş ve tezi n  amacı belirtilmiştir. Tezin ikinci bölümünde camların molekül yapısı ve özellikleri hakkında temel bilgiler  verilmiştir. Camların sınıflandırılmasın yapılmış ve fiziksel, kimyasal, mekanik ve ısıl  özellikleri hakkında literatür bilgileri verilmiştir. Tez kapsamınca incelenmş olan  silika camlar oksit camlar sınıfına dahil olan ve en yaygın olarak kullanılan cam  türüdür.  Silika camlarının kompozisyonları Na 2 O - CaO - SiO 2 faz diyagramının ötektik  pozisyonuna göre ayarlanmaktadır. Genel olarak soda kireç camları %22 Na 2 O, %5  CaO ve %73 SiO 2  içermektedir.  Camın ergitme koşulları, tavlama sıcaklığı, işlenmesi,  rafinasyonu, kristallenme hızı gibi bir çok özelliği viskozite tarafından o luşturulduğu  için camın en temel fiziksel özelliği viskozitedir. Kimyasal özellik  açısından genel  olarak inerttirler ve su ve benzeri nötr çözeltilerden çok yüksek sıcaklıklarda  bulunmamaları kaydıyla etkilenmezler. Cam molekül yapısından ötürü kalıcı  deformasyona izin vermez. Cam basma gerilimine karşı direnci yüksek olmakla  birlikte ç ekme gerilimin e karşı direnci oldukça düşük bir malzemedir ve c amın  mekanik dayanımını yüzey özellikleri belirler. Günlük yaşantıda kullandığımız  camların dayanımları 30 - 100MPa arasında değişmektedir . Cam ısıl iletkenliği düşük  bir mazemedir.  Camların ısıl genleşmesi cam türüne bağlı olarak değişmektedir. Cam  yapıcı oksit oranı ne kadar artarsa camın titreşimi o kadar azalmakta ve camın  genleşme katsayısı da aynı oranda düşmektedir . Tezin üçüncü bölümünde kırılma mekaniği hakkında bilgiler verilmiştir. Önce likle  kırılma türleri hakkında bilgi verilmiş daha sonra kırılma mekaniği yaklaşımları olan  LEKM (Lineer Elastik Kırılma Mekaniği) ve EPKM (Elastik Plastik Kırılma  Mekaniği) hakkında bilgiler verilmiştir. LEKM yaklaşımı camlar gibi gevrek  malzemelerde geçe rli olduğu için tez kapsamında LEKM için daha ayrıntılı bilgi  aktarımında bulunulmuştur. Üçüncü bölümde son olarak malzemelerin kırılma  tokluklarının belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan kırılma tokluğu deneyleri  hakkında özet bilgiler verilmiş ve tezi n kapsamı olan indentasyon tekniği hakkında  bilgiler verilmiştir.  Katı bir  cismin yük altında iki veya daha çok parçaya ayrılmasına  kırılma denir. Kırılma çatlak oluşumu ve çatlak ilerlemesi olarak iki aşa madan oluşur. Sünek ve gevrek kırılma olmak üzere i ki temel kırılma türü vardır.  Kırılma mekaniği  kırılmayı makro ve mikro açıdan inceleyen bir bilim dalıdır.  Kırılma Mekaniği,  gerilme analizine bağlı olarak kırılma direncini, uygulanan yüke ve hata içeren  komponentlerin yapısal geometrisine bağlı olarak o rtaya koyan kalitatif bir  yaklaşımdır. Kırılma mekaniği ile ilgili ilk çalışma Griffith'in 1920'de yayınlanmış  olduğu çalışma  kabul edilir. Kırılma mekaniğinde Lineer Elastik Kırılma Mekaniği ve  Elastik Plastik Kırı lma Mekaniğ i olmak üzere  iki türlü yaklaş ım kullanılmaktadır.  Lineer elastik kırılma mekaniği tamamen elastik şartlar altında çatlak boyutu ve  kırılmayı tanıml amak için geliştirilmiştir.  LEKM çoğunlukla seramikler ve camlar gibi  gevrek malzemelerin kı rılmasını açıklamakta kulanılır. Sünek malzeme lerde LEKM  yaklaşımı geçerliliğini kaybeder ve bunun yerine Elasto plastik kırılma mekaniği  (EPKM) yaklaşımı kullanılmaktadır. Kırılma tokluğu deneylerinde yaygın olarak  SENB, CT ve DCB yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Son zamanlarda  indentasyon  tekniği kırılma tokluğu belirlenmesinde çok hızlı ve basit bir şekilde  sonuç alınabildiği için alternatif bir yöntem olarak görülmeye başlanmıştır. Tezin dördüncü bölümünde deneysel çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir. 1,6 - 2,2 - 3,2 - 4,00 mm kalınlığında temperli ve tempersiz beyaz ve yeşil camlar ŞİŞECAM  Trakya Cam Sanayii A.Ş. Trakya Fabrikasında üretilmiştir. Konu düz camlara 0,2 - 0,3 - 0,5 - 1,00 - 2,00 - 3,00 - 5,00kg arasında yükler uygulanmış ve izlerin ölçüleri optik  mikroskop ile alınmıştır. Tezin beşinci  bölümünde deneysel sonuçlara yönelik bilgiler verilmiştir. Yük - çatlak  boyu değişimi, yük - vickers sertlik değişimi, yük - elastisite modülü değişimi  incelenmiş ve son olarak kırılma tokluğu formüllerine yönelik hesaplamalar  yapılmıştır. Formüller Palmqvist yö ntem, Half - Penny yöntem ve Cuve Fitting yöntem  olmak üzere 3 temel katagoriye ayrılmış ve bu yöntemlerde bulunan seçilmiş olan  formüllerde hesaplamalar yapılmıştır. Hangi modelin uygun olacağının  belirlenmesinde c/a değeri referans değer olarak kabul edilm iş ve yöntem bu oran  doğrultusunda belirlenmiştir. c/a oranına doğrultusunda tempersiz camlarda Half - Penny modeline ait formüller kullanılabilecekken temperli camlarda Palmqvist  yöntemine ait formüller kullanılabilecektir. Curve Fitting yöntemine ait olan  formüllerin iki cam türü için olan uygunlukları da araştırılmıştır. Formüllere yönelik  istatistiksel analiz için MINITAB programı kullanılmıştır.  Tezin altıncı ve son bölümünde deneysel sonuçların karşılaştırılmaları yapılmıştır.  Sonuçlara yönelik istatis tiksel analiz çalışması yapılarak temperli ve tempersiz beyaz  ve yeşil camlar için hangi yöntemin uygun olduğu belirlenmiş ve belirlenmiş olan  yönteme ait hangi formülün literatürdeki kırılma tokluğuna en yakın sonucu verdiği  belirtilmiştir.

Abstract:
In this thesis, green coloured flat glass, green coloured tempered flat glass, white  coloured tempered flat glass and white coloured flat glass  fracture toughness  calculations are performed and suitable formulas of Vickers indentation method are  searched for tempered flat glass and flat glass.  Purpose of the thesis is explained and brief information about literature survey is given  in the first p art of this thesis. General information about literature review of glass is  given in the second part of the thesis. Fracture mechanics is defined in the third part  of the thesis. In the fourth part of this study, experimental studies, progression of  experi mental studies and procedure used during experimental studies are defined.  Besides, calculations for fracture toughness of glasses are explained in the fourth stage  of the thesis. In the fifth and last part of this thesis, experimental test results are  com pared and it's determined that which formula is appropriate for white coloured  tempered flat glass, which one is suitable for white colured flat glass, which formula  is proper for green coloured tempered flat glass and which one is fitting with green  colou red flat glass. It is mentioned about advantages of indentation method and purpose of the thesis are  given in the first part of the thesis. Fracture toughness of soda - lime and tempered soda - lime glasses have been calculated  according to formulas of Vickers indentation  methods which are Palmqvist, Half - Penny and Curve Fitting Technique  and suitable  Vickers indentation method  with formulas  has been defined for the purpose of the  thesis. Basic information about molecular structure and characteristics of glass  are indicated  in the second stage of the thesis. Classification of glasses literature research about  physical, mechanical, chemical and thermal properties of glasses are given in this  thesis. Silica glasses which are investigated within the scope of this t hesis are type of  oxide glasses and most commonly used glasss type. The composition of silica glasses  are depend on eutectic position in the phase diagram of Na2O - CaO - SiO2.  Generally, soda - lime glasses contain %22 Na2O, %5Cao and %73 SiO2. The main  physic al characteristics of glass is viscosity because viscosity creates the glass melting  temperature condition; influence the annealing temperature, processing, refining of  glassrs and rate of crystallization. From the chemical properties side, soda - lime glass es  are inert as a general rule and soda - lime glasses don't decompose in water and water - based neutral solutions provided that temperature of solution is not high. Glasses don't  let permanent deformation due to its molecular structure. Resistivity of glass  against  compressive stress is very high while resistivity of glass against tensile stress is very  low and surface properties of glass determine the mechanical strentgh of  glasses.Strength of glasses has been using in daily life is changing between 30 Mpa t o  xxii 100 Mpa. Glasses are material type which thermal conductivity is low. Thermal  expansion of glasses are varying according to glass kind. Vibration of glasses and  thermal expansion coefficient decrease as well as percentage of glass forming oxide  increases in glasses. In the third section of this thesis, general information about fracture mechanics is  given. Firstly, fracture types are described and then, two fracture mechanics  approaches LEFM ( Elastic Fracture Mechanics) and EPFM (Elastic Plastic Fracture Mechanics) are explained. Linear elastic fracture mechanics approach is usually used  for brittle materials like glasses that's why, linear elastic fracture mechanics is stated  in detail in this thesis. Lastly, materials' fracture toughness experiments whi ch has  been commonly used to determine materials' fracture toughness are described as a  summary and indentation method is expressed in the scope of thesis. Fracture means breaking into two or more pieces of a solid body under the load.  Fracture composes of two phases: Crack generation and crack progression. There are  two main type of cracks: Brittle and ductile fracture. Fracture mechanics is a type of  science examining cracking in terms of micro and macro. Fracture mechanics is a  qualitative approach which defines fracture strength depending on the stress analysis,  applied load and structural geometry of defected components. First study about  fracture mechanics has come up from Griffith in 1920. There are two  differentmethodologies which are Linear Elastic  Fracture Mechanics and Elastic - Plastic Fracture Mechanics. Linear elastic fracture is developed to describe crack  dimension and fracture under elastic conditions. Linear elastic fracture mechanics has  been generally using to define fracture of for the bri ttle materials like ceramics and  glasses. Linear elastic fracture mechanics does not work for the ductile materials and  elasto - plasto fracture mechanics approach has been using instead. SENB, CT and DCB  methods are commonly used for fracture toughness test s. Indentation method has been  using for determination of fracture toughness as an alternative way because of its being  quick and simple way. In the fourth stage of this thesis, experimental studies are described. Green coloured  tempered flat glass samples , white coloured tempered flat glass samples, green  coloured flat glass samples and white coloured flat glass sa mples were produced in  ŞİŞECAM Trakya Cam Sanayi A.Ş., Trakya plant. Glass samples were exposed to  loads which weights are 0,2 kg, 0,3 kg, 0,5 kg, 1 kg, 2 kg, 3 kg, 5 kg and dimension of  the marks are measured via optical microscope.  It is mentioned abou t experimental test results in the fifth stage of this thesis. Load to  crack length change, load to Vickers hardness change, load to elasticity modulus  change investigated and calculations are made for fracture toughness formulas.  Formulas are classified i nto three main categories: Palmqvist technique, Half - Penny  technique and Cuve Fitting technique. Calculations were made by using selected  formula between these 3 techniques. c/a is accepted as a reference value in order to  specify the proper model and corr ect model is decided by using c/a rate. c/a rate can  be used for flat glasses together with formulas of Half - Penny model while c/a rate can  be used for tempered flat glasses together with formulas of Palmqvist model. Usability  of Curve Fitting method formu las are investigated for both tempered flat glasses and  flat glasses. MINITAB programme was used for statistical analysis of formulas. Lastly, comparisons of experimental test results are executed in the sixth stage of this  thesis. Statistical analysis is  done according to experimental test results and it's tried  xxiii to find out suitable tchnique for tempered white flat glasses, white flat glasses, green  flat glasses a nd green tempered flat glasses. At the end of this thesis, it's indicated that calculated frac ture toughness of the glass  samples are too close to the fracture toughness of glasses given in the literature if  fracture toughness of glass samples are computed by using determined formula which  is selected from determined fracture .