Thermoschock

Unter Thermoschock versteht man die schnelle, schockartige Veränderung der Temperatur eines Materials oder Werkstücks. Dies führt zu mechanischen Spannungen zwischen dem äußeren und inneren Teil des Materials, da die Wärme an der Oberfläche schneller übertragen bzw. abführen lässt als im Inneren. Übersteigen die so entstehenden Spannungen einen kritischen Wert, kommt es zur Schädigung des Materials.

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Vereinfachtes Rechenmodell

Das Werkstück befindet sich unter konstanter Temperatur T. Durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur erfährt auch der äußere Teil des Modells eine Temperaturänderung hin zu T₁ (T₁ ungleich T). Da der äußere Teil nun eine andere Temperatur hat, verändert er durch thermische Dehnung sein Volumen. Der Kern hingegen hat noch immer dieselbe Temperatur T, daher ist auch sein Volumen konstant geblieben. Zwischen Mantel und Kern kommt es so zur Ausbildung von sog. Wärmespannungen. Diese kann man mit folgender Gleichung abschätzen:

wobei

σ_therm ... Wärmespannung im Bauteil [MPa]

E ... Elastizitätsmodul [MPa]

α... (lineare) thermische Ausdehnung [/K]

ν... Querkontraktionszahl [-]

(T₁-T) ... Temperaturdifferenz [K]

Schädigungsmechanismen

Wird eine kritische, innere Spannung überschritten, so kommt es zur Schädigung des Materials. Je nach Werkstoff kann das durch unterschiedliche Mechanismen zu unterschiedlichen Schadensfällen führen: Bei Metallen kommt es zu Gefügeveränderungen (z.B.: Zerfall von Perlitgefügen oder Bildung von Martensiten in Edelstählen), bis hin zur Bildung von Warmrissen, die das Werkstück zerstören können. Bei Keramiken treten aufgrund der hohen Sprödbruchneigung meist Risse im Inneren auf, die rasch zum Versagen führen können. Kunststoffe zeigen beide Mechanismen, jedoch bei deutlich geringeren Temperaturdifferenzen.

Kenngrößen

In der Praxis versucht man Kriterien zu finden nach denen entschieden werden kann, welches Material für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Je nach Anwendungsfall werden daher unterschiedliche Kennwerte definiert:

Erster Thermoschockparameter R_s

Für unendlich großen Wärmeübergang gilt:

wobei

σ_crit ... Festigkeit des Materials [MPa], z.B. aus dem 4 Punkt Biegeversuch.

In Realität gibt es jedoch keinen "unendlich großen" Wärmeübergang, Anwendungsbeispiele sind am ehesten das Abschrecken eines heißen Werkstücks in Wasser oder Öl, oder das Einbringen kalter Werkstücke in eine Schmelze.

Zweiter Thermoschockparameter R_s'

bei konstantem Wärmeübergang wird der Thermoschockparameter erweitert:

wobei

λ ... Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Der Thermoschock führt nicht sofort zum vollständigen Versagen des Werkstücks. Risse im Inneren schwächen das Werkstück, sodass die Festigkeit abnimmt, wie anbei dargestellt.

Dritter Thermoschockparameter R_s"

Ist eine konstante Aufheiz- bzw. Abkühlrate an der Oberfläche des Werkstücks gegeben, wird wiederum erweitert:

wobei

ρ ...Dichte des Materials [kg/m³]

c_p ... spezifische Wärmekapazität [J/kgK]

Typische Werte für R_s

Nachdem in Realität der Wärmeübergang auch von der Bauteilgeometrie abhängig ist, geben die dargestellten Werte einen erste Eindruck von der Thermoschockbeständigkeit des Werkstoffs:

unlegierte Stähle ca. 150K

hochlegierte Stähle ca. 300K

Aluminiumoxid ca. 50K

Zirkonoxid ca. 250K

Siliziumkarbid ca. 200K

Siliziumnitrid bis 500K

Graphit/ Kohlenstoff zeigt aufgrund seiner hohen Anisotropie sehr unterschiedliche Werte, je nach Orientierung der Kristallebenen (in Bezug auf die "Ausbreitungsrichtung" des Thermoschocks) von 1.000K (parallel) bis über 10.000K (orthogonal)