Kapat

firelite_img02
Nedir? Özkan Bozkurt 0

Termal Şok Direnci Nedir? İyileştirilebilir mi?

Termal Şok Direnci

Termal Şok Direnci malzemelerin ani sıcaklığa karşı gösterdikleri davranışların başında gelen ve malzemelerin -özellikle seramiklerin- en önemli özelliklerindendir.

Makale; bu özellikle ilgili mühendis adaylarının / mühendislerin ne gibi geliştirmeler, nasıl yapabileceği hususunda yazılmıştır.

Termal şok aniden sıcaklık değişimlerinin oluştuğu her ortamda; bu sıcaklık değişimlerinin malzemeyi anormal derecede tersinir ya da tersinir olmayan esnetme davranışlarının tamamına verilen isimdir. En sonunda malzeme kırılır, çatlar.

Malzemelerin en kırılganlar sınıfında bulunan seramik malzemelerin genellikle düşük ısıl iletkenlik göstermeleri; bu malzemelerin geçici ya da sürekli ısı transferlerinin sebep olduğu termal gerilmelere karşı hassas olmalarına neden olur.

Termal dayanım olarak da tanımlanan / bilinen termal şok direncini etkileyen parametreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

  1. Termal Gerilme Seviyesi
  2. Termal Gerilme Sürekliliği
  3. Süneklik
  4. Porozite
  5. Malzemede (varsa) daha önce oluşan çatlaklar

Cam ve seramik malzemeler için ele alınacak olduğunda bu özellik açısından en zayıf malzemeler oldukları çıkarımı yapılabilir. Termal şok direnci sayısal olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir.

Rm : Kırılma Mukavemeti, E : Elastisite modülü, γ: Poisson Oranı , α: Termal Genleşme Katsayısı, K: Isıl İletkenlik olmak üzere:

RTermal Şok = (K x Rm x (1 – γ )) / ((E) x (α))

Yukarıda belirttiğimiz bu denklem, su verilmiş ya da hızlıca ısıtılmış bir numune merkezi ve yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı ile oluşan gerilmeleri hesaplamamıza olanak tanır.

Termal Şok Direnci tanımlarken kullanılabileceğimiz pek çok parametre olmasına rağmen; bir malzemenin termal şok direncini değiştiren / etkileyen en önemli parametreler aşağıdaki şekilde sıralanır.

  • Dayanım
  • Poisson Oranı
  • Elastisite Modülü
  • Termal Genleşme Katsayısı
  • Termal İletkenlik Katsayısı
  • Isı Kapasitesi
  • Kırılma Tokluğu

Termal şok direncini iyileştirmek, değiştirmek gibi hedefleri amaçlayarak bu parametreleri inceleyelim ve neler yapabileceğimizi düşünelim.

Dayanım Parametresi

Malzeme bilimi sınırları içerisinde istediğimiz malzemenin özelliklerini en iyi işlemler sırası ya da en iyi kompozisyonlarla en yüksek dayanımlara getirilebilir. Ancak her zaman bu durum söz konusu olmamaktadır. Örneğin MgO; 100 C’ye ısıtıldığında hacminde meydana gelen artışı engellemek için gerekli olan basın 7000 lbs/inc^2’dir. Bu değer de çevrim yapıldığında ~48.26 MPa değerine denktir.

Seramik malzemeler bu boyuttaki bir basınç için gerekli dayanıma sahip değillerdir.

Poisson Oranı

Çok sık duyduğunuz üzere Poisson Oranı en kaba açıklama ile bir cismin enindeki birim deformasyonun boydaki birim deformasyona oranına denir.

Poisson oranı malzeme cinsine göre değişen ve bizlerin kontrolünde olmayan bir özelliktir. Dolayısı ile poisson oranı ile oynama yaparak termal şok direncini iyileştirme gibi bir fikre asla kapılmamamız gerekir.

Termal İletkenlik Katsayısı

Metaller ele alındığında pek çok seramik malzemeden çok daha iyi, çok daha yüksek termal iletkenlik katsayısına sahip olduğu görülecektir. Bu da metallerin daha iyi şok direncine sahip oldukları anlamına gelir.

Dolayısıyla bir malzeme tasarımında termal şok direncini iyileştirmek adına yapılabileceklerden bir tanesi de metal katkısı yapmak olabilir. Alüminyum katkısı ile termal iletkenlik kazandırma işlemi yapılabilmektedir. Ancak termal şok direncinin iyileştirilmesi hususunda genelde değerlendirilebilecek, dişe dokunacak bir etki sağlamamaktadır.

Kırılma Tokluğu

İyi bir termal şok direnci sağlamak adına malzemenin kırılma tokluğunun arttırılması güzel bir çözümdür.

Elastik modülü düşürüldüğünde termal ısı iletkenliği arttırılsa dahi kırılma tokluğu düşer. Dolayısı ile elastik modülünü düşürmeden, kırılma tokluğu arttırılmaya çalışılarak yapılacak çalışmaların tamamı malzemenin termal şok direncini doğrudan iyileştirir.

Tüm bu parametreler göz önüne alındığında; bu parametreler ile malzemenin özellikleri, sistem geometrisi gibi diğer etmenler de termal şok direncini etkileyen önemli etmenlerdir.

Son olarak termal şok direncinin görsel olarak kavranması amacı ile bu alanda araştırma geliştirme yapan ne yazık ki bir Amerikan firmasının çözümünü aşağıdaki izletide bulabilirsiniz.

Referanslar:

  • Kara,I, E., TBK Kaplamaların Termal Şok Özelliklerinin İncelenmesi, Master Thesis, Sakarya University, Metallurgical and Materials Engineering Department, (in Turkish), 2008.
  • Bolcavage A., Feuerstein A., Foster J., Moore P., Thermal Shock Testing of Thermal Barrier Coating/Bondcoat Systems, Journal of Materials Engineering and Perform‐ ance, 2004, Vol: 13(4), 389-397
  • Vural, Erdinç. “Piston Malzemesi (AlSi12CuNi) Yüzeyine Uygulanmış Oksit Kaplamaların Termal Şok Testlerinin İncelenmesi.” Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 4.1 (2015).

Sizin için önerdiklerimiz:

Özkan Bozkurt

Bartın Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği öğrencisi.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir