Lämpöjännitykset

Lämpöjännitykset ovat mekaanisia jännitteitä, jotka syntyvät kun kappaleeseen kohdistuu lämpötilamuutos tai lämpötilaerot eri osien välillä ja rakenne ei pysty laajenemaan vapaasti. Lämpölaajeneminen aiheuttaa muodonmuutoksen, jonka suuruus on ε_th = α ΔT, missä α on materiaalin lineaarinen lämpölaajenemiskertoime ja ΔT on lämpötilamuutos. Jos rakennetta rajoitetaan jäykästi, syntyy mekaanisia jännitteitä; täydellisesti jäykästi rajoitetussa kappaleessa jännitys on σ = - E α ΔT, jossa E on Youngin moduli. Todelliset jännitykset riippuvat geometrisista rajoituksista ja lämpötilagradienteista.

Lämpöjännityksiä syntyy tyypillisesti valmistusprosesseissa kuten valussa ja hitsauksessa sekä niiden jälkeisessä jäähdytyksessä, ja suurten rakenteiden sisäisissä lämpötilagradienteissa. Jäännösjännitykset voivat säilyä käytössä asti ja vaikuttaa lujuuteen, muotoon sekä kestävyyteen. Esimerkkejä sovelluksista ovat sillat, putkistot ja suurten koneiden osat, joissa lämpötilavaihtelut ja rajoitetut liikkeet aiheuttavat jännitteitä.

Mittaaminen ja mallintaminen: Lämpöjännityksiä voidaan arvioida kokeellisesti ja numeerisesti. Mittausmenetelmät kuten röntgen- tai neutronidifraktio sekä kontuurimenetelmät paljastavat jännitysprofiilit, ja porausmenetelmät voivat antaa paikallisia tuloksia. Laskennassa käytetään termisesti elastista analyysiä ja usein Finite Element Method -sovellutuksia, jotta voidaan optimoida suunnittelua ja prosesseja.

Hallitseminen ja sovellukset: Lämpöjännityksiä voidaan vähentää suunnittelulla, materiaalivalinnoilla ja prosessi-ohjauksella. Keinoja ovat lämpötilagradienten minimoiminen, liitosrakenteiden huolellinen suunnittelu, esijännitykset sekä lämpötilan hallintaan liittyvät käsittelyt, kuten annealing- tai normalointiprosessit. Oikein hallitut lämpöjännitykset parantavat rakenteiden kestävyyttä ja käyttöikää esimerkiksi rakennusteollisuudessa, metalliteollisuudessa ja lisävalmistuksessa.