В механике и термодинамике , термическое напряжение является механическим стрессом создан любым изменением температуры материала. Эти напряжения могут привести к разрушению 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 могут привести к термическому напряжению. Этот тип напряжения сильно зависит от коэффициента теплового расширения.который варьируется от материала к материалу. Как правило, чем сильнее изменение температуры, тем выше уровень стресса. Тепловой удар может возникнуть в результате быстрого изменения температуры, что приведет к растрескиванию или разрушению.
Температурные градиенты [1]
Когда материал быстро нагревается или охлаждается, температура поверхности и внутренняя температура будут различаться. Быстрый нагрев или охлаждение вызывает тепловое расширение или сжатие соответственно, это локальное движение материала вызывает термические напряжения. Представьте себе нагревание цилиндра: сначала температура поверхности повышается, а в центре остается прежняя первоначальная 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 пломбы могут вызывать тепловую нагрузку во рту человека. Иногда стоматологи используют зубные пломбы с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения зубной эмали, пломбы расширяются быстрее, чем эмаль, и вызывают боль во рту человека.
Тепловое расширение и сжатие
Материал будет расширяться или сжиматься в зависимости от коэффициента теплового расширения материала. Пока материал может свободно двигаться, он может свободно расширяться или сжиматься, не создавая напряжений. Как только этот материал прикреплен к твердому телу в нескольких местах, в области с геометрическими ограничениями могут возникать термические напряжения. Это напряжение рассчитывается путем умножения изменения температуры, коэффициента теплового расширения материала и модуля Юнга материала (см. Формулу ниже).- модуль Юнга ,является коэффициент термического расширения , начальная температура и конечная температура. [2] [3]
Когда больше, чем , ограничения оказывают сжимающее усилие на материал. При охлаждении происходит обратное; когда меньше чем , напряжение будет растягивающим. Пример сварки включает нагрев и охлаждение металла, которое представляет собой комбинацию теплового расширения, сжатия и температурных градиентов. После полного цикла нагрева и охлаждения металл остается с остаточным напряжением вокруг сварного шва.
Тепловой удар
Это сочетание большого температурного градиента из-за низкой теплопроводности в дополнение к быстрому изменению температуры хрупких материалов. Изменение температуры вызывает напряжения на поверхности, которые находятся в состоянии растяжения, что способствует образованию и распространению трещин. Керамические материалы обычно подвержены термическому удару. [2] Например, стекло нагревается до высокой температуры, а затем быстро закаливается 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.
Рекомендации
- ^ a b Элементы металлургии и инженерные сплавы . Кэмпбелл, ФК (Flake C.). Парк материалов, Огайо: ASM International. 2008. ISBN 9780871708670. OCLC 608624525 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ а б 1940 - Каллистер, Уильям Д. Младший. Материаловедение и инженерия: введение . Ретвиш, Дэвид Г. (8-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси. ISBN 9780470419977. OCLC 401168960 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
- ^ Ф., Картер, Джайлз (1991). Материаловедение и инженерия . Пол, Дональд Э. [Парк материалов, Огайо]: ASM International. ISBN 9780871703996. OCLC 555222029 .