Estrés térmico

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

Gradientes de temperatura

Cuando un material se calienta o enfría rápidamente, la temperatura de la superficie y la temperatura interna tendrán una diferencia de temperatura. El calentamiento o enfriamiento rápido causa expansión o contracción térmica respectivamente, este movimiento localizado del material causa tensiones térmicas. Imagine que calienta un cilindro, primero la superficie aumenta de temperatura y el centro permanece con 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 es que los empastes dentales pueden causar estrés térmico en la boca de una persona. A veces, los dentistas usan 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. ^[1]

Expansión y contracción térmica

El material se expandirá o contraerá dependiendo del coeficiente de expansión térmica del material. Mientras el material tenga libertad de movimiento, 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 restringida geométricamente. 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] ${\estilo de visualización E}$ ${\estilo de visualización \alpha}$ $Estilo de visualización T_{0}$ $Estilo de visualización T_{f}$

\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. Lo opuesto sucede durante el enfriamiento; cuando es menor que , la tensión será de tracción. Un ejemplo de soldadura implica calentar y enfriar el metal, lo que es una combinación de expansión térmica, contracción y gradientes de temperatura. Después de un ciclo completo de calentamiento y enfriamiento, el metal queda con una tensión residual alrededor de la soldadura. $Estilo de visualización T_{f}$ $Estilo de visualización T_{0}$ $Estilo de visualización T_{f}$ $Estilo de visualización T_{0}$

Choque térmico

Se trata de una combinación de un gran gradiente de temperatura debido a la baja conductividad térmica, además de un cambio rápido de temperatura en materiales frágiles. El cambio de temperatura provoca tensiones en la superficie que están 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 y provocan fracturas en el cuerpo del vidrio que pueden verse como grietas o incluso como roturas en algunos casos.

Referencias

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