Тепловая нагрузка - Thermal stress

Не путать с Тепловая нагрузка на человека.

В механика и термодинамика, тепловая нагрузка механический стресс созданный любым изменением в температура материала. Эти стрессы могут привести к трещина или же Пластическая деформация в зависимости от других переменных нагрева, включая типы материалов и ограничения.^[1] Градиенты температуры, тепловое расширение или сокращение и тепловые удары вещи, которые могут привести к термическому стрессу. Этот тип стресса сильно зависит от коэффициент теплового расширения который варьируется от материала к материалу. Как правило, чем сильнее изменение температуры, тем выше уровень стресса. Тепловой удар может возникнуть в результате резкого изменения температуры, что приведет к растрескиванию или разрушению.

Градиенты температуры^[1]

Когда материал быстро нагревается или охлаждается, температура поверхности и внутренняя температура различаются. Быстрое нагревание или охлаждение вызывает локальные области теплового расширения или сжатия, это локальное движение материала вызывает тепловые 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 более 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

Пример деформации, вызванной термическим напряжением на рельсах

Материал будет расширяться или сжиматься в зависимости от коэффициента теплового расширения материала. Пока материал может двигаться, он может свободно расширяться или сжиматься, не создавая напряжений. Когда этот материал прикреплен к твердому телу в нескольких местах, в геометрически ограниченной области могут возникать термические напряжения. Это напряжение рассчитывается путем умножения изменения температуры, коэффициента теплового расширения материала и значения Модуль для младших (см. формулу ниже). ${\displaystyle E}$ является Модуль для младших, ${\displaystyle \alpha }$ является коэффициент теплового расширения, ${\displaystyle T_{0}}$ начальная температура и ${\displaystyle T_{f}}$ конечная температура.^[2][3]

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

Когда ${\displaystyle T_{f}}$ больше, чем ${\displaystyle T_{0}}$, то ограничения приложить к материалу сжимающую силу. При охлаждении происходит обратное; когда ${\displaystyle T_{f}}$ меньше чем ${\displaystyle T_{0}}$, напряжение будет растягивающим. Пример сварки включает нагрев и охлаждение металла, которое представляет собой сочетание теплового расширения, сжатия и температурных градиентов. После полного цикла нагрева и охлаждения металл остается с остаточный стресс вокруг сварного шва.

Тепловой удар

Это сочетание большого температурного градиента 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 увидеть как трещины или даже раскол.

Рекомендации

1. Элементы металлургии и инженерные сплавы. Кэмпбелл, Ф. К. (Флейк С.). Парк материалов, Огайо: ASM International. 2008 г. ISBN  9780871708670. OCLC  608624525.
2. 1940- Каллистер, Уильям Д. мл. Материаловедение и инженерия: введение. Rethwisch, Дэвид Г. (8-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси. ISBN  9780470419977. OCLC  401168960.
3. Ф., Картер, Джайлз (1991). Материаловедение и инженерия. Пол, Дональд Э. [Парк материалов, Огайо]: ASM International. ISBN  9780871703996. OCLC  555222029.