KOMPOZİT MALZEMELERİN DARBE DAYANIMI

Kompozit Malzemelerin Darbe Dayanımı



ÖZET
Kompozit malzemeler “matriks” adı verilen bir ana bileşenle, yüksek mukavemete ve yüksek elastiklik modülüne sahip olan “takviye edici” (fiber, tanecik, pulcuk vb.) olarak adlandırılan bileşenlerden oluşur. Kompozit malzemeler; malzeme kompozisyonuna göre metal-organik, metal-inorganik, organik-organik ve seramik-metal şeklinde sınıflandırılabileceği gibi yapısal bileşenler olarak da metal-metal, metal-seramik, metal-plastik ve seramik-plastik olarak sınıflandırılmaktadır.

Bu çalışmada, öncelikle kompozit malzemeler hakkında genel bir bilgi verilmiş olup daha sonra tabakalı kompozit malzemelerin düşük ve yüksek hızlı darbelere karşı göstermiş olduğu davranış açıklanmıştır. Bununla birlikte düşük ve yüksek hızlı darbe test metotları hakkında bilgi verilmiş olup darbe davranışına karşı deneysel sonuçların değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca darbe türünün belirlenmesinde hasar türü ve darbe enerjisinin önemi açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Kompozit malzemeler, darbe dayanımı, darbe test metotları.

1. GİRİŞ
Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki, aynı veya farklı gruptaki malzemelerin en iyi özelliklerini, yeni ve tek bir malzemede toplamak amacıyla, makro seviyede birleştirilmesiyle oluşturulan malzemeler olarak adlandırılır. Bu bileşenler makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve birbirleri içinde çözünmezler. Takviye elemanı olarak adlandırılan bileşen; fiber, partikül veya ince levha şeklinde olabilir. Diğer bileşen ise matriks fazıdır. Bu malzemelerin bir araya getirilmesi sonucunda bir takım çalışma karakteristikleri, bu bileşenlerin tek olarak değerlendirildiği durumdakinden daha iyi olmasına müsaade etmektedir. Buna karşılık bu malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemede bazı güçlükler mevcuttur. Bu durum kompozit malzemelerin metalik malzemelere nazaran daha kompleks bir yapıya sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

2. KOMPOZİT MALZEMELERİN BİLEŞİMİ
Kompozit malzeme, tasarımda aranan özellikleri verebilecek daha uygun bir malzeme oluşturma için makro seviyede iki ya da daha fazla malzemenin birleştirilmesi sonucu elde edilen yeni malzemedir. Makro yapıdan kasıt malzemenin makroskobik olarak her tarafta eşit olmasıdır. Kompozit malzemeler birden çok metalik, organik veya inorganik bileşenden oluşabilir. Bu bileşim neredeyse sınırsızdır. Yani elde etmek istediğimiz sonuç yapının özelliklerine göre aşağı yukarı istediğimiz her malzemeden bir kompozit elde edebiliriz. Ancak bu yapı içerisinde bulunacak olan destek malzemeler için bazı sınırlar vardır. Bir kompozit içerisinde bulunabilecek olan destekleyici yapılar fiber, partikül, pulcuk, lamine ya da dolgu olarak bulunabilir.

Kompozit malzemelerin bilinen klasik metal malzemelere göre üstün yanları malzeme kombinasyonunun sonsuz sayıda olmasıdır. Kompozitlerin bu avantajları onlara malzeme özelliklerini istenildiği gibi değiştirme imkânı tanır. Dolayısı ile yapıda var olması istenen düşük ağırlık, yüksek mukavemet, yorulma ve aşınma dayanımı, estetik görünüm, elektrikî iletkenlik, rijitlik gibi özellikler kompozit malzemelerle daha iyi elde edilebilir. Bir kompozit malzeme bünyesinde, çekirdek olarak adlandırılan takviye elemanı ve bunun etrafını saran matriks malzemesini içermektedir. Takviye elemanı olarak değişik morfolojiye sahip kısa ve uzun elyaflar, parçaçıklı seramikler gibi malzemeler kullanılmaktadır. Bunların temel fonksiyonu gelen yükü taşımak ve matriksin rijitlik ve dayanımını arttırmaktır. Matriksin fonksiyonu ise elyaflara yük ve gerilim transferi sağlayabilmek için elyaf-matriksi bir arada tutmak yanında, çoğu takviye elemanları gevrek ve kırılgan olduklarından onların yüzeylerini dış etkilere karşı korumaktır. Ayrıca plastiklik ve süneklik üstünlüğü ile elyaflarda kırılgan çatlakların yayılmasını önler. Plastik deformasyonlar ve çatlaklar varsa elyaflara paralel olarak yönlerini değiştirir.

Bu bilgiler doğrultusunda kompozit malzemelerin üretimi ile şu avantajlı özellikler sağlanabilir:
Yüksek dayanım,
Yüksek rijitlik,
Yüksek yorulma dayanımı,
Mükemmel aşınma direnci,
Yüksek sıcaklık kapasitesi,
İyi korozyon direnci,
İyi termal ve ısı iletkenliği,
Düşük ağırlık,
Estetik görünümdür.
Bütün bu özellikleri aynı zamanda oluşturmak mümkün değildir ve herhangi bir uygulama için böyle bir gereksinime ihtiyaç da yoktur. Özellikleri bilinen bileşenlerden yararlanılarak oluşturulan bir kompozit malzemenin bazı özellikleri, örneğin; yoğunluk, elastik modülleri, çekme dayanımları vb. hesaplanabilir.

Yukarıda belirtilen kompozit malzemelere ait avantajları sağlayabilmek için gerekli şartlar, uygun matriks ve takviye eleman çifti, üretim tekniği, bileşenlerin mukavemet özellikleri ve diğer faktörler göz önüne alınarak üretim yapılırsa istenilen özelliği elde etmek mümkündür.

Bu avantajların yanında kompozit malzemelerin bazı olumsuz yanları da vardır. Bunlar;
Üretim güçlüğü,
Pahalı olması,
Maliyetinin yüksek olması ve gerekli yüzey kalitesinin elde edilemeyişi,
Diğer malzemeler gibi geri dönüşümünün olmayışı,
Kırılma uzamasının az oluşu gibi faktörler sayılabilir.

Yeni gelişen bir malzemeyi modern kompozit olarak adlandırabilmek için aşağıda kriterleri taşımalıdır;
En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekanik özelliği ayrı olan malzemelerin birleştirilmesi ve farklı ara yüzeye sahip olmaları,
Herhangi bir ferdi bileşenle elde edilemeyen mekanik özelliklerin gerçekleştirilmesi,
Optimum özellikler elde edebilmek için bir malzemenin diğer malzeme içerisine kontrollü bir şekilde dağıtılmasıyla iki ayrı malzeme karıştırılarak kompozit bir malzeme oluşturulması gerekmektedir.

3. TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELER
Tabakalı kompozitler bilinen en eski kompozit malzeme şeklidir. En az iki değişik levha malzemenin tabakalar halinde dizilerek oluşturduğu malzemelere tabakalı kompozit malzemeler denir. Ayrıca, tabakalar halinde bulunması her tabakanın ayrı bir kompozit olmasına izin vermektedir. Tabakalı kompozitlerin tasarım, üretim, standartlaştırma ve kontrolü diğer kompozitlerden daha kolay olmaktadır. Bu kompozitlerde özel gereksinimleri karşılamak amacıyla birden çok tabaka birlikte kullanılabilir. Bunlara sandviç malzeme de denir. Tabakalama işlemiyle kompozit malzemenin mukavemeti, katılığı, aşınma direnci, ısıl yalıtım özellikleri iyileşirken çekiciliği de artar.
Tabakalı kompozit malzemeler en az iki tabakadan oluşurlar. Ancak, dayanım ve mekanik özelliklerin özellikle önem taşıdığı hallerde, malzemenin bu özelliklere sahip olabilmesi için en az üç veya daha fazla tabaka kullanılmaktadır. Bu tabakaları oluşturan malzemeler farklı olabileceği gibi, aynı tür malzemeden de yapılabilmektedir. Tabakalı kompozitlerin üretiminde, genel olarak tabaka niteliğindeki her türlü malzeme kullanılabilmektedir. Burada ilke birbirlerinin özelliklerini olumlu yönde takviye edecek bir kompozisyonun oluşturulmasıdır. Tabakalı kompozitlerin üretiminde farklı türden veya tek bir türden



Tabakalı kompozit malzemeler üretimde kullanılan malzemelerin türlerinden hareketle,
Farklı malzemelerden oluşan tabakalı kompozit malzemeler,
Tek tür malzemelerden oluşan tabakalı kompozit malzemeler şeklinde iki grupta toplamak mümkündür.

Bunun yanı sıra tabakalı kompozit malzemeleri;
Metal tabakalı kompozit malzemeler,
Cam tabakalı kompozit malzemeler,
Polimer esaslı tabakalı kompozit malzemeler,
Ahşap tabakalı kompozit malzemeler,
Tabakalı lifli kompozit malzemeler olarak da beş grupta sınıflandırılabilir.

4. TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELERİN DARBE DAVRANIŞI
Mühendislik uygulamalarında, özellikle de mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir. Uygulama yerine ve kullanım amacına göre malzemenin maruz kalabileceği darbeler çok farklı şekillerde olabilir. Buna karşın darbeye karşı olan cevap da malzemenin kendisi tarafından belirlenir. Şöyle ki, metal ve metal alaşımları durumunda darbeye karşı malzemenin cevabı; elastik uzama ve plastik şekil değiştirme şeklinde meydana gelir ve darbe hasarı, çoğunlukla, çarpma yüzeyinde başladığı anda kolay bir şekilde tespit edilebilir. Darbe hasarı, metal malzemelerde genellikle bir tehlike işareti olarak kabul edilmez, çünkü metaller plastik şekil değiştirebilme kabiliyetlerinden dolayı büyük miktarda enerjiyi absorbe edebilirler. Metaller sabit bir gerilme durumunda yapı sertleşmeden önce çok büyük uzamalarda akabilirler, bu nedenle oluşacak kopmalar ani ve beklenmedik olmaz.

Kompozit malzemelerde bir darbe sonucunda oluşan hasar, çarpmanın türüne göre darbeye maruz kalmayan yüzeyde meydana gelebilir, içyapıda oluşan delaminasyonlar (tabakalar arasında ayrılma) şeklinde başlayabilir. Yukarıda da bahsedildiği gibi metallerde darbe cevabı, plastik şekil değiştirme sonucunda bir kopma şeklinde olmasına rağmen, kompozitler çok değişik modlarda hasara uğrayabilirler ve bu hasar modlarında parçanın yapısal bütünlüğünde ciddi bir değişiklik meydana gelmez. Genellikle gözle görülmeyen veya çok zayıf bir şekilde görülebilen hasarlar meydana gelir. Plastik matriksli kompozit malzemelerin hemen tamamı kırılgandır, bu nedenle enerjiyi sadece elastik deformasyon ve bazı hasar mekanizmaları (matriks kırılması, delaminasyon, fiber kopması v.b) sayesinde absorbe edebilirler, diğer bir değişle enerjiyi soğurmada plastik deformasyonun katkısı hemen hemen hiç yoktur. Bu anlamda hasar direnç ifadesi, bir kompozit sistemde meydana gelen darbe hasarının miktarını ifade eder.

Tabakalı kompozit malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit malzemenin enine hasar direnci nisbeten zayıftır. Tabakalar arası gerilmeler (kesme ve normal) tabakalar arası mukavemetin düşük olmasından dolayı ilk kopmalara sebep olan gerilmelerdir. Darbe esnasında kompozit malzemeye aktarılacak enerjinin miktarı, malzemenin bu enerjiyi sönümleyebilmesi için oluşacak hasar modlarını belirleyecektir. Bu nedenle tabakalı bir kompozit malzemede darbenin oluşturacağı hasarı tahmin etmek için darbe hızının belirlenmesi çok büyük bir öneme sahiptir.

4.1. Düşük Hızlı Darbenin Belirlenmesi
Genel olarak, darbeler düşük hızlı veya yüksek hızlı olarak sınıflandırılırlar, fakat bu kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Yapılan araştırmalar bu geçişin belirlenmesinde henüz net bir sonucun elde edilemediğini göstermektedir. Bu konuda yapılmış çalışmalardan bir kısmı düşük hızlı darbeyi ki bunlar statikmiş gibi düşünülebilir, hedefin rijitliğine, malzeme özelliklerine ve çarpan cismin kütle ve rijitliğine bağlı olarak 1 ila 10 m/s arasında değişen hızlar olarak değerlendirilmesi gerektiğini savunmaktadır [1, 2]. Düşük hızlı darbeye en basit örnek olarak kompozit malzeme üzerine imalat veya bakım esnasında kaza sonucu bir parçanın düşmesi verilebilir. Düşük hızlı darbeler normal olarak çarpışma temas anında malzeme içyapısında deformasyon oluşturan darbelerdir. Bazen düşük hızlı darbe, düşük enerjili darbe olarak da kullanılır. Düşük hızlı darbede, malzemenin içyapısında darbeye karşı cevap verebilmek için gerekli olan temas süresi yeterlidir ve sonuç olarak daha fazla enerji elastik olarak soğurulur. Bu nedenle hedefin dinamik yapısal cevabı çok büyük bir öneme sahiptir. Yüksek hızlı darbe cevabı malzeme boyunca yayılan gerilme dalgası tarafından hâkim olunur ki bu durumda malzeme darbeye karşı cevap verebilme zamanına sahip olamaz ve çok küçük bir bölgede hasar oluşur. Cantwell ve Morton, kompozit malzemenin darbe davranışını belirlemek için Charpy ve Izod gibi bilinen darbe deneylerini kullanmışlar ve düşük hızı 10 m/s’ye kadar olan hızlar olarak sınıflandırmışlardır [3]. Bununla birlikte Abrate, tabakalı kompozit malzemelerde darbe ile ilgili yapmış olduğu çalışmalarda düşük hızlı darbeleri 100 m/s’den düşük hızlarda oluşan darbeler olarak belirlemiştir [4]. Darbe türünün, darbe hız sınırını belirleyerek tespit edilmeye çaba gösterildiği bu çalışmaların yanı sıra sınıflandırmanın darbe sonucunda meydana gelen hasara göre yapılması gerektiği görüşü de savunulmaktadır. Bu nedenle yüksek hız, delinme şeklinde meydana gelmiş fiber kopması, düşük hız ise tabakalar arası ayrılma (delaminasyon) ve matriks kırılması ile belirlenir. Davies ve Robinson düşük hızlı darbeyi kalınlık boyunca gerilme dalgasının gerilme dağılımında önemli bir rolü olmadığı bir darbe türü olduğunu belirtmekte ve yüksek hıza geçişi veren bir model önermektedir [5]. Çarpan cismin altında dairesel bir bölge, gerilme dalgası tabaka boyunca yayılırken düzgün bir şekil değişikliğine uğrar.

Sıkıştırma şekil değiştirmesi olarak aşağıdaki eşitlik kullanılır:

c = Çarpma Hızı / Malzeme İçindeki Ses Hızı (1)

Bu değer % 0,5 ila 1 arasındaki kopma uzamaları için, epoksi kompozitler durumunda 10–20 m/s hızda gerilme dalgasının baskın olduğu duruma geçişi verir.

4.2. Enine Darbe
Kompozit malzemelerin en hassas oldukları yükleme durumu düzlem dışına doğru (tabaka veya fibere dik yükleme) olandır. Çünkü malzeme kalınlık doğrultusunda tabaka düzleminde olduğundan daha zayıftırlar. Sonuç olarak, enine darbeye maruz kalan kompozit malzemeler, toplam yük taşıma kapasitelerinde önemli düşüşlere sebep olan hasarlara uğrarlar. Kompozit malzemelerin bu darbe yüklerine karşı göstermiş oldukları cevap çok karmaşıktır. Bu, kompozit malzemeyi meydana getiren her bir bileşenin kendi özellikleri kadar yapısal konfigürasyona da bağlıdır. Ayrıca, darbeye verilen cevap çarpan cismin geometrisine, hızına ve kütlesine de bağlıdır. Her biri enine darbenin toplam etkisini karakterize etmede önemli bir rol oynar. Darbe yüklemesi altında çarpan cismin gözle görülemeyen veya zayıf şekilde seçilebilen nüfuziyetine kadar değişebilen farklı şekillerde hasar modları mevcuttur. Düşük hızlı darbeler tabakalar üzerinde gözle görülen hasarlar oluşturmayabilirler. Fakat tabaka içerisinde, matriks kırılması, delaminasyon ve/veya fiber kırılması şeklinde hasarlara sebep olabilirler. Bu, mukavemette önemli derecede bir düşüşe sebep olur. Rijitlikte azalma da mümkündür. Yüksek hızlı çarpmada malzeme üzerinde oluşan hasar, çarpışma temas bölgesindeki küçük bir bölgede yoğunlaşır.

4.3. Tabakalı Kompozit Malzemede Darbe Sonucu Oluşan Hasar Modları
Fiber takviyeli plastik tabakalar, anizotropik ve heterojen yapılarından dolayı dört değişik önemli hasar modunun ortaya çıkmasına müsaittirler [6].

Bunlar;
i. Matriks modu: Kırılma fiberlere paralel meydana gelir. Bunun nedeni bası gerilmesi ve kesme gerilmeleridir.
ii. Delaminasyon modu: Tabakalar arası eğilme cevabı uyumsuzluğundan ortaya çıkar.
iii. Fiber modu: Gerilme altındaki fiber kopar, sıkıştırma altındaki fiber eğilir.
iv. Nüfuziyet: Çarpan cisim kompozit malzemeye tamamıyla nüfuz eder.



4.3.1. Matriks Hasarı: Literatürde rapor edilen darbe testlerinin çoğunluğu, düşük enerjili testleri içerir. Bu enerji seviyesi yaklaşık olarak 1–5 J arasında değişmektedir. Matriks hasarı, düşük hızlı enine darbenin oluşturduğu hasarın ilk tipidir ve genellikle matriks kırılması şeklinde meydana gelir. Matriks hasarı ayrıca fiber ve matriks ara yüzeyi arasındaki bağın kopması şeklinde de oluşur. Matriks kırılmaları, tek yönlü fiberlerden oluşmuş tabakalarda genellikle fiber doğrultusuna paralel düzlemlerde oluşur. Tipik bir matriks kırılması ve delaminasyon modeli Şekil 3’deki gibi açıklanabilir. Üst ve orta katmanlardaki matriks kırılmaları, çarpan cismin kenarının altında başlar (Şekil 3.b.). Bu kesme gerilmeleri, malzeme boyunca oluşan çok yüksek enine kesme gerilmeleri tarafından oluşurlar ve genellikle 45o eğime sahiptirler.

4.3.2. Delaminasyon: Aynı katman grubundaki tabakalar arasında değil, farklı elyaf oryantasyonlarına sahip tabakalar arasında matriks bakımından zengin bölgede meydana gelen bir kırılmadır. Tabakalı kompozit malzemelerde katmanlar arasındaki farklı fiber yönlenmelerinden dolayı bu katmanların eğilme rijitlikleri farklılık gösterir. Delaminasyonun en önemli sebebi; tabakalar arasındaki bu eğilme rijitlik farklılığı ve eğilme kaynaklı gerilmelerdir. Bu konudaki deneyler ve analizler, eğilmenin enine doğrultuda dış bükey olduğu ve fiber doğrultusu boyunca tabakanın konkav eğilmeye eğilimli olduğunu göstermektedir [7]. Tabakalar arası eğilme rijitliğindeki uyuşmazlık ne kadar büyük olursa, en kötü fiber doğrultusudur), delaminasyon alanı da o kadar(ki 0/90 büyük olur. Bunun yanı sıra delaminasyonu malzeme özellikleri, yığılma düzeni ve tabaka kalınlığı gibi diğer bazı faktörler de etkilemektedir. Enine darbeden dolayı oluşan delaminasyon, belirli bir eşik (geçiş) enerji değerine ulaşıldıktan sonra ve sadece matriks kırılması mevcut ise meydana gelir.

Matriks kırılması delaminasyonun başlaması açısından gerekli bir faktördür. Matriks kırılması ve delaminasyon arasında sıkı sıkıya bir ilişki mevcuttur. Delaminasyonlar, tabakalar arası ara yüzey bölgesinde meydana gelirler. Fakat bu bölge her zaman tam olarak ara yüzey bölgesi olmamakla beraber ayrıca her iki tarafta da bir miktar olabilir. Enine darbeye maruz 0/90/0 tabakaları için delaminasyon ve matriks kırılması etkileşmesi göz önüne alındığında; üst katmanlardaki eğimlenmiş kırıklar ara yüzeye ulaştığı zaman durdurulur ve katmanlar arasında delaminasyon olarak ilerler (Şekil 3.a.).

4.3.3. Fiber Kopması: Hasar modlarından bir diğeri olan fiber kopması, genellikle matriks kırılması ve delaminasyondan çok daha sonra meydana gelir. Fiber kopmasına neden olan en önemli iki faktör [8]:
Yüksek lokal gerilmeler ve nüfuziyetin oluşturduğu etkilerdir (esas olarak kesme kuvvetleri tarafından idare edilen etkiler). Bu olay çarpan cismin hemen altında gerçekleşir.
Yüksek eğme gerilmeleridir. Bu olay ise, darbeye maruz kalmayan yüzde meydana gelir.

4.3.4. Nüfuziyet: Hasarın makroskobik bir modudur ve çarpan cismin malzemeye tamamıyla nüfuz etmesine müsaade eden, fiberin kritik bir uzamaya ulaştığı zaman meydana gelir. Nüfuziyetin meydana geldiği darbeler esas olarak balistik ve üzeri hız düzeylerindeki darbeleri oluşturmaktadır. Delme için gerekli olan darbe enerjisi eşiği karbon-fiber takviyeli plastik kompozit malzemeler (CFRP) için kalınlığın artmasıyla hızlı bir şekilde artmaktadır. Balistik hızda meydana gelen darbe olayında kompozit malzemede nüfuziyetin oluştuğu bölgeden (genellikle çarpan cismin büyüklüğünde bir bölgedir) bir parça kesilip dışarı çıkar. Malzemeden bu parçanın kopup dışarı çıkartılmasıyla soğurulan enerji, toplam olarak soğurulan enerjinin büyük bir kısmını oluşturur (tabaka kalınlığına bağlı olarak % 50–60) [9].


5. DARBE TESTLERİ
Tabakalı kompozit malzemelerin darbe direncinin, bir cismin kompozit malzemenin enine doğrultusundaki darbesini simule eden testlerle karakterize edilebileceği açıktır. Birçok test tekniği darbe üretmek için kullanılırlar. Bununla birlikte kompozit malzemelerin darbe davranışını karakterize etmek için standart bir test tekniği veya farklı ülkeler, kuruluşlar ve araştırmacılar arasında yaygın bir şekilde kabul edilen herhangi bir teknik mevcut değildir. Bu durum, farklı kaynaklardan sonuçların karşılaştırılacağı zaman, kompozit malzemelerin darbe cevabı için uygun bir model geliştirme girişimleri için problem oluşturmaktadır. Bu olumsuzluklara rağmen kompozit malzemelerin darbe dirençlerinin belirlenmesi amacıyla günümüzde aşağıdaki test yöntem ve cihazları yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bunlar genellikle üç kategoride sınıflandırılabilirler;
Sarkaç testleri (Charpy ve Izod),
Hava veya gaz silah testleri (düşük hız veya balistik testler),
Ağırlık düşürme testleridir.




Malzeme Charpy Izod
S-Cam/Epoksi (% 55 fiber) 734 -
B/Epoksi (% 55 fiber) 109–190 -
Kevlar/Epoksi (% 60 fiber) 317 158
AS Karbon/Epoksi (% 60 fiber) 101–132 33–67
HMS Karbon/Epoksi (% 60 fiber) 23 7.5
4340 Çelik (Rc = 43–46) 214 -
7075-T6 Alüminyum Alaşımı 153 -
6061-T6 Alüminyum Alaşımı 67 -

Son yıllarda kompozit malzemelerin düşük hızdaki darbe testlerini karakterize etmek için sarkaç veya ağırlık düşürme darbe test cihazlarının bir araya getirilmesiyle oluşturulmuş darbe test cihazlarının kullanımı giderek artmaktadır. Ağırlık düşürme test yöntemi, kompozit malzemelerin darbe testleri için tercih edilen yöntem olmaya başlamıştır. Bunun en önemli sebebi daha geniş bir alanda test parametrelerinin belirlenmesi mümkündür ve sonuçlar çok daha kolay analiz edilebilmektedir.

Bu cihazların bazıları yer değiştirmeyi veya ivmelenmeyi ölçmektedirler. Bu sayede yük, yer değiştirme ve ivmelenmenin çarpma anındaki değişimi kaydedilir. Bu sonuçlar, darbe yükü-zaman ve darbe enerjisi-zaman değişimlerine dönüştürülebilir. Bunlar sayesinde, en uç noktadaki yük ve soğurulan enerji gibi özellikler malzemede meydana gelen kırılma işlemiyle ilişkilendirilebilirler. Tipik bir ağırlık düşürme test cihazı Şekil 5.’de görüldüğü gibidir. Böyle bir cihazı meydana getiren ekipmanlar: platformları destekleyen numuneye veya tüp içerisine yerleştirilen yük ölçme cihazları (yük hücresi), çarpışmadan hemen önceki tüp hızını ölçmeye yarayan fotoelektrik hücreler ve darbe olayını görüntülemek için kullanılan yüksek hız kamerasıdır .


Kompozit malzemelerin darbe özelliklerini darbe test cihazı (serbest ağırlık düşürme, sarkaç, silah v.b), çarpan cismin karakteristiği (içi dolu veya boş, uç şekli ve boyutu v.b), çarpan cismin hızı ve kütlesi (veya enerjisi), numunenin konfigürasyonu (boyutu, geometrisi, numune ve destek noktalarındaki uçların sabitlenmesi v.b) etkilemektedir. Bu nedenle kompozit malzemelerin darbe özellikleri söz konusu olduğu zaman tüm bu kriterlerin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir.

6. SONUÇ
Kompozit malzeme bileşenleri makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve birbiri içinde çözünmezler. Bu durum, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinin tek malzemeye nispeten zor olmasına neden olmaktadır. Kompozit malzemenin belirlenmesi gereken özelliklerinden biri de darbe davranışıdır. Çünkü mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir.

Darbe, düşük hızlı ve yüksek hızlı olmak üzere iki şekilde sınıflandırılır. Fakat bu kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Bazı araştırmacılar enerjisi düşük olan darbeleri (1–5 J) düşük hızlı darbeler olarak adlandırılırlar. Bu tür darbelerde çarpma hızı 1–10 m/s arasında değişmektedir. Her ne kadar darbe türünü belirlemede hız ve enerji miktarları kullanılsa da bazen hasarın türü de sınıflandırmada önem kazanmaktadır. Düşük hızlı darbeler, oluşan hasar bakımından matriks kırılması, delaminasyon oluşumu ve fiber kopmalarının görüldüğü darbelerdir. Yüksek hızdaki darbeler ise çarpan cismin kompozit malzemeye tamamen nüfuziyetinin söz konusu olduğu darbe türüdür.

Tabakalı kompozit malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit malzemenin enine hasar direnci nispeten zayıftır.

Kompozit malzemelerin darbe davranışının tespitinde kullanılan test düzenek ve yöntemleri ile ilgili henüz uluslararası bir standart olmamasına karşın, Izod ve Charpy, ağırlık düşürme ve balistik deneyler yaygın olarak kullanılmaktadır. Charpy ve Izod deneyleri genellikle çentikli malzemenin darbe enerjisinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Ağırlık düşürme deneyinde ise hem çentikli hem de çentiksiz numunelerde malzemenin dayanım, şekil değiştirme, darbe enerjisi değerleri tespit edilmektedir.