Tek Taneli Süper Alaşımların Zorlu Termomekanik Yükleme Koşulları Altında Modellenmesi

Abstract

Bu tez, nikel esaslı tek kristal süperalaşımlarda çevrimsel yükleme altında yorulma çatlağı başlama ve ilerlemesini modellemek amacıyla bir hesaplamalı çerçeve geliştirmektedir. Tam örtük kristal plastikliği modeli, gradyanla düzenlenmiş mikrohasar kontinuumu ve sünek kırılma için faz alanı yaklaşımıyla birleştirilmiştir. Mikrohasar modeli, içsel bir uzunluk ölçeği tanımlayarak ağdan bağımsız sonuçlar üretmekte ve deneysel çatlak dallanma davranışını başarılı şekilde yakalamaktadır. Bu modelin üç boyutlu genişletilmesi, gerilme üç eksenliğinin ve plastik kayma birikiminin rolünü ortaya koymaktadır. Ayrıca faz alanı yöntemi, önceden tanımlanmamış çatlak yollarını tutarlı biçimde simüle edebilmektedir. Her iki yöntem birlikte ele alındığında, yorulma ömrü tahmini için güçlü ve esnek bir modelleme altyapısı sunmaktadır. Özellikle havacılık uygulamaları için gerilme yığılmalarının ve lokal plastikleşmenin doğru modellenmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Gelecek çalışmalar, sünme etkisi, ısıl bağlaşım ve polikristal yapıların modele entegre edilmesi yönünde olacaktır.

This thesis develops a computational framework for modeling fatigue crack initiation and growth in nickel-based single crystal superalloys under cyclic loading. A fully implicit crystal plasticity model is coupled with two damage regularization approaches: a gradient-enhanced microdamage continuum and a phase-field formulation for ductile fracture. The microdamage model introduces an internal length scale, enabling mesh-independent simulations that capture fatigue crack branching consistent with experimental observations. Its extension to three dimensions offers new insights into the roles of stress triaxiality and plastic slip accumulation. The phase-field method, implemented as a complementary approach, provides a robust and consistent way to simulate complex fracture paths without predefined geometry. The combined modeling strategies form a versatile platform for fatigue life prediction, especially valuable for aerospace applications where accurate simulation of stress concentrations and localized deformation is essential. Future work includes incorporating creep effects, thermal coupling, and polycrystalline structures to enhance model applicability.