Karbon kompozitlerin cıvatalı ve yapıştırmalı bağlantılarında hasar analizi
Failure analysis of bolted and bonded carbon composite joints
Yazar: AHMET FARUK KURAR
Danışman: ÖĞR. GÖR. LEVENT KIRKAYAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsanoğlu, eski çağlardan bu yana ihtiyaçları doğrultusunda, iki farklı yapıdaki malzeme özelliklerini bir arada kullanmak için çalışmıştır. Bu çalışmaların en somut örneğini günümüzde kompozit malzemeler olarak görmekteyiz. Kompozit malzemelerin getirdiği hafiflik, tasarım esnekliği gibi avantajlarından dolayı kullanımı da günden güne artmaktadır. Kullanım alanlarının da genişlemesiyle birlikte kompozit malzemelerin birbirleriyle ve metallerle olan bağlantılarının yük altındaki davranışlarının incelenmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Son 50 yılda yapılan çalışmalar da bu konudaki bilgi birikimini artırmıştır.
Kompozitlerin birleştirilmesinde temel olarak iki farklı yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan ilki olan mekanik bağlantılar cıvata, perçin ve pimlerle gerçekleştirilirler. Literatürde farklı olarak kelebek tipi kamalarla yapılan mekanik bağlantılar olsa da bu çalışmalar henüz ticari bir üründe kullanılacak sonuçları vermemektedirler. Cıvatalı ve perçinli bağlantılar ise kabul görmüş ve günümüzde en sık tercih edilen bağlantı türleridir. Bunun sebebi birleştirme işleminin kolayca ve uzmanlık gerçekleştirmeden yapılabilmesi, kullanılan malzemelerin kolay ve ucuza temin edilebilmesi ve ortam şartlarına karşı daha toleranslı olmalarıdır. Fakat buna karşın bağlantının yapılabilmesi için açılması gereken deliklerin getirdiği ekstra işlem maliyeti, bağlantı elemanlarının ağırlıklarının sisteme ek ağırlık getirmeleri mekanik bağlantıların dezavantajları arasında gösterilebilir. Yapıştırmalı bağlantılar da ise mekanik bağlantıların aksine, parça üzerinde ekstra bir işlem yapılmaması, farklı mekanik özellikler için farklı yapıştırıcıların geliştirilmiş olması, yapıştırıcıların getirdiği en önemli avantajlardandır. Bu özelliklerinden dolayı yapıştırıcılar, iyi bir alternatif olarak değerlendirilebilir.
Kompozitler hafif yapılarından dolayı daha çok alüminyum ve titanyum gibi metaller ile birlikte kullanılırlar. Kompozitlerin metallerle olan bağlantılarında bağlantı dayanımı, mukavemeti en düşük malzemenin dayanımı ile sınırlanmaktadır. Bu bazen yapıştırıcı veya bağlantı elemanı, bazen kompozit bazen de metal olmaktadır. Literatür araştırması yapıldığında, bağlantı dayanımlarını hesaplayabilmek için birçok analitik model kullanıldığı görülmektedir. Mekanik bağlantıların dayanım hesabı görece olarak kolay iken yapıştırmalı bağlantılarda dayanım hesabı daha karmaşık ve zordur. Bir de üstüne kompozit malzemenin düzensizliği ve karmaşıklığı eklendiğinde hesaplama iyice zorlaşmaktadır. Bundan dolayı bu tip problemlerin çözümünde daha çok nümerik çözüm yöntemleri kullanılmaktadır. Malzemelerin elastik bölgeden sonra, plastik davranışlarını da incelemek için birçok hasar modeli ortaya atılmıştır. Yapıştırıcılar için Von Mises, Mohr - Coulomb, Drucker – Prager gibi hasar modelleri geliştirilmişken, kompozitler için Tsai-Wu, Hashin, Rotem gibi hasar kriterleri geliştirilmiştir. Bu teorik çalışmalara rağmen kompozitlerde ve yapıştırıcılarda halen en güvenli dayanım ölçme metodu test ve deneylerdir.
Bu tez çalışmasında mekanik ve yapıştırıcılı bağlantıların bağlantı dayanımları deneysel ve nümerik yollarla hesaplanmış ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapıştırmalı bağlantılar tasarlanırken iki farklı karakteristiğe sahip yapıştırıcı kullanılmış bu sayede farklı yapıştırıcıların modellenmesi amaçlanmıştır. Bağlantı şekli olarak çift yönden bindirmeli bağlantı tercih edilmiştir. Literatüre bakıldığında
xxiv
da kompozit yapıştırma çalışmalarında genel olarak çift yönden veya tek yönden bindirmeli bağlantıların tercih edildiği görülmektedir.
Numunelerin üretimi için 90˚ düz dokuma 200 gsm karbon fiber kumaş kullanılmıştır. Karbon fiber kumaşlar uygun ölçülerde kesildikten sonra epoksi bazlı genel maksat reçinesi kullanılarak karbon fiber plaka üretimi gerçekleştirilmiştir. Gerekli kalınlığa ulaşmak için 11 kat elyaf kullanılmıştır. El yatırması yöntemiyle gerçekleştirilen üretim sonucunda elde edilen plakalar ASTM D 3528 standardına uygun ölçülerde kesilmiştir. Bağlantının diğer bir bileşeni olan metal ise kompozitlerle birlikte sıklıkla kullanıldığından dolayı alüminyum olarak seçilmiştir. 6063 T5 kodlu alüminyum malzemeler yine standartlara uygun ölçülerde kesilmiş cıvata ile bağlanacak parçalara cıvata deliği açılmıştır. Malzemelerin cıvata ile birleştirilmelerinde A-2 kalite paslanmaz çelikten imal edilmiş, M4 cıvatalar kullanılmıştır. Cıvataların basma yüzeylerine pul konulmuş ve M4 somun ile birleştirilmiştir. Cıvatalar sadece bağlantıyı tutacak şekilde sıkılmış, fazladan bir tork uygulanmamıştır. Yapıştırıcılı bağlantılar içinse yapısal yapıştırmalarda kullanılan Araldite 2011 ve Hysol 3450 yapıştırıcıları tercih edilmiştir. Kompozit ve alüminyum parçaların yapıştırma yüzeyleri hazırlandıktan sonra laboratuvar koşullarında malzemeler birbirlerine yapıştırılmıştır. 24 saat beklenerek numunelerin tam olarak kürleşmesi sağlanmıştır. Üç farklı durum için toplamda dokuz farklı numune hazırlanmıştır. Daha sonra numunelerin, laboratuvar ortamında 1,27 mm/dk hızında çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir.
Deneylerin bilgisayar ortamında simule edilebilmesi için öncelikle, numunelerin üç boyutlu katı modelleri SolidWorks 2017 programında oluşturulmuştur. Katı modellere göre sonlu elemanların oluşturulabilmesi için ticari FEA programları olan HyperMesh 13.0 ve HyperCrash 13.0 programları kullanılmıştır. Kullanılan programdan bağımsız olarak, malzemelerin hasar durumlarını gözlemleyebilmek ve mümkün olduğunca doğru sonuçlar elde edebilmek için modellemenin doğru yapılması büyük önem taşımaktadır. Bu şartları sağlamak ve olası delaminasyon durumunda delaminasyon etkisinin gözleyebilmek için bütün kompozit katlar, katlar arası reçine tabakaları, yapıştırıcılar ve cıvatalar üç boyutlu hex elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Üreticilerden ve benzer çalışmalardan elde edilen malzeme özellikleri programa girildikten sonra bütün malzemeler için hasar kriterleri tanımlanmıştır. Uygulanan hasar kriterleri güncel çalışmalar incelenerek seçilmiştir. Belirlenen bu hasar kriterleri doğrultusunda, elemanlar belli bir değere ulaştığında hasar uğramakta ve bir süre sonrada yük taşıma görevlerini yerine getirememektedirler. Oluşturulan modellerin çözdürülmesinde Radioss 13.0, sonuçların değerlendirilmesinde de HyperView 13.0 programları kullanılmıştır. Çıkan sonuçlar birbirleriyle ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Daha önce yapılan çalışmalar incelendiğinde, bağlantı dayanımlarının, maksimum çekme kuvvetinin bindirme alanına bölünmesiyle elde edilen bağlantı dayanımı değeriyle mukayese edildiği görülmüştür. Bu çalışmada da, çalışmada bahsedilen durumlar bağlantı dayanımlarına ve bağlantının taşıyabildiği gerilim değerine göre karşılaştırılmıştır.
Sonuç olarak; cıvatalı bağlantılar ve yapıştırmalı bağlantılar deneysel ve nümerik olarak dayanımlarına göre kıyaslanmıştır. Deney sonuçları göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılarda bağlantı dayanımı ve kopma uzaması, numuneden numuneye çok çeşitlilik göstermektedir. Buna karşın cıvatalı bağlantılarda bu değerler daha kararlıdır. Yapıştırıcıların sonlu elemanlarla modellenmesinde, farklı karakterleri yapıştırıcıların tek bir hasar kriteriyle modellenmelerine engel olmaktadır. Sünek yapıştırıcı enerji kriterine göre daha doğru sonuçlar verirken gevrek olan yapıştırıcı şekil değiştirme
xxv
kriterine göre daha doğru sonuçlar vermektedir. Nispeten daha sünek ve daha mukavemetli bir yapıştırıcı olan Araldite 2011 ile yapıştırılan numuneler neredeyse cıvatalı numuneler kadar dayanım göstermişlerdir. Buna karşın Hysol 3450 ile yapıştırılan numuneler aynı başarıyı gösterememişlerdir. İki yapıştırıcıda da hasar başlangıcından sonra hasar ilerlemesinin çok yüksek hızda olduğu saptanmıştır. Bu durum da bağlantının ani kopmasına neden olmakta ve sistem bütünlüğünü tehlikeye atmaktadır. Bağlantılardaki gerilme dağılımları incelendiğinde ise yapıştırmalı bağlantılarda düzenli bir gerilme dağılımı olduğu, cıvatalı bağlantılarda ise cıvatadan dolayı çentik etkisi ve gerilme yığılmaları olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar göstermiştir ki yapıştırmalı bağlantılar, uygun yapıştırıcı seçiminde en az cıvatalı bağlantılar kadar dayanım göstermektedirler. Birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları olsa da iki bağlantı türü de kompozit sistemlerde kullanılmaya devam edecektir. Fakat yapıştırıcıların ani kopma davranışları, imalat süreçlerinin ve bağlantı dayanımlarının ortam şartlarına karşı çok hassas olmaları, yapıştırmalı bağlantıların kullanım alanlarını kısıtlamaya devam edecektir.

Abstract:
Since the beginning of the civilization, humankind has been tried to utilize different type of materials simultaneously. As the result of these trials, it is quite obvious that composite materials are the most significant epitome. Areas of usage of composite materials are increasing day after day, just because of its lightness, design flexibility and so forth. The increase of areas of usage of composite materials created a need for researching their behavior under load with other composite materials either metallic materials. With the studies in last fifty years, accumulation of knowledge in this subject is spiked up.
There are two diversified methods for the jointing of composite materials. First method consists of different types of mechanical joints and this method can be obtained using bolts, rivets and pins. Alternatively, there is mechanical joints obtained using butterfly shaped joints. However, these joints are not possible to apply for commercial products. On the other hand, joints obtained using bolts and rivets are commonly held in our day. Just because the process of jointing is easy and effortless in these joints. At the same time, it is easy to obtain the components for these processes and components which are used in these joints are compatible for the environmental conditions. In spite of that, material handling such as drilling holes on the composite material is an extra cost in these processes. Also extra weight of joint components is a disadvantage factor. Bonded joints are a lot better than mechanical joints considering that lower costs of material handling and lightness of joint. Another important advantage is that different adhesives can be developed for different mechanical properties. Because of these features, bonded joints are a good choice for jointing composite materials.
Composite materials are used with aluminum and titanium because of their lightness. Joint strength between composite materials and metallic materials is limited with the minimum strength of jointing component or material. Component or material with the lower strength may fail such as adhesive, bolt, metallic material or composite material. As the literature research shows, there are multiple analytical models used for calculating joint strength. Strength calculation of mechanical joints is relatively easy while the strength calculation of adhesive joints is more complex and difficult. Moreover, when the irregularity and complexity of the composite material are added on top of it, calculation becomes more difficult. Therefore, more numerical solution methods are used to solve such problems. After the elastic zone of the materials, many material failure models were introduced to examine the plastic behavior. Failure models such as Von Mises, Mohr - Coulomb, and Drucker - Prager for adhesives have been developed, while Tsai - Wu, Hashin and Rotem have been developed for composites. Despite these theoretical studies, the most reliable methods of strength calculation in composite and adhesives are tests and experiments.
xxviii
In this study, mechanical and bonded joint strengths were calculated with experimental and numerical methods. Then these results were compared to each other. At the designing process of bonded joints, there were two different typical adhesives used. By this means, different adhesives were modelled. Double lap joint was chosen as the joint type. Literature review also shows that in composite bonding studies, it is generally preferred to use double lap or single lap joints.
For the manufacturing of the specimens, 90 ° plain woven 200 gsm carbon fiber fabric was used. After the carbon fiber fabrics were cut to the appropriate size, carbon fiber plate manufacturing was carried out using epoxy based general purpose resin. Eleven layers of fiber were used to achieve the required thickness. Plates obtained as a result of hand lay-up were cut in accordance with ASTM D 3528 standard. Metal, another component of the connection, has been chosen as aluminum because it is often used with composite materials. Aluminum materials with 6063 T5 code were cut in accordance with the standards and drilled holes on the materials which will be connected with. M4 bolts made of A-2 quality stainless steel are used for bonding the materials with bolts. Fastened with M4 nuts by using washers. The bolts were tightened only to keep the joint, no extra torque is applied. Araldite 2011 and Hysol 3450 adhesives -which are used in structural bonding-, were preferred for bonded joints. After the bonding surfaces of the composite and aluminum were prepared, the materials were stuck each other in laboratory conditions. The specimens were allowed to cure for 24 hours. A total of nine different specimens were prepared for three different cases. Tensile tests were then carried out at the speed of 1.27 mm / min in the conditioned environment.
For the experiments to be simulated in a computer environment, 3D Cad models of the specimens were created in SolidWorks 2017 program. HyperMesh 13.0 and HyperCrash 13.0 programs, which are commercial FEA programs, are used to create finite elements according to 3D Cad models. Regardless of the program used, it is essential that modeling is done correctly to observe the fail conditions of the materials and to obtain the correct results as much as possible. To ensure these conditions and to be able to observe the effect of delamination in the event of possible delamination, all composite layers, interlayer resin layers, adhesives and bolts are modeled using three dimensional hex elements. After the material properties that obtained from the manufacturers and similar studies are entered into the program, material failure criterias are defined for all materials. Applied failure criterias were selected by studying current studies. Radioss 13.0 was used to solve the generated models and HyperView 13.0 was used to evaluate the results. The results were compared with each other and the experimental results. When the previous studies are examined, it has been seen that the joint strengths are compared with the joints strength obtained by dividing the maximum tensile force by the overlap area. In this study, the cases mentioned in the study were compared according to the joint strengths.
As a result; bolted joints and bonded joints are compared each other according to their experimental and numerical results of joint strengths. Experimental results showed that the joint strength and the elongation at break in the bonded joints vary widely from specimen to specimen. On the contrary, these values are more stable in the mechanical joints. In the modeling of adhesives with finite elements, different characters of adhesives prevent the adhesives from being modeled with a single fail criteria. While the ductile adhesive gives more accurate results with the energy criteria, it gives more accurate results with the brittle adhesive strain criteria.
xxix
Specimens that bonded with Araldite 2011, which is a more ductile and strong adhesive, were almost as durable as bolted specimens. On the other hand, the specimens bonded with Hysol 3450 could not show the same durability. Both adhesives were found to have a very high rate of damage progression after the beginning of the fail. This leads to a sudden breakdown of the joints and jeopardizes the system integrity. When the distribution of stresses in the joints is examined, it is observed that there is a uniform stress distribution in the bonded joints and the notch effect and stress concentrations in the bolted joints due to the bolt All these results show that the bonded joints are as rigid as at least bolted joints in case of selecting the appropriate adhesive. Although there are advantages and disadvantages to each other, both types of joints will continue to be used in composite systems. However, the sudden fracture behavior of adhesives, manufacturing processes and bond strengths which are very sensitive to environmental conditions will continue to limit the use of adhesives.