Тепловой удар

Термический шок - это вид быстро меняющейся механической нагрузки . По определению, это механическая нагрузка, вызванная быстрым изменением температуры в определенной точке. Его также можно распространить на случай теплового градиента , который заставляет разные части объекта расширяться на разную величину. Это дифференциальное расширение может быть более понятно понято с точки зрения деформации , чем с точки зрения напряжения , как показано ниже. В какой-то момент это напряжение может превысить предел прочности материала, что приведет к образованию трещины. Если ничто не мешает этой трещине распространяться через материал, это приведет к разрушению структуры объекта.

Отказ из-за теплового удара можно предотвратить следующим образом: ^[1]

Уменьшение теплового градиента, видимого объектом, за счет более медленного изменения его температуры или увеличения теплопроводности материала
Снижение коэффициента теплового расширения материала
Увеличивая свою силу
Создание встроенного напряжения сжатия, например, в закаленном стекле
Уменьшение модуля Юнга
Повышение вязкости за счет притупления вершины трещины (т. Е. Пластичности или фазового превращения ) или отклонения трещины

Влияние на материалы [ править ]

Боросиликатное стекло лучше выдерживает термический удар, чем большинство других стекол, благодаря сочетанию пониженного коэффициента расширения и большей прочности, хотя плавленый кварц превосходит его по обоим параметрам. 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, есть оксид алюминий , оксид цирконий , вольфрам 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 в структуре.

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 для испытаний может быть измерен после различных циклов теплового удара, и таким образом можно отобразить ухудшение физических свойств.

Устойчивость к тепловому удару [ править ]

Для выбора материала в приложениях, подверженных резким изменениям температуры, можно использовать меры по устойчивости к тепловому удару. Обычной мерой сопротивления тепловому удару является максимальный перепад температур , который может выдерживать материал при заданной толщине. ^[3] ${\ displaystyle \ Delta T}$

Устойчивость к тепловому удару, контролируемая прочностью [ править ]

Для выбора материала в приложениях, подверженных резким изменениям температуры, можно использовать меры по устойчивости к тепловому удару. Максимальный скачок температуры , устойчивый для материала, можно определить для моделей с контролируемой прочностью следующим образом: ^[4]^[3] ${\ displaystyle \ Delta T}$

${\ displaystyle B \ Delta T = {\ frac {\ sigma _ {f}} {\ alpha E}}}$

где - напряжение разрушения (которое может представлять собой напряжение текучести или разрушения ), - коэффициент теплового расширения, - модуль Юнга, и является константой, зависящей от ограничений детали, свойств материала и толщины. ${\ displaystyle \ sigma _ {f}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle B}$

${\ displaystyle B = {\ frac {C} {A}}}$

где система Constrain константа , зависящая от коэффициента Пуассона, и является безразмерный параметр зависит от числа Biot , . ${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle Bi}$

${\ displaystyle C = {\ begin {cases} 1 & {\ text {осевое напряжение}} \\ (1- \ nu) & {\ text {двухосное ограничение}} \\ (1-2 \ nu) & {\ text {трехосное ограничение}} \ end {case}}}$

${\ displaystyle A}$ может быть приблизительно равен:

${\ displaystyle A = {\ frac {Hh / k} {1 + Hh / k}} = {\ frac {Bi} {1 + Bi}}}$

где - толщина, - коэффициент теплопередачи , - теплопроводность . ${\ displaystyle H}$ $h$ $k$

Идеальная теплопередача [ править ]

Если предполагается идеальная теплопередача ( ), максимальная теплопередача, поддерживаемая материалом, составляет: ^[4]^[5] $Bi=\infty$

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

$A_{1}\approx 1$ для холодного шока в пластинах
$A_{1}\approx 3.2$ для горячего шока в пластинах

Материал индекс для выбора материала в соответствии с термостойкостью в напряжении разрушения , полученной идеальный случай теплопередачи , поэтому:

${\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}$

Плохая теплопередача [ править ]

Для случаев с плохой теплопередачей ( ) максимальный перепад тепла, поддерживаемый материалом, составляет: ^[4]^[5] $Bi<1$

$\Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{Bi}}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}$

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

В случае плохой теплопередачи более высокий коэффициент теплопередачи способствует устойчивости к тепловому удару. Показатель материала корпуса с плохой теплопередачей часто принимается как:

${\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}$

В соответствии с моделями с идеальной и плохой теплопередачей, для горячего шока допустимы большие перепады температур, чем для холодного.

Устойчивость к тепловому удару, контролируемая вязкостью разрушения [ править ]

В дополнение к сопротивлению термическому удару, определяемому прочностью материала на разрушение, модели также были определены в рамках механики разрушения . Лу и Флек разработали критерии растрескивания при термическом ударе, основанные на растрескивании с контролируемой вязкостью разрушения . Модели были основаны на тепловом ударе в керамике (обычно хрупких материалах). Предполагая, что пластина бесконечна и трещина по моде I , трещина должна начинаться от края для холодного удара, но от центра пластины для горячего удара. ^[4] Случаи были разделены на идеальную и плохую теплопередачу для дальнейшего упрощения моделей.

Идеальная теплопередача [ править ]

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

$\Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}\,$

где - вязкость разрушения по моде I , - модуль Юнга, - коэффициент теплового расширения, - половина толщины пластины. $K_{Ic}$ $E$ $\alpha$ $H$

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

Таким образом, индекс материала для выбора материала в случае идеальной теплопередачи на основе механики разрушения:

${\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}$

Плохая теплопередача [ править ]

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

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

Важно отметить, что для случаев плохой теплопередачи материалы с более высокой теплопроводностью k имеют более высокую стойкость к тепловому удару. В результате обычно выбираемый индекс материала для сопротивления тепловому удару в случае плохой теплопередачи составляет:

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

Методы теплового удара Kingery [ править ]

Уильям Дэвид Кингери описал разницу температур для начала разрушения : ^[6]^[7]

$\Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}$

где - коэффициент формы, - напряжение разрушения, - теплопроводность, - модуль Юнга, - коэффициент теплового расширения, - коэффициент теплопередачи, - это параметр сопротивления разрушению. Параметр сопротивления разрушению - это общий показатель, используемый для определения устойчивости материалов к тепловому удару. ^[1] $S$ $\sigma ^{*}$ $k$ $E$ $\alpha$ $h$ $R'$

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

Формулы были получены для керамических материалов и делают предположения об однородном теле со свойствами материала, независимыми от температуры, но могут быть хорошо применены к другим хрупким материалам. ^[7]

Тестирование [ править ]

При испытании на термический удар продукты подвергаются воздействию чередующихся низких и высоких температур для ускорения отказов, вызванных температурными циклами или тепловыми ударами при нормальном использовании. Переход между крайними значениями температуры происходит очень быстро, более 15 ° C в минуту.

Оборудование с одной или несколькими камерами обычно используется для проведения испытаний на тепловой удар. При использовании однокамерного оборудования для термоудара продукты остаются в одной камере, и температура воздуха в камере быстро охлаждается и нагревается. Некоторое оборудование использует отдельные горячие и холодные камеры с подъемным механизмом, который перемещает продукты между двумя или более камерами.

Стеклянная тара может быть чувствительна к резким перепадам температуры. Один из методов тестирования заключается в быстром переходе от ванны с холодной водой к горячей и обратно. ^[8]

Примеры разрушения при тепловом ударе [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Июнь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Раньше твердые породы, содержащие рудные жилы, такие как кварцит, разрушались с помощью разжигания огня , при котором поверхность породы нагревали дровами, а затем закаливали водой, чтобы вызвать рост трещин. Он описан Диодором Сицилийским на египетских золотых приисках , Плинием Старшим и Георгом Агриколой . ^{[ необходима цитата ]}
Кубики льда, помещенные в стакан с теплой водой, трескаются от теплового удара, поскольку температура внешней поверхности увеличивается намного быстрее, чем внутренняя. Внешний слой расширяется при нагревании, в то время как интерьер остается в основном 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 ледяные осколки из контейнера.
Лампы накаливания, которые проработали какое-то время, имеют очень горячую поверхность. Брызги холодной воды могут привести к разбиванию стекла в результате теплового удара и взрыву лампы.
Старинная чугунная плита представляет собой простой чугунный ящик на ножках с чугунной столешницей. Внутри ящика разводится дровяной или угольный огонь, и пища готовится на верхней внешней поверхности ящика, как на сковороде. Если огонь развести слишком горячим, а затем охладить печь, наливая воду на верхнюю поверхность, она треснет из-за теплового удара.
Это широко распространено ^{[ кем? ]} , Что после отливки из Колокол Свободы , то давали остыть слишком быстро , что ослабило целостность колокола и в результате большой трещины вдоль боковой него первый раз , когда он звонил. Точно так же считается, что сильный перепад температуры (из-за того, что огонь затоплен водой) стал причиной поломки третьего Царь-колокола .
Тепловой удар является основной причиной выхода из строя прокладки головки в двигателях внутреннего сгорания.

См. Также [ править ]

Число Био
Техника импульсного возбуждения
Самопроизвольное разбивание стекла
Напряжение

Ссылки [ править ]

^ a b Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). «22-4 Термошок». Материаловедение и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. С. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 .
^ Патент США 6066585 , «Керамика , имеющая отрицательный коэффициент теплового расширения, способ изготовления такой керамики, а также детали , изготовленную из такой керамики», выданный 2000-05-23, назначен Emerson Electric Co.
^ а б Эшби, MF (1999). Выбор материалов в механическом проектировании (2-е изд.). Оксфорд, Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4357-9. OCLC 49708474 .
^ Б с д е е Soboyejo, Уоле О. (2003). «12.10.2 Выбор материалов для устойчивости к тепловому удару». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
^ а б в г Т. Дж. Лу; Н. А. Флек (1998). «Термостойкость твердых тел» (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755–4768. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (98) 00127-X .
^ Kingery, WD (январь 1955). «Факторы, влияющие на термостойкость керамических материалов». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 .
^ a b Собойджо, Воле О. (2003). «12.10 Реакция на тепловой удар». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
^ ASTM C149 - Стандартный метод испытаний термостойкости стеклянных контейнеров

[:0-1] Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). «22-4 Термошок». Материаловедение и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. С. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 .

[2] Патент США 6066585 , «Керамика , имеющая отрицательный коэффициент теплового расширения, способ изготовления такой керамики, а также детали , изготовленную из такой керамики», выданный 2000-05-23, назначен Emerson Electric Co.

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

[:3-4] Б с д е е Soboyejo, Уоле О. (2003). «12.10.2 Выбор материалов для устойчивости к тепловому удару». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .

[Fleck_96-5] а б в г Т. Дж. Лу; Н. А. Флек (1998). «Термостойкость твердых тел» (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755–4768. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (98) 00127-X .

[6] Kingery, WD (январь 1955). «Факторы, влияющие на термостойкость керамических материалов». Журнал Американского керамического общества . 38 (1): 3–15. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 .

[:1-7] Собойджо, Воле О. (2003). «12.10 Реакция на тепловой удар». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .

[8] ASTM C149 - Стандартный метод испытаний термостойкости стеклянных контейнеров

[1]