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¡Por eso el vidrio se agrieta! Aprenda cómo el choque térmico destruye los materiales
En nuestra vida diaria, la rotura de la cristalería suele ser sorprendente y suele ocurrir en momentos inesperados. En tales casos, el fenómeno físico del choque térmico suele ser el culpable. El choque térmico se refiere a la carga mecánica transitoria de un objeto a temperaturas que cambian rápidamente, como resultado de diferencias en la expansión entre diferentes partes del objeto debido a cambios de temperatura. Cuando la tensión causada por este cambio excede la resistencia a la tracción del material, se pueden desarrollar grietas que, en última instancia, conducen a una falla estructural.
El choque térmico generalmente se define como un cambio de temperatura al que el material no puede adaptarse en un corto período de tiempo. En este caso, se debe entender la relación entre deformación y tensión.
¿Qué es el choque térmico?
El choque térmico se define principalmente como un cambio rápido de temperatura que provoca una expansión y contracción desigual entre diferentes partes de un objeto. Estos cambios no sólo provocan tensiones sino que también provocan daños estructurales locales, que son una de las principales causas de fallo de muchos materiales. Por lo tanto, prevenir el choque térmico es un factor importante a considerar al diseñar y utilizar diversos materiales.
¿Cómo afecta el choque térmico a los materiales?
Por ejemplo, el vidrio resistente al calor, como el vidrio de borosilicato, es más capaz de resistir el choque térmico debido a su menor coeficiente de expansión y mayor resistencia. Por el contrario, el cuarzo fundido se comporta mejor en estos aspectos. Ciertos materiales vitrocerámicos, especialmente los sistemas de aluminosilicato de litio, controlan la proporción de coeficientes de expansión negativos en el material de modo que el coeficiente de expansión general cae a casi cero en un amplio rango de temperaturas. Este tipo de material exhibe propiedades termomecánicas superiores.
Las pruebas de choque térmico generalmente utilizan técnicas de excitación de choque, un método de medición no destructivo.
Medidas para prevenir el choque térmico
Para prevenir eficazmente el choque térmico, se pueden tomar las siguientes medidas durante el diseño:
- Minimiza los gradientes térmicos cambiando gradualmente la temperatura.
- Mejorar la conductividad térmica del material.
- Reducir el coeficiente de expansión térmica del material.
- Mejora la resistencia del material.
- Introduzca tensión de compresión, por ejemplo utilizando vidrio templado.
Ejemplos de pruebas de choque térmico
En aplicaciones industriales, las pruebas de choque térmico se utilizan a menudo para garantizar la estabilidad del producto bajo cambios extremos de temperatura. Por ejemplo, algunos recipientes de vidrio pueden volverse quebradizos cuando se exponen a ciclos breves de temperaturas altas y bajas, y este método de prueba se utiliza a menudo para evaluar su durabilidad. En estas pruebas, las muestras se colocan en un entorno que cambia rápidamente entre temperaturas altas y bajas, a veces a velocidades superiores a 15°C por minuto.
Fallo por choque térmico de materiales frágiles
Los materiales frágiles suelen ser más susceptibles al choque térmico, especialmente bajo cambios rápidos de temperatura. Por ejemplo, las estufas de hierro viejas pueden hacer que el material se agriete si se sobrecalientan y luego se recubren con agua fría. Esto se debe a que el exterior del material se enfría rápidamente mientras que el interior permanece alto, lo que genera una tensión desigual.
Muchas industrias utilizan las pruebas de choque térmico para mejorar la estabilidad de los productos y garantizar que mantengan su integridad en condiciones extremas.
Resumen de los efectos del choque térmico y su importancia para la selección de materiales
No se puede ignorar el impacto del choque térmico, especialmente al diseñar y seleccionar materiales. La elección de materiales con alta resistencia al choque térmico, como ciertos vidrios y cerámicas, puede mejorar significativamente el rendimiento y la estabilidad del producto. A medida que avance la ciencia de los materiales, es posible que en el futuro se desarrollen materiales más innovadores que puedan abordar los desafíos del choque térmico.
Cuando seleccionamos materiales, ¿hemos considerado el impacto potencial del choque térmico en su rendimiento?
