چرا اجزای SiC در لبه ها شکست می خورند، نه در وسط؟

چرا اجزای کربید سیلیکون در لبه ها و نه در مرکز شکست می خورند؟

در بسیاری از کاربردهای درجه حرارت بالا، اجزای SiC (رول ها، پرتوهای، صفحات) اغلب در:

لبه ها، گوشه ها یا مناطق انتهای

به جاي:

مرکز، جایی که ساختار به نظر می رسد بیشتر تحت فشار است.

این به یک سوال رایج منجر می شود:

چرا شکست در لبه رخ می دهد، نه در وسط؟

فرضیه ی معمول این است:

• حداکثر بار → حداکثر فشار
• حداکثر فشار → مرکز قطعه

بنابراین شکست باید در وسط رخ دهد.

با این حال، مشاهدات میدان با این فرضیه متناقض است.

ویژگی های خرابی مشاهده شده عبارتند از:

• برش کنار یا پراکندگی
• شروع ترک در گوشه ها
• آسیب های محلی در نزدیکی مناطق تماس
• انباشت زباله در انتهای

قسمت مرکز اغلب سالم باقی می ماند.

کلید درک این رفتار در این است:

توزیع استرس و شرایط مرزی

در سیستم های واقعی، قطعات یک پرتو ایده آل نیستند.

آنها تحت تاثیر موارد زیر هستند:

• شرایط حمایت
• رابط رابط
• شیب های حرارتی
• قطعیت های هندسی

لبه ها و گوشه ها به عنوان:

غلظتگرهای استرس طبیعی

دلايل:

• عدم پیوستگی هندسی
• منطقه توزیع بار کاهش یافته
• تقویت محلی استرس

حتی اگر استرس جهانی متوسط باشد، استرس محلی در لبه ها می تواند بسیار بیشتر باشد.

در بسیاری از سیستم ها (رول ها، پشتیبان ها، فواره ها):

• بار از طریقمناطق تماس محلی
• تماس اغلبغیر یکنواخت

این باعث می شود:

• فشارهای فشاری بالا در محل
• انباشت آسیب های کوچک

لبه ها اولین مناطقی هستند که تحت تاثیر قرار می گیرند.

در دمای بالا:

• درجه حرارت به ندرت یکسان است
• لبه ها اغلب به صورت متفاوتی خنک می شوند یا گرم می شوند

این منجر به:

• عدم تطابق گسترش حرارتی
• استرس داخلی در نزدیکی مرزهای

لبه ها تبدیل به مناطق حساس استرس می شوند.

پشتوانه ها و لوازم ثابت این موارد را معرفی می کنند:

• محدودیت های حرکت
• گسترش محدود

این باعث:

• تجمع استرس در نزدیکی پشتیبانی
• افزایش فشار کششی در لبه ها

ناحیه مرکزی معمولا:

• دارای توزیع یکنواخت تری از استرس است
• کمتر تحت تاثیر تماس و محدودیت قرار می گیرد
• تجربه گرادیان استرس پایین تر

بنابراین، اغلباز نظر ساختاری پایدارتر.

حالت های معیاری شکست با تسلط بر لبه شامل:

• تراشیدن لبه های پیشرفته
• شروع ترک در گوشه ها
• پراکندگی محلی در نزدیکی مناطق تماس
• گسترش ترک به سمت داخل

شکست از لبه شروع میشه، بعدش به درون رشد میکنه.

شکست بر اساس شرایط محلی است نه استرس جهانی

حتی اگر ساختار کلی قوی باشد:

• غلظت استرس محلی
• شرایط تماس
• اثرات حرارتی

کنترل خواهد کرد که شکست از کجا شروع می شود.

برای بهبود قابلیت اطمینان:

• کاهش غلظت استرس (از لبه های تیز اجتناب کنید)
• بهینه سازی شرایط تماس (افزایش منطقه تماس)
• بهبود طراحی پشتیبانی
• کنترل گرادیانت های حرارتی

در سیستم های رولر کوره، شکست اغلب در انتهای رولر به دلیل استرس تماس محلی و اثرات مرزی حرارتی به جای شکست خم شدن جهانی در مرکز شروع می شود.

برای کاربردهای سخت در کوره های با دمای بالارولرهای کربید سیلیکون سینتر شده بدون فشار (SSiC) برای اجاق های آتش آلات رولربه دلیل ثبات حرارتی عالی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و قابلیت اطمینان ابعاد طولانی مدت، به طور گسترده ای استفاده می شود.

اجزای SiC در لبه ها به جای در مرکز شکست می خورند زیرا:

• لبه ها استرس را متمرکز می کنند
• شرايط تماس به صورت محلي مشخص شده
• گرادیانت های حرارتی در مرزها قوی تر هستند

ضعيف ترين نقطه، محل بيشترين بار نيست، بلکه محل بيشترين تنش است