Термический шок

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.

К методам предотвращения термического шока относятся: ^[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
Увеличение 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 углеродного чрезвычайно высокой теплопроводности графита и низкому коэффициенту расширения, высокой прочности волокна и разумной способности отклонять трещины внутри конструкции.

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

Устойчивость к термическому удару

Меры по устойчивости к термическому удару могут использоваться для выбора материала в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Обычной мерой стойкости к тепловому удару является максимальный перепад температур, $\Delta T$ , которую может выдержать материал при заданной толщине. ^[3]

Устойчивость к термическому удару с контролируемой прочностью

Меры по устойчивости к термическому удару могут использоваться для выбора материала в приложениях, подверженных быстрым изменениям температуры. Максимальный скачок температуры, $\Delta T$ Экологичность материала может быть определена для моделей с контролируемой прочностью следующим образом: ^[4]^[3] $B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}$ где $\sigma _{f}$ напряжение разрушения (которое может быть напряжением текучести или напряжением разрушения ), $\alpha$ - коэффициент теплового расширения, $E$ - модуль Юнга, а $B$ — константа, зависящая от ограничения детали, свойств материала и толщины.

$B={\frac {C}{A}}$ где $C$ - константа ограничения системы, зависящая от коэффициента Пуассона, $\nu$ , и $A$ — безразмерный параметр, зависящий от числа Био , $\mathrm {Bi}$ .

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

$A$ может быть аппроксимировано: $A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}$ где $H$ это толщина, $h$ - коэффициент теплопередачи , а $k$ это теплопроводность .

Идеальная теплопередача

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

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

$A_{1}\approx 1$ для холодового шока в пластинах
$A_{1}\approx 3.2$ 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: ${\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}$

Плохая теплопередача

Для случаев с плохой теплопередачей ( $\mathrm {Bi} <1$ ), максимальный перепад тепла, поддерживаемый материалом, составляет: ^[4]^[5] $\Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}$

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

В случае плохой теплопередачи более высокая теплопроводность способствует устойчивости к термическому удару. Индекс материала корпуса с плохой теплопередачей часто принимается как: ${\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}$

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 , было предсказано, что трещина начнется с края при холодном ударе, но от центра пластины при горячем ударе. ^[4] Корпуса были разделены на идеальную и плохую теплопередачу для дальнейшего упрощения моделей.

Идеальная теплопередача

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

$\Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}$ где $K_{Ic}$ это режим I трещиностойкости , $E$ – модуль Юнга, $\alpha$ - коэффициент теплового расширения, а $H$ составляет половину толщины пластины.

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

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

Плохая теплопередача

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

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

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

Методы термического шока Кингери

описал разницу температур, вызывающую разрушение, Уильям Дэвид Кингери как: ^[6]^[7] $\Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}$ где $S$ является фактором формы, $\sigma ^{*}$ – напряжение разрушения, $k$ - теплопроводность, $E$ – модуль Юнга, $\alpha$ - коэффициент теплового расширения, $h$ - коэффициент теплопередачи, а $R'$ – параметр сопротивления разрушению. Параметр сопротивления разрушению — это общий показатель, используемый для определения устойчивости материалов к термическому удару. ^[1]

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

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 ссылка ]}
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.
Считается, что сильный градиент температуры (из-за тушения пожара водой) стал причиной поломки третьего Царь-колокола .
Термический удар является основной причиной выхода из строя прокладки головки блока цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б 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 . OCLC 903959750 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ 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.
^ Перейти обратно: ^а ^б Эшби, МФ (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Оксфорд, Оксана: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4357-9 . OCLC 49708474 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж 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 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д 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, У.Д. (январь 1955 г.). «Факторы, влияющие на стойкость керамических материалов к термическому напряжению». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. дои : 10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 .
^ Перейти обратно: ^а ^б 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 испытаний на стойкость стеклянных контейнеров к тепловому удару

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б 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 . OCLC 903959750 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[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.

[:2-3] Перейти обратно: ^а ^б Эшби, МФ (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Оксфорд, Оксана: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4357-9 . OCLC 49708474 .

[:3-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж 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 .

[Fleck_96-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д 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, У.Д. (январь 1955 г.). «Факторы, влияющие на стойкость керамических материалов к термическому напряжению». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. дои : 10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 .

[:1-7] Перейти обратно: ^а ^б 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 испытаний на стойкость стеклянных контейнеров к тепловому удару

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]