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]
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]
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]
пределом текучестинапряжением разрушения ипараметр,числа Био.может быть аппроксимировано:
коэффициент теплопередачитеплопроводностьИдеальная теплопередача
Если предполагается идеальная теплопередача ( ) , максимальная теплопередача, поддерживаемая материалом, равна: [4] [5]
- для холодового шока в пластинах
- 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:
Плохая теплопередача
Для случаев с плохой теплопередачей ( ) максимальный перепад тепла, поддерживаемый материалом, составляет: [4] [5]
- для холодового шока
- 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:
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 ( ). [4] [5]
вязкость разрушения- для холодового шока
- для горячего шока
Таким образом, индекс материала для выбора материала в случае идеальной теплопередачи, полученной в результате механики разрушения, составляет:
Плохая теплопередача
Для случаев с плохой теплопередачей число Био является важным фактором устойчивого скачка температуры. [4] [5]
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:
Методы термического шока Кингери
Уильям Дэвид Кингери описал разницу температур, вызывающую разрушение, как: [6] [7]
[1]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
Рекомендации
- ^ аб 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) - ^ 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.
- ^ аб Эшби, МФ (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Оксфорд, Оксана: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4357-9. ОСЛК 49708474.
- ^ abcdef 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.
- ^ abcd 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.
- ^ 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.
- ^ аб Собоеджо, Воле О. (2003). «12.10 Реакция на термический удар». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. ОСЛК 300921090.
- ^ ASTM C149 - Стандартный метод испытания термостойкости стеклянных контейнеров к ударам