FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ MALZEMEDEN YAPILMIŞ KENAR ÇATLAKLI BİR TABAKADA ISIL ŞOK KIRILMASININ SONLU ELEMANLAR METODU İLE İNCELENMESİ

Öz

Bu çalışmada fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeden yapılmış, kenar çatlağı içeren bir tabakanın ısıl şok kırılması sonlu elemanlar metodu ile incelenmiştir. Çelikleri işlemede kullanılan kesme takımları kesme sırasında oluşan yüksek sıcaklıklara dayanıklılığı nedeni ile Si₃N₄’den yapılmaktadır ve Si₃N₄’ün çelikle kimyasal reaksiyona girmemesi için Al₂O₃ ile kaplanmaktadır. Bu çalışmada, böyle bir kaplamayı taklit edebilmek amacı ile incelenen tabakada fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme olarak Al₂O₃/Si₃N₄ karışımları ele alınmıştır. Tabakanın alt yüzeyi ve yan yüzeyleri yalıtılmış, kenar çatlağının başlangıç noktası olan üst yüzeyine konveksiyon sınır koşulu uygulanmıştır. Homojen olmayan tabakaya herhangi bir mekanik kısıtlama uygulanmamıştır ve tabakanın düzlem gerinim durumu altında olduğu farz edilmiştir. Tabaka çalışma sıcaklığından oda sıcaklığına soğurken oluşan süreksiz rejimde mod I gerilim şiddet çarpanları farklı çatlak boyları ve malzeme karışımları için hesaplanmıştır. Si₃N₄ miktarı fazla olan fonksiyonel derecelendirilmiş karışımdan yapılan tabakadaki kenar çatlaklarından daha düşük gerilim şiddet çarpanları elde edilmiştir. Gerilim şiddeti çarpanlarının belirli bir zamanda maksimum değere ulaşıp sonra düştüğü ve artan çatlak boyu ile azaldığı gözlenmiştir. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeleri modellemek için özel bir sonlu elemanlar metodu ve çatlak ucundaki gerilim şiddet çarpanını hesaplamak için zenginleştirilmiş sonlu elemanlar kullanılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme, çatlak, gerilim şiddet çarpanı, sonlu elemanlar metodu, zenginleştirilmiş sonlu elemanlar, süreksiz rejimde ısıl analiz.

Kaynakça

1. Petit, F.S., Goward, G.W., Coatings for High Temperature Applications, Applied Science Publishers, London, 341, 1983.
2. Komanduri, R., Jahanmir, S., Friction and Wear of Ceramics, Marcel Dekker Inc. ,289, 1994.
3. Yamanouchi, M., Koizume, M., Hirai, T., Shiota, I., FGM-90, Proceedings of the First International Symposium on Functionally Gradient Materilas, FGM Forum, Tokyo, Japan, 1990.
4. Holt, J., Koizumi, M., Hirai, T., Munir, Z., in Ceramic Transactions, Proceedings of the 2nd International Symposium on Functionally Gradient Materials , Cilt 34, 1992.
5. Öztürk, M., Erdoğan, F. “Peridodic Surface Cracking in an FGM Coating”, J. Engineering Science, Cilt 33, 2179-2871, 1995.
6. Lee, Y., Erdoğan, F., “Interface Cracking of FGM Coatings under Steady-state Heat Flow”, Engineering Fracture Mechanics, Cilt 59, 361-386, 1998.
7. Yildirim, B., Erdoğan, F., “Edge Crack Problems in Homogenous and FGM Thermal Barrier Coatings Under Uniform Thermal Loading”, J. Thermal Stresses, Cilt 27, Sayı 4, 311-330, 2004.
8. Dağ, S., Kadıoğlu, S., Yahşi, O., S., “Circumferential Crack Problem For An FGM Cylinder Under Thermal Stresses “, J. Thermal Stresses, Cilt 22, 659-687, 1999.

9. Jin, Z.-H., “Effect of Thermal Property Gradients on the Edge Cracking in a Functionally Graded Coating”, Surface and Coating Technology, article in press (Basım aşamasında).
10. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., The Finite Element Method, McGraw-Hill Inc., Cilt 1, 1994.
11. Kenneth, H., Thornton, A.E., The Finite Element Method for Engineers, John Wiley&Sons, 1982.
12. Kannninen,M.F., Popelar, C.H., Advanced Fracture Mechanics, Oxford University Press, 1985.
13. Owen, D.R.J., Fawkes, A.J., Engineering Fracture Mechanics; Numerical Methods and Applications, Pineridge Press Ltd., 1983.
14. Yıldırım, B., Dağ, S., “Arayüz Çatlaklarının Düğüm Noktası ile Zenginlesitirilmiş Sonlu Elemanlar ile Modellenmesi ve Dört Nokta Eğme Testi”, Makina Tasarım ve İmalat Dergisi (ODTÜ), Cilt 5, 55-67, 2003.
15. Munz, D., Fett, T., Mechanical Properties, Failure Behaviour, Materials Selection, Springer, 1999.
16. Nied, H.F., “Thermal Shock Fracture in an Edge-Cracked Plate”, J. Thermal Stresses, Cilt 6, 217-229, 1983.