Choque térmico

Carga causada por cambio rápido de temperatura

El choque térmico es un fenómeno caracterizado por un cambio rápido de temperatura que produce una carga mecánica transitoria sobre un objeto. La carga es causada por la expansión diferencial de diferentes partes del objeto debido al cambio de temperatura. Esta expansión diferencial se puede entender en términos de deformación , en lugar de estrés . Cuando la deformación excede la resistencia a la tracción del material, puede provocar la formación de grietas y, finalmente, provocar una falla estructural.

Los métodos para prevenir el choque térmico incluyen: ^[1]

• Minimizar el gradiente térmico modificando la temperatura gradualmente
• Aumentar la conductividad térmica del material.
• Reducción del coeficiente de expansión térmica del material.
• Aumentar la resistencia del material.
• Introducción de tensión de compresión en el material, como en el vidrio templado.
• Disminución del módulo de Young del material
• Aumento de la tenacidad del material mediante el embotamiento de la punta de la grieta o la deflexión de la grieta, utilizando el proceso de deformación plástica y transformación de fase.

Efecto sobre los materiales

El vidrio de borosilicato está diseñado para soportar mejor los choques térmicos que la mayoría de los demás vidrios gracias a una combinación de coeficiente de expansión reducido y mayor resistencia, aunque el cuarzo fundido lo supera en ambos aspectos. Algunos materiales vitrocerámicos (principalmente en el sistema de aluminosilicato de litio (LAS) ^[2] ) incluyen una proporción controlada de material con un coeficiente de expansión negativo, de modo que el coeficiente general se puede reducir a casi exactamente cero en un rango razonablemente amplio de temperaturas.

Entre los mejores materiales termomecánicos se encuentran la alúmina , la zirconia , las aleaciones de tungsteno , el nitruro de silicio , el carburo de silicio , el carburo de boro y algunos aceros inoxidables .

El carbono-carbono reforzado es extremadamente resistente al choque térmico, debido a la altísima conductividad térmica del grafito y al bajo coeficiente de expansión, la alta resistencia de la fibra de carbono y una capacidad razonable para desviar grietas dentro de la estructura.

Para medir el choque térmico, la técnica de excitación por impulso ha demostrado ser una herramienta útil. Puede utilizarse para medir el módulo de Young, el módulo de corte , el coeficiente de Poisson y el coeficiente de amortiguamiento de forma no destructiva. La misma pieza de ensayo puede medirse después de diferentes ciclos de choque térmico y, de esta forma, puede trazarse un mapa del deterioro de las propiedades físicas.

Resistencia al choque térmico

Las medidas de resistencia al choque térmico se pueden utilizar para la selección de materiales en aplicaciones sujetas a cambios rápidos de temperatura. Una medida común de resistencia al choque térmico es el diferencial de temperatura máximo, , que puede soportar el material para un espesor determinado. ^[3] ${\displaystyle \Delta T}$

Resistencia al choque térmico controlada por fuerza

Las medidas de resistencia al choque térmico se pueden utilizar para la selección de materiales en aplicaciones sujetas a cambios rápidos de temperatura. El salto de temperatura máximo, , sostenible por un material se puede definir para modelos controlados por resistencia mediante: ^{[4] [3]} donde es la tensión de falla (que puede ser tensión de fluencia o tensión de fractura ), es el coeficiente de expansión térmica, es el módulo de Young y es una constante que depende de la restricción de la pieza, las propiedades del material y el espesor. ${\displaystyle \Delta T}$ $${\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}}$$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle B}$

$${\displaystyle B={\frac {C}{A}}}$$donde es una constante de restricción del sistema que depende del coeficiente de Poisson, , y es un parámetro adimensional que depende del número de Biot , . ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \mathrm {Bi} }$

$${\displaystyle C={\begin{cases}1&{\text{axial stress}}\\(1-\nu )&{\text{biaxial constraint}}\\(1-2\nu )&{\text{triaxial constraint}}\end{cases}}}$$

${\displaystyle A}$puede aproximarse por: donde es el espesor, es el coeficiente de transferencia de calor y es la conductividad térmica . $${\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}}$$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle k}$

Transferencia de calor perfecta

Si se supone una transferencia de calor perfecta ( ) , la transferencia de calor máxima soportada por el material es: ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

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

• ${\displaystyle A_{1}\approx 1}$para choque frío en placas
• ${\displaystyle A_{1}\approx 3.2}$para choque térmico en placas

Por lo tanto, un índice de material para la selección de materiales según la resistencia al choque térmico en el caso de transferencia de calor perfecta derivada de la tensión de fractura es: $${\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Mala transferencia de calor

Para casos con mala transferencia de calor ( ), ${\displaystyle \mathrm {Bi} <1}$ el diferencial de calor máximo soportado por el material es: ^{[4] [5]} $${\displaystyle \Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}}$$

• ${\displaystyle A_{2}\approx 3.2}$para el choque frío
• ${\displaystyle A_{2}\approx 6.5}$para choque caliente

En el caso de una mala transferencia de calor, una conductividad térmica más alta es beneficiosa para la resistencia al choque térmico. El índice del material para el caso de una mala transferencia de calor se suele tomar como: $${\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

Según los modelos de transferencia de calor perfectos y deficientes, se pueden tolerar diferencias de temperatura mayores para el choque caliente que para el choque frío.

Resistencia al choque térmico controlada por tenacidad a la fractura

Además de la resistencia al choque térmico definida por la resistencia a la fractura del material, también se han definido modelos dentro del marco de la mecánica de fracturas . Lu y Fleck produjeron criterios para el agrietamiento por choque térmico basados ​​en el agrietamiento controlado por tenacidad a la fractura . Los modelos se basaron en el choque térmico en cerámicas (generalmente materiales frágiles). Suponiendo una placa infinita y agrietamiento de modo I , se predijo que la grieta comenzaría desde el borde para el choque frío, pero desde el centro de la placa para el choque caliente. ^[4] Los casos se dividieron en transferencia de calor perfecta y deficiente para simplificar aún más los modelos.

Transferencia de calor perfecta

El salto de temperatura sostenible disminuye a medida que aumenta la transferencia de calor por convección (y, por lo tanto, aumenta el número de Biot). Esto se representa en el modelo que se muestra a continuación para una transferencia de calor perfecta ( ). ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}}$$donde es la tenacidad a la fractura del modo I , es el módulo de Young, es el coeficiente de expansión térmica y es la mitad del espesor de la placa. ${\displaystyle K_{Ic}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle H}$

• ${\displaystyle A_{3}\approx 4.5}$para el choque frío
• ${\displaystyle A_{4}\approx 5.6}$para choque caliente

Por lo tanto, un índice de material para la selección de materiales en el caso de transferencia de calor perfecta derivada de la mecánica de fracturas es: $${\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Mala transferencia de calor

En los casos de mala transferencia de calor, el número de Biot es un factor importante en el salto de temperatura sostenible. ^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{4}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}{\frac {k}{hH}}}$$

De manera crítica, para casos de transferencia de calor deficiente, los materiales con mayor conductividad térmica, k , tienen mayor resistencia al choque térmico. Como resultado, un índice de material comúnmente elegido para la resistencia al choque térmico en el caso de transferencia de calor deficiente es: $${\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Métodos de choque térmico de Kingery

William David Kingery ha descrito la diferencia de temperatura para iniciar la fractura como: ^{[6] [7]} donde es un factor de forma, es la tensión de fractura, es la conductividad térmica, es el módulo de Young, es el coeficiente de expansión térmica, es el coeficiente de transferencia de calor y es un parámetro de resistencia a la fractura. El parámetro de resistencia a la fractura es una métrica común utilizada para definir la tolerancia al choque térmico de los materiales. ^[1] $${\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}}$$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \sigma ^{*}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle R'}$

$${\displaystyle R'={\frac {k\sigma ^{*}(1-v)}{E\alpha }}}$$

Las fórmulas se derivaron para materiales cerámicos y parten de la suposición de un cuerpo homogéneo con propiedades materiales independientes de la temperatura, pero pueden aplicarse bien a otros materiales frágiles. ^[7]

Pruebas

Las pruebas de choque térmico exponen los productos a temperaturas altas y bajas alternadas para acelerar las fallas causadas por ciclos de temperatura o choques térmicos durante el uso normal. La transición entre temperaturas extremas ocurre muy rápidamente, a más de 15 °C por minuto.

Los equipos con una o varias cámaras se utilizan normalmente para realizar pruebas de choque térmico. Cuando se utilizan equipos de choque térmico de una sola cámara, los productos permanecen en una cámara y la temperatura del aire de la cámara se enfría y se calienta rápidamente. Algunos equipos utilizan cámaras frías y calientes independientes con un mecanismo elevador que transporta los productos entre dos o más cámaras.

Los recipientes de vidrio pueden ser sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Un método de prueba consiste en pasar rápidamente de un baño de agua fría a uno caliente y viceversa. ^[8]

Ejemplos de fallos por choque térmico

• Antiguamente , las rocas duras que contenían vetas de mineral, como la cuarcita , se fragmentaban mediante el método del fuego , que implicaba calentar la superficie de la roca con un fuego de leña y luego apagarla con agua para inducir el crecimiento de grietas. Diodoro Sículo lo describe en Minas de oro egipcias , Plinio el Viejo y Georg Agricola . ^{[ cita requerida ]}
• Los cubitos de hielo colocados en un vaso de agua tibia se agrietan por un choque térmico, ya que la superficie exterior aumenta de temperatura mucho más rápido que la interior. La capa exterior se expande a medida que se calienta, mientras que el interior permanece prácticamente inalterado. Este cambio rápido de volumen entre las diferentes capas crea tensiones en el hielo que se acumulan hasta que la fuerza supera la resistencia del hielo y se forma una grieta, a veces con la fuerza suficiente para expulsar fragmentos de hielo del recipiente.
• Las bombillas incandescentes que han estado funcionando durante un tiempo tienen una superficie muy caliente. Salpicarlas con agua fría puede hacer que el vidrio se rompa debido a un choque térmico y que la bombilla implosione.
• Una cocina antigua de hierro fundido es una simple caja de hierro con patas y una tapa de hierro fundido. En el interior de la caja se enciende un fuego de leña o carbón y la comida se cocina en la superficie exterior superior de la caja, como una plancha. Si se enciende un fuego demasiado fuerte y luego se enfría la cocina vertiendo agua sobre la superficie superior, se agrietará debido al choque térmico.
• Se cree que el fuerte gradiente de temperatura (debido a la extinción del fuego con agua) provocó la rotura de la tercera Campana del Zar .
• El choque térmico es uno de los principales factores que contribuyen al fallo de la junta de culata en los motores de combustión interna.

Véase también

• Número de Biot
• Técnica de excitación por impulsos
• Rotura espontánea de cristales
• Cepa

Referencias

1. Askeland, Donald R. (enero de 2015). "22-4 Thermal Shock". La ciencia y la ingeniería de materiales . Wright, Wendelin J. (séptima edición). Boston, MA. págs. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1.OCLC 903959750  .{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Patente de EE. UU. 6066585, Scott L. Swartz, "Cerámicas que tienen coeficiente de expansión térmica negativo, método para fabricar dichas cerámicas y piezas fabricadas a partir de dichas cerámicas", expedida el 23 de mayo de 2000, asignada a Emerson Electric Co. 
3. Ashby, MF (1999). Selección de materiales en el diseño mecánico (2.ª ed.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9.OCLC 49708474  .
4. Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Selección de materiales para resistencia al choque térmico". Propiedades mecánicas de materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8.OCLC 300921090  .
5. TJ Lu; NA Fleck (1998). "La resistencia al choque térmico de los sólidos" (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755–4768. Código Bibliográfico :1998AcMat..46.4755L. doi :10.1016/S1359-6454(98)00127-X.
6. KINGERY, WD (enero de 1955). "Factores que afectan la resistencia al estrés térmico de los materiales cerámicos". Revista de la Sociedad Cerámica Americana . 38 (1): 3–15. doi :10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x. ISSN  0002-7820.
7. Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Respuesta al choque térmico". Propiedades mecánicas de materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8.OCLC 300921090  .
8. ASTM C149 — Método de prueba estándar para la resistencia al choque térmico de los envases de vidrio