التشققات التي تظهر فقط بعد دورة الفرن نادراً ما تكون عيباً تصنيعياً. في معظم حالات الفشل الميداني، كان جزء السيراميك من أكسيد الألومنيوم سليماً عند التسليم وتشقق لأن الحمل الحراري تجاوز حد الصدمة الحرارية الخاص به. فهم مقاومة الصدمة الحرارية في السيراميك الألومينا هو الفرق بين مكون يدوم لآلاف الدورات وآخر يفشل في الأسبوع الأول.
تقرير الخطأ هو نفسه تقريباً دائماً: أنبوب فرن، أو قارب احتراق، أو غلاف مجس حراري يتحمل أشهر من التشغيل المستمر، ثم يتشقق أثناء التسخين، أو التبريد، أو تغيير الحمل الجزئي. نظراً لأن الجزء يبدو جيداً في درجة حرارة الغرفة، يُلام المادة على الفشل. في الواقع، يكون المحفز هو التدرج الحراري — وجه واحد من السيراميك من أكسيد الألومنيوم يسخن أو يبرد أسرع بكثير من الآخر، وعدم التطابق يولد إجهاداً داخلياً.
السيراميك لا يتشوه بلاستيكياً. عندما يؤدي التغيير السريع في درجة الحرارة إلى إنشاء تدرج حاد، تحاول السطح الساخن التمدد بينما يقيده اللب الأبرد، مما ينتج عنه إجهاد شد على السطح. إذا تجاوز هذا الإجهاد قوة الانحناء للمادة، تبدأ الشرخ — عادة عند حافة، أو ثقب، أو تغيير في المقطع، حيث يتركز الإجهاد. عاملان يتحكمان في المخاطر: معامل التمدد الحراري (CTE)، ومدى سرعة قدرة المقطع على تبديد الحرارة. كل من CTE العالي والجدران السميكة تزيد من التدرج لنفس معدل التغيير.
هذه المبادئ مهمة جداً لـ أنابيب أفران السيراميك من أكسيد الألومنيوم عالي الحرارة، و قوارب الاحتراق المستقرة كيميائياً، و أنابيب حماية المجسات الحرارية المستقرة حرارياً — الأجزاء التي ترى أشد التدرجات في الفرن أو خط المعالجة الحرارية.
| المعلمة | القيمة | الأساس |
|---|---|---|
| محتوى الألومينا | 99% Al2O3 | (P) |
| درجة الحرارة القصوى المستمرة | 1700 درجة مئوية | (P) |
| مقاومة الصدمة الحرارية | 200 درجة مئوية دلتا | (T) |
| معامل التمدد الحراري | 7.6 × 10-6/درجة مئوية | (P) |
| الموصلية الحرارية (20 درجة مئوية) | 27 واط/متر.كلفن | (P) |
| قوة الانحناء | 330 ميجا باسكال | (P) |
| نطاق سمك الجدار | 1-20 ملم | (P) |
| سلوك السطح بعد 500 دورة | لا اختراق للشقوق | (C) |
مفتاح الأساس: (P) مواصفات صفحة المنتج؛ (T) قيمة مادة نموذجية؛ (C) سيتم تأكيدها باختبار الدورة على الجزء الفعلي.
نعم. العيوب الصغيرة تتراكم إجهاداً دون حرج في كل دورة؛ يمكن للجزء اجتياز اختبار واحد ولا يزال يفشل بعد عدة تكرارات، لذا قم دائماً باختبار عينة تمثيلية.
عادة العكس. الجدار الأكثر سمكاً يزيد من تدرج درجة الحرارة والطاقة المرنة المخزنة، مما يجعل التشقق أكثر احتمالاً، وليس أقل.
لا يوجد رقم عالمي، ولكن البقاء أقل من حوالي 200 درجة مئوية من الفرق بين الحمل والسيراميك، والتدرج ببطء، يحافظ على الإجهاد داخل حدود المادة.
يجدر فصل سؤالين: ما إذا كانت المادة يمكن أن تتحمل التدرج على الإطلاق، وما إذا كان الجزء المحدد خالياً من العيوب التي تحول الإجهاد إلى شق. رقائق الحواف، والشقوق الدقيقة الناتجة عن التشغيل، والحبوب الكبيرة الحجم كلها تقلل من الحد العملي، لذا فإن التحكم في الجسم المحروق لا يقل أهمية عن بيانات الدرجة. أنبوب أو قارب من السيراميك من أكسيد الألومنيوم مصنوع ببنية حبيبية متحكم بها وتم فحصه بحثاً عن عيوب السطح يتحمل دورات أكثر بكثير من جزء مطابق اسمياً به عيوب مخفية.
للحصول على وجهة نظر ثانية حول كيفية هندسة السيراميك التقني ضد الهجوم الحراري والكيميائي المدمج، انظر الحماية المزدوجة ضد الصدمة الحرارية والتآكل.
