열충격

열충격은 급속하게 일시적인 기계적 부하의 한 종류입니다.정의상 특정 지점의 급격한 온도 변화에 의해 발생하는 기계적 부하입니다.이것은 또한 물체의 다른 부분을 다른 양만큼 확장시키는 열 구배인 경우에도 확장될 수 있습니다.이 미분팽창은 다음과 같이 응력보다는 변형률 측면에서 더 직접적으로 이해할 수 있다.이 응력은 재료의 인장 강도를 초과하여 균열이 형성될 수 있습니다.이 균열이 물질을 통해 전파되는 것을 막지 못하면 물체의 구조가 무너집니다.

열충격으로 인한 장애는 ^[1]다음과 같이 방지할 수 있습니다.

물체의 온도를 더 느리게 변화시키거나 재료의 열전도율을 높임으로써 물체에 보이는 열구배를 감소시킵니다.
재료의 열팽창 계수 감소
그 강도를 높이다
예를 들어 강화 유리와 같은 내장 압축 응력 도입
어린 것의 계수 감소
균열 팁 블링(가소성 또는 상변환) 또는 균열 편향에 의한 인성 향상

재료에 미치는 영향

붕규산염 유리는 대부분의 다른 유리보다 열충격에 더 잘 견딜 수 있도록 만들어졌지만, 융착된 석영이 두 가지 측면에서 모두 우수합니다.일부 유리-세라믹 재료(주로 리튬 알루미늄 규산염(LAS) 시스템에서^[2])는 음의 팽창 계수를 가진 재료의 비율을 제어하여 상당히 광범위한 온도 범위에서 전체 계수를 거의 정확히 0으로 줄일 수 있습니다.

최고의 열기계 재료로는 알루미나, 지르코니아, 텅스텐 합금, 질화규소, 탄화규소, 탄화붕소, 스테인리스강 등이 있다.

강화 카본 카본 카본은 그래파이트의 열전도율이 매우 높고 팽창계수가 낮으며 탄소섬유의 강도가 높고 구조물 내 균열을 편향시키는 합리적인 능력이 있어 열충격에 매우 강하다.

열충격을 측정하기 위해 임펄스 들뜸 기술은 유용한 도구임이 입증되었습니다.영 계수, 전단 계수, 포아송 비율 및 감쇠 계수를 비파괴적인 방법으로 측정하는 데 사용할 수 있습니다.다른 열충격 사이클 후에 동일한 시험편을 측정할 수 있으며, 이를 통해 물리적 특성 악화를 매핑할 수 있다.

내열성

온도 변화가 빠른 애플리케이션에서 재료 선택에 열충격 방지 조치를 사용할 수 있습니다.열충격 저항성의 일반적인 척도는 최대 온도 차이인 $\Delta T$ T $(\displaystyle \Delta$ T $\Delta T$ 입니다. 이 차이는 주어진 ^[3]두께 동안 재료에 의해 유지될 수 있습니다.

강도 제어 열충격 저항성

온도 변화가 빠른 애플리케이션에서 재료 선택에 열충격 방지 조치를 사용할 수 있습니다.재료에 의해 지속 가능한 최대 온도 점프인 $\Delta T$ T $\Delta T$ \ $displaystyle \Delta$ T는 강도 제어 모델에 ^[4]^[3]대해 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

({displaystyle B\Delta T={f}}{\alpha E})

여기서

\sigma _{f}

f

\sigma _{f}

{\

displaystyle \sigma

_

{f}

는

\sigma _{f}

고장응력(수율 또는 파괴응력일 수

\alpha

),

\alpha

α {\

displaystyle \alpha}

는

\alpha

열팽창계수,

E

{\

displaystyle

E

}

는

E

영 계수,

B

{\

displaystyle

B

}

는

B

부품 구속력, 재료 특성 및 th에 따른 상수입니다.딱딱함

B=black {C}{A}}

C

서 C

(\displaystyle

C

)

는

C

포아송

\nu

인

{\(\displaystyle

\nu

\nu

에 의존하는 시스템

구속

상수이고 A(\

displaystyle

A

)

는 Biot

\mathrm {Bi}

인

\mathrm {Bi}

displaystyle

\mathrm

{Bi

\mathrm {Bi}

에 의존하는 비차원 파라미터입니다.

C=begin{case}1&{\text{축응력}\(1-\nu)}&{\text{triaxial contraint}\end{case}}

$\displaystyle$ A는 $A$ 다음과 같이 근사할 수 $있습니다$ .

{{displaystyle A}=mathfrac {Hh/k}{1+Hh/k}=mathrm {Bi}{1+\mathrm {Bi}}}

H

서

H(\

displaystyle

H

)

는

H

두께

,

h(\

displaystyle

h

)

는

h

열 전달 계수,

k

(\

displaystyle

k

)

는

k

열 전도율입니다.

완벽한 열전달

완벽한 열 전달( $\mathrm {Bi} =\infty$ i $=$ δ \ $displaystyle \mathrm {Bi}$ =\ $infty$ 을 가정할 경우 재료에 의해 지원되는 최대 열 전달은 다음과 같습니다.^[4]^[5]

\Delta T=A_{1}{\frac}{E\alpha }

$A_{1}\approx 1$ $A_{1}\approx 1$ 냉간 충격에 대한 1 $⁄$ ( $디스플레이 스타일$ A_ ${1}\약$ 1)
$A$ 플레이트에서의 뜨거운 충격에 대한 $A_{1}\approx 3.2$ 3. $({style$ A_ ${1$ }\ $약$

따라서 파단 응력 유도 완전 열전달 사례에서 열충격 내성에 따른 재료 선택을 위한 재료 지수는 다음과 같다.

(\displaystyle\frac_{f}{E\alpha}})

열전달 불량

열전달이 불량한 경우( $\mathrm {Bi} <1$ i < $\mathrm {Bi} <1$ \ $displaystyle \mathrm {Bi$ } $\mathrm {Bi} <1$ < $\mathrm {Bi} <1$ 1) $소재$ 에 의해 지원되는 최대 열차는 다음과 같습니다.^[4]^[5]

\Delta T=A_{2}{\frac {f}}{E\alpha}}{\frac {1}{\mathrm {Bi}}}=A_{2}{\frac {{F}}{E\alpha}}}}{\frac {\frac {k}{h}}}H}}

$A_{2}\approx 3.2$ 쇼크용 $A_{2}\approx 3.2$ 3. $(*style$ ${style$ A_ ${2})$
$A_{2}\approx 6.5$ 2 $A_{2}\approx 6.5$ 6 $A_{2}\approx 6.5$ (핫 쇼크용 약 6.5 ( $스타일 A_{$ 2}\ $약$ 6.5 $A_{2}\approx 6.5$ )

열전달이 불량한 경우에는 열전달계수가 높을수록 열충격에 대한 내성이 높아집니다.열전달 불량 사례의 재료 지수는 종종 다음과 같이 간주된다.

{k\sigma _{f}}{E\alpha }

완전 열전달 모델과 불량 열전달 모델 모두에 따르면 냉간 충격보다 고온 충격에 더 큰 온도 차이를 견딜 수 있습니다.

파괴 인성 제어 열충격 저항

재료 파괴 강도에 의해 정의된 열 충격 저항성 외에도, 모델은 파괴 역학 프레임워크 내에서 정의되었다.Lu와 Freak은 파괴 인성 제어 균열을 기반으로 열충격 균열 기준을 작성했습니다.이 모델은 세라믹(일반적으로 부서지기 쉬운 재료)의 열 충격을 기반으로 했습니다.무한판 및 Mode I 균열로 가정할 때 균열은 냉간충격의 경우 가장자리에서 시작되지만, ^[4]고온충격의 경우 판의 중앙에서 시작될 것으로 예측되었다.모델을 더욱 단순화하기 위해 케이스는 완벽한 열 전달과 낮은 열 전달로 구분되었습니다.

완벽한 열전달

지속 가능한 온도 상승은 대류 열 전달이 증가함에 따라 감소합니다(따라서 더 큰 Biot 수).이는 완벽한 열 전달을 위해 아래 모델에 나와 있습니다( $\mathrm {Bi} =\infty$ $\mathrm {Bi} =\infty$ $\mathrm {Bi} =\infty$ ${\$ \ $displaystyle \mathrm {Bi}$ = \ $infty$ ） $\mathrm {Bi} =\infty$ ^[4]^[5] 。

{\displaystyle\Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\pi H}}}

K_{Ic}

서

K_{Ic}

c

(\

는

K_{Ic}

모드 I 파괴 인성,

E

(\

displaystyle

E

)

는

E

영 계수,

\alpha

α(\

displaystyle \alpha)

는

\alpha

열팽창 계수,

H

(\

displaystyle

H

)

는

H

플레이트의 절반 두께입니다.

$A$ 3 $인치$ 4 $A_{3}\approx 4.5$ 5 $(냉간$ 충격용 $)$
$A_{4}\approx 5.6$ 4 인치 5 $A_{4}\approx 5.6$ (핫 쇼크용 약 5.6 ( $A_{4}\approx 5.6$ $경우$ A_ ${4}\약$ 5 $.6)$

따라서 파단 역학에서 도출된 완벽한 열전달 사례에서 재료 선택을 위한 재료 지수는 다음과 같다.

{K_{Ic}}{E\alpha }

열전달 불량

열전달이 좋지 않은 경우, Biot 수치는 지속 가능한 온도 ^[4]^[5]상승의 중요한 요소입니다.

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

결정적으로 열전달이 불량할 경우 열전도율이 $높은$ 재료 k는 내열충격성이 높아집니다.그 결과 열전달 불량 사례에서 열충격 내성을 위해 일반적으로 선택되는 재료 지수는 다음과 같습니다.

{kK_{Ic}}{E\alpha }

Kingery 열충격법

William David Kingery는 골절의 시작 온도 차이를 다음과 ^[6]^[7]같이 설명했습니다.

\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\flac ^{*}(1-\nu)}{E\alpha}}}{\frac {1}{h}=frac {S}{hR^{'}}}}

S

서 S

(\displaystyle

S

)

는

S

형상계수,

(\

^{*})는

\sigma ^{*}

파괴응력,

k

(\

displaystyle

k

)

는

k

열전도율,

E(\

displaystyle

E

)

는

E

영 계수,

\alpha

α(\

displaystyle

\alpha

}는

\alpha

열팽창 계수

,

)

는

h

열전달계수입니다.Sfer

R'

이며 R

{\

{

displaystyle

R

'

은

R'

내파괴성 파라미터입니다.파괴 저항 파라미터는 ^[1]재료의 열충격 허용오차를 정의하는 데 사용되는 일반적인 지표입니다.

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

이 공식은 세라믹 재료에 대해 도출되었으며, 온도와 무관한 재료 특성을 가진 균질한 본체를 가정하지만 다른 부서지기 쉬운 ^[7]재료에 잘 적용할 수 있습니다.

테스트

열충격 테스트는 제품을 저온과 고온의 교대로 노출시켜 정상 사용 시 온도 주기 또는 열충격으로 인한 장애를 가속화합니다.극단적인 온도 간 전환은 분당 15°C 이상으로 매우 빠르게 발생합니다.

열충격 테스트에는 일반적으로 1실 또는 복수의 챔버가 있는 기기가 사용됩니다.단일 챔버 열충격 장비를 사용할 경우 제품이 1개의 챔버에 유지되고 챔버 공기 온도가 빠르게 냉각 및 가열됩니다.일부 장비는 제품을 두 개 이상의 챔버 간에 운반하는 엘리베이터 메커니즘이 있는 별도의 고온 챔버와 저온 챔버를 사용합니다.

유리 용기는 갑작스러운 온도 변화에 민감할 수 있습니다.한 가지 테스트 방법은 냉수욕에서 온수욕으로 빠르게 이동하고,^[8] 등을 돌리는 것입니다.

열충격 장애의 예

석영 등 광맥이 함유된 경질암은 이전에는 목재로 바위 표면을 가열하고 물로 담금질해 균열 성장을 유도하는 방화 방식으로 분해됐다.그것은 이집트 금광의 디오도로스 시쿨루스, 대 플리니, 그리고 게오르크 ^{[citation needed]}아그리콜라에 의해 묘사되었다.
따뜻한 물이 담긴 컵에 담긴 얼음은 내부보다 외부 표면이 훨씬 빠르게 온도가 상승하기 때문에 열충격에 의해 갈라진다.외층은 따뜻해지면서 팽창하지만 내부는 거의 변하지 않습니다.서로 다른 층들 사이의 이러한 급격한 부피 변화는 힘이 얼음의 강도를 초과할 때까지 얼음에 스트레스를 주고, 때로는 용기 밖으로 얼음 파편을 발사할 수 있는 충분한 힘으로 균열이 형성됩니다.
한동안 작동해 온 백열전구는 표면이 매우 뜨겁습니다.찬물을 끼얹으면 열충격으로 유리가 깨지고 전구가 붕괴될 수 있습니다.
골동품 주철 조리대는 다리 위에 주철로 된 심플한 철제 상자입니다.나무나 석탄불을 상자 안에 넣고, 음식은 상자 윗면에 격자처럼 요리한다.불을 너무 뜨겁게 지핀 후 윗면에 물을 끼얹어 난로를 식히면 열충격으로 균열이 생깁니다.
자유의 종을 주조한 후 너무 빨리 식혀서 종의 무결성이 약해지고 처음 종을 울렸을 때 옆면에 큰 균열이 생겼다는 설이 지배적이다.마찬가지로, (불에 물을 끼얹은) 강한 온도 변화는 세 번째 차르 벨의 파손을 야기하는 것으로 여겨진다.
열 충격은 내연기관의 헤드 개스킷 고장의 주요 원인입니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ ^a ^b Askeland, Donald R. (January 2015). "22-4 Thermal Shock". The science and engineering of materials. Wright, Wendelin J. (Seventh ed.). Boston, MA. pp. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750.
^ 미국 특허 6066585, Scott L. Swartz, "열팽창계수가 음의 세라믹스, 그러한 세라믹을 만드는 방법 및 그러한 세라믹으로 만든 부품"은 2000-05-23을 에머슨 전기에 할당했다.
^ ^a ^b Ashby, M. F. (1999). Materials selection in mechanical design (2nd ed.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9. OCLC 49708474.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Materials Selection for Thermal Shock Resistance". Mechanical properties of engineered materials. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.
^ ^a ^b ^c ^d T. J. Lu; N. A. Fleck (1998). "The Thermal Shock Resistance of Solids" (PDF). Acta Materialia. 46 (13): 4755–4768. Bibcode:1998AcMat..46.4755L. doi:10.1016/S1359-6454(98)00127-X.
^ KINGERY, W. D. (Jan 1955). "Factors Affecting Thermal Stress Resistance of Ceramic Materials". Journal of the American Ceramic Society. 38 (1): 3–15. doi:10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x. ISSN 0002-7820.
^ ^a ^b Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Thermal Shock Response". Mechanical properties of engineered materials. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.
^ ASTM C149 - 유리 용기의 내열성 표준 테스트 방법

[:0-1] Askeland, Donald R. (January 2015). "22-4 Thermal Shock". The science and engineering of materials. Wright, Wendelin J. (Seventh ed.). Boston, MA. pp. 792–793. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750.

[2] 미국 특허 6066585, Scott L. Swartz, "열팽창계수가 음의 세라믹스, 그러한 세라믹을 만드는 방법 및 그러한 세라믹으로 만든 부품"은 2000-05-23을 에머슨 전기에 할당했다.

[:2-3] Ashby, M. F. (1999). Materials selection in mechanical design (2nd ed.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4357-9. OCLC 49708474.

[:3-4] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Materials Selection for Thermal Shock Resistance". Mechanical properties of engineered materials. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.

[Fleck_96-5] T. J. Lu; N. A. Fleck (1998). "The Thermal Shock Resistance of Solids" (PDF). Acta Materialia. 46 (13): 4755–4768. Bibcode:1998AcMat..46.4755L. doi:10.1016/S1359-6454(98)00127-X.

[6] KINGERY, W. D. (Jan 1955). "Factors Affecting Thermal Stress Resistance of Ceramic Materials". Journal of the American Ceramic Society. 38 (1): 3–15. doi:10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x. ISSN 0002-7820.

[:1-7] Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Thermal Shock Response". Mechanical properties of engineered materials. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.

[8] ASTM C149 - 유리 용기의 내열성 표준 테스트 방법

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내열성

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