Sürekli fiber-takviyeli, seramik matris kompozitler (CMC)
kristalin matrisler ve genellikle seramik takviye malzemeler içerir. Gerilme
testleriyle tek eksenli gerilme stresleri altında malzemenin kuvveti ve
deformasyon özellikleri incelenir. Testte, herhangi bir non-lineer stres-strain
davranışının (matris kırılması, matris/fiber tahribatı, fiber kopması,
delaminasyon gibi) değerlendirilebilmesi için, stres uygulaması değişmemeli,
aynı kalmalıdır.
Test örneğinin gerilme test sonuçları, örneğin karakterize
ettiği malzemenin farklı çevrelerde veya değişik yüksek sıcaklıklardaki
uygulamalarda kuvvet ve deformasyon davranışlarını tümüyle karşılayamayabilir.
a. Ortam Sıcaklığında (ASTM C1275) ve
Yüksek Sıcaklıklarda (ASTM C1359) Düzlem – İçi Monotonik Gerilme Kuvveti Tayini
Testleri (Monotonik: Monoton; testin başından sonuna kadar test
hızının sürekli olması, değişmemesidir)
Sürekli fiber takviyeli seramiklerin ortam sıcaklığındaki
gerilme kuvveti tayininde ASTM C1275 (Sürekli Fiber Takviyeli Seramik Matris
Kompozit Dikdörtgen Kesitli Test Örneklerin Ortam Sıcaklığındaki Monotonik
Gerilme Kuvveti) standart test metotları kullanılır.
Sürekli fiber takviyeli seramiklerin yüksek sıcaklıklardaki
gerilme kuvveti tayininde ASTM C1359 (Sürekli Fiber Takviyeli Seramik Matris
Kompozit Dikdörtgen Kesitli Test Örneklerin Yüksek Sıcaklıklarda Monotonik
Gerilme Kuvveti) standart test metotları kullanılır.
Heri iki metotta da benzer cihazlar (Şekil-2) kullanılır ve
işlem test hızı: 0.1 mm/dak’dır. Test süresince yük – yer değiştirme veya stres
– strain değerleri kaydedilir; orta noktaya göre kırılma konumu ölçülür ve
kaydedilir. Monotonik, tek eksen (uniaksiyal) yükleme altındaki gerilme kuvveti
elde edilir. Metotlar sürekli fiber takviyeli (1-D, 2-D, 3-D) tüm seramik
matris kompozitlere, ve ayrıca sürekli fiber takviyeli cam matris – amorf –
kompozitlere uygulanabilir.
ASTM C1359 test metoduna göre yüksek sıcaklıklarda
çalışılır; test, 2500 0F’a kadar bir test ortamında yapılır.
Sıcaklık sınırları: £ 1273 ± 3 K;
nominal >1273 ± 6 K; geyç bölgesi: £
773 ± 5 K; >773 ± %1 K test sıcaklığıdır. Sıcaklık hızı ve süresi: <50
K/dak., süresi: £ 30 dak. olarak
verilir.
Test Örnekleri: Test örnekleri çeşitlidir; tipik bazı
örnek geometrileri olarak düz kenarlı, kontürlü kenar-yüklemeli, yüzey-yüklemeli
ve kontürlü pim/yüzey-yüklemeli düz gerilme test örnekleri sayılabilir. Tipik
test örnekleri: ASTM C1359 için, Şekil-1a, 1b, 1c, 1d; ASTM C1275 için Şekil-1de’de
verilmiştir.
Ölçülen Özellikler:
Şekil-1: (a) Düz kenarlı, (b)
kontürlü, kenar-yüklemeli, (c)yüzey-yüklemeli, (d) kontürlü pim/yüzey-yüklemeli
örnek geometrileri, (e) ASTM C1275 tipik bir test örneği. (Boyutlar mm)
Şekil-2: Tek-eksenli-yüklemeli tipik
bir gerilme test cihazı, şematik
Şekil-4: Orantı limit stres tayin
metotları
b. ASTM C1773: Sürekli Fiber Takviyeli Seramik Matris Kompozit (CMC) Boru Şeklindeki Test Örneklerin Ortam Sıcaklığında Monotonik Aksiyal Gerilme Özellikleri
Bu test metodu, duvar kalınlığı bilinen seramik
kompozitlerin (boru/silindir) ortam sıcaklığındaki monotonik tek-eksenli
gerilme testini kapsar. Yükleme fikstürüne yerleştirilen test örneği test
makinesine (Şekil-1) bağlanır ve örneğe aksiyal yük uygulanır; aksiyal gerilme
kuvveti (Su) ve kırılma kuvveti (Sf) tayin edilir.
Stres-strain değerlerinden aksiyal strain, orantı limit stresi ve elastik
gerilme modül değerleri bulunur.
Test Örnekleri: Boru şeklindeki test örneklerin dış
çapı 10-150 mm ve duvar kalınlıkları 1-25 mm aralığında, dış çapın duvar
kalınlığına oranı (d0/t) genellikle 5-30 arasındadır. Örnekler iki
grupta toplanır; düz kenarlı örnekler ve kontür geyçli örnekler (Şekil-2a ve
2b, Şekil 3a, 3b, 3c, 3d).
Ölçülen Özellikler:
Poisson’s oranı (n) aşağıdaki eşitlikle hesaplanır:
Δε22/Δε11 = çembersel strain (ε22)
ve eksensel strain (ε11) eğrisi lineer kısmının eğimidir.
Mühendislik stresi, s
(Mpa); Mühendislik strain, e; Gerilme kuvveti, Su (MPa); Kırılma kuvveti,
Sf MPa); Kırılmada
strain, eu; Elastik modülü,
E değerlerinin hesaplanmasında ASTM C1359 test metodunda verilen eşitlikler
kullanılır. Ayrıca orantı limit stresi ve orantı limit streste strain, esneklik
modülü, dayanıklılık modülü değerleri de hesaplanabilir.
Şekil-3: Tipik test örnekleri; (a)
Düz kenarlı tüp, (b) grip bilezikli kontür geyç tüp, (c) integre kalın duvarlı
grip bölgeli kontür geyç tüp, ve (d) konik omuzlu kontür geyç tüp
c. ASTM C1360: Sürekli Fiber Takviyeli
Seramiklerin Sabit – Genlik, Aksiyal, Gerilme – Gerilme Çevrimsel (Cyclic)
Yorgunlukları (Ortam Sıcaklığında)
Sürekli fiber-takviyeli seramik matris kompozitler (CFCC)
genellikle kristalin matrisler ve seramik fiber takviye malzemelerle
karakterize edilir. CFCC’lerin periyodik yorulmaya karşı davranışı doğrusal bir
eğilim göstermez: mesela, matristeki fiberlerin kayması (örneğin çevreyle olan
ısı transferiyle ilgili olan) gibi. Gerilme periyodik yorgunluk testleri,
dalgalı tek-yönlü gerilme stresleri altında malzemenin verdiği tepkileri ölçer.
Bu proses, bazı noktalarda dalgalı stres veya strain
uygulanan koşullarda bir malzemede meydana gelen kalıcı yapısal değişiklikleri
inceler; testte yeteri seviyede dalgalanmadan sonra örnek tamamen kırılır.
Çevrimsel yorgunluk testi ile ilgili terimlerin tanımlanması Şekil-2’de
gösterilmiştir.
Test Örnekleri: Test örneği geometrisi ASTM C1275
test metodunda önerildiği gibidir (Şekil-1).
Ölçülen Özellikler:
s = mühedislik stresi (MPa), e = mühendislik strain, Su = gerilme kuvveti (MPa),
smaks. = maksimum stres
(MPa), smin. = minimum stres
(MPa), R = stres oranı, E = Elastik modül
P ve Pmaks. ve Pmin. = uygulanan
tek-yönlü sıkıştırma yükü ve maksimum yük, ve minimum yük (N), A = kesit alanı
(mm2), I ve I0 = ölçümde ve orijinal ekstensometre geyç
uzunlukları (mm), Ds/De = s
– e eğrisinin lineer kısmın eğimi (ASTM C1275).
Stres–yaşam süresi (S – N) veya strain–yaşam süresi (e – N) verilerinin grafikleri çizilebilir.
Fiber takviyeli bir seramik matris kompozit için gerilme – gerilme ve gerilme –
sıkıştırma testlerinde maksimum stres değerlerinin (S), yorgunluk çökme çevrim
sayısına göre değişmesi çizilmiş S – N grafiği Şekil-3’de gösterilmiştir.
Şekil-1: ASTM 1275 tipik bir test
örneği (boyutlar mm)
Şekil-2: Çevrimsel (cyclic)
yorgunluk (fatigue) terimleri ve dalga formları
Şekil-3: Tipik bir seramik kompozit
örneğin (SiOC) oda sıcaklığı ve 760 0C’deki yorgunluk (gerilme-gerilme
ve gerilme-sıkıştırma) davranışı (düşük saykıl, 0.1 Hz’de)
Test örneği fiber rest makinesine (Şekil-1a, 1b)
yerleştirilir ve sabit bir karşı-başlık yer-değiştirme (displacement) hızıyla
çökme oluncaya kadar kuvvet uygulanır. Gerilme stres-gerilme strain eğrisinin
lineer bölgesinden, kırılmanın olduğu pik kuvveti ve fiber eksenine düz bir
düzlemin kesit alanı oranından gerilme kuvveti (sf) ve aynı eğriden Young’s
modül hesaplanır (Şekil-1c).
Test Örnekleri: Örnekler, bir fiber demeti veya fiber
bobininden uygun tek-fiber olarak rastgele seçilir. çapı < 250 × 10-6
m, toplam uzunluğu kullanılan geyç uzunluğunun en az 1.5 katı olmalıdır. Çok
kısa fiberler (whiskerler dahil) özel teknikler gerektirdiğinden bu metodun
kapsamına girmez. Burulma gevşemeleri (strain)gerilme kuvvetinin büyüklüğünü
azaltabilir; bu nedenle fiberler yerleştirilirken bükülmemesine dikkat edilmesi
önemlidir.
Ölçülen Özellikler:
Ff = çökme kuvveti (N), A = kırılma düzleminde
fiber kesit alanı (m2), Dl = geyç uzunluğunun uzaması (m). l0 = fiber geyç
uzunluğu (m), e = strain, E = fiber Young’s modül
