Термический стресс

В механике и термодинамике термическое напряжение — это механическое напряжение, создаваемое любым изменением температуры материала. Эти напряжения могут привести к трещинам или пластической деформации в зависимости от других переменных нагрева, которые включают типы материалов и ограничения. ^[1] Температурные градиенты , тепловое расширение или сжатие и тепловые удары — это то, что может привести к термическому напряжению. Этот тип напряжения сильно зависит от коэффициента термического расширения , который варьируется от материала к материалу. В общем, чем больше изменение температуры, тем выше уровень напряжения, который может возникнуть. Термический удар может возникнуть в результате быстрого изменения температуры, что приводит к растрескиванию или разрушению.

Температурные градиенты

Когда материал быстро нагревается или охлаждается, температура поверхности и внутренняя температура будут иметь разницу в температуре. Быстрое нагревание или охлаждение вызывает тепловое расширение или сжатие соответственно, это локализованное перемещение материала вызывает тепловые напряжения. Представьте себе нагревание цилиндра, сначала поверхность повышается в температуре, а центр остается при той же начальной температуре. Через некоторое время центр цилиндра достигнет той же температуры, что и поверхность. Во время нагревания поверхность относительно горячее и будет расширяться больше, чем центр. Примером этого являются зубные пломбы, которые могут вызывать тепловые напряжения во рту человека. Иногда стоматологи используют зубные пломбы с другими коэффициентами теплового расширения, чем зубная эмаль, пломбы будут расширяться быстрее, чем эмаль, и вызывать боль во рту человека. ^[1]

Тепловое расширение и сжатие

Материал будет расширяться или сжиматься в зависимости от коэффициента теплового расширения материала. Пока материал может свободно перемещаться, он может расширяться или сжиматься свободно, не создавая напряжений. Как только этот материал прикреплен к твердому телу в нескольких местах, в геометрически ограниченной области могут создаваться термические напряжения. Это напряжение рассчитывается путем умножения изменения температуры, коэффициента теплового расширения материала и модуля Юнга материала (см. формулу ниже). — модуль Юнга , — коэффициент теплового расширения , — начальная температура, — конечная температура. ^[2]^[3] $E$ $\альфа$ $T_{0}$ $T_{f}$

\сигма =E\альфа \left(T_{f}-T_{0}\right)=E\альфа \Дельта {T}

Когда больше , ограничения оказывают сжимающее усилие на материал. Обратное происходит при охлаждении; когда меньше , напряжение будет растягивающим. Пример сварки включает нагрев и охлаждение металла, что является комбинацией теплового расширения, сжатия и температурных градиентов. После полного цикла нагрева и охлаждения металл остается с остаточным напряжением вокруг сварного шва. $T_{f}$ $T_{0}$ $T_{f}$ $T_{0}$

Термический шок

Это сочетание большого температурного градиента из-за низкой теплопроводности, в дополнение к быстрому изменению температуры на хрупких материалах. Изменение температуры вызывает напряжения на поверхности, которая находится в напряжении, что способствует образованию и распространению трещин. Керамические материалы обычно подвержены тепловому удару . ^[2] Примером может служить случай, когда стекло нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают в холодной воде. Поскольку температура стекла быстро падает, возникают напряжения, которые вызывают трещины в теле стекла, которые в некоторых случаях можно увидеть как трещины или даже осколки.

Ссылки

^ ab Элементы металлургии и инженерные сплавы . Кэмпбелл, Ф.К. (Флейк К.). Materials Park, Огайо: ASM International. 2008. ISBN 9780871708670. OCLC 608624525.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
^ ab Каллистер, Уильям Д. младший. Материаловедение и инженерия: введение . Ретвиш, Дэвид Г. (8-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 9780470419977. OCLC 401168960.
^ Ф., Картер, Джайлс (1991). Материаловедение и инженерия . Пол, Дональд Э. [Materials Park, Ohio]: ASM International. ISBN 9780871703996. OCLC 555222029.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )