熱衝撃

熱衝撃は、温度の急激な変化によって物体に一時的な機械的負荷がかかる現象です。負荷は、温度変化による物体のさまざまな部分の膨張差によって発生します。この膨張差は、応力ではなくひずみとして理解できます。ひずみが材料の引張強度を超えると、ひび割れが発生し、最終的には構造上の破損につながる可能性があります。

熱衝撃を防ぐ方法には以下のものがある: ^[1]

• 温度を徐々に変化させることで温度勾配を最小限に抑える
• 材料の熱伝導率を高める
• 材料の熱膨張係数の低減
• 材料の強度を高める
• 強化ガラスなどの材料に圧縮応力を導入する
• 材料のヤング率を下げる
• 塑性変形および相変態のプロセスを利用して、亀裂先端の鈍化または亀裂の偏向を通じて材料の靭性を高める

ホウケイ酸ガラスは、膨張係数の低減と強度の向上により、他のほとんどのガラスよりも熱衝撃に強くなっていますが、この両方の点で石英ガラスの方が優れています。一部のガラスセラミック材料（主にリチウムアルミノケイ酸塩（LAS）システム^[2]）には、負の膨張係数を持つ材料が制御された割合で含まれているため、かなり広い温度範囲にわたって全体の膨張係数をほぼゼロに減らすことができます。

最も優れた熱機械材料としては、アルミナ、ジルコニア、タングステン合金、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ホウ素、および一部のステンレス鋼があります。

強化炭素は、グラファイトの非常に高い熱伝導率と低い膨張係数、炭素繊維の高い強度、および構造内の亀裂を逸らす適度な能力 により、熱衝撃に対して非常に耐性があります。

熱衝撃を測定するには、インパルス励起技術が有効な手段であることが証明されています。この技術は、ヤング率、せん断弾性率、ポアソン比、減衰係数を非破壊的に測定するために使用できます。同じ試験片を異なる熱衝撃サイクル後に測定することができ、この方法で物理的特性の劣化をマッピングできます。

熱衝撃耐性の指標は、急激な温度変化を受ける用途における材料選択に使用できます。熱衝撃耐性の一般的な指標は、与えられた厚さの材料が耐えることができる最大温度差です。^[3]${\displaystyle \デルタT}$

熱衝撃耐性の尺度は、急激な温度変化を受ける用途における材料選択に使用できます。材料が耐えられる最大温度上昇 は、強度制御モデルでは次のように定義できます。^{[4] [3]} ここで、は破壊応力（降伏応力または破壊応力）、は熱膨張係数、はヤング率、 は部品の制約、材料特性、および厚さによって決まる定数です。 ${\displaystyle \デルタT}$ $${\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}}$$${\displaystyle \sigma_{f}}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle E}$${\displaystyle B}$

$${\displaystyle B={\frac {C}{A}}}$$ ここで、はポアソン比 に依存するシステム制約定数であり、はビオ数に依存する無次元パラメータです。${\displaystyle C}$${\displaystyle \nu}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \mathrm {Bi} }$

$${\displaystyle C={\begin{cases}1&{\text{axial stress}}\\(1-\nu )&{\text{biaxial constraint}}\\(1-2\nu )&{\text{triaxial constraint}}\end{cases}}}$$

${\displaystyle A}$次のように近似できます。 ここで、 は厚さ、は熱伝達係数、 は熱伝導率です。 $${\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}}$$${\displaystyle H}$${\displaystyle h}$${\displaystyle k}$

完全な熱伝達（）${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$を仮定すると、材料がサポートする最大の熱伝達は：^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{1}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

• ${\displaystyle A_{1}\approx 1}$プレート内の冷衝撃
• ${\displaystyle A_{1}\approx 3.2}$プレートの高温衝撃用

したがって、破壊応力から導かれる完全な熱伝達の場合の耐熱衝撃性に応じた材料選択の 材料指標は次のようになります。$${\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

熱伝達が悪い場合（）${\displaystyle \mathrm {Bi} <1}$では、材料が支える最大熱差は次のようになる：^{[4] [5]} $${\displaystyle \Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}}$$

• ${\displaystyle A_{2}\approx 3.2}$寒冷ショックの場合
• ${\displaystyle A_{2}\approx 6.5}$ホットショック用

熱伝達が悪い場合、熱伝導率が高いほど耐熱衝撃性が向上します。熱伝達が悪い場合の材料指数は、次のように表されることが多いです。 $${\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}$$

完全な熱伝達モデルと不十分な熱伝達モデルの両方によれば、冷間ショックよりも熱間ショックの方が大きな温度差を許容できます。

材料の破壊強度によって定義される耐熱衝撃性に加えて、破壊力学の枠組み内でもモデルが定義されています。LuとFleckは、破壊靭性制御の亀裂に基づいて、熱衝撃亀裂の基準を作成しました。このモデルは、セラミック（一般に脆い材料）の熱衝撃に基づいています。無限プレートとモードIの亀裂を想定すると、冷間衝撃の場合は亀裂が端から始まり、熱間衝撃の場合はプレートの中央から始まると予測されました。^[4]モデルをさらに簡素化するために、ケースは熱伝達が完全の場合と不十分な場合に分けられました。

対流熱伝達が増加すると（したがってビオ数が大きくなると）、持続可能な温度上昇は減少します。これは、以下に示す完全熱伝達のモデル（）で表されます。${\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }$^{[4] [5]}

$${\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}}$$ ここで、はモード I破壊靭性、はヤング率、は熱膨張係数、はプレートの厚さの半分です。 ${\displaystyle K_{Ic}}$${\displaystyle E}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle H}$

• ${\displaystyle A_{3}\approx 4.5}$寒冷ショックの場合
• ${\displaystyle A_{4}\approx 5.6}$ホットショック用

したがって、破壊力学から導かれる完全な熱伝達の場合の材料選択のための材料指標は次のようになります。 $${\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}$$

熱伝達が悪い場合、ビオ数は持続可能な温度上昇の重要な要因となる。^{[4] [5]}

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

重要なのは、熱伝達が悪い場合、熱伝導率kが高い材料の方が耐熱衝撃性がより高いということです。その結果、熱伝達が悪い場合の耐熱衝撃性について一般的に選択される材料指標は次のようになります。 $${\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}$$

ウィリアム・デイビッド・キングリーは、破壊を開始する温度差を次のように説明しています。^{[6] [7]} ここで、は形状係数、は破壊応力、は熱伝導率、はヤング率、は熱膨張係数、は熱伝達係数、は破壊抵抗パラメータです。破壊抵抗パラメータは、材料の熱衝撃耐性を定義するために使用される一般的な指標です。^[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'}$

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

これらの式はセラミック材料用に導出されたもので、温度に依存しない材料特性を持つ均質物体を仮定していますが、他の脆性材料にも適用できます。^[7]

熱衝撃試験では、製品を低温と高温に交互にさらし、通常使用時の温度サイクルや熱衝撃によって引き起こされる故障を加速させます。極端な温度間の遷移は、1 分あたり 15 °C を超える非常に急速な速度で発生します。

熱衝撃試験には、通常、単一または複数のチャンバーを備えた装置が使用されます。単一チャンバーの熱衝撃装置を使用する場合、製品は 1 つのチャンバー内に留まり、チャンバーの空気温度は急速に冷却および加熱されます。一部の装置では、製品を 2 つ以上のチャンバー間で移動させるエレベーター機構を備えた個別の高温チャンバーと低温チャンバーを使用します。

ガラス容器は急激な温度変化に敏感です。試験方法の1つは、冷水浴から温水浴へ、そしてまた冷水浴から温水浴へ素早く移動させることです。^[8]

• 珪岩などの鉱脈を含む硬い岩石は、かつては火入れ法で砕かれていた。火入れ法では、岩の表面を薪の火で熱し、水で急冷して亀裂の成長を促していた。これは、シケリアのディオドロスが『エジプトの金鉱山』で、大プリニウスが『ゲオルク・アグリコラ』で説明している。^[要出典]
• 温水の入ったグラスに入れた氷は、外側の表面の温度が内側よりはるかに速く上昇するため、熱衝撃で割れます。外側の層は温まるにつれて膨張しますが、内側はほとんど変化しません。異なる層間の体積の急激な変化により、氷に応力が生じ、その力が氷の強度を超えるまで増大し、ひび割れが生じます。場合によっては、容器から氷の破片が飛び出すほどの力で割れることもあります。
• しばらく点灯していた白熱電球は表面が非常に熱くなっています。冷水をかけると、熱衝撃でガラスが割れ、電球が破裂する可能性があります。
• アンティークの鋳鉄製調理ストーブは、脚の付いたシンプルな鉄製の箱で、天板は鋳鉄製です。箱の中で木や石炭の火を起こし、グリドルのように箱の上部の外側で食べ物を調理します。火が熱くなりすぎた場合、ストーブの上部に水をかけて冷やすと、熱衝撃で割れてしまいます。
• 3 番目の皇帝の鐘が壊れたのは、火に水をかけたために温度が急激に上昇したためだと考えられています。
• 熱衝撃は、内燃機関のヘッドガスケット故障の主な原因です。

• ビオ数
• インパルス励起技術
• ガラスの自然破損
• 歪み