Коэффициент температурного расширения стали

Просто о сложном на тему: Коэффициент температурного расширения стали с объяснением простыми словами. Если что-то не понятно, то вы всегда можете задать вопрос нашему дежурному юристу.

Физика > Расширение площади

Изучите коэффициент теплового расширения тел в физике: закон и как определить, размер тела и изменения температуры, линейное тепловое расширение, формула.

Объекты расширяются во всех измерениях. Их площади, объемы, а также длины возрастают с температурой.

Задача обучения

  • Вывести коэффициент теплового расширения площади в виде уравнения.

Основные пункты

  • Коэффициент теплового расширения площади объединяет изменение площади материала с переменами в температуре: 
  • Соотношение между площадью и коэффициентом линейного теплового расширения: αA = 2αL.
  • Коэффициент функционирует как приближение только в узком температурном интервале.

Термин

  • Коэффициент линейного теплового расширения – дробное изменение длины на градус перемены температуры.

Объекты расширяются во всех измерениях. Поэтому можно взять расширения для 1D и увеличить до 2-х или 3-х. Получается, что их площади, длины и объемы увеличиваются с температурой.

Поразмышляем

Представьте, что перед вами расположен прямоугольный металлический лист с круглым отверстием посредине. Если металл нагреть, то кусок увеличится из-за теплового расширения. Но что будет с отверстием? Хорошо, давайте возьмем точно такой же лист без отверстия. Нарисуйте на нем круг. Что вы видите? Да, он стал больше. Поэтому и отверстие также увеличится.

Коэффициент температурного расширения стали 151

С ростом температурного показателя объекты расширяются во всех направлениях. На чертежах видно, что сплошные линии и расширенные границы с пунктирами отмечают исходные границы тел. (а) – Площадь возрастает, потому что растут длина и ширина. (b) – Если убрать заслонку, отверстие увеличится с повышением температуры

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения соединяет перемены в площади с изменением температурного показателя. Это дробное изменение площади на градус перемены температуры. Опустив давление, получаем:

 – скорость изменения области на единицу перемены температуры). Перемены линейного вычисления: ΔA/A = αAΔT. Это уравнение функционирует, пока коэффициент линейного расширения не сильно изменится по сравнению с изменением температуры ΔT. Если так, формулу нужно интегрировать.

Читайте так же:  Сколько времени дается на примирение при разводе

Соотношение с коэффициентом линейного теплового расширения

Для изотропных материалов коэффициент линейного теплового расширения достигает половины коэффициента площади. Чтобы получить соотношение, возьмем стальной квадрат с длиной сторон L. Исходная область – A = L2, а новая площадь после повышения температуры:

A + ΔA = (L + ΔL)2 = L2 + 2LΔL + (ΔL)2 ≈ L2 + 2LΔL = А + 2A • ΔL/L .

Аппроксимация осуществляется для малой ΔL, подверженной риску L. Поскольку ΔA/A = 2 ΔL/L, получаем αA = 2αL.

Области применения сплавов с заданным ТКЛР приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Область применения сплавов с заданным ТКЛР

Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является сплав 36Н. Инвар имеет самые низкие значения в интервале температур от –100 до +100°С. Благодаря высокому уровню механических свойств и технологичности инвар используется в качестве конструкционного материала для деталей, от которых требуется постоянство размеров при меняющихся температурных условиях эксплуатации. Из инвара изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, перекачивающие сжиженные газы в криогенных установках. Малая величина ТКЛР позволяет уменьшить напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов для компенсации деформации, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Для обеспечения минимально возможного ТКЛР и наибольшей стабильности размеров содержание углерода в сплавах инварного состава не должно превышать 0,05 %. Более высокое содержание углерода приводит к изменению параметров кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса. Для спаев со стеклом повышенное содержание углерода приводит к выделению СО2 в процессе впаивания и образованию газовых пузырей в стекле.

В таблице 4.2 приведены составы и свойства сплавов с регламентированными значениями ТКЛР, нашедших наиболее широкое применение. Значения ТКЛР приведены в состоянии после отжига при температуре ~ 900оС с последующим медленным охлаждением.

ТКЛР сплавов зависит от предварительной обработки. Минимальное значение коэффициента инвара достигается после закалки от 830оС, в результате которой примеси переходят в твердый раствор, и отпуска при 315оС. Холодная деформация также способствует снижению ТКЛР. В результате комбинации обеих обработок он становится почти равным нулю.

Читайте так же:  За сколько времени нужно подавать заявление в ЗАГС

Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малы ми добавками меди позволяет дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

В электровакуумных газоразрядных и полупроводниковых приборах широко используют спаи металлов с такими диэлектриками, как стекло и керамика. Для обеспечения герметичности и вакуумной плотности спаев необходимо соответствие ТКЛР материалов соединяемой пары в эксплуатационном интервале температур. Во избежание напряжений и трещин значение ТКЛР сплава должно быть максимально приближено к ТКЛР диэлектрика и строго регламентировано. Для определения пригодности спаев металлов со стеклом используют чувствительный метод – измерение в поляризованном свете упругих напряжений, имеющихся в спае.

Состав сплавов для пайки и сварки со стеклом подбирают таким образом, чтобы ТКЛР стекла и металла были близки во всем интервале температур вплоть до размягчения стекла. Ковар применяют для соединения с термостойкими стеклами, а платинит – с обычными легкоплавкими стеклами, применяемыми в электровакуумной промышленности. На рисунке 4.3 приведен характер линейного расширения двух разных сортов стекла и соответствующих им сплавов.

Стали с определенным тепловым расширением служат также для изготовления термобиметаллов, когда слой с низким тепловым расширением («пассивный слой») путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепловым расширением («активный слой»). Биметаллические пластины используют в качестве терморегулятора в приборостроении. Нагрев такой пластинки приводит к ее искривлению, позволяющему разомкнуть электрическую цепь.

Рисунок 4.3 – Температурные зависимости относительного изменения длины легко- (1) и тугоплавкого (2) стекла и сплавов Fe – Ni и Fe – Ni – Co.

Основным свойством термобиметаллов является термочувствительность, т. е. способность изгибаться при изменении температуры. В качестве пассивной составляющей обычно применяют инвар 36Н с ТКЛР равным 1,5*10–6 К–1, а в качестве активной – Fe-Ni сплавы с ТКЛР около 20*10–6 К–1, содержащие 8 – 27 % Ni, дополнительно легированные Сr, Мn, Мо.

Широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni, у которых коэффициент линейного расширенияпри температурах -100 до 100С с увеличением содержания никеля до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600-700С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов.

Читайте так же:  Куда обращаться при потере паспорта гражданина РФ?

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.

Сплавы с эффектом “памяти формы”

Видео (кликните для воспроизведения).

Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект “памяти формы”), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость).

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами “памяти формы”: Ni-Al,Ni-Co,Ni-Ti,Cu-Al,Cu-Al-Niи др.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект “памяти формы” в соединенииNiTiможет повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (в=7701100МПа,т=300500МПа), пластичностью (=10015%), коррозийной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях.

Тугоплавкие металлы и их сплавы

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb,Mo,Cr,TaиW.

Их применяют при строительстве ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500-2000С.

Тугоплавкие металлы и их сплавы используют в основном как жаропрочные.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал — высокопластичные материалы и хорошо свариваются.

Сплав на основе ниобия ВН2А — t=1200C,в=850МПа.

Сплав на основе молибдена ЦМ3 — t=1200С,в=500МПа,100=180МПа.

Сплав на основе вольфрама ВВ2 — t=1200С,в=130МПа,100=80МПа.

Титан и сплавы на его основе Титан

Титан — металл серого цвета. Температура плавления титана (16685)С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882С существует-титан (плотность 4.505г/см3), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а=0.2951нм и с=0.4684нм (с/м=1.587), а при более высоких температурах --титан (при 900С плотность 4.32г/см3), имеющий решетку, период которой а=0.3282нм. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00, ВЕ1-0.

Читайте так же:  Льготная пенсия по вредности

Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe,Al,Mn,Cr,Sn,V,Siповышает его прочность (в,0.2), но одновременно снижает пластичность () и вязкость (KCU). Жаропрочность повышаютAl,Zr,Mo, а коррозийную стойкость в растворах кислот -Mo,Zr,Nb,TaиPd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Сплав ВТ14 (Al- 5.5%,V- 1.2%,Mo- 3.0%) -в=900-1050МПа,=10%,KCU=0.5МДж/м2,-1=400МПа.

Широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe-Ni, у которых коэффициент линейного расширенияпри температурах -100 до 100С с увеличением содержания никеля до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600-700С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов.

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом, применяют более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ.

Сплавы с эффектом “памяти формы”

Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект “памяти формы”), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость).

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами “памяти формы”: Ni-Al,Ni-Co,Ni-Ti,Cu-Al,Cu-Al-Niи др.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект “памяти формы” в соединенииNiTiможет повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (в=7701100МПа,т=300500МПа), пластичностью (=10015%), коррозийной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях.

Тугоплавкие металлы и их сплавы

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb,Mo,Cr,TaиW.

Их применяют при строительстве ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500-2000С.

Тугоплавкие металлы и их сплавы используют в основном как жаропрочные.

Читайте так же:  Наставление по боевой подготовке

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал — высокопластичные материалы и хорошо свариваются.

Сплав на основе ниобия ВН2А — t=1200C,в=850МПа.

Сплав на основе молибдена ЦМ3 — t=1200С,в=500МПа,100=180МПа.

Сплав на основе вольфрама ВВ2 — t=1200С,в=130МПа,100=80МПа.

Титан и сплавы на его основе Титан

Титан — металл серого цвета. Температура плавления титана (16685)С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882С существует-титан (плотность 4.505г/см3), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а=0.2951нм и с=0.4684нм (с/м=1.587), а при более высоких температурах --титан (при 900С плотность 4.32г/см3), имеющий решетку, период которой а=0.3282нм. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00, ВЕ1-0.

Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe,Al,Mn,Cr,Sn,V,Siповышает его прочность (в,0.2), но одновременно снижает пластичность () и вязкость (KCU). Жаропрочность повышаютAl,Zr,Mo, а коррозийную стойкость в растворах кислот -Mo,Zr,Nb,TaиPd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Сплав ВТ14 (Al- 5.5%,V- 1.2%,Mo- 3.0%) -в=900-1050МПа,=10%,KCU=0.5МДж/м2,-1=400МПа.

Видео удалено.
Видео (кликните для воспроизведения).

Источники:

  1. Берус, Виталий А.С. Лаппо-Данилевский. История. Философия. Методология / Виталий Берус. — М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2014. — 160 c.
Коэффициент температурного расширения стали
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here