Suntem în curs de traducere a magazinului nostru în limba română!
Deoarece avem multe produse și pagini, va dura ceva timp. Între timp, catalogul nostru de produse va fi în limba engleză. Vă mulțumim pentru răbdare!
Tutorial: Coeficienți de expansiune a materialelor - Teoria științelor materialelor
Coeficienții de expansiune a materialelor joacă un rol crucial în știința materialelor. Coeficienții de expansiune descriu modul în care dimensiunile unui material se modifică sub influența fluctuațiilor de temperatură. Acest articol oferă o introducere cuprinzătoare asupra subiectului, incluzând noțiunile de bază ale expansiunii termice, factorii de influență și diferitele metode de măsurare. De asemenea, comparăm coeficienții tipici de expansiune ai claselor de materiale și explicăm utilizările acestora în diverse industrii. În cele din urmă, abordăm stresul termic și modalitățile de a preveni deteriorarea cauzată de diferențele de temperatură din materiale.
Utilizarea și importanța coeficienților de expansiune
La proiectarea și fabricarea de utilaje și sisteme, cunoașterea coeficienților de expansiune a materialelor joacă un rol esențial, deoarece aceștia se referă la ingineria mecanică și construcția de utilaje personalizate.
- Precizie și acuratețe dimensionale: În ingineria mecanică, precizia are o importanță deosebită, în special pentru construirea de unelte pentru aplicații de ștanțare și turnare prin injecție, precum și pentru echipamente de precizie. Coeficienții de expansiune ai materialelor utilizate trebuie luați în considerare pentru a vă asigura că aceste componente își mențin gradul de acuratețe dimensională pe măsură ce temperaturile se modifică. Înțelegerea proprietăților de expansiune termică ajută inginerii să ia în considerare dimensiunile și toleranțele precise și să asigure precizia dimensională a componentelor și utilajelor.
- Montare și asamblare: Atunci când proiectați utilaje, piesele trebuie adesea îmbinate folosind diverse materiale, cum ar fi șuruburi, bolțuri sau ajustaje presate. Coeficienții de expansiune ai materialelor trebuie să fie compatibili pentru a evita tensiunile și deformările nedorite în timpul funcționării. Conceptul și asamblarea adecvate, luând în considerare expansiunea termică, sunt aspecte esențiale pentru asigurarea unei conexiuni sigure și permanente.
- Ghidaje liniare și lagăre plane: La utilajele care folosesc ghidaje liniare sau lagăre plane, este important să se ia în considerare expansiunea termică a șinelor de ghidare sau a elementelor de ghidare. Coeficienții de expansiune ai ghidajelor trebuie potriviți cu cei ai carcasei sau structurii înconjurătoare pentru a asigura o mișcare lină și o funcționalitate consecventă.
- Compensarea temperaturii: În unele aplicații de inginerie mecanică, temperaturile de funcționare se pot schimba semnificativ, cum ar fi în cazul topitoriilor sau al proceselor ce presupun temperaturi ridicate. Cunoașterea coeficienților de expansiune ai materialelor utilizate face posibilă dezvoltarea sistemelor de compensare termică, care să reducă nivelurile de deformare sau deteriorare ale utilajelor și componentelor în situații de temperaturi în schimbare.
Coeficienți de expansiune tipici pentru lungimea materialului
Coeficienții de expansiune a materialelor pot varia foarte mult în funcție de clasa de materiale.
Metal
Metalele au de obicei un coeficient de expansiune liniar relativ ridicat.
- Coeficient de expansiune aluminiu: 23 x 10-6 K-1
- Coeficient de expansiune cupru: 16.5 x 10-6 K-1
- Coeficient de expansiune fier: 12 x 10-6 K-1
- Coeficient de expansiune oțel: 12 x 10-6 K-1
- Coeficient de expansiune nichel: 13 x 10-6 K-1
Notă: Aceste informații servesc strict ca referință.
Polimeri
Polimerii au de obicei un coeficient de expansiune semnificativ mai mare față de metale.
| Material | Coeficient de expansiune [x 10-6 K-1] |
|---|---|
| Polietilenă (PE) | 100 până la 250 |
| Polipropilenă (PP) | 100 până la 200 |
| Polistiren (PS) | 50 până la 100 |
| Clorură de polivinil (PVC) | 50 până la 80 |
Notă: Aceste informații servesc strict ca referință.
Materiale compozite
Compozitele sunt compuse din mai multe componente de material legate împreună într-o matrice. Coeficienții de expansiune ai materialelor compozite pot varia foarte mult și depind de proporțiile componentelor individuale.
Este important de reținut că materialele plastice pot avea și coeficienți de expansiune negativi. Modificările de temperatură creează stres în aceste componente, fapt ce poate avea avantaje și dezavantaje.
Fundamentele expansiunii termice
Expansiunea termică este un fenomen fizic fundamental, care determină modificarea dimensiunilor unui material atunci când este expus la modificări de temperatură. Acest efect apare din cauza mișcării atomilor sau moleculelor din material. Pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică medie a particulelor crește, având ca rezultat expansiunea materialului.
Coeficientul de expansiune liniară este un parametru fizic care indică cât de mult se modifică lungimea unui material per unitate de lungime atunci când este expus la o modificare de temperatură. Cuantifică expansiunea liniară a unui material de-a lungul unei direcții particulare, cum ar fi de-a lungul unei axe, al unui fir sau al unei tijă.
În mod formal, coeficientul de expansiune liniară (αL) este definit ca modificarea relativă a lungimii (ΔL/L0) unui material per modificare de temperatură (dT). Definiția este:
\alpha_L = \frac{\frac{\Delta L}{L_0}}{d T}
- αL ist der lineare Ausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔL ist die Änderung der Länge des Materials in einer bestimmten Richtung.
- L0 ist die ursprüngliche Länge des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C)
O valoare pozitivă a coeficientului de expansiune liniară înseamnă că materialul se extinde și se alungește pe măsură ce temperatura crește. O valoare negativă ar însemna că materialul se micșorează și se contractă pe măsură ce temperatura crește. Majoritatea materialelor au un coeficient de expansiune liniară pozitiv, ceea ce înseamnă că se extind atunci când sunt încălzite și se contractă din nou când sunt răcite.
Coeficientul de expansiune liniară variază de obicei în funcție de temperatură. O anomalie de expansiune poate avea loc în vecinătatea transformărilor de fază – de exemplu, în timpul topirii sau solidificării. Această anomalie este cauzată de modificări ale structurii sau stării de agregare a materialului și este cunoscută în termodinamică drept punct critic sau punct de conversie. Acest punct critic poate fi crucial atunci când vine vorba de proiectarea componentelor sau echipamentelor, deoarece trebuie să se acorde o atenție suplimentară pentru a evita daunele cauzate de stresul termic.
Exemplu de calcul pentru coeficientul de expansiune termică
Un dilatometru este utilizat pentru a examina un eșantion de testare cu o lungime de 0,1 m, realizat din oțel, la temperatura de referință de 20 °C. La 35°C, materialul are o lungime de 0,100018 m.
\alpha_L = \frac{\frac{\Delta L}{L_0}}{d T}
\alpha_{L,Stahl} = 12 \times 10^{-6} K^{-1}
Expansiune liniară
Expansiunea liniară descrie modificarea lungimii unui material într-o anumită direcție atunci când este supus unei schimbări de temperatură. Acest tip de expansiune are loc în materiale care au o formă geometrică particulară, cum ar fi tije, fire sau conducte. Expansiunea liniară înseamnă că materialul se extinde de-a lungul unei axe sau linii.
- L0 - Lungimea originală
- L1 - Lungimea după expansiune
- ΔL - Modificarea lungimii
Coeficientul de expansiune liniară (αL) cuantifică acest tip de expansiune și indică cât de mult se modifică lungimea unui material per unitate de lungime per Kelvin (K) sau grade Celsius (°C). Un coeficient αL pozitiv înseamnă că materialul se extinde pe măsură ce temperatura crește, în timp ce un coeficient αL negativ indică faptul că materialul se contractă pe măsură ce temperatura crește.
Expansiunea suprafeței materialelor în timpul schimbărilor de temperatură
Expansiunea suprafeței descrie modificarea de arie a suprafeței unui material din timpul schimbărilor de temperatură. Acest lucru se întâmplă cu materiale care au forme plate și bidimensionale, precum plăci sau tablă.
Expansiunea zonei este o combinație de expansiune liniară în două direcții ortogonale.
- W0 - Lățimea originală
- W1 - Lățimea după expansiune
- ΔW - Modificarea lungimii
- L0 - Lungimea originală
- L1 - Lungimea după expansiune
- ΔL - Modificarea lungimii
Coeficientul de expansiune a zonei (αA) indică cât de mult se modifică suprafața unui material per unitate de suprafață per Kelvin sau grade Celsius. Acesta este asociat cu coeficientul de expansiune liniară (αL) și dimensiunea materialului.
Coeficientul de expansiune a zonei este calculat pe baza modificării zonei, a zonei de pornire și a modificării temperaturii:
Coeficient de expansiune a zonei αA
\alpha_A = \frac{\frac{\Delta A}{A_0}}{d T}
- αA ist der lineare Flächenausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔA ist die Änderung der Fläche des Materials in einer bestimmten Richtung.
- A0 ist die ursprüngliche Fläche des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C).
\alpha_A = 2 \times \alpha_L
Exemplu de calcul pentru coeficientul de expansiune termică a cuprului
O foaie de cupru cu o grosime neglijabilă are o suprafață originală A0 de 0,5 m x 1 m. Coeficient de expansiune αL este de 16,5 x 10-6 K-1. Temperatura crește cu 20 K.
A_1 = A_0 + \alpha_A \times A_0 \times \Delta T
A_1 = 0.50027 m^2
Expansiunea în volum a materialelor
Expansiunea volumului descrie modificarea volumului unui material în timpul schimbărilor de temperatură. Acest lucru este relevant pentru materialele care au o formă tridimensională, cum ar fi cuburile sau sferele. Expansiunea volumului este o combinație de expansiune liniară în trei direcții ortogonale.
Coeficientul de expansiune a volumului (αV) indică cât de mult se modifică volumul unui material per unitate de volum per Kelvin sau grade Celsius. Acesta este asociat cu coeficientul de expansiune liniară (αL) și dimensiunea materialului.
Relația dintre coeficientul de expansiune a volumului și coeficientul de expansiune liniară este:
Coeficientul de expansiune a volumului αV
\alpha_V = \frac{\frac{\Delta V}{V_0}}{d T}
- αV ist der lineare Volumenausdehnungskoeffizient in der Einheit 1/K (Kelvin).
- ΔV ist die Änderung des Volumens des Materials in einer bestimmten Richtung.
- V0 ist das ursprüngliche Volumen des Materials, bevor es der Temperaturänderung ausgesetzt wurde.
- dT ist die Temperaturänderung in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C).
În cazul modificărilor reduse de temperatură, αV poate fi simplificat după cum urmează:
\alpha_V = 3 \times \alpha_L
în majoritatea cazurilor, materialele au un coeficient de expansiune liniară pozitiv și, prin urmare, se extind atunci când sunt încălzite. Cu toate acestea, există anumite materiale care au un coeficient negativ de expansiune și contractare pe măsură ce temperatura crește, cunoscut drept expansiune termică anormală sau negativă.
Cunoașterea diferitelor tipuri de expansiune termică este extrem de importantă pentru proiectarea și selectarea materialelor din diferite aplicații, având scopul de a ține cont de și a minimiza problemele potențiale cauzate de schimbările de temperatură.
Exemplu de calcul pentru coeficientul de expansiune al aluminiului
Un bloc de aluminiu are un volum original V0 de 0,25 m x 0,25 m x 1 m. Coeficientul de expansiune αL este de 23,1 x 10-6 K-1. Temperatura crește cu 30 K.
V_1 = V_0 + \alpha_V \times v_0 \times \Delta T
V_1 \approx 0.06263 m^3
Factori care afectează expansiunea termică
Compoziția materialului este un factor critic care afectează coeficientul de expansiune. Compoziția materialului determină modul în care atomii sau moleculele din material se deplasează și interacționează unele cu celelalte în timpul schimbărilor de temperatură, ceea ce determină în cele din urmă proprietățile de expansiune termică ale materialului.
- Materiale omogene: Materialele confecționate dintr-un singur element sau compus au în mod tipic un coeficient de expansiune bine definit și constant pe un interval specific de temperatură.
- Materiale compozite: Materialele care sunt compuse din faze sau componente diferite pot avea proprietăți de expansiune termică mai complexe. Diferiții coeficienți de expansiune ai componentelor pot duce la tensiuni interne, în special atunci când fazele intră în expansiune la temperaturi diferite.
Influența stresului mecanic
Influența stresului mecanic asupra expansiunii termice a unui material este un aspect important, care trebuie luat în considerare atunci când se analizează și se proiectează structuri și componente. Stresul mecanic se referă la expunerea unui material la forțe externe care cauzează deformarea sau tensionarea materialului. Acest lucru poate avea ca rezultat o schimbare a proprietăților de expansiune termică a materialului.
- Materialele elastice prezintă deformare reversibilă atunci când sunt supuse la stres mecanic. Aceasta înseamnă că revin la forma lor originală după ce tensiunea este îndepărtată, cum ar fi cazul benzilor de cauciuc sau al garniturilor.
- Materialele din plastic, pe de altă parte, prezintă deformări ireversibile sub tensiune mecanică, iar acestea nu revin complet atunci când tensiunea este îndepărtată, cum ar fi în cazul îndoirii unui fir metalic sau apăsarea pe o bucată de metal.
Tensiunea mecanică poate duce la apariția tensiunilor interne în interiorul materialului, ceea ce poate afecta expansiunea termică. Atunci când materialul este supus la tensiuni mecanice, atomii se pot deplasa sau rearanja în anumite zone ale materialului, ceea ce poate conduce la diferențe locale în caracteristicile de expansiune. Aceste tensiuni interne pot cauza o expansiune neuniformă a materialului în timpul schimbărilor de temperatură.
Metode de măsurare pentru determinarea coeficientului de expansiune
Dilatometria este o metodă utilizată în mod obișnuit pentru măsurarea expansiunii termice a materialelor. Un eșantion de material supus testului este introdusă într-o configurație de testare a dilatometrului, care este echipată cu un dispozitiv de încălzire și răcire. Eșantionul este supus unei modificări definite a temperaturii în timp ce modificarea lungimii materialului este măsurată cu precizie. Coeficientul de expansiune liniară poate fi calculat măsurând modificarea lungimii și cunoscând modificarea temperaturii.
Interferometria este o metodă optică bazată pe modelul de interferență al undelor de lumină. Această metodă utilizează un interferometru pentru a ilumina un eșantion. Modelul de interferență este apoi observat pe măsură ce temperatura eșantionului este modificată. Coeficientul de expansiune liniară este determinat prin maparea modificării modelului de interferență la modificarea lungimii eșantionului. Interferometria oferă măsurători precise pentru un interval larg de temperatură.
