Войти
В механике и термодинамике, термическое напряжение - это механическое напряжение создается любым изменением температуры материала. Эти напряжения могут привести к разрушению или пластической деформации в зависимости от других переменных нагрева, в том числе типов материалов и ограничений. Температурные градиенты, тепловое расширение или сжатие и тепловые удары - это вещи, которые 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. Термический шок может возникнуть в результате быстрого изменения температуры, что приведет к растрескиванию или разрушению.
Когда материал быстро нагревается или охлаждается, температура поверхности и внутренняя температура будут различаться. 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 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.
Пример деформации, вызванной тепловым 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. 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). E - модуль Юнга, α - коэффициент теплового расширения, To - исходная температура, а Tf - конечная температура.
σ = Εα (Tf-To) = ΕαΔT
Когда Tf больше To, ограничения оказывают сжимающее усилие на материал. При охлаждении происходит обратное; когда Tf меньше To, 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 в металле остается остаточное напряжение вокруг сварного шва.
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. 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.
