Temperleme işlemi ile düz camlarda montaj delikleri civarında oluşan gerilme alanının fotoelastisite yöntemi ile analizi
The analysis of stress distribution due to the tempering process by the method of photoelasticity around the mounting holes in the flat glass
Yazar: CUMA UMUR DUMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ŞEREF SÖNMEZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN BULUT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Camlar, günümüzde inşaat, otomotiv, elektrik-elektronik, cam ambalaj gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Sahip olduğu özellikler ve kullanıldığı alana kattığı olumlu kazanımlarla oldukça fazla tercih edilen bir mühendislik malzemesidir. Temperli camların şeffaf bir malzeme olması, yüksek kırılma tokluğuna ve kırılmalara karşı yüksek dayanımına sahip olması, korozyon direncinin yüksek olması, fragmante bir malzeme olması yani olası bir kaza anında parçalandığı zaman küçük parçalara ayrılarak yaralanma riskini en aza indirmesi, kendisini otomobil sektörünün vazgeçilmez bir güvenlik parçası yapmaktadır.

Otomobil sektöründe kullanılan temperli camların üretiminde daha çok soda-kireç camları tercih edilmektedir. Günümüzde en fazla tercih edilen cam üretim yöntemi, düz cam (float) üretim yöntemidir. Bu yöntemle elde edilen plaka halindeki camlara temperleme işlemi uygulanarak yeni mekanik özellikler kazandırılır. Yüksek sıcaklıklara çıkarılan camın dış yüzeylerine, temperleme sırasında hızlı ve kısa süreli bir soğutma işlemi uygulanmaktadır. Bu soğutma işlemi; cam levhanın dış bölgesinde basınç, henüz soğumamış ve zamanla yavaşça soğuyacak iç bölgesinde ise çekme gerilmelerinin oluşmasını sağlar. Böylece camın düzlemine dik doğrultuda uygulanan yüklere karşı dayanımı arttırılmış olur.

Temperli camların üretimi sırasında cam, proses gereği termal etkilere maruz kalmakta, sıcak olan cama, ani bir soğutma uygulanmaktadır. Bu ani soğutma sonrası yüksek sıcaklık farklılıklarının meydana gelmesi camda kalıcı gerilmelerin oluşmasına sebep olmaktadır. Temperleme işlemi öncesi camda açılmış olan montaj deliklerinin çevresinde ve camda bulunan kalitesel kusurların etrafında, temperleme işlemi sonrası kalıcı gerilme yığılmaları ve süreksizlikler oluşmakta ve bunlar camın kırılmalara karşı dayanımına olumsuz yansımaktadır. Ayrıca uygun olmayan bu gerilme dağılımları, camın yüzey gerilmelerinde, kenar gerilmelerinde, yüzey refleksiyonunda ve kalitesinde önemli ölçüde olumsuzluklara sebep olacaktır. Bu kalıcı gerilmeleri ortadan kaldırmak için camda bulunan kusurlar, önceki aşamalarda mümkün olduğunca giderilmeli ve camın soğutma işleminin homojen yapılmasına dikkat edilmelidir.

Delik civarlarında oluşan kalıcı gerilme yığılmalarının camın dayanımını etkilememesi için bu deliklerin konumu ile ilgili çeşitli kısıtlar ilgili standartlarda belirtilmektedir. Bu çalışmada, camda montaj amacıyla belirlenen standartlara uygun olarak açılmış bir delik ile uygun olmayarak açılmış bir delik civarında deneysel termal gerilme analizi yapılmıştır. Termal gerilme analizi, foto-termoelastisitenin şekil değiştirmelerin dondurulması metodu ile modellenmiştir. Deney modeli optik hassas, homojen ve izotrop olan epoksi esaslı Araldite'den üretilmiş olup, ani soğutulma sonrasında camın içerisinde artık gerilmelerin denge haline gelmiş durumu modellenmiştir. Model lineer-elastik davranış göstermiştir.

Bu çalışmada, camın temperleme işlemi sırasında ani soğumaya maruz kalan kısmının sıcaklık değişimi foto-termoelastisitenin mekanik modelleme yöntemi ile modellenmiştir. Oluşturulan model orta düzlemine göre simetrik koşullara sahip düz camın, bu düzlemle ayrılan bir parçasını temsil etmektedir. Modelde oluşturulan gerilmeler ani soğuma etkisinin ardından camda oluşan statik gerilme halini belirtmektedir. Bu amaçla Araldite'den elde edilmiş iki adet silindirik levhada farklı sıcaklık değişimleri modellenmiştir. Modelin oluşturulması öncesi, modeli oluşturan malzemenin mekanik ve optik özellikleri belirlenmiştir. Modeli oluşturan silindir geometrili parçaların ilkinde αΔT büyüklüğünde şekil değiştirme, foto-elastisitenin mekanik modelleme yönteminden yararlanılarak oluşturulmuştur. Şekil değiştirmeler, silindir levha üzerinde halen mevcut iken şekil değiştirmelerin dondurulması yöntemiyle kalıcı hale getirilmiştir. Bu parça camın ani soğumaya maruz bırakılan kısmını temsil etmektedir. Daha sonra soğutulan camın iç kısımlarını temsil eden, ilk silindirle aynı çapta ve üzerinde herhangi bir gerilme bulunmayan ikinci silindir parça elde edilmiştir. Ardından bu parçalar özel bir yapıştırıcı ile birbirlerine yapıştırılmıştır. Yapıştırma işleminden sonra model üzerinde iki adet silindirik delik ve iki adet çeyrek küre boyutunda kusur oluşturularak deney modelinin imalatı tamamlanmıştır.

Deney aşamasında, model daha önce belirlenen viskoelastik sıcaklık değerine planlı bir ısıtma rejimi ile ısıtılmıştır. Isıtılma sonrası termal şekil değiştirmelerin dondurulmuş olduğu parçadaki şekil değiştirmeler serbest kalmak istemiştir. Ancak üzerinde herhangi bir gerilme bulunmayan parça bu şekil değiştirmelere zıt yönde  direnç göstermiş ve yeni gerilme dağılımlarının oluşmasına sebep olmuştur. Oluşan bu yeni şekil değiştirmeler, modelin tekrar oda sıcaklığına belli bir rejimle soğutulmasıyla dondurulmuştur. Sonrasında model, termal gerilmelerin analizine uygun olacak şekilde dilimlenmiştir. Dilimler şartnamelere uygun olan deliğin olduğu bölgeden ve uygun olmayan bölgeden birer adet, iki delik arasında herhangi bir kenar etkisinin olmadığı bölgeden iki adet ve kusurların olduğu bölgelerden bütün halinde bir adet olmak üzere toplam beş adettir. Gerilme dağılımlarının iyi şekilde incelenmesi için dilimler, mümkün olduğunca ince kalınlıklarda, modelin çapı doğrultusunda kesilmiştir. Alınan dilimlerdeki kalıcı gerilme dağılımlarını elde etmek için belli sayıdaki noktalarda, polarize mikroskop ile şerit sayıları ve ışığın geçtiği kalınlık boyunca dijital mikrometre ile kalınlıkları ölçülmüştür. Her bir noktadaki asal gerilmelerin farkının değerleri; o noktalardaki şerit sayısı, kalınlık değerleri ve daha önceden belirlenen malzemeye ait optik hassasiyet katsayısı ile hesaplanmıştır. Daha sonra dilimler üzerindeki ilgili gerilme dağılım eğrileri çizilmiştir.

Kalınlığı doğrultusundaki koordinat değişkenine bağlı olarak değişen sıcaklık fonksiyonu ile yüklü serbest levhanın analitik çözümü literatürde mevcuttur. Analitik çözümün yapılmasında deney modelinin boyutları ve modeli oluşturan malzemenin özellikleri kullanılmıştır. Analitik formülasyonla elde edilen gerilme değerleri deneyde ilgili bölgeden elde edilen gerilme değerleri ile karşılaştırılmıştır. Analitik çözümün uygulanamadığı bölgelerde sonlu eleman yöntemi kullanılarak sayısal analiz yapılmış ve deney verileriyle karşılaştırılmıştır. Sayısal analiz, ABAQUS paket programıyla gerçekleştirilmiştir. Sonlu eleman modelinin değişkenleri analitik çözüme uygun olacak şekilde ağ iyileştirmesi ile belirlenmiştir. Model üzerindeki etrafında çeyrek küresel boyutlu kusurlar bulunan delikler sonlu elemanlar yöntemiyle analiz edilmiştir. Sonlu eleman analiziyle elde edilen gerilme dağılımları ile deney sonucunda elde edilen gerilme dağılımları karşılaştırılmıştır. Böylece sayısal modellemenin sonuçları, analitik çözüm ve deneysel modelden elde edilenler sonuçlar ile doğrulanmıştır.

Abstract:
Today, glasses are widely used in many fields such as construction, automotive, electrical-electronics, glass packaging. It is a highly preferred engineering material due to its features and positive gains in the field it is used. Tempered glasses are transparent materials with high fracture toughness and high resistance to fractures and high corrosion resistance. At the same time, the fact that the glass is a fragmented material, in other words when it breaks down in the event of a crash, minimizes the risk of injury, makes it an indispensable part of the automobile sector. At the same time, the fact that the glass is a fragmented material, in other words when it breaks down in the event of a accident, minimizes the risk of injury because of fragmentation ability, makes it an indispensable part of the automobile sector. These features make it an indispensable safety part of the automobile industry.

In the production of tempered glasses used in the automobile industry, soda-lime glasses are more preferred. Float glass process is the most preferred manufacturing method in the production of raw glass. The float glass obtained by this method is tempered by applying new mechanical properties. The outer surfaces of the glass, which are raised to high temperatures, are exposed to a instantaneous and short-term cooling process during tempering. By this cooling process; the tension is occurred in the outer region of the glass plate, provides the occurrence of compressive stresses in the inner region which has not yet cooled down and will slowly cool down gradually. Thus, the load carrying capacity in the perpendicular direction to the plane of the glass is increased.

During the production of tempered glass, the glass is exposed to thermal effects due to the process. Instant cooling is applied to the glass which is still hot. High temperature differences occurring after this instantaneous cooling cause residual stresses on the glass. Residual stresses and discontinuities occur after the tempering process around the mounting holes and defects in the glass that have been drilled before the tempering process, and this has a negative effect on the resistance of the glass to fracture. In addition, these unsuitable stress distributions will cause significant adversities in surface tension, edge stress, surface reflection and quality of the glass. In order to avoid from these residual stresses, the defects in the glass should be removed as much as possible before tempering process and care must be taken to ensure that the glass cooling process is homogeneous during tempering process.

Various constraints on the location of these holes are specified in the relevant standards so that residual stress growth around the hole does not affect the strength of the glass. In this study, experimental thermal stress analysis was carried out in the vicinity of a hole drilled in accordance with the standards determined for the purpose of mounting on the glass and a hole drilled inappropriately. Thermal stress analysis was modeled by the freezing method of deformations of photo-thermo-elasticity. The experimental model is made of Araldite, which is optically sensitive, homogeneous and isotropic material based on epoxy. After instantaneous cooling, the equilibrium state of residual stresses in the glass is modeled. The behavior of model is linear-elastic.

In this study, the temperature change of the part of the glass which is exposed to cooling during the tempering process is modeled by mechanical modeling method of photo-thermo-elasticity. The developed model represents a part of flat glass which is separated by this plane having symmetrical conditions according to its mid plane. Created stresses in the model indicate the static stress state formed on the glass after the instantaneous cooling effect. For this purpose, different temperature changes were modeled on two cylindrical plates obtained from Araldite. Before creating the model, the mechanical and optical properties of the material which is constituted the model were determined. In the first part of the cylindrical geometry forming the model, deformation in the size of αΔT was formed by using mechanical modeling method of photo-elasticity. The deformations are made residual by the freezing method of the deformations while the deformation is still present on the cylindrical plate. This part represents the part of the glass exposed to instantaneous cooling. Subsequently, a second cylindrical plate is obtained which represents the inner parts of the cooled glass, having the same diameter as the first cylinder and without any tension thereon. On following step, these parts are bonded to each other with a special adhesive. After the bonding process, two cylindrical holes and two quarter sphere defects were formed on the model and the preparing of the test model was completed.

In the experimental stage, the model was heated to a predetermined viscoelastic temperature value with a planned heating regime. After heating, the deformations in the part where the thermal deformations were frozen wanted to remain free. However, the part which did not have any tension on it, showed resistance to these deformations in the opposite direction and caused new stress distributions to occur. The resulting new deformations were frozen by cooling the model back to room temperature under a certain regime. Then the model was sliced in accordance with the analysis of thermal stresses. The slices are a total of five pieces, one from the region where the hole conforms to the specifications and one from the non-conforming region, two from the region where there is no edge effect between the two holes, and one from the regions with defects. The slices were cut to in the direction of the diameter of the model and as thin as possible thickness in order to examine the stress distributions well. In order to obtain the residual stress distributions in the taken slices, the fringe numbers at each point were measured on a polarized microscope. Thicknesses were measured with the digital micrometer along the thickness that the light is passed at the same points. The values of the difference of the principal stresses at each point were calculated by the number of fringes, the thickness values and the optical sensitivity coefficient of the material determined previously, at the same points. Then, the related stress distribution curves on the slices were drawn.

Analytical solution of the free plate loaded with the variable temperature function depending on the coordinate variable according to the thickness direction is available in the literature. The dimensions of the experimental model and the properties of the material constituting the model were used for the analytical solution. Stress values which were obtained with the analytical formulation were compared with the stress values which were obtained with experiment from related the region.

In areas where analytical solution could not be applied, numerical analysis was performed using finite element method and compared with experimental data. Numerical analysis was performed with ABAQUS package program. The variables of the finite element model were determined by mesh refinement to be suitable to the analytical solution. The holes on the model with situated near quarter spherical dimensional defects were analyzed by finite element method. The stress distributions which were obtained by finite element analysis and the stress distributions which were obtained from the experiment were compared. Thus, the results from numerical modeling were verified with the results of the analytical solution and the results of experimental model.