Three dimensional fracture analysis of FGM coatings

Abstract

Bu çalışmanın başlıca amacı, homojen taban tabakaya bağlı fonksiyonel olarak derecelenmiş malzeme (FDM) kaplamalarda üç boyutlu yüzey çatlak problemlerinin modellenmesidir. FDM kaplamanın bir (ZXO2) - (Tİ-6A1-4V) tabakası olduğu varsayılmıştır. Analizlerde homojen seramik, zengin metal, zengin seramik ve lineer değişimli malzeme bileşimleri dikkate alınmıştır. Yüzey çatlağının yan dairesel bir çatlak yüzü profiline sahip olduğu varsayılmıştır. FDM kaplama - taban tabaka sistemindeki yüzey çatlağı problemi mekanik ve zamana bağlı ısıl yükleme altında incelenmiştir. Yapısal ve ısıl problemler üç boyutlu sonlu elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Çatlak yüzündeki gerinim tekilliği çökertilmiş 20 düğümlü çeyrek noktalı elemanlar kullanılarak benzetilmiştir. Gerilme şiddeti faktörlerinin hesaplanmasında, üç boyutlu yerdeğiştirme korelasyon tekniği kullanılmıştır. Çalışmanın başlıca sonuçlan; düzgün dağılımlı gerilme, eğilme, düzgün dağılımlı yerdeğiştirme, üç nokta eğme veya zamana bağlı ısıl yüklemeye maruz kalmış FDM kaplama modeli için çatlak yüzü etrafındaki gerilme şiddeti faktörleridir. Anahtar Kelimeler: FDM kaplamalar, kırılma mekaniği, yan dairesel yüzey çatlağı, yerdeğiştirme korelasyon tekniği, gerilme şiddeti faktörleri.

The main objective of this study is to model the three dimensional surface cracking problem in Functionally Graded Material (FGM) coatings bonded to homogeneous substrates. The FGM coating is assumed to be a (ZrC>2) - (Tİ-6A1- 4V) layer. Homogeneous ceramic, metal - rich, ceramic - rich and linear variation material compositions are considered in the analyses. The surface crack is assumed to have a semi - circular crack front profile. The surface crack problem in the FGM coating - substrate system is examined under mechanical and transient thermal loading. Structural and thermal problems are modeled using three dimensional finite elements. Strain singularity around the crack front is simulated using collapsed 20 - node quarter - point brick elements. Three - dimensional displacement correlation technique is utilized to extract the stress intensity factors. The main results of the study are the stress intensity factors around the crack front for FGM coating - substrate structures subjected to uniform tension, bending, fixed - grip tension, three point bending and transient thermal loading. Keywords: FGM coatings, fracture mechanics, semi - circular surface crack, displacement correlation technique, stress intensity factors. IV