На сколько расширяется металл при нагревании

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

На сколько расширяется металл при нагревании

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).

Металл, сплав Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1
Алюминий 2,4
Бронза 13-21
Вольфрам (в интервале температур от 0 до 200 °С) 4,5
Дуралюмин (при 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 (от 20 до 100 °С) 14
Олово 26
Платина 9,1
Платинит** (при t = 20 °С) 41920
Платина-иридий*** (от 20 до 100 °С) 8,8
Свинец 29
Серебро 20
Сталь углеродистая 43009
Цинк 32
Чугун (от 20 до 100 °С). 41952
* Этот сплав имеет весьма малый температурный коэффициент линейного расширения. Используется для изготовления деталей точных измерительных приборов.** Проводниковый материал, коэффициент линейного расширения которого такой же, как и у стекла; применяется при изготовлении электрических ламп.*** Из этого сплава изготовлены прототипы килограмма и метра.

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). 

Вещество Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1
Алмаз 1,2
Бетон (при t = 20 °С) 41913
Гранит (при t = 20 °С) 8
Графит 7,9
Древесина (при t = = 20 °С):
  — вдоль волокон 5,5-5,5
  — поперек волокон 34-60
Кварц плавленый (при * = 40 °С) 0,4
Кирпич (при t = 20 °С) 41885
Лед (в интервале температур от —20 до 0 °С) 51
Парафин (от 16 до 48 °С) 70*
Дуб (от 2 до 34 °С):
  — вдоль волокон 4,9
  — поперек волокон 54,4
Сосна (от 2 до 34 °С):
  — вдоль волокон 5,4
  — поперек волокон 34
Стекло лабораторное 41885
Стекло оконное (от 20 до 200 °С) 10
Фарфор 2,5-4,0
Шифер (при t = 20 °С) 10
* коэффициент объемного расширения парафина.

Температурный коэффициент обьемного расширения жидкостей

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

Жидкость Коэффициента обьемного расширения β, 10-6°С-1
Бензин 1240
Вода 200
Вода (в интервале от 10 до 20 °С) 150
Вода (от 20 до 40 °С) 302
Воздух жидкий (от -259 до -253 °С) 12600
Глицерин 505
Керосин 960
Кислород (от -205 до -184 °С) 3850
Нефть 900
Раствор соли (6%) 300
Ртуть 181
Серная кислота 570
Скипидар 940
Спирт 1080
Эфир 1600
Хлор (в интервале температур от -101 до -34,1 °С)  1410
Примечание. Связь между коэффициентами объемного (β) и линейного (а) расширений определяется следующим соотношением: β = 3а
Читайте также  Маленькая шлифовальная машинка по металлу

Источник: http://infotables.ru/fizika/202-temperaturnyj-koeffitsient-linejnogo-rasshireniya-metallov-tverdykh-veshchestv-zhidkostej-tablitsa

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.

Рисунок 1

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.

Читайте также  Как просверлить стекло обычным сверлом по металлу

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.  

Рисунок 2

 Источник: R. Gitter  Selection of structural alloys, Brussels 2008

Источник: http://aluminium-guide.ru/xarakteristiki-alyuminievyx-splavov/

Свойства металлов — скрытая теплота плавления, теплопроводность, электросопротивление, термический коэффициент линейного расширения

Чтобы расплавить твердое вещество, т.е. перевести его в жидкое состояние, требуется не только нагреть его до температуры плавления, но еще затратить дополнительную тепловую энергию, которая не повышает температуры расплавляемого тела, а идет на разрушение кристаллической структуры.

Пока твердое вещество не перейдет все целиком в жидкое состояние, температура не будет повышаться выше температуры плавления, несмотря на приток тепла и на очень высокую температуру источника тепловой энергии. Повышенная мощность источника тепла может лишь ускорить расплавление, но температура плавящегося вещества будет оставаться постоянной, пока не произойдет его полное расплавление.

Количество тепла, идущего на превращение 1 кг твердого вещества при температуре, называется скрытой теплотой плавления и выражается в больших калориях (см. табл. 1).

Теплопроводность

Свойство металла проводить тепло называется теплопроводностью. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, показывающим, сколько калорий тепла может пройти в единицу времени сквозь 1 см² вещества при разности температур на двух противоположных гранях кубика в 1° (см. табл. 1), и обозначается буквой λ.

Читайте также  Защита металла от коррозии в домашних условиях

Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава, будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчает вес конструкции.

Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.

Электросопротивление

За единицу электрического сопротивления принято сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см. с поперечным сечением 1 см² при 01°С. Эта единица называется омом (обозначается Ω). Чем больше длина проводника и чем меньше поперечное сечение проводника из разных металлов имеют различное сопротивление, что характеризуется удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление показывает, какое сопротивление имеет проводник из данного металла длинной 1м и сечением 1мм² (см. табл. 1).Для всех металлов характерно повышение электросопротивления с повышением температуры в отличие от неметаллических материалов, электросопротивление которых при нагревании уменьшается.

Медь и алюминий, обладая самым малым электросопротивлением из всех металлов (за исключением серебра), являются основными металлами электропроводов.

Металлами и сплавами с высоким сопротивлением пользуются, когда хотят электрическую энергию превратить в тепловую. Количество теплоты, выделяемое в проводнике током определенной силы, прямо пропорционально сопротивлению проводника.

Сплавам для элементов обычных нагревательных приборов (электропечей, плит, чайников, утюгов, электропаяльников) служат нихром и др. Для нити в лампах накаливания применяют вольфрам, который, не плавясь, выдерживает температуру более 2000°. Однако такую нить можно нагревать лишь в вакууме. Кислород воздуха ее окисляет.

Термический коэффициент линейного расширения

Приращение длины предмета на единицу длины при нагревании его на 1° называется термическим коэффициентом линейного расширения α.
Так как коэффициент α очень мал, то в таблицах его значение обычно дается с коэффициентом 10 –6, т.е в миллионных долях первоначальной длины, измеренной при 0°. Свойство металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении необходимо учитывать при изготовлении металлических сооружений и деталей машин.

Коэффициент линейного расширения может считаться почти постоянным при небольших изменениях температуры. При сильном нагревании он может значительно изменять свою величину. Имеются сплавы, обладающие особенно малой величиной α. Например сплав «инвар» (65% Fe и 35% Ni) имеет в пределах от –10 до +90° термический коэффициент линейного расширения α, близкий к нулю; однако при повышении температуры выше 100° он быстро растет.

При застывании отлитых деталей, если тонкие части охлаждаются и сжимаются быстрее, чем толстые, могут получаться трещины там, где возникают вредные внутренние напряжения. Конструктор во избежание трещин должен умело подбирать размеры сечений в отливке.Тепловое расширение имеет большое значение и для сварных конструкций, в которых тоже возникают внутренние напряжения.

Особенно тщательно необходимо учитывать линейное расширение металлов при производстве измерительных и прецизионных (точных) приборов, при изготовлении калибров и деталей машин, работающих при повышенной температуре.

Рубрики: Свойства металлов, применение

Источник: http://www.paxildefects.net/svoiystva-metallov/fiziko-mehanicheskie-svoiystva-metallov-2.html

Понравилась статья? Поделить с друзьями: