\(Microsoft Word - \\343\\344\\326\\317\\345 \\343\\355\\323\\321\) Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 41 باستخدام ألياف الكربون لسلوكية عينات األلمنيوم المقواة خارجياً دراسة تجريبية تحت تأثير عزوم أللي م صباح مهدي صالح.م م سليمان عناد مناور .م د ميسر محمد جمعة. م قسم الهندسة الميكانيكية قسم الهندسة الميكانيكية قسم الهندسة المدنية جامعة تكريت/كلية الهندسة جامعة تكريت /كلية الهندسةجامعة تكريت /كلية الهندسة وجزــــــمال باستخدام ، تقوية عينات األلمنيوم خارجيًا على الخواص الميكانيكية إن الهدف من هذا البحث هو دراسة تأثير ثابتة لجميع أنواع التقوية مع راتنج االيبوكسي )0.8%(وبنسبة كسر حجمي )٩٠-٠(لكربون النظامية ألياف ا ودراسة التغيرات الحاصلة على مقاومة عزم اللي وٕاجهاد القص لأللمنيوم ، كمادة رابطة Sikadur-300نوع ري و تم استخدام ثالثة أنواع من األلمنيوم ذات المقطع العرضي الدائ من حيث تضمنت الدراسة عينات، ،النقي التقوية وهي التقوية الدائرية، والتقوية الحلزونية والتقوية الطولية ومن ثم فحص النماذج المصنعة مختبريًا على حيث أظهرت النتائج . ( SMI MKII TORSION TESTING MACHINE )جهاز فحص االلتواء نوع نات المقواة دائريًا وبنسبة اقل من تلك العينات المقواة حلزونيًا تحسن واضح في مقاومة عزم اللي بالنسبة للعي .زيادة في مقاومة االلتواء أو زاويته أي فلم تظهر النتائج" أما بالنسبة للعينات المقواة طوليا ، ومخصائص األلمني، زاوية الدوران، قابلية تحمل عزم أللي، ألياف الكربون المسلحة بالبوليمرات: الكلمات الدالة .نسبة الكسر ألحجمي، ميكانيكية المواد الصلبة، خصائص ألمواد ألمعدنية EXPERIMENTAL BEHAVIOR OF ALUMINUN SPECIMENS (UNDER TORSION) STRENGTHENED EXTERNALLY BY CFRP MATERIALS ABSTRACT The aim of this research is studying the effect of the fibers orientation on the reinforced aluminum specimens. The fibers are made of uniform carboin (0-90) of a volumetric fraction equal to 0.8%. This is for all the reinforcement fiber orientations, using Sikadur -300 resin as connection stuff. Three fiber orientations reinforcements have been used. These orientations are: circular, longitudinal and helical. Then twisting test has been carried out for all the specimens. The test proved that the circular reinforcement improves twisting property, and the helical orientation gives less improvement, while the longitudinal one gives no improvement in the twisting property. KEYWORDS: CFRP, Aluminum Properties, Torque-Carrying Capacity, Minerals Properties, Mechanics of solids, angle of twist, volume fraction. Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 42 المقدمة قــــد وصــــلت مراحــــل متقدمــــة وذلــــك لالســــتخدامات الواســــعة لمعــــدن األلمنيــــوم فــــي ه إن تقويــــة األلمنيــــوم وســــبائك مــن حيــث طريقــة االســتخالص وقابليــة التحمــل (التطبيقــات الحديثــة كونــه مــن المعــادن ذات المواصــفات الخاصــة ر البحـوث والدراسـات التـي تهـتم بـالتحري عـن وان أكثـ، ) للظروف البيئيـة والمرونـة العاليـة فـي االسـتخدام وغيرهـا الخواص الميكانيكية لهذا المعدن، في هذا المجال تتحدث عن تقوية األلمنيوم داخليًا وذلك بإضافة أنـواع خاصـة Sic([1]-الفـا(من األلياف أو بإضافة مساحيق وحبيبات لمعادن أخرى مـع األلمنيـوم مثـل كاربيـد السـيلكون نـوع كما إن هذا النوع من التقوية يحتاج ، بعض الخواص الميكانيكية تحسينمن شانها والتي [2]جو حبيبات الزجاأ إلى تقنيـات حديثـة وباهظـة الـثمن بسـبب الظـروف الصـعبة التـي ترافـق عمليـات الصـب والسـباكة ومـا يرافقهـا مـن تـي تطرقـت إلـى التقويـة أمـا الدراسـات والبحـوث ال.مشاكل ومعوقات مثل تشكل الفجوات داخل هياكل المصـبوبات الخارجيـــة لأللمنيـــوم أو الهياكـــل الخارجيـــة فهـــي قليلـــة نســـبيا إذا مـــا قورنـــت بالدراســـات التطبيقيـــة فـــي تخصصـــات مثـل الـدعامات الكونكريتيـة واألعمـدة " الهندسة اإلنشائية والتي تناولت تقويـة العناصـر اإلنشـائية المختلفـة خارجيـا . الزجاج المسلحة بالبوليمرات مع راتنج االيبوكسي كمادة رابطة باستخدام ألياف الكربون أو ألياف ومــــن أهــــم الدراســــات وأحــــدثها فــــي مجــــال تقويــــة الحديــــد خارجيــــًا مــــع أليــــاف الكربــــون هــــو مــــا قــــام بــــه الباحثــــان )I.Taerwe and I.Vasseur( حيـث اسـتخدما عمـود مـن الفـوالذ وتقويتـه بأليـاف الكربـون [3] ٢٠٠٩عـام ثبتــــا تحســـنًا كبيـــرًا فــــي الخـــواص الميكانيكيـــة واإلنشــــائية للعمـــود مـــن ناحيــــة تحمـــل عـــزم االنحنــــاء طوليـــًا حيـــث ا ذلك ألن االتجاه الطولي لشـرائح أليـاف الكربـون تمثـل االتجـاه الرئيسـي لتـأثير ، واالجهادات المتولدة عن االنحناء الـــذي قـــد ) (Bucklingاومـــة االنبعـــاج تســـليح العمـــود لمقاومـــة عـــزوم االنثنـــاء الناتجـــة مـــن األحمـــال وبالتـــالي مق . (Euler Theory )يحصل بسبب القوى المحورية المتولدة من األحمال المركزية حسب نظرية أويلر بدراســة ســلوكية األعمــدة [4] 2006عــام (M. Kaminski and T. Trapko)وكــذلك قــام الباحثــان ، ت باســتخدام أليــاف الكربــون المســلحة بــالبوليمرات الخرســانية المســلحة ولنمــاذج متعــددة بعــد تقويتهــا بعــدة حــاال ودراســة العالقــة بــين نســبة التســليح الخــارجي وقابليــة تحمــل ،وأعطــت النتــائج تحســن واضــح فــي مقاومــة االنثنــاء .الحادث وعالقته بنوع التسليح واالنفعالالعنصر لألحمال Advantages of CFRPالفوائد ا�ساسية من استخدام ألياف الكربون يمكن تلخيص أهم فوائد استخدام هذه المادة شائعة االستخدام فـي معظـم التطبيقـات الهندسـية وخاصـة فـي مجـال التقويــات اإلنشــائية لروافــد الجســور والعناصــر اإلنشــائية المختلفــة وغيرهــا إضــافة التســاع تطبيقاتهــا فــي مجــاالت :[7]هندسة الميكانيك والمعادن بالنقاط التالية .ومة في أنظمة التقوية من خالل مقاومة التآكل والتأثيرات القاعديةالديم. ١ .توفرها بكافة األطوال وٕامكانية نقلها بصورة روالت حسب أسلوب اإلنتاج. ٢ وامتالكها لمعامل مرونـة عـالي يصـل ألكثـر MPa 2400مقاومتها العالية الجهادات الشد لتصل ألكثر من . ٣ .MPa 165000من Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 43 Light weight material) .(ة الوزن مادة خفيف. ٤ .التحتاج ألسلوب معقد في التثبيت وتعمل على تحسين خصائص مقاومة المنشآت للحرائق.٥ .التحتاج لكلف صيانة عالية.٦ علــى مقاومــة االنثنــاء والقــص مــن خــالل " أن ألســتخدام أليــاف الكربــون فــي المنشــآت الخرســانية تــأثير كبيــر جــدا حيث تستخدم في .ductility enhancement of concrete structures نة المطيلية زيادة خصائص الخرسا جديــدة التقنيــة اختيــرت هــذه المــادة فــي ال ،ف واألعمــدة وٕاعــادة تأهيــل المنشــآتتقويــات العتبــات والجســور والســقو بـة المسـتخدمة لهـذا للتقوية بسـبب مقاومـة شـدها الخارجيـة العاليـة وصـالدتها مقارنـة مـع مثيالتهـا مـن المـواد المرك يبـــين المقارنـــة بـــين خصـــائص االنفعـــال واإلجهـــاد ألليـــاف الكربـــون وحديـــد التســـليح ٦الشـــكل رقـــم و، الغـــرض .[8]االعتيادي ألجانب ألعملي ألجهاز ألمستخدم ( SMI MKII TORSION TESTING MACHINE)تم استخدام جهــــاز فحص االلتواء ذو الرمز حيث ان هذا الجهاز يستخدم لقياس عزم االلتواء لقيم تصل الى،لمصنعة مختبرياً لفحص واختبار العينات ا N.m6بين وألقطار عينات تتراوح ٤٠ mm 22الىmm 700 وبطول عينة كحد اقصى هو mm وكما . ١الشكل رقم وضح في ألمواد ألمستخدمة وبتحليل كيمياوي ملم ٢١٠ ملم وبطول ٢٢ المقطع بقطر دائريالنقي تم استخدام قضيب صلد من األلمنيوم -أ وأجريـت عليـه عمليـات التشـغيل الميكـانيكي لتحضـير عينـات بأبعـاد قياسـية وحسـب ١الجدول رقم كما مبين فـي والـذي يحـدد طـول العينـة المطلـوب ١الشكل رقـم كما مبين فـي ، المستخدم في عملية الفحص مواصفات الجهاز .٢الشكل رقم كما في ، زفحصها وأسلوب تركيبها في الجها كمــادة رابطــة بــين أليــاف الكربــون والعينــات المصــنعة مــن Sikadur300تــم اســتخدام مــادة االيبوكســي نــوع -ب الخــواص العامــة لمــادة االيبوكســي المســتخدمة كمــادة رابطــة بــين أليــاف ، ٢ الجــدول رقــم، ويبــين [5]األلمنيــوم .)األلمنيوم(الكربون والمعدن المستخدم الجـدول رقـم والمبينـة مواصـفاتها فـي Sika-wrap-300cنـوع ) ٩٠-٠(ربون النظامية ـــــــــستخدام ألياف الكأ -ج والمنتجــة مــن قبــل شــركة ســيكا التركيــة حيــث تــم الحصــول علــى مواصــفات المــادة مــن مرجــع المواصــفات [6] ٣ .الخاص لهذه الشركة Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 44 تحضير ألعينات بالمواصــفاتعينــات حضــيرالميكــانيكي علــى عينــات معــدن األلمنيــوم المســتخدم لتبعــد إجــراء عمليــة التشــغيل فقد تم مزج مادة االيبوكسي ، "وكما موضح في األشكال المذكورة الحقا N8المشار اليها وبدرجة خشونة وأالبعاد ملـم ) 4mm(ملـم وعـرض ) mm٩٠(بطـول مع المصلد الخاص بهـا وتقطيـع أليـاف الكربـون حسـب نـوع التقويـة حيث تمت تقوية العينات بثالث طرق مختلفة لدراسة التحليل االمثل في االستخدام وتقليل زاوية االلتواء الـى اقـل ومـن خـالل تطبيـق المعادلـة التاليـة لصـيغة عـزم الـدوران ،الـى حـد الفشـل" وزيادة قابلية التحمل وصـوال حد ممكن : وكما يليوران العينة تحت تاثير عزم االلتواء باالمكان احتساب المعامالت المؤثرة وأهمها زاوية د GJTL /=θ :حيث أن θ - زاوية نصف قطرية(زاوية الدوران( Angle of twist –(rad) . T – م. نت(االلتواء عزم (- (N.m), Torque. L – ملم(طول العينة (Specimen length – (mm). G- ٢ملم/ نت ،)الجساءة(المقطع الدة معامل ص( (MPa), - Modulus of rigidity. J – ٤ملم ،)للمقطع الدائري(القطري عزم القصور الذاتي (mm4) – Torsional constant. لدوران على السلوكية النظرية لعزوم أللي أو ا" نواع التقوية اعتماداالتالية ألثالثة تضمنت الدراسة المقترحات أل :وعالقتها باجهادات القص وكما يلي تم تقطيـع أليـاف الكربـون علـى : (Circular (or ties) CFRP Strengthened Model )التقوية الدائرية -أ ملـــم ) ٠.١٦٦(وبســـمك ) باتجـــاه عـــزم اللـــي(شـــكل حلقـــات دائريـــة ولصـــقها علـــى العينـــات باتجـــاه عقـــارب الســـاعة ملـم وكمـا مبـين ) ٢١(لتكـون المسـافة بـين كـل حلقـة والتـي تليهـا ، ربـع حلقـاتملم لكل حلقة وبواقع أ) ٤(وعرض .٣الشكل رقم في تم قطع شريحة من ألياف : ( Spiral (or Helical) CFRP strengthened Model)التقوية الحلزونية -ب فس اتجـاه عـزم اللـي ولصـقها علـى العينـة بـن، فـي الـنمط األول للتقويـة مالكربون بنفس السمك و العرض المسـتخد Spiral الثـاني مـن أنمـاط التقويـة المقترحـة نـوعلتكـوين ال، 4الشـكل رقـم درجـة وكمـا هـو مبـين فـي ٤٥وبزاويـة Strengthened by CFRP . حيث تـم تقطيـع ثـالث :(Longitudinal Strengthened Model By CFRP strips)التقوية الطولية -ج للحفــاظ علــى ثبــات نســبة الكســر ) ملــم ٣(ملــم أيضــا وبعــرض اقــل (0.166)شــرائح مــن أليــاف الكربــون بســمك وتـم لصـقها بالمـادة الرابطـة علـى ، للكربـون فـايبر ولكافـة أنـواع التقويـة ( Volume Fraction , Vf)ألحجمـي .٥الشكل العينات باتجاه المحور الطولي للعينة وكما هو مبين في Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 45 النتائج والمناقشة نتائج قابلة للدراسة والتحليل والمقارنة فقد تم تحضير ثالث عينات من كل نوع من أنواع ولغرض الحصول على ســاعة لضــمان اكتســاب المــادة ألالصــقة الحــد ٢٤وتركــت تلــك العينــات لمــدة ، التقويــة المقترحــة لعينــات األلمنيــوم . لفحصأ األقصى من قوة االلتصاق قبل :بين مايليبعد فحص العينات على جهاز فحص االلتواء ت حيــث تظهــر قــيم عــزوم اللــي ( أظهــرت النتــائج إن العينــات ذات التقويــة الدائريــة تمتلــك مقاومــة لــي عاليــة -١ مع العينات األخـرى تهامقارنعند ) ١الشكل رقم لكل فحص على الشاشة الرقمية لجهاز الفحص والموضحة في دورة )٢٠٠(ت وصـــلت حـــد الفشـــل بعـــدد دورات أن هـــذه العينـــا وجـــد) ذات التقويـــة الحلزونيـــة والتقويـــة الطوليـــة( ٣٣.٨(مــع عــزم التــواء أقصــى بقيمــة ) درجــات ٦ تعــادل الــدورة الواحــدة فــي جهــاز الفحــص المســتخدم أن حيــثو ( :عزم ألليباستخدام معادلة تم اجراء هذه الحساباتو )متر.نيوتن θ×= L GJ T دورة )٩٠(لحلزونيــة وصــلت حـــد الفشــل بعــدد دورات يصــل إلـــى فــي حــين أن العينــات المقــواة بأليـــاف الكربــون ا ، وأظهـــرت العينـــات ذات التقويـــة الطوليـــة تقـــارب النتـــائج مـــع عينـــات ) متـــر.نيـــوتن ٣٣.٢(وبعـــزم التـــواء أقصـــى دورة وبعـــزم ) ٦٥(بعـــدد دورات ) ذات التقويـــة الطوليـــة(األلمنيـــوم الخاليـــة مـــن التقويـــة حيـــث وصـــلت حـــد الفشـــل ) ٨٠(بعــدد دورات قــدره ، بينمــا كانــت نتــائج العينــات التــي بــدون تقويــة هــي ، ) متــر.نيــوتن ٣٠.٤(أقصــى قيمتــه 8الشـكل رقـم وكمـا مبـين فـي ، ) متـر. نيـوتن ٣١.٦(وبعزم لـي يصـل لقيمـة عظمـى مقـدارها ، دورة لحد الفشل .٩ والشكل رقم تـأثير التقويـة إلـىالمفحوصـة يشـير بدقـة ومأاللمني لعيناتلذي يظهر في مقاومة عزم الدوران أن الفرق الواضح ا المستخدمة ونمط تركيب شرائح أأللياف ومدى استجابة العينة لتأثيرات اجهادات القص وأحمال أاللتـواء المسـلطة زيــادة مــايعرف بزاويــة أووبالتــالي زيــادة قابليــة تحمــل العينــة مــن خــالل زيــادة عــدد الــدورات حســب قــراءة الجهــاز ). Angle of Twist (الدوران ، أن لنــوع الفشــل الحاصــل علــى مســتوى العينــة الواحــدة فــي كــل مجموعــة مــن مجــاميع العينــات الــثالث -٢ شكل محدد يعتمد على قابلية تحمل العينة وتأثير وجود التقوية الخارجيـة باألليـاف بأنواعهـا الـثالث وعالقتهـا مـع حيـث يحصـل Plastic Torsional Failureني اللدنوهو مايدعى بالفشل ألدورا، ) غير المقواة(عينة المقارنة وكمـا مبـين ، بشكل تـدريجي يعتمـد علـى مواصـفات المـادة وتركيبهـا الفيزيـائي والهندسـي وخصائصـها الميكانيكيـة .7الشكل رقم في هــي أفضــل أنــواع Circular Strengthened بعــد مقارنــة النتــائج أعــاله تبــين بــان التقويــة الدائريــة -٣ بالمقارنـة مـع ) متر.نيوتن ٣٣.٨(مع عزوم لي أقوى نسبيًا ) دورة ٢٠٠(ناحية تحمل عدد دورات اكبر التقوية من ) متــر.نيـوتن ٠.٦(وبحــدود ) دورة ١١٠( إلـىالفـرق فــي عـدد الـدورات يصــل إنحيـث نالحــظ ، بقيـة أنـواع التقويــة عـن نمـاذج التقويـة ) متـر.نيـوتن ٣.٤(و) دورة ١٣٥(وبحـدود، " في عزم أللي عن نمـاذج العينـات المقـواة حلزونيـا Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 46 أن الســـبب فـــي ذلـــك يعـــود الـــى ان العينـــات المقـــواة دائريـــا باليـــاف الكربـــون كانـــت لهـــا ســـلوكية لمقاومـــة . الطوليـــة بينما كانت سلوكية العينات المقـواة حلزونيـا هـي اقـل والسـبب فـي ذلـك هـو وجـود مركبـات ، اجهادات القص فقط . القص دإجهامع ) انحناء ولي(أخرى إجهاد إن التقوية الطولية لم تساعد على زيادة مقاومة اللي في العينات المصنعة بل علـى العكـس سـاهمت فـي -٤ األمـر الـذي انعكـس علـى ، لعينـات مقارنـة مـع عينـات المقارنـة المفحوصـة ا )Gالجسـاءة (معامل الصـالدة تقليل وكمـا مبـين فـي .ى عزم أللي الناتج ـــــــلك علعدد الدورات التي من ألممكن تحملها لحين الوصول لحد الفشل وكذ .10الشكل رقم تشـير بوضـوح الـى تفاصـيل الحمـل المسـلط وتغـاير ، من خالل مالحظـة المنحنيـات فـي األشـكال المرفقـة -٥ .عدد الدورات بشكل تدريجي وحدود الفشل الناتج صادرــــــلمأ [1]Mohammed S. waheed and Sadeer M. majeed , “ The mechanical properties of Al matrix composites ”, journals of engineer and technology , vol.15, No.27,2009. [2]Thikraa M. Ali , “ Study the mechanical properties of Al-glass composite “ , journals of engineer and technology, vol.14, No.27 , 2009. [3]L. Taerwe , L. Vasseur and S. Matthys ,” External strengthening of continuous beams with SFRP” , 2009. [4]M. Kaminski and T. Trapko , “ Experimental Behavior of Reinforced Concrete Column Models Strengthened by CFRP Materials” , Journal of Civil Engineering and Management”, Vol. XII , No. 2 ,2006, p.109-115. [5]Sikadur-330, " 2-part epoxy impregnation resin" , Edition 2006. [6]Sika-Wrap-300C , " Woven carbon fiber fabric for structural strengthening" , Edition 2006. [7]William D. and Callister Jr." Materials Science and Engineering An introduction" , John wiley & Sons Inc., 2007. [8]Schanerch D., Standford, K. and Lanier, B., "Use of High Modulus Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) for Strengthening Steel Structures", Department of Civil Construction and Environmental Engineering, North Carolina State University, U.S.A., 2001. يبين التحليل الكيمياوي لعينات األلمنيوم المستخدمة في البحث )١(جدول رقم Al Sn Pb Ni Cr Zn Mg Mn Fe Si 99.66 0.004 0.006 0.002 0.004 0.009 0.006 0.007 0.193 0.09 Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 47 Sikadur-300 [5] يبين المواصفات الميكانيكية لاليبوكسي نوع ٢جدول رقم Q Units Property ١.٣ kg/l3 Density ٣٠ Mpa Tensile strength ٣٨٠٠ Gpa E-modulus Sika warp-300C [6] يبين المواصفات الميكانيكية اللياف الكربون نوع ٣جدول Q Units Property ١.٣ g/cm3 Fiber Density ٣٩٠٠ Mpa Tensile strength يبين جهاز تسليط عزم أاللتواء وقياس زاوية الدوران ١شكل رقم يبين أحد طرفي تثبيت العينة في جهاز تسليط عزم أاللتواء ٢شكل رقم Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 48 "ون حلقياعينة أأللمنيوم المقواة بشريحة ألياف الكرب ٣شكل رقم "عينة أأللمنيوم المقواة بشريحة ألياف الكربون حلزونيا ٤شكل رقم "عينة أأللمنيوم المقواة بشرائح ألياف الكربون طوليا ٥شكل رقم Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 49 [8] أللياف الكربون وحديد التسليح االعتيادي) أالنفعال- أإلجهاد(يمثل المقارنة في عالقة 6شكل رقم الفشل لعينات أأللمنيوم المقواة بشرائح ألياف الكربون مع عينة المقارنةيوضح ٧شكل رقم Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 50 Fig.(8):Torque-No.of revolution relation for regular sample with compare between reference and spiral and ties CFRP 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 No. of revolution (2PI) T o rq u e (k N .m ) with ties CFRP reference s ample with s piral CFRP with long. CFRP Fig.(9):Torque-No. of revolution relation between reference and ties CFRP 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 No. of revolution (2PI) T o rq u e (N .m ) Reference Sam ple Ties CFRP Al-Qadisiya Journal For Engineering Sciences Vol. 5 No. 1 Year 2012 51 Fig.(10): Torque-angle of twist relation for longitudinal strips 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 No. of revolution(2PI) T o rq u e c ap a ci ty (k N .m ) refrence sample Longitudinal CFRP