Тепловой удар - Thermal shock

Тепловой удар это тип быстро преходящего механическая нагрузка. По определению, это механическая нагрузка, вызванная быстрым изменением температуры в определенной точке. Ее также можно распространить на случай температурный градиент, что делает разные части объекта расширять на разные суммы. Это дифференциальное расширение можно более точно понять с точки зрения напряжение, чем с точки зрения стресс, как показано ниже. В какой-то момент это напряжение может превышать предел прочности материала, вызывая образование трещины. Если ничто не мешает этой трещине распространяться через материал, это приведет к разрушению структуры объекта.

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

1. Уменьшение теплового градиента, видимого объектом, за счет более медленного изменения его температуры или увеличения толщины материала. теплопроводность
2. Уменьшение коэффициента материала тепловое расширение
3. Увеличивая свою силу
4. Введение встроенного напряжения сжатия, например, в закаленное стекло
5. Уменьшение его Модуль для младших
6. Увеличивая стойкость затуплением вершины трещины (т. е. пластичность или же фазовое превращение ) или прогиб трещины

Влияние на материалы

Боросиликатное стекло сделано для того, чтобы выдерживать термический удар лучше, чем большинство других стекол, благодаря сочетанию пониженного коэффициента расширения и большей прочности, хотя плавленый кварц превосходит его по обоим параметрам. Немного стеклокерамика материалы (в основном в алюмосиликат лития (LAS) система^[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: глинозем, цирконий, вольфрам сплавы, нитрид кремния, Карбид кремния, карбид бора, и немного нержавеющая сталь.

Армированный углерод-углерод чрезвычайно устойчив к тепловому удару, благодаря графит чрезвычайно высокая теплопроводность и низкий коэффициент расширения, высокая прочность углеродное волокно и разумная способность отклонять трещины в конструкции.

Для измерения теплового удара техника импульсного возбуждения оказался полезным инструментом. Его можно использовать для измерения модуля Юнга, Модуль сдвига, Коэффициент Пуассона и демпфирование коэффициент 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

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, ${ displaystyle Delta T}$, который может выдерживать материал при заданной толщине.^[3]

Устойчивость к тепловому удару с контролем прочности

Для выбора материала в приложениях, подверженных резким изменениям температуры, можно использовать меры по устойчивости к тепловому удару. Максимальный скачок температуры, ${ displaystyle Delta T}$устойчивость материала может быть определена для моделей с контролируемой прочностью с помощью: ^[4][3]

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

куда ${ displaystyle sigma _ {f}}$ напряжение отказа (которое может быть урожай или же напряжение разрушения ), ${ displaystyle alpha}$ коэффициент теплового расширения, ${ displaystyle E}$ - модуль Юнга, а ${ displaystyle B}$ - константа, зависящая от ограничений детали, свойств материала и толщины.

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

куда ${ displaystyle C}$ - постоянная ограничения системы, зависящая от коэффициента Пуассона, ${ displaystyle nu}$, и ${ displaystyle A}$ это безразмерный параметр зависит от Число Био, ${ displaystyle Bi}$.

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

${ displaystyle A}$ может быть приблизительно равен:

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

куда ${ displaystyle H}$ толщина, ${ displaystyle h}$ это коэффициент теплопередачи, и ${ displaystyle k}$ это теплопроводность.

Идеальная теплопередача

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

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

• ${ displaystyle A_ {1} приблизительно 1}$ для холодного шока в пластинах
• ${ displaystyle A_ {1} приблизительно 3,2}$ для горячего шока в пластинах

А индекс материала Таким образом, для выбора материала в соответствии с сопротивлением тепловому удару в случае получения идеальной теплопередачи на основе напряжения разрушения:

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

Плохая теплопередача

Для корпусов с плохой теплоотдачей (${ displaystyle Bi <1}$) максимальный перепад тепла, поддерживаемый материалом, составляет: ^[4][5]

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

• ${ displaystyle A_ {2} приблизительно 3,2}$ для холодного шока
• ${ displaystyle A_ {2} приблизительно 6.5}$ 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:

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

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

Вязкость разрушения контролируемая термостойкость

В дополнение к сопротивлению термическому удару, определяемому прочностью материала на излом, модели также были определены в механика разрушения рамки. Лу и Флек разработали критерии термического растрескивания на основе вязкость разрушения контролируемое растрескивание. Модели были основаны на тепловом ударе в керамике (как правило, хрупких материалах). Предполагая бесконечную тарелку и режим I При возникновении трещин предполагалось, что трещина начнется от края для холодного удара, но от центра пластины для горячего удара.^[4] Корпуса были разделены на идеальную и плохую теплопередачу для дальнейшего упрощения моделей.

Идеальная теплопередача

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

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

куда ${ displaystyle K_ {Ic}}$ это режим I вязкость разрушения, ${ displaystyle E}$ - модуль Юнга, ${ displaystyle alpha}$ - коэффициент теплового расширения, а ${ displaystyle H}$ составляет половину толщины пластины.

• ${ displaystyle A_ {3} приблизительно 4,5}$ для холодного шока
• ${ displaystyle A_ {4} приблизительно 5,6}$ для горячего шока

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

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

Плохая теплопередача

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

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

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:

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

Методы теплового удара Kingery

Разница температур для начала разрушения была описана Уильям Дэвид Кингери быть: ^[6][7]

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

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

${ Displaystyle R '= { гидроразрыва {к sigma ^ {*} (1-v)} {E alpha}}}$

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

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.

Стеклянные емкости могут быть чувствительны 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

• Твердые породы, содержащие рудные жилы, такие как кварцит ранее были разбиты с использованием поджигание, который включал нагрев скальной поверхности дровами, а затем закалку водой, чтобы вызвать рост трещин. Это описывается Диодор Сицилийский на египетском золотые прииски, Плиний Старший, и Георг Агрикола.^{[нужна 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 нарастают до тех пор, пока сила не превысит прочность льда и не образуется трещина, иногда с силой, достаточной для выстрела ледяных осколков 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 Кастинг из колокол Свободы ему дали слишком быстро остыть, что ослабило целостность колокола и привело к большой трещине вдоль его стороны при первом звонке. Аналогичным образом считается, что сильный градиент температуры (из-за того, что огонь затоплен водой) вызывает поломку третьего Царь-колокол.
• Тепловой шок является основным фактором прокладка головки отказ в двигателях внутреннего сгорания.

Смотрите также

• Число Био
• Техника импульсного возбуждения
• Самопроизвольное разбивание стекла
• Напряжение

Рекомендации