Estrés termal

No confundir con estrés térmico en humanos .

En mecánica y termodinámica , la tensión térmica es la tensión mecánica creada por cualquier cambio en la temperatura de un material. Estas tensiones pueden provocar fracturas o deformaciones plásticas dependiendo de las otras variables de 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 resulta en grietas o roturas.

Gradientes de temperatura ^[1]

Cuando un material se calienta o enfría rápidamente, 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 de material causa tensiones térmicas. Imagínese calentando un cilindro, primero la superficie sube 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 usan empastes dentales con coeficientes de expansión térmica diferentes al esmalte dental, los empastes se expandirán más rápido que el esmalte y causarán dolor en la boca de una persona.

Expansión y contracción térmica

Ejemplo de deformación inducida por tensión térmica en los raíles

El material se expandirá o contraerá dependiendo del coeficiente de expansión térmica del material. Siempre que el material se mueva libremente, 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 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]}${\displaystyle E}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle T_{f}}$

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

Cuando es mayor que , las restricciones ejercen una fuerza de compresión sobre el material. Sucede lo contrario mientras se enfría; cuando es menor que , la tensión será de tracción. Un ejemplo de soldadura implica el calentamiento y enfriamiento del metal, 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 tensión residual alrededor de la soldadura.${\displaystyle T_{f}}$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle T_{f}}$${\displaystyle T_{0}}$

Choque térmico

Esta es una combinación de un gran gradiente de temperatura debido a la baja conductividad térmica, además de un rápido cambio 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 desciende rápidamente, se inducen tensiones y se producen fracturas en el cuerpo del vidrio que pueden verse como grietas o incluso roturas en algunos casos.

Referencias

1. Elementos de metalurgia y aleaciones de ingeniería . Campbell, FC (Flake C.). Parque de Materiales, Ohio: ASM International. 2008. ISBN 9780871708670. OCLC  608624525 .
2. 1940-, Callister, William D. Jr. Ciencia e ingeniería de materiales: introducción . Rethwisch, David G. (8ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 9780470419977. OCLC  401168960 .
3. F., Carter, Giles (1991). Ciencia e ingeniería de materiales . Paul, Donald E. [Parque de Materiales, Ohio]: ASM International. ISBN 9780871703996. OCLC  555222029 .