Термический стресс

Не путать с термическим стрессом для человека .

В механике и термодинамике создаваемое термическое напряжение — это механическое напряжение, любым изменением температуры материала. Эти напряжения могут привести к разрушению или пластической деформации в зависимости от других переменных нагрева, включая типы материалов и ограничения. Температурные градиенты , тепловое расширение или сжатие, а также термические удары — это вещи, которые могут привести к тепловому стрессу. Этот тип напряжения сильно зависит от коэффициента теплового расширения , который варьируется от материала к материалу. В общем, чем больше изменение температуры, тем выше уровень стресса, который может возникнуть. Термический удар может возникнуть в результате быстрого изменения температуры, что приведет к растрескиванию или разрушению.

Градиенты температуры

Когда материал быстро нагревается или охлаждается, температура поверхности и внутренняя температура будут различаться. Быстрый нагрев или охлаждение вызывает тепловое расширение или сжатие, соответственно, это локализованное движение материала вызывает термические напряжения. Представьте себе, что при нагревании цилиндра сначала температура поверхности повышается, а в центре сохраняется та же начальная температура. Через некоторое время центр цилиндра достигнет той же температуры, что и поверхность. Во время нагрева поверхность становится относительно горячей и расширяется больше, чем центр. Примером этого является то, что зубные пломбы могут вызвать термический стресс во рту человека. Иногда стоматологи используют зубные пломбы с коэффициентами термического расширения, отличными от зубной эмали, пломбы расширяются быстрее, чем эмаль, и вызывают боль во рту человека.

Тепловое расширение и сжатие

Пример деформации рельсов, вызванной термическим напряжением

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

$\sigma =E\alpha \left(T_{f}-T_{0}\right)=E\alpha \Delta {T}$

Когда $T_{f}$ больше, чем $T_{0}$, ограничения оказывают сжимающее усилие на материал. Обратное происходит при охлаждении; когда $T_{f}$ меньше, чем $T_{0}$, напряжение будет растягивающим. Пример сварки включает нагрев и охлаждение металла, что представляет собой сочетание теплового расширения, сжатия и температурных градиентов. остаются остаточные напряжения После полного цикла нагрева и охлаждения в металле вокруг сварного шва .

Термический шок

Это сочетание большого температурного градиента из-за низкой теплопроводности и быстрого изменения температуры на хрупких материалах. Изменение температуры вызывает напряжения на поверхности, которые находятся в состоянии растяжения, что способствует образованию и распространению трещин. Керамические материалы обычно чувствительны к тепловому удару. Примером может служить случай, когда стекло нагревают до высокой температуры, а затем быстро закаливают в холодной воде. Поскольку температура стекла быстро падает, возникают напряжения, вызывающие трещины в теле стекла, которые в некоторых случаях можно рассматривать как трещины или даже разрушение.