Badanie przypadku: Napięcie wywołane przez gradient cieplny w komponentach SiC

W zastosowaniach o wysokiej temperaturze często wybierane są komponenty SiC ze względu na ich doskonałą odporność termiczną.

Jednakże w praktyce niektóre komponenty wykazują:

• Pęknięcie
• Uszkodzenia lokalne
• Zmniejszona żywotność

Nawet, gdy nie przekracza się granic temperatury.

Często występuje niepowodzenie:

• Na krawędziach lub narożnikach
• W pobliżu stref kontaktu lub stref ograniczeń
• Bez jednolitej deformacji

Oznacza to, że:

Nie chodzi o samą temperaturę, ale o rozkład temperatury.

gradient cieplny oznacza:

Różnica temperatury wewnątrz elementu

Na przykład:

• Strefa gorąca: 1400 ∼ 1600°C
• Strefa chłodniejsza: znacznie niższa

W przypadku wystąpienia gradientu cieplnego:

• Różne części składnika rozszerzają się inaczej.
• Stwarza się stres wewnętrzny

W rezultacie:

Obciążenie cieplne bez obciążenia zewnętrznego

Proces ten można opisać jako:

1. Niejednolite ogrzewanie lub chłodzenie
2. Rozszerzenie termiczne różnicowe
3. Rozwój stresu wewnętrznego
4. Koncentracja stresu w punktach krytycznych
5. Rozpoczęcie krakowania

Typowe cechy obejmują:

• Pęknięcia na krawędziach lub narożnikach
• Uszkodzenia w pobliżu oparć lub ograniczeń
• Brak wyraźnych oznak przeciążenia

Niepowodzenie pojawia się "nieoczekiwanie"

Chociaż SiC ma:

• Niska ekspansja termiczna
• Stabilność w wysokich temperaturach

Wciąż doświadcza:

Ciśnienie cieplne, gdy nachylenie jest wystarczająco duże

Na napięcie cieplne wpływają:

• Różnica temperatury (ΔT)
• Prędkość ogrzewania
• Prędkość chłodzenia
• Geometria składników
• Warunki wsparcia

Sama temperatura nie powoduje awarii.

Różnica temperatury

Aby zmniejszyć naprężenie gradientu termicznego w systemach o wysokiej temperaturze, inżynierowie często koncentrują się na:

• unikanie szybkiego podgrzewania lub chłodzenia,
• poprawa jednolitości temperatury,
• optymalizacja geometrii komponentów,
• i zminimalizowanie obciążeń przy wsparciu.

Do wymagających zastosowań piecowych, gęsteKomponenty z węglanu krzemu sinterowanego bezciśnieniowo (SSiC)są szeroko stosowane ze względu na ich doskonałą stabilność cieplną, wysoką przewodność cieplną i niezawodną wydajność konstrukcyjną w wysokich temperaturach.

Obciążenie wywołane gradientem termicznym wynosi:

Mechanizm wewnętrznego obciążenia spowodowany nierównomierną dystrybucją temperatury

Jest niezależny od obciążenia mechanicznego zewnętrznego.

Wiele awarii w wysokiej temperaturze nie jest spowodowanych:

• Wytrzymałość materiału
• Maksymalna temperatura

Ale przez:

Gradienty termiczne w systemie