熱ストレス

力学と熱力学において、熱応力は材料の温度変化によって生じる機械的応力です。これらの応力は、材料の種類や制約などの加熱の他の変数に応じて、破損や塑性変形を引き起こす可能性があります。 ^[1]温度勾配、熱膨張または収縮、熱衝撃は熱応力を引き起こす可能性があります。このタイプの応力は、材料ごとに異なる熱膨張係数に大きく依存します。一般に、温度変化が大きいほど、発生する応力のレベルが高くなります。熱衝撃は急激な温度変化によって発生し、ひび割れや粉砕を引き起こす可能性があります。

材料が急速に加熱または冷却されると、表面と内部の温度に差が生じます。急速な加熱または冷却はそれぞれ熱膨張または収縮を引き起こし、この材料の局所的な動きが熱応力を引き起こします。円筒を加熱すると、最初に表面の温度が上昇し、中心は初期温度のままです。しばらくすると、円筒の中心は表面と同じ温度に達します。加熱中は表面が比較的高温になり、中心よりも膨張します。この例として、歯の詰め物が人の口の中で熱応力を引き起こすことがあります。歯科医は歯のエナメル質とは異なる熱膨張係数の歯の詰め物を使用することがありますが、詰め物はエナメル質よりも速く膨張し、人の口の中で痛みを引き起こします。^[1]

材料は熱膨張係数に応じて膨張または収縮します。材料が自由に移動できる限り、材料は応力を発生することなく自由に膨張または収縮できます。この材料が複数の場所で剛体に取り付けられると、幾何学的に拘束された領域に熱応力が発生する可能性があります。この応力は、温度変化、材料の熱膨張係数、材料のヤング率（下の式を参照）を乗じて計算されます。はヤング率、は熱膨張係数、は初期温度、は最終温度です。^{[2] [3]}${\displaystyle E}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle T_{f}}$

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

が より大きい場合、拘束により材料に圧縮力が加わります。冷却中はその逆のことが起こり、 がより小さい場合、応力は引張になります。溶接の例では、金属の加熱と冷却が伴い、これは熱膨張、収縮、温度勾配の組み合わせです。加熱と冷却の完全なサイクルの後、金属には溶接部の周りに 残留応力が残ります。${\displaystyle T_{f}}$${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle T_{f}}$${\displaystyle T_{0}}$

これは、脆い材料の急激な温度変化に加えて、低い熱伝導率による大きな温度勾配の組み合わせです。温度変化により、張力のある表面に応力が生じ、亀裂の形成と伝播が促進されます。セラミックス材料は通常、熱衝撃の影響を受けやすいです。^[2]一例として、ガラスを高温に加熱し、その後急速に冷水で急冷する場合が挙げられます。ガラスの温度が急速に低下すると、応力が誘発され、ガラス本体に亀裂が生じます。これは、ひび割れとして見られたり、場合によっては粉砕されることもあります。