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sábado, 7 de julio de 2018

Rotura por tensiones termomecanicas: Prueba de choque termico.

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