Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16, АК и др.

В таблице представлены состав и теплофизические свойства алюминиевых сплавов для нагартованного, закаленного и отожженого состояний сплава:

• плотность сплавов, кг/м3;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Теплофизические свойства представлены для следующих сплавов алюминия: А, АМц, АМг, Амг1, АМг5, АВ, Д18, Д1, Д16, АК8, АК4, 32S, В95. Свойства сплавов даны при комнатной температуре, за исключением коэффициента теплового расширения (КТР), который указан для интервалов температуры 20-100, 20-200 и 20-300°С.

Хромоникелевые стали с содержанием никеля до 20%

В таблице представлены коэффициенты линейного расширения хромоникелевых сталей с содержанием никеля до 20%. К этому типу стали относится значительное многообразие марок, которые обладают широким диапазоном ТКЛР — от 8 до 17,5·10-6 град-1 при температуре до 100°С и от 10 до 24,6·10-6 град-1 в диапазоне до 1000°С.
Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали с содержанием никеля до 20%

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Представлена сводная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов. В ней приведены значения теплопроводности распространенных алюминиевых сплавов (сплавы алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком, литейные сплавы, дюралюминий) при различной температуре в диапазоне от 4 до 700К.

По данным таблицы видно, что теплопроводность алюминиевых сплавов в основном увеличивается с ростом температуры. Наибольшей теплопроводностью при комнатной температуре обладает такой сплав, как АД1 — его теплопроводность при этой температуре равна 210 Вт/(м·град). Более низкая теплопроводность свойственна в основном литейным алюминиевым сплавам, например АК4, АЛ1, АЛ8 и другим.

Температура в таблице в градусах Кельвина !
Таблица теплопроводности сплавов алюминия

Свойства сплавов алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком

В таблице представлены состав и следующие теплофизические свойства алюминиевых сплавов:

• плотность сплавов, кг/м3;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
• коррозионная устойчивость в воде и на воздухе;
• температура изменения прочности.

Плотность, теплопроводность и коэффициент линейного теплового расширения сплавов представлены в зависимости от температуры в интервале от 500 до 660°С. Плотность алюминиевых сплавов с кремнием и цинком наиболее высока. Из легких сплавов можно отметить сплавы, содержащие магний.

Следует отметить, что наибольшей коррозионной устойчивостью в воде и на воздухе обладают алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди — они устойчивы к коррозии до температуры 200…250°С. Такие сплавы также обладают высокими прочностными характеристиками.

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:

p=(R*S)/l.

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:

• Материал. У разных металлов различная плотность атомов и количество свободных электронов;
• Примеси. В чистых металлах кристаллическая решётка более упорядоченная, поэтому сопротивление ниже, чем в сплавах;
• Температура. Атомы не находятся на своих местах неподвижно, а колеблются. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний, создающая помехи движению электронов, и выше сопротивление.

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:

R=(p*l)/S.

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

g=1/R.

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:

• Теплоемкость.
• Теплопроводность.
• Температуропроводность.
• Коэффициент теплового расширения.

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

с = 0,18 кал/(Г˚С)

при Т, превышающей температуру плавления:

с = 0,23±0,03 кал/(Г˚С)

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

• чугун в твердом состоянии с’ = 1 кал/(см3Г˚С)
• расплавленный с’ = 1,5 кал/(см3Г˚С)

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:

• Белый чугун (БЧ). Содержит карбид (цементит) – это форма углерода, такая же, как в стали. Имеет на сломе беловатый цвет. Очень твердый и хрупкий. В чистом виде почти не используется.
• Серый чугун (СЧ). Содержит углерод в форме пластинчатого графита. Такие включения плохо влияют на качество материала. Для изменения формы зерен графита существуют специальные методы плавки и дальнейшей обработки. Графит в СЧ может быть и в форме волокон («червеобразная» форма) – так называемый вермикулярный графит (от латинского слова vermiculus – червь, как вермишель).
• Высокопрочный. Шаровидная форма графитовых зерен. Получают введением в сплав магния.
• Ковкий чугун. Для получения отжигают БЧ. Графитные зерна в виде хлопьев.

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.

• Фосфор. Мало влияет на образование графита. Но все равно он нужен, потому как улучшает жидкотекучесть. Твердые включения фосфора обеспечивают высокую твердость и износостойкость металла.
• Марганец. Мешает графитизации, как бы «отбеливает» чугун.
• Сера. Как и кремний, способствует отбеливанию металла, да еще и ухудшает жидкотекучесть. Количество серы в сплаве ограничивают. Для мелкого литья не больше 0,08%, для деталей больше – до 0,1-0,12%.
• Кремний. Сильно влияет на свойства материала, увеличивая графитизацию. В металле может содержаться от 0,3-0,5 до 3-5% кремния. Варьируя количество кремния, получают сплав с разными свойствами – от белого до высокопрочного.
• Магний. Помогает получить материал с шаровидной формой зерен. Градус кипения магния низкий (1107˚С). По этой и другим причинам ввод магния в сплав затруднителен. Чтобы избежать его кипения, выплавку материала ведут с применением различных способов ввода магния.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=6uDL-KX7Tqwu0026t=128s

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.

Топливо – кокс.

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.

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.

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.

Теплопроводность алюминиевых сплавов в зависимости от температуры

В таблице представлены состав алюминиевых сплавов и коэффициент их теплопроводности в диапазоне температуры от 173 (-100°С) до 773К (500°С). По данным таблицы видно, что чем больше содержится алюминия в сплаве, тем выше его теплопроводность. При нагревании алюминиевых сплавов, их теплопроводность, как правило, увеличивается.

Хромовольфрамовые и хромованадиевые стали

В таблице приведены средние коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовых и хромованадиевых сталей для интервала температуры от 27 до 1000°С. По данным таблицы видно, что эти типы стали имеют схожие значения ТКЛР.
Коэффициенты линейного расширения хромовольфрамовой и хромованадиевой стали

Теплопроводность сплава алюминия с литием

Даны значения коэффициента теплопроводности сплава алюминия с литием при комнатной температуре. Теплопроводность указана в зависимости от содержания лития в сплаве по массе (от 0 до 11%). Необходимо отметить, что увеличение процентного содержания лития приводит к уменьшению теплопроводности сплава.

Плотность, теплопроводность, теплоемкость алюминиевых сплавов Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16

Представлены значения плотности (при температуре 293К), коэффициента теплопроводности, Вт/(м·°С), и удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(кг·°С) некоторых алюминиевых сплавов в зависимости от температуры (свойства даны при температурах 25, 100 , 200, 300, 400 °С).

В таблице указана плотность, теплопроводность, теплоемкость следующих сплавов алюминия: Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16. Следует отметить, что плотность алюминиевых сплавов примерно одинаковая, но немного выделяется такой сплав алюминия, как Д-1 — его плотность равна 2800 кг/м3.

Теплопроводность, теплоемкость и удельное сопротивление сплава 1151Т

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности, Вт/(м·град), удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(г·град) и удельного сопротивления алюминиевого сплава 1151Т.

Свойства алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 400 °С). По данным таблицы видно, что теплопроводность этого сплава увеличивается при нагревании, однако в районе температуры 200°С имеет место некоторое ее снижение с последующим ростом. Такой же характер изменения свойственен и удельной теплоемкости сплава 1151Т. Удельное электрическое сопротивление рассматриваемого сплава увеличивается по мере роста его температуры.

Хромоникелевые стали и сплавы с содержанием никеля более 20%

Хромоникелевые стали с содержанием никеля более 20% имеют температурный коэффициент линейного расширения до 19,8·10-6 град-1 (сплав ХН46Б). Сталью такого типа с наименьшим значением ТКЛР является 04ХН40МДТЮ, ее средний коэффициент линейного расширения при температуре до 100°С равен 8,2·10-6 град-1.
Коэффициенты линейного расширения хромоникелевой стали с содержанием никеля более 20%

Температурные коэффициенты линейного расширения (КТР) сплава 1151Т

В таблице представлены значения температурных коэффициентов линейного расширения (КТР) алюминиевого сплава 1151Т. Коэффициенты линейного расширения алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 500 °С). При высоких температурах КТР сплава 1151Т увеличивается.

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

α L = 1 L ( ∂ L ∂ T ) p ≈ Δ L L Δ T {displaystyle alpha _{L}={frac {1}{L}}left({frac {partial L}{partial T}} ight)_{p}approx {Delta L over {LDelta T}}} , К −1 (°C−1) — относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений. Например, у анизотропных кристаллов, древесины коэффициенты линейного расширения по трём взаимно перпендикулярным осям: α x ; α y ; α z {displaystyle alpha _{x};alpha _{y};alpha _{z}} .

Для изотропных тел α x = α y = α z {displaystyle alpha _{x}=alpha _{y}=alpha _{z}} и α V = 3 α L {displaystyle alpha _{V}=3alpha _{L}} .

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

• 0,53·10−4 К-1 (при температуре 5—10 °C);
• 1,50·10−4 К-1 (при температуре 10—20 °C);
• 3,02·10−4 К-1 (при температуре 20—40 °C);
• 4,58·10−4 К-1 (при температуре 40—60 °C);
• 5,87·10−4 К-1 (при температуре 60—80 °C).

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 представлены значения коэффициента линейного расширения строительных материалов (КТЛР) и некоторых металлов при температуре до 100°С. Размерность коэффициента расширения в таблице — м/(м·°С) или 1/град (К -1 ).

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.

Из указанных строительных материалов наиболее низким коэффициентом теплового линейного расширения обладает клинкерный кирпич (его КТЛР равен 3,5·10 -6 1/град), а также древесина, штукатурки, стеновой кирпич и базальт.

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

Например, коэффициент линейного расширения алюминия равен 24·10 -6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали.

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

Чтобы вычислить увеличение линейных размеров материала за счет теплового расширения, необходимо умножить значение температурного коэффициента линейного расширения на линейный размер материала и на разность температур в градусах Цельсия или Кельвина. Например, стеновой кирпич (КТЛР= 0,000006 град -1 ) длиной 240 мм при нагревании на 100 градусов удлинится на 0,144 мм.

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.

источник

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.

При температуре от 27 до 100°С температурный коэффициент линейного расширения стали в среднем составляет от 10 до 18·10 -6 град -1 . Сталь в нагретом состоянии (в зависимости от типа) при 900-1000°С может иметь ТКЛР до 24,6·10 -6 град -1 .

Рассчитаем линейное удлинение балки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т длиной 0,5 метра при повышении ее температуры с 27 до 1027°С. По таблице средний коэффициент линейного расширения стали 12Х18Н10Т в диапазоне температуры 27…1027°С равен 22,3·10 -6 град -1 . Выполним расчет: 22,3·10 -6 ·(1027-27)·0,5=0,0111. Получаем величину линейного удлинения балки 0,0111 м.

В таблице приведены значения коэффициента линейного расширения углеродистой стали в интервале температуры от -173 до 1000°С. При нагревании такой стали ее ТКЛР увеличивается и может достигать 19,8·10 -6 град -1 (для стали У8) в диапазоне температуры 27-650°С.

Поскольку углеродистая сталь почти полностью состоит из железа и не содержит добавок никеля и хрома, ее ТКЛР в значительной мере определяется коэффициентом линейного расширения этого основного компонента. Например, максимальный коэффициент линейного расширения стали 20, как и у железа, составляет 14,8·10 -6 град -1 в диапазоне температуры от 27 до 700°С.

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.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn

В таблице представлены теплофизические свойства алюминиевых сплавов, содержащих медь и марганец. рассмотрены такие сплавы, как сплав 01205, 1201, Д21, Д20. Свойства сплавов представлены в зависимости от температуры в диапазоне от 25 до 400°С. Из рассмотренных сплавов наиболее теплопроводным является сплав Д20, с теплопроводностью 138 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Даны следующие теплофизические свойства сплавов:

• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град.

Хромистые стали

Хромистые стали имеют коэффициент линейного расширения в среднем от 10 до 13·10-6 град-1. Дополнительно стоит отметить стали ШХ15 и 40Х, значение ТКЛР которых составляет 13,4…15,7·10-6 град-1.
Коэффициенты линейного расширения хромистой стали

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si

В таблице представлены следующие теплофизические свойства сплавов алюминия с магнием и кремнием:

• плотность, кг/м3;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
• удельная теплоемкость, кДж/(кг·°С).

Свойства представлены в зависимости от температуры в интервале от 25 до 400°С. Даны свойства следующих сплавов: АД31, АД33, АД35, АВ. Следует отметить, что удельная теплоемкость сплавов увеличивается при нагревании.

Теплопроводность высокопрочных сплавов алюминия В93, сплав 1933, В95, сплав 1973, В96 и др.

В таблице приведены значения теплопроводности в размерности Вт/(м·град) в зависимости от температуры (интервал от 25 до 400°С) следующих алюминиевых сплавов: В93, В93пч, сплав 1933, В95, В95пч, В95оч, сплав 1973, В96Ц, В96Ц-3. Наиболее теплопроводными, по данным таблицы, являются сплавы В93, В93пч, сплав 1933, имеющие значение теплопроводности 163 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Источники: 1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с. 2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. 3. В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение). Справочник. Под общей ред. академика РАН И.Н. Фридляндера — К.: «Коминтех», 2005. — 365 с. 4. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная теника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999.- 320 с.

Хромомолибденовые стали

Хромомолибденовые стали по сравнению с другими типами имеют относительно невысокие значения ТКЛР. Коэффициенты линейного расширения стали этого типа имеют величину 9,7…15,5·10-6 град-1 при температурах до 1000°С.
Коэффициенты линейного расширения хромомолибденовой стали