Как найти коэффициент линейного расширения метала

Коэффициенты температурного расширения металлов

В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.

Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.

Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 10 6 .
Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 10 6 , это значение составляет 22,8·10 -6 1/град.

Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10 -6 при 0°С до 5,8·10 -6 1/град при температуре 2100°С.

Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10 -6 до 34·10 -6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.

Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.

Источник

Температурный коэффициент линейного расширения стали

Представлены таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения сталей ТКЛР (или ТКР) распространенных марок (более 300 марок стали) при различных температурах в интервале от 27°С до указанной в таблицах. Для отрицательных температур приведены значения истинного коэффициента линейного расширения.

Температурный коэффициент линейного теплового расширения стали численно равен относительному изменению ее линейных размеров при увеличении (снижении) температуры этого сплава на 1 градус Цельсия или Кельвина.

При положительной величине ТКЛР в процессе нагрева сталь увеличивается в размерах (расширяется), при отрицательном значении этого коэффициента — сжимается. Отрицательным ТКЛР сталь обладает при сверхнизких температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15°С). В этих условиях коэффициент линейного расширения стали имеет малое отрицательное значение и практически равен нулю.

При температуре от 27 до 100°С температурный коэффициент линейного расширения стали в среднем составляет от 10 до 18·10 -6 град -1 . Сталь в нагретом состоянии (в зависимости от типа) при 900-1000°С может иметь ТКЛР до 24,6·10 -6 град -1 .

Рассчитаем линейное удлинение балки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т длиной 0,5 метра при повышении ее температуры с 27 до 1027°С. По таблице средний коэффициент линейного расширения стали 12Х18Н10Т в диапазоне температуры 27…1027°С равен 22,3·10 -6 град -1 . Выполним расчет: 22,3·10 -6 ·(1027-27)·0,5=0,0111. Получаем величину линейного удлинения балки 0,0111 м.

Углеродистые стали

В таблице приведены значения коэффициента линейного расширения углеродистой стали в интервале температуры от -173 до 1000°С. При нагревании такой стали ее ТКЛР увеличивается и может достигать 19,8·10 -6 град -1 (для стали У8) в диапазоне температуры 27-650°С.

Поскольку углеродистая сталь почти полностью состоит из железа и не содержит добавок никеля и хрома, ее ТКЛР в значительной мере определяется коэффициентом линейного расширения этого основного компонента. Например, максимальный коэффициент линейного расширения стали 20, как и у железа, составляет 14,8·10 -6 град -1 в диапазоне температуры от 27 до 700°С.

Коэффициенты линейного расширения углеродистой стали

Хромоникелевые низко- и среднелегированные стали

В таблице представлены температурные коэффициенты линейного расширения хромоникелевых низко- и среднелегированных сталей распространенных марок при температурах от -268 до 1000°С.

Наибольшим ТКЛР из рассмотренных в таблице марок обладает хромоникелевая сталь 12Х2Н4А и 12ХН3А, который в диапазоне 27-600°С равен 15,6·10 -6 град -1 .

Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали

Хромистые стали

Хромистые стали имеют коэффициент линейного расширения в среднем от 10 до 13·10 -6 град -1 . Дополнительно стоит отметить стали ШХ15 и 40Х, значение ТКЛР которых составляет 13,4…15,7·10 -6 град -1 .

Коэффициенты линейного расширения хромистой стали

Хромоникелевые стали с содержанием никеля до 20%

В таблице представлены коэффициенты линейного расширения хромоникелевых сталей с содержанием никеля до 20%. К этому типу стали относится значительное многообразие марок, которые обладают широким диапазоном ТКЛР — от 8 до 17,5·10 -6 град -1 при температуре до 100°С и от 10 до 24,6·10 -6 град -1 в диапазоне до 1000°С.

Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали с содержанием никеля до 20%

Хромоникелевые стали и сплавы с содержанием никеля более 20%

Хромоникелевые стали с содержанием никеля более 20% имеют температурный коэффициент линейного расширения до 19,8·10 -6 град -1 (сплав ХН46Б). Сталью такого типа с наименьшим значением ТКЛР является 04ХН40МДТЮ, ее средний коэффициент линейного расширения при температуре до 100°С равен 8,2·10 -6 град -1 .

Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали с содержанием никеля более 20%

Марганцевые и хромомарганцевые стали

В таблице представлены средние значения коэффициентов теплового линейного расширения марганцевых и хромомарганцевых сталей в диапазоне температуры от -269 до 1000°С. Следует отметить, что минимальным ТКЛР при высоких температурах обладает сталь 30ХГСА.

Коэффициенты линейного расширения марганцевой и хромомарганцевой стали

Хромомолибденовые стали

Хромомолибденовые стали по сравнению с другими типами имеют относительно невысокие значения ТКЛР. Коэффициенты линейного расширения стали этого типа имеют величину 9,7…15,5·10 -6 град -1 при температурах до 1000°С.

Коэффициенты линейного расширения хромомолибденовой стали

Хромовольфрамовые и хромованадиевые стали

В таблице приведены средние коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовых и хромованадиевых сталей для интервала температуры от 27 до 1000°С. По данным таблицы видно, что эти типы стали имеют схожие значения ТКЛР.

Коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовой и хромованадиевой стали

Хромокобальтовые стали и сплавы

Хромокобальтовые стали имеют температурный коэффициент линейного расширения 12…17,7·10 -6 град -1 в условиях до 300°С и 15,5…17,8·10 -6 град -1 при высоких температурах. Следует особо отметить сталь 40К44Х20Н20М4В4Б4, средний коэффициент расширения которой практически не меняется в диапазоне от 300 до 1000°С.

Коэффициенты линейного расширения хромокобальтовой стали

Кремнистые, титановые и другие стали и сплавы

В таблице содержаться значения среднего коэффициента линейного расширения титановых, кремнистых и других сталей и сплавов в диапазоне температуры от 27 до 1000°С. Стали рассмотренных типов имеют относительно невысокий ТКЛР, который например у стали Э16 составляет всего 7·10 -6 град -1 при температуре 27-100°С.

Коэффициенты линейного расширения кремнистых, титановых и других сталей и сплавов

1. Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах.
2. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник. Под ред. Неймарка Б.Е. М.-Л.: Энергия, 1967.
3. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.
4. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. М.: Наука, 1982.
5. Солнцев Ю.Н., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. Л.: Машиностроение, 1982.
6. Приданцев М.В. и др. Конструкционные стали. Справочник. М.: Металлургия, 1980.
7. Ульянин Е.А., Сорокина Н.А. Стали и сплавы в криогенной технике. Справочник. М.: Металлургия, 1984.

Источник

Коэффициент теплового расширения
Размерность	Θ−1
Единицы измерения
СИ	К−1
СГС	К−1

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния — физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Коэффициент объёмного теплового расширения[править | править код]

, К ⁻¹ (°C⁻¹) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

Вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

• 0,53⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 5—10 °C);
• 1,50⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 10—20 °C);
• 3,02⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 20—40 °C);
• 4,58⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 40—60 °C);
• 5,87⋅10⁻⁴ К⁻¹ (при температуре 60—80 °C).

Коэффициент линейного теплового расширения[править | править код]

, К ⁻¹ (°C⁻¹) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: . Для изотропных тел и .

Для железа коэффициент линейного расширения равен 11,3×10⁻⁶ K^−1[1].

Для сталей[править | править код]

Таблица значений коэффициента линейного расширения α, 10⁻⁶K^−1[2]

Отрицательный коэффициент теплового расширения[править | править код]

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, то есть имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Для некоторых веществ это проявляется на довольно узком температурном интервале, как, например, у воды на интервале температур 0…+3,984 °С, для других веществ и материалов, например фторид скандия(III), вольфрамат циркония (ZrW₂O₈)^[3], некоторых углепластиков интервал весьма широк. Подобное поведение демонстрирует также обычная резина. При сверхнизких температурах аналогичным образом ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов. Также существуют инварные сплавы (ферро-никелевые), имеющие в некотором диапазоне температур коэффициент теплового расширения, близкий к нулю.

Измерение коэффициента теплового расширения[править | править код]

Приборы для измерения коэффициента теплового расширения жидкостей, газов и твёрдых тел называют дилатометрами.

Примечания[править | править код]

См. также[править | править код]

• Объёмный коэффициент нефти
• Теплота деформации
• Тепловое расширение

Ссылки[править | править код]

• Таблица-справочник для некоторых металлов (PDF)
• Коэффициент линейного расширения сталей по ПНАЭ Г-7-002-86

Версия для печати

Приложение 3. Коэффициент линейного расширения

Таблица 18. Коэффициент линейного расширения

<< назад / к содержанию ГОСТ 14249-89 / вперед >>

Если данный калькулятор был для Вас полезным, пожалуйста нажмите на одну или несколько
социальных кнопочек. Благодарим за Ваш большой вклад в поддержку нашего проекта. Желаем Вам крепкого здоровья, счастья, успехов в профессиональной деятельности и дальнейшего процветания Вашего бизнеса. Огромное спасибо!!!

Больше интересного

Расчет температурного линейного расширения

Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.

К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.

Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.

Как определить температурное линейное расширение

Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:

• коэффициент линейного теплового расширения;
• удлинение по осям Х, Y и Z;
• величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:

• клинкерный и стеновой кирпич;
• дерево;
• штукатурка;
• базальт;
• стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле

dL = a • l • (tmax – tc),
мм, где:

• а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;
• tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;
• tс – температура окружающей среды на момент установки конструкции;
• l – длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.