Choque termal

Carga causada por un cambio rápido de temperatura.

El choque térmico es un fenómeno caracterizado por un cambio rápido de temperatura que resulta en 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 puede entenderse en términos de deformación , más que de tensión . Cuando la deformación excede la resistencia a la tracción del material, puede provocar la formación de grietas y, finalmente, provocar fallas estructurales.

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

• Minimizar el gradiente térmico cambiando la temperatura gradualmente.
• Aumentar la conductividad térmica del material.
• Reducir el coeficiente de expansión térmica del material.
• Aumentar la resistencia del material.
• Introducir tensión de compresión en el material, como en el vidrio templado.
• Disminuyendo el módulo de Young del material.
• Aumentar 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 hecho para resistir el choque térmico mejor que la mayoría de los demás vidrios mediante una combinación de un coeficiente de expansión reducido y una 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 , el circonio , 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 conductividad térmica extremadamente alta y el bajo coeficiente de expansión del grafito , 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 impulsos resultó ser una herramienta útil. Se puede utilizar para medir el módulo de Young, el módulo de corte , la relación de Poisson y el coeficiente de amortiguación de forma no destructiva. La misma pieza de prueba se puede medir después de diferentes ciclos de choque térmico y de esta manera se puede mapear el deterioro de las propiedades físicas.

Resistencia al choque térmico

Se pueden utilizar medidas de resistencia al choque térmico para la selección de materiales en aplicaciones sujetas a cambios rápidos de temperatura. Una medida común de la 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

Se pueden utilizar medidas de resistencia al choque térmico para la selección de materiales en aplicaciones sujetas a cambios rápidos de temperatura. El salto de temperatura máximo , sustentable 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 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 de la relación 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 mediante: 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 de frío en placas
• ${\displaystyle A_{1}\approx 3.2}$para choque caliente 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 shock de frio
• ${\displaystyle A_{2}\approx 6.5}$para shock caliente

En el caso de una mala transferencia de calor, una mayor conductividad térmica es beneficiosa para la resistencia al choque térmico. El índice de material para la caja de transferencia de calor deficiente a menudo se toma como: $${\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

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

Resistencia a los choques térmicos 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 fractura . 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 cerámica (generalmente materiales frágiles). Suponiendo una placa infinita y un agrietamiento en 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 mala 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 perfecta transferencia de calor ( ). ${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}}$$donde es la tenacidad a la fractura 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 shock de frio
• ${\displaystyle A_{4}\approx 5.6}$para shock caliente

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

Mala transferencia de calor

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

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

Fundamentalmente, para casos de mala transferencia de calor, 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 mala transferencia de calor es: $${\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}$$

Métodos de choque térmico de Kingery.

William David Kingery describió 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 del supuesto de un cuerpo homogéneo con propiedades materiales independientes de la temperatura, pero se pueden aplicar bien a otros materiales frágiles. ^[7]

Pruebas

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

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

Los envases de vidrio pueden ser sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Un método de prueba implica un movimiento rápido de baños de agua fría a caliente y viceversa. ^[8]

Ejemplos de falla por choque térmico

• Las rocas duras que contenían vetas de mineral como la cuarcita se descomponían anteriormente mediante prensión de fuego , lo que implicaba calentar la superficie de la roca con un fuego de leña y luego apagarla con agua para inducir el crecimiento de grietas. Es descrito por Diodorus Siculus en las minas de oro egipcias , Plinio el Viejo y Georg Agricola . ^{[ cita necesaria ]}
• Los cubitos de hielo colocados en un vaso de agua tibia se rompen por choque térmico a medida 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 la interior permanece prácticamente sin cambios. Este rápido cambio de volumen entre diferentes capas crea tensiones en el hielo que aumentan hasta que la fuerza excede la resistencia del hielo y se forma una grieta, a veces con fuerza suficiente para disparar fragmentos de hielo fuera del recipiente.
• Las bombillas incandescentes que llevan un tiempo funcionando tienen una superficie muy caliente. Salpicarles agua fría puede hacer que el vidrio se rompa debido al choque térmico y que la bombilla implosione.
• Una estufa de hierro fundido antigua es una simple caja de hierro con patas y una tapa de hierro fundido. Se enciende un fuego de leña o carbón dentro de la caja y los alimentos se cocinan en la superficie exterior superior de la caja, como una plancha. Si se enciende un fuego demasiado caliente y luego se enfría la estufa vertiendo agua en la superficie superior, se agrietará debido al choque térmico.
• Se cree que el fuerte gradiente de temperatura (debido a la extinción de un incendio con agua) provocó la rotura de la tercera campana del zar .
• El choque térmico es uno de los principales contribuyentes a la falla de la junta de culata en los motores de combustión interna.

Ver también

• número de biota
• Técnica de excitación por impulso.
• Rotura espontánea de vidrio
• Cepa

Referencias

1. Askeland, Donald R. (enero de 2015). "22-4 Choque térmico". La ciencia y la ingeniería de los materiales . Wright, Wendelin J. (Séptima ed.). 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 con coeficiente negativo de expansión térmica, 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 diseño mecánico (2ª 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 Bib : 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 Estadounidense de Cerámica . 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 recipientes de vidrio