Lämpötilajäykkyyden

Lämpötilajäykkyyden käsite kuvaa materiaalin tai rakenteen vastustuskykyä lämpötilamuutoksista aiheutuville mekaanisille muutoksille. Siihen kuuluu sekä lämpölaajenemisen aiheuttamat pituuden muutokset että niistä seuraavat jännitykset ja muodonmuutokset. Käytännössä lämpötilajäykkyys riippuu sekä materiaalin mekaanisesta jäykkyydestä (nuo­len kimmokerroin eli Youngin moduli) että sen lämpölaajenemiskertoimesta (α), sekä rakenteen rajoituksista ja kiinnityksistä.

Määritelmän voi käsitteellistää kahdella tavalla. Jos kappale on vapaasti muotoutuva, lämpötilamuutos ΔT aiheuttaa pituuden muutoksen ΔL = α L ΔT. Jos kappale on kiinnitetty ja estää pituuden muutoksen, lämpötilan nousu synnyttää jännityksen σ = E α ΔT. Näin lämpötilajäykkyys voidaan kuvata esimerkiksi vasteena pituusmuutoksesta (dδ/dT) tai sisäisen jännityksen muutoksena (σ/ΔT) lämpötilan funktiona.

Materiaaleilla ja rakenteilla on erilainen lämpötilajäykkyys. Korkean jäykkyyden ja matkan α-yhdistelmä, kuten teräksillä tai keraameilla, voi tuottaa suuria jännitteitä lämpötilan muuttuessa, jos kiinnitykset ovat jäykissä. Materiaalien annos- ja rakennesuhteet sekä lämpötilan vaihtelun nopeus vaikuttavat kokonaisjäykkyyteen. Ammatillisesti tarkasteltuna lämpötilajäykkyys on keskeinen tekijä esimerkiksi tarkkuuslaitteiston, optiikan ja avaruusrakenteiden suunnittelussa.

Sovelluksissa lämpötilajäykkyyttä pyritään parantamaan athermal designin avulla, valitsemalla materiaaleja, joiden lämpölaajenemiset vastaavat toisiaan tai rakenteen lämpötilanhallintaa lisäämällä. Tavoitteena on minimoida lämpötilamuutosten vaikutus toleransseihin ja toimintaan.