Search

ÖZET Doktora Tezi YAPIŞTIRMA BAĞLANTILARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN ETKİSİNİN İNCELENMESİ Şemsettin TEMİZ Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Adnan ÖZEL Makine ve yapı elemanlarının bağlantılarında yapıştırıcıların kullanım potansiyeli giderek artmaktadır. Özellikle uzun zaman periyotlarında bağlantı güvenirliliğin gerektiği havacılık, uzay, otomotiv, altyapı sistemi, tıp, elektronik paketleme, spor, inşaat ve deniz endüstrilerinde yapıştırıcılar, gün geçtikçe geleneksel bağlantı yöntemleri olan cıvata, perçin, lehim ve kaynağın yerini almaktadır. Sistemlerin ağırlığım azaltarak yakıtta tasarrufa gitmek, günümüzde sistemlerin enerji tüketimini azaltmak için başlıca yollarından bir tanesidir. Sistem elemanlarını birleştirmek için kullanılan cıvata, perçin ve kaynak yerine yapıştırıcıların kullanımı sistemleri daha hafif hale getirmiştir. Farklı malzemelerin birleştirilmesine imkan verme, düzgün gerilme dağılımı elde etme ve daha pürüzsüz yüzeyler elde etme gibi avantajlar, yapıştırırcı kullanımına olan talebi giderek artırmaktadır. Yapıştırıcıların bağlama elemanları olarak bu kadar yüksek kullanım performansı sunmasına rağmen, özellikle farklı ortamlarda, zamanla, mekanik özelliklerinin değişmesinden dolayı, tasarımcıların elinde halen yeterli veri bulunmamaktadır. Bu çalışmanın amacı, viskoelastik ve basınç hassaslı bir yapıştırıcı olan 3 M firmasının ürettiği SBT bant yapıştırıcının yaşlanmasını incelemektir. Bunun için Al 2024-T3 malzemenin 1.62 mm ve 3mm kalınlıklarından yapılan numuneler, SBT yapıştırıcının 0.25 ve 0.5 mm kalınlıklı bantlarıyla, 12.5, 25 ve 50 mm bindirme uzunluklarında ASTM 1002 standardına göre yapıştırarak elde dilen yapıştırma bağlantıları, 20°C oda sıcaklığında laboratuvar ortamında, 20°C oda sıcaklığında ve %3.5 tuzlu su ortamında, 20°C oda sıcaklığında ve %100 bağıl nem ortamında ve değişen iklim şartlarına maruz olacak şekilde atmosfer ortamında toplam 90 gün bekletildi. Yapılan çalışmanın sonucunda yapıştırıcı bağlantılarının dayanımlarında, %100 nem ortamında zamanla önemli derecede değişim gözlenirken, atmosfer ortamında ise önemli bir değişim olmamıştır. Ayrıca yapıştırıcı kalınlığının artmasıyla yapıştırıcıların mukavemetleri azalırken, bindirme uzunluğunun artmasıyla mukavemetinde oluşan bozulma azalmıştır. 2003, 112 Sayfa Anahtar Kelimeler: Yapıştırıcılar, yaşlanma, çevresel etkiler, tek tesirli bindirme, bozunma. ABSTRACT Ph.D. Thesis STUDY OF THE EFFECT OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON MECHANICAL PROPERTIES OF ADHESIVELY BONDED JOINTS Şemsettin TEMİZ Atatürk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Adnan ÖZEL The potential use of adhesive joints as fasteners in machine and structure components increases gradually. Especially in long-time periods, adhesive joints supersede conventional joining methods such as bolting, riveting, soldering and welding from day to day in aviation, space, automotive, substructure, medicine, electronic package, sport, building and marine industrials, for which the security of the joints is needed. To save fuel-consumption by reducing the system weight is one of the main methods used to reduce energy consumption. The use of adhesives in place of bolt, rivet and weld joints lightens more the systems. The advantages such as the possibility to connect different materials, to get uniform stress distributions and to get smoother finished surfaces, increase the demand of the use of adhesives. Although the use of adhesive bonding as fasteners presents so high usage potential, especially for different environments, the designers have not enough data yet since the mechanical properties of adhesives change in the course of time. The aim of the work is to study the ageing of SBT (Structural Bonding Tape) film adhesive produced by 3M company which is pressure-sensitive and viscoelastic. Therefore, the adherent Al 2024- T3 which has two different thicknesses as 1.62 mm and 3.2 mm, was bonded with the 0.25 mm and 0.5 mm of the adhesive thickness, and at 12.5 mm, 25 mm and 50 mm of the overlap lengths. The joints were exposed to four different environments for immersion times of 90 days. The immersion environments are 100 % relative humidity (RH) at 20°C, 3.5 % NaCl solution at 20°C, atmosphere and the room condition. Consequently, while the adhesive joint exposed in 100 % humidity lost its strength significantly, no important change formed in atmosphere environment. In addition, as the thickness of adhesive layer increases, the lost in the strength increased. Furthermore, as the overlap length increases, the degradation and the lost in the strength decreased. 2003, 112 pages Keywords: Adhesives, ageing, environmental effects, single lap, degradation. 112

ÖZET Benzer yükleme koşullarında çok tabakalı kompozit plakların elastik davranışı, takviye edilmemiş metal plakların davranışından farklıdır. Bu farklılık esasen, homojen malzemelerde olmayan, matris ve fiber katmanları arasındaki iç etkileşimden oluşur. Ayrıca kompozit malzemelerden imal edilmiş tabakalı plaklar için analitik çözümler, izotropik malzemeler için kullanılan klasik analiz yöntemlerinden tamamen farklıdır ve özel bilgi gerektirir. Gerilme dağılımlarının belirlenmesinin analitik yöntemlerle zor olduğu durumlarda, sayısal bir çözümleme olan sonlu eleman yöntemi kullanılabilir. Bu çalışmada deliksiz tek tabakalı izotropik ve ortotropik, delikli tek tabakalı ortotropik, delikli ve deliksiz çok tabakalı ortotropik düzgün ve sinüsoidal üstten basınçlı yüklemede elastik gerilme analizi sonlu eleman yöntemiyle yapılmıştır. Bunun için sekiz düğümlü düzlem izoparametrik eleman özellikleri kullanılarak bilgisayar programı yazılmıştır. Hesaplamalar bu program kullanılarak çeşitli kompozit malzemelerde ve çelik üzerinde denenmiştir. Sonuçlar tablo ve grafikler halinde sunulmuş ve literatürle karşılaştırılmıştır. Delikli plaktaki gerilme dağılımlarının, deliksiz plaktaki dağılımdan tamamen farklı olduğu saptanmıştır. Her iki plakta da elastik gerilmeler, 1. tabakadan 2. tabakaya geçerken uyumlu olarak azaldığı gözlenmiştir. SUMMARY The elastic behavior of laminated plates is different from that of unreinforced metallic plates under similar loading conditions. This is primarily caused by the interaction between the matrix and the fiber layers, which leads to constraint hardening effects that are absent in plasticity of homogeneous materials. Furthermore, analytical techniques for components manufactured from composite materials are entirely different from conventional methods of analysis used for isotropic materials and require specialist knowledge. In order to determine stress distribution, whilst the analytical solutions are not efficient enough, the finite element method is increasingly used. In this work, the stress analysis of isotropic and ortotropic laminae both with hole and without hole and laminated both with hole and without hole composite plates have been examined using the finite element method. In order to solve the problem, a computer program has been written by using characteristics of eight node isoparametric plane element. The calculations have been tested on various composite and steel materials by this program. The results have been shown in diagrams and tables and compared with literature. It has been found that the stress distribution in the plate with hole was totally different than the plate without hole. The analysis have showed that, the elastic stresses have been gradually reduced as moving from the first layer to the second. 93

Günümüzde bilim ve teknoloji alanında ilerlemekte olan Dünyamızda, yeni nesil malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda, geri dönüşümü kolay ve çevreye duyarlı yeni nesil kompozit malzemeler üretilmelidir. Bu çalışmada, vakum infüzyon yönteminde kayısı çekirdeği kabuğu tozunun kompozit malzemelere uygulanabilirliği araştırılmıştır. Tarımsal atıklardan katma değeri yüksek ürünlerin kullanımının yaygınlaştırılması ve bu türdeki bilimsel çalışmaları yapmak için gereken araştırma şartları sağlanarak bu çalışmada gerçekleştirilmiştir. Çalışmada incelenen literatür çalışmalarına uygun olarak, kayısı çekirdeği kabuğu tozu katkılı numunelerin üretimi yapıldı. Daha sonra üretilen kompozit malzemeler uygun kesiciler kullanılarak kesim işlemi gerçekleştirildi. Kesim işleminden sonra, çekme cihazında deneyler yapıldı. Ayrıca çekme deneyine tabi tutulan numunelerin mikroskop görüntüleri alındı. Çalışmanın son safhasında hibrit olarak üretilen kompozitlere balistik testler uygulanarak atıkların balistik üzerindeki etkisi gözlendi. Hata payları hesaplandı ve gözlemlenen sonuçlar literatüre göre yorumlandı. Çekme deneyi sonuçlarında dayanım kaybının yaklaşık %20 -50 değeri civarında olduğu görüldü. Ayrıca kayısı çekirdeği kabuğu tozunun ceviz kabuğu tozu, fındık kabuğu tozu ve grafen nanotozu ile olan etkileşimi incelenmiştir.ANAHTAR KELİMELER: Kayısı çekirdeği kabuğu tozu, Kompozit malzeme, Tarımsal atıklar, Vakum infüzyon metodu Today, our world is progressing in science and technology, a new generation of materials are needed. In this context, recycling and environmentally friendly new generation of composite materials must be produced. In this study, vacuum infusion method apricot kernel shell applicability of the composite powder were investigated. Promote the use of high value added products from agricultural waste and providing the conditions needed to conduct scientific research studies of this kind was carried out in this study. According to the literature mentioned in the study, apricot kernel shell was made the production of powder doped sample. Then, the produced composite materials were carried out using appropriate cutting process section. After the cutting process, experiments were performed in the tensile machine. Furthermore microscope images of the samples subjected to tensile test was taken. Ballistic tests were applied to a hybrid composite produced in the last stage of the study effects were observed on ballistic waste. The margin of error were calculated and observed results were interpreted according to the literature. The loss of strength in the tensile test result was found to be about 20% -50 value. Also walnut shell powder of apricot shell powder, nut shell powder and interaction with graphene nanopowder were investigated.KEYWORDS: Apricot kernel Shell, Agricultural waste, Composite materials, Vacuum infusion method 162

Bu çalışmada, fonksiyonel derecelendirilmiş kompozit üretiminin gerçekleştirilmesi için, günümüzde zırh malzemesi olarak tercih edilen Al 7039 alaşımlı matris fazı kullanılmıştır. Başlangıçta, matris malzemesinin üretim aşamaları incelenmiş ve döküm yöntemi ile yeniden üretimi için gerekli parametreler belirlenmiştir. Aynı parametreler kullanılarak ortalama boyutu 3-10 µm olan SiC, Al2O3 ve B4C partikülleri karıştırma döküm yöntemi ile Al 7039 alaşımı matrise farklı hacim oranlarında takviye edilmiştir. Farklı oranlarda, farklı partiküller takviye edilerek üretilen üç levha, yüzey temizleme işlemlerinden sonra özel olarak hazırlanmış kalıp içine yerleştirilerek, yaklaşık olarak %20 sıvı, %80 katı kıvama gelene kadar fırın içerisinde bekletilmiştir. Kalıp içerisinde ısıtılmış kompozit malzemelere basınç uygulandıktan sonra, farklı aşamalarda soğutma işlemi yapılmıştır. Tabakalı hale gelen kompozit levhaya önceden belirlenmiş parametrelerde sıcak dövme ve ısıl işlem uygulanarak, üretim tamamlanmıştır. Üretilen hibrit özellikli fonksiyonel derecelenmiş tabakalı kompozit, kendi aralarında sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilerek kaynak edilebilirliği incelenmiştir. Gerekli deneyler sonrasında veriler kıyaslanarak yorumlanmıştır. In this study, Al 7039 alloy matrix phase, which is preferred as an armor material, has been used to perform functional graduated composite production. Initially, the production stages of the matrix material were examined and the parameters required for reproduction by the casting method were determined. Using the same parameters, SiC, Al2O3 and B4C particles with an average size of 3-10 µm were reinforced at different volume ratios to the Al 7039 alloy matrix by stir casting method. Three plates, which were produced by reinforcing different particles in different proportions, were placed in the specially prepared mold after the surface cleaning processes and kept in the oven until they reached approximately 20 % liquid and 80% solid consistency. After pressure was applied to the heated composite materials in the mold, cooling was carried out at different stages. The production was completed by applying hot forging and heat treatment to the composite sheet which has become stratified. Produced hybrid characterized layer composite by joining with friction stir welding with each other, weld ability was investigation. After the necessary experiments, the data were interpreted and compared. 189

Yapıştırma bağlantılarında, yapıştırıcı içerisine katılan nanopartiküllerin, bağlantıların mekanik özelliklerine etkisi ile ilgili araştırmalar son zamanlarda dikkat çekmektedir. Bu çalışmada; epoksi yapıştırıcı içerisine farklı oranlarda Al2O3, TiO2 ve SiO2 nanopartikülleri katılarak ve katkısız epoksi yapıştırıcı kullanılarak tek tesirli bindirme bağlantıları oluşturulmuş ve bağlantıların statik ve yorulma dayanımları 20, 25 ve 30 mm bindirme boylarında deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda yapıştırıcı olarak DP460 epoksi yapıştırıcı ve yapıştırılan malzeme olarak AISI 304 paslanmaz çelik plaka kullanılmıştır. Deneylerden elde edilen sonuçlar incelendiğinde; nanopartikül katkılı yapıştırıcıların kullanılmasıyla elde edilen bağlantılarda genel olarak ortalama hasar yükü dikkate değer şekilde artmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, en büyük ortalama hasar yükü, %4-Al2O3 takviyeli numunelerde elde edilmiştir. Statik testler sonucunda numunelerin yapışma yüzeyleri incelendiğinde katkısız yapıştırıcı kullanılan numunelerde hasar adhezyon ayrılması şeklinde gözlemlenirken, nanopartikül takviyesiyle hasar adhezyon ve kohezyon karışımı şeklinde gözlemlenmiştir. Yorulma deneyleride frekans 10 Hz, yükleme oranı ( R ) ise 0.1 olarak sabit alınmıştır. Yorulma deneyleri sonucunda Al2O3 ve SiO2 katkılı numunelerde bağlantıların yorulma dayanımı artarken TiO2 katkılı numunerlerde yorulma dayanımı azalmıştır. Anahtar Kelimeler: Yapıştırma bağlantıları, tek tesirli bağlantılar, nanopartikül, yorulma dayanımı There is a considerable interest nanoparticles added structural adhesives, recently. Because, nanoparticles improve the mechanical properties of an adhesive and its joint. In this paper, the static and fatigue strengths of single lap shear joints incorporating Al2O3 , TiO2 and SiO2 nanoparticles were compared to those adhesive joints without nanoparticles. Experiments were performed 20, 25 and 30 mm overlap lengths, respectively. DP460 epoxy adhesive, Al2O3 , TiO2 and SiO2 nanoparticles and AISI 304 stainless steel plates were used for manufacturing the single lap adhesive joints. The results of the experimental research revealed that average failure load was increased significantly nanoparticle-reinforced adhesive joints. The highest average faiure load was obtained with %4-Al2O3 in epoxy adhesive. As the average failure load increased, the locus of failure changed from interfacial to the mixture of interfacial and cohesive. Fatigue tests were performed at 10 Hz using an R-ratio of 0.1. From the tests, fatigue strengths of the adhesive joints increased when the adhesive of the adhesive joint had Al2O3 and SiO2 and decreased when the adhesive of the adhesive joint had TiO2.Keywords: Adhesive joints, single lap joints, nanoparticles, fatigue strength 122

Günümüzde yapıştırıcıların kullanım alanı diğer bağlantı yöntemlerine göre gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bunun temel sebebi yapıştırma bağlantılarının daha düşük maliyet, gerilme yığılma azlığı, kolay uygulanabilirliği ve daha düzgün yüzeyler elde etmek gibi birçok avantajları vardır. Yapılan bu çalışmada, çekme yüküne maruz bırakılmış tek bindirmeli yapıştırma bağlantılarında farklı bindirme uzunlukları ve levha kalınlıklarının gerilme değerleri ve hasar yükleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmada 4 farklı bindirme uzunluğu (12.5, 25, 50, 100 mm) ve levha kalınlığı (1.62, 3.2, 4.8, 6.4 mm) kullanılmıştır. Yapıştırıcı tabaka ve alt levha üzerindeki hatlar boyunca gerilme dağılımları sonlu elemanlar yöntemiyle ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca farklı alt ve üst levha kalınlıklarının gerilme dağılımları üzerindeki etkisi araştırıldı.Anahtar Kelimeler: Bindirme Uzunluğu, Levha Kalınlığı, Tek Bindirme Bağlantısı, Yapıştırma Nowadays the adhesives are used more widely than any other connection method. The main reason for that is the lower cost, less stress concentration, easy application and many advantages such as smooth surfaces to achieve. In this study, effect of overlap length (12.5, 25, 50, 100 mm) and adherend thickness (1.62, 3.2, 4.8, 6.4 mm) over the stress values and failure loads on the single lap joints which subjected to tensile load has been examined. For this study 4 different overlap lengths and 4 different adherend thicknesses are used. Stress distribution on the adhesive layer and lower adherend lines has been find out by finite element method. Furthermore, effect of different the lower and the upper adherend thickness on the stress distribution are studied.Keywords: Adhesion, Adherend Thickness, Overlap Length, Single lap joint 139

Havacılık, uzay ve otomotiv sektöründe meydana gelen kazalar, özellikle uçakların kalkışı ve inişi esnasında pistte bulunan kum tanecikleri ve partiküllerin uçak gövde ve kanatlarına yüksek hızla çarpması sonucunda aşınma, yırtılma, çatlak gibi hasarlara sebebiyet vermektedir. Bu yırtılmış, çatlamış veya zayıflamış olan hasarlı bölgenin hassas bir şekilde onarılması gerekmektedir. Yırtık ve çatlak ilerlemesinin durdurulması veya zayıf olan bölgenin onarılması için hasarlı olan bölgenin kesilip çıkartılması ve kesilen bölgeye yama yapılması gerekmektedir. Hasara uğramış bölgeler genellikle küçük çaplı bölgeler olup onarılmasında komple bir parçayı yenilemek yerine hasarlı olan bölgede işlem yapmak, özellikle işçilik, maliyet ve zaman gibi kavramların çok önemli olduğu günümüz için uygun olacaktır. Hasarlı bölge kesilip çift taraflı yama kullanıldığında yapıştırılacak parçalar ve yamalar arasında boşluk oluşmaktadır. Bu çalışmada hasarlı bölgenin tamir edilmesinde ortası boş ve dolu olarak klasik ve kapakları gömülü çift takviyeli yapıştırma bağlantısının deneysel ve nümerik olarak gerilme analizi yapılarak mekanik davranışları incelenmiştir.Bu amaçla, 4.35, 5 ve 6 mm kalınlığındaki AA 2024-T3 alüminyum alaşım ile 40, 50 ve 60 mm bindirme uzunluklarında, 0.6, 0.8 ve 1 mm kalınlıklarında yüksek karbonlu çelikten imal edilmiş kapaklar kullanılmıştır. Yapıştırıcı malzemesi olarak CYTEC FM®73 yapısal film yapıştırıcı kullanılmıştır.Anahtar Kelimeler: Ara eleman, çift takviyeli bağlantı, gerilme analizi, mekanik özellikler, yapıştırıcı. The accidents happened in aviation, space industry, and automotive sector cause damages like abrasion, tearing and cracks as a result of sand particles in land field striking to the plane body and wings with high speed, especially at the moment of while planes are taking off and landing. Repairing of this deformed region which torn, cracked and weakened in a sensitive way is required. It is necessary to prevent crack and tear propagation or to remove deformed region by cutting and to patch the cut region for repairing weakened region. The regions deformed are generally small-diameter regions and especially in today?s conditions where the issues like labor, cost and time have high significance; it is very convenient to perform operations within the deformed regions instead of replacing whole part. There occur gaps in between patches when the deformed region is cut and double sided patch is used. In this study, the repair of the damaged region of classic and patch embedded double strap adhesively bonded joint with interval gaps and filled with part was analyzed experimentally and numerically.For that purpose, connection samples were obtained by bonding aluminum sheets made of AA 2024-T3 with 4.35, 5, and 6 mm thicknesses to the patches made of spring steel of 0.6, 0.8, and 1 mm thicknesses, with overlapping lengths of 40, 50, and 60 mm. CYTEC FM®73 structural film adhesive was used as bonding material.Keywords: Intermediate element, Adhesives, double-strap joints , mechanical properties, stress analysis 223

Yapıştırma, cıvata, perçin, kaynak ve lehim gibi değişik birleştirme metotlarına alternatif olarak kullanılan malzemelerdir. Özellikle bağlantı güvenirliliğinin gerektirdiği havacılık, uzay, otomotiv, inşaat ve deniz endüstrilerinde yapıştırıcıların kullanımı giderek artmaktadır. Yapıştırma bağlantıları ile farklı özellik ve kalınlıklardaki malzemeler düzgün bir gerilme dağılımı sağlanarak, daha ekonomik ve daha hafif olarak birleştirilebilir.Bu çalışmanın amacı; yüksek esnekliğe sahip 3M? SBT 9244 (Akrilik/Epoksi Hibrit) ile yüksek dayanıma sahip CYTEC FM®73 OST (Epoksi) yapısal yapıştırıcıların kayma yüküne maruz mekanik özelliklerini incelemektir. Bunun için öncelikle, yapıştırıcılardan bulk ve bağlantı numuneleri hazırlanmış, hazırlanan bulk numunelerin gerilme-şekil değiştirme özellikleri çekme deneyinden elde edilmiş ve bağlantı numunelerin kayma yüküne maruz mekanik özellikleri de TAST (Thick Adherend Shear Test) yöntemiyle deneysel olarak elde edilmiştir.Daha sonra, bulk numunelerden elde edilen gerilme?şekil değiştirme özellikleri kullanılarak non-lineer sonlu eleman yöntemiyle bağlantı numunelerin kayma gerilmesi-kayma şekil değişimi özellikleri elde edilmiş ve TAST yöntemiyle deneysel olarak elde edilen özelliklerle karşılaştırılmış ve uyumlu olduğu gözlenmiştir. Adhesives are alternative joining techniques which can be used instead of different connecting methods such as bolt, rivet, weld, and solder. Especially the use of adhesives in aviation, space, automotive, building and marine industrials, for which the security of the joints needed, increases gradually. By using adhesively bonded joints, adherents which had different properties and thickness, acquiring regular stress distribution, can be joined more economically and slightly.The aim of this study is to analyze the mechanical properties of structural adhesives which have flexibility 3MTM SBT 9244 (Acrylic/ Epoxy Hybride) and high stiff CYTEC FM®73 OST (Epoxy) and exposed to shear. For this purpose, the bulk specimens were prepared from adhesives, firstly, stress-strain properties of these specimens were obtained from tensile experiment?s results, and mechanical properties of joint specimens which are exposed to shear were also obtained from experimental TAST method.Then, by using stress- strain properties which is obtained from bulk specimens, shear stress- shear strain properties of joint specimens were obtained from non linear finite element method and these results were compared with experimental results which were obtained from TAST method and it was found that there was a close agreement between the two results. 70