Choque térmico

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O choque térmico é um tipo de carga mecânica rapidamente transitória . Por definição, é uma carga mecânica causada por uma rápida mudança de temperatura de um determinado ponto. Também pode ser estendido ao caso de um gradiente térmico , que faz com que diferentes partes de um objeto se expandam em quantidades diferentes. Essa expansão diferencial pode ser compreendida mais diretamente em termos de deformação , do que em termos de tensão , como é mostrado a seguir. Em algum ponto, essa tensão pode exceder a resistência à tração do material, causando a formação de uma rachadura. Se nada impedir que essa rachadura se propague pelo material, isso fará com que a estrutura do objeto falhe.

A falha devido ao choque térmico pode ser evitada por: [1]

  1. Reduzindo o gradiente térmico visto pelo objeto, alterando sua temperatura mais lentamente ou aumentando a condutividade térmica do material
  2. Reduzindo o coeficiente de expansão térmica do material
  3. Aumentando sua força
  4. Introduzindo tensões de compressão incorporadas, como por exemplo em vidro temperado
  5. Diminuindo o módulo de Young
  6. Aumentando sua tenacidade , por embotamento da ponta da trinca (ou seja, plasticidade ou transformação de fase ) ou deflexão da trinca

Efeito nos materiais

O vidro borossilicato é feito para suportar choque térmico melhor do que a maioria dos outros vidros através de uma combinação de coeficiente de expansão reduzido e maior resistência, embora o quartzo fundido o supere em ambos os aspectos. Alguns materiais vitrocerâmicos (principalmente no sistema de aluminossilicato de lítio (LAS) [2] ) incluem uma proporção controlada de material com um coeficiente de expansão negativo, de modo que o coeficiente geral pode ser reduzido a quase exatamente zero em uma faixa razoavelmente ampla de temperaturas .

Entre os melhores materiais termomecânicos estão a alumina , zircônia , ligas de tungstênio , nitreto de silício, carbeto de silício, carbeto de boro e alguns aços inoxidáveis .

O carbono-carbono reforçado é extremamente resistente ao choque térmico, devido à condutividade térmica extremamente alta e ao baixo coeficiente de expansão do grafite , à alta resistência da fibra de carbono e à capacidade razoável de desviar rachaduras dentro da estrutura.

Para medir o choque térmico, a técnica de excitação por impulso provou ser uma ferramenta útil. Ele pode ser usado para medir o módulo de Young, o módulo de cisalhamento , a razão de Poisson e o coeficiente de amortecimento de forma não destrutiva. O mesmo corpo de prova pode ser medido após diferentes ciclos de choque térmico e, assim, a deterioração das propriedades físicas pode ser mapeada.

Resistência ao choque térmico

Medidas de resistência ao choque térmico podem ser usadas para seleção de materiais em aplicações sujeitas a mudanças rápidas de temperatura. Uma medida comum de resistência ao choque térmico é o diferencial máximo de temperatura,, que pode ser sustentado pelo material para uma determinada espessura. [3]

Resistência ao choque térmico controlada por força

Medidas de resistência ao choque térmico podem ser usadas para seleção de materiais em aplicações sujeitas a mudanças rápidas de temperatura. O salto máximo de temperatura,, sustentável por um material pode ser definido para modelos controlados por resistência por: [4] [3]

Ondeé a tensão de ruptura (que pode ser tensão de escoamento ou fratura ),é o coeficiente de dilatação térmica,é o módulo de Young, eé uma constante dependendo da restrição da peça, propriedades do material e espessura.

Ondeé uma constante de restrição do sistema dependente da razão de Poisson,, eé um parâmetro não dimensional dependente do número de Biot ,.

pode ser aproximado por:

Ondeé a espessura,é o coeficiente de transferência de calor eé a condutividade térmica .

Transferência de calor perfeita

Se a transferência de calor perfeita () é assumido, a transferência de calor máxima suportada pelo material é: [4] [5]

  • para choque a frio em placas
  • para choque quente em placas

Um índice de material para seleção de material de acordo com a resistência ao choque térmico no caso de transferência de calor perfeita derivada da tensão de fratura é, portanto:

Má transferência de calor

Para casos com baixa transferência de calor (), o diferencial de calor máximo suportado pelo material é: [4] [5]

  • para choque frio
  • para choque quente

No caso de baixa transferência de calor, um coeficiente de transferência de calor mais alto é benéfico para a resistência ao choque térmico. O índice de material para o caso de transferência de calor ruim é muitas vezes considerado como:

De acordo com os modelos de transferência de calor perfeito e pobre, diferenças de temperatura maiores podem ser toleradas para choque a quente do que para choque a frio.

Resistência ao choque térmico controlada por tenacidade à fratura

Além da resistência ao choque térmico definida pela resistência à fratura do material, os modelos também foram definidos dentro da estrutura da mecânica da fratura . Lu e Fleck produziram critérios para trincas por choque térmico com base em trincas controladas por tenacidade à fratura . Os modelos foram baseados em choque térmico em cerâmicas (geralmente materiais frágeis). Assumindo uma placa infinita e rachadura no modo I , a rachadura foi prevista para começar na borda para choque frio, mas no centro da placa para choque quente. [4] Os casos foram divididos em transferência de calor perfeita e má para simplificar ainda mais os modelos.

Transferência de calor perfeita

O salto de temperatura sustentável diminui, com o aumento da transferência de calor por convecção (e, portanto, maior número de Biot). Isso é representado no modelo mostrado abaixo para transferência de calor perfeita (). [4] [5]

Ondeé o modo I de tenacidade à fratura ,é o módulo de Young,é o coeficiente de expansão térmica, eé metade da espessura da placa.

  • para choque frio
  • para choque quente

Um índice de material para seleção de material no caso de transferência de calor perfeita derivada da mecânica da fratura é, portanto:

Má transferência de calor

Para casos com baixa transferência de calor, o número de Biot é um fator importante no salto de temperatura sustentável. [4] [5]

Criticamente, para casos de baixa transferência de calor, materiais com maior condutividade térmica, k , têm maior resistência ao choque térmico. Como resultado, um índice de material comumente escolhido para resistência ao choque térmico no caso de transferência de calor ruim é:

Métodos de choque térmico Kingery

A diferença de temperatura para iniciar a fratura foi descrita por William David Kingery como: [6] [7]

Ondeé um fator de forma,é a tensão de fratura,é a condutividade térmica,é o módulo de Young,é o coeficiente de dilatação térmica,é o coeficiente de transferência de calor, eé um parâmetro de resistência à fratura. O parâmetro de resistência à fratura é uma métrica comum usada para definir a tolerância ao choque térmico dos materiais. [1]

As fórmulas foram derivadas para materiais cerâmicos, e fazem as suposições de um corpo homogêneo com propriedades do material independentes da temperatura, mas podem ser bem aplicadas a outros materiais frágeis. [7]

Testando

O teste de choque térmico expõe os produtos a temperaturas baixas e altas alternadas para acelerar falhas causadas por ciclos de temperatura ou choques térmicos durante o uso normal. A transição entre extremos de temperatura ocorre muito rapidamente, superior a 15°C por minuto.

Equipamentos com uma ou várias câmaras são normalmente usados ​​para realizar testes de choque térmico. Ao usar equipamentos de choque térmico de câmara única, os produtos permanecem em uma câmara e a temperatura do ar da câmara é rapidamente resfriada e aquecida. Alguns equipamentos utilizam câmaras quentes e frias separadas com mecanismo elevador que transporta os produtos entre duas ou mais câmaras.

Recipientes de vidro podem ser sensíveis a mudanças bruscas de temperatura. Um método de teste envolve o movimento rápido de banhos de água fria para quente e vice-versa. [8]

Exemplos de falha de choque térmico

  • Rochas duras contendo veios de minério, como quartzito , foram anteriormente decompostas usando o fogo , que envolvia o aquecimento da face da rocha com um fogo de madeira e, em seguida, a extinção com água para induzir o crescimento de rachaduras. É descrito por Diodorus Siculus nas minas de ouro egípcias , Plínio, o Velho , e Georg Agricola . [ citação necessária ]
  • Cubos de gelo colocados em um copo de água morna racham por choque térmico à medida que a temperatura da superfície externa aumenta muito mais rapidamente que a interna. A camada externa se expande à medida que aquece, enquanto o interior permanece praticamente inalterado. Essa rápida mudança de volume entre diferentes camadas cria tensões no gelo que se acumulam até que a força exceda a força do gelo, e uma rachadura se forma, às vezes com força suficiente para atirar fragmentos de gelo para fora do recipiente.
  • As lâmpadas incandescentes que estão funcionando há algum tempo têm uma superfície muito quente. Salpicar água fria sobre eles pode fazer com que o vidro estilhace devido ao choque térmico e a lâmpada imploda.
  • Um fogão antigo de ferro fundido é uma caixa de ferro simples com pés, com tampo de ferro fundido. Um fogo de madeira ou carvão é construído dentro da caixa e a comida é cozida na superfície externa superior da caixa, como uma chapa. Se um fogo for muito quente e, em seguida, o fogão for resfriado derramando água na superfície superior, ele rachará devido ao choque térmico.
  • É amplamente hipotetizado  [ por quem? ] que, após a fundição do Sino da Liberdade , foi permitido que ele esfriasse muito rapidamente, o que enfraqueceu a integridade do sino e resultou em uma grande rachadura ao longo do lado da primeira vez que foi tocado. Da mesma forma, acredita-se que o forte gradiente de temperatura (devido à extinção de um incêndio com água) cause a quebra do terceiro sino do czar .
  • O choque térmico é o principal contribuinte para a falha da junta do cabeçote em motores de combustão interna.

Veja também

Referências

  1. ^ a b Askeland, Donald R. (janeiro de 2015). "22-4 Choque Térmico". A ciência e engenharia de materiais . Wright, Wendelin J. (Sétima ed.). Boston, MA. pp. 792-793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750 .
  2. Patente dos EUA 6066585 , Scott L. Swartz, "Ceramics havendo negativo coeficiente de expansão térmica, método de fabricação de tais cerâmicas e peças feitas de tais cerâmicas", emitida em 2000-05-23, atribuída à Emerson Electric Co. 
  3. ^ a b Ashby, MF (1999). Seleção de materiais em projeto mecânico (2ª ed.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9. OCLC  49708474 .
  4. ^ a b c d e f Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Seleção de Materiais para Resistência ao Choque Térmico". Propriedades mecânicas de materiais de engenharia . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090 .
  5. ^ a b c d T. J. Lu; NA Fleck (1998). "A resistência ao choque térmico de sólidos" (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755–4768. doi : 10.1016/S1359-6454(98)00127-X .
  6. ^ KINGERY, WD (janeiro de 1955). "Fatores que afetam a resistência ao estresse térmico de materiais cerâmicos". Jornal da Sociedade Americana de Cerâmica . 38 (1): 3–15. doi : 10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 . 
  7. ^ a b Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Resposta ao choque térmico". Propriedades mecânicas de materiais de engenharia . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090 .
  8. ^ ASTM C149 - Método de teste padrão para resistência ao choque térmico de recipientes de vidro