Șoc termic

Pentru șocul termic în biologie vedeți termoreglare.

În rezistența materialelor șocul termic este un tip de tensiune termică provocat de o variație bruscă a temperaturii. Acesta reprezintă o cauză frecventă a cedării materialelor atunci când un element fierbinte intră în contact cu unul rece – de exemplu, turnarea apei clocotite într-un pahar rece, ceea ce poate duce la spargerea acestuia. Diferențele mari de temperatură acționează ca un tip de solicitare mecanică, generând alungiri relative^⁠(d) în masa materialului. Această solicitare apare deoarece diversele părți ale materialului se dilată diferit în funcție de temperatura proprie, generând tensiuni interne. Atunci când tensiunea depășește rezistența la rupere^⁠(d) a materialului, survine cedarea mecanică a acestuia, ducând la fisurare și, eventual, la cedare structurală.

Efectul asupra materialelor

Sticla borosilicat^⁠(d) este concepută să reziste mai bine la șocuri termice decât majoritatea celorlalte tipuri de sticlă, datorită unei combinații între un coeficient de dilatare termică redus și o rezistență la rupere sporită, deși cuarțul vitros o depășește la ambele capitole. Unele materiale vitroceramice (în special cele din sistemul aluminosilicat de litiu) conțin o proporție controlată de material cu coeficient de dilatare negativ, astfel încât coeficientul global poate fi redus la o valoare aproape nulă pe un interval de temperatură relativ mare.

Printre cele mai bune materiale care rezistă la șocuri termice se numără alumina, zirconia, aliajele de wolfram, nitrura de siliciu^⁠(d), carbura de siliciu, carbura de bor^⁠(d) și unele oțeluri inoxidabile.

Tehnica excitării prin impuls s-a dovedit a fi un instrument util pentru evaluarea șocului termic. Aceasta permite măsurarea modulului lui Young, a modulului de elasticitate transversal, a coeficientului lui Poisson și a coeficientului de amortizare prin metode nedistructive. Aceeași epruvetă poate fi analizată după diverse cicluri de șoc termic, permițând astfel monitorizarea degradării proprietăților fizice.

Prevenire

Metodele de prevenire a șocului termic sunt:

• Minimizarea gradientului termic prin modificarea treptată a temperaturii.
• Creșterea conductivității termice a materialului.
• Reducerea coeficientului de dilatare termică a materialului.
• Creșterea rezistenței la rupere a materialului.
• Introducerea unor tensiuni de compresiune în material, cum este cazul la sticla călită.
• Scăderea modulului lui Young al materialului.
• Creșterea tenacității materialului prin blocarea vârfului fisurii sau devierea fisurii, utilizând procesele de deformare plastică și transformare de fază.

Rezistența la șocuri termice

Rezistența la șoc termic, $\Delta T_{s}$, reprezintă diferența maximă de temperatură la care un material poate fi supus în timpul unei răciri bruște fără a apărea deteriorări.

Rezistența la șoc termic bazată pe rezistența mecanică

Rezistența la șoc termic este utilizată la alegerea materialelor pentru aplicații supuse unor variații rapide de temperatură. Variația maximă de temperatură, $\Delta T,$ pe care o poate suporta un material poate fi aproximată, în cazul modelelor bazate pe rezistența mecanică, prin:

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

unde $\sigma _{r}$ este tensiunea maximă (care poate fi limita de curgere sau tensiunea de rupere), $\alpha$ este coeficientul de dilatare termică, $E$ este modulul lui Young, iar $B$ este o constantă care depinde de constrângerile impuse piesei, de proprietățile materialului și de grosime.

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

unde $C$ este o constantă dependentă de coeficientul lui Poisson, $\nu ,$ iar $A$ este un parametru adimensional care depinde de numărul Biot, $\mathrm {Bi} .$

$C={\begin{cases}1&{\text{tensiune axială}}\\(1-\nu )&{\text{tensiune în plan}}\\(1-2\nu )&{\text{tensiune în spațiu}}\end{cases}}$

$A$ poate fi aproximat prin:

$A={\frac {Hh/\lambda }{1+Hh/\lambda }}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}$

unde $H$ este grosimea, $h$ este coeficientul de transfer termic, iar $\lambda$ este conductivitatea termică.

La o transmitere a căldurii perfectă

În cazul unei transmiteri a căldurii perfectă ($\mathrm {Bi} =\infty$), diferența maximă de temperatură suportată de material este:

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

unde:

$A_{1}\approx 1$ pentru un șoc rece în plăci

$A_{1}\approx 3,2$ pentru un șoc cald în plăci

Prin urmare, indicele de material la selectarea materialelor în funcție de rezistența la șoc termic – în cazul transmiterii perfecte a căldurii, obținut din tensiunea de rupere – este:

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

La o transmitere a căldurii slabă

În cazul unei transmiteri a căldurii slabă ($\mathrm {Bi} <1,$) diferența maximă de temperatură suportată de material este:

$\Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{r}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{r}}{E\alpha }}{\frac {\lambda }{hH}}$

unde:

$A_{2}\approx 3,2$ pentru un șoc rece

$A_{2}\approx 6,5$ pentru un șoc cald

În cazul unei transmiteri a căldurii slabă, o conductivitate termică mai ridicată este benefică pentru rezistența la șoc termic. Indicele de material pentru cazul unei transmiteri a căldurii slabă este adesea considerat a fi:

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

Conform ambelor modele – cel de transfer termic perfect și cel de transfer termic slab – se pot tolera diferențe de temperatură mai mari în cazul șocului termic cald decât în cazul șocului termic rece.

Rezistență la șoc termic bazată pe tenacitatea la rupere

Pe lângă rezistența la șoc termic bazată pe rezistența la rupere a materialului, au fost elaborate și modele în cadrul mecanicii ruperii. Lu și Fleck au stabilit criterii pentru fisurarea prin șoc termic, bazate pe fisurarea controlată de tenacitatea la rupere. Modelele au vizat șocul termic în materiale ceramice (materiale, în general, casante). Considerând o placă infinită și fisurarea datorită tensiunii de întindere, s-a prevăzut că fisura ar porni de la margine în cazul șocului rece, dar din centrul plăcii în cazul șocului cald. Pentru a simplifica și mai mult modelele, situațiile au fost clasificate în funcție de eficiența transmiterii căldurii: transmitere perfectă sau transmitere slabă.

La o transmitere a căldurii perfectă

Saltul de temperatură suportat scade pe măsură ce crește fluxul de căldură prin convecție (și, implicit, numărul Biot). Acest lucru este ilustrat în modelul prezentat mai jos pentru o transmitere a căldurii perfectă ($\mathrm {Bi} =\infty$).

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

unde $K_{I}$ este tenacitatea la rupere pentru modul I (rupere la întindere), $E$ este modulul lui Young, $\alpha$ este coeficientul de dilatare termică, iar $H$ este jumătate din grosimea plăcii.

$A_{3}\approx 4,5$ pentru șocul rece

$A_{4}\approx 5,6$ pentru șocul cald

Indicele de material la selectarea materialelor în teoria ruperii mecanice pentru o transmitere a căldurii perfectă este:

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

La o transmitere a căldurii slabă

În cazul unei transmiteri a căldurii slabă, numărul Biot este un factor important în ceea ce privește saltul de temperatură suportabil.

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

Un aspect esențial este faptul că, în situațiile caracterizate printr-o transmitere a căldurii slabă, materialele cu o conductivitate termică $\lambda$ mai ridicată prezintă o rezistență mai mare la șocuri termice. Prin urmare, un indice de material utilizat frecvent pentru a evalua rezistența la șoc termic în cazul unei transmiteri a căldurii slabă este:

${\frac {\lambda K_{I}}{E\alpha }}$

Metoda Kingery pentru șocuri termice

Diferența de temperatură necesară pentru inițierea ruperii a fost descrisă de William David Kingery astfel:

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

unde $S$ este un factor de formă, $\sigma ^{*}$ este tensiunea la rupere, $\lambda$ este conductivitatea termică, $E$ este modulul lui Young, $\alpha$ este coeficientul de dilatare termică, $h$ este coeficientul de transfer termic, iar $R'$ este un parametru de rezistență la rupere. Parametrul de rezistență la rupere este un indicator utilizat frecvent pentru a defini toleranța materialelor la șoc termic.

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

Relațiile au fost obținute pentru materiale ceramice și se bazează pe ipoteza unui corp omogen, cu proprietăți independente de temperatură, însă pot fi aplicate cu succes și altor materiale casante.

Încercări

Pentru a accelera apariția defectelor cauzate de ciclurile de temperatură sau de șocurile termice din timpul utilizării normale, încercarea la șoc termic supune produsele unor temperaturi scăzute și ridicate alternative. Trecerea între temperaturile extreme are loc foarte rapid, depășind 15 °C pe minut.

De obicei pentru efectuarea încercărilor la șoc termic se utilizează echipamente cu una sau mai multe camere. În cazul echipamentelor cu o singură cameră, produsele rămân în interiorul acesteia, iar temperatura aerului este modificată rapid prin răcire și încălzire. Unele echipamente utilizează camere separate pentru temperaturi ridicate și scăzute, fiind prevăzute cu un mecanism care mută produsele între două sau mai multe camere.

Recipientele din sticlă pot fi sensibile la schimbările bruște de temperatură. O metodă de testare presupune trecerea lor rapidă între băi de apă rece și caldă.

Exemple de distrugeri în urma unui șoc termic

• Rocile dure care conțineau stratificații, precum cuarțitul, erau sfărâmate în trecut prin metoda focului, care consta din aprinderea focului direct pe rocă. Aceasta consta în încălzirea feței rocii cu un foc de lemne, urmată de răcirea bruscă cu apă pentru a provoca apariția și propagarea fisurilor. Metoda este descrisă de Diodor din Sicilia (referindu-se la minele de aur egiptene), de Plinius cel Bătrân și de Georgius Agricola.

• Cuburile de gheață puse într-un vas cu apă caldă crapă din cauza șocului termic, întrucât temperatura suprafeței exterioare crește mult mai repede decât cea a interiorului. Stratul exterior se dilată pe măsură ce se încălzește, în timp ce interiorul rămâne practic neschimbat. Această modificare rapidă de volum între diferitele straturi generează tensiuni în gheață care se acumulează până când forța depășește rezistența gheții, ducând la apariția unei crăpături – uneori cu o forță suficientă pentru a proiecta așchii de gheață în afara vasului.
• Becurile incandescente care au funcționat o perioadă de timp au suprafața fierbinte. Stropirea lor cu apă rece poate provoca spargerea sticlei din cauza șocului termic și implozia becului.
• O sobă de gătit de tip vechi este, în esență, o simplă cutie de fier prevăzută cu picioare și o plită superioară din fontă. În interiorul ei se face focul cu lemne sau cărbuni, iar mâncarea se gătește pe plită. Dacă focul este prea puternic, iar soba este apoi răcită prin turnarea de apă pe plită, aceasta se va crăpa din cauza șocului termic.
• Se consideră că gradientul termic mare (cauzat de stingerea cu apă a unui incendiu) a provocat fisurarea celui de-al treilea Clopot al Țarului.
• Șocul termic este o cauză principală a defectării garniturii de chiulasă la motoarele cu ardere internă.

Vezi și

• Număr Biot