Thermische Spannungen entstehen, wenn Temperaturänderungen in einem Bauteil zu behinderten thermischen Dehnungen führen. Die temperaturabhängige Längenänderung wird durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten α und die Temperaturdifferenz ΔT beschrieben (ε_th = α·ΔT). Wird diese Dehnung durch Randbedingungen oder Materialinhomogenitäten ganz oder teilweise verhindert, entstehen mechanische Spannungen σ, die im elastischen Bereich näherungsweise mit σ = E·ε_eingespannt beschrieben werden können (E: Elastizitätsmodul).

Thermische Spannungen sind insbesondere bei Temperaturgradienten (z.B. schnelle Aufheiz- oder Abkühlvorgänge), bei Bauteilen aus Werkstoffverbunden mit unterschiedlichen α-Werten (z.B. Metall-Keramik-Verbund, Dünnschichten auf Substraten) sowie bei zyklischer thermischer Beanspruchung relevant. Sie können zur Initiierung von Rissen, Delaminationen oder Kriechverformungen führen und sind eine zentrale Ursache für thermische Ermüdung.

Die Analyse thermischer Spannungen erfolgt typischerweise mittels thermoelastischer Kontinuumsmechanik und Finite-Elemente-Simulationen, wobei die Kopplung zwischen Temperaturfeld, zeitabhängiger Wärmeleitung und mechanischer Antwort berücksichtigt wird. Wichtige Einflussgrößen sind neben α und E das Temperaturprofil, die Erwärmungs-/Abkühlrate, die Geometrie, die chemische und strukturelle Homogenität sowie zeitabhängige Mechanismen wie Kriechen oder Phasenumwandlungen. Werkstoffdesign und Auslegung zielen darauf ab, thermische Spannungen durch geeignete Werkstoffwahl, Gradientenwerkstoffe, konstruktive Anpassungen und kontrollierte Temperaturführung zu minimieren.