Low and high cycle fatigue behavior and corresponding failure mechanisms of CFRP and FML composites fabricated under optimized curing conditions
Optimize edilmiş kürleme koşulları altında üretilen CFRP ve FML kompozitlerinin düşük ve yüksek çevrimli yorulma davranışı ve ilgili hasar mekanizmaları
- Tez No: 954616
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇAĞRI UZAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: CFRP, FML, yorulma, kürleme koşulları, hasar mekanizmaları, CFRP, FML, fatigue, curing conditions, failure mechanisms
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Karbon elyaf takviyeli polimerler (CFRP), üstün mekanik özellikleri nedeniyle artan ilgi görmekte; fiber metal laminatlar (FML) ise bu özellikleri metal malzemelerle birleştiren hibrit yapılar sunmaktadır. Bu iki gelişmiş malzemenin ömrünü sınırlayan temel unsur yorulmadır; ancak yorulma testlerinin yoğun emek gerektirmesi nedeniyle literatürdeki çalışmalar genellikle düşük çevrimli testlerle sınırlı kalmakta ve hasar mekanizmalarıyla yeterince ilişkilendirilmemektedir. Ayrıca çoğu çalışma geleneksel üretim yöntemlerine dayanmaktadır. Bu tezde ise sıcak pres kalıplama yöntemiyle kürleme parametreleri hassas biçimde kontrol edilmiş ve hem düşük hem de yüksek çevrimli yorulma davranışı, paslanmaz çelik tel örgü ile üretilmiş hafif FML yapılar dahil olmak üzere kapsamlı biçimde incelenmiştir. Statik testlerde, kürleme sıcaklığı (30 °C, 60 °C, 90 °C), süresi (3 ve 5 saat) ve takviye yöneliminin ([0°/90°] ve [±45°]) mukavemet üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, kürleme süresi ve sıcaklığı arttıkça mukavemetin arttığını, ancak camsı geçiş sıcaklığı aşıldığında bu artışın yerini dayanımda azalmaya bıraktığını göstermiştir. [±45°] yönelimi mukavemeti yaklaşık dörtte bire düşürmüştür. Yorulma testleri, malzeme mukavemetinin %85, %80, %75 ve %70 seviyelerinde gerçekleştirilmiştir. FML malzemeleri, uygulanan seviyeler azaldıkça doğrusal bir azalma göstermiş ve düşük çevrim bölgesinde kalmıştır. Buna karşılık CFRP malzemeleri yüksek çevrim davranışına ulaşmış ve %70 gerilme seviyesinde 10 milyon çevrimi kırılmadan tamamlamıştır. Mikroskobik analizler, düşük çevrimli yorulmalarda fiber kırılmaları ve matris çatlaklarının baskın olduğunu, ancak yüksek çevrimli yorulma durumlarında delaminasyon ve fiber çekilmesi gibi hasar mekanizmalarının ön plana çıktığını göstermiştir. CFRP-60-5-70% numunelere ait grafiklerde gözlemlenen eğri, başlangıçta ani bir şekil değişimi artışı göstermiş, ardından bu artış azalan bir eğimle devam etmiştir. Zamanla bu artış yatay bir trende yaklaşmış ve eğri, düşük genlikli fakat düzenli olarak tekrar eden çukur benzeri dalgalanmalar göstermiştir. Bu davranış, CFRP'nin uzun yorulma ömrünün arkasındaki mekanizmaları açıklamaktadır.
Özet (Çeviri)
Carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) have received growing attention in recent years with their advanced mechanical properties. Fiber metal laminates (FMLs) are hybrid materials that combine the advantages of CFRP and metallic materials. Similar to the vast majority of engineering materials, the most important mechanism limiting the life of these two advanced materials is fatigue. However, due to the nature of fatigue, which requires intensive labor and time, studies on it are quite limited. The literature predominantly reports low-cycle fatigue results for such materials, often without sufficient correlation to damage mechanisms. Moreover, most studies rely on conventional production techniques. In contrast, this thesis employed hot press molding, enabling precise control of curing parameters. Accordingly, the study makes novel contributions by investigating the independent and synergistic effects of these parameters on both low-cycle and high-cycle fatigue behavior, along with the use of stainless steel wire mesh to produce lightweight FMLs. In static tests, the effects of curing temperature (30 °C, 60 °C, 90 °C), curing time (3 and 5 hours) and reinforcement orientation ([0°/90°] and [±45°]) on strength were examined. Results showed strength improvement with increased curing time and temperature up to a critical point; surpassing the glass transition temperature led to strength deterioration. The strength decreased to about one-fourth in the reinforcement at [±45°] orientation configuration. This finding showed that off-axis reinforcements significantly reduced the load carrying capacity. Fatigue tests were performed at 85%, 80%, 75% and 70% levels of material strength. While FMLs showed linear degradation remaining in the low-cycle region, CFRPs reached high-cycle behavior, completing 10 million cycles at 70% stress without failure. Microscopic analyses showed that fiber fractures and matrix cracks were prominent in low cycle failures, but progressive damage mechanisms such as delamination and fiber pullout dominated the high cycle fatigue failures. The curve observed in the graph of CFRP-60-5-70% samples exhibited a sudden increase in deformation at the beginning, then continued to increase with a decreasing slope. Over time, this increase approached a horizontal trend, and the curve showed low amplitude but regularly repeating trough-like fluctuations. This behavior provided important clue about the mechanisms behind the long fatigue life of CFRP.
Benzer Tezler
- Machine learning-based predictive models for displacement capacity of RC shear walls
Betonarme perde duvarların sahip olduğu yer değiştirme kapasitesi için makine öğrenimi tabanlı modelleri
SIAMAK TAHAEI YAGHOUBI
Doktora
İngilizce
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP DEĞER
- Yaş almış uçak filolarında sürekli uçuşa elverişlilik yönetim maliyetleri üzerine bir analiz
An analysis of continuing airworthiness management costs in aging aircraft fleet
YAVUZ SELİM ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPTEKİN YILDIZ
- Helikopter rotor pali dinamik yüklemesi altında yorulma çatlak analizi
Başlık çevirisi yok
TAMER İLHAN
- Mevcut çelik demiryolu köprülerinde yorulma ömrü tayini
Fatique life prediction for existing railway bridges
HÜDAİ KAYA
- Effect of temperature on fatigue properties of DIN 35 NiCrMoV 12 5 steel
DIN 35 NiCrMoV 12 5 çeliğinde sıcaklığın yorulma özelliği üzerine etkisi
ORKUN UMUR ÖNEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RIZA GÜRBÜZ