مطالعه موردی: استرس ناشی از گرادیانت حرارتی در اجزای SiC

در کاربردهای دمای بالا، اجزای SiC اغلب به دلیل مقاومت حرارتی عالی خود انتخاب می شوند.

با این حال، در عملیات عملی، برخی از اجزای نشان می دهد:

• شکستن
• آسیب های محلی
• عمر خدمت کوتاه

حتي وقتي که از حد حرارت تجاوز نشه

شکست اغلب رخ می دهد:

• در لبه ها یا گوشه ها
• مناطق نزدیک به تماس یا مناطق محدود
• بدون انحراف یکنواخت

این نشان می دهد که:

مسئله خود درجه حرارت نیست، بلکه توزیع درجه حرارت است

گرادیانت حرارتی به:

تفاوت دما در یک قطعه

به عنوان مثال:

• منطقه گرم: 1400~1600°C
• منطقه خنک تر: به طور قابل توجهی پایین تر

وقتی گرادیانت حرارتی وجود داشته باشد:

• قسمت های مختلف قطعات به صورت متفاوتی گسترش می یابند.
• استرس داخلی ایجاد می شود

نتیجه این است که:

فشار حرارتی بدون بار خارجی

این فرآیند را می توان به این صورت توصیف کرد:

1. گرمایش یا خنک سازی غیر یکنواخت
2. انبساط حرارتی تفاوتی
3. توسعه استرس داخلی
4. غلظت استرس در نقاط بحرانی
5. شروع ترک

ویژگی های معمول عبارتند از:

• ترک ها در لبه ها یا گوشه ها
• آسیب در نزدیکی پشتیبانی یا محدودیت ها
• هیچ نشانه ای از اضافه بار وجود ندارد

شکست به نظر می رسد غیر منتظره

اگرچه SiC دارای:

• گسترش حرارتی کم
• ثبات در دمای بالا

هنوز هم تجربه می کنه:

فشار حرارتی هنگامی که شیب ها به اندازه کافی بزرگ هستند

فشار حرارتی تحت تاثیر موارد زیر است:

• تفاوت دما (ΔT)
• نرخ گرمایش
• نرخ خنک کننده
• هندسه ی اجزا
• شرایط حمایت

فقط دما باعث شکست نمیشه

تفاوت دما باعث ميشه

برای کاهش استرس گرادیانت حرارتی در سیستم های دمای بالا، مهندسان اغلب بر روی:

• جلوگیری از گرم شدن یا خنک شدن سریع
• بهبود یکنواخت گرما
• بهینه سازی هندسه ی قطعات
• و به حداقل رساندن محدودیت در پشتیبانی.

برای کاربردهای سخت کوره، متراکماجزای کربید سیلیکونی بدون فشار (SSiC)به دلیل ثبات حرارتی عالی، رسانایی حرارتی بالا و عملکرد ساختاری قابل اعتماد در دمای بالا، به طور گسترده ای استفاده می شود.

فشار ناشی از گرادیانت حرارتی:

مکانیسم استرس داخلی ناشی از توزیع نامناسب دمای

مستقل از بار مکانیکی خارجی است.

بسیاری از خرابی های دمای بالا ناشی از موارد زیر نیستند:

• قدرت مواد
• حداکثر دمای

اما توسط:

گرادیانت های حرارتی در داخل سیستم