Estrés termal

En mecánica y termodinámica , el estrés térmico es el estrés mecánico creado por cualquier cambio de temperatura de un material. Estas tensiones pueden provocar fracturas o deformaciones plásticas dependiendo de otras variables del calentamiento, que incluyen tipos de materiales y limitaciones. ^[1] Los gradientes de temperatura , la expansión o contracción térmica y los choques térmicos son factores que pueden provocar estrés térmico. Este tipo de tensión depende en gran medida del coeficiente de expansión térmica , que varía de un material a otro. En general, cuanto mayor es el cambio de temperatura, mayor es el nivel de estrés que puede ocurrir. El choque térmico puede resultar de un cambio rápido de temperatura, lo que puede provocar grietas o roturas.

gradientes de temperatura [1]

Cuando un material se calienta o enfría rápidamente, la temperatura superficial e interna tendrán una diferencia de temperatura. El calentamiento o enfriamiento rápido provoca expansión o contracción térmica respectivamente; este movimiento localizado del material provoca tensiones térmicas. Imagínese calentar un cilindro, primero la superficie aumenta de temperatura y el centro permanece a la misma temperatura inicial. Después de un tiempo, el centro del cilindro alcanzará la misma temperatura que la superficie. Durante el calentamiento, la superficie está relativamente más caliente y se expandirá más que el centro. Un ejemplo de esto son los empastes dentales que pueden causar estrés térmico en la boca de una persona. A veces, los dentistas utilizan empastes dentales con coeficientes de expansión térmica diferentes a los del esmalte dental; los empastes se expandirán más rápido que el esmalte y causarán dolor en la boca de una persona.

Expansión y contracción térmica.

El material se expandirá o contraerá dependiendo del coeficiente de expansión térmica del material. Mientras el material esté libre de moverse, el material puede expandirse o contraerse libremente sin generar tensiones. Una vez que este material se une a un cuerpo rígido en múltiples ubicaciones, se pueden crear tensiones térmicas en la región geométricamente restringida. Esta tensión se calcula multiplicando el cambio de temperatura, el coeficiente de expansión térmica del material y el módulo de Young del material (consulte la fórmula a continuación). es el módulo de Young , es el coeficiente de expansión térmica , es la temperatura inicial y es la temperatura final. ^[2]^[3] $E$ $\alpha$ $T_{0}$ $T_{f}$

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

Cuando es mayor que , las restricciones ejercen una fuerza de compresión sobre el material. Al enfriarse ocurre lo contrario; cuando es menor que , la tensión será de tracción. Un ejemplo de soldadura implica el calentamiento y enfriamiento de metal, que es una combinación de expansión, contracción y gradientes de temperatura térmicos. Después de un ciclo completo de calentamiento y enfriamiento, el metal queda con tensión residual alrededor de la soldadura. $T_{f}$ $T_{0}$ $T_{f}$ $T_{0}$

Choque termal

Esta es una combinación de un gran gradiente de temperatura debido a la baja conductividad térmica, además del rápido cambio de temperatura en materiales frágiles. El cambio de temperatura provoca tensiones en las superficies que se encuentran en tensión, lo que favorece la formación y propagación de grietas. Los materiales cerámicos suelen ser susceptibles al choque térmico. ^[2] Un ejemplo es cuando el vidrio se calienta a una temperatura alta y luego se enfría rápidamente en agua fría. A medida que la temperatura del vidrio cae rápidamente, se inducen tensiones que provocan fracturas en el cuerpo del vidrio que pueden verse como grietas o incluso roturas en algunos casos.

Referencias

^ ab Elementos de metalurgia y aleaciones de ingeniería . Campbell, FC (Flake C.). Materials Park, Ohio: ASM Internacional. 2008.ISBN _ 9780871708670. OCLC 608624525.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )
^ ab Callister, William D. Jr. Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción . Rethwisch, David G. (8ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 9780470419977. OCLC 401168960.
^ F., Carter, Giles (1991). Ciencia e ingeniería de materiales . Paul, Donald E. [Parque de Materiales, Ohio]: ASM Internacional. ISBN 9780871703996. OCLC 555222029.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )