熱衝撃

熱衝撃は、急激な温度変化によって物体に過渡的な機械的負荷がかかる現象です。この負荷は、温度変化による物体の様々な部位の膨張差によって生じます。この膨張差は、応力ではなくひずみとして捉えることができます。ひずみが材料の引張強度を超えると、ひび割れが発生し、最終的には構造破壊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

材料への影響

ホウケイ酸ガラスは、低い膨張係数と高い強度の組み合わせにより、他のほとんどのガラスよりも熱衝撃に強い特性を持っていますが、溶融石英ガラスはどちらの点でもホウケイ酸ガラスを上回っています。一部のガラスセラミック材料（主にリチウムアルミノシリケート（LAS）系^{[ 2 ]}）には、負の膨張係数を持つ材料が適切に配合されており、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まで低減することができます。

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。

熱衝撃の測定には、インパルス励起法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できます。同一の試験片を異なる熱衝撃サイクルで測定することで、物理的特性の劣化をマッピングすることが可能です。

耐熱衝撃性

急激な温度変化を受ける用途では、耐熱衝撃性の評価尺度を用いて材料を選定することができます。耐熱衝撃性の一般的な指標は、材料が所定の厚さで耐えられる最大温度差です。^[³^] $\Delta T$

強度制御された耐熱衝撃性

急激な温度変化を受ける用途では、耐熱衝撃性の評価尺度を用いて材料を選定することができます。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されます。 ^[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、および厚さに依存する定数です。 $\Delta T$ $B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}$ $\sigma _{f}$ $\alpha$ $E$ $B$

$B={\frac {A}{C}}$ 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。 $C$ $\nu$ $A$ $\mathrm {Bi}$

$C={\begin{cases}1&{\text{軸応力}}\\(1-\nu )&{\text{二軸拘束}}\\(1-2\nu )&{\text{三軸拘束}}\end{cases}}$

$A$ は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。 $A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}$ $H$ $h$ $k$

完璧な熱伝達

完全な熱伝達（） $\mathrm {Bi} =\infty$ を仮定した場合、材料によってサポートされる最大の熱伝達は：^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

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

$A_{1}\approx 1$ プレート内の冷衝撃
$A_{1}\approx 3.2$ 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。 ${\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}$

熱伝達が悪い

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

$A_{2}\approx 3.2$ 寒冷ショックの場合
$A_{2}\approx 6.5$ 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、通常、次のように表されます。 ${\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}$

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が許容されます。

破壊靭性制御耐熱衝撃性

材料の破壊強度によって定義される熱衝撃耐性に加えて、破壊力学の枠組みにおいてもモデルが定義されている。LuとFleckは、破壊靭性制御割れに基づく熱衝撃割れの基準を提示した。このモデルは、セラミックス（一般的に脆性材料）の熱衝撃に基づいている。無限板とモードI割れを仮定すると、冷間衝撃では割れは板の端から、熱間衝撃では板の中央から発生すると予測された。^{[ 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類された。

完璧な熱伝達

対流熱伝達が増加する（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、完全熱伝達の場合の以下のモデル（）で表されます。 $\mathrm {Bi} =\infty$ ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

$\Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}$ 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。 $K_{Ic}$ $E$ $\alpha$ $H$

$A_{3}\approx 4.5$ 寒冷ショックの場合
$A_{4}\approx 5.6$ 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熱伝達の場合の材料選択の材料指標は次のようになります。 ${\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}$

熱伝達が悪い

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 ]}

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

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を評価するために一般的に選択される材料指標は以下のとおりです。 ${\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}$

キングリー熱衝撃法

ウィリアム・デイビッド・キングリーは、破壊開始温度差を次のように定義しています。^{[ 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用いられる一般的な指標です。^[¹^] $\Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}$ $S$ $\sigma ^{*}$ $k$ $E$ $\alpha$ $h$ $R'$

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

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 ]}

テスト

熱衝撃試験では、製品を低温と高温に交互にさらすことで、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。極端な温度変化は非常に速く、1分あたり15℃以上で発生します。

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試験装置では、試験対象物は1つのチャンバー内に留まり、チャンバー内の空気温度は急速に冷却・加熱されます。一部の装置では、昇降機構によって製品を2つ以上のチャンバー間で搬送する、独立した高温チャンバーと低温チャンバーを備えています。

ガラス容器は急激な温度変化に敏感です。試験方法の一つとして、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方法があります。^{[ 8 ]}

熱衝撃による故障の例

珪岩などの鉱脈を含む硬岩は、かつては火入れ法によって砕かれていました。これは、岩石の表面を薪で加熱し、水で急冷することで亀裂の成長を促す方法です。この方法は、シケリアのディオドロス『エジプトの金鉱山』、大プリニウス『大プリニウス』、そしてゲオルク・アグリコラによって記述されています。^{[ 9 ]}
温水の入ったグラスに入れられた氷は、外表面の温度が内部の温度よりもはるかに速く上昇するため、熱衝撃によって割れます。外層は温まるにつれて膨張しますが、内部はほとんど変化しません。この異なる層間の急激な体積変化により、氷に応力が生じ、その応力が氷の強度を超えると、ひび割れが生じます。ひび割れの力は、時には容器から氷の破片を飛び出させるほどの力になることもあります。^{[ 10 ]}
しばらく点灯し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。 ^{[ 11 ]}
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箱と鋳鉄製の天板で構成されています。箱の中で薪または石炭を焚き、グリドルのように天板の外側で食材を調理します。火が強すぎる場合、ストーブの天板に水をかけて冷やすと、熱衝撃によって割れてしまいます。
3番目のツァーリ・ベルが壊れたのは、火に水をかけたことで生じた大きな温度差によるものと考えられている。^{[ 12 ]}
熱衝撃は内燃機関のヘッドガスケット破損の主な原因である。 ^{[ 13 ]}

参照

参考文献

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