Термический шок

Нагрузка, вызванная быстрым изменением температуры

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

Методы предотвращения теплового шока включают: ^[1]

• Минимизация теплового градиента путем постепенного изменения температуры
• Увеличение теплопроводности материала
• Уменьшение коэффициента термического расширения материала
• Увеличение прочности материала
• Внесение сжимающего напряжения в материал, например, в закаленное стекло
• Уменьшение модуля Юнга материала
• Повышение прочности материала за счет притупления вершины трещины или ее отклонения с использованием процесса пластической деформации и фазового превращения.

Воздействие на материалы

Боросиликатное стекло создано для того, чтобы выдерживать термический шок 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 литий-алюмосиликата (LAS) ^[2] ) включают контролируемую долю материала с отрицательным коэффициентом расширения, так что общий коэффициент может быть снижен почти до нуля в достаточно широком диапазоне температур.

К лучшим термомеханическим материалам относятся оксид алюминия , диоксид циркония , вольфрамовые сплавы, нитрид кремния , карбид кремния , карбид бора и некоторые нержавеющие стали .

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

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

Устойчивость к термическому удару

Меры термостойкости могут быть использованы для выбора материала в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Общей мерой термостойкости является максимальный перепад температур, , который может выдержать материал при заданной толщине. ^[3] ${\displaystyle \Delta T}$

Устойчивость к термическому удару с контролируемой прочностью

Меры стойкости к тепловому удару могут использоваться для выбора материала в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Максимальный скачок температуры, , выдерживаемый материалом, может быть определен для моделей с контролируемой прочностью следующим образом: ^{[4] [3]} где — разрушающее напряжение (которое может быть пределом текучести или пределом разрушения ), — коэффициент теплового расширения, — модуль Юнга, — константа, зависящая от ограничений детали, свойств материала и толщины. ${\displaystyle \Delta T}$ $${\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}}$$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle B}$

$${\displaystyle B={\frac {C}{A}}}$$где — константа системных ограничений, зависящая от коэффициента Пуассона, , а — безразмерный параметр, зависящий от числа Био , . ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \mathrm {Bi} }$

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

${\displaystyle A}$можно приблизительно определить по формуле: где — толщина, — коэффициент теплопередачи , — теплопроводность . $${\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}}$$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle k}$

Идеальная теплопередача

Если предполагается идеальная теплопередача ( ) ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$ , то максимальная теплопередача, поддерживаемая материалом, составляет: ^{[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

Индекс материала для выбора материала в соответствии с стойкостью к тепловому удару в случае идеальной теплопередачи, полученной из напряжения разрушения, составляет: $${\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Плохая теплопередача

Для случаев с плохой теплопередачей ( ) ${\displaystyle \mathrm {Bi} <1}$ максимальная разность температур, поддерживаемая 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 высокая теплопроводность выгодна для термостойкости. Индекс материала для случая плохой теплопередачи часто принимается как: $${\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Согласно обеим моделям: идеальной и плохой теплопередачи, при горячем шоке допустимы большие перепады температур, чем при холодном шоке.

Стойкость к термическому удару, контролируемая вязкостью разрушения

В дополнение к термостойкости, определяемой прочностью материала на разрыв, модели также были определены в рамках механики разрушения . Лу и Флек разработали критерии термоудара на основе трещин, контролируемых вязкостью разрушения . Модели были основаны на термоударе в керамике (обычно хрупких материалах). Предполагая бесконечную пластину и режим I трещины, было предсказано, что трещина начнется с края для холодного удара, но с центра пластины для горячего удара. ^[4] Случаи были разделены на идеальную и плохую теплопередачу для дальнейшего упрощения моделей.

Идеальная теплопередача

Устойчивый скачок температуры уменьшается с увеличением конвективного теплообмена (и, следовательно, большего числа Биота). Это представлено в модели, показанной ниже для идеального теплообмена ( ). ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}}$$где - вязкость разрушения по режиму I , - модуль Юнга, - коэффициент теплового расширения, - половина толщины пластины. ${\displaystyle K_{Ic}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle H}$

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

Таким образом, индекс материала для выбора материала в случае идеальной теплопередачи, полученном с помощью механики разрушения, составляет: $${\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Плохая теплопередача

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

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

Критически важно, что для случаев плохой теплопередачи материалы с более высокой теплопроводностью, k , имеют более высокую термостойкость. В результате, обычно выбираемый индекс материала для термостойкости в случае плохой теплопередачи: $${\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Методы термического шока Кингери

Разница температур, необходимая для начала разрушения, была описана Уильямом Дэвидом Кингери следующим образом: ^{[6] [7]} где — коэффициент формы, — напряжение разрушения, — теплопроводность, — модуль Юнга, — коэффициент теплового расширения, — коэффициент теплопередачи, — параметр сопротивления разрушению. Параметр сопротивления разрушению — это общепринятая метрика, используемая для определения стойкости материалов к тепловому удару. ^[1] $${\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}}$$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \sigma ^{*}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle R'}$

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

Формулы были выведены для керамических материалов и предполагают однородное тело со свойствами материала, независимыми от температуры, но их можно с успехом применять и к другим хрупким материалам. ^[7]

Тестирование

Испытание на термический шок подвергает продукцию воздействию чередующихся низких и высоких температур для ускорения отказов, вызванных температурными циклами или термическими шоками при нормальном использовании. Переход между экстремальными температурами происходит очень быстро, более 15 °C в минуту.

Оборудование с одной или несколькими камерами обычно используется для проведения испытаний на термошок. При использовании оборудования с одной камерой для термошока продукты остаются в одной камере, а температура воздуха в камере быстро охлаждается и нагревается. В некоторых видах оборудования используются отдельные горячие и холодные камеры с подъемным механизмом, который перемещает продукты между двумя или более камерами.

Стеклянные контейнеры могут быть чувствительны к резким перепадам температуры. Один из методов тестирования включает быстрое перемещение из холодной в горячую ванну и обратно. ^[8]

Примеры отказа из-за теплового удара

• Твердые породы, содержащие рудные жилы, такие как кварцит, раньше разрушались с помощью обжига , который включал нагревание поверхности скалы дровяным огнем, а затем охлаждение водой, чтобы вызвать рост трещин. Это описано Диодором Сицилийским в египетских золотых рудниках , Плинием Старшим и Георгом Агриколой . ^{[ необходима цитата ]}
• Кубики льда, помещенные в стакан с теплой водой, трескаются от термического удара, поскольку внешняя поверхность нагревается гораздо быстрее, чем внутренняя. Внешний слой расширяется по мере нагревания, в то время как внутренняя часть остается практически неизменной. Это быстрое изменение объема между различными слоями создает напряжения во льду, которые нарастают до тех пор, пока сила не превысит прочность льда, и не образуется трещина, иногда с такой силой, что осколки льда вылетают из контейнера.
• Лампы накаливания , которые работали некоторое время, имеют очень горячую поверхность. Попадание на них холодной воды может привести к тому, что стекло разобьется из-за теплового удара, а лампочка взорвется.
• Старинная чугунная плита представляет собой простой железный ящик на ножках с чугунной столешницей. Внутри ящика разводят огонь из дров или угля, а на его верхней внешней поверхности, как на сковородке, готовят еду. Если развести слишком сильный огонь, а затем охладить печь, выливая воду на верхнюю поверхность, она треснет из-за теплового удара.
• Считается, что сильный перепад температур (из-за тушения пожара водой) стал причиной поломки третьего Царь-колокола .
• Тепловой удар является основной причиной выхода из строя прокладки головки блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Смотрите также

• Число Биота
• Методика импульсного возбуждения
• Самопроизвольное разрушение стекла
• Напряжение

Ссылки

1. Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). "22-4 Термический шок". Наука и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. С. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Патент США 6066585, Скотт Л. Шварц, «Керамика с отрицательным коэффициентом теплового расширения, способ изготовления такой керамики и детали, изготовленные из такой керамики», выдан 23 мая 2000 г., передан Emerson Electric Co. 
3. Ashby, MF (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9. OCLC  49708474.
4. Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Выбор материалов для термостойкости". Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
5. TJ Lu; NA Fleck (1998). "The Thermal Shock Resistance of Solids" (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755–4768. Bibcode : 1998AcMat..46.4755L. doi : 10.1016/S1359-6454(98)00127-X.
6. KINGERY, WD (январь 1955). «Факторы, влияющие на сопротивление термическому напряжению керамических материалов». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. doi :10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x. ISSN  0002-7820.
7. Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Реакция на тепловой удар". Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
8. ASTM C149 — Стандартный метод испытаний на стойкость стеклянной тары к тепловому удару