İşlevsel derecelendirilmiş kaplamalara bağlı ince filmlerin mekanik modellenmesi

Abstract

Bu tezde, sonlu boyda ince film, hemen altında işlevsel derecelendirilmiş kaplama veen altta ise homojen yarım düzlem destek bulunan birleşik bir yapı, çeşitli yüklemeşartları altında iki boyutlu lineer elastisite teorisi uygulanarak incelenmiştir. Bu tipyapılarda yükleme; film/kaplama üretimi işleminden dolayı kalıntı yüklerinden,yapının kullanımı esnasında maruz kaldığı mekanik veya termal yüklerden kaynaklıgerilmelerden oluşabilmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, arayüzey veyakaplamada çatlak başlangıcı ve ilerlemesi sorununa neden olabilen film uçlarındaoluşan gerilme yığılmalarını veya tekillik şiddetlerini incelemektir. Arka plandakitemas mekaniği problemi, ince film membran; işlevsel derecelendirilmiş malzemeli(İDM) kaplama ve homojen destek de elastik sürekli ortam kabul edilerek formüleedilmiştir. İDM kaplama ve homojen destek için elastisite çözümü ve arayüzeylerdeyer değiştirmelerin sürekliliği kabulü sayesinde probleme hâkim tümlev (integral)denklemi bulunmuştur. Bu tümlev denklemi tekil olup, bilinmeyen film-kaplamaarayüzey gerilmesi fonksiyonu için Çebişef polinomlarının özelliklerindenyararlanılarak doğrusal cebirsel bir denklem sistemine indirgenerek, sayısal olarakçözülmüştür. Hesaplanan sonuçlar, film-kaplama arayüzeyi boyunca oluşan kaymagerilmesi dağılımı, film uçlarındaki kayma gerilmesi tekillik şiddeti ve film ekseniboyunca oluşan normal gerilme dağılımıdır. Bu çalışma, yapının geometrik vemekanik değiştirgenlerinin (parametrelerinin) ve aynı zamanda yükleme tipinin,gerilme dağılımları ve film ucu kayma gerilmesi tekillik şiddeti üzerinde ne kadaretkili olduğunu göstermiştir. Bu değiştirgenlerin değerinin ayarlanması ve kaplamaiçin doğru derecelendirme şekli seçilmesiyle kaplamanın yorulma veya kırılmasındave filmin hasar görmesinde veya bozulmasında önemli rol oynayabilen film ucukayma gerilmesi tekillik şiddeti ve filmde oluşan eksenel normal gerilmedeğerlerinin düşürülmesi mümkündür.

In this thesis, a compound structure consisting of thin film bonded to the coating offunctionally graded material (FGM) which resides on the homogeneous half plane isstudied by applying two dimensional linear elasticity theory under various loadingconditions. In these problems the loading consists of stresses caused by residualstresses resulting from film/coating processing and thermal or mechanical loadingsduring service life of the structure. The primary interest in this study is in examiningstress concentrations or strength of singularities near the film ends, which may causecrack initiation and propagation in the coating or along the interface. The underlyingcontact mechanics problem is formulated by assuming that the film is a ?membrane?and the FGM coating and homogeneous substrate are elastic continua. By using theelasticity solution for the FGM coating and the homogeneous substrate, andcontinuity of displacements at the interfaces, the governing integral equation for theproblem is found. This integral equation comes out to be singular and may bereduced to a linear algebraic system of equations by using the properties ofChebychev polinomials, and then solved for the unknown interfacial shear stressnumerically. The calculated results are the interfacial shear stress between the filmand the graded coating, strength of stress singularity at the end of the film and theaxial normal stress in the film. This study reveals that both mechanical andgeometrical parameters of the structure as well as loading type have a great effect onthe stress distribution and the strength of shear stress singularity at the film ends. Byadjusting these parameters and the type of the grading, it is possible to lower thestrength of shear stress singularity and the axial normal stress in the film that mayhave a bearing on the fatigue and fracture of the coating and damage or failure duringor after the production stage of the thin film.