Áruházunkat magyarra fordítjuk!
Mivel sok termék van az oldalunkon, ez időbe fog telni. Addig is a termékkatalógusunk angol nyelven lesz elérhető. Megértésüket köszönjük!
Oktatóanyag: Anyagok tágulási együtthatói – Anyagtudományi elmélet
Az anyagok tágulási együtthatói döntő szerepet játszanak az anyagtudományban. A tágulási együtthatók leírják, hogyan változnak az anyag méretei a hőmérséklet-ingadozások hatása alatt. Ez a cikk átfogó bevezetést nyújt a témához, beleértve a hőtágulás alapjait, a befolyásoló tényezőket és a különböző mérési módszereket. Összehasonlítjuk az anyagosztályok tipikus tágulási együtthatóit is, és elmagyarázzuk azok különböző iparágakban való használatát. Végezetül pedig foglalkozunk a hőterheléssel és az anyagok hőmérsékletkülönbségéből eredő károk megelőzésének módjaival.
A tágulási együtthatók használata és fontossága
Gépek és rendszerek tervezésekor és gyártásakor az anyagok tágulási együtthatóinak ismerete kulcsfontosságú szerepet játszik a gépészet és az egyedi gépépítés terén.
- Pontosság és méretpontosság: A gépészetben a pontosság nagy jelentőséggel bír, különösen a sajtoló és fröccsöntési alkalmazásokhoz használt szerszámépítés, valamint a precíziós berendezések esetében. A felhasznált anyagok tágulási együtthatóit figyelembe kell venni annak biztosítása érdekében, hogy a komponensek a hőmérséklet változásával megőrizzék méretpontosságukat. A hőtágulási tulajdonságok megértése segít a mérnököknek figyelembe venni a pontos méreteket és tűréseket, valamint biztosítani az alkatrészek és gépek méretpontosságát.
- Szerelvények és összeszerelés: Gépek tervezésekor az alkatrészeket gyakran különböző anyagokkal, például csavarokkal, csapszegekkel vagy présillesztéssel kell csatlakoztatni. Az anyagok tágulási együtthatóinak kompatibilisnek kell lenniük a működés során fellépő nemkívánatos feszültségek és deformációk elkerülése érdekében. A megfelelő illeszkedés kialakítása és az összeszerelés, figyelembe véve a hőtágulást, kritikus fontosságú a biztonságos és tartós csatlakozás biztosításához.
- Lineáris vezetők és siklócsapágyak: Lineáris vezetősíneket vagy siklócsapágyakat használó gépeknél fontos figyelembe venni a vezetősínek vagy vezetőelemek hőtágulását. A vezetők tágulási együtthatóit össze kell vetni a környező ház vagy szerkezet tágulási együtthatóival a sima mozgás és a konzisztens működés biztosítása érdekében.
- Hőmérséklet-kompenzáció: Egyes gépészeti alkalmazásokban az üzemi hőmérséklet jelentősen változhat, például kohókban vagy magas hőmérsékletű folyamatok esetén. Az alkalmazott anyagok tágulási együtthatóinak ismerete lehetővé teszi olyan hőkompenzációs rendszerek kifejlesztését, amelyek minimalizálják a deformációt vagy a gépek és alkatrészek károsodását a változó hőmérsékleten.
Tipikus anyaghossz-tágulási együtthatók
Az anyagok tágulási együtthatói az anyagosztálytól függően nagy mértékben változhatnak.
Fém
A fémek általában viszonylag magas lineáris tágulási együtthatóval rendelkeznek.
- Tágulási együttható, alumínium: 23 x 10-6 K-1
- Tágulási együttható, réz: 16,5 x 10-6 K-1
- Tágulási együttható, vas: 12 x 10-6 K-1
- Tágulási együttható, acél: 12 x 10-6 K-1
- Tágulási együttható, nikkel: 13 x 10-6 K-1
Megjegyzés: Ez az információ csak tájékoztató jellegű.
Polimerek
A polimerek tágulási együtthatója általában jelentősen nagyobb a fémekhez képest.
| Anyag | Tágulási együttható [x 10-6 K-1] |
|---|---|
| Polietilén (PE) | 100 – 250 |
| Polipropilén (PP) | 100 – 200 |
| Polisztirol (PS) | 50 – 100 |
| Polivinil-klorid (PVC) | 50 – 80 |
Megjegyzés: Ez az információ csak tájékoztató jellegű.
Kompozitok
A kompozitok több anyagkomponensből állnak, amelyeket egy mátrixban kötnek össze. A kompozit anyagok tágulási együtthatói nagyban eltérhetnek, és az egyes komponensek arányától függenek.
Fontos megjegyezni, hogy a műanyagok tágulási együtthatói negatívak is lehetnek. A hőmérséklet-változások stresszt okoznak ezekben az összetevőkben, aminek lehetnek előnyei és hátrányai.
A hőtágulás alapjai
A hőtágulás alapvető fizikai jelenség, amely az anyag méreteinek megváltozását okozza, amikor hőmérséklet-változásnak van kitéve. Ez a hatás az anyagban lévő atomok vagy molekulák mozgása miatt jelentkezik. A hőmérséklet növekedésével a részecskék átlagos mozgási energiája növekszik, ami az anyag tágulását eredményezi.
A lineáris tágulási együttható egy fizikai paraméter, amely azt jelzi, hogy egy anyag hossza mennyivel változik egységhosszonként, ha hőmérséklet-változásnak van kitéve. Egy anyag lineáris tágulását számszerűsíti egy adott irány mentén, például tengely, vezeték vagy rúd mentén.
Formálisan, a lineáris tágulási együttható (αL) egy anyag relatív hosszváltozása (ΔL/L0) hőmérséklet-változásonként (dT). A meghatározás a következő:
\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)
A lineáris tágulási együttható pozitív értéke azt jelenti, hogy az anyag a hőmérséklet növekedésével kitágul és megnyúlik. A negatív érték azt jelenti, hogy az anyag a hőmérséklet növekedésével összezsugorodik és összehúzódik. A legtöbb anyagnak pozitív a lineáris tágulási együtthatója, ami azt jelenti, hogy melegítéskor kitágulnak és lehűléskor ismét összehúzódnak.
A lineáris tágulási együttható általában a hőmérséklettől függ. Tágulási rendellenesség fordulhat elő fázistranszformációk közelében – például olvasztás vagy megszilárdulás során. Ezt a rendellenességet az anyag szerkezetében vagy halmazállapotában bekövetkező változások okozzák, és a termodinamikában kritikus pontként vagy konverziós pontként is ismert. Ez a kritikus pont döntő fontosságú lehet az alkatrészek vagy berendezések tervezésekor, mivel különös figyelmet kell fordítani a hőterhelés okozta károk elkerülésére.
Számítási példa a hőtágulási együtthatóra
A dilatométerrel 20 °C-os referencia-hőmérsékleten 0,1 m acélból készült tesztmintát vizsgálnak. 35 °C-on, az anyag hossza 0,100018 m.
\alpha_L = \frac{\frac{\Delta L}{L_0}}{d T}
\alpha_{L,Stahl} = 12 \times 10^{-6} K^{-1}
Lineáris tágulás
A lineáris tágulás az anyag hosszának egy adott irányba történő változását írja le, amikor hőmérséklet-változásnak van kitéve. Ez a fajta tágulás olyan anyagokban fordul elő, amelyek adott geometriai alakúak, például rudak, vezetékek vagy csövek. A lineáris tágulás azt jelenti, hogy az anyag egy tengely vagy vonal mentén kitágul.
- L0 - Eredeti hossz
- L1 - Kitágult hossz
- ΔL - Hossz változása
A lineáris tágulási együttható (αL) számszerűsíti az ilyen típusú expanziót, és jelzi, hogy egy anyag hosszúsága mennyivel változik Kelvin (K) vagy Celsius fok (°C) egységenként. A pozitív αL azt jelenti, hogy az anyag a hőmérséklet növekedésével kitágul, míg a negatív αL azt jelzi, hogy az anyag a hőmérséklet növekedésével zsugorodik.
Az anyagok felületi tágulása a hőmérséklet-változások során
A felületi tágulás az anyag felületének hőmérséklet-változások során bekövetkező változását írja le. Ez olyan anyagoknál fordul elő, amelyek lapos, kétdimenziós formák, például lemezek vagy fémlemezek.
A területi tágulás a két merőleges irányú lineáris tágulás kombinációja.
- W0 - Eredeti szélesség
- W1 - Megnövelt szélesség
- ΔW - Hossz változása
- L0 - Eredeti hossz
- L1 - Kitágult hossz
- ΔL - Hossz változása
A területtágulási együttható (αA) azt jelzi, hogy Kelvin- vagy Celsius-fokonként mennyit változik egy anyag területe egységenként. A lineáris tágulási együtthatóhoz (αL) és az anyag méretéhez kapcsolódik.
A területtágulási együttható a területváltozásból, a kezdő területből és a hőmérséklet-változásból kerül kiszámításra:
A területtágulási együttható 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
Számítási példa a réz hőtágulási együtthatójára
Egy elhanyagolható vastagságú rézlemez eredeti A0 területének mérete: 0,5 m x 1 m. A tágulási együttható αL is 16,5 x 10-6 K-1. A hőmérséklet 20 K-val emelkedik.
A_1 = A_0 + \alpha_A \times A_0 \times \Delta T
A_1 = 0.50027 m^2
Anyagok térfogattágulása
A térfogattágulás az anyag térfogatának változását írja le a hőmérséklet-változások során. Ez a háromdimenziós anyagokra, például kockákra vagy gömbökre vonatkozik. A térfogattágulás a három merőleges irányú lineáris tágulás kombinációja.
A térfogattágulási együttható (αV) azt jelzi, hogy Kelvin- vagy Celsius-fokonként mennyivel változik az anyag térfogata egy térfogategységenként. A lineáris tágulási együtthatóhoz (αL) és az anyag méretéhez kapcsolódik.
A térfogattágulási együttható és a lineáris tágulási együttható közötti kapcsolat a következő:
Térfogattágulási együttható 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).
Kis hőmérséklet-változások esetén az αV a következőképpen egyszerűsíthető:
\alpha_V = 3 \times \alpha_L
a legtöbb esetben az anyagok lineáris tágulási együtthatója pozitív, ezért melegítéskor tágulnak. Vannak azonban bizonyos anyagok, amelyek negatív tágulási együtthatóval és összehúzódással rendelkeznek a hőmérséklet növekedésével, más néven rendellenes vagy negatív termikus tágulással.
A hőtágulás különböző típusainak ismerete nagy jelentőséggel bír a különböző alkalmazásokban lévő anyagok tervezésében és kiválasztásában, mert figyelembe veszik és minimalizálják a hőmérséklet-változás miatti lehetséges problémákat.
Számítási példa az alumínium tágulási együtthatójára
Az alumíniumblokk eredeti térfogata V0: 0,25 m x 0,25 m x 1 m. A tágulási együttható: αL is 23,1 x 10-6 K-1. A hőmérséklet 30 K-val emelkedik.
V_1 = V_0 + \alpha_V \times v_0 \times \Delta T
V_1 \approx 0.06263 m^3
A hőtágulást befolyásoló tényezők
Adott anyag anyagösszetétele kritikus tényező, amely befolyásolja a tágulási együtthatót. Az anyag összetétele határozza meg, hogy az anyagban lévő atomok vagy molekulák hogyan mozognak és lépnek kölcsönhatásba egymással a hőmérséklet-változások során, ami végső soron meghatározza az anyag hőtágulási tulajdonságait.
- Homogén anyagok: Az egyetlen elemből vagy vegyületből készült anyagok általában jól meghatározott és állandó tágulási együtthatóval rendelkeznek egy adott hőmérséklet-tartományban.
- Kompozitok: A különböző fázisokból vagy komponensekből álló anyagok összetettebb hőtágulási tulajdonságokkal rendelkezhetnek. Az alkatrészek különböző tágulási együtthatói belső feszültségeket okozhatnak, különösen akkor, ha a fázisok különböző hőmérsékleten tágulnak.
A mechanikai stressz hatása
A mechanikai feszültség hatása egy anyag hőtágulására fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni a szerkezetek és alkatrészek elemzésekor és tervezésekor. A mechanikai feszültség az anyag deformációt vagy feszültséget okozó külső erőknek való kitettségét jelenti. Ez az anyag hőtágulási tulajdonságainak megváltozását eredményezheti.
- Mechanikai igénybevétel esetén a rugalmas anyagok visszafordítható deformációt mutatnak. Ez azt jelenti, hogy a terhelés megszüntetésével visszatérnek eredeti formájukba (például gumiszalagok vagy tömítések).
- A képlékeny anyagok azonban mechanikai feszültség alatt irreverzibilis deformációkat mutatnak, amelyek nem térnek vissza teljesen, amikor a feszültséget eltávolítják, például meghajlítanak egy fémhuzalt vagy megnyomnak egy fémdarabot.
A mechanikai feszültség belső feszültségeket eredményezhet az anyagban, ami befolyásolhatja a hőtágulást. Ha az anyag mechanikai igénybevételnek van kitéve, az atomok eltolódhatnak vagy átrendeződhetnek az anyag bizonyos területein, ami helyi tágulási jellemzők eltéréséhez vezethet. Ezek a belső feszültségek az anyag nem egységes tágulását okozhatják a hőmérséklet-változások során.
A tágulási együttható meghatározására szolgáló mérési módszerek
A dilatometriás módszer az anyagok hőtágulásának mérésére használatos. A vizsgált anyagból mintát helyeznek a dilatométeres tesztelőbe, amely fűtő- és hűtőkészülékkel van felszerelve. A minta meghatározott hőmérséklet-változásnak van kitéve, miközben az anyag hosszváltozását pontosan mérik. A lineáris tágulási együttható a hosszváltozás mérésével és a hőmérséklet-változás ismeretével számítható ki.
Az interferometria a fényhullámok interferenciamintázatán alapuló optikai módszer. Ez a módszer interferométert használ a minta megvilágításához. Az interferenciamintát ezután megfigyelik a minta hőmérsékletének változásakor. A lineáris tágulási együtthatót úgy határozzák meg, hogy az interferenciamintázat változását megfeleltetik a minta hosszának változásával. Az interferometria széles hőmérséklet-tartományban biztosít pontos méréseket.
