Коэффициент температурного расширения стали

Важная информация в статье: "Коэффициент температурного расширения стали" с профессиональной точки зрения. Все вопросы можно задавать дежурному специалисту.

Коэффициент температурного расширения стали

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 l и V — длина и объем тела при температуре T, 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 .

В табл. 3.2.1 приведены значения α20 для металлов и сплавов и коэффициенты уравнения lT= l(1 + aT + bT 2 ), где l — длина образца при 0 °С. Интервал температур, в котором применимо это уравнение, указан в третьей графе. В табл. 3.2.2 представлены средние коэффициенты линейного расширения некоторых материалов, в табл. 3.2.3 — данные по объемному термическому расширению неорганических и органических жидкостей, далее — произведение pv, отнесенное к pV при нормальных условиях: для газов — в табл. 3.2.4–3.2.18, для простых веществ и неорганических соединений — в табл. 3.2.19–3.2.22, для органических соединений — в табл. 3.2.23–3.2.26.

Линейное расширение металлов и сплавов

Коэффициенты линейного расширения строительных материалов

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.

§ 9.2. Тепловое линейное расширение

Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объемаобъемное расширение. У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твердого тела прямо пропорционально изменению температуры (рис. 9.3). Так как удлинение при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от первоначальной длины тела, удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины Δl = l l к первоначальной длине l. Относительное удлинение

пропорционально изменению температурыΔt = t t:

(9.2.1)

Коэффициент пропорциональности α1 называют температурным коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при нагревании его на 1 К. Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α1 от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. Для большинства веществ этот коэффициент мал, его значения составляют 10 -5 —10 -6 К -1 .

Особенно мал коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от -30 до +100 °С у инвара (сплав железа и никеля). Поэтому инвар применяют для изготовления точных инструментов, используемых при определении размеров тел. Линейные размеры самого инструмента из инвара мало зависят от колебаний температуры.

Линейные размеры тела, как вытекает из формулы (9.2.1), зависят от изменения температуры следующим образом:

(9.2.2)

В формулах (9.2.1) и (9.2.2) обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t= 0 °С) и соответственно l считают длиной тела при этой температуре. На практике же начальная температура тела далеко не всегда бывает равна 0 °С. Тогда расчет длины тела при любой температуре можно выполнить так. Пусть при температуре t1 длина тела равна l1 а при температуре t2 она равна l2. Тогда, считая начальную температуру t= 0 °С, имеем:

Читайте так же:  Истек срок поверки счетчика воды как начисляется

(9.2.3)

Однако, учитывая, что значение α1 очень мало, формулу (9.2.3) можно упростить. Умножив числитель и знаменатель на 1— α1t1, получим:

Ввиду малости коэффициента ах члены, содержащие α1, малы по сравнению с членом, в который входит α1 в первой степени (точнее, α1t ›› t 2 ). Поэтому их можно отбросить. В результате формула для вычисления длины 12 оказывается более простой и достаточно точной для инженерной практики:

(9.2.4)

Решая задачи с учетом теплового линейного расширения тел, необходимо иметь в виду, что при изменении температуры меняется не только длина, но и все другие линейные размеры тела. Так, у круглого стержня при нагревании увеличивается диаметр, и притом во столько раз, во сколько увеличивается длина стержня. У пластинки в одно и то же число раз увеличиваются длина, ширина и толщина. Если начертить на пластинке какую-нибудь линию, то длина этой линии при нагревании увеличится в такое же число раз. У окружности увеличатся ее длина и диаметр.

При нагревании пластинки, имеющей круглое отверстие, диаметр отверстия тоже увеличится. Дело в том, что при равномерном нагревании в теле не возникают силы упругости. Поэтому расширение происходит так, как если бы пластинка была сплошной. Точно так же увеличивается при нагревании диаметр гайки, размеры раковины в толще металлической отливки и т. д.

В справедливости сказанного можно убедиться на опыте с металлическим шаром, о котором уже шла речь в § 9.1. Шар застревает в кольце, если его нагреть, и проходит с большим зазором, если нагреть кольцо. Наоборот, при охлаждении кольца шар застревает, а охлаждение шара увеличивает зазор между ним и кольцом.

Линейные размеры, твердых тел увеличиваются прямо пропорционально росту температуры.

Коэффициент линейного расширения (из марочника сталей). Справочник

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!
1 Физические характеристики материалов приняты согласно ПНАЭ Г-7-002-86. Промежуточные значения характеристик материала определяются линейной интерполяцией.
2 Справочные данные, приведенные на сайте, имеют статус «ознакомительный» и не могут заменить использование официальных источников (ПНАЭ, ГОСТы и т.п.).

Определение (расчет) теплового расширения трубопровода

Определение (расчет) теплового расширения трубопровода производится по следующей формуле:

∆L = а х L x ∆t, где

а – коэффициент температурного расширения, мм/(м о С);

L – длина трубопровода (расстояние между неподвижными опорами), м;

∆t – разница значений между максимальным и минимальным значением температур рабочей среды, о С.

Как видно данный расчет способен провести любой посетитель нашего сайта.

Таблица линейного расширения труб из различных материалов

Коэффициент линейного расширения, мм/м °С

Сталь черная и оцинкованная

0,0115

Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20)

Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий)

Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно)

Сшитый полиэтилен (PEX)

Рассмотрим пример расчета теплового расширения трубопровода:

максимальна температура tmax= 140 о С, минимальная tmin = -20 о С, длина участка трубопровода 30м.

Решение: ∆t = 140 — (-20) = 160 о С, ∆L = 0,0115 х 160 х 30 = 55,2мм.

Значение а – коэффициента линейного расширения стальной «черной» трубы для диапазона температур 160 о С берем из таблицы.

Получаем, что для компенсации теплового расширения трубопровода при заданных условиях подходит сильфонный компенсатор с осевой компенсирующей способностью 60мм и более.

В том случае если ∆L – тепловое расширение трубопровода окажется больше имеющихся компенсирующих способностей компенсаторов, то следует уменьшить длину трубопровода пропорционально имеющейся компенсирующей способности.

Коэффициент температурного расширения

Определение и формула коэффициента температурного расширения

При изменении температуры происходит изменение размеров твердого тела, которое называют тепловым расширением. Различают линейное и объемное тепловое расширения. Эти процессы характеризуют коэффициентами теплового (температурного) расширения:

— средний коэффициент линейного температурного расширения, средний коэффициент объемного теплового расширения.

Применяют, обычно средний коэффициент линейного расширения. Это характеристика теплового расширения материала.

Если первоначальная длина тела равна

, — его удлинение при увеличении температуры тела на , тогда определен формулой:

Коэффициент линейного удлинения является характеристикой относительного удлинения (

), которое происходит при увеличении температуры тела на 1К.

При увеличении температуры увеличивается объем твердого тела. В первом приближении можно считать, что:

где

— начальный объем тела, — изменение температуры тела. Тогда коэффициентом объемного расширения тела является физическая величина, которая характеризует относительное изменение объема тела (), которое происходит при нагревании тела на 1 K и неизменном давлении. Математическим определением коэффициента объемного расширения является формула:

Тепловое расширение твердого тела связывают с ангармоничностью тепловых колебаний частиц, составляющих кристаллическую решетку тела. В результате данных колебаний при увеличении температуры тела увеличивается равновесное расстояние между соседними частицами этого тела.

При изменении объема тела происходит изменение его плотности:

где

— начальная плотность, — плотность вещества при новой температуре. Так как величина то выражение (4) иногда записывают как:

Коэффициенты теплового расширения зависят от вещества. В общем случае они будут зависеть от температуры. Коэффициенты теплового расширения считают независимыми от температуры в небольшом интервале температур.

Видео (кликните для воспроизведения).

Существует ряд веществ, имеющих отрицательный коэффициент теплового расширения. Так при повышении температуры такие материалы сжимаются. Обычно это происходит в узком интервале температур. Есть вещества, у которых коэффициент теплового расширения почти равен нулю около некоторого определенного интервала температур.

Читайте так же:  Приказ о доплате за совмещение должностей образец

Выражение (3) применяют не только для твердых тел, но и жидкостей. При этом считают, что коэффициент температурного расширения для капельных жидкостей изменяется при изменении температуры не существенно. Однако при расчете систем отопления его учитывают.

Связь коэффициентов теплового расширения

В первом приближении можно считать, что коэффициенты линейного и объемного расширения изотропного тела связаны соотношением:

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициентов температурного расширения в системе СИ является:

Примеры решения задач

Задание Для того чтобы определять коэффициент объемного расширения жидкостей используют приборы, которые называют пикнометры. Это стеклянные колбы с узким горлом (рис.1). На горлышке ставят отметки о вместимости сосуда (обычно в мл). Как применяют пикнометры?

Решение Измеряют коэффициент объемного расширения следующим образом. Пикнометр наполняют исследуемой жидкостью, до избранной метки. Колбу нагревают, отмечая изменение уровня вещества. При таких известных величинах как: начальный объем пикнометра, площадь сечения канала шейки колбы, изменение температуры определяют долю начального объема жидкости, которая поступила в шейку пикнометра, при нагревании на 1 К. При этом следует учесть, что коэффициент расширения жидкости больше, полученной величины, так как произошло нагревание и расширение и колбы. Следовательно, для вычисления коэффициента расширения жидкости добавляют коэффициент расширения вещества колбы (обычно стекла). Надо сказать, что, так как коэффициент объемного расширения стекла существенно меньше, чем жидкости, при приблизительных расчетах коэффициентом расширения стекла можно пренебречь.
Задание В чем состоят особенности расширения воды? В чем значение этого явления?
Решение Вода, в отличие от большинства других жидких веществ, расширяется при нагревании, только если температура выше 4 o С. В интервале температур объем воды при увеличении температуры уменьшается. Пресная вода при имеет максимальную плотность. Для морской воды максимальная плотность достигается при. Рост давления понижает температуру максимальной плотности воды.

Так как почти 80% поверхности нашей планеты покрыто водой, то особенности расширения ее играют значимую роль в создании климата на Земле. Лучи Солнца, попадая на водную поверхность, нагревают ее. Если температура ниже 1-2 o С, то нагревшиеся слои воды имеют большую плотность, чем холодные и опускаются вниз. При этом их место занимают более холодные слои, которые в свою очередь нагреваются. Так идет постоянная смена слоев воды и это ведет к прогреванию водяной толщи, до момента достижения максимальной плотности. Дальнейшее увеличение температуры приводит к тому, что верхние слои воды уменьшают свою плотность и остаются наверху.

Так, получается, что большой слой воды прогревается до температуры максимальной плотности довольно быстро, а дальнейшее увеличение температуры идет медленно. В результате глубокие водоемы Земли с некоторой глубины имеют температуру около 2-3 o С. При этом температура верхних слоев воды в морях теплых стран может иметь температуру около 30 o C и выше.

Коэффициент теплового расширения и теплопроводность некоторых сталей

Коэффициент теплового расширения в зависимости от температуры нагрева стали рассчитывался по дилатометри­ческим кривым. Из приведенных в таблице ниже данных видно, что в зоне температур упру­гой области металла (400…500 °С), опасной для образования внутренних тепловых напряжений в инструменте, минималь­ным тепловым расширением обладает сталь 30СХВФ, а стали 40ХНМ и Д в большей мере, чем другие исследованные ста­ли, при нагревах склонны к изменению размеров. Сталь 16ХВФН при нагреве умеренно изменяется в объеме и по коэффициенту теплового расширения при всех температурах испытания близка к стали 30ХГСА и 20СХВФ

Сплавы с низким коэффициентом теплового расширения

В приборостроении в ряде случаев требуется сплавы с коэффициентом теплового расширения равным нулю или равным коэффициенту теплового расширения стекла. Для этого найдены аномальные системы Fe-Ni, и Fe –Pt, в которых коэффициент линейного расширения с изменением содержания одного из элементов меняется не линейно, а по сложной кривой с минимумом и максимумом. Поэтому можно подобрать сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения.

Сплав железа с 36% Ni называется «инвар» (в переводе — неизменный). Его коэффициент теплового расширения составляет α=1,5*10 -6 ( у железа α = 11*10 -6 ). У суперинвара α=1*10 -6 в интервале температур 60˚ С.- 100˚ С. Эти сплавы применяются для изготовления штриховых мер длины, деталей геодезических приборов, эталонов метра и т. д.

Сплав с 29% Ni и 18% Cо применяется для пайки со стеклом, так как такой сплав имеет с ним одинаковый коэффициент теплового расширения α=5*10 -6 .

Сплав Fe с 48% Ni имеет коэффициент теплового расширения α=9*10 -6 , как у платины и обычного стекла, поэтому называется платинит и применяется для ввода платиновых электродов через стекло в вакуумные системы.

Сплав Fe c 42% Ni имеет коэффициент теплового расширения 7,5*10 -6 , но в широком интервале температур20-300˚С, поэтому применяется более широко.

В некоторых случаях (например, в терморегуляторах) используется сплав Fe и 25Ni, который имеет очень большой коэффициент теплового расширения α=20*10 -6 .

Магнитные сплавы.

Магнитные сплавы широко применяются в машиностроении и приборостроении (двигатели постоянного и переменного тока, электромагниты, трансформаторы и т.д.) Магнитные сплавы делятся на две большие группы: магнитно-твердые сплавы (ГОСТ17809-72), из которых делаются постоянные магниты, и магнитно – мягкие сплавы(ГОСТ21427-75)ВА, из которых делаются, например, сердечники трансформаторов.

Читайте так же:  Ндс на продукты питания

От материала для постоянных магнитов требуется высокое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции и их неизменность во времени.

Для небольших магнитов бытового назначения используется хромистая сталь типа ЕХ3 (С-1%, Сr = 3% ,остальное- Fe) Буква Е означает магнитно-твердую сталь, а Х- содержание хрома в процентах. При добавлении Со (ЕХ9К15М) коэрцитивная сила возрастает до 170э, но Со дефицитен и поэтому такие магниты применение находят редко.

Большее применение находят магниты из более дешевых сплавов системыFe-Ni-Al типа АНК (Al–Ni–Si 13 – 33 – 1,0), имеющие коэрцитивную силу 750 э , но остаточную индукцию всего 4000 гс. При добавлении Со (АНКО4 :13% Ni , 9% Al , 24% Co, 3% Cu ) остаточная индукция достигает 12000 гс.

Для активной части роторов гистерезисных двигателей применяются сплавы с Со : комоль (12% Со, 17% Мо, остальное-железо), кунико (35% Сu, 24% Ni , 41% Co), викаллой (14% V, 52% Co) и платинит ( 77% Pt , 23% Co).

В машиностроении 80 % магнитных сплавов изготавливают литыми на основе системы Fe—Ni—Al с легированием Co, Cu, Ti и др. Наиболее высокой коэрцитивной силой из сплавов этой группы обладает литой магнит ЮНДК35Т5БА (Al=7%, Ni=14,5%, Co=35%, Cu=3,5%, Ti=4,5%) Hс =1560 э .

Такие же по составу сплавы получаются методом спекания. Маркируются такие сплавы следующим способом: ММК7, буквы ММК означают магнит металлокерамический, цифра означает порядковый номер. По магнитным свойствам спеченные магниты уступают литым.

В последнее время применяются все больше магниты c редкоземельными металлами (самарием, празеодимом, иттрием и другими элементами), изготавливаемые методом жидкофазного спекания тонких порошков с размером частиц

Сплавы с постоянным модулем упругости.

Сплавы Fe-NI, у которых модуль упругости не растет при нагреве, называются элинварными. Они применяются для упругих элементов и пружин точных приборов (камертонов, резонаторов и т.д.).

Сплав элинвар (36 %Ni , 12 %Cr , остальное-Fe) имеет нулевое значение коэффициента термоупругости γ. Более стабильно нулевой коэффициент термоупругости получается у сплавов типа 42НХТЮ (42 % Ni, 5,5 %Cr, 3%Ti, 1 %Al, остальное-. Fe .У такого сплава γ =1,5*10 -5 1/ о С в интервале температур 20-100 о C.

6. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ.

Свойства алюминия.

Алюминий- металл серебристо-белого цвета. Он не имеет аллотропических превращений, кристаллизуется в решётке гранецентрированного куба, с периодом а=4,0041 мм. Алюминий обладает низкой плотностью (2,7 г/см 3 ), хорошей теплопроводностью (0,52 кал/см*с* О С), низким электросопротивлением (0,027 Ом.мм 2 /м), составляющим 65 % от меди, высокой коррозионной стойкостью, низкой прочностью σb =90 МПа, высокой пластичностью δ =30 %. Температура плавления составляет 600 О С. Литейные свойства чистого алюминия не высоки. Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, плохо обрабатывается резанием. Из-за легкого окисления на воздухе и образования на поверхности плотной окисной пленки окисла Al2О3, предохраняющей его от дальнейшего окисления, алюминий хорошо противостоит коррозии в атмосферных условиях, в воде и других средах. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте, а также в органических кислотах (лимонной, уксусной, винной и др.), и в контакте с пищевыми продуктами.

В зависимости от содержания примесей первичный алюминий бывает особой чистоты А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 и технической чистоты А85, А8 и др. Выпускается в виде проката (листы, профили, прутки и др.) и маркируется АДО, АД1 и т.д.. Технический алюминий применяется для ненагруженных деталей, когда от материала требуется легкость, коррозионная стойкость. Из алюминия изготавливаются рамы, двери, трубопроводы, фольга, цистерны, посуда, теплообменники, конденсаторы, шины, кабели и другие детали.

Линейное тепловое расширение

l1 начальная длина тела при температуре t1, метр
l2 конечная длина тела при температуре t2, метр
Δl удлинение тела l2-l1, метр
Δt разность температур t2-t1, метр
α коэффициент линейного расширения (линейный коэффициент теплового расширения), 1/К

то в хорошем приближении справедливы равенства

Коэффициент линейного расширения (линейный коэффициент теплового расширения)

Коэффициент линейного расширения α равен отношению относительного удлинения Δl/l к разности температур Δt.

Коэффициенты температурного расширения металлов

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 10 6 .
Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 10 6 , 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.

Читайте так же:  Выбор банка для перечисления зарплаты закон

Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.

Аустенитные жаропрочные стали

Аустенитные жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин, и других «горячих» деталей реактивных двигателей — в основном для работы при 600-700 0 С. Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они не менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550-600°С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

К этой гpyппe материалов относят сплавы системы Fe—Ni. При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой. Согласно правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется по непрерывной криволинейной зависимости. В сплавах Fe—Ni эта зависимость более сложная что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения — инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцecca.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность М, в области парапроцecc с ростом поля практически не меняется. В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов, несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикциные явления.

Магнитострикция — изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (H H,) — объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявляются лишь при нагреве пo температур выше температуры точки Кюри (г > 6), когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры домена условно показаны на pиc. 16.3 в виде наименьшего квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t 0 С имеет ? = — 1.2*10 -6 ` l/ 0 C. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагреве выше температуры точки Кюри ферромагнитная часть коэффициента теплового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент ? резко возрастает. Все сказанное объясняет аномально заниженные значения коэффициента ? у инварных сплавов.

В инварных железоникелевых сплавах, содержащих 29-45 % Ni, обнаружена ферромагнитная аномалия коэффициента ?. Минимальное значение коэффициента ? в интервале температур 0-100 0 С имеет сплав с 36 % Ni. При более высоких температурах этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.

Сплав 36Н, называемый инваром (неизменный),— основной представитель сплавов с минимальным коэффициентом ?. Низкое значение коэффициента ? в области температур 20—25 0 C, а также хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуатации.

Таблица 3 . Свойства сплавов инварного типа (ГOCT 10994 —74)

Массовая доля элементов, %

Температурный интервал измерения, 0С

Значения коэффициента ? в значительной степени зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обработки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации, выделяясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента ?. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции пapaпроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента ? у инвара достигается после закалки от 830 `С, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 0 С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95 `С в течение 48 ч снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента ?.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа,называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента ? (табл. 3).

Особую гpyппy составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким образом, чтобы коэффициент ? сплава соответствовал коэффициенту ? материала, с которым производится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечивает сохранение спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и пол учение герметичного соединения.

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в отношении пластичности и хорошей обраба.

Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов электромеханических фильтров и пp.). Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.

Читайте так же:  Поле код 22 в платежном поручении

Природа аномалъности изменения модуля упругости при нагреве, так же как и природа инварности, ферромагнитного происхождения

Внешние растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнит ному полю, ориентируя магнитные векторы доменов и вызывая магнитострикцию (линейную и объемную), которую в этом случае называют иеханострикцией.

Рис. 16.5. Упругая частъ диаграммы деформации ферромагнетика

В резулътате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних напряжений будет складываться из yпpyгoмеханической и механострикционной составляющих.

На рис. 16.5 показана диаграмма упругой деформации ферромагнетика. Если до приложения нагрузки наложитъ оченъ болъшое внешнее магнитное поле, которое исчерпает магнитострикционную деформацию, то модулъ упругости ферромагнетика будет oпpeделиться толъко упругомеханической деформацией и значения его будут болъшими:

Таким образом, во всех ферромагнитных материалах модулъ нормалъной упругости несколъко занижен из-за наличия деформации ферромагнитной природы.

Рис. 16.6. Схема изменения модуля yпpугости ферромагнетика при нагреве

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом у, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:

где ? — модуль упругости при 20`С. В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равны нулю.

Для сплавов Fe — Ni значения термоyпpyгoгo коэффициента определяются со- держанием никеля (рис. 16.7). В сплавах, содержащих от 29 до 45 % Ni, коэффи- циент у имеет положительное значение, что свидетельствует о наличии большой аномалии в изменении модуля нормаль- ной упругости при нагреве. Сплавы с содержанием 29 и 45 % Ni имеют нулевые значения коэффициента ј. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко меняют значения у. Поэтому сплавы Fe—Ni дополнительно легируют xpoмом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение у, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), названный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает недостатками. Во- первых, он имеет низкие значения механических характеристик. которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, сплав имеет невысокую температуру точки Кюри, что ограничивает рабочий интервал температур.

Рис. 16.7. Зависимость термоупругого коэффициента у от содержания никеля в сплавах Fe — Ni

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (ЗбНХТЮ) что позволило упрочнять его термической обработкой, но дополнительно снизили температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими yпpyгими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются немагнитность и высокая корроэионная стойкость в агрессивных среда

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений коэффициента у и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от 950`С, при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску — старению при 780 C в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде выделяется промежуточная метастабильная у’-фаза. Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента у в пределах

Видео (кликните для воспроизведения).

Дальнейшее распространение элинварны е сплавы получили в виде сплавов с содержанием 5-6 % Cr и 42-44 % Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю (см. рис. 16.7). Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяют температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют танталом и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой (табл. 16.2). Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным Приведены е сплавы обладают xopoшими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением. Основной недостаток данных сплавов — нестабильность значения коэффициента у при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.

Источники


  1. Тихомиров, М. Ю. Защита жилищных прав. Комментарии, судебная практика, образцы документов / М.Ю. Тихомиров. — М.: Издание Тихомирова М. Ю., 2016. — 144 c.

  2. Сомов, В.П. Латинско-русский юридический словарь: моногр. / В.П. Сомов. — М.: ГИТИС, 2014. — 104 c.

  3. Маранц, Ю. В. Постатейный комментарий к Федеральному закону «О судебной системе Российской Федерации» / Ю.В. Маранц. — М.: Юстицинформ, 2014. — 120 c.
  4. Пепеляев, С. Г. Компенсация расходов на правовую помощь в арбитражных судах / С.Г. Пепеляев. — М.: Альпина Паблишер, 2012. — 186 c.
Коэффициент температурного расширения стали
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here