Тепловой удар

Нагрузка, вызванная быстрым изменением температуры

Термический удар — это явление, характеризующееся быстрым изменением температуры, которое приводит к временной механической нагрузке на объект. Нагрузка вызвана дифференциальным расширением различных частей объекта из-за изменения температуры. Это дифференциальное расширение можно понимать с точки зрения деформации , а не напряжения . Когда деформация превышает предел прочности материала, это может привести к образованию трещин и, в конечном итоге, к разрушению конструкции.

Методы предотвращения теплового удара включают: ^[1]

• Минимизация температурного градиента путем постепенного изменения температуры.
• Увеличение теплопроводности материала
• Снижение коэффициента термического расширения материала
• Увеличение прочности материала
• Создание сжимающего напряжения в материале, например, в закаленном стекле.
• Уменьшение модуля Юнга материала
• Повышение ударной вязкости материала за счет притупления вершины трещины или отклонения трещины с использованием процесса пластической деформации и фазового превращения.

Влияние на материалы

Боросиликатное стекло выдерживает термический удар лучше, чем большинство других стекол, благодаря сочетанию пониженного коэффициента расширения и большей прочности, хотя плавленый кварц превосходит его в обоих этих отношениях. Некоторые стеклокерамические материалы (в основном в системе алюмосиликата лития (LAS) ^[2] ) включают контролируемую долю материала с отрицательным коэффициентом расширения, так что общий коэффициент может быть уменьшен почти до нуля в достаточно широком диапазоне температур. .

Среди лучших термомеханических материалов выделяют оксид алюминия , цирконий , вольфрамовые сплавы, нитрид кремния , карбид кремния , карбид бора и некоторые нержавеющие стали .

Армированный углерод-углерод чрезвычайно устойчив к тепловому удару благодаря чрезвычайно высокой теплопроводности графита и низкому коэффициенту расширения, высокой прочности углеродного волокна и разумной способности отклонять трещины внутри конструкции.

Для измерения теплового удара полезным инструментом оказался метод импульсного возбуждения . Его можно использовать для измерения модуля Юнга, модуля сдвига , коэффициента Пуассона и коэффициента демпфирования неразрушающим способом. Один и тот же образец может быть измерен после различных циклов термического удара и, таким образом, можно определить ухудшение физических свойств.

Устойчивость к термическому удару

Меры по устойчивости к термическому удару могут использоваться для выбора материалов в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Обычной мерой термостойкости является максимальная разница температур , которую может выдержать материал заданной толщины. ^[3] ${\displaystyle \Delta T}$

Устойчивость к термическому удару с контролируемой прочностью

Меры по устойчивости к термическому удару могут использоваться для выбора материалов в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Максимальный скачок температуры , поддерживаемый материалом, может быть определен для моделей с контролируемой прочностью по формуле: ^{[4] [3]} ${\displaystyle \Delta T}$

$${\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}}$$

пределом текучестинапряжением разрушения ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle B}$

$${\displaystyle B={\frac {C}{A}}}$$

ипараметр,числа Био. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \mathrm {Bi} }$

$${\displaystyle C={\begin{cases}1&{\text{axial stress}}\\(1-\nu )&{\text{biaxial constraint}}\\(1-2\nu )&{\text{triaxial constraint}}\end{cases}}}$$

${\displaystyle A}$может быть аппроксимировано:

$${\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}}$$

коэффициент теплопередачитеплопроводность ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle k}$

Идеальная теплопередача

Если предполагается идеальная теплопередача ( ) ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$ , максимальная теплопередача, поддерживаемая материалом, равна: ^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{1}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

• ${\displaystyle A_{1}\approx 1}$для холодового шока в пластинах
• ${\displaystyle A_{1}\approx 3.2}$для горячего шока в пластинах

Таким образом, индекс материала для выбора материала в соответствии с термостойкостью в случае идеальной теплопередачи, полученной при напряжении разрушения, составляет:

$${\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Плохая теплопередача

Для случаев с плохой теплопередачей ( ) ${\displaystyle \mathrm {Bi} <1}$ максимальный перепад тепла, поддерживаемый материалом, составляет: ^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}}$$

• ${\displaystyle A_{2}\approx 3.2}$для холодового шока
• ${\displaystyle A_{2}\approx 6.5}$для горячего шока

В случае плохой теплопередачи более высокий коэффициент теплопередачи способствует устойчивости к термическому удару. Индекс материала корпуса с плохой теплопередачей часто принимается как:

$${\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Согласно моделям идеальной и плохой теплопередачи, для горячего шока допускается большая разница температур, чем для холодного шока.

Контролируемая вязкость разрушения, устойчивость к термическому удару

Помимо стойкости к термическому удару, определяемой прочностью материала на разрушение, модели также были определены в рамках механики разрушения . Лу и Флек разработали критерии растрескивания при термическом ударе, основанные на растрескивании, контролируемом вязкостью разрушения. Модели основаны на термическом ударе в керамике (как правило, хрупких материалах). Предполагая бесконечную пластину и растрескивание в режиме I , можно было предсказать, что трещина начнется с края при холодном ударе, но от центра пластины при горячем ударе. ^[4] Для дальнейшего упрощения моделей случаи были разделены на идеальную и плохую теплопередачу.

Идеальная теплопередача

Устойчивый скачок температуры уменьшается с увеличением конвективного теплопереноса (и, следовательно, с увеличением числа Био). Это представлено в модели идеальной теплопередачи, показанной ниже ( ). ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}}$$

вязкость разрушения ${\displaystyle K_{Ic}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle H}$

• ${\displaystyle A_{3}\approx 4.5}$для холодового шока
• ${\displaystyle A_{4}\approx 5.6}$для горячего шока

Таким образом, индекс материала для выбора материала в случае идеальной теплопередачи, полученной в результате механики разрушения, составляет:

$${\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Плохая теплопередача

Для случаев с плохой теплопередачей число Био является важным фактором устойчивого скачка температуры. ^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{4}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}{\frac {k}{hH}}}$$

Крайне важно, что для случаев плохой теплопередачи материалы с более высокой теплопроводностью k имеют более высокую стойкость к тепловому удару. В результате обычно выбираемый индекс материала по стойкости к термическому удару в случае плохой теплопередачи составляет:

$${\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Методы термического шока Кингери

Уильям Дэвид Кингери описал разницу температур, вызывающую разрушение, как: ^{[6] [7]}

$${\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}}$$

^[1] ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \sigma ^{*}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle R'}$

$${\displaystyle R'={\frac {k\sigma ^{*}(1-v)}{E\alpha }}}$$

Формулы были выведены для керамических материалов и предполагают однородное тело со свойствами материала, не зависящими от температуры, но могут быть хорошо применены к другим хрупким материалам. ^[7]

Тестирование

Испытания на термический удар подвергают продукты воздействию попеременно низких и высоких температур, чтобы ускорить выход из строя, вызванный температурными циклами или термическими ударами во время нормального использования. Переход между крайними значениями температуры происходит очень быстро, более 15 °C в минуту.

Для проведения испытаний на термический удар обычно используется оборудование с одной или несколькими камерами. При использовании однокамерного термошокового оборудования продукты остаются в одной камере, а температура воздуха в камере быстро охлаждается и нагревается. В некотором оборудовании используются отдельные горячие и холодные камеры с подъемным механизмом, который транспортирует продукцию между двумя или более камерами.

Стеклянные контейнеры могут быть чувствительны к резким изменениям температуры. Один из методов тестирования предполагает быстрое перемещение от ванны с холодной водой к ванне с горячей водой и обратно. ^[8]

Примеры отказов от термического удара

• Твердые породы, содержащие рудные жилы, такие как кварцит , раньше разрушались с помощью поджога , который включал нагрев поверхности скалы дровяным огнем, а затем закалку водой, чтобы вызвать рост трещин. Описан Диодором Сицилийским в египетских золотых приисках , Плинием Старшим и Георгом Агриколой . ^{[ нужна цитата ]}
• Кубики льда, помещенные в стакан с теплой водой, трескаются от термического удара, поскольку температура внешней поверхности нагревается гораздо быстрее, чем внутренней. Внешний слой расширяется по мере нагревания, а внутренний остается практически неизменным. Это быстрое изменение объема между различными слоями создает напряжения во льду, которые накапливаются до тех пор, пока сила не превысит прочность льда, и не образуется трещина, иногда с достаточной силой, чтобы выбросить осколки льда из контейнера.
• Лампы накаливания , проработавшие какое-то время, имеют очень горячую поверхность. Брызги холодной воды на них могут привести к тому, что стекло разобьется из-за термического удара, а лампочка взорвется.
• Старинная чугунная кухонная плита представляет собой простой железный ящик на ножках с чугунной столешницей. Внутри ящика разводят дровяной или угольный огонь, а еда готовится на верхней внешней поверхности ящика, как на сковородке. Если развести огонь слишком сильно, а затем охладить печь, наливая воду на верхнюю поверхность, она треснет из-за термического удара.
• Существует широко распространенная гипотеза  ^{[ кем? ]} что после отливки Колокола Свободы ему дали остыть слишком быстро, что ослабило целостность колокола и привело к образованию большой трещины по его боковой стороне при первом звонке. Точно так же считается, что сильный градиент температуры (из-за тушения огня водой) стал причиной поломки третьего Царь-колокола .
• Термический удар является основной причиной выхода из строя прокладки головки блока цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.

Смотрите также

• Номер Биота
• Техника импульсного возбуждения
• Самопроизвольное разрушение стекла
• Напряжение

Рекомендации

1. Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). «22-4 Термический удар». Наука и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. стр. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. ОСЛК  903959750.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Патент США 6066585, Скотт Л. Шварц, «Керамика, имеющая отрицательный коэффициент теплового расширения, способ изготовления такой керамики и детали, изготовленные из такой керамики», выдан 23 мая 2000 г., передан компании Emerson Electric Co. 
3. Эшби, МФ (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Оксфорд, Оксана: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4357-9. ОСЛК  49708474.
4. Собоеджо, Воле О. (2003). «12.10.2 Выбор материалов по устойчивости к термическому удару». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. ОСЛК  300921090.
5. Ти Джей Лу; Н. А. Флек (1998). «Сопротивление твердых тел термическому удару» (PDF) . Акта Материалия . 46 (13): 4755–4768. Бибкод : 1998AcMat..46.4755L. дои : 10.1016/S1359-6454(98)00127-X.
6. КИНДЖЕРИ, WD (январь 1955 г.). «Факторы, влияющие на стойкость керамических материалов к термическому напряжению». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. doi :10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x. ISSN  0002-7820.
7. Собоеджо, Воле О. (2003). «12.10 Реакция на термический удар». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. ОСЛК  300921090.
8. ASTM C149 - Стандартный метод испытания термостойкости стеклянных контейнеров к ударам