В статье рассмотрим коэффициент расширения нержавеющей стали при нагревании и представим таблицу с температурными напряжениями, возникающими из-за теплового расширения и сокращения. Понимание этих характеристик важно для инженеров и специалистов в области материаловедения, так как позволяет предсказать поведение нержавейки в различных температурных условиях, что способствует более эффективному проектированию и эксплуатации изделий из этого материала.
Коэффициент линейного расширения бетона и железа
В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ для твердых материалов в диапазоне 0–100 °C, если не указана другая температура.
Эксперты в области материаловедения подчеркивают важность понимания коэффициента расширения нержавеющей стали при нагревании, так как это напрямую влияет на проектирование и эксплуатацию конструкций. При изменении температуры нержавеющая сталь расширяется, что может вызывать температурные напряжения в соединениях и элементах конструкции. В таблицах, содержащих данные о коэффициентах расширения для различных марок нержавеющей стали, можно увидеть, что значения варьируются в зависимости от состава сплава. Это знание позволяет инженерам более точно рассчитывать тепловые деформации и выбирать оптимальные решения для предотвращения повреждений. Таким образом, правильное использование этих данных способствует повышению надежности и долговечности изделий из нержавеющей стали в условиях температурных колебаний.
Для сталей
| Марка стали | 20—100 °C | 20—200 °C | 20—300 °C | 20—400 °C | 20—500 °C | 20—600 °C | 20—700 °C | 20—800 °C | 20—900 °C | 20—1000 °C |
| 08кп | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 08 | 12,5 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 12,7 | 13,8 |
| 10кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,9 | 15,1 | 15,3 | 14,7 | 14,8 | 12,6 |
| 10 | 11,6 | 12,6 | — | 13,0 | — | 14,6 | — | — | — | — |
| 15кп | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 15 | 12,4 | 13,2 | 13,9 | 14,4 | 14,8 | 15,1 | 15,3 | 14,1 | 13,2 | 13,3 |
| 20кп | 12,3 | 13,1 | 13,8 | 14,3 | 14,8 | 15,1 | 20 | — | — | — |
| 20 | 11,1 | 12,1 | 12,7 | 13,4 | 13,9 | 14,5 | 14,8 | — | — | — |
| 25 | 12,2 | 13,0 | 13,7 | 14,4 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | 12,7 | 12,4 | 13,4 |
| 30 | 12,1 | 12,9 | 13,6 | 14,2 | 14,7 | 15,0 | 15,2 | — | — | — |
| 35 | 11,1 | 11,9 | 13,0 | 13,4 | 14,0 | 14,4 | 15,0 | — | — | — |
| 40 | 12,4 | 12,6 | 14,5 | 13,3 | 13,9 | 14,6 | 15,3 | — | — | — |
| 45 | 11,9 | 12,7 | 13,4 | 13,7 | 14,3 | 14,9 | 15,2 | — | — | — |
| 50 | 11,2 | 12,0 | 12,9 | 13,3 | 13,7 | 13,9 | 14,5 | 13,4 | — | — |
| 55 | 11,0 | 11,8 | 12,6 | 13,4 | 14,0 | 14,5 | 14,8 | 12,5 | 13,5 | 14,4 |
| 60 | 11,1 | 11,9 | — | 13,5 | 14,6 | — | — | — | — | — |
| 15К | — | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,0 | — | — | — | — |
| 20К | — | 12,0 | 12,8 | 13,6 | 13,8 | 14,2 | — | — | — | — |
| 22 | 12,6 | 12,9 | 13,3 | 13,9 | — | — | — | — | — | — |
| А12 | 11,9 | 12,5 | — | 13,6 | 14,2 | — | — | — | — | — |
| 16ГС | 11,1 | 12,1 | 12,9 | 13,5 | 13,9 | 14,1 | — | — | — | — |
| 20Х | 11,3 | 11,6 | 12,5 | 13,2 | 13,7 | — | — | — | — | — |
| 30Х | 12,4 | 13,0 | 13,4 | 13,8 | 14,2 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | 12,8 | 13,8 |
| 35Х | 11,3 | 12,0 | 12,9 | 13,7 | 14,2 | 14,6 | — | — | — | — |
| 38ХА | 11,0 | 12,0 | 12,2 | 12,9 | 13,5 | — | — | — | — | — |
| 40Х | 11,8 | 12,2 | 13,2 | 13,7 | 14,1 | 14,6 | 14,8 | 12,0 | — | — |
| 45Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | — | — | — | — | — | — | — |
| 50Х | 12,8 | 13,0 | 13,7 | — | — | — | — | — | — | — |
Интересные факты
Вот несколько интересных фактов о коэффициенте расширения нержавеющей стали при нагревании и температурных напряжениях:
-
Коэффициент расширения: Нержавеющая сталь имеет коэффициент линейного расширения, который составляет примерно 16-20 × 10^-6 /°C. Это означает, что при нагревании на 100°C, длина стального изделия может увеличиться на 1.6-2.0 мм на каждый метр длины. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании конструкций, чтобы избежать деформаций и повреждений.
-
Температурные напряжения: При резком изменении температуры в нержавеющей стали могут возникать температурные напряжения. Эти напряжения могут привести к трещинам или деформациям, особенно в сварных соединениях. Поэтому важно контролировать скорость нагрева и охлаждения, а также использовать специальные технологии сварки, чтобы минимизировать риск.
-
Применение в различных условиях: Нержавеющая сталь используется в различных отраслях, включая строительство, автомобилестроение и пищевую промышленность. В каждой из этих областей важно учитывать коэффициент расширения и температурные напряжения, особенно в условиях, где материалы подвергаются значительным температурным колебаниям, например, в трубопроводах для горячих жидкостей или в конструкциях, подверженных солнечному нагреву.
Коэффициенты теплового расширения
| Металл, сплав | Коэффициент линейного расширения ɑ, 10-6°С-1 |
| Алюминий | 2,4 |
| Бронза | 13-21 |
| Вольфрам (0-200 °С) | 4,5 |
| Дуралюмин (t = 20 °С) | 23 |
| Золото | 14 |
| Железо | 12 |
| Инвар* | 1,5 |
| Иридий | 6,5 |
| Константан | 42339 |
| Латунь | 17-19 |
| Манганин | 18 |
| Медь | 17 |
| Нейзильбер | 18 |
| Никель | 14 |
| Нихром (20-100 °С) | 14 |
| Олово | 26 |
| Платина | 9,1 |
| Платинит** (t = 20 °С) | 41920 |
| Платина-иридий* (20-100 °С) | 8,8 |
| Свинец | 29 |
| Серебро | 20 |
| Углеродистая сталь | 43009 |
| Цинк | 32 |
| Чугун (20-100 °С) | 41952 |
- Инвар имеет низкий коэффициент линейного расширения, используется в высокоточных измерительных приборах.
* Платинит совпадает по коэффициенту линейного расширения со стеклом; применяется в производстве электрических ламп.
** Сплав, из которого изготовлены эталоны килограмма и метра.
В таблице указаны средние значения коэффициентов теплового линейного расширения марганцевых и хромомарганцевых сталей в диапазоне от -269 до 1000 °С.
Теплопроводность алюминиевых сплавов
Под действием изменения температур изменяется размер промышленных и коммунальных изделий. Это касается труб, конструкций, оборудования и сооружений. Далее будет рассмотрен вопрос компенсации сжатия и теплового расширения.
Существует 3 основных метода компенсации перемещений трубопровода:
Выбор метода компенсации зависит от наличия других коммуникаций, особенностей ландшафта, типа трубопроводной системы и других факторов.
Расчеты
На первом этапе решения вопроса компенсации температурного перемещения трубопровода вычисляют точное изменение длины системы трубопровода. Расчеты ведутся в соответствии с условиями безопасности, которые предъявляются к трубопроводу.
Показатель ∆t обозначает разницу значений между максимальным значением температуры рабочей среды и минимальным, выражается в оС.
Для того чтобы узнать коэффициент температурного расширения необходимо обратиться к таблице линейного расширения труб. Коэффициенты различаются в зависимости от используемого для производства труб материала.
Рассмотрим пример:
Исходные данные: диаметр трубопровода — 219 мм, материал — черная углеродистая сталь, длина — 100 м. Минимальная температура (tmin) — -20°C, максимальная (tmax) — 140°C.
Расчет: ∆t = 140 – (-20) = 160°C. Изменение длины трубопровода: ∆L = 0,0115 × 160 × 100 = 184 мм.
Если тепловое расширение трубопровода (∆L) превышает возможности компенсаторов, длину трубопровода нужно уменьшить в соответствии с компенсирующей способностью и выбрать подходящий сильфонный компенсатор.
Влияние температуры на механические свойства нержавеющей стали
Нержавеющая сталь, как и многие другие материалы, подвержена изменениям своих механических свойств при изменении температуры. Эти изменения могут существенно влиять на поведение стали в различных условиях эксплуатации, особенно в тех случаях, когда она подвергается нагреванию. Одним из ключевых аспектов, связанных с изменением температуры, является коэффициент расширения, который определяет, насколько материал увеличивается в размерах при нагревании.
Коэффициент линейного расширения нержавеющей стали обычно составляет от 10 до 20 × 10-6 °C-1, в зависимости от конкретного сплава и его состава. Это значение указывает на то, что при повышении температуры на 1 °C длина стального изделия увеличивается на 10-20 микрон на каждый метр длины. Важно отметить, что разные марки нержавеющей стали могут иметь различные коэффициенты расширения, что необходимо учитывать при проектировании и производстве изделий.
При нагревании нержавеющая сталь не только расширяется, но и изменяет свои механические свойства. Например, с увеличением температуры снижается прочность и жесткость материала, что может привести к деформациям и даже разрушению конструкции, если не учитывать эти факторы. В то же время, некоторые виды нержавеющей стали, такие как аустенитные, могут сохранять свою пластичность даже при высоких температурах, что делает их более устойчивыми к термическим воздействиям.
Температурные напряжения, возникающие в результате неравномерного нагрева или охлаждения, могут привести к образованию трещин и других дефектов в материале. Это особенно актуально для сварных соединений, где различия в температуре могут быть значительными. Поэтому при проектировании конструкций из нержавеющей стали необходимо учитывать не только коэффициент расширения, но и возможные температурные напряжения, чтобы избежать негативных последствий.
Для более точного понимания поведения нержавеющей стали при нагревании, инженеры и конструкторы часто используют таблицы, в которых указаны значения коэффициента расширения для различных марок стали при разных температурах. Эти таблицы помогают в расчетах и проектировании, позволяя заранее предсказать, как будет вести себя материал в условиях эксплуатации.
Таким образом, влияние температуры на механические свойства нержавеющей стали является важным аспектом, который необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации изделий из этого материала. Знание коэффициента расширения и понимание температурных напряжений помогут избежать потенциальных проблем и обеспечить надежность конструкций.
Вопрос-ответ
Каков коэффициент теплового расширения нержавеющей стали?
Коэффициент теплового расширения нержавеющей стали 304 (10 -6 / К): 17,2 (0-100 ℃), 17,8 (0-300 ℃), 18,4 (0-500 ℃).
Как посчитать расширение металла при нагреве?
Условные обозначения: α – коэффициент линейного расширения при расчетной температуре (коэффициент температурного расширения материала). Определение: коэффициент температурного расширения характеризует относительную величину изменения линейных размеров тела с изменением температуры α = ΔL/LΔT. ВАЖНО!
На сколько расширяется труба при нагреве?
При нагреве на 50 °С каждые 100 м трубы увеличатся на 52 мм. Нержавеющая сталь – КЛР равняется 0,012 мм/м. Реальное удлинение составит 55 мм на 100 м трубы. Медь – линейное расширение составляет около 0,017 мм/м.
Советы
СОВЕТ №1
Изучите таблицы коэффициентов расширения для различных марок нержавеющей стали, чтобы выбрать подходящий материал для вашего проекта. Это поможет избежать проблем с температурными напряжениями при нагревании.
СОВЕТ №2
При проектировании конструкций из нержавейки учитывайте возможность теплового расширения. Оставляйте зазоры и используйте соединения, которые могут компенсировать изменения длины при изменении температуры.
СОВЕТ №3
Проводите тестирование на температурные напряжения в условиях, близких к реальным, чтобы понять, как выбранный вами материал будет вести себя при нагревании. Это поможет избежать неожиданных деформаций и повреждений в будущем.
СОВЕТ №4
Обратите внимание на условия эксплуатации нержавейки, такие как температура и среда, в которой она будет использоваться. Это поможет вам выбрать правильный коэффициент расширения и минимизировать риски, связанные с температурными напряжениями.
