Alageyik boynuzlarının kompakt bölgesinin statik ve dinamik yüklemeler altında mekanik karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, üstün mekanik özelliklere sahip Cervus Elaphus kızıl geyik boynuzlarının kompakt bölgesinin statik üç noktalı eğme, çekme, basma (Brazilian) deneyleri ve Split Hopkinson Basınç Çubuğu test düzeneğinde dinamik basma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Statik üç noktalı eğme deneylerinde geyik boynuzlarının yaşa bağlı olarak mekanik dayanımlarının değişimi belirlenmiş ve test sonrasında hasar gören numunelerin Taramalı Elektron Mikroskobu altında kırılma yüzeyleri ve çatlak ilerlemeleri kapsamlı olarak araştırılmıştır. Araştırma neticesinde osteonları birbirlerine bağlayan çapraz bağlı liflerin boyutlarının mekanik dayanıma olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca hasar görmüş bu çapraz bağlı liflerin beş farklı bölgesinden EDS analizi yapılmış ve liflerin hasar gördüğü bölgelerde yüksek oranda kırılganlığa sebep olan kurşun, civa ve kadmiyum gibi toksik elementlerin varlığı tespit edilmiştir. Statik çekme deneylerinde ise boynuzun büyüme ekseni boyunca çekme kuvveti uygulanmış olup çekme dayanımının ve elastik modülün sırasıyla 178 - 221 MPa ve 13 - 22 GPa arasında değiştiği gözlenmiştir. Statik çekme testleri aynı zamanda analitik bir model ile doğrulanmış olup yapı içerisindeki mineral ve kolajenin mekanik dayanıma olan etkileri incelenmiştir. Yarı-statik Brazilian testlerinde ise kompakt dokunun yükleme yönüne göre uzunlamasına yönde ortalama 43.8 MPa, enine yönde 44.5 MPa ve radyal yönde 31.5 MPa dolaylı çekme dayanımına sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca dinamik yüklemelerde statik yüklemelere kıyasla mekanik dayanımın yaklaşık iki kat daha yüksek olduğu (uzunlamasına yönde ortalama 83.2 MPa) yani malzemenin deformasyon hızına bağlı olarak mekanik dayanımın arttığı tespit edilmiştir. Bu yöntemle test edilen numunelerin kırılma mukavemeti Weibull olasılığı ile belirlenmiş olup enine yöndeki numuneler uzunlamasına yöne göre daha gevrek bir kırılma davranışı sergilemiştir. Son olarak dinamik testlerde, uzunlamasına yönde Brazilian metoduna uygun bir kırılma gözlenirken enine yöndeki numunelerde global bir ezilme meydana gelmiştir. Bu ezilmenin nedeninin, yüksek test hızlarında kolajen fibrillerinin denatüre olması ve kolajen partikülleri arasındaki yapışmanın zayıflaması olduğu düşünülmektedir.

In this study, static three-point bending, tensile, compression (Brazilian) and dynamic (Split Hopkinson Pressure Bar test device) compression tests were performed on compact regions of Cervus Elaphus Red Deer antler having superior mechanical properties. In static three-point bending experiments, change in mechanical strength of deer antlers with age was observed. The fracture surfaces and crack propagation of the damaged samples were captured by Scanning Electron Microscopy. Furthermore, the effects of the dimensions of the cross-linking fibers connecting the osteons on the mechanical strength were investigated. EDS analyses were performed on five different locations of these damaged cross-linked fibers. Some toxic elements, such as lead, mercury, and cadmium, leading to high brittleness were detected on the cracked regions of the fibers. In the static tensile tests, the tensile strength and elastic modulus were found to be 178 - 221 MPa and 13 - 22 GPa, respectively. Static tensile tests were also verified with an analytical model considering effects of mineral and collagen content in the structure on mechanical strength. From quasi-static Brazilian tests, it was observed that the compact region of the deer antlers has an anisotropic structure and has an average indirect tensile strength i.e., 43.8 MPa in the longitudinal direction, 44.5 MPa in the transverse direction, and 31.5 MPa in the radial direction. Furthermore, the mechanical strength is approximately two times higher in dynamic loading compared to static loading (average 83.2 MPa in the longitudinal direction), that is, the mechanical strength depends on the loading rate of the material. The fracture strength of the samples tested by this method was also investigated by the Weibull survival probability, and the samples in the transverse direction exhibited more brittle fracture behavior than in the longitudinal direction. Finally, in the dynamic tests, a global crushing occurred in loadings transverse to osteon directions while a longitudinal fracture conforming to the Brazilian method was observed. This global crushing is thought to be due to the denaturation of collagen fibrils and the weakening of adhesion between collagen particles at high strain rate tests.