Введение

Нагрузка, вызванная быстрым изменением температуры

Термический шок – это явление, характеризующееся быстрым изменением температуры, которое приводит к временной механической нагрузке на объект. Нагрузка вызвана неравномерным расширением различных частей объекта вследствие изменения температуры. Это неравномерное расширение лучше понимать в терминах деформации, а не напряжения. Когда деформация превышает предел прочности материала, это может привести к образованию трещин и, в конечном итоге, к разрушению конструкции. Методы предотвращения термического шока включают в себя:

Минимизацию теплового градиента путем постепенного изменения температуры
Увеличение теплопроводности материала
Уменьшение коэффициента теплового расширения материала
Увеличение прочности материала
Введение предварительного сжатого напряжения в материале, например, в закаленном стекле
Уменьшение модуля упругости материала
Повышение вязкости материала за счет затупления вершины трещины или отклонения трещины, используя процессы пластической деформации и фазового превращения.

Влияние на материалы

Боросиликатное стекло лучше переносит тепловой удар, чем большинство других видов стекла, благодаря сочетанию сниженного коэффициента теплового расширения и повышенной прочности, хотя кварцевое стекло превосходит его по обоим этим параметрам. Некоторые стеклокерамические материалы (преимущественно на основе литий-алюмосиликатов (LAS)) содержат контролируемое количество материала с отрицательным коэффициентом теплового расширения, что позволяет снизить общий коэффициент практически до нуля в достаточно широком температурном диапазоне. К числу лучших термомеханических материалов относятся оксид алюминия, оксид циркония, сплавы вольфрама, нитрид кремния, карбид кремния, карбид бора и некоторые нержавеющие стали. Углерод-углеродный композит обладает исключительной устойчивостью к тепловому удару благодаря чрезвычайно высокой теплопроводности графита и его низкому коэффициенту теплового расширения, высокой прочности углеродного волокна и способности рассеивать трещины внутри структуры. Для измерения стойкости к тепловому удару эффективным оказался метод импульсного возбуждения. Он позволяет неразрушающим образом измерять модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и коэффициент демпфирования. Один и тот же образец можно измерять после различных циклов теплового удара, что позволяет отслеживать изменение физических свойств.

Термоустойчивость

Измерения стойкости к тепловому удару могут использоваться для выбора материалов в областях применения, подверженных резким изменениям температуры. Распространенным показателем стойкости к тепловому удару является максимальный температурный градиент, который материал может выдержать при определенной толщине.

Примеры отказа от теплового шока

Твердые породы, содержащие рудные жилы, такие как кварцит, ранее разрушались методом обжига, который заключался в нагреве поверхности породы дровяным огнем, а затем резком охлаждении водой для стимулирования роста трещин. Это описано Диодором Сицилийским в египетских золотых рудниках, Плинием Старшим и Георгом Агриколой. Кубики льда, помещенные в стакан с теплой водой, трескаются из-за теплового удара, поскольку температура внешней поверхности увеличивается гораздо быстрее, чем внутренняя. Внешний слой расширяется при нагревании, в то время как внутренний остается практически неизменным. Это быстрое изменение объема между различными слоями создает напряжения в льду, которые нарастают до тех пор, пока сила не превысит прочность льда, и образуется трещина, иногда с такой силой, что осколки льда вылетают из емкости. Лампы накаливания, работающие некоторое время, имеют очень горячую поверхность. Если на них плеснуть холодной водой, стекло может разбиться из-за теплового удара, а лампочка может взорваться. Старинная чугунная плита представляет собой простой железный ящик на ножках с чугунной варочной поверхностью. Внутри ящика разводят огонь из дров или угля, а пища готовится на верхней внешней поверхности ящика, как на сковороде. Если огонь развести слишком сильно, а затем охладить плиту, полив варочную поверхность водой, она потрескается из-за теплового удара. Считается, что резкий температурный градиент (из-за тушения огня водой) стал причиной разрушения третьего Царь-колокола. Тепловой удар является одной из основных причин поломки прокладок головки блока цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.