Algunos materiales pueden sufrir roturas o fisuras por choque térmico
cuando se ven sometidos a gradientes de temperatura bruscos; tanto de
forma puntual, como repetitiva mediante ciclos cambiantes
frío/calor/frío en el tiempo (fatiga termomecánica).
El astillamiento o rotura debida al choque térmico es un fenómeno que
aparece asociado con cambios bruscos de temperatura, especialmente en
materiales frágiles como vidrios y cerámicas.
Un cambio brusco de temperatura, por ejemplo, un enfriamiento, provoca
que las partes exteriores del material reduzcan su temperatura más
rápidamente que el interior. Como consecuencia de la contracción
térmica, la superficie tiende a contraerse más de lo que lo hace el
núcleo, que restringe la libre contracción superficial. Esta contracción
impedida da lugar a unas tensiones mecánicas que son la causa de las
roturas o desconchados superficiales encontrados habitualmente en
materiales frágiles.
El choque térmico es un fenómeno que aparece como combinación de:
a) Restricciones a la dilatación o contracción.
b) Gradientes de temperatura en el material.
c) Cambios bruscos de fase (sólo en casos específicos).
d) Baja conductividad del material.
La resistencia al choque térmico se puede medir experimentalmente por
diversos procedimientos. Uno de ellos es la determinación del máximo
salto de temperatura que puede soportar una pieza sin fracturarse al
sumergirla en agua a temperatura ambiente. En los vidrios, en cambio, se
determina por el número de sucesivos ciclos térmicos, inmersión en agua
desde una temperatura dada - calentamiento, que es capaz de aguantar sin
fracturarse.
En el caso de materiales refractarios para servicio a alta temperatura
(>1000°C) puede, sin embargo, determinarse un índice analítico de
resistencia al choque térmico Ir que permite comparar materiales con
fiabilidad, y cuyo valor depende tanto de características mecánicas como
de las propiedades térmicas del material:
Ir = k · R / a . E . Ce
En donde: k es la conductividad térmica, R la carga de rotura, a el
coeficiente de dilatación, E el módulo de Young, y Ce el calor
específico.
Una alta conductividad térmica favorece la conducción y la rápida
eliminación de los gradientes de temperatura en el material.
Una alta carga de rotura R permite soportar tensiones más altas sin
fractura.
Las tensiones por dilatación o contracción son proporcionales a a · E,
por lo que una reducción en este factor permite reducir la dilatación o
contracción y, por ende, las tensiones térmicas generadas, según la
ecuación.
Un calor específico elevado Ce hace que, para una misma cantidad de
calor suministrada al material, los cambios de temperatura afecten sólo
a una parte más estrecha del material cerca de la superficie. Ello
contribuye a aumentar el gradiente térmico entre la superficie y el
centro de la pieza y, por tanto, disminuye la resistencia al choque
térmico.
La resistencia al choque térmico de un material depende directamente de
la conductividad térmica k e inversamente del coeficiente de dilatación
a y del calor específico Ce.
Las roturas por choque térmico son características de materiales
frágiles sometidos a fuertes gradientes de temperatura, como es el caso
de los vidrios y cerámicas refractarias. En estos materiales, la
resistencia al choque térmico es un parámetro fundamental de diseño.
Un ejemplo de uso habitual de materiales resistentes al choque térmico
son los distintos tipos de vidrio usualmente empleados. Los vidrios
resistentes al choque térmico (Vycor, Pyrex) presentan coeficientes de
dilatación a inferiores a 20·10-8 cm/cm·K y pueden incluso colocarse
directamente al fuego. Otros tipos de vidrios común, como el vidrio
cortado para ventanales presenta valores de a por encima de 80·10-8 cm/cm·K
y se fractura rápidamente al someterlo a enfriamientos y calentamientos
bruscos en agua a 100°C.
Fuente: UPV
https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm11/
pfcm11_4_5.html
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