شبيه‌سازي ايجاد و گسترش خرابي پوشش‌ها در ساختارهاي شامل پوشش و بستر در اثر بار حرارتي با استفاده از روش المان گسسته

Damage initiation and propagation simulation of coatings in coating/substrate structures under thermal loading using discrete element method

استفاده از پوشش‌ها در صنايع مختلفي، به منظور بهبود خواص سطحي مواد مورد استفاده قرار مي‌گيرند. يكي از مودهاي خرابي متداول در اين ساختارها، جدايش پوشش از بستر از ريشه ترك‌هاي كانالي شكل مي‌باشد. در اين مقاله، روش المان‌ گسسته به منظور شبيه‌‌سازي فرآيند ايجاد و گسترش خرابي در اثر اختلاف ضرايب انبساط حرارتي بين پوشش و بستر، از ريشه يك ترك كانالي شكل، مورد استفاده قرار گرفت. رفتار پوشش و بستر به صورت ترد الاستيك، به طوري‌ كه سفتي بستر بيشتر از پوشش و ضريب انبساط حرارتي پوشش به مراتب بيشتر از بستر است، در نظر گرفته شد. همچنين خواص فصل مشترك به صورت ميانگين هندسي از خواص بين پوشش و بستر مي‌باشد. بارگذاري نيز به صورت كاهش دما به كل مجموعه اعمال شد. اثر پارامترهايي نظير اختلاف ضرايب الاستيك بين پوشش و بستر و همچنين ضخامت پوشش مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزايش اختلاف سفتي بين پوشش و بستر و همچنين كاهش ضخامت پوشش، اختلاف دماي مورد نياز براي ايجاد جدايش اوليه در فصل مشترك، افزايش پيدا كرد. از ديگر نتايجي كه مي‌توان به آن اشاره كرد، تغيير در الگوي گسترش خرابي اوليه ايجاد شده، به ازاي تغيير در اختلاف سفتي بين پوشش و بستر بود به طوري‌كه، در پوشش‌هايي كه سفتي به مراتب كم‌تري نسبت به بستر دارند، گسترش آسيب در داخل پوشش اتفاق افتاد اما براي پوشش‌هاي كه اختلاف سفتي آن‌ها با بستر كم‌تر است، گسترش آسيب تنها در فصل مشترك ادامه پيدا كرد.

Coatings are used in various industries in order to improve the surface properties of materials. Delamination of coatings from their substrate, at the root of channel cracks, is one of the common failure modes in these structures. In this paper, discrete element method is used in order to simulate the initiation and propagation of damages, caused by the mismatch between the thermal expansion coefficients of coating and substrate. Coating and substrate are considered to be brittle elastic in which, substrate is stiffer than the coating, but the thermal expansion coefficient of coating is considered to be much greater than substrate. The interface properties are also considered to be the geometric average between the coating and substrate. Temperature reduction is applied to the whole structure as loading. The effect of elastic mismatch and coating thickness was investigated. The results showed that, by increasing the elastic mismatch and decreasing the coating thickness, the temperature reduction, need to delamination initiation at the interface, increased. Also, changing in the damage propagation pattern was happened by changing in the elastic mismatch. In coatings with high elastic mismatch, damage propagation was happened inside them but by increasing the stiffness, damage propagation happened at the interface.