при какой температуре расширяется металл

Температурный коэффициент линейного расширения металлов, твердых веществ, жидкостей (Таблица)

Температурный коэффициент линейного расширения металлов, твердых веществ, жидкостей (Таблица)

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ металлов и сплавов в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).

Температурный коэффициент линейного расширения твердых веществ

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ твердых веществ в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).

Температурный коэффициент обьемного расширения жидкостей

В таблице приведены средние значения температурного коэффициента обьемного расширения β жидкостей при температуре 20 °С (если не указана иная).

Нагрев алюминия

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева. До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести.

Рисунок 7 – Прочность на растяжение алюминиевого сплава 2014-Т6 при различных температурах испытания [2]

Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.

Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.

При нагреве металл расширяется или сужается

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 106. Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 106, 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.

Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Тепловое расширение металла

Известно, что все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Таким образом, длина l0 какой-то детали после нагрева на температуруt° составит:

где а — коэффициент линейного расширения.

При наблюдении за изменением объема детали используют коэффициент объемного расширения, который определяется как утроенный коэффициент линейного расширения.

Материалы, имеющие большой коэффициент расширения, применяются в приборостроении для деталей автоматически действующих механизмов. При определенной температуре такие детали, удлиняясь, могут включать либо размыкать электрическую цепь.

Минимальный коэффициент линейного расширения имеет сплав Fe — Ni, называемый инваром. Его коэффициент расширения в 8 раз меньше железа.

Теплопроводность металлов

Различные детали теплотехнической аппаратуры — радиаторы автомобилей и самолетов, внутренние стенки рабочих камер холодильных установок, стенки котлов и т.д. — должны обладать способностью хорошо проводить тепло.

Детали и инструменты, подвергающиеся в процессе работы местным разогревай, также должны быстро отдавать это тепло, чтобы не (наступало оплавление.

Способность проводить тепло называется теплопроводностью

Лучшей теплопроводностью обладают чистые металлы, такие, как:

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление – это величина, определяющая электросопротивление эталонного образца материала. Для обозначения этой величины используется греческая буква «р». Формула для расчета:

Эта величина измеряется в Ом*м. Найти её можно в справочниках, в таблицах удельного сопротивления или в сети интернет.

Свободные электроны по металлу двигаются внутри кристаллической решётки. На сопротивление этому движению и удельное сопротивление проводника влияют три фактора:

На следующем рисунке можно увидеть таблицу удельного сопротивления металлов.

Удельное сопротивление металлов

Интересно. Есть сплавы, электросопротивление которых падает при нагреве или не меняется.

Проводимость и электросопротивление

Так как размеры кабелей измеряются в метрах (длина) и мм² (сечение), то удельное электрическое сопротивление имеет размерность Ом·мм²/м. Зная размеры кабеля, его сопротивление рассчитывается по формуле:

Кроме электросопротивления, в некоторых формулах используется понятие «проводимость». Это величина, обратная сопротивлению. Обозначается она «g» и рассчитывается по формуле:

Проводимость жидкостей

Проводимость жидкостей отличается от проводимости металлов. Носителями зарядов в них являются ионы. Их количество и электропроводность растут при нагревании, поэтому мощность электродного котла растёт при нагреве от 20 до 100 градусов в несколько раз.

Интересно. Дистиллированная вода является изолятором. Проводимость ей придают растворенные примеси.

Электросопротивление проводов

Самые распространенные металлы для изготовления проводов – медь и алюминий. Сопротивление алюминия выше, но он дешевле меди. Удельное сопротивление меди ниже, поэтому сечение проводов можно выбрать меньше. Кроме того, она прочнее, и из этого металла изготавливаются гибкие многожильные провода.

Тепловые свойства чугуна

Важная категория физических свойств материала – его тепловые свойства. К ним относятся:

Все они зависят от состава, структуры, а значит от марки сплава. Кроме того, эти свойства металла меняются с изменением его температуры (так называемое правило смещения). Характер этой зависимости и основные физические свойства приведены в таблице.

Теплоемкость (с)

Это количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы его температура возросла на один Кельвин (далее все величины переведены в градус Цельсия).

Теплоемкость зависит от состава сплава, а также от температуры (Т). Чем выше Т, тем больше теплоемкость. Если температура выше Т фазовых превращений, но ниже Т плавления, то

при Т, превышающей температуру плавления:

Объемная теплоемкость (отношение теплоемкости к объему вещества) для приблизительных расчетов принята:

Теплопроводность (λ)

Это количественная характеристика способности тела проводить тепло. Для теплопроводности не действует правило смещения. Температура материала повышается – λ понижается. Она зависит от состава сплава, а в большей степени от его структуры. Вещества, увеличивающие степень графитизации, повышают теплопроводность, а вещества, препятствующие образованию графита, понижают.

Кстати, теплопроводность расплавленного чугуна намного меньше, чем твердого. Но из-за конвекции она больше, чем λ твердого металла.

Теплопроводность для разных марок лежит в пределах:

λ =0,08…0,13 кал/ (см·сек оС)

Теплопроводность и другие теплофизические свойства в зависимости от температуры сплава приведены в конце раздела.

Температуропроводность (α)

Это физическая величина, показывающая, насколько быстро меняется температура тела. Равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости.

Для приблизительных расчетов можно принять:

α=λ для твердого металла (равна его теплопроводности);

α=0,03 см2/сек для жидкого.

Температура плавления

У этого сплава хорошие литейные свойства. Лучше, чем у стали. Жидкотекучесть высокая, а усадка мала (около 1%). Его можно расплавить при температуре на 300-400 градусов ниже чем у стали. Температура плавления чугуна:

Какой он бывает

Структура чугуна – это железная основа с графитовыми (углеродными) вкраплениями. Этот материал различают не по составу, а по форме углерода в нем:

В итоге главное отличие его (кроме белого) от стали — наличие структуре графита. А разная форма графита определяет свойства разных марок.

Условно графитные зерна – это пустоты, трещины, а чугун – это сталь, испещренная микроскопическими трещинами.

Соответственно, чем больше пустот, тем хуже качество металла. Имеет значение также форма и взаиморасположение включений.

Однако нельзя принимать графитные зерна как исключительно вредные. Из-за присутствия графита данный материал легче обрабатывать резанием, стружка становится более ломкой. Кроме того, он хорошо противостоит трению также из-за графита.

Примеси

Конечно, этот металл содержит не только железо и углерод. В него входят те же элементы, что и в стальные сплавы – фосфор, марганец, сера, кремний и другие. Эти добавки косвенно влияют на особенности сплава – они изменяют ход графитизации. Именно от этого параметра и зависят качества материала.

Кроме обычных примесей, чугун может содержать и другие вещества. Это так называемый легированный материал. Хром, молибден, ванадий мешают процессу образования графита. Медь, никель и большинство других веществ, графитизации способствуют.

Технология самостоятельной плавки

Непромышленное выплавление чугуна – процесс очень трудоемкий. Выплавить своими руками отливки заводского качества в кустарных условиях невозможно.

Дома выплавлять этот металл нельзя. Нужно отдельное вентилируемое помещение – гараж, например. Плавку ведут в печах. В промышленности используют доменные печи, вагранки и индукционные печи.

Доменная печь – промышленный агрегат, способный расплавлять металл в огромных масштабах. В ней можно переплавлять железорудное сырье. После запуска она работает без перерыва до 5-6, а то и до 10 лет.

Затем ее останавливают, проводят обслуживание и снова запускают. Расплавление металла проходит в присутствии газов для улучшения качества материала. Для малого и среднего производства такие печи не подходят.

Вагранка – печь шахтного типа, как и доменная. От последней она отличается тем, что в ней не поддерживается специальный состав газов. В ней плавят не руду, а железный лом. Она больше подходит для малого производства.

Инженеру про алюминий

Наиболее привлекательным для инженеров физическим свойством алюминия является его плотность 2,7 г/см3, что составляет всего лишь треть от плотности сталей.

Коррозионная стойкость алюминия

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл.

Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.

Температурное расширение алюминия

Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10-6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей.

Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов.

При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.

Модуль упругости алюминия

Модуль упругости алюминия – 70000 МПа, только треть от модуля упругости сталей. Это влечет за собой существенные последствия для геометрии конструкции, так как прогибы балок, несущая способность колонн, т.е. их боковое выпучивание или местное выпучивание прямо зависят от модуля упругости.

Жесткость алюминиевых профилей

Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их жесткость.

Если стальной профиль заменять на алюминиевый с сохранением его жесткости, то утолщать в три раза все стенки не совсем экономично, так как алюминий легче стали как раз в те же три раза.

Однако облегчение конструкций за счет применения алюминия – это естественное стремление, как по физическим, так и по экономическим причинам.

При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 раза и получите поперечное сечение с моментом инерции почти в три раза больше. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % веса.

При этом в некоторой степени компенсируется потеря жесткости в отношении бокового выпучивания. С учетом того, что часто стандартные стальные профили являются весьма не оптимальными, можно сэкономить и больше чем 50 % веса. Это хорошо видно из рисунка 1.

Если нет ограничений по высоте, и боковое выпучивание не является конструкционным параметром, то можно сэкономить до 60 % веса.

Если жесткость элемента не важна, а прочность стали близка к прочности алюминиевого сплава, то экономия может быть и до 70 %, но это уже окончательный предел возможной экономии веса.

Эти рассуждения приводят ко второму важному моменту. Если момент инерции профиля увеличивается в три раза при увеличении высоты профиля только в 1,4 раза, то момент сопротивления сечения увеличится соответственно в 3:1,4=2,1 раза.

Поэтому напряжения в алюминиевой балке по сравнению со стальной будут в два с лишним раза меньше.

Теперь понятно, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за высокопрочные алюминиевые сплавы, и почему менее легированные алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31) настолько популярны.

Нагрев алюминия

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева.

До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести.

Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.

Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.

Сварка алюминиевых сплавов

Намного серьезней является потеря прочности алюминиевых сплавов при сварке. Здесь температура поднимается настолько высоко из-за локального плавления, что падение прочности вблизи сварного шва надо обязательно принимать во внимание. Термически не упрочняемые сплавы теряют всю свою прочность, полученную при нагартовке, и возвращаются к отожженному состоянию «О».

Термически упрочняемые алюминиевые сплавы в состоянии Т6 теряют приблизительно 40 % их прочности (рисунок 2) за исключением сплава 7020, который теряет только 20 %. Все эти сплавы не доходят до состояния полного отжига, поскольку неизбежен определенный эффект закалки при охлаждении шва.

Требования к прочностным характеристикам материала в зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.

Коррозионная стойкость алюминия

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл. Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость (и усталостную прочность) алюминиевых сплавов [2]

Коэффициент линейного расширения бетона и железа

Коэффицие́нт теплово́го расшире́ния

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

Коэффициент линейного теплового расширения

Например, вода, в зависимости от температуры, имеет различный коэффициент объёмного расширения:

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

Для сталей

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

/ Про Бетон / Коэффициент линейного расширения бетона и железа

В таблице рассмотрены: алюминий Al, медь Cu, сталь, гранит, базальт, кварцит, песчаник, известняк, стеновой кирпич, клинкерный кирпич, силикатный кирпич, легкобетонные камни, газобетонные блоки, бетон, железобетон, цементный раствор, известковый раствор, сложные штукатурки, дерево, параллельно волокнам, стекло.

Следует отметить, что высокий коэффициент теплового расширения свойственен металлам таким, как алюминий, медь или сталь.

Коэффициент теплового линейного расширения показывает на сколько (относительно размера тела) удлинится материал при увеличении его температуры на 1 градус.

По значениям коэффициентов теплового расширения в таблице видно, что указанные строительные материалы и металлы имеют положительный коэффициент линейного расширения, то есть увеличивают свои размеры (расширяются) при нагревании.

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.

Коэффициенты линейного расширения углеродистой стали

Отрицательный коэффициент теплового расширения

Основная статья: Negative thermal expansion

Некоторые материалы при повышении температуры демонстрируют не расширение, а наоборот, сжатие, т. е. 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.

3.2. Термическое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Относительное изменение длины твердых тел и объема твердых, жидких и газообразных тел при повышении температуры на ΔT характеризуется, с одной стороны, средним коэффициентом линейного расширения:

с другой — средним коэффициентом объемного расширения:

Здесь l0 и V0 — длина и объем тела при температуре T0, l и V — те же величины при температуре T.

Предельные значения и при ΔT>0 называются истинным коэффициентом линейного расширения:

и истинным коэффициентом объемного расширения:

Размерность коэффициентов линейного и объемного расширения: К–1, °С–1.

Температурное расширение алюминия

Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10-6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей. Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.

Источник